透镜模型下基于色散和强度传输方程的相位恢复技术

针对基于强度传输方程（Transport of Intensity Equation, TIE）的非干涉相位恢复技术要求光源是单色的限制,以及强度采集过程移动CCD或物体而引入的机械误差,提出了一种适用于透镜模型下的色散相位恢复技术。该方法基于透镜成像系统的相位变换特性,将色散与TIE结合在一起, 使不同波长的光经过透镜系统后在同一位置成像,从而在不机械移动的情况下获得聚焦和散焦强度图像。再利用散焦量与波长的关系结合TIE计算出物体的相位信息。模拟实验中用该方法恢复物体的相位与原始相位的相关性系数为0.970 7,均方根误差为0.061 8;同时真实实验对透镜阵列相位进行了恢复,实验结果与真实参数误差为1.74%,证明了所提方法的正确性和有效性。     

光强传输方程与图像插值融合的相位恢复

光强传输方程作为典型的相位恢复技术,在已知待测面光强分布与光强轴向微分时,可以通过求解该方程直接得到待测面的相位分布。强度微分可以通过采集沿传播方向的不同散焦面的光强信息以计算强度差分来估计,由此,散焦面的适当选择变得尤为重要。将光强传输方程与图像插值法相结合,在几何光学模型下描述采集的散焦面光强分布与聚焦面光强分布之间的关系,再利用图像插值法计算出模糊参数不同的散焦面的光强分布,由新得到的散焦图和采集的聚焦图代入光强传输方程以计算出相位。该方法只需要采集三幅强度图像,即可计算获得其他位置的强度图像,避免了采集设备的多次移动,也为某些特殊情况下无法获取适合位置的强度图像提供了一种解决途径。实验中搭建了一个实际的光强图像获取系统,所得结果验证了所提算法的有效性。     

基于硅基液晶变焦透镜的相位恢复方法

针对传统的基于光强传输方程(TIE)相位恢复方法中需要通过移动待测物体或者CCD以实现光强图像采集所造成的速度慢、精确度低等问题,提出了一种新的基于硅基液晶(LCOS)变焦透镜的相位恢复方法。首先,在LCOS上加载具有不同焦距的透镜相位分布图,使其实现变焦透镜的功能;然后通过本研究所设计的系统在同一成像平面上采集不同散焦距离的光强图像;最后求解TIE从而得到相位信息。该方法只需要改变LCOS上所加载的相位分布图即可形成不同的散焦图像,避免了传统方法中机械移动所造成的误差。模拟与实验结果均验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于光强传输方程与SLM的快速相位恢复

基于光强传输方程（TIE）的相位恢复技术,可以通过测量一系列垂直于光轴分布的散焦强度图,直接求解得到光场的相位信息。传统的基于TIE的强度图像采集系统在获得散焦图像时需要机械移动。通过在空间光调制器（SLM）上加载透镜相位图,使其实现可编程透镜的功能,任意改变此透镜的焦距值,可以实现不同的散焦距离,从而避免采集图像过程中CCD的移动。根据不同的算法理论,设计了两种光强图像采集系统。由于日常生活中使用相机拍照时,透镜的相位调制作用不可忽略,使用SLM代替含透镜的光传播模型中透镜的作用,设计了第一种实验装置。此外,通过在4f系统的频率域位置放置SLM,设计了第二种实验装置。真实实验的结果验证了这两种方法的有效性和正确性。     

自适应聚焦下基于强度传输方程的相位恢复

基于强度传输方程的非干涉相位恢复方法是通过对强度图像求解方程来获取相位的一种途径。在图像采集过程中,对聚焦图像的选择是很重要的。但该过程通常是由主观方法来确定,从而导致聚焦定位不准确,进而影响相位恢复结果的精度。首先,提出了一种基于强度传输方程的自适应聚焦相位恢复方法;其次,使用边缘占空比对采集图像进行定位,在求解相位之后进行循环角谱传播,直到边缘占空比定位位置不变,即被认为是定位到了最佳聚焦位置;最后,再使用强度传输方程求解样本的相位。结果证明:该方法不仅提高了相位恢复的准确性而且减少了获取大量图像的次数。在模拟实验中,恢复相位与原始相位的相关系数达到0.9866,均方根误差为0.3050。在实际的微透镜阵列实验中,用所提出的相位恢复方法恢复出的微透镜高度与真实高度误差仅为5.7%,证明了在显微成像领域,所提算法可以定位到最优聚焦位置,有利于自动聚焦技术的发展,进而提高相位恢复的精度。     

强度传输方程和角谱迭代融合的相位检索算法

相位检索技术将光学与计算相结合,从强度测量中恢复相位,包括强度传输方程法和角谱迭代法。但前者仅对近场相位的恢复有效,其基于相干照明的假设前提使得该方法不能直接应用于自然场景的相位检索中;而后者具有迭代不确定性、收敛速度慢等缺点。探讨了在相干照明情况下传统强度传输方程法和角谱迭代法相融合的相位检索算法,将该融合法进一步扩展,提出了适用于自然场景透镜模型的相位检索方法,即使用强度传输方程法计算像平面的相位,并将该相位值作为角谱迭代的初始值,根据光路的可逆性,迭代出物面的相位信息,分别给出了两种情况下的实验结果。     

自然光条件下基于Green函数的相位检索方法

基于强度测量的确定性相位检索技术将光学与计算结合起来，通过求解强度传输方程恢复相位信息，理论和实验证明是相位检索的可行途径.论文将Green函数应用于强度传输方程的求解中，给出Neumann和Dirichlet边界条件下新的推导方法.该方法中，Green函数的偏导数是四维矩阵，随着图像分辨率的提高，直接求解所占的内存空间比较大，提出了数值化处理方法，并推广到自然光条件下的相位检索中.同时，搭建了图像数据采集光学平台.模拟和真实实验验证了算法的正确性和实用性.     

基于子带信号处理的太赫兹SAR运动误差补偿方法

太赫兹合成孔径雷达（terahertz synthetic aperture radar,THz-SAR）波长短,可以工作在灰尘、雾霾等复杂战场环境。由于工作波长短,平台微小振动误差会使图像散焦严重。受高频振动误差的影响,目标除了自身响应外,沿方位向还会出现成对回波,给传统相位梯度自聚焦（phase gradient autofocus,PGA）算法强点提取和加窗操作增加了难度,影响运动误差提取精度。为了提高PGA算法精度,提出一种基于子带分解共轭消除相位误差的THz-SAR运动补偿方法,利用该概念可以重建出等效频率更低的SAR图像。由于相同运动误差对等效低频SAR图像影响大大降低,孤立强散射体散焦减弱,有利于强点提取和加窗。利用该图像结合PGA算法可实现运动误差信息的有效提取,并最终用于对原始THz-SAR图像的运动误差补偿。利用仿真数据和0.3 THz雷达实测数据进行了原理验证实验,结果验证了所提算法的有效性。     

半盲二维自聚焦SAR运动目标成像方法

在SAR对动目标成像时，由于目标运动的不确定性，针对静止目标的成像算法处理不能完全补偿由于目标运动引入的额外距离徙动（RCM）和方位相位误差（APE），因此，在SAR图像中，运动目标会出现二维散焦。已有方法都是针对残留距离徙动和方位相位误差分别进行估计和补偿，其补偿精度和计算效率还有待进一步改进。通过分析运动目标在SAR图像中的残留相位误差结构，提出一种针对运动目标散焦的二维自聚焦算法。新方法只需直接估计方位一维相位误差，然后利用先验的二维相位误差内部结构信息，将一维相位误差映射得到二维相位误差，从而实现精确的二维相位补偿。通过仿真实验验证了该方法在计算效率和估计精度上具有更明显的优势。     

一种多波长梯度加速相位恢复迭代算法

在传统多波长迭代算法的基础上,引入角谱传输理论和梯度加速函数,提出一种快速收敛的相位恢复迭代算法——多波长梯度加速迭代算法。该算法利用不同波长的光源经过相同光路在固定位置处所探测的光场强度信息,通过迭代逼近,并在迭代过程中引入梯度加速方法,提高收敛速度,从而恢复出输入面的相位信息。构建仿真模型,随机选取初始迭代值,对已知相位分布的输入场进行相位恢复,并与传统多波长迭代算法进行了比较,该算法表征相位面复原精度的相对均方根值均达到10-3数量级,收敛速率提高了两倍以上。在635~785nm波段内选取多组不同波长数量的入射光利用该算法进行对比实验,结果表明当波长数量为7、8时该算法具有良好快速的收敛特性及高精度的相位恢复能力。     

自然光条件下成像的相位检索方法与系统设计

相位检索技术利用直接测量得到的强度分布恢复相位信息,从而重建波函数,是光学和图像处理中的重要研究领域。在研究了现有的基于强度传输方程的相位检索的基础上,建立了符合自然光条件下普通相机拍摄图像原理的光传播模型,设计了相应的数据采集光学平台系统,并推导了新模型下的相位检索方法。模拟和真实实验结果验证了相位检索方法的合理性和正确性。新方法的提出将传统的基于强度传输方程的相位检索算法的应用范围扩展到了全息显示等宏观领域。     

Phase measurement of atomic resolution image using transport of intensity equation

Since the Transport Intensity Equation (TIE) has been applied to electron microscopy only recently, there are controversial discussions in the literature regarding the theoretical concepts underlying the equation and the practical techniques to solve the equation. In this report we explored some of the issues regarding the TIE, especially bearing electron microscopy in mind, and clarified that: (i) the TIE for electrons exactly corresponds to the Schr?dinger equation for high-energy electrons in free space, and thus the TIE does not assume weak scattering; (ii) the TIE can give phase information at any distance from the specimen, not limited to a new field; (iii) information transfer in the TIE for each spatial frequency g will be multiplied by g2 and thus low frequency components will be dumped more with respect to high frequency components; (vi) the intensity derivative with respect to the direction of wave propagation is well approximated by using a set of three symmetric images; and (v) a substantially larger defocus distance than expected before can be used for high-resolution electron microscopy. In the second part of this report we applied the TIE down to atomic resolution images to obtain phase information and verified the following points experimentally: (i) although low frequency components are attenuated in the TIE, all frequencies will be recovered satisfactorily except the very low frequencies; and (ii) using a reconstructed phase and the measured image intensity we can correct effectively the defects of imaging, such as spherical aberrations as well as partial coherence.     

基于透镜模型的部分相干光场相位检索技术

基于强度传输方程(TIE)的相位检索技术通过光学 与计 算的结合,利用强度信息恢复相位,避免了由于干涉法造成的分辨率、敏感性等问题,理论 和 实验证明是获取相位信息的一种可行途径。 这一方法是基于相 干照明假设前提推导出的,将TIE直接扩展到部分相干场是困难的,因为部分相干光 场对于时间是随机 波动的,需要使用点对之间的相关函数完整描述。结合部分相干光场的光学特性以及实际 成像中的透镜 相位调制作用,本文提出了一种基于透镜模型的部分相干照明下的相位检索新方法,并给 出了一致照明和 非一致照明下的相位检索结果。实验验证了新方法的合理性和正确性。新方法的提出,扩展 了传统的基于TIE的相位检索方法的应用范围。     

Distance estimation from image defocus for video surveillance systems

When dealing with depth recovery, the estimation of depth from defocus information provides an alternative method to stereo vision. A new depth from defocus method is described that needs only an estimation of the background together with the image of the object of interest, instead of the two images which traditional depth from defocus algorithms require.     

基于空间光调制器的多强度测量相位恢复方法

提出了一种基于相位型空间光调制器（SLM）的相位恢复方法。利用相位型SLM快速准确的相位调制特性,对待测物体的物光波前进行相位调制。每次相位调制后,在物光波的频谱面记录下强度分布。运用GS迭代算法,通过频谱面光强信息反演出相位信息,并且提出了内-外层迭代的思想,进一步提高了相位恢复精度。对一维相位光栅进行了相位恢复试验...     

基于离焦光栅的单帧深度学习相位反演算法

针对目前相位差法收敛速度慢以及需要CCD在焦面以及离焦面多次测量的问题,提出了基于离焦光栅的单帧深度学习相位反演算法。该算法用离焦光栅对入射波前进行调制,可同时在透镜焦平面上获得正负离焦以及焦面远场光强分布;此外算法引入卷积神经网络替代原有的多次扰动寻优过程,波前复原算法耗时大大降低。仿真结果表明:算法可根据单帧透镜焦面远场光强分布实现高精度快速波前复原,残差波前的均方根为入射波前均方根的6.7%,算法进行一次波前复原所需时间可小于0.6 ms。