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非干涉光场的相位恢复算法研究

吴海燕  
【摘要】:由于光的频率较高,现有设备只能记录光场的强度信息,无法直接获得相位信息,因此需要借助强度信息来恢复光场的相位信息。相位恢复问题研究,对于天文、X射线相衬成像、衍射光学、波阵面重构和全息术等领域有重要意义。但是干涉法从强度测量恢复相位要求光源的空间和时间连续,由此会造成一系列分辨率、敏感性等问题。本文利用非干涉光场,对相位恢复算法进行了研究。目前非干涉技术恢复相位主要有基于强度传输方程(TIE)的确定性求解和迭代两大类。本文的主要研究工作如下: 首先研究了基于TIE方程的确定性求解相位的方法。总结了各种TIE方程的解法,如傅里叶法、多重网格法等。重点研究了傅里叶法,对成像距离参数影响进行了讨论,该算法计算速度快、对低频信息恢复较好,但是得到的是相位的近似解。通过模拟实验和真实实验验证,该算法适用于近场。 其次研究了迭代算法求解相位,总结了各种迭代算法如GS迭代、角谱迭代等。重点研究了角谱迭代算法,其思想是用随机相位作为迭代初始相位,利用平面角谱传播原理,在物面和像面之间反复迭代,从而获得物面相位讯息。通过模拟实验验证,该算法对高频信息恢复较好,但是适用于远场。 然后为了克服TIE方法和迭代算法的局限性,将TIE方法和迭代算法两者融合,即用TIE方程得到的解作为迭代算法的初始相位进行迭代。通过模拟实验和真实实验验证,该算法提高了TIE方程检索相位的精度,同时减少了迭代算法的计算负担,扩大了成像距离的适用范围。 最后,基于TIE、迭代及两者融合的算法,本文提出了整个非干涉光场的相位恢复算法模型,即在近场采用基于TIE方程算法,中场采用TIE与迭代融合算法,远场采用迭代算法。通过模拟实验验证,该算法模型对不同成像距离的相位复原效果都很好。


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