X光超瑞利散斑场傅里叶变换关联成像模拟研究

X光傅里叶变换关联成像有望实现台式纳米显微系统,但在实际应用中受限于较低的光通量和成像信噪比,重构图像质量不佳.为解决这一问题,针对X光调制屏的二元特性,研究了基于X光超瑞利散斑场的傅里叶变换关联成像技术,并理论推导了二元调制屏调制散斑场,提出将散斑场对比度以及局部对比度之差作为目标函数,用带精英策略的非支配排序遗传算法优化设计二元调制屏.数值仿真结果表明,该方法可以得到高对比度的X光超瑞利散斑场,利用X光超瑞利散斑场可实现傅里叶变换关联成像,提高图像可见度,在低信噪比条件下提高图像质量.     

反射式赝热光源散斑场的三维特性研究

傅里叶变换关联成像通常采用透射式赝热光源,但透射产生散斑的纵向尺寸过大限制了成像纵向分辨率且透射式赝热光的光通量较低,这对实现三维傅里叶变换关联成像造成了阻碍。为解决这一问题,理论推导了反射式赝热光源散斑场的光强涨落关联函数,给出了散射屏放置在不同空间位置和倾斜角度时的纵向散斑尺寸。同时,进行了基于统计光学的数值模拟,模拟结果与理论结果吻合。结果表明,通过减小散射角和增大散射屏方位角等方法可以有效降低观察点处的纵向散斑尺寸,从而提高纵向成像分辨率。     

部分相干X光傅里叶变换鬼成像研究

鬼成像中通常是采用相干光辐照散射屏获取赝热光源,但是在X光波段,赝热光源的入射光为部分相干光,其空间部分相干性会对成像质量产生较大影响。采用高斯谢尔模型,理论分析了入射光的部分相干性对赝热X光二阶关联函数的影响,同时给出了基于统计光学的模拟结果,与理论结果吻合,均表明X光空间相干性会影响鬼成像的可见度和分辨率。在空间相干性有限的情况下,通过在散射屏前置尺寸与X光横向相干尺寸相当的针孔可以抑制部分相干性的影响,提高X光傅里叶变换鬼成像的可见度,将有利于实现X光傅里叶变换鬼成像技术的广泛应用。     

强散射体产生的像面散斑对比度与随机表面及成像系统关系的研究

在对4f光学成像系统中强散射体形成的像面散斑的统计特性的研究中, 首先通过散斑场光波复振幅的一般形式和双重指数函数近似求出散斑光强的系综平均, 然后利用散斑场光波复振幅的实部和虚部的旋转变换法求出散斑光强的方差, 最后得出了散斑对比度与随机表面统计参量和系统参量的直接表达式. 本结果与现有文献中包含随机表面相关面积或散射粒子数目的隐含表达式相比具有明显的改进, 并对标定随机表面的散斑对比度法具有重要意义. 关键词： 随机表面 像面散斑 对比度     

非均匀光强分布的反射式水下量子成像研究

在量子成像中,光源散斑强度的独立性与随机性影响了图像重建的质量,现用的赝热光源是由高斯分布的激光束调制而成。针对反射式量子成像技术中赝热光源的传输特性,结合水体散射理论,研究了重建图像的均方误差与光源光斑强度分布和光斑尺寸的关系,以及对常用的图像重建算法成像质量的影响,针对光强分布不均提出加权平均归一化算法。仿真结果显示,光斑强度分布越均匀成像质量越高,加权平均归一化算法能减小光强分布不均对成像质量的影响。所得结果有助于数字微镜空间光调制器的赝热光源反射式水下量子成像系统中对光源的优化和成像质量的提升。     

基于遗传算法的空间光调制器鬼成像研究

提出了基于空间光调制器(SLM)进行相位调制产生赝热光源的方案,并讨论了不同空间光调制器的像素阵列的排布方式对关联成像的影响,着重对空间光调制器的像素阵列排布方式进行了基于遗传算法的优化设计方法的研究,以提高赝热光场性能。结果表明,空间光调制器方案克服了毛玻璃方案的局限性,其产生的赝热光二阶关联性好,满足关联成像的需要,系统成像质量较高,该方案对新型关联成像赝热光源设计具有重要参考意义。     

基于稀疏阵赝热光系统的强度关联成像研究

强度关联成像在近几年取得很大的突破,其应用价值越来越明显。以随机涨落的热光作为光源是强度关联成像的前提。目前常使用激光穿过旋转的毛玻璃产生赝热光。鉴于使用毛玻璃产生赝热光的局限性,提出了使用稀疏阵独立子光源产生赝热光,并在这种光源结构下讨论了基于线性关联算法的强度关联成像和基于稀疏约束非线性算法的强度关联成像的异同。     

强度关联三维衍射层析的实验研究

提出了一种基于强度关联成像的新型三维衍射层析技术.利用强度关联成像技术(鬼成像)可实现无透镜傅里叶变换的特点,并结合衍射层析技术和二步相位恢复算法,使用波长为650 nm的赝热光实现了强度关联三维衍射层析.详细描述了强度关联三维衍射层析的基本原理以及具体实验结果,为在第三代同步辐射光源实现非相干X光衍射成像积累了经验.     

基于运动轨迹可调式随机相位板的赝热光鬼成像实验研究

为了保证采样的独立性,目前基于随机相位板的赝热光鬼成像系统是以每次移动不小于一个激光光斑大小进行相位调制的形式来产生高亮度的赝热光源。通过旋转、平移两台电机控制随机相位板的运动轨迹,搭建了一种运动轨迹可调的随机相位板赝热光鬼成像实验平台。基于差分鬼成像和稀疏约束鬼成像重构算法,从实验角度对比分析了随机相位板的偏移量Δx对赝热光鬼成像质量的影响。数值模拟和实验结果均表明,在相同的采样压缩比下,当随机相位板的偏移量Δx不大于物面处的散斑大小Δxs时,成像质量随着Δx的增大而提高;而当Δx大于Δxs时,随着Δx的增大,成像质量几乎不变。此外,稀疏约束鬼成像质量优于相同采样数下的差分鬼成像质量。     

基于统计光学的无透镜鬼成像数值模拟与实验验证

作为量子信息领域分支的鬼成像,由于物体的像将出现在不包含物体的光路上的特点,使得这一领域的研究引人入胜。一度认为,只有基于纠缠态双光子的纠缠光源,才能实现鬼成像;但近年来的研究表明,经典热光场也能实现这一过程。从经典统计光学入手,建立了热光场的数值模型,模拟符合热光特性的光场变化、光场传播、以及物体透射函数对热光场的调制,进而从光强度起伏的关联函数中,分别重现振幅型物体和纯相位型物体的傅里叶变换图像;通过与真实实验结果的对比,表明基于统计光学原理的该数值模型所预测的实验结果,与真实的实验结果完全一致。     

基于全光时域分数阶傅里叶变换的光脉冲最小损伤传输新方法

提出了一种基于全光分数阶傅里叶变换(optical fractional fourier transformation,OFRFT)的关于色散和自相位调制对光脉冲传输影响的分析方法,并基于该方法给出了一种新的光脉冲在光纤中传输最小损伤的方法,通过在发射端将输入的高斯光脉冲做OFRFT然后再送入到光纤中去传输,可以提高光脉冲抵抗色散和非线性的能力,仿真发现当色散占主要作用的时候,负阶数的分数阶傅里叶变换可以很大程度上减小光脉冲的展宽;当自相位调制作用占主要的时候,正阶数的分数阶傅里叶变换可以消除自相位调制作 关键词： 光脉冲传输 分数阶傅里叶变换 色散 自相位调制     

基于单幅散斑的X射线强度关联缺陷检测方法

采用预置散斑的X射线强度关联成像系统需要采集大量的散斑场,成像时间较长,而单幅散斑场信噪比低,难以单独用于图像重构。然而单幅散斑场中的空间分布信息包含一定的样品结构信息,可以用于样品缺陷快速检测。基于此,提出一种基于单幅预置散斑的缺陷检测方法,该方法将待检测样品探测散斑场与标准样品模拟散斑场的相关性作为样品缺陷的评价标准。同时基于该方法模拟X射线强度涨落二阶自关联检测光路,分析不同信噪比下探测散斑场分布的图像对比度对相关系数的影响。并对比多种细节增强方法,提高检测可靠性。最终结果表明,基于单幅散斑场的方法可以有效地进行样品的快速缺陷检测。     

非单色X光傅里叶变换鬼成像模拟

X光傅里叶变换鬼成像(FGI)有望实现台式纳米级显微系统,但其光源为小型化实验室X光源,单色性较差,难以直接获取高质量的样品衍射谱。针对这一问题,进行了非单色光FGI理论推导和数值模拟分析,阐明了非单色光源对衍射谱失真的影响机制,并在此基础上提出了衍射谱校正方法。基于不同波长对应的衍射谱之间的尺度变换关系,可以建立样品衍射谱与非单色光强度关联函数之间的矩阵方程,从而解算出样品衍射谱。     

散斑场相位涡旋及其传播特性的实验研究

用CCD记录散斑场和参考光的干涉图样, 利用傅里叶变换法实现了散斑场复振幅以及相位分布的实验提取, 在复振幅实部零值线和虚部零值线切点处出现一种新的相位奇点, 与两条零值线交点处的传统相位奇点周围单调螺旋变化的相位分布不同, 绕切点一周的相位具有先增大后减小几乎呈对称性分布的特性, 为了解释这种新的相位奇点,提出了准孪生相位涡旋的概念. 在理论研究散斑场强度的纵向自相关函数的基础上, 实验观察散斑场相位涡旋的传播, 发现在光强纵向相关长度范围内的不同传播距离处的观察面上, 复振幅实部和虚部随机变化而涡旋的 关键词： 相位涡旋 散斑 干涉     

探究微观世界的新方法——X 射线傅里叶变换鬼成像

鬼成像是一种基于光场涨落的量子或者经典关联特性,通过测量参考光场与目标探测光场之间的强度关联(二阶关联)函数,从而非局域地获取目标图像信息的新型成像技术。所谓非局域,可以通俗地理解为不用“盯”着物体,就能得到物体的像。鬼成像最初是利用具有纠缠特性的光子对完成的,所以早期人们认为只有具有量子纠缠特性才能实现鬼成像,这是一种量子效应。随后,人们发现量子纠缠不是实现鬼成像的必要条件,基于经典光场的强度(即光强)时空涨落和关联同样可以实现鬼成像。很快,对经典热光源实现关联成像也给出了理论解释。此后,人们对鬼成像的实现光源有了比较一致的认识,认为量子纠缠光源和经典的热光源都可以用来实现鬼成像。近年来,随着鬼成像技术的快速发展,为X射线高分辨成像提供了新思路。在无需透镜的情况下,可以利用非相干赝热X射线,在菲涅尔区获得与相干衍射成像相同的傅里叶变换图,即X射线傅里叶变换鬼成像(FGI)。FGI 对X射线源的空间相干性要求不高,可以使用实验室X射线源,具有广阔的应用前景。     

啁啾光脉冲的振幅调制和相位扰动对压缩光脉冲的影响

 通过采用分步傅里叶变换法求解非线性薛定谔方程,模拟了啁啾光脉冲有振幅调制和相位扰动下的自相位调制（SPM）对压缩光脉冲对比度和预脉冲宽度的影响。结果表明：啁啾光脉冲的振幅调制深度和相位扰动深度越大,则压缩后的光脉冲对比度越小;啁啾光脉冲的振幅调制周期和相位扰动周期越小,则压缩光脉冲的预脉冲宽度越大。     

相位编码光学加密算法的扩散及混淆特性分析

为了阐明相位编码光学加密算法的扩散及混淆特性,基于傅里叶变换位移定理,从分组密码设计准则出发,以双随机相位光学加密算法为研究对象,分析了采用单个随机相位模板的2 f系统的扩散和混淆特性。将单随机相位加密过程分解为2个相互关联的过程,结果表明,傅里叶变换在加密算法中引入了混淆操作,而傅里叶变换结合随机相位模板实现了扩散操作。通过数值模拟对上述理论分析进行了验证,引入信息熵来评价加密图像的统计分布特性,进一步分析了菲涅尔域及分数阶傅里叶变换域随机相位加密算法的扩散混淆特性。研究表明,单随机相位加密和双随机相位加密图像的信息熵分布为7.038和7.157,而随机振幅加密图像信息熵为4.521。因而,随机相位加密算法比随机振幅加密算法能实现对信息更好地扩散。     

针孔法测量X光源焦斑尺寸

通过针孔成像法得到X光源强度空间分布图像,直接读取图像数据得到X光源的半高宽焦斑（FWHM）尺寸,对图像数据进行傅里叶变换得到调制传递函数,并计算得到X光源的等效焦斑尺寸（50%MTF）。应用针孔成像法测量多脉冲电子直线感应加速器产生的X光源焦斑尺寸,测量结果表明,加速器性能稳定。定义焦斑形状因子参数并用于描述X光源分布,结果表明,该加速器X光源分布在高斯分布和本涅特分布之间变化。     

毫米波全息成像中的部分发育散斑模型

建立了包含镜面反射分量的毫米波全息成像中的部分发育散斑模型。将部分发育的散斑模型与毫米波全息成像的卷积过程相结合,推导了等效散射中心个数,建立了散斑对比度与高斯粗糙面均方根高度、相关长度和成像分辨率的关系。基于近场物理光学法,对随机粗糙面的毫米波全息散斑图样进行了蒙特卡罗仿真和散斑对比度分析。结果表明,当等效散射中心个数较少时,该模型与随机积分法及仿真所估计的散斑对比度一致,优于传统模型的估计结果。     

相位恢复算法在量子关联衍射成像中的应用研究

随着研究工作的逐步深入,目前已经利用经典热光源实现了关联衍射成像,使得该技术有望在X射线以及中子衍射成像等方面得到广泛应用。在实验利用非相干光得到物体无透镜傅里叶变换频谱的基础上,采用误差消除与输入输出恢复算法,并结合过采样理论,实现了实验所用物体透射率函数的恢复。分别得到了纯振幅物体的振幅分布函数与纯相位物体的相位分布函数。此外,还讨论了实验所得傅里叶变换频谱的噪声等因素对图像恢复结果的影响。