基于光栅分光法的相干衍射成像

提出一种可以通过单次曝光实现 PIE(ptychographic imaging engine)成像的方法, 该方法用正交光栅将入射细光束衍射为传播方向不同的子光束簇以对样品进行照明, 并用CCD同时记录各个子光束所形成的衍射光斑阵列. 该方法很好地克服了现有PIE方法的成像质量易受机械扫描误差影响和数据采集时间过长两个缺点, 具有很好的实用价值. 关键词： 相干衍射成像 相位恢复 显微成像 迭代算法     

基于相干调制成像的光学检测技术

作为相干衍射成像技术的一种,相干调制成像(coherent modulation imaging, CMI)是一种无透镜相位成像技术,不同于多光斑相位恢复技术,通过引入已知的强波前调制, CMI可以实现单次曝光下对入射波前的快速重建,同时结构简单不需要参考光.除了能够用于相位成像、解决脉冲光束的在线测量问题外,本文将其用于精密光学元件(峰谷值(peak value, PV)≤0.5l, l=632.8 nm)的面型检测.为验证其测量能力,对10片口径80 mm、PV值介于0.1l和0.5l之间的石英窗口进行了重复测量,相比于商业干涉仪的测量结果,CMI算法测量结果的峰谷比值的标准偏差是0.0305l (l=632.8 nm),均方根(root-mean-square, RMS)的标准偏差为0.0052l,对于PV和RMS的测量精度可达到0.1l和0.01l,为研究其极限性能,同时对PV=l/20的平行平晶进行了对比测量,分析了其噪声来源,考虑到CMI测量算法仍有很大的改进空间,其有望成为一种区别于干涉测量的新型高精度光学元件检测技术.     

基于波面分割及多平面相位恢复的定量相位成像技术

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像,该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下,微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图,采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场,通过双波长数字复振幅光场相位提取算法,实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中,在640 nm和685 nm的照明下,对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真,结果表明,该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。     

基于旋转相位编码与照明光束匹配的叠层衍射成像算法研究

在传统的叠层成像算法中引入一种旋转相位编码与照明光束相匹配.采用分块均匀分布的旋转相位调制器对衍射光进行调制,在探测面获得了相应的衍射图样.这种照明光束与相位匹配的方式有效地增加了解的约束条件,具有收敛速度快、抗噪声及抗位置偏差能力强等优点.与随机相位调制相比,本算法所引入的旋转相位调制器构造简单、使用便捷,因而在实时显微成像、超分辨成像等领域将具有更高的实用价值.     

二元计算全息法产生复杂无衍射光束

无衍射光束是一种能在自由空间稳定传输的光束。近来,一类具有复杂光学形态的无衍射光束被引入,比如马蒂厄光束、抛物光束、非对称贝塞尔光束等。为了产生具有复杂结构的无衍射光束,需要对光波进行复振幅调制,即同时调制光波的振幅和相位。但目前的商用光学调制元件只能调制光波的振幅或相位。本文基于二元计算全息法,编码二维复透过率函数分布,构建了具有复振幅调制功能的二元实振幅非负计算全息图。利用实验室自主研发的投影成像光刻系统,对银盐干板进行曝光处理,经显影、定影处理,将其加工为相应的振幅掩模板,用来产生精确的具有复杂结构的无衍射光束。以无衍射马蒂厄光束为例,采用罗曼型迂回相位编码方法,在全息图每个抽样单元内开一个矩形通光孔径,通过改变通光孔径的面积来对复值光波的振幅进行编码,通过改变通光孔径中心偏离抽样单元中心的距离,来对复值光波的相位进行编码。最终构建了两种产生马蒂厄光束的典型二元实振幅计算全息图,其像素数高达28 000 pixel×28 000 pixel。之后利用加工好的振幅掩模板,准确、方便、高效地产生了的椭圆系数q=10,拓扑荷数m=0与m=1的第一种偶型马蒂厄光束,其他类型的马蒂厄光束可...     

法布里-珀罗板正弦相位调制型高精度角位移测量

提出了一种基于法布里-珀罗板和正弦相位调制干涉术的角位移测量新方法。采用CCD探测法布里-珀罗板两透射光束光斑的中心距,通过运算得到了入射光的初始角,解决了采用法布里-珀罗板干涉法测量角位移需确定入射光初始角的问题。采用正弦相位调制干涉术通过测干涉信号的相位来测量物体的角位移,增强了对杂散光的抗干扰能力,减少测量误差,提高了测量精度。理论模拟和实验结果表明本方法可以实现精度为10^-8rad数量级的高精度角位移测量。     

幂指数相位涡旋光束用于微粒操控

实验验证了一种利用幂指数相位涡旋光束(PEPV)操控微粒的方法。该方法基于幂指数相位涡旋光束理论,产生不同拓扑荷数与方位角幂指数大于1的涡旋光场的相位全息图,并将该全息片经计算机输入到空间光调制器(SLM)上用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换,利用光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤,并利用倒置高倍光学显微镜将光束成像于载物台样品上。利用该幂指数相位涡旋光束对微米级粒子实现了定向光学输运。研究结果表明,该光束在粒子的定向输送与收集方面有独特的功能,将进一步拓展光学涡旋光束的实际应用范围。     

相干光经过不透明散射介质的聚焦

由于散射介质的散射特性,入射光通过散射介质后相干性受到破坏形成散斑场,使得传统光学成像系统无法聚焦探测内部物体的信息。根据波前整形原理,通过反馈优化算法调控入射光束的相位,在目标位置处将散斑调制为聚焦光斑,光强增强。基于此方法,在实验上搭建实验平台,对空间光调制器(SLM)的每个像素加载系列等间隔相位,一次采集多幅散斑图像,应用局部最大优化算法实现对光束任意点聚焦,并提出了一种得到不同大小区域的均匀的聚焦光斑的新方法,为实现聚焦平面内的目标成像提供了新思路。     

基于相位调制的复值物体压缩关联成像理论研究

在关联成像方案中,通过强度关联可在参考臂上获得目标物体振幅信息,却不能恢复出目体物体的相位信息,而相位常常包含了目标物体的一些特殊信息.本文提出了一种新的关联成像方案,能够恢复出复值透射物体的振幅和相位信息.该方案通过分束器及π/2变相板在接收端分离出复值物体的实部和虚部信息,再利用二阶关联成像过程分别获得目标物体的实部和虚部信息,从而恢复出复值物体;在此基础上,利用压缩感知重建算法,获得了基于相位调制的复值物体的压缩关联成像方案.研究结果表明该方案可适用于一般化的复值物体恢复,也可克服测量次数多、重构时间长等目标物体重建问题.对于一般具有高斯分布的复值物体可用约奈奎斯特采样率的36%的测量次数获得振幅和相位恢复均方误差值约为10-2的高质量重建复值物体.     

X射线衍射增强成像中的定量测量

提出了一种基于X射线衍射增强成像(DEI)断层计算机X射线层析术(CT)图像的物体尺寸精确测量方法.X射线衍射增强成像是一种基于相位衬度的成像技术.通过建立DEI的简化模型,研究衍射成像过程中品体转角、投影图像谷点位置、成像系统等效模糊等因素之间关系,由此具体探讨了系统模糊效应对圆物体边界成像带来的位置偏移,并以圆形被测样品为例.提出可精确测定直径的简单有效算法.通过理论仿真模型数据和北京同步辐射装置上的实测数据验证了该算法的精度.该方法实现了利用DEI图像对被测物体几何尺寸的精确测量,可用于对牛物组织样品等物体内部微小结构的尺寸的精确测量.     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中空心光束的形成

空心光束的质量是超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中决定成像质量的一个至关重要的因素. 本文基于菲涅耳衍射理论,分析了螺旋相位片法产生空心光束的物理机理,并且模拟了不同的入射条件对产生的空心光束的影响. 模拟结果表明:波长与相位片中心波长匹配且光强呈圆对称分布的高斯光垂直入射到相位片上,当高斯光束中心与相位片中心完全对准时,可获得较理想的空心光束;入射光光强分布的圆对称性以及入射光中心与相位片中心的对准程度都会影响产生的空心光束的强度分布;同时,高斯光束小角度倾斜入射时,空心光的强度分布仍呈圆对称,却在观察面发生一定的位移;此外,入射光中心波长偏离相位片中心波长不大时,对产生的空心光束的强度分布几乎没有影响. 上述分析结果对用于超衍射相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中理想空心光束的获取具有重要的指导意义. 关键词： 空心光束 超衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 螺旋相位片     

基于锥镜和振幅调制的马蒂厄光束生成

基于锥镜的相位调制作用和胶片的振幅调制功能,提出了一种能精确高效产生无衍射马蒂厄光束的方案。利用稳相技术,证明了该方案产生马蒂厄光束的理论机制。利用胶片输出仪制作了具有角向马蒂厄函数分布的振幅调制胶片,在实验上精准地产生了一簇马蒂厄光束。理论和实验结果表明,基于锥镜和振幅调制产生马蒂厄光束的方法简单、高效、灵活。     

有振幅调制和相位畸变光束的远场光谱移动与光谱开关

基于瑞利衍射公式,研究了被光阑衍射的具有振幅调制和相位畸变光束的远场光谱变化规律。结果表明,有振幅调制和相位畸变光束在远场也会出现光谱异变现象和光谱开关效应,光阑截断参数、光束的相位畸变参数、振幅调制参数、光强调制参数对远场光谱的跃迁量和光谱开关产生影响。通过数值计算结果分析讨论了光阑截断参数及光束各参数影响远场光谱的规律。     

光栅成像的锥束相位CT重建算法

X射线相位衬度成像对弱吸收物质有着独有的高密度分辨率,在医学、生物学、材料学等领域显示出良好的应用前景.但是其中的干涉成像法、衍射增强成像法和同轴成像法具有一定局限性,难以被广泛应用.光栅成像克服了以往相位衬度成像的缺陷,也使相位衬度成像向锥束成像发展成为可能.本文致力于锥束相位X射线计算机断层摄影术(CT)重建算法的研究,根据基于光栅的锥束相位成像的特点,利用吸收CT中FDK (Feldkamp-Davis-Kress)重建算法的思想,发展出适用于锥束相位成像的CT重建方法.该方法为滤波反投影类型,以相位一阶导数像为投影值,直接重建物体的相位项.通过仿真验证了算法的正确性.     

利用边缘相位校正实现光束整形的高精度优化

提出利用边缘相位校正的新方法,校正用追迹法设计的产生环形光束的衍射光学元件的相位分布,从而实现光束整形中的高精度优化。通过将高斯光束整形为环形光束,将该方法、G-S(Gerchberg-Saxton)算法和改进的G-S算法设计得到的整形结果作了比较,结果表明,G-S算法的整形结果虽然衍射效率最大,但是均方根值和最大偏差也太大;改进的G-S算法可以有效的降低均方根值和最大偏差,但衍射效率也有较大的下降;而用边缘相位校正可以在衍射效率略微下降的情况下,更大的降低均方根值和最大偏差,其整形结果是综合了衍射效率、均方根值和最大偏差这三个评价指标以后得到的最优化结果,已接近理想的环形光束。     

轴棱锥-透镜系统产生局域空心光束中心亮斑的消除

本文提出利用相位调制的新方法, 在光路中插入螺旋相位板, 使句域空心光束(Bottle beam)中心变为相位奇点, 在使用轴棱锥-透镜系统产生局域空心光束(Bottle beam)时, 消除了衍射等因素导致Bottle beam内部的轴上光强, 这利于用Bottle beam构建空心光镊系统. 理论分析及数值模拟与实验结果很好地吻合.     

Stokes参量数字全息法实现相位物体成像

为实现对相位物体的无损检测和成像,克服数字同轴全息相位物体成像技术在消除零级像和孪生像的干扰时存在的系列问题,提出一种基于Stokes参量的新的数字同轴全息技术。该方法区别于传统的利用干涉光场来记录原始像项的数字全息方法,通过测量物参光合成光束的Stokes参量来分别得到这两束光的振幅和相位差,从而准确、唯一地获得原始像项;再利用数字再现即可重构物光的振幅和相位信息。实验中对弱吸收的相位样品进行了测量,得到样品清晰的振幅和相位分布。结果表明,采用该方法对相位物体进行数字全息再现,可以克服传统同轴全息图中零级像和共轭像对相位物体信息的严重干扰,对于提取相位物体的振幅和相位信息是可行和有效的。     

无衍射光束提高成像系统分辨率

设计了一种在非相干光源下利用轴棱锥产生的无衍射光束成像系统.基于衍射积分理论与点扩散函数推导出成像系统分辨率的表达式,利用光学软件对无衍射光束成像系统的初始结构模型进行仿真,并以蓝光LED作为光源,将条纹状物体、透镜组以及轴棱锥等光学元件组合为成像系统进行实验.结果表明:实验结果与理论分析相符,即非相干光源无衍射Bessel光束成像系统利用无衍射光束的特性能够提高成像分辨率.     

衍折射设计用于均匀照明的衍射光学器件

 在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。     

散焦对无透镜鬼衍射和传统成像的影响

散焦一直是影响成像系统成像质量的主要问题之一。分析了不同光路上存在散焦对无透镜鬼衍射成像的影响,比较了散焦对无透镜鬼衍射成像和传统成像两者之间的差异。在前期理论研究基础上,对无透镜鬼衍射和传统成像的强度函数做了进一步分析,结果表明散焦的效果相当于物体的透射函数在相位上增加一个啁啾调制,使得两种成像系统在一定程度上是等价的。