一种基于离轴椭球面的小光程差波面整形系统

为了实现空间中一定距离的近似等光程光束传输,设计了一种包含离轴椭球面反射镜的波面整形系统。基于几何光学与初级像差理论,结合Zemax光学设计软件,分析了椭球面反射镜圆锥系数、离轴量对像面处光程差的影响;设计了平面-椭球面反射镜和双椭球面反射镜2种光学结构的波面整形系统,并比较了2种结构的公差。分析结果表明:平面-椭球面反射系统和双椭球面反射系统均实现了空间中1 m距离的光束传输,且2种结构系统在3 mm物高视场和孔径角为6°条件下,各视场光瞳之间的光程差分别为0.14 mm和0.04 mm,因此,双椭球面反射结构整形效果优于平面-椭球面反射系统,但双椭球面反射结构对公差的敏感度更高。     

离轴角度精密监控的数字全息实验装置

针对数字全息对离轴角度的要求,设计了可以精密监控离轴角度的数字全息实验装置.通过引入反射镜、分束器和监控CCD光学器件,借助频谱分析方法计算离轴角度,实时监控数字全息记录时参考光和物光之间的夹角.该装置不仅可以在不重新调整光路的情况下实现同轴数字全息与离轴全息的自由切换,还可以使数字全息再现时原物像、零级项、共轭像刚好分离,降低数字全息记录对CCD分辨率的要求,又可以有效利用再现视场.使用分辨率板进行了验证实验,验证了该装置和方法的可行性和有效性.     

一种有效解决离轴数字全息相图倾斜畸变的数字参考平面方法

离轴数字全息中使用倾斜的平面参考波以消除成像中的零级衍射和共轭像是一种简捷和常用的方法,然而该方法遇到的一个困扰是,由于倾斜参考波引入了附加的载波频率并很难通过实验测量准确地获得附加的载波频率值或倾角,因此会导致重建的相图出现一定的倾斜畸变而无法完全修正.本文提出了一种数字参考平面算法以解决这一问题.该算法利用重建相图的平坦区域选点构建一个能准确表征相图倾斜的数字参考平面,并建立该平面参量与参考波载波频率的数学关系和作为随后相图畸变修正迭代计算的判据.该算法简单有效,不仅能实现对倾斜相位畸变的准确修正,而且能准确地获得倾斜平面参考波的附加载波频率.由于在相位解包裹重建中结合了抑噪处理,因此该方法在环境和系统噪声的影响下仍然有效,实验结果验证了理论设计的有效性.     

数字无透镜傅里叶变换全息术中非傍轴及离焦像差的校正

对数字无透镜傅里叶变换全息图直接采用逆傅里叶变换进行物场的数值重建时.需要满足两个条件:第一,全息图的记录过程必须满足傍轴近似条件,否则再现过程中会产生非傍轴像差;第二,记录全息图时物平面与参考点光源到全息图记录平面的距离必须相等,否则再现过程中会产生离焦像差.理论分析了非傍轴及离焦记录条件下数字无透镜傅里叶变换全息图的灰度分布特点,并提出了相应的非傍轴及离焦像差的数值校正方法.根据实际的非傍轴或离焦记录情况.分别给所记录的数字全息图灰度分布矩阵乘以适当的非傍轴或离焦校正因子,以消除灰度矩阵中非傍轴或离焦因素的影响.然后再对校正后的伞息图灰度矩阵做逆傅里叶变换处理.即可得到准确的数字再现像.实验结果表明.该数值重建方法能够有效地消除无透镜傅里叶变换全息术中数字再现像的非傍轴像差及离焦像差,提高再现像的质量.     

离面准李特洛色散光路的光程差

分析了离面准李特洛(off-plane quasi-Littrow, OP-QL)色散光路中子午光束、弧矢光束的对应关系,揭示了离面角将引起弧矢光束旋转,并使球面镜和光栅的弧矢光束不再相互对应的特性,指出系统弧矢光程差(optical path difference, OPD)并非各元件自身弧矢光束光程差的简单叠加,而是各元件上与光栅弧矢光束相对应光束的光程差之和。基于以上结论,提出了求解球面镜上沿任意方向的光线与主光线之间光程差的方向导数法,并运用它求解出OP-QL光路的光程差。最后,基于小阶梯光栅和中阶梯光栅的实例共同验证了文中分析结论和计算方法的合理准确性。     

湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响

研究了湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响.推导出了相干合成光束的传输方程.采用二阶矩束宽、桶中功率和参数β作为光束质量评价参数比较了离轴列阵高斯光束通过湍流大气的相干与非相干合成,并对主要结果给予了合理的物理解释.研究表明：一方面,不论是相干合成还是非相干合成,湍流都使得合成光束扩展、峰值光强下降,并且子光束数越多,合成光束受湍流影响就越小.另一方面,非相干合成光束较相干合成光束受到湍流的影响要小. 关键词： 相干与非相干合成 湍流大气 离轴列阵高斯光束     

结合线性回归的离轴数字全息去载波相位恢复算法

为实现仅用一幅离轴数字全息图便能直接恢复相位,提出一种利用空间载波相移技术(spatial carrier phase shift, SCPS)和线性回归相结合的离轴数字全息去载波相位恢复算法.首先,利用SCPS将一幅离轴数字全息图分为四幅含有载波相移的全息图,其中载波相移由沿行、列两个方向的正交载波所引入;然后,将四幅载波相移全息图作为输入,将所求物体相位和两个正交的载波作为未知量,结合最小二乘法和线性回归同时求出载波和相位信息.相较于已有的去载波技术,本算法无需背景全息图作为参考,便可准确地去除载波,实现高质量的相位重建.本文结合数值仿真和具体实验结果验证本算法的有效性和优越性.     

离轴微粒场全息术中记录介质分辨率要求

本文从离轴微粒场全息记录光路的一般模型出发,导出了离轴微粒场全息术中记录介质分辨率要求的普遍公式。讨论了三种典型形状微粒对记录介质的分辨率要求。结果表明,除了参考光的倾角外,微粒的尺寸和参、物光的波前曲率差及微粒重心偏离光轴的距离也都是影响记录介质分辨率要求的主要因素。     

单轴晶体的光程差和Lyot型滤光器的视场

 建立了以光线入射方向和晶体光轴方向为基准的入射坐标系，利用波法线反曲面方程和电磁场在晶体折射界面处切向分量连续性的边界条件，得到了晶体中波法线方向、射线方向、波法线折射率和射线折射率的表达式。从非常光的射线方向和射线折射率出发，得到了在任意的晶体光轴方向和入射角条件下，光通过单轴晶体后寻常光、非常光的光程差表达式。对Lyot型滤光单元的透射率和视场进行了计算分析后发现，滤光单元的透射率随光线入射角的变化呈现一定的周期性，视场随光轴倾角的增大而减小。得出了透射率和视场随光轴倾角(光轴与晶体表面的夹角)和光线入射角(光线在晶体表面的入射角)的变化规律。讨论了通过改变晶体倾角实现滤光器调谐和补偿晶体厚度加工误差等技术问题。     

低相干光学层析技术中扫描装置的研究与设计

低相干光学层析技术是一种新型生物医学成象技术,具有快速、非侵入及高分辨的特点。本文在深入研究该技术原理的基础上,对实现该技术的关键环节-扫描装置进行了设计,并对该装置进行了实验验证,最后对实验结果进行了分析.     

基于博奇编码离轴全息方法的研究

研究了一种计算全息编码过程中使原始像与共轭像分离的方法。通过对傅里叶变换计算全息图再现过程的分析,采用将原物抽样点镶嵌到比原物大的全零矩阵中的方法代替载频参数的计算,来实现原始像与共轭像的分离。对新矩阵进行离散傅里叶变换,利用博奇编码方式制作出计算全息图,并在图像重构时利用高通滤波器消除背景光干扰对重构视觉效果的影响。采用该方法制作的计算全息图可通过控制全零矩阵的大小来控制再现时原始像与共轭像的分离程度,全零矩阵越大,其分离程度越大。实验结果表明,全零矩阵为原物大小的4倍时可使原始像与共轭像刚好分离。但是为了方便滤除零级光斑,全零矩阵需稍大于原物大小的4倍。     

反射式离轴全息透镜的制作

介绍用银盐全息干板经真空镀膜制作反射式离轴全息透镜的方法 ,并对其与透射全息透镜的衍射效率进行比较 ,并给出相应的比较结果。     

基于光程编码与相干合成的三维超分辨术

光学相干层析成像的轴向分辨率和横向分辨率是互为独立的,其轴向分辨率由系统光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定,而横向分辨率由系统样品臂的聚焦条件决定. 提高光学相干层析成像的轴向分辨率的方法主要基于宽带光源技术以及变迹术与相干门相结合的方法,而这些方法对于横向分辨率并没有提高. 提出了一种通过光程编码与相干合成的方法,可以同时提高其轴向分辨率和横向分辨率. 通过在光学相干层析成像系统的样品臂中加入光程编码分束器形成多种对应不同光程延迟的有效响应函数,基于光学相干层析成像术固有的光程分辨能力可以得到同一样品对应于不同有效响应函数的多幅图像. 通过数字控制不同有效响应函数的相对贡献对其进行相干合成,可以同时实现轴向和横向的超分辨效果. 与以前的方法相比,光程编码与相干合成方法简单易行、成本低廉,不仅可以避免系统复杂和价格昂贵等不足,而且可以同时较大幅度地提高系统的轴向分辨率和横向分辨率. 关键词： 光学相干层析成像 轴向超分辨 横向超分辨 光程编码     

一种消除数字离轴全息零级像的实验方法

提出一种消除数字离轴全息零级像的实验方法.这种方法是将全息衍射光栅作为分光元件,形成数字离轴全息记录系统,通过调节记录光路系统中平面镜,改变物光波到达CCD的入射方向而引入相移,从而得到不同记录参数的全息图.再通过对不同记录参数全息图的数字处理,即可达到零级像消除的目的,并对这种方法进行了理论分析和实验验证.给出了利用这种方法获得的实验结果.实验结果证明了该方案的可行性,并且具有光路系统简单、操作和处理容易等特点.     

基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息成像研究

太赫兹波对非极性材料具有良好的穿透性,与太赫兹波强度成像相比,相衬成像能够更好的反映物体的内部结构.本文提出了基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息相衬成像方法,研究了全息记录和再现过程,利用曲面拟合畸变校正去除TPX透镜引入的二次相位畸变.实验搭建了太赫兹像面数字全息成像系统,利用振幅型西门子星样品对系统的成像分辨...     

基于位相变更的非相干数字全息自适应成像

菲涅耳非相干数字全息作为一种非扫描的三维成像技术具有其独特的优势,但其成像过程中会受到各种像差的影响,导致成像分辨率、再现像的质量降低.为了解决这一问题,可以结合适当的自适应光学技术对波前像差进行探测和校正.位相变更是一种基于两幅具有已知位相差的强度图像实现波前探测和像差校正的技术.本文发展了基于位相变更的非相干数字全息自适应成像技术,不需要引入引导星,利用全息记录过程中的两幅相移全息图,实现波前像差的探测.本文给出了所发展技术的数值仿真和实验结果,结合位相变更算法求解出系统像差的位相分布,将像差的共轭位相加载到光瞳面上,在全息图记录的同时校正像差,从而提高重建像的质量.     

离轴三反望远镜轴向与横向失调量像差耦合特性

为了保证离轴三反空间望远镜地面装调阶段及在轨调整阶段的成像质量,本文基于矢量像差理论从内在机理层面揭示了轴向失调与横向失调对像差影响的耦合特性,重点分析了两类失调耦合特性产生的补偿关系：（1）针对轴向失调补偿横向失调,揭示了装调过程中系统像质可能处于局部极值的一类工况;（2）针对横向失调补偿轴向失调,提出利用在轨横向失调引入的像散、彗差补偿轴向失调引入的像散、彗差的补偿策略（离焦不能补偿）。本文以实验室现有的一套离轴三反系统为例,充分验证了解析关系的准确性。仿真和实验证明：当系统同时存在轴向失调和横向失调时,系统成像质量也可能达到衍射极限（1/14λ）,但系统像质处于局部极小值;望远镜在轨处于失调状态且离焦较小时,可以优先通过校正横向失调以完成系统像质校正,RMS波前误差改变量小于0.02λ。     

基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究

菲涅耳非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)利用在空间光调制器(spatial light modulator,SLM)上加载双透镜模式对同一物点光分束自相干,并通过改变加载的相位因子得到不同的相移全息图.本系统利用SLM可分区编码调制特性,将FINCH成像中SLM上分三次加载的0°,120°,240°相位双透镜掩模各提取1/3组成一幅复合相移模式加载,并研究了三种相位分布方式对FINCH成像质量的影响.结果表明:三个相位在SLM上分布间隔越大,再现像越清晰.在此基础上,提出了一种新的掩模加载方式,在SLM加载透镜阵列,每一个相位因子对应一个双透镜,具有一个光轴.实验表明,通过这种加载方式,通过SLM后形成的三个相移图能够一次在电荷耦合器上记录,并且三个相移图不重叠,然后通过MATLAB编程计算将不同相移角度的全息图分别提取出来,通过三步相移计算合成一幅包含有物光波的复值全息图,最后通过数值再现算法重建待测样品.此系统可用于对光源相干性较低的实时成像系统,也为微小形变测量、动态物体的观测提供了新方法,为非相干数字全息术的发展提供了新思路.     

基于菲涅耳波带板扫描全息术的光学层析成像

基于光学扫描全息术原理和编码孔径层析成像技术,提出了一种三维物体层析成像技术——菲涅耳波带板扫描全息术。该技术通过将物体的光强分布函数与菲涅耳波带板的光强分布函数进行卷积运算来得到物体的扫描全息图,通过相关解卷积的方法来进行扫描全息图的数字重建。依据该技术原理设计了实验系统,系统结构简单紧凑,具有三维物体层析成像功能。提出用数字高通滤波器来减少重建图像的背景噪声。计算机仿真及对实物的扫描记录和重建实验结果表明,该技术原理正确,用于三维物体层析成像是可行的,用数字高通滤波的方法提高重建图像的对比度是有效的。