基于菲涅耳衍射的无透镜相干衍射成像

相干衍射成像是一种新型的无透镜成像技术,在光学测量、显微成像和自适应光学等领域有重要应用．本文提出一种基于单幅菲涅耳衍射强度图样的无透镜相干衍射成像方法;该方法采用特殊设计的卷积可解阵列抽样屏,通过对抽样物波的菲涅耳衍射强度图样进行非迭代的逆菲涅耳变换和滤波等数字处理实现被测物波复振幅信息的恢复,最后通过数字衍射得到物体的数字再现像．文中对抽样孔径、衍射距离、图像传感器尺寸等参数对再现像的影响进行了理论分析和模拟实验研究．发现在针孔大小和记录孔径大小一定的条件下,存在一个最佳的衍射距离;衍射距离过大会给重建图样带来噪声,衍射距离过小则会使再现象的分辨率降低．文中还对抽样针孔大小对系统成像分辨率的影响进行了分析,为进一步开展相关实验研究和应用提供了理论依据．     

阵列抽样衍射成像中记录孔径对再现像的影响

从标量衍射理论出发,对基于阵列抽样的相干衍射成像中物波抽样针孔大小和图像传感器有效记录孔径对重现物波的影响进行了理论分析,给出了描述抽样孔径和记录孔径对波前再现像影响的数学公式。理论分析表明,在抽样波前的重现过程中记录孔径的有限大小会导致相邻抽样孔径间发生串扰;这种串扰效应是产生波前重现误差及由此引起的成像噪声的主要来源。通过数值分析串扰次函数极大幅度随记录孔径的变化情况,发现这种串扰效应随着记录孔径的增大振荡减弱。基于该理论分析,给出了最佳记录孔径的定义及其计算公式。并通过一个实验测量实例进一步验证了当记录孔径大小等于最佳记录孔径时得到的衍射像的信噪比最大。     

基于空间光调制器的计算全息成像特性

把基于高分辨空间光调制器(SLM)的动态计算全息波面变换系统看作一个相干光学成像系统,分析并推导了该系统的点扩展函数（PSF）,进而研究了SLM像素结构所引起的固有切趾和展宽效应. 通过计算机模拟考察了SLM填充因子和衍射距离对系统分辨率的影响,给出了满足抽样定理所要求的系统的最小衍射距离. 最后提出了一种消除SLM像素结构影响的物波频谱预处理方法. 这一研究为优化系统设计,完善波面变换系统提供了新的途径.     

基于图像信息熵的ptychography轴向距离误差校正

在轴向距离参与运算的ptychography算法中,轴向距离误差会使重建图像变模糊并降低图像的分辨率.本文基于菲涅耳衍射理论建立了轴向距离误差模型,根据不同轴向距离误差对重构图像清晰度的影响,提出用图像信息熵确定图像最清晰时的轴向距离,并重建出清晰的ptychography图像.比较了图像能量变化、Tamura系数和图像信息熵这三种图像清晰度评价函数在轴向距离误差校正过程中的分布情况,发现它们均具有单峰性,且峰值确定的轴向距离相同.图像信息熵相比其他两种图像清晰度评价函数具有更高的灵敏性.仿真以及实验均证明了基于图像信息熵的ptychography轴向误差校正的可行性.     

轴锥镜成像系统的点扩散函数分析

为了使大景深光学镜头在工业视觉检测中的测量结果更准确,必须对中间图像进行复原,点扩散函数是图像复原的关键。根据轴锥镜最大无衍射距离公式设计了无衍射成像系统,以标量衍射理论为基础,在频域范围内利用稳定相法推导出系统的点扩散函数公式。利用准单色光理论,分析非相干光照明下的点扩散函数与锥镜夹角和离焦量的关系。仿真和实验结果表明:轴锥镜夹角越大,点扩散函数中心光强越强,衍射条纹越密;离焦像差对点扩散函数的影响与之相反。     

基于可见光的多波长衍射透镜的设计与分析

针对传统衍射透镜在可见光波段工作波长单一、色散严重等问题,提出一种能同时在多个波长工作的衍射透镜的设计方法,该设计方法可以让衍射透镜在几个波长处具有相同位置的焦点,解决了传统衍射透镜在成像时焦点偏移的问题,将所设计的透镜命名为多波长衍射透镜。通过最小化一个目标函数来寻找衍射透镜表面每一个位置的最佳微结构高度,该目标函数描述了多波长衍射透镜在工作波长处的复透射函数与传统衍射透镜的复透射函数的偏差。基于该方法设计了适用于三波段的衍射透镜,并采用标量衍射理论进行仿真分析,结果显示其在设计波段内具有良好的消色差效果。     

分数傅立叶变换的数值模拟算法

理论上描述了分数傅立叶变换的两种数值模拟算法－解啁啾法和厄米－高斯函数展开法，给出了两种算法的模拟结果，给出了两种算法的适用范围。     

用广角X射线衍射系列方法测试和表征高聚物各种相态的结构特征

系统地论述了广角X射线衍射系列方法 :径向分布函数、圆柱分布函数、取向分布函数、Rietveld粉末衍射全谱图最小二乘拟合、纤维全谱图精修以及衍射全谱图分峰等方法的基础理论、实验方法、计算程序及其可获得的结构参数 ;阐明采用这些方法研究高聚物非晶相、取向非晶相、结晶相的进展情况 ;探讨了联用这些方法研究高聚物二相、三相共存结构的一种新思路和新方案 ,而且已取得一定进展 ;并展望这一研究框架的全面实现 ,将能进一步拓展高聚物共混物结构的研究     

光学系统杂光黑斑测量的理论研究

根据线性空间不变系统理论和标量衍射理论，用杂光点扩散函数讨论了在光学系统中多次反射和衍射所产生的杂光分布。在此基础上，用物和接收器互相关函数系统地分析了黑斑尺寸、接收小孔光阑尺寸以及黑斑照度对杂光测量的影响     

用粒子群算法校正三片镜系统的像差（特邀）

提出将粒子群算法用于三片镜光学系统的优化设计。设计了关于曲率半径、透镜面之间的距离、玻璃折射率、系统长度等光学系统结构参数的光学评价函数,用此函数作为粒子群算法中的适应度函数,实现了对光学系统的自动寻优。给出了用粒子群算法进行三片镜光学系统设计过程实例,结果证明：用粒子群算法可以设计出球差、子午场曲、子午光线弥散值都很小的三片镜光学系统;并且用该算法进行光学设计不需要知道系统具体的初始结构,克服了现有光学设计软件高度依赖具体初始结构的缺点,可以自由控制结构参数的搜索范围,从而提高光学系统设计的智能化程度。     

窗函数在扬声器异常声客观检测中的影响

该文研究了基于短时傅里叶变换的扬声器异常声检测方法中,窗函数对特征距离阈值设定的影响。以连续对数扫频信号激励被测扬声器单元,并对响应信号进行短时傅里叶变换。通过对比不同窗函数下,被测单元之间的特征距离来寻找合适的窗函数。结果表明,不同窗函数下得到的特征距离具有不同的离散度;选择合适的窗函数,可使特征距离具有较大离散度,从而更合理地设定阈值。     

基于凸组合核函数的化合物太赫兹透射光谱分类

物质的太赫兹光谱包含着非常丰富的物理和化学信息。它对化合物晶体具有高的灵敏度、 单光子能量低等特点。但受到检测人员知识背景、 背景噪声、 识别算法精度等因素的影响,光谱样本识别准确率和效率较低。为了提高对太赫兹光谱的检测能力,提出应用基于凸组合核函数的support vector machines(SVM)对化合物的THz脉冲透射谱进行分类。在使用小波变换对数据进行滤波预处理之后,提取了传统波峰、 波谷位置特征和term frequency-inverse document frequency (TF-IDF) 最大间隔特征。TF-IDF方法使用信息论的原理确定每个采样点的权重,选择权重较大的点作为特征。针对太赫兹透射谱特征相似、 维数较低带来的分类困难问题,构建基于凸组合核函数的SVM分类模型。并利用核评价的方法,通过高维非线性规划方程求解最优凸组合参数。当最优凸组合参数被确定时,构建分类模型进行分类和预测。相比较于单一核函数,凸组合核函数将透射谱特征与分类模型融合起来。对于不同的检测样本,数据经过凸组合核函数映射到高维空间后,特征具有更显著的区分度。使用不同的太赫兹透射谱样本进行分类实验,结果表明,分类准确率得到极大提高。     

Diffraction transfer function and its calculation of classic diffraction formula

In scalar diffraction theory, Kirchhoff formula, Rayleigh–Sommerfeld formula, and angular spectrum transmission formula are classic formulas that express diffraction correctly. But as complex calculation, Fresnel diffraction integral, which is the paraxial approximate solution to these formulas, is used widely. This paper presents diffraction transfer function corresponding to each classic diffraction formula, gives discussion on methods when using fast Fourier transform to calculate these formulas, derives conditions each formula must meet when it is calculated correctly based on sampling theorem, and finally real examples are finished to certify the results.     

Fundamental structure of Fresnel diffraction: natural sampling grid and the fractional Fourier transform

Fresnel integrals corresponding to different distances can be interpreted as scaled fractional Fourier transformations observed on spherical reference surfaces. We show that by judiciously choosing sample points on these curved reference surfaces, it is possible to represent the diffracted signals in a nonredundant manner. The change in sample spacing with distance reflects the structure of Fresnel diffraction. This sampling grid also provides a simple and robust basis for accurate and efficient computation, which naturally handles the challenges of sampling chirplike kernels.     

相移同轴无透镜傅里叶数字全息的分析与实验

应用菲涅耳衍射和全息理论，详细分析了无透镜傅里叶变换数字全息图的记录、再现方法和再现像的特点，分析了相移数字全息图的记录和再现方法，并进行了相应的实验验证。结果表明：直接对无透镜傅里叶数字全息图进行傅里叶逆变换可同时得到与物体完全相同的再现像及其共轭像；同轴无透镜傅里叶数字全息术能最大程度满足CCD对采样条件的要求，从而可以增大记录物体的尺寸，减小记录距离，明显提高再现像的清晰度和分辨率；相移数字全息术能有效地消除数字再现光场中的零级光场和共轭像，显著提高再现像的信噪比。条件许可时，相移同轴无透镜傅里叶数字全息术是目前解决数字全息术中再现像的分离与满足采样条件之间矛盾的最佳方法。     

彩色数字全息的非插值波面重建算法研究

彩色数字全息及多波长照明的数字全息检测研究中,避免插值误差的可变放大率波面重建是一个重要的研究内容.由于Fresnel衍射积分可以表示成Fourier变换及卷积两种形式,对应地存在两种波面重建算法：其一,将重建距离分为两段的衍射“接力”算法;其二,用球面波为重建波的卷积算法.文中对这两种算法进行理论分析及实验研究,讨论让重建计算满足取样定理的条件.结果表明,卷积算法较容易满足取样定理,能够获得较好的重建物光场. 关键词： 彩色数字全息 波面重建 衍射计算     

彩色数字全息的非插值波面重建算法研究

彩色数字全息及多波长照明的数字全息检测研究中,避免插值误差的可变放大率波面重建是一个重要的研究内容.由于Fresnel衍射积分可以表示成Fourier变换及卷积两种形式,对应地存在两种波面重建算法：其一,将重建距离分为两段的衍射“接力”算法;其二,用球面波为重建波的卷积算法.文中对这两种算法进行理论分析及实验研究,讨论让重建计算满足取样定理的条件.结果表明,卷积算法较容易满足取样定理,能够获得较好的重建物光场.     

Automatic focusing in digital holography and its application to stretched holograms

The searching and recovering of the correct reconstruction distance in digital holography (DH) can be a cumbersome and subjective procedure. Here we report on an algorithm for automatically estimating the in-focus image and recovering the correct reconstruction distance for speckle holograms. We have tested the approach in determining the reconstruction distances of stretched digital holograms. Stretching a hologram with a variable elongation parameter makes it possible to change the in-focus distance of the reconstructed image. In this way, the proposed algorithm can be verified at different distances by dispensing the recording of different holograms. Experimental results are shown with the aim of demonstrating the usefulness of the proposed method, and a comparative analysis has been performed with respect to other existing algorithms developed for DH.     

Structural study of highly dispersed cerium dioxides

Cerium dioxide samples of different dispersivity, obtained by different methods, have been investigated by X-ray diffraction (XRD) analysis, full-profile analysis of diffraction patterns, calculation of radial distribution function (RDF) of electron density, and extended X-ray absorption fine-structure (EXAFS) spectroscopy. According to the XRD data, the samples studied can be identified in the fluorite structure with conventional unit-cell parameters. However, the local structure of highly dispersed samples, determined by the RDF and EXAFS methods, changes: the coordination spheres for the Ce-O distances are represented by two distances.     

Experimental research on resolution improvement in CW THz digital holography

High-resolution continuous-wave terahertz (CW THz) real-time imaging operating at 2.52 THz is demonstrated based on THz digital holographic technique. To eliminate the influence of zero-order diffraction while reducing the recording distance, effective zero-order diffraction suppression methods are studied and compared. The spatial resolution of the imaging system is tested by imaging a self-made Siemens star. When the recording distance is 2.1 cm, the measured resolution can reach 0.245 mm. The experimental results confirm the high imaging performance of the THz digital holography system.