改善鬼成像质量的理论与实验研究

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鬼成像是一种新型的成像技术,它可以利用两条光路的强度涨落关联来非定域性地恢复一个未知物体的信息。其中一条光路包含一个待成像物体和一个无分辨率的探测器,另一条光路经过自由传播后照射到一个高分辨率的探测器上,对两个探测器上的强度涨落进行关联测量,可以得到物体的一个具有高分辨率的物像或衍射像,而在任何一条光路上都不能单独地实现物体的像。经过研究者们近二十年来的不断探索,利用各种先进技术与鬼成像技术相结合,突破了传统成像的一些局限,实现了各种具有高质量的鬼成像图像,包括三维鬼成像和全息鬼成像图像等,这些技术的发展使鬼成像从实验室的研究走向实际应用的舞台。本文主要从理论与实验两方面阐述了改善鬼成像图像质量的研究,具体考虑了散焦长度,探测器尺寸,物体表面粗糙度,反射角以及整形光源等参数对鬼成像图像质量的影响。论文内容安排如下:第一章首先阐述了鬼成像的研究背景和意义,其次对鬼成像在国内外的研究现状进行了概述,提出了目前鬼成像技术面临的一些问题。最后给出了本文的主要研究内容,通过分析系统参数对鬼成像质量的影响,来改善鬼成像的图像质量。第二章对光场的相干性和赝热光源的一些统计性质进行了介绍,随后给出了热光鬼成像的基本原理,并从理论和实验两方面对基于热光源实现的鬼成像进行了阐述。第三章给出了参数影响鬼成像质量的实验研究结果,主要考虑了探测器尺寸大小与散焦长度对无透镜鬼衍射的影响。我们分别设计了三组实验,综合探讨了探测器尺寸大小与散焦长度对无透镜鬼衍射质量的影响,同时对实验结果给出了相应的理论分析。第四章阐述了基于反射型物体的鬼成像和鬼衍射理论研究结果,主要考虑了物体表面粗糙度和反射角对鬼成像和鬼衍射质量的影响。利用一个简单的散射模型和经典的相干光学理论,推导出了反射鬼成像和鬼衍射的理论表达式,然后利用数值模拟结果分析了表面粗糙度和反射角对鬼成像和鬼衍射质量的影响。第五章阐述了利用整形光源改善鬼成像质量的理论和实验研究结果。首先介绍了大气湍流的基本模型,光学成像系统中的点扩展函数,以及空间光调制器的工作原理。其次对不同整形光源下的鬼成像理论进行了推导,包括用余弦函数和双曲余弦函数对高斯光束进行整形。此外,进一步分析了利用双曲余弦函数调制高斯-谢尔型光源,实现了对通过大气湍流的鬼成像质量的改善。为了得到更直观的解释,给出了相应的数值模拟结果。最后,利用空间光调制器对光束进行整形,从实验上实现了用双曲余弦-高斯光源提高鬼成像图像质量的研究目的。最后的总结了全文,分析鬼成像技术发展趋势和应用前景,并给出下一步的工作安排。
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