相干光光强恢复相位的方法研究

论文摘要

本文论述了非干涉检测中迭代法、光强传播方程法（TIE）和相空间算法的发展过程、基本原理和模型,着重讨论了迭代法和光强传播方程法。作者根据TIE法处理所测光强近似程度的不同将其分类为simple TIE法（STIE）和伪精确（pseudo-exact）TIE法（PTIE）。前者简单快速,后者计算稍慢但更精确。迭代算法原理简单抗噪声性能好,具有误差持续下降的优点,但是迭代过程需要较长的计算时间,而且误差收敛速度常常依赖于初值选取,在特定情况下会很慢。光强传播方程法不用迭代,计算速度快,但测量结果精度较低。因此作者试着尝试将两种方法作一定程度的结合（GS-TIE法）,即把光强传播方程计算的结果作为初值放入GS迭代法（Gerchberg-Saxton algorithm）进行迭代,实验结果都表明GS-TIE法精确度更高。本文主要在MATLAB平台上模拟了各种相位恢复算法并进行分析。讨论利用MATLAB分别模拟菲涅耳衍射的近场和远场情况。数值模拟了经典GS法,TIE法和GS-TIE法,对比结果表明GS-TIE法的误差收敛速度大大加快。至于实验研究与测试部分,分别利用透镜和硬币作为透射和反射物体,也取得了比较好的结果。一般光学探测仪器基于光电效应只能接受光场的强度分布,而不是相位分布。怎样通过测量的光强来恢复相位信息,从而恢复光场的复振幅信息,一直以来是现代光学基础研究的重要领域。本文主要讨论的是相干光场情况下的非干涉检测,属于相位恢复的基本问题,具有重要的理论意义和应用价值。本文提出的GS-TIE法具有一定的理论和应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 非干涉检测相位恢复法的分类
• 1.3 非干涉检测相位恢复法的发展趋势
• 1.4 课题意义、研究目标和创新点
• 1.5 论文结构
• 2 基本理论
• 2.1 迭代算法（ iterative algorithm ）
• 2.2 光强传播方程法（Transport-of-Intensity Equation, TIE）
• 2.3 相空间算法（Phase space algorithm）
• 2.4 本章小结
• 3 TIE 解的算子表示和GS-TIE 基本原理
• 3.1 TIE 解的算子表示
• 3.2 迭代与光强传播方程结合法（Combination of GS iteration algorithm and Transport-of-Intensity equation, GS-TIE）
• 3.3 本章小结
• 4 数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 用MATLAB 模拟Fresnel 衍射的原理
• 4.3 用MATLAB 模拟相位恢复算法
• 4.4 本章小结
• 5 实验研究与测试部分
• 5.1 实验器材、参数和光路结构
• 5.2 透射实验
• 5.3 反射实验
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 二维函数曲面程序代码