【摘 要】
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“雾里看花花非花,水中望月月非月”,这句话形容事物由于传输介质的影响看起来变得虚无缥缈、琢磨不透、可望不可及。这种情况在日常生活和科学研究中经常发生,影响着人们获取世界信息的数量和质量,如深海探测、星体观测、雾霾天的出行和望远、生物组织下病变观察等等。光子在透过散射介质时,会与介质颗粒相互作用,其传输方向变得随机化,改变了入射光场的信息,这种现象被称为“光的散射”。如何实现透过散射介质的光学成像是
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“雾里看花花非花,水中望月月非月”,这句话形容事物由于传输介质的影响看起来变得虚无缥缈、琢磨不透、可望不可及。这种情况在日常生活和科学研究中经常发生,影响着人们获取世界信息的数量和质量,如深海探测、星体观测、雾霾天的出行和望远、生物组织下病变观察等等。光子在透过散射介质时,会与介质颗粒相互作用,其传输方向变得随机化,改变了入射光场的信息,这种现象被称为“光的散射”。如何实现透过散射介质的光学成像是一项极具挑战且意义重大的课题,在医学诊断、军事国防和安全监控等领域都有着重要的应用价值。近年来,许多有效的方法被提出来应对特定情景下的散射成像任务,例如基于散射光子挑选的光学相干层析、基于相位共轭的波前整形法,基于传输矩阵测量的散射传输矩阵法、基于记忆效应的散斑自相关法和散斑解卷积法。这些技术都有着各自的优势和缺陷,但是同样面临一个在实际应用中的困难,难以处理动态系统的散射所带来散斑空间相关度降低而导致恢复图像质量下降的问题。本论文工作主要围绕着如何解决动态系统的散射成像问题。首先,针对静态散射介质的散射情况,介绍了基于光学记忆效应的两种散射成像技术——散斑解卷积法和散斑自相关术,验证了前者的高效性,并介绍后者的技术核心——相位恢复算法。然后,理论推导和实验验证了基于傅里叶域浴帘效应(FDSE)的散斑自相关术。该方法提出了傅里叶浴帘效应概念,将经典的空域浴帘效应(SDSE)拓展到空间频域;得益于浴帘效应对动态散射介质的免疫性,该方法很好地克服了动态散射介质所带来的图像质量衰退的问题。但是该方法存在光路装置特定限制(对第一个散射体的要求)以及在成像范围的局限,基于对其光路理论模型的充分论证,本文利用正透镜的傅里叶变换特性,提出了一种改进方案突破了原有限制。新方法在理论和实验上被验证了可实现散射介质后或散射介质之间任何距离上物体的成像恢复且不再受限于第一个散射体。通过散射片和(或)成像目标的随机平移(模拟动态情况),结合相位恢复算法实现了动/静态散射介质之间静/动态物体的非侵入式光学成像。此外,本文创新性地提出了一种收发一体式的新方案,对完全被动态散射介质包围的物体进行有效成像。最后,本文提出了一种新散射透过模型的猜测,基于该新模型对原有的和改进后的基于FDSE的散斑自相关术进行了光场的标量衍射推导和定量分析,较好地解释了改进方案中正透镜的定量作用。综上所述,本文提出了一种改进的基于FDSE的散斑自相关术,有效地实现了动态散射系统中散射介质后或散射介质之间物体的成像恢复,具备了非侵入性、低成本、操作简单、高分辨率等优点。该方法将在医疗诊断、安全监控和军事国防等领域有着重要的使用价值。
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