电子散斑干涉的图像处理及涡旋光特性研究

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电子散斑干涉法(Electronic Speckle Pattern Interferometry,简称ESPI)是指用光电子器件记录物体变形前后的散斑图像并对图像进行数字处理,一般用于物体面内和离面的形变测量。用电子散斑干涉直接测得的是散斑条纹图像,若要获得物体形变信息,需获得条纹图中每个点的相位信息,即对散斑条纹图样进行数字图像处理。常用的求相位方法包括傅里叶变换法和相移的方法。传统的傅里叶变换法采用矩形滤波窗口滤出频域中的正一级频谱,去掉基频频谱和负一级频谱。得到的包裹相位含有一定程度的噪声,条纹对比度相对较低,影响了图像的处理精度。本文设计了多边形滤波窗口,降低了噪声的影响,提高了图像的条纹对比度,从而得到更加精确的实验结果。涡旋光(Optical Vortices)是一种特殊的光场,其相位分布形式为exp(i l),其中l称为拓扑荷数,每个光子具有确定的轨道角动量l。涡旋光广泛应用于光学微操纵、量子信息处理和光学信息传输等领域,目前产生涡旋光的方法主要有模式变换法、计算全息法、液晶空间光调制器法和螺旋相位板法等。其中最常用的方法是液晶空间光调制器法和螺旋相位板法。能否用其他方法产生涡旋光,以及能否将涡旋光应用于物体形变测量,仍是人们不断探究的课题。本文探究了用螺旋波带片产生涡旋光束的方法,并将涡旋光应用于变形测量,为以后用电子散斑干涉法测量物体形变提供新的途径。本文的研究主要包括以下三个方面:1、第一部分介绍了电子散斑干涉测量方法的历史发展现状和电子散斑干涉的基本原理,以及两种常用的求解相位的方法。2、第二部分介绍了空域滤波、频域滤波以及其他几种滤波方法的原理,讲述了各种方法的优缺点及适用范围。并针对传统傅里叶变换求包裹相位过程中矩形滤波窗口易产生噪声干扰的问题,设计了多边形和圆形滤波窗口。通过MATLAB对实验所得物体变形条纹图分别用矩形、多边形和圆形滤波窗口进行了滤波,并讨论了滤波后图像的信噪比。结果表明,针对不同形状的频谱图,采用最适合频谱形状的多边形滤波窗口得到的包裹相位图,噪声最小,质量最高。3、第三部分介绍了涡旋光发展现状,介绍了计算全息法、螺旋相位板法及空间光调制器法等各种获取涡旋光束的方法,分析了各种方法的原理和优缺点,提出用平行光入射螺旋波带片获取涡旋光束的方法。将波带片传输到液晶空间光调制器中,用平行光通过空间光调制器,即可得到涡旋光束。用涡旋光做为参考光或物光模拟散斑干涉测量物体形变过程,实验证明涡旋光可以应用于物体的变形测量,为变形测量提供了一种新的途径。并且可以通过改变拓扑荷数来调制变形条纹图样,为散斑测量提供了新的方法。
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