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摘要PIE（Ptychography Iterative Engine）成像作为一种新型的相干衍射成像（Coherent Diffrative Imaging）方法，是一种基于衍射理论、奈奎斯特抽样定理以及卷积定理，根据记录的图像傅里叶变换面的衍射强度，通过迭代算法重组被测物的相位分布的无透镜成像技术。本文首先对相干衍射的成像原理进行简述，然后利用MATLAB软件对PIE成像过程进行仿真设计， 接着利用空间光调制器和位移平台搭建实验光路， 记录图像的衍射光场，以此来实现图像的振幅和相位重组，验证PIE 图像重组的实际可行性。最后，并简单地介绍PIE成像的应用领域。 42537
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毕业论文关键词 PIE 成像，相干衍射成像，相位重组，迭代算法
Title Research in PIE imaging technology and its application
Abstract As a newly developed CDI(Coherent Diffractive Imaging)method, PIE(Ptychography Iterative Engine)is a lensless imaging technique, which could reconstruct the phase distribution of the object using the theories of diffraction, Nyquist sampling, and convolution. Firstly, a brief introduction is given in this thesis. Then the simulation design of the PIE imaging process is shown. Thirdly, the experiment is carried out using the spatial light modulator(SLM) and displacement platform. The amplitude and the phase of the object are reconstructed by substituting the recorded diffracted image into the iterative algorithm. And the result can verify the validity of PIE imaging. Lastly, the application of PIE imaging is briefly introduced.
Keywords PIE, coherent diffraction imaging, phase retrieval, iterative algorithm
目次
1引言.1
1.1课题背景.1
1.2全息成像.1
1.3相干衍射成像.2
1.4本文研究内容.3
2PIE相关理论5
2.1光学基础理论.5
2.2PIE成像原理6
2.3PIE成像算法.11
3PIE仿真设计.13
3.1PIE仿真假设.13
3.2PIE仿真结果.14
4PIE成像实验及其结果分析.17
4.1实验光路图17
4.2实验仪器及其用途18
4.3实验光路的搭建19
4.4实验数据采集19
4.5实验数据处理21
4.6本章小结23
结论.24
致谢.25
参考文献26
附录A图像预处理程序28
附录BPIE成像仿真程序28
1 引言 1.1 课题背景 作为一种特殊的电磁波，光波的信息包括其强度信息和相位信息两方面。传统成像方法主要是利用物体不同部分对光波的吸收率不同，透射过物体的光在像面上不同区域亮度不一样，从而呈现出和物体结构相关的强度分布，这种强度分布就是能被记录介质直接记录的强度像[1]。 其优点在于每个物点都被转换为相应的一个像点，因此实验得出的结果更为直观地反映了物分布；后期的图像处理方便，对工作环境的要求也不高。但其缺点也随之产生，由于在成像过程中应用了透镜，那就不可避免地将产生像差，使得所成的像与物相比产生变形，不能够很好地恢复物的细节信息，同时对于透明物体，光波透过透明不吸收光波的物体时强度几乎不产生变化， 这时成像就会变得困难。由于上述一系列缺点，新的成像方式应运而生。新的成像方式是通过恢复物的相位分布来重现物分布的，目前较为成熟的相位成像方法主要分为全息成像和相干衍射成像两种方法。
1.2 全息成像 早在 1948 年，英籍匈牙利物理学家 Dennis Gabor 就根据光的干涉和衍射的原理，提出重现物分布波前的全息成像理论[2]，因此工作他于 1971获得诺贝尔物理学奖。由于没有相干性很高的光源存在，因此，无法将全息成像运用于实践。 12年后激光器诞生。 接着在1962年，Leith 和 Upatnieks 等人利用激光器拍摄成了完善的全息图片[3]，通过一张平面全息底片重现出与原物逼真的三维立体分布。 40年来，全息摄像已经成为信息光学里最为活跃的领域之一。 全息成像不仅要记录待测物体的强度分布，而且还要记录下传播到记录平面上的完整的物光波，这就意着在记录振幅分布的同时要记录其位相分布。利用干涉原理，在物波场中引入一个参考光波，使其与物光波在记录平面上发生干涉，从而将物光波的位相分布转换成了记录在照相底片上的光强分布[4]。 全息成像是通过干涉的方法来生成图像的，因此生成的图像还原度较高， 且成像方式不像传统光学成像那样将每个物点转换成相应的一个像点，因此，即使记录面部分缺失也不会影响物的复原。 传统全息技术因其成像条件苛刻（还原物分布时要用相同的参考光波进行照射以及工作环境的稳定性）而无法像传统光学成像那样被广泛应用。因此发展出数字全息技术，数字全息技术[5]是应用光电传感元件（如CCD或CMOS）代替传统全息中的成像底片，然后将全息图存入计算机，用计算机来模拟光学的衍射过程实现记录物体的成像技术。数字全息技术因其制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活等特点。近年来，随着计算机特别是高分辨率的 CCD发展，数字全息技术的应用范围已经涉及形貌测量、粒子场测试、变形测量、数字全息显微、生物医学中的断层扫描成像等诸多领域。