自然场景光场成像中非干涉确定性相位恢复研究

Conventional optical sensors can only record the intensity of the light field directly because of the high oscillation frequency, and therefore phase which contains more important information including object shape detail and depth is only recovered from intensity measurements. The transport of intensity equation on paraxial approximation is solved to recover the phase information in classic non-interference deterministic phase retrieval technology. This technology is widely used in the coherent field, but only consider coherent and single wavelength circumstances. Phase retrieval issues of natural light field with incoherent and multi-wavelength characteristics remains challenging. This project will build the overall framework including theoretical analysis, numerical solution and experimental system of phase retrieval in natural light field .We will adopt more stringent nonparaxial theory to describe optical field characteristics near focal plane in natural scene under incoherent illumination, and construct new differential equation describing the intensity and phase relations. Then explore the physical principles phase unwrapping physics of multi-wavelength case based on Green function theory.We will use more intensity measurements with high order derivatives to improve the original intensity differential approach for enhancing the noise immunity and breakthrough uniform illumination approximation constraints to find more efficient numerical solution. This work will provide a new technical support for full light field reconstruction, military and defense (such as the identification of camouflage, concealment ranging and so on).

光场的振荡频率极高，常规光学传感器只能直接记录光场强度，因此包含物体形状细节和深度等更重要信息的相位只能从强度测量中恢复。经典的非干涉确定性相位恢复技术通过求解强度传输方程从强度中恢复相位，在相干光场中获得了广泛的应用，但该方法仅适用于相干、单波长情形。具有非相干和多波长特性的自然场景的光场相位恢复问题仍具有挑战性。 本项目拟构建自然光场相位恢复理论分析、数值计算和实验体系的整体框架。首先拟采用更为严格的非傍轴理论描述非相干照明下自然场景聚焦平面附近光场特性，构建新的描述强度和相位关系的微分方程；然后结合Green函数理论探讨多波长情况下相位解缠的物理原理；再用多强度测量结合高阶导数改进原有计算强度偏导数的处理方式，以提高算法的抗噪声能力；同时突破均匀照明近似约束，寻找更有效的相位计算方程数值求解方法。该研究将为全光场重构、军事、防御（如伪装的识别、隐蔽测距）等方面提供新的技术支持。

常规光学传感器只能记录强度，包含物体深度信息的相位只能从强度测量中恢复。自然场景中的相位恢复具有广泛的应用前景，如在军事和三维重构中。但是自然光具有非相干特性，且是包含各种波长的混合光，其相位的计算比相干情况下的更加复杂。经典的非干涉确定性相位恢复技术无法直接应用于自然场景的相位计算中。本项目围绕自然场景光场成像中非干涉确定性相位恢复，提高自然场景成像系统分辨率的压缩成像技术以及相关的三维重构方面展开了深入细致地研究，具体内容和重要研究成果包括：① 基于强度传输方程的数值解方法和传统方程应用范围的拓展方面：提出了基于Green函数的强度传输方程法，强度传输方程和迭代融合的相位检索算法，适用于部分相干光场的相位检索算法以及适用于部分相干光场的混合相位检索算法。②空间光调制器与强度传输方程法的结合方面：提出了硅基液晶变焦透镜的相位恢复方法，基于正弦光栅调制的相位恢复方法，以及基于余弦光栅调制的相位恢复新方法。③基于相位提升和相位割的相位恢复方面：提出了基于相位割的以及编码衍射图样的相位检索算法。④相位解缠和多波长强度传输方程的结合方面：提出了基于多种群遗传模拟退火算法的相位解缠，自适应参数的径向基函数相位解缠算法以及双波长强度传输方程。⑤准确获取强度图像和散焦距离参数满足实时性要求的实验平台系统的构建方面：设计了采集与读数一体的新型摄像机和适用于自然光照明的高速大场景相位恢复系统。⑥复杂成像领域中的压缩传感理论与应用方面：提出了确定性矩阵可分离压缩传感，基于奇异值分解的可分离压缩成像方法以及单次曝光频域振幅编码压缩成像方法。⑦生物图像和模型的三维重构方面：提出了高效图像形变算法和生物细胞的分割算法。这些成果构建了自然场景成像中相位恢复的理论分析、数值计算和实验系统的相对完整的框架，将为全光场重构及相关成像领域等方面提供新的技术支持。