空间光孤子是介质衍射效应和非线性效应相平衡的结果。当两束非相干光在非线性介质中传输时, 两孤子发生交叠而产生相互作用, 本文研究自散焦介质中非相干耦合暗孤子对的传输特性和相互作用。基于描述光束传播的耦合非线性薛定谔方程组, 利用变分法, 首先得到了自散焦克尔介质中传输的两暗孤子的幅值、横向中心位置坐标、速度和相位随传输距离变化的参数演化方程组, 讨论了孤子参数演化的规律。然后, 为分析孤子间相互作用, 导出了两幅值相等的暗孤子在传输过程中孤子间距随传输距离的变化规律, 作出了孤子对传输图像和相互作用图像, 最后导出了孤子间相互作用势能和相互作用力的表达式, 并利用图像详细分析了孤子间的相互作用特性。研究结果表明: 无损耗情况下, 孤子的幅值不受耦合作用的影响, 传输过程中保持不变; 耦合相互作用使两孤子横向中心位置坐标发生明显漂移, 当两孤子间距较小时, 孤子间距随传输距离作变速变化, 变化速率与孤子的幅值和耦合程度有关, 当两孤子间距趋近于零时, 孤子间距随传输距离呈匀速的稳定变化; 暗孤子间的相互作用力为排斥力, 随着孤子间距增大, 排斥力先增大后减小, 而相互作用势能一直逐渐减小, 当孤子间距增至4.5附近时, 孤子间势能减小到几乎为零。

光场相机通过单次曝光同时从多个视角采样单个场景，在深度估计领域具有独特优势。噪声场景下的深度获取是光场图像深度估计的难点之一。传统针对噪声场景的深度获取方法大多仅适用于非遮挡情况，无法较好处理包含遮挡区域的噪声场景。针对含遮挡的噪声场景深度估计问题，提出了基于内联遮挡处理的深度估计方法。该方法采用内联遮挡处理框架，通过将遮挡处理集成进抗噪成本量中，在保证抗噪性能的同时提升算法的抗遮挡能力。在成本量建立完成后，为进一步滤除剩余噪声，采用提出的适应遮挡的多模板滤波策略对成本量进行遮挡感知优化，该策略通过为不同方向的遮挡分别设计滤波模板，在滤波的同时能较好保留图像的边缘结构，有效改善了传统滤波算法无法保留遮挡边界的问题。实验结果表明，相比其它先进深度估计算法，该方法在高噪场景下具有显著优势，并能更好处理噪声场景深度估计的遮挡问题。

雾天拍摄的图像通常会存在对比度低、图像质量差的问题，而这些退化图像会对计算机视觉的应用产生显著的负面影响。针对这些问题，本文首次提出一种将光场与大气散射模型相结合的图像去雾方法。首先利用光场相机捕获多视角信息的优势提取散焦线索和匹配线索估计雾天图像的深度信息，并利用获取的深度信息计算场景初始透射率。然后利用场景深度信息构建新的权重函数，并将其与 1-范数上下文规则化相结合对初始透射率图迭代优化。最后利用大气散射模型对光场中心视角图像进行去雾以获得最终的无雾图像。在合成雾天图像和真实雾天图像上的实验结果表明，与现有的单幅图像去雾算法相比，峰值信噪比(PSNR)提高约 2 dB，结构相似性(SSIM)提高约 0.04，本文方法更好地保留了图像的结构信息，同时去雾后的图像较好地保持了图像的色彩信息，能获得更优的图像去雾效果。

散焦结合相关性评价算法是利用四维光场的空间信息和角度信息来完成深度估计,该算法建立的散焦响应函数存在求取二阶导方向有限且二阶导求和能量正负相互抵消的问题,这限制了其在复杂场景中的深度重建精度。针对该问题,对散焦响应函数进行了改进,提出基于能量增强散焦响应的光场深度估计算法。该算法充分考虑了周边像素点对当前位置散焦度的影响,通过增加具有权重差异的二阶导个数和方向来实现散焦响应的能量增强。通过实验验证了所提方法的有效性。针对一些边缘复杂的光场图像,所提算法获取的深度图视觉效果更好;与散焦评价结合相关性评价算法相比,改进算法获得深度图像的均方根误差平均减小3.95%。

基于描述超材料中超短脉冲传输的高阶非线性薛定谔方程,采用行波法得到一种精确的飞秒准亮孤子解及其存在条件。研究发现,在群速度色散、三阶色散、三次-五次非线性、自陡峭和二阶非线性色散效应的精确平衡下,超材料中可存在该飞秒准孤子;当三阶色散和二阶非线性色散不存在时,该准孤子无法存在。基于Drude模型,详细讨论了不同非线性超材料中该飞秒准亮孤子存在的不同折射区域。结果表明,该飞秒准孤子可存在于自散焦非线性超材料的负折射区和自聚焦非线性超材料的正折射区,而且在不同区域具有不同的脉冲强度和宽度。这意味着,通过选择不同非线性超材料和输入电磁波的频率,使其位于相应的存在区域,可以实现对孤子特性的调控。

散焦一直是影响成像系统成像质量的主要问题之一。分析了不同光路上存在散焦对无透镜鬼衍射成像的影响, 比较了散焦对无透镜鬼衍射成像和传统成像两者之间的差异。在前期理论研究基础上, 对无透镜鬼衍射和传统成像的强度函数做了进一步分析, 结果表明散焦的效果相当于物体的透射函数在相位上增加一个啁啾调制, 使得两种成像系统在一定程度上是等价的。

在非线性自散焦LiNbO3∶Fe晶体中, 实验观察了用激光作光源和用白光作光源两种情况下所产生的调制不稳定性, 并从三个方面对这两种情况进行了比较。实验结果表明: 在两种情况下, 达到稳定状态前, MI现象都会随辐照时间的增加而变得越来越清晰, 并且MI图样都会随着入射光束形状的变化而变化。不同的是, 用白光作光源时, 灯丝长度方向与晶体c轴方向的夹角大于等于45°时出现MI, 而用激光作光源时, 入射光束方向与c轴方向的夹角不大于45°才出现MI。

传统的成像方式单次曝光只能获取物空间二维横向分辨率信息, 无法获取纵向深度信息, 导致单次拍摄过程中物空间的深度信息丢失,无法对物空间的目标物进行三维重构。光场相机内部采用光场传感器, 不同于传统成像系统单次采集只能获取二维信息而造成的信息缺失, 光场传感器可获取物空间的多维光场信息, 同时其还具有便携等优点。采用光场相机进行拍摄, 利用数字重聚焦以及散焦测距和相关计算的方法, 实现密集深度图像的获取, 基于matlab软件平台, 对所获取的图像深度数据矩阵进行处理, 最终实现物空间的三维重构。得到物空间的相对深度的归一化结果。本实验中, 在深度范围为100 mm~1 500 mm范围内, 实现平均误差为5.47%深度信息的表面三维重构, 最大重构误差为8.30%。