基于空間光調(diào)制器的新型非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

空軍第一航空學(xué)院 李玉成

94669部隊(duì)裝備部 劉厚云

基于空間光調(diào)制器的新型非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

空軍第一航空學(xué)院 李玉成

94669部隊(duì)裝備部 劉厚云

數(shù)字全息與望遠(yuǎn)鏡技術(shù)結(jié)合起來的望遠(yuǎn)數(shù)字全息目前研究較少，相移準(zhǔn)確度低、再現(xiàn)像重建距離偏大將會導(dǎo)致非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息成像信噪比低。針對這一問題，我們將空間光調(diào)制器(SLM)用于白光非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息，對其記錄和再現(xiàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析、模擬和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，引入SLM后，消除了相移誤差對成像質(zhì)量的影響，并且理論分析為優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和提高系統(tǒng)分辨率提供了重要的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。增加SLM的白光非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符合。增加SLM的白光非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息技術(shù)在軍事、天文學(xué)和工程檢測等領(lǐng)域可能具有很大的潛在應(yīng)用前景。

全息；非相干望遠(yuǎn)全息；波動理論分析；再現(xiàn)像重建距離

1 引言

全息成像是利用干涉原理，將物光波的振幅和相位信息以干涉條紋的形式記錄到全息圖中，通過衍射效應(yīng)重建出包含物體深度信息的三維圖像。傳統(tǒng)全息成像使用激光為光源，導(dǎo)致對光源相干性、系統(tǒng)穩(wěn)定性的高度依賴，使全息成像技術(shù)的應(yīng)用受到極大地限制[1-3]。數(shù)字全息使用面陣光電探測器(CCD/CMOS)進(jìn)行記錄，通過數(shù)據(jù)處理在計(jì)算機(jī)中重建物體的三維圖像[4-6]，雖然結(jié)構(gòu)簡單、信息豐富、圖像質(zhì)量提高，但是仍未克服對光源和系統(tǒng)的依賴性。近年來，Rosen Joseph等人[7]提出的Fresnel非相干相關(guān)全息(Fresnel incoherent correlation holography，F(xiàn)INCH)實(shí)現(xiàn)了空間非相干物光波的自干涉，將三維全息成像技術(shù)從相干領(lǐng)域真正地拓展到了非相干領(lǐng)域，也就是自干涉技術(shù)克服了對光源和系統(tǒng)的依賴性。2008年Rosen J和Brooker G[8]設(shè)計(jì)出了基于FINCH結(jié)構(gòu)的三維靜態(tài)非掃描熒光全息顯微系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生物樣本三維高分辨率熒光圖像的快速記錄。2010年Barak K等人[9]基于FINCH結(jié)構(gòu)利用合成孔徑方法突破了Rayleigh衍射極限，重建出了物體的超分辨率三維圖像。國內(nèi)華南師范大學(xué)鐘麗云研究小組對FINCH的研究發(fā)現(xiàn)，在空間光調(diào)制器(SLM)上加載不同模式的相位因子，理論最大分辨率相同，但是在相同實(shí)驗(yàn)條件限制下，SLM上加載兩個球面波的情況達(dá)到的分辨率遠(yuǎn)大于加載單個球面波的情況[10]。北京工業(yè)大學(xué)萬玉紅研究小組基于LabVIEW環(huán)境開發(fā)了FINCH實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的智能控制[11]。

以上非相干數(shù)字全息的研究多數(shù)集中于顯微成像系統(tǒng)[8-14]，然而，對于集成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與非相干全息的望遠(yuǎn)全息的研究報道相對較少。Kim M K等人[15]在2013年利用自干涉技術(shù)，提出了集成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的非相干數(shù)字全息，采用Michelson干涉儀作為非相干相關(guān)器和分束器，使全息技術(shù)的應(yīng)用從生物醫(yī)學(xué)微觀成像擴(kuò)展到天文學(xué)、工程檢測等更廣泛的宏觀成像領(lǐng)域。但是，Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)對相移量控制精度高度依賴，相移量準(zhǔn)確度直接影響成像的信噪比。缺少與非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息相對應(yīng)的理論分析為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置提供指導(dǎo)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)參數(shù)不協(xié)調(diào)、物體再現(xiàn)像的重建距離偏大(大于10 m)、信號強(qiáng)度弱等一系列問題。

圖1 白光非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息光路示意圖

針對以上問題，本文提出了用SLM來取代Michelson干涉儀，將壓電陶瓷驅(qū)動器控制相移量改進(jìn)為SLM精確的數(shù)字化調(diào)控相移量。利用空域衍射理論詳細(xì)分析了白光非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息的記錄和再現(xiàn)過程。對不同深度的物體進(jìn)行了數(shù)值模擬，定量研究了開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)雙透鏡之間距離的變化、SLM與CCD之間的距離的變化對物體再現(xiàn)像的影響。采用白光光源照射物體，進(jìn)行了白光非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析正確性。對實(shí)驗(yàn)獲得的物體再現(xiàn)像執(zhí)行空域?yàn)V波，顯著提高了再現(xiàn)像的質(zhì)量。研究結(jié)果為高分辨率的非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息提供重要參考。

2 理論分析

白光非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，SLM上加載半徑分別為f1和f2的兩束球面波，采用中心波長為λ的非相干光照射物體。反射或透射光波經(jīng)過干涉濾波片(即IF)、開普勒望遠(yuǎn)鏡(即透鏡La和Lb)和SLM后，得到不同相位延遲的兩束球面波，疊加后的強(qiáng)度分布由CCD直接記錄。最后通過三步相移法計(jì)算出物體的全息圖。

式中hic表示非相干脈沖響應(yīng)。若相干脈沖響應(yīng)用hc表示，根據(jù)相干與非相干成像之間的關(guān)系，則有：

式中：

M表示系統(tǒng)的橫向放大倍數(shù)，且：

式中：

采用Fresnel逆衍射方法重建物體的像，則重建過程表示為：

考慮透鏡La所成像位于透鏡Lb的前焦平面特殊情況，此時：

代入式(6)，則有：

此時，成像系統(tǒng)對物體所成的兩個實(shí)像恰好位于SLM加載的兩個球面波的焦平面。

3 結(jié)論

提出基于SLM的白光非相干望遠(yuǎn)數(shù)字全息，并對其記錄和重建過程進(jìn)行了詳細(xì)地理論分析，消除了因相移誤差對成像質(zhì)量的影響，得到了不同深度物體精確的重建距離和橫向放大倍數(shù)的計(jì)算公式，為優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和提高系統(tǒng)分辨率提供了重要的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

[1]萬玉紅,滿天龍,陶世荃.非相干全息術(shù)成像特性及研究進(jìn)展[J].中國激光,2014,41(2):0209004.

[2]Rosen J,Brooker G,Indebetouw G et al..A review of incoherent digital Fresnel holography[J].Journal of Holography and Speckle,2009,5(2):1-17.

[3]Poon T C,Doh K B,Schilling B W et al..Three-dimensional microscopy by optical scanning holography[J].Optical Engineering,1995,34(5):1338-1344.

[4]王華英,王廣俊,趙潔等.數(shù)字全息顯微系統(tǒng)的成像分辨率分析[J].中國激光,2007,34(12):1670-1675.

[5]王云新,王大勇,楊怡姝等.數(shù)字全息技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像和分析中的應(yīng)用[J].中國激光,2014,41(2):0209002.

[6]賈甲,王涌天,劉娟等.計(jì)算全息實(shí)時顯示的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2012,49:050002.

[7]Rosen J,Brooker G.Digital spatially incoherent Fresnel holography[J]. Optics Letters,2007,32(8):912-914.

[8]Rosen J,Brooker G.Non-scanning motionless fluorescence three dimensional holographic microscopy[J].Nature photonics,2008,2:190-195.

[9]Katz B,Rosen J.Super-resolution in incoherent optical imaging using synthetic aperture with Fresnel elements[J].Optics Express,2010,18(2):962-972.

[10]劉英臣,范金坪,曾凡創(chuàng)等.白光菲涅爾非相干數(shù)字全息的記錄、再現(xiàn)及實(shí)現(xiàn)[J].中國激光,2013,40(10):1009002.

[11]萬玉紅,滿天龍,陳昊等.基于LabVIEW的非相干數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].大學(xué)物理,2013,32(4):31-34.

[12]Bouchal P,Kapitán J,Chmelík R et al..Point spread function and two-point resolution in Fresnel incoherent correlation holography[J]. Optics Express,2011,19(16):15603-15620.

[13]Brooker G,Siegel N,Wang V et al..Optimal resolution in Fresnel incoherent correlation holographic fluorescence microscopy[J].Optics Express,2011,19(6):5047-5062.

[14]郭小樂,萬玉紅,滿天龍等.非相干數(shù)字全息自適應(yīng)光學(xué)波前校正特性研究[J].中國激光,2014,41(11):1109004.

[15]Kim M K.Incoherent digital holographic adaptive optics[J]. Applied Optics,2013,52(1):A11-A130.