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体全息成像技术 时间:2017-07-14   点击:  栏目:全息新闻

  自从伽伯早年提出全息术后,光学全息术已经被广泛用于三维光学成像领域.体全息成像技术是采用体全息光栅作为高性能成像元件(体全息透镜)对物体进行三维成像的技术,是光学体全息术在三维成像领域的重要应用之一,它开拓了体全息衍射光栅在显微成像、望远成像光谱成像等领域的广泛应用前景.

  与采用常规光学透镜的成像系统不同的是,体全息成像系统是以体全息光栅作为成像透镜的成像系统.基于体全息原理,采用探测光波照明三维物体进行成像时,满足布拉格条件的光波将通过提全息光栅透镜、实现三维物体的光学层析衍射成像.

  如本站所描述的,光全息术是利用光的干涉和衍射原理,将物光波以干涉条纹的形式记录下来,并在一定条件下使其再现形成原物体逼真的三维像.因此,利用光学体全息术,可以在体存储介质中大容量、高密度地存储体全息图像,并且进行高速并行读出成像.在体全息存储技术中,须针对每个物体记录一幅全息图,再通过光学寻址扫描读出全息图,实现对所存储物像的光学成像重构.与其不同的是,体全息成像技术仅须在成像系统中使用一个体全息光栅作为成像元件,依据体全息光栅布拉格衍射的选择成像特性和多维成像功能,直接对物体成像并获取其空间结构的光谱信息.

  1990年,由Barbastathis和Brady提出体全息成像(Volume Holographic Imaging,VHI)技术,采用体全息光栅作为选择成像元件,对物体进行实时三维成像.与采用常规光学透镜的成像系统不同的是,体全息成像方法仅利用一个厚型体全息图(或称为体全息光栅透镜)作为对物场不同深度层进行选择成像的衍射成像元件,使得三维物场信息可以按照光学断层切片方式逐片地重构成像,不同的断层切片对应于三维物空间上轴向的不同位置.因此,采用体全息成像方法既可以研究静态物体的高度与外形轮廓H(x,y)的变化,以及半透明物体(具有一定的折射率和吸收系数,n(x,y,z)+ia(x,yz)的内部变化,又可以研究散射微粒的空间动态物场分布.尤其是,体全息成像系统具有获取光谱信息的特点,即它能够将物体不同颜色的部分像彩虹一样分开,因而还可以在像面不同位置处分别获取待测物体的光谱信息.

  体全息成像技术不同于传统的光学全息干涉书及数字全息术,传统的光学全息干涉术可以对三维物场及其变化进行高灵敏度的测量,但全息图底片处理过程的非实时性大大限制了其实际应用;数字全息术采用二维面阵光电探测器代替传统光学全息术中的记录介质(如银盐干板和重铬酸盐明胶等感光记录材料)记录全息图,将数字化的全息图存储于计算机中,利用计算机数值模拟全息图的衍射再现,获得待测物场的振幅和相位信息.在实际检测中,光学全息干涉术和数字全息术都要求针对每个待测物体记录其全息图,体全息成像技术则仅设计使用单个体全息图,就可以在CCD图像采集器上对三维物场实现分层成像,这样大大减少了成像系统设计的复杂度.并且,在现场成像检测应用中,由于体全息系统可直接衍射成像,避免实际现场环境条件对光学干涉记录系统的干扰和限制.尤其重要的是,体全息图具有多维匹配滤波的独特功能,十分有利于实现三维物场不同深度层的同时检测成像,在生物医学成像诊断和生产检测等高端成像领域有广阔的应用前景.

  美国麻省理工学院的Barbastathis小组在利用体全息成像技术提高显微成像系统、望远镜系统、光谱成像系统的分辨率方面进行了深入研究.他们研究了以体全息光栅作为滤波器的共焦显微镜成像系统的特点;研究了体全息望远镜成像系统的性能特点,并与双目成像系统进行了比较,指出体全息望远镜系统在深度分辨率上具有明显优势;提出采用电扩散函数(Point Spread Function,PSF)评价深度分辨率,并研究比较了采用不同参考波的全息成像系统的成像性能特点;研究了宽带光源体全息成像系统的大视场特点,明确了大视场成像与提高深度分辨率之间的矛盾关系.2003年,Sinha等利用望远镜系统增加系统的有效孔径并补偿深度分辨率的衰减,得到微小涡轮的三维成像,长工作距离下纵向分辨率为50um;2004年采用带显微镜的体全息系统对微机电零件成像,短工作距离下的纵向分辨率为2um;另外,利用含有显微物镜系统的体全息光学系统对三维荧光物体不同深度层实时成像,实现了三维不同深度层的实时超光谱成像.2005年,英国研究者研究了光折变聚合物材料中的体全息成像特性.Lou等利用体全息光栅的布拉格选择性实现了对生物组织不同深度的同时成像;并且,采用二氧化硅纳米粒子掺杂的PQ-PMMA材料设计制作的体全息成像系统实现了空间滤波成像.2010年,Kou和Waller等利用体全息成像系统的强度传输方程,使用采集到轴向强度信息,重构出物体的位相信息.国内报道有利用多焦点全息透镜实现多重谱分数傅里叶变换,并利用正交光栅一次曝光制作出四焦点全息透镜,以及利用全息透镜阵列同时实现多通道的分数傅里叶变换.国内在体全息透镜设计及成像特性分析方面也开展了相关研究.

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