结构光照明下的非相干自干涉数字全息成像

导读：非相干数字全息技术结合了全息技术、光电技术与计算机技术，有望实现高质量成像，而实际的非相干数字全息成像系统可实现的分辨率仍然较低，限制了该技术的进一步应用。郑州大学物理学院（微电子学院）杜艳丽副教授等提出了一种采用结构光照明的迈克尔逊非相干数字全息成像系统，从仿真和实验方面证明了该方法可以有效提高非相干数字成像系统的分辨率。

非相干数字全息术

光学成像技术是人类观察探测世界的重要工具，也成为科学研究的热点内容之一。其中，非相干全息术通过利用非相干光源照明物体（或自发光物体）可以形成同源光波，分束干涉后记录为点源全息图的集合，能够产生一个二维干涉图样的强度分布，实现对原始图像三维信息的记录。非相干数字全息术结合了非相干全息术、光电技术与计算机技术，能通过图像传感器CCD或CMOS等元件记录全息图，利用计算机数值模拟光学衍射过程再现全息图，并能与多种图像处理技术结合实现高质量成像。该技术避免了相干成像系统中的边缘伪影、散斑噪声、成像依赖相干光源等问题，因此在过去的十几年间被广泛研究。

然而由于存在衍射现象，非相干数字全息术系统的分辨率受到数值孔径（Numerical Aperture，NA）的限制，只有物体光谱的低频部分能被传输和记录，相应的重建图像在频域中受频带限制。同时，任何电子设备都不能达到光学全息中感光材料的高分辨率（高达5000 lp/mm）。所以在大多数情况下，该技术能够实现的分辨率太低，不适合实际应用。

目前已有以下两种解决方案：

1.合成孔径技术

通过平移CCD、旋转物体或多光束照明来记录不同位置的全息图再将其组合来增加NA。该技术的实现一般依赖于高精度的压电陶瓷位移装置，成本较高且易受外部环境影响导致成像系统出现不规则抖动。

2.光栅技术

通过在记录装置中插入衍射光栅将高频部分重新导向记录设备；尤其是基于空间光调制器（Spacial Light Modulator，SLM）的结构光照明技术，结构光照明技术作为一种超分辨率成像技术，能突破系统的衍射极限，显著提高成像系统的分辨率。通过在SLM上加载不同的掩模可以实现不同方向的结构光照明，因此该方法在荧光显微、全息成像、三维显示等方面得到了广泛应用。

文章摘要：

1.提出了一种采用结构光照明的迈克尔逊非相干数字全息成像系统，该系统利用空间光调制器SLM实现水平和竖直方向的余弦光栅照明模式，以提高成像系统的横向分辨率。

2.对系统进行了仿真成像和数值重建，证明了该方法可以有效提高非相干数字全息系统的分辨率。

3.搭建了相应的非相干光数字全息成像系统，对上述方法适用性进行了实验验证。

原理分析

图1.结构光照明基于迈克尔逊干涉仪的非相干自干涉数字全息系统