數字全息技術的應用

周笑薇

（鄭州師范學院物理與電子科學系，河南 鄭州 450044）

數字全息技術的應用

周笑薇

（鄭州師范學院物理與電子科學系，河南 鄭州 450044）

本文簡明介紹了數字全息技術在三維形貌觀測、顯微領域、粒子場分析與測試、防偽領域中的應用。

光全息；數字全息；全息圖

1 引言

1948年，Dennis.Gabor為提高電子顯微鏡的分辨率，發明了光全息，光全息是利用光的干涉原理記錄物體的光波信息，物體的光波信息是以干涉條紋的形式記錄在介質（干板）上，記錄著干涉條紋的干板經過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖，然后應用光的衍射原理讓全息圖在相干光照射下再現物體光波信息，從而形成與原物體逼真的三維像。目前，光全息技術在全息干涉計量、全息光學元件、全息信息存儲、文化、商業、醫學及軍事等領域存在著廣泛的應用。

1967年Goodman等提出了另外一種全息成像方法—數字全息，其成像過程與光全息相同，分為波前記錄和波前再現兩步，但它的記錄介質不是干板，而是光電傳感器件（如CCD或CMOS）。圖1所示為數字全息的成像光路，物光和參考光在CCD表面發生干涉，干涉圖樣的光強分布被CCD記錄后，再抽樣經數據采集卡采集并進行模／數轉換和量化，送到計算機中保存，它的結果是一個數字矩陣，該矩陣就是數字全息圖。這一過程稱為波前記錄。波前再現過程由計算機進行模擬再現，目前采用的主要方法有菲涅耳衍射積分再現算法和卷積再現算法。在記錄了數字全息圖后，為了提高再現像的品質，可對其進行一些預處理，如噪聲的抑制、干擾項的消除、對比度的增強等。與光全息相比，數字全息具有以下優勢：

圖 1 數字全息的工作原理圖

1.1 利用光電圖像傳感器作為記錄介質，沒有了繁瑣的顯影、定影等濕處理過程，縮短了曝光時間和再現時間，并且制作成本低。

1.2 光電圖像傳感器靈敏度高，響應速度快，能夠記錄運動物體的各個瞬時狀態。

1.3 可方便地進行多種測量，可用計算機編程來消除各種像差，噪聲等因素對再現像的影響，提高再現像的質量。

1.4 計算機技術可以設計各種虛擬物體及圖像，并且能在較短的時間內制成符合特定要求的全息圖。

目前，高分辨率CCD和計算機技術得到了迅猛的發展，數字全息技術已成為國際上一個研究熱點，它在三維形貌觀測、顯微領域、粒子場分析與測試、防偽、生物醫學等許多領域得到了廣泛應用。

2 數字全息技術的應用

2.1 數字全息技術在三維形貌觀測中的應用

物體三維形貌測量的應用范圍涉及計算機輔助設計、產品質量檢測、數控加工技術、醫學、藝術等領域。數字全息能夠測量具有任意形狀的三維漫反射表面的物體，不論物體表面光潔度如何，都能達到納米量級的分辨率。數字全息測量方法比其他三維形貌測量方法分辨率高、靈敏度高、且快速、非接觸、無損、測量便捷。例如，利用數字全息技術，對工業生產中構件的缺陷進行檢測，測試其在承載或者在應力作用下表面的微量變形的信息，找到缺陷部位，保證產品質量。

2.2 數字全息技術在顯微領域中的應用

2.2.1 數字全息技術在顯微觀測中的應用

傳統的光學顯微鏡只能測到物體的二維圖像信息，不能得到三維形貌圖像，若要觀察透明樣品需要染色，若樣品是透明的生物細胞，染色時會殺死細胞或改變細胞的原始結構。電子和掃描探針顯微鏡分辨率較高，但不能用于觀察純相位型物體如透明的生物細胞，由于其實時性差，所以不能獲得樣品的動態圖像。而數字全息技術具有快速、分辨率高、實時性強、能定量獲取相位信息等優點，使其在顯微觀測的研究中獲得了很多成果。目前，國際上數字全息顯微成像的分辨率已經達到橫向亞微米量級、軸向納米量級。瑞士的研究者研制的數字全息顯微鏡，其軸向分辨率達到0.2 nm，橫向分辨率最高達到300 nm，最大視場4.4mm。他們用研制的數字全息顯微鏡完成了對微透鏡的面型的方便檢測，并利用數字全息顯微鏡繪制了老鼠的活體神經細胞的三維圖像，細胞體尺寸為8-10。他們和Lynnceetee公司合作生產的產品分別適用于透明和不透明的樣品，用于動態物體的實時觀測。Christian D.Depeursinge[1]等人拍攝了在培養液中的活體細胞，縱向分辨率達到30，橫向分辨率達0.5。國內的研究者利用數字全息顯微術對蒲黃花粉（中藥飲片細胞的一種）的形態和大小進行了測定，以鑒別中藥飲片品種的真偽、優劣、提高中藥炮制的質量和臨床效果。數字全息顯微術還能對微小物體進行三維圖像識別，具有高靈敏度，可實時觀測的優點，可應用在醫學上，如內窺鏡、光學相干層析成像技術等。

2.2 數字全息技術在微結構變形測量中的應用

利用數字顯微全息技術可測量微機械器件的位移、形狀或各類變形等，完成顯微結構和設備特性的精確度測量。意大利的研究者利用數字全息顯微技術測量微型懸臂在熱加工過程中的變形，可測量的微結構的尺寸范圍為1-50μm。Isao Takahashi[2]等人對懸臂的形變進行測量，得出形變量的精度可達到納米等級。

2.2.2 數字全息技術在空間微粒的位置和核徑跡的探測中的應用

數字全息技術能實時測量三維空間中高分辨率的微粒。日本的研究者得到了空間微粒光強度分布的三維顯示圖，對微粒的位置進行了測量，單個微粒大小為0.16mm左右。古巴的研究者得到了固體核徑跡的測量結果，每個蝕坑直徑為幾百個納米。

2.3 數字全息在粒子場分析與測試方面的應用

在電子、化工、機械、冶金、制藥、環境保護等領域中，人們經常需要精確測量一些微粒的尺寸和形狀，例如，在大氣質量檢測方面，要測大氣中的顆粒污染物的大小，即PM2.5。近年來數字全息技術在粒子場測量領域得到了迅速發展，與許多粒子粒徑測量技術相比數字全息技術具有獨特的優點：可以應用于各種形狀、不同狀態和不同速度的粒子場的實時定量測量，獲得粒子場內每個粒子的粒徑、空間分布以及粒子形狀等細節。E. Darakis應用數字全息技術測量微小粒子的粒度、位置特性[3]，并進行了實驗驗證，他測量了漂浮在水中的陶瓷粒子的直徑約為80μm，漂浮在水中的纖維的直徑為8μm，長度為50-500μm。Sun等人[4]利用水下數字全息攝像機對浮游生物和其他海洋生物進行了研究，該水下數字全息攝像機可記錄36.8 cm3范圍水域內的生物體和粒子。美國的研究者利用標準航空使用的數字全息云層探測器，在飛行試驗過程中對大氣中的冰粒進行實時測量和數字再現，測量直徑范圍在10μm-1000μm，獲得了大氣中冰粒的等效直徑、三維形貌和二維分布，并使用自動算法計算冰粒的粒度分布和密度。Madams[5]等人利用層析成像技術，用多個平面鏡，從不同的角度照射粒子場，再現與全息圖平面平行的像平面和與全息圖平面垂直的像平面，得到了粒子場的橫向分辨率及深度分辨率。他們利用脈沖激光器，用2次曝光的方法獲得了粒子場的速度信息。

2.4 數字全息技術在防偽領域中的應用

全息防偽是一種新型的防偽技術，有著高效、難以仿制、簡便等特點。全息防偽技術的發展過程為：第一代商用模壓全息圖像防偽技術、第二代改進型全息防偽技術、第三代加密全息圖像防偽技術和第四代組合全息防偽技術。模壓全息圖像防偽由于其技術的迅速擴散逐漸失去了防偽功能。改進型全息防偽技術，可應用計算機處理技術改進全息圖像，制作透明全息防偽與反射全息防偽，使全息圖像具有定制和難以復制的特征。加密全息圖像防偽技術，采用激光閱讀、光學微縮、低頻光刻、隨機干涉條紋、莫爾條紋等光學圖像編碼加密技術，并與全息圖像防偽技術相結合，達到多重防偽目的。組合全息防偽技術制作的全息圖是將幾十甚至幾百個不同的二維圖像通過幾十甚至幾百次曝光所記錄的全息圖，其巨大的信息量和復雜的制作過程使其成為一種防偽性能極高的全息圖。

數字全息技術利用計算機可實現數字化，并能對全息圖的顏色和圖像的典型加密，使全息圖的防偽性能大大提高。近年來，數字全息技術被引入到信息隱藏與數字水印技術領域，為網絡數字產品、電子商務、銀行、出版印刷等領域的防偽提供了有力的武器。目前，在組合數字全息技術（數字全息技術與組合全息技術相結合）中，用計算機技術將同一物體的不同狀態制成全息圖，將這些全息圖按照相應的變化規則排列并再現，就會實現動態全息。動態全息應用于防偽技術中，不但能改善觀賞效果，同時使仿造的難度增大。國內的研究者將動感全息圖制成了動感防偽薄膜標志，達到了更好的防偽效果。

3 展望

數字全息技術的發展與圖像器件的性能有密切的關系。現在，高分辨率、有效記錄面更大的CCD出現，使得數字全息技術能夠在更近的距離記錄更大尺寸的物體信息，同時還能提高物體再現像的分辨率。數字彩色全息術（數字技術與彩色全息技術結合）的出現，可將真實的三維物體逼真的顯示在虛擬的環境中。隨著人們對數字全息技術的進一步研究，數字全息技術將在工業、測量、生物、醫學等領域具有更大的應用前景。

[1]Christian D.Depeursinge，Et ienne Cuche，Pierre Marquet et al.Digital holography applied to microscopy C.SPIE，4659：30-34.

[2]Isao Takahashi，Takanori Nomur，Yoshiharu Morimoto，Satoru Yoneyama，Mo-toharu Fujigaki.Deformation measurement by digital holographic interferome-tryC.Proc.of SPIE，2003，5264.

[3]Darakis E，Khanam T，Rajendran A.Microparticle Characterization Using Digital Holography[J].Chemical Engineering Science，2010（65）：1037-1044.

[4]Sun H.，Hendry D C.，Player M A，et al.In Situ Underwater Electronic Holographic Camera for Studies of Plankton[J]. IEEE JOceanic Eng，2007（32）：373-382.

[5]Madams，T kreis，W Juptner.Part icle measurement w ith digital holog-raphy C.Proc.of SPIE，1999，3823：38-43.

TN249

A

1671-0037（2014）05-74-2

周笑薇（1962-），女，教授。