基于空間光調制器的新型非相干望遠數字全息成像系統的實驗研究

空軍第一航空學院 李玉成

94669部隊裝備部 劉厚云

基于空間光調制器的新型非相干望遠數字全息成像系統的實驗研究

空軍第一航空學院 李玉成

94669部隊裝備部 劉厚云

數字全息與望遠鏡技術結合起來的望遠數字全息目前研究較少，相移準確度低、再現像重建距離偏大將會導致非相干望遠數字全息成像信噪比低。針對這一問題，我們將空間光調制器(SLM)用于白光非相干望遠數字全息，對其記錄和再現過程進行了詳細的理論分析、模擬和實驗研究。研究結果表明，引入SLM后，消除了相移誤差對成像質量的影響，并且理論分析為優化系統參數和提高系統分辨率提供了重要的理論基礎和依據。增加SLM的白光非相干望遠數字全息模擬和實驗結果與理論分析相符合。增加SLM的白光非相干望遠數字全息技術在軍事、天文學和工程檢測等領域可能具有很大的潛在應用前景。

全息；非相干望遠全息；波動理論分析；再現像重建距離

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，通過衍射效應重建出包含物體深度信息的三維圖像。傳統全息成像使用激光為光源，導致對光源相干性、系統穩定性的高度依賴，使全息成像技術的應用受到極大地限制[1-3]。數字全息使用面陣光電探測器(CCD/CMOS)進行記錄，通過數據處理在計算機中重建物體的三維圖像[4-6]，雖然結構簡單、信息豐富、圖像質量提高，但是仍未克服對光源和系統的依賴性。近年來，Rosen Joseph等人[7]提出的Fresnel非相干相關全息(Fresnel incoherent correlation holography，FINCH)實現了空間非相干物光波的自干涉，將三維全息成像技術從相干領域真正地拓展到了非相干領域，也就是自干涉技術克服了對光源和系統的依賴性。2008年Rosen J和Brooker G[8]設計出了基于FINCH結構的三維靜態非掃描熒光全息顯微系統，實現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結構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。國內華南師范大學鐘麗云研究小組對FINCH的研究發現，在空間光調制器(SLM)上加載不同模式的相位因子，理論最大分辨率相同，但是在相同實驗條件限制下，SLM上加載兩個球面波的情況達到的分辨率遠大于加載單個球面波的情況[10]。北京工業大學萬玉紅研究小組基于LabVIEW環境開發了FINCH實驗控制系統，實現了實驗設備的智能控制[11]。

以上非相干數字全息的研究多數集中于顯微成像系統[8-14]，然而，對于集成望遠鏡系統與非相干全息的望遠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，提出了集成望遠鏡系統的非相干數字全息，采用Michelson干涉儀作為非相干相關器和分束器，使全息技術的應用從生物醫學微觀成像擴展到天文學、工程檢測等更廣泛的宏觀成像領域。但是，Michelson干涉儀結構對相移量控制精度高度依賴，相移量準確度直接影響成像的信噪比。缺少與非相干望遠數字全息相對應的理論分析為系統參數設置提供指導，導致實驗參數不協調、物體再現像的重建距離偏大(大于10 m)、信號強度弱等一系列問題。

圖1 白光非相干望遠數字全息光路示意圖

針對以上問題，本文提出了用SLM來取代Michelson干涉儀，將壓電陶瓷驅動器控制相移量改進為SLM精確的數字化調控相移量。利用空域衍射理論詳細分析了白光非相干望遠數字全息的記錄和再現過程。對不同深度的物體進行了數值模擬，定量研究了開普勒望遠系統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像的影響。采用白光光源照射物體，進行了白光非相干望遠數字全息實驗，驗證了理論分析正確性。對實驗獲得的物體再現像執行空域濾波，顯著提高了再現像的質量。研究結果為高分辨率的非相干望遠數字全息提供重要參考。

2 理論分析

白光非相干望遠數字全息的結構示意圖如圖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。反射或透射光波經過干涉濾波片(即IF)、開普勒望遠鏡(即透鏡La和Lb)和SLM后，得到不同相位延遲的兩束球面波，疊加后的強度分布由CCD直接記錄。最后通過三步相移法計算出物體的全息圖。

式中hic表示非相干脈沖響應。若相干脈沖響應用hc表示，根據相干與非相干成像之間的關系，則有：

式中：

M表示系統的橫向放大倍數，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，成像系統對物體所成的兩個實像恰好位于SLM加載的兩個球面波的焦平面。

3 結論

提出基于SLM的白光非相干望遠數字全息，并對其記錄和重建過程進行了詳細地理論分析，消除了因相移誤差對成像質量的影響，得到了不同深度物體精確的重建距離和橫向放大倍數的計算公式，為優化系統參數和提高系統分辨率提供了重要的理論基礎和依據。

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