紅外數(shù)字全息綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃昊翀，李子健，王亞芳，鄭志遠(yuǎn)，孫德新

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）數(shù)理學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 226200）

0 引言

全息成像技術(shù)［1-2］可以記錄經(jīng)過(guò)物體調(diào)制的光波的“全部信息”。與傳統(tǒng)照相相比，全息成像技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：如立體感、可分割性和可疊加性等［3］。因此，全息術(shù)廣泛用于光學(xué)信息處理［4］、精密計(jì)量［5］、無(wú)損檢測(cè)［6］、全息顯示［7］、遙感技術(shù)［8］、生物醫(yī)學(xué)［9］等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)照相中，相機(jī)底片保存了某一時(shí)刻所拍攝物體的光強(qiáng)信息，同時(shí)丟失了它的相位信息，所以傳統(tǒng)照片是無(wú)法呈現(xiàn)出立體感的。對(duì)比而言，全息成像技術(shù)是利用光的相干特性，把兩束相干光束的干涉條紋記錄在記錄介質(zhì)上，通過(guò)干涉的方式把物光波的振幅信息與相位信息全部記錄下來(lái)［10］。同時(shí)，記錄介質(zhì)上的每個(gè)點(diǎn)都記錄了所有物點(diǎn)發(fā)出的光波，即在使用全息干板作為記錄介質(zhì)時(shí)，即使干板碎裂，每一個(gè)碎片上都保存著所拍攝的全部信息。在特定條件下，使用任一碎片可以重建出之前拍攝的立體物體的三維圖像，傳統(tǒng)的全息成像實(shí)驗(yàn)就是以上這種物光波的完整記錄與再現(xiàn)的過(guò)程。

由于全息成像技術(shù)的這些特性，該實(shí)驗(yàn)在大學(xué)課程中被廣泛推廣，隨著大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中全息成像實(shí)驗(yàn)的普及［11］，其弊端在教學(xué)過(guò)程中也逐漸體現(xiàn)，首先是紅外激光作為光源對(duì)人眼有危險(xiǎn)，如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生操作不當(dāng)可能釀成悲劇，并且由于傳統(tǒng)全息成像實(shí)驗(yàn)受限于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的嚴(yán)苛要求，在學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)后實(shí)驗(yàn)成功率往往不高，這并非由于教師的教學(xué)方法或演示錯(cuò)誤而導(dǎo)致的，不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)此實(shí)驗(yàn)有著難以估量的影響，包括顯影液是否保存得當(dāng)，曝光時(shí)間是否合適，以及實(shí)驗(yàn)中是否有外界光的影響，并且在整個(gè)過(guò)程需要手動(dòng)控制各個(gè)元器件之間的距離與角度，操作較為煩瑣，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求嚴(yán)苛，每塊干板只能使用一次。

1967年，Goodman等［12］將攝像管探測(cè)器和小型計(jì)算機(jī)PDP-6（其中PDP為DEC公司生產(chǎn)的機(jī)系列的代號(hào)）用于全息成像過(guò)程，發(fā)明了數(shù)字全息技術(shù)，將全息帶入數(shù)字化時(shí)代。隨著紅外技術(shù)的逐漸成熟和紅外波段探測(cè)器的開(kāi)發(fā)，Enrico 等［13］首次利用馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x和熱電式光電傳感器陣列在10.6 μm 紅外激光的照射下，記錄了物體的離軸數(shù)字全息圖，并對(duì)成像的700 μm量級(jí)物體的重建過(guò)程進(jìn)行了分析和討論，獲得了正確的相位波場(chǎng)重建圖。

為了克服傳統(tǒng)全息成像實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于紅外數(shù)字全息技術(shù)的新型全息實(shí)驗(yàn)。在光源選擇上采用近紅外波段避免激光對(duì)人眼的危險(xiǎn)，同時(shí)采用數(shù)字探測(cè)器作為記錄介質(zhì)，避免了環(huán)境光的要求以及煩瑣的顯影步驟，同時(shí)可以使用電腦處理拍攝數(shù)據(jù)。在保留有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容關(guān)鍵步驟的基礎(chǔ)上，減少了實(shí)驗(yàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境嚴(yán)苛的要求，給所拍攝樣品提供了更便捷的處理方法。

1 全息成像理論

1.1 傳統(tǒng)全息照相實(shí)驗(yàn)原理

傳統(tǒng)全息成像實(shí)驗(yàn)中，使用紅外激光器作為光源，通過(guò)如圖1 所示的方式，在經(jīng)過(guò)一個(gè)分束鏡后，產(chǎn)生兩束相干的激光光束，在兩束激光分別被各自的反射鏡反射后通過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)大光束直徑，一束激光直接照到干板上，定義為參考光波；另一束激光照射在被拍攝的物體上，最終由被拍攝物體的漫反射也照到干板上，定義為物光波。實(shí)驗(yàn)中要控制參考光波與物光波的光程相同，兩束光產(chǎn)生干涉，并由干板記錄下干涉條紋。

圖1 全息實(shí)驗(yàn)光路圖

本實(shí)驗(yàn)中：物光波O（x，y）的復(fù)振幅表達(dá)式

參考光波R（x，y）的復(fù)振幅表達(dá)式

式中：Oobj，φobj，Rref，φref，x，y分別為物光波的振幅與相位和參考光波的振幅與相位以及在光波場(chǎng)中的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。兩束光波發(fā)生干涉后，干板記錄的干涉條紋為兩束光波復(fù)合后的光強(qiáng)：

傳統(tǒng)全息成像實(shí)驗(yàn)中的632.8 nm 紅光光源是一種具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光源，通常是氦氖激光器的輸出波長(zhǎng)之一，并且具有散射現(xiàn)象較小的特點(diǎn)。基于這個(gè)特性選擇一個(gè)記錄特性與其波長(zhǎng)范圍相匹配的全息干板，同時(shí)為了防止其他波段的環(huán)境光影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在記錄過(guò)程中與記錄完成后要保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境完全無(wú)干擾，并可以使用綠光作為保護(hù)光，在記錄完成后使用顯影液對(duì)干板進(jìn)行曝光，再通過(guò)純凈水對(duì)干板定影，最終得到一張全息照片。當(dāng)此干板置于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的參考光下的環(huán)境時(shí)，可以觀察到被拍攝物體的全息投影。

1.2 紅外數(shù)字全息技術(shù)

如果把傳統(tǒng)全息實(shí)驗(yàn)中的光源與干板分別替換成紅外激光發(fā)射器與紅外波段的數(shù)字探測(cè)器，則之前實(shí)驗(yàn)中的顯影定影的操作步驟可以省略，同時(shí)，紅外波段探測(cè)器由于其自身特性避免了實(shí)驗(yàn)損耗，并且對(duì)環(huán)境光的要求遠(yuǎn)小于干板對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求。但紅外數(shù)字全息作為數(shù)字全息的一種，本身也存在著數(shù)字全息所面臨的問(wèn)題［14］，即散斑噪聲、孿生像、二級(jí)項(xiàng)噪聲以及成像過(guò)程中高頻信息丟失和低頻信息冗余等因素對(duì)于重建全息圖質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)相移技術(shù)去除孿生像與二級(jí)項(xiàng)噪聲［15］，雖然應(yīng)用此技術(shù)會(huì)導(dǎo)致時(shí)間成本的增加，但是使用此方法成像更加穩(wěn)定，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的場(chǎng)景中的優(yōu)秀手段。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，模擬傳播過(guò)程采用角譜法波前傳播算法：首先，將用于模擬傳播過(guò)程的原始圖像內(nèi)的像素，從圖像左上角第1 個(gè)像素為零點(diǎn)開(kāi)始逐個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行遍歷操作。由

可知不同的波長(zhǎng)與像素尺寸可以影響圖像最終分辨率，模擬過(guò)程假設(shè)激光光源為點(diǎn)光源且處于圖像中心，由下式得：

給此像素點(diǎn)賦予新值P，得到新模擬圖像。式中：α與β為分辨率影響因子；λ 為模擬波長(zhǎng)；Δx為當(dāng)前像素與中心點(diǎn)像素橫向間隔像素或縱向間隔像素；Δd為模擬采樣間距；X為長(zhǎng)與寬像素?cái)?shù)；d為模擬傳播距離。

然后，對(duì)新圖像進(jìn)行快速二維傅里葉變換得到的頻譜數(shù)據(jù)與下式相乘，得到的頻譜數(shù)據(jù)命名為H。其中：λ為模擬波長(zhǎng)；d為模擬傳播距離fx與fy為（x，y）像素點(diǎn)位置的值。

最后，對(duì)頻譜數(shù)據(jù)H進(jìn)行快速二維傅里葉逆變換，取絕對(duì)值得到最終的模擬全息圖。

在實(shí)驗(yàn)中，以生物切片樣品為例介紹實(shí)驗(yàn)過(guò)程：生物切片標(biāo)本在蓋玻片與載玻片的夾持下，將其放置在二維樣品架上進(jìn)行紅外數(shù)字全息成像后得到最初的全息圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)相位復(fù)原算法進(jìn)行相位復(fù)原操作，并且由于真實(shí)環(huán)境下存在大量噪聲，需要多次采集圖像進(jìn)行預(yù)處理，即通過(guò)高斯濾波消除噪聲，然后再使用角譜法波前傳播算法重建全息圖分別得到振幅圖和相位圖，其中，相位信息

由于使用反正切函數(shù)，故得到的相位信息只能存在與區(qū)間（-π，π］之中，相位圖就根據(jù)所拍攝樣品的三維深度不同展現(xiàn)出周期性的變化，所以相位展開(kāi)過(guò)程是獲得真實(shí)相位分布的必要條件。近年來(lái)，人們已經(jīng)提出了各種相位展開(kāi)方法，在實(shí)驗(yàn)中采用了最小二乘法進(jìn)行相位解包裹處理，它的基本算法的原理是通過(guò)比較沿水平線和垂直線相鄰像素的相位值差值，當(dāng)差值大于π時(shí)進(jìn)行加減2π的操作，如下式所示［16］：

式中：Φ為樣品的相位值；I為取出其值的實(shí)數(shù)部分；R為取出其值的虛數(shù)部分；O為樣品的光波場(chǎng)；X和Y為樣品平面上的像素坐標(biāo)；ΦN為解包裹后新的相位值。

2 紅外數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)

2.1 光路結(jié)構(gòu)

在新實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，采用基于分布式紅外1 550 nm激光器和紅外探測(cè)器構(gòu)建了水平式同軸數(shù)字全息成像光路，主要利用直流穩(wěn)壓電源、紅外激光器、光纖準(zhǔn)直器、二維電動(dòng)平移臺(tái)、二維樣品架和紅外激光探測(cè)器等器件搭建了一套水平式同軸紅外數(shù)字全息系統(tǒng)，如圖2 所示。其中光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后的理論光斑為7 mm。經(jīng)過(guò)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后的光路中，光束能量集中，成像距離更遠(yuǎn)，光斑也更加均勻，同時(shí)不需要擔(dān)心因發(fā)散光帶來(lái)的圖像放大問(wèn)題。水平式同軸紅外數(shù)字全息系統(tǒng)相較于豎直式同軸紅外數(shù)字全息系統(tǒng)，對(duì)于拍攝樣品的種類有部分限制，對(duì)于一些粉末或者液體樣品，該系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行拍攝。

圖2 紅外數(shù)字全息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)光路圖

由于激光器的功率存在上限，且需要持續(xù)穩(wěn)定的激光進(jìn)行探測(cè)，因此選擇直流穩(wěn)壓電源對(duì)激光功率進(jìn)行調(diào)控，系統(tǒng)中所用直流穩(wěn)壓電源為國(guó)內(nèi)同門科技有限公司的eTM-3010 系列，用于控制本實(shí)驗(yàn)的輸出工作電流和電壓分別為2 A和9 V。基于1 550 nm波段激光器在多個(gè)領(lǐng)域的使用已經(jīng)成熟，且兼具可靠性高、光束質(zhì)量高、性價(jià)比高、激光器體積適中以及人眼安全等眾多優(yōu)點(diǎn)，尤其是1 550 nm 波段的人眼安全優(yōu)勢(shì)，更易于實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)驗(yàn)選用激光波段為紅外1 550 nm波段，激光器選用大恒光電有限公司的分布反饋式窄線寬光源的ROF-LD-2 kHz-M 型號(hào)，光纖接頭類型為FC/APC。激光探測(cè)器的像素個(gè)數(shù)為1 280像素×960 像素，像素尺寸為3.75 μm ×3.75 μm，實(shí)際探測(cè)靶面面積為4.8 mm×3.6 mm。實(shí)驗(yàn)中的紅外光對(duì)于人眼并不可見(jiàn)，因此在光路調(diào)整過(guò)程中，利用紅外激光探測(cè)卡對(duì)光位置進(jìn)行調(diào)整。樣品位置和探測(cè)器位置分別由二維樣品架和二維電動(dòng)平移臺(tái)進(jìn)行控制調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要工作過(guò)程：通電后的直流穩(wěn)壓電源連接并控制激光器輸入功率穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，激光器工作后產(chǎn)生紅外激光經(jīng)由光纖線傳導(dǎo)至光纖探頭發(fā)射進(jìn)入光纖準(zhǔn)直器后進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的平行光束經(jīng)一段距離傳播后首先到達(dá)二維樣品架上的實(shí)驗(yàn)樣品，傳播過(guò)程中的光束，部分經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)樣品散射的為物光；另一部分未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)樣品散射的為參考光，兩束光再繼續(xù)傳播到達(dá)探測(cè)器表面發(fā)生干涉，形成干涉圖樣，最后由探測(cè)器記錄下干涉所形成的全息圖［17］。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

為探究采用紅外數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息實(shí)驗(yàn)的可行性，需要對(duì)其重建質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證：首先從仿真實(shí)驗(yàn)出發(fā)，模擬硬件參數(shù)、背景噪聲、全息圖與其重建過(guò)程，并探究在該過(guò)程中不同參數(shù)對(duì)于最終重建效果的質(zhì)量影響以及數(shù)字全息中必要算法的重要性。應(yīng)用在仿真實(shí)驗(yàn)中找到的最佳拍攝條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室操作用探測(cè)器采集不同種類樣品的全息圖并通過(guò)角譜法波前傳播算法進(jìn)行重建，分析并給出所拍攝樣品的最終圖像質(zhì)量。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在模擬實(shí)驗(yàn)中，采用和光路結(jié)構(gòu)相似的模擬參數(shù)：設(shè)計(jì)使用的初始圖片的長(zhǎng)與寬像素?cái)?shù)X為960 個(gè)，考慮到儀器像素尺寸為3.75 μm×3.75 μm，模擬采樣間距Δd=3.75 μm，在樣品的選擇上，從考慮多種情況的角度出發(fā)，對(duì)樣品的噪聲環(huán)境、樣品類型以及樣品與探測(cè)器的間隔距離進(jìn)行設(shè)置，增加樣品的多樣性并測(cè)試仿真過(guò)程其結(jié)果的穩(wěn)定性，模擬波長(zhǎng)設(shè)定為1 550 nm。

采用角譜法波前傳播算法仿真此全息圖的聚焦過(guò)程來(lái)進(jìn)行再現(xiàn)，聚焦距離為最初設(shè)置的模擬傳播距離的負(fù)數(shù)，得到重建圖，對(duì)其取絕對(duì)值得到的是振幅圖，求解相位角得到的是相位圖［18］。

對(duì)振幅型樣品分辨率板、復(fù)振幅型樣品字母“CUGB”與相位型樣品字母“CMD”分別在間隔距離為12、19、25 mm 進(jìn)行重建。從圖3 可以看出，振幅圖還原的效果清晰，保留下了原圖像中的基本輪廓，即使是圖3 振幅型樣品（c）中分辨率板內(nèi)圈非常小的部分。在圖3 復(fù)振幅樣品（c）可以觀察到非常明顯的孿生像存在。對(duì)于存在明顯相位信息被包裹的相位圖，需要進(jìn)行相位解包裹處理，對(duì)比解包裹前圖3 復(fù)振幅樣品（d）與解包裹后圖3 復(fù)振幅型樣品（e）的相位圖，被包裹后無(wú)法辨認(rèn)的相位信息有了明顯的改善，字母“CUGB”的輪廓可以更清晰的得到呈現(xiàn)，并且相位內(nèi)容與背景互相分離。對(duì)于圖3 中的純相位樣品字母“CMD”，解包裹前圖3 相位型樣品（d）的相位信息難以辨認(rèn)，在解包裹后則可以直觀地發(fā)現(xiàn)明確的相位信息，雖然在字母中心的背景部分改善效果較為小。

圖3 振幅型樣品分辨率板、復(fù)振幅型樣品字母“CUGB”與相位型樣品字母“CMD”的重構(gòu)

改變樣品與探測(cè)器的間隔距離拓展全息圖的數(shù)量，并向全息圖添加不同強(qiáng)度的高斯噪聲與隨機(jī)噪聲，對(duì)添加噪聲的全息圖進(jìn)行重建，得到的重建后的振幅圖與相位圖圖像質(zhì)量變化情況如圖4 所示。

圖4 加入噪聲后重建的振幅圖與相位圖質(zhì)量變化

不難發(fā)現(xiàn)，聚焦距離與噪聲強(qiáng)度對(duì)全息圖重建后的振幅圖圖像質(zhì)量都有影響，但是實(shí)驗(yàn)中對(duì)全息圖進(jìn)行降噪處理，能提高的成像質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減小聚焦距離帶來(lái)的效果，所以在實(shí)驗(yàn)室操作過(guò)程中加入一個(gè)去除背景噪聲影響的方法是十分必要的，重建圖的圖像質(zhì)量可以得到極大提高。同時(shí)，重建后的相位圖圖像除了有與重建后的振幅圖圖像相同的變化特征外，在特定的聚焦距離下均方誤差出現(xiàn)劇增且呈現(xiàn)出周期性的變化，這是由于重建后的相位圖中的相位信息被包裹，再經(jīng)過(guò)相位解包裹操作后，得到解包裹的相位圖如圖5 所示，均方誤差的變化規(guī)律與重建后的振幅圖相似。

圖5 加入噪聲后重建的解包裹后相位圖圖像質(zhì)量變化

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在水平式紅外數(shù)字全息系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，選擇了不同的樣品，包括頭發(fā)、銅絲、螞蟻、蝴蝶觸角和西葫蘆，以探究不同物體的成像質(zhì)量。為了盡可能保證成像效果，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)樣品與探測(cè)器的距離做了一定的調(diào)整，并分別拍攝了測(cè)量距離為40 和39 mm的樣品。在重建過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際距離分別取了實(shí)際重建距離為39和38 mm，以得到更加清晰的成像圖。

根據(jù)上一節(jié)的結(jié)論，在探測(cè)器直接得到的全息圖數(shù)據(jù)中，存在背景噪聲，會(huì)對(duì)成像效果產(chǎn)生不利影響。因此，在拍攝每個(gè)樣品后，需要取出載玻片并保持其他設(shè)備固定不動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)背景單獨(dú)進(jìn)行一次成像。最后，根據(jù)下式

對(duì)全息圖數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪和去除背景噪聲處理，其中：p（x，y）表示圖像中坐標(biāo)（x，y）位置像素的顏色值［0～255］；po表示全息圖；pb表示背景圖；P表示最終得到的全息圖數(shù)據(jù)。

特別指出，在實(shí)驗(yàn)中，需要拍攝1 280 像素×1 280像素的尺寸，但是激光探測(cè)器的像素個(gè)數(shù)為1 280 像素×960 像素，因此必須通過(guò)合成孔徑的方式擴(kuò)大分辨率。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，實(shí)驗(yàn)采用了二維電動(dòng)平移臺(tái)來(lái)移動(dòng)樣品位置。該方法可以保證獲得足夠高的空間分辨率和成像質(zhì)量［19］。

通過(guò)采用角譜法波前傳播算法對(duì)全息圖進(jìn)行重建，可以獲得更清晰的重建物體輪廓。與此同時(shí)，即使拍攝物體深度變化不明顯，在肉眼觀察上相位圖像的解包裹后可能沒(méi)有非常明顯的變化。然而，相位解包裹的操作是必要的，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)環(huán)境中無(wú)法完全消除背景噪聲的影響，只能盡可能地降低它。在某些聚焦距離未進(jìn)行相位解包裹的相位圖像中，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的圖像質(zhì)量損失，因此相位解包裹是必須的。

由圖6（a）、（b）和圖7（a）、（b）可以明顯觀察到，重建后拍攝物的輪廓清晰可見(jiàn)，這些樣品在形態(tài)和材質(zhì)上有著很大的差異，因此它們?cè)谌⒊上裰械谋憩F(xiàn)也會(huì)有所不同。頭發(fā)絲和銅絲作為常見(jiàn)的線狀樣品，它們?cè)谌⒊上裰械闹饕町愒谟谛螒B(tài)和材質(zhì)。頭發(fā)絲通常較細(xì)而柔軟，由角質(zhì)蛋白構(gòu)成，而銅絲則較粗硬，由金屬材料制成。因此，在全息成像中，頭發(fā)絲和銅絲的反射和散射光線的特性也不同，頭發(fā)絲呈現(xiàn)出較為柔軟的形態(tài)，而銅絲則呈現(xiàn)出堅(jiān)硬的線狀形態(tài)。

圖6 頭發(fā)絲與銅絲樣品全息成像圖

圖7 螞蟻、西葫蘆與蝴蝶觸角樣品全息成像圖

螞蟻?zhàn)鳛橐粋€(gè)復(fù)雜的生物體，具有多個(gè)不同的組成部分，如頭部、腹部、腿等。在全息成像中，螞蟻的不同部分的反射和散射光線的特性也有所不同，因此，螞蟻在成像中呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維形態(tài)，能夠顯示出螞蟻的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。西葫蘆是一種生活中常見(jiàn)的植物，這里采用它的莖與花作為樣品。西葫蘆的莖具有較為復(fù)雜的形態(tài)，通常是長(zhǎng)而細(xì)的，表面覆蓋著許多均勻分布的凹凸不平的紋路，花瓣間的分層，這些特征能夠被全息成像捕捉到。蝴蝶觸角作為一種細(xì)長(zhǎng)的、柔軟的結(jié)構(gòu)，由許多細(xì)小的分支組成。在全息成像中，蝴蝶觸角的形態(tài)和材質(zhì)特性都不同于其他樣品，因此它在成像中也呈現(xiàn)出獨(dú)特的形態(tài)。蝴蝶觸角的分支結(jié)構(gòu)能夠被清晰地展現(xiàn)出來(lái)。

總的來(lái)說(shuō)，這些不同的樣品在全息成像中表現(xiàn)出了其獨(dú)特的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。對(duì)于線狀的樣品，如頭發(fā)絲和銅絲，全息成像能夠捕捉到它們的形態(tài)和材質(zhì)的不同之處；對(duì)于生物樣品，如螞蟻和蝴蝶觸角，全息成像能夠捕捉到它們的復(fù)雜形態(tài)和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，如蝴蝶觸角的多個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)，螞蟻頭部的兩個(gè)觸須以及節(jié)狀足部清晰可見(jiàn)；而對(duì)于植物樣品，如西葫蘆，全息成像能夠捕捉到其莖與的形態(tài)和紋路等特征。

此外，角譜法波前傳播算法的重建結(jié)果還可以提供更多的物理信息，例如物體的相位信息、反射率分布以及三維形態(tài)等。這些信息對(duì)于物體的研究和分析具有重要意義，尤其是在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、生物學(xué)和機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域。因此，角譜法波前傳播算法在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。需要指出的是，雖然本方法在重建過(guò)程中可以獲得高質(zhì)量的圖像，但其計(jì)算復(fù)雜度較高，需要進(jìn)行大量的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮計(jì)算資源和時(shí)間成本。此外，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的光源條件和噪聲干擾等因素也會(huì)影響重建結(jié)果的質(zhì)量，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和控制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文探討了全息成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，并提出了一種基于紅外波段數(shù)字全息技術(shù)的新型相襯成像技術(shù)。首先，通過(guò)數(shù)碼探測(cè)器搭建紅外數(shù)字全息光路，實(shí)現(xiàn)了物光和參考光同軸干涉。通過(guò)模擬算法，對(duì)振幅型樣品分辨率板、復(fù)振幅型和相位型字母樣品進(jìn)行了仿真成像，并研究了噪聲對(duì)重建結(jié)果的影響。采用基于最小二乘法的相位解包裹算法，有效處理了重建相位分布中的跳變纏繞問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，利用角譜法波前傳播算法重建了實(shí)際實(shí)驗(yàn)樣品所拍攝的全息圖，成功獲得了紅外波段中相關(guān)樣品的振幅和相位結(jié)果。

相比傳統(tǒng)的可見(jiàn)光干板全息技術(shù)，紅外數(shù)字全息技術(shù)具有眾多優(yōu)勢(shì)，如使用紅外光源避免人眼傷害，數(shù)字探測(cè)器消除了復(fù)雜的顯影步驟，避免環(huán)境光污染問(wèn)題并提供便捷的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力。因此，紅外數(shù)字全息技術(shù)適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中展示全息實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以便學(xué)習(xí)相干成像原理。未來(lái)，隨著算法的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，該系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)全息成像，為物理、化學(xué)、生物等學(xué)科領(lǐng)域的研究提供更加便捷高效的工具，同時(shí)也為該技術(shù)的發(fā)展提供新的潛力。