全息技术的数字传统与应用

5.1.2.1　数字全息传统技术

数字全息是用光电传感器件（如CCD或CMOS）代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。数字全息与传统光学全息相比具有制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活等优点。将数学技术与传统的光学全息技术相结合，以CCD器件为全息图记录介质，主要进行数字全息理论、方法、技术以及数字全息在粒子场中的应用等研究。分别以小波变换方法、菲涅耳变换方法、卷积方法和傅立叶变换方法研究同轴和离轴数字全息系统3D物场的再现算法和理论，以数字聚焦和层析技术获得3D物场的再现像；创新性地提出“彩色数字全息术”和“体数字全息模型”概念，进行理论和实验研究；首次对数字全息系统的特性进行分析，全面分析了影响数字全息图及其再现像的因素。

（1）数值焦聚

全息最常见的一个特性就是物体的三维图像信息。所以在数字全息中，从相机采集的单幅全息图开始，完成预处理后，可以在数值衍射中通过改变距离数值而方便地在不同距离重建图像，类似于旋转显微镜或其他成像设备的聚焦旋钮。

而且在一些应用中（例如显微和粒子分析），都要求能够自动确定图像的最优焦点位置。这样就可以应用锐利度度量（这是现有的一项成熟技术）。在数字全息中，有一些特有的自动聚焦技术。像素的平均输出值可以作为焦面的判断准则，因为在最佳焦面位置，平均输出值可以达到极值量。

焦面的另一个识别标志是其相位特征。假定物体是一个在透明背景下的不透明粒子。和预期一致，它的振幅图像在焦点位置达到最小值，但是它的相位图像在跨过焦面时却改变了符号。对于相位物体而言，相位颠倒的情况可能也会发生，例如在明亮背景下的透射粒子，它的振幅相对于背景可能会发生符号改变。但是这种相位特征依赖于相位间断的尺寸，与振幅型物体相比这种相位特征在实际应用中也许不够稳健。另一方面，因为有大的散射，一个球形粒子表现大多像一个不透明粒子，而且相位反转对于焦点探测可能是一个有用的方法。

（2）扩展焦点

从全息成像的基本公式可以发现，如果全息图被扩展了α倍，那么像的放大倍率会增大α倍，成像距离会增大α2倍。通过对全息阵列数值扩展，这一效应能以很灵活的方式用于DH。数字全息图通过自适应变形，可以把不同距离位置的物体同时放到焦点上。特别一点，如果全息图在某一横向方向按两次比例扩展，那么焦距也会沿着那个方向线性变化，并且会把倾斜平面的所有部分都放到焦点上。

（3）光学相位解包裹

数字全息方法生成的相位图像，还有很多其他的相位成像技术，都会限制在2π相位模数以内。一个光学厚度变化超出被长量值的物体，都会产生包裹相位图像，在相位包络中每个2π位置上都会产生不连续现象。很多相位解包裹算法得到发展，但是要想为所有不同种类的相位拓扑问题找到解决方法，还是很有挑战性的。这是因为多数的解包裹过程都是基于不同的思想：首先找到相位的不连续点，然后再判断如何衔接不连续相位区域。多数情况下，这种运算是依靠数值计算的，在遇到不同种类相位拓扑结构时会有一些困难。基于复色数字全息光学相位解包裹（OPU）的方法中，提出了一种快速、高效、明确的方法。

光学相位解包裹方法可以应用于定量相位显微中。双波长OPU（光学相位解包裹）通过角度复用方法可以在单次曝光数字全息中实现。双路干涉仪包含一路公共物光臂和两路独立的参考光臂（被两种不同波长激光器照明）。调整参考光臂的光轴，使得两种波长的干涉条纹相互垂直。在角谱中出现两个独立的峰值，所以可以通过选择每一波长对应的峰值对全息图像进行单独处理。很明显，基于软件的方法在处理相位包络独立区域时有一定困难，但是OPU方法不论是什么拓扑结构都能获得正确的相位包络。OPU方法中只包含几步代数运算和布尔运算，因此这种方法运算速度快、计算负担小。这种方法是完全明确的，不需要任何对像素间拓扑结构形式的估计。

多波长全息图的同步采集可以通过三色CCD传感器进行采集。在OPU实验过程中，有一种确定精确波长的方法。不使用多波长，也可以通过改变照明角度的方法实现类似的相位解包裹效果。再现距离的变化也会影响相位解包裹的效果。OPU方法速度很快，可用于实时振动分析。

（4）像差补偿(www.xing528.com)

当成像系统光学波前以某种方式发生变形时，就引起了像差。回想一下加博的初始目的：通过全息实现无透镜成像，以避免电子透镜的像差问题。通过全息方法进行波前重建，也要求具备控制和操作波前的能力，以补偿像差。Leith和Upatnieks演示了全息方法记录波前像差的过程，并利用这幅全息图作为成像系统的像差校正板。数字全息在探测和控制像差方面，具有深度的灵活性和通用性。

有一些技术可以从单幅全息图中实现像差补偿。这些技术经常假设物体有一些平面区域或者空心区域，例如MEMS器件或者细胞培养物的基底区域；或者如果事先知道采样物体是薄的，并具有平坦背景或者基底的情况，也可应用这些技术。最低阶的像差是波前倾斜像差，这可能由物光和参考光光轴失调，或者由角谱滤波器中心没有对准的原因引起。这可以通过采用相应的倾斜参考平面波实现校正。我们注意到：由于空间频率非连续间隔的因素，倾斜不可能只通过调整角谱滤波器就被消除，这种时候还需要使用倾斜参考平面波。下一阶的像差是球面像差，这种像差可能由于真实空间成像系统的离焦），或者数字全息中数值焦点离焦引起。这种情况经常在物光波和参考波曲率不匹配时出现。这可以通过采用数值参考波的二次曲率进行补偿。调整像差参数可以高效精确地自动实现。

5.1.2.2　数字全息特殊技术

（1）合成孔径方法

数字全息图像的分辨率是由包含CCD阵列的光学系统的数值孔径决定的，或者可以说由系统捕获的空间频率范围决定的。因此可以通过提高系统有效孔径的方法改善分辨率。因为实际上CCD阵列的尺寸是有限的，一种替代方法是沿（xy）横向方向移动相机而获得多幅全息图，然后再把多幅全息图拼接在一起。拼接的精度可以通过叠加全息图的一部分并获取最大相关峰的方式加以保证。结果是得到一个更高分辨率的图像，等同于用大尺寸全息获得的图像。这种情况在无透镜傅立叶全息口或者加博全息结构形式中进行了说明，还可以采用线扫描相机或者一对固定相机实现这种功能。如果不采取平移相机的方式，还可以在菲涅耳结构中倾斜物平面到一定角度范围，或者倾斜物光的照明角度来满足这种要求。合成孔径的概念已经在许多不同系统中得到应用：例如合成孔径雷达（SAR）、微波和光学望远镜阵列以及声呐。在机载SAR中，飞行路径的长度就是有效孔径尺寸，这极大地提高了飞行方向的分辨率，但是有效范围内的分辨率是由侧视雷达的扫频决定的。

一幅大的全息图可以记录更大范围的衍射场，这也就提高了分辨率，或者可以采用相同尺寸的全息图，但是需要记录高频部分或者更改较高频部分的方向，因为高频部分比低频部分更容易衍射溢出系统的孔径。这就导出了一种傅立叶域角谱相干叠加的替代方法。

可以使用光栅来改变高频衍射成分的方向（否则这些高频成分将会溢出系统之外），因此这就提高了系统的分辨率。线性光栅可以提高一个方向的分辨率，但是六角光栅能达到两个横向方向的超级分辨率。这种超级分辨率设计被用于共路径干涉仪和某型傅立叶干涉仪中。

（2）多平面相位恢复

一般来讲，单次强度测量不能获得光学场的相位信息。为了得到振幅和相位信息，至少需要两次强度测量，因为需要建立两个方程以求得两个未知数。相位问题也出现在X射线晶体学和各种逆向散射应用中，例如光学衍射层析学。从强度测量进行相位恢复的方法有多种，而且可以依据迭代和非迭代进行分类。非迭代方法具有确定性且数值效率高，但是与初始状态相比不够稳定。迭代方法计算量大但是具有较好的稳定性和适应性。

（3）动态系统

为了对动态系统成像，需要对全息图像进行快速或者短时曝光。可以通过快速相机实现，采用一台4000帧／s的相机对一个皮球的随机运动进行了成像。相机速度一般严重受限于成本和可用性。一种常规解决方法是采用脉冲激光来缩短照明时间，而不是采用短时曝光相机的方法。纳秒脉冲激光器是一种很方便的光源，可以用来对快速移动的宏观物体进行全息拍摄。两幅全息图的连续曝光可以用于对两次曝光间隔内的物体变形或者位移成像。已经发明了一些特殊技术用于延迟小于几毫秒的曝光时间。对于时间延迟在几十微秒的情况，可以利用CCD相机自身的特性，在曝光间隔的几微秒内把电荷传输到移位寄存器中。对于更快速地延迟，必须采用单独曝光来拍摄多个时间延迟事件。这是以光学方式设置多个延迟实现的，并需要把这些延迟以不同的角度方向插入到干涉仪中，所以全息图的角谱中包含了几对光谱峰。由于时间延迟的原因这些光谱峰对彼此之间是不相干的，而且可以逐个分析来产生相应数量的独立全息图。延迟纳秒或飞秒时间，这项技术能够用于对激光诱导的电离空气成像。如果实验可以重复，当进行多次曝光时，可以进一步改变光学延迟线。

有一种用于飞秒脉冲空间、时间、相位包络完整特性的测量技术，使用的就是波长复用数字全息技术开发的。一个可以轻微旋转的二维衍射光学元件和可变波长滤波器被用于产生多光谱分辨数字全息图，这些全息图可以由一帧图像同时采集。