新型非相干全息技术-编码孔径相关全息

封面文章|计婷,张乐,李伟,孙雪莹,王剑南,刘杰涛,邵晓鹏. 非相干编码孔径相关全息研究进展[J].激光与光电子学进展,2019,56(08):080005.

1947年,英国物理学家Denise Gabor发现并提出了全息技术,Gabor也因此获得了1971年的诺贝尔物理学奖。

全息即“全部信息”的要义简述,是一种经典的三维成像技术。

传统的光学全息成像方法利用光的空间相干性,通过干涉记录、衍射再现实现成像,因此大多需要高相干性的激光作为光源,然而,采用激光光源不仅对环境要求极高且无法应用到白光领域,产生的散斑噪声和寄生干涉也影响到成像质量,这些因素大大地限制了传统全息的应用。

为了解决以上问题,非相干全息成像应运而生,非相干全息技术基于光的空间自相干性,打破了传统光学全息成像技术对光源相干性的要求,可应用于材料表面检测、生物细胞探测、三维目标跟踪、大型望远系统等。

随着电荷耦合器件(CCD)和空间光调制器(SLM)的出现,受到近年来计算成像理念和相关原理及技术应用的启发,光学扫描全息(OSH)、菲涅耳非相干相关全息(FINCH)、编码孔径相关全息(COACH)等技术被相继提出,非相干全息术发展迅速。

2016年以色列本-古里安大学的Joseph. Rosen教授课题组提出了一种基于FINCH的新型非相干全息技术——COACH,引起了全球研究者的广泛关注。COACH凭借其高轴向分辨率、高光谱分辨率、以及超分辨率能力等优点,已经在动态三维成像、多光谱成像、生物军事医疗和自适应光学等领域展示了其应用潜力。

原理

COACH成像本质是基于光的空间自相干性,通过SLM上加载编码相位掩模(CPM)进行衍射分波并对物光进行调制,调制后的物光与其同源的自参考光在记录平面进行干涉获得非相干全息图。

COACH系统成像简要光路如图1(a)所示,在COACH中至少需要在相同的条件,使用相同的CPM记录两副全息图:一个是由点物记录的点扩散全息图(PSH),作为重建函数;另一个是在同样的位置上放置待测目标,用相同的CPM记录的物体全息图。最后,通过PSH与物体全息图的互相关来重建目标,其中偏振片P1的作用是根据光束的偏振特性将入射光分为两束,偏振片P2的作用是将透过SLM的两束光进行合束。


1aCOACH成像光路图;(bI-COACH成像光路图;(cLI-COACH成像光路图;(d)散射成像光路图。

2017年,Vijayakumar等发现,相位信息在重建过程中是可有可无的,因而不再需要双波干涉来记录物体的三维信息。在此基础上,I-COACH系统通过去掉COACH光路中的偏振片P2以阻碍双波干涉,利用偏振片P1使得入射光的偏振方向与SLM保持一致,从而直接对所有入射光进行调制,如图1(b)所示。

同年,Vijayakumar等为了获得更好的强度响应,去掉了I-COACH光路中的透镜L2并提出了无透镜的LI-COACH系统,达到消除像差、增大视场的目的,如图1(c)所示。LI-COACH系统中SLM直接对物体发出的衍射球面波调制并在CCD平面记录。

2018年,Mukherjee等人将该成像技术与散射介质相结合,提出了一种不需要任何关于目标先验信息的单镜头成像技术,通过全息图的熵来选择非线性重建过程的最优化参数,实现了透过散射介质的自适应非线性成像,其光路结构如图1(d)所示。

重建质量研究

COACH、I-COACH以及LI-COACH系统均为同轴光路,则不可避免地会出现直流偏置项与共轭像。直流偏置项与共轭像可以采用三步相移来消除,但是针对系统的固有背景噪声,相移技术也无法解决。

Vijayakumar等发现COACH在重建过程中的背景噪声主要来源于生成CPM的GS算法。GS算法有两个约束条件:

1)基于卷积理论,可通过对应复全息图的自相关来重建点物;

2)其自相关应等于光谱函数平方的傅里叶变换。

然而GS算法无法同时满足这两个约束条件,理论要求生成的CPM在空域和频域都具有均匀的幅度分布,而实际上生成的CPM在空域上为分布均匀的相位函数,在频域上近似为分布均匀的相位函数。

为了降低系统的背景噪声,Vijayakumar等人提出了FINCH-COACH混合系统、平均COACH、自适应重建等方法。

相关技术拓展研究

COACH采用了双波干涉,而I-COACH与LI-COACH不再使用双波干涉,其中LI-COACH只需要记录两幅强度响应图像,显然时间分辨率最高。

对COACH进行深入研究,发现COACH不仅具有高的轴向分辨率,还具有很好的光谱分辨率。2017年,Vijayakumar等在COACH光路中引入衍射透镜,由于衍射透镜的焦距随着入射波长变化而变化,因而可以记录入射的光谱信息,从而实现四维成像。

I-COACH系统每次重建都至少采集三帧图像,因而传输、处理数据较为耗时,通过用GS算法生成两个CPM使它们在SLM上并排显示作为系统孔径,Vijayakumar等提出了单帧I-COACH成像系统,为I-COACH用于动态实时成像提供了可能,其原理如图2所示。

Rai等人在扩大I-COACH成像视场方面也做了相应研究,2018年,通过记录预设位置处的PSH并拼接合成9倍原始PSH大小的SPSH(Synthetic PSH),成功地将I-COACH的视场扩展到CCD有限面积所限制的极限范围之外,其原理如图3所示。

     
                         图2 单镜头COACH成像系统          图3  I-COACH扩展视场的原理图

2017年12月,Bulbul等人在I-COACH的基础上,通过利用面积低至总孔径面积1.4%的合成环形CPM证明了部分孔径成像系统(PAIS)可进行三维成像。

2018年12月,在以上成果的基础上,该课题组将非相干COACH技术与合成孔径技术相结合,提出了基于边缘合成孔径的旋转望远镜系统(SMART)模型,如图4所示,并对其原理进行验证,利用一对分布在同步轨道的子孔径(CPM)对入射光进行编码调制,继而干涉得到全息图,为天文望远领域的发展提供了新的途径与方法。



4 基于SMART系统的空间望远镜模型

待解决问题

COACH技术是一种具有很好发展与应用前景的高分辨率三维计算成像方法。但是,该技术的进一步发展还需突破以下重难点:

1)目前COACH技术的基础理论还需要进一步研究扩展,可提出一种系统的、全方位的、自适应的研究理论来解释传播、记录与重建过程;

2)COACH技术的衍射分波与编码大都采用SLM,SLM的衍射效率与调制度对成像结果影响较大,可以研究设计一种更加稳定的纯光学元件取代SLM进行衍射分波与编码;

3)目前COACH系统采用窄带光源(约10~30nm带宽)进行成像,拓展光源谱宽也是未来的研究趋势,比如实现白光成像;

4)有关COACH的研究基本采用二维平面目标,并且需要多次记录,如何利用COACH技术对动态目标或者纵向移动的物体进行成像追踪也可作为一个研究方向;

5)所有COACH技术的重建过程都需要先记录该轴向位置对应的PSH,如何摒弃PSH实现无先验重建也是研究的难点所在。

可以预见,COACH技术将来不仅会在光学显微和生物医学领域有广泛的应用,在天文探测与军事侦查等方面也有着巨大的应用前景。