红外波段位于可见光波段与微波波段之间，相比较可见光具有热效应、不可见以及穿透性强等特点。随着以红外激光作为相干光源的红外全息技术迅速发展，红外全息技术在无损检测和无透镜成像领域已经表现出可见光全息技术无可比拟的优势。本文回顾了红外全息技术的发展历程，介绍了红外数字全息（Infrared Digital Holography，IRDH）技术、扫描红外数字全息（Scanning Infrared Digital Holography，SIRDH）技术、红外数字全息显微（Infrared Digital Holographic Microscopy，IRDHM）技术的研究状况，归纳总结了红外全息技术的检测优势和典型应用情况，最后展望了红外全息技术的未来发展趋势。
红外全息技术 无损检测 无透镜成像 红外数字全息技术 扫描红外数字全息技术 红外数字全息显微技术 infrared holography nondestructive testing lensless imaging infrared digital holography scanning infrared digital holography infrared digital holographic microscopy
1 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 陕西 西安 710021
非接触、无损害的相移数字全息技术对微光学元件检测具有独特优势。因传统的相移数字全息技术需要对相移器进行精细控制和繁琐校准，同时其光路易受到机械振动干扰，导致全息再现像的质量降低。本文借助涡旋光特殊的相位分布，提出了一种基于涡旋相移数字全息的微光学元件表面形貌测量方法。该方法利用螺旋相位板调制涡旋相位，引入高精度相移。基于构建的涡旋相移数字全息显微实验装置，采用干涉极值法确定了相移干涉图之间的真实相移量，并对螺旋相位板的旋转角度与相移量的关系进行标定，实验验证了涡旋相移的可行性；对微透镜阵列进行了重复测量实验，将测试结果与ZYGO白光干涉仪的测试结果进行比较。结果表明：测量得到单个微透镜的平均纵向矢高为12.897 μm，平均相对误差为0.155%。所提方法可以实现对被测微光学元件表面形貌的高精度测量，具有易操作、稳定可靠、准确性高等优点。
涡旋相移 数字全息显微 螺旋相位板 相位重建 vortex phase shift digital holographic microscopy spiral phase plate phase reconstruction
华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640
微纳气泡、胶体颗粒、微生物等微纳粒子广泛存在于日常生活和自然环境中。观察各种微粒的动态行为并对其进行精确的定量表征，可为我们了解生命科学、医学、材料及环境科学中的许多核心问题提供重要启示。本综述介绍了可对多个微粒进行实时、大景深、非标记、高精度三维追踪的数字全息显微技术，阐述了其工作原理及其应用，最后对相关技术的发展方向及面临的挑战进行了讨论及展望。
数字全息显微 微粒追踪 三维成像 计算成像 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811006
远场光学显微成像是获取待测样品三维结构信息及其动态变化不可或缺的技术。非接触无损害的快速光学三维显微成像技术在生物细胞、生物组织等生物医学成像领域具有独特的应用优势和巨大的应用需求。受限于目前的光电器件只能实现光强的直接探测，光学显微三维成像技术往往通过扫描技术、编码技术或数值算法等将光场的相位等信息转换为光强信息，再通过探测被待测样品调制的光波场强度的变化解析出原始样品的信息，以实现对样品三维形貌、内部结构或折射率分布等多种信息的可视化。利用光波的相干性，结合适当的分波技巧，实现两束光的互干涉或自干涉，将光波场相位信息编码至干涉图样的强度分布中，然后结合适当的算法对干涉图样进行重建，是实现光学三维显微成像的一个重要技术。本文对基于光的干涉，利用干涉条纹的强度提供成像对比度的三维显微成像技术进行综述，阐明了激光照明的数字全息显微、部分相干光照明的数字全息显微、光学相干断层显微和空间非相干光照明的自干涉数字全息显微成像技术的基本原理、成像特性，以及该类技术在样品定量相衬成像、三维层析成像、非扫描快速三维显微成像等领域的应用，同时对该类技术衍生的新技术以及该类技术的未来发展方向进行了详细讨论。
生物光学 显微 三维成像 显微成像 干涉 数字全息显微 光学相干层析 非相干全息 荧光自干涉定位 中国激光
2022, 49(15): 1507202
1 河北工程大学数理科学与工程学院, 河北 邯郸 056038
2 河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心, 河北 邯郸 056038
3 河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心, 河北 邯郸 056038
提出了一种改进的基于相位梯度最小化的相位快速自动补偿方法。所提方法利用Zernike多项式拟合像差,并将评价函数写作含多项式梯度的表达式,采取拟牛顿法进行优化得到了对应系数,从而实现了相位补偿。在优化过程中,所提方法可实时给出评价函数与各多项式系数之间的导数,有效提高了优化速度。此外,所提方法还可利用采样技术,进一步提高处理速度。分析和实验结果表明,所提方法速度快、精度高,适用于高速动态全息显微成像。
全息 相位畸变补偿 数字全息显微 优化算法 Zernike多项式 中国激光
2021, 48(24): 2409001
1 南京师范大学物理科学与技术学院, 江苏省光电技术重点实验室, 江苏 南京 210023
2 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
数字全息显微成像技术因能高精度实现定量相位成像的优势受到生物成像与材料科学领域的关注,但共轭像的存在、相位包裹的困扰以及分辨率受限等问题一直阻碍了数字全息显微术的广泛应用。近些年,深度学习作为机器学习中一种对数据特征提取进行特化的模型,在光学成像领域中被广泛应用。除用于提高成像效率外,其解决成像逆问题的潜力也不断被研究人员发掘,为成像领域开辟了一条蹊径。本文从深度学习应用于数字全息显微成像的工作原理出发,介绍它解决光学成像逆问题的思路与重要数理概念,同时对深度学习的完整实施过程进行归纳。扼要地总结了近年来深度学习对于全息重建、自动聚焦与相位恢复、全息去噪与超分辨等方面的研究进展,并对该研究领域中存在的问题与发展趋势进行展望。
成像系统 数字全息显微 深度学习 定量相位成像 激光与光电子学进展
2021, 58(18): 1811006
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
传统的数字全息显微技术通常采用高相干激光作为照明光源,虽然其全息图具有高的对比度,但是相干照明带来的相干噪声会降低再现像的信噪比。基于部分相干照明的数字全息显微技术(PCI-DHM),在保证相位测量精度的前提下,可以有效降低相干噪声。按照物光和参考光之间是否有夹角,PCI-DHM可以分为同轴相移和离轴PCI-DHM。介绍了同轴相移PCI-DHM和离轴PCI-DHM中的几种典型测量方案。同轴相移PCI-DHM采用等光程的物光和参考光形成同轴全息光路,利用相移干涉技术可以重建出样品的振幅/相位分布,利用光源的短相干特性,可以获得样品内部微观结构的层析图像。离轴PCI-DHM通常采用光栅在物光和参考光之间引入夹角,构成消色差干涉装置。离轴PCI-DHM技术可以通过记录单幅离轴全息图完成对动态样品振幅/相位分布的实时测量。最后,介绍了PCI-DHM在生物细胞、生物组织三维成像及微纳结构形貌测量等领域的应用。
成像系统 数字全息显微 相移干涉 离轴干涉 部分相干照明 激光与光电子学进展
2021, 58(18): 1811005
红外与激光工程
2021, 50(2): 20200530
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
定量相位显微技术容易受到环境扰动的影响。如何克服环境扰动对量化相位成像的影响,一直是相位成像领域研究的热点。着重介绍了物参共路数字全息显微技术和单光束定量相位显微技术。前者主要包括斐索干涉显微、Mirau干涉显微、离轴和同轴点衍射干涉显微、双球面照明的数字全息显微和空间复用数字全息显微;后者主要包括共轴数字全息和基于平行光照明、超斜照明和多点离轴照明的定量相衬显微。希望该综述能为构建高稳定性、实用化定量相位显微装置提供有益参考。
全息 定量相位显微 数字全息显微 物参共路 高稳定性 相衬显微 激光与光电子学进展
2020, 57(20): 200001
