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          盟云全息

          體全息成像技術 時間:2017-07-14?? 點擊:??欄目:全息新聞

            自從伽伯早年提出全息術后,光學全息術已經被廣泛用于三維光學成像領域.體全息成像技術是采用體全息光柵作為高性能成像元件(體全息透鏡)對物體進行三維成像的技術,是光學體全息術在三維成像領域的重要應用之一,它開拓了體全息衍射光柵在顯微成像、望遠成像光譜成像等領域的廣泛應用前景.

            與采用常規光學透鏡的成像系統不同的是,體全息成像系統是以體全息光柵作為成像透鏡的成像系統.基于體全息原理,采用探測光波照明三維物體進行成像時,滿足布拉格條件的光波將通過提全息光柵透鏡、實現三維物體的光學層析衍射成像.

            如本站所描述的,光全息術是利用光的干涉和衍射原理,將物光波以干涉條紋的形式記錄下來,并在一定條件下使其再現形成原物體逼真的三維像.因此,利用光學體全息術,可以在體存儲介質中大容量、高密度地存儲體全息圖像,并且進行高速并行讀出成像.在體全息存儲技術中,須針對每個物體記錄一幅全息圖,再通過光學尋址掃描讀出全息圖,實現對所存儲物像的光學成像重構.與其不同的是,體全息成像技術僅須在成像系統中使用一個體全息光柵作為成像元件,依據體全息光柵布拉格衍射的選擇成像特性和多維成像功能,直接對物體成像并獲取其空間結構的光譜信息.

            1990年,由Barbastathis和Brady提出體全息成像(Volume Holographic Imaging,VHI)技術,采用體全息光柵作為選擇成像元件,對物體進行實時三維成像.與采用常規光學透鏡的成像系統不同的是,體全息成像方法僅利用一個厚型體全息圖(或稱為體全息光柵透鏡)作為對物場不同深度層進行選擇成像的衍射成像元件,使得三維物場信息可以按照光學斷層切片方式逐片地重構成像,不同的斷層切片對應于三維物空間上軸向的不同位置.因此,采用體全息成像方法既可以研究靜態物體的高度與外形輪廓H(x,y)的變化,以及半透明物體(具有一定的折射率和吸收系數,n(x,y,z)+ia(x,yz)的內部變化,又可以研究散射微粒的空間動態物場分布.尤其是,體全息成像系統具有獲取光譜信息的特點,即它能夠將物體不同顏色的部分像彩虹一樣分開,因而還可以在像面不同位置處分別獲取待測物體的光譜信息.

            體全息成像技術不同于傳統的光學全息干涉書及數字全息術,傳統的光學全息干涉術可以對三維物場及其變化進行高靈敏度的測量,但全息圖底片處理過程的非實時性大大限制了其實際應用;數字全息術采用二維面陣光電探測器代替傳統光學全息術中的記錄介質(如銀鹽干板和重鉻酸鹽明膠等感光記錄材料)記錄全息圖,將數字化的全息圖存儲于計算機中,利用計算機數值模擬全息圖的衍射再現,獲得待測物場的振幅和相位信息.在實際檢測中,光學全息干涉術和數字全息術都要求針對每個待測物體記錄其全息圖,體全息成像技術則僅設計使用單個體全息圖,就可以在CCD圖像采集器上對三維物場實現分層成像,這樣大大減少了成像系統設計的復雜度.并且,在現場成像檢測應用中,由于體全息系統可直接衍射成像,避免實際現場環境條件對光學干涉記錄系統的干擾和限制.尤其重要的是,體全息圖具有多維匹配濾波的獨特功能,十分有利于實現三維物場不同深度層的同時檢測成像,在生物醫學成像診斷和生產檢測等高端成像領域有廣闊的應用前景.

            美國麻省理工學院的Barbastathis小組在利用體全息成像技術提高顯微成像系統、望遠鏡系統、光譜成像系統的分辨率方面進行了深入研究.他們研究了以體全息光柵作為濾波器的共焦顯微鏡成像系統的特點;研究了體全息望遠鏡成像系統的性能特點,并與雙目成像系統進行了比較,指出體全息望遠鏡系統在深度分辨率上具有明顯優勢;提出采用電擴散函數(Point Spread Function,PSF)評價深度分辨率,并研究比較了采用不同參考波的全息成像系統的成像性能特點;研究了寬帶光源體全息成像系統的大視場特點,明確了大視場成像與提高深度分辨率之間的矛盾關系.2003年,Sinha等利用望遠鏡系統增加系統的有效孔徑并補償深度分辨率的衰減,得到微小渦輪的三維成像,長工作距離下縱向分辨率為50um;2004年采用帶顯微鏡的體全息系統對微機電零件成像,短工作距離下的縱向分辨率為2um;另外,利用含有顯微物鏡系統的體全息光學系統對三維熒光物體不同深度層實時成像,實現了三維不同深度層的實時超光譜成像.2005年,英國研究者研究了光折變聚合物材料中的體全息成像特性.Lou等利用體全息光柵的布拉格選擇性實現了對生物組織不同深度的同時成像;并且,采用二氧化硅納米粒子摻雜的PQ-PMMA材料設計制作的體全息成像系統實現了空間濾波成像.2010年,Kou和Waller等利用體全息成像系統的強度傳輸方程,使用采集到軸向強度信息,重構出物體的位相信息.國內報道有利用多焦點全息透鏡實現多重譜分數傅里葉變換,并利用正交光柵一次曝光制作出四焦點全息透鏡,以及利用全息透鏡陣列同時實現多通道的分數傅里葉變換.國內在體全息透鏡設計及成像特性分析方面也開展了相關研究.

          體全息成像技術


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