基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究

发布时间：2020-08-26 03:31

【摘要】：近年来,数字全息术飞速发展,该技术是基于光学成像原理在光电耦合器件CCD或者CMOS上记录物体的光场信息的,然后在计算机上经数值再现算法重构出原物光场。若采用高相干性的激光进行记录,会产生散斑噪声,光路中的光学元件的反射也会产生寄生干涉,而非相干数字全息术采用的是非相干光源照明实现干涉记录,克服了这一缺点。作为非相干数字全息术中最引人关注的是菲涅尔非相干相关全息术(FINCH),该技术物参共路,使外界环境的干扰在记录时被有效消除,提高了该装置的实用性能及稳定性能。通过改变空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)前置的光路能够实现不同功能的成像系统,例如共聚焦显微成像、荧光显微成像、望远成像等。SLM是FINCH成像系统的核心器件,有两方面的作用,一是作为分束器,对入射光波进行振幅分割产生物光波和参考光波,二是作为相移器,在再现过程中结合相移算法完成零级像和共轭像的去除,通过这种方法需要采集多幅全息图,只能对静态物体进行观察与测量,限制其应用范围。同轴数字全息实现单次曝光可以通过改变光路结构实现,但是这一技术在构建与系统调整过程稍显复杂,且会令成本增加,记录元件增多,使其不利于实际应用。也可以利用压缩传感算法(Compressive Sensing,CS)来实现单次曝光,但是CS算法相对复杂,运行程序耗时增加,在高分辨率成像时若采用分块处理还会出现块效应。在近几年的发展中,SLM在数字全息领域的应用越来越广泛,我们利用它的可分区域编码特性对其展开研究,实现FINCH成像单次曝光。本文利用纯相位空间光调制器具有可分区编码调制相位特性,围绕FINCH系统做了如下几方面的分析研究:(1)在波动光学理论基础上推导了全息记录与再现的过程,分析了数字全息和传统全息相比存在的几大优势,并着重分析了同轴数字全息中点扩散函数的数学表达式,如何消除零级项与孪生像的影响。(2)以非相干数字全息为理论依据,推导FINCH系统的点扩散函数、横向放大率、重建距离等数学表达式,并系统地分析了影响分辨率的主要因素及提高分辨率的方法。(3)搭建基于FINCH系统的单次曝光实验光路,利用SLM可分区域编码的特性制备掩模,在SLM上加载两种不同形式的掩模实现了单次曝光,第一种是单个光轴同时加载三个相移因子0°、120°、240°的掩模,又从掩模的分布排列情况分析了对成像质量的影响;第二种方法是同时加载0°、120°、240°相位,每一个相位具有一个独立的光轴,所对应在的子全息图在CCD上不重叠,利用简单提取程序将不同相移因子对应的子全息图提取出来,在计算机中利用相移技术及数值模拟重建算法衍射再现。(4)搭建基于FINCH系统的显微单次曝光实验系统,根据FINCH单次曝光的方法对显微成像单次曝光进行了实验验证。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O438.1
【图文】：

平面图,分波,点源,光波

图 2.2 菲涅尔非相干全息图的记录如图 2.2 所示，在物体上任取一点点源 O 点源发出的光波被分波平面分成两，这两束光波传至记录平面，该记录平面处于菲涅尔区域内，相互干涉形涅尔点源全息图。假设物点点源为O(0,0,z )，点源发出的光波为一束发散的球面波，经过距 zs的空间自由传播后在分波平面的前表面复振幅分布为exp jπ(x + y )/，在分波面上加载衍射分波模式，复振幅透过率表示为：T xT,yT=12exp-jπλf1(x2+y2) +12exp-jπλf2(x2+y2) (2.4)如上图中衍射分光模式中，在分波平面上加载两个焦距 f1和 f2两个正透镜，在分波平面后表面的复振幅分布为：U=12Q1zsQ-1f1+12Q1zsQ-1f12(2.5)在上式中使用了简化表达式，其中：Q(a)=expjπa(x2+y2) (2.6)

全息图,加载,相位掩模,再现像

模式根据不同的分布方式进行实验验证对成像质量的影响，得到的结果如图 2.9所示。图2.9 (a)SLM上加载0。相位掩模;(b)SLM上加载120。相位掩模;(c)SLM上加载240。相位掩模;(d)SLM 分区域同时加载 0。、120。、240。相位掩模;(e)加载(d)模式单次曝光再现像;(f)加载(a)模式单次曝光再现像在实验室只用了 SLM 的 1024×1024 个像素单元对分辨率板进行 FINCH 成像，如图 2.9 所示的再现结果，虽然得到的细节不是特别清楚，但被测分辨率板的大致轮廓都可以呈现出来，而且通过改变三个相移因子的分布排列可以得到再现像的质量与加载在 SLM 上的三个相移因子分布的间距有关，因为他们对应的单步相移子全息图分离的越远就越有利于后续三步相移去除零级项与孪生像，所以加载的 0。、120。、 240。三种相位在 SLM 上分布间距越大，再现像质量越好，这也进一步说明了可以通过调控 SLM 加载相移的编码方式

再现像,斜纹,红线,强度变化

2.10 加载到 SLM 上不同模式下的再现像及在红线位置处的强度变化图（内嵌图中白对应 0°、黑色对应 120°、斜纹对应 240°）图 2.10 为不同的 SLM 相移分布模式下对再现像质量影响，以下三个相移情况(a1)0。、120。、 240。三个相位以像元为周期排列；(b1)0。、120。、24个相位以一行为周期进行排列分布；(c1)0。、120。、240。三个相位以一列期进行排列分布；(d1)0。、120。、240。三个相位从中心依次环形排列分布e1)0。、120。、240。三个相位以三行为周期进行排列分布；(f1)0。、120。40。三个相位以三列为周期进行排列分布；(g1)0。、120。、240。三个相位 SLM 三等份排列分布；(h1)SLM 只加载单一相位 0。。为了更方便直观的三个相位具体的排列分布，在上图插入了内嵌图，内嵌图中白色、黑色、分别对应 0。、120。、240。三个相位，图 2.10 中(a2)-(h2)是(a1)-(h1)再现像线处对应的像素—强度分布图，从像素强度分布图上可以看出，加载的三位因子之间的间隔越小，峰越杂乱无章，得到的成像质量越差，有的地方度较小，甚至为零。图 2.10(a)模式中各个相位因子间隔是最小的，再现像

【参考文献】