高度可适应的双平面互易衍射成像技术

《Optics and Lasers in Engineering》：Highly adaptable dual-plane reciprocal diffractive imaging

非干涉式全息成像通过双平面记录与频域约束结合，突破传统方法仅适用于扩散或非扩散物体的局限，实现复杂场景下高精度光场重建，实验验证了其在标准分辨率图表和 lacewing 翅膀成像中的有效性。

　　

摘要

非干涉式全息成像具有很强的抗环境干扰能力，非常适合实际应用和系统集成。尽管已经开发了许多非干涉技术，但大多数技术要么专门用于漫反射物体，要么专门用于非漫反射物体，目前还没有一种统一的解决方案能够同时有效处理这两种情况。本文提出了一种高度灵活的非干涉式全息成像方法，该方法通过在两个不同的传播平面记录衍射强度来克服这一限制。这种双平面策略结合了空间强度测量和频域约束，从而实现了全面的光场重建。通过使用横向位移分束器，可以同时捕获具有不同传播距离的两个衍射图案，促进了傅里叶域与两个测量平面之间的迭代波前恢复。实验结果表明，该方法能够成像各种类型的物体，包括漫反射和非漫反射物体。对于标准分辨率图表和草蛉翅膀等不同样本，均实现了高保真度的重建。总体而言，本文介绍了一种通用且高效的全息成像框架，适用于广泛的应用场景。

引言

全息成像能够从三维物体中恢复体积信息，并有助于定量可视化内部结构或折射率分布。这是通过测量光场的振幅和相位来实现的。由于这些特性，全息成像在3D视觉系统和无标记显微镜等领域得到了广泛应用[[1], [2], [3]]。全息方法通常利用干涉技术来捕获波前信息，常见的技术包括离轴全息术[4]或相移全息术[5]。然而，这些方法通常需要复杂的光学设置，包括一个单独的参考光束，这使它们容易受到振动的影响，从而限制了其实际应用。

Gabor内联全息术[6,7]不需要单独的参考光束，而相位恢复算法[[8], [9], [10], [11]]被广泛用于消除双像伪影。虽然多距离强度记录[[12], [13], [14]]提高了相位恢复性能，但这种方法仍然仅适用于分布稀疏的物体。结合离轴全息术以提供更准确的复杂场初始估计[[15], [16], [17]]可以缓解稀疏性限制，但仍无法重建漫反射光场的复杂振幅。还开发了几种基于不同原理的替代非干涉式全息成像技术，包括相干衍射成像（CDI）[[18], [19], [20], [21]]、叠层迭代引擎（PIE）[22,23]、傅里叶叠层显微镜（FPM）[[24], [25], [26], [27]]、强度传输方程[28,29]、空间域Kramers-Kronig关系[[30], [31], [32]]、光学双向换能器[33,34]以及时空正则化反演[35]。然而，这些方法通常依赖于特定的物体特性，并且往往难以准确重建粗糙表面产生的漫反射光场的相位。

为了解决这一挑战，最近引入了互易衍射成像（RDI）[36]，这是一种专门用于成像反射性粗糙表面或散射物体的技术。在RDI中，漫反射光强度在通过4个中继透镜后被记录下来，并在傅里叶平面施加支撑约束。然后使用迭代算法在傅里叶平面和图像平面之间进行光场恢复。与其他技术不同，RDI不需要复杂的干涉设置或高动态范围探测器。然而，由于光谱跳跃分布，RDI不适用于成像非漫反射物体，从而限制了该技术的应用范围。

迄今为止，还没有一种非干涉式全息成像方法能够同时适用于漫反射和非漫反射物体。在本研究中，我们通过结合双平面强度测量和频域约束来克服这一限制。我们将这种方法称为双平面互易衍射成像（D-RDI）。作为对RDI局限性的改进和补充，D-RDI利用了焦平面和散焦平面之间的空间-频率互补性，实现了单次拍摄和跨多种物体类型的自适应重建。这一创新不仅克服了以往方法的缺点，还为散射介质和实时全息应用开辟了新的可能性。

双平面记录互易衍射成像

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数值结果

通过数值模拟展示了所提出方法的性能，最初重点关注漫反射物体的成像。测试物体的振幅如图2(a)所示，而其相位是随机分布的（如图2(b)所示），以模拟漫反射场。测试物体由1024 × 1024像素组成，像素间距为4.5 μm，位于透镜1的前焦平面1厘米处。所用光的波长为532 nm。

实验结果

在通过数值方法研究了D-RDI之后，我们接下来进行了实验验证。实验装置如图1所示。物体被波长为532 nm的激光照射，并放置在透镜1的前焦平面几厘米处。两个透镜的焦距均为f = 300 mm。使用数码相机（SONY α7RIII，像素大小δ = 4.52 μm）在一次拍摄中捕获了强度分布I₁(x, y)和I₂(x, y)。

讨论与结论

在这项工作中，我们介绍了D-RDI方法，这是一种通用且高效的全息成像技术，通过将双平面检测集成到单次拍摄过程中来提高性能。该方法结合了傅里叶掩模约束以实现高频重建，以及双平面强度约束以实现低频成分的准确恢复。这种设计能够精确成像漫反射和非漫反射物体。重要的是，可以在这些成像模式之间切换

资助

国家自然科学基金（12325408, 61965002, 62475070），上海市教委（2024AI01007），以及上海东方人才计划 - 青年科技平台（QNKJ2024031）。

披露

作者声明没有利益冲突。

CRediT作者贡献声明

王凤鹏：撰写 – 原始草稿、软件开发、数据整理。沈月成：撰写 – 审稿与编辑、形式分析。张娴：撰写 – 审稿与编辑。

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