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全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展.docx
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全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展.docx
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0. 引 言
光在传播时受到环境中介质分子或悬浮颗粒的作用而改变其光强分布、偏振状态或频
率的现象称为散射
[1]
。在部分场景中散射会带来消极影响,例如雨雾天气下驾驶员难以看
清道路;火灾现场的高浓度烟尘严重影响消防员的视野,增加救援难度;生物医学中皮
肤、肌肉等会导致光线散射影响病情的判断等。在上述情况中目标光的信息被隐藏在杂乱
无序的散射场中,致使传统光学难以直接对目标成像,发展可透过散射介质的成像技术是
当前光学成像领域热点和难点。
虽然经散射后的随机无序光场看起来似乎是无法获取目标信息的,但是 Freund 等人
发现的光学记忆效应
[2-5]
表明经散射作用后的光场会随小范围的入射角度变化产生相应的位
移而不改变分布形态,即散射出射光波仍保留了原始目标光的有效信息。若能从散射光场
中分离和提取出原始目标光的信息即可用于目标重建,从而实现穿透散射介质成像。近年
来,更关注于信息的计算成像技术
[6-7]
迅速发展,区别于传统光学“所见即所得”的直接成像
模式
[8]
,计算成像技术在成像链路中引入主被动信息编码,实现信道扩容、维度提高,大
幅提升成像信息获取及解译能力。在计算成像技术框架下,许多散射成像技术被相继提
出,例如鬼成像技术
[9-10]
、散斑相关成像技术
[11-12]
、光学传输矩阵成像技术
[13-14]
等。
全息技术由 Gabor
[15]
在 1948 年提出,能够同时恢复物体的振幅和相位信息,扩展了纯
强度的光学成像能力。并且随着 CCD(Charge Coupled Device)等光电探测器件以及计算机
技术的发展,使用数字方式记录全息图的数字全息技术得以实现
[16]
,具备无损伤、定量化
和三维成像的优势,已经在生物医学显微
[17-18]
、光学信息加密
[19-20]
、信息存储
[21-22]
、干涉测
量
[23-24]
等领域发挥了重要作用。
由于其独特的相位信息获取能力,全息技术在透散射介质成像领域表现出得天独厚的
优势。1965 年,Leith
[25]
将散射介质置于离全息图很近的位置处,散射介质的实像将被全息
图重建,散射介质的原始相位与实像的互补相位互相抵消,消除了散射介质对成像的影
响。这一研究成果启发了国内外学者将全息技术应用于实现穿透散射介质成像的技术研究
中,取得了一系列突破性成果,例如基于全息门选通的散射成像技术
[26-27]
、基于相位共轭
全息的散射成像技术
[28-29]
、基于相关全息的散射成像技术
[30-33]
以及基于双波长全息的散射成
像技术
[34-35]
等,为解决穿透散射介质成像问题提供了新思路。文中主要就全息技术在穿透
散射介质成像中的应用进行了分类归纳,介绍了几种具有代表性的技术的基本原理和研究
进展,并讨论了下一步需解决的问题和未来发展方向。
1. 基于全息门选通的散射成像
穿透散射介质成像的实现离不开对弹道光或散射光的利用,其中弹道光是散射光场中
未受散射作用的部分,通常只存在于穿透薄散射介质成像中且占比较少。若能将弹道光与
散射光分离,即可对隐藏于散射介质后的物体进行成像。基于此思路,研究人员提出利用
到达时间、空间分布、频率、相位、极化等差异性的门选通技术挑选出弹道光,实现了在
浑浊水体中清晰成像等效果。全息技术干涉记录、衍射再现的基本过程对参与光波的空间
相干性、时间相干性等要求高,具备天然的选通特性,基于全息的相干门控方法
[36-37]
被广
泛应用于提升成像质量。近年来,研究人员将相干门控方法推广至穿透散射介质成像中,
在实现去除散射光子背景干扰的同时还获取了成像目标的振幅和相位即三维信息。
2000 年,Indebetouw 等人
[38]
通过对光源空间上、谱宽上的扩展实现空间非相干性和时
间非相干性的同时利用,并结合外差法进行探测。实验装置如图 1 所示,将普通苍蝇的翅
膀置于载玻片,采用反射式装置进行穿透散射介质成像验证实验。该方法了实现对整个视
场的单次曝光成像,并且可借助额外的探测时间和外差式相位检测进一步提高成像信噪
比。
图 1 基于时空低相干性全息门选通技术的散射成像。(a) 实验装置图;(b) 实验结果图:
(b1) 振幅,(b2) 相位
[38]
Fig. 1 Scattering imaging based on low-coherence spatiotemporal holographic gating technology.
(a) Experimental setup; (b) Experimental results: (b1) Amplitude, (b2) Phase
[38]
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上述工作所针对的散射环境尚停留在静态条件下,而在生物医学成像等领域中,需要
在如细胞组织液等含有悬浮胶体颗粒的流动液体中进行成像,这种需求促进了新型紧凑型
传感器和片上生物实验室技术的出现
[39-40]
。2012 年,Paturzo 等人
[41]
利用流动胶体中悬浮粒
子的散射光子所产生的多普勒频移特性,结合数字全息技术实现在浑浊微流中的清晰成
像,并指出该方法的适用条件为浑浊液体流速与相机曝光时间的乘积需大于成像视场。该
方法开辟了一种新的非透明微流体中对物体进行成像的方法,可实现对浑浊介质中不可见
物体的数字聚焦,特别适用于纯相位物体成像。通过对微流及静止液体中精子目标的成像
实验,表明了该方法更适合于动态微流体,结果如图 2 所示,并对结构简单且紧凑的片上
生物实验室提供了切实的可行性。
图 2 浑浊水体中实现数字全息散射成像示意图。(a)实验装置图;(b) 实验结果:清水中
(b1), (b2)和流动的牛奶(b3), (b4)中,精子重建的振幅和相位
[41]
Fig. 2 Schematic diagram of digital holographic scattering imaging in turbid water. (a)
Experimental setup; (b) Experimental results: Reconstruction of sperm amplitude and phase in
clean water (b1), (b2) and flowing milk (b3), (b4)
[41]
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2014 年,暨南大学钟金钢等人提出了一种利用数字全息技术实现浑浊介质动态成像的
方法
[42]
,该方法主要应用了两种手段,一是通过在成像路径中设置聚焦面和光阑,实现对
经散射介质的光波的空间滤波,保留弹道光和部分蛇形光成分;二是在数字全息重建中对
数字全息图的角谱分量进行数字滤波,从而消除绝大多数散射噪声影响。图 3 为该方法在
浑浊介质中成像的实验光路,图 4 为动态成像结果。该实验结果表明:可利用数字全息对
带有目标图像信息的弹道光子和蛇形光子进行挑选,大大增强在浑浊介质中物体的成像对
比度。
图 3 透散射介质动态成像光路
[42]
Fig. 3 Dynamic imaging optical path through scattering medium
[42]
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