自從伽伯早年提出全息術(shù)后,光學(xué)全息術(shù)已經(jīng)被廣泛用于三維光學(xué)成像領(lǐng)域.體全息成像技術(shù)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(jìn)行三維成像的技術(shù),是光學(xué)體全息術(shù)在三維成像領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一,它開拓了體全息衍射光柵在顯微成像、望遠(yuǎn)成像光譜成像等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景.
與采用常規(guī)光學(xué)透鏡的成像系統(tǒng)不同的是,體全息成像系統(tǒng)是以體全息光柵作為成像透鏡的成像系統(tǒng).基于體全息原理,采用探測光波照明三維物體進(jìn)行成像時(shí),滿足布拉格條件的光波將通過提全息光柵透鏡、實(shí)現(xiàn)三維物體的光學(xué)層析衍射成像.
如本站所描述的,光全息術(shù)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(xiàn)形成原物體逼真的三維像.因此,利用光學(xué)體全息術(shù),可以在體存儲介質(zhì)中大容量、高密度地存儲體全息圖像,并且進(jìn)行高速并行讀出成像.在體全息存儲技術(shù)中,須針對每個(gè)物體記錄一幅全息圖,再通過光學(xué)尋址掃描讀出全息圖,實(shí)現(xiàn)對所存儲物像的光學(xué)成像重構(gòu).與其不同的是,體全息成像技術(shù)僅須在成像系統(tǒng)中使用一個(gè)體全息光柵作為成像元件,依據(jù)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(jié)構(gòu)的光譜信息.
1990年,由Barbastathis和Brady提出體全息成像(Volume Holographic Imaging,VHI)技術(shù),采用體全息光柵作為選擇成像元件,對物體進(jìn)行實(shí)時(shí)三維成像.與采用常規(guī)光學(xué)透鏡的成像系統(tǒng)不同的是,體全息成像方法僅利用一個(gè)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(jìn)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(xué)斷層切片方式逐片地重構(gòu)成像,不同的斷層切片對應(yīng)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(tài)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(shù),n(x,y,z)+ia(x,yz)的內(nèi)部變化,又可以研究散射微粒的空間動態(tài)物場分布.尤其是,體全息成像系統(tǒng)具有獲取光譜信息的特點(diǎn),即它能夠?qū)⑽矬w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(shù)不同于傳統(tǒng)的光學(xué)全息干涉書及數(shù)字全息術(shù),傳統(tǒng)的光學(xué)全息干涉術(shù)可以對三維物場及其變化進(jìn)行高靈敏度的測量,但全息圖底片處理過程的非實(shí)時(shí)性大大限制了其實(shí)際應(yīng)用;數(shù)字全息術(shù)采用二維面陣光電探測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息術(shù)中的記錄介質(zhì)(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(shù)字化的全息圖存儲于計(jì)算機(jī)中,利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬全息圖的衍射再現(xiàn),獲得待測物場的振幅和相位信息.在實(shí)際檢測中,光學(xué)全息干涉術(shù)和數(shù)字全息術(shù)都要求針對每個(gè)待測物體記錄其全息圖,體全息成像技術(shù)則僅設(shè)計(jì)使用單個(gè)體全息圖,就可以在CCD圖像采集器上對三維物場實(shí)現(xiàn)分層成像,這樣大大減少了成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度.并且,在現(xiàn)場成像檢測應(yīng)用中,由于體全息系統(tǒng)可直接衍射成像,避免實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境條件對光學(xué)干涉記錄系統(tǒng)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(dú)特功能,十分有利于實(shí)現(xiàn)三維物場不同深度層的同時(shí)檢測成像,在生物醫(yī)學(xué)成像診斷和生產(chǎn)檢測等高端成像領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.
美國麻省理工學(xué)院的Barbastathis小組在利用體全息成像技術(shù)提高顯微成像系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光譜成像系統(tǒng)的分辨率方面進(jìn)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(tǒng)的特點(diǎn);研究了體全息望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)的性能特點(diǎn),并與雙目成像系統(tǒng)進(jìn)行了比較,指出體全息望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在深度分辨率上具有明顯優(yōu)勢;提出采用電擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function,PSF)評價(jià)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(tǒng)的成像性能特點(diǎn);研究了寬帶光源體全息成像系統(tǒng)的大視場特點(diǎn),明確了大視場成像與提高深度分辨率之間的矛盾關(guān)系.2003年,Sinha等利用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)增加系統(tǒng)的有效孔徑并補(bǔ)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(tǒng)對微機(jī)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(tǒng)的體全息光學(xué)系統(tǒng)對三維熒光物體不同深度層實(shí)時(shí)成像,實(shí)現(xiàn)了三維不同深度層的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了對生物組織不同深度的同時(shí)成像;并且,采用二氧化硅納米粒子摻雜的PQ-PMMA材料設(shè)計(jì)制作的體全息成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空間濾波成像.2010年,Kou和Waller等利用體全息成像系統(tǒng)的強(qiáng)度傳輸方程,使用采集到軸向強(qiáng)度信息,重構(gòu)出物體的位相信息.國內(nèi)報(bào)道有利用多焦點(diǎn)全息透鏡實(shí)現(xiàn)多重譜分?jǐn)?shù)傅里葉變換,并利用正交光柵一次曝光制作出四焦點(diǎn)全息透鏡,以及利用全息透鏡陣列同時(shí)實(shí)現(xiàn)多通道的分?jǐn)?shù)傅里葉變換.國內(nèi)在體全息透鏡設(shè)計(jì)及成像特性分析方面也開展了相關(guān)研究.
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