具有时间反转效应的实时数字全息成像理论及应用研究

Digital holography with time-reversed effect has broad application prospects on cell accurate tracking of biomedical field, three-dimensional (3D) flow field simulation of rocket exhaust plum and nuclear explosion. This project uses digital holography and presents a new theory and method of time-reversed theory combined with synchronous multi-channel phase-shifting digital holography. Moving object accurate position and tracking are researched by electronic phase conjugater and wavefront back-propagation compensation technology. Major research work include: (1) Study on the basic theory and methods of the phase-shifting digital holography, the synchronous multi-channel phase-shifting digital holography set up is built. 3D image of object be reconstructed by Fresnel diffraction theory and Fourier optics. Synchronous multi-frame images improve the quality of reconstructed image. (2) Electronic phase conjugater is used on time-reversed theory, wavefront achieved through optical path to the location of pathological biotical cell in the scattering medium, high power laser is leaded into bio-optical treatment. This project not only has important theoretical value by focusing on the innovative theory and methods of phase-shifting digital holography and electronic phase conjugater, but also has a good prospect with solving the difficult problems of high-tech filed as biomedical, aerospace and civil and so on.

具有时间反转效应的数字全息技术在生物医学细胞的精确跟踪、火箭尾焰及核爆模拟中的三维流场分布等高新领域都有广泛的应用前景。本项目提出一种新的方法，将时间反转理论与同步多路相移数字全息技术相结合，实现运动物体的精确定位与跟踪。研究内容包括：(1) 基于对相移数字全息基础理论的研究，提出同步多路相移数字全息方法，通过多帧图像的同步采集，运用菲涅尔衍射和傅里叶光学原理实时重构物体的清晰三维图像；(2) 运用电相位共轭技术实现时间反转，在非均匀散射介质中沿光学传输路径反向追溯到被标记的病理细胞，引用高功率激光对其进行生物光学治疗。项目探索数字相移全息、电相位共轭等新颖理论与技术的综合应用，既有重要的理论意义，又能对生物医学、航空航天等民用、军事领域的前沿突破提供强有力的技术支撑。

针对生物医学中细胞的精确跟踪与诊疗问题，采用数字全息技术机理，提出一种新的将时间反转理论与单次相移数字全息技术相结合的方法，利用电相位共轭技术与波阵面后向补偿技术，进行运动物体的精确定位与跟踪研究。研究内容包括：1）基于对相移数字全息基础理论的研究，提出单次相移数字全息方法，通过多帧图像的同步采集，运用菲涅尔衍射原理和傅里叶光学原理实时重构物体的清晰三维图像。2）运用电相位共轭技术实现时间反转，在不均匀散射介质中沿全息传输路径反向追溯到已定位的病理细胞。3）研究波阵面后向补偿技术，利用电荷耦合器件记录全息图像，采用相干图像方法对相移进行补偿，使重构图像更清晰，定位更精确。项目着眼于数字相移全息技术、电相位共轭技术、光波后向补偿技术等创新理论的结合与方法研究，具有重要的理论意义，同时，紧密结合生物医学细胞探测与诊疗的难点问题，具有良好的应用前景。.本项目在资助期间，完成了具有时间反转效应的实时数字全息成像理论及基础研究，通过时间反转法的理论分析证明，时间反转法源于光学中的相位共轭法，主要是为了克服光学介质不均匀引起的成像畸变，时间反转法最主要的优点就是不需要介质性质先验知识，可自适应聚焦成像，满足实时系统的要求。利用白光干涉原理保证了四个光学距离误差，搭建了适用于荧光成像的同步多路相移全息系统。根据基于计算GRA和迭代的相移误差计算方法，用软件的方法克硬件补偿的难度。图像的重构、误差的补偿及图像的优化都在软件中可以实现，大量同步多帧图像的采集提升了图像的质量。最终加入空间光调制器完成时间反转理论实验，相同的物体和CCD参数情况下最短距离缩短到11.2mm并且深度分辨率能够提升到1.4um。采用方案利用脉冲本地振荡器去限制CCD的记录过程对荧光反射的进行了相干验证。