涡旋光学扫描全息技术研究

Optical Scanning Holography (OSH) is a new type of digital holography, with the advantageous features of incoherent recording, real-time scanning, inline recording and reconstruction without twin image etc. In conventional OSH, only intensity of the 3D objects can be recorded, which makes reconstruction of low contrast objects obscure with poor signal-to-noise ratio. Preliminary theoretical simulations and experiments show that the edge of objects can be extracted in the reconstructed image by introducing spiral phase modulation into OSH, which improved the signal-to-noise ratio greatly. This project will focus on the computational analysis of the system, including deduction of system optical transform function (OTF), study on the resolution and image contrast of the reconstructed objects, error analysis, as well as recording and reconstruction simulations. In addition, experiments of recording and reconstruction of low contrast objects and 3D objects will be carried out based on theoretical analysis. After that, research on applications of vortex OSH in microscopy and remote detection will be performed, which will demonstrate the effectiveness of this technique, and will be beneficial for future application research. In combination of vortex beam technique and Optical Scanning Holography, the reconstructed image of 3D objects with all sizes can be edge enhanced, and the image recognition can be improved. Therefore, this technique has very important application potential in fields of biological microscopy and remote sensing.

光学扫描全息技术是一种新型的数字全息技术，具有非相干、实时扫描、同轴无赝像等优点。单纯的光学扫描全息技术在重构弱对比度物体时，图像信噪比通常会比较差，而初步的理论和实验表明，光学扫描全息技术引入涡旋光场调制可以实现物体边界信息的提取，提高成像对比度。本项目将对涡旋光学扫描全息技术进行系统分析，包括对该系统的传递函数进行推导，对重构物体的分辨率和对比度进行研究，对实际光路的误差进行分析，建立一套完整的理论模型；在理论研究的基础上，将搭建一套涡旋光学扫描全息系统，研究弱对比度物体和三维物体的边界信息提取；最后，将开展两项涡旋光学扫描全息技术的初步应用研究，包括应用于全息显微和远程探测等，为将来更多涡旋光学扫描全息技术的相关应用提供借鉴。涡旋光场技术与光学扫描全息技术结合，能够实现不同尺度三维物体的边界增强，提高图像识别能力，因此在遥感、生物显微等领域均具有非常大的应用潜力。

在传统的光学扫描全息技术中引入了特殊调制的涡旋光瞳，从而实现对不同方向的物体边界选择性的提取。该系统包括两个入射光瞳，对其中一个光瞳插入一块涡旋位相调制片，另外一个光瞳为小孔，然后利用两束光的差频相干光场对物体进行二维扫描，并通过信号处理，就可以利用计算机得到物体的边界信息，通过在入射光瞳上旋转涡旋位相调制片，实现对不同方位物体的边界信息进行选择性的提取，结构简单易于实现。.通过改变光学扫描全息系统的结构，当采用物镜系统对光瞳成像并利用二维精密电动平台，可以用于生物样品的显微成像，当采用振镜扫描的机制以及大功率激光器、高灵敏度光电探测器，可以用于航拍遥感大物体的各向异性边界探测。在理论分析的基础上，进行了模拟研究，验证了该方法的可行性。.提出一种新型的相干光学扫描全息技术。由于非相干光学扫描全息系统中使用的两个光瞳函数具有复数属性，并且最终被记录下来，因此可以将位相物体放在某一个光瞳的位置，从而得到物体的复振幅信息，实现相干物体的光学扫描全息记录和重构。.研究了单边和双边滤波对提取物体边界信息结果的影响。理论模拟发现，单边和双边的滤波效果是不同的。单边的滤波近似于一阶的微分，从而在物体边界处得到增强的条纹；而双边滤波的结果近似二阶微分，在物体边界处的值为零，但在非常靠近边界的两边出现两个峰值。我们通过实验得到了相同的结果，验证了理论的猜想。.研究了不同涡旋位相调制状态下，三维光学扫描全息技术的模拟结果。理论研究了实现各向同性和各向异性边界提取的方法，包括利用一个偏移的涡旋位相调制片，以及两个对称放置的涡旋位相片，特别是研究了三维物体的边界提取，可以实现对物体不同景深的边界的提取，适用于样品的深度信息的提取。.研究了对涡旋位相片的改进，包括利用两个重叠，载荷相反的涡旋光实现更好的各向异性边界提取，以及在涡旋位相调制的光束中加入径向偏振特性，通过采用检偏器可以实现不同方向的边界提取。