一套装置实现两种全息：突破视场与分辨率限制｜Adv. Photon. Nexus

Advanced Photonics Nexus 2024年第5期论文：

计算全息成像能同时获取物体的振幅和相位信息，具有非接触、数字聚焦、快速灵活等特点，广泛应用于形貌测量、虚拟现实、数字重建、生物医学等领域。然而，基于二维面阵探测器的计算全息成像，光谱响应范围较窄，在非可见光等特殊波段比较昂贵且尚不成熟，同时弱光条件下难以正常工作，制约了其应用。近年来兴起的单像素全息成像有望破解这些限制，因而备受关注。

为了解决现有双路干涉单像素全息成像存在的系统复杂、易受干扰等问题，研究人员提出了基于共路干涉的单像素全息成像。在当下的共路单像素全息成像方案中，调制基通常只用于空间采样，且需要设计额外的参考策略将目标光场划分为信号区域和参考区域，从而引入干涉所需的相位差。然而，这类方案需要牺牲成像视场与分辨率。

近日，太原理工大学王东教授团队，引入Pattern自参考策略，设计了一种充分利用调制像素的高性能单像素全息成像方法，且可以在同一装置上实现离轴和移相两种全息。在该方法中，调制模式经过编码，既可以对目标波前进行采样，还可以动态引入参考光，充分利用调制Pattern的像素分辨率，有效解决目前最先进的单像素共路全息成像技术存在必须牺牲成像视场与分辨率的难题。这项研究为实现高性能单像素全息成像提供了新的思路，为单像素计算全息成像的实用化性能提升提供了有力支撑。研究成果以“Pattern self-referenced single-pixel computational holographic imaging”为题发表在Advanced Photonics Nexus 2024年第5期上。

研究团队以Hadamard调制基为例，说明了新型Pattern自参考单像素全息成像技术（PSSCH）的原理。所提方法可以在同一装置上同时利用离轴干涉法（图1）和移相干涉法（图2）实现。

为了验证所提方法的成像性能，研究人员进行了一系列的实验。图3所示分别为利用离轴干涉法和移相干涉法实现的相位重建结果。可以看出，无论基于离轴干涉还是移相干涉，所提方法都可以获得比“外围参考方式”更大的成像视场，且获得比“棋盘格参考方式”更高的成像分辨率。

图3 基于离轴干涉法和移相干涉法的Siemens star相位重建结果

为了验证所提方法在实际应用中的成像性能，研究人员还探究了其在生物成像和透镜相位测量中的应用。图4所示为蜻蜓翼和焦距为1000 mm光学透镜的相位重建结果。可以看出，基于移相干涉法PSSCH的重建质量优于基于离轴干涉法PSSCH的重建质量，但离轴干涉的成像速度更快，因为其能够避免移相干涉重建所需的多次移相操作。这表明研究人员可依据成像质量或成像速度的不同需求，灵活地选择合适的成像方案。

该工作报道了一种新型共路单像素计算全息成像方法，解决了目前共路单像素全息成像中无法避免牺牲成像视场与分辨率的难题。该方法的实现不受调制基、调制器件的限制，且可以在相同的装置上灵活选择离轴干涉方案或移相干涉方案。与目前最先进的基于棋盘格参考方式和外围参考方式的单像素共路全息方法相比，所提方法可以充分利用调制模式的像素分辨率，能够在兼顾视场的同时，不牺牲成像分辨率。该方法在生物成像和光学透镜定量相位成像实验中表现出良好的成像性能，为促进单像素计算全息的实用化提供了有力支撑。

赵文静，太原理工大学物理与光电工程学院，助理教授。主要从事“结构光三维成像”、“单像素成像”、“散射成像”等新型成像与技术研究，在Laser & Photonics Reviews、Applied Physics letters、Optics Letters 等刊物上发表学术论文20余篇。

王东，博士毕业于哈尔滨工业大学，曾是新加坡国立大学访问学者，南洋理工大学Research Fellow，现为太原理工大学物理与光电工程学院光学工程系主任，教授/博导。入选山西省“三晋英才”计划，主要从事新型传感与成像技术研究。在Nature Communications 等国际刊物上发表学术论文80余篇，授权发明专利25项。