工業(yè)相機(jī)在全息成像中的應(yīng)用

對(duì)透明物體成像作為一種獨(dú)特的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域，其中特殊涂層、樣本染色、相位成像、結(jié)構(gòu)光和多光譜成像等，都是透明物體成像技術(shù)的一種。然而，發(fā)展透明物體成像技術(shù)，在許多領(lǐng)域都面臨挑戰(zhàn)。

數(shù)字全息成像（Digital holography）利用光波的振幅和相位數(shù)據(jù)來(lái)重建3D圖像，因此能夠提供重要的成像能力，甚至可以對(duì)透明物體進(jìn)行成像。使用標(biāo)準(zhǔn)RGB范圍以外的圖像數(shù)據(jù)（例如多光譜成像），也可以增加數(shù)字全息成像的能力，用于顯示之前沒(méi)有被觀察到的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲得觀測(cè)物的額外數(shù)據(jù)。然而，根據(jù)全息圖像的產(chǎn)生方法，將多光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)運(yùn)用到全息成像中，仍然面臨挑戰(zhàn)。

圖1：The Imaging Source的黑白工業(yè)相機(jī)DMK 72BUC02，作為記錄干涉條紋系統(tǒng)裝置的一部分。

近日，研究人員發(fā)表了一篇關(guān)于數(shù)字全息成像實(shí)驗(yàn)方案的文章，這套實(shí)驗(yàn)裝置中包括一個(gè)帶有聲光可調(diào)諧濾波器的干涉儀和The Imaging Source公司的DMK 72BUC02單色工業(yè)相機(jī)。

研究人員的目標(biāo)是增加拍攝到的數(shù)字全息圖像的信息量，這對(duì)于觀察透明物體而言，將會(huì)是很重大的突破。

01工業(yè)相機(jī)獲取的光波前數(shù)據(jù)

生成全息圖像與相干光息息相關(guān)，為了生成全息圖像，相干光源（即激光器）的光束被分成物光束（object beams）和參考光束（reference beams）。在數(shù)字全息照相的情況下，由工業(yè)相機(jī)傳感器記錄物光束和參考光束所產(chǎn)生的干涉圖樣，并以數(shù)字方式進(jìn)行存儲(chǔ)。然后，對(duì)這些光波前數(shù)據(jù)以數(shù)字方式進(jìn)行重建，產(chǎn)生量化振幅還有相位圖像，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，產(chǎn)生清晰的數(shù)字全息圖像。

用來(lái)產(chǎn)生全息圖像的相干光源基本上是單色的，而要產(chǎn)生多光譜全息圖，來(lái)自不同波長(zhǎng)的多個(gè)相干光束的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重建和融合，形成多光譜全息圖。

在這些系統(tǒng)中，工作波長(zhǎng)的集合通常是有限的，人們不能選擇任意波長(zhǎng)。同時(shí)，在許多情況下，在相當(dāng)寬的光譜范圍內(nèi)研究一個(gè)樣品是一件有趣的工作。因此，一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是開(kāi)發(fā)記錄‘涉及準(zhǔn)連續(xù)光譜調(diào)諧的多光譜全息圖像’的方法。

02聲光濾波器調(diào)光實(shí)驗(yàn)裝置

為了實(shí)現(xiàn)這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究人員在馬赫-曾德干涉儀的入口處安裝了一個(gè)寬帶光源和可調(diào)諧聲光（AO）濾波器，“設(shè)計(jì)用于在任意窄光譜間隔內(nèi)，形成光學(xué)透明物體的數(shù)字全息圖”。

圖2：由The Imaging Source黑白工業(yè)相機(jī)DMK 72BUC02所捕捉到的生物樣本全息圖，顯示了典型的干涉圖樣。

在實(shí)驗(yàn)中，物光波前和參考光波前通過(guò)分束器在空間上對(duì)齊，以形成干擾圖樣，然后由DMK 72BUCO2相機(jī)記錄圖像。相機(jī)前面安裝一個(gè)長(zhǎng)通濾波器，用于消除背景光的干擾。通過(guò)調(diào)整“加到AO單元上的超聲波頻率”來(lái)調(diào)節(jié)工作波長(zhǎng)。

通過(guò)在空間上分離背景零階和+1階和-1階衍射階，研究人員實(shí)現(xiàn)了離軸數(shù)字全息方案，能夠捕獲透明物體以及測(cè)試圖案和生物樣品的傅立葉全息圖。

研究人員寫道：“……任意光譜使獲得多色全息圖像成為可能，這些圖像不對(duì)應(yīng)于固定波長(zhǎng)，但允許任意排列光譜組件?！?/p>

03數(shù)字全息成像的應(yīng)用

數(shù)字全息成像的非接觸成像能力，使其特別適合于一些精細(xì)應(yīng)用，如生物醫(yī)療應(yīng)用中細(xì)胞和結(jié)構(gòu)（尤其是活體標(biāo)本）的研究；無(wú)損材料測(cè)試，如金屬或復(fù)合材料中的內(nèi)部缺陷檢測(cè)；透明介質(zhì)中的折射率場(chǎng)；“在微輪廓重建、相結(jié)構(gòu)研究、應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)、粒子軌跡調(diào)查、顯微鏡、光學(xué)相干斷層掃描等過(guò)程中，對(duì)各種物體的性質(zhì)進(jìn)行定性和精確定量分析?！?/p>

本文所描述的技術(shù)應(yīng)在不需要多個(gè)相干光源的情況下“提高全息圖像的信息性”，同時(shí)也有利于那些“必須同時(shí)研究透明物體的振幅相位和光譜結(jié)構(gòu)”的應(yīng)用。