工業(yè)相機在全息成像中的應用

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對透明物體成像作為一種獨特的技術，廣泛應用于生物學、醫(yī)學、工業(yè)機器視覺等領域，其中特殊涂層、樣本染色、相位成像、結構光和多光譜成像等，都是透明物體成像技術的一種。然而，發(fā)展透明物體成像技術，在許多領域都面臨挑戰(zhàn)。

數(shù)字全息成像（Digital holography）利用光波的振幅和相位數(shù)據(jù)來重建3D圖像，因此能夠提供重要的成像能力，甚至可以對透明物體進行成像。使用標準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，用于顯示之前沒有被觀察到的結構，進而獲得觀測物的額外數(shù)據(jù)。然而，根據(jù)全息圖像的產生方法，將多光譜技術的優(yōu)點運用到全息成像中，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)表了一篇關于數(shù)字全息成像實驗方案的文章，這套實驗裝置中包括一個帶有聲光可調諧濾波器的干涉儀和The Imaging Source公司的DMK 72BUC02單色工業(yè)相機。

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

生成全息圖像與相干光息息相關，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)相機傳感器記錄物光束和參考光束所產生的干涉圖樣，并以數(shù)字方式進行存儲。然后，對這些光波前數(shù)據(jù)以數(shù)字方式進行重建，產生量化振幅還有相位圖像，經過進一步處理，產生清晰的數(shù)字全息圖像。

用來產生全息圖像的相干光源基本上是單色的，而要產生多光譜全息圖，來自不同波長的多個相干光束的圖像數(shù)據(jù)進行重建和融合，形成多光譜全息圖。

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

為了實現(xiàn)這樣的實驗系統(tǒng)，研究人員在馬赫-曾德干涉儀的入口處安裝了一個寬帶光源和可調諧聲光（AO）濾波器，“設計用于在任意窄光譜間隔內，形成光學透明物體的數(shù)字全息圖”。

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

在實驗中，物光波前和參考光波前通過分束器在空間上對齊，以形成干擾圖樣，然后由DMK 72BUCO2相機記錄圖像。相機前面安裝一個長通濾波器，用于消除背景光的干擾。通過調整“加到AO單元上的超聲波頻率”來調節(jié)工作波長。

通過在空間上分離背景零階和+1階和-1階衍射階，研究人員實現(xiàn)了離軸數(shù)字全息方案，能夠捕獲透明物體以及測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，這些圖像不對應于固定波長，但允許任意排列光譜組件。”

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應用，如生物醫(yī)療應用中細胞和結構（尤其是活體標本）的研究；無損材料測試，如金屬或復合材料中的內部缺陷檢測；透明介質中的折射率場；“在微輪廓重建、相結構研究、應力狀態(tài)監(jiān)測、粒子軌跡調查、顯微鏡、光學相干斷層掃描等過程中，對各種物體的性質進行定性和精確定量分析。”

本文所描述的技術應在不需要多個相干光源的情況下“提高全息圖像的信息性”，同時也有利于那些“必須同時研究透明物體的振幅相位和光譜結構”的應用。

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