极少量投影动态数字全息层析重建方法研究

数字全息层析技术是一种新型光学层析成像技术，可有效获取物体断层信息、物体内部三维结构参数，在生命科学、材料科学等领域具有广阔的应用潜能。目前数字全息层析技术存在记录系统复杂、所需全息图幅数过多、无动态性等瓶颈问题，限制了该技术的实用化。本项目开展融合压缩传感理论的极少量投影动态数字全息层析重建方法研究，旨在以简单实用的记录系统和高效的重建算法实现高精度三维层析重建。研究内容主要有：1、基于压缩传感理论的极少量投影数字全息层析重建模型研究；2、单幅数字层析全息图的记录方法、各向波前分离方法、误差抑制方法研究；3、各向波前全息图高质量数值重建方法研究；4、非均匀透明物质高精度三维层析重建方法研究。本研究为动态条件下非均匀透明物质，如非制备活体细胞的微结构或折射率的三维层析重建、透明多功能材料多层折射率、功能涂层光学器件的涂层特性检测等提供新的理论模型和技术方法。

传统数字全息技术能获得透明物质的厚度及平均折射率，但无法重建物质内部单点值或非均匀折射率。传统层析技术在多幅投影数据的基础上能获得被测物体内部信息，但系统缺乏动态特性。为此，本项目开展了基于压缩传感重建理论的三投影单幅层析全息记录及压缩传感全息重建技术研究。首先分析及模拟验证了传统数字全息技术理论分析了最少量投影全息层析重建的可行性、压缩传感理论的数学模型及与数字全息技术的关联性，分析确定了压缩传感理论应用于层析全息图时的稀疏表达基和两步迭代收缩算法等关键因素，比较分析了传统菲涅衍射算法和两步迭代收缩算法，提出了三向投影单幅层析全息图频域分离方法以及单向投影同轴层析全息图频域指数分布减采样压缩模式，构建了基于两步迭代收缩算法的压缩传感全息重建方法；实验完成了三向投影单幅层析全息图的记录与重建，实现了裸光纤横截面折射率的三维重建，即非均匀物质内部信息的层析全息重建，重接结果符合光纤实际特性，为光纤横截面三维折射率或功能材料梯度特性全局无损检测提供了新的技术方法；基于压缩传感理论，开展了双层、三层无放大单幅层析全息图两步迭代收缩算法重建实验，分析了轴向间距、采样率、信噪比对重建质量的影响等。为降低轴向间距对压缩层析重建质量的影响，分析提出通过扩大系统光学孔径增加多层聚焦平面之间的轴向分辨率，进一步以双层聚焦平面为被测样本，开展了4F放大单幅同轴层析全息图记录与重建、点光源放大单幅同轴层析全息图记录与重建的实验分析工作，使得多层聚焦平面的轴向分辨率无放大系统的9mm提高至点源放大系统的2.5mm，此数据不在全息技术“景深”范围内，因此可以满足单幅层析全息图分层重建的重建距离间距。项目研究结果有望于实现非均匀物质的动态无损测量（比如活体细胞）、功能材料梯度特性的全局无损检测、光学元件表面镀膜厚度检测等，具有实际的应用价值。