多光场作用的超分辨数字全息三维测量方法研究

With the development of micro-nano technology, the corresponding measurement technology is also put forward. Among the methods of measurement, digital holography has been widely concerned because of its advantages of non-contact, non-lens and high vertical resolution. However, the application of this method has been limited due to the low lateral resolution because of the detector pixel size. Therefore, in order to break through the limits of the lateral resolution, a method of super-resolution digital holography based on multi optical field is proposed. By adding the modulation optical field, the spatial frequency of holographic optical field generated by object diffraction light and reference light is modulated. And then the high frequency information can be received by the detector. With demodulation and image reconstruction, the measurement of three-dimensional structure can be reached. The successful implementation of this method will significantly improve the lateral resolution of the existing digital holographic measurement methods and meet the needs of higher precision measurement.

随着微纳技术向着三维结构、纳米尺度发展，对相应测量技术也提出了迫切需求。在众多的测量方法中，数字全息测量技术由于其非接触、无镜测量、纵向分辨率高的优点得到广泛关注。但是，由于探测器尺寸限制导致其横向分辨率较低的问题一直制约着该方法的应用。因此，为了突破探测器尺寸对全息测量横向分辨率的限制，本项目提出进行一种多光场作用的超分辨数字全息三维测量方法研究，该方法通过调制光场的加入，对待测物衍射光与参考光行成的全息光场进行空间频率调制，使得调制后的高频信息能够被探测器接收，再通过图像解调和重建完成对三维结构的超分辨测量。本方法的成功实现将显著提高现有数字全息测量方法的横向分辨率，满足更高精度的测量需求。

根据阿贝成像理论，数字全息显微系统的分辨率受限于显微物镜的数值孔径，想要提升系统的成像分辨率就需要增加物镜的数值孔径。但是，大数值孔径的显微物镜会导致视场、景深、工作距的减小。在对微纳结构的检测过程中，需要系统同时满足一定的分辨率、视场、景深等性能。因此，寻求一种超越本身系统分辨率的手段就显得至关重要。针对显微物镜数值孔径限制数字全息成像分辨率的问题，本项目结合多光场产生的照明场实现了数字全息超分辨成像，与传统单光场照明相比，该方法的成像分辨率提升了一倍。在此基础上，进一步提出了一种多光场作用的微离轴数字全息系统，以解决在低倍率数字全息系统下，零级频谱与一级共轭频谱无法分离以至频谱信息无法获取的问题。除此之外，还提出了一种多角度拼接的数字全息系统，满足了不同类型的大梯度微纳结构的测量需求，该方法结构简单，仅对普通数字全息显微系统做少量改动，就可实现大梯度微纳结构面形信息的有效采集，解决大梯度微纳结构的高精度三维测量问题。针对全息相位恢复算法进行改进，提出结合散射光场的方法进行单强度图像相位恢复研究，提升测量效率。本项目为高精度数字全息超分辨系统的研究和开发打下了良好的基础，拓宽了数字全息技术的应用场景。发表期刊论文11篇，其中SCI论文10篇，中文核心论文1篇；发表会议论文3篇；申请发明专利3项。