[论文解读] Single-shot Fresnel incoherent digital holography based on geometric phase lens

Dong Liang, Qiu Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2018

Digital Holography and Microscopy参考文献 3被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种单次曝光、原位的菲涅尔非相干数字全息系统，采用几何相位透镜实现紧凑的三维成像，无需多次曝光。通过利用GP透镜的相位分离特性，并结合偏振成像相机的并行相位剪切技术与空间复用技术，该方法实现了单次采集下的实时非相干全息三维重建，实验验证了标准测试图的成像效果。

ABSTRACT

Single-shot and incoherent imaging are two important properties for digital holography technique to extend its application range. In this paper, a simple and compact in-line Fresnel incoherent digital holographic recording system with capability of single-shot and three-dimensional imaging is proposed. A GP lens is used as the common-path interferometer based on its special wave separation property. Parallel phase-shifting holography is used to achieve single-shot operation by using a polarization imaging camera together with space-division multiplexing. The capability of the proposed technique and the setup was experimentally confirmed by images of two standard test charts.

研究动机与目标

• 开发一种在非相干照明下具备三维成像能力的紧凑型单次曝光数字全息系统。
• 克服传统数字全息技术依赖多次曝光或相干光源的局限性。
• 将几何相位透镜作为共路干涉仪，实现稳定相位分离与结构稳定性。
• 通过偏振成像相机与空间复用技术实现并行相位剪切，以支持单次曝光工作模式。
• 在非相干照明条件下，通过标准测试图的实验成像验证系统性能。

提出的方法

• 利用几何相位透镜独特的波前分离特性，作为共路干涉仪，实现稳定且紧凑的干涉配置。
• 采用原位菲涅尔几何结构，在单次曝光下记录非相干照明下三维物体的全息图。
• 通过偏振成像相机实现并行相位剪切，利用正交偏振态同时捕获多个相位剪切全息图。
• 应用空间复用技术，在同一图像帧内对相位剪切全息图进行空间分离。
• 使用标准数字全息重建算法处理记录的全息图，以恢复物体的复振幅分布。
• 整个系统设计简洁紧凑，最大限度降低对准敏感性与环境噪声影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用几何相位透镜在非相干照明下实现单次曝光数字全息系统？
• RQ2 在不依赖多次曝光的单次曝光配置中，如何有效实现并行相位剪切？
• RQ3 几何相位透镜在实现非相干全息术中稳定共路干涉中的作用是什么？
• RQ4 所提出的系统在非相干照明下对三维成像能力的保持程度如何？
• RQ5 偏振成像与空间复用技术的结合如何实现高效的单次曝光全息重建？

主要发现

• 所提出的系统成功利用几何相位透镜作为关键干涉元件，在非相干照明下实现了三维物体的单次曝光全息记录。
• 偏振成像相机实现了多个相位剪切全息图的同时捕获，消除了对机械或时间相位剪切的依赖。
• 空间复用技术的应用实现了单张图像帧内相位剪切全息图的高效空间分离。
• 实验结果成功重建了两幅标准测试图，证实了系统具备三维成像能力。
• 该系统实现了稳定、紧凑且实时的全息成像，无需相干光源或多次曝光。