Цифровая голография

Цифровая голография — это получение и обработка голограмм с помощью цифровой матрицы датчиков . ^[1]^[2] обычно это ПЗС-камера или подобное устройство. Рендеринг изображения или реконструкция данных объекта выполняется численно по оцифрованным интерферограммам. Цифровая голография предлагает средства измерения данных оптической фазы и обычно дает трехмерные изображения поверхности или оптической толщины. Было разработано несколько схем записи и обработки для оценки характеристик оптических волн, таких как амплитуда, фаза и состояние поляризации, что делает цифровую голографию очень мощным методом для метрологических приложений.. ^[3]

Цифровая запись и обработка голограмм

Внеосевая конфигурация

Во внеосевой конфигурации небольшой угол между опорным и объектным лучами используется для предотвращения перекрытия вкладов перекрестного биения между объектным и опорным оптическими полями с вкладами самобиения этих полей. Эти открытия были сделаны Эмметом Лейтом и Юрисом Упатниексом в области аналоговой голографии. ^[4] и впоследствии адаптированный к цифровой голографии. В этой конфигурации для восстановления изображения требуется только одна записанная цифровая интерферограмма. Тем не менее, эту конфигурацию также можно использовать в сочетании с методами временной модуляции, такими как фазовый и частотный сдвиг, для высокочувствительных измерений при слабом освещении. ^[5]

Фазовая голография

Процесс цифровой голографии с фазовым сдвигом (или фазовым шагом) включает в себя захват нескольких интерферограмм , каждая из которых указывает на оптические фазовые соотношения между светом, возвращаемым из всех точек освещенного объекта, и управляемым опорным лучом света. Оптическая фаза опорного луча смещается от одной дискретизированной интерферограммы к другой. Из линейной комбинации этих интерферограмм образуются комплексные голограммы. Эти голограммы содержат информацию об амплитуде и фазе оптического излучения, дифрагированного объектом в плоскости датчика. ^[6]

Частотно-сдвигающая голография

Благодаря использованию электрооптических модуляторов (ячейки Поккеля) или акустооптических модуляторов (ячейки Брэгга) опорный лазерный луч можно сдвигать по частоте на настраиваемую величину. Это обеспечивает оптическое гетеродинное обнаружение — процесс преобразования частоты, направленный на сдвиг заданной радиочастотной составляющей оптического сигнала во временной полосе пропускания датчика. Сдвинутые по частоте голограммы можно использовать для узкополосной лазерной допплеровской визуализации . ^[7]

Мультиплексирование голограмм

Одновременное обращение к разным областям временной и пространственной полосы пропускания голограмм было успешно выполнено для угловых, ^[8] длина волны, ^[9]^[10] пространственное деление, ^[11] поляризация, ^[12] и боковая полоса ^[13]^[14] схемы мультиплексирования. Цифровые голограммы можно численно мультиплексировать и демультиплексировать для эффективного хранения и передачи. Амплитуда и фаза могут быть правильно восстановлены. ^[15]

Сверхразрешение в цифровой голографии

Суперразрешение возможно за счет динамической фазовой дифракционной решетки для синтетического увеличения апертуры ПЗС-матрицы. ^[16] Суперлокализации частиц можно достичь, приняв схему совместного проектирования оптики и обработки данных. ^[17]

Оптическое сечение в цифровой голографии

Оптическое секционирование, также известное как секционная реконструкция изображения, представляет собой процесс восстановления плоского изображения на определенной осевой глубине из трехмерной цифровой голограммы. Для решения этой проблемы использовались различные математические методы, из которых обратная визуализация является одной из наиболее универсальных. ^[18]^[19]^[20]

Увеличение глубины резкости с помощью цифровой голографии в микроскопии

Используя возможности цифровой голографии для трехмерного изображения по амплитуде и фазе, можно расширить глубину фокуса в микроскопии. ^[21]

Сочетание голограмм и интерферометрической микроскопии

Цифровой анализ набора голограмм, записанных с разных направлений или с разным направлением опорной волны, позволяет численно моделироватьобъектив с большой числовой апертурой , что приводит к соответствующему повышению разрешения. ^[22]^[23]^[24]Этот метод называется интерферометрической микроскопией .

См. также

Ссылки

^ Гудман, Джозеф В.; Лоуренс, RW (1967). «Формирование цифрового изображения из голограмм, обнаруженных электронным способом». Письма по прикладной физике . 11 (3): 77–79. Бибкод : 1967АпФЛ..11...77Г . дои : 10.1063/1.1755043 .
^ Маковски, Альберт (1969). «Эффективная голография с использованием временной модуляции». Письма по прикладной физике . 14 (5): 166–168. Бибкод : 1969АпФЛ..14..166М . дои : 10.1063/1.1652759 .
^ У. Шнарс, В. Юптнер (2005). Цифровая голография . Спрингер. ISBN 9783642060182 .
^ Лейт, EN; Упатниекс, Дж. (1962). «Реконструированные волновые фронты и теория связи». ДЖОСА . 52 (10): 1123–1128. Бибкод : 1962JOSA...52.1123L . дои : 10.1364/josa.52.001123 .
^ Гросс, Мишель и Майкл Атлан. «Цифровая голография с высочайшей чувствительностью». Оптика букв 32, нет. 8 (2007): 909-911.
^ Ямагути, И.; Чжан, Т. (1997). «Фазовая цифровая голография». Опция Летт . 22 (16): 1268–1270. Бибкод : 1997OptL...22.1268Y . дои : 10.1364/ол.22.001268 . ПМИД 18185816 .
^ Атлан, М.; Гросс, М.; Забудь, Б.; Виталис, Т.; Рансильяк, А.; Данн, А. (2006). «Частотная широкопольная лазерная допплерография in vivo» . Опция Летт . 31 (18): 2762–2764. Бибкод : 2006OptL...31.2762A . дои : 10.1364/ол.31.002762 . ПМИД 16936884 .
^ Патурзо, М.; Меммоло, П.; Тулино, А.; Финицио, А.; Ферраро, П. (2009). «Исследование углового мультиплексирования и демультиплексирования цифровых голограмм, записанных в конфигурации микроскопа» . Опция Выражать . 17 (11): 8709–8718. Бибкод : 2009OExpr..17.8709P . дои : 10.1364/oe.17.008709 . ПМИД 19466119 .
^ Дж. Кюн; Т. Коломб; Ф. Монфор; Ф. Шарьер; Ю. Эмери; Э. Куш; П. Марке; К. Деперсинж (2007). «Двуволновая цифровая голографическая микроскопия в реальном времени с получением одной голограммы» . Оптика Экспресс . 15 (12): 7231–724. Бибкод : 2007OExpr..15.7231K . дои : 10.1364/OE.15.007231 . ПМИД 19547044 .
^ Томохиро Киире, Дайсуке Барада, Дзюн Ичиро Сугисака, Ёсио Хаясаки и Тоёхико Ятагай «Цветная цифровая голография с использованием одного монохроматического датчика изображения. Opt. Lett. 37 (15): 3153–3155, август 2012 г.
^ Tahara, Tatsuki; Maeda, Akifumi; Awatsuji, Yasuhiro; Kakue, Takashi; Xia, Peng; Nishio, Kenzo; Ura, Shogo; Kubota, Toshihiro; Matoba, Osamu (2012). "Single-shot dual- illumination phase unwrapping using a single wavelength". Тахара, Акафуми, Ясухиро; Ся, Нисио, Кензо ; Кубота, Матоба, Осаму ( 2012 ) . 4004. Бибкод : 2012OptL...37.4002T doi : 10.1364 ol.37.004002 . PMID 23027259 /
^ Т. Коломб; Ф. Дюрр; Э. Куш; П. Марке; Х. Лимбергер; Р.-П. Салате; К. Деперсиндж (2005). «Поляризационная микроскопия с использованием цифровой голографии: применение к измерениям двойного лучепреломления оптического волокна». Прикладная оптика . 44 (21): 4461–4469. Бибкод : 2005ApOpt..44.4461C . дои : 10.1364/AO.44.004461 . ПМИД 16047894 .
^ Н. Верье; М. Атлан (2013). «Абсолютное измерение колебаний малой амплитуды с помощью усредненной по времени гетеродинной голографии с двойным гетеродином». Оптические письма . 38 (5): 739–41. arXiv : 1211.5328 . Бибкод : 2013OptL...38..739V . дои : 10.1364/OL.38.000739 . ПМИД 23455283 .
^ Бруно, Ф.; Лодеро, Дж.Б.; Лесаффр, М.; Верье; Атлан, М. (2014). «Фазочувствительная узкополосная гетеродинная голография». Прикладная оптика . 53 (7): 1252–1257. arXiv : 1301.7532 . Бибкод : 2014ApOpt..53.1252B . дои : 10.1364/AO.53.001252 . ПМИД 24663351 .
^ М. Патурзо; П. Меммоло; Л. Миччио; А. Финицио; П. Ферраро; А. Тулино; Б. Джавиди (2008). «Численное мультиплексирование и демультиплексирование цифровой голографической информации для удаленной реконструкции по амплитуде и фазе». Оптические письма . 33 (22): 2629–2631. Бибкод : 2008OptL...33.2629P . дои : 10.1364/OL.33.002629 . ПМИД 19015690 .
^ Патурзо, М.; Мерола, Ф.; Грилли, С.; Никола, С. Де; Финицио, А.; Ферраро, П. (2008). «Сверхразрешение в цифровой голографии с помощью двумерной динамической фазовой решетки» . Оптика Экспресс . 16 (21): 17107–17118. Бибкод : 2008OExpr..1617107P . дои : 10.1364/OE.16.017107 . ПМИД 18852822 .
^ Верье, Н.; Фурнье, К.; Казье, А.; Фурнель, Т. (2016). «Совместная разработка линейного голографического микроскопа с повышенным осевым разрешением: цифровая голография с селективной фильтрацией». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 33 (1): 107–116. arXiv : 1601.02940 . Бибкод : 2016JOSAA..33..107В . дои : 10.1364/JOSAA.33.000107 . ПМИД 26831591 .
^ ШИМ Цанг; К. Чунг; Т. Ким; Ю. Ким; Т. Пун (2011). «Быстрая реконструкция секционных изображений в цифровой голографии». Оптические письма . 36 (14): 2650–2652. Бибкод : 2011OptL...36.2650T . дои : 10.1364/OL.36.002650 . ПМИД 21765497 .
^ Э. Лам; С. Чжан; Х. Во; Т.-Ц. Пун; Г. Индебетоу (2009). «Трехмерная микроскопия и секционная реконструкция изображений с использованием оптической сканирующей голографии». Прикладная оптика . 48 (34): Н113–Н119. Бибкод : 2009ApOpt..48..113L . дои : 10.1364/AO.48.00H113 . hdl : 10919/46969 . ПМИД 19956281 .
^ С. Чжан; Э. Лам; Т.-Ц. Пун (2008). «Реконструкция секционных изображений в голографии с использованием обратной визуализации». Оптика Экспресс . 16 (22): 17215–17226. Бибкод : 2008OExpr..1617215Z . дои : 10.1364/OE.16.017215 . hdl : 10919/46959 . ПМИД 18958002 .
^ Ферраро, П.; Грилли, С.; Альфиери, Д.; Никола, С. Де; Финицио, А.; Пьераттини, Дж.; Джавиди, Б.; Коппола, Г.; Стриано, В. (2005). «Расширенное сфокусированное изображение в микроскопии методом цифровой голографии» . Оптика Экспресс . 13 (18): 6738–6749. Бибкод : 2005OExpr..13.6738F . дои : 10.1364/OPEX.13.006738 . ПМИД 19498690 .
^ Ю.Кузнецова; А.Нойманн, СРБбрюк (2007). «Интерферометрическая микроскопия изображений – приближение к пределам оптического разрешения линейных систем» . Оптика Экспресс . 15 (11): 6651–6663. Бибкод : 2007OExpr..15.6651K . дои : 10.1364/OE.15.006651 . ПМИД 19546975 .
^ К.Дж.Шварц; Ю.Кузнецова и SRJBrueck (2003). «Изображающая интерферометрическая микроскопия». Оптические письма . 28 (16): 1424–1426. Бибкод : 2003OptL...28.1424S . дои : 10.1364/OL.28.001424 . ПМИД 12943079 . S2CID 31379 .
^ М. Патурзо; Ф. Мерола; С. Грилли; С. Де Никола; А. Финицио; П. Ферраро (2008). «Сверхразрешение в цифровой голографии с помощью двумерной динамической фазовой решетки» . Оптика Экспресс . 16 (21): 17107–17118. Бибкод : 2008OExpr..1617107P . дои : 10.1364/OE.16.017107 . ПМИД 18852822 .

Дальнейшее чтение

Грилли, С.; Ферраро, П.; Никола, С. Де; Финицио, А.; Пьераттини, Дж.; Меуччи, Р. (2001). «Реконструкция всего оптического волнового поля методом цифровой голографии» . Оптика Экспресс . 9 (6): 294–302. Бибкод : 2001OExpr...9..294G . дои : 10.1364/OE.9.000294 . ПМИД 19421300 .

[1] Гудман, Джозеф В.; Лоуренс, RW (1967). «Формирование цифрового изображения из голограмм, обнаруженных электронным способом». Письма по прикладной физике . 11 (3): 77–79. Бибкод : 1967АпФЛ..11...77Г . дои : 10.1063/1.1755043 .

[2] Маковски, Альберт (1969). «Эффективная голография с использованием временной модуляции». Письма по прикладной физике . 14 (5): 166–168. Бибкод : 1969АпФЛ..14..166М . дои : 10.1063/1.1652759 .

[D1-3] У. Шнарс, В. Юптнер (2005). Цифровая голография . Спрингер. ISBN 9783642060182 .

[4] Лейт, EN; Упатниекс, Дж. (1962). «Реконструированные волновые фронты и теория связи». ДЖОСА . 52 (10): 1123–1128. Бибкод : 1962JOSA...52.1123L . дои : 10.1364/josa.52.001123 .

[5] Гросс, Мишель и Майкл Атлан. «Цифровая голография с высочайшей чувствительностью». Оптика букв 32, нет. 8 (2007): 909-911.

[6] Ямагути, И.; Чжан, Т. (1997). «Фазовая цифровая голография». Опция Летт . 22 (16): 1268–1270. Бибкод : 1997OptL...22.1268Y . дои : 10.1364/ол.22.001268 . ПМИД 18185816 .

[7] Атлан, М.; Гросс, М.; Забудь, Б.; Виталис, Т.; Рансильяк, А.; Данн, А. (2006). «Частотная широкопольная лазерная допплерография in vivo» . Опция Летт . 31 (18): 2762–2764. Бибкод : 2006OptL...31.2762A . дои : 10.1364/ол.31.002762 . ПМИД 16936884 .

[8] Патурзо, М.; Меммоло, П.; Тулино, А.; Финицио, А.; Ферраро, П. (2009). «Исследование углового мультиплексирования и демультиплексирования цифровых голограмм, записанных в конфигурации микроскопа» . Опция Выражать . 17 (11): 8709–8718. Бибкод : 2009OExpr..17.8709P . дои : 10.1364/oe.17.008709 . ПМИД 19466119 .

[U1-9] Дж. Кюн; Т. Коломб; Ф. Монфор; Ф. Шарьер; Ю. Эмери; Э. Куш; П. Марке; К. Деперсинж (2007). «Двуволновая цифровая голографическая микроскопия в реальном времени с получением одной голограммы» . Оптика Экспресс . 15 (12): 7231–724. Бибкод : 2007OExpr..15.7231K . дои : 10.1364/OE.15.007231 . ПМИД 19547044 .

[10] Томохиро Киире, Дайсуке Барада, Дзюн Ичиро Сугисака, Ёсио Хаясаки и Тоёхико Ятагай «Цветная цифровая голография с использованием одного монохроматического датчика изображения. Opt. Lett. 37 (15): 3153–3155, август 2012 г.

[11] Tahara, Tatsuki; Maeda, Akifumi; Awatsuji, Yasuhiro; Kakue, Takashi; Xia, Peng; Nishio, Kenzo; Ura, Shogo; Kubota, Toshihiro; Matoba, Osamu (2012). "Single-shot dual- illumination phase unwrapping using a single wavelength". Тахара, Акафуми, Ясухиро; Ся, Нисио, Кензо ; Кубота, Матоба, Осаму ( 2012 ) . 4004. Бибкод : 2012OptL...37.4002T doi : 10.1364 ol.37.004002 . PMID 23027259 /

[U2-12] Т. Коломб; Ф. Дюрр; Э. Куш; П. Марке; Х. Лимбергер; Р.-П. Салате; К. Деперсиндж (2005). «Поляризационная микроскопия с использованием цифровой голографии: применение к измерениям двойного лучепреломления оптического волокна». Прикладная оптика . 44 (21): 4461–4469. Бибкод : 2005ApOpt..44.4461C . дои : 10.1364/AO.44.004461 . ПМИД 16047894 .

[13] Н. Верье; М. Атлан (2013). «Абсолютное измерение колебаний малой амплитуды с помощью усредненной по времени гетеродинной голографии с двойным гетеродином». Оптические письма . 38 (5): 739–41. arXiv : 1211.5328 . Бибкод : 2013OptL...38..739V . дои : 10.1364/OL.38.000739 . ПМИД 23455283 .

[14] Бруно, Ф.; Лодеро, Дж.Б.; Лесаффр, М.; Верье; Атлан, М. (2014). «Фазочувствительная узкополосная гетеродинная голография». Прикладная оптика . 53 (7): 1252–1257. arXiv : 1301.7532 . Бибкод : 2014ApOpt..53.1252B . дои : 10.1364/AO.53.001252 . ПМИД 24663351 .

[15] М. Патурзо; П. Меммоло; Л. Миччио; А. Финицио; П. Ферраро; А. Тулино; Б. Джавиди (2008). «Численное мультиплексирование и демультиплексирование цифровой голографической информации для удаленной реконструкции по амплитуде и фазе». Оптические письма . 33 (22): 2629–2631. Бибкод : 2008OptL...33.2629P . дои : 10.1364/OL.33.002629 . ПМИД 19015690 .

[16] Патурзо, М.; Мерола, Ф.; Грилли, С.; Никола, С. Де; Финицио, А.; Ферраро, П. (2008). «Сверхразрешение в цифровой голографии с помощью двумерной динамической фазовой решетки» . Оптика Экспресс . 16 (21): 17107–17118. Бибкод : 2008OExpr..1617107P . дои : 10.1364/OE.16.017107 . ПМИД 18852822 .

[17] Верье, Н.; Фурнье, К.; Казье, А.; Фурнель, Т. (2016). «Совместная разработка линейного голографического микроскопа с повышенным осевым разрешением: цифровая голография с селективной фильтрацией». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 33 (1): 107–116. arXiv : 1601.02940 . Бибкод : 2016JOSAA..33..107В . дои : 10.1364/JOSAA.33.000107 . ПМИД 26831591 .

[Fast_sectioning-18] ШИМ Цанг; К. Чунг; Т. Ким; Ю. Ким; Т. Пун (2011). «Быстрая реконструкция секционных изображений в цифровой голографии». Оптические письма . 36 (14): 2650–2652. Бибкод : 2011OptL...36.2650T . дои : 10.1364/OL.36.002650 . ПМИД 21765497 .

[sectioning-19] Э. Лам; С. Чжан; Х. Во; Т.-Ц. Пун; Г. Индебетоу (2009). «Трехмерная микроскопия и секционная реконструкция изображений с использованием оптической сканирующей голографии». Прикладная оптика . 48 (34): Н113–Н119. Бибкод : 2009ApOpt..48..113L . дои : 10.1364/AO.48.00H113 . hdl : 10919/46969 . ПМИД 19956281 .

[inverseimaging-20] С. Чжан; Э. Лам; Т.-Ц. Пун (2008). «Реконструкция секционных изображений в голографии с использованием обратной визуализации». Оптика Экспресс . 16 (22): 17215–17226. Бибкод : 2008OExpr..1617215Z . дои : 10.1364/OE.16.017215 . hdl : 10919/46959 . ПМИД 18958002 .

[21] Ферраро, П.; Грилли, С.; Альфиери, Д.; Никола, С. Де; Финицио, А.; Пьераттини, Дж.; Джавиди, Б.; Коппола, Г.; Стриано, В. (2005). «Расширенное сфокусированное изображение в микроскопии методом цифровой голографии» . Оптика Экспресс . 13 (18): 6738–6749. Бибкод : 2005OExpr..13.6738F . дои : 10.1364/OPEX.13.006738 . ПМИД 19498690 .

[U4-22] Ю.Кузнецова; А.Нойманн, СРБбрюк (2007). «Интерферометрическая микроскопия изображений – приближение к пределам оптического разрешения линейных систем» . Оптика Экспресс . 15 (11): 6651–6663. Бибкод : 2007OExpr..15.6651K . дои : 10.1364/OE.15.006651 . ПМИД 19546975 .

[U5-23] К.Дж.Шварц; Ю.Кузнецова и SRJBrueck (2003). «Изображающая интерферометрическая микроскопия». Оптические письма . 28 (16): 1424–1426. Бибкод : 2003OptL...28.1424S . дои : 10.1364/OL.28.001424 . ПМИД 12943079 . S2CID 31379 .

[24] М. Патурзо; Ф. Мерола; С. Грилли; С. Де Никола; А. Финицио; П. Ферраро (2008). «Сверхразрешение в цифровой голографии с помощью двумерной динамической фазовой решетки» . Оптика Экспресс . 16 (21): 17107–17118. Бибкод : 2008OExpr..1617107P . дои : 10.1364/OE.16.017107 . ПМИД 18852822 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]