撰稿 | 望舒

從宏觀世界到微觀世界，人類探索的腳步不斷涉及到未知的邊緣，這一切都離不開成像技術(shù)的輔助。

從天文學(xué)中通過大氣湍流進(jìn)行的望遠(yuǎn)鏡成像到生物學(xué)中通過散射組織進(jìn)行的顯微成像，光波通過隨機(jī)介質(zhì)（名詞解釋>）成像的技術(shù)構(gòu)成了學(xué)界和業(yè)界必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)，例如激光通信、航空測繪、衛(wèi)星遙感等端流大氣環(huán)境領(lǐng)域以及激光醫(yī)學(xué)、生物工程等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)實(shí)世界中的隨機(jī)介質(zhì)具備多樣性和復(fù)雜性，為此，科研人員提出了各種技術(shù)來應(yīng)對隨機(jī)介質(zhì)的不同特性。

近期，來自日本宇都宮大學(xué) Mitsuo Takeda 教授、德國斯圖加特大學(xué)  Wolfgang Osten 教授以及日本電氣通信大學(xué) Eriko Watanabe 助理教授三人以 Holographic 3D imaging through random media: methodologies and challenges 為題在 Light: Advanced Manufacturing 發(fā)表了綜述文章。

本篇文章特別強(qiáng)調(diào)了全息(名詞解釋>)技術(shù)及其獨(dú)特的功能在隨機(jī)介質(zhì)成像領(lǐng)域發(fā)揮的關(guān)鍵作用。首先分析了隨機(jī)介質(zhì)成像目前遇到的問題，接著解釋了如何利用全息術(shù)獨(dú)特的功能來為問題提供簡單實(shí)用的解決方案，最后根據(jù)課題組最近的工作展示了基于不同原理的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對全息術(shù)在隨機(jī)介質(zhì)成像領(lǐng)域的未來前景進(jìn)行了展望。

為了讓讀者理解隨機(jī)介質(zhì)是如何影響到成像的，作者利用了一個(gè)簡單的物理模型來解釋，根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)的物理特性可以將其分為兩類：非均勻介質(zhì)和散射介質(zhì)（如圖1所示）。

圖1兩種典型特性的隨機(jī)介質(zhì)簡化模型。

非均勻介質(zhì)具備宏觀尺度上隨機(jī)分布且相對溫和的折射率變化，空間相干長度（名詞解釋>）較大，這種介質(zhì)一般保持透明的性質(zhì)。雖然非均勻介質(zhì)存在像差（名詞解釋>）現(xiàn)象，但它保留了波前（名詞解釋>）概念的有效性。

另一種類型的散射介質(zhì)具備微觀尺度上隨機(jī)分布的強(qiáng)折射率變化，空間相干長度很短。入射光被這類介質(zhì)中的微觀結(jié)構(gòu)散射成許多次波分量，次波分量的方向由相位函數(shù)決定，從而產(chǎn)生了一個(gè)混亂的光場，在幾何光學(xué)中不再有明確的波前概念。因此，這種類型的散射介質(zhì)看起來是不透明的，例如毛玻璃。

此外，隨機(jī)介質(zhì)的厚度和相對位置，都對成像性能有重要影響。

解決問題的基本策略

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)的簡化模型可以知道，一束物光波經(jīng)過隨機(jī)介質(zhì)后會(huì)變成三個(gè)分量的混合：未受干擾的原始光波、波前產(chǎn)生畸變的非散射光和波前不明確的散射光。

這三種成分的混合比例取決于隨機(jī)介質(zhì)的具體特性。由于隨機(jī)介質(zhì)的多樣性，產(chǎn)生的問題十分復(fù)雜，人們必須采取多種方法來解決問題。

解決問題的第一步，需要從兩種基本策略中做出選擇:放棄或糾正雜散光。

第一種策略將區(qū)分有效光(未受干擾的原始光)和雜散光(散射光和畸變波前的光)，然后放棄雜散光，只讓有效光參與成像。但是當(dāng)物光通過散射介質(zhì)時(shí)，有效光會(huì)按照郎伯比爾定律(名詞解釋>)迅速衰減，利用率低。

第二種矯正策略不排斥雜散光，而是將其轉(zhuǎn)化為有效光，使幾乎所有的光都參與成像，利用率高。全息術(shù)在這兩種策略中都起著關(guān)鍵作用，不僅如此，它還能提供具有振幅和相位完整信息的3D成像。

散射光全息抑制技術(shù)

散射光全息抑制技術(shù)中最著名的就是光學(xué)相干層析成像(名詞解釋>)(OCT)技術(shù)，它通過光到達(dá)時(shí)間的差異來區(qū)分有效光和雜散光，同時(shí)抑制雜散光只讓有效光參與成像。如圖2所示，用超短光脈沖或低相干連續(xù)光波將隱藏在散射介質(zhì)后的物體記錄在全息圖中。

圖2 光學(xué)相干層析成像技術(shù)原理

只有當(dāng)物光和參考光在由光脈沖寬度或連續(xù)波光相干長度設(shè)定的時(shí)間窗口內(nèi)精確同步地到達(dá)全息圖上的記錄點(diǎn)時(shí)，才會(huì)發(fā)生全息記錄。這種技術(shù)被稱為“飛行中的光記錄”，它可以記錄超快運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的全息圖。物體光束的時(shí)延不僅來自于隨機(jī)介質(zhì)中的多次散射，還來自于物體光束與全息圖之間的距離，從而提供了物體的深度信息。因此，這種技術(shù)可以抑制散射光，得到3D物體的層析切片圖像。

然而，OCT技術(shù)無法抑制具有畸變波前的非散射像差光。這是因?yàn)榉巧⑸涔獾牟ㄇ跋癫顚?yīng)的時(shí)間延遲太小，無法識別，所以像差也會(huì)被誤識別為有效光。因此，波前像差的自適應(yīng)校正是目前OCT研究的熱點(diǎn)之一。

然而，除了對像差的有限抑制外，雜散光的放棄策略還有一個(gè)根本問題，即在大多數(shù)隨機(jī)介質(zhì)中，雜散光具有比有效光更大的光功率，使用這種策略意味著散射光或像差光所攜帶的所有有用信息都被放棄。因此，在很多時(shí)候也需要采用另一種策略來保證有用的信息不會(huì)丟失。

雜散光的全息校正技術(shù)

雜散光的矯正策略可以分為非全息的技術(shù)和全息的技術(shù)，其中，非全息技術(shù)包括自適應(yīng)光學(xué)(名詞解釋>)技術(shù)（主要用波前傳感器檢測出像差的波前，并用可變形鏡進(jìn)行自適應(yīng)校正）和數(shù)學(xué)上的優(yōu)化算法技術(shù)（例如基于正交模式投影的單像素成像，機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。

本文主要介紹的是基于雜散光矯正策略的全息技術(shù)，主要包括以下三種：

（1）全息相位共軛波前校正

傳統(tǒng)全息術(shù)的原理包含了自適應(yīng)光學(xué)的基本功能(即波前檢測和校正)。波前檢測是在全息圖記錄的自然過程中進(jìn)行的。如圖3所示，從物理學(xué)意義上講，它是一種時(shí)間反轉(zhuǎn)的物體光束，它會(huì)傳播回隨機(jī)介質(zhì)中，在介質(zhì)中回溯它的路徑，就像觀看一場時(shí)間反轉(zhuǎn)的電影。

只要時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱符合波在隨機(jī)介質(zhì)中傳播的物理規(guī)律，從隨機(jī)介質(zhì)中發(fā)出的光就成為原始未受擾動(dòng)的物體光，盡管相位符號是反的，但會(huì)聚形成物體的真實(shí)像。因此，也可以認(rèn)為雜散光被矯正成了原始光。

圖3 全息相位共軛波前校正原理

全息相位共軛矯正技術(shù)相對于自適應(yīng)光學(xué)的獨(dú)特優(yōu)勢是:

對于厚而復(fù)雜的隨機(jī)介質(zhì)，全息相位共軛矯正比傳統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)具有更寬的視場。但是要注意，由于這種優(yōu)勢是由物體的相干全息記錄帶來的，因此全息相位共軛技術(shù)不能直接應(yīng)用于非相干成像的發(fā)光物體，如天文學(xué)中的恒星和生物學(xué)中的熒光標(biāo)記細(xì)胞。

（2）共軸全息記錄波前校正

除此之外，由于全息相位共軛矯正技術(shù)要求全息圖與隨機(jī)介質(zhì)的精確對準(zhǔn)，才能使重建的相位共軛光束在隨機(jī)介質(zhì)中精確地回溯相同的路徑。并且，修正過的重建光只能出現(xiàn)在與原物體相同的位置，無法出現(xiàn)在全息圖的下游。為了避免這種必須精準(zhǔn)對齊以及重建位置的限制，科研人員提出了共軸全息記錄波前矯正技術(shù)，圖4給出了共軸全息記錄波前校正的概念和原理。可以完美解決全息相位共軛矯正技術(shù)的限制。

圖4 共軸全息記錄波前矯正原理

（3）通過散射介質(zhì)成像的非傳統(tǒng)全息術(shù)

此外，構(gòu)建散射光場的空間相干函數(shù)也可以重構(gòu)隱藏在散射介質(zhì)背后的物體。這種技術(shù)被作者稱為通過散射介質(zhì)成像的非傳統(tǒng)全息術(shù)，本文介紹了兩種實(shí)現(xiàn)通過散射介質(zhì)成像的非傳統(tǒng)全息術(shù)原理的不同方法。

第一種是利用徑向剪切干涉儀實(shí)時(shí)檢測和顯示散射場的空間相干函數(shù)作為干涉條紋的對比度和位移參量。該方案起源于傳統(tǒng)相干全息術(shù)，適用于通過圖像傳感器作為積分器對散斑場進(jìn)行時(shí)間平均，從而實(shí)現(xiàn)空間相干檢測的情況下的動(dòng)態(tài)散射介質(zhì),如旋轉(zhuǎn)的磨砂玻璃。

圖5 利用徑向剪切干涉儀實(shí)時(shí)檢測和顯示散射場的空間相干函數(shù)原理

第二種方案更簡單，即不檢測相干函數(shù)，而是使用聚焦于散射面的成像光學(xué)檢測出散射介質(zhì)的場的強(qiáng)度分布，如圖6所示。由于散射介質(zhì)較薄，光強(qiáng)分布代表了由物體和點(diǎn)源產(chǎn)生的無透鏡傅里葉變換全息圖。因此，可以通過計(jì)算圖像傳感器檢測到的強(qiáng)度分布場的傅里葉反變換來重構(gòu)對象。

圖6無相干函數(shù)的通過散射介質(zhì)成像的非傳統(tǒng)全息術(shù)

挑戰(zhàn)與展望

即便作者在文中已經(jīng)介紹了全息術(shù)的潛力是如何一步步被開發(fā)的，但在這個(gè)研究領(lǐng)域的未來課題中仍然存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)，例如通過雙折射隨機(jī)介質(zhì)的偏振成像，包括光場的矢量性質(zhì)，以及色散隨機(jī)介質(zhì)的多光譜彩色成像。作者認(rèn)為一個(gè)潛在的解決方案可能是物理學(xué)和信息學(xué)的跨學(xué)科整合，比如光學(xué)/光子學(xué)和人工智能的結(jié)合。

| 論文信息 |

Takeda et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:14 

https://doi.org/10.37188/lam.2022.014

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