基于光学扫描全息技术的复振幅物体重建装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物医学领域中相干物体的三维成像，特别是一种基于光学扫描全息 技术的复振幅物体重建装置。 技术背景
[0002] 光学扫描全息技术（OpticalScanningHolography,以下简称为0SH)是一种 新型的数字全息技术，它由美国弗吉尼亚理工大学Ting-ChungPoon教授及其合作者共 同提出并逐步完善，在国际信息光学领域受到广泛的关注，目前针对0SH的应用研究已 经在多个科研领域展开，并在理论和实验方面均取得了非常多的成果。在先技术（T.-C. PoonandA.Korpel,"Opticaltransferfunctionofanacousto-opticheterodyning imageprocessor, "Opt.Lett. 4, 317-319 (1979))对非相干图像处理，首次提出 了差频 相干的概念，其中用到了声光外差调制技术，用于产生时域差频。随后在先技术（T.-C. Poon,"Scanningholographyandtwo-dimensionalimageprocessingbyacousto-optic two-pupilsynthesis, "J.Opt.Soc.Am. 2, 521-527 (1985))对光学扫描全息技术在数 学上进行了严密的推导，针对双瞳外差干涉扫描结构建立了完整的数学模型，称为扫描 全息。直到1992年，B.D.Duncan和T.-C.Poon才将该技术正式命名为光学扫描全息技 术，并对该技术在高斯光照明下的情况作了详细分析，在先技术（B.D.DuncanandT.-C. Poon,"Gaussianbeamanalysisofopticalscanningholography,'，J.Opt.Soc.Am.A 9,229-236(1992))推导出此时光学扫描全息的脉冲响应函数，并对分辨率、放大率以及三 维扭曲等进行了深入的讨论。至此，光学扫描全息技术的理论框架基本完成，而有关光学扫 描全息术的实验也同步进行，并有力地证明了该技术具有以往数字全息技术所不具有的优 点，包括非相干全息，实时三维图像获取，去赝像等。由于这种全息技术的独特性能，吸引了 国际上诸多研究机构的兴趣，并迅速开展了基于0SH的各种理论和实验研究。
[0003] 与其他全息术相似，光学扫描全息技术也包括全息记录和三维重建两个过程。全 息记录过程中，利用特殊光束对三维物体进行二维扫描得到全息图。其中的扫描光束是由 马赫-曾德光路形成的干涉光斑，由于在干涉光路的一臂放置声光调制装置，从而在两束 干涉光之间产生频率差，使得干涉光斑以该差频的速度变化。利用该干涉光斑扫描得到的 全息图也是随时间变化的，全息图的光信号由光电转换器件（如光电二极管等）记录并转 变成电流信号，这是光学扫描全息技术和其他全息术的显著不同之处。转化成电信号的全 息图通过功率放大，带通滤波，锁相检测等处理后，最终得到具有复数形式的全息图（相对 于传统的强度形式的全息图），并存储于计算机中，利用全息图进行物体的三维重建一般也 在计算机上实现。
[0004] 光学扫描全息技术的另一特点是使用了两个光瞳函数，标准的0SH双瞳函数分 别为1和脉冲函数，所形成的扫描光斑称为时变菲涅尔波带片（time-dependentFresnel zoneplate,TDFZP)。利用TDFZP扫描得到的全息图可看作物体的菲涅尔衍射，因此重建过 程可以通过逆菲涅尔衍射方便的得到。当然也可以选择其他形式的双瞳函数，从而改变系 统的传递函数，这也给光学扫描全息技术提供了更多的自由度。
[0005] 和其他数字全息技术相比，光学扫描全息技术具有显著的不同之处，而正是这些 不同之处使得0SH在某些方面优于传统的数字全息术。首先，0SH采用快速扫描的方法得 到全息图，因此可以对三维物体进行实时记录和重构，这在许多情况下如生物在线检测等 领域是非常有用的；通常数字全息术使用CCD等二维光学元件记录全息图，因此全息图的 分辨率受限于CCD的像素大小，而0SH没有使用CCD，和传统数字全息比较可以达到很高 的分辨率；同时，这种扫描加光电二极管的结构可以实现大物体的全息记录和重建，因此在 遥感等领域有非常重要的应用前景；由于扫描得到的全息图是在一定载波频率上的电流信 号，因此可以和无线电等技术结合，实现简单快捷的远程传输；另外，典型的0SH系统是非 相干的全息记录系统，即只对物体的强度信息敏感，而忽略了位相信息，和传统的数字全息 相比，0SH可以有效避免相干所带来的散斑效应，因此有利于得到高质量的重构图像。这些 独特的优点使得0SH在许多领域具有非常重要的应用前景，包括全息显微、三维显示、远程 遥感、全息电视、图像识别、光学加密等。
[0006] 目前，包括美国、日本、以色列、韩国等多个国家的信息光学领域学者正积极 地对光学扫描全息技术展开各项研究。光学扫描全息技术在荧光显微领域的应用是 一个颇具代表性的工作，由于生物体发出的荧光相干性很差，因此很难用全息方法 来记录和重构，而0SH所独有的非相干全息记录特性却可以解决这一问题，在先技术 (B.ff.Schilling,T. -C.Poon,etc. , "Three-dimensionalholographicfluorescence microscopy, "Opt.Lett. 22, 1506-1508(1997))首次得到了荧光物体的全息显微图像，在 此基础上Indebetouw等人对该显微方法进行了改进，成功验证了优于1微米的分辨率，推 动了光学扫描全息在生物显微特别是荧光成像方面的应用。最近，对于数字全息重构三维 物体的层析成像和自聚焦研究愈来愈热，而相应的在0SH中也有很多相关的研究报道，在 先技术（X.Zhang,E.Y.Lam,andT. -C.Poon,"Reconstructionofsectionalimagesin holographyusinginverseimaging, "0pt.Exp. 16, 17215-17226(2008))提出了逆成像 (inverseimaging)等多种层析成像的方法，显著提高了OSH重构的成像质量。另外，对于 0SH在光学加密、图像识别以及三维显示等方面的应用研究也多有报道，表明该技术具有非 常广泛的应用前景和重要的研究意义。
[0007] 国内也对光学扫描全息技术进行了深入的研究，并取得了多项研究进展。北京理 工大学谢敬辉教授等人最早在国内开展了 0SH的相关研究工作，提出了用菲涅尔波带板、 圆环光栅等进行扫描的全息技术，以及无扫描的卷积全息术，并仔细分析了各种全息术的 光学传递函数和分辨率的特点，在此基础上研究了高色散介质中的成像特性。四川大学周 昕教授等人也对0SH做了细致的研究，提出了一种基于随机位相编码的光学扫描全息层析 成像方法，可以有效地滤除离焦物体造成的模糊，在此基础上，他们还对该方法在具体实施 过程中可能产生的误差进行了具体的分析，对于0SH三维物体重建质量的提高具有重要意 义。另外，西安电子科技大学、北京师范大学、北京自动化所、昆明理工大学以及上海光机所 等单位也对0SH开展了一系列理论和实验研究。
[0008] 光学扫描全息技术的非相干记录特点使其可以用于荧光全息显微，同时也可 以避免相干带来的散斑效应。但必须指出，由于0SH只能重构出物体的强度信息，而无 法得到其位相信息，这在许多情况下是非常不利的，例如生物体通常是弱散射体，如果 只记录其强度将很难得到理想的样品信息。为此，在先技术（GuyIndebetouw，Prapong Klysubun,TaegeunKim,andTing-ChungPoon,"Im