01 研究背景
目前，關(guān)于數(shù)字全息和望遠(yuǎn)鏡技術(shù)相結(jié)合的研究很少，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)通常會導(dǎo)致相移精度低和重建圖像距離大，進(jìn)而導(dǎo)致非相干望遠(yuǎn)鏡數(shù)字全息成像具有較低的低信噪比。因此，為了解決這一問題，可以將空間光調(diào)制器（SLM）應(yīng)用于白光進(jìn)行非相干的數(shù)字全息成像。
摘要 ：
傳統(tǒng)的全息技術(shù)在實(shí)現(xiàn)全息顯示時(shí)需要用到邁克爾遜干涉儀使入射光束發(fā)生干涉，但是由于其不能調(diào)節(jié)入射光束相位的缺點(diǎn)，對于當(dāng)入射光束為非相干的白光時(shí)，就會出現(xiàn)較大的偏差。因此我們運(yùn)用空間光調(diào)制器來精準(zhǔn)控制入射光束的相位值，來達(dá)到更高精度的干涉。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過引入空間光調(diào)制器（SLM）可以消除相移誤差對成像質(zhì)量的影響。同時(shí)，理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)也表明了空間光調(diào)制器在非相干全息成像中的重要作用。
02 理論分析
圖1
如圖1是望遠(yuǎn)鏡數(shù)字全息成像實(shí)驗(yàn)的光路圖，IF為干涉濾光片，用于篩選出特定頻率的白光，La和Lb為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的兩個(gè)透鏡，焦距分別為fa和fb，SLM為空間光調(diào)制器，CCD相機(jī)用于記錄全息圖。z0、z1、z2和 z3分別為物體與透鏡La、透鏡La與Lb、透鏡Lb與SLM、SLM與CCD之間的距離。
物點(diǎn)發(fā)出的球面波經(jīng)過干涉濾光片后通過開普勒望遠(yuǎn)鏡（La、Lb）后進(jìn)入空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器對光波進(jìn)行純相位調(diào)制，最后光波再從空間光調(diào)制器出射，并且到達(dá)CCD平面完成記錄過程。
由于使用非相干光作為光源，物體上的每個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光都是不相干的，因此在產(chǎn)生干涉時(shí)，每一點(diǎn)只能和自己產(chǎn)生干涉。
空間光調(diào)制器在此有兩個(gè)作用，首先是對物光波進(jìn)行分割產(chǎn)生信號光束和參考光束，起到分光的作用，其次是在信號光束和參考光束之間加載一個(gè)固定的相移量，從而在后續(xù)全息再現(xiàn)過程中結(jié)合相移算法完成零級像和共軛像的去除。
03 數(shù)值模擬
圖2
在白光非相干望遠(yuǎn)鏡數(shù)字全息數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，將黑底白字的三幅大小相同的圖片“中”、“國”、“夢”作為成像對象，其數(shù)值模擬結(jié)果如圖所示。（a）模擬得到的復(fù)值全息圖（b）振幅全息圖（c）相位全息圖（d）“中”的重建圖像（e）“國”的重建圖像（f）“夢”的重建圖像.
圖3
仿真結(jié)果表明，當(dāng)鏡頭La成像的物體像面與鏡頭Lb的前焦面重合，且CCD位于鏡頭的兩個(gè)像面之間時(shí)，重構(gòu)圖像的重構(gòu)距離最小。結(jié)果與理論分析一致。
04 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
光源發(fā)出的光通過偏光板和干涉濾光片，透鏡La收集到的光經(jīng)物體反射后，最后由CCD記錄強(qiáng)度分布。加載在SLM上的兩個(gè)球面波相位分布如圖4(a)-(c)所示，對應(yīng)的相移量分別為0，Π/2，Π.USAF1951光學(xué)分辨率板和標(biāo)定標(biāo)尺記錄的全息圖強(qiáng)度分布如圖4(d)-(I)所示，相移對應(yīng)于圖第一行到第三行的對象分別是0，Π/2，Π.
圖4
將USAF1951分辨率板和標(biāo)尺的全息圖分別輸入MATLAB程序，疊加計(jì)算后得到最終的復(fù)值全息圖，如圖5（a）和（d）所示。復(fù)值全息圖可以通過菲涅耳逆衍射在一定距離內(nèi)清晰地表示物體。不同重構(gòu)距離的重構(gòu)圖像對應(yīng)三維空間中不同深度的物體。圖5(b)為USAF1951光學(xué)分辨率重建圖像，圖5(e)為標(biāo)定標(biāo)尺重建圖像。在圖5(b)和(e)中，由于噪聲的存在，重建圖像的質(zhì)量很差，清晰度很低。圖5(c)和(f)分別是濾波器進(jìn)行空間濾波后重構(gòu)圖像的重構(gòu)結(jié)果。通過與圖5(b) 和(e)比較，圖像的銳度和對比度重建圖像 5(c) 和 (f) 在濾波后得到了顯著改善。
圖5
通過與圖4和圖5在物體的全息圖強(qiáng)度分布、復(fù)值全息圖和重建圖像上進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)圖5(d)-(I)中物體的全息圖強(qiáng)度分布顯著CCD 表面受灰塵和雜質(zhì)影響（圖中紅色橢圓圈出的部分），而圖5中的重建圖像完全沒有受到影響，說明白光非相干數(shù)字全息圖對成像環(huán)境具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
總結(jié)
本文對白光光源望遠(yuǎn)鏡基于空間光調(diào)制器的數(shù)字全息系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對于全息圖的記錄和重現(xiàn)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)證明。并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了相移誤差對于成像質(zhì)量的影響。通過調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器可以有效地解決相移誤差帶來的影響。
參考文獻(xiàn)：Y. Li, Y. Zhang, Y. Li, Y. Wu, R. Duan, Based on incoherent spatial light modulator telescopic experimental research of digital holographic imaging system about “White light”, Results in Optics(2021).