共路离轴数字全息术：面向高稳性仪器制造

撰稿 | 张继巍（西北工业大学 副教授）

说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿

自1948年Gabor提出全息术（Holography）（名词解释>>>）以来，人们一直希望将该成像技术推向实用化。直到1964年Leith提出离轴全息术（Off-axis holography）（名词解释>>>），特别是1967年Goodman提出数字全息术（Digital holography）（名词解释>>>）之后，全息术才开始被广泛应用到干涉测量、三维成像及定量相位成像等领域。然而，传统数字全息系统中的物光束和参考光束经不同路径进行传播，导致系统的抗干扰能力较低，稳定性较差，不利于长时间动态测量。

基于共光路干涉仪（Common-path interferometer）（名词解释>>>）的离轴数字全息术，得益于其物光束和参考光束沿着相同或相似的路径传播，环境干扰对两束光波的影响相互抵消，可极大提高干涉系统的稳定性。经过近十几年的发展，共路离轴数字全息术凭借其紧凑的光路设计、较高的稳定性，以及易于同普通显微镜相集成等优点，逐渐成为制造数字全息干涉仪的优选技术之一。

近期，来自西北工业大学赵建林教授及其团队的张继巍、戴思清、马超杰、席特立、邸江磊等，以 A review of common-path off-axis digital holography: towards high stable optical instrument manufacturing 为题在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了综述论文。

该论文系统总结了系列共路离轴数字全息系统的光路结构设计，按照产生参考光束的不同方式，将共路结构分为横向剪切、点衍射及其他类型，分析了各类结构的设计原理和适用范围，评述了其应用研究发展现状，并对共路离轴数字全息系统的仪器化作了展望。

基于横向剪切的共路离轴数字全息系统

受横向剪切干涉仪（名词解释>>>）的启发，研究者开发了一系列基于横向剪切的共路离轴数字全息系统。通用的设计原理如图1所示，携带样品信息的光束被特定光学元件分为两束，其中，包含样品信息的光束部分与另一不包含样品信息的光束部分，以一定的夹角发生离轴干涉。这里，需要待测样品在空间稀疏分布或者照明光束的光斑足够大，才能产生作为参考光束的不包含样品信息的光束部分，这也是与普通横向剪切干涉仪的主要区别。

此类共路系统具有简单紧凑的光机结构，易于实现仪器化。其适用对象为空间频率成分较低的稀疏样品。

图1 基于横向剪切的共路离轴数字全息系统原理 图源：Light: Advanced Manufacturing 图译：撰稿人 张继巍

基于点衍射的共路离轴数字全息系统

第二类是基于“点衍射”的共路结构。该类共路离轴数字全息系统的工作原理如图2所示。在待测物体的像平面，携带样品信息的光束被分光元件（如光栅）分成多个级次，进而进入一个4f系统。在像平面的共轭平面放置特殊的孔径光阑组合，使其中一个级次完全通过而作为物光束，另一级次经针孔滤波后仅保留低频成分而作为参考光束。最后，物光束和参考光束以一定的夹角在CCD靶面干涉而形成离轴全息图。由于参考光束是物光束经“点”状针孔衍射而形成的，故称此共路结构为“点衍射”式。

图2 基于点衍射的共路离轴数字全息系统原理 图源：Light: Advanced Manufacturing 图译：撰稿人 张继巍

此类共路系统可作为一个独立模块与普通显微镜相集成，同样具有简单紧凑的光机结构，且易于实现仪器化。然而，由于参考光束由物光束经低通滤波而产生，其适用对象为空间频率较高的样品。

其他类型共路离轴数字全息系统

此外，研究者陆续开发了基于其他特殊元件的共路离轴数字全息系统。例如，图3(a)所示为基于劳埃德反射镜的自干涉装置，图3(b)所示为基于反射镜组的共路干涉装置，图3(c)所示为基于特殊放置分光棱镜的共路干涉装置。

图3 基于特殊元件的共路离轴数字全息系统原理 图源：Light: Advanced Manufacturing

这类系统设计的特点是无需进行光束复制，物光束和参考光束取自同一波阵面：二者的光强接近，可以形成衬比度较高的干涉图样；二者的光程接近，无需较高相干性的激光源，因而可减小相干噪声。

前景与展望

本论文所总结的三类共路离轴数字全息系统模型，各有自身的结构特点和适用场景。

基于横向剪切的数字全息系统适用于空间频率成分较低的稀疏样品，基于点衍射的数字全息系统适用于空间频率成分较高的微观样品，而第三类数字全息系统对样品特性则没有固定的要求。

虽然目前共路离轴数字全息术已取得长足发展，各种巧妙新颖的光路设计层出不穷，但是相关的仪器化工作尚未真正展开。凭借其紧凑的光机结构和较高的稳定性，共路离轴数字全息干涉仪将会成为未来商业化光学仪器领域的重要成员。

论文信息

Jiwei Zhang, Siqing Dai, Chaojie Ma, Teli Xi, Jianglei Di, Jianlin Zhao. A review of common-path off-axis digital holography: towards high stable optical instrument manufacturing[J]. Light: Advanced Manufacturing. doi: 10.37188/lam.2021.023

论文地址

https://doi.org/10.37188/lam.2021.023

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编辑 | 赵阳

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