LAM | 随机介质全息三维成像

撰稿 | 望舒

从宏观世界到微观世界，人类探索的脚步不断涉及到未知的边缘，这一切都离不开成像技术的辅助。

从天文学中通过大气湍流进行的望远镜成像到生物学中通过散射组织进行的显微成像，光波通过随机介质（名词解释>）成像的技术构成了学界和业界必不可少的基础技术，例如激光通信、航空测绘、卫星遥感等端流大气环境领域以及激光医学、生物工程等领域。然而，现实世界中的随机介质具备多样性和复杂性，为此，科研人员提出了各种技术来应对随机介质的不同特性。

近期，来自日本宇都宫大学 Mitsuo Takeda 教授、德国斯图加特大学  Wolfgang Osten 教授以及日本电气通信大学 Eriko Watanabe 助理教授三人以 Holographic 3D imaging through random media: methodologies and challenges 为题在 Light: Advanced Manufacturing 发表了综述文章。

本篇文章特别强调了全息(名词解释>)技术及其独特的功能在随机介质成像领域发挥的关键作用。首先分析了随机介质成像目前遇到的问题，接着解释了如何利用全息术独特的功能来为问题提供简单实用的解决方案，最后根据课题组最近的工作展示了基于不同原理的相关实验结果，并对全息术在随机介质成像领域的未来前景进行了展望。

为了让读者理解随机介质是如何影响到成像的，作者利用了一个简单的物理模型来解释，根据随机介质的物理特性可以将其分为两类：非均匀介质和散射介质（如图1所示）。

图1两种典型特性的随机介质简化模型。

非均匀介质具备宏观尺度上随机分布且相对温和的折射率变化，空间相干长度（名词解释>）较大，这种介质一般保持透明的性质。虽然非均匀介质存在像差（名词解释>）现象，但它保留了波前（名词解释>）概念的有效性。

另一种类型的散射介质具备微观尺度上随机分布的强折射率变化，空间相干长度很短。入射光被这类介质中的微观结构散射成许多次波分量，次波分量的方向由相位函数决定，从而产生了一个混乱的光场，在几何光学中不再有明确的波前概念。因此，这种类型的散射介质看起来是不透明的，例如毛玻璃。

此外，随机介质的厚度和相对位置，都对成像性能有重要影响。

解决问题的基本策略

根据随机介质的简化模型可以知道，一束物光波经过随机介质后会变成三个分量的混合：未受干扰的原始光波、波前产生畸变的非散射光和波前不明确的散射光。

这三种成分的混合比例取决于随机介质的具体特性。由于随机介质的多样性，产生的问题十分复杂，人们必须采取多种方法来解决问题。

解决问题的第一步，需要从两种基本策略中做出选择:放弃或纠正杂散光。

第一种策略将区分有效光(未受干扰的原始光)和杂散光(散射光和畸变波前的光)，然后放弃杂散光，只让有效光参与成像。但是当物光通过散射介质时，有效光会按照郎伯比尔定律(名词解释>)迅速衰减，利用率低。

第二种矫正策略不排斥杂散光，而是将其转化为有效光，使几乎所有的光都参与成像，利用率高。全息术在这两种策略中都起着关键作用，不仅如此，它还能提供具有振幅和相位完整信息的3D成像。

散射光全息抑制技术

散射光全息抑制技术中最著名的就是光学相干层析成像(名词解释>)(OCT)技术，它通过光到达时间的差异来区分有效光和杂散光，同时抑制杂散光只让有效光参与成像。如图2所示，用超短光脉冲或低相干连续光波将隐藏在散射介质后的物体记录在全息图中。

图2 光学相干层析成像技术原理

只有当物光和参考光在由光脉冲宽度或连续波光相干长度设定的时间窗口内精确同步地到达全息图上的记录点时，才会发生全息记录。这种技术被称为“飞行中的光记录”，它可以记录超快运动现象的全息图。物体光束的时延不仅来自于随机介质中的多次散射，还来自于物体光束与全息图之间的距离，从而提供了物体的深度信息。因此，这种技术可以抑制散射光，得到3D物体的层析切片图像。

然而，OCT技术无法抑制具有畸变波前的非散射像差光。这是因为非散射光的波前像差对应的时间延迟太小，无法识别，所以像差也会被误识别为有效光。因此，波前像差的自适应校正是目前OCT研究的热点之一。

然而，除了对像差的有限抑制外，杂散光的放弃策略还有一个根本问题，即在大多数随机介质中，杂散光具有比有效光更大的光功率，使用这种策略意味着散射光或像差光所携带的所有有用信息都被放弃。因此，在很多时候也需要采用另一种策略来保证有用的信息不会丢失。

杂散光的全息校正技术

杂散光的矫正策略可以分为非全息的技术和全息的技术，其中，非全息技术包括自适应光学(名词解释>)技术（主要用波前传感器检测出像差的波前，并用可变形镜进行自适应校正）和数学上的优化算法技术（例如基于正交模式投影的单像素成像，机器学习和神经网络）。

本文主要介绍的是基于杂散光矫正策略的全息技术，主要包括以下三种：

（1）全息相位共轭波前校正

传统全息术的原理包含了自适应光学的基本功能(即波前检测和校正)。波前检测是在全息图记录的自然过程中进行的。如图3所示，从物理学意义上讲，它是一种时间反转的物体光束，它会传播回随机介质中，在介质中回溯它的路径，就像观看一场时间反转的电影。

只要时间反转对称符合波在随机介质中传播的物理规律，从随机介质中发出的光就成为原始未受扰动的物体光，尽管相位符号是反的，但会聚形成物体的真实像。因此，也可以认为杂散光被矫正成了原始光。

图3 全息相位共轭波前校正原理

全息相位共轭矫正技术相对于自适应光学的独特优势是:

对于厚而复杂的随机介质，全息相位共轭矫正比传统的自适应光学具有更宽的视场。但是要注意，由于这种优势是由物体的相干全息记录带来的，因此全息相位共轭技术不能直接应用于非相干成像的发光物体，如天文学中的恒星和生物学中的荧光标记细胞。

（2）共轴全息记录波前校正

除此之外，由于全息相位共轭矫正技术要求全息图与随机介质的精确对准，才能使重建的相位共轭光束在随机介质中精确地回溯相同的路径。并且，修正过的重建光只能出现在与原物体相同的位置，无法出现在全息图的下游。为了避免这种必须精准对齐以及重建位置的限制，科研人员提出了共轴全息记录波前矫正技术，图4给出了共轴全息记录波前校正的概念和原理。可以完美解决全息相位共轭矫正技术的限制。

图4 共轴全息记录波前矫正原理

（3）通过散射介质成像的非传统全息术

此外，构建散射光场的空间相干函数也可以重构隐藏在散射介质背后的物体。这种技术被作者称为通过散射介质成像的非传统全息术，本文介绍了两种实现通过散射介质成像的非传统全息术原理的不同方法。

第一种是利用径向剪切干涉仪实时检测和显示散射场的空间相干函数作为干涉条纹的对比度和位移参量。该方案起源于传统相干全息术，适用于通过图像传感器作为积分器对散斑场进行时间平均，从而实现空间相干检测的情况下的动态散射介质,如旋转的磨砂玻璃。

图5 利用径向剪切干涉仪实时检测和显示散射场的空间相干函数原理

第二种方案更简单，即不检测相干函数，而是使用聚焦于散射面的成像光学检测出散射介质的场的强度分布，如图6所示。由于散射介质较薄，光强分布代表了由物体和点源产生的无透镜傅里叶变换全息图。因此，可以通过计算图像传感器检测到的强度分布场的傅里叶反变换来重构对象。

图6无相干函数的通过散射介质成像的非传统全息术

挑战与展望

即便作者在文中已经介绍了全息术的潜力是如何一步步被开发的，但在这个研究领域的未来课题中仍然存在许多技术挑战，例如通过双折射随机介质的偏振成像，包括光场的矢量性质，以及色散随机介质的多光谱彩色成像。作者认为一个潜在的解决方案可能是物理学和信息学的跨学科整合，比如光学/光子学和人工智能的结合。

| 论文信息 |

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

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

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