【置顶】数字全息干涉测量技术研究现状
数字全息由于具有非接触、高灵敏度和实时定量成像等优点，被广泛应用于多种检测领域，如活细胞观测、微结构检测、微流控成像和微机电系统（MEMS）测量等。数字全息定量相位测量主要包括数字记录、数值重建和相位处理三个部分，测量过程如图1所示。
数字记录：利用不同照明光源（如单/多波长激光器、LED或飞秒激光器等低相干光源）照射到透/反射型物体上，物光与参考光在电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）记录面上干涉形成全息图。当物参角为零时属于同轴全息，需要采集多幅不同相位差的全息图。当物参角不为零时属于离轴全息，采集单幅全息图可实现相位测量。
数值重建：在计算机中对全息图进行相移运算或空间滤波， 移除零级像和共轭像，得到仅包含目标像频谱的复全息图。然后利用全息再现算法模拟光学衍射过程，将物光波前从全息平面“反传播”到物平面上，得到再现后的物体强度图和包裹相位图。(再现算法有菲涅尔变换法也被称为S-FFT算法(single fast Fourier transform algorithm)。角谱法，D-FFT算法(double fast Fourier transform algorithm)。卷积法，即T-FFT算法(triple fast Fourier transform algorithm)
角谱法再现像实例分析可参考博主这篇文章：数字全息显微-角谱法再现-实例分析
相位处理：利用相位滤波和解包裹算法对包裹相位图进行降噪处理和相位展开， 得到连续相位分布。然后对连续相位分布进行畸变补偿， 准确恢复出物体的三维轮廓分布。
数字全息的理想纵向分辨率在1-2nm左右，但由于存在相干噪声、光子噪声、电子噪声和大量相位畸变，大大降低了数字全息系统的成像质量，导致实际的纵向误差高达到几十纳米。为此，针对如何提高成像质量、测量准确度和纵向测量范围，成为了目前数字全息领域的研究热点，国内外研究者对此进行了大量研究，主要的研究方向分为以下几个方面：
一、零级像和共轭像的抑制
采用相移技术或空间滤波技术来准确提取目标像频谱信息。
相移技术通常用于同轴全息光路中，以解决零级像和共轭像频谱混叠的问题。 在同轴光路中需要安装相移装置来改变光程， 常用的相移装置包括压电陶瓷相移器 PZT、光栅、电控变焦透镜、光纤相移器和空间调制器等。相移技术能提高CCD空间带宽利用率，改善成像质量。然而，该方法通常需要采集多幅全息图来移除零级像和共轭像，不适合应用在动态测量中。
空间滤波技术通常用于离轴全息光路中，在零级像、目标像和共轭像频谱相互分离的傅里叶频域上，利用空间滤波技术将目标像频谱提取出来，然后通过数值重建恢复出物光波前。关于频域滤波法消除干扰项技术，可参考博主的这篇博客内容：频域滤波法消除干扰项实例分析
二 噪声抑制技术
当数字全息系统采用相干性极好的激光器作为照明光源时，相干光照射到物体的粗糙表面上，物体表面各点散射的子波相干叠加，形成了颗粒状散斑和寄生条纹等相干噪声。相干噪声作为数字全息系统中主要的噪声来源，严重影响了数字全息再现后的图像质量和输出信噪比，带来较大的纵向测量误差。因此，研究数字全息系统中相干噪声的抑制技术具有重要意义。
基于图像处理的降噪方法利用现有的降噪算法，如中值滤波、Lee 滤波、维纳滤波、双边滤波器、小波变换滤波和非局部均值滤波等，直接对再现后的强度图或相位图进行降噪处理，具有实时、快速和低成本等特点，成为抑制相干噪声的一个主要手段。
三、相位恢复技术
3.1 相位解包裹技术
数字全息术作为一个具有纳米级纵向分辨率的定量相位测量工具，相位数据的准确度尤为重要。全息再现后由反正切运算得到相位图，被包裹在[-π, π]范围内，故称为包裹相位图。然而，能够用于表征物体三维形貌分布的相位图，必然是在整个实数范围内连续变化的，所以这就要求对包裹相位图进行相位展开，计算出真实连续变化的相位分布，该过程称为相位解包裹。实际测量中获得的包裹相位图通常包含了相干噪声、相位位错和尖峰等低质量相位点，当相位图呈密集条纹分布时容易造成相位解包裹失败。
3.2 相位畸变补偿技术
另外，全息离轴的光路结构、物光束和参考光束之间的球面曲率不匹配、以及系统搭建引入的光学畸变等，都会导致相位解包裹后的连续相位分布中除了包含样本相位信息外，还含有大量的倾斜、弯曲和高阶相位畸变。这些相位畸变不仅成分复杂，而且占比相当大，所以需要在相位解包裹后补偿这些相位畸变，恢复出准确的样本相位分布，该过程称为相位畸变补偿。
由此可以看出，相位数据的准确度主要取决于包裹相位图的质量、相位解包裹算法的鲁棒性和相位畸变补偿的有效性。因此，围绕如何改善包裹相位图质量、增强相位解包裹算法鲁棒性和提升相位畸变补偿有效性方面的相位恢复研究，成为了数字全息测量领域中一个非常重要的研究方向。
数字全息系统的相位补偿畸变方法可以分为物理方法和数值方法。物理方法主要包括双曝光法、双物镜法和远心显微结构法等。
双曝光法简单有效，只需要另外记录一张背景全息图来消除所有相位畸变。显然，手动记录两张全息图的方式不适合自动检测和动态测量。
双物镜法和远心显微结构法能有效校正二次相位弯曲，但测量光路较为复杂，且残余畸变仍需要其它数值方法来补偿。
数值补偿方法包括 主成分分析法、Zernike多项式补偿、最小二乘法曲面拟合、频谱能量分析和空间频率定位等 。数值补偿方法不需要额外的全息图和精确的光学系统参数，如物参角、记录距离和显微物镜焦距等，通常是通过分析或拟合整个相位分布来得到相位畸变，适合在透射全息光路中检测微型薄透样本，如活细胞、生物组织和薄透镜等。
3.3 相位滤波技术
为了提高相位解包裹算法在处理高噪声高条纹密度相位图方面的能力，研究者们提出了两种解决策略。第一种是在解包裹之前对相位图进行滤波，理想情况下经过有效滤波后的包裹相位图能通过简单的行列运算来展开，该策略侧重于相位滤波算法的研究。第二种策略是直接利用相位解包裹算法展开未处理过的包裹相位图，后续再对连续相位分布进行降噪处理。显然，第二种策略侧重于相位解包裹算法的研究，对解包裹算法的鲁棒性、准确性和运行速度都有很高的要求。实际上，这两种策略在众多相位测量系统中都被广泛使用。
四、双波长全息技术
在单波长数字全息系统中， 全息再现后的相位数据被包裹在[-π,π]范围内，需要通过单波长解包裹算法展开成一个连续相位分布。单波长解包裹算法除了计算复杂且耗时长等缺点外，还存在最大可测高度差的限制。例如，在透射全息光路中，样本上相邻采样点之间的最大可测高度差被限制为一个单波长。在反射全息光路中，最大可测高度差被限制为单波长的一半。纵向测量范围受限使得单波长全息技术无法适用于大台阶高度和高粗糙度样品的表面形貌测量。为了扩展纵向测量范围，研究者们提出了双波长全息技术，通过选择两个合适的单波长来构建一个较大合成波长以突破这一瓶颈。
最简单的双波长全息实现方式是直接在单波长全息光路中手动切换两台不同波长的激光器来记录两幅单波长全息图，然后对两幅全息图分别进行数值重建后采用双波长解包裹算法来实现大台阶高度的测量。为了满足实时测量要求，研究者们提出了单曝光双波长全息光路来实现单次曝光同时记录两单波长干涉信息的复用全息图。
五、自动聚焦技术
根据全息的基本原理可知，只有全息再现时的再现距离等于记录时的记录距离才能不失真地得到观测样品的三维全息像。当再现距离与记录距离存在偏差时，由于全息的相干成像特性，会使得再现像的边缘将出现振荡现象，大大降低再现像的清晰度和测量的准确性。为了能保证测量的准确性和再现像的清晰度，自动聚焦技术被引入数字全息显微领域。利用数字全息数字化再现的特点，通过改变数字再现过程中再现距离的大小，得到一系列不同层面上的再现像，然后根据聚焦判别函数选出其中最清晰的再现像实现准确聚焦再现。与光学显微成像中通过机械装置和电子反馈系统实现自动聚焦所不同的是，数字全息显微的自动聚焦过程完全是通过计算机完成的，不仅缩短了观测时间，而且不需要任何辅助调焦装置，降低了装置成本。
要实现自动聚焦，关键在于找到合适的像质评价函数，也就是通常所说的聚焦判据。在光学显微成像领域中，已经有了多种较成熟的自动聚焦判据，如平方梯度判据、Tenebaum梯度判据、熵判据和小波变换判据等。但是由于全息显微的相干成像特性，传统光学显微成像中的自动聚焦判别函数不一定适用于数字全息显微的自动聚焦，因此，强度起伏法、相位差异法、梯度引导法、熵最小法、锐度法和Sobel算子法等许多数字全息自动聚焦方法被提出。
博主曾对基于角谱法、菲涅耳变换法、以及卷积法重构的自聚焦技术进行过相关分析、感兴趣的可参考博主的这篇文章《一种数字全息自动聚焦技术研究及实例分析》
参考文献
[1] 黄柳. 基于数字全息的微结构形貌测量关键技术研究 [D]; 浙江理工大学, 2021.
博主在全息干涉测量领域有多年经验，如有任何疑问，可私信交流讨论，可提供相关的技术支持与服务！