撰稿 | 張繼巍（西北工業(yè)大學(xué) 副教授）

說(shuō)明 | 本文來(lái)自論文作者（課題組）投稿

自1948年Gabor提出全息術(shù)（Holography）（名詞解釋>>>）以來(lái)，人們一直希望將該成像技術(shù)推向?qū)嵱没?。直?964年Leith提出離軸全息術(shù)（Off-axis holography）（名詞解釋>>>），特別是1967年Goodman提出數(shù)字全息術(shù)（Digital holography）（名詞解釋>>>）之后，全息術(shù)才開始被廣泛應(yīng)用到干涉測(cè)量、三維成像及定量相位成像等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)數(shù)字全息系統(tǒng)中的物光束和參考光束經(jīng)不同路徑進(jìn)行傳播，導(dǎo)致系統(tǒng)的抗干擾能力較低，穩(wěn)定性較差，不利于長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)測(cè)量。

基于共光路干涉儀（Common-path interferometer）（名詞解釋>>>）的離軸數(shù)字全息術(shù)，得益于其物光束和參考光束沿著相同或相似的路徑傳播，環(huán)境干擾對(duì)兩束光波的影響相互抵消，可極大提高干涉系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展，共路離軸數(shù)字全息術(shù)憑借其緊湊的光路設(shè)計(jì)、較高的穩(wěn)定性，以及易于同普通顯微鏡相集成等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為制造數(shù)字全息干涉儀的優(yōu)選技術(shù)之一。

近期，來(lái)自西北工業(yè)大學(xué)趙建林教授及其團(tuán)隊(duì)的張繼巍、戴思清、馬超杰、席特立、邸江磊等，以 A review of common-path off-axis digital holography: towards high stable optical instrument manufacturing 為題在 Light: Advanced Manufacturing 上發(fā)表了綜述論文。

該論文系統(tǒng)總結(jié)了系列共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照產(chǎn)生參考光束的不同方式，將共路結(jié)構(gòu)分為橫向剪切、點(diǎn)衍射及其他類型，分析了各類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和適用范圍，評(píng)述了其應(yīng)用研究發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)的儀器化作了展望。

基于橫向剪切的共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)

受橫向剪切干涉儀（名詞解釋>>>）的啟發(fā)，研究者開發(fā)了一系列基于橫向剪切的共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)。通用的設(shè)計(jì)原理如圖1所示，攜帶樣品信息的光束被特定光學(xué)元件分為兩束，其中，包含樣品信息的光束部分與另一不包含樣品信息的光束部分，以一定的夾角發(fā)生離軸干涉。這里，需要待測(cè)樣品在空間稀疏分布或者照明光束的光斑足夠大，才能產(chǎn)生作為參考光束的不包含樣品信息的光束部分，這也是與普通橫向剪切干涉儀的主要區(qū)別。

此類共路系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單緊湊的光機(jī)結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)儀器化。其適用對(duì)象為空間頻率成分較低的稀疏樣品。

圖1 基于橫向剪切的共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)原理 圖源：Light: Advanced Manufacturing 圖譯：撰稿人 張繼巍

基于點(diǎn)衍射的共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)

第二類是基于“點(diǎn)衍射”的共路結(jié)構(gòu)。該類共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。在待測(cè)物體的像平面，攜帶樣品信息的光束被分光元件（如光柵）分成多個(gè)級(jí)次，進(jìn)而進(jìn)入一個(gè)4f系統(tǒng)。在像平面的共軛平面放置特殊的孔徑光闌組合，使其中一個(gè)級(jí)次完全通過(guò)而作為物光束，另一級(jí)次經(jīng)針孔濾波后僅保留低頻成分而作為參考光束。最后，物光束和參考光束以一定的夾角在CCD靶面干涉而形成離軸全息圖。由于參考光束是物光束經(jīng)“點(diǎn)”狀針孔衍射而形成的，故稱此共路結(jié)構(gòu)為“點(diǎn)衍射”式。

圖2 基于點(diǎn)衍射的共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)原理 圖源：Light: Advanced Manufacturing 圖譯：撰稿人 張繼巍

此類共路系統(tǒng)可作為一個(gè)獨(dú)立模塊與普通顯微鏡相集成，同樣具有簡(jiǎn)單緊湊的光機(jī)結(jié)構(gòu)，且易于實(shí)現(xiàn)儀器化。然而，由于參考光束由物光束經(jīng)低通濾波而產(chǎn)生，其適用對(duì)象為空間頻率較高的樣品。

其他類型共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)

此外，研究者陸續(xù)開發(fā)了基于其他特殊元件的共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)。例如，圖3(a)所示為基于勞埃德反射鏡的自干涉裝置，圖3(b)所示為基于反射鏡組的共路干涉裝置，圖3(c)所示為基于特殊放置分光棱鏡的共路干涉裝置。

圖3 基于特殊元件的共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)原理 圖源：Light: Advanced Manufacturing

這類系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是無(wú)需進(jìn)行光束復(fù)制，物光束和參考光束取自同一波陣面：二者的光強(qiáng)接近，可以形成襯比度較高的干涉圖樣；二者的光程接近，無(wú)需較高相干性的激光源，因而可減小相干噪聲。

前景與展望

本論文所總結(jié)的三類共路離軸數(shù)字全息系統(tǒng)模型，各有自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

基于橫向剪切的數(shù)字全息系統(tǒng)適用于空間頻率成分較低的稀疏樣品，基于點(diǎn)衍射的數(shù)字全息系統(tǒng)適用于空間頻率成分較高的微觀樣品，而第三類數(shù)字全息系統(tǒng)對(duì)樣品特性則沒(méi)有固定的要求。

雖然目前共路離軸數(shù)字全息術(shù)已取得長(zhǎng)足發(fā)展，各種巧妙新穎的光路設(shè)計(jì)層出不窮，但是相關(guān)的儀器化工作尚未真正展開。憑借其緊湊的光機(jī)結(jié)構(gòu)和較高的穩(wěn)定性，共路離軸數(shù)字全息干涉儀將會(huì)成為未來(lái)商業(yè)化光學(xué)儀器領(lǐng)域的重要成員。

論文信息

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

論文地址

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

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編輯 | 趙陽(yáng)

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