近日，中科院上海光機(jī)所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部研究團(tuán)隊(duì)提出頻域直接采樣的新型全息成像技術(shù)。相關(guān)成果以“Fourier-inspired single-pixel holography”為題發(fā)表于Optics Letters。

數(shù)字全息術(shù)是一種利用干涉記錄光場信息的技術(shù)。其中，離軸數(shù)字全息因能在原理上消除孿生像的影響，被廣泛應(yīng)用于成像、測量、顯示、存儲(chǔ)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)離軸數(shù)字全息采用面陣探測器記錄全息圖，然后再將有關(guān)目標(biāo)光場的頻譜選出。這種成像方式在記錄目標(biāo)像的同時(shí)也記錄了冗余的零級(jí)像和孿生像。此外，由于寬光譜、高靈敏、高時(shí)空分辨面陣探測器難以制備，離軸數(shù)字全息技術(shù)也難以在特殊波段、低光照等極端條件下應(yīng)用。

本研究基于離軸全息在譜域分離冗余信息的機(jī)制，結(jié)合傅里葉單像素成像技術(shù)可按需獲取物體頻譜的特點(diǎn)，通過使用特定頻率的條紋圖案對(duì)全息圖進(jìn)行編碼，由高靈敏單像素探測器實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)光場傅里葉譜的直接采樣，最后通過傅里葉逆變換獲得目標(biāo)光場信息（圖1a,b）。此外，研究團(tuán)隊(duì)基于自編碼架構(gòu)對(duì)編碼圖案和圖像增強(qiáng)模型進(jìn)行智能設(shè)計(jì)（圖1c），并使用遷移學(xué)習(xí)技術(shù)減少所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量（圖1d）。最終，研究團(tuán)隊(duì)成功在7.5%的極限采樣率下實(shí)現(xiàn)對(duì)相位型物體的成像（圖2）。這一研究將全息術(shù)、關(guān)聯(lián)成像、人工智能有機(jī)結(jié)合，為在特殊波段、低光照條件下開展高效相位探測提供了新思路，有望應(yīng)用在散射成像、弱光成像等領(lǐng)域。

圖1.（a）離軸全息圖生成過程；（b）利用學(xué)習(xí)到的掩模選擇的模式調(diào)制離軸全息圖，并重構(gòu)得到物體的過程；（c）預(yù)訓(xùn)練所用的聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；（d）利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的微調(diào)過程。

圖2.（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）不同采樣率下的原實(shí)驗(yàn)結(jié)果與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（c）相位真值，7.5%采樣率下網(wǎng)絡(luò)輸入以及網(wǎng)絡(luò)輸出物體相位對(duì)比。

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金和上海市揚(yáng)帆計(jì)劃的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1364/OL.547399