近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部研究團隊提出頻域直接采樣的新型全息成像技術。相關成果以“Fourier-inspired single-pixel holography”為題發表于Optics Letters。
 

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

　　本研究基于離軸全息在譜域分離冗余信息的機制，結合傅里葉單像素成像技術可按需獲取物體頻譜的特點，通過使用特定頻率的條紋圖案對全息圖進行編碼，由高靈敏單像素探測器實現對目標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光場信息(圖1a,b)。此外，研究團隊基于自編碼架構對編碼圖案和圖像增強模型進行智能設計(圖1c)，并使用遷移學習技術減少所需實驗數據量(圖1d)。最終，研究團隊成功在7.5%的極限采樣率下實現對相位型物體的成像(圖2)。這一研究將全息術、關聯成像、人工智能有機結合，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，有望應用在散射成像、弱光成像等領域。
 

　　相關工作得到了國家自然科學基金和上海市揚帆計劃的支持。
 

　　圖1(a)離軸全息圖生成過程；(b)利用學習到的掩模選擇的模式調制離軸全息圖，并重構得到物體的過程；(c)預訓練所用的聯合優化網絡結構；(d)利用實驗數據的微調過程。

 

　　圖2(a)實驗裝置圖；(b)不同采樣率下的原實驗結果與神經網絡處理后的實驗結果；(c)相位真值，7.5%采樣率下網絡輸入以及網絡輸出物體相位對比。