Multi-Wavelength Speckle Illumination Digital Holography for Parasitic-Reflection Suppression and Macroscopic Topography Reconstruction

光是一种测量世界的强大工具。当科学家想要了解一个表面的精确形状时，他们经常使用一种被称为数字全息术的技术。这种方法通过将一束激光分成两条路径来工作：一束从被研究的物体上反射，另一束则走另一条独立的路径，然后两者重新汇合。当这两束光相遇时，它们会产生干涉图样，即由明暗线条组成的复杂地图，以惊人的精度编码了表面的高度和纹理。由于光波如此敏感，这种技术可以检测到比单个原子宽度还要小的变化。然而，这种极高的敏感性也是它最大的弱点。在任何光学系统中，光很少沿完美的直线传播。它会从透镜、窗户和玻璃载玻片的背面反射，产生与来自物体的信号混合在一起的干扰反射。这些“寄生”反射就像收音机里的静电一样，产生幽灵般的图案，从而扭曲最终的图像，使精确测量变得不可能。

来自斯图加特大学和卡尔蔡司股份公司的研究团队开发了一种新方法，可以在不损失测量清晰度的前提下消除这种“静电”。他们结合了一种称为散斑照明的技术和一种使用多种颜色光的方法。他们没有向物体照射平滑、均匀的光束，而是使用一种特殊的扩散器将光散射成一种被称为散斑场的混沌、颗粒状图案。通过快速多次改变这种图案并对结果进行平均处理，他们可以在数学上分离出物体的真实表面，同时抵消来自其他表面的多余反射。这种方法使他们能够测量位于玻璃后方或具有粗糙纹理的大型复杂物体，达到了这种技术此前无法企及的清晰度。

问题的核心在于光在多个表面反射时的行为。想象一下透过厚玻璃看一枚硬币。光线先从玻璃正面反射，然后从玻璃背面反射，最后才从硬币上反射。在标准激光设置中，所有这些反射同时到达相机，彼此干涉，产生一团混乱的波纹，遮蔽了硬币的实际特征。以往试图解决这一问题的尝试是使用具有极短相干长度的光源（例如发光二极管），但这限制了可测量的物体深度。研究人员需要一种既能保持激光的长程测量能力，又能过滤掉额外反射产生的噪声的方法。

为了解决这个问题，团队利用了一个基于散斑图案独特行为的小技巧。当光通过扩散器时，它会产生随机的颗粒状纹理。这种纹理与光传播的精确距离高度相关。如果光反射的表面比主物体稍近或稍远，它所携带的散斑图案看起来会与主物体的图案完全不同。研究人员设置了一个实验，记录了物体的数百张全息图，每次都稍微移动扩散器以产生新的、独特的散斑图案。然后，他们使用一个完美镜像的参考测量值来校准每张图像。当他们在数学上合并所有这些图像时，相对于参考值保持一致的主物体信号变得清晰且强大；而来自不需要的反射信号则随着每个新图案的变化而随机变化。由于它们与主物体不同步，这些信号会相互抵消，像嘈额房间里的噪音一样消失在背景中。

研究人员在几种具有挑战性的场景下测试了这种方法。首先，他们观察了一个标准的显微镜载玻片，这是一种天然会从其前表面和后表面反射光的薄玻璃片。使用平滑的激光束时，后表面的反射产生了强烈的、令人分心的条纹，破坏了图像。当他们切换到这种新的散斑方法并对100种不同的图案进行平均处理时，这些条纹消失了，留下了一个清晰的前表面视图。他们发现，这种清洗效果取决于光的“颗粒感”有多强；越细微、越混沌的图案，抑制噪声的效果就越好。在他们的最佳配置下，与标准方法相比，他们将图像中的噪声降低了六倍。

接下来，他们转向了一个更复杂的物体：放在盖玻片后的一枚五分硬币。硬币具有粗糙、不平整的表面，带有凸起的字母和设计。盖玻片增加了一层多余的反射，在使用标准照明的情况下，这层反射会将硬币的细节完全遮蔽，使图像变成一片混乱的误差漩涡。使用新的散斑技术后，硬币清晰地显现出来。研究人员测量了硬币表面的高度，发现噪声从超过54微米降至仅5微米。这意味着硬币原本隐藏的精细细节现在可以被高精度地观察和测量。该方法成功保留了凸起数字的锐利边缘，同时去除了来自玻璃的幽灵干扰。

最后，团队展示了该技术可以测量跨度巨大的物体。他们将三个金属块放置在不同的高度，间隔约10毫米，创造了一个超过20毫米的总测量范围。他们在金属块前放置了一个盖玻片，以引入同类的寄生反射。使用单一相机的焦距，他们无法同时清晰地看到所有三个金属块。然而，由于数字全息允许“数值重聚焦”，他们可以通过计算将焦点逐一转移到每个金属块上。散斑方法确保了当他们聚焦于其中一个块时，来自盖玻片和其他金属块的反射会被抑制。通过结合在八种不同激光波长下采集的数据，他们能够将数据缝合在一起，形成一个单一的、连续的3D地图。最终结果显示三个金属块处于其精确的已知位置，误差仅为2微米，证明了该方法无需机械扫描即可处理大型多层物体。

这项工作的成功依赖于一种微妙的平衡。研究人员必须确保散斑图案既足够不同以抵消噪声，又足够相似以保留物体的细节。他们发现，使用特定范围的光图案可以抑制距离目标表面超过1毫米的表面反射，同时保持目标表面的图像清晰。这种方法不需要移动相机或物体，也不需要将光源更换为功率较低的光源。相反，它利用平均值的数学原理将信号从噪声中分离出来。虽然这个过程需要捕捉数千张图像，因此比较耗时，但它为分析以前难以用高精度光学工具分析的复杂现实世界物体打开了大门。其结果是一种稳健的方法，即使在物体隐藏在玻璃后或被混乱的反射包围时，也能看清事物的真实形状。