成像专题 | 压缩无位移扫描全息（OPTICA OL）

光学扫描全息术（OSH）具有无接触测量、多波段兼容、硬件复杂度低、抗散射介质干扰及轻便探测架构（无需复杂探测器阵列）等优势，被广泛应用于生物医学成像、工业无损检测、遥感等探测资源受限场景。传统OSH干涉光路的高敏感、光外差/相移的时空带宽受限使其测量信噪比受环境干扰效应显著，带来的相移误差和多层信息间的串扰使得该方法在多层样品的快速测量应用受到巨大挑战。

鉴于此，来自南京理工大学的研究人员提出了一种基于压缩感知的无运动光学扫描全息术（CMOSH），实现了OSH单帧采集下样品的无孪生像重建和多层信息的独立重建，显著提高系统稳定性。该研究近期发表于OPTICA旗下老牌期刊《Optics Letters》。

为解决传统OSH光路稳定性低、信息获取效率低、信息重建密度低的问题。CMOSH首先简化了光路设置（图1a），并将单帧全息图解析为轴向稀疏约束模型（图1b），结合使用总变差（TV）正则化优化算法实现孪生像与离焦噪声的同步去除。相比传统四步相移成像效率提高4倍并规避相移误差。进一步地，可以从多层物体的单帧全息图中精确分离不同层的聚焦信息，消除层间串扰的影响，扩展单帧MOSH的最大信息密度。

图1. CMOSH原理示意。(a) CMOSH光路原理图；(b) 单帧MOSH全息图的轴向稀疏表示及其重建流程图。

如图2所示，CMOSH重建结果背景噪声水平低，结构细节清晰。定量分析显示，CMOSH结果均方根误差（RMSE）较反向传播（BP）方法降低0.6439，相较四步相移（4PS）方法进一步下降0.2196。该数值验证表明，CMOSH算法仅需要单帧全息图便保持了物体几何特征和纹理细节。

图2. 重建方法比较：BP、4PS和CMOSH。(a) CMOSH结果（左图）和直接反向传播（BP）结果（右图），以及对应截面（下图）；(b) MOSH采集图像以及BP、4PS和CMOSH方法的重建结果，以及相应的原图(GT)， 重建结果的RMSE。

在深度层析成像实验中，以轴向间距Δz=46mm的双层金属徽章“福”和“吉”作为测试样本，结果如图3所示。反向传播重建结果中两个目标均存在明显的离焦和孪生像伪影，4PS方法消除了单层物体内部的孪生像，但仍受到跨层离焦信息的干扰，无法分离不同深度的物体信息。CMOSH方法通过轴向稀疏约束及正则化优化算法，在单帧采集条件下有效消除了层间信息串扰，实现了对多层物体的清晰深度层析成像（详细过程请查看视频1）。