Dinamik faza modulyasiyasından istifadə edərək obyektivsiz effektli snapshot hiperspektral görüntüləmə

Məkan işıq modulatoru (SLM) xarici nəzarət altında düşən işığın amplitudasını, fazasını və qütbləşmə vəziyyətini real vaxt rejimində modulyasiya edə bilən dinamik optik komponentdir. O, buna maye kristalların sındırma indeksini tənzimləməklə nail olur və bununla da optik yolun uzunluğuna nəzarət edir. Maye kristal SLM-lərdən istifadə etməklə, onların proqramlaşdırıla bilməsi və çevikliyi sayəsində aktiv difraksiyaya nəzarəti təmin edən diffraksiyalı optik elementləri (DOE) simulyasiya etmək mümkündür.

Difraktif optik elementə (DOE) əsaslanan snapshot hiperspektral görüntüləmə dərin optikada son irəliləyişlərdə getdikcə daha çox nümayiş etdirilir. Məkan və spektral ayırdetmələrdə nəzərəçarpacaq irəliləyişlərə baxmayaraq, hazırkı fotolitoqrafiya texnologiyasının məhdudiyyətləri hazırlanmış DOE-nin ideal hündürlüklərdə və yüksək difraksiya səmərəliliyi ilə dizayn edilməsinə mane oldu, bəzi zolaqlarda kodlaşdırılmış təsvirin effektivliyini və yenidən qurulması dəqiqliyini azaldıb. Burada, bildiyimizə görə, ənənəvi olaraq hazırlanmış DOE-ni əvəz etmək üçün maye kristal-silikon məkan işıq modulatorundan (LCoS-SLM) istifadə edən, yüksək modulyasiya səviyyələri və yenidənqurma dəqiqliyi ilə nəticələnən yeni obyektivsiz effektiv ani görüntü hiperspektral görüntüləmə (LESHI) sistemini təklif edirik. Tək linzalı görüntüləmə modelindən əlavə, sistem LCoS-SLM-nin paylanmış difraksiya optikasını (DDO) təsvirini həyata keçirmək və tam görünən spektrdə difraksiya effektivliyini artırmaq üçün keçid qabiliyyətindən istifadə edə bilər.

Qismən Eksperimental Prosedurlar və Nəticələr

LESHI sisteminin sxemi Şəkil 1-də göstərilmişdir. Obyekti işıqlandırmaq üçün işıq mənbəyindən (CIE standart işıqlandırıcı D65, Datacolor Tru-Vue işıq köşkü) istifadə olunur. Nümunənin əks olunan işığı polarizatordan (GCL-050003) keçir, şüa ayırıcı (GCC-M402103) tərəfindən əks olunur və LCoS-SLM-ə təsir edir (FSLM-2K39-P02, 256 addımlıq 8 bit boz rəng səviyyəsi, 180 Hz yükləmə sürəti ilə optimallaşdırılmış DOE). Maye kristal təbəqənin spektrin müxtəlif dalğa uzunluqları üçün fərqli sındırma göstəriciləri olduğundan [52,53], o, davamlı hiperspektral məlumat kubunu parçalayaraq, DOE kimi bütün spektr üçün müxtəlif faza gecikmələri yarada bilər. Beləliklə, işıq dalğası LCoS-SLM-nin maye kristal təbəqəsindən keçdikdə, hər pikselin modulyasiyası işıq dalğasının fazasının dəyişməsinə səbəb olur. Nəhayət, LCoS-SLM-dən əks olunan faza modulyasiya edilmiş işıq şüa ayırıcını ötürür və rəngli CMOS kamerası (Bayer filtrini ehtiva edən ME2P-1230-23U3C) tərəfindən qeydə alınır.

Şək. 1. Lenssiz effektiv snapshot hiperspektral görüntüləmə (LESHI) sisteminin sxemi. LCoS-SLM, silikon əsaslı məkan işıq modulatorunda maye kristal. LESHI aparat əsaslı difraksiya təsviri və proqram əsaslı hiperspektral rekonstruksiya alqoritmlərindən ibarətdir. Diffraktiv təsvir komponentinə LCoS-SLM, polarizator, şüa ayırıcı və rəngli CMOS kamera daxildir. Hiperspektral rekonstruksiya alqoritmi spektral məlumatı deşifrə etmək üçün ResU şəbəkəsindən istifadə edir.

Şəkil 2. LESHI-nin iş prinsipi. (a) LESHI boru kəməri. (b) DOE nümunələri ilə LCoS-SLM əsasında diffraktiv optik görüntüləmədə PSF əldə etmə prosesinin sxemi. (c) LCoS-SLM əsasında DDO model dizaynı. DDO müxtəlif zolaqların inpidual DOE-lərinin PSF-lərini birləşdirir və degenerativ PSF modelini yaratmaq üçün difraksiya səmərəliliyi modelini əlavə edir. (d) U-şəbəkəsinin U formalı arxitekturasını ResNet-in qalıq əlaqələri ilə birləşdirən ResU-şəbəkə rekonstruksiya alqoritminin strukturu.

Şəkil 3. LESHI modelinin təsdiqi. (a) ICVL verilənlər bazasından əsas həqiqət. (b) LCoS-SLM-ə yüklənmiş təlim keçmiş simulyasiya edilmiş DOE nümunəsi. (c) LESHI modeli tərəfindən tək DOE nümunəsi ilə yaradılan RGB təsviri. (d) (c) bəndinin yenidən qurulmuş nəticəsi. (e) Tək DOE nümunəsi ilə LESHI modelindən istifadə edərək yenidən qurulmuş hiperspektral təsvirlər. (f) (a) bəndində işarələnmiş “1” yerli sahə üçün spektral parlaqlıq əyrilərinin əsas həqiqəti və yenidən qurulmuş qiymətləri. (g) (f) ilə eynidir, lakin “2” yerli ərazisi üçün. (h) LESHI modelində tək DOE modelindən (LCoS-S) və çoxlu DOE nümunələrindən (LCoS-D) istifadə edərək dalğa uzunluğundan asılı olaraq difraksiya səmərəliliyi. Cədvəl üç müxtəlif diapazonda (400-500 nm, 500-600 nm, 600-700 nm) LCoS-S ilə müqayisədə LCoS-D-nin nisbi difraksiya səmərəliliyinin (RDEG) qazancını göstərir.

Şəkil 4. LESHI sisteminin fəaliyyətinin xarakteristikası. (a) ISO12233 sınaq cədvəlinin yenidən qurulmuş şəkli. (b) Sınaq cədvəlində iki bölgənin məkan xətti profilləri, (a) bəndində 1-ci etiketin yerində açıq narıncı və mavi qutularda vurğulanır. (c) Sınaq cədvəlində iki bölgənin məkan xətti profilləri, (a) bəndində 2-ci etiketin yerində açıq mavi və mavi rəngli qutularla vurğulanmışdır. (d) LEHSI sisteminin ölçülməsi. (e) RGB formatında (c) bəndinin yenidən qurulması nəticəsi. (f) Altı yerli bölgədə CS-2000 spektrometri ilə yenidən qurulmuş təsvirin və ölçmənin kök orta kvadrat xətası (RMSE) və maksimum xəta [(c)-də ağ qutularla işarələnmişdir]. (g) Dalğa uzunluğundan asılı olaraq altı yerli bölgənin yenidən qurulması parlaqlıq əyriləri [(c)-də ağ qutularla qeyd olunur]. Əsas həqiqət CS-2000 spektrometri ilə əldə edilir. (h) (d) nin yeddi nümayəndəsi rekonstruksiya edilmiş spektral kanalı.

Şəkil 5. Fokus uzunluğunun dəyişdirilməsi üçün tətbiq nəticələri. (a) Fəza modulyasiya nümunələri müxtəlif fokus uzunluqları ilə LCoS-SLM-ə yüklənir. (b) (a) müvafiq çəkilmiş RGB şəkilləri. (c) LESHI sistemini müxtəlif fokus uzunluqlarında tətbiq etməklə spektral təsvirin bərpasının nəticələri. (d) (c) bəndinə uyğun gələn altı təmsilçi rekonstruksiya edilmiş spektral kanal.

Şəkil 6. Müxtəlif modellər üçün spektral yenidənqurma simulyasiyalarının müqayisəsi. (a) Dörd rekonstruksiya məlumatının nəticələrini və vizual effektləri müqayisə edərək, LCoS-SLM əsasında difraksiyaedici optik görüntüləmə modeli rekonstruksiya performansını effektiv şəkildə yaxşılaşdıra və kvantlaşdırılmış DOE nəticəsində yenidənqurma nəticələrinin pozulmasının qarşısını ala bilər. (b) Müxtəlif modellər üçün spektral parlaqlıq əyriləri. Spektral əyrilər LCoS-D-nin yenidən qurulmuş spektral əyrilərinin əsas həqiqət dəyərlərinə daha yaxın olduğunu göstərir.

Bu təcrübədə istifadə edilən yalnız fazalı məkan işıq modulatorunun spesifikasiyası aşağıdakılardır:

Son Fikirlər

DOE, ənənəvi diffraktiv optik element kimi, sabit bir quruluşa və sabit funksionallığa malikdir, lakin onun səmərəliliyi nisbətən yüksəkdir. Bunun əksinə olaraq, maye kristal məkan işıq modulatoru (SLM) çevik proqramlaşdırma və real vaxt modulyasiyasına imkan verən elektrik nəzarəti vasitəsilə dalğa cəbhəsini modulyasiya edir. Bununla belə, onun effektivliyi piksel boşluqlarından və maye kristal reaksiyasından yaranan itkilərə görə aşağı olur. Hər ikisinin öz üstünlükləri və mənfi cəhətləri var və onlardan tamamlayıcı şəkildə istifadə etməklə optik sistemləri optimallaşdırmaq mümkündür. Məsələn, SLM DOE-də aberrasiyaları düzəltmək üçün istifadə edilə bilər və ya DOE SLM-in funksional sərhədlərini genişləndirmək üçün SLM ilə birləşdirilə bilər.

Məqalə haqqında məlumat:https://doi.org/10.1364/PRJ.543621