Υπερφασματική απεικόνιση στιγμιότυπων χωρίς φακό με αποτελεσματική χρήση δυναμικής διαμόρφωσης φάσης

Ο χωρικός διαμορφωτής φωτός (SLM) είναι ένα δυναμικό οπτικό στοιχείο ικανό για διαμόρφωση σε πραγματικό χρόνο του πλάτους, της φάσης και της κατάστασης πόλωσης του προσπίπτοντος φωτός υπό εξωτερικό έλεγχο. Αυτό επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας τον δείκτη διάθλασης των υγρών κρυστάλλων, ελέγχοντας έτσι το μήκος της οπτικής διαδρομής. Χρησιμοποιώντας SLM υγρών κρυστάλλων, είναι δυνατή η προσομοίωση περιθλατικών οπτικών στοιχείων (DOE), επιτρέποντας τον ενεργό έλεγχο περίθλασης λόγω της δυνατότητας προγραμματισμού και της ευελιξίας τους.

Η στιγμιαία υπερφασματική απεικόνιση που βασίζεται σε ένα περιθλαστικό οπτικό στοιχείο (DOE) εμφανίζεται ολοένα και περισσότερο στην πρόσφατη πρόοδο στη βαθιά οπτική. Παρά τις αξιοσημείωτες προόδους στις χωρικές και φασματικές αναλύσεις, οι περιορισμοί της τρέχουσας τεχνολογίας φωτολιθογραφίας έχουν εμποδίσει τον σχεδιασμό του κατασκευασμένου DOE σε ιδανικά ύψη και με υψηλή απόδοση περίθλασης, μειώνοντας την αποτελεσματικότητα της κωδικοποιημένης απεικόνισης και της ακρίβειας ανακατασκευής σε ορισμένες ζώνες. Εδώ, προτείνουμε, εξ όσων γνωρίζουμε, ένα νέο σύστημα στιγμιαίας υπερφασματικής απεικόνισης (LESHI) χωρίς φακό που χρησιμοποιεί έναν διαμορφωτή χωρικού φωτός υγρών κρυστάλλων σε πυρίτιο (LCoS-SLM) για να αντικαταστήσει το παραδοσιακά κατασκευασμένο DOE, με αποτέλεσμα υψηλά επίπεδα διαμόρφωσης και ακρίβεια ανακατασκευής. Πέρα από το μοντέλο απεικόνισης με έναν φακό, το σύστημα μπορεί να αξιοποιήσει την ικανότητα μεταγωγής του LCoS-SLM για να εφαρμόσει απεικόνιση κατανεμημένων περιθλαστικών οπτικών (DDO) και να βελτιώσει την απόδοση περίθλασης σε όλο το ορατό φάσμα.

Μερικές Πειραματικές Διαδικασίες και Αποτελέσματα

Το σχηματικό του συστήματος LESHI φαίνεται στο Σχήμα 1. Μια πηγή φωτός (πρότυπο φωτιστικό CIE D65, θάλαμος φωτισμού Datacolor Tru-Vue) χρησιμοποιείται για τον φωτισμό του αντικειμένου. Το ανακλώμενο φως του δείγματος διέρχεται από τον πολωτή (GCL-050003), ανακλάται από έναν διαχωριστή δέσμης (GCC-M402103) και προσπίπτει στο LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02, επίπεδο κλίμακας του γκρι 8-bit 256 βημάτων, ρυθμός ανανέωσης 180-Hz) φορτωμένο με βελτιστοποιημένα μοτίβα DOE. Δεδομένου ότι το στρώμα υγρών κρυστάλλων έχει διαφορετικούς δείκτες διάθλασης για διαφορετικά μήκη κύματος του φάσματος [52,53], μπορεί να παράγει διαφορετικές καθυστερήσεις φάσης για ολόκληρο το φάσμα όπως το DOE, διαιρώντας τον συνεχή υπερφασματικό κύβο δεδομένων. Έτσι, όταν ένα φωτεινό κύμα διέρχεται από το στρώμα υγρών κρυστάλλων του LCoS-SLM, η διαμόρφωση κάθε εικονοστοιχείου προκαλεί αλλαγή της φάσης του φωτεινού κύματος. Τέλος, το φως που διαμορφώνεται ως προς τη φάση και ανακλάται από το LCoS-SLM μεταδίδει τον διαχωριστή δέσμης και καταγράφεται από μια έγχρωμη κάμερα CMOS (ME2P-1230-23U3C, η οποία περιέχει ένα φίλτρο Bayer).

Σχήμα 1. Σχηματική αναπαράσταση του συστήματος υπερφασματικής απεικόνισης στιγμιότυπων χωρίς φακό (LESHI). LCoS-SLM, διαμορφωτής χωρικού φωτός υγρών κρυστάλλων σε πυρίτιο. Το LESHI περιλαμβάνει αλγόριθμους περιθλαστικής απεικόνισης που βασίζονται σε υλικό και αλγόριθμους υπερφασματικής ανακατασκευής που βασίζονται σε λογισμικό. Το στοιχείο περιθλαστικής απεικόνισης περιλαμβάνει ένα LCoS-SLM, έναν πολωτή, έναν διαχωριστή δέσμης και μια έγχρωμη κάμερα CMOS. Ο αλγόριθμος υπερφασματικής ανακατασκευής χρησιμοποιεί ένα ResU-net για την αποκωδικοποίηση των φασματικών πληροφοριών.

Σχήμα 2. Αρχή λειτουργίας του LESHI. (α) Αγωγός του LESHI. (β) Σχηματική αναπαράσταση της διαδικασίας απόκτησης PSF σε οπτική απεικόνιση διαθλαστικής όρασης με βάση το LCoS-SLM με μοτίβα DOE. (γ) Σχεδιασμός μοντέλου DDO με βάση το LCoS-SLM. Το DDO συγχωνεύει τα PSF μεμονωμένων DOE των διαφορετικών ζωνών και προσθέτει το μοντέλο της απόδοσης περίθλασης για να σχηματίσει ένα εκφυλισμένο μοντέλο PSF. (δ) Δομή του αλγορίθμου ανακατασκευής ResU-net, ο οποίος συνδυάζει την αρχιτεκτονική σχήματος U του U-net με τις υπολειπόμενες συνδέσεις του ResNet.

Σχήμα 3. Επικύρωση του μοντέλου LESHI. (α) Αλήθεια εδάφους από το σύνολο δεδομένων ICVL. (β) Το εκπαιδευμένο προσομοιωμένο μοτίβο DOE που φορτώθηκε στο LCoS-SLM. (γ) Εικόνα RGB που δημιουργήθηκε από το μοντέλο LESHI με ένα μόνο μοτίβο DOE. (δ) Ανακατασκευασμένο αποτέλεσμα του (γ). (ε) Ανακατασκευασμένες υπερφασματικές εικόνες χρησιμοποιώντας το μοντέλο LESHI με ένα μόνο μοτίβο DOE. (στ) Αλήθεια εδάφους και ανακατασκευασμένες τιμές των καμπυλών φασματικής ακτινοβολίας για την τοπική περιοχή "1" που σημειώνονται στο (α). (ζ) Το ίδιο με το (στ) αλλά για την τοπική περιοχή "2". (η) Αποδοτικότητα περίθλασης ως συνάρτηση του μήκους κύματος, χρησιμοποιώντας ένα μόνο μοτίβο DOE (LCoS-S) και πολλαπλά μοτίβα DOE (LCoS-D) στο μοντέλο LESHI. Ο πίνακας δείχνει το σχετικό κέρδος απόδοσης περίθλασης (RDEG) του LCoS-D σε σύγκριση με το LCoS-S σε τρεις διαφορετικές ζώνες (400–500 nm, 500–600 nm, 600–700 nm).

Σχήμα 4. Χαρακτηρισμός της απόδοσης του συστήματος LESHI. (α) Ανακατασκευασμένη εικόνα του διαγράμματος δοκιμών ISO12233. (β) Χωρικά προφίλ γραμμών δύο περιοχών στο διάγραμμα δοκιμών, επισημασμένα με ανοιχτό πορτοκαλί και γαλαζοπράσινα πλαίσια στη θέση της ετικέτας 1 στο (α). (γ) Χωρικά προφίλ γραμμών δύο περιοχών στο διάγραμμα δοκιμών, επισημασμένα με ανοιχτό μπλε και γαλαζοπράσινα πλαίσια στη θέση της ετικέτας 2 στο (α). (δ) Μέτρηση του συστήματος LEHSI. (ε) Αποτέλεσμα ανακατασκευής του (γ) σε μορφή RGB. (στ) Μέσο τετραγωνικό σφάλμα ρίζας (RMSE) και μέγιστο σφάλμα ανακατασκευασμένης εικόνας και μέτρηση από το φασματόμετρο CS-2000 σε έξι τοπικές περιοχές [σημειωμένες με λευκά πλαίσια στο (γ)]. (ζ) Καμπύλες ακτινοβολίας ανακατασκευής έξι τοπικών περιοχών [σημειωμένες με λευκά πλαίσια στο (γ)] ως συνάρτηση του μήκους κύματος. Η αλήθεια εδάφους λαμβάνεται από το φασματόμετρο CS-2000. (η) Επτά αντιπροσωπευτικά ανακατασκευασμένα φασματικά κανάλια του (δ).

Σχήμα 5. Αποτελέσματα εφαρμογής για τροποποίηση εστιακού μήκους. (α) Μοτίβα διαμόρφωσης φάσης που φορτώθηκαν στο LCoS-SLM με διαφορετικά εστιακά μήκη μέσω εκπαίδευσης από άκρο σε άκρο. (β) Αντίστοιχες εικόνες RGB που καταγράφηκαν από το (α). (γ) Αποτελέσματα φασματικής ανάκτησης εικόνας με εφαρμογή του συστήματος LESHI σε διαφορετικά εστιακά μήκη. (δ) Έξι αντιπροσωπευτικά ανακατασκευασμένα φασματικά κανάλια που αντιστοιχούν στο (γ).

Σχήμα 6. Σύγκριση προσομοιώσεων φασματικής ανακατασκευής για διαφορετικά μοντέλα. (α) Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των τεσσάρων δεδομένων ανακατασκευής και τα οπτικά εφέ, το μοντέλο περιθλαστικής οπτικής απεικόνισης που βασίζεται στο LCoS-SLM μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την απόδοση της ανακατασκευής και να αποφύγει την υποβάθμιση των αποτελεσμάτων ανακατασκευής που προκαλείται από το κβαντισμένο DOE. (β) Καμπύλες φασματικής ακτινοβολίας για διαφορετικά μοντέλα. Οι φασματικές καμπύλες δείχνουν ότι οι ανακατασκευασμένες φασματικές καμπύλες του LCoS-D είναι πιο κοντά στις τιμές αλήθειας εδάφους.

Οι προδιαγραφές του διαμορφωτή χωρικού φωτός μόνο φάσης που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα είναι οι εξής:

Τελικές Σκέψεις

Το DOE, ως παραδοσιακό περιθλαστικό οπτικό στοιχείο, έχει σταθερή δομή και σταθερή λειτουργικότητα, αλλά η απόδοσή του είναι σχετικά υψηλή. Αντίθετα, ο διαμορφωτής χωρικού φωτός υγρών κρυστάλλων (SLM) διαμορφώνει το μέτωπο κύματος μέσω ηλεκτρικού ελέγχου, επιτρέποντας ευέλικτο προγραμματισμό και διαμόρφωση σε πραγματικό χρόνο. Ωστόσο, η απόδοσή του είναι χαμηλότερη λόγω απωλειών από κενά εικονοστοιχείων και απόκριση υγρών κρυστάλλων. Και τα δύο έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και, χρησιμοποιώντας τα συμπληρωματικά, είναι δυνατή η βελτιστοποίηση των οπτικών συστημάτων. Για παράδειγμα, ένα SLM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διόρθωση των εκτροπών σε ένα DOE ή ένα DOE μπορεί να συνδυαστεί με ένα SLM για την επέκταση των λειτουργικών ορίων του SLM.

Πληροφορίες άρθρου:https://doi.org/10.1364/PRJ.543621