Lencse nélküli, hatékony pillanatfelvétel-készítés hiperspektrális képalkotással dinamikus fázismodulációval

A térbeli fénymodulátor (SLM) egy dinamikus optikai komponens, amely képes a beeső fény amplitúdójának, fázisának és polarizációs állapotának valós idejű modulálására külső vezérléssel. Ezt a folyadékkristályok törésmutatójának beállításával éri el, ezáltal szabályozva az optikai úthosszt. A folyadékkristályos SLM-ek használatával diffraktív optikai elemek (DOE-k) szimulálhatók, ami programozhatóságuknak és rugalmasságuknak köszönhetően aktív diffrakciós szabályozást tesz lehetővé.

A diffraktív optikai elemen (DOE) alapuló pillanatfelvételes hiperspektrális képalkotás egyre inkább előtérbe kerül a mélyoptika legújabb fejlesztéseiben. A térbeli és spektrális felbontásban elért figyelemre méltó eredmények ellenére a jelenlegi fotolitográfiai technológia korlátai megakadályozták, hogy a gyártott DOE-kat ideális magasságban és magas diffrakciós hatékonysággal tervezzék, ami csökkentette a kódolt képalkotás hatékonyságát és a rekonstrukciós pontosságot egyes sávokban. Tudomásunk szerint itt egy új, lencse nélküli, hatékony pillanatfelvételes hiperspektrális képalkotó (LESHI) rendszert javaslunk, amely egy folyadékkristályos szilícium-alapú térbeli fénymodulátort (LCoS-SLM) használ a hagyományosan gyártott DOE helyettesítésére, magas modulációs szinteket és rekonstrukciós pontosságot eredményezve. Az egylencsés képalkotó modellen túl a rendszer kihasználhatja az LCoS-SLM kapcsolási képességét az elosztott diffraktív optikai (DDO) képalkotás megvalósítására és a diffrakciós hatékonyság növelésére a teljes látható spektrumban.

Részleges kísérleti eljárások és eredmények

A LESHI rendszer vázlata az 1. ábrán látható. A tárgy megvilágítására egy fényforrást (CIE szabványos D65 megvilágító, Datacolor Tru-Vue fényfülke) használnak. A minta visszavert fénye áthalad a polarizátoron (GCL-050003), egy nyalábosztó (GCC-M402103) verődik vissza, és az optimalizált DOE mintázatokkal feltöltött LCoS-SLM-re (FSLM-2K39-P02, 8 bites szürkeárnyalatos szint 256 lépésben, 180 Hz-es frissítési frekvencia) esik. Mivel a folyadékkristályos réteg a spektrum különböző hullámhosszain eltérő törésmutatókkal rendelkezik [52,53], a DOE-hoz hasonlóan különböző fáziskésleltetéseket tud létrehozni a teljes spektrumban, felosztva a folytonos hiperspektrális adatkockát. Így, amikor egy fényhullám áthalad az LCoS-SLM folyadékkristályos rétegén, az egyes pixelek modulációja a fényhullám fázisának megváltozását okozza. Végül az LCoS-SLM-ről visszaverődő fázismodulált fény áthalad a nyalábosztón, és egy színes CMOS kamera (ME2P-1230-23U3C, amely Bayer-szűrőt tartalmaz) rögzíti.

1. ábra. A lencse nélküli hatékony pillanatfelvétel-készítő hiperspektrális képalkotó (LESHI) rendszer vázlata. LCoS-SLM, szilícium alapú folyadékkristályos térbeli fénymodulátor. A LESHI hardveralapú diffraktív képalkotási és szoftveralapú hiperspektrális rekonstrukciós algoritmusokat foglal magában. A diffraktív képalkotó komponens tartalmaz egy LCoS-SLM-et, egy polarizátort, egy nyalábosztót és egy színes CMOS kamerát. A hiperspektrális rekonstrukciós algoritmus egy ResU-hálózatot használ a spektrális információk dekódolására.

2. ábra. A LESHI működési elve. (a) A LESHI folyamatábrája. (b) A PSF-begyűjtési folyamat vázlata diffraktív optikai képalkotásban LCoS-SLM és DOE mintázatok alapján. (c) LCoS-SLM alapú DDO modellterv. A DDO a különböző sávokba tartozó egyes DOE-k PSF-jeit egyesíti, és hozzáadja a diffrakciós hatékonyság modelljét egy degenerált PSF modell létrehozásához. (d) A ResU-hálózat rekonstrukciós algoritmusának szerkezete, amely az U-hálózat U alakú architektúráját a ResNet reziduális kapcsolataival kombinálja.

3. ábra. A LESHI modell validálása. (a) Alapvető pontosság az ICVL adatkészletből. (b) A betanított szimulált DOE minta az LCoS-SLM-re feltöltve. (c) A LESHI modell által generált RGB kép egyetlen DOE mintával. (d) A (c) rekonstruált eredménye. (e) LESHI modellel egyetlen DOE mintával rekonstruált hiperspektrális képek. (f) Alapvető pontosság és a spektrális sugárzásgörbék rekonstruált értékei az (a)-ban jelölt „1” lokális területre. (g) Ugyanaz, mint az (f), de a „2” lokális területre. (h) Diffrakciós hatékonyság a hullámhossz függvényében, egyetlen DOE mintázat (LCoS-S) és több DOE minta (LCoS-D) használatával a LESHI modellben. A táblázat az LCoS-D relatív diffrakciós hatékonyságnövekedését (RDEG) mutatja az LCoS-S-hez képest három különböző sávban (400–500 nm, 500–600 nm, 600–700 nm).

4. ábra. A LESHI rendszer teljesítményének jellemzése. (a) Az ISO12233 tesztkártya rekonstruált képe. (b) A tesztkártya két régiójának térbeli vonalprofiljai, világos narancssárga és kékeszöld négyzetekkel kiemelve az 1. címke helyén az (a) pontban. (c) A tesztkártya két régiójának térbeli vonalprofiljai, világoskék és kékeszöld négyzetekkel kiemelve a 2. címke helyén az (a) pontban. (d) A LEHSI rendszer mérése. (e) A (c) rekonstrukciós eredménye RGB formátumban. (f) A rekonstruált kép és a CS-2000 spektrométerrel végzett mérés átlagos négyzetes hibája (RMSE) és maximális hibája hat lokális régióban [fehér négyzetekkel jelölve a (c) pontban]. (g) Hat lokális régió rekonstrukciós sugárzásgörbéi [fehér négyzetekkel jelölve a (c) pontban] a hullámhossz függvényében. A valósághűséget a CS-2000 spektrométerrel kaptuk meg. (h) A (d) pont hét reprezentatív rekonstruált spektrális csatornája.

5. ábra. Alkalmazási eredmények fókusztávolság-módosításra. (a) Különböző fókusztávolságú LCoS-SLM-re betöltött fázismodulációs minták végponttól végpontig történő betanítással. (b) Az (a) pontnak megfelelő rögzített RGB-képek. (c) A LESHI rendszer alkalmazásával kapott spektrális kép-helyreállítás eredményei különböző fókusztávolságokon. (d) Hat reprezentatív rekonstruált spektrális csatorna, amelyek megfelelnek a (c) pontnak.

6. ábra. Különböző modellek spektrális rekonstrukciós szimulációinak összehasonlítása. (a) A négy rekonstrukciós adat és a vizuális hatások összehasonlításával az LCoS-SLM-en alapuló diffraktív optikai képalkotó modell hatékonyan javíthatja a rekonstrukciós teljesítményt és elkerülheti a kvantált DOE által okozott rekonstrukciós eredmények romlását. (b) Különböző modellek spektrális sugárzásgörbéi. A spektrális görbék azt mutatják, hogy az LCoS-D rekonstruált spektrális görbéi közelebb vannak az alapértékekhez.

A kísérletben használt, csak fázisvezérelt térbeli fénymodulátor specifikációi a következők:

Záró gondolatok

A DOE, mint hagyományos diffraktív optikai elem, rögzített szerkezettel és rögzített funkcionalitással rendelkezik, de a hatásfoka viszonylag magas. Ezzel szemben a folyadékkristályos térbeli fénymodulátor (SLM) elektromos vezérléssel modulálja a hullámfrontot, lehetővé téve a rugalmas programozást és a valós idejű modulációt. Hatékonysága azonban alacsonyabb a pixelrésekből és a folyadékkristály válaszidejéből adódó veszteségek miatt. Mindkettőnek megvannak a maga előnyei és hátrányai, és egymást kiegészítő használatukkal optimalizálhatók az optikai rendszerek. Például egy SLM használható a DOE aberrációinak korrigálására, vagy egy DOE kombinálható egy SLM-mel az SLM funkcionális határainak kiterjesztésére.

Cikkinformációk:https://doi.org/10.1364/PRJ.543621