הדמיה היפר-ספקטרלית יעילה ללא עדשה באמצעות אפנון פאזה דינמי

מודולטור אור מרחבי (SLM) הוא רכיב אופטי דינמי המסוגל לווסת בזמן אמת את משרעת, הפאזה ומצב הקיטוב של אור פוגע תחת בקרה חיצונית. הוא משיג זאת על ידי התאמת מקדם השבירה של גבישים נוזליים, ובכך לשלוט באורך הנתיב האופטי. באמצעות SLM של גביש נוזלי, ניתן לדמות אלמנטים אופטיים דיפרקטיביים (DOEs), המאפשרים בקרת דיפרקציה אקטיבית הודות לתכנות וגמישותם.

דימות היפר-ספקטרלי של תמונות בזק המבוסס על אלמנט אופטי דיפרקטיבי (DOE) מוצג יותר ויותר בהתקדמות האחרונה באופטיקה עמוקה. למרות ההתקדמות המרשימה ברזולוציות מרחביות וספקטרליות, המגבלות של טכנולוגיית הפוטוליתוגרפיה הנוכחית מנעו את תכנון ה-DOE המיוצר בגבהים אידיאליים ועם יעילות דיפרקציה גבוהה, מה שגרם לירידה ביעילות ההדמיה המקודדת ודיוק השחזור בתחומים מסוימים. כאן, אנו מציעים, למיטב ידיעתנו, מערכת דימות היפר-ספקטרלי של תמונות בזק (LESHI) יעילה חדשה ללא עדשה המשתמשת באפנן אור מרחבי של גביש נוזלי על סיליקון (LCoS-SLM) כדי להחליף את ה-DOE המיוצר באופן מסורתי, וכתוצאה מכך רמות אפנון גבוהות ודיוק שחזור. מעבר למודל ההדמיה בעדשה יחידה, המערכת יכולה למנף את יכולת ההחלפה של LCoS-SLM כדי ליישם דימות אופטיקה דיפרקטיבית מבוזרת (DDO) ולשפר את יעילות הדיפרקציה על פני הספקטרום הנראה המלא.

נהלים ותוצאות ניסויים חלקיים

סכמת מערכת LESHI מוצגת באיור 1. מקור אור (תאורה סטנדרטית CIE D65, תא תאורה Datacolor Tru-Vue) משמש להארת האובייקט. האור המוחזר מהדגימה עובר דרך המקטב (GCL-050003), מוחזר על ידי מפצל קרן (GCC-M402103), ופוגע ב-LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02, רמת גווני אפור של 8 סיביות של 256 צעדים, קצב רענון של 180 הרץ) טעון בתבניות DOE אופטימליות. מכיוון שלשכבת הגביש הנוזלי יש מקדי שבירה שונים עבור אורכי גל שונים של הספקטרום [52,53], היא יכולה לייצר עיכובי פאזה שונים עבור כל הספקטרום כמו DOE, ובכך לפצל את קוביית הנתונים ההיפר-ספקטרלית הרציפה. לפיכך, כאשר גל אור עובר דרך שכבת הגביש הנוזלי של LCoS-SLM, המודולציה של כל פיקסל גורמת לשינוי פאזה של גל האור. לבסוף, האור המווסת פאזה המוחזר מה-LCoS-SLM משדר את מפצל האלומה ומוקלט על ידי מצלמת CMOS צבעונית (ME2P-1230-23U3C, המכילה מסנן באייר).

איור 1. תרשים סכמטי של מערכת LESHI (הדמיה היפרספקטרלית יעילה בתצלומי מצב ללא עדשה). LCoS-SLM, מודולטור אור מרחבי מבוסס גביש נוזלי על סיליקון. LESHI כולל אלגוריתמים של הדמיה דיפרקטיבית מבוססת חומרה ואלגוריתמים של שחזור היפרספקטרלי מבוסס תוכנה. רכיב ההדמיה הדיפרקטיבית כולל LCoS-SLM, מקטב, מפצל קרן ומצלמת CMOS צבעונית. אלגוריתם השחזור ההיפרספקטרלי משתמש ברשת ResU כדי לפענח את המידע הספקטרלי.

איור 2. עקרון העבודה של LESHI. (א) צינור של LESHI. (ב) סכמטיקה של תהליך רכישת PSF בהדמיה אופטית דיפרקטיבית המבוססת על LCoS-SLM עם דפוסי DOE. (ג) תכנון מודל DDO המבוסס על LCoS-SLM. DDO מאחד את ה-PSF של DOEs אינדיבידואליים של הפסים השונים ומוסיף את מודל יעילות הדיפרקציה ליצירת מודל PSF מנוון. (ד) מבנה אלגוריתם השחזור של ResU-net, המשלב את הארכיטקטורה בצורת U של U-net עם החיבורים השיוריים של ResNet.

איור 3. אימות מודל LESHI. (א) אמת קרקע ממערך הנתונים ICVL. (ב) תבנית ה-DOE המדומה שאומנה ונטענה ב-LCoS-SLM. (ג) תמונת RGB שנוצרה על ידי מודל LESHI עם תבנית DOE יחידה. (ד) תוצאה משוחזרת של (ג). (ה) תמונות היפרספקטרליות משוחזרות באמצעות מודל LESHI עם תבנית DOE יחידה. (ו) אמת קרקע וערכים משוחזרים של עקומות הזוהר הספקטרליות עבור אזור מקומי "1" המסומן ב-(א). (ז) זהה ל-(ו) אך עבור אזור מקומי "2". (ח) יעילות דיפרקציה כפונקציה של אורך גל, באמצעות תבנית DOE יחידה (LCoS-S) ותבניות DOE מרובות (LCoS-D) במודל LESHI. הטבלה מציגה את רווח יעילות הדיפרקציה היחסי (RDEG) של LCoS-D בהשוואה ל-LCoS-S בשלושה פסים שונים (400-500 ננומטר, 500-600 ננומטר, 600-700 ננומטר).

איור 4. אפיון ביצועי מערכת LESHI. (א) תמונה משוחזרת של תרשים בדיקה ISO12233. (ב) פרופילי קווים מרחביים של שני אזורים בתרשים הבדיקה, מסומנים בתיבות כתומות בהירות ותכלת במיקום תווית 1 ב-(א). (ג) פרופילי קווים מרחביים של שני אזורים בתרשים הבדיקה, מסומנים בתיבות תכלת בהירות ותכלת במיקום תווית 2 ב-(א). (ד) מדידה של מערכת LEHSI. (ה) תוצאת שחזור של (ג) בפורמט RGB. (ו) שגיאת שורש ממוצע הריבועים (RMSE) ושגיאה מקסימלית של התמונה המשוחזרת ומדידה על ידי ספקטרומטר CS-2000 בשישה אזורים מקומיים [מסומנים בתיבות לבנות ב-(ג)]. (ז) עקומות זוהר משוחזרות של שישה אזורים מקומיים [מסומנים בתיבות לבנות ב-(ג)] כפונקציה של אורך הגל. אמת קרקעית מתקבלת על ידי ספקטרומטר CS-2000. (ח) שבעה ערוצים ספקטרליים משוחזרים מייצגים של (ד).

איור 5. תוצאות יישום עבור שינוי אורך מוקד. (א) דפוסי אפנון פאזה שהועמסו על LCoS-SLM עם אורכי מוקד שונים על ידי אימון מקצה לקצה. (ב) תמונות RGB תואמות שצולמו של (א). (ג) תוצאות שחזור תמונה ספקטרלית על ידי יישום מערכת LESHI באורכי מוקד שונים. (ד) שישה ערוצים ספקטרליים משוחזרים מייצגים התואמים ל-(ג).

איור 6. השוואה של סימולציות שחזור ספקטרליות עבור מודלים שונים. (א) בהשוואה בין ארבע תוצאות נתוני השחזור לבין האפקטים הוויזואליים, מודל ההדמיה האופטית הדיפרקטיבית המבוסס על LCoS-SLM יכול לשפר ביעילות את ביצועי השחזור ולמנוע את הפגיעה בתוצאות השחזור הנגרמת על ידי ה-DOE הכמותי. (ב) עקומות זוהר ספקטרליות עבור מודלים שונים. עקומות הספקטרליות מראות כי עקומות הספקטרליות המשוחזרות של LCoS-D קרובות יותר לערכי האמת הקרקעית.

המפרט של מודולטור האור המרחבי הפאזי בלבד ששימש בניסוי זה הוא כדלקמן:

מחשבות אחרונות

ל-DOE, כאלמנט אופטי דיפרקטיבי מסורתי, מבנה ופונקציונליות קבועים, אך יעילותו גבוהה יחסית. לעומת זאת, מודולטור האור המרחבי של הגביש הנוזלי (SLM) מווסת את חזית הגל באמצעות בקרה חשמלית, מה שמאפשר תכנות גמיש ואפנון בזמן אמת. עם זאת, יעילותו נמוכה יותר עקב הפסדים מפערים בפיקסלים ותגובת הגביש הנוזלי. לשניהם יתרונות וחסרונות משלהם, ובאמצעות שימוש משלים ביניהם ניתן לייעל מערכות אופטיות. לדוגמה, ניתן להשתמש ב-SLM לתיקון סטיות ב-DOE, או שניתן לשלב DOE עם SLM כדי להרחיב את גבולות הפונקציונליות של ה-SLM.

מידע על המאמר:https://doi.org/10.1364/PRJ.543621