Pencitraan hiperspektral snapshot sing efisien tanpa lensa nggunakake modulasi fase dinamis
Modulator cahya spasial (SLM) minangka komponen optik dinamis sing bisa modulasi wektu nyata saka amplitudo, fase, lan status polarisasi cahya kedadeyan ing kontrol eksternal. Iki entuk iki kanthi nyetel indeks bias kristal cair, saengga bisa ngontrol dawa jalur optik. Kanthi nggunakake SLM kristal cair, bisa simulasi unsur optik difraksi (DOE), mbisakake kontrol difraksi aktif amarga program lan keluwesane.
Pencitraan hiperspektral snapshot adhedhasar unsur optik difraktif (DOE) tambah akeh ditampilake ing kemajuan anyar ing optik jero. Senadyan kemajuan sing luar biasa ing resolusi spasial lan spektral, watesan teknologi fotolitografi saiki nyegah DOE sing digawe saka dirancang ing dhuwur sing becik lan kanthi efisiensi difraksi sing dhuwur, nyuda efektifitas pencitraan kode lan akurasi rekonstruksi ing sawetara pita. Ing kene, kita ngusulake, miturut kawruh kita, sistem pencitraan hiperspektral snapshot efisien tanpa lensa anyar (LESHI) sing nggunakake modulator cahya spasial kristal-on-silikon (LCoS-SLM) kanggo ngganti DOE sing digawe tradisional, ngasilake tingkat modulasi sing dhuwur lan akurasi rekonstruksi. Ngluwihi model imaging lensa tunggal, sistem kasebut bisa nggunakake kemampuan switch LCoS-SLM kanggo ngetrapake pencitraan optik difraksi (DDO) sing disebarake lan ningkatake efisiensi difraksi ing spektrum sing katon lengkap.
Prosedur lan Asil Eksperimen Parsial
Skema sistem LESHI ditampilake ing Fig. 1. Sumber cahya (standar illuminant CIE D65, Datacolor Tru-Vue booth cahya) digunakake kanggo madhangi obyek. Cahya sing dibayangke saka sampel liwat polarizer (GCL-050003), dibayangke dening beam splitter (GCC-M402103), lan impinges ing LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02, 8-dicokot tingkat grayscale 256 langkah, 180-EHz pola refresh rate) loading optimized. Wiwit lapisan kristal cair duwe indeks bias sing beda kanggo dawa gelombang spektrum sing beda [52,53], bisa ngasilake tundha fase sing beda kanggo kabeh spektrum kaya DOE, pamisah kubus data hiperspektral sing terus-terusan. Mangkono, nalika gelombang cahya ngliwati lapisan kristal cair saka LCoS-SLM, modulasi saben piksel nyebabake fase gelombang cahya diganti. Pungkasan, cahya modulasi fase sing dibayangke saka LCoS-SLM ngirimake pamisah sinar lan direkam dening kamera CMOS warna (ME2P-1230-23U3C, sing ngemot filter Bayer).
Gambar 1. Skema sistem pencitraan hiperspektral snapshot efisien tanpa lensa (LESHI). LCoS-SLM, kristal cair ing modulator cahya spasial basis silikon. LESHI kalebu pencitraan difraktif adhedhasar hardware lan algoritma rekonstruksi hiperspektral adhedhasar piranti lunak. Komponen pencitraan difraktif kalebu LCoS-SLM, polarizer, beam splitter, lan kamera CMOS warna. Algoritma rekonstruksi hyperspectral nggunakake ResU-net kanggo decode informasi spektral.
Gambar 2. Prinsip Kerja LESHI. (a) Pipa LESHI. (b) Skema proses akuisisi PSF ing pencitraan optik difraktif adhedhasar LCoS-SLM kanthi pola DOE. (c) Desain model DDO adhedhasar LCoS-SLM. DDO nggabungake PSF saka DOE inpidual saka band sing beda-beda lan nambah model efisiensi difraksi kanggo mbentuk model PSF sing degenerasi. (d) Struktur algoritma rekonstruksi ResU-net, sing nggabungake arsitektur berbentuk U saka U-net karo sambungan residual saka ResNet.
Gambar 3. Validasi model LESHI. (a) Bebener dhasar saka dataset ICVL. (b) Pola DOE simulasi sing dilatih dimuat ing LCoS-SLM. (c) Gambar RGB sing diasilake dening model LESHI kanthi pola DOE tunggal. (d) Asil rekonstruksi saka (c). (e) Gambar hiperspektral sing direkonstruksi nggunakake model LESHI kanthi pola DOE tunggal. (f) Bebener lemah lan nilai sing direkonstruksi saka kurva sinar spektral kanggo area lokal "1" sing ditandhani ing (a). (g) Padha karo (f) nanging kanggo wilayah lokal "2". (h) Efisiensi difraksi minangka fungsi dawa gelombang, nggunakake pola DOE tunggal (LCoS-S) lan pola DOE kaping pirang-pirang (LCoS-D) ing model LESHI. Tabel kasebut nuduhake gain efisiensi difraksi relatif (RDEG) saka LCoS-D dibandhingake karo LCoS-S ing telung pita sing beda (400-500 nm, 500-600 nm, 600-700 nm).
Gambar 4. Karakterisasi kinerja sistem LESHI. (a) Gambar tes ISO12233 sing direkonstruksi. (b) Profil garis spasial saka rong wilayah ing grafik tes, disorot ing kothak oranye lan teal ing lokasi label 1 ing (a). (c) Profil garis spasial saka rong wilayah ing grafik tes, disorot ing kothak biru lan teal ing lokasi label 2 ing (a). (d) Pengukuran sistem LEHSI. (e) Asil rekonstruksi (c) ing format RGB. (f) Root mean square error (RMSE) lan kesalahan maksimum gambar direkonstruksi lan pangukuran dening spektrometer CS-2000 ing enem wilayah lokal [ditandhani kothak putih ing (c)]. (g) Kurva sinar rekonstruksi saka enem wilayah lokal [ditandhani kothak putih ing (c)] minangka fungsi dawa gelombang. Ground truth dipikolehi dening spektrometer CS-2000. (h) Pitu saluran spektral direkonstruksi wakil saka (d).
Fig. 5. Asil aplikasi kanggo modifikasi dawa fokus. (a) Pola modulasi fase dimuat menyang LCoS-SLM kanthi jarak fokus sing beda kanthi latihan pungkasan. (b) Gambar RGB sing dijupuk saka (a). (c) Asil pamulihan gambar spektral kanthi ngetrapake sistem LESHI ing jarak fokus sing beda. (d) Enem wakil direkonstruksi saluran spektral cocog kanggo (c).
Fig 6. Perbandingan simulasi rekonstruksi spektral kanggo macem-macem model. (a) Mbandhingake papat asil data rekonstruksi lan efek visual, model pencitraan optik difraktif adhedhasar LCoS-SLM kanthi efektif bisa ningkatake kinerja rekonstruksi lan ngindhari degradasi asil rekonstruksi sing disebabake dening DOE kuantitatif. (b) Kurva sinar spektral kanggo macem-macem model. Kurva spektral nuduhake yen kurva spektral sing direkonstruksi saka LCoS-D luwih cedhak karo nilai bebener lemah.
Spesifikasi modulator cahya spasial mung fase sing digunakake ing eksperimen iki yaiku:
| Model | FSLM-2K39-P02 | Jinis pangaturan | Fase-jinis |
| LC Jinis | Reflektif | Grayscale Level | 8-dicokot, 256 tingkat. |
| Resolusi | 1920×1080 | Ukuran piksel | 4,5μm |
| Area Efektif | 0.39"
| Range Fase | 2π@532nm Maks: 3.8π@532nm 2π@637nm Maks: 3π@637nm |
| Faktor Pengisian | 91,3% | Efisiensi Optik | 68,7%@532nm 60,8%@637nm 75%@808nm |
| Antarmuka Data | Mini DP Kab | Sudut Orientasi | 0° |
| Refresh Rate | 60Hz/180Hz/360Hz Warna Didukung: YA | Wektu Respon | ≤16,7 ms |
| Koreksi Gamma | Didhukung | Spektral Range | 420nm-820nm |
| Koreksi Wavefront | Didhukung (532nm/635nm) | Kalibrasi Fase | Didhukung (450nm/532nm/635nm/808nm) |
| Tegangan Input | 5v 2a | Linearitas | ≥99% |
| Efisiensi difraksi | 532nm 65%@L8 74%@L16 80%@L32 637nm 65%@L8 74%@L16 80%@L32 | Ambang karusakan | Terus-terusan: ≤ 20 W/cm² (tanpa cooling banyu), ≤ 100 W/cm² (karo cooling banyu) Pulsa: Kapadhetan daya puncak (0,05 GW/cm²), Kapadhetan daya rata-rata (2 W/cm²) @532 nm/290 fs/100 KHz (karo pendinginan banyu) |
Pikiran pungkasan
DOE, minangka unsur optik difraksi tradisional, nduweni struktur tetep lan fungsi tetep, nanging efisiensi relatif dhuwur. Beda, modulator cahya spasial kristal cair (SLM) modulasi gelombang ngarep liwat kontrol listrik, mbisakake pemrograman fleksibel lan modulasi wektu nyata. Nanging, efisiensi luwih murah amarga kerugian saka kesenjangan piksel lan respon kristal cair. Loro-lorone duwe kaluwihan lan kekurangan dhewe, lan kanthi nggunakake pelengkap, bisa ngoptimalake sistem optik. Contone, SLM bisa digunakake kanggo mbenerake aberasi ing DOE, utawa DOE bisa digabungake karo SLM kanggo ngluwihi wates fungsi SLM.
Informasi Artikel: https://doi.org/10.1364/PRJ.543621