Lensloze, efficiënte snapshot hyperspectrale beeldvorming met behulp van dynamische fasemodulatie

Ruimtelijke lichtmodulator (SLM) is een dynamische optische component die in staat is om de amplitude, fase en polarisatietoestand van invallend licht realtime te moduleren onder externe controle. Dit wordt bereikt door de brekingsindex van vloeibare kristallen aan te passen en zo de optische padlengte te regelen. Door gebruik te maken van SLM's met vloeibare kristallen is het mogelijk om diffractieve optische elementen (DOE's) te simuleren, wat actieve diffractiecontrole mogelijk maakt dankzij hun programmeerbaarheid en flexibiliteit.

Snapshot hyperspectrale beeldvorming op basis van een diffractief optisch element (DOE) wordt steeds vaker toegepast in recente ontwikkelingen in diepe optica. Ondanks opmerkelijke vooruitgang in ruimtelijke en spectrale resoluties, hebben de beperkingen van de huidige fotolithografietechnologie verhinderd dat de gefabriceerde DOE op ideale hoogte en met een hoge diffractie-efficiëntie kon worden ontworpen, wat de effectiviteit van gecodeerde beeldvorming en de reconstructienauwkeurigheid in sommige banden verminderde. Hier stellen we, voor zover wij weten, een nieuw lensloos efficiënt snapshot hyperspectrale beeldvormingssysteem (LESHI) voor dat gebruikmaakt van een ruimtelijke lichtmodulator met vloeibaar kristal op silicium (LCoS-SLM) ter vervanging van de traditioneel gefabriceerde DOE, wat resulteert in hoge modulatieniveaus en reconstructienauwkeurigheid. Naast het model met één lens kan het systeem de schakelmogelijkheden van LCoS-SLM benutten om gedistribueerde diffractieve optica (DDO) te implementeren en de diffractie-efficiëntie over het volledige zichtbare spectrum te verbeteren.

Gedeeltelijke experimentele procedures en resultaten

Het schema van het LESHI-systeem is weergegeven in Fig. 1. Een lichtbron (CIE-standaardlichtbron D65, Datacolor Tru-Vue-lichtcabine) wordt gebruikt om het object te belichten. Het gereflecteerde licht van het monster passeert de polarisator (GCL-050003), wordt gereflecteerd door een bundelsplitter (GCC-M402103) en valt op de LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02, 8-bits grijstinten van 256 stappen, vernieuwingsfrequentie van 180 Hz) die is geladen met geoptimaliseerde DOE-patronen. Omdat de vloeibaar-kristallaag verschillende brekingsindices heeft voor verschillende golflengten van het spectrum [52,53], kan deze verschillende fasevertragingen produceren voor het gehele spectrum, zoals DOE, door de continue hyperspectrale datakubus te splitsen. Dus wanneer een lichtgolf door de vloeibaar-kristallaag van de LCoS-SLM passeert, zorgt de modulatie van elke pixel ervoor dat de fase van de lichtgolf verandert. Tenslotte wordt het fasegemoduleerde licht dat door de LCoS-SLM wordt gereflecteerd, door de bundelsplitter verzonden en door een CMOS-kleurencamera (ME2P-1230-23U3C, voorzien van een Bayer-filter) vastgelegd.

Figuur 1. Schematische weergave van het lensloze efficiënte snapshot hyperspectrale beeldvormingssysteem (LESHI). LCoS-SLM, een ruimtelijke lichtmodulator op basis van vloeibaar kristal op silicium. LESHI omvat hardwaregebaseerde diffractieve beeldvorming en softwaregebaseerde hyperspectrale reconstructiealgoritmen. De diffractieve beeldvormingscomponent omvat een LCoS-SLM, een polarisator, een bundelsplitser en een kleuren-CMOS-camera. Het hyperspectrale reconstructiealgoritme maakt gebruik van een ResU-net om de spectrale informatie te decoderen.

Figuur 2. Werkingsprincipe van LESHI. (a) LESHI-pijplijn. (b) Schematische weergave van het PSF-acquisitieproces in diffractieve optische beeldvorming op basis van LCoS-SLM met DOE-patronen. (c) DDO-modelontwerp op basis van LCoS-SLM. DDO combineert de PSF's van individuele DOE's van de verschillende banden en voegt het model van de diffractie-efficiëntie toe om een ​​gedegenereerd PSF-model te vormen. (d) Structuur van het ResU-net-reconstructiealgoritme, dat de U-vormige architectuur van U-net combineert met de resterende verbindingen van ResNet.

Figuur 3. Validatie van het LESHI-model. (a) Grondwaarheid uit de ICVL-dataset. (b) Het getrainde gesimuleerde DOE-patroon geladen op de LCoS-SLM. (c) RGB-afbeelding gegenereerd door het LESHI-model met één DOE-patroon. (d) Gereconstrueerd resultaat van (c). (e) Gereconstrueerde hyperspectrale beelden met behulp van het LESHI-model met één DOE-patroon. (f) Grondwaarheid en gereconstrueerde waarden van de spectrale stralingscurven voor lokaal gebied "1" gemarkeerd in (a). (g) Hetzelfde als (f), maar dan voor lokaal gebied "2". (h) Diffractie-efficiëntie als functie van de golflengte, met behulp van één DOE-patroon (LCoS-S) en meerdere DOE-patronen (LCoS-D) in het LESHI-model. De tabel toont de relatieve diffractie-efficiëntiewinst (RDEG) van LCoS-D vergeleken met LCoS-S bij drie verschillende banden (400–500 nm, 500–600 nm, 600–700 nm).

Figuur 4. Karakterisering van de prestaties van het LESHI-systeem. (a) Gereconstrueerde afbeelding van de ISO12233-testkaart. (b) Ruimtelijke lijnprofielen van twee gebieden op de testkaart, gemarkeerd in lichtoranje en blauwgroene vakken op de locatie van label 1 in (a). (c) Ruimtelijke lijnprofielen van twee gebieden op de testkaart, gemarkeerd in lichtblauwe en blauwgroene vakken op de locatie van label 2 in (a). (d) Meting van het LEHSI-systeem. (e) Reconstructieresultaat van (c) in RGB-formaat. (f) Root mean square error (RMSE) en maximale fout van de gereconstrueerde afbeelding en meting door de CS-2000-spectrometer in zes lokale gebieden [gemarkeerd met witte vakken in (c)]. (g) Reconstructie van radiantiecurven van zes lokale gebieden [gemarkeerd met witte vakken in (c)] als functie van de golflengte. De grondwaarheid wordt verkregen door de CS-2000-spectrometer. (h) Zeven representatieve gereconstrueerde spectrale kanalen van (d).

Figuur 5. Resultaten van de toepassing van de brandpuntsafstandmodificatie. (a) Fasemodulatiepatronen geladen in LCoS-SLM met verschillende brandpuntsafstanden door middel van end-to-end training. (b) Overeenkomstige vastgelegde RGB-afbeeldingen van (a). (c) Resultaten van het herstel van spectrale beelden door toepassing van het LESHI-systeem bij verschillende brandpuntsafstanden. (d) Zes representatieve gereconstrueerde spectrale kanalen die overeenkomen met (c).

Figuur 6. Vergelijking van spectrale reconstructiesimulaties voor verschillende modellen. (a) Door de resultaten van de vier reconstructiegegevens en visuele effecten te vergelijken, kan het diffractieve optische beeldvormingsmodel op basis van LCoS-SLM de reconstructieprestaties effectief verbeteren en de verslechtering van de reconstructieresultaten, veroorzaakt door de gekwantiseerde DOE, voorkomen. (b) Spectrale radiantiecurven voor verschillende modellen. De spectrale curven laten zien dat de gereconstrueerde spectrale curven van LCoS-D dichter bij de grondwaarheidswaarden liggen.

De specificaties van de fase-alleen ruimtelijke lichtmodulator die in dit experiment werd gebruikt, zijn als volgt:

Laatste gedachten

DOE, als traditioneel diffractief optisch element, heeft een vaste structuur en functionaliteit, maar de efficiëntie is relatief hoog. De ruimtelijke lichtmodulator (SLM) van vloeibare kristallen daarentegen moduleert het golffront via elektrische aansturing, wat flexibele programmering en realtime modulatie mogelijk maakt. De efficiëntie is echter lager vanwege verliezen door pixelgaten en de respons van de vloeibare kristallen. Beide hebben hun eigen voor- en nadelen, en door ze complementair te gebruiken, is het mogelijk om optische systemen te optimaliseren. Zo kan een SLM worden gebruikt om aberraties in een DOE te corrigeren, of kan een DOE worden gecombineerd met een SLM om de functionele grenzen van de SLM te verleggen.

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