การถ่ายภาพแบบไฮเปอร์สเปกตรัมแบบไม่มีเลนส์ที่มีประสิทธิภาพโดยใช้การปรับเฟสแบบไดนามิก
ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ (Spatial light modulator: SLM) เป็นส่วนประกอบออปติคัลแบบไดนามิกที่สามารถปรับแอมพลิจูด เฟส และสถานะโพลาไรเซชันของแสงตกกระทบแบบเรียลไทม์ภายใต้การควบคุมจากภายนอก ทำได้โดยการปรับดัชนีหักเหของผลึกเหลว ซึ่งจะช่วยควบคุมความยาวเส้นทางแสง การใช้ SLM ของผลึกเหลวทำให้สามารถจำลององค์ประกอบออปติคัลแบบกระจายแสง (DOE) ได้ ทำให้สามารถควบคุมการเลี้ยวเบนได้เนื่องจากสามารถตั้งโปรแกรมได้และมีความยืดหยุ่น
การถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัมแบบสแนปช็อตโดยใช้องค์ประกอบออปติกแบบกระจายแสง (DOE) กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในความก้าวหน้าล่าสุดด้านออปติกเชิงลึก แม้จะมีความก้าวหน้าอย่างโดดเด่นในด้านความละเอียดเชิงพื้นที่และสเปกตรัม แต่ข้อจำกัดของเทคโนโลยีโฟโตลิโทกราฟีในปัจจุบันทำให้ DOE ที่สร้างขึ้นไม่สามารถออกแบบให้มีความสูงที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนสูงได้ ทำให้ประสิทธิภาพของการถ่ายภาพแบบเข้ารหัสและความแม่นยำในการสร้างภาพใหม่ในบางย่านความถี่ลดลง ในที่นี้ เท่าที่เราทราบ เราขอเสนอระบบการถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัมแบบสแนปช็อตที่มีประสิทธิภาพ (LESHI) แบบใหม่ที่ไม่มีเลนส์ ซึ่งใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ผลึกเหลวบนซิลิคอน (LCoS-SLM) เพื่อแทนที่ DOE ที่สร้างขึ้นแบบดั้งเดิม ส่งผลให้มีระดับการมอดูเลตสูงและความแม่นยำในการสร้างภาพใหม่ นอกเหนือจากแบบจำลองการถ่ายภาพด้วยเลนส์เดี่ยว ระบบยังสามารถใช้ประโยชน์จากความสามารถในการสลับของ LCoS-SLM เพื่อนำการถ่ายภาพแบบกระจายแสงแบบออปติก (DDO) มาใช้ และเพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนในช่วงสเปกตรัมที่มองเห็นได้ทั้งหมด
ขั้นตอนการทดลองบางส่วนและผลการทดลอง
แผนผังของระบบ LESHI แสดงในรูปที่ 1 แหล่งกำเนิดแสง (ชุดไฟมาตรฐาน CIE D65, ตู้ไฟ Datacolor Tru-Vue) ถูกใช้เพื่อส่องสว่างวัตถุ แสงที่สะท้อนจากตัวอย่างจะผ่านโพลาไรเซอร์ (GCL-050003) สะท้อนโดยตัวแยกลำแสง (GCC-M402103) และกระทบกับ LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02, ระดับสีเทา 8 บิต 256 ขั้น, อัตราการรีเฟรช 180 เฮิรตซ์) ที่โหลดด้วยรูปแบบ DOE ที่เหมาะสมที่สุด เนื่องจากชั้นผลึกเหลวมีดัชนีหักเหแสงที่แตกต่างกันสำหรับความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของสเปกตรัม [52,53] จึงสามารถสร้างความล่าช้าเฟสที่แตกต่างกันสำหรับสเปกตรัมทั้งหมดเช่นเดียวกับ DOE โดยแบ่งลูกบาศก์ข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัมต่อเนื่อง ดังนั้น เมื่อคลื่นแสงผ่านชั้นผลึกเหลวของ LCoS-SLM การมอดูเลตของแต่ละพิกเซลจะทำให้เฟสของคลื่นแสงเปลี่ยนแปลงไป สุดท้าย แสงที่มอดูเลตเฟสที่สะท้อนจาก LCoS-SLM จะส่งผ่านตัวแยกลำแสงและถูกบันทึกโดยกล้อง CMOS สี (ME2P-1230-23U3C ซึ่งมีฟิลเตอร์ Bayer)
รูปที่ 1 แผนผังของระบบถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัมแบบสแนปช็อตประสิทธิภาพสูง (LESHI) ที่ใช้ผลึกเหลวบนซิลิคอนเป็นตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ LESHI ประกอบด้วยอัลกอริทึมการสร้างภาพแบบเลี้ยวเบนบนฮาร์ดแวร์และอัลกอริทึมการสร้างภาพไฮเปอร์สเปกตรัมบนซอฟต์แวร์ ส่วนประกอบของการถ่ายภาพแบบเลี้ยวเบนประกอบด้วย LCoS-SLM โพลาไรเซอร์ ตัวแยกลำแสง และกล้อง CMOS สี อัลกอริทึมการสร้างภาพไฮเปอร์สเปกตรัมใช้ ResU-net เพื่อถอดรหัสข้อมูลสเปกตรัม
รูปที่ 2 หลักการทำงานของ LESHI (ก) กระบวนการของ LESHI (ข) แผนผังกระบวนการรับข้อมูล PSF ในการถ่ายภาพด้วยแสงแบบเลี้ยวเบนโดยใช้ LCoS-SLM ร่วมกับรูปแบบ DOE (ค) การออกแบบแบบจำลอง DDO โดยอาศัย LCoS-SLM DDO ผสาน PSF ของ DOE แต่ละอันในแต่ละแบนด์เข้าด้วยกัน และเพิ่มแบบจำลองประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนเพื่อสร้างแบบจำลอง PSF ที่เสื่อมสภาพ (ง) โครงสร้างของอัลกอริทึมการสร้างภาพ ResU-net ซึ่งรวมสถาปัตยกรรมรูปตัว U ของ U-net เข้ากับการเชื่อมต่อที่เหลือของ ResNet
รูปที่ 3 การตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง LESHI (a) ข้อมูลพื้นฐานจากชุดข้อมูล ICVL (b) รูปแบบ DOE จำลองที่ฝึกแล้วโหลดลงใน LCoS-SLM (c) ภาพ RGB ที่สร้างโดยแบบจำลอง LESHI ที่มีรูปแบบ DOE เดียว (d) ผลลัพธ์ที่สร้างขึ้นใหม่ของ (c) (e) ภาพไฮเปอร์สเปกตรัมที่สร้างขึ้นใหม่โดยใช้แบบจำลอง LESHI ที่มีรูปแบบ DOE เดียว (f) ค่าพื้นฐานและค่าที่สร้างขึ้นใหม่ของเส้นโค้งความสว่างของสเปกตรัมสำหรับพื้นที่เฉพาะที่ “1” ที่ทำเครื่องหมายไว้ใน (a) (g) เช่นเดียวกับ (f) แต่สำหรับพื้นที่เฉพาะที่ “2” (h) ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนเป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่น โดยใช้รูปแบบ DOE เดียว (LCoS-S) และรูปแบบ DOE หลายรูปแบบ (LCoS-D) ในแบบจำลอง LESHI ตารางแสดงค่าประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนสัมพัทธ์ (RDEG) ของ LCoS-D เมื่อเปรียบเทียบกับ LCoS-S ในแถบสามแถบที่แตกต่างกัน (400–500 นาโนเมตร, 500–600 นาโนเมตร, 600–700 นาโนเมตร)
รูปที่ 4 ลักษณะเฉพาะของประสิทธิภาพของระบบ LESHI (ก) ภาพจำลองของแผนภูมิทดสอบ ISO12233 (ข) โปรไฟล์เส้นเชิงพื้นที่ของสองพื้นที่บนแผนภูมิทดสอบ ซึ่งเน้นด้วยกรอบสีส้มอ่อนและสีเขียวอมฟ้า ณ ตำแหน่งฉลาก 1 ใน (ก) (ค) โปรไฟล์เส้นเชิงพื้นที่ของสองพื้นที่บนแผนภูมิทดสอบ ซึ่งเน้นด้วยกรอบสีฟ้าอ่อนและสีเขียวอมฟ้า ณ ตำแหน่งฉลาก 2 ใน (ก) (ง) การวัดค่าระบบ LEHSI (จ) ผลการสร้างภาพจำลองของ (ค) ในรูปแบบ RGB (ฉ) ค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ย (RMSE) และความคลาดเคลื่อนสูงสุดของภาพจำลองและการวัดค่าโดยเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ CS-2000 ที่หกพื้นที่เฉพาะ [ทำเครื่องหมายด้วยกรอบสีขาวใน (ค)] (ช) เส้นโค้งรัศมีการสร้างภาพจำลองของหกพื้นที่เฉพาะ [ทำเครื่องหมายด้วยกรอบสีขาวใน (ค)] โดยคำนวณจากความยาวคลื่น ความจริงพื้นฐานได้จากเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ CS-2000 (h) ช่องสเปกตรัมที่สร้างขึ้นใหม่เจ็ดตัวแทนของ (d)
รูปที่ 5 ผลการประยุกต์ใช้สำหรับการปรับเปลี่ยนความยาวโฟกัส (ก) รูปแบบการปรับเฟสที่โหลดลงใน LCoS-SLM ที่มีความยาวโฟกัสต่างกันโดยการฝึกอบรมแบบ end-to-end (ข) ภาพ RGB ที่ถ่ายได้ที่สอดคล้องกันของ (ก) (ค) ผลลัพธ์ของการกู้คืนภาพสเปกตรัมโดยการใช้ระบบ LESHI ที่มีความยาวโฟกัสต่างกัน (ง) ช่องสเปกตรัมที่สร้างขึ้นใหม่จำนวน 6 ช่องที่เป็นตัวแทนซึ่งสอดคล้องกับ (ค)
รูปที่ 6 การเปรียบเทียบการจำลองการสร้างสเปกตรัมสำหรับแบบจำลองต่างๆ (ก) เมื่อเปรียบเทียบผลข้อมูลการสร้างสเปกตรัมทั้งสี่แบบกับผลทางภาพ แบบจำลองการถ่ายภาพด้วยแสงแบบเลี้ยวเบนที่อาศัย LCoS-SLM สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการสร้างสเปกตรัมได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงการลดทอนประสิทธิภาพการสร้างสเปกตรัมที่เกิดจาก DOE เชิงปริมาณ (ข) เส้นโค้งความสว่างสเปกตรัมสำหรับแบบจำลองต่างๆ เส้นโค้งสเปกตรัมแสดงให้เห็นว่าเส้นโค้งสเปกตรัมที่สร้างขึ้นใหม่ของ LCoS-D ใกล้เคียงกับค่าความจริงภาคพื้นดินมากขึ้น
ข้อมูลจำเพาะของเครื่องปรับแสงเชิงพื้นที่แบบเฟสเดียวที่ใช้ในการทดลองนี้มีดังนี้:
| แบบอย่าง | FSLM-2K39-P02 | ประเภทการปรับแต่ง | ประเภทเฟส |
| แอลซี พิมพ์ | สะท้อนแสง | จีรังสีสเกล ล.เอล์ฟ | 8 บิต 256 ระดับ |
| ปณิธาน | 1920×1080 | ขนาดพิกเซล | 4.5ไมโครเมตร |
| พื้นที่ที่มีประสิทธิภาพ | 0.39 นิ้ว
| ช่วงเฟส | 2π@532nm สูงสุด: 3.8π@532nm 2π@637nm สูงสุด: 3π@637nm |
| ปัจจัยการเติม | 91.3% | ประสิทธิภาพทางแสง | 68.7%@532นาโนเมตร 60.8%@637 นาโนเมตร 75%@808nm |
| อินเทอร์เฟซข้อมูล | มินิ ดีพี | มุมการวางแนว | 0° |
| อัตราการรีเฟรช | 60เฮิรตซ์/180เฮิรตซ์/360เฮิรตซ์ รองรับสี: ใช่ | เวลาตอบสนอง | ≤16.7มิลลิวินาที |
| การแก้ไขแกมมา | ได้รับการสนับสนุน | ช่วงสเปกตรัม | 420นาโนเมตร-820นาโนเมตร |
| การแก้ไขหน้าคลื่น | ได้รับการสนับสนุน (532นาโนเมตร/635นาโนเมตร) | การสอบเทียบเฟส | ได้รับการสนับสนุน (450นาโนเมตร/532นาโนเมตร/635นาโนเมตร/808นาโนเมตร) |
| แรงดันไฟฟ้าขาเข้า | 5V 2A | ความเป็นเส้นตรง | ≥99% |
| ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบน | 532 นาโนเมตร 65%@L8 74%@L16 80%@L32 637 นาโนเมตร 65%@L8 74%@L16 80%@L32 | เกณฑ์ความเสียหาย | ต่อเนื่อง: ≤ 20 W/cm² (ไม่มีการระบายความร้อนด้วยน้ำ), ≤ 100 W/cm² (มีการระบายความร้อนด้วยน้ำ) พัลส์: ความหนาแน่นพลังงานสูงสุด (0.05 GW/cm²), ความหนาแน่นพลังงานเฉลี่ย (2 W/cm²) @532 nm/290 fs/100 KHz (พร้อมระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ) |
ความคิดสุดท้าย
DOE ในฐานะองค์ประกอบแสงแบบกระจายแสงแบบดั้งเดิม มีโครงสร้างและฟังก์ชันการทำงานที่คงที่ แต่มีประสิทธิภาพค่อนข้างสูง ในทางตรงกันข้าม ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ผลึกเหลว (SLM) จะปรับหน้าคลื่นผ่านการควบคุมด้วยไฟฟ้า ทำให้สามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างยืดหยุ่นและปรับแบบเรียลไทม์ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพจะลดลงเนื่องจากการสูญเสียจากช่องว่างพิกเซลและการตอบสนองของผลึกเหลว ทั้งสองอย่างนี้มีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง และเมื่อนำมาใช้ควบคู่กัน จะทำให้สามารถปรับระบบแสงให้เหมาะสมได้ ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ SLM เพื่อแก้ไขความคลาดเคลื่อนใน DOE หรืออาจใช้ DOE ร่วมกับ SLM เพื่อขยายขอบเขตการทำงานของ SLM
ข้อมูลบทความ: https://doi.org/10.1364/PRJ.543621