การถ่ายภาพแบบไฮเปอร์สเปกตรัมแบบไม่มีเลนส์ที่มีประสิทธิภาพโดยใช้การมอดูเลตเฟสแบบไดนามิก
ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ (SLM) คือส่วนประกอบออปติกแบบไดนามิกที่สามารถปรับแอมพลิจูด เฟส และสถานะโพลาไรเซชันของแสงตกกระทบแบบเรียลไทม์ภายใต้การควบคุมจากภายนอก โดยทำได้โดยการปรับดัชนีการหักเหของคริสตัลเหลว จึงสามารถควบคุมความยาวเส้นทางแสงได้ การใช้ SLM ของคริสตัลเหลวทำให้สามารถจำลององค์ประกอบออปติกการเลี้ยวเบนแสง (DOE) ได้ ทำให้สามารถควบคุมการเลี้ยวเบนแสงได้เนื่องจากสามารถตั้งโปรแกรมได้และมีความยืดหยุ่น
การถ่ายภาพแบบไฮเปอร์สเปกตรัมแบบสแน็ปช็อตโดยใช้องค์ประกอบออปติกการเลี้ยวเบนแสง (DOE) ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ในงานพัฒนาออปติกเชิงลึกล่าสุด แม้จะมีความก้าวหน้าอย่างน่าทึ่งในด้านความละเอียดเชิงพื้นที่และสเปกตรัม แต่ข้อจำกัดของเทคโนโลยีโฟโตลิโทกราฟีในปัจจุบันทำให้ไม่สามารถออกแบบ DOE ที่ผลิตขึ้นให้มีความสูงที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนแสงสูง ทำให้ประสิทธิภาพของการถ่ายภาพที่เข้ารหัสและความแม่นยำในการสร้างภาพใหม่ลดลงในบางย่านความถี่ ในที่นี้ เราเสนอระบบการถ่ายภาพแบบไฮเปอร์สเปกตรัมแบบสแน็ปช็อตที่มีประสิทธิภาพ (LESHI) ใหม่ ซึ่งใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบผลึกเหลวบนซิลิกอน (LCoS-SLM) เพื่อแทนที่ DOE ที่ผลิตขึ้นแบบดั้งเดิม ส่งผลให้มีระดับการมอดูเลตสูงและความแม่นยำในการสร้างภาพใหม่ นอกเหนือจากแบบจำลองการถ่ายภาพเลนส์เดี่ยวแล้ว ระบบยังสามารถใช้ประโยชน์จากความสามารถในการสลับของ LCoS-SLM เพื่อนำการถ่ายภาพด้วยออปติกการเลี้ยวเบนแสงแบบกระจาย (DDO) มาใช้ และเพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนแสงในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ทั้งหมด
ขั้นตอนการทดลองและผลการทดลองบางส่วน
แผนผังของระบบ LESHI แสดงอยู่ในรูปที่ 1 แหล่งกำเนิดแสง (ไฟมาตรฐาน CIE D65, ตู้ไฟ Datacolor Tru-Vue) ใช้ในการส่องสว่างวัตถุ แสงที่สะท้อนจากตัวอย่างจะผ่านโพลาไรเซอร์ (GCL-050003) สะท้อนโดยตัวแยกลำแสง (GCC-M402103) และกระทบกับ LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02 ระดับสีเทา 8 บิต 256 ขั้น อัตราการรีเฟรช 180 เฮิรตซ์) ที่โหลดด้วยรูปแบบ DOE ที่ปรับให้เหมาะสม เนื่องจากชั้นคริสตัลเหลวมีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันสำหรับความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของสเปกตรัม [52,53] จึงสามารถสร้างความล่าช้าของเฟสที่แตกต่างกันสำหรับสเปกตรัมทั้งหมดได้เช่นเดียวกับ DOE โดยแบ่งลูกบาศก์ข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัมต่อเนื่อง ดังนั้น เมื่อคลื่นแสงผ่านชั้นคริสตัลเหลวของ LCoS-SLM การปรับเปลี่ยนของแต่ละพิกเซลจะทำให้เฟสของคลื่นแสงเปลี่ยนแปลง ในที่สุด แสงที่ปรับเปลี่ยนเฟสซึ่งสะท้อนจาก LCoS-SLM จะส่งผ่านตัวแยกลำแสงและถูกบันทึกโดยกล้อง CMOS สี (ME2P-1230-23U3C ซึ่งมีฟิลเตอร์ Bayer)
รูปที่ 1 แผนผังของระบบถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัมแบบสแน็ปช็อตที่มีประสิทธิภาพ (LESHI) LCoS-SLM ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบคริสตัลเหลวบนฐานซิลิกอน LESHI ประกอบด้วยอัลกอริธึมการสร้างภาพไฮเปอร์สเปกตรัมแบบฮาร์ดแวร์และแบบซอฟต์แวร์ ส่วนประกอบของการสร้างภาพไฮเปอร์สเปกตรัมประกอบด้วย LCoS-SLM โพลาไรเซอร์ ตัวแยกลำแสง และกล้อง CMOS สี อัลกอริธึมการสร้างภาพไฮเปอร์สเปกตรัมใช้ ResU-net เพื่อถอดรหัสข้อมูลสเปกตรัม
รูปที่ 2 หลักการทำงานของ LESHI (ก) กระบวนการของ LESHI (ข) แผนผังกระบวนการรับ PSF ในการถ่ายภาพด้วยแสงแบบเลี้ยวเบนแสงโดยใช้ LCoS-SLM พร้อมรูปแบบ DOE (ค) การออกแบบแบบจำลอง DDO โดยใช้ LCoS-SLM DDO จะรวม PSF ของ DOE แต่ละอันในแบนด์ต่างๆ เข้าด้วยกัน และเพิ่มแบบจำลองประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนแสงเพื่อสร้างแบบจำลอง PSF ที่เสื่อมลง (ง) โครงสร้างของอัลกอริธึมการสร้างภาพ ResU-net ซึ่งรวมสถาปัตยกรรมรูปตัว U ของ U-net เข้ากับการเชื่อมต่อที่เหลือของ ResNet
รูปที่ 3 การตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง LESHI (ก) ข้อมูลพื้นฐานจากชุดข้อมูล ICVL (ข) รูปแบบ DOE จำลองที่ฝึกแล้วโหลดลงใน LCoS-SLM (ค) ภาพ RGB ที่สร้างโดยแบบจำลอง LESHI โดยใช้รูปแบบ DOE เดียว (ง) ผลลัพธ์ที่สร้างขึ้นใหม่ของ (ค) (จ) ภาพไฮเปอร์สเปกตรัมที่สร้างขึ้นใหม่โดยใช้แบบจำลอง LESHI โดยใช้รูปแบบ DOE เดียว (ฉ) ข้อมูลพื้นฐานและค่าที่สร้างขึ้นใหม่ของเส้นโค้งความสว่างสเปกตรัมสำหรับพื้นที่ท้องถิ่น “1” ที่ทำเครื่องหมายไว้ใน (ก) (ช) เช่นเดียวกับ (ฉ) แต่สำหรับพื้นที่ท้องถิ่น “2” (ซ) ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนเป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่น โดยใช้รูปแบบ DOE เดียว (LCoS-S) และรูปแบบ DOE หลายรูปแบบ (LCoS-D) ในแบบจำลอง LESHI ตารางแสดงค่าประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนสัมพันธ์ (RDEG) ของ LCoS-D เมื่อเทียบกับ LCoS-S ในสามแบนด์ที่แตกต่างกัน (400–500 นาโนเมตร, 500–600 นาโนเมตร, 600–700 นาโนเมตร)
รูปที่ 4 การกำหนดลักษณะการทำงานของระบบ LESHI (ก) ภาพที่สร้างขึ้นใหม่ของแผนภูมิการทดสอบ ISO12233 (ข) โปรไฟล์เส้นเชิงพื้นที่ของสองภูมิภาคในแผนภูมิการทดสอบ เน้นด้วยกล่องสีส้มอ่อนและสีน้ำเงินอมเขียวที่ตำแหน่งของฉลาก 1 ใน (ก) (ค) โปรไฟล์เส้นเชิงพื้นที่ของสองภูมิภาคในแผนภูมิการทดสอบ เน้นด้วยกล่องสีฟ้าอ่อนและสีน้ำเงินอมเขียวที่ตำแหน่งของฉลาก 2 ใน (ก) (ง) การวัดระบบ LEHSI (จ) ผลการสร้างใหม่ของ (ค) ในรูปแบบ RGB (ฉ) ข้อผิดพลาดรากที่สองของค่ากลางกำลังสอง (RMSE) และข้อผิดพลาดสูงสุดของภาพที่สร้างขึ้นใหม่และการวัดโดยเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ CS-2000 ที่หกภูมิภาคท้องถิ่น [ทำเครื่องหมายด้วยกล่องสีขาวใน (ค)] (ช) เส้นโค้งเรเดียนซ์ในการสร้างใหม่ของหกภูมิภาคท้องถิ่น [ทำเครื่องหมายด้วยกล่องสีขาวใน (ค)] โดยพิจารณาจากความยาวคลื่น ความจริงพื้นฐานได้จากเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ CS-2000 (h) ช่องสเปกตรัมที่สร้างขึ้นใหม่เจ็ดตัวแทนของ (d)
รูปที่ 5 ผลการประยุกต์ใช้สำหรับการปรับเปลี่ยนความยาวโฟกัส (ก) รูปแบบการมอดูเลตเฟสที่โหลดลงใน LCoS-SLM ด้วยความยาวโฟกัสที่แตกต่างกันโดยการฝึกอบรมแบบ end-to-end (ข) ภาพ RGB ที่จับภาพได้ที่สอดคล้องกันของ (ก) (ค) ผลลัพธ์ของการกู้คืนภาพสเปกตรัมโดยการใช้ระบบ LESHI ที่ความยาวโฟกัสที่แตกต่างกัน (ง) ช่องสเปกตรัมที่สร้างขึ้นใหม่หกช่องที่เป็นตัวแทนซึ่งสอดคล้องกับ (ค)
รูปที่ 6 การเปรียบเทียบการจำลองการสร้างสเปกตรัมสำหรับแบบจำลองต่างๆ (ก) เมื่อเปรียบเทียบผลข้อมูลการสร้างสเปกตรัมทั้งสี่แบบและเอฟเฟกต์ภาพแล้ว แบบจำลองการถ่ายภาพด้วยแสงแบบเลี้ยวเบนแสงที่อิงตาม LCoS-SLM สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการสร้างสเปกตรัมได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงการลดประสิทธิภาพของผลลัพธ์การสร้างสเปกตรัมที่เกิดจาก DOE แบบควอนไทซ์ (ข) เส้นโค้งความสว่างสเปกตรัมสำหรับแบบจำลองต่างๆ เส้นโค้งสเปกตรัมแสดงให้เห็นว่าเส้นโค้งสเปกตรัมที่สร้างใหม่ของ LCoS-D นั้นใกล้เคียงกับค่าความจริงพื้นฐานมากกว่า
ข้อมูลจำเพาะของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบเฟสเดียวที่ใช้ในการทดลองนี้มีดังนี้:
| แบบอย่าง | เอฟเอสแอลเอ็ม-2เค39-พี02 | ประเภทการปรับแต่ง | ประเภทเฟส |
| แอลซีพิมพ์ | สะท้อนแสง | จีรังสีสเกลลเอเวล | 8 บิต 256 ระดับ |
| ปณิธาน | 1920×1080 | ขนาดพิกเซล | 4.5ไมโครเมตร |
| พื้นที่ที่มีผล | 0.39"
| ช่วงเฟส | 2π@532นาโนเมตร สูงสุด: 3.8π@532nm 2π@637นาโนเมตร สูงสุด: 3π@637nm |
| ปัจจัยการเติม | 91.3% | ประสิทธิภาพทางแสง | 68.7%@532นาโนเมตร 60.8%@637นาโนเมตร 75%@808นาโนเมตร |
| อินเทอร์เฟซข้อมูล | มินิ DP | มุมการวางแนว | 0° |
| อัตราการรีเฟรช | 60เฮิรตซ์/180เฮิรตซ์/360เฮิรตซ์ รองรับสี: ใช่ | เวลาตอบสนอง | ≤16.7มิลลิวินาที |
| การแก้ไขแกมมา | รองรับ | ช่วงสเปกตรัม | 420นาโนเมตร-820นาโนเมตร |
| การแก้ไขหน้าคลื่น | รองรับ (532นาโนเมตร/635นาโนเมตร) | การสอบเทียบเฟส | รองรับ (450นาโนเมตร/532นาโนเมตร/635นาโนเมตร/808นาโนเมตร) |
| แรงดันไฟฟ้าขาเข้า | 5V 2A | ความเป็นเส้นตรง | ≥99% |
| ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบน | 532นาโนเมตร 65%@L8 74%@L16 80%@L32 637นาโนเมตร 65%@L8 74%@L16 80%@L32 | เกณฑ์ความเสียหาย | ต่อเนื่อง: ≤ 20 W/cm² (ไม่มีการระบายความร้อนด้วยน้ำ), ≤ 100 W/cm² (มีการระบายความร้อนด้วยน้ำ) พัลส์: ความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด (0.05 GW/cm²), ความหนาแน่นของพลังงานเฉลี่ย (2 W/cm²) @532 nm/290 fs/100 KHz (พร้อมระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ) |
ความคิดสุดท้าย
DOE ซึ่งเป็นองค์ประกอบออปติกการเลี้ยวเบนแสงแบบดั้งเดิม มีโครงสร้างและฟังก์ชันการทำงานที่แน่นอน แต่มีประสิทธิภาพค่อนข้างสูง ในทางตรงกันข้าม ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบคริสตัลเหลว (SLM) จะปรับหน้าคลื่นด้วยการควบคุมไฟฟ้า ทำให้สามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างยืดหยุ่นและปรับแบบเรียลไทม์ได้ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพจะต่ำกว่าเนื่องจากการสูญเสียจากช่องว่างของพิกเซลและการตอบสนองของคริสตัลเหลว ทั้งสองอย่างนี้มีข้อดีและข้อเสียในตัว และหากใช้ทั้งสองอย่างร่วมกัน ก็สามารถปรับระบบออปติกให้เหมาะสมได้ ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ SLM เพื่อแก้ไขความคลาดเคลื่อนใน DOE หรืออาจรวม DOE เข้ากับ SLM เพื่อขยายขอบเขตการทำงานของ SLM
ข้อมูลบทความ:ภาษาไทย: https://doi.org/10.1364/PRJ.543621