Chụp ảnh siêu phổ nhanh không cần ống kính hiệu quả bằng cách sử dụng điều chế pha động

2025-04-25

Bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM) là một linh kiện quang học động có khả năng điều biến biên độ, pha và trạng thái phân cực của ánh sáng tới theo thời gian thực dưới sự kiểm soát bên ngoài. Nó đạt được điều này bằng cách điều chỉnh chiết suất của tinh thể lỏng, từ đó kiểm soát độ dài đường quang. Bằng cách sử dụng SLM tinh thể lỏng, có thể mô phỏng các phần tử quang học nhiễu xạ (DOE), cho phép điều khiển nhiễu xạ chủ động nhờ khả năng lập trình và tính linh hoạt của chúng.

Chụp ảnh siêu phổ nhanh dựa trên phần tử quang học nhiễu xạ (DOE) ngày càng được chú trọng trong những tiến bộ gần đây của quang học sâu. Mặc dù có những tiến bộ đáng kể về độ phân giải không gian và quang phổ, nhưng những hạn chế của công nghệ quang khắc hiện tại đã ngăn cản DOE chế tạo được thiết kế ở độ cao lý tưởng và với hiệu suất nhiễu xạ cao, làm giảm hiệu quả của hình ảnh mã hóa và độ chính xác tái tạo trong một số dải tần. Ở đây, chúng tôi đề xuất, theo hiểu biết của chúng tôi, một hệ thống chụp ảnh siêu phổ nhanh hiệu quả không cần thấu kính (LESHI) mới sử dụng bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng trên silicon (LCoS-SLM) để thay thế DOE chế tạo truyền thống, mang lại mức điều chế cao và độ chính xác tái tạo. Ngoài mô hình chụp ảnh ống kính đơn, hệ thống có thể tận dụng khả năng chuyển đổi của LCoS-SLM để thực hiện chụp ảnh quang học nhiễu xạ phân tán (DDO) và nâng cao hiệu suất nhiễu xạ trên toàn bộ phổ khả kiến.

Quy trình thử nghiệm một phần và kết quả

Sơ đồ hệ thống LESHI được thể hiện trong Hình 1. Một nguồn sáng (đèn chiếu sáng chuẩn CIE D65, buồng chiếu sáng Datacolor Tru-Vue) được sử dụng để chiếu sáng vật thể. Ánh sáng phản xạ của mẫu đi qua bộ phân cực (GCL-050003), được phản xạ bởi bộ tách chùm tia (GCC-M402103) và tác động vào LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02, mức xám 8 bit gồm 256 bước, tốc độ làm mới 180 Hz) được tải bằng các mẫu DOE được tối ưu hóa. Vì lớp tinh thể lỏng có các chiết suất khác nhau đối với các bước sóng khác nhau của quang phổ [52,53], nên nó có thể tạo ra các độ trễ pha khác nhau cho toàn bộ quang phổ giống như DOE, chia tách khối dữ liệu siêu phổ liên tục. Do đó, khi sóng ánh sáng đi qua lớp tinh thể lỏng của LCoS-SLM, sự điều chế của từng điểm ảnh sẽ làm thay đổi pha của sóng ánh sáng. Cuối cùng, ánh sáng điều chế pha phản xạ từ LCoS-SLM truyền đến bộ chia chùm tia và được ghi lại bởi camera CMOS màu (ME2P-1230-23U3C, có chứa bộ lọc Bayer).

Hình 1. Sơ đồ hệ thống chụp ảnh siêu phổ hiệu quả không thấu kính (LESHI). LCoS-SLM, bộ điều biến ánh sáng không gian dựa trên tinh thể lỏng trên silicon. LESHI bao gồm các thuật toán chụp ảnh nhiễu xạ dựa trên phần cứng và tái tạo siêu phổ dựa trên phần mềm. Thành phần chụp ảnh nhiễu xạ bao gồm LCoS-SLM, bộ phân cực, bộ tách chùm tia và camera CMOS màu. Thuật toán tái tạo siêu phổ sử dụng mạng ResU để giải mã thông tin phổ.

Hình 2. Nguyên lý hoạt động của LESHI. (a) Đường ống của LESHI. (b) Sơ đồ quy trình thu thập PSF trong chụp ảnh quang học nhiễu xạ dựa trên LCoS-SLM với các mẫu DOE. (c) Thiết kế mô hình DDO dựa trên LCoS-SLM. DDO hợp nhất các PSF của các DOE riêng lẻ thuộc các dải khác nhau và thêm mô hình hiệu suất nhiễu xạ để tạo thành một mô hình PSF suy biến. (d) Cấu trúc của thuật toán tái tạo ResU-net, kết hợp kiến trúc hình chữ U của U-net với các kết nối dư của ResNet.

Hình 3. Xác thực mô hình LESHI. (a) Giá trị thực tế từ tập dữ liệu ICVL. (b) Mẫu DOE mô phỏng đã được huấn luyện được tải trên LCoS-SLM. (c) Ảnh RGB được tạo bởi mô hình LESHI với một mẫu DOE duy nhất. (d) Kết quả tái tạo của (c). (e) Ảnh siêu phổ được tái tạo bằng mô hình LESHI với một mẫu DOE duy nhất. (f) Giá trị thực tế và giá trị tái tạo của đường cong độ chói phổ cho diện tích cục bộ “1” được đánh dấu trong (a). (g) Giống như (f) nhưng dành cho diện tích cục bộ “2”. (h) Hiệu suất nhiễu xạ theo hàm của bước sóng, sử dụng mẫu DOE đơn (LCoS-S) và nhiều mẫu DOE (LCoS-D) trong mô hình LESHI. Bảng hiển thị độ lợi hiệu suất nhiễu xạ tương đối (RDEG) của LCoS-D so với LCoS-S ở ba băng tần khác nhau (400–500 nm, 500–600 nm, 600–700 nm).

Hình 4. Đặc điểm hiệu suất hệ thống LESHI. (a) Hình ảnh tái tạo của biểu đồ thử nghiệm ISO12233. (b) Hồ sơ đường không gian của hai vùng trên biểu đồ thử nghiệm, được đánh dấu bằng ô màu cam nhạt và màu xanh mòng két tại vị trí nhãn 1 trong (a). (c) Hồ sơ đường không gian của hai vùng trên biểu đồ thử nghiệm, được đánh dấu bằng ô màu xanh nhạt và màu xanh mòng két tại vị trí nhãn 2 trong (a). (d) Đo hệ thống LEHSI. (e) Kết quả tái tạo của (c) ở định dạng RGB. (f) Sai số bình phương trung bình căn bậc hai (RMSE) và sai số tối đa của hình ảnh tái tạo và phép đo bằng máy quang phổ CS-2000 tại sáu vùng cục bộ [được đánh dấu bằng ô màu trắng trong (c)]. (g) Đường cong bức xạ tái tạo của sáu vùng cục bộ [được đánh dấu bằng ô màu trắng trong (c)] theo hàm của bước sóng. Độ chính xác thực tế thu được bằng máy quang phổ CS-2000. (h) Bảy kênh quang phổ tái tạo tiêu biểu của (d).

Hình 5. Kết quả ứng dụng để điều chỉnh tiêu cự. (a) Các mẫu điều chế pha được tải lên LCoS-SLM với các tiêu cự khác nhau bằng cách huấn luyện đầu cuối. (b) Ảnh RGB tương ứng của (a). (c) Kết quả phục hồi ảnh phổ bằng cách áp dụng hệ thống LESHI ở các tiêu cự khác nhau. (d) Sáu kênh phổ tái tạo tiêu biểu tương ứng với (c).

Hình 6. So sánh mô phỏng tái tạo phổ cho các mô hình khác nhau. (a) So sánh bốn kết quả dữ liệu tái tạo và hiệu ứng thị giác, mô hình ảnh quang học nhiễu xạ dựa trên LCoS-SLM có thể cải thiện hiệu suất tái tạo và tránh sự suy giảm kết quả tái tạo do DOE lượng tử hóa gây ra. (b) Đường cong độ rọi phổ cho các mô hình khác nhau. Đường cong phổ cho thấy đường cong phổ tái tạo của LCoS-D gần với giá trị thực tế hơn.

Các thông số kỹ thuật của bộ điều biến ánh sáng không gian chỉ pha được sử dụng trong thí nghiệm này như sau:

Hình ảnh bộ điều biến ánh sáng không gian.jpg

Người mẫu	FSLM-2K39-P02	Loại điều chỉnh	Loại pha
LC Kiểu	Phản chiếu	Gthang độ tia Lcấp độ	8 bit, 256 cấp độ.
Nghị quyết	1920×1080	Kích thước điểm ảnh	4,5μm
Diện tích hiệu dụng	0,39" 8,64mm×4,86mm	Phạm vi pha	2π@532nm Tối đa: 3,8π@532nm 2π@637nm Tối đa: 3π@637nm
Hệ số lấp đầy	91,3%	Hiệu suất quang học	68,7% @ 532nm 60,8% @ 637nm 75%@808nm
Giao diện dữ liệu	Mini DP	Góc định hướng	0°
Tốc độ làm mới	60Hz/180Hz/360Hz Màu sắc được hỗ trợ: CÓ	Thời gian phản hồi	≤16,7ms
Hiệu chỉnh Gamma	Được hỗ trợ	Phạm vi quang phổ	420nm-820nm
Hiệu chỉnh mặt sóng	Được hỗ trợ (532nm/635nm)	Hiệu chuẩn pha	Được hỗ trợ (450nm/532nm/635nm/808nm)
Điện áp đầu vào	5V 2A	Tính tuyến tính	≥99%
Hiệu suất nhiễu xạ	532nm 65%@L8 74%@L16 80%@L32 637nm 65%@L8 74%@L16 80%@L32	Ngưỡng thiệt hại	Liên tục: ≤ 20 W/cm² (không làm mát bằng nước), ≤ 100 W/cm² (có làm mát bằng nước) Xung: Mật độ công suất cực đại (0,05 GW/cm²), mật độ công suất trung bình (2 W/cm²) @532 nm/290 fs/100 KHz (có làm mát bằng nước)

Suy nghĩ cuối cùng

DOE, là một thành phần quang học nhiễu xạ truyền thống, có cấu trúc và chức năng cố định, nhưng hiệu suất của nó tương đối cao. Ngược lại, bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng (SLM) điều biến mặt sóng thông qua điều khiển điện, cho phép lập trình linh hoạt và điều chế thời gian thực. Tuy nhiên, hiệu suất của nó thấp hơn do suy hao từ các khoảng trống điểm ảnh và đáp ứng tinh thể lỏng. Cả hai đều có ưu và nhược điểm riêng, và bằng cách sử dụng chúng bổ sung cho nhau, có thể tối ưu hóa hệ thống quang học. Ví dụ, SLM có thể được sử dụng để hiệu chỉnh quang sai trong DOE, hoặc DOE có thể được kết hợp với SLM để mở rộng ranh giới chức năng của SLM.

Thông tin bài viết: https://doi.org/10.1364/PRJ.543621