無監(jiān)督深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)單次非相干全息3D成像

論文信息

背景引入

數(shù)字全息術(shù)因其能夠從單一視點(diǎn)對3D場景進(jìn)行成像而備受關(guān)注。與直接成像相比，數(shù)字全息是一種間接的多步驟成像過程，包括光學(xué)記錄全息圖和數(shù)值計(jì)算重建，為包括深度學(xué)習(xí)在內(nèi)的計(jì)算成像方法提供了廣泛的應(yīng)用場景。近年來，非相干數(shù)字全息術(shù)因其成像分辨率高，無散斑噪聲和邊緣效應(yīng)，低成本等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。目前，非相干全息術(shù)已被應(yīng)用于孔徑成像、超分辨成像、大景深成像和晶格光片顯微成像。

近年來，深度學(xué)習(xí)已被應(yīng)用于非相干數(shù)字全息術(shù)。然而，目前所有的報告都是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，這些方法需要大量的配對標(biāo)記數(shù)據(jù)，并且存在泛化不足等問題。為了解決上述挑戰(zhàn)，本文提出了一種無訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)的單次非相干全息自校準(zhǔn)3D重建方法，稱為SC-RUN。SC-RUN可以提高點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）的保真度和信噪比，只需單個全息圖就可以實(shí)現(xiàn)3D對象的高保真度和無偽影重建。本文以無干涉編碼孔徑相關(guān)全息術(shù)（I-COACH）成像為例，清楚地展示了SC-RUN的效果。

方法原理

圖1 非干涉編碼孔徑關(guān)聯(lián)全息術(shù)裝置

非相干光源的光被透鏡L1聚焦以照射物體。物體位于透鏡L2的前焦平面Z3附近，使得物體可以被認(rèn)為位于CPM的遠(yuǎn)場中。加載了編碼相位的SLM位于透鏡L2距離d處，SLM前加偏振片P。由于I-COACH的成像模型在強(qiáng)度上是線性空間不變，因此傳感器記錄的物體全息圖可以被視為無數(shù)個物點(diǎn)全息圖的非相干強(qiáng)度疊加，因此，可以先對一個物點(diǎn)的光場進(jìn)行理論分析，然后通過卷積或疊加得到多物點(diǎn)物體的成像模型。

圖2 SC-RUN—校準(zhǔn)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)結(jié)構(gòu)

圖3 SC-RUN—基于無訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)的單次成像結(jié)構(gòu)

圖4 SC-RUN—基于無訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)的單次3D成像結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)光路

多通道I-COACH實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，其中振幅型空間光調(diào)制器的產(chǎn)品參數(shù)如下表所示。

圖5 I-COACH實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所采用的空間光調(diào)制器為我司的TSLM07U-A，其參數(shù)規(guī)格如下：

系統(tǒng)由不同軸向平面中的兩個目標(biāo)通道組成，其中數(shù)字微鏡器件（DMD）用作通道1中的目標(biāo)1，而振幅型空間光調(diào)制器用作通道2中的目標(biāo)2。來自空間非相干發(fā)光二極管（LED）的光通過聚光器收集以照射物體，然后兩個通道內(nèi)衍射的物體光通過分束棱鏡（BS1）組合并通過透鏡L進(jìn)行準(zhǔn)直。偏振片P使物光的偏振方向與純相位SLM的調(diào)制軸方向一致。最后，通過CMOS傳感器記錄由純相位SLM調(diào)制的光波。純相位SLM加載由GSA算法合成的全息圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 SC-RUN對PSF的校準(zhǔn)結(jié)果。a) 全息圖，b) 原始PSF，c) 使用原始PSF進(jìn)行非線性重建的結(jié)果，d) 已知對象，e) 校準(zhǔn)后的PSF，f) 使用校準(zhǔn)的PSF進(jìn)行非線性重建的結(jié)果。

圖7 SC-RUN和非線性重建的2D實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 SC-RUN和非線性重建的3D實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SC-RUN在I-COACH上表現(xiàn)良好，從而說明預(yù)先校準(zhǔn)PSF，然后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建對象的這一策略具有很大的潛力。目前，許多光學(xué)成像技術(shù)都是通過設(shè)計(jì)專門的PSF來實(shí)現(xiàn)的。例如，通過波前編碼生成亞衍射極限點(diǎn)PSF，以實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。類似地，通過使用波前編碼使PSF對錯誤聚焦不敏感，可以擴(kuò)展成像深度。對于其他信息，如物體的深度、光譜和偏振，可以編碼到PSF中來增加成像維度。上述計(jì)算成像技術(shù)在很大程度上依賴于PSF的先驗(yàn)信息，并且SC-RUN允許獲得高保真度、高信噪比的PSF。因此，當(dāng)已知前向算子時，可以獲得極好的重建結(jié)果。此外，由于SC-RUN在不需要數(shù)據(jù)集和標(biāo)簽的情況下強(qiáng)制測量一致性，并且考慮到大多數(shù)成像任務(wù)涉及具有已知正向算子的一個或多個逆求解模型，SC-RUN可以容易地應(yīng)用于各種其他成像任務(wù)。

論文總結(jié)

本文提出了一種通用的無監(jiān)督的非相干全息3D重建框架SC-RUN，它結(jié)合了非線性重建方法的物理知識和前向成像模型，通過具有額外物理約束的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行重建任務(wù)。SC-RUN同時考慮了時間分辨率和保真度，具有良好的魯棒性，并且不需要太多標(biāo)記的數(shù)據(jù)驅(qū)動信息。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，首次在非相干全息術(shù)中實(shí)現(xiàn)了具有強(qiáng)度變化的復(fù)雜物體的高保真度重建。SC-RUN通常適用于各種光學(xué)配置，并易于適應(yīng)其他成像任務(wù)。此外，SC-RUN對超分辨率成像、孔徑成像、景深擴(kuò)展成像和多維信息復(fù)用等領(lǐng)域具有廣泛潛力，為獲得動態(tài)光場的多維信息鋪平了道路。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202301091

審核編輯 黃宇