基于動態(tài)相位調(diào)制的無透鏡快照高光譜成像

空間光調(diào)制器是一種可以在外部信號的控制下實時對入射光的振幅、相位及偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制的動態(tài)元器件，通過對液晶折射率的調(diào)制來實現(xiàn)對光程的控制。利用液晶空間光調(diào)制器可以實現(xiàn)對一些衍射器件進(jìn)行模擬，并且基于編程的靈活性和可操作性，從而可以進(jìn)行主動衍射調(diào)控。

論文信息

基于衍射光學(xué)元件（DOE）的快照高光譜成像技術(shù)在深度光學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展中備受關(guān)注。盡管其空間和光譜分辨率取得了顯著進(jìn)步，但受限于當(dāng)前光刻技術(shù)，制造的衍射光學(xué)元件難以實現(xiàn)理想設(shè)計的高階衍射圖案與全譜段高衍射效率，從而影響了某些波段的編碼成像效果和重建精度。在此，本文提出了一種新的無透鏡高效快照高光譜成像（LESHI）系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用硅基液晶空間光調(diào)制器（LCoS-SLM）替代傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件，實現(xiàn)了高精度相位調(diào)制和光譜重建。除了單透鏡成像模型外，該系統(tǒng)還可以利用LCoS-SLM的刷新能力實現(xiàn)分布式衍射光學(xué)（DDO）成像，并提高整個可見光譜范圍內(nèi)的衍射效率。

部分實驗過程及實驗結(jié)果

LESHI實驗系統(tǒng)如圖1所示。使用光源照射物體，經(jīng)過物體的反射光通過偏振器，由分束器反射，并照射到加載了優(yōu)化的DOE圖案的LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02，8bit，180Hz）。由于液晶層對不同波長的光具有不同的折射率，因此可以像DOE一樣對整個光譜產(chǎn)生不同的相位延遲，從而對連續(xù)的高光譜數(shù)據(jù)立方體進(jìn)行編碼。因此，當(dāng)光波穿過LCoS-SLM的液晶層時，每個像素的調(diào)制會導(dǎo)致光波的相位變化。最后，從LCoS-SLM反射的相位調(diào)制光穿過分束器并被彩色CMOS相機(jī)記錄，并且被記錄為三通道的相位編碼彩色圖像。隨后，利用光譜重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對該圖像進(jìn)行解碼，重建出 31 通道的高光譜圖像。

圖1無透鏡高效快照高光譜成像(LESHI)系統(tǒng)示意圖。LCoS-SLM，硅基液晶空間光調(diào)制器。LESHI包括基于衍射成像的硬件部分和基于高光譜重建算法的軟件部分。衍射成像組件包括LCoS-SLM、偏振器、分束器和彩色CMOS相機(jī)。高光譜重建算法使用ResU-net解碼光譜信息。

圖2 LESHI的工作原理。(a)LESHI流程示意圖。(b)基于LCoS-SLM和DOE模式在衍射光學(xué)成像中獲取PSF的示意圖。(c)DDO基于LCoS-SLM的模型設(shè)計。DDO將不同波段各個DOE的PSF進(jìn)行融合，并加入衍射效率模型，形成一個簡化的PSF模型。(d)ResU-net重構(gòu)算法的結(jié)構(gòu)，結(jié)合了U-net的U形架構(gòu)和ResNet的殘差連接。

圖3 LESHI模型驗證。(a) ICVL數(shù)據(jù)集的真實值。(b) LCoS-SLM上的訓(xùn)練模擬DOE模式。(c)由LESHI模型生成的單個DOE模式的RGB圖像。(d)為(c)的重建結(jié)果。(e)使用LESHI模型和單個DOE模式重建的高光譜圖像。(f)在(a)中標(biāo)記的局部區(qū)域“1”的光譜輻射曲線的真實值和重建值。(g)與（f）相同，但針對局部區(qū)域“2”。(h)使用單個DOE模式（LCoS-S）和多個DOE模式的衍射效率隨波長變化的關(guān)系圖。LESHI模型中的DOE模式（LCoS-D）。表中顯示了與LCoS-S相比，三個不同波段（400-500nm、500-600nm、600-700nm）的LCoS-D相對衍射效率增益（RDEG）。

圖4 LESHI系統(tǒng)性能表征。(a) ISO12233測試圖的重建圖像。(b)測試圖上兩個區(qū)域的空間線輪廓，用淺橙色和藍(lán)綠色框標(biāo)出，位于(a)中的標(biāo)簽1位置。(c)測試圖上兩個區(qū)域的空間線輪廓，用淺藍(lán)色和藍(lán)綠色框標(biāo)出，位于(a)中的標(biāo)簽2位置。(d) LEHSI系統(tǒng)的測量。(e)為(c)的重建結(jié)果以RGB格式呈現(xiàn)。(f)在六個局部區(qū)域[(c)中用白色框標(biāo)記]，使用CS-2000光譜儀重建圖像與測量值的均方根誤差（RMSE）和最大誤差。(g)作為波長函數(shù)的六個局部區(qū)域[(c)中用白色框標(biāo)記]的重建輻射曲線。真實值由CS-2000光譜儀獲得。(h)為(d)的七個代表性重建光譜通道。

圖5 焦距修改的應(yīng)用結(jié)果。(a)通過端到端訓(xùn)練加載到LCoS-SLM上的不同焦距相位調(diào)制圖案。(b)對應(yīng)(a)的捕獲的RGB圖像。(c)應(yīng)用LESHI系統(tǒng)在不同焦距下進(jìn)行光譜圖像恢復(fù)的焦距結(jié)果。(d)對應(yīng)(c)的六個代表性重建光譜通道。

圖6 不同模型的光譜重建模擬比較。(a)對比四種重建數(shù)據(jù)結(jié)果和視覺效果，基于LCoS-SLM的衍射光學(xué)成像模型能夠有效提升重建性能，避免因量化DOE導(dǎo)致的重建結(jié)果退化。(b)不同模型的光譜輻射曲線。光譜曲線顯示，LCoS-D的重建光譜曲線更接近真實值。

本實驗中所采用相位型空間光調(diào)制器的參數(shù)規(guī)格如下：

寫在最后

DOE作為傳統(tǒng)的衍射光學(xué)器件，其結(jié)構(gòu)固定，功能固定，但效率比較高；而對應(yīng)的液晶空間光調(diào)制器則是通過電控的方式調(diào)制波前，可實現(xiàn)靈活編程，實時調(diào)制，但受限于像素間隙和液晶響應(yīng)的損耗導(dǎo)致其效率較低。兩者各有優(yōu)缺點，通過兩者互補(bǔ)使用，可以實現(xiàn)對光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化，例如用SLM矯正DOE的像差，或者結(jié)合DOE擴(kuò)展SLM的功能邊界等。

文章信息：

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

審核編輯 黃宇