基于动态相位调制的无透镜快照高光谱成像

空间光调制器是一种可以在外部信号的控制下实时对入射光的振幅、相位及偏振态进行调制的动态元器件，通过对液晶折射率的调制来实现对光程的控制。利用液晶空间光调制器可以实现对一些衍射器件进行模拟，并且基于编程的灵活性和可操作性，从而可以进行主动衍射调控。

论文信息

基于衍射光学元件（DOE）的快照高光谱成像技术在深度光学领域的最新进展中备受关注。尽管其空间和光谱分辨率取得了显著进步，但受限于当前光刻技术，制造的衍射光学元件难以实现理想设计的高阶衍射图案与全谱段高衍射效率，从而影响了某些波段的编码成像效果和重建精度。在此，本文提出了一种新的无透镜高效快照高光谱成像（LESHI）系统，该系统利用硅基液晶空间光调制器（LCoS-SLM）替代传统衍射光学元件，实现了高精度相位调制和光谱重建。除了单透镜成像模型外，该系统还可以利用LCoS-SLM的刷新能力实现分布式衍射光学（DDO）成像，并提高整个可见光谱范围内的衍射效率。

部分实验过程及实验结果

LESHI实验系统如图1所示。使用光源照射物体，经过物体的反射光通过偏振器，由分束器反射，并照射到加载了优化的DOE图案的LCoS-SLM (FSLM-2K39-P02，8bit，180Hz）。由于液晶层对不同波长的光具有不同的折射率，因此可以像DOE一样对整个光谱产生不同的相位延迟，从而对连续的高光谱数据立方体进行编码。因此，当光波穿过LCoS-SLM的液晶层时，每个像素的调制会导致光波的相位变化。最后，从LCoS-SLM反射的相位调制光穿过分束器并被彩色CMOS相机记录，并且被记录为三通道的相位编码彩色图像。随后，利用光谱重构网络对该图像进行解码，重建出 31 通道的高光谱图像。

图1无透镜高效快照高光谱成像(LESHI)系统示意图。LCoS-SLM，硅基液晶空间光调制器。LESHI包括基于衍射成像的硬件部分和基于高光谱重建算法的软件部分。衍射成像组件包括LCoS-SLM、偏振器、分束器和彩色CMOS相机。高光谱重建算法使用ResU-net解码光谱信息。

图2 LESHI的工作原理。(a)LESHI流程示意图。(b)基于LCoS-SLM和DOE模式在衍射光学成像中获取PSF的示意图。(c)DDO基于LCoS-SLM的模型设计。DDO将不同波段各个DOE的PSF进行融合，并加入衍射效率模型，形成一个简化的PSF模型。(d)ResU-net重构算法的结构，结合了U-net的U形架构和ResNet的残差连接。

图3 LESHI模型验证。(a) ICVL数据集的真实值。(b) LCoS-SLM上的训练模拟DOE模式。(c)由LESHI模型生成的单个DOE模式的RGB图像。(d)为(c)的重建结果。(e)使用LESHI模型和单个DOE模式重建的高光谱图像。(f)在(a)中标记的局部区域“1”的光谱辐射曲线的真实值和重建值。(g)与（f）相同，但针对局部区域“2”。(h)使用单个DOE模式（LCoS-S）和多个DOE模式的衍射效率随波长变化的关系图。LESHI模型中的DOE模式（LCoS-D）。表中显示了与LCoS-S相比，三个不同波段（400-500nm、500-600nm、600-700nm）的LCoS-D相对衍射效率增益（RDEG）。

图4 LESHI系统性能表征。(a) ISO12233测试图的重建图像。(b)测试图上两个区域的空间线轮廓，用浅橙色和蓝绿色框标出，位于(a)中的标签1位置。(c)测试图上两个区域的空间线轮廓，用浅蓝色和蓝绿色框标出，位于(a)中的标签2位置。(d) LEHSI系统的测量。(e)为(c)的重建结果以RGB格式呈现。(f)在六个局部区域[(c)中用白色框标记]，使用CS-2000光谱仪重建图像与测量值的均方根误差（RMSE）和最大误差。(g)作为波长函数的六个局部区域[(c)中用白色框标记]的重建辐射曲线。真实值由CS-2000光谱仪获得。(h)为(d)的七个代表性重建光谱通道。

图5 焦距修改的应用结果。(a)通过端到端训练加载到LCoS-SLM上的不同焦距相位调制图案。(b)对应(a)的捕获的RGB图像。(c)应用LESHI系统在不同焦距下进行光谱图像恢复的焦距结果。(d)对应(c)的六个代表性重建光谱通道。

图6 不同模型的光谱重建模拟比较。(a)对比四种重建数据结果和视觉效果，基于LCoS-SLM的衍射光学成像模型能够有效提升重建性能，避免因量化DOE导致的重建结果退化。(b)不同模型的光谱辐射曲线。光谱曲线显示，LCoS-D的重建光谱曲线更接近真实值。

本实验中所采用相位型空间光调制器的参数规格如下：

型号	FSLM-2K39-P02	调制类型	相位型
液晶类型	反射式	灰度等级	8位，256阶
分辨率	1920×1080	像元大小	4.5μm
有效区域	0.39" 8.64mm×4.86mm	相位范围	2π@532nm Max：3.8π@532nm 2π@637nm Max：3π@637nm
填充因子	91.3%	光学利用率	68.7%@532nm 60.8%@637nm 75%@808nm
数据接口	Mini DP	配向角	0°
刷新频率	60Hz/180Hz/360Hz 支持彩色	响应时间	≤16.7ms
Gammar校正	支持	光谱范围	420nm-820nm
面型校正	支持(532nm/635nm)	相位校正	支持(450nm/532nm/635nm/808nm)
输入电源	5V 2A	线性度	≥99%
衍射效率	532nm 65%@L8 74%@L16 80%@L32 637nm 65%@L8 74%@L16 80%@L32	损伤阈值	连续： ≤20W/cm²（无水冷） ≤100W/cm²（水冷） 脉冲：峰值功率密度（0.05GW/cm²）平均功率密度（2W/cm²） @532nm/290fs/100KHz（加水冷）

写在最后

DOE作为传统的衍射光学器件，其结构固定，功能固定，但效率比较高；而对应的液晶空间光调制器则是通过电控的方式调制波前，可实现灵活编程，实时调制，但受限于像素间隙和液晶响应的损耗导致其效率较低。两者各有优缺点，通过两者互补使用，可以实现对光学系统的优化，例如用SLM矫正DOE的像差，或者结合DOE扩展SLM的功能边界等。

文章信息：

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

审核编辑 黄宇