淺談基于SLM的非相干全息系統(tǒng)掩模設(shè)計及成像處理

宋沖

摘要：基于空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）的菲涅爾非相干相關(guān)數(shù)字全息系統(tǒng)，無需對物體在空間或時間上進行掃描，可以快速獲取真實三維物體的全息圖，在熒光生物樣品顯微成像、彩色全息顯示、以及自適應(yīng)光學等領(lǐng)域展示了極大應(yīng)用潛力。通過本項目的研究，為SLM更廣泛的應(yīng)用提供實驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵字：空間光調(diào)制器，掩模，成像，圖像處理

一、背景

1.研究目的及應(yīng)用

基于空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）的菲涅爾非相干相關(guān)數(shù)字全息系統(tǒng)，無需對物體在空間或時間上進行掃描，可以快速獲取真實三維物體的全息圖，在熒光生物樣品顯微成像、彩色全息顯示、以及自適應(yīng)光學等領(lǐng)域展示了極大應(yīng)用潛力。通過本項目的研究，為SLM更廣泛的應(yīng)用提供實驗基礎(chǔ)。

2.創(chuàng)新點

利用SLM良好的相位調(diào)制特性，不需要更換硬件設(shè)施，只用合適的實現(xiàn)相應(yīng)的照明圖像或濾波器掩模即可，整個系統(tǒng)靈活、便利。本項目通過Matlab編程，在SLM上加載不同的掩模，研究其對非相干數(shù)字全息系統(tǒng)成像性能的影響。另外可對所記錄的數(shù)字全息圖進行圖像處理，本項目通過Matlab軟件等對再現(xiàn)像進一步處理，從而提高成像質(zhì)量。

二、研究內(nèi)容及方法

基于空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）的菲涅爾非相干相關(guān)數(shù)字全息成像系統(tǒng)，SLM是關(guān)鍵器件，通過MATLAB編程設(shè)計了各種加載到SLM的掩模模式，對成像性能進行調(diào)控，設(shè)計模式有：雙透鏡模式，雙透鏡陣列模式，圓形透鏡陣列模式，并對雙透鏡模式中兩種透鏡焦距所占比例進行調(diào)控。SLM上加載掩模實現(xiàn)各種光學元件，設(shè)計不同掩膜（單透鏡模式，雙透鏡模式，濾波器掩模等），研究其對SLM性能影響。

三、執(zhí)行過程及結(jié)果

1.掩模的制備：利用matlab設(shè)計掩模

三步相移掩模制備：分為0相移，120相移，240相移

四步相移掩模制備：0相移，90相移，180相移，270相移

Matlab制備掩模公式算法為：R1=0.5*exp（1i*pi*（xx.^2+yy.^2）/h/fd1）；

R2=0.5*exp（1i*pi*（xx.^2+yy.^2）/h/fd2+1i*changxiangyi/180*pi）；

三步相移再現(xiàn)像（0，π/3，2π/3） 四步相移再現(xiàn)像（0，π/2，π，3π/2）

結(jié)論：和三步相移得到的再現(xiàn)像相比，四步相移得到的再現(xiàn)像的清晰度更好

2.再現(xiàn)像融合

合成孔徑非相干數(shù)字全息成像，通過SIFT算法進行匹配疊加，利用三個子孔徑合成一張大的全息圖，構(gòu)成一個大的光學系統(tǒng)，提高成像系統(tǒng)的分辨率。

sift算法匹配過程部分程序

for i = 1： size（des1，1）

if （match（i） > 0）

line（[loc1（i，1） loc2（match（i），1）+cols1]， ...

[loc1（i，2） loc2（match（i），2）]， 'Color'， 'c'）；

x1=ceil（loc1（i，1）*（b-a）+a）；

y1=ceil（loc1（i，2）*（b-a）+a）；

x2=ceil（（loc2（match（i），1）+cols1）*（d-c）+c）；

y2=ceil（loc2（match（i），2）*（d-c）+c）；

H1（x1，y1）=（ H1（x1，y1） +H2（x2，y2） ）/2.0；

利用此改進算法可對不同位置所成圖片進行精準匹配后的圖片進行疊加，求其平均值，讓最終所獲得的圖像具有實物的具體特征。

總結(jié)：

通過運用matlab的編程，以及對不同特征的掩模制作，產(chǎn)生了一系列可用掩模，對實物進行成像比較，獲得較好的掩模，以便對成像性能較好的調(diào)控。

四、未來展望

設(shè)計、開發(fā)空間光調(diào)制器的初衷是為光學信息處理提供譜面濾波器件?？臻g光調(diào)制器在此起到了重要的作用，但是由于種種限制，如靈敏度、圖像分辨率、空間均勻性以及所加載的掩模不同對成像效果的影響等問題，光學信息處理或光學計算機并未取得預(yù)期的效果。數(shù)字全息成像顯示系統(tǒng)是典型的非相干光學信息處理系統(tǒng)，而空間光調(diào)制器又是光學信息處理的關(guān)鍵器件。因此可以說，光學信息處理與現(xiàn)代半導體技術(shù)相結(jié)合形成產(chǎn)業(yè)的數(shù)字全息成像系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將更加推動空間光調(diào)制器的發(fā)展。

參考文獻：

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