淺談基于SLM的非相干全息系統(tǒng)掩模設(shè)計(jì)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(wú)需對(duì)物體在空間或時(shí)間上進(jìn)行掃描，可以快速獲取真實(shí)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(xué)等領(lǐng)域展示了極大應(yīng)用潛力。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，為SLM更廣泛的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)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(wú)需對(duì)物體在空間或時(shí)間上進(jìn)行掃描，可以快速獲取真實(shí)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(xué)等領(lǐng)域展示了極大應(yīng)用潛力。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，為SLM更廣泛的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.創(chuàng)新點(diǎn)

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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的照明圖像或?yàn)V波器掩模即可，整個(gè)系統(tǒng)靈活、便利。本項(xiàng)目通過(guò)Matlab編程，在SLM上加載不同的掩模，研究其對(duì)非相干數(shù)字全息系統(tǒng)成像性能的影響。另外可對(duì)所記錄的數(shù)字全息圖進(jìn)行圖像處理，本項(xiàng)目通過(guò)Matlab軟件等對(duì)再現(xiàn)像進(jìn)一步處理，從而提高成像質(zhì)量。

二、研究?jī)?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(guò)MATLAB編程設(shè)計(jì)了各種加載到SLM的掩模模式，對(duì)成像性能進(jìn)行調(diào)控，設(shè)計(jì)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(duì)雙透鏡模式中兩種透鏡焦距所占比例進(jìn)行調(diào)控。SLM上加載掩模實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)元件，設(shè)計(jì)不同掩膜（單透鏡模式，雙透鏡模式，濾波器掩模等），研究其對(duì)SLM性能影響。

三、執(zhí)行過(guò)程及結(jié)果

1.掩模的制備：利用matlab設(shè)計(jì)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(guò)SIFT算法進(jìn)行匹配疊加，利用三個(gè)子孔徑合成一張大的全息圖，構(gòu)成一個(gè)大的光學(xué)系統(tǒng)，提高成像系統(tǒng)的分辨率。

sift算法匹配過(guò)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(jìn)算法可對(duì)不同位置所成圖片進(jìn)行精準(zhǔn)匹配后的圖片進(jìn)行疊加，求其平均值，讓最終所獲得的圖像具有實(shí)物的具體特征。

總結(jié)：

通過(guò)運(yùn)用matlab的編程，以及對(duì)不同特征的掩模制作，產(chǎn)生了一系列可用掩模，對(duì)實(shí)物進(jìn)行成像比較，獲得較好的掩模，以便對(duì)成像性能較好的調(diào)控。

四、未來(lái)展望

設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)空間光調(diào)制器的初衷是為光學(xué)信息處理提供譜面濾波器件。空間光調(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(duì)成像效果的影響等問(wèn)題，光學(xué)信息處理或光學(xué)計(jì)算機(jī)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(xué)信息處理系統(tǒng)，而空間光調(diào)制器又是光學(xué)信息處理的關(guān)鍵器件。因此可以說(shuō)，光學(xué)信息處理與現(xiàn)代半導(dǎo)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(dòng)空間光調(diào)制器的發(fā)展。

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