空間光調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、相位及偏振態進行調制的動態元器件，通過對液晶折射率的調制來實現對光程的控制。利用液晶空間光調制器可以實現對一些衍射器件進行模擬，并且基于編程的靈活性和可操作性，從而可以進行主動衍射調控。

論文信息

基于衍射光學元件（DOE）的快照高光譜成像技術在深度光學領域的最新進展中備受關注。盡管其空間和光譜分辨率取得了顯著進步，但受限于當前光刻技術，制造的衍射光學元件難以實現理想設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，該系統利用硅基液晶空間光調制器（LCoS-SLM）替代傳統衍射光學元件，實現了高精度相位調制和光譜重建。除了單透鏡成像模型外，該系統還可以利用LCoS-SLM的刷新能力實現分布式衍射光學（DDO）成像，并提高整個可見光譜范圍內的衍射效率。

部分實驗過程及實驗結果

LESHI實驗系統如圖1所示。使用光源照射物體，經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一樣對整個光譜產生不同的相位延遲，從而對連續的高光譜數據立方體進行編碼。因此，當光波穿過LCoS-SLM的液晶層時，每個像素的調制會導致光波的相位變化。最后，從LCoS-SLM反射的相位調制光穿過分束器并被彩色CMOS相機記錄，并且被記錄為三通道的相位編碼彩色圖像。隨后，利用光譜重構網絡對該圖像進行解碼，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)系統示意圖。LCoS-SLM，硅基液晶空間光調制器。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。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模式在衍射光學成像中獲取PSF的示意圖。(c)DDO基于LCoS-SLM的模型設計。DDO將不同波段各個DOE的PSF進行融合，并加入衍射效率模型，形成一個簡化的PSF模型。(d)ResU-net重構算法的結構，結合了U-net的U形架構和ResNet的殘差連接。

圖3 LESHI模型驗證。(a) ICVL數據集的真實值。(b) LCoS-SLM上的訓練模擬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)中標記的局部區域“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系統性能表征。(a) ISO12233測試圖的重建圖像。(b)測試圖上兩個區域的空間線輪廓，用淺橙色和藍綠色框標出，位于(a)中的標簽1位置。(c)測試圖上兩個區域的空間線輪廓，用淺藍色和藍綠色框標出，位于(a)中的標簽2位置。(d) LEHSI系統的測量。(e)為(c)的重建結果以RGB格式呈現。(f)在六個局部區域[(c)中用白色框標記]，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)作為波長函數的六個局部區域[(c)中用白色框標記]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 焦距修改的應用結果。(a)通過端到端訓練加載到LCoS-SLM上的不同焦距相位調制圖案。(b)對應(a)的捕獲的RGB圖像。(c)應用LESHI系統在不同焦距下進行光譜圖像恢復的焦距結果。(d)對應(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)對比四種重建數據結果和視覺效果，基于LCoS-SLM的衍射光學成像模型能夠有效提升重建性能，避免因量化DOE導致的重建結果退化。(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制器的參數規格如下：

寫在最后

DOE作為傳統的衍射光學器件，其結構固定，功能固定，但效率比較高；而對應的液晶空間光調制器則是通過電控的方式調制波前，可實現靈活編程，實時調制，但受限于像素間隙和液晶響應的損耗導致其效率較低。兩者各有優缺點，通過兩者互補使用，可以實現對光學系統的優化，例如用SLM矯正DOE的像差，或者結合DOE擴展SLM的功能邊界等。

文章信息：

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

審核編輯 黃宇