Français
English
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Русский
Optimisation du DMD
Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7754 (2022) Citer cet article
1960 Accès
3 Citations
3 Altmétrique
Détails des métriques
L'article présente les résultats d'une étude approfondie sur l'optimisation de la manipulation indépendante du front d'onde d'amplitude et de phase qui est mise en œuvre à l'aide d'un dispositif à micromiroir numérique binaire. L'étude vise à étudier la résolution spatiale et la quantification réalisables en utilisant cette approche et son optimisation basée sur les paramètres de l'onde complexe cible et l'estimation de l'erreur de modulation. Sur la base d'une analyse statistique des données, un algorithme de sélection des paramètres (fréquence porteuse du motif binaire et ouverture pour le filtrage du premier ordre de diffraction) garantissant la qualité optimale du front d'onde modulé a été développé. L'algorithme prend en compte le type de modulation, c'est-à-dire l'amplitude, la phase ou l'amplitude-phase, la taille de la distribution codée et ses exigences en matière de résolution spatiale et de quantification. Les résultats de l'étude contribueront grandement à l'amélioration de la qualité du front d'onde modulé dans diverses applications avec des exigences différentes en matière de résolution spatiale et de quantification.
La synthèse de fronts d'onde aux caractéristiques connues a suscité l'intérêt de nombreux chercheurs dans le domaine de la photonique. Certaines des applications de la mise en forme du front d'onde sont la microscopie haute résolution1, la mise en forme du faisceau laser2,3, la caractérisation des supports de diffusion4,5,6, les affichages holographiques7, la cryptographie quantique8, la métrologie9, la détection compressée10, la bioimpression 3D et la lithographie11. À ce jour, il existe une gamme de modulateurs de front d'onde statiques et dynamiques, tels que des éléments optiques de diffraction12, des métasurfaces13, des éléments optiques adaptatifs14, qui offrent la possibilité de fonctionner avec l'amplitude, la phase ou la polarisation du profil du faisceau dans une large gamme de longueurs d'onde15,16. Les modulateurs de lumière spatiaux adaptatifs avec contrôle précis programmable du front d'onde sont devenus un outil précieux pour diverses applications, par exemple dans les systèmes d'imagerie17. Deux grands types de tels dispositifs peuvent être décrits : les modulateurs spatiaux de lumière à base de cristaux liquides et les systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Le premier comprend des sous-types tels que les cristaux liquides transmissifs, les cristaux liquides réfléchissants sur silicium et les cristaux liquides ferroélectriques. Les modulateurs de lumière spatiaux basés sur MEMS sont présentés par un dispositif de micromiroir numérique (DMD), une matrice de micromiroir active et une valve de lumière à réseau18.
Chacun des dispositifs est caractérisé par le type de modulation, parmi lesquels on peut les distinguer : modulation d'amplitude seule, phase seule et simultanée amplitude-phase. Différents types de modulateurs ont été comparés, sur la base desquels les avantages et les inconvénients de chaque technique ont été identifiés18,19,20,21. Le choix du dispositif requis est déterminé par les particularités du problème à résoudre dans un cas particulier. Plusieurs caractéristiques importantes des modulateurs de front d'onde peuvent être mises en évidence : la vitesse de fonctionnement, la plage dynamique de modulation, le nombre et la taille des pixels, et l'efficacité de la modulation. Dans les applications où une vitesse élevée est requise et où la résolution spatiale peut être sacrifiée pour atteindre des taux de modulation de lumière élevés, l'utilisation de DMD est préférable en raison de son taux de rafraîchissement élevé22. De plus, DMD suppose de manière constructive uniquement une modulation binaire. Comparé à d'autres modulateurs, le DMD a une vitesse de commutation élevée, un facteur de remplissage élevé (90 %) et un coût relativement faible23,24,25. Au cours des dernières années, de tels dispositifs ont été activement utilisés dans diverses études11,22 et des dispositifs commerciaux (par exemple, le microscope holotomographique HT-1H, développé par Tomocube, Inc). Il fournit un facteur d'amélioration élevé dans la tâche de focalisation à travers le milieu de diffusion19 ou d'amélioration du contraste et de la fidélité de la mise en forme du faisceau dans l'imagerie optique20. Ceci est particulièrement pertinent dans les applications biomédicales où des processus rapides sont impliqués, ou la possibilité de mesure en temps réel doit être fournie11,22,26. DMD se compose d'un réseau de micromiroirs placés par CMOS, dont chacun ne peut avoir que deux états stables : "On" (\(+12^{\circ }\)) et "Off" (\(-12^{\circ }\))22. Chaque micromiroir représente un seul pixel de l'image projetée. De plus, l'utilisation d'hologrammes binaires (1 bit) est pratique en termes de capacité de données, par exemple pour une mise en œuvre dans des affichages holographiques27. Un autre avantage des hologrammes binaires par rapport aux hologrammes en niveaux de gris est également qu'ils peuvent être facilement imprimés28.
Diverses approches ont déjà été proposées pour générer des modèles DMD binaires ou convertir des hologrammes en niveaux de gris en hologrammes binaires afin d'assurer la modulation de phase d'amplitude, par exemple, les méthodes de seuillage global et local29, les techniques itératives30,31, la méthode de diffusion d'erreur32, la méthode basée sur les superpixels33 et la technique d'holographie Lee générée par ordinateur hors axe34. Cette dernière est une méthode efficace et rapide, notamment éligible à la modulation de rayonnement ultrarapide35. Dans ce procédé, le filtrage de Fourier du premier ordre de diffraction avec une ouverture est utilisé, ce qui affecte la résolution spatiale. Le nombre de niveaux d'amplitude disponibles (ou quantification d'image) dépend des paramètres de motif générés par DMD36. Ces facteurs affectent considérablement la qualité de l'image. Diverses méthodes de quantification et d'amélioration de la résolution ont été proposées. L'étude de Reimers et al.37 a élucidé la résolution optimale obtenue pour la détection d'objets avec différentes exigences de résolution spatiale en termes d'imagerie hyperspectrale. Les résultats rapportés par Zhang et al.38 suggèrent qu'en imagerie à pixel unique, l'erreur de quantification causée par la binarisation peut être éliminée par le tramage de diffusion d'erreur et un taux élevé de suréchantillonnage. Dans leur étude récente, Chipala et Kozacki7 ont démontré la corrélation entre la dispersion DMD et la résolution de l'image holographique et ont proposé une méthode pour améliorer la qualité de l'image. Cependant, le domaine de l'obtention de valeurs de quantification et de résolution maximales en optimisant la configuration expérimentale et les paramètres de binarisation n'a pas été exploré en profondeur. De plus, l'influence du type de modulation (amplitude, phase ou amplitude-phase), les différences dans le nombre de points dans la distribution codée et la fréquence de coupure DMD n'ont pas été analysées dans des études approfondies. Pendant ce temps, dans cette étude, nous démontrons que différents modèles binaires sont nécessaires pour une modulation optimale du front d'onde en fonction des paramètres d'onde complexes cibles et des critères particuliers imposés au front d'onde modulé. Dans certains types d'applications, la résolution spatiale ou la quantification de l'onde complexe cible peut être la caractéristique la plus importante. Par exemple, certaines applications d'imagerie de la modulation du front d'onde, telles que le transfert de données réussi, l'activation/désactivation ciblée des protéines de fluorescence, la stimulation optogénétique, la microscopie à fluorescence à illumination structurée39,40,41,42, nécessitent la génération de distributions d'amplitude ou/et de phase à haute résolution spatiale. D'autre part, lorsque l'application du système de modulation de front d'onde est la correction d'aberration43 ou la génération d'une distribution d'amplitude uniforme, la quantification de la distribution de phase et d'amplitude doit être prise en compte pour fournir une modulation de front d'onde haute performance avec une plage dynamique et une quantification élevées44,45. Dans certaines applications comme la mise en œuvre d'approches ptychographiques46, les deux paramètres peuvent être importants, et un certain compromis entre ces caractéristiques doit être trouvé dans chaque cas particulier.
Ici, nous développons et implémentons un modèle numérique pour la simulation de la modulation d'onde complexe basée sur DMD et l'évaluation de sa précision. Une étude statistique a été réalisée, qui révèle la dépendance entre la qualité de la modulation du front d'onde et des paramètres de l'onde cible tels que sa taille, le type de modulation (phase/amplitude/amplitude-phase) et les exigences de résolution spatiale et de quantification. L'algorithme a été développé pour la détermination des paramètres de modulation optimaux, c'est-à-dire la fréquence porteuse du motif binaire et l'ouverture pour le filtrage de diffraction du premier ordre. De plus, une validation expérimentale de la méthode d'optimisation proposée a été effectuée.
Dans les sections suivantes, nous décrivons une configuration expérimentale et les principes de base de la modulation indépendante du front d'onde d'amplitude et de phase à l'aide de DMD. Ceci est suivi d'une discussion des critères d'estimation de la qualité du front d'onde modulé. La section des résultats démontre l'étude statistique sur le type de modulation et la taille de distribution cible pour l'optimisation du système optique pour la manipulation indépendante du front d'onde d'amplitude et de phase. Ensuite, nous avons effectué l'évaluation expérimentale de l'approche développée en utilisant un modèle DMD aléatoire et optimisé. En conclusion, nous résumons brièvement nos résultats et fournissons des applications pratiques pour l'algorithme d'optimisation développé.
La configuration expérimentale est présentée par l'interféromètre Mach-Zender avec DMD et système de lentilles 4-f dans le faisceau objet (Fig. 1).
Schéma de montage expérimental. BE est un expanseur de faisceau, M\(_{1-5}\) sont des miroirs, S est un obturateur, BS\(_{1-2}\) sont des séparateurs de faisceau, L\(_{1-2}\) sont des lentilles, SF est un filtre spatial, TP est un plan cible, CMOS est un détecteur matriciel, MO sont des objectifs, IP est un plan image, O est un objet.
Cette configuration offre la possibilité de moduler le front d'onde à l'aide de DMD, ainsi que d'évaluer sa qualité de modulation par reconstruction d'image avec des hologrammes numériques hors axe. DMD a été exploité à l'aide du contrôleur DLPC900 (la fréquence de modulation est de 9 kHz). Le faisceau laser d'une longueur d'onde de 532 nm a été agrandi en diamètre par l'expanseur de faisceau BE, puis il a été divisé en ondes objet et de référence par le séparateur de faisceau BS\(_1\). Le faisceau objet était incident sur le DMD (DLP6500FYE Texas Instrument Light Crafter avec 1920 \(\times\) 1080 micromiroirs d'une taille de \(7,56\) μm), où le motif correspondant était affiché sur la matrice. Ensuite, il a été focalisé avec la lentille L\(_1\) sur le plan de Fourier, où le premier ordre de diffraction était séparé par le filtre spatial SF avec une taille d'ouverture de type fente évolutive le long de la coordonnée x. Ensuite, la lentille L\(_2\) a collimaté le rayonnement. Les lentilles L\(_1\) et L\(_2\) formaient le système 4f. La distribution de champ souhaitée a été formée dans le plan cible TP après le deuxième séparateur de faisceau BS\(_2\). Ce plan est le plan image de sortie du système 4f. La présence de BS\(_2\) assurait la localisation de ce plan simultanément à la fois en bout de bras diagnostic, à savoir dans le plan capteur (CMOS) et dans le bras application.
Le séparateur de faisceau BS \ (_2 \) a permis la mise en œuvre de la surveillance simultanée de l'onde modulée à l'aide d'un capteur CMOS dans le bras de surveillance (indiqué par un cadre en pointillé vert sur la Fig. 1) et l'utilisation de l'onde modulée à des fins de recherche dans le bras d'application (indiqué par un cadre en pointillé bleu sur la Fig. 1). Lorsque l'obturateur S est ouvert, l'onde plane de référence traverse les miroirs M\(_{4}\) et M\(_{5}\) et permet la détection des distributions d'amplitude et de phase formées dans le bras d'application. La surveillance holographique a été mise en œuvre de la manière suivante : une onde modulée avec DMD et une onde de référence plane étaient incidentes sur le capteur de la caméra CMOS sous un petit angle, formant ainsi un hologramme numérique hors axe. Ensuite, nous avons utilisé l'algorithme d'estimation des moindres carrés locaux47,48,49 pour la reconstruction d'onde complexe.
Il est à noter que certaines applications peuvent nécessiter d'obtenir le front d'onde cible d'une structure spécifique au-delà du plan cible (TP). Une telle onde complexe située dans un plan arbitraire peut être conçue avec précision au moyen d'une analyse du champ résultant à TP dans le bras de diagnostic et en résolvant les équations de diffraction qui décrivent la propagation du front d'onde au-delà du TP dans le sens inverse50 (cas 1 sur la Fig. 1). Ensuite, ces informations doivent être incluses dans la boucle de rétroaction : la distribution de front d'onde calculée est définie comme cible, en tenant compte des procédures de correction d'erreur possibles pour minimiser l'inadéquation entre la cible et le front d'onde réellement généré dans TP. Après la synthèse du front d'onde dans TP, sa propagation de diffraction physique supplémentaire forme le front d'onde initialement souhaité dans un certain plan. Le déplacement numérique du plan de formation du front d'onde cible a été étudié numériquement et expérimentalement en 51. L'alternative n'est pas de propager le front d'onde numériquement, mais d'imager davantage TP par un système télécentrique supplémentaire avec un grossissement personnalisé52 (cas 2 sur la Fig. 1). Il est également nécessaire de mentionner que des valeurs indépendantes dans les distributions d'amplitude et de phase ne peuvent être obtenues que dans TP ou dans le plan image correspondant qui résulte de la projection du système 4-f. Ce fait résulte de la distribution de phase de l'onde cohérente affectant la distribution d'amplitude et vice versa en raison de la diffraction.
Dans cette sous-section, les principes de base de la modulation indépendante d'amplitude et de phase du front d'onde à l'aide d'un hologramme numérique binaire hors axe généré par DMD sont examinés et discutés. Lee a proposé une des approches possibles pour une modulation indépendante de l'amplitude et de la phase34. Le procédé consiste à générer un motif binaire sous la forme d'un hologramme synthétique hors axe et sa reconstruction ultérieure.
Les franges d'un hologramme analogique peuvent être utilisées pour modifier la phase et l'amplitude de l'onde lumineuse incidente, produisant ainsi une image de l'objet enregistré. La variation des paramètres de frange binaire tels que la largeur et la périodicité dans le motif DMD binaire formé permet la manipulation des distributions d'amplitude et de phase. L'approche pour effectuer la modulation amplitude-phase indépendante de la modulation d'amplitude binaire est basée sur le filtrage spatial de l'onde dans l'un des ordres de diffraction résultant de la réflexion d'une onde incidente de DMD. Elle peut être réalisée, par exemple, par filtrage spatial de cet ordre de diffraction si le motif binaire est un hologramme hors axe avec une fréquence porteuse suffisamment élevée.
Expérimentalement, il est généralement mis en œuvre par transformée de Fourier effectuée à l'aide d'une lentille concave (L\(_2\)), comme le montre la figure 1. Le filtrage du premier ordre de diffraction à l'aide d'une ouverture réglable (SF) avec transformée de Fourier inverse par une autre lentille concave L\(_2\) permet la reconstruction de l'onde cible modulée par DMD.
La fréquence spatiale de l'hologramme binaire est calculée à l'aide de la fréquence porteuse et du changement de phase comme suit34 :
où \(k_x\) et \(k_x\) sont des fréquences porteuses dans les directions x et y, qui sont inversement proportionnelles à la période de frange spécifiée en raison de l'inclinaison du front d'onde. La deuxième somme fait référence à la fréquence spatiale de l'onde avec la distribution de phase cible.
Un motif DMD h(x, y) a été formé en utilisant le limiteur pour obtenir la binarisation de l'hologramme d'amplitude34 :
où A(x, y) est l'amplitude cible, \(\phi (x,y)\) est la phase cible, \(k_x\) et \(k_y\) sont les fréquences porteuses en pixels DMD de l'hologramme binaire hors axe dans les directions x et y. La partie gauche de l'inégalité (2) est responsable du codage de la distribution de phase, tandis que la distribution d'amplitude est codée par la partie droite. Pour montrer la ségrégation des parties d'amplitude et de phase, nous considérons des modèles DMD simulés pour des modulations de type amplitude, de type phase et d'amplitude-phase (Fig. 2). Par type de modulation dans ce cas, nous entendons une variation de front d'onde d'amplitude et de phase indépendante uniquement en amplitude, en phase uniquement ou simultanée dans le plan TP.
Démonstration de la modulation indépendante de l'amplitude (a–c), de la phase (d–f) et de l'amplitude-phase (g–i). Les distributions cibles d'amplitude (a), de phase (d) et d'amplitude-phase (g) sont présentées dans la première colonne. La ligne rouge indique les coordonnées du tracé en (c,f,i) ; Les modèles DMD résultants avec la fréquence porteuse \(\frac{2\pi }{12}\) (b,e,h) sont affichés dans la deuxième colonne ; (c, f, i) le tracé de la fonction de motif DMD (ligne noire), la partie phase (ligne bleue) et la partie amplitude (ligne rouge) sont affichés dans la troisième colonne.
Le premier exemple d'amplitude variable (distribution gaussienne 2D) et de distributions de phase constante est présenté sur les figures 2a à c. L'image d'amplitude cible (Fig. 2a et le motif binaire simulé (Fig. 2b) montrent comment l'amplitude de l'onde complexe peut être modulée par la variation de la quantité relative de pixels DMD à l'état activé (les pixels activés). Les parties droite (amplitude) et gauche (phase) de l'inégalité sont représentées respectivement par des lignes rouges et bleues. La partie gauche de l'inégalité représentant la distribution de phase est une simple fonction périodique due à l'augmentation linéaire de \(\frac{\phi (x,y)}{2\pi }+(k_x \cdot x + k_y \cdot y)\) terme et opération "mod1" en raison de la cohérence de la distribution de phase. Cependant, l'image d'amplitude cible est modifiée le long de la coordonnée x (ligne rouge), faisant ainsi varier la quantité relative des pixels On et Off. Si la partie amplitude est supérieure à la partie phase, le pixel est On, sinon il reste Off. Dans ce cas, le rapport entre les pixels On et le nombre total de pixels par période (le coefficient d'occupation des pixels On \(\eta\)) est modifié de 0,3 à 0,5, tandis que l'amplitude cible augmente approximativement de 0,13 à 0,25. En raison de la constance de la distribution de phase, la fréquence porteuse et la valeur de fréquence spatiale de l'hologramme binaire sont constantes et égales \(\frac{2\pi }{12}\). Par la suite, la période des franges est de 12 pixels DMD (indiquée par des flèches noires sur la figure 2c).
La variation de phase uniquement est démontrée avec la distribution de phase sphérique cible et une amplitude constante. Les Fig. 2d – f montrent la distribution de phase cible (Fig. 2d), le motif DMD simulé (Fig. 2e) et les fonctions tracées des pixels du motif DMD, de la partie amplitude et de la partie phase (Fig. 2f) de l'inégalité (2) dans le cas d'une modulation de phase uniquement. Dans cet exemple, la partie droite de l'inégalité (2) est constante du fait de l'absence de la modulation d'amplitude. Cependant, la variation de la phase cible le long de l'axe x entraîne le changement de la pente \(\frac{\phi (x,y)}{2\pi}+(k_x \cdot x + k_y \cdot y)\) et l'altération de la périodicité de la partie phase et de la fréquence spatiale de l'hologramme binaire. Les flèches noires de la figure 2f montrent comment la variation de phase entraîne le changement de la période des franges de 29 à 20 pixels. Dans le même temps, \(\eta\) est constant parmi les hologrammes binaires et égal à 0,5.
Par conséquent, la modulation de phase est obtenue par la variation de la période de frange binaire, tandis que la modulation d'amplitude est obtenue en raison de la variation du coefficient d'occupation sur pixel. Comme il est possible de faire varier séparément ces deux paramètres dans chaque zone locale de l'image, la manipulation indépendante des distributions de phase et d'amplitude peut être réalisée.
Un exemple de modulation indépendante des parties d'amplitude et de phase du front d'onde complexe est présenté sur la figure 2g – i. On peut noter que la périodicité des franges et le coefficient d'occupation des pixels sont modifiés en raison de la variation d'amplitude et de phase.
L'évaluation quantitative de la qualité du front d'onde modulé peut être réalisée en calculant l'erreur quadratique moyenne (RMSE) entre la vraie distribution cible et le front d'onde modulé résultant. Pour effectuer l'optimisation et trouver les paramètres optimaux, nous avons simulé numériquement la modulation de front d'onde cible basée sur DMD avec différentes fréquences porteuses et tailles d'ouverture de filtration et calculé le RMSE des distributions d'amplitude ou de phase cibles à l'aide de l'équation suivante :
où n est le nombre de pixels de distribution, \(x_t\) est la valeur de l'amplitude ou de la phase cible dans un pixel, \(x_r\) est la valeur de l'amplitude ou de la phase résultante dans un pixel. La minimisation de l'erreur calculée nous permet d'obtenir les paramètres optimaux du motif binaire généré par DMD pour une onde complexe cible particulière.
Pour étudier la dépendance de la qualité de la modulation sur les principaux paramètres du schéma expérimental, chacune de ces images a été codée avec une taille d'ouverture allant de 1 à 400 pixels et une période de frange variant de 1 à 100 pixels. Notez que dans notre simulation numérique la taille de l'ouverture de filtration spatiale est en valeurs relatives (pixels dans le domaine de Fourier). La valeur physique de l'ouverture spatiale dans les travaux expérimentaux doit être recalculée en tenant compte de la distance de mise au point de \(L_1\) (voir Fig. 1) et de la taille physique du DMD. L'emplacement de chaque i-ième pixel de DMD dans le plan focal de \(L_1\) peut être calculé comme \(i\frac{f_1 \lambda }{N\Delta _p}\), où \(f_1\) est la distance focale de \(L_1\), \(\lambda\) est la longueur d'onde, N est la taille de la matrice linéaire et \(\Delta _p\) est la taille du pixel. Pour chacune des images obtenues, sa RMSE à partir de l'onde cible a été calculée et représentée sous la forme d'une surface pseudo-colorée 2D (voir Fig. 3). L'analyse d'une telle carte d'erreur de modulation de front d'onde 2D permet de déterminer les paramètres optimaux de la modulation d'onde complexe.
Cartes RMSE de modulation d'amplitude et de phase en fonction de la taille d'ouverture et de la période de frange pour l'objet "chat". Encarts : distributions d'intensité et de phase obtenues aux points indiqués par les marqueurs. La distribution cible est indiquée à gauche.
Les cartes d'erreur de modulation de front d'onde d'amplitude et de phase qui en résultent sont séparées sur des zones d'erreur élevées et faibles avec une courbe de type hyperbole, au-dessus de laquelle toutes les distributions résultantes présentent des défauts critiques sous la forme de franges d'interférence, causées par la superposition de deux (ou plus) ordres de diffraction adjacents dans l'ouverture. L'utilisation de petites ouvertures conduit également à des défauts du front d'onde modulé en raison d'un filtrage spatial excessif, entraînant une diminution de la résolution spatiale et un flou de l'image. La zone de fortes ouvertures et de faibles périodes de franges conduit également à des défauts exprimés sous la forme de transitions de teintes nettes en raison du nombre limité de dégradés. La discussion détaillée de l'influence des paramètres du système optique sur la qualité du front d'onde est présentée dans Suppl. 1. Par conséquent, pour déterminer les paramètres de modulation optimaux, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs facteurs, qui seront discutés ci-dessous.
En cas de modulation simultanée d'amplitude et de phase, l'erreur de modulation peut être calculée comme suit : \(\delta =1-F\), où \(F=|E^*_{cible} E_{obtenu}|^2\), \(E_{cible}\) est un champ cible, \(E_{obtenu}\) est le champ obtenu après modulation DMD33.
Cette section traite des principaux facteurs influençant le choix des paramètres optimaux, c'est-à-dire la taille d'ouverture et la période des franges ou la fréquence porteuse de l'hologramme binaire, pour assurer la meilleure qualité des distributions d'ondes complexes modulées. Notez qu'en raison de la complexité des distributions d'amplitude et de phase cibles, il est difficile de quantifier les exigences de résolution spatiale et de niveau de quantification dans le cas général. Par conséquent, une estimation précise de la contribution des hautes et basses fréquences spatiales peut être effectuée à l'aide d'un modèle numérique uniquement, bien que l'approche analytique puisse également être appliquée dans un nombre limité de cas.
Considérons le codage de quelques distributions cibles représentatives qui contiennent une gamme différente de fréquences spatiales et de niveaux d'intensité. L'objet "cercles" est utilisé comme une démonstration de l'influence du contenu des petits éléments sur la taille d'ouverture optimale et la sélection de la période des franges. La distribution gaussienne 2D objet est utilisée pour démontrer l'exemple d'une quantification d'image élevée et de faibles exigences de résolution spatiale. Un objet de phase caractérisé par un contenu de fréquences spatiales élevées et basses (objet de phase à fréquence mixte)53 est un exemple de distribution complexe avec des exigences presque égales en matière de résolution spatiale et de quantification. La figure 4 montre les cartes d'erreur de modulation d'amplitude et de phase dans le cas de variations de champ d'amplitude uniquement et de phase uniquement, respectivement, pour ces objets. Les encarts montrent des exemples des distributions d'intensité et de phase obtenues aux paramètres optimaux correspondant à l'erreur minimale. Notez que tous les modèles de phase suggèrent une modulation dans la plage des valeurs \(-\pi\):\(\pi\). Une forte variation de la plage de valeurs de phase peut entraîner un changement significatif des paramètres pour une modulation d'onde complexe optimale.
Cartes d'erreur de modulation de front d'onde pour la modulation d'amplitude, de phase et d'amplitude-phase en fonction de la taille d'ouverture et de la période des franges pour différents objets. Encarts : fragments agrandis, distributions d'intensité et de phase obtenues aux points RMSE minimum indiqués par les marqueurs. Le cadre supérieur montre les cartes d'erreur de modulation d'amplitude (a,c,e) et de phase (b,d,f) pour les objets "cercles", la distribution gaussienne 2D et l'objet de phase à fréquence mixte. Les distributions cibles sont indiquées à gauche. Le cadre inférieur montre des cartes d'erreur de modulation d'amplitude (g), de phase (h) et d'amplitude-phase (i). La RMSE minimale pour la modulation amplitude-phase se situe approximativement au milieu des paramètres optimaux d'amplitude et de phase.
Dans un premier temps, nous considérons les exemples extrêmes nécessitant soit une résolution spatiale élevée, soit une quantification élevée. Pour une modulation d'onde complexe avec des motifs de "cercles", il est important d'atteindre la taille d'ouverture maximale possible pour fournir une résolution spatiale suffisante. L'image cible comprend des cercles répétitifs de plusieurs tailles fixes. En même temps, pour l'exemple gaussien 2D, une diminution de la distance entre les ordres de diffraction et la taille d'ouverture ne détériore pas significativement la qualité de l'image du fait de l'absence de petits détails dans cette image. Comme le montrent les figures 4a, b, la zone d'erreur minimale est locale et le minimum global correspond à une grande taille d'ouverture et à une petite période de frange. Dans le cas de la distribution gaussienne 2D, l'erreur élevée de modulation d'amplitude et de phase ne correspond qu'à de petites périodes de frange (fréquences porteuses élevées) (Fig. 4c, d). L'erreur minimale de modulation du front d'onde peut être obtenue dans le cas d'une petite taille d'ouverture et d'une grande période de frange.
Dans le cas des paramètres d'objet à fréquence mixte, correspondant à une modulation d'onde complexe optimale, dépend de manière significative du type de modulation, d'amplitude ou de phase (Fig. 4e, f). Dans les deux cas, l'erreur de modulation minimale correspond approximativement à la taille moyenne de l'ouverture et de la période. Cependant, pour la modulation de type amplitude, le minimum est décalé vers des périodes plus élevées, et pour la modulation de phase - vers des tailles d'ouverture plus élevées. Cela peut s'expliquer par la présence à la fois de hautes fréquences spatiales, c'est-à-dire d'exigences de résolution spatiale, et de basses fréquences spatiales ; la partie principale de la distribution est occupée par la bande correspondant aux éléments basse fréquence avec les valeurs de phase correspondantes \(\pi\) et \(-\pi\).
Nous avons considéré les cas où seule une modulation de phase ou seule une modulation d'amplitude a eu lieu. Cependant, notre système de modulation basé sur DMD permet une modulation amplitude-phase simultanée et indépendante, ce qui offre des opportunités uniques pour la manipulation de la lumière par rapport à d'autres techniques, par exemple, basées sur des modulateurs de lumière spatiaux à base de cristaux liquides. Par conséquent, le cas d'une modulation simultanée d'amplitude et de phase doit également être considéré. Des objets à la fois en amplitude et en phase ont été sélectionnés pour étudier la modulation amplitude-phase indépendante. L'erreur d'amplitude, l'erreur de phase et l'erreur de modulation ainsi que les distributions d'intensité et de phase résultantes sont illustrées à la Fig. 4g – i.
La figure 4g montre que pour la modulation d'amplitude d'un objet complexe, la zone d'erreurs minimales est décalée vers des périodes plus grandes. L'optimum de modulation de phase de l'autre distribution complexe se situe dans la zone des plus grandes ouvertures (Fig. 4h). Le minimum d'erreur de modulation pour la modulation amplitude-phase indépendante est situé au milieu du graphique (Fig. 4i), c'est-à-dire approximativement au milieu entre les optimaux pour la modulation d'amplitude et de phase séparément. Par conséquent, dans le cas d'un codage d'ondes complexes nécessitant à la fois une résolution spatiale et une quantification, il est nécessaire de choisir les valeurs moyennes de la taille d'ouverture et de la période des franges.
En général, la zone d'erreur minimale pour toutes les distributions est inférieure à la courbe de type hyperbole définie par le rapport entre le coefficient qui dépend de la taille de l'image, des paramètres du système optique et de la période du motif binaire. Ainsi, quel que soit le type de distribution, le ratio optimal doit être recherché en dessous de cette courbe. De plus, les paramètres optimaux pour la modulation d'amplitude-phase se situent approximativement au milieu des paramètres optimaux de modulation d'amplitude uniquement et de phase uniquement pour les distributions. Par conséquent, nous examinerons plus en détail la dépendance de l'emplacement de l'optimum sur le type de modulation.
Les résultats présentés ci-dessus démontrent une forte corrélation entre la qualité de l'image et la taille de l'ouverture et la fréquence porteuse ou la période des franges. En fonction des paramètres du front d'onde cible, divers modèles binaires avec différentes fréquences porteuses doivent être générés. Dans cette section, l'influence du type de modulation sera considérée dans le cadre d'une étude statistique de différents types d'images.
Comme le montre la figure 4, la valeur minimale de RMSE, à savoir optimale, est située dans une certaine zone de la carte d'erreur, en fonction du type de distribution. Pour déterminer la zone d'erreur de modulation minimale, il est également nécessaire de considérer la dépendance de la position optimale sur le type de modulation. Nous avons effectué une simulation numérique de la modulation d'amplitude et de phase et trouvé les valeurs minimales des cartes d'erreur de modulation du front d'onde. Un jeu de données composé de 591 images54 a été implémenté. La distribution des points d'erreur minimum est illustrée à la Fig. 5a.
Graphique RMSE minimal pour la modulation de type amplitude et de type phase. Les courbes d'approximation sont tracées à l'aide de points spécifiés et sont de type hyperbole. (a) Les RMSE minimales pour l'ensemble de données54 sont indiquées par des points rouges (de type amplitude) et bleus (de type phase). Les encarts montrent les distributions d'amplitude (rectangles rouges) et de phase (rectangles bleus), obtenues à l'aide de paramètres présentés sous chaque image sous forme de (période ; taille d'ouverture). (b) Points RMSE minimaux pour 10 objets différents et différentes tailles égales aux tailles de matrice DMD pour la modulation de type amplitude et phase. Les encarts montrent des distributions d'amplitude, modulées à l'aide de différentes résolutions d'affichage DMD qui sont présentées au-dessus de chaque image.
Comme on peut le voir sur la Fig. 5a, pour la modulation de type amplitude (points rouges), les valeurs d'erreur minimales se situent dans la zone des grandes périodes et des petites ouvertures, tandis que les valeurs d'erreur minimales pour la modulation de type phase (points bleus) sont situées dans la zone du graphique avec une grande taille d'ouverture. Cet effet peut s'expliquer par l'influence de la distribution des ordres de diffraction dans le plan de Fourier. Dans le cas d'une modulation de type amplitude, seule l'intensité de l'ordre de diffraction varie, mais pas sa forme et sa direction. La modulation de type phase implique de changer la forme et la direction du premier ordre de diffraction, ce qui est particulièrement critique pour des décalages significatifs dans la distribution de phase donnée (par exemple, de 0 à 2\(\pi\)). Ainsi, pour coder uniquement la distribution d'amplitude, il est possible d'augmenter la période du motif binaire pour atteindre le niveau de quantification requis, avec de petites exigences pour la taille de l'ouverture. Parallèlement, le codage à distribution de phase, contenant notamment des fréquences spatiales élevées et des différences de phase, nécessite d'augmenter la taille d'ouverture, ce qui implique la nécessité de réduire la période pour assurer, entre autres, un niveau de quantification suffisant. En conséquence, l'ordre des erreurs de modulation de phase est beaucoup plus élevé que l'ordre des erreurs de modulation d'amplitude.
Les quelques points correspondant à une modulation d'amplitude avec une période de frange binaire supérieure à 25 pixels sont des optimums pour des images avec de fréquentes fluctuations d'amplitude ou de phase (par exemple, l'herbe dans l'image en médaillon 1A de la Fig. 5a). On voit également qu'une telle distribution n'est pas résolue par la modulation d'amplitude. Cela peut être le résultat du fait que de si petits détails des images ne peuvent a priori pas être résolus dans le système optique donné. Parallèlement, la modulation de type phase de la même distribution nous a permis d'obtenir une résolution spatiale suffisante. Les encarts montrent également les distributions d'amplitude et de phase obtenues aux points indiqués. On constate que selon le type d'image (résolution spatiale et exigences de quantification), les optima sont décalés le long de la courbe de type hyperbole qui représente la dépendance inverse entre quantification et résolution spatiale. Cependant, pour des distributions à fluctuations faibles et fréquentes, il n'est pas possible d'effectuer une modulation de type amplitude en raison de l'insuffisance de pixels de codage dans une période. Par conséquent, nous avons décidé d'analyser l'impact de l'impact de la taille de l'image cible sur la position globale des minima sur les cartes d'erreur de modulation du front d'onde. Nous avons effectué un ensemble d'expériences numériques supplémentaires avec différentes tailles des mêmes distributions d'amplitude et de phase cibles, correspondant aux différentes tailles de matrices DMD disponibles sur le marché.
Quatre DMD avec une résolution d'affichage différente ont été pris en compte : DLP230GP (960 \(\times\) 540), DLP7000 (1024 \(\times\) 768), DLP6500 (1920 \(\times\) 1080) et le premier produit DMD55 (640 \(\times\) 480), tous développés par Texas Instruments Incorporated. Des cartes d'erreur de modulation de front d'onde ont été construites pour 10 images et des paramètres de modulation optimaux ont été trouvés et tracés sur la figure 5b.
La ligne pointillée montre les courbes d'approximation qui démontrent la dépendance de la position de l'optimum par rapport aux mêmes images modulées par différents DMD. La figure 5b montre que la courbe d'approximation a un coefficient plus grand avec l'augmentation de la taille de la matrice, c'est-à-dire qu'avec l'augmentation de la taille de la matrice, la taille de l'ouverture et la période des franges sur le motif binaire augmentent. Selon le type d'image, la position de l'optimum varie le long de la courbe. De plus, la fréquence de coupure DMD affecte également la qualité de l'image, en particulier pour la modulation d'amplitude. L'utilisation d'une petite matrice (par exemple, 640 \(\times\) 480) pour la distribution avec des variations d'amplitude fréquentes (herbe dans l'Encart 1 sur la Fig. 5b, Encart 1A sur la Fig. 5a) impose une contrainte sur la période minimale des franges, qui doit être suffisamment grande pour coder toutes les fluctuations. Ceci résulte du principe de modulation d'amplitude déterminé par le taux d'occupation des pixels. En d'autres termes, pour coder des changements fréquents d'amplitude dans un motif binaire, on observe des changements fréquents des pixels activés et désactivés, ce qui est impossible avec une résolution d'affichage insuffisante. De plus, une taille d'ouverture beaucoup plus petite est nécessaire dans ce cas, ce qui conduit à une diminution de la résolution spatiale. Cependant, l'utilisation d'un DMD avec des matrices plus grandes permet de coder des fluctuations d'amplitude plus petites pour les mêmes distributions (encarts 3 à 5 sur la Fig. 5b). Dans le même temps, une modulation de phase est effectuée en modifiant la pente des franges du motif binaire. Par conséquent, il n'est pas nécessaire d'utiliser une grande période de frange pour coder de petites fluctuations de phase. Ainsi, la taille de la matrice DMD est directement liée à la qualité des images d'amplitude obtenues, cependant, la modulation de phase est moins dépendante de la fréquence de coupure (Encadré 1A et 1\(\varphi\) sur la Fig. 5a).
Comme la distance entre les ordres de diffraction dans l'espace des fréquences est proportionnelle à la fréquence porteuse du motif binaire ainsi qu'à la taille du pixel, la taille du pixel dans la simulation numérique est supposée être 1, aux fréquences porteuses \(k_x = k_y = k\), respectivement, pour calculer le coefficient d'hyperbole a, il est nécessaire de compter le produit de la diagonale de la matrice DMD par la taille du pixel. Ainsi, cette courbe sera une enveloppe au-dessus de laquelle tous les paramètres pourront être ignorés puisque les interférences d'ajustement des ordres de diffraction seront observées dans le plan de détection.
Dans les sections présentées ci-dessus, les facteurs affectant la qualité des images d'amplitude ou de phase ont été discutés. Sur cette base, une optimisation des paramètres du motif binaire et du dispositif expérimental a été menée pour la validation expérimentale de la simulation numérique.
Une confirmation expérimentale de la dépendance de la qualité de la reconstruction d'image à la taille de l'ouverture a été effectuée sur l'exemple de la modulation de phase uniquement du tableau de test de l'USAF 1951. Cet objet est généralement appliqué pour déterminer la résolution spatiale des systèmes optiques et peut être utilisé avec succès pour démontrer l'impact de la taille de l'ouverture sur la résolution spatiale de l'onde modulée. Étant donné que cet objet doit être reconstruit avec la résolution spatiale la plus élevée possible, les paramètres de configuration et le modèle binaire ont été sélectionnés en fonction des résultats de l'optimisation. Premièrement, la distance entre les ordres de diffraction d'ajustement peut être calculée comme le rapport de la diagonale de la matrice DMD à la fréquence porteuse du motif. Ensuite, comme nous effectuons une modulation de type phase, l'optimum se situera dans la zone des ouvertures plus grandes et des périodes plus petites. Comme de nombreuses gradations de phase ne sont pas nécessaires dans ce cas, il suffit de partir des capacités de la configuration expérimentale particulière. Dans notre cas, la période minimale du motif binaire était de 7 pixels. Par conséquent, la distance entre les ordres de diffraction est d'environ 2,4 mm. Nous avons réalisé trois expériences avec différentes tailles d'ouverture, présentées à la Fig. 6.
Pour confirmer l'exactitude des paramètres sélectionnés, la taille d'ouverture pour la filtration a été modifiée sur l'axe des x. La fente du monochromateur micrométrique a été réglée dans le plan de Fourier pour filtrer le premier ordre de diffraction. Cela nous a permis de faire varier précisément la taille de la zone de filtration le long de la coordonnée x. La variation d'une seule ouverture spatiale coordonnée permet de démontrer l'impact de la taille de l'ouverture.
Les résultats de la reconstruction des distributions de phase avec différentes tailles d'ouverture de filtrage. (a) Distribution de la phase cible ; (b, d, f) les distributions de phase reconstruites avec une taille d'ouverture de 1,5 mm, 2,25 mm et 3,0 mm, respectivement, sont indiquées dans la première colonne. Les lignes rouges indiquent les coordonnées des sections transversales ; les sections efficaces (c,e,g) des distributions de phase reconstruites et de la distribution cible sont indiquées dans la deuxième colonne.
Les résultats de la reconstruction des distributions de phase à différentes tailles d'ouverture de filtrage sont illustrés à la Fig. 6. Alors que la taille a été modifiée le long de l'axe x, le flou d'image utilisant la taille d'ouverture insuffisante n'est observé que dans la direction horizontale (Fig. 6a). La figure 6e montre la détérioration de l'image due aux ordres de diffraction adjacents traversant l'ouverture de filtration. Comme on peut le voir sur la figure 6c, la taille d'ouverture optimale nous a permis de reconstruire la distribution de phase avec une erreur minimale et une qualité d'image élevée. Cela nous a permis de détecter le motif résoluble minimal dans la distribution de phase reconstruite et d'estimer la résolution spatiale. La résolution spatiale a été calculée à l'aide de l'équation suivante : \(Resolution=2^{Group Number+\frac{Element Number-1}{6}}\). Comme on peut le voir sur la figure 6d, les éléments résolvables minimaux étaient "-1" pour le numéro de groupe et "3" pour le numéro d'élément. La résolution limite d'une configuration d'application optique a été estimée à 0,63 lp/mm, ce qui indique une résolution de 793,7 μm. Comme le rapport entre la taille réelle de la carte de test USAF et la taille de la matrice DMD était de 13,84, la longueur et la largeur des lignes cibles dans le système optique ont diminué proportionnellement, ce qui a entraîné une résolution spatiale d'environ 57 μm.
Les coupes transversales comparant les distributions cible et reconstruite sont fournies (Fig. 6c, e, g). Dans le cas de l'ouverture optimale, une coïncidence de phase presque complète est observée (Fig. 6d). Pour une petite ouverture, il n'y a pas d'arêtes vives entre les objets, comme le montre la figure 6b. Pour les grandes ouvertures, les franges de corruption d'image résultant du passage des ordres de diffraction adjacents peuvent également être vues dans la coupe transversale de la figure 6f).
Les résultats expérimentaux ont démontré que les paramètres du motif binaire et de la taille de l'ouverture, sélectionnés par la méthode décrite ci-dessus, permettaient de reconstruire la phase avec une qualité d'image élevée. La corrélation entre la taille de l'ouverture et la qualité de l'image a également été confirmée.
Au cours des dernières décennies, la manipulation du front d'onde par DMD a été largement utilisée dans la technologie de traitement de la lumière, malgré le fait que le DMD lui-même ne peut être utilisé que pour la modulation binaire de la distribution d'amplitude. Cependant, la modulation indépendante d'amplitude et de phase à l'aide de DMD peut être obtenue avec des méthodes spécifiques, telles que l'holographie de Lee générée par ordinateur34. Ici, nous avons proposé une approche pour l'optimisation de la modulation d'amplitude et de phase basée sur DMD basée sur l'analyse de la taille d'onde cible, les exigences de résolution spatiale et de quantification, et le type de modulation.
Les résultats obtenus montrent que différents types de distributions d'amplitude et de phase cibles nécessitent différents paramètres expérimentaux (c'est-à-dire la période de frange binaire et la taille de l'ouverture de filtration) en fonction du type d'image. De plus, toutes les distributions d'amplitude et de phase cibles analysées démontrent la meilleure qualité de modulation lorsque les valeurs des paramètres expérimentaux mentionnés se situent en dessous de la courbe de type hyperbole. En général, la modulation de type amplitude du front d'onde incident nécessite généralement des périodes de franges plus élevées, tandis que la modulation de type phase nécessite des ouvertures de filtration plus grandes. De plus, des images cibles plus grandes pour la modulation de front d'onde nous permettent d'obtenir une meilleure résolution spatiale en termes de modulation d'amplitude.
Pour déterminer les paramètres optimaux pour un cas particulier, il est nécessaire de considérer plusieurs aspects d'une distribution cible. Dans un premier temps, la taille de la matrice DMD est prise en compte. Dans le cas où le motif binaire est généré avec des fréquences porteuses égales dans les deux sens, la distance limite entre les ordres de diffraction est calculée. Ainsi, nous pouvons déterminer le coefficient limite de l'hyperbole, au-dessus duquel tous les paramètres seront sous-optimaux en raison de la superposition des ordres de diffraction. De plus, il faut partir du type de modulation. Pour que la modulation d'amplitude trouve les paramètres optimaux, nous devons considérer uniquement la partie supérieure de l'hyperbole et, dans le cas de la modulation de phase, uniquement la partie inférieure. Enfin, il est nécessaire de déterminer le rapport entre le besoin de préserver la résolution spatiale et la quantification. Dans le cas de la prédominance du besoin de détailler de petits éléments de la distribution, la zone d'optimum sera décalée vers les grandes ouvertures et les petites périodes. En revanche, si le besoin de préserver la quantification (par exemple, lors de la compensation des aberrations) prévaut, l'optimum est décalé vers des périodes plus longues. Un point critique est l'aspect technique. Il est physiquement assez difficile d'effectuer un filtrage spatial pour des modèles avec de petites périodes. Ainsi, l'algorithme est le suivant : (1) pour déterminer les valeurs critiques des ouvertures et des périodes selon la formule, au-dessus de cette hyperbole les valeurs ne sont pas prises en compte ; (2) considérer le type de modulation, pour l'amplitude au-dessus de l'hyperbole, pour la phase au-dessous ; (3) pour déterminer le rapport entre la résolution spatiale et les exigences de quantification d'image, en fonction de la tâche ; (4) prendre des valeurs moyennes entre certains paramètres séparément pour la modulation de type amplitude et la modulation de type phase dans le cas de la modulation amplitude-phase.
Les corrélations entre la quantification et la fréquence porteuse, la résolution et la taille d'ouverture sont particulièrement intéressantes, compte tenu de la grande variété d'applications utilisant la DMD. Par exemple, des modèles DMD avec des fréquences spatiales plus basses sont utilisés pour corriger les aberrations en augmentant la période des franges et en diminuant l'ouverture de filtrage. Le traitement laser14, la microscopie optoacoustique19 ou la tomographie par cohérence optique56 nécessitent une précision accrue et une résolution spatiale élevée, qui peuvent être obtenues en augmentant l'ouverture de filtrage et en diminuant la période des franges de l'hologramme binaire. Dans le cas où le front d'onde cible présente une variation lente des distributions d'amplitude et de phase, par exemple des cellules ou des organites intracellulaires, la quantification de l'onde complexe modulée devient importante. Ainsi, dans des applications de ce type, il est impossible de sacrifier un paramètre pour en améliorer un autre, et il est nécessaire de maximiser à parts égales la résolution spatiale et la quantification des images.
Les résultats rapportés ici démontrent que la réalisation de la modulation précise du front d'onde à l'aide d'un dispositif à micromiroir numérique nécessite une optimisation des paramètres expérimentaux en fonction de l'onde complexe cible, de la taille de la distribution, de ses propriétés liées à la résolution spatiale ou des niveaux de quantification et du type de modulation, c'est-à-dire amplitude, phase ou amplitude et phase. Les principes mathématiques et physiques qui permettent une manipulation indépendante de la phase et de l'amplitude ont été décrits et discutés en détail. De plus, nous avons analysé les restrictions liées à la distribution de la capacité d'information d'origine du motif binaire de codage et démontré qu'un compromis entre la résolution spatiale de l'onde complexe codée et sa quantification doit être atteint en fonction de l'onde complexe cible. Nous avons proposé une approche pour optimiser les motifs binaires DMD générés pour chaque distribution d'amplitude et de phase. L'approche est basée sur une simulation de la génération d'ondes complexes modulées et prend en compte la taille d'onde cible, le type de modulation et les exigences de la distribution cible pour la quantification et la résolution spatiale.
Les principales applications de DMD pour la modulation de front d'onde, dans lesquelles il est susceptible d'être avantageux de maximiser la quantification ou la résolution spatiale, sont mises en évidence. Optimisée avec les meilleurs paramètres expérimentaux, la manipulation de front d'onde à l'aide de DMD permet la modulation indépendante précise des distributions d'amplitude et de phase, et offre des opportunités exceptionnelles dans diverses applications biomédicales et technologiques. Cette technique est prometteuse pour la mise en œuvre, par exemple, dans la génération rapide de faisceaux façonnés57 ou dans les études de milieux diffusants, pour la modulation d'irradiation laser ultracourte58,59. Cependant, les meilleurs résultats ne peuvent être obtenus que lorsque l'algorithme de génération de motifs DMD est optimisé pour certains types d'images d'amplitude et de phase, spécifiques à une application donnée.
Booth, M., Andrade, D., Burke, D., Patton, B. & Zurauskas, M. Aberrations et optique adaptative en microscopie à super-résolution. Microscopie 64, 251–261. https://doi.org/10.1093/jmicro/dfv033 (2015).
Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Dickey, Mise en forme du faisceau laser FM : théorie et techniques (CRC Press, 2018).
Réserver Google Scholar
Ouadghiri-Idrissi, I. et al. Mise en forme arbitraire de l'amplitude sur l'axe des faisceaux de Bessel femtoseconde avec un modulateur de lumière spatial monophasé uniquement. Opter. Express 24, 11495–11504. https://doi.org/10.1364/OE.24.011495 (2016).
Article ADS CAS PubMed Google Scholar
Yu, H., Lee, K. & Park, Y. Amélioration ultra-élevée de la focalisation de la lumière à travers des médias désordonnés contrôlés par des modes méga-pixels. Opter. Express 25, 8036–8047. https://doi.org/10.1364/OE.25.008036 (2017).
Article ADS PubMed Google Scholar
Horstmeyer, R., Ruan, H. & Yang, C. Méthodes de formation de front d'onde assistées par Guidestar pour focaliser la lumière dans les tissus biologiques. Nat. Photon. 9, 563. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.140 (2015).
Article ADS CAS Google Scholar
Coyotl-Ocelotl, B., Porras-Aguilar, R., Ramos-Garcia, R. & Ramirez-San-Juan, JC Mise en œuvre de la focalisation et de la redirection de la lumière à travers des supports hautement diffusants. Dans SPECKLE 2015 : VI International Conference on Speckle Metrology, vol. 9660, 355–359. https://doi.org/10.1117/12.2202820. Société internationale d'optique et de photonique (SPIE, 2015).
Chlipala, M. & Kozacki, T. Affichage holographique DMD à LED couleur avec une haute résolution sur une grande profondeur. Opter. Lett. 44, 4255–4258. https://doi.org/10.1364/ol.44.004255 (2019).
Article ADS PubMed Google Scholar
Mirhosseini, M. et al. Cryptographie quantique de haute dimension avec lumière torsadée. Nouveau J. Phys. 17, 033033. https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/3/033033 (2015).
Article ADS MathSciNet CAS Google Scholar
Aulbach, L., Bloise, FS, Lu, M. & Koch, AW Mesure de la rugosité de surface sans contact par la mise en œuvre d'un modulateur spatial de lumière. Capteurs 17. https://doi.org/10.3390/s17030596 (2017).
Gao, L., Liang, J., Li, C. & Wang, LV Photographie ultra-rapide compressée en un seul coup à cent milliards d'images par seconde. Nature 516, 74. https://doi.org/10.1038/nature14005 (2014).
Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Yoon, T., Kim, C.-S., Kim, K. et Choi, J.-R. Applications émergentes des dispositifs numériques à micromiroirs dans les domaines biophotoniques. Opter. Technologie laser. 104, 17–25. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.02.005 (2018).
Article ADS CAS Google Scholar
Rohwetter, P., Queißer, M., Stelmaszczyk, K., Fechner, M. et Wöste, L. Contrôle de la filamentation multiple au laser dans l'air à l'aide d'un masque de phase lisse. Phys. Rev. A 77, 013812. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.77.013812 (2008).
Article ADS CAS Google Scholar
Wang, W., Xie, Y., Popa, B.-I. & Cummer, SA Acoustique diffractive de sous-longueur d'onde et manipulation de front d'onde avec une métasurface acoustique réfléchissante. J. Appl. Phys. 120, 195103. https://doi.org/10.1063/1.4967738 (2016).
Article ADS CAS Google Scholar
Salter, PS & Booth, MJ Optique adaptative dans le traitement laser. Lumière Sci. Appl. 8, 110. https://doi.org/10.1038/s41377-019-0215-1 (2019).
Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Wu, Z. & Wang, X. Construction de masque DMD pour supprimer les artefacts structurels en blocs pour l'imagerie compressive basée sur un réseau de plans focaux infrarouges à ondes moyennes. Capteurs (Bâle, Suisse) 20. https://doi.org/10.3390/s20030900 (2020).
He, J., Dong, T., Chi, B. & Zhang, Y. Métasurfaces pour la modulation de front d'onde térahertz : un examen. J. Infrared Millim. TE. https://doi.org/10.1007/s10762-020-00677-3 (2020).
Article Google Scholar
Zhou, G., Lim, ZH, Qi, Y. & Zhou, G. Systèmes d'imagerie MEMS à pixel unique. Micromachines 11, 219. https://doi.org/10.3390/mi11020219 (2020).
Zlokazov, E. Méthodes et algorithmes de synthèse informatique d'éléments holographiques pour obtenir une réponse impulsionnelle complexe de systèmes de traitement d'informations optiques basés sur des modulateurs de lumière spatiaux modernes. Électron quantique. 50, 643–652. https://doi.org/10.1070/QEL17291 (2020).
Article ADS CAS Google Scholar
Yu, Z., Li, H. & Lai, P. Mise en forme du front d'onde et son application pour améliorer l'imagerie photoacoustique. Appl. Sci. 7, 1320. https://doi.org/10.3390/app7121320 (2017).
Article CAS Google Scholar
Turtaev, S. et al. Comparaison de la modulation spatiale de la lumière basée sur les cristaux liquides nématiques et la DMD en photonique complexe. Opter. Express 25, 29874–29884. https://doi.org/10.1364/OE.25.029874 (2017).
Article ADS PubMed Google Scholar
Gibson, GM, Johnson, SD & Padgett, MJ Imagerie à un seul pixel 12 ans plus tard : Une revue. Opter. Express 28, 28190–28208. https://doi.org/10.1364/OE.403195 (2020).
Article ADS PubMed Google Scholar
Ren, Y., Rong-de, L. & Gong, L. Adapter la lumière avec un dispositif numérique à micromiroir. Ann. Phys. 527, 447–470. https://doi.org/10.1002/andp.201500111 (2015).
Article MathSciNet Google Scholar
Park, M.-C. et coll. Propriétés des DMD pour les affichages holographiques. J.Mod. Opter. 62, 1600–1607. https://doi.org/10.1080/09500340.2015.1054445 (2015).
Article ADS CAS Google Scholar
Kalyoncu, SK, Huang, Y., Song, Q. & Boyraz, O. Génération rapide de formes d'onde arbitraires à l'aide de réseaux de micromiroirs numériques. IEEE Photon. J. 5, 5500207. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2013.2238664 (2013).
Annonces d'article Google Scholar
Feng, W., Zhang, F., Wang, W., Xing, W. & Qu, X. Appareil photo numérique à micromiroir avec exposition codée par pixel pour une imagerie à plage dynamique élevée. Appl. Opter. 56, 3831–3840. https://doi.org/10.1364/AO.56.003831 (2017).
Article ADS PubMed Google Scholar
Wen, C. et al. Microscopie pompe-sonde à accès aléatoire à résolution spatiale basée sur l'holographie binaire. Opter. Lett. 44, 4083–4086. https://doi.org/10.1364/OL.44.004083 (2019).
Article ADS CAS PubMed Google Scholar
Pan, Y., Liu, J., Li, X. & Wang, Y. Examen de l'affichage tridimensionnel holographique dynamique : algorithmes, dispositifs et systèmes. IEEE Trans. Ind. Inform. 12, 1599-1610. https://doi.org/10.1109/TII.2015.2496304 (2016).
Article Google Scholar
Tsang, P., Poon, T.-C., Cheung, W.-K. & Liu, J.-P. Génération informatique d'holographie de Fresnel binaire. Appl. Opter. 50, B88–B95. https://doi.org/10.1364/AO.50.000B88 (2011).
Article PubMed Google Scholar
Cheremkhin, PA & Kurbatova, EA Évaluation comparative des méthodes de seuillage global et local pour la binarisation des hologrammes numériques hors axe. Opter. Ing. Laser 115, 119–130. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2018.11.019 (2019).
Article Google Scholar
Chhetri, BB, Yang, S. & Shimomura, T. Binarisation itérative par étapes des hologrammes d'amplitude numérique avec une énergie ajoutée à la fenêtre de signal. Opter. Ing. 40, 2718–2725. https://doi.org/10.1117/1.1419019 (2001).
Annonces d'article Google Scholar
Holland, NC, Stuart, D., Barter, O. & Kuhn, AG Analyse comparative des algorithmes modernes pour créer de manière holographique des pincettes optiques pour les atomes refroidis par laser. J.Mod. Opter. 65, 2133-2141 (2018).
Article ADS CAS Google Scholar
Yang, G., Jiao, S., Liu, J.-P., Lei, T. & Yuan, X. Méthode de diffusion d'erreur avec coefficients de pondération optimisés pour la génération d'hologrammes binaires. Appl. Opter. 58, 5547–5555. https://doi.org/10.1364/AO.58.005547 (2019).
Article ADS PubMed Google Scholar
Goorden, SA, Bertolotti, J. & Mosk, AP Modulation spatiale d'amplitude et de phase basée sur les superpixels à l'aide d'un dispositif à micromiroir numérique. Opter. Express 22, 17999–18009. https://doi.org/10.1364/OE.22.017999 (2014).
Article ADS PubMed Google Scholar
Lee, WH Hologrammes synthétiques binaires. Appl. Opter. 13, 1677–1682. https://doi.org/10.1364/AO.13.001677 (1974).
Article ADS CAS PubMed Google Scholar
Gu, C., Zhang, D., Chang, Y. & Chen, S.-C. Mise en forme d'impulsion ultrarapide basée sur un dispositif numérique à micromiroir pour laser femtoseconde. Opter. Lett. 40, 2870–2873. https://doi.org/10.1364/OL.40.002870 (2015).
Article ADS PubMed Google Scholar
Conkey, DB, Caravaca-Aguirre, AM & Piestun, R. Caractérisation du milieu de diffusion à grande vitesse avec application à la focalisation de la lumière à travers des milieux troubles. Opter. Express 20, 1733. https://doi.org/10.1364/oe.20.001733 (2012).
Article ADS PubMed Google Scholar
Reimers, J., Bauer, A., Thompson, KP & Rolland, JP Spectromètre de forme libre permettant une compacité accrue. Lumière Sci. Appl. 6, e17026–e17026. https://doi.org/10.1038/lsa.2017.26 (2017).
Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Zhang, Z., Wang, X., Zheng, G. & Zhong, J. Imagerie Fast Fourier à pixel unique via un éclairage binaire. Sci. Rep. 7, 12029. https://doi.org/10.1038/s41598-017-12228-3 (2017).
Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Hirvonen, LM, Wicker, K., Mandula, O. & Heintzmann, R. Microscopie à illumination structurée d'une cellule vivante. EUR. Biophys. J. 38, 807–812 (2009).
Article Google Scholar
Sandmeyer, A. et al. La microscopie à éclairage structuré super-résolution basée sur Dmd visualise la dynamique des cellules vivantes à grande vitesse et à faible coût. bioRxiv, 797670 (2019).
Zhu, P., Fajardo, O., Shum, J., Schärer, Y.-PZ et Friedrich, RW Contrôle optique haute résolution des modèles d'activité neuronale spatio-temporelle chez le poisson zèbre à l'aide d'un dispositif numérique à micromiroir. Nat. Protocole 7, 1410-1425 (2012).
Article CAS Google Scholar
Patterson, GH & Lippincott-Schwartz, J. Photomarquage sélectif de protéines à l'aide de GFP photoactivable. Méthodes 32, 445–450 (2004).
Article CAS Google Scholar
Degtyarev, SA, Porfirev, AP & Khonina, SN Éléments optiques diffractifs multi-ordres adaptés à la base de Zernike pour l'analyse des aberrations faibles du front d'onde. In Saratov Fall Meeting 2016: Laser Physics and Photonics XVII; et biophysique computationnelle et analyse des données biomédicales III, vol. 10337, 103370Q (Société internationale d'optique et de photonique, 2017).
Pozzi, P. et al. Correction d'aberration sans capteur de front d'onde à grande vitesse dans la microscopie confocale numérique à base de micromiroirs. Opter. Express 25, 949–959 (2017).
Article ADS CAS Google Scholar
Yoon, J., Kim, K. & Park, W. Modèle UV en niveaux de gris modulé pour une photopolymérisation uniforme basée sur un système de dispositif à micromiroir numérique. Appl. Phys. Lett. 111, 033505 (2017).
Annonces d'article Google Scholar
Shevkunov, I., Georgieva, A., Belashov, A. & Petrov, NV Ptychographie avec sonde à valeur complexe basée sur DMD. Au congrès OSA Imaging and Applied Optics 2021 (3D, COSI, DH, ISA, pcAOP), DM6C.6. https://doi.org/10.1364/DH.2021.DM6C.6 (Groupe d'édition Optica, 2021).
Liebling, M., Blu, T. & Unser, M. Extraction d'ondes complexes à partir d'un seul hologramme hors axe. J. Opt. Soc. Suis. A 21, 367–377. https://doi.org/10.1364/JOSAA.21.000367 (2004).
Annonces d'article Google Scholar
Katkovnik, V., Shevkunov, IA, Petrov, NV & Egiazarian, K. Reconstruction du front d'onde dans l'holographie numérique hors axe via un codage parcimonieux de l'amplitude et de la phase absolue. Opter. Lett. 40, 2417–2420. https://doi.org/10.1364/OL.40.002417 (2015).
Article ADS CAS PubMed Google Scholar
Belashov, A., Petrov, N. & Semenova, I. Interférométrie holographique numérique hors axe avec front d'onde simulé. Opter. Express 22, 28363–28376 (2014).
Article ADS CAS Google Scholar
Dudley, A., Milione, G., Alfano, RR et Forbes, A. Détection de front d'onde entièrement numérique pour les faisceaux lumineux structurés. Opter. Express 22, 14031. https://doi.org/10.1364/OE.22.014031 (2014).
Article ADS PubMed Google Scholar
Georgieva, A., Ezerskii, A., Chernykh, A. & Petrov, N. Déplacement numérique du plan de formation du front d'onde cible avec modulation basée sur DMD et système d'enregistrement holographique de phase géométrique. Atmos. Océan. Opter. 35, 258-265 (2022).
Ding, Y. et al. Mise en forme du front d'onde pour une focalisation rapide de la lumière à travers des supports de diffusion basés sur l'optimisation du front d'onde parallèle et la méthode des superpixels. Menton. Phys. Lett. 37, 024202. https://doi.org/10.1088/0256-307x/37/2/024202 (2020).
Annonces d'article Google Scholar
Falaggis, K., Kozacki, T. & Kujawinska, M. Technique de reconstruction hybride à faisceau unique pour les champs d'ondes à variation lente et rapide. Opter. Lett. 40, 2509-2512. https://doi.org/10.1364/OL.40.002509 (2015).
Article ADS PubMed Google Scholar
Anh, NTL, Nhat, VQ & Lee, G.-S. Segmentation d'objet basée sur les informations d'emplacement pour la méthode des ensembles de niveaux. Dans Actes de la 7e Conférence internationale sur la gestion et la communication de l'information omniprésente, ICUIMC '13. https://doi.org/10.1145/2448556.2448643 (Association pour les machines informatiques, 2013).
Hornbeck, LJ Traitement numérique de la lumière et mems : refléter les besoins d'affichage numérique de la société en réseau. Dans Micro-optical Technologies for Measurement, Sensors, and Microsystems, vol. 2783, 2–13 (Société internationale d'optique et de photonique, 1996).
Kim, JU, Choi, H., Park, Y. & Shin, J. Analyse dans le domaine temporel des différences finies de la profondeur de pénétration accrue dans la tomographie par cohérence optique par mise en forme du front d'onde. Biomédical. Opter. Express 9, 3883–3897. https://doi.org/10.1364/BOE.9.003883 (2018).
Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Mirhosseini, M. et al. Génération rapide de faisceaux lumineux porteurs de moment cinétique orbital. Opter. Express 21, 30196–30203. https://doi.org/10.1364/OE.21.030196 (2013).
Article ADS PubMed Google Scholar
Petrov, NV, Goryunov, AE & Pavlov, PV Enquête sur l'interaction de l'éclairage structuré avec des milieux de diffusion aléatoires. Proc. SPIE 9205, 92050T. https://doi.org/10.1117/12.2061328 (2014).
Annonces d'article Google Scholar
Belashov, AV, Kulya, MS, Balbekin, NS, Gorodetsky, A. & Petrov, NV Effet de l'épaisseur de l'objet sur la diffraction des impulsions ultracourtes. Appl. Opter. 58, 9434. https://doi.org/10.1364/AO.58.009434 (2019).
Article ADS CAS PubMed Google Scholar
Télécharger les références
AB et NP remercient la Fondation russe pour la recherche fondamentale (18-32-20215).
Laboratoire d'holographie numérique et d'affichage, Université ITMO, Kronverksky 49, Saint-Pétersbourg, 197101, Russie
Alexandra Georgieva & Nikolay V. Petrov
Institut Ioffe, 26 Politekhnicheskaya, St. Saint-Pétersbourg, 194021, Russie
Andreï V. Belashov
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar
AG a réalisé la modélisation numérique et analysé les résultats, AB a conçu et réalisé l'expérience, NP a supervisé l'étude et fourni les ressources. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.
Correspondance à Alexandra Georgieva.
Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.
Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.
Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
Réimpressions et autorisations
Georgieva, A., Belashov, AV & Petrov, NV Optimisation de la modulation d'amplitude et de phase indépendante basée sur DMD par analyse du front d'onde complexe cible. Sci Rep 12, 7754 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11443-x
Télécharger la citation
Reçu : 13 octobre 2021
Accepté : 15 avril 2022
Publié: 11 mai 2022
DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-11443-x
Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :
Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.
Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt
En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.