Оптимизация ДМД

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 7754 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1960 г.

3 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

В статье представлены результаты комплексного исследования по оптимизации независимого манипулирования амплитудным и фазовым волновым фронтом, реализованного с помощью бинарного цифрового микрозеркального устройства. Целью исследования является исследование пространственного разрешения и квантования, достижимых с использованием этого подхода, а также его оптимизация на основе параметров целевой комплексной волны и оценки ошибки модуляции. На основе статистического анализа данных разработан алгоритм выбора параметров (несущая частота бинарной диаграммы и апертура для фильтрации первого порядка дифракции), обеспечивающий оптимальное качество модулированного волнового фронта. Алгоритм учитывает тип модуляции, то есть амплитудную, фазовую или амплитудно-фазовую, размер кодируемого распределения и его требования к пространственному разрешению и квантованию. Результаты исследования будут в значительной степени способствовать улучшению качества модулированного волнового фронта в различных приложениях с различными требованиями к пространственному разрешению и квантованию.

Синтез волновых фронтов с известными характеристиками привлек интерес многих исследователей в области фотоники. Некоторые из применений формирования волнового фронта — это микроскопия высокого разрешения1, формирование лазерного луча2,3, определение характеристик рассеивающих сред4,5,6, голографические дисплеи7, квантовая криптография8, метрология9, сжатое зондирование10, 3D-биопечать и литография11. На сегодняшний день существует ряд статических и динамических модуляторов волнового фронта, таких как дифракционные оптические элементы12, метаповерхности13, адаптивные оптические элементы14, которые обеспечивают возможность работы с амплитудой, фазой или поляризацией профиля луча в широком диапазоне длин волн15. ,16. Адаптивные пространственные модуляторы света с программируемым точным управлением волновым фронтом стали ценным инструментом для различных приложений, например, в системах визуализации17. Можно выделить два основных типа таких устройств: пространственные модуляторы света на основе жидких кристаллов и микроэлектромеханические системы (МЭМС). К первому относятся такие подтипы, как пропускающий жидкий кристалл, отражающий жидкий кристалл на кремнии и сегнетоэлектрический жидкий кристалл. Пространственные модуляторы света на основе МЭМС представлены цифровым микрозеркальным устройством (ЦМД), активной микрозеркальной матрицей и решеточным световым клапаном18.

Каждое из устройств характеризуется типом модуляции, среди которых можно выделить: только амплитудную, только фазовую и одновременную амплитудно-фазовую модуляцию. Было проведено сравнение различных типов модуляторов, на основе которого были выявлены преимущества и недостатки каждого метода18,19,20,21. Выбор необходимого устройства определяется особенностями решаемой в конкретном случае задачи. Можно выделить несколько важных характеристик модуляторов волнового фронта: скорость работы, динамический диапазон модуляции, количество и размер пикселей, эффективность модуляции. В приложениях, где требуется высокая скорость и пространственным разрешением можно пожертвовать ради достижения высоких показателей модуляции света, использование DMD предпочтительнее из-за его высокой частоты обновления22. Кроме того, DMD конструктивно предполагает только бинарную модуляцию. По сравнению с другими модуляторами, DMD имеет высокую скорость переключения, высокий коэффициент заполнения (90%) и относительно низкую стоимость23,24,25. За последние несколько лет такие устройства активно использовались в различных исследованиях11,22 и в коммерческих устройствах (например, голотомографический микроскоп HT-1H, разработанный Tomocube, Inc). Он обеспечивает высокий коэффициент усиления при фокусировке через рассеивающую среду19 или улучшении контрастности и точности формирования луча в оптических изображениях20. Это особенно актуально в биомедицинских приложениях, где задействованы быстрые процессы или должна быть обеспечена возможность измерения в реальном времени11,22,26. DMD состоит из массива микрозеркал, размещенных на КМОП-матрице, каждое из которых может иметь только два устойчивых состояния: «Включено» (\(+12^{\circ }\)) и «Выключено» (\(-12^{\circ }). \))22. Каждое микрозеркало представляет один пиксель проецируемого изображения. Кроме того, использование двоичных (1-битных) голограмм удобно с точки зрения информационной емкости, например, для реализации в голографических дисплеях27. Еще одним преимуществом бинарных голограмм перед голограммами в оттенках серого является также то, что их можно легко распечатать28.