浅谈基于SLM的非相干全息系统掩模设计及成像处理

宋冲

摘要：基于空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）的菲涅尔非相干相关数字全息系统，无需对物体在空间或时间上进行扫描，可以快速获取真实三维物体的全息图，在荧光生物样品显微成像、彩色全息显示、以及自适应光学等领域展示了极大应用潜力。通过本项目的研究，为SLM更广泛的应用提供实验基础。

关键字：空间光调制器，掩模，成像，图像处理

一、背景

1.研究目的及应用

基于空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）的菲涅尔非相干相关数字全息系统，无需对物体在空间或时间上进行扫描，可以快速获取真实三维物体的全息图，在荧光生物样品显微成像、彩色全息显示、以及自适应光学等领域展示了极大应用潜力。通过本项目的研究，为SLM更广泛的应用提供实验基础。

2.创新点

利用SLM良好的相位调制特性，不需要更换硬件设施，只用合适的实现相应的照明图像或滤波器掩模即可，整个系统灵活、便利。本项目通过Matlab编程，在SLM上加载不同的掩模，研究其对非相干数字全息系统成像性能的影响。另外可对所记录的数字全息图进行图像处理，本项目通过Matlab软件等对再现像进一步处理，从而提高成像质量。

二、研究内容及方法

基于空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）的菲涅尔非相干相关数字全息成像系统，SLM是关键器件，通过MATLAB编程设计了各种加载到SLM的掩模模式，对成像性能进行调控，设计模式有：双透镜模式，双透镜阵列模式，圆形透镜阵列模式，并对双透镜模式中两种透镜焦距所占比例进行调控。SLM上加载掩模实现各种光学元件，设计不同掩膜（单透镜模式，雙透镜模式，滤波器掩模等），研究其对SLM性能影响。

三、执行过程及结果

1.掩模的制备：利用matlab设计掩模

三步相移掩模制备：分为0相移，120相移，240相移

四步相移掩模制备：0相移，90相移，180相移，270相移

Matlab制备掩模公式算法为：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）；

三步相移再现像（0，π/3，2π/3） 四步相移再现像（0，π/2，π，3π/2）

结论：和三步相移得到的再现像相比，四步相移得到的再现像的清晰度更好

2.再现像融合

合成孔径非相干数字全息成像，通过SIFT算法进行匹配叠加，利用三个子孔径合成一张大的全息图，构成一个大的光学系统，提高成像系统的分辨率。

sift算法匹配过程部分程序

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；

利用此改进算法可对不同位置所成图片进行精准匹配后的图片进行叠加，求其平均值，让最终所获得的图像具有实物的具体特征。

总结：

通过运用matlab的编程，以及对不同特征的掩模制作，产生了一系列可用掩模，对实物进行成像比较，获得较好的掩模，以便对成像性能较好的调控。

四、未来展望

设计、开发空间光调制器的初衷是为光学信息处理提供谱面滤波器件。空间光调制器在此起到了重要的作用，但是由于种种限制，如灵敏度、图像分辨率、空间均匀性以及所加载的掩模不同对成像效果的影响等问题，光学信息处理或光学计算机并未取得预期的效果。数字全息成像显示系统是典型的非相干光学信息处理系统，而空间光调制器又是光学信息处理的关键器件。因此可以说，光学信息处理与现代半导体技术相结合形成产业的数字全息成像系统产业将更加推动空间光调制器的发展。

参考文献：

[1]蒋筑英，李剑白，向才新等，光学系统成像质量评价及检验文集，北京：中国计量出版社

[2]庄松林，钱振邦，光学传递函数，机械工业出版社，北京：1981

[3]赵达尊，张怀玉.空间光调制器[M].北京：北京理工大学

出版社，1992.

[4]陈家璧，苏显渝，等.光学信息技术原理及应用[M].北

京：高等教育出版社，2002endprint