基于DMD的单像素相移干涉波前成像技术之性能比较|Opt. Laser. Technol

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单像素波前成像（SWI）可以同时测量未知场的振幅和相位，与基于阵列探测器的波前成像技术相比，具有宽波段及弱光条件下探测等优势。基于DMD实现单像素相移干涉是SWI重要技术方案之一。然而，目前对基于DMD不同方法实现SWI的成像性能优劣，尚缺乏系统性的研究。

为此，详细研究了基于DMD的单像素多步移相干涉的各种成像技术方案，定量比较了使用不同调制基、不同相位调制方法以及不同参考策略时SWI的成像性能，该项工作可以为合理选择基于DMD的SWI技术提供有效指导，相关成果已于近期发表在期刊《Optics and Laser Technology》上。

技术路线

在使用基于DMD的单像素相移干涉波前成像技术对未知场进行测量时，分别使用不同的调制基（如Hadamard基（图1（a））、Fourier基（图1（b））和DCT基（图1（c）））、不同的参考策略（如棋盘格参考（图1（d1））、外围参考（图1（d2））和随机参考（图1（d3））），以及不同的相位调制方法（如二元光栅方法（图1（f））、Lee方法和超像素方法）都会对最终的成像性能产生影响，定量分析比较其对SWI成像性能的影响。

图1：基于DMD的单像素相移干涉波前成像技术原理^[1]

结果分析

首先，研究了当使用棋盘格参考策略和二元光栅相位调制方法时，基于不同调制基的SWI技术对蜻蜓翼的成像结果（图2）。为了进一步定量分析重建结果，表1计算了重构振幅和相位的平均能量梯度（AEG）。实验表明，在相同分辨率下，使用Hadamard调制基的成像性能优于其他两种调制基。这是因为Hadamard调制基的二值特性天然适配于DMD调制，而Fourier调制基和DCT调制基是灰度的，需要使用抖动技术二值化，在一定程度上会降低图像质量。

图2：不同正交基下SWI对蜻蜓翼的重建结果^[1]

表1.不同正交基下重建结果振幅和相位的AEG

其次，研究了基于不同参考策略的SWI技术对蜻蜓翼的成像性能。成像结果（图3）和定量数据（表2）表明，选择参考策略时，成像分辨率和成像视场之间存在权衡。根据成像视场和空间分辨率的需求，可以在SWI方法中灵活选择棋盘格参考或者外围参考策略去重建未知场波前。

表2.二元光栅方法在不同参考方式下重建结果振幅和相位的AEG

图3：二元光栅方法在不同参考策略下SWI对蜻蜓翼的重建结果^[1]

最后，研究了基于不同相位调制方法的SWI技术对蜻蜓翼的成像性能，图4和图5分别展示了使用Lee方法和超像素方法在三种不同参考策略下的成像结果。定量比较表2、表3和表4的AEG数值，可以看出基于二元光栅的相位调制方法重建结果最好，其次是超像素方法，而Lee方法相对较差。

图4：Lee方法在不同参考策略下SWI对蜻蜓翼的重建结果^[1]

图5：超像素方法在不同参考策略下SWI对蜻蜓翼的重建结果^[1]

表3.Lee方法在不同参考方式下重建结果振幅和相位的AEG

表4.超像素方法在不同参考方式下重建结果振幅和相位的AEG

该研究还探讨了基于二元光栅法和棋盘格参考实现三步相移干涉时对动态场景的成像性能。图6所示为缓慢移动蜻蜓翼的动态过程在10%采样率下的重建结果。当使用10.309 kHz DMD且成像分辨率为128×128时，波前成像速度可达2帧/秒。

图5：蜻蜓翼动态成像结果的演示^[1]

小结

该研究对基于DMD实现多步相移干涉技术的SWI方法进行了全面的定量分析和比较，并首次将超像素相位调制方法应用于基于Hadamard调制基的单像素波前成像。实验结果表明，在调制基方面，Hadamard调制基的成像性能最好；在参考策略方面，不同参考策略会导致成像分辨率和成像视场之间存在权衡，根据需求可以在不同的参考策略中进行灵活选择；在相位调制方法方面，基于二元光栅移相干涉法重建的波前成像结果质量最好。该研究为SWI领域的研究人员提供了有价值的指导，并将进一步促进单像素波前成像技术的快速发展和应用。

论文信息

1、Wenjing Zhao, Zhiheng Du,Aiping Zhai, Dong Wang*, “Wavefront imaging of a biological sample using DMD-based single-pixel phase-shifting interferometric techniques: An experimental comparison.” Opt. Laser. Technol. 172, 110483 (2024).

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110483

https://www.researchgate.net/profile/Dong-Wang-197