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無監(jiān)督深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)單次非相干全息3D成像  背景引入 數(shù)字全息術(shù)因其能夠從單一視點(diǎn)對(duì)3D場(chǎng)景進(jìn)行成像而備受關(guān)注。與直接成像相比，數(shù)字全息是一種間接的多步驟成像過程，包括光學(xué)記錄全息圖和數(shù)值計(jì)算重建，為包括深度學(xué)習(xí)在內(nèi)的計(jì)算成像方法提供了廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。近年來，非相干數(shù)字全息術(shù)因其成像分辨率高，無散斑噪聲和邊緣效應(yīng)，低成本等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。目前，非相干全息術(shù)已被應(yīng)用于孔徑成像、超分辨成像、大景深成像和晶格光片顯微成像。 近年來，深度學(xué)習(xí)已被應(yīng)用于非相干數(shù)字全息術(shù)。然而，目前所有的報(bào)告都是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，這些方法需要大量的配對(duì)標(biāo)記數(shù)據(jù)，并且存在泛化不足等問題。為了解決上述挑戰(zhàn)，本文提出了一種無訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)的單次非相干全息自校準(zhǔn)3D重建方法，稱為SC-RUN。SC-RUN可以提高點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）的保真度和信噪比，只需單個(gè)全息圖就可以實(shí)現(xiàn)3D對(duì)象的高保真度和無偽影重建。本文以無干涉編碼孔徑相關(guān)全息術(shù)（I-COACH）成像為例，清楚地展示了SC-RUN的效果。 方法原理  圖1 非干涉編碼孔徑關(guān)聯(lián)全息術(shù)裝置 非相干光源的光被透鏡L1聚焦以照射物體。物體位于透鏡L2的前焦平面Z3附近，使得物體可以被認(rèn)為位于CPM的遠(yuǎn)場(chǎng)中。加載了編碼相位的SLM位于透鏡L2距離d處，SLM前加偏振片P。由于I-COACH的成像模型在強(qiáng)度上是線性空間不變，因此傳感器記錄的物體全息圖可以被視為無數(shù)個(gè)物點(diǎn)全息圖的非相干強(qiáng)度疊加，因此，可以先對(duì)一個(gè)物點(diǎn)的光場(chǎng)進(jìn)行理論分析，然后通過卷積或疊加得到多物點(diǎn)物體的成像模型。  圖2 SC-RUN—校準(zhǔn)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)結(jié)構(gòu)  圖3 SC-RUN—基于無訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)的單次成像結(jié)構(gòu)  圖4 SC-RUN—基于無訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)的單次3D成像結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)光路 多通道I-COACH實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，其中振幅型空間光調(diào)制器的產(chǎn)品參數(shù)如下表所示。  圖5 I-COACH實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)所采用的空間光調(diào)制器為我司的TSLM07U-A，其參數(shù)規(guī)格如下：
系統(tǒng)由不同軸向平面中的兩個(gè)目標(biāo)通道組成，其中數(shù)字微鏡器件（DMD）用作通道1中的目標(biāo)1，而振幅型空間光調(diào)制器用作通道2中的目標(biāo)2。來自空間非相干發(fā)光二極管（LED）的光通過聚光器收集以照射物體，然后兩個(gè)通道內(nèi)衍射的物體光通過分束棱鏡（BS1）組合并通過透鏡L進(jìn)行準(zhǔn)直。偏振片P使物光的偏振方向與純相位SLM的調(diào)制軸方向一致。最后，通過CMOS傳感器記錄由純相位SLM調(diào)制的光波。純相位SLM加載由GSA算法合成的全息圖。 |
