La casualità ha aiutato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10986 (2023) Citare questo articolo

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Proponiamo e dimostriamo uno schema di imaging olografico che sfrutta illuminazioni casuali per registrare l'ologramma e quindi applicare la ricostruzione numerica e la rimozione dell'immagine doppia. Utilizziamo una geometria olografica in linea per registrare l'ologramma in termini di correlazione di secondo ordine e applichiamo l'approccio numerico per ricostruire l'ologramma registrato. Questa strategia aiuta a ricostruire immagini quantitative di alta qualità rispetto all'olografia convenzionale in cui l'ologramma è registrato nell'intensità anziché nella correlazione dell'intensità del secondo ordine. Il problema dell'immagine doppia dello schema olografico in linea viene risolto da un metodo basato sull'apprendimento profondo senza supervisione che utilizza uno schema di codifica automatica. La tecnica di apprendimento proposta sfrutta la caratteristica principale degli autocodificatori per eseguire la ricostruzione cieca dell'ologramma a colpo singolo, e ciò non richiede un set di dati di campioni con verità di base disponibile per l'addestramento e può ricostruire l'ologramma esclusivamente dal campione catturato. Vengono presentati i risultati sperimentali per due oggetti e viene fornito un confronto della qualità della ricostruzione tra l'olografia in linea convenzionale e quella ottenuta con la tecnica proposta.

L'olografia digitale (DH) è emersa come un potente strumento per registrare e ricostruire le informazioni sull'ampiezza e sulla fase dell'onda1,2,3,4. La capacità del DH di recuperare informazioni complesse sull'ampiezza ha un'ampia gamma di applicazioni nei display 3D5, nella microscopia6, nell'imaging biomedico7 e molti altri. Il DH fornisce immagini di fase quantitative risolte spazialmente e ricostruzioni di profondità. In linea, fuori asse e sfasamento sono alcuni schemi ampiamente utilizzati. In un'olografia fuori asse, due raggi coerenti e angolarmente separati interferiscono per registrare le informazioni dell'ologramma8. Poiché i rilevatori digitali disponibili hanno un passo dei pixel limitato, la separazione angolare tra i raggi interferenti introduce una limitazione per la DH fuori asse. Inoltre la presenza di termini e coniugati non modulati limita l'utilizzo dell'intera larghezza di banda in una geometria DH fuori asse. Lo sfasamento è un'altra tecnica che utilizza registrazioni multiple dello stesso oggetto con sfasamenti nell'onda di riferimento9,10,11,12. Tra le numerose tecniche olografiche, l'olografia in linea ha un design compatto e un prodotto con larghezza di banda spaziale elevata (SBP)13,14. Gli schemi olgrafici in linea possono essere progettati utilizzando un singolo percorso e ottenuti dall'interferenza di onde diffratte e non diffratte che emergono dall'oggetto14. Tuttavia, un collo di bottiglia dell’olografia in linea è l’onnipresente problema dell’immagine doppia. Sono state sviluppate varie tecniche per risolvere questo problema utilizzando metodi ottici e computazionali15,16,17. Lo sviluppo di tecniche come la non interferometria e gli schemi non iterativi basati sul metodo Kramers-Kronig18,19 e il recupero di fase accoppiato a doppio piano per l'imaging olografico non precedente20 hanno ulteriormente avanzato il campo dell'imaging di campi complessi.

La qualità della ricostruzione nel DH dipende dalle configurazioni di registrazione. A causa della registrazione digitale e dei vincoli sui rilevatori, il miglioramento della risoluzione è un interesse emergente nel DH. La risoluzione in una configurazione olografica digitale è influenzata da fattori quali; l'apertura numerica, l'inclinazione del rivelatore e la diffrazione. In passato, sono state proposte varie tecniche per migliorare la risoluzione nel DH, e alcune di queste tecniche stanno abbassando la lunghezza d'onda21, sottocampionando l'altezza del rivelatore22, aumentando l'apertura numerica effettiva23,24, espandendo la larghezza di banda computazionale25. Recentemente, sono stati fatti alcuni progressi per sviluppare l'imaging con pressione sistolica elevata utilizzando il modulatore di luce spaziale26, la relazione Kramers-Kronig27,28 e il multiplexing olografico digitale fuori asse29. È stata utilizzata anche l'illuminazione a luce strutturata per migliorare la qualità e la risoluzione dell'immagine30,31,32,33,34,35,36. Zheng et al. ha utilizzato l'illuminazione strutturata in diversi orientamenti combinata con un algoritmo iterativo per migliorare la risoluzione spaziale nel DH36. L'illuminazione del campo maculato è stata utilizzata anche nel DH per l'imaging ad alta risoluzione e per ingrandire il campo visivo6,37,38,39,40,41,42. Tuttavia, questi metodi di illuminazione maculata richiedono la registrazione di diversi ologrammi con schemi di illuminazione casuale per un'adeguata cancellazione della casualità.