Otimização de DMD

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7754 (2022) Citar este artigo

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O artigo apresenta os resultados de um estudo abrangente sobre a otimização de amplitude independente e manipulação de frente de onda de fase que é implementada usando um dispositivo de microespelho digital binário. O estudo visa investigar a resolução espacial e a quantização alcançáveis ​​usando esta abordagem e sua otimização com base nos parâmetros da onda complexa alvo e na estimativa do erro de modulação. Com base em uma análise estatística dos dados, foi desenvolvido um algoritmo para seleção de parâmetros (frequência portadora de padrão binário e abertura para filtragem de primeira ordem de difração) que garantem a qualidade ideal da frente de onda modulada. O algoritmo leva em consideração o tipo de modulação, ou seja, amplitude, fase ou amplitude-fase, o tamanho da distribuição codificada e seus requisitos de resolução espacial e quantização. Os resultados do estudo contribuirão muito para a melhoria da qualidade da frente de onda modulada em diversas aplicações com diferentes requisitos de resolução espacial e quantização.

A síntese de frentes de onda com características conhecidas tem atraído o interesse de muitos pesquisadores na área de fotônica. Algumas das aplicações da modelagem de frente de onda são microscopia de alta resolução1, modelagem de feixe de laser2,3, caracterização de mídia de dispersão4,5,6, exibições holográficas7, criptografia quântica8, metrologia9, detecção comprimida10, bioimpressão 3D e litografia11. Até o momento, existe uma variedade de moduladores de frente de onda estáticos e dinâmicos, como elementos ópticos de difração12, metasuperfícies13, elementos ópticos adaptativos14, que oferecem a possibilidade de operar com amplitude, fase ou polarização do perfil do feixe em uma ampla faixa de comprimentos de onda15 ,16. Os moduladores de luz espacial adaptativos com controle preciso programável da frente de onda tornaram-se uma ferramenta valiosa para várias aplicações, por exemplo, em sistemas de imagem17. Dois tipos principais de tais dispositivos podem ser descritos: moduladores de luz espacial baseados em cristal líquido e sistemas microeletromecânicos (MEMS). O primeiro inclui subtipos como cristal líquido transmissivo, cristal líquido refletivo em silício e cristal líquido ferroelétrico. Os moduladores de luz espacial baseados em MEMS são apresentados por um dispositivo de microespelho digital (DMD), uma matriz de microespelho ativo e uma válvula de grade de luz18.

Cada um dos dispositivos é caracterizado pelo tipo de modulação, entre os quais podem ser distinguidos: modulação somente amplitude, somente fase e modulação simultânea amplitude-fase. Diferentes tipos de moduladores foram comparados, a partir da qual foram identificadas as vantagens e desvantagens de cada técnica18,19,20,21. A escolha do dispositivo requerido é determinada pelas peculiaridades do problema a ser resolvido em um caso particular. Várias características importantes dos moduladores de frente de onda podem ser destacadas: velocidade de operação, faixa dinâmica da modulação, número e tamanho dos pixels e eficiência da modulação. Em aplicações em que é necessária alta velocidade e a resolução espacial pode ser sacrificada para atingir altas taxas de modulação de luz, o uso de DMD é preferível devido à sua alta taxa de atualização22. Além disso, DMD assume construtivamente apenas modulação binária. Comparado a outros moduladores, o DMD possui alta velocidade de comutação, alto fator de preenchimento (90%) e custo relativamente baixo23,24,25. Nos últimos anos, tais dispositivos foram usados ​​ativamente em vários estudos11,22 e dispositivos comerciais (por exemplo, microscópio holotomográfico HT-1H, desenvolvido por Tomocube, Inc). Ele fornece um alto fator de aprimoramento na tarefa de focar através do meio de dispersão19 ou melhorar o contraste e a fidelidade de modelagem do feixe em imagens ópticas20. Isto é particularmente relevante em aplicações biomédicas onde processos rápidos estão envolvidos, ou a possibilidade de medição em tempo real deve ser fornecida11,22,26. DMD consiste em uma matriz de microespelhos colocados em CMOS, cada um dos quais pode ter apenas dois estados estáveis: "On" (\(+12^{\circ }\)) e "Off" (\(-12^{\circ } \))22. Cada microespelho representa um único pixel da imagem projetada. Além disso, o uso de hologramas binários (1 bit) é conveniente em termos de capacidade de dados, por exemplo, para implementação em displays holográficos27. Outra vantagem dos hologramas binários sobre os hologramas em escala de cinza é que eles podem ser facilmente impressos28.