基于空间光调制器的光信息处理基础实验

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空间光调制器DMD多级谱复频成像的研究觹

了读出图像的亮度。作为一个应用实例，利用ＤＭＤ空间光调制器及多级谱复频成像装置构建了一个合成全息图的
拍摄系统，在ＤＤ上输入数十幅分立时间序列的数字图Ｍ像，采用纵向面积分割法在感光版上记录系列的子全息图
ｈ、ｈ …ｈ，最后用二步彩虹法拍摄了具有动态视觉效果、．
得［Ｎ］状态的反射镜看起来非常明亮，［Ｆ］状态的ＯＯＦ
反射镜看起来就很黑暗（２（）。Ｄ图ａ）ＭＤ工作时，微反
一
ＤＰ，从而实现了从常规的视频信号输入到光显示信号输Ｌ）
出全过程的数字控制［２与其它类型的电寻址 ห้องสมุดไป่ตู้ 间光调１￣－。
制器相比较．ＤＭＤ同时具有分辨率高、反射率高、对比度高和响应速度快的特性，作为非相干光图像读出的空问光
调制器．ＤＭＤ已在多媒体投影显示及高清晰度电视得到广泛的应用并显示出优越的光学性能。目前利用ＤＭＤ作为
个二进制数字 “ ” 使镜片倾斜＋２，同时在存储单元ｌ１。
『存入一个二进制数字 “ ” 使镜片倾斜一２，形成一个｝１０ｌ。
１引言

基于空间光调制器lcos-slm应用的常见算法

基于LCOS-SLM(空间光调制器)的常见算法应用包括:
1. 相位编码:
通过调制SLM的相位,可以实现光场的相位编码,应用于全息照相术、全息显示等。

典型算法包括GS算法、错误扩散等。

2. 波前修正:
使用SLM调制波前形状,可以补偿光学系统的像差。

典型算法有基于传感器的闭环校正和开环校正。

3. 模式生成:
通过SLM设计调制模式,可以生成特定光束模式,如拉格光、倾斜光束等。

算法包括基于计算机生成全息术的方法。

4. 光束整形:
调控SLM进行光束整形,获得所需的照射光强分布。

算法包括基于AHS迭代法和GS法的方法。

5. 全息显示:
SLM可实现全息数据的空间光调制,重建全息图像。

算法有一步法和两步法全息计算方法。

6. 全光学计算:
利用SLM进行光计算,实现矩阵乘法、图像处理等光学计算。

综上,SLM是光信息处理的核心设备,与不同算法配合可以实现多种光波调控与计算功能。

液晶空间光调制器光电特性研究报告心得体会

液晶空间光调制器光电特性研究报告心得体会液晶空间光调制器（LCD-SLM）是一种利用液晶材料的光电特性来调制和控制光信号的设备。

通过控制液晶材料中液晶分子的排列状态，可以实现对光的相位、振幅和偏振等特性的调制。

在这次光电特性研究中，我们对LCD-SLM的调制特性进行了详细的实验研究，并对实验结果进行了分析和总结。

首先，我们对LCD-SLM的高频响应特性进行了测试。

通过改变输入信号的频率，并测量输出信号的相位和幅值，我们可以得到LCD-SLM的频率响应曲线。

实验结果表明，LCD-SLM的响应频率范围较宽，且输出信号的相位和幅值能够随着输入信号频率的变化而变化。

这说明LCD-SLM可以实现对光信号的高频调制，具有良好的动态性能。

其次，我们对LCD-SLM的偏振特性进行了测试。

通过调节LCD-SLM的驱动电压和极化方向，我们可以改变液晶材料对光的偏振状态，从而实现对光信号偏振的调制。

实验结果表明，LCD-SLM能够实现对光信号的线性偏振和圆偏振的调制，并且在不同偏振状态下输出信号的相位和幅值也有所变化。

这说明LCD-SLM对光的偏振调制具有较好的性能和灵活性。

此外，我们还对LCD-SLM的工作温度特性进行了测试。

实验结果表明，在一定温度范围内，LCD-SLM的调制性能基本稳定。

然而，在超过一定温度范围后，液晶材料的分子排列状态会发生变化，导致LCD-SLM的调制性能下降。

因此，在实际应用中，需要控制好LCD-SLM的工作温度，以确保其性能的稳定和可靠。

通过这次光电特性研究，我对LCD-SLM的原理和特性有了更深入的了解。

LCD-SLM作为一种光电器件，在光通信、光计算和光存储等领域具有广泛的应用前景。

在未来的研究中，我希望能够进一步探索LCD-SLM的非线性特性，以及其在光学信号处理和光学成像等方面的应用潜力。

计算全息实验

计算全息除了其在工业和科学研究方面的应用价值，也是一个非常好的教学工具。要做好一个计算全息图，既要熟悉衍射光学、光全息学等物理知识，还要了解抽样理论、快速傅里叶变换、调制技术和计算机编程方面的知识。这些知识对于物理类和光电信息技术类专业的学生和研究人员都是不可缺少的。
§1 实验目的和内容
通过设计制作计算全息图、利用高分辨液晶空间光调制器(LCD)实时再现该计算全息图、观察再现结果, 掌握计算全息图的编码原理, 加深对光全息原理, 光的干涉和衍射特性的认识。主要实验内容：（1）学习采用不同的编码方法设计计算全息图；（2）对设计制作的计算全息图进行计算机模拟再现；（3）建立基于液晶空间光调制器的计算全息光学再现光路；记录并分析计算全息图的光学再现结果。
（11）
利用（11）设计的计算全息图就称为修正离轴干涉型计算全息图。它的空间频谱如图 2（b）所示。显然，记录同样带宽的物函数所需全息图的实际带宽和参考光的载频都大大减小。
共轭像
v 自相关项原始像
共轭像
原始像
u
（a）
（b）
图 2 （a）普通离轴干涉计算全息图的空间频谱；（b）修正干涉计算全息图的空间频谱
3（b）所示是采用矩形通光孔径编码的计算全息图的一个抽样单元的示意图。图中，δx 和 δy 为抽样单元
的抽样间隔，Wδx 为开孔的宽度，Lmnδy 为开孔的高度，Pmnδx 为开孔中心到抽样单元中心的距离。我们可以选取矩形孔的宽度参数 W 为定值，用高度参数 Lmn 和位置参数 Pmn 来分别编码光波场的振幅和位相。设待记录光波场的归一化复振幅分布函数为：
m
=
−
M 2
n
=−
N 2
MN
为了减少运算时间，通常采用快速傅里叶变换（FFT）算法。计算结果一般为复数：

近代物理实验液晶空间光调制器的振幅调制实验报告

近代物理实验液晶空间光调制器的振幅调制实验报告在光通信、显微和望远等成像系统、自适应光学、光镊等许多应用领域中，都会涉及到光相位的调制，这时就需要用到一种新型的可编程光学仪器——空间光调制器。

空间光调制器是采用LCOS（LiquidCrystalOnSilicon,硅基液晶）芯片来调节光波前的振幅或相位的光学器件。

LCOS芯片是由液晶像元组成的像素阵列，每个像素都能单独地调制光。

对于同一束光来说，像元的尺寸越小，调制得就越精细；像素的个数就是芯片的分辨率，分辨率越高，可调制的自由度就越高。

从早期的铁电物质和扭曲向列液晶结构开始，到利用光电寻址。

滨松的中央研究所和固体事业部致力于空间光调制技术已有30多年的历史了。

其空间光调制器目前主要在高端市场中，以高线性度、高光利用率、高衍射效率等性能著称。

对于滨松空间光调制器LCOS本身的性质来说，它只改变光的相位，而不影响光的强度和偏振状态（振幅/光强的调制需要通过光路来实现）。

通过改变电压来改变液晶的排列方式，相位调制随着液晶的排列方式而变化。

通过CMOS背板和PC输出的DVI信号，液晶的排列是单像素可控的。

选择分辨率和像元大小LCOS是由像素阵列组成的，目前滨松可以提供两种分辨率：792×600，1272×1024；对于792×600分辨率的产品，还有两种像元大小可供选择：20μm，12.5μm。

不同的分辨率和像元大小以系列表示在产品型号的前半部分，如X10468-08，X10468指的就是该型号的产品分辨率为792×600，像元大小为20μm。

表中的“有效面积（Effecttiveareasize）”是指LCOS头上可以对光进行调制的液晶面的面积。

而用户在选型时，需要考虑该面积是否可以容纳下所需调制的光斑大小。

“填充因子（Fillfactor）”则是指单个像素有效面积占总面积的百分比，它在影响光利用率方面比较关键。

空间光调制器的工作原理及其在信息光学中的应用

空间光调制器的工作原理及其在信息光学中的应用空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是信息光学领域中重要的一种设备，具有广泛的应用。

本文将介绍空间光调制器的工作原理，并阐述其在信息光学中的应用。

一、空间光调制器的工作原理空间光调制器是一种能够调整光波相位、振幅或偏振等参数的光电器件。

其基本构成包括光电转换器件和控制电路。

常见的空间光调制器有液晶空间光调制器（LC-SLM）和远红外空间光调制器（IR-SLM）等。

液晶空间光调制器利用液晶分子的旋转改变光波的偏振态，从而实现对光波的调制。

其结构包括透明电极、透明基底、液晶层等。

透明电极通过外加电压改变电场，从而改变液晶分子的旋转程度，进而改变波片的相位差。

远红外空间光调制器则是利用半导体材料的特性，通过改变电压来控制光波的相位、振幅等参数。

它在远红外波段（10μm-100μm）具有较好的响应特性，并被广泛应用于红外成像、光谱分析等领域。

二、空间光调制器在信息光学中的应用1. 相位调制空间光调制器可以通过改变光波的相位差来实现相位调制。

相位调制可用于全息成像、光学信息处理等领域。

例如，在数字全息术中，利用空间光调制器可以将三维物体信息编码到二维的全息图中，实现对物体的三维重建。

2. 模拟光学系统空间光调制器可用于模拟光学系统的构建。

通过控制空间光调制器的参数，如相位、振幅等，可以模拟各种光学元件的功能。

这对于系统性能分析、光学设计和优化等方面有着重要作用。

3. 光波前校正在自适应光学系统中，空间光调制器可以用于补偿光束的像差，提高图像的清晰度和分辨率。

通过改变光波的相位和振幅分布，空间光调制器可以实现对光场的调整，从而实现补偿效果。

4. 光通信与信息传输空间光调制器在光通信与信息传输中有广泛应用。

利用空间光调制器可以实现光信号的调制、解调和编码等功能。

同时，空间光调制器也可用于光纤通信中的信号调整、波前整形等。

5. 光学陷阱与操控空间光调制器还可用于构建光学陷阱。

空间光调制器实现相位调制的原理

空间光调制器的基本原理空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一种用于控制光波相位的装置。

它利用特殊的光学材料（如液晶、单晶硅等）和电调制技术，通过改变材料中的折射率或光的吸收特性来实现对光波相位的调制。

这样，可以对光波进行相位调制，并实现包括干涉、衍射、全息等光学功能。

空间光调制器通过改变光的相位，可以控制光波传输的方向、强度、波前形状等参数，广泛应用于光学通信、光学显示、光学信息处理、全息成像等领域。

空间光调制器主要有两种类型：液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，简称LC-SLM）和单晶硅空间光调制器（Silicon SpatialLight Modulator，简称Si-SLM）。

以下将分别介绍它们的工作原理。

液晶空间光调制器（LC-SLM）的工作原理液晶空间光调制器由液晶材料、玻璃基板、透明电极、控制电路等组成。

液晶材料是一种具有自发偏振性质的有机分子，可通过外加电场改变其取向，从而改变其光学性质。

液晶材料的取向状态可以分为平行（平面向列型）和垂直（逆锥型）两种。

液晶空间光调制器通常采用平行取向的液晶材料，使光波经过液晶层时，被液晶材料的分子沿着相同的方向旋转一定的角度，从而改变光波的相位。

液晶空间光调制器的原理可以分为两个步骤，即电场调制和光学调制。

1.电场调制液晶空间光调制器的玻璃基板上覆盖有透明电极，通过外加电压激发电场，使液晶材料的分子取向发生变化。

当液晶层中没有电场时，液晶分子呈现无序排列，电场激发后，液晶分子趋向于沿着电场方向旋转。

这种液晶分子的取向可以通过控制电场的大小、方向和施加时间来实现，从而实现对光波相位的调制。

2.光学调制当外加电场产生后，液晶材料的折射率发生改变。

当光波通过液晶层时，会受到液晶材料的折射率差异影响，从而引起相位的改变。

液晶空间光调制器通过控制电场，实现对光波相位的调制，具体来说，可以通过调整电场强度和方向来改变液晶层中的折射率分布，进而改变光波的相位分布。

初稿：基于空间光调制器的实验

基于空间光调制器的光学实验摘要随着光信息处理技术的发展，空间光调制器得到广泛的应用。

空间光调制器能快速对光波的特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等）进行某种变换或调制。

液晶空间光调制器是常见的空间光调制器。

液晶可以十分方便地对光束进行调整，而且具有很多特性，如扭曲效应、电控双折射等,因此成为光信息处理系统中的关键器件。

本文介绍以空间光调制器为核心器件的五大实验，分别是图像识别、计算全息术、激光模式转换、图像边缘增强和实现菲涅尔透镜。

关键词空间光调制器图像识别计算全息术激光模式转换图像边缘增强快速实现平面菲涅尔透镜Abstract With the development of the Optical information processing,the spatial lightmodulator is used generally.The spatial light modulator is able to transform or modulate the features of light wave(Phase,Amplitude,Light Intensity,frequency or polarization state of light,etc).Actually,the liquid crystal spatial light modulator is one of the most commonly used modulators.Liquid crystal can adjust light beam expediently and there are lots of characters,such as twist effect,Electrically Controlled Birefringence,etc,so it becomes the key to Optical information processing system.In the next,we are going to introduce five experiments which are the basis on the spatial light modulator,including image recognition technology,Computer-generated holography,the laser beam mode transforming,image edge enhancement and Fresnel zone plate.KEY WORDS Spatial light modulator,image recognition technology,Computer-generated holography,the laser beam mode transforming,image edge enhancement ,Fresnel zone plate目录1.前言1.1 空间光调制器发展1.2 空间光调制器的功能1.3 空间光调制器结构1.3.1 空间光调制器基本结构1.3.2 空间光调制器寻址方式1.4 实验所使用的空间光调制器2.基于空间光调制器的实验2.1 激光模式转换2.1.1 实验原理2.1.1.1 拉盖尔-高斯光束光场方程描述2.1.1.2 利用软件生成平面光与拉盖尔-高斯光的干涉图形2.1.2 激光模式转换实验2.1.2.1光路扩束系统的实验实验装置图2.2 图像识别系统2.2.1 实验原理2.2.1.1 互相关定理2.2.1.2 自相关定理2.2.1.3联合变换相关器相关识别（JTC）的工作原理2.2.2 图像识别实验2.2.2.1 JTC实验系统的组成2.2.2.2 JTC实验步骤2.2.2.3 实验结果2.3 SLM制作菲涅尔透镜2.3.1 实验原理2.3.1.1 菲涅尔波带片的原理1.前言1.1空间光调制器发展空间光调制器是由英文Spatial Light Modulator直接翻译过来，缩写为SLM。

空间光调制器参数测量与创新应用实验实验讲义

空间光调制器参数测量与创新应用实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司所有不得翻印前言空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。

这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。

由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算等系统中构造单元或关键的器件。

空间光调制器是实时光学信息处理，自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，很大程度上，空间光调制器的性能决定了这些领域的实用价值和发展前景。

空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射式和透射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM) 。

最常见的空间光调制器是液晶空间光调制器，应用光－光直接转换，效率高、能耗低、速度快、质量好。

可广泛应用到光计算、模式识别、信息处理、显示等领域，具有广阔的应用前景。

本实验是传统光信息处理实验与计算机等先进技术手段相结合的现代光学实验，旨在让学生了解空间光调制器的广泛应用和科研价值。

本实验注重学生对光信息处理中关键器件的理解，同时利用SLM解决实际科研与产业应用问题的能力，实验直观且有很强的指导性，可作为相关专业学生的研究型实验。

实验一SLM 液晶取向测量实验一、实验目的1. 了解空间光调制器的基础知识。

2. 理解空间光调制器的透光原理。

3. 测量空间光调制器的前后表面液晶分子取向，计算液晶扭曲角。

二、实验原理根据液晶分子的空间排列不同，可将液晶分为向列型、近晶型、胆甾型3类。

其中扭曲向列液晶 (Twisted Nematic Liquld Crystal ，TNLC)是液晶屏的主要材料之一，它是一种各向异性的媒质，可以看作是同轴晶体，它的光轴与液晶分子的长轴平行。

TNLC 分子自然状态下扭曲排列，在电场作用下会沿电场方向倾斜，过程中对空间光的强度和相位都会产生调制。

振幅型空间光调制器的设计与实现

振幅型空间光调制器的设计与实现振幅型空间光调制器是一种高度可调节的光学元件，可以用于光学信息处理和显示等领域。

其优点在于具有可编程性、高分辨率和高刷新率等特点，因此受到了广泛的关注。

本文将介绍振幅型空间光调制器的设计与实现，并探讨其应用前景。

一、振幅型空间光调制器的原理与结构振幅型空间光调制器是一种基于液晶技术的光学器件，其基本原理是通过液晶分子的旋转来控制光的偏振方向，从而实现光的强度调节。

具体而言，液晶分子在电场的作用下会发生旋转，进而改变光的偏振方向，从而达到调制光强的目的。

振幅型空间光调制器通常由液晶层、偏振器、电极等部分组成。

其中，液晶层是关键组成部分，其结构与普通的液晶显示屏类似，由两块玻璃基板和夹在中间的液晶层构成。

电极部分则用于对液晶层的电场进行控制，以达到调制光强的目的。

偏振器则用于控制入射光的偏振方向，防止退偏振效应的发生。

二、振幅型空间光调制器的设计与实现1.液晶层的制备液晶层是振幅型空间光调制器的关键组成部分，其质量对器件的性能有着至关重要的影响。

目前，液晶层的制备主要采用离子束刻蚀法和平面蒸发法等，其中以离子束刻蚀法最为常见。

具体而言，离子束刻蚀法将液晶层沉积在基板上，然后通过离子束蚀刻的方式在其上加工进一步的结构，以实现对液晶分子的控制。

2.电极的设计与制备电极是振幅型空间光调制器的重要组成部分，其作用是通过电场控制液晶分子的旋转，实现光的强度调节。

电极可以采用金属薄膜沉积方法或者蚀刻加工方法进行制备。

其中，金属薄膜沉积法是一种较为常见的方法，具体步骤为：将金属薄膜沉积在基板上，然后通过光刻和蚀刻的方式制得细小的电极，并用导线连接到控制电路中。

3.偏振器的选取与安装偏振器是振幅型空间光调制器中的必要组成部分，其作用是控制入射光的偏振方向，防止退偏振效应的发生。

目前，高性能的偏振器一般采用偏振片和波片的组合结构。

偏振片用于选择入射光的偏振方向，波片则用于将非线性偏振分量转变为线性偏振分量，从而避免光的退偏振现象的发生。

液晶空间光调制器在自适应光学图像信息处理中的应用.pdf

液晶空间光调制器在自适应光学图像信息处理中的应用重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：周*指导教师：印勇教授专业：信号与信息处理学科门类：工学重庆大学通信工程学院二O一三年四月The Application of Liquid Crystal Spatial Light Modulator in Adaptive Optics Image Information Processing SystemA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMaster’s Degree of EngineeringByZhou QingSupervised by Prof. Yin YongSpecialty: Signal and Information ProcessingCollege of Communication Engineering ofChongqing University, Chongqing, ChinaApril 2013中文摘要摘要液晶空间光调制器是重要相位校正器件，是自适应光学信息处理中不可缺少的器件之一。

自适应光学是实时控制光学波前的技术，动态波前扰动的时间-空间特性决定了对液晶空间光调制器的特殊要求。

二维光学负反馈系统是用低精度光学器件实现高精度光学图像处理的重要工具，具有高速、并行的优点，与仿射线性变换结合可以实现真正的二维光学负反馈图像迭代函数系统（IFS），IFS是研究分形与混沌动力系统的核心与关键技术。

论文根据各层液晶分子指向矢的分布，得到了不同入射角下液晶空间光调制器的拓展琼斯矩阵和每层的等效折射率，并由拓展琼斯矩阵和每层的等效折射率得到振幅调制特性和相位调制特性，然后结合两者获得了纯相位调制模式下所需的入射角范围。

实验结果表明该方法能够确定纯相位调制模式下的液晶空间光调制器入射光源的入射角范围。

基于空间光调制技术的飞秒激光微纳加工

内容摘要飞秒激光加工表面微纳米结构作为一种新型的、多用途的纳米材料制备技术被广泛应用于物理、生物、信息等多领域中，然而传统的飞秒激光加工往往采用逐点扫描的方法，效率低下。

借助于LCoS SLM (Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator)的空间光调制技术能够通过相位调制实现对飞秒激光焦平面光场的空间整形，将其用于无掩膜并行加工，可以在保证加工精度的同时极大提升加工效率。

本文研究了空间光调制器的构造和工作原理，对基于LCoS SLM的多种光场图形化算法进行了分析、模拟、改进和实验验证，主要研究结果如下：首先，本文研究并总结了基于时空干涉的新型空间整形系统的原理，它相比传统技术更加简单灵活并有更高的效率。

然而此技术中的缩束系统造成的成像畸变严重影响了加工的准确性。

本文模拟并分析了该系统中的畸变现象，利用空间光调制器的相位全息图补偿畸变引起的空间光场的位置变化和光强分布不均。

此方法可使曝光处干涉图案的最大偏移量由10.66 μm趋近于0，在实验中将相对最大偏差由60.42 %降至8 %以下，并使该处二维光强分布趋近于平顶光。

该算法降低了时空干涉的飞秒激光空间整形技术对于缩束成像系统的设计需求，节省了成本与时间。

基于以上方法，在不锈钢表面拼接加工出了1.5 × 1.5 mm的具备多级别防伪能力的二维码图案。

此外，本文还模拟并验证了借助MPFL(Multiplexed Phase Fresnel Lenses)算法实现的多路菲涅尔透镜全息图和对其改进得到的柱透镜全息图，成功将激光光场调制为点阵和直线分布，并通过GS(Gerchberg–Saxton)算法和GSW(Weighted Gerchberg–Saxton)算法得到了将光场调制为面状分布的计算全息图，大幅提升了焦平面处的光强均匀性。

关键词：飞秒激光，空间光调制器，微纳加工，无掩膜加工ABSTRACTAs a new multi-purposed nanomaterial processing technology, the surface micro-nanostructures processed by femtosecond laser are widely used in many fields, such as physics, biology and information. The spatial light modulation technology based on LCoS SLM(Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator) can realize the spatial shaping of femtosecond laser focal plane light field through phase modulation, which can apply to the parallel processing without mask, so as to ensure the processing precision as well as to raise the efficiency much higher than the traditional point by point scanning processing technology.This work introduces the structure and working principle of spatial light modulator, and does some analysis, simulation and improvements on a series of optical field graphics algorithms based on LCoS SLM. A series of experiments are applied to verify that.This work will investigate and summarize principles of a spatial shaping system based on the spatiotemporal interference which is more easy, flexible and efficient than traditions. However, the imaging distortion introduced by the shrink-beam system has huge influence on the accuracy of processing. This work simulates and analyzes the distortion of the systems, and provides a method to adjust the phase hologram from a spatial light modulator via compensating for the position changes and the uneven light distribution from the distortion. The method can make the maximum deviation of the interference pattern near the exposure point approach 0 from 10.66 μm, the relative maximum deviation reduce from 60.42 % to under 8% and the two-dimension light intensity distribution get close to flat-top. The algorithm reduces the design requirement on the system, cost and time are saved. Thehigh-precision large-area micro-nanostructures are realized successfully fabricated on a stainless steel surface based on this system, including the 1.5 × 1.5 mm QR code with multi-level anti-counterfeiting ability.Furthermore, the multiplexed Fresnel lens hologram are simulated by using the MPFL(Multiplexed Phase Fresnel Lenses). The cylindrical lens hologram is obtained by improving simulation, which modulates the laser field into dot matrix and linear distribution. By using the GS algorithm and the GSW algorithm, a computer hologram to modulate the light field into a planar distribution is obtained. The light intensity uniformity is immensely improved at the focal plane.Keywords: [Femtosecond laser] [Spatial light modulator] [Micro/nano fabrication] [Maskless fabrication]目录内容摘要 (I)ABSTRACT (i)第1章绪论 (1)1.1 飞秒激光加工技术 (1)1.2 飞秒激光加工表面微纳米结构的特性及应用 (2)1.3 空间光调制技术用于加工表面微结构 (4)1.4 课题的意义和主要研究内容 (5)第2章空间光调制技术研究 (8)2.1 空间光调制器介绍 (8)2.2 空间光调制器的构造和原理 (9)2.3 本章小结 (13)第3章基于时空干涉的空间整形畸变校正及加工应用 (14)3.1 基于时空干涉的空间整形的优势与缺陷 (14)3.2 实验装置 (16)3.3 畸变校正的算法与模拟 (17)3.4 光强校正的算法与模拟 (19)3.5 畸变与光强校正的实验验证 (22)3.6 畸变与光强校正用于拼接制备大面积微结构 (24)3.6.1 拼接微结构的试验 (24)3.6.2 拼接制造基于二维码的多级防伪结构 (26)3.6.3 拼接制造仿生疏水结构 (29)3.7 本章小结 (30)第4章基于MPFL算法的点阵与线状分布光场空间整形 (31)4.1 MPFL算法的原理和改进 (31)4.2 “点”与“线”空间整形的实验验证 (32)4.3 本章小结 (34)第5章基于GS算法的平面衍射光场整形 (35)5.1 衍射光学元件 (35)5.2 GS算法的原理和模拟 (35)5.3 对GS算法的改进和模拟 (38)5.4 实验验证 (41)5.5 本章小结 (43)第6章结语 (45)总结 (45)展望 (46)科研成果 (47)参考文献 (48)致谢54第1章绪论1.1 飞秒激光加工技术激光拥有极高的单色性、方向性、相干性和相比普通光源超高的亮度（能量输出）等特点[1]，此外还可根据对功率、波长、脉宽等多种需求进行选择和适配。

空间光调制器原理

空间光调制器原理空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）是一种能够调制光波相位和振幅的光学器件，它在光学通信、光学信息处理、光学成像等领域有着广泛的应用。

空间光调制器的原理是基于光的干涉和衍射效应，通过对光场进行调制，实现对光波的控制和调整。

本文将从空间光调制器的基本原理、工作原理和应用等方面进行介绍。

空间光调制器的基本原理是利用光的干涉和衍射效应来实现对光波的调制。

在空间光调制器中，通常采用液晶、光栅、声光晶体等材料制成的光学器件，通过外加电场、声场或光场等外部激励，使得器件中的折射率、透过率或相位发生改变，从而实现对光波的调制。

这种调制方式可以实现对光波的相位、振幅、偏振等参数的调控，具有灵活性高、响应速度快等优点。

空间光调制器的工作原理是通过对光波进行局部调制，实现对光场的控制和调整。

在空间光调制器中，通过对入射光场进行空间分解，然后对分解后的光场进行局部调制，最后再将调制后的光场进行空间叠加，从而实现对整个光场的调制。

这种工作原理可以实现对光波的复杂调制，如光波的相位编码、振幅调制、空间滤波等功能。

空间光调制器在光学通信、光学信息处理、光学成像等领域有着广泛的应用。

在光学通信中，空间光调制器可以实现光波的调制和解调，提高光通信系统的传输速率和容量；在光学信息处理中，空间光调制器可以实现光波的编码、解码和处理，实现光学信息的存储和处理；在光学成像中，空间光调制器可以实现光场的调制和调整，提高成像系统的分辨率和对比度。

总之，空间光调制器是一种能够实现对光波相位和振幅调制的光学器件，它的原理是基于光的干涉和衍射效应，通过对光场进行局部调制，实现对光波的控制和调整。

空间光调制器在光学通信、光学信息处理、光学成像等领域有着广泛的应用，具有重要的科学研究和工程应用价值。

希望本文的介绍能够对空间光调制器的原理有所了解，并为相关领域的研究和应用提供一定的参考。

纯相位空间光调制器进行振幅调制和相位调制

纯相位空间光调制器进行振幅调制和相位调制文章标题：深度探究纯相位空间光调制器的振幅调制和相位调制一、引言纯相位空间光调制器（SLM）是一种能够在空间领域中对光进行精确调控的装置，它可以实现光的振幅调制和相位调制。

在本文中，我们将深入探讨纯相位空间光调制器的原理和应用，重点分析其在振幅调制和相位调制方面的特点和优势。

二、纯相位空间光调制器的原理和结构纯相位空间光调制器是一种基于液晶技术的光电器件，其根本原理是通过控制液晶分子的取向来改变光的相位和幅度。

其结构包括基板和液晶层，通过施加电场来改变液晶分子的取向从而控制光的相位和幅度。

三、纯相位空间光调制器的振幅调制特点及应用1. 振幅调制原理纯相位空间光调制器实现振幅调制的原理是通过调制输入的光强，具体来说就是通过控制光的衍射量来改变光的振幅。

这种振幅调制的特点是精细度高、速度快、实时性强。

2. 振幅调制应用在激光传输、光学成像、数字全息成像等领域，振幅调制技术都有着广泛的应用。

而纯相位空间光调制器作为一种理想的振幅调制装置，其在这些领域的应用也日益广泛。

四、纯相位空间光调制器的相位调制特点及应用1. 相位调制原理纯相位空间光调制器实现相位调制的原理是通过改变光的波前形状来实现相位的调制。

通过在空间上精确地调制光的相位，可以实现光的相位调制。

2. 相位调制应用相位调制在干涉成像、数字全息成像、光学通信等领域都有着重要的应用。

纯相位空间光调制器作为一种理想的相位调制装置，其在这些领域的应用也逐渐受到重视。

五、纯相位空间光调制器的综合应用通过对振幅调制和相位调制两种调制方式的深入理解，我们可以更好地实现纯相位空间光调制器在实际应用中的综合调控。

在光学成像领域，可以通过综合应用振幅调制和相位调制来实现更加精细的成像效果，提高成像的分辨率和清晰度。

六、个人观点和总结从以上的分析可以看出，纯相位空间光调制器具备着在振幅调制和相位调制方面的独特优势，并在光学成像、数字全息成像、光通信等领域有着广泛的应用前景。

dmd空间光调制器原理

dmd空间光调制器原理DMD空间光调制器（Digital Micromirror Device）是一种基于微小反射镜数组的光学装置，用于对空间光进行调制和控制。

在DMD空间光调制器中，每个微小反射镜可以独立地倾斜，从而改变光的反射方向，从而实现对光的调制。

DMD空间光调制器的工作原理是基于每个微小反射镜的运动。

每个微小反射镜都可以倾斜到两种不同的角度，一种是“开”状态，另一种是“关”状态。

当反射镜处于“开”状态时，它会将光反射到特定的方向上，从而将光引导到目标位置。

而当反射镜处于“关”状态时，它将光反射到其他地方，从而使光不会到达目标位置。

DMD空间光调制器的核心是控制反射镜的倾斜状态。

为了实现这一点，每个反射镜都与一个独立的偏转电极相连。

当施加一个特定的电压信号到该偏转电极上时，反射镜会倾斜到“开”状态。

相反，当消除该电压信号时，反射镜会回到“关”状态。

通过控制不同的电压信号施加到不同的反射镜上，可以实现对整个微镜阵列的高精度控制。

在DMD空间光调制器中，可以使用计算机或其他控制电路来控制每个反射镜的状态。

计算机可以根据需要生成特定的图像或模式，并将这些图像或模式转化为相应的电压信号。

电压信号然后被送到对应的反射镜上，从而实现对光的精确调制。

DMD空间光调制器在光通信、光存储、光投影和光显示等领域有广泛的应用。

例如，在光通信中，DMD空间光调制器可以用来调制光信号，从而实现光的编码和解码。

在光显示中，DMD空间光调制器可以用来控制像素的亮度和颜色，从而实现高分辨率的图像显示。

除了上述应用外，DMD空间光调制器还可以用于光学计算和光学图案生成。

通过控制反射镜的状态，可以在空间中精确地操纵光的幅度、相位和极化状态，从而实现复杂的光学操作。

这些操作包括光学透镜、光波前调制和光学变换等。

总结来说，DMD空间光调制器通过控制微小的反射镜来调制光信号。

它的工作原理基于对反射镜状态的控制，通过施加电压信号来实现反射镜的运动。

空间光调制实验报告

一、实验目的1. 理解空间光调制的基本原理和过程。

2. 掌握空间光调制器（SLM）的基本操作和调节方法。

3. 分析不同调制模式下的光信号特性。

4. 探讨空间光调制在光学通信和成像中的应用。

二、实验原理空间光调制是一种利用光束的空间分布来调制信息的技术。

它通过改变光束的空间相位、振幅或偏振态，实现信息的传输和加工。

空间光调制器（SLM）是实现空间光调制的关键元件，它可以将电信号转换为光信号的空间分布。

本实验中，我们使用了一种基于液晶的SLM，其原理是利用液晶分子的取向变化来调制光束的偏振态。

当电场作用于液晶时，液晶分子会按照电场方向排列，从而改变光束的偏振态，实现空间光调制。

三、实验仪器与设备1. 光源：He-Ne激光器2. SLM：液晶空间光调制器3. 放大器：透镜组4. 光功率计5. 光谱分析仪6. 数据采集卡7. 计算机四、实验步骤1. 搭建实验系统：将He-Ne激光器输出光束通过SLM，然后经过放大器聚焦到检测器上。

2. 调节SLM：调整SLM的偏振片和相位板，观察检测器上的光信号变化，直到达到预期效果。

3. 调制模式实验：a. 振幅调制：使用数据采集卡将数字信号输入SLM，观察检测器上的光强变化，分析振幅调制特性。

b. 相位调制：调整SLM的相位板，观察检测器上的光强和相位变化，分析相位调制特性。

c. 偏振调制：调整SLM的偏振片，观察检测器上的光强和偏振态变化，分析偏振调制特性。

4. 实验数据记录与分析：记录不同调制模式下的实验数据，分析光信号特性，并与理论值进行对比。

五、实验结果与分析1. 振幅调制：实验结果表明，振幅调制可以实现光强的线性变化，调制深度与输入信号幅度成正比。

2. 相位调制：实验结果表明，相位调制可以实现光强的周期性变化，调制深度与输入信号相位差成正比。

3. 偏振调制：实验结果表明，偏振调制可以实现光强和偏振态的周期性变化，调制深度与输入信号偏振态差成正比。

六、实验结论1. 空间光调制是一种有效的信息传输和加工技术，具有调制速度快、抗干扰能力强等优点。

基于空间光调制器的合成全息显示技术研究

采用光学引擎系统的主要出发点是利用其能将彩色图像通过RGB三个通道，将三基色图像分别显示于三个LCD，用于合成全息显示时，则需要对全息图作一定的处理，处理方法，将左右视图的全息图分别作为RGB图像的R和B分量，G分量可以任意，进而把RGB三个分量用Matlab图像处理的方法处理合成一幅1024×768的RGB彩色图像，这样当一幅RGB图像通过计算机视频接口输出时，就同时输出了一对体视全息图到再现光路系统中，通过实时光电再现，使人眼观察到立体像。
式中：
Zo是物平面到全息面的距离，为常数。略去常数项exp（jkz。）／jAZo后，式（1）可以表示成：
式中：
则全息面上的物光分布可以通过 f（X。，Y。）P（ X。，Y。）的傅里叶变换得到，变换频率在计算全息中物光波是离散化的，三维物体由计算机设计并得到相应不同视角视图的数字图像，因而可用快速傅里叶变换（FFTr）计算菲涅耳衍射。用博奇编码法制作得到1024×768像素的离轴菲涅耳计算全息图。对体视对中的两个图像分别计算得到两幅全息图。为实现合成全息显示效果，将三维物体不同侧面对应体视图计算并处理得到的系列全息图按顺序存储。
式中：
Zo是物平面到全息面的距离，为常数。略去常数项exp（jkz。）／jAZo后，式（1）可以表示成：
式中：
则全息面上的物光分布可以通过 f（X。，Y。）P（ X。，Y。）的傅里叶变换得到，变换频率在计算全息中物光波是离散化的，三维物体由计算机设计并得到相应不同视角视图的数字图像，因而可用快速傅里叶变换（FFTr）计算菲涅耳衍射。用博奇编码法制作得到1024×768像素的离轴菲涅耳计算全息图。对体视对中的两个图像分别计算得到两幅全息图。为实现合成全息显示效果，将三维物体不同侧面对应体视图计算并处理得到的系列全息图按顺序存储。

基于空间光调制器的全息显示散斑噪声抑制算法

基于空间光调制器的全息显示散斑噪声抑制算法示例文章篇一：哎呀，这“基于空间光调制器的全息显示散斑噪声抑制算法”到底是啥呀？对于我这个小学生（初中生）来说，简直就像是来自外太空的神秘语言！我就一直在想啊，这东西难道是像超级英雄的秘密武器一样，藏着巨大的能量和神秘的魔力？可它又不像我喜欢的超级英雄那么容易理解。

你说，我们平常看到的那些漂亮的画面，要是被这个什么噪声给捣乱了，那得多烦人啊！就好像你正在开开心心地吃着美味的冰淇淋，突然飞来一只讨厌的苍蝇，围着你嗡嗡叫，是不是超级破坏心情？我听说研究这个算法的叔叔阿姨们可厉害了！他们就像是勇敢的探险家，在一片充满未知的数字世界里寻找着解决问题的宝藏。

他们会不会也遇到很多困难呀？比如说，就像我们做数学题，有时候想破脑袋也找不到答案。

我猜他们在研究的时候，一定是不停地尝试，不停地思考。

说不定也会有争吵的时候，一个人说这样做行，另一个人说那样做才对。

这多像我们小组讨论问题呀，大家都有自己的想法，都想争个高低。

要是这个算法真的成功了，那我们看到的画面岂不是更加清晰、更加漂亮？就像我们把窗户上的灰尘擦干净了，外面的风景一下子变得特别清晰、特别美！你想想，如果我们在看电影的时候，再也没有那些讨厌的噪声来打扰，那该有多爽！或者是在玩游戏的时候，画面超级清晰，感觉就像自己真的在游戏世界里一样。

哎呀，我真的好期待这个算法能够快快完善，让我们能享受到更棒的视觉体验。

我觉得这一定会是一个超级厉害的突破，难道不是吗？总之，虽然我不太懂这个复杂的算法，但我相信它一定会给我们带来惊喜的！示例文章篇二：哎呀，这题目可把我难住啦！“基于空间光调制器的全息显示散斑噪声抑制算法”，这都是啥呀？对我这个小学生（初中生）来说，简直像外星球的语言！我就想啊，这空间光调制器是个啥玩意儿？难道是能像孙悟空的金箍棒一样，把光随便调来调去？还有那全息显示，是不是像变魔术一样，能把东西一下子变得到处都是？可这散斑噪声又是什么鬼？是像一群调皮的小怪兽在捣乱吗？要是能有个超级英雄来帮我搞懂这些就好啦！就像蜘蛛侠能飞檐走壁一样，一下子就把这些难题都解决掉。

基于高速相位型空间光调制器的双光子多焦点结构光显微技术

基于高速相位型空间光调制器的双光子多焦点结构光显微技术*喻欢欢张晨爽林丹樱于斌† 屈军乐(深圳大学物理与光电工程学院, 光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 深圳　518060)(2020 年10 月29日收到; 2020 年11 月24日收到修改稿)多焦点结构光照明显微镜(multifocal structured illumination microscopy, MSIM)能在50 µm的成像深度内实现2倍于衍射极限分辨率的提升, 但在对厚样品成像时, 散射光和离焦光限制了其层析能力和图像衬度.双光子多焦点结构光照明显微镜(two-photon MSIM, 2P-MSIM)克服了样品组织散射的影响, 进一步提高了MSIM的成像深度和成像特性. 然而, 现有的2P-MSIM通常采用振镜扫描成像, 系统复杂, 灵活性差. 为了解决上述问题, 本文提出了一种基于高速相位型空间光调制器(spatial light modulator, SLM)的双光子多焦点结构光照明超分辨显微成像系统, 通过在SLM上同时加载生成多焦点阵列的相位图和线性相位光栅的相位图,实现了多焦点阵列的产生和在样品面上的高精度的并行数字随机寻址扫描和激发成像, 结合像素重定位和反卷积技术实现了三维双光子多焦点结构光超分辨成像, 解决了扫描振镜在2P-MSIM成像中的机械惯性问题,同时降低了系统的复杂性, 提升了灵活性. 在此基础上, 利用搭建的2P-MSIM开展了小鼠肾组织切片和铃兰根茎双光子超分辨成像实验, 验证了该方法的三维超分辨成像能力, 对于2P-MSIM的发展具有重要的意义.关键词：多焦点结构光照明显微技术, 双光子, 荧光显微镜, 空间光调制器PACS：87.64.M–, 87.64.kv, 42.30.–d, 87.85.Pq　DOI: 10.7498/aps.70.202017971 引　言近年来, 多种突破光学衍射极限限制的超分辨显微技术蓬勃发展, 如: 受激发射损耗(stimulated emission depletion, STED)显微技术[1]、光激活定位显微技术[2]、随机光学重构显微成像技术(stocha-stic optical reconstruction microscopy, STORM)[3]及结构光照明显微成像技术(structured illumina-tion microscopy, SIM)[4]等, 已达到了纳米量级的空间分辨率, 实现了对细胞内精细结构的观察, 极大地推动了生命科学等诸多领域的发展. 尽管STED显微技术能对较厚的生物组织进行高分辨率成像, 但需要特定荧光标记的样品及高能量的损耗光, 后者一定程度地造成了光漂白和光损伤, 限制了该技术的进一步应用. STORM虽能提供更高分辨率成像, 但其不仅仅受到荧光染料种类的限制, 宽场的激发方式和稀疏化的发光模式进一步限制了其成像深度和成像速度. 与此同时, SIM虽然仅仅能提供2倍的分辨率提升, 但由于其具有成像时不受荧光染料的限制, 不需要高的激发光功率, 以及快的成像速度等优势, 在活细胞成像方面获得广泛的应用. 令人遗憾的是, 传统的宽场结构光照明显微成像技术仅仅能实现对比较薄的样品(< 10 µm)超分辨成像, 限制了其发展. 图像扫描显微镜(image scanning microscopy, ISM)[5]被认* 国家自然科学基金 (批准号: 61975131, 61775144, 61835009)、广东省自然科学基金(批准号: 2018A030313362)、广东省高等学校科技创新(重点)项目(批准号: 2016KCXTD007)和深圳市基础研究项目(批准号: JCYJ20170818141701667, JCYJ201708资助的课题.† 通信作者. E-mail: yubin@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 为是一种点扫描照明显微成像技术, 这种超分辨技术的出现大大提高了结构光照明显微成像技术的成像深度. 然而, 单个聚焦点的扫描方式限制了ISM的成像速度, 于是多焦点结构光照明显微镜(multifocal structured illumination microscopy, MSIM)[6]被提出, 采用多点并行扫描的方式, 大大提高了单点扫描结构光照明显微镜的成像速度.MSIM 不仅能够实现2倍于宽场显微镜的成像分辨率, 还具有传统共聚焦显微技术的层析能力, 成像深度可以达到50 µm. 但是, 在对厚样品成像时, 样品中的散射和离焦背景光降低了MSIM 的成像特性. 双光子显微镜由于成像深度大并具有较好的层析能力在生物成像领域获得了广泛应用.发展基于双光子技术的MSIM, 即双光子多焦点结构光照明显微镜(two-photon MSIM, 2P-MSIM),进一步提升MSIM的成像性能, 将进一步推进其在活体厚样品超分辨成像中广泛应用. MSIM采用数字微镜器件(digtital micromirror device, DMD)实现点阵的产生和扫描, 但是DMD因其较低的能量利用率而难以实现2P-MSIM. 为了能够获得高效的多焦点双光子激发, 各种不同类型的光学器件被应用在多光子多焦点显微成像技术中, 包括光分束器[7]、微透镜阵列[8−10]、衍射光学元件[11,12]及空间光调制器(spatial light modulator, SLM)[13−15]等. 目前, 在2P-MSIM[10]中, 主要采用微透镜阵列与扫描振镜相结合的方式实现双光子点阵的激发和扫描, 但其双光子激发点阵是固定的, 灵活性差.而基于SLM的多焦点产生技术在点阵的均匀性、效率及随机性方面都具有较大的优势. 利用SLM 生成点阵的算法主要有基于相位恢复(Gerchberg-Saxton, GS)算法[16]、广义自适应加法算法[17]、直接搜寻算法[18]、以及加权相位恢复(weighted GS, WGS)算法[19,20]等. 在这些算法中, WGS算法生成的点阵具有更好的均匀性和效率. 直到目前, 几乎所有的多焦点多光子结构光照明显微成像系统都需要振镜来实现扫描成像, 系统具有较大的复杂性且受机械惯性的影响, 灵活性差. 为了解决上述问题, 本文提出并搭建了一种基于高速相位型SLM的2P-MSIM, 仅通过在SLM上加载生成点阵和线性相位光栅的合成相位图, 就同时实现了点阵产生和在样品面上高精度并行数字随机寻址扫描激发, 结合像素重定位和反卷积技术实现了三维双光子多焦点结构光超分辨成像. 利用搭建的系统完成了对小鼠肾切片、铃兰根茎及荧光珠的双光子超分辨成像, 具有较好的成像效果, 验证了该方法的三维超分辨成像能力.2 2P-MSIM原理与方法2.1 2P-MSIM成像理论2P-MSIM被认为是一种并行的2P-ISM, 其实现超分辨的原理与2P-ISM一致. 在ISM[5]中,一个面阵探测器替换了激光共聚焦扫描显微镜中的点探测器. 探测器探测到的图像不仅仅与激发点的位置有关, 同时也与探测器上的像素点的位置有关, 因此, 在不考虑系统放大倍率的情况下, 在样品面扫描位置r处, 探测器s位置处的双光子荧光光强分布可以表示为[5,21]c(r′)E(r′)U(r+s)E0(r)U(r+s)E0(r)=E2(r)σinσdet其中, 表示荧光分子分布, 表示在扫描位置为r的系统激发点扩散函数, 表示探测位置为r + s的系统探测点扩散函数. 那么, 在双光子激发下, 系统有效的点扩散函数可表示为, 其中, 表示在扫描位置为r的双光子激发点扩散函数. 假设双光子激发点扩散函数和系统探测点扩散函数采用高斯分布模型, 且标准差分别为和, 那么双光子激发下, 系统有效的点扩散函数可重新表示为[22]U eff其中, G表示高斯函数, 表示有效的点扩散函数.σ2P-in=σex/√2σexλexλdet1<k<2k=λex/λdetσex=kσdetσ2P-in=kσdet/√2在2P-ISM中, 双光子激发点扩散函数为系统激发点扩散函数的平方, 则双光子激发点扩散函数的标准差为, 其中为单光子激发下, 系统激发点扩散函数的标准差. 在双光子激发过程中, 分子吸收两个光子经过斯托克斯位移后自发辐射出单个光子, 则双光子激发波长与探测波长的比值, 其中. 所以系统激发点扩散函数和系统探测点扩散的标准差之间的关系变为, 因此, 双光子激发点扩散函数的标准差与系统探测点扩散函数标准差之间关系为.假设不考虑双光子激发时荧光染料的吸收截面, 再结合(2)式, 则2P-ISM的有效点扩散函数U 2P-eff 可以描述为I r −k 2k 2+2s ,s 因此, 有效的双光子图像可以通过对s 的积分来重构:再结合(1)式, 2P-MSIM 有效图像可重新表示为如果从频率域来考虑, 那么两边同时进行傅里叶变换将得到:(k 2+2)/k 2(k 2+2)/k 2从(6)式可以看出, 有效图像包含的频谱范围是宽场照明得到 , 所以, 通过像素重定位(pixel reassignment)和反卷积(deconvolution)处理, 理论上2P-MSIM 相比于宽场显微镜能实现倍分辨率的提升.2.2 系统光路设计2P-MSIM 是基于尼康显微镜实现的(Nikon ECLIPSE Ti-U). 一台波长为1036 nm 、功率为1 W 、脉宽为145 fs 的激光从光纤激光器发出(安扬, FemotoYL-6), 首先通过一个可用来调节激光出射功率的半波片(Thorlabs, AHWP05M-980)和偏振分光棱镜对; 从偏振分光棱镜出射的P 偏振光再次经过半波片(Thorlabs, AQWP10M-980),用来调整飞秒光在通过SLM 之前的偏振方向. 然后, 光束被一对包含焦距为25 mm (Thorlabs,AC127-025-B-ML)以及焦距为80 mm (Thorlabs,AC254-080-B-ML)的透镜对扩束; 经扩束后的光束通过一个可调光阑照射在一个高速相位型SLM (Meadowlark Optics, 像元数为1920 × 1152, 像素尺寸为9.2 µm × 9.2 µm)上; 通过在SLM 上加载生成点阵和线性相位光栅的合成相位图, 能够实现多个聚焦点阵列在其傅里叶面上的扫描移动;经SLM 调制的激发光经过一个焦距为300 mm 的透镜(Thorlabs, AC508-300-B)后照射在显微镜的管镜上; 为了满足SLM 采光面大小与物镜后孔径面大小尽可能匹配, 将原来的管镜替换成焦距为300 mm, 尺寸为2英寸的透镜(Thorlabs, A508-300-AB-ML), 与前一个透镜构成一个无扩束的4f 系统;为了只让SLM 的一级光通过系统, 在4f 系统两个透镜间放置一个可调光阑用来滤除SLM 的其他衍射级的光; 光束经过管镜后又经过水浸物镜(Nikon, 60 ×, NA 为1.27)在样品面上形成多个聚焦点; 样品被激发后产生的荧光信号经二向色镜与发射片后由sCMOS 相机(滨松,ORCA-Flash4.0 v3)接收. 整个光路的示意图如图1所示.SLMSampleLaser λ/2 plate λ/2 plate PBS f = 25 mmf = 300 mmf = 300 mmf = 80 mmMirrorMirror IrisDichroic mirrorObjectivesCMOS Tube lens f = 200 mm图 1 2P-MSIM 系统光路示意图Fig. 1. Schematic diagram of 2P-MSIM system.2.3 点阵产生和扫描相位图设计2.3.1 点阵相位图设计原理整个相位图的设计分成3步: 1)点阵相位图的设计; 2)用于点阵扫描的线性相位光栅的设计;3)将两个相位图进行叠加生成最终的复合相位图.√I (x )Φi (x )点阵相位图的生成方法采用的是一种改进的WGS 算法[20], 即当WGS 算法迭代几次后, 一直保持频谱面的相位不变, 用作下一次的迭代, 直至算法收敛. 利用这种方式大大减少了迭代次数, 加快了收敛速度. 在传统的WGS 算法中, 初值相位可以设置成分布范围为–π—π的随机矩阵, 当算法执行第i 次迭代时, 傅里叶平面的振幅和相位可以根据输入平面的振幅和相位经过二维Ψi (u )B i (u )Γ(u )g i (u )g i (u )傅里叶变换得到. 保持傅里叶面的相位不变,振幅用目标振幅乘以一个不均匀性矫正的加权系数来替换. 可以表达为⟨B i (u )⟩M δ(u )g 0(u )其中, 表示计算得到的M 个点的振幅平均值, 表示的是狄拉克函数, 设置为1.A i +1(x )Φi +1(x )√I (x )A i +1(x )g i (u )δΨi (u )δg i (u )g i (u )δΨi (u )Ψi (u )=ΨN (u )然后, 用替换后的振幅和计算得到的相位进行二维逆傅里叶变换就得到输入平面的振幅和相位 , 通过这种方式不断迭代下去, 最后就能得到均匀性好的点阵的输入相位. 但是当用传统的WGS 算法生成点阵时, 我们发现在迭代过程中用替换使在矫正均匀性时很难有较大的改善, 往往需要较长的时间才能实现较好的矫正效果. 主要原因是对于输入平面的傅里叶变换, 振幅的替换引入了一个相位改变量, 这个改变量要比加权系数改变量大得多, 所以导致了在矫正不均匀性方面很难有比较好的效果. 值得注意的是, 通过对后续的i +1次迭代的相位改变施加影响, 能有效地移除相位改变量 . 具体做法是在WGS 算法执行N 次迭代达到目标调制效率后, 保持后续迭代中傅里叶平面的相位不变, 即. 利用这种方法, 算法可以在很少的迭代次数就完成了收敛, 且最终生成了一个均匀性好、效率高的多焦点阵列. 算法的执行过程可以通过图2(a)来表示,图2(b)和图2(c)分别表示利用该算法得到的相位图和点阵图.2.3.2 线性相位光栅的设计线性相位光栅的相位表达式可以表示为其中, k 表示光栅的频率, r 表示SLM 面的坐标.exp (i 2πkr )δ(u −k )δ(ufλ−k )k =ρfλδ(u −ρfλ)B i (u )Ψi (u )B i(u −ρfλ)Ψi(u −ρfλ)相应地, 复振幅表达式可以写成 ,从频率空间来考虑, 其傅里叶变换为 . 考虑到光学的傅里叶变换和数学上傅里叶变换的坐标变换关系, 相位光栅对应的傅里叶面的复振幅分布为 , 其中f 表示透镜的焦距, l 表示激光器的波长. 再令 , 则该复振幅表达式变为 . 假设生成的点阵对应的复振幅为且激光器的波长带宽很窄, 考虑到空域内的复振幅的乘积对应频域内的复振幅的卷积, 则相应的叠加相位图对应傅里叶面的复振幅分布为. 从这个表达式上看, 点阵的位置被移动了r .δf /k max δf =fλ/D k max jδf δf k max 由于SLM 本身是由一个个的像素单元构成的, 在SLM 面上的相位光栅的相位值被离散化,所以实际的线性相位光栅不可能实现点阵的连续移动. 根据文献[23], 相位光栅能实现的扫描精度为 , 这里, D 表示物镜的通光孔径; 表示相位光栅产生位移在 — 的最大可实现个数, 可以表示为其中, N 为产生的相位光栅在SLM 上所占的像素个数, g 为是SLM 的灰度级. 综合以上的分析, 利用线性相位光栅可实现亚纳米级的扫描步长.根据以上的相位图的设计理论, 利用MATLAB 软件分别生成点阵的相位图和线性相位光栅的相位图, 最后通过相位叠加的方式生成最后的相位图.FTIFT[Focal plane](a)(b)(c)( ), ( )( ), ( ) ( ) ( ), ( )[SLM plane]( )( ) ( )= ( )if > , ( )= ( )图 2 (a) WGS 算法流程图; (b)得到的相位图; (c)生成的点阵图Fig. 2. (a) Flow chart of WGS algorithm; (b) generated phase map; (c) generated multi-focus array.2.4 2 P-MSIM 数据获取与分析为了实现同步扫描同步记录的目的, 用LABV-IEW 软件分别控制纳米位移台(Pi, E-709)、相机和空间光调制器. 实验中, 纳米位移台每上升一步,就用SLM 和相机完成一层的成像. SLM 每加载一张图片, 相机同时曝光记录一次, 直至成像完成整个二维平面. 根据每一层的图像信息能够完成对荧光样品的三维重构.与单光子的MSIM 的数据处理方法[6]相类似,2P-MSIM 超分辨图像也可以通过像素重定位技术, 即: 多焦激发(multifocal-exciting)、数字高斯针孔(pinholing)滤波、图像缩放(scaling)、求和(summing) 4个图像处理步骤来重建超分辨图像(multifocal-exciting pinholing scaling summing,MPSS), 再经过Richardson-Lucy (RL)反卷积来进一步提升图像的分辨率, 获得2倍分辨率提升的2P-MSIM 图像. 考虑到激发点大小的改变和波长的差异, 实际的处理过程需要对实验室已有程序[24]略微加以改进, 即可获得近似2倍分辨率提升的双光子超分辨图像.3 结果与讨论3.1 荧光珠成像为了测试系统的空间分辨率, 首先对尺寸100 nm, 中心发射波长为580 nm 的荧光珠进行成像, 由于所选荧光珠尺寸小于该成像系统的理论分辨率, 所以实验分析时未考虑荧光珠直径对测量的半高全宽的影响. 对得到的2P-MSIM 原始数据进行了重构, 分别获得了点阵激发图通过添加高斯数字针孔再叠加(pinholed+summed)的初步降噪的宽场图像(pinholed widefield, Pinholed WF)、像素重定位的MPSS 图像及MSIM 图像, 结果如图3所示. 图3(a)—(c)分别表示荧光珠在经过这3个过程后得到的图像, 大的虚线框内的荧光珠为小的虚线框内的荧光珠的放大, 可以明显观察到在PinholedWF 图像中原本分不开的荧光珠图像在MPSS 和MSIM 图像中能明显地分开. 图3(d)为图3(a)—(c)中黄色实线所在像素的值的大小与对应的像素所占的宽度作的曲线拟合, 每条曲线都经过了归一化处理. 为了能标定系统的分辨率,1.00.80.6N o r m a l i z e d i n t e n s i t yWidth/m m0.40.2000.20.40.60.8 1.0 1.2PinholedWF MPSS MSIM1.00.80.6N o r m a l i z e d i n t e n s i t yWidth/m m 0.40.200.20.40.60.8 1.0PinholedWF MPSS MSIMPinholedWF (a) 2 m m (b) 2 m m(c)2 m m(d)(e)图 3 100 nm 荧光珠成像　(a) PinholedWF 图像; (b) MPSS 图像; (c) MSIM 图像; (d)图(a)—(c)中黄色实线所在像素值的大小与对应像素所占宽度的拟合曲线; (e)单个荧光珠的高斯拟合曲线Fig. 3. 100 nm fluorescent bead imaging: (a) PinholedWF image; (b) MPSS image; (c) MSIM image; (d) fitting curves of the size of the pixel value of the yellow solid lines in panel (a)－(c) vs. the width of corresponding pixel; (e) Gaussian fitting curves of a single fluorescent bead.也对视场范围内10颗荧光珠的图像进行高斯曲线拟合, 并进行统计平均, 得到了系统的平均分辨率,如图3(e)所示. 经过对单个荧光珠的Pinholed-WF, MPSS和MSIM图像拟合, 得到荧光珠的半高全宽值分别是(360 ± 15) nm, (207 ± 15) nm 和(148 ± 13) nm, 与系统的宽场分辨率相比基本实现了近似2倍的分辨率提升.3.2 小鼠肾切片三维成像2P-MSIM相比于1P-MSIM在成像深度方面有明显的提升, 具有良好的三维层析成像能力. 为了测试2P-MSIM的三维成像能力, 对商用的小鼠肾切片进行成像. 为了尽可能提高成像速度, 同时保证超分辨成像质量, 避免图像出现伪影及点阵信号之间的串扰. 设置点阵间隔为3250 nm, 点阵数量为8 × 8, 横向的扫描步长为130 nm, 整幅图像的成像时间是6.25 s, 成像区域大小为26.1 µm ×26.1 µm. 通过控制纳米位移台, 实现了同一个小鼠肾切片的不同厚度的成像, 分别是0, 5, 10 µm,如图4所示. 可以明显地观察到小鼠肾切片在不同深度结构的改变, 同时MSIM处理后的图像的分辨率具有显著的提高.为了能更直观地观察生物样品的三维结构, 进一步扫描了小鼠肾切片的一个三维成像区域, 横向的扫描参数设置保持不变, 轴向的扫描步长设置为200 nm, 扫描层数为30层, 这样总的成像深度为6 µm. 对每层进行超分辨处理后的数据通过Imaris软件进行三维堆栈. 如图5所示, 重构出的三维超分辨小鼠肾切片图像实现了近似2倍的分辨率提升.4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m图 4 小鼠肾切片的不同厚度层成像图Fig. 4. Images of different thickness layers of mouse kidney section.3.3 铃兰根茎成像为了进一步测试2P-MISM的成像能力和分辨率, 对铃兰根茎进行了成像. 和前文描述的方法一样, 对铃兰根茎的不同深度的区域完成了成像,成像深度分别是0, 12, 24 µm, 如图6所示. 可以看出原本无法观测到的铃兰根茎内部结构变化在超分辨处理后能较清晰地观测到, 进一步验证了所搭建2P-MSIM的成像能力.4 结　论本文提出和搭建了一套新的双光子多焦点结构光超分辨显微成像系统. 利用了一个高速相位型空间光调制器同时完成了多焦点阵列的生成及点阵在样品面上的高精度扫描移动, 实现了双光子多焦点成像的目的, 解决了扫描振镜在多焦点成像中的机械惯性问题, 同时降低了系统的复杂性, 提高8 m m8 m m图 5 小鼠肾切片三维成像图　(a) PinholedWF图像; (b) MSIM图像Fig. 5. Three-dimensional image of mouse kidney section: (a) PinholedWF image; (b) MSIM image.4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m4 m m图 6 铃兰根茎不同厚度层成像图Fig. 6. Images of different thickness layers of lily of the valley rhizome.了灵活性. 另外, 为了进一步提高双光子多焦点成像的分辨率, 把点扫描结构光成像和双光子成像结合在一起, 实现了双光子多焦点结构光照明的超分辨成像, 将双光子多焦点的成像分辨率提高了近2倍. 最后, 利用该系统完成了小鼠肾切片和铃兰根茎的三维超分辨成像, 证实了该系统具有优异的成像特性, 为进一步开展活体细胞及组织的超分辨成像打下了基础.参考文献H ell S W, Wichmann J 1994 Opt. Lett. 19 780[1]B etzig E, Patterson G H, Sougrat R, Lindwasser O W,Olenych S, Bonifacino J S, Davidson M W, Lippincott-Schwartz J, Hess H F 2006 Science 313 1642[2]R ust M J, Bates M, Zhuang X W 2006 Nat. Methods 3 793[3]G ustafsson M G L 2000 J. Microsc. 198 82[4]M uller C B, Enderlein J 2010 Phys. Rev. Lett. 104[5]Y ork A G, Parekh S H, Nogare D D, Fischer R S, Temprine K, Mione M, Chitnis A B, Combs C A, Shroff H 2012 Nat.Methods 9 749[6]N ielsen T, Frick M, Hellweg D, Andresen P 2001 J. Microsc-Oxford 201 368[7]B ewersdorf J, Pick R, Hell S W 1998 Opt. Lett. 23 655[8]Q u J L, Liu L X, Chen D N, Lin Z Y, Xu G X, Guo B P, Niu [9]H B 2006 Opt. Lett. 31 368I ngaramo M, York A G, Wawrzusin P, Milberg O, Hong A,Weigert R, Shroff H, Patterson G H 2014 Proc. Natl. Acad.Sci. U.S.A. 111 5254[10]S acconi L, Froner E, Antolini R, Taghizadeh M R, Choudhury A, Pavone F S 2003 Opt. Lett. 28 1918[11]J ureller J E, Kim H Y, Scherer N F 2006 Opt. Express 14 3406[12]S hao Y, Qin W, Liu H, Qu J, Peng X, Niu H, Gao B Z 2012 Appl. Phys. B 107 653[13]M atsumoto N, Okazaki S, Fukushi Y, Takamoto H, Inoue T, Terakawa S 2014 Opt. Express 22 633[14]M atsumoto N, Konno A, Ohbayashi Y, Inoue T, Matsumoto A, Uchimura K, Kadomatsu K, Okazaki S 2017 Opt. Express25 7055[15]S inclair G, Leach J, Jordan P, Gibson G, Yao E, Laczik Z J, Padgett M J, Courtial J 2004 Opt. Express 12 1665[16]C urtis J E, Koss B A, GrierD G 2002 Opt. Commun. 207 169[17]M eister M, Winfield R J 2002 Opt. Commun. 203 39[18]D i Leonardo R, Ianni F, Ruocco G 2007 Opt. Express 15 1913[19]K im D, Keesling A, Omran A, Levine H, Bernien H, Greiner M, Lukin M D, Englund D R 2019 Opt. Lett. 44 3178[20]S heppard C J R, Gu M 1990 Opitk 86 104[21]R oider C, Heintzmann R, Piestun R, Jesacher A 2016 Opt.Express 24 15456[22]S chmitz C H J, Spatz J P, Curtis J E 2005 Opt. Express 13 8678[23]L i S W, Wu J J, Li H, Lin D Y, Yu B, Qu J L 2018 Opt.Express 26 23585[24]Two-photon multifocal structured light microscopy based on high-speed phase-type spatial light modulator*Yu Huan -Huan Zhang Chen -Shuang Lin Dan -Ying Yu Bin † Qu Jun -Le(Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education and Guangdong Province, College of Physics andOptoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)( Received 29 October 2020; revised manuscript received 24 November 2020 )AbstractMultifocal structured illumination microscopy (MSIM) can achieve a doubled improvement in the resolution of the diffraction limit within an imaging depth of 50 µm. But when imaging thick samples, scattered light and defocused light limit its optical sectioning capability and image contrast. Two-photon MSIM (2P-MSIM) overcomes the influence of sample tissue scattering and further improves the imaging depth and imaging characteristics. However, the existing 2P-MSIM usually adopts galvanometer based scanning mirrors for precisely scanning imaging, which is a complicated and poor flexibility system. Here we propose a simpler 2P-MSIM. Two-photon multifocal scanning imaging can be realized by a spatial light modulator (SLM) with a high frame rate (< 845 Hz). The phase map of generating multi-focus array and linear phase grating loaded on the SLM simultaneously, high-precision parallel digital random address scanning and excitation imaging on the sample surface can be realized. The mechanical inertia problem of the galvanometer scanner in multifocal imaging can be solved by the proposed method while reducing the complexity of the system and improving flexibility. We finally realize two-photon multifocal imaging of mouse kidney tissue slices and lily of the valley rhizome by this system, which verifies the three-dimensional super-resolution imaging capability of this method. It is of great significance in developing the 2P-MSIM.Keywords: multifocal structured illumination microscopy, two-photon, fluorescence microscope, spatial light modulatorPACS: 87.64.M–, 87.64.kv, 42.30.–d, 87.85.Pq DOI: 10.7498/aps.70.20201797* Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61975131, 61775144, 61835009), the Natural Science Foundation of Guangdong Province, China (Grant No. 2018A030313362), the Scientific and Technological Innovation (Key) Projects of Department of Education of Guangdong Province, China (Grant No. 2016KCXTD007), and the Shenzhen Basic Research Project, China (Grant Nos. JCYJ20170818141701667, JCYJ20170818144012025, JCYJ20170412 105003520, JCYJ20180305125649693).† Corresponding author. E-mail: yubin@。