Ottimizzazione del DMD

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7754 (2022) Citare questo articolo

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L'articolo presenta i risultati di uno studio completo sull'ottimizzazione della manipolazione del fronte d'onda di ampiezza e fase indipendente, implementato utilizzando un dispositivo a microspecchio digitale binario. Lo studio si propone di indagare la risoluzione spaziale e la quantizzazione ottenibile utilizzando questo approccio e la sua ottimizzazione basata sui parametri dell'onda complessa target e sulla stima dell'errore di modulazione. Sulla base di un'analisi statistica dei dati, è stato sviluppato un algoritmo per la selezione dei parametri (frequenza portante del modello binario e apertura per il filtraggio del primo ordine di diffrazione) che garantisce la qualità ottimale del fronte d'onda modulato. L'algoritmo tiene conto del tipo di modulazione, ovvero ampiezza, fase o ampiezza-fase, della dimensione della distribuzione codificata e dei suoi requisiti di risoluzione spaziale e quantizzazione. I risultati dello studio contribuiranno notevolmente al miglioramento della qualità del fronte d'onda modulato in varie applicazioni con diversi requisiti di risoluzione spaziale e quantizzazione.

La sintesi di fronti d'onda con caratteristiche note ha suscitato l'interesse di numerosi ricercatori nel campo della fotonica. Alcune delle applicazioni della modellazione del fronte d'onda sono la microscopia ad alta risoluzione1, la modellatura del raggio laser2,3, la caratterizzazione dei mezzi di diffusione4,5,6, i display olografici7, la crittografia quantistica8, la metrologia9, il rilevamento compresso10, la biostampa 3D e la litografia11. Ad oggi, esiste una gamma di modulatori del fronte d'onda statici e dinamici, come elementi ottici di diffrazione12, metasuperfici13, elementi ottici adattivi14, che offrono la possibilità di operare con l'ampiezza, la fase o la polarizzazione del profilo del fascio in un'ampia gamma di lunghezze d'onda15 ,16. I modulatori spaziali adattivi della luce con controllo preciso programmabile del fronte d'onda sono diventati uno strumento prezioso per varie applicazioni, ad esempio nei sistemi di imaging17. Si possono delineare due tipi principali di tali dispositivi: modulatori spaziali di luce basati su cristalli liquidi e sistemi microelettromeccanici (MEMS). Il primo include sottotipi come cristalli liquidi trasmissivi, cristalli liquidi riflettenti su silicio e cristalli liquidi ferroelettrici. I modulatori di luce spaziale basati su MEMS sono presentati da un dispositivo a microspecchio digitale (DMD), una matrice di microspecchi attivi e una valvola di luce reticolare18.

Ciascuno dei dispositivi è caratterizzato dal tipo di modulazione, tra i quali si possono distinguere: modulazione di sola ampiezza, sola fase e modulazione ampiezza-fase simultanea. Sono stati confrontati diversi tipi di modulatori, in base ai quali sono stati identificati i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnica18,19,20,21. La scelta del dispositivo richiesto è determinata dalle peculiarità del problema da risolvere in un caso particolare. Si possono evidenziare diverse caratteristiche importanti dei modulatori del fronte d'onda: la velocità di funzionamento, la gamma dinamica della modulazione, il numero e la dimensione dei pixel e l'efficienza della modulazione. Nelle applicazioni in cui è richiesta un'elevata velocità e la risoluzione spaziale può essere sacrificata per ottenere velocità di modulazione della luce elevate, l'uso del DMD è preferibile a causa della sua elevata frequenza di aggiornamento22. Inoltre, la DMD presuppone costruttivamente solo la modulazione binaria. Rispetto ad altri modulatori, il DMD ha un'elevata velocità di commutazione, un elevato fattore di riempimento (90%) e un costo relativamente basso23,24,25. Negli ultimi anni, tali dispositivi sono stati utilizzati attivamente in vari studi11,22 e dispositivi commerciali (ad esempio, il microscopio olotomografico HT-1H, sviluppato da Tomocube, Inc). Fornisce un elevato fattore di miglioramento nel compito di mettere a fuoco attraverso il mezzo di diffusione19 o di migliorare il contrasto e la fedeltà della modellazione del raggio nell'imaging ottico20. Ciò è particolarmente rilevante nelle applicazioni biomediche in cui sono coinvolti processi rapidi o dove dovrebbe essere fornita la possibilità di misurazione in tempo reale11,22,26. DMD è costituito da un array di microspecchi posizionato nel CMOS, ciascuno dei quali può avere solo due stati stabili: "On" (\(+12^{\circ }\)) e "Off" (\(-12^{\circ } \))22. Ogni microspecchio rappresenta un singolo pixel dell'immagine proiettata. Inoltre, l’uso di ologrammi binari (a 1 bit) è conveniente in termini di capacità dei dati, ad esempio, per l’implementazione nei display olografici27. Un altro vantaggio degli ologrammi binari rispetto agli ologrammi in scala di grigi è anche che possono essere facilmente stampati28.