强度补偿频谱分离技术实现SLM非均匀性免疫的超分辨结构光照明显微数字全息成像

本文创新性地提出一种强度补偿频谱分离方法，通过下采样主成分分析（PCA）选择性提取结构光（SI）低频像差，解调相位畸变与调制深度的耦合效应；直接提取相移SI频谱高低频峰复振幅重构分离矩阵，消除强度差异。实验表明该方法使结构光照明显微数字全息（SI-DHM）实现1.98×各向同性分辨率提升（理论极限2×），相位测量与白光干涉仪（WLI）偏差仅0.04%，结构相似性（SSIM）提升5.16倍，均方根误差（RMSE）降低93.14%，为兼具超分辨成像与可扩展计算框架的SI-DHM提供创新解决方案。

　　

Highlight亮点聚焦

本研究首次揭示空间光调制器（SLM）多光束调制的非均匀性及相位像差与调制深度的耦合效应是导致结构光照明显微数字全息（SI-DHM）频谱混叠的关键因素。

Reflective SI-DHM optical path反射式SI-DHM光路设计

图1(a)展示基于马赫-曾德尔干涉仪的反射式SI-DHM光路。632.8 nm氦氖激光经中性密度滤光片（F1）、5×扩束器（BE）和偏振片（P）调制成水平偏振p光，被分束器（BS1）分为物光与参考光。物光垂直入射SLM生成三光束干涉结构光场，经显微物镜（MO）放大后与参考光干涉，由CMOS记录全息图。

Experiments and discussion实验与讨论

采用深硅刻蚀的西门子星标靶、USAF 1951分辨率板和4 μm周期光栅验证方法性能：

1. 1.

   强度补偿使调制深度误差从12.7%降至1.3%；

2. 2.

   各向同性分辨率达1.98×（理论极限2×）；

3. 3.

   相位测量与白光干涉仪（WLI）偏差仅0.04%，不确定度0.71 nm。

Conclusion结论

本工作通过强度补偿频谱分离矩阵重构，突破非理想光学条件下频谱分离瓶颈，同步实现：

• 近衍射极限的超分辨成像（1.98×）；

• 纳米级相位测量精度（亚纳米级不确定度）；

• 可扩展计算框架（SSIM提升5.16倍）。