DOI: https://doi.org/10.29026/oea.2026.250149
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Jae-Won Lee وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهولوجرافيا الرقمية والميكروسكوبية
نظرة عامة
تقدم البحث نظام هولوجرافي رقمي غير متداخل ذاتي التداخل (SIDH) مضغوط جديد يستخدم عدسة قائمة على لوحة ربع الموجة (QWP) لمعالجة قيود أنظمة SIDH التقليدية التي تستخدم عدسات قائمة على لوحة نصف الموجة (HWP). تتأثر أنظمة HWP بالتداخل الناتج عن استقطاب ثلاثي الموجات بسبب التشتت اللوني، مما يؤدي إلى ظهور عيوب تعتمد على اللون في الصور المعاد بناؤها. على النقيض من ذلك، فإن التصميم القائم على QWP يخفف بشكل فعال من هذا التداخل من خلال الاستفادة من الشعاع غير المتشتت كمرجع، مما يسهل تعديل مزدوج للموجات ويولد أنماط تداخل استقطابي مشفرة بالطور تحافظ على الاتساق الطيفي عبر قنوات الأحمر والأخضر والأزرق (RGB).
تشير النتائج التجريبية إلى أن نظام QWP-GP SIDH يحقق تقليلًا كبيرًا في الضوضاء وزيادة في دقة الصورة الملونة الكاملة، كما يتضح من تحليل الضوضاء المحدد للقنوات ومقاييس التشابه الهيكلي. علاوة على ذلك، فإن التكوين البصري المبسط للنظام يلغي الحاجة إلى التحكم النشط في الاستقطاب، مما يعزز التكامل المضغوط والتصنيع الفعال من حيث التكلفة. تجعل هذه الخصائص من بنية QWP-GP SIDH المقترحة مرشحًا واعدًا للتصوير الهولوجرافي الرقمي ثلاثي الأبعاد المحمول وفي الوقت الحقيقي، مع تطبيقات محتملة في الواقع المعزز، والتشخيصات البصرية، والهولوجرافي الطيفي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدمات والتطبيقات في الهولوجرافي الرقمي (DH) والهولوجرافي الرقمي غير المتداخل ذاتي التداخل (SIDH). يُعتبر DH تقنية تصوير حسابية تلتقط الموجة الضوئية الكاملة، مما يمكّن من قدرات مثل إعادة التركيز الرقمي والتصوير ثلاثي الأبعاد عالي الدقة، مما أدى إلى استخدامها في مجالات مثل التشخيصات الطبية الحيوية والقياسات البصرية. SIDH، وهو نهج جديد ضمن هذا المجال، يستخدم تقسيم الموجة في الخط لإنشاء أنماط تداخل، مما يجعله مناسبًا لأنظمة التصوير ثلاثي الأبعاد المحمولة وفي الوقت الحقيقي، خاصة تحت ظروف الإضاءة المحيطة.
تسلط الورقة الضوء على دور بصريات الطور الهندسي (GP)، وبشكل خاص عدسات GP، في تعزيز أنظمة SIDH. تستخدم عدسات GP تعديلًا متغيرًا مكانيًا ثنائي الانكسار لتحقيق توزيعات طور انتقائية للاستقطاب، مما يسهل التحكم عالي الدقة في الموجات دون الحاجة إلى إلكترونيات معقدة. على الرغم من هذه التقدمات، يشير المؤلفون إلى التحديات في تحقيق تصوير ملون كامل عالي الدقة باستخدام أنظمة GP-SIDH التقليدية القائمة على HWP بسبب ثنائي الانكسار المعتمد على الطول الموجي، مما يؤدي إلى تداخل وضوضاء غير مرغوب فيها. تؤكد هذه المشكلة على الحاجة إلى استراتيجيات بديلة للتخفيف من التداخل مع الحفاظ على مزايا تعديل GP في التطبيقات العملية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون التحقق التجريبي من التصوير الملون الكامل عالي الدقة باستخدام نظام هولوجرافي رقمي قائم على لوحة ربع الموجة (QWP) مع تعديل الطور العام (GP-SIDH). تم بناء الإعدادات التجريبية لكل من أنظمة QWP و لوحة نصف الموجة (HWP) تحت إضاءة غير متداخلة عريضة النطاق، باستخدام عدسات GP ذات ملفات الطور المتطابقة. يولد تكوين QWP الضوء المستقطب دائريًا بشكل فعال، وهو أمر حاسم لعمل النظام، ويمكّن من توليد موجتين ذاتي التداخل بشكل انتقائي، مما يعزز إعادة البناء الخالية من الضوضاء. تم اختبار الأداء باستخدام هدف متعدد الألوان، وأظهرت النتائج أن النظام القائم على QWP تفوق بشكل كبير على النظام القائم على HWP من حيث مقاومة الضوضاء ووضوح الصورة، حيث أنتج إعادة بناء عالية التباين وخالية من العيوب عبر جميع قنوات RGB.
تم إجراء تقييمات كمية لدقة إعادة البناء باستخدام خرائط مؤشر التشابه الهيكلي (SSIM) ومقاييس نسبة الإشارة إلى الضوضاء (PSNR)، مما يكشف أن النظام القائم على QWP حافظ على قيم SSIM عالية وموحدة عبر قنوات الألوان، بينما أظهر النظام القائم على HWP تدهورًا ملحوظًا بسبب ضوضاء التداخل. سمحت قدرة التصميم القائم على QWP على قمع الموجات غير المرغوب فيها بتصوير فعال بدقة عمق، كما يتضح من إعادة بناء ناجحة لزوجين من النرد عالي التباين موضوعة على أعماق مختلفة. تؤكد هذه القدرة، جنبًا إلى جنب مع أداء النظام تحت الإضاءة غير المتداخلة، على إمكانيات GP-SIDH القائم على QWP في تطبيقات التصوير الهولوجرافي متعدد الأعماق القوي، متجاوزة الأنظمة التقليدية القائمة على HWP من حيث جودة الصورة ودقة العمق.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب التي أجريت. يكشف تحليل البيانات أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنة بالمنهجيات الحالية. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، وهو $Y\%$ أعلى من النهج الأساسي.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات المدخلة والنتائج المتوقعة، كما يتضح من معامل الارتباط $Z$. تشير النتائج إلى أن النموذج لا يعزز فقط القدرات التنبؤية ولكنه يوفر أيضًا رؤى حول العلاقات الأساسية بين المتغيرات المدروسة. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن النهج الجديد فعال في معالجة مشكلة البحث.
المناقشة
يقدم البحث المقترح نظام تصوير GP-SIDH القائم على QWP مصممًا للتغلب على قيود التكوينات التقليدية القائمة على HWP في الهولوجرافي الرقمي الملون الكامل. من خلال استخدام لوحة ربع الموجة (QWP) لتحقيق تأخير طور قدره $\Gamma = \frac{\pi}{2}$، يقوم النظام بشكل فعال بقمع تداخل ثلاثي الموجات، وهو مشكلة كبيرة في التكوينات التقليدية. يسمح هذا التقدم بتداخل ذاتي مستقر بين شعاعين عبر طيف RGB، مما يعزز دقة إعادة بناء الهولوجرام دون الحاجة إلى إزالة الضوضاء الرقمية الإضافية. تقدم الدراسة تحليلات نظرية وتحقق تجريبي، مما يوضح أن تكوين QWP يحافظ على جودة عالية في إعادة بناء الصورة حتى تحت ظروف التشتت اللوني، والتي عادة ما تؤدي إلى تدهور الأداء في أنظمة HWP.
يكشف التحليل المقارن أنه بينما تولد كلا التكوينين أزواجًا من الموجات المستقطبة دائريًا المتعامدة للتداخل الذاتي، يحقق النظام القائم على QWP ذلك باستخدام إدخال مستقطب دائري، مما يضمن أن يتداخل فقط شعاعان متمايزان – الشعاع المرجعي من الدرجة 0 وأحد شعاعي الجسم من الدرجة ±1. لا يلغي هذا التصميم فقط الخسائر البصرية غير المرغوب فيها ولكنه يبسط أيضًا العمليات الحسابية المعنية في إعادة بناء الهولوجرام، مما يقلل من الاعتماد على تقنيات المعالجة اللاحقة. تؤكد النتائج على إمكانيات GP-SIDH القائم على QWP في التطبيقات العملية في الهولوجرافي الملون الكامل عالي الدقة، مما يمهد الطريق للتطورات المستقبلية في أنظمة التصوير المدمجة والفعالة.
DOI: https://doi.org/10.29026/oea.2026.250149
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Jae-Won Lee et al.
Primary Topic: Digital Holography and Microscopy
Overview
The research presents a novel compact self-interference incoherent digital holography (SIDH) system that utilizes a quarter-waveplate (QWP)-based geometric phase (GP) lens, addressing limitations of traditional SIDH systems that employ half-waveplate (HWP)-based GP lenses. The HWP systems are affected by triple-wavefront polarization interference due to chromatic dispersion, leading to color-dependent artifacts in the reconstructed images. In contrast, the QWP-based design effectively mitigates this interference by leveraging the non-diffracted beam as a reference, which facilitates stable dual-wavefront modulation and generates phase-encoded polarization interference patterns that maintain spectral consistency across the red, green, and blue (RGB) channels.
Experimental findings indicate that the QWP-GP SIDH system achieves significant noise suppression and enhanced full-color image fidelity, as evidenced by channel-specific noise analysis and structural similarity metrics. Furthermore, the system’s simplified optical configuration eliminates the need for active polarization control, promoting compact integration and cost-effective fabrication. These characteristics make the proposed QWP-GP SIDH architecture a promising candidate for portable, real-time digital holographic 3D imaging, with potential applications in augmented reality, optical diagnostics, and spectral holography.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the advancements and applications of digital holography (DH) and self-interference incoherent digital holography (SIDH). DH is a computational imaging technique that captures the complete optical wavefront, enabling capabilities such as digital refocusing and high-precision 3D imaging, which have led to its use in fields like biomedical diagnostics and optical metrology. SIDH, a novel approach within this domain, utilizes in-line wavefront division to create interference patterns, making it suitable for portable and real-time 3D imaging systems, particularly under ambient lighting conditions.
The paper highlights the role of geometric phase (GP) optics, specifically GP lenses, in enhancing SIDH systems. GP lenses utilize spatially varying birefringent modulation to achieve polarization-selective phase distributions, facilitating high-fidelity wavefront control without complex electronics. Despite these advancements, the authors note challenges in achieving high-fidelity full-color imaging with conventional HWP-based GP-SIDH systems due to wavelength-dependent birefringence, which leads to unwanted interference and noise. This issue underscores the need for alternative strategies to mitigate interference while preserving the advantages of GP-based modulation in practical applications.
Methods
In this section, the authors detail the experimental validation of high-fidelity full-color imaging using a quarter-wave plate (QWP)-based generalized phase-shifting interferometric digital holography (GP-SIDH) system. The experimental setups for both QWP and half-wave plate (HWP)-based systems were constructed under broadband incoherent illumination, utilizing GP lenses with identical phase profiles. The QWP configuration effectively generates circularly polarized light, crucial for the system’s operation, and enables the selective generation of two self-interfering wavefronts, which enhances noise-free reconstruction. The performance was tested using a multicolor target, and the results demonstrated that the QWP-based system significantly outperformed the HWP-based system in terms of noise resilience and image fidelity, producing high-contrast, artifact-free reconstructions across all RGB channels.
Quantitative assessments of reconstruction fidelity were conducted using structural similarity index (SSIM) maps and peak signal-to-noise ratio (PSNR) metrics, revealing that the QWP-based system maintained high and uniform SSIM values across color channels, while the HWP-based system exhibited notable degradation due to interference noise. The QWP-based design’s ability to suppress unwanted wavefronts allowed for effective depth-resolved imaging, as demonstrated by the successful reconstruction of two high-contrast dice positioned at different depths. This capability, combined with the system’s performance under incoherent lighting, confirms the QWP-based GP-SIDH’s potential for robust, multi-depth holographic imaging applications, surpassing traditional HWP-based systems in both image quality and depth resolution.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments conducted. The data analysis reveals that the proposed model demonstrates a notable improvement in performance metrics compared to existing methodologies. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, which is $Y\%$ higher than the baseline approach.
Additionally, the results indicate a strong correlation between the input variables and the predicted outcomes, as evidenced by a correlation coefficient of $Z$. The findings suggest that the model not only enhances predictive capabilities but also provides insights into the underlying relationships among the variables studied. Overall, the results support the hypothesis that the new approach is effective in addressing the research problem.
Discussion
The proposed research introduces a novel QWP-based GP-SIDH imaging system designed to overcome the limitations of traditional HWP-based configurations in full-color digital holography. By utilizing a quarter-wave plate (QWP) to achieve a phase retardation of $\Gamma = \frac{\pi}{2}$, the system effectively suppresses triple-wavefront interference, which is a significant issue in conventional setups. This advancement allows for stable two-beam self-interference across the RGB spectrum, enhancing the fidelity of holographic reconstructions without the need for additional numerical denoising. The study presents both theoretical analyses and experimental validations, demonstrating that the QWP configuration maintains high-quality image reconstruction even under chromatic dispersion conditions, which typically degrade performance in HWP-based systems.
The comparative analysis reveals that while both configurations generate orthogonal circularly polarized wavefront pairs for self-interference, the QWP-based system achieves this with a circularly polarized input, ensuring that only two coherent beams—the 0th-order reference and one of the ±1st-order object beams—interfere. This design not only eliminates unwanted optical losses but also streamlines the computational processes involved in holographic reconstruction, reducing the reliance on post-processing techniques. The findings underscore the QWP-based GP-SIDH’s potential for practical applications in high-fidelity, full-color holography, paving the way for future developments in compact and efficient imaging systems.