Xeración de hologramas 3D de múltiples profundidades usando unha rede neuronal totalmente convolucional
Un modulador espacial de luz é un dispositivo óptico que emprega as súas propias propiedades para modular a amplitude, a fase e outros parámetros da luz de entrada baixo control activo, e obtén a distribución esperada do campo de luz na superficie receptora final controlando a cuantización e a directividade da fronte de onda de luz e do feixe de onda de luz. A aplicación de moduladores espaciais de luz a redes neuronais ópticas leva décadas desenvolvéndose e, coa mellora da precisión da modulación dos moduladores espaciais de luz e a optimización continua dos algoritmos computacionais, explorouse continuamente o gran potencial das redes neuronais ópticas, con aplicacións potenciais en visión artificial, procesamento de imaxes médicas, redes de sensores ópticos e outros campos.
Este artigo presenta un método para xerar holografía de fase multiprofundidade empregando unha rede neuronal convolucional (FCN) totalmente. O método implica principalmente un marco de difracción cara a atrás para calcular o campo difractado multiprofundidade e un método de substitución capa por capa (L2RM) para xestionar a relación de oclusión. Os campos difractados calculados polo primeiro aliméntanse a unha FCN ben deseñada, que utiliza a súa potente capacidade de axuste non lineal para xerar un holograma multiprofundidade da escena 3D. O segundo pode mellorar a calidade da reconstrución do holograma complementando a información dos obxectos ocluídos e suavizando os límites das diferentes capas na reconstrución da escena. Nos experimentos conséguense pantallas 3D refrescantes e dinámicas cargando un holograma xerado por ordenador (CGH) no modulador espacial de luz do compoñente central (SLM).
Parte do procedemento experimental e resultados experimentais:
Nos experimentos empregouse un láser semicondutor non polarizado cunha lonxitude de onda de 638 (±8) nm e unha potencia de 30 mW, como se mostra na figura 1. A saída da fibra colocouse no punto focal dunha lente colimada cunha lonxitude focal de 100 mm para obter unha onda plana e empregouse un filtro de densidade neutra como atenuador e polarizador para obter unha luz polarizada lineal. Xirouse unha placa de media onda (HWP) para que a dirección da polarización da luz estivese aliñada coa dirección do ángulo de colimación LCOS, e despois inseriuse unha abertura rectangular para obter un perfil rectangular. A luz incidente modulouse en fase e reflectiuse usando un modulador de luz espacial (Zhongke Microstar FSLM-4K70-P02) e a escena reconstruíuse mediante unha maior ampliación usando unha lente de Fourier cunha lonxitude focal de 100 mm. Úsase un filtro espacial para que a orde de difracción desexada pase e se filtren outras ordes de difracción. A escena 3D ampliada reconstruída capturouse cunha cámara.
Fig. 1 Configuración experimental (modulador espacial de luz de tipo fase, modelo: FSLM-4K70-P02)
As especificacións dos parámetros do modulador de luz espacial empregado no experimento son as seguintes:
| Modelo | FSLM-4K70-P02 | Modulación | tipo de fase |
| Tipo de LCOS | Reflexión | Nivel de escala de grises | 8 bits, orde 256 |
| Resolución | 4094 × 2400 | Tamaño da imaxe | 3,74 μm |
| área efectiva | 0,7" | Prango de base | 2π@633nm |
| Factor de recheo | 90% | Utilización óptica | 60% a 532 nm |
| Unhaángulo de orientación | 0° | eficiencia de difracción | >97% a 32 ordes de 633 nm |
| Frecuencia de actualización | 30 Hz | Rango espectral | 420 nm-750 nm |
| Limiar de dano | 2 W/cm² | Rtempo de resposta | Subiu 10,8 ms, baixou 18,5 ms |
| Poder entrada | 12V 2A | Interface de datos | HDMI |
Fig. 2. Xeración dun conxunto de datos gráficos en 3D. A) Escena aleatoria en 3D. B) Proceso de mostraxe. C) Imaxe de intensidade. D) Imaxe de profundidade. E) Conxunto de datos gráficos en 3D.
Fig. 3 Xeración de hologramas de profundidade múltiple con FCN. a) Cálculo de campos difractados de profundidade múltiple usando o marco de difracción front-back. b) Estrutura de FCN. c) Cálculo do erro de profundidade múltiple.
Fig. 4. Comparación da calidade das reconstrucións. A) Escena obxectivo. B) Reconstrución numérica do método estándar e L2RM respectivamente. C) Reconstrución óptica do método estándar e L2RM respectivamente.
Fig. 5. A escena 3D complexa e o holograma correspondente. A) Imaxe de intensidade e B) imaxe de profundidade da escena 3D. C) O holograma de profundidade múltiple xerado por FCN.
Fig. 6. Reconstrución numérica e reconstrución óptica de A) WH, B) DPH e C) L2RM. As imaxes das filas 1, 3 e 5 representan a reconstrución numérica, mentres que as filas 2, 4 e 6 mostran a reconstrución óptica. Nas columnas 1 e 2, a cámara enfoca o plano focal frontal ("fútbol") e o plano focal traseiro ("guitarra") do par "fútbol-guitarra", respectivamente. Nas columnas 3 e 4, a cámara enfoca o plano focal frontal ("avión") e o plano focal traseiro ("can") do par "avión-can", respectivamente.
Fig. 7. Obxectos reconstruídos en diferentes planos de profundidade.
Escrito ao final:
As redes neuronais ópticas recibiron moita atención debido ao seu potencial para a computación paralela a grande escala, o funcionamento a baixo consumo e a resposta rápida, e os moduladores espaciais de luz como dispositivos difractivos desempeñan un papel importante nas redes neuronais difractivas e utilízanse en moitos campos, como a computación de imaxes holográficas 3D para AR/VR, imaxes biomédicas e detección óptica. Baseándose na programabilidade das redes neuronais difractivas, espérase que no futuro se consigan redes neuronais difractivas de maior rendemento.