Többmélységű 3D hologramok generálása teljesen konvolúciós neurális hálózat segítségével
A térbeli fénymodulátor egy optikai eszköz, amely saját tulajdonságait felhasználva aktív vezérléssel modulálja a bemeneti fény amplitúdóját, fázisát és egyéb paramétereit, és a fényhullámfront és a fényhullámnyaláb kvantálásának és irányítottságának szabályozásával éri el a várt fénytér-eloszlást a végső vevőfelületen. A térbeli fénymodulátorok optikai neurális hálózatokban való alkalmazását évtizedek óta fejlesztik, és a térbeli fénymodulátorok modulációs pontosságának javításával és a számítási algoritmusok folyamatos optimalizálásával folyamatosan feltárják az optikai neurális hálózatokban rejlő hatalmas lehetőségeket, potenciális alkalmazásokkal a gépi látásban, az orvosi képfeldolgozásban, az optikai érzékelőhálózatokban és más területeken.
Ez a tanulmány egy módszert mutat be többmélységű fázisholográfia létrehozására teljes konvolúciós neurális hálózat (FCN) használatával. A módszer főként egy előre-hátra diffrakciós keretrendszert foglal magában a többmélységű diffraktált mező kiszámításához, és egy rétegenkénti helyettesítési módszert (L2RM) az elfedési reláció kezeléséhez. Az előbbi által kiszámított diffraktált mezőket egy jól megtervezett FCN-be táplálják, amely hatékony nemlineáris illesztési képességét kihasználva létrehozza a 3D-s jelenet többmélységű hologramját. Az utóbbi javíthatja a hologram rekonstrukciójának minőségét azáltal, hogy kiegészíti az elfedett objektumok információit és simítja a jelenet rekonstrukciójában a különböző rétegek határait. A kísérletekben frissítő és dinamikus 3D-s megjelenítést érnek el egy számítógéppel generált hologram (CGH) betöltésével a térbeli fénymodulátor (SLM) magkomponensére.
A kísérleti eljárás része és a kísérleti eredmények:
A kísérletekben egy 638 (±8) nm hullámhosszú és 30 mW teljesítményű, nem polarizált félvezető lézert használtak, amint az az 1. ábrán látható. A szál kimenetét egy 100 mm fókusztávolságú kollimált lencse fókuszpontjába helyezték, hogy síkhullámot kapjanak, és egy semleges sűrűségű szűrőt használtak csillapítóként és polarizátorként, hogy vonalasan polarizált fényt kapjanak. Egy félhullámú lemezt (HWP) úgy forgattak, hogy a fény polarizációjának iránya az LCOS kollimációs szög irányával egy vonalban legyen, majd egy téglalap alakú nyílást helyeztek be, hogy téglalap alakú profilt kapjanak. A beeső fényt fázismodulálták és verték vissza egy térbeli fénymodulátorral (Zhongke Microstar FSLM-4K70-P02), és a jelenetet további nagyítással rekonstruálták egy 100 mm fókusztávolságú Fourier-lencsével. Egy térbeli szűrőt használtak, hogy a kívánt diffrakciós rend áthaladjon, és más diffrakciós rendek kiszűrésre kerüljenek. A rekonstruált nagyított 3D-s jelenetet kamerával rögzítették.
1. ábra Kísérleti beállítás (fázis típusú térbeli fénymodulátor, modell: FSLM-4K70-P02)
A kísérletben használt térbeli fénymodulátor paraméterspecifikációi a következők:
| Modell | FSLM-4K70-P02 | Moduláció | fázistípus |
| LCOS típus | Visszaverődés | Szürkeárnyalatos szint | 8 bites, 256 ütemű |
| Felbontás | 4094×2400 | Képméret | 3,74 μm |
| Hatékony terület | 0,7" | Phase tartomány | 2π@633nm |
| Kitöltési tényező | 90% | Optikai kihasználtság | 60% 532 nm-en |
| Egytájolási szög | 0° | diffrakciós hatékonyság | > 97% @ 32 rendelési érték 633 nm |
| Frissítési gyakoriság | 30 Hz | Spektrális tartomány | 420 nm-750 nm |
| Sebzési küszöb | 2 W/cm² | Rválaszidő | Fel 10,8 ms, le 18,5 ms |
| Hatalom bemenet | 12 V 2 A | Adatinterfész | HDMI |
2. ábra. 3D grafikus adatkészlet létrehozása. A) 3D véletlenszerű jelenet. B) Mintavételi folyamat. C) Intenzitáskép. D) Mélységkép. E) 3D grafikus adatkészlet.
3. ábra Többmélységű hologramok generálása FCN-nel. a) Többmélységű diffrakciós mezők kiszámítása az elöl-hátul diffrakciós keretrendszer használatával. b) Az FCN szerkezete. c) Többmélységű hiba kiszámítása.
4. ábra. A rekonstrukciók minőségének összehasonlítása. A) Céljelenet. B) A standard módszer, illetve az L2RM numerikus rekonstrukciója. C) A standard módszer, illetve az L2RM optikai rekonstrukciója.
5. ábra. A komplex 3D-s jelenet és a hozzá tartozó hologram. A) A 3D-s jelenet intenzitásképe és B) mélységképe. C) Az FCN által generált többmélységű hologram.
6. ábra. Az A) WH, B) DPH és C) L2RM numerikus és optikai rekonstrukciója. Az 1., 3. és 5. sor képei a numerikus rekonstrukciót jelentik, míg a 2., 4. és 6. sorok az optikai rekonstrukciót ábrázolják. Az 1. és 2. oszlopban a kamera a „futball-gitár” páros elülső fókuszsíkjára („futball”) és hátsó fókuszsíkjára („gitár”) fókuszál. A 3. és 4. oszlopban a kamera a „repülőgép-kutya” páros elülső fókuszsíkjára („repülőgép”) és hátsó fókuszsíkjára („kutya”) fókuszál.
7. ábra. Különböző mélységsíkokban rekonstruált objektumok.
A végén leírva:
Az optikai neurális hálózatok nagy figyelmet kaptak a párhuzamos nagyméretű számításokban rejlő potenciáljuk, az alacsony energiafogyasztású működésük és a gyors válaszidejük miatt, és a térbeli fénymodulátorok, mint diffraktív eszközök, fontos szerepet játszanak a diffraktív neurális hálózatokban, és számos területen használják őket, például az AR/VR 3D holografikus képalkotó számításában, a biomedicinális képalkotásban és az optikai érzékelésben. A diffraktív neurális hálózatok programozhatóságára alapozva a jövőben várhatóan nagyobb teljesítményű diffraktív neurális hálózatok valósíthatók meg.