Het genereren van multi-diepte 3D-hologrammen met behulp van een volledig convolutioneel neuraal netwerk

Een ruimtelijke lichtmodulator is een optisch apparaat dat zijn eigen eigenschappen gebruikt om de amplitude, fase en andere parameters van het binnenkomende licht te moduleren onder actieve controle. Het apparaat verkrijgt de verwachte lichtveldverdeling op het uiteindelijke ontvangende oppervlak door de kwantificering en richtingsgevoeligheid van het lichtgolffront en de lichtgolfbundel te regelen. De toepassing van ruimtelijke lichtmodulatoren in optische neurale netwerken wordt al decennialang ontwikkeld. Met de verbetering van de modulatienauwkeurigheid van ruimtelijke lichtmodulatoren en de continue optimalisatie van de computationele algoritmen, wordt het enorme potentieel van optische neurale netwerken continu verkend, met potentiële toepassingen in machine vision, medische beeldverwerking, optische sensornetwerken en andere gebieden.

Dit artikel presenteert een methode voor het genereren van multi-diepte faseholografie met behulp van een volledig convolutioneel neuraal netwerk (FCN). De methode omvat voornamelijk een voorwaarts-achterwaarts diffractieframework om het gediffracteerde veld met multi-diepte te berekenen, en een laag-voor-laag vervangingsmethode (L2RM) om de occlusierelatie te verwerken. De door het eerste berekende gediffracteerde velden worden ingevoerd in een goed ontworpen FCN, dat zijn krachtige niet-lineaire aanpassingscapaciteit gebruikt om een ​​multi-diepte hologram van de 3D-scène te genereren. Dit laatste kan de reconstructiekwaliteit van het hologram verbeteren door de informatie van de geoccludeerde objecten aan te vullen en de grenzen van verschillende lagen in de scènereconstructie te egaliseren. Verfrissende en dynamische 3D-weergaven worden in de experimenten bereikt door een computergegenereerd hologram (CGH) te laden op de ruimtelijke lichtmodulator (SLM) van de kerncomponent.

Een deel van de experimentele procedure en experimentele resultaten:

Een niet-gepolariseerde halfgeleiderlaser met een golflengte van 638 (±8) nm en een vermogen van 30 mW werd gebruikt in de experimenten, zoals weergegeven in Fig. 1. De uitgang van de vezel werd geplaatst in het brandpunt van een gecollimeerde lens met een brandpuntsafstand van 100 mm om een ​​vlakke golf te verkrijgen, en een grijsfilter werd gebruikt als verzwakker en polarisator om een ​​lijngepolariseerd licht te verkrijgen. Een halvegolfplaat (HWP) werd gedraaid zodat de richting van de lichtpolarisatie was uitgelijnd met de richting van de LCOS-collimatiehoek, gevolgd door het invoegen van een rechthoekige opening om een ​​rechthoekig profiel te verkrijgen. Het invallende licht werd fasegemoduleerd en gereflecteerd met behulp van een ruimtelijke lichtmodulator (Zhongke Microstar FSLM-4K70-P02), en de scène werd gereconstrueerd door verdere vergroting met behulp van een Fourierlens met een brandpuntsafstand van 100 mm. Een ruimtelijk filter wordt gebruikt zodat de gewenste diffractieorde wordt doorgelaten en andere diffractieordes worden gefilterd. De gereconstrueerde, vergrote 3D-scène werd met een camera vastgelegd.

Figuur 1 Experimentele opstelling (ruimtelijke lichtmodulator van het fasetype, model: FSLM-4K70-P02)

De parameterspecificaties van de ruimtelijke lichtmodulator die in het experiment werd gebruikt, zijn als volgt:

Figuur 2. Het genereren van een 3D grafische dataset. A) Willekeurige 3D-scène. B) Bemonsteringsproces. C) Intensiteitsafbeelding. D) Diepteafbeelding. E) 3D grafische dataset.

Figuur 3 Generatie van multi-diepte hologrammen met FCN. a) Berekening van multi-diepte gediffracteerde velden met behulp van het front-back diffractie raamwerk. b) Structuur van FCN. c) Berekening van multi-diepte fout.

Figuur 4. Kwaliteitsvergelijking van reconstructies. A) Doelscène. B) Numerieke reconstructie van respectievelijk de standaardmethode en L2RM. C) Optische reconstructie van respectievelijk de standaardmethode en L2RM.

Figuur 5. De complexe 3D-scène en het bijbehorende hologram. A) Intensiteitsbeeld en B) dieptebeeld van de 3D-scène. C) Het multi-dieptehologram gegenereerd door FCN.

Figuur 6. De numerieke en optische reconstructie van A) WH, B) DPH en C) L2RM. De afbeeldingen in rij 1, 3 en 5 tonen numerieke reconstructie, terwijl rij 2, 4 en 6 optische reconstructie weergeven. In kolom 1 en 2 stelt de camera scherp op respectievelijk het voorste focusvlak ("voetbal") en het achterste focusvlak ("gitaar") van het "voetbal-gitaar"-paar. In kolom 3 en 4 stelt de camera scherp op respectievelijk het voorste focusvlak ("vliegtuig") en het achterste focusvlak ("hond") van het "vliegtuig-hond"-paar.

Figuur 7. Gereconstrueerde objecten op verschillende dieptevlakken.

Aan het einde staat geschreven:

Optische neurale netwerken hebben veel aandacht gekregen vanwege hun potentieel voor parallelle, grootschalige berekeningen, energiezuinige werking en snelle respons. Ruimtelijke lichtmodulatoren spelen als diffractieve componenten een belangrijke rol in diffractieve neurale netwerken en worden in veel vakgebieden gebruikt, zoals 3D-holografische beeldverwerking voor AR/VR, biomedische beeldvorming en optische detectie. Gezien de programmeerbaarheid van diffractieve neurale netwerken wordt verwacht dat in de toekomst hoogwaardigere diffractieve neurale netwerken gerealiseerd zullen worden.