Tinjauan algoritma optimasi pikeun hologram fase murni

1. Latar

Dina taun-taun ayeuna, holografi komputasi parantos ngembang pesat berkat kamajuan dina sagala rupa téknologi sapertos optik, éléktronika sareng komputer, ogé algoritma énggal. Kusabab modulator cahaya spasial kristal cair anu aya gaduh kamampuan modulasi anu langkung luhur sareng efisiensi difraksi pikeun hologram fase murni, algoritma optimasi pikeun hologram fase murni sok janten hotspot panalungtikan. Ayeuna, rupa-rupa métode tradisional bisa nyugemakeun béda komputasi waktu-consuming jeung sarat kualitas rekonstruksi, sedengkeun métode anyar kayaning deep learning jeung aliran Verdinger mawa ideu anyar pikeun optimasi hologram fase murni, sarta karya ieu kondusif pikeun realisasi awal real-time, wide-widang-of-view, sarta kualitas luhur. Holographic pintonan 3D. Béda tina téknologi pencitraan holografik tradisional, dina widang hologram anu dibangkitkeun komputer, modulator cahaya spatial kristal cair nyangking kamampuan kontrol fléksibel anu teu pernah kantos aya dina inpormasi wavefront, anu nyayogikeun rohangan sareng kakuatan anu saé pikeun pangembangan holografi komputasi.

Dina sababaraha dekade katukang, aya proliferasi algoritma hologram fase-hijina anu dibangkitkeun komputer, intina nyaéta masalah optimasi hologram fase-hijina: dibere Hologram Komplek-Amplitudo (Komplex-Amplitudo Hologram), nyandikeunana salaku Hologram Fase-Ngan (Hologram Fase-Ngan), ku kituna gambar rékonstruksi murni ieu kedah dicandak tina hologram asli. sabisa-bisa. Gambar diala ku rekonstruksi optik jeung hologram fase-hijina kudu dibalikkeun ka gambar aslina saloba mungkin. Métode ieu utamana dibagi kana tilu kategori: métode iteratif, métode non-iteratif jeung métode séjénna. Algoritma iteratif biasana dimimitian tina perkiraan tina hologram target, sareng saatos sababaraha operasi repetitive terus ngaoptimalkeun perkiraan hologram dugi ka gambar anu direkonstruksi diala ku perkiraan ieu nyumponan sarat kasalahan anu tangtu; Algoritma non-iterative teu perlu ngulang angka nu gede ngarupakeun itungan optimasi, sarta bakal dibikeun sakaligus nurutkeun léngkah dieusian kana solusi perkiraan. Kusabab beban komputasi anu handap, algoritma non-iterative langkung saluyu sareng sarat sacara real-time. Témbongkeun Holographic, Tapi dina biaya kualitas rekonstruksi métode misalna teu jadi alus sakumaha algoritma iterative; métode séjénna pisan rupa-rupa sarta boga ciri sorangan.

2.Introduction to Algoritma pikeun Generating Pure Phase Holograms

Algoritma Iteratif: Algoritma Gerchberg-Saxton

Di antara algoritma iteratif anu bisa ngahasilkeun hologram fase murni, Iterative Fourier Transform Algorithm (IterativeFourier Transform Algorithm) nyaéta algoritma anu leuwih representatif, anu dicirikeun ku iterative passing tina Fourier Transform dina dua pesawat.

Gbr 1 Flowchart of Komputer-dihasilkeun Holografi

Algoritma transformasi Fourier iteratif, atanapi Error Reduction Algorithm (Error Reduction Algorithm) diajukeun salaku algoritma pikeun holografi digital dina awal taun 1970-an, teras dirobih ku Gerchberg sareng Saxton sareng diterapkeun dina widang ékstraksi fase, anu janten metode anu paling kasohor sareng sigana anu paling dianggo dina algoritma iteratif. -Algoritma Gerchberg-Saxton (GS), anu diagram aliranna dipidangkeun dina Gbr. 2.

Gbr. 2 Bagan Aliran Algoritma Gerchberg-Saxton

Dina algoritma ieu, dumasar kana distribusi amplitudo pesawat hologram sareng pesawat gambar anu direkonstruksi, inpormasi fase lapangan cahaya dina pesawat hologram dicandak ku cara iteratively ngalaksanakeun rambatan gelombang cahaya maju sareng ngabalikeun ogé konstrain anu ditumpukeun dina dua pesawat. Metoda ieu cocog pisan pikeun itungan hologram fase murni, sareng transformasi Fresnel atanapi Fourier tiasa dianggo pikeun ngitung rambatan médan cahaya.

Algoritma Iteratif: Algoritma Difusi Kasalahan

Métode Difusi Kasalahan nyaéta tipe séjén tina algoritma iteratif nu iterates antara piksel dina pesawat hologram. Nalika inpormasi amplitudo hologram amplitudo kompléks langsung dipiceun, unggal titik piksel ngahasilkeun kasalahan, sareng algoritma panyebaran kasalahan bakal nyeken titik piksel hiji-hiji sareng nyebarkeun kasalahan unggal titik piksel ka opat titik piksel tatangga anu henteu acan discan dumasar kana beurat anu tangtu.

Gbr. 3 Diagram Skématik tina Algoritma Difusi Kasalahan;

(a) Kasalahan Difusi ti Kénca-ka-katuhu Scanning; (b) Kasalahan Difusi sareng Panyeken Katuhu-ka-kénca.

3. Algoritma Non-iterative

Métode fase acak nyaéta métode non-iteratif anu biasa digunakeun dina prosés fase murni hologram. Kusabab coding holographic fase murni sarua jeung prosés nyaring frékuénsi luhur, gambar rekonstruksi ngan ngawengku wates jeung garis bagian tina gambar aslina, jadi perlu pikeun ngawanohkeun Topeng Fase Acak pikeun nyieun wavefront tina gambar aslina dispersed kana sakabeh hologram guna ngaronjatkeun kualitas rekonstruksi, kumaha oge, noise speckle ensuing ogé leuwih atra. Pikeun ngirangan noise speckle ieu, nembe aya metode fase acak anu ningkat, anu ngenalkeun masker fase acak kalayan frékuénsi anu béda pikeun gambar anu béda pikeun ngirangan deui leungitna inpormasi sareng ningkatkeun kualitas rekonstruksi. Sajaba ti éta, aya loba métode non-iteratif pikeun réduksi noise speckle, kayaning métode Sampled-Fase-hijina Hologram jeung down-sampling topeng, metoda Patterned Fase-Ngan Hologram, Metode Double-Fase, sarta Métode Fase Acak ngagunakeun masker fase non-acak. Métode Fase, jeung Métode Random Phase-Free maké topéng fase non-acak.

Gbr 4 Conto Peran Fase Acak dina Hasil Rekonstruksi Hologram Fase Murni

(a) Gambar Asli; (b) tanpa Topeng Fase Random Ditambahkeun; (c) kalawan Random Phase Topeng Ditambahkeun.

4.Metoda lianna

Salian algoritma iteratif sareng non-iterative, aya algoritma langsung anu tiasa dianggo pikeun ngitung hologram fase murni. Anggap yén hiji hologram fase murni boga piksel M × N sarta unggal piksel boga nilai Q mungkin keur nilai fase, spasi pilarian tina masalah generasi hologram fase murni nyaeta M × N × Q, jeung tujuan pikeun manggihan sakabeh nilai piksel tina hologram nu ngaleutikan kasalahan antara gambar rekonstruksi jeung gambar aslina. Aya tilu kategori utama algoritma langsung: algoritma pilarian langsung (Direct Search Algoritma), simulated algoritma annealing (Simulated Annealing Algorithm), sarta algoritma genetik (Genetic Algorithm).

Gbr. 5 Babandingan Tilu Algoritma langsung

Salian algoritma anu diwanohkeun di luhur, séri algoritma anu parantos diusulkeun dina taun-taun ayeuna ogé diwanohkeun dina makalah, sapertos: algoritma generasi hologram fase murni antara dua klasifikasi algoritma iteratif sareng algoritma non-iterative, anu tiasa ngahemat waktos komputasi bari ngajaga akurasi rekonstruksi anu luhur sareng cocog pikeun aplikasi sapertos tampilan real-time tina metodeu holografik, anu ogé cocog pikeun aplikasi sapertos tampilan real-time tina holographic. taun sarta geus dipaké dina komprési hologram Dina loop anu, téhnik CITL langsung ngarebut hasil rekonstruksi optik tina hologram, sarta ngagunakeun hasil pikeun optimasi salajengna tina hologram, sarta geus bisa ngahontal kualitas rekonstruksi tinggi; jeung métode ékstraksi fase dumasar kana Aliran Wirtinger diajukeun ku Chakravarthy et al. bisa ngarobah masalah ékstraksi fase kana algoritma optimasi urutan kahiji (First-Order-Optimization), nu bisa dipaké pikeun ngaoptimalkeun hologram. Métode ékstraksi fase dumasar kana Aliran Wirtinger anu diajukeun ku Chakravarthy et al. tiasa ngarobih masalah ékstraksi fase janten masalah kuadrat anu tiasa dioptimalkeun ku Métode Optimasi Orde Pertama. Ngagunakeun métode ékstraksi fase ieu pikeun optimasi hologram bisa ngahontal akurasi kacida luhurna dina kualitas rekonstruksi kalawan ongkos komputasi comparable kana algoritma GS.

Ayeuna, duanana tradisional iterative jeung non-iterative fase murni algoritma optimasi hologram geus kahontal hasil alus, tapi perlu pikeun nyieun trade-off antara komputasi waktu-consuming jeung kualitas rekonstruksi, sarta mecenghulna kontinyu métode anyar kayaning learning jero tur aliran Verdinger geus dibawa ideu anyar pikeun ngarengsekeun masalah ieu, sarta sakabeh karya ieu kondusif pikeun kualitas-time-3 real-time kualitas luhur, real-time. mintonkeun.

Rujukan:

Bu Haozhen, Jiao Shuming. Algoritma optimasi pikeun hologram fase murni [J]. Kristal cair jeung Témbongkeun, 2021,36 (06): 810-826.

DOI: 10.37188 / CJLCD.2021-0035