การสร้างภาพโฮโลแกรม 3 มิติแบบหลายความลึกโดยใช้เครือข่ายประสาทเทียมแบบคอนโวลูชั่นเต็มรูปแบบ

ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เป็นอุปกรณ์ออปติกที่ใช้คุณสมบัติของตัวเองในการปรับแอมพลิจูด เฟส และพารามิเตอร์อื่นๆ ของแสงอินพุตภายใต้การควบคุมแบบแอ็คทีฟ และรับการกระจายของสนามแสงที่คาดหวังที่พื้นผิวรับสุดท้ายโดยการควบคุมปริมาณและทิศทางของหน้าคลื่นแสงและลำแสงคลื่นแสง การประยุกต์ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่กับเครือข่ายประสาทเทียมออปติกได้รับการพัฒนามานานหลายทศวรรษ และด้วยการปรับปรุงความแม่นยำในการปรับของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่และการปรับให้เหมาะสมอย่างต่อเนื่องของอัลกอริทึมการคำนวณ ศักยภาพอันยิ่งใหญ่ของเครือข่ายประสาทเทียมออปติกจึงได้รับการสำรวจอย่างต่อเนื่อง โดยมีการใช้งานที่เป็นไปได้ในระบบการมองเห็นของเครื่องจักร การประมวลผลภาพทางการแพทย์ เครือข่ายเซ็นเซอร์ออปติก และสาขาอื่นๆ

บทความนี้จะเสนอวิธีการสร้างโฮโลแกรมเฟสหลายความลึกโดยใช้เครือข่ายประสาทเทียมแบบคอนโวลูชั่นเต็มรูปแบบ (FCN) โดยวิธีการนี้เกี่ยวข้องกับกรอบงานการเลี้ยวเบนไปข้างหน้า-ข้างหลังเป็นหลักเพื่อคำนวณฟิลด์การเลี้ยวเบนหลายความลึก และวิธีการแทนที่แบบเลเยอร์ต่อเลเยอร์ (L2RM) เพื่อจัดการกับความสัมพันธ์ของการบดบัง ฟิลด์การเลี้ยวเบนที่คำนวณโดยวิธีแรกจะถูกป้อนเข้าใน FCN ที่ออกแบบมาอย่างดี ซึ่งใช้ความสามารถในการปรับแบบไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิภาพเพื่อสร้างโฮโลแกรมหลายความลึกของฉาก 3 มิติ วิธีหลังสามารถปรับปรุงคุณภาพการสร้างโฮโลแกรมได้โดยการเสริมข้อมูลของวัตถุที่ถูกบดบังและทำให้ขอบเขตของเลเยอร์ต่างๆ เรียบขึ้นในการสร้างฉากใหม่ การแสดงผลแบบ 3 มิติที่สดชื่นและไดนามิกทำได้ในการทดลองโดยโหลดโฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ (CGH) ลงบนตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ของส่วนประกอบหลัก (SLM)

ส่วนหนึ่งของขั้นตอนการทดลองและผลการทดลอง:

ในการทดลอง เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบไม่โพลาไรซ์ที่มีความยาวคลื่น 638 (±8) นาโนเมตรและกำลัง 30 มิลลิวัตต์ถูกใช้ตามที่แสดงในรูปที่ 1 เอาต์พุตของไฟเบอร์ถูกวางไว้ที่จุดโฟกัสของเลนส์แบบขนานที่มีความยาวโฟกัส 100 มม. เพื่อให้ได้คลื่นระนาบ และใช้ฟิลเตอร์ความหนาแน่นเป็นกลางเป็นตัวลดทอนและโพลาไรเซอร์เพื่อให้ได้แสงโพลาไรซ์แบบเส้นตรง แผ่นครึ่งคลื่น (HWP) ถูกหมุนเพื่อให้ทิศทางของโพลาไรซ์แสงอยู่ในแนวเดียวกับทิศทางของมุมขนานของ LCOS ตามด้วยการใส่ช่องรับแสงสี่เหลี่ยมเพื่อให้ได้โปรไฟล์สี่เหลี่ยม แสงตกกระทบถูกปรับเฟสและสะท้อนโดยใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ (Zhongke Microstar FSLM-4K70-P02) และฉากถูกสร้างขึ้นใหม่โดยการขยายเพิ่มเติมโดยใช้เลนส์ฟูเรียร์ที่มีความยาวโฟกัส 100 มม. ฟิลเตอร์เชิงพื้นที่ถูกใช้เพื่อให้ลำดับการเลี้ยวเบนที่ต้องการผ่านเข้ามาและกรองลำดับการเลี้ยวเบนอื่นๆ ฉาก 3 มิติที่ขยายใหญ่ขึ้นที่สร้างขึ้นใหม่ถูกถ่ายโดยใช้กล้อง

รูปที่ 1 การตั้งค่าการทดลอง (ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ชนิดเฟส รุ่น: FSLM-4K70-P02)

ข้อกำหนดพารามิเตอร์ของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ที่ใช้ในการทดลองมีดังนี้:

รูปที่ 2 การสร้างชุดข้อมูลกราฟิก 3 มิติ A) ฉากสุ่ม 3 มิติ B) กระบวนการสุ่มตัวอย่าง C) ภาพความเข้ม D) ภาพความลึก E) ชุดข้อมูลกราฟิก 3 มิติ

รูปที่ 3 การสร้างโฮโลแกรมหลายความลึกด้วย FCN ก) การคำนวณฟิลด์การเลี้ยวเบนหลายความลึกโดยใช้กรอบการทำงานการเลี้ยวเบนด้านหน้า-ด้านหลัง ข) โครงสร้างของ FCN ค) การคำนวณข้อผิดพลาดหลายความลึก

รูปที่ 4 การเปรียบเทียบคุณภาพของการสร้างภาพใหม่ A) ฉากเป้าหมาย B) การสร้างภาพใหม่เชิงตัวเลขของวิธีมาตรฐานและ L2RM ตามลำดับ C) การสร้างภาพใหม่ทางแสงของวิธีมาตรฐานและ L2RM ตามลำดับ

รูปที่ 5 ฉาก 3 มิติที่ซับซ้อนและโฮโลแกรมที่เกี่ยวข้อง ก) ภาพความเข้ม และ ข) ภาพความลึกของฉาก 3 มิติ ค) โฮโลแกรมความลึกหลายระดับที่สร้างโดย FCN

รูปที่ 6 การสร้างภาพตัวเลขและการสร้างภาพด้วยแสงของ A) WH, B) DPH และ C) L2RM ภาพในแถวที่ 1, 3 และ 5 แสดงการสร้างภาพตัวเลข ในขณะที่แถวที่ 2, 4 และ 6 แสดงการสร้างภาพด้วยแสง ในคอลัมน์ที่ 1 และ 2 กล้องจะโฟกัสที่ระนาบโฟกัสด้านหน้า ("ฟุตบอล") และระนาบโฟกัสด้านหลัง ("กีตาร์") ของคู่ "ฟุตบอล-กีตาร์" ตามลำดับ ในคอลัมน์ที่ 3 และ 4 กล้องจะโฟกัสที่ระนาบโฟกัสด้านหน้า ("เครื่องบิน") และระนาบโฟกัสด้านหลัง ("หมา") ของคู่ "เครื่องบิน-หมา" ตามลำดับ

รูปที่ 7 วัตถุที่สร้างขึ้นใหม่ในระนาบความลึกที่ต่างกัน

เขียนไว้ในตอนท้าย:

เครือข่ายประสาทเทียมแบบออปติกได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีศักยภาพในการคำนวณขนาดใหญ่แบบขนาน การทำงานที่ใช้พลังงานต่ำ การตอบสนองที่รวดเร็ว และตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ เนื่องจากอุปกรณ์การเลี้ยวเบนแสงมีบทบาทสำคัญในเครือข่ายประสาทเทียมแบบเลี้ยวเบนแสง และถูกใช้ในหลายสาขา เช่น การคำนวณภาพโฮโลแกรม 3 มิติสำหรับ AR/VR การถ่ายภาพทางชีวการแพทย์ และการตรวจจับด้วยแสง จากความสามารถในการเขียนโปรแกรมของเครือข่ายประสาทเทียมแบบเลี้ยวเบนแสง คาดว่าเครือข่ายประสาทเทียมแบบเลี้ยวเบนแสงที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าจะถูกนำมาใช้จริงในอนาคต