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無需計算機，基于衍射網(wǎng)絡(luò)的全息全光重建

發(fā)布時間：2022-04-11 17:24:03 瀏覽量：3634 作者：LY.Young 光學(xué)前沿

摘要

全息是一種應(yīng)用廣泛的技術(shù)爸舒。它在計算成像蟋字、顯示、干涉測量愉老、數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域都扮演著重要的角色。將全息與其它光學(xué)手段區(qū)分開來的是其具有記錄和重建物體的強度和相位的能力剖效。全息記錄通常是物波與參考波干涉生成將物波的振幅和相位都編碼的全息圖嫉入。全息重建則是從記錄的全息圖強度恢復(fù)物的信息。

正文


無需計算機爷光，基于衍射網(wǎng)絡(luò)的全息全光重建


技術(shù)背景：
全息是一種應(yīng)用廣泛的技術(shù)蛀序。它在計算成像欢瞪、顯示、干涉測量徐裸、數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域都扮演著重要的角色。將全息與其它光學(xué)手段區(qū)分開來的是其具有記錄和重建物體的強度和相位的能力重贺。全息記錄通常是物波與參考波干涉生成將物波的振幅和相位都編碼的全息圖骑祟。全息重建則是從記錄的全息圖強度恢復(fù)物的信息。
全息可以分為同軸全息和離軸全息气笙。同軸全息是指物波和參考波共軸，具有系統(tǒng)簡單潜圃、大帶寬積缸棵、穩(wěn)定性強、重建時受到共軛像干擾等特點谭期。離軸全息是指物波和參考波有夾角堵第，使得共軛像與期望的重建像分離，從而獲得清晰的重建像型诚，但是帶寬積不如同軸全息客燕，且系統(tǒng)較復(fù)雜，抗干擾能力較差狰贯。
電子計算機和圖像傳感器(ccd、cmos)的發(fā)展將全息由模擬時代引入數(shù)字時代涵紊。圖像傳感器作為全息圖像數(shù)字化的載體傍妒，替代了傳統(tǒng)的全息記錄介質(zhì)，使得在電子計算機上完成全息的數(shù)值重建得以實現(xiàn)摸柄。數(shù)字化也為算法的施展提供了用武之地。用于壓制共軛像的多種基于迭代的相位復(fù)原算法被研究人員提出來驱负，最近則是進展為利用深度學(xué)習(xí)框架在GPU的幫助下經(jīng)過長時間的訓(xùn)練(12-24h)完成重建網(wǎng)絡(luò)嗦玖，省略了迭代計算的步驟。

當前不足：
當前實現(xiàn)全息重建的方法都是基于計算機的跃脊，而對于快速計算和低能耗的實際需求，迫使人們尋求一種新的全息重建方式酪术。

文章創(chuàng)新點：
基于此景图，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Md Sadman Sakib Rahman(一作)和Aydogan Ozcan(通訊)提出一種基于衍射網(wǎng)絡(luò)的全光全息重建方法窍荧，可以不光能夠?qū)崿F(xiàn)全光全息重建，還能消除共軛像的干擾趁怔，并通過數(shù)值仿真加以證明蝙云。

原理解析：
雖然重建過程無需計算機猪半，可以基于衍射完成全光全息重建色冀，但是衍射網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要在計算機上完成继阻。衍射網(wǎng)絡(luò)由5層組成耻涛，每一層為200X200個像素，每一個像素的高度(對應(yīng)為對入射光的相位調(diào)制)、層與層之間的距離都是可訓(xùn)練的參數(shù)澈蟆。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集由55000張來自于MNIST數(shù)據(jù)集的圖片和55000張作者自己建立的數(shù)據(jù)集組成墨辛，首先通過數(shù)值模擬同軸全息記錄過程，將生成的全息圖導(dǎo)入衍射網(wǎng)絡(luò)趴俘，衍射網(wǎng)絡(luò)的層與層像素之間的聯(lián)系由衍射理論確定奏赘，得到重建圖像。然后通過最小化目標圖像與推測的重建圖像之間的誤差優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)太惠，從而完成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練磨淌。網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程中可以將衍射層的加工誤差和重建距離等因素考慮進去，增強衍射網(wǎng)絡(luò)的魯棒性凿渊。


實驗結(jié)果：


參考文獻：Md Sadman Sakib Rahman and Aydogan Ozcan, "Computer-Free, All-Optical Reconstruction of holograms Using Diffractive Networks," ACS Photonics OCTober 27, 2021
DOI：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01365


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