利用全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成多深度三維全息

空間光調(diào)制器是一種在主動(dòng)控制下利用自身屬性對(duì)輸入光的振幅、相位等參量做調(diào)制輸出的光學(xué)器件，通過(guò)對(duì)光波波前、光波波束進(jìn)行量化及指向性的控制，在最終接受面獲得預(yù)期的光場(chǎng)分布。將空間光調(diào)制器應(yīng)用在光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，并且隨著空間光調(diào)制器調(diào)制精度的提升以及計(jì)算算法的不斷優(yōu)化，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巨大潛力也不斷地被挖掘，在機(jī)器視覺(jué)、醫(yī)學(xué)影像處理、光學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用前景。

論文信息

本文介紹了一種利用全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FCN）生成多深度相位全息的方法。該方法主要涉及一個(gè)前向-后向衍射框架來(lái)計(jì)算多深度衍射場(chǎng)，以及一個(gè)逐層替換方法（L2RM）來(lái)處理遮擋關(guān)系。由前者計(jì)算的衍射場(chǎng)被輸入到精心設(shè)計(jì)的FCN中，它利用其強(qiáng)大的非線性擬合能力來(lái)生成3D場(chǎng)景的多深度全息圖。后者可以通過(guò)補(bǔ)充被遮擋物體的信息，使場(chǎng)景重建中不同層的邊界進(jìn)行平滑處理，從而提高全息圖的重建質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)將計(jì)算全息圖（computer-generated hologram，CGH）加載到核心組件空間光調(diào)制器（spatial light modulator，SLM）上，實(shí)現(xiàn)刷新和動(dòng)態(tài)3D顯示。

部分實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中使用波長(zhǎng)為638（±8）nm、功率為30mW的非偏振半導(dǎo)體激光器，如圖1所示，光纖的輸出端放置在焦距為100mm的準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)處來(lái)獲得平面波，使用中性密度濾波器作為衰減器和偏振器來(lái)獲得線偏光。旋轉(zhuǎn)半波片（HWP）使得光的偏振方向與LCOS配向角方向一致，接著插入一個(gè)矩形孔徑，得到矩形輪廓。利用空間光調(diào)制器（中科微星 FSLM-4K70-P02）對(duì)入射光進(jìn)行相位調(diào)制和反射，再使用焦距為100mm的傅里葉透鏡進(jìn)一步放大重建場(chǎng)景。采用空間濾波器，使所需的衍射階通過(guò)，其他衍射階濾波。重建后的放大3D場(chǎng)景使用相機(jī)拍攝。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置（相位型空間光調(diào)制器，型號(hào)：FSLM-4K70-P02）

實(shí)驗(yàn)中所采用空間光調(diào)制器的參數(shù)規(guī)格如下：

圖2三維圖形數(shù)據(jù)集的生成。A)3D隨機(jī)場(chǎng)景。B)取樣過(guò)程。C)強(qiáng)度圖像。D)深度圖像。E)三維圖形數(shù)據(jù)集。

圖3 用FCN生成多深度全息圖。A)利用前后衍射框架計(jì)算多深度衍射場(chǎng)。B)FCN的結(jié)構(gòu)。C)多深度誤差的計(jì)算。

圖4 重建圖像的質(zhì)量比較。A)目標(biāo)場(chǎng)景。B) 分別對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)方法和L2RM的數(shù)值重建。C) 分別對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)方法和L2RM的光學(xué)重建。

圖5 復(fù)雜的三維場(chǎng)景和相應(yīng)的全息圖。A)強(qiáng)度圖像和B)三維場(chǎng)景的深度圖像。C)由FCN生成的多深度全息圖。

圖6 A) WH、B) DPH和C) L2RM的數(shù)值重建和光學(xué)重建。第1、3、5行的圖像表示數(shù)值重建，而第2、4、6行表示光學(xué)重建。在第1列和第2列中，相機(jī)分別聚焦于“足球-吉他”的前聚焦平面（“足球”）和后聚焦平面（“吉他”）。在第3列和第4列中，相機(jī)分別聚焦于“飛機(jī)-狗”的前對(duì)焦平面（“飛機(jī)”）和后對(duì)焦平面（“狗”）。

圖7 在不同深度的平面上重建對(duì)象。

寫在最后

光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因具有并行大規(guī)模計(jì)算、低功耗運(yùn)行以及快速響應(yīng)的潛力而受人們的廣泛關(guān)注，而空間光調(diào)制器作為衍射器件在衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色，并且應(yīng)用在眾多領(lǐng)域中，例如AR/VR的3D全息成像計(jì)算、生物醫(yī)學(xué)成像、光學(xué)傳感等。基于衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可編程能力，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)更高性能的衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

審核編輯 黃宇