izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-11-45-51izmertech-2055Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSМетоды синтеза дифракционных оптических элементов: оперативное и качественное формирование трёхмерных объектов из набора плоских сеченийDiffractive optical elements generation by layer-based methods for rapid and high-quality formation of 3D-objectshttps://orcid.org/0000-0003-1340-7734ЗлоказовЕ. Ю.ZlokazovE. Yu.

Евгений Юрьевич Злоказов

Москва

Evgenii Yu. Zlokazov

Moscow

ezlokazov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2216-5618МинаеваЕ. Д.MinaevaE. D.

Екатерина Дмитриевна Минаева

Москва

Ekaterina D. Minaeva

Moscow

minaeva.e.d@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3667-8262РодинВ. Г.RodinV. G.

Владислав Геннадьевич Родин

Москва

Vladislav G. Rodin

Moscow

holo_mephi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7369-1565СтариковР. С.StarikovR. S.

Ростислав Сергеевич Стариков

Москва

Rostislav S. Starikov

Moscow

rstarikov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3556-2663ЧерёмхинП. А.CheremkhinP. A.

Павел Аркадьевич Черёмхин

Москва

Pavel A. Cheremkhin

Moscow

cheremhinpavel@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7816-5989ШифринаА. В.ShifrinaA. V.

Анна Владимировна Шифрина

Москва

Anna V. Shifrina

Moscow

avshifrina@gmail.comНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»РоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian Federation2023201120230114551Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2055

Статья посвящена актуальной теме синтеза дифракционных оптических элементов и компьютерных голограмм с целью формирования объёмных изображений. Для исследования возможности повышения скорости синтеза дифракционных оптических элементов и качества формируемых ими трёхмерных объектов проанализированы четыре метода синтеза, основанные на разделении трёхмерных объектов на плоские сечения. Оценено качество восстановления изображения трёхмерного объекта и ресурсоёмкость анализируемых методов синтеза дифракционных оптических элементов. Проведено компьютерное моделирование процесса восстановления изображений трёхмерных объектов с синтезированных дифракционных оптических элементов. При оптических экспериментах по формированию трёхмерных объектов синтезированные дифракционные оптические элементы отображались на жидкокристаллическом пространственно-временно́м модуляторе света. Экспериментально получено, что для формирования трёхмерных объектов с точки зрения качества их восстановления наилучшими методами являются итеративные методы параллельного расчёта плоских сечений и невыпуклой оптимизации. С учётом оценки вычислительной ресурсоёмкости рассмотренных методов, оптимальным по соотношению качества восстановления и скорости синтеза результат достигнут при синтезе дифракционных оптических элементов итеративным методом параллельного расчёта плоских сечений. Продемонстрирована возможность оперативного формирования качественных трёхмерных объектов, состоящих из десятков плоскостей, что может быть использовано в системах 3D-видеосвязи высокого разрешения.

The article is devoted to the generation of diffractive optical elements and computer holograms for forming three-dimensional images. Possibilities of increasing the speed of diffractive optical elements generation and the quality of reconstructed 3D-objects were investigated. Four methods of optical elements generation were analyzed. The methods use division the 3D-objects into fl at layers. The quality of 3D-object reconstruction and time generation by the methods were assessed. 3D-object reconstruction from generated optical elements was modeled. Optical formation of objects was performed by displaying optical elements onto liquid crystal spatial light modulator. It was found that the best quality of reconstruction was provided by iterative parallel ping-pong and non-convex optimization methods. The optimal ratio of reconstruction quality to generation speed ratio was obtained for the parallel ping-pong method. The possibility of fast formation high-quality three-dimensional scenes consisting of dozens of layers has been demonstrated.

дифракционный оптический элементкомпьютерный синтезжидкокристаллический пространственно- временной модулятор светарегистрация изображенийтрёхмерный объектнабор плоских сеченийпараллельный расчёт плоских сеченийневыпуклая оптимизацияdiffractive optical elementcomputer generationliquid crystal spatial light modulatorimage registrationlight modulation3D-objectplane layersparallel calculation of plane layersnon-convex optimizationРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ), грант № 23-12-00336.The work was supported by the Russian Science Foundation (RSF), Grant no. 23-12-00336.ReferencesДифракционная компьютерная оптика / под ред. В. А. Сойфера. Физматлит, 2007. 736 с.Difraktsionnaya komp’yuternaya optika (Diffractive computer optics), ed. by V. A. Soifer, Moscow, Fizmatlit Publ., 2007, 736 p. (In Russ.)Досколович Л. Л., Мингазов А. А., Бызов Е. В., Быков Д. А., Безус Е. А. Метод расчёта функции эйконала и его применение для синтеза дифракционных оптических элементов для фокусировки в заданную область // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46, № 2. С. 173–183.Doskolovich L. L., Mingazov A. A., Byzov E. V., Bykov D. A., Bezus E. A., Computer Optics, 2022, vol. 46, no. 2, pp. 173–183 (In Russ.) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-1029Schmidt S., Thiele S., Toulouse A., Bösel C., Tiess T., Herkommer A., Gross H., Giessen H., Optica, 2020, vol. 7, no. 10, pp. 1279–1286. https://doi.org/10.1364/OPTICA.395177Schmidt S., Thiele S., Toulouse A., Bösel C., Tiess T., Herkommer A., Gross H., Giessen H., Optica, 2020, vol. 7, no. 10, pp. 1279–1286. https://doi.org/10.1364/OPTICA.395177Хорин П. А., Хонина С. Н. Влияние отклонений 3D формы спиральной микроструктуры на свойства формируемого вихревого пучка в ближней зоне дифракции // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 19–28. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-19-28Khorin P. A., Khonina S. N., Journal of Optical Technology, 2023, vol. 90, no. 5, pp. 236–241. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000236Pi D., Liu J., Wang Y., Light: Science & Applications, 2022, vol. 11, 231. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00916-3Pi D., Liu J., Wang Y., Light: Science & Applications, 2022, vol. 11, 231. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00916-3Shi K., Yoshimoto N., Zhang G., Optics Express, 2023, vol. 31, no. 21, pp. 34817–34826. https://doi.org/10.1364/OE.501898Shi K., Yoshimoto N., Zhang G., Optics Express, 2023, vol. 31, no. 21, pp. 34817–34826. https://doi.org/10.1364/OE.501898Di Leonardo R., Ianni F., Ruocco G., Optics Express, 2007, vol. 15, no. 4, pp. 1913–1922. https://doi.org/10.1364/OE.15.001913Di Leonardo R., Ianni F., Ruocco G., Optics Express, 2007, vol. 15, no. 4, pp. 1913–1922. https://doi.org/10.1364/OE.15.001913Yang S., Papagiakoumou E., Guillon M., de Sars V., Tang Ch.-M., Emiliani V., Journal of Neural Engineering, 2011, vol. 8, 046002. https://doi.org/10.1088/1741-2560/8/4/046002Yang S., Papagiakoumou E., Guillon M., de Sars V., Tang Ch.-M., Emiliani V., Journal of Neural Engineering, 2011, vol. 8, 046002. https://doi.org/10.1088/1741-2560/8/4/046002Faini G., Tanese D., Molinier C. et al, Nature Communications, 2023, vol. 8, 1888. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37416-wFaini G., Tanese D., Molinier C. et al, Nature Communications, 2023, vol. 8, 1888. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37416-wLesem L. B., Hirsch P. M., Jordan J. A., IBM Journal of Research and Development, 1969, vol. 13, no. 2, pp. 150–155. https://doi.org/10.1147/rd.132.0150Lesem L. B., Hirsch P. M., Jordan J. A., IBM Journal of Research and Development, 1969, vol. 13, no. 2, pp. 150–155. https://doi.org/10.1147/rd.132.0150Компанец И. Н., Андреев А. Л. Микродисплеи в системах пространственной модуляции света // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. № 4. С. 294–302.Kompanets I. N., Andreev A. L., Quantum Electronics, 2017, vol. 47, no. 4, pp. 294–302. https://doi.org/10.1070/QEL16293Евтихиев Н. Н., Краснов В. В., Рябцев И. П., Родин В. Г., Стариков Р. С., Черёмхин П. А. Измерение модуляции фазового жидкокристаллического модулятора света Santec SLM-200 и анализ его применимости для реконструкции изображений с дифракционных элементов // Измерительная техника. 2021. № 5. С. 4–8. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-5-4-8Evtikhiev N. N., Krasnov V. V., Ryabcev I. P., Rodin V. G., Starikov R. S., Cheremkhin P. A., Measurement Techniques, 2021, vol. 64, no. 5, pp. 346–351. https://doi.org/10.1007/s11018-021-01940-2Yin K., Hsiang E.-L., Zou J., Li Y., Yang Z., Yang Q., Lai P.-C., Lin C.-L., Wu S.-T., Light: Science & Applications, 2022, vol. 11, 161. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00851-3Yin K., Hsiang E.-L., Zou J., Li Y., Yang Z., Yang Q., Lai P.-C., Lin C.-L., Wu S.-T., Light: Science & Applications, 2022, vol. 11, 161. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00851-3Рымов Д. А., Шифрина А. В., Черёмхин П. А., Родин В. Г., Краснов В. В. Голографическое кодирование цветного видеопотока формата 4K с помощью фазовых жидкокристаллических модуляторов света // Измерительная техника. 2023. № 6. С. 21–26. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-6-21-26Rymov D. A., Shifrina A. V., Cheremkhin P. A., Rodin V. G., Krasnov V. V., Measurement Techniques, 2023, vol. 66, no. 6, pp. 392–397. https://doi.org/10.1007/s11018-023-02239-0Correa-Rojas N. A., Gallego-Ruiz R. D., Álvarez-Castaño M. I., Computer Optics, 2022, vol. 46, no. 1, pp. 30–38. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-857Correa-Rojas N. A., Gallego-Ruiz R. D., Álvarez-Castaño M. I., Computer Optics, 2022, vol. 46, no. 1, pp. 30–38. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-857Park J.-H., Journal of Information Display, 2016, vol. 18, no. 1, pp. 1–12. https://doi.org/10.1080/15980316.2016.1255672Park J.-H., Journal of Information Display, 2016, vol. 18, no. 1, pp. 1–12. https://doi.org/10.1080/15980316.2016.1255672Wakunami K., Yamaguchi M., Optics Express, 2011, vol. 19, no. 10, pp. 9086–9101. https://doi.org/10.1364/OE.19.009086Wakunami K., Yamaguchi M., Optics Express, 2011, vol. 19, no. 10, pp. 9086–9101. https://doi.org/10.1364/OE.19.009086Ichigawa T., Yoneyama T., Sakamoto Y., Optics Express, 2013, vol. 21, no. 26, pp. 32019–32031. https://doi.org/10.1364/OE.21.032019Ichigawa T., Yoneyama T., Sakamoto Y., Optics Express, 2013, vol. 21, no. 26, pp. 32019–32031. https://doi.org/10.1364/OE.21.032019Zhang Y., Fan H., Wang F., Gu X., Qian X., Poon T.-C., Applied Optics, 2022, vol. 61, no. 5, pp. B363–B374. https://doi.org/10.1364/AO.444973Zhang Y., Fan H., Wang F., Gu X., Qian X., Poon T.-C., Applied Optics, 2022, vol. 61, no. 5, pp. B363–B374. https://doi.org/10.1364/AO.444973Zhang J., Pegard N., Zhong J., Adesnik H., Waller L., Optica, 2017, vol. 4, no. 10, pp. 1306–1313. https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.001306Zhang J., Pegard N., Zhong J., Adesnik H., Waller L., Optica, 2017, vol. 4, no. 10, pp. 1306–1313. https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.001306Clark T. W., Offer R. F., Franke-Arnold S., Arnold A. S., Radwell N., Optics Express, 2016, vol. 24, no. 6, pp. 6249–6264. https://doi.org/10.1364/OE.24.006249Clark T. W., Offer R. F., Franke-Arnold S., Arnold A. S., Radwell N., Optics Express, 2016, vol. 24, no. 6, pp. 6249–6264. https://doi.org/10.1364/OE.24.006249Piestun R., Spektor B., Shamir J., Journal of the Optical Society of America A, 1996, vol. 13, no. 9, pp. 1837–1848. https://doi.org/10.1364/JOSAA.13.001837Piestun R., Spektor B., Shamir J., Journal of the Optical Society of America A, 1996, vol. 13, no. 9, pp. 1837–1848. https://doi.org/10.1364/JOSAA.13.001837Xiao-yu J. A., Chuang P., Xi W., Yantao Z., Proceedings of SPIE, 2012, vol. 8556, 85561H. https://doi.org/10.1117/12.981934Xiao-yu J. A., Chuang P., Xi W., Yantao Z., Proceedings of SPIE, 2012, vol. 8556, 85561H. https://doi.org/10.1117/12.981934Makowski M., Sypek M., Kolodziejczyk A. Mikula G., Suszek J., Optical Engineering, 2007, vol. 46, no. 4, 045802. https://doi.org/10.1117/1.2727379Makowski M., Sypek M., Kolodziejczyk A. Mikula G., Suszek J., Optical Engineering, 2007, vol. 46, no. 4, 045802. https://doi.org/10.1117/1.2727379Dorsch R. G., Lohmann A. W., Sinzinger S., Applied Optics, 1994, vol. 33, no. 5, pp. 869–875. https://doi.org/10.1364/AO.33.000869Dorsch R. G., Lohmann A. W., Sinzinger S., Applied Optics, 1994, vol. 33, no. 5, pp. 869–875. https://doi.org/10.1364/AO.33.000869Ying C., Pang H., Fan C., Zhou W., Optical Engineering, 2011, vol. 50, no. 5, 055802. https://doi.org/10.1117/1.3577704Ying C., Pang H., Fan C., Zhou W., Optical Engineering, 2011, vol. 50, no. 5, 055802. https://doi.org/10.1117/1.3577704Kumar D., Nishchal N. K., Optik, 2016, vol. 127, no. 24, pp. 12069–12077. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.09.114Kumar D., Nishchal N. K., Optik, 2016, vol. 127, no. 24, pp. 12069–12077. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.09.114Horisaki R., Nishizaki Y., Kitaguchi K., Saito M., Tanida J., Applied Optics, vol. 60, no. 4, pp. A323–A328. https://doi.org/10.1364/AO.404151Horisaki R., Nishizaki Y., Kitaguchi K., Saito M., Tanida J., Applied Optics, vol. 60, no. 4, pp. A323–A328. https://doi.org/10.1364/AO.404151Shimobaba T., Blinder D., Birnbaum T., Hoshi I., Shiomi H., Schelkens P., Ito T., Frontiers in Photonics, 2022, vol. 3, 854391. https://doi.org/10.3389/fphot.2022.854391Shimobaba T., Blinder D., Birnbaum T., Hoshi I., Shiomi H., Schelkens P., Ito T., Frontiers in Photonics, 2022, vol. 3, 854391. https://doi.org/10.3389/fphot.2022.854391Shi L., Li B., Kim C., Kellnhofer P., Matusik W., Nature, 2021, vol. 591, no. 7849, pp. 234–239. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03152-0Shi L., Li B., Kim C., Kellnhofer P., Matusik W., Nature, 2021, vol. 591, no. 7849, pp. 234–239. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03152-0Gerchberg R. W., Saxton W. O., A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures, Optik, 1972, vol. 75, no. 2, pp. 237–246.Gerchberg R. W., Saxton W. O., A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures, Optik, 1972, vol. 75, no. 2, pp. 237–246.Wyrowski F., Bryngdahl O., Journal of the Optical Society of America A, 1988, vol. 5, no. 7, pp. 1058–1065. https://doi.org/10.1364/JOSAA.5.001058Wyrowski F., Bryngdahl O., Journal of the Optical Society of America A, 1988, vol. 5, no. 7, pp. 1058–1065. https://doi.org/10.1364/JOSAA.5.001058Curtis F. E., Que X., Mathematical Programming Computation, 2015, vol. 7, no. 4, pp. 399–428. https://doi.org/10.1007/s12532-015-0086-2Curtis F. E., Que X., Mathematical Programming Computation, 2015, vol. 7, no. 4, pp. 399–428. https://doi.org/10.1007/s12532-015-0086-2Verrier N., Atlan M., Applied Optics, 2011, vol. 50, no. 34, pp. H136–H146. https://doi.org/10.1364/AO.50.00H136Verrier N., Atlan M., Applied Optics, 2011, vol. 50, no. 34, pp. H136–H146. https://doi.org/10.1364/AO.50.00H136Евтихиев Н. Н., Родин В. Г., Савченкова Е. А., Стариков Р. С., Черёмхин П. А. Адаптивный итеративный метод подбора весовых коэффициентов операции диффузии ошибки для бинаризации цифровых голограмм // Измерительная техника. № 6, 2022. С. 41–45. https://doi.org/32446/0368-1025it.2022-6-41-45Evtikhiev N. N., Rodin V. G., Savchenkova E. A., Starikov R. S., Cheremkhin P. A., Measurement techniques, 2022, vol. 65, no. 6, pp. 432–437. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02101-9Гонсалес Р. С., Вудс Р. Е. Цифровая обработка изображений. Пер. с англ. М.: Техносфера, 2019, 1104 с.Gonzalez R. C, Woods R. E., Digit al Image Processing. Prentice Hall, 2008, 954 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.