Методы синтеза дифракционных оптических элементов: оперативное и качественное формирование трёхмерных объектов из набора плоских сечений

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.

1. Дифракционная компьютерная оптика / под ред. В. А. Сойфера. Физматлит, 2007. 736 с.

2. 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.

3. Schmidt 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.395177

4. Хорин 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/10.17586/1023-5086-2023-90-05-19-28

5. Pi D., Liu J., Wang Y., Light: Science & Applications, 2022, vol. 11, 231. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00916-3

6. Shi K., Yoshimoto N., Zhang G., Optics Express, 2023, vol. 31, no. 21, pp. 34817–34826. https://doi.org/10.1364/OE.501898

7. Di Leonardo R., Ianni F., Ruocco G., Optics Express, 2007, vol. 15, no. 4, pp. 1913–1922. https://doi.org/10.1364/OE.15.001913

8. Yang S., Papagiakoumou E., Guillon M., de Sars V., Tang Ch.-M., Emiliani V., Journal of Neural Engineering, 2011, vol. 8, 046002. https://doi.org/10.1088/1741-2560/8/4/046002

9. Faini G., Tanese D., Molinier C. et al, Nature Communications, 2023, vol. 8, 1888. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37416-w

10. Lesem 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.132.0150

11. Компанец И. Н., Андреев А. Л. Микродисплеи в системах пространственной модуляции света // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. № 4. С. 294–302.

12. Евтихиев 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.2021-5-4-8

13. Yin 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/s41377-022-00851-3

14. Рымов 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.2023-6-21-26

15. Correa-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-857

16. Park J.-H., Journal of Information Display, 2016, vol. 18, no. 1, pp. 1–12. https://doi.org/10.1080/15980316.2016.1255672

17. Wakunami K., Yamaguchi M., Optics Express, 2011, vol. 19, no. 10, pp. 9086–9101. https://doi.org/10.1364/OE.19.009086

18. Ichigawa T., Yoneyama T., Sakamoto Y., Optics Express, 2013, vol. 21, no. 26, pp. 32019–32031. https://doi.org/10.1364/OE.21.032019

19. Zhang 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.444973

20. Zhang J., Pegard N., Zhong J., Adesnik H., Waller L., Optica, 2017, vol. 4, no. 10, pp. 1306–1313. https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.001306

21. Clark 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.24.006249

22. Piestun 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.13.001837

23. Xiao-yu J. A., Chuang P., Xi W., Yantao Z., Proceedings of SPIE, 2012, vol. 8556, 85561H. https://doi.org/10.1117/12.981934

24. Makowski M., Sypek M., Kolodziejczyk A. Mikula G., Suszek J., Optical Engineering, 2007, vol. 46, no. 4, 045802. https://doi.org/10.1117/1.2727379

25. Dorsch R. G., Lohmann A. W., Sinzinger S., Applied Optics, 1994, vol. 33, no. 5, pp. 869–875. https://doi.org/10.1364/AO.33.000869

26. Ying C., Pang H., Fan C., Zhou W., Optical Engineering, 2011, vol. 50, no. 5, 055802. https://doi.org/10.1117/1.3577704

27. Kumar D., Nishchal N. K., Optik, 2016, vol. 127, no. 24, pp. 12069–12077. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.09.114

28. Horisaki R., Nishizaki Y., Kitaguchi K., Saito M., Tanida J., Applied Optics, vol. 60, no. 4, pp. A323–A328. https://doi.org/10.1364/AO.404151

29. Shimobaba 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.2022.854391

30. Shi L., Li B., Kim C., Kellnhofer P., Matusik W., Nature, 2021, vol. 591, no. 7849, pp. 234–239. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03152-0

31. 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.

32. 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.5.001058

33. Curtis F. E., Que X., Mathematical Programming Computation, 2015, vol. 7, no. 4, pp. 399–428. https://doi.org/10.1007/s12532-015-0086-2

34. Verrier N., Atlan M., Applied Optics, 2011, vol. 50, no. 34, pp. H136–H146. https://doi.org/10.1364/AO.50.00H136

35. Евтихиев 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.2022-6-41-45

36. Гонсалес Р. С., Вудс Р. Е. Цифровая обработка изображений. Пер. с англ. М.: Техносфера, 2019, 1104 с.