КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-79-10340

НазваниеСинтез дифракционных оптических элементов для оперативного формирования высокоинформативных пространственных световых распределений

РуководительЧерёмхин Павел Аркадьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время системы оптической регистрации и оптико-цифрового визуализации позволяют производить обработку двумерной и трехмерной массивов данных с частотами в десятки кГц. Однако методы анализа и преобразования не могут обеспечить столь высокую скорость совместно с высоким качеством формируемых сцен. Поэтому целью данного проекта является разработка и апробация методов преобразования и формирование волновых фронтов объектов различного типа, обеспечивающих как оперативное, так качественное получение результатов. Данная проблема в проекте решается как за счет создания новых методов на основе применения современных алгоритмических технологий, включающих машинное обучение, адаптивное компандирование и разреженное представление сигналов в различных пространствах, так и применение современных средств отображения и модуляции сигналов, включая высокоскоростные микрозеркальные модуляторы света (МЗМ) и матричные цифровые фоторегистраторы. Для задач оптического преобразования излучения широко применяются различные синтезируемые дифракционные оптические элементы (ДОЭ). К таким элементам относятся, например, численно-синтезированные голограммы, а также киноформы. Однако численный расчет ДОЭ сложных объектов и 3D-сцен является весьма ресурсоемкой задачей, требующей значительных вычислительных мощностей, как правило, итерационного типа. В особенности это касается синтеза ДОЭ, где, помимо большого числа отдельных элементов, могут учитываться и взаимодействия между этими элементами. Одним из возможных способов преодоления этих недостатков является создание метода, основанного на использовании машинного обучения, все чаще применяющиеся в областях фотоники и информационной оптики: синтез изображений, машинное зрение, распознавание, классификация и оценка количества объектов в изображении и др. Использование таких алгоритмов может снизить вычислительную нагрузку и уменьшить время расчетов по сравнению с использованием традиционных методов. Однако методы машинного обучения пока применялись лишь на конкретных параметрах формируемой 3D-сцены и объектах одного типа и размера: например, контурные изображения малого размера (64×64), отдельно не рассматривается восстановление при различных расстояниях от ДОЭ до объекта и др. В данном проекте предлагается разработка метода, учитывающего как разный тип объектов, так и различные размеры и параметры формируемой сцены. В результате будет получено как ускорение расчетов, так и улучшение качества восстановления изображений объектов по сравнению с традиционными методами. Развитие характеристик цифровых фото- и видеокамер привело к тому, что размеры файлов изображений в том числе регистрируемых цифровых голограмм составляют десятки или сотни мегабайт. Для передачи голографического видео даже с кадровой частотой фильмов уже необходимо иметь канал с пропускной способностью единицы или дестяки Гбит/с, что существенно больше используемой в стандартных каналах связи в настоящее время. Аналогично для хранения такого видео необходимы большие объёмы носителей информации, так как 10 мин видео будет иметь размер более 1 терабайта. Для повышения скорости передачи голограмм и снижения объёмов архивной памяти, требуемой для их хранения, можно проводить сжатие голограмм. В настоящее время предлагаются следующие типы методов сжатия цифровых голограмм: основанные на стандартах изображений и видео (JPEG, MPEG-4 и др.), скалярные (неравномерное логарифмическое сжатие и др.), векторные (метод динамических ядер) и вейвлетные. Первая и четвертая группы основана на статистических параметрах изображений и в случае голограмм эти методы напрямую значительно менее пригодны, так как снимки направлены на регистрацию амплитуды волны, а голограммы направлены в большей степени на сохранение фазы. При скалярном сжатии каждое входное значение преобразуется в одно квантованное выходное без учёта зависимости между значениями сигнала. Векторные методы основаны на алгоритмах обучения и нейронных сетях и направлены на создание книги значений соответствия уровню сжатия данной голограммы. В результате скалярные методы сжатия голограмм обычно имеют наиболее высокое быстродействие, но низкое качество восстановления, а векторные – наиболее низкое быстродействие и высокое качество восстановленных изображений. Для получения наилучшего соотношения качество восстановления/скорость сжатия/степень компрессии необходимо использовать особенности всех групп методов совместно. При оптической реконструкции 3D-сцен с цифровых голограмм и ДОЭ качество серьезно ухудшается неточностями отображения сигнала на пространственно-временных модуляторах света (ПВМС). Например, вследствие ступенчатой структуры управляющего напряжения присутствуют флуктуации модуляции фазы в жидкокристаллических (ЖК) ПВМС, достигающие величины pi при глубине модуляции 2pi. При этом ЖК ПВМС позволяют достичь частоты смены кадров в несколько десятков Гц. Для оперативного оптического восстановления следует использовать высокоскоростные бинарные МЗМ, лишь в последние годы преимущества которых начали реализовывать в различных областях: аддитивные технологии, зондирование сред, быстрая фокусировка пусков, восстановление амплитудно-фазовых профилей и др. Для реконструкции сцен с цифровых голограмм с помощью МЗМ вначале необходимо произвести их бинаризацию. Однако до сих пор широко используются лишь глобальные пороговые методы, хотя многие локальные методы и методы на основе операции диффузии ошибки демонстрируют существенно лучшее качество. Даже с учетом этого среди методов нельзя выделить однозначно лучшие или худшие для бинаризации голограмм в общем случае. В проекте предлагается разработка и экспериментальная апробация возможностей метода адаптивного сжатия на основе компандирования как для задач хранения голографических данных, так и для оперативного оптического восстановления сцен с голограмм с использованием МЗМ. Формирование и детектирование комплексно-модулированных когерентных световых полей лежит в основе широкого спектра задач в области информационной оптики. К таким задачам относятся измерение аберраций оптических систем, оптическое кодирование изображений, измерение кривизны поверхностей, пространственно-частотная фильтрация изображений, а также формирование и детектирование изображений комплексно-модулированных страниц цифровых данных в системах архивной голографической памяти. Высокая точность формируемого комплексного поля может быть обеспечена за счёт корректного учёта искажений, возникающих при реализации дифракционной структуры компьютерно-синтезированной голограммы, формирующей заданную функцию пространственного распределения комплексной амплитуды поля, с помощью физического носителя, например пространственно-временного модулятора света. К подобным искажениям можно отнести неравномерность пространственного фазового набега, вызванная аберрациями считывающего пучка и неплоскостностью матрицы элементов ПВМС. Измерение и компенсация данных факторов являются важными задачами при практическом применении пространственно-временных модуляторов света в когерентных дифракционных оптических схемах. Использование для таких измерений интерферометров [1–3] или дополнительных устройств контроля, например датчика Шака-Гартмана, приводит к нежелательному усложнению оптической схемы. В этой связи особый интерес вызывают методы вычислительной фазовой визуализации [4–7], основанные на формировании с помощью ПВМС структурированных когерентных пучков и позволяющие производить вычисление фазы волнового фронта на основе серии измерений амплитудных распределений. Примеры применения данных методов к оценке пространственного распределения фазового набега непосредственно самого ПВМС, ЖК или МЗ, на данный момент не известны. Для улучшения качества и повышения скорости формирования, преобразования и распознавания двумерных изображений и 3D-сцен необходим быстрый и точный учет указанных проблем. С учетом вышесказанного, предлагаемый проект направлен на одновременное решение следующих взаимосвязанных между собой задач: 1) Разработка метода синтеза дифракционных оптических элементов машинным обучением. 2) Разработка метода компрессии и бинаризации амплитудных голограмм на основе адаптивного компандирования. 3) Разработка методов повышения точности формирования комплексных световых полей с помощью современных моделей пространственно-временных модуляторов света с количеством дискретных отсчётов более 10^6. 4) Экспериментальная реализация оперативного оптического отображения сцен с использованием микрозеркальных модуляторов света при совместном применении разработанных методов, их компрессии и отображения сцен. 5) Результаты экспериментального анализа применимости модуляторов света в системах голографической памяти. Апробация разрабатываемых методов предполагается при создании оптико-цифровых дифракционных систем численного и оптического формирования, преобразования и распознавания трехмерных сцен. Новизна проекта определяется тем, что в результате его выполнения будет создан набор новых взаимосвязанных цифровых методов обработки и оптического формирования информации, обеспечивающий как улучшение характеристик существующих оптико-цифровых систем, так и создание оптико-цифровых систем с новыми пользовательскими возможностями. Это должно позволить упрощение и удешевление систем микроскопии, интерферометрии, распознавания образов, голографического видео, формирования пучков и голографической памяти.

Ожидаемые результаты
По итогам предлагаемого проекта должны быть получены следующие основные результаты: 1) Метод синтеза дифракционных оптических элементов размером не менее 1024х1024 отсчетов на основе машинного обучения. Метод включает в себя обучение непрямому расчету дифракции, использование не менее 10 плоскостей, формирующих отдельные сфокусированные изображения. При обучении на вход нейронной сети будет требоваться подать изображения объектов, которые она будет преобразовать вначале в случайные, а потом за счет обратной связи в расчитываемый дифракционный оптический. Предложенный метод сможет позволить восстанавливать трехмерные сцены или связанные последовательности дифракционных оптических элементов/голограмм (голографическое видео). 2) Метод компрессии и бинаризации амплитудных голограмм размером до 4096х4096 отсчетов на основе адаптивного метода с использованием компандирования. Метод должен обеспечить возможность подбора требуемого числа градаций (разрядности файлов) в диапазоне от 2 до 256 градаций (1-8 бит). 3) Разработка методов повышения точности формирования комплексных световых полей с помощью современных моделей пространственно-временных модуляторов света с количеством дискретных отсчётов более 10^6. 4) Результаты экспериментальной апробации возможностей метода преобразования (бинаризации) регистрируемых голограмм для оперативного восстановления сцен с использованием микрозеркальных модуляторов света. Число отсчетов голограмм составит до 1920х1080. 5) Результаты экспериментальной реализации оперативного оптического отображения сцен с использованием микрозеркальных модуляторов света при совместном применении разработанных методов, их компрессии и отображения сцен. По результатам проведенных экспериментов будут выявлены достоинства и недостатки различных методов при их использовании в динамическом отображении объёмных сцен (т.е. при записи цифровых голограмм объёмных сцен и их численном и оптическом восстановлении в режиме реального времени), а также передачи по каналам связи. Результаты позволят: 1) получить научно-технический задел для создания оптико-цифровых систем обработки информации с производительностью на уровне 10^12 бит/с. 2) определить возможности и разработать технику формирования волновых фронтов с использованием новейших высокопроизводительных средств пространственной модуляции света. 3) получить новые научные результаты в области формирования изображений, в том числе в цифровых голографических системах. 4) получить технические результаты по применению новейших образцов пространственно-временных модуляторов света в системах пространственно-частотной фильтрации, а также для дифракционного формирования страниц цифровых данных голографической памяти. Значимость ожидаемых результатов состоит в том, что они должны стать теоретической и экспериментальной базой создания высокоскоростных оптико-цифровых систем обработки информации нового поколения. По результатам, полученным в ходе выполнения проекта, сотрудники коллектива предполагают опубликовать не менее 15 печатных работ, из них не менее 9 в изданиях, индексируемых в базах данных «Scopus» или «Сеть науки» (Web of Science), в том числе не менее 4 работ в журналах, входящих в первый-второй квартили по базе данных «Scopus» или «Web of Science».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ