[論文レビュー] Michelson Holography: Dual-SLM Holography with Camera-in-the-loop Optimization

Suyeon Choi, Yifan Peng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2020

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 28被引用数 10

ひとこと要約

Michelson Holography (MH) は、カメラインザループ (CITL) 最適化を用いた二重位相のみの空間光変調器 (SLM) フレームワークを導入し、破壊的干渉によって位相回折光を効果的に抑制することで、SLM の不完全性を明示的なピクセル構造や波面歪みのモデル化なしに自動補正し、最先端の 2D ハイパーポラグラフィック画像品質を達成する。

ABSTRACT

We introduce Michelson Holography (MH), a holographic display technology that optimizes image quality for emerging holographic near-eye displays. Using two spatial light modulators, MH is capable of leveraging destructive interference to optically cancel out undiffracted light corrupting the observed image. We calibrate this system using emerging camera-in-the-loop holography techniques and demonstrate state-of-the-art holographic 2D image quality.

研究の動機と目的

• 位相のみの SLM における回折効率の低さという根本的課題に取り組み、スペーキルや干渉を引き起こす未回折光が画像品質を劣化させることを防ぐ。
• 近眼型ハイパーポラグラフィックディスプレイにおいて効率や視野を低下させる従来の同軸およびオフアクシスフィルタリング技術の制限を克服する。
• カメラインザループ (CITL) 最適化を活用し、SLM ピクセル構造や光学的歪みの明示的モデル化を必要とせずに、二重 SLM システムを自動的にキャリブレーションする。
• 回折光と未回折光の間の破壊的干渉を利用する、画質とコントラストを向上させる画期的なハイパーポラグラフィックアーキテクチャを実証する。
• 回折効率や波長の変動に対しても強健な性能を発揮し、特に低効率な青色チャネルにおいても有効であることを実証する。

提案手法

• 二重位相のみの SLM とビームスプリッタを備えた、ミケルソン干渉計を模した光学配置を採用し、反射波面をコherentに合成する。
• カメラを用いてターゲット平面での強度を捉え、反復的最適化のためのリアルタイムフィードバックを可能にする。
• 強度誤差の逆誤差伝搬を伴う確率的勾配降下法 (SGD) を用い、両 SLM における位相パターンを同時に最適化する。
• 波動伝搬を角スペクトル法でモデル化し、歪みを考慮した理想的および実際の伝搬関数（$\widehat{g}_{1/2}$ および $g_{1/2}$）を定義する。
• テストパターンを用いたホモグラフィー補正手順を導入し、機械的不整合にもかかわらず二重 SLM の光学的寄与を整合させる。
• CITL 最適化により、位相非線形性、フィルファクター制限、波面歪みなどの SLM の非理想性を暗黙的に学習・補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一つの SLM の回折光と、もう一つの SLM の未回折光との間の破壊的干渉を用いて、画像品質を劣化させるバックグラウンド光を抑制できるか？
• RQ2 SLM の物理的性質の明示的モデル化なしに、カメラインザループ最適化がどれほどハイパーポラグラフィックディスプレイの画像品質を向上させられるか？
• RQ3 SLM 間のわずかな横方向または軸方向のずれに対して、二重 SLM ハイパーポラグラフィックシステムはどれほど耐性があるか？
• RQ4 CITL 最適化を施した Michelson Holography は、単一 SLM や非 CITL 雙 SLM アプローチに比べ、コントラストを向上させ、スペーキルを低減できるか、特に回折効率が低い場合に有効か？
• RQ5 本手法は、特に低効率な青色チャネルにおいても、異なる波長で高い性能を維持できるか？

主な発見

• 1080p 画像において SLM の回折効率が 50% の場合、Michelson Holography はピークサイナリオ比 (PSNR) で 38.2 dB を達成し、DPAC や非 CITL の SGD より顕著に優れた性能を示した。
• 青色チャネル (450 nm) において、MH は 0.91 のミケルソンコントラストを達成したのに対し、非 CITL の最良手法では 0.81 にとどまり、低効率波長帯での優れた性能を示した。
• CITL 最適化を施した二重 SLM システムは、フルカラーのハイパーポラグラフィック画像においてスペーキルとアーチファクトを低減したことが、視覚的確認（図2および図3）で裏付けられた。
• MH は SLM のずれに対して高い耐性を示した：CITL を使用した場合、1ピクセルの横方向または軸方向のずれですら、DPAC や非 CITL の SGD とは異なり、最小限の劣化にとどまった。
• 赤 (638 nm)、緑 (520 nm)、青 (450 nm) の波長で均一なスペクトル効率を達成し、SLM 効率のばらつきに起因する色ずれを是正した。
• PyTorch を用いた NVIDIA RTX 2080Ti で 1080p 画像あたり約 500 秒の最適化時間を要したが、ニューラルネットワークの高速化によりリアルタイム動作の可能性を示した。