[논문 리뷰] Michelson Holography: Dual-SLM Holography with Camera-in-the-loop Optimization

Suyeon Choi, Yifan Peng외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 19.

Advanced Optical Imaging Technologies참고 문헌 28인용 수 10

한 줄 요약

Michelson Holography (MH)는 카메라 인 더 루프(CITL) 최적화를 통해 비분산된 빛을 간섭을 통해 파괴적으로 상쇄시켜 일체형의 이중 위상 전용 공간 광학 조절기(SLM) 구성을 도입함으로써, 픽셀 구조나 파면 비틀림을 명시적으로 모델링하지 않고도 SLM의 비이상성을 자동 보정함으로써 최신 기술 수준의 2차원 허프로그램 이미지 품질을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 위상 전용 SLM의 낮은 회절 효율성으로 인해 비분산된 빛이 스펙클과 간섭을 유발하여 이미지 품질이 열화되는 기본 과제를 해결한다.
• 근시 허프로그램 디스플레이에서 효율성 또는 시야를 감소시키는 전통적인 축방향 및 비축방향 필터링 기법의 한계를 극복한다.
• 카메라 인 더 루프(CITL) 최적화를 활용하여 SLM 픽셀 구조나 광학 비틀림을 명시적으로 모델링할 필요 없이 이중 SLM 시스템을 자동 캘리브레이션한다.
• 회절된 빛과 비분산된 빛 사이의 간섭을 이용한 파괴적 간섭을 통해 이미지 대비와 품질을 향상시키는 새로운 허프로그램 아키텍처를 제안한다.
• 다양한 SLM 회절 효율성과 파장, 특히 낮은 효율성의 파란색 파장에서도 견고한 성능을 확보한다.

제안 방법

• 이중 위상 전용 SLM과 비스플리터를 포함한 마이켈슨 간섭계 유사 광학 레이아웃을 사용하여 반사된 파면을 간섭시킨다.
• 목표 평면에서 강도를 캡처하기 위해 카메라를 사용하여 반복 최적화를 위한 실시간 피드백을 제공한다.
• 강도 오차의 역전파와 함께 확률적 경사 하강법(SGD)을 적용하여 양측 SLM의 위상 패턴을 동시에 최적화한다.
• 각도 스펙트럼 방법을 사용하여 파면 전파를 모델링하고, 이상적이고 실제 전파 함수($\widehat{g}_{1/2}$ 및 $g_{1/2}$)를 도입하여 비틀림을 고려한다.
• 시험 패턴을 사용한 호모그래피 캘리브레이션 단계를 도입하여 기계적 정렬이 불완전하더라도 양측 SLM의 광학 기여를 정렬한다.
• CITL 최적화를 통해 위상 비선형성, 필드 요소 제한, 파면 왜곡 등의 SLM 비이상성을 암묵적으로 학습하고 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 SLM의 회절된 빛과 다른 SLM의 비분산된 빛 사이의 간섭을 파괴적으로 이용하여 이미지 열화를 유발하는 배경 빛을 억제할 수 있는가?
• RQ2 SLM 물리적 특성을 명시적으로 모델링하지 않고도 카메라 인 더 루프 최적화가 허프로그램 디스플레이의 이미지 품질 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 SLM 간의 미세한 수평 또는 축 방향 이격에 대해 이중 SLM 허프로그램 시스템의 내구성은 어느 정도인가?
• RQ4 CITL 최적화를 적용한 마이켈슨 허프로그램은 단일 SLM 또는 비-CITL 이중 SLM 기법보다 더 높은 대비와 낮은 스펙클을 달성할 수 있는가, 특히 낮은 회절 효율성에서?
• RQ5 이 방법은 특히 낮은 효율성의 파란색 파장에서 다양한 파장에 걸쳐 높은 성능을 유지하는가?

주요 결과

• 1080p 이미지에서 SLM의 회절 효율이 50%일 때 Michelson Holography는 최고 38.2 dB의 신호 대 노이즈비(PSNR)를 달성하여 DPAC 및 CITL 없이 SGD를 사용한 방법보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• 파란색 파장(450 nm)에서 MH는 최고의 비-CITL 방법 대비 0.91의 마이켈슨 대비도를 기록했으며, 이는 낮은 효율성 파장에서의 뛰어난 성능을 입증한다.
• CITL 최적화를 통한 이중 SLM 시스템은 시각적으로 확인된 시각화 2번 및 3번에서 전색 허프로그램 이미지의 스펙클과 잡음을 감소시켰다.
• MH는 SLM 정렬 오차에 대해 매우 뛰어난 내구성을 보였으며, CITL를 사용할 경우 1픽셀 이내의 수평 또는 축 방향 이격에도 최소한의 품질 저하가 발생했고, 이는 DPAC나 비-CITL SGD와는 대조적이다.
• 이 방법은 빨강(638 nm), 초록(520 nm), 파랑(450 nm) 파장에서 균일한 스펙트럼 효율성을 확보하여 SLM 효율성 변화로 인한 색상 이동을 보정했다.
• PyTorch를 사용한 NVIDIA RTX 2080Ti에서 1080p 이미지당 약 500초가 소요되며, 신경망 가속을 통해 실시간 운영이 가능할 잠재력을 보였다.