Recuperación de fase y síntesis de holograma de fase.

Un método implementado por ordenador de recuperar información de fase espectral a partir de información de amplitud espacial introducida,

representativa de una imagen objetivo, que comprende la iteración de las siguientes operaciones:

establecer un primer conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de fase (506) e información de amplitud (301), siendo derivada la información de amplitud de la información (362) de intensidad introducida;

en un bloque de tratamiento (350), que realiza una transformación de Fourier sobre el primer conjunto de datos para producir un segundo conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud y de fase (305);

cuantificar y almacenar información de fase (305) a partir del segundo conjunto de datos en memoria;

emitir información de cuantificación de fase del segundo conjunto de datos como datos de fase (309) recuperados;

formar un tercer conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud (307) y de fase (309), siendo derivada la información de fase a partir del segundo conjunto de datos y;

aplicar una transformación inversa de Fourier (356) al tercer conjunto de datos para producir un cuarto conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud (311) y de fase (313);

modificar el cuarto conjunto de datos por datos de entrada para producir un quinto conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud (301) y de fase (506);

utilizar el quinto conjunto de datos como el primer conjunto de datos de una iteración subsiguiente,

en el que la información de amplitud del primer conjunto de datos para una (n+1) ésima iteración es una diferencia entre información de amplitud de imagen objetivo y una forma escalada de diferencia entre información de amplitud de imagen objetivo e información de amplitud del quinto conjunto de datos para la enésima iteración, en el que:

la operación de modificación que comprende calcular la diferencia entre la información de fase del cuarto conjunto de datos obtenido en las iteraciones actual (313) y previa (504) para dar nueva información de fase (502), sustraer un múltiplo de nueva información de fase (502) a partir de la información de fase (504) del cuarto conjunto de datos obtenidos de la iteración previa para dar nueva información (506) de fase de entrada como información de fase del quinto conjunto de datos para proporcionar la entrada de fase para el bloque de tratamiento (350).

Recuperación de fase y síntesis de holograma de fase

El presente invento se refiere a un método de recuperación de fase, un método para proyección holográfica en tiempo real y a un aparato para producir hologramas en tiempo real.

Varios algoritmos, muchos basados en el algoritmo de Gerchberg Saxton, utilizan transformaciones de Fourier para derivar información de fase a partir de una imagen objetivo. Tal información de fase, cuando es implementada sobre un modulador de luz espacial (SLM) o similar, puede simular kinoformas físicas de modo que cuando el SLM es iluminado por luz láser colimada, se proporciona un campo de reproducción correspondiente en general a la imagen objetivo.

Existen varios otros algoritmos para proporcionar información de fase.

El algoritmo de Gerchberg Saxton y derivados del mismo son a menudo mucho más rápidos que los otros algoritmos de "transformación que no es de Fourier". Sin embargo, el algoritmo iterativo de Gerchberg Saxton carece de la calidad de los otros algoritmos, tales como algoritmos de búsqueda binaria directa, especialmente cuando han de ser realizados números bajos de iteraciones.

El algoritmo de Gerchberg Saxton considera el problema de recuperación de fase cuando las secciones transversales de intensidad de un haz de luz, lA(x,y) e lB(x,y), en los planos A y B respectivamente, son conocidas e lA(x,y) e lB(x,y) están relacionadas por una única transformada de Fourier. Con las secciones transversales de intensidad dadas, puede ser encontrada mediante este método una aproximación a la distribución de fase en los planos A y B, <t>A(x,y) y B(x,y), respectivamente. El algoritmo de Gerchberg-Saxton encuentra buenas soluciones a este problema siguiendo un proceso iterativo.

El algoritmo de Gerchberg Saxton aplica de modo iterativo limitaciones espaciales y espectrales al tiempo que transfiere repetidamente un conjunto de datos (amplitud y fase), representativo de lA(x,y) e ÍB(x,y), entre el dominio espacial y el dominio de Fourier (espectral). Las limitaciones espacial y espectral son lA(x,y) e lB(x,y) respectivamente. Las limitaciones bien en el dominio espacial o bien en el espectral son impuestas sobre la amplitud del conjunto de datos y la información de fase convergen a través de una serle de iteraciones.

Una o ambas limitaciones pueden ser la Información de fase y, en este caso, sería la información de amplitud la que se desea.

Es también sabido que el algoritmo de Gerchberg-Saxton puede comenzar bien en el dominio espacial o bien en el dominio de Fourier.

Varios documentos de la técnica anterior fueron citados durante el seguimiento de esta descripción, incluyendo:

Dufresne Eric. y col. "Computer-generated holographlc optical tweezer arrays" [Review of scientific instruments, Arn Inst Phys. vol 72, n° 3, Marzo 21, págs. 181-6]

Chang M-P, y col., "The modlfied ¡nput-output algorlthm for the synthesls of computer-generated holograms" [Optik Wissenschaftliche Verlag GmbH, vol. 95 n° 4 Febrero 1994, págs. 155-6]

Curtis J.E. y col., "Dynamlc Holographlc optical tweezers" [Optics Communications, North Holland publishing, vol 27, n° 1-6, Junio 22 págs. 169-75]

US-A-24/27626 y

WO-A-25/59881.

De estos, el documento US-A-24/27626 describe un método de recuperar información de fase a partir de la Información de Intensidad Introducida, representativa de una imagen objetivo, que comprende la iteración de las siguientes operaciones: establecer un primer conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento Información de fase e Información de amplitud, siendo derivada la información de amplitud a partir de la información de Intensidad Introducida; realizar una transformación de Fourier sobre el primer conjunto de datos para producir un segundo conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud y de fase; cuantlficar y almacenar información de fase procedente del segundo conjunto de datos en memoria; formar un tercer conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud y de fase, siendo derivada la información de fase a partir del segundo conjunto de datos y transformando a la inversa de Fourier el tercer conjunto de datos para producir un cuarto conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud y de fase; modificar el cuarto conjunto de datos por datos de entrada para producir un quinto conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud y de fase; utilizar el quinto conjunto de datos como el primer conjunto de datos de una iteración subsiguiente.

Es deseable proporcionar un método de recuperación de fase que pueda ser implementado de un modo que proporciona convergencia más rápidamente que la técnica anterior.

El presente invento está descrito en las reivindicaciones adjuntas.

El presente invento será mejor comprendido después de leer la siguiente descripción en unión con los dibujos, en los que:

La fig. 1 muestra un diagrama del algoritmo de Gerchberg-Saxton.

La fig. 2 muestra un diagrama de una derivada del algoritmo de Gerchberg-Saxton La fig. 3 muestra un primer algoritmo útil en la comprensión del presente invento.

La fig. 4 muestra un algoritmo que realiza el presente invento.

Con referencia a la fig. 1, el algoritmo de Gerchberg-Saxton establece una distribución de fase discreta en un plano de imagen 1 y un plano 11 de difracción correspondiente (Fourier) a partir de distribuciones de amplitud discretas conocidas en los planos de imagen y de difracción respectivamente. El plano de imagen y el plano de difracción están relacionados a través de una única transformación de Fourier ya que el último es el diseño de difracción de campo alejado del anterior. Tanto con la información de amplitud como con la de fase, se consigue la reconstrucción completa del frente de ondas en ambas ubicaciones

El método itera una serie de operaciones y tiene una entrada y una salida. Un conjunto de datos que tiene una pluralidad de elementos, conteniendo cada elemento información de amplitud y fase, es recibido en la entrada. Después de completar una iteración, el método emite una nueva aproximación del conjunto de datos recibidos, y esta aproximación forma la base para la entrada a la siguiente iteración. Se pretende que cada iteración sea una aproximación mejor que la última iteración.

Con referencia a la fig. 1, para una iteración enésima, la información de fase, 182 procedente de la iteración (n-1) previa es multiplicada en el bloque de multiplicación 13 por las amplitudes 12 de plano de imagen correspondientes espacialmente procedente de la imagen objetivo 1. El conjunto de datos resultante 132 es introducido en el bloque 14 de tratamiento que aplica una transformación de Fourier rápida (FFT) para proporcionar un segundo conjunto de datos 142 en el dominio de frecuencia. El bloque 15 de tratamiento extrae la información de fase 152 resultante de la FFT. La información de fase 152 es a continuación multiplicada en el bloque 16 de tratamiento por las amplitudes 112 de plano de difracción almacenadas (que están por definición en el dominio de frecuencia) para proporcionar un tercer conjunto de datos 162, éste es una estimación del diseño de difracción complejo (ahora tiene fase asi como amplitud). El tercer conjunto de datos 162 es transformado inverso de Fourier por el bloque de tratamiento 17 en un cuarto conjunto de datos 172 en el dominio espacial. La información de fase 182 del conjunto de datos 172 es extraída por el bloque de tratamiento 18. El conjunto de datos con información de fase 182 e información de amplitud 12 proporciona la entrada compleja a la segunda iteración. Cuando las distribuciones de fase convergen de manera suficiente, el algoritmo se detiene.

En ausencia de información de fase procedente de la iteración precedente, la primera iteración utiliza un generador 12 de fase aleatorio para suministrar información de fase 122 como punto de partida.

Se ha encontrado que este algoritmo proporciona convergencia sobre distribuciones de fase en los dominios espacial y de Fourier que dan una buena aproximación a la imagen muestreada y a su transformada de Fourier.

Una modificación conocida del algoritmo de Gerchberg-Saxton será descrita a continuación con respecto a la fig. 2. Este algoritmo recupera la distribución de fase en el plano de difracción (Fourier) que da origen a una reconstrucción completa del frente de onda de la imagen correspondiente, en un plano de imagen, cuando es iluminado por un haz de luz adecuado y visto a través de una lente de Fourier (o transformada inversa... [Seguir leyendo]

1. Un método implementado por ordenador de recuperar información de fase espectral a partir de información de amplitud espacial introducida, representativa de una imagen objetivo, que comprende la iteración de las siguientes operaciones:

establecer un primer conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de fase (56) e información de amplitud (31), siendo derivada la información de amplitud de la información (362) de intensidad introducida;

en un bloque de tratamiento (35), que realiza una transformación de Fourier sobre el primer conjunto de datos para producir un segundo conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud y de fase (35);

cuantificar y almacenar información de fase (35) a partir del segundo conjunto de datos en memoria;

emitir información de cuantificación de fase del segundo conjunto de datos como datos de fase (39) recuperados;

formar un tercer conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud (37) y de fase (39), siendo derivada la información de fase a partir del segundo conjunto de datos y;

aplicar una transformación inversa de Fourier (356) al tercer conjunto de datos para producir un cuarto conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud (311) y de fase (313);

modificar el cuarto conjunto de datos por datos de entrada para producir un quinto conjunto de datos que tiene varios elementos, teniendo cada elemento información de amplitud (31) y de fase (56);

utilizar el quinto conjunto de datos como el primer conjunto de datos de una iteración subsiguiente,

en el que la información de amplitud del primer conjunto de datos para una (n+1) ésima iteración es una diferencia entre información de amplitud de imagen objetivo y una forma escalada de diferencia entre información de amplitud de imagen objetivo e información de amplitud del quinto conjunto de datos para la enésima iteración, en el que:

la operación de modificación que comprende calcular la diferencia entre la información de fase del cuarto conjunto de datos obtenido en las iteraciones actual (313) y previa (54) para dar nueva información de fase (52), sustraer un múltiplo de nueva información de fase (52) a partir de la información de fase (54) del cuarto conjunto de datos obtenidos de la iteración previa para dar nueva información (56) de fase de entrada como información de fase del quinto conjunto de datos para proporcionar la entrada de fase para el bloque de tratamiento (35).

2. El método según la reivindicación 1, en el que la información de amplitud del primer conjunto de datos para una iteración (n+1) ésima es una diferencia entre la amplitud de imagen objetivo y una forma escalada de diferencia entre información de amplitud de imagen objetivo e información de amplitud del quinto conjunto de datos para la iteración enésima.

3. El método según la reivindicación 1, que comprende configurar la información de amplitud del tercer conjunto de datos a la unidad.

4. El método según la reivindicación 1, que comprende generar información de fase aleatoria como información de fase del primer conjunto de datos para la primera iteración.

5. El método según la reivindicación 1, en el que los datos de intensidad de entrada cambian con el tiempo.

6. Un método para la proyección holográfica en tiempo real que comprende:

recibir una serie temporal de elementos de información de intensidad como imágenes,

recuperar la información de fase espectral del diseño de difracción de campo lejano de cada imagen considerada como imagen objetivo espacial por un método según la reivindicación 1,

emitir la información de fase cuantificada a un modulador de luz espacial;

iluminar de modo continuo el modulador de luz espacial con una fuente de luz colimada; y

recoger y focalizar la luz modificada en fase reflejada o transmitida a través del modulador de luz espacial para producir un campo de reproducción holográfico.

7. Un método de proyección según la reivindicación 6, que comprende recibir las series de imágenes a tasas de video convencionales.

8. Un método de proyección según la reivindicación 6, que comprende actualizar el modulador de luz espacial con datos de información de fase de una tasa de actualización igual o mayor que una tasa de recepción de imágenes entrantes.

9. Un método para proyección holográfica que comprende:

medios para recibir una serie temporal de elementos de información de intensidad de imagen objetivo espacial,

tratar medios que ¡mplementan el método según la reivindicación 1, por lo que la información de fase espectral

es recuperada para cada imagen objetivo espacial,

un modulador de luz espacial;

una fuente de luz colimada dispuesta para iluminar el modulador de luz espacial; y

medios de lente dispuestos para reproducir la representación en una pantalla.

1. El aparato según la reivindicación 9, en el que los medios de recepción y tratamiento permiten la recuperación de la

información de fase de una imagen objetivo de entrada dentro del intervalo entre imágenes objetivo sucesivas.

11. El aparato según la reivindicación 9, en el que el modulador de luz espacial tiene una pluralidad de elementos transparentes.

12. El aparato según la reivindicación 11, en el que cada elemento cambia la fase de una onda de luz que pasa a través 15 del elemento de acuerdo a una información de fase predeterminada.

13. El aparato según la reivindicación 12, en el que el cambio de fase de cada elemento es independiente sobre el cambio de fase de los otros elementos.