KR100223031B1 - The binery phase hologram formation method using genetic algorithm - Google Patents

The binery phase hologram formation method using genetic algorithm Download PDF

Info

Publication number
KR100223031B1
KR100223031B1 KR1019960063156A KR19960063156A KR100223031B1 KR 100223031 B1 KR100223031 B1 KR 100223031B1 KR 1019960063156 A KR1019960063156 A KR 1019960063156A KR 19960063156 A KR19960063156 A KR 19960063156A KR 100223031 B1 KR100223031 B1 KR 100223031B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hologram
genetic algorithm
cost function
target pattern
population
Prior art date
Application number
KR1019960063156A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR19980044999A (en
Inventor
이창용
서호형
Original Assignee
정선종
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 정선종, 한국전자통신연구원 filed Critical 정선종
Priority to KR1019960063156A priority Critical patent/KR100223031B1/en
Publication of KR19980044999A publication Critical patent/KR19980044999A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100223031B1 publication Critical patent/KR100223031B1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04Processes or apparatus for producing holograms
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/16Processes or apparatus for producing holograms using Fourier transform
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2286Particular reconstruction light ; Beam properties
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/26Processes or apparatus specially adapted to produce multiple sub- holograms or to obtain images from them, e.g. multicolour technique

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

자유 공간 광 연결 및 광 정보 처리에 유용하게 사용될 수 있는 이진 위상 홀로그램을 형성하기 위해서는 2차원 이진 위상 홀로그램의 각 셀의 위상 값을 결정해 주어야 한다. 각 셀의 위상 값은 목표 패턴의 모양에 따라 달라지며, 목표 패턴의 모양과 위상값에 의하여 코스트 함수가 결정된다. 원하는 목표 패턴에 해당하는 홀로그램을 형성하기 위해서는 코스트 함수를 최소화 시켜주는 알고리즘이 필요하다.In order to form a binary phase hologram that can be useful for free space optical coupling and optical information processing, it is necessary to determine the phase value of each cell of the two-dimensional binary phase hologram. The phase value of each cell depends on the shape of the target pattern, and the cost function is determined by the shape and phase value of the target pattern. In order to form the hologram corresponding to the desired target pattern, an algorithm that minimizes the cost function is required.

따라서, 본 발명은 코스트함수를 최소화하는데 유전자 알고리즘을 사용함으로써 높은 효율성과 균일성을 가지는 2차원 이진 위상 홀로그램 형성 방법에 관해 개시 된다.Accordingly, the present invention discloses a method for forming two-dimensional binary phase holograms having high efficiency and uniformity by using genetic algorithms to minimize cost functions.

Description

유전자 알고리즘을 이용한 이진 위상 홀로그램 형성 방법Binary Phase Hologram Formation Method Using Genetic Algorithm

본 발명은 2차원 이진 위상 홀로그램의 형성시 각 셀에 요구되는 위상 값을 결정해 주는데 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)을 사용하여 보다 높은 효율과 균일성을 갖는 이진 위상 홀로그램 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a binary phase hologram having higher efficiency and uniformity by using a genetic algorithm to determine a phase value required for each cell in forming a two-dimensional binary phase hologram.

홀로그램은 레이저 광을 물체에 주사하여 그 물체로부터 나오는 반사광 및 투과광을 레이저광의 직접 광과의 간섭을 이용하여 그 패턴을 기록한 것이다. 일반적인 사진 필름이 빛의 진폭만을 기록함으로 입체감을 나타낼수 없는데 반하여 홀로그램은 빛의 진폭 뿐만 아니라 위상 까지도 기록할 수 있다. 빛의 위상이 거리의 원근에 대한 정보를 저장하고 있기 때문에 홀로그램은 3차원 입체 영상에 널리 쓰일 수 있다.The hologram scans a laser beam onto an object and records the pattern of the reflected light and the transmitted light emitted from the object by using interference with the direct light of the laser beam. While a general photographic film cannot display a stereoscopic effect by recording only the amplitude of light, a hologram can record not only the amplitude of the light but also the phase. Holograms can be widely used in three-dimensional stereoscopic images because the phase of light stores information about the perspective of distance.

최근에는 자유공간 광 연결이나 광 정보처리 분야에 유용하게 사용될 수 있는 이진 위상 홀로그램에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이진 위상 홀로그램은 제1도와 같이 홀로그램의 한 주기를 각각 K과 L개의 셀로 나눈 다음, 각 셀에 0 또는 π의 위상 값을 할당함으로써 구성된다. 각 셀의 가능한 위상 값이 2종류임이므로 K*L 개의 셀들로 구성된 홀로그램은 총 2K*L경우의 수를 가진다.Recently, researches on binary phase holograms that can be usefully used in the field of free space optical connection or optical information processing have been actively conducted. The binary phase hologram is constructed by dividing one period of the hologram into K and L cells, respectively, as shown in FIG. 1, and then assigning each cell a phase value of 0 or π. Since each cell has two possible phase values, a hologram composed of K * L cells has a total of 2 K * L cases.

주어진 셀(k, l)의 위상값 ΨK, L에 대하여 홀로그램 투과 함수 g(x, y)는 다음 수학식 1과 같이 주어진다.For the phase values Ψ K, L of a given cell (k, l), the hologram transmission function g (x, y) is given by Equation 1 below.

주어진 홀로그램은 주기 함수임으로 홀로그램 투과함수 g(x, y)는 푸리에 전개될 수 있으며, 푸리에 계수 G(m, n)는 출력 면에서의 회절 빔의 진폭을 나타내고 다음과 같은 수학식 2로 구할수 있다.Given that the hologram is a periodic function, the hologram transmission function g (x, y) can be Fourier-developed, and the Fourier coefficient G (m, n) is the amplitude of the diffraction beam at the output plane and is given by have.

수학식 2에서, sinc(x)=sin(πx)/πx이며, 상수 K와 L은 홀로그램의 한 주기에서 x와 y축으로 분할된 셀의 수를 나타낸다. 푸리에 계수 G(m, n)를 제곱하면 출력 면에서의 회절 빔의 세기가 되며, m과 n은 각각 x축과 y축의 진동수를 나타낸다. 홀로그램의 형성 방법은 이 회절빔의 세기와 목표 패턴의 회절빔 세기가 일치되도록 하는데 있다. 그러나 상기의 두 회절빔의 세기를 정확히 일치되게 해주기 위해서는 셀의 수가 무한개이어야 함으로 현실적으로 불가능하다. 따라서, 홀로그램의 형성 방법은 목표 패턴 회절빔 세기의 몇로 표시되는 출력면의 효율성과 또한, 진동수 m과 n에 의존하는 회절빔간의 균일성을 동시에 고려하여야 한다.In Equation 2, sinc (x) = sin (πx) / πx, and constants K and L represent the number of cells divided into x and y axes in one period of the hologram. The square of the Fourier coefficients G (m, n) gives the intensity of the diffracted beam at the output plane, where m and n represent the frequencies of the x and y axes, respectively. The method of forming the hologram is to make the intensity of the diffraction beam and the intensity of the diffraction beam of the target pattern coincide. However, in order to exactly match the intensities of the two diffraction beams, the number of cells must be infinite, which is practically impossible. Therefore, the method of forming the hologram is based on a few of the target pattern diffraction beam intensities. The efficiency of the output surface, denoted by, and the uniformity between the diffraction beams depending on the frequencies m and n must be taken into account at the same time.

이러한 효율성과 균일성을 동시에 고려해 주기 위해서 아래 수학식 3과 같은 코스트 함수를 고려한다.In order to simultaneously consider such efficiency and uniformity, a cost function such as Equation 3 below is considered.

여기서, Tm, n은 목표 패턴의 회절빔 세기를 나타내며,Here, T m, n represent the diffraction beam intensity of the target pattern,

로 정의된다. 수학식 3을 코스트 함수를 사용하므로써 효율성과 균일성을 동시에 고려해 줄 수 있게 된다. 왜냐하면 수학식 3은 다음 수학식 4와 같이 분해가 될 수 있으며 수학식 4의 첫 번째 항은 효율성을 두 번째 항은 균일성을 나타내기 때문이다. Is defined as By using the cost function in Equation 3, efficiency and uniformity can be considered simultaneously. This is because Equation 3 can be decomposed as shown in Equation 4 below, and the first term of Equation 4 represents efficiency and the second term represents uniformity.

가능한 모든 경우 중에서 원하는 패턴에 대한 홀로그램 각 셀의 위상 값을 찾는 것은 상기의 코스트 함수를 최소화시키는 최적화 문제로 귀착된다. 이런 최적화 문제를 해결하는데 담금질(Simulated Annealing) 방법이 일반적으로 사용되어 왔다.In all possible cases finding the phase value of each hologram cell for the desired pattern results in an optimization problem that minimizes the cost function. Simulated Annealing has generally been used to solve this optimization problem.

그러나, 이 방법은 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 많은 수의 셀이 필요하게 된다. 또한, 상기 수학식 3과 수학식 4에서 제안한 코스트 함수와 다른 코스트 함수를 사용함으로써 효율성과 균일성을 동시에 고려할 수 없었다.However, this method is not only time consuming, but also requires a large number of cells. In addition, efficiency and uniformity could not be considered at the same time by using a cost function and another cost function proposed in Equations 3 and 4 above.

따라서, 본 발명은 상기한 난점들을 극복하기 위하여 적절한 코스트 함수와 이 함수를 최소화 시키는 알고리즘으로 유전자 알고리즘을 사용하여 적은 셀 수로도 높은 효율성과 균일성을 동시에 만족하는 이진 위상 홀로그램을 형성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a method for forming a binary phase hologram that satisfies high efficiency and uniformity even with a small number of cells using a genetic algorithm as an appropriate cost function and an algorithm that minimizes this function in order to overcome the aforementioned difficulties. Its purpose is to.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 목표 패턴과 셀의 수를 결정하며 모집단(population)을 결정하는 단계와, 상기 단계에서 결정된 매개변수를 사용하여 유전자 알고리즘을 적용하는 단계와, 매회 반복시 마다 원하는 패턴의 효율과 균일성이 만족되는가를 조사하여 만족되면 원하는 패턴에 해당하는 홀로그램의 위상 값을 결정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is to determine the target pattern and the number of cells, and to determine the population (population), applying a genetic algorithm using the parameters determined in the step, and every iteration Investigating whether the efficiency and uniformity of the desired pattern is satisfied, characterized in that the step of determining the phase value of the hologram corresponding to the desired pattern.

유전자 알고리즘은 생물학적 자연선택과 진화에 그 기본 개념을 두고 있으며 아래와 같은 3단계의 연산으로 구성된다.Genetic algorithms are based on biological natural selection and evolution and consist of three stages of operations:

1) 복제(Reproduction)1) Reproduction

2) 교차(Crossover)2) Crossover

3) 돌연변이(Mutation)3) Mutation

제1도는 2차원 홀로그램의 위상값을 정해주는 예시도.1 is an exemplary diagram for determining a phase value of a two-dimensional hologram.

제2도는 유전자 알고리즘의 순서도.2 is a flowchart of a genetic algorithm.

제3도는 유전자 알고리즘 중 교차(Crossover) 연산자의 역할을 설명한 예시도.3 is an exemplary diagram illustrating the role of a crossover operator in a genetic algorithm.

제4도는 유전자 알고리즘으로 구한 코스트 함수의 최적화 과정을 나타낸 그래 프.4 is a graph showing the optimization process of cost function obtained by genetic algorithm.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제2도와 제3도를 참조하여 본 발명에 따른 유전자 알고리즘을 상세히 설명하면 다음과 같다.The genetic algorithm according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3 as follows.

제1단계 : 목표 패턴과 홀로그램의 셀 수를 결정한다. (제2도의 21)First step: determine the target pattern and the number of cells of the hologram. (21 in Fig. 2)

제2단계 : 유전자 알고리즘을 적용한다. 즉, 적당한 수의 모집단(population)을 구성하여(제2도의 21) 모집단 내의 각 개체에 대한 코스트 함수를 구하다. 구해진 코스트 함수를 기준으로 코스트 함수가 낮은 것이 많이 선택될 확률을 주어 새로운 모집단을 구성한다(제2도의 22). 즉, 2개의 개체를 선택하여 각각의 코스트 함수를 구한다. 이 중 코스트 함수가 낮은 개체를 선택하여 새로운 모집단의 일원으로 구성한다. 이러한 과정을 선택된 개체의 수가 모집단의 수와 동일할때까지 되풀이한다. 이 과정을 복제 과정이라 부른다(제2도의 22). 구성된 모집단에서 임의로 두 개의 조상(parents)을 선택하여 교차를 시킨다(제2도의 22), 이 교차는 제3도에서 보는 것과 같이 두 개의 조상에서 일정한 크기의 블록을 선택하여 그 볼록 내에 속하는 위상들을 교체한다. 이 과정을 교차 연산이라 부른다. 교차 후에 생성된 자손(offsprings)들을 저장하며 이러한 교차 과정을 계속하여 생성된 자손의 수가 모집단의 수와 동일할 때까지 계속한다. 생성된 자손들로 구성된 모집단의 코스트 함수를 계산하여 그 중 최소 값을 취한다(도의 23).Step 2: Apply genetic algorithm That is, an appropriate number of populations are constructed (21 in FIG. 2) to obtain the cost function for each individual in the population. Based on the obtained cost function, a new population is formed by giving a probability that the lower cost function is selected. That is, two objects are selected to obtain respective cost functions. Among them, select the individuals with low cost functions to form members of the new population. This process is repeated until the number of individuals selected is equal to the number of populations. This process is called cloning (22 in Figure 2). From the constructed population, we arbitrarily choose two parents to intersect (22 in Figure 2). This intersection selects blocks of constant size from the two ancestors, as shown in Figure 3, and selects the phases within the convex. Replace. This process is called a crossover operation. Store offsprings generated after the crossing and continue this crossing process until the number of offspring produced is equal to the number of populations. Compute the cost function of the population of the generated offspring and take the minimum of them (Figure 23).

제3단계 : 제2단계에서 구한 최소 값(Cmin)이 원하는 목표 패턴의 효율성과 균일성을 만족하는지(Climit) 조사한다(제2도의 24). 만일 만족되면 유전자 알고리즘을 중단하고 만족되지 않으면 모집단에 돌연변이 연산을 적용하고(제2도의 25), 제2단계로 돌아가 유전자 알고리즘을 계속한다.Step 3: Check whether the minimum value (C min ) obtained in the second step satisfies the efficiency and uniformity of the desired target pattern (C limit ) (24 in FIG. 2). If satisfied, stop the genetic algorithm, if not satisfied, apply the mutation operation to the population (25 in Figure 2) and go back to step 2 and continue the genetic algorithm.

제4도는 상기의 유전자 알고리즘을 사용하여 목표 패턴에 대한 홀로그램의 위상값을 구할 때 코스트 함수가 최소화되는 과정을 나타낸 그래프이다. 이 그래프에서 보는 것처럼 유전자 알고리즘을 계속 적용함에 따라 코스트 함수는 줄어들며 이것은 효율성과 균일성이 동시에 좋아진다는 것을 의미하며, 원하는 코스트 함수 값, 즉 원하는 효율성과 균일성이 나왔을 때 이 알고리즘을 중단한다. 상기 알고리즘을 이진 위상 홀로그램의 설계에 적용함으로 적은 수의 셀을 가지고도 높은 효율성(약 70)과 균일성(약 5)을 가진 홀로그램을 형성할 수 있다.4 is a graph illustrating a process of minimizing a cost function when obtaining a phase value of a hologram for a target pattern using the genetic algorithm described above. As shown in this graph, as we continue to apply the genetic algorithm, the cost function decreases, which means that the efficiency and uniformity are improved at the same time. By applying the above algorithm to the design of binary phase hologram, it has high efficiency even with a small number of cells (about 70 ) And uniformity (about 5 You can form a hologram with).

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 적절한 코스트 함수와 이 함수를 최소화시키는 알고리즘으로 유전자 알고리즘을 사용하므로써, 적은 셀 수로도 높은 효율성과 균일성을 동시에 만족하는 이진 위상 홀로그램을 형성할 수 있는 탁월한 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by using a genetic algorithm as an appropriate cost function and an algorithm that minimizes this function, there is an excellent effect of forming a binary phase hologram satisfying high efficiency and uniformity even with a small number of cells. .

Claims (1)

목표 패턴과 홀로그램의 셀 수를 결정하여 모집단을 설정하는 제1단계와, 상기 모집단 내의 각 개체에 대한 코스트 함수를 구하고, 구해진 코스트 함수를 기준으로 교차 연산을 하는 제2단계와, 상기 교차 연산 과정을 계속하여 생성된 자손의 수가 모집단의 수와 동일할 때까지 반복 수행하고, 생성된 자손들로 구성된 모집단의 코스트 함수를 계산하여 그중 최소값을 취하는 제3단계와, 상기 제2단계에서 구한 최소 값이 원하는 목표 패턴의 효율성과 균일성을 만족하는지를 확인하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 확인결과 만족되면 유전자 알고리즘을 중단하고, 만족되지 않으면 모집단에 돌연변이 연산을 적용한 후, 상기 제2단계로 돌아가 유전자 알고리즘 반복 수행하는 제5단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전자 알고리즘을 이용한 이진 위상 홀로그램 형성 방법.A first step of setting a population by determining a target pattern and the number of cells of the hologram; a second step of obtaining a cost function for each individual in the population, and performing a cross operation based on the obtained cost function; Continue to repeat until the number of generated progeny is equal to the number of populations, calculate the cost function of the population of the generated progeny and take the minimum of them, and the minimum value obtained in the second step A fourth step of checking whether the desired target pattern satisfies the efficiency and uniformity; and if the result of the check in the fourth step is satisfied, the genetic algorithm is stopped, and if not satisfied, a mutation operation is applied to the population. Binary phase using a genetic algorithm, characterized in that it comprises a fifth step of repeating the genetic algorithm How to program formation.
KR1019960063156A 1996-12-09 1996-12-09 The binery phase hologram formation method using genetic algorithm KR100223031B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019960063156A KR100223031B1 (en) 1996-12-09 1996-12-09 The binery phase hologram formation method using genetic algorithm

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019960063156A KR100223031B1 (en) 1996-12-09 1996-12-09 The binery phase hologram formation method using genetic algorithm

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR19980044999A KR19980044999A (en) 1998-09-15
KR100223031B1 true KR100223031B1 (en) 1999-10-01

Family

ID=19486614

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019960063156A KR100223031B1 (en) 1996-12-09 1996-12-09 The binery phase hologram formation method using genetic algorithm

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100223031B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100808540B1 (en) * 2006-06-14 2008-02-29 한국과학기술연구원 A method of phase information extraction at digital hologram
KR101516770B1 (en) * 2013-07-09 2015-05-04 숭실대학교산학협력단 Hologram data reproducing apparatus and method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR19980044999A (en) 1998-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5982954A (en) Optical field propagation between tilted or offset planes
CA2107945C (en) Hologram information forming method
Henry et al. Geometrically based, automatic generator for irregular triangular networks
JP2010217897A (en) System and method for recovering phase information of wave front
Bengtsson Design of fan-out kinoforms in the entire scalar diffraction regime with an optimal-rotation-angle method
US9727023B2 (en) Apparatus and method for generating hologram pattern
US6873444B1 (en) Volume holograms in transparent materials
KR100223031B1 (en) The binery phase hologram formation method using genetic algorithm
US20100039686A1 (en) Hologram pattern generation method and multiple light points generation apparatus
Petrov et al. Phase retrieval method for multiple wavelength speckle patterns
JP4148406B2 (en) How to create a computer generated hologram
US9625937B2 (en) Computation efficiency by diffraction order truncation
EP1076835B1 (en) Broadband diffractive diffuser and associated methods
JPH08110749A (en) Design system of phase lattice
Shi et al. Design of freeform phase diffractive optical elements based on the quadratic assignment problem
Kazansky Numerical experiment with a Fresnel lens
Dames et al. Design and fabrication of efficient optical elements to generate intensity weighted spot arrays
JP2005037682A (en) Method for creating computer generated hologram
Lee Recent advances in computer-generated hologram applications
Casasent et al. Error-diffusion multilevel phase encoded CGH elements
US7093123B1 (en) Information processing method and information processing system
JP2001188460A (en) Computer hologram and method for forming the same
Butusov et al. Investigation of parameters of holographic periodic multiple-imaging structures imaging structures
CN118295224A (en) Three-dimensional holographic image generation method and generation system
JP2760031B2 (en) Optical arithmetic method and optical arithmetic device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20070702

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee