Wprowadzono szczegółowo obliczeniowy holograficzny CGH

Po pierwsze, podstawowa zasada holografii obliczeniowej

Podstawową zasadą holografii obliczeniowej jest użycie komputera do obliczenia fazy lub amplitudy światła, wygenerowanie cyfrowego hologramu, a następnie modulowanie fazy lub amplitudy światła za pomocą modulatorów optycznych, takich jak przestrzenny modulator światła (SLM), i wreszcie wykorzystanie spójnego światła do napromieniowania SLM. Generowane jest odświeżające pole świetlne w celu utworzenia dynamicznego holograficznego obrazu 3D.

W odróżnieniu od tradycyjnego generowania hologramów, holografia obliczeniowa nie wymaga, aby dwie wiązki światła były fizycznie spójne, co upraszcza proces generowania hologramów. Jednak precyzyjne generowanie hologramów obliczeniowych nadal stoi przed wieloma wyzwaniami, takimi jak duża ilość obliczeń, wymagania dotyczące dużej mocy obliczeniowej oraz ograniczenia rozdzielczości i rozmiaru przestrzennych modulatorów światła.

Po drugie, kluczowa technologia holografii obliczeniowej

Algorytm optymalizacji hologramu

Precyzyjne generowanie hologramów obliczeniowych zależy od algorytmów optymalizacyjnych. Ponieważ optymalizacja hologramu jest zasadniczo źle uwarunkowanym problemem odwrotnym, zwykle rozwiązuje się ją za pomocą niewypukłych algorytmów optymalizacji. Wybór i ustawienie parametrów algorytmu optymalizacji będzie miało bezpośredni wpływ na jakość i wydajność obliczeniową generowania hologramów.

Typowe ramy optymalizacji obejmują alternatywną metodę projekcji i metodę gradientu. Metoda rzutowania alternatywnego pozwala znaleźć optymalne rozwiązanie spełniające ograniczenia dwóch zbiorów domkniętych poprzez naprzemienne rzutowanie pomiędzy dwoma zbiorami domkniętymi. Metoda gradientowego spadku wyznacza kierunek spadku funkcji straty poprzez obliczenie gradientu, tak aby znaleźć optymalne rozwiązanie spełniające warunki ograniczające.

Przestrzenny modulator światła

Przestrzenny modulator światła jest kluczowym urządzeniem w holografii obliczeniowej, które może przekształcić cyfrowe hologramy w modulację pola świetlnego. Obecnie większość obliczeniowych systemów holograficznych opiera się na urządzeniach projekcyjnych, takich jak SLM lub Digital Micromirror Device (DMD). Jednakże urządzenia te mają nieodłączne ograniczenia w wydajności wyświetlania, takie jak zbyt mały kąt pola widzenia i dyfrakcja wielorzędowa.

Aby rozwiązać te problemy, badacze badają holografię opartą na metapowierzchniach. Metapowierzchnia może wprowadzać mutacje w podstawowych właściwościach fali elektromagnetycznej, takich jak amplituda i faza, oraz pozwala uzyskać wiele efektów modulacyjnych, które są trudne do osiągnięcia w tradycyjnych urządzeniach modulacyjnych. Holografia oparta na metapowierzchniach poczyniła ogromne postępy w zakresie dużego pola widzenia, obrazowania bezkolorowego, kolorowego wyświetlania, zwiększania pojemności informacyjnej, multipleksowania wielowymiarowego i tak dalej.

Dynamicznyholograficznywyświetlacz

Dynamiczny wyświetlacz holograficzny jest ważnym obszarem zastosowań holografii obliczeniowej. Tradycyjny system wyświetlania holograficznego często wiąże się z problemami związanymi z dużymi obliczeniami i niską liczbą klatek na sekundę, co ogranicza jego zastosowanie w zaawansowanych wyświetlaczach, takich jak zaawansowana interakcja człowiek-komputer. Aby uzyskać dynamiczny holograficzny wyświetlacz o dużej płynności, badacze badają wydajne metody generowania hologramów obliczeniowych i techniki wyświetlania.

Na przykład zespół z Narodowego Centrum Badań nad Optoelektroniką w Wuhan na Uniwersytecie Naukowo-Technologicznym w Huazhong zaproponował technologię dynamicznej międzybitowej holografii metapowierzchniowej (Bit-MH) charakteryzującej się dużą szybkością obliczeń i wyświetlania. Technika ta zapewnia wydajne dynamiczne odświeżanie i interakcję w czasie rzeczywistym poprzez podzielenie funkcji wyświetlania metapowierzchni na różne obszary przestrzenne (tj. kanały przestrzenne) i rzutowanie zrekonstruowanego wzoru subholograficznego na każdy kanał.

3. Obszary zastosowańholografia obliczeniowa

Trójwymiarowy wyświetlacz

Holografia obliczeniowa ma szerokie perspektywy zastosowania w dziedzinie wyświetlania 3D. Dzięki hologramom generowanym komputerowo można uzyskać precyzyjną modulację czoła fali w celu wygenerowania trójwymiarowych scen z ciągłym poczuciem głębi. Technologia ta może być stosowana nie tylko w dziedzinie rozrywki i gier, ale także w edukacji, szkoleniach, medycynie i innych dziedzinach, aby zapewnić bardziej realistyczne i intuicyjne trójwymiarowe wrażenia wizualne.

Optyczne przechowywanie i przetwarzanie informacji

Holografię obliczeniową można również wykorzystać do optycznego przechowywania i przetwarzania informacji. Generując cyfrowe hologramy, informacje można przechowywać na nośniku w postaci pola świetlnego, aby uzyskać wysoką gęstość i szybkość przechowywania i odczytu informacji. Ponadto holografię obliczeniową można również stosować w takich dziedzinach, jak szyfrowanie optyczne i przeciwdziałanie fałszowaniu, w celu poprawy bezpieczeństwa i wiarygodności informacji.

Rzeczywistość rozszerzona i rzeczywistość wirtualna

Holografia obliczeniowa ma także potencjalne zastosowania w obszarze rzeczywistości rozszerzonej (AR) i rzeczywistości wirtualnej (VR). Generując realistyczne, trójwymiarowe obrazy holograficzne, można osiągnąć naturalną interakcję i wciągające doświadczenia w systemach AR i VR. Na przykład w systemach AR technologia holografii obliczeniowej pozwala użytkownikom w naturalny sposób skupić się na wyświetlanej treści na różnych głębokościach płaszczyzny, rozwiązując problem dostosowania konfliktu konwergencji wizualnej (VAC) i poprawiając komfort użytkownika.

Obróbka laserowa i projektowanie metapowierzchni

Holografia obliczeniowamożna również stosować w takich dziedzinach, jak obróbka laserowa i projektowanie metapowierzchni. Generując bardzo precyzyjne hologramy, można uzyskać precyzyjną kontrolę wiązki laserowej, a także wysoce precyzyjne przetwarzanie laserowe i produkcję mikro-nano. Ponadto holografię obliczeniową można również wykorzystać do projektowania i optymalizacji metapowierzchni w celu uzyskania bardziej złożonych i wydajnych efektów modulacji fal elektromagnetycznych.

Po czwarte, trend rozwojowy i wyzwanie holografii obliczeniowej

Wraz z ciągłym rozwojem technologii komputerowej i ciągłymi innowacjami urządzeń optycznych, technologia holografii obliczeniowej stale dokonuje nowych postępów i przełomów. Jednak holografia obliczeniowa nadal stoi przed wieloma wyzwaniami i problemami, takimi jak duża ilość obliczeń, wysokie zapotrzebowanie na moc obliczeniową, rozdzielczość i ograniczenia rozmiaru przestrzennego modulatora światła. Aby rozwiązać te problemy, naukowcy badają nowe algorytmy i techniki, takie jak metody generowania hologramów oparte na głębokim uczeniu się, holografia oparta na metapowierzchniach itp.

Oczekuje się, że w przyszłości technologia holografii komputerowej będzie stosowana i popularyzowana w większej liczbie dziedzin. Na przykład w systemie wyświetlania HUD pojazdu obliczeniowa technologia holograficzna może zapewnić bardziej realistyczną i intuicyjną nawigację 3D oraz wyświetlanie informacji; W medycynie obliczeniowa technologia holograficzna może być stosowana w takich dziedzinach, jak nawigacja chirurgiczna i telemedycyna, w celu poprawy poziomu i wydajności medycyny.

Krótko mówiąc,holografia obliczeniowa, jako technologia o potencjale transformacyjnym, stale promuje rozwój optyki i informatyki. Oczekuje się, że wraz z ciągłym postępem technologii i ciągłym poszerzaniem obszarów zastosowań holografia obliczeniowa przyniesie przełomy i innowacje w większej liczbie dziedzin, zapewniając ludzkości większą wygodę i niespodzianki.