Η υπολογιστική ολογραφική CGH εισάγεται λεπτομερώς

Πρώτον, η βασική αρχή της υπολογιστικής ολογραφίας

Η βασική αρχή της υπολογιστικής ολογραφίας είναι η χρήση υπολογιστή για να λύσει τη φάση ή το πλάτος του Φωτός, να δημιουργήσει ένα ψηφιακό ολόγραμμα και στη συνέχεια να διαμορφώσει τη φάση ή το πλάτος του φωτός μέσω οπτικών διαμορφωτών όπως το Spatial Light Modulator (SLM) και τελικά να χρησιμοποιήσει συνεκτικό φως για να ακτινοβολήσει SLM. Ένα αναζωογονητικό πεδίο φωτός δημιουργείται για να σχηματίσει μια δυναμική ολογραφική τρισδιάστατη εικόνα.

Διαφορετικά από την παραδοσιακή παραγωγή ολογραμμάτων, η υπολογιστική ολογραφία δεν απαιτεί δύο δέσμες φωτός για να είναι φυσική συνοχή, απλοποιώντας έτσι τη διαδικασία παραγωγής ολογραμμάτων. Ωστόσο, η παραγωγή υπολογιστικών ολογραμμάτων υψηλής ακρίβειας εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις, όπως ο μεγάλος όγκος υπολογισμού, οι υψηλές απαιτήσεις υπολογιστικής ισχύος και οι περιορισμοί ανάλυσης και μεγέθους των χωρικών διαμορφωτών φωτός.

Δεύτερον, η βασική τεχνολογία της υπολογιστικής ολογραφίας

Αλγόριθμος βελτιστοποίησης ολογράμματος

Η παραγωγή υπολογιστικών ολογραμμάτων υψηλής ακρίβειας εξαρτάται από αλγόριθμους βελτιστοποίησης. Δεδομένου ότι η βελτιστοποίηση ολογράμματος είναι ουσιαστικά ένα αντίστροφο πρόβλημα με κακή ρύθμιση, συνήθως λύνεται με τη βοήθεια μη κυρτών αλγορίθμων βελτιστοποίησης. Η επιλογή και η ρύθμιση παραμέτρων του αλγορίθμου βελτιστοποίησης θα επηρεάσει άμεσα την ποιότητα και την υπολογιστική απόδοση της παραγωγής ολογραμμάτων.

Τα κοινά πλαίσια βελτιστοποίησης περιλαμβάνουν εναλλακτική μέθοδο προβολής και μέθοδο gradient descent. Η εναλλακτική μέθοδος προβολής βρίσκει τη βέλτιστη λύση που ικανοποιεί τους περιορισμούς δύο κλειστών συνόλων με εναλλακτική προβολή μεταξύ δύο κλειστών συνόλων. Η μέθοδος gradient descent καθορίζει την κατεύθυνση της πτώσης της συνάρτησης απώλειας μέσω του υπολογισμού της κλίσης, έτσι ώστε να βρεθεί η βέλτιστη λύση που να ικανοποιεί τις συνθήκες περιορισμού.

Χωρικός διαμορφωτής φωτός

Ο χωρικός διαμορφωτής φωτός είναι μια βασική συσκευή στην υπολογιστική ολογραφία, η οποία μπορεί να μετατρέψει ψηφιοποιημένα ολογράμματα σε διαμόρφωση φωτεινού πεδίου. Επί του παρόντος, τα περισσότερα υπολογιστικά ολογραφικά συστήματα βασίζονται σε συσκευές προβολής όπως το SLM ή το Digital Micromirror Device (DMD). Ωστόσο, αυτές οι συσκευές έχουν εγγενείς περιορισμούς στην απόδοση της οθόνης, όπως πολύ μικρή γωνία οπτικού πεδίου και περίθλαση πολλαπλών τάξεων.

Για να αντιμετωπιστούν αυτά τα ζητήματα, οι ερευνητές εξερευνούν την ολογραφία με βάση την επιφάνεια. Το Metasurface μπορεί να εισάγει μεταλλάξεις στις βασικές ιδιότητες του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, όπως το πλάτος και τη φάση, και να επιτύχει πολλά φαινόμενα διαμόρφωσης που είναι δύσκολο να επιτευχθούν σε παραδοσιακές συσκευές διαμόρφωσης. Η ολογραφία που βασίζεται σε Metasurface έχει σημειώσει μεγάλη πρόοδο σε μεγάλο οπτικό πεδίο, απεικόνιση χωρίς χρώμα, έγχρωμη απεικόνιση, επέκταση χωρητικότητας πληροφοριών, πολυδιάστατη πολυπλεξία και ούτω καθεξής.

Δυναμικόςολογραφικήεπίδειξη

Η δυναμική ολογραφική απεικόνιση είναι ένα σημαντικό πεδίο εφαρμογής της υπολογιστικής ολογραφίας. Το παραδοσιακό σύστημα ολογραφικής απεικόνισης έχει συχνά τα προβλήματα του μεγάλου υπολογισμού και του χαμηλού ρυθμού καρέ εμφάνισης, γεγονός που περιορίζει την εφαρμογή του σε προηγμένες οθόνες, όπως η προηγμένη αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η δυναμική ολογραφική απεικόνιση με υψηλή ευχέρεια, οι ερευνητές διερευνούν αποτελεσματικές μεθόδους παραγωγής υπολογιστικών ολογραμμάτων και τεχνικές απεικόνισης.

Για παράδειγμα, μια ομάδα από το Εθνικό Ερευνητικό Κέντρο για την Οπτοηλεκτρονική της Γουχάν στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Huazhong έχει προτείνει μια τεχνολογία δυναμικής ολογραφίας μεταεπιφανειών interbit (Bit-MH) με υψηλούς ρυθμούς καρέ υπολογιστών και οθόνης. Η τεχνική επιτυγχάνει αποτελεσματική δυναμική ανανέωση και αλληλεπίδραση σε πραγματικό χρόνο διαιρώντας τη λειτουργία εμφάνισης της μεταεπιφάνειας σε διαφορετικές χωρικές περιοχές (δηλαδή χωρικά κανάλια) και προβάλλοντας ένα ανακατασκευασμένο υπο-ολογραφικό μοτίβο σε κάθε κανάλι.

3. Πεδία εφαρμογής τουυπολογιστική ολογραφία

Τρισδιάστατη οθόνη

Η υπολογιστική ολογραφία έχει ευρεία προοπτική εφαρμογής στον τομέα της τρισδιάστατης απεικόνισης. Με τα ολογράμματα που δημιουργούνται από υπολογιστή, μπορεί να επιτευχθεί διαμόρφωση μετώπου κύματος υψηλής ακρίβειας για τη δημιουργία τρισδιάστατων σκηνών με συνεχή αίσθηση βάθους. Αυτή η τεχνολογία δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο στον τομέα της ψυχαγωγίας και των παιχνιδιών, αλλά και στην εκπαίδευση, την κατάρτιση, την ιατρική και άλλους τομείς για να παρέχει μια πιο ρεαλιστική και διαισθητική τρισδιάστατη οπτική εμπειρία.

Οπτική αποθήκευση και επεξεργασία πληροφοριών

Η υπολογιστική ολογραφία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για αποθήκευση και επεξεργασία οπτικών πληροφοριών. Με τη δημιουργία ψηφιακών ολογραμμάτων, οι πληροφορίες μπορούν να αποθηκευτούν στο μέσο με τη μορφή φωτεινού πεδίου για να επιτευχθεί αποθήκευση και ανάγνωση πληροφοριών υψηλής πυκνότητας και υψηλής ταχύτητας. Επιπλέον, η υπολογιστική ολογραφία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε πεδία όπως η οπτική κρυπτογράφηση και η καταπολέμηση της παραχάραξης για τη βελτίωση της ασφάλειας και της αξιοπιστίας των πληροφοριών.

Επαυξημένη πραγματικότητα και εικονική πραγματικότητα

Η υπολογιστική ολογραφία έχει επίσης πιθανές εφαρμογές στον τομέα της επαυξημένης πραγματικότητας (AR) και της εικονικής πραγματικότητας (VR). Με τη δημιουργία ρεαλιστικών τρισδιάστατων ολογραφικών εικόνων, μπορεί να επιτευχθεί φυσική αλληλεπίδραση και καθηλωτικές εμπειρίες σε συστήματα AR και VR. Για παράδειγμα, στα συστήματα AR, η τεχνολογία υπολογιστικής ολογραφίας επιτρέπει στους χρήστες να εστιάζουν φυσικά στο εμφανιζόμενο περιεχόμενο σε πολλά βάθη του επιπέδου, επιλύοντας το πρόβλημα προσαρμογής διένεξης οπτικής σύγκλισης (VAC) και βελτιώνοντας την άνεση του χρήστη.

Κατεργασία με λέιζερ και σχεδιασμός μεταεπιφανειών

Υπολογιστική ολογραφίαμπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε τομείς όπως η επεξεργασία λέιζερ και ο σχεδιασμός μετα-επιφανειών. Με τη δημιουργία ολογραμμάτων υψηλής ακρίβειας, μπορεί να επιτευχθεί ακριβής έλεγχος της δέσμης λέιζερ και μπορεί να επιτευχθεί επεξεργασία λέιζερ υψηλής ακρίβειας και κατασκευή μικρο-νανο. Επιπλέον, η υπολογιστική ολογραφία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση μεταεπιφανειών για την επίτευξη πιο σύνθετων και αποτελεσματικών επιδράσεων διαμόρφωσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Τέταρτον, η τάση ανάπτυξης και η πρόκληση της υπολογιστικής ολογραφίας

Με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών και τη συνεχή καινοτομία των οπτικών συσκευών, η τεχνολογία υπολογιστικής ολογραφίας σημειώνει συνεχώς νέες προόδους και καινοτομίες. Ωστόσο, η υπολογιστική ολογραφία εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις και προβλήματα, όπως μεγάλη ποσότητα υπολογισμού, υψηλή απαίτηση υπολογιστικής ισχύος, περιορισμός ανάλυσης και μεγέθους του διαμορφωτή χωρικού φωτός. Για να λύσουν αυτά τα προβλήματα, οι ερευνητές εξερευνούν νέους αλγόριθμους και τεχνικές, όπως μεθόδους παραγωγής ολογραμμάτων που βασίζονται σε βαθιά μάθηση, ολογραφία βασισμένη σε μετα-επιφάνεια κ.λπ.

Στο μέλλον, η τεχνολογία υπολογιστικής ολογραφίας αναμένεται να εφαρμοστεί και να διαδοθεί σε περισσότερους τομείς. Για παράδειγμα, στο σύστημα οθόνης HUD του οχήματος, η υπολογιστική ολογραφική τεχνολογία μπορεί να πραγματοποιήσει πιο ρεαλιστική και διαισθητική τρισδιάστατη πλοήγηση και απεικόνιση πληροφοριών. Στον ιατρικό τομέα, η υπολογιστική ολογραφική τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τομείς όπως η χειρουργική πλοήγηση και η τηλεϊατρική για τη βελτίωση του ιατρικού επιπέδου και της αποτελεσματικότητας.

Εν συντομία,υπολογιστική ολογραφία, ως τεχνολογία με μετασχηματιστικές δυνατότητες, προωθεί συνεχώς την ανάπτυξη της οπτικής και της επιστήμης της πληροφορίας. Με τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας και τη συνεχή επέκταση των πεδίων εφαρμογών, η υπολογιστική ολογραφία αναμένεται να επιτύχει ανακαλύψεις και καινοτομίες σε περισσότερους τομείς, φέρνοντας περισσότερη άνεση και εκπλήξεις στην ανθρωπότητα.