Laskennallinen holografinen CGH esitellään yksityiskohtaisesti

Ensinnäkin laskennallisen holografian perusperiaate

Laskennallisen holografian perusperiaate on käyttää tietokonetta valon vaiheen tai amplitudin ratkaisemiseen, digitaalisen hologrammin luomiseen ja sitten valon vaiheen tai amplitudin moduloimiseen optisilla modulaattoreilla, kuten Spatial Light Modulator (SLM), ja lopuksi koherentin valon käyttäminen SLM:n säteilyttämiseen. Virkistävä valokenttä syntyy dynaamisen holografisen 3D-kuvan muodostamiseksi.

Perinteisestä hologrammien luomisesta poiketen laskennallinen holografia ei vaadi kahta valonsädettä ollakseen fyysisesti koherenttia, mikä yksinkertaistaa hologrammin luomisprosessia. Laskennallisten hologrammien korkean tarkkuuden luominen kohtaa kuitenkin edelleen monia haasteita, kuten suuri laskentamäärä, korkeat laskentatehovaatimukset sekä spatiaalisten valomodulaattoreiden resoluutio- ja kokorajoitukset.

Toiseksi laskennallisen holografian avaintekniikka

Hologrammin optimointialgoritmi

Laskennallisten hologrammien erittäin tarkka luominen riippuu optimointialgoritmeista. Koska hologrammin optimointi on pohjimmiltaan huonosti ehdollinen käänteisongelma, se ratkaistaan ​​yleensä ei-kupereiden optimointialgoritmien avulla. Optimointialgoritmin valinta ja parametrien asettaminen vaikuttavat suoraan hologrammien luomisen laatuun ja laskennalliseen tehokkuuteen.

Yleisiä optimointikehyksiä ovat vaihtoehtoinen projektiomenetelmä ja gradienttilaskeutumismenetelmä. Vaihtoehtoinen projektiomenetelmä löytää optimaalisen ratkaisun, joka tyydyttää kahden suljetun joukon rajoitukset vuorotellen kahden suljetun joukon välillä. Gradienttilaskumenetelmä määrittää tappiofunktion laskusuunnan gradienttilaskennan avulla optimaalisen rajoitusehdot tyydyttävän ratkaisun löytämiseksi.

Tilavalomodulaattori

Spatiaalinen valomodulaattori on laskennallisen holografian keskeinen laite, joka voi muuntaa digitoidut hologrammit valokenttämodulaatioksi. Tällä hetkellä useimmat laskennalliset holografiset järjestelmät perustuvat projektiolaitteisiin, kuten SLM tai Digital Micromirror Device (DMD). Näillä laitteilla on kuitenkin näytön suorituskyvyn luontaisia ​​rajoituksia, kuten liian pieni näkökenttä ja monikertainen diffraktio.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tutkijat tutkivat metapintaan perustuvaa holografiaa. Metasurface voi tuoda mutaatioita sähkömagneettisen aallon perusominaisuuksiin, kuten amplitudiin ja vaiheeseen, ja saavuttaa monia modulaatiovaikutuksia, joita on vaikea saavuttaa perinteisillä modulaatiolaitteilla. Metapintaan perustuva holografia on edistynyt suuresti laajassa näkökentässä, värittömässä kuvantamisessa, värinäytössä, tietokapasiteetin laajentamisessa, moniulotteisessa multipleksoinnissa ja niin edelleen.

Dynaaminenholografinennäyttö

Dynaaminen holografinen näyttö on laskennallisen holografian tärkeä sovellusalue. Perinteisessä holografisessa näyttöjärjestelmässä on usein ongelmia suuren laskennan ja alhaisen näytön kehysnopeuden vuoksi, mikä rajoittaa sen käyttöä edistyneessä näytössä, kuten kehittyneessä ihmisen ja tietokoneen välisessä vuorovaikutuksessa. Toteuttaakseen dynaamisen holografisen näytön erittäin sujuvasti tutkijat tutkivat tehokkaita laskennallisia hologrammien generointimenetelmiä ja näyttötekniikoita.

Esimerkiksi Huazhongin tiede- ja teknologiayliopiston Wuhanin kansallisen optoelektroniikan tutkimuskeskuksen ryhmä on ehdottanut dynaamista interbit metasurface holografia (Bit-MH) -tekniikkaa, jolla on korkea laskennallinen ja näytön kuvanopeus. Tekniikka saavuttaa tehokkaan dynaamisen virkistyksen ja reaaliaikaisen vuorovaikutuksen jakamalla metapinnan näyttöfunktion eri spatiaalisiin alueisiin (eli spatiaalisiin kanaviin) ja projisoimalla jokaiseen kanavaan rekonstruoidun aliholografisen kuvion.

3. Sovelluskentätlaskennallinen holografia

Kolmiulotteinen näyttö

Laskennallisella holografialla on laaja sovellusnäkymä 3D-näytön alalla. Tietokoneella luoduilla hologrammeilla voidaan saavuttaa erittäin tarkka aaltorintaman modulaatio kolmiulotteisten kohtausten luomiseksi jatkuvalla syvyyden tunteella. Tätä tekniikkaa ei voida käyttää vain viihteen ja pelien alalla, vaan myös koulutuksessa, koulutuksessa, lääketieteen ja muilla aloilla tarjotakseen realistisemman ja intuitiivisemman kolmiulotteisen visuaalisen kokemuksen.

Optisen tiedon tallennus ja käsittely

Laskennallista holografiaa voidaan käyttää myös optiseen tiedon tallentamiseen ja käsittelyyn. Luomalla digitaalisia hologrammeja informaatiota voidaan tallentaa välineeseen valokentän muodossa suuren tiheyden ja nopean tiedon tallennuksen ja lukemisen saavuttamiseksi. Lisäksi laskennallista holografiaa voidaan käyttää myös esimerkiksi optisessa salauksessa ja väärennösten torjunnassa tiedon turvallisuuden ja luotettavuuden parantamiseksi.

Lisätty todellisuus ja virtuaalitodellisuus

Laskennallisella holografialla on potentiaalisia sovelluksia myös lisätyn todellisuuden (AR) ja virtuaalitodellisuuden (VR) alalla. Luomalla realistisia kolmiulotteisia holografisia kuvia voidaan saavuttaa luonnollista vuorovaikutusta ja mukaansatempaavia kokemuksia AR- ja VR-järjestelmissä. Esimerkiksi AR-järjestelmissä laskennallisen holografian avulla käyttäjät voivat luonnollisesti keskittyä näytettävään sisältöön useilla tason syvyyksillä, mikä ratkaisee visuaalisen konvergenssikonfliktin säätöongelman (VAC) ja parantaa käyttömukavuutta.

Lasertyöstö ja metapinnan suunnittelu

Laskennallinen holografiavoidaan käyttää myös sellaisilla aloilla kuin laserprosessointi ja metapinnan suunnittelu. Luomalla korkean tarkkuuden hologrammeja voidaan saavuttaa tarkka lasersäteen hallinta ja korkean tarkkuuden laserkäsittely ja mikronanovalmistus. Lisäksi laskennallista holografiaa voidaan käyttää myös metapintojen suunnitteluun ja optimointiin monimutkaisempien ja tehokkaampien sähkömagneettisen aallon modulaatiovaikutusten saavuttamiseksi.

Neljänneksi laskennallisen holografian kehityssuunta ja haaste

Tietokonetekniikan jatkuvan kehityksen ja optisten laitteiden jatkuvan innovaation myötä laskennallinen holografiatekniikka edistyy ja tekee läpimurtoja jatkuvasti. Laskennallisella holografialla on kuitenkin edelleen monia haasteita ja ongelmia, kuten suuri laskentamäärä, korkea laskentatehon tarve, spatiaalisen valomodulaattorin resoluutio ja kokorajoitus. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tutkijat tutkivat uusia algoritmeja ja tekniikoita, kuten syväoppimiseen perustuvia hologrammien luontimenetelmiä, metapintaan perustuvaa holografiaa jne.

Tulevaisuudessa laskennallista holografiateknologiaa odotetaan sovellettavan ja popularisoivan useammilla aloilla. Esimerkiksi ajoneuvon HUD-näyttöjärjestelmässä laskennallinen holografinen tekniikka voi toteuttaa realistisemman ja intuitiivisemman 3D-navigoinnin ja tietojen näytön; Lääketieteen alalla laskennallista holografista tekniikkaa voidaan käyttää esimerkiksi kirurgisessa navigoinnissa ja telelääketieteessä lääketieteen tason ja tehokkuuden parantamiseksi.

Lyhyesti sanottunalaskennallinen holografia, teknologiana, jolla on muutospotentiaalia, edistää jatkuvasti optiikan ja informaatiotieteen kehitystä. Tekniikan jatkuvan kehityksen ja sovellusalojen jatkuvan laajentumisen myötä laskennallisen holografian odotetaan saavuttavan läpimurtoja ja innovaatioita useammilla aloilla, tuoden lisää mukavuutta ja yllätyksiä ihmiskunnalle.