Beräkningsholografisk CGH introduceras i detalj

Först den grundläggande principen för beräkningsholografi

Grundprincipen för beräkningsholografi är att använda en dator för att lösa ljusets fas eller amplitud, generera ett digitalt hologram och sedan modulera ljusets fas eller amplitud genom optiska modulatorer som Spatial Light Modulator (SLM), och slutligen använda koherent ljus för att bestråla SLM. Ett uppfriskande ljusfält genereras för att bilda en dynamisk holografisk 3D-bild.

Till skillnad från traditionell hologramgenerering kräver beräkningsholografi inte två ljusstrålar för att vara fysiskt koherenta, vilket förenklar hologramgenereringsprocessen. Emellertid står högprecisionsgenereringen av beräkningshologram fortfarande inför många utmaningar, såsom den stora mängden beräkningar, höga krav på datorkraft och upplösnings- och storleksbegränsningarna för rumsliga ljusmodulatorer.

För det andra, nyckelteknologin för beräkningsholografi

Hologram optimeringsalgoritm

Högprecisionsgenereringen av beräkningshologram beror på optimeringsalgoritmer. Eftersom hologramoptimering i huvudsak är ett dåligt betingat omvänt problem, löses det vanligtvis med hjälp av icke-konvexa optimeringsalgoritmer. Valet och parameterinställningen av optimeringsalgoritmen kommer direkt att påverka kvaliteten och beräkningseffektiviteten för hologramgenerering.

Vanliga optimeringsramverk inkluderar alternativ projektionsmetod och gradientnedstigningsmetod. Alternativ projektionsmetod hittar den optimala lösningen som uppfyller begränsningarna för två slutna uppsättningar genom alternativ projektion mellan två slutna uppsättningar. Gradientsänkningsmetoden bestämmer riktningen för förlustfunktionsnedgången genom gradientberäkning, för att hitta den optimala lösningen som uppfyller begränsningsvillkoren.

Rumslig ljusmodulator

Rumslig ljusmodulator är en nyckelenhet inom beräkningsholografi, som kan omvandla digitaliserade hologram till ljusfältsmodulering. För närvarande är de flesta beräkningsholografiska system beroende av projektionsenheter som SLM eller Digital Micromirror Device (DMD). Dessa enheter har dock inneboende begränsningar i skärmprestanda, såsom för litet synfältsvinkel och multi-orders diffraktion.

För att ta itu med dessa frågor undersöker forskare metasytbaserad holografi. Metasurface kan introducera mutationer i de grundläggande egenskaperna hos elektromagnetiska vågor, såsom amplitud och fas, och uppnå många moduleringseffekter som är svåra att uppnå i traditionella moduleringsenheter. Metasytebaserad holografi har gjort stora framsteg inom stort synfält, färgfri bildbehandling, färgvisning, expansion av informationskapacitet, multidimensionell multiplexering och så vidare.

Dynamiskholografiskavisa

Dynamisk holografisk visning är ett viktigt tillämpningsområde för beräkningsholografi. Det traditionella holografiska visningssystemet har ofta problemen med stora beräkningar och låg bildrutehastighet, vilket begränsar dess tillämpning i avancerad visning såsom avancerad interaktion mellan människa och dator. För att förverkliga dynamisk holografisk visning med hög flyt, undersöker forskare effektiva beräkningsmetoder för hologramgenerering och visningstekniker.

Till exempel har ett team från Wuhan National Research Center for Optoelectronics vid Huazhong University of Science and Technology föreslagit en dynamisk interbit metasurface holography (Bit-MH)-teknologi med höga beräknings- och bildrutehastigheter. Tekniken uppnår effektiv dynamisk uppdatering och realtidsinteraktion genom att dela upp metaytans visningsfunktion i olika rumsliga regioner (dvs rumsliga kanaler) och projicera ett rekonstruerat subholografiskt mönster i varje kanal.

3. Användningsområden förberäkningsholografi

Tredimensionell display

Beräkningsholografi har ett brett tillämpningsperspektiv inom området 3D-visning. Med datorgenererade hologram kan vågfrontsmodulering med hög precision uppnås för att generera tredimensionella scener med en kontinuerlig känsla av djup. Denna teknik kan inte bara användas inom underhållning och spel, utan även inom utbildning, träning, medicinska och andra områden för att ge en mer realistisk och intuitiv tredimensionell visuell upplevelse.

Optisk informationslagring och bearbetning

Beräkningsholografi kan också användas för optisk informationslagring och bearbetning. Genom att generera digitala hologram kan information lagras i mediet i form av ljusfält för att uppnå hög densitet och snabb informationslagring och läsning. Dessutom kan beräkningsholografi också användas inom områden som optisk kryptering och anti-förfalskning för att förbättra informationens säkerhet och tillförlitlighet.

Augmented reality och virtuell verklighet

Beräkningsholografi har också potentiella tillämpningar inom området förstärkt verklighet (AR) och virtuell verklighet (VR). Genom att generera realistiska tredimensionella holografiska bilder kan naturlig interaktion och uppslukande upplevelser i AR- och VR-system uppnås. Till exempel, i AR-system tillåter beräkningsholografiteknik användare att naturligt fokusera på det visade innehållet över flera djup av planet, lösa problemet med visuell konvergenskonfliktjustering (VAC) och förbättra användarkomforten.

Laserbearbetning och metasytdesign

Beräkningsholografikan också användas inom områden som laserbearbetning och metasytdesign. Genom att generera högprecisionshologram kan exakt kontroll av laserstrålen uppnås, och högprecisionslaserbearbetning och mikronanotillverkning kan uppnås. Dessutom kan beräkningsholografi också användas för design och optimering av metasytor för att uppnå mer komplexa och effektiva elektromagnetiska vågmoduleringseffekter.

För det fjärde, utvecklingstrenden och utmaningen med beräkningsholografi

Med den kontinuerliga utvecklingen av datorteknik och den kontinuerliga innovationen av optiska enheter, gör beräkningsholografiteknik ständigt nya framsteg och genombrott. Emellertid står beräkningsholografi fortfarande inför många utmaningar och problem, såsom stor beräkningsmängd, högt krav på datorkraft, upplösning och storleksbegränsning för rumslig ljusmodulator. För att lösa dessa problem utforskar forskare nya algoritmer och tekniker, såsom djupinlärningsbaserade hologramgenereringsmetoder, metasytbaserad holografi, etc.

I framtiden förväntas beräkningsholografiteknik att tillämpas och populariseras inom fler områden. Till exempel, i fordonets HUD-displaysystem, kan beräkningsholografisk teknologi realisera mer realistisk och intuitiv 3D-navigering och informationsvisning; Inom det medicinska området kan beräkningsholografisk teknologi användas inom områden som kirurgisk navigering och telemedicin för att förbättra medicinsk nivå och effektivitet.

Kort sagt,beräkningsholografi, som en teknologi med transformativ potential, främjar ständigt utvecklingen av optik och informationsvetenskap. Med den ständiga utvecklingen av teknik och den kontinuerliga expansionen av applikationsområden förväntas beräkningsholografi att uppnå genombrott och innovationer inom fler områden, vilket ger mer bekvämlighet och överraskningar för mänskligheten.