CGH holográfico computacional é apresentado em detalhes

Primeiro, o princípio básico da holografia computacional

O princípio básico da holografia computacional é usar um computador para resolver a fase ou amplitude da luz, gerar um holograma digital e, em seguida, modular a fase ou amplitude da luz através de moduladores ópticos, como o Spatial Light Modulator (SLM) e, finalmente, usar luz coerente para irradiar SLM. Um campo de luz refrescante é gerado para formar uma imagem 3D holográfica dinâmica.

Diferente da geração tradicional de hologramas, a holografia computacional não requer dois feixes de luz para serem fisicamente coerentes, simplificando assim o processo de geração de hologramas. No entanto, a geração de hologramas computacionais de alta precisão ainda enfrenta muitos desafios, como a grande quantidade de computação, os altos requisitos de poder computacional e as limitações de resolução e tamanho dos moduladores de luz espacial.

Em segundo lugar, a tecnologia chave da holografia computacional

Algoritmo de otimização de holograma

A geração de hologramas computacionais de alta precisão depende de algoritmos de otimização. Como a otimização do holograma é essencialmente um problema inverso mal condicionado, geralmente é resolvido com a ajuda de algoritmos de otimização não convexos. A seleção e configuração de parâmetros do algoritmo de otimização afetarão diretamente a qualidade e a eficiência computacional da geração do holograma.

Estruturas de otimização comuns incluem método de projeção alternativo e método de descida gradiente. O método de projeção alternativa encontra a solução ótima que satisfaz as restrições de dois conjuntos fechados por meio de projeção alternada entre dois conjuntos fechados. O método de gradiente descendente determina a direção do declínio da função de perda por meio do cálculo do gradiente, de modo a encontrar a solução ideal que satisfaça as condições de restrição.

Modulador de luz espacial

O modulador de luz espacial é um dispositivo chave na holografia computacional, que pode converter hologramas digitalizados em modulação de campo de luz. Atualmente, a maioria dos sistemas holográficos computacionais dependem de dispositivos de projeção como SLM ou Digital Micromirror Device (DMD). No entanto, esses dispositivos têm limitações inerentes ao desempenho da exibição, como ângulo de visão muito pequeno e difração multiordem.

Para resolver esses problemas, os pesquisadores estão explorando a holografia baseada em metassuperfícies. Metasurface pode introduzir mutações nas propriedades básicas da onda eletromagnética, como amplitude e fase, e alcançar muitos efeitos de modulação que são difíceis de alcançar em dispositivos de modulação tradicionais. A holografia baseada em metasuperfície fez grandes progressos em grandes campos de visão, imagens sem cores, exibição colorida, expansão da capacidade de informação, multiplexação multidimensional e assim por diante.

Dinâmicoholográficomostrar

A exibição holográfica dinâmica é um importante campo de aplicação da holografia computacional. O sistema de exibição holográfica tradicional geralmente apresenta problemas de grande cálculo e baixa taxa de quadros de exibição, o que limita sua aplicação em exibição avançada, como interação humana-computador avançada. A fim de realizar a exibição holográfica dinâmica com alta fluência, os pesquisadores estão explorando métodos eficientes de geração de holograma computacional e técnicas de exibição.

Por exemplo, uma equipe do Centro Nacional de Pesquisa de Optoeletrônica de Wuhan, na Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, propôs uma tecnologia dinâmica de holografia de metassuperfície interbit (Bit-MH) com altas taxas de quadros computacionais e de exibição. A técnica alcança atualização dinâmica eficiente e interação em tempo real, dividindo a função de exibição da metassuperfície em diferentes regiões espaciais (ou seja, canais espaciais) e projetando um padrão subholográfico reconstruído em cada canal.

3. Campos de aplicação deholografia computacional

Exibição tridimensional

A holografia computacional tem uma ampla perspectiva de aplicação no campo da exibição 3D. Com hologramas gerados por computador, é possível obter modulação de frente de onda de alta precisão para gerar cenas tridimensionais com uma sensação contínua de profundidade. Esta tecnologia pode ser usada não apenas na área de entretenimento e jogos, mas também na educação, treinamento, medicina e outras áreas para fornecer uma experiência visual tridimensional mais realista e intuitiva.

Armazenamento e processamento de informações ópticas

A holografia computacional também pode ser usada para armazenamento e processamento de informações ópticas. Ao gerar hologramas digitais, as informações podem ser armazenadas no meio na forma de campo de luz para obter armazenamento e leitura de informações de alta densidade e alta velocidade. Além disso, a holografia computacional também pode ser usada em áreas como criptografia óptica e antifalsificação para melhorar a segurança e a confiabilidade das informações.

Realidade aumentada e realidade virtual

A holografia computacional também tem aplicações potenciais no campo da realidade aumentada (AR) e realidade virtual (VR). Ao gerar imagens holográficas tridimensionais realistas, é possível alcançar interação natural e experiências imersivas em sistemas AR e VR. Por exemplo, em sistemas AR, a tecnologia de holografia computacional permite que os usuários se concentrem naturalmente no conteúdo exibido em múltiplas profundidades do plano, resolvendo o problema de ajuste de conflito de convergência visual (VAC) e melhorando o conforto do usuário.

Usinagem a laser e projeto de metassuperfícies

Holografia computacionaltambém pode ser usado em áreas como processamento a laser e design de metassuperfícies. Ao gerar hologramas de alta precisão, o controle preciso do feixe de laser pode ser alcançado e o processamento de laser de alta precisão e a fabricação de micro-nano podem ser alcançados. Além disso, a holografia computacional também pode ser usada para projetar e otimizar metassuperfícies para obter efeitos de modulação de ondas eletromagnéticas mais complexos e eficientes.

Quarto, a tendência de desenvolvimento e o desafio da holografia computacional

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia informática e a inovação contínua dos dispositivos ópticos, a tecnologia de holografia computacional está constantemente a fazer novos progressos e avanços. No entanto, a holografia computacional ainda enfrenta muitos desafios e problemas, como grande quantidade de computação, alta exigência de poder computacional, resolução e limitação de tamanho do modulador de luz espacial. Para resolver esses problemas, os pesquisadores estão explorando novos algoritmos e técnicas, como métodos de geração de hologramas baseados em aprendizagem profunda, holografia baseada em metassuperfícies, etc.

No futuro, espera-se que a tecnologia de holografia computacional seja aplicada e popularizada em mais campos. Por exemplo, no sistema de exibição HUD do veículo, a tecnologia holográfica computacional pode realizar navegação 3D e exibição de informações mais realistas e intuitivas; Na área médica, a tecnologia holográfica computacional pode ser usada em áreas como navegação cirúrgica e telemedicina para melhorar o nível e a eficiência médica.

Resumidamente,holografia computacional, como tecnologia com potencial transformador, promove constantemente o desenvolvimento da óptica e da ciência da informação. Com o progresso contínuo da tecnologia e a expansão contínua dos campos de aplicação, espera-se que a holografia computacional alcance avanços e inovações em mais campos, trazendo mais conveniência e surpresas para a humanidade.