Computational holographic CGH wird ausführlich vorgestellt

Erstens das Grundprinzip der Computerholographie

Das Grundprinzip der rechnergestützten Holographie besteht darin, mithilfe eines Computers die Phase oder Amplitude des Lichts zu ermitteln, ein digitales Hologramm zu erzeugen und dann die Phase oder Amplitude des Lichts durch optische Modulatoren wie den Spatial Light Modulator (SLM) zu modulieren und schließlich kohärentes Licht zur Bestrahlung des SLM zu verwenden. Ein erfrischendes Lichtfeld wird erzeugt, um ein dynamisches holografisches 3D-Bild zu erzeugen.

Anders als bei der herkömmlichen Hologrammerzeugung sind bei der rechnergestützten Holografie nicht zwei Lichtstrahlen erforderlich, um physikalisch kohärent zu sein, wodurch der Prozess der Hologrammerzeugung vereinfacht wird. Die hochpräzise Erzeugung rechnergestützter Hologramme steht jedoch noch vor vielen Herausforderungen, wie z. B. dem großen Rechenaufwand, den hohen Anforderungen an die Rechenleistung sowie den Auflösungs- und Größenbeschränkungen räumlicher Lichtmodulatoren.

Zweitens die Schlüsseltechnologie der Computerholographie

Hologramm-Optimierungsalgorithmus

Die hochpräzise Erzeugung rechnerischer Hologramme hängt von Optimierungsalgorithmen ab. Da die Hologrammoptimierung im Wesentlichen ein schlecht konditioniertes inverses Problem ist, wird sie normalerweise mit Hilfe nichtkonvexer Optimierungsalgorithmen gelöst. Die Auswahl und Parametereinstellung des Optimierungsalgorithmus wirkt sich direkt auf die Qualität und Recheneffizienz der Hologrammerzeugung aus.

Zu den gängigen Optimierungsrahmen gehören alternative Projektionsmethoden und Gradientenabstiegsmethoden. Die alternative Projektionsmethode findet die optimale Lösung, die die Einschränkungen zweier geschlossener Mengen erfüllt, durch alternative Projektion zwischen zwei geschlossenen Mengen. Die Gradientenabstiegsmethode bestimmt die Richtung des Rückgangs der Verlustfunktion durch Gradientenberechnung, um die optimale Lösung zu finden, die die Randbedingungen erfüllt.

Räumlicher Lichtmodulator

Der räumliche Lichtmodulator ist ein Schlüsselgerät in der Computerholographie, das digitalisierte Hologramme in Lichtfeldmodulation umwandeln kann. Derzeit basieren die meisten rechnergestützten holographischen Systeme auf Projektionsgeräten wie SLM oder Digital Micromirror Device (DMD). Diese Geräte weisen jedoch inhärente Einschränkungen in der Anzeigeleistung auf, wie z. B. einen zu kleinen Sichtfeldwinkel und Beugung mehrerer Ordnungen.

Um diese Probleme anzugehen, erforschen Forscher die auf Metaoberflächen basierende Holographie. Metasurface kann Veränderungen in den grundlegenden Eigenschaften elektromagnetischer Wellen wie Amplitude und Phase einführen und viele Modulationseffekte erzielen, die mit herkömmlichen Modulationsgeräten nur schwer zu erreichen sind. Die auf Metaoberflächen basierende Holographie hat große Fortschritte in den Bereichen großes Sichtfeld, farbfreie Bildgebung, Farbanzeige, Erweiterung der Informationskapazität, mehrdimensionales Multiplexing usw. gemacht.

DynamischholografischAnzeige

Die dynamische holographische Darstellung ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der Computerholographie. Das herkömmliche holografische Anzeigesystem weist häufig die Probleme einer großen Rechenleistung und einer niedrigen Anzeigebildrate auf, was seine Anwendung bei erweiterten Anzeigen, wie z. B. der erweiterten Mensch-Computer-Interaktion, einschränkt. Um eine dynamische holografische Anzeige mit hoher Fließfähigkeit zu realisieren, erforschen Forscher effiziente rechnerische Hologramm-Erzeugungsmethoden und Anzeigetechniken.

Beispielsweise hat ein Team des Wuhan National Research Center for Optoelectronics an der Huazhong University of Science and Technology eine dynamische Interbit-Metaoberflächen-Holographie-Technologie (Bit-MH) mit hohen Rechen- und Anzeigebildraten vorgeschlagen. Die Technik erreicht eine effiziente dynamische Aktualisierung und Echtzeitinteraktion, indem sie die Anzeigefunktion der Metaoberfläche in verschiedene räumliche Bereiche (d. h. räumliche Kanäle) unterteilt und in jeden Kanal ein rekonstruiertes subholografisches Muster projiziert.

3. Anwendungsgebiete vonComputerholographie

Dreidimensionale Darstellung

Die rechnergestützte Holographie bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der 3D-Anzeige. Mit computergenerierten Hologrammen kann eine hochpräzise Wellenfrontmodulation erreicht werden, um dreidimensionale Szenen mit einem kontinuierlichen Tiefengefühl zu erzeugen. Diese Technologie kann nicht nur im Bereich Unterhaltung und Spiele, sondern auch in der Bildung, Ausbildung, Medizin und anderen Bereichen eingesetzt werden, um ein realistischeres und intuitiveres dreidimensionales visuelles Erlebnis zu bieten.

Optische Informationsspeicherung und -verarbeitung

Computerholographie kann auch zur optischen Informationsspeicherung und -verarbeitung eingesetzt werden. Durch die Erzeugung digitaler Hologramme können Informationen in Form eines Lichtfelds im Medium gespeichert werden, um eine hohe Dichte und schnelle Informationsspeicherung und -lesung zu erreichen. Darüber hinaus kann die Computerholographie auch in Bereichen wie der optischen Verschlüsselung und der Fälschungssicherheit eingesetzt werden, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Informationen zu verbessern.

Augmented Reality und Virtual Reality

Auch im Bereich Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) bietet die computergestützte Holographie potenzielle Anwendungsmöglichkeiten. Durch die Erzeugung realistischer dreidimensionaler holografischer Bilder können natürliche Interaktion und immersive Erlebnisse in AR- und VR-Systemen erreicht werden. In AR-Systemen beispielsweise ermöglicht die rechnergestützte Holografie-Technologie Benutzern, sich über mehrere Tiefen der Ebene hinweg auf natürliche Weise auf den angezeigten Inhalt zu konzentrieren, wodurch das Problem der Anpassung des visuellen Konvergenzkonflikts (VAC) gelöst und der Benutzerkomfort verbessert wird.

Laserbearbeitung und Metaoberflächendesign

Computerholographiekann auch in Bereichen wie Laserbearbeitung und Metaoberflächendesign eingesetzt werden. Durch die Erzeugung hochpräziser Hologramme kann eine präzise Steuerung des Laserstrahls erreicht und eine hochpräzise Laserbearbeitung und Mikro-Nano-Fertigung erreicht werden. Darüber hinaus kann die rechnerische Holographie auch für die Gestaltung und Optimierung von Metaoberflächen eingesetzt werden, um komplexere und effizientere elektromagnetische Wellenmodulationseffekte zu erzielen.

Viertens der Entwicklungstrend und die Herausforderung der Computerholographie

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Computertechnologie und der kontinuierlichen Innovation optischer Geräte erzielt die rechnergestützte Holographietechnologie ständig neue Fortschritte und Durchbrüche. Die rechnerische Holographie steht jedoch immer noch vor vielen Herausforderungen und Problemen, wie z. B. einem großen Rechenaufwand, einem hohen Bedarf an Rechenleistung, einer Auflösung und einer Größenbeschränkung des räumlichen Lichtmodulators. Um diese Probleme zu lösen, erforschen Forscher neue Algorithmen und Techniken, wie zum Beispiel Deep-Learning-basierte Hologramm-Erzeugungsmethoden, Metaoberflächen-basierte Holographie usw.

Es wird erwartet, dass die Technologie der rechnergestützten Holographie in Zukunft in weiteren Bereichen eingesetzt und populär gemacht wird. Beispielsweise kann im HUD-Anzeigesystem des Fahrzeugs die rechnerische holografische Technologie eine realistischere und intuitivere 3D-Navigation und Informationsanzeige realisieren; Im medizinischen Bereich kann rechnergestützte holographische Technologie in Bereichen wie der chirurgischen Navigation und der Telemedizin eingesetzt werden, um das medizinische Niveau und die Effizienz zu verbessern.

Zusamenfassend,ComputerholographieAls Technologie mit transformativem Potenzial treibt sie die Entwicklung der Optik und Informationswissenschaft stetig voran. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie und der kontinuierlichen Erweiterung der Anwendungsfelder wird erwartet, dass die Computerholographie Durchbrüche und Innovationen in mehr Bereichen erzielen und der Menschheit mehr Komfort und Überraschungen bringen wird.