Компьютерная голография - Computer-generated holography - Wikipedia

Компьютерная голография (CGH) - метод цифровой генерации голографический картины интерференции. Голографическое изображение может быть создано, например, путем цифрового вычисления голографической интерференционной картины и печати ее на маске или пленке для последующего освещения подходящим источником когерентного света.

В качестве альтернативы голографическое изображение можно оживить с помощью голографического 3D дисплей (дисплей, который работает на основе интерференции когерентного света), обходя необходимость каждый раз создавать «твердую копию» голографической интерференционной картины. Следовательно, в последнее время термин «компьютерная голография» все чаще используется для обозначения всей технологической цепочки синтетического изготовления голографических световых фронтов, пригодных для наблюдения.[1][2]

Компьютерные голограммы обладают тем преимуществом, что объекты, которые нужно показать, не обязательно должны обладать какой-либо физической реальностью (создание полностью синтетических голограмм). С другой стороны, если голографические данные существующих объектов генерируются оптическим способом, но записываются и обрабатываются в цифровом виде и впоследствии отображаются для отображения, это также называется CGH. В конечном итоге компьютерная голография может выполнять все роли современных компьютерных изображений: голографические компьютер дисплеи для широкого спектра приложений от CAD для игр, голографических видео и телепрограмм, автомобильных и коммуникационных приложений (дисплеи сотовых телефонов) и многого другого.

Обзор

Голография это техника, первоначально изобретенная Венгерский физик Деннис Габор (1900-1979) с целью улучшения разрешающей способности электронных микроскопов. Объект освещается когерентным (обычно монохроматическим) световым лучом; Рассеянный свет интерферирует с опорным лучом того же источника, регистрируя интерференционную картину. CGH, как определено во введении, имеет три основные задачи:

  1. Вычисление виртуального рассеянного волнового фронта
  2. Кодирование данные волнового фронта, подготовка их к отображению
  3. Реконструкция: Модулирующий интерференционную картину на когерентный световой луч с помощью технических средств, чтобы передать ее пользователю, наблюдающему голограмму.

Обратите внимание, что не всегда оправдано проводить четкое различие между этими шагами; однако это помогает структурировать обсуждение таким образом.

Расчет волнового фронта

Компьютерные голограммы обладают важными преимуществами перед оптическими голограммами, поскольку в них нет необходимости в реальном объекте. Из-за этого прорыва, когда в 1966 году было сообщено о первых алгоритмах, ожидалось трехмерное отображение.[3]

К сожалению, вскоре исследователи поняли, что есть заметные нижняя и верхняя границы с точки зрения скорости вычислений, качества и точности изображения соответственно. Вычисления волнового фронта требуют больших вычислительных ресурсов; Даже при использовании современных математических методов и высокопроизводительного вычислительного оборудования вычисления в реальном времени являются сложной задачей. Существует множество различных методов расчета интерференционной картины для CGH. В последующие 25 лет многие методы для CGH[4][5][6][7][8][9]были предложены в области голографической информации и вычислительной редукции, а также в вычислительной технике и методах квантования. В области вычислительной техники описанные алгоритмы можно разделить на две основные категории.

Метод преобразования Фурье

В первом преобразование Фурье используется для моделирования распространения каждой плоскости глубины объекта на плоскость голограммы. Концепция преобразования Фурье была впервые введена Брауном и Ломаном.[3] с методом обходной фазы, приводящим к голограммам, ориентированным на ячейки. Методика кодирования, предложенная Берчем[10] заменил ориентированные на ячейки голограммы точечными голограммами и сделал этот вид компьютерных голограмм более привлекательным. В Преобразование Фурье голограмма восстановление изображения происходит в дальнее поле. Обычно это достигается за счет использования свойств преобразования Фурье положительная линза на реконструкцию. Таким образом, этот процесс состоит из двух этапов: вычисление светового поля в дальней плоскости наблюдателя, а затем преобразование Фурье этого поля обратно в плоскость линзы. Эти голограммы называются голограммами на основе Фурье. Первые CGH, основанные на преобразовании Фурье, могли реконструировать только 2D-изображения. Браун и Ломанн[11] представила методику расчета компьютерных голограмм трехмерных объектов. Расчет распространения света от трехмерных объектов выполняется по обычному параболическому приближению дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа. Таким образом, волновой фронт, восстанавливаемый голограммой, представляет собой суперпозицию преобразований Фурье каждой плоскости объекта по глубине, модифицированных квадратичным фазовым множителем.

Голограммы точечного источника

Вторая вычислительная стратегия основана на концепции точечного источника, в которой объект разбивается на самосветящиеся точки. Элементарная голограмма рассчитывается для каждого точечного источника, а конечная голограмма синтезируется путем наложения всех элементарных голограмм. Об этой концепции впервые сообщил Уотерс.[12] чье основное предположение исходило от Роджерса[13] который признал, что зонная пластинка Френеля может рассматриваться как частный случай голограммы, предложенной Габором. Но поскольку большинство точек объекта были ненулевыми, вычислительная сложность концепции точечного источника была намного выше, чем в модели Фурье.

PS CGH.gif

концепция трансформации. Некоторые исследователи пытались преодолеть этот недостаток, предварительно определив и сохранив все возможные элементарные голограммы, используя специальные методы хранения данных.[14] из-за огромной емкости, которая необходима в этом случае, другие за счет использования специального оборудования.[15]

В концепции точечного источника основная проблема, которую необходимо обойти, - это компромисс между емкостью хранения данных и скоростью вычислений. В частности, алгоритмы, которые увеличивают скорость вычислений, обычно требуют очень высоких возможностей хранения данных,[14]с другой стороны, алгоритмы, которые снижают требования к хранению данных, приводят к высокой вычислительной сложности,[16][17][18] хотя некоторые оптимизации могут быть достигнуты.[19]Еще одна концепция, которая ведет к CGH с точечным источником, - это Метод трассировки лучей. Трассировка лучей - это, пожалуй, самый простой метод визуализации компьютерной голографии. По сути, вычисляется разница в длине пути между расстоянием, которое должны пройти виртуальный «опорный луч» и виртуальный «объектный луч»; это даст относительную фазу рассеянного объектного луча.

За последние три десятилетия обе концепции достигли значительного прогресса в улучшении скорости вычислений и качества изображения. Тем не менее, некоторые технические ограничения, такие как вычисления и емкость памяти, все еще обременяют цифровую голографию, делая практически невозможными потенциальные приложения реального времени с современным стандартным компьютерным оборудованием.

Кодирование интерференционной картины

Как только известно, как выглядит рассеянный волновой фронт объекта или как его можно вычислить, его необходимо зафиксировать на пространственный модулятор света (SLM), злоупотребляя этим термином, подразумевая не только ЖК-дисплеи или аналогичные устройства, но также пленки и маски. В основном доступны различные типы ПМС: модуляторы чистой фазы (задерживающие световую волну), модуляторы чистой амплитуды (блокирующие свет подсветки), модуляторы поляризации (влияющие на состояние поляризации света).[20] и SLM, которые имеют возможность комбинированной фазовой / амплитудной модуляции.[21]

Очевидно, что в случае чистой фазовой или амплитудной модуляции потери качества неизбежны. Ранние формы голограмм с чистой амплитудой просто печатались черно-белыми, что означало, что амплитуда должна была кодироваться только с одним битом глубины.[3]Точно так же киноформа это чисто фазовое кодирование, изобретенное в IBM в первые дни CGH.[22]

Даже если полностью сложная фазовая / амплитудная модуляция была бы идеальной, обычно предпочтительнее чисто фазовое или чисто амплитудное решение, потому что его намного проще реализовать технологически. Тем не менее, для создания сложного светораспределения целесообразна одновременная модуляция амплитуды и фазы. К настоящему времени реализованы два различных подхода к амплитудно-фазовой модуляции. Один основан на фазовой или только амплитудной модуляции и последовательной пространственной фильтрации.[23] второй основан на поляризационных голограммах с переменной ориентацией и величиной локального двулучепреломления.[24]

Реконструкция

Третья (техническая) проблема - модуляция пучка и реальная реконструкция волнового фронта. Маски могут быть напечатаны, что часто приводит к зернистой структуре рисунка, поскольку большинство принтеров могут печатать только точки (хотя и очень маленькие). Фильмы могут быть разработаны лазер контакт. Голографические дисплеи в настоящее время все еще являются проблемой (по состоянию на 2008 г.), хотя были построены успешные прототипы. Идеальный дисплей для компьютерных голограмм будет состоять из пикселей меньше длины волны света с регулируемой фазой и яркостью. Такие дисплеи получили название оптика с фазированной решеткой.[25] Дальнейший прогресс в нанотехнологии требуется для их построения.

Приложения

В настоящее время исследования в области устройств CGH проводят несколько компаний и отделений университетов:

  • VividQ[26] предоставляет программное обеспечение для устройств CGH в реальном времени, позволяющее генерировать изображения с более чем 200 глубинными слоями, используя стандартные вычислительные мощности
  • MIT Media Lab[27] разработал CGH дисплей "Головидео"
  • SeeReal Technologies создали прототип дисплея CGH
  • Комплект Cortical Cafe CGH[28] это сайт любителей CGH с инструкциями, исходным кодом и веб-приложением для создания CGH.

В электронной оптике

Недавно сгенерированная компьютером голография была распространена за пределы световой оптики и применяется для создания структурированных электронных волновых функций с желаемой амплитудой и фазовым профилем. Компьютер генерируется Голограммы разработаны интерференцией целевой волны с опорной волной, которая может быть, например, плоская волна, слегка наклоненная в одну сторону. Используемые голографические дифракционные оптические элементы обычно состоят из тонких мембран из таких материалов, как нитрид кремния.

Рекомендации

  1. ^ Гл. Стропальщик; К. Кэмерон; М. Стэнли (август 2005 г.), «Компьютерная голография как универсальная технология отображения», Компьютер, 38 (8): 46–53, Дои:10.1109 / mc.2005.260
  2. ^ Яраш, Фахри; Канг, Хунджонг; Онурал, Левент (29 сентября 2009 г.). «Цветная голографическая голографическая система в реальном времени в режиме реального времени с использованием светодиодной подсветки». Прикладная оптика. 48 (34): H48-53. Bibcode:2009ApOpt..48H..48Y. Дои:10.1364 / АО.48.000H48. HDL:11693/22545. PMID  19956301.
  3. ^ а б c Браун, Байрон Р .; Ломанн, Адольф В. (1966). «Сложная пространственная фильтрация с бинарными масками». Прикладная оптика. 5 (6): 967–9. Bibcode:1966ApOpt ... 5..967B. Дои:10.1364 / AO.5.000967. PMID  20048989.
  4. ^ ФУНТ. Lesem; ВЕЧЕРА. Хирш и Дж. А. Иордания (1968). «Компьютерный синтез голограмм для трехмерного отображения». Коммуникации ACM. 11 (10): 661–674. Дои:10.1145/364096.364111.
  5. ^ ФУНТ. Lesem; ВЕЧЕРА. Хирш и Дж. А. Иордания (1969). «Киноформа: новое устройство для реконструкции волнового фронта» (PDF). Журнал исследований и разработок IBM. 13 (2): 150–155. Дои:10.1147 / rd.132.0150.
  6. ^ W.H. Ли (1970). "Выборочная голограмма преобразования Фурье, созданная компьютером". Appl. Opt. 9 (3): 639–643. Дои:10.1364 / AO.9.000639. PMID  20076253. S2CID  15902468.
  7. ^ Д. Лесеберг и О. Брингдал (1984). «Компьютерные радужные голограммы». Appl. Opt. 23 (14): 2441–2447. Bibcode:1984ApOpt..23.2441L. Дои:10.1364 / AO.23.002441. PMID  18213016.
  8. ^ Ф. Выровски; Р. Хаук и О. Брингдал (1987). «Компьютерная голография: повторение голограммы и фазовая манипуляция». J. Opt. Soc. Являюсь. А. 4 (4): 694–698. Bibcode:1987JOSAA ... 4..694 Вт. Дои:10.1364 / JOSAA.4.000694.
  9. ^ Д. Лесеберг и К. Фрер (1988). «Компьютерные голограммы трехмерных объектов, состоящих из наклонных плоских сегментов». Appl. Opt. 27 (14): 3020–3024. Bibcode:1988ApOpt..27.3020L. Дои:10.1364 / AO.27.003020. PMID  20531880.
  10. ^ J.J. Берч (1967). «Компьютерный алгоритм синтеза фильтров пространственных частот». Труды IEEE. 55 (4): 599–601. Дои:10.1109 / PROC.1967.5620.
  11. ^ Б.Р. Браун и А. Ломанн (1969). "Компьютерные двоичные голограммы" (PDF). Журнал исследований и разработок IBM. 13 (2): 160–168. Дои:10.1147 / rd.132.0160.
  12. ^ Дж. П. Уотерс (1968). «Синтез голографических изображений с использованием теоретических методов». Appl. Phys. Латыш. 9 (11): 405–407. Дои:10.1063/1.1754630.
  13. ^ Г.Л. Роджерс (1950). «Дифракционная микроскопия Габора: голограмма как обобщенная зонная пластинка». Природа. 166 (4214): 237. Bibcode:1950Натура.166..237R. Дои:10.1038 / 166237a0. PMID  15439257.
  14. ^ а б М. Люсенте (1993). «Интерактивное вычисление голограмм с использованием справочной таблицы». Журнал электронного изображения. 2: 28–34. Bibcode:1993JEI ..... 2 ... 28л. CiteSeerX  10.1.1.51.4513. Дои:10.1117/12.133376.
  15. ^ Т. Ито; К. Йошида; С. Такахаши; Т. Ябэ; и другие. (1996). «Специализированный компьютер для голографии РОГ-2». Комп. Phys. Comm. 93 (1): 13–20. Bibcode:1996CoPhC..93 ... 13I. Дои:10.1016/0010-4655(95)00125-5.
  16. ^ Х. Ян; Э. С. Ким (1996). «Алгоритм на основе разложения формы волны для компьютерных голограмм с отображением только горизонтального параллакса». Опт. Латыш. 21 (7): 510–512. Bibcode:1996OptL ... 21..510Y. Дои:10.1364 / OL.21.000510. PMID  19865455.
  17. ^ Х. Л. Хуарес-Перес; А. Оливарес-Перес и Л. Р. Берриэль-Вальдос (1997). «Без резервирования для создания голограмм Френеля». Appl. Opt. 36 (29): 7437–7443. Дои:10.1364 / AO.36.007437. PMID  18264254.
  18. ^ Х. Йошикава; С. Ивасе и Т. Онеда (2001). «Быстрое вычисление голограмм Френеля с использованием разницы». Оптический обзор. 8 (5): 331–335. Bibcode:2001OptRv ... 8..331Y. Дои:10.1007 / s10043-001-0331-y.
  19. ^ А. Д. Штейн; З. Ван; Дж. С. Ли младший (1992). «Компьютерные голограммы: упрощенный подход с трассировкой лучей». Компьютеры в физике. 6 (4): 389–393. Bibcode:1992ComPh ... 6..389S. Дои:10.1063/1.168429. Архивировано из оригинал на 2010-02-01. Получено 2010-09-14.
  20. ^ М. Накадзима; Х. Комацу; Ю. Мицухаси; Т. Морикава (1976). «Компьютерные поляризационные голограммы: фазовая запись с помощью поляризационного эффекта в фотодихроичных материалах». Appl. Opt. 15 (4): 1030–1033. Bibcode:1976ApOpt..15.1030N. Дои:10.1364 / ао.15.001030. PMID  20165114.
  21. ^ В. Лаутерборн; Т. Курц (2002). Когерентная оптика (2-е изд.). Springer. ISBN  978-3-540-43933-2.
  22. ^ Л. Б. Лесем; П. М. Хирш; Дж. А. Джордан младший (1969). "Киноформа: новое устройство реконструкции волнового фронта". Журнал исследований и разработок IBM. 13 (2): 150–155. Дои:10.1147 / rd.132.0150.
  23. ^ В. Арризон; Г. Мендес; Д. Санчес-де-ла-Ллав (2005). «Точное кодирование произвольных сложных полей с помощью только амплитудных жидкокристаллических пространственных модуляторов света». Опт. выражать. 13 (20): 7913–7927. Bibcode:2005OExpr..13.7913A. Дои:10.1364 / opex.13.007913. PMID  19498821.
  24. ^ М. Фратц; П. Фишер; Д. М. Гиль (2009). «Полный контроль фазы и амплитуды в компьютерной голографии». Опт. Латыш. 34 (23): 3659–3661. Bibcode:2009OptL ... 34.3659F. Дои:10.1364 / ol.34.003659. PMID  19953153. S2CID  5726900.
  25. ^ Wowk B (1996). «Фазированная оптика». В Британской Колумбии Crandall (ред.). Молекулярные размышления о глобальном изобилии. MIT Press. стр.147–160. ISBN  978-0-262-03237-7. Получено 2007-02-18.
  26. ^ «VividQ Home». vivid-q.com.
  27. ^ "Страница Головидео Марка Люсенте". mit.edu.
  28. ^ "Бесплатное программное обеспечение для настольных ПК CorticalCafe". corticalcafe.com.
  • Экберг М., Ларссон М., Хард С. (1990). «Многоуровневые фазовые голограммы, полученные методом электронно-лучевой литографии». Опт. Lett. (OSA) 15 (10): 568-569. 0146-9592 / 90 / 100568-02 2,00 долл. США / 0