Компьютерный способ создания голограмм

Компьютерная голография — Computer-generated holography

Компьютерная голография ( CGH ) — это метод цифровой генерации голографических интерференционных картин . Голографическое изображение может быть создано, например, путем цифрового вычисления голографического интерференционного рисунка и его печати на маске или пленке для последующего освещения подходящим источником когерентного света.

В качестве альтернативы, голографическое изображение можно оживить с помощью голографического 3D-дисплея (дисплея, который работает на основе интерференции когерентного света), минуя необходимость изготовления каждый раз «печатной копии» 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.

Компьютерные голограммы обладают тем преимуществом, что объекты, которые нужно показать, не обязательно должны обладать какой-либо физической реальностью (создание полностью синтетической голограммы). 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 счете, компьютерная голография может выполнять все роли современных компьютерных изображений: голографические компьютерные дисплеи для широкого спектра приложений от САПР до игр, голографические видео и телепрограммы, автомобильные и коммуникационные приложения (дисплеи сотовых телефонов) и многое другое. .

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Голография — это метод, первоначально изобретенный венгерским физиком Деннисом Габором (1900–1979) для 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. Расчет виртуального рассеянного волнового фронта
2. Кодирование данных волнового фронта, подготовка их к отображению
3. Реконструкция : Модуляция интерференционной картины на когерентный световой луч с помощью технических средств для передачи ее пользователю, наблюдающему за голограммой.

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.

К сожалению, вскоре исследователи поняли, что существуют заметные нижняя и верхняя границы с точки зрения скорости вычислений, качества и точности изображения соответственно. Расчеты 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 было предложено множество методов для CGH в области голографической информации и вычислительной редукции, а также в методах вычислений и 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 с методом обходной фазы, приводящим к голограммам, ориентированным на ячейки. Техника кодирования, предложенная Берчем, заменила голограммы, ориентированные на ячейки, точечными голограммами и сделала этот вид компьютерных голограмм более привлекательными. В голограмме с преобразованием Фурье восстановление изображения происходит в дальней зоне . Обычно это достигается за счет использования для реконструкции свойств преобразования Фурье положительной линзы . Таким образом, в этом процессе есть два этапа: 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 представили методику расчета компьютерных голограмм трехмерных объектов. Расчет распространения света от трехмерных объектов выполняется в соответствии с обычным параболическим приближением дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа. Таким образом, волновой фронт, который должен быть восстановлен с помощью голограммы, 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, когда 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, основное предположение которого было сделано Роджерсом, который признал, что зонная пластина Френеля может считаться частным случаем голограммы, предложенной Габором. Но поскольку большинство точек объекта были ненулевыми, вычислительная сложность концепции точечного источника была намного выше, чем в концепции преобразования Фурье. Некоторые исследователи пытались преодолеть этот недостаток, предварительно определив и сохранив все возможные элементарные голограммы, используя специальные методы хранения данных из-за огромной емкости, которая требуется в этом случае, другие — с помощью специального оборудования.

В концепции точечного источника основная проблема, которую необходимо обойти, — это компромисс между емкостью хранилища данных и скоростью вычислений. В частности, алгоритмы, которые повышают скорость вычислений, обычно требуют очень высоких возможностей хранения данных, в то время как, с другой стороны, алгоритмы, которые снижают требования к хранению данных, приводят к высокой вычислительной сложности, хотя некоторые оптимизации могут быть достигнуты.

Еще одна концепция, которая приводит к созданию CGH с точечным источником, — это метод трассировки лучей . Трассировка лучей — это, пожалуй, самый простой метод компьютерной голографии для визуализации. 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. Однако некоторые технические ограничения, такие как вычислительные ресурсы и емкость памяти, по-прежнему обременяют цифровую голографию, делая практически невозможными потенциальные приложения реального времени с современным стандартным компьютерным оборудованием.

Кодирование паттернов помех

Как только становится известно, как выглядит рассеянный волновой фронт объекта или как он может быть вычислен, его необходимо зафиксировать на пространственном модулятора света (SLM), злоупотребляя этим термином, чтобы включить не только ЖК-дисплеи или аналогичные устройства, но также пленки и маски. В основном, доступны разные типы ПМС: чисто фазовые модуляторы (задерживающие световую волну), чисто амплитудные модуляторы (блокирующие освещающий свет), поляризационные модуляторы (влияющие на состояние поляризации света) и ПМС, которые могут объединять фазу / амплитудная модуляция.

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. Точно так же киноформа — это чисто фазовое кодирование, изобретенное в IBM на заре CGH.

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, другой основан на поляризационных голограммах с переменной ориентацией и величиной локального двулучепреломления.

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). Пленки можно проявить с помощью лазерного воздействия. Голографические дисплеи в настоящее время все еще являются проблемой (по состоянию на 2008 год), хотя были созданы успешные прототипы. Идеальный дисплей для компьютерных голограмм будет состоять из пикселей меньше длины волны света с регулируемой фазой и яркостью. Такие дисплеи получили название оптики с фазированной решеткой . Для их создания необходим дальнейший прогресс в нанотехнологиях .

Приложения

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

• VividQ 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 разработала CGH дисплей «Головидео»
• Компания SeeReal Technologies создала прототип дисплея CGH
• Cortical Cafe CGH Kit — это сайт для любителей CGH с инструкциями, исходным кодом и веб-приложением для создания CGH.

В электронной оптике

Недавно компьютерная голография получила распространение 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, плоской, как волна слегка наклонена в одном направлении. Используемые голографические дифракционные оптические элементы обычно состоят из тонких мембран из таких материалов, как нитрид кремния.

Источник

Компьютерная голография — Computer-generated holography

Компьютерная голография ( CGH ) — это метод цифровой генерации голографических интерференционных картин . Голографическое изображение может быть создано, например, путем цифрового вычисления голографического интерференционного рисунка и его печати на маске или пленке для последующего освещения подходящим источником когерентного света.

В качестве альтернативы, голографическое изображение можно оживить с помощью голографического 3D-дисплея (дисплея, который работает на основе интерференции когерентного света), минуя необходимость изготовления каждый раз «печатной копии» 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.

Компьютерные голограммы обладают тем преимуществом, что объекты, которые нужно показать, не обязательно должны обладать какой-либо физической реальностью (создание полностью синтетической голограммы). 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 счете, компьютерная голография может выполнять все роли современных компьютерных изображений: голографические компьютерные дисплеи для широкого спектра приложений от САПР до игр, голографические видео и телепрограммы, автомобильные и коммуникационные приложения (дисплеи сотовых телефонов) и многое другое. .

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Голография — это метод, первоначально изобретенный венгерским физиком Деннисом Габором (1900–1979) для 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. Расчет виртуального рассеянного волнового фронта
2. Кодирование данных волнового фронта, подготовка их к отображению
3. Реконструкция : Модуляция интерференционной картины на когерентный световой луч с помощью технических средств для передачи ее пользователю, наблюдающему за голограммой.

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.

К сожалению, вскоре исследователи поняли, что существуют заметные нижняя и верхняя границы с точки зрения скорости вычислений, качества и точности изображения соответственно. Расчеты 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 было предложено множество методов для CGH в области голографической информации и вычислительной редукции, а также в методах вычислений и 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 с методом обходной фазы, приводящим к голограммам, ориентированным на ячейки. Техника кодирования, предложенная Берчем, заменила голограммы, ориентированные на ячейки, точечными голограммами и сделала этот вид компьютерных голограмм более привлекательными. В голограмме с преобразованием Фурье восстановление изображения происходит в дальней зоне . Обычно это достигается за счет использования для реконструкции свойств преобразования Фурье положительной линзы . Таким образом, в этом процессе есть два этапа: 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 представили методику расчета компьютерных голограмм трехмерных объектов. Расчет распространения света от трехмерных объектов выполняется в соответствии с обычным параболическим приближением дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа. Таким образом, волновой фронт, который должен быть восстановлен с помощью голограммы, 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, когда 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, основное предположение которого было сделано Роджерсом, который признал, что зонная пластина Френеля может считаться частным случаем голограммы, предложенной Габором. Но поскольку большинство точек объекта были ненулевыми, вычислительная сложность концепции точечного источника была намного выше, чем в концепции преобразования Фурье. Некоторые исследователи пытались преодолеть этот недостаток, предварительно определив и сохранив все возможные элементарные голограммы, используя специальные методы хранения данных из-за огромной емкости, которая требуется в этом случае, другие — с помощью специального оборудования.

В концепции точечного источника основная проблема, которую необходимо обойти, — это компромисс между емкостью хранилища данных и скоростью вычислений. В частности, алгоритмы, которые повышают скорость вычислений, обычно требуют очень высоких возможностей хранения данных, в то время как, с другой стороны, алгоритмы, которые снижают требования к хранению данных, приводят к высокой вычислительной сложности, хотя некоторые оптимизации могут быть достигнуты.

Еще одна концепция, которая приводит к созданию CGH с точечным источником, — это метод трассировки лучей . Трассировка лучей — это, пожалуй, самый простой метод компьютерной голографии для визуализации. 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. Однако некоторые технические ограничения, такие как вычислительные ресурсы и емкость памяти, по-прежнему обременяют цифровую голографию, делая практически невозможными потенциальные приложения реального времени с современным стандартным компьютерным оборудованием.

Кодирование паттернов помех

Как только становится известно, как выглядит рассеянный волновой фронт объекта или как он может быть вычислен, его необходимо зафиксировать на пространственном модулятора света (SLM), злоупотребляя этим термином, чтобы включить не только ЖК-дисплеи или аналогичные устройства, но также пленки и маски. В основном, доступны разные типы ПМС: чисто фазовые модуляторы (задерживающие световую волну), чисто амплитудные модуляторы (блокирующие освещающий свет), поляризационные модуляторы (влияющие на состояние поляризации света) и ПМС, которые могут объединять фазу / амплитудная модуляция.

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. Точно так же киноформа — это чисто фазовое кодирование, изобретенное в IBM на заре CGH.

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, другой основан на поляризационных голограммах с переменной ориентацией и величиной локального двулучепреломления.

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). Пленки можно проявить с помощью лазерного воздействия. Голографические дисплеи в настоящее время все еще являются проблемой (по состоянию на 2008 год), хотя были созданы успешные прототипы. Идеальный дисплей для компьютерных голограмм будет состоять из пикселей меньше длины волны света с регулируемой фазой и яркостью. Такие дисплеи получили название оптики с фазированной решеткой . Для их создания необходим дальнейший прогресс в нанотехнологиях .

Приложения

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

• VividQ 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 разработала CGH дисплей «Головидео»
• Компания SeeReal Technologies создала прототип дисплея CGH
• Cortical Cafe CGH Kit — это сайт для любителей CGH с инструкциями, исходным кодом и веб-приложением для создания CGH.

В электронной оптике

Недавно компьютерная голография получила распространение 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, плоской, как волна слегка наклонена в одном направлении. Используемые голографические дифракционные оптические элементы обычно состоят из тонких мембран из таких материалов, как нитрид кремния.

Источник