Il principio base diolografia computazionaleconsiste nell'utilizzare un computer per risolvere la fase o l'ampiezza della luce, generare un ologramma digitale e quindi modulare la fase o l'ampiezza della luce attraverso modulatori ottici come lo Spatial Light Modulator (SLM) e infine utilizzare la luce coerente per irradiare SLM. Viene generato un campo luminoso rinfrescante per formare un'immagine olografica 3D dinamica.
Diverso dalla tradizionale generazione di ologrammi,olografia computazionalenon richiede che due fasci di luce siano fisicamente coerenti, semplificando così il processo di generazione dell'ologramma. Tuttavia, la generazione ad alta precisione diologrammi computazionalideve ancora affrontare molte sfide, come la grande quantità di calcoli, gli elevati requisiti di potenza di calcolo e le limitazioni di risoluzione e dimensione dei modulatori di luce spaziale.
La generazione ad alta precisione diologrammi computazionalidipende dagli algoritmi di ottimizzazione. Poiché l'ottimizzazione dell'ologramma è essenzialmente un problema inverso mal condizionato, di solito viene risolto con l'aiuto di algoritmi di ottimizzazione non convessi. La selezione e l'impostazione dei parametri dell'algoritmo di ottimizzazione influenzeranno direttamente la qualità e l'efficienza computazionale della generazione dell'ologramma.
I quadri di ottimizzazione comuni includono il metodo di proiezione alternativo e il metodo di discesa del gradiente. Il metodo di proiezione alternativa trova la soluzione ottimale che soddisfa i vincoli di due insiemi chiusi mediante proiezione alternata tra due insiemi chiusi. Il metodo della discesa del gradiente determina la direzione del declino della funzione di perdita attraverso il calcolo del gradiente, in modo da trovare la soluzione ottimale che soddisfi le condizioni di vincolo.
Modulatore spaziale della luce
Il modulatore di luce spaziale è un dispositivo chiaveolografia computazionale, che può convertire gli ologrammi digitalizzati in modulazione del campo luminoso. Attualmente, la maggior parte dei sistemi olografici computazionali si basa su dispositivi di proiezione come SLM o Digital Micromirror Device (DMD). Tuttavia, questi dispositivi presentano limitazioni intrinseche nelle prestazioni di visualizzazione, come un angolo di campo visivo troppo piccolo e una diffrazione multiordine.
Per affrontare questi problemi, i ricercatori stanno esplorando l’olografia basata sulla metasuperficie. La metasuperficie può introdurre mutazioni nelle proprietà di base dell'onda elettromagnetica, come ampiezza e fase, e ottenere molti effetti di modulazione difficili da ottenere nei dispositivi di modulazione tradizionali. L'olografia basata sulla metasuperficie ha fatto grandi progressi nell'ampio campo visivo, nell'imaging senza colori, nella visualizzazione a colori, nell'espansione della capacità di informazione, nel multiplexing multidimensionale e così via.
Display olografico dinamico
La visualizzazione olografica dinamica è un importante campo di applicazione diolografia computazionale. Il tradizionale sistema di visualizzazione olografica presenta spesso i problemi di grandi calcoli e di un basso frame rate di visualizzazione, che ne limitano l'applicazione nella visualizzazione avanzata come l'interazione avanzata uomo-computer. Per realizzare una visualizzazione olografica dinamica con elevata fluidità, i ricercatori stanno esplorando l'efficienzaologramma computazionalemetodi di generazione e tecniche di visualizzazione.
Ad esempio, un team del Centro nazionale di ricerca per l’optoelettronica di Wuhan presso l’Università della scienza e della tecnologia di Huazhong ha proposto una tecnologia di olografia dinamica della metasuperficie interbit (Bit-MH) con elevati frame rate computazionali e di visualizzazione. La tecnica raggiunge un efficiente aggiornamento dinamico e un'interazione in tempo reale dividendo la funzione di visualizzazione della metasuperficie in diverse regioni spaziali (ovvero canali spaziali) e proiettando un modello sub-olografico ricostruito in ciascun canale.
L'olografia computazionale ha un'ampia prospettiva di applicazione nel campo della visualizzazione 3D. Con gli ologrammi generati dal computer, è possibile ottenere una modulazione del fronte d'onda ad alta precisione per generare scene tridimensionali con un senso di profondità continuo. Questa tecnologia può essere utilizzata non solo nel campo dell'intrattenimento e dei giochi, ma anche nell'istruzione, nella formazione, nella medicina e in altri campi per fornire un'esperienza visiva tridimensionale più realistica e intuitiva.
Archiviazione ed elaborazione ottica delle informazioni
Olografia computazionalepuò essere utilizzato anche per l'archiviazione e l'elaborazione ottica delle informazioni. Generando ologrammi digitali, le informazioni possono essere archiviate nel supporto sotto forma di campo luminoso per ottenere un'archiviazione e una lettura delle informazioni ad alta densità e ad alta velocità. Inoltre,olografia computazionalepuò essere utilizzato anche in campi come la crittografia ottica e l'anticontraffazione per migliorare la sicurezza e l'affidabilità delle informazioni.
Realtà aumentata e realtà virtuale
Olografia computazionaleha anche potenziali applicazioni nel campo della realtà aumentata (AR) e della realtà virtuale (VR). Generando immagini olografiche tridimensionali realistiche, è possibile ottenere interazioni naturali ed esperienze immersive nei sistemi AR e VR. Ad esempio, nei sistemi AR,olografia computazionalela tecnologia consente agli utenti di concentrarsi in modo naturale sul contenuto visualizzato a più profondità del piano, risolvendo il problema di regolazione del conflitto di convergenza visiva (VAC) e migliorando il comfort dell'utente.
Lavorazione laser e progettazione di metasuperfici
Olografia computazionalepuò essere utilizzato anche in campi come la lavorazione laser e la progettazione di metasuperfici. Generando ologrammi ad alta precisione, è possibile ottenere un controllo preciso del raggio laser e ottenere un'elaborazione laser ad alta precisione e una produzione micro-nano. Inoltre,olografia computazionalepuò essere utilizzato anche per la progettazione e l'ottimizzazione di metasuperfici per ottenere effetti di modulazione delle onde elettromagnetiche più complessi ed efficienti.
Con il continuo sviluppo della tecnologia informatica e la continua innovazione dei dispositivi ottici,olografia computazionalela tecnologia fa costantemente nuovi progressi e scoperte. Tuttavia,olografia computazionaledeve ancora affrontare molte sfide e problemi, come grandi quantità di calcoli, elevati requisiti di potenza di calcolo, risoluzione e limitazione delle dimensioni del modulatore di luce spaziale. Per risolvere questi problemi, i ricercatori stanno esplorando nuovi algoritmi e tecniche, come metodi di generazione di ologrammi basati sul deep learning, olografia basata sulla metasuperficie, ecc.
In futuro,olografia computazionalesi prevede che la tecnologia verrà applicata e diffusa in più campi. Ad esempio, nel sistema di visualizzazione HUD del veicolo, la tecnologia olografica computazionale può realizzare una navigazione 3D e una visualizzazione delle informazioni più realistiche e intuitive; In campo medico, la tecnologia olografica computazionale può essere utilizzata in campi come la navigazione chirurgica e la telemedicina per migliorare il livello e l’efficienza medica.
In breve, l’olografia computazionale, in quanto tecnologia dal potenziale trasformativo, promuove costantemente lo sviluppo dell’ottica e della scienza dell’informazione. Con il continuo progresso della tecnologia e la continua espansione dei campi di applicazione, si prevede che l’olografia computazionale raggiunga scoperte e innovazioni in più campi, portando più comodità e sorprese all’umanità.
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