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Holografía generada por computadora

La holografía generada por computadora ( CGH ) es una técnica que utiliza algoritmos informáticos para generar hologramas . Consiste en generar patrones de interferencia holográ...

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La holografía generada por computadora ( CGH ) es una técnica que utiliza algoritmos informáticos para generar hologramas . Consiste en generar patrones de interferencia holográfica . Un holograma generado por computadora puede visualizarse en una pantalla holográfica dinámica o imprimirse en una máscara o película mediante litografía. [ 1 ] Cuando un holograma se imprime en una máscara o película, se ilumina con una fuente de luz coherente para mostrar las imágenes holográficas.

El término "holografía generada por computadora" se utiliza para designar toda la cadena de procesos de preparación sintética de frentes de onda de luz holográfica adecuados para la observación. [ 2 ] [ 3 ] Si los datos holográficos de objetos existentes se generan ópticamente, se registran y procesan digitalmente, y posteriormente se muestran, esto también se denomina CGH.

En comparación con los hologramas clásicos, los hologramas generados por ordenador tienen la ventaja de que los objetos que se desean mostrar no tienen por qué poseer ninguna realidad física, y pueden generarse de forma completamente sintética.

En definitiva, la holografía generada por ordenador podría ampliar todas las posibilidades de las imágenes generadas por ordenador actuales. Las pantallas holográficas podrían utilizarse para una amplia gama de aplicaciones, como el diseño asistido por ordenador (CAD), los videojuegos y el vídeo holográfico.

Descripción general

La holografía es una técnica inventada originalmente por el físico húngaro Dennis Gabor (1900-1979) para mejorar el poder de resolución de los microscopios electrónicos. Un objeto se ilumina con un haz de luz coherente (generalmente monocromático); la luz dispersa se hace interferir con un haz de referencia de la misma fuente, registrando el patrón de interferencia. La CGH, tal como se define en la introducción, tiene, en términos generales, tres tareas:

  1. Cálculo del frente de onda disperso virtual
  2. Codificación de los datos del frente de onda, preparándolos para su visualización.
  3. Reconstrucción : Consiste en modular el patrón de interferencia sobre un haz de luz coherente mediante medios tecnológicos, para transportarlo al usuario que observa el holograma.

Cabe señalar que no siempre está justificado establecer una distinción estricta entre estos pasos; sin embargo, estructurar la discusión de esta manera facilita el proceso.

Cálculo del frente de onda

Los hologramas generados por computadora ofrecen importantes ventajas sobre los hologramas ópticos, ya que no requieren un objeto real. Gracias a este avance, se esperaba una visualización tridimensional cuando se presentaron los primeros algoritmos en 1966. [ 4 ]

Desafortunadamente, los investigadores pronto se dieron cuenta de que hay límites inferiores y superiores notables en términos de velocidad computacional y calidad y fidelidad de imagen respectivamente. Los cálculos de frente de onda son computacionalmente muy intensivos; incluso con técnicas matemáticas modernas y equipos de computación de alta gama, el cálculo en tiempo real es complicado. Hay muchos métodos diferentes para calcular el patrón de interferencia para un CGH. En los siguientes 25 años, se propusieron muchos métodos para hologramas generados por computadora en los campos de información holográfica y reducción computacional, así como en técnicas computacionales y de cuantificación. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Los algoritmos se pueden categorizar en dos conceptos principales: hologramas de transformada de Fourier y hologramas de fuente puntual.

Uno de los métodos más comunes que se pueden utilizar para generar hologramas de fase únicamente es el algoritmo de Gerchberg-Saxton (GS) . [ 12 ] [ 13 ]

método de transformada de Fourier

En el primero, la transformada de Fourier se utiliza para simular la propagación de cada plano de profundidad del objeto al plano del holograma. El concepto de transformada de Fourier fue introducido por primera vez por Byron R. Brown y Adolf W. Lohmann [ 4 ] con el método de fase de desvío que conduce a hologramas orientados a celdas. Una técnica de codificación sugerida por Burch [ 14 ] reemplazó los hologramas orientados a celdas por hologramas puntuales y hizo que este tipo de hologramas generados por computadora fueran más atractivos. En un holograma de transformada de Fourier , la reconstrucción de la imagen ocurre en el campo lejano . Esto generalmente se logra utilizando las propiedades de transformada de Fourier de una lente positiva para la reconstrucción. Por lo tanto, hay dos pasos en este proceso: calcular el campo de luz en el plano del observador lejano y luego transformar este campo de Fourier de vuelta al plano de la lente. Estos hologramas se llaman hologramas basados ​​en Fourier. Los primeros CGH basados ​​en la transformada de Fourier solo podían reconstruir imágenes 2D. Brown y Lohmann [ 15 ] introdujeron una técnica para calcular hologramas generados por computadora de objetos 3D. El cálculo de la propagación de la luz desde objetos tridimensionales se realiza según la aproximación parabólica habitual de la integral de difracción de Fresnel-Kirchhoff. El frente de onda que se reconstruye mediante el holograma es, por lo tanto, la superposición de las transformadas de Fourier de cada plano del objeto en profundidad, modificada por un factor de fase cuadrático.

hologramas de fuente puntual

La segunda estrategia computacional se basa en el concepto de fuente puntual, donde el objeto se descompone en puntos autoluminosos. Se calcula un holograma elemental para cada fuente puntual y el holograma final se sintetiza superponiendo todos los hologramas elementales. Este concepto fue reportado por primera vez por Waters [ 16 ] , cuya principal suposición se originó con Rogers [ 17 ] , quien reconoció que una placa de zona de Fresnel podría considerarse un caso especial del holograma propuesto por Gabor. Sin embargo, dado que la mayoría de los puntos del objeto no eran cero, la complejidad computacional del concepto de fuente puntual era mucho mayor que la del concepto de transformada de Fourier. Algunos investigadores intentaron superar este inconveniente predefiniendo y almacenando todos los posibles hologramas elementales mediante técnicas especiales de almacenamiento de datos [ 18 ] debido a la enorme capacidad que se requiere en este caso, otros mediante el uso de hardware especial [ 19 ] .

En el concepto de fuente puntual, el principal problema es el equilibrio entre la capacidad de almacenamiento de datos y la velocidad de cálculo. En particular, los algoritmos que aumentan la velocidad de cálculo suelen tener requisitos de almacenamiento de datos mucho mayores [ 18 ], mientras que los algoritmos que reducen los requisitos de almacenamiento de datos tienen una alta complejidad computacional [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] (aunque son posibles algunas optimizaciones [ 23 ] ).

Otro concepto que da lugar a las CGH de fuente puntual es el método de trazado de rayos . El trazado de rayos es quizás el método más sencillo de visualización de la holografía generada por ordenador. Básicamente, se calcula la diferencia de longitud de trayectoria entre la distancia que deben recorrer un "haz de referencia" virtual y un "haz de objeto" virtual; esto proporciona la fase relativa del haz de objeto disperso.

En las últimas tres décadas, ambos conceptos han experimentado un progreso notable, mejorando la velocidad de cálculo y la calidad de imagen. Sin embargo, algunas limitaciones técnicas, como la capacidad de cálculo y almacenamiento, siguen afectando a la holografía digital, lo que hace que las aplicaciones en tiempo real sean prácticamente imposibles con el hardware informático estándar actual.

Holografía generada

Para la holografía generada, una vez que se conoce el aspecto del frente de onda dispersado del objeto o cómo se puede calcular, este debe fijarse en un modulador espacial de luz (SLM), término que se utiliza ampliamente para incluir no solo pantallas LCD o dispositivos similares, sino también películas y máscaras. Muchos tipos diferentes de SLM funcionarían para esta aplicación: moduladores de fase pura (que retardan la onda de iluminación), moduladores de amplitud pura (que bloquean la luz de iluminación), moduladores de polarización (que influyen en el estado de polarización de la luz) [ 24 ] y SLM con capacidad de modulación combinada de fase y amplitud. [ 25 ]

En el caso de la modulación de fase o amplitud pura, es evidente que las pérdidas de calidad son inevitables. Las primeras formas de hologramas de amplitud pura se imprimían simplemente en blanco y negro, lo que significaba que la amplitud debía codificarse con un solo bit de profundidad. [ 4 ] De manera similar, el kinoform es una codificación de fase pura inventada en IBM en los inicios de la CGH. [ 26 ]

Aunque una modulación de fase/amplitud completamente compleja sería ideal, normalmente se prefiere una solución de fase pura o de amplitud pura porque es mucho más fácil de implementar tecnológicamente. Sin embargo, para la creación de una distribución de luz compleja, la modulación simultánea de amplitud y fase es razonable. Hasta ahora se han implementado dos enfoques diferentes para la modulación de amplitud-fase. Uno se basa en la modulación solo de fase o solo de amplitud y el filtrado espacial consecutivo, [ 27 ] el otro se basa en hologramas de polarización con orientación variable y magnitud de birrefringencia local. [ 28 ] Los hologramas con una restricción, como solo de fase o solo de amplitud, se pueden calcular mediante algoritmos como el algoritmo de Gerchberg-Saxton o algoritmos de optimización más generales como la búsqueda directa, el recocido simulado [ 29 ] o el descenso de gradiente estocástico. [ 30 ]

Reconstrucción

Los hologramas generados deben garantizar una reconstrucción precisa del frente de onda, lo que puede ser un desafío. Como se mencionó anteriormente, la mayoría de las técnicas se basan en la fase o la amplitud, lo que implica un sacrificio necesario en la calidad. Además, se pueden imprimir máscaras, lo que a menudo resulta en una estructura de patrón granulada, ya que la mayoría de las impresoras holográficas solo pueden imprimir puntos. Las películas se pueden revelar mediante exposición láser , lo que les brinda más flexibilidad que las máscaras, pero hace que el proceso sea más complejo. Las pantallas holográficas son actualmente un desafío ( a partir de 2025).), aunque se han construido prototipos exitosos. Una pantalla ideal para hologramas generados por computadora consistiría en píxeles más pequeños que una longitud de onda de luz con fase y brillo ajustables. Dichas pantallas pertenecen a la categoría de óptica de matriz de fase . [ 31 ] Se requiere un mayor progreso en nanotecnología para construirlas.

Aplicaciones

Actualmente, varias empresas y departamentos universitarios están investigando en el campo de los dispositivos CGH:

  • VividQ [ 32 ] proporciona software para dispositivos CGH en tiempo real, lo que permite la generación de imágenes con más de 200 capas de profundidad utilizando potencia de cálculo estándar.
  • El MIT Media Lab [ 33 ] ha desarrollado la pantalla CGH "Holovideo".
  • SeeReal Technologies ha creado un prototipo de pantalla CGH.
  • Cortical Cafe CGH Kit [ 34 ] es un sitio web para aficionados relacionado con CGH que incluye instrucciones, código fuente y una aplicación web para la creación de CGH.

En óptica electrónica

Recientemente, la holografía generada por computadora ha ampliado su uso más allá de la óptica de la luz, aplicándose a la generación de funciones de onda electrónicas estructuradas con un perfil de amplitud y fase deseado. Los hologramas generados por computadora se diseñan mediante la interferencia de una onda objetivo con una onda de referencia, que podría ser, por ejemplo, una onda plana ligeramente inclinada en una dirección. Los elementos ópticos difractivos holográficos utilizados suelen estar construidos con membranas delgadas de materiales como el nitruro de silicio.

Referencias

  1. ↑ Sahin, Erdem; Stoykova, Elena; Mäkinen, Jani; Gotchev, Atanas (2020-03-20). "Hologramas generados por computadora para imágenes 3D: una revisión" (PDF) . ACM Computing Surveys . 53 (2): 32:1–32:35. doi : 10.1145/3378444 . ISSN 0360-0300 . S2CID 215854874 .  
  2. ↑ Ch. Slinger; C. Cameron; M. Stanley (agosto de 2005), "Holografía generada por computadora como tecnología de visualización genérica", Computer , 38 (8): 46–53 , doi : 10.1109/mc.2005.260 , S2CID 7394380 
  3. ↑ Yaraş, Fahri; Kang, Hoonjong; Onural, Levent (29 de septiembre de 2009). "Sistema de visualización de vídeo holográfico en color solo de fase en tiempo real que utiliza iluminación LED". Applied Optics . 48 (34): H48-53. Bibcode : 2009ApOpt..48H..48Y . doi : 10.1364/AO.48.000H48 . hdl : 11693/22545 . PMID 19956301 . S2CID 5890199 .  
  4. 1 2 3 Brown, Byron R.; Lohmann, Adolf W. (1966). "Filtrado espacial complejo con máscaras binarias". Applied Optics . 5 (6): 967– 9. Bibcode : 1966ApOpt...5..967B . doi : 10.1364/AO.5.000967 . PMID 20048989 . 
  5. ↑ LB Lesem; PM Hirsch y JA Jordan (1968). "Síntesis por computadora de hologramas para visualización 3D" . Communications of the ACM . 11 (10): 661– 674. doi : 10.1145/364096.364111 . S2CID 18707299 . 
  6. ↑ LB Lesem; PM Hirsch y JA Jordan (1969). "The Kinoform: A New Wavefront Reconstruction Device" (PDF) . IBM Journal of Research and Development . 13 (2): 150– 155. doi : 10.1147/rd.132.0150 .
  7. ↑ WH Lee (1970). " Holograma de transformada de Fourier muestreado generado por computadora". Appl. Opt . 9 (3): 639– 643. doi : 10.1364/AO.9.000639 . PMID 20076253. S2CID 15902468 .  
  8. ↑ D. Leseberg y O. Bryngdahl (1984). "Hologramas arcoíris generados por computadora". Appl. Opt . 23 (14): 2441– 2447. Bibcode : 1984ApOpt..23.2441L . doi : 10.1364/AO.23.002441 . PMID 18213016 . 
  9. ↑ F. Wyrowski; R. Hauck y O. Bryngdahl (1987). "Holografía generada por computadora: repetición de hologramas y manipulación de fase". J. Opt. Soc. Am. A. 4 ( 4): 694– 698. Bibcode : 1987JOSAA...4..694W . doi : 10.1364/JOSAA.4.000694 .
  10. ↑ D. Leseberg y C. Frère (1988). "Hologramas generados por computadora de objetos 3D compuestos de segmentos planos inclinados". Appl. Opt . 27 (14): 3020–3024 . Bibcode : 1988ApOpt..27.3020L . doi : 10.1364/AO.27.003020 . PMID 20531880 . 
  11. ↑ Clark, Matthew (1 de septiembre de 1999). "Imágenes bidimensionales, tridimensionales y en escala de grises reconstruidas a partir de hologramas generados por computadora diseñados mediante un método de búsqueda directa". Applied Optics . 38 (25): 5331– 5337. Bibcode : 1999ApOpt..38.5331C . doi : 10.1364/ao.38.005331 . PMID 18324035 . 
  12. ↑ Memmolo, Pasquale; Miccio, Lisa; Merola, Francesco; Paciello, Antonio; Embrione, Valerio; Fusco, Sábato; Ferraro, Pietro; Antonio Netti, Paolo (1 de enero de 2014). "Investigación sobre soluciones específicas del algoritmo de Gerchberg-Saxton" . Óptica y Láseres en Ingeniería . 52 : 206– 211. Bibcode : 2014OptLE..52..206M . doi : 10.1016/j.optlaseng.2013.06.008 . ISSN 0143-8166 . 
  13. ↑ Liu, Shujian; Takaki, Yasuhiro (enero de 2020). "Optimización de hologramas generados por computadora de solo fase basada en el método de descenso de gradiente" . Applied Sciences . 10 (12): 4283. doi : 10.3390/app10124283 . ISSN 2076-3417 . 
  14. ↑ JJ Burch (1967). "Un algoritmo informático para la síntesis de filtros de frecuencia espacial". Actas del IEEE . 55 (4): 599– 601. doi : 10.1109/PROC.1967.5620 .
  15. ↑ BR Brown y AW Lohmann (1969). "Hologramas binarios generados por computadora" (PDF) . IBM Journal of Research and Development . 13 (2): 160– 168. doi : 10.1147/rd.132.0160 . Archivado del original (PDF) el 24 de febrero de 2012. Consultado el 17 de junio de 2009 .
  16. ↑ JPWaters (1968). "Síntesis de imágenes holográficas utilizando métodos teóricos" . Appl. Phys. Lett . 9 (11): 405– 407. doi : 10.1063/1.1754630 .
  17. ↑ GL Rogers (1950). "Microscopía de difracción de Gabor: el holograma como placa de zona generalizada" . Nature . 166 (4214): 237. Bibcode : 1950Natur.166..237R . doi : 10.1038/166237a0 . PMID 15439257 . 
  18. 1 2 M. Lucente (1993). "Cálculo interactivo de hologramas mediante una tabla de consulta". Journal of Electronic Imaging . 2 : 28–34 . Bibcode : 1993JEI.....2...28L . CiteSeerX 10.1.1.51.4513 . doi : 10.1117/12.133376 . 
  19. ↑ T. Ito; K. Yoshida; S. Takahashi; T. Yabe; et al. (1996). "Computadora de propósito especial para holografía HORN-2". Comput. Phys. Commun . 93 (1): 13– 20. Bibcode : 1996CoPhC..93...13I . doi : 10.1016/0010-4655(95)00125-5 . 
  20. ↑ H. Yang; ES Kim (1996). "Algoritmo basado en la descomposición de la forma de onda para hologramas generados por computadora con visualización de paralaje horizontal únicamente". Opt. Lett . 21 (7): 510– 512. Bibcode : 1996OptL...21..510Y . doi : 10.1364/OL.21.000510 . PMID 19865455 . 
  21. ↑ JL Juárez-Peréz; A. Olivares-Peréz y LR Berriel-Valdos (1997). "Cálculos no redundantes para la creación de hologramas de Fresnel". Appl. Opt . 36 (29): 7437–7443 . doi : 10.1364/AO.36.007437 . PMID 18264254 . 
  22. ↑ H. Yoshikawa; S. Iwase y T. Oneda (2001). "Cálculo rápido de hologramas de Fresnel empleando la diferencia" . Optical Review . 8 (5): 331– 335. Bibcode : 2001OptRv...8..331Y . doi : 10.1007/s10043-001-0331-y .
  23. ↑ AD Stein; Z. Wang; JS Leigh, Jr. (1992). "Hologramas generados por computadora: un enfoque simplificado de trazado de rayos" . Computers in Physics . 6 (4): 389– 393. Bibcode : 1992ComPh...6..389S . doi : 10.1063/1.168429 . Archivado del original el 1 de febrero de 2010. Consultado el 14 de septiembre de 2010 .
  24. ↑ M. Nakajima; H. Komatsu; Y. Mitsuhashi; T. Morikawa (1976). "Hologramas de polarización generados por computadora: registro de fase mediante efecto de polarización en materiales fotodicróicos". Appl. Opt . 15 (4): 1030– 1033. Bibcode : 1976ApOpt..15.1030N . doi : 10.1364/ao.15.001030 . PMID 20165114 . 
  25. ↑ W. Lauterborn; T. Kurz (2002). Óptica coherente (2.ª ed.). Springer. ISBN  978-3-540-43933-2.
  26. ↑ LB Lesem; PM Hirsch; JA Jordan, Jr. (1969). "El Kinoform: un nuevo dispositivo de reconstrucción de frentes de onda" . IBM Journal of Research and Development . 13 (2): 150– 155. doi : 10.1147/rd.132.0150 .
  27. ↑ V. Arrizon; G. Mendez; D. Sanchez-de-La-Llave (2005). "Codificación precisa de campos complejos arbitrarios con moduladores espaciales de luz de cristal líquido de amplitud únicamente" . Opt. Express . 13 (20): 7913– 7927. Bibcode : 2005OExpr..13.7913A . doi : 10.1364/opex.13.007913 . PMID 19498821 . 
  28. ↑ M. Fratz; P. Fischer; DM Giel (2009). "Control completo de fase y amplitud en holografía generada por computadora" . Opt . Lett . 34 (23): 3659– 3661. Bibcode : 2009OptL...34.3659F . doi : 10.1364/ol.34.003659 . PMID 19953153. S2CID 5726900 .  
  29. ↑ PJ Christopher; A. Kadis; GSD Gordon; TD Wilkinson (2022). "HoloGen: Una caja de herramientas de código abierto para la generación de hologramas de alta velocidad". Computer Physics Communications . 270 108139. arXiv : 2008.12214 . Bibcode : 2022CoPhC.27008139C . doi : 10.1016/j.cpc.2021.108139 . ISSN 0010-4655 . S2CID 221340546 .  
  30. ↑ GSD Gordon (21/04/2020), gsdgordon/hologramGenerationTensorflow , consultado el 20/01/2024
  31. ↑ Wowk B (1996). "Óptica de matriz en fase" . En BC Crandall (ed.). Especulaciones moleculares sobre la abundancia global . MIT Press . págs. 147–160 . ISBN  978-0-262-03237-7. Consultado el 18 de febrero de 2007 .
  32. ↑ "VividQ Home" . vivid-q.com .
  33. ↑ "La página de Holovideo de Mark Lucente" . mit.edu .
  34. ↑ "Software de escritorio gratuito CorticalCafe" . corticalcafe.com .
  • Ekberg M., Larsson M., Hård S. (1990). "Hologramas de fase multinivel fabricados mediante litografía por haz de electrones". Opt. Lett. (OSA) 15 (10): 568-569. 0146-9592/90/100568-02$2.00/0