La holografía generada por computadora ( CGH ) es el método de generar patrones de interferencia holográfica digitalmente . Se puede generar una imagen holográfica, por ejemplo, calculando digitalmente un patrón de interferencia holográfica e imprimiéndolo en una máscara o película para la iluminación posterior mediante una fuente de luz coherente adecuada.
Alternativamente, la imagen holográfica puede cobrar vida mediante una pantalla holográfica 3D (una pantalla que funciona sobre la base de la interferencia de luz coherente), evitando la necesidad de tener que fabricar una "copia impresa" del patrón de interferencia holográfica cada vez. En consecuencia, en los últimos tiempos el término "holografía generada por ordenador" se está utilizando cada vez más para denotar toda la cadena del proceso de preparación sintética de frentes de onda de luz holográfica adecuados para la observación. [1] [2]
Los hologramas generados por computadora tienen la ventaja de que los objetos que se quieren mostrar no tienen que poseer ninguna realidad física en absoluto (generación de hologramas completamente sintéticos). Por otro lado, si los datos holográficos de objetos existentes se generan ópticamente, pero se registran y procesan digitalmente y se muestran posteriormente, esto también se denomina CGH. En última instancia, la holografía generada por computadora podría cumplir todos los roles de las imágenes generadas por computadora actuales: pantallas de computadora holográficas para una amplia gama de aplicaciones, desde CAD hasta juegos, programas de televisión y video holográficos, aplicaciones de comunicación y automotrices (pantallas de teléfonos celulares) y muchas más .
Descripción general
La holografía es una técnica originalmente inventada 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 interfiere con un haz de referencia de la misma fuente, registrando el patrón de interferencia. CGH, tal como se define en la introducción, tiene en general tres tareas:
- Cálculo del frente de onda virtual disperso
- Codificar los datos del frente de onda, prepararlos para su visualización
- Reconstrucción : Modular el patrón de interferencia sobre un haz de luz coherente por medios tecnológicos, para transportarlo al usuario que observa el holograma.
Tenga en cuenta que no siempre está justificado hacer una distinción estricta entre estos pasos; sin embargo, ayuda a estructurar la discusión de esta manera.
Cálculo de frente de onda
Los hologramas generados por computadora ofrecen importantes ventajas sobre los hologramas ópticos, ya que no hay necesidad de un objeto real. Debido a este avance, se esperaba una visualización tridimensional cuando se informaron los primeros algoritmos en 1966. [3]
Desafortunadamente, los investigadores pronto se dieron cuenta de que hay límites superiores e inferiores notables en términos de velocidad computacional y calidad y fidelidad de la imagen, respectivamente. Los cálculos de frente de onda son computacionalmente muy intensivos; Incluso con técnicas matemáticas modernas y equipos informáticos de alta gama, la computación en tiempo real es complicada. Existen muchos métodos diferentes para calcular el patrón de interferencia para un CGH. En los siguientes 25 años se propusieron muchos métodos para CGHs [4] [5] [6] [7] [8] [9] en los campos de información holográfica y reducción computacional, así como en técnicas computacionales y de cuantificación. En el campo de las técnicas computacionales, los algoritmos reportados se pueden categorizar en dos conceptos principales.
Método de la transformada de Fourier
En el primero, se utiliza la transformación de Fourier para simular la propagación de cada plano de profundidad del objeto al plano del holograma. El concepto de transformación de Fourier fue introducido por primera vez por Brown y Lohmann [3] con el método de la fase de desvío que conduce a hologramas orientados a células. Una técnica de codificación sugerida por Burch [10] reemplazó los hologramas orientados a células por hologramas puntuales e hizo que este tipo de hologramas generados por computadora fueran más atractivos. En un holograma de la Transformada de Fourier, la reconstrucción de la imagen ocurre en el campo lejano . Esto generalmente se logra mediante el uso de las propiedades de transformación de Fourier de una lente positiva para la reconstrucción. Entonces, hay dos pasos en este proceso: calcular el campo de luz en el plano del observador lejano, y luego Fourier transforma este campo de nuevo en el plano de la lente. Estos hologramas se denominan hologramas basados en Fourier. Los primeros CGH basados en la transformada de Fourier podían reconstruir solo imágenes 2D. Brown y Lohmann [11] introdujeron una técnica para calcular hologramas de objetos 3D generados por computadora. El cálculo de la propagación de la luz de los objetos tridimensionales se realiza de acuerdo con la aproximación parabólica habitual a la integral de difracción de Fresnel-Kirchhoff. El frente de onda a reconstruir por el holograma es, por tanto, la superposición de las transformadas de Fourier de cada plano del objeto en profundidad, modificado 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 auto-luminosos. Se calcula un holograma elemental para cada fuente puntual y el holograma final se sintetiza superponiendo todos los hologramas elementales. Este concepto ha sido informado por primera vez por Waters [12], cuya principal suposición se originó con Rogers [13], quien reconoció que una placa de zona de Fresnel podría considerarse un caso especial del holograma propuesto por Gabor. Pero, en la medida en que la mayoría de los puntos del objeto eran distintos de cero, la complejidad computacional del concepto de fuente puntual era mucho mayor que en el concepto de transformación de Fourier. Algunos investigadores intentaron superar este inconveniente predefiniendo y almacenando todos los hologramas elementales posibles utilizando técnicas especiales de almacenamiento de datos [14] debido a la enorme capacidad que se necesita en este caso, otros utilizando hardware especial. [15]
En el concepto de fuente puntual, el principal problema que hay que sortear es el equilibrio entre la capacidad de almacenamiento de datos y la velocidad computacional. En particular, los algoritmos que aumentan la velocidad computacional generalmente necesitan capacidades de almacenamiento de datos muy altas, [14] mientras que por otro lado los algoritmos que reducen el requisito de almacenamiento de datos conducen a una alta complejidad computacional, [16] [17] [18] aunque algunas optimizaciones podría lograrse. [19]
Otro concepto que conduce a CGH de fuente puntual es el método de trazado de rayos . El trazado de rayos es quizás el método más simple de visualización de la holografía generada por computadora. Esencialmente, 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 dará la fase relativa del haz del objeto disperso.
Durante las últimas tres décadas, ambos conceptos han logrado un progreso notable mejorando la velocidad computacional y la calidad de la imagen. Sin embargo, algunas limitaciones técnicas, como la capacidad de almacenamiento y computación, siguen siendo una carga para la holografía digital, lo que hace que las posibles aplicaciones en tiempo real con el hardware informático estándar actual sean casi imposibles.
Codificación de patrones de interferencia
Una vez que se sabe cómo se ve el frente de onda disperso del objeto o cómo se puede calcular, debe fijarse en un modulador de luz espacial (SLM), abusando de este término para incluir no solo pantallas LCD o dispositivos similares, sino también películas y máscaras. Básicamente, hay diferentes tipos de SLM disponibles: moduladores de fase pura (retardando la onda de iluminación), moduladores de amplitud pura (bloqueando la luz de iluminación), moduladores de polarización (que influyen en el estado de polarización de la luz) [20] y SLM que tienen la capacidad de modulación combinada de fase / amplitud. [21]
En el caso de modulación de amplitud o fase pura, es evidente que las pérdidas de calidad son inevitables. Las primeras formas de hologramas de amplitud pura se imprimieron simplemente en blanco y negro, lo que significa que la amplitud tenía que codificarse con un solo bit de profundidad. [3] De manera similar, la quinoforma es una codificación de fase pura inventada en IBM en los primeros días de CGH. [22]
Incluso si una modulación de fase / amplitud completamente compleja fuera ideal, normalmente se prefiere una solución de fase pura o amplitud pura porque es mucho más fácil de implementar tecnológicamente. Sin embargo, para la creación de una distribución de luz complicada es razonable la modulación simultánea de amplitud y fase. Hasta ahora se han implementado dos enfoques diferentes para la modulación de fase de amplitud. Uno se basa en modulación de solo fase o amplitud y filtrado espacial consecutivo, [23] el otro se basa en hologramas de polarización con orientación variable y magnitud de birrefringencia local. [24]
Reconstrucción
El tercer problema (técnico) es la modulación del haz y la reconstrucción real del frente de onda. Se pueden imprimir máscaras, lo que a menudo da como resultado una estructura de patrón granulado, ya que la mayoría de las impresoras solo pueden hacer puntos (aunque muy pequeños). Las películas pueden desarrollarse mediante exposición láser . Las exhibiciones holográficas son actualmente un desafío (a partir de 2008[actualizar]), 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. Estas pantallas se han denominado ópticas de matriz en fase . [25] Se requieren más avances en nanotecnología para construirlos.
Aplicaciones
Actualmente, varias empresas y departamentos universitarios están investigando en el campo de los dispositivos CGH:
- VividQ [26] 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.
- MIT Media Lab [27] ha desarrollado la pantalla CGH "Holovideo"
- SeeReal Technologies ha creado un prototipo de una pantalla CGH
- Cortical Cafe CGH Kit [28] es un sitio de aficionados relacionado con CGH con instrucciones, código fuente y una aplicación web para la creación de CGH.
En óptica electrónica
Recientemente, la holografía generada por computadora se ha extendido en su uso más allá de la óptica de la luz y se ha aplicado para generar funciones de onda de electrones estructurados con una amplitud y un perfil de fase deseados. Los hologramas generados por ordenador 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 normalmente se construyen a partir de membranas delgadas de materiales como el nitruro de silicio.
Referencias
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