컴퓨터 생성 홀로그래피

Computer-generated holography

CGH(Computer-generated Holography)는 홀로그램 간섭 패턴을 디지털로 생성하는 방법입니다.예를 들어 홀로그래픽 간섭 패턴을 디지털 연산하여 적절한 간섭성 광원에 의한 후속 조명용 마스크 또는 필름에 인쇄함으로써 홀로그래픽 화상을 생성할 수 있다.

또는 홀로그래픽 간섭 패턴의 '하드카피'를 매번 제작할 필요가 없는 홀로그래픽 3D 디스플레이(코히런트 빛의 간섭에 근거해 동작하는 디스플레이)에 의해 홀로그래픽 화상을 되살릴 수 있다.이에 따라 최근에는 관찰에 [1][2]적합한 홀로그래픽 광전파를 합성적으로 제조하는 프로세스 체인 전체를 나타내는 '컴퓨터 생성 홀로그래피'라는 용어가 점점 더 많이 사용되고 있다.

컴퓨터로 만든 홀로그램은 보여주고 싶은 물체가 물리적인 현실을 전혀 가질 필요가 없다는 장점이 있다(완전 합성 홀로그램 생성).한편 기존 물체의 홀로그래픽 데이터를 광학적으로 생성해 디지털로 기록·처리해 나중에 표시하면 이를 CGH라고도 한다.궁극적으로, 컴퓨터 생성 홀로그래피는 현재 컴퓨터 생성 이미지의 모든 역할을 수행할 수 있습니다. CAD에서 게임, 홀로그래픽 비디오 및 TV 프로그램, 자동차 및 통신 애플리케이션(휴대폰 디스플레이) 및 기타 다양한 애플리케이션을 위한 홀로그래픽 컴퓨터 디스플레이입니다.

개요

홀로그래피는 원래 헝가리 물리학자 데니스 가보르(1900~1979)가 전자현미경의 분해능을 향상시키기 위해 고안한 기술이다.물체는 간섭성(통상 단색) 광선으로 조명되며, 산란된 빛은 같은 소스의 기준 광선과 간섭되어 간섭 패턴을 기록한다.처음에 정의된 CGH에는 대략 다음 3가지 작업이 있습니다.

  1. 가상 산란 파면 계산
  2. 파면 데이터 인코딩 및 표시 준비
  3. 재구축:간섭 패턴을 기술적 수단으로 간섭광 빔에 변조하여 홀로그램을 관찰하는 사용자에게 전송합니다.

이러한 단계를 엄격하게 구별하는 것이 항상 정당하다고는 할 수 없지만, 이러한 방식으로 구성하는 것이 논의에 도움이 됩니다.

파면 계산

컴퓨터로 생성된 홀로그램은 실제 물체가 필요하지 않기 때문에 광학 홀로그램에 비해 중요한 이점을 제공한다.이러한 돌파구 때문에 1966년에 [3]첫 번째 알고리즘이 보고되었을 때 3차원 디스플레이가 기대되었다.

불행히도, 연구자들은 곧 계산 속도와 영상 품질, 충실도에 있어 각각 눈에 띄는 하한과 상한이 있다는 것을 깨달았다.Wavefront 계산은 매우 계산 부하가 높습니다.현대적인 수학적 기술과 하이엔드 컴퓨팅 기기를 사용하더라도 실시간 계산은 까다롭습니다.CGH의 간섭 패턴을 계산하는 방법은 여러 가지가 있습니다.이후 25년 동안 CGH에[4][5][6][7][8][9][10] 대한 많은 방법이 홀로그램 정보 및 계산 감소 분야뿐만 아니라 계산 및 양자화 기술 분야에서 제안되었다.계산 기술 분야에서 보고된 알고리즘은 두 가지 주요 개념으로 분류할 수 있다.

푸리에 변환법

첫 번째 방법에서는 푸리에 변환이 홀로그램 평면에 대한 물체의 깊이 각 평면의 전파를 시뮬레이션하기 위해 사용된다.푸리에 변환 개념은 브라운과 로만에[3] 의해 세포 지향 홀로그램으로 이어지는 우회 위상 방법으로 처음 도입되었다.버치가[11] 제안한 코딩 기술은 셀 지향 홀로그램을 포인트 홀로그램으로 대체하여 이러한 종류의 컴퓨터가 생성하는 홀로그램을 더욱 매력적으로 만들었다.푸리에 변환 홀로그램에서 영상의 재구성은 먼 필드에서 발생합니다.이것은 보통 재구성을 위해 양의 렌즈의 푸리에 변환 특성을 사용하여 달성됩니다.이 과정에는 두 가지 단계가 있습니다원격 관찰자 평면에서 광장을 계산하고 이 필드를 렌즈 평면으로 변환하는 푸리에입니다이 홀로그램들은 푸리에 기반 홀로그램이라고 불린다.푸리에 변환에 기반한 첫 번째 CGH는 2D 영상만 재구성할 수 있습니다.브라운과 로만은[12] 3D 물체의 컴퓨터 생성 홀로그램을 계산하는 기술을 도입했다.3차원 물체로부터의 광전파의 계산은 플레넬-키르호프 회절 적분에 대한 통상적인 포물선 근사에 따라 이루어진다.따라서 홀로그램에 의해 재구성되는 파면은 깊이 있는 각 물체 평면의 푸리에 변환의 중첩이며, 2차 위상 인자에 의해 수정된다.

포인트 소스 홀로그램

PS CGH.gif

두 번째 계산 전략은 객체가 자체 발광 포인트로 분해되는 포인트 소스 개념을 기반으로 합니다.점원별로 소홀로그램을 산출하고, 모든 소홀로그램을 겹쳐서 최종 홀로그램을 합성한다.이 개념은 Gabor가 제안한 홀로그램의 특별한 케이스로 여겨질 수 있다는 것을 인지한 Rogers가 주요[14] 가정을 시작한 Waters에 의해[13] 처음 보고되었습니다.그러나 대부분의 객체 포인트가 0이 아닌 한, 포인트 소스 개념의 계산 복잡도는 푸리에 변환 개념보다 훨씬 높았다.일부 연구진은 이 경우 필요한 용량이 크기 때문에 가능한 모든 소자 홀로그램을 특별한 데이터 저장 기술로[15] 미리 정의해 저장함으로써 이러한 단점을 극복하려고 노력했고, 다른 연구진은 특별한 하드웨어를 [16]사용했다.

포인트 소스 개념에서 회피해야 할 주요 문제는 데이터 스토리지 용량과 연산 속도 간의 균형입니다.특히 연산 속도를 높이는 알고리즘은 일반적으로 매우 높은 데이터 스토리지 용량을 [15]필요로 하지만, 데이터 스토리지 요구사항을 낮추는 알고리즘은 일부 최적화를 [20]달성할 수 있지만 계산 복잡성이 [17][18][19]높아집니다.

포인트 소스 CGH로 이어지는 또 다른 개념은 광선 추적 방법입니다.광선 추적은 아마도 시각화하는 컴퓨터 생성 홀로그래피의 가장 간단한 방법일 것이다.기본적으로 가상 "기준 빔"과 가상 "물체 빔"이 이동해야 하는 거리 사이의 경로 길이 차이가 계산됩니다. 그러면 산란 물체 빔의 상대 위상이 계산됩니다.

지난 30년 동안 두 개념 모두 계산 속도와 화질을 향상시키는 놀라운 발전을 이루었습니다.그러나 계산 및 저장 용량과 같은 일부 기술적 제약은 여전히 디지털 홀로그램에 부담을 주기 때문에 현재의 표준 컴퓨터 하드웨어로는 잠재적인 실시간 애플리케이션을 거의 불가능하게 만듭니다.

간섭 패턴 부호화

물체의 산란파 전면이 어떻게 생겼는지 또는 어떻게 계산될 수 있는지 알게 되면, 이 용어를 공간광변조기(SLM)에 고정해야 하며, LCD 디스플레이 또는 유사한 장치뿐만 아니라 필름과 마스크도 포함하도록 이 용어를 남용해야 합니다.기본적으로 사용할 수 있는 SLM에는 여러 종류가 있습니다.복합 위상/[22]진폭 변조 기능을 가진 순수 위상 변조기(조명파 후퇴), 순수 진폭 변조기(조명광 차단), 편광 변조기(광의 [21]편광 상태에 영향을 주는) 및 SLM.

순수 위상 또는 진폭 변조의 경우 명백한 품질 손실은 피할 수 없습니다.초기 형태의 순수 진폭 홀로그램은 흑백으로 간단히 인쇄되었으며, 이는 진폭이 오직 [3]1비트 깊이로만 부호화되어야 한다는 것을 의미한다.마찬가지로 kinoform은 CGH [23]초기 IBM에서 개발된 순수 위상 부호화입니다.

완전히 복잡한 위상/진폭 변조가 이상적이라고 해도 기술적으로 구현이 훨씬 쉽기 때문에 순수 위상 또는 순수 진폭 솔루션이 일반적으로 선호됩니다.단, 복잡한 배광의 생성에는 진폭과 위상의 동시변조가 합리적이다.지금까지 진폭 위상 변조를 위한 두 가지 다른 접근방식이 구현되었다.하나는 위상만 또는 진폭만 변조하고 연속된 [24]공간 필터링을 기반으로 하며, 다른 하나는 국소 [25]복굴절률의 가변 방향과 크기를 가진 편광 홀로그램에 기반합니다.위상 전용 또는 진폭 전용과 같은 제약 조건이 있는 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘 또는 예를[27] 들어 TensorFlow를 사용하여 직접 검색, 시뮬레이션 어닐링 또는 확률적 경사 강하와 같은 보다 일반적인 최적화 알고리즘을 통해 계산될 수 있다.

재구축

세 번째(기술적) 문제는 빔 변조와 실제 파면 재구성입니다.대부분의 프린터는 매우 작은 도트만을 만들 수 있기 때문에, 마스크가 인쇄되어, 패턴 구조가 세밀해지는 일이 있습니다.필름은 레이저 노출에 의해 현상될 수 있습니다.홀로그래픽 디스플레이는 성공적인 프로토타입이 만들어졌지만, 현재(2008년 기준) 도전 과제입니다.컴퓨터 생성 홀로그램의 이상적인 디스플레이는 위상 및 밝기를 조절할 수 있는 빛의 파장보다 작은 픽셀로 구성됩니다.이러한 디스플레이를 단계별 어레이 [28]광학이라고 부릅니다.그것들을 만들기 위해서는 나노기술의 추가 발전이 필요하다.

적용들

현재 여러 회사와 대학 부서가 CGH 디바이스 분야에 대해 연구하고 있습니다.

  • VividQ는[29] 실시간 CGH 디바이스용 소프트웨어를 제공하여 표준 컴퓨팅 파워를 사용하여 200개 이상의 깊이 레이어로 이미지를 생성할 수 있습니다.
  • MIT Media[30] Lab은 Holovideo CGH 디스플레이를 개발했습니다.
  • SeeReal Technologies는 CGH 디스플레이를 프로토타입으로 제작했습니다.
  • Cortical Cafe CGH[31] Kit는 CGH 관련 취미 사이트입니다.설명서, 소스 코드 및 CGH 작성용 웹 응용 프로그램이 포함되어 있습니다.

전자광학에서

최근 컴퓨터 생성 홀로그래피는 광광학을 넘어 사용이 확대되어 원하는 진폭과 위상 프로파일을 가진 구조화된 전자파 함수를 생성하는 데 적용되고 있다.컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램은 예를 들어 평면과 같은 파형이 한 방향으로 약간 기울어져 있을 수 있는 기준 파형의 간섭에 의해 설계됩니다.사용되는 홀로그래픽 회절 광학 소자는 보통 질화 규소와 같은 물질의 얇은 막으로 구성됩니다.

레퍼런스

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