โฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ ( CGH ) เป็นเทคนิคที่ใช้อัลกอริธึมคอมพิวเตอร์ในการสร้างโฮโลแกรมโดยเกี่ยวข้องกับการสร้างรูปแบบการรบกวน ของโฮโล แกรม โฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์สามารถแสดงบนจอแสดงผลโฮโลแกรมแบบไดนามิก หรือสามารถพิมพ์ลงบนหน้ากากหรือฟิล์มโดยใช้ลิโทกราฟี^{[ 1 ]}เมื่อพิมพ์โฮโลแกรมลงบนหน้ากากหรือฟิล์มแล้ว จะต้องส่องสว่างด้วยแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกันเพื่อแสดงภาพโฮโลแกรม

คำว่า "การสร้างภาพโฮโลแกรมด้วยคอมพิวเตอร์" ถูกนำมาใช้เพื่อหมายถึงกระบวนการทั้งหมดของการเตรียมคลื่น แสงโฮโลแกรมสังเคราะห์ ที่เหมาะสมสำหรับการสังเกต^{[ 2 ] [ 3 ]}หากข้อมูลโฮโลแกรมของวัตถุที่มีอยู่ถูกสร้างขึ้นด้วยแสง บันทึกและประมวลผลแบบดิจิทัล และแสดงผลในภายหลัง ก็จะเรียกว่า CGH เช่นกัน

เมื่อเปรียบเทียบกับโฮโลแกรมแบบดั้งเดิม โฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์มีข้อดีตรงที่วัตถุที่ต้องการแสดงไม่จำเป็นต้องมีอยู่จริงในทางกายภาพ และสามารถสร้างขึ้นได้โดยสังเคราะห์อย่างสมบูรณ์

ในที่สุดแล้ว เทคโนโลยีโฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์อาจขยายขอบเขตบทบาททั้งหมดของภาพที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน จอแสดง ผล โฮโลแกรม อาจถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันที่หลากหลาย เช่นการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) เกม และวิดีโอโฮโลแกรม

โฮโลแกรมเป็นเทคนิคที่คิดค้นขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชาวฮังการีเดนนิส กาบอร์ (ค.ศ. 1900–1979) เพื่อปรับปรุงกำลังการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน โดยจะฉายลำแสงที่สอดคล้องกัน (โดยปกติจะเป็นแสงเอกรงค์) ไปยังวัตถุ แสงที่กระเจิงจะเกิดการแทรกสอดกับลำแสงอ้างอิงจากแหล่งกำเนิดเดียวกัน และบันทึกรูปแบบการแทรกสอดนั้น CGH ตามที่นิยามไว้ในบทนำ มีหน้าที่หลักๆ สามประการ:

1. การคำนวณหน้าคลื่นกระเจิงเสมือน
2. เข้ารหัสข้อมูลคลื่นแสง เตรียมข้อมูลให้พร้อมสำหรับการแสดงผล
3. การสร้างใหม่ : การปรับเปลี่ยนรูปแบบการรบกวนให้กลายเป็นลำแสงที่สอดคล้องกันโดยใช้เทคโนโลยี เพื่อส่งต่อไปยังผู้ใช้ที่กำลังสังเกตภาพโฮโลแกรม

โปรดทราบว่าการแบ่งแยกขั้นตอนเหล่านี้อย่างเคร่งครัดนั้นไม่เหมาะสมเสมอไป อย่างไรก็ตาม การจัดโครงสร้างการอภิปรายในลักษณะนี้จะช่วยให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น

โฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์มีข้อดีที่สำคัญเหนือกว่าโฮโลแกรมแบบออปติคอล เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้วัตถุจริง ด้วยเหตุนี้ จึงมีการคาดการณ์ว่าจะมีจอแสดงผลสามมิติเมื่อมีการรายงานอัลกอริทึมแรกในปี 1966 ^{[ 4 ]}

น่าเสียดายที่นักวิจัยตระหนักในไม่ช้าว่ามีขีดจำกัดล่างและบนที่เห็นได้ชัดในแง่ของความเร็วในการคำนวณและคุณภาพและความแม่นยำของภาพตามลำดับ การคำนวณเวฟฟรอนต์นั้นต้องใช้การคำนวณอย่างมาก แม้จะใช้เทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่ทันสมัยและอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ระดับสูง การคำนวณแบบเรียลไทม์ก็ยังทำได้ยาก มีวิธีการต่างๆ มากมายสำหรับการคำนวณรูปแบบการรบกวนสำหรับ CGH ในช่วง 25 ปีต่อมา มีการเสนอวิธีการสร้างโฮโลแกรมด้วยคอมพิวเตอร์มากมายในสาขาข้อมูลโฮโลแกรมและการลดการคำนวณ ตลอดจนเทคนิคการคำนวณและการหาปริมาณ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] อัลกอริทึมสามารถแบ่งออกเป็นสองแนวคิดหลัก ได้แก่ โฮโลแก รม}การแปลงฟูริเยร์และโฮโลแกรมแหล่งกำเนิดจุด

หนึ่งในวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างโฮโลแกรมเฟสอย่างเดียวคือ อัลกอริ ทึมGerchberg-Saxton (GS) ^{[ 12 ] [ 13 ]}

ในวิธีแรก การแปลงฟูริเยร์ถูกใช้เพื่อจำลองการแพร่กระจายของระนาบความลึกแต่ละระนาบของวัตถุไปยังระนาบโฮโลแกรม แนวคิดการแปลงฟูริเยร์ได้รับการแนะนำครั้งแรกโดย Byron R. Brown และ Adolf W. Lohmann ^{[ 4 ]}ด้วยวิธีการเฟสแบบอ้อมที่นำไปสู่โฮโลแกรมแบบเซลล์เรียงตัว เทคนิคการเข้ารหัสที่เสนอโดย Burch ^{[ 14 ]}ได้แทนที่โฮโลแกรมแบบเซลล์เรียงตัวด้วยโฮโลแกรมแบบจุด และทำให้โฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ประเภทนี้มีความน่าสนใจมากขึ้น ใน โฮโลแกรม การแปลงฟูริเยร์การสร้างภาพขึ้นใหม่เกิดขึ้นในระยะไกลซึ่งโดยปกติจะทำได้โดยใช้คุณสมบัติการแปลงฟูริเยร์ของเลนส์บวกสำหรับการสร้างภาพขึ้นใหม่ ดังนั้นจึงมีสองขั้นตอนในกระบวนการนี้ คือ การคำนวณสนามแสงในระนาบผู้สังเกตการณ์ระยะไกล จากนั้นทำการแปลงฟูริเยร์สนามนี้กลับไปยังระนาบเลนส์ โฮโลแกรมเหล่านี้เรียกว่าโฮโลแกรมแบบอิงฟูริเยร์ CGH รุ่นแรกๆ ที่อิงตามการแปลงฟูริเยร์สามารถสร้างภาพ 2 มิติขึ้นใหม่ได้เท่านั้น Brown และ Lohmann ^{[ 15 ]}ได้นำเสนอเทคนิคในการคำนวณโฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ของวัตถุ 3 มิติ การคำนวณการแพร่กระจายของแสงจากวัตถุสามมิติจะดำเนินการตามการประมาณพาราโบลาตามปกติของปริพันธ์การเลี้ยวเบนของ Fresnel-Kirchhoff ดังนั้นหน้าคลื่นที่จะสร้างขึ้นใหม่โดยโฮโลแกรมจึงเป็นการซ้อนทับของการแปลงฟูริเยร์ของระนาบวัตถุแต่ละระนาบในเชิงลึก ซึ่งปรับเปลี่ยนโดยปัจจัยเฟสกำลังสอง

กลยุทธ์การคำนวณที่สองนั้นอิงตามแนวคิดแหล่งกำเนิดจุด โดยที่วัตถุจะถูกแบ่งออกเป็นจุดเรืองแสงในตัวเอง โฮโลแกรมพื้นฐานจะถูกคำนวณสำหรับแหล่งกำเนิดจุดแต่ละจุด และโฮโลแกรมสุดท้ายจะถูกสังเคราะห์โดยการซ้อนทับโฮโลแกรมพื้นฐานทั้งหมด แนวคิดนี้ได้รับการรายงานครั้งแรกโดย Waters ^{[ 16 ]}ซึ่งสมมติฐานหลักมาจาก Rogers ^{[ 17 ]}ที่ตระหนักว่าแผ่นโซน Fresnel สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นกรณีพิเศษของโฮโลแกรมที่เสนอโดย Gabor แต่เนื่องจากจุดของวัตถุส่วนใหญ่ไม่ใช่ศูนย์ ความซับซ้อนในการคำนวณของแนวคิดแหล่งกำเนิดจุดจึงสูงกว่าในแนวคิดการแปลงฟูริเยร์มาก นักวิจัยบางคนพยายามเอาชนะข้อเสียนี้โดยการกำหนดและจัดเก็บโฮโลแกรมพื้นฐานที่เป็นไปได้ทั้งหมดล่วงหน้าโดยใช้เทคนิคการจัดเก็บข้อมูลพิเศษ^{[ 18 ]}เนื่องจากความจุขนาดใหญ่ที่จำเป็นในกรณีนี้ ในขณะที่บางคนใช้ฮาร์ดแวร์พิเศษ^{[ 19 ]}

ในแนวคิดแหล่งกำเนิดจุด ปัญหาหลักคือการแลกเปลี่ยนระหว่างความจุในการจัดเก็บข้อมูลและความเร็วในการคำนวณ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อัลกอริทึมที่เพิ่มความเร็วในการคำนวณมักต้องการพื้นที่จัดเก็บข้อมูลมากกว่ามาก^{[ 18 ]}ในขณะที่อัลกอริทึมที่ลดความต้องการพื้นที่จัดเก็บข้อมูลมักมีความซับซ้อนในการคำนวณสูง^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} (แม้ว่าจะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้^{[ 23 ]} )

อีกแนวคิดหนึ่งที่นำไปสู่การสร้างโฮโลแกรมด้วยคอมพิวเตอร์แบบจุดกำเนิดคือวิธีการติดตามรังสี (ray tracing) การติดตามรังสีอาจเป็นวิธีการสร้างโฮโลแกรมด้วยคอมพิวเตอร์ที่ง่ายที่สุดในการแสดงภาพ โดยพื้นฐานแล้ว จะคำนวณความแตกต่างของความยาวเส้นทางระหว่างระยะทางที่ "ลำแสงอ้างอิง" เสมือนและ "ลำแสงวัตถุ" เสมือนต้องเดินทาง ซึ่งจะทำให้ได้เฟสสัมพัทธ์ของลำแสงวัตถุที่กระเจิง

ในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา แนวคิดทั้งสองได้ก้าวหน้าไปอย่างมาก ทั้งในด้านความเร็วในการคำนวณและคุณภาพของภาพ อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดทางเทคนิคบางประการ เช่น ความสามารถในการคำนวณและการจัดเก็บข้อมูล ยังคงเป็นอุปสรรคต่อการสร้างภาพโฮโลแกรมดิจิทัล ซึ่งทำให้การใช้งานแบบเรียลไทม์แทบเป็นไปไม่ได้เลยด้วยฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์มาตรฐานในปัจจุบัน

สำหรับการสร้างโฮโลแกรม เมื่อทราบลักษณะของหน้าคลื่นที่กระเจิงของวัตถุหรือวิธีการคำนวณแล้ว จะต้องตรึงวัตถุนั้นไว้บนตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ (SLM) โดยใช้คำนี้ในความหมายกว้างๆ ไม่เพียงแต่รวมถึงจอแสดงผล LCD หรืออุปกรณ์ที่คล้ายกันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงฟิล์มและหน้ากากด้วย SLM หลายประเภทสามารถใช้งานได้ในแอปพลิเคชันนี้ ได้แก่ ตัวปรับเฟสบริสุทธิ์ (ชะลอคลื่นแสงส่องสว่าง) ตัวปรับแอมพลิจูดบริสุทธิ์ (ปิดกั้นแสงส่องสว่าง) ตัวปรับโพลาไรเซชัน (มีอิทธิพลต่อสถานะโพลาไรเซชันของแสง) ^{[ 24 ]}และ SLM ที่มีความสามารถในการปรับเฟส/แอมพลิจูดแบบรวมกัน^{[ 25 ]}

ในกรณีของการปรับเฟสหรือแอมพลิจูดแบบบริสุทธิ์ การสูญเสียคุณภาพย่อมหลีกเลี่ยงไม่ได้ โฮโลแกรมแอมพลิจูดแบบบริสุทธิ์ในยุคแรกๆ นั้นพิมพ์ออกมาเป็นขาวดำเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าแอมพลิจูดจะต้องถูกเข้ารหัสด้วยความลึกเพียงบิตเดียว^{[ 4 ]} ในทำนอง เดียวกันคิโนฟอร์มเป็นการเข้ารหัสเฟสแบบบริสุทธิ์ที่คิดค้นขึ้นที่IBMในช่วงแรกๆ ของ CGH ^{[ 26 ]}

แม้ว่าการปรับเฟส/แอมพลิจูดที่ซับซ้อนอย่างสมบูรณ์จะเป็นอุดมคติ แต่โดยปกติแล้วจะนิยมใช้โซลูชันเฟสล้วนหรือแอมพลิจูดล้วนมากกว่า เนื่องจากง่ายต่อการนำไปใช้ในทางเทคโนโลยีมากกว่า อย่างไรก็ตาม สำหรับการสร้างการกระจายแสงที่ซับซ้อน การปรับแอมพลิจูดและเฟสพร้อมกันนั้นถือว่าสมเหตุสมผล จนถึงปัจจุบัน มีการนำวิธีการปรับแอมพลิจูด-เฟสสองวิธีที่แตกต่างกันมาใช้ วิธีหนึ่งใช้การปรับเฟสอย่างเดียวหรือแอมพลิจูดอย่างเดียว และการกรองเชิงพื้นที่ต่อเนื่อง^{[ 27 ]}อีกวิธีหนึ่งใช้โฮโลแกรมโพลาไรเซชันที่มีทิศทางและขนาดของการหักเหแสงเฉพาะที่ที่แปรผันได้^{[ 28 ]}โฮโลแกรมที่มีข้อจำกัด เช่น เฟสอย่างเดียวหรือแอมพลิจูดอย่างเดียว อาจคำนวณได้โดยใช้อัลกอริธึม เช่นอัลกอริธึม Gerchberg-Saxtonหรืออัลกอริธึมการเพิ่มประสิทธิภาพทั่วไป เช่น การค้นหาโดยตรง การจำลองการอบอ่อน^{[ 29 ]}หรือการไล่ระดับแบบสุ่ม^{[ 30 ]}

โฮโลแกรมที่สร้างขึ้นจำเป็นต้องรับประกันการสร้างคลื่นหน้าใหม่ที่แม่นยำ ซึ่งอาจเป็นเรื่องท้าทาย ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น เทคนิคส่วนใหญ่เป็นแบบเฟสหรือแอมพลิจูด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเสียสละคุณภาพที่จำเป็น นอกจากนี้ อาจมีการพิมพ์มาสก์ ซึ่งมักส่งผลให้เกิดโครงสร้างรูปแบบที่เป็นเม็ด เนื่องจากเครื่องพิมพ์โฮโลแกรมส่วนใหญ่สามารถพิมพ์ได้เฉพาะจุดเท่านั้น ฟิล์มอาจได้รับการพัฒนาโดย การฉายแสง เลเซอร์ทำให้มีความยืดหยุ่นมากกว่ามาสก์ แต่ทำให้กระบวนการซับซ้อนมากขึ้น จอแสดงผลโฮโลแกรมในปัจจุบันเป็นเรื่องท้าทาย (ณ ปี 2025) แม้ว่าจะมีการสร้างต้นแบบที่ประสบความสำเร็จแล้วก็ตาม จอแสดงผลในอุดมคติสำหรับโฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์จะประกอบด้วยพิกเซลที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง โดยมีเฟสและความสว่างที่ปรับได้ จอแสดงผลดังกล่าวจัดอยู่ในประเภทของออปติกอาร์เรย์เฟส [ ^{31 ] จำเป็น} ต้อง มีความก้าวหน้าเพิ่มเติมในด้านนาโนเทคโนโลยีเพื่อสร้างจอแสดงผลเหล่านี้

ปัจจุบัน บริษัทและภาควิชาต่างๆ ในมหาวิทยาลัยหลายแห่งกำลังทำการวิจัยในด้านอุปกรณ์ CGH:

• VividQ ^{[ 32 ]}ให้ซอฟต์แวร์สำหรับอุปกรณ์ CGH แบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างภาพที่มีเลเยอร์ความลึกมากกว่า 200 เลเยอร์โดยใช้พลังการประมวลผลมาตรฐาน
• MIT Media Lab ^{[ 33 ]}ได้พัฒนาจอแสดงผล CGH "Holovideo"
• บริษัท SeeReal Technologiesได้พัฒนาต้นแบบจอแสดงผล CGH
• Cortical Cafe CGH Kit ^{[ 34 ]}เป็นเว็บไซต์สำหรับผู้ที่ชื่นชอบ CGH ที่มีคำแนะนำ ซอร์สโค้ด และเว็บแอปพลิเคชันสำหรับการสร้าง CGH

เมื่อไม่นานมานี้ การใช้งานโฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ได้ขยายขอบเขตออกไปนอกเหนือจากด้านทัศนศาสตร์แสง และนำไปประยุกต์ใช้ในการสร้างฟังก์ชันคลื่นอิเล็กตรอนที่มีโครงสร้างด้วยแอมพลิจูดและเฟสตามที่ต้องการ โฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ถูกออกแบบโดยการแทรกสอดของคลื่นเป้าหมายกับคลื่นอ้างอิง ซึ่งอาจเป็นคลื่นระนาบที่เอียงเล็กน้อยในทิศทางใดทิศทางหนึ่งก็ได้ โดยทั่วไปแล้วองค์ประกอบทางแสงแบบเลี้ยวเบนของโฮโลแกรมที่ใช้จะสร้างขึ้นจากเยื่อบางๆ ของวัสดุ เช่น ซิลิคอนไนไตรด์