СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G09G3/02 

Изобретение относится к области формирования изображения и может быть использовано для создания трехмерных объектов при физических экспериментах, в системах управления воздушным движением, в компьютерной томографии и т.п.

Известен способ [1], в котором для формирования трехмерных изображений используется принцип возбуждения лазерными лучами газовой или иной нелинейной оптической среды. Для осуществления этого способа используется два ортогонально расположенных в пространстве лазера, по ходу оптических лучей которых установлены управляемые от ЭВМ двухкоординатные устройства управления положением лазерного луча в пространстве (дефлекторы) и оптические модуляторы интенсивности лазерного луча, также управляемые сигналами от ЭВМ. Под управлением ЭВМ с помощью двухкоординатных дефлекторов может осуществляться сканирование лазерных лучей в двух перпендикулярных плоскостях. Далее оба луча поступают на зеркальные коллиматоры, в которых растры сканирования изменяются до необходимой величины. После коллиматоров ортогональные лазерные лучи поступают на боковые стенки визуализатора, выполненного в виде прямоугольной камеры с прозрачными стенками, заполненной газом. Подбором газовой смеси добиваются свечения газа лишь в точках пересечения лазерных лучей, что позволяет формировать в пространстве газовой камеры трехмерные изображения.

Однако, данный способ не обеспечивает достаточно высокого разрешения при формировании трехмерного изображения, а само изображение получается мерцающим из-за конечного времени релаксации энергетических уровней молекул газа. Кроме того, из-за просачивания наружного воздуха в камеру и деградации вещества, необходима периодическая смена газа.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ формирования трехмерных изображений [2], заключающийся в освещении движущегося полупрозрачного тела сложной формы светорассеивающего тела - световым лучом, сканирующим по двум координатам.

Формировать трехмерное изображение данным способом можно как при вращательном, так и при возвратно-поступательном движении светорассеивающего тела. Сканирование светового луча в плоскости позволяет сформировать светящуюся точку в любом месте светорассеивающего тела, что обеспечивает две координаты при формировании трехмерных изображений. Движение светорассеивающего тела обеспечивает третью координату объемного изображения, причем каждому положению тела должны соответствовать свои подсвеченные точки в соответствии с формируемым изображением. Это достигается быстрым сканированием светового луча. Если светорассеивающее тело вращается (или двигается возвратно-поступательно, возвращаясь в одно и то же положение) с частотой, превышающей видимую частоту мельканий, а сканирование светового луча в плоскости синхронизовано с движением тела, то в глазу наблюдателя происходит усреднение последовательно подсвеченных точек, что формирует из их совокупности объемное изображение.

Для осуществления данного способа используется один лазер с двухкоординатным устройством для сканирования в двумерном пространстве, при этом визуализация изображения происходит в объеме, образованном быстро вращающимся полупрозрачным телом сложной формы, на котором происходит рассеяние лазерного луча. Луч от лазера проходит через последовательно установленные по ходу оптического луча оптический затвор и блок двухкоординатного сканирования. На выходе блока сканирования световой луч в зависимости от управляющего сигнала отклоняется в двумерном пространстве и, достигнув светорассеивающего тела, рассеивается на его поверхности, образуя светящуюся точку. Оптический затвор используется для изменения интенсивности светового луча с целью получения полутоновых изображений.

Чтобы обеспечить видимость трехмерного изображения под любым углом зрения светорассеивающее тело выполняют из полупрозрачного материала, у которого коэффициент рассеяния падающего света равен коэффициенту пропускания.

Основным недостатком данного способа формирования трехмерных изображений является то, что формируемое изображение получается полупрозрачным, как бы сделанным из стекла. В противном случае из-за больших областей затенения невозможно полноценное трехмерное изображение предмета. Это обстоятельство не позволяет использовать подобный способ для многих практически важных применений. Еще одним недостатком является необходимость использования источников света видимого глазом диапазона длин волн, что приводит к появлению паразитных засветок и бликов от элементов конструкции, защитных экранов и т. п.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является достижение реалистичности трехмерных изображений, что обеспечивается их непрозрачностью.

Сущность предлагаемого способа заключается в освещении движущегося непрозрачного тела, в качестве которого используется плоская пластина, с двух сторон двумя световыми лучами, которые создают на противоположных поверхностях пластины две светящиеся области, при этом центры светящихся областей находятся в точках находящихся на одной нормали к поверхности пластины. Светящиеся области образуются благодаря тому, что поверхности пластины покрыты материалом, диффузно рассеивающим свет, или преобразующим длину волны светового луча в видимое излучение.

Способ позволяет получить технический результат, заключающийся в формировании трехмерных непрозрачных изображений, видимых под любым углом зрения.

Технический результат достигается тем, что движущееся тело, освещаемое световым лучом, сканирующим по двум координатам, выполняют в виде тонкой непрозрачной пластины, а для того, чтобы формируемое изображение было видно со всех сторон (под любым углом зрения), эту пластину дополнительно освещают с обратной стороны вторым световым лучом, сканирующим по двум координатам, причем таким образом, чтобы оба луча одновременно попадали в точки расположенные на одной нормали к поверхности пластины.

Сущность предлагаемого способа поясняется фиг. 1, на которой представлена схема устройства, реализующего этот способ в случае возвратно-поступательного движения светорассеивающего тела.

В состав устройства (фиг. 1) входят непрозрачная пластина 1, первый 2 и второй 3 источники оптического излучения, а также первое 4 и второе 5 устройства двухкоординатного отклонения луча.

Непрозрачная пластина 1 предназначена для создания объема, в котором происходит визуализация трехмерного изображения. При этом пластина может быть покрыта материалом, диффузно рассеивающим свет, или материалом, преобразующим длину волны светового луча. Пластина 1 расположена в плоскости OXY с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси 2, на которой также расположены источники 2, 3 оптического излучения и устройства 4, 5 двухкоординатного отклонения луча. Возможность возвратно-поступательного движения может быть обеспечена линейным электродвигателем, либо кривошипно-шатунным механизмом (на фиг. 1 не показан).

Первый 2 и второй 3 источники оптического излучения формируют два световых луча, освещающих непрозрачную пластину 1 в одной точке плоскости OXY, но с разных сторон пластины 1.

Первое 4 и второе 5 устройства двухкоординатного отклонения луча предназначены для управления положением световых лучей по координатам X и У. В качестве устройств 4 и 5 могут быть использованы механические зеркальные сканаторы-коллиматоры [3, стр. 49], либо акустооптические дефлекторы [4].

Формирование трехмерного изображения осуществляется следующим образом. Сформированные первым 2 и вторым 3 источниками световые лучи с помощью устройств 4 и 5 отклоняются в плоскости 0Х7, обрисовывая контур формируемого изображения при данном положении пластины 1 вдоль оси 2. Отклонение лучей устройствами 4 и 5 осуществляется таким образом, что они в одно и тоже время освещают области, центры которых находятся в точках пересечения оси 02 и поверхностей пластины 1, т.е. освещают одни и те же точки контура формируемого трехмерного изображения при данном положении пластины. Поскольку пластина непрозрачна, то оба световых луча будут рассеиваться на ней полностью, но каждый со своей стороны пластины 1, создавая таким образом видимый под любым углом зрения непрозрачный контур изображения.

Пластина 1 осуществляет возвратно-поступательное движение перпендикулярно оси OZ. Отклонение лучей устройствами 4 и 5 двухкоординатного отклонения формирует две координаты, а возвратно-поступательное движение пластины 1 - третью координату формируемого трехмерного изображения. Если частота перемещения пластины 1 выше видимой частоты мельканий и сканирование световых лучей в устройствах 4 и 5 синхронизировано с движением пластины 1 таким образом, чтобы для каждого ее положения сканирующие лучи обрисовывали контур формируемого трехмерного изображения в соответствующем его сечении, то в глазу человека происходит усреднение последовательно подсвеченных областей, что формирует из их совокупности непрозрачное трехмерное изображение.

В качестве источников оптического излучения 2 и 3 могут быть использованы лазеры видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов длин волн. Лазеры видимого диапазона используются с пластинами, покрытыми материалом диффузно рассеивающим свет. Однако, это создает определенные неудобства при формировании трехмерных изображений, из-за наличия паразитных засветок и бликов на элементах конструкции устройства. При использовании лазеров инфракрасного либо ультрафиолетового диапазонов и покрытии непрозрачной пластины материалом, преобразующим длину волны, например, люминофором или веществом с двухфотонным поглощением, блики и засветки от инфракрасного и ультрафиолетового излучений глазом не улавливаются. Для этого можно использовать твердотельные или полупроводниковые лазеры, излучение которых может сканироваться, упомянутыми ранее, акустооптическими дефлекторами и механическими зеркальными сканаторами-коллиматорами.

Одной из технических задач, возникающих при реализации данного способа, является подача двух световых лучей на две противоположные стороны пластины при условии синхронизированного с движением пластины их сканирования. Следует заметить, что ход лучей требует разнесения источников оптического излучения по разные стороны пластины, и это приводит к указанным трудностям. Задача еще более усложняется, если попытаться осуществить способ, используя вращательное движение пластины, как наиболее просто и с меньшими энергетическими затратами реализуемое. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству, предназначенному для осуществления предлагаемого способа, является устройство [2] , состоящее из светорассеивающего тела, представляющего собой полупрозрачный диск, установленный с возможностью вращения вокруг оси устройства и оптически связанный через устройство двухкоординатного отклонения луча и оптический затвор с источником оптического излучения, в качестве которого используется лазер. Однако осуществить предлагаемый способ с помощью данного устройства представляется весьма сложной задачей, так как это требует размещения второго оптического канала вне устройства и связано с проблемой синхронизации сканирования, а также существенно увеличивает габариты устройства.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание простого и надежного устройства, осуществляющего заявленный способ.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство формирования трехмерных изображений, содержащее первый источник оптического излучения, оптически связанный через первый оптический затвор и первое устройство двухкоординатного отклонения луча со светорассеивающим телом, установленным с возможностью вращения вокруг оси устройства, дополнительно введены первый зеркальный коллиматор, установленный по ходу оптического луча между первым устройством двухкоординатного отклонения луча и светорассеивающим телом, второй источник оптического излучения, оптически связанный со светорассеивающим телом через второй оптический затвор, второе устройство двухкоординатного отклонения луча и второй зеркальный коллиматор, а также цилиндр с зеркальной внутренней поверхностью, установленный на оси устройства между светорассеивающим телом и вторым зеркальным коллиматором, при этом светорассеивающее тело выполнено в виде непрозрачной пластины, установленной наклонно к плоскости, перпендикулярной оси устройства, а первый и второй зеркальные коллиматоры установлены с возможностью вращения вокруг оси устройства и сориентированы таким образом, чтобы луч от первого коллиматора попадал на одну поверхность пластины, а луч от второго коллиматора, предварительно отразившись от внутренней стенки цилиндра, попадал на обратную поверхность пластины.

Таким образом, расположение элементов устройства, обеспечивающих сканирование световыми лучами, на оси вращения светорассеивающего тела дает возможность простыми техническими средствами синхронизировать сканирование световыми лучами с вращательным движением пластины. Невозможность прямой подачи лучей с двух сторон пластины при таком расположении источников света скомпенсирована установкой цилиндра с зеркальной внутренней поверхностью, что обеспечило подачу одного из лучей на пластину через отражение от внутренней стенки цилиндра.

Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг. 2, на которой представлена его конструкция.

Устройство формирования трехмерных изображений (фиг. 2) содержит светорассеивающую пластину 1, первый 2 и второй 3 лазеры (источники оптического излучения), расположенные на оси устройства. По ходу оптических лучей первого 2 и второго 3 лазеров расположены первый 6 и второй 7 оптические затворы, первое 4 и второе 5 устройства двухкоординатного отклонения лучей, а также первый 8 и второй 9 зеркальные коллиматоры, установленные с возможностью вращения вокруг оси устройства. Зеркальные коллиматоры 8 и 9 механически связаны соответственно с первым 10 и вторым 11 двигателями с электронным управлением. На оси устройства расположен цилиндр 12 с зеркальной внутренней поверхностью, размеры которого позволяют разметить внутри него отдельные элементы устройства, при этом, зеркальные коллиматоры 8, 9 и пластина 1 размещаются снаружи цилиндра 12. Светорассеивающая пластина 1 оптически связана с первым зеркальным коллиматором 8 непосредственно и со вторым коллиматором 9 через отражение от внутренней зеркальной стенки цилиндра 12, причем коллиматоры 8 и 9 сориентированы таким образом, чтобы лучи от первого 2 и второго 3 лазеров падали в одну точку светорассеивающей пластины 1, но с разных сторон, т.е. находились на одной нормали к поверхности пластины. Для обеспечения вращения пластина 1 крепится к кольцеобразному подшипнику 13 с зубчатой передачей, который посредством передаточной втулки 14 приводится во вращение третьим двигателем 15. Подшипник 13 размещается на внешней поверхности цилиндра 12. Дополнительная пластина 16 выполняет функцию противовеса светорассеивающей пластине 1 и механически с ней связана. Первый 10, второй 11 и третий 15 двигатели с электронным управлением подключены к блоку 17 синхронизации и управления скоростью вращения, соединенному с управляющей ЭВМ 18, к которой также подключены входы первого 6 и второго 7 оптических затворов, первого 4 и второго 5 устройств двухкоординатного отклонения оптических лучей. Устройство работает следующим образом. Луч первого лазера 2 проходит через первый оптический затвор 6, где модулируется по интенсивности в соответствии с требуемой яркостью подсвечиваемой на пластине точки, далее - через первое устройство двухкоординатного отклонения 4, осуществляющее управление положением луча по двум ортогональным координатам, и отражается от первого зеркального коллиматора 8, приводимого во вращение первым двигателем 10 и изменяющего размер изображения до необходимой величины, чтобы обеспечить подсветку любой точки пластины 1. Отраженный от первого зеркального коллиматора 8 луч рассеивается на одной из сторон пластины 1. Луч второго лазера 3 проходит через второй оптический затвор 7, где его интенсивность изменяется до такой же величины, как и интенсивность луча от первого лазера, далее - через второе устройство 5 двухкоординатного отклонения, осуществляющее управление лучом по двум ортогональным координатам, отражается от второго зеркального коллиматора 9, а затем от внутренней зеркальной поверхности цилиндра 12. Второй коллиматор 9 и цилиндр 12 изменяют размер формируемого изображения до необходимой величины. Отраженный от зеркальной поверхности цилиндра 12 луч второго лазера 3 рассеивается на другой стороне пластины 1. При этом зеркальные коллиматоры 8 и 9, а также цилиндр 12 устанавливаются таким образом, чтобы лучи от первого 2 и второго 3 лазеров попадали на одни и те же точки пластины 1, но с разных сторон. Ход оптических лучей, форма поверхностей зеркальных коллиматоров 8, 9 и цилиндра 12 могут быть рассчитаны на основе методики изложенной в [3, стр. 53] или подобраны экспериментально. Вращение первого 8 и второго 9 коллиматоров осуществляется первым 10 и вторым II двигателями соответственно. Пластины 1, 16 вращаются третьим двигателем 15. Синхронизация вращения двигателей осуществляется блоком 17 синхронизации и управления скоростью вращения. При синхронной скорости вращения коллиматоры 8 и 9 в любом угловом положении вращения отражают лучи лазеров в одно и то же место с одной и другой стороны пластины 1. От ЭВМ 18 цифровые коды поступают на устройства 4, 5 двухкоординатного отклонения лучей, оптические затворы 6 и 7, а также блок 17 синхронизации и управления скоростью вращения, причем устройства 4 и 5 двухкоординатного отклонения лучей прорисовывают с двух сторон пластины 1 лучами двух лазеров периметр формируемого трехмерного изображения. Вращение пластины 1 задает третью координату объемного изображения. В качестве устройств 4 и 5 двухкоординатного отклонения лучей могут использоваться электрооптические либо акустооптические дефлекторы [4]. Выполнение зеркальных коллиматоров описано в [3,стр.52].

Источники информации:
1. Патент США М 4881068, кл. G 09 G 3/06, Опубл. 14.11.88.

2. Наконец-то реальная трехмерность! Д.Шэндл // Электроника, N 18, 1990, с.7-9.

3. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов - Л. : Машиностроение, 1983.

4. Магдич Л.И., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение - М.: Сов. радио, 1978, с. 66.

Изобретение может быть использовано для создания трехмерных объектов при физических экспериментах, в системах управления воздушным движением, в компьютерной томографии и т.п. Сущность способа заключается в освещении движущегося непрозрачного тела, представляющего собой плоскую пластину, с двух сторон двумя световыми лучами, которые создают на противоположных поверхностях пластины две светящиеся области, центрами которых являются точки, находящиеся на одной нормали к поверхности пластины, что позволяет получить непрозрачное изображение, видимое под любым углом зрения. Светящиеся области образуются благодаря тому, что поверхности пластины покрыты материалом, диффузно рассеивающим свет, или преобразующим длину волны светового луча в видимое излучение. В устройстве светорассеивающее тело выполнено в виде, вращающейся, наклонной пластины, а подача двух лазерных лучей на ее противоположные поверхности осуществляется через вращающиеся зеркальные коллиматоры, причем один из лучей перед попаданием на пластину отражается от зеркальной внутренней поверхности цилиндра, установленного на оси вращения пластины и коллиматоров, 2 c. и 2 з.п. и 2 ил.

1. Способ формирования трехмерных изображений, заключающийся в освещении движущегося тела сканирующим по двум координатам световым лучом, отличающийся тем, что движущееся тело представляет собой непрозрачную пластину и его дополнительно освещают с обратной стороны вторым световым лучом, сканирующим по двум координатам таким образом, что оба луча одновременно попадают в точки, расположенные на одной нормали к поверхности пластины. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхности пластины покрыты материалом, диффузно рассеивающим свет. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхности пластины покрыты материалом, преобразующим длину волны светового луча в видимое излучение. 4. Устройство формирования трехмерных изображений, содержащее первый источник оптического излучения, оптически связанный через первый оптический затвор и первое устройство двухкоординатного отклонения луча со светорассеивающим телом, установленным с возможностью вращения вокруг оси устройства, отличающееся тем, что светорассеивающее тело выполнено в виде непрозрачной пластины, при этом в устройство введены цилиндр с зеркальной внутренней поверхностью, установленный по оси устройства, первый зеркальный коллиматор, установленный по ходу оптического луча между первым устройством двухкоординатного отклонения луча и одной поверхностью непрозрачной пластины, второй источник оптического излучения, оптически связанный с другой поверхностью непрозрачной пластины через второй оптический затвор, второе устройство двухкоординатного отклонения луча, второй зеркальный коллиматор и внутреннюю зеркальную поверхность цилиндра, причем непрозрачная пластина установлена наклонно к плоскости, перпендикулярной оси устройства, при этом приводы вращения коллиматоров и непрозрачной пластины синхронизированы.