СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H04N13/04 

Изобретение относится к способу и устройству для создания трехмерного изображения, в частности к приемным телевизионным системам трехмерного изображения. Изображение полезно также для других целей, например производственного проектирования и конструирования.

Видеосигналы записываются с помощью электронных или других средств и могут быть воспроизведены с помощью телевизионной системы. Телевизионный приемник преобразует входные телевизионные (видео) сигналы в первоначальные сцены и образы вместе со звуковым сопровождением. Известные телевизионные приемники двумерного изображения содержат кинескоп, имеющий плоский или изогнутый флуоресцентный экран, который создает плоское изображение благодаря изменению интенсивности электронного луча, когда этот луч, испускаемый электронной пушкой, отклоняется из стороны в сторону, а также вверх и вниз, при сканировании, формируя растр на флуоресцентном экране на другом конце кинескопа. Флуоресцентный экран формирует определенный растр из сегментов, известных как точки изображения или элементы изображения, которые сгруппированы в строки сканирования. Сканирование элементов изображения электронным лучом осуществляется последовательно точка за точкой, по мере того как электронный луч движется за счет управляемого горизонтального и вертикального отклонений.

В настоящее время проблема создания качественного трехмерного изображения не имеет удовлетворительного решения. В современной телевизионной технике восстановление трехмерного изображения ограничено получением стереоскопических или автостереоскопических изображений. В этих системах трехмерный эффект базируется на обмане человеческого восприятия (например, при использовании специальных очков), что оказывает вредное физиологическое воздействие. Имеются экспериментальные системы, в которых применяются линзы Френеля. Эти системы в принципе характеризуются уменьшенным полем наблюдения и плохим разрешением.

Для создания трехмерных изображений широко применяется голография, метод записи и последующего восстановления распределений амплитуд и фаз возмущенной волны. При формировании оптического изображения этот метод заключается в записи на специальную фотографическую пластину картины интерференции между когерентным светом, отраженным от объекта, и светом, приходящим непосредственно от того же самого источника или отраженным от зеркала. Когда эта специальная фотографическая пластинка, называемая голограммой, будет проявлена и освещена сзади когерентным светом лазера, создается трехмерное изображение в пространстве. Голография, однако, не является практически целесообразным методом создания трехмерных изображений из видеосигналов.

Целью изобретения является создание способа, обеспечивающего прием видеосигналов трехмерного изображения и получение из них действительного трехмерного изображения.

Другой целью является создание устройства для реализации вышеуказанного способа, т. е. создающего трехмерное изображение из принятого видеосигнала трехмерного изображения, причем указанное устройство не имеет приемлемый вид и стоимость. В сущности, целью изобретения является создание с помощью предложенных способа и устройства телевизионной системы с трехмерным изображением.

Существенным признаком всех видов двумерных плоских изображений, например картин, фотографий или изображений на обычном телевизионном экране, является то, что интенсивность света, испускаемого или отражаемого любой точкой, в широком поле наблюдения не зависит от направления излученного или отраженного света, то есть данная точка изображения с любого направления выглядит одинаково. С другой стороны, трехмерная пространственная картина характеризуется тем, что точки изображения излучают или отражают разные пучки света в разных направлениях в поле наблюдения, это означает, что интенсивность (и цвет) данной точки изображения зависит от направления, с которого ее рассматривают.

Было обнаружено, что трехмерное изображение может быть создано посредством светоизлучающей поверхности, в которой пучки света излучаются из точек изображения на этой поверхности во многих направлениях, причем интенсивность и цвет пучка света, излучаемого из любой точки изображения, являются функциями направления наблюдения. Указанные направления наблюдения вместе образуют трехмерное поле наблюдения. Качество такого трехмерного изображения зависит от плотности точек изображения и от числа направлений, определяющих поле наблюдения, а также от ширины этого поля наблюдения.

Имеются два пути решения вышеупомянутой задачи, то есть отклонения модулированного светового луча пространственно когерентного света для получения трехмерного изображения. Первый путь заключается в том, что точки светоизлучающей поверхности выполняют как активные излучающие свет элементы, например, в виде матрицы лазерных диодов с необходимыми оптическими средствами и средствами управления, так что эти элементы могут излучать свет требуемой интенсивности и цвета в заданных направлениях в соответствии с видеосигналом трехмерного изображения. Согласно другому пути лучи света от одного или нескольких общих источников света направляют на элементы изображения (пикселы), а манипуляцию лучей в соответствии с существенными характеристиками света (интенсивностью, цветом и направлением) осуществляют в общем источнике или в элементах изображения.

В соответствии с вышеизложенным один способ согласно изобретению заключается в том, что
модулируют интенсивность луча пространственно когерентного света, предпочтительно луча лазера, видеосигналом трехмерного изображения (видеосигналом, содержащим информацию о трехмерном изображении),
направляют модулированный луч лазера путем управляемого отклонения на пикселы, образующие светоизлучающую поверхность, и
отклоняют модулированный луч лазера так, чтобы он излучался от каждого элемента изображения (пиксела) в нескольких направлениях, причем указанные направления определяют заданное поле наблюдения, а интенсивность указанных компонент луча лазера, излучаемых от указанных элементов изображения в разных направлениях поля наблюдения, соответствует информации, относящейся к соответствующему направлению в видеосигнале трехмерного изображения.

В соответствии с изобретением луч лазера, модулированный видеосигналом трехмерного изображения, содержащим информацию об интенсивности и цвете, направляют на точки изображения (пикселы) в определенном порядке, которым управляют предпочтительно с помощью компонент синхронизации указанного видеосигнала трехмерного изображения. Луч света, излученный любым пикселом в любом направлении, имеет интенсивность и цвет, соответствующие информации об интенсивности и цвете, содержащейся в компоненте видеосигнала трехмерного изображения, связанной с данным пикселом и данным направлением.

Координаты излучаемого луча лазера определяются как результат горизонтального и вертикального отклонений, а также отклонения, связанного с изменением направления наблюдения.

В основном, существуют два варианта достижения описанных выше отклонений модулированного луча лазера в соответствии с точками изображения и направлениями.

Первый вариант заключается в том, что луч лазера отклоняют в соответствии с указанными направлениями до того, как он достигнет пиксел, так что компоненты луча лазера, падающего на пиксел, имеют разные углы падения или смещены параллельного в соответствии с направлением, к которому они относятся. Дальнейшее отклонение осуществляют без каких-либо управляемых операций, предпочтительно посредством использования пассивных оптических средств.

Согласно другому варианту отклонения луч лазера падает на пикселы без отклонения, соответствующего направлениям наблюдения, а отклоняется и излучается в разных направлениях, определяющих поле наблюдения, с помощью активных управляемых оптических элементов, размещенных в пикселах.

Модулированный луч лазера может быть направлен на указанные пикселы с помощью механических или акустооптических отклоняющих средств, также управляемых в соответствии с указанными направлениями поля наблюдения, причем указанное механическое или акустооптическое отклонение предпочтительно осуществляют согласно информации о горизонтальном или вертикальном отклонении, содержащейся в компоненте синхронизации указанного видеосигнала трехмерного изображения.

Предпочтительно, чтобы модулированный луч лазера был направлен на указанные пикселы посредством горизонтального и вертикального (кадрового) отклонения, соответствующих телевизионным стандартам, а пикселы располагались так, чтобы их конфигурация соответствовала стандартному расположению точек телевизионного изображения.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения пучок света лазера модулируют видеосигналом трехмерного изображения, не содержащим информации, необходимой для получения параллакса по вертикали, причем пучок света лазера, излучаемый пикселом, качается горизонтально внутри указанного поля наблюдения и имеет заданное рассеяние по вертикали. Так как человеческие глаза обычно расположены в одной горизонтальной плоскости, то отсутствие вертикального параллакса практически не приводит к существенным потерям качества трехмерного изображения.

Модулированный луч лазера, падающий на указанные пикселы, предпочтительно может быть отклонен и направлен в направлениях поля наблюдения с помощью географических/дифракционных оптических элементов или с помощью периодических сферически симметричных оптических элементов.

Согласно изобретению модулированный луч лазера может быть получен прямой модуляцией лазера видеосигналом трехмерного изображения.

Модулированный луч лазера может быть получен также модуляцией акустооптического кристалла, сквозь который проходит луч лазера, видеосигналом трехмерного изображения.

Достаточно широкий пространственный обзор может быть достигнут при поле наблюдения от 30 до 150^o, причем число разных направлений, определяющих это поле наблюдения, составляет от 30 до 150, что обуславливает величину горизонтального расхождения излученного пучка света, равную приблизительно 1^o. Наши эксперименты показывают, что трехмерное пространственное изображение удовлетворительного качества достигается даже при горизонтальном поле наблюдения от 30 до 40^o и при углах между направлениями от 1 до 3^o. Как указано выше, вертикальный параллакс трехмерного изображения можно исключить. В этом случае пучок света лазера, направленный в любом горизонтальном направлении, должен иметь надлежащее вертикальное рассеяние, которое может быть достигнуто посредством использования, например, голографического устройствf или оптического устройства с вертикальной осью симметрии совместно с элементами, рассеивающими свет в одном измерении.

Согласно изобретению цветное трехмерное изображение может быть получено путем модуляции многоцветного пучка света лазера или большего числа лучей лазеров, предпочтительно трех лучей лазеров основных цветов (красного, зеленого и синего), их отклонения и направления на указанные пикселы и направления модулированного пучка света лазера, содержащего указанные три луча лазера основных цветов, от каждого пиксела в каждом направлении указанного поля наблюдения.

Трехмерное движущееся изображение согласно изобретению может быть получено повторением изображения определенное число раз в секунду, по меньшей мере двадцать раз в секунду.

Ширина полосы частот видеосигнала трехмерного изображения при необходимости может быть уменьшена путем использования любого способа сжатия данных или информации. Такие способы известны, поэтому нет необходимости в их дополнительном описании.

Видеосигнал трехмерного изображения, которым модулируется пучок света лазера, моет быть получен, например, за счет того, что двухмерные изображения пространственных сцен и образов одновременно снимаются с каждого из направлений, определяющих указанное поле наблюдения, с помощью подходящих телевизионных или видеокамер, предпочтительно камерой на многоэлементном приборе с зарядовой связью, которая содержит соответствующее число кристаллов приборов с зарядовой связью, а сигналы двумерного изображения, записывающие различные изображения, объединяются с формированием формата видеосигнала трехмерного изображения. Компоненты сигнала, связанные с разными точками изображения и разными направлениями наблюдения, располагают в определенной временной последовательности. Остальные средства записи видеосигнала трехмерного изображения известно.

Согласно другому способу задача получения трехмерного изображения может быть решена путем управления элементарными источниками пространственно когерентного света, такими как управляемые диоды спонтанного излучения (CSD), или монолитные матрицы поверхностно излучающих лазерных диодов, или, предпочтительно, элементарными лазерными источниками, расположенными в виде светоизлучающей поверхности, так что каждым из элементарных источников света управляют согласно информации, относящейся к соответствующему направлению наблюдения, содержащейся в видеосигнале трехмерного изображения, причем эти направления наблюдения определяют заданное поле наблюдения.

В этом случае предпочтительно, чтобы каждый из элементарных источников света был связан с одним из указанных направлений наблюдения и управлялся согласно соответствующему направлению. Лучи света, испускаемые этими элементарными источниками света, с помощью оптических средств, включенных в пикселы на светоизлучающей поверхности, направляют в том направлении наблюдения, к которому относится соответствующий элементарный источник.

Элементарными лазерными источниками можно также управлять одновременно, чтобы они взаимодействовали друг с другом в соответствии с голографическими картинами, так чтобы пучки света лазеров, посылаемые в указанных направлениях наблюдения, получались посредством интерференции волн когерентного света, излучаемого элементарными лазерными источниками.

Чтобы снизить требования к разрешению системы отклонения, используемой в изобретении, предлагается еще один способ, в котором используют пучок света, содержащий независимо управляемые лучи когерентного света. Предлагаемый способ содержит следующие операции:
модулируют пучок когерентного света, предпочтительно пучок света лазера, сигналом трехмерного изображения, причем модулированный пучок света должен содержать лучи света, каждый из которых связан с направлением наблюдения, а эти направления наблюдения определяют заданное поле наблюения, причем указанные лучи света в пучке света модулируют одновременно каждый световой луч в соответствии с соответствующим направлением наблюдения,
направляют указанный модулированный пучок когерентного света на пикселы, расположенные так, что они образуют светоизлучающую поверхность, и
излучают каждую компоненту модулированного пучка света от пикселов в том направлении, которому соответствует указанная компонента (луч света).

Изобретение относится также к устройству для получения трехмерного изображения. Это устройство согласно изобретению содержит:
источник пространственно когерентного света, предпочтительно лазерный источник,
модулятор для модуляции луча лазера, сформированного источником света, причем указанный модулятор управляется видеосигналом трехмерного изображения,
отклоняющую систему для отклонения модулированного луча лазера, управляемую сигналом синхронизации видеосигнала трехмерного изображения,
светоизлучающую поверхность, состоящую из пикселов, имеющих заданное взаимное расположение, и
оптические элементы, установленные в этих пикселах светоизлучающей поверхности, для отклонения падающего луча лазера при его происхождении или отражении в разных направлениях, определяющих заданное поле наблюдения, причем указанная отклоняющая система управляется так, чтобы обеспечить отклонение луча лазера на указанные пикселы в соответствии с направлениями поля наблюдения.

Предпочтительно, чтобы пикселы, образующие светоизлучающую поверхность, были расположены в соответствии с конфигурацией точек изображения на стандартном телевизионном экране, а указанная отклоняющая система содержала блоки горизонтального и вертикального отклонения, управляемые соответственно сигналом строчной синхронизации и сигналом кадровой синхронизации из видеосигнала трехмерного изображения. Блок вертикального отклонения и блок горизонтального отклонения может содержать, например, акустооптические кристаллы, управляемые генераторами, управляемыми напряжением.

Отклоняющая система может включать акустооптические элементы, управляемые в соответствии с направлениями указанного поля наблюдения. Оптические элементы могут быть также пассивными элементами с заранее заданной характеристикой горизонтального отклонения и заданным вертикальным рассеянием, предпочтительно элементы аксиальной оптики, голографические оптические элементы и т.д., причем эти голографические оптические элементы имеют вертикальную фокусную линию, а свет рассеивается в вертикальных плоскостях, включающих эту вертикальную фокусную линию. В последнем случае, когда оптические элементы в пикселах являются пассивными, отклоняющая система обеспечивает отклонение луча лазера, падающего на пиксел, в соответствии с разными направлениями. Диапазон отклонений этой отклоняющей системы должен соответствовать числу и ширине указанных оптических элементов, установленных в пикселах.

В предпочтительном устройстве согласно изобретению отклоняющая система содержит группы оптических стекловолокон, по одной на каждый пиксел, каждая из которых включает некоторое число оптических стекловолокон, равное числу различных направлений, определяющих указанное поле наблюдения. Входной конец группы оптических стекловолокон соединен с выходом блока, отклоняющего модулированный луч лазера в соответствии с пикселами, а другой конец указанной группы оптических стекловолокон соединен с одним из пикселов, причем концевые части оптических стекловолокон этих групп выполнены с возможностью направлять луч лазера именно в направлении, связанном с соответствующим оптическим стекловолокном. Каждое оптическое стекловолокно из группы пропускает компоненту модулированного пучка света лазера, которая связана с тем направлением наблюдения, которому соответствует указанное оптическое стекловолокно.

В еще одном предпочтительном варианте изобретения лазерный источник и модулятор выполнены в виде лазерного блока, содержащего лазерный диод, управляемый видеосигналом трехмерного изображения. Более практичная конструкция может быть получена при интегрировании указанных лазерного источника, модулятора и отклоняющей системы в интегрированный оптический блок.

В предпочтительном варианте изобретения лазерный источник направлен на кристалл акустооптического модулятора, который управляется видеосигналом трехмерного изображения с помощью блока формирования сигнала.

Устройство согласно изобретению может быть выполнено с возможностью воспроизведения цветного пространственного изображения, в этом случае оно содержит многоцветные лазерные источники или несколько лазерных источников, например три, разных основных цветов (длин волн). При этом либо имеется один оптический элемент в каждом пикселе и осуществляется отклонение с электронной компенсацией, либо в каждом пикселе имеются три оптических элемента для отклонения или пропускания падающего луча лазера соответствующей длины волны в разных направлениях, определяющих указанное поле наблюдения.

Еще один предпочтительный вариант выполнения изобретения содержит:
средства управления для приема видеосигнала трехмерного изображения,
светоизлучающего поверхность, состоящую из пикселов,
элементарные источники пространственно когерентного света, например управляемые диоды спонтанного излучения (CSD) или элементарные лазеры (например) MSELDA, расположенные в указанных пикселах, для излучения лучей когерентного света с надлежащей интенсивностью, зависящей от направления, в направлениях, определяющих заданное поле наблюдения.

В предпочтительном варианте выполнения описанного выше устройства каждый из элементарных лазеров связан по меньшей мере с одним из направлений, определяющих указанное поле наблюдения. Это также может быть достигнуто при установке оптических элементов в указанных пикселах светоизлучающей поверхности, причем каждый из оптических элементов направляет луч лазера, излученный одним из элементарных лазеров, в направлении, которому соответствует этот элементарный лазер.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения изобретения расстояния между соседними элементарными лазерами имеют порядок длины волны света, так что лучи лазера, излученные элементарными лазерами, интерферируют друг с другом в соответствии с голографическим управлением всей совокупностью указанных элементарных лазеров.

Устройство согласно изобретению может представляют собой телевизионный приемник трехмерного изображения, а также видео или компьютерный монитор, содержащий закрытое в корпус приемное устройство, имеющее вход видеосигнала трехмерного изображения и/или антенный вход, причем указанные лазерные источники, модулятор и отклоняющая система размещены в нижней части закрытого устройства, светоизлучающая поверхность расположена на передней стороне закрытого устройства, а отклоняющая система связана с оптическими элементами этой светоизлучающей поверхности посредством фокусирующей зеркальной оптики, размещенной позади светоизлучающей поверхности внутри закрытого устройства.

Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображена блок-схема системы, иллюстрирующая вариант выполнения изобретения,
на фиг. 1A изображен график интенсивности пучка света лазера, модулированного компонентой сигнала яркости видеосигнала трехмерного изображения,
на фиг. 1B изображен график напряжения компоненты сигнала яркости видеосигнала трехмерного изображения, модулирующего пучок света лазера в системе на фиг. 1,
на фиг. 2 изображена схема предпочтительного варианта выполнения изобретения,
на фиг. 3 изображена схема варианта выполнения отклоняющей системы и светоизлучающей поверхности, входящих в систему согласно изобретению,
на фиг. 4 изображена схема, иллюстрирующая режим работы другого предпочтительного варианта выполнения отклоняющей системы и светоизлучающей поверхности,
на фиг. 5A и 5B изображены схемы, иллюстрирующие режим работы пиксела светоизлучающей поверхности при наличии и отсутствии вертикального параллакса соответственно,
на фиг. 6 изображена схема, иллюстрирующая режим работы предпочтительного варианта выполнения изобретения, с отсутствием параллакса, причем пучок света лазера от пиксела светоизлучающей поверхности имеет заданное рассеяние в вертикальной плоскости,
на фиг. 7 изображена блок-схема другого предпочтительного варианта выполнения изобретения,
на фиг. 8 схематически изображен вид в перспективе устройства, показанного на фиг. 7, и иллюстрируется его работа,
на фиг. 9A и 9B изображены схемы, иллюстрирующие два предпочтительных способа модуляции лазера в системе, выполненной согласно изобретению,
на фиг. 10A и 10B схематично, частично в виде блоков изображены предпочтительные варианты отклонения луча лазера согласно изобретению,
на фиг. 11 схематично изображен периодический цилиндрический оптический элемент, используемый в отклоняющей системе устройства согласно изобретению,
На фиг. 12 схематично изображен голографический оптический элемент, размещенный в пикселе светоизлучающей поверхности согласно изобретению,
на фиг. 13 изображена схема, иллюстрирующая режим работы устройства в предпочтительном варианте выполнения изобретения,
на фиг. 14 схематично изображен вид сверху на часть светоизлучающей поверхности, иллюстрирующий режим работы оптического элемента, размещенного в пикселе этой поверхности,
на фиг. 15 схематично изображен вид сверху на светоизлучающую поверхность, иллюстрирующий трехмерное поле наблюдения, которое достигается с помощью изобретения,
на фиг. 16 схематично изображен вид сверху на изогнутую светоизлучающую поверхность, обеспечивающую более широкое трехмерное поле наблюдения,
на фиг. 17 изображена схема предпочтительного варианта выполнения изобретения, обеспечивающая трехмерное цветное изображение,
на фиг. 17A показан в увеличенном масштабе вид спереди на пиксел светоизлучающей поверхности устройства, показанного на фиг. 17,
на фиг. 18A и 18B схематично изображены соответственно боковое и фронтальное сечения телевизионного приемника трехмерного изображения согласно изобретению,
на фиг. 19A схематично изображено устройство для записи видеосигнала трехмерного изображения,
на фиг. 19B схематично изображена горизонтальная проекция, иллюстрирующая работу устройства для записи видеосигнала трехмерного изображения,
на фиг. 19C схематично изображена горизонтальная проекция, иллюстрирующая устройство дисплея для воспроизведения записанного видеосигнала трехмерного изображения,
на фиг. 20A и 20B изображены графики интенсивности видеосигналов двумерного изображения и трехмерного изображения соответственно,
на фиг. 21 схематично изображен вид в перспективе части светоизлучающей поверхности для еще одного варианта выполнения изобретения и
на фиг. 22 схематично изображен вид сверху на пикселы светоизлучающей поверхности, представленной на фиг. 21.

На фиг. 1 устройство 10 согласно изобретению содержит блок 20 лазера и модулятора, блок 21 разделения, отклоняющую систему 30 и светоизлучающую поверхность 40, имеющую пикселы 42, расположенные в заданной конфигурации. Входной сигнал представляет собой видеосигнал трехмерного изображения, который с помощью блока 21 разделяется на компоненту яркости и цветности и компоненту сигнала синхронизации. Сигналы синхронизации подаются на управляющий вход отклоняющей системы 30, в то время как сигналы яркости и цветности управляют работой блока 20 лазера и модулятора, модулируя пучок света лазера согласно информации о трехмерном изображении. С выхода блока 20 лазера и модулятора модулированный пучок света лазера подается на средства 34 отклонения, которые направляют входящий пучок света лазера посредством управляемого отклонения на пикселы 42 светоизлучающей поверхности 40, последовательно на один пиксел за другим.

Отклоняющая система содержит также средства 36 отклонения, обеспечивающие регулируемое по времени отклонение пучка света лазера, падающего на пикселы 42, для разных направлений i₁, i₂, ... i_n заданного поля наблюдения. Существенной характеристикой изобретения является то, что пикселы 42 светоизлучающей поверхности должны излучать пучок света лазера в каждом направлении с соответствующими интенсивностью и цветом в противоположность двумерным экранам, для которых интенсивность и цвет света, излученного от любой точки изображения, не зависят от направления.

Для того, чтобы обеспечить излучение пучка света лазера с зависящей от направления интенсивностью, необходимо, чтобы пучок света лазера был модулирован в соответствии с разными направлениями, а управление его отклонением осуществлялось в соответствии с этими направлениями. Как изображено соответственно на фиг. 1A и 1B, компонента яркости видеосигнала трехмерного изображения и, следовательно, модулированный сигнал лазера имеют временные участки, соответствующие разным точкам изображения, то есть пикселам 42, и каждый из участков, соответствующих любому пикселу, имеют субучастки, каждый из которых связан с одним из направлений i₁, i₂, ... 1_n.

Для сравнения на фиг. 20A и 20B показаны видеосигнал двумерного изображения и видеосигнал трехмерного изображения соответственно. Как видно из рисунков, видеосигнал двумерного изображения внутри временного участка, соответствующего элементу изображения, по существу постоянен, в то время как видеосигнал трехмерного изображения содержит субучастки различной амплитуда даже в пределах одного временного участка, каждый из указанных субучастков соответствует заданному направлению наблюдения.

В варианте выполнения изобретения, изображенном на фиг. 2, отклоняющая система 30 содержит средства отклонения, включающие группы 37 оптических стекловолокон. Каждый пиксел 42 связан с одной из групп 37 оптических стекловолокон, каждая из которых содержит некоторое число оптических стекловолокон, которое равно числу n направлений i₁, i₂, ..., i_n. Модулированный пучок света лазера, поданный на средства 34 отклонения, поступает на входной конец группы 37 оптических стекловолокон, так что каждая часть модулированного пучка света лазера, соответствующего одному из пикселов 42, поступает на вход той группы 37 оптических стекловолокон, которая связана с этим пикселом 42. Концевые части оптических стекловолокон расположены так, что пучок света лазера, излученный оптическими стекловолокнами, то есть излученный пикселом, направлен в соответствующем направлении i₁, i₂, ..., i_n. При необходимости в пикселах 42 может осуществляться корректирующее оптическое отклонение для того, чтобы обеспечить точность заданных направлений i₁, i₂, ..., i_n .

Работа отклоняющей системы, изображенной на фиг. 3, принципиально отличается от рассмотренного выше варианта. В этой отклоняющей системе модулированный пучок света лазера поступает на пикселы, отклоненный только средствами 34 отклонения, без отклонения в соответствии с разными направлениями i₁, i₂, ..., i_n. Это второе отклонение, соответствующее разным направлениям i₁, i₂, . . . , i_n, осуществляется в пикселах 42 с помощью активных оптических элементов, предпочтительно акустооптических элементов, управляемых радиочастотным генератором 31. Вход радиочастотного генератора управляется сигналом пилообразной формы.

На фиг. 4 изображен еще один возможный способ достижения отклонения в разных направлениях согласно изобретению. Элементы пассивного оптического отклонения расположены в пикселах 42. Модулированный пучок света падает на пикселы 42, параллельно смещаясь в зависимости от времени, так что субучастки сигнала лазера, соответствующие разным направлениям, поступают на пассивный оптический элемент в пикселе 42 с таким заданным сдвигом, что каждый субучасток сигнала лазера будет отклоняться пассивным оптическим элементом в соответствующем направлении.

На фиг. 5A изображено, как пучок света лазера последовательно по времени излучается из пиксела 42 в разных направлениях, определяющих трехмерное поле наблюдения, в случае создания трехмерного изображения из видеосигнала трехмерного изображения с вертикальным параллаксом. В этом случае могут быть использованы сферически симметричные оптические элементы трехмерного излучения или голографические оптические элементы. На практике, однако, информация вертикального параллакса может быть опущена без значительного ухудшения трехмерного изображения, как показано на фиг. 5B. Для того, чтобы высота наблюдения, то есть положение глаз наблюдателя, не была очень критична, пучок счета лазера, модулированный видеосигналом трехмерного изображения без вертикального параллакса, должен излучаться в различных направлениях горизонтального поля наблюдения и рассеиваться в вертикальных плоскостях, включающих указанные направления, как изображено на фиг. 6. Для этого подходящими средствами отклонения являются, например, цилиндрические оптические элементы или голографические оптические элементы.

Устройство, блок-схема которого изображена на фиг.7, принципиально отличается от устройства на фиг. 1 тем, что светоизлучающая поверхность 40 на фиг. 7 является отдельным функциональным элементом, а не частью отклоняющей системы 30. Блок 20 лазера и модулятора содержит лазерный источник 22 и модулятор 24, как изображено на фиг. 8. Модулятор 24 управляется компонентой IN сигнала яркости и цветности видеосигнала трехмерного изображения. Модулированный пучок света лазера отклоняется на пикселы 42 светоизлучающей поверхности 40 и отклоняется или смещается параллельно в соответствии с разными направлениями наблюдения в заданной временной последовательности с помощью отклоняющей системы 30, управляемой компонентой SY сигнала синхронизации видеосигнала трехмерного изображения.

На фиг. 9A изображен предпочтительный вариант блока 20 лазера и модулятора, содержащего блок, объединяющий лазерный диод 27 и кристалл (чип) 29, смонтированный на формирующем оптическом элементе 28. Выходной сигнал представляет собой модулированный когерентный пучок света лазера, интенсивность I которого также приведена на фиг. 9A.

На фиг. 9B изображен еще один предпочтительный способ формирования модулированного пучка света лазера, при котором лазерный источник 22 непрерывного излучения посылает пучок света лазера на модулятор 24, выполненный в виде акусто-оптического кристалла, управляемого видеосигналом трехмерного изображения посредством радиочастотного генератора 26.

На фиг. 10A и 10B изображены предпочтительные варианты части отклоняющей системы 30, обеспечивающей синхронное отклонение модулированного пучка L_m света лазера на пикселы 42 светоизлучающей поверхности 40 согласно заданной временной последовательности. В этих примерах геометрическое расположение и последовательность пикселов 42 соответствует конфигурации элементов изображения на стандартном телевизионном экране двумерного изображения, поэтому блок 34 отклонения содержит блок горизонтального (строчного) отклонения и блок 32 вертикального (квадратного) отклонения, аналогично отклоняющим системам в известных телевизорах. На фиг. 10A блоки 32 и 33 отклонения являются многогранными зеркальными устройствами, приводимыми в движение прецизионно управляемыми двигателями, не показанными на чертежах.

На фиг. 10B горизонтальное и вертикальное отклонение обеспечивается акустооптическими кристаллами, которыми управляют генераторы 38 и 39, управляемые напряжением, которые возбуждаются генераторами пилообразного напряжения.

На фиг. 11 и 12 изображены оптические элементы 44, расположенные в пикселах 42 светоизлучающей поверхности 40. На фиг. 11 оптические элементы 44 выполнены в виде повторяющихся осесимметричных оптических элементов, в то время как оптические элементы на фиг. 12 представляют собой голографические оптические элементы, например просветные рельефные голограммы. Голографические оптические элементы расположены на плоской несущей пластине, предпочтительно выполненной из цветного стекла или пластмассы. При выборе подходящих оптических элементов вся светоизлучающая поверхность 40 может быть изготовлена единой штамповкой.

Как изображено на фиг. 13, модулированный сфокусированный пучок света лазера падает на пиксел 43 так, что он поступает на n разных точек голографического оптического элемента 44 пиксела 42 с временным сдвигом. Направление, в котором пучок света лазера будет излучен от пиксела 42, зависит от того, в каком месте пучок света лазера падает на поверхность падения света оптического элемента 44. При движении точки падения вдоль внутренней поверхности оптического элемента 44, направление излучения пучка света лазера изменяется между направлениями i₁ и i_n, так что излучаемый пучок света лазера "качается" вдоль поля наблюдения α, заданного указанными направлениями i₁,...i_n.

Для получения непрерывного трехмерного изображения пучок света лазера, излученный от пиксела в определенном направлении, должен иметь определенный угол расхождения луча δ. В простом случае, например, поле наблюдения α равно 90^o и в пределах поля обзора имеется 90 разных направлений i₁, i₂,...,i₉₀, а угол расхождения луча δ для излучения пучка света лазера должен быть равен примерно 1^o.

На фиг. 14 иллюстрируется работа другого варианта светоизлучающей поверхности 40. Отклоняющая система обеспечивает параллельный сдвиг пучка света лазера, падающего на пикселы, так что каждая относительная позиция падающего пучка света лазера в пределах пиксела 42 соответствует одному из направлений наблюдения i₁, i₂, ... , i_n. Пучок света лазера, падающий в заданную точку оптического элемента 44 пиксела 42 в момент времени t_k, будет отражен оптическими элементами в направлении 44 i_k, соответствующем точке падения. При движении точки падения вдоль поверхности оптического элемента 44 в пикселе излученный пучок света лазера движется вдоль всего поля наблюдения α. В этом случае оптические элементы являются собирающими оптическими системами, тогда как аналогичная система на фиг. 4 содержит рассеивающие оптические элементы.

На фиг. 15 и 16 показано формирование поля полного трехмерного изображения. Поле на фиг. 16, где показана арочная вогнутая светоизлучающая поверхность 41, значительно шире. Аналогичные характеристики могут быть более практично имитированы при использовании плоского экрана, имеющего пикселы с изменяющимися параметрами.

На фиг. 18A и 18B приведен телевизионный приемник трехмерного изображения, являющийся предпочтительным вариантом выполнения устройства согласно изобретению. Телевизионный приемник 12 содержит закрытый корпус, передняя сторона которого представляет собой светоизлучающую поверхность 40 в виде экрана. Внутри закрытого корпуса расположена фокусирующая сканирующая зеркальная оптическая система 14 для отражения модулированного пучка света лазера на пикселы указанной светоизлучающей поверхности 40. В нижней части закрытого устройства расположен блок 20 многоцветного лазера и модулятора и блоки отклонения отклоняющей системы 30. Устройство может быть использовано как видео так и компьютерный монитор трехмерного изображения, имеющий вход для видеосигнала трехмерного изображения, или как телевизионный приемник, имеющий вход телевизионного сигнала трехмерного изображения/антенный вход.

На фиг. 17 и 17A в качестве примера показан принцип построения цветного монитора трехмерного изображения согласно изобретению. Устройство с цветным изображением содержит по меньшей мере три лазерных источника 22R, 22G и 22B всех основных цветов (красный, зеленый и синий). В пикселах 42 один над другим размещены три отклоняющих оптических элемента 44R, 44G и 44B для пучков света лазера разных цветов, для формирования пучка света заданного цвета и излучения его в соответствующих направления.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения ширина оптических элементов 44R, 44G и 44B составляет примерно 0,5 мм, в то время как их высота равна примерно 0,15 мм. Оптические элементы 44R, 44G и 44B предпочтительно являются голографическими оптическими элементами.

На фиг. 19A и 19B изображено устройство для записи изображения, формирующее видеосигнал трехмерного изображения без вертикального параллакса, как показано на фиг. 20B. Устройство содержит множество камер C₁, C₂ ... C_n, записывающих двумерное изображение и представляющих собой, например, кристаллы (чипы) приборов с зарядовой связью с соответствующим оптическим обеспечением, расположенные неподвижно по отношению друг к другу рядом друг с другом в горизонтальной плоскости в соответствии с направлениями наблюдения воспроизводящей системы, аналогично тому, как это делается при записи стереограмм. Число этих камер равно числу n направлений наблюдения. Изображения пространственного образа или сцены фиксируются камерами C₁, C₂ ... C_n одновременно с разных направлений наблюдения, а видеосигналы двумерного изображения, записанные камерами двумерного изображения, размещаются в определенной заранее заданной последовательности для получения формата видеосигнала трехмерного изображения. Во время записи следует учитывать относительное положение виртуального экрана, обозначенного цифрой 1, которое соответствует положению светоизлучающей поверхности системы воспроизведения трехмерного изображения, как изображено соответственно на фиг. 19B и 19C. На фиг. 19C показано, что световой сигнал, попадающий от одной и той же точки светоизлучающей поверхности 40 в левый глаз L наблюдателя, отличается от светового сигнала, попадающего в правый глаз R наблюдателя.

На фиг. 21 и 22 иллюстрируется принцип построения и работа еще одного варианта устройства согласно изобретению. На светоизлучающей поверхности 40', содержащей пикселы 42, имеется множество пространственно когерентных элементарных источников света, предпочтительно элементарных лазеров 50, расположенных в каждом пикселе 42'. Элементарные лазеры 50 управляются так, что излучают световые сигналы в каждом направлении поля наблюдения. В предпочтительном варианте изобретения каждый элементарный лазер 50 в пикселе 42' соответствует заданному направлению наблюдения и управляется видеосигналом трехмерного изображения так, чтобы излучать в этом направлении пучок света лазера соответствующей интенсивности и цвета.

В еще одном возможном варианте выполнения изобретения взаимное расположение элементарных лазеров таково, что расстояния между соседними элементарными лазерами имеют порядок длины световой волны. В этом случае элементарными лазерами 50 управляют одновременно голографическим способом, при этом пучки света, излученные указанными элементарными источниками, интерферируют друг с другом с формированием пучков света соответствующей интенсивности и цвета в каждом направлении в соответствии с управляющим видеосигналом трехмерного изображения. Такие программы голографического управления известны.

На фиг. 22 показано, что направление пучка света, излученного элементарными лазерами 50, может быть изменено для соответствия желаемому направлению наблюдения с помощью оптических элементов 44', расположенных в пикселах 42'.

Телевизионный приемник трехмерного изображения содержит помещенное в корпус устройство (12) с входом для видеосигнала трехмерного изображения и/или антенным входом, включающее лазерный источник (22), модулятор (24) и отклоняющую систему (30), расположенные внутри корпуса, а также светоизлучающую поверхность (40) на передней поверхности корпуса. Отклоняющая система (30) обеспечивает отклонение пучка света лазера, сформированного лазерным источником (22), на пикселы (42) светоизлучающей поверхности (40) и дальнейшее отклонение для направления луча лазера, излученного указанными пикселами (42), в разных направлениях (i₁, i₂,..., i_n), определяющих трехмерное поле наблюдения, под управлением сигнала синхронизации, соответствующего информации о направлении, содержащейся в видеосигнале трехмерного изображения. Техническим результатом изобретения является повышение качества трехмерного изображения. 5 с. и 13 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Способ получения трехмерного изображения, при котором модулируют интенсивность луча пространственно когерентного света, предпочтительно луча лазера, видеосигналом трехмерного изображения и направляют модулированный луч лазера путем управляемого отклонения на пикселы, образующие светоизлучающую поверхность, отличающийся тем, что модулированный луч лазера отклоняют так, что оно излучается из каждого пиксела светоизлучающей поверхности в ряде направлений, определяющих заданное поле наблюдения, причем отклонение в указанных разных направлениях осуществляют так, что мгновенное значение интенсивности луча лазера, излученного из пикселов в любом из указанных направлений поля наблюдения, соответствует информации, относящейся к соответствующему направлению, которая содержится в видеосигнале трехмерного изображения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что модулированный луч лазера отклоняют в соответствии с указанными направлениями так, что он падает на пикселы в такое заданное место, что падающие временные компоненты луча лазера отклоняются пассивными оптическими элементами в соответствующих этим компонентам направлениях. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что модулированный луч лазера, направленный на пикселы, отклоняют и излучают в указанных разных направлениях поля наблюдения посредством активных управляемых оптических элементов, расположенных в пикселах. 4. Способ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что модулированный луч лазера направляют на пикселы, предпочтительно на периодические сферические симметричные оптические элементы, или на голографические или дифракционные оптические элементы, или осесимметричные оптические элементы, расположенные в пикселах, посредством горизонтального и вертикального отклонений согласно телевизионным стандартам, причем пикселы располагают так, что их конфигурация соответствует стандартному расположению точек телевизионного изображения. 5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что пучок света лазера модулируют видеосигналом трехмерного изображения, не содержащим информацию с вертикальным параллаксом, причем пучок света лазера, излучаемый пикселом, качается по горизонтали в указанном поле наблюдения и имеет заданное рассеяние по вертикали. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал трехмерного изображения формируют так, что двумерные изображения пространственных сцен или образов, которые должны быть записаны, фиксируют одновременно с каждого из направлений, определяющих поле наблюдения, а сигналы двумерного изображения, записывающие разные изображения, располагают последовательно в соответствии с указанными направлениями в формате видеосигнала трехмерного изображения. 7. Способ получения трехмерного изображения, при котором пространственно когерентными элементарными источниками света, предпочтительно элементарными лазерными источниками, образующими светоизлучающую поверхность, управляют посредством видеосигнала трехмерного изображения для излучения луча света в ряде направлений, определяющих заданное поле наблюдения, отличающийся тем, что интенсивность луча света, излученного в любом из указанных направлений, соответствует информации, содержащей в видеосигнале трехмерного изображения и связанной с этим направлением. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что каждый из элементарных источников света связывают с одним из указанных направлений и управляют им в соответствии с эти направлением, причем свет, излученный этими элементарными источниками света, направляют в соответствующем направлении с помощью оптических средств, расположенных в пикселах указанной светоизлучающей поверхности. 9. Способ по п.7, отличающийся тем, что элементарными лазерными источниками управляют одновременно голографическим путем так, что пучки света лазера, посылаемые в указанных направлениях, формируются путем интерференции когерентных волн света, излученных двумя или более элементарными лазерными источниками. 10. Способ получения трехмерного изображения, при котором модулируют пучок когерентного света, предпочтительно пучок света лазера, видеосигналом трехмерного изображения и направляют модулированный пучок когерентного света на пикселы, расположенные так, что они образуют светоизлучающую поверхность, отличающийся тем, что модулированный пучок света лазера содержит лучи света, каждый из которых связан с направлением наблюдения, а эти направления определяют заданное поле наблюдения, причем лучи света модулируют одновременно, каждый луч света в соответствии с тем направлением, с которым он связан, и излучают каждый луч света модулированного пучка света из указанных пикселов в том направлении, которому соответствует луч света. 11. Устройство для получения трехмерного изображения, содержащее источник пространственно когерентного света, предпочтительно лазерный источник, модулятор для модуляции луча лазера, сформированного этим источником света, управляемый видеосигналом трехмерного изображения, отклоняющую систему для отклонения модулированного луча лазера, управляемую сигналом синхронизации видеосигнала трехмерного изображения, и светоизлучающую поверхность, состоящую из пикселов, имеющих заданное взаимное расположение, отличающееся тем, что в пикселах светоизлучающей поверхности установлены оптические элементы для отклонения и/или передачи падающего луча лазера от этих пикселов в разных направлениях наблюдения (i₁,..., i_n), определяющих заданное поле (α) наблюдения, а отклоняющей системой управляют для отклонения луча лазера на указанные пикселы в соответствии с направлениями поля (α) наблюдения. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что отклоняющая система содержит оптические элементы, установленные в пикселах светоизлучающей поверхности, причем этими оптическими элементами управляют в соответствии с направлениями (i₁,..., i_n) поля наблюдения (α).
13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что оптические элементы являются пассивными оптическими элементами с постоянной характеристикой горизонтального отклонения и заданным вертикальным рассеянием в вертикальных плоскостях, предпочтительно просветными или отражательными вертикальными аксиальными оптическими элементами или голографическими дифракционными оптическими элементами. 14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что отклоняющая система содержит группы оптических стекловолокон, по одной на каждый пиксел, каждая из групп включает некоторое число оптических стекловолокон, равное числу (n) разных направлений (i₁, ... i_n), определяющих поле (α) наблюдения, входной конец указанной группы оптических стекловолокон соединен с выходом блока отклонения, отклоняющего модулированный луч лазера в соответствии с пикселами, а другой конец группы оптических стекловолокон соединен с соответствующими пикселом, причем концевые части оптических стекловолокон указанных групп установлены так, что направляют луч лазера именно в том направлении i₁,..., i_n, которое связано с соответствующим оптическим стекловолокном. 15. Устройство по одному из пп.11 - 14, отличающееся тем, что лазерный источник, модулятор и отклоняющая система (30) выполнены в виде интегрального оптического блока. 16. Устройство для получения трехмерного изображения, содержащее средства управления для приема видеосигнала трехмерного изображения, подключенные к светоизлучающей поверхности, образованной пикселами, отличающееся тем, что пространственно когерентные элементарные источники света, например управляемые диоды спонтанного излучения или, предпочтительно, элементарные лазеры, расположены в пикселах для излучения остронаправленного света или луча лазера в направлениях наблюдения (i₁,..., i_n), определяющих заданное поле наблюдения (α).
17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что каждый из элементарных лазеров связан по меньшей мере с одним из направлений (i₁,..., i_n), определяющих поле (α) наблюдения, а в пикселах светоизлучающей поверхности установлены оптические элементы, каждый из которых направляет луч лазера, излученный одним из элементарных лазеров, в направлении (i₁,..., i_n), с которым связан этот элементарный лазер. 18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что расстояние между соседними элементарными лазерами имеет порядок длины волны света, так что лучи лазера, излученные этими элементарными лазерами, интерферируют друг с другом в соответствии с голографическим управлением всей совокупностью указанных элементарных лазеров.