СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК G02B27/22 G02B27/42 

Область техники

Настоящее изобретение связано с формированием стереоизображений с помощью неподвижных источников света и может быть использовано в различных устройствах отображения информации, в частности в телевидении, кино, в различных системах создания виртуальной реальности.

Уровень техники

Наибольшее распространение в настоящее время получили способы формирования изображений, в которых на некоторой поверхности (световое табло, экран телевизора или монитора, киноэкран) формируют источники первичного или вторичного светового излучения с модулируемой яркостью. Например, на экране телевизора такие источники создают при бомбардировке электронным лучом люминофора, испускающего при этом свет. На киноэкране такие источники создают в результате отражения от элементарных участков белого экрана лучей света, направляемых из кинопроектора. Как известно, для того чтобы у наблюдателя создалось впечатление, что он видит стереоизображение, необходимо, чтобы правый глаз наблюдателя видел картину, которую наблюдатель видит правым глазом при рассматривании реального трехмерного мира, а левый глаз наблюдателя видел картину, которую наблюдатель видит левым глазом при рассматривании того же мира. Эти картины отличаются из-за параллакса, возникающего из-за того, что глаза наблюдателя разнесены в пространстве. Различные картины для левого и правого глаз наблюдателя могут быть созданы различными способами. Например, наблюдатель надевает очки со светофильтрами. Светофильтр у правого глаза пропускает красный цвет, а у левого - зеленый. Если на экран проектируются одновременно две картины, одна из которых красная и предназначена для правого глаза, а другая зеленая и предназначена для левого глаза, то у наблюдателя создается впечатление, что он видит объемное изображение. Вместо очков со светофильтрами можно использовать очки, у которых в правый глаз проходит свет одной поляризации, а в левый глаз - перпендикулярной. В этом случае необходим экран, который сохраняет поляризацию света при отражении от него. Кроме того, необходимы два проектора, один из которых проектирует на экран картину в одной поляризации, а другой - в перпендикулярной. Наконец, в некоторых случаях используют очки с регулируемыми оптическими затворами на линзах, которые не пропускают свет при подаче на линзу соответствующего управляющего сигнала. Высвечивая поочередно изображения для правого и левого глаз и открывая соответствующим образом затворы, можно выполнить условие, чтобы левый глаз видел изображение, предназначенное для левого глаза, а правый - для правого. Если смена картинок производится достаточно часто, то мигание не воспринимается. На этом эффекте основано кино и телевидение.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования стереоизображений при помощи подвижных (вращающихся или колеблющихся) зеркал (см. заявка на изобретение №2003137692 от 29 декабря 2003 года «Способ формирования изображений и устройства для его осуществления». В этом случае изображение формируется во вращающемся или колеблющемся зеркале, в котором отражается линейка неподвижных источников света, модулируемых во времени по яркости в соответствии с требуемым изображением. Как показано на Фиг.1, который соответствует Фиг.3 указанной заявки, на левый глаз 1 подают изображение, формируемое при помощи одного подвижного зеркала 3, в котором отражается линейка модулируемых по яркости светодиодов 5. Аналогичным образом, для правого глаза 2 используют такой же комплект оборудования, состоящий из подвижного зеркала 4 и линейки светодиодов 6. Непрозрачная перегородка 7 используется для того, чтобы левый глаз не мог видеть изображение в зеркале 4, а правый глаз не мог видеть изображение в зеркале 3. Недостатком этого способа является необходимость использования движущихся механических систем в виде зеркал, совершающих вращательно колебательные движения. В предлагаемом изобретении этот недостаток устранен путем использования очков с неподвижными дифракционными решетками, свойства которых определяются подаваемыми на них электрическими сигналами.

Сущность изобретения

Сущность изобретения состоит в том, что в качестве системы изменяющей направление лучей, попадающих в глаз от линейки модулируемых по яркости светодиодов, используют дифракционные решетки, вставленные в очки, которыми снабжают зрителей для разглядывания указанных линеек светодиодов. Дифракционные решетки выполнены с возможностью изменять период решетки. Как известно, при изменении периода изменяется угол отклонения света в первый дифракционный максимум. При разглядывании линейки светодиодов через такие дифракционные решетки у зрителя создается впечатление, что линейка светодиодов перемещается в пространстве. Это приводит к тому, что зритель вместо светящейся линейки светодиодов видит светящийся прямоугольник. При соответствующей модуляции светодиодов линейки во времени по яркости зритель видит вместо светящегося прямоугольника формируемое в этом прямоугольнике изображение.

Перечень фигур чертежей

На Фиг.1 показано взаимное размещение наблюдателя, зеркал и линеек светодиодов в прототипе.

На Фиг.2 показано взаимное расположение линейки светодиодов, дифракционной решетки и наблюдателя.

На Фиг.3 показана зависимость оптической длины для лучей, исходящих из линейки светодиодов и приходящих в глаз зрителя, от положения той точки, через которую луч проходит через решетку.

На Фиг.4 показана такая же зависимость, что и на Фиг.3, но в другой момент времени.

На Фиг.5 схематически представлена дифракционная решетка, период которой может задаваться электрическими сигналами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Как известно, при прохождении луча света через дифракционную решетку он расщепляется на лучи, составляющие с падающим углом определенные углы. Наиболее интенсивным из прошедших лучей является луч, отклоняющийся в так называемый первый дифракционный максимум. Угол отклонения этого луча определяется соотношением шага решетки и длины волны отклоняемого света. Это обстоятельство иллюстрируется Фиг.2, где лучи, исходящие из точки 8, проходя через дифракционную решетку 11, отклоняются в направлении точки 9. При другом шаге решетки те же лучи, исходящие из точки 8, отклоняются в точку 10.

Шаг одномерной дифракционной решетки, обеспечивающей отклонение луча в заданном направлении, определяется из условия, чтобы оптическая длина лучей, проходящих через различные штрихи, была одинакова с точностью до целого количества длин волн. Например, если источник света, расположен в точке 8 (Фиг.2), то испускаемые им лучи будут фокусироваться дифракционной решеткой 11 в точке 9 при условии, что штрихи дифракционной решетки расположены вдоль оси х в местах, в которых показанная на Фиг.3 функция F(x) положительна. Эта функция определяется выражением

которое с точностью до длины волны λ равно оптической длине луча, распространяющегося из точки 9 с координатами (0, а=1000000) в точку с координатами х (х,0), и из этой точки в точку 10 с координатами (0, b=10000). Как видно из приведенной формулы, оптическая длина изменяется в пределах от -0.5 λ до 0.5 λ.

На Фиг.3 в качестве примера приведена зависимость F(x) в предположении, что λ=0.5 мкм. Длина вдоль осей х и у также выражена в микрометрах. Как видно из Фиг.3, для того чтобы свет из точки 9 с координатами (0,1000000) прошел через точку с координатами (х,0), и из этой точки попал в точку 10 с координатами (0,10000). Период дифракционной решетки должен быть равен приблизительно 5 мкм. В том случае если требуется изменить угол распространения прошедшего через дифракционную решетку света и сфокусировать его, например в точке С с координатами (с=2700, b=10000), штрихи решетки должны быть в тех местах, где показанная на Фиг.4 функция положительна. В этом случае период решетки должен быть равен приблизительно 2.5 мкм.

Пусть дифракционная решетка 11 представляет собой прозрачную пленку 12 с нанесенными на нее прозрачными прямоугольными электродами 13, как показано на Фиг.5. На каждый из электродов 13 может подаваться напряжении от электронной схемы 14. Пленка обладает тем свойством, что при подаче на электрод напряжения участок пленки под электродом становится непрозрачным. Чем меньше ширина электродов, тем больше возможностей открывается по созданию различных дифракционных решеток путем подачи напряжения на соответствующие электроды. Предполагается, что ширина электродов меньше периода дифракционной решетки. Чтобы получить дифракционные решетки, соответствующие Фиг.3 и Фиг.4, необходимо подать напряжения на те электроды, которые расположены в областях, где функция F(x) отрицательна. Таким образом, чтобы обеспечить постепенное перемещение лучей из точки А в точку С с помощью решетки, содержащий М электродов, необходимо вычислить для каждого промежуточного положения луча в точке А[i] (i=1, 2...N) функцию F(x) и составить таблицу из N строк по М элементов в каждой строке. Элементами этой таблицы являются нули и единицы. Единица в i-й строке и j-м столбце показывает, что при отклонении луча в i-e промежуточное положение необходимо подавать напряжение на j-й электрод. Современные электронные средства позволяют с помощью обычного микропроцессора организовать хранение такой таблицы и подачу напряжения на электроды в соответствии с строками этой таблицы в реальном масштабе времени.

Как отмечалось, период решетки зависит от длины волны света. Поэтому красные, зеленые и синие лучи, из которых обычно формируется любое цветное изображение, будут отклоняться на различные углы, если при этом не приняты дополнительные меры. Оказывается, что если составлены 3 таблицы соответственно для красных, зеленых и синих лучей, которые постепенно переводят эти лучи из точки А в точку С, то такой перевод может осуществляться одновременно. Это утверждение следует из того факта, что дифракционная решетка является частным случаем голограммы. Как известно, на одну и ту же пластину могут быть записаны несколько голограмм и при их воспроизведении одна голограмма не будет мешать другой. В частном случае голограммы могут быть записаны с помощью лазеров с различными длинами волн. В рассматриваемом случае мы имеем дело с синтезируемыми голограммами, которые спроектированы таким образом, чтобы красный, зеленый и синий лучи отклонялись одинаковым образом.

Выше рассматривались дифракционные решетки, состоящие из периодически чередующихся прозрачных и непрозрачных полос. Такие решетки носят название амплитудных. Известно, что существуют и другие типы дифракционных решеток, которые также могут быть использованы в предлагаемом изобретении. В частности, могут быть использованы дифракционные решетки, изготовленные из материала, в котором под действием электрического поля, приложенного к прозрачному электроду, изменяется показатель преломления материала. Так как оптическая длина для света, распространяющегося в оптической среде, пропорциональна показателю преломления этой среды, то при подаче света на электрод оптическая длина света, проходящего в оптической среде под электродом, изменяется. В результате возникает решетка, состоящая из полос, имеющих для проходящего света различную оптическую длину. Такие решетки носят название фазовых. Известно, что такие решетки оказываются наиболее эффективными в том случае, если оптическая длина двух типов полос отличается на λ/2, где λ длина световой волны (см. Сивухин Д.В. Общий курс физики, том 4. Оптика. Москва, Изд-во МФТИ, 2002). Это условие может быть выполнено подбором величины напряжения, подаваемого на управляющие электроды, и толщины решетки.

Кроме того, известны отражательные дифракционные решетки, в которых в глаз наблюдателя попадает не тот свет, который прошел через дифракционную решетку, а тот свет, который отразился от дифракционной решетки. Такие дифракционные решетки также могут быть использованы при реализации предлагаемого способа.

В настоящем способе стереоизображение формируется за счет использования линейки точечных источников света, модулируемых по яркости, и очков, которые обеспечивают перемещение изображения линейки, которое зритель видит левым глазом, в первый интервал времени и правым глазом во второй интервал времени. При этом в качестве стекол очков используют дифракционные решетки, выполненные с возможностью изменения периода путем подачи соответствующих управляющих электрических сигналов. Технический результат: повышение надежности способа формирования стереоизображения. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ формирования стереоизображений, при котором используют линейку точечных источников света, модулируемых по яркости, снабжают зрителя очками, обеспечивающими перемещение изображения линейки, которое зритель видит левым глазом в первый интервал времени и правым глазом во второй интервал времени, модулируют точечные источники света в первый интервал времени таким образом, чтобы зритель видел левым глазом кадр изображения, предназначенного для левого глаза, модулируют точечные источники света во второй интервал времени таким образом, чтобы зритель видел правым глазом кадр изображения, предназначенного для правого глаза, отличающийся тем, что в качестве стекол очков, обеспечивающих перемещение изображения линейки, используют дифракционные решетки, выполненные с возможностью изменять период решетки путем подачи соответствующих управляющих электрических сигналов, последовательно подают электрические сигналы, которые постепенно увеличивают (уменьшают) период дифракционной решетки.2. Способ по п.1, при котором в качестве дифракционной решетки используют пленку с нанесенной на нее системой прозрачных электродов в форме узких прямоугольников минимально возможной ширины и минимально возможным расстоянием между ними, соединенных с электронной схемой, приспособленной подавать импульс напряжения на каждый из электродов.3. Способ по п.2, при котором пленка приспособлена увеличивать коэффициент затухания света при подаче на прозрачный электрод электрического напряжения.4. Способ по п.2, при котором пленка приспособлена изменять показатель преломления при подаче на прозрачный электрод электрического напряжения.5. Способ по п.4, при котором пленка приспособлена увеличивать свою оптическую толщину на λ/2 при подаче на прозрачный электрод электрического напряжения, где λ - длина волны проходящего через пленку света.6. Способ по п.1, при котором используют отражательные дифракционные решетки.