УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ, СОДЕРЖАЩЕГОСЯ В НЕМ Российский патент 2018 года по МПК G03H1/26 G02B27/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится в целом к области техники, связанной с отображением изображений, и в частности к устройству отображения голографических изображений и способу функционирования блока управления, содержащегося в упомянутом устройстве отображения.

Настоящее изобретение может применяться в различных устройствах 3D-отображения с возможностью наблюдения голографических 3D изображений или 3D видео без использования очков, в телевизорах, проекторах, устройствах дополненной реальности и т.д. Настоящее изобретение может использоваться в различных сферах деятельности, таких как развлечение, образование, реклама, медицина, искусство и т.д.

Уровень техники

В настоящее время известные и перспективные технологии 3D-отображения основаны на методиках формирования составных изображений, параллаксного барьера, формирования объемных изображений, методиках на основе голографии или любого их сочетания и т.д.

Еще одной широкоиспользуемой технологией 3D-отображения является методика формирования стереоизображений. Она предусматривает отдельное и независимое представление плоских изображений для левого глаза и правого глаза наблюдателя. Левый глаз может видеть только «левые» изображения, но не может видеть «правые» изображения, и наоборот для правого глаза. Такая методика, как правило, реализуется с помощью очков активного или пассивного типа. Таким образом, недостаток этой методики заключается в том, что требуется дополнительное оборудование (т.е. очки).

В то же время главная проблема технологии формирования стереоизображений состоит в том, что она демонстрирует наблюдателю только два плоских изображения без возможности управления эффектом параллакса. При этом возникает рассогласование плоскости фокусировки и плоскости сведения глаз наблюдателя, известное как конфликт аккомодации-сведения (accommodation-convergence mismatch), что приводит к головным болям, усталости глаз и невозможности формирования настоящего 3D изображения. Следует отметить, что в данной области техники под настоящим 3D изображением понимается совокупность сгенерированных 3D точек в пространстве (действительных или мнимых), волновой фронт от которых, поступая в зрачок глаза или камеры, позволяет фокусироваться (аккомодировать) на отдельные точки объекта. При этом расстояние до плоскости аккомодации равно расстоянию до плоскости сведения осей глаз, если наблюдение осуществляется двумя глазами. В свою очередь, под ненастоящим 3D изображением понимается такое изображение, при котором на разные точки объекта невозможно сфокусироваться, т.е. глаза фокусируются на другую плоскость (например, экрана или дисплея), и расстояние до плоскости аккомодации не равно расстоянию до плоскости сведения осей глаз.

Таким образом, стереоизображения, формируемые автостереоскопическими 3D дисплеями, обладают многими недостатками, связанными прежде всего с формированием ненастоящего 3D изображения. Кроме того, в некоторых случаях необходимо использовать поляризационные или цветовые 3D очки для разделения изображений для левого и правого глаза для получения автостереоскопического 3D эффекта, что вызывает неудобства при просмотре, поскольку помимо прочего подобные устройства обладают еще дополнительным весом и габаритами, а просмотр подобных изображений часто приводит к головной боли, излишнему напряжению глаз, усталости и т.п.

Одной из главных технологий создания 3D дисплеев, способных отображать настоящие 3D изображения, является цифровая голография, позволяющая восстанавливать 3D изображения, на разные точки которых в трехмерном пространстве может фокусироваться глаз наблюдателя. При этом за счет сведения осей глаз можно получать дополнительную информацию об объеме 3D объекта без возникновения конфликта аккомодации-сведения, обеспечивая тем самым наиболее достоверное восприятие отображаемого 3D объекта.

В уровне техники существует множество разных решений для цифровых голографических дисплеев, позволяющих устранить вышеуказанные недостатки.

В частности, известно дисплейное устройство отображения 3D изображения и способ восстановления 3D изображения с помощью такого устройства (см. US 2006/0238840 A1, опубл.26.10.2006г., МПК G03H 1/08(2006.01)). Известное дисплейное устройство содержит источник излучения и оптическую систему для облучения носителя голограмм, при этом дисплейное устройство способно осуществлять последовательное во времени кодирование голограмм для их восстановления для левого и затем для правого глаза наблюдателя.

Кроме того, известны способ и устройство кодирования и восстановления видео-голограмм для голографического восстановления сцены (см. US 2006/0050340 А1, опубл.09.03.2006, МПК G02B 27/22 (2006.01) - далее прототип). Известные способ и устройство кодирования и восстановления видеоголограмм, рассчитанных с помощью компьютера, основаны на использовании обычных LCD-панелей, которые являются распространенной технологией пространственных модуляторов излучения. Восстановление голограммы сцены наблюдается из зон наблюдения для обоих глаз наблюдателя и возможно благодаря дифракции на пикселях LCD-панелей. Зоны наблюдения создаются с помощью сканирующей направленной подсветки LCD-панели и подачи на LCD-панель различных для каждого глаза рассчитанных цифровых голограмм. Принцип формирования голографического изображения только в локализованных зонах наблюдения имеет ряд достоинств: нет необходимости рассчитывать голограмму для широкой области наблюдения, что сокращает вычислительные ресурсы, требуемые объемы памяти, скорости передачи информации и время расчета. Кроме того, формирование локализованных зон наблюдения является более эффективной технологией с точки зрения затрат энергии - излучение с экрана дисплея не рассеивается, а наоборот - фокусируется в зрачки глаз наблюдателя.

Однако размер одной формируемой зоны наблюдения зависит от размера пикселя LCD-панели и фокусного расстояния линзы экрана (расстояния наблюдения). Для современных LCD-панелей, используемых в дисплеях, размер пикселя (35...150 мкм) слишком большой для получения требуемых углов дифракции (+-5...30°). В описанном прототипе дистанция формирования зоны наблюдения составляет несколько метров, потому что при таких больших размерах пикселя LCD-панели размер формируемой зоны очень мал, что приводит к неудобству при просмотре: пользователь должен быть неподвижен, а любое движение зрачков глаз приводит к срезанию пучка лучей от восстановленного 3D объекта, которое обусловлено смещением зрачков относительно сформированной пары зон наблюдения.

Для слежения за смещением наблюдателя и расширения зоны наблюдения в прототипе предложена сканирующая направленная подсветка, работающая совместно с системой слежения за глазами наблюдателя. Но проблема состоит в том, что скорость работы LCD-дисплеев ограничена (около 240 кадров в секунду) и при смещении наблюдателя возникает ухудшение качества воспроизводимого изображения. Применение LED матрицы для получения направленной подсветки дисплея приводит к хроматическим искажениям и ухудшению качества восстанавливаемой голограммы, а известные модули сканирующей когерентной подсветки для RGB цветов имеют очень высокую стоимость, пониженную однородность яркости по площади дисплея и ограниченный диапазон сканирования (порядка нескольких градусов).

Таким образом, существует необходимость в голографическом устройстве отображения, способном одновременно обеспечивать увеличение размеров отображаемого голографического изображения, его разрешения, количества уровней градаций цвета и фильтрации паразитных изображений, а также увеличение угла наблюдения или размеров области наблюдения отображаемого голографического изображения.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на устранение указанных выше недостатков, присущих решениям уровня техники, с одновременным улучшением качества изображения и увеличением размеров зоны наблюдения голографического изображения.

Технический результат, обеспечиваемый при реализации настоящего изобретения, представляет собой совокупность следующих технических эффектов: (1) увеличение размеров отображаемого изображения, одновременно обеспечивая при этом увеличение угла просмотра голографического изображения за счет формирования по меньшей мере одной группы зон наблюдения для левого и правого глаза наблюдателя; (2) повышение разрешения и числа уровней градаций цвета воспроизводимого голографического изображения; (3) улучшение качества голографического изображения путем фильтрации паразитных изображений и применения способа кодирования отображаемых голограмм.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство отображения голографических изображений. Предложенное устройство содержит блок управления, источник излучения, оптическую систему, пространственный модулятор излучения, блок фильтрации, оптико-электронный блок сканирования, многоканальную проекционную оптическую систему и экран, снабженный полевой линзой. Источник излучения выполнен с возможностью формирования по меньшей мере одного пучка излучения, имеющего исходные диаметр и состояние поляризации. Оптическая система расположена на выходе источника излучения и выполнена с возможностью увеличения исходного диаметра пучка излучения до заданного диаметра пучка излучения для повышения однородности распределения интенсивности в поперечном сечении пучка излучения или получения заданного распределения интенсивности в поперечном сечении пучка излучения. Пространственный модулятор излучения выполнен с возможностью модулирования пучка излучения, прошедшего через оптическую систему, в соответствии с заданной последовательностью подкадров для кадра голографического изображения. Блок фильтрации выполнен с возможностью пространственно-угловой фильтрации промодулированного пучка излучения для исключения из него паразитных порядков дифракции. Оптико-электронный блок сканирования выполнен с возможностью управления исходным состоянием поляризации промодулированного и отфильтрованного пучка излучения для его направления в соответствующий канал многоканальной проекционной оптической системы. Многоканальная проекционная оптическая система содержит по меньшей мере два оптических канала, каждый из которых содержит канальный объектив, и общий объектив. Оптические оси канальных объективов параллельны и децентрированы относительно оптической оси общего объектива. Канальные объективы и общий объектив выполнены с возможностью совместного переноса каждого подкадра из упомянутой последовательности подкадров, переносимой промодулированным и отфильтрованным пучком излучения, в плоскость экрана с заданным коэффициентом k увеличения подкадра. Экран, снабженный полевой линзой и расположенный на выходе многоканальной проекционной оптической системы, выполнен с возможностью формирования множества зон наблюдения в фокальной плоскости полевой линзы, причем число зон наблюдения равно числу каналов многоканальной проекционной оптической системы. Блок управления выполнен с возможностью вычисления упомянутой заданной последовательности подкадров для кадра голографического изображения, подлежащего отображению на экране, формирования и вывода управляющих сигналов для источника излучения, пространственного модулятора света и оптико-электронного блока сканирования в соответствии с упомянутой заданной последовательностью подкадров для кадра голографического изображения. При этом управляющие сигналы предназначены для управления упомянутыми функциями источника излучения, пространственного модулятора света и оптико-электронного блока сканирования.

В одном варианте осуществления источник излучения может представлять собой источник лазерного излучения. При этом источник излучения может быть выполнен с возможностью формирования пучка излучения на одной длине волны в случае отображения голографического изображения одного цвета (монохромного) или с возможностью формирования двух и более пучков излучения на двух и более длинах волн в случае отображения цветного голографического изображения.

В одном варианте осуществления пространственный модулятор излучения выполнен в виде микродисплея. При этом микродисплей может быть выполнен предпочтительно с помощью одной из следующих технологий, обеспечивающих высокое быстродействие: технологии DMD (цифровое микрозеркальное устройство), технологии FLCoS (ферроэлектрические жидкие кристаллы на кремнии) или технологии изготовления микродисплея на основе матрицы лазерных излучателей.

В одном варианте осуществления блок управления может быть выполнен в виде микроконтроллера с процессором, памятью и портами ввода-вывода. При этом память может быть выполнена с возможностью хранения разных последовательностей подкадров для кадров голографического изображения, предоставляемых извне через порт ввода, и процессор может быть выполнен с возможностью формирования и вывода упомянутых управляющих сигналов через порты вывода в соответствии с выбранной последовательностью подкадров.

В одном варианте осуществления полевая линза может представлять собой линзу Френеля. Кроме того, экран может быть дополнительно снабжен рассеивателем для увеличения размеров каждой зоны наблюдения в вертикальном направлении, поперечном относительно направления расположения оптических осей канальных объективов. Рассеиватель может быть выполнен в виде цилиндрического линзового растра или голографического рассеивающего экрана.

В одном варианте осуществления блок фильтрации состоит из линзовой системы и диафрагмы.

В другом варианте осуществления блок фильтрации содержит первую и вторую линзы и щелевую диафрагму. При этом задний фокус первой линзы совмещен с передним фокусом второй линзы и щелевая диафрагма расположена в плоскости совмещения упомянутых фокусов первой и второй линз и предназначена для того, чтобы не пропускать части пучка излучения, несущие нулевой и паразитные порядки дифракции.

В одном варианте осуществления оптико-электронный блок сканирования может содержать электрооптический модулятор для изменения исходного состояния поляризации пучка излучения до заданного состояния поляризации пучка излучения и светоделитель для направления пучка излучения с заданным состоянием поляризации в соответствующий канал многоканальной проекционной оптической системы.

В одном варианте осуществления заданный коэффициент увеличения подкадра |k|>1.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ функционирования блока управления, содержащегося в устройстве отображения согласно первому аспекту настоящего изобретения. Предложенный способ начинается с того, что подают на порт ввода блока управления информацию о текущем кадре голографического изображения. Эта информация включает в себя данные о наборе вокселей 3D объектов, содержащихся в текущем кадре, c координатами (Xi, Yi, Zi) и интенсивностями Ii, причем координаты вокселей заранее рассчитаны с учетом влияния полевой линзы экрана, собирающей лучи в зоны наблюдения. Далее осуществляют дискретизацию координат (Xi, Yi) вокселей в соответствии с разрешением экрана вдоль горизонтального и вертикального направлений для получения дискретных координат (1...Nx, 1...Ny) вокселей. Затем осуществляют дискретизацию координаты (Zi) вокселей по глубине цвета экрана для получения дискретной координаты (Nz) вокселей. И наконец, осуществляют дискретизацию интенсивностей Ii вокселей в соответствии с максимальным числом уровней градаций цвета экрана для получения дискретных значений интенсивности [0...NI-1] вокселей. После этого, используя дискретные координаты (1...Nx, 1...Ny) и (Nz) вокселей, а также дискретные значения интенсивности [0...NI-1] вокселей, разбивают воксели на группы Gmn для повышения разрешения каждого 3D объекта по горизонтали и вертикали, где m и n - индексы каждой группы. Далее, учитывая разрешение и рабочую поверхность пространственного модулятора излучения, выбирают число групп пикселей m по горизонтали и n по вертикали. Каждую группу вокселей Gmn разбивают на b битовых плоскостей, причем 2^b - количество градаций цвета. В соответствии с дискретным значением интенсивности заданного вокселя в заданной группе Gmn, выбранном из интервала [0...NI-1], рассчитывают и записывают полузонную пластинку для этого вокселя в заданную битовую плоскость в двоичном формате для получения кадра голографического изображения, содержащего m·n·b подкадров для одной зоны наблюдения и одного цвета. Затем выдают через порт вывода блока управления первый управляющий сигнал для пространственного модулятора излучения, который содержит последовательность подкадров, характеризуемую рассчитанными подкадрами. При этом в момент вывода последовательности подкадров, соответствующих b-й битовой плоскости, блок управления выдает второй управляющий сигнал на источник излучения для подсветки пространственного модулятора излучения по меньшей мере одним пучком излучения, который либо промодулирован по амплитуде, либо промодулирован по широте импульса. Амплитуда или ширина импульса подсветки пропорциональна номеру выводимой битовой плоскости и рассчитывается по формуле: С₀+С_b*2^b, где b - текущий номер битовой плоскости, С₀ и С_b - коэффициенты, определяемые при тарировке уровней яркости экрана. После того как один кадр голографического изображения, состоящий из m·n·b подкадров, направлен многоканальной проекционной оптической системой в соответствующую одну зону наблюдения, выдают через порт вывода блока управления третий управляющий сигнал для оптико-электронного блока сканирования. Третий управляющий сигнал побуждает оптико-электронный блок сканирования изменять пространственное и/или угловое расположение или направление промодулированного пучка излучения для направления его в требуемый канал многоканальной проекционной системы, формируя тем самым совместно с экраном набор зон наблюдения.

В одном варианте осуществления для ускорения расчета полузонные пластинки для дискретного набора вокселей рассчитывают заранее и записывают в память блока управления или в другую энергозависимую или энергонезависимую память, внешнюю по отношению к блоку управления.

Следует отметить, что технический эффект (1) достигается именно за счет использования многоканальной оптической проекционной системы, выполненной с возможностью увеличения отображаемого голографического изображения (или подкадров кадра голографического изображения). Например, коэффициент увеличения подкадра может быть равен единицы (по модулю). В этом состоит одно из отличий настоящего изобретения от технических решений, раскрытых в вышеуказанных патентах США, где размер дисплея фиксирован и оптика для увеличения размера изображения не используется. При этом отличие от прототипа также состоит в том, что фильтрация паразитных порядков выполняется специальным пространственно-угловым фильтром, что позволяет более эффективно и безопасно формировать зоны наблюдения голографического изображения.

Технический эффект (2) достигается за счет использования быстродействующего пространственного модулятора излучения и источника излучения, синхронизированных и управляемых блоком управления (каждый из конструктивных элементов предложенного устройства отображения будет описан подробнее в разделе «Осуществление изобретения»), которые отличаются от средств, использованных в вышеуказанных патентах США тем, что, например, в прототипе повышение разрешения не может быть реализовано на LCD-панели с фиксированным разрешением ввиду малого быстродействия по сравнению с технологией DMD, а градации серого реализуются самой LCD-панелью, которая обладает гораздо более медленным быстродействием по сравнению с пространственными модуляторами излучения на основе, например, технологии DMD, что не позволяет одновременно получить увеличение разрешения и глубины цвета.

Наконец, технический эффект (3) также достигается за счет использования специального пространственно-углового фильтра, который позволяет более эффективно и безопасно формировать зоны наблюдения голографического изображения по сравнению с прототипом, в котором фильтрация порядков осуществляется в плоскости расположения зон наблюдения.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра сопроводительных чертежей.

Краткое описание чертежей

Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 представляет собой схему устройства отображения голографических изображений в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 представляет собой блок-схему способа функционирования блока управления, содержащегося в устройстве, показанном на Фиг. 1.

Осуществление изобретения

Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее подробнее со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. В отличие от этого эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания специалистам в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, способ и устройство, раскрытые в данном документе, могут быть реализованы на практике посредством использования любого числа вариантов осуществления, указанных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более этапов или элементов, перечисленных в приложенной формуле изобретения.

Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.

Фиг. 1 представляет собой схему устройства 100 отображения голографических изображений в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, устройство 100 состоит из блока 102 управления, источника 104 излучения, оптической системы 106, пространственного модулятора 108 излучения, блока 110 фильтрации, оптико-электронного блока 112 сканирования, проекционной оптической системы 114 и экрана 116. Каждый из указанных конструктивных элементов устройства 100 описан далее в подробностях.

Сначала будет раскрыта логика работы и функции блока 102 управления, необходимые для работы устройства 100 в целом. Следует отметить, что в предпочтительном варианте осуществления блок 102 управления выполнен в виде контроллера с процессором, памятью и портами ввода-вывода. Память (не показана) может содержать один или более 3D кадров голографического изображения, которые могут быть введены через порт ввода. В то же время в другом варианте осуществления 3D кадры голографического изображения могут поступать в блок 102 управления с внешнего источника изображений (не показан), такого, например, как 3D-видеокамера. Процессор блока 102 управления может выполнять преобразование информации об одном или более 3D кадрах, хранимых в памяти, в управляющие сигналы С1-С3 для пространственного модулятора 108 излучения, источника 104 излучения и оптико-электронного блока 112 сканирования соответственно. В частности, при поступлении в блок 102 управления данных о 3D кадре с внешнего источника изображений или при их извлечении из памяти самого блока 102 управления блок 102 управления:

- рассчитывает и формирует последовательность подкадров для кадра голографического изображения, подлежащего отображению на экране 116, причем последовательность подкадров выводится в управляющем сигнале С1 с порта вывода на пространственный модулятор 108 излучения и формируется определенным способом, который будет описан ниже, для повышения разрешения и глубины цвета;

- формирует управляющий сигнал С2 для управления интенсивностью источника 104 излучения (либо длительностью импульсов излучения), формирующего пучок излучения для подсветки пространственного модулятора 108 излучения, причем управляющий сигнал С2 соответствует одному из последовательности подкадров и синхронизируется с выводом этого одного подкадра на пространственный модулятор 108 излучения для повышения глубины цвета;

- формирует управляющий сигнал С3 для управления параметрами оптико-электронного блока 112 сканирования, который направляет пучок излучения, промодулированный пространственным модулятором 108 излучения в соответствии с выводимым подкадром и отфильтрованный блоком 110 фильтрации, на вход одного из каналов многоканальной проекционной оптической системы 112, которая совместно с экраном 116 и полевой линзой (не показана) формирует текущую зону наблюдения выводимого подкадра, при этом возможность формирования нескольких зон наблюдения расширяет угол наблюдения.

Следует отметить, что количество портов ввода-вывода может меняться любым образом в зависимости от конкретной реализации и требований, предъявляемых к устройству 100 в целом и блоку 102 управления в частности. Например, блок 102 управления может содержать один порт ввода и три порта вывода (не показаны), каждый из которых используется для вывода одного из управляющих сигналов С1-С3.

Источник 104 излучения (предпочтительно источник лазерного, когерентного, монохроматичного и поляризованного излучения) формирует излучение данного спектрального диапазона длин волн и диапазона мощности (или энергии), достаточного (по мощности и по составу спектра) и безопасного для наблюдения голографического изображения глазом. Пучок излучения, сформированный источником 104 излучения, преобразовывается с целью формирования заданного распределения освещенности (предпочтительно равномерного) на пространственном модуляторе 108 излучения. Это достигается за счет применения оптической системы 106, выполненной с возможностью изменения (предпочтительно, увеличения) диаметра пучка излучения либо для повышения однородности освещенности заданной области, определяемой рабочей поверхностью пространственного модулятора 108 излучения, либо для формирования требуемого распределения освещенности. В одном варианте осуществления оптическая система 106 может состоять из средства формирования профиля пучка, такого как собирающая линза 106-1, и апертуры 106-2. В других вариантах осуществления оптическая система 106 может включать в себя более одной собирающей линзы, представляя собой оптическую систему для расширения пучка. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено конкретной реализацией оптической системы 106.

Источник 104 излучения может работать как на одной длине волны, так и состоять из набора управляемых источников излучения (например, управляемых по интенсивности), работающих на нескольких длинах волн для возможности формирования и отображения цветного голографического изображения. Синхронная работа источника 104 излучения с блоком 102 управления позволяет увеличить глубину цвета отображаемого голографического изображения. Источник 104 излучения обеспечивает подсветку пространственного модулятора 108 излучения, в случае если пространственный модулятор 108 излучения не является самосветящимся, т.е. не является самостоятельным когерентным источником (например, матрицей лазерных излучателей, таких как лазерные диоды).

Пространственный модулятор 108 излучения представляет собой микродисплей, изготовленный предпочтительно на основе технологии DMD («digital micro-mirror device» - «цифровое микрозеркальное устройство»), с высоким разрешением, малым размером пикселей и высокой скоростью отображения кадров (подкадров). Пространственный модулятор 108 излучения осуществляет пространственную модуляцию пучка излучения, сформированного на выходе источника 104 излучения и прошедшего через оптическую систему 106, в соответствии с выведенной на него последовательностью подкадров (в виде набора элементарных голограмм, аналогичных зонным пластинкам Френеля), в которых закодированы отображаемые голограммы, формируемых блоком 102 управления. Высокая скорость работы пространственного модулятора 108 излучения при совместной синхронной работе с блоком 102 управления и источником 104 излучения позволяет повысить разрешение и глубину цвета отображаемого голографического изображения. Другими возможными технологиями изготовления микродисплея являются технология FLCoS (ферроэлектрические жидкие кристаллы на кремнии) и технология изготовления на основе матрицы лазерных излучателей.

Блок 110 фильтрации может состоять из линзовой системы и диафрагмы, выполняющей пространственно-угловую фильтрацию пучка излучения на выходе пространственного модулятора 108 излучения для фильтрации паразитных порядков дифракции, включая нулевой порядок дифракции (т.е. световое пятно), комплексно-сопряженное изображение и высшие порядки дифракции, возникающие вследствие пиксельной структуры пространственного модулятора 108 излучения. Возможность фильтрации паразитных порядков дифракции улучшает качество наблюдения (безопасность наблюдения глазами) и качество отображаемых голограмм (отсутствие паразитных изображений).

В одном варианте осуществления, изображенном на Фиг. 1, блок 110 фильтрации содержит первую и вторую линзы 110-1 и 110-2 и щелевую диафрагму 110-3. При этом задний фокус первой линзы 110-1 совмещен с передним фокусом второй линзы 110-2 и щелевая диафрагма 110-3 расположена в плоскости совмещения упомянутых фокусов первой и второй линз. Предназначение щелевой диафрагмы состоит в том, чтобы не пропускать части пучка излучения, несущие упомянутые паразитные порядки дифракции. Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение не ограничено показанной конфигурацией блока 110 фильтрации и что в зависимости от конкретного применения может быть использовано любое количество и расположение линз, аналогичных линзам 110-1 и 110-2, и/или диафрагм, аналогичных диафрагме 110-3.

Оптико-электронный блок 112 сканирования может быть реализован в виде комбинации электрооптического модулятора и светоделителя, например поляризационного светоделителя (не показаны). Оптико-электронный блок 112 сканирования предназначен для изменения направления пучка излучения с выхода блока 110 фильтрации при изменении управляющего сигнала С3 с блока 102 управления, причем его схема обеспечивает дискретное изменение направления пучка излучения на выходе (для использования в многоканальной системе), согласованном (без смещений, наклонов) с входами многоканальной проекционной оптической системы 114, обеспечивая попеременное переключение рабочего оптического канала (с использованием отклоняющих зеркал ОЗ1 и ОЗ2) и, соответственно, формируемой зоны наблюдения, и обеспечивает расширение угла наблюдения голографического изображения (за счет увеличения числа зон наблюдения). Следует отметить, что электрооптический модулятор может быть расположен до или после пространственного модулятора 108 излучения для изменения параметра (параметров) пучка излучения либо до либо после пространственного модулятора 108 излучения в соответствии с управляющим сигналом С3 с блока 102 управления.

Многоканальная проекционная оптическая система 114 может состоять из двух или более оптических каналов К1 и К2, каждый из которых содержит канальный объектив 114-1, и общий объектив 114-2, являющийся общим для двух или более оптических каналов, причем оптические оси объективов 114-1 параллельны и децентрированы относительно оптической оси общего объектива 114-2. При этом каждая пара из объектива 114-1 и общего объектива 114-2 образует телескопическую систему, работающую как оптическая система переноса изображения с увеличением Mпр (увеличение системы 114), равным отношению фокусных расстояний F_114-2/F_114-1. Возможность переноса голографического изображения (или подкадра кадра голографического изображения) в плоскость экрана 116 с увеличением Mпр позволяет получить увеличенное отображаемое голографическое изображение в зонах наблюдения. Децентрировка объективов 114-1 выбирается исходя из условия формирования зон наблюдения в необходимых точках. Параметры (форма линз, материал, конструктивные параметры) объективов 114-1 могут отличаться для коррекции остаточных аберраций системы 114 - для соблюдения условия постоянного качества изображения.

Экран 116 с полевой линзой (не показана) предназначен для формирования (сведения) зон ЗН1-ЗН2 наблюдения на заданном расстоянии, равном фокусному расстоянию полевой линзы. Размер одной зоны наблюдения равен λ·f'пл/(Mпр·pSLM)* λ·f'пл/(2·Mпр·pSLM), где λ-длина волны источника 104 излучения, f'пл - заднее фокусное расстояние полевой линзы, Mпр - линейное увеличение данного канала проекционной оптической системы 114, pSLM - размер пикселя пространственного модулятора 108 излучения. Рассеиватель (не показан) может быть дополнительно использован для расширения формируемых зон наблюдения в вертикальном направлении, т.е., по-другому, в направлении, поперечном относительно направления расположения оптических осей объективов 114-1. В этом случае будет присутствовать только горизонтальный параллакс, т.е. присутствует возможность расширения зоны наблюдения в вертикальном направлении.

Далее со ссылкой на Фиг. 2 будет описана работа блока 102 управления для повышения разрешения и глубины цвета отображаемых голографических изображения, а также формирования управляющих сигналов для источника 104 излучения, пространственного модулятора 108 излучения и оптико-электронного блока 112 сканирования.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему способа 200 функционирования блока 102 управления, т.е. способа кодирования голографических изображений для повышения разрешения отображаемых голограмм, глубины цвета и формирования управляющих сигналов для источника 104 излучения, пространственного модулятора 108 излучения и оптико-электронного блока 114 сканирования, в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано, способ 200 содержит следующие этапы:

S202: На порт ввода блока 102 управления подается информация о текущем кадре голографического изображения, которая включает в себя данные о наборе вокселей (объемных пикселей) 3D объектов, содержащихся в текущем кадре, c координатами (Xi, Yi, Zi) и интенсивностями Ii. Координаты вокселей рассчитываются заранее с учетом влияния полевой линзы экрана 116, собирающей лучи в зоны наблюдения ЗН1 и ЗН2.

S204: Координаты (Xi, Yi) вокселей текущего кадра проходят дискретизацию в соответствии с разрешением экрана 116 вдоль горизонтального и вертикального направлений для получения дискретных координат (1...Nx, 1...Ny).

S206: Координаты (Zi) вокселей текущего кадра проходят дискретизацию по глубине цвета экрана для получения дискретной координаты (Nz) вокселей.

S208: Интенсивности Ii вокселей текущего кадра подвергаются дискретизации в соответствии с максимальным числом уровней градаций цвета экрана для получения дискретных значений интенсивности [0...NI-1] вокселей.

S210: Используя дискретные координаты (1...Nx, 1...Ny) и (Nz) вокселей, а также дискретные значения интенсивности [0...NI-1] вокселей, воксели разбиваются на группы Gmn (где m и n - индексы групп) для повышения разрешения каждого 3D объекта по горизонтали и вертикали.

S212: В зависимости от разрешения пространственного модулятора 108 излучения и размера его рабочей поверхности, которая будет кодировать голографическое изображение для отображения одного вокселя, выбирается число пикселей по горизонту и вертикали, m и n соответственно. Голографическое изображение элементарного вокселя представляет собой пространственное распределение амплитуды и/или фазы, аналогичное полузонной пластинке Френеля, параметры которой определяются расстоянием от вокселя до плоскости расчета голографического изображения, причем размер (или разрешение в пикселях) вдоль горизонтальной и вертикальной осей зонных пластинок выбирается с учетом условий минимизации размеров элементарной зонной пластинки для повышения разрешения вокселей в данной группе при минимизации размеров пятен рассеяния отображаемых вокселей. Размеры вокселей обратно пропорционально зависят от апертуры, которая их кодирует (вследствие дифракции на ней при отображении вокселей). Авторы настоящего изобретения экспериментальным образом подобрали следующие значения: от 32×16 до 128×64 пикселей пространственного модулятора кодируют одну полузонную пластинку Френеля (предпочтительный вариант - 64×32). Количество групп было выбрано равным 8 по горизонтали и 4 по вертикали. Это означает, что разрешение при данном размере полузонной пластинки было улучшено в 8×4=32 раза.

S214: Каждая группа вокселей Gmn разбивается на b битовых плоскостей, причем 2^b - количество градаций цвета.

S216: В соответствии с дискретным значением интенсивности заданного вокселя в заданной группе Gmn, выбранном из интервала [0...NI-1], полузонная пластинка для этого вокселя рассчитывается и записывается в заданную битовую плоскость в двоичном формате. Например, если глубина цвета 8 бит, а относительная интенсивность вокселя равна 77/2^8, т.е. 77/256, то воксель будет кодироваться 8-ю битовыми плоскостями яркости, а наличие полузонных пластинок в них будет определяться из преобразования 77d=01001101b, т.е. если стартовая битовая плоскость является младшей, то в битовых плоскостях 1, 3, 4 и 7 будет записана полузонная пластинка. Таким образом, один кадр для одной зоны наблюдения и одного цвета содержит m·n·b подкадров.

При необходимости для ускорения расчета полузонные пластинки для дискретного набора вокселей могут быть зарнее рассчитаны и записаны в память блока 102 управления или любую другую энергозависимую или энергонезависимую память, внешнюю по отношению к блоку 102 управления.

S218: Как было упомянуто выше, при отображении голографического изображения блок 102 управления выдает управляющий сигнал С1 для пространственного модулятора 108 излучения (рассчитанную последовательность подкадров). В момент вывода подкадров, соответствующих b-й битовой плоскости, блок 102 управления выдает управляющий сигнал C2 на источник 104 излучения для подсветки пространственного модулятора 108 излучения импульсом подсветки (или пучком излучения), который либо промодулирован по амплитуде, либо промодулирован по широте импульса. Амплитуда или широта импульса подсветки пропорциональна номеру выводимой битовой плоскости, а именно: С₀+С_b*2^b, где b-текущий номер битовой плоскости, С₀ и С_b - коэффициенты, определяемые при тарировке уровней яркости экрана.

Таким образом, формируется и повышается число градаций цвета (в исходном состоянии пространственный модулятор 108 излучения на основе технологии DMD обладает только однобитовой глубиной цвета: любой его пиксель либо выключен, либо включен. Предложенный способ кодирования голограмм совместно с управлением подсветкой позволяет повысить число уровней градаций цвета голографического изображения).

S220: После вывода одного кадра голографического изображения для одной зоны наблюдения, состоящего из m·n·b подкадров, блок 102 управления формирует управляющий сигнал С3 для оптико-электронного блока 112 сканирования, который спроектирован предпочтительно без подвижных элементов, на основе электрооптических эффектов (изменение оптических свойств среды под воздействием внешнего приложенного поля). Управляющий сигнал С3 побуждает оптико-электронный блок 112 сканирования изменять пространственное и/или угловое расположение или направление промодулированного пучка излучения для направления его в требуемый канал (например, К1 или К2) многоканальной проекционной системы 114 для формирования совместно с экраном 116 набора зон наблюдения. За счет расширенного набора зон наблюдения достигается увеличение угла обзора голографического изображения.

За счет применения оптико-электронного блока 112 сканирования без подвижных элементов (зеркал и т.д.) повышается срок службы и снижаются шумы и вибрации при работе устройства 100 отображения. Однако оптико-электронный блок 112 сканирования может быть построен и с использованием подвижных элементов (зеркала, MEMS-технологии и т.п.).

Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено указанным выше порядком этапов S202-S220 способа 200, а также их количеством. При необходимости некоторые из этапов S202-S220 могут быть объединены друг с другом без потери указанных выше преимуществ. Например, как показано пунктирной линией на Фиг. 2, этапы S204-S208 могут быть объединены в один этап.

Хотя в данном документе были раскрыты примерные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что в этих вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены любые различные изменения и модификации без отступления от объема правовой охраны, который определяется приложенной формулой изобретения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.

Устройство отображения голографических изображений содержит блок управления, источник излучения, оптическую систему, пространственный модулятор излучения, блок фильтрации, оптико-электронный блок сканирования, многоканальную проекционную оптическую систему и экран, снабженный полевой линзой. Многоканальная проекционная оптическая система содержит два оптических канала, каждый из которых содержит канальный объектив, и общий объектив. Канальные объективы и общий объектив обеспечивают перенос каждого подкадра из последовательности подкадров, переносимой промодулированным и отфильтрованным пучком излучения, в плоскость экрана с заданным коэффициентом увеличения. Блок управления выполнен с возможностью вычисления упомянутой заданной последовательности подкадров для кадра голографического изображения, подлежащего отображению на экране. Технический результат заключается в увеличении размеров отображаемого голографического изображения, угла просмотра голографического изображения, повышении разрешения, числа уровней градаций цвета воспроизводимого голографического изображения и улучшении качества голографического изображения. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство отображения голографических изображений, содержащее:

источник излучения, выполненный с возможностью формирования по меньшей мере одного пучка излучения, имеющего исходные диаметр и состояние поляризации;

оптическую систему, расположенную на выходе источника излучения и выполненную с возможностью изменения исходного диаметра пучка излучения до заданного диаметра пучка излучения для повышения однородности распределения интенсивности в поперечном сечении пучка излучения или получения заданного распределения интенсивности в поперечном сечении пучка излучения;

пространственный модулятор излучения, выполненный с возможностью модулирования пучка излучения, прошедшего через оптическую систему, в соответствии с заданной последовательностью подкадров для кадра голографического изображения;

блок фильтрации, выполненный с возможностью пространственно-угловой фильтрации промодулированного пучка излучения для исключения из него паразитных порядков дифракции;

оптико-электронный блок сканирования, выполненный с возможностью управления исходным состоянием поляризации промодулированного и отфильтрованного пучка излучения для его направления в соответствующий канал многоканальной проекционной оптической системы;

многоканальную проекционную оптическую систему, содержащую по меньшей мере два оптических канала, каждый из которых содержит канальный объектив, и общий объектив, причем оптические оси канальных объективов параллельны и децентрированы относительно оптической оси общего объектива, при этом канальные объективы и общий объектив выполнены с возможностью совместного переноса каждого подкадра из упомянутой последовательности подкадров, переносимой промодулированным и отфильтрованным пучком излучения, в плоскость экрана с заданным коэффициентом k увеличения подкадра;

экран, снабженный полевой линзой, расположенный на выходе многоканальной проекционной оптической системы и выполненный с возможностью формирования множества зон наблюдения в фокальной плоскости полевой линзы, причем число зон наблюдения равно числу каналов многоканальной проекционной оптической системы; и

блок управления, выполненный с возможностью вычисления упомянутой заданной последовательности подкадров для кадра голографического изображения, подлежащего отображению на экране, формирования и вывода управляющих сигналов для источника излучения, пространственного модулятора света и оптико-электронного блока сканирования в соответствии с упомянутой заданной последовательностью подкадров для кадра голографического изображения, причем управляющие сигналы предназначены для управления упомянутыми функциями источника излучения, пространственного модулятора света и оптико-электронного блока сканирования.

2. Устройство по п.1, в котором источник излучения представляет собой источник лазерного излучения.

3. Устройство по п.1, в котором источник излучения выполнен с возможностью формирования пучка излучения на одной длине волны в случае отображения голографического изображения одного цвета.

4. Устройство по п.1, в котором источник излучения выполнен с возможностью формирования двух и более пучков излучения на двух и более длинах волн в случае отображения цветного голографического изображения.

5. Устройство по п.1, в котором пространственный модулятор излучения выполнен в виде микродисплея.

6. Устройство по п.5, в котором микродисплей является быстродействующим и выполнен с помощью одной из следующих технологий: технологии DMD (цифровое микрозеркальное устройство), технологии FLCoS (ферроэлектрические жидкие кристаллы на кремнии) и технологии изготовления на основе матрицы лазерных излучателей.

7. Устройство по п.1, в котором блок управления выполнен в виде микроконтроллера с процессором, памятью и портами ввода-вывода, при этом память выполнена с возможностью хранения разных последовательностей подкадров для кадров голографического изображения, предоставляемых извне через порт ввода, и процессор выполнен с возможностью формирования и вывода упомянутых управляющих сигналов через порт вывода в соответствии с выбранной последовательностью подкадров.

8. Устройство по п.1, в котором полевая линза представляет собой линзу Френеля.

9. Устройство по п.1, в котором экран дополнительно снабжен рассеивателем для увеличения размеров каждой зоны наблюдения в вертикальном направлении, поперечном относительно направления расположения оптических осей канальных объективов.

10. Устройство по п.9, в котором рассеиватель выполнен в виде цилиндрического линзового растра или голографического рассеивающего экрана.

11. Устройство по п.1, в котором блок фильтрации состоит из линзовой системы и диафрагмы.

12. Устройство по п.1, в котором заданный коэффициент увеличения подкадра |k|>1.

13. Устройство по п.1, в котором оптико-электронный блок сканирования содержит электрооптический модулятор для изменения исходного состояния поляризации пучка излучения на заданное состояние поляризации пучка излучения и светоделитель для направления пучка излучения с заданным состоянием поляризации в соответствующий канал многоканальной проекционной оптической системы.

14. Устройство по п.1, в котором блок фильтрации содержит:

первую и вторую линзы, причем задний фокус первой линзы совмещен с передним фокусом второй линзы; и

щелевую диафрагму, расположенную в плоскости совмещения упомянутых фокусов первой и второй линз, причем диафрагма предназначена для того, чтобы не пропускать части пучка излучения, несущие паразитные порядки дифракции.

15. Способ функционирования блока управления, содержащегося в устройстве по любому одному из пп.1-14, при этом способ содержит этапы, на которых:

- подают на порт ввода блока управления информацию о текущем кадре голографического изображения, включающую в себя данные о наборе вокселей 3D объектов, содержащихся в текущем кадре, c координатами (Xi, Yi, Zi) и интенсивностями Ii, причем координаты вокселей заранее рассчитаны с учетом влияния полевой линзы экрана, собирающей лучи в зоны наблюдения;

- осуществляют дискретизацию координат (Xi, Yi) вокселей в соответствии с разрешением экрана вдоль горизонтального и вертикального направлений для получения дискретных координат (1...Nx, 1...Ny) вокселей;

- осуществляют дискретизацию координаты (Zi) вокселей по глубине цвета экрана для получения дискретной координаты (Nz) вокселей;

- осуществляют дискретизацию интенсивностей Ii вокселей в соответствии с максимальным числом уровней градаций цвета экрана для получения дискретных значений интенсивности [0...NI-1] вокселей;

- используя дискретные координаты (1...Nx, 1...Ny) и (Nz) вокселей, а также дискретные значения интенсивности [0...NI-1] вокселей, разбивают воксели на группы Gmn для повышения разрешения каждого 3D объекта по горизонтали и вертикали, где m и n - индексы каждой группы;

- учитывая разрешение и рабочую поверхность пространственного модулятора излучения, выбирают число групп пикселей m по горизонтали и n по вертикали;

- разбивают каждую группу вокселей Gmn на b битовых плоскостей, причем 2^b - количество градаций цвета;

- в соответствии с дискретным значением интенсивности заданного вокселя в заданной группе Gmn, выбранном из интервала [0...NI-1], рассчитывают и записывают полузонную пластинку для этого вокселя в заданную битовую плоскость в двоичном формате для получения кадра голографического изображения, содержащего m·n·b подкадров для одной зоны наблюдения и одного цвета;

- выдают через порт вывода блока управления первый управляющий сигнал для пространственного модулятора излучения, который содержит последовательность подкадров, характеризуемую рассчитанными подкадрами, при этом в момент вывода последовательности подкадров, соответствующих b-й битовой плоскости, блок управления выдает второй управляющий сигнал на источник излучения для подсветки пространственного модулятора излучения по меньшей мере одним импульсом подсветки, который либо промодулирован по амплитуде, либо промодулирован по широте импульса, причем амплитуда или широта импульса подсветки пропорциональна номеру выводимой битовой плоскости и рассчитывается по формуле: С₀+С_b*2^b, где b - текущий номер битовой плоскости, С₀ и С_b - коэффициенты, определяемые при тарировке уровней яркости экрана; и

- после того как один кадр голографического изображения, состоящий из m·n·b подкадров, направлен многоканальной проекционной оптической системой в соответствующую одну зону наблюдения, выдают через порт вывода блока управления третий управляющий сигнал для оптико-электронного блока сканирования, который побуждает оптико-электронный блок сканирования изменять пространственное и/или угловое расположение или направление промодулированного пучка излучения для направления его в требуемый канал многоканальной проекционной системы, формируя тем самым совместно с экраном набор зон наблюдения.

16. Способ по п.15, в котором для ускорения расчета полузонные пластинки для дискретного набора вокселей рассчитывают заранее и записывают в память блока управления или в другую энергозависимую или энергонезависимую память, внешнюю по отношению к блоку управления.