КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ДИСПЛЕЯ Российский патент 2019 года по МПК G03H1/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области формирования голографических изображений, в частности, к голографическому дисплею и способу формирования голографического изображения посредством голографического дисплея.

Уровень техники

Формирование трехмерных голографических изображений (голограмм) имеет большие перспективы во многих областях применения, таких как средства связи, медицина, развлечения, военная техника и т.д. Однако, в настоящее время существует ряд проблем, затрудняющих широкое внедрение данной технологии.

Существующие голографические дисплеи имеют большие размеры из-за требуемой высококачественной оптики для воспроизведения цифровой голограммы, отображаемой на EASLM (electrically addressed spatial light modulator, пространственный модулятор света с электронным управлением). Это приводит к увеличению габаритов блока формирования голографических изображений и практически не позволяет интегрировать его в носимые смарт-устройства (часы, телефоны, планшеты и т.д.).

Современные голографические дисплеи имеют небольшое поле зрения и низкое разрешение, т.к. существующие известные когерентные и некогерентные SLM (spatial light modulator (пространственный модулятор света)) (например, на основе лазерной подсветки и LCD (liquid crystal display), DMD (digital micro-mirror device), LCoS (liquid crystal on silicon), OLED-дисплеи (organic light-emitting diode, органический светодиод), μ-LED-дисплеи (light-emitting diode, светодиод) и др.) не обеспечивают достаточную плотность пикселей малого размера (<1мкм), чтобы обеспечить достаточно широкое отображаемое поле зрения голограммы.

Причем для воспроизведения голограммы с хорошей глубиной 3D объекта при использовании существующих широко доступных некогерентных SLM (дисплеи смартфонов, умных часов, мониторов, телевизоров и т.д.), необходимо применение технологии OASLM (optically addressed spatial light modulator, пространственный модулятор света с оптическим управлением) для преобразования распределения некогерентного излучения в распределение фазы (фазовую голограмму), которая затем может быть восстановлена когерентным источником излучения.

Вычисление цифровой голограммы из-за большого разрешения для получения необходимого поля зрения требует очень высокой вычислительной нагрузки для процессоров и большого количества ресурсов (мощности, времени, емкости памяти, скорости памяти и т.д.) и зависит от объема обрабатываемой информации: чем больше изображение голограммы, его разрешение и угол обзора, тем выше вычислительная нагрузка.

В существующих дисплеях большого и среднего размера (больше 1 дюйма) на основе распространенной технологии LCD (liquid crystal display) размер пикселя зачастую составляет 40-300 мкм. Для подсветки в таких дисплеях требуется специальный когерентный источник (лазер). Такие решения обладают низкой применимостью для цифровой голографии вследствие низкого разрешения, малого угла обзора, высокой вычислительной нагрузки требуемой для расчета голограмм (и как следствие сокращение времени автономной работы, сокращение срока службы элементов питания автономных устройств), большого объема требуемой памяти и широкой полосы пропускания, необходимости применения когерентной подсветки для записи и воспроизведения голограммы.

В существующих микродисплеях (размером меньше 1 дюйма) размер пикселя, как правило, составляет 3-40 мкм. Для восстановления голограммы в таких дисплеях также требуется специальный когерентный источник (лазер или светодиод с волоконным выходом). Такие дисплеи, в отличие от дисплеев большого и среднего размера, не обладают масштабируемостью. Как правило, такие микродисплеи построены на технологии LCD, LCoS или DMD и имеют среднюю применимость для цифровой голографии вследствие малого размера экрана, недостаточного разрешения, высокой вычислительной нагрузки, требуемой для расчета голограмм (и как следствие также сокращение времени автономной работы, сокращение срока службы элементов питания автономных устройств), большого объема требуемой памяти и широкой полосы пропускания, необходимости применения когерентной подсветки для записи и воспроизведения голограммы.

Основная проблема существующих дисплеев - малый угол обзора (FoV, field of view). Угол обзора пропорционален 2·arcsin(, где λ - длина световой волны, p - размер пикселя SLM. Для существующих дисплеев с размером пикселя 3…250 мкм угол обзора составляет примерно 5⁰…0,06⁰. Для получения угла обзора 30⁰ необходим размер пикселя порядка 1 мкм и менее, что недоступно потребителям при текущем уровне технологий. Для реализации голографического дисплея с широким углом обзора размер пикселя необходимо уменьшить в несколько раз, что влечет за собой многократное увеличение объема обрабатываемых, сохраняемых и передаваемых данных.

Кроме того, голографические дисплеи, как правило, способны работать только в трехмерном режиме и не имеют возможности переключения в двухмерный режим.

Из уровня техники известно компактное голографическое устройство отображения, раскрытое в документе US 8400695 B2, содержащее матрицу OLED (OLED микродисплей), записывающую цифровую голограмму на OASLM, причем OLED микродисплей и OASLM образуют смежные слои. На OASLM кодируется фазовая голограмма в соответствии с модуляцией излучения по интенсивности на OLED микродисплее, затем при подсветке OASLM восстанавливается голограмма. Таким образом OASLM управляется матрицей OLED. Недостатком упомянутого устройства отображения является большой объем данных CGH (computer generated hologram, сгенерированная компьютером голограмма), необходимых для отображения голограмм, и его сложная структура. Кроме того, упомянутое известное устройство не имеет возможности переключения между двухмерным и трехмерным режимами.

Также из уровня техники известно устройство, раскрытое в документе US 8982438 B2. Данное известное устройство включает в себя источник записывающего излучения, выполненный с возможностью генерации записывающего излучения, EASLM, выполненный с возможностью последовательной по времени модуляции записывающего излучения, генерируемого источником записывающего излучения, в соответствии с информацией о голограмме, соответствующей трехмерному изображению, пространственно-разделенному на множество частей, OASLM, выполненный с возможностью переключения множества областей, соответствующих множеству разделенных частей трехмерного изображения, и изображений в области, соответствующей участкам с использованием модулированного записывающего излучения, для образования голограммы, оптический блок сканирования, выполненный с возможностью воспроизведения голограммы, сформированной с помощью записывающего излучения, последовательно модулированного EASLM в уменьшенном масштабе, и передачи голограммы в области OASLM, соответствующие участкам, и источник воспроизводящего излучения, выполненный с возможностью облучения поверхности OASLM. Недостатком данного устройства является необходимость в системе сканирования/проецирования, что приводит к увеличению размера (толщины) устройства. Кроме того, упомянутое известное устройство также не имеет возможности переключения между двухмерным и трехмерным режимами и требует большого объема данных CGH, необходимых для отображения голограмм.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка компактного голографического дисплея с уменьшенной толщиной, повышенным разрешением голограммы и увеличенным углом обзора, а также сокращение объема данных для формирования/обработки/хранения/передачи голограммы.

Краткое изложение существа изобретения

Настоящее изобретение предлагает голографический дисплей с использованием массива масок дифракционных оптических элементов (DOE - Diffractive Optics Element) с высоким разрешением, представляющих собой элементарные голограммы элементарных 3D объектов, с размером элемента сопоставимым с длиной волны излучения, организованных в группы, которые кодируют и восстанавливают трехмерные воксели (3D пиксели) голограммы на разных расстояниях. Под элементарной голограммой элементарных 3D объектов подразумевается, что элементарный 3D объект (воксель, геометрический примитив (круг, квадрат, и т.п.) или иконка, или другой аналогичный 3D объект (в т.ч. 2D объект на данном расстоянии от экрана)) может быть закодирован соответствующей голограммой, т.е. под голограммой понимается не только отображаемое 3D изображение, но и результат его кодирования и изготовления - маска DOE.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен голографический дисплей, содержащий: пространственный модулятор света с электронным управлением (EASLM); массив масок дифракционных оптических элементов (DOE); контроллер для управления работой голографического дисплея для формирования голографического изображения, причем контроллер выполнен с возможностью управления EASLM для осуществления подсветки масок DOE, которые должны формировать совокупность вокселей голографического изображения, посредством включения соответствующих им пикселей EASLM.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ формирования голографического изображения посредством упомянутого голографического дисплея, содержащий этапы, на которых: принимают посредством контроллера исходные данные голографического изображения; формируют посредством контроллера управляющие сигналы для осуществления подсветки масок DOE, которые должны формировать совокупность вокселей голографического изображения на основании исходных данных, посредством включения/выключения соответствующих им пикселей EASLM; формируют голографическое изображение посредством EASLM и массива масок DOE в соответствии с управляющими сигналами контроллера.

Настоящее изобретение позволяет создать голографический дисплей с возможностью масштабирования и размером пикселя равным или менее 1 мкм и до ½ длины волны считывающего излучения. Для подсветки может использоваться как когерентный, так и некогерентный источник излучения. Такие дисплеи могут быть построены на основе множества известных технологий: OLED, μ-LED, LCoS, LCD, DMD и т.д. Дисплей согласно настоящему изобретению имеет высокое разрешение и большой угол обзора, обеспечивает снижение вычислительной нагрузки, требуемой для расчета и обработки воспроизводимых голограмм, уменьшение требуемого объема памяти и сокращение полосы пропускания для передачи данных цифровой голограммы, а также позволяет увеличить время автономной работы и срок службы элементов питания автономных устройств формирования голографических изображений по сравнению с существующими технологиями голографических дисплеев.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен принцип формирования одного трехмерного вокселя согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 изображен принцип формирования набора трехмерных вокселей на различных расстояниях посредством массива масок DOE с различными свойствами, соответственно, согласно настоящему изобретению.

На фиг.3 изображен пример формирования монохромной трехмерной голограммы с 8 уровнями глубины.

На фиг.4 изображена работа дисплея согласно настоящему изобретению как в 3D-режиме (фиг.4А и 4Б), так и в 2D-режиме (фиг.4В).

На фиг.5 изображен пример компоновки масок DOE для формирования цветного голографического изображения.

На фиг.6 изображен вариант осуществления изобретения с несколькими управляемыми контроллером массивами масок DOE, уложенными в несколько слоев.

На фиг.7 изображен пример интегрированной структуры голографического дисплея согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.8 изображена блок-схема, раскрывающая алгоритм работы голографического дисплея согласно варианту осуществления настоящего изобретения по фиг.7.

На фиг.9 изображен альтернативный вариант осуществления голографического дисплея согласно настоящему изобретению.

На фиг.10 изображен еще один альтернативный вариант осуществления голографического дисплея согласно настоящему изобретению.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

На фиг.1 изображен принцип формирования одного трехмерного вокселя согласно настоящему изобретению.

Каждый пиксель SLM (пиксель дисплея) с низким разрешением работает с соответствующей маской DOE (в широком смысле - это область, в которой находится DOE) высокого разрешения, расположенной над пикселем SLM (см. фиг. 1), для создания одного вокселя голограммы следующим образом: когда пиксель SLM включен, излучение от пикселя SLM освещает соответствующую маску DOE, формируя воксель голограммы на заданном расстоянии.

На фиг.2 изображен принцип формирования набора трехмерных вокселей на различных расстояниях посредством массива масок DOE с различными свойствами, соответственно, согласно настоящему изобретению.

Используя массив масок DOE высокого разрешения, расположенный над SLM, можно восстановить набор 3D-вокселей (целую голограмму) в пространстве (см. фиг.2), увеличивая FOV и без использования значительных вычислительных ресурсов. Воксели голограммы, формируемые на различных расстояниях, образуют отображаемую голограмму трехмерного объекта.

DOE могут быть разного типа и на основе разных технологий: тонкая решетка, объемная решетка, на основе LC, переключаемая, оптически и/или электронно- управляемая, (фазовая) зонная пластинка и т.д.

Такая технология формирования голограммы позволяет увеличить угол обзора и повысить разрешение кодированной голограммы, т.к. разрешение маски DOE выше разрешения SLM Для того чтобы получить маску DOE используется предварительно рассчитанная и изготовленная цифровая или аналоговая голограмма, размер пикселя которой может быть во много раз меньше размера пикселя EASLM, освещающего данную маску DOE. Например, типовой размер пикселей существующих EASLM (микродисплеев, дисплеев) составляет от 3 до 250мкм, а разрешение голограммы может быть, например, 0,3мкм (½λ, где λ, например, 0,6 мкм), таким образом, разрешение голограммы (маски DOE) может быть выше в (3/0,3)²=100 раз.

Согласно предпочтительному варианту осуществления маски DOE уже предварительно рассчитаны и изготовлены, что позволяет повысить скорость обработки цифровой голограммы, т.к. нет необходимости повторно рассчитывать маски DOE каждый раз.

Следует отметить, что маска DOE предварительно рассчитывается и изготавливается для получения предварительно заданных свойств, определяемых длиной волны и волновым фронтом опорного (считывающего, восстанавливающего) излучения, а также свойствами восстанавливаемого объекта (голограммы), например, тип объекта (точка, геометрический примитив и т.п.), дальность до объекта, глубина объекта и т.п.

В зависимости от варианта осуществления маска DOE может быть амплитудного или фазового типа.

В альтернативном варианте осуществления вместо предварительно рассчитанных и изготовленных масок DOE можно использовать управляемые DOE на основе LC-технологий. В этом случае при соответствующем управляющем сигнале на активный слой с масками DOE, они могут либо проявлять свои свойства, либо не проявлять свойств DOE и быть прозрачными, слаборассеивающими, и т.п.

На фиг.3 изображен пример формирования монохромной трехмерной голограммы с 8 уровнями глубины.

Устройство формирования голограммы (голографический дисплей), изображенное на фиг.3, состоит из SLM низкого разрешения, массива масок DOE и вспомогательных элементов (полевая линза, фильтры и т.д.). Массив масок DOE состоит из наборов масок DOE, содержащих по 8 масок DOE с различными свойствами, каждая из которых предварительно рассчитана и изготовлена для возможности формирования вокселя на определенном расстоянии, соответствующем одному из 8 уровней глубины.

В изображенном на фиг.3 варианте осуществления и в приведенных далее вариантах осуществления в качестве SLM низкого разрешения используется EASLM (управляемый контроллером). Однако, стоит отметить, что в качестве альтернативы может быть получен и «статический» голографический дисплей со статическим неуправляемым SLM (например, «голографическая картина» для музея), причем в качестве SLM может быть использован низкоразрешающий статический амплитудный транспарант, который подсвечивается когерентным излучением, и т.п.

Для формирования голограммы в качестве исходных данных используется 2D карта яркости изображения и 2D карта глубины. 2D карта яркости представляет яркость каждого пикселя изображения, характеризуемого координатами x и y.

В данном примере каждому пикселю в исходном 3D изображении соответствует группа из 8 пикселей EASLM, соответствующая 8 уровням глубины и пиксель для работы дисплея в 2D режиме (пиксель, которому соответствует область в маске DOE, не формирующая вокселя, например, рассеиватель излучения). Таким образом, в случае монохромного дисплея количество пикселей EASLM, соответствующих пикселю исходного 3D изображения должно быть равно n+1, где n - число уровней глубины голографического дисплея. В случае цветного RGB голографического дисплея число пикселей EASLM, соответствующих пикселю исходного 3D изображения будет равно 3·n+1, если массив масок DOE является статическим без возможности работы в color sequential mode (режим последовательного вывода цветов голографического изображения).

Упомянутые исходные карты яркости и глубины подаются на вход контроллера голографического дисплея. На основании данных карты глубины контроллер определяет, какая из 8 масок DOE, содержащихся в каждом наборе масок DOE, должна быть освещена с помощью пикселя SLM низкого разрешения (EASLM на фиг.3) для формирования требуемого вокселя на заданном расстоянии, а на основании карты яркости изображения контроллер задает яркость пикселя SLM низкого разрешения, соответствующего упомянутой определенной маске DOE, для формирования требуемого вокселя. Таким образом, посредством включения с заданной яркостью определенных пикселей SLM низкого разрешения и модуляции их излучения соответствующими им масками DOE c различными свойствами формируется набор вокселей, составляющих голографическое изображение.

На фиг.4 изображена работа дисплея согласно настоящему изобретению как в 3D-режиме (фиг.4А и 4Б), так и в 2D-режиме (фиг.4В).

При работе в 3D-режиме возможно формирование вокселя голографического изображения позади экрана голографического дисплея (фиг.4А) или перед экраном голографического дисплея (фиг.4Б) относительно наблюдателя. Так, например, в случае использования маски DOE с отрицательной (рассеивающей) линзой (см. фиг.4А) «виртуальный» воксель голограммы формируется позади экрана (Z<0) относительно наблюдателя, а в случае использования маски DOE с положительной (собирающей) линзой (см. Фиг.4Б) «действительный» воксель голограммы формируется перед экраном (Z>0) относительно наблюдателя. Таким образом, настоящее изобретение позволяет осуществлять формирование голограммы, создающей впечатление нахождения изображаемого объекта перед экраном либо позади экрана.

В то же время настоящее изобретение имеет возможность работы в 2D-режиме для формирования плоского двухмерного изображения в плоскости экрана. Для этого используется прозрачная (или рассеивающая) область маски DOE (DOE отсутствует либо закодирован рассеиватель излучения), причем излучение от пикселей EASLM, проходящее через совокупность упомянутых прозрачных (или рассеивающих) областей маски DOE, формирует плоское 2D изображение для наблюдателя.

При этом, согласно настоящему изобретению контроллер голографического дисплея имеет возможность управлять SLM низкого разрешения для переключения между 2D и 3D режимами посредством включения и отключения соответствующих пикселей EASLM и соответствующих им масок DOE.

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения голографический дисплей имеет возможность формирования цветного трехмерного голографического изображения (см.фиг.5).

Примерная компоновка масок DOE, изображенная на фиг.5, содержит набор масок DOE для формирования вокселей трех различных цветов и трех уровней глубины. В данном варианте осуществления элементы GD1, GD2, GD3 одного набора масок DOE предназначены для формирования вокселя зеленого цвета на различной глубине, элементы BD1, BD2, BD3 одного набора масок DOE предназначены для формирования вокселя голубого цвета на различной глубине, элементы RD1, RD2, RD3 одного набора масок DOE предназначены для формирования вокселя красного цвета на различной глубине. Цифры «1, 2, 3» в обозначении упомянутых элементов масок DOE означают уровень глубины. При этом разрешение результирующего цветного голографического изображения падает в Nс раз по сравнению с монохромным изображением, где Nс - число цветов формируемых вокселей.

За счет совместного действия нескольких из упомянутых элементов можно получать воксели других цветов в соответствии с цветовой моделью RGB с помощью управления контроллером EASLM низкого разрешения таким образом, чтобы включать пиксели EASLM c соответствующими масками DOE с интенсивностями, пропорциональными интенсивностям цветов R, G и B в карте интенсивностей исходного 3D изображения. При этом контроллер может быть запрограммирован таким образом, чтобы работать с другими цветовыми моделями (YUW, CMYK и т.д.), выполняя преобразование в цветовую модель RGB.

Аналогично, маски DOE, длины волн излучения EASLM и контроллер могут быть сконфигурированы для работы с отличающейся от RGB базовой цветовой моделью, например, YUW или др.

На фиг.6 изображен вариант осуществления изобретения с несколькими массивами масок DOE, уложенными в несколько слоев, причем каждый слой может иметь возможность управления (активный слой, например, с использованием LC-технологий), либо быть статическим, т.е. маски DOE имеют постоянную структуру.

Для повышения разрешения голографического изображения массивы масок DOE могут быть уложены в слои (см. фиг.6). Повышение разрешения дисплея происходит за счет увеличения количества формируемых вокселей либо посредством изменения свойств излучения EASLM (поляризация, длина волны и т.п.), либо посредством активации соответствующего слоя масок DOE сигналами, идущими от контроллера.

В то же время, каждый из уложенных в слои массивов масок DOE может использоваться для формирования вокселей одного определенного цвета, т.е. существует возможность использования нескольких слоев массивов масок DOE для формирования цветного голографического изображения с сохранением разрешения воспроизводимой голограммы.

При этом, каждый слой может иметь сдвиг в горизонтальном или вертикальном направлении относительно соседних слоев на шаг, пропорциональный размеру одной маски DOE и обратно пропорциональный количеству слоев DOE для повышения разрешения отображаемой голограммы. Также каждый слой может быть выполнен с оптическим и/или электронным управлением.

На фиг.7 изображен пример интегрированной структуры голографического дисплея согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Согласно варианту осуществления, изображенному на фиг.7, настоящее изобретение может найти применение в компактном голографическом дисплее, содержащем некогерентный SLM, массив масок DOE и OASLM. Голографический дисплей, изображенный на фиг.7, содержит некогерентный EASLM низкого разрешения, массив амплитудных масок DOE, OASLM и блок подсветки. Упомянутый OASLM в данном примере состоит из нескольких слоев, расположенных в следующем порядке от массива масок DOE к блоку подсветки: ITO, фоточувствительный слой, дихроичный зеркальный слой, LC (liquid crystal) слой, ITO, подложка.

ITO (Indium tin oxide, оксид индия-олова) представляет собой тройную композицию индия, олова и кислорода в различных пропорциях. В данном примере ITO нанесен в виде прозрачного и тонкого (порядка нанометров) покрытия в качестве электродов.

EASLM низкого разрешения по сигналу с контроллера, в соответствии с данными отображаемого объемного изображения, выполняет подсветку совокупности тех масок DOE массива, которые должны восстанавливать совокупность вокселей отображаемой голограммы (объемного изображения) с интенсивностями, пропорциональными уровням интенсивности 3D точек отображаемого объемного изображения. При этом после массива масок DOE на фоточувствительном слое формируется распределение интенсивности излучения, которое вызывает распределение заряда в фоточувствительном слое и приводит к модуляции фазы в слое LC OASLM. Затем сформированная в слое LC фазовая голограмма (для работы OASLM в режимах запись/чтение требуется сигнал с контроллера) восстанавливается когерентным излучением блока подсветки, проходит через угловой фильтр (может быть как активным, так и пассивным) для фильтрации паразитных порядков дифракции, проходит через спектральный фильтр (может быть как активным, так и пассивным) для фильтрации излучения EASLM и через полевую линзу (опционально) для формирования области наблюдения глазом восстановленной голограммы (объемного изображения). LC слой представляет собой управляемый распределением заряда фазовый SLM, в нем за счет распределения заряда на фоточувствительном слое происходит изменение ориентации молекул жидких кристаллов пропорционально величине заряда в данной области, ориентация молекул жидких кристаллов определяет ретардацию (изменение фазы) излучения, прошедшего через данную область LC. Таким образом осуществляется модуляция фазы в слое LC (образуется фазовая голограмма) и модуляция фазы излучения при реконструкции голограммы, когда на фазовой голограмме происходит дифракция и восстанавливается волновой фронт предметной волны (в данном случае, соответствующей набору отображаемых вокселей).

В соответствии с приведенным выше описанием стоит отметить, что для работы с распространенными некогерентными дисплеями нужен OASLM, на фоточувствительном слое которого требуется сформировать распределение интенсивности излучения после масок DOE, которое приведет к распределению заряда в фоточувствительном слое и модуляции фазы в слое LC OASLM, которое представляет собой сформированную фазовую голограмму, которая затем будет восстановлена когерентным излучением подсветки. Поэтому в случае использования некогерентного SLM и OASLM, маски DOE должны быть амплитудного типа.

На фиг.8 изображена блок-схема, раскрывающая алгоритм работы голографического дисплея согласно варианту осуществления настоящего изобретения по фиг.7.

На этапе S1 данные 2D или 3D изображения из 2D/3D камеры или любого другого источника изображения, или предварительно рассчитанные данные 2D или 3D изображения подаются в контроллер голографического дисплея. В зависимости от режима работы дисплея упомянутые данные могут быть представлены 2D картой яркости (для 2D режима) или 2D картой яркости и 2D картой глубины (для 3D режима).

На этапе S2 контроллер формирует управляющие сигналы для EASLM низкого разрешения, а также на определенный массив масок DOE высокого разрешения (в случае применения управляемого набора массивов масок DOE высокого разрешения для дополнительного повышения разрешения воспроизводимой голограммы, как показано на фиг. 6) на основе данных 2D карты яркости и 2D карты глубины, которые представляют данные 3D-изображения (или 2D-изображения) таким образом, чтобы каждый воксель формировался с помощью соответствующего пикселя EASLM, который задает яркость/интенсивность вокселя, и маски DOE высокого разрешения, которая задает расстояние, на котором должен быть сформирован воксель. При этом в 3D режиме одному включенному контроллером пикселю EASLM соответствует по крайней мере одна маска DOE высокого разрешения, формирующая по крайней мере один воксель отображаемой голограммы.

Распределение интенсивности после массива масок DOE, интегрированного с OASLM, переносится на светочувствительный слой OASLM, вызывая возникновение распределения заряда. В этот момент (этап S3) управляющий сигнал для записи сформированного на фоточувствительном слое распределения интенсивности в распределение фазы на слое жидких кристаллов OASLM отправляется контроллером к OASLM, причем распределение заряда в светочувствительном слое вызывает модуляцию показателя преломления в LC-слое OASLM в соответствии с рисунком голограммы с высоким разрешением из активных элементов масок DOE, освещенных EASLM с низким разрешением.

На этапе S4 блок подсветки формирует излучение подсветки (освещает) для OASLM, работающего в отражающем режиме, и дифрагированный свет текущей (записанной в OASLM) отображаемой голограммы на этапе S5 восстанавливает (реконструирует) голограмму.

Полевая оптика (линза или группа линз) необходима для формирования зоны просмотра голограммы на заданном расстоянии от дисплея. Фильтры могут выполнять пространственную/угловую/спектральную фильтрацию для улучшения качества отображаемой трехмерной голограммы и быть как пассивными, так и активными (управляемыми).

Полевая оптика, фильтры (в случае использования активных элементов) и блок подсветки также функционируют на основании управляющих сигналов от контроллера.

Интегрированная структура некогерентного EASLM, массива масок DOE и отражающего OASLM позволяет уменьшить размеры (толщину) голографического дисплея. Благодаря уменьшенным размерам упомянутого дисплея, он может найти применение в мобильных электронных устройствах, таких как смартфоны, планшеты, носимая электроника и т.д. Возможность использования некогерентных дисплеев и микродисплеев в настоящем изобретение означает возможность использования существующих дисплеев: OLED, μ-LED, LCD и т.д.

В зависимости от варианта осуществления EASLM, используемый в голографическом дисплее, изображенном на фиг.7, может быть самоизлучающим (некогерентный LED/μ-LED, OLED и т.д.) или несамоизлучающим. В случае несамоизлучающего EASLM (например, LCD) необходимо использовать дополнительную некогерентную подсветку (LED, лампа и т.д.).

В альтернативном варианте осуществления (см. фиг.9) вместо некогерентного SLM используется когерентный SLM (в данном примере EASLM). В таком случае нет необходимости в использовании OASLM, работающего в отражающем режиме, и его можно исключить (см. фиг.9) либо переключить в пропускающий режим (не показано). Когерентный EASLM может быть самоизлучающим (например, массив лазерных диодов) или несамоизлучающим. В случае несамоизлучающего EASLM (например, LCD) необходимо использовать дополнительную когерентную подсветку (например, лазерная подсветка).

В случае использования когерентного SLM без OASLM, маски DOE могут быть амплитудного или фазового типа, причем предпочтительнее фазового типа для повышения эффективности DOE.

В дополнительном варианте осуществления голографического дисплея, изображенном на фиг.10, вместе с EASLM и массивом масок DOE используется адаптивная многолинзовая решетка (MLA, multi-lens array).

В приведенных выше вариантах осуществления воксели формируются на дискретных расстояниях z_i, задаваемых масками DOE для каждого вокселя с координатами (x, y). При этом количество возможных дискретных расстояний для формирования вокселя определяется количеством масок DOE.

Адаптивная (активная) MLA согласно варианту осуществления по фиг.10 может изменять свое пространственное положение относительно EASLM и массива масок DOE. Таким образом, изменяя фокусное расстояние каждой линзы MLA, можно изменять положение (z_i) вокселя (x, y) более плавным образом. Тем самым можно увеличить разрешение и диапазон формируемого голографического изображения по глубине. Данный вариант осуществления позволяет повысить качество и глубину отображаемой голограммы.

Таким образом, настоящее изобретение посредством использования массива масок DOE позволяет повысить разрешение отображаемой голограммы, увеличить поле обзора голограммы, а также повысить скорость обработки цифровой голограммы. Массив масок DOE представляет собой предварительно разработанный и изготовленный набор решеток с размером ключевого элемента, сравнимым с длиной волны, что позволяет увеличить угол дифракции и поле зрения отображаемой голограммы, а также уменьшить числовые вычисления (загрузка процессора, объем памяти, скорость передачи данных) и увеличить срок службы батареи.

Кроме того, за счет интегрированной структуры, содержащей некогерентный SLM, массив масок DOE и OASLM, голографический дисплей в соответствии с настоящим изобретением имеет компактную структуру и может использовать некогерентные дисплеи и микродисплеи (LED, OLED, LCD+LED и т.д.). Возможно дополнительное использование адаптивной линзовой решетки для увеличения разрешения по глубине отображаемой голограммы.

Благодаря компактной структуре голографический дисплей в соответствии с настоящим изобретением может найти применение в мобильных и носимых электронных устройствах для отображения информации, в том числе для создания голографического пользовательского интерфейса.

Вследствие снижения вычислительной нагрузки при формировании голограммы настоящее изобретение обеспечивает увеличенный срок службы аккумуляторов мобильных электронных устройств, содержащих голографический дисплей, и сниженные требования к охлаждению процессоров, контроллеров и т.д.

Т.к. для формирования трехмерной голограммы требуются только 2D карты в качестве исходных данных, следовательно, могут быть снижены требования к ширине полосы пропускания при передаче данных.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Хотя отдельно не упомянуто, но очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие машиночитаемого носителя данных, примеры машиночитаемых носителей данных включают в себя постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации раскрытые в различных частях описания могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Изобретение относится к области формирования голографических изображений, в частности к голографическому дисплею и способу формирования голографического изображения посредством голографического дисплея. Голографический дисплей содержит пространственный модулятор света с электронным управлением (EASLM), массив масок дифракционных оптических элементов (DOE), контроллер для управления работой голографического дисплея для формирования голографического изображения. Контроллер выполнен с возможностью управления EASLM для осуществления подсветки масок DOE, которые должны формировать совокупность вокселей голографического изображения, посредством соответствующих им пикселей EASLM, при этом маски DOE предварительно рассчитаны и изготовлены. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Голографический дисплей, содержащий:

- пространственный модулятор света с электронным управлением (EASLM);

- массив масок дифракционных оптических элементов (DOE), расположенный над EASLM;

- контроллер для управления работой голографического дисплея для формирования голографического изображения,

причем контроллер выполнен с возможностью управления EASLM для осуществления подсветки масок DOE, которые должны формировать совокупность вокселей голографического изображения, посредством включения соответствующих им пикселей EASLM,

причем маски DOE предварительно рассчитаны и изготовлены.

2. Дисплей по п.1, в котором EASLM является некогерентным EASLM.

3. Дисплей по п.2, дополнительно содержащий пространственный модулятор света с оптическим управлением (OASLM) и блок подсветки, причем EASLM, массив масок DOE и OASLM интегрированы в один блок, а контроллер дополнительно выполнен с возможностью управления OASLM и блоком подсветки таким образом, что распределение интенсивности излучения, полученное после массива масок DOE, формирует распределение заряда в фоточувствительном слое OASLM и приводит к модуляции фазы в слое LC OASLM, а затем блок подсветки посредством подсветки фазовой голограммы, сформированной в слое LC OASLM, формирует голографическое изображение.

4. Дисплей по п.1, в котором EASLM является когерентным EASLM.

5. Дисплей по любому из пп.1-4, содержащий несколько массивов масок DOE, уложенных в слои.

6. Дисплей по любому из пп.1-4, дополнительно содержащий адаптивную многолинзовую решетку, причем контроллер дополнительно выполнен с возможностью управления адаптивной многолинзовой решеткой.

7. Дисплей по любому из пп.1-4, выполненный с возможностью переключения между трехмерным и двухмерным режимами отображения.

8. Дисплей по любому из пп.1-4, выполненный с возможностью формирования цветной голограммы.

9. Дисплей по любому из пп.1-4, дополнительно содержащий полевую оптику и/или фильтры, которые могут осуществлять спектральную фильтрацию излучения, пространственную и/или угловую фильтрацию излучения восстанавливаемой голограммы.

10. Дисплей по любому из пп.1-4, причем предрассчитанные маски DOE организованы в виде одного или нескольких массивов, причем предрассчитанные маски DOE конструктивно выполнены с возможностью включения/выключения и являются управляемыми, а контроллер дополнительно выполнен с возможностью управления такими масками DOE.

11. Способ формирования голографического изображения посредством голографического дисплея по любому из пп.1-10, содержащий этапы, на которых:

- принимают посредством контроллера исходные данные голографического изображения;

- формируют посредством контроллера управляющие сигналы для осуществления подсветки масок DOE, которые должны формировать совокупность вокселей голографического изображения на основании исходных данных, посредством включения/выключения соответствующих им пикселей EASLM;

- формируют голографическое изображение посредством EASLM и массива масок DOE в соответствии с управляющими сигналами контроллера.