Область техники

Настоящее изобретение относится к области оптотехники и предназначено для создания интегрально-оптических устройств, а именно устройств дополненной реальности, которые формируют объемные «парящие» изображения в свободном пространстве.

Описание предшествующего уровня техники

Активно развивающаяся область мобильных технологий требует все более оригинальных решений, имеющих высокую информативность и комфорт. Одной из идей, которая требует технического воплощения, является дисплей объемного «парящего» изображения с увеличенным полем обзора, который осуществляет отображение без дополнительной рассеивающей среды. К такому дисплею предъявляются следующие требования:

увеличенное, цветное, объемное изображение высокого качества;

широкое поле обзора, чтобы изображение можно было увидеть из нескольких точек обзора или несколькими пользователями;

изображение должно быть вынесено перед плоскостью дисплея, т.е. должен быть положительный вынос изображения;

отсутствие движущихся частей системы;

безопасный и бесконтактный пользовательский интерфейс.

Из уровня техники известны очки дополненной реальности на основе волновода, вводного и выводного дифракционного оптического элемента (ДОЭ), в таких системах поле обзора изображения имеет довольно малые размеры, а яркость изображения сильно зависит от угла обзора. Также используются очки дополненной реальности на основе архитектуры, содержащей множество вводных, выводных и размножающих ДОЭ, в таких системах поле обзора изображения увеличивается. Также известны системы для отображения «парящего» изображения для мобильных устройств, в таких системах поле зрения изображения увеличено по сравнению с полем обзора, получаемым в очках дополненной реальности, и, кроме того, изображение могут видеть несколько пользователей одновременно. Однако в таких системах имеется маленький размер самого «парящего» изображения, и при его масштабировании трудно добиться хорошей яркости, однородности изображения и качества изображения.

Из уровня техники (документ US 2019/0222828 A1, дата публикации 18.07.2019) известна система отображения, содержащая радиально-симметричное зеркало, экран дисплея и радиальный массив линз. Свет от экрана может проходить через радиальную решетку, а затем отражаться от зеркала, создавая автомультископический дисплей с обзором 360 градусов. Автомультископический дисплей может отображать несколько визуализированных видов трехмерной сцены, каждый из которых показывает сцену под другим углом виртуальной камеры. Это известное решение имеет большие габариты, подвижные части, сниженное разрешение проецируемого изображения из-за использования растровой системы.

Из уровня техники (документ US 20190285904 A1, дата публикации 19.09.2019) известно устройство трехмерной визуализации, основанное на массиве уголковых отражателей, которые могут обеспечивать перенос плоскости первичного дисплея в свободное пространство. Для визуализации изображения дисплей мобильного устройства располагается под углом к массиву уголковых отражателей, изображение формируется в свободном пространстве. Недостатком известного устройство является то, что массив уголковых отражателей работает с малым полем обзора, которое не превышает 20градусов. Также это известное устройство формирует изображение с низким разрешением, имеет большие габариты. Кроме того, известное решение не обеспечивает увеличение объемного «парящего» изображения.

Из уровня техники (документ US 20170199496 A1, дата публикации 13.07.2017) известна система для генерации последовательности изображений с разной глубиной, содержащая матрицу модуляции. Матрица модуляции содержит множество модуляторов света, которые могут сдвигать луч света, падающего на модуляторы, на несколько градусов. Множество модуляторов света могут сдвигать луч света согласованно согласно шаблону сдвига модуляции. Шаблон сдвига модуляции может быть сконфигурирован для фокусировки падающего света на вокселе или для формирования трехмерного изображения. Один или несколько шаблонов сдвига модуляции могут быть изменены для растрирования одного или нескольких объектов изображения в одной или нескольких плоскостях глубины изображения. Недостатками известной системы является то, что не формируется «парящее» изображение с положительным выносом, а также для увеличения поля обзора требуются различные параметры вводных дифракционных решеток.

Из уровня техники (документ US20190041634A1, дата публикации 07.02.2019) известен голографический волноводный оптический трекер. Трекер включает в себя: источник света; по меньшей мере один волновод, оптически связанный с указанным источником; по меньшей мере один детекторный волновод, содержащий дифракционный оптический элемент для ввода и отклонения пучка с первой поляризацией света, отраженного от указанного объекта, в первое направление волновода и отклонения пучка со второй поляризацией света, отраженного от указанного объекта, во второе направление волновода; по меньшей мере один детектор, оптически связанный с указанным детекторным волноводом, работающий для приема света, распространяющегося в указанном первом направлении волновода; и по меньшей мере один детектор, оптически связанный с указанным детекторным волноводом, работающий для приема света, распространяющегося в указанном втором направлении волновода. Недостатками известного устройства является множество дополнительных элементов, отсутствие возможности формирования изображения в воздухе, то есть объемного «парящего» изображения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение объемного «парящего» изображения с увеличенным полем обзора, причем объемное «парящее» изображение должно отображаться в пространстве без дополнительной рассеивающей среды. Необходимо получить увеличенное объемное изображение высокого качества, с широким полем обзора, чтобы изображение можно было увидеть с нескольких точек обзора и/или несколькими пользователями. Причем устройство для воспроизведения объемного «парящего» изображения не должно иметь движущихся частей и должно иметь безопасный и бесконтактный пользовательский интерфейс.

Сущность изобретения

Предлагается устройство отображения «парящего» изображения, содержащее:

источник изображений;

электронный блок управления;

систему с перестраиваемой оптической силой;

проекционный модуль;

волноводную систему;

причем

источник изображений соединен с электронным блоком управления и выполнен с возможностью хранения в памяти оцифрованного изображения и выдачи оцифрованного изображения в электронный блок управления в виде сигнала, содержащего данные исходного изображения и информацию о расстоянии от устройства «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано изображение, соответствующее исходному;

электронный блок управления соединен с системой с перестраиваемой оптической силой и с проекционным модулем, причем электронный блок управления выполнен с возможностью разделения упомянутого сигнала на сигнал, содержащий данные исходного изображения, и сигнал, содержащий данные о напряжении, величина которого соответствует информации об упомянутом расстоянии;

проекционный модуль оптически согласован с волноводной системой и выполнен с возможностью преобразования сигнала, содержащего упомянутые данные исходного изображения в световое поле, соответствующее исходному изображению;

волноводная система оптически согласована с системой с перестраиваемой оптической силой и выполнена с возможностью мультиплицирования световых пучков, составляющих упомянутое световое поле;

причем система с перестраиваемой оптической силой состоит из поляризатора, элемента с первой оптической силой, элемента со второй оптической силой и перестраиваемого оптического элемента, расположенного между упомянутыми элементами, причем

поляризатор выполнен с возможностью поляризации мультиплицированных световых пучков, вышедших из волноводной системы, таким образом, что направление поляризации упомянутых световых пучков совпадает с направлением поляризации перестраиваемого оптического элемента,

при этом элемент с первой оптической силой выполнен с возможностью направления поляризованных световых пучков, прошедших поляризатор, на перестраиваемый оптический элемент;

перестраиваемый оптический элемент выполнен с возможностью вносить фазовую задержку в волновой фронт проходящего светового поля, тем самым изменять расстояние, на котором будет формироваться в пространстве «парящее» изображение, под воздействием напряжения, подаваемого электронным блоком управления;

элемент со второй оптической силой выполнен с возможностью фокусировать упомянутые световые пучки, составляющие световое поле, соответствующее исходному изображению, и вышедшие из перестраиваемого оптического элемента, в пространстве, формируя «парящее» изображение на расстоянии, соответствующем напряжению, поданному на перестраиваемый оптический элемент.

Причем элемент с первой оптической силой может являться элементом с положительной оптической силой, элемент со второй оптической силой может являться элементом с отрицательной оптической силой. Оптическая сила D_pos оптического элемента с положительной оптической силой может соотноситься с оптической силой D_Neg оптического элемента с отрицательной оптической силой следующим образом:

D_Pos ≈ -1,1 × D_Neg.

Элемент с первой оптической силой может являться элементом с отрицательной оптической силой, элемент со второй оптической силой может являться элементом с положительной оптической силой. Элемент с первой оптической силой может являться элементом с положительной оптической силой и элемент со второй оптической силой может являться элементом с положительной оптической силой. Между элементом с первой оптической силой, перестраиваемым оптическим элементом и элементом со второй оптической силой может не быть воздушного зазора. Источником изображений может быть память электронного устройства. Перестраиваемый оптический элемент может быть выполнен из слоя жидких кристаллов. Перестраиваемый оптический элемент может быть выполнен из оптически активного материала, изменяющего оптические свойства в результате воздействия напряжения. Источник изображений может содержать память, хранящую данные о каждом срезе изображения, включающие в себя оцифрованное изображение среза и данные о глубине этого среза.

Также предлагается способ работы устройства отображения «парящего» изображения для отображения плоского «парящего» изображения, содержащий этапы, на которых:

А) выдают, посредством источника изображений, оцифрованное исходное плоское изображение, которое поступает в электронный блок управления, причем оцифрованное исходное плоское изображение представляет собой сигнал, содержащий данные исходного плоского изображения и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано плоское «парящее» изображение, соответствующее исходному плоскому изображению;

Б) обрабатывают, посредством электронного блока управления, упомянутый сигнал, разделяя его на сигнал, содержащий упомянутые данные исходного плоского изображения, и сигнал напряжения, величина которого соответствует информации о расстоянии устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано плоское «парящее» изображение;

В) подают на перестраиваемый оптический элемент, посредством электронного блока управления, напряжение, соответствующее сигналу напряжения;

Г) подают на проекционный модуль, посредством электронного блока управления, сигнал, содержащий упомянутые исходного плоского изображения; причем

этапы В) и Г) осуществляют синхронно;

Д) преобразуют, посредством проекционного модуля, данные исходного плоского изображения в световое поле, соответствующее исходному плоскому изображению, проецируют, посредством проекционного модуля, упомянутое световое поле в волноводную систему;

Е) мультиплицируют, посредством волноводной системы, набор световых пучков, составляющих упомянутое световое поле;

Ж) поляризуют, посредством поляризатора системы с перестраиваемой оптической силой, мультиплицированное световое поле, вышедшее из волноводной системы;

З) подают поляризованное световое поле на элемент с первой оптической силой, затем на перестраиваемый оптический элемент, причем под действием упомянутого напряжения перестраиваемый оптический элемент перестраивается таким образом, что прошедшее световое поле, прошедшее перестраиваемый оптический элемент и элемент со второй оптической силой, формируется в виде плоского «парящего» изображения, соответствующего исходному изображению, в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению.

Предлагается способ работы устройства отображения «парящего» объемного изображения, содержащий этапы, на которых:

А) производят рендеринг, посредством CAD системы, оцифрованного исходного объемного изображения в последовательность оцифрованных плоских срезов объемного изображения,

причем каждый оцифрованный плоский срез объемного изображения представляет собой сигнал, содержащий данные изображения плоского среза объемного изображения и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза объемного изображения,

передают последовательность оцифрованных плоских срезов в виде последовательности сигналов в источник изображений;

Б) передают упомянутую последовательность сигналов из источника изображений в электронный блок управления,

обрабатывают каждый сигнал из последовательности, посредством электронного блока управления, разделяя на сигнал, содержащий данные изображения плоского среза объемного изображения и сигнал напряжения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза объемного изображения;

В) подают на перестраиваемый оптический элемент, посредством электронного блока управления, последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

напряжения, соответствующие сигналам напряжения для «парящего» изображения плоского среза объемного изображения для каждого изображения плоского среза объемного изображения из последовательности;

Г) подают на проекционный модуль, посредством электронного блока управления, последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

сигналы, содержащие данные изображения плоского среза объемного изображения для каждого изображения плоского среза объемного изображения из последовательности;

причем

этапы В) и Г) осуществляют синхронно;

последовательно со смещением во времени:

Д) преобразуют, посредством проекционного модуля, данные изображения плоского среза объемного изображения для каждого изображения плоского среза объемного изображения из последовательности в световое поле,

проецируют посредством проекционного модуля, каждое упомянутое световое поле в волноводную систему;

Е) мультиплицируют, посредством волноводной системы, набор световых пучков, составляющих каждое упомянутое световое поле;

Ж) поляризуют, посредством поляризатора системы с перестраиваемой оптической силой, каждое мультиплицированное световое поле, вышедшее из волноводной системы;

З) поляризованное световое поле попадает на элемент с первой оптической силой, попадает на перестраиваемый оптический элемент, причем под действием упомянутого напряжения перестраиваемый оптический элемент перестраивается таким образом, что световое поле, прошедшее перестраиваемый оптический элемент и элемент со второй оптической силой, формируется в виде «парящего» изображения плоского среза объемного изображения, в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению;

причем последовательность «парящих» изображений плоских срезов объемного изображения, в пространстве, передающаяся с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формирует для наблюдателя объемное «парящее» изображение.

Исходное объемное изображение может быть исходным объемным цветным изображением;

причем каждый оцифрованный плоский срез объемного изображения состоит из красного (R) компонента, зеленого (G) компонента и синего (B) компонента;

причем упомянутые данные изображения плоского среза объемного изображения представляют собой данные красного канала изображения(R) плоского среза объемного изображения, данные зеленого канала изображения (G) плоского среза объемного изображения, данные синего канала изображения (B) плоского среза объемного изображения,

причем упомянутый сигнал, содержащий данные изображения плоского среза объемного изображения и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза объемного цветного изображения, включает в себя:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения (R) плоского среза объемного цветного изображения,

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения (G) плоского среза объемного цветного изображения,

сигнал, содержащий данные синего канала изображения (B) плоского среза объемного цветного изображения,

причем

расстояние от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала изображения (R) плоского среза объемного цветного изображения,

расстояние от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала изображения (G) плоского среза объемного цветного изображения,

расстояние от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала изображения (B) плоского среза объемного цветного изображения,

равны расстоянию, на котором должно быть сформировано «парящее» цветное изображение плоского среза объемного цветного изображения, соответствующее исходному объемному цветному изображению;

причем упомянутый сигнал напряжения включает в себя:

сигнал напряжения для красного канала изображения (R) плоского среза объемного цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала изображения (R) плоского среза объемного цветного изображения,

сигнал напряжения для зеленого канала изображения (G) плоского среза объемного цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала изображения (G) плоского среза объемного цветного изображения,

сигнал напряжения для синего канала изображения (B) плоского среза объемного цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала изображения (B) плоского среза объемного цветного изображения,

причем для каждого плоского среза объемного цветного изображения повторяют этапы (Б)-(З), причем последовательность «парящих» изображений R, G, B компонентов плоских срезов объемного цветного изображения в пространстве, передающаяся с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формирует для наблюдателя объемное «парящее» цветное изображение.

Предлагается способ работы устройство отображения «парящего» изображения для отображения «парящего» объемного видео, содержащий этапы, на которых:

А) производят рендеринг, посредством CAD системы, каждого оцифрованного исходного объемного изображения из последовательности оцифрованных исходных объемных изображений, составляющей видеоизображение, на последовательность оцифрованных плоских срезов изображения,

причем каждый оцифрованный плоский срез изображения представляет собой сигнал, содержащий данные изображения плоского среза изображения и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза изображения,

сохраняют последовательность оцифрованных плоских срезов изображения в источнике изображения,

Б) передают последовательность оцифрованных плоских срезов изображения из источника изображения в электронный блок управления;

для каждого оцифрованного исходного объемного изображения:

В) обрабатывают каждый сигнал из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения, посредством электронного блока управления, разделяя на сигнал, содержащий данные изображения плоского среза изображения и сигнал напряжения, величина которого соответствует информации о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза изображения,

Г) подают на перестраиваемый оптический элемент, посредством электронного блока управления, последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

напряжения, соответствующие сигналам напряжения для «парящего» изображение плоского среза изображения для каждого изображения плоского среза изображения из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения;

Д) подают на проекционный модуль, посредством электронного блока управления, последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

сигналы, содержащие данные изображения плоского среза изображения для каждого изображения плоского среза изображения из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения;

причем

этапы Г) и Д) осуществляют синхронно;

последовательно со смещением во времени:

Е) преобразуют, посредством проекционного модуля, данные изображения плоского среза изображения для каждого изображения плоского среза изображения из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения в световое поле,

проецируют посредством проекционного модуля, каждое упомянутое световое поле в волноводную систему;

Ж) мультиплицируют, посредством волноводной системы, набор световых пучков, составляющих каждое упомянутое световое поле;

З) поляризуют, посредством поляризатора системы с перестраиваемой оптической силой, каждое мультиплицированное световое поле, вышедшее из волноводной системы;

И) поляризованное световое поле попадает на элемент с первой оптической силой, попадает на перестраиваемый оптический элемент, причем под действием упомянутого напряжения перестраиваемый оптический элемент перестраивается таким образом, что световое поле, прошедшее перестраиваемый оптический элемент и элемент со второй оптической силой, формируется в виде «парящего» изображения плоского среза изображения в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению;

причем последовательность «парящих» изображений плоских срезов изображений из последовательности оцифрованных исходных изображений, составляющей видео, в пространстве, передающаяся с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формирует для наблюдателя объемное «парящее» видео.

Исходное объемное изображение из последовательности оцифрованных исходных объемных изображений, составляющей видеоизображение, может быть исходным объемным цветным изображением из последовательности оцифрованных исходных объемных цветных изображений, составляющей цветное видеоизображение,

причем каждый оцифрованный плоский срез цветного изображения состоит из красного (R) компонента, зеленого (G) компонента и синего (B) компонента;

причем упомянутые данные изображения плоского среза изображения представляют собой данные красного канала изображения (R), данные зеленого канала изображения (G), данные синего канала изображения (B);

причем упомянутый сигнал, содержащий данные изображения плоского среза изображения и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза изображения, включает в себя:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения (R) плоского среза цветного изображения,

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения,

сигнал, содержащий данные синего канала изображения (B) плоского среза цветного изображения;

причем

расстояние от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала изображения (R) плоского среза цветного изображения,

расстояние от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения,

расстояние от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала изображения (B) плоского среза цветного изображения,

равны расстоянию, на котором должно быть сформировано «парящее» цветное изображение плоского среза цветного изображения, соответствующее исходному цветному изображению;

причем упомянутый сигнал напряжения включает в себя:

сигнал напряжения для красного канала изображения (R) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала изображения (R) плоского среза цветного изображения,

сигнал напряжения для зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения,

сигнал напряжения для синего канала изображения (B) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала изображения (B) плоского среза цветного изображения,

причем для каждого плоского среза изображения из последовательности оцифрованных исходных цветных изображений, составляющей видео, повторяют этапы (Б)-(И), причем последовательность «парящих» изображений R, G, B компонентов плоских срезов цветных изображений из последовательности оцифрованных исходных цветных изображений, составляющей видео, в пространстве, передающаяся с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формирует для наблюдателя объемное «парящее» цветное видео.

Также предлагается система интерактивного дисплея «парящего» изображения, содержащая:

предлагаемое устройство отображения «парящего» изображения;

светоделитель;

инфракрасный детектор;

инфракрасный волновод, расположенный между светоделителем и волноводной системой;

модуль инфракрасной подсветки;

управляющий модуль, соединенный с инфракрасным детектором и электронным блоком управления;

причем

электронный блок управления соединен с модулем инфракрасной подсветки и дополнительно выполнен с возможностью подачи управляющего сигнала на модуль инфракрасной подсветки;

система с перестраиваемой оптической силой дополнительно выполнена с возможностью коллимировать рассеянное пользователем инфракрасное излучение;

волноводная система является прозрачной для инфракрасного излучения;

модуль инфракрасной подсветки выполнен с возможностью освещать всю область «парящего» изображения;

светоделитель выполнен с возможностью пропускания рассеянного инфракрасного излучения на инфракрасный детектор;

инфракрасный детектор выполнен с возможностью принимать рассеянное инфракрасное излучение, прошедшее светоделитель, и передавать его на управляющий модуль;

управляющий модуль выполнен с возможностью распознавания факта взаимодействия пользователя с областью «парящего» изображения, а также места взаимодействия в области «парящего» изображения, и формирования команды, соответствующей положению места взаимодействия с областью «парящего» изображения.

Инфракрасный волновод может быть объединен с волноводной системой. Модуль инфракрасной подсветки может быть встроен внутрь проекционного модуля. Предлагаемая система может дополнительно содержать массив ультразвуковых передатчиков.

Предлагается способ работы предлагаемой системы интерактивного дисплея «парящего» изображения, содержащий этапы, на которых:

подают, посредством электронного модуля управления, управляющий сигнал на модуль инфракрасной подсветки;

освещают, посредством модуля инфракрасной подсветки, область «парящего» изображения инфракрасным излучением;

пользователь взаимодействует с плоскостью «парящего» изображения, за счет упомянутого взаимодействия инфракрасное излучение рассеивается;

коллимируют рассеянное инфракрасное излучение, посредством системы с перестраиваемой оптической силой;

направляют коллимированное рассеянное инфракрасное излучение через волноводную систему, которая является прозрачной для инфракрасного излучения, на инфракрасный волновод;

выводят инфракрасное излучение из инфракрасного волновода и через светоделитель направляют на инфракрасный детектор;

детектируют, посредством инфракрасного детектора, рассеянное излучение и передают сигналы в управляющий модуль;

распознают, посредством управляющего модуля, факт взаимодействия пользователя с областью «парящего» изображения, а также место взаимодействия в области «парящего» изображения;

формируют команду, посредством управляющего модуля, соответствующую положению места взаимодействия в области «парящего» изображения.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1 схематически иллюстрирует конструкцию устройства для отображения объемного «парящего» изображения.

Фиг. 2 иллюстрирует систему интерактивного дисплея «парящего» изображения.

Подробное описание изобретения

Предлагается устройство для формирования объемного или необъемного «парящего» изображения, сфокусированного в свободном пространстве, которое можно увидеть невооруженным глазом в поле обзора (Field of View, FoV) на некотором расстоянии от дисплея. Предлагаемое техническое решение сочетает в себе использование линз с противоположными оптическими силами и перестраиваемым оптическим элементом между ними, кроме того, обеспечивается двухканальная система взаимодействия с пользователем, позволяющая формировать изображение в видимом диапазоне спектра, и взаимодействовать с пользователем в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.

При использовании предлагаемого изобретения пользователь может наблюдать реальное объемное или необъемное изображение в пространстве в большом поле обзора, также повышается удобство рассматривания пользователем изображения на расстоянии и удобство взаимодействия пользователя с изображением. Предлагаемое устройство отображения «парящего» изображения отображает «парящее» изображение без дополнительной рассеивающей среды, при этом формируется увеличенное изображение высокого качества, с широким полем обзора, изображение может осматриваться с нескольких точек обзора одним или несколькими пользователями. При этом предлагаемое устройство не имеет движущихся частей и имеет безопасный и бесконтактный пользовательский интерфейс.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышенную эффективность использования излучения, направленного от проектора, улучшенную однородность изображения независимо от угла, под которым пользователь наблюдает изображение, превосходное качество изображения, наличие системы бесконтактного взаимодействия пользователя с изображением.

Устройство отображения «парящего» изображения является компактным и тонким, при этом «парящее» изображение получается объемным и большим, для этого используется система, оптическая сила которой может перестраиваться, при этом отображаются различные срезы изображения, то есть кадры изображения, сформированные в нескольких плоскостях, находящихся на различных расстояниях от дисплея, при этом у наблюдателя формируется ощущение объемности изображения. Кроме того, с помощью предлагаемой системы с перестраиваемой оптической силой возможно формирование цветного изображения высокого качества путем компенсации хроматических аберраций.

Следующие термины используются при описании предлагаемого изобретения:

Поле обзора оптической системы (угловое поле) - это конус лучей, вышедших из оптической системы и формирующих изображение в бесконечности (оптический термин). Центр поля обзора соответствует центру «парящего» изображения, а край поля обзора соответствует краю этого изображения.

Выходной зрачок (или зрачок оптической системы) - это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей. Данный термин является устоявшимся в оптике. Основным свойством выходного зрачка является то, что в любой его точке существуют все поля изображения. Размножая выходной зрачок, тем самым увеличивают его размеры, не прибегая к увеличению продольных размеров оптической системы. Классическая оптика позволяет увеличить размеры выходного зрачка, но при этом увеличиваются продольные размеры оптической системы, в то время как волноводная оптика за счет многократного отражения пучков лучей внутри волновода позволяет это делать без увеличения габаритов системы.

На фиг. 1 проиллюстрирована конструкция устройства для отображения объемного «парящего» изображения. Предлагаемое устройство состоит из источника 1 изображений, электронного блока 2 управления, системы 3 с перестраиваемой оптической силой, проекционного модуля 4, волноводной системы 5. Система 3 с перестраиваемой оптической силой состоит из поляризатора 6, элемента с первой оптической силой 3а, элемента со второй оптической силой 3с и перестраиваемого оптического элемента 3b, расположенного между упомянутыми элементами 3а и 3с. Источник 1 изображений соединен с электронным блоком 2 управления. Электронный блок 2 управления соединен с системой 3 с перестраиваемой оптической силой и с проекционным модулем 4. Проекционный модуль 4 оптически согласован с волноводной системой 5. Волноводная система 5 оптически согласована с системой 3 с перестраиваемой оптической силой.

Устройство для отображения «парящего» изображения может быть размещено в корпусе электронного устройства (смартфона, компьютера, ноутбука и т.п.), тогда устройство отображения «парящего» изображения может выполнять функцию дисплея электронного устройства, либо одновременно работать с другими видами дисплеев, при этом источником изображений является память электронного устройства.

Устройство для отображения объемного «парящего» изображения может находиться вне корпуса электронного устройства, тогда память электронного устройства выступает как источник 1 изображений. Подключение к электронному устройству может осуществляться как проводным, так и беспроводным способом. При выполнении устройства для отображения объемного «парящего» изображения вне корпуса электронного устройства все элементы устройства для отображения объемного «парящего» изображения заключаются в отдельный корпус.

Изначальное объемное изображение сцены или предмета моделируется художником в доступной CAD системе (Computer-aided design). Затем файл-результат из CAD системы загружается/переносится в память источника изображений дисплея «парящего» изображения. В CAD системе производят рендеринг, то есть отрисовку (отображение) объемного 3D изображения сцены или предмета на плоские части этого объемного изображения, которые называются срезами.

CAD система не входит в устройство отображения «парящего» изображения и является подходящим известным из уровня техники средством, результатом работы которого является файл, который содержит в себе последовательность кадров, звуковые дорожки и иную необходимую для воспроизведения файла информацию, в том числе глубину изображения или среза объемного изображения. Данные о каждом срезе изображения включают в себя оцифрованное изображение среза и данные о глубине этого среза, то есть о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором данный срез должен формироваться (проецироваться). Срезы объемного «парящего» изображения являются плоскими. Cоздание объемного изображения (3D модели) может осуществляться в любой доступной среде разработки. Художнику необходимо знать только максимальную перестройку элемента с перестраиваемой оптической силой. Результат работы вышеупомянутых сред разработки (CAD систем) в виде файла хранится в памяти электронного устройства и обрабатывается электронным блоком управления (ЭБУ).

Файл с данными о 3D модели объемного изображения сцены или предмета, полученный в результате рендеринга 3D модели в CAD системе, загружается в память источника 1 изображений, где хранится, и при воспроизведении этого объемного изображения сцены или предмета поступает в электронный блок 2 управления. Другими словами, обработанное в системе CAD объемное изображение представляет собой набор сигналов, причем каждый сигнал несет информацию об одном из срезов объемного изображения. Такая информация содержит данные о срезе, как плоском изображении части всего объемного изображения, и о глубине, то есть о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано упомянутое плоское изображение (срез).

CAD-системы, преобразующие объемные изображения в набор сигналов, содержащих данные о каждом срезе, как плоском изображении, и о глубине, известны специалистам в данной области техники (более подробно см., например, в источнике: Stroud, Ian, and Hildegarde Nagy. Solid modelling and CAD systems: how to survive a CAD system. Springer Science & Business Media, 2011).

В электронном блоке 2 управления данные о глубине пересчитываются в значения напряжений, которые необходимо подать на электроды перестраиваемого оптического элемента 3b с перестраиваемой фазовой задержкой, для того, чтобы изображение, прошедшее систему 3 с перестраиваемой оптической силой, сформировалось на необходимом расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения. Значения напряжений, подаваемых на электроды, определяются из зависимости напряжения от фазы, характерной для любого оптически активного материала, т.е. такого, который способен вносить задержку фазы при изменении приложенного напряжения при распространении через него света. При выборе оптически активного материала перестраиваемого оптического элемента 3b необходимо знать зависимость задержки фазы проходящего через материал света от напряжения на электродах электродной структуры. Весь этот процесс можно автоматизировать стандартными алгоритмами, хорошо известными в данной области техники (см., например, документ US 20150277151 A1, дата публикации 01.10.2015). Диапазон возможных глубин срезов, а значит, и полная глубина объемного изображения сцены или предмета, ограничивается диапазоном перестройки перестраиваемого оптического элемента. Эти же ограничения (крайние положения глубин) вводятся и в CAD модель объемного изображения сцены или предмета.

Если изначальное изображение сцены или предмета является единичным плоским изображением, содержащимся в памяти источника 1 изображений, то сигнал, передаваемый от источника 1 изображений в электронный блок 2 управления, содержит данные о плоском изображении с информацией о глубине, то есть о расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано упомянутое плоское изображение. Для единичного изображения может использоваться любое доступное расстояние из диапазона перестройки перестраиваемого оптического элемента 3b. Кроме того, если изображение плоское, то нет необходимости проходить стадию рендеринга для отрисовки срезов, поскольку срезов у плоского изображения нет. Глубину единичного плоского изображения из возможного диапазона перестраиваемого оптического элемента 3b определяет и устанавливает пользователь, который это изображение создает в CAD системе. Информация о глубине вносится при создании в файл единичного плоского изображения.

Необходимо пояснить, что устройство для отображения «парящего» изображения способно воспроизводить как единичное плоское изображение, так и объемное изображение (то есть последовательность его срезов), или последовательность таких изображений для воспроизведения видео. Как только воспроизводимый файл единичного изображения либо последовательности изображений (срезов объемного изображения или видео) заканчивается, устройство завершает работу с этим файлом, и, если есть запрос, открывает следующий файл из памяти источника 1 изображений.

Предлагаемое устройство «парящего» изображения может воспроизводить единичное плоское «парящее» изображение, плоское «парящее» видео, объемное «парящее» изображение, объемное «парящее» видео. Получаемое «парящее» изображение может быть как монохромным, так и цветным.

Устройство отображения «парящего» изображения работает следующим образом.

Для воспроизведения в пространстве плоского «парящего» изображения осуществляются следующие этапы.

А) Источник 1 изображений генерирует и выдает оцифрованное исходное изображение или выдает изображение, хранящееся, например, в памяти электронного устройства. Исходное изображение может быть как цветным, так и монохромным. Оцифрованное исходное изображение поступает в электронный блок 2 управления. Оцифрованное исходное изображение представляет собой сигнал, содержащий данные исходного изображения и информацию о расстоянии от устройства «парящего» изображения, на котором должно быть сформировано изображение, соответствующее исходному.

Б) Электронный блок 2 управления обрабатывает упомянутый сигнал, разделяя на сигнал, содержащий данные исходного изображения, и сигнал, содержащий данные о напряжении, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение, соответствующее исходному.

В) Электронный блок 2 управления подает на перестраиваемый оптический элемент 3b напряжение, соответствующее сигналу напряжения. Под действием упомянутого напряжения перестраиваемый оптический элемент 3b перестраивается таким образом, что световое поле, прошедшее систему 3 с перестраиваемой оптической силой, формирует «парящее» изображение, соответствующее исходному изображению, на расстоянии от устройства, соответствующем поданному напряжению.

Г) Электронный блок 2 управления подает на проекционный модуль 4 сигнал, содержащий упомянутые данные изображения.

Этапы В) и Г) осуществляют синхронно.

Электронный блок 2 управления представляет собой ЦПУ (центральный процессор). Электронный блок 2 управления обрабатывает полученный сигнал и разделяет его на непосредственно изображение для проекционного модуля 4 и на данные для системы 3 с перестраиваемой оптической силой, представляющие собой сигнал напряжения, величина которого соответствует информации о глубине. Такая обработка и разделение сигнала известны из уровня техники. Примеры подобной обработки и разделения сигнала известны в теории передачи данных в концепции интернета вещей (Internet of Things, IoT) (см. источник: Shinde G. R. et al. Internet of things integrated augmented reality. - Springer, 2021). Обработанная информация о глубине представляет собой значение напряжения, которое необходимо подать на перестраиваемый оптический элемент 3b системы 3 с перестраиваемой оптической силой, в момент, когда проекционный модуль 4 проецирует соответствующее изображение. При подаче напряжения на перестраиваемый оптический элемент 3b изменяется показатель преломления перестраиваемого оптического элемента, и, как следствие, оптическая сила системы 3 с перестраиваемой оптической силой, таким образом изменяется глубина (расстояние) от устройства отображения «парящего» изображения, на которой будет сформировано «парящее» изображение.

В то же время электронный блок 2 управления формирует и передает сигнал на проекционный модуль 4. Сигнал представляет собой одно изображение либо последовательность изображений без информации о глубине изображения.

Д) Проекционный модуль 4 преобразует сигнал, содержащий упомянутые данные исходного изображения, в световое поле, соответствующее исходному изображению. Световое поле представляет собой набор световых пучков, составляющих исходное изображение, которые распространяются под различными углами, причем в каждом пучке лучи распространяются параллельно друг другу. Такой набор световых пучков, исходящий из проекционного модуля 4, соответствует исходному изображению, которое проецируется в волноводную систему 5.

Е) В волноводной системе 5 происходит мультиплицирование упомянутого набора световых пучков, т.е. происходит расширение апертуры выходного зрачка проекционной системы 4. Такие волноводные системы, в которых происходит расширение апертуры выходного зрачка проекционной системы, широко известны в данном уровне техники (см., например, документ US 10203762 B2, дата публикации 12.02.2019). Таким образом, достигается большое поле обзора «парящего» плоского/объемного изображения. После мультиплицирования световые пучки, составляющие световое поле, выводятся из волноводной системы в апертуре, значительно превышающей апертуру выходного зрачка проекционной системы. При этом сохраняется угловой размер исходного изображения, сформированного в бесконечности проекционным модулем.

Ж) Далее мультиплицированное световое поле направляется из волновода в систему 3 с перестраиваемой оптической силой и попадает на поляризатор 6. Поляризатор 6 поляризует мультиплицированное световое поле, вышедшее из волноводной системы 5.

Поляризатор 6 расположен и сориентирован таким образом, чтобы набор параллельных пучков, проходя через него, приобретал направление поляризации, согласованное (совпадающее) с направлением поляризации перестраиваемого оптического элемента 3b. Необходимо пояснить, что перестраиваемый оптический элемент 3b выполнен из материала, который работает только для света с определенной поляризацией, т.е. свет с другой поляризацией не может взаимодействовать с перестраиваемым оптическим элементом 3b. Перестраиваемый оптический элемент 3b может быть выполнена из слоя жидких кристаллов (жидкокристаллической ячейки), в этом случае поляризация определяется исходным расположением жидких кристаллов в ячейке. Также в качестве оптически активного материала в перестраиваемых оптических элементах могут использоваться полимерные гели или другие оптически активные материалы, изменяющие свои оптические свойства в результате воздействия напряжения. Конкретные примеры оптически активных материалов, пригодных для применения в соответствии с изобретением, будут очевидны специалистам в данной области техники на основании сведений, приведенных в настоящем описании.

В случае предлагаемого изобретения поляризация может быть произвольной, главное, чтобы свет, вышедший из волноводной системы 5 и прошедший поляризатор 6, был таким, который материал перестраиваемого оптического элемента 3b способен обработать нужным для данного изобретения образом. То есть поляризатор 6 согласовывает излучение, выходящее из волноводной системы 5, с параметрами перестраиваемого оптического элемента 3b. Такие поляризаторы широко известны из уровня техники.

З) После поляризации в необходимой плоскости световое поле попадает на элемент 3a с первой оптической силой.

Элемент 3a с первой оптической силой и элемент 3с со второй оптической силой могут представлять собой линзы или системы линз.

Элемент 3a с первой оптической силой располагается между поляризатором 6 и перестраиваемым оптическим элементом 3b. Элемент 3с со второй оптической силой при этом располагается между перестраиваемым оптическим элементом 3b и пользователем (наблюдателем).

Предпочтительно, чтобы элемент с первой оптической силой представлял собой элемент с положительной оптической силой, тогда излучение, прошедшее элемент с первой оптической силой, будет фокусироваться. В этом случае предпочтительно, чтобы элемент со второй оптической силой представлял собой элемент с отрицательной оптической силой, тогда излучение, прошедшее перестраиваемый оптический элемент 3b, будет рассеиваться. Конечным результатом работы системы 3 с перестраиваемой оптической силой будет фокусировка излучения и формирование действительного изображения. Благодаря именно такому расположению при изменении оптической силы системы 3 с перестраиваемой оптической силой (при приложении соответствующего напряжения к перестраиваемому оптическому элементу 3b) достигается максимальная разница между крайними положениями фокальной плоскости системы 3 с перестраиваемой оптической силой, то есть наиболее удаленным от устройства отображения «парящего» изображения и наиболее приближенным к устройству положением фокальной плоскости системы 3 с перестраиваемой оптической силой. Таким образом, достигается наибольший диапазон сканирования по глубине объемного «парящего» изображения.

Для достижения максимальной разницы между крайними положениями фокальной плоскости также необходимо, чтобы оптическая сила D_pos оптического элемента с положительной оптической силой соотносилась с оптической силой D_Neg оптического элемента с отрицательной оптической силой следующим образом:

D_Pos ≈ -1,1 × D_Neg.

Именно при таком соотношении достигается максимальное расстояние между дальним и ближним фокусом всей системы с перестраиваемой оптической силой, таким образом возможно создание глубоких объемных изображений, то есть с большим расстоянием между крайними воспроизводимыми срезами в «парящем» объемном изображении.

Упомянутые оптические элементы с отрицательной оптической силой и с положительной оптической силой могут быть выполнены из любых подходящих материалов, например, из стекла, пластика, а также могут представлять собой дифракционные решетки и голографические дифракционные решетки, также могут быть мета-линзами, дифракционными линзами, жидкокристаллическими линзами, геометрическими фазовыми линзами и т.п.

Если расположить перед слоем жидких кристаллов отрицательную линзу, а после слоя жидких кристаллов - положительную линзу, то средняя оптическая сила системы уменьшается, а изображение фокусируется на более дальнем расстоянии, тогда пользователь, чтобы увидеть «парящее» изображение, может располагаться достаточно далеко от дисплея.

Можно использовать две положительные линзы, но перестройка фокусного расстояния в этом случае будет меньше, по сравнению со случаем, описанным выше, поэтому эффект объемности изображения будет плохо проявляться.

В одном из вариантов выполнения в системе с перестраиваемой оптической силой может не быть воздушного зазора между перестраиваемым оптическим элементом 3b и упомянутыми оптическими элементами 3a и 3c. В другом варианте возможно присутствие воздушного зазора между перестраиваемым оптическим элементом 3b и упомянутыми оптическими элементами 3a и 3c, однако при этом глубина перестройки фокусного расстояния всей системы будет меньше, чем без зазора, и, следовательно, будет достигаться меньшая глубина объемного изображения.

Электронный блок 2 управления прикладывает напряжение к перестраиваемому оптическому элементу 3b системы 3 с перестраиваемой оптической силой, в соответствии с сигналом напряжения (этап В). Под действием приложенного напряжения показатель преломления перестраиваемого оптического элемента 3b изменяется, ввиду чего, благодаря свойствам материала перестраиваемого оптического элемента, изменяется оптическая сила системы 3 с перестраиваемой оптической силой, то есть изменяется расстояние до «парящего» плоского изображения, т.е. происходит изменение глубины «парящего» изображения. Таким образом, изображение фокусируется системой 3 с перестраиваемой оптической силой в определенной фокальной плоскости, т.е. на определенном расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения, которое соответствует напряжению, поданному на перестраиваемый оптический элемент 3b. В свою очередь, упомянутое напряжение соответствует изображению, подаваемому электронным блоком 2 управления на проекционный модуль 4 и спроецированному проекционным модулем, таким образом формируется плоское изображение или один срез объемного изображения в виде «парящего» изображения в пространстве на упомянутом расстоянии от устройства отображения «парящего» изображения. То есть, напряжение, подаваемое на перестраиваемый оптический элемент 3b, определяет глубину отдельного проецируемого в данный момент изображения или среза.

Описанным выше способом возможно воспроизведение в пространстве как монохромного, так и цветного плоского «парящего» изображения или среза. Однако, цветное «парящее» изображение в силу хроматической аберрации распадется на красную (R), зеленую (G) и синюю (G) компоненты, которые будут сформированы на слегка различной глубине. Предлагаемое изобретение возможно осуществлять без исправления хроматической аберрации, но для улучшения качества цветного «парящего» изображения возможно осуществлять корректировку хроматической аберрации.

Для воспроизведения в пространстве плоского цветного «парящего» изображения со скорректированной хроматической аберрацией осуществляются следующие этапы.

А) Источник 1 изображений генерирует оцифрованное исходное цветное изображение или выдает такое изображение, хранящееся, например, в памяти электронного устройства. Причем оцифрованное цветное изображение представляет собой сигнал, содержащий данные красного канала изображения (R), данные зеленого канала изображения(G), данные синего канала изображения(B), и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» цветное изображение, соответствующее исходному цветному изображению;

Б) Электронный блок 2 управления обрабатывает упомянутый сигнал, разделяя на следующие сигналы:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R),

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G),

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B),

сигнал напряжения для красного канала изображения(R), величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала (R) оцифрованного исходного цветного изображения,

сигнал напряжения для зеленого канала изображения(G), величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала (G) оцифрованного исходного цветного изображения,

сигнал напряжения для синего канала изображения(B), величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала (B) оцифрованного исходного цветного изображения.

Причем

расстояние от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала (R) оцифрованного исходного цветного изображения,

расстояние от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала (G) оцифрованного исходного цветного изображения,

расстояние от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала (B) оцифрованного исходного цветного изображения,

равны расстоянию, на котором должно быть сформировано «парящее» цветное изображение, соответствующее исходному цветному изображению.

В) Электронный блок 2 управления подает на перестраиваемый оптический элемент последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для человека:

напряжение для красного канала изображения(R), соответствующее сигналу напряжения для красного канала изображения(R);

напряжение для зеленого канала изображения(G), соответствующее сигналу напряжения для зеленого канала изображения(G);

напряжение для синего канала изображения(B), соответствующее сигналу напряжения для синего канала изображения(B);

Г) Электронный блок 2 управления подает на проекционный модуль 4 последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для человека:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R),

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G),

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B).

Этапы В) и Г) осуществляют синхронно.

Д) Проекционный модуль 4 последовательно со смещением во времени преобразует

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R), в световое поле красного канала изображения(R)

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G), в световое поле зеленого канала изображения(G);

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B), в световое поле синего канала изображения(B).

Световое поле каждого из каналов изображения представляет собой набор световых пучков, которые распространяются под различным углами, причем в каждом пучке лучи распространяются параллельно друг другу. Такой набор световых пучков, исходящий из проекционного модуля, представляет собой исходное цветное R, G, B изображение.

Е) Проекционный модуль 4 последовательно со смещением во времени проецирует

световое поле красного канала изображения(R),

световое поле зеленого канала изображения(G),

световое поле синего канала изображения(B)

в волноводную систему 5.

Ж) Волноводная система 5 мультиплицирует набор световых пучков, составляющих упомянутые световые поля.

З) Поляризатор 6 системы 3 с перестраиваемой оптической силой поляризует мультиплицированные R, G, B световые поля, вышедшие из волноводной системы.

И) Система 3 с перестраиваемой оптической силой формирует «парящее» изображение в пространстве на расстоянии, соответствующем напряжению, приложенному к перестраиваемому оптическому элементу 3b.

При этом величина напряжения для каждой из R, G, B компонент изображения соответствует одному и тому же расстоянию, на котором должно быть сформировано цветное «парящее» изображение;

К) Далее повторяются этапы (Б) - (И), при этом R, G, B компоненты исходного цветного изображения и соответствующие им значения глубин остаются постоянны при повторении.

Для воспроизведения в пространстве объемного «парящего» изображения, как монохромного, так и цветного, осуществляются следующие этапы.

А) Исходное объемное изображение (монохромное или цветное) сцены или предмета моделируют в CAD системе. Производят рендеринг (отрисовку) исходного объемного изображения сцены или предмета на оцифрованные плоские срезы изображения. Причем данные о каждом срезе включают в себя оцифрованное изображение среза и данные о глубине этого среза, то есть о расстоянии, на котором данный срез должен формироваться от дисплея. Результатом работы CAD системы является файл оцифрованного исходного объемного изображения, состоящий из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения. Каждый оцифрованный плоский срез изображения представляет собой сигнал, содержащий данные изображения плоского среза изображения и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза изображения. Передают файл оцифрованного исходного объемного изображения в память источника 1 изображений.

Б) Упомянутый файл, состоящий из последовательности оцифрованных плоских срезов объемного изображения, передается из источника 1 изображений в электронный блок 2 управления.

Электронный блок 2 управления обрабатывает каждый сигнал из упомянутой последовательности, разделяя на сигнал, содержащий данные изображения плоского среза изображения, и сигнал напряжения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза объемного изображения.

В) Электронный блок 2 управления подает на перестраиваемый оптический элемент 3b, последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для человека:

напряжения, соответствующие сигналам напряжения для «парящего» изображения плоского среза объемного изображения для каждого изображения плоского среза объемного изображения из последовательности.

Г) Электронный блок 2 управления подает на проекционный модуль 4, последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для человека:

сигналы, содержащие данные изображения плоского среза изображения для каждого изображения плоского среза объемного изображения из последовательности.

Этапы В) и Г) осуществляются синхронно.

Д) Проекционный модуль 4 преобразует последовательно со смещением во времени данные изображения плоского среза изображения для каждого изображения плоского среза объемного изображения из последовательности в световое поле. Световое поле представляет собой набор световых пучков, которые распространяются под различным углами, причем в каждом пучке лучи распространяются параллельно друг другу. Такой набор световых пучков, исходящий из проекционного модуля 4, представляет собой изображение плоского среза объемного изображения. Затем проекционный модуль 4 проецирует последовательно и со смещением во времени каждое световое поле в волноводную систему 5;

Е) В волноводной системе 5 осуществляется мультиплицирование набора световых пучков, составляющих каждое световое поле изображения плоского среза изображения из последовательности.

Ж) Посредством поляризатора 6 системы 3 с перестраиваемой оптической силой поляризуют световое поле каждого изображения из последовательности, вышедшее из волноводной системы 5.

З) Поляризованное световое поле проходит элемент с первой оптической силой и попадает на перестраиваемый оптический элемент 3b, причем под действием упомянутого напряжения перестраиваемый оптический элемент 3b перестраивается таким образом, что световое поле, прошедшее перестраиваемый оптический элемент 3b и элемент со второй оптической силой, формируется в виде действительного «парящего» изображения плоского среза изображения, в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению.

Последовательность «парящих» изображений плоских срезов объемного изображения в пространстве, передающаяся с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формирует для наблюдателя объемное «парящее» изображение (монохромное или цветное).

Для воспроизведения в пространстве плоского «парящего» видеоизображения, как монохромного, так и цветного, осуществляются следующие этапы.

A) Посредством источника 1 изображений генерируется или подается готовая последовательность оцифрованных исходных изображений, составляющая видео. Последовательность поступает в электронный блок 2 управления, причем каждое оцифрованное исходное изображение из последовательности представляет собой сигнал, содержащий данные исходного изображения и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» видео.

Для каждого оцифрованного исходного изображения из последовательности:

Б) Посредством электронного блока 2 управления обрабатывают упомянутый сигнал, разделяя на сигнал, содержащий упомянутые данные исходного изображения, и сигнал напряжения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение;

В) Электронный блок 2 управления подает на перестраиваемый оптический элемент напряжение, соответствующее сигналу напряжения;

Г) Также электронный блок 2 управления подает на проекционный модуль 4 сигнал, содержащий упомянутые данные изображения.

Этапы В) и Г) осуществляют синхронно.

Д) В проекционном модуле 4 данные изображения преобразуются в световое поле, соответствующее исходному изображению. Проекционный модуль 4 проецирует световое поле в волноводную систему 5.

Е) В волноводной системе 5 набор световых пучков, составляющих упомянутое световое поле, мультиплицируется.

Ж) Мультиплицированное световое поле, вышедшее из волноводной системы 5, попадает на поляризатор 6 системы 3 с перестраиваемой оптической силой, который поляризует прошедшее через него световое поле.

З) Поляризованное световое поле попадает на элемент 3a с первой оптической силой, далее попадает на перестраиваемый оптический элемент 3b. Под действием упомянутого напряжения перестраиваемый оптический элемент 3b перестраивается таким образом, что световое поле, прошедшее перестраиваемый оптический элемент 3b и элемент 3c со второй оптической силой, формируется в виде действительного «парящего» изображения, соответствующего исходному изображению, в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению.

Обработанные оцифрованные исходные изображения из последовательности, составляющей видеоизображение, подаются из электронного блока управления с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формируя для наблюдателя «парящее» видео.

Для воспроизведения в пространстве объемного «парящего» видеоизображения, как монохромного, так и цветного, осуществляются следующие этапы.

A) В CAD системе производят рендеринг каждого оцифрованного исходного объемного изображения (монохромного или цветного) из последовательности оцифрованных исходных объемных изображений, составляющей объемное видеоизображение, на последовательность оцифрованных плоских срезов каждого объемного изображения из последовательности. Каждый оцифрованный плоский срез изображения представляет собой сигнал, содержащий данные изображения плоского среза изображения и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза изображения.

Полученную последовательность оцифрованных плоских срезов изображения можно сохранить в источнике 1 изображений.

По мере необходимости последовательность оцифрованных плоских срезов изображения передается из источника 1 изображений в электронный блок 2 управления.

Далее, для каждого оцифрованного исходного объемного изображения:

Б) Электронный блок 2 управления обрабатывает каждый сигнал из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения, разделяя на сигнал, содержащий данные изображения плоского среза изображения и сигнал напряжения, величина которого соответствует информации о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза изображения.

В) Далее электронный блок 2 управления подает на перестраиваемый оптический элемент 3b системы 3 с перестраиваемой оптической силой последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

напряжения, соответствующие сигналам напряжения для «парящего» изображение плоского среза изображения для каждого изображения плоского среза изображения из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения.

Г) Электронный блок 2 управления подает на проекционный модуль 4, последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

сигналы, содержащие данные изображения плоского среза изображения для каждого изображения плоского среза изображения из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения.

Этапы В) и Г) осуществляются синхронно.

Далее, последовательно со смещением во времени:

Д) Проекционный модуль 4 преобразует данные изображения плоского среза изображения для каждого изображения плоского среза изображения из последовательности оцифрованных плоских срезов изображения в световое поле.

Затем проекционный модуль 4 проецирует каждое упомянутое световое поле в волноводную систему 5.

Е) В волноводной системе 5 набор световых пучков, составляющих каждое упомянутое световое поле, мультиплицируется.

Ж) Посредством поляризатора 6 системы 3 с перестраиваемой оптической силой каждое мультиплицированное световое поле, вышедшее из волноводной системы, поляризуется.

З) Поляризованное световое поле попадает на элемент 3a с первой оптической силой, затем попадает на перестраиваемый оптический элемент 3b. Под действием упомянутого напряжения перестраиваемый оптический элемент 3b перестраивается таким образом, что световое поле, прошедшее перестраиваемый оптический элемент 3b и элемент 3с со второй оптической силой, формируется в виде действительного «парящего» изображения плоского среза изображения, в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению.

Получаемая последовательность «парящих» изображений плоских срезов изображений из последовательности оцифрованных исходных объемных изображений, составляющей видео, в пространстве, передающаяся с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формирует для наблюдателя «парящее» объемное видео.

Для воспроизведения в пространстве цветного объемного «парящего» изображения осуществляются следующие этапы.

А) Исходное цветное объемное изображение сцены или предмета моделируют в CAD системе. Производят рендеринг исходного цветного объемного изображения сцены или предмета на последовательность оцифрованных плоских срезов цветного изображения, причем каждый оцифрованный плоский срез цветного изображения состоит из красного (R) компонента, зеленого (G) компонента и синего (B) компонента.

Причем каждый оцифрованный плоский срез цветного изображения представляет собой сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R), данные зеленого канала изображения(G), данные синего канала изображения(B) и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза цветного изображения.

Передают последовательность оцифрованных плоских срезов цветного изображения в виде последовательности сигналов в источник 1 изображений.

Из источника 1 изображений упомянутую последовательность сигналов передается в электронный блок 2 управления.

Б) Электронный блок 2 управления обрабатывает каждый сигнал из последовательности посредством электронного блока управления, разделяя на следующие сигналы:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения,

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения,

сигнал напряжения для красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

сигнал напряжения для зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения,

сигнал напряжения для синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

При этом расстояние от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения, расстояние от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения, расстояние от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения, равны расстоянию, на котором должно быть сформировано «парящее» цветное изображение плоского среза цветного изображения, соответствующее исходному цветному изображению.

В) Электронный блок 2 управления подает на перестраиваемый оптический элемент 3b для каждого плоского среза цветного изображения последовательно со смещением во времени, с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

напряжение для красного канала изображения(R), соответствующее сигналу напряжения для красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения;

напряжение для зеленого канала изображения(G), соответствующее сигналу напряжения для зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения;

напряжение для синего канала изображения(B), соответствующее сигналу напряжения для синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

Г) Электронный блок 2 управления подает на проекционный модуль 4 для каждого плоского среза цветного изображения, последовательно со смещением во времени с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R),

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G),

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B).

Этапы В) и Г) осуществляют синхронно;

Д) Проекционный модуль 4 для каждого плоского среза цветного изображения преобразует последовательно со смещением во времени:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R), в световое поле красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения;

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G), в световое поле зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения;

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B), в световое поле синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

Е) Проекционный модуль для каждого плоского среза цветного изображения проецирует последовательно со смещением во времени:

световое поле красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

световое поле зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения,

световое поле синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения

в волноводную систему 5.

Ж) Волноводная система 5 для каждого плоского среза цветного изображения мультиплицирует:

световое поле красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

световое поле зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения,

световое поле синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

З) Поляризатор 6 для каждого плоского среза цветного изображения поляризует:

мультиплицированное световое поле красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

мультиплицированное световое поле зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения,

мультиплицированное световое поле синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

И) Каждое упомянутое поляризованное световое поле последовательно со смещением во времени попадает на элемент 3a с первой оптической силой, из которого попадает на перестраиваемый оптический элемент 3b.

Под действием

напряжения для красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

перестраиваемый оптический элемент перестраивается таким образом, что

световое поле красного канала изображения (R) плоского среза цветного изображения, прошедшее перестраиваемый оптический элемент 3b и элемент 3с со второй оптической силой, формируется в виде действительного «парящего» изображения красного (R) компонента плоского среза цветного изображения, в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению;

световое поле зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения, прошедшее перестраиваемый оптический элемент и элемент со второй оптической силой, формируется в виде действительного «парящего» изображения зеленого (G) компонента плоского среза цветного изображения в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению;

прошедшее световое поле синего канала изображения (B) плоского среза цветного изображения, прошедшее перестраиваемый оптический элемент и элемент со второй оптической силой, формируется в виде действительного «парящего» изображения синего (B) компонента плоского среза цветного изображения в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению.

Причем «парящее» изображение красного (R) компонента плоского среза цветного изображения, «парящее» изображение зеленого (G) компонента плоского среза цветного изображения, «парящее» изображение синего (B) компонента плоского среза цветного изображения формируются последовательно со смещением во времени на одинаковом расстоянии.

К) Для каждого плоского среза цветного изображения повторяют этапы (Б)-(И). Последовательность «парящих» изображений R, G, B компонентов плоских срезов цветного изображения в пространстве, передающаяся с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формирует для наблюдателя цветное объемное «парящее» изображение.

Для воспроизведения в пространстве цветного «парящего» объемного видеоизображения осуществляются следующие этапы.

А) В CAD системе производят рендеринг каждого оцифрованного исходного цветного объемного изображения из последовательности оцифрованных исходных цветных объемных изображений, составляющей видеоизображение, на последовательность оцифрованных плоских срезов цветного изображения. Каждый оцифрованный плоский срез цветного изображения состоит из красного (R) компонента, зеленого (G) компонента и синего (B) компонента.

Каждый оцифрованный плоский срез цветного изображения представляет собой сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R), данные зеленого канала изображения(G), данные синего канала изображения(B) и информацию о расстоянии, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение плоского среза цветного изображения.

Сохраняют последовательность оцифрованных плоских срезов из CAD системы в виде последовательности упомянутых сигналов в источник 1 изображений. По мере необходимости из источника 1 изображений последовательность оцифрованных плоских срезов подается в электронный блок 2 управления.

Для каждого оцифрованного исходного цветного объемного изображения:

Б) В электронном блоке 2 управления каждый сигнал из последовательности оцифрованных плоских срезов разделяется на следующие сигналы:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения,

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения,

сигнал напряжения для красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

сигнал напряжения для зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения,

сигнал напряжения для синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения, величина которого соответствует информации о расстоянии от устройства, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

Расстояние, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения, расстояние, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения, расстояние, на котором должно быть сформировано «парящее» изображение синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения, равны расстоянию, на котором должно быть сформировано «парящее» цветное изображение плоского среза цветного изображения, соответствующее исходному цветному изображению.

В) Электронный блок 2 управления подает на перестраиваемый оптический элемент 3b, для каждого плоского среза цветного изображения, последовательно со смещением во времени и с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

напряжение для красного канала изображения(R), соответствующее сигналу напряжения для красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения;

напряжение для зеленого канала изображения(G), соответствующее сигналу напряжения для зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения;

напряжение для синего канала изображения(B), соответствующее сигналу напряжения для синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

Г) Также электронный блок 2 управления подает на проекционный модуль 4 для каждого плоского среза цветного изображения последовательно со смещением во времени с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя:

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R),

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G),

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B).

Этапы В) и Г) осуществляются синхронно.

Д) Проекционный модуль 4 для каждого плоского среза цветного изображения преобразуют последовательно со смещением во времени

сигнал, содержащий данные красного канала изображения(R), в световое поле красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения;

сигнал, содержащий данные зеленого канала изображения(G), в световое поле зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения;

сигнал, содержащий данные синего канала изображения(B), в световое поле синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

Е) Далее проекционный модуль 4 проецирует для каждого плоского среза цветного изображения последовательно со смещением во времени

световое поле красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

световое поле зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения,

световое поле синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения

в волноводную систему 5.

Ж) В волноводной системе 5 мультиплицируется

световое поле красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

световое поле зеленого канала изображения(G) плоского среза цветного изображения,

световое поле синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

З) С помощью поляризатора 6 системы 3 с перестраиваемой оптической силой поляризуются:

мультиплицированное световое поле красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

мультиплицированное световое поле зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения,

мультиплицированное световое поле синего канала изображения(B) плоского среза цветного изображения.

И) Каждое упомянутое поляризованное световое поле последовательно со смещением во времени попадает на элемент 3a с первой оптической силой, из которого попадает на перестраиваемый оптический элемент 3b. Под действием

напряжения для красного канала изображения(R) плоского среза цветного изображения,

перестраиваемый оптический элемент 3b перестраивается таким образом, что

световое поле красного канала изображения (R) плоского среза цветного изображения, прошедшее перестраиваемый оптический элемент 3b и элемент 3с со второй оптической силой, формируется в виде действительного «парящего» изображения красного (R) компонента плоского среза цветного изображения в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению;

световое поле зеленого канала изображения (G) плоского среза цветного изображения, прошедшее перестраиваемый оптический элемент 3b и элемент со второй оптической силой 3с, формируется в виде действительного «парящего» изображения зеленого (G) компонента плоского среза цветного изображения в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению;

прошедшее световое поле синего канала изображения (B) плоского среза цветного изображения, прошедшее перестраиваемый оптический элемент 3b и элемент 3с со второй оптической силой, формируется в виде действительного «парящего» изображения синего (B) компонента плоского среза цветного изображения в пространстве на расстоянии, соответствующем поданному напряжению.

При этом «парящее» изображение красного (R) компонента плоского среза цветного изображения, «парящее» изображение зеленого (G) компонента плоского среза цветного изображения, «парящее» изображение синего (B) компонента плоского среза цветного изображения формируются последовательно со смещением во времени на одинаковом расстоянии.

К) Для каждого плоского среза цветного изображения из последовательности оцифрованных исходных цветных объемных изображений, составляющей объемное видео, повторяются этапы (В)-(K), причем последовательность «парящих» изображений R, G, B компонентов плоских срезов цветных изображений из последовательности оцифрованных исходных цветных объемных изображений, составляющей объемное видео в пространстве, передающаяся с частотой, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для наблюдателя, формирует для наблюдателя цветное «парящее» объемное видео.

Если глубина всех срезов одинакова, эффект объемности теряется. Если использовать одно изображение на одной глубине, то пользователь увидит «парящее» плоское изображение. Если использовать последовательность изображений, сформированных на одной и той же глубине, то пользователь увидит плоское «парящее» видео. Если использовать последовательность изображений, составляющих одну и ту же сцену на разной глубине, причем каждой глубине соответствует свое изображение, то пользователь увидит «парящее» объемное изображение. Если использовать последовательность изображений разных сцен на разной глубине, причем такая последовательность должна содержать для каждой сцены последовательность изображений этой сцены на разной глубине, то пользователь увидит «парящее» объемное видео.

«Парящее» объемное изображение формируется при быстрой смене фокусного расстояния, то есть при смене оптической силы системы 3 с перестраиваемой оптической силой, синхронно со сменой соответствующих изображений, проецируемых из проекционного модуля 4. Другими словами, если переключать изображения от источника изображений одновременно с подачей соответствующих напряжений на перестраиваемый оптический элемент, которые отодвигают изображения на соответствующие расстояния от пользователя, то возможно сформировать у пользователя (наблюдателя) ощущение объемного изображения.

Необходимо заметить, что при использовании в качестве перестраиваемого оптического элемента жидкокристаллической ячейки при плавном изменении напряжения на жидкокристаллической ячейке, например, по синусоиде, происходит такой же плавный поворот жидких кристаллов в ячейке. При резком изменении напряжения, например, с минимального до максимального, а затем обратно на минимальное, система будет иметь некоторую задержку, поскольку кристаллам нужно время для поворота. То есть, электронный блок управления имеет информацию о напряжении из сигнала от источника 1 изображений. Сигнал от источника 1 изображений поступает в электронный блок управления таким образом, чтобы напряжение на ЖК ячейке менялось плавно, а не скачкообразно.

Необходимо отметить, что если в устройстве не использовать систему 3 с перестраиваемой оптической силой, то цветное изображение будет распадаться на три плоскости, то есть каждый из цветов RGB (красный, зеленый, синий) будет фокусироваться в своей отдельной плоскости вследствие хроматической аберрации.

То есть изображение, пройдя волноводную систему, распадается на три изображения R, G, B, которые расположены в разных плоскостях. Далее, для восстановления единого изображения, эти R, G, B изображения должны подаваться со смещением во времени, в течение которого происходит перестройка системы с перестраиваемой оптической силой. То есть, электронный блок управления, в случае цветного изображения, получая сигнал от источника изображения, делит сигнал на данные об изображении, которые подаются на проекционный модуль, и на сигнал, содержащий информацию о величине напряжения, которое необходимо приложить к перестраиваемому оптическому элементу. Дополнительно сигнал для перестраиваемого оптического элемента и сигнал для проекционного модуля, каждый, делится еще на 3 сигнала, поскольку в изображении имеется 3 цвета, а именно R, G, B, т.е. эти три сигнала для перестраиваемого оптического элемента представляют собой немного различающиеся напряжения, а для проекционного модуля соответствующие напряжениям изображения R, G, B. При этом фокусное расстояние системы с переменной оптической силой устанавливается под каждое изображение каждого из цветов RGB таким образом, что изображения совмещаются. При одной и той же оптической силе системы с перестраиваемой оптической силой компоненты (RGB, то есть три изображения R, G, B) цветного изображения формируются на различных расстояниях от дисплея (на различной глубине), т.е. они разнесены в пространстве. Частота работы электронного блока управления должна быть увеличена в 3 раза, то есть за одну и ту же единицу времени, что и раньше, электронный блок управления посылает на проекционную систему R, G и B компоненты одного и того же изображения по отдельности со смещением по времени, а на перестраиваемый оптический элемент с тем же смещением по времени подает 3 напряжения, которые соответствуют одинаковым расстояниям от дисплея, на котором формируются «парящие» R, G и B компоненты изображения. Таким образом, совмещаются в одной плоскости ранее пространственно разнесенные R, G, B компоненты одного изображения.

Например, для достижения эффекта совмещения компонентов RGB одного объемного «парящего» изображения из 10ти срезов (плоскостей глубины) при частоте формирования каждого среза 24 Гц (24Гц - общепринятая частота, превышающая способность распознавания изображений как отдельных для человека) каждый из 10 срезов (плоскостей глубины) выводится для трех основных цветов, причем каждый цвет кодируется, как минимум, 4 битами для получения 16 градаций яркости каждого цвета. Таким образом, необходимо иметь частоту работы всего устройства по меньшей мере 2880 Гц.

Для наилучшего понимания сущности изобретения приведем следующий пример.

Есть одно объемное изображение (3D модель в системе компьютерного моделирования CAD), которое методом рендеринга разбито на срезы на 10 глубинах. То есть, имеются 10 срезов, которые соответствуют одному объемному «парящему» изображению. Если изображение не RGB (изображение не цветное), то на проекционный модуль подается каждый из 10 кадров, а на систему с перестраиваемой оптической силой подается 10 разных напряжений, соответствующих каждому из кадров. Если изображение RGB (изображение цветное), то каждый кадр из 10 раскладывается на RGB компоненты (т.е. на 3 раздельных кадра, итого 30 кадров) и подается на проекционный модуль. Для каждого из 30 кадров на перестраиваемый оптический элемент поступает соответствующее напряжение (30 значений напряжения), причем напряжение такое, чтобы R, G, B компоненты одного среза объемного «парящего» изображения, полученные после волноводной системы, сформировались в одной и той же плоскости. Таких плоскостей 10 разных, и в каждой плоскости R, G, B компоненты изображения получаются совмещенными.

При проецировании «парящего изображения» в результате дисперсии, а именно в результате различия показателей преломления всех оптических материалов устройства для различных длин волн (различных цветов), проявляются продольная и поперечная хроматические аберрации, искажающие «парящее изображение». Такие искажения корректируются следующим образом. Как было описано выше, проекционный модуль проецирует цветное изображение или видео, полученное от электронного блока управления, в виде последовательности красных (R, кадр № 1) изображений, зеленых (G, кадр № 2) изображений и синих (B, кадр № 3) изображений с определенной частотой, которые в совокупности составляют соответствующий отображаемый срез объемного «парящего» изображения. Как описано выше, частота должна быть такой, чтобы частота смены срезов объемного «парящего» изображения, превышала способность распознавания изображений как отдельных для пользователя. Для коррекции хроматических аберраций электронный блок управления с той же частотой дает команду системе с перестраиваемой оптической силой изменять оптическую силу с D(R) на D(G) и затем на D(B), где D(R)> D(G)> D(B), чтобы объединить и сфокусировать все R, G и B компоненты изображения на определенной глубине и тем самым устранить эффект аберраций. Для этого частота кадров проекционного модуля должна быть равна произведению

частоты кадров изображения/видео, полученных от источника изображения,

количества отображаемых плоскостей глубины, определяемым разрешением объемного изображения по глубине,

количества основных цветов (то есть красного, синего, зеленого, значит 3).

Например, для частоты 24 Гц, 10 плоскостей глубины/объемных срезов изображения и 3-х основных цветов (R, G, B), а также разумном выборе глубины цвета (например, 4 бита), скорость вывода кадров проектора должна быть равна 2880 Гц, что является достижимым для современных проекторов. Цвет в компьютерной обработке изображений кодируется битами. 4 бита значат, что каждый пиксель изображения может принимать любое значение интенсивности в диапазоне от 0 до 15 градаций интенсивности данного цвета, где 0 соответствует минимальной интенсивности, а 2⁴-1 (т.е. 15) соответствует максимальной интенсивности данного цвета. От глубины цвета зависит конечная информационная емкость изображения в байтах. Таким образом, для перечисленных выше типов проекторов пропускная способность канала передачи данных позволяет передавать и воспроизводить цветные изображения с глубиной, например, 12 бит (4 бита x 3 цвета) для всего изображения: для частоты кадров 24 кадра в секунду, х 10 плоскостей глубины, х 3 цвета х 4 кадра (bit-plane)/цвет потребуется скорость вывода кадров 2880 кадров в секунду для широтно-импульсной модуляции интенсивности полноцветного изображения, для примера известная из уровня техники проекционная система DMD работает с частотой до ~16 кГц, а известная из уровня техники проекционная система FLCoS работает с частотой до ~6 кГц).

Размер «парящего» изображения зависит от оптической силы системы с перестраиваемой оптической силой и длины волны излучения R, G, B. Электронный блок управления выполняет масштабирование исходного видео/изображения для каждого среза объемного изображения и цветов R, G, B, чтобы поддерживать постоянный размер цветного объемного изображения во всех срезах. Чем меньше оптическая сила системы с перестраиваемой оптической силой, тем больше изображение, которое следует уменьшать для получения объемного изображения с постоянным размером среза, и наоборот. Чем больше длина волны падающего излучения, тем больше изображение, которое нужно уменьшить, и наоборот. Такое масштабирование R, G, B изображений общеизвестно из уровня техники.

Предлагаемое устройство работает в областях оптических сил оптических элементов с положительной и отрицательной оптической силой (в частности, линз), входящих в состав системы с перестраиваемой оптической силой. Одним из основных параметров системы с перестраиваемой оптической силой является соотношение оптических сил упомянутых оптических элементов (линз). Расчеты показывают, что наибольшая глубина объемного «парящего» изображения получается, когда упомянутое соотношение составляет приблизительно 1,1 (либо -1,1, либо 1,1 по модулю). Исходя из упомянутого оптимального соотношения рассчитывается толщина слоя жидких кристаллов, в случае применения в качестве перестраиваемого оптического элемента жидкокристаллической ячейки.

При расчете предлагаемого устройства определяются:

- размер апертуры,

- диафрагменное число (f-number) (величина, показывающая отношение фокусного расстояния к максимальному размеру диафрагмы, f-number=f/D),

- отношение оптических сил двух упомянутых оптических элементов (линз), предпочтительно должны принадлежать диапазону от - 1.05 до - 1.15,

- используемый в перестраиваемом оптическом элементе оптически активный материал, выбор которого в данном изобретении определяется величиной Δn оптической анизотропии (анизотропии показателей преломления). При этом чем выше величина оптической анизотропии, тем больше может быть достигнута величина перестройки фокусного расстояния оптической системы,

- толщина слоя оптически активного материала.

Расчеты производятся на основе известных из уровня техники соотношений на основе матричной оптики.

При этом ключевые соотношения выглядят следующим образом.

Для толщины слоя оптического активного материла:

(1)

Для величины перестройки оптической системы (максимальной разницы фокусных расстояний, на которые может фокусироваться оптическая система):

(2)

Для величины оптической силы линзы с положительной оптической силой:

(3)

где

,

При этом:

D₁ - величина оптической силы элемента (линзы, системы линз) с положительной оптической силой,

D₂ - величина оптической силы элемента (линзы, системы линз) с отрицательной оптической силой,

- толщина слоя оптически активного материала перестраиваемого оптического элемента,

- величина перестройки (изменения) фокусного расстояния оптической системы,

- первоначальное расстояние (до перестройки), на котором фокусируются лучи, проходящие через оптическую систему,

- расстояние, на котором фокусируются лучи вследствие перестройки оптической системы,

- показатели преломления оптически активного материала, при переключении между которыми вследствие изменения напряжения, приложенного к перестраиваемому оптическому элементу, происходит перестройка фокусного расстояния всей оптической системы. Например, для случая жидких кристаллов в качестве принимаются показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей.

- величины, характеризующие величину изменения показателя преломления оптически активного материала перестраиваемого оптического элемента;

- отношение оптических сил элементов (линз, систем линз) с фиксированной оптической силой.

Необходимо заметить, что увеличение толщины слоя оптически активного материала (например, жидких кристаллов) приводит к увеличению диапазона перестройки. Чем толще слой жидких кристаллов, тем больше будет степень перестройки оптической системы, т.е. изменение фокусного расстояния, на котором происходит фокусировка лучей, проходящих через систему. Увеличение степени перестройки приведет к ощущению более «глубокого», или объемного, изображения, получаемого в результате такой перестройки фокусного расстояния.

Для нахождения толщины оптически активного материла по формуле (1) необходимо выбрать материал предпочтительно с наибольшей оптической анизотропией материала (жидких кристаллов); выбрать отношение величин оптических сил элементов (линз, систем линз) с фиксированными оптическими силами предпочтительно из диапазона от - 1.05 до -1.15; выбрать величину необходимой перестройки (изменения фокусного расстояния) оптической системы, которая определяется необходимым ощущением глубины 3D изображения.

Конкретный порядок выбора параметров в формулах (1)-(3) не влияет на конечный результат, а именно на качество изображения и ощущение глубины 3D объекта, т.е. его реалистичность. При выборе параметров не из предпочтительных диапазонов изобретение будет работать, но, возможно, с худшими показателями качества изображения и ощущениями глубины 3D объекта.

Для нахождения величины оптической перестройки оптической системы по формуле (2) необходимо выбрать материал предпочтительно с наибольшей оптической анизотропией материала (жидких кристаллов); выбрать отношение величин оптических сил элементов (линз, систем линз) с фиксированными оптическими силами предпочтительно из диапазона - 1.05 до -1.15; выбрать величину необходимой толщины слоя оптически активного материала, которая определяется форм-фактором системы и технологическими возможностями создания перестраиваемого оптического элемента с выбранной толщиной.

Для нахождения величины оптической силы элементов (линз, систем линз) с фиксированными оптическими силами по формуле (3) необходимо выбрать материал предпочтительно с наибольшей оптической анизотропией материала (жидких кристаллов); выбрать величину отношения оптических сил линз с фиксированными оптическими силами предпочтительно из диапазона от - 1.05 до -1.15; выбрать одну из величин фокусного расстояния, на котором будут фокусироваться лучи, прошедшие через оптическую систему, которая заведомо должна находиться на границах диапазона оптической перестройки системы с перестраиваемой оптической силой. Например, если в качестве оптически активного материала были выбраны жидкие кристаллы с определенной величиной оптической анизотропии, то предпочтительно выбрать величину фокусного расстояния, соответствующую показателю преломления обыкновенного луча или показателю преломления необыкновенного луча для данных жидких кристаллов.

В жидкокристаллических перестраиваемых оптических ячейках «перестройка» фокуса осуществляется при помощи электродов, составляющих электродную структуру в каждом перестраиваемом оптическом элементе.

Механизм «перестройки» электродов основан на двух принципах.

В соответствии с первым принципом, реализован автоматический выбор адресуемых электродов, т.е. тех электродов в электродной структуре перестраиваемого оптического элемента, на которые подается соответствующее им напряжение. Автоматический выбор адресуемых электродов связан с выбором требуемой оптической силы. Оптическая сила зависит от числа зон Френеля, т.е. адресуемые электроды выбираются в зависимости от количества и расположения активируемых ими зон Френеля. Здесь необходимо пояснить, что формирование зон Френеля определяется формой, размером и расположением электродов, а также значением приложенного к этим электродам напряжения. Зоны Френеля - это области, на которые можно разделить поверхность световой волны для расчета результатов дифракции света. После прохождения света через оптический элемент, имеющий оптическую силу, поверхность световой волны можно разделить на зоны Френеля, количество и размер которых соответствует оптической силе этого оптического элемента. Метод расчета зон Френеля и вычисления оптической силы дифракционной линзы описан в источнике RU 2719341 C1 (дата публикации 17.04.2020). Таким образом, оптическая сила и эффективность оптического элемента на основе жидких кристаллов прежде всего определяется размером, формой, расположением электродов и приложенным к ним напряжением, причем методы расчета, расположения, выбора материала электродов известны из уровня техники (более подробно см., например, в источнике RU 2719341 C1 (дата публикации 17.04.2020).

В соответствии со вторым принципом, значения напряжений, подаваемых на электроды, определяются из зависимости напряжения от фазы, характерной для любого оптически активного материала (т.е. такого, который способен вносить задержку фазы при изменении приложенного напряжения при распространении через него света). При выборе оптически активного материала перестраиваемого оптического элемента необходимо знать зависимость задержки фазы проходящего через материал света от напряжения на электродах электродной структуры. Тогда, чтобы симулировать внесение определенной оптической силы, нужно приложить напряжения на электроды таким образом, чтобы профиль задержки фазы выходящего света соответствовал тому же от идеальной тонкой линзы с такой же оптической силой. Весь этот процесс можно автоматизировать стандартными алгоритмами, хорошо известными в данной области техники (более подробно см., например, в источнике US 20150277151 A1, дата публикации 01.10.2015).

В данном изобретении перестройка фокусного расстояния перестраиваемого оптического элемента с оптически активным веществом реализована на основе второго принципа. Здесь и далее, если не указано иное, под перестройкой системы с перестраиваемой оптической силой подразумеваем перестройку (т.е. изменение в определенном диапазоне) фокусного расстояния (или оптической силы, которая равна обратной величине фокусного расстояния), на котором данная система с перестраиваемой оптической силой фокусирует лучи определенного диапазона длин волн, проходящие через нее.

Для создания электрического поля, которое нужно для изменения показателя преломления перестраиваемого оптического элемента, и, как следствие, изменения оптической силы всей системы с перестраиваемой оптической силой, используется электродное покрытие. Покрытие может быть нанесено в виде одномерного покрытия, полосок, кругов, и в общем случае покрытие может иметь любую произвольную форму для изменения показателя преломления перестраиваемого оптического элемента (например, в жидких кристаллах под электродом электрическое поле сильнее, чем в пространстве жидких кристаллов, над которым нет электрода).

В качестве примера, но не ограничения, электроды в электродной структуре каждой из перестраиваемых оптических ячеек могут быть выполнены из оксида индия-олова (ITO). В других вариантах выполнения электроды могут быть выполнены из других прозрачных проводящих материалов, широко известных специалистам в данной области техники (например, оксида индия, оксида олова, оксида индия-цинка (IZO), оксида цинка).

Электрод наносится на прозрачную в видимом диапазоне длин волн подложку, выполненную, как правило, из стекла или пластика. Причем перестраиваемый оптический элемент представляет собой две подложки, где на одну из поверхностей каждой подложки нанесен электрод. Оптически активный слой располагается между поверхностями подложек, на которые нанесены электроды.

В качестве слоя жидких кристаллов возможно использование одинарной ячейки жидких кристаллов, при этом слой жидких кристаллов разбивается на более мелкие ячейки, то есть вместо одной большой ячейки используется мозаика маленьких. Это разбиение происходит на производстве, способами, известными из уровня техники, наподобие пикселей в обычном дисплее. Такие ячейки нужны для получения необходимых свойств, например, простоты управления. Осуществлять управление каждой ячейкой по отдельности проще, чем одной большой ячейкой. При этом для управления этими ячейками, как правило, требуется более низкое напряжение, чем для одной большой, а также их проще изготовить. При падении лучей излучения, проецируемого проектором, на слой жидких кристаллов (как одной большой ячейки, так и набора маленьких ячеек) происходит сдвиг оптической фазы, что приводит к увеличению оптической силы системы.

Возможно комбинирование нескольких перестраиваемых оптических элементов при расположении их друг за другом. Также в слое жидких кристаллов может располагаться не одна ячейка, а множество ячеек. Через множество жидкокристаллических ячеек, расположенных друг за другом, лучи распространяются с увеличивающимся сдвигом фазы. Т.е. вместо использования одной толстой жидкокристаллической ячейки возможно использование набора тонких жидкокристаллических ячеек, при этом принципиально работа устройства не поменяется. При комбинации нескольких перестраиваемых оптических элементов возможно использование комбинации слоя жидких кристаллов с одной ячейкой и со множеством ячеек, а также комбинация положительных и отрицательных оптических элементов (линз) в любой последовательности. Чем больше слоев жидких кристаллов, тем больше перестройка. Каждым слоем можно управлять по отдельности, при этом диапазон перестройки увеличивается. Толщина одного слоя жидких кристаллов составляет не более 30 мкм.

Вместо обычных фиксированных оптических элементов (линз, систем линз) возможно использовать жидкокристаллические линзы, и размещать слой жидких кристаллов между такими жидкокристаллическими линзами.

Линзы могут иметь различную форму, которая удовлетворяет технологическим требованиям к форм-фактору дисплея.

На линзы можно наносить различные покрытия, такие как поляризационные, антиотражающие, а также можно наносить фильтры, пропускающие только определенные длины волн. Такие покрытия необходимы для уменьшения потерь излучения в системе (уменьшения отражения).

В соответствии с предлагаемым изобретением пользователь (наблюдатель) может не только наблюдать/осматривать объемное «парящее» изображение, но и взаимодействовать с объемным «парящим» изображением. То есть предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве интерактивного дисплея объемного «парящего» изображения. Система интерактивного дисплея «парящего» изображения, показанная на фиг. 2, разработана таким образом, что пользователь может взаимодействовать с системой, и устройство объемного «парящего» изображения может сразу или через некоторое время отвечать на воздействие пользователя.

Система интерактивного дисплея «парящего» изображения, показанная на фиг. 2, представляет собой устройство отображения «парящего» изображения, описанное выше, дополнительно содержащее инфракрасный волновод, инфракрасный источник подсветки, светоделитель и инфракрасный детектор. Таким образом, система интерактивного дисплея «парящего» изображения содержит

источник 1 изображений;

электронный блок 2 управления;

проекционный модуль 4;

светоделитель 7;

инфракрасный детектор 8;

инфракрасный волновод 9;

волноводную систему 5;

систему 3 с перестраиваемой оптической силой;

модуль 10 инфракрасной подсветки;

управляющий модуль 11;

линза 12.

Источник 1 изображений оптически согласован со светоделителем 7 и линзой 12. Инфракрасный волновод 9 расположен между светоделителем 7 и волноводной системой 5, а именно между линзой 12 волноводной системой 5. Модуль 10 инфракрасной подсветки расположен с возможностью освещать всю область «парящего» изображения. Управляющий модуль 11 соединен с инфракрасным детектором 8 и электронным блоком 2 управления. Электронный блок 2 управления соединен с модулем 10 инфракрасной подсветки и дополнительно выполнен с возможностью подачи управляющего сигнала на модуль 10 инфракрасной подсветки. Система 3 с перестраиваемой оптической силой дополнительно выполнена с возможностью коллимировать рассеянное пользователем инфракрасное излучение. Волноводная система 5 является прозрачной для инфракрасного излучения. Светоделитель 7 выполнен с возможностью пропускания рассеянного инфракрасного излучения на инфракрасный детектор 8. Инфракрасный детектор 8 выполнен с возможностью принимать рассеянное инфракрасное излучение, прошедшее светоделитель 7, и передавать его на управляющий модуль 11. Управляющий модуль 11 выполнен с возможностью распознавания факта взаимодействия пользователя с областью «парящего» изображения, а также места взаимодействия в области «парящего» изображения, и формирования команды, соответствующей положению места взаимодействия с областью «парящего» изображения.

Система интерактивного дисплея «парящего» изображения работает следующим образом.

Электронный блок 2 управления формирует управляющий сигнал для перестраиваемого оптического элемента (на фиг. 2 не показана в виде отдельного элемента) системы 3 с перестраиваемой оптической силой. В соответствии с управляющим сигналом, перестраиваемый оптический элемент 3b устанавливает фокус на определенную глубину, соответствующую глубине воспроизводимого парящего изображения.

Рабочая длина волны предпочтительно, является длиной волны ближнего инфракрасного диапазона, например, 860 нм. Система интерактивного дисплея «парящего» изображения работает в последовательном режиме, когда формирование «парящего» изображения и осуществление обратной связи с пользователем происходит по очереди. В последовательном режиме работы сигналы от проекционной системы 4 и от модуля 10 инфракрасной подсветки подаются в импульсном режиме и смещены во времени. Таким образом происходит чередование инфракрасного сигнала (на фиг. 2 инфракрасный сигнал показан сплошными стрелками, идущими от модуля 10 инфракрасной подсветки), и сигналов, формирующих «парящее» изображение (на фигуре 2 показано в виде изображения чайничка). В этом случае видимое излучение, которое может попадать на инфракрасный детектор 8, не будет учитываться, поскольку инфракрасный сигнал и сигнал, формирующий объемное «парящее» изображение, будут попадать на инфракрасный детектор 8 в разное время. При частоте работы устройства, превышающей разрешающую способность распознавания изображений как отдельных для человека, у пользователя формируется ощущение синхронной работы системы обратной связи с системой формирования объемного «парящего» изображения.

Электронный блок 2 управления формирует управляющий сигнал, передаваемый на модуль 10 инфракрасной подсветки. Управляющий сигнал может вынуждать работать модуль инфракрасной подсветки как в импульсном, так и не в импульсном режиме. Модуль инфракрасной подсветки освещает область «парящего» изображения в пространстве, на фиг. 2 сплошные стрелки, идущие от модуля 10 инфракрасной подсветки, обозначают инфракрасное излучение, освещающее область «парящего» изображения. Модуль 10 инфракрасной подсветки обеспечивает максимальную плотность мощности освещения по всему объему «парящего» изображения.

Когда пользователь подносит руку или какой-нибудь предмет в область «парящего» изображения, инфракрасное излучение, освещающее область «парящего» изображения, рассеивается, на фиг. 2 пунктирные стрелки обозначают рассеянное пользователем излучение. Рассеянное пользователем или объектом излучение коллимируется системой 3 с перестраиваемой оптической силой и направляется через волноводную систему 5. Причем волноводная система 5 выполнена таким образом, что рассеянное инфракрасное излучение проходит через нее беспрепятственно, то есть волноводная система прозрачна для рассеянного инфракрасного излучения, что достигается за счет выбора параметров дифракционных оптических элементов волноводной системы, основным параметром в данном случае является период дифракционных оптических элементов волноводной системы, такие системы известны из уровня техники. Далее рассеянное инфракрасное излучение попадает на инфракрасный волновод 9, выполненный с возможностью ввода, передачи и вывода рассеянного инфракрасного излучения к светоделителю 7 через линзу 12, такие волноводы известны из уровня техники. Линза 12 работает в нескольких спектральных диапазонах и служит элементом проекционной оптики, которая работает в RGB диапазоне, и элементом для приема рассеянного ИК-излучения.

Светоделитель 7 передает рассеянное инфракрасное излучение на инфракрасный детектор 8 с узкополосным инфракрасным фильтром. Причем узкополосный инфракрасный фильтр пропускает только излучение модуля 10 инфракрасной подсветки и не пропускает излучение других диапазонов.

Рассеянное инфракрасное излучение, попавшее на инфракрасный детектор 8, обрабатывается (например, алгоритмами обработки изображений) для определения координат объектов, попавших в область «парящего» изображения.

Для определения глубины взаимодействия объекта с областью «парящего» изображения система 3 с перестраиваемой оптической силой сканирует доступный диапазон глубин, то есть система 3 с перестраиваемой оптической силой последовательно перестраивается на расстояние от минимальной глубины до максимальной глубины и обратно для восприятия ИК излучения, чтобы обнаружить руку пользователя или объект.

Путем обработки изображений с инфракрасного детектора можно распознать объект, который использует пользователь, или реализовать распознавание лица или отпечатка пальца методами известными из уровня техники.

Электронный блок 2 управления формирует сигнал, который подается на перестраиваемый оптический элемент системы 3 с перестраиваемой оптической силой. При этом, как было описано выше, система 3 с перестраиваемой оптической силой изменяет фокус для сканирования глубины, электронный блок 2 управления формирует импульсный сигнал, который отправляется на модуль 10 инфракрасной подсветки. Модуль 10 инфракрасной подсветки подсвечивает область, в которой сформировано объемное «парящее» изображение. При попадании какого-либо объекта, например, руки пользователя, в объем изображения, инфракрасное излучение рассеивается этим объектом, и лучи рассеянного инфракрасного излучения попадают на систему с перестраиваемой оптической силой, где коллимируются. Далее сколлимированное рассеянное инфракрасное излучение попадает в инфракрасный волновод 9 через вводную дифракционную решетку. Далее излучение распространяется по инфракрасному волноводу 9 за счет полного внутреннего отражения от стенок инфракрасного волновода 9 и через выводную дифракционную решетку (не показана на фигуре в виде отдельного элемента) выводится из инфракрасного волновода 9 и попадает на линзу 12, которая работает в нескольких спектральных диапазонах и служит элементом проекционной оптики, которая работает в RGB диапазоне и элементом для приема рассеянного ИК-излучения. Далее излучение попадает на светоделитель 7, который отделяет полезное инфракрасное излучение от видимого, в данном случае видимое излучение представляет собой блики и паразитные отражения. Далее отделенное инфракрасное излучение попадает на инфракрасный детектор 8. На инфракрасном детекторе 8 может располагаться узкополосный инфракрасный фильтр, который пропускает только необходимое инфракрасное излучение, что будет улучшать показатель сигнал-шум. Излучение, прошедшее в инфракрасный детектор 8 обрабатывается с помощью управляющего модуля 11, в котором рассчитываются координаты точки, в которой произошло взаимодействие пользователя с «парящим» изображением.

В параллельном режиме работы сигналы от проекционного модуля 4 и от модуля 10 инфракрасной подсветки отправляются в одно и то же время. В таком режиме работы увеличивается яркость, но уменьшается показатель сигнал-шум системы обратного взаимодействия с пользователем.

В последовательном режиме работы сигналы от проекционной системы 4 и от модуля 10 инфракрасной подсветки работают в импульсном режиме и смещены во времени. Таким образом происходит чередование обратного инфракрасного сигнала и сигнала, формирующего объемное «парящее» изображение. В этом случае видимое излучение, которое может попадать на инфракрасный детектор 8, не будет учитываться, поскольку обратный инфракрасный сигнал и сигнал, формирующий объемное «парящее» изображение попадают на инфракрасный детектор 8 в разное время. В этом варианте исполнения немного теряется яркость, но значительно повышается показатель сигнал-шум системы обратного взаимодействия с пользователем.

Модуль 10 инфракрасной подсветки может быть встроен внутрь проекционного модуля 4. Поскольку волноводная система 5 прозрачна для ИК-излучения, а инфракрасный волновод 9 воспринимает ИК-излучение, инфракрасный волновод 9 может быть объединен с волноводной системой 5. Также можно использовать известные из уровня техники устройства для отслеживания пользователя.

Совместно с устройством объемного «парящего» изображения возможно использование массива ультразвуковых передатчиков. Благодаря модуляции фазы волны каждого передатчика возможна фокусировка сигнала от ультразвуковых передатчиков в какую-либо область пространства «парящего» изображения. То есть при получении сигналов о взаимодействии пользователя с областью «парящего» изображения электронный блок 2 управления отдает команду управляющему модулю 11 на передачу ультразвукового сигнала в область нахождения объекта. Таким образом, может осуществляться обратный тактильный отклик, который будет сигнализировать пользователю о «нажатии» на какой-либо элемент «парящего» изображения, т.е. у пользователя создается ощущение, что он действительно дотронулся до изображения.

Кроме того, система может быть настроена таким образом, что при «нажатии» на определенную часть «парящего» изображения, то есть при получении сигнала от детектора о приеме рассеянного излучения в определенной части «парящего» изображения, система будет издавать звуковой сигнал, соответствующий именно этой части «парящего» изображения. Также пользователь может получать отклик от взаимодействия с «парящим» изображением в виде изменения изображения.

Таким образом, управляющий модуль 11 может быть соединен с любыми необходимыми передатчиками, которые по команде управляющего модуля могут передавать в область «парящего» изображения излучение видимого диапазона, невидимого диапазона, то есть излучение любых диапазонов, подходящих для взаимодействия с пользователем, а также звук и ультразвук.

Таким образом, благодаря предлагаемому изобретению формируется «парящее» изображение, проецируемое в воздухе, изображение имеет большой размер, широкий угол обзора, то есть изображение может быть видно под разными углами, яркость «парящего» изображения не зависит от угла обзора «парящего» изображения, пользователь имеет возможность взаимодействовать с «парящим» изображением, получая обратную связь.

Изобретение исключает физическое взаимодействие пользователя с какой-либо поверхностью для получения информации/отклика или для включения и работы с каким-либо прибором. Пользователь просто подносит палец к месту в воздухе, где видно «парящее» изображение кнопки, и устройство, имеющее «парящую» панель управления, совершает действие, соответствующее «нажатию» на эту кнопку.

Предлагаемое устройство для отображения «парящего» изображения может быть использовано не только в качестве отображения изображений, но также и при создании голографического интерфейса пользователя при взаимодействии пользователя, например, с бытовыми приборами, такими как холодильник, варочная панель, телевизор, кондиционер, домофон и т.п., а также предлагаемое устройство сможет найти применение в условиях опасных производств. То есть элементы управления могут отображаться «парящими» в пространстве. В этом случае с помощью дополнительной камеры можно детектировать:

- явное взаимодействие, которое может выражаться жестами пользователя. Жесты могут быть символическими (например, поднятие большого пальца вверх), дейктическими (например, указательные жесты), иконическими (например, воспроизведение конкретного движения) и пантомимическими (например, с использованием невидимого инструмента);

- неявное взаимодействие (проксемика). В данном случае под проксемикой понимается знаковая система, в которой пространство и время организации процесса общения имеют смысловую нагрузку. Например, если у двух пользователей, обладающих мобильными устройствами с предлагаемым дисплеем, формируется «парящее» объемное изображение собеседника (называемое в таком случае голограммой и, возможно, не идентичное размерам тела пользователя) с помощью предлагаемого дисплея, то, поскольку предлагаемый дисплей позволяет проецировать динамические изображения, голограммы собеседников могут изменяться со временем и контекстом коммуникации. При этом такая модификация объемного изображения может происходить как при участии пользователя (с помощью жестов, нажатия кнопок, голосового управления, движения глаз пользователя и т.п.), так и без его участия с помощью заранее запрограммированной реакции (т.е. визуального изменения 3D изображения) на сообщение собеседника. В данном случае надо понимать, что коммуникация между голограммами собеседников может происходить и без активных действий со стороны пользователей, например, если использовать предложенный дисплей с дополнительными датчиками положения и реакций тела пользователя.

Использование нескольких карманных и портативных устройств может добавить дополнительные контекстно-зависимые функции для взаимодействия с формируемыми «парящими» изображениями. Например, они могут действовать как временное пространство для передачи информации с одной голограммы на другую.

Предлагаемое устройство может использоваться для распознавания отпечатка пальца или руки, также возможно распознавать лицо пользователя. Такие устройства можно использовать в качестве замка, который при открывании распознает лицо пользователя или руку, или любую другую конечность.

Хотя изобретение описано с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.

Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.

Изобретение относится к области оптотехники и предназначено для создания устройств дополненной реальности, которые формируют объемные «парящие» изображения в свободном пространстве. Техническим результатом является возможность формирования объемного или необъемного «парящего» изображения, сфокусированного в свободном пространстве, с широким полем обзора, которое может осматриваться с нескольких точек обзора. Устройство отображения «парящего» изображения содержит источник изображений, электронный блок управления, систему с перестраиваемой оптической силой, проекционный модуль, волноводную систему. Устройство выполнено с возможностью формирования плоского «парящего» изображения, плоского «парящего» видео, объемного «парящего» изображения, объемного «парящего» видео. 6 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство отображения «парящего» изображения, содержащее: