УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОРАКУРСНОГО ТРЕХМЕРНОГО (3D) ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРОЕКЦИОННОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК G03B21/28 H04N13/363 

Область техники

Изобретение относится к устройствам проекционного типа для формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения, например, автостереоскопического или голографического изображения для одного или нескольких пользователей, и может использоваться для образовательных, рекламных и развлекательных целей в домашних условиях, а также в общественных местах, например в кинотеатрах, музеях, образовательных учреждениях, где имеется потребность формирования голографических изображений большого размера.

Описание предшествующего уровня техники

В уровне техники существует множество средств формирования изображения, которые обеспечивают многоракурсное стереоскопическое 3D-изображение в определенной зоне просмотра как с вспомогательными средствами просмотра, например, стереоочками, так и без носимых устройств, чтобы максимизировать ощущение погружения зрителя.

Однако известные стереоскопические устройства формирования изображения характеризуются некоторыми ограничениями для получения высококачественного 3D-изображения.

Задачей заявленного изобретения заключается в решении следующих проблем известных из уровня техники голографических/автостереоскопических устройств формирования изображения.

Низкий контраст формируемого изображения и низкая эффективность экрана (фиг.1A, 1B, 1C)

Для специалистов в данной области техники известно, что для комфортного просмотра высококачественного 3D изображения (голографического/автостереоскопического 3D-изображения) зона просмотра должна быть достаточно большой по вертикали экрана, например ≥20 градусов и с низким рассеянием по горизонтали экрана, например ≤ 1 градус, чтобы исключить наложение зон просмотра/перекрестные помехи зон просмотра, формируемые для каждого глаза, и обеспечить высокую контрастность изображения, без двоения изображения при сохранении высокой эффективности формируемого изображения, т.е. количества света, попадающего от проектора в формируемую зону просмотра, например ≥50%.

Известны из уровня техники световозвращающие пленки, например, световозвращатели на основе стеклянных бусин, светоотражающие пленки (см. фиг.1A), в которых используются стеклянные шарики или сферические линзы в качестве отражающих элементов и светоотражающие пленки, в которых используются в качестве отражающих элементов световозвращающие микропризмы (см.фиг.1B). Свет в таких световозвращающих (ретроотражающих) пленках претерпевает рассеяние на границе раздела материалов и на дефектах в объеме (внутри) материала, вызванных технологическими ошибками, что обуславливает на выходе из пленки очень высокое рассеивание излучения, которое делает невозможным качественное разделение зон просмотра каждого глаза для формирования 3D изображения.

Кроме того, при попытке расширить зоны просмотра в вертикальном направлении с помощью диффузора (оптического светорассеивающего элемента), рассеивающего излучение в вертикальном направлении, разрешение 3D-изображения у обычных светоотражателей ухудшается.

Таким образом, в известных из уровня техники устройствах формирования 3D изображения очень часто происходит наложение зон просмотра для правого глаза (R) и для левого глаза(L) наблюдателя (1), что вызывает двоения и ухудшение контраста 3D изображения (см. фиг. 1C).

Низкая эффективность по вертикали экрана в полезной зоне просмотра без использования стереоочков (фиг.2A)

Известные из уровня техники устройства формирования 3D изображения в конфигурации, в которой проектор (2) не зафиксирован над головой наблюдателя (1), т.е. размещается на расстоянии от головы наблюдателя (1) и не используются стереочки, имеют значительное рассеяние света в вертикальном направлении зоны просмотра. Поэтому часть света в вертикальном направлении не попадает в полезную зону просмотра, при этом зона просмотра для левого глаза наблюдателя обозначается как L, а для правого глаза как R, а экран, состоящий из световозвращателя обозначается позицией 3. Такая конфигурация устройства обладает низкой эффективностью по вертикали, см. фиг.2а.

Искажение зон просмотра при широком поле зрения (FOV) (Фиг. 2B)

При необходимости формирования 3D изображения на большом экране (3), когда проектор(2) не зафиксирован над головой наблюдателя(1), а расположен на расстоянии от нее, а также в конфигурации устройства формирования 3D-изображения не предусмотрены стереоочки, это приводит к искажению (искривлению) зоны просмотра, при этом зона просмотра для левого глаза наблюдателя обозначается как L, а для правого глаза, как R. Из-за этой аберрации зона просмотра становится размытой/искривленной в горизонтальном направлении, и часть поля зрения не попадает в зрачок наблюдателя 1. Таким образом, можно увидеть только часть всего изображения(см. фиг.2B).

Известна из уровня техники система автостереоскопического трехмерного (3D) дисплея со световозвращающим экраном (см.US 8,328,360B2, IPC G03B 21/00, опубл. 11.12.2012). При этом экраны дисплея характеризуются светорассеивающим и световозвращающим эффектом. Согласно вариантам осуществления системы автостереоскопического 3D дисплея световозвращающий и светорассеивающий экран может использоваться для создания трехмерного автостереоскопического дисплея путем создания множества окон просмотра, где каждое окно просмотра отображает уникальный вид перспективного изображения. Недостатки указанной системы заключаются в том, что система функционирует только с центрированной (осевой) конфигурацией проекторов (проекторы располагаются в зоне наблюдения) и средствами просмотра, например, очками. Такая конфигурация требует фиксирования проекторов вблизи головы наблюдателя и/или необходимость использования дополнительных носимых средств просмотра, что вызывает неудобства для пользователя. Удаление проекторов от головы пользователя вызывает потери эффективности формируемого 3D изображения.

В патентной заявке US 2016/0277725A1, IPC H04N 13/04, опубл. 22.09.2016 раскрыта система проецируемого головного дисплея, которая проецирует изображения на световозвращающий экран, которые затем отражаются обратно для просмотра пользователем. Система проецируемого головного дисплея отображает, сгенерированные компьютером, изображения на нескольких фокусных расстояниях, имитируя световое поле и согласовывая аккомодацию глаз с вергенцией. Недостатками указанной системы является необходимость использования дополнительных средств просмотра, например, очков, или при наличии фиксированной проекционной системы на голове пользователя.

Из уровня техники, см. CN110286495A, IPC G02B 27/22, опубл.27.09.2019, известно световозвращающее стереоскопическое устройство отображения на основе матрицы источников света. Устройство отображения состоит из матрицы источников света, цилиндрической линзовой решетки, световозвращающей пленки и жидкокристаллической (ЖК) дисплейной панели. Массив источников света, цилиндрическая линзовая решетка и световозвращающая пленка используются для управления направлением распространения света в устройстве. Свет, излучаемый любым источником света в матрице источников света, может отражаться световозвращающей пленкой после прохождения через ЖК дисплейную панель и цилиндрическую линзовую решетку и может вновь сводиться в область вертикальной проекции, где расположен источник света. ЖК дисплейная панель обеспечивает параллакс изображения, соответствующий пространственному положению источника света, при включении определенного источника света в матрице источников света, чтобы сформировать область наблюдения внутри области вертикальной проекции текущего источника света. Источники света в матрице источников света по очереди включаются в режиме мультиплексирования с временным разделением, и ЖК дисплейная панель обеспечивает параллакс изображения, соответствующее источнику света, так что в пространстве может быть сформировано множество областей наблюдения, причем параллакс изображения соответствует источнику света так, что можно увидеть, когда глаза человека находятся в разных зонах обзора, и, таким образом, может быть создано стереоскопическое изображение. Недостатками световозвращающего стереоскопического устройства является функционирование при близком расположении проектора и наблюдателя, что обусловлено использованием в устройстве матрицы угловых отражателей. Данное устройство не удобно для пользователя, поскольку необходимо использование дополнительных средств просмотра, например, очков, или есть необходимость фиксирования проектора вблизи головы пользователя.

В патентной заявке US 20070146842A, опубл.28.07.2007, IPC GO2B 3/32, раскрыт голографический проекционный экран, способ и система для его изготовления. Голографический проекционный экран включает в себя корпус экрана, на котором расположен массив голографических линз, причем указанные линзы равномерно расположены на корпусе экрана по вертикали и горизонтали, рядом друг с другом. Голографические линзы имеют круглую или эллиптическую форму, или имеют правильную многоугольную форму. Голографическая линза может представлять собой набор линз. Способ изготовления голографического проекционного экрана включает этапы: 1) запись информации о голографической линзе на пластину с фоторезистом; 2) металлизацию экспонированной пластины с фоторезистом для изготовления никелевой мастер-пластины массива голографических линз посредством метода гальванопластики и рекомбинации; 3) использование вышеуказанной мастер-пластины для тиснения термопластического материала для получения корпуса экрана.

Недостатками голографического проекционного экрана является низкая эффективность цветного 3D-изображения при использовании микролинзового RGB HOE массива. Возможные фантомные изображения, вызванные остаточным нулевым порядком дифракции при прохождении через HOE.

В патентной заявке US20010040717A1, опубл. 15.11.2001, IPC G02B 5/00, описывается отражательное дисплейное устройство, включающее в себя переключающий слой, расположенный между подложками, для переключения между пропускающим состоянием, обеспечивающим передачу падающего света, и состоянием рассеяния, обеспечивающим рассеяние падающего света, и световозвращателем для отражения падающего луча от жидкокристаллического слоя, так, чтобы исходящий луч отраженного света был параллелен падающему лучу. Световозвращатель предпочтительно представляет собой массив кубических уголковых отражателей и имеет светопоглощающие участки поверхности на границах наименьших структурных элементов.

Недостатками отражательного дисплейного устройства являются: использование в устройстве диэлектрического световозвращателя, свет в таких световозвращателях претерпевает множество отражений и преломлений, что обуславливает на выходе из световозвращателя очень высокое рассеивание излучения, при этом трудно избежать перекрытия зон просмотра, перекрестных помех и плохого качества 3D-изображения.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является решение, раскрытое в патенте US 9182524B2, IPC G02B 30/27, опубл.10.11.2015, где описано автостереоскопическое устройство для предоставления зрителю трехмерного изображения в различных положениях глаз по вертикали. Устройство включает в себя проекционный экран со светоприемной поверхностью, которая является световозвращающей по горизонтали и светорассеивающей по вертикали. Проекционный экран автостереоскопического устройства может иметь различные варианты реализации. Например, проекционный экран может включать в себя нижний слой, включающий световозвращающую пленку, которая является световозвращающей, по меньшей мере, в горизонтальном направлении и верхний слой, выполненный из прозрачного листа лентикулярного материала, предназначенного для рассеивания света в вертикальном направлении.

Недостатками устройства является значительное рассеяние излучения, вызванное использованием прозрачной световозвращающей пленки из диэлектрика с множеством призм полного внутреннего отражения(TIR) и световодами. Известное автостереоскопическое устройство характеризуется небольшим полем зрения (FoV) по вертикали, низкой контрастностью изображения (оптические корректоры не предусмотрены в устройстве).

Кроме того, авторы изобретения провели исследования конкретных характеристик известных на рынке флагманских решений, а также заявленного решения, которые наглядно демонстрируют преимущество заявленного устройства формирования многоракурсного 3D изображения проекционного типа.

При этом в качестве основных характеристик выбирались: 1) подходы, 2) наличие вспомогательных средств наблюдения (стереоочки), 3) возможности разнесения проектора от головы наблюдателя по вертикали, 4) эффективность в зоне просмотра, 5) поле зрения.

Заявленное изобретение характеризуется следующим:

1) в устройстве предусмотрены: высокоэффективный одномерный световозвращатель, оптический светорассеивающий элемент, перенаправляющий элемент и компенсационный блок,

2) не используются вспомогательные средства наблюдения, например, очки

3) осуществляется возможность большого разнесения проектора от головы наблюдателя по вертикали (до <85 градусов в угловой мере),

4) высокая эффективность устройства,

5) большое поле зрения, например, 40, 60, 120 и т.д. градусов.

Патентная заявка US 2016/0277725 A1, патентообладатель CastAR, Inc., Palo Alto, CA (US), «Дисплей на основе светоотражения светового поля»:

1) в устройстве предусмотрены: 2D-световозвращатель, стереочки,

2) используются стереоочки,

3) нет,

4) высокая эффективность устройства,

5) большое поле зрения, обусловлено использованием стереоочков.

Патент US 9182524B2, патентообладатель Disney Enterprises, «Автостереоскопическая дисплейная система с одномерным световозвращателем»:

1) в устройстве предусмотрены: 1D световозвращатель, оптический светорассеивающий элемент,

2) не используются стереочки,

3) небольшое, поскольку в системе не предусмотрено разнесение проектора от головы пользователя, но поскольку не используются стереочки, допускается незначительное движение головы пользователя,

4) невысокая эффективность устройства,

5) небольшое поле зрения

Патент US008328360B2, Патентообладатель Seiko Epson Corp., «Автостереоскопическая 3D дисплейная система с световозвращателем»:

1) в устройстве предусмотрены: 2D световозвращатель, оптический светорассеивающий элемент,

2) возможно использование стереоочков, но возможно и без очков,

3) нет,

4) высокая эффективность устройства,

5) небольшое поле зрения

Представленный анализ характеристик известных на рынке устройств формирования 3D изображения наглядно демонстрирует преимущества заявленного устройства формирования 3D изображения проекционного типа.

Заявленное изобретение относится к устройству проекционного типа для формирования многоракурсного цветного автостереоскопического/голографического 3D изображения, где голографическая/автостереоскопическая сцена/изображение формируется без использования дополнительных носимых устройств путем создания одной или более зон просмотра (окон) с использованием по меньшей двух проекторов для формирования автостереоскопического изображения или по меньшей мере одного проектора для формирования голографического изображения и нового экрана с контролируемым/направленным рассеянием.

При этом заявленное изобретение обеспечивает следующие преимущества по сравнению с известным уровнем техники:

- возможность наблюдения автостереоскопического/голографического 3D изображения без использования вспомогательных средств наблюдения, например, стереоочков;

- формирование узких и раздельных зон просмотра, обеспечиваемых уменьшенной диффузией/рассеиванием по горизонтали экрана для предотвращения двоений и ухудшение контраста 3D изображения;

- корректировка/минимизация производственных дефектов световозвращателя;

- возможность управления/ограничения диффузии/рассеяния по вертикали экрана;

- возможность коррекции искажений зоны просмотра.

Таким образом задачей заявленного изобретения является создание устройства формирования многоракурсного 3D-изображения, которое обеспечивает многоракурсное 3D-изображение в определенной зоне просмотра без использования дополнительных носимых устройств, чтобы максимизировать ощущение погружения зрителя. Предложен экранный блок, выполненный с возможностью пространственного управления BRDF/BSDF (двулучевая функция способности рассеяния (BSDF)и/или двулучевая функция отражательной способности (BRDF)), а также способный с высокой эффективностью формировать безаберрационные зоны просмотра, проецируемого 3D изображения.

Сущность изобретения

Согласно аспекту изобретения предлагается устройство формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа, содержащее:

по меньшей мере один проектор, выполненный с возможностью формирования изображения в соответствующей зоне просмотра, при этом каждый из по меньшей мере одного проектора разнесен от геометрического центра соответствующей зоны просмотра в вертикальной плоскости по отношению к глазам наблюдателя, и размещается за пределами соответствующей зоны просмотра,

экранный блок, имеющий функцию пространственного распределения рассеяния и/или функцию пространственного распределения отражения, и выполненный с возможностью формирования по меньшей мере одной зоны просмотра формируемого изображения,

при этом экранный блок содержит световозвращатель, оптический светорассеивающий элемент, перенаправляющий оптический элемент и компенсационный блок, оптически сопряженные с по меньшей мере одним проектором и с по меньшей мере одним зрачком глаза наблюдателя,

световозвращатель представляет собой светоотражающую пленку, выполненную в виде набора одномерных прямоугольных призм, вытянутых в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя со светоотражающим покрытием на гранях призм,

оптический светорассеивающий элемент расположен рядом с световозвращателем по ходу излучения, испускаемого от по меньшей мере одного проектора, и выполнен с возможностью рассеивания света, отражаемого от световозвращателя, в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя,

перенаправляющий оптический элемент имеет функцию пространственного распределения рассеяния и/или функцию пространственного распределения отражения, и выполнен с возможностью перенаправления излучения, при отражении от световозвращателя и прохождении через оптический светорассеивающий элемент, в область по меньшей мере одной зоны просмотра, в которой находится глаз наблюдателя при использовании устройства,

при этом указанный перенаправляющий оптический элемент выполнен со смещенной оптической осью относительно оптической оси устройства, и характеризуется нулевой оптической силой в горизонтальном направлении и предварительно заданной оптической силой (OP) в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя, которая обратно пропорциональна расстоянию от экранного блока до по меньшей мере одной соответствующей зоны просмотра,

компенсационный блок выполнен с возможностью компенсирования искажения по меньшей мере одной соответствующей зоны просмотра в горизонтальном направлении,

при этом компенсационный блок содержит первый компенсационный элемент, и второй компенсационный элемент,

первый компенсационный элемент расположен рядом с перенаправляющим оптическим элементом по ходу излучения, испускаемого от по меньшей мере одного проектора и характеризуется нулевой оптической силой в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя и отрицательной оптической силой в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя,

второй компенсационный элемент, расположен между световозвращателем и оптическим светорассеивающим элементом по ходу излучения, испускаемого от по меньшей мере одного проектора и характеризуется нулевой оптической силой в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя и положительной оптической силой в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя.

При этом, световозвращатель, выполненный в виде набора одномерных прямоугольных призм, вытянутых в вертикальном направлении со светоотражающим покрытием на гранях призм, может дополнительно содержать поглощающее покрытие на ребрах при вершинах и/или основаниях призм для обеспечения отражения излучения от по меньшей мере одного проектора без потерь на рассеяние света в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя, вызванное рассеянием света на ребрах призм при вершинах и/или основаниях, и рассеянием и поглощением излучения внутри материала призм.

Кроме того, первый компенсационный элемент, имеющий нулевую оптическую силу в вертикальном направлении и отрицательную оптическую силу в горизонтальном направлении, представляет собой оптический элемент, выбранный из: голографической линзы, дифракционной линзы, линзы Френеля, линзы с геометрической фазой, металинзы, а второй компенсационный элемент, имеющий нулевую оптическую силу в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя и положительную оптическую силу в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя, представляет собой оптический элемент, выбранный из: голографической линзы, дифракционной линзы, линзы Френеля, линзы с геометрической фазой, металинзы.

Согласно варианту реализации изобретения устройства формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа перенаправляющий оптический элемент выполнен таким образом, что обеспечивает возможность разнесения каждого из по меньшей мере одного проектора от геометрического центра по меньшей мере одной соответствующей зоны просмотра в вертикальной плоскости по отношению к глазам наблюдателя, и размещение каждого из по меньшей мере одного проектора выше и/или ниже зоны просмотра.

Кроме того, в устройстве предусмотрен источник излучения, выполненный с возможностью направления излучения на экранный блок, и интегрированный в каждый из по меньшей мере одного проектора.

Согласно еще одному варианту реализации изобретения устройство формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа дополнительно содержит линейку переключаемых линз, оптически сопряженную с по меньшей мере одним проектором, для формирования по меньшей мере одной зоны просмотра.

При этом каждая переключаемая линза в линейке переключаемых линз представляет собой объектив, выполненный с возможностью переноса изображения, формируемого по меньшей мере одним проектором на экранный блок, для формирования по меньшей мере одной зоны просмотра.

В устройстве формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа также предусмотрено устройство отслеживания, выполненное с возможностью отслеживания положения по меньшей мере одного из головы, глаз, зрачков пользователя, и с возможностью соединения с по меньшей мере одним проектором и линейкой переключаемых линз, соответственно.

В устройстве формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа также предусмотрен блок управления, соединенный с по меньшей мере одним проектором, устройством отслеживания и линейкой переключаемых линз, и выполненный с возможностью управления по меньшей мере одним проектором, устройством отслеживания и линейкой переключаемых линз.

Кроме того, в устройстве в устройстве формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа световозвращатель выполнен таким образом, что отражение излучения от по меньшей мере одного проектора происходит на наружной поверхности световозвращателя, сформированной набором прямоугольных призм, и являющейся первой поверхностью по ходу излучения испускаемого от по меньшей мере одного проектора без потерь на рассеяние света в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя, и период (p) световозвращателя, представляет собой расстояние между вершинами соседних призм и с учетом углового разрешения глаза наблюдателя должен удовлетворять следующему выражению:

L⋅ tgω>p> , (1)

где ω - угловое разрешение глаза, L - расстояние от экрана до наблюдателя, λ - максимальная длина волны из диапазона рабочих длин волн проектора, W - ширина зоны просмотра.

При этом, диапазон рабочих длин волн по меньшей мере одного проектора составляет от 400 нм до 700 нм.

В устройстве формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа оптический светорассеивающий элемент представляет собой голографический диффузор, и/или диффузор, выполненный из матового стекла, с возможностью рассеивания излучения в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя или представляет собой дифракционную решетку произвольного типа, где изменение периода решетки (р₁, p₂, … p_N), обеспечивающую формирование расширенной зоны просмотра в вертикальном направлении.

Кроме того, светорассеивающий оптический элемент может представлять собой одно из: массива голографических линз, массива линз с геометрической фазой, массива металинз, с возможностью рассеивания света в вертикальном направлении или массив двумерных линзовых элементов, состоящий из набора линз, расположенных по осям X и Y, с возможностью обеспечения рассеивания света в вертикальном направлении, и при необходимости, в горизонтальном направлении.

В устройстве формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа перенаправляющий оптический элемент имеет внеосевой параметр(OA), определяющий смещение оптической оси оптического перенаправляющего элемента от оптической оси устройства, который задается следующим соотношением:

OA~T/2,

где OA - внеосевой параметр перенаправляющего оптического элемента, T- расстояние от источника излучения, который представляет собой по меньшей мере один проектор, до глаза наблюдателя.

При этом перенаправляющий оптический элемент представляет собой оптический элемент, выбранный из: голографической линзы, дифракционной линзы, линзы Френеля, линзы с геометрической фазой, металинзы.

В устройстве формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа по меньшей мере один из оптических элементов экранного блока: световозвращателя, оптического светорассеивающего элемента, оптического перенаправляющего элемента, первого и второго компенсационных элементов, выполнены с возможностью нанесения, по выбору, фильтрующего покрытия для фильтрования нежелательного излучения для функционирования устройства; отражающего покрытия для повышения коэффициента отражения поверхностей оптических элементов, просветляющего покрытия для повышения коэффициента пропускания поверхностей оптических элементов.

Устройство формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа согласно одному варианту реализации выполнено с возможностью формирования автостереоскопического изображения и содержит по меньшей мере два стереоскопических проектора.

Устройство формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа согласно одному варианту реализации выполнено с возможностью формирования голографического 3D изображения и содержит один голографический проектор.

Краткое описание чертежей

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

Фиг.1A - схема полного внутреннего отражения (TIR) излучения при прохождении через световозвращающую пленку, где используются стеклянные шарики или сферические линзы в качестве отражающих элементов согласно известному уровню техники.

Фиг.1B - схема полного внутреннего отражения (TIR) излучения при прохождении через световозвращающую пленку, где используются в качестве отражающих элементов световозвращающие микропризмы согласно известному уровню техники.

Фиг.1C - схематично представлено наложение зон просмотра для левого (L) и правого глаза(R)при использовании световозвращающей пленки согласно фиг.1A,1B согласно известному уровню техники.

Фиг.2A - представлена схема формировании 3D-изображения на экране в конфигурации в которой проектор размещается на расстоянии от головы наблюдателя и не используются стереочки согласно известному уровню техники.

Фиг.2B - представлена схема формировании 3D-изображения на большом экране в конфигурации в которой проектор размещается на расстоянии от головы наблюдателя и не используются стереоочки согласно известному уровню техники.

Фиг.2C - схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) конфигурации устройства формирования 3D изображения при расположении источника излучения и набора проекторов в непосредственной близости с зонами просмотра и головой наблюдателя 1 при формировании 3D изображения согласно известному уровню техники.

Фиг.2D - схематично представлен вид сверху (X-Z плоскость) конфигурации устройства формирования 3D изображения с наложенными зонами просмотра при расположении источника излучения и набора проекторов в непосредственной близости с зонами просмотра и головой наблюдателя 1 при формировании 3D изображения согласно известному уровню техники.

Фиг.3A - схематично представлено сечение световозвращательной пленки состоящей из массива одномерных треугольных призм с отражающим покрытием на боковых гранях призмы и поглощающими покрытиями на ребрах, где стрелками обозначены лучи, отражаемые от боковых граней призмы, а перечеркнутыми стрелками обозначены лучи, поглощаемые участками призмы с нанесенным поглощающим покрытием.

Фиг.3B - схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) конфигурации устройства формирования 3D изображения согласно изобретению, при расположении по меньшей мере одного проектора и источника излучения (в рамках настоящего изобретения источник излучения и проектор объединены в проекторе и далее по тексту упоминаются как проектор) на расстоянии от соответствующей зоны просмотра и головы наблюдателя.

фиг.3C - схематично представлен вид сверху (X-Z плоскость) конфигурации устройства формирования многоракурсного 3D изображения согласно изобретению, с разделенными зонами просмотра при расположении по меньшей мере двух проекторов на расстоянии от соответствующих зон просмотра и головы наблюдателя.

Фиг.4A - схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, где H-высота зоны просмотра.

Фиг.4B - представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, где L-расстояние от экрана до наблюдателя, W-ширина зоны просмотра для правого и левого глаза, соответственно.

Фиг.5A - представлен вариант световозвращателя без поглощающего покрытия, выполненный в виде одномерного набора прямоугольных призм, вытянутых по вертикали.

Фиг.5B - представлен вариант 2D световозвращателя, состоящего из двумерного набора призм с поглощающим покрытием или без поглощающего покрытия.

Фиг.5C - представлен вариант 1D световозвращателя, состоящего из одномерного набора прямоугольных призм полного внутреннего отражения(TIR), вытянутых по вертикали.

Фиг.5D - представлен вариант 1D световозвращателя на основе стеклянных бусин, в котором используются стеклянные шарики или сферические линзы в качестве отражающих элементов.

Фиг.6A - схематично представлена схема расположения оптического светорассеивающего элемента с возможностью рассеивания излучения в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя 1, где оптический светорассеивающий элемент (VD), расположенный рядом со световозвращателем (1D RR), представляет собой массив одномерных (1D) лентикулярных линз.

Фиг.6B - схематично представлена схема расположения оптического светорассеивающего элемента (VD), выполненного с возможностью рассеивания света в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя 1, где оптический светорассеивающий элемент (VD), расположенный рядом с световозвращателем (1D RR), представляет собой массив двумерных (2D) линзовых элементов, состоящий из набора линз, распределенного по осям Х и Y, и обеспечивает рассеивание излучения по двум направлениям.

Фиг.6C - схематично представлена схема расположения оптического светорассеивающего элемента (VD), выполненного с возможностью рассеивания света в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя 1, где оптический светорассеивающий элемент VD, расположенный рядом с световозвращателем (1D RR), представляет собой одномерный (1D) диффузор, например, голографический диффузор, и диффузор, выполненный из матового стекла.

Фиг.6D - схематично представлена схема расположения оптического светорассеивающего элемента (VD), выполненного с возможностью рассеивания света в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя 1, где оптический светорассеивающий элемент VD, расположенный рядом с световозвращателем (1D RR), представляет собой дифракционную решетку произвольного типа.

Фиг.7А - схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения согласно известному уровню техники.

Фиг.7B - схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, включающего световозвращатель, оптический светорассеивающий элемент и перенаправляющий оптический элемент согласно варианту реализации заявленного изобретения.

Фиг.7C - схематично представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, включающего световозвращатель, оптический светорассеивающий элемент, перенаправляющий оптический элемент и два проектора согласно варианту реализации заявленного изобретения.

Фиг.7D - схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, включающего световозвращатель и перенаправляющий оптический элемент согласно варианту реализации заявленного изобретения.

Фиг.8A - представлена карта распределения интенсивности излучения для устройства формирования многоракурсного 3D изображения без перенаправляющего оптического элемента.

Фиг.8B - представлена карта распределения интенсивности излучения для устройства формирования 3D с перенаправляющим оптическим элементом согласно варианту реализации изобретения.

Фиг.9А - представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, включающем экран, содержащий световозращатель, оптический светорассеивающий элемент и перенаправляющий оптический элемент согласно варианту реализации изобретения.

Фиг.9B - представлена диаграмма лучей, попадающих в зрачок глаза при распространении в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения согласно фиг.9А.

Фиг.9C - представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, включающем экран, содержащий световозращатель, оптический светорассеивающий элемент, перенаправляющий оптический элемент и компенсационный блок согласно варианту реализации изобретения.

Фиг.9D - представлена диаграмма лучей, попадающих в зрачок глаза при распространении в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения согласно фиг.9С.

Фиг.10А - представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, в котором обеспечивается широкоформатное 3D изображение на большом экране согласно варианту реализации изобретения.

Фиг.10B - представлена диаграмма лучей, попадающих в зрачок глаза при распространении в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения согласно фиг.10A.

Фиг.11А - представлена карта распределения интенсивности излучения для устройства формирования многоракурсного 3D изображения без компенсационного блока, получаемая на детекторе.

Фиг.11B - представлен график поперечного сечения карты распределения интенсивности излучения согласно фиг.11А, где по оси X расположены значения координаты детектора по оси Х, а по оси Y-значения интенсивности(I).

Фиг.11С - представлена карта распределения интенсивности излучения для устройства формирования 3D изображения с компенсационным блоком, получаемая на детекторе.

Фиг.11D - представлен график поперечного сечения карты распределения интенсивности излучения согласно фиг.11C, где по оси X расположены значения координаты детектора по оси Х, а по оси Y-значения интенсивности(I).

Фиг.12A - представлен схематично вариант схемы распространения лучей в устройстве формирования 3D изображения с искривленным экраном согласно варианту реализации изобретения.

Фиг.12B - представлен схематично вариант схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения с линейкой переключаемых линз согласно варианту реализации изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Все документы, упомянутые в этой заявке, являются неотъемлемой частью описания заявки, т.е. их раскрытия являются полностью включенными в настоящее описание заявки путем ссылки.

Ссылки на элементы в единственном числе следует понимать включающими элементы во множественном числе и наоборот, если иное явно не оговорено или ясно не следует из контекста.

В этой заявке изложение пределов значений не предполагается ограничивающим, а предполагается относящимся индивидуально к любому и всем значениям, попадающим в пределы, если в этой заявке не указано иное, а каждое отдельное значение в таких пределах включается в описание изобретения, как если бы оно было индивидуально приведено в этой заявке.

Слова «около», «приблизительно» или подобные при численном значении специалисту в данной области техники следует понимать, как показывающие отклонение, при котором обеспечивается удовлетворительная работа в предполагаемой области применения. Аналогично этому, слова, относящиеся к приближенному значению, такие как «приблизительно» или «по существу», при использовании относительно физических характеристик специалисту в данной области техники следует понимать, как выражающие пределы отклонения, при которых обеспечивается удовлетворительная работа в случае соответствующего использования, функционирования, целевого назначения или чего-либо подобного.

Пределы значений и/или числовых значений приводятся в этой заявке только для примера и не накладывают ограничений на объем описанных вариантов осуществления. Когда пределы значений приводятся, они предполагаются включающими каждое значение в пределах, как если бы оно было представлено индивидуально, однако если иное особо не оговорено. Использование любого или всех примеров, или вводного слова перед примером (например, такой как или подобного), приводимого в этой заявке, предназначено только для лучшего освещения вариантов осуществления и не является ограничением объема вариантов осуществления. Никакую формулировку в описании не следует толковать как показывающую какой-либо незаявленный элемент существенным при практическом применении вариантов осуществления.

В рамках настоящего изобретения будут использоваться следующие понятия и термины, толкование которых предоставляется ниже авторами изобретения:

Автостереоскопическая проекционная система формирования 3D-изображения - это система, формирующая автостереоскопическое изображение, вызывающее иллюзию объема, то есть ощущение рельефности и протяженности в глубину за счет особенностей бинокулярного зрения без использования дополнительных носимых устройств. В котором на экран проецируется стереопара изображений.

Стереопара - пара плоских изображений одного и того же объекта (сцены), имеющая различия между изображениями, призванные создать эффект объема.

Голографическая проекционная система формирования 3D-изображения - это система, формирующее 3D изображение за счет восстановления волнового фронта отображаемого объекта (сцены). В котором голографическое изображение проецируется на экран.

В рамках настоящего раскрытия направление горизонтальной оси (ось X) параллельно отрезку, соединяющему центры зрачков глаз наблюдателя; направление вертикальной оси (ось Y) ортогонально направлению горизонтальной оси.

В рамках настоящего описания указание на направление в вертикальном или горизонтальном направлении подразумевает направление по вертикальной или горизонтальной оси, соответственно.

Горизонтальная плоскость в рамках настоящего описания подразумевает плоскость, в которой лежит горизонтальная ось.

Вертикальная плоскость в рамках настоящего описания подразумевает плоскость, в которой лежит вертикальная ось.

Дифракционный оптический элемент (DOE) представляет собой дифракционную микроструктуру, осуществляющую амплитудно-фазовую модуляцию проходящего или отраженного излучения.

Голографический оптический элемент (HOE)- дифракционный оптический элемент, изготовляемый методами интерференции световых волн.

Следует отметить, что как дифракционный оптический элемент (DOE), так и голографический оптический элемент (HOE) основаны по существу на одном и том же физическом принципе, то есть, оба вида этих оптических элементов по существу можно отнести к дифракционным оптическим элементам. Различие между ними состоит в том, что дифракционными оптическими элементами называют оптические элементы, в которых дифракция происходит на поверхностном рельефе, а голографическими оптическими элементами называют решетки, в которых дифракция происходит в материале за счет локального изменения его оптических свойств.

Поле зрения - угол между двумя лучами, проходящими через центр входного зрачка объектива(линзы) к наиболее удаленным от оптической оси отображаемым точкам объекта в пространстве предметов.

Зона (окно) просмотра - область пространства находясь в которой зрачок глаза может наблюдать соответствующее изображение стереопары или голографическое изображение.

Полезная зона просмотра- в рамках настоящего изобретения это область, выделенная из зоны просмотра в которой наиболее вероятно нахождение головы пользователя при использовании устройства.

Мертвая зона просмотра- в рамках настоящего изобретения это область, выделенная из зоны просмотра в которой наименее вероятно нахождение головы пользователя при использовании устройства.

Угол поля зрения - угол между оптической осью и лучом, проходящим через точку предмета в поле зрения.

Регистрирующий материал - вещество, используемое для записи голограмм (полного волнового фронта предмета/изображения/сцены).

В рамках настоящего описания термины «регистрирующий материал», «голографический материал» используются как равнозначные синонимы.

Эффективность устройства формирования изображения - в рамках настоящего изобретения это отношение количества излучения, выпущенное проектором к количеству излучения, попадающему в полезную зону просмотра.

Далее будут описаны основные конструктивные решения заявленного изобретения, которые можно условно разделить на:

Ключевое положение 1, Ключевое положение 2 и Ключевое положение 3.

Ключевое положение 1-обеспечение высокоэффективного одномерного (1D) световозвращателя с низким рассеянием в диапазоне от 0 до 1 градуса, при этом по горизонтали лучи отражаются в том же направлении, в каком они падают на световозвращатель, а по вертикали лучи отражаются как от обычного зеркала. При этом рассеяние световозвращателя в горизонтальном направлении составляет не больше одного градуса. Согласно Ключевому положению 1 заявленное изобретение предусматривает также оптический светорассеивающий элемент (диффузор), выполненный с возможностью рассеяния излучения по вертикальной оси, который вместе с световозвращателем составляют экранный блок (далее, как экран). При этом оптический светорассеивающий элемент выполнен с возможностью формирования зоны просмотра в вертикальной плоскости, чтобы исключить фиксирование глаз в определенном местоположении (по вертикали).

Ключевое положение 2: обеспечение оптического элемента, который характеризуется пространственно распределенной функцией рассеяния, и обеспечивает перенос излучения из всей зоны просмотра в полезную область просмотра, значительно повышая эффективность устройства.

Ключевое положение 3: использование оптического элемента с отрицательной кривизной поля, выполняющего функцию компенсационного элемента и обеспечивающего компенсирование искажений зон просмотра для формирования широкой картинки (изображения).

Вышеуказанные ключевые положения обеспечивают следующие эффекты заявленного изобретения:

- Формирование 3D-изображения без использования вспомогательных средств просмотра (стереоочки),

- обеспечение узких, например, 1 градус, и разделенных зон просмотра для каждого глаза наблюдателя,

- обеспечение высокого качества 3D изображения,

- обеспечение большого размера формируемого 3D-изображения. Диагональный угловой размер формируемого изображения может составлять, например, 40, 60, 120 и т.д. градусов.

Далее более детально остановимся на Ключевом положении 1, т.е. рассмотрим формирование светоотражателя с низким рассеиванием в горизонтальном направлении и оптическим светорассеивающим элементом.

Как ранее было описано со ссылками на фиг.1A, 1B и 1C, в уровне техники имеется различные типы светоотражателей, например, стеклошариковые светоотражающие пленки (см. фиг.1A), в которых используются стеклянные шарики или сферические линзы в качестве отражающих элементов и светоотражающие пленки, в которых используются в качестве отражающих элементов световозвращающие микропризмы (см. фиг.1B). Свет в таких светоотражающих (световозвращающих пленках) претерпевает множество отражений и преломлений на границах раздела, что обуславливает на выходе из пленки очень высокое рассеивание излучения. Кроме того, рассеивание излучения часто обусловлено дефектами материала, из которого выполнен светоотражатель, например, наличие пузырьков, наличие микрочастиц. Кроме того, зачастую рассеивание часто обусловлено ошибками изготовителя, например, при изготовлении светоотражателей в виде матрицы микропризм, угол на вершинах и основаниях призм (см. фиг.1B) должен в идеале составлять 90 градусов, что очень трудно достичь при доступных технологиях обработки оптических поверхностей, поэтому вершины и впадины имеют некоторое незначительное скругление, что вызывает рассеивание излучения и уширение зоны просмотра. Все вышеуказанные проблемы световозвращателей известного уровня техники обуславливают следующие проблемы в известных устройствах формирования 3D изображения:

- перекрытие зон просмотра,

- низкое качество формируемого 3D изображения (возникновение перекрестных помех, двоений изображения,

- высокое рассеивание, которое составляет более 2 градусов в горизонтальном направлении экрана,

- низкий контраст и низкая эффективность формируемого 3D изображения,

- зоны просмотра располагаются в непосредственности близости с проектором (отсутствует разнесение по вертикали (по оси Y).

На фиг.2С схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) конфигурации устройства формирования 3D изображения с расположением зон просмотра(VZ), источника излучения и по меньшей мере одного проектора (2) в непосредственной близости от головы наблюдателя 1, и 1D светоотражателя (1D RR) согласно известному уровню техники. В данной конфигурации проекторы и источник излучения (в рамках настоящего изобретения источник излучения и проектор объединены в проекторе и далее по тексту упоминаются как проектор) расположены рядом с головой наблюдателя.

На фиг.2D схематично представлен вид сверху (X-Z плоскость) конфигурации устройства формирования 3D изображения с расположением зон просмотра (VZ), источника излучения и по меньшей мере одного проектора (2) в непосредственной близости от головы наблюдателя (1), при этом устройство также включает 1D светоотражатель (1D RR) в качестве экрана, а также оптический светорассеивающий элемент (VD) согласно известному уровню техники.

На фигуре 2D видно наложение зон просмотра (VZ) при расположении проекторов (2) рядом с головой наблюдателя (1), в результате формируется 3D изображение, которое характеризуется низким разрешением и плохим качеством.

Заявленное изобретение направлено на устранение вышеуказанных проблем, для этого авторами изобретения предложена конструкция светоотражателя, сформированного из непрозрачной одномерной матрицы 90-градусных призм с зеркальными боковыми гранями, использующей отражение от внешней поверхности боковой грани по меньшей мере одной призмы из матрицы призм, исключая попадание луча внутрь материала призмы. При этом ребра(призм) при вершине и основании каждой призмы из матрицы призм покрыты поглощающим покрытием, которое предотвращает рассеяние излучение на них. Таким образом достигается наименьшая ширина одной зоны просмотра и четкая граница зоны просмотра по вертикали, что обеспечивает плавный переход между ракурсами 3D изображения без заметных разрывов и переходов и в то же время исключает их переналожение.

Такое выполнение светоотражателя в устройство формирования 3D изображения проекционного типа согласно изобретению вносит значительный вклад в следующие эффекты, обеспечиваемые заявленным устройством формирования 3D изображения:

- обеспечение многоракурсного 3D изображения без использования вспомогательных носимых средств, например, стереоочков,

- отсутствие наложения или перекрытия зон просмотра,

- высокое значение отношения сигнал/шум(SNR)(например, 10,15,20 и выше), низкие фантомные изображение/помехи,

- высокое качество формируемого 3D изображения (высокий контраст и разрешение формируемого 3D изображения),

- отделенные зоны просмотра при широком поле зрения (FoV)в вертикальном направлении.

При этом на фиг.3A схематично представлено сечение светоотражающей пленки, состоящей из массива одномерных треугольных призм, где стрелками обозначены лучи, отражаемые от боковых граней призмы, а перечеркнутыми стрелками обозначены лучи, поглощаемые участками призмы с нанесенным поглощающим покрытием.

На фиг. 3B схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) конфигурации устройства формирования многоракурсного 3D изображения согласно заявленному изобретению с расположением зон просмотра (VZ), источника излучения и по меньшей мере одного проектора 2 (в данном варианте представлены два проектора) на расстоянии от зоны просмотра VZ и головы наблюдателя 1. При этом устройство также содержит экран, состоящий из одномерного светоотражателя (1D RR) и оптического светорассеивающего элемента, выполненного с возможностью рассеивания лучей по вертикальной оси.

На фиг.3C схематично представлен вид сверху (X-Z плоскость) конфигурации устройства формирования многоракурсного 3D изображения согласно заявленному изобретению с расположением зон просмотра (VZ), источника излучения и по меньшей мере одного проектора (2) (в данном варианте представлены два проектора) на расстоянии от зоны просмотра и головы наблюдателя 1. При этом устройство также содержит экран, состоящий из одномерного светоотражателя (1D RR) и оптического светорассеивающего элемента (VD), выполненного с возможностью рассеивания лучей по вертикальной оси.

На фигуре 3C продемонстрировано разделение зон просмотра (VZ) при расположении двух проекторов 2 на расстоянии от зон просмотра VZ и головы наблюдателя 1, в результате формируется 3D изображение, которое характеризуется высоким разрешением и высоким качеством, как видно на фиг.3C.

Далее более детально рассмотрим работу световозвращателя согласно заявленному изобретению со ссылками на фиг. 3A,4A,4B.

На фиг.4A представлен боковой вид (Y-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, где H-высота зоны просмотра.

На фиг.4B представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, где L-расстояние от экрана до наблюдателя, W-ширина зоны просмотра для правого и левого глаза, соответственно. В плоскости X-Z, как представлено на фиг.4B положение головы (глаз)наблюдателя 1 совпадает с положением проекторов 2. Расстояния от экрана до наблюдателя и от проектора(ов) до наблюдателя равны.

В рамках настоящего изобретения в качестве источника света рассматриваются один или более проекторов. При этом для формирования голографического 3D изображения предусмотрен по меньшей мере один проектор 2, а для автостереоскопического изображения - по меньшей мере два проектора 2, каждый из которых формирует изображение для одной зоны просмотра для соответствующего глаза, правого или левого. Проекторы 2 размещаются в той же вертикальной плоскости, но в разных горизонтальных плоскостях с плоскостью, в которой находится зона просмотра, в частности выше или ниже указанной зоны просмотра (VZ),см. фиг.4а. Изображение, формируемое каждым из по меньшей мере двух проекторов 2 падает под углом на экран, состоящий из световозвращателя 3 и оптического светорассеивающего элемента 4, выполненного с возможностью рассеяния излучения по вертикальной оси, которые вместе образуют экран.

Световозвращатель 3 представляет собой непрозрачную пленку, состоящую из одномерного (с периодичностью по горизонтали) набора (массива) прямоугольных призм, вытянутых по вертикали, со светоотражающим покрытием на гранях призм и поглощающим покрытием на ребрах при вершинах и основаниях призм. Отражение происходит на наружной поверхности световозвращателя, сформированной набором прямоугольных призм, и являющейся первой поверхностью по ходу лучей от проектора 2 к экрану из световозвращателя 3 и оптического светорассеивающего элемента 4, без потерь на рассеяние света на ребрах призм при вершинах и основаниях, без рассеяния и поглощения излучения внутри материала. Таким образом, световозвращение происходит в горизонтальном направлении с высокой эффективностью и низким рассеянием в зоны просмотра (VZ). Кроме того, с учетом дифракции и углового разрешения глаза шаг или (период) (p) световозвращателя, см. фиг.3а должен соответствовать следующему выражению:

L⋅ tgω>p> , (1)

где ω - угловое разрешение глаза, L - расстояние от экрана до наблюдателя, λ - максимальная длина волны из диапазона рабочих длин волн проектора, W - ширина зоны просмотра. Следует отметить диапазон длин волн, на котором работает проектор представляет собой видимый диапазон электромагнитного излучения (400 нм -700 нм).

Следует отметить, что количество прямоугольных призм в наборе или массиве призм определяется размером экрана, который выбирается исходя из области использования: домашний или общественный кинотеатр, деленным на период (р) ретроотражателя.

Следует отметить, что луч, направленный от проектора 2, падает на одномерный световозвращатель 3 под определенным углом, и по горизонтали отражается в том же направлении, в каком он падает на световозвращатель, а по вертикали луч отражается как от обычного зеркала. При этом по вертикали не формируется зона просмотра, и при фиксированном положении глаза наблюдателя, будет видна только малая часть изображения. Для формирования зоны просмотра по вертикали, в которой глаз наблюдателя будет видеть полное изображение (при нахождении внутри зоны просмотра) авторы изобретения включили в конструкцию экрана оптический светорассеивающий элемент 4, который рассеивает каждый луч от каждой точки экрана в вертикальном направлении, таким образом формируя зону просмотра. Эффект от выполнения экрана устройства формирования 3D изображения согласно изобретению, заключается в следующем:

обеспечиваются низкое рассеяние по горизонтальной оси экрана; вытянутая зона просмотра по вертикальной оси; зоны просмотра для левого и правого глаза наблюдателя не перекрываются. Тонкая (нерассеянная) и большая вертикальная зона просмотра, высокое соотношение сигнал/шум, низкие перекрестные помехи.

Далее будут рассмотрены варианты реализации световозвращателей, которые могут быть использованы в устройстве формирования 3D изображения согласно изобретению.

Согласно предпочтительному варианту реализации световозвращатель 3 выполняется со светоотражающим покрытием на гранях призм, но без поглощающего покрытия фиг.5A и представляет собой одномерный набор (массив) прямоугольных призм, вытянутых по вертикали. При этом, луч, направленный от проектора, падает на световозвращатель согласно изобретению, под определенным углом, и по горизонтали, по существу, без потерь отражается в том же направлении, в каком он падает на световозвращатель, а по вертикали луч отражается как от обычного зеркала. Таким образом, луч, направляемый от проектора, практически полностью отражается от наружной поверхности призмы, не заходя внутрь материала, что обеспечивает значительное уменьшение степени рассеивания в горизонтальном направлении, световозвращателя согласно заявленному изобретению, по сравнению с известными из уровня техники решениями.

Однако производство таких оптических элементов требует высокой точности производства, что не всегда удается добиться в реальном производстве. Для исключений даже минимальных дефектов при вершинах и основаниях призм, возникающих в результате погрешностей производства, авторами изобретения дополнительно предусмотрено наличие поглощающего покрытия на ребрах при вершинах и/или основаниях призм, в этом случае рассеивание от вершин и оснований будет практически исключено полностью.

В качестве световозвращателя согласно еще одному варианту реализации согласно фиг.5B может использоваться 2D световозвращатель, состоящий из двумерного набора призм с поглощающим покрытием или без поглощающего покрытия. 2D световозвращатель широко известен в соответствующей области техники: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C

Такой тип световозвращателя характеризуется ретроотражением по двум осям (в отличие от 1D световозвращателя) и использование такого типа световозвращателя в дисплее приведет к формированию фиксированной и маленькой зоны просмотра с высокой яркостью. Ввиду ретроотражения по двум осям положение центра сформированной зоны просмотра будет совпадать с центром объектива проектора, и, при вариантах реализации 2D световозвращателя, известных из уровня техники, невозможно разнести центр формируемой зоны просмотра с центром объектива проектора. Так же, для увеличения/расширения зоны просмотра дисплея с 2D световозвращателем необходим другой тип диффузора, по сравнению с заявленным изобретением.

Согласно еще одному варианту реализации со ссылкой на фиг.5С световозвращатель представляет собой одномерный набор (массив) прямоугольных призм полного внутреннего отражения (TIR), вытянутых по вертикали. При этом луч от проектора проникает под определенным углом во внутрь призмы, претерпевает там преломление и отражение. При этом по горизонтали лучи отражаются в том же направлении, в каком они падают на световозвращатель, а по вертикали лучи отражаются как от обычного зеркала, а затем выходят из призмы. Такой тип световозвращателя характеризуется достаточно значительным рассеиванием и дисперсией, возникающими из-за распространения света через материал призмы, в дополнение к рассеянию от дефектов изготовления призм. При этом изготовление такого световозвращателя TIR является высокотехнологичным.

В качестве световозвращателя согласно еще одному варианту реализации (фиг.5D) может использоваться световозвращатель на основе стеклянных бусин, в котором используются стеклянные шарики или сферические линзы в качестве отражающих элементов. Луч от проектора проникает под определенным углом во внутрь шарика, претерпевает там отражение и преломление и выходит под этим же углом из шарика (2D ретроотражение, по двум осям как у 2D световозвращателя, состоящего из двумерного набора призм), при этом поверхность шарика частично покрыта отражающим/зеркальным покрытием от которого луч отражается. Такой тип световозвращателя прост в изготовлении, обеспечивает формирование фиксированной маленькой зоны просмотра с высокой яркостью. Однако при такой конструкции световозвращателя происходит большое рассеивание лучей, что обуславливает наложение зон просмотра для левого и правого глаза наблюдателя. Ввиду ретроотражения по двум осям положение центра сформированной зоны просмотра будет совпадать с центром объектива проектора и, при вариантах реализации световозвращателя на основе стеклянных бусин, известных из уровня техники: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%84%D0%BE%D1%82,

невозможно разнести центр формируемой зоны просмотра с центром объектива проектора. Так же, для увеличения/расширения зоны просмотра дисплея с световозвращателем на основе стеклянных бусин необходим другой тип диффузора, по сравнению с заявленным изобретением.

Таким образом, варианты реализации световозвращателей, описанных со ссылками на фиг.5B-5D, обладают рядом недостатков, которые значительно ухудшают качество формируемого 3D изображения, при этом конструкция экрана с одномерным световозвращателем со светоотражающим покрытием на наружных гранях призм и поглощающим покрытием на ребрах при вершинах и основаниях призм, согласно заявленному изобретению, устраняет все вышеуказанные недостатки известных световозвращателей.

Далее со ссылками на фигуры 6A-6D будут показаны возможные варианты реализации оптических светорассеивающих элементов, используемых в заявленном изобретении.

Различные типы оптических элементов, используемые в качестве светорассеивателей (диффузоров), известны из уровня техники, при этом диффузоры, как правило обеспечивают формирование пучков света с определенной диаграммой рассеяния. Задача заявленного изобретения заключается в обеспечении с помощью оптического светорассеивающего элемента, рассеивания лучей, отраженных от световозвращателя, в вертикальном направлении, таким образом обеспечивая создание необходимой диаграммы рассеивания в соответствии с положением глаза наблюдателя и требуемым размером зоны просмотра.

На фиг.6A схематично представлена схема расположения оптического светорассеивающего элемента по отношению к глазу наблюдателя 1, где оптический светорассеивающий элемент (VD), выполненный с возможностью рассеивания лучей в вертикальном направлении, и расположенный рядом со световозвращателем (1D RR), представляет собой массив одномерных (1D) лентикулярных линз. При этом в качестве оптических светорассеивающих элементов может использоваться массив голографических линз, массив дифракционных линз, массив линз, массив линз с геометрической фазой, массив металинз.

Использование одномерных (1D) оптических элементов в качестве оптического светорассеивающего элемента в устройстве формирования 3D изображения обеспечивает повышение гибкости при проектировании системы за счет вариативности (возможности использования разнообразных оптических элементов) выбора оптических элементов и обеспечивает формирование расширенной зоны обзора в вертикальной плоскости. На фиг.6B схематично представлена схема расположения оптического светорассеивающего элемента (VD), выполненного с возможностью рассеивания света в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя 1, где оптический светорассеивающий элемент (диффузор (VD)), расположенный рядом с световозвращателем (1D RR), представляет собой массив двумерных (2D) линзовых элементов, состоящий из набора линз, распределенного по осям Х и Y, и обеспечивая рассеяние излучения по двум направлениям. При этом в качестве оптических светорассеивающих элементов может использоваться массив голографических линз, массив дифракционных линз, массив линз, массив линз с геометрической фазой, массив металинз.

Использование двумерных (2D) оптических элементов в качестве оптического светорассеивающего элемента в устройстве формирования 3D изображения обеспечивает повышение гибкости при проектировании системы и обеспечивает формирование расширенной зоны обзора в горизонтальной (при необходимости) и вертикальной плоскостях.

На фиг.6C схематично представлена схема расположения оптического светорассеивающего элемента по отношению к глазу наблюдателя 1, где оптический светорассеивающий элемент (VD), расположенный рядом с световозвращателем (1D RR), представляет собой одномерный (1D) рассеиватель. При этом в качестве оптических светорассеивающих элементов может использоваться голографический диффузор, и диффузор, выполненный из матового стекла. Особенности выполнения вышеуказанных диффузоров широко известны из уровня техники и детально раскрыты в следующей публикации: https://www.rp-photonics.com/diffusers.html

Использование оптического светорассеивающего элемента, т.е. одномерного (1D) диффузора обеспечивает формирование расширенной зоны обзора в вертикальном направлении.

На фиг.6D схематично представлена схема расположения оптического светорассеивающего элемента по отношению к глазу наблюдателя 1, где оптический светорассеивающий элемент (VD), расположенный рядом с световозвращателем (1D RR), представляет собой дифракционную решетку произвольного типа, где изменение периода решетки (р₁, p₂, …, p_N) позволяет формировать зону просмотра необходимого размера.

Использование дифракционной решетки в качестве оптического светорассеивающего элемента обеспечивает формирование расширенной зоны просмотра в вертикальном направлении и обеспечивает повышение гибкости при проектировании системы.

Особенности выполнения различных конструкций диффузоров в различных оптических системах, как и методы их выбора в зависимости от требуемых параметров, раскрыты в следующей публикации:https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/optics/diffuser-selection-guide/

Далее более детально остановимся на Ключевом положении 2, которое основано на обеспечении оптического элемента, который характеризуется пространственно-распределенной функцией рассеяния, и обеспечивает перенос излучения из всей зоны просмотра в полезную область просмотра, значительно повышая эффективность устройства.

Особенности реализации Ключевого положения 2 далее будут описаны со ссылками на фигуры 7А, 7B, 7C, 7D.

На фиг.7А схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования 3D изображения известного уровня техники. В устройстве предусмотрены: световозвращатель 3, оптический светорассеивающий элемент 4, выполненный с возможностью рассеивания лучей в вертикальном направлении, а также по меньшей мере один проектор 2, который зафиксирован на расстоянии от головы пользователя 1. При этом не используются никакие дополнительные носимые устройства, например, очки. Как видно на схеме 7А, лучи света, испускаемые от проектора 2 попадают на световозвращатель 3 и по вертикали отражаются от световозвращателя как от обычного зеркала, затем все лучи, отраженные от световозвращателя 3 попадают на оптический светорассеивающий элемент 4, который обеспечивает рассеивание лучей в вертикальном направлении, что формирует длинную (сильно рассеянную) область просмотра, что приводит к попаданию только небольшой части лучей в зрачок наблюдателя 1. При этом в горизонтальном направлении указанные лучи отражаются от световозвращателя 3 в том же направлении, в котором падают на него и, при прохождении через оптический светорассеивающий элемент 4, не меняют свое направление (не рассеиваются в горизонтальной плоскости).

Поскольку на фиг.7А представлен вид в плоскости Y-Z, лучи отражаемые от световозвращателя в горизонтальном направлении не видны в вертикальной плоскости. При этом, т.к. излучение посредством оптического светорассеивающего элемента по вертикали рассеяно на большую (длинную) зону просмотра, его плотность (коррелирует с яркостью изображения) в полезной зоне просмотра низкая. И формируются мертвые зоны - область в которой зрачок глаза может наблюдать соответствующее изображение стереопары или голографическое изображение, но при этом вероятность попадания зрачка глаза наблюдателя в такую область близка к нулю. Таким образом, как наглядно видно на фиг.7А, изображение, формируемое при такой схеме, имеет низкую яркость и низкую эффективность проецирования, за счет потерь света в мертвой зоне.

На фиг.7B схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения согласно заявленному изобретению, в которой представлены световозвращатель 3, оптический светорассеивающий элемент 4, выполненный с возможностью рассеивания излучения в вертикальном направлении, а также по меньшей мере один проектор 2, расположенный на расстоянии от головы пользователя 1, и перенаправляющий оптический элемент 5, по сути, выполняющий функцию конденсора излучения со смещенной оптической осью относительно оптической оси устройства формирования многоракурсного 3D изображения. Перенаправляющий оптический элемент 5 выполнен таким образом, что характеризуется нулевой оптической силой в горизонтальном направлении и заданной оптической силой в вертикальном направлении. Например, в случае персонального игрового монитора, когда расстояние от головы пользователя до экрана мало, например, 0.5 м, оптическая сила равна 2 диоптрии. В случае домашнего кинотеатра, когда расстояние от головы пользователя до экрана более существенно, например, 2 метра, оптическая сила перенаправляющего элемента 5 равна 0.5 диоптрии. Аналогично для общественного кинотеатра, где расстояние велико, например, 10 метров, оптическая сила равна 0.1 диоптрии. Включение в оптическую схему устройства перенаправляющего оптического элемента с нулевой оптической силой в горизонтальном направлении и заданной оптической силой в вертикальном направлении обеспечивает перенаправление лучей, попадающих в мертвую зону просмотра при отражении от световозвращателя 3 и прохождении оптического светорассеивающего элемента 4, в полезную зону просмотра. Следует обратить внимание, что в рамках настоящего описания указание на горизонтальное направление, подразумевает направление по горизонтальной оси (ось X), которое параллельно отрезку, соединяющему центры зрачков глаз наблюдателя; а указание на вертикальное направление подразумевает направление по вертикальной оси (ось Y), которое ортогонально направлению горизонтальной оси. При этом L - расстояние от экрана, состоящего из световозвращателя 3 и оптического светорассеивающего элемента 4, до наблюдателя, a T - расстояние от источника излучения, который представляет собой по меньшей мере один проектор 2 до глаза наблюдателя 1.

Таким образом, как наглядно видно на фиг.7B, при такой схеме экрана достигается большая гибкость конфигурирования устройства формирования многоракурсного 3D изображении при различном расположении проекторов, устройство компактное и имеет высокую эффективность в полезной зоне просмотра, что позволяет формировать четкое и яркое 3D изображение без использования вспомогательных средств просмотра, например, стереоочков, при этом обеспечивается высокое соотношение сигнал/шум.

На фиг.7С схематично представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, согласно заявленному изобретению, в которой представлены световозвращатель 3, оптический светорассеивающий элемент 4, выполненный с возможностью рассеивания излучения в вертикальном направлении, а также по меньшей мере один проектор 2 (в данной схеме представлено 2 проектора), расположенный на расстоянии от головы пользователя 1 (не видно в плоскости X-Z), и перенаправляющий оптический элемент 5, по сути, выполняющий функцию конденсора излучения со смещенной оптической осью относительно оптической оси устройства формирования многоракурсного 3D изображения, где L - расстояние от экрана до наблюдателя, который на виде сверху совпадает с проекторами 2.

На фиг.7D схематично представлен вид сбоку (Y-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения согласно заявленному изобретению, в которой для наглядности функции перенаправляющего оптического элемента 5, в схеме опущен оптический светорассеивающий элемент 4, где L - расстояние от экрана, состоящего из световозвращателя 3 и оптического светорассеивающего элемента 4 (не показан), до наблюдателя 1, Т - расстояние от источника излучения, который представляет собой по меньшей мере один проектор 2 до глаза наблюдателя 1. Следует отметить, что в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения согласно изобретению со ссылкой на фиг.7D:

1) один или более проекторов 2 в том числе выполняют роль источника излучения и согласно заявленному изобретению размещаются в той же вертикальной плоскости, в которой находится полезная зона просмотра (VZ), но в разных горизонтальных плоскостях, в частности выше или ниже указанной полезной зоны просмотра (VZ) на расстоянии Т. Каждый из по меньшей мере одного проектора 2 формирует изображение для одной зоны просмотра для соответствующего глаза, правого или левого;

2) излучение, испускаемое каждым из по меньшей мере одного проектора 2, падает под углом на экран, состоящий из световозвращателя 3 и оптического светорассеивающего элемента 4, выполненного с возможностью рассеяния излучения по вертикальной оси, а также перенаправляющего оптического элемента 5, которые вместе образуют экран;

3) световозвращатель 3 представляет собой непрозрачную пленку, состоящую из одномерного (с периодичностью по горизонтали) набора (массива) прямоугольных призм, вытянутых по вертикали со светоотражающим покрытием на гранях призм и поглощающим покрытием на ребрах при вершинах и основаниях призм. Отражение происходит на наружной поверхности световозвращателя 3, сформированной набором прямоугольных призм, которая является первой поверхностью по ходу лучей от проектора 2 к экрану без потерь на рассеяние света на ребрах призм при вершинах и основаниях, без рассеяния и поглощения излучения внутри материала. Таким образом, ретроотражение происходит в горизонтальном направлении с высокой эффективностью и низким рассеянием в зоны просмотра (VZ). Кроме того, с учетом дифракции и углового разрешения глаза шаг или (период) (p) световозвращателя, см. фиг.3а должен соответствовать следующему выражению:

L⋅tgω>p> , (1)

где ω - угловое разрешение глаза, L - расстояние от экрана до наблюдателя, λ - максимальная длина волны из диапазона рабочих длин волн проектора, W - ширина зоны просмотра. Следует отметить, что луч, направленный от проектора 2 падает на одномерный световозвращатель 3 под определенным углом и под таким углом отражается. Для формирования зоны просмотра по вертикали, в которой глаз наблюдателя будет видеть полное изображение (при нахождении внутри зоны просмотра) авторы изобретения включили в конструкцию экрана оптический светорассеивающий элемент 4, который рассеивает каждый луч от каждой точки экрана, таким образом формируя зону просмотра;

4) перенаправляющий оптический элемент 5 выполняет функцию конденсора излучения и представляет собой оптический элемент, со смещенной оптической осью относительно оптической оси устройства формирования 3D изображения. Перенаправляющий оптический элемент 5 выполнен таким образом, что характеризуется нулевой оптической силой в горизонтальном направлении и заданной оптической силой (OP) в вертикальном направлении, которая обратно пропорциональна расстоянию до зоны просмотра (VZ), т.е. OP~ (2),

где OP - оптическая сила, L-расстояние от экрана до наблюдателя 1(м). Внеосевой параметр (OA)перенаправляющего элемента 5 должен быть в два раза меньше расстояния от источника излучения, т.е. проектора (2) до геометрического центра полезной зоны просмотра (VZ). Следует отметить, что размер полезной зоны просмотра и ее геометрический центр относительно оптической оси устройства формирования многоракурсного 3D изображения зависят (определяются) от области (областью) использования устройства формирования 3D изображения, например, домашний/общественный кинотеатр.

Кроме того, внеосевой параметр перенаправляющего элемента 5 задается следующим образом:

OA~T/2 (3),

где OA - внеосевой параметр перенаправляющего элемента 5, T - расстояние от источника излучения, который представляет собой по меньшей мере один проектор 2, до глаза наблюдателя 1.

Следует отметить, что OA (внеосевой параметр перенаправляющего элемента) - это расстояние между оптической осью перенаправляющего элемента 5 (см. ОСЬ на фиг.7D) и оптической осью устройства для формирования многоракурсного 3D изображения. Соотношение получено авторами изобретения из соображений геометрической оптики.

Таким образом включение в схему устройства формирования многоракурсного 3D изображения перенаправляющего оптического элемента 5 позволяет концентрировать свет, отражаемый от световозвращателя, в полезной зоне просмотра, что повышает яркость формируемого изображения для наблюдателя.

На фиг.8A, 8B представлены карты распределения интенсивности излучения для устройства формирования многоракурсного 3D изображения с перенаправляющим оптическим элементом (фиг.8B) и без направляющего элемента (фиг.8А), полученного на детекторе, в виде квадрата, размером 300×300 мм (-150:+150), расположенном на расстоянии 500 мм от экрана (состоящего из световозвращателя 3, диффузора 4, перенаправляющего оптического элемента 5), при этом угол между оптической осью проектора и оптической осью экрана составляет 40 градусов. При этом значения по осям X, Y на фиг.8А, 8B представляют собой координаты детектора, а шкалы интенсивности излучения (I) рядом с детектором показывают интенсивность какой-либо точки и ее положение на детекторе т.е. распределение интенсивности.

При этом эффективность устройства, т.е. количество света, попадающего от проектора в формируемую зону просмотра при наличии перенаправляющего элемента, составляет 51.3%, а без указанного элемента только 22.8%, что доказывает преимущество заявленной схемы устройства формирования 3D изображения.

Далее будут представлены варианты реализации перенаправляющих оптических элементов.

В качестве перенаправляющих оптических элементов могут использоваться оптические элементы, собирающие лучи, отраженные от световозвращателя 3, и направляющие их в полезную зону просмотра(VZ).

В одном из вариантов реализации 1), перенаправляющие элементы могут представлять собой: голографические линзы, дифракционные линзы, линзы Френеля, линзы с геометрической фазой, металинзы, дифракционные решетки.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения перенаправляющих оптических элементов вышеуказанного варианта 1) позволяет повысить гибкость при проектировании устройства формирования многоракурсного 3D изображения за счет вариативности (возможности использования разнообразных оптических элементов) выбора оптических элементов. В одном из вариантов реализации 2), перенаправляющие оптические элементы могут представлять собой активные перенаправляющие элементы или дефлекторы. Примеры активных перенаправляющих элементов раскрыты в публикации: https://en.wikipedia.org/wiki/Acousto-optic_modulator

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения активных перенаправляющих элементов вышеуказанного варианта 2) позволяет активно управлять перенаправлением света в зону просмотра, но в то же время, изготовление таких оптических элементов затруднено большими размерами указанных элементов, что требует более развитых технологий производства, для достижения высокой точности при изготовлении.

В еще одном из вариантов реализации 3), перенаправляющие оптические элементы могут представлять собой комбинацию оптических элементов с различными свойствами. Авторы изобретения рассматривают возможность объединения различных функций оптических элементов в одном оптическом элементе, например, объединение диффузора, выполненного с возможностью рассеивания в вертикальном направлении, и перенаправляющего оптического элемента в перенаправляющий элемент с дополнительной функцией рассеивания в вертикальном направлении.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения перенаправляющих оптических элементов с комбинированными функциями, например, с функцией диффузора согласно варианту 3) уменьшает количество элементов, составляющих устройство и значительно уменьшает толщину устройства, но в то же время оптические элементы с комбинированными функциями имеют большую сложность сами по себе, что требует более развитых технологий производства.

В еще одном из вариантов реализации 4), роль перенаправляющего элемента играет экран (экранный блок), который характеризуется кривизной в вертикальном направлении (не показан), и может полностью или частично выполнять функцию перенаправления излучения при отражении от световозвращателя 3 и прохождении через оптический светорассеивающий элемент 4, в область зоны просмотра VZ, в которой находится голова наблюдателя при использовании устройства. Указанная функция перенаправления излучения по меньшей мере частично выполнена за счет кривизны компонентов, составляющих экранный блок: световозвращателя, оптического светорассеивающего элемента, выполненного с возможностью рассеивания света, отражаемого от световозвращателя, в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя, в вертикальной плоскости. При этом, при частичном выполнении функции перенаправления за счет кривизны составляющих оптических компонентов экрана, перенаправляющий элемент все еще присутствуют в конструкции, но характеризуется другой (меньшей по модулю) оптической силой в соответствующей плоскости, т.е. плоскости, в которой перенаправляющий оптический элемент перенаправляет излучение согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, и другим внеосевым параметром, по сравнению с указанными параметрами перенаправляющего элемента при варианте реализации с плоским экранным блоком согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, см. фиг.7В.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения перенаправляющих оптических элементов сложной формы согласно варианту 4) характеризуется новым эргономичным дизайном, что позволяет меньше поворачивать голову при просмотре сформированного изображения и эффектом полного погружения (иммерсионный эффект), который как правило используется в планетариях (изображения рассматривают на круглой крыше), и, в то же время, усложнено наличием в устройстве сложных в изготовлении оптических элементов, что требует более развитых технологий производства.

Следует отметить, что в уровне техники известны решения с искривленным/изогнутым экраном дисплея для повышения эргономичности дисплея и эффекта погружения пользователя, см., например публикацию: https://insights.samsung.com/2022/11/16/how-a-curved-monitor-brings-ergonomic-benefits-and-productivity-2/ В еще одном из вариантов реализации 5), перенаправляющие оптические элементы имеют дополнительные оптические покрытия для различных целей, например: просветляющие покрытия для повышения коэффициента пропускания поверхностей оптических элементов, пропускающих излучение, отражающие покрытия для повышения коэффициента отражения поверхностей, отражающих излучение и фильтрующие покрытия для фильтрования нежелательного излучения для функционирования устройства, а также светоделительные покрытия. Указанные покрытия используются в зависимости от требуемых задач.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения перенаправляющих элементов с покрытиями согласно варианту 5) позволяет повысить гибкость при проектировании устройства формирования 3D изображения, благодаря тому, что ряд оптических покрытий имеют особые свойства и позволяют очень разнообразно работать со светом. Благодаря этому свойству оптических покрытий, специалисты в данной области техники могут выбирать требуемые заданные параметры проектируемого устройства формирования многоракурсного 3D изображения из широкого диапазона вариантов, т.е. при этом имеется большая гибкость при выборе требуемых параметров. В то же время, описанные перенаправляющие элементы с покрытиями имеют большую сложность сами по себе, что требует более развитых технологий производства, для исключения возникновения паразитных оптических эффектов от дополнительных оптических элементов.

Ключевое положение 3 заявленного изобретения заключается в обеспечении оптического элемента с отрицательной кривизной поля, который выполняет функцию компенсационного элемента, обеспечивающего компенсирование искажения зон просмотра для формирования широкой картинки(изображения).

На фиг.9А представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, согласно заявленному изобретению, где используется экран, который состоит из световозращателя 3, оптического светорассеивающего элемента 4, выполненного с возможностью рассеивания лучей в вертикальном направлении, и перенаправляющего оптического элемента 5, при этом в устройстве рассматриваются два проектора 2 (см. фиг. 9А), при этом зрачки глаза пользователя расположены в одной вертикальной плоскости, но в разных горизонтальных плоскостях с проекторами 2, L-расстояние от источника излучения, в данном случае его роль играют проекторы, до экрана, состоящего из световозвращателя 3 и оптического светорассеивающего элемента 4 и перенаправляющего оптического элемента 5. При этом, при необходимости формирования широкоформатного 3D изображения на большом экране, например, в кинотеатрах, музеях, образовательных учреждениях, наблюдается искажение зоны просмотра в результате чего не все проецируемое изображение попадает в зрачок глаза и часть формируемого 3D изображения по его краям в горизонтальном направлении теряется. В виду описанной аберрации, зона просмотра становится размытой/искривленной в горизонтальном направлении, и часть поля зрения не попадает в зрачок наблюдателя, при этом могут возникнуть перекрестные помехи зон просмотра, и, таким образом, пользователь увидит только часть 3D изображения которое может содержать дополнительные паразитные изображения.

На фиг.9B условно показана диаграмма лучей попадающих в зрачок глаза, где наглядно видно, что центральный луч, обозначенный точками на фиг.9А и падающий в центр экрана и отражаемый от него в том же направлении, попадает в зрачок наблюдателя, см. фиг. 9B, где центральная, изображенная точками, прямая линия проходит через зрачок глаза, а лучи, распространяемые по краям (лучи, обозначенные сплошной и пунктирной линиями), см. фиг.9А, не попадают в зрачок глаза, см. изогнутые линии(сплошная и пунктирная) на фиг.9B и края изображения в горизонтальном направлении не попадают в зрачок глаза, что дополнительно проиллюстрировано фигурой человечка, изображение которого срезано по краям.

Авторы изобретения постарались устранить указанные недостатки варианта реализации согласно фиг.9А и фиг. 9B и включили в схему устройства компенсационный блок с отрицательной кривизной поля, который обеспечивает компенсирование искажения зон просмотра для формирования широкой картинки(изображения), см. фиг.9С, где представлен вид сверху (X-Z плоскость) схемы распространения лучей в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения, согласно заявленному изобретению, где используется экран, который состоит из световозращателя 3, оптического светорассеивающего элемента 4, выполненного с возможностью рассеивания лучей в вертикальном направлении, перенаправляющего оптического элемента 5, и компенсационного блока, состоящего из первого (7) и второго (6) компенсационных оптических элементов, при этом в устройстве рассматриваются два проектора 2 (см. фиг. 9С). Следует обратить внимание, что зрачки глаза пользователя расположены в одной вертикальной плоскости, но в разных горизонтальных плоскостях с проекторами 2, L-расстояние от источника излучения, в данном случае его роль играют проекторы, до экрана, состоящего из световозвращателя 3, оптического светорассеивающего элемента 4, перенаправляющего оптического элемента 5 и компенсационного блока (компенсационные элементов 6,7). При этом, при необходимости формирования широкоформатного 3D изображения на большом экране, например, в кинотеатрах, музеях, образовательных учреждениях, за счет включения в устройство компенсационных элементов все проецируемое изображение попадает в зрачок глаза, и таким образом, на фиг.9D, где условно показана диаграмма лучей попадающих в зрачок глаза, наглядно видно, что центральные и боковые лучи, обозначенные точками, сплошной или пунктирной линиями на фиг.9С попадают в зрачок глаза наблюдателя, см. фиг. 9D, что дополнительно проиллюстрировано фигурой человека, изображение которого представлено четким и наблюдается полностью.

Включение в устройство оптических компенсационных элементов привносит следующие эффекты: отсутствие потерь изображения, отсутствие перекрестных помех, нет необходимости использования вспомогательных средств просмотра, например, стереоочков, получение четкого и яркого 3D изображения.

Со ссылкой на фиг.10А будет описана работа устройства формирования многоракурсного 3D изображения, в котором обеспечивается широкоформатное 3D изображение на большом экране, например, в кинотеатрах, музеях, образовательных учреждениях при наличии в нем компенсационного блока.

1) один или более проекторов 2 согласно заявленному изобретению размещаются в той же вертикальной плоскости, в которой находится полезная зона просмотра (VZ), но в отличной горизонтальной плоскости, в частности выше или ниже указанной полезной зоны просмотра (VZ). Каждый, из по меньше мере одного проектора 2, формирует изображение для одной зоны просмотра для соответствующего глаза, правого или левого.

2) излучение, испускаемое каждым, из по меньшей мере одного проектора 2, падает под углом на экран, состоящий из световозвращателя 3 и оптического светорассеивающего элемента 4, выполненного с возможностью направления излучения по вертикальной оси, перенаправляющего оптического элемента 5, компенсационного блока (6,7) которые вместе образуют экран.

3) световозвращатель 3 представляет собой непрозрачную пленку, состоящую из одномерного (с периодичностью по горизонтали) набора (массива) прямоугольных призм, вытянутых по вертикали со светоотражающим покрытием на гранях призм и поглощающим покрытием на ребрах при вершинах и основаниях призм. Отражение происходит на наружной поверхности световозвращателя 3, сформированной набором прямоугольных призм, которая является первой поверхностью по ходу лучей от проектора 2 к экрану без потерь на рассеяние света на ребрах призм при вершинах и основаниях, без рассеяния и поглощения излучения внутри материала. Таким образом, в горизонтальном направлении ретроотражение происходит с высокой эффективностью и низким рассеянием в зоны просмотра (VZ). Кроме того, с учетом дифракции и углового разрешения глаза шаг или (период)(p) световозвращателя, см. фиг.3а должен соответствовать следующему выражению:

L⋅ tgω>p> , (1)

где ω - угловое разрешение глаза, L - расстояние от экрана до наблюдателя, λ - максимальная длина волны из диапазона рабочих длин волн проектора, W - ширина зоны просмотра). Следует отметить, что луч, направленный от проектора 2 падает на одномерный световозвращателя 3 под определенным углом и под таким углом отражается. Для формирования зоны просмотра по вертикали, в которой глаз наблюдателя будет видеть полное изображение (при нахождении внутри зоны просмотра) авторы изобретения включили в конструкцию экрана оптический светорассеивающий элемент 4, который рассеивает каждый луч от каждой точки экрана, таким образом формируя зону просмотра.

4) Компенсационный блок, состоит из первого компенсационного элемента 7 и второго компенсационного элемента 6. Первый компенсационный элемент 7 характеризуется нулевой оптической силой в вертикальном направлении и отрицательной оптической силой по горизонтали, таким образом первый компенсационный элемент 7 имеет отрицательную кривизну поля, которая используется авторами изобретения для компенсирования кривизны зоны просмотра, и все широкое поле зрения будет направлено в глаз наблюдателя.

Следует отметить, что кривизна поля представляет собой оптическую аберрацию оптических систем, см., например: https://en.wikipedia.org/wiki/Petzval_field_curvature, которую как правило стараются устранить в оптических системах. Авторами настоящего изобретения форма первого компенсационного элемента 7 с отрицательной кривизной поля, напротив, используется для компенсации кривизны поля обзора.

Из-за отрицательной оптической силы в горизонтальном направлении первого компенсационного элемента 7, лучи, относящиеся к краям изображения, имеют большие углы падения на световозвращатель 3, поэтому некоторые из них не могут отразиться от него в том же направлении, поэтому часть света и изображения может быть потеряна. Для преобразования этих больших углов в меньшие, которые будут отражаться правильно, т.е. по горизонтали в том же направлении, в котором они упали на световозвращатель, а по вертикали как от обычного зеркала, и с высокой эффективностью, используется второй компенсационный элемент 6, который характеризуется нулевой оптической силой в вертикальном направлении и положительной оптической силой по горизонтали.

Таким образом, излучение от проектора 2 в определенном диапазоне углов падает на первый компенсационный элемент 7, лучи, проходящие в центре поля зрения, проходят без изменений через перенаправляющий оптический элемент 5, оптический светорассеивающий элемент 4 и попадают на световозвращатель 3, далее отражаются от него в том же направлении по горизонтали, снова проходят оптический светорассеивающий элемент 4, где рассеиваются в вертикальном направлении, и перенаправляющий оптический элемент 5, где перенаправляются из мертвых зон просмотра в полезную и попадают в зрачок наблюдателя, см. лучи, обозначенные точками, на фиг.10А. При этом лучи (лучи, обозначенные сплошной или пунктирной линиями), относящиеся к краям изображения, проходят через первый компенсационный элемент 7, который имеет отрицательную оптическую силу в горизонтальном направлении, и выходят из первого компенсационного элемента 7 под большими углами, далее лучи проходят через перенаправляющий элемент 5 и оптический светорассеивающий элемент 4, практически не меняя направления распространения, и попадают на второй компенсационный элемент 6, который характеризуется нулевой оптической силой в вертикальном направлении и положительной оптической силой по горизонтали и выполнен таким образом, что лучи под большими углами преобразуются в меньшие углы и далее попадают на световозвращатель 3, отражаются от него в том же направлении по горизонтали и как от обычного зеркала по вертикали, проходят второй компенсационный элемент 6, при выходе из которого лучи под малыми углами преобразуются в большие углы и далее попадают на оптический светорассеивающий элемент 4, который рассеивает излучение в вертикальном направлении, затем попадают на перенаправляющий оптический элемент 5, обеспечивающий перенаправление лучей, попадающих в мертвые зоны просмотра в полезную зону просмотра, и далее проходят через первый компенсационный элемент 7, при этом лучи, проходящие в центре компенсационного элемента 7, проходят без изменений, а краевые лучи под большими углами преобразуются в меньшие углы и попадают в полезную зону просмотра без искажений.

На фиг.10B показана диаграмма лучей, попадающих в зрачок глаза, где наглядно видно, что центральные и боковые лучи, обозначенные точками, сплошной или пунктирной линиями на фиг.10А попадают в зрачок наблюдателя.

На фиг. 11А представлена карта распределения интенсивности излучения для устройства формирования 3D изображения без компенсационного блока, полученная на детекторе, в виде квадрата, размером 300×300 мм (-150:+150), расположенном на расстоянии 500 мм от экрана (состоящего из световозвращателя 3, оптического светорассеивающего элемента 4, перенаправляющего оптического элемента 5), при этом угол между оптической осью проектора и оптической осью экрана составляет 40 градусов. При этом значения по осям X, Y на фиг.11А представляют собой координаты детектора, а шкала интенсивности излучения(I) рядом с детектором показывают интенсивность какой-либо точки и ее положение на детекторе, т.е. распределение интенсивности.

На фиг.11B представлен график поперечного сечения карты распределения интенсивности излучения согласно фиг.11А, где по оси X расположены значения координаты детектора по оси Х, а по оси Y-значения интенсивности(I).

При этом ширина зоны просмотра, созданная устройством формирования 3D изображения без компенсационного элемента, составляет 15мм, т.е. не все изображение попадает в зрачок глаза наблюдателя (зрачок глаза наблюдателя составляет 2-5 мм в зависимости от освещения).

На фиг. 11С представлена карта распределения интенсивности излучения для устройства формирования многоракурсного 3D изображения с компенсационным блоком, полученном на детекторе, в виде квадрата, размером 300×300 мм (-150:+150), расположенном на расстоянии 500 мм от экрана (состоящего из световозвращателя 3, оптического светорассеивающего элемента 4, перенаправляющего оптического элемента 5), при этом угол между оптической осью проектора и оптической осью экрана составляет 40 градусов. При этом значения по осям X,Y на фиг.11C представляют собой координаты детектора, а шкала интенсивности излучения(I) рядом с детектором показывают интенсивность какой-либо точки и ее положение на детекторе, т.е. распределение интенсивности.

На фиг.11D - график поперечного сечения карты распределения интенсивности излучения согласно фиг.11С, где по оси X расположены значения координаты детектора по оси Х, а по оси Y-значения интенсивности(I).

При этом ширина зоны просмотра, созданная устройством формирования 3D изображения с компенсационным элементом, составляет 4 мм, т.е. все изображение попадает в зрачок глаза наблюдателя.

Таким образом, наличие в устройстве компенсационного блока способствует устранению искажений зоны просмотра для горизонтальных полей т.е. в горизонтальном направлении, см. фиг. 10А, 10В, где наглядно проиллюстрировано, что зоны просмотра деформируются по горизонту, и как наглядно видно на фиг. 10B все изображение попадает в глаз наблюдателя.

Далее будут представлены варианты реализации компенсационных элементов.

В качестве компенсационных элементов могут использоваться различные оптические элементы 1), представляющие собой цилиндрические линзы, линзы Френеля, дифракционные линзы, голографические линзы, линзы с геометрической фазой, жидкокристаллические линзы, металинзы.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения компенсационных элементов вышеуказанного варианта 1) упрощает изготовление устройства, поскольку есть возможность использовать серийно выпускаемые оптические элементы, указанные оптические элементы подходят для любых конфигураций устройств.

В одном из вариантов реализации 2), компенсационные элементы могут представлять собой активные жидкокристаллические (LC) линзы. Примеры активных LC линз раскрыты в публикации: https://www.researchgate.net/publication/258813376_Electrically_Tunable_Liquid_Crystal_Lenses_and_Applications

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения активных LC линз вышеуказанного варианта 2) позволяет активно корректировать искажение зоны просмотра, но в то же время, изготовление таких оптических элементов затруднено большими размерами указанных элементов, что требует более развитых технологий производства, для достижения высокой точности при изготовлении.

В еще одном из вариантов реализации 3), компенсационные элементы могут представлять собой в одном элементе комбинацию свойств различных оптических элементов. Авторы изобретения рассматривают возможность объединения различных функций оптических элементов в одном оптическом элементе, например, объединение оптического светорассеивающего элемента, выполненного с возможностью рассеивания в вертикальном направлении, и компенсационного элемента в компенсационный элемент с дополнительной функцией рассеивания в вертикальном направлении.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения компенсационных элементов с комбинированными функциями, например, с функцией оптического светорассеивающего элемента согласно варианту 3) уменьшает количество элементов составляющих устройство и значительно уменьшает толщину устройства, но в то же время, оптические элементы с комбинированными функциями имеют большую сложность сами по себе, что требует более развитых технологий производства.

В еще одном из вариантов реализации 4), роль компенсационных элементов играет экран (экранный блок), который характеризуется кривизной в горизонтальном направлении. На фиг. 12А, представлен вариант искривленного/изогнутого экрана устройства формирования многоракурсного 3D изображения согласно изобретению, состоящего их световозвращателя 3, оптического светорассеивающего элемента 4 и перенаправляющего оптического элемента 5, на фиг.12А так же условно показан один проектор, хотя количество проекторов может быть 2 и более в зависимости от количества формируемых зон просмотра VZ. В данном варианте реализации функция компенсирования искажения зоны просмотра в горизонтальном направлении полностью или частично выполнена за счет кривизны компонентов, составляющих экранный блок: световозвращателя 3, оптического светорассеивающего элемента 4, выполненного с возможностью рассеивания света, отражаемого от световозвращателя 3, в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя, перенаправляющего оптического элемента 5 в горизонтальной плоскости. При этом, при частичном выполнении функции компенсации за счет кривизны составляющих оптических компонентов экрана, компенсационный блок (первый и второй компенсационные элементы) все еще присутствуют в конструкции, но обладают другой (меньшей по модулю) оптической силой в соответствующих направлениях.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения экрана с функцией компенсационного элемента согласно варианту 4) характеризуется новым эргономичным дизайном, что позволяет меньше поворачивать голову при просмотре сформированного изображения и эффектом полного погружения (иммерсионный эффект), который как правило используется в планетариях (изображения рассматривают на круглой крыше). Но при некоторых случаях использования технологии дисплея (слишком маленькое расстояние или слишком большое расстояние от экрана до пользователя), кривизна может быть слишком большой (экран будет представлять собой полусферу), что уже неудобно, не эргономично, не эстетично. Кроме того, наличие оптических элементов сложной формы, образующих изогнутый экран, обусловлено сложностями изготовления такого экрана, что требует более развитых технологий производства.

В еще одном из вариантов реализации 5), компенсационные элементы имеют дополнительные оптические покрытия для различных целей, например: просветляющие покрытия для повышения коэффициента пропускания поверхностей оптических элементов, пропускающих излучение, отражающие покрытия для повышения коэффициента отражения поверхностей, отражающих излучение, фильтрующие покрытия для фильтрования нежелательного излучения для функционирования устройства, а также светоделительные покрытия. Указанные покрытия используются в зависимости от требуемых задач.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения компенсационных элементов с покрытиями согласно варианту 5) позволяет повысить гибкость при проектировании устройства формирования 3D изображения, благодаря тому, что ряд оптических покрытий имеют особые свойства и позволяют очень разнообразно работать со светом. Благодаря этому свойству оптических покрытий, специалисты в данной области техники могут выбирать требуемые заданные параметры проектируемого устройства формирования 3D изображения из широкого диапазона вариантов, т.е. при этом имеется большая гибкость при выборе требуемых параметров. В то же время, описанные компенсационные элементы с покрытиями имеют большую сложность сами по себе, что требует более развитых технологий производства.

Далее будут рассмотрены возможные варианты компоновки проекторов, используемых в устройстве формирования многоракурсного 3D изображения проекционного типа, представляющего собой автостереоскопическое или голографическое изображение.

А. Получение автостереоскопического изображения.

Следует отметить, что формируемое 3D изображение может быть получено посредством блока проекторов, которые проецируют виды 3D изображения/сцены на экран и формируют зоны просмотра автостереоскопического изображения, вызывая иллюзию объема, то есть ощущение рельефности и протяженности в глубину за счет особенностей бинокулярного зрения, у пользователя, который поместил зрачки своих глаз в соответствующие зоны просмотра, без использования дополнительных носимых устройств.

Для автостереоскопического способа проецирования используются по меньшей мере два традиционных проектора известных из уровня техники: https://en.wikipedia.org/wiki/Projector, расположенные на расстоянии соответствующему межглазному расстоянию пользователя на определенном расстоянии до экрана, т.е. в зависимости от назначения системы (домашний/общественный кинотеатр), и где каждый из проекторов создает зону просмотра, при нахождении в которой глаз пользователя увидит одно 2D изображение.

Б. Получение голографического изображения

Голографическое проекционное устройство формирует 3D изображение за счет восстановления волнового фронта отображаемого объекта (сцены), в котором голографическое изображение проецируется на экран.

При этом формируемое 3D изображение может быть получено посредством блока голографических проекторов, которые проецируют голографическое изображение/сцену на экран и формируют зоны просмотра голографического изображения, т.е. зоны просмотра в каждой из которых пользователь, который поместил зрачки своих глаз в соответствующую зону просмотра, увидит полный восстановленный волновой фронт от реального объекта/сцены, который содержит в себе все признаки 3D объекта/сцены, без использования дополнительных носимых устройств.

При этом используется по меньшей мере один голографический проектор известный из уровня техники: https://sciencing.com/holographic-projectors-work-12226294.html, создающий одну зону просмотра при нахождении в которой глаз пользователя увидит полный восстановленный волновой фронт от реального объекта/сцены.

Согласно варианту реализации изобретения, устройство формирования многоракурсного 3D изображения дополнительно содержит линейку переключаемых линз, т.е. набор пространственно-разнесенных линз, представляющих собой объективы, с возможностью направления излучения от источника излучения, являющегося проектором без линзы-объектива, в любую линзу из набора переключаемых линз.

Следует отметить, что очень часто для различных целей необходимо увеличить количество зон просмотра, но для реализации этой задачи необходимо увеличивать количество проекторов, что является затратным. Для сохранения количества проекторов минимальной комплектации (1-2) заявители предлагают использовать линейку (набор) переключаемых линз (объективов), оптически сопряженных с по меньшей мере одним проектором, для формирования двух и более зон просмотра. Таким образом, увеличивается количество формируемых зон просмотра при сохранении неизменным числа проекторов. На фиг. 12B представлена схема устройства формирования многоракурсного 3D согласно изобретению, где линейка 8 переключаемых линз, оптически сопряжена с по меньшей мере одним проектором 2, для формирования двух или более зон просмотра VZ.

Следует отметить, что линейка переключаемых линз содержит по меньшей мере две линзы.

При этом переключаемая линза в линейке 8 переключаемых линз представляет собой объектив, выполненный с возможностью переноса изображения, формируемого по меньшей мере одним проектором 2 на экранный блок (3+4+5+6+7), для формирования по меньшей мере одной зоны просмотра VZ. При этом экранный блок содержит световозвращатель 3, оптический светорассеивающий элемент 4, перенаправляющий оптический элемент 5 и компенсационный блок (6,7), оптически сопряженные с по меньшей мере одним проектором 2 и с по меньшей мере одним зрачком наблюдателя.

При этом устройство дополнительно содержит устройство отслеживания 9, выполненное с возможностью отслеживания положения по меньшей мере одного из глаз или зрачков пользователя и обеспечения вывода изображения в соответствующую зону просмотра. Указанные устройства отслеживания (трекеры) известны из уровня техники, см., например, публикацию: https://ru.wikipedia.org/wiki/TrackIR

Устройство отслеживания 9 выполнено с возможностью соединения с по меньшей мере одним проектором 2 и линейкой 8 переключаемых линз. В данном варианте реализации свет от источника излучения, в данном случае проектора 2 имеет возможность попадать на любой объектив в линейке 8 переключаемых линз, каждый из которых будет переносить его на экран, который будет формировать зону просмотра VZ. Таким образом достигается увеличение количества зон при том же количестве источников излучения, функцию которых выполняет проектор 2.

Кроме того, в устройстве также предусмотрено наличие блока управления (не показан), соединенного с по меньшей мере одним проектором 2, устройством отслеживания 9 и линейкой 8 переключаемых линз, для обеспечения управления каждым из указанных блоков и обеспечения синхронизации работы указанных блоков. Например, в данном варианте реализации, устройство отслеживания 9 положения головы пользователя передает координаты положения головы пользователя в блок управления, который, на основании полученных данных (координат), выводит изображение, соответствующее, например ракурсу, виду трехмерного объекта или сцены на основании положения головы пользователя, в проектор 2 и подает сигнал линейке 8 переключаемых линз активировать линзу (объектив), соответствующую координатам положения головы пользователя, и соответственно, другие линзы в линейке 8 переключаемых линз не активируются, при этом активированная линза (объектив) переносит излучение от проектора 2 на экранный блок (3+4+5+6+7), который формирует зону просмотра VZ, соответствующую текущим координатам положения головы пользователя.

В предпочтительном варианте реализации проекторы разнесены от геометрического центра соответствующей зоны просмотра в вертикальной плоскости, и размещаются за пределами соответствующей зоны просмотра, а именно выше или ниже зоны просмотра. Такая компоновка проекторов удобная для пользователя, дает пользователю свободу в расположении проекционной системы и является компактной. При такой компоновке возможно использование отслеживающего устройства для определения точного положения голова или глаз(зрачков) пользователя.

Различные типы источников излучения.

В качестве источников излучения для заявленного устройства формирования 3D изображения могут использоваться: цифровой микрозеркальный дисплей (DMD), дисплей типа "жидкий кристалл на кремнии"(LCOS), лазерные проекторы, светодиоды, жидкокристаллический дисплей (LCD), цифровой микрозеркальный проекционный дисплей (DLP)и т.д.

В еще одном из вариантов реализации все оптические элементы экранного блока устройства согласно изобретению имеют дополнительные оптические покрытия для различных целей, например: просветляющие покрытия для повышения коэффициента пропускания поверхностей оптических элементов, пропускающих излучение, отражающие покрытия для повышения коэффициента отражения поверхностей, отражающих излучение, фильтрующие покрытия для фильтрования нежелательного излучения для функционирования устройства, а также светоделительные покрытия. Указанные покрытия используются в зависимости от требуемых задач.

Включение в устройство формирования многоракурсного 3D изображения оптических элементов с покрытиями позволяет повысить гибкость при проектировании устройства формирования 3D изображения, благодаря тому, что ряд оптических покрытий имеют особые свойства и позволяют очень разнообразно работать со светом. Благодаря этому свойству оптических покрытий, специалисты в данной области техники могут выбирать требуемые заданные параметры проектируемого устройства формирования 3D изображения из широкого диапазона вариантов, т.е. при этом имеется большая гибкость при выборе требуемых параметров. В то же время, описанные оптические элементы с покрытиями имеют большую сложность сами по себе, что требует более развитых технологий производства.

Промышленная применимость

Устройство формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения, например, автостереоскопического или голографического изображения для одного или нескольких пользователей, может использоваться для образовательных, рекламных и развлекательных целей в домашних условиях, а также в общественных местах, например, в кинотеатрах, музеях, образовательных учреждениях, где имеется потребность формирования многоракурсных, цветных 3D изображений.

Изобретение относится к устройствам формирования многоракурсного изображения проекционного типа. Устройство содержит по меньшей мере один проектор, выполненный с возможностью формирования изображения в соответствующей зоне просмотра, при этом каждый из по меньшей мере одного проектора разнесен от геометрического центра соответствующей зоны просмотра в вертикальной плоскости по отношению к глазам наблюдателя и размещается за пределами соответствующей зоны просмотра, экранный блок, имеющий функцию пространственного распределения рассеяния и/или функцию пространственного распределения отражения, и выполненный с возможностью формирования по меньшей мере одной зоны просмотра формируемого изображения. Экранный блок содержит световозвращатель, оптический светорассеивающий элемент, перенаправляющий оптический элемент и компенсационный блок, оптически сопряженные с по меньшей мере одним проектором и с по меньшей мере одним зрачком наблюдателя. Изобретение обеспечивает повышение контраста и качества изображения. 26 з.п. ф-лы, 38 ил.

1. Устройство формирования многоракурсного трехмерного (3D) изображения проекционного типа, содержащее:

по меньшей мере один проектор, выполненный с возможностью формирования изображения в соответствующей зоне просмотра, при этом каждый из по меньшей мере одного проектора разнесен от геометрического центра соответствующей зоны просмотра в вертикальной плоскости по отношению к глазам наблюдателя, и размещается за пределами соответствующей зоны просмотра,

экранный блок, имеющий функцию пространственного распределения рассеяния и/или функцию пространственного распределения отражения, и выполненный с возможностью формирования по меньшей мере одной зоны просмотра формируемого изображения,

при этом экранный блок содержит световозвращатель, оптический светорассеивающий элемент, перенаправляющий оптический элемент и компенсационный блок, оптически сопряженные с по меньшей мере одним проектором и с по меньшей мере одним зрачком глаза наблюдателя,

световозвращатель представляет собой светоотражающую пленку, выполненную в виде набора одномерных прямоугольных призм, вытянутых в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя, со светоотражающим покрытием на гранях призм,

оптический светорассеивающий элемент расположен рядом со световозвращателем по ходу излучения, испускаемого от по меньшей мере одного проектора, и выполнен с возможностью рассеивания света, отражаемого от световозвращателя, в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя,

перенаправляющий оптический элемент имеет функцию пространственного распределения рассеяния и/или функцию пространственного распределения отражения, и выполнен с возможностью перенаправления излучения, при отражении от световозвращателя и прохождении через оптический светорассеивающий элемент, в область по меньшей мере одной зоны просмотра, в которой находится глаз наблюдателя при использовании устройства,

при этом указанный перенаправляющий оптический элемент выполнен со смещенной оптической осью относительно оптической оси устройства, и характеризуется нулевой оптической силой в горизонтальном направлении и предварительно заданной оптической силой (OP) в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя, которая обратно пропорциональна расстоянию от экранного блока до по меньшей мере одной соответствующей зоны просмотра,

компенсационный блок выполнен с возможностью компенсирования искажения по меньшей мере одной соответствующей зоны просмотра в горизонтальном направлении,

при этом компенсационный блок содержит первый компенсационный элемент и второй компенсационный элемент,

первый компенсационный элемент расположен рядом с перенаправляющим оптическим элементом по ходу излучения, испускаемого от по меньшей мере одного проектора и характеризуется нулевой оптической силой в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя и отрицательной оптической силой в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя,

второй компенсационный элемент расположен между световозвращателем и оптическим светорассеивающим элементом по ходу излучения, испускаемого от по меньшей мере одного проектора и характеризуется нулевой оптической силой в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя и положительной оптической силой в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя.

2. Устройство по п. 1, в котором световозвращатель, выполненный в виде набора одномерных прямоугольных призм, вытянутых в вертикальном направлении со светоотражающим покрытием на гранях призм, дополнительно содержит поглощающее покрытие на ребрах при вершинах и/или основаниях призм для обеспечения отражения излучения от по меньшей мере одного проектора без потерь на рассеяние света в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя, вызванное рассеянием света на ребрах призм при вершинах и/или основаниях и рассеянием и поглощением излучения внутри материала призм.

3. Устройство по п. 1, в котором первый компенсационный элемент, имеющий нулевую оптическую силу в вертикальном направлении и отрицательную оптическую силу в горизонтальном направлении, представляет собой оптический элемент, выбранный из: голографической линзы, дифракционной линзы, линзы Френеля, линзы с геометрической фазой, металинзы.

4. Устройство по п. 1, в котором второй компенсационный элемент, имеющий нулевую оптическую силу в вертикальном направлении по отношению к глазам наблюдателя и положительную оптическую силу в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя, представляет собой оптический элемент, выбранный из: голографической линзы, дифракционной линзы, линзы Френеля, линзы с геометрической фазой, металинзы.

5. Устройство по п. 1, в котором перенаправляющий оптический элемент выполнен таким образом, что обеспечивает возможность разнесения каждого из по меньшей мере одного проектора от геометрического центра по меньшей мере одной соответствующей зоны просмотра в вертикальной плоскости по отношению к глазам наблюдателя, и возможность размещения каждого из по меньшей мере одного проектора выше и/или ниже зоны просмотра.

6. Устройство по п. 1, дополнительно содержащий источник излучения, интегрированный в каждый из по меньшей мере одного проектора.

7. Устройство по п. 6, в котором источник излучения выполнен с возможностью направления излучения на экранный блок.

8. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее линейку переключаемых линз, оптически сопряженную с по меньшей мере одним проектором, для формирования по меньшей мере одной зоны просмотра.

9. Устройство по п. 8, в котором переключаемая линза в линейке переключаемых линз представляет собой объектив, выполненный с возможностью переноса изображения, формируемого по меньшей мере одним проектором, на экранный блок для формирования по меньшей мере одной зоны просмотра.

10. Устройство по одному из пп. 8, 9, дополнительно содержащее устройство отслеживания, выполненное с возможностью отслеживания положения по меньшей мере одного из глаз/зрачков пользователя.

11. Устройство по п. 10, в котором устройство отслеживания выполнено с возможностью соединения с по меньшей мере одним проектором и линейкой переключаемых линз, соответственно.

12. Устройство по одному из пп. 1-11, дополнительно содержащее блок управления, соединенный с по меньшей мере одним проектором, устройством отслеживания и линейкой переключаемых линз.

13. Устройство по п. 12, в котором блок управления выполнен с возможностью управления по меньшей мере одним проектором, устройством отслеживания и линейкой переключаемых линз.

14. Устройство по п. 1, в котором световозвращатель выполнен таким образом, что отражение излучения от по меньшей мере одного проектора происходит на наружной поверхности световозвращателя, сформированной набором прямоугольных призм и являющейся первой поверхностью по ходу излучения испускаемого от по меньшей мере одного проектора без потерь на рассеяние света в горизонтальном направлении по отношению к глазам наблюдателя.

15. Устройство по п. 1 или 14, в котором световозвращатель выполнен таким образом, период (p) световозвращателя, представляет собой расстояние между вершинами соседних призм и с учетом углового разрешения глаза наблюдателя должен удовлетворять следующему выражению:

L⋅ tgω>p> , (1)

где ω - угловое разрешение глаза, L - расстояние от экрана до наблюдателя, λ - максимальная длина волны из диапазона рабочих длин волн проектора, W - ширина зоны просмотра.

16. Устройство по п. 15, в котором диапазон рабочих длин волн по меньшей мере одного проектора составляет от 400 нм до 700 нм.

17. Устройство по п. 1, в котором оптический светорассеивающий элемент представляет собой голографический диффузор, и/или диффузор, выполненный из матового стекла, с возможностью рассеивания излучения в вертикальном направлении по отношению к глазу наблюдателя.

18. Устройство по п. 1, в котором оптический светорассеивающий элемент представляет собой дифракционную решетку произвольного типа, где изменение периода решетки (р₁, p₂, …, p_N), обеспечивающую формирование расширенной зоны просмотра в вертикальном направлении.

19. Устройство по п. 1, в котором светорассеивающий оптический элемент представляет собой одно из: массива голографических линз, массива линз с геометрической фазой, массива металинз, с возможностью рассеивания света в вертикальном направлении.

20. Устройство по п. 1, в котором светорассеивающий оптический элемент представляет собой массив двумерных линзовых элементов, состоящий из набора линз, расположенных по осям X и Y, с возможностью обеспечения рассеивания света в вертикальном направлении и, при необходимости, в горизонтальном направлении.

21. Устройство по п. 1, в котором перенаправляющий оптический элемент имеет внеосевой параметр (OA), определяющий смещение оптической оси оптического перенаправляющего элемента от оптической оси устройства, который задается следующим соотношением:

OA~T/2,

где OA - внеосевой параметр перенаправляющего оптического элемента, T - расстояние от источника излучения, который представляет собой по меньшей мере один проектор, до глаза наблюдателя.

22. Устройство по п. 21, в котором перенаправляющий оптический элемент представляет собой оптический элемент, выбранный из: голографической линзы, дифракционной линзы, линзы Френеля, линзы с геометрической фазой, металинзы.

23. Устройство по одному из пп. 1-22, в котором по меньшей мере один из оптических элементов экранного блока: световозвращателя, оптического светорассеивающего элемента, оптического перенаправляющего элемента, первого и второго компенсационных элементов, выполнены с возможностью нанесения, по выбору, фильтрующего покрытия для фильтрования нежелательного излучения для функционирования устройства; отражающего покрытия для повышения коэффициента отражения поверхностей оптических элементов, просветляющего покрытия для повышения коэффициента пропускания поверхностей оптических элементов.

24. Устройство по одному из пп. 1-23, в котором по меньшей мере один проектор содержит по меньшей мере два стереоскопических проектора.

25. Устройство по п. 24, которое выполнено с возможностью формирования автостереоскопического изображения.

26. Устройство по одному из пп. 1-23, в котором по меньшей один проектор содержит один голографический проектор.

27. Устройство по п. 26, которое выполнено с возможностью формирования голографического 3D изображения.