Патент на изобретение №2293365

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВИДЕОГОЛОГРАММ

(57) Реферат:

Изобретение относится к голографической технике. Устройство содержит оптическую систему, состоящую из источника света, линзы и видеоголограммы из регулярно расположенных в виде матрицы или иным образом ячеек, по меньшей мере, с одним регулируемым по амплитуде и/или фазе отверстием на ячейку. В плоскости рассмотрения, соответствующей плоскости прямого или обратного преобразования Фурье видеоголограммы, локализовано окно наблюдения, обеспечивающее определенный интервал периодичности восстановления в виде образа Фурье видеоголограммы, через которое можно наблюдать восстановленную трехмерную картину, при этом протяженность окна наблюдения не превышает интервал периодичности в плоскости обратного образа Фурье и трехмерная картина возникает в виде образа Френеля видеоголограммы. Технический результат – голографические видеоизображения протяженных пространственных объектов могут быть реализованы в широком диапазоне рассмотрения в реальном времени посредством управляемых дисплеев. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к видеоголограмме и к устройству для восстановления видеоголограмм, содержащему оптическую систему, состоящую, по меньшей мере, из одного источника света, линзы и видеоголограммы из регулярно расположенных в виде матрицы или иным образом ячеек, по меньшей мере, с одним регулируемым по амплитуде и/или фазе отверстием на ячейку, а также из плоскости рассмотрения в месте изображения источника света.

Из уровня техники известны устройства для восстановления видеоголограмм, содержащие акустооптические модуляторы (АОМ) (Stephen A. Benton, Joel S. Kollin: Three dimensional display system (трехмерные системы отображения) US 5172251). Эти акустооптические модуляторы преобразуют электрические сигналы в оптические волновые фронты, которые затем посредством отклоняющих зеркал формируются в двухмерные голографические поверхности в пределах одного видеокадра. Волновые фронты восстанавливаются посредством дополнительных оптических элементов в виде видимой наблюдателю картины. Используемые оптические средства, такие как линзы и отклоняющие элементы, имеют протяженность восстанавливаемых картин и из-за своей большой габаритной ширины выполнены громоздкими и тяжелыми. Они почти не поддаются миниатюризации и поэтому ограничены в отношении области своего применения.

Другую возможность формирования больших видеоголограмм предоставляет так называемый тайлинг-способ с компьютерно-генерированными голограммами (CGH). В соответствии с известным из WO 00/75698 А1 и US 6437919 В1 способом посредством отображающей оптической системы формируют небольшие CGH с малым шагом. Для этого на первом этапе описывают быстрые матрицы с малым шагом (как правило, EASLM: Elektronisch Adressierbare Spatiale Licht-Modulatoren – электронно адресуемые пространственные модуляторы света) с необходимой информацией, на которой отображают голографически подходящую среду и составляют в крупную видеоголограмму. Применяемой средой является, как правило, OASLM (Optisch Adressierbarer Spatialer Licht-Modulator – оптически адресуемый пространственный модулятор света). На втором этапе составленную видеоголограмму восстанавливают когерентным светом на просвет или отражение.

У CGH с регулируемыми отверстиями, расположенными в виде матрицы или иным образом равномерно, ставших известными, например, из WO 01/95016 А1 или Fukaya et al. “Eye-position tracking type electro-holographic display using liquid crystal devices”, Proceedings of EOS Topical meeting on Diffractive Optics, 1997, применяют дифракцию на маленьких отверстиях для кодирования картин. Идущие от отверстий волновые фронты сходятся в объектных точках трехмерной картины, прежде чем достигнут наблюдателя. Чем меньше шаг и, тем самым, величина отверстий в CGH, тем больше угол дифракции, т.е. угол рассмотрения. Увеличение угла рассмотрения означает у этих известных способов поэтому увеличение разрешения.

У голограмм Фурье восстановление происходит, как известно, в одной плоскости в виде прямого или обратного образа Фурье голограммы. Это восстановление периодически продолжается с интервалом периодичности, протяженность которого обратно пропорциональна шагу в голограмме.

Если протяженность восстановленной голограммы Фурье больше интервала периодичности, то соседние порядки дифракции накладываются друг на друга. По мере уменьшения разрешения, т.е. по мере возрастания шага отверстий, края восстановленной голограммы все больше нарушаются за счет наложения более высоких порядков дифракции. Используемое восстановление все больше и больше ограничивается из-за этого по своей протяженности.

Если желательно достичь больших интервалов периодичности и, тем самым, больших углов рассмотрения, необходимо приблизить требуемый шаг в голограмме к длине световой волны. Для того чтобы иметь возможность в этом случае изображать как можно большие картины, CGH должны быть также соответственно больше. Оба условия требуют большой CGH с очень большим числом отверстий, которую в виде дисплеев с регулируемыми отверстиями реализовать в настоящее время невозможно (ЕР 0992163 В1). CGH с регулируемыми отверстиями имеют поэтому величину один или несколько дюймов, причем шаги составляют пока значительно больше 1 мкм.

Оба параметра, шаг и величина голограммы, описаны так называемым Space-Bandwidth-Produkt (SBP) как число отверстий в голограмме. Если восстановление CGH с регулируемыми отверстиями шириной 50 см должно происходить так, чтобы наблюдатель мог видеть картину с расстояния 1 м в пределах горизонтального окна рассмотрения 50 см, то SBP составляет в горизонтальном направлении примерно 0,5·10⁶. Этому в CGH соответствует 500000 регулируемых отверстий с шагом 1 мкм. При формате изображения 4:3 в вертикальном направлении возникает соответственно 375000 отверстий. CGH содержит, следовательно, 3,75·10¹¹ отверстий, если учесть три цветных субпиксела. Это число утраивается, если подумать, что в CGH с регулируемыми отверстиями можно повлиять в большинстве случаев только на амплитуды. Фазовое кодирование происходит тогда за счет так называемого эффекта обходной фазы, для чего требуются, по меньшей мере, три равноотстоящих отверстия на каждую точку сканирования. Пространственные модуляторы света (ПМС) с таким числом регулируемых отверстий в настоящее время не известны.

Данные голограмм должны вычисляться на основании восстанавливаемых картин. При глубине цвета 1 байт для каждого из трех основных цветов и частоте кадров 50 Гц CGH требует информационного потока 50·10¹²=0,5·10¹⁴ байт/с. Преобразования Фурье потоков данных этой величины гораздо превышают мощность используемых в настоящее время компьютеров и исключают расчет голограмм на основе локальных компьютеров. Однако и передачу этого количества информации по сетям передачи данных для нормального пользователя в настоящее время реализовать невозможно.

Для уменьшения числа обширных вычислительных процессов предложен, например, расчет голограммы не полностью, а лишь по частям, которые могут непосредственно рассматриваться наблюдателем или изменяться. В уже упомянутой публикации WO 01/95016 А1 описана такая голограмма, состоящая из адресуемых субобластей, как названная тайлинг-голограмма. Отправной точкой расчетов является так называемый эффективный выходной зрачок, который может совпадать со зрачком глаза наблюдателя в соответствующем положении. Сопровождение изображения при изменении положения наблюдателя происходит за счет постоянного нового расчета части голограммы, которая формирует изображение для нового положения наблюдателя. Это, однако, отчасти снова сводит на нет сокращение затрат на расчеты.

Недостатки известных способов состоят, в целом, в том, что устройства с акустооптическими модуляторами слишком громоздкие и не могут быть уменьшены до известных сегодня из плоскоэкранной техники размеров, видеоголограммы по тайлинг-способу являются двухступенчатыми с большими технологическими затратами, которые лишь с трудом можно уменьшить до величины экрана, и, наконец, устройства на основе ПМС с регулируемыми отверстиями слишком малы для восстановления больших картин. Для этого в настоящее время отсутствуют управляемые большие ПМС с предельно малыми шагами, а также необходимая мощность компьютеров и необходимая большая ширина полосы сетей.

В основе изобретения лежит задача устранения названных недостатков и создание протяженных видеоизображений голограмм в реальном времени и для больших углов рассмотрения.

Эта задача решается, согласно изобретению, посредством признаков п.1 формулы. Предпочтительные варианты изобретения приведены в п.п.2-10 формулы изобретения.

Видеоголограммы согласно изобретению и устройства для восстановления видеоголограмм с регулируемыми отверстиями предусматривают, что в плоскости рассмотрения образуют, по меньшей мере, одно окно наблюдения с определенным интервалом периодичности в виде прямого или обратного образа Фурье видеоголограммы, через которое наблюдатель может видеть трехмерную картину в виде восстановления. Протяженность окна наблюдения максимально соответствует интервалу периодичности в плоскости обратного образа Фурье в месте изображения источника света. Вместе с голограммой окно наблюдения образует усеченный конус, который содержит всю трехмерную картину в виде образа Френеля видеоголограммы.

В одном варианте осуществления изобретения окно наблюдения ограничено приблизительно глазом, межзрачковым расстоянием наблюдателя или другой подходящей областью и позиционировано.

В рамках изобретения предусмотрено, что другому глазу наблюдателя предусматривают аналогичное окно наблюдения. Это происходит за счет того, что рассматриваемый источник света соответственно смещают или дополняют путем подключения второго реального или виртуального, достаточно когерентного источника света в другом подходящем месте в пару источников света в оптической системе. Таким образом, обеспечивается рассмотрение двумя глазами трехмерной картины через два соответствующих окна наблюдения. При этом содержание видеоголограммы можно изменить синхронно с подключением второго окна наблюдения в соответствии с положением глаза, т.е. перекодировать. У нескольких наблюдателей можно, таким образом, за счет подключения дополнительных источников света создать соответствующее число окон наблюдения.

В отношении устройства для восстановления видеоголограммы другая существенная концепция изобретения состоит в расположении оптической системы и видеоголограммы так, чтобы более высокие порядки дифракции видеоголограммы для первого окна наблюдения имели нулевое положение или минимум интенсивности в месте второго окна наблюдения. Это препятствует смещению окна наблюдения для одного глаза на другой глаз наблюдателя или на других наблюдателей. Этим предпочтительно используется уменьшение интенсивности света в сторону более высоких порядков дифракции на основе конечной ширины отверстий видеоголограммы и/или минимумов характеристики интенсивности. У прямоугольных, например, отверстий в качестве кривой интенсивности возникает функция sinc², которая быстро убывает и представляет собой функцию sin², убывающую по мере увеличения расстояний.

Для видеоголограммы следует рассчитывать лишь столько данных, сколько отверстий имеет дисплей. Передача данных от компьютера или из сети на дисплей в качестве голограммы ограничена таким же числом значений. Поток данных поэтому практически не отличается от потока данных, уже сегодня обрабатываемого обычной дисплейной техникой. Это следует пояснить примером. Если уменьшить окно наблюдения за счет выбора дисплея с достаточно грубым разрешением, например с 50 см по горизонтали и 37,5 по вертикали до 1×1 см, то это будет соответствовать уменьшению числа отверстий в голограмме до 1/1875. Таким же образом при передаче через сеть уменьшается требуемая ширина полосы. У изготовленных известными способами видеоголограмм с необходимыми 10¹² отверстиями они уменьшаются в данном примере примерно до 5·10⁸ пикселей. Через оставшееся окно наблюдения картину можно рассматривать полностью. Требованиям к шагу и величине голограммы в соответствии с SBP уже отвечают имеющиеся сегодня в распоряжении дисплеи. Тем самым, можно экономичным образом реализовать большие видеоголограммы в реальном времени на дисплеях с большим шагом для большого диапазона рассмотрения.

Сопровождение окна наблюдения (трекинг) реализуют посредством механического или электронного смещения источников света, подвижных зеркал или позиционируемых другим подходящим образом источников света. Со смещением изображений источников света смещаются и окна наблюдения. Движется наблюдатель, источник (источники) света смещается (смещаются) в пространстве так, что окна наблюдения следуют за глазами наблюдателя. Это гарантирует, что наблюдатели даже в движении увидят восстановленную трехмерную картину, а, с другой стороны, свобода их движения не ограничена. Для детектирования положения наблюдателей известны различные, предпочтительно используемые здесь системы, например на основе магнитных датчиков.

Средствами согласно изобретению эффективно возможно также восстановление видеоголограммы в цвете. При этом предусмотрено, что восстановление происходит, по меньшей мере, с тремя регулируемыми для основных цветов по амплитуде и/или фазе отверстиями на ячейку, причем кодирование для отверстий для каждого основного цвета осуществляют раздельно. Другая возможность восстановления видеоголограммы в цвете состоит в осуществлении, по меньшей мере, трех последовательных восстановлений в трех основных цветах на основе устройства согласно изобретению.

Благодаря изобретению могут быть предпочтительным образом созданы голографические изображения протяженных пространственных картин посредством управляемых дисплеев, таких как плоские тонкопленочные (TFT)-дисплеи, в реальном времени и для больших углов рассмотрения. Эти видеоголограммы применимы предпочтительным образом в области телевидения, мультимедиа, игр и конструирования, в военной и медицинской технике и в других сферах хозяйственной и общественной деятельности. Трехмерные картины могут быть созданы на компьютере или иным образом.

Пример осуществления изобретения изображен на чертежах и ниже поясняется более подробно.

На чертежах представлено следующее:

– фиг.1: принципиальное изображение видеоголограммы и устройства для восстановления видеоголограмм с возникновением порядков дифракции света и положением окна наблюдения;

– фиг.2: принципиальное изображение устройства для восстановления видеоголограмм с трехмерной картиной, которую можно рассматривать через окно наблюдения;

– фиг.3: принципиальное изображение устройства для восстановления видеоголограмм с кодированием трехмерной картины в части видеоголограммы, так что порядки дифракции света не накладываются друг на друга;

– фиг.4: характеристика интенсивности света в плоскости рассмотрения в зависимости от порядков дифракции света;

– фиг.5: принципиальное изображение устройства для восстановления видеоголограмм с положением окна наблюдения для двух глаз наблюдателя в отношении порядков дифракции света во избежание смещения.

Устройство для восстановления видеоголограмм состоит из видеоголограммы, достаточно когерентного реального или виртуального точечного или линейного источника света и оптической системы. Сама видеоголограмма состоит из равномерно расположенных в виде матрицы или иным образом ячеек, содержащих, по меньшей мере, одно регулируемое по амплитуде и/или фазе отверстие на ячейку. Оптическая система восстановления видеоголограммы может быть известным образом реализована, например, просто оптической системой отображения, состоящей из точечного или линейного лазера и достаточно когерентного источника света.

Принципиальное расположение видеоголограммы и восстановление изображены на фиг.1. В направлении света последовательно расположены источник 1 света, линза 2, голограмма 3 и плоскость 4 рассмотрения. Плоскость 4 рассмотрения соответствует плоскости Фурье обратного преобразования видеоголограммы с порядками дифракции света.

Источник 1 света отображен оптической системой, которая представлена линзой 2, в которой отображается плоскость 4 рассмотрения. При установке голограммы 3 она изображается в плоскости 4 рассмотрения в виде обратного преобразования Фурье. Голограмма 3 с периодическими отверстиями создает равнорасположенные продолженные порядки дифракции в плоскости 4 рассмотрения, причем голографическое кодирование посредством так называемого эффекта обходной фазы происходит в сторону более высоких порядков дифракции света. Поскольку интенсивность уменьшается в сторону более высоких порядков дифракции света, в качестве окна 5 наблюдения выбирают, как правило, 1-й или -1-й порядок дифракции. Если это не указано особо, то для изложения изобретения ниже следует исходить из 1-го порядка дифракции.

Протяженность восстановления была выбрана здесь так, что она по своей величине совпадает с интервалом периодичности 1-го порядка дифракции в плоскости 4 рассмотрения. Таким образом, более высокие порядки дифракции примыкают друг к другу без промежутка, но и без наложения.

Выбранный 1-й порядок дифракции образует, правда, в виде образа Фурье восстановленную голограмму 3, однако не представляет собственно трехмерную картину 6. Она служит лишь в качестве окна 5 наблюдения, через которое можно рассматривать трехмерную картину 6 (фиг.2). Внутри светового пучка 1-го порядка дифракции собственно трехмерная картина 6 обозначена кружком. Сцена лежит, следовательно, внутри восстановленного конуса, образуемого голограммой 3 и окном 5 наблюдения. Картина возникает в виде образа Френеля голограммы, тогда как окно наблюдения является частью образа Фурье.

На фиг.3 показано голографическое кодирование. Трехмерная картина 6 построена из точек. Окно 5 наблюдения в качестве основы и выбранную точку 7 на картине 6 в качестве вершины конуса, проходящего через эту точку, проецируют на голограмму 3. Возникает область 8 проекции в видеоголограмме 3, в которой эта точка голографически кодируется. Для расчета фазовых значений можно определить длины волн от рассматриваемой точки 7 до ячеек голограммы 3. С этим восстановлением согласуют величину окна 5 наблюдения в интервале периодичности. Если бы, например, напротив, рассматриваемая точка 7 кодировалась во всей голограмме 3, то восстановление имело бы протяженность за пределами интервала периодичности. Зоны рассмотрения из соседних порядков дифракции накладывались бы друг на друга, причем наблюдатель видел бы периодическое продолжение рассматриваемой точки 7. Кодированная таким образом поверхность представлялась бы размытой по своим контурам из-за многократных наложений.

Предпочтительным образом уменьшение интенсивности в сторону более высоких порядков дифракции используют для подавления смещений (перекрестных искажений) на другие окна наблюдения. На фиг.4 схематично изображена характеристика интенсивности света в зависимости от порядков дифракции, которая возникает за счет ширины отверстий в CGH. На абсциссе нанесены порядки дифракции. 1-й порядок дифракции представляет окно 5 наблюдения для левого глаза, т.е. левое окно наблюдения, через которое можно рассматривать трехмерную картину 6. Перекрестные искажения в окне наблюдения для правого глаза подавляются за счет уменьшения интенсивности в сторону более высоких порядков и дополнительно еще за счет нулевой точки распределения интенсивности.

Наблюдатель может рассматривать картину 6 голограммы 3, конечно, и обоими глазами (фиг.5). Для правого глаза был выбран в качестве правого окна 5′ наблюдения -1-й порядок дифракции в соответствии с положением источника 1′ света. Как видно из фиг.5, эта интенсивность смещена на левый глаз лишь с очень малым значением. Оно соответствует здесь -6-му порядку дифракции.

Для левого глаза был выбран 1-й порядок дифракции в соответствии с положением источника 1 света. Здесь аналогичным образом возникает левое окно 5 наблюдения. Согласно изобретению, с помощью двух источников 1, 1′ света соответствующие трехмерные картины 6, 6′ (не показаны) изображают неподвижными по отношению к глазам. Для этого голограмму 3 при подключении источников 1, 1′ света кодируют соответственно заново. В качестве альтернативы оба источника 1, 1′ света могут восстановить одновременно голограмму 3 на обоих окнах 5, 5′ наблюдения.

При движении наблюдателя источники 1, 1′ света сопровождают так, что оба окна 5, 5′ наблюдения остаются локализованными в глаза наблюдателя. Это относится и к движениям по нормали, т.е. перпендикулярно видеоголограмме. Кроме того, одну трехмерную картину могут рассматривать также несколько наблюдателей за счет того, что при подключении дополнительных источников света возникают дополнительные окна наблюдения.

Формула изобретения

1. Устройство для восстановления видеоголограмм, содержащее оптическую систему, состоящую, по меньшей мере, из одного реального или виртуального точечного и/или линейного, достаточно когерентного источника света и линзы, а также видеоголограммы из регулярно расположенных в виде матрицы или иным образом ячеек, по меньшей мере, с одним регулируемым по амплитуде и/или фазе отверстием на ячейку, и плоскости рассмотрения в месте изображения источника света, отличающееся тем, что в плоскости рассмотрения, соответствующей плоскости прямого или обратного Фурье преобразования видеоголограммы, локализовано окно (5) наблюдения, обеспечивающее определенный интервал периодичности восстановления в виде Фурье образа видеоголограммы (3), через которое можно наблюдать восстановленную трехмерную картину (6), при этом протяженность окна (5) наблюдения не превышает интервал периодичности в плоскости обратного Фурье образа и трехмерная картина возникает в виде Френеля образа видеоголограммы.

2. Устройство для восстановления видеоголограмм по п.1, отличающееся тем, что окно (5) наблюдения приблизительно ограничено глазом, межзрачковым расстоянием наблюдателя или другой подходящей областью и позиционировано.

3. Устройство для восстановления видеоголограмм по п.1, отличающееся тем, что другому глазу наблюдателя соответствует второе окно (5′) наблюдения за счет подключения второго реального или виртуального, достаточно когерентного источника (1′) света в другом месте в пару источников света в оптической системе.

4. Устройство для восстановления видеоголограмм по п.3, отличающееся тем, что оптическая система и видеоголограмма (3) расположены так, что более высокие порядки дифракции видеоголограммы (3) для первого окна (5) наблюдения имеют нулевое положение или минимум интенсивности в месте второго окна (5′) наблюдения.

5. Устройство для восстановления видеоголограмм по п.4, отличающееся тем, что видеоголограмма (3) для второго глаза выполнена с возможностью перекодировки синхронно с подключением второго окна (5′) наблюдения.

6. Устройство для восстановления видеоголограмм по любому из пп.3-5, отличающееся тем, что для нескольких наблюдателей могут быть подключены несколько источников света.

7. Устройство для восстановления видеоголограмм по п.1, отличающееся тем, что источники света выполнены с возможностью позиционирования за счет механического или электронного смещения подвижных зеркал или иным подходящим образом.

8. Устройство для восстановления видеоголограмм по п.1, отличающееся тем, что информацию для определения положения источников света получают, по меньшей мере, от одного датчика положения в зависимости от положения наблюдателя или наблюдателей.

9. Устройство для восстановления видеоголограмм по п.1, отличающееся тем, что осуществляют восстановление в цвете видеоголограммы (3) из расположенных в виде матрицы или равномерно ячеек, по меньшей мере, с тремя регулируемыми для основных цветов по амплитуде и/или фазе отверстиями на ячейку, причем кодирование для отверстий на каждый основной цвет осуществляют раздельно.

10. Устройство для восстановления видеоголограмм по п.1, отличающееся тем, что восстановление в цвете осуществляют посредством, по меньшей мере, трех последовательно проведенных восстановлений в основных цветах.

РИСУНКИ