УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ТРЕХМЕРНЫХ СЦЕН
DEVICE FOR HOLOGRAPHIC CONSTRUCTION OF THREE-DIMENSIONAL SCENES

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к устройству отображения для восстановления трехмерных (3D) сцен с помощью генерируемых компьютером видеоголограмм (ГКГ) (CGH) большой площади, закодированных в пространственном оптическом модуляторе, который включает в себя ячейки с электронным управлением. Упомянутые ячейки модулируют амплитуду и (или) фазу света путем кодирования каждой ячейки значениями голограммы, соответствующими видеоголограмме. Подобно авто-стереоскопическим дисплеям реконструкции видеоголограмм нацелены также на представление с помощью видеодисплея двух- или трехмерных сцен с движением.
В данном документе ГКГ описывает голограмму, которая вычисляется исходя из сцены. ГКГ содержит комплексные числа, представляющие амплитуду и фазу световых волн, которые необходимы для восстановления сцены. ГКГ можно вычислять, к примеру, путем отслеживания когерентных лучей при моделировании взаимодействия между светом, отраженным сценой, и опорной волной, или с помощью либо преобразования Фурье, либо преобразования Френеля.
Пространственный оптический модулятор (ПОМ) (SLM) модулирует волновой фронт падающего света. Идеальный ПОМ был бы способен представлять произвольные комплексные числа, т.е. раздельно управлять амплитудой и фазой световой волны. Однако типичные ПОМ управляют только одним свойством - либо амплитудой, либо фазой - с нежелательным побочным эффектом воздействия также и на другое свойство.
Имеются различные пути для модуляции света по амплитуде или фазе, к примеру жидкокристаллический ПОМ с электрической адресацией, жидкокристаллический ПОМ с оптической адресацией, устройства на микрозеркалах и акустооптические модуляторы. Модуляция света может быть пространственно непрерывной или составленной из адресуемых по отдельности ячеек, с одномерным или двумерным размещением, двоичной, многоуровневой или непрерывной.
Подходящим пространственным оптическим модулятором для голографической реконструкции 3D сцены является, например, жидкокристаллический дисплей (ЖКД) (LCD). Однако данное изобретение может также применяться к иным управляемым пространственным оптическим модуляторам, которые модулируют фронт световой волны. Изобретение можно также применять к непрерывным пространственным оптическим модуляторам, к примеру пространственным оптическим модуляторам с оптической адресацией.
Уровень техники
В настоящем документе термин «кодирование» означает способ, которым на ячейки пространственного оптического модулятора подаются управляющие значения ячеек видеоголограммы, чтобы из них можно было восстановить видеоголограмму.
В противоположность авто-стереоскопическим дисплеям, в случае видеоголограмм наблюдатель видит оптическую реконструкцию фронта световой волны трехмерной сцены.
Согласно настоящему изобретению 3D сцена восстанавливается в пространстве, которое простирается между глазами наблюдателя и пространственным оптическим модулятором (ПОМ). ПОМ может также кодироваться видеоголограммами, с тем чтобы наблюдатель видел объекты восстановленной трехмерной сцены перед ПОМ, а другие объекты - на или позади ПОМ.
Ячейки пространственного оптического модулятора являются предпочтительно пропускающими ячейками, через которые проходит свет, лучи которого способны создавать интерференцию в по меньшей мере определенном месте и на длине когерентности в несколько миллиметров. Это обеспечивает голографическую реконструкцию с достаточным разрешением в по меньшей мере одном измерении. Этот вид света будет называться как «достаточно когерентный свет».
Для того чтобы гарантировать достаточную временную когерентность, спектр света, излученного источником света, должен быть ограничен до достаточно узкого диапазона длин волн, т.е. он должен быть почти монохроматическим. Ширина спектральной полосы светодиодов (СД) (LED) повышенной яркости достаточно узкая для того, чтобы гарантировать временную когерентность для голографической реконструкции. Угол отклонения при дифракции в ПОМ пропорционален длине волны, что означает, что только монохроматический источник приведет к четкой реконструкции точек объектов. Расширенный спектр приведет к расширенным точкам объектов и смазанным реконструкциям объектов. Спектр лазерного источника можно рассматривать как монохроматический. Ширина спектральной линии СД достаточно узкая для получения хороших реконструкций.
Пространственная когерентность относится к размеру источника света в поперечном направлении. Традиционные источники света, такие как СД или люминесцентные лампы с холодным катодом, могут также удовлетворять этим требованиям, если они излучают свет через достаточно узкую апертуру. Свет от лазерного источника можно рассматривать как испускаемый из точечного источника в пределах брэгговского угла и, в зависимости от модальной чистоты, приводит к четкой реконструкции объекта, т.е. каждая точка объекта восстанавливается как точка в пределах брэгговского угла.
Свет от пространственно некогерентного источника является поперечно протяженным и вызывает смазывание восстановленного объекта. Величина смазывания задается уширенным размером точки объекта, восстановленной в заданном положении. Для того чтобы использовать пространственно некогерентный источник для восстановления голограммы, следует найти компромисс между яркостью и ограничением поперечной протяженности источника с помощью апертуры. Чем меньше источник света, тем лучше его пространственная когерентность.
Линейный источник света можно рассматривать как точечный источник света, если смотреть под прямым углом к его продольному размеру. Световые волны могут тогда распространяться когерентно в этом направлении, но не когерентно во всех остальных направлениях.
В общем, голограмма восстанавливает сцену голографически за счет когерентного наложения волн в горизонтальном и вертикальном направлениях. Такая видеоголограмма называется голограммой с полным параллаксом. При условии достаточно большого окна наблюдателя или области наблюдения восстановленный объект проявляет параллакс движения в горизонтальном и вертикальном направлениях подобно реальному объекту. Однако для большой области наблюдения требуется высокое разрешение как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях ПОМ.
Зачастую требования к ПОМ снижаются путем ограничения до голограммы только с горизонтальным параллаксом. Голографическая реконструкция осуществляется только в горизонтальном направлении, тогда как в вертикальном направлении голографической реконструкции нет. Это приводит к получению восстановленного объекта с параллаксом горизонтального движения. Вид в перспективе не меняется при вертикальном перемещении. Голограмма только с горизонтальным параллаксом требует меньшего разрешения ПОМ в вертикальном направлении, чем голограмма с полным параллаксом. Голограмма только с вертикальным параллаксом также возможна, но встречается редко. Голографическая реконструкция происходит только в вертикальном направлении и приводит к получению восстановленного объекта с параллаксом вертикального движения. В горизонтальном направлении параллакса движения нет. Различные перспективы для левого глаза и правого глаза должны создаваться по отдельности.
Описание аналогов
Дисплеи с пространственными оптическими модуляторами в традиционной технологии ЖКД могут, например, использоваться для кодирования и восстановления. Известные плоские пропускающие дисплеи с высоким разрешением могут использоваться для реконструкции большой площади.
Предпочтительно могут использоваться оптические модуляторы с ячейками, которые непосредственно модулируют фазу света, такие как оптические модуляторы на основе ячеек Фредерикса. Однако данное изобретение можно также применять к иным пространственным оптическим модуляторам.
Осветительная система для генерируемой компьютером голограммы, где при реконструкции игнорируется представление вертикального параллакса, раскрыта в заявке WO 03/021363. Эта осветительная система использует линейный источник света, составленный из традиционных точечных источников света. Данный линейный источник света излучает коллимированный свет. Он располагается в фокальной плоскости цилиндрической линзы, размещенной под прямым углом к нему, и создает множество плоских волн, которые освещают ПОМ в режиме пропускания при разных углах падения. В отличие от точечного источника света такое изображение является равномерно освещенным без использования диффузора.
Документ WO 00/75699 раскрывает голографический дисплей, который восстанавливает видеоголограмму с помощью частичных голограмм. Частичные голограммы, кодируемые на обычном пространственном оптическом модуляторе с электронной адресацией (ПОМЭА) (EASLM), последовательно проецируются на промежуточную плоскость. Этот процесс выполняется достаточно быстро для того, чтобы наблюдатель воспринимал реконструкции всех частичных голограмм как единую реконструкцию всего 3D объекта.
Частичные голограммы размещаются в регулярной структуре в промежуточной плоскости посредством специально спроектированной осветительной и проекционной системы, например, включающей в себя затвор, который управляется синхронно с ПОМЭА, позволяет проходить через него лишь соответствующей частичной голограмме и, в частности, гасит порядки дифракции, которые не используются. Трудности возникают при реализации осветительной системы для освещения каждой частичной голограммы с требуемой когерентностью и под правильным углом восстановления. Для того чтобы избежать использования в качестве оптического элемента для реконструкции большой линзы, предложено использовать линзовую матрицу.
Заявка WO 2004/0044659 (US 2006/0055994), поданная заявителем, также описывает устройство для восстановления трехмерных сцен путем дифракции достаточно когерентного света. Устройство содержит точечный источник света или линейный источник света, линзу для фокусирования света и пространственный оптический модулятор. В противоположность традиционным голографическим дисплеям, ПОМ в режиме пропускания восстанавливает 3D сцену в по меньшей мере одном виртуальном окне наблюдателя. Каждое окно наблюдателя располагается около глаз наблюдателя и ограничено по размеру так, что окна наблюдателя располагаются в одном порядке дифракции с тем, чтобы каждый глаз видел полную реконструкцию трехмерной сцены в пространстве реконструкции в форме усеченной пирамиды, которая простирается между поверхностью ПОМ и окном наблюдателя. Чтобы обеспечить голографическую реконструкцию без искажения, размер окна наблюдателя не должен превышать интервал периодичности одного порядка дифракции реконструкции. Однако он, по меньшей мере, достаточно большой для того, чтобы видеть всю реконструкцию 3D сцены через окно(-а). Другой глаз может смотреть через то же самое окно наблюдателя, или для него предназначается второе окно наблюдателя, которое соответственно создано вторым источником света. Если положения глаз наблюдателя изменяются, следящая система смещает световые источники и тем самым соответственно отслеживает окна наблюдателя. Здесь область видимости, которая будет, как правило, достаточно большой, ограничена до локально расположенных окон наблюдателя. Известное решение реконструирует в уменьшенном виде большую площадь из традиционной поверхности ПОМ с высоким разрешением до размера окон наблюдателя. Это приводит к тому, что углы отклонения при дифракции, которые малы вследствие геометрических причин, и разрешение текущих генерируемых ПОМ оказываются достаточными для получения высококачественной голографической реконструкции в реальном времени с помощью разумного пользовательского вычислительного оборудования.
Однако известное решение обладает тем недостатком, что требуется большая объемистая тяжелая и из-за этого дорогостоящая линза для фокусирования вследствие большой площади поверхности ПОМ. Вследствие этого устройство будет иметь большие толщину и вес. Другой недостаток представлен тем фактом, что при использовании таких больших линз качество реконструкции значительно снижается из-за аберраций на краях.
2
2
2
Другой недостаток известных вариантов осуществления состоит в недостаточной интенсивности света от ПОМ. Существующие решения демонстрируют интенсивность освещения порядка 1 кд/м (кандела/м) и, следовательно, гораздо ниже интенсивности традиционного дисплея (приблизительно 100 кд/м). Одна причина такой низкой яркости состоит в низкой интенсивности источников когерентного света на ПОМ.
Сущность изобретения
С учетом вышеупомянутых недостатков существующих решений цель данного изобретения состоит в обеспечении устройства для кодирования видеоголограмм большой площади с помощью традиционного пространственного оптического модулятора с относительно большим шагом ячеек с тем, чтобы получить высококачественные голографические реконструкции в реальном времени с разумными затратами вычислительной нагрузки, избегая отмеченных выше недостатков.
Дополнительная цель изобретения состоит в увеличении интенсивности освещения голографической реконструкции.
Для достижения этой цели настоящее изобретение использует устройство для голографической реконструкции трехмерных сцен с помощью оптического фокусирующего средства, которое направляет достаточно когерентный свет, после модуляции пространственным оптическим модулятором, закодированным информацией видеоголограммы, в глаза по меньшей мере одного наблюдателя. Благодаря этому трехмерная сцена голографически восстанавливается в пространстве, простирающемся между глазом наблюдателя и поверхностью пространственного оптического модулятора за счет дифракции света на ячейках оптического модулятора, так что сцена визуализируется для обоих отслеживаемых глаз наблюдателя.
Пространственный оптический модулятор кодируется информацией видеоголограммы. По меньшей мере одна видеоголограмма большой площади или последовательность видеоголограмм кодируется в упомянутом пространственном оптическом модуляторе, причем видеоголограмма(-ы) имеют информацию параллакса в вертикальном и в горизонтальном направлениях, или видеоголограмма(-ы) имеют информацию параллакса только в одном направлении, а режим временного мультиплексирования отображает отсутствующую информацию параллакса. Если режим пространственного мультиплексирования отображает отсутствующую информацию параллакса, информация видеоголограммы содержит две пространственно мультиплексированных видеоголограммы, обеспечивающих одновременно отсутствующую информацию параллакса для каждого глаза наблюдателя.
Согласно данному изобретению фокусирующее средство представляет собой структуру из множества фокусирующих элементов. Вместе с выделенным световым средством, которое излучает достаточно когерентный свет, каждый фокусирующий элемент формирует отдельный осветительный блок, который освещает дискретную область поверхности пространственного оптического модулятора одновременно с другими осветительными блоками. Фокусирующий элемент и световое средство размещаются в каждом осветительном блоке так, что пучки лучей, излученных осветительными блоками, сходятся в виртуальном окне наблюдателя около глаз по меньшей мере одного наблюдателя. Каждый из отдельных осветительных блоков освещает локальную область поверхности пространственного оптического модулятора, закодированную по меньшей мере одной протяженной видеоголограммой. Все освещенные области совместно и одновременно восстанавливают полную трехмерную сцену в усеченной пирамиде перед глазами наблюдателя.
Данное изобретение позволяет снизить объем и вес устройства, а также значительно уменьшить искажающие аберрации линз и увеличить интенсивность освещения.
Другое основное преимущество данного изобретения состоит в том, что свету, излученному световым средством, не нужно обладать когерентностью со светом из отдельных активных осветительных блоков. Это позволяет одновременно использовать множество традиционных источников света для освещения пространственного оптического модулятора для того, чтобы увеличить интенсивность освещения. Кроме того, поскольку свет от смежных осветительных блоков не способен вызывать интерференцию, это предотвращает появление множества интерференций, которые были бы в случае размещения множества когерентных источников света.
Некогерентность световых средств смежных осветительных блоков благоприятно увеличивает эффективность дифракции за счет разделения поверхности пространственного оптического модулятора на множество малых областей, освещенных различными осветительными блоками.
Согласно данному документу каждое световое средство, которое излучает достаточно когерентный свет, может содержать один когерентный световой элемент в виде точечного источника света или линейного источника света. Альтернативно, компоновка источника света из нескольких световых элементов также может формировать полное световое средство. Такая компоновка может содержать несколько точечных источников света, которые образуют линейный источник света, или источники света основных цветов, которые обеспечивают освещение для цветных голограмм.
В предпочтительном варианте осуществления по данному изобретению фокусирующие элементы представляют собой линзы, размещенные в матрице, которая имеет форму чечевицы.
В наилучшем варианте воплощения изобретения фокусирующие элементы представляют собой цилиндрические линзы, также известные как чечевицы. В этом случае назначенные световые средства выполнены в виде линейных источников света, размещенных параллельно структуре цилиндрических линз. Световые средства, таким образом, излучают свет, который достаточно когерентен только в одном предпочтительном направлении, которое перпендикулярно направлению этих линз, так что реконструкция выполняется только в этом направлении с соответствующим закодированным параллаксом. Данный вариант осуществления осветительных средств обеспечивает видеоголограммы, которые ограничены, соответственно, голограммами только с горизонтальным параллаксом или голограммами только с вертикальным параллаксом. Голографическая реконструкция осуществляется только в направлении, ортогональном к продольным линиям линейных источников, тогда как в направлении вдоль линейных источников голографической реконструкции нет. Требуемый отсутствующий параллакс можно реализовать, к примеру, пространственным перемежением нескольких отдельных одномерных голограмм.
Согласно дополнительному варианту осуществления протяженность фокусирующих средств выбирается таким образом, чтобы все изображения светового средства через смежные фокусирующие элементы были направлены, по существу, наружу из зоны видимости для глаз наблюдателя. Это снижает искажения, которые могут возникать за счет повторений реконструкции.
Решение для пространственного перемежения видеоголограмм и реконструкции описано в более ранней заявке заявителя WO 2006/027228 (US 2006/050340), которая не была раскрыта на день подачи данной заявки. Требуемый горизонтальный параллакс реализуется путем реконструкции двух отдельных одномерных голограмм для параллакса, который соответствует расстоянию до глаза, вместо реконструкции второй двумерной видеоголограммы. В альтернативном варианте осуществления две видеоголограммы могут восстанавливаться последовательно в разных окнах наблюдателя.
Осветительные блоки предпочтительно излучают почти коллимированные пучки лучей, которые сходятся в виртуальном окне наблюдателя, ограниченном одним порядком дифракции и плоскостью наблюдателя. Виртуальное окно наблюдателя располагается около глаз наблюдателя и представляет собой место, где реконструкцию можно видеть без искажений.
Щелевые диафрагмы могут располагаться между световыми средствами и фокусирующими средствами осветительных блоков для того, чтобы реализовать достаточно когерентные линейные источники света.
В каждом осветительном блоке положение светового средства по отношению к положению фокусирующего средства определяет местоположение в плоскости наблюдателя, где сходятся пучки лучей, излученных осветительными блоками. Поэтому, к примеру, пропускающий пространственный оптический затвор и соответствующее средство заднего освещения можно использовать для расположения окна(окон) наблюдателя в соответствии с положением глаз смотрящего путем активирования соответствующих осветительных линий, к примеру, пропускающих элементов освещенного затвора, размещенных в линию.
В конкретном варианте осуществления пространственный оптический затвор и соответствующее средство заднего освещения можно заменить системой управляемых СД или органических СД. Точечные источники света данной системы имеют малые площади поперечного сечения и могут быть активированы дискретно или как линейные источники света. Это существенно экономит энергию для освещения. Подобно щелевой диафрагме каждый линейный источник света, содержащий систему СД, выполняет сам по себе условие достаточной когерентности. Это позволяет реализовать осветительный блок в компактном виде с высокой эффективностью использования энергии.
В еще одном варианте осуществления световое средство можно реализовать путем сканирования рассеивающего слоя отраженным лазерным лучом. Лазерный луч отражается оптическим дефлектором, к примеру, сканирующим зеркалом, и фокусируется на рассеивающем слое. Точечные участки этого рассеивающего слоя, на которые падает лазерный луч, действуют как источники света. За счет управления оптическими дефлекторами и использования импульсной модуляции лазерного луча может быть сформирована желательная матрица источников света для освещения фокусирующих средств. Для того чтобы формировать источники света с малым поперечным размером, лазерный луч должен фокусироваться на рассеивающем слое. Угол рассеяния рассеивающего слоя определяет пространственный угол, в котором излучается свет, и он должен быть выбран так, чтобы фокусирующее средство освещалось в достаточной степени. Сканирующий лазерный луч имеет преимущество в том, что весь свет используется для освещения фокусирующего средства и поверхности ПОМ. В пропускающем затворе не поглощается никакого света, и эффективность улучшается.
Поскольку фокусирующее средство и пространственный оптический модулятор размещаются на минимальном расстоянии друг от друга, их положение можно менять одинаково.
Устройство согласно данному изобретению позволяет использовать фокусирующие средства с короткими фокусными расстояниями, и может быть реализован голографический дисплей с малыми весом и толщиной, который обладает улучшенной интенсивностью освещения. Кроме того, аберрации минимизируются за счет оптических фокусирующих средств, имеющих малые размеры.
Вследствие коротких фокусных расстояний фокусирующих элементов данное изобретение в особенности пригодно для использования световых средств, размещенных как световые системы с точечными источниками света, которые можно активировать дискретно. Фокусирующий элемент каждого осветительного блока может быть поставлен в соответствие одной линейной матрице для освещения линии, или все осветительные блоки устройства могут быть поставлены в соответствие одной единственной световой области.
Далее система обнаружения положения известным образом обнаруживает изменения пространственного положения глаз наблюдателя. Если положение глаз наблюдателя изменяется, окна наблюдателя отслеживаются путем смещения активированных осветительных линий из осветительных средств.
Если изменяется положение глаз наблюдателя вдоль оси, т.е. их расстояние до дисплея, то можно адаптировать либо расстояние между световым средством и оптическим фокусирующим средством, либо фокусное расстояние оптического фокусирующего средства. Возможна и комбинация обоих средств.
Имеются различные средства для адаптации фокусного расстояния фокусирующего средства. Известные жидкие линзы используют электроувлажнение или изменяемый объем жидкости под деформируемой мембраной для регулировки радиуса кривизны, а следовательно, и фокусного расстояния линзы. Этот принцип можно также применять к линзовым матрицам или чечевицам. Возможно также изменять фокусное расстояние путем регулировки показателя преломления линзовой среды или окружающей вмещающей среды. Этого можно достичь с помощью жидкокристаллического материала, показателем преломления которого можно управлять путем приложения электрического поля.
Последний вариант осуществления со световой матрицей позволяет множество точечных источников света или линейных источников света, которые можно активировать дискретно, поставить в соответствие для каждого фокусирующего элемента осветительного блока. Такую матрицу можно использовать для слежения за глазами наблюдателя наподобие матрицы затворов, освещенной средствами заднего света. Вышеупомянутая система обнаружения положения активирует для каждого фокусирующего элемента точечный источник света или линейный источник света, который соответствует текущему положению глаз и тем самым отслеживает окна наблюдателя в соответствии с изменениями положения глаз.
Теперь будут более подробно описаны способ и устройство согласно настоящему изобретению с помощью вариантов осуществления.
Принцип настоящего изобретения будет поясняться на основе голографических реконструкций с монохроматическим светом. Однако для специалистов понятно, что данное изобретение может быть применено точно так же и к цветным голографическим реконструкциям. В последнем случае каждая ячейка, к примеру, содержащая подпикселы RGB, которые структурированы в столбцы пикселов, будет по отдельности восстанавливать части основных цветов, необходимые для цветового представления трехмерных сцен, причем упомянутые цветовые части накладываются так, что зритель видит цветную реконструкцию.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает устройство для голографической реконструкции 3D сцены с лучами одного осветительного блока на виде сбоку.
Фиг.2 показывает устройство для голографической реконструкции 3D сцены с одним порядком дифракции трех осветительных блоков на виде сбоку.
Фиг.3 показывает устройство для голографической реконструкции 3D сцены с лучами одного порядка дифракции смежных осветительных блоков на виде сбоку.
Фиг.4 показывает подробности устройства с разными точками объектов реконструкции и их ограниченными областями кодирования.
Подробное описание изобретения
Чертежи схематически показывают подробности голографического дисплея.
В описываемом варианте осуществления видеоголограмма кодируется в пропускающем пространственном оптическом модуляторе ПОМ. Однако могут также использоваться пропускающие-отражающие и отражающие оптические модуляторы ПОМ, предпочтительно те, которые непосредственно модулируют фазу световых волн, такие как ячейки Фредерикса.
Далее, для лучшего понимания, описываемый вариант осуществления поясняет использование кодированных голограмм с одним параллаксом для восстановления 3D сцен путем комбинации голографического и авто-стереоскопического дисплея. Такой конкретный вариант осуществления, использующий пространственное мультиплексирование реконструкций, предлагается в заявках на патент заявителя WO 2006/027228 (US 2006/050340). Это позволяет реализовать комбинацию линейных источников света, двояковыпуклых и дополнительных оптических элементов для традиционного авто-стереоскопического разделения изображений. Эти средства разделения изображений, необходимые для разделения двух пространственно мультиплексированных голограмм с параллаксом, не являются объектом изобретения. Средства разделения изображений не показаны на чертежах, потому что для мультиплексирования голограмм с параллаксом можно использовать разнообразные способы в качестве альтернативы, к примеру временное мультиплексирование. Вариант осуществления, использующий реконструкцию с временным мультиплексированием, предложен в заявках на патент заявителя WO 2004/044659 (US 2006/055994).
На видеоголограмму с когерентным наложением волн в вертикальном направлении не влияет авто-стереоскопическое разделение изображений в горизонтальном направлении, и наоборот. Голографическая реконструкция в вертикальном направлении приемлема для приспосабливаемости глаз. Авто-стереоскопическое разделение изображений вместе с пространственным мультиплексированием генерирует различные перспективы для левого глаза и правого глаза.
Однако настоящее изобретение можно также использовать для устройства, восстанавливающего видеоголограммы с полным параллаксом. Это устройство использует осветительные блоки, содержащие несколько точечных источников, размещенных в виде матрицы источников, в комбинации с матрицей поставленных в соответствие линз с симметрией вращения.
Преимущество данного изобретения состоит в том, что все осветительные блоки не нуждаются в раздельном заключении в оболочку, между каждым точечным линейным источником и поставленной в соответствие двояковыпуклой линзой. Свет смежных осветительных блоков может перекрываться в малых частях линзовой матрицы.
2
Фиг.1 представляет собой вид сбоку, показывающий три фокусирующих элемента 21, 22, 23 вертикального фокусирующего средства 2 в виде цилиндрических линз, размещенных горизонтально в матрице. В качестве примера приведены почти коллимированные лучи горизонтального линейного источника LS света, проходящие через фокусирующий элемент 22 освещающего блока и идущие к плоскости ОР наблюдателя.
2
3
2
2
Согласно изобретению множество линейных источников LS, LS, LS размещены один над другим. Каждый источник света излучает свет, который достаточно когерентен в вертикальном направлении и который не когерентен в горизонтальном направлении. Этот свет проходит через пропускающие ячейки оптического модулятора ПОМ. Свет дифрагирует только в вертикальном направлении на ячейках оптического модулятора ПОМ, которые закодированы голограммой. Фокусирующий элемент 22 изображает источник LS света в плоскости ОР наблюдателя в нескольких порядках дифракции, из которых полезным является лишь один. Лучи, излученные источником LS света, в качестве примера проходят только через фокусирующий элемент 22 фокусирующего средства 2. На фиг.1 три луча показывают первый порядок 4 дифракции, нулевой порядок 5 и минус первый порядок 6.
В противоположность одному точечному источнику света линейный источник света позволяет получить значительно более высокую интенсивность освещенности. Использование нескольких голографических областей с уже увеличенной эффективностью и при назначении одного линейного источника света для каждой части 3D сцены, подлежащей восстановлению, улучшает эффективную интенсивность освещенности. Другое преимущество состоит в том, что вместо лазера достаточно когерентный свет создают множество традиционных источников света, которые располагаются, к примеру, позади щелевой диафрагмы, которая также может быть частью затвора.
1
3
L
R
L
R
Фиг.2 представляет собой вид сбоку, показывающий то же устройство с горизонтально размещенными линейными источниками LS-LS света и фокусирующим средством 2, включающим в себя цилиндрические линзы 21-23 для формирования почти коллимированных пучков, здесь для первого порядка 4 дифракции. Каждый почти коллимированный пучок освещает назначенную освещенную область R1, R2 или R3 поверхности оптического модулятора ПОМ. Протяженность каждой освещенной области R1-R3 показана белой стрелкой. Все почти коллимированные пучки сходятся в плоскости ОР наблюдателя для формирования по меньшей мере одного виртуального окна OW или OW для пары глаз наблюдателя. Окна OW, OW наблюдателя, которые расположены одно позади другого на виде сбоку на фиг.2, размещаются, например, в первом порядке 4 дифракции и простираются на часть своего интервала периодичности.
1
3
Источники LS-LS располагаются рядом с задним фокусом цилиндрических линз 21-23. Вместо показанного в этом примере первого порядка дифракции для реконструкции могут использоваться иные порядки дифракции в зависимости от режима кодирования используемого оптического модулятора ПОМ. К примеру, когда используется оптический модулятор ПОМ с фазовой модуляцией, возможно использовать нулевой порядок дифракции. Это обеспечивает более высокую яркость.
L
R
Как упомянуто выше, данный вариант осуществления использует оптический модулятор, кодированный голограммой с одним параллаксом. Это значит, что для восстановления 3D сцены информацией параллакса, оптический модулятор должен быть кодирован двумя голограммами, а дисплей должен обеспечивать два виртуальных окна OW и OW наблюдателя, разделенных дополнительным средством авто-стереоскопического разделения. Эти средства не являются объектом данного изобретения.
1
3
1
3
L
R
Линейные источники LS-LS света и цилиндрические линзы 21-23 размещены по отношению друг к другу так, что линзы проецируют свет источников LS-LS света в окна OW, OW наблюдателя, посредством чего все левые и правые реконструкции соответственно разделяются для левого и правого глаза с помощью средств разделения, не показано, которые были бы расположены один позади другого на этом виде сбоку. Все пучки осветительных блоков, дифрагированные оптическим модулятором ПОМ, сходятся в одном, к примеру, в первом порядке дифракции. В другом варианте осуществления в окне наблюдателя могут сходиться разные порядки дифракции света, излученного разными осветительными блоками устройства.
1
4
Фиг.3 представляет собой вид устройства сбоку, показывающий осветительные блоки, содержащие каждый линейные источники LS-LS. Линзы 21-24 вместе с цилиндрическими линзами дополнительных осветительных блоков, не показаны, образуют чечевицеобразную форму. Каждая из горизонтально выровненных цилиндрических линз 21-24 фокусирует свет соответствующих линейных источников
1
4
L
R
LS-LS света в вертикальном направлении, что дает голограмму, содержащую информацию о параллаксе только в вертикальном направлении. На этой фиг.3 реконструкция 12 сцены видна через два окна OW, OW наблюдателя, обеспечивая информацию о параллаксе для трехмерного режима.
Осветительные блоки обеспечивают пучки, каждый из которых освещает свою собственную область освещения видеоголограммы, которая кодируется в оптическом модуляторе ПОМ. Поэтому все эти пучки разделяют кодированную видеоголограмму на освещенные области R1-R4.
1
4
На фиг.3 освещенная область R4 восстанавливает соответствующую часть реконструкции 12. В месте, где сходятся пучки, реконструкция 12 может быть получена многими путями. 3D сцена либо восстанавливается из одной из освещенных областей R2, R3 или R4, либо совместно их частями. Однако нет разницы в ощущении, воспринимаемом наблюдателем. Как показано выше, все осветительные блоки устройства имеют одну и ту же структуру и размеры и тем самым проявляют сопоставимые свойства, и только положения источников LS-LS света по отдельности адаптируют в соответствии с положением глаза наблюдателя. Данное устройство можно изготовить очень легко.
L
Фиг.4 показывает функционирование изобретения более подробно. В противоположность традиционным голографическим дисплеям, согласно изобретению первая точка P1 объекта в трехмерной сцене кодируется только ячейками, размещенными внутри ограниченной области А1 оптического модулятора ПОМ. Помимо этого, фиг.4 показывает точки Р2 и Р3 объекта, расположенные на разных расстояниях и положениях до отслеживаемого виртуального окна OW или
R
OW наблюдателя. Положение каждой точки Р1-Р3 объекта определяет местоположение на поверхности оптического модулятора ПОМ, а расстояние определяет протяженность соответствующей ограниченной области Al, А2 или A3 на оптическом модуляторе ПОМ. Это означает, что каждая точка P1, Р2 и Р3 объекта имеет различную протяженность и местоположение соответствующей ограниченной области А1-A3. Согласно изобретению, ограниченные области Al-An всех точек Р1-Рn объекта должны быть восстановлены с помощью m освещенных областей Rl-Rm. В большинстве случаев число m освещенных областей намного меньше, чем число n точек объекта.
3
2
Область А1 очень мала и восстанавливает точку Р1 объекта посредством первого осветительного блока, составленного источником LS света и линзой 23 и обеспечивающего освещенную область R3. В противоположность этому область А2 имеет большую протяженность и располагается в двух освещенных областях R2 и R3, так что обе освещенные области R2 и R3 обеспечивают независимый вклад в реконструкцию точки Р2 объекта. Область A3 также весьма мала и восстанавливает точку Р3 объекта посредством только второго осветительного блока, составленного источником LS света и линзой 22.
В одном варианте осуществления данного изобретения интенсивности освещения отдельных осветительных блоков могут различаться в соответствии с конкретными параметрами кодированных значений каждой из соответствующих освещенных областей R1-R4.
Устройство согласно изобретению обеспечивает несколько предпочтительных комбинаций источников света и линз.
Двумерная осветительная матрица точечных источников и двумерная фокусирующая матрица линз с симметрией вращения предпочтительна для больших голограмм с полным параллаксом. Каждый точечный источник соответствует одной линзе. Каждый источник света должен освещать только единственную линзу матрицы линз, что облегчает разделение требуемой величины полного потока освещения на много источников света. Это уменьшает требования к интенсивности каждого источника света. Кроме того, матрица линз намного легче в изготовлении и менее объемна, чем одна большая линза с тем же самым фокусным расстоянием.
Осветительная матрица выровненных по вертикали линейных источников и фокусирующая матрица выровненных по вертикали цилиндрических линз используются для голограмм только с горизонтальным параллаксом. Выровненные по вертикали цилиндрические линзы фокусируют свет в горизонтальном направлении. В вертикальном направлении параллакса движения нет. Каждый линейный источник соответствует одной «чечевичке».
По сравнению с двумерной осветительной матрицей точечных источников и двумерной фокусирующей матрицей линз имеется преимущество в том, что «чечевица» легче в изготовлении, чем 2D матрица сферических линз. Кроме того, требования к интенсивности в линейном источнике света ниже, чем для точечного источника света: световой поток распределяется по линии, а не концентрируется в малом пятне.
Структура выровненных по горизонтали линейных источников света и матрица выровненных по горизонтали цилиндрических линз используется для описанных голограмм только с вертикальным параллаксом.
Как описано выше, эта комбинация источников света и «чечевичек» может быть далее объединена с оптическими элементами для традиционного авто-стереоскопического разделения изображений. На голограмму с вертикальным параллаксом с когерентным наложением волн в вертикальном направлении не влияет автостереоскопическое разделение изображений в горизонтальном направлении, и наоборот. Это приводит к комбинации голографического и авто-стереоскопического дисплея. Голографическая реконструкция в вертикальном направлении приемлема для приспосабливаемости глаз. Авто-стереоскопическое разделение изображений вместе с пространственным мультиплексированием создает различные перспективы для глаз наблюдателя.
Цветные голограммы могут создаваться с временным либо с пространственным мультиплексированием. Для временного мультиплексирования источники света R, G и В переключаются синхронно с соответствующим содержимым голограммы на ПОМ. Для пространственного мультиплексирования три голограммы R, G и В отображаются на чередующихся пикселах R, G и В, освещенных источником пространственно когерентного белого света или раздельными источниками R, G и В.
В варианте осуществления для цветового кодирования чередующиеся подпикселы RGB для трех основных цветов восстанавливают три отдельные части основных цветов 3D сцены из трех соответствующих частичных голограмм. Части основных цветов 3D сцены сходятся для образования цветной реконструкции для наблюдателя.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения матрица источников света, которая освещает матрицу линз, формируется устройством проецирования света. Такое устройство проецирования света предпочтительно реализуется посредством генерируемой компьютером голограммы, кодированной на пространственном оптическом модуляторе, который восстанавливает матрицу источников света.
Приложение I
Техническая основа
Нижеследующий раздел предназначен для пояснения нескольких ключевых методов, используемых в некоторых системах, которые воплощают настоящее изобретение.
В традиционной голографии наблюдатель может видеть голографическую реконструкцию объекта (который может быть изменяющейся сценой); расстояние от него до голограммы, однако, не имеет отношения к делу. Реконструкция (для одной типичной оптической системы) находится в или вблизи плоскости изображения источника света, освещающего голограмму и, следовательно, находится в плоскости Фурье голограммы. Поэтому реконструкция имеет такое же распределение света в дальней зоне, как и реальный объект, который восстанавливается.
Одна прежняя система, описанная заявителем в заявках WO 2006/044659 и US 2006/0055994, определяет весьма отличную структуру, в которой восстанавливаемый объект вовсе не находится ни в, ни вблизи плоскости Фурье источника света, освещающего голограмму. Вместо этого в плоскости Фурье голограммы находится зона виртуального окна наблюдателя; наблюдатель размещает свои глаза в этом месте, и только после этого он может видеть правильную реконструкцию. Голограмма кодируется на ЖКД или ином пространственном оптическом модуляторе и освещается так, что просмотровое окно становится преобразованием Фурье этой голограммы (следовательно, именно преобразование Фурье отображается непосредственно в глаза); затем восстановленный объект подвергается преобразованию Френеля для голограммы, поскольку он не находится в фокусной плоскости линзы. Вместо этого он определяется распределением света в ближней зоне (моделируемым с помощью сферических волновых фронтов в противоположность плоским волновым фронтам распределения в дальней зоне). Эта реконструкция может появляться где угодно между просмотровым окном в плоскости Фурье голограммы и ЖКД или даже позади ЖКД как виртуальный объект.
Исходя из этого подхода имеется несколько следствий. Во-первых, основополагающее ограничение, с которым сталкиваются разработчики голографических видеосистем, состоит в шаге пикселов оптического модулятора (ЖКД). Цель состоит в обеспечении больших голографических реконструкций с помощью ЖКД с шагами пикселов, которые коммерчески доступны по разумной цене. Но в прошлом это было невозможно по следующей причине. Интервал периодичности между смежными порядками дифракции в плоскости Фурье задается посредством λD/p, где λ - длина волны освещающего света, D - расстояние от голограммы до плоскости Фурье, а р - шаг пикселов в ЖКД. Но в традиционных топографических дисплеях восстановленный объект находится в плоскости Фурье. Следовательно, восстановленный объект должен быть меньше, чем интервал периодичности; если бы он был больше, то края бы расплывались в реконструкции из-за соседнего порядка дифракции. Это приводит к очень малым восстановленным объектам - как правило, только несколько сантиметров в поперечнике, даже с дорогостоящими специализированными дисплеями с малым шагом. Но при настоящем подходе просмотровое окно (которое, как отмечено выше, располагается в плоскости Фурье освещающего источника света) должно быть величиной с глазной зрачок. Как следствие, можно использовать даже ЖКД со средним размером шага. А поскольку восстанавливаемый объект может полностью попасть в усеченную пирамиду между просмотровым окном и голограммой, он может быть действительно очень большим, т.е. намного больше, чем интервал периодичности.
Имеется также и другое преимущество, разработанное в одном варианте системы. При вычислении голограммы кто-то начинает со своих знаний о восстанавливаемом объекте - к примеру, можно иметь файл 3D изображения гоночного автомобиля. Этот файл будет описывать, как должен быть виден объект из нескольких различных положений наблюдения. В традиционной голографии голограмма, которая должна создавать реконструкцию гоночного автомобиля, выделяется непосредственно из файла 3D изображения в вычислительно трудоемком процессе. Но подход с окном наблюдения обеспечивает другой и более эффективный в вычислительном отношении метод. Начиная с одной плоскости восстанавливаемого объекта, мы можем вычислить окно наблюдения, т.к. это является преобразованием Френеля объекта. Затем мы выполняем это для всех плоскостей объекта, суммируя результаты для получения суммарного преобразования Френеля; это определяет волновое поле по окну наблюдения. Далее мы вычисляем голограмму как преобразование Фурье данного окна наблюдения. Поскольку окно наблюдения содержит всю информацию об объекте, в голограмму должно быть преобразовано только окно наблюдения с единственной плоскостью, а не многоплоскостной объект. Это является особенным преимуществом, если имеется не единственный шаг преобразования от окна наблюдения до голограммы, а итеративное преобразование наподобие итеративного алгоритма преобразования Фурье. Каждый шаг итерации содержит только единственное преобразование Фурье окна наблюдения вместо одного для каждой плоскости объекта, что приводит к существенно сниженным вычислительным затратам.
Другое интересное следствие из подхода окна наблюдения состоит в том, что вся информация, необходимая для восстановления заданной точки объекта, содержится в относительно малой секции голограммы; это контрастирует с традиционными голограммами, в которых информация для восстановления заданной точки объекта распределена по всей голограмме. Поскольку нам нужно кодировать информацию в существенно меньшую секцию голограммы, это означает, что количество информации, которая нужна нам для обработки и кодирования, намного меньше, чем для традиционной голограммы. Это, в свою очередь, означает, что традиционные вычислительные устройства (к примеру, традиционный цифровой процессор сигналов со стоимостью и производительностью, пригодными для массового рыночного устройства) можно использовать даже для видеоголографии в реальном времени.
Имеются, однако, некоторые менее чем желательные следствия. Во-первых, важно расстояние просмотра от голограммы - голограмма кодируется и освещается таким образом, что только когда глаза располагаются в плоскости Фурье голограммы, видна правильная реконструкция, тогда как в обычных голограммах расстояние просмотра не важно. Имеются, однако, различные методы для снижения этой чувствительности по оси Z или разработки вокруг этого.
Кроме того, поскольку голограмма кодируется и освещается таким образом, что правильные голографические реконструкции можно видеть только из точного и малого положения наблюдения (т.е. точно определенная координата Z, как отмечено выше, но также и координаты X и Y), может понадобиться слежение за глазами. Как и в отношении чувствительности по оси Z, существуют различные методы снижения чувствительности по осям X, Y или разработки вокруг этого. Например, по мере уменьшения шага пикселов (как это будет в случае успехов в изготовлении ЖКД), размер окна наблюдения будет увеличиваться. Далее, более эффективные методы кодирования (подобно кодированию киноформы) облегчают использование более крупной части интервала периодичности в качестве окна наблюдения и, следовательно, увеличение окна наблюдения.
Вышеприведенное описание предполагает, что мы имеем дело с голограммами Фурье. Окно наблюдения находится в плоскости Фурье голограммы, т.е. в плоскости изображения источника света. В качестве преимущества, недифрагированный свет фокусируется в так называемое пятно DC. Этот метод можно также использовать для голограмм Френеля, где окно наблюдения не находится в плоскости изображения источника света. Однако необходимо следить за тем, чтобы недифрагированный свет не был виден как распределенный фон. Необходимо также заметить, что термин «преобразование» следует понимать как включающий в себя любой математический или вычислительный метод, который эквивалентен или приближается к преобразованию, которое описывает распространение света. Преобразования просто аппроксимируют физические процессы, более точно определяемые уравнениями Максвелла распространения волн; преобразования Фурье и Френеля представляют собой аппроксимации второго порядка, но имеют преимущество в том, что (а) поскольку они являются алгебраическими, а не дифференциальными, с ними можно обращаться более эффективным образом, и (б) их можно точно воплощать в оптических системах.
Приложение II
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ОПИСАНИИ
Генерируемая компьютером голограмма
Генерируемая компьютером видеоголограмма ГКГ согласно данному изобретению представляет собой голограмму, которая вычисляется из сцены. ГКГ может содержать комплексные числа, представляющие амплитуду и фазу световых волн, которые необходимы для восстановления сцены. ГКГ можно вычислять, к примеру, посредством прослеживания когерентного луча путем моделирования интерференции между сценой и опорной волной или с помощью преобразования Фурье или Френеля.
Кодирование
Кодирование представляет собой процедуру, в которой на пространственный оптический модулятор (к примеру, на составляющие его ячейки) подаются управляющие значения видеоголограммы. В общем, голограмма состоит из комплексных чисел, представляющих амплитуду и фазу. Обычно ПОМ не способен раздельно управлять амплитудой и фазой световой волны. ПОМ является либо амплитудно-, либо фазомодулирующим, зачастую с нежелательным побочным эффектом, влияющим на другое свойство. Поэтому кодирование зависит от типа модуляции. К примеру, для чисто амплитудно-модулирующего ПОМ можно использовать кодирование Буркхардта, в котором три смежные ячейки ПОМ и обходная фаза используются для представления одного комплексного числа с помощью трех положительных действительных значений. Для чисто фазомодулирующего ПОМ одно комплексное число может быть представлено двумя смежными ячейками.
Кодированная область
Кодированная область, как правило, представляет собой пространственно ограниченную область видеоголограммы, в которой кодирована информация голограммы об одной точке сцены. Пространственное ограничение может быть реализовано либо резким усечением, либо гладким переносом, осуществляемым посредством преобразования Фурье окна наблюдателя на видеоголограмму.
Преобразование Фурье
Преобразование Фурье используется для вычисления распространения света в дальней зоне пространственного оптического модулятора. Волновой фронт описывается плоскими волнами.
Плоскость Фурье
Плоскость Фурье содержит преобразование Фурье распределения света в пространственном оптическом модуляторе. Без фокусирующей линзы плоскость Фурье находится в бесконечности. Плоскость Фурье соответствует плоскости, содержащей изображение источника света, если фокусирующая линза находится на световом пути рядом с пространственным оптическим модулятором.
Преобразование Френеля
Преобразование Френеля используется для вычисления распространения света в ближней зоне пространственного оптического модулятора. Волновой фронт описывается сферическими волнами. Фазовый множитель световой волны содержит выражение, которое имеет квадратичную зависимость от поперечной координаты.
Усеченная пирамида
Виртуальная усеченная пирамида строится между окном наблюдателя и ПОМ и простирается позади ПОМ. Сцена восстанавливается внутри этой усеченной пирамиды. Размер восстановленной сцены ограничивается этой усеченной пирамидой, а не интервалом периодичности ПОМ.
Световое средство
Световое средство может состоять либо из источника когерентного света наподобие лазера, либо из источника частично когерентного света наподобие СД. Временная и пространственная когерентность источника частично когерентного света должна быть достаточной для получения хорошей реконструкции сцены, т.е. ширина спектральной линии и поперечная протяженность излучающей поверхности должны быть достаточно малы.
Окно наблюдателя (OW)
Окно наблюдателя представляет собой виртуальное окно в плоскости наблюдателя, через которое можно видеть восстановленный 3D объект. Окно наблюдателя представляет собой преобразование Фурье голограммы и располагается в пределах одного интервала периодичности, чтобы избежать того, что будут видимы множество реконструкций объекта. Размер OW должен быть равным по меньшей мере размеру глазного зрачка. OW может быть много меньше поперечного диапазона перемещения наблюдателя, если по меньшей мере одно OW позиционируется на глазах наблюдателя с помощью системы слежения за наблюдателем. Это облегчает использование ПОМ со средним разрешением и, следовательно, меньшим интервалом периодичности. OW можно представить как скважину, через которую можно видеть восстановленный 3D объект, либо одно OW для каждого глаза, либо одно OW для обоих глаз вместе.
Интервал периодичности
ГКГ дискретизирована, если она отображается на ПОМ, составленном из по отдельности адресуемых ячеек. Эта дискретизация приводит к периодическому повторению дифракционной картины. Интервал периодичности составляет λD/р, где λ - длина волны, D - расстояние от голограммы до плоскости Фурье, а р - шаг ячеек ПОМ.
Реконструкция
Освещаемый пространственный оптический модулятор, кодированный голограммой, восстанавливает исходное распределение света. Это распределение света использовалось для вычисления голограммы. В идеале наблюдатель был бы неспособен различить восстановленное распределение света от исходного распределения света. В большинстве голографических дисплеев восстанавливается распределение света сцены. В нашем же дисплее восстанавливается распределение света в окне наблюдателя.
Сцена
Сцена, которая должна быть восстановлена, представляет собой реальное или генерируемое компьютером трехмерное распределение света. В качестве специального случая это может быть также двумерное распределение света. Сцена может состоять из различных неподвижных или движущихся объектов, размещенных в пространстве.
Пространственный оптический модулятор (ПОМ)
ПОМ используется для модуляции волнового фронта падающего света. Идеальный ПОМ был бы способен представлять произвольные комплексные числа, т.е. раздельно управлять амплитудой и фазой световой волны. Однако типичный ПОМ управляет только одним параметром - либо амплитудой, либо фазой - с нежелательным побочным эффектом влияния на другой параметр.