ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
OPTICAL DEVICE FOR FORMING HOLOGRAPHIC IMAGES

Заявляемое изобретение относится к области формирования и обработки цифровых изображений, в частности к конструированию портативных устройств для отображения и наблюдения динамических и статических голограмм.
Известны различные конструкции портативных устройств, обеспечивающих возможность генерации и отображения динамических и статических голограмм, синтезированных с помощью компьютера и формируемых на матричном пространственном модуляторе света, освещаемом опорной волной когерентного излучения определенной формы. При этом световые волны дифрагируют на матричной структуре модулятора и позволяют восстанавливать волновой фронт, содержащий информацию о трехмерном изображении. Такие устройства используют для формирования цифровых изображений типа голограмм, представленных в цифровом виде на пространственном модуляторе света, для дальнейшего наблюдения восстановленных голографических изображений, которые с помощью оптической системы, содержащей голографические и дифракционные элементы, в том числе полупрозрачные, совмещаются с реальными объектами в поле зрения устройства. Важной характеристикой таких устройств является компактность оптической системы устройства и возможность использования планарной компоновки устройства.
В патенте США №8220966 [1] предложено устройство отображения изображений, которое включает в себя матрицу для формирования изображения, оптическую систему, коллимирующую свет от формирующего изображения устройства, и оптическое устройство, обеспечивающее ввод, направление по световоду и вывод параллельных световых лучей (см. Фиг.1). Оптическое устройство включает в себя световодную пластину, первый оптический элемент, отражающий или дифрагирующий свет таким образом, чтобы полностью направлять свет внутрь световода и второй оптический элемент, позволяющий выводить излучение из световода.
Патентная заявка США №2010/0157400 [2] относится к голографическому просветному дисплею на основе световода, который содержит микродисплей, способный формировать изображения. Изображение с микродисплея направляется на голографическую линзу, способную принимать и передавать излучение, содержащее информацию об исходном изображении с микродисплея. Голографическая линза сопряжения переносит изображение внутри световода, распространяющееся на основе явления полного внутреннего отражения, и передает свет в виде изображения на вход глазной голографической линзы с записанной решеткой (см. Фиг.2).
Техническое решение, описанное в патенте США №8213755 [3] выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. В указанной заявке описано устройство виртуального дисплея с оптическим световодом для переноса световых пучков параллельных лучей, распространяющихся с помощью явления полного внутреннего отражения в световоде. Первый голографический элемент отражательного типа с записанной объемной решеткой приводит к дифракции и преломлению поступающих на него параллельных пучков лучей, направлению их в световод под разными углами и распространению излучения внутри световода на основе явления полного внутреннего отражения. Второй отражательный голографический элемент с записанной объемной решеткой выводит излучение из волновода (Фиг.3).
Схемы перечисленных решений содержат микродисплей, формирующий пространственное распределение света в предметной плоскости и световод с голографическими и оптическими элементами, передающими изображение через световод в глаз наблюдателя. Схема с использованием голографического дисплея, в отличие от известных схем, основана на восстановлении и передаче волнового фронта, закодированного с помощью пространственного модулятора с сохранением информации об амплитуде и фазе волны. Благодаря этим особенностям голографического процесса, такое устройство позволит восстановить волновой фронт, аналогичный волновому фронту, идущему от реальных объектов. Это позволяет сформировать объемную сцену со свойством эффекта оглядывания голограммы, т.е. изменения ракурса наблюдения изображения при изменении положении глаза или направления взгляда по поверхности голограммы, при котором изменяются ракурсы, и возможности аккомодации глаза на различные точки изображения, совмещения плоскости аккомодации и плоскости конвергенции глаз.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение восстановления трехмерного изображения предмета, синтезированного с помощью программно-аппаратных средств, наблюдение которых глазом должно быть идентично наблюдению реальных объемных объектов.
Технический результат достигается за счет разработки
усовершенствованной конструкции оптического устройства для формирования и наблюдения динамических и статических трехмерных изображений типа голограмм, содержащего, по меньшей мере, один лазерный источник излучения, по меньшей мере, один световод, и голографические оптические элементы, расположенные на поверхности световода, отличающегося тем, что дополнительно содержит:
по меньшей мере, один пространственный модулятор света, выполненный с возможностью формирования цифровой голограммы; и
по меньшей мере, одно устройство, совмещающее в себе цифровую схему электронного управления пространственным модулятором света и интерфейсный блок;
при этом указанные элементы расположены вдоль хода распространения излучения от источника излучения так, что пространственный модулятор света располагается на световоде после голографического оптического элемента, выполненного с возможностью ввода излучения в световод, и до голографического оптического элемента, выполненного с возможностью вывода излучения из световода.
Заявляемое решение основано на использовании усовершенствованной оптической системы с голографическими и дифракционными элементами и пространственного модулятора света, формирующего голографическое изображение.
Это происходит благодаря способности голограмм восстанавливать реальные волновые фронты, наблюдение которых не противоречит естественному наблюдению реальных объектов.
При этом к числу преимуществ предложенного изобретения можно отнести:
- возможность значительного уменьшения числа оптических элементов за счет их замены на голографические оптические элементы;
- использование планарных интегрированных оптических элементов;
- жесткая конструкция всего устройства;
- плоский дизайн всего устройства.
Согласно одному из вариантов используемый в заявляемом устройстве световод представляет собой оптическую среду для переноса светового излучения и выполнен в виде плоскопараллельной пластины или пластины с поверхностями, образующие которых имеют кривизну.
Согласно одному из вариантов используемый в заявляемом
устройстве пространственный модулятор света выполнен с возможностью осуществления пространственно-временного преобразования пучка с выводом компьютерно-синтезированной голограммы, восстанавливающей требуемое трехмерное изображение на выходе устройства.
Согласно одному из вариантов используемые в заявляемом
устройстве голографические оптические элементы предназначены для ввода в световод излучения, поступающего от источника когерентного излучения и преобразования формы и направления распространения волнового фронта внутри световода с целью однородного освещения и создания вида волнового фронта, оптимального для освещения пространственного модулятора света и восстановления голограммы на пространственном модуляторе света.
Согласно одному из вариантов в указанном оптическом
устройстве изображения типа голограмм формируют посредством пространственно-временной модуляции волнового фронта модулятором света и явлений дифракции и интерференции на дискретной структуре модулятора с последующим их наложением с реальными объектами, находящимися в поле зрения системы.
Согласно одному из вариантов указанный световод выполнен из
оптически прозрачного материала с более высоким показателем преломления, чем окружающая среда, и предназначен для передачи оптического излучения на основе явления полного внутреннего отражения.
Согласно одному из вариантов указанное устройство электронного
управления пространственным модулятором света и интерфейсного блока выполняет функции сопряжения оптического устройства с внешними источниками информации, и позволяет выводить компьютерно-синтезированные голограммы, рассчитанные с помощью математических преобразований в пространственно-временной области от требуемого трехмерного изображения, формируемого на выходе системы.
Согласно одному из вариантов указанная голограмма,
формируемая на выходе из устройства, рассматривается глазом, при этом для вывода излучения из световода используется, по меньшей мере, один голографический оптический элемент.
Согласно одному из вариантов указанный голографический
оптический элемент представляет собой просветную голограмму, нанесенную на первую по отношению к глазу наблюдателя поверхность световода,
Согласно одному из вариантов указанный голографический
оптический элемент представляет собой отражательную голограмму, нанесенную на вторую по отношению к глазу наблюдателя поверхность световода.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света представляет собой модулятор просветного типа, расположенный на стеклянной пластине.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света представляет собой модулятор отражательного типа.
Согласно одному из вариантов лазерный источник,
расположенный со стороны глаза, облучает, по меньшей мере, один голографический оптический элемент отражательного типа, расположенный на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода и необходимый для ввода излучения внутрь световода, изменения направления распространения световой волны и преобразования формы пучка.
Согласно одному из вариантов лазерный источник,
расположенный со второй стороны световода по отношению к глазу наблюдателя, облучает, по меньшей мере, один голографический оптический элемент отражательного типа, расположенный на первой по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода и необходимый для ввода излучения внутрь световода, изменения направления распространения световой волны и преобразования формы пучка.
Согласно одному из вариантов лазерный источник,
расположенный со стороны глаза, облучает, по меньшей мере, один голографический оптический элемент просветного типа, расположенный на первой поверхности световода по отношению к глазу наблюдателя, и необходимый для ввода излучения внутрь световода, изменения направления распространения световой волны и преобразования формы пучка.
Согласно одному из вариантов лазерный источник,
расположенный с внешней стороны световода, облучает, по меньшей мере, один голографический оптический элемент просветного типа, расположенный на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода и необходимый для ввода излучения внутрь световода, изменения направления распространения световой волны и преобразования формы пучка.
Согласно одному из вариантов излучение от лазерного источника
до входа в световод преобразуется с помощью расширителя пучка.
Согласно одному из вариантов излучение после взаимодействия с
голографическим оптическим элементом направляется внутрь световода и взаимодействует, по меньшей мере, с одним голографическим оптическим элементом отражательного типа, расположенным на поверхности световода, предназначенным для преобразования формы пучка с целью однородного освещения и создания вида волнового фронта, оптимального для освещения пространственного модулятора света и восстановления голограммы на пространственном модуляторе света.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света отражательного типа располагается на первой по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света отражательного типа располагается на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света отражательного типа располагается на первой по отношению к глазу поверхности световода вместе с голографическим оптическим элементом просветного типа, изменяющим направление и форму светового пучка после отражения от модулятора.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света отражательного типа располагается на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода вместе с голографическим оптическим элементом просветного типа, изменяющим направление и форму светового пучка после отражения от модулятора.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света отражательного типа располагается на торцевой поверхности световода.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света пропускающего типа располагается между световодом и плоскопараллельной пластиной на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света пропускающего типа располагается между световодом и плоскопараллельной пластиной на первой по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света пропускающего типа располагается между световодом и плоскопараллельной пластиной на первой по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода вместе с голографическим оптическим элементом просветного типа, изменяющим направление и форму светового пучка после прохождения через модулятор.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света пропускающего типа располагается между световодом и плоскопараллельной пластиной на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода вместе с голографическим оптическим элементом просветного типа, изменяющим направление и форму светового пучка после прохождения через модулятор.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света пропускающего типа располагается на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода между двумя голографическими оптическими элементами просветного типа, изменяющими направление и форму светового пучка до и после прохождения через модулятор.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света пропускающего типа располагается на первой по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода между двумя голографическими оптическими элементами просветного типа, изменяющими направление и форму светового пучка до и после прохождения через модулятор.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света пропускающего типа располагается на первой по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода между световодом и голографическим оптическим элементом просветного типа, изменяющим направление и форму светового пучка до прохождения через модулятор.
Согласно одному из вариантов указанный пространственный
модулятор света пропускающего типа располагается на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода между световодом и голографическим оптическим элементом просветного типа, изменяющим направление и форму светового пучка до прохождения через модулятор.
Согласно одному из вариантов, по меньшей мере, один
голографический оптический элемент просветного типа, предназначенный для вывода излучения из световода, расположен на первой по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода.
Согласно одному из вариантов, по меньшей мере, один голографический оптический элемент отражательного типа, предназначенный для вывода излучения из световода, расположен на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода.
Новизна предложенного изобретения заключается в использовании интегральной схемы с применением голографических оптических элементов
и пространственного модулятора света, для формирования голографических изображений, совмещенных с реальными объектами в поле зрения устройства.
Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов.
Фиг.1. Уровень техники.
Фиг.2. Уровень техники.
Фиг.3. Уровень техники.
Фиг.4. Устройство с голографическими и дифракционными оптическими элементами для формирования голографических изображений, совмещенных с реальными объектами в поле зрения устройства на основе пространственного модулятора отражательного типа, где:
1 - блок осветительной системы;
2 - блок пространственного модулятора света;
3 - блок наблюдения голограммы;
10 - световодная пластина;
20 - лазерный источник когерентного излучения;
22 - глаз;
23 - угловая величина изображения;
30 - пространственный модулятор отражательного типа;
40 - голографический оптический элемент отражательного типа, выполняющий преобразование и ввод излучения в волновод;
60 - голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий вывод излучения из волновода.
Фиг.5. Устройство с голографическими и дифракционными оптическими элементами для формирования голографических изображений, совмещенных с реальными объектами в поле зрения устройства на основе пространственного модулятора просветного типа,
где:
1 - блок осветительной системы;
2 - блок пространственного модулятора света;
3 - блок наблюдения голограммы;
10 - световодная пластина;
11 - стеклянная пластина;
20 - лазерный источник когерентного излучения;
22 - глаз;
23 - угловая величина изображения;
31 - пространственный модулятор просветного типа;
41 - голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий преобразование и ввод излучения в волновод;
60 - голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий вывод излучения из волновода.
Фиг.6. Оптическая система для освещения пространственного модулятора света, где:
10 - световодная пластина;
20 - лазерный источник когерентного излучения;
40 - голографический оптический элемент отражательного типа, выполняющий преобразование и ввод излучения в волновод;
41 - голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий преобразование и ввод излучения в волновод.
Фиг.7. Оптическая система для освещения пространственного модулятора света, где:
10 - световодная пластина;
21 - лазерный источник когерентного излучения;
25 - расширитель пучка;
44 - голографический оптический элемент отражательного типа, выполняющий ввод излучения в волновод;
45 - голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий ввод излучения в волновод.
Фиг.8. Оптическая система для освещения пространственного модулятора света, где:
10 - световодная пластина;
21 - лазерный источник когерентного излучения;
42 - голографический оптический элемент отражательного типа, выполняющий преобразование и ввод излучения в волновод;
43 - голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий преобразование и ввод излучения в волновод;
46 - голографический оптический элемент отражательного типа, выполняющий преобразование волнового фронта.
Фиг.9. Расположение пространственного модулятора света отражательного типа на поверхности световода, где:
10 - световодная пластина;
30 - пространственный модулятор отражательного типа;
50, 51 - вспомогательные голографические оптические элементы просветного типа, преобразующие волновой фронт после отражения от пространственного модулятора отражательного типа.
Фиг.10. Расположение пространственного модулятора света просветного типа на поверхности световода, где:
10 - световодная пластина;
11 - стеклянная пластина;
31 - пространственный модулятор просветного типа;
52 - вспомогательный голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий ввод излучения в пространственный модулятор просветного типа;
53 - вспомогательный голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий вывод излучения из пространственного модулятора просветного типа.
Фиг.11. Расположение на световоде голографического оптического элемента визуального канала, где:
10 - световодная пластина;
23 - угловая величина изображения;
60 - голографический оптический элемент просветного типа, выполняющий вывод излучения из волновода;
61 - голографический оптический элемент отражательного типа, выполняющий вывод излучения из волновода.
Принципиальная схема предлагаемого устройства с голографическими и дифракционными оптическими элементами для формирования голографических изображений состоит из (Фиг.4) блока 1 осветительной системы, блока 2 пространственного модулятора света, блока 3 наблюдения голограммы с помощью глаза 22. Заявляемое устройство включает в себя, по меньшей мере, один лазерный источник 20 когерентного излучения, по меньшей мере, один пространственный модулятор 30 света отражательного типа, по меньшей мере, один световод 10 с размещенными на нем дифракционными и голографическими оптическими элементами 40, 46, выполненный из оптически прозрачного материала с более высоким показателем преломления, чем окружающая среда, предназначенный для передачи оптического излучения по световоду на основе явления полного внутреннего отражения. Блок 1 осветительной системы содержит световод 10 с расположенным на нем, по меньшей мере, одним голографическим оптическим элементом 40 отражательного типа, обеспечивающим ввод в световод 10 излучения, поступающего от источника 20 когерентного излучения, и преобразование формы и направления распространения волнового фронта внутри световода с целью однородного освещения и создания вида волнового фронта, оптимального для освещения пространственного модулятора 30 света и восстановления голограммы. Блок 2 пространственного модулятора света, содержит световод 10, пространственный модулятор 30 света с цифровой схемой управления, формирующий голограмму посредством пространственно-временной модуляции падающего на него волнового фронта и явлений дифракции и интерференции на дискретной структуре модулятора. Устройство электронного управления пространственным модулятором света и интерфейсного блока для сопряжения оптического устройства с внешними источниками информации выполнено с возможностью вывода компьютерно-синтезированной голограммы восстанавливающей трехмерное изображение на выходе устройства. Система наблюдения голограммы 3, состоит из световода 10 с расположенным на нем, по крайней мере, одним голографическим оптическим элементом 60 пропускающего типа, служащим для изменения направления распространения световой волны, преобразования формы пучка, нарушения полного внутреннего отражения на границе контакта со световодом, вывода излучения из световода и направления излучения в глаз 22 наблюдателя. Такая оптическая схема формирует объемные изображения угловой величины 23 с последующим их наложением с реальными объектами, находящимися в поле зрения системы.
Согласно одному из вариантов настоящего изобретения (Фиг.5), пространственный модулятор представляет собой модулятор 31 просветного типа, расположенный между световодной пластиной 10 и стеклянной пластиной 11. При этом на стеклянной пластине 11 располагается голографический оптический элемент 41 для ввода излучения внутрь пластины и освещения пространственного модулятора 31.
Оптическая система для освещения пространственного модулятора света (Фиг.6) может быть реализована в нескольких модификациях. Согласно одному из вариантов (Фиг.6.1), голографический оптический элемент 40 отражательного типа, располагается на первой, ближней к глазу, поверхности световода 10, а лазерный источник 20 когерентного излучения располагается с противоположной стороны и освещает голографический элемент через световод 10. На (Фиг.6.2) показан вариант с голографическим оптическим элементом 40 отражательного типа, где голограмма закреплена на второй по отношению к глазу поверхности световода 10, которую освещает лазерный источник 20 со стороны глаза. Голографический оптический элемент 41 просветного типа используется в варианте с расположением на первой (Фиг.6.3) и на второй по отношению к глазу поверхностях световода 10 (Фиг.6.4).
В одном из вариантов настоящего изобретения для расширения диаметра пучка на входе в световод 10 используется расширитель 25 пучка, например, афокальная оптическая система (Фиг.7). На (Фиг.7.1 и 7.2) показаны схемы с голографическим элементом 44 отражательного типа, в которых лазер 21 и расширитель 25 располагаются с одной из сторон световода 10. На (Фиг.7.3 и 7.4) показаны схемы с голографическим элементом 45 просветного типа, в которых лазер 21 и расширитель 25 располагаются с одной из сторон световода 10.
Согласно одному из вариантов настоящего изобретения (Фиг.8), в оптической системе для освещения пространственного модулятора света используется световод 10 с голографическими оптическими элементами 42 и 46 отражательного типа, расположенными по одну строну световода 10, расширяющими размер пучка лазерного излучения (Фиг.8.1). Согласно второму варианту, в оптической системе для освещения пространственного модулятора света используется световод 10 с голографическими оптическими элементами 43 просветного и 46 отражательного типов, расположенными по одну строну световода 10, расширяющими размер пучка лазерного излучения (Фиг.8.2). Согласно третьему варианту, в оптической системе для освещения пространственного модулятора света используется световод 10 с голографическими оптическими элементами 42 и 46 отражательного типа, расположенные по разные стороны световода 10, расширяющими размер пучка лазерного излучения (Фиг.8.3). Согласно четвертому варианту, в оптической системе для освещения пространственного модулятора света используется световод 10 с голографическими оптическими элементами 43 просветного и 46 отражательного типов, расположенными по разные стороны световода 10, расширяющими размер пучка лазерного излучения (Фиг.8.4).
Согласно одному из вариантов (Фиг.9), возможно одиночное расположение пространственного модулятора света 30 отражательного типа на поверхности световода (Фиг.9.1) на одной из сторон световода 10. Также возможно расположение пространственного модулятора света 30 совместно с голографическим оптическим элементом 50 или 51 на первой (Фиг.9.2) или на второй по отношению к глазу поверхности (Фиг.9.3) световода. Согласно еще одному из вариантов, пространственный модулятор света 30 устанавливается на торцевой поверхности световода (Фиг.9.4).
Согласно одному из вариантов (Фиг.10), возможно одиночное расположение пространственного модулятора 31 света просветного типа, размещенного между световодом 10 (Фиг.10.1) и стеклянной пластиной 11 на одной из сторон световода. Возможно также расположение пространственного модулятора света 31 просветного типа совместно с просветными голографическими оптическими элементами 52 и 53 на второй (Фиг.10.2) или на первой по отношению к глазу поверхности световода (Фиг.10.3).
Согласно одному из вариантов, расположение на световоде голографического оптического элемента визуального канала осуществляется на первой по отношению к глазу поверхности световода 10 с помощью голографического оптического элемента 60 просветного типа (Фиг.11.1) или на второй по отношению к глазу поверхности световода с помощью голографического оптического элемента 61 отражательного типа (Фиг.11.2).
Заявленное устройство может быть использовано в:
- Очках, шлемах и дисплеях виртуальной реальности;
- Дисплеях мобильных устройств;
- 3D очках;
- Голографических устройствах отображения информации;
- Иных голографических устройствах.