ПРОЕКТОР И СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ СЦЕН
PROJECTOR AND TOPOGRAPHIC SCENE RECONSTRUCTION METHOD

Изобретение относится к проектору для голографического восстановления кадров-сцен, содержащему пространственный модулятор света, систему получения изображения, по меньшей мере, с двумя средствами получения изображения и осветительное устройство, по меньшей мере, с одним источником достаточно когерентного света для освещения кодированной в модуляторе света голограммы. Кроме того, изобретение относится к способу голографического восстановления кадров-сцен.
В известных трехмерных дисплеях или проекторах или способах используется, как правило, стереоэффект, причем создающий его свет отражается или излучается от плоскости. В голографии, напротив, свет, идущий от голограммы, интерферирует в объектных точках кадра-сцены, откуда он естественным образом распространяется. Голографические изображения реализуют замещение объекта. В противоположность этому стереоскопические изображения в неподвижном виде (Stills) или в подвижном виде в любых формах изображения не являются замещением объекта. Они создают для левого и правого глаз две плоские картины, соответствующие положениям глаз. Трехмерный эффект возникает за счет параллакса в обоих картинах. В случае голографического изображения отпадают известные из стереоскопии проблемы, такие как усталость или глазные или головные боли, поскольку отсутствует принципиальное отличие в рассмотрении голографических восстановленных и естественных кадров-сцен.
В голографии различают статические и динамические способы. При статической голографии для записи очень часто используются фотографические среды. При этом посредством опорного луча, на который накладывается несущий информацию об объекте световой луч, на фотографической среде записывается интерференционная картина. Эта статическая информация об объекте голографически восстанавливается аналогичным опорному лучу или одинаковьм с ним лучом. Однако, например, индустрия развлечений, а также медицинская и военная техника уже давно проявляют интерес к изображению подвижных кадров-сцен в реальном времени посредством динамической голографии из-за идеальных пространственных свойств. В большинстве случаев используются так называемые микродисплеи, используемые также в проекторах. Примерами микродисплеев являются LCoS (Liquid Crystal on Silicon - жидкий кристалл на силиконе), трансмиссивные ЖК-дисплеи или MEMS (Micro Electro Mechanical Systems - микроэлектромеханические системы). Поскольку их pixel-pitch, т.е. расстояние между центрами пикселей, мало по сравнению с другими дисплеями, достигается сравнительно большой угол дифракции. Существенный недостаток известных до сих пор методов динамической голографии с микродисплеями заключается в том, что размер восстановлений или восстановленного кадра значительно ограничен размером микродисплеев. Микродисплеи и аналогичные модуляторы света имеют размер несколько дюймов и, несмотря на относительно маленький питч, - все еще настолько малый угол дифракции, что рассмотрение обоими глазами почти невозможно. Например, очень маленький питч 5 мкм при длине волны λ=500 нм (сине-зеленый) создает угол дифракции около 0,1 рад. На удалении от глаз 50 см это дает латеральную протяженность 5 см, что мешает рассмотрению обоими глазами.
Для трехмерного изображения динамических голограмм, как правило, созданных на компьютере голограмм, в топографических восстанавливающих устройствах используются пропускающие и отражающие модуляторы света, основанные на таких технологиях, как TFT (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор), LCoS, MEMS, DMD (Digital Micromirror Device - цифровое микрозеркальное устройство), OASLM (Optically Addressed Spatial Light Modulator - оптически адресуемый пространственный модулятор света), EASLM (Electronically Addressed Spatial Light Modulator - электронно-адресуемый пространственный модулятор света), FLCD (Ferroelectric Liquid Crystal Display - ферроэлектрический ЖК-дисплей) и другие. Такие модуляторы света могут быть выполнены одно- или двухмерными. Причина использования отражающих модуляторов света заключается в их недорогом изготовлении, большом коэффициенте заполнения для высокой эффективности света, коротком времени включения и небольших световых потерях в результате поглощения по сравнению с пропускающими дисплеями. Однако приходится считаться с небольшими пространственными протяженностями.
Из WO 03/060612 известен отражающий ЖК-дисплей с разрешением около 12 мкм и степенью отражения до 90% для цветного изображения в реальном времени голограмм. Восстановление осуществляется коллимированным светом одного или нескольких светодиодов через полевую линзу. С этим разрешением рассмотрение на удалении около 1 м возможно только в пределах диапазона протяженности около 3 см, в результате чего восстановленный кадр нельзя рассматривать одновременно обоими глазами, т.е. трехмерно. Кроме того, из-за небольших размеров дисплея восстанавливаться могут лишь мелкие объекты.
В WO 02/095503 описан голографический трехмерный проектор, в котором для изображения голограмм использован DMD-чип. Несмотря на относительно высокое разрешение, высокую отражающую способность и малое время включения модулятора света здесь также по тем же причинам, что и в WO 03/060612, восстанавливаться могут лишь кадры малых размеров, которые могут рассматриваться в относительно малом диапазоне. Причина и здесь заключается в восстанавливающем пространстве, установленном размерами модулятора света и малым диапазоном рассмотрения. К тому же DMD-чипы из-за своей условной когерентности почти непригодны для топографических целей.
В WO 00/75699 описан топографический дисплей, восстанавливающий видеоголограмму с помощью частичных голограмм. Этот метод известен также под названием «тайлинг». При этом частичные голограммы, кодированные с помощью очень быстродействующего EASLM, последовательно отображаются в промежуточной плоскости, причем процесс протекает настолько быстро, что наблюдатель воспринимает восстановления всех частичных голограмм как одно восстановление одного трехмерного объекта. Для матричного расположения частичных голограмм в промежуточной плоскости служит специальная система освещения и отображения, например с шаттером, который управляется синхронно с EASLM и всегда пропускает только соответствующую частичную голограмму и, в частности, затемняет неиспользуемые порядки дифракции. Требования к динамическим свойствам используемого для изображения частичных голограмм пространственного модулятора света (ПМС) значительны, и плоская конструкция представляется почти невозможной.
Описанные выше известные решения имеют следующие существенные недостатки. Пространственная протяженность восстановления ограничена малой величиной используемых для изображения голограмм модуляторов света. Описанным в WO 00/75699 методом тайлинга возможно, правда, восстановление крупных кадров, однако только со значительной конструктивной глубиной. Из-за большего числа пикселей возрастают затраты на расчет голограммы и требования к скорости передачи данных, что затрудняет изображение в реальном времени. При последовательном тайлинге, как это известно из WO 00/75699, возникают повышенные требования к динамическим свойствам используемого ПМС.
Задача настоящего изобретения состоит в создании проектора для топографического восстановления двух- и трехмерных кадров, который устранял бы упомянутые недостатки уровня техники, восстанавливал и изображал бы в пределах большого восстанавливающего пространства кадры произвольной величины, что позволяет с небольшим числом оптических элементов просто, экономично и с высоким качеством восстанавливать пространственно протяженные подвижные кадры.
Эта задача решается посредством проектора для голографического восстановления кадров, причем освещенный достаточно когерентным светом модулятор света, содержащий кодированную голограмму, выполнен с возможностью отображения с оптическим увеличением.
Согласно изобретению проектор содержит предпочтительно помимо модулятора света и осветительного устройства для излучения достаточно когерентного света также систему получения изображения с первым и вторым средствами получения изображения. Модулятор света представляет собой пространственный модулятор света небольшой протяженности и называется поэтому ниже микро-ПМС. С помощью первого средства получения изображения микро-ПМС отображается на второе средство получения изображения в увеличенном виде, причем спектр пространственных частот (спектр Фурье) микро-ПМС отображается с помощью второго средства получения изображения в смотровое окно. Это окно является, таким образом, отображением используемого порядка дифракции плоскости Фурье голограммы. Чтобы первое средство получения изображения могло отображать весь микро-ПМС на второе средство получения изображения, все вклады нужного порядка дифракции должны регистрироваться первым средством получения изображения. Это происходит посредством фокусирования модулированного микро-ПМС света в плоскость первого средства получения изображения, в которой создается спектр пространственных частот. Для этого микро-ПМС может быть освещен волной, сходящейся в направлении света за микро-ПМС. В плоскости спектра пространственных частот находятся, следовательно, плоскость Фурье микро-ПМС и одновременно первое средство получения изображения. За счет второго средства получения изображения вместе со смотровым окном определяется восстанавливающее пространство в форме усеченного конуса, называемое также «frustrum». В нем восстановленный кадр, предпочтительно восстановленный трехмерный кадр, представляется одному или нескольким наблюдателям. Восстанавливающее пространство продолжается назад за пределы второго средства получения изображения произвольно далеко. Через смотровое окно наблюдатель может, тем самым, рассматривать восстановленный кадр в большом восстанавливающем пространстве. Под достаточно когерентным светом здесь понимается свет, способный интерферировать для изображения трехмерного кадра.
Такой проектор имеет, следовательно, лишь небольшое число оптических элементов для голографического восстановления. К качеству оптических элементов предъявляются небольшие требования по сравнению с известными оптическими структурами. Таким образом, обеспечивается недорогая, простая и компактная конструкция проектора, причем могут использоваться модуляторы света небольшого размера. Это могут быть, например, использовавшиеся прежде в проекторах микро-ПМС. Ограниченная величина микро-ПМС ограничивает также число пикселей. За счет этого время расчета голограммы можно значительно сократить, что, в свою очередь, приводит к возможности использования вычислительной техники.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что в плоскости, в которой имеет место спектр пространственных частот модулятора света, расположен фильтр пространственных частот.
Одно- или двухмерные голограммы, кодированные в пикселях на микро-ПМС, причем пиксели расположены в правильном порядке, создают в плоскости Фурье периодическое повторение спектра пространственных частот. Для подавления или исключения периодичности в этой плоскости предпочтительно располагать фильтр пространственных частот, в частности диафрагму, который пропускает только используемый порядок дифракции. Как правило, отдельные порядки дифракции перекрываются, так что диафрагма обрезает информацию или пропускает ненужную информацию. За счет фильтрования нижних частот изображенной на микро-ПМС информации отдельные порядки дифракции могут быть, однако, отделены друг от друга, в результате чего обрезание информации диафрагмой исключается. Диафрагму можно обобщить как фильтр пространственных частот, который отфильтровывает нужный порядок дифракции, блокирует ошибки квантования или другие ошибки микро-ПМС или модулирует поле волн другим подходящим образом, например для компенсации аберраций проектора. Это происходит, например, за счет того, что фильтр пространственных частот выполняет функцию асферической линзы.
Предпочтительно, кроме того, что уменьшение спектра пространственных частот до одного порядка дифракции и изображения этого порядка дифракции, а также диафрагмы в качестве смотрового окна предотвращают любые перекрестные искажения, которые обычно возникают при восстановлении с использованием матричных модуляторов света. Таким образом, мультиплексным методом без перекрестных искажений последовательно обслуживаются левый и правый глаза наблюдателя. Также мультиплексный метод для нескольких человек возможен только за счет этого.
Для модуляторов света, которые не содержат правильную пиксельную структуру, т.е. не вызывают сэмплинга, также плоскость Фурье не имеет периодичности. Тем самым, диафрагма может отпасть. Такими модуляторами света являются, например, OASLM.
В другом предпочтительном варианте для образования спектра пространственных частот может быть предусмотрено третье средство получения изображения, расположенное вблизи модулятора света.
Третье средство получения изображения создает спектр пространственных частот кодированной в микро-ПМС голограммы в своей фокальной плоскости в пространстве изображений. Использование третьего средства получения изображения особенно предпочтительно при коллимированном освещении, поскольку без этого средства получения изображения первое средство получения изображения достигается только светом с соответственно большим углом дифракции. Например, третье средство получения изображения может быть расположено до или после микро-ПМС. В соответствии с этим третье средство получения изображения фокусирует исходящий от микро-ПМС свет или исходящую волну в свою фокальную плоскость в пространстве изображений. Возможно также, чтобы от микро-ПМС исходила слегка сходящаяся волна, фокусирование которой усиливается за счет использования дополнительного средства получения изображения. Однако третье средство получения изображения при освещении сходящейся волной должно отсутствовать, поскольку предпочтительным образом падающая на микро-ПМС восстанавливающая волна может быть настроена таким образом, что она сходится приблизительно в плоскости первого средства получения изображения. Во всех случаях, однако, всегда возникает фокальная плоскость, плоскость Фурье микро-ПМС, в которой расположено также первое средство получения изображения.
Чтобы предоставить в распоряжение одного или нескольких наблюдателей смотровое окно в большом диапазоне, может быть предусмотрена система регистрации положения для определения положения глаз, по меньшей мере, одного наблюдателя при рассмотрении восстановленного кадра.
Система регистрации положения регистрирует положения глаз или зрачков одного или нескольких наблюдателей при рассмотрении восстановленного кадра. В соответствии с положением глаз наблюдателя кадр кодируется. После этого смотровое окно может наводиться в соответствии с новым положением глаз. В частности, предусмотрены пространственно-неподвижные изображения с соответствующим действительности изменением перспективы и изображения с преувеличенным изменением перспективы. Под этим следует понимать то, что изменение угла и положения кадра больше изменения утла и положения наблюдателя.
Для наведения, по меньшей мере, одного смотрового окна в соответствии с положением глаз наблюдателя в проекторе предусмотрен, по меньшей мере, один отклоняющий элемент. Такими отклоняющими элементами могут быть механические, электрические или оптические элементы.
Отклоняющий элемент может быть расположен, например, в плоскости первого отображающего средства получения изображения в виде управляемого оптического элемента, который, как призма, виртуально смещает спектр. Возможно также расположение отклоняющего элемента вблизи второго средства получения изображения. Этот отклоняющий элемент действует тогда как призма и опционально как линза. За счет этого достигается латеральное и опционально осевое наведение смотрового окна. Это расположение отклоняющего элемента вблизи второго средства получения изображения особенно предпочтительно, поскольку вся система получения изображения от источника света до второго средства получения изображения статична. Это значит, что ход лучей до второго средства получения изображения остается всегда постоянным. Во-первых, это минимизирует требования к этой части оптической системы, поскольку входное отверстие первого и второго средств получения изображения может поддерживаться минимальным. Иначе при смещении микро-ПМС или его изображения с целью наведения смотрового окна входное отверстие первого и второго средств получения изображения должно было бы увеличиваться. Это значительно снижает требования ко второму средству получения изображения. Во-вторых, эта статическая часть оптической системы может оптимально корректироваться по своему качеству изображения. В-третьих, изображение микро-ПМС на втором средстве получения изображения не смещается. За счет этого, например, положение восстановления двухмерного кадра на втором средстве получения изображения не зависит от положения наблюдателя.
Задача решается, согласно изобретению, посредством способа голографического восстановления кадров, при котором на первом этапе в плоскости первого средства получения изображения возникает спектр пространственных частот в виде фурье-образа кодированной голограммы, после чего на втором этапе первое средство получения изображения отображает модулятор света в плоскость второго средства получения изображения, причем второе средство получения изображения отображает спектр пространственных частот из плоскости первого средства получения изображения, по меньшей мере, в одно смотровое окно плоскости рассмотрения, в результате чего восстановленный кадр в образованном вторым средством получения изображения и смотровым окном восстанавливающем пространстве представляется, по меньшей мере, одному наблюдателю в увеличенном виде, а за счет увеличенного изображения модулятора света восстанавливающее пространство расширяется по своей величине.
Согласно изобретению для восстановления кадра когерентным или достаточно когерентным освещением на первом этапе в плоскости первого средства получения изображения образуют спектр пространственных частот в виде фурье-образа кодированной в модуляторе света, здесь микро-ПМС, голограммы. На втором этапе получают изображение микро-ПМС отображают с помощью первого средства получения изображения в плоскости второго средства получения изображения, в результате чего микро-ПМС увеличивается. Изображение микро-ПМС на втором средстве получения изображения означает, что микро-ПМС может быть получено также в непосредственной близости от второго средства получения изображения. После получения увеличенного изображения микро-ПМС на третьем этапе происходит получения изображения спектра пространственных частот из плоскости первого средства получения изображения вторым средством получения изображения в плоскости рассмотрения, в которой образуется смотровое окно. Восстанавливающее пространство, которое образовано смотровым окном и вторым средством получения изображения и в котором восстановленный кадр представляется одному или нескольким наблюдателям в увеличенном виде, выполнено в соответствии с этим также увеличенным. Следует обратить внимание на то, что восстанавливающее пространство не ограничено вторым средством получения изображения и смотровым окном, а простирается назад за пределы второго средства получения изображения.
Способом, согласно изобретению, можно, тем самым, одновременно или последовательно представить для рассмотрения двух- и/или трехмерные кадры высокого качества в увеличенном виде в большом восстанавливающем пространстве. В случае смешанных двух/трехмерных изображений предпочтительно поместить плоскость двухмерного изображения внутри трехмерного кадра. Для чисто двухмерного изображения его плоскость может быть помещена предпочтительно во второе средство получения изображения. В этой плоскости появляется тогда увеличенное изображение микро-ПМС, кодируемого в этом случае двухмерным изображением. Предпочтительно двухмерное изображение может быть подвинуто к наблюдателю или отодвинуто от него.
В одном предпочтительном варианте способа может быть предусмотрено, что аберрации средств получения изображения при расчете голограммы учитываются и компенсируются модулятором света.
Аберрации приводят к искажениям в частотном спектре и изображениях, которые ухудшают качество восстановления. За счет расположения первого средства получения изображения в плоскости Фурье микро-ПМС достигается то, что фокусирование вызывает минимальную латеральную протяженность первого средства получения изображения для изображения. Этим можно уменьшить аберрации первого средства получения изображения. Кроме того, следует обеспечить, чтобы первое средство получения изображения получало изображение микро-ПМС полностью и при своей подсветке однородно на втором средстве получения изображения в увеличенном виде. За счет микро-ПМС можно компенсировать также аберрации второго и, при случае, дополнительных средств получения изображения. Возникающие в случае аберраций фазовые погрешности легко корректируются за счет соответствующего дополнительного фазового хода.
Точно так же возможно, чтобы фильтр пространственных частот компенсировал аберрации используемых в проекторе средств получения изображения.
Другие варианты осуществления изобретения приведены в остальных зависимых пунктах формулы. Ниже принцип изобретения поясняется на примерах его осуществления, более подробно описанных с помощью чертежей. При этом принцип изобретения описан с помощью топографического восстановления монохроматическим светом. Объект изобретения применим, однако, и для цветных топографический восстановлений, о чем в примере его осуществления говорится более подробно.
На чертежах изображены:
- фиг.1: принципиальная схема проектора для топографического восстановления кадров с системой получения изображения;
- фиг.2: фрагмент проектора из фиг.1 при попадании наклонной плоской волны на модулятор света;
- фиг.3: фрагмент проектора из фиг.1 при попадании сходящейся волны на модулятор света;
- фиг.4: другой вариант проектора с отражающим модулятором света и светоделительным элементом;
- фиг.5: отклоняющий элемент в проекторе для наведения смотрового окна;
- фиг.6: другая возможность наведения смотрового окна в проекторе;
- фиг.7: другой вариант проектора с вогнутым зеркалом в качестве второго средства получения изображения;
- фиг.8: проектор при рассмотрении отдельной восстановленной точки кадра.
На фиг.1 изображена принципиальная схема проектора, причем система получения изображения 3 отображает осветительное устройство 1, здесь точечный источник света, в плоскости 6 рассмотрения. Система получения изображения 3 содержит первое 4 и второе 5 средства получения изображения. Источник 1 создает когерентный или достаточно когерентный свет, необходимый для топографического восстановления кадра. В качестве источника 1 света можно использовать лазеры, светодиоды или другие источники света, причем можно быть осуществлять также фильтрование цвета.
С помощью фиг.1 описан принцип действия проектора. Излученная источником 1 света волна преобразуется посредством коллиматорной линзы L в плоскую волну 7.
Идущая от источника 1 света и после прохождения через коллиматорную линзу L считающаяся плоской волна 7 падает вертикально на пропускающий пространственный модулятор 8 света с правильно расположенными пикселями, который изображает кодированную динамическую голограмму 2, например компьютерно-синтезированную голограмму, причем фронт плоской волны 7 в эквидистантных местах модулируется в пространственном модуляторе 8 света в нужный фронт. Пространственный модулятор 8 света не имеет протяженности и называется поэтому ниже микро-ПМС.
В направлении луча за микро-ПМС 8 расположено третье средство 9 получения изображения. Это третье средство 9 получения изображения, здесь линза, которая в случае пропускающего пространственного микро-ПМС 8 может быть расположена также перед ним, создает при освещении плоской волной 7 в своей фокальной плоскости 10 в пространстве изображений спектр пространственных частот в виде фурье-образа кодированной в микро-ПМС 8 информации. Спектр пространственных частот можно назвать также спектр Фурье. При освещении микро-ПМС 8 неплоскими сходящимися или расходящимися волнами фокальная плоскость 10 смещается вдоль оптической оси 11.
При освещении микро-ПМС 8 плоской волной и отсутствии третьего средства 9 получения изображения в проекторе второе средство 5 получения изображения могло бы быть достигнуто только светом с соответствующим большим утлом дифракции.
Первое средство 4 получения изображения расположено в непосредственной близости от фокальной плоскости 10 третьего средства 9 получения изображения. Это первое средство 4 получения изображения отображает микро-ПМС 8 в плоскости 12 на втором средстве 5 получения изображения или в непосредственной близости от него в увеличенном виде. Второе средство 5 получения изображения представляет собой здесь линзу, которая по сравнению с другими средствами 4, 9 получения изображения выполнена существенно большей, чтобы восстановить в восстанавливающем пространстве (frustrum) 14 максимально большой кадр 13. При получении изображения микро-ПМС 8 в плоскости 12 одновременно с помощью второго средства получения изображения в плоскости 6 рассмотрения получено изображение его спектра пространственных частот. Таким образом, возникает виртуальное смотровое окно 15, которое физически отсутствует и чья протяженность изображения соответствует периоду спектра пространственных частот. Наблюдатель или наблюдатели могут рассматривать восстановленный кадр 13 через смотровое окно 15. Восстановление кадра 13 происходит в восстанавливающем пространстве 14 в форме усеченной пирамиды, которое образовано между краями смотрового окна 15 и вторым средством получения изображения 5. Восстанавливающее пространство 14 может, однако, простираться также произвольно далеко назад за пределы второго средства 5 получения изображения.
За счет эквидистантного сканирования информации посредством предполагаемого матричным микро-ПМС 8 он создает в фокальной плоскости 10 третьего средства 9 получения изображения в периодическом продолжении несколько порядков дифракции. Это периодическое повторение имеет интервал периодичности в фокальной плоскости 10, величина которого обратна питчу микро-ПМС 8. Питч соответствует при этом расстоянию между местами сканирования в микро-ПМС 8. Второе средство 5 получения изображения получает при этом изображение периодического распределения в фокальной плоскости 10 в плоскости 6 рассмотрения. Наблюдатель в пределах порядка дифракции в плоскости 6 рассмотрения видел бы восстановленный кадр 13 одним глазом, правда, без искажений, однако другой его глаз одновременно воспринимал бы более высокие порядки дифракции как искажения.
Для организованных в виде матрицы пространственных модуляторов света, имеющих небольшое разрешение, а именно питч >>λ (длина восстанавливающей волны), угол периодичности можно описать в приближении (λ/питч). При длине волны λ=500 нм и питче 10 мкм в микро-ПМС 8 был бы достигнут угол дифракции около ±1/20 рад. Этому углу при фокусном расстоянии 20 мм третьего средства 9 получения изображения соответствует латеральная протяженность интервала периодичности около 1 мм.
Для подавления периодичности в фокальной плоскости 10 за первым средством 4 получения изображения расположена диафрагма 16, которая пропускает только один интервал периодичности или только нужный порядок дифракции. Диафрагма действует в этом случае в качестве фильтра низких, высоких частот или полосового фильтра. Изображение диафрагмы 16 получается вторым средством 5 получения изображения в плоскости 6 рассмотрения и формирует там смотровое окно 15. Преимущество наличия диафрагмы 16 в проекторе заключается в том, что это предотвращает перекрестные искажения других периодов на другой глаз или глаза другого наблюдателя. Предпосылкой этого является, однако, ограниченный по полосе спектр пространственных частот микро-ПМС 8.
В случае пространственных модуляторов света, не имеющих периодичности в фокальной плоскости 10, например OASLM, использовать диафрагму 16 не требуется.
Часто пространственные модуляторы света имеют матричную организацию. Спектр пространственных частот в фокальной плоскости 10 продолжается, следовательно, периодически. С другой стороны, как правило, трехмерный кадр будет требовать кодирования голограммы 2 на микро-ПМС 8, чей спектр пространственных частот больше, чем интервал периодичности в фокальной плоскости 10. Это приводит тогда к наложениям порядков дифракции. Диафрагма 16 в этой фокальной плоскости 10 отрезала бы тогда несущую информацию часть используемого порядка дифракции, а с другой стороны, пропускала бы более высокие порядки дифракции. Для подавления этих эффектов можно за счет предварительного фильтрования ограничить трехмерный кадр в спектре пространственных частот фокальной плоскости 10. Предварительное фильтрование или ограничение ширины полосы учитывается уже при расчете голограммы 2 и вводится в расчет. Таким образом, ограниченные по полосе порядки дифракции отделяются друг от друга. Диафрагма 16 блокирует тогда более высокие порядки дифракции, не ограничивая выбранный порядок дифракции. Обусловленные перекрестные искажения на другой глаз или глаза другого наблюдателя подавляются или предотвращаются.
Диафрагма 16 может быть расширена также в фильтр пространственных частот. Этот фильтр является комплексно-значимым модулирующим элементом, который изменяет падающую волну по ее амплитуде и/или фазе. Таким образом, фильтр пространственных частот помимо отделения порядков дифракции выполняет также другие функции, например подавление аберраций третьего средства 9 получения изображения.
При движении глаз наблюдателя или наблюдателей в проекторе для наведения смотрового окна 15 имеется система 17 регистрации положения, которая регистрирует актуальное положение глаз наблюдателя при рассмотрении восстановленного кадра 13. Эта информация используется для наведения смотрового окна 15 подходящими средствами. Кодирование голограммы 2 на микро-ПМС 8 может быть согласовано с актуальным положением глаз. Восстановленный кадр 13 перекодируется при этом так, что в зависимости от положения наблюдателя смещается горизонтально и/или вертикально и/или становится видимым при повороте на угол. В частности, предусмотрены пространственно-неподвижные изображения с соответствующим действительности изменением перспективы и изображения с преувеличенным изменением перспективы. Под последним понимается то, что изменение угла и положения объекта больше, чем изменение угла и положения наблюдателя. Для наведения смотрового окна 15 в соответствии с положением глаз проектор содержит отклоняющий элемент (не показан), который подробно изображен на фиг.5.
При низком разрешении микро-ПМС 8 смотровое окно 15 не допускает одновременного рассмотрения восстановленного кадра 13 обоими глазами. Другой глаз наблюдателя может тогда последовательно управляться в другом смотровом окне или одновременно в параллельном ходе лучей. При достаточно высоком разрешении микро-ПМС 8 за счет пространственного мультиплексирования голограммы могут кодироваться на микро-ПМС для правого и левого глаз.
При использовании одномерных пространственных модуляторов света может происходить только одномерное восстановление. Если одномерный пространственный модулятор света ориентирован вертикально, то восстановление будет происходить также только вертикально. У этих вертикально кодированных голограмм спектр пространственных частот пространственного модулятора света имеет в фокальной плоскости 10 только в вертикальном направлении периодическое повторение волны. Покидающая одномерный пространственный модулятор света световая волна соответственно расширяется в горизонтальном направлении. Поэтому при использовании одномерных пространственных модуляторов света за счет дополнительных фокусирующих оптических элементов, например цилиндрических линз, следует произвести фокусирование перпендикулярно направлению восстановления.
На фиг.2 изображен фрагмент проектора из фиг.1. Этот фрагмент показывает микро-ПМС 8 со средствами 4, 9 получения изображения и диафрагмой 16. Вместо вертикально падающей на микро-ПМС 8 плоской волны 7, как на фиг.1, в этом примере используется наклонный плоский волновой фронт 18. Это предпочтительно, в частности, тогда, когда в голограмме 2 используется Detour фазовое кодирование. В случае такого кодирования, т.е. с чисто амплитудной голограммой, наклонная волна падает на соседние пикселя с требуемыми фазами. Например, при подходящем выборе наклона волнового фронта все три пикселя совпадают по своим фазам (Burckhardt-кодирование). Три пикселя кодируют тогда одно комплексное значение каждый. При использовании Detour фазового кодирования, за исключением используемых большей частью 1-го или -1-го порядка дифракции, все другие порядки дифракции блокируются.
Если это не так, то центр нулевого порядка дифракции смещается в фокальной плоскости 10 перпендикулярно оси 11, как это обозначено штриховыми краевыми лучами. Первое средство 4 получения изображения и диафрагма 16 располагаются так, что 1-й или -1-й порядок дифракции пропускаются, как это обозначено сплошными краевыми лучами.
На фиг.3 также изображен фрагмент проектора из фиг.1, причем для восстановления вместо вертикально падающей плоской волны используется сходящаяся волна 19. В случае сходящегося освещения третье средство 9 получения изображения может отпасть, если сходящаяся волна 19 настраивается так, что в ее фокусе расположено первое средство 4 получения изображения, а в фокальной плоскости 10 возникает спектр пространственных частот кодированной на микро-ПМС 8 голограммы 2. При изменении сходимости падающей волны точка сходимости соответственно смещается вдоль оптической оси 11.
На фиг.4 изображен другой вариант проектора с отражающим микро-ПМС 8 и светоделительным элементом 20. Последний расположен между третьим 9 и первым 4 средствами получения изображения. Светоделительный элемент 20 может представлять собой простой или дихроичный светоделительный кубик, полупрозрачное зеркало или иное средство ввода лучей.
Поскольку в этом примере микро-ПМС 8 является отражающим микро-ПМС и, тем самым, за счет отражения свету приходится проходить двойной путь, кодирование голограммы 2 должно быть соответственно согласовано. Ввод световой волны 7 через дихроичный светоделитель особенно предпочтителен при последовательном восстановлении кадра 13 в трех основных цветах RGB (красный-зеленый-синий). Три источника света для отдельных основных цветов в этом примере не показаны. Восстановление кадра происходит так, как это описано со ссылкой на фиг.1. Особое преимущество последовательного восстановления заключается в идентичном ходе оптических лучей. Только кодирование должно быть согласовано с восстановлением с разными длинами λ волн.
Усовершенствование этого примера может заключаться в том, что для каждого из трех основных цветов RGB создается отдельный канал, который содержит источник света в определенном основном цвете, микро-ПМС 8, средства 4, 9 получения изображения, диафрагму 16 или фильтр пространственных частот. Также здесь в случае сходящихся волн освещения третье средство 9 получения изображения может отпасть. Для комбинации каналов также могут использоваться светоделительные элементы. Например, для одновременного цветного восстановления кадра 13 может быть предусмотрен светоделительный элемент, состоящий из четырех приставленных друг к другу отдельных призм, между которыми находятся дихроичные слои с разными, зависимыми от длины волны, пропусканием и отражением. На трех боковых гранях вводится свет канала одного основного цвета, выходящий с наложением на четвертой боковой грани. Этот комбинированный из трех основных цветов свет попадает затем ко второму средству 5 получения изображения для восстановления цветного кадра.
Возможны также параллельные расположения трех каналов. При этом второе средство 5 получения изображения может использоваться для всех трех каналов сообща. Таким образом, цветное восстановление кадра происходит одновременно.
Далее можно предусмотреть для каждого глаза наблюдателя один канал. При этом каждый канал также содержит монохроматический источник света одного основного цвета, микро-ПМС 8, средства 4, 9 получения изображения и диафрагму 16. Второе средство 5 получения изображения также может использоваться здесь для обоих каналов сообща. Оба канала получают при этом изображение своих смотровых окон на глазах наблюдателя.
Возможно также канализование для каждого глаза наблюдателя, причем каждый канал содержит три канала в соответствии с тремя основными цветами RGB.
При всех упомянутых возможностях цветного восстановления следует обратить внимание на то, что относящиеся к трем основным цветам восстановления совпадают.
Также в описанных примерах при движении наблюдателя смотровое окно 15 может наводиться в соответствии с положением глаз. На фиг.5 изображена принципиальная схема наведения смотрового окна 15. Для осуществления наведения смотрового окна 15 по стрелке в плоскости 6 рассмотрения световые лучи за фокальной плоскостью 10 отклоняются посредством отклоняющего элемента 21, здесь зеркального барабана. В качестве отклоняющих элементов 21 могут использоваться механические отклоняющие элементы, такие как зеркальные барабаны, гальванозеркала, призмы, или оптические отклоняющие элементы, такие как управляемые решетки или другие дифракционные элементы.
Особенно предпочтительным является наведение смотрового окна 15 на фиг.6. Здесь отклоняющий элемент 21 выполняет функцию управляемой призмы. Отклоняющий элемент 21 расположен вблизи второго средства 5 получения изображения, т.е. в направлении лучей до или после него, или интегрирован во второе средство 5 получения изображения. Этот отклоняющий элемент 21 помимо действия призмы опционально имеет еще действие линзы. За счет этого достигается латеральное и опционально осевое наведение смотрового окна 15.
Такой отклоняющий элемент 21 с функцией призмы может быть изготовлен, например, за счет того, что заполненные двоякопреломляющими жидкими кристаллами призматические элементы помещают в подложку из прозрачного материала или они окружены подложкой с отличным от элементов показателем преломления. Угол, на который световой луч отклоняется одним из этих элементов, зависит от соотношения показателей преломления материала подложки и жидкого кристалла. С помощью приложенного к этим элементам электрического поля управляют ориентацией жидких кристаллов и, тем самым, эффективным показателем преломления. Таким образом, с помощью электрического поля можно управлять углом отклонения и, тем самым, наводить смотровое окно 15.
Можно наводить смотровое окно 15 также за счет смещения источника 1 света перпендикулярно оптической оси 11. Первое средство 4 получения изображения и диафрагма 16 должны быть при этом смещены в соответствии с новым положением фокуса в фокальной плоскости 10. Также здесь вокруг фокуса в фокальной плоскости 10 расположен нулевой порядок дифракции микро-ПМС 8.
На фиг.7 изображен другой вариант проектора с вогнутым зеркалом 22 вместо показанной на фиг.1 линзы в качестве второго средства 5 получения изображения. Принцип восстановления соответствует фиг.1. Однако здесь первое средство 4 получения изображения получает изображение микро-ПМС 8 не в плоскости 12, а в плоскости 23 на зеркале 22 или в непосредственной близости от него. За счет отражения волны от зеркала 22 смотровое окно 15 образуется в соответствии с этим отражением. В соответствии с этим восстанавливающее пространство 14, в котором рассматривается восстановленный кадр 13, образуется между смотровым окном 15 и зеркалом 22. Как уже сказано, восстанавливающее пространство 14 может простираться назад произвольно далеко за пределы зеркала 22. Таким образом, возникает компактный проектор. Другое преимущество использования вогнутого зеркала 22 заключается в лучше достигаемой безаберрационности, более простом изготовлении и в небольшом весе в противоположность использованию линзы.
Особым преимуществом является использование плоского фокусирующего зеркала в качестве средства 5 получения изображения. Это средство 5 получения изображения может быть выполнено в виде топографического оптического элемента (НОЕ) или дифракционного оптического элемента (DOE). Средство 5 получения изображения имеет фазовый узор, который после отражения заставляет сходиться восстанавливающую волну в смотровое окно 15. Выполненное в виде НОЕ или DOE средство 5 получения изображения выполняет, тем самым, ту же функцию, что и вогнутое зеркало 22. Преимущество НОЕ или DOE заключается в плоском выполнении и рентабельном изготовлении. Такие зеркала могут изготавливаться известными способами, например интерферометрически, литографически, тиснением, отформовыванием и последующей закалкой, экструдированием, или иным образом. Они состоят из фотоматериала или резиста, полимеров, металла, стекла или других подложек. Кроме того, они могут иметь отражающие слои на рельефе.
На фиг.8 проектор из фиг.1 изображен при рассмотрении восстановленной точки 24 кадра 13. Относительно большое второе средство 5 получения изображения в противоположность обоим средствам 4, 9 получения изображения должно быть безаберрационным только на маленьких участках. Для лучшего понимания рассматривается только одна восстановленная точка 24 кадра 13, которая состоит из множества точек. Точка 24 видна только в пределах смотрового окна 15. Окно 15 в качестве изображения выбранного порядка дифракции от плоскости 10 служит окном, через которое наблюдатель может рассматривать восстановленный кадр 13. Чтобы не возникало наложений из более высоких порядков дифракции, уже было описано ограниченное по полосе пропускания кодирование голограммы 2. Оно обеспечивает, что порядки дифракции в плоскости 10 не перекрываются. То же относится к изображению в плоскости 6 рассмотрения. Каждая точка восстановленного кадра 13 создается только одной частью микро-ПМС 8 на втором средстве 5 получения изображения. Соответствующая проекция краевых лучей смотрового окна 15 через точку 24 на второе средство 5 получения изображения наглядно показывает маленький участок средства 5 получения изображения, способствующий восстановлению точки 24. Это значит, что такой участок ограничен для каждой отдельной точки кадра на средстве 5 получения изображения. Эти участки малы по сравнению с протяженным вторым отображающим средством 5 получения изображения. Требования к когерентности относятся поэтому только к этим маленьким участкам, в частности соблюдение требования к достаточно малому искажению волнового фронта << λ/10. Только для этих маленьких участков изображение должно быть высокого когерентного качества, причем следует учитывать все точки кадра 13. Предельно низкого искажения волнового фронта по всему средству 5 получения изображения, таким образом, не требуется. Тем самым, требования ко второму средству 5 получения изображения в самой значительной степени ограничены соблюдением геометрической формы.
Кроме того, в проекторе микро-ПМС 8 используется не только для восстановления очень больших двух- и трехмерных кадров 13, образуемых смотровым окном 15 в восстанавливающем пространстве 14, но и одновременно предпочтительно также для корректировок оптических средств 4, 5, 9 получения изображения. Для голографического восстановления должны использоваться безаберрационные средства получения изображения. Примеры корректировок аберраций описаны ниже. Аберрации третьего средства 9 получения изображения выражаются в фазовых погрешностях, на которые волновой фронт отличается от идеальной волны. Для голограммы без кодированной информации, у которого плоская волна покидает микро-ПМС 8, волна должна быть фокусирована с ограничением дифракции в плоскости 10, в которой для подавления нежелательных порядков дифракции и для других функций, таких как корректировка аберраций, расположены первое средство 4 получения изображения и фильтр 16 пространственных частот в качестве диафрагмы.
Аберрации приводят, однако, к смазыванию упомянутого выше фокусирования и, тем самым, к помехам в спектре пространственных частот, которые влияют на качество восстановления. Эти фазовые погрешности легко корректируются посредством соответствующего дополнительного фазового сдвига. Другое средство корректировки третьего средства 9 получения изображения уже было описано в связи с функцией фильтра пространственных частот.
Сильно увеличенное изображение микро-ПМС 8 за счет первого средства 4 получения изображения на втором средстве 5 получения изображения связано, как правило, с аберрациями. Увеличивающая оптика для средства 4 получения изображения представляет собой, как правило, проекционную оптику, используемую в проекционных телевизорах. Резкость изображения является важным критерием, так что уже в значительной степени подавляются сферические аберрации, а также кома и астигматизм этой оптики. Хотя остаточная дисторсия и кривизна поля изображения для наблюдателя таких приборов в проекции допускаются, эти аберрации в данном топографическом проекторе создают значительные искажения при восстановлении. Дисторсия первого средства 4 получения изображения означает латеральное геометрическое отклонение увеличенного изображения микро-ПМС 8 на втором средстве 5 получения изображения. Идущие от средства 5 получения изображения волны больше не сходятся тогда в заданном положении восстановленной точки объекта, а смещаются.
Серьезным дефектом изображения является кривизна поля изображения при изображении микро-ПМС 8 на втором средстве 5 получения изображения. Кривизна поля изображения означает, в первую очередь, что требуемые фазовые значения на средстве 5 получения изображения искажаются, а это выражается в трехмерном искажении, т.е. латерально и аксиально. Оба эффекта, т.е. кривизна поля изображения и дисторсия, а также кома и астигматизм могут, в принципе, поддерживаться на низком уровне за счет соответствующего дизайна и небольших производственных допусков первого средства 4 получения изображения, однако только с повышенными затратами. Предпочтительно фазовое искажение из-за кривизны поля изображения в проекторе компенсируется за счет микро-ПМС 8. Эти фазовые погрешности корректируются за счет дополнительного фазового сдвига. Точно так же кома и астигматизм могут быть уменьшены за счет кодирования. Дисторсию можно компенсировать, например, за счет выбора пикселей микро-ПМС 8, когда значения голограммы кодируются по выявленным с учетом дисторсии положениям пикселей. Аналогичным образом в соответствии с первым средством 4 получения изображения за счет микро-ПМС 8 компенсируются также аберрации второго средства 5 получения изображения.
Отклонения идущих от второго средства 5 получения изображения волн должны лежать, как правило, намного ниже λ/10. Это также требует значительных затрат. С помощью упомянутой возможности корректировки можно, тем самым, просто за счет соответствующего кодирования корректировать также аберрации в отношении второго средства 5 получения изображения.
За счет микро-ПМС 8 можно уменьшить или компенсировать, в принципе, любые аберрации средств 4, 5, 9 получения изображения. Аберрации определяются подходящим образом перед восстановлением. Вычисленные фазовые погрешности корректируются за счет соответствующего дополнительного фазового сдвига микро-ПМС 8.
Предложенный в изобретении проектор позволяет использовать пространственные модуляторы света небольшой протяженности для восстановления и рассмотрения двух- или трехмерных кадров. Наблюдатель или наблюдатели могут двигаться при рассмотрении восстановленного кадра в плоскости 6 рассмотрения. Двух- и трехмерные кадры могут изображаться одновременно или последовательно. Кроме того, проектор состоит из имеющихся на рынке оптических элементов с относительно низкими требованиями к точности изготовления и аберрациям. Во-первых, средства 4, 5 получения изображения корректируются за счет микро-ПМС 8 и, во-вторых, требуют лишь небольшого искажения волнового фронта на маленьком участке большого средства 5 получения изображения.
В частном случае чисто двухмерного изображения, как в современном телевидении, проекция происходит вблизи средства 5 получения изображения или на нем. Голограмма 2 рассчитывается с возможностью восстановления двухмерного кадра в плоскости 12 или 23 второго средства 5 получения изображения. Кроме того, наблюдатель может аксиально смещать плоскость, в которой происходит восстановление двухмерного кадра, при ее рассмотрении за счет нового расчета голограммы 2. Это значит, что изображение может быть приближено к наблюдателю или удалено от него. Точно так же могут выделяться детали, чтобы наблюдатель мог точнее рассмотреть их. Эти действия могут осуществляться интерактивно самим наблюдателем.
Возможными областями применения голографического проектора могут быть дисплеи для создания двух- и/или трехмерного изображения в быту и на производстве, например для компьютеров, телевизоров, электронных игр, в автомобильной промышленности для отображения информации или для развлечения, в медицинской технике, здесь, в частности, для минимально-инвазивной хирургии, или для пространственного изображения томографических данных или же в военной технике для изображения профилей местностей. Само собой, предложенный в изобретении проектор может использоваться также в других, не названных здесь, областях.