ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ОБЪЕМНЫЙ ДИСПЛЕЙ

Заявляемое в качестве полезной модели устройство относится к области технической физики и может быть использовано для визуализации динамических объемных трехмерных объектов и сцен на голограмме, в частности при проектировании сложных конструкций в различных отраслях промышленности, при воспроизведении изображений различных сканирующих установок в медицине, в динамической рекламе и т.д.
Системы воспроизведения в реальном объеме пространства имеют, как правило, электромеханические устройства развертки (например, вращающиеся экраны) [1, 2]. Главная проблема при создании как плоского, так и объемного лазерного изображения - очень большое количество точек и высокая скорость развертки при применении растрового способа формирования изображения. В настоящее время появились проекционные системы с высокой скоростью развертки и методы модуляции и управления оптическим пучком с высоким качеством разрешения. Если рассматривать лазерные проекционные системы, то здесь произошло существенное продвижение.
Сканирование лазерным лучом с высокой скоростью и эффективностью обеспечивают как зеркальные системы так и акустооптические системы (частоты сканирования до десятков мегагерц), но при этом обязательно задается жесткий закон развертки луча (чаще линейно изменяющийся по строкам и кадру) с формированием плоского растра. При этом само изображение формируется амплитудной модуляцией луча или отклонением малых парциальных лучей в микромеханических параллельных зеркальных системах, то есть дополнительным блоком, который непроизводительно гасит энергию луча и собственно сам обязательно вносит дополнительные потери по свету.
Существуют зеркальные и акустооптические системы управления угловым положением лазерного луча по двум взаимно перпендикулярным координатам Х и Y. Отличие зеркальных систем в том, что они создают изображение или голограмму изображения в плоскости, а затем проекционный объектив переносит изображение в дальнюю зону. При этом резкость изображения обеспечивается в относительно небольшом объеме визуализации [3], в связи с чем требуется несколько слоев LCD транспарантов в качестве объема визуализации.
Наиболее близким к заявляемому устройству по конструкции является устройство для формирования трехмерных изображений, описанное в патенте Российской Федерации №2103752, Кл. G 09, G 3/06, которое выбрано в качестве прототипа. В этом устройстве используются два лазера, два акустооптических дефлектора и два оптических затвора с системой зеркал для воспроизведения на электромеханическом вращающемся визуализаторе непрозрачных объемных изображений. При этом используется не жесткая развертка по двум координатам, а управление угловым положением луча в пространстве осуществляется на основе акустооптического двухкоординатного дефлектора. Третья координата образуется по закону жесткой развертки вращающимися экранами. Оптические затворы формируют яркость точек, гася энергию лучей лазеров. Два канала в этом устройстве формируют две половины изображения на непрозрачных пластинах вращающегося визуализатора. Недостатком данного патента является то, что качество воспроизведения трехмерных изображений в устройстве невысоко из-за наличия вибраций и шумов используемого электромеханического визуализатора.
Задачей заявляемого изобретения является повышение качества воспроизводимого объемного изображения путем увеличения количества разрешимых точек и устранения вибраций и шумов при его воспроизведении из-за применения электромеханического визуализатора.
Указанная задача решается за счет того, что голографический проекционный лазерный объемный дисплей, содержащий два идентичных оптических канала, каждый из которых включает в себя расположенные на одной оптической оси лазер, оптический затвор, двухкоординатный акустооптический дефлектор, управляющий компьютер, электрически связанный с двумя формирователями радиосигналов модуляции и синхронизации акустооптических дефлекторов, выходы которых электрически связаны со входами модуляции двухкоординатных акустооптических дефлекторов в каждом из оптических каналов, дополнительно содержит еще два таких же идентичных оптических канала, причем в каждый из оптических каналов введены расположенные на одной оптической оси оптически связанный с дефлектором оптический объектив, оптически связанный с объективом растр микролинз, оптически связанную с растром микролинз голограмму светящейся точки, причем четыре голограммы светящейся точки пространственно расположены так, что образуют боковые стороны куба; в устройство также дополнительно введены два формирователя радиосигналов модуляции и синхронизации акустооптических дефлекторов, каждый из которых содержит по два канала формирования радиосигнала по координатам Х и Y, и включает в себя цифровые блоки формирования выборок радиосигнала и последовательно соединенные с ними усилители-фильтры радиосигнала по осям Х и Y соответственно, причем входы каждого их формирователей радиосигналов модуляции и синхронизации акустооптических дефлекторов, являющихся одновременно входами соответствующего цифрового блока формирования выборок радиосигнала, электрически связаны с управляющим компьютером, а выходы каждого из усилителей-фильтров радиосигнала, являющихся одновременно выходами формирователей радиосигналов модуляции и синхронизации акустооптических дефлекторов, электрически связаны со входами модуляции двухкоординатного акустооптического дефлектора по соответствующей координате в каждом из дополнительно введенном оптическом канале, при этом в устройство дополнительно введен также генератор импульсов, выход которого электрически связан со входами синхронизации всех цифровых блоков формирования
выборок радиосигнала формирователей радиосигналов модуляции и синхронизации акустооптических дефлекторов, а также - с электрическими входами электрооптических затворов всех оптических каналов.
Сущность решения задачи заключается в замене электромеханического визуализатора на базе вращающихся лопастей четырьмя неподвижными голограммами светящейся точки, образующими боковые стороны куба.
Для этого в устройстве к имеющимся двум оптическим каналам, проецирующим изображение на визуализатор, добавлены еще два таких же оптических канала. В каждом канале компьютером формируется своя видимая в широких углах часть объемного изображения, которая в виде выборок радиосигнала модулирует два канала акустооптического дефлектора. Лазерный луч в каждом канале дифрагирует на возбуждаемых акустических волнах и, после пространственного преобразования Фурье, проецирует на растр микролинз линию объемного изображения. После микролинз образуются отдельные референсные лучи, которые попадают на голограмму светящейся точки под своими углами и со своими радиусами волновых фронтов и формируют построчно свою часть объемного изображения, так что при выборе любого углового положения и любой из четырех голограмм видно неискаженное объемное изображение под выбранным ракурсом. Для повышения числа разрешимых точек в каждом оптическом канале используется акустооптический дефлектор. На один канал дефлектора подается радиосигнал, возбуждающий акустическую волну, в виде суммы синусоидальных гармоник, при этом каждая гармоника образует на голограмме светящуюся точку со своей амплитудой, определяющей яркость, а также со своей частотой, определяющей координату точки по оси Х и девиацией частоты, заданной по квадратичному закону, определяющей глубину залегания точки Z. На второй канал дефлектора подается сумма синусоидальных гармоник одной частоты, определяющей положение линии точек по оси Y и со своими девиациями частот, определяющими положение точек по глубине Z.
При кодировании учитываются точки в объемном изображении, образующие периметры объектов сцены, видимые в углах до 100 градусов. Это позволяет сделать гибкая развертка по всем трем координатам, то есть повышается качество объемного изображения, поскольку количество подсвеченных точек периметров объектов в определенных углах, как правило, не превосходит количества точек в плоских изображениях.
Радиосигнал вызывает движущуюся акустическую волну в акустооптическом дефлекторе, поэтому для замораживания волны в системе используется оптический затвор. При помещении такого затвора в резонатор лазера происходит накопление энергии между оптическими импульсами, что улучшает эффективность лазера.
При этом радиосигнал, формирующий линию объемного изображения, с помощью специального генератора импульсов синхронизирован с оптическими импульсами.
Таким образом, заявляемое устройство голографического проекционного лазерного объемного дисплея, осуществляет объемное воспроизведение изображения в реальном объеме пространства лучшего качества за счет увеличения количества разрешимых точек, а также за счет устранения вибраций и шумов при его воспроизведении из-за применения электромеханического визуализатора. При этом сцену можно оглядывать с различных углов.
В связи с этим заявляемое устройство может использоваться при проектировании сложных конструкций в любой отрасли промышленности, при воспроизведение изображений различных сканирующих установок в медицине, в динамической рекламе и т.д.
На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого устройства голографического проекционного лазерного объемного дисплея.
На фиг.2 представлен рисунок, поясняющий принцип формирования объемного изображения заявляемым устройством.
Заявляемое устройство голографического проекционного лазерного объемного дисплея (фиг.1) состоит из следующих блоков и элементов.
Блок 1 состоит из четырех идентичных источников когерентного света (лазеров), оптически связанных с одним из четырех идентичных оптических каналов. Каждый из четырех идентичных блоков модуляции лучей (2, 3, 4, 5 соответственно), входящий в состав соответствующего оптического канала, содержит лежащие на одной оптической оси электрооптический затвор 6, канал акустооптического дефлектора 7 модуляции луча по координате X, канал акустооптического дефлектора 8 модуляции луча по координате Y, оптический объектив 9. Каждый из четырех оптических каналов состоит из блока модуляции лучей (2, 3, 4, 5 соответственно), оптически связанного с ним растра микролинзы (10, 11, 12, 13 соответственно), который в свою очередь оптически связан с голограммой светящейся точки (14, 15, 16, 17 соответственно), причем четыре идентичные голограммы светящейся точки пространственно расположены так, что образуют боковые стороны куба.
Управляющий компьютер 18 электрически соединен с четырьмя идентичными формирователями 19, 20, 21, 22 радиосигналов модуляции и синхронизации акустооптических дефлекторов, являющимися двухканальными. Каждый из указанных четырех формирователей радиосигналов в одном канале содержит цифровой блок 23 формирования выборок радиосигнала по оси Х и последовательно соединенный с ним усилитель-фильтр 24 радиосигнала по оси X, а в другом канале - цифровой блок 25 формирования выборок радиосигнала по оси Y и последовательно соединенный с ним усилитель-фильтр 26 радиосигнала по оси Y, причем входы цифровых блоков 23, 25, являющиеся одновременно входами соответствующих формирователей радиосигналов модуляции 19-22, электрически соединены с выходами управляющего компьютера 18, а выходы усилителей-фильтров радиосигналов 24, 26, являющиеся одновременно выходами соответствующих формирователей радиосигналов модуляции 19-22, электрически соединены со входами акустооптических дефлекторов 7, 8 модуляции луча по координатам Х и Y соответственно оптических блоков модуляции лучей 2-5.
Генератора импульсов 27 своими выходом электрически соединен со входом оптического затвора 6 каждого из оптических блоков модуляции 2-5, а также электрически - со входами синхронизации цифровых блоков 23, 25 формирования выборок радиосигналов по оси Х и Y соответственно каждого из четырех двухканальных формирователей радиосигналов модуляции 19-22.
Заявляемое устройство голографического проекционного лазерного объемного дисплея (фиг.1) работает следующим образом.
Четыре идентичных и когерентных лазерных луча из блока 1, проходя через оптические блоки модуляции 2-5 и растры микролинз 10-13, формируют четыре сопряженных объемных ракурса объемного изображения или сцены позади четырех голограмм 14-17, видимых в телесном угле до 100 градусов каждая. При расположении голограмм по боковым сторонам куба, внутри куба образуется иллюзорное непрозрачное объемное изображение, видимое со всех сторон, кроме верха и низа.
Управляющий компьютер 18 кодирует все три координаты любой точки объемного изображения в выборки радиосигнала возбуждения каналов Х и Y акустооптического дефлектора. При этом яркость точки кодирует амплитуду соответствующей гармоники радиосигнала в канале X, координата точки изображения Х кодирует частоту гармоники радиосигнала в канале X, координата точки изображения Y кодирует частоту гармоники радиосигнала в канале Y, а координата Z - глубина залегания точки, кодирует девиацию частоты по квадратичному линзовому закону Френеля гармоники радиосигнала в канале Х и Y. При кодировании учитываются точки в объемном изображении, образующие периметры объектов сцены, видимые в углах до 100 градусов. Это позволяет сделать гибкая развертка по всем трем координатам, то есть повышается качество объемного изображения, поскольку количество подсвеченных точек периметров объектов в определенных углах, как правило, не превосходит количества точек в плоских изображениях.
Для увеличения числа точек в объемном изображении формируют сразу строку изображения в виде суммы синусоидальных гармоник со своими амплитудами,
частотами и девиациями частот, например 500-1000 точек параллельно. При этом радиосигнал образует в апертуре дефлектора ультразвуковые волны в виде суммы парциальных дифракционных решеток, на которых дифрагирует лазерный луч, разбиваясь на 500-1000 парциальных лучей (Фиг.2).
Более подробно работу заявляемого устройства можно рассмотреть на примере одного из оптических каналов (Фиг.2), состоящих из 9, 10, 14.
500-1000 гармоник радиосигнала возбуждения АОД (каналы 7 и 8) сформированы для 500-1000 точек в параллельной строке для такого визуализатора, а девиация частот вокруг центральных даст глубину залегания этих точек на голограмме. Такая частотная девиация вызывает изменение радиуса светового луча после дифракции (дифракционная линза) для каждой точки.
1/500-1/1000 лазерного луча для каждой точки попадает на массив микролинз первой голограммы в определенной угловой позиции по вертикальной координате. Лазерный луч для всех точек является линией из 500-1000 точек по горизонтальной координате. Лазерный луч дифрагирует дополнительно на микроолинзах растра 10, и формирует 500-1000 новых источников референсного света по горизонтальной координате, поскольку каждая часть луча для каждой точки пересекает свою собственную линзу. Все 500-1000 новых источников света освещают часть голограммы светящейся точки 14 как референсные лучи. Они формируют иллюзорные образы 500-1000 точек с определенной горизонтальной координатой, своей для каждого референсного луча, и определенной глубиной. Диаграмма луча по вертикальной координате - узкая с плоским волновым фронтом, таким образом все точки - с одной вертикальной координатой, но с добавленными девиациями частот в канал Y, а каждая точка имеет свою яркость. Изменение вертикальной частоты по второму каналу АОД формирует новые 500-1000 точек со своими горизонтальными координатами из первого канала АОД, создает следующие 1/500-1/1000 частей светящейся линии на голограмме и т.д.
Компьютер 18 кодирует объемное изображение в выборки радиосигнала. Они по шине PCI или другой шине передаются в цифровые блоки 23, 25
формирования выборок радиосигнала по осям Х и Y и записываются в оперативную память. Из другой половины памяти выборки радиосигнала по двум каналам Х и Y передаются в цифроаналоговый преобразователь, образуя аналоговые радиосигналы. Они поступают на радио-усилители и фильтры 24, 26 каналов Х и Y, возбуждают соответствующие акустические волны в каналах 7 и 8 оптического блока модуляции 9, а далее происходят процессы модуляции луча, описание выше (см. Фиг.2).
Радиосигнал вызывает движущуюся акустическую волну в акустооптическом дефлекторе, поэтому для замораживания волны в системе используют электрооптический затвор 6. При помещении такого затвора в резонатор лазера, происходит накопление энергии между импульсами, что улучшает эффективность лазера.
Экспериментально установлено, что для замораживания бегущей волны оптимальными параметрами генератора импульсов 27 являются следующие: длительность импульсов 1-2 мкс, частота 25-50 КГц. Эти импульсы поступают на электрооптический затвор 6, открывая его только на время действия импульса. Между импульсами бегущей акустической волной формируется следующая строка точек. Необходима синхронизация считывания выборок радиосигнала с частотой импульсов, то есть вывод очередной строки выборок радиосигнала синхронизируется в цифровых блоках формирования выборок 23 и 25 от генератора 27.
Для осуществления заявляемой полезной модели - устройства голографического проекционного лазерного объемного дисплея могут быть использованы известные в области голографии технические средства.
Так, в блоке 1 могут быть использованы лазеры, обычно применяемые для получения голографических изображений.
Электрооптический затвор 6 любого из оптических каналов 2- 5 может быть выполнен, например, на оптически связанных четвертьволновой пластине
и электрооптическом кристалле с электродом, на который подается модулирующий сигнал от генератора импульсов 27.
Акустооптический дефлектор (два канала 7, 8) любого из оптических каналов 2-5 может являться, например, стандартным устройством на основе двух перпендикулярно ориентированных кристаллов парателлурита с электродами для возбуждения акустической волны радиосигналом.
Оптический объектив 9 любого из оптических каналов 2-5, может являться, например, объективом типа "обратный телескоп" для увеличения углов отклонения луча лазера.
Растры микролинз 10-13 могут быть выполнены, например, на основе прозрачной пластмассы с запрессованными в нее микролинзами.
Голограммы светящейся точки 14-17 могут быть выполнены, например, с помощью лазера, методом классической голографии на прозрачном фотоматериале, они являются фактически аналогами сферических зеркал.
Управляющий компьютер 18 может быть, например стандартным компьютером IBM PC.
Цифровые блоки 23, 25 формирования выборок радиосигнала по осям Х и Y каждого из четырех формирователей 19-22 радиосигналов модуляции и синхронизации акустооптических дефлекторов, могут быть выполнены, например, на основе цифровых микросхем программируемой логики, микросхем связи с шиной PCI, микросхем видеопамяти и микросхем цифроаналоговых преобразователей.
Усилители-фильтры 24, 26 радиосигналов по осям Х и Y каждого из четырех формирователей 19-22 радиосигналов модуляции и синхронизации акустооптических дефлекторов, могут быть выполнены, например, на микросхемах радио-усилителей с LC-фильтрами на основе сосредоточенных элементов или с фильтрами на ПАВ.
Генератор импульсов 27 может быть выполнен на стандартной микросхеме или на транзисторах.
Литература.
1. Golovkov A., Kuznetsov S., Voronov A. Image formation in the three-dimensional laser display. Pattern recognition and image analysis, USA, V6, N4, 1996, P.823-826.
2. Yvonne Carts-Powell. Image Engineering: 3-D Displays. Adding depth to displays. Laser Focus World, USA, September 2006, P.92-96.
3. Michael Huebschman, Bala Munjuluri, Harold Garner. Digital micromirrors enable holographic video display. Laser Focus World, USA, May 2004, P.111-116.