ВИДЕОГОЛОГРАММА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВИДЕОГОЛОГРАММ
VIDEO HOLOGRAM AND DEVICE FOR RESTORATION OF VIDEO HOLOGRAMS

Изобретение относится к видеоголограмме и к устройству для восстановления видеоголограмм, содержащему оптическую систему, состоящую, по меньшей мере, из одного источника света, линзы и видеоголограммы из расположенных в виде матрицы или иным регулярным образом ячеек, по меньшей мере, с одним управляемым по амплитуде и/или фазе отверстием на ячейку, а также из плоскости наблюдения в месте изображения источника света.
Известны устройства для восстановления видеоголограмм, содержащие акустооптические модуляторы (АОМ) (Stephen A. Benton, Joel S. Kollin: Three dimensional display system, US 5172251). Эти акустооптические модуляторы преобразуют электрические сигналы в оптические волновые фронты, которые затем посредством отклоняющих зеркал формируются в двухмерные топографические поверхности в пределах одного видеокадра. Волновые фронты восстанавливаются посредством дополнительных оптических элементов в виде видимой наблюдателю сцены. Используемые оптические средства, такие как линзы и отклоняющие элементы, имеют протяженность порядка восстанавливаемых сцен и из-за своих больших габаритов являются громоздкими и тяжелыми. Они почти не поддаются миниатюризации и поэтому ограничены в отношении области своего применения.
Другую возможность формирования больших видеоголограмм предоставляет так называемый метод тайлинга с генерированными на компьютере голограммами (CGH: Computer Generated Holograms). В соответствии с известным из WO 00/75698 А1 и US 6437919 В1 способом посредством отображающей оптической системы формируют большие CGH из маленьких CGH с малым шагом. Для этого на первом этапе записывают необходимую информацию на быстрых матрицах с малым шагом (как правило, EASLM: Elektronisch Adressierbare Spatiale Licht-Modulatoren - электронно адресуемые пространственные модуляторы света), отображают их на топографически подходящую среду и составляют из них более крупную видеоголограмму. Применяемой средой является, как правило, оптически адресуемый пространственный модулятор света (OASLM: Optisch Adressierbarer Spatialer Licht-Modulator). На втором этапе составленную видеоголограмму восстанавливают когерентным светом на просвет или отражение.
У CGH с управляемыми отверстиями, расположенными в виде матрицы или иным регулярным образом, ставших известными, например, из WO 01/95016 А1 или Fukaya et al. “Eye-position tracking type electro-holographic display using liquid crystal devices”, Proceedings of EOS Topical meeting on Diffractive Optics, 1997, применяют дифракцию на маленьких отверстиях для кодирования сцен. Распространяющиеся от отверстий волновые фронты сходятся в объектных точках трехмерной сцены, прежде чем достигнут наблюдателя. Чем меньше шаг и тем самым величина отверстий в СGН, тем больше угол дифракции, т.е. угол наблюдения. Увеличение угла наблюдения означает у этих известных способов поэтому увеличение разрешения.
У голограмм Фурье восстановление происходит, как известно, в одной плоскости в виде прямого или обратного Фурье образа голограммы. Эта восстановленная голограмма периодически продолжается с интервалом периодичности, протяженность которого обратно пропорциональна шагу в голограмме.
Если протяженность восстановленной голограммы Фурье больше интервала периодичности, то соседние порядки дифракции накладываются друг на друга. По мере уменьшения разрешения, т.е. по мере возрастания шага отверстий, края восстановленной голограммы все больше нарушаются за счет наложения более высоких порядков дифракции. Используемое восстановление все больше и больше ограничивается из-за этого по своей протяженности.
Если хочется достичь больших интервалов периодичности и тем самым больших углов наблюдения, то требуемый шаг в голограмме приближается к длине световой волны. Для того чтобы иметь возможность в этом случае изображать как можно большие сцены, CGH должны быть, однако, также соответственно большие. Оба условия требуют большую CGH с очень большим числом отверстий, которую в виде дисплеев с управляемыми отверстиями реализовать в настоящее время невозможно (см. ЕР 0992163 B1). CGH с управляемыми отверстиями имеют поэтому размеры один или несколько дюймов, причем шаги пока значительно превышают 1 мкм.
6
11
Оба параметра, шаг и размер голограммы, описываются так называемым Space-Bandwidth-Produkt (SBP - произведение из размера голограммы и ширины диапазона частот) как общее число отверстий в голограмме. Если требуется реализовать восстановление CGH с управляемыми отверстиями шириной 50 см так, чтобы наблюдатель мог видеть сцену с расстояния 1 м в пределах горизонтального окна наблюдения шириной 50 см, то SBP составляет в горизонтальном направлении примерно 0,5·10. Этому в CGH соответствует 500000 управляемых отверстий с шагом 1 мкм. При формате изображения 4:3 в вертикальном направлении возникает соответственно 375000 отверстий. CGH содержит, следовательно, 3,75·10 отверстий, если учесть три цветных субпиксела. Это число утраивается, если подумать, что в CGH с управляемыми отверстиями можно повлиять в большинстве случаев только на амплитуды. Фазовое кодирование происходит тогда за счет так называемого эффекта обходной фазы (Detourphasen-Effekt), для чего требуются, по меньшей мере, три равноотстоящих отверстия на каждую точку отсчета. Пространственные модуляторы света (ПМС) с таким числом управляемых отверстий в настоящее время неизвестны.
12
14
Данные для голограмм должны вычисляться на основании восстанавливаемых сцен. При глубине цвета 1 байт для каждого из трех основных цветов и частоте кадров 50 Гц CGH требует информационного потока 50·10=0,5·10 байт/с. Преобразования Фурье потоков данных этой величины значительно превышают мощность используемых в настоящее время компьютеров и исключают расчет голограмм на основе локальных компьютеров. Однако и передачу этого количества информации по сетям передачи данных для нормального пользователя в настоящее время реализовать невозможно.
Для уменьшения объема вычислительных процессов предложено, например, провести расчет голограммы не полностью, а лишь по тем частям, которые могут непосредственно рассматриваться наблюдателем или которые изменяются. В уже указанной выше публикации WO 01/95016 А1 описана такая голограмма, состоящая из адресуемых субобластей, как, например, упомянутая тайлинг-голограмма. Отправной точкой расчетов является так называемый эффективный выходной зрачок, который может совпадать со зрачком глаза наблюдателя в соответствующем положении. Слежение изображения при изменении положения наблюдателя происходит за счет постоянного нового расчета той части голограммы, которая формирует изображение для нового положения наблюдателя. Этим, однако, отчасти снова сводится на нет сокращение затрат на расчеты.
Недостатки известных методов в итоге состоят в том, что устройства с акустооптическими модуляторами являются слишком громоздкими и не могут быть уменьшены до известных сегодня из плоскоэкранной техники размеров, что видеоголограмы, изготовленные по методу тайлинга, являются двухступенчатыми с большими технологическими затратами, которые лишь с трудом можно уменьшить до величины настольного экрана, и, наконец, что устройства на основе ПМС с управляемыми отверстиями слишком малы для того, чтобы восстановить большие сцены. Для этого в настоящее время отсутствуют управляемые большие ПМС с предельно малыми шагами, а также необходимая мощность компьютеров и необходимая большая полоса частот сетей.
В основе изобретения лежит задача устранения названных недостатков и создание возможности реализации протяженных видеоизображений голограмм в реальном времени и для больших углов наблюдения.
Эта задача решается согласно изобретению посредством признаков, приведенных в п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты изобретения приведены в пп.2-10 формулы изобретения.
Видеоголограммы и устройства для восстановления видеоголограмм с управляемыми отверстиями согласно изобретению предусматривают, что в плоскости наблюдения образуется, по меньшей мере, одно окно наблюдения в одном интервале периодичности в виде прямого или обратного Фурье образа видеоголограммы, через которое наблюдатель может видеть трехмерную сцену в виде восстановления. Протяженность окна наблюдения максимально соответствует интервалу периодичности в плоскости обратного преобразования Фурье в месте изображения источника света. Вместе с голограммой окно наблюдения образует усеченный конус, который содержит всю трехмерную сцену в виде образа Френеля видеоголограммы.
В реализации изобретения окно наблюдения ограничено приблизительно глазом, межзрачковым расстоянием наблюдателя или другой подходящей областью и позиционировано на них.
В рамках изобретения предусмотрено, что для другого глаза наблюдателя имеется аналогичное окно наблюдения. Это происходит за счет того, что рассматриваемый источник света соответственно смещается или дополняется путем подключения второго реального или виртуального, достаточно когерентного источника света в другом подходящем месте в пару источников света в оптической системе. Таким образом, создается возможность наблюдения трехмерной сцены двумя глазами через два соответствующих окна наблюдения. При этом содержание видеоголограммы можно изменить, т.е. перекодировать, синхронно с подключением второго окна наблюдения в соответствии с положением глаза. При нескольких наблюдателях можно, таким образом, создать соответствующее число окон наблюдения за счет подключения дополнительных источников света.
2
2
В отношении устройства для восстановления видеоголограммы другая существенная идея изобретения состоит в расположении оптической системы и видеоголограммы так, чтобы более высокие порядки дифракции видеоголограммы для первого окна наблюдения имели нулевое значение или минимум интенсивности в месте второго окна наблюдения. Этим предотвращается то, что информация одного окна наблюдения, предназначенная для одного глаза, попадает на другой глаз наблюдателя или других наблюдателей. Таким образом, выгодно используется уменьшение интенсивности света в сторону более высоких порядков дифракции из-за конечной ширины отверстий видеоголограммы и/или наличия минимумов характеристики интенсивности. Например, при наличии прямоугольных отверстий в качестве кривой интенсивности возникает функция sinc, которая быстро убывает и представляет собой функцию sin, убывающую по мере увеличения расстояний.
12
8
Для видеоголограммы следует рассчитывать лишь столько данных, сколько отверстий имеет дисплей. Передача данных от компьютера или из сети на дисплей в качестве голограммы ограничена таким же числом значений. Поток данных поэтому практически не отличается от потока данных, уже сегодня обрабатываемого обычной дисплейной техникой. Это следует пояснить примером. Если уменьшить окно наблюдения за счет выбора дисплея с достаточно низким разрешением, например с размеров 50 см по горизонтали и 37,5 см по вертикали до размеров 1×1 см, то это будет соответствовать уменьшению числа отверстий в голограмме на 1/1875, Таким же образом при передаче через сеть уменьшается требуемая ширина полосы частот. У изготовленных известными способами видеоголограмм с необходимыми 10 отверстиями они уменьшаются в данном примере примерно до 5·10 пикселей. Через оставшееся окно наблюдения сцену можно рассматривать полностью. Требованиям к шагу и величине голограммы в соответствии с SBP уже отвечают имеющиеся сегодня в распоряжении дисплеи. Тем самым можно экономичным образом реализовать большие видеоголограммы в реальном времени на дисплеях с большим шагом для большой области наблюдения.
Слежение окна наблюдения (трекинг) реализуется посредством механического или электронного смещения источников света, подвижных зеркал или позиционируемых другим подходящим образом источников света. При смещении изображений источников света смещаются и окна наблюдения. Если наблюдатель движется, то источник (источники) света смещается (смещаются) в пространстве так, что окна наблюдения следуют за глазами наблюдателя. Это гарантирует, что наблюдатели даже в движении увидят восстановленную трехмерную сцену, и что, с другой стороны, свобода их движения не ограничена. Для детектирования положения наблюдателей известны различные системы, например на основе магнитных датчиков, которые здесь преимущественно можно использовать.
Настоящее изобретение позволяет также эффективно восстанавливать видеоголограмму в цвете. При этом предусмотрено, что восстановление происходит, по меньшей мере, с тремя управляемыми по амплитуде и/или фазе отверстиями на ячейку для основных цветов, причем кодирование для отверстий для каждого основного цвета осуществляется раздельно. Другая возможность восстановления видеоголограммы в цвете состоит в осуществлении, по меньшей мере, трех последовательных восстановлений в основных цветах на основе устройства согласно изобретению.
С помощью настоящего изобретения могут быть выгодным образом созданы голографические изображения протяженных пространственных сцен посредством управляемых дисплеев, таких как плоские тонкопленочные (ТFТ)-дисплеи, в реальном времени и для больших углов наблюдения. Эти видеоголограммы преимущественно применяются в области телевидения, мультимедиа, игр и конструирования, в военной и медицинской технике и в других областях экономики и общества. Трехмерные картины могут быть созданы на компьютере или иным образом.
Пример реализации изобретения представлен на чертежах и ниже описывается более подробно.
На чертежах представлены:
- фиг.1: принципиальная схема видеоголограммы и устройства для восстановления видеоголограмм, с возникновением порядков дифракции света и положением окна наблюдения;
- фиг.2: принципиальная схема устройства для восстановления видеоголограмм с трехмерной сценой, которую можно рассматривать через окно наблюдения;
- фиг.3: принципиальная схема устройства для восстановления видеоголограмм с кодированием трехмерной сцены в части видеоголограммы так, что порядки дифракции света не накладываются друг на друга;
- фиг.4: распределение интенсивности света в плоскости наблюдения в зависимости от порядков дифракции;
- фиг.5: принципиальная схема устройства для восстановления видеоголограмм с положением окон наблюдения для обоих глаз наблюдателя в отношении порядков дифракции во избежание того, что свет, предназначенный для одного глаза, попал бы на другой глаз.
Устройство для восстановления видеоголограмм состоит из видеоголограммы, достаточно когерентного реального или виртуального точечного или линейного источника света и оптической системы. Сама видеоголограмма состоит из расположенных в виде матрицы или иным регулярным образом ячеек, содержащих, по меньшей мере, одно управляемое по амплитуде и/или фазе отверстие на ячейку. Оптическая система для восстановления видеоголограммы может быть реализована известным образом, например просто в виде оптической системы отображения, состоящей из точечного или линейного лазера и достаточно когерентного источника света.
Принципиальная схема видеоголограммы и ее восстановление показаны на фиг.1.
По направлению света последовательно расположены источник света 1, линза 2, голограмма 3 и плоскость наблюдения 4. Плоскости наблюдения 4 соответствует плоскость Фурье обратного преобразования видеоголограммы с порядками дифракции света.
Источник света 1 отображается оптической системой, которая представлена линзой 2, в плоскость наблюдения 4. При установке голограммы 3 она представляется в плоскости наблюдения 4 в виде обратного преобразования Фурье. Голограмма 3 с периодическими отверстиями создает равноотстоящие продолженные порядки дифракции в плоскости наблюдения 4, причем для голографического кодирования, например посредством так называемого эффекта обходной фазы используются более высокие порядки дифракции света. Поскольку интенсивность уменьшается в сторону более высоких порядков дифракции света, в качестве окна наблюдения 5 выбирают, как правило, 1-й или -1-й порядок дифракции. Если это не указано особо, то для изложения изобретения в дальнейшем следует исходить из 1-го порядка дифракции.
Протяженность восстановления была выбрана здесь так, чтобы она по своей величине совпала с интервалом периодичности 1-го порядка дифракции в плоскости наблюдения 4. Таким образом, более высокие порядки дифракции примыкают друг к другу без промежутка, но и без наложения.
Выбранный 1-й порядок дифракции является, правда, в виде Фурье образа восстановленной голограммы 3, однако не представляет собственно трехмерную сцену 6. Он служит лишь в качестве окна наблюдения 5, через которое можно рассматривать трехмерную сцену 6 (см. фиг.2). Внутри светового пучка 1-го порядка дифракции собственно трехмерная сцена 6 обозначена кружком. Сцена лежит, следовательно, внутри конуса восстановления, образуемого голограммой 3 и окном наблюдения 5. Сцена возникает в виде образа Френеля голограммы, тогда как окно наблюдения является частью Фурье образа.
На фиг.3 показано голографическое кодирование. Трехмерная сцена 6 состоит из точек. Пользуясь окном наблюдения 5 в качестве основы и выбранной точкой 7 в сцене 6 в качестве вершины конуса, проецируется конус как продолжение через эту точку на голограмму 3. Возникает область проекции 8 в видеоголограмме 3, в которой эта точка голографически кодируется. Для расчета фазовых значений можно определить расстояния от рассматриваемой точки 7 до ячеек голограммы 3. С этим способом восстановления соблюдается величина окна наблюдения 5 в интервале периодичности. Если бы в этом примере, напротив, рассматриваемая точка 7 кодировалась во всей голограмме 3, то восстановление имело бы протяженность за пределами интервала периодичности. Зоны наблюдения из соседних порядков дифракции накладывались бы друг на друга, причем наблюдатель видел бы периодическое продолжение рассматриваемой точки 7. Кодированная таким образом поверхность представлялась бы размытой по своим контурам из-за многократных наложений.
Уменьшение интенсивности в сторону более высоких порядков дифракции преимущественно используют для подавления интенсивности от одного окна наблюдения в других окнах наблюдения. На фиг.4 схематично показано распределение интенсивности света по порядкам дифракции, которое возникает за счет конечной ширины отверстий в CGH. На абсциссе нанесены порядки дифракции. 1-й порядок дифракции представляет окно наблюдения 5 для левого глаза, т.е. левое окно наблюдения, через которое можно рассматривать трехмерную сцену 6. Появление света, предназначенного для левого глаза, в окне наблюдения для правого глаза подавляется за счет уменьшения интенсивности в сторону более высоких порядков и дополнительно еще за счет нулевого значения распределения интенсивности.
Наблюдатель может рассматривать сцену 6 голограммы 3, конечно, также обоими глазами (см. фиг.5). Для правого глаза в качестве правого окна 5' наблюдения был выбран -1-й порядок дифракции от источника света 1'. Как видно из чертежа, от этой интенсивности только очень маленькая часть попадает на левый глаз. Она соответствует здесь -6-му порядку дифракции.
Для левого глаза был выбран 1-й порядок дифракции в соответствии с положением источника света 1. Здесь аналогичным образом возникает левое окно наблюдения 5. Согласно изобретению с помощью двух источников света 1 и 1' изображаются соответствующие трехмерные сцены 6 и 6' (здесь не показаны) на фиксированном месте по отношению к глазам. Для этого голограмма 3 при подключении источников света 1 и 1' кодируется соответственно заново. В качестве альтернативы оба источника света 1 и 1' могут восстановить одновременно голограмму 3 на обоих окнах наблюдения 5 и 5'.
При движении наблюдателя источники света 1 и 1' подводятся так, что оба окна наблюдения 5 и 5' остались локализованными в глазах наблюдателя. Это относится и к движениям по нормали, т.е. перпендикулярно к видеоголограмме. Кроме того, трехмерную сцену могут рассматривать также несколько наблюдателей за счет того, что при подключении дополнительных источников света возникают дополнительные окна наблюдения.