ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ ПОЛНОСТЬЮ ОБЪЕМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
FULLY THREE-DIMENSIONAL IMAGE DYNAMIC DISPLAY

Область техники
Настоящее изобретение относится к новым динамическим источникам изображения и, в частности, к дисплеям, выполняющим операции, недоступные для существующих устройств.
Изобретение может быть с успехом использовано для самых разных областей формирования изображения, например, в динамических дисплеях полностью трехмерного изображения, малогабаритных высокоэффективных микро-дисплеях, дисплеях безлинзового Фурье-преобразования, а также там, где не требуется формирование изображения, например для задней подсветки с последовательным чередованием цветовых полей.
Уровень техники
Одним из наиболее ожидаемых и востребованных устройств на быстро растущем рынке бытовой электронной аппаратуры является динамический дисплей действительно объемного изображения, а именно, требуется дисплей, способный проецировать в глаза наблюдателя динамическое трехмерное цветное изображение, с высоким разрешением и исключительными характеристиками. В настоящее время существуют многочисленные технические решения получения стереоскопического изображения, создающие одновременно разные изображения для левого и правого глаз наблюдателя. В результате у наблюдателя возникает иллюзия разглядывания стереоскопического объекта. Эти устройства включают нашлемные дисплеи (HMD - от англ. head-mounted display), стереоскопические двухцветные изображения (анаглифы), дисплеи с поляризационным разделением изображений, использование метода затенения, использование интерференционной фильтрации и др. Главным недостатком дисплеев этой группы является то, что в глаз наблюдателя проецируются только две точки наблюдения от объекта, и изображение нечувствительно к перемещению головы или глаз наблюдателя. Кроме того, для получения полного стереоскопического эффекта необходимо использование других внешних приспособлений, например специальных очков.
Стремление создания дисплея, обеспечивающего проецирование в глаза наблюдателя полностью трехмерного, в том числе и динамического, изображения, привело к разработке ряда различных сложных оптических конструкций, включающих: дисплеи объемной индикации, голографические дисплеи, встроенные дисплеи, каждый из которых либо не является действительно динамическим, либо, напротив, не обеспечивает формирование полностью трехмерного изображения. Кроме того, эти технологии обычно могут быть реализованы только для устройств относительно небольшого размера. В результате, в настоящее время отсутствуют технические решения для создания по настоящему динамического, в том числе, трехмерного дисплея, или широких экранов с удовлетворительными характеристиками.
Раскрытия, содержащиеся в US 7460302 и US 8811823 на имя Заявителя, включены в настоящее описание посредством ссылки.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение способствует разработке и изготовлению дисплеев нового семейства, предназначенных, среди прочего, для создания дисплеев полностью трехмерного изображения. Изобретение обеспечивает высокие характеристики и полноцветную передачу изображения даже и на экранах большого размера. Преимущество предлагаемой в настоящем изобретении оптической системы, в частности, обусловлено тем, что она обеспечивает создание дисплея с уникальными характеристиками, которые отсутствуют в имеющихся конструкциях, и при этом она может быть легко интегрирована в оптические системы, имеющие специализированную конструкцию, с использованием существующих технологий изготовления.
Другой задачей настоящего изобретения является создание компактного, высокоэффективного микро-дисплея с задней подсветкой. Существующие сегодня на рынке микро-дисплеев устройства относятся к обрабатывающим (DLP - digital light processing - цифровая оптическая обработка) (представляющие собой гибрид устройства с фронтальной подсветкой, например, жидкие кристаллы на кремнии (LCoS - liquid crystal on silicone), или весьма низкоэффективным, например дисплеям на жидких кристаллах - ЖК-дисплеям (LCD). Другим источникам изображения микро-дисплеев свойственна очень низкая максимально достижимая яркость. Настоящее изобретение обеспечивает создание микро-дисплейной системы, имеющей простую конструкцию с задней подсветкой, возможности достижения высокой эффективности и практически неограниченную максимальную яркость.
Другой задачей настоящего изобретения является создание относительно недорогого и простого дисплея Фурье-преобразования, а именно, дисплея, в котором каждая из точек проецируемого изображения представлена коллимированными световыми волнами, вместо расходящейся световой волны от одиночного пикселя, как это имеет место в обычных дисплеях. Дисплей такого типа особенно подходит для оптических систем, например HMD, где требуется коллимированное изображение. При использовании дисплея Фурье-преобразования вместо обычного дисплея, отпадает необходимость в сложном и громоздком коллимирующем модуле.
Еще одной задачей изобретения является создание нового способа подсветки для дисплея с чередованием цветовых полей, в котором задняя подсветка эффективно освещает подпиксели красного, зеленого и синего (RGB) цветов, без необходимости снижения яркости системы в три раза, из-за использования цветных фильтров перед подпикселями.
Таким образом, общей задачей настоящего изобретения является устранение недостатков существующих компактных оптических устройств формирования изображения и создания других оптических компонентов и систем, отличающихся улучшенными характеристиками, в соответствии с конкретными требованиями.
В соответствии с настоящим изобретением, предлагается оптическая система отображения, включающая источник света, блок управления и матрицу по меньшей мере двух расположенных рядом друг с другом элементов двойных дифракционных решеток, каждый из которых содержит первую решетку и вторую решетку, отделенные друг от друга постоянным интервалом, причем каждая из этих двух дифракционных решеток имеет по меньшей мере два края и содержит по меньшей мере одну последовательность множества штрихов, промежуток между которыми постепенно изменяется от одного края решетки к другому краю, при этом первая решетка дифрагирует световую волну от источника света ко второй решетке, и волна далее дифрагируется второй решеткой в виде выходной световой волны в заданном направлении.
Краткое описание чертежей
Изобретение описывается на некоторых предпочтительных вариантах выполнения, со ссылкой на используемые для примера чертежи, для лучшего понимания изобретения.
Что касается конкретных ссылок на чертежи, то следует подчеркнуть, что показанные детали приведены только в качестве примера и для иллюстрации при рассмотрении предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения, и демонстрации того, что представляется наиболее подходящим и хорошо понятным описанием принципов и важнейших особенностей изобретения. Поэтому не делалось попыток описания конструктивных особенностей изобретения с большей детальностью, чем это необходимо для понимания его основных положений. Описание вместе с чертежами предназначено в качестве руководства специалистам для практической реализации нескольких форм изобретения.
На чертежах:
на фиг. 1А, 1Б и 1В представлены диаграммы, иллюстрирующие схему построения элемента с двойной дифракционной решеткой, в котором одна из решеток может быть поперечно смещена;
на фиг. 2А, 2Б и 2В представлены диаграммы, иллюстрирующие другую схему построения элемента с двойной дифракционной решеткой, в которой коэффициент преломления подложки между дифракционными решетками подвергается внешнему динамическому управлению;
на фиг. 3А и 3Б представлены диаграммы, иллюстрирующие еще одну схему построения элемента с двойной дифракционной решеткой, в которой третья, вращающаяся дифракционная решетка, расположена рядом с одной из упомянутых решеток, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 4 представлена диаграмма, иллюстрирующая матрицу элементов с двойной дифракционной решеткой, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 5А и 5Б представлены диаграммы, иллюстрирующие матрицу элементов с двойной дифракционной решеткой, обеспечивающую двухкоординатное сканирование выходных лучей, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 6А и 6Б представлены диаграммы, иллюстрирующие еще одну схему построения элемента с двойной дифракционной решеткой, имеющей вращательную симметрию и обеспечивающей двухкоординатное сканирование выходного луча, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 7 представлена диаграмма, схематически показывающая вид сбоку элемента с двойной дифракционной решеткой, имеющего вращательную симметрию, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 8А, 8Б и 8В представлены диаграммы, иллюстрирующие схему построения элемента с двойной дифракционной решеткой, для разделения входных световых волн на три поперечно смещенные выходные световые волны трех разных цветов, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 9А и 9Б представлены диаграммы, иллюстрирующие элемент с двойной дифракционной решеткой, подсвечивающий (а) пиксель ЖК дисплея (LCD) и (b) пиксель ЖК на кремнии (LCoS), в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 10А, 10Б и 10В представлены диаграммы, иллюстрирующие элементы с двойной дифракционной решеткой, подсвечивающие пиксели ЖК на кремнии, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 11А и 11Б представлены диаграммы, иллюстрирующие матрицу элементов с двойной дифракционной решеткой, образующую бистабильный динамический дисплей, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 12 представлена диаграмма, схематически иллюстрирующая обычный источник дисплея;
на фиг. 13 представлена диаграмма, схематически иллюстрирующая матрицу элементов с двойными дифракционными решетками, формирующими стереоскопический дисплей, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 14 и 15 представлена диаграмма, иллюстрирующая матрицу элементов с двойными дифракционными решетками, формирующими трехкоординатный динамический дисплей, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 16А и 16Б представлены диаграммы, иллюстрирующие известные из уровня техники процессы (а) записи и (b) восстановления голографического изображения;
на фиг. 17 представлена диаграмма, схематически иллюстрирующая матрицу элементов с двойными дифракционными решетками, формирующими полностью трехмерный дисплей, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 18А и 18Б представлены диаграммы, схематически показывающие вид сверху (18А) и вид спереди (18Б) айтрекера (видеоокулографа), содержащего излучатель и детектор, установленные в центральном верхнем положении на рамке модуля дисплея, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 19 представлена диаграмма, иллюстрирующая матрицу элементов с двойными дифракционными решетками, формирующими динамический дисплей с несколькими состояниями, в котором излучаемые световые волны отклоняются в глаза наблюдателя, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 20 представлена диаграмма, иллюстрирующая матрицу элементов с двойными дифракционными решетками, формирующими трехмерный динамический дисплей, одновременно проецирующий разные изображения разным наблюдателям, в соответствии с настоящим изобретением, и
на фиг. 21А и 21Б представлены диаграммы, иллюстрирующие матрицу элементов с двойными дифракционными решетками, формирующими полностью трехмерный дисплей, в котором айтрекер располагается на рамке дисплея и измеряет положение и направление взгляда глаз наблюдателя, в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание осуществления изобретения
На потребительском рынке, а также на рынке профессиональной и военной аппаратуры имеются системы отображения самых разных типов. Как правило, эти системы отображения образованы двумерной матрицей пикселей, в которой каждый пиксель излучает последовательность расходящихся световых волн, причем амплитуда и цвет каждой расходящейся волны определяются электронным видеосигналом, подаваемым в модуль управления дисплея. Задачей настоящего изобретения является разработка нового семейства систем отображения, в которой на выходе каждого пикселя формируется не расходящаяся волна, как в обычных дисплеях, а, скорее, направленная волна, в которой не только цвет и амплитуда управляются видеосигналом, но также и направление распространения выходной световой волны. Другими словами, видеосигнал, подаваемый в дисплей, несет не только информацию о цвете и амплитуде излучения каждого пикселя в каждый временной интервал, но также и о направлении световой волны, излучаемой каждым пикселем. Поэтому здесь описывается специальный механизм, который также управляет направлением выходного луча каждого пикселя дисплея.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
Главным структурным элементом пикселей в настоящем изобретении является элемент с двойной дифракционной решеткой (DGE - от англ. double-grating element), содержащий пару из двух разных дифракционных решеток, расположенных на постоянном расстоянии друг от друга. Эти дифракционные решетки обладают двумя разными заданными функциями линейно изменяющегося периода, соответственно, а именно, период решетки меняется в поперечном направлении, так что направлением световых волн, освещающих первую дифракционную решетку, отклоняемых на вторую решетку, а затем отклоняемых из DGE, можно управлять электронными средствами различными известными способами. В одном из подходов, представленных на фиг. 1А, используется две параллельные дифракционные решетки, G(x) и G(ξ) с аппаратными функциями  и , соответственно (далее, поперечные координаты двух решеток G и G DGE будут обозначаться как (х,у) и (ξ,η), соответственно). Расстояние D между решетками постоянно, и входная световая волна, падающая на первую решетку G(x), нормальна к плоскости дифракционной решетки. Как показано на фиг. 1Б, при отсутствии параллельного смещения одной решетки, выходная световая волна излучается из второй решетки G(ξ) в направлении по нормали к плоскости решетки. Однако, как показано на фиг. 1В, когда G(x) смещается вправо на δх, световые лучи из G(x), пересекающиеся со второй решеткой G(ξ), падают на точки, где аппаратная функция выше, чем в точках, куда они падали перед параллельным перемещением. В результате, выходная световая волна отклоняется на угол ϕ, причем коэффициент отклонения k=D(sinϕ)/δx является постоянной величиной. Таким образом, постоянное линейное параллельное смещение G(x) вызывает постоянное сканирование выходной световой волны. Подробный расчет необходимых аппаратных функций  и , выполняющих требование постоянства угла ϕ отклонения для данного параллельного смещения δх по всей поверхности DGE, можно найти в упомянутых выше ссылках. Одним из главных преимуществ такого подхода является то, что с таким DGE может быть получен очень большой коэффициент отклонения, то есть, например, при незначительном линейном перемещении, составляющем несколько десятых долей микрона, можно сильно изменить направление выходного луча. В результате, параллельное смещение решетки может быть осуществлено посредством небольшого пьезоэлектрического кристалла, и нет необходимости в сложных перемещениях или вращающихся механизмах.
1
2
i
1
2
1
0
2
1
2
2
1
1
2
1
2
0
2
2
1
Альтернативный способ управления направлением выходной световой волны иллюстрируется на фиг. 2А, 2Б и 2В. Как показано на фиг. 2А, две дифракционных решетки G(x) и G(ξ) сформированы на пропускающей свет подложке на двух параллельных поверхностях 6 и 8, соответственно, прозрачной подложки 4. Монохроматическая плоская волна W вводится внутрь подложки первой дифракционной решеткой G(x), и далее выводится второй дифракционной решеткой G(ξ). Коэффициентом преломления подложки можно динамически управлять внешними средствами, включая, помимо прочего, приложением к подложке электрического поля, или воздействием мощного коротковолнового светового излучения. Как показано на фиг. 2Б и 2В, изменение коэффициента преломления подложки вызывает угловое отклонение выходной световой волны, а именно, когда коэффициент преломления равен ν, выходная световая волна W выходит из второй решетки G(ξ) под углом ϕ относительно плоскости подложки (фиг. 2Б). Когда коэффициент преломления составляет ν (где ν<ν), лучи отклоняются первой решеткой G(x) на вторую решетку G(ξ) с более высокими углами дифракции, благодаря снижению коэффициента преломления подложки (фиг. 2В). В результате, световые лучи от G(x), пересекающиеся со второй дифракционной решеткой G(ξ), теперь падают в точки, где аппаратная функция дифракционной решетки ниже, чем в точках, куда они попадали до изменения коэффициента преломления. Вследствие этого, выходная световая волна W отклоняется на угол Δϕ, а именно, выходная световая волна выходит из решетки G(ξ) под другим углом ϕ = ϕ - Δϕ к плоскости подложки (фиг. 2В), где Δϕ - угол отклонения. Таким образом, непрерывное изменение коэффициента преломления вызывает непрерывное угловое сканирование выходной световой волны. Подробный расчет необходимых аппаратных функций  и , выполняющих требование постоянства угла Δϕ отклонения для данного изменения Δν коэффициента преломления по всей поверхности DGE, можно найти в упомянутых выше ссылках.
0
1
i
0
0
Альтернативный способ получения требуемого углового сканирования выходного луча с использованием DGE, не описанный в уровне техники, представлен на фиг. 3. Дифракционная решетка G, имеющая по меньшей мере одну главную ось, располагается перед первой решеткой G(x), причем, как показано на фиг. 3А, в исходном положении две дифракционные решетки параллельны друг другу, а входная световая волна W падает на G под углом -θ падения (далее углы поворота против часовой стрелки и по часовой стрелке будут обозначаться как положительные и отрицательные углы, соответственно). Направление световой волны изображения, дифрагированной от G, определяется как:
0x
0
i
0
0
0
где G является х-компонентом , обратной аппаратной функцией решетки G, верхний индекс 0 означает, что sin α угла изображения относится к решетке G, а λ, является длиной световой волны. Предполагается, что аппаратной функцией G является
0
а именно, G представляет собой линейную дифракционную решетку с постоянным периодом штрихов вдоль оси х. Подставляя уравнение (2) в уравнение (1), получаем
0
Таким образом, световая волна изображения нормальна к плоскости дифракционной решетки. Полагая теперь, что решетка G поворачивается против часовой стрелки вокруг оси у на угол δ, восстанавливаемый угол входящей световой волны относительно повернутой решетки составит:
Выходной угол волны изображения определяется из выражения:
Для небольших углов δ поворота, выходной угол составляет
0
Относительно исходной плоскости решетки G выходной угол составит:
0
1
Как показано на фиг. 3Б, световая волна изображения из G представляет собой входные световые волны в дифракционную решетку G(x), т.е.:
1
2
Предполагая, что две дифракционные решетки G(x) и G(ξ) также имеют ненулевой компонент только вдоль оси х, получаем
1
2
1
2
0
Далее в описании координаты дифракционных решеток G и G обозначены как (x,y,z) и (ξ,η,ζ), соответственно. Как показано на фиг. 3Б, луч изображения от G (х) "смещается" влево (т.е., в отрицательном направлении) вдоль оси х относительно G(ξ), в результате поворота G на угол δ, на расстояние
1
2
1
i
2
i
2
1
1
где D - расстояние по вертикали между G(x) и G(ξ). Таким образом, луч, выходящий из точки х на решетке G(x) при нулевом повороте, имеющий направление α(0), падает на решетку G(ξ) в точке ξ, в то время как при повороте на δ луч входит из той же точки х, имея направление α(δ), и падает на решетку G в точке ξ-Δξ. Для небольших углов δ поворота
и
i
i
1
1
где δ'=α(δ) - α(0). Поэтому
Подставляя уравнения (9) и (13) в уравнение (10), получаем
2
0
Предполагая, что световые волны, дифрагированные из решетки С(ξ) после поворота G на угол δ, должны быть отклонены на угол ϕ от нормали к плоскости дифракционной решетки, получаем:
В результате, аппаратная функция дифракционной решетки в точке ξ-Δξ равна:
2
где - 1 порядок дифрагирован от решетки G. Подставляя уравнение (9) в уравнение (16), получаем
1
2
1
2
где σ ≡ -(1 - cosθ)+sin(ϕ)/δ определяется как "коэффициент углового усиления" DGE. σ не зависит от х или ξ, и поэтому σ постоянна по всем поверхностям дифракционной решетки. Для δ=0 входные световые волны, падающие на G(x), и выходные световые волны, выходящие из G(ξ), являются плоскими волнами, нормальными к плоскости решеток. На фиг. 3А, для δ=0, световой луч проходит от точки х на G(x) до точки ξ на G(ξ). Поэтому,
Объединяя уравнения (17) и (18), получаем:
Деление уравнения (19) на уравнение (14) дает:
где  является постоянной. При малом δ может быть использовано следующее приближение
Подставляя уравнение (18) в уравнение (20), получаем:
Получаем следующее решение этого уравнения:
или
2
Если используется граничное условие λ G(ξ)=0 для ξ=0, то решением этого уравнения будет:
Как показано на фиг. 3А, при δ=0
Подставляя уравнение (23) в уравнение (26), получаем:
Решением этого уравнения будет
где постоянная с определяется как
0
0
2
0
Поскольку коэффициент σ углового усиления DGE постоянен по всем поверхностям дифракционных решеток, угол ϕ отклонения, для данного угла δ поворота решетки G, будет постоянным для всего DGE. Следовательно, непрерывное изменение угла поворота G вызывает непрерывное угловое сканирование выходной световой волны от дифракционной решетки G(ξ), которое значительно усилено DGE по отношению к углу поворота волны на выходе решетки G.
0
Важно отметить, что приведенные решения уравнений (25) и (28) не являются аналитически абсолютно строгими, а скорее приближениями, иллюстрирующими возможность получения простого и быстрого аналитического решения для варианта выполнения, показанного на фиг. 3А и 3Б. В большинстве случаев, однако, это решение является достаточно точным и обеспечивает простые реализации системы отображения, где для каждого пикселя небольшой поворот решетки G может быть значительно усилен элементом с двойной дифракционной решеткой (DGE). Кроме того, вариант выполнения, показанный на фиг. 3А и 3Б, может быть использован не только для источника дисплея, разделенного на пиксели, но также и для других систем, где может быть осуществлено сканирование единичного светового луча с использованием вращающейся дифракционной решетки и усиливающего DGE.
В этой связи, на фиг. 1-3 были приведены альтернативные решения для получения углового сканирования выходного луча с использованием единичного DGE. Понятно, однако, что для дисплея, работа которого основана на принципе управления световыми волнами посредством DGE, требуется более одного элемента.
1
2
1
2
1
2
На фиг. 4 представлена матрица из двух разных DGE, расположенных рядом друг с другом, и имеющих раздельное управление. Естественно, для реализации дисплея требуется значительно больше двух пикселей и обычно необходима двухмерная матрица пикселей. Фиг. 4 (и следующие далее фигуры) является просто иллюстрацией того, как два разных DGE могут быть использованы для формирования двух пикселей, способных излучать две разных световых волны как часть единого дисплея. Как показано на фигурах, два разных DGE, а именно, DGE и DGE, расположены бок о бок. (Здесь и далее, для систем, имеющих большое число DGE, верхних индекс будет обозначать порядковый номер конкретного пикселя). Конструкции двух DGE идентичны, т.е., коэффициентами преломления двух подложек, расположенных, соответственно, между двумя DGE, можно управлять независимо, приложением двух разных электрических токов к подложкам пикселей. Как показано на фиг. 4, для двух DGE установлены два разных коэффициента преломления ν≠ν, и, поэтому, две световые волны, выходящие из DGE, отклоняются в двух разных направлениях, ϕ≠ϕ. В динамическом дисплее, токи управления могут непрерывно меняться и, поэтому, направлением световых волн, выходящих из пикселей, можно соответствующим образом управлять. В этом варианте выполнения, показан подход с использованием электронно-управляемого коэффициента преломления, однако возможны и другие варианты, например, показанные на фиг. 1 и 3, или любые другие способы, использующие DGE.
x
1
2
x
y
1
2
x
x
x
x
y
x
y
y
y
y
x
y
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Показанное на фиг. 1-4 сканирование луча выполняется только по оси х. Однако, легко может быть осуществлено двухкоординатное отклонение от каждого пикселя посредством комбинирования двух разных параллельных DGE для каждого пикселя, в которых направление сканирования каждого DGE перпендикулярно друг другу. Каждый пиксель образован двумя DGE, ориентированными друг против друга. В каждом пикселе, вдобавок к DGE D, имеющему дифракционные решетки G(x), G(ξ) (i=1,2), с аппаратными функциями только по оси х, поверх DGE D' установлен второй DGE D, имеющий дифракционные решетки H(у), H(η) i=1,2), и аппаратную функцию только по оси у, ортогональной оси х. Как показано на фиг. 5А, световые волны сначала проходят сквозь D и поворачиваются, соответственно, вокруг оси у на угол ϕ, который устанавливается управлением коэффициентом ν преломления первого DGE D. Затем световые волны проходят через второй DGE D, в котором DGE на поворот вокруг оси у влияния не оказывает. Как показано на фиг. 5Б, при прохождении световых волн через второй DGE D, на поворот вокруг оси х влияния не оказывается. Далее световые волны проходят через второй DGE D и поворачиваются, соответственно, вокруг оси х на угол ϕ, устанавливаемый управлением коэффициента ν преломления второго DGE D. Поскольку коэффициентами преломления двух ортогональных DGE, принадлежащих одному пикселю, можно управлять по отдельности, система управления может точно установить углы ϕ, ϕ отклонения по двум ортогональным осям.
2
1
i
i
i
В системе, показанной на фиг. 5А и 5Б, две вертикально прилегающие дифракционные решетки в каждом пикселе, G(ξ) и H(y), изготавливаются по отдельности. Существуют, однако, системы, в которых проще объединить две дифракционных решетки вместе для формирования единой дифракционной решетки GH(ξ,y), аппаратная функция которой является комбинацией функций этих двух решеток, а именно:
2
1
i
i
i
Существуют противоречивые соображения по поводу того, каким образом следует изготавливать конструкцию пикселя из двух DGE. С одной стороны, с точки зрения упрощения процесса сборки, желательно объединить две прилегающие дифракционные решетки так, как это было показано выше. С другой стороны, обычно бывает значительно проще изготовить одномерную решетку, например, G(ξ) и H(y), чем изготавливать двухмерную решетку GH(ξ,y), которая может, иногда, иметь сложную аппаратную функцию решетки. Поэтому для каждой системы, в соответствии с ее параметрами, может быть определен специальный способ изготовления.
0
Другим способом получения требуемого двухкоординатного сканирования, отличающегося от описанного со ссылкой на фиг. 5А и 5Б, является использование одиночного DGE, вместо двух прилегающих ортогональных DGE, в котором каждая дифракционная решетка имеет двухмерную аппаратную функцию, как по координате х, так и по координате у. Система должна содержать блок динамического управления, способный задавать угол отклонения по двум осям. Одной из возможностей этого является модификация оптической системы, показанной на фиг. 2, посредством использования подложки из материала, обладающего динамическим двулучепреломлением, в котором коэффициентом преломления можно управлять по двум ортогональным осям. Другим способом является модифицирование показанной на фиг. 3 системы путем использования дифракционной решетки G, которая может быть повернута вокруг оси х, а также вокруг оси у.
2
Другой способ, основанный на использовании оптической системы, показанной на фиг. 1, иллюстрируется на фиг. 6А и 6Б. Обратная аппаратная функция второй дифракционной решетки G(ξ,η,ζ) определяется как:
ξ
η
ζ
где (d, d, d) являются расстояниями между двумя штрихами дифракционной решетки в данной точке (ξ,η,ζ) вдоль осей , соответственно. Поскольку плоскость решетки нормальна оси , аппаратная функция решетки может быть записана как:
2
2
2
ρ
Предполагая, что аппаратная функция решетки G имеет радиальную симметрию, можно записать, что G(ξ,η)=G(ρ), где  представляет собой радиальное расстояние между данной точкой (ξ,η) и центром решетки, и где d, радиальное расстояние между двумя смежными штрихами решетки в данной точке (ξ,η) выражается уравнением
2
Выбираем аппаратную функцию дифракционной решетки G в виде:
2
2
где ∧ является постоянной, знак минус означает, что используется -1 порядок решетки G, а  представляет собой единичный радиус-вектор. Аппаратная функция монотонно линейно возрастает как функция радиуса ρ. В этом случае, различными компонентами решетки G являются:
Уравнение дифракции от решетки имеет вид:
где  и  представляют собой векторы изображения и восстановленных световых волн, соответственно. Компоненты этих векторов могут быть записаны следующим образом:
где λ является длиной волны дифрагированых световых волн, k,  и m являются компонентами векторов световых волн (или направляющими косинусами) вдоль осей ρ, ξ и η, соответственно.
2
Согласно фиг. 6А, не снижая общности представления, предполагаем, что световая волна изображения, дифрагированная решеткой G, является плоской волной, нормальной к плоскости решетки, то есть:
В результате, направляющими косинусами восстановленной волны  должны быть:
2
1
2
Как показано на фиг. 6Б, решетка теперь параллельно перенесена на Δρ, где . Поэтому, точка (ξ,η) на поверхности второй решетки G теперь расположена относительно первой решетки G в том же месте, где была расположена точка (ξ+Δξ,η+Δρ) перед параллельным переносом. В результате, точка (ξ,η) на поверхности второй решетки G освещена после параллельного переноса считывающим лучом, имеющим направляющие косинусы:
Подставляя уравнения (33) и (38) в уравнение (34), получаем:
2
Направление вектора  изображения инвариантно точке (ξ,η) на поверхности второй решетки G, благодаря чему вся световая волна, падающая на поверхность второй дифракционной решетки, дифрагируется в одном направлении, а значит, волна изображения является чисто плоской волной, имеющей направляющие косинусы согласно уравнению (39).
Для вычисления требуемой аппаратной функции  первой дифракционной решетки, может быть построен ход луча из данной точки ρ на второй дифракционной решетке до соответствующе точки r(ρ) на первой решетке, причем обе решетки по умолчанию располагаются в нулевом положении, т.е., Δρ=0.
Как показано на фиг. 7, поперечное расстояние вдоль радиальной оси между ρ и r(ρ) составляет:
где D является расстоянием между двумя решетками, и направляющий косинус луча, ход которого построен от r(ρ) до ρ, составляет:
Подставляя уравнение (37) в уравнение (41), получаем
Подставляя уравнение (42) в (40), получаем:
1
c
Предполагается, что, без потери общности, считывающая световая волна, освещающая первую дифракционную решетку G, является плоской волной, нормальной к плоскости решетки, а именно, k(r)=0.
В результате, аппаратная функция  первой решетки составляет:
где  является единичным радиус-вектором. Поэтому, абсолютная величина аппаратной функции  решетки составляет:
или
Подставляя уравнение (46) в (43), получаем:
1
Полученная функция является монотонно возрастающей функцией и, поэтому, легко может быть найдена обратная функция G(r). Направляющий косинус должен удовлетворять условию:
2
Вследствие этого, максимальное радиальное расстояние от центра дифракционной решетки G составляет:
Использование уравнения (39) дает:
В результате, максимальное угловое отклонение, которое может быть получено от сборки из двух дифракционных решеток, показанной на фиг. 6А, 6Б и 7, составляет:
Во всех системах, показанных на фиг. 1-6, предполагалось, что дисплеи подсвечиваются монохроматическими световыми волнами, имеющими одну длину λ волны. Однако почти все показанные системы отображения должны обладать способностью проецирования цветных изображений. Одним из способов созданий цветного дисплея, особенно для применений, где размер элемента изображения относительно велик, является использование вместо дифракционных решеток элементов Френеля, в частности, цилиндрических элементов для вариантов выполнения, показанных на фиг. 1-5, и круглых элементов для варианта выполнения на фиг. 6А и 6Б, в качестве базовых элементов для элементов изображения. В этом случае, имеется возможность разработки элементов Френеля, которые будут удовлетворять уравнениям (1)-(51) и, кроме того, их чувствительность к длине волны восстанавливающей волны будет много ниже, и для их подсветки может быть использован белый свет. В случае дифрационных решеток, напротив, их чувствительность к длине волны восстанавливающей волны очень высока, и каждый элемент изображения должен восстанавливаться посредством монохроматического света. Поэтому, для создания цветного изображения должны быть сложены по меньшей мере три разных изображения, имеющих, соответственно три разных цвета. Существует два основных способа выполнения объединения цветов нужным образом. Один из них представляет собой последовательное во времени формирование цветного изображения, когда цветные изображения генерируются последовательным наложением трех основных цветов - красного, зеленого и синего (RGB) в одном кадре изображения, обычно продолжающегося 1/f секунды, где f - частота кадров системы, обычно 50 или 60 Гц. Это означает, что период кадра делится на три равных подпериода, в каждом из которых дисплей подсвечивается только одним цветом. Этот способ можно использовать в настоящем изобретении, изготавливая каждую из дифракционных решеток в DGE как объединенную решетку, состоящую из трех перекрывающихся решеток, каждая из которых чувствительна к одному из трех основных цветов и не чувствительна к двум другим цветам. Главной проблемой использования этого подхода для подсветки DGE является то, что в объединенной решетке обычно бывает трудно получить высокие дифракционные эффективности. Следствием этого является риск возникновения перекрестных помех световых волн между тремя перекрывающимися решетками (т.е., световая волна будет дифрагирована "неправильной" решеткой), что приведет к ухудшению передачи цвета и контрасту изображения.
Другим способом создания цветного дисплея является использование цветовой фильтрации. Каждый пиксель дисплея разделяется на три подпикселя, каждому из которых посредством фильтрации сообщается три основных красителя или пигмента RGB цветов, благодаря чему смешиванием трех основных цветов может быть получен практически любой цвет. Основным недостатком этого способа является то, что дисплей подсвечивается белой световой волной, либо смесью трех разных световых волн с разными RGB цветами, соответственно. В результате, каждый из подпикселей подсвечивается тремя разными световыми волнами, из которых только одна, имеющая нужный цвет, проходит через цветной фильтр, в то время как две других световых волны "неправильного" цвета поглощаются. Поэтому коэффициент передачи дисплея с цветными фильтрами снижается по меньшей мере втрое.
rgb
rgb1
х
r1
g1
b1
r2
g2
b2
х
а
а
На фиг. 8А-8В представлен альтернативный способ подсветки источника изображения, использующий матрицу DGE для получения системы с высокой эффективностью. Как показано на фиг. 8А, входная световая волна , являющаяся смесью трех плоских световых волн  и  имеющих соответствующие цвета RGB, падает на DGE D нормально к плоскости решетки. Первая решетка C(x), имеющая поперечный размер , является объединенной дифракционной решеткой, состоящей из трех разных решеток C(x), C(x) и C(х), каждая из которых чувствительна к соответствующим RGB цветам, но не чувствительна к другим двум цветам. Вторая решетка состоит из трех смежных разделенных дифракционных решеток C(ξ), C(ξ) и C(ξ), каждая с поперечным размером /3, чувствительных к соответствующим RGB цветам. RGB световые волны (соответственно, точечная линия, пунктирная линяя и сплошная линия) дифрагируют от первой решетки на вторую решетку, а выходные световые волны, выходящие из второй решетки, также являются плоскими волнами, нормальными к плоскости дифракционной решетки, поэтому:
1
2
где ход каждого светового луча строится от точки х на G к точке ξ на G. Поэтому,
rgb2
rgb1
r2
g2
b2
r
g
b
Каждая из трех субрешеток второй дифракционной решетки C(ξ) может обладать очень высокой эффективностью в отношении своего цвета. Действительно, поскольку первая решетка C(x) является комбинацией трех разных дифракционных решеток, она не может быть 100% эффективной. Перекрестных помех между тремя решетками можно, однако, избежать установкой цветного фильтра, имеющего подфильтры F, F и F, перед тремя решетками C(ξ), C(ξ) и C(ξ), соответственно. Поскольку каждая из подрешеток теперь подсвечена световой волной, имеющей в основном "правильный" цвет, и только небольшая ее часть имеет "неправильный" цвет, потери энергии за счет фильтров будут минимальны, и перекрестные помехи будут фактически предотвращены.
rgb
с2
1
c
c
c
Как показано на фиг. 8Б, три разделенные по цветам выходные волны на выходе D могут быть использованы для подсвечивания трех подпикселей, каждый из которых имеет свой соответствующий DGE D (верхний индекс c=r,g,b означает цвет соответствующего DGE). Направление трех выходных световых волн  из подпикселей устанавливаются управлением коэффициентами ν преломления подложек, расположенных, соответственно, внутри трех DGE. Как было показано выше со ссылкой на фиг. 5А и 5Б, в данном случае, расположенные рядом друг с другом по вертикали дифракционные решетки в каждом подпикселе, С(ξ) и G(x), могут быть изготовлены по отдельности. Существуют, однако, системы, в которых проще объединить эти две дифракционные решетки в единую решетку, аппаратная функция которой будет комбинацией аппаратных функций этих двух решеток. Как утверждалось ранее, конкретный способ изготовления для каждой системы может быть определен в соответствии с параметрами каждой системы.
rgb
b
b
х
а
Как показано на фиг. 8А и 8Б, между двумя решетками D имеется смещение D⋅tan α(0), где D является расстоянием по вертикали между решетками, а α(0) является направлением синего луча, соединяющего точку х=0 с точкой ξ=0. Общая поперечная апертура двух решеток, однако, равна .
а
х
На фиг. 8В показаны два смежных пикселя с фильтрами, подсвеченных с использованием двух соответственно прилегающих DGE. Как и ранее, выходные световые волны  (i=1,2; c=r,g,b) из шести подпикселей устанавливаются управлением коэффициента преломления внутри DGE каждого пикселя. Для большого числа n пикселей, общая аппретура дисплея будет иметь размер n⋅, а смещение между плоскостью первой решетки и плоскостью второй решетки будет ничтожно мало. В результате, коэффициент заполнения дисплея будет практически равен 1.
В системах, показанных на фиг. 8Б и 8В, для задней подсветки дисплея используется модуль RGB подсветки, основанный на DGE, причем конструкция пикселей соответствует способу в соответствии с фиг. 2. В конечном итоге, этот способ подсветки может также быть использован для дисплеев, в которых конструкция пикселей соответствует другим способам, проиллюстрированным на фиг. 1, 3 и 6, соответственно. Более того, этот способ подсветки может быть также использован не только для дисплеев, в которых пиксели состоят из DGE, но также и для других обычных дисплеев.
rgb
rgb
На фиг. 9А представлен способ, в котором модуль на основе DGE используется для задней подсветки ЖК дисплея (LCD), в котором обычно модуль задней подсветки должен быть установлен с задней стороны дисплея. Как показано, элемент D подсветки расположен на задней поверхности одиночного пикселя 20, который был разделен на три подпикселя 22, 24 и 26, соответственно, предназначенных для синего, зеленого и красного цветов, соответственно. Расщепление трех основных цветов  и  из входной световой волны  выполняется аналогично тому, что было описано со ссылкой на фиг. 8А. Выходные световые волны,  и , отклоняются от пикселей рассеивателем 28, который обычно является частью LCD. Обычно, LCD не освещается комбинацией трех монохроматических световых волн, как это используется в фиг. 8А, а, скорее, светом, состоящим из трех хроматических диапазонов, или даже световыми волнами белого цвета. В результате, эффективности D дифракционных решеток получаются неоптимальными, и полная выходная эффективность будет снижена, хотя эффективность, которая может быть достигнута модулем подсветки на основе DGE, может оказаться существенно выше максимума 33%, достижимого существующими модулями подсветки.
На фиг. 9Б иллюстрируется способ, в котором используется модуль на основе DGE для фронтальной подсветки дисплея типа "Жидкий Кристалл на Кремнии" (LCOS) По аналогии с панелями ЖК дисплея, панели LCOS содержат двухмерную матрицу ячеек, заполненных жидкими кристаллами, которые скручиваются и выпрямляются в ответ на приложение разных напряжений. При использовании LCOS жидкокристаллические элементы наносятся непосредственно на отражающий кремниевый кристалл. В зависимости от состояния жидких кристаллов, скручивающихся при отражении от зеркальной поверхности под ними, поляризация света может измениться или остаться неизменной, образуя светлые или темные пиксели, соответственно. Как показано на фигуре, передняя поверхность пикселя 30, разделенного на три подпикселя 32, 34 и 36, освещена входной световой волной , по аналогии со схемой подсветки задней поверхности LCD, как это показано на фиг. 9А. Главное отличие в этом случае состоит в том, что выходные световые волны  и  не проходят сквозь пиксели, а скорее отражаются обратно от передних поверхностей пикселей, в обратном направлении относительно первоначального направления.
с2
Соображение, которое следует учитывать при разработке фронтальной подсветки LCOS, использующего DGE, касается дифракционной эффективности второй дифракционной решетки С(ξ). В то время как поляризация световых волн, дифрагированных решетками DGE в модуль подсветки ЖК дисплея, остается неизменной, поляризация световых волн, отраженных от "светлых" пикселей LCOS, повернута на 90°. В результате, следует принимать во внимание эффективности двух ортогональных поляризаций, проходящих через решетку. Существуют две возможные альтернативы для эффективного использования схемы построения, показанной на фиг. 9Б, а именно, дифракционные решетки должны быть очень эффективными, или, в альтернативном варианте, полностью неэффективны для ортогональной поляризации.
На фиг. 10А представлена система, в которой решетки очень эффективны для двух ортогональных поляризаций. Согласно диаграмме, отраженные волны от двух смежных пикселей 40 и 42 дифрагируют обратно и возвращаются в исходное место, где они вошли в систему, в основном, нормально к плоскости дифракционной решетки, где две выходные волны  и  из двух пикселей 40 и 42 отделяются друг от друга.
На фиг. 10Б представлена другая схема, в которой дифракционные решетки обладают высокой эффективности только для падающей поляризации, в то время как эффективность для ортогональной отраженной поляризации ничтожно мала.
В этом случае, отраженные выходные световые волны  и  от двух пикселей 40 и 42 проходят через разные решетки без какой-либо существенной дифракции. Положение выходных световых волн теперь смещено относительно исходного положения на входе, но две световые волны остаются поперечно разделенными. Следует заметить, что в этой схеме световые волны, отраженные от "темных" пикселей, сохраняют свою исходную поляризацию, а значит, снова будут испытывать дифракцию на решетке, как это показано на фиг. 10Б. Эти световые волны с "нежелательной" поляризацией будут, однако, в конечном итоге заблокированы поляризатором на выходной поверхности модуля подсветки, и поэтому их точное положение не имеет значения.
Ситуация, однако, становится нежелательной для систем, в которых решетки частично чувствительны к поляризации отраженных световых волн. Как показано на фиг. 10В, часть световой волны , отраженной от пикселя 42, снова испытывает дифракцию на решетках, при этом часть другой выходной световой волны , отраженная от пикселя 40, проходит через решетки. Эти две отраженные выходные световые волны теперь по меньшей мере частично перекрываются, и, в результате, контраст изображения серьезно падает.
Описанные со ссылкой на фиг. 1-9 способы создания систем отображения, в которых можно управлять не только интенсивностью излучаемой световой волны от каждого пикселя, но также и направлением луча, могут быть использованы для осуществления дисплеев многочисленных типов, чему могут способствовать существующие технологии.
1
d
2
d
2
На фиг. 11А представлен простейший вариант выполнения дисплея на основе DGE. Вместо непрерывного сканирования выходной световой волны, каждый пиксель имеет только два состояния. Как показано на чертеже, пиксель P находится в состоянии "выкл", когда управляемый коэффициент преломления установлен на значение ν, и отклоняет выходную световую волну на угол Р (ϕ). Распространению отклоненной световой волны препятствует блокирующий элемент 44, и поэтому эта волна не может попасть в выходной зрачок системы. Пиксель P установлен в состояние "вкл", где коэффициент преломления имеет величину, при которой излучение выходной световой волны происходит нормально плоскости пикселя и, поэтому, распространение волны не прерывается блокирующим элементом 44, и она беспрепятственно направляется к выходному зрачку 45 системы. Число полутонов пикселя может быть определено управлением соотношения продолжительности включенного состояния к продолжительности выключенного состояния, соответственно, для каждого кадра и пикселя. Блокирующий элемент, показанный на фиг. 11А, служит просто примером того, как блокировать отклоненный свет во время выключенного состояния. Возможны и другие способы, включая разработку оптической системы таким образом, чтобы отклоненные световые волны могли не попасть в выходную апертуру системы или, иначе, установку блокирующего элемента в другом месте. Место, куда отклоняются нежелательные световые волны, обычно называется теплопоглотителем или светопоглотителем.
Выходные световые волны, показанные на фиг. 11А, являются плоскими волнами. В большинстве дисплеев, однако, требуется, чтобы излученные световые волны заполняли выходную апертуру (или требуемые углы зрения для плоских экранов), поэтому, как показано на фиг. 11Б, выходные световые волны должны отклоняться в пределах заранее определенного телесного угла Δθ. Отклонение световых волн отчасти обеспечивается некоторыми оптическими параметрами системы, например, предварительным отклонением входных световых волн, шириной хроматической полосы источников квазимонохроматического света и дифракцией из пикселя конечного размера. Точное требуемое отклонение световых лучей может быть получено добавлением селективного по углу падения рассеивателя 46 на выходной поверхности пикселя, либо, иначе, на его входной поверхности. В любом случае, при разработке оптической системы дисплея следует следить за тем, чтобы все отклоненные световые водны в состоянии "выкл" уходили в теплопоглотитель и не проходили в выходную апертуру системы.
Принцип бистабильной работы дисплеев, показанных на фиг. 11А и 11Б, аналогичен способу работы устройств оптической цифровой обработки (DLP), в которых каждый пиксель состоит из маленького зеркала, которое может быть быстро смещено для отражения света либо через выходную апертуру системы, либо в теплопоглотитель. Главным преимуществом настоящего изобретения по сравнению с DLP является то, что принцип его действия основан на пропускании света через дисплей, в отличие от DLP, где свет отражается от дисплея. В результате, оптическая система в данном случае получается значительно проще, а общие размеры могут быть много меньше, чем для DLP.
FOV
С тем, чтобы представить себе потенциальные возможности новой конструкции дисплея, в котором каждый пиксель управляет не только интенсивностью излучаемого света, но также и направлением излучаемой волны, следует понять принцип работы дисплеев. На фиг. 12 представлен известный обычный плоский дисплей 50, в котором для любой заданной продолжительности кадра каждый пиксель излучает расходящуюся световую волну с углом расходимости ϕ. Этим углом обычно обозначают поле зрения (FOV - от англ. field of view) дисплея, и для высококачественного плоского экрана телесный угол может составлять до 2π стерадиан. Основным результатом такого принципа работы является то, что в любое данное время кадра, каждый пиксель излучает одну и ту же информацию во всех направлениях. Следовательно, один и тот же свет от пикселя 52 падает на оба глаза 54 наблюдателя (пренебрегая небольшими различиями в интенсивности). Таким образом, наблюдатель видит одно и то же изображение с любой существенной с данном случае точки наблюдения, и изображение воспринимается двумерным.
1
2
1
2
1
2
ƒ
ƒ
0
1
0
2
0
1
0
2
На фиг. 13 иллюстрируется совершенно иной принцип формирования изображения, в котором направлением света, излучаемого от каждого пикселя, можно управлять, используя пиксели на основе DGE. Как показано на чертеже, во время двух различных значений времени t и t в пределах продолжительности одного кадра, а именно, для моментов t и t, удовлетворяющих условию 0<t<t<T, где T является продолжительностью кадра дисплея, из дисплея 56 излучаются две разных выходных световых волны W(t) и W(t). Действительно, две световые волны излучаются в два разных момента, однако, поскольку они заключены в отрезок времени одного кадра, для глаза наблюдателя они кажутся одновременными. Причиной этого является инерционность зрительного восприятия, когда многие отдельные изображения сливаются в единое изображение в голове человека. В результате, два разных луча 59а и 59b, образованные из двух изображений W(t) и W(t), излучаются во время одного и того же кадра из пикселя 58 и падают на глаза 60а и 60b наблюдателя, соответственно. В итоге наблюдатель может видеть два разных изображения с двух точек наблюдения и воспринимать изображение как стереоскопическое.
j
0
j
j
j
Трехмерное изображение, имеющее много больше двух разных точек наблюдения, реально может быть получено с использованием сканирования посредством DGE. На первом этапе, рассмотрим систему отображения, обеспечивающую эффект объемности только по горизонтальной оси х. Предполагается, что необходимо, чтобы любое излучаемое дисплеем изображение, в любой данный момент времени, состояло из n разных фрагментов изображения в и точках ν наблюдения (j=1…n) вдоль оси х. Для достижения этого, излучаемую волну W изображения от каждого пикселя нужно просканировать вдоль оси х в течение длительности кадра, для перекрытия всего телесного угла поля зрения FOV, а именно, для каждой требуемой точке ν наблюдения (предполагается, что они равномерно распределены по полю зрения), назначается угол ϕ наблюдения, в соответствии с которым определяется отклонение сканируемой волны в момент времени t.
1
2
1
2
j
2
0
j
j
j
j
j
j
На фиг. 14 представлен пиксель, в котором коэффициент ν(t) преломления между двумя дифракционными решетками является функцией времени. Как показано, в два разных момента времени, t и t, в одном  кадре, волна изображения отклоняется на два разных угла ϕ и ϕ, соответственно. Для каждой точки ν наблюдения, выделен максимальный временной интервал Δτ=Тƒ/n, во время которого выходная световая волна отклоняется в эту конкретную точку наблюдения. Одним возможным способом управления интенсивностью выходной световой волны в каждой точке наблюдения является установка обычного ЖК дисплея перед внешней дифракционной решеткой G(ξ). При минимальном времени реакции, достижимом в существующих ЖК дисплеях, может быть, однако, реализовано только очень небольшое число разных точек наблюдения. Поэтому предпочтительно использовать альтернативный способ управления скоростью углового сканирования выходной световой волны W, а именно, для каждой точки ν наблюдения и каждого пикселя в любом заданном временном кадре выделяется фактический временной интервал Δτ, где 0≤Δτ≤Δτ. Шкала полутонов световой волны определяется промежутком Δτ времени, в котором для полностью темного пикселя Δτ=0, а для полностью яркого пикселя Δτ=Δτ. Только для яркого пикселя по всему полю зрения FOV выполняется условие . Для большинства случаев  и, значит, для любого времени t, удовлетворяющего условию  выходная световая волна отклоняется в теплопоглотитель.
0
j
0
j+1
FOV
0
j
j
j
Как показано на фиг. 15, где представлены две последовательные световые волны W(t) (сплошные линии) и W(t) (пунктирные линии), для того, чтобы сканируемая волна могла покрыть все FOV без пропусков в изображении, угловое отклонение волны должно составлять Δϕ=ϕ/n. На практике было бы значительно проще отклонять выходную световую волну путем непрерывного сканирования, вместо дискретных отклонений, и тем самым, шкала полутонов выходной световой волны W(t) была бы определена угловой скоростью сканирования  Время t, когда конкретный пиксель будет излучать выходную световую волну в данном направлении ϕ, зависит от яркости предыдущих углов и фактической скорости углового сканирования перед этим моментом времени. В частности,
j
j
j
f
В результате, поскольку угловая скорость сканирования зависит от общей яркости конкретного пикселя t, она поэтому отличается для каждого пикселя и, следовательно, световые волны от разных пикселей будут приходить в точку ν наблюдения в разное время. Все эти моменты времени, однако, содержаться в одном временном кадре, а именно, 0≤t≤T для всех пикселей дисплея. Поэтому, благодаря инерционности зрительного восприятия, световые волны от всех пикселей будут интегрироваться глазом наблюдателя, создавая, тем самым, единое изображение.
FOV
FOV
Важным вопросом, который следует иметь в виду, является яркость (т.е., излучаемая энергия в единицу времени в единицу телесного угла с единицы площади проекции поверхности источника) проецируемого изображения. По-видимому, поскольку выходная световая волна от яркой точки излучается только в течение времени Δτ, которое в n раз меньше времени Tƒ излучения обычного дисплея, и оба промежутка времени меньше времени интегрирования глаза, яркость для глаза наблюдателя будет ниже в то же число раз n, соответственно. Это снижение яркости может быть скомпенсировано более низкой угловой расходимостью излучаемой световой волны. Как было показано выше, угловая расходимость выходной световой волны в дисплее, показанном на фиг. 14 и 15, составляет Δϕ=ϕ/n, в то время как в обычном дисплее она равна ϕ, а именно
v
где верхний индекс dge и con означают параметры дисплеев на основе DGE и обычного, соответственно. Предполагается, что излучательность M (т.е., излучаемая энергия в единицу времени с единицы площади проекции поверхности источника) световых волн одинакова для двух дисплеев, т.е.,
Объединяя уравнения (55) и (56), получаем:
р
FOV
x
y
Это означает, что мгновенная яркость дисплея на основе DGE выше в n раз яркости обычного дисплея, за счет чего компенсируется более короткое время подсветки первого дисплея. Как было показано выше, отчасти требуемая расходимость ϕ выходной световой волны обеспечивается основными оптическими параметрами системы. Как было показано ранее, точно заданная расходимость световых лучей может быть получена добавлением селективного по углу падения рассеивателя 62 (фиг. 15) на выходную поверхность пикселя или, иначе, на входную поверхность, причем основное различие состоит в том, что требуется разная расходимость по оси х и оси у. В то время как заданная расходимость по оси х составляет Δϕ, по оси у луч должен перекрывать все поле зрения (FOV) и поэтому требуемая расходимость составляет ϕ. Для выполнения этого требования, может быть использован несимметричный селективный по углу падения рассеиватель, в котором угол рассеивания по оси х много уже, чем угол рассеивания по оси у. Предполагая, что FOV по оси х отличается от FOV вдоль оси у, получаем следующие углы нужного рассеивателя:
j
j
ji
xj
yi
До сих пор предполагалось, что трехмерный эффект необходим только вдоль оси х, когда в действительности, в зависимости от возможностей сканирования системы, имеется возможность получения этого эффекта также и вдоль оси у. Предполагая, что вместо одной точки ν наблюдения по углу ϕ зрения требуется вертикальный ряд из m разных точек наблюдения, а именно, изображение составлено из общего количества n*m разных точек ν наблюдения, каждая из которых имеет два ортогональных угла зрения (ϕ,ϕ). Двухкоординатное сканирование может быть осуществлено способом, описанным выше со ссылкой на фиг. 5 и 6. Теперь разными параметрами системы будут:
ji
τji
ji
ji
Для каждого пикселя и каждого угла ν зрения в любое время кадра, фактический временной интервал Δ выбирается в соответствии с требуемой яркостью. Предположив, что сканирование выполняется последовательными поочередными горизонтальными рядами, время t для каждой точки ν составит:
а угловая скорость сканирования будет равна  Создаваемые в вариантах выполнения, показанных на фиг. 13-15, изображения являются монохроматическими, полученными с использованием монохроматической световой волны, однако и цветные изображения могут быть легко получены при использовании чередования цветов, или, иначе, пикселей с цветовыми фильтрами, как это было описано выше со ссылкой на фиг. 8-10.
На фиг. 13-15 показаны системы, в которых дисплей излучает в каждом данном кадре дискретное число n разных изображений в n разных точек наблюдения, расположенных в одномерной или двухмерной матрице. Было бы предпочтительно, однако, использовать технику дисплея на основе DGE, описанного в настоящем изобретении, для получения трехмерного дисплея, как в случае голографических дисплеев. Принципы регистрации и считывания голографического дисплея показаны на фиг. 16А и 16Б, относящихся к уровню техники, соответственно. Как показано на фиг. 16А, на голографической пластине 63 создается интерференционная картина двух когерентных световых волн, объектной и опорной волн, Обычно объектная волна рассеивается диффузным объектом, в то время как опорной волной является простая плоская волна, которая легко может быть восстановлена, при этом две интерферирующие волны должны создаваться одним когерентным источником, обычно, лазерным лучом. Как показано на фигуре, опорный луч 64 интерферирует в точке 65 на голографической пластине 63 с тремя разными лучами, 66, 67 и 68, излучаемыми из трех точек 70, 72 и 74, соответственно, на объекте 75, а именно, в точке 65 создается комбинированная интерференционная картина. Фактически, интерференционная картина содержит много больше трех разных картин, поскольку объект по существу излучает непрерывное множество лучей, на чертеже для простоты показаны только три луча. Аналогичная комбинированная интерференционная картина создается в точке 78, где опорный луч 76 интерферирует с тремя разными лучами, 80, 82 и 84, излучаемыми из тех же трех точек 70, 72 и 74, соответственно. Аналогичные интерференционные картины создаются в результате интерференции между разными лучами объектной и опорной волн. Интерференционные картины обычно записываются на фотографической эмульсии с очень высоким разрешением, которая после проявления преобразуется в сложную дифракционную решетку.
Процесс восстановления голографического изображения проиллюстрирован на фиг. 16Б. Восстанавливающая волна, аналогичная опорной волне, освещает проявленную голографическую пластину 63. Восстанавливающий луч 86, исходящий с того же направления, что и опорный луч 64 на фиг. 16А, диффрагирует на интерференционной картине в точке 65, создавая три луча изображения, 66'', 67'' и 68'', которые излучаются из пластины в тех же направлениях, что и лучи 66, 67 и 68 (фиг. 16А), и падают на пластину в процессе регистрации. В результате, глаз 90 наблюдателя видит эти три луча, как лучи 66', 67' и 68', исходящие из точек 70, 72 и 74 на объекте 75. Аналогично, восстанавливающий луч 89, приходящий с того же направления, что и опорный луч 76 (фиг. 16А), дифрагирует на интерференционной картине в точке 78, создавая три луча 80'', 82'' и 86'', и глаз 91 наблюдателя видит эти лучи, как лучи 80', 82' и 86', излучаемые из точек 70, 72 и 74. Лучи 66', 67' и 68', а также лучи 80', 82' и 86', являются не реальными, а скорее, мнимыми лучами, а значит, на месте исходного объекта 75 создается мнимое изображение 75'. Аналогичная дифракция восстанавливающей световой волны происходит во всех других точках голографической пластины 63, и наблюдатель видит мнимое трехмерное изображение, как оно появляется в "окне", расположенном на месте голографической пластины.
Главным недостатком дисплея фотографически зарегистрированной голограммы является то, он может проецировать только неподвижные изображения. Для создания динамического голографического дисплея, требуется динамический пространственный модулятор света (ПМС), позволяющий создавать в реальном времени требуемую сложную дифракционную картину, которая сможет дифрагировать простую опорную волну в нужное динамическое трехмерное изображение. Даже у наиболее современных существующих проекционных приборов максимально достижимое разрешение пока на порядок ниже разрешения, требующегося для динамического дисплея, которое должно составлять менее длины волны, т.е., несколько тысяч пар линий на миллиметр.
Другой способ создания динамического трехмерного дисплея, использующего пиксели на основе DGE, в соответствии с настоящим изобретением, иллюстрируется фиг. 17. Вместо динамической дифракционной решетки, используют матрицу неподвижной дифракционной решетки, создающей дисплей 93 на основе DGE, в котором динамическое изображение получают сканированием выходной световой волны на каждый пиксель способом, имитирующим дифракцию восстановленной световой волны на динамической дифракционной решетке. Как показано на чертеже, входной луч 95, освещающий пиксель 97, сканируется в данном временном кадре в различных направлениях способом, аналогичным описанному выше со ссылкой на фиг. 14-15. Главным отличием является то, что теперь выходную световую волну сканируют непрерывно для создания картины требуемого мнимого изображения, как это показано в месте расположения пикселя 97. Также показано, что три разных выходных луча 100, 101 и 102 излучаются из пикселя 97, и глаз 90 наблюдателя видит эти лучи, как лучи 100', 101' и 102', которые излучаются из точек 70, 72 и 74 на мнимом изображении 75'. Аналогично, входной луч 96 сканируют по пикселю 98 для создания трех лучей 105'', 106'' и 107'' изображения, а глаз 91 наблюдателя видит эти лучи, как лучи 80', 82' и 86', излучаемые из точек 70, 72 и 74. Следует заметить, что в данном случае лучи, создающие мнимое изображение 75', не излучаются одновременно, как в случае голографического дисплея, а, скорее, последовательно. В результате, требуется очень быстрое сканирование для создания подробного изображения. Естественно, разрешение проецируемого мнимого изображения определяется достижимой скоростью сканирования системы. Приведенное выше описание применимо только для одного  кадра, в котором формируется одно трехмерное мнимое изображение. Очевидно, что в любом  кадре, может быть создано другое изображение и, поэтому, дисплей может формировать динамическое мнимое изображение, которое будет проецироваться в глаз наблюдателя. Легко могут быть сформированы и цветные изображения, использующие пиксели с чередованием цветов или, в альтернативном варианте, с цветовыми фильтрами, как это было описано выше со ссылкой на фиг. 8-10.
Другим привлекательным применением, основанном на использовании описанного способа построения, являются дисплеи с преобразованием Фурье. Почти во всех существующих источниках изображения дисплеев, плоскость изображения совпадает с плоскостью дисплея, а именно, световые волны, излучаемые из дисплея, создают изображение, расположенное на плоскости дисплея, и каждая точка изображения представлена одним пикселем, расположенным в конкретном месте на дисплее. Имеется, однако, много применений, например, бинокулярные приборы, индикаторы на лобовом стекле и нашлемные дисплеи, в которых требуемое изображение должно быть коллимировано на бесконечность. В этих системах, каждая точка изображения представлена одной плоской волной, падающей на глаз наблюдателя под конкретным углом зрения. Как правило, для требуемого коллимированного изображения, изображение из источника обычного дисплея коллимируют на бесконечность, используя оптический модуль. Другими словами, коллимирующий оптический модуль выполняет преобразование Фурье реального изображения дисплея, и каждая расходящаяся световая волна от единичного пикселя преобразуется в плоскую волну, приходящую с определенного направления. Для большинства применений, особенно для тех, в которых требуется широкое поле зрения или высокое качество изображения, коллимирующий оптический модуль становится большим, тяжелым, громоздким и дорогим, значительно усложняя изготовление нужной системы. Этот недостаток особенно серьезен для оптических систем, например HMD, где малые размер и вес являются критическими параметрам. Другим недостатком таких систем является то, что коллимирующий модуль, даже и для применений с высокими характеристиками, обычно создает нежелательные аберрации в коллимированных волнах, чем снижает оптическое качество изображения.
Для преодоления этих недостатков, было бы предпочтительно иметь источник дисплея, излучающий совокупность плоских волн вместо расходящихся световых волн, излучаемых существующими дисплеями. Одним из способов достижения этой цели является использования пространственного модулятора света (ПМС), в котором световые волны, излучаемые с плоскости дисплея, модулируются в соответствии с преобразованием Фурье требуемого изображения. Это может быть достигнуто, если прозрачность самого ПМС будет модулироваться в соответствии с преобразованием Фурье реального изображения с подсветкой плоскости ПМС простой плоской волной так, что выходная световая волна будет промодулирована соответствующим образом. Главной проблемой в реализации этого способа является то, что для достижения требуемой модуляции, особенно для изображения с широким FOV, требуется очень высокое разрешение, порядка нескольких тысяч пар линий на миллиметр. Как было показано выше в отношении голографических дисплеев, ПМС высокого разрешения этого типа в настоящее время не существуют и, возможно, не появятся в обозримом будущем.
Возможным способом создания требуемых дисплеев с Фурье преобразованием является использование способа, описанного выше применительно к динамическим трехмерным дисплеям голографического типа. Необходимая модуляция плоскости ПМС может быть описана как картина интерференции между простой опорной плоской волной подсветки и требуемым изображением, коллимированным на бесконечность. Когда ПМС, модулированный в соответствии с интерференционной картиной, освещается считывающей волной, аналогичной опорной волне, дифрагированные выходные световые волны и окажутся требуемым коллимированным изображением. Поэтому, тот же принцип, который проиллюстрирован на фиг. 17, может быть использован в данном случае для "имитации" требуемого дисплея с пространственной модуляцией, а именно, каждый пиксель дисплея будет излучать совокупность световых волн в пределах продолжительности любого данного кадра, аналогичную тем, которые должны бы быть дифрагированы с плоскости ПМС при ее подсветке надлежащей считывающей волной. В конечном итоге, результат будет тем же самым, и выходные световые волны будут образовывать требуемое Фурье-преобразование реального изображения.
Во всех вариантах выполнения, показанных на фиг. 11-17, предполагалось, что расположение наблюдателя неизвестно, и что изображение, излучаемое дисплеем, должно покрывать все заданное поле зрения, при этом глаза наблюдателя могут находиться в любом месте в пределах этого FOV. Возможно, однако, улучшить работу и яркость проецированного изображения, а также существенно упростить работу дисплея, посредством введения в оптическую систему айтрекера (видеоокулографа). Отслеживание положения глазного яблока представляет собой процесс измерения положения, направления взгляда или движения глаза относительно дисплея, другими словами, айтрекер является устройством для измерения положений и перемещений глаза. Наиболее распространенным способом управления таким устройством является использование оптического метода измерения движения глаза. Свет от излучателя, обычно инфракрасный, отражается от глаза и воспринимается видеокамерой, или иными специально разработанными оптическими датчиками. Далее информация анализируется для извлечения данных поворота и перемещения глаза на основании изменения отражения. Айтрекеры на основе видеокамеры обычно используют отражение роговицы и центр зрачка в качестве признаков для сопровождения во времени.
В соответствии с настоящим изобретением, было бы предпочтительно физически объединить два оптических узла, а именно, стереоскопический дисплей с динамическим управлением и узел айтрекера. Посредством идентификации положения и направления взгляда глаз наблюдателя, блок управления может быть настроен для каждого пикселя в каждом временном кадре так, что предпочтительное направление излучения световой волны пикселем, и содержание изображения могли бы быть выбраны в соответствии с данными, полученными айтрекером. Дисплей может проецировать разные изображения для двух глаз наблюдателя для получения стереоскопического изображения, используя динамически управляемые пиксели. Более того, для различных пользователей одновременно могут проецироваться совершенно разные изображения.
Обычно, из соображений симметрии, было бы желательно устанавливать айтрекер в центральной верхней части модуля дисплея. На фиг. 18А-18Б представлен вид сверху (фиг. 18А) и вид спереди (фиг. 18Б) айтрекера 108, включающего излучатель 109 и детектор ПО, установленные в центральной верхней части рамки модуля 111 дисплея. Как показано, световые лучи 112а и 112b излучаются излучателем 109 для освещения глаз 114а и 114b наблюдателя, соответственно. Световые лучи 116а и 116b, соответственно, отраженные от глаз наблюдателя, фокусируются на детекторе 110. Данные, полученные в детекторе 110, передаются в узел 118 обработки, который динамически вычисляет положения и направления взгляда глаз, и, соответственно, определяет направление, в котором каждый пиксель должен излучать световую волну, а также контекст изображения. Обработанные данные передаются в блок 120 управления, который вводит в дисплей обработанный видеосигнал. Эта дополнительная функция может усовершенствовать характеристики вариантов выполнения, показанных на фиг. 11-17.
d
d
b
b
1
2
d1
d2
d1
d2
На фиг. 19 показана усовершенствованная версия системы, показанной ранее на фиг. 11А и 11Б. Как было показано в отношении следующих фигур, возможности сканирования пикселей на основе DGE были снижены там до только бистатического режима работы. В модифицированной системе, показанной на фиг. 19, напротив, было восстановлено полноценное сканирование. Каждый пиксель теперь может находиться не только в состоянии "выкл", где управляемый коэффициент преломления имеет значение ν, отклоняет выходную волну на угол ϕ и направляет световую волну в теплопоглотитель, но и в непрерывном множестве состояний, где коэффициент преломления ν вызывает отклонение выходной световой волны на угол ϕ. Угол отклонения каждого пикселя устанавливается блоком управления в соответствии с положением глаз наблюдателя. Угол Δθ' расходимости каждого пикселя определяется рассеивателем 46, и может теперь быть значительно меньше этого угла в системе, показанной на фиг. 11Б, где световая волна должна покрывать целиком все поле зрения. В результате, может быть достигнута значительно более высокая яркость, или, иначе, значительно меньшая мощность потребления. Существуют некоторые альтернативные возможности реализации модифицированного варианта выполнения, показанного на фиг. 19. В опции, каждый пиксель направлен на голову наблюдателя и должен перекрыть оба глаза. В результате, в глаза наблюдателя проецируется обычное двухмерное изображение, но принцип работы очень прост, а улучшение в отношении достижимой яркости остается значительным. В этом варианте, в глаза разных пользователей могут проецироваться одновременно несколько разных обычных двухмерных изображений. В другой опции, в каждом  кадре пиксели проецируют световые волны последовательно в два глаза наблюдателя. Каждый временной кадр разделяют на три временных интервала для каждого пикселя: два для глаз, а третий для теплопоглотителя, причем длительность каждого интервала определяется в соответствии с яркостью проецируемых световых волн. Проецируемое изображение в этой версии может быть стереоскопическим и, поскольку требуемая расходимость световой волны еще больше уменьшена, достижимая яркость, соответственно, может быть еще увеличена. В модифицированной версии матрица пикселей разделена на пары пикселей, где в каждой паре два пикселя проецируют световые волны в два глаза, соответственно, а именно, каждый единичный пиксель излучает световые волны в один глаз. Как показано на фиг. 19, управляемые коэффициенты преломления DGE, а именно, DGE и DGE, устанавливаются на значения ν и ν, которые вызывают отклонение выходных световых волн на углы ϕ и ϕ в направлении к левому и правому глазам наблюдателя, соответственно. Хотя разрешение для каждого глаза ухудшается в два раза по сравнению с предыдущим вариантом, управлять изображением в данном случае значительно проще.
На фиг. 20 представлена модифицированная версия варианта выполнения, показанного на фиг. 14 и 15, в которой система предназначена для работы с большим числом наблюдателей. Предполагая, что дисплей смотрят одновременно k разных наблюдателей, вместо проецирования n*m разных изображений в n*m временных интервалах за время каждого кадра для покрытия всего FOV, каждый пиксель излучает 2k различных изображений в 2k направления для покрытия 2k разных входных зрачков (ЕМВ - от англ. eye-motion box) k наблюдателей. Поскольку даже для большого числа k наблюдателей общая площадь ЕМВ составляет лишь незначительную часть полного поля зрения FOV, угол расходимости Δϕ' может быть существенно меньше угла расходимости, необходимого для системы, показанной на фиг. 15, и, соответственно, может быть улучшена яркость и мощность потребления. Самое важное то, что поскольку каждый пиксель может непрерывно следить за движениями глаз, изображение может теперь быть менее прерывистым, с более высоким разрешением и простым механизмом управления.
Фиг. 21А и 21Б иллюстрируют модифицированную версию голографического дисплея, показанную на фиг. 17. Как показано на фиг. 21А, айтрекер 108 располагается на рамке дисплея 93 и измеряет положение и направление взгляда глаз 114а и 114b. Соответственно, как показано на фиг. 21Б, каждый пиксель должен непрерывно сканировать выходную световую волну для создания картины мнимого изображения в телесном угле, перекрывающем глаз наблюдателя, который на несколько порядков меньше телесного угла, требующегося в варианте выполнения, показанном на фиг. 17. В результате, реализуемость системы сканирования в данном случае значительно улучшена, и ее осуществление трудностей не вызывает. Более того, поскольку направление взгляда каждого глаза известно, только пиксели, на которые смотрит глаз, должны излучать высокоразрешающее изображение, в то время как пиксели, находящиеся вдали от точек наблюдения, могут излучать изображение с более низким разрешением, что еще больше упрощает систему сканирования.
Варианты выполнения, показанные на фиг. 18-21, обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с теми, что представлены на фиг. 11-17. Помимо значительно более высокой достижимой яркости (или, наоборот, меньшей потребляемой мощности), более простого механизма управления и лучшей реализуемости, существует большое число применений, которые могут быть получены при объединении динамически управляемого дисплея с айтрекером. В случае режима работы с одним наблюдателем, в глаза наблюдателя могут проецироваться различные особенности сцены, в соответствии с расположением, а также точкой наблюдения глаз наблюдателя. Кроме того, могут проецироваться совершенно разные сцены или ситуации. Вдобавок, наблюдатель может управлять дисплеем, мигая глазами или просто двигая. Более того, система может быть запрограммирована на изменение режима работы в соответствии с положением глаз пользователя, например, останавливая проецирование изображения, если наблюдатель поворачивает голову, или начиная делать паузы на время, превышающее установленное, и возобновляя работу, когда наблюдатель возвращает взгляд обратно. При работе в режиме со многими наблюдателями, различные особенности одной и той же сцены (например, разные особенности одного и того же спортивного события или одного и того же представления) могут проецироваться одновременно разным пользователям, в соответствии с их конкретными положениями или предпочтениями. Вдобавок, система может остановить проецирование для одного пользователя в одном из вышеупомянутых условий, продолжая при этом проецировать изображения другим пользователям. Более того, разным пользователям одновременно могут проецироваться совершенно разные изображения, например, несколько наблюдателей могут сидеть рядом, и каждый из них может смотреть свой собственный кинофильм или ТВ передачу, либо несколько игроков могут играть в одну видеоигру, в то время как система проецирует для каждого игрока соответствующий контекст. Естественно, для последних применений, каждый наблюдатель должен использовать свою собственную аудио гарнитур у для получения соответствующего звукового сигнала.
Помимо описанного выше использования для развлечения, варианты выполнения, показанные на фиг. 18-21, также могут быть использованы для профессиональных применений, где требуется непрерывное проецирование обновленных данных в глаза наблюдателя. В операционной, например, имеется большой экран, где медицинскому персоналу демонстрируются критически важные данные. Разным членам медицинского персонала, например, хирургам, сестрам и анестезиологам, обычно требуется данные разного характера. Используя описанные выше варианты выполнения, можно одновременно проецировать с одного экрана разные данные разным людям в операционной, в соответствии с их разными требованиями. Другим примером может служить зал управления, в котором на огромном экране постоянно проецируются обновленные данные выполнения проекта. Для разных участников может, однако, быть необходимо видеть различные ситуации или различные особенности данной ситуации, в любой момент времени. В этом случае также, разные аспекты происходящего могут одновременно проецироваться соответствующим участникам, в соответствии с их потребностями.
Для специалистов в данной области будет очевидно, что изобретение не ограничивается приведенным выше подробным описанием показанных вариантов выполнения, и что настоящее изобретение может быть реализовано в других частных формах, без отступления от его существа и важнейших признаков. Настоящие варианты выполнения, поэтому, следует рассматривать во всех отношениях в иллюстративном, а не ограничивающем смысле, причем область притязаний изобретения определяется приложенной формулой, а не вышеприведенным описанием, а все изменения, попадающие под замысел и область эквивалентности формулы, в силу этого, считаются охватываемыми этой формулой.