РАСТРОВАЯ СИСТЕМА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ОБЪЕМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Техническое решение относится к средствам получения и воспроизведения объемного изображения и может быть использовано для создания полностью объемного телевидения, полностью объемного интерфейса для компьютерных программ, для создания компьютерных игр с полностью объемным изображением, для создания объемных планетариев, кинотеатров конференц-залов и т.д.
На сегодняшний день существует три метода создания полностью объемных изображений: голография, растровый метод создания объемных изображений, а также рассеяние света на материальных объектах (например, на парах воды)
Известен способ получения и восстановления объемного изображения, в котором используется растровый перфорационный экран с переменным по времени положением отверстий на нем. В способе плоский экран, выполнен в виде сдвоенной матрицы. Внешняя матрица выполнена из управляемых ячеек, которые попеременно пропускают свет от объекта съемки, а внутренняя матрица выполнена из светочувствительных ячеек, непосредственно отображающих объект съемки. Каждая ячейка внешней матрицы представляет собой управляемую на основе жидкокристолической или иной структуры микроскопическую линзу или отверстие малого диаметра, реализующее эффект камеры-обскуры, а управление ячейками внешней матрицы осуществляют поочередным их открыванием для прохождения света, камеру съемки формируют в виде участка внешней матрицы центральная ячейка которой открыта для пропускания света и кадра внутренней матрицы, сотоящего из прямоугольного массива пикселей, формирующих изображение, (см. патент RU, 2379726 С1, МПК G02B 27/22)
Известна система получения и восстановления объемного изображение, содержащая плоский экран, который выполнен в виде сдвоенной матрицы, внешняя матрица которого выполнена из управляемых ячеек, обладающих свойством попеременно пропускать свет от объекта съемки. Внутренняя матрица выполнена непосредственно отображающей объект съемки и выполнена в виде прозрачного матового экрана с функцией проецирования на него множества элементарных ракурсов исходного изображения, формируемых с помощью линзового растра, расположенного перед внешней матрицей, а за матовым экраном расположена видеокамера, фиксирующая многоракурсное изображение, формируемого на матовом экране, (см. патент RU, 91442 U1, МПК G02B 27/22)
Недостатками известных технических решений являются:
- низкая светосила данного экрана, т.к. большая часть света будет поглощаться во внешней матрице (матрице с открывающимися отверстиями) как в режиме съемки, так и в режиме воспроизведения объемного изображения;
- современные фотоэлементы имеют значительную инерционность, что не позволяет их использовать для съемки в данном устройстве, т.к. фотоэлементы не смогут различить различные кадры при изменении положения открытого отверстия на внешней матрице, то есть фотоэлементы зарегистрируют сразу большое количество различных кадров, которые по задумке должны быть раздельными. Тоже самое касается и внутренней проецирующей матрицы, которая не будет успевать изменять свое состояние за внешней матрицей;
-.низкая разрешающая способность данной системы, т.к. отверстия не позволяют получить высокой разрешающей способности вследствие дифракции света на отверстии.
Техническим результатом заявленного технического решения является создание системы с высокой разрешающей способностью и углом обзора.
Технический результат достигается тем, что растровая система воспроизведения объемного изображения, включает светомодулирующий растровый зкран в форме сферического сегмента, образованный, закреплением в нем одного края оптических кабелей с направлением оси каждого оптического кабеля в центр кривизны экрана, снабженного стеклянной центрально симметричной линзой, фокусирующей свет оптических волокон одного кабеля, полученной наплавлением ее на отрезанный перпендикулярно направлению кабеля его край, при этом с другого края каждый оптический кабель разделен на отдельные оптические волокна в индивидуальной оплетке с подключением каждого волокна к своему светомодулирующему устройству и источнику света.
На фиг.1 - общая схема системы;
На фиг.2 - общая схема отдельного оптического кабеля со стеклянной центрально симметричной линзой с одного края и светомодулирующими устройствами каждого волокна с другого края (общая схема вокселя);
На фиг.3 - оптический кабель с разделенными волокнами с одного края;
На фиг.4 - схема сферической светомодулирующей поверхности;
На фиг.5 - телесный угол вокселя в виде конуса, поверхность которого пересекается с областью наблюдения радиусом r.
Использование линз, наплавленных на один край оптических кабелей (вокселей), фокусирующих свет оптических волокон кабеля, позволяет создать большого количества точечных источников света на минимальной площади, то есть значительно увеличить количество пикселей (волокон) в одном вокселе (оптическом кабеле), повышая качество объемного изображения при размещении этих линз в шестиугольном или другом порядке для образования светомодулирующего экрана в форме сферического сегмента.
Количество оптических кабелей (вокселей), образующих экран системы и количество оптических волокон (пикселей) одного оптического кабеля рассчитывают для каждых конкретных условий.
Рассчитаем количество линз (оптических кабелей) сферической светомодулирующей поверхности радиусом R необходимых для создания полностью объемного изображения в сферической области пространства с радиусом r - в сфере наблюдения. При этом центры светомодулирующей поверхности и сферы наблюдения совпадают (фиг.4). Светомодулирующая поверхность будет состоять из огромного количества собирающих линз. Из любой точки внутри сферы наблюдения эти линзы будут иметь угловой размер меньше 1-ой угловой минуты, т.е. меньше разрешающей способности человеческого глаза - δ. Благодаря этому наблюдатель внутри сферы наблюдения увидит не отдельные линзы, а непрерывное объемное изображение.
Линейный размер одной линзы не более L=(R-r)×δ. При наблюдении из центра сферы одна линза занимает телесный угол
об
Как известно общий телесный угол равен ω=4π. Соответственно общее число линз равно примерно
Пример. Пусть R/r=10, δ=1′≈0,0003 радиан. Следовательно,
Каждая такая линза будет является  элементом объемного изображения, подобно тому, как пиксель на экране монитора является элементом плоского изображения. Будем называть такую линзу вокселем (voxel - volume pixel). Воксель формирует набор лучей света в направлении сферы наблюдения. При этом в каждый элементарный телесный угол излучается свой пучок света со своим спектром и интенсивностью. Введем новое понятие.
Разрешающая способность вокселя δ′ - это минимальное угловое расстояние, на котором воксель может сформировать свет разного спектрального состава и интенсивности. Рассмотрим принципиальную схему вокселя.
В случае перфорационного экрана вокселем будет является отверстие и область проекционного экрана за ней. Изображение на проекционном экране в свою очередь состоит из элементов - пикселей. В нашем же случае вокселем будет является собирающая центрально симметричная линза и набор пикселей за ней, находящихся в ее фокальной плоскости.
B
П
B
Соответственно каждый воксель является совокупностью более простых элементов пикселей. Каждый воксель будет создавать изображение лишь в определенном телесном угле ω. Данный телесный угол будет вмещать в себя совокупность лучей света от всех пикселей данного вокселя. Свет от одного пикселя изображения будет создавать изображение в элементарном телесном угле ω. Рассчитаем количество пикселей, для создания изображения в телесном угле ω.
П
′2
Элементарный телесный угол ω ≈б. Следовательно количество пикселей в одном вокселе
В
Пересечение телесных углов всех вокселей светомодулирующей поверхности создает область наблюдения. В нашем случае это сфера. Следовательно, телесный угол вокселя будет представлять собой конус, поверхность которого будет пересекаться с областью наблюдения. (Фиг.5). Выразим телесный угол ω через радиусы R и r:
Площадь сегмента сферы.
В результате получаем
Разрешающие способности глаза δ и вокселя δ′ должны быть равны.
В случае, если δ<δ′ наблюдатель увидит в отверстиях соседних векселей пиксели, расположенный в системе координат вокселя в одних и тех же местах. Из за этого изображение объекта расфокусируется, и будет не четким. Если же δ>δ′, то количество пикселей будет избыточным. Улучшения качества изображения не будет, зато возрастет сложность производства.
Исходя из вышеизложенного, рассчитаем общее количество пикселей, необходимое для создания объемного изображения. Общее количество пикселей будет равно произведению количества вокселей N на количество пикселей в одном вокселе М:
W=N×M
Ранее было показано, что
Следовательно,
Также,
Отсюда следует, что
В том случае, если светомодулирующая плоскость окружает наблюдателя не полностью, а занимает лишь часть окружающего пространства,
экр
где ω - это
телесный угол, под которым видна светомодулирующая поверхность из центра области наблюдения (одновременно центра кривизны светомодулирующей поверхности).
Из уравнений видно, что общее количество пикселей обратно пропорционально четвертой степени разрешающей способности. Т.е. при увеличении разрешающей способности системы в 2 раза, общее количество пикселей увеличиться в 16 раз. Рассчитаем по формуле W в случае полного окружения наблюдателя виртуальным миром, не отличимым от реального пои отношении r/R=l/2:
.
Такое количество пикселей на современном этапе технологий недостижимо.
На начальном этапе технологии, как одну из реализаций предлагаемого принципа, создадим систему индивидуального назначения. Данная система будет рассчитана на одного человека. Ее параметры:
r=0,05 м (радиус сферической области пространства, в которой необходимо создать полностью объемное изображение);
R=2,5 м (радиус сферической светомодулирующей поверхности);
экр
δ=0,001 радиан; (разрешающая способность вокселя); ω=0,84 кв. рад; (телесный угол)
Телесному углу 0,84 кв. радиана соответствует шаровый светомодулирующий сегмент сферы, видимый из центра кривизны данного сегмента под углом 60°. Следует заметить, что 19 дюймовый экран монитора компьютера в среднем виден в телесном угле около
0,05 кв. радиана.
Диаметр области наблюдения равен 10 см, т.е. оба глаза наблюдателя вполне вместятся в этом пространстве. При расстоянии от наблюдателя до экрана 2,5 м и разрешающей способности 0,001 радиана, один воксель будет иметь линейные размеры около λ=2,5 мм. При этом воксели будут занимать-ллестиугольники, подобно медовым сотам.
Следовательно количество пикселей в одном вокселе:
Пиксели в вокселе также расположены подобно медовым сотам. Рассчитаем примерный линейный размер пикселя:
Площадь пикселя-шестиугольника равна  где р - расстояние между центрами соседних пикселей. Отсюда найдем р:
Следовательно, максимальный линейный размер пикселя должен быть очень мал. Возникает проблема создания большого количества точечных источников света на минимальной площади, а также средства управления этими источниками света. Рассчитаем примерное количество вокселей:
Площадь экрана, приходящаяся на один воксель будет равна
Соответственно телесный угол одного вокселя  радиан. Из этого следует общее количество вокселей
Следует заметить, что на экране обычного жидко кристаллического монитора элементов плоского изображения более 1,5 миллионов. Рассчитаем общее количество пикселей:
W=N×M≈1,2 млрд. пикселей=1,2 ГигаПикселя. Величина большая, но достижимая, т.к. например современные фотоаппараты имеют разрешение свыше 10 миллионов точек, т.е. более 10 МегаПикселей при очень незначительном размере объективна
Как видно из формул, основная сложность создания системы объемного изображения, это большая плотность пикселей, которая не позволяет использовать для этих целей, например, жидкие кристаллы.
Предлагается решить данную проблему при помощи применения оптического кабеля состоящего из оптических волокон.
Рассмотрим устройство растровой системы воспроизведения объемного изображения индивидуального назначения, рассчитанную на одного человека.
Система включает светомодулирующий растровый экран 1, в форме сферического сегмента, образованный размещением линз 2, наплавленных на один край оптических кабелей 3. Один край каждого оптического кабеля 3 отрезают перпендикулярно его направлению. На отрезанный край кабеля наплавляют стеклянную центрально симметричную линзу 2, фокусирующую свет оптических волокон 4 этого кабеля (Фиг.2). Как известно, сферические поверхности границы раздела двух сред также являются оптическими линзами. Боковая поверхность каждой линзы 2 зачернена для того, чтобы лучи отраженные от края линзы не испускались за пределы того телесного угла, в пределах которого должен излучать данный воксель. Края оптических кабелей с линзами размещают в шестиугольном или ином порядке с направлением оси каждого оптического кабеля в центр кривизны экрана. Каждый оптический кабель 3 состоит из множества оптических волокон 4 (в рассматриваемом случае из 1256 шт., по количеству пикселей в вокселе). При этом внутри кабеля оптические волокна располагаются равномерно по всей его площади, с расстояниями между центрами соседних волокон равному расстоянию между центрами пикселей в вокселе - 68 мкм.
Оптические волокна 4 являются волноводами волн оптического диапазона. Расстояния между ними в оптическом кабеле заполнены прозрачным веществом с показателем преломления меньше, чем у стекла. В результате этого происходит эффект внутреннего полного отражения на границе двух сред, и свет распространяется только внутри оптического волокна. То есть оптический кабель работает по тому же принципу, что и оптическое волокно. Минимальный диаметр оптического волокна должен быть более длины волны распространяющегося в нем света (т.е. более 700 нм). Расстояние между оптическими волокнами также должно быть более длины волны света для того, чтобы электромагнитные волны не могли частично переходить из одного оптического волокна в другое. Следовательно, максимально малое физически достижимое расстояние между центрами оптических волокон может быть в районе 1,5 мкм. Следовательно, данная система создания изображения имеет широкие возможности для развития.
С другого края каждого кабеля 3 оптические волокна 4 разделяются на отдельные, каждое оптическое волокно (1256 шт.) со своей оплеткой и каждое из них подключается к своему светомодулирующему устройству 5 с управляющими контактами 6 и источнику света 7. При такой схеме светомодулирующие устройства 5 могут быть размещены в большом объеме и на значительном удалении от экрана, а не в пределах одного вокселя сразу за экраном, как в других случаях. Это облегчает производство таких светомодулирующих устройств, так как их не надо миниатюризировать до микроразмеров.
Количество световых волокон в кабеле и количество светомодулирующих устройств равно количеству пикселей в одном вокселе. В рассмотренном ранее примере их 1256 шт. На каждый пиксель изображения приходится свое светомодулирующее устройство и свое оптическое волокно. А вот источник белого свет может быть один для всех пикселей. Хотя возможно и создание белого света внутри светомодулирующего устройства.
Процесс формирования света происходит следующим образом. Источник белого света генерирует белый свет заданного спектрального состава. По оптическим волокнам 4 этот свет попадает в светомодулирующие устройства 5. Светомодулирующие устройства изменяет цвет (спектральный состав) и интенсивность поступающего белого света. По управляющим контактам 6 к светомодулирующим устройствам 5 подводится электрический управляющий сигнал от компьютера. В качестве светомодулирующего устройства целесообразно использовать жидкие кристаллы. Далее промодулированный свет распространяется внутри оптоволокна. Оптоволокна соединяются в оптический кабель. В конце оптического кабеля свет оптоволокна переходят в единое пространство внутри стеклянной линзы 2. Свет перестает распространятся канализовано, и расходится в разные стороны, при этом фокальная плоскость стеклянной поверхности наплавленной линзы 2 совпадает с плоскостью отреза оптического кабеля. Т.е. окончание каждого оптоволокна внутри кабеля находится в фокальной плоскости этой линзы. Расходящийся свет проходит через границу раздела сред, и далее распространяется параллельным пучком света. Совокупность таких параллельных пучков от каждого окончания оптоволокна расходится внутри телесного угла данного вокселя. Вся эта система формирует один воксель. Пересечение телесных углов всех вокселей светомодулирующей поверхности создает область наблюдения.
В дальнейшем по мере улучшения технологии, можно будет расширять телесный угол, увеличивая тем самым области полного и частичного наблюдения, а также повышать разрешающую способность экрана. Это потребует уменьшения размеров оптического кабеля и увеличения числа оптических волокон в нем.
Растровая система, обеспечивающая повышение качества объемного изображения, найдет промышленное применение.