CN101939706A - 用于可视化图像的方法以及用于执行该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息技术，旨在用于可视化三维图像。本发明的技术效果在于构造电控的三维相位衍射光栅，并且在其基础上，屏幕用于显示三维彩色图像。一种用于可视化图像的方法，该方法包括：将宽频带光辐射束直接照射到电控元件或像素的矩阵上，同时将电压施加到像素上，计算矩阵上的电压分布从而在像素的电流光学特征中产生期望的变化，并且显示图像。此外，光辐射束同时直接照射在像素矩阵的堆叠上，其中所述矩阵彼此平行设置，矩阵被照射的一面是显示图像的那一面，折射率被用作所有矩阵中像素的可变光学特征。一种用于执行所要求保护的方法的装置，所述装置包括屏幕，所述屏幕是由对光学范围内的电磁辐射透明的材质制成的多层结构，所述多层结构包括间隔的显示电光效应的材料层以及不显示电光效应的透明材料层，能显示电光效应的所有层彼此之间电绝缘，并将它们中的每一层制造成电控元件或像素的矩阵。

Description

用于可视化图像的方法以及用于执行该方法的装置

技术领域

本发明涉及信息技术，特别是用于视频信息成像的方法和装置，其旨在用于可视化三维图像。

背景技术

现有技术中已知的用于可视化动态变化的立体(三维)图像的方法和装置都是基于立体效果的各种变型(参见，例如：由V.A.Ezhov等提出的优先权日为2006年2月7日的专利号为RU2,306,678，C1的俄罗斯专利；以及由V.S.Petrov等提出的优先权日为2001年1月10日的专利号为RU2,189,619，C1的俄罗斯专利)。

这些以及相似的方法和用于执行该相似方法的装置的主要缺点是不便于观察，并且在三维图像的传输过程中出现明显的扭曲。

在现有技术中也已公开用于记录三维相位全息图的方法以及用于执行该方法的装置(参见，例如：由V.I.Sukhanov等提出的、优先权日为1997年9月19日的、专利号为RU2,168,707，C2的俄罗斯专利)。

这些以及相似的方法和用于执行该相似方法的装置的主要缺点是不适于可视化动态变化的图像。

就其技术构思来说，权利要求所要求保护的方法的最接近的现有技术是用于可视化图像的下述方法，其中宽频带光辐射束直接照射在电控的元件(像素)矩阵上，同时，为像素提供计算出的电压分布，从而为了观看图像而在像素的电流光学特征中引起期望的变化(参见，例如：由E.S.Dunyashev等提出的优先权日为2004年8月9日的专利号为RU2,256,206，C1的俄罗斯专利)。该方法在于能将由电控的两维矩阵生成的图像投影到外部屏幕中。

根据该技术构思的观点，用于执行所要求保护的方法的要求保护的装置的最接近现有技术是用于可视化图像的屏幕，该屏幕是由对光学范围的电磁辐射透明的材质制成的多层装置(参见：由V.I.Kozlovsky和A.A.Kolchin提出的优先权日为1991年12月26日的专利号为RU2,064,206，C1的俄罗斯专利)。

最接近现有技术的装置是阴极射线管屏幕，随后被用于在宽大的外部屏幕上显示信息。

对于最接近要求保护的本发明的现有技术方法和现有技术装置的技术方案的主要缺点是，其不适于用于可视化三维图像。

发明内容

本发明的技术效果在于能通过产生合成的三维全息图实现静态和动态的三维彩色图像的可视化。

本发明还可以用于产生电控的三维相位衍射光栅(合成的全息图)，在它们的基础上，固定显示器包括用于团体观众的屏幕以显示三维视频电影，还可以包括用于移动装置的屏幕，以及在汽车、飞机的挡风玻璃上形成的屏幕，其它使得三维彩色图像可视化的人工控制装置，其都能同时用于静态和动态变化的图像。

为了达到所要求的目的以及实现所期望的技术效果，用于可视化图像的现有技术的方法是，其中将宽频带光辐射束照射在电控的元件或像素的矩阵上，为所述像素提供电压，计算出在矩阵上的电压分布，从而针对将显示的图像产生像素的电流光学特征中所期望的变化，而根据本发明，同时还将光辐射束直接照射到像素矩阵的堆叠上，其中矩阵设置成与另一个彼此平行，矩阵观看图像的相同侧被照射，折射率可以作为所有矩阵中像素的可变的光学特征。

另外，为了达到所要求的目的以及实现所期望的技术效果，用于可视化图像的现有技术的装置包括屏幕，该屏幕是由对光学范围的电磁辐射透明的材料制成的多层结构，根据本发明，多层结构包括间隔的显示电光效应的材料层以及不显示电光效应的透明材料层，能显示电光效应的所有层彼此之间电绝缘，并将它们中的每一层制造成电控元件或像素的矩阵。

开发所要求的方法的多个实施例是在本发明的框架内主张的。

在第一个实施例中，根据存在像素的数目和位置，计算所要提供的电压，从而改变像素的折射率，所述电压与在相对束中离散的全息图像的干涉图相对应。

第二个实施例使用具有尺寸在长度上不超过128纳米的侧面的像素，同时具有以不超过256纳米的间隔而设置的至少2微米总厚度的矩阵的堆叠。

要求保护的用于可视化图像的装置的实施例(实例)也是在本发明框架的主张之内。

在装置的第一个实施例中，多层堆叠具有至少2微米的厚度，而像素具有尺寸不超过128纳米的侧面，显示电光效应的材料层被设置在间隔不超过256纳米的多层堆叠中。

在第二个实施例中，装置还提供在屏幕外侧上面对屏幕的至少一个宽频带光辐射源。

在第三个实施例中，能显示电光效应的材料的所有层被设置于有正规模式的多层结构中，也就是层之间以恒定间隔进行设置，像素侧面具有等于层之间间隔的一半的尺寸。

在另一个实施例中，显示电光效应的材料的层以层之间50-75纳米的间隔被设置在多层结构内。

本发明还包含其它的变型，其中显示电光效应的每一层材料层的厚度等于像素侧面的尺寸。

本发明还包括其它的变型，其中显示电光效应的材料层的厚度是在4-15微米范围内。

所主张的本发明的理念如下所述：

为了达到所要求的目的，事实上发明人已研究出一种用于合成动态可控三维相位全息图的方法，以及一种用于执行该方法的装置。

附图说明

在图1中举例说明了一组所要求保护的本发明，图1图示了用于可视化图像的所要求保护的装置。

具体实施方式

图1图示了屏幕1，所述屏幕1是多层结构，所述多层结构包含间隔的显示电光效应的材料的层2、和由对光辐射透明及不显示电光效应的材料制成的层3，能显示电光效应的层彼此之间电绝缘，并将它们中的每一层制成电控元件或像素4的矩阵。附图还显示了在屏幕1的外侧上面对屏幕(面对观察者)的宽频带光辐射源5，以及将源5机械地连接到屏幕上的元件6。为了便于解释本发明的理念，附图还显示了可复原的(可观察的)点光源7(事实上为任何可能的复杂三维图像元件)，以及通过机械的耦合元件6来防止观察者的眼睛8面对宽频带辐射源5的直接照射。

用于执行所述方法的装置按如下所述：将来自于源5(白光源)的宽频带辐射直接照射在由间隔的层2和3组成的屏幕1上。根据所要求保护的方法，用于生成合成的动态变化的全息图的材料优选为能够用于制造电控元件(像素4)矩阵的任意材料，其中折射率是电控的光学参数(可变的光学特征)。因此，显示显著电光效应的材料，特别是砷化镓和铌酸锂，其属于这种类型的众所周知的材料，能够被用在所要求保护的装置中。

结果，根据本发明制造的装置的屏幕1是电控相位元件4的三维矩阵。

当这种屏幕被来自于宽频带光辐射源(白光源)1照射时，作为在三维干涉相位光栅上的衍射结果，光辐射被部分反射所述光栅是由像素4组成。当从装置反射的辐射进入人的眼睛8中，其就形成了图像，例如点光源7的图像，对于观察者而言。图像的具体类型取决于提供给三维像素矩阵的控制电压分布。

如众所周知的，常见的三维全息图是通过在两相干波的相对束中干涉图像的照相记录产生，所述两相干波的一个称之为参考波，另一个是来自于全息图中所记录的对象。通过使用波阵面的会聚角以及辐射源的波长来测量合成的干涉图像的空间频率，所使用的辐射源的波长的最大值等于源波长的一半。

如果记录成功，将合成的三维图像以反射模式用于重建原始对象的图像，在这种情况下，鉴于合成的三维干涉图像的光谱选择性，可以将宽频带源(白光源)作为重建波。

所要求保护的一组技术方案是在研究三维相位干涉光栅与在相对束中合成的三维全息图的相似性时的研究结果。当用经典的全息照相术方法(将对象暴露于光的一个相干束或多个相干束中，以及在相对束中获得干涉图像)记录干涉图像时，干涉图像的实际分布可以用于作为关于需合成的三维干涉光栅的最初信息。计算出的干涉图像分布也可以用于作为关于需合成的三维干涉光栅的最初信息。众所周知，在最后提及的实例中，对象的每一个点可以假定的干涉图像分布的形式一一对应表示(one-to-one)，在之上来自于该点的辐射和相干辐射束之间交互作用，所述相干辐射束具有与打算用于照亮合成的全息图的束的阵面相对应的阵面。事实上，复原的每个对象点的图像可由对应三维图像一一表示，所述三维图像是在点辐射源和参考波之间干涉的三维图像(三维菲涅尔带图像)。

应注意到，这里增加了获取与需合成的干涉图像的分布有关的最初信息的可能方法的描述，用于解释本发明的理念，但不是本发明的主题，也不是实现预期技术效果所必须的。同样，获取关于电压分布的信息的方法对于现有技术的方法和装置中投影视频图像也不是必须的，所述电压分布被施加到像素上以形成图像。

为了达到期望的技术效果，重要的是使得动态可控的三维相位结构与结构设计中相似的相对束中的三维全息图合成。

发明人已研究出通过堆叠的电控元件矩阵获得这种全息图的可能性。发明人发现，著名的采样定理(kotelnikov定理)其自身的空间模拟可以作为用于合成期望结构的理论基础。众所周知，为了得到离散的时间信号，需要根据采样定理按照一定频率采样(离散化)信号，所述频率是离散信号的最高频谱成分的至少两倍。为了达到这一目的，发明人进行了理论证明，随后得到了实验的支持，假设干涉图像的三维显示也服从最大离散频率法则。为了证明这个法则，任意无穷复杂的三维干涉图像可以被作为位于三个坐标上独立的正弦可变的空间光栅的重叠，即，当将在长度单位的大小相反的单位中测得的被称之为空间频谱作为变量时，三维傅立叶表示的形式。

在一个简单形式中，该法则可以用下述术语的公式表示：为了成功地将三维图像离散化，需要在每个空间坐标上以超过需离散的干涉图像的最大空间频谱两倍的空间频谱上使用空间离散步骤，所述干涉图像是在各自坐标上该图像的投影中进行离散化。

用发明人示出的上述方法进行数学建模的结果是，关于可见波长范围(人眼能看见的)中可视化图像的任务，这表明需将电控矩阵结构构造成在层之间形成间隔，所述间隔不会超过256纳米，并且每个矩阵中的像素尺寸不超过128纳米。如实验研究结果所示，为了保留光谱选择效应，合成的三维相位图像的总厚度为至少2微米。

如果将这种结构暴露于宽频带光辐射束并且将电压分布作用于像素，所述电压分布对应于计算的或记录的全息图的期望的离散图像，位于曝光侧的观察者将看见复原的图像，所述复原的图像是根据经过像素的电压分布中速度和性质的改变而动态变化。

如果将特定的而非随机的光辐射源用于复原图像，则可以改善通过合成的全息图复原的图像质量。在所要求保护的装置的其它实施例中，装置还具有位于屏幕的外侧(面对观察者)上的特定宽频带辐射源。可以理解为，该源被安装穿过屏幕的孔(观察的表面)的边界，并且被设计成使屏幕变得清澈，进而防止来自该源的辐射直接被观察者的眼睛看见。此外，所安装的任何源具有特定的辐射阵面，所述特定的辐射阵面有利于数学建模。

事实上，在这个具体实施例中，图像的折射率分布对应于记录点光源干涉结果的被复原的离散图像，并含有在复原白光源位置处设置的其相干源，以及具有相同的辐射阵面特性，所述折射率分布的图像在显示电光效应的材料层中形成(通过施加合适的电压分布)，用于可视化电辐射源的图像(事实上，任意复杂图像的一个元件)。

为了改善由正规模式化以及进一步降低离散化(在各层之间的间隔和像素尺寸)而合成的全息图的质量，研究发现执行所要求保护的方法中所优选的是给予下述装置的实施例，在所述装置中，多层结构中的电控元件矩阵是按正规模式设置，即，位于层之间的恒定间隔，以及具有等于层之间间隔一半尺寸的像素侧面尺寸。根据实验已估算出(通过数学建模)，用于维持形成图像的质量特性与微小型化的需求之间所允许的经济效应的平衡，优选的离散大小为在电控元件矩阵之间的间隔为50-76纳米，所述微小型化同时需要在整个屏幕孔内能观察到的光辐射光谱的整个范围内形成合成的三维图像。还发现，所形成的图像的最好质量特性将可以通过在所有坐标上有正规模式的离散化得到，即，显示电光效应的每个材料层的厚度等于像素侧面的大小。

对复原图像的质量和形成的层数目之间的关系进一步研究已经表明，在形成图像的质量特性与微小型化需求之间实现产生经济效应的平衡，优选的显示电光效应层的总厚度为在4-15微米的范围内。

因此，用于可视化图像所要求保护的方法，以及执行该方法的所要求保护的装置，适于执行一组任务，从而有助于达到期望的技术效果。

Claims (10)

1.一种用于可视化图像的方法，该方法包括：

当将电压施加到像素上时，将宽频带的光辐射束直接照射到电控元件或像素的矩阵上，计算所述矩阵上的电压分布从而在像素的电流光学特征中生成期望的变化，并且观察图像，其中光辐射束同时直接照射在彼此平行设置的像素矩阵的堆叠上，所述矩阵在图像被观察的一侧被暴露于辐射，折射率被用作在所有矩阵中的像素的可变光学特征。

2.根据权利要求1所述的方法，其中根据相对的束中存在像素的数目和位置，计算所施加的电压，从而产生对应于离散全息图像的干涉图像的像素中折射率的变化。

3.根据权利要求1所述的方法，其中使用的一个像素具有尺寸不超过128纳米的像素侧面，而所述矩阵的堆叠具有至少2微米的总厚度且间隔不超过256纳米。

4.一种用于可视化图像并具有屏幕的装置，所述屏幕是由在光学范围内对电磁辐射透明的材料制成的多层结构，其中所述多层结构包括间隔的显示电光效应的材料层以及不显示电光效应的透明材料层，能显示电光效应的所有层彼此之间电绝缘，并且它们中的每一层被设计成电控元件或像素的矩阵。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述多层结构具有至少2微米的厚度以及一个像素侧面的尺寸不超过128纳米，将显示电光效应的材料层按照间隔不超过256纳米而被设置在多层结构中。

6.根据权利要求4所述的装置，其中还具有至少一个宽频带光辐射源，所述至少一个宽频带光辐射源面对屏幕，并且被设置在屏幕的外侧上。

7.根据权利要求4所述的装置，其中所有显示电光效应的材料层按照正规模式都被设置在多层结构中，即，在层之间的恒定间隔，像素侧面的尺寸等于层间间隔的一半。

8.根据权利要求4所述的装置，其中显示电光效应的材料层按照层间50-75纳米的间隔被设置在多层结构中。

9.根据权利要求4所述的装置，其中显示电光效应的材料层的每一层的厚度等于一个像素侧面的尺寸。

10.根据权利要求4所述的装置，其中，显示电光效应的材料层的总厚度为在4-15微米的范围内。

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