RU2219588C1 - Method and device for producing three- dimensional images - Google Patents
Method and device for producing three- dimensional images Download PDFInfo
- Publication number
- RU2219588C1 RU2219588C1 RU2002111262A RU2002111262A RU2219588C1 RU 2219588 C1 RU2219588 C1 RU 2219588C1 RU 2002111262 A RU2002111262 A RU 2002111262A RU 2002111262 A RU2002111262 A RU 2002111262A RU 2219588 C1 RU2219588 C1 RU 2219588C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light
- dimensional
- optical
- scattering
- medium
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам отображения информации и может быть использовано для отображения трехмерных объектов и сцен, в частности, в системах навигации, машинного проектирования и конструирования, визуализации томографической информации, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, проведении сложных операций в медицине, в компьютерных тренажерах и играх, рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п. The invention relates to means for displaying information and can be used to display three-dimensional objects and scenes, in particular, in navigation systems, machine design and construction, visualization of tomographic information, when modeling three-dimensional problems in science and technology, conducting complex operations in medicine, in computer simulators and games, advertising, entertainment, etc.
Создание систем наиболее полного - трехмерного отображения реального мира кардинально повлияет (прямо или косвенно) на все сферы деятельности человека и инициирует создание и развитие целого ряда научных направлений и технологий. Поэтому попытки разработки эффективных трехмерных дисплеев не прекращаются уже в течение многих лет, с тех пор как появились двумерные дисплеи. Creating systems of the most complete - three-dimensional display of the real world will radically affect (directly or indirectly) all areas of human activity and initiate the creation and development of a number of scientific areas and technologies. Therefore, attempts to develop effective three-dimensional displays have not stopped for many years since the advent of two-dimensional displays.
В отсутствие подходящей объемной среды для трехмерного дисплея в разработках обычно используют двухмерный материал, а чтобы получить объемный эффект, т. е. для преобразования двумерного изображения в трехмерное, используют сложное программное обеспечение, дополнительные оптические элементы и технические средства. Однако многоракурсный (многоплановый) и голографический принципы формирования трехмерных изображений требуют сверхмощных вычислительных средств и все же не обеспечивают полного угла обзора сцены с параллаксами в обеих ортогональных плоскостях [1, 2]. In the absence of a suitable volumetric medium for a three-dimensional display, two-dimensional material is usually used in designs, and to obtain a three-dimensional effect, i.e., to convert a two-dimensional image into a three-dimensional one, sophisticated software, additional optical elements, and technical equipment are used. However, the multi-angle (multifaceted) and holographic principles of the formation of three-dimensional images require heavy-duty computing tools and yet do not provide a full viewing angle of the scene with parallaxes in both orthogonal planes [1, 2].
Этих недостатков лишен способ [3], основанный на оптико-механическом принципе. В соответствующем дисплейном устройстве лазерный луч, сканируемый по двум координатам, освещает движущееся полупрозрачное тело сложной формы, поверхность которого рассеивает падающий на нее свет. The method [3], based on the optical-mechanical principle, is devoid of these disadvantages. In a corresponding display device, a laser beam scanned in two coordinates illuminates a moving translucent body of complex shape, the surface of which scatters the light incident on it.
Быстрое сканирование светового луча в двухмерной плоскости позволяет сформировать светящуюся точку в любом месте светорассеивающего тела, что обеспечивает две координаты при формировании трехмерных изображений. Движение светорассеивающего тела вдоль оси луча обеспечивает третью координату объемного изображения, причем каждому положению тела соответствуют свои освещенные на его поверхности точки, в соответствии с формой изображения. Это движение может быть возвратно-поступательным, что реализуется гораздо труднее, или вращательным [3], как, например, движение плоской пластины, наклонно установленной на быстро вращающемся (около 3000 об/с) диске - см. фиг. 1, на которой изображено устройство для формирования объемных изображений, включающее лазер 1, испускающий луч света 2, модулятор 3, блок сканирования 4, визуализатор 5 с излучающей (рассеивающей) свет пластиной 6. A quick scan of the light beam in a two-dimensional plane allows you to form a luminous point anywhere in the light-scattering body, which provides two coordinates for the formation of three-dimensional images. The motion of the light-scattering body along the axis of the beam provides the third coordinate of the volumetric image, with each position of the body corresponding to its own points illuminated on its surface, in accordance with the shape of the image. This movement can be reciprocating, which is much more difficult, or rotational [3], such as, for example, the movement of a flat plate inclined on a rapidly rotating (about 3000 r / s) disk — see FIG. 1, which shows a device for forming three-dimensional images, including a
Если светорассеивающее тело (на фиг.1 им является пластина 6) двигается с частотой, превышающей видимую для человека частоту световых мельканий, а сканирование светового луча в двухмерной плоскости синхронизовано с движением тела вдоль оси луча, то для наблюдателя происходит усреднение последовательно освещаемых точек, и из их совокупности формируется объемное изображение. Таким образом, визуализация изображения происходит в объеме 5 (визуализатор), образованном быстро движущимся телом сложной формы, на поверхности которого происходит рассеяние лазерного луча. If the light-scattering body (in Fig. 1 it is plate 6) moves with a frequency exceeding the frequency of light flickers visible for a person, and the scanning of a light beam in a two-dimensional plane is synchronized with the movement of the body along the axis of the beam, then for the observer averaging of successively illuminated points occurs, and from their combination a three-dimensional image is formed. Thus, the image is visualized in volume 5 (visualizer), formed by a rapidly moving body of complex shape, on the surface of which the laser beam scatters.
Для формирования объемного изображения используется лазер 1, луч которого 2 проходит через последовательно установленные по ходу луча оптический модулятор 3 и блок двухкоординатного сканирования 4. На выходе блока сканирования световой луч 2, в зависимости от управляющего сигнала, отклоняется в двухмерном пространстве и, достигнув светорассеивающего тела 6, рассеивается на его поверхности, образуя светящуюся точку. Оптический модулятор 2 используется для изменения интенсивности светового луча с целью получения полутоновых изображений. Объем отображения 5 можно варьировать путем изменения размеров и формы светорассеивающего тела 6. Оно выполнено в [3] из полупрозрачного материала для того, чтобы обеспечить видимость трехмерного изображения под любым углом зрения. В этом случае, однако, одна сторона объекта не закрывает другую, и объект кажется как бы сделанным из стекла (в некоторых приложениях, например, медицинских, это может оказаться весьма полезным). To create a three-dimensional image, a
Для получения полноцветного отображения можно использовать три лазера (красного, зеленого и синего цветов) и оптическую систему совмещения лучей [4] , как это делается в некоторых коммерческих двумерных проекционных системах. В [5] предложен конструктивно более простой способ получения полноцветного отображения: использовать один лазер и не одну, как на фиг.1, а три пластины на вращающемся диске, покрытые разными веществами, преобразующими длину волны лазерного излучения в один из основных цветов используемой колориметрической системы. При быстром вращении диска (около 3000 об/с) последовательно воспроизводимые цвета воспринимаются человеком как один смешанный цвет. В качестве источника света можно использовать хорошо известный лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм, а вещества с нелинейным преобразованием длины волны предложено составлять на основе люминофоров или материалов, обладающих эффектом двухфотонного поглощения. To obtain a full-color display, you can use three lasers (red, green and blue) and an optical system for combining rays [4], as is done in some commercial two-dimensional projection systems. In [5], a structurally simpler way of obtaining a full-color display was proposed: use one laser and not one, as in FIG. 1, but three plates on a rotating disk, covered with different substances that convert the wavelength of the laser radiation into one of the primary colors of the colorimetric system used . With the fast rotation of the disk (about 3000 r / s), sequentially reproduced colors are perceived by a person as one mixed color. As a light source, you can use a well-known laser with a radiation wavelength of 1.06 μm, and it is proposed to compose substances with nonlinear wavelength conversion on the basis of phosphors or materials with a two-photon absorption effect.
Наличие движущегося узла, большого неиспользуемого в нем участка ("мертвой" зоны), сложный профиль рассеивающей поверхности и трудности в обеспечении однородного по пространству разрешения, а также только последовательная адресация сечений визуализируемого объема серьезно ограничивают возможности способа формирования трехмерных изображений с помощью движущегося светорассеивающего тела, рассмотренного в [3-5]. The presence of a moving site, a large unused portion (the “dead” zone), a complex profile of the scattering surface and difficulties in ensuring a uniform spatial resolution, as well as only sequential addressing of the sections of the visualized volume seriously limit the possibilities of the method of forming three-dimensional images using a moving light-scattering body, considered in [3-5].
С этих позиций более предпочтителен способ формирования информационных точек трехмерного изображения непосредственно в излучающей (точнее, флюоресцирующей) прозрачной объемной (газовой, жидкой или твердотельной) среде, возбуждаемой лазерным лучом [6-8]. Когда наблюдатель видит объект, каждая точка которого представляет собой элементарный излучатель, он может получить полное представление трехмерного изображения. From these positions, a method of forming information points of a three-dimensional image directly in a radiating (more precisely, fluorescent) transparent volumetric (gas, liquid, or solid-state) medium excited by a laser beam is more preferable [6-8]. When an observer sees an object, each point of which is an elementary emitter, he can get a complete representation of a three-dimensional image.
Для осуществления такого способа в [6] использовались два ортогонально расположенных в пространстве неодимовых лазера на иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны 1064 нм - см. фиг.2, на которой представлена принципиальная схема формирования информационных точек трехмерного изображения во флюоресцирующей прозрачной объемной среде, возбуждаемой лазерным лучом. Схема включает лазер 1, испускающий луч света 2, оптический модулятор 3, блок сканирования 4, визуализатор 5 с прозрачной однородной объемной средой. Высвечиваемая в объемной среде информационная точка обозначена буквой Т. To implement this method in [6], two neodymium yttrium-aluminum garnet lasers orthogonally located in space with a wavelength of 1064 nm were used — see FIG. 2, which shows a schematic diagram of the formation of information points of a three-dimensional image in a fluorescent transparent volume medium excited by with a laser beam. The circuit includes a
По ходу оптических лучей 2 были установлены управляемые компьютером двухкоординатные устройства 4 управления положением лазерного луча в пространстве (сканеры) и оптические модуляторы 3 интенсивности лазерного луча, также управляемые сигналами компьютера. Оба луча поступали на зеркальные коллиматоры, в которых растры сканирования изменялись до необходимой величины, и затем на боковые стенки визуализатора - прямоугольной камеры с прозрачными стенками. Тем самым осуществлялось сканирование лазерных лучей в двух перпендикулярных плоскостях в объеме камеры, заполненной газом. Подбором газовой смеси в камере визуализатора 5 добиваются свечения газа лишь в точках пересечения лазерных лучей, что позволяет формировать в пространстве газовой камеры трехмерные изображения. Along the
В основе свечения газовой среды лежит явление флюоресценции при двухфотонном поглощении, например, используемое для измерения длины ультракоротких световых импульсов, распространяющихся в такой среде навстречу друг другу. Молекула газа возбуждается, т.е. повышает свой энергетический уровень только при поглощении двух одинаковых фотонов (т.к. средний уровень виртуальный), а затем переходит в основное состояние (релаксирует) с излучением фотона в видимом диапазоне длин волн. Однако такой способ визуализации имеет очень низкий контраст (не более 2), так как свечение имеет место не только в месте пересечения лучей, но и во всех других местах пространства, в которых распространяется каждый из лучей в отдельности. Поэтому для экспериментальной визуализации ультракоротких импульсов света в виде одной точки в пространстве такой способ может быть использован, но для создания объемных изображений он неприемлем. Кроме того, из-за просачивания наружного воздуха в камеру и деградации вещества необходима периодическая смена газа. The luminescence of a gaseous medium is based on the phenomenon of fluorescence during two-photon absorption, for example, used to measure the length of ultrashort light pulses propagating in such a medium towards each other. The gas molecule is excited, i.e. increases its energy level only when two identical photons are absorbed (because the average level is virtual), and then it goes into the ground state (relaxes) with photon radiation in the visible wavelength range. However, this method of visualization has a very low contrast (not more than 2), since the glow occurs not only at the intersection of the rays, but also in all other places in the space in which each of the rays propagates individually. Therefore, for experimental visualization of ultrashort light pulses in the form of a single point in space, this method can be used, but it is unacceptable for creating three-dimensional images. In addition, due to leakage of outside air into the chamber and degradation of the substance, a periodic gas change is necessary.
Указанные для газовой среды недостатки отчасти были устранены в устройстве [7] , в котором использовалось излучение двух лазеров с разными длинами волн. Светящиеся точки создавались внутри куба из флюоридного стекла, легированного редкоземельными металлами. Два инфракрасных лазера (неодимовый на иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны 1064 нм и титан-сапфировый лазер с длиной волны 840 нм) сканировали пространство куба в двух ортогональных направлениях, и в точке пересечения лучей возникало бело-розовое излучение в диапазоне длин волн от 482 до 636 нм. В основе излучения света редкоземельной средой лежит все то же явление флюоресценции при двухфотонном поглощении, только в данном случае энергия возбуждающих фотонов различна, поскольку промежуточный энергетический уровень не является виртуальным. Схема двухфотонного поглощения и флюоресценции, реализуемая в таком устройстве, показана на фиг.3, где через ω1 и ω2 обозначены частоты излучения лазеров. Первый лазер переводит редкоземельный атом из основного состояния на промежуточный энергетический уровень, а излучение второго лазера - с промежуточного на верхний уровень. При обратном переходе атома излучается видимый свет.The drawbacks indicated for the gaseous medium were partially eliminated in the device [7], in which the radiation of two lasers with different wavelengths was used. Luminous dots were created inside the cube of fluoride glass alloyed with rare earth metals. Two infrared lasers (neodymium on yttrium-aluminum garnet with a wavelength of 1064 nm and a titanium-sapphire laser with a wavelength of 840 nm) scanned the cube space in two orthogonal directions, and a white-pink radiation appeared at the point of intersection of the rays in the wavelength range from 482 up to 636 nm. The radiation of light from a rare-earth medium is based on the same fluorescence phenomenon during two-photon absorption, only in this case the energy of exciting photons is different, since the intermediate energy level is not virtual. The two-photon absorption and fluorescence scheme implemented in such a device is shown in FIG. 3, where ω 1 and ω 2 are the laser radiation frequencies. The first laser transfers the rare-earth atom from the ground state to the intermediate energy level, and the radiation of the second laser - from the intermediate to the upper level. In the reverse transition of an atom, visible light is emitted.
Использование данной фотовозбуждаемой объемной среды характеризуется высоким пространственным разрешением и наиболее достоверным отображением трехмерных сцен. Угол обзора изображения близок к 360o. Продемонстрирован монохромный режим работы в реальном масштабе времени. Однако главным недостатком этого способа, как и других способов, основанных на использовании флюоресценции при двухфотонном поглощении света, является очень низкая световая эффективность (менее 10-4). Причем указанная величина реализуется при условии идеального пространственного совпадения направлений распространения лучей и их поляризаций. Очевидно, что такое условие не может выполняться в принципе для сканируемых в пространстве лучей. Как следствие этого, световая эффективность падает на несколько порядков дополнительно. Это обстоятельство приводит к необходимости использования довольно мощных лазеров, что делает такую систему небезопасной для окружающих. Весьма проблематичной для решения является также задача создания полноцветного дисплея, так как подбор или синтез материала, обладающего двухфотонной флюоресценцией в красной, зеленой и синей областях спектра одновременно является маловероятным. Кроме того, размеры такого визуализатора ограничены, он имеет большой вес и стоимость, поскольку изготовление твердых кубов из кристаллов и стекол, особенно больших размеров, представляет серьезные технологические трудности.The use of this photoexcited volumetric medium is characterized by high spatial resolution and the most reliable display of three-dimensional scenes. The viewing angle of the image is close to 360 o . Demonstrated monochrome mode in real time. However, the main disadvantage of this method, as well as other methods based on the use of fluorescence in two-photon absorption of light, is a very low luminous efficiency (less than 10 -4 ). Moreover, the indicated value is realized under the condition of perfect spatial coincidence of the directions of propagation of the rays and their polarizations. Obviously, such a condition cannot be satisfied in principle for rays scanned in space. As a result of this, luminous efficiency drops by several orders of magnitude additionally. This circumstance leads to the need to use quite powerful lasers, which makes such a system unsafe for others. The problem of creating a full-color display is also very problematic, since the selection or synthesis of a material having two-photon fluorescence in the red, green, and blue spectral regions is simultaneously unlikely. In addition, the size of such a visualizer is of great weight and cost, since the manufacture of solid cubes from crystals and glasses, especially large sizes, presents serious technological difficulties.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ формирования трехмерных изображений в жидкой (или полимерной) объемной фотовозбуждаемой среде, содержащей молекулы красителя [8] - прототип, а по воплощению к предлагаемому устройству наиболее близко техническое решение [6] - прототип. В [8] также используется явление флюоресценции при двухфотонном поглощении излучения двух разных лазеров: неодимового на иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны излучения 1064 нм и лазера на легированном хромом флюориде лития-стронция-алюминия с длиной волны 850 нм. Для трехмерного отображения два луча обоих лазеров должны сканировать в двух перпендикулярных плоскостях объем кюветы, заполненной жидкостью (или полимером) с красителем. Closest to the proposed method is a method of forming three-dimensional images in a liquid (or polymer) bulk photoexcited medium containing dye molecules [8] - a prototype, and the embodiment of the proposed device closest to the technical solution [6] is a prototype. In [8], the fluorescence phenomenon is also used during two-photon absorption of radiation from two different lasers: neodymium on yttrium-aluminum garnet with a wavelength of 1064 nm and a laser doped with chromium-doped lithium-strontium-aluminum fluoride with a wavelength of 850 nm. For three-dimensional display, two beams of both lasers must scan in two perpendicular planes the volume of the cell filled with a liquid (or polymer) with a dye.
Подбором красителя в растворе (в полимере) добиваются свечения среды лишь в точках пересечения лазерных лучей, причем в разных областях спектра, что нужно для формирования в пространстве кюветы полноцветного трехмерного изображения. Быстрый по времени флюоресцентный отклик позволяет сформировать такое изображение в реальном времени, если используются современные двухкоординатные сканеры, например акустооптические. При фотовозбуждении указанными лазерами кюветы с флюоресцирующей средой продемонстрировано видимое свечение раствора пиррометина в метаноле и раствора родамина в этаноле, а также свечение содержащих краситель полимеров американской фирмы CYRO Industries. Они излучали разные цвета, в том числе голубой, зеленый, желтый и красный. By selecting a dye in a solution (in a polymer), the medium glows only at the points of intersection of the laser beams, and in different regions of the spectrum, which is necessary for the formation of a full-color three-dimensional image in the cell space. The fast fluorescence response allows you to create such an image in real time if modern two-coordinate scanners, such as acousto-optic, are used. Upon photoexcitation by the indicated lasers, the fluorescence cuvette showed a visible glow of a solution of pyrometin in methanol and a solution of rhodamine in ethanol, as well as a glow of dye-containing polymers from the American company CYRO Industries. They emitted different colors, including blue, green, yellow and red.
Следует подчеркнуть, что квантовая эффективность флюоресценции, иначе, кпд по свету, чрезвычайно мала (менее 10-4), из-за чего в экспериментах использовались мощные (так называемые, "гигантские") импульсы возбуждающего излучения. Высвечивающие их лазеры достаточно громоздки и не безопасны, а потому перспективу использования своих сред авторы связывают с лазерными диодами, опять же излучающими мощные импульсы. Кроме указанного главного недостатка способа [8] - низкой световой эффективности, следует иметь ввиду и другие: фотоны флюоресценции тоже поглощаются в растворе (полимере); некоторые растворители и примеси в полимерах не безопасны для человека (например, метанол); на практике весьма трудноосуществимо поляризационное и пространственное согласование лазерных лучей (точность их совмещения в 0,3 мм предполагает точность согласования длительности импульсов 10-12 секунды), к тому же поляризация флюоресценции приводит к анизотропии наблюдения.It should be emphasized that the quantum fluorescence efficiency, in other words, the light efficiency, is extremely small (less than 10 -4 ), which is why powerful (so-called "giant") pulses of exciting radiation were used in the experiments. The lasers illuminating them are rather cumbersome and not safe, and therefore the authors associate the prospect of using their media with laser diodes, again emitting powerful pulses. In addition to the indicated main drawback of the method [8] - low luminous efficiency, one should keep in mind others: fluorescence photons are also absorbed in a solution (polymer); some solvents and impurities in polymers are not safe for humans (for example, methanol); in practice, the polarization and spatial matching of laser beams is very difficult (the accuracy of combining them with 0.3 mm implies an accuracy of matching pulse durations of 10-12 seconds), moreover, the polarization of fluorescence leads to anisotropy of the observation.
Сказанное свидетельствует, что реализация эффективного трехмерного дисплея на основе явления флюоресценции при двухфотонном поглощении излучения по способу [6-8] вообще проблематична, хотя использование в нем объемной жидкой или полимерной среды имеет определенные достоинства. The foregoing indicates that the implementation of an effective three-dimensional display based on the phenomenon of fluorescence during two-photon absorption of radiation by the method [6-8] is generally problematic, although the use of a bulk liquid or polymer medium in it has certain advantages.
Задачей, решаемой в предлагаемом способе и устройстве, является создание трехмерного дисплея, обладающего высокой световой эффективностью и легко реализуемой адресацией в реальном времени любой выбранной точки объемной среды, а также обеспечивающего возможность смешения цветов в данной точке для получения полноцветного изображения. The problem to be solved in the proposed method and device is to create a three-dimensional display having high light efficiency and easily real-time addressing of any selected point of the surround medium, as well as providing the ability to mix colors at this point to obtain a full color image.
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в предлагаемом способе формирования трехмерных изображений на основе высвечивания точек объемной среды сканирующим световым лучом:
- объемная среда выполняется многослойной, для чего в кювете на заданном удалении друг от друга устанавливаются двухмерные слои прозрачного материала, обладающего свойством управляемого электрическим напряжением рассеяния проходящего светового луча,
- трехмерное изображение формируется при двухмерном сканировании светового луча и одновременной выборке электрическим напряжением заданного (по третьей координате) слоя рассеивающего свет материала (далее РСМ), путем высвечивания точек в этом слое вследствие диффузного рассеяния света.The solution to this problem is provided by the fact that in the proposed method for the formation of three-dimensional images based on highlighting points of the surround medium with a scanning light beam:
- the volumetric medium is multilayer, for which purpose two-dimensional layers of a transparent material are installed in the cuvette at a predetermined distance from each other, having the property of scattering of the transmitted light beam controlled by the electric voltage,
- a three-dimensional image is formed by two-dimensional scanning of a light beam and simultaneous electrical voltage sampling of a given (in the third coordinate) layer of light-scattering material (hereinafter PCM) by highlighting points in this layer due to diffuse light scattering.
Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в использовании многослойной объемной среды, слои которой прозрачны в отсутствие электрического напряжения и диффузно рассеивают свет при его приложении (или наоборот), и в комбинированной адресации элементов дисплея - лазерным лучом, сканирующим в двухмерной плоскости, и электрическим напряжением, прилагаемым к выбранному слою среды. Thus, the essence of the proposed method consists in the use of a multilayer volume medium, the layers of which are transparent in the absence of electric voltage and diffuse light scattering when applied (or vice versa), and in the combined addressing of the display elements by a laser beam scanning in a two-dimensional plane and electric voltage attached to the selected environment layer.
Способ позволяет получить технический результат, заключающийся в формировании в реальном времени полноцветных трехмерных изображений, видимых под любым углом зрения, с высокой световой эффективностью. The method allows to obtain a technical result, which consists in the formation in real time of full-color three-dimensional images visible from any angle, with high light efficiency.
Преимущества предлагаемого способа формирования трехмерных изображений достигаются за счет состава и конструкции объемной среды и реализации следующего из них метода комбинированной адресации элементов дисплея. The advantages of the proposed method for forming three-dimensional images are achieved due to the composition and design of the surround medium and the implementation of the following method of combined addressing of display elements.
Для осуществления способа формирования трехмерных изображений на основе высвечивания точек объемной среды сканирующим световым лучом предлагается устройство, содержащее источник оптического излучения, оптически связанный через оптический модулятор и устройство двухкоординатного сканирования луча с объемной средой, обладающей возможностью высвечивать наблюдателю освещенную в ней точку. При этом объемная среда выполнена в виде функциональных слоев, содержащих материал, обладающий свойством управляемого электрическим напряжением рассеяния света, и в устройство введены электрически связанные между собой источник электрического напряжения, проводящие (электродные) покрытия на поверхности светорассеивающего материала в каждом функциональном слое объемной среды и устройство электрической адресации функциональных слоев. To implement a method for generating three-dimensional images based on highlighting points of a volume medium with a scanning light beam, a device is proposed comprising an optical radiation source optically coupled through an optical modulator and a two-coordinate beam scanning device with a volume medium capable of illuminating a point illuminated therein to an observer. In this case, the bulk medium is made in the form of functional layers containing a material having the property of scattering of light controlled by the electric voltage, and an electrically connected source of electric voltage, conductive (electrode) coatings on the surface of the light-scattering material in each functional layer of the volume medium and the device are introduced into the device electrical addressing of functional layers.
Обладающий свойством светорассеяния материал (например, композитный) выполняется прозрачным для лазерного луча. Двухмерные слои РСМ устанавливаются в кювете, в которой также находится иммерсионное вещество (например, жидкость). Показатели преломления композитного материала и иммерсионной жидкости согласуются так, чтобы минимизировать отражения света на границах слоев. Рассеяние света в выбранном слое при приложении к нему электрического напряжения является изотропным и не сопровождается изменением светового пропускания многослойной среды. Поэтому световая эффективность визуализации сечений трехмерных изображений в каждом слое РСМ приближается к 100%, а во всем объеме среды - к нескольким десяткам %. Таким образом, выигрыш по световой эффективности в сравнении с прототипом составляет несколько порядков величины. A material having light scattering property (for example, composite) is transparent to the laser beam. Two-dimensional layers of PCM are installed in a cuvette, which also contains an immersion substance (for example, a liquid). The refractive indices of the composite material and the immersion fluid are consistent so as to minimize light reflections at the layer boundaries. The scattering of light in a selected layer when an electric voltage is applied to it is isotropic and is not accompanied by a change in the light transmission of the multilayer medium. Therefore, the luminous efficiency of visualizing cross-sections of three-dimensional images in each PCM layer approaches 100%, and in the entire volume of the medium it reaches several tens of%. Thus, the gain in luminous efficiency in comparison with the prototype is several orders of magnitude.
Устройство адресации электрическим напряжением слоев композитного материала по принципу и исполнению аналогично стандартным устройствам адресации строк и столбцов двухмерного матричного, например, жидкокристаллического дисплея. Поэтому такое устройство существенно проще в изготовлении, чем имеющееся в прототипе второе устройство двухмерного сканирования лазерного луча (в ортогональной первому лучу плоскости). Кроме того, при предлагаемой комбинированной адресации высвечиваемых элементов объемного изображения резко снижаются требования к временному согласованию адресных сигналов и к поляризации лазерного пучка. The device for addressing the electrical voltage of the layers of the composite material according to the principle and design is similar to standard devices for addressing rows and columns of a two-dimensional matrix, for example, a liquid crystal display. Therefore, such a device is significantly simpler to manufacture than the second two-dimensional scanning device for the laser beam available in the prototype (in the plane orthogonal to the first beam). In addition, with the proposed combined addressing of the displayed volumetric image elements, the requirements for temporal matching of address signals and for the polarization of the laser beam are sharply reduced.
Приложение электрического напряжения к слоям РСМ может осуществляться через нанесенные на него электроды. Они могут быть прозрачными и сплошными с обеих сторон, как для продольного электрооптического эффекта, и тогда выборка светорассеивающих точек, расположенных на одной дальности (глубине) в многослойной объемной среде, может производиться путем адресации соответствующего слоя. При использовании быстродействующего двухмерного сканера (например, на акустооптическом принципе) быстродействие всей системы в этом случае определяется только числом слоев РСМ в объемной среде. Даже для 100 слоев и работы в реальном времени с телевизионным темпом (25 с-1) требуемое время включения рассеяния света может быть порядка десятой доли миллисекунды, что на несколько порядков величины ниже требования к времени включения флюоресценции в среде с двухфотонным поглощением. Соответственно снижаются требования к используемому лазеру - он может быть менее мощным и безопасным, а также работать в непрерывном режиме.The application of electrical voltage to the layers of the PCM can be carried out through the applied electrodes. They can be transparent and solid on both sides, as for the longitudinal electro-optical effect, and then the selection of light-scattering points located at the same distance (depth) in a multilayer bulk medium can be done by addressing the corresponding layer. When using a high-speed two-dimensional scanner (for example, on the acousto-optical principle), the speed of the entire system in this case is determined only by the number of PCM layers in the bulk medium. Even for 100 layers and real-time operation at a television rate (25 s -1 ), the required on-time of scattering of light can be of the order of a tenth of a millisecond, which is several orders of magnitude lower than the requirements for the on-time of fluorescence in a medium with two-photon absorption. Accordingly, the requirements for the laser used are reduced - it can be less powerful and safe, as well as operate in a continuous mode.
Слои можно включать в любом задаваемом порядке и тем самым визуализировать любое заданное сечение отображаемого трехмерного объекта. Кроме сплошных, электроды могут быть изготовлены как линейчатые (в том числе строчно-(столбцовые) или встречно-штырьевые). Электрическим напряжением можно управлять интенсивностью светорассеяния, и тогда полутоновой сигнал может быть сформирован без использования оптического модулятора в тракте лазерного луча перед двухмерным сканером. При параллельном подключении к источнику электрического напряжения по заданному алгоритму части строк (столбцов) в разных слоях РСМ требования к быстродействию материала могут быть еще ниже. Layers can be included in any specified order and thereby visualize any given section of the displayed three-dimensional object. In addition to solid electrodes, they can be made as a line (including row (column) or interdigital). The voltage can be controlled by the light scattering intensity, and then a grayscale signal can be generated without using an optical modulator in the laser beam path in front of a two-dimensional scanner. When parallel connected to a source of electrical voltage according to a given algorithm, part of the rows (columns) in different layers of the PCM requirements for the speed of the material can be even lower.
Выбор типа РСМ и его параметров (структуры, толщины и т.п.) осуществляется, прежде всего, из требований максимальной прозрачности слоя для проходящего через него лазерного луча (в отсутствие электрического напряжения на слое), максимальной рассеивающей способности слоя (при приложении электрического напряжения) и времени включения и выключения оптического отклика, необходимого для эффективной визуализации трехмерного изображения в реальном времени. Уже в настоящее время существует несколько типов РСМ, удовлетворяющих этим условиям и, в принципе, позволяющих сформировать объемную среду в несколько сот слоев. С этих позиций в качестве РСМ могут быть использованы модифицированные структуры на основе некоторых композиций жидких кристаллов, полимерно-жидкокристаллических композитных материалов, ЦТСЛ-керамики, магнитооптических и др. материалов, имеющих время включения электрорассеяния в субмиллисекундном диапазоне и заданное время его выключения, обладающих высокой чувствительностью к управлению электрическим напряжением, а также весьма технологичных не только для изготовления, но и применения в настоящем устройстве. Кроме того, используемые составы РСМ и иммерсионного вещества не представляют опасности для человека и экологии. The choice of the type of PCM and its parameters (structure, thickness, etc.) is carried out, first of all, from the requirements of maximum transparency of the layer for the laser beam passing through it (in the absence of electrical voltage on the layer), maximum scattering power of the layer (when applying electrical voltage ) and the on and off time of the optical response necessary for effective visualization of a three-dimensional image in real time. Already, there are several types of PCMs that satisfy these conditions and, in principle, allow the formation of a bulk medium of several hundred layers. From these positions, modified structures based on some compositions of liquid crystals, polymer-liquid crystal composite materials, CTSL ceramics, magneto-optical, and other materials having an on-time scattering in the submillisecond range and a predetermined off-time having high sensitivity can be used as PCMs to control electrical voltage, as well as highly technological not only for manufacturing, but also for use in this device. In addition, the compositions of PCM and immersion substance used do not pose a danger to humans and the environment.
Толщина РСМ зависит от его состава и структуры и может составлять от единиц до сотен микрометров. Остальное пространство в кювете занимает прозрачное иммерсионное вещество (жидкость, в том числе полимеризующаяся). Количество, форма и размеры слоев, определяющие параметры кюветы, могут выбираться в зависимости от требований потребителя (назначения дисплея, его цены и т.п.). Регулярная (периодическая) упаковка слоев РСМ в кювете с иммерсионным веществом допускает возможность их достаточно простой установки и замены (ремонтоспособность). При соответствующей технологии слои композитного ЭОМ и иммерсионного вещества могут наращиваться в едином технологическом процессе. The thickness of the PCM depends on its composition and structure and can range from units to hundreds of micrometers. The remaining space in the cuvette is occupied by a transparent immersion substance (liquid, including polymerizable). The number, shape and size of the layers that determine the parameters of the cuvette can be selected depending on the requirements of the consumer (the purpose of the display, its price, etc.). Regular (periodic) packing of PCM layers in a cuvette with an immersion substance allows for their rather simple installation and replacement (maintainability). With appropriate technology, the layers of composite EOM and immersion substance can grow in a single technological process.
В качестве источника светового излучения можно использовать простой и компактный лазер непрерывного действия, например стандартный лазерный диод. Для смешения цветов нужно использовать хорошо отработанную для плоских проекционных устройств отображения оптическую систему с тремя лазерами (например, теми же лазерными диодами, излучающими соответственно в красной, зеленой и синей области). As a source of light radiation, you can use a simple and compact continuous-wave laser, for example a standard laser diode. To mix colors, you need to use an optical system well-developed for flat projection display devices with three lasers (for example, the same laser diodes emitting in the red, green and blue regions, respectively).
Заявляемое устройство не содержит движущихся узлов, "мертвой зоны" и сложной конфигурации рассеивающей поверхности, так что его преимущества несомненны и по отношению к трехмерным дисплеям на оптико-механическом принципе. The inventive device does not contain moving nodes, the "dead zone" and the complex configuration of the scattering surface, so that its advantages are undeniable with respect to three-dimensional displays on the optical-mechanical principle.
Принципиальная схема заявляемого устройства, формирующего по заявляемому способу трехмерное изображение, изображена на фиг.4. Устройство содержит лазер 1, оптический модулятор 3, устройство 4 двухмерного сканирования лазерного луча 2, блок управления и синхронизации 7, устройство адресации 8 слоев РСМ и кювету 9, содержащую слои РСМ 10. Schematic diagram of the inventive device, forming by the present method a three-dimensional image is depicted in figure 4. The device comprises a
Ход оптических лучей, с учетом оптических и геометрических параметров слоев РСМ 10 и кюветы 9, рассчитывается или подбирается экспериментально. Слои РСМ электрически связаны с устройством адресации 8, регулирующим подачу электрического напряжения на заданный слой РСМ. Цифровые коды синхронизации и управления всей системой для высвечивания точки (точек) в слое РСМ по заданному адресу поступают из блока 7 на оптический модулятор 3, устройство двухмерного сканирования лазерного луча 4, устройство адресации 8 слоев РСМ. В качестве устройства 4 двухкоординатного отклонения лучей могут использоваться любые типы дефлекторов. По совокупности пространственного разрешения и быстродействия предпочтение имеет акустооптический дефлектор; кроме того, в этом случае можно обойтись без оптического модулятора [9]. The course of optical rays, taking into account the optical and geometric parameters of the layers of the
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Луч лазера 2 от светового источника (лазера) 1 проходит через оптический модулятор 3, где модулируется по интенсивности в соответствии с требуемой яркостью высвечиваемой в слое РСМ точки, далее проходит через устройство двухкоординатного отклонения луча 4, осуществляющее сканирование луча по двум ортогональным координатам в соответствии с заданной блоком управления 7 программой, и рассеивается на заданном слое РСМ 10. На этот слой, в соответствии с той же заданной блоком управления 7 программой, через устройство адресации 8 подается электрическое напряжение, которое и переключает этот слой из прозрачного состояния в диффузно рассеивающее (или наоборот). Трехмерное изображение формируется путем высвечивания точек в каждом двухмерном слое РСМ (слои можно включать в произвольном порядке), задающем сечение отображаемого объемного предмета (сцены), т.е. этот предмет (сцена) визуализируется как совокупность всех его сечений. Непременным условием отсутствия мельканий, т.е. естественного восприятия объемного предмета, является усреднение в глазах наблюдателя последовательно подсвеченных точек и сечений, для чего объемный кадр должен формироваться за время не более 40 миллисекунд и обновляться с частотой не менее 25 с-1.The
Принципиальная схема визуализатора, как объема многослойной светорассеивающей среды, в котором отображается (визуализируется) трехмерная информация, изображена на фиг.5. Визуализатор содержит кювету 9 заданной формы с прозрачными для лазерного луча 2 стенками, в которую заключена объемная среда, состоящая из прозрачных для лазерного луча слоев РСМ 10, расположенных перпендикулярно направлению лазерного луча и разделенных друг от друга иммерсионным веществом 11. Оно является прозрачным для лазерного луча, и, благодаря специально подобранному показателю преломления, минимизирует потери света при отражении от слоев РСМ. Если электрическое напряжение к слою РСМ не приложено, падающий луч 2 проходит через него, не рассеиваясь. В случае приложения к нему электрического напряжения от источника, связанного с устройством адресации 8, в РСМ проявляется тот или иной электрооптический, электрофоретический или магнитооптический эффект, приводящий к способности интенсивно рассеивать материалом падающий свет [9, 13]. Соответственно, при падении на такой слой луча 2 появляются рассеянные лучи 12. A schematic diagram of a visualizer as the volume of a multilayer light-scattering medium in which three-dimensional information is displayed (visualized) is shown in Fig. 5. The visualizer contains a
Причина, характер и параметры рассеяния света в слое РСМ зависят от многих факторов, и, прежде всего, от состава конкретного РСМ, его толщины и величины приложенного к слою электрического напряжения. Для примера рассмотрим возможные варианты РСМ на основе жидких кристаллов и электрооптической керамики состава ЦТСЛ (цирконат-титанат свинца, модифицированный 7-8 процентами лантана). The reason, nature and parameters of light scattering in the PCM layer depend on many factors, and, above all, on the composition of a particular PCM, its thickness and the magnitude of the voltage applied to the layer. As an example, we consider possible variants of PCM based on liquid crystals and electro-optical ceramics with the composition of TsTSL (lead zirconate-titanate modified with 7-8 percent lanthanum).
Эффект управляемого электрическим напряжением рассеяния света наблюдается в крупнозернистой (размер зерен ≥3 мкм) сегнетоэлектрической ЦТСЛ-керамике [9] . Он обусловлен возникновением рассеяния света на границах оптически анизотропных зерен-кристаллитов при переходе такой керамики из электрически поляризованного состояния, имеющего выделенную оптическую ось вдоль направления поля и вектора поляризации в кристаллитах, в электрически деполяризованное, без выделенной оптической оси, с хаотическим направлением векторов поляризации в кристаллитах. Для этого можно использовать конфигурацию электродов как для продольного электрооптического эффекта (луч проходит через сплошные электроды на обеих сторонах керамической пластины), так и поперечного (луч проходит между электродами, нанесенными на одной стороне пластины). Время переориентации вектора поляризации составило десятки микросекунд при напряжении порядка 300 В, приложенном к пластине керамики состава 7/65/35 толщиной 250 мкм. Оптический контраст был невелик (до 10:1), но впоследствии в керамике состава 7,6/70/30 был обнаружен индуцированный электрическим полем напряженностью в несколько кВ/см обращаемый переход из антисегнетоэлектрического состояния в рассеивающее сегнетоэлектрическое, при котором оптический контраст возрос до 1000:1. Оба состояния, однако, были стабильны в ограниченном температурном интервале. The effect of light scattering controlled by electric voltage is observed in coarse-grained (grain size ≥3 μm) ferroelectric CTSL ceramic [9]. It is caused by the occurrence of light scattering at the boundaries of optically anisotropic grain-crystallites during the transition of such ceramics from an electrically polarized state having a distinguished optical axis along the field direction and a polarization vector in crystallites, to electrically depolarized, without a distinguished optical axis, with a random direction of polarization vectors in crystallites . For this, the configuration of the electrodes can be used both for the longitudinal electro-optical effect (the beam passes through solid electrodes on both sides of the ceramic plate) and the transverse one (the beam passes between electrodes deposited on one side of the plate). The reorientation time of the polarization vector was tens of microseconds at a voltage of the order of 300 V applied to a ceramic plate of composition 7/65/35 with a thickness of 250 μm. The optical contrast was small (up to 10: 1), but subsequently in the ceramics of composition 7.6 / 70/30 an invertible transition induced from an electric field of several kV / cm was detected from the antiferroelectric state to the scattering ferroelectric state, in which the optical contrast increased to 1000 :1. Both states, however, were stable in a limited temperature range.
Управляемое электрическим напряжением рассеяние света в жидких кристаллах (ЖК) обусловлено рассеянием света на градиенте показателя преломления при переориентации молекул в слое ЖК в электрическом поле [9-11]. Исходную ориентацию молекул задают граничными условиями (обычно с помощью специальных ориентантов), причем при параллельном расположении длинных осей молекул направление осей (директор) обозначает и оптическую ось слоя ЖК. Для такого ориентированного слоя ЖК характерна большая оптическая анизотропия: показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей может отличаться на 10 и более процентов. Световой луч, проходящий через такой слой без рассеяния в отсутствие электрического поля, при приложении поля испытывает сильное рассеяние, т.к. ориентация осей молекул в слое существенно изменяется (вплоть до ортогональной к исходной), а следовательно, изменяется и его показатель преломления для того же направления и поляризации луча. При другой ориентации слоя ЖК относительно направления распространения луча возможно обратное: слой, рассеивающий свет в отсутствие электрического напряжения, при приложении поля становится прозрачным. На толщине слоя в несколько микрометров при приложении электрического напряжения в несколько вольт оптический контраст вследствие рассеяния света может измениться в десятки и сотни раз при сохранении светопропускания слоя. Light-scattering controlled by electric voltage in liquid crystals (LC) is caused by light scattering on the gradient of the refractive index during reorientation of molecules in the LC layer in an electric field [9-11]. The initial orientation of the molecules is determined by the boundary conditions (usually with the help of special orientants), and with the parallel arrangement of the long axes of the molecules, the direction of the axes (director) also indicates the optical axis of the LC layer. Such an oriented LC layer is characterized by large optical anisotropy: the refractive index for ordinary and extraordinary rays can differ by 10 percent or more. A light beam passing through such a layer without scattering in the absence of an electric field experiences strong scattering when the field is applied, because the orientation of the axes of the molecules in the layer changes significantly (up to orthogonal to the original one), and therefore its refractive index also changes for the same direction and polarization of the beam. With a different orientation of the LC layer relative to the direction of beam propagation, the opposite is possible: a layer that scatters light in the absence of electric voltage becomes transparent when a field is applied. At a layer thickness of several micrometers, when an electric voltage of several volts is applied, the optical contrast due to light scattering can change tens or hundreds of times while maintaining the light transmission of the layer.
В некоторых ЖК нематического типа при приложении электрического напряжения проявляется так называемое "динамическое рассеяние света". Другой известный эффект - индуцированный электрическим полем переход "холестерик-нематик", т.е. переход ЖК из холестерического типа с рассеивающей свет конфокально-закрученной структурой молекул в нематический тип, в котором оси молекул параллельны друг другу, и рассеяние отсутствует. Рассеяние света можно также наблюдать в ЖК смектического типа, в том числе при деформации полем геликоидальной структуры смектика "С*". Последний является сегнетоэлектриком и отличается в сотни тысячи раз более высоким быстродействием электрооптического отклика на приложенное напряжение (единицы и десятки микросекунд), чем другие типы ЖК. Включение в нем того или иного оптического состояния пропускания или рассеяния света осуществляется изменением полярности прилагаемого электрического напряжения. In some LCs of a nematic type, the so-called "dynamic light scattering" appears when an electric voltage is applied. Another known effect is the electric field-induced transition "cholesteric-nematic", i.e. the transition of an LC from a cholesteric type with a light-scattering confocal-twisted molecular structure to a nematic type in which the molecular axes are parallel to each other and there is no scattering. Light scattering can also be observed in a smectic type LC, including the “C *” smectic when a field deforms the helicoidal structure. The latter is a ferroelectric and differs hundreds of thousands of times faster response electro-optical response to the applied voltage (units and tens of microseconds) than other types of LC. The inclusion in it of one or another optical state of transmission or scattering of light is carried out by changing the polarity of the applied electrical voltage.
Итак, главное достоинство сегнетоэлектрических жидких кристаллов (смектиков "С*") - высокое быстродействие при низком управляющем напряжении, а главное достоинство метода визуализации светового луча с помощью рассеяния света - высокая световая эффективность (в результате отсутствия поглощения света, характерного для поляризационных устройств) при хорошем оптическом контрасте. Оба эти достоинства могут быть объединены в полимерно-жидкокристаллическом композитном материале, известном как капсулированный полимером ЖК [12]. Он представляет собой полимерную пленку, внутри которой диспергированы капли ЖК, причем направления оптических осей во всем ансамбле капель преимущественно параллельны и лежат в плоскости пленки. Обычно РСМ изготовляется на подложке (например, жесткой стеклянной или гибкой из другого прозрачного материала), но впоследствии при необходимости может быть отделен от нее. Толщина пленки может варьироваться от единиц до десятков микрометров и более. Размеры капель обычно лежат в пределах до 10 мкм. So, the main advantage of ferroelectric liquid crystals (smectics "C *") is its high performance at low control voltage, and the main advantage of the method of visualizing a light beam using light scattering is its high light efficiency (as a result of the absence of light absorption characteristic of polarizing devices) when good optical contrast. Both of these advantages can be combined in a polymer-liquid crystal composite material known as a polymer-encapsulated LC [12]. It is a polymer film inside which liquid droplets are dispersed, and the directions of the optical axes in the entire ensemble of droplets are predominantly parallel and lie in the plane of the film. Typically, PCM is made on a substrate (for example, rigid glass or flexible from another transparent material), but subsequently, if necessary, can be separated from it. Film thickness can vary from units to tens of micrometers or more. Droplet sizes typically range up to 10 microns.
Показатель преломления полимера выбирают примерно равным показателю преломления ЖК для обыкновенного луча, т.е. для компоненты света, поляризованной перпендикулярно направлению директора. Это означает, что такая компонента не рассеивается в композитной пленке, находящейся в исходном состоянии (при заданной полярности приложенного к проводящим покрытиям электрического напряжения), в то время как параллельно поляризованная компонента света (необыкновенный луч) испытывает интенсивное рассеяние. (Соответственно, при изменении параметров луча или полярности прилагаемого электрического напряжения ситуация изменяется на обратную). Оценки показывают, что при удачном согласовании показателей преломления полимера и ЖК интегральное светопропускание функционального электрооптического композитного слоя можно повысить почти до 92%. Помещение его в иммерсионную жидкость позволит достичь светопропускания в 97%. Это обеспечивает ослабление оптического сигнала лишь вдвое (его легко учесть программно) на 20 слоях РСМ, и втрое - на 36 слоях, а это для ряда практических задач уже достаточно. The refractive index of the polymer is chosen approximately equal to the refractive index of the LC for an ordinary beam, i.e. for a light component polarized perpendicular to the direction of the director. This means that such a component does not scatter in the composite film in its initial state (at a given polarity of the voltage applied to the conductive coatings), while a parallelly polarized light component (extraordinary ray) experiences intense scattering. (Accordingly, when the parameters of the beam or the polarity of the applied voltage are changed, the situation reverses). Estimates show that with a good agreement between the refractive indices of the polymer and the LC, the integrated light transmission of the functional electro-optical composite layer can be increased to almost 92%. Placing it in an immersion liquid will allow a light transmission of 97% to be achieved. This ensures the attenuation of the optical signal only twice (it is easy to take into account programmatically) on 20 layers of PCM, and three times on 36 layers, and this is already enough for a number of practical tasks.
Исключения потерь на светопропускание в электродах и дальнейшего уменьшения потерь в структурах до 1% и менее с целью увеличения числа слоев в объемной среде трехмерного дисплея до 100 (что решает большинство практических задач) и более можно ожидать при использовании конфигурации электродов для поперечного электрооптического или магнитооптического эффекта, а также при использовании электропроводящей иммерсионной жидкости. Так, при пропускании структуры в 99,5% и допустимом трехкратном уменьшении значения светопропускания после последнего по ходу луча слоя РСМ возможное число слоев в объемной среде приближается к 250, а при потерях светопропускания в слое всего 0,3%, что технологически вполне реализуемо, уже возможно иметь 400 планов по глубине сцены (дальности). Для увеличения разрешения по глубине еще вдвое можно допустить адресацию точек объемной среды лазерным лучом во встречных направлениях. The elimination of light transmission losses in the electrodes and further reduction of the loss in structures to 1% or less in order to increase the number of layers in the three-dimensional display volume medium to 100 (which solves most practical problems) and more can be expected when using the electrode configuration for the transverse electro-optical or magneto-optical effect , as well as when using an electrically conductive immersion fluid. Thus, when the structure is transmitted at 99.5% and the permissible light transmission value decreases three times after the last PCM layer along the beam, the possible number of layers in the bulk medium approaches 250, and with a light transmission loss in the layer of only 0.3%, which is technologically feasible, it is already possible to have 400 plans for the depth of the scene (range). To increase the resolution in depth by a factor of two, one can admit addressing of the points of the volumetric medium with a laser beam in opposite directions.
Разработки ЭОМ продолжаются, в том числе с применением разных электрооптических и магнитооптических материалов и технологических решений, так что можно ожидать дальнейшего совершенствования их параметров и расширения возможностей использования в предлагаемом трехмерном дисплее. The development of EOM continues, including with the use of various electro-optical and magneto-optical materials and technological solutions, so that we can expect further improvement of their parameters and expand the possibilities of use in the proposed three-dimensional display.
Предлагаемый способ трехмерного отображения информации и устройство для его реализации могут найти широкое применение для отображения трехмерных объектов и сцен, в частности, в системах навигации, системах машинного проектирования и конструирования, визуализации томографической информации, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, при проведении сложных операций в медицине, в видеотехнике, в компьютерных тренажерах и играх, в рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п. The proposed method for three-dimensional display of information and a device for its implementation can be widely used for displaying three-dimensional objects and scenes, in particular, in navigation systems, computer-aided design and construction systems, visualization of tomographic information, when modeling three-dimensional problems in science and technology, during complex operations in medicine, in video equipment, in computer simulators and games, in advertising, entertainment, etc.
Литература
1. Fans S. Novel 3-D stereoscopic imaging technology. Proc. SPIE, v. 2177, pp.180-195 (1994).Literature
1. Fans S. Novel 3-D stereoscopic imaging technology. Proc. SPIE, v. 2177, pp. 180-195 (1994).
2. Hilaire P. , Benton S., Lucente M. Synthetic aperture holography: a noval approach to three-demensional displays. Journal of Optical Society of America, v.9, pp.1969-1977 (1992). 2. Hilaire P., Benton S., Lucente M. Synthetic aperture holography: a noval approach to three-demensional displays. Journal of Optical Society of America, v. 9, pp. 1969-1977 (1992).
3. Шэндл Д. Наконец-то реальная трехмерность! Электроника. 1990, 18, с. 7-9. 3. Shandl D. Finally, real three-dimensionality! Electronics. 1990, 18, p. 7-9.
4. Chinnock Ch. Volumetric imaging. Laser Focus World, 1994, Sept., p. 20. 4. Chinnock Ch. Volumetric imaging. Laser Focus World, 1994, Sept., p. 20.
5. Воронов А. В., Головков А.А., Кузнецов С.В., Приходько В.Ю. Цветной объемный дисплей. Патент РФ 2111627, кл.6 Н 04 N 9/31, G 09 G 3/06 (1996). 5. Voronov A.V., Golovkov A.A., Kuznetsov S.V., Prikhodko V.Yu. Color surround display. RF patent 2111627, CL 6 H 04
6. Патент США 4881068, кл. G 09 G 3/06 (1988). 6. US patent 4881068, CL. G 09
7. Laser Focus World, 11, р.28 (1994). 7. Laser Focus World, 11, p. 28 (1994).
8. Rapaport A. , Ayrault К., Matthew-Daniel E., Bass M. Visible light emission from dyes excited by simultaneous absorption. Applied Physics Letters, v.74, 3, pp.329-331 (1999). 8. Rapaport A., Ayrault K., Matthew-Daniel E., Bass M. Visible light emission from dyes excited by simultaneous absorption. Applied Physics Letters, v. 74, 3, pp. 339-331 (1999).
9. Васильев А. А. , Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света (под ред. И.Н. Компанца). "Радио и связь", M., (1987). 9. Vasiliev A. A., Casasent D., Kompanets I.N., Parfenov A.V. Spatial light modulators (edited by I.N. Kompanets). "Radio and Communications," M., (1987).
10. Chigrinov V. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London (1999). 10. Chigrinov V. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London (1999).
11. Блинов Л.М. Магнито- и электрооптика жидких кристаллов. "Наука", M. (1978). 11. Blinov L.M. Magneto-and electro-optics of liquid crystals. "Science", M. (1978).
12. Зырянов В.Я., Сморгон С.Л., Шабанов В.Ф., Пожидаев Е.П., Андреев А. Л., Компанец И.Н. Оптимизация светомодуляционных характеристик ячейки капсулированного полимером сегнетоэлектрического жидкого кристалла. Оптический журнал, 6, с. 121-126(1999). 12. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F., Pozhidaev E.P., Andreev A.L., Kompanets I.N. Optimization of the light modulation characteristics of a cell of a polymer-encapsulated ferroelectric liquid crystal. Optical Journal, 6, p. 121-126 (1999).
13. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. "Энергоатомиздат", М. (1990). 13. Randoshkin VV, Chervonenkis A.Ya. Applied Magnetooptics. "Energoatomizdat", M. (1990).
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002111262A RU2219588C1 (en) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | Method and device for producing three- dimensional images |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002111262A RU2219588C1 (en) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | Method and device for producing three- dimensional images |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002111262A RU2002111262A (en) | 2003-10-27 |
| RU2219588C1 true RU2219588C1 (en) | 2003-12-20 |
Family
ID=32066390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002111262A RU2219588C1 (en) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | Method and device for producing three- dimensional images |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2219588C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011133070A2 (en) * | 2010-04-20 | 2011-10-27 | Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" | Three-dimensional display |
| RU2465657C1 (en) * | 2011-09-02 | 2012-10-27 | Татьяна Евгеньевна Жолудева | Decorative and advertising light article |
-
2002
- 2002-04-26 RU RU2002111262A patent/RU2219588C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011133070A2 (en) * | 2010-04-20 | 2011-10-27 | Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" | Three-dimensional display |
| WO2011133070A3 (en) * | 2010-04-20 | 2011-12-29 | Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" | Three-dimensional display |
| RU2465657C1 (en) * | 2011-09-02 | 2012-10-27 | Татьяна Евгеньевна Жолудева | Decorative and advertising light article |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| USRE42184E1 (en) | Optically written display | |
| US6064423A (en) | Method and apparatus for high resolution three dimensional display | |
| US5764403A (en) | Panel display using two-frequency upconversion fluorescence | |
| US7573491B2 (en) | Method for formatting images for angle-specific viewing in a scanning aperture display device | |
| US6327074B1 (en) | Display medium using emitting particles dispersed in a transparent host | |
| US5956172A (en) | System and method using layered structure for three-dimensional display of information based on two-photon upconversion | |
| JP2857159B2 (en) | Gain reflector and liquid crystal display | |
| US5801666A (en) | Three-dimensional monitor | |
| US6654161B2 (en) | Dispersed crystallite up-conversion displays | |
| US20050219693A1 (en) | Scanning aperture three dimensional display device | |
| CN103777432B (en) | Spatial light modulator and light field three-dimensional display system thereof | |
| US20050280894A1 (en) | Apparatus for creating a scanning-column backlight in a scanning aperture display device | |
| US20020113753A1 (en) | 3D display devices with transient light scattering shutters | |
| JP2002229017A (en) | Display device | |
| CA2195985C (en) | Three-dimensional display method(s) and apparatus | |
| WO1995024671A1 (en) | Electromagnetic beam scanning arrays and electro-optical image display systems incorporating the same | |
| RU2219588C1 (en) | Method and device for producing three- dimensional images | |
| US6088380A (en) | Method and apparatus for intracavity pixelated lasing projection | |
| RU2429513C1 (en) | 3d display | |
| JP2005157025A (en) | Liquid crystal display | |
| CN117769676A (en) | Optical element | |
| KR20130101997A (en) | Liquid crystal display | |
| WO2005106572A1 (en) | Scanning aperture three dimensional display device | |
| Kompanets et al. | Volumetric displays | |
| JP3313986B2 (en) | Liquid crystal display device and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20100726 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20101224 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160427 |