RU6634U1 - Лазерный графический дисплей объемного изображения - Google Patents

Abstract

Лазерный графический дисплей объемного изображения, содержащий визуализатор, выполненный в виде вращающегося экрана, источник лазерного излучения с двухкоординатным устройством сканирования лазерного луча, излучение которого направлено на вращающийся экран, электродвигатель с электронным управлением и автоподстройкой скорости вращения, на оси которого установлен экран, компьютер, соединенный через интерфейс с видеоОЗУ, и систему синхронизации сканирования лазерного луча со скоростью вращения экрана, через которую электродвигатель соединен с компьютером и видеоОЗУ, отличающийся тем, что видеоОЗУ выполнено с двумя выходами, причем первый выход видеоОЗУ через амплитудный модулятор и второй его выход через преобразователь код-частота подключены к входам формирователя частотно- и амплитудно-модулированного радиосигнала, выход которого соединен с устройством двухкоординатного акустооптического сканирования лазерного луча, выполненного в виде двухкоординатного акустооптического дефлектора, а экран визуализатора выполнен в виде двух или более плоских пластин, расположенных симметрично относительно оси вращения электродвигателя.

Description

Лазерный графический дисплей объемного изображения.

Заявляемое в качестве полезной модели уст|зойс1БО относится к формирователям реальных 1:рехмерных изображений со сканир тощим световым л)-чом, которое может быть использовано в ситемах управления возг15шным движением и смежных областях, для визуализации медицинской информации (томография), в химических и математических вычислительных экспериментах, в качестве устройств отображения хля тренажеров, при молекулярном моделировании, анализе карт погоды и дистанционном управлении объектами.

Известно устройство для получения управляемого в реальном времени объемного изображения, основанное на сопряжении методов классической голографии с возможностями суперкомпьютера.- Устройство включает компьютерную систему с интерфейсом для генфации объемных изображений, место пользователя со средствами управления компьютерной системой и средство визуализации, выполненное в виде голог|зафической системы записи-считывания изображений, которая содержит источник записывающего излучения, многоканальный одномерный мод}лятор интенсивности запи.сывающего из.т/чения, систему развертки записывающего излучения, голографический экран, систему считывания

riKfi G02B 27/22. G03C 9т. G09G 3/02.

iCt

голограмм на основе когерентных нсточников света с затворами,, прм этом входы упомящтых блоков голографической системы подключены к соответствующим выходам интерфейса 1.

Недостатком такой системы является большой объем вычислений. Чтобы сформировать динамическ} о голограмму большого размера требуются вычислительные мощности, при которых система окажется слишком дорогостоящей. РСроме того при вычислениях учитьтается только горизонтальный параллакс, в связр с чем пропадает пространственный эффект при изменении угла зрения в горизонтальной плоскости.

Р1звестна стереоскопическая система воспроизведения видеоинформации, выполненная на основе плоского вращающегося экрана. Экран имеет вращаюодееся основание, с одной стороны которого размещена электронная схема памяти, синхронизации и коммутации, а с , обращенной к наблюдателю, наборы светоизл}чающих и оптических элементов, при светоизлучающие элементы выполненные на основе светодиодов управляются цифровыми кодами, а над каждым светоизл}-чающим элементом установлен оптический элемент (микролинза) 2.

Недостатки стереоскопических систем ювестны. На плоском экране объемность создается только- за счет перспективы и объемный эффект наблюдается только в небольших тлах.

Известен трехмерный монитор для воспроизведения информации и изображений объектов в трехмерном представлении. Монитор содержит трехмерную стр тстуру оптических вокселов, возбуждаемых энергией, передаваемой через оптические волокна, соединенные с каждым вокселом; излучение видимого или ультрафиолетового диапазона может быть передано в выбранные оптические волокна с помощью двумерной системы затворов или нескольких управляемых источников излучения под управлением компьютера: вокселы могут быть изготовлены из полиметилакрилата, легированного красителем, которын под воздепствием шьтрафиолетового излучения вырабатывает фллоресценткое излучение: д:1я создания цветного монитора можно использовать несколько красителей, и1Л5чение которых при флуоресценции лежит в разных диапазонах длин волн, а интенсивностью изщчения каждого диапазона можно управлять для получения комбинации цветов 3.

Недостатками такого трехмерного монитора является большое по слесвечение, приводящее к нечеткости картины при формировании динамических изображений, а также сложная оптическая схема, не позволяющая получить разрешение близкое по характеристикам к телевизионному.

Наиболее перспективным для промышленного освоения представ ляется направление, связанное с созданием трехмерных систем визуализации с помощью вращающихся тел и сканирующих по ним лазерных лучей. Фирмой США Texas Ynstruiueuts продемонстрирован на выставке опьгтный образец системы Omjiivew трехмерного воспроизведения изображений. Известны основные принципы и технические средства построения такой системы. Система содержит визуализагор,, выполненный в виде вращающегося диска, являющегося экраном, источник лазерногх излучения, вь1полненный в виде маломощного лазера, с двухкоординатным устройством сканирования лазерного , излучение которого я.аnpaBjieHo на вращающийся диск, двигатель, на оси которого установлен диск, выполненный в виде двойной спирали, компьютерную систему а систему си} Хронизации сканирования лазерного гуча со скоростью враодения диска, через которуъэ двигатель соединен с компьютерной сяьтемой 4|,

Система Ommvew создает изображение в рабочем объеме куполообра-.ной формы. Частота сканирования 10 кГц, скорость вращения днека 10 оборотов в секунду, ширина полосы 3000 точек, разрешающая способность - 750x750 элементов изображения. Для повышения разрешающей способности или создания очень больших изображений в этой системе может быть использовано несколько устройств сканирования, а совместная работа красного, зеленого и синего лазера позволяет формировать полноцветные изображения. Вполне очевидно, что для реализации задач, поставленнььх перед этой системой, необходимо- наличие в ней оперативного запорлинающего устройства (видео ОЗУ), которое соединяется с компьютерной системой через интерфейс.

Это направление обладает минимальным объемом вычислений, требуемым для визуализации изображения в пространстве по сравнению с другими известными направления и, в системе формируется реальное, а не кажущееся объемное изображение, видимое под любым }.тлом зрения; исследования и разработки в этом направлении не требуют очень дорогостоящих уникальных узлов, опираются на современные технологии, стимулируются последними достижениями в области программноуправляемого быстрого электронного сканирования лазерным .

Недостатком вышеописанного опытного образца системы Oimiivew являются низкие скоростные характеристики, обусловленные низкой частотой сканирования лазерного луча, растровый принцип формирования изображения со спиральной разверткой и гашением лазерного луча в не подсвеченных точках, характеризующийся недостаточной эффективностью использования энергии луча, высокие требования к объему видео ОЗУ - 40-200 Мбайт, из-за прорисовки трехмерных объектов по всему объему, и к циклу считывания - 0,5-2,5 не.

При создании предлагае лого дисплея была поставлена и решена задача - опираясь на принцип быстрого программно-управляемого сканирования одного или нескольких лазерных лучей в двух измерениях на вращающемся экране повысить скоростные характеристики устройства.

эффективность использования ла-jepHoro луча и среднюю яркость нзображения, при той же мощности лазера, и уменьшить требования к объему памяти видео ОЗУ и време}1И считывания.

Сущность полезной модели заключается в устройстве лазерного графического дисплея объемпото изображения, содержащем визуализатор, выполненный в виде вращающаося экрана, источник лазерного из лучения с двухкоординатным устройством сканирования 21азерного лу, ча, из1 чение которого направлено на вращающийся экран, электродви гатель с элепроиньш управлением и автогюдстройкой скорости враще ния, на оси которого установлен экран, компьютер, соединенный через интерфейс с видео ОЗУ, и систему синхронизации сканирования лазерного л}ча со скоростью вращения экрана, через которую электродвигатель соединен с компьютером и видео ОЗУ, которое выполнено с выходами, причем первый выход через амплитудный модулятор и вюрой его выход через преобразователь код-частота подключены ко входам формирователя частотно и амплитудиомолулированного радиосиг нала, выход которого соединен с устройством двухкоординатного ска ирования лазерного луча, выполненного в виде двухкоординатногс акустооптического дефлектора, а экран визуализатора выполнен в виде двух или более плоских пластин, расположенных симметрично относятельно оси вращения электродвигателя,

При осуществлении полезной модели получен следующий техни е ский результат:

- повыщены динамические характеристики з стройства до частогы смены кадров изображения 25 и более герц, за счет обеспечения быстро го электронного сканирования лазерного луча с частотой 4-8 МГц;

повышена эффективность использования энергии и средняя яркость изображения, за счет использования точечно -векторного прин

ципа формирования изображения с минимальным гащением и его сканированием по сложной траектории:

- снижены требования к объему памяти видео ОЗУ (до 1-4 Мбайт) и циклл считывания из ячейки (до 70-120 не.) при том же разрешении, за счет прорисовки трехмерных объектов по периметру.

Описание полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема предлагаемого графического дисплея. Экран { визуализатора выполнен в виде .двух плоских пластин с размерами } 00x150x2 мм, изготовленными, например, из оргстекла или пласт-массы, которые с даух сторон прикреплены перпендикулярно к оси 2 бесконтактного электродвигателя с электронным управлением и автоподстройкой скорости вращения. В дисплее использован серийный дзигатель от жест1 ого диска типа «винчестер с оптоэлектронным управлением. Источник 3 лазерного излучения, выполненный в виде твердотельного лазера с диодной накачкой и объективом 5, снабжен устройством 4 электронного сканирования лазерного лучз., выполненным на базе двухкоординатного акустооптического дефлектора. Эти узлы являются покупными изделиями. Лазерный луч от дефлектора 4 через объектив 5 направлен на экран визуализатора. Бесконтактный электродвигатель через систему 6 синхронизации сканирования лазерного луч-а соединен с компьютером 7 и с видео ОЗУ 8. Система синхронизации сканирования лазерного луча с вращением электродвигателя выполнена на основе стандартных электромагнитных датчиков, установленных на роторе и статоре двигателя. Компьютер, в качестве которого может использоваться персональный компьютер класса не ниже 180386DX-40, снабжен 48разрядным параллельным интерфейсом 9 связи с видео ОЗУ. Видео ОЗУ и интерфейс связи изготовлены в виде отдельных печатных плат. Видео ОЗУ выполнено на микросхемах динамической памяти и имеет два входа, один из которых через интерфейс связан с компьютером, а на

поданы импульсы от электромагнитных датчиков системы синхронизации. Видео ОЗУ также имеет два выхода, один из которых через амплитудный модул:ятор 10, а через преобразователь 11 код-частота подключены к формирователю 12 частотно и амплитудно модулированного радиосигнала., выход которого соединен с двухкоординатным акустооптическим дефлектором, который возб ждается высокочастотным радиосигналом от этого формирователя. Амплит дный мод; лятор представляет собой соединение шести разрядного цифро-аналогового преобразователя и усилителя. Преобразователь код-частота выполнен на основе микросхемы двенадцати разрядного цифро-аналогового преобразователя. Формирователь частотно и амплит дно мод}лированного радиосигнала выполнен на основе релаксационного автогенератора, частота колебаний которого пропорциональна уровню управляющего напряжения от преобразователя код-частота, и усилителя радиосигнала с мод ЛИрЗТощим входом, на который подается управляющий сигнал от амплитудного модулятора. Автогенератор для повыщения стабильности частоты охвачен петлей автоподстройки частоты. Формирователь 12 имеет два выходных канала для возб окдения дефлектора 4 по оси X и Y. на входы которого поступают управляющие положением луча коды координат из видео ОЗУ 8 и по одному каналу код яркости (гашения) луча.

Технические данные основных устройств дисплея:

Видео ОЗУ:

-объем буферной видео памяти ОЗУ - 2x256 К двадцатиразрядных слов;

-частота считывания из видео ОЗУ - до 12 МГц. Лазер:

Акустооптический дефлектор: материал призмы - парателл рит:

-угол сканирования - 0-3 градуса;

-число разрешенных положений - 128-256/512-1024;

-anepiypa светового пучкз. - 5 мм/10 мм. Блок возб ждения дефлектора:

-уровень выходной мощности сигнала возб окдения - 1,0 Вт;

-ра.зрядность управляющего кода положения и яркости подсвеченной точки - 8-10 разрядов;

-наличие входа разрешения сканирования (строб сканирования, поступающий от компьютера);

-совместимость по входу управляющего кода и строба сканирования с TTL уровнями;

-количество разрешенных положений лучз. по одной координате до 256 точек при }тле сканирования до 3-х и апертуре пучка лазера 5 мм и 512 точек при апертуре пучка 10 мм;

-диапазон рабочей (центральной) частоты возблокдения дефлектора - 50-80 МГц;

-девиация (диапазон сканирования) частоты возбз/ждающего сигнала - 40-60 МГц;

-нелинейность в диапазоне сканирования частоты сигнала - 0,5%;

-нестабильность частоты возбуждающего сигнала: с автоподстройкой частотъ (АПЧ) - безАПЧ- 10-2;

-максимальная частота смены положений луча, (частота сканирования) - 4-8 Мгц.

АПЧ позволяет скомпенсировать медленн то нестабильность частоты возбуждающего дефлектор 4 сигнала и включается по сигналу строба сканирования. Код ощибки, формируемый в режиме АПЧ, компенсирует

медденрпдо нестабильность частоты возбуждающего дефлектор сигнала. Все устройства дисплея, включая электродвигатель, питаются от стандартного источника питания для персонального компьютера IBM PC/AT с повышенной мощностью. В изготовленном макете дисплея для стабилизации сопротивления окружающей среды при вращении экрана и безопасности эксплуатации визуализатор с вращающимся экраном накрыт стеклянным колпаком. Для дисплея разработан пакет тестовых программ формирования объемных изображений и обсл живания интерфейса. При использовании дисплея для конкретных задач необходимо прикладное программное обеспечение.

Предлагаемый графический дисплей работает след тощим образом. При запуске электродвигателя начинают вращаться пластины экрана 1, в результате чего формируется пространство объема визуализации, имеющее цилиндрическую форму. От формирователя 12 частотно и амплитудно-модулированным радиосигналом возб ждается двухкоординатный акустооптический дефлектор 4. Частота и амплитуда радиосигнала управляется поступающими от видео ОЗУ 8 цифровыми кодами. Частота определяет угол отклонения испускаемого лазером 3 в акустооптическом дефлекторе 4., а амплитуда его интенсивность. В результате луч в зависимости от значений цифровых кодов, формируемых на основе информации об изображаемом объекте, обработанной в компьютере 7, отклоняется в заданн то точку пространства объема визуализации, имея, при этом, заданною интенсивность. Информация об объекте может поступать от любой системы датчиков, либо от любого синтезатора изображения. Она может вырабатываться программно в этом или дргтбм компьютере, либо исходить от РЛС, томографа или источника. Считывание управляющих цифровых кодов из видео ОЗУ 8 в преобразователь 11 код-частота, амплитудный модулятор 10 и далее в формирователь 12 радиосигнала синхронизируется сигналом электромагнитных датчиков системы 6 синхронизации вращения экрана 1 визуализатора с работой видео ОЗУ 8. Лазерный луч, в результате этого, встречает на своем пути в конкретной точке объема визуализации поверхность экрана I и формирует на нем светящ 1ося точку. В каждом положении экрана 1 совокупность светящихся точек высвечивает контур одного из сечений объемного изображения объекта. Объемное изображение в целом формируется последовательностью его сечений, возникающих при вращении экрана I. При скорости вращения экрана выше 20 оборотов в секунду происходит усреднение всех светящихся точек глазом наблюдателя, а совокупность таких точек представляется в виде объемного изображения. По изложенног |у в данной заявке принципу создан действующий макет объемного графического дисплея на 4096 гочек визуализации в цилиндрическом объеме пространства.

Источники информации:

1.Заявка РФ NQ 93039126/25, G03H 1/08, заявл. 27.07.93, опубл. 10.06.96, БИ №16, с. 79.

2.Заявка РФ № 93052685/09, H04N 15/00, заявл. 17.11.93, опубл. 27.05.96, БИ№ 15, с. 90.

3.Заявка РСТ (WO) NQ 94/18662, G09G 3/02, заявл. в США 10.02.93, опубл. 18.08.94 (ИСМ, вып. 96, № 10, 1995, с. 59).

4.Джон Камбелл, Формирование реальных трехмерных изображений при помощи вращающегося диска. - Электроника, № 19, 1990, с.З; ED, 1990, jNb 17, р.29; EUSA, 1990, :МЬ 9. р. 29 (прототип).

Claims (1)

1. Лазерный графический дисплей объемного изображения, содержащий визуализатор, выполненный в виде вращающегося экрана, источник лазерного излучения с двухкоординатным устройством сканирования лазерного луча, излучение которого направлено на вращающийся экран, электродвигатель с электронным управлением и автоподстройкой скорости вращения, на оси которого установлен экран, компьютер, соединенный через интерфейс с видеоОЗУ, и систему синхронизации сканирования лазерного луча со скоростью вращения экрана, через которую электродвигатель соединен с компьютером и видеоОЗУ, отличающийся тем, что видеоОЗУ выполнено с двумя выходами, причем первый выход видеоОЗУ через амплитудный модулятор и второй его выход через преобразователь код-частота подключены к входам формирователя частотно- и амплитудно-модулированного радиосигнала, выход которого соединен с устройством двухкоординатного акустооптического сканирования лазерного луча, выполненного в виде двухкоординатного акустооптического дефлектора, а экран визуализатора выполнен в виде двух или более плоских пластин, расположенных симметрично относительно оси вращения электродвигателя.