WO2009123500A1 - Способ визуализации изображений и устройство для его реализации - Google Patents

Способ визуализации изображений и устройство для его реализации Download PDF

Info

Publication number
WO2009123500A1
WO2009123500A1 PCT/RU2008/000618 RU2008000618W WO2009123500A1 WO 2009123500 A1 WO2009123500 A1 WO 2009123500A1 RU 2008000618 W RU2008000618 W RU 2008000618W WO 2009123500 A1 WO2009123500 A1 WO 2009123500A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layers
pixels
electro
optical
multilayer structure
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000618
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Владимир Исфандеярович АДЖАЛОВ
Original Assignee
Adzhalov Vladimir Isfandeyarov
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Adzhalov Vladimir Isfandeyarov filed Critical Adzhalov Vladimir Isfandeyarov
Priority to CN2008801263149A priority Critical patent/CN101939706A/zh
Priority to JP2010529892A priority patent/JP2011501217A/ja
Priority to US12/733,689 priority patent/US20100194668A1/en
Priority to EP08873692A priority patent/EP2267558A4/en
Publication of WO2009123500A1 publication Critical patent/WO2009123500A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0402—Recording geometries or arrangements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/0305—Constructional arrangements
    • G02F1/0322—Arrangements comprising two or more independently controlled crystals
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2294—Addressing the hologram to an active spatial light modulator
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/12—Function characteristic spatial light modulator
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G03H2001/0208—Individual components other than the hologram
    • G03H2001/0224—Active addressable light modulator, i.e. Spatial Light Modulator [SLM]
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0476—Holographic printer
    • G03H2001/0484—Arranged to produce three-dimensional fringe pattern
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2202—Reconstruction geometries or arrangements
    • G03H2001/2223—Particular relationship between light source, hologram and observer
    • G03H2001/2231—Reflection reconstruction
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2222/00—Light sources or light beam properties
    • G03H2222/10—Spectral composition
    • G03H2222/17—White light
    • G03H2222/18—RGB trichrome light
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2222/00—Light sources or light beam properties
    • G03H2222/20—Coherence of the light source
    • G03H2222/23—Temporal coherence
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2222/00—Light sources or light beam properties
    • G03H2222/20—Coherence of the light source
    • G03H2222/24—Low coherence light normally not allowing valuable record or reconstruction
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2225/00—Active addressable light modulator
    • G03H2225/10—Shape or geometry
    • G03H2225/13—3D SLM
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2225/00—Active addressable light modulator
    • G03H2225/20—Nature, e.g. e-beam addressed
    • G03H2225/22—Electrically addressed SLM [EA-SLM]
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2225/00—Active addressable light modulator
    • G03H2225/30—Modulation
    • G03H2225/32—Phase only
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2227/00—Mechanical components or mechanical aspects not otherwise provided for
    • G03H2227/05—Support holding the holographic record
    • G03H2227/06—Support including light source
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2240/00—Hologram nature or properties
    • G03H2240/50—Parameters or numerical values associated with holography, e.g. peel strength
    • G03H2240/61—SLM related parameters, e.g. pixel size

Definitions

  • the invention relates to the field of information technology, more specifically to methods and devices for displaying video information, and is intended for visualization of three-dimensional images.
  • the closest in technical essence to the proposed method is a method of image visualization, which consists in the fact that a beam of broadband optical radiation illuminates the matrix of electrically controlled elements
  • This method consists in projecting onto an external screen an image formed by an electrically controlled two-dimensional matrix.
  • the closest in technical essence to the proposed device for implementing the proposed method is a device - a screen for image visualization, which is a multilayer structure made of materials transparent to electromagnetic radiation of the optical range (see Kozlovsky V.I., Kolchin A.A., patent RU 2064246 Cl, priority from 1991.12.26).
  • This device is a cathode ray tube screen and is used to further display information on a large external screen.
  • the technical result of the invention is the ability to visualize static and dynamic color 3D images by creating synthesized volume holograms.
  • the problem of creating electrically controlled phase volumetric diffraction gratings (synthesized holograms) and, based on them, stationary displays, including screens for group viewing of volumetric ones, can be solved videos, as well as screens for mobile devices and screens formed on the windshields of automobiles, airplanes and other human-controlled devices providing the ability to visualize volumetric color images, including both static and dynamically changing images.
  • a beam of broadband optical radiation illuminates a matrix of electrically controlled elements - pixels, while the voltage is applied to the pixels, the distribution of which across the matrix is calculated from the conditions for the formation of the required change in the current optical characteristics of the pixels, and observe the image
  • the multilayer structure contains alternating layers of material having an electro-optical effect, and layers of a transparent material not possessing this effect, moreover all layers with an electro-optical effect are electrically isolated from each other, and each of them is made in the form of a matrix of electrically controlled elements - pixels.
  • the applied voltage is calculated from the conditions for the formation of a change in the refractive index in pixels, corresponding to the interference pattern of the hologram of the images in the opposing beams discretized by the number and location of the available pixels.
  • pixels with a side size of not more than 128 nanometers are used, and the matrix block has a total thickness of at least 2 micrometers with a step of not more than 256 nanometers.
  • the multilayer structure has a thickness of at least 2 micrometers and is made with a pixel side size of not more than 128 nanometers, while layers of material with an electro-optical effect are located in the multilayer structure with a step of not more than 256 nanometers.
  • the device is additionally equipped with at least one broadband optical radiation source facing the screen, located on the outside of the screen.
  • all layers of a material having an electro-optical effect are arranged regularly in the multilayer structure, that is, with a constant step between the layers, while the pixel side size is equal to half the pitch between these layers.
  • the layers of a material having an electro-optical effect are arranged in a multilayer structure with a pitch between these layers ranging from 50 to 75 nanometers.
  • An additional modification is also proposed, according to which the thickness of each layer of material having an electro-optical effect is equal to the size of the pixel side.
  • an additional modification is proposed, according to which the total thickness of the layers of a material having an electro-optical effect is in the range from 4 to 15 micrometers.
  • figure 1 schematically shows a device for visualizing images.
  • Fig. 1 shows a screen 1, which is a multilayer structure that contains alternating layers of a material having an electro-optical effect 2, and layers of a material transparent to optical radiation that does not have this effect 3, and the layers having an electro-optical effect are electrically isolated from friend and each of they are made in the form of a matrix of electrically controlled elements - pixels 4.
  • the drawing also shows a source 5 of broadband optical radiation facing the screen, mounted on the outside (facing the observer side of the screen 1), and a mechanical connection element of the source 5 with the screen 6.
  • the drawing also shows the restored (observed) point source of light 7 (an element of any arbitrarily complex three-dimensional image), and the eye of the observer 8 is protected first source of broadband radiation source 5 direct radiation mechanical connection element 6.
  • the device proposed for implementing the method works as follows. Broadband radiation from source 5 (white light source) is sent to the screen 1, made in the form of alternating layers 2 and 3.
  • any material can be used from which the matrix can be made electrically controlled elements (pixels 4), in which the refractive index is an electrically controlled optical parameter (variable optical characteristic).
  • the proposed device from known similar materials, it is proposed to use materials with a pronounced electro-optical effect, in particular gallium arsenide and lithium niobate.
  • the screen of the device 1 is a three-dimensional matrix of electrically controlled phase elements 4.
  • the optical radiation will be partially reflected.
  • the radiation reflected from the device forms an image for the observer, for example, the image of a point source 7.
  • the specific type of image is determined by the distribution of the control voltage supplied to the three-dimensional matrix of pixels.
  • ordinary volume holograms are the result of photo-recording of the interference pattern in the opposing beams of two coherent waves - the so-called reference wave and the wave from the holographic object.
  • the spatial frequency of the resulting interference pattern is determined by the angle of convergence of the wave fronts and the wavelength of the radiation source used, making up in the extreme case half the wavelength of the source.
  • the resulting volumetric interference pattern can be used according to the “reflection” scheme) to restore the image of the original object, and it is permissible to use a broadband source (white light source) as the recovery wave due to the spectral selectivity of the resulting volumetric interference pattern.
  • the proposed group of technical solutions is the result of a study of the possibility of synthesizing bulk phase interference gratings - analogues of volume holograms in colliding beams.
  • the actual distribution of the interference pattern can be used when recording this pattern using classical holography methods (illuminating an object with a coherent beam or light beams and obtaining an interference pattern in oncoming beams).
  • the calculated distribution of the interference pattern can also be used.
  • each point of an object can be represented in a one-to-one manner in the form of the assumed distribution of the interference pattern during the interaction of radiation from this point and a coherent radiation beam with a front corresponding to the front of the beam, which is supposed to be used to illuminate the synthesized hologram.
  • the image of each object point to be restored can be uniquely represented by the corresponding interference volumetric picture, which is a volumetric picture of interference (volumetric Fresnel zone picture) from a point radiation source and a reference wave.
  • any arbitrarily complex three-dimensional interference pattern as a superposition of sinusoidally varying independent spatial lattices in three coordinates, i.e. in the form of a three-dimensional Fourier representation when used as variables the so-called spatial frequencies, measured in units whose dimension is the reciprocal of a unit of length.
  • the revealed rule can be formulated as follows: for successful discretization of a three-dimensional interference pattern, it is necessary to use the spatial discretization step for each of the spatial coordinates with a spatial frequency exceeding twice the spatial limit frequency of the sampled interference pattern, taken in the projection of this pattern on the corresponding coordinate.
  • the total thickness of the synthesized volumetric phase picture should be at least two micrometers.
  • the quality of the image being reconstructed using the synthesized hologram can be improved if a specific source of optical radiation is used to restore the image, not an arbitrary one.
  • a specific source of optical radiation is used to restore the image, not an arbitrary one.
  • it is additionally equipped with a specific source of broadband radiation that is installed on the external (facing the observer) side of the screen.
  • the source should be installed outside the aperture (observable surface) of the screen, and should be designed so as not to obscure the screen, and so that the direct radiation of this source does not enter the observer’s visual apparatus.
  • any installed source has a specific radiation front, which facilitates the task of mathematical modeling.
  • the preferred option for implementing the claimed method is a device in which the arrangement of matrices of electrically controlled elements in a multilayer structure is regular, i.e. with a constant step between layers, with the side size of pixels equal to half the step between these layers.
  • the preferred size of the total thickness of the layers having an electro-optical effect is in the range from 4 to 15 micrometers.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области информационных технологий и предназначено для визуализации трехмерных изображений. Техническим результатом является создание электрически управляемых фазовых объемных дифракционных решеток и, на их основе, экранов для отображения объемных цветных изображений. Способ заключается в том, что осуществляют освещение пучком оптического излучения одновременно блока матриц пикселей, в котором матрицы установлены параллельно друг другу, причем освещают матрицы с той же стороны, с какой наблюдают изображение, при этом в качестве изменяемой оптической характеристики пикселей во всех этих матрицах используют показатель преломления. Устройство включает экран, предоставляющий собой многослойную структуру, которая содержит чередующиеся слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, и слои прозрачного материала, не обладающего этим эффектом. Все слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, электрически изолированы друг от друга и каждый из них выполнен в виде матрицы электрически управляемых элементов-пикселей.

Description

Способ визуализации изображений и устройство для его реализации
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области информационных технологий, точнее к способам и устройствам отображения видеоинформации, и предназначено для визуализации трехмерных изображений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны способы и устройства для визуализации динамически изменяющихся объемных (трехмерных) изображений, основанные на различных модификациях стереоэффекта (см. например, Ежов В.А. и др., патент RU 2306678 Cl, приоритет от 2006.02.07, и Петров В.С. и др., патент RU 2189619 Cl, приоритет от 2001.01.10). Основными недостатками подобных способов и устройств для их реализации являются неудобство наблюдения и значительные искажения в передаче объемных изображений.
Также известны способы записи объемных фазовых голограмм и устройства для их реализации (см., например, Суханов B.И. и др., патент RU 2168707 C2, приоритет от 1997.09.19).
Основным недостатком подобных способов и устройств для их реализации является невозможность визуализации динамически изменяющихся изображений.
Наиболее близким по технической сути к предложенному способу является способ визуализации изображений, заключающийся в том, что пучком широкополосного оптического излучения освещают матрицу электрически управляемых элементов
(пикселей), при этом на пиксели подают распределение напряжения, рассчитываемое из условия формирования требуемого изменения текущих оптических характеристик пикселей, и наблюдают изображение (см., например, Дуняшев Э.С. и др., патент RU 2256206 Cl, приоритет от 2004.08.09). Данный способ заключается в проекции на внешний экран изображения, формируемого электрически управляемой двумерной матрицей.
Наиболее близким по технической сути к предложенному устройству для реализации предлагаемого способа является устройство - экран для визуализации изображений, представляющий собой многослойную структуру, выполненную из материалов, прозрачных для электромагнитного излучения оптического диапазона (см. Козловский В. И., Колчин А. А., патент RU 2064246 Cl, приоритет от 1991.12.26).
Данное устройство является экраном электронно-лучевой трубки и используется для дальнейшего отображения информации на большом внешнем экране.
Основными недостатками наиболее близких к предложенным технических решений, известного способа и известного устройства, является невозможность визуализации объемных изображений. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технический результат изобретения - обеспечение возможности визуализации статических и динамических цветных объемных изображений за счет создания синтезированных объемных голограмм. При этом может быть решена задача создания электрически управляемых фазовых объемных дифракционных решеток (синтезированных голограмм) и, на их основе, стационарных дисплеев, включая экраны для группового просмотра объемных видеофильмов, а также экранов для мобильных устройств и экранов, формируемых на лобовых стеклах автомобилей, самолетов и других управляемых человеком устройств, обеспечивающих возможность визуализации объемных цветных изображений, в том числе как статических, так и динамически изменяющихся изображений.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном способе визуализации изображений, заключающемся в том, что пучком широкополосного оптического излучения освещают матрицу электрически управляемых элементов - пикселей, при этом на пиксели подают напряжение, распределение которого по матрице рассчитано из условия формирования требуемого изменения текущих оптических характеристик пикселей, и наблюдают изображение, согласно предложению, осуществляют освещение пучком оптического излучения одновременно блока матриц пикселей, в котором матрицы установлены параллельно друг другу, причем освещают матрицы с той же стороны, с какой наблюдают изображение, при этом в качестве изменяемой оптической характеристики пикселей во всех этих матрицах используют показатель преломления.
Также для решения поставленной задачи с достижением технического результата, в известном устройстве для визуализации изображений, включающем экран, представляющий собой многослойную структуру, выполненную из материалов, прозрачных для электромагнитного излучения оптического диапазона, согласно предложению, многослойная структура содержит чередующиеся слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, и слои прозрачного материала, не обладающего этим эффектом, причем все слои, обладающие электрооптическим эффектом, электрически изолированы друг от друга, и каждый из них выполнен в виде матрицы электрически управляемых элементов - пикселей.
В рамках заявленного технического решения предложены частные варианты развития заявляемого способа.
В первом таком варианте подаваемое напряжение рассчитано из условия формирования изменения показателя преломления в пикселях, соответствующее дискретизированной по числу и расположению имеющихся пикселей интерференционной картине голограммы изображений во встречных пучках.
Во втором варианте используют пиксели с размером стороны не более 128 нанометров, а блок матриц имеет общую толщину не менее 2 микрометров с шагом не более 256 нанометров.
В рамках заявленного технического решения предложены также варианты (частные случаи) выполнения заявляемого устройства для визуализации изображений.
В первом таком варианте многослойная структура имеет толщину не менее 2 микрометров и выполнена с размером стороны пикселя не более 128 нанометров, при этом слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, расположены в многослойной структуре с шагом не более 256 нанометров.
Во втором таком варианте устройство дополнительно снабжено не менее, чем одним обращенным к экрану источником широкополосного оптического излучения, расположенным с внешней стороны экрана.
В третьем варианте все слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, расположены в многослойной структуре регулярно, то есть с постоянным шагом между слоями, при этом размер стороны пикселей равен половине шага между этими слоями.
Согласно еще одному варианту слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, расположены в многослойной структуре с шагом между этими слоями, находящимся в диапазоне от 50 до 75 нанометров.
Также предложена дополнительная модификация, согласно которой толщина каждого слоя материала, обладающего электрооптическим эффектом, равна размеру стороны пикселей. Кроме того предложена дополнительная модификация, согласно которой общая толщина слоев материала, обладающего электрооптическим эффектом, находится в интервале от до 4 до 15 микрометров.
Существо предлагаемого технического решения заключается в следующем. Для решения поставленной задачи автором фактически предложен способ синтезирования динамически управляемых фазовых объемных голограмм и устройство для его осуществления.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ Группа изобретений поясняется фигурой 1, на которой схематично изображено устройство для визуализации изображений.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.l представлены экран 1, представляющий собой многослойную структуру, которая содержит чередующиеся слои материала, обладающего электрооптическим эффектом 2, и слои из прозрачного для оптического излучения материала, не обладающего этим эффектом 3, причем слои, обладающие электрооптическим эффектом, электрически изолированы друг от друга, и каждый из них выполнен в виде матрицы электрически управляемых элементов - пикселей 4. На чертеже также изображен обращенный к экрану источник 5 широкополосного оптического излучения, установленный с внешней (обращенной к наблюдателю стороны экрана 1), и элемент механической связи источника 5 с экраном 6. Для удобства пояснения существа предложенных технических решений, на чертеже также изображены восстанавливаемый (наблюдаемый) точечный источник 7 света (суть элемент любого сколь угодно сложного объемного изображения), и глаз наблюдателя 8, защищенный от прямого излучения источника широкополосного излучения источника 5 элементом механической связи 6.
Предложенное для реализации способа устройство работает следующим образом. Широкополосное излучение от источника 5 (источника белого света), направляется на экран 1, выполненный в виде чередующихся слоев 2 и 3. В качестве среды для формирования синтезируемых динамически изменяющихся голограмм, согласно предложенному способу, следует использовать любой материал, из которого можно изготовить матрицу электрически управляемых элементов (пикселей 4), в которых электрически управляемым оптическим параметром (изменяемой оптической характеристикой) является показатель преломления. Соответственно, в предложенном устройстве из известных подобных материалов предложено использовать материалы с явно выраженным электрооптическим эффектом, в частности арсенид галлия и ниобат лития. В результате выполненный согласно предложению экран устройства 1 представляет собой трехмерную матрицу электрически управляемых фазовых элементов 4.
При освещении такого экрана источником широкополосного оптического излучения (источником «бeлoгo cвeтa») 1, в результате дифракции на объемной интерференционной фазовой решетке, составленной из пикселей 4, оптическое излучение будет частично отражаться. Попадая в зрительный аппарат человека 8, отраженное от устройства излучение формирует для наблюдателя изображение, например, изображение точечного источника 7. Конкретный вид изображения определяется подаваемым на трехмерную матрицу пикселей распределением управляющего напряжения.
Как известно, обычные объемные голограммы являются результатом фоторегистрации картины интерференции во встречных пучках двух когерентных волн - так называемой опорной волны и волны от голографируемого объекта. Пространственная частота образующейся интерференционной картины определяется углом схождения волновых фронтов и длиной волны используемого источника излучения, составляя в предельном случае половину длины волны источника.
Образующаяся объемная интерференционная картина, в случае ее успешной регистрации, может быть использована по схеме «нa отражение)) для восстановления изображения исходного объекта, причем в качестве восстанавливающей волны допустимо использовать широкополосный источник (источник белого света) благодаря спектральной селективности образующейся объемной интерференционной картины. Предложенная группа технических решений является результатом исследования возможности синтеза объемных фазовых интерференционных решеток — аналогов объемных голограмм во встречных пучках. В качестве исходной информации о подлежащей синтезу объемной интерференционной решетке может быть использовано реальное распределение картины интерференции при записи этой картины методами классической голографии (с освещением объекта когерентным пучком или пучками света и получением интерференционной картины во встречных пучках). В качестве исходной информации о подлежащей синтезу объемной интерференционной решетке также может быть использовано расчетное распределение картины интерференции. В последнем случае, как известно, каждая точка объекта может быть взаимно однозначно представлена в виде предполагаемого распределения интерференционной картины при взаимодействии излучения от этой точки и пучка когерентного излучения с фронтом, соответствующим фронту пучка, который предполагается использовать для освещения синтезированной голограммы. Фактически, изображению каждой предполагаемой к восстановлению точки объекта может быть взаимно однозначно представлена соответствующая ей интерференционная объемная картина, представляющая собой объемную картину интерференции (объемная зоновая картина Френеля) от точечного источника излучения и опорной волны. Отметим, что описание возможных методов получения исходной информации о распределении интерференционной картины, подлежащей синтезу, приведено здесь для пояснения существа предложения, не является предметом настоящего изобретения, и не является существенным для достижения ожидаемого технического результата. Таким же образом, для проекции видеоизображений в известном способе и устройстве, не является существенным метод получения информации о распределении напряжений, которое необходимо подать на пиксели для формирования изображения.
Существенным для достижения ожидаемого технического эффекта является обеспечение возможности синтеза динамически управляемых объемных фазовых структур, близких по своему физическому устройству к объемным голограммам во встречных пучках.
Автором проведены исследования вопроса о возможности представления таких голограмм в виде набора матриц электрически управляемых элементов. В результате исследования установлено, что в качестве теоретической основы для решения задачи синтеза требуемых структур может быть использован предложенный автором пространственный аналог известной теоремы о выборке (теоремы Котельникова). Как известно, согласно теореме о выборке, для дискретизации временных сигналов необходимо осуществлять выборку (дискретизацию сигнала) с частотой, как минимум вдвое превышающей наиболее высокую спектральную составляющую дискретизируемого сигнала. Применительно к решаемой задаче, автором было теоретически обосновано, а затем экспериментально подтверждено предположение, что в области трехмерного представления интерференционных картин также существует правило предельной частоты дискретизации. Для выявления этого правила любую сколь угодно сложную трехмерную интерференционную картину предложено рассматривать как суперпозицию синусоидально изменяющихся независимых пространственных решеток по трем координатам, т.е. в виде трехмерного представления Фурье при использовании в качестве переменных так называемых пространственных частот, измеряемых в единицах, размерность которых обратна единице длины.
В упрощенном виде выявленное правило может быть сформулировано следующим образом: для успешной дискретизации трехмерной интерференционной картины необходимо использовать шаг пространственной дискретизации по каждой из пространственных координат с пространственной частотой, превышающей удвоенную предельную пространственную частоту дискретизируемой интерференционной картины, взятую в проекции этой картины на соответствующую координату.
Как показали результаты осуществленного автором математического моделирования, применительно к поставленной задаче визуализации изображений в видимом (воспринимаемом человеческим глазом) диапазоне длин волн, это обозначает необходимость формирования электрически управляемых матричных структур с шагом между слоями не более 256 нанометров и с размером пикселя в каждой матрице не более 128 нанометров. При этом для сохранения эффекта спектральной селективности, как показали результаты экспериментальных исследований, общая толщина синтезируемой объемной фазовой картины должна быть не менее двух микрометров. Если такую структуру осветить пучком широкополосного оптического излучения, а на пиксели подать распределение напряжений, соответствующее требуемой картине дискретизации расчетной или зарегистрированной голограммы, то со стороны освещения наблюдатель будет видеть восстановленное изображение, динамически изменяющееся сообразно скорости и характеру изменения распределения напряжений на пикселях.
Качество восстанавливаемого при помощи синтезируемой голограммы изображения может быть улучшено, если для восстановления изображения использовать не произвольный, а конкретный источник оптического излучения. В дополнительных вариантах реализации предложенного устройства, оно дополнительно снабжено конкретным источником широкополосного излучения, устанавливаемом с внешней (обращенной к наблюдателю) стороны экрана. Естественно, источник должен быть установлен за пределами апертуры (наблюдаемой поверхности) экрана, и должен быть выполнен так, чтобы не заслонять экран, и чтобы прямое излучение этого источника не попадало в зрительный аппарат наблюдателя. При этом любой установленный источник имеет конкретный фронт излучения, что облегчает задачу математического моделирования.
Фактически, для этого конкретного случая реализации, в слоях материала, обладающего электрооптическим эффектом, для визуализации изображения точечного источника излучения (суть элемента любого сколь угодно сложного изображения), необходимо сформировать картину распределения показателя преломления (путем подачи соответствующего распределения напряжения), соответствующую дискретизированной картине регистрации результата интерференции точечного источника, подлежащего восстановлению, с когерентным ему источником, расположенным в том месте, где расположен восстанавливающий источник белого света, причем с теми же характеристиками фронта излучения. Исследование возможностей улучшения качества синтезируемых голограмм за счет регуляризации и дальнейшего уменьшения размера дискретизации (шага между слоями и размера пикселей) показало, что предпочтительным вариантом для реализации заявленного способа является устройство, в котором расположение матриц электрически управляемых элементов в многослойной структуре регулярно, то есть с постоянным шагом между слоями, при размере стороны пикселей равным половине шага между этими слоями. Экспериментальным путем (при помощи математического моделирования) установлено, что предпочтительный размер дискретизации, обеспечивающий экономически эффективный баланс между качественными характеристиками формируемых изображений и требованиями к микроминиатюризации, для формирования синтезированных объемных изображений во всем диапазоне наблюдаемого спектра оптического излучения в пределах всей апертуры экрана обеспечивается при шаге между матрицами электрически управляемых элементов, находящемся в диапазоне от 50 до 75 нанометров. При этом выявлено, что наилучшие качественные характеристики формируемых изображений будут обеспечиваться при регулярности дискретизации по всем координатам, то есть при толщине каждого слоя материала, обладающего электрооптическим эффектом, равным размеру стороны пикселей.
Дальнейшее исследование зависимости качества восстанавливаемого изображения от количества формируемых слоев показало, что предпочтительный размер общей толщины слоев, обладающих электрооптическим эффектом, обеспечивающий экономически эффективный баланс между качественными характеристиками формируемых изображений и требованиями к микроминиатюризации, находится в интервале от до 4 до 15 микрометров.
Таким образом, предложенный способ визуализации изображений, равно как и предложенное устройство для его реализации, решают поставленную задачу с достижением ожидаемых технических результатов.

Claims

Формула изобретения
1. Способ визуализации изображений, заключающийся в том, что пучком широкополосного оптического излучения освещают матрицу электрически управляемых элементов - пикселей, при этом на пиксели подают напряжение, распределение которого по матрице рассчитано из условия формирования требуемого изменения текущих оптических характеристик пикселей, и наблюдают изображение, отличающийся тем, что осуществляют освещение пучком оптического излучения одновременно блока матриц пикселей, в котором матрицы установлены параллельно друг другу, причем освещают матрицы с той же стороны, с какой наблюдают изображение, а в качестве изменяемой оптической характеристики пикселей во всех этих матрицах используют показатель преломления.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подаваемое напряжение рассчитано из условия формирования изменения показателя преломления в пикселях, соответствующее дискретизированной по числу и расположению имеющихся пикселей интерференционной картине голограммы изображений во встречных пучках.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют пиксели с размером стороны пикселя не более 128 нанометров, а блок матриц имеет общую толщину не менее 2 микрометров с шагом не более 256 нанометров.
4. Устройство для визуализации изображений, включающее экран, представляющий собой многослойную структуру, выполненную из материалов, прозрачных для электромагнитного излучения оптического диапазона, отличающееся тем, что многослойная структура содержит чередующиеся слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, и слои прозрачного материала, не обладающего этим эффектом, причем все слои, обладающие электрооптическим эффектом, электрически изолированы друг от друга, и каждый из них выполнен в виде матрицы электрически управляемых элементов - пикселей.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что многослойная структура имеет толщину не менее 2 микрометров и выполнена с размером стороны пикселя не более 128 нанометров, при этом слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, расположены в многослойной структуре с шагом не более 256 нанометров.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено не менее, чем одним обращенным к экрану источником широкополосного оптического излучения, расположенным с внешней стороны экрана.
7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что все слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, расположены в многослойной структуре регулярно, то есть с постоянным шагом между слоями, при этом размер стороны пикселей равен половине шага между этими слоями.
8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что слои материала, обладающего электрооптическим эффектом, расположены в многослойной структуре с шагом между этими слоями, находящимся в диапазоне от 50 до 75 нанометров.
9. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что толщина каждого слоя материала, обладающего электрооптическим эффектом, равна размеру стороны пикселей.
10. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что суммарная толщина слоев материала, обладающего электрооптическим эффектом, находится в интервале от до 4 до 15 микрометров.
PCT/RU2008/000618 2008-04-03 2008-09-24 Способ визуализации изображений и устройство для его реализации WO2009123500A1 (ru)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008801263149A CN101939706A (zh) 2008-04-03 2008-09-24 用于可视化图像的方法以及用于执行该方法的装置
JP2010529892A JP2011501217A (ja) 2008-04-03 2008-09-24 画像可視化方法及びその方法を実施する装置
US12/733,689 US20100194668A1 (en) 2008-04-03 2008-09-24 Method for visualizing images and a device for performing the same
EP08873692A EP2267558A4 (en) 2008-04-03 2008-09-24 IMAGE VISUALIZATION METHOD AND CORRESPONDING DEVICE

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008112738/28A RU2378673C1 (ru) 2008-04-03 2008-04-03 Способ визуализации изображений и устройство для его реализации
RU2008112738 2008-04-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009123500A1 true WO2009123500A1 (ru) 2009-10-08

Family

ID=41135772

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000618 WO2009123500A1 (ru) 2008-04-03 2008-09-24 Способ визуализации изображений и устройство для его реализации

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20100194668A1 (ru)
EP (1) EP2267558A4 (ru)
JP (1) JP2011501217A (ru)
CN (1) CN101939706A (ru)
RU (1) RU2378673C1 (ru)
WO (1) WO2009123500A1 (ru)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8625306B2 (en) * 2006-08-28 2014-01-07 Youngtack Shim Electromagnetically-countered display systems and methods
CN103246074B (zh) * 2013-05-22 2015-04-01 天津中天证照印刷有限公司 一种动态立体图像的合成方法
CN103246073B (zh) * 2013-05-22 2015-06-24 天津中天证照印刷有限公司 一种动态立体图像的合成系统
DE102015101687A1 (de) * 2015-02-05 2016-08-11 Carl Zeiss Jena Gmbh Verfahren und Vorrichtungen zur Dateneinspiegelung
CN106338905B (zh) * 2016-10-31 2017-11-14 京东方科技集团股份有限公司 一种显示装置及其显示方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2064206C1 (ru) 1991-12-26 1996-07-20 Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН Лазерный экран электронно-лучевой трубки и способ его изготовления
RU2115148C1 (ru) * 1996-09-20 1998-07-10 Научно-производственная фирма "Эксцентр" при Саратовском государственном университете Устройство для электронного формирования трехмерного голографического изображения
RU2168707C2 (ru) 1997-09-19 2001-06-10 Инофирма Корнинг Инкорпорейтед Объемная фазовая голограмма и способ ее получения
RU2189619C1 (ru) 2001-01-10 2002-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт телевидения" Очки для наблюдения цветных стереотелевизионных изображений
US20040141234A1 (en) * 2002-09-24 2004-07-22 Seiko Epson Corporation Transmissive screen and rear projector
RU2256206C1 (ru) 2004-08-09 2005-07-10 Дуняшев Эдварт Сулейманович Проектор
RU2306678C1 (ru) 2006-02-07 2007-09-20 Василий Александрович ЕЖОВ Автостереоскопический дисплей с квазинепрерывным спектром ракурсов

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2079620A1 (en) * 1991-10-25 1993-04-26 Roeland M. T. Hekker Holographic elements for an optical recording system
JP3238755B2 (ja) * 1992-08-21 2001-12-17 富士通株式会社 ホログラムの作成および立体表示方法並びに立体表示装置
JP3338479B2 (ja) * 1992-09-18 2002-10-28 富士通株式会社 ホログラムの作成および立体表示方法並びに立体表示装置
US5581378A (en) * 1993-02-01 1996-12-03 University Of Alabama At Huntsville Electro-optical holographic display
US5751452A (en) * 1993-02-22 1998-05-12 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical devices with high polymer material and method of forming the same
JP3393935B2 (ja) * 1994-09-16 2003-04-07 株式会社東芝 ホログラムディスプレイ
US5973727A (en) * 1997-05-13 1999-10-26 New Light Industries, Ltd. Video image viewing device and method
WO2000003274A1 (en) * 1998-07-08 2000-01-20 Digilens, Inc. Switchable holographic optical system
JP3576852B2 (ja) * 1999-02-10 2004-10-13 日本電気株式会社 ホログラフィテレビジョン素子およびホログラフィテレビジョン装置
US20070211319A1 (en) * 2006-03-09 2007-09-13 Canon Kabushiki Kaisha Display apparatus, hologram reproduction apparatus and apparatus utilizing hologram

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2064206C1 (ru) 1991-12-26 1996-07-20 Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН Лазерный экран электронно-лучевой трубки и способ его изготовления
RU2115148C1 (ru) * 1996-09-20 1998-07-10 Научно-производственная фирма "Эксцентр" при Саратовском государственном университете Устройство для электронного формирования трехмерного голографического изображения
RU2168707C2 (ru) 1997-09-19 2001-06-10 Инофирма Корнинг Инкорпорейтед Объемная фазовая голограмма и способ ее получения
RU2189619C1 (ru) 2001-01-10 2002-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт телевидения" Очки для наблюдения цветных стереотелевизионных изображений
US20040141234A1 (en) * 2002-09-24 2004-07-22 Seiko Epson Corporation Transmissive screen and rear projector
RU2256206C1 (ru) 2004-08-09 2005-07-10 Дуняшев Эдварт Сулейманович Проектор
RU2306678C1 (ru) 2006-02-07 2007-09-20 Василий Александрович ЕЖОВ Автостереоскопический дисплей с квазинепрерывным спектром ракурсов

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2267558A4

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008112738A (ru) 2009-10-10
US20100194668A1 (en) 2010-08-05
RU2378673C1 (ru) 2010-01-10
CN101939706A (zh) 2011-01-05
EP2267558A1 (en) 2010-12-29
EP2267558A4 (en) 2011-10-05
JP2011501217A (ja) 2011-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6797746B2 (ja) ホログラムを計算する方法
CN102183883B (zh) 多光束时分复用全息三维显示系统及其显示方法
US10469837B2 (en) Volumetric display
CN104272198B (zh) 一种在光调制装置中编码全息图的方法
KR20080096505A (ko) 비디오 홀로그램용 디스플레이 장치에 화상 내용을멀티모드로 표시하기 위한 방법 및 멀티모드 디스플레이장치
JP2002506590A (ja) 自動立体画像表示装置
CN102081339B (zh) 基于一阶谱分时复用技术的全息三维图像显示方法与系统
RU2378673C1 (ru) Способ визуализации изображений и устройство для его реализации
CN101809511A (zh) 全息重建装置
JPH0682612A (ja) 回折格子アレイおよびそれを用いた立体像表示装置
JPH06281804A (ja) 回折格子アレイおよびそれを用いた立体像表示装置
JP3338479B2 (ja) ホログラムの作成および立体表示方法並びに立体表示装置
KR101292370B1 (ko) 디지털 홀로그램을 이용하는 3차원 영상 표시 장치
JP2000304912A (ja) 回折格子パターン
CN103809365A (zh) 真三维图像显示系统及真三维图像显示方法
Zheng et al. A novel three-dimensional holographic display system based on LC-R2500 spatial light modulator
JP2010237691A (ja) ３次元像表示装置
CN203191680U (zh) 真三维图像显示系统
Yang et al. High-resolution fresnel hologram information simplification and color 3d display
Tsuchiyama et al. A Simulation technique for selection of color filter used for full-color high-definition CGH
Škereň et al. Design and visualization of synthetic holograms for security applications
CN107976888B (zh) 能够表示再现像遮挡关系的计算全息三维显示方法及系统
Tsuchiyama et al. Full-color high-definition CGH reconstructing hybrid scenes of physical and virtual objects
Bartelt et al. Three dimensional display based on thick holographic phase components
Müller et al. Multicolor Holographic Display of 3D Scenes Using Referenceless Phase Holography (RELPH). Photonics 2021, 8, 247

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200880126314.9

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009109388

Country of ref document: RU

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08873692

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12733689

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010529892

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008873692

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 7150/DELNP/2010

Country of ref document: IN