Устройство для электронного формирования трехмерного голографического изображения

 

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано при разработке телевизионных и компьютерных систем. В устройстве для формирования электронного трехмерного голографического изображения, содержащем голографический дисплей, источник когерентного монохроматического света и систему электронного управления, имеющую сигнальный и опорный блоки, а также блок синхронизации, голографический дисплей выполнен в виде прямоугольной пластины из фотоупругого материала с размещенными на узкой грани пластины двумя группами выполненных периодически элементов, каждый из которых представляет собой пьезоэлектрический преобразователь акустических волн и имеет форму полоски, параллельной меньшей стороне грани. Преобразователи первой группы размещены между преобразователями второй группы, имеют с ними одинаковый период и смещены относительно преобразователей второй группы на половину периода, причем каждый преобразователь первой группы соединен с соответствующим каналом опорного блока, каждый преобразователь второй группы соединен с соответствующим каналом сигнального блока. Источник когерентного монохроматического света имеет модулятор, управляемый блоком синхронизации в системе электронного управления. Изобретение позволяет расширить область применения устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано при разработке телевизионных и компьютерных систем.

Известно устройство для формирования электронного трехмерного голографического изображения, предназначенное для отображения символьных сообщений. (см. Р. Ж. "Изобретения стран мира", вып.90 МКИ ПО3 N 12; (19): РСТ(WO), (51): 5 кл. G 03 H 1/26, (71): Graham, Dundas, Richmond, (12): А1 (11): 94/24615, (40): 941027-24, (54): Holograms). Устройство выполнено из матрицы идентичных голограмм, каждая из которых содержит все изображения, необходимые для формирования отображаемой информации.

Недостатками устройства являются: невозможность формирования произвольного количества изображений вследствие конечного числа голограмм, входящих в матрицу; устройство позволяет формировать лишь символьные сообщения вследствие однажды заложенной информации в виде идентичных голограмм.

Известно также устройство для формирования электронного трехмерного голографического изображения, содержащее голограммный блок, состоящий из множества первых и вторых голографических изображений и формирующий стереопару изображений (см. C.Newswanger. "Animated holographic stereogram display", U. S. Patent No. 5191449 (March 02.1993). РЖ "ИСМ", вып. 90, кл. G 03 G,H N 9, 1994 cnh/74). Упомянутое множество первых изображений накладывается на первый голограмный элемент, а множество вторых изображений - на второй голограмный элемент. Голограмные элементы расположены на расстоянии друг от друга и образуют голограмный блок, при этом первый голограмный элемент может наблюдаться одним глазом наблюдателя, а второй - одновременно вторым глазом того же наблюдателя. Каждая пара изображений имеет заданные, рядом расположенные зоны наблюдения при освещении точечным источником, расположенным в заданном положении относительно голограмного блока. Зона наблюдения каждой пары изображений пространственно отделена от зоны наблюдения каждой другой пары изображений. Дисплей содержит множество источников света, расположенных с заданным пространственным соотношением относительно голограмного блока таким образом, что при включении любого из источников света наблюдатель будет видеть зоны соответствующей пары изображений.

Недостатками такого устройства являются: дискретность меняемых изображений вследствие дискретности зон наблюдения; каждое трехмерное изображение в таком устройстве формируется лишь парой изображений и фактически является стереоскопическим - псевдообъемным.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для формирования электронного трехмерного голографического изображения с использованием акустического излучения (J.A.Robillard "Detection panel and method for acoustical holography", U.S. Patent N 4905202 (Feb 27, 1990). - РЖ "ИСМ" кл. G 03 G,H, вып. 90, N 5, 1991, с.27). Устройство содержит излучатель, формирующий пучок акустических волн, который направляется на объект съемки. Регистрирующий экран, на который поступают отраженные от объекта акустические волны, имеет форму плоской ячейки с жидкокристаллическим слоем, состоящим из смеси нематического и холестерического жидких кристаллов. В состав устройства входит блок, направляющий пучок когерентного светового излучения на оптическое окно регистрирующего экрана. При этом световое излучение от поверхности жидкокристаллического слоя подвергается фазовой и амплитудной модуляции за счет вариации показателя преломления на поверхности жидкокристаллического слоя. В устройстве также предусмотрен блок, формирующий видимое изображение с помощью модулированного светового пучка, отраженного от поверхности жидкокристаллического слоя.

Главным недостатком такого устройства является необходимость облучения объекта акустическими волнами для формирования изображения, что ограничивает область его применения.

Целью изобретения является расширение области применения устройства, включая создание движущихся телевизионных или компьютерных изображений.

Это достигается тем, что в устройстве для формирования электронного трехмерного голографического изображения, содержащем голографический дисплей, источник когерентного монохроматического света и систему электронного управления, имеющую сигнальный и опорный блоки, а также блок синхронизации, голографический дисплей выполнен в виде прямоугольной пластины из фотоупругого материала с размещенными на узкой грани пластины двумя группами выполненных периодически элементов, каждый из которых представляет собой пьезоэлектрический преобразователь акустических волн и имеет форму полоски, параллельной меньшей стороне грани, а преобразователи первой группы размещены между преобразователями второй группы, имеют с ними одинаковый период и смещены относительно преобразователей второй группы на половину периода, причем каждый преобразователь первой группы соединен с соответствующим каналом опорного блока, каждый преобразователь второй группы соединен с соответствующим каналом сигнального блока, а источник когерентного монохроматического света имеет модулятор, управляемый блоком синхронизации в системе электронного управления.

Кроме того, сущностью изобретения является вариант выполнения устройства для электронного формирования трехмерного голографического изображения с введением анализатора света, размещенного между наблюдателем и голографическим дисплеем, выполненным из двулучепреломляющего материала, а элементы в группах представляют собой пьезопреобразователи сдвиговых акустических волн.

Сущностью другого варианта выполнения устройства для электронного формирования трехмерного голографического изображения является расположение групп элементов на широкой грани дисплея в непосредственной близости от одной из узких граней на прямой, параллельной этой грани, а элементы представляют собой преобразователи поверхностных акустических волн.

Признаки, сходные с заявляемыми, в известной автору научно-технической литературе отсутствуют.

На фиг. 1 изображена схема устройства для электронного формирования трехмерного голографического изображения на фиг. 2 - общий вид голографического дисплея; на фиг. 3 - вариант устройства с группами элементов, расположенными на широкой грани дисплея.

Устройство для электронного формирования трехмерного голографического изображения содержит голографический дисплей 1, источник 2 когерентного монохроматического света и систему электронного управления, имеющую сигнальный 3 и опорный 4 блоки, а также блок 5 синхронизации. Голографический дисплей 1 выполнен в виде прямоугольной пластины 6 из фотоупругого материала с размещенными на узкой грани 7 пластины двумя группами выполненных периодически элементов 8, каждый из которых представляет собой пьезоэлектрический преобразователь акустических волн и имеет форму полоски, параллельной меньшей стороне 9 грани, а преобразователи первой группы размещены между преобразователями второй группы, имеют с ними одинаковый период и смещены относительно преобразователей второй группы на половину периода, причем каждый преобразователь первой группы соединен с соответствующим каналом опорного блока 4, каждый преобразователь второй группы соединен с соответствующим каналом сигнального блока 3, а источник 2 когерентного монохроматического света имеет модулятор 10, выполненный с возможностью управления блоком 5 синхронизации в системе электронного управления.

Другой вариант технического решения дополнительно имеет анализатор света 11, размещенный между наблюдателем 12 и голографическим дисплеем 1, выполненным из двулучепреломляющего материала, а элементы 8 в группах представляют собой пьезопреобразователи сдвиговых акустических волн.

В другом варианте технического решения группы элементов 8 расположены на широкой грани 13 дисплея 1 в непосредственной близости от одной из узких граней 7 на прямой, параллельной этой грани, а элементы 8 представляют собой преобразователи поверхностных акустических волн. На чертеже показаны также воспроизводимый и видимый наблюдателем 12 объект 14.

Устройство работает следующим образом. Голографический дисплей 1 выполнен из фотоупругого материала, в котором возможна дифракция света на акустических колебаниях, генерируемых элементами 8 - пьезоэлектрическими преобразователями. Первая группа элементов 8, управляемая сигнальным блоком 3, и вторая группа элементов 8, управляемая опорным блоком 4, возбуждают в фотоупругом материале дисплея 1 акустические колебания, которые создают интерференционную картину двух взаимодействующих акустических полей: сигнального - возбуждаемого первой группой элементов 8, управляемых от сигнального блока 3 и опорного - возбуждаемого второй группой элементов 8, управляемых от опорного блока 4. Эта интерференционная картина соответствует интерференционной картине двух взаимодействующих оптических полей: поля опорного пучка света и поля предметного пучка света, отраженного от объекта 14. Система электронного управления устройством содержит алгоритм масштабирования координат, учитывающий различие длин световых и акустических волн. Таким образом, генерируемое акустическое поле представляет собой акустическую динамическую голограмму, содержащую информацию об объекте 14. При освещении такой голограммы (голографического дисплея 1) источником 2 когерентного монохроматического света наблюдатель 12 видит действительное трехмерное голографическое изображение объекта 14. Система электронного управления устройством 3,4,5 формирует динамическую голограмму в форме кадра, имеющего длительность, определяемую разрешающей способностью голографического дисплея 1, которая, в свою очередь, зависит от скорости акустических волн в материале голографического дисплея 1. Частота повторения кадров, определяемая временем прохождения звуковой волны от начала до конца голографического дисплея 1, устанавливается модулятором 10, управляемым от блока синхронизации 5. Модулятор 10 и блок 5 синхронизации формируют импульсы подсветки, которые синхронизируются с моментом формирования полного кадра на голографическом дисплее 1. Когерентный монохроматический свет от источника 2, промодулированный импульсами подсветки модулятора 10 с блоком синхронизации 5, направляется на голографический дисплей 1 под углом Брэгга, определяемым на центральной частоте рабочего диапазона пьезоэлектрических преобразователей 8, относительно плоскости этих элементов, копланарной плоскости грани 7 голографического дисплея 1. Действительное трехмерное голографическое изображение будет видно наблюдателю 12 с противоположной от источника 2 света стороны дисплея 1 также под углом Брэгга к указанной плоскости. Брэгговский режим дифракции характеризуется лишь одним дифракционным порядком, вследствие чего другие порядки дифракции наблюдаться не будут. Брэгговский режим дифракции достигается использованием протяженных вдоль области дифракции пьезопреобразователей 8, которые имеют форму полосок.

Другой вариант предлагаемого технического решения имеет дополнительно анализатор света, при этом предполагается что когерентный монохроматический источник 2 света имеет поляризованное излучение. Голографический дисплей 1 в этом случае выполняется из двулучепреломляющего материала, что позволяет использовать режим анизотропной дифракции света на сдвиговых акустических волнах. При анизотропной дифракции свет, продифрагировавший в первый порядок, имеет плоскость поляризации, повернутую на 90^o относительно падающего света, тогда как прошедший свет сохраняет свою поляризацию. Таким образом, использование анализатора света 11 позволяет устранить нежелательную фоновую подсветку, обусловленную прошедшим (непродифрагировавшим) светом.

В другом варианте предложенного технического решения группы элементов 8 расположены на широкой грани 13 голографического дисплея 1 в непосредственной близости от одной из узких граней 7 на прямой, параллельной этой грани, а элементы представляют собой преобразователи поверхностных акустических волн. Такое решение не предполагает брэгговского режима дифракции. Однако достоинством такого решения является возможность использования планарных тонкопленочных технологий, что может иметь экономическое значение при массовом производстве.

Пример 1. Эффективная работа предложенного устройства предполагает использование фотоупругого материала, обладающего малым акустическим затуханием и высоким значением коэффициента упругооптического качества. Таким материалом для изготовления лабораторного образца голографического дисплея может служить, например, кристалл ниобата лития, широко применяемый в видимом диапазоне акустооптики как материал с относительно малым акустическим затуханием и сравнительно высоким коэффициентом акустооптического качества. Сегодняшняя технологическая база позволяет выращивать кристаллы ниобата лития площадью рабочего среза, не превышающей размеры примерно 4х4 см.

Голографический дисплей 1 демонстрационного макета заявляемого устройства может быть выполнен из пластины Y+36^o среза ниобата лития с преобразователями 8 из такого же среза кристалла, размещенными на грани 7 пластины, имеющей Х-срез кристалла ниобата лития. Для возбуждения широкоапертурных акустических полей размеры линейных апертур (фиг.3,а) излучающих элементов 8 должны примерно быть равными половине длины акустической волны в звукопроводе. Центральная частота рабочего диапазона преобразователей 8 выбрана равной 60 МГц, а полоса рабочих частот 20 Гц; при этом полоса рабочих частот определяет глубину возможных наблюдаемых размеров объекта 14 по третьей координате, перпендикулярной плоскости дисплея. Тогда линейная апертура а излучающего элемента 8 равна примерно 50 мкм, а период l - 70 мкм. Точки с равными фазами двух фронтов акустических волн, излучаемых одновременно двумя соседними преобразователями 8, в плоскости, параллельной плоскости 7 преобразователей 8, будут отстоять друг от друга на расстоянии, равном расстоянию между соседними преобразователями 8 одной группы, т.е. на расстоянии в 140 мкм. Таким образом, пространственное разрешение дисплея по координате, параллельной плоскости 7 преобразователей 8, оказывается равным 140 мкм. Для получения такого же разрешения по другой координате, лежащей в плоскости 13 дисплея и перпендикулярной плоскости 7 преобразователей 8, длительность импульса подсветки, формируемого модулятором 10 и блоком 5 синхронизации, должна быть равной примерно 30 нс. Кроме длительности подсветки, пространственное разрешение по этой координате определяет скорость упругой волны в фотоупругом материале. Так, разрешение в 140 мкм по указанной координате может быть получено с длительностью импульса подсветки в 0,5 мкс, если в качестве материала голографического дисплея используется кристалл парателлурита, а преобразователи 8 возбуждают сдвиговые акустические волны.

Пример 2. В устройстве для формирования электронного трехмерного голографического изображения по другому варианту предложенного технического решения голографический дисплей 8 выполнен из двулучепреломляющего материала - парателлурита, в котором возможно анизотропное акустооптическое взаимодействие с поворотом плоскости поляризации диафрагированного света относительно падающего света. При этом преобразователи 8, выполненные из Х-среза ниобата лития, возбуждают сдвиговые акустические волны, имеющие низкую скорость распространения и обеспечивающие высокое пространственное разрешение голографического дисплея. Размеры излучающих элементов 8 при этом могут быть такими же, как и в первом варианте технического решения. Использование анализатора света 11, размещенного между наблюдателем 12 и голографическим дисплеем 1, позволяет устранить нежелательную подсветку, обусловленную прошедшим светом, имеющим поляризацию, перпендикулярную поляризации дифрагированного света. Таким образом, основные преимущества этого варианта предложенного технического решения заключаются в возможности устранить нежелательную подсветку, а также в получении более высокого пространственного разрешения голографического дисплея 1.

Пример 3. В устройстве группы элементов 8, представляющем собой встречно-штыревые или щелевые преобразователи поверхностных акустических волн, расположены на широкой грани 13 дисплея 1 в непосредственной близости от одной из узких граней 7. При этом голографический дисплей 1 выполнен из прозрачной стеклянной подложки с нанесенной на нее пленкой фотоупругого и пьезоэлектрического материала - окиси цинка. Пьезопреобразователи 8 размещены поверх пленки окиси цинка и возбуждают в ней поверхностные акустические волны, образующие акустическую динамическую голограмму. Трехмерное голографическое изображение восстанавливается при освещении голографического дисплея 1 когерентным монохроматическим светом, падающим под углом Брэгга к плоскости 7 преобразователей 8. Наблюдатель 12 может видеть объемное изображение также под углом Брэгга к плоскости 7 преобразователей 8 с противоположной от источника света 2 стороны голографического дисплея 1. Основное преимущество данного варианта технического решения заключается в возможности создания экранов достаточно больших размеров, а также в возможности применения планарной тонкопленочной технологии, что экономически выгодно при массовом производстве.

Предложенное устройство для формирования электронного трехмерного голографического изображения может быть использовано для создания движущихся телевизионных или компьютерных трехмерных голографических изображений, что расширяет область его применения по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. Устройство для электронного формирования трехмерного голографического изображения, содержащее голографический дисплей, источник когерентного монохроматического света и систему электронного управления, имеющую сигнальный и опорный блоки, а также блок синхронизации, отличающееся тем, что голографический дисплей выполнен в виде прямоугольной пластины из фотоупругого материала с размещенными на узкой грани пластины двумя группами выполненных периодически элементов, каждый из которых представляет собой пьезоэлектрический преобразователь акустических волн и имеет форму полоски, параллельной меньшей стороне грани, а преобразователи первой группы размещены между преобразователями второй группы, имеют с ними одинаковый период и смещены относительно преобразователей второй группы на половину периода, причем каждый преобразователь первой группы соединен с соответствующим каналом опорного блока, каждый преобразователь второй группы соединен с соответствующим каналом сигнального блока, а источник когерентного монохроматического света имеет модулятор, выполненный с возможностью управления блоком синхронизации в системе электронного управления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно имеет анализатор света, размещенный между наблюдателем и голографическим дисплеем, выполненным из фотоупругого двулучепреломляющего материала, а элементы в группах представляют собой пьезопреобразователи сдвиговых акустических волн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3