Установка для электронного формирования трехмерного голографического изображения

 

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано при разработке телевизионных и компьютерных систем. В установке для формирования электронного трехмерного голографического изображения, содержащей голографический дисплей, источник когерентного монохроматического света и элемент электронного управления с блоками - сигнальным, опорным и синхронизации, дисплей выполнен в виде пластины из фотоупругого материала, на одной из широких граней которой, расположена матрица акустических излучателей, соединенных с опорным и сигнальным блоками элемента электронного управления. Технический результат - расширение области применения. 4 ил.

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

Известна установка для формирования электронного трехмерного голографического изображения (см. Р.Ж. " Изобретения стран мира", вып. 90 МКИ П03 N 12; (19): PCT(WO), (51):5 G 03 H 1/26, (71):Graham, Dundas, Richmond, (12): A1 (11): 94/24615,(40): 941027-24, (54):Holograms), предназначенная для отображения символьных сообщений. Установка выполнена из матрицы идентичных голограмм, каждая из которых содержит все изображения, необходимые для формирования отображаемой информации.

Недостатками установки являются: 1. Невозможность формирования произвольного количества изображений вследствие конечного числа голограмм, входящих в матрицу.

2. Установка позволяет формировать лишь символьные сообщения, вследствие однажды заложенной информации в виде идентичных голограмм.

Известна также установка для формирования электронного трехмерного голографического изображения (см. C.Newswanger, "animated holographic stereogram display", U.S. Patent N 5191449 (March 02.1993). РЖ "ИСМ", вып.90 (МКИ G 03 G, Н) N 9, 1994 cnh/74), содержащая голограмный блок, состоящий из множества первых и вторых голографических изображений и формирующий стереопару изображений. 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. Система 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 такой установки являются: 1. Дискретность меняемых изображений вследствие дискретности зон наблюдения.

2. Каждое трехмерное изображение в таком устройстве формируется лишь парой изображений и, фактически, является стереоскопическим - псевдообъемным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, является установка для формирования электронного трехмерного голографического изображения с использованием акустического излучения (J.A.Robillard "Detection panel and method for acoustical holography", U.S.Patent N 4.905.202 (Feb 27,1990). - РЖ "ИСМ" (МКИ G 03 G,Н) вып. 90, N 5, 1991, стр. 27). Установка представляет собой плоский экран с жидкокристаллическим слоем, на который поступают отраженные от объекта, акустические волны. Световое излучение, падающее на жидкокристаллический слой, подвергается амплитудной и фазовой модуляции за счет вариации показателя преломления на поверхности этого слоя. Трехмерное голографическое изображение формируется с помощью модулированного светового пучка, отраженного от поверхности жидкокристаллического слоя.

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

Другим недостатком является большая инерционность формирования изображения.

Целью заявляемого решения является расширение области применения устройства (включая создание движущихся телевизионных или компьютерных изображений) при уменьшении инерционности формирования изображения.

Эта цель достигается тем, что в установке для формирования электронного трехмерного голографического изображения, содержащей голографический дисплей, источник когерентного монохроматического света и элемент электронного управления с блоками - сигнальным, опорным и синхронизации, в ней дисплей выполнен в виде пластины из фотоупругого материала, на одной из широких граней которой, расположена матрица акустических излучателей, соединенных с опорным и сигнальным блоками элемента электронного управления.

Кроме того, сущностью технического решения является вариант выполнения установки для электронного формирования трехмерного голографического изображения, в котором, на одной из широких граней пластины расположен пьезоэлектрический слой, имеющий акустический контакт с пластиной, а матрица акустических излучателей выполнена на пьезоэлектрическом слое.

Сущностью другого варианта выполнения установки для электронного формирования трехмерного голографического изображения является то, что матрица акустических излучателей выполнена в виде двух систем электродов, размещенных на противоположных широких гранях пьезослоя, системы электродов представляют собой периодически расположенные полоски, полоски системы электродов, размещенной на одной грани пьезослоя, выполнены перпендикулярными полоскам системы электродов, размещенной на другой грани, а ширина полосок равна толщине пьезослоя.

Сущность четвертого варианта заявляемой установки заключается в том, что пластина выполнена из пьезоэлектрического материала, а акустические излучатели представляют собой пьезопреобразователи поверхностных акустических волн.

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

Заявляемое решение поясняется чертежами. На фиг. 1, 2 и 3 изображена схема установки для электронного формирования трехмерного голографического изображения, на фигуре 4 - схема, поясняющая принцип формирования трехмерного голографического изображения. Установка для формирования трехмерного голографического изображения содержит голографический дисплей (1), источник когерентного монохроматического света (2) с формирующей оптикой (2а), и элемент электронного управления с блоками - сигнальным (3), опорным (4) и блоком синхронизации (5) с синхронизирующим модулятором (5а), голографический дисплей (1) выполнен в виде пластины (6) из фотоупругого материала на одной из широких граней которой, расположена матрица акустических излучателей (7), соединенных с сигнальным (3) и опорным (4) блоками элемента электронного управления.

В другом варианте технического решения (фиг.2) дополнительно, на одной из широких граней пластины, расположен пьезоэлектрический слой (8), имеющий акустический контакт с пластиной (6), а матрица акустических излучателей (7) выполнена на пьезоэлектрическом слое (8).

В третьем варианте установки (фиг. 3) матрица акустических излучателей (7) выполнена в виде двух систем электродов (9) и (10), размещенных на противоположных широких гранях пьезослоя (8), системы электродов (9) и (10) представляют собой периодически расположенные полоски, полоски системы электродов (9), размещенной на одной грани пьезослоя (8), выполнены перпендикулярными полоскам системы электродов (10), размещенной на другой грани, а ширина полосок (9) и (10) равна толщине пьезослоя (8).

В четвертом варианте технического решения пластина (6) выполнена из пьезоэлектрического материала, а акустические излучатели (7) представляют собой пьезопреобразователи поверхностных акустических волн.

На фиг. 4. показаны также воспроизводимый и видимый наблюдателем (11) объект (12).

Заявляемая установка работает следующим образом. Голографический дисплей (1) выполнен в виде пластины (6) из фотоупругого материала, в котором возможна дифракция света на акустических колебаниях, генерируемых акустическими излучателями (7). Матрица акустических излучателей, управляемая от сигнального (3) и опорного (4) блока элемента электронного управления, возбуждает в фотоупругой пластине (6) акустические колебания, которые создают интерференционную картину двух взаимодействующих акустических полей: сигнального - управляемого от сигнального блока (3) и опорного, управляемого 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 (12). Элемент электронного управления установкой 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 (12). При освещении такой голограммы (голографического дисплея (1)) источником когерентного монохроматического света (2), наблюдатель (11) видит действительное трехмерное голографическое изображение объекта (12). Элемент 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 фотоупругом материале пластины (6). Частота повторения кадров, определяемая временем прохождения звуковой волны от начала до конца голографического дисплея (1), устанавливается модулятором (5а), управляемым от блока синхронизации (5). Модулятор (5а) и блок синхронизации (5) формируют импульсы подсветки, которые синхронизируются с моментом формирования полного кадра на голографическом дисплее (1). Когерентный монохроматический свет от источника (2), промодулированный импульсами подсветки модулятором (5а) с блоком синхронизации (5) направляется на голографический дисплей (1) под углом Брэгга, определяемом на центральной частоте рабочего диапазона пьезоэлектрических излучателей (7), относительно широкой грани пластины (6). Действительное трехмерное голографическое изображение будет видно наблюдателю (11) с противоположной от источника света (2) 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. Использование матрицы акустических излучателей по сравнению, например, с линейкой излучателей, позволяет ввести еще одну координату в акустическое поле формируемой динамической голограммы, что упрощает формирование алгоритма управляющих электрических сигналов.

Линейный размер акустических излучателей (7) равен половине длины акустической волны в фотоупругой пластине (6), а период решетки составляет примерно две длины акустической волны в пластине (6) и, наряду со скоростью звука в пластине (6), определяет разрешающую способность дисплея (1) по одной из координат. Разрешение дисплея (1) по другой координате определяется периодом решетки элементов в матрице излучателей (7).

Алгоритм создания управляющих электрических сигналов может быть создан, например, пространственно-временным разложением акустического поля, наведенного в упругооптическом материале интерференционной картиной, создаваемой импульсами двух когерентных оптических волн - опорной и сигнальной - отраженной от реального объекта.

В другом варианте предлагаемого технического решения на одной из широких граней пластины (6) дополнительно расположен пьезоэлектрический слой (8), имеющий акустический контакт с пластиной (6), а матрица акустических излучателей (7) выполнена на пьезоэлектрическом слое (8), так что матрица излучателей генерирует акустические волны, которые могут распространяться непосредственно в пьезоэлектрическом слое (8).

В третьем варианте предложенного технического решения матрица акустических излучателей (7) выполнена в виде двух систем электродов (9) и (10), размещенных на противоположных широких гранях пьезослоя (8), системы электродов представляют собой периодически расположенные полоски, полоски системы электродов (9), размещенной на одной грани пьезослоя (8), выполнены перпендикулярными полоскам системы электродов (10), размещенной на другой грани, так что акустические колебания возбуждаются областями пьезослоя, образованными перекрывающимися участками полосок. Такая система подключения излучающих элементов позволяет простым способом выбирать необходимые комбинации включения акустических излучателей.

В четвертом варианте установки пластина (6) выполнена из пьезоэлектрического материала. При этом акустические излучатели представляют собой электроды, расположенные на поверхности пьезопластины (6). Одним из вариантов этой конструкции является выполнение акустических излучателей электродами, возбуждающими поверхностные акустические волны, например - встречно-штыревыми структурами. Возможно также совмещение решений по п.4 и по п.3, когда пластина (6) является одновременно фотоупругим материалом, а также служит пьезоэлектрическим слоем (8), так что акустические колебания распространяются в таком слое, как в волноводе. Выполнение матрицы излучателей акустических волн расположением на противоположных поверхностях пьезослоя (8), (который является также фотоупругим материалом (6)), двух взаимно перпендикулярных систем параллельных электродов в виде полосок позволяет получить некоторый энергетический выигрыш, исключая необходимость трансформации акустических колебаний из одной среды в другую.

Такой подход также снимает ограничение на размер дисплея, связанное с необходимостью использования в качестве фотоупругого - кристаллического материала, имеющего, как правило, ограниченные размеры. Другим достоинством такого решения является возможность использования планарных тонкопленочных технологий, что может иметь экономическое значение при массовом производстве.

Примеры конкретного исполнения предложенных решений.

Эффективная работа предложенного устройства предполагает использование фотоуругого материала, обладающего малым акустическим затуханием и высоким значением коэффициента упругооптического качества. Из известных сегодня, 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 см² Голографический дисплей (1) демонстрационного макета заявляемой установки может быть выполнен из пластины (6) X- среза ниобата лития с пьезослоем (8) из Y+36^o среза этого же кристалла, размещенными на широкую грань пластины (6). Для возбуждения широкоапертурных акустических полей размеры линейных апертур излучающих элементов (7) должны примерно быть равными половине длины акустической волны в звукопроводе (в пластине (6)).

Центральная частота рабочего диапазона акустических излучателей (7) выбрана равной 60 МГц, а полоса рабочих частот - 20 МГц; при этом полоса рабочих частот определяет глубину возможных наблюдаемых размеров объекта (12) по третьей координате (перпендикулярной плоскости дисплея). Тогда линейная апертура излучающего элемента (7) равна, примерно, 50 микронам, а строк и линеек матрицы - 200 микронам. Точки с равными фазами двух фронтов акустических волн, излучаемых одновременно двумя соседними преобразователями (7), будут отстоять друг от друга на расстоянии, равном расстоянию между этими преобразователями (7), т.е. на расстоянии в 200 микрон. Таким образом, пространственное разрешение дисплея по одной из координат оказывается равным 200 микрон. Для получения такого же разрешения по другой координате, лежащей в плоскости дисплея (1), длительность импульса подсветки, формируемого модулятором (5а) и блоком синхронизации (5) должна быть равной примерно 50 наносекунд. Кроме длительности подсветки пространственное разрешение по этой координате определяет скорость упругой волны в фотоупругом материале. Так разрешение в 200 микрон по указанной координате может быть получено, например, с длительностью импульса подсветки в 0,5 микросекунд, если в качестве материала голографического дисплея используется кристалл парателлурита, а преобразователи (7) возбуждают сдвиговые акустические волны.

Примером конкретного выполнения другого варианта предложенного технического решения является установка для формирования электронного трехмерного голографического изображения, в которой на одной из широких граней пластины (6) из ниобата лития напылена пленка окиси цинка, являющегося пьезоэлектриком и образующим пьезослой (8). На пьезослое (8) размещена матрица излучателей акустических волн (7).

В третьем варианте предложенной установки на фотоупругую подложку - пластину (6) напылена в начале первая система параллельных полосок (9). После чего поверх полосок (9) напылена пленка пьезоэлектрика, например ниобата лития - пьезослой (8). Поверх пьезослоя (8) напылена вторая система параллельных полосок (10), расположенных перпендикулярно системе полосок (9). Области перекрытия полосок (9) и (10) являются излучателями акустических волн (7). Для обеспечения высокой расходимости каждой из излучаемых акустических волн, которые при взаимодействии друг с другом создают интерференционную картину динамической голограммы, ширина полосок выбирается равной половине длины акустической волны в пластине (6). Толщина пьезослоя (8) выбирается равной половине длины волны звука в пьезоэлектрике (8).

При равенстве скоростей звука в пьезоэлектрике (8) и в пластине (6), ширина полосок (9) и (10) равна толщине пьезослоя (8).

Примером конкретного выполнения четвертого варианта предлагаемого технического решения является установка, в которой пластина (6) выполнена из пьезоэлектрического материала - ниобата лития YZ+36^o, а акустические излучатели (7) представляют собой встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн.

Трехмерное голографическое изображение восстанавливается при освещении голографического дисплея (1) когерентным монохроматическим светом, падающим под углом Брэгга к широкой грани пластины (6). Наблюдатель (11) может видеть объемное изображение также под углом Брэгга к широкой грани пластины (6) 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.

Предложенная установка для формирования электронного трехмерного голографического изображения может быть использована для создания движущихся телевизионных или компьютерных трехмерных голографических изображений, что расширяет область ее применения по сравнению с прототипом. Другим преимуществом в сравнении с прототипом предложенного технического решения является уменьшение инерционности формирования изображения. Это преимущество обусловлено тем, что в прототипе в качестве материала дисплея использованы жидкие кристаллы, обладающие большой инерционностью, в то время, как в предложенном решении динамическая голограмма образуется полем акустических волн, имеющих скорости порядка 10³ м/с. В этом случае частота смены кадров может намного превышать частоты, используемые в промышленном телевидении.

Опишем один из возможных вариантов регистрации изображений для их последующего восстановления с помощью предложенного решения. Алгоритм создания управляющих электрических сигналов для предложенной установки, может быть создан, например, пространственно-временным разложением акустического поля, наведенного в упругооптическом материале интерференционной картиной, создаваемой импульсами двух когерентных оптических волн - опорной и сигнальной, отраженной от реального объекта.

Информация о регистрируемом объекте, получаемая таким образом матрицей акустических приемников, аналогичных матрице акустических излучателей (7), может быть либо восстановлена с помощью предложенной установки в реальном масштабе времени, либо передана по телекоммуникационным каналам, либо записана на известные носители памяти.

В сравнении с прототипом, где необходимо облучение объекта ультразвуковыми волнами, предлагаемая установка может быть использована в широком классе задач, где облучение объекта ультразвуком невозможно или нежелательно, что расширяет области применения установки, включая использование для создания движущихся телевизионных или компьютерных изображений.

Формула изобретения

Установка для электронного формирования трехмерного голографического изображения, содержащая голографический дисплей, источник когерентного монохроматического света и элемент электронного управления с блоками - сигнальным, опорным и синхронизации, отличающаяся тем, что в ней дисплей выполнен в виде пластины из фотоупругого материала, на одной из широких граней которой расположена матрица акустических излучателей, соединенных с опорным и сигнальным блоками элемента электронного управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4