Способ формирования трехмерных полноцветных изображений и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к средствам отображения информации и может быть использовано для отображения трехмерных объектов и сцен. Его применение позволяет получить технический результат в виде создания трехмерного полноцветного дисплея, обладающего высокой световой эффективностью. Этот результат достигается благодаря тому, что для формирования трехмерных изображений используются оптически связанные с объемной средой только один источник оптического излучения, только один оптический модулятор и только одно устройство двухкоординатного сканирования луча. Дополнительно в устройство введены электрически связанные между собой источник электрического напряжения, проводящие (электродные) покрытия на поверхности рассеивающего свет материала в каждом функциональном слое объемной среды и устройство электрической адресации функциональных слоев. Функциональные слои объемной среды содержат рассеивающий свет материал. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к средствам отображения информации и может быть использовано для отображения трехмерных объектов и сцен, в частности, в системах навигации, машинного проектирования и конструирования, визуализации томографической информации, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, проведении сложных операций в медицине, в компьютерных тренажерах и играх, рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.

Создание систем наиболее полного - трехмерного отображения реального мира кардинально повлияет (прямо или косвенно) на все сферы деятельности человека и инициирует создание и развитие целого ряда научных направлений и технологий. Поэтому попытки разработки эффективных трехмерных дисплеев не прекращаются уже в течение многих лет, с тех пор как появились двумерные дисплеи.

В отсутствие подходящей объемной среды для трехмерного дисплея в разработках обычно используют двухмерный материал, а чтобы получить объемный эффект, т. е. для преобразования двумерного изображения в трехмерное, используют сложное программное обеспечение, дополнительные оптические элементы и технические средства. Однако многоракурсный (многоплановый) и голографический принципы формирования трехмерных изображений требуют сверхмощных вычислительных средств и все же не обеспечивают полного угла обзора сцены с параллаксами в обеих ортогональных плоскостях [1, 2].

Этих недостатков лишен способ [3], основанный на оптико-механическом принципе. В соответствующем дисплейном устройстве лазерный луч, сканируемый по двум координатам, освещает движущееся полупрозрачное тело сложной формы, поверхность которого рассеивает падающий на нее свет.

Быстрое сканирование светового луча в двухмерной плоскости позволяет сформировать светящуюся точку в любом месте светорассеивающего тела, что обеспечивает две координаты при формировании трехмерных изображений. Движение светорассеивающего тела вдоль оси луча обеспечивает третью координату объемного изображения, причем каждому положению тела соответствуют свои освещенные на его поверхности точки, в соответствии с формой изображения. Это движение может быть возвратно-поступательным, что реализуется гораздо труднее, или вращательным [3], как, например, движение плоской пластины, наклонно установленной на быстро вращающемся (около 3000 об/с) диске - см. фиг. 1, на которой изображено устройство для формирования объемных изображений, включающее лазер 1, испускающий луч света 2, модулятор 3, блок сканирования 4, визуализатор 5 с излучающей (рассеивающей) свет пластиной 6.

Если светорассеивающее тело (на фиг.1 им является пластина 6) двигается с частотой, превышающей видимую для человека частоту световых мельканий, а сканирование светового луча в двухмерной плоскости синхронизовано с движением тела вдоль оси луча, то для наблюдателя происходит усреднение последовательно освещаемых точек, и из их совокупности формируется объемное изображение. Таким образом, визуализация изображения происходит в объеме 5 (визуализатор), образованном быстро движущимся телом сложной формы, на поверхности которого происходит рассеяние лазерного луча.

Для формирования объемного изображения используется лазер 1, луч которого 2 проходит через последовательно установленные по ходу луча оптический модулятор 3 и блок двухкоординатного сканирования 4. На выходе блока сканирования световой луч 2, в зависимости от управляющего сигнала, отклоняется в двухмерном пространстве и, достигнув светорассеивающего тела 6, рассеивается на его поверхности, образуя светящуюся точку. Оптический модулятор 2 используется для изменения интенсивности светового луча с целью получения полутоновых изображений. Объем отображения 5 можно варьировать путем изменения размеров и формы светорассеивающего тела 6. Оно выполнено в [3] из полупрозрачного материала для того, чтобы обеспечить видимость трехмерного изображения под любым углом зрения. В этом случае, однако, одна сторона объекта не закрывает другую, и объект кажется как бы сделанным из стекла (в некоторых приложениях, например, медицинских, это может оказаться весьма полезным).

Для получения полноцветного отображения можно использовать три лазера (красного, зеленого и синего цветов) и оптическую систему совмещения лучей [4] , как это делается в некоторых коммерческих двумерных проекционных системах. В [5] предложен конструктивно более простой способ получения полноцветного отображения: использовать один лазер и не одну, как на фиг.1, а три пластины на вращающемся диске, покрытые разными веществами, преобразующими длину волны лазерного излучения в один из основных цветов используемой колориметрической системы. При быстром вращении диска (около 3000 об/с) последовательно воспроизводимые цвета воспринимаются человеком как один смешанный цвет. В качестве источника света можно использовать хорошо известный лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм, а вещества с нелинейным преобразованием длины волны предложено составлять на основе люминофоров или материалов, обладающих эффектом двухфотонного поглощения.

Наличие движущегося узла, большого неиспользуемого в нем участка ("мертвой" зоны), сложный профиль рассеивающей поверхности и трудности в обеспечении однородного по пространству разрешения, а также только последовательная адресация сечений визуализируемого объема серьезно ограничивают возможности способа формирования трехмерных изображений с помощью движущегося светорассеивающего тела, рассмотренного в [3-5].

С этих позиций более предпочтителен способ формирования информационных точек трехмерного изображения непосредственно в излучающей (точнее, флюоресцирующей) прозрачной объемной (газовой, жидкой или твердотельной) среде, возбуждаемой лазерным лучом [6-8]. Когда наблюдатель видит объект, каждая точка которого представляет собой элементарный излучатель, он может получить полное представление трехмерного изображения.

Для осуществления такого способа в [6] использовались два ортогонально расположенных в пространстве неодимовых лазера на иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны 1064 нм - см. фиг.2, на которой представлена принципиальная схема формирования информационных точек трехмерного изображения во флюоресцирующей прозрачной объемной среде, возбуждаемой лазерным лучом. Схема включает лазер 1, испускающий луч света 2, оптический модулятор 3, блок сканирования 4, визуализатор 5 с прозрачной однородной объемной средой. Высвечиваемая в объемной среде информационная точка обозначена буквой Т.

По ходу оптических лучей 2 были установлены управляемые компьютером двухкоординатные устройства 4 управления положением лазерного луча в пространстве (сканеры) и оптические модуляторы 3 интенсивности лазерного луча, также управляемые сигналами компьютера. Оба луча поступали на зеркальные коллиматоры, в которых растры сканирования изменялись до необходимой величины, и затем на боковые стенки визуализатора - прямоугольной камеры с прозрачными стенками. Тем самым осуществлялось сканирование лазерных лучей в двух перпендикулярных плоскостях в объеме камеры, заполненной газом. Подбором газовой смеси в камере визуализатора 5 добиваются свечения газа лишь в точках пересечения лазерных лучей, что позволяет формировать в пространстве газовой камеры трехмерные изображения.

В основе свечения газовой среды лежит явление флюоресценции при двухфотонном поглощении, например, используемое для измерения длины ультракоротких световых импульсов, распространяющихся в такой среде навстречу друг другу. Молекула газа возбуждается, т.е. повышает свой энергетический уровень только при поглощении двух одинаковых фотонов (т.к. средний уровень виртуальный), а затем переходит в основное состояние (релаксирует) с излучением фотона в видимом диапазоне длин волн. Однако такой способ визуализации имеет очень низкий контраст (не более 2), так как свечение имеет место не только в месте пересечения лучей, но и во всех других местах пространства, в которых распространяется каждый из лучей в отдельности. Поэтому для экспериментальной визуализации ультракоротких импульсов света в виде одной точки в пространстве такой способ может быть использован, но для создания объемных изображений он неприемлем. Кроме того, из-за просачивания наружного воздуха в камеру и деградации вещества необходима периодическая смена газа.

Указанные для газовой среды недостатки отчасти были устранены в устройстве [7] , в котором использовалось излучение двух лазеров с разными длинами волн. Светящиеся точки создавались внутри куба из флюоридного стекла, легированного редкоземельными металлами. Два инфракрасных лазера (неодимовый на иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны 1064 нм и титан-сапфировый лазер с длиной волны 840 нм) сканировали пространство куба в двух ортогональных направлениях, и в точке пересечения лучей возникало бело-розовое излучение в диапазоне длин волн от 482 до 636 нм. В основе излучения света редкоземельной средой лежит все то же явление флюоресценции при двухфотонном поглощении, только в данном случае энергия возбуждающих фотонов различна, поскольку промежуточный энергетический уровень не является виртуальным. Схема двухфотонного поглощения и флюоресценции, реализуемая в таком устройстве, показана на фиг.3, где через ω₁ и ω₂ обозначены частоты излучения лазеров. Первый лазер переводит редкоземельный атом из основного состояния на промежуточный энергетический уровень, а излучение второго лазера - с промежуточного на верхний уровень. При обратном переходе атома излучается видимый свет.

Использование данной фотовозбуждаемой объемной среды характеризуется высоким пространственным разрешением и наиболее достоверным отображением трехмерных сцен. Угол обзора изображения близок к 360^o. Продемонстрирован монохромный режим работы в реальном масштабе времени. Однако главным недостатком этого способа, как и других способов, основанных на использовании флюоресценции при двухфотонном поглощении света, является очень низкая световая эффективность (менее 10^-4). Причем указанная величина реализуется при условии идеального пространственного совпадения направлений распространения лучей и их поляризаций. Очевидно, что такое условие не может выполняться в принципе для сканируемых в пространстве лучей. Как следствие этого, световая эффективность падает на несколько порядков дополнительно. Это обстоятельство приводит к необходимости использования довольно мощных лазеров, что делает такую систему небезопасной для окружающих. Весьма проблематичной для решения является также задача создания полноцветного дисплея, так как подбор или синтез материала, обладающего двухфотонной флюоресценцией в красной, зеленой и синей областях спектра одновременно является маловероятным. Кроме того, размеры такого визуализатора ограничены, он имеет большой вес и стоимость, поскольку изготовление твердых кубов из кристаллов и стекол, особенно больших размеров, представляет серьезные технологические трудности.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ формирования трехмерных изображений в жидкой (или полимерной) объемной фотовозбуждаемой среде, содержащей молекулы красителя [8] - прототип, а по воплощению к предлагаемому устройству наиболее близко техническое решение [6] - прототип. В [8] также используется явление флюоресценции при двухфотонном поглощении излучения двух разных лазеров: неодимового на иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны излучения 1064 нм и лазера на легированном хромом флюориде лития-стронция-алюминия с длиной волны 850 нм. Для трехмерного отображения два луча обоих лазеров должны сканировать в двух перпендикулярных плоскостях объем кюветы, заполненной жидкостью (или полимером) с красителем.

Подбором красителя в растворе (в полимере) добиваются свечения среды лишь в точках пересечения лазерных лучей, причем в разных областях спектра, что нужно для формирования в пространстве кюветы полноцветного трехмерного изображения. Быстрый по времени флюоресцентный отклик позволяет сформировать такое изображение в реальном времени, если используются современные двухкоординатные сканеры, например акустооптические. При фотовозбуждении указанными лазерами кюветы с флюоресцирующей средой продемонстрировано видимое свечение раствора пиррометина в метаноле и раствора родамина в этаноле, а также свечение содержащих краситель полимеров американской фирмы CYRO Industries. Они излучали разные цвета, в том числе голубой, зеленый, желтый и красный.

Следует подчеркнуть, что квантовая эффективность флюоресценции, иначе, кпд по свету, чрезвычайно мала (менее 10^-4), из-за чего в экспериментах использовались мощные (так называемые, "гигантские") импульсы возбуждающего излучения. Высвечивающие их лазеры достаточно громоздки и не безопасны, а потому перспективу использования своих сред авторы связывают с лазерными диодами, опять же излучающими мощные импульсы. Кроме указанного главного недостатка способа [8] - низкой световой эффективности, следует иметь ввиду и другие: фотоны флюоресценции тоже поглощаются в растворе (полимере); некоторые растворители и примеси в полимерах не безопасны для человека (например, метанол); на практике весьма трудноосуществимо поляризационное и пространственное согласование лазерных лучей (точность их совмещения в 0,3 мм предполагает точность согласования длительности импульсов 10^-12 секунды), к тому же поляризация флюоресценции приводит к анизотропии наблюдения.

Сказанное свидетельствует, что реализация эффективного трехмерного дисплея на основе явления флюоресценции при двухфотонном поглощении излучения по способу [6-8] вообще проблематична, хотя использование в нем объемной жидкой или полимерной среды имеет определенные достоинства.

Задачей, решаемой в предлагаемом способе и устройстве, является создание трехмерного дисплея, обладающего высокой световой эффективностью и легко реализуемой адресацией в реальном времени любой выбранной точки объемной среды, а также обеспечивающего возможность смешения цветов в данной точке для получения полноцветного изображения.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в предлагаемом способе формирования трехмерных изображений на основе высвечивания точек объемной среды сканирующим световым лучом: - объемная среда выполняется многослойной, для чего в кювете на заданном удалении друг от друга устанавливаются двухмерные слои прозрачного материала, обладающего свойством управляемого электрическим напряжением рассеяния проходящего светового луча, - трехмерное изображение формируется при двухмерном сканировании светового луча и одновременной выборке электрическим напряжением заданного (по третьей координате) слоя рассеивающего свет материала (далее РСМ), путем высвечивания точек в этом слое вследствие диффузного рассеяния света.

Таким образом, сущность предлагаемого способа заключается в использовании многослойной объемной среды, слои которой прозрачны в отсутствие электрического напряжения и диффузно рассеивают свет при его приложении (или наоборот), и в комбинированной адресации элементов дисплея - лазерным лучом, сканирующим в двухмерной плоскости, и электрическим напряжением, прилагаемым к выбранному слою среды.

Способ позволяет получить технический результат, заключающийся в формировании в реальном времени полноцветных трехмерных изображений, видимых под любым углом зрения, с высокой световой эффективностью.

Преимущества предлагаемого способа формирования трехмерных изображений достигаются за счет состава и конструкции объемной среды и реализации следующего из них метода комбинированной адресации элементов дисплея.

Для осуществления способа формирования трехмерных изображений на основе высвечивания точек объемной среды сканирующим световым лучом предлагается устройство, содержащее источник оптического излучения, оптически связанный через оптический модулятор и устройство двухкоординатного сканирования луча с объемной средой, обладающей возможностью высвечивать наблюдателю освещенную в ней точку. При этом объемная среда выполнена в виде функциональных слоев, содержащих материал, обладающий свойством управляемого электрическим напряжением рассеяния света, и в устройство введены электрически связанные между собой источник электрического напряжения, проводящие (электродные) покрытия на поверхности светорассеивающего материала в каждом функциональном слое объемной среды и устройство электрической адресации функциональных слоев.

Обладающий свойством светорассеяния материал (например, композитный) выполняется прозрачным для лазерного луча. Двухмерные слои РСМ устанавливаются в кювете, в которой также находится иммерсионное вещество (например, жидкость). Показатели преломления композитного материала и иммерсионной жидкости согласуются так, чтобы минимизировать отражения света на границах слоев. Рассеяние света в выбранном слое при приложении к нему электрического напряжения является изотропным и не сопровождается изменением светового пропускания многослойной среды. Поэтому световая эффективность визуализации сечений трехмерных изображений в каждом слое РСМ приближается к 100%, а во всем объеме среды - к нескольким десяткам %. Таким образом, выигрыш по световой эффективности в сравнении с прототипом составляет несколько порядков величины.

Устройство адресации электрическим напряжением слоев композитного материала по принципу и исполнению аналогично стандартным устройствам адресации строк и столбцов двухмерного матричного, например, жидкокристаллического дисплея. Поэтому такое устройство существенно проще в изготовлении, чем имеющееся в прототипе второе устройство двухмерного сканирования лазерного луча (в ортогональной первому лучу плоскости). Кроме того, при предлагаемой комбинированной адресации высвечиваемых элементов объемного изображения резко снижаются требования к временному согласованию адресных сигналов и к поляризации лазерного пучка.

Приложение электрического напряжения к слоям РСМ может осуществляться через нанесенные на него электроды. Они могут быть прозрачными и сплошными с обеих сторон, как для продольного электрооптического эффекта, и тогда выборка светорассеивающих точек, расположенных на одной дальности (глубине) в многослойной объемной среде, может производиться путем адресации соответствующего слоя. При использовании быстродействующего двухмерного сканера (например, на акустооптическом принципе) быстродействие всей системы в этом случае определяется только числом слоев РСМ в объемной среде. Даже для 100 слоев и работы в реальном времени с телевизионным темпом (25 с^-1) требуемое время включения рассеяния света может быть порядка десятой доли миллисекунды, что на несколько порядков величины ниже требования к времени включения флюоресценции в среде с двухфотонным поглощением. Соответственно снижаются требования к используемому лазеру - он может быть менее мощным и безопасным, а также работать в непрерывном режиме.

Слои можно включать в любом задаваемом порядке и тем самым визуализировать любое заданное сечение отображаемого трехмерного объекта. Кроме сплошных, электроды могут быть изготовлены как линейчатые (в том числе строчно-(столбцовые) или встречно-штырьевые). Электрическим напряжением можно управлять интенсивностью светорассеяния, и тогда полутоновой сигнал может быть сформирован без использования оптического модулятора в тракте лазерного луча перед двухмерным сканером. При параллельном подключении к источнику электрического напряжения по заданному алгоритму части строк (столбцов) в разных слоях РСМ требования к быстродействию материала могут быть еще ниже.

Выбор типа РСМ и его параметров (структуры, толщины и т.п.) осуществляется, прежде всего, из требований максимальной прозрачности слоя для проходящего через него лазерного луча (в отсутствие электрического напряжения на слое), максимальной рассеивающей способности слоя (при приложении электрического напряжения) и времени включения и выключения оптического отклика, необходимого для эффективной визуализации трехмерного изображения в реальном времени. Уже в настоящее время существует несколько типов РСМ, удовлетворяющих этим условиям и, в принципе, позволяющих сформировать объемную среду в несколько сот слоев. С этих позиций в качестве РСМ могут быть использованы модифицированные структуры на основе некоторых композиций жидких кристаллов, полимерно-жидкокристаллических композитных материалов, ЦТСЛ-керамики, магнитооптических и др. материалов, имеющих время включения электрорассеяния в субмиллисекундном диапазоне и заданное время его выключения, обладающих высокой чувствительностью к управлению электрическим напряжением, а также весьма технологичных не только для изготовления, но и применения в настоящем устройстве. Кроме того, используемые составы РСМ и иммерсионного вещества не представляют опасности для человека и экологии.

Толщина РСМ зависит от его состава и структуры и может составлять от единиц до сотен микрометров. Остальное пространство в кювете занимает прозрачное иммерсионное вещество (жидкость, в том числе полимеризующаяся). Количество, форма и размеры слоев, определяющие параметры кюветы, могут выбираться в зависимости от требований потребителя (назначения дисплея, его цены и т.п.). Регулярная (периодическая) упаковка слоев РСМ в кювете с иммерсионным веществом допускает возможность их достаточно простой установки и замены (ремонтоспособность). При соответствующей технологии слои композитного ЭОМ и иммерсионного вещества могут наращиваться в едином технологическом процессе.

В качестве источника светового излучения можно использовать простой и компактный лазер непрерывного действия, например стандартный лазерный диод. Для смешения цветов нужно использовать хорошо отработанную для плоских проекционных устройств отображения оптическую систему с тремя лазерами (например, теми же лазерными диодами, излучающими соответственно в красной, зеленой и синей области).

Заявляемое устройство не содержит движущихся узлов, "мертвой зоны" и сложной конфигурации рассеивающей поверхности, так что его преимущества несомненны и по отношению к трехмерным дисплеям на оптико-механическом принципе.

Принципиальная схема заявляемого устройства, формирующего по заявляемому способу трехмерное изображение, изображена на фиг.4. Устройство содержит лазер 1, оптический модулятор 3, устройство 4 двухмерного сканирования лазерного луча 2, блок управления и синхронизации 7, устройство адресации 8 слоев РСМ и кювету 9, содержащую слои РСМ 10.

Ход оптических лучей, с учетом оптических и геометрических параметров слоев РСМ 10 и кюветы 9, рассчитывается или подбирается экспериментально. Слои РСМ электрически связаны с устройством адресации 8, регулирующим подачу электрического напряжения на заданный слой РСМ. Цифровые коды синхронизации и управления всей системой для высвечивания точки (точек) в слое РСМ по заданному адресу поступают из блока 7 на оптический модулятор 3, устройство двухмерного сканирования лазерного луча 4, устройство адресации 8 слоев РСМ. В качестве устройства 4 двухкоординатного отклонения лучей могут использоваться любые типы дефлекторов. По совокупности пространственного разрешения и быстродействия предпочтение имеет акустооптический дефлектор; кроме того, в этом случае можно обойтись без оптического модулятора [9].

Устройство работает следующим образом.

Луч лазера 2 от светового источника (лазера) 1 проходит через оптический модулятор 3, где модулируется по интенсивности в соответствии с требуемой яркостью высвечиваемой в слое РСМ точки, далее проходит через устройство двухкоординатного отклонения луча 4, осуществляющее сканирование луча по двум ортогональным координатам в соответствии с заданной блоком управления 7 программой, и рассеивается на заданном слое РСМ 10. На этот слой, в соответствии с той же заданной блоком управления 7 программой, через устройство адресации 8 подается электрическое напряжение, которое и переключает этот слой из прозрачного состояния в диффузно рассеивающее (или наоборот). Трехмерное изображение формируется путем высвечивания точек в каждом двухмерном слое РСМ (слои можно включать в произвольном порядке), задающем сечение отображаемого объемного предмета (сцены), т.е. этот предмет (сцена) визуализируется как совокупность всех его сечений. Непременным условием отсутствия мельканий, т.е. естественного восприятия объемного предмета, является усреднение в глазах наблюдателя последовательно подсвеченных точек и сечений, для чего объемный кадр должен формироваться за время не более 40 миллисекунд и обновляться с частотой не менее 25 с^-1.

Принципиальная схема визуализатора, как объема многослойной светорассеивающей среды, в котором отображается (визуализируется) трехмерная информация, изображена на фиг.5. Визуализатор содержит кювету 9 заданной формы с прозрачными для лазерного луча 2 стенками, в которую заключена объемная среда, состоящая из прозрачных для лазерного луча слоев РСМ 10, расположенных перпендикулярно направлению лазерного луча и разделенных друг от друга иммерсионным веществом 11. Оно является прозрачным для лазерного луча, и, благодаря специально подобранному показателю преломления, минимизирует потери света при отражении от слоев РСМ. Если электрическое напряжение к слою РСМ не приложено, падающий луч 2 проходит через него, не рассеиваясь. В случае приложения к нему электрического напряжения от источника, связанного с устройством адресации 8, в РСМ проявляется тот или иной электрооптический, электрофоретический или магнитооптический эффект, приводящий к способности интенсивно рассеивать материалом падающий свет [9, 13]. Соответственно, при падении на такой слой луча 2 появляются рассеянные лучи 12.

Причина, характер и параметры рассеяния света в слое РСМ зависят от многих факторов, и, прежде всего, от состава конкретного РСМ, его толщины и величины приложенного к слою электрического напряжения. Для примера рассмотрим возможные варианты РСМ на основе жидких кристаллов и электрооптической керамики состава ЦТСЛ (цирконат-титанат свинца, модифицированный 7-8 процентами лантана).

Эффект управляемого электрическим напряжением рассеяния света наблюдается в крупнозернистой (размер зерен ≥3 мкм) сегнетоэлектрической ЦТСЛ-керамике [9] . Он обусловлен возникновением рассеяния света на границах оптически анизотропных зерен-кристаллитов при переходе такой керамики из электрически поляризованного состояния, имеющего выделенную оптическую ось вдоль направления поля и вектора поляризации в кристаллитах, в электрически деполяризованное, без выделенной оптической оси, с хаотическим направлением векторов поляризации в кристаллитах. Для этого можно использовать конфигурацию электродов как для продольного электрооптического эффекта (луч проходит через сплошные электроды на обеих сторонах керамической пластины), так и поперечного (луч проходит между электродами, нанесенными на одной стороне пластины). Время переориентации вектора поляризации составило десятки микросекунд при напряжении порядка 300 В, приложенном к пластине керамики состава 7/65/35 толщиной 250 мкм. Оптический контраст был невелик (до 10:1), но впоследствии в керамике состава 7,6/70/30 был обнаружен индуцированный электрическим полем напряженностью в несколько кВ/см обращаемый переход из антисегнетоэлектрического состояния в рассеивающее сегнетоэлектрическое, при котором оптический контраст возрос до 1000:1. Оба состояния, однако, были стабильны в ограниченном температурном интервале.

Управляемое электрическим напряжением рассеяние света в жидких кристаллах (ЖК) обусловлено рассеянием света на градиенте показателя преломления при переориентации молекул в слое ЖК в электрическом поле [9-11]. Исходную ориентацию молекул задают граничными условиями (обычно с помощью специальных ориентантов), причем при параллельном расположении длинных осей молекул направление осей (директор) обозначает и оптическую ось слоя ЖК. Для такого ориентированного слоя ЖК характерна большая оптическая анизотропия: показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей может отличаться на 10 и более процентов. Световой луч, проходящий через такой слой без рассеяния в отсутствие электрического поля, при приложении поля испытывает сильное рассеяние, т.к. ориентация осей молекул в слое существенно изменяется (вплоть до ортогональной к исходной), а следовательно, изменяется и его показатель преломления для того же направления и поляризации луча. При другой ориентации слоя ЖК относительно направления распространения луча возможно обратное: слой, рассеивающий свет в отсутствие электрического напряжения, при приложении поля становится прозрачным. На толщине слоя в несколько микрометров при приложении электрического напряжения в несколько вольт оптический контраст вследствие рассеяния света может измениться в десятки и сотни раз при сохранении светопропускания слоя.

В некоторых ЖК нематического типа при приложении электрического напряжения проявляется так называемое "динамическое рассеяние света". Другой известный эффект - индуцированный электрическим полем переход "холестерик-нематик", т.е. переход ЖК из холестерического типа с рассеивающей свет конфокально-закрученной структурой молекул в нематический тип, в котором оси молекул параллельны друг другу, и рассеяние отсутствует. Рассеяние света можно также наблюдать в ЖК смектического типа, в том числе при деформации полем геликоидальной структуры смектика "С*". Последний является сегнетоэлектриком и отличается в сотни тысячи раз более высоким быстродействием электрооптического отклика на приложенное напряжение (единицы и десятки микросекунд), чем другие типы ЖК. Включение в нем того или иного оптического состояния пропускания или рассеяния света осуществляется изменением полярности прилагаемого электрического напряжения.

Итак, главное достоинство сегнетоэлектрических жидких кристаллов (смектиков "С*") - высокое быстродействие при низком управляющем напряжении, а главное достоинство метода визуализации светового луча с помощью рассеяния света - высокая световая эффективность (в результате отсутствия поглощения света, характерного для поляризационных устройств) при хорошем оптическом контрасте. Оба эти достоинства могут быть объединены в полимерно-жидкокристаллическом композитном материале, известном как капсулированный полимером ЖК [12]. Он представляет собой полимерную пленку, внутри которой диспергированы капли ЖК, причем направления оптических осей во всем ансамбле капель преимущественно параллельны и лежат в плоскости пленки. Обычно РСМ изготовляется на подложке (например, жесткой стеклянной или гибкой из другого прозрачного материала), но впоследствии при необходимости может быть отделен от нее. Толщина пленки может варьироваться от единиц до десятков микрометров и более. Размеры капель обычно лежат в пределах до 10 мкм.

Показатель преломления полимера выбирают примерно равным показателю преломления ЖК для обыкновенного луча, т.е. для компоненты света, поляризованной перпендикулярно направлению директора. Это означает, что такая компонента не рассеивается в композитной пленке, находящейся в исходном состоянии (при заданной полярности приложенного к проводящим покрытиям электрического напряжения), в то время как параллельно поляризованная компонента света (необыкновенный луч) испытывает интенсивное рассеяние. (Соответственно, при изменении параметров луча или полярности прилагаемого электрического напряжения ситуация изменяется на обратную). Оценки показывают, что при удачном согласовании показателей преломления полимера и ЖК интегральное светопропускание функционального электрооптического композитного слоя можно повысить почти до 92%. Помещение его в иммерсионную жидкость позволит достичь светопропускания в 97%. Это обеспечивает ослабление оптического сигнала лишь вдвое (его легко учесть программно) на 20 слоях РСМ, и втрое - на 36 слоях, а это для ряда практических задач уже достаточно.

Исключения потерь на светопропускание в электродах и дальнейшего уменьшения потерь в структурах до 1% и менее с целью увеличения числа слоев в объемной среде трехмерного дисплея до 100 (что решает большинство практических задач) и более можно ожидать при использовании конфигурации электродов для поперечного электрооптического или магнитооптического эффекта, а также при использовании электропроводящей иммерсионной жидкости. Так, при пропускании структуры в 99,5% и допустимом трехкратном уменьшении значения светопропускания после последнего по ходу луча слоя РСМ возможное число слоев в объемной среде приближается к 250, а при потерях светопропускания в слое всего 0,3%, что технологически вполне реализуемо, уже возможно иметь 400 планов по глубине сцены (дальности). Для увеличения разрешения по глубине еще вдвое можно допустить адресацию точек объемной среды лазерным лучом во встречных направлениях.

Разработки ЭОМ продолжаются, в том числе с применением разных электрооптических и магнитооптических материалов и технологических решений, так что можно ожидать дальнейшего совершенствования их параметров и расширения возможностей использования в предлагаемом трехмерном дисплее.

Предлагаемый способ трехмерного отображения информации и устройство для его реализации могут найти широкое применение для отображения трехмерных объектов и сцен, в частности, в системах навигации, системах машинного проектирования и конструирования, визуализации томографической информации, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, при проведении сложных операций в медицине, в видеотехнике, в компьютерных тренажерах и играх, в рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.

Литература 1. Fans S. Novel 3-D stereoscopic imaging technology. Proc. SPIE, v. 2177, pp.180-195 (1994).

2. Hilaire P. , Benton S., Lucente M. Synthetic aperture holography: a noval approach to three-demensional displays. Journal of Optical Society of America, v.9, pp.1969-1977 (1992).

3. Шэндл Д. Наконец-то реальная трехмерность! Электроника. 1990, 18, с. 7-9.

4. Chinnock Ch. Volumetric imaging. Laser Focus World, 1994, Sept., p. 20.

5. Воронов А. В., Головков А.А., Кузнецов С.В., Приходько В.Ю. Цветной объемный дисплей. Патент РФ 2111627, кл.6 Н 04 N 9/31, G 09 G 3/06 (1996).

6. Патент США 4881068, кл. G 09 G 3/06 (1988).

7. Laser Focus World, 11, р.28 (1994).

8. Rapaport A. , Ayrault К., Matthew-Daniel E., Bass M. Visible light emission from dyes excited by simultaneous absorption. Applied Physics Letters, v.74, 3, pp.329-331 (1999).

9. Васильев А. А. , Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света (под ред. И.Н. Компанца). "Радио и связь", M., (1987).

10. Chigrinov V. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London (1999).

11. Блинов Л.М. Магнито- и электрооптика жидких кристаллов. "Наука", M. (1978).

12. Зырянов В.Я., Сморгон С.Л., Шабанов В.Ф., Пожидаев Е.П., Андреев А. Л., Компанец И.Н. Оптимизация светомодуляционных характеристик ячейки капсулированного полимером сегнетоэлектрического жидкого кристалла. Оптический журнал, 6, с. 121-126(1999).

13. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. "Энергоатомиздат", М. (1990).

Формула изобретения

1. Способ формирования трехмерных полноцветных изображений, заключающийся в высвечивании точек объемной среды сканирующим световым лучом, отличающийся тем, что объемную среду выполняют многослойной, прозрачной или рассеивающей свет в зависимости от прилагаемого электрического напряжения, а трехмерное изображение формируют при сканировании светового луча в двухмерной плоскости, параллельной слоям, и одновременном управлении с помощью электрического напряжения рассеянием света на заданном по третьей координате слое объемной среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полноцветное отображение трехмерной информации осуществляют путем сведения оптической системой лучей красного, зеленого и голубого цветов.

3. Устройство формирования трехмерных полноцветных изображений, содержащее источник оптического излучения, оптически связанный через оптический модулятор и устройство двухкоординатного сканирования луча с объемной средой, обладающей возможностью высвечивать наблюдателю освещенную в ней точку, отличающееся тем, что объемная среда выполнена в виде функциональных слоев, расположенных перпендикулярно направлению луча и содержащих материал, который является для светового луча прозрачным или диффузно рассеивающим, в зависимости от приложенного к нему напряжения, при этом в устройство введены электрически связанные между собой источник электрического напряжения, проводящие (электродные) покрытия на поверхности рассеивающего свет материала в каждом функциональном слое объемной среды и устройство электрической адресации функциональных слоев.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что функциональные слои объемной среды, содержащие рассеивающий свет материал, размещены на заданном расстоянии друг от друга, а пространство между функциональными слоями объемной среды заполнено иммерсионным веществом, при этом показатели преломления и коэффициенты отражения иммерсионного вещества, рассеивающего свет материала и тонких пленок на его поверхности согласованы между собой для уменьшения световых потерь при отражениях оптического луча.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство двухкоординатного сканирования луча и устройство адресации функциональных слоев электрическим напряжением синхронизированы.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве рассеивающего свет материала используют либо электрооптические материалы, либо магнитооптические, либо электрофоретические.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве рассеивающих свет электрооптических материалов используют или жидкие кристаллы, или ЦТСЛ-керамику, или композитные материалы, в том числе полимерные или полимерно-жидкокристаллические.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права

Дата и номер государственной регистрации договора: 24.12.2010 № РД0074655

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:Компанец Игорь Николаевич

(73) Патентообладатель(и):Закрытое акционерное общество "МЕГАВИЖН"

Адрес для переписки:ООО "ППФ-ЮСТИС", А.Е.Груниной, Г-165, а/я 15, Москва, 121165

Дата публикации: 10.02.2011

---