УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Изобретение относится к области обработки цифровых изображений, в частности к конструированию портативных устройств для отображения и наблюдения динамических и статических голограмм.

Известны различные конструкции портативных устройств, обеспечивающих возможность генерации и отображения динамических и статических голограмм, синтезированных с помощью компьютера и формируемых на матричном пространственном модуляторе света, освещаемом опорной волной когерентного излучения определенной формы. При этом световые волны дифрагируют на матричной структуре модулятора света и позволяют восстанавливать волновой фронт, содержащий информацию о трехмерном изображении, т.е. информацию о фазе и об амплитуде дифрагированных волн. Такие устройства используют для формирования цифровых изображений типа голограмм, представленных в цифровом виде на пространственном модуляторе света, для дальнейшего наблюдения восстановленных топографических изображений, которые с помощью оптической системы, содержащей голографические и дифракционные элементы, в том числе полупрозрачные, совмещаются с реальными объектами в поле зрения устройства.

В патенте США №8220966 [1] предложено устройство (Фиг.1) отображения изображений, которое включает в себя матрицу для формирования изображения, оптическую систему, коллимирующую свет от формирующего изображения устройства и оптическое устройство, выполненное с возможностью ввода, направления по световоду и вывода параллельных световых лучей. Оптическое устройство включает в себя световодную пластину, первый оптический элемент, отражающий или дифрагирующий свет таким образом, чтобы полностью направлять свет внутрь световода и второй оптический элемент, позволяющий выводить излучение из световода.

Патентная заявка США №2010/0157400 [2] относится к голографическому просветному дисплею на основе световода, который содержит микродисплей, выполненный с возможностью формирования изображения. Изображение с микродисплея направляется на голографическую линзу, выполненную с возможностью получения и передачи излучения, содержащего информацию об исходном изображении с микродисплея. Голографическая линза сопряжения переносит внутри световода изображение, распространяющееся на основе явления полного внутреннего отражения, и передает свет в виде изображения на вход глазной голографической линзы с записанной решеткой (Фиг.2).

Техническое решение, описанное в патенте США №8213755 [3], выбрано в качестве прототипа заявленного изобретения. В указанном патенте [3] описано устройство виртуального дисплея с оптическим световодом для переноса световых пучков параллельных лучей, распространяющихся с помощью явления полного внутреннего отражения в световоде. Первый голографический элемент отражательного типа с записанной объемной решеткой приводит к дифракции и преломлению поступающих на него параллельных пучков лучей с последующим направлением их в световод под разными углами и распространением излучения внутри световода на основе явления полного внутреннего отражения. Второй отражательный голографический элемент, с записанной объемной решеткой выводит излучение из волновода (Фиг.3).

Схемы перечисленных решений содержат микродисплей, формирующий пространственное распределение света в предметной плоскости и световод с голографическими и оптическими элементами, передающими изображение через световод в глаз наблюдателя. При этом существенным недостатком известных решений является ограниченная сфера их применения. В частности, работа с такими устройствами затруднена для пользователей с дефектами зрения.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение восстановления трехмерного изображения предмета, синтезированного с помощью программно-аппаратных средств, наблюдение которого аметропическим глазом, должно быть идентично наблюдению реальных объемных объектов аметропическим глазом.

Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной конструкции оптического устройства для формирования и наблюдения динамических и статических трехмерных изображений типа голограмм с возможностью адаптации устройства к дефектам зрения пользователя, при этом такое устройство содержит, по меньшей мере, один лазерный источник когерентного излучения, по меньшей мере, один световод, и голографические оптические элементы, расположенные на поверхности световода, и отличается от известных решений тем, что дополнительно содержит:

- по меньшей мере, один пространственный модулятор света, выполненный с возможностью формирования цифровой голограммы;

- по меньшей мере, одно устройство, совмещающее в себе цифровую схему электронного управления пространственным модулятором света и интерфейсный блок;

- по меньшей мере, один голографический оптический элемент, выполненный с возможностью вывода излучения из световода и адаптации формы волнового фронта, проходящего через указанный голографический оптический элемент, к дефектам зрения пользователя;

- при этом порядок расположения указанных элементов по ходу распространения излучения от источника излучения такой, что пространственный модулятор света расположен на световоде после голографического оптического элемента, осуществляющего ввод излучения в световод, и до голографического оптического элемента, выводящего излучение из световода.

Таким образом, заявляемая схема, в отличие от известных схем, обладает возможностью подстройки под индивидуальные особенности пользователя, в частности, за счет компенсации дефектов зрения, таких как близорукость, дальнозоркость, астигматизм и др. Благодаря этой особенности такое устройство позволит восстановить волновой фронт, аналогичный волновому фронту, идущему от реальных объектов, адаптированный под свойства глаза. Это позволяет сформировать объемную сцену, наблюдаемую глазом без искажений, вызванных дефектами глаза. Причем компенсация дефектов глаза достигается за счет использования голографических оптических элементов, не изменяющих габариты и массу устройства.

Заявляемое решение основано на использовании усовершенствованной оптической системы с голографическими и дифракционными элементами, позволяющей адаптировать систему к особенностям зрения пользователя, таким как близорукость, дальнозоркость, астигматизм и др.

При этом к числу преимуществ заявляемого изобретения можно отнести:

- возможность компенсации дефектов глаза, таких как близорукость, дальнозоркость, астигматизм и др.;

- возможность значительного уменьшения числа оптических элементов за счет их замены на голографические оптические элементы;

- использование планарных интегрированных оптических элементов;

- жесткая конструкция всего устройства.

Согласно одному из вариантов, голографический оптический элемент для вывода излучения из световода выполнен с возможностью компенсации аметропии глаза за счет преобразования формы волнового фронта, проходящего через указанный элемент, на основе дифракции света на периодической структуре.

Согласно одному из вариантов, пространственный модулятор света выполнен с возможностью осуществления пространственно-временного преобразования пучка с выводом компьютерно-синтезированной голограммы, а также восстановления трехмерного изображения на выходе устройства с последующим его совмещением с реальными объектами, находящимися в поле зрения системы.

Согласно одному из вариантов, по меньшей мере, один голографический оптический элемент представляет собой голографический оптический элемент просветного типа, выполненный с возможностью компенсации аметропии глаза, расположенный на первой по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода.

Согласно одному из вариантов, указанный голографический оптический элемент просветного типа выполнен с возможностью компенсации близорукости глаза.

Согласно одному из вариантов, указанный голографический оптический элемент просветного типа выполнен с возможностью компенсации дальнозоркости глаза.

Согласно одному из вариантов, указанный голографический оптический элемент просветного типа выполнен с возможностью компенсации астигматизма глаза.

Согласно другому варианту, по меньшей мере, один голографический оптический элемент представляет собой голографический оптический элемент отражательного типа, выполненный с возможностью компенсации аметропии глаза, расположенный на второй по отношению к глазу наблюдателя поверхности световода.

Согласно другому варианту, указанный голографический оптический элемент отражательного типа выполнен с возможностью компенсации близорукости глаза.

Согласно другому варианту, указанный голографический оптический элемент отражательного типа выполнен с возможностью компенсации дальнозоркости глаза.

Согласно другому варианту, указанный голографический оптический элемент отражательного типа выполнен с возможностью компенсации астигматизма глаза.

Согласно одному из вариантов, указанный пространственный модулятор света представляет собой модулятор просветного типа, расположенный на стеклянной пластине.

Согласно другому варианту, указанный пространственный модулятор света представляет собой модулятор отражательного типа.

Кроме того, для достижения указанного технического результата в заявляемом решении предлагается устройство для записи голографического оптического элемента просветного типа, компенсирующего дефекты глаза, содержащее, по меньшей мере, один лазерный источник излучения, по меньшей мере, один световод, и голографические оптические элементы, расположенные на поверхности световода, отличающееся тем, что дополнительно содержит: вспомогательный оптический элемент для формирования объектного пучка, компенсирующий аметропию глаза, и пространственный модулятор света просветного типа для формирования опорного пучка, причем на голографический материал направляется опорный гомоцентрический пучок, проходящий через пространственный модулятор просветного типа, а объектный гомоцентрический пучок направляется через вспомогательный оптический элемент, компенсирующий аметропию глаза.

Согласно одному из вариантов, в устройстве для записи голографического оптического элемента просветного типа для формирования опорного пучка используется пространственный модулятор света отражательного типа.

Согласно одному из вариантов, в устройстве для записи голографического оптического элемента просветного типа указанный вспомогательный оптический элемент для формирования объектного пучка выполнен с возможностью компенсации близорукости глаза.

Согласно одному из вариантов, в устройстве для записи голографического оптического элемента просветного типа указанный вспомогательный оптический элемент для формирования объектного пучка выполнен с возможностью компенсации дальнозоркости глаза.

Согласно одному из вариантов, в устройстве для записи голографического оптического элемента просветного типа указанный вспомогательный оптический элемент для формирования объектного пучка выполнен с возможностью компенсации астигматизма глаза.

Помимо этого, в настоящей заявке предлагается устройство для записи голографического оптического элемента отражательного типа, компенсирующего дефекты глаза, содержащее, по меньшей мере, один лазерный источник излучения, по меньшей мере, один световод, и голографические оптические элементы, расположенные на поверхности световода, отличающееся тем, что дополнительно содержит: вспомогательный оптический элемент для формирования объектного пучка, компенсирующий аметропию глаза, и пространственный модулятор света просветного типа для формирования опорного пучка, причем на топографический материал направляется опорный гомоцентрический пучок, проходящий через пространственный модулятор просветного типа, а объектный гомоцентрический пучок направляется через вспомогательный оптический элемент, компенсирующий аметропию глаза.

Согласно одному из вариантов, в устройстве для записи голографического оптического элемента отражательного типа для формирования опорного пучка используется пространственный модулятор света отражательного типа.

Согласно одному из вариантов, в устройстве для записи голографического оптического элемента отражательного типа указанный вспомогательный оптический элемент для формирования объектного пучка выполнен с возможностью компенсации близорукости глаза.

Согласно одному из вариантов, в устройстве для записи голографического оптического элемента отражательного типа указанный вспомогательный оптический элемент для формирования объектного пучка выполнен с возможностью компенсации дальнозоркости глаза.

Согласно одному из вариантов, в устройстве для записи голографического оптического элемента отражательного типа указанный вспомогательный оптический элемент для формирования объектного пучка выполнен с возможностью компенсации астигматизма глаза.

Новизна предложенной группы изобретений заключается в возможности компенсации дефектов глаза, таких как близорукость, дальнозоркость, астигматизм и др. с помощью голографического оптического элемента, а также в использовании пространственного модулятора света для записи голографического оптического элемента наблюдательной части устройства.

Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов:

Фиг.1. Уровень техники.

Фиг.2. Уровень техники.

Фиг.3. Уровень техники.

Фиг.4. Устройство для формирования голографических изображений, совмещенных с реальными объектами в поле зрения устройства, выполненное на основе пространственного модулятора отражательного типа с просветным голографическим оптическим элементом, выполненным с возможностью компенсации дефектов глаза.

Фиг.5. Устройство для формирования голографических изображений, совмещенных с реальными объектами в поле зрения устройства, выполненное на основе пространственного модулятора отражательного типа с отражательным голографическим оптическим элементом, выполненным с возможностью компенсации дефектов глаза.

Фиг.6. Устройство для формирования голографических изображений, совмещенных с реальными объектами в поле зрения устройства, выполненное на основе пространственного модулятора просветного типа с просветным голографическим оптическим элементом, выполненным с возможностью компенсации дефектов глаза.

Фиг.7. Устройство для формирования голографических изображений, совмещенных с реальными объектами в поле зрения устройства, выполненное на основе пространственного модулятора просветного типа с отражательным голографическим оптическим элементом, выполненным с возможностью компенсации дефектов глаза.

Фиг.8. Принцип действия компенсационного голографического оптического элемента визуального канала.

Фиг.9. Устройство записи голографического оптического элемента просветного типа с помощью пространственного модулятора отражательного типа.

Фиг.10. Устройство записи голографического оптического элемента просветного типа с помощью пространственного модулятора просветного типа.

Фиг.11. Устройство записи голографического оптического элемента отражательного типа с помощью пространственного модулятора отражательного типа.

Фиг.12. Устройство записи голографического оптического элемента отражательного типа с помощью пространственного модулятора просветного типа.

Элементы:

1 - блок осветительной системы;

2 - блок пространственного модулятора света;

3 - блок наблюдения голограммы;

10 - световодная пластина;

11 - стеклянная пластина;

12 - лазерный источник когерентного излучения;

13 - блок управления;

14 - голографический оптический элемент отражательного типа;

15 - голографический оптический элемент просветного типа;

16 - угловая величина изображения;

20 - пространственный модулятор отражательного типа;

21 - пространственный модулятор просветного типа;

30 - аметропический глаз;

31 - близорукий глаз;

32 - дальнозоркий глаз;

33 - глаз с астигматизмом;

40 - голографический оптический элемент просветного типа с компенсацией аметропии глаза;

41 - голографический оптический элемент просветного типа с компенсацией близорукости глаза;

42 - голографический оптический элемент просветного типа с компенсацией дальнозоркости глаза;

43 - голографический оптический элемент просветного типа с компенсацией астигматизма;

50 - голографический оптический элемент отражательного типа с компенсацией аметропии глаза;

51 - голографический оптический элемент отражательного типа с коррекцией близорукости глаза;

52 - голографический оптический элемент отражательного типа с компенсацией дальнозоркости глаза;

53 - голографический оптический элемент отражательного типа с компенсацией астигматизма;

60 - линза, компенсирующая аметропию глаза;

61 - линза, компенсирующая близорукость глаза;

62 - линза, компенсирующая дальнозоркость глаза;

63 - линза, корректирующая астигматизм.

Принципиальная схема предлагаемого устройства с топографическими и дифракционными оптическими элементами для формирования голографических изображений, с компенсацией дефектов глаза (см. Фиг.4), таких как аметропия 30, близорукость 31, дальнозоркость 32, астигматизм 33, состоит из блока осветительной системы 1, блока пространственного модулятора света 2, блока наблюдения голограммы 3 с помощью глаза. Заявляемое устройство включает в себя, по меньшей мере, один источник 12 когерентного излучения, по меньшей мере, один пространственный модулятор 20 света отражательного типа, по меньшей мере, один световод 10 с размещенными на нем дифракционными и голографическими оптическими элементами 14, 40, 41, 42, 43, представляющий собой оптическую среду, выполненную из оптически прозрачного материала с более высоким показателем преломления, чем окружающая среда в виде плоскопараллельной пластины или пластины с поверхностями, образующие которых имеют кривизну, и предназначенный для передачи оптического излучения на основе явления полного внутреннего отражения. Блок 1 осветительной системы содержит световод 10 с расположенным на нем, по меньшей мере, одним топографическим оптическим элементом 14, выполняющим ввод в световод излучения, поступающего от источника 12 когерентного излучения и преобразование формы и направления распространения волнового фронта внутри световода 10 с целью однородного освещения и создания вида волнового фронта, оптимального для освещения пространственного модулятора 20 света отражательного типа и восстановления голограммы. Блок 2 пространственного модулятора света содержит световод 10, пространственный модулятор 20 света отражательного типа с цифровой схемой управления, формирующий голограмму посредством пространственно-временной модуляции падающего на него волнового фронта и явлений дифракции и интерференции на дискретной структуре модулятора. Устройство 13 электронного управления пространственным модулятором света и интерфейсного блока для сопряжения оптического устройства с внешними источниками информации выполнено с возможностью вывода компьютерно-синтезированной голограммы, восстанавливающей трехмерное изображение на выходе устройства. Блок 3 наблюдения голограммы состоит из световода 10 с расположенным на нем, по меньшей мере, одним топографическим оптическим элементом 40, 41, 42, 43, служащим для изменения направления распространения световой волны, преобразования формы пучка, компенсации аметропии 30, близорукости 31, дальнозоркости 32 или астигматизма 33, нарушения полного внутреннего отражения на границе контакта со световодом, вывода излучения из световода и направления излучения в глаз наблюдателя. Такая оптическая схема формирует объемные изображения угловой величины 16 с последующим их совмещением с реальными объектами, находящимися в поле зрения системы.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения (см. Фиг.5), пространственный модулятор света представляет собой модулятор 20 отражательного типа, а трехмерное изображение, формируемое на выходе из системы, может рассматриваться глазом с различными дефектами 30, 31, 32, 33, при этом для вывода излучения из световода 10 используются, по меньшей мере, один отражательный голографический оптический элемент, нанесенный на вторую, по отношению к глазу, поверхность световода и компенсирующий дефекты глаза, такие как аметропия, близорукость, дальнозоркость и астигматизм.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения (см. Фиг.6), пространственный модулятор света представляет собой модулятор 21 просветного типа, а трехмерное изображение, формируемое на выходе из системы, может рассматриваться глазом 30, 31, 32, 33, при этом для вывода излучения из световода 10 используются, по меньшей мере, один просветной голографический оптический элемент, нанесенный на первую, по отношению к глазу, поверхность световода и компенсирующий дефекты глаза такие, как аметропия, близорукость, дальнозоркость и астигматизм.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения (см. Фиг.7), пространственный модулятор света представляет собой модулятор 21 просветного типа, а трехмерное изображение, формируемое на выходе из системы, может рассматриваться глазом 30, 31, 32, 33, при этом для вывода излучения из световода 10 используются, по меньшей мере, один отражательный голографический оптический элемент, нанесенный на вторую, по отношению к глазу, поверхность световода и компенсирующий дефекты глаза такие как аметропия, близорукость, дальнозоркость и астигматизм.

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, трехмерное изображение, формируемое на выходе из системы, может рассматриваться аметропическим глазом 30, при этом для вывода излучения из световода 10 используются голографический оптический элемент, корректирующий аметропию глаза, состоящий, по меньшей мере, из одной просветной голограммы 40, нанесенной на первую, по отношению к глазу, поверхность световода (см. Фиг.8.4), или отражательной голограммы 50, нанесенной на вторую, по отношению к глазу, поверхность световода (см. Фиг.8.5).

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, трехмерное изображение, формируемое на выходе из системы, может рассматриваться близоруким глазом 31 (см. Фиг.8.1), при этом для вывода излучения из световода 10 используются голографический оптический элемент, компенсирующий близорукость глаза, состоящий, по меньшей мере, из одной просветной голограммы 41, нанесенной на первую, по отношению к глазу, поверхность световода (см. Фиг.8.4), или отражательной голограммы 51, нанесенной на вторую, по отношению к глазу, поверхность световода (см. Фиг.8.5).

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, трехмерное изображение, формируемое на выходе из системы, может рассматриваться дальнозорким глазом 32 (см. Фиг.8.2), при этом для вывода излучения из световода 10 используются голографический оптический элемент, компенсирующий дальнозоркость глаза, состоящий, по меньшей мере, из одной просветной голограммы 42, нанесенной на первую, по отношению к глазу, поверхность световода (см. Фиг.8.4), или отражательной голограммы 52, нанесенной на вторую, по отношению к глазу, поверхность световода (см. Фиг.8.5).

Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, трехмерное изображение, формируемое на выходе из системы, может рассматриваться глазом с астигматизмом 33 (см. Фиг.8.3), при этом для вывода излучения из световода 10 используются голографический оптический элемент, компенсирующий астигматизм глаза, состоящий, по меньшей мере, из одной просветной голограммы 43, нанесенной на первую, по отношению к глазу, поверхность световода (см. Фиг.8.4), или отражательной голограммы 53, нанесенной на вторую, по отношению к глазу, поверхность световода (см. Фиг.8.5).

Устройство для записи голографического оптического элемента просветного типа с компенсацией аметропии, близорукости, дальнозоркости или астигматизма глаза наблюдательной части устройства 3, в котором на голограмму направляется опорный гомоцентрический пучок, отраженный от пространственного модулятора 20 света отражательного типа, а объектный гомоцентрический пучок направляется через вспомогательный оптический элемент, компенсирующий аметропию, близорукость, дальнозоркость или астигматизм глаза (см. Фиг.9).

Устройство для записи голографического оптического элемента просветного типа с коррекцией аметропии, близорукости, дальнозоркости или астигматизма глаза наблюдательной части устройства 3, в котором на голограмму направляется опорный гомоцентрический пучок, прошедший через пространственный модулятор 21 света просветного типа, а объектный гомоцентрический пучок направляется через вспомогательный оптический элемент, корректирующий аметропию (элемент 60), близорукость (элемент 61), дальнозоркость (элемент 62) или астигматизм (элемент 63) глаза (см. Фиг.10).

Устройство для записи голографического оптического элемента отражательного типа с коррекцией аметропии, близорукости, дальнозоркости или астигматизма глаза наблюдательной части устройства 3, в котором на голограмму направляется опорный гомоцентрический пучок, отраженный от пространственного модулятора 20 света отражательного типа, а объектный гомоцентрический пучок направляется через вспомогательный оптический элемент, корректирующий аметропию (элемент 60), близорукость (элемент 61), дальнозоркость (элемент 62) или астигматизм (элемент 63) глаза (см. Фиг.11).

Устройство для записи голографического оптического элемента отражательного типа с коррекцией аметропии, близорукости, дальнозоркости или астигматизма глаза наблюдательной части устройства 3, в котором на голограмму направляется опорный гомоцентрический пучок, прошедший через пространственный модулятор 21 света просветного типа, а объектный гомоцентрический пучок направляется через вспомогательный оптический элемент, корректирующий аметропию (элемент 60), близорукость (элемент 61), дальнозоркость (элемент 62) или астигматизм (элемент 63) глаза (см. Фиг.12).

Заявленное устройство может быть использовано в:

- Очках, шлемах и дисплеях виртуальной реальности;

- Дисплеях мобильных устройств;

- 3D очках;

- Топографических устройствах отображения информации;

- Иных топографических устройствах.