Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для создания динамичных голографических изображений в пространстве

Изобретение относится к области рекламно-информационных технологий, в том числе и в архитектурной среде, а именно к устройствам проецирования информации в пространстве с использованием объектов архитектурной среды.

Известно устройство для демонстрации информации, представляющее собой табло с информационной поверхностью, состоящее из набора модулей, каждый из которых выполнен в виде пространственного жесткого каркаса в форме прямоугольного параллелепипеда, одна из граней которого, являющаяся составной частью информационной поверхности, выполнена в виде светонепроницаемой панели с круглым отверстием. При этом каждый из модулей содержит полый цилиндр из светонепроницаемого материала, выполненный с возможностью изменения положения относительно светонепроницаемой панели, в одном из которых одно из оснований цилиндра находится в плоскости светонепроницаемой панели, закрывая круглое отверстие, в другом - выступает за пределы светонепроницаемой панели через круглое отверстие с образованием тени от выступающей части цилиндра, обеспечивающей формирование изображения на информационной поверхности табло (см. патент РФ №102137, МПК G09F 19/00).

Однако данное устройство обеспечивает демонстрацию ограниченного количества информации, требует наличия глухой плоскости для размещения на ней устройства, не мобильно, зависит от погодных условий и времени суток.

Известно также устройство демонстрации стереоскопических изображений, в котором задача демонстрации стереоскопических изображений решается путем поочередно и последовательно отображаемых на общем экране кадров, разделенных для обозрения левым и правым глазом наблюдателя с помощью оптической системы, включающей в себя однородный поляризатор, жидкокристаллическую (ЖК) ячейку, действующую как оптически активный элемент с функцией изменения поляризующего направления на 90 градусов, и анализатора изображений, образованного ЖК-экраном без поляризационного фильтра, стеклянные подложки которого выполнены в виде примыкающими друг к другу чередующимися по горизонтали полосками поляризаторов со взаимно-ортогональной ориентацией плоскости поляризации (патент US 6348957, 19.02.2002 г.).

Указанному устройству свойственны следующие недостатки:

- в силу последовательного и поочередного вывода кадров для правого и левого глаза наблюдается эффект «мерцания» отображаемого стереоизображения, поэтому для уменьшения этого эффекта к видеосистеме компьютера предъявляются повышенные требования к частоте регенерации изображения, что ведет к неоправданным затратам машинных ресурсов;

- для вывода статического компьютерного стереоскопического изображения необходим непрерывный циклический вывод сначала правого кадра, затем левого, что вынуждает компьютерную видеосистему непрерывно обрабатывать большие объемы неменяющейся информации;

- для просмотра стереоизображений наблюдателя необходимо снабжать специальными очками, что представляет для него определенное неудобство и снижает эффект присутствия в демонстрируемом сюжете и кроме того, стереоскопическое изображение можно наблюдать только на специальном экране.

Известно также устройство для демонстрации рекламы. Виртуальное изображение создается в воздушном пространстве посредством пересекающихся растров лучей трех лазерных проекторов, входящих в устройство. В начале создают в воздушном пространстве виртуальное плотное, равномерно насыщенное плоское световое поле с помощью двух проекторов, на которое при помощи третьего проектора проецируют двусторонние рекламные изображения (патент РФ на изобретение №2368958, МПК G09F 19/10).

Однако это устройство предполагает использование трех проекторов, что значительно увеличивает стоимость устройства, а также у него отсутствует возможность создания объемного изображения.

Известно устройство для демонстрации информации, включающее два лазерных проектора, способных разворачиваться каждый в азимутальной и вертикальной плоскости, формирующих изображение на экране, источник света, блок голографических пластин с устройством смены пластин при демонстрации изображений, установленный на выходе каждого лазерного проектора по его оптической оси. При этом оптические оси каждого из лазерных проекторов сориентированы в одну точку на одном и том же участке пространства у поверхности, используемой в качестве экрана, для создания при интерференции элемента голографического изображения. Для каждого лазерного проектора в каждом блоке каждая голографическая пластина состоит из двух частей, формирующих половины голограммы одного и того же изображения. Источник света подключен к двум лазерным проекторам через оптический разветвитель (патент РФ на полезную модель №146058 от 14.03.2014 г.).

Недостатком данного устройства является ограниченное количество информации для демонстрации, обусловленное ограниченной емкостью блоков голографических пластин с устройством смены пластин при демонстрации изображений, установленных на выходе каждого лазерного проектора по его оптической оси.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для создания динамичных голографических изображений в пространстве, включающее два лазерных проектора, с возможностью разворота в азимутальной и вертикальной плоскости, формирующих изображение на экране, источник света, блок голографических пластин, установленный на выходе каждого лазерного проектора по его оптической оси, который представляет собой многослойную оптически прозрачную жидкокристаллическую матрицу, состоящую из отдельных оптически прозрачных слоев, причем отдельный слой оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы включает в себя две наружные оптически прозрачные пластины, между которыми размещены капиллярные каналы с раствором оптически прозрачного электролита, имеющего такую же оптическую проводимость, как и наружные оптически прозрачные пластины, соединенные с наружными токоподводами и точечными жидкокристаллическими сегментами отдельного слоя оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы, на фронтальных поверхностях каждого отдельного слоя оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы на его двух оптических пластинах с внешней стороны нанесена тонкая пленка метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления, равным по коэффициенту преломления наружной оптической пластины отдельного слоя оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы; при этом оптические оси каждого из лазерных проекторов сориентированы в одну точку на одном и том же участке пространства у поверхности, используемой в качестве экрана, для создания элемента голографического изображения, а источник света подключен к двум лазерным проекторам через оптический разветвитель и содержит управляемые приводы для управления ориентацией оптической оси каждого из лазерных проекторов (патент РФ на полезную модель №183810 от 05.10.2017 г.) - (прототип).

Недостатком наиболее близкого аналога является недостаточная четкость и контрастность изображения, обусловленная интерференцией и искажениями из-за наложения в точке проекции друг на друга двух одновременно передающихся изображений, а также значительная сложность и повышенное энергопотребление, связанное с использованием в аналоге двух лазерных проекторов.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, с улучшенными информационными возможностями, обеспечивающего формирование объемного виртуального динамичного изображения высокой четкости и контрастности в пространстве в различное время суток с использованием фасадов зданий или других плоскостей исключительно в качестве фона для улучшения восприятия демонстрируемой информации, а также снижение сложности и энергопотребления устройства.

Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что в устройстве для создания динамичных голографических изображений в пространстве, включающим два лазерных проектора, с возможностью разворота в азимутальной и вертикальной плоскости, формирующих изображение на экране, источник света, блок голографических пластин, установленный на выходе каждого лазерного проектора по его оптической оси, который представляет собой многослойную оптически прозрачную жидкокристаллическую матрицу, состоящую из отдельных оптически прозрачных слоев, причем отдельный слой оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы включает в себя две наружные оптически прозрачные пластины, между которыми размещены капиллярные каналы с раствором оптически прозрачного электролита, имеющего такую же оптическую проводимость, как и наружные оптически прозрачные пластины, соединенные с наружными токоподводами и точечными жидкокристаллическими сегментами отдельного слоя оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы, на фронтальных поверхностях каждого отдельного слоя оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы на его двух оптических пластинах с внешней стороны нанесена тонкая пленка метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления, равным по коэффициенту преломления наружной оптической пластины отдельного слоя оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы; при этом оптические оси каждого из лазерных проекторов сориентированы в одну точку на одном и том же участке пространства у поверхности, используемой в качестве экрана, для создания элемента голографического изображения, а источник света подключен к двум лазерным проекторам через оптический разветвитель и содержит управляемые приводы для управления ориентацией оптической оси каждого из лазерных проекторов, использован один лазерный проектор, включающий в себя дополнительно блок формирования основы виртуального экрана в воздухе и блок логики, причем в блоке голографических пластин в разные моменты времени формируется голограмма изображения и голограмма контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения, а переключение в блоке голографических пластин голограммы изображения на голограмму контрастного виртуального экрана осуществляется блоком логики по сигналам управляющего компьютера с учетом физиологических параметров инерционности человеческого зрения, обеспечивающих кинематографический принцип.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в том, что использован один лазерный проектор, включающий в себя дополнительно блок формирования основы виртуального экрана в воздухе и блок логики, причем в блоке голографических пластин (в разные моменты времени) формируется голограмма изображения и голограмма контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения, а переключение в блоке голографических пластин голограммы изображения на голограмму контрастного виртуального экрана осуществляется блоком логики по сигналам управляющего компьютера с учетом физиологических параметров инерционности человеческого зрения, обеспечивающих кинематографический принцип.

Укажем, что для создания движущегося изображения, в том числе в кинематографии, используются два основных принципа - деление движения на фазы (кадры) и эффект послевидения. Кинематографический принцип заключается в том, что при демонстрации последовательных неподвижных кадров, несущих изображение объекта, при определенной скорости возникает иллюзия движения объекта. Для того, чтобы форма объектов изменялась плавно, за одну секунду на экране должны поменяться не менее 12…16 кадров. Также такой принцип имитации движения называют анимацией.

В создании иллюзии движения совместно участвуют зрительный анализатор и кора больших полушарий головного мозга. Зрение человека инерционно, под инерцией зрения понимают свойство глаза сохранять изображение в течение примерно 0,1 сек. Инерция зрения определяет скорость, с которой должны меняться кадры: время между кадрами должно быть меньше, чем время инерции зрения. В таком случае возникает эффект наложения двух последовательных кадров. Приведем несколько примеров:

современный кинематограф: скорость движения пленки - 24 кадра/сек (время между кадрами 1/24 сек);

телевизионный стандарт (PAL/SECAM) - 25 кадров/сек (время между кадрами 1/25 сек);

американский телевизионный стандарт (NTSC) - 30 кадров/сек (время между кадрами 1/30 сек).

Поэтому в реальности любой фильм является плодом воображения - на экране показываются неподвижные кадры; а то, как объект двигался от положения на одном кадре к положению на следующем кадре, "создает" сам зритель, опираясь на собственный жизненный и зрительный опыт.

За счет конструкции блока голографических пластин предлагаемое устройство реализует создание и быструю смену во время демонстрации большего количества сформированных объемных виртуальных динамичных изображений в пространстве в различное время суток с использованием фасадов зданий или других плоскостей, исключительно в качестве фона для улучшения восприятия демонстрируемой информации, а также повышает достоверность и информативность сформированного изображения, например, в кино и театральных постановках, при создании специальных эффектов.

Использование только одного лазерного проектора, включающего в себя дополнительно блок формирования основы виртуального экрана в воздухе и блока логики, совместно с блоком голографических пластин, в котором в разные моменты времени формируется голограмма изображения и голограмма контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения, с переключением в блоке голографических пластин голограммы изображения на голограмму контрастного виртуального экрана блоком логики по сигналам управляющего компьютера с учетом физиологических параметров инерционности человеческого зрения, обеспечивающих кинематографический принцип, по сравнению с прототипом повышает четкость и контрастность реализуемых изображений из-за отсутствия интерференции изображений, а также одновременно снижает сложность и энергопотребление устройства.

Предлагаемое изобретение поясняется фиг. 1-3, где позициями 1-18 обозначены:

1 - источник света;

2 - оптический разветвитель;

3 - блок лазерных проекторов;

4 - блок голографических пластин;

5 - управляющий привод блока лазерных проекторов;

6 - управляющий компьютер;

7 - поверхность, создаваемая и используемая в качестве экрана;

8 - изображение;

9 - многослойная оптически прозрачная ЖК-матрица;

10, 12 - слой многослойной оптически прозрачной ЖК-матрицы;

11 - токоподвод;

13 - наружные оптические пластины;

14 - капиллярные каналы;

15 - точечные ЖК-сегменты;

16 - тонкая пленка метаматериала;

17 - блок логики;

18 - блок формирования основы виртуального экрана в воздухе.

Предлагаемое устройство для создания динамичных голографических изображений в пространстве включает в себя источник света 1, оптический разветвитель 2, блок лазерного проектора 3, который выполнен с возможностью перемещения (разворота) в азимутальной плоскости и в вертикальной плоскости, включающий в себя дополнительно блок формирования основы виртуального экрана в воздухе 18; блок голографических пластин 4, установленный на выходе каждого лазерного проектора по его оптической оси, управляющий привод блока лазерных проекторов 5, управляющий компьютер 6, блок логики 17.

Устройство функционирует следующим образом. При работе устройства используется источник света 1, лучи которого вначале проходят через стандартное оптическое волокно в оптическом разветвителе 2 и разделяются на несколько (1, 3, 5..) лучей. На выходе из оптического разветвителя 2 для каждого соответствующего луча источника света 1 установлен блок лазерного проектора 3, способного разворачиваться в азимутальной и вертикальной плоскости, включающий в себя дополнительно блок формирования основы виртуального экрана в воздухе 18; а на выходе лазерного проектора блока 3 по его оптической оси установлен блок голографических пластин 4. При этом оптическая ось лазерного проектора блока 3 сориентирована в одну точку на одном и том же участке пространства у поверхности, создаваемой и используемой в качестве экрана 7, для создания изображения 8.

Отметим, что в настоящее время существуют различные устройства, формирующие трехмерное изображение в пространстве, однако им для создания изображения необходима определенная среда, например, пар, туман и другое.

Проектор изображений различного типа, в том числе и лазерный проектор при его функционировании, должен на что-то проецировать изображение. При этом экран может быть любым, в том числе и взвешенные в воздухе микрочастицы (микрокапли) пыли, воды, тумана, дыма, расположенные и в одной плоскости, также могут служить экраном.

В качестве блока формирования основы виртуального экрана в воздухе 18 может быть использовано, например, известное устройство, разработанное и постоянно совершенствующееся в национальном научно-технологическом институте Японии (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, (AIST), см. официальные сайты: http://www.aist.go.jp; http://www.pinktentacle.com; http://www.ixbt.com и др.), использующее лазеры для создания объемных изображений в открытом пространстве. AIST разрабатывал проектор в сотрудничестве с Keio University и Burton Inc. (Кавасаки), Япония. Разработанное устройство создает "настоящие" объемные изображения. Для этого используется свет лазера, фокусируемый с помощью линз в точках пространства за проектором и создающий в этих точках процесс плазменной эмиссии азота и кислорода. Лазер работает в невидимом человеческому глазу инфракрасном диапазоне света, создавая эмиссию, которая вызывает свечение. Благодаря тому, что эмиссия продолжается ограниченное время, устройство способно воспроизводить в том числе и трехмерные фигуры, перемещая точку фокусировки.

Для создания изображения указанное устройство использует инфракрасный лазер, работающий с частотой f=0,1…1 (кГц), который ионизирует молекулы воздуха в определенных точках таким образом, что зрители видят, как будто источник света "висит" в воздухе, то есть, определенные точки в воздухе начинают излучать фотоны, (то есть свет определенной длины волны). При этом, подбирая длину волны лазера, частоту, мощность излучения, перемещая точку фокусировки, можно получить в пространстве как - бы "затемненную" область, например, прямоугольной формы определенного размера, то есть, область в пространстве, точки которой излучают в пространство фотоны, например, фиолетового цвета соответствующей интенсивности, являющуюся основой для последующего формирования виртуального экрана в воздухе.

Поэтому при работе заявленного устройства блок формирования основы виртуального экрана в воздухе 18, дополнительно находящийся в блоке лазерного проектора 3, функционирует постоянно, формируя в пространстве "затемненную" область, например, прямоугольной формы определенного размера, то есть, область в пространстве, точки которой излучают в пространство фотоны, например, фиолетового цвета соответствующей интенсивности, являющуюся основой для последующего формирования виртуального экрана в воздухе.

Для лазерного проектора блока 3 в блоке голографических пластин 4 в разные моменты времени формируется голограмма изображения и голограмма контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения, а проецирование изображения 8 полностью возникает на одном и том же участке пространства у поверхности, создаваемой и используемой в качестве экрана 7, либо также у поверхности, которая может быть используема в качестве экрана 7.

Переключение в блоке голографических пластин 4 голограммы изображения на голограмму контрастного виртуального экрана осуществляется блоком логики 17 по сигналам управляющего компьютера 6 с учетом физиологических параметров инерционности человеческого зрения, обеспечивающих кинематографический принцип.

В блоке логики 17 при демонстрации создаваемых в блоке голографических пластин 4 изменяющихся голограмм изображения 8 происходит постоянное периодическое переключение по сигналу управляющего компьютера 6 указанных голограмм изображения на голограмму контрастного виртуального экрана 7; а именно, например, с учетом инерционности зрения при демонстрации 24 голограмм изображения за 1 секунду через каждые 11 (23) голограммы изображения 8 происходит переключение и демонстрируется голограмма контрастного виртуального экрана 7.

Для улучшения информационных возможностей в предлагаемом устройстве применен блок голографических пластин 4, представляющий собой многослойную оптически прозрачную ЖК-матрицу 9, состоящую из n-отдельных оптически прозрачных слоев 10, 12 (где n=10…20). Причем отдельный слой 10, 12 многослойной оптически прозрачной ЖК-матрицы 9 включает в себя две наружные оптические пластины 13, между которыми размещены капиллярные каналы с раствором оптически прозрачного электролита 14, имеющего такую же оптическую проводимость как и наружные оптические пластины 13, соединенные токоподводами 11, служащими для подвода управляющих сигналов напряжения к точечным ЖК-сегментам 15 отдельного слоя 10, 12 оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы. При подаче управляющего сигнала напряжения через токоподводы 11 и капиллярные каналы 14 каждый точечный ЖК-сегмент 15 каждого отдельного слоя 10, 12 оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы 9 изменяет собственную прозрачность (в диапазоне от полностью прозрачного до полностью непрозрачного), формируя тем самым в одном блоке требуемую исходную голографическую пластину, а в другом блоке формируется голограмма контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения. Управляющий сигнал напряжения через токоподводы 11 и капиллярные каналы 14 к каждому точечному ЖК-сегменту 15 каждого отдельного слоя 10,12 оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы 9 поступает с управляющего компьютера 6, в память которого до начала демонстрации были записаны послойно изображения слоев набора одних и тех же голограмм.

Поскольку блок голографических пластин 4 представляет собой многослойную оптически прозрачную ЖК-матрицу 9, состоящую из n-отдельных оптически прозрачных слоев (где n=10…20), а каждый отдельный слой 10,12 оптически прозрачной ЖК-матрицы 9, включает в себя две наружные оптические пластины 13 для исключения влияния многократного преломления освещающего пластины лазерного луча от лазерного проектора блока 3 при его прохождении через каждый отдельный слой оптически прозрачной ЖК-матрицы 9, на наружных фронтальных поверхностях каждого отдельного слоя оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы 9 на его двух наружных оптических пластинах 13 с внешней стороны нанесена тонкая пленка метаматериала 16 с отрицательный коэффициентом преломления, равным по величине и противоположным по знаку коэффициенту преломления наружной оптической пластины 13 отдельного слоя оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы 9.

На сегодняшний момент создан трехмерный метаматериал в диапазоне видимого света, а также трехмерный метаматериал для инфракрасных лучей (см., например, Reversing Light with Negative Refraction. John B. Pendry and David R. Smith // Physics Today. Vol.57. No. 6. P. 37-43. June 2004; Negative-Refraction Metamaterials: Fundamental Principles and Applications. G.V. Eleftheriades and K. Balmain. Wiley-IEEE Press, 2005.), который может быть использован в заявляемом устройстве.

Для создания различных голографических элементов изображения от одного и того же источника света и оптического разветвителя, может быть использовано дополнительно несколько блоков лазерных проекторов, (на фиг. 1 условно показаны пунктиром), состоящих каждый из последующих лазерных проекторов, с ориентацией оптической оси каждого из лазерных проекторов блока по азимутальной и вертикальной плоскости в последующие точки на одном и том же участке пространства у поверхности, в разные моменты времени формируется голограмма изображения и голограмма контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения, а переключение в блоке голографических пластин 4 голограммы изображения на голограмму контрастного виртуального экрана осуществляется блоком логики 17 по сигналам управляющего компьютера 6 с учетом физиологических параметров инерционности человеческого зрения, обеспечивающих кинематографический принцип.

При синхронном создании каждых следующих частей голографических пластин в блоке голографических пластин - путем соответствующего изменения оптической прозрачности в соответствующих точечных сегментах на поверхности и внутри объема оптически прозрачной жидкокристаллической матрицы, например, по сигналу управляющего компьютера 6, происходит последующая "замена" создаваемых голографических пластин и реализация нового голографического объемного изображения. При этом при скорости воспроизведения 24 изображения за секунду подобное устройство может быть использовано в качестве проекционной системы 3D изображений для кино - и телевизионных трансляций, не требующее, в частности, специальных очков при просмотре для создания стереоскопического эффекта.

В качестве поверхности, используемой в качестве экрана, помимо сформированной голограммы контрастного виртуального экрана, может быть использована, например, стена здания или специального сооружения, а также при необходимости, голографическое объемное изображение может создаваться в любой заранее выбранной области пространства (даже без поверхности, используемой в качестве экрана).