Голографическое телевизионное устройство

 

Голографическое телевизионное устройство относится к оптической телевизионной технике, конкретно к телевизионной технике для записи и воспроизведения трехмерных изображений. Сущность: устройство содержит лазер, предметный и опорный каналы, блок формирования голограмм и блок воспроизведения голограмм, при этом в опорном канале установлен квантовый усилитель. В процессе записи изображений объекта последний подсвечивают из предметного канала лазерным излучением со сканируемым фазовым центром, отраженное излучение поступает в блок формирования голограмм и в опорный канал, усиленное в последнем излучение также поступает в блок формирования голограмм, где осуществляется формирование голографической записи изображения объекта на промежуточной частоте, образованной биениями излучения, поступающего непосредственно от объекта и с выхода опорного канала. 1 ил.

Изобретение относится к области голографического телевидения и может быть использовано для получения объемных изображений высокой четкости путем их восстановления по сформированным и переданным по стандартным телевизионным каналам голограмм. Целью изобретения является повышение качества изображений. На чертеже приведена структурная схема заявляемого устройства. Голографическое телевизионное устройство содержит лазер 1, предметный канал 2, выход которого оптически сопряжен с объектом, опорный канал 10, блок формирования голограмм 16, входы которых оптически сопряжены с объектом, блок воспроизведения голограмм 29 и блок синхронизации 38, при этом предметный канал 2 включает в себя последовательно расположенные дефлектор 3, первый набор световодов 6_1...n, свернутых в спираль и помещенных в набор зеркальных отражателей 7_1...n и линейку неэквидистантно расположенных рассеивающих линз 9_1...n. В предметный канал также введены генератор высокой частоты 5, снабженный блоком управления 4, и блок накачки 8, при этом выход генератора высокой частоты 5 подключен к управляющему входу дефлектора 3, а световоды из первого набора 6_1...n оптически сопряжены с набором зеркальных отражателей 7_1...n и с выходом блока накачки 8. Опорный канал 10 включает в себя последовательно расположенные телескопический объектив 11, вход которого является входом опорного канала, квантовый усилитель 12, пространственный фильтр 13 и окуляр 14, выход которого сопряжен с входами световодов из второго набора 15_1...m. Блок формирования голограмм 16 включает в себя последовательно оптически расположенные линейку микрообъективов 17_1...m, входы которой образуют вход блока формирования голограмм 16, и линейку фотоприемником 18_1...m, входы которых соединены с выходами световодов из второго набора 15_1...m. Выходы фотоприемников 18_1...m последовательно электрически соединены с линейкой усилителей промежуточной частоты 19, линейкой пиковых детекторов 20_1...m, выполненных на диодах 21_1...m и конденсаторах 22_1...m, линейкой ключевых элементов 23_1...m и 24_1...m и оперативным запоминающим устройством, включающий в себя быстродействующий аналого-цифровой преобразователь 25, динамическую память 26, быстродействующий цифроаналоговый преобразователь 27 и передающую систему 28, выход которой является выходом блока формирования голограмм 16. Блок воспроизведения голограмм 29 включает в себя приемное устройство 30, вход которого электрически соединен с видеоусилителем 31, электронно-лучевой трубкой 32, на вход которой подключен генератор развертки 33, при этом экран электронно-лучевой трубки 32 оптически сопряжен со светосильным объективом 34 и реверсивным регистрирующим материалом 35, восстанавливающим лазерным пучком 36 и корректирующим голографическим фильтром 37. Выходы блока синхронизации 38 подключены соответственно ко входам лазера 1, блока управления генератором высокой частоты 4, блока накачки 8, квантового усилителя 12, линейки ключевых элементов 23_1...m и 24_1...m и оперативного запоминающего устройства, состоящего из блоков 25, 26, 27. Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение лазера 1 подают на акустооптический дефлектор 3 предметного канала 2 и с помощью блока управления 4 генератора ультравысоких частот 5 последовательно отклоняют лазерный луч и освещают входные торцы световодов из набора 6_1...n. При этом каждый из световодов набора 6_1...n на определенном участке сворачивают в спираль и с помощью блока накачки 8 и цилиндрических отражателей 7_1...n облучают световым излучением, обеспечивающим усиление лазерного излучения в этих участках световодов. Излученные из выходных торцов световодов набора 6_1...nзондирующие сигналы проходят через линейку микрообъектов 9_1...n, которые обеспечивают требуемый угол освещения голографируемого объекта (на чертеже не показан). Совокупность расположенных на отрезке прямой микрообъективов 9_1...n излучающих последовательно зондирующие сигналы, обеспечивает формирование излучения со сканирующим фазовым центром волны. Так как в течение длительности зондирующего импульса входные торцы набора световодов 6_1...n облучают поочередно, то из выходных торцов световодов последовательно излучают зондирующие сигналы длительностью t₃= , (1) где t₃ - длительность зондирующего сигнала, излучаемого каждым световодом; t_имп - длительность зондирующего импульса; n - число световодов в наборе 6_1...n. Рассеянное на голографируемом объекте излучение подают одновременно на линейку микрообъективов 17_1...m блока формирования голограмм 16. Линейку микрообъективов 17_1...m располагают перпендикулярно к линейке рассеивающих линз 9_1...n и подающее на микрообъективы 17_1...m излучение фокусируют на фотоприемниках 18_1...m. Одновременно на линейку фотоприемников 18_1...m подают через световоды из второго набора 15_1...mопорное излучение. Опорный канал 10 формируют путем деления рассеянного объектом излучения по фронту волны с помощью телескопической системы, состоящей из объектива 11 и окуляра 14. Рассеянное на голографируемом объекте излучение подают на объектив 11 опорного канала 10, усиливают энергетически квантовым усилителем 12, который кроме усиления энергетически слабых колебаний, рассеянных объектом, позволяет изменением коэффициента его усиления регулировать соотношение интенсивности опорного и предметного пучков. Затем принятое излучение фильтруют диафрагмой пространственного фильтра 13 от высоких пространственных частот и с помощью окуляра 14 подают на вход набора световодов 15_1...m. Наличие в опорном канале 10 нелинейного активного элемента усилителя 12 позволяет производить смещение частоты излучения на некоторую постоянную величину δω_o=ω_o-ω_r, где ω_o- частота предметного излучения; ω_r- частота излучения в опорном канале. Поле сфокусированных опорных пучков, подаваемых на линейку фотоприемников 18_1...m, расположенных вдоль оси μ, можно представить в виде E_r(μ, ν, t) = exp iω_rt - 2r_r+ + , (2) где А_r, ω_r,Φ_r- амплитуда, частота и фаза опорной волны. Поле, рассеянное объектом голографирования и принятое линейкой фотодетекторов 18_1...m, при излучении, синтезируемом вдоль оси ν набора световодов 6_1...n можно представить в виде E_o(μ,ν,t) = exp iω_ot-i 2r_o+ + + + , (3) где А_о, ω_o,Φ_o- амплитуда, частота и фаза предметной волны; r_r≃r_о - расстояние от устройства до объекта. Размер сфокусированного пятна опорного пучка определяется спектром пространственных частот голограммы и должен быть меньше половины пространственного периода, соответствующего наивысшей пространственной частоте его. При скорости считывания голографической информации вдоль оси μ, равной U, и скорости переключения излучающих элементов вдоль оси ν, равной V, интенсивность синтезированной голограммы точки (Х_о, Y_о) объекта задается выражением I(μ,ν,t) = E_o(μ,ν,t)+E_r(μ,ν,t) = E+ E+2 × × cos (ω_o-ω_r)t- 2r_o+ + - (4)
- · r_r+ + Φ_o-Φ_r. При сканировании предметным лучом переменный ток, возникающий в цепи фотоприемников, пропорционален только последнему члену уравнения голограммы (4), так как два первых члена, соответствующих прямому пучку в восстановленной голограмме, не изменяются во времени, а следовательно, и не передаются. Единственный изменяющийся во времени сигнал обусловлен взаимодействием узкого опорного пучка с предметым пучком при его сканировании по осям ν и μ. При движении сканирующего предметного пучка вдоль осиμ со скоростью U и вдоль осиν со скоростью V ток на выходе каждого детектора пропорционален интенсивности соответствующей точки (μ,ν) голограммы при изменении ее от геометрического центра ( μ=Ut, ν=Vt) интерференционной структуры, образованной рассеянной предметной волной и осевой сфокусированной опорной волной. Если угловое отклонение предметного пучка достаточно малое, т.е. расстояние от точки (Х_о, Y_о) объекта до каждой точки на осяхμ иν значительно превосходят размеры объекта и голограммы и 2π/λ_o≃2π/λ_r=K, тогда
i(t) ≃ 2 cos-t - KUt + -
- KVt + + Φ_o-, (5) где η- квантовый выход детектора;
е - электронный заряд;
h ν- энергия фотонов;
Z - импеданс открытого пространства. Из этого выражения следует, что при синтезировании голограмм на разностной частоте δω_o= ω_o-ω_r много большей пространственной частоты голограммы, ее спектр сдвигается на величину δω_o. Это позволяет улучшить разрешающую способность голограммы вдоль каждой оси по сравнению с регистрируемой голограммой при δω_o=0, что позволяет увеличить пространственное разнесение Габоровских составляющих в восстановленном изображении, избежав при этом перекрытия восстановленных изображений. Таким образом, в результате сканирования фазовых центров излучение зондирующих сигналов в предметном канале на каждом фотоприемнике 18_1...mформирует одну строку голограммы, а совокупность электрических сигналов с выхода всех фотоприемников 18_1...m образует голограмму. Электрические сигналы с выходов фотоприемников 18_1...m подают через линейку усилителей промежуточной частоты 19_1...m к линейке пиковых детекторов 20_1...m, выполненных на диодах 23_1...m и конденсаторах 22_1...m. К выходу пиковых детекторов 20_1...m подключают электронные 23_1...m и аналоговые 24_1...m ключи. Электрические сигналы с помощью конденсаторов 22_1...m накапливают и запоминают, затем через аналоговые ключи 24_1...m последовательно подключают на вход быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 25, преобразуют их в цифровой код, а затем записывают в динамическую память 26. При считывании информации электрический сигнал выводят через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 27 и подают на передающее устройство 28. С помощью радиоприемного устройства 30 принимают переданные сигналы и подают на вход усилителя 31 блока воспроизведения голограмм 29. В результате при одновременной развертке электронного луча, производимой с помощью генератора развертки 33, на экране электронно-лучевой трубки 32 формируют одну строку голограммы. По окончании этого процесса конденсаторы 22_1...m разряжают через электронные ключи сброса заряда 23_1...m и система приходит в готовность для формирования следующей строки голограммы. Согласованную работу всех узлов системы обеспечивает синхронизатор 38, выходы которого электрически соединены с входами лазера 1, блока управления 4, генератора УВЧ 5, импульсного блока накачки 8, квантового усилителя 12, электронных 23_1...m и аналоговых 23_1...m ключей, АЦП 25, динамической памяти 26, ЦАП 27 и генератора развертки 33, электронно-лучевой трубки 32. Электрические сигналы, пропорциональные интерференционному рельефу голограммы, разворачивают на экране электронно-лучевой трубки 32 с помощью разверток по строке и по кадру и затем с помощью объектива 34 проецируют на неподвижный фотохромный материал 35 и производят его экспонирование. Под действием излучения люминофора фотохромный материал окрашивается и образует изобретение голограммы. Изображение с полученной голограммы восстанавливают с помощью лазера 3 и корректирующего голографического фильтра 37, с помощью которого компенсируют фазовые набеги в наборе световодов 6_1...n и 15_1...m. По сравнению с прототипом заявляемое устройство обеспечивает существенное повышение качества изображений, так как опорные сигналы выделяются из части излучения, рассеянного объектом, и контраст формируемой интерференционой структуры голограммы не зависит от расстояния до голографируемой сцены и от перемещения объектов в объеме голографируемой сцены, а использование в опорном канале квантового усилителя дает возможность, с одной стороны, управлять соотношением интенсивности опорного и предметного пучков для создания высокого контраста интерференционной структуры голограммы, а, с другой стороны, путем нелинейного смещения частоты опорного излучения позволяет сузить спектр пространственных частот голограммы до диапазона пространственных частот голографируемого объекта, избежав при этом перекрытия восстановленных изображений. Кроме того, используя в качестве квантовых усилителей участки световодов в блоке подсветки предметного канала, можно добиться равномерного освещения голографируемой сцены. Повышение качества голографических телевизионных изображений достигается также за счет применения электронной схемы, выполненной на современной элементной базе в интегральном исполнении, что обеспечивает регистрацию информации о перемещающихся объектах и ее обработку и передачу в реальном масштабе времени.

Формула изобретения

ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее оптически связанные лазер, предметный канал, выход которого оптически сопряжен с объектом, опорный канал, блок формирования голограмм, вход которого оптически сопряжен с объектом, блок воспроизведения голограмм и блок синхронизации, при этом предметный канал включает в себя последовательно расположенные дефлектор, первый набор световодов и линейку неэквидистантно расположенных рассеивающих линз, опорный канал включает в себя второй набор световодов, блок формирования голограмм включает в себя последовательно оптически расположенные линейку микрообъективов, входы которой образуют вход блока формирования голограмм, и линейку фотоприемников, входы которой соединены с выходами световодов из второго набора, а выход блока воспроизведения голограмм подключен к выходу блока формирования голограмм, отличающееся тем, что, с целью повышения качества изображений, вход опорного канала оптически сопряжен с объектом, в предметный канал устройства дополнительно введены генератор высокой частоты, снабженный блоком управления, блок накачки и набор зеркальных отражателей, в которые помещены световоды из первого набора, свернутые в спираль и оптически сопряженные с выходом блока накачки, при этом выход генератора высокой частоты подключен к управляющему входу дефлектора, в опорный канал устройства дополнительно введены последовательно расположенные телескопический объектив, вход которого является входом опорного канала, квантовый усилитель, пространственный фильтр и окуляр, выход которого сопряжен с входами световодов из второго набора, а в блок формирования голограмм дополнительно введены последовательно электрически соединенные линейка усилителей промежуточной частоты, линейка пиковых детекторов, линейка ключевых элементов и оперативное запоминающее устройство, выход которого является выходом блока формирования голограмм, а выходы блока синхронизации подключены соответственно к входам лазера, блока управления генератором высокой частоты, блока накачки, квантового усилителя, линейки ключевых элементов и оперативного запоминающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1