Цветной объемный дисплей

 

Изобретение относится к средствам визуализации и может быть использовано для получения цветных трехмерных изображений при физических экспериментах и в системах индикации, содержит лазер, блок сканирования и модуляции лазерного излучения и визуализации в виде набора пластин, вращающихся относительно общей оси устройства и имеющих наклон по отношению к плоскости, перпендикулярной этой оси. Каждая из пластин покрыта веществом, преобразующим лазерное излучение в видимое. Состав веществ для каждой из пластин различен и определяется используемой колориметрической системой. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для воспроизведения цветных трехмерных изображений при физических экспериментах, в системах управления воздушным движением, в компьютерной томографии, САПР и т.п.

Известны устройства визуализации объемных изображений [1], в которых используется один лазер с двухкоординатным устройством для сканирования лазерного луча по двум декартовым координатам, при этом для получения третьей координаты изображений используется объем, образованный быстро вращающимся полупрозрачным телом сложной формы, на котором происходит рассеяние лазерного луча, сканирующего в двумерном пространстве.

Однако у подобных устройств есть существенный недостаток, заключающийся в том, что объемное изображение объекта получается одноцветным, причем цвет изображения определяется типом применяемого лазера.

Наиболее близким к заявляемому устройству является цветной трехмерный лазерный дисплей [2], содержащий источник лазерного излучения, состоящий из трех лазеров, блок сканирования и модуляции лазерного излучения, а также визуализатор, представляющий собой светорассеивающее спиралевидное тело, установленное с возможностью вращения вокруг своей оси.

Принцип работы такого устройства следующий.

Световой луч от лазера проходит установленный по ходу оптического луча блок сканирования и модуляции лазерного излучения. На выходе блока сканирования световой луч отклоняется по двум координатам и, достигнув светорассеивающего тела, рассеивается на его поверхности, образуя светящуюся точку. Сканирование светового луча в плоскости позволяет сформировать светящуюся точку в любом месте светорассеивающего тела, что обеспечивает две координаты при формировании трехмерных изображений. Вращение светорассеивающего тела вокруг своей оси обеспечивает третью координату объемного изображения, причем каждому положению светорассеивающего тела должны соответствовать свои подсвеченные точки в соответствии с выводимым изображением объемного предмета. Если светорассеивающее тело вращается с частотой, превышающей видимую частоту мельканий, и сканирование светового луча синхронизовано с вращением тела, то в глазу наблюдателя происходит усреднение последовательно подсвеченных точек, что формирует из их совокупности объемную картину. Модуляция интенсивности светового луча осуществляется с целью получения полутоновых изображений. Для образования цветности формируемого изображения используется трехцветное излучение трех лазеров различных типов, подаваемое на вход блока сканирования и модуляции.

Видно, что для такого устройства необходимы три лазера со спектральными характеристиками излучения, соответствующими трем основным цветам используемой колориметрической системы. Это сильно усложняет и удорожает конструкцию источника излучения. Кроме того, серьезным препятствием для получения качественных цветных объемных изображений является проблема совмещения лучей трех лазеров в пространстве. Это в значительной степени усложняет конструкцию блока сканирования и модуляции.

Задача изобретения - создание простого устройства для формирования цветных трехмерных изображений.

Сущность изобретения заключается в том, что в цветном объемном дисплее, содержащем лазер, блок сканирования и модуляции лазерного излучения и визуализатор, представляющий собой тело сложной формы с возможностью вращения вокруг своей оси, визуализатор выполнен в виде набора пластин, установленных наклонно к плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем число пластин кратно числу основных цветов используемой колориметрической системы и каждая из них покрыта веществом, преобразующим излучение лазера в видимое излучение одного из основных цветов используемой колориметрической системы.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении цветности формируемого объемного изображения за счет последовательного рассеивания луча лазера на нескольких пластинах, каждая из которых покрыта веществом, преобразующем длину волны лазера в один из основных цветов используемой колориметрической системы.

Цветное объемное изображение формируется в объеме, образуемом вращающимися пластинами (объеме визуализации). Рассмотрим одну из точек этого объема. Цвет этой точки формируется за счет последовательного возбуждения лучом лазера вещества, которым покрыты пластины, в момент прохождения пластин через эту точку. Поскольку пластины покрыты веществом, преобразующим излучение лазера в видимое излучение одного из основных цветов используемой колориметрической системы, и благодаря инерционности зрения, при быстром вращении пластин последовательно воспроизводимые цвета воспринимаются человеком как один смешанный цвет.

Применение в качестве визуализатора системы из наклонных к плоскости вращения пластин, покрытых веществом с нелинейным преобразованием длины волны падающего на них излучения, позволяет существенно упростить конструкцию источника излучения, поскольку необходим только один лазер, а также конструкцию блока модуляции и отклонения, так как в этом случае не существует проблемы пространственного совмещения лучей.

В заявляемом устройстве лазер может иметь рабочую длину волны в инфракрасном диапазоне. Выбор такой длины волны лазера делает невидимым рассеяние его излучения на частицах пыли и отражение от материала защитного колпака, который в реальной конструкции закрывает вращающиеся пластины. Также невидимыми становятся побочные составляющие пространственного распределения лазерного излучения, неизбежные при дифракции на акустооптическом кристалле, используемом в блоке сканирования и модуляции.

На чертеже представлена схема заявляемого устройства.

Устройство для формирования цветных объемных изображений содержит лазер 1, блок 2 сканирования и модуляции лазерного излучения, расположенный по ходу оптического луча лазера 1, и оптически связанный с блоком 2 визуализатор 3, выполненный в виде трех пластин 4 - 6, закрепленных с возможностью вращения относительно общей оси и установленных наклонно к плоскости, перпендикулярной оси вращения. Каждая из пластин покрыта веществом, состав которого отличается от состава веществ, покрывающих другие пластины. Состав веществ подбирается таким образом, чтобы при преобразовании длины волны лазерного излучения в видимое, на каждой из пластин возникала светящаяся точка одного из основных цветов используемой колориметрической системы, например, красного, зеленого или синего.

Устройство работает следующим образом.

Луч лазера 1 проходит через установленный по ходу оптического луча блок 2 сканирования и модуляции лазерного излучения. На выходе блока 2 световой луч, модулированный по интенсивности, отклоняется в двумерном пространстве и, достигнув одной из наклонных пластин 4, 5 или 6 визуализатора 3, образует светящуюся точку.

Восприятие полноцветного объемного изображения основывается на инерционности зрения. Для этого частота вращения пластин 4 - 6 выбирается по меньшей мере в три раза выше видимой частоты мельканий. Отклоненный блоком 2 луч подсвечивает заданную точку пространства в пределах объема визуализации последовательно на каждой пластине 4 - 6. Поскольку пластины покрыты веществами различного состава, то при быстром вращении пластин 4 - 6 последовательно воспроизводимые цвета воспринимаются как один цвет. В сочетании с модуляцией луча по интенсивности это позволяет получить любой цветовой оттенок подсвечиваемой точки.

Подобным образом можно сделать видимой и окрасить в произвольный цвет любую точку или совокупность точек в пределах визуализируемого объема пространства.

Совокупность всех подсвеченных точек визуализируемого объема пространства образует цветное объемное изображение.

При реализации устройства в качестве источника света может быть использован лазер с длиной волны излучаемого света, равной 1,06 мкм.

В качестве отклоняющей системы могут быть использованы известные двухкоординатные акустооптические дефлекторы на основе парателлурита TeO₂.

Модуляция интенсивности излучения выполняется с помощью известных акусто- или электрооптических модуляторов [3].

Вещества с нелинейным преобразованием длины волны падающего света составляются на основе люминофоров или материалов, обладающих эффектом двухфотонного поглощения [4].

Остальные элементы являются стандартными для оптической и электронной аппаратуры и примеры их выполнения широко известны.

Источники информации 1. Шэндл. Д. Наконец-то реальная трехмерность! - Электроника, 1990, N 18, с. 7-9.

2. Chinnock Ch. Volumetric imaging provides a walk-around view//Laser Focus World, 1994, Sept. p. 20.

3. Ярив А. Введение в оптическую электронику/Пер. с англ. - M.: Высшая школа, 1983, с. 323-327, 241-246.

4. Ярив А. Оптические волны в кристаллах/Пер. с англ. - M.: Мир, 1987, с. 551-554.

Формула изобретения

1. Цветной объемный дисплей, содержащий лазер, блок сканирования и модуляции лазерного излучения и визуализатор, представляющий собой тело сложной формы с возможностью вращения вокруг своей оси, отличающийся тем, что визуализатор выполнен в виде набора пластин, установленных наклонно к плоскости, перпендикулярной оси его вращения, так, чтобы отклоненный блоком сканирования и модуляции лазерного излучения луч подсвечивал заданную точку пространства в пределах объема визуализации последовательно на каждой пластине, число которых кратно числу основных цветов используемой колориметрической системы, причем поверхность каждой из пластин покрыта веществом, преобразующим излучение лазера в видимое излучение соответствующего основного цвета используемой колориметрической системы.

2. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что лазер имеет рабочую длину волны в инфракрасном диапазоне.

РИСУНКИ

Рисунок 1