Способ и устройство для кодирования и восстановления видеоголограмм, сформированных компьютером
Изобретение относится к голографии. Способ и устройство предназначены для восстановления голографических трехмерных объектов наблюдения с использованием пикселей с электронным управлением в голографической матрице (3), с минимальной разрешающей способностью, которые как можно лучше обеспечивают отсутствие мерцания и перекрестной помехи, в режиме реального времени и для обоих глаз одновременно, в большой зоне просмотра. В способе используются преимущества средства (2) оптического фокусирования для формирования изображения вертикально когерентного света, излучаемого линейным источником (1) света в окнах (8R, 8L) просмотра после модуляции с помощью матрицы (3) пикселя. Голографическое восстановление (11) объекта наблюдения является видимым из окон (8R, 8L) просмотра. Управляемые пиксели расположены в столбцах (15, 16) пикселей, которые кодируют отдельные голограммы одного и того же объекта для обоих глаз (R, L) наблюдателя. Средство (7) разделения изображения с разделяющими элементами открывает соответствующие столбцы (15, 15' или 16, 16') пикселей для одного глаза и закрывает их для другого глаза. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.
Уровень техники
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и устройству для кодирования и восстановления сформированных компьютером видеоголограмм большей площади с использованием дисплея с обычной, то есть коммерчески доступной разрешающей способностью; причем дисплей обеспечивает большой угол обзора и высокое пространственное качество изображения. Дисплей включает в себя голографическую матрицу с управляемыми пикселями, которые электронным способом воздействуют на амплитуду и/или фазу света. Такая матрица известна как пространственный модулятор света (ПМС, SLM). Соответствующая матрица для восстановления модуляции амплитуды световой структуры для восстановления видеоголограмм представляет собой, например, жидкокристаллический дисплей (ЖКД, LCD). Однако настоящее изобретение также можно применять с другими управляемыми голографическими матрицами, в которых используют когерентный свет для модуляции фронта световой волны.
Определение терминов
Термином "шаг" в этом документе называется расстояние между центрами двух соседних пикселей в матрице. Он, таким образом, характеризует разрешающую способность дисплея.
Термином "кодирование" называется способ подачи на голографическую матрицу управляющих значений, в результате чего она восстанавливает трехмерный объект наблюдения. В соответствии с настоящим изобретением указанный объект наблюдения можно видеть через "окна просмотра".
Окно просмотра представляет собой пересечение зоны просмотра и плоскости наблюдателя. Наблюдатель может видеть восстановленный объект, если, по меньшей мере, один его глаз находится в окне просмотра.
Описание предшествующего уровня техники
Недостаток трехмерных автостереоскопических дисплеев, в которых используется обычная оптика, состоит в несоответствии между параллаксом и хрусталиковой аккомодацией глаза. С одной стороны, каждый глаз видит объект наблюдения в различной перспективе, что способствует созданию впечатления глубины объекта на любом расстоянии. С другой стороны, каждый вид в перспективе находится на самой поверхности дисплея. Следовательно, глаз фокусируется на поверхности дисплея, и каждый глаз видит плоское изображение. В результате образуется несоответствие между видимыми объектами и произвольной глубиной, то есть не находящейся на поверхности дисплея, возникающее в результате параллакса и аккомодации глаз к фиксированной поверхности дисплея. В результате может возникнуть неприятное ощущение и усталость глаз. Это можно предотвратить при использовании голографических дисплеев, которые восстанавливают объекты трехмерного объекта наблюдения с правильной глубиной.
Голографический дисплей восстанавливает объекты, используя когерентное наложение световых волн. С этой целью пространственный модулятор света (ПМС) формирует волновую структуру. Эта голограмма представляет собой преобразование Френеля восстанавливаемого трехмерного объекта наблюдения. ПМС дифрагирует световые волны и восстанавливает объект наблюдения. По мере выборки голограммы происходит периодическое повторение восстановления, которое связано с интервалом периодичности. Таким образом, наблюдатель может видеть восстановление в пределах области просмотра, заданной интервалом периодичности. Максимальный дифракционный угол ПМС, который зависит от шага пикселя, определяет зону просмотра. Большая проблема при кодировании и восстановлении видеоголограмм состоит в том, что достаточно большая зона просмотра должна быть обеспечена для просмотра восстановленной голограммы.
В обычных голографических дисплеях зона просмотра должна охватывать, по меньшей мере, расстояние между глазами, что требует использовать пиксели с размером не больше, чем приблизительно 10 мкм. Даже для малой площади дисплея 100 мм × 100 мм количество пикселей получается порядка 100 миллионов. Это требует использования дорогостоящих аппаратных средств и длительного времени для расчетов, даже когда дисплей упрощен до голограммы, обладающей только горизонтальным параллаксом. В доступных в настоящее время дисплеях большой площади обычно используются топографические матрицы с шагом пикселей, который дифрагирует свет только для очень малой зоны просмотра, в результате становится невозможным просматривать восстановленный трехмерный объект наблюдения обоими глазами.
Известно несколько решений этих проблем.
Документ К.Maeno, N.Fukaya, O.Nishikawal, "Electro-holographic display using 15 Mega pixels ЖКД", Advanced 3D Telecommunication Project, 1996, SPIE, Vol.2652 относится к голографическим трехмерным дисплеям, в которых используются коммерчески доступные жидкокристаллические дисплеи (ЖКД). В этом документе описано устройство восстановления видеоголограмм, в котором используется пять специальных дисплеев с высокой разрешающей способностью вместо обычного ЖКД с низкой разрешающей способностью; зона просмотра увеличена, поскольку значения разрешающей способности каждого дисплея комбинируются для получения общей высокой разрешающей способности. Все дисплеи соединены либо непосредственно друг с другом, либо с использованием оптической репродукции. Используется только горизонтальный параллакс, вертикальный параллакс игнорируется. Известное решение требует разрешающей способности 15 мегапикселей, обеспечиваемой в модуле, состоящем из пяти специальных дисплеев, каждый из которых содержит 3200×960 пикселей, для восстановления видеоголограммы в объеме всего 50 мм × 150 мм и глубиной 50 мм. Зона просмотра имеет ширину только 65 мм, что соответствует приблизительно расстоянию между глазами, в результате чего объект наблюдения едва можно рассматривать обоими глазами. Требуемая разрешающая способность зависит от требуемого размера видеоголограммы и зоны просмотра. Однако такая компоновка имеет существенные недостатки: использование множества дисплеев и больших линз для восстановления, приводящие к большим размерам по глубине и объему, и существенные требования к вычислительной мощности.
Другой способ увеличения зоны просмотра описан в документе Т.Mishina, M.Okui, F.Okano, "Viewing zone enlargement method for sampled hologram that uses high-order diffraction", Applied Optics, 2002, Vol.41, No.8. В соответствии с этим способом для восстановления голограммы используется не только первый порядок дифракции, но также и другие порядки дифракции; которые объединяются для формирования общего пространства просмотра. Соответствующие видеоголограммы для определенного объекта последовательно представляют на жидкокристаллическом дисплее. Благодаря использованию второго жидкокристаллического дисплея, который действует как фильтр пространственной частоты, отдельные порядки дифракции фильтруют во время восстановления. Видимые области генерируют последовательно и объединяют пространственно. В результате получается зона просмотра, которая все еще уже, чем 65 мм, так что восстановленный объект можно просматривать только одним глазом. И снова этот способ имеет недостаток, состоящий в потребности существенной вычислительной мощности. Кроме того, требуется, чтобы матрицы пикселей имели чрезвычайно короткое время переключения.
При последовательном объединении нескольких порядков дифракции используемые дисплеи должны иметь большую разрешающую способность и высокую скорость переключения для предотвращения мерцания изображения. По этой причине часто используют двоичные голограммы. Однако в них возникают существенные ошибки в результате двоичного кодирования.
Общий дополнительный недостаток описанных выше известных голографических способов состоит в потребности существенной вычислительной мощности для кодирования голограмм.
Устройство, описанное в документе WO 2003/021363 (А1), восстанавливает видеоголограммы только с горизонтальным или, соответственно, вертикальным параллаксом. В качестве средства освещения используется линейный источник света, который генерирует монохромный свет с полосой пропускания меньше 10 нм и который является когерентным в горизонтальном направлении, но не когерентным в вертикальном направлении.
В обычных голографических дисплеях окно просмотра намного больше, чем зрачок глаза. Вследствие этого значительные усилия были приложены для проецирования света в область, в которой не находится наблюдатель.
Основная идея предыдущей заявки на патент WO 2004/044659 (А2) настоящего заявителя состоит в уменьшении окна просмотра до размера, который лишь незначительно больше, чем зрачок глаза. Это значительно снизило бы требования к максимальной разрешающей способности дисплея. В документе описано устройство, предназначенное для восстановления видеоголограмм с уменьшенным размером окна просмотра. Устройство содержит, по меньшей мере, один точечный источник света или линейный источник света, который обеспечивает в достаточной степени когерентный свет, линзу и голографическую матрицу, ячейки которой расположены в виде матрицы, по меньшей мере, с одним отверстием на ячейку, при этом фазой или амплитудой отверстия можно управлять. Плоскость просмотра расположена в плоскости изображения источника света.
Информацию голограммы дискретизируют по пикселям и отображают в матрице ЖКИ. Дискретизированные голограммы всегда обладают свойством периодического повторения восстановленного объекта наблюдения и окна просмотра. Следует следить за тем, чтобы окна просмотра не перекрывались, поскольку в этом случае будет видно множество восстановлений. Благодаря ограничению области голограммы, в которой кодирована информация объекта наблюдения, можно исключить перекрытие. Эта область должна быть ограничена так, чтобы свет, исходящий из точек восстановленного объекта наблюдения, был ограничен одним окном просмотра. Поэтому устройство восстанавливает видеоголограмму в одном интервале периодичности Фурье-преобразования в плоскости просмотра. Восстановленный трехмерный объект наблюдения можно просматривать обоими глазами через окно просмотра, расположенное перед глазами. Восстановленный объект наблюдения видим внутри усеченного конуса восстановления, который проходит между областью отображения и окном просмотра; таким образом, объект наблюдения может быть восстановлен на поверхности матрицы, перед ней или позади нее. Известное решение позволяет использовать обычный жидкокристаллический дисплей с разрешающей способностью, близкой к 3 миллионам пикселей, при приемлемых затратах на аппаратные средства и вычислительную мощность.
Источник света в соответствии с этим документом считается достаточно когерентным, если свет является пространственно когерентным до степени, обеспечивающей возможность интерференции, что обеспечивает возможность голографического восстановления с достаточной разрешающей способностью, по меньшей мере, в одном измерении. Эти требования также можно удовлетворить, используя обычные источники света, такие как светодиодный узел, если они излучают свет через соответствующую узкую щель. Спектральная полоса пропускания светодиодов высокой яркости является достаточно узкой для обеспечения временной когерентности для голографического восстановления. Линейный источник света можно рассматривать как точечный источник света, если смотреть на него под прямым углом к его длине. Свет при этом становится когерентным в этом направлении и некогерентным в перпендикулярном направлении. Для обеспечения временной когерентности свет должен иметь достаточно узкий диапазон длин волн. Цветные голограммы можно отображать, когда информация может быть разделена пространственно на монохромные спектральные участки, последовательно или с использованием фильтра. Пиксели с электронным управлением, размещенные в виде голографической матрицы, могут представлять собой ПМС, модулирующий амплитуду, ПМС, модулирующий фазу, или ПМС, который одновременно модулирует как амплитуду, так и фазу световой волны, способный создавать интерференцию. В матрицах из пикселей, которые не могут непосредственно управлять фазой когерентного света, например, в обычном ЖКД, может использоваться известный способ кодирования с обходом фазы, в результате чего управляют фазой света путем установки амплитуды с использованием нескольких управляемых пикселей на точку голографического изображения. Для кодирования комплексного значения для одной точки голографического изображения матрицы при такой известной методике кодирования используют три пикселя с электронным управлением.
В отличие от общеизвестных решений, в настоящем изобретении и в решении в соответствии с заявкой WO 2004/044659 (А2) информацию голограммы кодируют для одной точки объекта наблюдения только для ограниченной кодированной области голографической матрицы. Расширение кодированной области и ее положение выбирают таким образом, чтобы точки восстановленного объекта наблюдения были видимы только в пределах окна просмотра. Наблюдатель не может видеть периодические повторения точки восстановленного объекта наблюдения, поскольку свет, излучаемый из этих точек, не попадает в центральное окно просмотра. Расширение кодированной области и ее положение зависят от координат х, у и z точек объекта наблюдения.
Зрачок глаза должен быть расположен в окне просмотра. Из-за небольших размеров окон устройство отслеживания положения глаза детектирует глаза наблюдателя и управляет положением окон просмотра в соответствии с перемещением наблюдателя. Вертикальное отслеживание достигается путем вертикального перемещения источника света. В результате этого сдвигается окно просмотра, содержащее восстановленный объект наблюдения.
Другой способ снижения затрат при восстановлении видеоголограмм состоит в выделении двух отдельных окон просмотра, по одному для каждого глаза наблюдателя, что обеспечивается использованием двух отдельных, в соответствующей степени когерентных источников света, которые включают поочередно, и двух отдельных голограмм, кодированных синхронно с переключением источников света. ПМС поочередно кодирует две видеоголограммы, отображающие разные перспективы.
Из-за малой частоты обновления и больших задержек переключения доступных аппаратных средств, при последовательном представлении возникают перекрестные помехи между двумя глазами.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в восстановлении видеоголограмм в режиме реального времени с использованием пикселей с электронным управлением, расположенных в виде матрицы с минимальной разрешающей способностью, например, доступной коммерчески за приемлемую стоимость на рынке товаров массового потребления, с минимальным мерцанием и перекрестными помехами; причем восстановление обеспечивается одновременно для обоих глаз в большой области просмотра, так что требуемая скорость обновления является по существу низкой.
Для достижения этой цели настоящее изобретение основано на способе кодирования и восстановления видеоголограмм, в котором когерентный свет, передаваемый линейным источником света и изображаемый с помощью средства оптического фокусирования, пропускают через управляемые пиксели одной голографической матрицы в окна просмотра, которые расположены в одном порядке дифракции, рядом с глазами наблюдателя, для восстановления объекта наблюдения, голографически кодированного с помощью управляемых пикселей, и, таким образом, для обеспечения его видимости через два отдельных окна просмотра для двух глаз наблюдателя.
В соответствии с настоящим изобретением используемый свет является когерентным только в вертикальном направлении, в результате чего управляемые пиксели формируют вертикальное одномерное восстановление голограмм одного и того же трехмерного объекта наблюдения для обоих глаз наблюдателя. Кодирование голографической матрицы разделено горизонтально на две группы столбцов пикселей. Каждую группу выделяют для одной из двух отдельных видеоголограмм: каждая из них отображает одну из двух перспектив. Голографическую матрицу кодируют, используя обе группы столбцов пикселей, с горизонтальным перемежением одновременно; в результате чего формируют две пространственно перемежающиеся голограммы объекта наблюдения. Это означает, что все столбцы пикселей первой группы столбцов матрицы пикселей восстанавливают голограмму для одного глаза наблюдателя, в то время как расположенные рядом столбцы пикселей второй группы столбцов одновременно восстанавливают голограмму для другого глаза. Поскольку горизонтально некогерентный свет восстанавливает объект наблюдения обычным образом, можно использовать известное средство разделения изображения с разделяющими элементами, расположенными параллельно столбцам, для выбора двух голограмм для левого и правого глаза. Средство разделения изображения, расположенное на некотором расстоянии от матрицы пикселей, открывает группу столбцов для одного глаза и закрывает группу столбцов для другого глаза.
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в создании устройства для кодирования и восстановления видеоголограмм с использованием плоского и тонкого корпуса, в котором исключается использование дорогостоящих и тяжелых оптических компонентов и компонентов электронных аппаратных средств большого размера.
Устройство в соответствии с изобретением основано на линейном источнике света, который излучает когерентный свет и который содержит средство вертикального фокусирования и матрицу пикселей, содержащую управляемые пиксели, которые модулируют амплитуду или фазу или оба эти параметры когерентного света.
В соответствии с настоящим изобретением источник света расположен горизонтально, в результате чего его свет является когерентным в вертикальном направлении и некогерентным в горизонтальном направлении. Одномерные видеоголограммы кодируют, используя управляемые пиксели матрицы пикселей в столбцах пикселей, в результате чего первая и вторая группы столбцов раздельно кодируют одномерную, вертикально дифрагирующую голограмму одного объекта наблюдения для двух положений глаза, где обе группы столбцов перемежаются горизонтально. Столбцы пикселей перемежаются таким образом, что средство разделения изображения, которое расположено на оптическом пути света, представляет или открывает группы столбцов для одного глаза наблюдателя и закрывает их для другого глаза с помощью разделительных элементов, расположенных параллельно столбцам. Голограмма для каждого глаза восстанавливает трехмерный объект наблюдения в пространстве восстановления перед каждым соответствующим окном просмотра. Две голограммы отличаются горизонтальным параллаксом в соответствии с расстоянием между зрачками наблюдателя. Две голографически кодированные группы столбцов представляют два голографических восстановления одного и того же объекта наблюдения. Оба глаза видят эти восстановления одновременно в отдельных окнах просмотра.
Барьерная маска может быть расположена на некотором расстоянии от матрицы пикселей, в качестве средства разделения изображения. Разделяющие элементы при этом представляют собой прозрачные и непрозрачные полоски, которые всегда открывают одну из групп перемежающихся столбцов для левого или правого глаза наблюдателя и закрывают их для другого глаза.
Голографически кодированные столбцы группы предпочтительно восстанавливают частичные изображения одного и того же объекта наблюдения в соответствии с положением глаза, которые составляют так, чтобы формировалось полное восстановление объекта наблюдения при просмотре его обоими глазами.
Порядок выполнения этапов описанного выше процесса может быть различным. В частности, этапы фокусирования, голографической модуляции и разделения голограммы можно менять местами.
Для формирования окон просмотра для наблюдателя в большой зоне система детектирования положения глаз отслеживает горизонтальное, вертикальное и, предпочтительно, осевое положение глаз наблюдателя, в результате чего положение окон просмотра может соответствующим образом следовать за перемещением наблюдателя. В качестве альтернативы, устройство кодирования может изменять или может повторно рассчитывать кодированную голограмму с использованием разных перспектив на основе нового положения наблюдателя, в результате чего восстановление представляется для наблюдателя смещенным и/или повернутым, то есть под другим углом обзора. В зависимости от положений глаз матрица пикселей может быть повторно кодирована с использованием программного средства, в результате чего голографическое восстановление становится видимым в фиксированном пространственном положении.
Если изменяется вертикальное положение глаз наблюдателя, окна просмотра отслеживаются путем вертикального перемещения источника света.
Если изменяется горизонтальное положение глаз наблюдателя, система детектирования положения глаз корректирует положение окна просмотра, предпочтительно, путем перемещения групп столбцов относительно средства разделения изображения. В качестве альтернативы, средства разделения изображения и, в частности, разделяющие элементы можно смещать относительно групп столбцов. Использование горизонтальных линейных источников света упрощает отслеживание окна просмотра.
Если положение глаз наблюдателя изменяется вдоль оси, расстояние между источником света и средством оптического фокусирования будет соответствующим образом адаптировано.
Отслеживание окон просмотра в соответствии с положениями глаз наблюдателя перед дисплеем обеспечивает видимость голографического восстановления в большой зоне с постоянно высоким качеством восстановления.
Далее будут более подробно описаны способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением на примере варианта выполнения. Принцип изобретения поясняется на основе голографического восстановления с использованием монохромного света. Однако для специалистов в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение также можно применять для цветных голографических восстановлений. В последнем случае управляемые пиксели в каждом столбце пикселей представляют основные цвета, требуемые для восстановления цвета с пространственным или временным мультиплексированием. Настоящее изобретение поэтому делает возможными полноцветные, с передачей всех движений, голографические телевидение, фильмы, компьютерные игры, а также может использоваться в специальных вариантах применения, в которых используется преимущество трехмерного воспроизведения видеоизображения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлено восстановление трехмерного объекта наблюдения с двумя пучками лучей между плоскостью просмотра и средством разделения изображения (вид сверху).
На фиг.2 подробно представлено устройство в соответствии с изобретением (проекция).
На фиг.3 подробно представлено устройство в соответствии с изобретением (вид сверху).
На фиг.4 представлено восстановление объекта наблюдения, воспринимаемого наблюдателем (вид сверху).
Осуществление изобретения
В предпочтительном варианте выполнения изобретения информация трехмерного объекта наблюдения кодируется в пропускающей свет голографической матрице, пиксели которой управляются компьютером с соответствующим кодированием для формирования структуры пикселей. Однако основная идея изобретения не ограничивается описанной пропускающей свет голографической матрицей. Можно использовать как пропускающие, так и отражающие голографические матрицы или матрицы, которые непосредственно модулируют фазу световых волн, такие как ячейки Фредерикса.
На фиг.1 показан линейный источник 1 света, который освещает через средство 2 фокусирования голографическую матрицу 3. Средство 2 фокусирования представляет собой расположенную горизонтально цилиндрическую линзу, которая изображает свет линейного источника 1 света в плоскости 5 просмотра, содержащую окна 8r, 81 просмотра.
На фиг.1 представлено голографическое кодирование одного небольшого объекта; голографическая матрица восстанавливает трехмерный отображаемый объект наблюдения. Этот небольшой восстановленный объект 11 показан в виде кружка. В соответствии с изобретением голографическая информация восстановленного объекта 11 кодируется только в двух ограниченных областях AL и AR голографической матрицы 3. Протяженность и положение кодированных областей AL и AR выбирают таким образом, чтобы восстановленный объект 11 можно было видеть только в пределах соответствующих окон 8r или 8l просмотра.
Для восстановления объекта 11 голографическую матрицу 4 кодируют, используя структуру пикселей, которая формирует пучки лучей 9 и 10 света, свет которых пространственно модулирован в результате его пропускания через управляемые, пропускающие свет пиксели голографической матрицы 3.
В соответствии с настоящим изобретением расположенный горизонтально линейный источник 1 света генерирует свет, который является пространственно когерентным в вертикальном направлении и некогерентным в горизонтальном направлении из-за его линейной ориентации. Пиксели голографической матрицы 3 кодируют, используя структуры двух разных видеоголограмм, которые расположены в столбцах; столбцы восстанавливают только в вертикальном направлении. Восстановление можно просматривать в порядке дифракции через окно 8r, 8l просмотра, в плоскости 5 просмотра. Из-за некогерентности света в горизонтальном направлении только в этом направлении источник 1 света изображается средством 2 фокусирования.
На фиг.1, кроме того, показано средство 7 разделения изображения, которое делает пучок лучей 9 видимым только для правого глаза R и пучок лучей 10 видимым только для левого глаза L.
Поскольку средство 2 фокусирования и топографическая матрица 3 расположены на минимальном расстоянии друг от друга, они могут быть даже переставлены. Средство 7 разделения изображения, которое представляет собой разделяющие элементы, установленные на оптическом пути, также может быть расположено в разных положениях.
Средство 2 оптического фокусирования может представлять собой вертикально фокусирующую цилиндрическую линзу, как показано на чертеже, линзу Френели или двояковыпуклую линзу.
Голографическая матрица 3 соответствует матрице пропускающего свет плоского дисплея с высокой разрешающей способностью, например, обычного ЖКД. Если для установки фазового соотношения используется способ кодирования с обходом фазы или аналогичный способ, который модулирует амплитуду света, для голографического восстановления используют более высокий порядок дифракции в интервале периодичности. Кроме того, пиксели, необходимые для управления фазой, должны быть расположены рядом друг с другом в вертикальном направлении, поскольку свет не способен создавать интерференцию в горизонтальном направлении. Матрицы пикселей, обычно используемые в плоских дисплеях, имеют подпиксели, расположенные рядом друг с другом в горизонтальном направлении; по этой причине такая матрица должна быть повернута на 90°. Предпочтительно, можно использовать матрицы пикселей, пиксели в которых непосредственно модулируют и фазу, и амплитуду света.
На фиг.2 показано устройство в соответствии с изобретением в проекционном виде, и на фиг.3 подробно показан вид сверху. Вертикально когерентное освещение каждой голограммы позволяет получить восстановление 11 трехмерного объекта наблюдения, которое формируется в усеченных конусах 12r, 12l, которые проходят между краями матрицы 3 пикселей и окон 8r, 8l просмотра. В отличие от фиг.1 на фиг.2 показано голографическое восстановление 11 всего 3-мерного объекта наблюдения. Восстановление 11 может быть расположено перед голографической матрицей 3, на ней или позади нее. Горизонтально некогерентное освещение позволяет использовать известные средства разделения для выбора голограмм для каждого соответствующего глаза, в результате чего восстановление объекта наблюдения с горизонтальным параллаксом формируют с помощью двух голограмм, которые просматривают обоими глазами. Это означает, что обе голограммы отличаются величиной горизонтального параллакса в соответствии с расстоянием между глазами.
Как показано на фиг.3, две одномерные видеоголограммы кодируют в управляемых пикселях матрицы 3 пикселей, расположенной в столбцах 15-16'' пикселей, где группа 15-15'' столбцов восстанавливает одномерную голограмму для правого глаза R наблюдателя, и группа 16-16'' столбцов восстанавливает одномерную голограмму того же объекта наблюдения для левого глаза L наблюдателя. В описываемом варианте выполнения две группы столбцов поочередно перемежаются в горизонтальном направлении. Средство 7 разделения изображения содержит разделяющие элементы 17-19, расположенные в линию со столбцами 15-16'' пикселей и на оптическом пути изображаемого света. Перемежение реализовано таким образом, что средство 7 разделения изображения открывает группу 15-15'' столбцов для одного глаза наблюдателя и закрывает группу 16-16'' столбцов, соответственно, для другого глаза.
Голограммы с пространственным перемежением могут быть разделены с помощью барьерной маски, имеющей вертикальные, поочередно прозрачные и непрозрачные полоски 17-19. Маска расположена перед или позади матрицы 3 пикселей. Прозрачные полоски открывают первую группу 15-15'' столбцов для правого глаза R. Первая группа столбцов одновременно закрывается непрозрачными полосками для левого глаза L1.
На фиг.2 стрелками 20 и 21 показан вид для наблюдателя из отслеживаемых виртуальных окон 8r, 8l просмотра в плоскости 5 просмотра на столбцы 15 и 16 пикселей, на примере одного столбца 15, 16 каждой группы столбцов. В действительности, несколько сотен столбцов пикселей и групп столбцов пикселей участвуют в перемежающихся голографических восстановлениях трехмерного объекта наблюдения 11. Средство разделения изображения содержит такое же количество разделяющих элементов.
Расстояние между маской 7 разделения изображения и матрицей 3 пикселей (см. фиг.4) и расстояние между отдельными полосками, которые, предпочтительно, имеют одинаковую ширину, выбирают таким образом, чтобы только видеоголограмма, предназначенная для соответствующего глаза, была видима для наблюдателя.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения несколько соседних столбцов пикселей могут быть сгруппированы так, что они будут формировать общий столбец из множества пикселей. Каждый столбец из множества пикселей принадлежит одной из двух голограмм и становится видимым как целая голограмма для соответствующего глаза R или L при использовании средства 7 разделения изображения. В этом случае столбцы из множества пикселей двух голограмм перемежаются поочередно.
Кодирование голограмм в столбцах с множеством пикселей снижает эффект перекрестной помехи. Если наблюдатель перемещается горизонтально, полное отслеживание окон просмотра позволяет эффективно подавлять искажения изображения. Столбцы пикселей, представляющие собой столбцы из множества пикселей, предпочтительно модулируют свет по-разному. Например, только один столбец пикселей из двух или больше соседних столбцов пикселей каждого столбца с множеством пикселей активно модулирует свет, в то время как другой столбец (столбцы) является неактивным. Это означает, что он выключен. Диапазон перемещения без перекрестных помех от голограммы для каждого глаза при этом, соответственно, увеличивается.
В результате образуется требуемая зона между двумя окнами просмотра, в которой восстановление не видимо. Без этой меры наблюдатель мог бы видеть искаженное восстановление в этой зоне до окончания отслеживания.
Отслеживание в горизонтальном направлении может быть ускорено только, если система детектирования положения и отслеживания включает и выключает отдельные столбцы пикселей в пределах столбцов из множества пикселей при горизонтальном движении наблюдателя.
Средство разделения изображения может представлять собой барьерную маску, двояковыпуклую линзу, специально разработанную с этой целью, или призматическую маску. Элементы разделения изображения в предпочтительном варианте выполнения имеют приблизительно удвоенный шаг по сравнению с соответствующей группой столбцов матрицы пикселей.
Система детектирования положения и отслеживания (не показана) отслеживает положение глаз наблюдателя для управления положением окон просмотра.
Изменения горизонтального положения глаза можно отслеживать путем перемещения разделяющих элементов средства 7 разделения изображения. Это может быть выполнено с помощью электронного средства, например, с использованием другой пропускающей свет матрицы пикселей с управляемым открыванием.
В качестве альтернативы, система детектирования положения и отслеживания смещает группы 15-16'' столбцов горизонтально относительно средства 7 разделения изображения для управления положением окон 8r, 8l просмотра. Это также может быть выполнено с помощью электронного средства, предпочтительно, путем повторного кодирования указанных выше столбцов из множества пикселей. Если только один столбец пикселей в каждом из столбцов из множества пикселей будет включен в какой-то момент для модуляции света, переключение на другой столбец пикселей в столбце из множества пикселей позволяет поддерживать горизонтальное отслеживание.
Кроме того, оба способа горизонтального смещения могут быть выполнены одновременно. Окнами просмотра можно управлять в вертикальном направлении путем вертикального перемещения линейного источника 1 света. Изменение расстояния между источником 1 света и цилиндрической линзой 2 позволяет компенсировать изменение осевого положения.
Если наблюдатель перемещается, будут перемещаться не только окна просмотра. Содержание голограмм также может быть повторно рассчитано и повторно кодировано, соответствующим образом, для адаптации к выделенной перспективе.
Отличительное свойство решения, предложенного в соответствии с этим изобретением, состоит в том, что для каждого из глаз R, L наблюдателя соответствующую видеоголограмму одновременно рассчитывают, кодируют и восстанавливают, и эти голограммы являются пространственно перемежеванными с помощью одной матрицы 3 пикселей, и эти два голографических восстановления могут быть представлены видимыми отдельно в соответствующих окнах 8R, 8L просмотра для правого и левого глаза с помощью средства 7 разделения изображения.
Эти две видеоголограммы отличаются горизонтальным параллаксом, который соответствует расстоянию между глазами. Это обеспечивает истинное 3-мерное представление объекта наблюдения.
Одновременное голографическое восстановление объекта наблюдения для обоих глаз наблюдателя гарантирует естественный вид, в результате чего обеспечивается адаптация и сведение глаз наблюдателя на любую точку объекта наблюдения при наличии правильной фокусировки.
Вертикальный размер окна просмотра находится в пределах одного порядка дифракции и при этом не должен превышать интервал периодичности восстановления видеоголограммы. В противном случае наблюдатель увидит наложение восстановления двух соседних порядков дифракции. Кроме того, размер окон просмотра должен быть адаптирован для обеспечения точности установки и скорости системы детектирования и отслеживания положения.
Преднамеренное уменьшение вертикального размера окон просмотра, как известно из WO 2003/021363 (А1), например, до 10 мм, уменьшает необходимую разрешающую способность дисплея и объем данных для обработки и передачи, по меньшей мере, в 100 раз.
Настоящее изобретение позволяет использовать коммерчески доступные управляемые матрицы, например, плоские дисплеи ЖКД, для восстановления голограмм.
В случае кодирования цветов с использованием чередующихся подпикселей RGB (красный, зеленый, синий) для трех основных цветов восстанавливают три отдельные частичные голограммы основных цветов, которые затем объединяют для формирования цветного восстановления.
На фиг.4 показано устройство в соответствии с изобретением, со всеми наложенными пучками лучей 13 для правого глаза и пучками лучей 14 для левого глаза.
Основное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что устройство работает в режиме пространственного мультиплексирования. Это позволяет получить удвоенную частоту изображения по сравнению с режимом временного мультиплексирования. Таким образом, одна матрица пикселей обеспечивает два параллельных голографических восстановления, причем оба они видимы раздельно для наблюдателя благодаря разделению изображения. Этот способ позволяет использовать голографические матрицы со средней скоростью обновления.
Окна 8R, 8L просмотра должны иметь размер, по меньшей мере, составляющий размер зрачка глаза, что позволяет наблюдателю просматривать голографическое восстановление без искажений. Однако этот минимальный размер потребовал бы исключительно высокую точность отслеживания и скорость отслеживания, которые были практически не достижимы, поэтому на практике окна просмотра должны быть существенно большими. Однако высота окна просмотра не может превышать ширину интервала периодичности. Кроме того, необходимо регулировать ширину окон просмотра. Основываясь на ширине столбцов пикселей, это достигается путем согласования поперечного протяжения с размерами средства разделения изображения, в частности, с шагом и шириной разделяющих элементов. Два окна просмотра расположены так, что их центры располагаются на расстоянии друг от друга, равном приблизительно расстоянию между глазами.
Использование одномерных вертикально восстанавливающих голограмм в сочетании с горизонтально некогерентным светом для восстановления объекта наблюдения существенно уменьшает вычислительную мощность, требуемую для представления данных кодирования. Кроме того, требования в отношении разрешающей способности матрицы пикселей в горизонтальном направлении являются некритичными, что позволяет восстанавливать видеоголограммы большей площади с незначительными усилиями в большой зоне просмотра, тем самым обеспечивает возможность перемещения положения глаз наблюдателя.
В отличие от точечных источников света, используемый линейный источник света позволяет обеспечить непрерывное восстановление при поперечном перемещении наблюдателя.
Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что вместо лазера можно использовать обычный источник белого света в комбинации со щелевой маской.
Изобретение можно использовать как в области развлечений, то есть для телевидения, мультимедийных устройств, игровых станций и подвижных мультимедийных терминалов, так и для коммерческого использования, например, для трехмерных систем автоматизированного проектирования, в медицинском и военном оборудовании, а также во множестве других бытовых устройств, включая дисплеи.
1. Способ кодирования и восстановления видеоголограмм, в котором средство (2) оптического вертикального фокусирования формирует изображение достаточно когерентного по вертикали света, излучаемого линейным источником (1) света и модулированного пикселями с электронным управлением голографической матрицы (3), в плоскости (5) просмотра с окнами (8r, 81) просмотра для голографического восстановления трехмерного объекта наблюдения в пределах одного порядка дифракции и для воспроизведения этого объекта наблюдения так, что он виден из окон (8r, 81) просмотра для обоих глаз (R, L) наблюдателя, отличающийся тем, что
управляемые пиксели кодируют две отдельные голограммы одного и того же объекта наблюдения в столбцах (15-16'') пикселей, по одной для каждого из глаз (R, L) наблюдателя, причем указанные голограммы являются одномерными в вертикальном направлении, а пиксели расположены в отдельных группах (15-15'' и 16-16'') столбцов так, что эти две одномерные голограммы перемежаются в горизонтальном направлении, и
средство (7) разделения изображения, с разделяющими элементами, расположенными параллельно столбцам (15-16'') пикселей, открывает соответствующие столбцы (15-15'' или 16-16'') пикселей для одного глаза и закрывает их для другого глаза.
2. Способ по п.1, в котором две отдельные голограммы кодируют горизонтальный параллакс в соответствии с расстоянием между глазами.
3. Способ по п.1, в котором система отслеживания положения глаза отслеживает локальные изменения положения глаза наблюдателя.
4. Способ по п.3, в котором голографическое кодирование пикселей в столбцах (15-16'') пикселей обновляются в соответствии с изменением положения глаз.
5. Способ по п.4, в котором восстанавливаемый объект (11) наблюдения кодируют так, что он представляется для наблюдателя в неподвижном горизонтальном и/или вертикальном, и/или осевом положении при изменении положения глаз.
6. Способ по п.4, в котором восстанавливаемый объект (11) наблюдения кодируют так, что он представляется для наблюдателя смещенным в горизонтальном и/или вертикальном направлении и/или повернутым, в зависимости от горизонтального и/или вертикального, и/или осевого изменения положения глаз.
7. Способ по п.3, в котором окна (8r, 81) просмотра отслеживают путем вертикального перемещения линейного источника (1) света при вертикальном изменении положения глаз.
8. Способ по п.3, в котором окна (8r, 81) просмотра отслеживают путем горизонтального перемещения групп (15-16'') столбцов относительно средства (7) разделения изображения, если положения глаз изменяются по горизонтали.
9. Способ по п.3, в котором окна (8r, 81) просмотра отслеживают путем горизонтального перемещения разделяющих элементов средства (7) разделения изображения относительно столбцов (15-16'') пикселей, если положение глаз изменяется по горизонтали.
10. Способ по п.3, в котором расстояние между источником (1) света и средством (2) оптического фокусирования адаптируют соответствующим образом, если положение глаз изменяется вдоль оси.
11. Устройство для кодирования и восстановления видеоголограмм, содержащее линейный источник (1) света, излучающий свет, который является достаточно когерентным в одном направлении, и средство (2) оптического фокусирования для голографического восстановления объекта наблюдения в пространствах (12r, 12l) восстановления, имеющих форму усеченного конуса, после модуляции света управляемыми пикселями, расположенными в виде голографической матрицы (3), отличающееся тем, что
линейный источник (1) света расположен горизонтально, в результате чего его свет является достаточно когерентным в вертикальном направлении, управляемые пиксели расположены в столбцах (15-16'') пикселей, причем по одной группе (15-15'' и 16-16'', соответственно) столбцов для каждого из глаз (R, L) наблюдателя, и содержат одномерные, вертикально кодированные голограммы одного объекта наблюдения, при этом обе группы (15-15'' и 16-16'') столбцов перемежаются по горизонтали, и устройство содержит средство (7) разделения изображения с разделяющими элементами, расположенными параллельно столбцам (15-16'') пикселей, которое открывает столбы (15-15'' или 16-16'', соответственно) пикселей для одного глаза и закрывает их для другого глаза.
12. Устройство по п.11, в котором каждые несколько соседних столбцов пикселей объединены для формирования общих столбцов с множеством пикселей, причем каждый столбец с множеством пикселей может быть выбран как единое целое для соответствующего глаза с помощью средства (7) разделения изображения для подавления перекрестных помех между восстановлениями голограмм и/или для регулировки размера окон просмотра.
13. Устройство по п.12, в котором столбцы пикселей из столбца с множеством пикселей модулируют свет по-разному.
14. Устройство по п.11, в котором средство (2) оптического фокусирования представляет собой вертикально фокусирующую цилиндрическую линзу, линзу Френеля или двояковыпуклую линзу.
15. Устройство по п.11, в котором средство (7) разделения изображения является барьерной маской, двояковыпуклой линзой или призматической маской.
16. Устройство по п.11, в котором средство (7) разделения изображения представляет собой барьерную маску с прозрачными полосками, которые открывают группы столбцов, предназначенных для одного глаза пользователя, и с непрозрачными полосками, которые закрывают другие группы столбцов для этого глаза.
17. Устройство по п.15, в котором шаг разделяющих элементов барьерной маски (7), призматической маски или двояковыпуклой линзы приблизительно в два раза больше горизонтального шага соответствующих групп столбцов матрицы управляемых пикселей.
18. Устройство по п.11, в котором управляемые пиксели расположены так, что подпиксели для цветного восстановления или пиксели расположены один под другим вертикально для кодирования с обходом фазы.
19. Устройство по п.12, в котором окна (8r, 8l) просмотра имеют размер, близкий к размеру зрачка, определены шириной средства (7) разделения изображения в горизонтальном направлении для каждого глаза и выполнены таким образом, что центры двух окон (8r, 8l) расположены друг от друга на расстоянии, приблизительно равном расстоянию между глазами.
20. Устройство по п.12, в котором окна (8r, 81) просмотра имеют вертикальную протяженность, которая не больше, чем интервал периодичности одного порядка (6) дифракции, но не меньше, чем зрачок.
