Устройство для создания динамичных голографических изображений в пространстве

Название	Устройство для создания динамичных голографических изображений в пространстве
Разработчик (Авторы)	Сивяков Б.К, Скрипкин А.А., Сивяков Д.Б., Дьяченко Т.Ю., Денисов А.А.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	183810
Дата регистрации	03.10.2018
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."
Область применения (класс МПК)	G09F 19/10 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Полезная модель 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 заявленное компанией Dimension Technologies устройство демонстрации стереоскопических изображений - стереоскопический LCD монитор 2015XLS, при помощи которого разработчики попытались создать иллюзию трехмерного изображения без использования традиционных индивидуальных средств наблюдения стереоэффекта. В этом мониторе за LCD экраном находится специальная подсветка и оптика, которые создают чередующиеся столбцы пикселей (точек), видимые правым и левым глазом. Оптическая система показывает левый и правый кадры стереопары на чередующихся столбцах пикселей на LCD экране. Левое изображение показывается на нечетных столбцах, а правое - на четных. Обе пары показываются одновременно и разделены по каналам зрения правого и левого глаза. Это достигается благодаря специальной подсветке, находящейся за жидкокристаллическим экраном. Используя свет из небольших сильных источников, подсветка оптически генерирует решетку из очень тонких, ярких, равномерно расположенных вертикальных световых линий. Эти линии точно расположены относительно столбцов пикселей. Поскольку параллакс свойственен нашему бинокулярному зрению, левый глаз видит эти линии через нечетные столбцы на LCD, а правый - через четные (технология Parallax Illumination) (см. интернет-сайт: http://ixbt.stack.net/^~3dstyle).

Однако стереоскопическое изображение, формируемое с помощью описанного выше устройства, можно наблюдать только на специальном экране.

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 взаимноортогональной ориентацией плоскости поляризации (патент US 6348957, 19.02.2002).

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.

Известен также лазерный проектор, включающий в себя акустооптические дефлекторы для независимого поэлементного и дискретного позиционирования лазерных пучков трех основных цветов в элементы лазерного изображения в плоскости наблюдения в соответствии с информацией об исходном графическом компьютерном изображении, преобразованной в управляющие электрические сигналы и устройство совмещения лазерных изображений трех основных цветов в плоскости наблюдения, причем источник многоцветного когерентного излучения содержит три твердотельных лазера с независимыми источниками накачки, генерирующими три основные длины волны - красную, зеленую и синюю (заявка на изобретение №95116020, МПК H04N 9/31).

Недостатком данного устройства является необходимость создания плоскости проецирования информации, а также у него отсутствует возможность создания объемного изображения.

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.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является 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 наиболее близкого аналога 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.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, с улучшенными информационными возможностями, обеспечивающего формирование объемного виртуального динамичного изображения в пространстве в различное время суток с использованием фасадов зданий или других плоскостей исключительно в качестве фона для улучшения восприятия демонстрируемой информации.

Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что в устройстве для создания динамичных голографических изображений в пространстве, включающем 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, 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, причем для одного лазерного проектора в блоке голографическая пластина формирует голограмму изображения, а для другого лазерного проектора в блоке голографическая пластина формирует голограмму контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения, источник света подключен к двум лазерным проекторам через оптический разветвитель и содержит управляемые приводы для управления ориентацией оптической оси каждого из лазерных проекторов, блок голографических пластин 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.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в том, что блок голографических пластин 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. За счет такой 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.

Предлагаемая полезная модель поясняется фиг. 1-3, где позициями 1-16 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, 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.

Предлагаемое устройство для создания динамичных голографических изображений в пространстве включает в себя источник света 1, оптический разветвитель 2, блок лазерных проекторов 3, каждый из которых выполнен с возможностью перемещения (разворота) в азимутальной плоскости и в вертикальной плоскости, блок голографических пластин 4, установленный на выходе каждого лазерного проектора по его оптической оси, управляющий привод блока лазерных проекторов 5, управляющий компьютер 6.

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 пар (2, 4, 6, 8…) лучей. На выходе из оптического разветвителя 2 для каждой соответствующей пары лучей источника света 1 установлен блок лазерных проекторов 3, способных разворачиваться каждый в азимутальной и вертикальной плоскости, а на выходе каждого из двух лазерных проекторов блока 3 по каждой из его оптических осей установлен блок голографических пластин 4. При этом оптические оси каждого из двух лазерных проекторов блока 3 сориентированы в одну точку на одном и том же участке пространства у поверхности, используемой в качестве экрана 7, для создания изображения 8. Для одного лазерного проектора блока 3 в блоке голографических пластин 4 использована голограмма одного изображения, а для другого лазерного проектора в блоке голографическая пластина формирует голограмму контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения, а проецирование изображения 8 полностью возникает на одном и том же участке пространства у поверхности, которая может быть используема в качестве 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, состоящих каждый из двух 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, используемой в качестве экрана для создания других элементов голографического изображения на фоне голограммы контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения.

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).

Формула полезной модели

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, 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, отличающееся тем, что для одного лазерного проектора в блоке голографическая пластина формирует голограмму изображения, а для другого лазерного проектора в блоке голографическая пластина формирует голограмму контрастного виртуального экрана, на который фокусируется голограмма изображения, блок голографических пластин 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.

Изобретение "Устройство для создания динамичных голографических изображений в пространстве" (Сивяков Б.К, Скрипкин А.А., Сивяков Д.Б., Дьяченко Т.Ю., Денисов А.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога