RU2111627C1 - Three-dimensional color display - Google Patents

Abstract

FIELD: image presentation for physical experiments and information displaying. SUBSTANCE: device has laser, unit for scanning and modulation of laser beam. Latter unit is designed as set of plates which rotate about device axis and are inclined with respect to plane which is perpendicular to device axis. Each plate is covered with material which converts laser beam to visible light. Each plate is covered with its own material which depends on used color measurement system. EFFECT: increased functional capabilities. 2 cl, 1 dwg

Description

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. The invention relates to the field of technical physics and can be used to reproduce color three-dimensional images in physical experiments, in air traffic control systems, in computed tomography, CAD, etc.

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. Known devices for visualization of volumetric images [1], which use a single laser with a two-coordinate device to scan a laser beam in two Cartesian coordinates, while to obtain the third coordinate of the images, the volume formed by a rapidly rotating semitransparent body of complex shape, on which the laser beam is scattered, is used scanning in two-dimensional space.

Однако у подобных устройств есть существенный недостаток, заключающийся в том, что объемное изображение объекта получается одноцветным, причем цвет изображения определяется типом применяемого лазера. However, such devices have a significant drawback, namely, that the three-dimensional image of the object is obtained in one color, and the color of the image is determined by the type of laser used.

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. Closest to the claimed device is a color three-dimensional laser display [2], containing a laser source, consisting of three lasers, a scanning unit and modulation of laser radiation, as well as a visualizer, which is a light-scattering spiral-shaped body mounted for rotation around its axis.

Принцип работы такого устройства следующий. The principle of operation of such a device is as follows.

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. The light beam from the laser passes through the scanning and modulation unit of laser radiation mounted along the optical beam. At the output of the scanning unit, the light beam is deflected in two coordinates and, having reached the light-scattering body, is scattered on its surface, forming a luminous point. Scanning a light beam in a plane allows you to form a luminous point anywhere on a light-scattering body, which provides two coordinates for the formation of three-dimensional images. The rotation of the light-scattering body around its axis provides the third coordinate of the volumetric image, and each position of the light-scattering body must correspond to its highlighted points in accordance with the displayed image of the volumetric object. If the light-scattering body rotates with a frequency exceeding the visible flicker frequency, and the scanning of the light beam is synchronized with the rotation of the body, then the sequence of highlighted points is averaged in the observer's eye, which forms a three-dimensional picture from their combination. The modulation of the intensity of the light beam is carried out in order to obtain grayscale images. To form the color of the generated image, three-color radiation of three lasers of various types is used, which is supplied to the input of the scanning and modulation unit.

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. It can be seen that such a device requires three lasers with spectral radiation characteristics corresponding to the three primary colors of the colorimetric system used. This greatly complicates and increases the cost of the radiation source design. In addition, a serious obstacle to obtaining high-quality color three-dimensional images is the problem of combining the rays of three lasers in space. This greatly complicates the design of the scan and modulation unit.

Задача изобретения - создание простого устройства для формирования цветных трехмерных изображений. The objective of the invention is the creation of a simple device for forming color three-dimensional images.

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. The essence of the invention lies in the fact that in a color volume display containing a laser, a scanning unit and modulation of laser radiation and a visualizer, which is a body of complex shape with the possibility of rotation around its axis, the visualizer is made in the form of a set of plates mounted obliquely to a plane perpendicular to the axis rotation, and the number of plates is a multiple of the number of primary colors of the colorimetric system used and each of them is coated with a substance that converts the laser radiation into visible radiation of one of the main overt colors used colorimetric system.

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. The technical result of the claimed invention is to obtain the color of the generated volumetric image due to the sequential scattering of the laser beam on several plates, each of which is coated with a substance that converts the laser wavelength into one of the primary colors of the colorimetric system used.

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. A color three-dimensional image is formed in the volume formed by the rotating plates (visualization volume). Consider one of the points of this volume. The color of this point is formed due to the sequential excitation by the laser beam of the substance with which the plates are coated at the moment the plates pass through this point. Since the plates are coated with a substance that converts the laser radiation into visible radiation of one of the primary colors of the colorimetric system used, and due to the inertia of vision, when the plates rotate rapidly, colors are consistently reproduced by the person as one mixed color.

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. The use as a visualizer of a system of plates inclined to the plane of rotation coated with a substance with nonlinear wavelength conversion of the radiation incident on them makes it possible to significantly simplify the design of the radiation source, since only one laser is needed, as well as the design of the modulation and deviation unit, since in this case there is no problem of spatial alignment of rays.

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. In the inventive device, the laser may have a working wavelength in the infrared range. The choice of such a wavelength of the laser makes invisible the scattering of its radiation by dust particles and the reflection from the material of the protective cap, which in a real design closes the rotating plates. The side components of the spatial distribution of laser radiation, which are inevitable during diffraction by an acousto-optical crystal used in the scanning and modulation unit, also become invisible.

На чертеже представлена схема заявляемого устройства. The drawing shows a diagram of the inventive device.

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. A device for forming color three-dimensional images contains a laser 1, a block 2 for scanning and modulating laser radiation, located along the optical beam of the laser 1, and a visualizer 3 optically coupled to block 2, made in the form of three plates 4-6, rotatably mounted relative to a common axis and mounted obliquely to a plane perpendicular to the axis of rotation. Each of the plates is coated with a substance whose composition is different from the composition of the substances covering the other plates. The composition of the substances is selected so that when converting the wavelength of the laser radiation into visible, a luminous dot of one of the primary colors of the colorimetric system used, for example, red, green or blue, appears on each of the plates.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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. The laser beam 1 passes through the scanning and modulating laser unit 2 installed along the optical beam. At the output of block 2, a light beam modulated in intensity is deflected in two-dimensional space and, having reached one of the inclined plates 4, 5 or 6 of visualizer 3, forms a luminous dot.

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. The perception of a full-color three-dimensional image is based on the inertia of vision. For this, the rotation frequency of the plates 4-6 is selected at least three times higher than the apparent flicker frequency. The beam deflected by block 2 illuminates a given point of space within the visualization volume sequentially on each plate 4-6. Since the plates are coated with substances of different compositions, when the plates 4-6 rotate quickly, the colors that are reproduced in series are perceived as one color. In combination with the modulation of the beam in intensity, this allows you to get any color shade of the highlighted point.

Подобным образом можно сделать видимой и окрасить в произвольный цвет любую точку или совокупность точек в пределах визуализируемого объема пространства. Similarly, you can make any point or set of points within the visualized volume of space visible and color in any color.

Совокупность всех подсвеченных точек визуализируемого объема пространства образует цветное объемное изображение. The set of all highlighted points of the visualized volume of space forms a color three-dimensional image.

При реализации устройства в качестве источника света может быть использован лазер с длиной волны излучаемого света, равной 1,06 мкм. When implementing the device as a light source, a laser with a wavelength of emitted light of 1.06 μm can be used.

В качестве отклоняющей системы могут быть использованы известные двухкоординатные акустооптические дефлекторы на основе парателлурита TeO₂.As a deflecting system, known two-coordinate acousto-optic deflectors based on TeO ₂ paratellurite can be used.

Модуляция интенсивности излучения выполняется с помощью известных акусто- или электрооптических модуляторов [3]. Modulation of the radiation intensity is performed using known acousto-or electro-optical modulators [3].

Вещества с нелинейным преобразованием длины волны падающего света составляются на основе люминофоров или материалов, обладающих эффектом двухфотонного поглощения [4]. Substances with nonlinear wavelength conversion of the incident light are compiled on the basis of phosphors or materials with the effect of two-photon absorption [4].

Остальные элементы являются стандартными для оптической и электронной аппаратуры и примеры их выполнения широко известны. The remaining elements are standard for optical and electronic equipment and examples of their implementation are widely known.

Источники информации
1. Шэндл. Д. Наконец-то реальная трехмерность! - Электроника, 1990, N 18, с. 7-9.Sources of information
1. Shandl. D. Finally, real three-dimensionality! - Electronics, 1990, N 18, p. 7-9.

2. Chinnock Ch. Volumetric imaging provides a walk-around view//Laser Focus World, 1994, Sept. p. 20. 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. 3. Yariv A. Introduction to optical electronics / Per. from English - M .: Higher school, 1983, p. 323-327, 241-246.

4. Ярив А. Оптические волны в кристаллах/Пер. с англ. - M.: Мир, 1987, с. 551-554. 4. Yariv A. Optical waves in crystals / Per. from English - M .: Mir, 1987, p. 551-554.

Claims (2)

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. 1. Color surround display containing a laser, a scanning unit and modulation of laser radiation and a visualizer, which is a body of complex shape with the possibility of rotation around its axis, characterized in that the visualizer is made in the form of a set of plates mounted obliquely to a plane perpendicular to the axis of rotation so that the beam deflected by the scanning and modulating laser unit illuminates a given point in space within the visualization volume sequentially on each plate, the number of which is a multiple of the number of primary colors of the colorimetric system used, and the surface of each of the plates is coated with a substance that converts the laser radiation into visible radiation of the corresponding primary color of the colorimetric system used. 2. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что лазер имеет рабочую длину волны в инфракрасном диапазоне. 2. The display according to claim 1, characterized in that the laser has a working wavelength in the infrared range.