RU2316033C1

RU2316033C1 - Method of manufacturing holographic screen for demonstrating three-dimensional color imagines

Info

Publication number: RU2316033C1
Application number: RU2006119362/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Маркин; Дмитрий Сергеевич Лушников; Сергей Борисович Одиноков
Original assignee: Владимир Васильевич Маркин; Дмитрий Сергеевич Лушников; Сергей Борисович Одиноков
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2006-06-05
Publication date: 2008-01-27

Abstract

FIELD: holography.

SUBSTANCE: method comprises using diverging spherical wave and recording narrow and long diffuser. When the screen is illuminated with the projector, a zone of vision is formed behind the screen in the light of illumination. The zone represents the region of superimposing the real image of the diffuser for all spectral components in the projector light.

EFFECT: improved quality of color images.

4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к технике получения стереоскопических изображений с использованием голографии, и более конкретно, к способу изготовления голографического проекционного экрана для наблюдения трехмерных цветных изображений.The invention relates to techniques for producing stereoscopic images using holography, and more particularly, to a method for manufacturing a holographic projection screen for observing three-dimensional color images.

Уровень техникиState of the art

Голографический проекционный экран представляет собой топографический оптический элемент (ГОЭ), на котором может наблюдаться спроецированное на него изображение, если глаз расположен в определенной зоне - зоне видения. Для наблюдения стереоскопического изображения зоны видения должны быть достаточно узкими, чтобы левый и правый глаза наблюдателя из этих зон видели соответственно левое и правое изображения, и эти зоны должны располагаться друг от друга на расстоянии, равном расстоянию между глазами.The holographic projection screen is a topographic optical element (GOE), on which the image projected onto it can be observed if the eye is located in a certain area - the viewing area. To observe a stereoscopic image, the zones of vision should be narrow enough so that the left and right eyes of the observer from these zones see the left and right images, respectively, and these zones should be located at a distance equal to the distance between the eyes.

В качестве одного из аналогов рассматривается способ изготовления голографического экрана отражательного типа, входящего в состав трехмерной цветной телевизионной многоракурсной безочковой системы [1]. Голограмма, используемая затем в качестве голографического экрана, записывается во встречных гомоцентрических пучках: пучке, расходящемся от точечного источника, и сходящемся пучке, формируемом сферическим зеркалом. При проецировании на экран изображения предметной сцены экран в области наблюдения формирует зону видения в качестве изображения выходного зрачка проекционного объектива. Из-за высокой угловой и спектральной селективности экран этого типа может обеспечить наблюдение качественного изображения на экране только в относительно узком спектральном диапазоне. В связи с этим источниками цветного изображения в системе являются три электроннолучевые трубки, воспроизводящие цветоделенные составляющие изображения: синюю, зеленую и красную. Для работы со всеми этими составляющими голографический экран изготавливается в виде системы из трех отражающих экранов, каждый из которых отражает одну цветовую составляющую и пропускает другие составляющие, которые отражаются следующими по ходу лучей частями экрана. Изображения с электроннолучевых трубок проецируются и совмещаются на топографическом экране соответствующими проекционными объективами, каждый из которых в определенный момент времени работает частью своей апертуры, открываемой соответствующей частью непосредственно за ним стоящего обтюратора, который представляет собой систему из нескольких расположенных вплотную друг к другу вертикальных ЖК полосок или зон. На каждой из электроннолучевых трубок последовательно во времени электронным путем с высокой частотой смены кадров (порядка 50 в секунду) отображаются исходные изображения, соответствующие одному из последовательно снятых ракурсов предметной сцены при синхронном открывании соответствующих зон обтюраторов. В области наблюдения топографический экран формирует группу расположенных вплотную друг к другу зон видения в качестве изображений вертикальных зон обтюраторов. В связи с наличием множительных свойств экрана формируется несколько таких групп зон видения (или областей наблюдения), дающих возможность видения изображения на экране различными наблюдателями одновременно. Множительные свойства топографического экрана обеспечиваются в процессе записи экрана путем выполнения нескольких экспозиций каждой из фотопластин в различных угловых положениях экспонируемой пластины в аппаратуре для записи, обеспечиваемых поворотом пластины с осью поворота, находящейся в плоскости фотопластины и являющейся вертикальной осью изготовленного топографического экрана.As one of the analogues, a method for manufacturing a holographic screen of a reflective type, which is part of a three-dimensional color television multi-angle frameless system [1], is considered. The hologram, which is then used as a holographic screen, is recorded in opposing homocentric beams: a beam diverging from a point source and a converging beam formed by a spherical mirror. When projecting an image of an object scene onto the screen, the screen in the observation area forms a vision zone as the image of the exit pupil of the projection lens. Due to the high angular and spectral selectivity of this type of screen, it is possible to observe a high-quality image on the screen only in a relatively narrow spectral range. In this regard, the sources of color images in the system are three cathode ray tubes that reproduce the color-separated components of the image: blue, green and red. To work with all these components, a holographic screen is made in the form of a system of three reflective screens, each of which reflects one color component and passes other components, which are reflected by the following parts of the screen along the rays. Images from cathode ray tubes are projected and aligned on the topographic screen with the respective projection lenses, each of which at a certain point in time works as part of its aperture, which is opened by the corresponding part of the obturator immediately behind it, which is a system of several vertical LCD strips located adjacent to each other or zones. On each of the cathode ray tubes electronically sequentially in time with a high frame rate (of the order of 50 per second), the original images are displayed corresponding to one of the sequentially shot camera angles while simultaneously opening the corresponding zones of the shutters. In the observation area, the topographic screen forms a group of vision zones located adjacent to each other as images of the vertical zones of the shutters. In connection with the presence of the multiplying properties of the screen, several such groups of vision zones (or observation areas) are formed, which make it possible for the various observers to see the image on the screen simultaneously. The multiplying properties of the topographic screen are ensured in the process of recording the screen by performing several exposures of each of the photographic plates at different angular positions of the exposed plate in the recording equipment, provided by the rotation of the plate with a pivot axis located in the plane of the photographic plate and which is the vertical axis of the manufactured topographic screen.

В системе для получения трехмерного изображения, структурно полностью соответствующей системе, описанной выше, в качестве одного из вариантов используется топографический экран пропускающего типа [2]. Экран записывается также с использованием гомоцентрических пучков, один из которых является сходящимся. Множительные свойства топографического экрана обеспечиваются также путем выполнения в процессе записи экрана нескольких экспозиций фотопластины с поворотом ее относительно оси, находящейся в плоскости пластины.In the system for obtaining a three-dimensional image that is structurally fully consistent with the system described above, a topographic screen of a transmissive type is used as one of the options [2]. The screen is also recorded using homocentric beams, one of which is convergent. The multiplying properties of the topographic screen are also ensured by performing several exposures of the photographic plate during the recording process of the screen with its rotation about an axis located in the plane of the plate.

Общим наиболее серьезным недостатком описанных способов, рассматриваемых в качестве аналогов, является необходимость использования оптики больших размеров для формирования сходящегося пучка, участвующего в записи голограммы. Недостатком, присущим способу изготовления топографического экрана отражательного типа, является необходимость изготовления составного экрана, каждая из частей которого предназначена для работы со своей цветовой составляющей изображения, что в свою очередь определяет необходимость применения в системе для наблюдения изображений нескольких источников этих составляющих.The common most serious drawback of the described methods, considered as analogues, is the need to use large optics to form a converging beam participating in the recording of a hologram. The disadvantage inherent in the method of manufacturing a topographic screen of a reflective type is the need to manufacture a composite screen, each of which is designed to work with its own color component of the image, which in turn determines the necessity of using several sources of these components in the system for observing images.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления топографического экрана, в котором при записи голограммы опорным пучком является расходящаяся сферическая волна, а в качестве предмета используется узкий и длинный диффузор [3]. При освещении экрана проектором в дифрагированном световом поле формируется зона видения, представляющая область наложения действительных изображений диффузора для всех спектральных и пространственных составляющих в излучении проектора, что обеспечивает наблюдение из этой зоны цветного изображения. При работе экрана в составе демонстрационной аппаратуры с двумя или более проекторами, формирующими на экране изображения предметной сцены под разными ракурсами, в области наблюдения за экраном формируется соответствующее число зон видения. При нахождении глаз наблюдателя в соседних зонах видения цветное изображение на экране воспринимается как трехмерное.The closest in technical essence and the achieved result, selected as a prototype, is a method of manufacturing a topographic screen, in which, when recording a hologram, the reference beam is a diverging spherical wave, and a narrow and long diffuser is used as an object [3]. When the projector illuminates the screen in a diffracted light field, a vision zone is formed that represents the overlap area of the actual diffuser images for all spectral and spatial components in the projector radiation, which ensures that the color image is observed from this zone. When the screen is used as part of a demonstration equipment with two or more projectors that form images of the subject scene on the screen from different angles, the corresponding number of vision zones is formed in the screen observation area. When the observer’s eyes are in neighboring vision zones, the color image on the screen is perceived as three-dimensional.

Недостатком прототипа является получение только одной области наблюдения при работе экрана в составе демонстрационной аппаратуры и возможность наблюдения изображения только одним наблюдателем.The disadvantage of the prototype is to obtain only one area of observation when the screen is part of the demonstration equipment and the ability to observe the image by only one observer.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью изобретения является способ изготовления топографического проекционного экрана для демонстрации стереоскопического многоракурсного цветного изображения с использованием в качестве опорного пучка расходящейся сферической волны, а в качестве предмета - узкого и длинного диффузора, который при проецировании изображения на экран обеспечивает получение в области наблюдения нескольких отдельных областей наблюдения для различных наблюдателей.The aim of the invention is a method for manufacturing a topographic projection screen for demonstrating a stereoscopic multi-angle color image using a diverging spherical wave as a reference beam, and as an object a narrow and long diffuser which, when projecting an image onto a screen, provides several separate observation areas for viewing various observers.

Поставленная цель достигается тем, что при изготовлении топографического проекционного экрана по известному способу, включающему:This goal is achieved by the fact that in the manufacture of a topographic projection screen by a known method, including:

1) установку фотопластины в плоскость X-Y трехмерного пространства, в котором центр фотопластины расположен в начале координат трехмерного пространства;1) the installation of the photographic plate in the X-Y plane of three-dimensional space, in which the center of the photographic plate is located at the origin of the three-dimensional space;

2) разделение лазерного пучка на два пучка, опорный и предметный, используемые для освещения поверхности фотопластины;2) the separation of the laser beam into two beams, reference and subject, used to illuminate the surface of the photographic plate;

3) формирование опорного пучка в виде сферической волны, расходящейся из точки в плоскости X-Z трехмерного пространства;3) the formation of a reference beam in the form of a spherical wave diverging from a point in the X-Z plane of three-dimensional space;

4) формирование предметного пучка в виде волны, рассеиваемой узким и длинным диффузором, длинная ось которого расположена в плоскости X-Z трехмерного пространства, а координаты концов диффузора определены из известных соотношений, определяющих эти координаты в зависимости от координат центра опорного пучка, центра выходного зрачка объектива проектора и центра зоны видения, образуемой как область наложения пучков, образующих за голографическим экраном действительные изображения диффузора в свете различных цветовых составляющих проецирующего излучения,4) the formation of an object beam in the form of a wave scattered by a narrow and long diffuser, the long axis of which is located in the XZ plane of three-dimensional space, and the coordinates of the ends of the diffuser are determined from known relations that determine these coordinates depending on the coordinates of the center of the reference beam, the center of the exit pupil of the projector’s lens and the center of the vision zone, formed as a region of overlapping beams that form behind the holographic screen the actual image of the diffuser in the light of various color components of the projection uyuschego radiation

регистрация картины интерференции опорного и предметного пучков на фотопластине производится путем двух или трех последовательных экспозиций, причем между экспозициями пластина поворачивается в плоскости X-Y относительно собственного центра на фиксированный угол φ, определяемый какregistration of the interference pattern of the reference and object beams on the photographic plate is carried out by two or three successive exposures, and between the exposures the plate is rotated in the X-Y plane relative to its own center by a fixed angle φ, defined as

где В - расстояние между областями наблюдения в горизонтальной плоскости,where In is the distance between the areas of observation in the horizontal plane,

L - удаление области наблюдения от центра экрана в проекции на плоскость экрана.L - removal of the observation area from the center of the screen in projection onto the plane of the screen.

Из научно-технической и патентной литературы авторам неизвестны технические решения, содержащие признаки, эквивалентные признакам заявленного технического решения, что позволяет сделать вывод об удовлетворении критерию "существенные отличия".From the scientific, technical and patent literature, the authors are not aware of technical solutions containing features equivalent to those of the claimed technical solution, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences" is met.

Описание изобретения и чертежейDescription of the invention and drawings

Основные принципы, используемые для решения проблем, рассматриваемых в настоящем изобретении, иллюстрируются прилагаемыми чертежами.The basic principles used to solve the problems considered in the present invention are illustrated by the accompanying drawings.

На фиг.1 представлены в совмещенном виде главные сечения оптических схем записи топографического экрана и работы экрана в составе аппаратуры для демонстрации стереоизображений.Figure 1 presents in combined form the main section of the optical recording schemes of the topographic screen and the screen as part of the equipment for demonstrating stereo images.

На фиг.2 представлены кривые зависимостей вертикальных отклонений лучей, формирующих зону видения, на предельных длинах волн проецирующего излучения в зависимости от координат точек топографического экрана.Figure 2 presents the curves of the dependences of the vertical deviations of the rays forming the zone of vision at the limiting wavelengths of the projecting radiation, depending on the coordinates of the points of the topographic screen.

На фиг.3 представлены положения фотопластины в установке для записи топографического экрана, предназначенного для формирования двух областей наблюдения, при двух соответствующих экспозициях.Figure 3 presents the position of the photographic plate in the installation for recording a topographic screen, designed to form two areas of observation, with two corresponding exposures.

На фиг.4 представлены положения областей наблюдения в аппаратуре для демонстрации изображения на экране при наличии двух таких областей и использовании в демонстрационной аппаратуре трех проекторов.Figure 4 shows the positions of the observation areas in the apparatus for displaying images on the screen in the presence of two such areas and the use of three projectors in the demonstration apparatus.

Ниже приведено подробное описание предлагаемых решений поставленных проблем.Below is a detailed description of the proposed solutions to the problems posed.

Фотопластина 1 (фиг.1), используемая в качестве светочувствительной среды при записи голограммы, после экспонирования и фотохимической обработки играющая роль проекционного голографического экрана в составе аппаратуры для демонстрации изображения, размещается в трехмерном пространстве X-Y-Z таким образом, что эмульсионный слой пластины находится в плоскости X-Y, а центр 2 фотопластины совпадает с началом координат трехмерного пространства. В главном сечении, представленном на фиг.1, располагаются базовые элементы оптической схемы установки для записи голографического экрана. Это источники когерентных опорного и предметного пучков, которые находятся с эмульсионной стороны фотопластины. Опорный пучок представляет собой гомоцентрический расходящийся пучок с центром, размещаемым в точке 3(0,Z_R') на оси Z. Предметный пучок формируется протяженным в главном сечении и узким в поперечном направлении диффузором 4 с координатами произвольной точки диффузора (X_D',Z_D'). Штрих введен в вышеприведенные координаты для обозначения положения элементов 3 и 4 в качестве предварительных, подлежащих в дальнейшем уточнению. Также поэтому положения этих элементов и исходящие от них лучи на фиг.1 обозначены пунктирными линиями. В главном сечении располагаются также базовые элементы оптической схемы демонстрационной аппаратуры. Это центр выходного зрачка 6(0,Z_P) проектора 5, который проецирует цветное изображение на экран, и центр зоны видения 7(X_V,Z_V), в которой находится глаз наблюдателя.Photoplate 1 (Fig. 1), used as a photosensitive medium for recording a hologram, after exposure and photochemical processing, which plays the role of a projection holographic screen as part of the equipment for image demonstration, is placed in three-dimensional XYZ space so that the emulsion layer of the plate is in the XY plane , and the center 2 of the photographic plate coincides with the origin of the three-dimensional space. In the main section, shown in figure 1, are the basic elements of the optical setup for recording a holographic screen. These are sources of coherent reference and subject beams, which are located on the emulsion side of the photographic plate. The reference beam is a homocentric diverging beam with a center located at point 3 (0, Z _R ') on the Z axis. The object beam is formed by a diffuser 4 extended in the main section and narrow in the transverse direction with the coordinates of an arbitrary point of the diffuser (X _D ', Z _D '). The stroke is entered in the above coordinates to indicate the position of elements 3 and 4 as preliminary, subject to further refinement. Also, therefore, the positions of these elements and the rays emanating from them in FIG. 1 are indicated by dashed lines. In the main section are also the basic elements of the optical scheme of the demonstration equipment. This is the center of the exit pupil 6 (0, Z _P ) of the projector 5, which projects a color image onto the screen, and the center of the vision zone 7 (X _V , Z _V ), in which the eye of the observer is located.

Запись голографического экрана 1, представляющего зафиксированное в слое фотоэмульсии поле интерференции опорного и предметного пучков, производится на длине волны λ₁ лазерного излучения, а изображение на экране формируется проектором 5 в диапазоне длин волн от λ_2b до λ_2r, которые представляют соответственно коротковолновую (синюю) и длинноволновую (красную) границы спектра проецирующего излучения. При работе в составе демонстрационной аппаратуры топографический экран освещается проектором 5 со стороны, противоположной фотоэмульсии, в результате чего в зоне видения 7 восстанавливаются действительные изображения диффузора 4 в свете всех спектральных составляющих проецирующего излучения. Хроматизм голографического экрана, свойственный любой дифракционной структуре, приводит к относительному смещению отдельных цветовых изображений диффузора. Наблюдатель видит полноцветное изображение на экране из зоны видения, если из любой точки экрана в эту зону приходят лучи всех спектральных составляющих проецирующего излучения. Это условие выполняется, когда все соответствующие цветовые изображения диффузора, формируемые топографическим экраном, в зоне видения 7 перекрываются или, в предельном случае, изображения диффузора для граничных длин волн λ_2b и λ_2r соприкасаются. Необходимые для этого параметры диффузора 4 или координаты его концов могут быть определены расчетным путем с использованием соотношений, приведенных в [4] и связывающих координаты центра опорного пучка, точки предмета (диффузора), центра восстанавливающего пучка и точки изображения, соответствующей предметной точке. В данном случае координаты предметной точки (X_D',Z_D') на диффузоре 4 при заданных значениях координат центра опорного пучка 3(0,Z_R'), центра восстанавливающего пучка 6(0,Z_P), роль которого играет центр выходного зрачка проектора 5, и изображения 7(X_V,Z_V) в зоне видения в параксиальном приближении (для центральной зоны экрана) определяются из соотношенийThe holographic screen 1, which represents the interference field of the reference and object beams fixed in the photoemulsion layer, is recorded at a wavelength λ _{1 of} laser radiation, and the image on the screen is formed by a projector 5 in the wavelength range from λ _2b to λ _2r , which represent, respectively, short-wave (blue ) and the long-wave (red) boundary of the spectrum of the projecting radiation. When operating as part of the demonstration equipment, the topographic screen is illuminated by the projector 5 from the side opposite to the emulsion, as a result of which, in the vision zone 7, the actual images of the diffuser 4 are restored in the light of all spectral components of the projection radiation. The chromaticity of the holographic screen inherent in any diffraction structure leads to the relative displacement of individual color images of the diffuser. The observer sees a full-color image on the screen from the zone of vision, if rays from all spectral components of the projecting radiation come from this point of the screen to this zone. This condition is satisfied when all the corresponding color images of the diffuser formed by the topographic screen in the vision zone 7 overlap or, in the extreme case, the diffuser images for the boundary wavelengths λ _2b and λ _{2r are in} contact. The necessary parameters of the diffuser 4 or the coordinates of its ends can be determined by calculation using the relations given in [4] that relate the coordinates of the center of the reference beam, the point of the object (diffuser), the center of the recovery beam and the image point corresponding to the object point. In this case, the coordinates of the object point (X _D ', Z _D ') on the diffuser 4 for given coordinates of the center of the reference beam 3 (0, Z _R '), the center of the recovery beam 6 (0, Z _P ), the role of which is the center of the output the pupil of the projector 5, and images 7 (X _V , Z _V ) in the vision zone in the paraxial approximation (for the central zone of the screen) are determined from the relations

Значения координат концов диффузора (Х_D'_b, Z_D'_b) и (Х_D'_r, Z_D'_r), обеспечивающие в зоне видения соприкосновение изображений диффузора для граничных длин волн проецирующего излучения, получаются из соотношений (1) путем подстановки λ₂=λ_2b и λ₂=λ_2r.The values of the coordinates of the ends of the diffuser (X _D ' _b , Z _D ' _b ) and (X _D ' _r , Z _D ' _r ), which ensure the contact of the diffuser images for the boundary wavelengths of the projecting radiation in the vision zone, are obtained from relations (1) by substituting λ ₂ = λ _2b and λ ₂ = λ _2r .

Необходимым условием наблюдения из зоны видения полноцветного проецируемого на экран изображения с минимальными цветовыми искажениями является выполнение условия Брэгга, как это делается, например, в установке, описанной в [5]. Геометрически это условие выражается в том, что в любой точке топографического экрана, например в представленной на фиг.1 точке 8 на нижнем краю экрана, биссектриса 9 угла между направлениями восстанавливающего луча, идущего в эту точку из центра 6 выходного зрачка проектора, и восстановленного луча, исходящего из точки 8 в точку 7 зоны видения, должна совпадать с направлением рассеивающих плоскостей в толщине эмульсионного слоя экрана. Направление рассеивающих плоскостей в толщине эмульсии изготовленного топографического экрана соответствует направлению плоскостей пучностей в поле интерференции предметного и опорного пучков при его записи и определяется направлением биссектрисы угла между интерферирующими в этой точке лучами опорного и предметного пучков с поправкой, обусловленной усадкой эмульсии после фотохимической обработки и сушки экспонированной пластины. На основании соотношений, приводимых в [4], при допущении уменьшения дифракционной эффективности до уровня 0,7÷0,8 от максимальной эффективности, достигаемой при выполнении условия Брэгга, предельное угловое несовпадение направлений этих биссектрис δ₀ может быть представлено в виде выраженияA prerequisite for observing from the vision zone a full-color projected image on the screen with minimal color distortion is the Bragg condition, as is done, for example, in the setup described in [5]. Geometrically, this condition is expressed in the fact that at any point on the topographic screen, for example, at point 8 shown in FIG. 1 at the lower edge of the screen, the bisector 9 of the angle between the directions of the recovery beam going to this point from the center 6 of the projector’s exit pupil and the reconstructed beam proceeding from point 8 to point 7 of the vision zone should coincide with the direction of the scattering planes in the thickness of the emulsion layer of the screen. The direction of the scattering planes in the thickness of the emulsion of the manufactured topographic screen corresponds to the direction of the planes of antinodes in the interference field of the object and reference beams when recording it and is determined by the direction of the bisector of the angle between the interfering rays of the reference and subject beams corrected due to the shrinkage of the emulsion after photochemical processing and drying of the exposed plates. Based on the relations given in [4], assuming that the diffraction efficiency is reduced to a level of 0.7 ÷ 0.8 of the maximum efficiency achieved when the Bragg condition is fulfilled, the limiting angular mismatch of the directions of these bisectors δ ₀ can be represented as an expression

где Т - толщина слоя эмульсии, γ - угол между восстанавливающим и восстановленным лучами в рассматриваемой точке экрана.where T is the thickness of the emulsion layer, γ is the angle between the regenerating and restored rays at the point of the screen under consideration.

Из соотношения (2) минимальное значение δ₀ в данном случае соответствует крайней нижней точке 8 экрана, где угол γ имеет максимальное значение, и коротковолновой границе спектра λ_2b восстанавливающего излучения. Направление рассеивающих плоскостей в толщине эмульсии топографического экрана в этой точке при положении центра 3 опорного пучка на оси Z трехмерного пространства и положении предметной точки на ближнем к записываемому экрану краю диффузора 4 с координатами (Х_D'_b, Z_D'_b) близко к направлению биссектрисы 10.From relation (2), the minimum value of δ ₀ in this case corresponds to the extreme lower point 8 of the screen, where the angle γ has a maximum value, and to the short-wavelength edge of the spectrum λ _{2b of the} recovery radiation. The direction of the scattering planes in the thickness of the emulsion of the topographic screen at this point with the position of the center 3 of the reference beam on the Z axis of the three-dimensional space and the position of the object point on the edge of the diffuser 4 closest to the recorded screen with coordinates (X _D ' _b , Z _D ' _b ) is close to the direction bisectors 10.

Было проведено математическое моделирование оптической схемы записи топографического экрана и оптической схемы демонстрационной аппаратуры. Для моделирования были приняты размеры голографического экрана, равными 300 и 400 мм по вертикали и горизонтали соответственно, осевая координата центра 6 выходного зрачка проектора Z_P=2200 мм, координаты центра зоны видения 7 X_V=300 мм и Z_V=-1300 мм, осевая координата центра опорного пучка 3 Z_R'=-2500 мм, значения длин волн λ₁=633 нм, λ_2b=435 нм и λ_2r=700 нм, толщина слоя эмульсии фотопластины Т=10 мкм. При этих условиях расчетная величина угла δ₀ составила 2°, а расчетная величина действительного углового расхождения δ биссектрис 9 и 10 составила примерно 12°. Таким образом, при принятых положении центра 3 опорного пучка на оси Z и соответствующем положении диффузора 4 при записи топографического экрана не может быть обеспечено наблюдение цветного изображения на экране с удовлетворительным качеством. Это будет проявляться в преобладании красного цвета в наблюдаемом изображении в нижней части экрана. Проблема решается совместным угловым поворотом центра опорного пучка и диффузора относительно точки 8 фотопластины в рассматриваемом главном сечении до совмещения биссектрисы угла между также смещаемыми соответствующими лучами опорного и предметного пучков с биссектрисой 9. Координаты центра опорного пучка 11 (X_R,Z_R) и концов диффузора 12 (Х_Db, Z_Db) и (Х_Dr, Z_Dr) в смещенном положении определяются в той же системе координат с учетом проведенного углового поворота.Mathematical modeling of the optical scheme for recording the topographic screen and the optical scheme of the demonstration equipment was carried out. For the simulation, the dimensions of the holographic screen were taken equal to 300 and 400 mm vertically and horizontally, respectively, the axial coordinate of the center 6 of the exit pupil of the projector Z _P = 2200 mm, the coordinates of the center of the vision zone 7 X _V = 300 mm and Z _V = -1300 mm, the axial coordinate of the center of the reference beam 3 Z _R '= -2500 mm, wavelengths λ ₁ = 633 nm, λ _2b = 435 nm and λ _2r = 700 nm, the thickness of the emulsion layer of the photographic plate T = 10 μm. Under these conditions, the calculated value of the angle δ ₀ was 2 °, and the calculated value of the actual angular difference δ of the bisectors 9 and 10 was approximately 12 °. Thus, with the adopted position of the center 3 of the reference beam on the Z axis and the corresponding position of the diffuser 4 when recording a topographic screen, observation of the color image on the screen with satisfactory quality cannot be ensured. This will be manifested in the predominance of red in the observed image at the bottom of the screen. The problem is solved by the joint angular rotation of the center of the reference beam and the diffuser relative to point 8 of the photographic plate in the main section under consideration until the angle bisector is aligned between the corresponding beams of the reference and object beams with the bisector 9. The coordinates of the center of the reference beam 11 (X _R , Z _R ) and the ends of the diffuser 12 (X _Db , Z _Db ) and (X _Dr , Z _Dr ) in an offset position are determined in the same coordinate system taking into account the angular rotation.

При работе топографического экрана в составе демонстрационной аппаратуры единичная зона видения представляет область светового пучка, в каждую точку которой приходят лучи всех спектральных составляющих проецирующего излучения от всех точек экрана. Для обеспечения комфортных условий наблюдения эта зона должна иметь в каждом из направлений конечные размеры. Фактическое положение зоны видения относительно центра 7 зоны и ее размер, например, в рассматриваемом главном сечении по вертикали (параллельно оси X), определяются путем расчета хода лучей с предельными длинами волн λ_2b и λ_2r проецирующего излучения, проходящими через каждую точку экрана, с учетом наличия в каждой из этих точек характерных суперпозиций элементарных дифракционных решеток и определения вертикальных отклонений G_bb(x), G_br(x), G_rb(x), G_rr(x) точек прихода этих лучей от центра зоны видения в плоскости Z=Z_V. В приведенных обозначениях отклонений переменная (х) представляет вертикальную координату точки экрана, первый индекс соответствует рассматриваемой длине волны из двух граничных длин волн λ_2b и λ_2r, второй индекс соответствует ближнему и дальнему от фотопластины концам диффузора 12 с координатами соответственно (Х_Db, Z_Db) и (Х_Dr, Z_Dr). При расчете используется известное уравнение дифракционной решетки, для записываемой на длине волны λ₁ решетки и для той же решетки, работающей в качестве дифрагирующей структуры на длине волны λ₂, имеющее соответственно видWhen the topographic screen is operating as part of the demonstration equipment, a single vision zone represents the region of the light beam, at each point of which the rays of all spectral components of the projecting radiation from all points of the screen come. To ensure comfortable observation conditions, this zone should have final dimensions in each direction. The actual position of the vision zone relative to the center 7 of the zone and its size, for example, in the main vertical section under consideration (parallel to the X axis), are determined by calculating the path of the rays with the maximum wavelengths λ _2b and λ _{2r of the} projecting radiation passing through each point of the screen, with taking into account the presence in each of these points of characteristic superpositions of elementary diffraction gratings and determining the vertical deviations G _bb (x), G _br (x), G _rb (x), G _rr (x) of the points of arrival of these rays from the center of the vision zone in the Z plane = Z _V. In the above notation, the variable (x) represents the vertical coordinate of the screen point, the first index corresponds to the considered wavelength of two boundary wavelengths λ _2b and λ _2r , the second index corresponds to the ends of the diffuser 12 near and far from the photographic plate with coordinates respectively (X _Db , Z _Db ) and (X _Dr , Z _Dr ). In the calculation, the well-known diffraction grating equation is used, for a grating recorded at a wavelength of λ ₁ and for the same grating operating as a diffracting structure at a wavelength of λ ₂ , having the form

В соотношениях (3) d - период дифракционной решетки, α₁ и α₂, β₁ и β₂ - углы падения опорного и предметного лучей при записи экрана и углы падения и дифракции лучей на стадии восстановления соответственно.In relations (3), d is the period of the diffraction grating, α ₁ and α ₂ , β ₁ and β ₂ are the angles of incidence of the reference and subject rays when recording the screen and the angles of incidence and diffraction of the rays at the reconstruction stage, respectively.

Вводя геометрические соотношения, связывающие значения углов α₁, α₂, β₁ и β₂ с вертикальными координатами точек экрана (х), базовых точек оптических схем записи и восстановления, с учетом соотношений (3) получаем для величины отклонения G(x) в общем видеIntroducing geometric relations connecting the values of the angles α ₁ , α ₂ , β ₁ and β ₂ with the vertical coordinates of the screen points (x), the base points of the optical recording and restoration schemes, taking into account relations (3), we obtain for the deviation value G (x) in general view

На фиг.1 соответственно синему (на длине волны λ_2b) изображению 14 диффузора и красному (на длине волны λ_2r) изображению 15, которые формируются верхней частью экрана в окрестностях точки 13, схематично представлены величины отклонений G_bb и G_rr восстановленных лучей.In Fig. 1, respectively, the blue (at wavelength λ _2b ) image 14 of the diffuser and the red (at wavelength λ _2r ) image 15, which are formed by the upper part of the screen in the vicinity of point 13, schematically shows the deviations G _bb and G _{rr of the} reconstructed rays.

На фиг.2 в графической форме представлены результаты расчета величин отклонений G(x) с использованием выражения (4) при приведенных выше параметрах схемы записи и восстановления. Область графика между кривыми G_bb(х) и G_br(х) соответствует области рассеяния проецирующего излучения с длиной волны λ_2b в плоскости расположения зоны видения, а область между кривыми G_rb(x) и G_rr(x) - области рассеяния проецирующего излучения с длиной волны λ_2r в той же плоскости. Зона перекрытия указанных областей, располагающаяся между кривыми G_bb(х) и G_rr(х), определяет зону видения в рассматриваемом направлении. На основании анализа полученных данных производится уточнение координат (Х_D2b, Z_D2b) и (Х_D2r, Z_D2r) крайних точек диффузора. Критерием для уточнения является расположение кривых G_bb(x) и G_rr(x) выше и ниже оси х графика соответственно при получении просвета между кривыми, соответствующего требуемому размеру зоны видения. На графике требуемая зона представлена областью, заключенной между прямыми, параллельными оси Х и удаленными от этой оси на расстояние, соответствующее половине размера этой зоны. Здесь этот размер, без учета его увеличения соответственно угловому размеру выходного зрачка объектива проектора, принят равным 30 мм.Figure 2 presents in graphical form the results of the calculation of the deviation values G (x) using expression (4) with the above parameters of the recording and recovery schemes. The region of the graph between the curves G _bb (x) and G _br (x) corresponds to the scattering region of the projecting radiation with a wavelength of λ _2b in the plane of the vision zone, and the region between the curves G _rb (x) and G _rr (x) corresponds to the scattering region of the projecting radiation with a wavelength of λ _2r in the same plane. The overlapping zone of these regions, located between the curves G _bb (x) and G _rr (x), determines the zone of vision in the direction in question. Based on the analysis of the data obtained, the coordinates (X _D2b , Z _D2b ) and (X _D2r , Z _D2r ) of the extreme points of the diffuser are _refined . The criterion for clarification is the location of the curves G _bb (x) and G _rr (x) above and below the x-axis of the graph, respectively, when receiving a gap between the curves corresponding to the desired size of the vision zone. In the graph, the desired zone is represented by the region enclosed between straight lines parallel to the X axis and remote from this axis by a distance corresponding to half the size of this zone. Here this size, without taking into account its increase, corresponding to the angular size of the exit pupil of the projector lens, is taken to be 30 mm.

Фиг.3 иллюстрирует условия записи голографического экрана, предназначенного для формирования нескольких областей наблюдения для различных наблюдателей при проецировании изображения на экран. Из соображений простоты иллюстрации на фиг.3 представлены условия записи экрана, предназначенного для формирования двух таких областей. Запись экрана поводится путем несколько экспозиций. При выполнении единичных экспозиций положение центра 2 записываемого экрана, центра опорного пучка 11 и диффузора 12, находящихся в главном сечении схемы записи, которое совпадает с плоскостью X-Z трехмерной системы координат, неизменно. При этом обеспечиваются одинаковые условия записи также по времени экспонирования и интенсивности опорного и предметного пучков.Figure 3 illustrates the recording conditions of a holographic screen designed to form several areas of observation for different observers when projecting an image on the screen. For reasons of simplicity of illustration, figure 3 presents the recording conditions of the screen designed to form two such areas. Screen recording is done through several exposures. When performing single exposures, the position of the center 2 of the recorded screen, the center of the reference beam 11 and the diffuser 12 located in the main section of the recording scheme, which coincides with the X-Z plane of the three-dimensional coordinate system, is unchanged. At the same time, the same recording conditions are also provided for the exposure time and the intensity of the reference and subject beams.

Единичные экспозиции выполняются при отличающихся угловых положениях фотопластины (1_а и 1_б на фиг.3), получаемых при ее повороте в плоскости X-Y относительно собственного центра 2 на фиксированный угол φ. Изготовленный голографический экран 1, таким образом, имеет несколько собственных главных сечений (16_а и 16_б на фиг.3) соответственно положению фотопластины относительно главного сечения оптической схемы записи при единичных экспозициях.Single exposures are performed at different angular positions of the photographic plate (1 _a and 1 _b in FIG. 3) obtained by rotating it in the XY plane relative to its own center 2 by a fixed angle φ. The manufactured holographic screen 1 thus has several intrinsic principal sections (16 _a and 16 _b in FIG. 3) corresponding to the position of the photographic plate relative to the main section of the optical recording circuit for single exposures.

Фиг.4 иллюстрирует положение областей наблюдения в аппаратуре для демонстрации изображения на экране соответственно условиям записи, представленным на фиг.3, при использовании трех проекторов для получения трехмерного изображения в двух ракурсах. Голографический экран 1 располагается в плоскости X-Y трехмерного пространства так, что малая ось экрана совпадает с Х-осью этого пространства. Проекторы 5 с центрами 6 выходных зрачков, расположенными в плоскости Y-Z симметрично оси Z, проецируют цветные изображения предметной сцены, соответствующие различным точкам съемки этой сцены. Соответственно числу собственных главных сечений экрана, которые по условиям его записи развернуты относительно друг друга на угол φ, в пространстве наблюдения за экраном в каждой из плоскостей, включающих эти сечения и ось Z трехмерного пространства, формируются области наблюдения. На фиг.4 - это главные сечения 16_а и 16_б и соответствующие им области наблюдения 17_а и 17_б. По числу используемых проекторов каждая область наблюдения содержит несколько зон видения 18. Глаза наблюдателя, использующего выбранную им область наблюдения, размещаются в двух соседних зонах видения. При этом цветное изображение на экране воспринимается как трехмерное в одном из ракурсов. Наличие более двух зон видения в области наблюдения дает возможность видения изображения на экране с использованием другой пары зон видения при горизонтальном смещении наблюдателя на расстояние шага расположения зон видения, что обеспечивает наблюдения изображения в другом ракурсе.Figure 4 illustrates the position of the observation areas in the apparatus for displaying the image on the screen according to the recording conditions shown in figure 3, when using three projectors to obtain a three-dimensional image in two angles. The holographic screen 1 is located in the XY plane of the three-dimensional space so that the small axis of the screen coincides with the X-axis of this space. Projectors 5 with centers 6 of the exit pupils located in the YZ plane symmetrically to the Z axis project color images of the subject scene corresponding to various shooting points of this scene. According to the number of intrinsic principal sections of the screen, which, according to the conditions of its recording, are rotated relative to each other by an angle φ, in the observation space for the screen in each of the planes including these sections and the Z axis of three-dimensional space, observation regions are formed. Figure 4 - these are the main sections 16 _a and 16 _b and the corresponding observation areas 17 _a and 17 _b . According to the number of projectors used, each observation area contains several vision zones 18. The eyes of the observer using his chosen observation region are located in two adjacent vision zones. In this case, the color image on the screen is perceived as three-dimensional in one of the angles. The presence of more than two zones of vision in the observation area makes it possible to see the image on the screen using another pair of vision zones with a horizontal shift of the observer by the distance of the step of the location of the vision zones, which provides for image observation from a different perspective.

При расстоянии между центрами областей наблюдения по горизонтали В и удалении единичной области наблюдения от центра экрана в проекции на плоскость экрана L, численно равном координате Х_V центра зоны видения, угловое расстояние φ между центрами областей наблюдения в аппаратуре для демонстрации изображений, определяющее угловой шаг между положениями фотопластины при отдельных экспозициях при записи топографического экрана, определяется из соотношенияWhen the distance between the centers of the observation regions is horizontal B and the unit observation region is removed from the center of the screen in the projection onto the screen plane L, numerically equal to the coordinate X _{V of the} center of the vision zone, the angular distance φ between the centers of the observation regions in the image demonstration apparatus determines the angular step between the positions of the photographic plate for individual exposures when recording a topographic screen, is determined from the ratio

Единичная область наблюдения во фронтальном сечении, параллельном плоскости голографического экрана и включающем центры зон видения, представляет совокупность расположенных на одной высоте и вытянутых в одном направлении одинаковых световых пятен 18. Эти пятна не имеют четких контуров и окрашены по краям. На фиг.4 эти световые пятна обозначены пунктирными линиями. Сами зоны видения представляют центральные неокрашенные части этих пятен. Указанные световые пятна имеют общий наклон, равный углу наклона соответствующего главного сечения голографического экрана. Это накладывает ограничения на предельную величину этого наклона. Из практических соображений в качестве предельной можно принять общую величину углового диапазона размещения областей наблюдения, равную π/2, в которой может быть помещено до трех таких областей. Погрешность в определении угла φ при использовании соотношения (5) в этом диапазоне не превышает 10%.A single observation region in the frontal section parallel to the plane of the holographic screen and including the centers of the vision zones is a set of identical light spots 18. These spots do not have clear contours and are colored at the edges. 4, these light spots are indicated by dashed lines. The vision zones themselves represent the central unpainted parts of these spots. These light spots have a common slope equal to the slope of the corresponding main section of the holographic screen. This imposes restrictions on the limiting value of this slope. For practical reasons, the limit can be taken as the total value of the angular range of the distribution of the observation areas, equal to π / 2, in which up to three such areas can be placed. The error in determining the angle φ when using relation (5) in this range does not exceed 10%.

Предлагаемый способ изготовления голографического проекционного экрана, предназначенного для работы в составе аппаратуры для демонстрации трехмерных цветных изображений, был опробован экспериментально. Параметры экрана и демонстрационной аппаратуры были приняты такими же, что и при рассмотренном выше математическом моделировании. Размеры голографического экрана составили 300 и 400 мм по вертикали и горизонтали соответственно. В демонстрационной аппаратуре расстояние от проектора до экрана принято равным 2200 мм, а расстояние от экрана до центра зоны видения - 1300 мм и 300 мм по горизонтали и вертикали соответственно. При записи экрана использовался гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения 633 нм. При этом удаление центра опорного пучка от фотопластины взято равным 2500 мм. Определенные расчетным путем размеры диффузора составили 270 мм и 25 мм по длине и ширине соответственно. Для записи экрана использовалась фотопластина для голографии типа ПФГ-01. Для получения в демонстрационной аппаратуре двух областей наблюдения с расстоянием между ними, равным 500 мм, запись голографического экрана проводилась в две экспозиции с углом в 90° между двумя соответствующими положениям фотопластины с поворотом в плоскости самой пластины. В результате получен образец голографического экрана, при работе в составе демонстрационной аппаратуры обеспечивающий наблюдение качественных цветных трехмерных изображений по всей площади экрана двумя наблюдателями одновременно.The proposed method for manufacturing a holographic projection screen designed to operate as part of apparatus for demonstrating three-dimensional color images was experimentally tested. The parameters of the screen and demonstration equipment were taken to be the same as in the mathematical modeling considered above. The dimensions of the holographic screen were 300 and 400 mm vertically and horizontally, respectively. In the demonstration equipment, the distance from the projector to the screen is taken to be 2200 mm, and the distance from the screen to the center of the vision zone is 1300 mm and 300 mm horizontally and vertically, respectively. When recording the screen, a helium-neon laser with a radiation wavelength of 633 nm was used. In this case, the distance of the center of the reference beam from the photographic plate is taken equal to 2500 mm. The diffuser dimensions determined by calculation were 270 mm and 25 mm in length and width, respectively. To record the screen, a photographic plate for holography of the PFG-01 type was used. To obtain two observation areas with a distance between them equal to 500 mm in the demonstration apparatus, the holographic screen was recorded in two exposures with an angle of 90 ° between two corresponding positions of the photographic plate with rotation in the plane of the plate itself. As a result, a sample of a holographic screen was obtained, when working as part of a demonstration equipment, it ensured the observation of high-quality color three-dimensional images over the entire screen area by two observers simultaneously.

ЛитератураLiterature

1. Комар В.Г. и др. Трехмерная цветная телевизионная многоракурсная безочковая система с топографическим экраном. Техника кино и телевидения, 1998, №4, стр.29-36.1. Komar V.G. and others. Three-dimensional color television multi-angle frameless system with a topographic screen. Technique of film and television, 1998, No. 4, pp. 29-36.

2. Jung-Young Son, Victor G. Komar. Three-dimensional image system. Patent USA No6,229,561 B1 of May 8, 2001.2. Jung-Young Son, Victor G. Komar. Three-dimensional image system. Patent USA No. 6,229,561 B1 of May 8, 2001.

3. Jung-Young Son, Kyung-Ki Do, Vladimir I. Bobrinev. Method of producing a holographic projection screen for displaying a three-dimensional color images, Patent USA 6,211,977 B1 of Apr.3, 2001. - Прототип.3. Jung-Young Son, Kyung-Ki Do, Vladimir I. Bobrinev. Method of producing a holographic projection screen for displaying a three-dimensional color images, Patent USA 6,211,977 B1 of Apr.3, 2001. - Prototype.

4. Кольер Р. и др. Оптическая голография. М., «Мир», 1973.4. Collier R. et al. Optical holography. M., "World", 1973.

5. Jai-Soon Kim et al. The optimum optical geometry for recording a full color transmission type holographic screen of large size. Proceedings of SPIE, vol.3956, pp.148-157, 2000.5. Jai-Soon Kim et al. The optimum optical geometry for recording a full color transmission type holographic screen of large size. Proceedings of SPIE, vol. 3956, pp. 148-157, 2000.

Claims

Способ изготовления голографического экрана для демонстрации стереоскопических многоракурсных цветных изображений, включающий установку фотопластины в плоскость X-Y трехмерного пространства, в котором центр фотопластины расположен в начале координат трехмерного пространства;A method of manufacturing a holographic screen for demonstrating stereoscopic multi-angle color images, comprising installing a photographic plate in the X-Y plane of a three-dimensional space in which the center of the photographic plate is located at the origin of the three-dimensional space;

разделение лазерного пучка на два пучка, опорный и предметный, используемые для освещения поверхности фотопластины;separation of the laser beam into two beams, reference and subject, used to illuminate the surface of the photographic plate;

формирование опорного пучка в виде сферической волны, расходящейся из точки с координатами X_R, Z_R в плоскости X-Z трехмерного пространства с осью пучка, проходящей через центр фотопластины;the formation of a reference beam in the form of a spherical wave diverging from a point with coordinates X _R , Z _R in the XZ plane of three-dimensional space with the axis of the beam passing through the center of the photographic plate;

формирование предметного пучка в виде волны, рассеиваемой узким и длинным диффузором, длинная ось которого расположена в плоскости X-Z трехмерного пространства, при этом координаты точки на оси диффузора X_D, Z_D, ответственной за вклад в зону видения света с длиной волны λ₂, при расположении центра опорного пучка на оси Z трехмерного пространства на расстоянии Z_R от фотопластины, определяются из соотношенийthe formation of an object beam in the form of a wave scattered by a narrow and long diffuser, the long axis of which is located in the XZ plane of three-dimensional space, while the coordinates of the point on the axis of the diffuser are X _D , Z _D , responsible for the contribution to the vision of light with a wavelength of λ ₂ , at the location of the center of the reference beam on the Z axis of three-dimensional space at a distance Z _R from the photographic plate, are determined from the relations

где λ₁ - длина волны записывающего излучения, Z_p - расстояние от голографического экрана до проектора, X_V, Z_V - координаты центра зоны видения, в которой располагается глаз наблюдателя при работе экрана в составе демонстрационной аппаратуры,where λ ₁ is the wavelength of the recording radiation, Z _p is the distance from the holographic screen to the projector, X _V , Z _V are the coordinates of the center of the vision zone in which the observer's eye is located when the screen is operating as part of the demonstration equipment,

причем размеры диффузора рассчитываются с использованием соотношений (1) с распространением на весь спектральный диапазон проецирующего излучения, а сам диффузор и центр опорного пучка поворачиваются вместе относительно крайней точки фотопластины, в которой формируется максимальная частота интерференционной картины, до совмещения биссектрисы угла между направлениями приходящих в эту точку фотопластины лучей опорного и предметного пучков с биссектрисой угла между направлениями восстанавливающего луча, идущего в эту точку из центра выходного зрачка проектора, и восстановленного луча, исходящего из рассматриваемой точки фотопластины в центр зоны видения;moreover, the dimensions of the diffuser are calculated using relations (1) with the spread over the entire spectral range of the projecting radiation, and the diffuser and the center of the reference beam rotate together relative to the extreme point of the photographic plate at which the maximum frequency of the interference pattern is formed, until the bisector of the angle between the directions coming into this the point of the photographic plate of the rays of the reference and subject beams with the bisector of the angle between the directions of the recovery beam going to this point from the center the exit pupil of the projector, and the reconstructed beam coming from the point of the photographic plate in question to the center of the vision zone;

регистрацию картины интерференции опорного и предметного пучков, отличающийся тем, что регистрация картины интерференции опорного и предметного пучков на фотопластине производится путем трех последовательных экспозиций, причем между экспозициями пластина поворачивается в плоскости X-Y относительно собственного центра на фиксированный угол φ, определяемый какregistration of the interference pattern of the reference and subject beams, characterized in that the registration of the interference pattern of the reference and subject beams on the photographic plate is carried out by three successive exposures, and between exposures the plate is rotated in the X-Y plane relative to its own center by a fixed angle φ, defined as

где В - расстояние между областями наблюдения в горизонтальной плоскости, L - удаление области наблюдения от центра экрана в проекции на плоскость экрана.where B is the distance between the observation regions in the horizontal plane, L is the removal of the observation region from the center of the screen in projection onto the screen plane.