Способ и устройство для получения изображений в пространстве

009998 Область техники Изобретение относится к способам и устройствам для получения изображений в пространстве и предназначено для использования в области рекламы, шоу, эстрады и т.п. при отсутствии специальных мер для отражения или рассеяния оптического излучения как на открытом воздухе, так и в закрытых помещениях. Обоснование изобретения В настоящее время широко применяются лазеры для создания изображений на специально подготовленных средах для отражения или рассеяния оптического излучения (экраны, облака дыма, пара,струи воды и т.п.) в области рекламы, шоу, эстрады и т.п. Известен способ получения объемных изображений [А.с. СССР 1817575, МКИ 7 G 02 В 27/22,публикация 27.08.1995] путем графического вычерчивания. В этом способе объект разбивают на отдельные точки, каждую точку изображают в виде кольцевой канавки на носителе, которую освещают параллельным пучком света. Глаз видит только две противоположные точки канавки, для каждого глаза образуется свое изображение. Известный способ нуждается в носителях, на которых предварительно записаны изображения, что ограничивает его возможности. Известен способ получения объемных изображений с использованием потоков излучения [патент РФ 2055315, МПК 7: С 01 С 11/00, 11/06, G 02B 27/22, публикация 27.02.1996], ближайший к заявляемому способу. Осуществляют пространственную модуляцию потоков излучения посредством стереомножества носителей изображения. Модулированные потоки излучения проецируют на сетчатку обоих глаз наблюдателя последовательно - циклически с частотой смены модулированных потоков излучения(2-50)N Гц, где N - размерность стереомножества носителей изображения. Для наблюдения изображений в данном способе необходим экран, например экран дисплея, что ограничивает возможности способа для использования для большого количества зрителей. Ближайшим к заявляемому устройству является лазерная автоматизированная система КомпактВита [Проспект ГУП НПО Асторфизика, Лазерная автоматизированная система Компакт-Вита],содержащая только один источник направленного излучения с блоком питания и устройство управления параметрами потока излучения, вход управления которого соединен с соответствующим выходом блока управления. Для создания изображения данным устройством также необходим экран. Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для получения изображений в пространстве при отсутствии как носителей изображения, так и специальных мер для отражения или рассеяния оптического излучения. Поставленная задача в способе построения изображения в пространстве, заключающемся в формировании и подаче в заданную область пространства направленного потока видимого излучения, решена тем, что формируют хотя бы 2 потока указанного направленного излучения мощностью от 0,05 до 10 порогов различимости человеческого глаза для текущих условий наблюдения каждый и подают в заданную область пространства указанные потоки направленного излучения так, что потоки направленного излучения пересекаются в одной точке в пределах указанной области и точка пересечения всех потоков находится в пределах указанной области. Точка пересечения всех потоков должна иметь видимый с любой точки в указанной области угловой размер соответствующий угловому разрешению человеческого глаза. Каждый из потоков направленного излучения формируют в виде конуса, вершина которого находится в указанной точке пересечения потоков направленного излучения. Направленное излучение может быть непрерывным или импульсным, предпочтительно лазерным излучением. Построение изображения осуществляют перемещением в пространстве точки пересечения всех потоков излучения и, при необходимости, с изменением яркости и/или цвета указанной точки. Управление яркостью точки пересечения всех потоков излучения осуществляют путем изменения мощности всех потоков излучения одновременно, или путем изменения количества одновременно формируемых потоков излучения, или путем асинхронизации импульсов излучения посредством введения временной задержки между импульсами формируемых импульсных потоков излучения. Спектры всех потоков излучения могут быть идентичны. Можно осуществлять управление цветом изображения, формируя потоки излучения с различными спектрами, например в красной, зеленой и синей областях спектра, и изменяя мощность и/или количество потоков излучения, формируемых одновременно в каждой спектральной области. Поставленная задача в устройстве для построения изображения в пространстве, содержащем блок управления, хотя бы один источник направленного излучения с блоком питания и устройством управления параметрами потока излучения, вход управления которого соединен с соответствующим выходом блока управления, решена тем, что оно содержит не меньше двух источников направленного излучения с соответствующими блоками питания и устройствами управления параметрами, которые установлены на границе области, в пределах которой созданы оптимальные условия наблюдения изображения, так, что все выходные потоки направленного излучения пересекаются в одной точке в пределах указанной облас-1 009998 ти под углом 30-140. Точка пересечения всех потоков имеет видимый с любой точки в указанной области угловой размер, соответствующий угловому разрешению человеческого глаза. Каждый источник излучения предпочтительно снабжен оптической системой для формирования из выходного излучения пучка конической формы таким образом, что основанием конуса является выходной зрачок оптической системы, а вершиной - указанная точка пересечения выходных потоков направленного излучения. Предпочтительно источники излучения представляют собой лазеры. Каждое устройство управления параметрами потока излучения предпочтительно выполнено в виде управляемого оптического дефлектора для перемещения указанной точки пересечения потоков излучения. Управляемый аттенюатор, сигнальный вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, подключен к каждому из указанных устройств управления параметрами последовательно по потоку излучения. Каждый соответствующий блок питания связан с соответствующими выходами блока управления через соответствующее устройство внешней синхронизации. Хотя бы часть источников излучения могут быть выполнены импульсными, и те из устройств внешней синхронизации, которые соединены с блоками питания источников излучения, выполненных импульсными, снабжены регулируемой временной задержкой. Источники излучения могут быть предназначены для формирования излучения более чем в одном спектральном диапазоне, предпочтительно в красной, зеленой и синей областях спектра. Заявляемые способ и устройство представлены на чертежах. Краткое описание чертежей Фиг. 1 - схематическое пространственное представление заявляемого устройства; фиг. 2 - схематическое представление пространственного расположения для одного из элементов заявляемого устройства; фиг. 3 - блок-схема заявляемого устройства; фиг. 4 - фото изображения, полученного в примере реализации. Детальное описание изобретения и предпочтительные примеры его реализации Заявляемое устройство схематически представлено на фиг. 1, 2, 3. Главной частью устройства являются источники 11-1n направленного излучения, снабженные соответствующими блоками питания 212n и управляемыми оптическими дефлекторами 31-3n (выходной зрачок которого условно показан на фиг. 2) в качестве устройств управления параметрами, сигнальный вход каждого из которых связан с соответствующим из выходов 41-4n сигнала управления пространственным положением блока 5 управления (см. фиг. 3). Для придания необходимой конусной формы потоку излучения каждый из источников 11-1n снабжен соответствующей формирующей оптической системой 61-6n. Каждый из блоков питания 21-2n через соответствующее из устройств 71-7n внешней синхронизации с регулируемой временной задержкой связан как с соответствующим из выходов 81-8n сигнала синхронизации, так и с соответствующим из выходов 91-9n сигнала управления задержкой блока управления 5. Последовательно по потоку излучения, предпочтительно перед каждым дефлектором 31-3n, установлен управляемый аттенюатор 101-10n, сигнальный вход которого соединен с соответствующим из выходов 111-11n сигнала регулировки мощности излучения блока управления 5. В настоящем описании приведен предпочтительный, оптимальный, порядок установки устройств по потоку излучения. В зависимости от конкретных условий и оборудования порядок установки формирующей системы 6, оптического дефлектора 3 и аттенюатора 10 может быть изменен. Так, например,формирующая система 6 может быть конструктивно объединена с источником 1 излучения, при необходимости, аттенюатор 10 может быть установлен после дефлектора 3 и т.д. Блок управления 5 может быть выполнен, например, на основе компьютера или иного программируемого устройства. Заявляемый способ реализуют при работе описанного устройства следующим образом. Некоторое количество n (n 2) источников 1 направленного излучения, например лазеров, видимого диапазона спектра располагают по периметру области, в пределах которой обеспечиваются оптимальные условия для наблюдения создаваемого изображения (далее по тексту - плоскость наблюдателей - S на фиг. 1). Формируемое изображение может наблюдаться и за пределами области S, но по мере удаления от границы области качество восприятия будет ухудшаться. Потоки 121-12n излучения от всех источников 11-1n направляют в одну точку А в пространстве изображения с координатами Ха, Ya, Za (Точка А на фиг. 1, далее по тексту - точка прицеливания). Мощность каждого из потоков 121-12n излучения выбирают в пределах от 0,05 до 10 порогов различимости человеческого глаза для текущих условий наблюдения из условия формирования в максимально удаленной (в пределах создаваемого трехмерного изображения) от источника излучения точке-2 009998 прицеливания А такого светового пятна, чтобы его видимый угловой размер соответствовал угловому разрешению среднестатистического человеческого глаза. Для повышения яркости пятна и четкости изображения каждый поток 121-12n излучения предпочтительно преобразуют соответствующей формирующей оптической системой 61-6n в пучок 131-13n конической формы (см. фиг. 2) таким образом, что основанием каждого конуса является выходной зрачок соответствующей формирующей оптической системы 61-6n (или оптического дефлектора 31-3n), а вершиной - точка прицеливания А. Конические пучки 131-13n излучения всех источников 11-1n направляют в пространство изображений S так, чтобы вершины всех конусов пересекались в одной точке А с координатами Ха, Ya, Za. Параметры всех формирующих оптических систем 61-6n также подбирают из условия формирования в точке прицеливания А такого светового пятна, чтобы его видимый из любой точки плоскости наблюдателей S угловой размер соответствовал угловому разрешению среднестатистического человеческого глаза. Эта величина составляет одну угловую минуту или 2.9410-4 радиан [D. Sliney, M. Wolbarsht.Safety with Lasers and Other Optical Sourses. A Comprehansive Handbook. Plenum Press. New York and London, 1980]. Например, если исходная угловая расходимость потока 12i лазерного излучения составляет 5 угловых минут, с помощью формирующей оптической системы 6i ее необходимо уменьшить в 5 раз. Такая задача решается с помощью 5-кратной телескопической системы, например, по схеме Кеплера или Галилея [H. Ebert. Phisikalishes Taschenbuch. Friedr. Vieweg und Sohn. Braunschweif, 1957; Г.С. Лансберг. Оптика. Наука, М., 1976]. При этом исходный диаметр лазерного луча увеличивается в 5 раз, формируя на выходе оптической системы 6i основание конуса 13i, о котором писалось выше. Минимальный угловой размер пятна в фокусе оптической системы 6i (вершина конуса - точка А), видимый из точки в плоскости наблюдателей, расположенной вблизи выходного зрачка формирующей оптической системы, будет равен примерно одной угловой минуте. Использование такой формирующей оптической системы резко (в выше рассмотренном случае - в 25 раз) улучшает яркость пятна и четкость изображения. Энергетические характеристики каждого источника 1i излучения выбирают по следующим критериям. Среднюю мощность Р (Вт) каждого из непрерывных и импульсных (с длительностью отдельного импульса больше 0,1 с) источников 1 видимого излучения выбирают таким образом, чтобы облученность Н (Вт/м 2) в точке прицеливания А была близка к порогу различимости (от 0,5 до 10 порогов) человеческого глаза в условиях освещенности и состояния атмосферы (запыленность, влажность), соответствующих условиям наблюдения. Мощность Р (Вт) или энергия в импульсе W (Дж) перечисленных источников излучения для ночных условий может быть рассчитана следующим образом. Мощность источника излучения рассчитывается по формуле где Pi, Вт - мощность отдельного источника излучения (индекс i указывает порядковый номер источника,1in);L, см - расстояние от выходного зрачка формирующей оптической системы до точки прицеливания А; Нпор, Вт/см 2 - облученность сетчатки глаза, соответствующая порогу различимости в темноте; по данным [3] она составляет примерно 210-9 Вт/см 2;s - доля светового потока видимого диапазона спектра, рассеянного слоем атмосферного воздуха единичной толщины; по данным [5, с. 587] величина s составляет 2.710-7 при нормальном давлении и температуре для слоя толщиной 1 см;K - относительное увеличение облученности на отрезке от наружной поверхности роговицы до сетчатки, обусловленное фокусировкой светового потока оптической системой глаза. Для диаметра зрачка глаза -0,6 см, соответствующего адаптации к малому (ночному) освещению, величина K равна примерно 3.5105 [3]. Пример. Максимальное расстояние от источника излучения до края создаваемого изображения L=50 м (5103 см), s=2,710-7, K=3,5105. Мощность каждого отдельного источника должна быть не менее Для импульсных источников 1 видимого излучения при длительности отдельных импульсов в интервале 10-7-0,1 с. Энергию отдельных импульсов W (Дж) для источников 1 видимого излучения, выполненных импульсными с длительностью отдельных импульсов в интервале 10-7-0,1 с, выбирают таким образом, что-3 009998 бы энергетическая экспозиция Е (Дж/см 2) в точке А была близка к порогу различимости человеческого глаза в условиях освещенности и состояния атмосферы (запыленность, влажность), соответствующих условиям наблюдения. Энергия излучения в импульсе Wi (Дж) (независимо от длительности импульса в указанном интервале) должна соответствовать величине, накапливаемой рецепторами сетчатки за время порядка 0,1 с при облученности сетчатки, соответствующей порогу различимости Нпор. Таким образом, искомая величина энергии излучения Wi каждого источника численно равнаWi (Дж) = 0,1 Pi (Вт),где Pi вычисляется по формуле (1). Справедливость формулы (1) подтверждена измерениями авторов (см. пример реализации). Мощность Р (Вт) или энергия в импульсе W (Дж) перечисленных источников излучения при дневном и сумеречном освещении будет выше, чем та, что определена по формуле (1). Превышение зависит не только от освещенности, но и от состояния атмосферы (влажность, туман, запыленность и т.д.). Коэффициент превышения подбирают из условия формирования максимального воспринимаемого глазом наблюдателя, находящегося в плоскости S, светового контраста между точкой прицеливания и излучением, рассеиваемым каждым из пучков 13. Построение изображения осуществляют перемещением в пространстве общей для всех источников точки прицеливания А. Одновременно можно осуществлять управление яркостью и, при необходимости,цветом изображения. Если в трехмерных Декартовых координатах (фиг. 1, 2) расположение центра выходного зрачка оптического дефлектора 3i i-го источника 1i излучения и точки прицеливания А заданы координатами (Xi,Yi, Zi) и (Ха, Ya, Za) соответственно (см. фиг. 2), то алгоритм управления направлениями излучения этого источника можно описывать, например, формулами где , ,- углы между проекциями отрезка, соединяющего выходной зрачок оптического дефлектора iго источника излучения с точкой прицеливания 6i-А (фиг. 2), на координатные плоскости, и осями координат X, Y, Z соответственно. Эти углы являются функциями положения точки прицеливания для каждого источника излучения и определяют алгоритм управления направлениями световых потоков в трех координатных плоскостях для перемещения этой точки в пространстве. Выбор скорости движения точки прицеливания А основан на известных закономерностях формирования кадра, частоте кадров и т.д. детально разработанных, например, в телевидении. (Частота кадров должна быть не менее 20 Гц. Угловое расстояние между строками плоского изображения или плоскостями, формирующими 3-мерное изображение, желательно выбирать соответствующим угловому разрешению среднестатистического человеческого глаза). Управление направлением потока излучения каждого источника 1 осуществляют посредством соответствующего оптического дефлектора 3. Для управления отдельным потоком 12 может быть использована, например, лазерная автоматизированная система Компакт-Вита ГУП НПО Асторфизика, Россия [Проспект ГУП НПО Асторфизика, Лазерная автоматизированная система Компакт-Вита]. Эти системы могут быть использованы в количестве, равном количеству формируемых потоков излучения. Управление интенсивностью наблюдаемого рассеянного атмосферой излучения в точке прицеливания (воспринимаемой глазом яркости точки) осуществляют следующими методами. 1) Управление мощностью всех источников 1 излучения одновременно посредством аттенюаторов 10 под управлением блока 5 управления. Упомянутая лазерная автоматизированная система КомпактВита ГУП НПО Асторфизика, Россия, позволяет реализовать управление мощностью отдельного потока 12. Эти системы могут быть использованы в количестве, равном количеству формируемых потоков излучения. 2) Изменение количества одновременно включаемых источников 1 излучения. Для этого блок управления 5 в соответствии с заложенной в него программой формирует управляющий сигнал на каждом из своих выходов 81-8n, связанных с первыми сигнальными входами соответствующих устройств 717n внешней синхронизации. Устройства 71-7n включают блоки питания 21-2n в соответствии с полученными управляющими сигналами. 3) Для импульсных источников 1 видимого излучения при длительности отдельных импульсов в интервале 10-7-0,1 с возможно управление яркостью точки А посредством асинхронизации импульсов излучения за счет введения временной задержки между импульсами, излучаемыми различными источниками в пределах 0-0,2 с. Для этого блок управления 5 в соответствии с заложенной в него программой-4 009998 формирует управляющий сигнал на каждом из своих выходов 91-9n, связанных со вторыми сигнальными входами соответствующих устройств 71-7n внешней синхронизации с регулируемой временной задержкой. Устройства 71-7n включают блоки питания 21-2n с задержкой, установленной в соответствии с полученным управляющим сигналом. Что касается цвета создаваемого изображения, если спектры излучения всех источников идентичны, изображение будет монохромным. Управление цветом изображения можно осуществлять путем формирования потоков излучения с различными спектрами. В этом случае наблюдаемый цвет в точке прицеливания отличается от исходных и его определяют по диаграмме цветности [В.В. Мешков, А.Б. Матвеев. Основы светотехники. Энергоатомиздат, М., 1985]. Изменяя, как описано выше, мощность и/или количество одновременно формируемых потоков излучения, можно изменять цвет изображения. В частном случае источники 1 могут быть выполнены так, что одна группа источников 1 излучает в красной области спектра, вторая группа - в зеленой, а третья группа - в синей. Посредством управления мощностью в группах, может быть осуществлен произвольный выбор воспринимаемого человеческим глазом цвета в зоне точки прицеливания по всей видимой области спектра (по аналогии, например, с ТВэкраном). Заявляемое изобретение можно проиллюстрировать следующим неограничивающим примером реализации. Пример реализации. Излучение непрерывного аргонового лазера, соответствующее сине-зеленой области спектра (длины волн 514 и 480 нм) с расходимостью порядка 6 угловых минут и регулируемой мощностью от 0 до 5 Вт преобразовали в параллельный поток диаметром 8 мм (исходный диаметр лазерного пучка - 1 мм,телескоп - труба Кеплера, 8 Х). Этот поток разделили на шесть примерно равных по мощности потоков с помощью призменного светоделителя. Потоки направили на шесть сферических (сфера - положительная) зеркал, расположенных на общей платформе в углах правильного шестиугольника, вписанного в окружность диаметром 60 см. Сфокусированные после отражения от зеркал шесть конических пучков света направили с помощью этих же сферических зеркал в одну общую точку (см. фиг. 4). Эти зеркала,таким образом, выполняли функцию как источников излучения, так и формирующих систем. При радиусе кривизны зеркал, равном +120 см, расстояние от поверхности зеркала до перетяжки конического пучка (здесь - точки пересечения пучков) составило примерно 60 см. Диаметр светового пятна в точке пересечения пучков составил 0,40,1 мм. Положение точки пересечения пучков в пространстве изменяли как с помощью управления углами наклона сферических зеркал, так и поворотом всей упомянутой платформы в целом. На фиг. 4 видно, что угол наклона всех 6 световых пучков к плоскости платформы 60. Мощность каждого светового пучка, соответствующая порогу различимости, на черном фоне при сумеречном освещении в лабораторном помещении составила 0,04 Вт. Указанное значение зафиксировано пятью наблюдателями с нормальным зрением после 20-минутной адаптации. Расчетная оценка мощности каждого светового пучка, соответствующей порогу различимости, проведенная по формуле (1), равна 0,02 Вт. Расчетное и экспериментальное значения достаточно близки. Как видно на фиг. 4 и зафиксировано пятью упомянутыми наблюдателями, точка пересечения лучей воспринимается более ярко, чем рассеянное излучение от индивидуальных пучков и является основой для построения изображений в пространстве при ее перемещении. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения изображения в пространстве, заключающийся в формировании хотя бы 2 потоков направленного излучения и подачи их одновременно в заданную область пространства, в пределах которой создают оптимальные условия наблюдения изображения, так, чтобы потоки направленного излучения пересекались в одной точке в пределах указанной области и точка пересечения всех потоков находилась в пределах указанной области, отличающийся тем, что указанные потоки направленного излучения формируют из излучения видимой спектральной области так, что мощность каждого из них выбирают от (1/N) до 10 порогов различимости человеческого глаза, определяемой для текущих условий наблюдений, где N - число потоков направленного излучения, находящееся в пределах от 2 до 20, и точку пересечения формируют с видимым с любой точки в указанной области угловым размером, соответствующим угловому разрешению человеческого глаза. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый из потоков направленного излучения формируют в виде конуса, вершина которого находится в указанной точке пересечения потоков направленного излучения. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что направленное излучение является непрерывным. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что направленное излучение является импульсным. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное направленное излучение является лазерным излучением.-5 009998 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что построение изображения осуществляют перемещением в пространстве точки пересечения всех потоков излучения. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно изменяют яркость точки пересечения всех потоков излучения. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что изменение яркости точки пересечения всех потоков излучения осуществляют путем изменения мощности всех потоков излучения одновременно. 9. Способ по п.7, отличающийся тем, что изменение яркости точки пересечения всех потоков излучения осуществляют путем изменения количества одновременно формируемых потоков излучения. 10. Способ по пп.4, 5 или 6, отличающийся тем, что изменение яркости точки пересечения всех потоков излучения осуществляют путем асинхронизации импульсов излучения посредством введения временной задержки между импульсами потоков излучения, формируемых импульсными. 11. Способ по пп.1-10, отличающийся тем, что спектры всех потоков излучения идентичны. 12. Способ по пп.1-10, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют управление цветом изображения путем формирования потоков излучения с различными спектрами и изменения мощности и/или количества одновременно формируемых потоков излучения. 13. Устройство для получения изображения в пространстве, содержащее блок управления, не меньше двух источников направленного излучения с соответствующими блоками питания и устройствами управления параметрами потока излучения, входы управления которых соединены с соответствующими выходами блока управления, причем указанные источники направленного излучения установлены так, чтобы выходные потоки направленного излучения пересекались в одной точке в пределах указанной области под углом 30-140, отличающееся тем, что указанные источники направленного излучения выполнены с возможностью излучения в видимой спектральной области и каждый из них выполнен с мощностью излучения, от (1/N) до 10 порогов различимости человеческого глаза, определяемой для текущих условий наблюдений, где N - число формируемых потоков направленного излучения, находящееся в пределах от 2 до 20, при этом указанные источники направленного излучения установлены на границе области, в пределах которой созданы оптимальные условия наблюдения изображения так, чтобы точка пересечения всех потоков имела видимый с любой точки указанной области угловой размер, соответствующий угловому разрешению человеческого глаза. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждый источник излучения снабжен оптической системой для формирования из выходного излучения пучка конической формы таким образом, что основанием конуса является выходной зрачок оптической системы, а вершиной - указанная точка пересечения выходных потоков направленного излучения. 15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что источники излучения представляют собой лазеры. 16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждое устройство управления параметрами потока излучения выполнено в виде оптического дефлектора для перемещения указанной точки пересечения потоков излучения. 17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что к каждому устройству управления параметрами потока излучения последовательно по потоку излучения подключен управляемый аттенюатор, сигнальный вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления. 18. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждый блок питания связан с соответствующим выходом блока управления через соответствующее устройство внешней синхронизации. 19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что те из устройств внешней синхронизации, которые соединены с блоками питания источников излучения, выполненных импульсными, снабжены регулируемой временной задержкой. 20. Устройство по п.13, отличающееся тем, что источники излучения предназначены для формирования излучения более чем в одном спектральном диапазоне.