10.2. ДВУМЕРНЫЕ ДИСПЛЕИ

Б. Клей

10.2.1. Введение

Последние достижения голографии можно применять для изготовления дисплеев с проекцией двумерного изображения, в результате чего можно добиться некоторых преимуществ по сравнению с широко используемыми методами проекции с фотографической пленки.

К числу главных преимуществ голографических дисплеев относятся значительно более высокая яркость изображения, исключительно большая долговечность хранимого голографического изображения и меньшая стоимость копий. Другими достоинствами по сравнению с фотографией, связанными с использованием голографии, являются простота обработки, очень надежные средства восстановления, независимость колориметрии от фотосовместимых красителей и снижение входной мощности при данном значении яркости в случае негативных голограмм.

Мы опишем ряд методов, которые позволяют получить такие преимущества. В некоторых (но не во всех) типах дисплеев размер устройства, использующего голограммы, несколько больше, чем размер его фотографического аналога. Это связано с необходимостью внеосевого освещения в считывающем устройстве, работающем на ненулевом дифракционном порядке.

Поскольку для изготовления дисплеев подходит множество типов голограмм с различными характеристиками, в разд. 10.2.3 дается обзор свойств голограмм, которые выгодно использовать в дисплеях.

10.2.2. Оптимальные характеристики дисплеев

Ниже представлено обсуждение оптимальных характеристик дисплеев. Этот материал можно использовать как справочный при определении параметров, подходящих для данного применения.

10.2.2.1. Качество изображения

а. Разрешение и яркость. В большинстве случаев наблюдателю нужно, чтобы рассматриваемое им изображение обладало хорошей резкостью. Его реакция на изображение зависит главным образом от воспринимаемой резкости, размера (углового), яркости, контраста, яркости окружения и шумов. Все эти факторы взаимодействуют друг с другом и с трудом поддаются количественной оценке.

Для того чтобы установить точные критерии для изготовления дисплеев, необходимо сформулировать математическую модель системы человек — дисплей. Эту задачу решали Мезрих и др. [12].

Рис. 1. Пороговая контрастная чувствительность для синусоидальных функций интенсивности при различных значениях углового размера дисплея. Яркость на экране дисплея а яркость рассеянного окружающего

Чтобы осуществить модель и получить необходимую информацию, они предложили соответствующий механизм описания изображений и проделали необходимые психофизиологические измерения. Мезрих и др. провели очень большую работу и выполнили подробные исследования; эту работу следует иметь в виду в любой серьезной разработке дисплеев. Разработчик дисплеев должен учитывать геометрию системы дисплей — наблюдатель, поскольку на воспринимаемое разрешение влияют как размеры дисплея, так и яркость.

Например, авторы работы [12] показали наличие контролируемого влияния размеров дисплея на контрастную чувствительность (рис. 1) и влияние яркости дисплея на пороговый контраст (рис. 2).

Для получения оптимальной конструкции дисплея необходимо рассмотреть эти факторы наряду с влиянием типа оптической системы (т. е. голографической или обычной).

Рис. 2. (см. скан) Пороговая контрастная чувствительность для одно- и двумерных синусоидальных решеток интенсивности при различных значениях яркости экрана дисплея (яркость окружающего света в 10 раз меньше яркости экрана дисплея). Штриховые кривые — средние значения для одномерной решетки при сплошные кривые для двумерной решетки при .

б. Цвет. Для многих целей вполне удовлетворительными являются дисплеи, информация в которых содержится лишь в освещенности, однако добавление цвета, несомненно, приведет к улучшению характеристик устройства по следующим причинам:

1. Для среды с высокой плотностью представления информации наблюдатель может усвоить данное количество информации быстрее с цветовым кодировании, чем без него. Исследования, выполненные Смитом [13], показали, что при выполнении задания поиска и подсчета буквенно-цифровых и малых векторных символов, представленных на черно-белом дисплее, с одной стороны, и на дисплее с цветовым кодированием пятью цветами, с другой, наблюдатели более

эффективно справлялись со своей задачей в случае, когда использовался цвет.

2. При наличии цветового кодирования выполнение вышеописанного задания сопровождается значительно меньшим числом ошибок.

3. При заданной ошибке отклонение от точности воспроизведения было значительно меньше при поиске и подсчете, когда использовалось цветовое кодирование.

в. Фон. Вообще говоря, дисплеи оказываются весьма полезными при работе в обстановке, характеризуемой широким диапазоном фоновой засветки. Если рабочее помещение является довольно темным, то ограничение контраста изображения, проецируемого с транспаранта, имеющего определенный диапазон плотности, будет определяться главным образом внутренним рассеянием проектора и качеством линз. Однако если в рабочей комнате имеется сильная фоновая засветка, то приходится сталкиваться с более серьезными проблемами. Когда свет в комнате засвечивает проекционную систему, контраст изображения ухудшается. Участки изображения, которые должны быть черными, становятся серыми, поскольку рассеянный комнатный свет попадает на проекционный экран в поле зрения наблюдателя. Контраст определяется выражением

где интенсивность света от двух источников, один из которых дает свет, проецируемый с самых темных участков объекта, а второй является фоновым светом, рассеянным с экрана в поле зрения наблюдателя; свет, проецируемый с областей объекта, обладающих максимальной прозрачностью.

Если можно пренебречь внутренним рассеянием в проекторе и если рабочее помещение совершенно затемнено, то контраст

т. е. контраст изображения равен контрасту объекта. С другой стороны, если эффективный коэффициент отражения от экрана равен 0,1, а фоновая засветка на экране равна то от экрана отразится свет Считая, что комната действует как протяженный источник света, приходим к выводу, что большая часть этого света попадет в поле зрения наблюдателя, и, следовательно, Чтобы иметь контраст 90%, необходимо, чтобы на экране было бы порядка

Если засветка увеличивается, скажем, до что характерно для тени в солнечный день на улице, то первоначальный контраст уменьшается до 33,3% с соответствующими потерями градаций.

Оптимальный дисплей должен передавать наблюдателю высококонтрастное изображение, даже если засветка настолько велика, насколько можно предполагать. Как мы увидим ниже, решить эту задачу позволяет применение фазовых голограмм, с помощью которых можно получить значительную яркость. Кроме того, диффузное отражение от экрана можно уменьшить, используя специальные методы, например применяя зеркальные чечевицеобразные поверхности с просветляющим покрытием, в отличие от более часто используемых диффузных поверхностей.

10.2.2.2. Требование к качеству среды для записи голограммы

а. Информационная плотность. Существенное влияние на различные параметры дисплея может оказать выбранная среда для записи голограмм. Для большинства оптимальных универсальных дисплеев среда должна хранить информацию как в виде цвета, так и в виде освещенности и иметь хорошую линейность в широком динамическом диапазоне. Кроме того, она должна быть малошумящей и при этом иметь высокое разрешение, чтобы большой массив информации занимал как можно меньший объем. Голограммы можно хранить в незернистых прозрачных средах, которые непригодны для использования в фотографии. Некоторые из этих материалов имеют очень высокое разрешение; примером может служить фоторезист Shipley AZ 1350 [1].

б. Долговечность хранения. Среда для записи голограммы должна быть устойчива к механическим воздействиям, влажности, нагреванию, падающему свету, многократным изгибам и атмосферным загрязнениям, вызывающим коррозию. В идеальном случае с течением времени не должно стираться изображение и не должна меняться прозрачность подложки. Когда требуется архивная память, особо важное значение приобретает цветовая стабильность. Красители, используемые в фотографических материалах, под действием яркого света и тепла выцветают. Голограммы же могут хранить информацию просто в виде разностей длин оптических путей, и, следовательно, как цветовая информация, так и информация, заключенная в освещенности, остаются стабильными. В разд. 10.2.3 рассмотрен ряд таких материалов,

в. Стоимость. Суммарная стоимость складывается из стоимостей материала основы, процесса изготовления среды, а также химического проявления и обработки. Поскольку в рассматриваемом случае широко используются фотографические пленки, стоимость остальных материалов мы будем сравнивать со стоимостью готовых

фотографических транспарантов. Голографическии способ записи позволяет несколько снизить стоимость; этот вопрос обсуждается в разд, 10.2.3.

10.2.2.3. Простота использования

Очевидно, что оптимальный дисплей — это такой дисплей, при работе с которым возникает минимальное число нерешенных проблем.

а. Глубина резкости. Одной из больших неприятностей, возникающих при работе, например, с проекторами стандартных микрофильмов, является чувствительность к настройке на фокус. Эти приборы должны быть тщательно сфокусированы, в противном случае качество изображений серьезно ухудшается. Во многих случах требуемые пределы регулировки фокуса несовместимы с механическими пределами регулировки в лентопротяжном механизме. Проблема связана с тем, чтобы иметь возможность получать достаточно яркое изображение с транспаранта небольших размеров. Если увеличивать яркость источника света, то соответственно будет возрастать яркость изображения, но это приведет к тому, что пленка должна будет модулировать большие плотности светового потока. Процесс модуляции зависит от поглощения света на пленке. При поглощении световая энергия в эмульсии переходит в тепловую. Даже если использовать фильтр с целью подавления инфракрасных составляющих излучения проекционного источника света, из-за эндотермического превращения энергии температура пленки должна возрастать. В предельном случае количество света, падающего на пленку, должно быть меньше, чем требуется для ее термического разрушения. Следовательно, яркость изображений, воспроизводимых с пленок, модулирующих свет поглощением, ограничена значением оптического увеличения и относительного отверстия линзы. Стремление к малым относительным отверстиям, чтобы получать более высокую яркость, неизбежно приводит к уменьшению глубины резкости и, следовательно, создает невыполнимые требования к системе.

Очевидным решением этой проблемы является применение такого способа модуляции света, в котором не используется поглощение. Фазовые голограммы модулируют свет благодаря дифракции — процессу, который не влечет за собой нагревание. Следовательно, при этом можно безопасно пропускать чрезвычайно большие потоки падающего света. За счет возросшей яркости можно увеличить глубину резкости путем увеличения относительного отверстия проекционной линзы; следовательно, система становится более удобной в эксплуатации. Этот принцип можно применить не только к микрофильмовым системам, но также и к другим проекционным дисплеям.

б. Восстановление. Нередки случаи, когда в системах отображения с большим количеством хранимой информации требуется система восстановления. Каждый кадр кодируется распознающим числом в форме кода, считываемого на ЭВМ. Это позволяет управлять системой поиска с помощью электрического сигнала.

Плотность информации, которая достигается при использовании бинарной битовой матрицы, обычно выше, чем в случае применения других схем распознавания. Голографическая запись этого кода дает максимальную избыточность информации в отведенной для нее площади, так что случайное повреждение или даже вырезание существенной части площади голографического кадра не влечет за собой стирания информации. Как показано в разд. 10.2.5, дополнительные преимущества обусловлены выбором подходящего типа голограммы.

10.2.2.4. Эксплуатационные свойства

а. Надежность. Общая надежность дисплея зависит от таких факторов, как ресурс источника света, время памяти регистрирующей среды, а также сложность и число компонентов дисплея.

Голографическая система считывания имеет определенные преимущества в смысле надежности над обычными пленочными проекционными системами, если голограммы выполнены на твердой пластичной пленке и если считывание происходит с помощью лампы накаливания, а не лазера.

б. Размеры. В зависимости от типа используемых голограмм дисплей может иметь те же размеры, что и аналогичный пленочный проектор.

в. Потребление мощности. Для дисплея могут быть выбраны различные типы голограмм. Они определяют вид и схему используемого источника света. В качестве источников света для считывания используются лазеры, фильтруемые дуговые лампы и лампы накаливания; однако если необходимо минимизировать входную мощность, потребляемую системой, то надо выбирать такой тип голограмм, который можно считывать светом ксеноновой лампы высокого давления или лампы накаливания. В п. 10.2.4.2 описывается метод голограмм нулевого дифракционного порядка, который дает более яркое изображение, чем обычный цветной слайд при том же увеличении и той же входной мощности. Обстоятельства, рассмотренные в разд. 10.2.3, позволяют реализовать другие оптимальные параметры системы.