Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАММ
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАММ

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАММ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Технический результат: улучшение и облегчение голографического воспроизведения физической системы. Использование - голография. Сущность: способ и устройство для изготовления голограмм с использованием техники экспонирования пленочной подложки или другого светочувствительного средства для получения последовательных двухмерных изображений, которые в совокупности являются представительными для трехмерной системы, предназначенной для создания трехмерной голограммы физической системы. Использованы малые отношения пучков для наложения множества (20-300) изображений на подложку. Каждое изображение является относительно слабым, однако комбинация серий слабых изображений в конечном счете приводит к созданию единственно четкой определенной голограммы. 3 с. и 17 з.п.ф-лы, 12 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2130632
Класс(ы) патента: G03H1/26, G03H1/28
Номер заявки: 95113488/25
Дата подачи заявки: 26.11.1993
Дата публикации: 20.05.1999
Заявитель(и): Фоксел (US)
Автор(ы): Харт Стефен (US)
Патентообладатель(и): Фоксел (US)
Описание изобретения: Настоящее изобретение относится, в самом общем виде, к созданию способов и устройств для производства голограмм, а более конкретно, касается создания техники последовательного экспонирования на подложке фотопленки множества двухмерных изображений, репрезентативных относительно трехмерной физической системы, для выработки посредством этого голограммы физической системы. 1
Голограмма представляет собой трехмерную запись, например, запись на фотопленке, физической системы, которая, при ее (записи) воспроизведении, создает истинное трехмерное изображение системы. Голография отличается от стереоскопической фотографии тем, что голографическое изображение обладает полным параллаксом, что дает наблюдателю полный диапазон точек зрения на изображение с любого угла зрения, как по горизонтали, так и по вертикали, и в полной перспективе, то есть предоставляет наблюдателю полный диапазон перспектив изображения с любого расстояния, от близкого до дальнего. Таким образом, голографическое представление изображения имеет значительные преимущества относительно стереоскопического представления этого же изображения. Это особенно верно в отношении медицинской диагностики, где обследование и понимание объемных данных являются важными для проведения надлежащего лечения.
Несмотря на то, что исследование данных, которые занимают трехмерное пространство, имеет место в различных областях искусства, науки и техники, возможно, наиболее известные примеры относятся к получению медицинских изображений, например, компьютерной осевой томографии (КТ), магнитного резонанса (МР) и других форм сканирования, которые используются для тела. Рентгенологи, врачи и пациенты наблюдают эти двухмерные "срезы" для того, что распознать, какие двухмерные данные относятся к трехмерным органам и тканям, представленным этими данными. Интеграция (объединение) большого числа срезов двухмерных данных создает большое утомление для системы зрения человека, даже при относительно простых изображениях. Если обследованный орган или ткань становятся более сложными, то возможность надлежащим образом интегрировать большие объемы двухмерных данных для создания значимых и понятных трехмерных умственных изображений может становиться недостижимой.
В других системах делается попытка отразить трехмерное представление изображения путем манипулирования "глубиной признака (сигнала)", связанного с визуальной перцепцией расстояния. Глубина признаков, объединенных с визуальной системой человека, может быть классифицирована либо как физические сигналы, связанные с психологическими явлениями, либо как физиологические признаки, которые произведены мыслительным процессом и основаны на предшествующих персональных наблюдениях объектов и на изменениях его вида при изменении точки зрения.
Принципиальными физическими признаками, задействованными в визуальной перцепции человека, являются: (1) аккомодация (изменение под воздействием глазной мышцы фокусного расстояния глаза с целью его адаптации для фокусирования более близких или более удаленных объектов); (2) конвергенция (сведение глаз таким образом, что они оба направлены в одну и ту же точку); (3) параллакс движения (феномен, в соответствии с которым объекты, расположенные ближе к наблюдателю, движутся быстрее через поле зрения, чем более удаленные объекты, когда глаза наблюдателя перемещаются относительно таких объектов); и (4) стереонеравенство (видимое различие в относительном положении объекта, который наблюдается каждым глазом, в результате разделения глаз (существования расстояния между ними). Принципиальные физиологические признаки включают в себя: (1) изменения в ретушировании, затенении, текстуре и цвете объекта при его движении относительно наблюдателя; (2) затемнение удаленных объектов, перекрытых более близкими объектами, лежащими на той же линии зрения: (3) линейная перспектива (феномен, в соответствии с которым параллельные линии представляются сходящимися по мере их удаления) и (4) знание и понимание, которое либо запомнено, либо выведено из предшествующих наблюдений того же или аналогичного объекта.
Возможно эффективное манипулирование различными физиологическими признаками для создания иллюзии глубины. Так, возможно "обмануть" мозг в восприятии глубины, которая в действительности не существует Однако физическая глубина сигнала (признака) не может являться предметом таких манипуляций; сигналы физической глубины, которые обычно ограничены наблюдениями ближнего диапазона, точно передают информацию, связанную с изображением. Например, сигналы физической глубины используются для восприятия глубины при наблюдении объектов, которые находятся на расстоянии вытянутой руки от наблюдателя. Однако физиологические признаки глубины должны быть использованы для восприятия глубины при рассмотрении фотографий или картин (например, плоскостного изображения) в том же помещении. В то время как относительное положение объектов на фотографии может быть воспринято недвусмысленным образом при помощи признаков психологической глубины, признаки физической глубины тем не менее продолжают сообщать, что фотография или картина являются просто- напросто двухмерным представлением трехмерного пространства.
Стереосистемы зависят от пар изображений, которые произведены со cлегка различными перспективами. Различие в изображениях интерпретировано визуальной системой (с использованием психологических признаков) как вызванное относительным размером, формой и положением объектов, за счет чего создается иллюзия глубины. Голограмма, с другой стороны, не требует, чтобы физиологические признаки отвергали физические признаки для создания иллюзии трехмерного изображения; скорее голограмма производит действительное трехмерное изображение.
Известная голографическая теория и практика учат, что голограмма является истинной трехмерной записью, полученной за счет взаимодействия двух пучков когерентного, то есть взаимно-связанного света, в форме микроскопической картины интерференционных полос. Более конкретно, эталонный пучок света направляется на пленочную подложку под определенным углом относительно пленки. Другой пучок света, который либо отражен, либо проходит через записываемый объект, обычно падает на пленку ортогонально. Эталонный и объектный пучки взаимодействуют в пространственном объеме, занимаемом пленкой, и в результате когерентной природы пучков создают картину стоячих (статических) волн в объеме пленки. Статическая интерференционная картина селективно экспонирует светочувствительные элементы в фотографической эмульсии, нанесенной на пленку, в результате чего получают картину чередующихся темных и светлых линий, известных как интерференционные полосы. Картина интерференционных полос, которая является продуктом фронта стоячей волны, созданным интерференцией между эталонным и объектным пучками, точно кодирует информацию амплитуды и фазы фронта стоячей волны. При надлежащем повторном освещении голограммы информация амплитуды и фазы, закодированная в картине интерференционных полос, воспроизводится в пространственном объеме, создавая истинное трехмерное изображение объекта.
Известная теория голографии далее говорит, что четкая, хорошо определенная картина полос создает четкую и яркую голограмму, и что наложенные чрезмерно мощные объектные пучки будут действовать подобно одному или нескольким эталонным пучкам, вызывая формирование множества картин полос (интермодуляцию), что приводит к ослаблению силы первичной картины полос. В связи с этим в голографии обычно используют эталонный пучок, который имеет амплитуду на поверхности пленки в пять-восемь раз большую амплитуды объектного пучка, что способствует формированию единственной высококонтрастной картины с картиной интерференционных полос и уменьшает случайные помехи, возникающие от ярких пятен, связанных с объектом. Более того, в известной голографической технике обычно ограничиваются записью единственной голограммы или, самое большее, двух или трех голограмм, в объеме единственной области эмульсии в пленочной подложке, с целью создания возможно более сильной картины полос для обеспечения наиболее яркого голографического воспроизведения изображения. Соответственно, голографисты обычно стремятся экспонировать большое число фоточувствительных зерен в пленочной эмульсии при экспонировании объекта. Так как каждая точка голографической пленки содержит часть картины полос, которая несет информацию о любой видимой точке объекта, то картины полос существуют в полном объеме эмульсии, вне зависимости от конфигурации объекта или изображения, которые являются предметом голограммы. Следовательно, создание сильных, высококонтрастных картин полос приводит к быстрому поглощению конечного числа фоточувствительных элементов внутри эмульсии, за счет чего ограничивается число высококонтрастных голограмм, которые могут быть созданы на одной пленочной подложке, всего двумя или тремя голограммами. Некоторые голографисты утверждают, что теоретически до 10-12 различных голографических изображений могут быть записаны на одной пленочной подложке; однако до настоящего времени было подтверждено наложение только малого конечного числа голограмм, что соответствует известной голографической теории.
В известной голографической технике, использующей малое число наложенных голографических изображений в одной пленочной подложке существование относительно малого процента ложно экспонируемых и/или проявленных фотографических элементов (вуали) не влияет существенно на качество результирующей голограммы. Напротив, в соответствующих изобретению голограммах, которые обсуждаются далее, обычно используется до 100 и более голограмм, наложенных на одну пленочную подложку; следовательно, наличие малого объема вуали на каждой из голограмм будет иметь серьезный эффект накопления на качество конечного продукта.
Имеется необходимость в создании способа и устройства, которые позволяют записывать большое число, например, многие сотни или больше различных голограмм на одной пленочной подложке, за счет чего облегчается истинное трехмерное голографическое воспроизведение частей человеческого тела и других физических систем, которые в настоящее время рассматриваются (анализируются) в форме срезов дискретных данных.
В настоящем изобретении предлагается способ и устройство для изготовления голограмм, которые позволяют преодолеть ограничения известной до настоящего времени техники.
В соответствии с первым аспектом в настоящем изобретении предлагается блок голографической камеры, содержащий единственный лазерный источник и расщепитель пучка, предназначенный для расщепления лазерного пучка на эталонный пучок и объектный пучок и для направления обоих пучков на пленочную подложку. Блок далее включает в себя пространственный модулятор света, предназначенный для последовательного проецирования множества двухмерных изображений, например, множества срезов данных, содержащих комплект данных сканирования КТ, как в объектный пучок, так и на пленку. Указанным образом на пленке образуется трехмерная голографическая запись каждого двухмерного среза комплекта данных.
В соответствии с другим аспектом в изобретении предлагается производить наложение на пленку полного комплекта данных, состоящего из одной-двух сотен или более индивидуальных двухмерных срезов, который получен в результате наложения (суперпозиции) одной сотни или более индивидуальных, взаимосвязанных голограмм на одну подложку (голограмма-оригинал). В отличие от известной до настоящего времени техники, в которой малое число (например, от одной до четырех) голограмм накладываются на одну пленочную подложку, в настоящем изобретении рассматриваются способы и устройства для записи большого числа относительно слабых голограмм, каждая из которых поглощает относительно одинаковое, но пропорциональное любому событию, число фоточувствительных элементов на пленке.
В соответствии со следующим аспектом, в настоящем изобретении предлагается узел копирования (переноса) "эталон-объект", при помощи которого может быть быстро и эффективно воспроизведена вышеуказанная голограмма-оригинал при единственной экспозиции в качестве единственной голограммы.
В соответствии со следующим аспектом, в настоящем изобретении используется при изготовлении голограммы-оригинала отношение эталонного к объектному пучку, приблизительно равное единице, за счет чего сохраняется число фоточувствительных элементов (например, кристаллов галида серебра), которые обычно преобразуются при каждом двухмерном срезе данных. Более того, тщательный контроль различных параметров процесса, включая когерентность, поляризацию и рассеяние лазерного пучка, также как и контроль времени экспонирования и уровней (градаций) серого данных, позволяет для каждой индивидуальной голограммы, входящей в голограмму- оригинал, поглощать (преобразовывать) количество кристаллов галида серебра в эмульсии, которое пропорционально, среди прочего, числу срезов данных, входящих в комплект данных.
В соответствии с дальнейшим аспектом, в изобретении предлагается просмотровое устройство для просмотра голограмм, полученных в соответствии с настоящим изобретением. В частности, типичный просмотровый блок в соответствии с настоящим изобретением содержит соответствующим образом закрытое в кожух прямоугольное устройство, содержащее световой источник с широким спектром излучения, например, установленный в блоке источник белого света, коллимирующую линзу (например, Френеля), световой источник с широким спектром излучения, например, дифракционную решетку, и подъемные жалюзи (бленду). Коллимирующая линза предназначена для направления белого света коллимированного источника через дифракционную решетку. В контексте настоящего изобретения название коллимированного света относится к свету, в котором все его компоненты имеют одинаковое направление распространения, так что пучок имеет в основном постоянное поперечное сечение на разумной длине распространения.
Дифракционная решетка предназначена для пропускания через нее света под углом, который является функцией длины волны каждой световой компоненты. Голограмма также пропускает через себя свет под соответствующими углами, которые являются функциями соответствующих длин волн. За счет инвертирования голограммы ранее ее просмотра удается получить все длины волн, выходящие из голограммы, в основном направленными ортогонально ей.
Далее настоящее изобретение описано со ссылками на приложенные чертежи.
На фиг. 1A показано типичное устройство для компьютерной осевой томографии (КТ); на фиг. 1B показано множество двухмерных срезов данных, содержащих данные, такие как полученные при помощи рентгеновских установок, обычно используемых в устройстве КТ фиг. 1A, причем срезы взаимодействуют в
виде комплекта объемных данных; на фиг. 1C изображен альтернативный комплект объемных данных, полученный при использовании угловой рамы; на фиг. ID приведен еще один комплект объемных данных, такой как обычно получаемый от ультразвуковой установки; на фиг. 1E показан угловой комплект объемных данных, увеличенный при помощи программных средств; на фиг. 1F изображен типичный комплект данных, конфигурированный для просмотра вдоль его оси A; на фиг. 1G показан типичный срез данных, полученный при просмотре по оси B фиг. 1F; на фиг. 2A показан типичный график HD для типичных образцов голографической пленки; на фиг. 2B приведен график эффективности дифракции в функции от энергии смещения в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. на фиг. 3 изображен схематически чертеж камерной системы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения; на фиг. 4 приведен схематический чертеж узла расщепителя пучка в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения; на фиг. 5A-5D изображены графики, показывающие эффект преобразования Фурье для лазерного пучка, использованного в камерной системе фиг. 3; на фиг. 6 показана с увеличением часть камерной системы фиг. 3; на фиг. 7 показана с увеличением другая часть камерной системы фиг. 3; на фиг. 8 показана с увеличением часть узла проекции, использованного в камерной системе фиг. 3; на фиг. 9 изображено с увеличением типичное устройство копирования в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 10A и 10B показаны соответственно ортоскопическое и псевдоскопическое изображения голограммы-оригинала, воспроизведенной в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения; на фиг. 11 приведен схематический чертеж устройства для просмотра голограмм; на фиг. 12A-12D показаны схематично картины полос, связанных соответственно с передаваемой и отраженной голограммами.
В контексте настоящего изобретения, комплект объемных данных, соответствующий трехмерной физической системе (например, части человеческого тела), закодирован в единственном материале записи информации, например, в фотографической подложке, посредством чего создается голограмма-оригинал объекта. Голограмма-оригинал может быть использована для создания одной или нескольких копий, которые, при воспроизведении посредством направления через них света от соответствующего светового источника, воссоздают трехмерное изображение объекта, обладающего полным параллаксом и полной перспективой. Таким образом, для определенного комплекта данных, в настоящем изобретении предусматривается множество отдельных взаимосвязанных систем: камерной системы для выработки голограммы-оригинала; системы копирования для создания копий голограммы-оригинала: и просмотровой системы для повторного воспроизведения либо голограммы-оригинала, либо ее копий, в зависимости от особенностей построения камерной системы.
Известные в настоящее время формы генерирования (получения) объемных данных, соответствующих физической системе, включают в себя, среди прочего, компьютерную осевую томографию (КТ), магнитный резонанс (МР), трехмерную ультразвуковую технику (УЗТ), позитронную эмиссионную томографию (ПЭТ) и т. п. Хотя здесь описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения в контексте медицинских систем формирования изображения, которые обычно используются для обследования внутренних частей человеческого тела (например, мозга, позвоночника и различных других органов и костей), для специалистов в данной области понятно, что настоящее изобретение может быть использовано в сочетании с любым подходящим комплектом данных, описывающим любое трехмерное распределение данных, вне зависимости от того, какую систему, например, цифровую, графическую или другую, представляет этот комплект данных.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1A-1D, на которых показано типичное устройство КТ. содержащее раму 10 и стол 12, что само по себе известно. Стол 12 преимущественно может перемещаться в осевом направлении (по стрелке A фиг. 1A) с заранее заданными приращениями. Пациент (не показан) помещается на стол таким образом, чтобы часть тела, подлежащая осмотру, располагалась в пределах периметра рамы 10.
Рама 10 преимущественно содержит множество источников рентгеновского излучения и регистрирующие устройства (оба не показаны), расположенные по ее окружности. По мере осевого перемещения пациента относительно рамы 10 рентгеновские устройства записывают последовательность двухмерных срезов данных 14A, 14B..... 14X, образующих трехмерное пространство (объем) 16, содержащих данные, полученные для обследуемой части тела (см. фиг. 1B). Индивидуальные срезы данных 14 комбинируются для образования комплекта объемных данных 16, который, в общем, соответствует трехмерному изображению обследуемой части тела. Используемый здесь термин "объем" или "объемное пространство" относится к комплекту объемных данных 16, включающему в себя множество срезов двухмерных данных 14, причем каждый срез содержит конкретные данные, относящиеся к части тела, обследуемой при помощи данного средства.
Типичные комплекты данных содержат порядка от 10 до 70 ( для КТ систем) или от 12 до 128 (для МР-систем) двухмерных срезов данных 14. Для специалистов должно быть ясно, что толщина и промежуток между срезами данных 14 могут быть выбраны регулировкой КТ техники, причем типичный диапазон толщин срезов колеблется от 1, 5 до 10 мм, и в основном составляет около 5 мм. Толщина среза предпочтительно выбирается таким образом, чтобы только незначительная степень перекрытия (наложения) существовала между каждыми последовательными срезами данных.
Комплект данных, соответствующих КТ или МР, обычно воспроизводится в форме множества (например, 50-100) двухмерных прозрачных изображений, которые, при установке в блок осветителя, позволяют наблюдателю (например, врачу) просматривать каждый срез данных. Путем повторного просмотра множества последовательных срезов данных 14 наблюдатель может воссоздать (реконструировать) мысленное трехмерное изображение или модель физической системы в объеме 16. Точность воссозданной в мозгу наблюдателя трехмерной модели является функцией уровня мастерства, интеллигентности и опыта наблюдателя, а также сложности и степени отклонения от нормального состояния частей тела внутри объема 16.
При некоторых обстоятельствах бывает желательно наклонять раму 10 относительно горизонтальной оси B таким образом, что плоскость рамы 10 образует заранее выбранный угол, например угол α , по отношению к оси перемещения стола 12, для некоторых или всех срезов данных. На фиг. 1C приведен пример с угловым наклоном рамы, в соответствии с которым создается комплект данных, соответствующих объему 18, включающий в себя множество срезов данных 18A, 18B, 18C,..., 18X, соответствующих числу срезов данных, причем плоскость каждого среза данных образует угол ( α ) относительно оси A. При тех обстоятельствах, когда осматриваемая часть тела является смежной к физиологической структуре, чувствительной к рентгеновскому излучению (например, к глазам), использование наклонной рамы позволяет получить данные без облучения чувствительного к облучению органа тела.
В дополнение к использованию угловой (расположенной под углом) рамы, для выработки комплекта данных могут быть использованы другие виды техники, при которых плоскость каждого среза данных не обязательно параллельна плоскости любого другого среза данных, или не обязательно ортогональна оси комплекта данных; ось комплекта данных не обязательно должна идти по прямой линии. Например, были развиты некоторые компьютерные техники, которые искусственно манипулируют данными для выработки их различных перспектив и точек зрения, например, за счет графического вращения данных. При таких обстоятельствах, тем не менее возможно размножить (растиражировать) трехмерный комплект данных в контексте настоящего изобретения. В частности, за счет тщательной координации угла, под которым объектный пучок проецируется на пленку, может быть надлежащим образом ориентирована плоскость определенного среза данных по отношению к плоскости других срезов данных и по отношению к оси комплекта данных.
Альтернативно, угловой комплект данных может быть размножен, в дополнение или вместо манипулирования углом между объектным пучком и пленкой, например, путем манипулирования данными программным образом (при помощи программного обеспечения) ранее проецирования его на пленку. Более конкретно и со ссылкой на фиг. 1E, комплект угловых данных 28 содержит множество срезов угловых данных 30, например, аналогичных комплекту данных 18 фиг. 1C. Путем манипулирования за счет программных средств каждым срезом данных 30, дополнительное пустое (например, черное) пространство может быть добавлено к верхней части каждого среза данных 30, например, как это показано в иллюзорном удлинении 32a. Кроме того, дополнительное черное пространство может быть добавлено в программном обеспечении к каждому срезу, например, как это показано в виде фантома (иллюзии) 32b. Указанным образом каждый срез данных 30 эффективно расширяется на соответствующую величину в верхнем и нижнем районах так, как это необходимо, для эффективного преобразования комплекта угловых данных в более подходящий комплект данных, например, в прямоугольный комплект данных, показанный на фиг. 1E, за счет увеличения при помощи иллюзорных расширений 32a и 32b. Такой увеличенный комплект данных может затем быть преобразован в составную голограмму в соответствии с обсужденными здесь способами, с тем результатом, что составная диаграмма может быть представлена наблюдателю, хотя в действительности она наклонена в пространстве на определенный угол.
На фиг. 1D показан типичный ультразвуковой комплект данных 20, который содержит множество срезов данных 20A, 20B, 20C,..., 20X, определяющий объемное расходящееся веером пространство.
В соответствии с дальнейшим аспектом изобретения, может быть желательно осуществлять просмотр голограммы, соответствующей определенному комплекту данных, с различных перспектив. В этом отношении может быть полезно производить программную обработку комплекта данных, что позволит производить просмотр результирующей голограммы с альтернативной (с другой) точки зрения, например, сбоку, сверху, или под заранее заданном углом к одной из осей комплекта данных.
Более конкретно и со ссылкой на фиг. 1F типичный комплект данных 40 предпочтительно содержит множество раздвинутых друг от друга срезов данных 42, например, срезов данных, соответствующих КТ или МР. В показанном на фиг. 1F примере каждый соответствующий срез 42 содержит сетку элементов изображения, с каждым из которых связано особое значение уровня серого. Число элементов изображения, составляющих каждый срез данных, является функцией, среди прочего, характеристик оборудования, использованного для выработки данных. Данные МР и КТ часто вырабатываются в матрице 512х512 элементов. Таким образом, каждый показанный на фиг. 1F срез данных преимущественно содержит первый размер E1, содержащий 512 элементов изображения (пикселей), и второй размер E2, который также содержит 512 элементов изображения. В показанном на фиг. 1F типичном примере комплект данных 40 может быть определен как имеющий третье измерение (размер) E3, соответствующее желательному числу срезов данных, например, 100.
Когда желательно создать составную голограмму комплекта данных 40 в соответствии с описанными здесь способами и устройствами, для просмотра вдоль оси A, каждый соответствующий срез данных 42 обрабатывается описанным ниже образом. Если, с другой стороны, желательно построить составную голограмму комплекта данных 40 для просмотра с другой точки зрения, то есть отличающейся от просмотра вдоль оси A, то может быть желательно произвести программное манипулирование (обработку) данных, входящих в комплект данных 40, перед выработкой голограммы-оригинала.
Более конкретно, может быть желательно реконструировать голограмму для комплекта данных 40 для просмотра вдоль оси B или оси C, каждая из которых показана ортогональной к оси A. Более того, возможно также произвести манипулирование (обработку) комплекта данных 40 в соответствии с описанными здесь способами и устройствами для выработки голограммы, которая может быть просмотрена с любой желательной точки наблюдения, включая и внеосевые точки наблюдения.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1G. на которой произведена такая обработка комплекта данных 40, что соответствующая голограмма вырабатывается для просмотра вдоль оси B. При этом комплект данных 40 может быть разделен на ряд срезов 44, каждый из которых имеет первое измерение E2, содержащее 512 элементов изображения, и второе измерение E3, содержащее 100 срезов, которые исходно образуют комплект данных 40. В самом деле, когда произведено манипулирование (обработка) комплекта данных 40, как это показано на фиг. 1G. данные предпочтительно транспонируются (перемещаются) в 512 параллельных срезах, каждый из которых имеет первое измерение E2 (512 элементов изображения) и второе измерение E3 (100 срезов). Хотя и возможно наложить 512 голограмм, соответствующих 512 срезам данных 44, показанным на фиг. 1G, для выработки составной голограммы для просмотра вдоль оси B, предпочтительным может оказаться уменьшение числа "срезов", использованных для создания такой голограммы.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, голограмма может быть надлежащим образом создана для ее просмотра вдоль оси B (или вдоль любого желательного направления) уменьшением эффективного числа срезов, использованных для выработки такой голограммы. Например, могут быть созданы 128 гибридных срезов, причем каждый гибридный срез будет представлять группу из четырех последовательных срезов, содержащихся в комплекте данных 40 (512/4=128).
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, каждый гибридный срез данных может быть создан из соответствующей группы срезов данных любым подходящим способом. Например, значение уровня серого для каждого "элемента изображения", входящего в каждый гибридный срез, может быть определено как функция соответствующих значений уровня серого соответствующих элементов изображения, объединенных с группой срезов данных, представленной особым срезом гибридных данных. В упомянутом ранее примере, каждому элементу изображения, входящему в гибридный срез данных, должно быть присвоено значение в функции четырех соответствующих элементов изображения, объединенных с четырьмя исходными срезами данных, представленными соответствующим гибридным срезом данных.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, значение уровня серого для каждого такого гибридного элемента изображения может быть преимущественно установлено усреднением значений уровней серого для четырех элементов изображения, соответствующих исходным срезам данных. Альтернативно, значение уровня серого гибридного элемента изображения может быть определено выбором максимального (или минимального) значения уровня серого, связанного с каждым из четырех соответствующих значений уровней серого исходных элементов изображения. Альтернативно, значение уровня серого гибридного элемента изображения может быть установлено равным значению определенного исходного элемента изображения, соответствующего исходному срезу, который геометрически наиболее близок к соответствующей части физической системы, представленной голограммой. В зависимости от природы подлежащих манипулированию (обработке) данных, любая комбинация описанных методик и других методик может быть преимущественно использована в контексте настоящего изобретения.
В сущности, любая желательная объемная конфигурация может быть определена комплектом данных в контексте настоящего изобретения. Так, например, каждый срез данных не обязательно должен быть параллелен любому другому срезу данных, входящему в особый комплект данных, при этом фактически точные изображения могут быть созданы в том случае, если каждый срез данных в основном параллелен смежному с ним срезу. Более того, специалистам в данной области известно, что могут быть использованы компьютерные программы для переформатирования комплектов данных, с целью создания параллельных срезов в плоскостях, отличающихся от плоскости сканирования.
В известных в настоящее время КТ сканирующих системах создаются срезы данных, имеющие разрешающую способность, которая определяется, например, матрицей 256 или 512 элементов изображения. Кроме того, каждый адрес в матрице обычно определен двенадцатью битами уровней серого. КТ сканеры обычно калибруются в единицах хаундсфилда (Houndsfild), в соответствии с которыми воздух имеет плотность минус 1.000 единиц, а вода имеет нулевую плотность. При этом каждый элемент изображения в пределах среза данных может иметь значение уровня серого от минус 1.000 до 3.095 (включительно) в контексте обычных КТ систем. Так как человеческий глаз способен одновременно различать максимум около ста (100) уровней серого между чистым белым и чистым черным, желательно производить манипулирование комплекта данных таким образом, чтобы каждая точка данных в пределах среза имела значение одного (1) из приблизительно пятидесяти (50) - ста (100) уровней серого (из имеющихся 4.096 значений уровней серого). Процесс переопределения этих уровней серого имеет различные наименования: "отсечение" (в радиологии), ""растяжка" (в измерениях на расстоянии/формировании спутниковых изображений) и "фотометрическая коррекция" (в астрономии).
Автор настоящего изобретения пришел к выводу, что оптимальный контраст может быть получен за счет отсечения каждого среза данных в соответствии с его содержанием. Например, в КТ срезе данных, который относится к поперечному сечению кости, которая подлежит обследованию, соответствующие данные имеют обычно значения уровней серого, которые лежат в диапазоне от минус 600 до 1.400. Так как области среза данных, в которых уровни серого имеют значения менее чем минус 600 или более чем 1.400, не относятся к проводимому обследованию, то может быть желательно заменить все значения уровней серого выше 1.400 на высокое значение, соответствующее чистому белому, а для тех точек данных, которые имеют значения уровня серого ниже минус 600, заменить эти значения на низкое значение, соответствующее чистому черному.
В соответствии со следующим примером, нормальные значения уровней серого для мозгового вещества обычно находятся в диапазоне около 40, в то время как значения уровней серого, соответствующие опухолевой ткани, могут быть в диапазоне 120. Если бы эти значения были выражены в диапазоне 4.096 уровней серого, то было бы чрезвычайно трудно для человеческого глаза произвести различие между нормальной и опухолевой тканями. Поэтому может быть желательно заменить все точки данных, имеющие значения уровней серого, например, выше 140, на очень высокий уровень, соответствующий чистому белому, и заменить все точки данных, имеющие значения шкалы чистому черному. Отсечение указанным образом комплекта данных способствует созданию острой и недвусмысленной голограммы.
В дополнение к отсечению комплекта данных для различных срезов, может быть желательно, при определенных обстоятельствах, осуществлять дифференциальное отсечение в пределах определенного среза, то есть для различных элементов изображения. Например, некоторые срезы или серии срезов могут описывать сильную опухоль в мозге, которая должна быть подвергнута лучевой терапии, например, путем облучения опухоли одним или несколькими пучками облучения. В тех областях, которые не должны подвергаться облучению, срез может быть отсечен относительно темным образом. В областях, которые будут иметь уровень облучения от слабого до сильного, срез может быть отсечен светлее. Наконец, в областях, которые в действительности содержат опухоль, срез может быть отсечен самым светлым образом. В контексте настоящего изобретения, результирующая голограмма создает призрачное изображение всей головы пациента и более светлую область мозга с более яркими районами, которые являются либо теми районами, которые облучены (если комплект данных получают при проведении облучения), либо которые должны быть облучены.
Следующий шаг в подготовке комплекта данных предусматривает кадрирование (подрезку), при котором районы каждого среза данных или даже целый срез данных, который не подходит для обследования, просто удаляется. Кадрирование ненужных данных также способствует формированию острых, недвусмысленных голограмм.
Более конкретно, каждая точка в объеме эмульсии содержит картину микроскопических полос, соответствующую полному голографическому изображению с единственной точки зрения. Расположенная по другому пути произвольная точка в левом нижнем углу голографической пленки содержит картину интерференционных полос, которая кодирует полное голографическое изображение при рассмотрении изображения из этой конкретной точки. Другая произвольная точка на голографической пленке вблизи от центра пленки содержит картину интерференционных полос, которая представляет полное голографическое изображение, которое видно (которое просматривается) из центра пленки. Такие же феномены остаются верными для любой точки голограммы. Как вкратце обсуждалось ранее, подходящая фотографическая подложка преимущественно содержит объем фотографической эмульсии, который нанесен на поверхность пластиковой, например, триацетатной подложки. Эмульсия обычно содержит очень большое число кристаллов (зерен) галида серебра, которые взвешены в желатиновой эмульсии. Ввиду того, что эмульсия содержит ограниченное количество кристаллов, устранение ненужных данных (кадрирование) внутри среза данных обеспечивает, что в основном все зерна галида серебра конвертированы (экспонированы) для каждого среза данных в соответствии с нужными данными каждого среза. За счет сохранения (ограничения) числа зерен галида серебра, которые конвертированы для каждого среза данных, большее число срезов данных может быть записано на конкретном куске пленки.
После надлежащей подготовки (например, ограничения или кадрирования) комплекта данных, индивидуальная голограмма каждого соответствующего среза данных накладывается на единственную пленочную подложку для создания голограммы-оригинала. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, создается каждая индивидуальная голограмма, соответствующая определенному срезу данных, причем данные, соответствующие определенному срезу, расположены на различном расстоянии от пленочной подложки, как это объясняется далее более подробно.
Обратимся теперь к фиг. 3 и 4. на которых показана камерная система 300 в соответствии с настоящим изобретением, которая предпочтительно содержит источник лазерного излучения 302, затвор 306, первое зеркало 308, узел расщепления пучка 310, второе зеркало 312, расширитель эталонного пучка 314, коллиматорную линзу 316, держатель пленки (пленочную кассету) 318, третье зеркало 320, расширитель объектного пучка 322, блок формирования изображения 328, блок проекционной оптики 324, рирпроекционный экран, содержащий диффузионную поверхность 472, имеющую смонтированный на ней поляризатор 327, и блок канала 334. Блок формирования изображения 328, блок проекционной оптики 324 и рирпроекционный экран 326 преимущественно жестко установлены (смонтированы) в блоке канала 334, так что они могут совместно перемещаться при осевом движении блока канала 334 вдоль линии, показанной стрелкой F. Как далее объясняется более подробно, блок канала 334 преимущественно конфигурирован для повторения относительных положений срезов данных, содержащих сюжет голограммы. В соответствии с преимущественным вариантом, длина полного перемещения блока канала 334 достаточна для соответствия действительному перемещению определенных средств сканирования, использованных при создании комплекта данных, что составляет, например, около 6 дюймов (дюйм=25,4 мм).
Камерный блок 300 показан установленным на жестком столе 304, который предпочтительно изолирован от вибраций окружающей среды. Следует напомнить, что картина интерференционных полос, созданная за счет взаимодействия между объектным пучком и эталонным пучком, представляет собой статический волновой фронт, в котором закодирована информация о фазе и амплитуде "объекта", который является сюжетом голограммы. Любое относительное перемещение между объектным пучком, эталонным пучком и пленкой, на которой записывается голограмма, будет нарушать статическую интерференционную картину, что приведет к значительному ухудшению записанной голограммы. Таким образом, важно чтобы весь камерный блок был изолирован от внешних вибраций.
Для достижения изоляции вибраций, стол 304 преимущественно содержит жесткую сотовую столешницу, например, серии RS типа RS-512-18, изготавливаемую фирмой Ньюпорт из города Ирвин в Калифорнии (США). Стол 304 преимущественно установлен на множестве (например, на четырех) пневматических изоляторах, например, на стабилизаторе 1-2000, который также выпускается фирмой Ньюпорт.
В качестве альтернативы пневматической изоляции камерного блока от внешних вибраций, различные компоненты, входящие в камерный блок (в том числе и стол 304), могут быть изготовлены из жесткого материала и надежно закреплены на столе 304. Такая система высокой жесткости, которая тем не менее подвержена в некоторой степени внешним или внутренним вибрациям, преимущественно перемещается как единое жесткое тело в ответ на такие вибрации, и может быть спроектирована так, чтобы стремиться сгладить относительное перемещение между различными частями системы.
Для компенсации вибраций малой амплитуды, которые неизбежно воздействуют на блок, может быть использована техника, именуемая "блокировкой полосы". Более конкретно, имеющаяся на пленке картина полос, в соответствии с которой записана голограмма, может быть усилена и может наблюдаться при помощи одного или нескольких фотодиодов (так как в типичной картине полос имеются чередующиеся области темных и светлых линий). Для компенсации любого движения картины полос, обнаруженного фотодиодом, может производиться управление длиной пучка эталонного или объектного пучков для поддержания стабильной картины полос. Для этой цели соответствующие компоненты, например, одно из зеркал, которое используется для направления объектного или эталонного пучков, может быть смонтировано на пьезоэлектрическом элементе, который слегка перемещается в определенном направлении в соответствии с сигналом по напряжению, поступающим на этот элемент. Выходной сигнал фотодиода может быть подан на следящий контур, который связан с пьезоэлементом, на котором смонтировано зеркало, и быстро корректирует длину пути с целью компенсации движения картины полос, которое считано фотодиодом. Таким путем, несмотря на то, что тем не менее существуют малые амплитуды относительного движения между различными компонентами, входящими в камерный блок, они могут быть скомпенсированы описанным образом.
Описанный механизм блокировки полосы может быть преимущественно построен таким образом, чтобы амплитуда сигнала обратной связи указывала степень вибрации, которой подвергается система. Этот сигнал обратной связи может иметь форму сигнала тока или напряжения, или любого другого желательного параметра. При контроле характеристики сигнала (например, его амплитуды), можно определить амплитуду вибрации или ее любую другую желательную характеристику, без непосредственного (прямого) измерения вибрации. Сигнал обратной связи может быть использован для включения сигнальной лампы, для временной приостановки процесса формирования голограммы или для воздействия на любые другие органы в том случае, когда сигнал обратной связи (индицирующий силу вибраций) превышает определенный порог. Например, процесс создания голограммы может быть приостановлен на время периодов воздействия сильных вибраций высокой частоты, или гармонических вибраций, и возобновлен, когда вибрации с нежелательными параметрами прекращаются.
Более того, путем анализа вибраций в контексте истории вибрационных данных, может стать возможным предсказание появления в будущем феномена циклических вибраций и соответствующая адаптация системы.
В альтернативном варианте, определенные компоненты камерного блока 300, и в особенности держатель пленки 319, рассеиватель 472, блок формирования изображения 328, блок проекционной оптики 324 и блок канала 334 могут быть установлены совместно для минимизации относительного движения указанных компонентов. При удовлетворении такого ограничения внешние вибрации не будут влиять на осуществление описанного в изобретении способа. В этом отношении может быть желательно подвешивать указанную группу компонентов системы при помощи соответствующего пружинного механизма, например, при помощи пневмобаллонной пружины, механической пружины, магнитных или электростатических пружинных механизмов. Такие пружинные механизмы могут также активно или пассивно демпфироваться.
Лазерный источник 302 преимущественно содержит обычный генератор лазерного пучка, и представляет собой, например, аргоновый ионный лазер, содержащий эталон для уменьшения ширины полосы излучаемого света, преимущественно Innova 306-SF, изготавливаемый фирмой Когерент Инк., Пало Альто, Калифорния. Специалисты в данной области легко поймут, что лазер 302 преимущественно генерирует монохроматический пучок, имеющий длину волны в диапазоне от 400 до 750 нанометров (нм), а предпочтительней, от 514,5 до 532 нм. Специалисты в данной области могут, однако, понять, что может быть использована любая подходящая длина волны, с которой совместим выбранный фотографический материал, включая длины волн в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.
Альтернативно, лазер 302 может представлять собой твердотельный, с диодной накачкой с двойной частотой АИГ лазер (лазер на алюмоиттриевом гранате), который преимущественно создает лазерное излучение на длине волны 532 нм. Эти лазеры способны излучать в диапазоне от 300 до 600 миллионов ватт чистого света, требуют воздушного охлаждения, являются чрезвычайно эффективными и обладают высокой стабильностью параметров.
Лазер 302 должен также обеспечивать длину когерентности, которая по крайней мере равна разнице между длинами, проходимыми эталонным и объектным пучками, а преимущественно, в два раза превышает эту длину. В иллюстрируемом примере номинальная проектная длина пути, проходимого эталонным пучком, равняется длине пути объектного пучка (приблизительно 292 сантиметра); однако, в результате, среди прочего, геометрии компоновки, конкретного использованного эталонного угла и размера пленки, некоторые компоненты эталонного и объектного пучков могут проходить слегка большую или слегка меньшую длину пути. Следовательно, лазер 302 должен преимущественно иметь длину когерентности, превышающую эту разницу, что составляет приблизительно два метра.
Затвор 306 преимущественно представляет собой обычный электромеханический затвор, например, модели Uniblitz no. LCS4Z, изготавливаемый фирмой Винсент Ассошиейтс, Рочестер, Нью-Йорк. В соответствии с предпочтительным вариантом, затвор 306 может приводиться в действие дистанционно, таким образом, что эталонный пучок и объектный пучок создается только во время экспонирования пленочной подложки, а в течение остального времени лазерное излучение в системе эффективно (при помощи затвора 306) шунтируется. Специалисты легко поймут, что применение затвора не требуется, если использован импульсный лазерный источник. Более того, может быть желательно встроить несколько затворов, например, затвор для избирательного управления эталонным пучком и другой затвор для отдельного управления объектным пучком, что позволяет производить независимое управление обоими пучками, например, производить независимое измерение и/или калибровку соответствующих интенсивностей эталонного и объектного пучков на поверхности пленки.
Различные зеркала (например, первое зеркало 308, второе зеркало 312, третье зеркало 320 и т.д.), используемые в камерном блоке 300, преимущественно представляют собой обычные поверхностные зеркала, например, зеркало с диэлектрическим покрытием на подложке из пирекса, например, накопительное зеркало 10D29BD. 1, изготавливаемое формой Ньюпорт. Для типичного лазера с диаметром пучка порядка 1,5 миллиметров зеркало 308 должно иметь поверхность диаметром приблизительно 1 дюйм.
Первое зеркало 308 служит для направления пучка источника 408 к блоку расщепления пучка 310. В показанном на чертеже примере первое зеркало 308 изменяет направление пучка 402 на 90 градусов. Однако специалисты легко поймут, что относительное расположение различных оптических компонентов, образующих камерный блок 300, и конкретный путь, проходимый различными пучками, в значительной степени зависят от физических размеров имеющихся в наличии компонентов системы. В рабочей предпосылке желательно, чтобы эталонный пучок и объектный пучок исходили из одного и того же лазерного источника для обеспечения надлежащей корреляции между эталонным и объектным пучками на поверхности держателя пленки 318, и чтобы путь, проходимый эталонным пучком от расщепителя пучка 310 до пленки 319 был приблизительно равен пути, проходимому объектным пучком от расщепителя пучка 310 до пленки 319.
На фиг. 4 показан узел расщепителя пучка 310, который преимущественно содержит переменную (регулируемую) клапанную пластину 404, соответствующие постоянные клапанные пластины 408 и 412, соответствующие расщепляющие пучок кубики 406 и 414, и зеркало 416. В самом общем виде, узел расщепления пучка предназначен для разделения пучка 402 на объектный пучок 410 и эталонный пучок 418. Более того, вновь со ссылкой на фиг. 3, блок расщепителя пучка 310 также взаимодействует с блоком формирования изображения 328 и поляризатором 327 для обеспечения чистой поляризации эталонного пучка и объектного пучка в одном поляризационном направлении, то есть для поляризации либо в направлении S, либо в направлении P, что обсуждается далее более подробно, когда они контактируют с типичной пленочной подложкой 319, установленной в держателе пленки 318. За счет обеспечения чистой поляризации в одном и том же направлении эталонного и объектного пучков удается сформировать четкую картину интерференционных полос с малым уровнем шумов.
Обратимся вновь к фиг. 4, на которой пучок 402, генерируемый лазерным источником 302, входит в блок расщепления пучка 310 при относительно чистом поляризованном состоянии, например, в виде S-поляризованного излучения. В контексте настоящего изобретения, название "S-поляризованное излучение" относится к свету, который поляризован с его электрическим полем, колеблющимся в вертикальной плоскости; название "Р-поляризованный свет" относится к свету, в котором электрическое поле ориентировано в горизонтальной плоскости. Пучок 402 затем проходит через переменную клапанную пластину 404, на которой он преобразуется в пучок 403, надлежащим образом сформированный и содержащий смесь компонентов S и P поляризованного света. Затем пучок 403 входит в кубик расщепления пучка, который расщепляет пучок 403 на первый пучок 405, содержащий Р-поляризованный световой компонент пучка 403, и второй пучок 406, содержащий S-поляризованный световой компонент пучка 403. Кубик расщепления пучка 406 преимущественно представляет собой широкополосный расщепитель пучка, например, широкополосный поляризационный расщепитель пучка-деталь no. 05FC16PB.3, изготавливаемую фирмой Ньюпорт.
Хотя кубик расщепления пучка 406 идеально подходит для пропускания всех (и только их) P-поляризованных компонентов пучка 403, и для отклонения всех (и только их) S- поляризованных компонентов пучка 403, было обнаружено, что такие кубики являются неидеальными расщепителями пучка, не учитывающими малые потери, возникающие в результате отражения от поверхностей расщепителя пучка. Более точно, такие кубики имеют отношение ослабления порядка тысячи к одному, так что ориентировочно 099,9 процента S-поляризованного компонента пучка 403 отклоняется в пучок 407, и приблизительно 90 процентов P-поляризованного компонента пучка 403 проходят через кубик 406. Таким образом, пучок 407 содержит 99,9 процента S-поляризоанного компонента пучка 403, и ориентировочно 10 процентов P-поляризованного компонента пучка 403; аналогично, пучок 405 содержит приблизительно 90 процентов Р-поляризованного компонента пучка 403 и приблизительно 0,1 процента S-поляризованного компонента пучка 403.
Клапанные пластины 404, 408 и 412 представляют собой полуволновые пластинки для используемой длины волны лазера, например, могут быть деталью no. 05RP02, выпускаемой фирмой Ньюпорт. Клапанная пластина 404 преобразует S-поляризованный пучок 402 в пучок с заданным отношением поляризованных компонентов S и Р. В преимущественном варианте, переменная клапанная пластина 404 представляет собой слой жидких кристаллов, который изменяет поляризацию входящего пучка в соответствии с приложенным к жидкокристаллическому слою напряжением. Предпочтительная клапанная пластина 404 представляет собой жидкокристаллическую систему управления светом типа 932-VIS, изготавливаемую фирмой Ньюпорт. Клапанная пластина 404 разделяет S- поляризованный пучок 402 на смесь S и P поляризованного света в функции приложенного напряжения. При помощи изменения напряжения на клапанной пластине 404 оператор может управлять отношением интенсивности эталонного пучка к интенсивности объектного пучка (отношением пучков). В предпочтительном варианте, это отношение, измеренное в плоскости пленки 319, приблизительно равно единице.
В любом случае, пучок 405 представляет собой почти полностью чистое P-поляризованное излучение, вне зависимости от напряжения, прикладываемого к пластине 404; пучок 407 содержит идеально чистое S- поляризованное излучение, однако, тем не менее, содержит значительную P-поляризованную компоненту, зависящую от напряжения, приложенного к клапанной пластине 404.
На фиг. 4 показан пучок 405, который проходит через клапанную пластину 408 для преобразования чистого P-поляризованного пучка 405 в чистый S-поляризованный объектный пучок 410. Пучок 407 проходит через клапанную пластину 412 для преобразования в основном S-поляризованного пучка в основной P-поляризованный пучок 409, который затем проходит через расщепляющий кубик 414 для устранения любой посторонней S- компоненты. В частности, 99,9 процента остаточной S-компоненты пучка 409 отклоняются кубиком 414 в виде пучка 415 и выводятся из системы. В контексте настоящего изобретения любой пучок, который выводится из системы, может быть удобно использован для контроля интенсивности и качества пучка.
Основная P-компонента пучка 409 проходит через кубик 414 и отражается соответствующими зеркалами 416 и 312, в результате чего получают в основном чистый P-поляризованный эталонный пучок 418. Как это обсуждается далее более подробно, путем разделения указанным образом пучка источника 402 на объектный пучок 410 и эталонный пучок 418, оба пучка, и эталонный и объектный, получают чрезвычайно чистую поляризацию, например, порядка одной части примеси на несколько тысяч. Более того, высокая степень поляризационной чистоты достигнута вне зависимости от отношения пучков, которое удобно и точно контролируется при помощи регулировки напряжения, прикладываемого к переменной клапанной пластине 404.
На фиг. 3 и 4 показан пучок 418, который отражается зеркалом 312 и поступает на расширитель пучка 314. Расширитель пучка преимущественно представляет собой обычную положительную линзу 421 и малую апертуру 420. Диаметр пучка 418 при его поступлении на расширитель пучка 314 составляет около 1, 5 миллиметра (в основном такой же диаметр, как и при выходе пучка из лазера 302). Положительная линза 421 сводит пучок 418 в возможно меньший фокус, насколько это достижимо практически. Соответствующая положительная линза может представлять собой микрообъектив М-20Х производства фирмы Ньюпорт. Апертура 420 представляет собой точечную апертуру, например апертуру РН-15 производства фирмы Ньюпорт. При использовании лазеров хорошего качества, которые излучают чистый свет в фундаментальной поперечной электромагнитной моде (ТЕМоо), линзы хорошего качества, такие как линзы 421, могут обычно сфокусировать пучок 418 до порядка 10-15 микрон диаметром. В точке фокуса пучок затем проходит через апертуру 420, которая представляет собой точечную апертуру порядка 15 микрон в диаметре. За счет фокусировки пучка описанным образом осуществляется Фурье-преобразование пучка.
На фиг. 5A-5D показана ТЕМ00 мода распространения, которой обычно обладает лазерный пучок малого диаметра с гауссовским распределением в направлении, перпендикулярном направлению распространения пучка. Для фиг. 5A это означает, что интенсивность (I) пучка 418 имеет гауссовское (нормальное) распределение в поперечном сечении пучка. Для гауссовского пучка с номинальным диаметром около одного миллиметра небольшой объем (часть) пучка при очень низкой его интенсивности простирается за пределы диапазона один миллиметр.
На фиг. 5B приведено более точное представление показанной на фиг. 5A картины, иллюстрирующее гауссовское распределение, но также содержащее случайный высокочастотный шум, который неизбежно присутствует в пучке после его прохождения через зеркала, после поляризации и т.п. Следует отметить, что на фиг. 5B показан такой же базовый гауссовский профиль, что и в теоретическом распределении фиг. 5A, но показан также и высокочастотный шум в виде пульсаций пучка.
Известно, что Фурье-преобразование гауссовского распределения с шумами образует тот же самый гауссовский профиль, но с высокочастотными компонентами, сдвинутыми на крылья кривой распределения, как это показано на фиг. 5C. При прохождении пучка с Фурье-преобразованием через апертуру, такую как апертура 420 расширителя пучка 314, высокочастотные крылья отсекаются, после чего получают чрезвычайно чистое, без шумов, гауссовское распределение фиг. 5D. Можно сказать, что фокусирование пучка для приближения его к точечному источнику, с дальнейшим его пропусканием через апертуру, дает эффект сдвига высокочастотного шума на внешние границы пучка с последующим отсечением шума.
Таким образом, на выходе расширителя пучка 314 получают в основном расходящийся эталонный пучок 423 с гауссовским распределением без наличия шумов.
В преимущественном варианте осуществления настоящего изобретения линза 421 и апертура 420 представляют собой интегральные оптические компоненты, например пространственный фильтр модели 900 производства фирмы Ньюпорт. Узел расширения пучка 314 имеет винт с резьбой, при помощи которого можно точно установить расстояние между линзой 421 и апертурой 420, которое составляет, например. 5 миллиметров; узел также содержит два ортогональных набора винтов для управления горизонтальным и вертикальным положением апертуры относительно фокуса линзы 421.
На фиг. 3 показано также зеркало 312, которое предназначено для направления луча 423 на пленку 319 под заданным углом, который очень близок к углу Брюстера для материала, из которого состоит пленка 319. Специалисты знают, что угол Брюстера часто определяют как арктангенс показателя преломления материала, на который падает луч (в данном случае, пленки 319). Обычные показатели преломления таких пленок находятся в диапазоне около 1, 5 плюс минус 0, 1. Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, зеркало 312 обеспечивает вхождение луча 423 в пленку 319 под углом Брюстера около 56 градусов (арктангенс 1, 5 = 56 градусов). Специалисты также легко поймут, что P- поляризованный пучок, падающий на поверхность под углом Брюстера, будет иметь минимальное отражение от этой поверхности, в результате чего получают максимальное преломление эталонного пучка 423 в пленке 319, что облегчает получение максимума интерференции с объектным пучком, и минимальное отражение света, которое в противном случае могло бы проникать в пленку по ложному (неправильному) направлению.
Обратимся теперь к фиг. 4 и фиг. 6-7, на которых показан объектный пучок 410, который после отражения зеркалом 320 направляется в расширитель пучка 322, который по своему построению и функции аналогичен расширителю пучка 314, описанному выше в связи с фиг.4. Главным образом свободный от шумов расходящийся объектный пучок 411 с гауссовским распределением выходит из расширителя пучка 322 и коллимируется при помощи коллиматорной линзы 434, в результате чего получают коллимированный объектный пучок 436, имеющий диаметр в диапазоне приблизительно 5 сантиметров. Коллиматорная линза 434 представляет собой двояковыпуклую оптическую стеклянную линзу КВХ148, изготовленную фирмой Ньюпорт. Коллимированный объектный пучок 436 подается на блок формирования изображения 328.
На фиг. 7 и 8 показан блок формирования изображения 328, который содержит электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) 444, световой клапан 442, клапанную пластину 463 и кубик 438 расщепления поляризованного пучка. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, кубик расщепления пучка 438 представляет собой кубик с размером приблизительно 5 квадратных сантиметров. Как это обсуждается далее более подробно, пучок 460, представляющий собой P-поляризованный пучок, который содержит данные среза данных, полученные за счет действия устройства формирования изображения 328, выходит из блока формирования изображения 328 и поступает на блок проекционной оптики 324.
Как обсуждалось ранее, подготавливается для использования в голограмме- оригинале комплект данных, содержащий множество двухмерных изображений, соответствующих трехмерному сюжету голограммы. Комплект данных может также храниться в виде электронного файла данных в многоцелевом компьютере (не показан). Компьютер стыкуется с ЭЛТ 444 таким образом, что срезы данных передаются, один за другим, в блок формирования изображения 328.
Более конкретно, первый срез данных проецируется при помощи ЭЛТ 444 на световой клапан 442. Как объяснено далее более подробно, изображение, соответствующее срезу данных, прикладывается к пленке 319 в течение определенного периода времени, достаточного для осуществления пленкой улавливания (записи) картины полос, объединенной с этим срезом данных, за счет чего создается голограмма среза данных в объеме эмульсии на пленке 319. После этого блок канала перемещается по оси и следующий срез данных проецируется на пленку 319 в соответствии с расстоянием (промежутком) между двумя срезами; при этом на пленку накладывается следующая голограмма, соответствующая следующему комплекту данных. Этот процесс последовательно продолжается для каждого среза данных до тех пор, пока число голограмм, наложенных на пленку 319, не будет соответствовать числу срезов данных 14, входящих в конкретный объемный комплект данных 16, который является сюжетом (предметом) голограммы-оригинала, которая должна быть создана.
Более конкретно и со ссылкой на фиг. 7 и 8, ЭЛТ 444 представляет собой обычную ЭЛТ с волоконно-оптической лицевой пластиной, например, типа Н1397Т1 производства фирмы Хьюдж Эйркрафт Кампани, Карсбад, Калифорния. ЭЛТ 444 предназначена для проецирования изображения, соответствующего конкретному срезу данных, на левую сторону светового клапана 442 (фиг. 7).
В преимущественном варианте осуществления, световой клапан представляет собой жидкокристаллический световой клапан типа H4160, изготовленный фирмой Хьюджес Эйркрафт Кампани, Карлсбад, Калифорния. Показанный на фиг.8 световой клапан 442 преимущественно содержит фотокатод 454, зеркало 450, зеркальная поверхность которого повернута вправо на фиг.8, и жидкокристаллический слой 452. Жидкокристаллический слой 452 представляет собой тонкий планарный объем жидкого кристалла, который изменяет поляризацию света, проходящего через него, в функции уровня локального напряжения на жидком кристалле.
Фотокатод 454 представляет собой тонкий, планарный объем фотовольтаического материала, который создает локальные уровни напряжения в функции от падающего на него света. При поступлении от ЭЛТ 444 на фотокатод 454 изображения, соответствующего определенному срезу данных 14, на поверхности фотокатода формируются локальные фотовольтаические потенциалы, которые находятся в прямой связи с распределением света в поперечном сечении приложенного пучка изображения. В частности, генерируемый ЭДТ 444 пучок соответствует срезу данных, который обычно содержит светлые области, соответствующие изображению костей, мягких тканей и т.п., на темном фоне. Темный фон создает относительно низкие значения шкалы серого, в то время как более светлые области среза данных создают соответственно более высокие значения шкалы серого. На поверхности фотокатода 454 образуется распределение зарядов, соответствующее проецированному изображению.
Статическое, не равномерное распределение зарядов на фотокатоде 454, соответствующее изменениям локальной яркости данных, содержащихся в конкретном срезе данных 14, проходит через зеркало 450 и создает соответствующие локализованные уровни напряжения на поверхности слоя жидких кристаллов 452. Эти уровни локализованного напряжения в слое жидких кристаллов 452 вращают локальный жидкий кристалл пропорционально локальному уровню напряжения, за счет чего изменяется чистый S- поляризованный свет, отклоненный кубиком 438 на зеркальную поверхность 450, и появляются локализованные области поляризованного света, имеющие P-поляризованный компонент, когда свет проходит через слой жидких кристаллов 452 и отражается зеркалом 450. Выходящий пучок 460 имеет (в поперечном сечении) распределение P-поляризованного света в соответствии с распределением напряжения внутри кристаллического слоя 452 и, следовательно, в соответствии с изображением, соответствующим текущему срезу данных 14.
В основном весь (около 99,9%) S- поляризованный свет, образующий пучок 436, отклоняется кубиком 438 на жидкокристаллический слой 452. Этот S-поляризованный свет преобразуется в P-поляризованный свет при помощи жидкокристаллического слоя 452 в соответствии с распределением напряжения на его поверхности, как описано выше. P-поляризованный свет отражается зеркальной поверхностью зеркала 450 назад на кубик 438; при этом P-поляризованный свет легко проходит через кубик 438 в блок проекционной оптики 324.
S-компонент пучка, отраженного зеркальной поверхностью зеркала 450, будет отклоняться на 90 градусов кубиком расщепления пучка 438. Для предотвращения обратного входа в систему этого рассеянного S-поляризованного света кубик 438 может быть слегка наклонен таким образом, что S-поляризованный свет эффективно выводится из системы.
В поперечном сечении результирующего пучка 460 существует распределение P- поляризованного света, которое прямо соответствует данным, содержащимся в конкретном срезе данных, который в данный момент проецируется ЭЛТ 444 на световой клапан 442. В результате высокого коэффициента ослабления кубика 438 пучок 460 содержит в основном нуль S-поляризации. Следует отметить, что небольшая часть S- поляризованного света, имеющаяся в пучке 436, которая не отражается кубиком 438 в световой клапан 442 (конкретно, пучок 440), может быть выведена из системы известным образом.
Расщепляющий пучок кубик 438 по своей структуре и функции аналогичен кубикам расщепления пучка 406 и 414, описанным в связи с фиг.4, и преимущественно представляет собой широкополосный расщепитель пучка, например, типа PBS-514.50200, изготовленный фирмой CVI Корпорейт, Альбукерк, Нью Мексике. В предпочтительном варианте, светорасщепительный кубик имеет ширину поперечного сечения, по крайней мере равную размеру изображения, проецируемого ЭЛТ 444 на световой клапан 442, то есть 3 дюйма. Это представляет отличие от кубиков расщепления пучка 406 и 414, которые преимущественно могут иметь меньшие поперечные сечения, например, полдюйма, что сравнимо с диаметром не расширенного пучка 402 от лазера 302.
В контексте настоящего изобретения свет, который выведен или удален из системы, может быть использован самыми разными способами. Например, свет может быть направлен в черный ящик или на черную, преимущественно текстурированную поверхность. Точная форма, в которой происходит шунтирование света, или конкретное местоположение, в котором шунтируется свет, во многом определяется соображением удобства; что важно, так это то, чтобы этот выведенный из системы свет не попадал на пленочную поверхность голограммы (по описанным ранее причинам), и то, чтобы этот свет повторно не поступал в лазерный источник, что могло бы нарушить функционирование лазера и даже вывести его из строя.
Хотя показанная на чертежах проекционная оптика 328 содержит световой клапан 442, может быть использован и любой другой подходящий механизм, который эффективно интегрирует (встраивает) изображение, соответствующее срезу данных, в объектный пучок и хорошо работает в контексте настоящего изобретения. В самом деле, световой пучок 460 при выходе из кубика 438 просто содержит неравномерное распределение P- поляризованного света, интенсивность (сила света) которого изменяется в соответствии с распределением данных в существующем в это время текущем срезе данных 14. Поперечное сечение пучка 460 в основном идентично гипотетическому пучку P-поляризованного света, проходящему через фотографический слайд текущего среза данных.
Более того, любой подходящий механизм может быть использован в дополнение или вместо ЭЛТ 44 для проецирования данных на световой клапан 442. Например, могут быть использованы отражательные, трансмиссионные (в проходящем свете) или трансфлективные (работающие при проходе и отражении света) жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), светочувствительная панель которых может быть селективно запитана на поэлементном базизе (с изменением информации при переходе от одного элемента изображения к другому), для воспроизведения данных, соответствующих каждому конкретному срезу данных.
Альтернативно, соответствующий пучок, например, лазерный пучок, может быть просканирован в виде растра на задней поверхности светового клапана 442 для воспроизведения (размножния) данных, соответствующих каждому срезу данных.
В соответствии с дальнейшим вариантом осуществления, хотя показанная на фиг. 7 ЭЛТ 444 примыкает к световому клапану 442, может быть желательно построить проекционный блок таким образом, чтобы ЭЛТ 444 была отделена от светового клапана 442. Такое разделение может быть полезно, например, если диаметр ЭЛТ 444 больше диаметра светового клапана 442, так что проецируемое ЭЛТ 444 изображение желательно проецировать на заднюю поверхность светового клапана 442, например, при помощи расположенной между ними соответствующей линзы. Более того, также может быть желательно использовать волоконно-оптическое соединение между световым клапаном 442 и ЭЛТ 44, вне зависимости от использования промежуточной линзы, и также независимо от величины промежутка между ними.
Более того, проекционная оптика 328 может быть полностью заменена соответствующим пространственным световым модулятором (ПСМ, не показан), который надлежащим образом установлен на пути прохождения объектного пучка. При этом лазерное излучение, образующее объектный пучок, будет проходить через ПСМ, который вводит в объектный пучок информацию, соответствующую конкретному изображению. В зависимости от типа использованного ПСМ, такое построение может быть использовано с применением рассеивателя между ПСМ и держателем пленки 319, или без него.
На фиг. 7 и 8 показана клапанная пластина 463, которая расположена между световым клапаном 442 и расщепляющим пучок кубиком 438. Клапанная пластина 463 служит для корректировки некоторой нежелательной поляризации, которая создается световым клапаном 442.
Более конкретно, световой клапан 442 поляризует свет, который проходит через слой жидких кристаллов 452, в соответствии с локальным распределением напряжения в нем. Приложенное напряжение заставляет жидкий кристалл вращаться, например, по эллипсу, причем величина вращения пропорциональна локализованному уровню напряжения. Таким образом, очень высокое напряжение вызывает значительную величину вращения жидкого кристалла, что приводит к высокой степени нарушения поляризации света, проходящего через повернутые кристаллы. С другой стороны, очень низкое напряжение создает соответственно малую степень вращения светового кристалла, что приводит к соответственно малой величине вращения уровня поляризации. Однако, было обнаружено, что очень малая степень вращения жидкого кристалла существует даже при отсутствии приложенного напряжения. Таким образом, приблизительно один процент S-поляризованного света, проходящего через жидкокристаллический слой 452, преобразуется в P- поляризованный свет, даже внутри локальных областей слоя жидких кристаллов 452, к которым не приложено напряжение. Хотя эта очень малая степень ложной поляризации не ухудшает параметры светового клапана в большинстве контекстов, она может стать проблемой в контексте настоящего изобретения. Например, если один процент чистого S-поляризованного света ложно преобразован в P-поляризованный свет, то коэффициент контраста результирующей голограммы может быть существенно ограничен.
Клапанная пластина 463 компенсирует указанную остаточную поляризацию за счет, например, ввода предварительной поляризации в свет, проходящий через нее, которая рассчитывается для точного подавления поляризации, наводимой слоем жидких кристаллов 452 в отсутствии приложенного напряжения. За счет устранения этой нежелательной поляризации может быть получен эффективный коэффициент контраста результирующей голограммы, который ограничивается только степенью контроля различных параметров процесса, также как и собственными возможностями оборудования, входящего в камерный блок 300.
Показанный на фиг. 6 и 7 блок проекционной оптики 324 содержит проекционный объектив 462, зеркало 464 и апертуру 466. Объектив 462 преимущественно представляет собой телецентрический проекционный объектив, оптимизированный для специфических размеров изображения, использованного в световом клапане 442 и на рирпроекционном экране 326. Объектив 462 сводит коллимированный пучок 460 в сходящийся пучок, который после отклонения зеркалом 464 сходится в фокальной точке, после чего он образует расходящийся пучок 470, который эффективно формирует изображение данных, соответствующих текущему срезу данных 14, на проекционном экране 326 и на пленке 319. Пучок 470 проходит через апертуру 466, установленную приблизительно в том месте, где пучок 470 достигает фокальной точки. Апертура 466 преимущественно содержит ирисовую диафрагму типа ID-0,5, изготовленную фирмой Ньюпорт. Следует отметить, что апертура 466 значительно шире, чем диаметр пучка 470 в той точке, где пучок проходит через апертуру 466. Это отличается от точечной диафрагмы, которая имеется в расширителях пучка 314 и 322, которая предназначена для удаления из пучка высокочастотных компонентов. Высокочастотные компоненты в пучках 460 и 470 являются важными ввиду того, что они могут соответствовать данным, которые относятся к сюжету созданной голограммы. Апертура 466 просто улавливает и шунтирует рассеянный свет и прочий свет с неправильным направлением, который переносится пучком 470 или который как-то еще виден на проекционном экране 326 и не относится к информации, соответствующей данным среза данных 14.
Показанный на фиг. 6 пучок 470 проецируется и переносит сфокусированное изображение на рирпроекционный экран 326. Экран 326 преимущественно имеет ширину 14 дюймов и высоту 12 дюймов и преимущественно образован из тонкого планарного рассеивающего материала, нанесенного на одну из сторон жесткой прозрачной подложки, например, плоского стекла толщиной 0,5 дюйма 472. Рассеиватель 472 изготовлен из рассеивающего материала, например, типа Lumiglas-130, изготавливаемого фирмой Стюарт Филмскрин Корпорейшн, Торранс, Калифорния. Рассеивание пучка 479 рассеивателем 472 таково, что каждая точка внутри пучка 470 может быть видна со всей поверхностной площади пленки 319. Например, произвольная точка Y пучка 470 так рассеивается рассеивателем 470, что объектный пучок в точке Y создает коническое расширение, изображенное конусом Y', на пленке 319. Аналогично, произвольная точка X рассеивателя 472 отбрасывает диффузное коническое расширение X' на пленку 319. Это явление имеет место для любой точки в пределах проецируемого изображения при прохождении изображения через рассеиватель 472. В результате каждая точка пленки 319 содержит картину полос, которая кодирует информацию амплитуды и фазы для каждой точки рассеивателя 472.
Так как свет от каждой точки рассеивателя 472 рассеивается на всю поверхность пленки 319, то из этого следует, что каждая точка пленки 319 "видит" каждую и любую точку проецируемого изображения, когда оно появляется на рассеивателе 472. Однако каждая точка пленки 319 "видит" полное изображение, когда оно появляется на рассеивателе 472, со слегка отличающейся перспективой. Например, произвольная точка Z на пленке 319 "видит" каждую точку рассеивателя 472. Более того, произвольная точка W на пленке 319 также "видит" каждую точку на рассеивателе 472, однако с другой перспективой, нежели точка Z. Таким образом, после выхода из рассеивателя 472 и поляризатора 327 диффузное изображение, переносимое объектным пучком 473, поступает (накладывается) на пленку 319.
Поляризатор 327 преимущественно установлен на поверхности рассеивателя 472. Хотя свет (пучок 470), падающий на рассеиватель 472, в основном P-поляризован, рассеиватель 472, по его истинной природе, рассеивает проходящий через него свет и обычно деполяризует некоторую часть света. Поляризатор 327, например, тонкий планарный листовой поляризатор, повторно поляризует свет, так что он имеет в основном чистое P- поляризованное состояние при достижении пленки 319. Следует отметить, что поляризатор 327 расположен после рассеивателя 472, так что неправильно поляризованный рассеивателем 472 свет поглощается. Это обеспечивает высокое процентное содержание объектного пучка, который в основном P-поляризован, для интерференции с эталонным пучком на пленке 319, что дополнительно усиливает контраст каждой голограммы.
Показанный на фиг. 6 рассеиватель 472 может альтернативно представлять собой голографический оптический элемент, сконструированный известным образом для выполнения функции рассеивания. В соответствии с другим альтернативным вариантом, дополнительная линза (не показана) может быть помещена рядом с рассеивателем 472, например, между рассеивателем 472 и блоком формирования изображения 328. За счет использования соответствующей линзы в основном весь свет, выходящий из рассеивателя 472, может выходить в основном ортогонально рассеивателю 472. Поэтому объектный пучок будет встречаться с пленочной подложкой 319 в основном параллельным образом, то есть в основном все компоненты объектного пучка будут входить в пленочную подложку 319 главным образом ортогонально ей.
Вид, в котором комплексный объектный волновой фронт, выходящий из рассеивателя 472 к пленке 319, будет кодироваться в пленке, конкретно в форме статической интерференционной картины, является основой голографического воспроизведения. Специалисты в данной области поймут, что закодированная в пенке картина интерференции (полос) является результатом усиливающей и ослабляющей интерференции между объектным пучком и эталонным пучком. Важно, чтобы объектный и эталонный пучки содержали свет одной и той же длины волны. Хотя два световых пучка с различными длинами волн и могут взаимодействовать, это взаимодействие непостоянно в пределах конкретной плоскости или тонкого объема (например, в пределах "плоскости" записывающей пленки). В этом случае взаимодействие двух длин волн будет скорее переменной функцией времени.
Статическое (неизменное во времени) взаимодействие между объектным и эталонным пучками в соответствии с настоящим изобретением получают в результате монохроматической природы источника эталонного и объектного пучков (то есть при использовании монохроматического лазерного источника 302, содержащего адекватную длину когерентности). Более того, специалисты далее смогут оценить, что максимальное взаимодействие происходит между пучками, находящимися в одном и том же поляризационном состоянии. Соответственно, максимальное взаимодействие между объектным и эталонным пучками может быть достигнуто обеспечением того, что каждый пучок чисто поляризован в том же состоянии поляризации на поверхности пленки 319. Для пленок, используемых в показанной на фиг. 6 конфигурации, автор настоящего изобретения пришел к выводу, что P- поляризованный свет создает лучшие картины полос. Таким образом, для усиления взаимодействия между объектным пучком 470 и эталонным пучком 423, пучок 470 пропускается через поляризационный экран 327, прилегающий к поверхности рассеивателя 472.
Чистый P-поляризованный эталонный пучок 423 проходит через коллиматорную линзу 316 и коллимируется перед входом в пленку 319. Ввиду того, что как эталонный, так и объектный пучки излучаются одним и тем же лазером 302, а также с учетом относительно большой длины когерентности лазера 302 по сравнению с дифференциальным путем, проходимым пучками от лазера до пленки 319, падающие на пленку 319 эталонный и объектный пучки являются взаимно когерентными, монохроматическими (например, 514, 5 нм), поляризованными с высокой степенью чистоты и, следовательно, высококоррелированными. Дополнительно, эталонный пучок 423 имеет высокую степень организации, являясь в основном лишенным шумов и коллимированным. Объектный пучок 470, с другой стороны, имеет сложный волновой фронт, который содержит данные от текущего среза данных. Эти две волны интенсивно взаимодействуют в объеме эмульсии на пленке 319, создавая статическую картину стоячих волн. Картина стоячих волн содержит высокую степень как усиливающей, так и ослабляющей интерференции. В частности, энергетический уровень E в любой произвольной точке объема эмульсии может быть выражен в следующем виде:
E = [A0cosβ0+Arcosβr]2,
где Aо и Ar представляют, соответственно, пиковую амплитуду объектного и эталонного пучков в определенной точке, а β0 и βr отображают фазу объектного и эталонного пучков в той же точке. Следует отметить, что так как косинус фазы вероятно может быть как положительным, так и отрицательным в любой заданной точке, то величина энергии E в любой заданной точке может быть в диапазоне от 0 до 4A2 (A0= Ar для единичного отношения пучков). Эта усиливающая и ослабляющая волновая интерференция создает четко определенные картины полос.
На фиг. 12 иллюстрируется относительная ориентация эталонного пучка, объектного пучка и пучка воспроизведения в контексте голограммы в проходящем свете (фиг. 12A и 12B) и отраженной голограммы (фиг. 12C и 12D), без учета эффектов преломления при прохождении света через материал.
Эмульсия, в которой записана картина полос, обычно имеет порядок толщины около шести микрон. На фиг. 12A показаны чередующиеся черные и белые линии картины полос, которые типично перекрывают эмульсию подобно створкам в подъемных жалюзи, и идут в основном параллельно биссектрисе угла между эталонным пучком (RB) и объектным пучком (OB). Когда голограмма в проходящем свете, показанная на фиг. 12A и 12B, восстанавливается при помощи восстанавливающего (воспроизводящего) пучка (PB), плоскости полос действуют подобно частичным зеркалам; наблюдатель 32 при этом видит голограмму в проходящем свете со стороны, противоположной той, с которой направлен пучок восстановления.
С другой стороны, в отраженной голограмме линии полос в основном параллельны плоскости пленки (фиг. 12C и 12D). Отраженные голограммы обычно получают направлением эталонного пучка и объектного пучка с противоположных сторон пленки. Когда воспроизведена отраженная голограмма, пучок воспроизведения (PB) направлен с той же стороны, с которой был направлен эталонный пучок (RB), в результате чего получают отражение пучка воспроизведения (PB) в направлении исходного объектного пучка (OB). Хотя многие аспекты настоящего изобретения могут быть использованы в контексте получения отраженной голограммы, описанные в изобретении способы и устройства подходят наилучшим образом для использования в сочетании с голограммой в проходящем свете. Более того, можно понять, что голограммы в проходящем свете менее чувствительны к вибрациям при их производстве, ввиду того, что пленки, в особенности при их установке в вертикальной плоскости, более чувствительны к ложным движениям в направлении, поперечном к плоскости, в которой они установлены, чем в плоскости установки.
На фиг. 12A объектный пучок (OB) и эталонный пучок (RB) образуют запись микроскопической картины полос в объеме эмульсии в форме чередующихся темных и светлых линий. Темные области в основном соответствуют относительно высоким уровням локализованной энергии, достаточным для преобразования кристаллов галида серебра и для создания таким образом записи интерференционной картины.
Для каждого среза данных пленка 319 экспонируется картиной стоячей волны в течение определенного времени экспозиции, достаточного для преобразования этого среза данных пропорционально использованию зерен галида серебра.
После того, как произведено экспонирование пленки 319 интерференционной картиной, соответствующей конкретному срезу данных, блок канала перемещается вперед (или, альтернативно, назад) на определенное расстояние, пропорциональное расстоянию между срезами данных. Например, если производится голограмма одинакового с оригиналом размера по данным КТ, то это расстояние точно соответствует расстоянию перемещения субъекта (например, пациента) за время генерирования срезов данных. Если создаются голограммы меньшего или большего размеров по сравнению с оригиналом, то эти расстояния соответствующим образом изменяются.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, пленка 319 представляет собой голографическую пленку HOLOTEST (торговая марка), например, пленку типа N 8E 56HD производства фирмы АГФА. Пленка содержит желатиновую эмульсию, нанесенную на пластиковую подложку. Типичная пленка может иметь толщину порядка 0,015 дюйма, причем толщина слоя эмульсии обычно составляет порядка 6 микрон.
В начале восьмидесятых годов коммерческие голографические пленки изготавливались главным образом с использованием пластиковых подложек с применением полиэфирного материала, в основном по причине его более высоких механических характеристик (сопротивления разрыву, короблению, стойкости к выцветанию и т.д.). Однако типичные полиэфиры демонстрируют высокую степень двулучепреломления, то есть явления, при котором P-компонента падающего света проходит через материал при различной скорости (и следовательно в другом направлении), чем S- компонента. Для голограмм, записанных или воспроизведенных с использованием неполяризованного источника, например, источника белого света, различные компоненты белого цвета будут проходить через материал по разным направлениям, в результате чего нарушается верность воспроизведенной голограммы. В связи с указанным, в промышленности в настоящее время в основном используют не обладающую двулучепреломлением триацетатную подложку по причине ее минимального влияния на поляризацию падающего света.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, как эталонный, так и объектный пучки, падающие на голографическую пленку, либо при создании голограммы- оригинала, либо при создании голограммы-копии, в основном полностью (чисто) поляризованы. В таком случае способность полиэфиров к двулучепреломлению не окажет вредного влияния на сюжет голограммы. Более того, в голограмме в проходящем свете эталонный и объектный пучки могут взаимодействовать в эмульсии ранее достижения каждым пучком подложки; следовательно, проблема двулучепреломления по этой причине также становится менее важной. Соответственно, голографическая пленка, использованная в контексте настоящего изобретения, типично содержит полиэфирную основу, которая обладает лучшими механическими свойствами, без внесения недостатков, свойственных известным ранее системам.
В отличие от обычной фотографии, в которой амплитудная информация, содержащаяся в падающем свете, записана в эмульсии пленки, голограмма содержит запись информации как об амплитуде, так и о фазе. Когда голограмма воспроизводится с использованием такой же длины волны света, которая была использована для ее создания, выходящий из пленки свет продолжает распространяться так, как будто бы он был "заморожен" внутри пленки, с практически полным сохранением фазовой и амплитудной информации. Однако механизм, при помощи которого амплитудная и фазовая информация записаны на пленки, понят далеко не полностью.
Как обсуждалось ранее, эталонный пучок и объектный пучок, в соответствии с настоящим изобретением, имеют одну и ту же длину волны и состояние поляризации на поверхности пленки 319. Интерференция между этими двумя волновыми фронтами создает стоячий (статический) волновой фронт, который простирается в толщу эмульсии. В точках внутри эмульсии, в которых объектный и эталонный пучки взаимодействуют конструктивно (с усилением), существует более высокий энергетический уровень, чем тот, который присутствует в любом независимом пучке. В точках внутри эмульсии, в которых объектный и эталонный пучки взаимодействуют деструктивно (с ослаблением), существует уровень энергии, который меньше энергетического уровня, имеющегося по крайней мере в одном из пучков. Более того, мгновенная амплитуда каждого пучка в точке взаимодействия определена как произведение пиковой амплитуды пучка и косинуса его фазы в этой точке. Таким образом, когда голографисты говорят о записи амплитудной и фазовой информации волны, на практике фазовая информация "записана" на основании того факта, что мгновенная амплитуда волны в конкретной точке является функцией фазы в этой точке. За счет записи мгновенной амплитуды и фазы статической интерференционной картины взаимодействия эталонного и объектного пучков в объеме трехмерной пленки, производится запись на пленке 319 "трехмерной картины" объекта, такой как она видна из плоскости пленки. Так как эта запись содержит амплитудную и фазовую информацию, то при воспроизведении голограммы восстанавливается трехмерное изображение.
После осуществления описанным образом записи на пленку 319 каждого среза данных, входящего в комплект данных, пленка 319 извлекается из держателя пленки 318 для обработки.
Как обсуждалось ранее, фотографическая эмульсия, использованная в настоящем изобретении, содержит большое число кристаллов галида серебра, взвешенных в желатиновой эмульсии. Хотя в этом контексте могут быть использованы любые подходящие фотоматериалы, кристаллы галида серебра имеют как правило в 1.000 раз большую светочувствительность по сравнению с другими известными фоточувствительными элементами. Результирующее короткое время экспозиции делает галид серебра в высшей степени подходящим для голографических применений, в которых вредные вибрации могут сильно влиять на качество голограмм. Путем сохранения коротких по длительности времен экспозиции для заданного лазерного источника, удается минимизировать влияние вибраций.
Как также обсуждалось ранее, голограмма, соответствующая каждому из множества срезов данных, последовательно кодируется на пленку 319. После того, как каждый срез, входящий в конкретный комплект данных, записан на пленку, пленка вынимается из камерного блока 300 для обработки. Перед тем, как детально обсудить конкретные операции обработки, полезно рассмотреть фотографическую функцию кристаллов галида серебра.
В обычной фотографии, такой как амплитудная голография, кристалл галида серебра, который экспонирован уровнем пороговой энергии в течение порогового времени экспозиции, становится латентным зерном галида серебра. При последующем погружении в проявитель, латентные зерна галида серебра преобразуются в кристаллы серебра. В этом отношении важно отметить, что отдельное зерно галида серебра несет только двоичные данные; оно может быть либо преобразовано в кристалл серебра, либо остаться зерном галида серебра в течение всего процесса. В зависимости от использованной техники обработки, зерно галида серебра может в конечном счете соответствовать темному району, а кристалл серебра- светлому району, или наоборот. В любом случае, определенное зерно галида серебра либо преобразуется в серебро, либо остается неизменным и, следовательно, оно находится в "включено" (логический высокий уровень) или "выключено" (логический низкий уровень) в конечном продукте.
В обычной фотографической практике, также как и при амплитудной голографии, экспонированная пленка погружается в проявляющий раствор (проявитель), который преобразует латентные зерна галида серебра в кристаллы серебра, но который имеет пренебрежимое воздействие на не экспонированные зерна галида серебра. Затем проявленная пленка погружается в фиксатор, который удаляет не экспонированные зерна галида серебра, оставляя чистую эмульсию в не экспонированных районах пленки, и кристаллы серебра в эмульсии в экспонированных областях пленки. Для специалистов в данной области ясно, что преобразованные кристаллы серебра имеют, однако, черный вид и, следовательно, стремятся поглотить рассеянный свет, что ухудшает эффективность результирующей голограммы.
В фазовой голографии, с другой стороны, экспонированная пленка отбеливается для удаления непрозрачного преобразованного серебра, при оставлении в нетронутом состоянии не экспонированных зерен галида серебра. Таким образом, после отбеливания, пленка содержит области чистой желатиновой эмульсии, не содержащие ни серебра, ни галида серебра (соответствующие экспонированным областям), и области желатиновой эмульсии, содержащей галид серебра (соответствующие не экспонированным областям). В фазовой голографии учитывается, среди прочего, тот факт, что содержащий серебро желатин имеет коэффициент преломления, который очень сильно отличается от коэффициента преломления чистого желатина и, следовательно, будет производить дифракцию проходящего (через пленку) света соответственно отличающимся образом.
Результирующая отбеленная пленка содержит таким образом картины полос, содержащие чередующиеся линии с высоким и низким коэффициентами преломления. Однако ни один из фотоматериалов не содержит непрозрачных кристаллов серебра, так что только незначительное количество света, использованное для воспроизведения голограммы, поглощается голограммой, в отличие от амплитудной голографической техники, в которой непрозрачные кристаллы серебра поглощают или рассеивают значительное количество света.
Более конкретно, в настоящем изобретении предусматривается схема обработки пленки, состоящая из шести стадий (операций), например, осуществляемая при помощи фотопроцессора Hope RA2016V, изготовленного фирмой Хоуп Индастрис, Уиллоу Гров, Пенсильвания.
Во время стадии 1 пленка проявляется в водном растворе проявителя для преобразования зерен латентного галида серебра в кристаллы серебра, который может быть приготовлен смешиванием в водном растворе (например, 1800 мл) дистиллированной воды, аскорбиновой кислоты (например, 30.0 г), карбоната натрия (например, 40.0 г), гидроокиси натрия (например, 12,0г), бромида натрия (например, 1,9 г) фенидона (например, 0,6г) и дистиллированной воды, для получения в результате 2 литров проявляющего раствора.
Во время стадии 2 пленка промывается для прекращения процесса проявления стадии 1.
На стадии 3 пленка погружается в 8 литров отбеливающего раствора, содержащего дистиллированную воду (например, 7200,0 мл), дихромат натрия (например, 19,0 г) и серную кислоты (например) 24, 0 мл). На стадии 3 из эмульсии удаляются проявленные кристаллы серебра.
На стадии 4 производится промывка пленки для удаления отбеливателя стадии 3.
На стадии 5 пленка погружается в 1 литр раствора стабилизатора, содержащего дистиллированную воду (50, 0 мл), иодид калия (2,5 г) и Кодак PHOTO-FLO (5,0 мл). На стадии стабилизации происходит снижение светочувствительности оставшихся зерен галида серебра для усиления долговременной стабильности в условиях последующего экспонирования.
На стадии 6 пленка сушится при помощи горячего воздуха. Стадия 6 преимущественно осуществляется при 100 градусов по Фарингейту (37, 8 градуса Цельсия); стадии 1 и 3 осуществляются при 86 градусах по Фарингейту (при 30 градусах Цельсия); остальные стадии осуществляются при окружающей температуре.
На фиг. 12A и 12B приведены чередующиеся высокие и низкие коэффициенты преломления фазовой голограммы, полученной в соответствии с настоящим изобретением, которые показаны в виде черных и белых областей. Когда пучок воспроизведения (PB) освещает голограмму, области с высокой плотностью производят дифракцию входящего света отличающимся образом от областей с малой плотностью, в результате чего получают яркое диффузное изображение, которое видит наблюдатель 32. Хотя фиг. 12B иллюстрирует механизм воспроизведения как феномен отражения, автор настоящего изобретения обнаружил, что точный механизм воспроизведения является феноменом, основанным на волновом механизме, так что свет в действительности "изгибается" вокруг различных полос, а не просто отражается поверхностью полосы.
По завершении обработки пленки 319 полученная голограмма-оригинала может быть использована для создания одной или нескольких копий.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, может быть желательно создать копию голограммы-оригинала и воспроизводить эту копию при наблюдении голограммы вместо непосредственного воспроизведения и наблюдения голограммы-оригинала. На фиг. 10A показан коллимированный пучок PB, воспроизводящий голограмму-оригинал, причем пучок PB направлен на пленку в том же самом направлении, что и коллимированный эталонный пучок, использованный для создания голограммы (H1). Это именуется ортоскопическим восстановлением (реконструкцией). Это совместимо со схемой фиг.3, когда срезы данных, соответствующие изображениям 1002 на фиг. 10, также освещались на пленке с той же стороны пленки, что и эталонный пучок. Однако при рассмотрении наблюдателем 1004 восстановленные изображения появятся на противоположной от наблюдателя стороне пленки. Хотя восстановленные изображения 1002 находятся не точно позади голограммы H1, они будут выглядеть так, будто они там находятся, точно так же, как наблюдаемый объект, расположенный перед зеркалом, кажется находящимся позади зеркала.
На фиг. 10B голограмма H1 инвертирована (повернута) и вновь воспроизведена пучком воспроизведения PB. При такой конфигурации, известной как псевдоскопическая конструкция, изображение 1002 будет казаться наблюдателю находящимся между наблюдателем и воспроизводимой пленкой. Когда произведено копирование голограммы-оригинала с использованием блока копирования 900, псевдоскопическая конструкция, объясненная на фиг. 10B, в основном реконструируется (восстанавливается), когда голограмма- оригинал, показанная как H1, и голографическая пленка, соответствующая голограмме-копии, установлены в плоскости P между изображениями 1002. В изображенном на фиг. 10B построении пленка-копия (плоскость Р) показана установленной между изображениями 1002, что позволяет получить голограмму-копию, которая при воспроизведении будет казаться имеющей половину трехмерного изображения, проецируемую вперед от пленки, и половину трехмерного изображения, проецируемую назад позади пленки. Однако, в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, блок копирования может быть построен таким образом, что плоскость P может занимать любое положение относительно комплекта данных, так что соответствующие части трехмерного изображения могут простираться вне плоскости, в которой установлена пленка, и входит в эту плоскость (быть в ней).
Показанный на фиг. 9 блок копирования 900 установлен на столе 904 в том же камерном блоке 3, в котором установлен стол 304, показанный на фиг. 3 Блок копирования 900 содержит лазерный источник 824, соответствующие зеркала 810, 812, 820 и 850, кубик расщепления пучка 818, клапанную пластину 816, соответствующие расширители пучка 813 и 821, соответствующие коллиматорные линзы 830 и 832, держатель голограммы-оригинала 834 с соответствующими ножками 836A и 836B, и держатель копии пленки 838, имеющий фронтальную поверхность 840, предназначенную для удержания на месте подложки H2 копии пленки.
Держатель пленки 838 и, если желательно, соответствующие держатели пленки 834 и 318 оборудованы вакуумными приспособлениями, например, вакуумной линией 842 для создания вакуума между пленкой и пленочным держателем для удержания таким образом пленки на месте. За счет обеспечения тесного контакта между пленкой и ее держателем могут быть в основном устранены влияния вибраций и другие ложные движения пленки, которые могут отрицательно влиять на картины интерференционных полос, записанные на пленке.
Держатели пленки 838 и 318 предпочтительно содержат непрозрачную, неотражающую (например, черную) поверхность для минимизации нежелательного отражения от них света. Держатель пленки 834, с другой стороны, обязательно содержит прозрачную поверхность, ввиду того, что объектный пучок должен проходить через него по пути к держателю пленки 838. Соответственно, непрозрачные держатели пленки, если это желательно, могут иметь вакуумную поверхность для того, чтобы установленная пленка надежно удерживалась вакуумом по всей ее поверхности. Держатель пленки 834, с другой стороны, который является прозрачным, содержит канал по периметру, в котором при помощи вакуума по периметру удерживается пленка. Стекло или другая прозрачная поверхность может быть установлена по периметру канала, причем валик может использоваться для удаления любого воздуха, имеющегося между пленкой и поверхностью стекла.
Несмотря на то, что в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используется описанная вакуумная техника удержания пленки, любой механизм удержания пленки может быть соответствующим образом использован в контексте настоящего изобретения, включая использование электростатического держателя пленки; пары пластин, между которыми вставлена пленка; любого подходящего механизма для закрепления пленки по ее периметру с созданием натяжения ее поверхности; или с использованием воздухонепроницаемой ячейки, в которой сжатый воздух может использоваться для прижатия пленки к поверхности воздухонепроницаемой камеры, причем такая камера дополнительно содержит сопло, расположенное на поверхности ячейки напротив удерживаемой пленки, из которого может выходить сжатый воздух.
Показанный на фиг. 9 лазерный источник 834 аналогичен лазеру 302 и создает лазерное излучение с той же длиной волны, что и использованная для создания голограммы-оригинала (например, 514,5 нм). В альтернативном варианте лазерный источник для создания копии может использовать другую, однако определенную, длину волны света, с тем условием, что угол, под которым эталонный источник освещает пленку H1, будет изменен в соответствии с этой длиной волны. Специалисты поймут, что длина волны (λ) освещающего голограмму H1 эталонного пучка пропорциональна синусу угла падения, то есть λ = K sinΘ . Более того, при изменении параметров процесса обработки пленки для создания усадки или разбухания эмульсии, может производиться дополнительная регулировка соотношения между длиной волны и углом падения в соответствии с соотношением между углом падения и длиной волны эталонного пучка.
Пучок источника 825 от лазера 824 отражается зеркалом 812 через клапанную пластину 816 и в кубик 818. Переменная клапанная пластина (с переменной длиной волны) 816 и кубик 818 функционируют аналогично блоку расщепления пучка 310, обсужденному ранее со ссылкой на фиг. 3. Действительно, в преимущественном варианте осуществления настоящего изобретения, блок расщепления пучка, который практически идентичен расщепителю пучка 310, использован в системе копирования 900 вместо клапанной пластины 816 и кубика 818; однако, из соображений ясности изложения, устройство расщепления пучка на фиг. 9 схематически изображено в виде кубика 818 и клапанной пластины 816.
Кубик расщепления пучка 818 расщепляет пучок источника 825 на S-поляризованный объектный пучок 806 и P- поляризованный эталонный пучок 852. Объектный пучок 806 проходит через клапанную пластину 814, которая преобразует пучок 806 в P-поляризованный пучок, который затем проходит через блок расширителя пучка 813, содержащий точечную диафрагму (не показана); эталонный пучок 852 проходит через аналогичный расширитель пучка 821. Узлы расширения соответствующих пучков 813 и 821 аналогичны по построению и функциям узлу 314, обсужденному выше со ссылкой на фиг. 3.
Объектный пучок 806 выходит из расширителя пучка 813 в виде расходящегося пучка, который отражается зеркалом 850 и коллимируется линзой 832. Эталонный пучок 852 отражается зеркалом 820 и коллимируется линзой 830. Следует отметить, что виртуальные пучки 802 и 856 не существуют в действительности, а просто показаны на фиг.9 для указания возможного источника, соответственно, объектного и эталонного пучков. Следует отметить, что оба пучка, объектный пучок 806 и эталонный пучок 852, полностью P-поляризованы.
Голограмма-оригинал, созданная при помощи камерного блока 300, как описано ранее, установлена в прозрачном держателе пленки 834 и показана на фиг. 9 как H1. Вторая пленка H2, идентичная по структуре пленочной подложке 319 ранее ее экспонирования, помещена в держатель пленки 838. Объектный пучок 806 входит в голограмму-оригинал H1 под углом Брюстера для пленки H1 (около 56 градусов).
Показанная на фиг. 12B голограмма H1 содержит картину полос, которая производит дифракцию падающего света в функции длины волны падающего света. Так как голограмма H1 создана при помощи света, имеющего такую же длину волны, что и монохроматический объектный пучок 806, то можно ожидать, что голограмма H1 будет производить дифракцию объектного пучка на такую же величину. Следовательно, объектный пучок 806 выходит из голограммы H1 после дифрагирования на средний угол К и попадает на пленочную поверхность 840 пленки H2. Эталонный пучок 852 направлен на подложку H2 под любым подходящим углом, например, углом Брюстера (около 56 градусов).
Пленочная подложка H2 записывает картину стоячих волн, созданную объектным пучком 806 и эталонным пучком 852, аналогично описанному выше для пленки 319 при ссылке на фиг. 3, 4, 12A и 12B. Более конкретно, множество изображений, соответствующих каждому срезу данных в комплекте данных, одновременно записываются на пленке H2. Производится точная запись на пленку H2 амплитудной и фазовой информации, соответствующей каждому срезу данных, так как эта амплитудная и фазовая информация существуют в плоскости пленки H2. При последующем воспроизведении голограммы-копии H2, как это обсуждается далее более подробно, изображение, соответствующее каждому срезу данных, с ненарушенной амплитудной и фазовой информацией, точно воссоздает трехмерную физическую систему, определенную комплектом данных.
Автор настоящего изобретения нашел, что эмульсия на пленке для изготовления голограммы в соответствии с настоящим изобретением, может претерпевать небольшие изменения объема в процессе обработки пленки. В частности, эмульсия может иметь усадку или расширение порядка 1% или более, в зависимости от конкретных химических реактивов, использованных при обработке подложки.
Несмотря на то, что такая усадка или расширение имеют незначительное влияние на голограмму-оригинал, это влияние может усиливаться для голограммы-копии. Например, 1% усадка для типичной голограммы размером, например, 10 сантиметров, может быть незаметна для наблюдателя. Однако, при копировании голограммы-оригинала (H1) в голограмму-копию (H2) 1% изменение голограммы-оригинала H1 может проявляться как 1% изменение расстояния между держателями, причем это расстояние обычно намного больше действительного размера голограммы. В самом деле, при расстоянии 14 1/2 дюйма между держателем 834 голограммы-оригинала и держателем 838 голограммы-копии, 1% усадка подложки голограммы H1 может приводить к смещению голограммы-копии из плоскости пленки ориентировочно на 5 миллиметров.
Для корректировки такой усадки/расширения и для обеспечения таким образом точного соответствия положения держателя 838 голограммы-копии H2 в плоскости пленки голограммы, должно быть соответствующим образом установлено расстояние между держателем 834 голограммы-оригинала и держателем 838 голограммы-копии. В частности, если эмульсия, содержащая голограмму-оригинал H1, имеет усадку, например, на 1%, то расстояние между держателем 834 голограммы- оригинала и держателем 838 голограммы-копии должно быть соответствующим образом уменьшено приблизительно на 1%. Аналогично, если во время обработки произошло расширение эмульсии, содержащей голограмму-оригинал, то указанное расстояние должно быть увеличено.
Более того, расстояние между держателем 834 голограммы-оригинала и держателем 838 голограммы-копии может быть также изменено таким образом, что держатель голограммы-копии врезается в любое желательное положение в голограмме. В частности, зачастую желательно, чтобы голограмма-копия охватывала плоскость пленки, то есть чтобы приблизительно половина голографического изображения проецировалась вперед от наблюдательного экрана, а вторая половина голограммы проецировалась назад от экрана пленки, что достигается изменением расстояния между держателем 834 голограммы-оригинала и держателем 838 голограммы-копии, причем любая желательная часть голограммы может быть расположена перед плоскостью пленки или позади нее, если это желательно.
В обсуждаемом здесь предпочтительном варианте осуществления изобретения, голограммы-оригиналы H1 создаются в камерном блоке 300, а голограммы-копии H2 создаются в блоке копирования 900. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения эти две системы могут быть соответствующим образом объединены. Например, держатель пленки 318 фиг.3 может быть заменен держателем пленки 834 фиг. 9, при этом последующий держатель пленки H2 расположен таким образом, что объектный пучок передается через держатель пленки 834 на новый держатель пленки H2. При таком построении соотношения между держателями пленки H1 и H2 (фиг. 9) будут в основном воспроизведены в гибридной системе. Для завершения ансамбля дополнительный эталонный пучок поступает на новый держатель пленки H2 под углом Брюстера. При изменении указанным образом полученная система может эффективно создавать голограммы-оригиналы и голограммы-копии в одном и том же устройстве. Более конкретно, голограмма-оригинал создается описанным со ссылкой на фиг. 3 образом, а вместо использования отдельного устройства копирования, голограмма-оригинал может быть просто извлечена из ее держателя пленки, повернута и использована для создания голограммы-копии. Естественно, исходный объектный пучок должен быть шунтирован и заменен вновь добавленным эталонным пучком, освещающим вновь добавленный держатель пленки H2.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, в котором голограммы-оригиналы могут создаваться в основном в соответствии с описанной методикой, голограммы-копии могут быть созданы в соответствии с методом, известным как контактное копирование. В этом случае голограмма-оригинал H1 может быть помещена в тесном контакте с соответствующим листом пленки, причем к ним прикладывается эталонный пучок, как это известно в контексте создания копий обычных голограмм.
Как обсуждалось ранее, в настоящем изобретении предусматривается для комплекта данных, содержащего N срезов, запись N индивидуальных, относительно слабых голограмм на единственной пленочной подложке. В первом приближении, каждый из N срезов будет потреблять (преобразовывать) приблизительно 1/N имеющихся зерен галида серебра, которые поглощаются во время экспонирования.
В начальной точке, общее количество фоточувствительных элементов в пленочной подложке может быть связано при последующем экспонировании пленки, известным фотографическим образом, с известной интенсивностью (силой) света и кривой преобразования, в функции приложенной энергии (интенсивности, умноженной на время), в зависимости от степени преобразования зерен галида серебра в зерна (кристаллы) серебра. На фиг. 2A показана хорошо известная кривая HD для четырех типичных образцов, иллюстрирующая эффект экспонирования пленки определенной силой света во времени. В различные временные интервалы степень образования вуали на пленке, то есть степень, на которую зерна галида серебра преобразованы в зерна серебра, измерена простым экспонированием пленки пучком известной интенсивности, проявлением пленки и измерением количества света, который проходит через пленку в функции падающего света. Хотя типичная кривая HD нелинейная, она тем не менее может быть использована в контексте настоящего изобретения для оценки различных уровней вуали в функции приложенной энергии.
В соответствии с настоящим изобретением, кривая HD для конкретной пленки (обычно представляемая изготовителем пленки) использована для определения количества света, выраженного в микроджоулях на квадратный сантиметр, для осуществления предварительного создания определенного уровня вуали на пленке, например, уровня 10% общей способности пленки к образованию вуали, которая определена по кривой HD. После предварительного вуалирования пленки на известную величину, на пленке записывается очень слабая голограмма плоской решетки и замеряется дифракционная эффективность решетки. После этого производится предварительное вуалирование до более высокого уровня различных образцов пленки из того же самого пленочного набора, например, до уровня 20% общей способности к образованию вуали, определенной по кривой HD, и та же самая голограмма накладывается на вуалированную пленку. Опять производится измерение дифракционной эффективности слабой голограммы, и процесс повторяется для различных уровней вуали. Дифракционная эффективность решетки для каждого уровня вуали должна быть в основном функцией уровня предварительно вуалирования, ввиду того, что предварительное вуалирование носит полностью случайный характер и ни коим образом не создает картин полос. Обратимся теперь к фиг. 2B, на которой приведен график дифракционной эффективности в функции от уровня вуали (энергии смещения) для конкретного набора пленок. Следует отметить, что кривая фиг.2 простирается до гипотетического насыщения пленки, что соответствует достижению такого уровня предварительного вуалирования, при котором дифракционная эффективность последующей слабой голограммы достигает заранее определенного минимального значения. Площадь под кривой фиг. 2 соответствует полной энергии, приложенной к пленке до момента насыщения ее дифракционной эффективности. В настоящем контексте эта энергия эквивалентна произведению интенсивности падающего света на полное время экспонирования.
Для конкретного пленочного набора площадь под кривой фиг. 2B является эффективной характеристикой для оценки способности пленка к проведению множества экспонирований голограмм. Для комплекта данных, содержащего N срезов, площадь под кривой может быть условно разделена на N равных частей, так что каждый срез данных может потреблять 1/N полной энергии под кривой. Учитывая, что энергия для отдельного среза равна произведению интенсивности падающего света на время экспозиции, и учитывая также, что интенсивность падающего света (например, объектного пучка) определена для каждого среза способом, описанным ниже в связи с определением отношения пучков, можно легко определить время экспозиции для каждого среза.
В соответствии со следующим аспектом изобретения, каждый набор пленок может быть закодирован данными, соответствующими показанным на фиг. 2B. Аналогично, большинство 35 мм пленок кодируется (сопровождается) определенной информацией, касающейся пленки, например, данными, связанными с характеристиками экспонирования пленки. Аналогичным образом, информация, относящаяся к кривой дифракционной эффективности, показанной на фиг. 2B, может быть приложена к каждому образцу голографической пленки, предназначенной для использования в соответствии с настоящим изобретением, например, напечатана на пленке или вложена в упаковку пленки. Компьютер (не показан), использованный для управления камерным блоком 300, может быть запрограммирован для считывания напечатанной на пленке информации и ее последующего использования описанным выше образом для подсчета времени экспозиции для каждого среза данных.
Как указывалось ранее, отношение интенсивностей эталонного и объектного пучков в плоскости пленки известно как отношение пучков. В известных голографических техниках стремятся определить отношение пучков без ссылки на состояние поляризации; однако альтернативное определение этого отношения, в особенности в контексте некоторых аспектов настоящего изобретения, предусматривает определение относительных интенсивностей эталонного и объектного пучков (в плоскости пленки), находящихся в определенном общем поляризационном состоянии, то есть либо в общем состоянии P-поляризации, либо в общем состоянии S- поляризации. Более того, интенсивность пучка, использованная в целях определения отношения пучков, может быть альтернативно определена в терминах любой другой желательной характеристики или качества пучка, например, контролем моды пучка при использовании детектора моды, или контролем однородности пучка, то есть амплитуды пучка в его поперечном сечении.
Интенсивность пучка может детектироваться (измеряться) на поверхности пленки с использованием фотодиода. В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, один или несколько фотодиодов могут быть установлены в соответствующем месте в оборудовании, содержащем камерную систему 300, например, в держателе пленки 319. При этом подобный фотодиод может быть установлен, например, по периметру держателя пленки (по бокам пленки), или в самом держателе пленки, позади прозрачной пленки. Альтернативно, один или несколько фотодиодов могут быть установлены на рукоятках или аналогичных рычажных механизмах, которые могут избирательно по желанию вдвигаться или выдвигаться из тракта пучка.
Для объяснения роли отношения пучков в настоящем изобретении, полезно указать, что голография может быть подразделена на воспроизводящую голографию, в которой голограмма предназначена для показа трехмерного изображения выбранного объекта, и на голографические оптические элементы (ГОЭ), в которых производится запись на пленке основной картины голографических полос, и которые поэтому функционируют в качестве оптического элемента, имеющего строго определенные свойства, например, свойства линзы, зеркала, призмы и т. п.
ГОЭ образуются при помощи простых направленных пучков, ведущих к созданию простых повторяющихся картин полос, имеющих тенденцию к подавлению слабых вторичных полос, которые образуются также рассеянным или отраженным светом в эмульсии. Так как в первом приближении вторичные картины полос обычно игнорируются, то обычная голографическая теория утверждает, что для достижения самой сильной интерференции между двумя пучками должно быть использовано отношение пучков, равное единице.
В воспроизводящей голографии, с другой стороны, в то время как эталонный пучок все еще остается простым направленным пучком, объектный пучок может быть чрезвычайно сложным и иметь изменения интенсивности и направления, накладываемые объектом. Дополнительно, объекты обычно имеют определенное число ярких пятен, которые производят диффузию света при очень высоких интенсивностях. Результирующая картина полос является чрезвычайно сложной, не имеющей простой связи с подлежащим записи объектом. Более того, яркие пятна на объекте действуют подобно вторичным эталонным пучкам, создавая нежелательные картины полос при их взаимодействии с эталонным пучком и друг с другом, в результате чего получают множество наборов шумовых полос, существенно сокращающих относительную силу картины первичных полос. Результирующий "интермодуляционный" шум (часто именуемый шумом с собственным эталоном) вызывает неприемлемую потерю качества изображения, если его не устранять.
Обычная голографическая теория утверждает, что интермодуляционный шум может быть подавлен увеличением относительной силы эталонного пучка по сравнению с объектным пучком, за счет выбора отношения пучков в пределах от 3 до 30, а обычно от 5 до 8. Это приводит к образованию сильных первичных полос и в значительной степени уменьшает вторичные полосы (интермодуляционный шум). Таким образом, существующие голографические техники подсказывают, что в контексте воспроизводящей голографии, отношение пучков выше единицы и преимущественно в диапазоне 5-8 существенно уменьшает интермодуляционный шум.
Дифракционная эффективность голограммы, то есть насколько яркой представляется (кажется) голограмма наблюдателю, также имеет максимум при отношении пучков, равном единице. Если отношение пучков превышает единицу, то дифракционная эффективность падает, что приводит к получению менее ярких голограмм при воспроизведении. Известная голографическая теория однако утверждает, что так как интермодуляционный шум падает быстрее дифракционной эффективности при увеличении отношения пучков, то отношение пучков в пределах 5-8 минимизирует интермодуляционный шум (то есть позволяет получить высокое отношение сигнал-шум), позволяя в то же самое время создавать голограммы с разумной дифракционной эффективностью.
В контексте настоящего изобретения, используется очень низкое отношение эталонного пучка к объектному, например, порядка 3:1, и в особенности порядка единицы, что приводит к получению оптимальной (то есть максимальной) дифракционной эффективности для каждой голограммы, связанной с каждым срезом данных в определенном комплекте данных. В контексте настоящего изобретения, однако, интермодуляционный шум (теоретически максимальный при единичном отношении пучков) не создает значительных проблем, сравнимых с проблемами обычной воспроизводящей голографии. Более конкретно, следует вспомнить, что в обычной голографии интермодуляционный шум возникает, среди прочего, от ярких пятен на объекте. В настоящем изобретении "объект" соответствует двухмерному обрезанному гамма-корректированному (что обсуждается далее) срезу данных. Таким образом, по самой природе данных, использованных в контексте настоящего изобретения, получают низкий интермодуляционный шум, что позволяет использовать единичное отношение пучков и получить изображения с максимумом дифракционной эффективности и очень высоким отношением сигнал/шум.
Более того, выбор отношения пучков, близкого к единице или равного единице для каждого среза в комплекте данных, может производиться быстро и эффективно в контексте преимущественного варианта осуществления настоящего изобретения.
Более конкретно, переменная клапанная пластина 404 может быть откалибрована при помощи фотодиода, установленного в тракт прохождения эталонного пучка вблизи пленки 319, при одновременном шунтировании объектного пучка, и наоборот. По мере того, как приложенное к клапанной пластине 404 напряжение возрастает с заданными приращениями от нуля до максимальной величины, производят измерения интенсивности эталонного пучка в функции приложенного напряжения. Так как интенсивность эталонного пучка плюс интенсивность объектного пучка (перед установкой среза данных в объектный пучок) приблизительно равна интенсивности их общего пучка, исходящего из лазерного источника, причем интенсивность общего пучка источника может быть легко определена, то также легко может быть получена (выведена) интенсивность объектного пучка в функции напряжения, приложенного к клапанной пластине 404. Остается определить надлежащее входное напряжение клапанной пластины 404 для получения единичного отношения пучков для конкретного среза.
На фундаментальном уровне, каждый срез данных содержит известное
число "элементов изображения" (хотя это и не совсем точно после прохождения через блок формирования изображения 328), причем каждый элемент изображения имеет известное значение уровня серого. Таким образом, каждому срезу данных может быть присвоено определенное значение яркости, например, в процентах чистого белого. Таким образом, конкретный уровень напряжения, необходимый для получения единичного отношения пучков для определенного среза данных, имеющего известное значение яркости, может быть определен выбором единственного значения напряжения, соответствующего значению интенсивности чистого объектного пучка, которое, после умножения на значение яркости, равно значению интенсивности эталонного пучка для этого же уровня напряжения. Это вычисление может быть просто и эффективно произведено при помощи обычного компьютера, запрограммированного в соответствии с установленным здесь соотношением.
Соответственно, каждый срез данных объединен (связан) с величиной напряжения, соответствующей входному напряжению на клапанной пластине 404, необходимому для достижения единичного отношения пучков.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, каждый срез данных в комплекте данных может быть приготовлен в соответствии с установленной ранее процедурой отсечения. В частности, блок формирования изображения 328 создает изображение, содержащее различные яркостные уровни (уровни серого) в соответствии с величинами данных, приложенных к ЭЛТ 444. Однако, известно, что обычные ЭЛТ и обычные световые клапаны не обязательно проецируют изображения, имеющие уровни яркости, которые линейно соответствуют данным изображения. Более того, человеческая перцепция уровней серого не обязательно является линейной. Например, если изображение, имеющее произвольное значение яркости, равное 100, может выглядеть в два раза более ярким по сравнению с изображением, имеющим значение яркости 50, то может потребоваться уровень яркости 200 для того, чтобы изображение выглядело вдвое более ярким по сравнению с изображением, имеющим величину яркости 100.
Так как визуальная система человека обычно воспринимает яркость как экспоненциальную функцию, а ЭЛТ и световые клапаны создают изображения с яркостями, которые не являются ни линейными, ни экспоненциальными по отношению к уровням данных, создающих изображения, то желательно осуществлять гамма-коррекцию срезов данных после их отсечения, то есть после того, как произведена их грубая регулировка по уровням яркости и контраста. За счет гамма-коррекции данных после осуществления отсечения можно получить равномерное распределение действительно наблюдаемых уровней серого в терминах их перцепциальных различий.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, создается гамма-просмотровая таблица путем воспроизведения серий определенных значений уровней серого при помощи блока формирования изображения 328. Преимущественно в выходном тракте блока формирования изображения 328 устанавливается фотодиод (не показан) для измерения действительного уровня яркости, соответствующего известной величине для среза данных. Затем производится серия измерений для различных уровней яркости, соответствующих различным величинам данных уровней серого, и строится гамма-просмотровая таблица для диапазона величин серого, содержащегося в определенном комплекте данных. В зависимости от требуемой степени точности, при помощи фотодиода может производиться измерение любого числа значений уровня серого, что позволяет произвести компьютерную интерполяцию значений уровней яркости, которые не были измерены оптически.
При использовании гамма-просмотровой таблицы данные, соответствующие каждому срезу данных, транслируются (преобразовываются) таким образом, что ступени яркости одинаковой величины для данных соответствуют визуально эквивалентным изменениям в проецируемом изображении, измеренным фотодиодом при создании просмотровой таблицы.
Более того, световой клапан 442, который использован в сочетании с клапанной пластиной 463, как это обсуждалось при ссылке на фиг. 7 и 8, обычно способен создавать самое черное изображение, которое приблизительно в 2000 раз слабее самого яркого белого изображения. Этот уровень контрастного диапазона просто не нужен в связи с тем фактом, что визуальная система человека может различать всего лишь диапазон от 50 до 100 уровней серого в пределах единственного среза данных. Таким образом, максимальное желательное соотношение контрастов (то есть отношение уровня яркости самого черного района на срезе данных и уровня яркости самого светлого района на срезе) должно предпочтительно составлять 100-200:1, что позволяет иметь гибкость на любом конце шкалы яркостей. Так как в результате контрастное отношение для конкретного среза имеет порядок одной десятой от имеющегося контрастного отношения светового клапана, то дальнейший аспект схемы гамма-коррекции. использованной в контексте настоящего изобретения, заключается в определении абсолютно черного, как имеющего уровень яркости, равный нулю. После этого производится соответствующее нахождение наиболее темных представляющих интерес районов на любом слайде, то есть наиболее темных районов, которые могут заинтересовать рентгенолога при просмотре слайда, которые будут именоваться "практически черными". Эти практически черные районы будут отмечены значениями, которые ориентировочно в 100 - 200 раз слабее чистого белого. Более того, любое значение ниже значения практически черного будет считаться абсолютно черным (имеющим нулевой уровень серого). Эти абсолютно черные (или сверхчерные) районы будут включать в себя все районы среза, которые темнее представляющего интерес наиболее темного района.
Дополнительная операция гамма-коррекции, используемая в настоящем изобретении, предусматривает фиксирование (ограничение) наиболее ярких величин. Специалисты знают, что обычные ЭЛТ и световые клапаны нестабильны в верхней части диапазона яркостей. Более конкретно, увеличение яркостного уровня данных, создающих изображение, в любой определенной комбинации ЭЛТ/световой клапан, выше 90% уровня яркости, может привести к получению изображения с непредсказуемыми уровнями яркости. Таким образом, может быть желательно установить верхний предел уровня яркости для комплекта данных совпадающим с определенным уровнем яркости в блоке формирования изображения 328, например, с уровнем 90% максимальной яркости, создаваемой блоком формирования изображения 328. Таким образом, чистый белый для различных срезов данных будет в действительности соответствовать уровню, который на 10% ниже теоретически достижимого в блоке формирования изображения 328, за счет чего устраняются нелинейности и другие нестабильности, связанные с оптической аппаратурой.
Наконец, если какой-то срез в основном черный или содержит ненужные данные, то он может быть полностью опущен в конечной голограмме, если этого пожелают.
Таким образом, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, интенсивность объектного пучка может управляться в функции одного или нескольких факторов, включая, среди прочего, уровень напряжения, приложенного к клапанной пластине 404, распределение данных для определенного среза данных, осевое положение среза данных относительно держателя пленки, и эффекты гамма-коррекции, произведенной над данными.
Голограмма-копия H2 может быть воспроизведена в просмотровом устройстве, таком как просмотровая аппаратура марки VOXBOX, которая изготавливается фирмой Воксел Инк. , Лагуна Хилл, Калифорния. Некоторые характеристики просмотровой аппаратуры марки VOXBOX описаны в патентах США 4.623.214 и 4.623.215, с датой выдачи 18 ноября 1986 года.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 11, на которой показано типичное просмотровое устройство 1102, которое содержит кожух 1104 с расположенной в нем внутренней полостью 1106, причем кожух 1104 предотвращает попадание окружающего света в просмотровое устройство.
Просмотровое устройство 1102 содержит далее источник света 1108, например, источник света со сферическим излучением, дефлектор (отражатель) 1132, зеркало 1134, линзу Френеля 1110, дифракционную решетку 1112 и подъемные жалюзи (бленду) 1114, на которых обычно устанавливается голограмма-копия H2. Подъемные жалюзи 1114 и голограмма H2 схематически показаны из соображений ясности изложения разделенными в пространстве от дифракционной решетки 1112; в предпочтительном варианте осуществления изобретения, линза Френеля 1110 образует часть лицевой поверхности кожуха 1104, дифракционная решетка 1112 образует тонкий планарный (плоский) лист, прикрепленный к поверхности линзы 1110, а подъемные жалюзи 1114 образуют тонкий планарный лист, прикрепленный к решетке 1112. Голограмма H2 с возможностью съема закреплена на бленде 1114 при помощи подходящего устройства, например, при помощи зажимов, вакуумного механизма, или любым другим подходящим образом, который позволяет голограмме H2 тесно прилегать, но с возможностью съема, к поверхности бленды 1114.
Линза Френеля 1110 коллимирует излучаемый световым источником 1108 свет и направляет коллимированный пучок через дифракционную решетку 1112. Желательное фокусное расстояние между источником 1108 и линзой 1110 будет определяться, среди прочего, физическими размерами линзы 1110. Для экономии пространства и создания таким образом более компактного просмотрового блока 1102, свет от источника 1108 изменяет направление при помощи зеркала 1134. Так как источник 1108 может быть помещен поблизости от линзы 1110 для максимального использования пространства, дефлектор (отражатель) 1132 может быть установлен между источником 1108 и линзой 1110 таким образом, что на линзу попадает только свет, отраженный зеркалом 1134. Как обсуждалось ранее, соотношение между углом и длиной волны соответствует уравнению λ = K sinΘ . В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, фокусное расстояние линзы 1110 составляет приблизительно 12 дюймов.
Дифракционная решетка 1112 содержит голографический оптический элемент (ГОЭ), например, созданный при помощи голографического процесса, аналогичного описанному здесь. Более конкретно, дифракционная решетка 1112 изготовлена с использованием эталонного и объектного пучков, имеющих длину волны и угол падения, которые соответствуют параметрам, использованным при создании голограммы H2 (в данном случае длина волны равна 514, 5 нм). В предпочтительном варианте, дифракционная решетка 1112 является преимущественно фазовой голограммой.
Дифракционная решетка 1112 дифрагирует различные компоненты поступающего от источника 1108 белого света в функции длины волны. Более конкретно, каждая волна света отклоняется на определенный угол при прохождении через дифракционную решетку 1112. Например, синяя компонента белого света будет отклонена на угол P; более длинная длина волны зеленого света будет отклонена на угол Q; и наиболее длинная длина волны красного света будет отклонена на угол R. Если выразить это иным образом, то дифракционная решетка 1112 коллимирует каждую длину волны на определенный единственный угол относительно поверхности решетки. Специалисты однако знают, что дифракционная решетка 1112 является неидеальным преломляющим устройством; в ней преломляется только часть (около 50%) падающего света, а остаток непреломленного света проходит через нее как коллимированный белый свет.
Подъемные жалюзи (бленда) 1114 содержат ряд очень тонких угловых оптических планок (створок), которые эффективно улавливают непреломленый свет, выходящий из дифракционной решетки 1112. При этом в основном весь проходящий через жалюзи 1112 свет выходит под углом, например, под углом, под которым свет преломляется решеткой 1112. Конечно, некоторое количество света тем не менее отклоняется жалюзи и выходит под различными произвольными углами.
Более того, геометрия планок, входящих в жалюзи 1114, может быть выбрана таким образом, чтобы получить результирующую голограмму с оптимальным окрашиванием. Более конкретно, геометрия планки может быть выбрана так, чтобы определенная длина волны проходила через жалюзи 1114 в основном без ее изменения, в то время как большие или меньшие (относительно номинальной длины) длины волн будут отсекаться жалюзи. Более того, геометрия планок может быть выбрана так, что свет, который проходит через решетку 1112 без преломления, не проходит непосредственно (прямо) через жалюзи 1114. За счет согласования геометрии планки, непреломленый свет может существенно ослабляться, например, путем его многократного отражения (например, четрехкратного) между смежными планками перед достижением голограммы H2.
Жалюзи 1114 предпочтительно представляют собой тонкую, планарную 1 (плоскую) контрольную пленку, изготовленную фирмой ЗМ Кампани. На одной из поверхностей жалюзи 1114 слегка вогнуты; более того, жировое или восковое вещество нанесено на эту поверхность изготовителем. Во избежание повреждения хрупких пластинок может быть желательным прикреплять жалюзи к защитной поверхности, например, к акриловому листу (не показан). Однако ошибочное прикрепление жалюзи 1114 "жирной" стороной к акриловому листу может привести к неоднородному контакту между двумя поверхностями, что приведет к созданию нежелательных оптических характеристик.
Автор настоящего изобретения нашел, что при введении тонкого порошкового вещества с высокой смазывающей способностью (например, талька) в стык между акриловым листом и жалюзи оптические характеристики улучшаются.
Голограмма H2 показана помещенной на просмотровый экран, например, прикреплением к поверхности жалюзи 1114. Для этого просмотровый экран содержит один или несколько следующих компонентов: линзу 1110, решетку 1112 и подъемные жалюзи 1114. Альтернативно, просмотровый экран может просто содержать тонкий, плоский лист прозрачного материала, например, стекла, на котором могут быть установлены (смонтированы) один или несколько указанных компонентов. В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, такой просмотровый экран имеет ширину порядка 10-16 дюймов и высоту порядка 14-20 дюймов, а предпочтительней, порядка 14-17 дюймов. Также желательно, чтобы различные создаваемые в соответствии с настоящим изобретением голограммы, а именно, голограмма-оригинал H1 и голограмма-копия H2, имели соответствующие размеры, так чтобы они были меньше или приблизительно такой же ширины, как и просмотровые экраны. В особенно предпочтительном варианте осуществления, голограмма-оригинал H1 и голограмма- копия H2 имеют ширину от 14 до 17 дюймов.
Так как голограмма H2 создана с использованием такой же длины волны и угла эталонного пучка, что и параметры, использованные при создании решетки 1112, проходящий через голограмму H2 свет отклоняется в соответствии с его длиной волны. Конкретно, синий свет отклонен на угол минус P, зеленый свет отклонен на угол минус Q, а красный свет отклонен на угол минус R (вспомним, что голограмма-оригинал H1 была повернута при создании голограммы-копии H2). Следовательно, все длины волн проходят через голограмму H2 в основном ортогонально плоскости линзы 1110. В результате, наблюдатель 1116 может видеть восстановленную голограмму из точки зрения, в основном расположенной по оси, ортогональной плоскости голограммы H2.
Путем согласования длины волны-избирательной способности отклонения дифракционной решетки 1112 с длиной волны-избирательной способностью голограммы H2, в основном весь свет, преломленный дифракционной решеткой 1112, может быть использован для освещения голограммы. Таким образом, даже при использовании относительно неэффективной дифракционной решетки 1112 удается создать относительно яркое голографическое изображение. Более того, голографическое изображение не обязательно зашумлено паразитным белым светом, который не преломлен решеткой 112, так как в основном весь этот паразитный свет блокируется при помощи жалюзи 1114.
Более того, при помощи установки тонкой планарной (плоской) голограммы, жалюзи и дифракционной решетки на поверхности линзы, что образует часть просмотрового устройства, пучок воспроизведения, использованный для освещения голограммы, в основном исключительно ограничен коллимированным светом от источника 1108; таким образом, паразитный неколлимированный свет блокируется и не поступает на заднюю поверхность (правая сторона фиг. 11) голограммы H2.
Когда голограмма (H2), созданная в соответствии с настоящим изобретением, установлена в просмотровый блок 1102, то можно видеть трехмерное воспроизведение объекта, при котором наблюдателю обеспечен полный параллакс перспектив со всех точек зрения. Автор настоящего изобретения далее нашел, что голограмма может быть извлечена из просмотрового блока, перевернута и вновь установлена в просмотровый блок. Перевернутая голограмма содержит такую же информацию, что и неперевернутая, за тем исключением, что наблюдатель смотрит на голограмму с противоположной стороны; при этом точки, которые были наиболее удалены от наблюдателя, становятся самыми ближними к наблюдателю, и наоборот. Эта характеристика может быть особенно полезной для врача, который планирует предложенное хирургическое вмешательство, так как это позволяет, например, врачу взвесить все за и против проведения операции определенного органа тела, с одного направления наблюдения или с другого.
Автор настоящего изобретения также нашел, что в одном просмотровом блоке можно одновременно просматривать две или более голограммы, если поместить голограмму просто поверх другой голограммы. Это может быть важным в таких обстоятельствах, когда, например, первая голограмма содержит изображение части тела (например, бедро), которое должно быть заменено, а другая голограмма содержит протез бедра. В этом случае врач может увидеть протез в соответствующем контексте, то есть определить, как будет имплантирован протез в трехмерном пространстве в теле пациента. Более того, может быть желательно перекрывать голограмму координатной решетки, например, трехмерной координатной решетки, голограммой, которую следует оценить. В этом случае координатная решетка может просто содержать голограмму одной или нескольких линеек или других измерительных устройств, которые имеют нанесенные на них пространственно разнесенные метки. Альтернативно, координатная решетка может просто содержать ряд пересекающихся линий или, альтернативно, матрицу точек или других визуальных меток, пространственно разнесенных надлежащим образом, например, линейно, логорифмически и т. п. Указанным образом можно легко подсчитать трехмерные расстояния подсчетом числа координатных меток, в особенности если координатная решетка имеет тот же масштаб, что и размерный масштаб голограммы, или пропорциональный масштаб. Автор настоящего изобретения также наблюдал очень слабые картины светлых и темных колец при просмотре голограммы в соответствии с настоящим изобретением. Более конкретно, эти кольца кажутся расположенными на большом расстоянии позади просматриваемой голограммы. Автор настоящего изобретения теоретически определил, что эти кольца образуют интерферограмму, которая возникает при съемке "голограммы" рассеивателя 472 одновременно с каждым срезом данных. Для решения этой проблемы рассеиватель 472 слегка сдвигается (например, на 10 мм) относительно его собственной плоскости после записи каждого среза данных. Таким путем изображение, соответствующее каждому срезу данных продолжает проецироваться на пленку 319, как это и было описано, однако на каждый срез данных проецируется слегка измененная часть рассеивателя 472, что позволяет избежать проецирования одинаковой картины рассеивателя 472 на каждый срез данных. Имеется также возможность добавлять, например, к одному или нескольким срезам данных, текстовый или графический материал, что позволяет отразить в результирующей голограмме комплекта данных этот материал. Такой материал может содержать данные идентификации (например, ФИО, модель или серийный номер записанного объекта), или содержать чисто графическую информацию (стрелки, символы и т. п. ). В этом отношении интересно отметить, что текст, который просматривается при ортоскопическом наблюдении, будет инвертирован при псевдоскопическом наблюдении той же голограммы; при этом прямой текст вверху ортоскопического вида переместится вниз (перевернутый текст) в псевдоскопическом виде. При использовании текста вместе с голограммой может быть желательно ввести одинаковый текст, как прямой текст в верхней части голограммы, так и перевернутый текст в ее нижней части, что позволяет считывать текст вне зависимости от того, просматривается ли голограмма в ортоскопическом или в псевдоскопическом построении. Более того, текст, который находится в плоскости пленки, будет при воспроизведении в общем случае выглядеть четким, в то время как текст, расположенный вне плоскости пленки, то есть вдоль оси A фиг. 1, в общем случае будет казаться нечетким. Это может оказаться предпочтительным в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, ввиду того, что текст "вне плоскости пленки" будет читаемым при просмотре в просмотровом блоке, но не читаемым вне просмотрового блока. В контексте голограмм, используемых для медицинской диагностики, может быть желательно поместить конфиденциальную информацию пациента, например, ФИО пациента, данные его состояния и т.п., вне плоскости пленки, чтобы такая информация могла быть доступна для надлежащего персонала при помощи просмотрового блока, что обеспечивает защиту конфиденциальности пациента. В дополнение к текстовым или графическим материалам, может быть желательно включать дополнительные изображения, например, часть изображения с особой голограммой, или изображение данных из других голограмм, на голограмму-оригинал. Например, можно представить себе голограмму-оригинал раздробленной кости, содержащую одну сотню или больше 1 срезов. Для нескольких срезов, которые содержат ключевую информацию, может быть желательно отдельно воспроизводить эти данные, отделенные от остальной голограммы, но смежные с ней и находящиеся на определенной глубине по отношению к голограмме.
Как вкратце обсуждалось ранее, когда голограмма, созданная в соответствии с настоящим изобретением, просматривается в просмотровом блоке или в другом просмотровом устройстве, ортоскопический вид голограммы может наблюдаться при нахождении голограммы в первом положении, и псевдоскопический вид может наблюдаться, когда голограмма повернута относительно ее горизонтальной оси. Так как может быть трудно определить невооруженным глазом, соответствует ли определенная ориентация голографической пленки ортоскопическому или псевдоскопическому виду, то может быть желательно помещать соответствующие указания на голографическую пленку для информирования наблюдателя о том, какой вид голограммы может наблюдаться при помещении голографической пленки в просмотровое устройство. Например, может быть желательным помещать метку или другой физический указатель на пленке, например, в верхнем правом углу ортоскопического вида. Альтернативно, небольшая текстовая, графическая или цветовая схема может быть использована для помещения соответствующей информации в угол, вдоль края или в любое подходящее положение на голографической пленке или на ее любом обрамлении, рамке или упаковке.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, может оказаться эффективным отсекать только часть срезов данных и тем не менее добиваться удовлетворительного контраста и компенсации неравномерности по полю (ретуширования). Например, для комплекта со 100 срезами данных, может оказаться возможным вручную производить отсечение каждого десятого среза данных, и производить автоматическое отсечение промежуточных срезов данных с использованием компьютеризованной техники интерполяции.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящего изобретения, возможно выбрать плоскость пленки среди различных плоскостей срезов данных, образующих комплект данных. Более конкретно, каждый срез данных в комплекте данных занимает свою единственную плоскость. В соответствии с преимущественным вариантом осуществления настоящего изобретения, блок канала 334 перемещается вперед или назад таким образом, что срез данных центрируется в пределах объема комплекта данных, соответствующих срезу данных, отцентрированному в пределах пути перемещения блока канала 334. Относительное положение блока формирования изображения 328 и пленки 319 может, однако, варьироваться таким образом, что плоскость пленки 319 располагается вблизи одного или другого конца комплекта данных, если это желательно. При этом результирующая голограмма H2 будет казаться имеющей большую или меньшую часть голографического изображения, проецируемого на экран наблюдения голограммы или вне него, в зависимости от положения плоскости пленки, которое было выбрано при ее врезке в комплект данных.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящего изобретения, множество различных голограмм может быть воспроизведено на одной и той же пленке. Например, голограмма части тела перед проведением хирургической операции может быть воспроизведена в верхней части пленки, а нижняя часть может быть разбита на два квадранта, один из которых содержит голограмму этой же части тела после проведения хирургической операции в первой перспективе, а другой - вид этой же части после хирургической операции в другой перспективе. Подобные и другие голографические компоновки могут быть с успехом использованы для облегчения проведения эффективного диагностического анализа.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящего изобретения, тракт пучка полностью закрыт соответствующим образом в черном трубопроводе или черной коробке. Это минимизирует возникновение нежелательных отражений. Более того, полный процесс изготовления голограммы-оригинала и голограммы-копии преимущественно осуществляется в помещении, в котором нет паразитного света, который может контактировать с любой пленочной поверхностью. Альтернативно, тракт прохождения любого из пучков в контексте настоящего изобретения может быть выполнен в виде волоконно-оптического кабеля. Надлежащее прохождение света обеспечивается соответствующим выбором волоконно- оптического кабеля, выбором поляризации и поперечной электромагнитной моды (ТЕМ). Использование волоконно-оптического кабеля позволяет обеспечить высокую плотность компоновки системы, а также позволяет полностью устранить множество компонентов системы (например, зеркала). Наконец, волоконно-оптические кабели могут использоваться для компенсации разностной длины пути между эталонным пучком и объектным пучком. В частности, если путь, проходимый одним из пучков отличается от другого, то волоконно-оптический кабель определенной длины может быть вставлен в более короткий путь для устранения различия длины и, таким образом, установления одинаковых длин путей прохождения.
Вернемся на короткое время к псевдоскопическому виду, показанному на фиг. 10B; при определенных обстоятельствах может быть желательно воспроизводить голограмму- оригинал и осуществлять просмотр трехмерного изображения в свободном пространстве. Например, для хирурга может быть полезно произвести репетицию хирургической техники для определенной части тела до совершения хирургической операции. Для этого в контексте псевдоскопического вида с успехом может быть использован дигитайзер (цифровой преобразователь) с шестью степенями свободы, например Bird (ТМ) по. 666102-A, изготавливаемый фирмой Эсеншен Текнолоджи Корпорейшн, Барлингтон, Вермонт.
Более конкретно, дигитайзер с шестью степенями свободы позволяет производить манипуляции в свободном пространстве и сообщать свое положение в компьютер, во многом аналогично тому, как обычная компьютерная мышь сообщает двухмерное положение данных в свой компьютер. При продвижении в голографическом пространстве размер и другие размерные данные могут быть получены в однозначной связи с голограммой.
В связи с фиг. 10B также может оказаться желательным воспроизводить голограмму полностью или частично вне ее плоскости пленки, например, в свободном пространстве, для осуществления разнообразных диагностических и экспериментальных задач. Например, может быть полезно проецировать голографическое изображение части анатомической структуры человека, например, поврежденного бедра, и физически помещать в голографическое пространство протез, предназначенный для замены бедра. Таким образом можно произвести оценку, насколько протез "подходит", и осуществить любую необходимую коррекцию ранее его имплантации.
Дополнительно, может оказаться полезным производить воспроизведение голограммы в свободном пространстве и помещать рассеивающий экран или другую прозрачную или непрозрачную структуру в голографическом пространстве для обеспечения взаимодействия с предметом (сюжетом) голограммы для различных разнообразных диагностических и экспериментальных задач.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на приложенные чертежи, специалисты поймут, что этим не ограничиваются рамки изобретения. Например, хотя просмотровый блок был описан прямоугольным, для специалистов понятно, что он может иметь любую механическую конфигурацию, которая соответствует задаче удобного размещения различных компонентов просмотрового устройства. Более того, хотя камерный блок и блок копирования показаны как отдельные системы, они с успехом могут быть объединены в единой системе.
Эти и другие изменения в выборе, дизайне и построении различных компонентов и обсуждавшихся в описании изобретения операций могут быть произведены, не выходя за рамки изобретения, установленные приложенной формулой.
Формула изобретения: 1. Способ изготовления композитной голограммы, включающий создание эталонного и объектного пучков, отличающийся тем, что он включает в себя следующие операции: предварительная обработка данных, содержащих двухмерные изображения; использование тонкой, главным образом, плоской, фоточувствительной подложки, имеющей первую поверхность; приложение эталонного пучка, направленного под первым углом относительно указанной первой поверхности и объективного пучка, направленного под вторым углом относительно указанной первой поверхности; передача срезов данных одного за другим в блок формирования изображения; после создания голограммы среза данных в объеме эмульсии на подложке проецирование на нее следующего среза данных в соответствии с расстоянием между двумя срезами; и фотообработка указанной подложки для проявления множества голограмм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная операция предварительной обработки данных включает в себя по крайней мере подрезку, отсечение, компонование и повторное форматирование указанных изображений.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный эталонный пучок является по меньшей мере на 95% чисто поляризованным.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанный эталонный пучок является по меньшей мере на 95% чисто Р поляризованным.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанный эталонный пучок является по меньшей мере на 95% чисто S поляризованным.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный объектный пучок является по меньшей мере на 95% чисто поляризованным.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что указанный объектный пучок является по меньшей мере на 95% чисто Р поляризованным.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что указанный объектный пучок является по меньшей мере на 95% чисто S поляризованным.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает в себя следующие дополнительные операции: калибровка и квантование емкости изображения подложки до проведения указанной операции экспонирования, причем указанная операция калибровки включает в себя приложение заданной энергии экспозиции к указанной подложке с последующим наложением интерференционной картины с известной энергией экспозиции на указанную подложку и измерение дифракции указанной интерференционной картины.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанная операция приложения энергии включает в себя вуалирование указанной подложки при определенной интенсивности для определенной длительности.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанная операция наложения предусматривает наложение указанного множества голограмм в соответствии с указанной квантованной емкостью изображения.
12. Способ изготовления композитной трансмиссионной голограммы комплекта данных, отличающийся тем, что он включает в себя следующие операции: приложение эталонного пучка, имеющего первую длину волны, под первым углом падения к главным образом плоской единичной пленочной подложке, причем указанная единичная пленочная подложка содержит слой фоточувствительной эмульсии на тонкой пленочной основе; приложение объектного пучка, имеющего указанную первую длину волны, под вторым углом падения к указанной единичной пленочной подложке, главным образом ортогонально ей; наложение голограммы на подложку до тех пор, пока число голограмм не будет соответствовать числу срезов; проведение фотохимической обработки указанной подложки для создания указанной композитной голограммы; приложение пучка реконструирования с указанной первой длиной волны к указанной композитной голограмме под указанным первым углом падения, чтобы таким образом реконструировать указанную композитную голограмму, при одновременном поддержании постоянного углового соотношения между указанным пучком восстановления и указанной тонкопленочной подложкой, так что каждая из указанных голограмм, которая соответствует указанным срезам данных, испытывает главным образом одинаковую эффективность дифракции при одновременном их рассмотрении, в результате чего получают яркую диффузную композитную голограмму, которая годится для проведения детального визуального анализа.
13. Устройство для изготовления композитной голограммы комплекта данных, отличающееся тем, что оно содержит лазерный источник для генерирования выходного пучка источника; блок расщепления пучка, устроенный таким образом, что он разделяет указанный пучок источника на эталонный пучок и объектный пучок, каждый из которых имеет первую длину волны; единичную пленочную подложку, которая содержит фоточувствительную эмульсию, главным образом однородно распределенную на поверхности тонкой плоской пленки; блок эталонной оптики, который позволяет направлять указанный эталонный пучок под фиксированным эталонным углом на единичную пленочную подложку; проекционный блок, который позволяет последовательно модулировать указанный объектный пучок в соответствии с каждым из указанных срезов данных, и направлять указанные модулированные объектные пучки через диффузионный экран, причем указанный диффузионный экран расположен так, что служит для приложения указанных модулированных объектных пучков на указанную эмульсию; средства управления изменением расстояния между указанной единичной пленочной подложкой и указанным проекционным блоком, позволяющие фокусировать каждый из указанных срезов данных на указанной единичной пленочной подложке, при одновременном поддержании фиксированного углового соотношения между указанной единичной пленочной подложкой и указанными модулированными объектными пучками; средства для проведения вычисления, на основании содержания изображения каждого из указанных срезов данных, длительности, в течение которой каждый соответствующий модулированный объектный пучок приложен к указанной единичной пленочной подложке, что позволяет в результате регистрировать соответствующие голограммы в объеме указанной эмульсии для каждого из указанных срезов данных; первые средства для поддержания главным образом постоянного отношения эталонного пучка к объектному пучку для каждой из голограмм, которая соответствует указанным срезам данных; и вторые средства для управления вариацией в указанном блоке расщепления пучка, таким образом, чтобы разделять указанный пучок источника на указанный эталонный и указанный объектный пучки в соответствии с содержанием указанных срезов данных.
14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что средства управления изменением расстояния содержит блок канала, причем указанный проекционный блок установлен в указанном блоке канала.
15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что средства управления изменением расстояния содержат блок канала, причем указанная единичная пленочная подложка установлена в указанном блоке канала.
16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средства для оценки агрегатной емкости экспозиции указанной единичной пленочной подложки, а также для приложения коэффициентов указанной емкости экспозиции к указанным средствам вычисления.
17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что указанные средства оценки содержат средства для приложения заданной энергии экспозиции ко второй единичной пленочной подложке, которая имеет фоточувствительные свойства, аналогичные указанной первой единичной пленочной подложке; средства для последующей регистрации известной интерференционной картины на указанной второй единичной пленочной подложке; и средства измерения дифракционной эффективности указанной интерференционной картины.
18. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что указанный проекционный блок включает в себя пространственный модулятор света, установленный в тракте прохождения указанного объектного пучка.
19. Устройство по п.13, отличающееся тем, что указанная единичная пленочная подложка имеет толщину около 0,4 мм.
20. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что на указанную пленочную подложку нанесена желатиновая эмульсия толщиной около 6 мкм.