Газета 'Промышленные ведомости'
Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
«ПВ» 9, ноябрь, декабрь 2013  -  cодержание номера 

Объемное изображение
в жидкокристаллических экранах

Учёные ФИАН получили новые жидкокристаллические материалы, позволяющие создать дисплей, в котором трёхмерная 3D-картинка визуализируется в объёмной среде.
 
Многим знакомо лёгкое ощущение дискомфорта от просмотра 3D-фильма. Но откуда оно приходит и как вообще двумерная картинка на плоском экране превращается в трёхмерное изображение? Ответы на эти вопросы связаны между собой. Обычно 3D-фильм содержит два набора перемешанных кадров (стереопар) – один для левого глаза, а другой - для правого. Они несколько отличаются по своим оптическим характеристикам, в частности, по поляризации, и потому правое стекло 3D-очков пропускает только правое изображение, а левое – только левое. И уже в голове зрителя эти кадры одной и той же 3D-сцены, увиденной с разных ракурсов, собираются в общую 3D-картину. Так создается иллюзия объёмного изображения, и для ее успешного восприятия очень важно, чтобы кадры одной стереопары были строго разделены, а все стереопары чередовались со строгой частотой, иначе малейшие нарушения ставят наш мозг в замешательство, о чём он нам и сигнализирует.
 
 Сегодня подобные стереоскопические 3D-дисплеи занимают главенствующее место на рынке. Однако особый интерес представляют дисплеи с объёмным экраном, в которых наблюдается наиболее реалистичное 3D-изображение, которое можно увидеть без очков  под разными углами, независимо и сразу многими наблюдателями, да еще и с возможностью заглянуть внутрь ее. Создать такой дисплей можно, используя массив жидкокристаллических светорассеивающих ячеек, на которые поочередно и согласованно будут проецироваться изображения сечений 3D-сцены. Однако и в этом подходе есть свои сложности. 
 
Чтобы человеческий глаз воспринимал картинку непрерывной, частота кадров должна быть не менее 25 Гц, а значит, длительность каждого кадра – не более 1/25 секунды. Но это в случае использования одной ячейки. А если мы хотим сделать объёмное изображение, предположим, из ста сечений, т. е. используя сто жидкокристаллических ячеек, то время включения рассеяния света в каждой из них должно быть в сто раз меньше. И соответственно, частота подачи сечений от видеопроектора  уже 2,5 кГц.
Нематические жидкие кристаллы (НЖК), на основе которых работает большинство современных дисплеев и видеопроекторов, не могут удовлетворить таким требованиям.
 
При приложении электрического напряжения 100 В к ячейкам с НЖК, кристалл достаточно быстро (за время порядка 0,2 миллисекунды) изменяет свое оптическое состояние, но возвращается он в  свое исходное состояние после выключения поля существенно медленнее – под действием упругих сил это происходит за время порядка миллисекунды. В результате, число НЖК-ячеек в объемном экране не может превышать двадцати. Понятно, что для создания объёмных экранов 3D-дисплеев этого недостаточно.
 
Учёные из ФИАН предложили использовать жидкие кристаллы другого типа – смектики,  обладающие сегнетоэлектрическими свойствами. Их вектор спонтанной поляризации ориентируется вдоль направления внешнего электрического поля. Такие ЖК очень чувствительны к обоим знакам электрического поля, так что время переключения оптического состояния, причем, как рассеивающего свет, так и прозрачного, составляет в них всего лишь несколько десятков микросекунд при управляющем напряжении 30 В.  В результате, учёным ФИАН удалось создать экспериментальный макет 3D-дисплея с объёмным экраном, составленным из 5 смектических ЖК-ячеек.
 
 Принцип его работы очень прост. На каждой из ячеек по очереди включается рассеяние и подаётся картинка. Сначала первая, потом вторая – листаем как бы по слоям, по сечениям, но так быстро, что видим непрерывное объёмное изображение. Количество ячеек можно довести до ста и получить уникальный для мировой практики объёмный экран. Параметры самих ЖК-ячеек позволяют выполнить эту амбициозную задачу, но здесь есть проблема. В составе 3D-дисплея кроме экрана должен быть ещё видеопроектор, способный проецировать на ЖК-ячейки изображения сечений с частотой в несколько килогерц.
 
Это можно реализовать с помощью другого сегнетоэлектрического смектического ЖК, который модулирует не рассеяние света, а его поляризацию, а значит, интенсивность света, регистрируемую за поляроидами. Разработанные в ФИАН ЖК-Ячейки на основе такого смектика способны при управляющем напряжении модулировать свет с частотой до 7 кГц, т.е. в 50 раз быстрее, чем с нематическим ЖК.
 
Перспективы применения таких дисплеев очень широки, поскольку они не вызывают привычных сегодня дискомфортных ощущений и способны давать реалистичную трёхмерную картинку объекта с сохранением всех его внешних деталей, а при соответствующем программном обеспечении – и внутренних. Подобные дисплеи можно использовать в космической и авиа- навигации, в трёхмерных тренажёрах, в различных интерактивных играх, в медицине – для визуализации томографических изображений. Сигналы томографа, которые дают информацию о сечениях тела или его органа, сегодня регистрируются на плёнке. А в скоростном видеопроекторе оптические сигналы поступают на светорассеивающие ЖК-ячейки, формируя в реальном времени трёхмерное изображение исследуемого органа. 
 
 «ФИАН-информ»

Другие статьи номера «ПВ» 9, ноябрь, декабрь 2013

Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
  © Промышленные ведомости  
Rambler's Top100