СПОСОБ АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ОТОБРАЖЕНИЯ С ПОЛНОЭКРАННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR AUTOSTEREOSCOPIC FULL-SCREEN RESOLUTION DISPLAY AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к трехмерным (3D) дисплеям, точнее, к многоракурсным автостереоскопическим дисплеям, и может быть использовано для создания безочковых стационарных и мобильных телевизоров, мониторов, смартфонов, планшетных компьютеров, ноутбуков с многоракурсным 3D изображением при полноэкранном разрешении в каждом ракурсе и совместимости с моноскопическими (2D) изображением.
Уровень техники
Известен способ автостереоскопического отображения 3D сцен, заключающийся в том, что с помощью матричного формирователя изображения с числом Q пикселей экрана модулируют либо генерируют световой поток изображений ракурсов 3D сцены и с помощью открытых столбцовых элементов пассивного (статического) параллаксного барьера, период расположения которых кратен периоду расположения столбцов матричного формирователя изображений, направляют световые потоки столбцов изображений ракурсов в K зон наблюдении [1].
Недостатком известного способа является сниженное в Q/K раз пространственное разрешение в изображении каждого из ракурсов, поскольку изображение в каждой зоне наблюдения создается только частью Q/K от общего числа Q пикселей матричного формирователя изображения.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному способу по варианту 1 является известный способ [2] двухракурсного автостереоскопического отображения 3D сцен с полноэкранным разрешением в каждом ракурсе, заключающийся в том, что с помощью матричного формирователя изображений генерируют световой поток изображений ракурсов, из которого с помощью открытых столбцовых элементов параллаксного оптического затвора формируют и направляют в две зоны наблюдения парциальные световые потоки столбцов изображений ракурсов, при этом в первом и втором тактах полного цикла формирования изображений двух ракурсов открывают первый и второй наборы столбцовых элементов параллаксного оптического затвора, а число Q пикселей экрана и число N столбцов матричного формирователя изображений выбирают равными соответственно полному числу элементов изображения и полному числу столбцов изображения каждого ракурса 3D сцены.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному устройству по варианту 1 является известный автостереоскопический дисплей [2], содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник света, матричный формирователь изображения и активный параллаксный барьер, при этом матричный формирователь изображения выполнен в виде матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией, снабженного источником сигнала стереоизображения, а активный параллаксный барьер выполнен в виде параллаксного оптического затвора, снабженного электронным блоком управления, выход которого соединен с электрическим входом параллаксного оптического затвора, а вход электронного блока управления соединен с выходом кадровой синхронизации источника сигнала стереоизображения, информационный выход которого подключен к электрическому входу матричного оптического модулятора, при этом выход параллаксного оптического затвора оптически сопряжен с двумя зонами наблюдения.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному способу по варианту 2 является известный способ [3] двухракурсного автостереоскопического воспроизведения 3D сцен, заключающийся в том, что с помощью источника света формируют световой поток, из которого с помощью открытых столбцовых элементов параллаксного оптического затвора формируют парциальные световые потоки, проходящие через столбцы матричного формирователя изображений в две зоны наблюдения, при этом в первом и втором тактах полного цикла формирования изображений двух ракурсов открывают первый и второй наборы столбцовых элементов параллаксного оптического затвора, а число пикселей экрана и число столбцов матричного формирователя изображений выбирают равными соответственно полному числу элементов изображения и полному числу столбцов изображения одного ракурса.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) в заявляемому устройству по варианту 2 является известный автостереоскопический дисплей [3], содержащий расположенные на одной оптической оси источник света, активный параллаксный барьер и матричный формирователь изображения, который выполнен в виде матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией, снабженного источником сигнала стереоизображения, а активный параллаксный барьер выполнен в виде параллаксного оптического затвора с столбцовой адресацией, снабженного электронным блоком управления, выход которого соединен с электрическим входом параллаксного оптического затвора, а вход электронного блока управления соединен с выходом кадровой синхронизации источника сигнала стереоизображения, информационный выход которого подключен к электрическому входу матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией, при этом выход матричного оптического модулятора оптически сопряжен с двумя зонами наблюдения.
В известных способе и устройстве по вариантам 1 и 2 разрешение в изображении каждого ракурса (разрешение в наблюдаемом двухракурсном стереоизображении) равно полному разрешению матричного формирователя изображения (определяется числом Q его пикселей). Благодаря использованию параллаксного оптического затвора, который в двух тактах пропускает парциальные световые потоки от двух разных наборов пикселей матричного формирователя изображений, за полный цикл работы устройства (осуществления способа), равный двум тактам, формируются два полноэкранных изображения ракурсов в двух зонах.
Недостатком известных способа и устройства является возможность формирования только двухракурсных стереоизображении (невозможность формирования многоракурсных стереоизображении с K>2), что снижает качество наблюдаемого изображения и понижает комфортность наблюдения из-за ограничения диапазона углов обзора наблюдаемой трехмерной сцены и ограничения пространства наблюдения, обусловленных минимальным числом ракурсов и зон наблюдения при K=2.
Задачей изобретения является улучшение качества стереоизображения и увеличение комфортности его просмотра.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается в способе тем, что выбирают число N столбцов матричного формирователя изображений кратным числу K ракурсов трехмерной сцены, где K>1, изображения K ракурсов в соответствующих K зонах наблюдения формируют в K последовательных тактах, при этом в n-м столбце (n=1, 2, …, N) матричного формирователя изображений воспроизводят последовательность (N-n+1)-x столбцов изображений K ракурсов, причем в каждом такте открывают столбцовые элементы параллаксного оптического затвора, расположенные с периодом K·p, позиции которых в k-м такте (k=1, 2, …, K) сдвигают на величину р относительно позиций открытых в (k-1)-м такте столбцовых элементов, где р - период чередования всех столбцовых элементов параллаксного оптического затвора.
Поставленная задача решается в устройстве тем, что источник сигнала стереоизображения выполнен K-ракурсным, где K>2, параллаксный оптический затвор выполнен с (N+K-1) адресными столбцами, где N - число столбцов в матричном оптическом модуляторе с двухкоординатной адресацией, при этом в центре k-й зоны наблюдения (k=1, 2, …, K) пересекаются оптические пути, соединяющие центры N столбцов матричного оптического модулятора с центрами соответствующих N столбцов параллаксного оптического затвора.
Задача улучшения качества изображения и увеличение комфортности его просмотра решается в устройстве и способе за счет достижения двух соответствующих основных технических результатов.
Первый основной технический результат состоит в расширении углов оглядывания наблюдателем объектов трехмерных сцен вследствие увеличения числа наблюдаемых ракурсов до K>2. Второй основной технический результат - увеличение свободы в перемещении наблюдателя при просмотре стереоизображения за счет увеличения пространства наблюдения пропорционально увеличению числа K зон наблюдения ракурсов трехмерной сцены.
rise
dexy
В одном из частных вариантов выполнения устройства и осуществления способа столбцовые элементы параллаксного оптического затвора выполнены на основе двух жидкокристаллических (ЖК) слоев с комплементарными оптическими свойствами, в частности, в виде двух ЖК слоев с взаимно-ортогональными направлениями гомогенной ориентации нематических ЖК молекул в начальном состоянии ЖК слоев. Комплементарность оптических свойств двух ЖК слоев обеспечивается за счет направления оси для обыкновенного (необыкновенного) луча одного ЖК слоя по пути оси для необыкновенного (обыкновенного) луча другого ЖК слоя. Быстродействие устройства во всех тактах определяется только малым временем τ реакции ЖК слоев на подачу высокого управляющего напряжения, а релаксация пар ЖК слоев в течение длительного времени τ осуществляется в течение времени каждого такта без какого-либо влияния на распределение световых потоков, заданное в начале такта.
Этим достигается дополнительный технический результат - увеличение контраста сепарации ракурсов и увеличение быстродействия устройства, и как следствие, дополнительное улучшение качества наблюдаемого стереоизображения.
В другом частном варианте способа и устройства каждый столбец матричного формирователя изображения состоит из ряда близко расположенных субстолбцов, воспроизводящих изображения субракурсов трехмерной сцены с малыми углами между соседними субракурсами, вследствие чего каждая зона наблюдения имеет тонкую (fine) структуру: состоит из ряда соответствующих субзон наблюдения, что, в частности, обеспечивает «сверхплотное» расположение наблюдаемых субракурсов с расстоянием между соседними субзонами наблюдения меньше размера зрачка наблюдения (меньше среднего диаметра зрачка наблюдателя), что приводит к второму дополнительному техническому результату - улучшению согласования аккомодации и конвергенции глаз наблюдателя, обеспечивающего дополнительное увеличение комфортности просмотра стереоизображения.
Перечень фигур чертежа
Осуществление изобретения поясняется с помощью чертежа, на фигурах которого представлены:
Фиг.1 - схема устройства по варианту 1.
Фиг.2 - геометрия оптических путей в устройстве по варианту 1.
Фиг.3 - схема устройства по варианту 2.
Фиг.4 - геометрия оптических путей в устройстве по варианту 2.
Фиг.5, 6 - K-ракурсная видеокамера в качестве источника сигналов изображения ракурсов и субракурсов объектов 3D сцены.
Фиг.7-10 - геометрия оптических путей в устройстве с воспроизведением субракурсов.
Фиг.11-15 - структура и оптические свойства ЖК слоев с комплементарными оптическими свойствами.
Фиг.16 - формирование зон наблюдения при ландшафтном и портретном расположении матричного оптического модулятора.
Фиг.17 - формирование парциальных световых потоков столбцов изображений ракурсов в способе и устройстве по варианту 1.
Фиг.18-23 - воспроизведение изображений ракурсов при работе частного варианта выполнения устройства по варианту 1.
Фиг.24-33 - временные диаграммы работы параллаксного оптического затвора на двух комплементарных ЖК слоях для частного варианта выполнения устройства по варианту 1.
Фиг.34 - формирование парциальных световых потоков столбцов изображений ракурсов в способе и устройстве по варианту 2.
Фиг.35-40 - воспроизведение изображений ракурсов при работе частного варианта выполнения устройства по варианту 2.
Фиг.41 - цветной пиксель матричного оптического модулятора.
Осуществление изобретения
/
(I)
1
2
3
4
1
1
(I)
1
k
N-k+1
(I)
Устройство (вариант 1) содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси А-А (фиг.1) источник 1 света, матричный оптический модулятор 2 с двухкоординатной адресацией и параллаксный оптический затвор 3 с столбцовой адресацией, выход которого оптически сопряжен с K зонами наблюдения, где K>1, а также источник 4 сигнала K-ракурсного стереоизображения и электронный блок 5 управления, выход которого соединен с электрическим входом параллаксного оптического затвора 3, а вход - с выходом кадровой синхронизации источника 4 сигнала стереоизображения, информационный выход которого соединен с электрическим входом матричного оптического модулятора 2. В центре k-й зоны наблюдения (k=1, 2, …, K) пересекаются оптические пути, соединяющие центры N столбцов матричного оптического модулятора 2 с центрами N столбцов параллаксного оптического затвора 3, характеризующихся номерами в интервале от k до (N-k+1). Параллаксный оптический затвор 3 выполнен с G=N+K-1 адресными столбцами, где N - число столбцов матричного оптического модулятора 2. Номера столбцов матричного оптического модулятора 2, параллаксного оптического затвора 3 и номера зон наблюдения для определенности отсчитываются в одном и том же направлении (слева направо по чертежу). При K=4, т.е. в случае четырех зон Z, Z, Z, Z наблюдения, матричный оптический модулятор 2, представленный сечением 2 (фиг.2), содержит N=6 столбцов, параллаксный оптический затвор 3, представленный сечением 3, содержит G=N+K-1=9 столбцов. При этом в центре первой зоны Z наблюдения (соответствующей k=1) пересекаются оптические пути, соединяющие центры шести (N=6) столбцов матричного оптического модулятора 2 с центрами шести (N=6) столбцов параллаксного оптического затвора 3, имеющих номера в интервале от одного (g=k=1) до шести (g=N-k+1=6), где g=1, 2, …, G.
a
(I)
1
(I)
1
Период  расположения столбцов матричного оптического модулятора 2, равный расстоянию между центрами n-го и (n+1)-го столбцов сечения 2, связан с периодом ррасположения столбцов параллаксного оптического затвора 3, равным расстоянию между центрами g-го и (g+1)-го столбцов сечения 3, выражением
(I)
где: d - расстояние между матричным оптическим модулятором 2 и параллаксным оптическим затвором 3;
(I)
1
2
3
4
1
1
D - расстояние между матричным оптическим модулятором 2 и зонами Z, Z, Z, Z наблюдения (расстояние до прямой, соединяющей центры всех зон наблюдения). Формула (1) следует из подобия треугольников Zg(g-1) и Zn(n+1).
2
3
2
3
Расстояние b между центрами соседних зон наблюдения (например, между центрами Z и Z) выбрано равным расстоянию между центрами зрачков наблюдения (между центрами зрачков левого L и правого R глаз наблюдателя). Из подобия треугольников n(n+1)(g+1) и ZZ(g+1) справедливо соотношение
/
(II)
1
1
(II)
1
1
K-k+1
N+K-k
(II)
Устройство (вариант 2) содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси В-В (фиг.3) источник 6 света, параллаксный оптический затвор 7 с столбцовой адресацией и матричный оптический модулятор 8 с двухкоординатной адресацией, выход которого оптически сопряжен с K зонами наблюдения, где K>2, а также источник 9 сигнала K-ракурсного стереоизображения и электронный блок 10 управления, выход которого соединен с электрическим входом параллаксного оптического затвора 7, а вход - с выходом кадровой синхронизации источника 9 сигнала стереоизображения, информационный выход которого соединен с электрическим входом матричного оптического модулятора 8. Параллаксный оптический затвор 7 выполнен с G=N+K-1 адресными столбцами, где N - число столбцов матричного оптического модулятора 8. В центре k-й зоны наблюдения (k=1, 2, …, K) пересекаются оптические пути (фиг.4), соединяющие центры N столбцов матричного оптического модулятора 8 (представленного сечением 8) с центрами с центрами тех N столбцов параллаксного оптического затвора 7 (представленного сечением 7), которые имеют номера в интервале от (K-k+1) до (N+K-k). В частности, при N=9, K=4 и G=12 в центре первой (k=1) зоны Z наблюдения пересекаются оптические пути, соединяющие центры шести (N=6) столбцов сечения 8 матричного оптического модулятора 8 с центрами шести столбцов параллаксного оптического затвора 7, имеющих номера в интервале от четырех (g=4) до двенадцати (g=12), где g=1, 2, …, G. Для не показанных на чертеже столбцов параллаксного оптического затвора 7 соответствующими им номерами (g=1, 2, 3 и 10, 11, 12) отмечены концы прямых, обозначающих оптические пути до соответствующих столбцов, не показанных на чертеже.
a
(II)
1
(II)
1
Период  расположения столбцов матричного оптического модулятора 8, равный расстоянию между центрами n-го и (n+1)-го столбцов сечения 8, связан с периодом р расположения столбцов параллаксного оптического затвора 7, равным расстоянию между центрами g-го и (g+1)-го столбцов сечения 7, выражением
(II)
где: d - расстояние между матричным оптическим модулятором 8 и параллаксным оптическим затвором 7;
(II)
1
2
3
4
3
3
D - расстояние между матричным оптическим модулятором 8 и зонами Z, Z, Z, Z наблюдения. Формула (3) следует из подобия треугольников Zg(g+1) и Zn(n+1).
2
3
Из подобия треугольников g(g+1)n и ZZn вытекает соотношение
1
2
k
K
1
2
k
K
Один из конкретных примеров выполнения источника 4 или 9 сигнала K-ракурсного стереоизображения - многоканальная видеокамера 11 (фиг.5), вход которой оптически связан с объектом 12 трехмерной сцены. Многоканальная видеокамера 11 снабжена выходом для K электронных сигналов u, u, …, u, …, u изображений K ракурсов 3D сцены. Центрам K зон наблюдения соответствуют центральные угловые направления β, β, …, β, …, β видеосъема изображений K ракурсов, а Δβ - разность углов видеосъема изображений соседних ракурсов, отсчитанных от их центральных угловых направлений.
fine
fine
Другой конкретный пример выполнения источника 4 или 9 сигнала K-ракурсного стереоизображения - многоканальная видеокамера 13 (фиг.5), на выходе которой сигнал изображения k-ото ракурса объекта 12 трехмерной сцены представлен группой S парциальных сигналов , соответствующих изображениям S субракурсов  трехмерной сцены (s=1, 2, …, S), при этом диапазон углов съема Δβ·S изображений субракурсов равен разности Δβ углов видеосъема соседних k-го и (k+1)-го ракурсов, где Δβ - разность углов видеосъема изображений соседних субракурсов.
a
(I)
k
В первом частном варианте выполнения устройства по варианту 1 (соответствующем выполнению источника 4 сигнала K-ракурсного стереоизображения в виде многоканальной видеокамеры 13) каждый из столбцов матричного оптического модулятора 2, расположенных с периодом , выполнен в виде индивидуально адресуемых субстолбцов (фиг.7), расположенных с периодом , где , а электрические входы индивидуально адресуемых субстолбцов подключены к соответствующим выходам многоканальной видеокамеры 13. При этом k-и столбец образован рядом из S субстолбцов , (фиг.8), которым соответствуют парциальные зоны наблюдения , расстояние  между соседними из которых связано с периодом  формулой (2). Совокупность S из k-x парциальных зон  образует k-ю зону Z наблюдения.
0
Прохождению в зрачок наблюдения диаметром w более чем одной парциальной зоны наблюдения соответствует условие , из которого с учетом формулы (2) следует
a
(II)
k
0
В первом частном варианте выполнения устройства по варианту 2 (с многоканальной видеокамерой 13 в качестве источника 4 сигнала K-ракурсного стереоизображения) каждый из столбцов матричного оптического модулятора 8, расположенных с периодом , выполнен в виде ряда S индивидуально адресуемых субстолбцов (фиг.9), расположенных с периодом , где , а электрические входы индивидуально адресуемых субстолбцов подключены к соответствующим выходам многоканальной видеокамеры 13. При этом k-й столбец состоит из совокупности  субстолбцов (фиг.10), которым соответствуют парциальные зоны наблюдения , расстояние  между соседними из которых связано с периодом  формулами (3) и (4). Совокупность S k-x парциальных зон  образует k-ю зону Z наблюдения. Восприятию зрачком наблюдения диаметром w более чем одной парциальной зоны наблюдения  соответствует выражение , из которого с учетом формул (3), (4) следует
0
Диаметр зрачка наблюдения w в каждой зоне наблюдения соответствует среднему диаметру зрачка глаза наблюдателя. Первые частные варианты устройства по вариантам 1 или 2 при выполнении условий (5) или (6) характеризуются «сверхплотным» расположением субракурсов в зонах наблюдения, при котором каждый глаз наблюдателя воспринимает более чем один субракурс в той зоне наблюдения, которая соответствует положению зрачка этого глаза.
а
a
a
(I)
(II)
(I)
(II)
(I)
(II)
Символы , d и D без индексов являются общими обозначениями соответствующих символов с индексами - соответственно символов  и , d и d, D и D и т.п. для других аналогичных символов.
1
1
2
2
1
1
2
2
1
2
Конкретный пример выполнения столбцового элемента параллаксного оптического затвора 3 или 7 - в виде последовательно оптически связанных первого линейного поляризатора 14 (фиг.11), первого жидкокристаллического (ЖК) слоя 15, снабженного первым 16 и вторым 17 адресными прозрачными электродами, второго ЖК слоя 18, снабженного третьим 19 и четвертым 20 адресными прозрачными электродами, и второго линейного поляризатора 21. Оба жидкокристаллических слоя 15, 18 выполнены с гомогенной ориентацией в начальном положении нематических ЖК молекул и с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0 ЖК вещества, при этом ось o для обыкновенного луча и ось e для необыкновенного луча одного ЖК слоя 15 параллельны соответственно оси e для необыкновенного луча и оси o для обыкновенного луча другого ЖК слоя 18, а оси поляризации первого 14 и второго 21 линейных поляризаторов взаимно ортогональны либо параллельны и направлены под углами ±45° к осям o, e, o и e. Управление оптическим состоянием («открыто» или «закрыто») столбцового элемента параллаксного оптического затвора 3 или 7 осуществляется изменением величины управляющих напряжений U и U, приложенных к парам адресных прозрачных электродов 16, 17 и 19, 20, что создает изменяемое по величине управляющее электрическое поле в ЖК слоях 15, 18. Толщина ЖК слоев 15, 18 (несколько микрон) задается зазором между прозрачными стеклянными подложками 22-24, на обращенные друг к другу поверхности которых нанесены прозрачные электроды 16, 17, 19, 20 (толщиной в доли микрона).
1
L
L
0
0
0
1
H
H
0
1
mid
mid
mid
0
Гомогенная ориентация нематических ЖК молекул в ЖК слое 15 соответствует ориентации длинных осей всех нематических ЖК молекул в первом направлении вдоль краевых плоскостей ЖК слоя 15. Гомогенная ориентация ЖК молекул в ЖК слое 18 соответствует ориентации длинных осей всех нематических ЖК молекул в втором направлении вдоль краевых плоскостей ЖК слоя 18, которое ортогонально первому направлению ориентации нематических ЖК молекул ЖК слоя 15. Низкоэнергетическое состояние ЖК слоя 15 соответствует приложению к ЖК слою управляющего напряжения U, равного низкому напряжению U смещения. В низкоэнергетическом состоянии ЖК слой 15 создает в прошедшем (выходном) свете фазовый сдвиг φ=+π+φ в необыкновенном луче относительно фазы обыкновенного луча, где φ - фазовый сдвиг, обусловленный остаточным двупреломлением (residue birefringence) ЖК слоя 15, которое вносит аналогичный вклад величиной +φ в фазовый сдвиг для любого энергетического состояния ЖК слоя 15. При высоком управляющем напряжении U=U в высокоэнергетическом состоянии ЖК слоя 15 соответствующий фазовый сдвиг φ=+φ обусловлен присутствием только остаточного двупреломления ЖК слоя 15, когда большинство его ЖК молекул переориентировано вдоль силовых линий приложенного электрического поля, однако приповерхностные (находящихся на краевых плоскостях ЖК слоя 15) ЖК молекулы не полностью переориентированы из-за их энергетической связи с прилегающими внешними физическими поверхностями. При некотором промежуточном значении напряжения U=U управления ЖК слой 15 создает фазовый сдвиг φ=+φ+φ промежуточной величины.
*
*
Σ
Σ
o
Для ЖК слоя 18 знак фазы φ прошедшего света всегда противоположен знаку фазы φ света, прошедшего ЖК слой 15, поскольку необыкновенный (обыкновенный) луч в ЖК слое 18 порождается обыкновенным (необыкновенным) лучом, вышедшим из ЖК слоя 15. Поэтому для соответствующих трех одинаковых энергетических состояний для ЖК слоя 18 значения фазы (; ; ) проходящего света одинаковы по модулю, но противоположны по знаку соответствующим значениям фазы проходящего света для ЖК слоя 15. Тогда при прохождении света через два последовательно расположенные ЖК слоя 15 и 18 при любых их одинаковых энергетических состояниях величина φ совокупного фазового сдвига света φ=φ+φ всегда равна нулю (фиг.13), обеспечивая взаимную компенсацию в фазе выходного света в том числе ненулевого фазового сдвига φ, вызванного остаточным двупреломлением в обоих ЖК слоях 15 и 18. При этом из-за разности знаков фазового сдвига двух ЖК слоев 15, 18 имеет место также взаимная компенсация в фазе выходящего света хроматической дисперсии диэлектрической анизотропии Δε для ЖК слоев 15, 18, поскольку хроматическая дисперсия имеет одинаковый характер и знак в фазовом сдвиге необыкновенного луча каждого из ЖК слоев 15, 18, а итоговый фазовый сдвиг для пары последовательно расположенных ЖК слоев 15, 19 определяется как разность фаз между необыкновенными лучами обоих ЖК слоев 15, 19, в которым взаимно уничтожаются дисперсионные компоненты их фазовых сдвигов. Такая взаимная оптическая компенсация практически не зависит от температуры, поскольку температурные изменения фазового сдвига имеют разный знак в ЖК слоях 15, 18.
Σ
Для пары комбинаций двух взаимно неравных крайних энергетических состояний (низкоэнергетического состояния для одного ЖК слоя и высокоэнергетического состояния для другого ЖК слоя) величина φ совокупного фазового сдвига по модулю равна π для обеих комбинаций крайних энергетических состояний ЖК слоев 15, 18, различаясь только знаком (фиг.14).
Для каждого из ЖК слоев 15, 18 справедливо неравенство
rise
H
где: τ - время реакции каждого из ЖК слоев 15, 18 на приложенное высокое управляющее напряжение U=U;
decay
L
H
τ - время релаксации каждого из ЖК слоев 15, 18, определяемое временем самопроизвольного перехода ЖК слоя в исходное состояние подаче низкого напряжения U=U смещения на смену высокой величине U=U управляющего напряжения.
H
rise
o
decay
decay
Интенсивность J света, прошедшего столбцовый элемент 25 параллаксного оптического затвора 3 или 7, например, при параллельных осях поляризации линейных поляризаторов 14 и 21 при приложении высокого напряжения U=U управления к одному из ЖК слоев 15, 18 для перехода от любого состояния, иллюстрируемому фиг.14, к соответствующему состоянию, иллюстрируемому фиг.13, меняется в соответствии с временем реакции τ (фиг.15), равным времени принудительного перехода в высокоэнергетическое состояние ЖК слоя 15 (с остаточным фазовым сдвигом φ), которое составляет величины порядка десятков или сотен микросекунд (в зависимости от величины приложенного напряжения) при реализации ЖК слоев 15, 18 на основе нематических π-ячеек [4], в то время как время релаксации τ (время самопроизвольного перехода в низкоэнергетическое состояние ЖК слоев 15, 18, соответствующее фазовой задержке π, составляет порядка нескольких миллисекунд для π-ячеек. Величина τ зависит только от собственных механических параметров (констант вязкости, упругости и т.д.) ЖК слоев 15, 18.
Пространственная топология прозрачных электродов 16, 17 и 19, 20 задана требуемой топологией электрической адресации ЖК слоев 15, 18 в столбцовых элементах параллаксного оптического затвора 3 или 7.
1
X
1
Y
x
1
X
y
1
Y
x
y
a
a
В частном варианте выполнения параллаксного оптического затвора 3 или 7 (фиг.16) первая группа 26 взаимно параллельных адресных прозрачных электродов 26, …, 26 находится на первой стороне каждого ЖК слоя 15, 18, и вторая группа 27 взаимно параллельных адресных прозрачные электродов 27, …, 27 - на второй стороне каждого ЖК слоя 15, 18, при этом адресные прозрачные электроды первой группы 26 ортогональны адресным прозрачным электродам второй группы 27. Отношение периода p чередования адресных прозрачных электродов 26, …, 26 первой группы 26 к периоду p чередования адресных прозрачных электродов 27, …, 27 второй группы 27 равно отношению периода  чередования столбцов матричного оптического модулятора вдоль одной адресной координаты х к периоду  чередования столбцов матричного оптического модулятора 28 вдоль другой адресной координаты y
Соблюдение соотношения (8) соответствует неизменному расстоянию от соответствующих зон наблюдения , или  до матричного оптического модулятора 28 при его любом (ландшафтном Н или портретном V) расположении. Матричный оптической модулятор 28 соответствует матричным оптическим модуляторам 2 или 8 в вариантах 1 или 2 устройства.
Выполнение каждого пикселя матричного оптического модулятора 28 в виде RGB триады 30 цветовых элементов соответствует цветным изображениям ракурсов.
Устройство работает следующим образом. При работе устройства по варианту 1 осуществляется способ по варианту 1. От источника 4 K-ракурсного сигнала стереизображения (фиг.17) подают электрические сигналы изображений ракурсов трехмерной сцены на электрический вход матричного оптического модулятора 2, с помощью которого модулируют интенсивность света от источника 1, формируя световой поток изображений K ракурсов в соответствующих K зонах наблюдения в K последовательных тактах, где K>2, при этом в n-м столбце (n=1, 2, …, N) матричного оптического модулятора 2 воспроизводят последовательность (N-n+1)-x столбцов изображений K ракурсов, а в k-м такте (k=1, 2, …, K) с помощью электронного блока 5 управления открывают столбцовые элементы параллаксного оптического затвора 3, расположенные с периодом K·р, позиции которых сдвигают на величину р относительно позиций открытых в (k-1)-m такте столбцовых элементов, где р - период чередования всех столбцовых элементов параллаксного оптического затвора 3.
1
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Полный цикл формирования K-ракурсного стереоизображения при осуществлении способа по варианту 1 рассматривается на конкретном примере формирования в четырех зонах Z-Z наблюдения изображений четырех ракурсов в 4-х последовательных тактах I, II, III и IV (фиг.18-23). На n-й столбец матричного оптического модулятора 2, имеющего N=12 столбцов и представленного сечением 2 на фиг.18, подают по одному в 4-х последовательных тактах (N-n+1)-e столбцы изображений четырех ракурсов. Например, на 12-й столбец (с номером n=12) матричного оптического модулятора 2 подают в I, II, III и IV тактах первые (поскольку N-n+1=1 при n=12) столбцы соответственно первого, второго, третьего и четвертого ракурсов (т.е. последовательность столбцов , , ,  изображений ракурсов). Одновременно на 1-й столбец (с номером n=1) матричного оптического модулятора 2 подают в I, II, III и IV тактах по одному двенадцатые (поскольку N-n+1=12 при n=1) столбцы соответственно третьего, четвертого, первого и второго ракурсов (т.е. последовательность столбцов , , ,  изображений ракурсов). При этом на время первого такта I параллельно открывают столбцовые элементы I, I и I параллаксного оптического затвора 3 (представленного сечением 3), период расположения которых составляет Kp=4p. На время второго II такта открывают столбцовые элементы II, II, II и II, на время третьего III такта - столбцовые элементы III, III, III и III, а на время четвертого IV такта - столбцовые элементы IV, IV, IV и IV параллаксного оптического затвора 3. В соседних тактах (например, в тактах II и III) позиции открытых столбцовых элементов II, II, II и II сдвинуты на величину р относительно позиций соответствующих столбцовых элементов III, III, III и III.
2
3
4
1
2
3
4
I
1
2
3
4
1
4
II
I
III
IV
Конкретно, в первом такте I (фиг.19) через открытые столбцовые элементы I, I и I параллаксного оптического затвора 3 в первую зону Z наблюдения проходят 1-й, 5-й и 9-й столбцы изображения первого ракурса (столбцы ,  и  изображений), во вторую зону Z наблюдения - 2-й, 6-й и 10-й столбцы изображения второго ракурса (столбцы ,  и  изображений), в третью зону Z наблюдения - 3-й, 7-й и 11-й столбцы изображения третьего ракурса (столбцы ,  и  изображений), в четвертую зону Z наблюдения - 4-й, 8-й и 12-й столбцы изображения четвертого ракурса (столбцы ,  и  изображений), которые по завершении первого такта составляют первое парциальное 4-х ракурсное изображение PI. Во втором такте (фиг.20) через открытые столбцовые элементы II, II, II и II параллаксного оптического затвора 3 в четырех зонах Z-Z наблюдения формируется второе парциальное 4-х ракурсное изображение PI, которого дополняет первое парциальное 4-х ракурсное изображение PI по составу столбцов изображений ракурсов. В третьем (фиг.21) и четвертом (фиг.22) тактах через соответствующие наборы открытых столбцовых элементов параллаксного оптического затвора 3 в четыре зоны наблюдения попадают остальные столбцы изображений соответствующих ракурсов, формируя третье PI и четвертое PI парциальные изображения ракурсов.
Σ
По завершении 4-х тактов в четырех зонах наблюдения сформировано полное 4-х ракурсное изображение PI (фиг.23) трехмерной сцены, где в каждой зоне наблюдения воспроизведено изображение соответствующего ракурса с полноэкранным разрешением, т.е. в итоге сформировано 12 столбцов изображения каждого ракурса при использовании 12-ти столбцового матричного оптического модулятора 2.
При «сверхплотном» расположении субракурсов (фиг.8), сигналы изображений которых получают от K-ракурсной видеокамеры 13 (фиг.6), особенность работы устройства по варианту 1 состоит в следующем. Каждый столбец матричного оптического модулятора 2, состоящий из совокупности S субстолбцов, в каждом такте изображения формирует изображения S субракурсов в соответствующей зоне наблюдения. При выполнении условия (5) зрачок каждого глаза наблюдателя одновременно воспринимает в соответствующей зоне наблюдения более чем один субракурс изображения, что приводит к улучшению согласования аккомодации с конвергенцией [5]. Согласование аккомодации и конвергенции состоит в том, что аккомодация (фокусировка) глаз и пересечение (конвергенция) зрительных осей обоих глаз при соблюдении условия (5) происходит в одной и той же точке пространстве, где находится наблюдаемый объект трехмерной сцены, что ведет к увеличению комфортности наблюдения стереоизображения для зрительной системы наблюдателя, которая в этом случае работает в условиях, приближенным к условиям наблюдения реальной трехмерной сцены. При несоблюдении условия (5) аккомодация глаз происходит на экране матричного модулятора света 2, а конвергенция - на наблюдаемом объекте, что характерно при наблюдении обычных стереоизображений.
(I)
В конкретном примере осуществления частного варианта способа по варианту 1 с помощью параллаксного оптического затвора 3 с столбцовыми элементами на основе жидкого кристалла 4-х ракурсное стереоизображение формируется в четырехтактном цикле (фиг.24-33). Параллаксный оптический затвор 3 содержит пятнадцать (G=N+K-1=15 при N=12 и K=4) столбцовых элементов LC1, …, LCg …, LCG, структура и оптические свойства каждого из которых аналогичны таковым для ЖК элемента 25, показанного на фиг.11, а именно (фиг.24): столбцовый элемент LCg включает в себя два линейных поляризатора LP1 и LP2 с взаимно параллельными осями поляризации, между которыми расположены первый и второй последовательно оптически связанные g-e ЖК элементы первого и второго ЖК слоев r(φ) и r(φ*), оптические свойства которых комплементарны аналогично комплементарности оптических свойств ЖК слоев 15 и 18.
I
2
2
3
decay
decay
1
2
3
При осуществлении частного варианта способа в первом такте I его осуществления (фиг.24), соответствующем формированию парциального 4-х ракурсного изображения PI (фиг.19), открыты столбцовые элементы I, I, I параллаксного оптического затвора 3, которым соответствуют совокупные столбцовые ЖК элементы LC4, LC8, LC12, каждый из которых включает в себя пару ЖК элементов слоев r(φ) и r(φ*) с теми же номерами. В начале первого такта I все столбцовые элементы (фиг.24) первого ЖК слоя r(φ) (при подаче на них высокого напряжения управления ) и столбцовые элементы с номерами g=4, 8, 12 второго ЖК слоя r(φ*) (при подаче на них высокого напряжения управления ) переведены в высокоэнергетическом состоянии S1, в то время как остальные столбцовые элементы второго ЖК слоя r(φ*) находятся в низкоэнергетическом состоянии S2, соответствующем подаче напряжения смещения . Из оптических свойств ЖК элементов с комплементарными оптическими свойствами (фиг.13 и 14) следует, что в начале первого такта I будут открыты только совокупные столбцовые элементы LC4, LC8, LC12 параллаксного оптического затвора 3, которые включают в себя 4-й, 8-й и 12-й ЖК элементы первого ЖК слоя r(φ) и 4-й, 8-й и 12-й ЖК элементы второго ЖК слоя r(φ*), все из которых находятся в высокоэнергетическом состоянии S1, а все остальные столбцовые элементы параллаксного оптического затвора будут закрыты. Высокоэнергетические состояния , ,  столбцовых элементов LC4, LC8 и LC12, поддерживаются, например, до наступлении момента времени Т-τ, (где Т - длительность одного такта), а затем на этих столбцовых ЖК элементах высокое напряжение ,  сменяют на низкое напряжение , , что приводит к постепенному, в течение времени τ, переходу (релаксации) всех этих столбцовых ЖК элементов в низкоэнергетическое состояние S2, (к переходу в соответствующие низкоэнергетические состояния , , ), и окончание этого перехода совпадает с окончанием времени T первого такта I. Однако оптическое состояние каждого из столбцовых элементов LC4, LC8 и LC12 не меняется в процессе их перехода из высокоэнергетических состояний , ,  в низкоэнергетические состояния , ,  (фиг.13) в силу комплементарности оптических свойств ЖК слоев r(φ) и r(φ*), поэтому столбцовые элементы I, I, I параллаксного оптического затвора 3 остаются открытыми в течение всего первого такта.
rise
rise
rise
4
8
12
rise
3
7
11
15
Во временном промежутке между первым и вторым тактами (фиг.25) за время τ низкоэнергетические состояния , ,  соответственно 4-го, 8-го и 12-го столбцовых элементов первого ЖК слоя r(φ) быстро меняют на высокоэнергетические , ,  за счет подачи на высоких напряжений  на эти ЖК элементы, и за это же время τ низкоэнергетические состояния , , ,  3-го, 7-го, 11-го и 15-го столбцовых элементов второго ЖК слоя r(φ*) меняют на высокоэнергетические , ,  и  за счет подачи высокого напряжения  на эти столбцовые элементы. Это приводит к быстрому (за время τ) закрытию 4-го, 8-го и 12-го совокупных столбцовых элементов LC4, LC8 и LC12, т.е. к получению близких к нулю соответствующих значений J, J, J интенсивности света на их выходах, и к аналогичному быстрому открытию (за время τ) 3-го, 7-го, 11-го и 15-го совокупных столбцовых элементов LC3, LC7, LC11 и LC15, т.е. к получению максимальных соответствующих значений J, J, J, J интенсивности света на их выходах.
1
2
3
4
II
decay
decay
1
2
3
4
В течение второго такта II (фиг.26) открытые столбцовые элементы LC3, LC7, LC11, LC15 соответствуют открытым столбцовым элементам II, II, II и II параллаксного оптического затвора 3 при формировании парциального 4-х ракурсного стереоизображения PI (фиг.20). Столбцовые элементы LC3, LC7, LC11 и LC15 поддерживаются в первом энергетическом состоянии S1 (в высокоэнергетических состояниях , ,  и ) вплоть до наступлении момента времени Т-τ, а затем на обоих ЖК элементах высокие напряжения ,  быстро меняют на низкие напряжения , , что приводит к постепенному переходу (релаксации) каждого из этих ЖК элементов в низкоэнергетическое состояние S2 (в соответствующие низкоэнергетические состояния , ,  и ) в течение времени τ, окончание которого совпадает с окончанием времени Т второго такта II. Оптическое состояние каждого из совокупных столбцовых элементов LC3, LC7, LC11 и LC15 в процессе их перехода из высокоэнергетических состояний , ,  и  в низкоэнергетические состояния , ,  и  не меняется (фиг.13), поэтому в течение всего второго такта столбцовые элементы II, II, II и II параллаксного оптического затвора 3 остаются открытыми.
rise
rise
rise
3
7
11
15
rise
2
6
10
14
Во временном промежутке между вторым и третьим тактами (фиг.27) за время τ для 3-го, 7-го, 11-го и 15-го столбцовых ЖК элементов первого ЖК слоя r(φ) низкоэнергетические состояния , ,  и  меняют на высокоэнергетические , ,  и  подачей высокого напряжения , а низкоэнергетические состояния , , ,  для 2-го, 6-го, 10-го и 14-го столбцовых элементов второго ЖК слоя r(φ*) за время τ меняют на высокоэнергетические , , ,  подачей высокого напряжения . Это приводит к быстрому закрытию (за время τ) 3-го, 7-го, 11-го и 15-го совокупных столбцовых ЖК элементов LC3, LC7, LC11 и LC15 (к получению близких к нулю соответствующих значений J, J, J, J интенсивности света на их выходах), и к быстрому открытию (за время τ) 2-го, 6-го, 10-го и 14-го совокупных ЖК столбцовых элементов LC2, LC6, LC10 и LC14 (к получению максимальных соответствующих значений J, J, J, J интенсивности света на их выходах).
1
2
3
4
III
decay
decay
1
2
3
4
В течение третьего такта II (фиг.28) открытые совокупные ЖК столбцовые элементы LC2, LC6, LC10 и LC14 соответствуют открытым столбцовых элементах III, III, III и III параллаксного оптического затвора 3 при формировании парциального 4-х ракурсного стереоизображения PI (фиг.21). Столбцовые ЖК элементы LC2, LC6, LC10 и LC14 поддерживают в первом энергетическом состоянии S1 (в высокоэнергетических состояниях , ,  и ) вплоть до наступлении момента времени Т-τ, а затем на этих совокупных столбцовых ЖК элементах высокие напряжения ,  меняют на низкие напряжения , , что приводит к постепенному переходу (релаксации) каждого из этих совокупных столбцовых ЖК элементов в низкоэнергетическое состояние S2 (в соответствующие низкоэнергетические состояния , ,  и ) в течение времени τ, окончание которого совпадает с окончанием времени Т третьего такта III. Оптическое состояние каждого из совокупных столбцовых элементов LC2, LC6, LC10 и LC14 в процессе их перехода из высокоэнергетических состояний , ,  и  в низкоэнергетические состояния , ,  и  не меняется, поэтому в течение всего третьего такта столбцовые элементы III, III, III и III параллаксного оптического затвора 3 остаются открытыми.
rise
rise
rise
2
6
10
14
rise
1
5
9
15
Во временном промежутке между третьим и четвертым тактами (фиг.29) за время τ для 2-го, 6-го, 10-го и 14-го столбцовых ЖК элементов первого ЖК слоя r(φ) низкоэнергетические состояния , ,  и  меняются на высокоэнергетические , ,  и  при подаче высокого напряжения , а низкоэнергетические состояния , , ,  для 1-го, 5-го, 9-го и 15-го столбцовых элементов второго ЖК слоя r(φ*) за время τ меняются на высокоэнергетические , , ,  при подаче высокого напряжения . Это приводит к быстрому закрытию (за время τ) 2-го, 6-го, 10-го и 14-го совокупных столбцовых ЖК элементов LC2, LC6, LC10 и LC14 (к получению близких к нулю соответствующих значений J, J, J, J интенсивности света на их выходах), и к быстрому открытию (за время τ) 1-го, 5-го, 9-го и 15-го совокупных ЖК столбцовых элементов LC1, LC5, LC9 и LC15 (к получению максимальных соответствующих значений J, J, J, J интенсивности света на их выходах).
1
2
3
4
IV
decay
decay
1
2
3
4
В течение четвертого такта IV (фиг.30) открытые совокупные ЖК столбцовые элементы LC1, LC5, LC9 и LC13 соответствуют открытым столбцовых элементах IV, IV, IV и IV параллаксного оптического затвора 3 при формировании парциального 4-х ракурсного стереоизображения PI (фиг.22). Столбцовые ЖК элементы LC1, LC5, LC9 и LC13 поддерживают в первом энергетическом состоянии 51 (в высокоэнергетических состояниях , ,  и ) вплоть до наступлении момента времени T-τ, а затем на этих совокупных столбцовых ЖК элементах высокое напряжение ,  сменяется на низкое напряжение , , что приводит к постепенному переходу (релаксации) каждого из этих совокупных столбцовых ЖК элементов в низкоэнергетическое состояние S2 (в соответствующие низкоэнергетические состояния , ,  и ) в течение времени τ, окончание которого совпадает с окончанием времени Т четвертого такта IV. Оптическое состояние каждого из совокупных столбцовых элементов LC1, LC5, LC5 и LC13 в процессе их перехода из высокоэнергетических состояний , ,  и  в низкоэнергетические состояния , ,  и  не меняется, т.е. в течение всего четвертого такта остаются открытыми столбцовые элементы IV, IV, IV и IV параллаксного оптического затвора 3.
rise
rise
rise
1
5
9
11
rise
4
8
12
Во временном промежутке между четвертым тактом текущего цикла и первым тактом следующего цикла (фиг.31) за время τ, для 1-го, 5-го, 9-го и 11-го столбцовых ЖК элементов первого ЖК слоя r(φ) низкоэнергетические состояния , ,  и  меняются на высокоэнергетические , ,  и  за счет подачи на высокого напряжения , а низкоэнергетические состояния , ,  для 4-го, 8-го и 12-го столбцовых элементов второго ЖК слоя r(φ*) за время τ меняют на высокоэнергетические , ,  подачей высокого напряжения . Это приводит к быстрому закрытию за время τ 1-го, 5-го, 9-го и 11-го совокупных столбцовых ЖК элементов LC1, LC5, LC9 и LC11 (к получению близких к нулю соответствующих значений J, J, J, J интенсивности света на их выходах), и к быстрому открытию за то же время τ 4-го, 8-го и 12-го совокупных ЖК столбцовых элементов LC4, LC8 и LC12 (к получению максимальных соответствующих значений J, J, J интенсивности света на их выходах).
rise
Далее идет первый такт следующего (второго) цикла формирования 4-х ракурсного стереоизображения с последующим повторением четырех тактов следующего цикла (фиг.32). Фронты перехода любого из совокупных ЖК столбцовых элементов параллаксного оптического затвора 3 из закрытого состояния в открытое и обратно определяются только коротким временем τ перехода ЖК слоев r(φ), r(φ*) из низкоэнергетического состояния в высокоэнергетическое за счет подачи высоких напряжений , .
0
Второй конкретный пример осуществления способа по варианту 1 отличается от рассмотренного первого конкретного примера тем, что начало открытия каждого совокупного ЖК столбцового элемента параллаксного оптического затвора 3 в каждом такте задерживается на время ΔT (фиг.33), необходимое для завершение формирования изображения ракурсов матричным оптическим модулятором 2, и сформированные изображения ракурсов воспроизводится в соответствующих зонах наблюдения в течение времени Т открытого состояния ЖК столбцовых элементов параллаксного оптического затвора 3.
Из обобщения рассмотренных конкретных примеров следует, что соответствующий частный вариант способа по варианту 1 (основанный на использовании параллаксного оптического затвора 3 с ЖК столбцовыми элементами) заключается в том, что в каждом столбцовом элементе LC1, …, LCg, … параллаксного оптического затвора 3 с помощью первого линейного поляризатора LP1 устанавливают первое состояние поляризации света, воздействуют на установленное состояние поляризации света двумя последовательно оптически связанными столбцовыми элементами двух ЖК слоев r(φ), r(φ*) с комплементарными оптическими свойствами и конвертируют поляризационную модуляцию в модуляцию интенсивности света с помощью второго линейного поляризатора LP2, при этом для любых одинаковых для обоих ЖК слоев r(φ), r(φ*) энергетических состояний состояние поляризации света, прошедшего оба ЖК слоя r(φ), r(φ*), не меняется по сравнению с состоянием поляризации входного света, а в двух разных для двух ЖК слоев r(φ), r(φ*) крайних энергетических состояниях прошедший световой поток приобретает состояние поляризации, ортогональное состоянию поляризации входного света, причем крайние энергетические состояния каждого ЖК слоя соответствует его высокоэнергетическому и низкоэнергетическому состояниям, при этом к началу k-го такта в высокоэнергетическое состояние переводят все столбцовые элементы первого ЖК слоя r(φ) и расположенных в k-м рабочем ряду столбцовые элементы второго ЖК слоя r(φ*), оставляя остальные его столбцовые элементы в низкоэнергетическом состоянии, в течение k-го такта переводят в низкоэнергетическое состояние расположенные в k-м рабочем ряду столбцовые элементы второго ЖК слоя r(φ*) и расположенные в k-м рабочем ряду столбцовые элементы первого ЖК слоя r(φ), а в промежутке времени между k-м тактом и (k+1)-м тактами переводят в высокоэнергетическое состояние столбцовые элементы k-го рабочего ряда первого ЖК слоя r(φ) и столбцовые элементы (k+1)-го рабочего ряда второго ЖК слоя r(φ*), при этом устанавливают равным K·р период расположения столбцовых элементов в каждом рабочем ряду каждого ЖК слоя r(φ), r(φ*) и равной р величину сдвига между k-м и (k+1)-м рабочими рядами столбцовых элементов каждого ЖК слоя r(φ) и r(φ*).
Способ по варианту 2 осуществляется при работе устройства по варианту 2 (фиг.34). От источника 9 K-ракурсного сигнала стереизображения подают электрические сигналы изображений ракурсов трехмерной сцены на электрический вход матричного оптического модулятора 7, с помощью которого модулируют интенсивность света от источника 6, формируя световой поток изображений K ракурсов в соответствующих K. зонах наблюдения в K последовательных тактах, где K>2, при этом в n-м столбце (n=1, 2, …, N) матричного оптического модулятора 7 воспроизводят последовательность (N-n+1)-x столбцов изображений K ракурсов, а в k-м такте (k=1, 2, …, K) с помощью электронного блока 10 управления открывают столбцовые элементы параллаксного оптического затвора 8, расположенные с периодом K·р, позиции которых сдвигают на величину р относительно позиций соответствующих столбцовых элементов, открытых в (k-1)-м такте, где р - период чередования всех столбцовых элементов параллаксного оптического затвора 8.
1
4
1
1
2
3
4
1
1
2
3
4
0
5
1
2
3
4
0
5
1
2
3
4
0
5
1
2
3
4
1
2
3
4
Полный цикл формирования K-ракурсного стереоизображения при осуществлении способа по варианту 2 рассматривается на конкретном примере формирования изображений 4-х ракурсов в 4-х зонах Z-Z, наблюдения в 4-х последовательных тактах I, II, III и IV (фиг.35-40). В n-м столбце матричного оптического модулятора 8, имеющего N=16 столбцов и представленного сечением 8 (фиг.35), воспроизводят по одному в 4-х последовательных тактах (N-n+1)-e столбцы изображений 4-х ракурсов. В частности, в 16-м столбце (с номером n=16) матричного оптического модулятора 8 воспроизводят в I, II, III и IV тактах первые (N-n+1=1 при N=16 и n=16) столбцы соответственно четвертого, третьего, второго и первого ракурсов (т.е. воспроизводят последовательность столбцов , ,  и  изображений ракурсов). Одновременно в 1-м столбце (с номером n=1) матричного оптического модулятора 8 воспроизводят в I, II, III и IV тактах шестнадцатые (N-n+1=16) столбцы соответственно первого, четвертого, третьего и второго ракурсов (т.е. воспроизводят последовательность столбцов , , ,  изображений ракурсов). При этом на время первого такта I параллельно открывают столбцовые элементы I, I, I и I параллаксного оптического затвора 7 (представленного сечением 7), период расположения которых составляет Kp=4p для K=4. На время второго II такта открывают столбцовые элементы II, II, II и II (а также элементы II и II, не показанные на чертеже), на время третьего III такта - столбцовые элементы III, III, III и III (а также элементы III и III, не показанные на чертеже), а на время четвертого IV такта - столбцовые элементы IV, IV, IV и IV (а также элементы IV и IV, не показанные на чертеже) параллаксного оптического затвора 7. В соседних тактах (например, в тактах II и III) позиции открытых столбцовых элементов II, II, II и II сдвинуты на величину р относительно позиций соответствующих столбцовых элементов III, III, III и III.
2
2
3
4
1
2
3
4
I
II
III
IV
Σ
Конкретно, в первом такте I (фиг.36) через открытые столбцовые элементы I, I, I и I параллаксного оптического затвора 7 в первую зону Z наблюдения проходят 4-й, 8-й и 12-й и 16-й столбцы изображения первого ракурса (столбцы , ,  и  изображений), во вторую зону Z наблюдения - 3-й, 7-й, 11-й и 15-й столбцы изображения второго ракурса (столбцы , ,  и  изображений), в третью зону Z наблюдения - 2-й, 6-й, 10-й и 14-й столбцы изображения третьего ракурса (столбцы , ,  и  изображений), в четвертую зону Z наблюдения - 1-й, 5-й, 9-й и 13-й столбцы изображения четвертого ракурса (столбцы , , и  изображений), которые по завершении первого такта вместе составляют первое парциальное 4-х ракурсное изображение PI. Аналогично формируют взаимно дополняющие парциальные 4-х ракурсные изображения PI, PI, PI соответственно во втором (фиг.37), третьем (фиг.38) и четвертом (фиг.39) тактах. По завершении 4-х тактов в четырех зонах наблюдения сформировано полное 4-х ракурсное изображение PI (фиг.40) трехмерной сцены, где в каждой зоне наблюдения сформировано изображение соответствующего ракурса с полноэкранным разрешением, т.е. в итоге сформировано 16 столбцов изображения каждого ракурса при использовании 16-ти столбцового матричного оптического модулятора 8.
При осуществлении частного варианта способа и работе частного варианта устройства по варианту 2 с параллаксным оптическим затвором 7, содержащим столбцовые элементы, выполненные в виде ЖК столбцовых элементов (аналогичных ЖК столбцовым элементам LCg параллаксного оптического затвора 3) очередность их переключения между открытым и закрытым состояниями с сдвигом на величину р между каждыми соседними тактами аналогичен очередности переключения ЖК столбцовых элементов LCg (фиг.24-33) при работе устройства и осуществлении соответствующего частного варианта способа по варианту 1.
При «сверхплотном» расположении столбцов изображений субракурсов (фиг.10), сигналы которых получают от K-ракурсной видеокамеры 13 (фиг.6), особенность работы устройства по варианту 2 состоит в том, что при выполнении условия (6) в каждом такте формируют изображения S субракурсов в соответствующей зоне наблюдения, и когда зрачок каждого глаза наблюдателя одновременно воспринимает более чем один субстолбец изображения. При этом имеет место дополнительный технический результат - улучшение комфортности восприятия стереоизображения зрительной системой наблюдателя за счет улучшения согласования аккомодации глаз с их конвергенцией.
1
Y
1
Y
Особенность работы устройства по вариантам 1 или 2 при частном варианте выполнения параллаксного оптического затвора 3 или 7 в виде параллаксного оптического затвора 29 с двумя группами адресных электродов на двух сторонах ЖК слоя (фиг.16) состоит в том, что переключение столбцовых элементов параллаксного оптического затвора 29 набором 26 адресных электродов 26-26 обеспечивает формирование K-ракурсного стереоизображения в зонах  при вертикальном V (портретном) расположении матричного оптического модулятора 28. Переключение столбцовых элементов параллаксного оптического затвора 29 набором 27 адресных электродов 27-27 обеспечивает формирование K-ракурсного стереоизображения в зонах  при горизонтальном (ландшафтном) расположении матричного оптического модулятора 28. При этом выполнение условия (8) обеспечивает неизменное расстояние просмотра стереоизображения для наблюдателя для любой ориентации Н, V матричного оптического модулятора 28, соответствующего матричным оптическим модуляторам 2 и 8 в варианте 1 и 2 устройства.
Наличие цветной RGB триады для цветовых компонентов формируемого изображения в каждом пикселе матричного оптического модулятора 2 или 8 (фиг.16, 41) соответствует формированию цветного изображения во всех вариантах способа и устройства.
Достоинством способа и устройства является параллельное формирование парциальных изображений одновременно во всех зонах наблюдения в каждом такте. Это означает, что в любое время формирования стереоизображения не будет разности яркости света между наблюдаемыми двумя глазами любых двух ракурсов изображения как основной причины возникновения мерцаний наблюдаемого стереоизображения. Частота наблюдаемого изображения равна частоте 1/T следования тактов (а не более низкой частоте K/T полного цикла формирования полного стереоизображения). Выбор достаточно высокой частоты следования тактов (не менее 100 Гц, т.е. при длительности одного такта 10 мс) способствует минимизации мерцаний наблюдаемого стереоизображения. Это означает, что для формирования многоракурсных изображений можно использовать те же матричные формирователи изображения и параллаксные оптические затворы с 100-120 Гц кадровой частотой, как и при формировании двухракурсных стереоизображений.
Промышленная применимость
Конкретным примером выполнения матричного оптического модулятора 2, 8 для всех вариантов способа и устройства для его осуществления является ЖК матрица с адресацией пикселей с помощью тонкопленочных транзисторов (TFT - thin film transistor) на пересечениях адресных шин (ЖК TFT матрица), которая содержит поляризационный модулятор между двумя скрещенными линейными поляризаторами.
Для устройства по варианту 1 конкретным примером выполнения матричного генератора изображения (совмещающего в себе матричный оптический модулятор 2 и источник света 1) является OLED-матрица [6]. Конкретным примером выполнения гомогенно-ориентированного ЖК слоя активного модулятора поляризации является ЖК π-ячейка [4], ее различные производные [7], в том числе ОСВ-ячейки [8], в которых используется жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0, на которых можно выполнять ЖК слои 15, 18 параллаксного оптического затвора 3, 7 с теми же максимальными размерами апертуры, какие характерны для современных крупноформатых 2D ЖК дисплеев.
0
rise
0
retr
retr
В дисплее с укороченным временем Т воспроизведения стереоизображения (фиг.33) можно использовать в качестве формирователя изображения 100-120 Гц ЖК матрицу (например, типа Samsung Syncmaster 2233RZ) с источником сигнала стереоизображения в виде персонального компьютера с информационным выходом на видеокарте nVidia, работающей под управлением программного стереодрайвера 3DVision в режиме воспроизведения изображений ракурсов 3D сцены за время T обратного хода ЖК матриц [9]. В этом случае время демонстрации ракурсов стереоизображения короткое (составляют не более 20-30% от полной длительности кадра, т.е. время T воспроизведения изображения одного ракурса составляет около 3 мс). Переходное время оптического оклика составляет десятки-сотни микросекунд (определяемым только временем t реакции ЖК слоев r(φ), r(φ*), что обеспечивает высокую яркость наблюдаемого стереоизображения вследствие практического полного открытия оптического канала дисплея в течение всего времени T воспроизведения ракурсов.
В частном варианте осуществления способа и при работе соответствующего частного варианта устройства с «сверхплотным» расположением субракурсов достигается улучшение согласования аккомодации и конвергенции зрения наблюдателя аналогично наблюдению многоракурсного стереоизображения от проекционных многоканальных «super multi view» 3D дисплеев [10]. При этом нет необходимости в повышении скорости развертки изображений соответствующих субракурсов на экране матричного формирователя изображений по сравнению с разверткой ракурсов, расположенных с обычной (ordinary) плотностью, поскольку каждая группа столбцов изображений субракурсов, соответствующих одному столбцу обычного ракурса, развертывается параллельно со скоростью развертки столбца одного обычного ракурса.
Электронное переключение двух взаимно ортогональных наборов адресных шин для сохранения пространственной удаленности зон наблюдения от экрана матричного оптического модулятора 28 при его угловом повороте целесообразно использовать для мобильных 3D дисплеев в смартфонах, коммуникаторах, планшетных компьютерах. Выполнение ЖК слоев матричного оптического модулятора 28 и параллаксного оптического затвора 29 в виде смектического (сегнетоэлектрического - ferroelectric) ЖК слоя, обеспечивающего частоту переключения в несколько сотен герц при напряжении управления порядка единиц вольт с возможностью реализации полутоновой передаточной характеристики [11] обеспечивает достаточное быстродействие компонентов устройства при реализации многоракурсного отображения при отсутствии его мерцаний в любых условиях наблюдения.
Литература
1. Moseley R.R., Woodgate G.J., Jacobs A.M., Harold J., Ezra D. Parallax barrier, display, passive polarization optical modulating element and method of making such an element. - Патент США №6437915, опублик. 20.08.2002.
2. Kleinberger P., Kleinberger I., Mantinband J. Systems for and methods of three-dimensional viewing. - Патент США №7190518, опублик. 13.03.2007 (прототип 1).
3. Koyama Y. 2D/3D switch liquid crystal display panel and 2D/3D selection liquid crystal display. - Патент США №7199845, опублик. 03.04.2007 (прототип 2).
4. Bos Ph. Rapid starting, high-speed liquid crystal variable optical retarder. - Патент США №4566758, опублик. 28.01.1986.
5. Kajiki, Y., Yoshikawa, H., Honda, T. Hologramlike video images by 45-view stereoscopic display. Proc. SPIE, 3012, 154 (1997).
6. Arnold A.D., Castro P.E., Hatwar Т.K. et al. Full-color AMOLED with RGBW pixel pattern. - Journal of the SID, 2005, v.13, №6, pp.525-535.
7. Towler M.J., Acosta E., J., Walton H.G. Liquid crystal device. - Патент США №6600537, опублик. 19.07.2003.
8. Ishinabe Т., Wako K., Uchida Т.A fast-switching OCB-mode LCD for high-quality display applications. - Journal of the SID, 2010, v.10, №11, pp.968-975.
9. Slavenburg G.A. System, method and computer program product for controlling stereo glasses shutters. - Патент США №7724211, опублик. 25.05.2010.
10. Nago, N. Shinozaki, Y. Yasuhiro Takaki, Y. SMV256: Super multi-view display with 256 viewpoints using multiple projections of lenticular displays. Proc. SPIE, 7524, 75241S-1 (2010).
th
11. Andreev A.L., Ezhov V.A., Kompanets I.N., Sobolev A.G. Fast LC Devices with Lowest Control Voltage. - Proc. 17 International Display Workshops (IDW′10), Fukuoka, Japan, 1-3 December 2010, pp.1811-1812.