БЕЗОЧКОВАЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ ВИДЕОСИСТЕМА С ДИСТАНЦИОННЫМ БИНОКУЛЯРНЫМ ФИЛЬТРОМ
GLASS-FREE STEREOSCOPIC VIDEO SYSTEM WITH REMOTE BINOCULAR FILTER

Область техники
Изобретение относится к технике стереоскопического отображения трехмерных (3D) сцен, точнее, к автостереоскопическим (безочковым) видеосистемам, и может быть использовано для безочкового наблюдения стереоизображений с повышенной яркостью при коротком (порядка нескольких миллисекунд) времени воспроизведения изображений ракурсов 3D сцен.
Уровень технике
Известна кинотеатральная стереоскопическая видеосистема с повышенной кадровой частотой изображений, содержащая последовательно оптически связанные стереоскопический видеопроектор, экран и активные стереоочки (стереоочки XPAND), а также серверный источник сигналов изображений ракурсов (двумерных проекций) 3D сцены и синхронизирующий электронный модуль с инфракрасным (ИК) выходом, который сопряжен с ИК синхровходом активных стереоочков, а вход синхронизирующего электронного модуля подключен к выходу синхронизации серверного источника сигналов изображений ракурсов 3D сцены, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического видеопроектора [1].
view
max
decay
max
min
decay
Первым недостатком известной кинотеатральной стереоскопической видеосистемы является невозможность безочкового просмотра стереоизображений. Кроме того, кадровая частота воспроизведения изображений ракурсов в известной видеосистеме повышена до 160-200 Гц с целью минимизации мерцаний яркости наблюдаемых стереоизображений, особенно заметных на большом кинотеатральном экране из-за задействования периферийных областей зрения (глаз) наблюдателя, особенно чувствительных к быстрым колебаниям яркости. При кадровой частоте 200 Гц время показа t изображения каждого из двух ракурсов 3D сцены составляет 5 миллисекунд. Поскольку каждый оптический затвор активных стереоочков закрыт (имеет минимальное оптическое пропускание) при максимальном значении U управляющего электрического напряжения, то время открытия каждого оптического затвора (по критерию значения 0,5 от величины максимального оптического пропускания в режиме «открыто») практически равно времени релаксации τ оптического отклика нематического жидкокристаллического (НЖК) слоя (на скачкообразное понижение уровня управляющего электрического напряжения от значения U до минимального значения U). На практике значение τ составляет не менее 2-2,5 миллисекунд для НЖК слоев традиционного типа [2]. Это означает, что стереоизображение в рассматриваемой стерео видеосистеме при кадровых частотах 180-200 Гц всегда наблюдается при «полуоткрытых» НЖК затворах, т.е. при приблизительно двукратном снижении яркости по сравнению с наблюдением сквозь полностью открытые НЖК затворы.
Известна стереоскопическая видеосистема [3] с укороченным временем показа стереоизображений, содержащая компьютерный источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен (на основе видеокарт nVidia), стереоскопический дисплей, активные стереоочки (стереоочки 3D Vision компании nVidia) и синхронизирующий электронный модуль с инфракрасным (ИК) выходом, который сопряжен с ИК синхровходом активных стереоочков, а вход синхронизирующего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, ЖК-экран которого оптически сопряжен с оптическим входом активных стереоочков.
decay
view
Первым недостатком известной стереоскопической видеосистемы является невозможность безочкового просмотра стереоизображений. Вторым недостатком является существенные потери (около 50%) в яркости наблюдаемого стереоизображения вследствие недостаточно высокого быстродействия оптических затворов (τ не менее 2-2,5 миллисекунд), выполненных на основе одиночного слоя НЖК, для используемого здесь режима показа стереоизображений. Действительно, время показа t каждого из изображений ракурсов на экране ЖК-дисплея в режиме 3D Vision (с использованием видеокарт nVidia) составляет порядка 2 миллисекунд при частоте кадров 100-120 Гц. Все остальное время кадра тратится на развертку изображения из-за инерционности ЖК-экрана дисплея.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой видеосистеме является безочковая стереоскопическая видеосистема с дистанционным бинокулярным фильтром (ДБФ) [4], содержащая источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен, стереоскопический дисплей, ДБФ и управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу ДБФ, а вход синхронизации управляющего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, экран которого оптически сопряжен с входом апертуры ДБФ, первая и вторая зоны апертуры которого оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, при этом ДБФ содержит по крайней мере один ЖК-слой в качестве слоя рабочего электрооптического вещества.
decay
view
Достоинством известной видеосистемы является безочковое наблюдение стереоизображений. Недостатком известной видеосистемы является недостаточное быстродействие ДБФ, структура ЖК-слоя которого аналогична структуре ЖК-затвора в активных стереоочках. Это приводит к существенному снижению яркости наблюдаемого стереоизображения в данной известной видеосистеме из-за запаздывания открытия каждой зоны апертуры на время τ не менее 2-2,5 миллисекунд, если использовать здесь стереоскопические дисплеи с кадровой частотой до 200 Гц или с временем показа t≈2 миллисекунд при кадровой частоте 100-120 Гц.
view
Задачей изобретения является увеличение яркости наблюдаемого стереоизображения при коротком (порядка нескольких миллисекунд) времени показа t изображений ракурсов 3D сцены.
Раскрытие изобретения
1
2
1
1
2
1
2
view
rise
view
decay
Поставленная задача в безочковой стереоскопической видеосистеме, содержащей источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен, стереоскопический дисплей, дистанционный бинокулярный фильтр и управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу бинокулярного фильтра, а вход синхронизации управляющего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, экран которого оптически сопряжен с входом апертуры дистанционного бинокулярного фильтра, первая и вторая зоны апертуры которого оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, при этом дистанционный бинокулярный фильтр содержит по крайней мере один жидкокристаллический слой в качестве слоя рабочего электрооптического вещества, решается тем, что стереоскопический дисплей выполнен с жидкокристаллическим экраном, снабженным на своем выходе первым линейным поляризатором с осью поляризации p, ДБФ выполнен в виде последовательно расположенных первого НЖК слоя, второго НЖК слоя и второго линейного поляризатора, ось поляризации p которого ортогональна оси поляризации p первого линейного поляризатора, при этом каждый из НЖК слоев выполнен с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0 и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул вдоль биссектрис углов между осями поляризации p и p первого и второго линейных поляризаторов, причем ось o для обыкновенного луча первого НЖК слоя ортогональна оси o для обыкновенного луча второго НЖК слоя, а электрическим входом ДБФ является совокупность входов адресных прозрачных электродов, примыкающих к НЖК слоям ДБФ. При этом соблюдаются соотношения t>>τ, t≈τ, где
view
t - время попеременного показа каждого из изображений левого и правого ракурсов 3D сцены на экране стереоскопического дисплея,
rise
min
max
τ - время реакции оптического отклика каждого из НЖК слоев на ступенчатое повышение уровня управляющего электрического напряжения от значения U до значения U,
decay
max
min
τ - время релаксации оптического отклика каждого из НЖК слоев при ступенчатом понижении уровня управляющего электрического напряжения от значения U до значения U,
max
min
max
min
U и U - максимальное и минимальное рабочие значения управляющего электрического напряжения, соответствующие значениям фазовой задержки φ(U)=0 и φ(U)=π для каждого из НЖК слоев.
Увеличение яркости наблюдаемого стереоизображения достигается в видеосистеме за счет двух технических результатов.
1
2
rise
Основной технический результат состоит в полном открытии каждой из двух зон апертуры ДБФ за время показа каждого изображения ракурса. Время открытия и время закрытия каждой зоны апертуры ДБФ, выполненного на основе двух НЖК слоев с положительной оптической анизотропией Δε>0 и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул вдоль биссектрис углов между двумя линейными поляризаторами с взаимно ортогональными осями поляризации p и p, определяется только коротким временем τ оптического отклика каждого НЖК слоя на скачкообразное повышение управляющего напряжения до максимального рабочего значения при соответствующем алгоритме электрического управления.
Дополнительный технический результат состоит в том, что линейный поляризатор на выходе ЖК-экрана дисплея используется одновременно в качестве входного поляризатора ЖК-структуры ДБФ (нет необходимости в использовании дополнительного линейного поляризатора в структуре ДБФ). Это ведет к дополнительному увеличению яркости наблюдаемого стереоизображения, поскольку два последовательно расположенных линейных поляризатора имеют в совокупности меньшее значение оптического пропускания, чем каждый из них. Поскольку ДБФ имеет фиксированное угловое положение относительно экрана дисплея при любом положении головы наблюдателя, то использование одного линейного поляризатора для экрана и ДБФ является оптимальным решением, не приводящем к ухудшению степени сепарации изображений ракурсов.
Такое решение не является оптимальным, например, при использовании активных стереоочков в известных стереоскопических видеосистемах с ЖК-экранами [3], поскольку, если не использовать входные линейные поляризаторы в ЖК-затворах стереоочков, то в силу механической связи оправы стереоочков с головой наблюдателя любой угловой наклон головы приведет к уходу от оптимального углового положения структуры ЖК-затворов относительно линейного поляризатора на экране дисплея, что вызовет существенное ухудшение контраста переключения НЖК затворов (существенные перекрестные помехи между наблюдаемыми изображениями первого (левого) и второго (правого) ракурсов 3D сцены.
Краткое описание чертежей
Осуществление изобретения поясняется чертежами, на фигурах которого представлены:
Фиг. 1 - общая схема видеосистемы.
Фиг. 2 - геометрия хода оптических лучей в видеосистеме.
Фиг. 3 - структура ДБФ с использованием комбинации сплошных и раздельных прозрачных адресных электродов.
Фиг. 4 - структура ДБФ с использованием только раздельных прозрачных адресных электродов.
Фиг. 5-8 - иллюстрации соответственно первого, второго, третьего и четвертого оптических состояний каждой зоны апертуры ДБФ.
Фиг. 9 - график открытия и закрытия оптического затвора на одиночном НЖК слое.
Фиг. 10 - диаграмма показа (воспроизведения) изображений двух (левого и правого) ракурсов 3D сцены с укороченным временем показа.
Фиг. 11 - диаграммы оптического пропускания зон апертуры ДБФ и форма управляющих напряжений на оба НЖК слоя ДБФ.
Фиг. 12 - диаграммы оптического пропускания зон апертуры ДБФ и формы видоизмененных управляющих напряжений для получения нулевой средней величины их амплитуд.
Фиг. 13 - иллюстрация реализации максимальных и минимальных значений управляющего напряжения за счет фазового сдвига несущей частоты с получением нулевой средней величины амплитуд управляющих напряжений.
Осуществление изобретения
1
1
2
1
2
1
2
3
2
1
1
2
5-1
5-2
1
1
2
2
1
2
3
1
2
Видеосистема (фиг. 1) содержит источник 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены, стереоскопический дисплей 2 с ЖК-экраном 3, снабженным линейным поляризатором 4 с осью поляризации p, дистанционный бинокулярный фильтр (ДБФ) 5 и управляющий модуль 6, вход синхронизации которого подключен к выходу синхронизации источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея 2, ЖК-экран 3 которого оптически сопряжен с входом апертуры ДБФ 5, первая Q и вторая Q зоны апертуры которого оптически связаны с первым W и вторым W окнами наблюдения. При этом ДБФ 5 выполнен в виде последовательно расположенных первого нематического жидкокристаллического (НЖК) слоя 5, второго НЖК слоя 5 и линейного поляризатора 5, ось поляризации р которого ортогональна оси поляризации p линейного поляризатора 4, при этом каждый из НЖК слоев 5, 5 выполнен с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0 НЖК вещества и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул LC, LC, при этом ось o для обыкновенного луча первого НЖК слоя 5 ортогональна оси o для обыкновенного луча второго НЖК слоя 5 и направлена вдоль биссектрисы угла между осями поляризации p и р линейных поляризаторов 4 и 5 соответственно, причем электрическим входом ДБФ 5 является совокупность входов адресных прозрачных электродов E1-EK, примыкающих к НЖК слоям 5, 5, подключенных к выходу электронного управляющего модуля 6, причем соблюдаются соотношения
где:
view
t - время попеременного показа каждого из изображений первого (левого L) и второго (правого R) ракурсов 3D сцены на ЖК-экране 3 стереоскопического дисплея 2,
rise
1
2
min
max
τ - время реакции оптического отклика каждого из НЖК слоев 5, 5 на ступенчатое (скачкообразное) повышение уровня управляющего электрического напряжения от значения U до значения U,
decay
1
2
max
min
τ - время релаксации оптического отклика каждого из НЖК слоев 5, 5 при ступенчатом (скачкообразном) понижении уровня управляющего электрического напряжения от значения U до значения U,
max
min
max
min
1
2
U и U - максимальное и минимальное рабочие значения управляющего электрического напряжения, соответствующие значениям фазовой задержки φ(U)=0 и φ(U)=π для каждого из НЖК слоев 5, 5.
1
2
1
2
Гомогенная начальная ориентация НЖК молекул в каждом из НЖК слоев 5 и 5 означает выстраивание длинных осей НЖК молекул в каждом из НЖК слоев 5 и 5 параллельно поверхностям диэлектрических пластин вдоль заданного направления (которое определяет начальное направление главной оси НЖК кристалла).
Геометрия хода лучей в оптической схеме (фиг. 2) видеосистемы в ее сечении (вид 1) вдоль направления строчной развертки изображения (вдоль горизонтального направления) определяется формулой
где:
1
2
В - расстояние между центральными точками двух окон наблюдения W и W,
B
1
2
Z - расстояние от центральных точек двух окон наблюдения W и W до ДБФ 5,
image
Z - расстояние от ДБФ 5 до ЖК-экрана 3,
image
L - длина ЖК-экрана 3 (его размер вдоль горизонтального направления).
1
2
1
2
image
При выполнении соотношения (3) из каждой из центральных точек окон наблюдения W и W (в которых расположены глаза наблюдателя) сквозь каждую из первой Q и второй Q зон апертуры ДБФ 5 виден ЖК-экран 3 по всей его длине L.
ДБФ
Высота Н апертуры DBF 5 (вид 2 на фиг. 2) выбрана в соответствии с формулой
image
1
2
1
2
image
где H - высота ЖК-экрана 3 (его размер вдоль направления кадровой развертки изображения, соответствующего вертикальному направлению). При выполнении соотношения (4) из каждой из центральных точек окон наблюдения W и W сквозь каждую из первой Q и второй Q зон апертуры виден ЖК-экран 3 по всей высоте H.
1
2
3
1
4
1
2
В первом частном варианте выполнения видеосистемы ДБФ 5 содержит диэлектрическую прозрачную (например, стеклянную, кварцевую или пластиковую) пластину 7 (фиг. 3), сплошной адресный прозрачный электрод Е1, первый НЖК слой 5, раздельные адресные прозрачные электроды Е2 и Е3, диэлектрическую прозрачную пластину 8, сплошной адресный прозрачный электрод Е4, второй НЖК слой 5, раздельные адресные прозрачные электроды Е5 и Е6, диэлектрическую прозрачную пластину 9 и линейный поляризатор 5. Толщина НЖК слоев определяется диэлектрическими прокладками - спей-серами (spacers) 10-10. Топологии (конфигурации площади) раздельных прозрачных электродов Е2 и Е3, Е5 и Е6 определяют топологии соответствующих зон Q и Q апертуре ДБФ 5.
1
2
Во втором частном варианте выполнения видеосистемы ДБФ 5 все адресные прозрачные электроды Е7-Е14 выполнены раздельными для каждой из зон Q и Q (фиг. 4).
view
1
1
1
2
3
1
1
L
1
L
2
R
2
R
L
R
rise
view
1
2
decay
1
2
L
R
Видеосистема работает следующим образом. Видеосигнал с информационного выхода источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены подается на вход стереоскопического дисплея 2, на ЖК-экране 3 которого попеременно воспроизводятся изображения первого (левого) и второго (правого) ракурсов 3D сцены, при этом каждое из изображений ракурсов воспроизводится в течение времени t. Световой поток изображений первого и второго ракурсов после прохождения линейного поляризатора 4 приобретает линейную поляризацию, соответствующую направлению оси поляризации p (направленную, для определенности, под углом +45° к горизонтальному направлению - направлению строчной развертки изображений на ЖК-экране 3). Поляризованный (p) световой поток изображений ракурсов поступает на вход апертуры ДБФ 5 и последовательно проходит первый НЖК слой 5, второй НЖК слой 5 и линейный поляризатор 5, направление оси поляризации которого направлено под углом -45° к горизонтальному направлению и составляет угол 90° с направлением исходной линейного поляризации (p) светового потока изображения (до его входа в апертуру ДБФ 5). Оптическое состояние ДБФ 5 определяется комбинацией величин управляющих напряжений, подаваемых на адресные прозрачные электроды E1-EK с выхода управляющего модуля 6 в соответствии с сигналами синхронизации, поступающими с выхода синхронизации источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены. При показе (воспроизведении) на ЖК-экране 3 изображений первого (левого) ракурса открывается только первая (левая) зона Q (Q) апертуры ДБФ 5, обеспечивая просмотр этих изображений в первом (левом) окне W (W) наблюдения. При показе (воспроизведении) на ЖК-экране 3 изображений второго (правого) ракурса открывается только вторая (правая) зона Q (Q) апертуры ДБФ 5, обеспечивая просмотр этих изображений в втором (правом) окне W (W) наблюдения. Время открытия и закрытия каждой из левой Q и правой Q зон апертуры равно короткому времени τ, тем самым обеспечивается их практически полное открытие в течение времени t показа (воспроизведения) изображений ракурсов в силу выполнения соотношения (1). Наличие соотношения (2) при этом является основанием для использования двух НЖК слоев 5, 5 в ДБФ 5 для устранения влияния длительного (сравнимого с временем показа изображений ракурсов) времени τ каждого из НЖК слоев 5, 5 на длительность открытия и закрытия обеих зон Q и Q апертуры ДБФ 5.
Рассмотрим оптические состояния и алгоритм (логику управления) НЖК слоями ДБФ 5, обеспечивающие выполнение соотношения (1) при наличии соотношения (2).
max
min
1
2
Оптическое состояние ДБФ 5 определяется комбинацией величин управляющих напряжений U, U (фиг. 5-8), подаваемых на адресные прозрачные электроды, примыкающие к первому 5 и второму 5 НЖК слоям.
min
1
2
min
1
5-1
min
2
5-2
min
1
2
1
1
2
1
1
2
1
3
1
1
2
Первое оптическое состояние S1 ДБФ 5 (фиг. 5) соответствует подаче минимальных значений управляющих напряжений U на первый 5 и второй 5 НЖК слои, каждый из которых в этом случае создает фазовый сдвиг φ(U)=π, т.е. первый НЖК слой 5 создает фазовый сдвиг φ(U)=π, а второй НЖК слой 5 создает фазовый сдвиг φ (U)=π. Данное максимальное значение (π) фазового сдвига обусловлено тем, что главная ось НЖК кристалла в каждом из НЖК слоев 5 и 5 направлена под максимальным рабочим углом по отношению к направлению распространения входящего светового потока, а направление линейной поляризации которого составляет угол 450 с осью o для обыкновенного луча. Совместное действие двух НЖК слоев 5 и 5 приводит к нулевому значению абсолютного разностного фазового сдвига , что соответствует отсутствию изменения направления линейной поляризации p в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5 и 5. В итоге для первого оптического состояния S1 ДБФ 5 интенсивность света J на выходе линейного поляризатора 5 равна нулю (J=0), поскольку направление линейной поляризации (p) в прошедшем свете остается ортогональным оси поляризации p.
max
1
2
5-1
max
5-2
max
1
2
1
1
2
2
3
2
1
2
Второе оптическое состояние S2 ДБФ 5 (фиг. 6) соответствует подаче максимальных значений управляющего напряжения U на первый 5 и второй 5 НЖК слои, которые создают фазовые сдвиги φ(U)=0 и φ(U)=0 соответственно. Данное минимальное значение (0) фазового сдвига обусловлено тем, что главная ось НЖК кристалла в каждом из НЖК слоев 5 и 5 направлена параллельно направлению распространения входящего светового потока. Это приводит к нулевому значению абсолютного разностного фазового сдвига , что также соответствует отсутствию изменения направления линейной поляризации (p) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5 и 5. В итоге для второго оптического состояния S2 ДБФ 5 интенсивность света J на выходе линейного поляризатора 5 равна нулю (J=0), поскольку направление линейной поляризации (p) в прошедшем свете остается ортогональным оси поляризации p.
min
1
max
2
5-1
min
5-2
max
1
1
2
3
3
3
max
1
2
Третье оптическое состояние S3 ДБФ 5 (фиг. 7) соответствует подаче минимального значения управляющего напряжения U на первый НЖК слой 5 и максимального значения управляющего напряжения U на второй НЖК слой 5, первый из которых в этом случае создает фазовый сдвиг φ(U)=π, а второй - фазовый сдвиг φ(U)=0. Полученная величина абсолютного разностного фазового сдвига равна π (т.е. ), что вызывает поворот на 90° направления линейной поляризации (p) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5 и 5. В итоге для третьего оптического состояния S3 ДБФ 5 интенсивность света J на выходе линейного поляризатора 5 имеет максимальное значение (J=J) в силу взаимной параллельности линейной поляризации в прошедшем свете, повернутой на 90° относительно (p), и оси поляризации p.
max
1
2
5-1
max
5-2
min
1
1
2
4
3
4
max
1
2
Четвертое оптическое состояние S4 ДБФ 5 (фиг. 8) соответствует подаче максимального значения управляющего напряжения U на первый НЖК слой 5 и минимального значения управляющего напряжения на второй 5 НЖК слой, первый из которых в этом случае создает нулевой фазовый сдвиг φ(U)=0, а второй - фазовый сдвиг φ(U)=π. Полученная величина абсолютного разностного фазового сдвига равна π (т.е. ), что вызывает поворот на 90° направления линейной поляризации (p) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5 и 5. В итоге для четвертого оптического состояния S4 ДБФ 5 интенсивность света J на выходе линейного поляризатора 5 имеет максимальное значение (J=J) в силу взаимной параллельности линейной поляризации в прошедшем свете, повернутой на 90° относительно (p), и оси поляризации р.
mid
1
2
mid
max
mid
min
mid
mid
1
2
mid
mid
mid
3
mid
1
2
Промежуточное оптическое состояние S ДБФ 5 соответствует подаче на оба НЖК слоя 5, 5 двух одинаковых промежуточных значений U управляющего напряжения (U≥U≥U), которые обеспечивают промежуточное значение фазового сдвига φ(U)=φ в каждом из НЖК слоев 5, 5. В этом случае величина абсолютного значения разностного фазового сдвига равна нулю  при любом значении U. В итоге для промежуточного оптического состояния S ДБФ 5 интенсивность света J на выходе линейного поляризатора 5 равна нулю (J=0), поскольку направление линейной поляризации в прошедшем свете (p) остается ортогональным оси поляризации р.
1
2
rise
1
2
min
max
decay
1
2
max
min
Оптический отклик каждого из НЖК слоев 5, 5 на ступенчатое (скачкообразное) изменение управляющего напряжения U несимметричен относительно направления изменения величины управляющего напряжения. А именно, время реакции τ оптического отклика каждого из НЖК слоев 5, 5 на ступенчатое повышение управляющего напряжения U мало (не превышает 50-100 микросекунд при повышении напряжения от уровня U≈4-6 В до уровня U≈20-40 В для НЖК структур [2]). Это обусловлено тем, что НЖК молекулы являются полярными (представляют собой электрические диполи). Положительная диэлектрическая анизотропия Δε>0 НЖК вещества означает, что направление оси диполя каждой НЖК молекулы совпадает с направлением ее длинной оси. Поэтому при подаче управляющего напряжения на прозрачные электроды НЖК молекулы достаточно быстро принудительно поворачиваются под действием управляющего электрического напряжения с выстраиванием осей диполей и длинных осей НЖК молекул вдоль силовых линий высокой напряженности управляющего электрического поля. Время релаксации τ оптического отклика каждого из НЖК слоев 5, 5 при ступенчатом понижении уровня управляющего электрического напряжения от U до U составляет порядка двух-трех миллисекунд, поскольку возврат НЖК молекул в исходной состояние происходит в этом случае самопроизвольно под действием относительно слабых внутренних сил вязкости и упругости НЖК слоя.
1
2
min
single
1
2
1
3
min
1
2
max
1
2
open
1
2
decay
down
max
min
close
rise
up
min
max
Примерный график оптического отклика каждого из НЖК слоев 5, 5 ДВФ 5 представлен на фиг. 9 (для упрощения чертежа минимальное значение U управляющего напряжения принято равным 0). На графике интенсивность света J для одиночного НЖК слоя (5 или 5) соответствует, например, изменению интенсивности света J за поляризатором 5 во времени (фиг. 5) при ступенчатом снижении управляющего напряжения до U только на одном из НЖК слоев 5, 5, в то время как управляющее напряжение на другом из них неизменно остается высоким величиной U (в этом случае только один из НЖК слоев 5, 5 участвует в формировании величины фазовой задержки света). Видно, что момент времени t полного открытия (получение максимального оптического пропускания) при работе только одного из ЖК-слоев 5, 5 запаздывает на большую величину τ относительно момента времени t ступенчатого снижения управляющего напряжения от U до U. При этом момент времени t полного закрытия (получение минимального оптического пропускания) запаздывает на малую величину τ относительно момента времени t ступенчатого повышения управляющего напряжения от U до U.
view
view
image
frame
view
frame
Время показа (воспроизведения) t каждого из левого L (первого) и правого R (второго) изображений ракурсов 3D сцены на ЖК-экране 3, т.е. длительность t реализации светового потока изображения с интенсивностью J (фиг. 10) существенно короче времени номинального времени Т кадра: t составляет величину порядка двух миллисекунд при длительности каждого кадра T≈10÷8,3 миллисекунд (при частоте кадров 100-120 Гц соответственно).
1
2
1
2
image
L
L
R
R
Для минимизации переходных времен оптического отклика ДБФ 5 с целью увеличения яркости стереоизображения, воспринимаемого в окнах наблюдения W и W, используется параллельное электрическое управление обоими НЖК слоями 5, 5 (фиг. 11). Величина J соответствует интенсивности светового потока каждого из изображений левого L (первого) и правого R (второго) ракурса 3D сцены. Промежутки времени, соответствующие реализации максимального оптического пропускания C, левой зоны Q апертуры ДБФ 5, соответствуют промежуткам времени показа изображений левого ракурса L. Промежутки времени, соответствующие реализации максимального оптического пропускания C правой зоны Q апертуры ДБФ 5, соответствуют промежуткам времени показа изображений правого ракурса R.
L
1
2
0
1
2
min
L
1
max
1
rise
L
view
max
2
2
max
rise
L
max
1
2
3
4
adv
decay
Управление оптическим пропусканием левой зоны Q апертуры осуществляется подачей управляющих напряжений как на НЖК слой 5 посредством, например, адресных прозрачных электродов Е7 и Е8, так и на НЖК слой 5 посредством адресных прозрачных электродов Е9 и Е10 (фиг. 4). В начальный момент времени t оба НЖК слоя 5, 5 находятся под минимальным - нулевым - напряжением U (для простоты принятым равным 0 на фиг. 11), что соответствует случаю минимального оптического пропускания левой зоны Q апертуры (соответствующее первое оптическое состояние S1 последней иллюстрируется фиг. 5). В момент времени t начала показа изображения левого ракурса L между адресными прозрачными электродами Е7, Е8 подается максимальное электрическое напряжение U только на первый НЖК слой 5, что приводит к быстрому (за время t) открытию левой зоны Q апертуры до величины максимального оптического пропускания (соответствует четвертому оптическому состоянию S4, иллюстрируемому фиг. 8), которое реализуется в течение всего времени t воспроизведения изображения левого ракурса L за счет поддержания максимального напряжения U между электродами Е7, Е8. В момент t прекращения показа изображения левого ракурса L на второй НЖК слой 5 между адресными прозрачными электродами Е9, Е10 подается максимальное электрическое напряжение U, что приводит к быстрому (за время t) закрытию левой зоны Q апертуры (соответствует второму оптическому состоянию S2 последней, иллюстрируемому фиг. 6). Далее сохраняются максимальные значения напряжения U на обоих НЖК слоях 5 и 5 до момента t времени, который отстоит от начала (момент t времени) показа следующего изображения левого ракурса L на время t, большее времени τ
3
1
2
L
L
max
min
L
mid
mid
L
1
2
1
2
decay
L
4
max
2
L
5
max
1
L
В момент t времени одновременно понижают управляющее электрическое напряжение до нулевого значения на обоих НЖК слоях 5 и 5, что оставляет прежним минимальное значение оптического пропускания левой зоны Q апертуры, поскольку при этом происходит переход от второго оптического состояния S2 левой зоны Q апертуры, иллюстрируемого фиг. 6, к ее первому оптическому состоянию S1, иллюстрируемому фиг. 5. При этом для всех промежуточных состояний управляющего напряжения (в диапазоне от U до U) в течение времени малого Δt ступенчатого изменения напряжения левая зона Q апертуры характеризуется промежуточным оптическим состоянием S при промежуточных значениях управляющего напряжения U, для каждого из которых оптическое пропускание левой зоны Q апертуры равно нулю. (Величина Δt в основном определяется временем перезарядки емкости электрического конденсатора, образованного обкладками в виде адресных прозрачных электродов Е7, Е8 и диэлектриком в виде НЖК слоя 5 или 5). Процесс релаксации оптического отклика НЖК слоев 5, 5 в течение времени τ при ступенчатом снижении управляющего напряжения происходит без изменения оптического пропускания левой зоны Q апертуры. После этого в момент t времени подается максимальное управляющее напряжение U только на адресные прозрачные электроды E9-E10, примыкающие к второму НЖК слою 5. Это приводит к реализации максимального оптического пропускания левой зоны Q апертуры (соответствует третьему оптическому состоянию S3, иллюстрируемому фиг. 7). В момент t прекращения показа изображения левого ракурса L подается максимальное управляющее напряжение U также и на первый НЖК слой 5, что приводит к нулевому оптическому пропусканию левой зоны Q апертуры (соответствует второму состоянию S2 оптического пропускания, иллюстрируемому фиг. 6).
1
2
R
1
2
Рассмотренный алгоритм управления двумя НЖК слоями 5 и 5 используется аналогично для управления оптическим пропусканием правой зоной Q апертуры (фиг. 11) для выделения в правой зоне W2 наблюдения изображений только правого ракурса 3D сцены. Для этого управляющие напряжения подаются на адресные прозрачные электроды E11, Е12 НЖК слоя 5 и на адресные прозрачные электроды Е13, Е14 НЖК слоя 5.
Как правило, для корректной работы НЖК слоев требуется поддержание нулевого среднего напряжения на них (для предотвращения, в частности, образования постоянного объемного электрического заряда внутри НЖК слоев). Для этого используются два частных варианта модификации управляющего напряжения.
average
average
average
average
average
Первый частный вариант состоит в смене полярности напряжения на адресных управляющих электродах для достижения нулевого среднего напряжения в течение времени t усреднения (фиг. 12). Для этого выбирается повторяющийся фрагмент диаграммы управляющего электрического напряжения, которому соответствует половина времени усреднения t/2. Тогда n-й фрагмент диаграммы управляющего электрического напряжения воспроизводится с положительной полярностью управляющего напряжения в течении первой половины времени усреднения t/2, а следующий (n+1)-й фрагмент - с отрицательной полярностью в течение второй половины времени усреднения t/2. В итоге в течение полного времени t усреднения обеспечивается нулевое среднее значение управляющего напряжения.
carrier
carrier
carrier
carrier
1
carrier
max
1
carrier
carrier
Второй частный вариант реализации нулевого среднего значения напряжения состоит в использовании низкочастотной несущей (порядка нескольких килогерц), огибающей которой являются значения управляющего электрического напряжения (фиг. 13). На сплошной адресный прозрачный электрод Е1 подается управляющее напряжение U(0) в виде прямоугольной волны (меандра) с нулевой начальной фазой. На адресный прозрачный электрод Е2 подается управляющее напряжение U(180°) в виде прямоугольной волны (меандра) с начальной фазой 180°, т.е. управляющее напряжение U(180°) противофазно управляющему напряжению U(0). В итоге часть НЖК слоя 5, примыкающая к адресному прозрачному электроду Е2, находится под разностным знакопеременным управляющим напряжением ΔU(antiphase), уровень амплитуды которого равен максимальному значению напряжения U. Часть НЖК слоя 5, примыкающая к адресному прозрачному электроду Е3, находится под нулевым значением управляющего напряжения ΔU (in phase)=0, поскольку к адресным прозрачным электродам Е1 и Е3 приложены управляющие напряжения U (0) с синфазными несущими. Таким образом, получение максимального значения управляющего напряжения на выбранном участке НЖК слоя обеспечивается приложением взаимно противофазных несущих на два адресных прозрачных электрода, примыкающие к выбранному НЖК слою с разных его сторон, а получение нулевого значения управляющего напряжения выбранном участке НЖК слоя - приложение взаимно синфазных несущих на два адресных прозрачных электрода, примыкающие к выбранному НЖК слою с разных его сторон. При этом за период несущей обеспечивается нулевое среднее значение напряжения.
1
2
L
R
L
R
1
2
Для первого частного варианта реализации нулевого среднего значения управляющего напряжения обязательно использование только раздельных адресных управляющих электродов для каждого из НЖК слоев 5, 5 (как показано на фиг. 4). Это связано с тем, что смена полярности управляющего напряжения при реализации первого частного варианта происходит в разные промежутки времени для левой Q и правой Q зон апертуры (фиг. 12), поэтому здесь невозможно использовать сплошной (общий для обеих парциальных апертур Q, Q) адресный прозрачный электрод для какого-либо из НЖК слоев 5, 5.
1
2
1
2
Для второго частного варианта реализации нулевого среднего значения управляющего напряжения возможно использование по одному общему адресному прозрачному электроду (E1, Е4) для каждого из НЖК слоев 5, 5 (как показано на фиг. 3), поскольку частота несущей одинакова для всех управляющих напряжений (подаваемых на все адресные прозрачные электроды), а задание уровня напряжения на участках НЖК слоев 5, 5 обеспечивается соответствующим выбором фазы несущей (фаза 0° для нулевого значения управляющего напряжения или 180° для максимального значения управляющего напряжения) на раздельных прозрачных электродах (Е2, Е3, Е5, Е6) при условии, что на сплошные адресные прозрачные электроды E1, Е4 подано напряжение в виде несущей с нулевой фазой.
Увеличение яркости наблюдаемого стереоизображения достигается в видеосистеме за счет двух технических результатов.
R
L
R
L
rise
rise
view
view
decay
R
L
decay
frame
Основной технический результат состоит в практически полном открытии каждой из зон Q, Q апертуры ДБФ 5 за время показа каждого соответствующего изображения ракурса. Это обусловлено тем, что время открытия и время закрытия каждой зон Q, Q апертуры ДБФ 5 определяется только коротким временем τ оптического отклика каждого НЖК слоя на скачкообразное повышение управляющего напряжения до максимального рабочего значения. Время τ составляет около 50-100 микросекунд при длительности t≈2 миллисекунды показа изображения каждого ракурса (т.е. время открытия и закрытия равны времени составляют вместе не более 1% от времени показа t). Время τ релаксации каждого из НЖК слоев не влияет на время открытия каждой из зон Q, Q апертуры (время τ ограничивает только максимальную частоту следования циклов переключения, т.е. минимальную величину T).
Оптическое пропускание каждого НЖК слоя для входящего линейно поляризованного света, составляющего угол 45° относительно оси для обыкновенного луча, составляет не менее 90% [2]. Поэтому использование двух НЖК слоев мало влияет на общее оптическое пропускание ДБФ по сравнению с использованием в нем одного НЖК слоя.
Дополнительный технический результат состоит в том, что линейный поляризатор 4 на выходе ЖК-экрана 3 дисплея 2 используется одновременно в качестве входного поляризатора для НЖК структуры ДБФ 5 (т.е. нет необходимости в использовании дополнительного линейного поляризатора в ЖК-структуре ДБФ 5, наличие которого привело бы к снижению общего оптического пропускания). Поскольку ДБФ имеет фиксированное угловое положение относительно экрана дисплея, то использование одного линейного поляризатора для экрана и ДБФ является оптимальным решением из-за отсутствия причин для появления углового рассогласования НЖК структуры ДБФ 5 и линейного поляризатора 4 при сохранении исходной юстировки последнего.
Промышленная применимость
Конкретным примером практического выполнения каждого из НЖК слоев ДБФ является π-ячейка (π-структура) [4] либо ЖК-структура с S-эффектом [5].
Стереоскопическая видеосистема с ДБФ может быть использована для реализации автостереоскопического (безочкового стереоскопического) отображения 3D сцен при работе с любым 3D дисплеем, изначально предназначенным (произведенным промышленностью или разработанным в лаборатории) для работы с активными стереоочками, т.е. попеременно воспроизводящим на одном и том же экране изображения двух (левого и правого) ракурсов 3D сцены. Для этого достаточно вместе с данным 3D дисплеем вместо активных стереоочков использовать ДБФ, геометрические параметры которого выбираются из соотношений (3) и (4).
Стереоскопическая видеосистема с ДБФ может быть использована для безочкового наблюдения стереоизображений с увеличенной яркостью (по сравнению с наблюдением через стереоочки фирмы nVidia) на экране жидкокристаллических (ЖК) дисплеев, работающих с попеременным показом изображений ракурсов трехмерных (3D) сцен в режиме 3D Vision [2].
ДБФ может использоваться в качестве окна безочкового просмотра стереоизображения в каждом индивидуальном зрительском месте (сотового типа) в 3D кинотеатрах, в которых используется попеременное воспроизведение изображений двух ракурсов (вместо использования стереоочков XPAND) [1] с учетом того, что в подобных кинотеатрах кадровая частота работы стерео видеопроектора (марки Christie) может составлять до 160-200 Гц.
Литература
1. Abileah А. 3D displays - technologies and testing methods. - Journal of the Society for Information Displays, 2011, V. 19, No. 11, pp. 749-763.
2. Yang D.-K., Wu S.-T. Fundamentals of liquid crystal devices. - John Wiley & Sons, London, 2006.
3. Slavenburg G.A. System, method and computer program product for controlling stereo glasses shutters. - Патент США №7724211, опубл. 25.05.2010.
4. Ежов В.А., Студенцов С.А. Автостереоскопический дисплей с квазинерпрерывным спектром ракурсов. - Патент РФ №2306678, заявл. 07.02.2006, опубл. 20.09.2007.
5. Bos P. Rapid starting, high-speed liquid crystal variable optical retarder. - Патент США №4566758, опубл. 28.01.1986.
6. Блинов Л.М. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах. - Успехи физических наук, 1974, т. 114, вып. 1, с. 72.