ТРЕХМЕРНЫЙ ДИСПЛЕЙ
3D DISPLAY

Изобретение относится к средствам отображения информации и может быть использовано для отображения трехмерных объектов и сцен, в частности, в системах навигации, машинного проектирования и конструирования для визуализации томографической информации и при проведении сложных операций в медицине, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, в компьютерных тренажорах и играх, рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.
Создание систем наиболее полного - трехмерного отображения реального мира прямо или косвенно повлияет на все сферы деятельности человека и инициирует создание и развитие целого ряда научных направлений и технологий. Поэтому попытки разработки эффективных трехмерных дисплеев не прекращаются уже в течение многих лет, с тех пор как появились двумерные дисплеи.
В трехмерном дисплее чаще всего используют двухмерный (плоский) материал, а чтобы получить объемный эффект, т.е. для преобразования двумерного изображения в трехмерное, используют дополнительные оптические элементы и технические средства, а также сложное программное обеспечение. Однако стереоскопический (даже многоракурсный) и голографический принципы формирования трехмерных изображений создают лишь иллюзию трехмерного объекта и не обеспечивают полного угла обзора сцены с параллаксами в обеих ортогональных плоскостях [1].
z
x
y
Наибольшая реалистичность изображения достигается в трехмерном дисплее с объемным экраном, использующим рассеяние света для отображения данных [1, 2]. На Фигуре 1 показана схема получения трехмерного изображения в таком экране, где изображены: объемная среда 1 (зона визуализации или визуализатор), состоящая из N виртуальных плоскостей 2 с числом разрешимых элементов N×N, в которых за счет рассеяния света визуализируются изображения 3 сечений объекта, поступающие от формирователя этих изображений.
Основными конструктивными узлами трехмерного дисплея с объемным экраном, следовательно, являются [2]:
- узел формирования изображений сечений объекта, например устройство сканирования светового луча или видеопроектор,
- объемный экран как область визуализации изображений сечений объекта, например рассеивающая свет пластина, перемещаемая в свободном пространстве, или многослойная среда с поочередно включаемым в слоях светорассеянием,
- оптическая система переноса формируемых изображений сечений объекта в объемный экран, и
- узел управления всей системой трехмерного дисплея с соответствующим программным обеспечением.
В трехмерном дисплее с объемным экраном сечение за сечением в реальном времени (не менее 25 трехмерных образов в секунду) формируется объемный световой макет объекта. Он имеет все визуальные характеристики реального трехмерного изображения и потому при его наблюдении нет глазной и нервной усталости, присущей при использовании специальных очков; нет скачков изображения и позывов тошноты, присущих наблюдению в автостереоскопических системах; при осмотре светового макета также нет ограничений в выборе позиции для наблюдателей. Формирование трехмерного изображения по его сечениям и его визуализация могут не разделяться во времени, т.е. осуществляться одновременно, и не требуют вычисления каких-либо ракурсов. Наконец, что очень важно для научных и технических приложений (включая военные), благодаря визуализации сечений появляется совершенно новая функциональная возможность наблюдать внутреннюю пространственную структуру объекта или сцены и выделять в ней интересующие нас фрагменты.
d
d
z
z
d
z
Главным условием успешной работы трехмерного дисплея с объемным экраном является высокая скорость ввода и визуализации изображений сечений объекта. Если время цикла визуализации картины одного сечения τ, то для качественного воспроизведения трехмерного изображения всего объекта (сцены) должно выполняться соотношение τ·N≤1/25 секунды. Таким образом, чем больше число сечений N, тем быстрее эти сечения должны быть сформированы и отображены в объемном экране. И наоборот, известное значение τ времени цикла визуализации устанавливает предельное число сечений N, т.е. возможную глубину визуализации объекта вдоль оси Z с помощью данного дисплея при работе в реальном времени. К сожалению, именно требование малого времени оптического отклика среды на управляющее воздействие не позволяет использовать в объемном экране практически ни один из известных материалов для двумерных дисплеев.
Впервые коммерческий вариант работающего в реальном времени трехмерного дисплея с объемным экраном был продемонстрирован в 2002 г. американской компанией Actuality Systems, Inc. [3]. В дисплее, названном «Perspecta Spatial 3D Platform», использовался диск, который вместе с закрепленной на нем светорассеивающей пластиной вращался в свободном пространстве внутри прозрачной полусферы высотой 50 см. Размер области визуализации изображений приближался к 25 см. Объемное изображение выглядело целым при скорости вращения диска 25 об/сек и более.
Ввод сечений изображений осуществлялся с помощью цифрового трехчипового видеопроектора DLP фирмы Texas Instruments, Inc. [4] производительностью до 22 Гб/сек, который способен в реальном времени формировать в секунду до 1000 сечений объекта - цветных изображений форматом 1024×748 пикселей. Видеопроектор создан на основе микродисплея, представляющего собой матрицу отклоняемых микрозеркал. Такая матрица формируется на кремниевой подложке с управляющей электроникой, сигналы которой заставляют быстро (за 16 микросекунд) отклоняться тонкое и легкое микрозеркальце, закрепленное на шарнире. Шкала серого и, соответственно, оттенки цветов в изображениях обеспечиваются за счет повторения отклонений с разной частотой.
Разработка дисплея «Perspecta Spatial 3D Platform» представляла собой существенный рывок в создании трехмерных информационных дисплеев, однако для нее характерны следующие существенные недостатки, достаточно очевидные из используемого в ней механического принципа перемещения плоскостей сечений: необходимость стабилизации вращения пластины, защиты от нее оператора и вакуумирования пространства внутри полусферы; сложный профиль пластины и сложное программное обеспечение для компенсации разницы линейных скоростей в разных точках рассеивателя; наличие «мертвой зоны» в околоосевом пространстве вследствие нулевой линейной скорости движения там рассеивателя, трудности синхронизации и масштабирования всей системы.
Известен трехмерный дисплей с объемным экраном (Фигура 2), свободный от указанных недостатков, а именно дисплей, описанный в патенте РФ №2219588, 2003 г. [5]. В нем трехмерное изображение визуализируют в многослойной электрооптической среде при сканировании светового луча в двухмерной плоскости (плоскости изображения сечения) и одновременном приложении электрического напряжения к лежащему в этой плоскости рассеивающему свет слою объемной среды. Дисплей не содержит движущихся узлов, «мертвой зоны» и сложной конфигурации рассеивающей поверхности.
В патенте [5] предложено устройство дисплея, работа которого поясняется схемой на Фигуре 2. В среде 1 к заданному по координате z функциональному светорассеивающему слою 4, расположенному в виртуальной плоскости 2 сечения объекта, прилагается электрическое напряжение от блока адресации 10, переключающее этот слой в рассеивающее свет состояние. Изображение сечения визуализируется в нем благодаря тому, что в момент рассеяния в плоскости слоя сканируют по координатам x и y световой луч 8. Для формирования изображения используется источник света (лазер) 5 с высокочастотным оптическим модулятором 6 и двумерный сканер (дефлектор) 7. Управляет формированием изображений сечений и их визуализацией процессор 9. Включая поочередно рассеяние света во всех слоях многослойной среды и одновременно с этим сканируя световой луч по рассеивающему слою, визуализируют все сечения трехмерного объекта и тем самым формируют его целостный световой макет. Предполагается, что цветное изображение трехмерного объекта образуют при использовании лазеров с красным, зеленым и синим излучением и при совмещении их лучей в оптической системе.
Основным недостатком рассматриваемого дисплея является недостаточное быстродействие устройства формирования изображений сечений. Действительно, при времени позиционирования лазерного луча 1 мкс можно визуализировать за 1/25 секунды только 40 тысяч позиций луча. Это пригодно, например, для указания положения самолетов в заданных эшелонах контролируемой воздушной зоны, но не обеспечивает визуализацию стандартного цветного изображения даже в одной плоскости объемного экрана, где требуется порядка миллиона пикселей.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является трехмерный дисплей с объемным экраном «DepthCube Z1024», продемонстрированный в 2004 г. американской компанией Light Space Technology [6]. Внешне DepthCube Z1024 выглядит как обычный телемонитор с электронно-лучевой трубкой, но имеет выступающий экран, внутри которого и формируются трехмерные изображения [6]. Они наблюдаются с параллаксом в пространстве углов 80°×80° по горизонтали и вертикали. Поскольку все элементы в картинах сечений имеют одинаковые размеры и визуализируются в одинаковых условиях, то дисплеем воспроизводится очень точное и достаточно глубокое изображение трехмерного объекта, которое выглядит совершенно непрерывным и плавно оглядываемым.
Схема дисплея «DepthCube Z1024» показана на Фигуре 3, где изображены: зона визуализации 1, виртуальные плоскости 2, в которых визуализируются изображения 3 сечений светового макета трехмерного объекта, модуляторы 11 со светорассеивающими слоями 4 в плоскостях 2, осуществляющие визуализацию трехмерного изображения, видеопроектор 12; блок ввода электронных данных 13; процессор 9 с дисплеем 14; блок адресации модуляторов 10.
Зона визуализации 1 формируется здесь пакетом из 20 параллельных друг другу электрооптических светорассеивающих модуляторов 4. Когда один из них находится в рассеивающем состоянии, остальные 19 модуляторов сохраняют прозрачное состояние. Переключение любого из модуляторов в рассеивающее состояние и проецирование на модулятор соответствующей картины сечения осуществляется поочередно.
В качестве материала модулятора в дисплее DepthCube Z1024 используется стабилизируемый полимером жидкий кристалл (ЖК), в котором электрическое поле вызывает трансформацию типа ЖК, а именно из исходного холестерического типа (рассеивает свет) в нематический [6]. Реально переключение из светорассеивающего состояния в прозрачное осуществляется за 240 микросекунд при напряжении 100 В. Обратный переход, осуществляемый после снятия электрического напряжения, гораздо более медленный. В итоге динамика переключения светорассеяния ограничивает глубину объемного изображения только двадцатью сечениями.
Ввод сечений изображений осуществлялся с помощью того же цифрового трехчипового видеопроектора DLP фирмы Texas Instruments, Inc. [4], наиболее быстродействующего до настоящего времени. К сожалению, используемый в нем микродисплей на основе матрицы микрозеркал не отличается высокой надежностью и долговечностью вследствие механического принципа отклонения микрозеркал.
Кроме этого, другим существенным недостатком рассматриваемого дисплея, выступающего прототипом по отношению к заявляемому изобретению, является недостаточное быстродействие светорассеивающих модуляторов, позволяющее визуализировать в реальном времени лишь 20 сечений объекта. К тому же адресацию этих модуляторов затрудняет тот факт, что в момент ввода каждого изображения сечения все модуляторы, кроме одного, сохраняющего состояние рассеяния, должны находиться под напряжением 100 В, чтобы оставаться прозрачными.
Таким образом, трехмерный дисплей «DepthCube Z1024», использующий жидкокристаллический материал в объемном экране и микрозеркальный трехчиповый видеопроектор DLP для формирования изображений сечений, обеспечивает в реальном времени визуализацию полноформатных (до 1024 пикселов в строке) цветных трехмерных изображений глубиной в 20 сечений. Однако в такой системе:
- ограниченное быстродействие используемого жидкокристаллического материала не позволяет увеличить число визуализируемых сечений до значений в 30-100 сечений, необходимых для отображения результатов решения большинства практических задач,
- используемый тип жидкокристаллического материала требует высокого напряжения (100 вольт) для переключения из состояния рассеяния в прозрачное состояние и не обеспечивает бистабильной характеристики светорассеяния, наиболее приемлемой для использования в светорассеивающей объемной среде,
- используемый видеопроектор DLP на основе микрозеркального микродисплея с управляющей кремниевой матрицей, хотя и является быстродействующим, но также не обеспечивает формирование в реальном времени 30-100 сечений, необходимых для отображения результатов решения большинства практических задач,
- в силу недостаточного быстродействия видеопроектора DLP нет возможности использовать в нем метод последовательного по времени формирования цветов в изображениях, обеспечивающий наряду с упрощением технологии изготовления микрозеркального микродисплея более высокое качество формируемого изображения,
- используемая в видеопроекторе матрица микрозеркал не отличается высокой надежностью в работе и долговечностью (служит только 2-3 года).
Задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является создание надежного и долговечного трехмерного дисплея, способного формировать и визуализировать с высоким качеством в реальном времени и при меньшем управляющем напряжении 30-100 сечений отображаемого трехмерного объекта. Из сказанного выше следует, что для решения задачи необходимо создание как объемного экрана на основе новой более быстродействующей многослойной электрооптической светорассеивающей среды, так и нового более скоростного видеопроектора для формирования изображений сечений трехмерного объекта. Тем самым задача разбивается на две части и в целом не может быть решена без решения каждой из них.
Сущность изобретения
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном трехмерном дисплее с объемным экраном, состоящим из пакета светорассеивающих жидкокристаллических модуляторов, и с видеопроектором на основе микродисплея, формирующим изображения сечений трехмерного объекта в плоскостях расположения светорассеивающих жидкокристаллических модуляторов, новым является то, что:
1) в качестве электрооптической среды в светорассеивающих жидкокристаллических модуляторах объемного экрана и в микродисплее видеопроектора выбран жидкий кристалл смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами (СЖК);
0
s
φ
R
имп
2) в модуляторах объемного экрана толщина слоя СЖК d, шаг геликоида p, спонтанная поляризация P, модуль упругости K, определяющий деформацию СЖК по азимутальному углу φ с волновым вектором q, и электрическое поле E, определяющее время переориентации директора τ при воздействии управляющего импульса напряжения длительностью τ, выбраны следующими:
исходя из условия получения максимального электрически управляемого рассеяния света на переходных доменах и получения характеристики светорассеяния бистабильного типа;
3) для создания микродисплея видеопроектора выбрана структура типа FLCOS
0
φ
Q
[7, 8], представляющая собой матрицу дисплейных ячеек - пикселов с СЖК (в английской аббревиатуре - FLC) на кремниевой пластине (в английской аббревиатуре OS - на кремнии), причем толщина слоя СЖК d, шаг геликоида p, модуль упругости K, определяющий деформацию СЖК по азимутальному углу φ с волновым вектором q, и граничные условия, определяемые квадратичным коэффициентом W энергии сцепления СЖК с граничащей поверхностью, выбираются из условия обеспечения частичной раскрутки геликоида в отсутствие электрического поля и фазовой модуляции света с характеристикой аналогового типа и соотносятся как:
0
0
Для пояснения сущности предлагаемого изобретения рассмотрим физическую модель электрооптической ячейки с СЖК, показанную на Фиг.4 [9]. Здесь 15 -прозрачные диэлектрические пластины (подложки); 16 - прозрачные токопроводящие покрытия, покрытые ориентантом; 17 - плоскости смектических слоев жидкого кристалла, перпендикулярные поверхности пластин 15; 18 - источник электрического напряжения;  - вектор электрического поля, расположенный в плоскости смектического слоя;  - вектор, показывающий направление ориентации длинных осей молекул в смектических слоях (директор СЖК);  - вектор спонтанной поляризации; p - шаг геликоида; L - нормаль к смектическим слоям; X - координатная ось, перпендикулярная пластинам 15; Z - координатная ось, параллельная пластинам 15; Z - координатная ось, совпадающая по направлению с вектором ; Θ- угол наклона длинных осей молекул по отношению к вектору  (угол между векторами  и  - полярный угол); φ - угол в плоскости XY между нормалью к пластинам и вектором  (азимутальный угол); П и А - направления осей пропускания поляризатора и анализатора; I - интенсивность падающего на ячейку света; I - интенсивность промодулированного ячейкой света; β - угол между анализатором и осью геликоида Z.
s
0
В слое СЖК направление преимущественной ориентации длинных осей молекул (направление директора) определяется полярным углом Θ, на который они наклонены относительно нормали к смектическим слоям, и азимутальным углом φ в плоскости смектического слоя. Благодаря особой стехиометрии молекул каждый слой в отсутствие внешних воздействий обладает спонтанной поляризацией, вследствие чего СЖК имеют высокую чувствительность к действию электрического поля. Вектор поляризации P лежит в плоскости смектического слоя и направлен вдоль полярной оси, а полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга так, что образуется равновесная спирально закрученная структура - геликоид с шагом p.
Слой СЖК располагается между подложками 15 с нанесенными на них токопроводящими покрытиями 16. Модулятор или дисплейная ячейка управляется знакопеременными электрическими импульсами от источника электрического напряжения 18. При приложении к СЖК электрического поля вектор поляризации каждого смектического слоя устанавливается вдоль силовых линий поля, а длинные оси молекул располагаются в плоскости слоя СЖК под углом Θ к оси геликоида. При смене знака поля вектор поляризации разворачивается в обратном направлении, а длинные оси молекул как образующие конуса переходят в положение - Θ в той же плоскости, т.е. смещаются на 2Θ по отношению к предыдущему положению. Переориентация длинных осей молекул сопровождается изменением двулучепреломления слоя СЖК, а следовательно, фазовой модуляцией проходящего света, которая преобразуется в амплитудную с помощью поляризатора и анализатора.
0
S
Для создания светорассеивающих модуляторов предлагается выбрать СЖК - материалы с шагом геликоида p, много меньшим толщины слоя d, в которых при приложении знакопеременного электрического поля происходит образование так называемых переходных доменов, то есть участков, где некоторое количество дипольных моментов молекул расположено против направления поля, разделяющих области с ориентацией диполей по направлению поля [10]. Переходные домены представляют собой связанное состояние двух 180° доменных стенок разных знаков. При достижении некоторого критического поля стенки начинают двигаться, причем стенки разного знака движутся в противоположных направлениях. Стенки движутся таким образом, чтобы объем энергетически выгодного домена увеличивался за счет домена энергетически невыгодного. В результате во всех смектических слоях азимутальный угол φ становится одинаковым и равным 0 или π в зависимости от направления поля, а вектор P ориентирован по направлению поля. Инверсия знака электрического поля вновь индуцирует образование переходных доменов и начинается процесс, аналогичный описанному выше.
Образование переходных доменов вызывает появление градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида и сопровождается интенсивным рассеянием света [8]. Согласно экспериментальным данным при фиксированной напряженности электрического поля (амплитуде знакопеременных импульсов управляющего напряжения) максимальная эффективность светорассеяния и максимальное светопропускание электрооптической ячейки достигаются при разной длительности импульсов. Так, для переключения в состояние с максимальным светопропусканием, которому соответствует полное отсутствие переходных доменов, требуется в 1,5÷2 раза большая длительность импульсов. Соответственно, при фиксированной длительности импульсов для получения максимального светопропускания ячейки требуется большая амплитуда импульсов, чем для достижения максимальной эффективности светорассеяния.
S
имп
R
При любой напряженности электрического поля, достаточной для переориентации вектора спонтанной поляризации P и директора СЖК, существует минимальная длительность импульса, переводящего структуру из прозрачного в рассеивающее состояние и наоборот. Если длительность импульса управляющего напряжения τ меньше времени переориентации директора τ, то максимальная эффективность светорассеяния или максимальное светопропускание электрооптической ячейки не достигаются.
имп
R
φ
0
0
0
В случае, когда τ≥τ, достигается максимальная эффективность светорассеяния или максимальное светопропускание электрооптической ячейки (в зависимости от полярности электрического поля), а после выключения поля структура релаксирует в невозмущенное состояние с геликоидальной закруткой директора. Если напряженность электрического поля велика настолько, что энергия взаимодействия поля со спонтанной поляризацией значительно превышает упругую энергию СЖК: , то после окончания действия импульса напряжения задержка релаксации структуры в состояние с геликоидальной закруткой директора может достигать нескольких секунд. Здесь K - модуль упругости, определяющий деформацию по азимутальному углу ориентации директора φ, a q - волновой вектор деформации, в отличие от q=2π/p - волнового вектора невозмущенного геликоида, характеризующегося шагом p.
R
Таким образом, при выполнении условий (1-3) на параметры импульса напряжения параметры слоя СЖК и величину электрического поля E, определяющего время переориентации директора τ, оба оптических состояния структуры, как с максимальным светопропусканием, так и с максимальной эффективностью светорассеяния, сохраняются в течение нескольких секунд после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности. Такой бистабильный режим рассеяния наиболее благоприятен для использования СЖК в светорассевающих модуляторах, предназначенных для использования в объемном экране трехмерного дисплея.
Для создания быстродействующего микродисплея предлагается выбрать электрооптическую ячейку на основе СЖК, в которой в отличие от предыдущего случая электрическое поле осуществляет модуляцию не рассеяния, а фазы света, преобразуемую с помощью поляроидов в модуляцию интенсивности [9]. В принципе, подобный микродисплей известен - это микродисплей на основе структуры FLCOS [7, 8]. В кремниевой пластине этой структуры создаются интегральные схемы, управляющие жидкокристаллической матрицей. Информация с дисплея считывается светом от внешнего источника при отражении его от зеркальных электродов дисплейных ячеек на поверхности кремниевой пластины.
0
В микродисплее на основе структуры FLCOS компании Displaytech [7, 8] в СЖК-ячейках используется электрооптический эффект Кларка-Лагервола [11], для которого необходимо выполнение соотношения p>>d, т.е. шаг геликоида должен быть много больше толщины слоя СЖК или, правильнее,
При ограниченной величине прикладываемого к ячейке электрического напряжения (менее ±3 В), обусловленной применением управляющих интегральных схем, для достижения высокой скорости модуляции света приходится увеличивать напряженность электрического поля, т.е. уменьшать толщину слоя СЖК. Однако в тонких, порядка одного-полутора микрон, слоях СЖК электрооптическое переключение имеет бистабильный характер вследствие сильного взаимодействия слоя с ограничивающими его поверхностями. То есть модуляционная характеристика дисплейной ячейки Кларка-Лагервола имеет только два уровня: с минимальной (нулевой) и максимальной (единичной) интенсивностью света, прошедшего за анализатор.
Чтобы преодолеть ограничение, связанное с отсутствием физической передачи полутонов (шкалы серого), а вместе с ней и цветов, компанией Displaytech было предложено формировать шкалу серого путем модуляции света с разной частотой [7, 8]. При этом кремниевая управляющая матрица обеспечила широкополосный режим модуляции света, позволяющий формировать до 250 цветных изображений в секунду. Это намного больше, чем могут обеспечить микродисплеи на основе структуры LCOS с относительно «медленными» нематическими ЖК, предназначенные для отображения видеоинформации в стандартных двумерных дисплеях. Поэтому в проекционных дисплеях компании Displaytech на основе микродисплея со структурой FLCOS благодаря выигрышу в быстродействии уже используется последовательная (поочередная) смена цветов вместо параллельной (пространственной), что упрощает технологию дисплея (вместо трех микродисплеев требуется один) и улучшает качество изображений [8].
Учитывая необходимость частотной модуляции в структуре FLCOS для формирования шкалы серого, скорость формирования цветных изображений в таких микродисплеях все же значительно (почти на порядок) уступает скорости их формирования в микродисплеях DLP на основе матрицы микрозеркал. Однако последние, как уже было сказано ранее, хотя и являются на сегодняшний день самыми быстродействующими, не могут обеспечить формирование 30-100 изображений сечений в объемном экране. Следовательно, несмотря на потенциально высокую частоту модуляции света структурой FLCOS, обусловленную использованием управляющей кремниевой матрицы, электрооптический эффект Кларка-Лагервола в СЖК не может обеспечить необходимой скорости формирования цветных изображений в этой структуре.
Для создания быстродействующего микродисплея на основе структуры FLCOS предлагается использовать СЖК, для которого шаг геликоида, толщину слоя и граничные условия выбирают из условия (4). Выполнение этого условия обеспечивает в отсутствие электрического поля деформацию слоя СЖК в виде частичной раскрутки геликоида. При этом толщину слоя СЖК следует выбирать в интервале 0,9÷1,0 мкм, чтобы удовлетворить условию ахроматического пропускания света в видимом диапазоне длин волн при двойном прохождении (с отражением) модулируемого излучения. Кроме того, диэлектрическое покрытие для лучшего удовлетворения условию (4) может граничить со слоем СЖК только с одной стороны. В этих условиях в СЖК возможна безгистерезисная аналогового типа характеристика модуляции света на частотах в несколько килогерц с временем отклика в несколько десятков микросекунд при напряжении менее ±3 В, совместимом с использованием управляющих кремниевых интегральных схем. Поскольку такая характеристика уже передает градации серого, то большие возможности управляющей кремниевой матрицы будут полностью использованы для широкополосной адресации жидкокристаллической матрицы. В результате структура FLCOS будет способна воспроизводить цветные изображения с частотой до 8 кГц, что, в принципе, обеспечит и визуализацию 30-100 изображений сечений в объемном экране, и последовательное во времени формирование цветов.
Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что по сравнению с прототипом в трехмерном дисплее для создания объемного экрана выбраны модуляторы света на основе светорассеивающих СЖК, в том числе с бистабильной характеристикой включения-выключения рассеяния, удовлетворяющих условиям (1-3), а для создания скоростного видеопроектора выбран микродисплей на основе структуры FLCOS с СЖК, параметры которых и граничные условия удовлетворяют условию (4).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание трехмерного дисплея:
1) с объемным экраном, составленным из пакета в 30-100 быстродействующих светорассеивающих модуляторов на основе СЖК, и
2) с видеопроектором на основе быстродействующего микродисплея со структурой FLCOS, использующего прозрачный (нерассеивающий свет) низковольтный СЖК и благодаря этому обеспечивающего формирование в реальном времени 30-100 изображений сечений трехмерного объекта с последовательной во времени сменой цветов.
Использование нового объемного экрана и нового видеопроектора, и только в совокупности, обеспечивает создание трехмерного дисплея, осуществляющего формирование и визуализацию с высоким качеством, в реальном времени и при меньшем управляющем напряжении 30-100 сечений отображаемого трехмерного объекта, что до 5 раз выше, чем у прототипа. Однако светорассеивающие модуляторы и микродисплей на основе структуры FLCOS с предложенными характеристиками представляют и самостоятельный интерес, так как могут быть с успехом использованы независимо в различных устройствах и системах отображения и обработки информации.
Преимущества заявляемого трехмерного дисплея реализуются:
1) в части объемного экрана - за счет выбора СЖК и граничных условий для бистабильной модуляции в нем светорассеяния при управляющем напряжении 30-50 В,
2) в части видеопроектора - за счет выбора СЖК и граничных условий для фазополяризационной модуляции света аналогового типа с частотой до 8 кГц при управляющем напряжении менее ±3 В.
Главными достоинствами заявляемого трехмерного дисплея по сравнению с прототипом в итоге являются:
- повышение в несколько раз быстродействия включения-выключения светорассеяния в новом жидкокристаллическом материале объемного дисплея,
- уменьшение в 1,5-3 раза управляющего напряжения, необходимого для переключения жидкокристаллического материала из состояния рассеяния в прозрачное состояние и обратно,
- обеспечение бистабильной характеристики светорассеяния, наиболее приемлемой для использования в светорассеивающей среде объемного дисплея,
- повышение в несколько раз скорости формирования изображений в новом видеопроекторе,
- повышение надежности и долговечности работы видеопроектора,
- возможность использования метода последовательного по времени формирования цветов в изображениях сечений.
При этом из уровня техники не очевидно, что в трехмерном дисплее с объемным экраном на базе пакета светорассеивающих модуляторов и с видеопроектором на базе микродисплея с управляющей кремниевой матрицей всех перечисленных достоинств как для модуляторов, так и для микродисплея можно добиться только за счет выбора соответствующих жидких кристаллов и граничных условий.
Для улучшения характеристик модуляции света в светорассеивающих модуляторах и в модулирующей фазу и поляризацию света структуре FLCOS можно в отдельности или в совокупности использовать изменение типа и состава жидкокристаллического вещества, изменение схемы, компонентов и режима управления, видоизменение конструкции модуляторов и структуры FLCOS и т.п.
Таким образом, использование в известном трехмерном дисплее нового объемного экрана и нового видеопроектора позволяет создать более быстродействующий, надежный и долговечный трехмерный дисплей, обеспечивающий в реальном времени формирование и визуализацию с высоким качеством и при меньшем управляющем напряжении 30-100 сечений трехмерного объекта, что до 5 раз выше, чем у прототипа.
Промышленная применимость
Предлагаемый трехмерный дисплей с новым объемным экраном и новым видеопроектором является по сравнению с прототипом более быстродействующим и низковольтным и обеспечивает большую до 5 раз глубину отображения объемного предмета или сцены с лучшими характеристиками как светорассеяния, так и формирования цветов в изображениях. Это делает возможным его применение для решения многих практических задач в навигации, машинном проектировании и конструировании, в отображении томографической и др. информации в медицине, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, в компьютерных тренажерах и играх, в рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.
Примеры осуществления изобретения
По предлагаемому изобретению были изготовлены экспериментальные образцы светорассеивающих модуляторов для объемного экрана и прозрачных дисплейных ячеек для микродисплея со структурой FLCOS, в которых использовались соответственно светорассеивающие и фазомодулирующие геликоидальные СЖК.
В экспериментальных образцах светорассеивающих модуляторов благодаря подобранным параметрам СЖК и граничным условиям, импульсному режиму включения рассеяния света, а также режиму выключения рассеяния, которые удовлетворяли условиям (1-3), в ячейках толщиной 13-16 мкм (шаг геликоида составлял 0, 5 мкм) было получено эффективное рассеяние света, в том числе с бистабильной характеристикой.
При амплитуде импульсов ±80 В для переключения электрооптической ячейки в состояние с максимальной эффективностью светорассеяния в эксперименте потребовалась длительность импульса порядка 150 мкс. Практически столько же времени требуется для выключения процесса рассеяния. Для переключения ячейки в состояние с максимальным светопропусканием требуется длительность импульса противоположной полярности порядка 300 мкс. Максимальное светопропускание ячейки в бистабильном режиме составляло более 80%, а контрастное отношение - не менее 100:1. Оба оптических состояния сохранялись без уменьшения светопропускания и контрастного отношения в течение нескольких секунд после окончания действия соответствующих импульсов.
В экспериментальных образцах прозрачных (не светорассеивающих, но фазомодулирующих) отражающих свет дисплейных ячеек для микродисплея со структурой FLCOS параметры слоя СЖК и граничные условия для него были выбраны из условия (4). Толщина слоя СЖК составляла 1,0 мкм, чтобы удовлетворить условию ахроматического пропускания света отражающей этот свет ячейкой. В некоторых ячейках диэлектрическое покрытие из двуокиси алюминия толщиной 80 нм граничило со слоем СЖК только с одной стороны. Шаг геликоида составлял 0,45 мкм. Взаимодействие молекул с поверхностью приводило к частичной раскрутке геликоида в отсутствие электрического поля.
При приложении электрического поля время электрооптического отклика составило 35 мкс при частоте управляющего напряжения 2 кГц и напряженности поля 1 В/мкм, а при частоте 4 кГц - 30 мкс. Эти данные убеждают в том, что дисплейные ячейки на основе предлагаемых СЖК позволяют получить непрерывную модуляционную характеристику на частотах в несколько килогерц с временем отклика в несколько десятков микросекунд при управляющем напряжении менее ±3 В. Модуляционная характеристика практически не обнаруживала гистерезиса и была подобной по форме для ячеек на основе нематических ЖК.
Таким образом, рассмотренные выше примеры осуществления изобретения подтверждают его дееспособность, а также существенные преимущества по сравнению с прототипом.
Литература
1. Image Processing for 3D Information Displays (edited by V.V.Petrov). Proceedings of SPIE, v.5821 (2005).
2. I.N.Kompanets, S.A.Gonchukov. 3-D medium based displays. Proc. SPIE, v.5821, 134-145 (2005).
3. www.actuality-systems.com
4. www.dlp.com
5. I.N.Kompanets, S.A.Gonchukov. Способ формирования трехмерных изображений и устройство для его осуществления. Патент РФ №2219588 (2003) с приоритетом от 26.04.2002 г.
6. www.lightspacetech.com
7. O'Callaghan M.J., Handschy M.A. Ferroelectric liquid crystal SLMs: from prototypes to products. Proc. SPIE, v.4457, 31-42 (2001).
8. www.micron.com/displaytech
9. Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev E., Zerrouk A. Advances of FLC device technology. Proc. SPIE, v.4511, 82-91 (2001).
10. А.Л.Андреев, Ю.П.Бобылев, И.Н.Компанец, Е.П.Пожидаев, Т.Б.Федосенкова, В.М.Шошин, Ю.П.Шумкина. Управляемое электрическим полем рассеяние света в сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Оптический журнал, том 72, №9, с.58-65 (2005).
11. Clark N.A., Lagerwall S.T. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals. J.Appl. Phys., v.36, 899-903 (1980).