АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ С ПОЛНОЭКРАННЫМ 3D РАЗРЕШЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНЫМ ПАРАЛЛАКСНЫМ БАРЬЕРОМ ДИСПЛЕЯ
AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAY WITH FULL-SCREEN 3D RESOLUTION (VERSIONS THEREOF) AND METHOD OF CONTROLLING ACTIVE PARALLAX BARRIER OF DISPLAY

Область техники
Изобретение относится к трехмерным (3D) дисплеям, точнее, к автостереоскопическим (безочковым) дисплеям, и может быть использовано для создания стационарных и мобильных 3D телевизоров, 3D мониторов с полноэкранным 3D разрешением при наблюдении стереоскопических изображений при сохранении совместимости стереодисплея с моноскопическими (2D) изображениями.
Уровень техники
Известен автостереоскопический дисплей с полноэкранным разрешением [1], содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник света, пассивный параллаксный барьер и формирователь изображения, выполненный в виде матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией, снабженного источником сигнала стереоизображения, информационный выход которого подключен к электрическому входу матричного оптического модулятора, а пассивный параллаксный барьер выполнен в виде последовательно оптически связанных пространственно-неоднородной пассивной фазовой пластинки и линейного поляризатора, при этом выход матричного оптического модулятора оптически связан с двумя зонами наблюдения.
Недостатком известного устройства является пониженное пространственное разрешение в наблюдаемом стереоизображении 3D сцены. Разрешение в воспроизводимом на экране дисплея изображении каждого ракурса 3D сцены равно половине полного разрешения экрана (половине общего числа пикселей матричного оптического модулятора), поскольку действием пассивного параллаксного барьера в первую и вторую зоны наблюдения постоянно направляются световые потоки от первой и второй областей апертуры матричного оптического модулятора, в каждой из которых пространственное разрешение изображения равно половине полноэкранного разрешения.
Наиболее близким по технической сущности к варианту 1 устройства является автостереоскопический дисплей [2] с полноэкранным разрешением, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник света, формирователь изображения и активный параллаксный барьер, где формирователь изображения выполнен в виде матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией, снабженного источником сигнала стереоизображения, а активный параллаксный барьер выполнен в виде последовательно оптически связанных поляризатора, поляризационного модулятора с единообразно выполненными слоями рабочего вещества и анализатора поляризации, а также электронного блока управления, выход которого соединен с электрическим входом поляризационного модулятора, причем 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 анализатора поляризации оптически связан с двумя зонами наблюдения.
Наиболее близким по технической сущности к варианту 2 устройства является автостереоскопический дисплей [3] с полноэкранным разрешением, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник света, активный параллаксный барьер и формирователь изображения, при этом активный параллаксный барьер выполнен в виде последовательно оптически связанных поляризатора, поляризационного модулятора с единообразно выполненными слоями рабочего вещества и анализатора поляризации, а также электронного блока управления, выход которого соединен с электрическим входом поляризационного модулятора, а формирователь изображения выполнен в виде матрчного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией, снабженного источником сигнала стереоизображения, выход которого соединен с электрическим входом поляризационного модулятора, 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, выход которого оптически связан с двумя зонами наблюдения.
Известен способ управления [3] активным параллаксным барьером дисплея, заключающийся в том, что с помощью поляризационного модулятора с единообразно выполненными слоями рабочего вещества в составе активного параллаксного барьера в первом (втором) тактах устанавливают первое (второе) состояние поляризации для светового потока первой (второй) группы столбцов изображения левого ракурса и второе (первое) состояние поляризации для светового потока первой (второй) группы столбцов изображения правого ракурса и с помощью анализатора поляризации активного параллаксного барьера конвертируют поляризационную модуляцию в модуляцию интенсивности световых потоков, направляя световые потоки левого и правого ракурсов соответственно в левую и правую зоны наблюдения.
В известных [2, 3] устройстве и способе обеспечивается полноэкранное 3D разрешение (полноэкранное разрешение в изображении каждого ракурса 3D сцены) в полном цикле, состоящем из двух последовательных тактов работы устройства либо и тактов осуществления способа.
Недостатком известных устройства и способа является недостаточное качество стереоизображения. Для недопущения мерцаний стереоизображения необходимо использовать в активном параллаксном барьере поляризационный модулятор с быстродействующим (с переходным временем не более нескольких миллисекунд) двупреломляющим (двулучепреломляющим) слоем рабочего вещества. Однако известные быстродействующие жидкокристаллические (ЖК) структуры, например, π-ячейка [4] (при ее расположении между линейными поляризатором и анализатором поляризации) характеризуется невысоким контрастом модуляции интенсивности света (не более 10-15:1) что не позволяет реализовать в белом свете достаточно высокий (не хуже 100:1) коэффициент сепарации ракурсов. Это связано как с хроматической дисперсией ЖК вещества (зависимостью показателя преломления вещества от длины волны света), так и с наличием остаточного двупреломления (двулучепреломления) ЖК слоя, которое не равно нулю даже при действии управляющего напряжения предельно высокой величины из-за жесткой связи приповерхностных ЖК молекул с поверхностями подложек ЖК ячейки (наличие указанной связи обеспечивает требуемую ориентацию всех ЖК молекул слоя в отсутствие высокого управляющего напряжения). Использование, например, пассивных пленочных оптических компенсаторов [5] для улучшения контраста модуляции в π-ячейках имеет два недостатка. Во-первых, с изменением температуры качество такой оптической компенсации ухудшается из-за разности температурных коэффициентов изменения оптических свойств для разных рабочих веществ пассивного пленочного компенсатора и двупреломляющего слоя поляризационного модулятора. Во-вторых, пленочные пассивные компенсаторы невозможно «отключить» электрически, чтобы исключить действие активного параллаксного барьера в оптическом тракте устройства при работе последнего с 2D изображением (для обеспечения 2D/3D совместимости).
Использование нескольких единообразно выполненных слоев рабочего вещества (нескольких единообразно выполненных ЖК слоев) в поляризационном модуляторе увеличивает как негативное действие хроматической дисперсии вещества этих слоев, так и общую величину остаточного двупреломления пропорционально увеличению общей (эквивалентной) толщины слоя рабочего вещества и числа поверхностей связи ЖК молекул с поверхностями подложек.
При этом высококонтрастные однослойные ЖК твист-структуры с 90°-ой закруткой (используемые в современных ЖК дисплеях) имеют недостаточное быстродействие (переходное время - десятки миллисекунд) для использования в активном параллаксном барьере дисплея.
Задачей изобретения является улучшение качества стереоизображения при достижении высокой температурной стабильности параметров качества.
Раскрытие изобретения
(1)
(1)
(1)
(1)
Поставленная задача в устройстве по варианту 1 решается тем, что поляризационный модулятор выполнен в виде фазово-поляризационного модулятора с рабочим веществом в форме по крайней мере одной пары двупреломляющих слоев с комплементарными оптическими свойствами в каждой паре, при этом каждый двупреломляющий слой снабжен N+1 пространственно-одномерными адресными шинами, электрические входы которых являются электрическими входами фазово-поляризационного модулятора, где N - число столбцов изображения, сформированного матричным оптическим модулятором с двухкоординатной адресацией, а электронный блок управления выполнен с коммутационной адресацией и с статической адресацией двупреломляющих слоев, при этом расстояние d от двупреломляющего слоя с коммутационной адресацией до матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией определено условием d=Da/(b+a), где D - расстояние от центров обеих зон наблюдения до матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией, b - расстояние между центрами двух зон наблюдения, а - период расположения столбцов изображения на матричном оптическом модуляторе с двухкоординатной адресацией.
(2)
(2)
(2)
(2)
Поставленная задача в устройстве по варианту 2 решается тем, что поляризационный модулятор выполнен в виде фазово-поляризационного модулятора с рабочим веществом в форме по крайней мере одной пары двупреломляющих слоев с комплементарными оптическими свойствами в каждой паре, при этом каждый двупреломляющий слой снабжен N-1 пространственно-одномерными адресными шинами, электрические входы которых являются электрическими входами фазово-поляризационного модулятора, где N - число столбцов изображения, сформированного матричным оптическим модулятором с двухкоординатной адресацией, а электронный блок управления выполнен с коммутационной адресацией и с статической адресацией двупреломляющих слоев, при этом расстояние d от двупреломляющего слоя с коммутационной адресацией до матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией задано условием d=Da/(b-a), где D - расстояние от центров обеих зон наблюдения до матричного оптического модулятора с двухкоординатной адресацией.
Улучшение качества изображения достигается в устройстве и способе за счет двух основных технических результатов.
Первый основной технический результат - увеличение коэффициента сепарации ракурсов вследствие взаимной оптической компенсации начального двупреломления и хроматической дисперсии в каждой паре двупреломляющих слоев с комплементарными оптическими свойствами.
1
1
2
2
1
1
2
2
В частных вариантах выполнения устройства первый и второй двупреломляющие слои с комплементарными оптическими свойствами выполнены в виде первого и второго ЖК слоев с взаимно-ортогональными направлениями начальной гомогенной ориентации нематических ЖК молекул, при этом ось о для обыкновенного луча и ось е для необыкновенного луча одного ЖК слоя параллельны соответственно оси е для необыкновенного луча и оси о для обыкновенного луча другого ЖК слоя, а поляризатор и анализатор поляризации выполнены в виде соответственно входного и выходного линейных поляризаторов с взаимно параллельными либо ортогональными осями поляризации, которые направлены под углами ±45° к осям о, е, о и е. Комплементарность оптических свойств двух ЖК слоев обеспечивается за счет направления обыкновенного (необыкновенного) луча одного ЖК слоя по пути необыкновенного (обыкновенного) луча другого ЖК слоя.
В предпочтительном частном варианте выполнения устройства k-е участки обоих ЖК слоев, соответствующие k-м пространственно-одномерным адресным шинам (прозрачным управляющим электродам) обоих ЖК слоев (k - целое число), оптически связаны между собой, при этом расстояние d одинаково для обоих ЖК слоев, что при осуществлении способа управления активным параллаксным барьером ведет к достижению второго основного технического результата - увеличения быстродействия устройства.
Увеличение быстродействия устройства при осуществления способа управления активным параллаксным барьером, заключающегося в том, что с помощью поляризационного модулятора активного параллаксного барьера в первом (втором) такте устанавливают первое (второе) состояние поляризации для светового потока правого (второй) группы столбцов изображения левого ракурса и второе (первое) состояние поляризации для светового потока первой (второй) группы столбцов изображения правого ракурса и с помощью анализатора поляризации активного параллаксного барьера конвертируют поляризационную модуляцию в модуляцию интенсивности световых потоков, направляя световые потоки левого и правого ракурсов соответственно в левую и правую зоны наблюдения, достигается тем, что устанавливают состояние поляризации светового потока от каждого столбца изображения каждого ракурса с помощью первого и второго последовательно оптически связанных столбцов соответственно первого и второго ЖК слоев с комплементарными оптическими свойствами, при этом в любых одинаковых для обоих ЖК слоев энергетических состояниях состояние поляризации светового потока, прошедшего сквозь оба столбца ЖК слоев, не меняется, а в двух разных для двух ЖК слоев энергетических состояниях прошедший световой поток приобретает состояние поляризации, ортогональное состоянию поляризации входного светового потока, при этом в начале первого такта в первое энергетическое состояние переводят все столбцы первого ЖК слоя и четные столбцы второго ЖК слоя, оставляя во втором энергетическом состоянии нечетные столбцы второго ЖК слоя, в течение первого такта одновременно переводят во второе энергетическое состояние четные столбцы первого ЖК слоя и четные столбцы второго ЖК слоя, в начале второго такта переводят из второго энергетического состояния в первое энергетическое состояние все столбцы первого ЖК слоя, а в течение второго такта одновременно переводят во второе энергетическое состояние нечетные столбцы первого ЖК слоя и нечетные столбцы второго ЖК слоя.
rise
decay
При осуществлении способа 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 влияния на распределение световых потоков в течение всего такта.
Наличие пары разных по удаленности (по величине d) от матричного оптического модулятора двупреломляющих (ЖК) слоев с комплементарными оптическими свойствами обеспечивает дополнительный технический результат - возможность изменения удаленности (величины D) зон наблюдения за счет электрического переключения (с помощью электронного блока управления) в режим коммутационной адресации разных двупреломляющих слоев, расположенных на разных расстояниях d от матричного оптического модулятора. Тем самым обеспечивается расширение функциональных возможностей устройства с сохранением высокого контраста сепарации ракурсов.
Перечень фигур чертежа
Осуществление изобретения поясняется с помощью чертежа, на фигурах которого представлены:
Фиг.1 - общая схема устройства по варианту 1.
Фиг.2 - геометрия оптических путей в устройстве по варианту 1.
Фиг.3 - общая схема первого частного варианта выполнения устройства по варианту 1.
Фиг.4 - геометрия оптических путей в первом частном варианте выполнения устройства по варианту 1.
Фиг.5 - геометрия оптических путей в двух выбранных конфигурациях первого частного варианта выполнения устройства по варианту 1.
Фиг.6 - общая схема устройства по варианту 2.
Фиг.7 - геометрия оптических путей в устройстве по варианту 2.
Фиг.8 - геометрия оптических путей в первом частном варианте выполнения устройства по варианту 2.
Фиг.9 - геометрия оптических путей в втором частном варианте выполнения устройства по варианту 2.
Фиг.10 - структура и оптические свойства каждой из двух ЖК ячеек с комплементарными оптическими свойствами.
Фиг.11 - оптические свойства пары ЖК ячеек с комплементарными оптическими свойствами, находящихся в одинаковых энергетических состояниях.
Фиг.12 - оптические свойства пары ЖК ячеек с комплементарными оптическими свойствами, находящихся в разных энергетических состояниях.
Фиг.13 - временной оптический отклик одной ЖК ячейки.
Фиг.14 - конструкция пары последовательно расположенных ЖК ячеек.
Фиг.15 - сепарация ракурсов 3D сцены для первого и второго взаимно ортогональных положений апертуры матричного модулятора света с помощью ЖК ячейки с первым и вторым взаимно ортогональными наборами адресных прозрачных электродов.
Фиг.16 - сепарация ракурсов при работе первого частного варианта выполнения устройства по варианту 1.
Фиг.17 - временные диаграммы для одного частного случая работы первого частного варианта выполнения устройства по варианту 1.
Фиг.18 - временные диаграммы для другого частного случая работы первого частного варианта выполнения устройства по варианту 1.
Фиг.19 - сепарация ракурсов при работе второго частного варианта выполнения устройства по варианту 1 (в первой выбранной конфигурации).
Фиг.20 - сепарация ракурсов при работе второго частного варианта выполнения устройства по варианту 1 (в второй выбранной конфигурации).
Фиг.21 - временные диаграммы работы второго частного варианта выполнения устройства по варианту 1 (в обеих конфигурациях).
Фиг.22 - сепарация ракурсов при работе первого частного варианта выполнения устройства по варианту 2.
Осуществление изобретения
1
2
1
2
L
R
1
2
1
2
1
2
1
2
1
(1)
Устройство (вариант 1) содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси А-А' (фиг.1) источник 1 света, матричный оптический модулятор 2 с двухкоординатной (x,y) адресацией и активный параллаксный барьер, выполненный в виде линейного поляризатора 3, первого 4 и второго 4 двупреломляющих слоев рабочего вещества фазово-поляризационного модулятора 4, снабженных пространственно-одномерными адресными шинами, и анализатора 5 поляризации. Также устройство содержит источник 6 сигнала стереоизображения и электронный блок 7 управления, выход которого подключен к адресным шинам двупреломляющих слоев 4 и 4, а вход электронного блока 7 управления подключен к выходу кадровой синхронизации источника 6 сигнала стереоизображения, информационный выход которого подключен к электрическому входу матричного оптического модулятора 2, при этом выход анализатора 5 поляризации оптически связан с двумя (левой E и правой E) зонами наблюдения. Первый и второй двупреломляющие слои 4 и 4 характеризуются комплементарными оптическими свойствами, что соответствует взаимной противоположности (дополнительности) оптических свойств двупреломляющих слоев 4 и 4, находящихся в одинаковом энергетическом состоянии, относительно их действия на состояние поляризации проходящего света. Каждый из двупреломляющих слоев 4, 4 выполнен с адресацией по N+1 столбцам, где N - число столбцов изображения, сформированного матричным оптическим модулятором 2. Электронный блок 7 управления выполнен, для определенности, с коммутационной адресацией двупреломляющего слоя 4 и статической адресацией двупреломляющего слоя 4. Двупреломляющий слой 4 с коммутационной адресацией расположен на расстоянии d от матричного оптического модулятора 2 в соответствии с условием
<mrow><msup><mi>d</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>=</mo><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>b</mi><mo>+</mo><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где:
(1)
L
R
D - расстояние от центров обеих зон E, E наблюдения до матричного оптического модулятора 2;
L
R
b - расстояние между центрами двух зон E, E наблюдения;
(1)
а - период расположения столбцов изображения на матричном оптическом модуляторе 2.
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>E</mi><mi>R</mi></msub><msubsup><mi>Z</mi><mi>k</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>n</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><msubsup><mi>Z</mi><mi>k</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>n</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Z</mi><mi>k</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Условие (1) вытекает из подобия треугольников
и
(фиг.2) в геометрии оптических путей устройства в плоскости Р, проходящей через оптическую ось А-А' параллельно координате х, где
и
- центры соседних (n и n+1) пикселей матричного оптического модулятора 2, a
- центр k-го столбца двупреломляющего слоя, где n=1, 2, …, N; k=1, 2, …, N+1, a N - число столбцов изображения.
1
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Для сформированного (матричным оптическим модулятором 2) изображения с N столбцами, центральные оси которых ориентированы вдоль координаты у (ортогонально плоскости Р на фиг.2), адресные шины двупреломляющего слоя 4 с коммутационной адресацией расположены вдоль координаты y с периодом
вдоль координаты х, величина которого удовлетворяет условию
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mfrac><mrow><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>−</mo><msup><mi>d</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
где
- период расположения пикселей матричного оптического модулятора 2 вдоль координаты х. Период
расположения пикселей определяет период расположения столбцов изображения, ориентированных вдоль координаты y.
1
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Для сформированного (матричным оптическим модулятором 2) изображения с N столбцами, центральные оси которых ориентированы вдоль координаты x (параллельны плоскости Р на фиг.2), адресные шины двупреломляющего слоя 4 с коммутационной адресацией расположены вдоль координаты x с периодом
вдоль координаты у, величина которого удовлетворяет условию
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mfrac><mrow><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>−</mo><msup><mi>d</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
где
- период расположения пикселей матричного оптического модулятора 2 вдоль координаты у, вдоль которой отсчитывается период расположения столбцов изображения.
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
1
1
2
2
В первом частном варианте выполнения устройства по варианту 1 активный параллаксный барьер выполнен в виде первого 8 и второго 9 линейных поляризаторов (фиг.3) с взаимно параллельными осями поляризации, при этом k-е столбцы первого и второго двупреломляющих слоев 4 и 4 оптически сопряжены между собой (k=1, 2, …, N+1), т.е. примыкающие друг к другу участки двупреломляющих слоев 4 и 4, соответствующие k-м адресным шинам обоих двупреломляющих слоев, оптически связаны между собой, причем ось о для обыкновенного луча и ось е для необыкновенного луча первого двупреломляющего слоя 4 параллельны соответственно оси е для необыкновенного луча и оси о для обыкновенного луча второго двупреломляющего слоя 4, а оси о, е, о, е направлены под углами ±45° к направлениям осей поляризации линейных поляризаторов 8 и 9.
1
1
1
1
2
Соответствующая схема оптических путей данного частного варианта устройства (фиг.4) содержит матричный оптический модулятор 2 (соответствующий матричному оптическому модулятору 2 из общей схемы), первый и второй линейные поляризаторы 7 и 8 (соответствующие первому и второму линейным поляризаторам 7 и 8), двупреломляющие слои 4 и 4 фазово-поляризационного модулятора 4.
<mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
1
Второй частный вариант выполнения устройства по варианту 1 (фиг.5) отличается от его первого частного варианта расположением первого и второго двупреломляющих слоев на разных расстояниях
и
от матричного оптического модулятора 2, величины которых удовлетворяют условиям
<mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>D</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>b</mi><mo>+</mo><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>D</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>b</mi><mo>+</mo><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
;
<mrow><msubsup><mi>D</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>D</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
1
L
R
где
и
- расстояния от матричного оптического модулятора 2 до центров обеих зон наблюдения E, E.
1
2
2
1
1
2
1
2
В первой конфигурации (фиг.5, верхняя оптическая схема) второго частного варианта выполнения устройства по варианту 1 положение зон наблюдения соответствует ЖК слою 4 с коммутационной адресацией и ЖК слою 4 с статической адресацией. В второй конфигурации (фиг.5, нижняя оптическая схема) второго частного варианта выполнения устройства по варианту 1 положение зон наблюдения соответствует ЖК слою 4 с коммутационной адресацией и ЖК слою 4 с статической адресацией. В обеих конфигурациях число адресных шин равно N+1 для каждого из ЖК слоев 4 и 4, где k и k - текущие номера их адресных шин, одинаковые для обеих конфигураций.
2
1
L
R
1
2
1
2
1
2
1
(2)
Устройство (вариант 2) содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси В-В' (фиг.6) источник 10 света, активный параллаксный барьер (выполненный в виде поляризатора 11, пары 12 и 12 двупреломляющих слоев рабочего вещества фазово-поляризационного модулятора 12, снабженных пространственно-одномерными адресными шинами, и анализатора 13 поляризации), матричный оптический модулятор 14 с двухкоординатной (x,y) адресацией и выходной поляризатор 15, выход которого оптически связан с левой E и правой E зонами наблюдения. Также устройство содержит источник 16 сигнала стереоизображения и электронный блок 17 управления, выход которого подключен к адресным шинам двупреломляющих слоев 12 и 12, а вход электронного блока 17 управления подключен к выходу кадровой синхронизации источника 16 сигнала стереоизображения, информационный выход которого подключен с электрическому входу матричного оптического модулятора 14. Каждый из двупреломляющих слоев 12, 12 выполнен с адресацией по N-1 столбцам, где N - число столбцов изображения на матричном оптическом модуляторе 14. Электронный блок 17 управления выполнен, для определенности, с коммутационной адресацией двупреломляющего слоя 12 и с статической адресацией двупреломляющего слоя 12. Двупреломляющий слой 12 с коммутационной адресацией расположен на расстоянии d от матричного оптического модулятора 14, величина которого определяется условием
<mrow><msup><mi>d</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>=</mo><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>b</mi><mo>−</mo><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
<mrow><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
L
R
- расстояние от центров обеих зон E, E наблюдения до матричного оптического модулятора 14;
L
R
b - расстояние между центрами двух зон E, E наблюдения;
<mrow><msup><mi>a</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
- период расположения столбцов изображения на матричном оптическом модуляторе 14 (равный
для рассмотренного частного случая периодичности столбцов изображения вдоль координаты х).
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>E</mi><mi>R</mi></msub><msubsup><mi>X</mi><mi>n</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Z</mi><mi>k</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><msubsup><mi>Z</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><msubsup><mi>X</mi><mi>n</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>R</mi></msub><msubsup><mi>Z</mi><mi>k</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><msubsup><mi>Z</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>R</mi></msub><msubsup><mi>X</mi><mi>n</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>n</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Z</mi><mi>k</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Z</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Условие (5) вытекает из подобия двух пар треугольников (фиг.7): первой пары из треугольника
и треугольника
, и второй пары из треугольника
и треугольника
в геометрии оптических путей в плоскости P, проходящей через оптическую ось В-В' параллельно координате х, где
и
- центры соседних (n и n+1) пикселей матричного оптического модулятора 14, a
и
- центры соседних k-го и (k+1)-го столбцов двупреломляющего слоя, где n=1, 2, …, N; k=1, 2, …, N-1, a N - число столбцов изображения на матричном оптическом модуляторе 14.
1
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Для сформированного (матричным оптическим модулятором 12) изображения с N столбцами, ориентированными вдоль координаты у (ортогонально плоскости фиг.7), адресные шины двупреломляющего слоя 12 с коммутационной адресацией расположены с периодом
вдоль координаты х, величина которого удовлетворяет условию
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mfrac><mrow><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>+</mo><msup><mi>d</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mrow><mtext> </mtext><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
где
- период расположения пикселей матричного оптического модулятора 12 вдоль координаты х, задающий такой же период
расположения столбцов изображения.
1
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Для сформированного (матричным оптическим модулятором 12) изображения с N столбцами, ориентированными вдоль координаты x (находящимися в плоскости фиг.7), адресные шины двупреломляющего слоя 12 с коммутационной адресацией расположены с периодом
вдоль координаты у, определяемым условием
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mfrac><mrow><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>+</mo><msup><mi>d</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mrow><mtext> </mtext><msup><mi>D</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
где
- период расположения пикселей матричного оптического модулятора 12 вдоль координаты у, задающий такой же период
расположения столбцов изображения.
1
1
1
2
1
1
1
1
В оптической схеме (фиг.8) первого частного варианта выполнения устройства по варианту 2 последовательно расположены источник света 10, первый линейный поляризатор 11, два двупреломляющих слоя 12 и 12 с комплементарными оптическими свойствами, первый линейный поляризатор 13, матричный оптический модулятор 14 и второй линейный поляризатор 15 (последний показан условно, поскольку не влияет на ход оптических путей в схеме, а необходим только для визуализации изображения в случае выполнения матричного оптического модулятора 14 в виде информационного поляризационного модулятора).
1
1
2
1
1
1
В оптической схеме (фиг.9) второго частного варианта выполнения устройства по варианту 2 последовательно расположены первый линейный поляризатор 11, первый и второй двупреломляющие слои 12 и 12 с комплементарными оптическими свойствами, второй линейный поляризатор 13 и матричный оптический модулятор 14. Для простоты не показан источник света 10 на входе схемы.
1
2
1
2
1
1
1
1
bias
bias
0
0
0
H
0
mid
mid
0
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>c</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>c</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>H</mi></msub></mrow>
Предпочтительный конкретный пример выполнения пары 4, 4 двупреломляющих слоев рабочего вещества фазово-поляризационного модулятора 4 или пары 12, 12 двупреломляющих слоев рабочего вещества фазово-поляризационного модулятора 12 - в виде пары гомогенно-ориентированных (в начальном состоянии) жидкокристаллических (ЖК) слоев с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0. Гомогенная ориентация ЖК молекул соответствует ориентации длинных осей всех нематических ЖК молекул в одном направлении вдоль краевых плоскостей ЖК слоя. Элементарной ячейкой ЖК слоя 4 и ЖК слоя 12 является ЖК ячейка 18 с первым видом гомогенной ориентации ЖК молекул в их исходном низкоэнергетическом состоянии (позиция I на фиг.10) с осью о для обыкновенного луча и осью е для необыкновенного луча. Исходное состояние ЖК ячейки 18 (начальная ориентация ЖК молекул) соответствует наличию на ЖК слое управляющего напряжения
, равного напряжению V смещения для создания исходной рабочей точки ЖК ячейки 18. В данном исходном энергетическом состоянии ЖК ячейки 18 в прошедшем ее выходном свете имеет место фазовый сдвиг φ=+π+φ в необыкновенном луче относительно фазы обыкновенного луча, где φ - фазовый сдвиг, обусловленный остаточным двупреломлением ЖК слоя, которое вносит аналогичный вклад величиной +φ в фазовый сдвиг в любом энергетическом состоянии ЖК ячейки 18. При высоком управляющем напряжении
(позиция II на фиг.10) соответствующий фазовый сдвиг φ=+φ обусловлен только действием остаточного двупреломления (residue birefringence)), когда большинство ЖК молекул ЖК ячейки 18 переориентированы в направлении вдоль силовых линий внешнего электрического поля, однако имеет место неполная переориентация приповерхностных (находящихся на краевых плоскостях ЖК слоя) ЖК молекул из-за их энергетической связи с поверхностью подложек (в зазоре между которыми находится ЖК слой). При некотором промежуточном значении напряжения управления на ЖК ячейке 18 имеет место соответствующее промежуточное значение фазового сдвига φ=+φ+φ (позиция III на фиг.10).
2
2
2
2
1
1
Элементарной ячейкой ЖК слоя 4 и ЖК слоя 12 является ЖК ячейка 19 с вторым видом ориентации ЖК молекул в исходном энергетическом состоянии ЖК ячейки 19 (позиции IV-VI на фиг.10), где ось е для необыкновенного луча и ось о для обыкновенного луча ЖК ячейки 19 параллельны соответственно оси о для обыкновенного луча и оси е для необыкновенного луча ЖК ячейки 18.
Знак фазы света, прошедшего ЖК ячейку 19, противоположен знаку фазы света, прошедшего ЖК ячейку 18, поскольку необыкновенный (обыкновенный) луч в ЖК ячейке 19 порождается обыкновенным (необыкновенным) лучом, вышедшим из ЖК ячейки 18. Поэтому для соответствующих трех одинаковых энергетических состояний обеих ЖК ячеек 18, 19 значения фазы проходящего ЖК ячейку 18 света те же по модулю, но противоположны по фазе света, проходящего ЖК ячейку 19.
Σ
Σ
0
При прохождении света через две последовательно расположенные ЖК ячейки 18 и 19 при любых их одинаковых энергетических состояниях величина φ совокупного фазового сдвига света φ=φ+φ* всегда равна нулю (фиг.11), обеспечивая взаимную компенсацию в том числе ненулевого фазового сдвига φ, вызванного остаточным двупреломлением в обеих ЖК ячейках 18 и 19. При этом из-за разности знаков фазового сдвига двух ЖК ячеек 18, 19 имеет место также взаимная компенсация хроматической дисперсии диэлектрической анизотропии Δε для ЖК ячеек 18, 19, поскольку хроматическая дисперсия имеет одинаковый характер и знак в фазовом сдвиге необыкновенного луча каждой из ЖК ячеек 18, 19, а итоговый фазовый сдвиг для пары последовательно расположенных ЖК ячеек 18, 19 определяется как разность фаз между необыкновенными лучами обеих ЖК ячеек 18, 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 ячейках 18, 19.
Σ
Для пары комбинаций двух неравных крайних энергетических состояний ЖК ячеек 18 и 19 (фиг.12) величина φ совокупного фазового сдвига по модулю равна π для обоих энергетических состояний, различаясь только знаком.
Для каждой из ЖК ячеек 18, 19 справедливо неравенство
<mrow><msup><mi>τ</mi><mrow><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>s</mi><mi>e</mi></mrow></msup><mo><</mo><mo><</mo><msup><mi>τ</mi><mrow><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>c</mi><mi>a</mi><mi>y</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
rise
c
H
τ - время реакции каждой из ЖК ячеек 18, 19 на приложение высокого управляющего напряжения V=V;
decay
τ - время релаксации каждой из ЖК ячеек 18, 19, определяемое временем самопроизвольного перехода ЖК слоя в исходное состояние при снятии высокой величины управляющего напряжения.
rise
decay
0
Интенсивность J света, прошедшего модулятор интенсивности света, выполненный в виде любой из ЖК ячеек 18, 19, расположенной между двумя произвольными линейными поляризаторами, оси поляризации которых направлены по биссектрисам углов между осью о для обыкновенного луча и осью е для обыкновенного луча в ЖК ячейках 18, 19, при приложении высокого напряжения меняется в соответствии с временем реакции τ (фиг.13) - временем принудительного перехода в крайнее высокоэнергетическое состояние ЖК слоя с остаточным фазовым сдвигом φ, которое составляет величины порядка десятков или сотен микросекунд (в зависимости от величины приложенного напряжения). Время релаксации τ (время самопроизвольного перехода в крайнее низкоэнергетическое состояние, соответствующее фазовой задержке π) составляет порядка нескольких миллисекунд, и зависит только от параметров самих ЖК ячеек 18, 19 (констант вязкости, упругости и других механических констант ЖК слоя).
1
1
1
2
1
2
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>c</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>c</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
ЖК слои 18, 19 (фиг.14) ЖК ячеек 18, 19 расположены в зазорах между стеклянными, кварцевыми или пластиковыми подложками 20-22. Управляющие напряжения
и
к ЖК слоям прикладываются с помощью прозрачных электродов 23-26, пространственная топология которых соответствует требуемой топологией электрической адресации ЖК слоя фазово-поляризационного модулятора 4, 12, находящегося в составе активного параллаксного барьера. Прозрачные электроды являются предпочтительным конкретным вариантом выполнения адресных шин ЖК слоев 4, 4, 12, 12 фазово-поляризационных модуляторов 4, 12.
x
y
1
Y+1
y
1
1
X+1
x
1
Y+1
x
y
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>L</mi><mi>H</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>R</mi><mi>H</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>L</mi><mi>V</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>R</mi><mi>V</mi></msubsup></mrow>
В третьем частном варианте выполнения устройства по варианту 1 матричный оптический модулятор выполнен в виде цветного матричного оптического модулятора 29 с двумя группами адресных шин с соответствующими периодами расположения p и p вдоль координат x и у. На пересечении каждой из пары взаимно ортогональных шин расположена триада 30 цветовых фильтров R, G, В для формирования соответствующего пикселя цветного стереоизображения. Адресные шины фазово-поляризационного модулятора 4 выполнены в виде двух наборов адресных прозрачных электродов. Первый набор содержит управляющие прозрачные электроды 27-27 (фиг.15), расположенные с периодом p на первой стороне ЖК слоя 4. Второй набор содержит управляющие электроды 28-28, расположенные с периодом p на второй стороне того же ЖК слоя ортогонально управляющим прозрачным электродам 27-27, при этом величины p и p удовлетворяют условиям (2) и (3), а X и Y - число адресных шин цветного матричного оптического модулятора 29 вдоль соответствующих координат. Пара зон
,
наблюдения соответствует горизонтальному Н (ландшафтному) расположению цветного матричного модулятора 29, а пара зон
,
наблюдения соответствует вертикальному V (портретному) расположению цветного матричного модулятора 29.
2
1
1
2
Аналогично (в виде двух наборов взаимно ортогональных адресных прозрачных электродов) могут быть выполнены адресные шины ЖК слоя 4, причем периоды этих двух наборов, также удовлетворяя условиям (2) и (3), могут отличаться от периодов соответствующих адресных шин ЖК слоя 4. Взаимно ортогональными наборами прозрачных электродов могут быть снабжены оба двупреломляющих слоя 4 и 4 для выбора двух различных расстояний до зон наблюдения, каждое из которых неизменно для вертикального V и горизонтального Н расположения цветного матричного модулятора 29.
1
2
1
1
1
2
1
2
Устройство работает следующим образом. Работа частных вариантов выполнения устройства рассматривается для предпочтительных конкретных вариантов выполнения двупреломляющих слоев 4 и 4 соответственно в виде ЖК слоев 18 и 19, структура и оптические свойства которых соответствуют структуре и оптических свойствам элементарных ЖК ячеек 18 и 19 соответственно. Коммутационная адресация соответствует смене величин управляющих напряжений на адресных шинах двупреломляющих слоев 4 и 4 при работе устройства, а статическая адресация - неизменному и одинаковому значению управляющего напряжения на адресных шинах двупреломляющих слоев 4 и 4 при работе устройства.
1
1
1
0
1
1
c
H
0
c
bias
1
1
L
1
1
0
1
1
2
2n-1
L
1
2n
2
L
1
1
2
1
1
c
H
c
bias
1
1
L
R
decay
Первый частный вариант выполнения устройства по варианту 1 работает следующим образом (фиг.16). Коммутационная адресация осуществляется для каждого из ЖК слоев 18 и 19. В (2n-1)-м и 2n-м столбцах матричного оптического модулятора 2 в каждом нечетном цикле свет модулируют по интенсивности в соответствии с (2n-1)-м столбцом изображения левого ракурса и 2n-м столбцом изображения правого ракурса. В начале нечетного цикла (позиция I на фиг.16) в высокое энергетическое состояние (соответствующее фазовому сдвигу +φ) переводят все N+1 столбцов первого ЖК слоя 18 и 2k-е столбцы второго ЖК слоя 19 (за счет подачи высокого напряжения V=V), оставляя во низкоэнергетическом состоянии (соответствующее фазовому сдвигу -π-φ) его (2k-1)-столбцы (за счет подачи низкого напряжения смещения V=V). Свет от нечетных столбцов формирователя 2 изображения (например, свет от столбца R изображения правого ракурса) в левую E зону наблюдения идет через нечетные столбцы ЖК слоев 18 и 19 (например, через их первые k=1 адресные столбцы), что соответствует суммарному фазовому сдвигу -π-φ, что для изначально линейно поляризованного в плоскости рисунка света (горизонтальные стрелки на рисунке обозначают горизонтальное направление поляризации) вызывает поворот векторов поляризации на 90° (обозначенных на рисунке точками, расположенными ниже ЖК слоев 18 и 19 как вертикально поляризованный свет). Все световые потоки с вертикальной поляризацией задерживаются выходным поляризатором 9, поэтому свет от всех нечетных столбцов R изображения левого ракурса не попадает в левую зону E наблюдения. Свет от четных столбцов матричного оптического модулятора 2, в которых сформированы четные столбцы L изображения левого ракурса (например, его второй столбец L) проходят в левую зону E наблюдения через четные 2k-е столбцы (например, через вторые k=2 столбцы) ЖК слоев 18 и 19, создающие суммарный нулевой фазовый сдвиг, что обеспечивает сохранение горизонтальной поляризации и пропускание этого света выходным поляризатором 9 без затухания. В течение нечетного такта (переход от позиции I к позиции II на фиг.16) во всех четных 2k-х столбцах ЖК слои 18 и 19 одновременно за длительное время τ переходят в низкоэнергетическое состояние (за счет смены в начале нечетного такта высокого напряжения V=V на низкое V=V). В этом процессе совокупное оптическое состояние 2k-х столбцов ЖК слоев 18 и 19 (взятых как единое целое) не меняется, и их суммарный фазовый сдвиг остается равным нулю, поэтому характер распределения световых потоков между двумя зонами E, E наблюдения остается неизменным в течение всего нечетного такта, соответствуя распределению световых потоков в начале нечетного такта.
1
2n-1
2n
1
1
c
H
0
1
1
L
R
1
1
rise
decay
В четном такте в нечетном (2n-1)-м и четном 2n-м столбцах матричного оптического модулятора 2 изображения свет модулируют по интенсивности в соответствии с нечетным L столбцом изображения левого ракурса и четным L столбцом изображения правого ракурса, что по сравнению с нечетным циклом соответствует взаимной перестановке столбцов изображений левого и правого ракурсов на матричном оптическом модуляторе 2. В начале четного цикла все N+1 столбцов ЖК слоя 18 за короткое время τ (за счет подачи высокого V=V управляющего напряжения) переводят в высокоэнергетическое состояние (соответствующее фазовому сдвигу -φ), что вызывает в начале четного цикла соответствующий быстрый поворот векторов линейной поляризации света на выходе всех столбцов ЖК слоев 18 и 19, и тем самым свет от столбцов изображений левого и правого ракурсов попадает в соответствующие левую E и правую E зоны наблюдения. В течение четного цикла (переход от позиции III к позиции IV фиг.16) нечетные (2k-1)-е столбцы ЖК слоев 18 и 19 одновременно за длительное время τ переходят в низкоэнергетическое состояние без изменения их совокупного оптического состояния, соответствующего нулевому суммарному фазовому сдвигу, что обеспечивает неизменное распределение световых потоков между двумя зонами наблюдения в течение всего четного цикла, соответствующий распределению световых потоков в начале четного такта. С переходом к началу следующего нечетного такта полный цикл работы устройства (состоящий из совокупности нечетного и четного тактов) повторяется. В итоге сумма времен каждого полного цикла работы соответствует полному циклу формирования стереоизображения с полноэкранным разрешением в изображениях каждого (левого L и правого R) ракурсов.
odd
even
1
1
rise
decay
Когда в одном частном случае работы устройства нечетный и четный такты полностью совпадают с четными и нечетными кадрами изображения, тогда совокупность времен T нечетного и T четного кадров соответствует полному циклу формирования стереоизображения (фиг.17), причем на границах тактов (кадров) переходное время переключения светового потока изображений активным параллаксным барьером равно малому времени реакции τ ЖК слоев 18 и 19, а время τ длительной релаксации каждого из них не проявляется в их совокупном оптическом отклике в течение каждого кадра.
retr
1
В другом частном случае работы устройства полное время цикла состоит из совокупности двух времен T обратного хода (retrace) формирователя изображения, в течение которых воспроизводятся изображения левого и правого ракурсов (фиг.18), сохраняемые после развертки изображений на матричном оптическом модуляторе 2 во время предшествующего кадра.
1
1
В процессе работы первого частного варианта устройства по варианту 1 осуществляется способ управления активным параллаксным барьером, содержащим поляризаторы 8, 9 и ЖК слои 18, 19.
1
1
2
1
1
1
c
H
0
1
1
2n-1
1
2n
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
L(1)
R(1)
1
L(1)
R(1)
<mrow><msubsup><mi>d</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Второй частный вариант устройства по варианту 1 работает следующим образом. В первой конфигурации устройства (фиг.19) осуществляется коммутируемая адресация ЖК слоя 18 и статическая адресация ЖК слоя 19. Во всех тактах работы все N+1 столбцов (k=1, 2, …, N+1) ЖК слоя 19 постоянно переведены в высокоэнергетическое состояние (за счет работы электронного блока 7 управления с статической адресацией ЖК слоя 19, когда на все столбцы ЖК слоя 19 постоянно подается высокое управляющее напряжение V=V), соответствующее фазовой задержке -φ вследствие присутствия остаточного двупреломления ЖК слоя 19. В нечетном такте в нечетных столбцах матричного оптического модулятора 2 свет модулируется по интенсивности в соответствии с информацией в нечетных столбцах R изображения правого ракурса, а в четных столбцах матричного оптического модулятора 2 - в соответствии с информацией в четных столбцах L изображения правого ракурса. В этом же нечетном такте нечетные (2k-1)-е и четные 2k-е столбцы ЖК слоя 18 переведены соответственно в низкоэнергетическое и высокоэнергетическое состояние (за счет работы электронного блока 7 с коммутируемой адресацией ЖК слоя 18). Это вызывает изменения в направлениях вектора линейной поляризации света, прошедшего соответствующие участки ЖК слоев 181 и 19, и обеспечивает требуемую сепарацию ракурсов в нечетном такте (см. обозначения направлений линейной поляризации света на фиг.19 слева). ЖК слой 19 обеспечивает полную оптическую компенсацию остаточного двупреломления ЖК слоя 18, однако ЖК слой 19 не участвует в сепарации ракурсов стереоизображения вследствие пространственной однородности его оптических свойств по всей рабочей апертуре в первой конфигурации устройства. В четном цикле (фиг.19, справа) в нечетных и четных столбцах матричного оптического модулятора 2 происходят как смена информации о ракурсах, так и соответствующее изменение энергетического состояния в столбцах ЖК слоя 18, что обеспечивает требуемую сепарацию ракурсов и завершение тем самым полного цикла формирования полноэкранного изображения каждого ракурса в соответствующих зонах E, E наблюдения. В рассмотренной первой конфигурации устройства положение
ЖК слоя 18 с коммутационной адресацией определяет положение обеих зон E, E наблюдения в соответствии с формулой (4).
1
1
L(2)
R(2)
1
L(1)
R(1)
2
1
1
Во вторую конфигурацию (фиг.20) второй частный вариант устройства по варианту 1 переводится электрическим переключением с помощью электронного блока 7 управления дл, обеспечения коммутационной адресации ЖК слоя 19 и статической адресации ЖК слоя 18. Тем самым электрически переключается положение зон E, E наблюдения в более отдаленное от матричного оптического модулятора 2 положение (относительно их положения E, E в первой конфигурации) при условии d>d. Логика работы второго частного варианта устройства по варианту 1 в его второй конфигурации аналогична его логике его работы в первой конфигурации с тем отличием, что требуемая сепарация ракурсов стереоизображения во второй конфигурации осуществляется с помощью ЖК слоя 19 с коммутационной адресацией.
rise
decay
Из временных диаграмм (фиг.21) работы второго частного варианта устройства по варианту 1 в обеих конфигурациях видна асимметрия оптического отклика между двумя тактами работы устройства, обусловленная различием в временах τ и τ ЖК слоя с коммутационной адресацией.
1
1
Y+1
1
X+1
1
1
1
X+1
1
Y+1
1
1
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>L</mi><mi>H</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>R</mi><mi>H</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>L</mi><mi>V</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>R</mi><mi>V</mi></msubsup></mrow>
Третий частный вариант (фиг.15) выполнения устройства по варианту 1 работает следующим образом. При ландшафтном, горизонтальном расположении (отмеченном буквой Н) цветного матричного оптического модулятора 29 в фазово-поляризационном модуляторе 4 для ЖК слоя 4 с помощью электронного блока 7 управления осуществляется коммутационная адресация первого набора адресных электродов 27-27 при нулевом потенциале на всех прозрачных электродах 28-28 второго набора для использования последнего в качестве общей земляной шины при коммутационной адресации ЖК слоя 4. При портретном, вертикальном расположении (отмеченном буквой V) цветного матричного оптического модулятора 29 в фазово-поляризационном модуляторе 4 для ЖК слоя 4 с помощью электронного блока 7 управления осуществляется коммутационная адресация второго набора адресных электродов 28-28 при нулевом потенциале на всех прозрачных электродах 27-27 первого набора для использования последнего в качестве общей земляной шины при коммутационной адресации ЖК слоя 4. В итоге при разном периоде расположения столбцов изображения, формируемого при ландшафтном и при портретном расположении цветного матричного модулятора 29, удаленность обеих пар зон
,
и
,
наблюдения не меняется вследствие того, что в обоих положениях цветного матричного модулятора 29 периоды расположения адресных прозрачных электродов при коммутируемой адресации ЖК слоя 4 согласованы с периодами расположения столбцов изображения в соответствии с формулами (1)-(7) при постоянной величине D.
2
1
1
1
Логика работы (фиг.22) первого частного выполнения устройства по варианту 2 (схема на фиг.8) соответствует логике работы (фиг.16) первого частного варианта устройства по варианту 1 (схема на фиг.4). При этом осуществляется способ управления активным параллаксным барьером, выполненным в виде последовательно оптически связанных линейного поляризатора 11, двух ЖК слоев 12, 12 (представленными в предпочтительном конкретном варианте выполнения ЖК слоями 18 и 19) и линейного поляризатора 13.
L
R
1
<mrow><msubsup><mi>D</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>D</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Логика работы второго частного выполнения устройства по варианту 2 в первой конфигурации (верхняя схема на фиг.9) соответствует логике работы (фиг.19) в первой конфигурации второго частного варианта устройства по варианту 1 (верхняя схема на фиг.4), когда ближайший к матричному оптическому модулятору ЖК слой работает с коммутационной адресацией. Логика работы второго частного выполнения устройства по варианту 2 в второй конфигурации (нижняя схема на фиг.9) соответствует логике работы (фиг.19) в второй конфигурации второго частного варианта устройства по варианту 1 (нижняя схема на фиг.4), когда более удаленный от матричного оптического модулятора ЖК слой работает с коммутационной адресацией. В второй конфигурации устройства по варианту 2 обе зоны наблюдения E, E расположены на более удаленном расстоянии
от матричного оптического модулятора 14 по сравнению с расстоянием
в первой конфигурации устройства по варианту 2.
Пространственное разрешение матричного оптического модулятора 2 с двухкоординатной адресацией соответствует Q дисплейным пикселям, где Q=X·Y, при этом X и Y - число адресных шин оптического модулятора 2 соответственно вдоль координат x и y. Полноэкранное разрешение наблюдаемого стереоизображения при работе устройства соответствует воспроизведению Q элементов изображения каждого (левого L и правого R) ракурсов трехмерной сцены в каждом полном цикле формирования стереоизображения.
1
1
1
1
Качество стереоизображения в устройстве и способе улучшается за счет достижения двух основных технических результатов. Первый основной технический результат состоит в улучшении степени (контраста) сепарации ракурсов трехмерной сцены за счет взаимной компенсации начального двупреломления и хроматической дисперсии в каждой паре двупреломляющих слоев рабочего вещества (в предпочтительном конкретном варианте выполнения - в паре ЖК слоев 18, 19), выполненных с комплементарными оптическими свойствами (фиг.10-12). При этом достигается высокая температурная стабильность такой компенсации, поскольку температурные колебания фазового сдвига имеют разные знаки в паре двупреломляющих (ЖК) слоев 18, 19 с комплементарными оптическими свойствами. Второй основной технический результат, достигаемый в способе и первом частном варианте выполнения устройства по вариантам 1 и 2, состоит в реализации формы оптического сигнала переключения ракурсов трехмерной сцены (фиг.17, 18), близкого к идеальной прямоугольной форме, что обеспечивает минимизацию перекрестных помех между зонами наблюдения и незаметность мерцаний наблюдаемого стереоизображения.
Первый дополнительный технический результат в виде целенаправленного изменения удаленности зон наблюдения достигается в втором частном варианте выполнения устройства по варианту 1 (фиг.5, 19, 20) за счет возможности электрического переключения его конфигурации, что обеспечивает удобство в наблюдении стереоизображения для разных позиций наблюдателя по дальности при фиксированном положении устройства.
Второй дополнительный технический результат состоит в достижении неизменной удаленности зон наблюдения от экрана матричного оптического модулятора 2 при повороте его экрана на 90°, т.е. переходе от ландшафтного (горизонтального Н) положения экрана матричного оптического модулятора 2 к портретному (вертикальному V) положению (фиг.15). Неизменность удаленности зон наблюдения достигается за счет выбора на ЖК слое с коммутируемой адресацией (с помощью электронного блока управления) такого набора адресных прозрачных электродов (из двух взаимно ортогональных наборов, расположенных с двух сторон одного и того ЖК слоя), период расположения которых соответствует периоду расположения столбцов изображения для выбранного углового положения экрана, исходя из расчетов по формулам (2), (3), (6), (7).
Совместимость автостереоскопического дисплея с 2D изображением обеспечивается электрическим выключением активного параллаксного барьера за счет перевода всех двупреломляющих (ЖК) слоев в высокоэнергетическое состояние (с помощью электронных блоков 7 или 17 управления для осуществления статической адресации каждого ЖК слоя).
Промышленная применимость
Конкретным примером выполнения матричного оптического модулятора 2 или 14 для обоих вариантов выполнения устройства 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.
1
2
1
2
1
1
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, и на которых можно выполнять двупреломляющие слои 4, 4, 12, 12 (ЖК слои 18, 19) фазово-поляризационных модуляторов с теми же максимальными размерами апертуры, какие характерны для современных крупноформатых 2D ЖК дисплеев.
Гомеотропно-ориентированные (вертикально ориентированные относительно краевых плоскостей ЖК слоя в его начальном состоянии) нематические ЖК ячейки с отрицательной диэлектрической анизотропией Δε<0 в тонких ЖК слоях [9] также обеспечивают высокое быстродействие, однако они оптимальны для вариантов дисплеев с малой апертурой из-за трудности реализации гомеотропной ориентации на больших апертурах.
retr
retr
decay
decay
retr
rise
retr
Автостереоскопический дисплей с диаграммой быстрого оптического отклика оптимально использовать, например, при выполнении формирователя изображения в виде 100-120 Гц ЖК матриц (например, типа Samsung Syncmaster 2233RZ) с источником сигнала стереоизображения в виде персонального компьютера с информационным выходом на видеокарте nVidia, работающей под управлением программного стереодрайвера 3D Vision в режиме воспроизведения изображений ракурсов 3D сцены за время T обратного хода ЖК матриц [9]. В этом случае такты демонстрации ракурсов стереоизображения очень короткие (составляют не более 20-30% от полной длительности кадра, т.е. время T воспроизведения изображения одного ракурса составляет около 3 мс). Поэтому использование любых ЖК стереоочков либо иных средств сепарации ракурсов с стандартным переходным временем (величиной около 1,5-2 мс, определяемой в основном временем τ релаксации ЖК затворов стереоочков) проблематично для получения достаточной яркости наблюдаемого стереоизображения, поскольку в течение переходного времени τ (сравнимого с временем T воспроизведения ракурсов) ЖК затворы стереоочков открыты не полностью, и поэтому изображение каждого ракурса (следовательно, и стереоизображение в целом) воспринимается наблюдателем с пониженной яркостью. А в автостереоскопическом дисплее с временным откликом, иллюстрируемым фиг.18, переходное время оптического оклика составляет десятки-сотни микросекунд (определяемым только временем T реакции ЖК слоев), что обеспечивает высокую яркость наблюдаемого стереоизображения из-за практического полного открытия оптического канала дисплея в течение всего времени T воспроизведения ракурсов.
Электронное переключение двух взаимно ортогональных наборов адресных шин для сохранения пространственной удаленности зон наблюдения от экрана матричного оптического модулятора 2, 14 (фиг.15) при его угловом повороте целесообразно использовать для мобильных 3D дисплеев в смартфонах, коммуникаторах, планшетных компьютерах.
1
42
Дополнительным практическим достоинством стереодисплея является универсальность его конструкции из-за дополнительной возможности наблюдения стереоизображения с помощью пассивных стереоочков большим числом наблюдателей для любого частного варианта выполнения устройства по варианту 1 без использования поляризаторов 5, 9. Для этого ЖК слои 4 и  (с помощью электронного блока 7 управления) переводятся в режим эквипотенциальной коммутационной адресации, т.е. с одинаковым значением напряжения управления для всех адресных электродов в каждом такте работы с алгоритмом переключения величины напряжения между его высоким и низким значениями, соответствующим диаграммам оптического отклика, иллюстрируемыми фиг.17, 18.