Безочковая стереоскопическая видеосистема с дистанционным бинокулярным фильтром

Безочковая стереоскопическая система включает в себя два нематических жидкокристаллических слоя с взаимно ортогональными направлениями начальной гомогенной ориентации нематических жидкокристаллических молекул. При этом ось для обыкновенного луча первого нематического жидкокристаллического слоя ортогональна оси для обыкновенного луча второго нематического жидкокристаллического слоя и соответствующего алгоритма электрического управления жидкокристаллическими слоями. Технический результат заключается в повышении яркости стереоизображения за счет увеличения быстродействия средства сепарации изображений ракурсов - дистанционного бинокулярного фильтра, что позволяет реализовать максимальное оптическое пропускание последнего в течение всего времени показа стереоизображения. 13 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к технике стереоскопического отображения трехмерных (3D) сцен, точнее, к автостереоскопическим (безочковым) видеосистемам, и может быть использовано для безочкового наблюдения стереоизображений с повышенной яркостью при коротком (порядка нескольких миллисекунд) времени воспроизведения изображений ракурсов 3D сцен.

Уровень технике

Известна кинотеатральная стереоскопическая видеосистема с повышенной кадровой частотой изображений, содержащая последовательно оптически связанные стереоскопический видеопроектор, экран и активные стереоочки (стереоочки XPAND), а также серверный источник сигналов изображений ракурсов (двумерных проекций) 3D сцены и синхронизирующий электронный модуль с инфракрасным (ИК) выходом, который сопряжен с ИК синхровходом активных стереоочков, а вход синхронизирующего электронного модуля подключен к выходу синхронизации серверного источника сигналов изображений ракурсов 3D сцены, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического видеопроектора [1].

Первым недостатком известной кинотеатральной стереоскопической видеосистемы является невозможность безочкового просмотра стереоизображений. Кроме того, кадровая частота воспроизведения изображений ракурсов в известной видеосистеме повышена до 160-200 Гц с целью минимизации мерцаний яркости наблюдаемых стереоизображений, особенно заметных на большом кинотеатральном экране из-за задействования периферийных областей зрения (глаз) наблюдателя, особенно чувствительных к быстрым колебаниям яркости. При кадровой частоте 200 Гц время показа t_view изображения каждого из двух ракурсов 3D сцены составляет 5 миллисекунд. Поскольку каждый оптический затвор активных стереоочков закрыт (имеет минимальное оптическое пропускание) при максимальном значении U_max управляющего электрического напряжения, то время открытия каждого оптического затвора (по критерию значения 0,5 от величины максимального оптического пропускания в режиме «открыто») практически равно времени релаксации τ_decay оптического отклика нематического жидкокристаллического (НЖК) слоя (на скачкообразное понижение уровня управляющего электрического напряжения от значения U_max до минимального значения U_min). На практике значение τ_decay составляет не менее 2-2,5 миллисекунд для НЖК слоев традиционного типа [2]. Это означает, что стереоизображение в рассматриваемой стерео видеосистеме при кадровых частотах 180-200 Гц всегда наблюдается при «полуоткрытых» НЖК затворах, т.е. при приблизительно двукратном снижении яркости по сравнению с наблюдением сквозь полностью открытые НЖК затворы.

Известна стереоскопическая видеосистема [3] с укороченным временем показа стереоизображений, содержащая компьютерный источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен (на основе видеокарт nVidia), стереоскопический дисплей, активные стереоочки (стереоочки 3D Vision компании nVidia) и синхронизирующий электронный модуль с инфракрасным (ИК) выходом, который сопряжен с ИК синхровходом активных стереоочков, а вход синхронизирующего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, ЖК-экран которого оптически сопряжен с оптическим входом активных стереоочков.

Первым недостатком известной стереоскопической видеосистемы является невозможность безочкового просмотра стереоизображений. Вторым недостатком является существенные потери (около 50%) в яркости наблюдаемого стереоизображения вследствие недостаточно высокого быстродействия оптических затворов (τ_decay не менее 2-2,5 миллисекунд), выполненных на основе одиночного слоя НЖК, для используемого здесь режима показа стереоизображений. Действительно, время показа t_view каждого из изображений ракурсов на экране ЖК-дисплея в режиме 3D Vision (с использованием видеокарт nVidia) составляет порядка 2 миллисекунд при частоте кадров 100-120 Гц. Все остальное время кадра тратится на развертку изображения из-за инерционности ЖК-экрана дисплея.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой видеосистеме является безочковая стереоскопическая видеосистема с дистанционным бинокулярным фильтром (ДБФ) [4], содержащая источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен, стереоскопический дисплей, ДБФ и управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу ДБФ, а вход синхронизации управляющего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, экран которого оптически сопряжен с входом апертуры ДБФ, первая и вторая зоны апертуры которого оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, при этом ДБФ содержит по крайней мере один ЖК-слой в качестве слоя рабочего электрооптического вещества.

Достоинством известной видеосистемы является безочковое наблюдение стереоизображений. Недостатком известной видеосистемы является недостаточное быстродействие ДБФ, структура ЖК-слоя которого аналогична структуре ЖК-затвора в активных стереоочках. Это приводит к существенному снижению яркости наблюдаемого стереоизображения в данной известной видеосистеме из-за запаздывания открытия каждой зоны апертуры на время τ_decay не менее 2-2,5 миллисекунд, если использовать здесь стереоскопические дисплеи с кадровой частотой до 200 Гц или с временем показа t_view≈2 миллисекунд при кадровой частоте 100-120 Гц.

Задачей изобретения является увеличение яркости наблюдаемого стереоизображения при коротком (порядка нескольких миллисекунд) времени показа t_view изображений ракурсов 3D сцены.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача в безочковой стереоскопической видеосистеме, содержащей источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен, стереоскопический дисплей, дистанционный бинокулярный фильтр и управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу бинокулярного фильтра, а вход синхронизации управляющего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, экран которого оптически сопряжен с входом апертуры дистанционного бинокулярного фильтра, первая и вторая зоны апертуры которого оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, при этом дистанционный бинокулярный фильтр содержит по крайней мере один жидкокристаллический слой в качестве слоя рабочего электрооптического вещества, решается тем, что стереоскопический дисплей выполнен с жидкокристаллическим экраном, снабженным на своем выходе первым линейным поляризатором с осью поляризации p₁, ДБФ выполнен в виде последовательно расположенных первого НЖК слоя, второго НЖК слоя и второго линейного поляризатора, ось поляризации p₂ которого ортогональна оси поляризации p₁ первого линейного поляризатора, при этом каждый из НЖК слоев выполнен с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0 и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул вдоль биссектрис углов между осями поляризации p₁ и p₂ первого и второго линейных поляризаторов, причем ось o₁ для обыкновенного луча первого НЖК слоя ортогональна оси o₂ для обыкновенного луча второго НЖК слоя, а электрическим входом ДБФ является совокупность входов адресных прозрачных электродов, примыкающих к НЖК слоям ДБФ. При этом соблюдаются соотношения t_view>>τ_rise, t_view≈τ_decay, где

t_view - время попеременного показа каждого из изображений левого и правого ракурсов 3D сцены на экране стереоскопического дисплея,

τ_rise - время реакции оптического отклика каждого из НЖК слоев на ступенчатое повышение уровня управляющего электрического напряжения от значения U_min до значения U_max,

τ_decay - время релаксации оптического отклика каждого из НЖК слоев при ступенчатом понижении уровня управляющего электрического напряжения от значения U_max до значения U_min,

U_max и U_min - максимальное и минимальное рабочие значения управляющего электрического напряжения, соответствующие значениям фазовой задержки φ(U_max)=0 и φ(U_min)=π для каждого из НЖК слоев.

Увеличение яркости наблюдаемого стереоизображения достигается в видеосистеме за счет двух технических результатов.

Основной технический результат состоит в полном открытии каждой из двух зон апертуры ДБФ за время показа каждого изображения ракурса. Время открытия и время закрытия каждой зоны апертуры ДБФ, выполненного на основе двух НЖК слоев с положительной оптической анизотропией Δε>0 и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул вдоль биссектрис углов между двумя линейными поляризаторами с взаимно ортогональными осями поляризации p₁ и p₂, определяется только коротким временем τ_rise оптического отклика каждого НЖК слоя на скачкообразное повышение управляющего напряжения до максимального рабочего значения при соответствующем алгоритме электрического управления.

Дополнительный технический результат состоит в том, что линейный поляризатор на выходе ЖК-экрана дисплея используется одновременно в качестве входного поляризатора ЖК-структуры ДБФ (нет необходимости в использовании дополнительного линейного поляризатора в структуре ДБФ). Это ведет к дополнительному увеличению яркости наблюдаемого стереоизображения, поскольку два последовательно расположенных линейных поляризатора имеют в совокупности меньшее значение оптического пропускания, чем каждый из них. Поскольку ДБФ имеет фиксированное угловое положение относительно экрана дисплея при любом положении головы наблюдателя, то использование одного линейного поляризатора для экрана и ДБФ является оптимальным решением, не приводящем к ухудшению степени сепарации изображений ракурсов.

Такое решение не является оптимальным, например, при использовании активных стереоочков в известных стереоскопических видеосистемах с ЖК-экранами [3], поскольку, если не использовать входные линейные поляризаторы в ЖК-затворах стереоочков, то в силу механической связи оправы стереоочков с головой наблюдателя любой угловой наклон головы приведет к уходу от оптимального углового положения структуры ЖК-затворов относительно линейного поляризатора на экране дисплея, что вызовет существенное ухудшение контраста переключения НЖК затворов (существенные перекрестные помехи между наблюдаемыми изображениями первого (левого) и второго (правого) ракурсов 3D сцены.

Краткое описание чертежей

Осуществление изобретения поясняется чертежами, на фигурах которого представлены:

Фиг. 1 - общая схема видеосистемы.

Фиг. 2 - геометрия хода оптических лучей в видеосистеме.

Фиг. 3 - структура ДБФ с использованием комбинации сплошных и раздельных прозрачных адресных электродов.

Фиг. 4 - структура ДБФ с использованием только раздельных прозрачных адресных электродов.

Фиг. 5-8 - иллюстрации соответственно первого, второго, третьего и четвертого оптических состояний каждой зоны апертуры ДБФ.

Фиг. 9 - график открытия и закрытия оптического затвора на одиночном НЖК слое.

Фиг. 10 - диаграмма показа (воспроизведения) изображений двух (левого и правого) ракурсов 3D сцены с укороченным временем показа.

Фиг. 11 - диаграммы оптического пропускания зон апертуры ДБФ и форма управляющих напряжений на оба НЖК слоя ДБФ.

Фиг. 12 - диаграммы оптического пропускания зон апертуры ДБФ и формы видоизмененных управляющих напряжений для получения нулевой средней величины их амплитуд.

Фиг. 13 - иллюстрация реализации максимальных и минимальных значений управляющего напряжения за счет фазового сдвига несущей частоты с получением нулевой средней величины амплитуд управляющих напряжений.

Осуществление изобретения

Видеосистема (фиг. 1) содержит источник 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены, стереоскопический дисплей 2 с ЖК-экраном 3, снабженным линейным поляризатором 4 с осью поляризации p₁, дистанционный бинокулярный фильтр (ДБФ) 5 и управляющий модуль 6, вход синхронизации которого подключен к выходу синхронизации источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея 2, ЖК-экран 3 которого оптически сопряжен с входом апертуры ДБФ 5, первая Q₁ и вторая Q₂ зоны апертуры которого оптически связаны с первым W₁ и вторым W₂ окнами наблюдения. При этом ДБФ 5 выполнен в виде последовательно расположенных первого нематического жидкокристаллического (НЖК) слоя 5₁, второго НЖК слоя 5₂ и линейного поляризатора 5₃, ось поляризации р₂ которого ортогональна оси поляризации p₁ линейного поляризатора 4, при этом каждый из НЖК слоев 5₁, 5₂ выполнен с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0 НЖК вещества и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул LC_5-1, LC_5-2, при этом ось o₁ для обыкновенного луча первого НЖК слоя 5₁ ортогональна оси o₂ для обыкновенного луча второго НЖК слоя 5₂ и направлена вдоль биссектрисы угла между осями поляризации p₁ и р₂ линейных поляризаторов 4 и 5₃ соответственно, причем электрическим входом ДБФ 5 является совокупность входов адресных прозрачных электродов E1-EK, примыкающих к НЖК слоям 5₁, 5₂, подключенных к выходу электронного управляющего модуля 6, причем соблюдаются соотношения

где:

t_view - время попеременного показа каждого из изображений первого (левого L) и второго (правого R) ракурсов 3D сцены на ЖК-экране 3 стереоскопического дисплея 2,

τ_rise - время реакции оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ на ступенчатое (скачкообразное) повышение уровня управляющего электрического напряжения от значения U_min до значения U_max,

τ_decay - время релаксации оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ при ступенчатом (скачкообразном) понижении уровня управляющего электрического напряжения от значения U_max до значения U_min,

U_max и U_min - максимальное и минимальное рабочие значения управляющего электрического напряжения, соответствующие значениям фазовой задержки φ(U_max)=0 и φ(U_min)=π для каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂.

Гомогенная начальная ориентация НЖК молекул в каждом из НЖК слоев 5₁ и 5₂ означает выстраивание длинных осей НЖК молекул в каждом из НЖК слоев 5₁ и 5₂ параллельно поверхностям диэлектрических пластин вдоль заданного направления (которое определяет начальное направление главной оси НЖК кристалла).

Геометрия хода лучей в оптической схеме (фиг. 2) видеосистемы в ее сечении (вид 1) вдоль направления строчной развертки изображения (вдоль горизонтального направления) определяется формулой

где:

В - расстояние между центральными точками двух окон наблюдения W₁ и W₂,

Z_B - расстояние от центральных точек двух окон наблюдения W₁ и W₂ до ДБФ 5,

Z_image - расстояние от ДБФ 5 до ЖК-экрана 3,

L_image - длина ЖК-экрана 3 (его размер вдоль горизонтального направления).

При выполнении соотношения (3) из каждой из центральных точек окон наблюдения W₁ и W₂ (в которых расположены глаза наблюдателя) сквозь каждую из первой Q₁ и второй Q₂ зон апертуры ДБФ 5 виден ЖК-экран 3 по всей его длине L_image.

Высота Н_ДБФ апертуры DBF 5 (вид 2 на фиг. 2) выбрана в соответствии с формулой

где H_image - высота ЖК-экрана 3 (его размер вдоль направления кадровой развертки изображения, соответствующего вертикальному направлению). При выполнении соотношения (4) из каждой из центральных точек окон наблюдения W₁ и W₂ сквозь каждую из первой Q₁ и второй Q₂ зон апертуры виден ЖК-экран 3 по всей высоте H_image.

В первом частном варианте выполнения видеосистемы ДБФ 5 содержит диэлектрическую прозрачную (например, стеклянную, кварцевую или пластиковую) пластину 7 (фиг. 3), сплошной адресный прозрачный электрод Е1, первый НЖК слой 5₁, раздельные адресные прозрачные электроды Е2 и Е3, диэлектрическую прозрачную пластину 8, сплошной адресный прозрачный электрод Е4, второй НЖК слой 5₂, раздельные адресные прозрачные электроды Е5 и Е6, диэлектрическую прозрачную пластину 9 и линейный поляризатор 5₃. Толщина НЖК слоев определяется диэлектрическими прокладками - спей-серами (spacers) 10₁-10₄. Топологии (конфигурации площади) раздельных прозрачных электродов Е2 и Е3, Е5 и Е6 определяют топологии соответствующих зон Q₁ и Q₂ апертуре ДБФ 5.

Во втором частном варианте выполнения видеосистемы ДБФ 5 все адресные прозрачные электроды Е7-Е14 выполнены раздельными для каждой из зон Q₁ и Q₂ (фиг. 4).

Видеосистема работает следующим образом. Видеосигнал с информационного выхода источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены подается на вход стереоскопического дисплея 2, на ЖК-экране 3 которого попеременно воспроизводятся изображения первого (левого) и второго (правого) ракурсов 3D сцены, при этом каждое из изображений ракурсов воспроизводится в течение времени t_view. Световой поток изображений первого и второго ракурсов после прохождения линейного поляризатора 4 приобретает линейную поляризацию, соответствующую направлению оси поляризации p₁ (направленную, для определенности, под углом +45° к горизонтальному направлению - направлению строчной развертки изображений на ЖК-экране 3). Поляризованный (p₁) световой поток изображений ракурсов поступает на вход апертуры ДБФ 5 и последовательно проходит первый НЖК слой 5₁, второй НЖК слой 5₂ и линейный поляризатор 5₃, направление оси поляризации которого направлено под углом -45° к горизонтальному направлению и составляет угол 90° с направлением исходной линейного поляризации (p₁) светового потока изображения (до его входа в апертуру ДБФ 5). Оптическое состояние ДБФ 5 определяется комбинацией величин управляющих напряжений, подаваемых на адресные прозрачные электроды E1-EK с выхода управляющего модуля 6 в соответствии с сигналами синхронизации, поступающими с выхода синхронизации источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены. При показе (воспроизведении) на ЖК-экране 3 изображений первого (левого) ракурса открывается только первая (левая) зона Q₁ (Q_L) апертуры ДБФ 5, обеспечивая просмотр этих изображений в первом (левом) окне W₁ (W_L) наблюдения. При показе (воспроизведении) на ЖК-экране 3 изображений второго (правого) ракурса открывается только вторая (правая) зона Q₂ (Q_R) апертуры ДБФ 5, обеспечивая просмотр этих изображений в втором (правом) окне W₂ (W_R) наблюдения. Время открытия и закрытия каждой из левой Q_L и правой Q_R зон апертуры равно короткому времени τ_rise, тем самым обеспечивается их практически полное открытие в течение времени t_view показа (воспроизведения) изображений ракурсов в силу выполнения соотношения (1). Наличие соотношения (2) при этом является основанием для использования двух НЖК слоев 5₁, 5₂ в ДБФ 5 для устранения влияния длительного (сравнимого с временем показа изображений ракурсов) времени τ_decay каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ на длительность открытия и закрытия обеих зон Q_L и Q_R апертуры ДБФ 5.

Рассмотрим оптические состояния и алгоритм (логику управления) НЖК слоями ДБФ 5, обеспечивающие выполнение соотношения (1) при наличии соотношения (2).

Оптическое состояние ДБФ 5 определяется комбинацией величин управляющих напряжений U_max, U_min (фиг. 5-8), подаваемых на адресные прозрачные электроды, примыкающие к первому 5₁ и второму 5₂ НЖК слоям.

Первое оптическое состояние S1 ДБФ 5 (фиг. 5) соответствует подаче минимальных значений управляющих напряжений U_min на первый 5₁ и второй 5₂ НЖК слои, каждый из которых в этом случае создает фазовый сдвиг φ(U_min)=π, т.е. первый НЖК слой 5₁ создает фазовый сдвиг φ_5-1(U_min)=π, а второй НЖК слой 5₂ создает фазовый сдвиг φ_5-2 (U_min)=π. Данное максимальное значение (π) фазового сдвига обусловлено тем, что главная ось НЖК кристалла в каждом из НЖК слоев 5₁ и 5₂ направлена под максимальным рабочим углом по отношению к направлению распространения входящего светового потока, а направление линейной поляризации которого составляет угол 450 с осью o₁ для обыкновенного луча. Совместное действие двух НЖК слоев 5₁ и 5₂ приводит к нулевому значению абсолютного разностного фазового сдвига , что соответствует отсутствию изменения направления линейной поляризации p₁ в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5₁ и 5₂. В итоге для первого оптического состояния S1 ДБФ 5 интенсивность света J₁ на выходе линейного поляризатора 5₃ равна нулю (J₁=0), поскольку направление линейной поляризации (p₁) в прошедшем свете остается ортогональным оси поляризации p₂.

Второе оптическое состояние S2 ДБФ 5 (фиг. 6) соответствует подаче максимальных значений управляющего напряжения U_max на первый 5₁ и второй 5₂ НЖК слои, которые создают фазовые сдвиги φ_5-1(U_max)=0 и φ_5-2(U_max)=0 соответственно. Данное минимальное значение (0) фазового сдвига обусловлено тем, что главная ось НЖК кристалла в каждом из НЖК слоев 5₁ и 5₂ направлена параллельно направлению распространения входящего светового потока. Это приводит к нулевому значению абсолютного разностного фазового сдвига , что также соответствует отсутствию изменения направления линейной поляризации (p₁) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5₁ и 5₂. В итоге для второго оптического состояния S2 ДБФ 5 интенсивность света J₂ на выходе линейного поляризатора 5₃ равна нулю (J₂=0), поскольку направление линейной поляризации (p₁) в прошедшем свете остается ортогональным оси поляризации p₂.

Третье оптическое состояние S3 ДБФ 5 (фиг. 7) соответствует подаче минимального значения управляющего напряжения U_min на первый НЖК слой 5₁ и максимального значения управляющего напряжения U_max на второй НЖК слой 5₂, первый из которых в этом случае создает фазовый сдвиг φ_5-1(U_min)=π, а второй - фазовый сдвиг φ_5-2(U_max)=0. Полученная величина абсолютного разностного фазового сдвига равна π (т.е. ), что вызывает поворот на 90° направления линейной поляризации (p₁) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5₁ и 5₂. В итоге для третьего оптического состояния S3 ДБФ 5 интенсивность света J₃ на выходе линейного поляризатора 5₃ имеет максимальное значение (J₃=J_max) в силу взаимной параллельности линейной поляризации в прошедшем свете, повернутой на 90° относительно (p₁), и оси поляризации p₂.

Четвертое оптическое состояние S4 ДБФ 5 (фиг. 8) соответствует подаче максимального значения управляющего напряжения U_max на первый НЖК слой 5₁ и минимального значения управляющего напряжения на второй 5₂ НЖК слой, первый из которых в этом случае создает нулевой фазовый сдвиг φ_5-1(U_max)=0, а второй - фазовый сдвиг φ_5-2(U_min)=π. Полученная величина абсолютного разностного фазового сдвига равна π (т.е. ), что вызывает поворот на 90° направления линейной поляризации (p₁) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5₁ и 5₂. В итоге для четвертого оптического состояния S4 ДБФ 5 интенсивность света J₄ на выходе линейного поляризатора 5₃ имеет максимальное значение (J₄=J_max) в силу взаимной параллельности линейной поляризации в прошедшем свете, повернутой на 90° относительно (p₁), и оси поляризации р₂.

Промежуточное оптическое состояние S_mid ДБФ 5 соответствует подаче на оба НЖК слоя 5₁, 5₂ двух одинаковых промежуточных значений U_mid управляющего напряжения (U_max≥U_mid≥U_min), которые обеспечивают промежуточное значение фазового сдвига φ(U_mid)=φ_mid в каждом из НЖК слоев 5₁, 5₂. В этом случае величина абсолютного значения разностного фазового сдвига равна нулю при любом значении U_mid. В итоге для промежуточного оптического состояния S_mid ДБФ 5 интенсивность света J_mid на выходе линейного поляризатора 5₃ равна нулю (J_mid=0), поскольку направление линейной поляризации в прошедшем свете (p₁) остается ортогональным оси поляризации р₂.

Оптический отклик каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ на ступенчатое (скачкообразное) изменение управляющего напряжения U несимметричен относительно направления изменения величины управляющего напряжения. А именно, время реакции τ_rise оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ на ступенчатое повышение управляющего напряжения U мало (не превышает 50-100 микросекунд при повышении напряжения от уровня U_min≈4-6 В до уровня U_max≈20-40 В для НЖК структур [2]). Это обусловлено тем, что НЖК молекулы являются полярными (представляют собой электрические диполи). Положительная диэлектрическая анизотропия Δε>0 НЖК вещества означает, что направление оси диполя каждой НЖК молекулы совпадает с направлением ее длинной оси. Поэтому при подаче управляющего напряжения на прозрачные электроды НЖК молекулы достаточно быстро принудительно поворачиваются под действием управляющего электрического напряжения с выстраиванием осей диполей и длинных осей НЖК молекул вдоль силовых линий высокой напряженности управляющего электрического поля. Время релаксации τ_decay оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ при ступенчатом понижении уровня управляющего электрического напряжения от U_max до U_min составляет порядка двух-трех миллисекунд, поскольку возврат НЖК молекул в исходной состояние происходит в этом случае самопроизвольно под действием относительно слабых внутренних сил вязкости и упругости НЖК слоя.

Примерный график оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ ДВФ 5 представлен на фиг. 9 (для упрощения чертежа минимальное значение U_min управляющего напряжения принято равным 0). На графике интенсивность света J_single для одиночного НЖК слоя (5₁ или 5₂) соответствует, например, изменению интенсивности света J₁ за поляризатором 5₃ во времени (фиг. 5) при ступенчатом снижении управляющего напряжения до U_min только на одном из НЖК слоев 5₁, 5₂, в то время как управляющее напряжение на другом из них неизменно остается высоким величиной U_max (в этом случае только один из НЖК слоев 5₁, 5₂ участвует в формировании величины фазовой задержки света). Видно, что момент времени t_open полного открытия (получение максимального оптического пропускания) при работе только одного из ЖК-слоев 5₁, 5₂ запаздывает на большую величину τ_decay относительно момента времени t_down ступенчатого снижения управляющего напряжения от U_max до U_min. При этом момент времени t_close полного закрытия (получение минимального оптического пропускания) запаздывает на малую величину τ_rise относительно момента времени t_up ступенчатого повышения управляющего напряжения от U_min до U_max.

Время показа (воспроизведения) t_view каждого из левого L (первого) и правого R (второго) изображений ракурсов 3D сцены на ЖК-экране 3, т.е. длительность t_view реализации светового потока изображения с интенсивностью J_image (фиг. 10) существенно короче времени номинального времени Т_frame кадра: t_view составляет величину порядка двух миллисекунд при длительности каждого кадра T_frame≈10÷8,3 миллисекунд (при частоте кадров 100-120 Гц соответственно).

Для минимизации переходных времен оптического отклика ДБФ 5 с целью увеличения яркости стереоизображения, воспринимаемого в окнах наблюдения W₁ и W₂, используется параллельное электрическое управление обоими НЖК слоями 5₁, 5₂ (фиг. 11). Величина J_image соответствует интенсивности светового потока каждого из изображений левого L (первого) и правого R (второго) ракурса 3D сцены. Промежутки времени, соответствующие реализации максимального оптического пропускания C_L, левой зоны Q_L апертуры ДБФ 5, соответствуют промежуткам времени показа изображений левого ракурса L. Промежутки времени, соответствующие реализации максимального оптического пропускания C_R правой зоны Q_R апертуры ДБФ 5, соответствуют промежуткам времени показа изображений правого ракурса R.

Управление оптическим пропусканием левой зоны Q_L апертуры осуществляется подачей управляющих напряжений как на НЖК слой 5₁ посредством, например, адресных прозрачных электродов Е7 и Е8, так и на НЖК слой 5₂ посредством адресных прозрачных электродов Е9 и Е10 (фиг. 4). В начальный момент времени t₀ оба НЖК слоя 5₁, 5₂ находятся под минимальным - нулевым - напряжением U_min (для простоты принятым равным 0 на фиг. 11), что соответствует случаю минимального оптического пропускания левой зоны Q_L апертуры (соответствующее первое оптическое состояние S1 последней иллюстрируется фиг. 5). В момент времени t₁ начала показа изображения левого ракурса L между адресными прозрачными электродами Е7, Е8 подается максимальное электрическое напряжение U_max только на первый НЖК слой 5₁, что приводит к быстрому (за время t_rise) открытию левой зоны Q_L апертуры до величины максимального оптического пропускания (соответствует четвертому оптическому состоянию S4, иллюстрируемому фиг. 8), которое реализуется в течение всего времени t_view воспроизведения изображения левого ракурса L за счет поддержания максимального напряжения U_max между электродами Е7, Е8. В момент t₂ прекращения показа изображения левого ракурса L на второй НЖК слой 5₂ между адресными прозрачными электродами Е9, Е10 подается максимальное электрическое напряжение U_max, что приводит к быстрому (за время t_rise) закрытию левой зоны Q_L апертуры (соответствует второму оптическому состоянию S2 последней, иллюстрируемому фиг. 6). Далее сохраняются максимальные значения напряжения U_max на обоих НЖК слоях 5₁ и 5₂ до момента t₃ времени, который отстоит от начала (момент t₄ времени) показа следующего изображения левого ракурса L на время t_adv, большее времени τ_decay

В момент t₃ времени одновременно понижают управляющее электрическое напряжение до нулевого значения на обоих НЖК слоях 5₁ и 5₂, что оставляет прежним минимальное значение оптического пропускания левой зоны Q_L апертуры, поскольку при этом происходит переход от второго оптического состояния S2 левой зоны Q_L апертуры, иллюстрируемого фиг. 6, к ее первому оптическому состоянию S1, иллюстрируемому фиг. 5. При этом для всех промежуточных состояний управляющего напряжения (в диапазоне от U_max до U_min) в течение времени малого Δt ступенчатого изменения напряжения левая зона Q_L апертуры характеризуется промежуточным оптическим состоянием S_mid при промежуточных значениях управляющего напряжения U_mid, для каждого из которых оптическое пропускание левой зоны Q_L апертуры равно нулю. (Величина Δt в основном определяется временем перезарядки емкости электрического конденсатора, образованного обкладками в виде адресных прозрачных электродов Е7, Е8 и диэлектриком в виде НЖК слоя 5₁ или 5₂). Процесс релаксации оптического отклика НЖК слоев 5₁, 5₂ в течение времени τ_decay при ступенчатом снижении управляющего напряжения происходит без изменения оптического пропускания левой зоны Q_L апертуры. После этого в момент t₄ времени подается максимальное управляющее напряжение U_max только на адресные прозрачные электроды E9-E10, примыкающие к второму НЖК слою 5₂. Это приводит к реализации максимального оптического пропускания левой зоны Q_L апертуры (соответствует третьему оптическому состоянию S3, иллюстрируемому фиг. 7). В момент t₅ прекращения показа изображения левого ракурса L подается максимальное управляющее напряжение U_max также и на первый НЖК слой 5₁, что приводит к нулевому оптическому пропусканию левой зоны Q_L апертуры (соответствует второму состоянию S2 оптического пропускания, иллюстрируемому фиг. 6).

Рассмотренный алгоритм управления двумя НЖК слоями 5₁ и 5₂ используется аналогично для управления оптическим пропусканием правой зоной Q_R апертуры (фиг. 11) для выделения в правой зоне W2 наблюдения изображений только правого ракурса 3D сцены. Для этого управляющие напряжения подаются на адресные прозрачные электроды E11, Е12 НЖК слоя 5₁ и на адресные прозрачные электроды Е13, Е14 НЖК слоя 5₂.

Как правило, для корректной работы НЖК слоев требуется поддержание нулевого среднего напряжения на них (для предотвращения, в частности, образования постоянного объемного электрического заряда внутри НЖК слоев). Для этого используются два частных варианта модификации управляющего напряжения.

Первый частный вариант состоит в смене полярности напряжения на адресных управляющих электродах для достижения нулевого среднего напряжения в течение времени t_average усреднения (фиг. 12). Для этого выбирается повторяющийся фрагмент диаграммы управляющего электрического напряжения, которому соответствует половина времени усреднения t_average/2. Тогда n-й фрагмент диаграммы управляющего электрического напряжения воспроизводится с положительной полярностью управляющего напряжения в течении первой половины времени усреднения t_average/2, а следующий (n+1)-й фрагмент - с отрицательной полярностью в течение второй половины времени усреднения t_average/2. В итоге в течение полного времени t_average усреднения обеспечивается нулевое среднее значение управляющего напряжения.

Второй частный вариант реализации нулевого среднего значения напряжения состоит в использовании низкочастотной несущей (порядка нескольких килогерц), огибающей которой являются значения управляющего электрического напряжения (фиг. 13). На сплошной адресный прозрачный электрод Е1 подается управляющее напряжение U_carrier(0) в виде прямоугольной волны (меандра) с нулевой начальной фазой. На адресный прозрачный электрод Е2 подается управляющее напряжение U_carrier(180°) в виде прямоугольной волны (меандра) с начальной фазой 180°, т.е. управляющее напряжение U_carrier(180°) противофазно управляющему напряжению U_carrier(0). В итоге часть НЖК слоя 5₁, примыкающая к адресному прозрачному электроду Е2, находится под разностным знакопеременным управляющим напряжением ΔU_carrier(antiphase), уровень амплитуды которого равен максимальному значению напряжения U_max. Часть НЖК слоя 5₁, примыкающая к адресному прозрачному электроду Е3, находится под нулевым значением управляющего напряжения ΔU_carrier (in phase)=0, поскольку к адресным прозрачным электродам Е1 и Е3 приложены управляющие напряжения U_carrier (0) с синфазными несущими. Таким образом, получение максимального значения управляющего напряжения на выбранном участке НЖК слоя обеспечивается приложением взаимно противофазных несущих на два адресных прозрачных электрода, примыкающие к выбранному НЖК слою с разных его сторон, а получение нулевого значения управляющего напряжения выбранном участке НЖК слоя - приложение взаимно синфазных несущих на два адресных прозрачных электрода, примыкающие к выбранному НЖК слою с разных его сторон. При этом за период несущей обеспечивается нулевое среднее значение напряжения.

Для первого частного варианта реализации нулевого среднего значения управляющего напряжения обязательно использование только раздельных адресных управляющих электродов для каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ (как показано на фиг. 4). Это связано с тем, что смена полярности управляющего напряжения при реализации первого частного варианта происходит в разные промежутки времени для левой Q_L и правой Q_R зон апертуры (фиг. 12), поэтому здесь невозможно использовать сплошной (общий для обеих парциальных апертур Q_L, Q_R) адресный прозрачный электрод для какого-либо из НЖК слоев 5₁, 5₂.

Для второго частного варианта реализации нулевого среднего значения управляющего напряжения возможно использование по одному общему адресному прозрачному электроду (E1, Е4) для каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ (как показано на фиг. 3), поскольку частота несущей одинакова для всех управляющих напряжений (подаваемых на все адресные прозрачные электроды), а задание уровня напряжения на участках НЖК слоев 5₁, 5₂ обеспечивается соответствующим выбором фазы несущей (фаза 0° для нулевого значения управляющего напряжения или 180° для максимального значения управляющего напряжения) на раздельных прозрачных электродах (Е2, Е3, Е5, Е6) при условии, что на сплошные адресные прозрачные электроды E1, Е4 подано напряжение в виде несущей с нулевой фазой.

Увеличение яркости наблюдаемого стереоизображения достигается в видеосистеме за счет двух технических результатов.

Основной технический результат состоит в практически полном открытии каждой из зон Q_R, Q_L апертуры ДБФ 5 за время показа каждого соответствующего изображения ракурса. Это обусловлено тем, что время открытия и время закрытия каждой зон Q_R, Q_L апертуры ДБФ 5 определяется только коротким временем τ_rise оптического отклика каждого НЖК слоя на скачкообразное повышение управляющего напряжения до максимального рабочего значения. Время τ_rise составляет около 50-100 микросекунд при длительности t_view≈2 миллисекунды показа изображения каждого ракурса (т.е. время открытия и закрытия равны времени составляют вместе не более 1% от времени показа t_view). Время τ_decay релаксации каждого из НЖК слоев не влияет на время открытия каждой из зон Q_R, Q_L апертуры (время τ_decay ограничивает только максимальную частоту следования циклов переключения, т.е. минимальную величину T_frame).

Оптическое пропускание каждого НЖК слоя для входящего линейно поляризованного света, составляющего угол 45° относительно оси для обыкновенного луча, составляет не менее 90% [2]. Поэтому использование двух НЖК слоев мало влияет на общее оптическое пропускание ДБФ по сравнению с использованием в нем одного НЖК слоя.

Дополнительный технический результат состоит в том, что линейный поляризатор 4 на выходе ЖК-экрана 3 дисплея 2 используется одновременно в качестве входного поляризатора для НЖК структуры ДБФ 5 (т.е. нет необходимости в использовании дополнительного линейного поляризатора в ЖК-структуре ДБФ 5, наличие которого привело бы к снижению общего оптического пропускания). Поскольку ДБФ имеет фиксированное угловое положение относительно экрана дисплея, то использование одного линейного поляризатора для экрана и ДБФ является оптимальным решением из-за отсутствия причин для появления углового рассогласования НЖК структуры ДБФ 5 и линейного поляризатора 4 при сохранении исходной юстировки последнего.

Промышленная применимость

Конкретным примером практического выполнения каждого из НЖК слоев ДБФ является π-ячейка (π-структура) [4] либо ЖК-структура с S-эффектом [5].

Стереоскопическая видеосистема с ДБФ может быть использована для реализации автостереоскопического (безочкового стереоскопического) отображения 3D сцен при работе с любым 3D дисплеем, изначально предназначенным (произведенным промышленностью или разработанным в лаборатории) для работы с активными стереоочками, т.е. попеременно воспроизводящим на одном и том же экране изображения двух (левого и правого) ракурсов 3D сцены. Для этого достаточно вместе с данным 3D дисплеем вместо активных стереоочков использовать ДБФ, геометрические параметры которого выбираются из соотношений (3) и (4).

Стереоскопическая видеосистема с ДБФ может быть использована для безочкового наблюдения стереоизображений с увеличенной яркостью (по сравнению с наблюдением через стереоочки фирмы nVidia) на экране жидкокристаллических (ЖК) дисплеев, работающих с попеременным показом изображений ракурсов трехмерных (3D) сцен в режиме 3D Vision [2].

ДБФ может использоваться в качестве окна безочкового просмотра стереоизображения в каждом индивидуальном зрительском месте (сотового типа) в 3D кинотеатрах, в которых используется попеременное воспроизведение изображений двух ракурсов (вместо использования стереоочков XPAND) [1] с учетом того, что в подобных кинотеатрах кадровая частота работы стерео видеопроектора (марки Christie) может составлять до 160-200 Гц.

Литература

1. Abileah А. 3D displays - technologies and testing methods. - Journal of the Society for Information Displays, 2011, V. 19, No. 11, pp. 749-763.

2. Yang D.-K., Wu S.-T. Fundamentals of liquid crystal devices. - John Wiley & Sons, London, 2006.

3. Slavenburg G.A. System, method and computer program product for controlling stereo glasses shutters. - Патент США №7724211, опубл. 25.05.2010.

4. Ежов В.А., Студенцов С.А. Автостереоскопический дисплей с квазинерпрерывным спектром ракурсов. - Патент РФ №2306678, заявл. 07.02.2006, опубл. 20.09.2007.

5. Bos P. Rapid starting, high-speed liquid crystal variable optical retarder. - Патент США №4566758, опубл. 28.01.1986.

6. Блинов Л.М. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах. - Успехи физических наук, 1974, т. 114, вып. 1, с. 72.

Безочковая стереоскопическая видеосистема с дистанционным бинокулярным фильтром, содержащая источник сигналов изображений ракурсов трехмерных сцен, стереоскопический дисплей, дистанционный бинокулярный фильтр и управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу бинокулярного фильтра, а вход синхронизации управляющего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов трехмерной сцены, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, экран которого оптически сопряжен с входом апертуры дистанционного бинокулярного фильтра, первая и вторая зоны апертуры которого оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, при этом дистанционный бинокулярный фильтр содержит по крайней мере один жидкокристаллический слой в качестве слоя рабочего электрооптического вещества, отличающаяся тем, что стереоскопический дисплей выполнен с жидкокристаллическим экраном, снабженным на своем выходе первым линейным поляризатором, дистанционный бинокулярный фильтр выполнен в виде последовательно расположенных первого нематического жидкокристаллического слоя, второго нематического жидкокристаллического слоя и второго линейного поляризатора, ось поляризации которого ортогональна оси поляризации первого линейного поляризатора, при этом каждый из нематических жидкокристаллических слоев выполнен с положительной диэлектрической анизотропией жидкокристаллического вещества и с гомогенной начальной ориентацией жидкокристаллических молекул вдоль биссектрис углов между осями поляризации первого и второго линейных поляризаторов, причем ось для обыкновенного луча первого нематического жидкокристаллического слоя ортогональна оси для обыкновенного луча второго нематического жидкокристаллического слоя, а электрическим входом дистанционного бинокулярного фильтра является совокупность входов адресных прозрачных электродов, примыкающих к нематическим жидкокристаллическим слоям дистанционного бинокулярного фильтра, причем соблюдаются соотношения f_view>>τ_rise, t_view≈τ_decay, где
t_view - время попеременного показа каждого из изображений левого и правого ракурсов трехмерной сцены на экране стереоскопического дисплея,
t_rise - время реакции оптического отклика каждого из нематических жидкокристаллических слоев на ступенчатое повышение уровня управляющего электрического напряжения от значения U_min до значения U_max,
τ_decay - время релаксации оптического отклика каждого из нематических жидкокристаллических слоев при ступенчатом понижении уровня управляющего электрического напряжения от значения U_max до значения U_min,
U_max и U_min - максимальное и минимальное рабочие значения управляющего электрического напряжения, соответствующие значениям фазовой задержки φ(U_max)=0 и φ(U_min)=π для каждого из нематических жидкокристаллических слоев.