RU2679544C1 - Стереоскопический дисплей с дистанционным бинокулярным фильтром на противофазных жидкокристаллических слоях - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области стереоскопических видеосистем. Технический результат − улучшение качества стереоизображения за счет расширения области наблюдения стереоизображения и увеличения точности сепарации ракурсных изображений. Стереоскопический дисплей с дистанционным бинокулярным фильтром на противофазных жидкокристаллических слоях содержит: источник стереовидеосигнала; блок управления; источники света; формирователь амплитудных изображений; дистанционный бинокулярный фильтр; причем блок управления выполнен с позиционным сенсором, оптически связанным с одним из окон наблюдения, один из жидкокристаллических слоев выполнен позиционным, снабженным группой столбцовых адресных прозрачных электродов, период расположения которых равен позиционному шагу вертикальной границы между двумя зонами в горизонтальном направлении, соответствующем направлению бинокулярного параллакса, а другой жидкокристаллический слой выполнен компенсационным, снабженным сплошным адресным прозрачным электродом, причем общая апертура группы столбцовых адресных прозрачных электродов и апертура сплошного адресного прозрачного электрода равны апертуре дистанционного бинокулярного фильтра. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

Изобретение относится к стереоскопической видеотехнике, а точнее - к технике последовательного воспроизведения полноэкранных ракурсных изображений трехмерных (3D) сцен с помощью высокоскоростного сепаратора ракурсных изображений, выполненного в виде дистанционного бинокулярного фильтра на нематических жидких кристаллах, и может быть использовано для наблюдения стереоизображений в стереоскопических компьютерных мониторах с короткими (миллисекундными) временами воспроизведения ракурсных изображений при кадровых частотах от 120 Гц до 600-1000 Гц при совместимости с наблюдением моноскопических (2D) изображений.

Известен автостереоскопический дисплей [1] с дистанционным бинокулярным фильтром (ДБФ) на одиночном жидкокристаллическом (ЖК) слое, содержащий источник стереовидеосигнала, блок управления и последовательно оптически связанные источник света, формирователь амплитудных изображений (ФАИ) и ДБФ с левой и правой зонами сепарации, оптически связанными с левым и правым окнами наблюдения, при этом электронный вход ДБФ подключен к выходу блока управления, вход которого подключен к выходу кадровой синхронизации источника стереовидеосигнала, информационный выход которого подключен к информационному входу ФАИ, при этом ДБФ выполнен в виде одиночного нематического жидкокристаллического (НЖК) слоя с 270-градусной закруткой НЖК молекул, расположенного между двумя линейными поляризаторами с взаимно ортогональными осями поляризации.

Недостатком известного устройства является недостаточно высокое качество стереоизображение, вызванное большим временем перехода в открытое состояние каждой зоны сепарации ДБФ вследствие длительного (порядка 1,5-2мс) времени τ_decay самопроизвольной релаксации (перехода в исходное состояние) НЖК молекул после снятия высокого значения управляющего напряжения, приложенного к адресным прозрачным электродам одиночного НЖК слоя. Например, при кадровой частоте 120 Гц (при длительности светового потока ракурсного изображения трехмерной сцены, равной длительности кадра около 8,3 мс, например, для DLP-экрана) время изменения яркости изображения в той части экрана, с которой начинается кадровая развертка изображения, составляет 20-25% от общей площади экрана, вызывая неравномерность яркости стереоизображения по площади экрана. Более того, для ЖК экрана, работающего по системе nVidia 3D Vision [2], длительность светового потока ракурсного изображения составляет всего около 2 мс (при кадровой частоте 120 Гц), что обусловлено долгой подготовительной процедурой формирования изображения в случае ЖК экрана. В этом случае время открытия окон сепарации для ДБФ на одиночном НЖК слое сравнимо с общей длительностью световых потоков ракурсных изображений, что ведет к снижению яркости наблюдаемого (сквозь апертуру ДБФ) стереоизображения в несколько раз по сравнению с яркостью ракурсных изображений, воспроизводимых на ЖК экране.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному устройству является известный автостереоскопический дисплей [3] с дистанционным бинокулярным фильтром (ДБФ) на противофазных жидкокристаллических (ЖК) слоях, содержащий источник стереовидеосигнала, блок управления и последовательно оптически связанные источник света, формирователь амплитудных изображений (ФАИ) и ДБФ с левой и правой зонами сепарации, оптически связанными с левым и правым окнами наблюдения, при этом экран ФАИ снабжен первым линейным поляризатором, электронный вход ДБФ подключен к выходу блока управления, вход которого подключен к выходу кадровой синхронизации источника стереовидеосигнала, информационный выход которого подключен к информационному входу ФАИ, при этом ДБФ выполнен в виде в виде двух последовательно расположенных взаимно противофазных нематических жидкокристаллических (НЖК) слоев и второго линейного поляризатора, ось поляризации которого ортогональна оси поляризации первого линейного поляризатора, при этом каждый из НЖК слоев выполнен с положительной диэлектрической анизотропией (Δε > 0) и с гомогенной начальной ориентацией ЖК молекул, причем ось

для необыкновенного луча первого ЖК слоя ортогональна оси

для необыкновенного луча второго ЖК слоя, каждый ЖК слой снабжен первым (левым) и вторым (правым) адресным прозрачными электродами, апертуры которых соответствуют первой (левой) и второй (правой) зонам сепарации, и электрические входы которых образуют электронный вход ДБФ, при этом выполняется геометрическое условие сепарации ракурсных изображений

, где b - расстояние между центральными точками двух окон наблюдения (равное среднему расстоянию между центрами зрачков наблюдателя), d - расстояние от центральных точек двух окон наблюдения до ЖК слоев ДБФ, D - расстояние от экрана ФАИ до ЖК слоев ДБФ, L - размер апертуры ФИ вдоль горизонтального направления (соответствующего направлению бинокулярного параллакса на экране ФАИ).

Известное устройство обеспечивает селекцию ракурсных изображений малой (миллисекундной) длительности с высокой энергетической эффективностью вследствие отсутствия оптических потерь при быстром (за время τ_rise ≈ 0,1 мс) переключении оптического пропускания обеих зон сепарации ДБФ между максимальным и минимальным значениями, где τ_rise - время реакции каждого из НЖК слоев на скачкообразное повышение управляющего напряжения от величины U_low до величины U_high. При этом длительное время самопроизвольной релаксации (τ_decay ≈ 1,5÷2 мс) каждого НЖК слоя (при скачкообразном понижении управляющего напряжения от величины U_high до величины U_low) не сказывается на быстродействии переключения оптического пропускания ДБФ в силу физических свойств пары противофазных НЖК слоев и соответствующего алгоритма электронного управления работой НЖК слоев.

Недостаток известного устройства - недостаточное высокое качество стереоизображения по двум причинам. Первая - узкая область наблюдения стереоизображения по горизонтали (вдоль направления бинокулярного параллакса на экране ФАИ), обусловленная тем, что геометрическое условие сепарации выполняется только при положении центров окон наблюдения (центров глаз наблюдателя) строго симметрично относительно вертикальной границы между двумя зонами наблюдения в апертуре ДБФ. При горизонтальном смещении центров окон наблюдения (центров зрачков наблюдателя) качество изображения ухудшается вследствие появления на границе между двумя зонами сепарации перекрестных помех, обусловленных проникновением края первого (левого) в край второй (правой) зоны наблюдения при смещении окон наблюдения право (и наоборот при смещении влево).

Вторая причина - повышенный уровень перекрестных помех в центральной области апертуры ДБФ (на границе между двумя зонами сепарации), вызванный неточным выполнением геометрическое условия сепарации ракурсных изображений

. Невозможно точно соблюсти геометрическое условие сепарации одновременно для двух динамически управляемых ЖК слоев вследствие невозможности точного одновременного соблюдения для них расстояния d. Каждый из ЖК слоев снабжен своей парой смежных прозрачных адресных электродов, геометрия которых определяет геометрию пары областей сепарации соответствующего ЖК слоя. Поскольку два ЖК слоя последовательно расположены вдоль направления z и разделены по меньшей мере одной промежуточной оптической подложкой, то, чем больше толщина промежуточной оптической подложки (подложек), тем больше расстояние

между двумя ЖК слоями, что делает невозможным точное соблюдение условия сепарации совместно для двух ЖК слоев, что ведет к повышенному уровню перекрестных помех в центральной области апертуры ДБФ.

Задача изобретения - улучшения качества стереоизображения при сохранении высокой оптической эффективности сепарации ракурсных изображений.

Поставленная задача в устройстве, содержащем источник стереовидеосигнала, блок управления и последовательно оптически связанные источник света, ФАИ и ДБФ, оптический выход которого содержит левую и правую зоны сепарации, оптически связанные с левым и правым окнами наблюдения, при этом экран ФАИ снабжен первым линейным поляризатором, электронный вход ДБФ подключен к выходу блока управления, вход которого подключен к выходу кадровой синхронизации источника стереовидеосигнала, информационный выход которого подключен к информационному входу ФАИ, при этом ДБФ содержит по меньшей мере одну пару последовательно расположенных взаимно противофазных ЖК слоев и второй линейный поляризатор, ось поляризации которого ортогональна оси поляризации первого линейного поляризатора, при этом каждый из ЖК слоев выполнен с положительной диэлектрической анизотропией (Δε > 0) и с гомогенной начальной ориентацией ЖК молекул, причем ось для необыкновенного луча одного жидкокристаллического слоя ортогональна оси для необыкновенного луча другого жидкокристаллического слоя, при этом жидкокристаллические слои снабжены адресными прозрачными электродами, электрические входы которых образуют электронный вход ДБФ, решается тем, что блок управления выполнен с позиционным сенсором, оптически связанным по меньшей мере с одним из окон наблюдения, один из жидкокристаллических слоев выполнен позиционным, снабженным группой столбцовых прозрачных электродов, период расположения которых равен позиционному шагу вертикальной границы между двумя зонами в горизонтальном направлении, соответствующем направлению бинокулярного параллакса, а другой жидкокристаллический слой выполненным компенсационным, снабженным сплошным адресным прозрачным электродом.

В первом частном варианте устройства позиционный жидкокристаллический слой расположен между первым линейным поляризатором и компенсационным жидкокристаллическим слоем. Во втором частном варианте устройства позиционный жидкокристаллический слой расположен между компенсационным жидкокристаллическим слоем и вторым линейным поляризатором.

Улучшение качества стереоизображения достигается за счет двух взаимосвязанных технических результатов. Первый технический результат состоит в расширении области наблюдения стереоизображения по горизонтали за счет возможности горизонтального сдвига вертикальной границы между зонами сепарации синхронно с возможным горизонтальным сдвигом центров зон наблюдения. Второй технический результат состоит в снижении уровня перекрестных помех в районе границы между двумя зонами сепарации в апертуре ДБФ вследствие точного соблюдение геометрического условия сепарации, поскольку зоны сепарации расположены в плоскости позиционирующего НЖК слоя (толщина которого составляет несколько микрон), и поэтому каждая из величин Z_W, Z_S имеет единственное значение (не имеет неопределенности, связанной с расположением зон сепарации одновременно в двух ЖК слоях, разделенных оптической подложкой с толщиной порядка миллиметра).

При этом сохранена высокой оптической эффективность сепарации ракурсных изображений вследствие соблюдения точности сепарации ракурсных изображений миллисекундной длительности по двум причинам. Первая - наличие пары противофазных (позиционирующего и компенсационного) ЖК слоев, управляемых по соответствующему временному алгоритму, ведет к формированию временных окон селекции с точностью до нескольких десятков микросекунд независимо от длительного (около полутора-двух миллисекунд) времени самопроизвольной релаксации обоих ЖК слоев при высоком контрасте сепарации за счет взаимной компенсации остаточного двупреломления позиционирующего и компенсационного ЖК слоев. Вторая причина - при смене позиции окон наблюдения меняется алгоритм управления между только одним (позиционным) ЖК слоем, а работа второго - компенсационного слоя не прерывается, что ведет к минимизации временных сбоев в области границы между двумя зонами сепарации ДБФ ЖК слое, которые могли бы привести к временным снижениям яркости наблюдаемых изображений в этой области.

Изобретение поясняется чертежами, на фигурах которых представлены:

Фиг. 1 - общая схема устройства.

Фиг. 2 - схема оптических путей в устройстве.

Фиг. 3, 4 - первый и второй частный варианты выполнения дистанционного бинокулярного фильтра.

Фиг. 5, 6 - взаимная ориентация осей поляризации поляризаторов и осей для необыкновенного луча молекул в НЖК слоях дистанционного бинокулярного фильтра.

Фиг. 7-9 - физические свойства НЖК слоев дистанционного бинокулярного фильтра.

Фиг. 7, 8 - примеры конкретного выполнения первого частного варианта устройства.

Фиг. 9 - иллюстрация работы первого частного варианта устройства.

Фиг. 10, 11 - иллюстрация работы устройства.

Фиг. 12, 13 - алгоритм работы НЖК слоев и диаграммы электронного управления ими.

Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 стереовидеосигнала, блок 2 управления с позиционным сенсором 2₁ и последовательно оптически связанные источник 3 света, формирователь 4 амплитудных изображений (ФАИ) с матричной адресацией ЖК экрана, снабженного первым линейным поляризатором 5, и дистанционный бинокулярный фильтр (ДБФ) 6, который содержит взаимно противофазные компенсационный слой ЖК₁, позиционный слой ЖК₂ и второй линейный поляризатор 7, ось поляризации Р₂ которого ортогональна оси поляризации p₁ первого линейного поляризатора 5. Компенсационный слой ЖК₁ снабжен сплошным прозрачным адресным электродом 8, позиционный слой ЖК₂ снабжен группой 9 столбцовых адресных прозрачных электродов (9₁, …, 9_N). Электронный вход ФАИ 4 подключен к информационному выходу источника 1 стереовидеосигнала, выход кадровой синхронизации которого подключен к входу блока 2 управления, выход которого подключен к электронному входу ДБФ 6, образованному электрическими входами сплошного прозрачного адресного электрода 8 и группы 9 столбцовых адресных прозрачных электродов.

Ось e₁ для необыкновенного луча компенсационного слоя ЖК₁ ортогональна оси e₂ для необыкновенного луча позиционного слоя ЖК₂. Прозрачные электроды Э1 и Э2 являются сплошными общими электродами (соединенными с общим проводом схемы управления слоями ЖК₁ и ЖК₂). Левое W_L и правое W_R окна сепарации соответствуют левому и правому окнам наблюдения левого и правого ракурсных изображений, центры E_L и E_R которых соответствуют центрам левого и правого глаз наблюдателя.

Геометрия оптических путей в устройстве, представленная на фиг. 2, соответствует x- и y- проекциям позиционного слоя ЖК₂. Для горизонтального направления (x - проекция), условие сепарации определяется соотношением

; ; ,

(1)

где:

l и r - размеры левого W_L и правого W_R окон сепарации ДБФ 6 вдоль горизонтального направления, соответствующего направлению бинокулярного параллакса на экране ФАИ 4 (направлению строчной развертки),

L - горизонтальный размер экрана ФАИ 4,

d - расстояние от центров двух окон наблюдения E_L и E_R до позиционного слоя ЖК₂,

D - расстояние от ФАИ 4 до позиционного слоя ЖК₂,

b - расстояние между центрами окон наблюдения E_L и E_R (равно расстоянию между центрами глаз наблюдателя, составляющее в среднем 65 мм).

Для вертикального направления (x - проекция) справедливо соотношение

,

(2)

где:

h - размер апертуры ДБФ 6 вдоль вертикального направления,

H - вертикальный размер экрана ФАИ 4 (вдоль направления кадровой развертки).

Расположение позиционного слоя ЖК₂ относительно компенсационного слоя ЖК₁ в первом и втором частных вариантах выполнения устройства и соответствующее конструктивное выполнение ДБФ 6 представлено на фиг. 3 и 4. Слои ЖК₁ и ЖК₂ расположены в зазорах между оптическими подложками 10-12. Компенсационный слой ЖК₁ снабжен сплошным адресным прозрачным электродом 8. Позиционный слой ЖК₂ снабжен группой 9 адресных прозрачных электродов 9₁, …, 9n, …, 9_N. Электрические входы 13 и 14 являются электронными входами ДБФ 6 для подачи управляющих напряжений от блока 2 управления на адресные прозрачные электроды 8 и 9 слоев ЖК₁ и ЖК₂ соответственно.

Ось e₁ для необыкновенного луча компенсационного слоя ЖК₁ направлена ортогонально оси e₂ для необыкновенного луча позиционного слоя ЖК₂ при минимальном (нулевом) уровне управляющего напряжения (фиг. 5). Стрелками p₁ и p₂ обозначены направления осей поляризации соответственно первого 5 и второго 7 линейных поляризаторов. Слои ЖК₁ и ЖК₂ характеризуются положительной диэлектрической анизотропией (Δε > 0) и гомогенной ориентацией НЖК молекул, имеющих удлиненную форму. Направления гомогенной (однородной) ориентации слоев ЖК₁ и ЖК₂ обозначены направлениями ориентации соответствующих НЖК молекул НЖК₁ и НЖК₂. Оси e₁, e₂ для необыкновенного луча слоев ЖК₁ и ЖК₂ параллельны направлениям удлинения ЖК молекул НЖК₁ и НЖК₂ и ортогональны осям (не показаны) для обыкновенного луча слоев ЖК₁ и ЖК₂. При максимальном уровне управляющего напряжения, поданном на те части ЖК₁ и ЖК₂, которые оответствуют, например, левому окну W_L наблюдения (фиг. 6), соответствующие оси e₁ и e₂ ориентированы ортогонально оптическим подложкам 8-12, поскольку при подаче внешнего электрического поля все НЖК молекулы становятся диполями, которые стремятся ориентироваться вдоль силовых линий электрического поля. Степень такой принудительной ориентации молекул (и величина соответствующего фазового сдвига между необыкновенным и обыкновенным лучами) в НЖК слое зависит от величины внешнего электрического поля (значения управляющего напряжения).

При этом фазовые характеристики компенсационного ЖК₁ и сепарационного ЖК₂ слоев взаимно противоположны (фиг. 7).

При низком управляющем напряжении

(порядка 3÷6 В) слои ЖК₁ и ЖК₂ создают фазовые сдвиги

и

соответственно (фиг. 7, слева). Величина

соответствует коммутационному (целенаправленно изменяемому) фазовому сдвигу, обусловленному принудительно меняющимся наклоном НЖК молекул. Величина

- остаточный фазовый сдвиг, практически не меняющийся под действием внешнего электрического поля (поскольку обусловлен действием приповерхностных НЖК молекул, не меняющих ориентацию из-за жесткой связи с поверхностями прилегающих оптических подложек). Величины

и

- стохастические (случайные) фазовые сдвиги, обусловленные несовершенством гомогенной ориентации НЖК молекул в слоях ЖК₁ и ЖК₂, стохастической девиацией их ориентации относительно общего направления вдоль оси

или оси

вследствие несовершенства ориентирующих покрытий на поверхностях оптических подложек). Знаки и модули стохастических фазовых сдвигов

и

одинаковы (как следствие случайных процессов одинакового характера) в отличие от детерминистических величин коммутационного и остаточного фазовых сдвигов

и

, которые имеют разные знаки вследствие взаимно ортогонального расположения осей

,

и их расположения под углами ±45° относительно оси p₁ входного поляризатора 5.

При среднем значении

управляющего напряжения слои ЖК₁ и ЖК₂ создают фазовые сдвиги

и

(фиг. 7, центр), где

и

- стохастические фазовые сдвиги, при этом

<

и

<

, поскольку

>

, и более сильное внешнее электрическое поле при напряжении

обеспечивает принудительную ориентацию большего числа НЖК молекул в направлении силовых линий электрического поля по сравнению с напряжением

.

При высоком (максимальном) значении

управляющего напряжения (около 20÷30 В) слои ЖК₁ и ЖК₂ создают фазовые сдвиги

и

(фиг. 7, справа). Величины стохастической фазовой задержки

при этом практически равны нулю, поскольку почти все НЖК молекулы (кроме приповерхностных молекул) переориентированы вдоль силовых линий внешнего электрического поля .

Фазовые сдвиги сдвоенного ЖК слоя, состоящего из последовательно расположенных слоев ЖК₁ и ЖК₂, составляют величины

,

и

соответственно (фиг.8) при одинаковых значениях последовательно нарастающего управляющего напряжения

,

и

на обоих слоях. Это свидетельствует о том, что максимальный контраст

закрытой (с минимальным оптическим пропусканием) зоны селекции ДБФ 6 (в скрещенных входном 5 и выходном 7 поляризаторах, не показанных на фиг. 8) осуществляется при высоком управляющем напряжении

на обоих слоях ЖК₁ и ЖК₂, поскольку в этом случае оба этих НЖК слоя совместно практически не меняют фазовый сдвиг в проходящем свете. При этом также минимизирована зависимость контраста

от длины волны, т.е. величина

максимальна на всех частотах видимой части спектра (для всех цветовых составляющих ракурсных изображений).

При различающихся между собой значениях (

и

или наоборот) управляющего напряжения на ЖК₁ и ЖК₂ фазовые сдвиги сдвоенного ЖК слоя составляют величины

или

(фиг. 9). Это соответствует максимальной величине оптического пропускания света (в скрещенных входном 5 и выходном 7 поляризаторах), поскольку фазовый сдвиг

(независимо от его знака) соответствует повороту исходной линейной поляризации света (заданной осью p₁ поляризации входного поляризатора 5) на угол 90° с получением направления линейной поляризации света, параллельного оси p₂ поляризации выходного поляризатора 7. Поскольку величины

и

много меньше величины

, то их влияние на свойства (яркость и спектральную характеристику) изображения незначительно. Основное влияние на спектральную характеристику изображения в этом случае оказывает дисперсия самого ЖК вещества, поскольку спектральные характеристики линейных поляризаторов можно считать практически линейными во всем видимом спектре. При этом спектральная характеристика ракурсных изображений, наблюдаемых пользователем (световые потоки которых прошли ДБФ 6), может быть сделана достаточно равномерной при соответствующей коррекции (с поправкой на спектральную характеристику ЖК вещества в ЖК слоях ЖК1 и ЖК2) соотношения между основными цветами R, G, B ракурсных изображений, воспроизводимых на экране ФАИ 4.

Устройство работает следующим образом (фиг. 10). На экране ФАИ 4 в нечетных и четных кадрах воспроизводятся левое и правое ракурсные изображения (информационные сигналы которых генерируются источником 1 стереовидеосигнала), при этом синхронно переходят в открытые состояния соответственно левая W_L и правая W_R зоны сепарации ДБФ 6, которые управляются сигналами (управляющими напряжениями) с выхода блока 2 управления, пропуская световые потоки левого и правого ракурсных изображений для восприятия левым и правым глазами наблюдателя, находящимися в левом и правом окнах наблюдения с центрами E_L и E_R соответственно. Вертикальная граница

между двумя зонами W_L и W_R сепарации имеет возможность горизонтального перемещения влево (в позицию Г_L) или вправо (в позицию Г_R) в соответствии с текущим положением центров E_L и E_R окон наблюдения (с текущим положением соответствующих глаз наблюдателя, которое отслеживается позиционным сенсором 2₁). При симметричном расположении центров E_L и E_R окон наблюдения относительно центральной оптической оси

(фиг. 10, слева, положения

и

центров окон наблюдения) положение границы

соответствует середине x-проекции апертуры ДБФ. При смещении центров E_L и E_R окон наблюдения влево (фиг. 10, центр, положения

и

центров окон наблюдения) или вправо (фиг. 10, справа, положения

и

центров окон наблюдения) вертикальная граница Г принимает крайние положения

и

соответственно. В итоге ширина области наблюдения стереоизображений в горизонтальном направлении определяется суммой

, где

; .

(3)

В итоге область наблюдения стереоизображения расширена по горизонтали до величины

, в которой отсутствуют перекрестные помехи между наблюдаемыми ракурсными изображениями (и отсутствует виньетирование каждого из них краями апертуры ДБФ 6 при выборе соответствующей ширины апертуры). При этом точно соблюдается геометрическое условие (1) сепарации, поскольку зоны сепарации расположены в плоскости только одного, позиционного слоя ЖК₂ (толщина которого составляет несколько микрон), чем достигается минимизация перекрестных помех в районе границы Г между двумя зонами W_L, W_R сепарации в апертуре ДБФ во всей расширенной области наблюдения стереоизображения.

Переключение световых потоков ракурсных изображений левой W_L и правой W_R зонами сепарации ДБФ 6 осуществляется в соответствии с алгоритмом работы противофазных компенсационного ЖК₁ и позиционного ЖК₂ слоев, иллюстрируемым фиг. 12. Полный цикл работы ДБФ 6 состоит из 6 последовательных тактов A-F.

В такте A (начало первой части цикла) оба ЖК слоя находятся в низкоэнергетическом состоянии, создавая фазовые задержки

и

в левой W_L и правой W_R зонах сепарации (соответствуют левому W_L и правому W_R окнам наблюдения), находящихся в состояниях L_A и R_A. При работе в скрещенных входном 5 и выходном 7 поляризаторах (не показаны) интенсивность света на выходах обеих зон сепарации одинакова, и затухание света определяется величиной контраста

.

В такте B (основная часть первой части цикла, соответствующая пропусканию праворакурсного изображения) слой ЖК₁ переведен в высокоэнергетическое состояние, а левая и правая части слоя ЖК₂, находятся в высокоэнергетическом и низкоэнергетическом состояниях соответственно, что создает суммарные фазовые задержки

и

для левой W_L и правой W_R зон сепарации, находящихся в состояниях L_B и R_B соответственно. При работе в скрещенных входном 5 и выходном 7 поляризаторах затухание света на выходе закрытой левой зоны W_L сепарации определяется величиной

максимального контраста, а на выходе открытой правой зоны W_R сепарации интенсивность света определяется величиной

пропускания.

В такте C (конец первой части цикла) слой ЖК₁ и левая часть слоя ЖК₂ остаются в высокоэнергетическом состоянии (в которое в течение данного такта переведена и правая часть слоя ЖК₂), и до конца этого такта обе зоны W_L, W_R сепарации с состояниями L_C, R_C закрыты с величиной контраста

.

В такте D (начало второй части цикла) оба слоя ЖК₁, ЖК₂, как и в такте A, приведены в низкоэнергетическое состояние. Интенсивность света на выходах обеих зон W_L, W_R сепарации (в состояниях L_D, R_D) одинакова и имеет малое значение, соответствующее величине контраста

.

В такте E (основная часть второй части цикла, соответствующая пропусканию леворакурсного изображения) слой ЖК₁ переведен в высокоэнергетическое состояние, а левая и правая части слоя ЖК₂, относящиеся к левой W_L и правой W_R зонам сепарации, находятся в низкоэнергетическом и высокоэнергетическом состояниях соответственно. На выходе закрытой правой зоны W_R сепарации (в состоянии R_E) оптическое затухание определяется величиной максимального контраста

, а на выходе открытой левой зоны W_L сепарации (в состоянии L_E) интенсивность света определяется величиной

пропускания.

В такте F (конец второй части цикла и цикла в целом) слой ЖК₁ и правая часть слоя ЖК₂ остаются в высокоэнергетическом состоянии, в которое переводят в течение данного такта и правую часть слоя ЖК₂, в конце этого такта обе зоны W_L, W_R сепарации (состояния L_F, R_F) закрыты с затуханием света, определяемым контрастом

.

Временные диаграммы работы зон W_L, W_R сепарации за двойной цикл работы (такты A-F с повтором) приведены на фиг. 13. Диаграммы 1 и 2 представляют изменение оптического пропускания зон W_L, W_R сепарации, диаграммы 3, 4 и 5 - форму управляющих напряжений

,

и

соответственно на правой R части слоя ЖК₂, на левой L части слоя ЖК₂ и на всем компенсирующем слое ЖК₁, диаграммы 6, 7 и 8 - фазовые сдвиги

,

и

, создаваемые соответственно правой R частью слоя ЖК₂, всем слоем ЖК₁ и совместным действием правой части R слоя ЖК₂ и всего слоя ЖК₁, диаграммы 6, 7 и 8 - фазовые сдвиги

,

и

, создаваемые соответственно левой L частью слоя ЖК₂, всем слоем ЖК₁ и суммарным действием левой части L слоя ЖК₂ и всего слоя ЖК₁. Формы изменения суммарных фазовых сдвигов

(диаграмма 8) и

(диаграмма 11) задают формы изменения оптического пропускания соответственно правой W_R (диаграмма 1) и левой W_L (диаграмма 2) зон сепарации.

Малое время τ_rise (порядка 0,1 мс) определяет крутые фронты временного окна амплитудной селекции ракурсных изображений, соответствующего переходу оптического пропускания зон W_L, W_R сепарации из состояния с максимальным контрастом

в состояние с максимальной величиной

пропускания и обратно. При этом теоретическая минимальная длительность временного окна селекции равна удвоенному времени τ_rise. Это позволяет с использованием ДФБ 6 на двух противофазных НЖК слоях с высокой точностью выделять световые потоки ракурсных изображений миллисекундной длительности практически без потерь энергии света (которые возникают при использовании одиночного НЖК слоя, оптическое пропускание которого в скрещенных поляризаторах снижено в течение длительного, порядка 1,5-2 мс, времени τ_decay в конце такта селекции светового потока ракурсного изображения).

В итоге качество изображения в устройстве улучшается как за счет расширения области наблюдения стереоизображений по горизонтали, так и за счет минимизации уровня перекрестных помех в районе границы между двумя зонами сепарации при сохранении высокой оптической эффективности селекции световых потоков ракурсных изображений малой (миллисекундной) длительности.

Предельная кадровая частота работы стереоскопического дисплея с ДБФ определяется величиной τ_decay, значение которого ограничивает минимальный временной промежуток между кадрами (составляющий около 1,5 мс для стандартных НЖК веществ, что соответствует предельной кадровой частоте около 600 Гц). При использовании специальных НЖК веществ и специальных НЖК структур с временем τ_decay ≈ 1 мс предельная кадровая частота составит около 1000 Гц.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ezhov V. Distant binocular filters for full-resolution autostereoscopic viewing and for single-aperture stereo glasses // IEEE/OSA Journal of Display Technology, 2014, v. 10, № 2, pp. 114-119.

2. Slavenburg G.A. System, method and computer program product for controlling stereo glasses shutters // Патент США № 7724211, опублик. 25.05.2010.

3. Ежов В.А. Способ автостереоскопического отображения с полноэкранным разрешением в каждом ракурсе и устройство для осуществления способа (варианты) // Патент РФ № 2518484, опублик. 10.06.2014, дата приоритета 26.04.2012 (прототип).

Claims (3)

1. Стереоскопический дисплей с дистанционным бинокулярным фильтром на противофазных жидкокристаллических слоях, содержащий источник стереовидеосигнала, блок управления и последовательно оптически связанные источник света, формирователь амплитудных изображений и дистанционный бинокулярный фильтр с левой и правой зонами сепарации, оптически связанными с левым и правым окнами наблюдения, при этом экран формирователя амплитудных изображений снабжен первым линейным поляризатором, электронный вход дистанционного бинокулярного фильтра подключен к выходу блока управления, вход которого подключен к выходу кадровой синхронизации источника стереовидеосигнала, информационный выход которого подключен к информационному входу формирователя изображений, при этом дистанционный бинокулярный фильтр содержит, по меньшей мере, два последовательно расположенных взаимно противофазных жидкокристаллических слоя и второй линейный поляризатор, ось поляризации которого ортогональна оси поляризации первого линейного поляризатора, при этом каждый из жидкокристаллических слоев выполнен с положительной диэлектрической анизотропией и с гомогенной начальной ориентацией жидкокристаллических молекул, причем ось для необыкновенного луча одного жидкокристаллического слоя ортогональна оси для необыкновенного луча другого жидкокристаллического слоя, и оба жидкокристаллических слоя снабжены адресными прозрачными электродами, электрические входы которых образуют электронный вход дистанционного бинокулярного фильтра, отличающийся тем, что блок управления выполнен с позиционным сенсором, оптически связанным, по меньшей мере, с одним из окон наблюдения, один из жидкокристаллических слоев выполнен позиционным, снабженным группой столбцовых адресных прозрачных электродов, период расположения которых равен позиционному шагу вертикальной границы между двумя зонами в горизонтальном направлении, соответствующем направлению бинокулярного параллакса, а другой жидкокристаллический слой выполнен компенсационным, снабженным сплошным адресным прозрачным электродом, при этом общая апертура группы столбцовых адресных прозрачных электродов и апертура сплошного адресного прозрачного электрода равны апертуре дистанционного бинокулярного фильтра.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что позиционный жидкокристаллический слой расположен между первым линейным поляризатором и компенсационным жидкокристаллическим слоем.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что позиционный жидкокристаллический слой расположен между компенсационным жидкокристаллическим слоем и вторым линейным поляризатором.

Images