RU2702918C1 - Безочковая стереоскопическая видеосистема с жидкокристаллическим дистанционным бинокулярным фильтром - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к автостереоскопическим видеосистемам. Стереоскопическая видеосистема отличается использованием в дистанционном бинокулярном фильтре сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры с компенсированным геликоидом и поверхностной стабилизацией, оптические характеристики которой описываются одноосным эллипсоидом показателя преломления, ориентация оптической оси которого для двух возможных энергетических состояний сегнетоэлектрической структуры выбрана с учетом ориентации поляризатора жидкокристаллического экрана стереоскопического дисплея, являющегося источником световых потоков ракурсных изображений. Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая структура является полуволновой фазовой пластиной для всех трех спектральных линий излучения источника подсветки жидкокристаллического экрана в определенном диапазоне значений толщины сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры. Изобретение обеспечивает минимизацию числа отражений в оптической части дистанционного бинокулярного фильтра, снижение поглощения энергии света на краях импульсов временной селекции ракурсных изображений. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

Известна стереоскопическая видеосистема [1] 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 входом синхронизации 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 этой стереоскопической видеосистемы является невозможность безочкового просмотра стереоизображений. Вторым недостатком являются существенные потери (около 50%) в яркости наблюдаемого стереоизображения вследствие недостаточно высокого быстродействия оптических затворов (τ_decay не менее 2 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 3 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 ЖК дистанционным бинокулярным фильтром (ДБФ) [2], содержащая источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен, стереоскопический дисплей с ЖК экраном, по меньшей мере один ДБФ и электронный управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу ДБФ, а вход синхронизации которого подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцены, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, ЖК экран которого снабжен на своем выходе первым линейным поляризатором, оптически сопряженным со входом апертуры ДБФ, который выполнен в виде двух последовательно расположенных взаимно противофазных НЖК структур и второго линейного поляризатора, ось поляризации которого ортогональна оси поляризации первого линейного поляризатора, при этом каждая НЖК структура снабжена двумя прозрачными ориентирующими слоями и выполнена с положительной диэлектрической анизотропией НЖК вещества и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул вдоль биссектрис углов между осями поляризации первого и второго линейных поляризаторов, при этом ось для обыкновенного луча первой НЖК структуры ортогональна оси для обыкновенного луча второй НЖК структуры, а электрическим входом ДБФ является совокупность входов адресных прозрачных электродов, примыкающих к НЖК структурам, причем первая (левая) и вторая (правая) зоны апертуры ДБФ о оптически связаны с первым (левым) и вторым (правыми) окнами наблюдения.

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 U_min до U_max; τ_decay - время релаксации оптического отклика каждого из НЖК слоев при ступенчатом понижении уровня управляющего электрического напряжения от U_max до U_min, где U_max и U_min - максимальное (около 30-40 V) и минимальное (около 3-6 V) значения управляющего электрического напряжения.

Достоинством этой безочковой стереоскопической видеосистемы является приемлемая оптическая эффективность воспроизведения стереоизображений при кадровых частотах 100-120 Гц при t_view около 3 мс, т.к. переходные времена селекции не превышают τ_rise около 100 мкс (при величинах U_max≈30-40 В), несмотря на то, что типичное время релаксации τ_decay составляет около 2 мс для каждой из двух взаимно противофазных НЖК структур. Алгоритм электрического управления двумя взаимно противофазными НЖК структурами обеспечивает отсутствие влияния длительных времен τ_decay обеих противофазных НЖК структур на переходные времена селекции ракурсных изображений.

Недостатком известной видеосистемы является недостаточное качество стереоизображений, состоящее в недостаточной яркости стереоизображений (особенно при малой, миллисекундной длительности) и в недостаточно широком угловом поле их наблюдения. Основной причиной потери яркости стереоизображений является множество паразитных отражений света в многослойной оптической структуре ДБФ на двух последовательно расположенных НЖК структурах. Действительно, оптическая структура ДБФ содержит как минимум три последовательно расположенных оптических (стеклянных) подложки, в зазорах между которыми расположены две НЖК структуры, каждая из которых снабжена двумя ориентирующими прозрачными диэлектрическими слоями. На каждой из границ воздух - оптическая подложка - прозрачный электрод - ориентирующий слой - НЖК структура происходит потеря яркости света, описываемая соотношениями Френеля [3].

Дополнительная потеря яркости возникает при просмотре стереоизображений миллисекундной длительности. Причина - два фронта (передний и задний) оптического импульса селекции ракурсных изображений, каждый с длительностью τ_rise≈100 мкс, в сумме составляют около 200 мкс, что соответствует около 6% от времени t_view≈3,3 мс для процесса демонстрации изображения на ЖК экране стереоскопического дисплея. Это приводит к дополнительной (около 6%) потере яркости стереоизображений.

Недостаточно широкое угловое поле наблюдения стереоизображений обусловлено тем, что точные фазовые соотношения при работе двух ЖК структур соблюдаются только для осевых световых потоков (идущих ортогонально плоскости НЖК структур). Для внеосевых световых потоков удовлетворительная работа (с достаточно высоким контрастом) наблюдается в пределах не более ±30° от осевого направления. Это в первую очередь обусловлено большой толщиной (от 4 до 6 мкм) каждой из двух НЖК структур.

Дополнительным недостатком известного устройства является невозможность работы с сохранением качества стереоизображений при кадровых частотах F стереоизображения, превышающих величину 1/(1,5 τ_decay), т.е. при F≥330 Гц, поскольку время 1,5 τ_decay необходимо для релаксации НЖК структур и их подготовки к следующему циклу переключения в промежутке между соседними циклами переключения.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является увеличение яркости стереоизображений (в том числе миллисекундной длительности) при расширении углового поля наблюдения стереоизображений и увеличении предельной рабочей кадровой частоты.

Поставленная задача в безочковой стереоскопической видеосистеме, содержащей источник сигналов изображений ракурсов 3D сцены, стереоскопический дисплей с ЖК экраном, по меньшей мере один ДБФ и электронный управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу ДБФ, вход синхронизации которого подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцены, а информационный выход - ко входу стереоскопического дисплея, ЖК экран которого снабжен первым линейным поляризатором, оптически сопряженным со входом апертуры ДБФ, выполненного в виде последовательно расположенных по меньшей мере одной ЖК структуры и второго линейного поляризатора, при этом ЖК структура снабжена по меньшей мере одним прозрачным ориентирующим слоем, а первая и вторая смежные области апертуры ДБФ оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, первая и вторая смежные области ЖК структуры снабжены первым и вторым адресными прозрачными электродами, электрические входы которых составляют электронный вход ДБФ, а ось поляризации р₁ первого линейного поляризатора ортогональна оси поляризации р₂ второго линейного поляризатора, решается тем, что ЖК структура ДБФ выполнена в виде сегнетоэлектрической жидкокристаллической (СЖК) структуры с компенсированным геликоидом и поверхностной стабилизацией, соответствующей условию

где V - скорость сдвига устойчивого пакета волн смены ориентации спонтанной поляризации смектических слоев СЖК структуры при смене полярности управляющего электрического поля Е_с, Θ₀ - угол наклона молекул в каждом смектическом слое СЖК структуры, определяющий локальное направление директора k, соответствующего усредненному направлению ориентации длинных осей СЖК молекул, γ_ψ - сдвиговая вязкость смектических слоев при угле наклона Ψ, K - модуль упругости при переориентации директора k на угол Ψ, Ps - модуль вектора Ps спонтанной поляризации смектических слоев, ϕ₀ - начальный азимутальный угол ориентации директора k, М - энергия связи смектических слоев, при этом сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая структура снабжена единственным прозрачным ориентирующим слоем, двум возможным энергетическим состояниям СЖК структуры соответствуют два стабильных направления ее оптической оси, первое из которых параллельно оси поляризации p₁, а второе направление параллельно биссектрисе угла между осями поляризации р₁ и р₂, причем спектральная характеристика источника подсветки ЖК дисплея состоит из трех спектральных линий λ_R, λ_G, λ_B, соответствующих трем основным цветам R, G и В, а величина Δn двупреломления СЖК структуры для второго стабильного направления ее оптической оси определяется выражением Δn⋅d=λ_G/2, где d - толщина СЖК структуры между адресными прозрачными электродами.

Приложением управляющего электрического поля Е_с управляют азимутальной ориентацией директора k через взаимодействие вектора Е_с с векторами Ps плотности электрических диполей СЖК молекул, меняющих свою ориентацию в пределах плоскости (x, y).

Увеличение яркости наблюдаемых стереоизображений достигается с помощью двух основных технических результатов. Первый из них - снижение уровня паразитных отражений света за счет снижения (практически вдвое) числа границ со скачкообразным изменением показателя преломления по сравнению с использованием двойной НЖК структуры. Второй технический результат - увеличение крутизны оптических импульсов селекции световых потоков ракурсных изображений по меньше мере в 2 раза в диапазоне кадровых частот 100 Гц до 170 Гц, где время τ_trans переключения СЖК структуры составляет около 50 мкс, а в диапазоне от 170 Гц до 3500 Гц τ_trans составляет около 30 мкс [4]. Это приводит к соответственному снижению поглощения энергии света в пределах импульса временной сепарации световых потоков ракурсных изображений.

Расширение углового поля наблюдения стереоизображений связано с малой толщиной d≤1,7 мкм СЖК структуры вследствие ее большого двупреломления (Δn≈0,2), что обеспечивает малое изменение оптической задержки Δn⋅d для внеосевых направлений в световом потоке ракурсных изображений по сравнению с двойной НЖК структурой, где каждая из НЖК структур имеет толщину от 4 до 6 мкм.

Краткое описание чертежей

Осуществление изобретения поясняется чертежами, на фигурах которых представлены:

Фиг. 1 - общая схема видеосистемы.

Фиг. 2 - геометрия хода оптических лучей в видеосистеме.

Фиг. 3 - ДБФ с СЖК структурой, прозрачным ориентирующим слоем и адресными прозрачными электродами.

Фиг. 4 - оптические свойства ДБФ для первого и второго оптических состояний СЖК структуры.

Фиг. 5 - физические характеристики СЖК структуры в ее исходном состоянии.

Фиг. 6 - физические характеристики СЖК структуры для ее первого энергетического (оптического) состояния.

Фиг. 7 - физические характеристики СЖК структуры для ее второго энергетического (оптического) состояния.

Фиг. 8 - диаграмма оптического пропускания СЖК структуры, расположенной между двумя линейными поляризаторами.

Фиг. 9 - ориентация эллипсоида показателя преломления СЖК структуры для открытого состояния зоны ДБФ при положительной диэлектрической анизотропии.

Фиг. 10 - ориентация эллипсоида показателя преломления СЖК структуры для закрытого состояния зоны ДБФ в случае положительной диэлектрической анизотропии.

Фиг. 11 - ориентация эллипсоида показателя преломления для открытого и закрытого состояний зоны ДБФ в случае отрицательной диэлектрической анизотропии.

Подробное описание 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 р₁, дистанционный бинокулярный фильтр (ДБФ) 5 и электронный управляющий модуль 6, вход синхронизации которого подключен к выходу синхронизации источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены, а выход электронного управляющего модуля 6 подключен к электрическому входу ДБФ 5, при этом ЖК экран 3 оптически сопряжен с входом апертуры ДБФ 5, первая (левая) W_L и вторая (правая) W_R зоны апертуры которого оптически связаны с центром Q_L левой и центром Q_R правой областей наблюдения, в которых находятся соответственно левый и правый глаза наблюдателя.

Геометрия хода лучей в оптической схеме (фиг. 2) видеосистемы в ее горизонтальном сечении вдоль направления строчной развертки изображения (вид 1) определяется формулой Z_B≤BZ_image/L_image, где В - расстояние между центрами Q₁ и Q₂ окон наблюдения ракурсных изображений соответственно сквозь левую W_L и правую W_R области апертуры ДБФ 5, Z_B - расстояние от центров Q₁ и Q₂ до апертуры ДБФ 5, Z_image - расстояние от апертуры ДБФ 5 до ЖК экрана 3, L_image - длина ЖК экрана 3 (вдоль горизонтального направления). Из левого (правого) окна с центром Q₁ (Q₂) сквозь левую W_L (правую W_L) зону апертуры ДБФ 5 виден ЖК экран 3 по всей его длине L_image. Высота Н_ДБФ апертуры DBF 5 (фиг. 2, вид 2) выбрана в соответствии с формулой Н_ДБФ≥H_imageZ_B/(Z_B+Z_image), где H_image - высота ЖК экрана 3 (вдоль направления кадровой развертки изображения). Из левого (правого) окна с центром Q₁ (Q₂) сквозь левую W_L (правую W_L) зону апертуры ДБФ 5 виден ЖК экран 3 по всей его высоте H_image.

Оптическая часть ДБФ 5 (фиг. 3) выполнена в виде примыкающих друг к другу единственного прозрачного ориентирующего слоя g и сегнетоэлектрической жидкокристаллической (СЖК) структуры 7 с компенсированным геликоидом и поверхностной стабилизацией (расположенной между стеклянными подложками 8, 9) и линейного поляризатора 10, ось поляризации р₂ которого ортогональна оси поляризации p₁ линейного поляризатора 4 на экране 3, при этом на внутренних сторонах стеклянных подложек 8, 9 расположены четыре адресных прозрачных электрода 11-14, электрические входы которых являются электрическим входом ДБФ 5, на которые подается управляющее напряжение U для управления энергетическим (оптическим) состоянием СЖК структуры 7.

Двум возможным энергетическим (оптическим) состояниям СЖК структуры 7 соответствуют два стабильных направления ее оптической оси А₁ и А₂, при этом ось А₁ параллельна оси поляризации p₁, а ось А₂ параллельна биссектрисе угла между осями поляризации р₁ и р₂ (фиг. 4). Энергетическое (оптическое) состояние СЖК структуры 7 определяется величиной и знаком электрического поля Е_с, создаваемого с помощью управляющего напряжения U.

Физические характеристики СЖК структуры 7 соответствуют условию (фиг. 5)

где V - скорость движения устойчивого пакета волн смены ориентации спонтанной поляризации СЖК при смене знака управляющего электрического поля Е_с, Θ₀ - угол наклона молекул в каждом смектическом слое СЖК структуры 7, определяющий локальное направление директора k СЖК молекул, γ_ψ - сдвиговая вязкость смектических слоев для угла Ψ, K - модуль упругости при переориентации директора k на угол Ψ, Ps - модуль вектора Ps спонтанной поляризации смектических слоев, ϕ₀ - начальный азимутальный угол ориентации директора k, М - энергия связи смектических слоев. Для упрощения на фиг. 5 показан только один смектический слой в начальном состоянии СЖК структуры 7 (в отсутствие внешнего электрического поля Е_с), где локальные поверхности 15₁, 15₂ и 15₃ (вместе составляющие стенку рассматриваемого смектического слоя с соседним смектическим слоем) наклонены соответственно под углами +Ψ, Ψ=0° и -Ψ к оси z. Единственной степенью свободы для директора k является возможность его поворота по конической поверхности с фиксированным углом Θ₀ при вершине конуса. Величина углового поворота директора k определяется азимутальным углом ϕ между координатой х и проекцией директора k на плоскость (х, у). В отсутствие внешнего управляющего поля Е_с для каждого локального объема смектического слоя (с локальной поверхностью 15₁, 15₂ и 15₃) соответствует свое начальное значение ϕ₀ азимутального угла для соответствующего локального директора k.

Компенсация геликоида СЖК структуры выполнена введением в СЖК вещества хиральной (chiral) добавки с противоположным углом закрутки по сравнению с закруткой геликоида.

Спектральная характеристика источника подсветки ЖК экрана 3 стереоскопического дисплея 2 состоит из трех дискретных спектральных линий λ_R, λ_G и λ_B, соответствующих трем основным цветам R, G и В, а величина Δn двупреломления СЖК структуры для второго стабильного направления ее оптической оси определяется выражением

где d - толщина СЖК структуры между адресными прозрачными электродами.

Предпочтительный диапазон изменения толщины СЖК структуры d=0,7÷1,4 мкм обеспечивает ахроматическую фазовую задержку (с минимальным различием для длин волн λ_R, λ_G и λ_B).

Устройство работает следующим образом. Видеосигнал с информационного выхода источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены (ракурсных изображений) подается на вход стереоскопического дисплея 2, на ЖК экране 3 которого попеременно воспроизводятся изображения первого (левого) и второго (правого) ракурсов 3D сцены. Световой поток изображений первого и второго ракурсов после прохождения линейного поляризатора 4 приобретает линейную поляризацию, соответствующую направлению оси поляризации р₁ (для определенности, вертикально - по направлению кадровой развертки ракурсных изображений на ЖК экране 3). Поляризованный (по направлению р₁) световой поток изображений ракурсов поступает на вход апертуры ДБФ 5 и последовательно проходит СЖК структуру 7 и линейный поляризатор 8 с горизонтальным направлением оси поляризации р₂ (составляющим угол 90° с направлением оси р₁). Оптические характеристики апертуры каждой зоны апертуры ДБФ 5 определяются энергетическим состояние соответствующей области СЖК структуры 7, которое задается величиной и знаком электрического поля Е, создаваемого в СЖК структуре 7 с помощью адресных прозрачных электродов 11-14 с подачей управляющего электрического напряжения U с выхода управляющего модуля 6. В соответствии с сигналами синхронизации, поступающими с выхода синхронизации источника 1 сигналов ракурсных изображений, знаки управляющих напряжений U задаются таким образом, что при воспроизведении на ЖК экране 3 изображений первого (левого) ракурса открывается только первая (левая) зона W_L апертуры ДБФ 5, обеспечивая просмотр изображения левого ракурса левым глазом наблюдателя. При показе (воспроизведении) на ЖК экране 3 изображений второго (правого) ракурса открывается только вторая (правая) зона W_R апертуры ДБФ 5, обеспечивая изображения правого ракурса правым глазом наблюдателя. Время открытия и закрытия каждой из левой W_L и правой W_R зон апертуры равно короткому (десятки микросекунд) времени τ_trans перехода между двумя оптическими состояниями СЖК структуры 7, тем самым обеспечивая практически полное открытие каждой из зон в течение времени t_view (единицы и доли миллисекунды) воспроизведения изображений.

Первое оптическое состояние ДБФ 5 (фиг. 4, сверху) соответствует подаче напряжения +U на пару адресных прозрачных электродов 11, 12 и напряжения -U на пару адресных прозрачных электродов 13, 14 (фиг. 3). Второе оптическое состояние ДБФ 5 (фиг. 4, снизу) соответствует взаимной смене знаков (полярности) подаваемых напряжений без изменения их уровня (который всегда превышает порог срабатывания СЖК структуры 7).

Оптическому состоянию зоны апертуры ДБФ 5 с ориентацией A₁ оптической оси СЖК структуры соответствует геометрия векторов P_S спонтанной поляризации, представленная на фиг. 6. Оптическому состоянию зоны апертуры ДБФ 5 с ориентацией А₂ оптической оси соответствует геометрия векторов спонтанной поляризации, представленная на фиг. 7. Ориентации A₁ (или А₂) оптической оси СЖК структуры соответствует одинаковая ориентация директора k во всем объеме СЖК структуры, обусловленная выстраиванием всех локальных векторов Ps спонтанной поляризации параллельно вектору Е_с управляющего электрического поля, направленного вдоль положительного (или отрицательного) направления координаты y. Величина ϕ₀ определяет начальный угол между P_S (для каждого локального директора k) и вектором Е_с. При появлении электрического поля Е_с вследствие его взаимодействия с векторами P_S спонтанной поляризации величина ϕ азимутального угла становится одинаковой для всех локальных директоров k, что приводит к однородному значению директора k по всему объему СЖК структуры в силу результирующей параллельности векторов Е и P_S. При этом все локальные области стенки 9 между смектическими слоями выстраиваются в единой плоскости, параллельной направлению Е_с.

Форма электрического управляющего напряжения представляет собой импульсы напряжения уровня U с попеременной сменой знака (полярности) напряжения. Переходное время τ_trans оптического отклика составляет около 50 мкс для диапазона 100-170 Гц частоты переключения и около 30 мкс для частоты выше 170 Гц до предельной частоты около 3500 Гц. На фиг. 8 представлен пример оптического отклика для частоты 2000 Гц. При этом оптический отклик СЖК структуры 7 на ступенчатое (скачкообразное) изменение знака управляющего напряжения U симметричен независимо от направления смены знака напряжения в силу одного и того же значения переходного времени τ_trans, малое значение которого обусловлено тем, что смена знака спонтанной поляризации в СЖК структуре осуществляется в форме устойчивого волнового пакета (солитона) с высокой скоростью V сдвига, возникающего при смене знака управляющего электрического поля Е_с.

При этом наличие только одного ориентирующего прозрачного слоя g обеспечивает достаточную степень свободы для изменения ориентационной геометрии в СЖК структуре 7, в то время как любая НЖК структура может работать только при наличии двух ориентирующих пленок (с обеих сторон НЖК структуры).

Из условия (2) следует, что СЖК структура 7 на центральной длине волны λ_G (в центре спектральной характеристики источника подсветки стереоскопического дисплея 2) представляет собой полуволновую фазовую пластину. СЖК структура 7 в ее первом энергетическом (оптическом) состоянии представляет собой полуволновую фазовую пластину с направлением А₁ оптической оси, параллельным оси p₁. Соответствующая геометрия хода лучей представлена на фиг. 9 для случая положительной диэлектрической анизотропии Δε>0 СЖК молекул (когда показатель преломления n_e для необыкновенного луча больше показателя преломления n_o для обыкновенного луча). Входной вектор

светового потока ракурсного изображения с линейной поляризацией, параллельной оси p₁, после прохождения СЖК структуры 7 представлен выходным вектором

с той же ориентацией параллельно оси р₁ (повернутым на 90° ортогонально оси р₂), поскольку в СЖК структуре в этом случае возникает только обыкновенная волна, представленная вектором D_o электрического смещения. Это обеспечивает полную блокировку светового потока в соответствующей зоне апертуры ДБФ на центральной длине волны λ_G.

СЖК структура 7 в ее втором энергетическом (оптическом) состоянии представляет собой полуволновую фазовую пластину с направлением А₂ оптической оси под углом 45° к оси поляризации p₁ (фиг. 10 для случая положительной диэлектрической анизотропии). В этом случае входной вектор

светового потока ракурсного изображения с линейной поляризацией, параллельной оси р₁, после прохождения СЖК структуры 7 представлен выходным вектором

повернутым на 90° и совпадающим с направлением оси р₂. Поворот

на 90° обусловлен разворотом на 180° выходного вектора

электрического смещения необыкновенной волны, распространяющейся в фазовой пластине СЖК структуры 7, по сравнению с входным вектором

(при неизменной ориентации вектора

электрического смещения обыкновенной волны). Это обеспечивает передачу (в соответствующей открытой зоне апертуры ДБФ) полной энергии светового потока на центральной длине волны λ_G.

Аналогичная логика работы зоны апертуры ДБФ имеет место при смене ориентации оптической оси СЖК структуры в случае отрицательной диэлектрической анизотропии Δε<0 (при n_e<n_o).

Точное выполнение условия полуволновой задержки на центральной длине волны λ_G означает полную передачу энергии света на самой яркой (для зрения наблюдателя) цветовой компоненте ракурсных изображений. Чувствительность глаза к зеленому (G) цвету на длине волны 555 нм составляет более 70% от полной яркости [5]. Поэтому некоторое понижение яркости изображения на длинах волн λ_R и λ_B (из-за того, что на первой и второй из них фазовая задержка СЖК структуры соответственно несколько больше и меньше полуволновой задержки) не оказывает существенного влияния на общую яркость наблюдаемых стереоизображений. При этом в случае дискретной спектральной характеристики источника подсветки ЖК экрана (когда основная часть энергии света сосредоточена в цветовой компоненте В), суммарная по всем основным цветам оптическая эффективность передачи энергии световых потоков ракурсных изображений с помощью полуволновой СЖК структуры 7 будет значительно выше по сравнению, например, со случаем непрерывной спектральной характеристики источника подсветки ЖК экрана 3. В последнем случае только на одной из длин волн (для которой СЖК структура 7 является фазовой пластиной с точной полуволновой фазовой задержкой) будет полная передача энергии света, а на всех остальных длинах волн непрерывного спектра оптическая эффективность понижена, и таких длин волн здесь гораздо больше, чем для источника с дискретным спектром, где их всего две (λ_R и λ_B).

Выбор толщины d слоя СЖК структуры 7 в интервале 0,9÷1,4 мкм (благодаря большой величине двупреломления Δn≈0,2) соответствует минимальному различию в оптическом пропускании для длин волн λ_R, λ_G и λ_B, что обеспечивает высокое качество цветопередачи стереоизображения при его максимальной яркости.

Расширение углового поля наблюдения стереоизображений тоже связано с малой толщиной d СЖК структуры 7, что обеспечивает малое изменение оптической задержки для внеосевых направлений в световом потоке ракурсных изображений по сравнению с двойной НЖК структурой (в которой каждая из НЖК структур имеет толщину от 4 до 6 мкм).

При этом обеспечена работоспособность ДБФ 5 в диапазоне частот переключения от 100 Гц до 3500 Гц (в диапазоне длительностей кадра от 10 мс до 0,28 мс) с сохранением высокой яркости. В качестве пикселя быстродействующего экрана стереоскопического дисплея с потенциальными частотами переключения в несколько килогерц могут быть использованы, например, микроскопические твердотельные светодиоды [6].

В результате решена задача увеличения яркости стереоизображений миллисекундной длительности при расширении углового поля наблюдения стереоизображений и увеличении диапазона кадровых частот с обеспечением высокого контраста сепарации ракурсных изображений.

При этом упрощена конструкции устройства за счет снижения (практически вдвое) числа используемых ЖК слоев, прозрачных электродов и числа оптических подложек для СЖК структуры по сравнению с двойной НЖК структурой.

Повышена экономичность устройства за счет снижения более чем на порядок токов перезарядки емкости жидкокристаллической структуры ДБФ, что обусловлено снижением управляющего напряжения для СЖК структуры до абсолютных величин порядка 3 В (по сравнению с величинами 30-40 В для НЖК структур).

Литература

1. Патент США №7724211, опубл. 25.05.2010.

2. Патент РФ №2604210, опубл. 15.11.2016.

3. Born М., Wolf Е. Principles of optics // Cambridge University Press. 2002. P. 38-42.

4. Andreev A.L., Andreeva T.B., Kompanets I.N. Electro-optical response of compensated helix ferroelectric: continuous gray scale, fastest response and lowest control voltage demonstrated to date // SID Digest. 2012. V. 43. №1. P. 452-455.

5. Грабовский Р.И. Курс физики // Москва. Изд. «Лань». 2012. С. 446.

6. Е. Virey. Are micro LEDs really the next display revolution? // Information Display. 2018. V. 3. №18. P. 22-27.

Claims (4)

1. Безочковая стереоскопическая видеосистема с дистанционным бинокулярным фильтром, содержащая источник сигналов изображений ракурсов трехмерных сцен, стереоскопический дисплей с жидкокристаллическим экраном, по меньшей мере один дистанционный бинокулярный фильтр и электронный управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу дистанционного бинокулярного фильтра, вход синхронизации электронного управляющего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов трехмерных сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, жидкокристаллический экран которого снабжен первым линейным поляризатором, оптически сопряженным с входом апертуры дистанционного бинокулярного фильтра, который содержит по меньшей мере одну жидкокристаллическую структуру, снабженную по меньшей мере одним прозрачным ориентирующим слоем, и второй линейный поляризатор, ось поляризации которого ортогональна оси поляризации первого линейного поляризатора, причем первая и вторая зоны апертуры дистанционного бинокулярного фильтра оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, а соответствующие первая и вторая смежные области жидкокристаллической структуры снабжены первым и вторым адресными прозрачными электродами, электрические входы которых составляют электронный вход дистанционного бинокулярного фильтра, отличающаяся тем, что жидкокристаллическая структура дистанционного бинокулярного фильтра выполнена в виде сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры с компенсированным геликоидом и поверхностной стабилизацией, соответствующей условию

где V - скорость сдвига устойчивого пакета волн смены ориентации спонтанной поляризации СЖК структуры при смене полярности управляющего электрического поля Е_с, Θ₀ - угол наклона молекул в каждом смектическом слое сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры, определяющий локальное направление директора k сегнетоэлектрических жидкокристаллических молекул, γ_ψ - сдвиговая вязкость смектических слоев для угла наклона Ψ, K - модуль упругости при переориентации директора k на угол Ψ, Ps - модуль вектора Ps спонтанной поляризации смектических слоев, ϕ₀ - начальный азимутальный угол ориентации директора k, М - энергия связи смектических слоев, при этом сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая структура снабжена единственным прозрачным ориентирующим слоем, а двум возможным энергетическим состояниям сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры соответствуют два стабильных направления ее оптической оси, первое из которых параллельно оси поляризации p₁, а второе направление параллельно биссектрисе угла между осями поляризации p₁ и р₂, причем спектральная характеристика источника подсветки жидкокристаллического экрана стереоскопического дисплея состоит из трех спектральных линий λ_R, λ_G, λ_B, соответствующих трем основным цветам R, G и В, а величина Δn двупреломления сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры для второго стабильного направления ее оптической оси определяется выражением Δn⋅d=λ_G/2, где d - толщина сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры.

2. Видеосистема по п. 1, отличающаяся тем, что толщина d сегнетоэлектрической жидкокристаллической структуры находится в интервале 0,9÷1,4 мкм.

Images