Учёные из ФИАН получили новые жидкокристаллические материалы, позволяющие создать дисплей, в котором трёхмерная 3D картинка визуализируется в объёмной среде.
Наверное, многим из нас знакомо лёгкое ощущение дискомфорта от просмотра 3D фильма. Но откуда оно приходит и как вообще двумерная картинка на плоском экране превращается в трёхмерное изображение? Ответы на эти вопросы связаны между собой.
Обычно 3D фильм содержит два набора перемешанных кадров (стерео пар) – один для левого глаза, а другой для правого. Они несколько отличаются по своим оптическим характеристикам (например, поляризации), и потому правое стекло 3D-очков пропускает только правое изображение, а левое – только левое. И уже в нашей голове эти кадры одной и той же 3D сцены, увиденной с разных ракурсов, собираются в общую 3D картину. Так создается иллюзия объёмного изображения, и для ее успешного восприятия очень важно, чтобы кадры одной стерео пары были строго разделены, а все стерео пары чередовались со строгой частотой – иначе малейшие нарушения ставят наш мозг в замешательство, о чём он нам и сигнализирует.
Сегодня подобные стереоскопические 3D дисплеи занимают главенствующее место на рынке. Однако особый интерес для специалистов представляют дисплеи с объёмным экраном, в которых наблюдается наиболее реалистичное 3D изображение сцены. По сути, – световой макет сцены, который можно увидеть без очков, под разными углами, независимо и сразу многими наблюдателями, да еще и с возможностью заглянуть внутрь ее.
Создать такой дисплей можно, используя массив жидкокристаллических светорассеивающих ячеек, на которые поочередно и согласованно будут проецироваться изображения сечений исходной 3D сцены. Однако и в этом подходе есть свои сложности. Комментирует заведующий отделом оптоэлектроники ФИАН доктор физико-математических наук, профессор Игорь Николаевич Компанец:
«Чтобы человеческий глаз воспринимал картинку непрерывной частота кадров должна быть не менее 25 Гц, а значит, длительность каждого кадра – не более 1/25 секунды. Но это в случае одной ячейки. А если мы хотим сделать объёмное изображение, предположим, из ста сечений, т. е. используя сто жидкокристаллических ячеек, то время включения рассеяния света в каждой из них должно быть в сто раз меньше. И соответственно, частота подачи сечений от видеопроектора - уже 2,5 кГц.»
Нематические жидкие кристаллы (НЖК), на основе которых работает большинство современных дисплеев и видеопроекторов, не могут удовлетворить таким требованиям. При приложении электрического напряжения 100 В к ячейкам с НЖК, кристалл достаточно быстро (за время порядка 0,2 миллисекунды) изменяет свое оптическое состояние, но возвращается он к своему исходному состоянию после выключения поля существенно медленнее – под действием упругих сил это происходит за время порядка миллисекунды. В результате, число НЖК-ячеек в объемном экране не может превышать двадцати. Понятно, что для создания объёмных экранов 3D дисплеев этого недостаточно. Учёные из ФИАН предложили использовать жидкие кристаллы другого типа – смектики.
«В наших ячейках мы используем смектические ЖК, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами. Их вектор спонтанной поляризации ориентируется вдоль направления внешнего электрического поля. Такие ЖК очень чувствительны к обоим знакам электрического поля, так что время переключения оптического состояния, причем как рассеивающего свет, так и прозрачного составляет в них всего лишь несколько десятков микросекунд при управляющем напряжении 30 В» – комментирует Игорь Николаевич.
В результате, учёным ФИАН удалось создать экспериментальный макет 3D-дисплея с объёмным экраном, составленным из 5 смектических ЖК-ячеек.
«Принцип его работы очень прост. На каждой из ячеек по очереди включается рассеяние и подаётся картинка. Сначала первая, потом вторая – листаем как бы по слоям, по сечениям, но так быстро, что видим непрерывное объёмное изображение. Получается как бы "аквариум", в котором в реальном времени визуализируются объёмные картинки» – рассказывает Игорь Николаевич.
На каждой из ячеек поочерёдно включается рассеяние света
и согласованно с этим подаётся очередной слой исходного изображения,
а при быстром переключении ячеек уже можно видеть непрерывное объёмное изображение
Количество ячеек можно довести до ста и получить настоящий, уникальный даже для мировой практики объёмный экран. Параметры самих ЖК-ячеек вполне позволяют выполнить эту амбициозную задачу, но здесь есть новая проблема, ведь в составе 3D-дисплея кроме экрана должен быть ещё видеопроектор, способный проецировать на ЖК-ячейки изображения сечений с частотой в несколько килогерц. Но и это можно реализовать с помощью другого сегнетоэлектрического смектического ЖК, который модулирует не рассеяние света, а его поляризацию, а значит, интенсивность света, регистрируемую за поляроидами. Разработанные в ФИАН ЖК-ячейки на основе такого смектика способны при управляющем напряжении модулировать свет с частотой до 7 кГц, т.е. в 50 раз быстрее, чем с нематическим ЖК.
Игра стоит свеч. Перспективы применения таких дисплеев очень широки, поскольку они не вызывают привычных сегодняшнему зрителю дискомфортных ощущений и способны давать реалистичную трёхмерную картинку объекта с сохранением всех его внешних деталей (а при соответствующем программном обеспечении – и внутренних).
Игорь Николаевич Компанец: «Подобные дисплеи можно использовать в космической и авиа- навигации, в трёхмерных тренажёрах, в различных интерактивных играх и даже в медицине – для визуализации томографических изображений. Ведь что мы здесь имеем? Сигналы томографа, которые дают информацию о сечениях тела или его органа, которые в итоге регистрируются на плёнке. А у нас плёнка не нужна. Сигналы преобразуются в скоростном видеопроекторе в оптические и сразу поступают на светорассеивающие ЖК-ячейки, формируя в реальном времени трёхмерное изображение органа. Какой простор для диагностики, по сути четырехмерной!»
М. Петров, АНИ «ФИАН-информ»