ТРЕХМЕРНЫЙ ДИСПЛЕЙ Российский патент 2011 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к средствам отображения информации и может быть использовано для отображения трехмерных объектов и сцен, в частности, в системах навигации, машинного проектирования и конструирования для визуализации томографической информации и при проведении сложных операций в медицине, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, в компьютерных тренажорах и играх, рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.

Создание систем наиболее полного - трехмерного отображения реального мира прямо или косвенно повлияет на все сферы деятельности человека и инициирует создание и развитие целого ряда научных направлений и технологий. Поэтому попытки разработки эффективных трехмерных дисплеев не прекращаются уже в течение многих лет, с тех пор как появились двумерные дисплеи.

В трехмерном дисплее чаще всего используют двухмерный (плоский) материал, а чтобы получить объемный эффект, т.е. для преобразования двумерного изображения в трехмерное, используют дополнительные оптические элементы и технические средства, а также сложное программное обеспечение. Однако стереоскопический (даже многоракурсный) и голографический принципы формирования трехмерных изображений создают лишь иллюзию трехмерного объекта и не обеспечивают полного угла обзора сцены с параллаксами в обеих ортогональных плоскостях [1].

Наибольшая реалистичность изображения достигается в трехмерном дисплее с объемным экраном, использующим рассеяние света для отображения данных [1, 2]. На Фигуре 1 показана схема получения трехмерного изображения в таком экране, где изображены: объемная среда 1 (зона визуализации или визуализатор), состоящая из N_z виртуальных плоскостей 2 с числом разрешимых элементов N_x×N_y, в которых за счет рассеяния света визуализируются изображения 3 сечений объекта, поступающие от формирователя этих изображений.

Основными конструктивными узлами трехмерного дисплея с объемным экраном, следовательно, являются [2]:

- узел формирования изображений сечений объекта, например устройство сканирования светового луча или видеопроектор,

- объемный экран как область визуализации изображений сечений объекта, например рассеивающая свет пластина, перемещаемая в свободном пространстве, или многослойная среда с поочередно включаемым в слоях светорассеянием,

- оптическая система переноса формируемых изображений сечений объекта в объемный экран, и

- узел управления всей системой трехмерного дисплея с соответствующим программным обеспечением.

В трехмерном дисплее с объемным экраном сечение за сечением в реальном времени (не менее 25 трехмерных образов в секунду) формируется объемный световой макет объекта. Он имеет все визуальные характеристики реального трехмерного изображения и потому при его наблюдении нет глазной и нервной усталости, присущей при использовании специальных очков; нет скачков изображения и позывов тошноты, присущих наблюдению в автостереоскопических системах; при осмотре светового макета также нет ограничений в выборе позиции для наблюдателей. Формирование трехмерного изображения по его сечениям и его визуализация могут не разделяться во времени, т.е. осуществляться одновременно, и не требуют вычисления каких-либо ракурсов. Наконец, что очень важно для научных и технических приложений (включая военные), благодаря визуализации сечений появляется совершенно новая функциональная возможность наблюдать внутреннюю пространственную структуру объекта или сцены и выделять в ней интересующие нас фрагменты.

Главным условием успешной работы трехмерного дисплея с объемным экраном является высокая скорость ввода и визуализации изображений сечений объекта. Если время цикла визуализации картины одного сечения τ_d, то для качественного воспроизведения трехмерного изображения всего объекта (сцены) должно выполняться соотношение τ_d·N_z≤1/25 секунды. Таким образом, чем больше число сечений N_z, тем быстрее эти сечения должны быть сформированы и отображены в объемном экране. И наоборот, известное значение τ_d времени цикла визуализации устанавливает предельное число сечений N_z, т.е. возможную глубину визуализации объекта вдоль оси Z с помощью данного дисплея при работе в реальном времени. К сожалению, именно требование малого времени оптического отклика среды на управляющее воздействие не позволяет использовать в объемном экране практически ни один из известных материалов для двумерных дисплеев.

Впервые коммерческий вариант работающего в реальном времени трехмерного дисплея с объемным экраном был продемонстрирован в 2002 г. американской компанией Actuality Systems, Inc. [3]. В дисплее, названном «Perspecta Spatial 3D Platform», использовался диск, который вместе с закрепленной на нем светорассеивающей пластиной вращался в свободном пространстве внутри прозрачной полусферы высотой 50 см. Размер области визуализации изображений приближался к 25 см. Объемное изображение выглядело целым при скорости вращения диска 25 об/сек и более.

Ввод сечений изображений осуществлялся с помощью цифрового трехчипового видеопроектора DLP фирмы Texas Instruments, Inc. [4] производительностью до 22 Гб/сек, который способен в реальном времени формировать в секунду до 1000 сечений объекта - цветных изображений форматом 1024×748 пикселей. Видеопроектор создан на основе микродисплея, представляющего собой матрицу отклоняемых микрозеркал. Такая матрица формируется на кремниевой подложке с управляющей электроникой, сигналы которой заставляют быстро (за 16 микросекунд) отклоняться тонкое и легкое микрозеркальце, закрепленное на шарнире. Шкала серого и, соответственно, оттенки цветов в изображениях обеспечиваются за счет повторения отклонений с разной частотой.

Разработка дисплея «Perspecta Spatial 3D Platform» представляла собой существенный рывок в создании трехмерных информационных дисплеев, однако для нее характерны следующие существенные недостатки, достаточно очевидные из используемого в ней механического принципа перемещения плоскостей сечений: необходимость стабилизации вращения пластины, защиты от нее оператора и вакуумирования пространства внутри полусферы; сложный профиль пластины и сложное программное обеспечение для компенсации разницы линейных скоростей в разных точках рассеивателя; наличие «мертвой зоны» в околоосевом пространстве вследствие нулевой линейной скорости движения там рассеивателя, трудности синхронизации и масштабирования всей системы.

Известен трехмерный дисплей с объемным экраном (Фигура 2), свободный от указанных недостатков, а именно дисплей, описанный в патенте РФ №2219588, 2003 г. [5]. В нем трехмерное изображение визуализируют в многослойной электрооптической среде при сканировании светового луча в двухмерной плоскости (плоскости изображения сечения) и одновременном приложении электрического напряжения к лежащему в этой плоскости рассеивающему свет слою объемной среды. Дисплей не содержит движущихся узлов, «мертвой зоны» и сложной конфигурации рассеивающей поверхности.

В патенте [5] предложено устройство дисплея, работа которого поясняется схемой на Фигуре 2. В среде 1 к заданному по координате z функциональному светорассеивающему слою 4, расположенному в виртуальной плоскости 2 сечения объекта, прилагается электрическое напряжение от блока адресации 10, переключающее этот слой в рассеивающее свет состояние. Изображение сечения визуализируется в нем благодаря тому, что в момент рассеяния в плоскости слоя сканируют по координатам x и y световой луч 8. Для формирования изображения используется источник света (лазер) 5 с высокочастотным оптическим модулятором 6 и двумерный сканер (дефлектор) 7. Управляет формированием изображений сечений и их визуализацией процессор 9. Включая поочередно рассеяние света во всех слоях многослойной среды и одновременно с этим сканируя световой луч по рассеивающему слою, визуализируют все сечения трехмерного объекта и тем самым формируют его целостный световой макет. Предполагается, что цветное изображение трехмерного объекта образуют при использовании лазеров с красным, зеленым и синим излучением и при совмещении их лучей в оптической системе.

Основным недостатком рассматриваемого дисплея является недостаточное быстродействие устройства формирования изображений сечений. Действительно, при времени позиционирования лазерного луча 1 мкс можно визуализировать за 1/25 секунды только 40 тысяч позиций луча. Это пригодно, например, для указания положения самолетов в заданных эшелонах контролируемой воздушной зоны, но не обеспечивает визуализацию стандартного цветного изображения даже в одной плоскости объемного экрана, где требуется порядка миллиона пикселей.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является трехмерный дисплей с объемным экраном «DepthCube Z1024», продемонстрированный в 2004 г. американской компанией Light Space Technology [6]. Внешне DepthCube Z1024 выглядит как обычный телемонитор с электронно-лучевой трубкой, но имеет выступающий экран, внутри которого и формируются трехмерные изображения [6]. Они наблюдаются с параллаксом в пространстве углов 80°×80° по горизонтали и вертикали. Поскольку все элементы в картинах сечений имеют одинаковые размеры и визуализируются в одинаковых условиях, то дисплеем воспроизводится очень точное и достаточно глубокое изображение трехмерного объекта, которое выглядит совершенно непрерывным и плавно оглядываемым.

Схема дисплея «DepthCube Z1024» показана на Фигуре 3, где изображены: зона визуализации 1, виртуальные плоскости 2, в которых визуализируются изображения 3 сечений светового макета трехмерного объекта, модуляторы 11 со светорассеивающими слоями 4 в плоскостях 2, осуществляющие визуализацию трехмерного изображения, видеопроектор 12; блок ввода электронных данных 13; процессор 9 с дисплеем 14; блок адресации модуляторов 10.

Зона визуализации 1 формируется здесь пакетом из 20 параллельных друг другу электрооптических светорассеивающих модуляторов 4. Когда один из них находится в рассеивающем состоянии, остальные 19 модуляторов сохраняют прозрачное состояние. Переключение любого из модуляторов в рассеивающее состояние и проецирование на модулятор соответствующей картины сечения осуществляется поочередно.

В качестве материала модулятора в дисплее DepthCube Z1024 используется стабилизируемый полимером жидкий кристалл (ЖК), в котором электрическое поле вызывает трансформацию типа ЖК, а именно из исходного холестерического типа (рассеивает свет) в нематический [6]. Реально переключение из светорассеивающего состояния в прозрачное осуществляется за 240 микросекунд при напряжении 100 В. Обратный переход, осуществляемый после снятия электрического напряжения, гораздо более медленный. В итоге динамика переключения светорассеяния ограничивает глубину объемного изображения только двадцатью сечениями.

Ввод сечений изображений осуществлялся с помощью того же цифрового трехчипового видеопроектора DLP фирмы Texas Instruments, Inc. [4], наиболее быстродействующего до настоящего времени. К сожалению, используемый в нем микродисплей на основе матрицы микрозеркал не отличается высокой надежностью и долговечностью вследствие механического принципа отклонения микрозеркал.

Кроме этого, другим существенным недостатком рассматриваемого дисплея, выступающего прототипом по отношению к заявляемому изобретению, является недостаточное быстродействие светорассеивающих модуляторов, позволяющее визуализировать в реальном времени лишь 20 сечений объекта. К тому же адресацию этих модуляторов затрудняет тот факт, что в момент ввода каждого изображения сечения все модуляторы, кроме одного, сохраняющего состояние рассеяния, должны находиться под напряжением 100 В, чтобы оставаться прозрачными.

Таким образом, трехмерный дисплей «DepthCube Z1024», использующий жидкокристаллический материал в объемном экране и микрозеркальный трехчиповый видеопроектор DLP для формирования изображений сечений, обеспечивает в реальном времени визуализацию полноформатных (до 1024 пикселов в строке) цветных трехмерных изображений глубиной в 20 сечений. Однако в такой системе:

- ограниченное быстродействие используемого жидкокристаллического материала не позволяет увеличить число визуализируемых сечений до значений в 30-100 сечений, необходимых для отображения результатов решения большинства практических задач,

- используемый тип жидкокристаллического материала требует высокого напряжения (100 вольт) для переключения из состояния рассеяния в прозрачное состояние и не обеспечивает бистабильной характеристики светорассеяния, наиболее приемлемой для использования в светорассеивающей объемной среде,

- используемый видеопроектор DLP на основе микрозеркального микродисплея с управляющей кремниевой матрицей, хотя и является быстродействующим, но также не обеспечивает формирование в реальном времени 30-100 сечений, необходимых для отображения результатов решения большинства практических задач,

- в силу недостаточного быстродействия видеопроектора DLP нет возможности использовать в нем метод последовательного по времени формирования цветов в изображениях, обеспечивающий наряду с упрощением технологии изготовления микрозеркального микродисплея более высокое качество формируемого изображения,

- используемая в видеопроекторе матрица микрозеркал не отличается высокой надежностью в работе и долговечностью (служит только 2-3 года).

Задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является создание надежного и долговечного трехмерного дисплея, способного формировать и визуализировать с высоким качеством в реальном времени и при меньшем управляющем напряжении 30-100 сечений отображаемого трехмерного объекта. Из сказанного выше следует, что для решения задачи необходимо создание как объемного экрана на основе новой более быстродействующей многослойной электрооптической светорассеивающей среды, так и нового более скоростного видеопроектора для формирования изображений сечений трехмерного объекта. Тем самым задача разбивается на две части и в целом не может быть решена без решения каждой из них.

Сущность изобретения

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном трехмерном дисплее с объемным экраном, состоящим из пакета светорассеивающих жидкокристаллических модуляторов, и с видеопроектором на основе микродисплея, формирующим изображения сечений трехмерного объекта в плоскостях расположения светорассеивающих жидкокристаллических модуляторов, новым является то, что:

1) в качестве электрооптической среды в светорассеивающих жидкокристаллических модуляторах объемного экрана и в микродисплее видеопроектора выбран жидкий кристалл смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами (СЖК);

2) в модуляторах объемного экрана толщина слоя СЖК d, шаг геликоида p₀, спонтанная поляризация P_s, модуль упругости K_φ, определяющий деформацию СЖК по азимутальному углу φ с волновым вектором q, и электрическое поле E, определяющее время переориентации директора τ_R при воздействии управляющего импульса напряжения длительностью τ_имп, выбраны следующими:

исходя из условия получения максимального электрически управляемого рассеяния света на переходных доменах и получения характеристики светорассеяния бистабильного типа;

3) для создания микродисплея видеопроектора выбрана структура типа FLCOS

[7, 8], представляющая собой матрицу дисплейных ячеек - пикселов с СЖК (в английской аббревиатуре - FLC) на кремниевой пластине (в английской аббревиатуре OS - на кремнии), причем толщина слоя СЖК d, шаг геликоида p₀, модуль упругости K_φ, определяющий деформацию СЖК по азимутальному углу φ с волновым вектором q, и граничные условия, определяемые квадратичным коэффициентом W_Q энергии сцепления СЖК с граничащей поверхностью, выбираются из условия обеспечения частичной раскрутки геликоида в отсутствие электрического поля и фазовой модуляции света с характеристикой аналогового типа и соотносятся как:

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения рассмотрим физическую модель электрооптической ячейки с СЖК, показанную на Фиг.4 [9]. Здесь 15 -прозрачные диэлектрические пластины (подложки); 16 - прозрачные токопроводящие покрытия, покрытые ориентантом; 17 - плоскости смектических слоев жидкого кристалла, перпендикулярные поверхности пластин 15; 18 - источник электрического напряжения; - вектор электрического поля, расположенный в плоскости смектического слоя; - вектор, показывающий направление ориентации длинных осей молекул в смектических слоях (директор СЖК); - вектор спонтанной поляризации; p₀ - шаг геликоида; L - нормаль к смектическим слоям; X - координатная ось, перпендикулярная пластинам 15; Z - координатная ось, параллельная пластинам 15; Z - координатная ось, совпадающая по направлению с вектором ; Θ- угол наклона длинных осей молекул по отношению к вектору (угол между векторами и - полярный угол); φ - угол в плоскости XY между нормалью к пластинам и вектором (азимутальный угол); П и А - направления осей пропускания поляризатора и анализатора; I₀ - интенсивность падающего на ячейку света; I - интенсивность промодулированного ячейкой света; β - угол между анализатором и осью геликоида Z.

В слое СЖК направление преимущественной ориентации длинных осей молекул (направление директора) определяется полярным углом Θ, на который они наклонены относительно нормали к смектическим слоям, и азимутальным углом φ в плоскости смектического слоя. Благодаря особой стехиометрии молекул каждый слой в отсутствие внешних воздействий обладает спонтанной поляризацией, вследствие чего СЖК имеют высокую чувствительность к действию электрического поля. Вектор поляризации P_s лежит в плоскости смектического слоя и направлен вдоль полярной оси, а полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга так, что образуется равновесная спирально закрученная структура - геликоид с шагом p₀.

Слой СЖК располагается между подложками 15 с нанесенными на них токопроводящими покрытиями 16. Модулятор или дисплейная ячейка управляется знакопеременными электрическими импульсами от источника электрического напряжения 18. При приложении к СЖК электрического поля вектор поляризации каждого смектического слоя устанавливается вдоль силовых линий поля, а длинные оси молекул располагаются в плоскости слоя СЖК под углом Θ к оси геликоида. При смене знака поля вектор поляризации разворачивается в обратном направлении, а длинные оси молекул как образующие конуса переходят в положение - Θ в той же плоскости, т.е. смещаются на 2Θ по отношению к предыдущему положению. Переориентация длинных осей молекул сопровождается изменением двулучепреломления слоя СЖК, а следовательно, фазовой модуляцией проходящего света, которая преобразуется в амплитудную с помощью поляризатора и анализатора.

Для создания светорассеивающих модуляторов предлагается выбрать СЖК - материалы с шагом геликоида p₀, много меньшим толщины слоя d, в которых при приложении знакопеременного электрического поля происходит образование так называемых переходных доменов, то есть участков, где некоторое количество дипольных моментов молекул расположено против направления поля, разделяющих области с ориентацией диполей по направлению поля [10]. Переходные домены представляют собой связанное состояние двух 180° доменных стенок разных знаков. При достижении некоторого критического поля стенки начинают двигаться, причем стенки разного знака движутся в противоположных направлениях. Стенки движутся таким образом, чтобы объем энергетически выгодного домена увеличивался за счет домена энергетически невыгодного. В результате во всех смектических слоях азимутальный угол φ становится одинаковым и равным 0 или π в зависимости от направления поля, а вектор P_S ориентирован по направлению поля. Инверсия знака электрического поля вновь индуцирует образование переходных доменов и начинается процесс, аналогичный описанному выше.

Образование переходных доменов вызывает появление градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида и сопровождается интенсивным рассеянием света [8]. Согласно экспериментальным данным при фиксированной напряженности электрического поля (амплитуде знакопеременных импульсов управляющего напряжения) максимальная эффективность светорассеяния и максимальное светопропускание электрооптической ячейки достигаются при разной длительности импульсов. Так, для переключения в состояние с максимальным светопропусканием, которому соответствует полное отсутствие переходных доменов, требуется в 1,5÷2 раза большая длительность импульсов. Соответственно, при фиксированной длительности импульсов для получения максимального светопропускания ячейки требуется большая амплитуда импульсов, чем для достижения максимальной эффективности светорассеяния.

При любой напряженности электрического поля, достаточной для переориентации вектора спонтанной поляризации P_S и директора СЖК, существует минимальная длительность импульса, переводящего структуру из прозрачного в рассеивающее состояние и наоборот. Если длительность импульса управляющего напряжения τ_имп меньше времени переориентации директора τ_R, то максимальная эффективность светорассеяния или максимальное светопропускание электрооптической ячейки не достигаются.

В случае, когда τ_имп≥τ_R, достигается максимальная эффективность светорассеяния или максимальное светопропускание электрооптической ячейки (в зависимости от полярности электрического поля), а после выключения поля структура релаксирует в невозмущенное состояние с геликоидальной закруткой директора. Если напряженность электрического поля велика настолько, что энергия взаимодействия поля со спонтанной поляризацией значительно превышает упругую энергию СЖК: , то после окончания действия импульса напряжения задержка релаксации структуры в состояние с геликоидальной закруткой директора может достигать нескольких секунд. Здесь K_φ - модуль упругости, определяющий деформацию по азимутальному углу ориентации директора φ, a q - волновой вектор деформации, в отличие от q₀=2π/p₀ - волнового вектора невозмущенного геликоида, характеризующегося шагом p₀.

Таким образом, при выполнении условий (1-3) на параметры импульса напряжения параметры слоя СЖК и величину электрического поля E, определяющего время переориентации директора τ_R, оба оптических состояния структуры, как с максимальным светопропусканием, так и с максимальной эффективностью светорассеяния, сохраняются в течение нескольких секунд после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности. Такой бистабильный режим рассеяния наиболее благоприятен для использования СЖК в светорассевающих модуляторах, предназначенных для использования в объемном экране трехмерного дисплея.

Для создания быстродействующего микродисплея предлагается выбрать электрооптическую ячейку на основе СЖК, в которой в отличие от предыдущего случая электрическое поле осуществляет модуляцию не рассеяния, а фазы света, преобразуемую с помощью поляроидов в модуляцию интенсивности [9]. В принципе, подобный микродисплей известен - это микродисплей на основе структуры FLCOS [7, 8]. В кремниевой пластине этой структуры создаются интегральные схемы, управляющие жидкокристаллической матрицей. Информация с дисплея считывается светом от внешнего источника при отражении его от зеркальных электродов дисплейных ячеек на поверхности кремниевой пластины.

В микродисплее на основе структуры FLCOS компании Displaytech [7, 8] в СЖК-ячейках используется электрооптический эффект Кларка-Лагервола [11], для которого необходимо выполнение соотношения p₀>>d, т.е. шаг геликоида должен быть много больше толщины слоя СЖК или, правильнее,

При ограниченной величине прикладываемого к ячейке электрического напряжения (менее ±3 В), обусловленной применением управляющих интегральных схем, для достижения высокой скорости модуляции света приходится увеличивать напряженность электрического поля, т.е. уменьшать толщину слоя СЖК. Однако в тонких, порядка одного-полутора микрон, слоях СЖК электрооптическое переключение имеет бистабильный характер вследствие сильного взаимодействия слоя с ограничивающими его поверхностями. То есть модуляционная характеристика дисплейной ячейки Кларка-Лагервола имеет только два уровня: с минимальной (нулевой) и максимальной (единичной) интенсивностью света, прошедшего за анализатор.

Чтобы преодолеть ограничение, связанное с отсутствием физической передачи полутонов (шкалы серого), а вместе с ней и цветов, компанией Displaytech было предложено формировать шкалу серого путем модуляции света с разной частотой [7, 8]. При этом кремниевая управляющая матрица обеспечила широкополосный режим модуляции света, позволяющий формировать до 250 цветных изображений в секунду. Это намного больше, чем могут обеспечить микродисплеи на основе структуры LCOS с относительно «медленными» нематическими ЖК, предназначенные для отображения видеоинформации в стандартных двумерных дисплеях. Поэтому в проекционных дисплеях компании Displaytech на основе микродисплея со структурой FLCOS благодаря выигрышу в быстродействии уже используется последовательная (поочередная) смена цветов вместо параллельной (пространственной), что упрощает технологию дисплея (вместо трех микродисплеев требуется один) и улучшает качество изображений [8].

Учитывая необходимость частотной модуляции в структуре FLCOS для формирования шкалы серого, скорость формирования цветных изображений в таких микродисплеях все же значительно (почти на порядок) уступает скорости их формирования в микродисплеях DLP на основе матрицы микрозеркал. Однако последние, как уже было сказано ранее, хотя и являются на сегодняшний день самыми быстродействующими, не могут обеспечить формирование 30-100 изображений сечений в объемном экране. Следовательно, несмотря на потенциально высокую частоту модуляции света структурой FLCOS, обусловленную использованием управляющей кремниевой матрицы, электрооптический эффект Кларка-Лагервола в СЖК не может обеспечить необходимой скорости формирования цветных изображений в этой структуре.

Для создания быстродействующего микродисплея на основе структуры FLCOS предлагается использовать СЖК, для которого шаг геликоида, толщину слоя и граничные условия выбирают из условия (4). Выполнение этого условия обеспечивает в отсутствие электрического поля деформацию слоя СЖК в виде частичной раскрутки геликоида. При этом толщину слоя СЖК следует выбирать в интервале 0,9÷1,0 мкм, чтобы удовлетворить условию ахроматического пропускания света в видимом диапазоне длин волн при двойном прохождении (с отражением) модулируемого излучения. Кроме того, диэлектрическое покрытие для лучшего удовлетворения условию (4) может граничить со слоем СЖК только с одной стороны. В этих условиях в СЖК возможна безгистерезисная аналогового типа характеристика модуляции света на частотах в несколько килогерц с временем отклика в несколько десятков микросекунд при напряжении менее ±3 В, совместимом с использованием управляющих кремниевых интегральных схем. Поскольку такая характеристика уже передает градации серого, то большие возможности управляющей кремниевой матрицы будут полностью использованы для широкополосной адресации жидкокристаллической матрицы. В результате структура FLCOS будет способна воспроизводить цветные изображения с частотой до 8 кГц, что, в принципе, обеспечит и визуализацию 30-100 изображений сечений в объемном экране, и последовательное во времени формирование цветов.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что по сравнению с прототипом в трехмерном дисплее для создания объемного экрана выбраны модуляторы света на основе светорассеивающих СЖК, в том числе с бистабильной характеристикой включения-выключения рассеяния, удовлетворяющих условиям (1-3), а для создания скоростного видеопроектора выбран микродисплей на основе структуры FLCOS с СЖК, параметры которых и граничные условия удовлетворяют условию (4).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание трехмерного дисплея:

1) с объемным экраном, составленным из пакета в 30-100 быстродействующих светорассеивающих модуляторов на основе СЖК, и

2) с видеопроектором на основе быстродействующего микродисплея со структурой FLCOS, использующего прозрачный (нерассеивающий свет) низковольтный СЖК и благодаря этому обеспечивающего формирование в реальном времени 30-100 изображений сечений трехмерного объекта с последовательной во времени сменой цветов.

Использование нового объемного экрана и нового видеопроектора, и только в совокупности, обеспечивает создание трехмерного дисплея, осуществляющего формирование и визуализацию с высоким качеством, в реальном времени и при меньшем управляющем напряжении 30-100 сечений отображаемого трехмерного объекта, что до 5 раз выше, чем у прототипа. Однако светорассеивающие модуляторы и микродисплей на основе структуры FLCOS с предложенными характеристиками представляют и самостоятельный интерес, так как могут быть с успехом использованы независимо в различных устройствах и системах отображения и обработки информации.

Преимущества заявляемого трехмерного дисплея реализуются:

1) в части объемного экрана - за счет выбора СЖК и граничных условий для бистабильной модуляции в нем светорассеяния при управляющем напряжении 30-50 В,

2) в части видеопроектора - за счет выбора СЖК и граничных условий для фазополяризационной модуляции света аналогового типа с частотой до 8 кГц при управляющем напряжении менее ±3 В.

Главными достоинствами заявляемого трехмерного дисплея по сравнению с прототипом в итоге являются:

- повышение в несколько раз быстродействия включения-выключения светорассеяния в новом жидкокристаллическом материале объемного дисплея,

- уменьшение в 1,5-3 раза управляющего напряжения, необходимого для переключения жидкокристаллического материала из состояния рассеяния в прозрачное состояние и обратно,

- обеспечение бистабильной характеристики светорассеяния, наиболее приемлемой для использования в светорассеивающей среде объемного дисплея,

- повышение в несколько раз скорости формирования изображений в новом видеопроекторе,

- повышение надежности и долговечности работы видеопроектора,

- возможность использования метода последовательного по времени формирования цветов в изображениях сечений.

При этом из уровня техники не очевидно, что в трехмерном дисплее с объемным экраном на базе пакета светорассеивающих модуляторов и с видеопроектором на базе микродисплея с управляющей кремниевой матрицей всех перечисленных достоинств как для модуляторов, так и для микродисплея можно добиться только за счет выбора соответствующих жидких кристаллов и граничных условий.

Для улучшения характеристик модуляции света в светорассеивающих модуляторах и в модулирующей фазу и поляризацию света структуре FLCOS можно в отдельности или в совокупности использовать изменение типа и состава жидкокристаллического вещества, изменение схемы, компонентов и режима управления, видоизменение конструкции модуляторов и структуры FLCOS и т.п.

Таким образом, использование в известном трехмерном дисплее нового объемного экрана и нового видеопроектора позволяет создать более быстродействующий, надежный и долговечный трехмерный дисплей, обеспечивающий в реальном времени формирование и визуализацию с высоким качеством и при меньшем управляющем напряжении 30-100 сечений трехмерного объекта, что до 5 раз выше, чем у прототипа.

Промышленная применимость

Предлагаемый трехмерный дисплей с новым объемным экраном и новым видеопроектором является по сравнению с прототипом более быстродействующим и низковольтным и обеспечивает большую до 5 раз глубину отображения объемного предмета или сцены с лучшими характеристиками как светорассеяния, так и формирования цветов в изображениях. Это делает возможным его применение для решения многих практических задач в навигации, машинном проектировании и конструировании, в отображении томографической и др. информации в медицине, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, в компьютерных тренажерах и играх, в рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.

Примеры осуществления изобретения

По предлагаемому изобретению были изготовлены экспериментальные образцы светорассеивающих модуляторов для объемного экрана и прозрачных дисплейных ячеек для микродисплея со структурой FLCOS, в которых использовались соответственно светорассеивающие и фазомодулирующие геликоидальные СЖК.

В экспериментальных образцах светорассеивающих модуляторов благодаря подобранным параметрам СЖК и граничным условиям, импульсному режиму включения рассеяния света, а также режиму выключения рассеяния, которые удовлетворяли условиям (1-3), в ячейках толщиной 13-16 мкм (шаг геликоида составлял 0, 5 мкм) было получено эффективное рассеяние света, в том числе с бистабильной характеристикой.

При амплитуде импульсов ±80 В для переключения электрооптической ячейки в состояние с максимальной эффективностью светорассеяния в эксперименте потребовалась длительность импульса порядка 150 мкс. Практически столько же времени требуется для выключения процесса рассеяния. Для переключения ячейки в состояние с максимальным светопропусканием требуется длительность импульса противоположной полярности порядка 300 мкс. Максимальное светопропускание ячейки в бистабильном режиме составляло более 80%, а контрастное отношение - не менее 100:1. Оба оптических состояния сохранялись без уменьшения светопропускания и контрастного отношения в течение нескольких секунд после окончания действия соответствующих импульсов.

В экспериментальных образцах прозрачных (не светорассеивающих, но фазомодулирующих) отражающих свет дисплейных ячеек для микродисплея со структурой FLCOS параметры слоя СЖК и граничные условия для него были выбраны из условия (4). Толщина слоя СЖК составляла 1,0 мкм, чтобы удовлетворить условию ахроматического пропускания света отражающей этот свет ячейкой. В некоторых ячейках диэлектрическое покрытие из двуокиси алюминия толщиной 80 нм граничило со слоем СЖК только с одной стороны. Шаг геликоида составлял 0,45 мкм. Взаимодействие молекул с поверхностью приводило к частичной раскрутке геликоида в отсутствие электрического поля.

При приложении электрического поля время электрооптического отклика составило 35 мкс при частоте управляющего напряжения 2 кГц и напряженности поля 1 В/мкм, а при частоте 4 кГц - 30 мкс. Эти данные убеждают в том, что дисплейные ячейки на основе предлагаемых СЖК позволяют получить непрерывную модуляционную характеристику на частотах в несколько килогерц с временем отклика в несколько десятков микросекунд при управляющем напряжении менее ±3 В. Модуляционная характеристика практически не обнаруживала гистерезиса и была подобной по форме для ячеек на основе нематических ЖК.

Таким образом, рассмотренные выше примеры осуществления изобретения подтверждают его дееспособность, а также существенные преимущества по сравнению с прототипом.

Литература

1. Image Processing for 3D Information Displays (edited by V.V.Petrov). Proceedings of SPIE, v.5821 (2005).

2. I.N.Kompanets, S.A.Gonchukov. 3-D medium based displays. Proc. SPIE, v.5821, 134-145 (2005).

3. www.actuality-systems.com

4. www.dlp.com

5. I.N.Kompanets, S.A.Gonchukov. Способ формирования трехмерных изображений и устройство для его осуществления. Патент РФ №2219588 (2003) с приоритетом от 26.04.2002 г.

6. www.lightspacetech.com

7. O'Callaghan M.J., Handschy M.A. Ferroelectric liquid crystal SLMs: from prototypes to products. Proc. SPIE, v.4457, 31-42 (2001).

8. www.micron.com/displaytech

9. Andreev A., Kompanets I., Pozhidaev E., Zerrouk A. Advances of FLC device technology. Proc. SPIE, v.4511, 82-91 (2001).

10. А.Л.Андреев, Ю.П.Бобылев, И.Н.Компанец, Е.П.Пожидаев, Т.Б.Федосенкова, В.М.Шошин, Ю.П.Шумкина. Управляемое электрическим полем рассеяние света в сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Оптический журнал, том 72, №9, с.58-65 (2005).

11. Clark N.A., Lagerwall S.T. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals. J.Appl. Phys., v.36, 899-903 (1980).

Изобретение относится к средствам отображения информации. Предлагается дисплей с объемным экраном, состоящим из пакета светорассеивающих жидкокристаллических модуляторов, и с видеопроектором на основе микродисплея, формирующим изображения сечений трехмерного объекта в плоскостях расположения светорассеивающих жидкокристаллических модуляторов. В качестве электрооптической среды в модуляторах выбраны жидкие кристаллы смектического типа. В модуляторах толщина слоя СЖК d, шаг геликоида р₀, спонтанная поляризация P_S, модуль упругости К_φ и электрическое поле Е выбраны из соотношений, обеспечивающих получение в жидкокристаллических модуляторах максимального электрически управляемого рассеяния света, в том числе с характеристикой бистабильного типа. Для создания микродисплея видеопроектора выбрана структура типа FLCOS. Техническим результатом является обеспечение визуализации в трехмерном дисплее 30-100 сечений трехмерного объекта с последовательной во времени сменой цветов. 4 ил.

Трехмерный дисплей с объемным экраном, состоящим из пакета светорассеивающих жидкокристаллических модуляторов, и с видеопроектором на основе микродисплея с управляющей кремниевой матрицей, формирующим изображения сечений трехмерного объекта в плоскостях расположения светорассеивающих жидкокристаллических модуляторов, отличающийся тем, что в качестве электрооптической среды в светорассеивающих жидкокристаллических модуляторах объемного экрана и в микродисплее видеопроектора выбраны жидкие кристаллы смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами (СЖК), причем в модуляторах объемного экрана толщина слоя СЖК d, шаг геликоида р₀, спонтанная поляризация P_S, модуль упругости К_φ, определяющий деформацию СЖК по азимутальному углу φ с волновым вектором q, и электрическое поле Е, определяющее время переориентации директора τ_R при модуляции светорассеяния под воздействием управляющего импульса напряжения длительностью τ_имп, выбраны из следующих соотношений:
р₀<<d,
τ_имп≥τ_R и
Р_SЕ>>К_φ·q²,
исходя из условия получения максимального электрически управляемого рассеяния света на переходных доменах и получения характеристики светорассеяния бистабильного типа, а в микродисплее видеопроектора выбрана структура типа FLCOS, в которой толщина слоя СЖК d, шаг геликоида р₀, модуль упругости К_φ, определяющий деформацию СЖК по азимутальному углу φ с волновым вектором q, и граничные условия, определяемые квадратичным коэффициентом W_Q энергии сцепления СЖК с граничащей поверхностью, выбраны из условия обеспечения частичной раскрутки геликоида в отсутствие электрического поля и фазовой модуляции света с характеристикой аналогового типа и соотносятся как: K_φq²~W_Q/d.