МУЛЬТИСТАНДАРТНЫЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕРЕООЧКИ Российский патент 2013 года по МПК G02C7/00 G02B27/22 

Область техники

Изобретение относится к области трехмерных (3D) дисплеев, точнее, к стереоскопическим дисплеям, и может быть использовано для создания универсальных жидкокристаллических стереоочков, работающих с различными стандартами сигнала синхронизации при обеспечении высокого значения оптического пропускания светового потока изображения вне зависимости от состояния его поляризации.

Уровень техники

Известны активные жидкокристаллические (ЖК) стереоочки [1], содержащие два оптических ЖК затвора, электронный контроллер, декодер синхросигнала и источник синхросигнала, при этом выход декодера синхросигнала соединен с входом электронного контроллера, первый и второй выходы которого соединены с электрическими входами первого и второго оптических затворов, вход декодера синхросигнала сопряжен с выходом канала кодированного синхросигнала, оптический вход стереочков образован входными оптическими апертурами двух ЖК оптических затворов, при этом направление осей поляризации входных линейных поляризаторов фиксировано.

Оптические ЖК затворы стереоочков попеременно переключаются между состояниями «открыто» и «закрыто» под действием управляющих сигналов электронного контроллера, который воспринимает выходной сигнал декодера синхросигнала, обрабатывающего кодированный синхросигнал. Кодированный синхросигнал несет информацию о моментах взаимной смены изображений двух (левого и правого) ракурсов 3D сцены на экране 3D дисплея.

Известные активные стереоочки характеризуются недостаточными функциональными возможностями из-за невозможности их работы с синхросигналами, кодированными по различным стандартам.

Известны активные мультистандартные (мультипротокольные) ЖК стереоочки [2], содержащие два оптических ЖК затвора, электронный контроллер, мультистандартный декодер синхросигнала, при этом выход мультистандартного декодера синхросигнала соединен с входом электронного контроллера, первый и второй выходы которого соединены с электрическими входами первого и второго оптических затворов, вход мультистандартного декодера синхросигнала сопряжен с выходом канала кодированного синхросигнала, оптический вход стереочков образован входными оптическими апертурами обоих оптических ЖК затворов, при этом направление осей поляризации входных линейные поляризаторов оптических ЖК затворов фиксировано.

Известные мультистандартные стереоочки работают с синхросигналами различных стандартов (протоколов). Однако данные стереоочки обеспечивают высокое значение оптического пропускания (отсутствие существенных энергетических потерь в световом потоке изображения) только при наблюдении стереоизображений с помощью 3D дисплеев определенного вида, световой поток изображения которых либо неполяризован (стохастически поляризован) либо линейно поляризован в направлении, совпадающим с направлением осей поляризации входных линейных поляризаторов оптических ЖК затворов стереоочков. Световые потоки современных ЖК 3D дисплеев характеризуются различными направлениями линейной поляризации. Если световой поток изображения 3D дисплея имеет несоответствующее направление линейной поляризации, то возникают существенные потери энергии светового потока изображения; например, при угловом рассогласовании в 45 градусов между осью линейного поляризатора и вектором линейной поляризации света величина оптического пропускания ЖК затворов стереоочков (яркость наблюдаемого стереоизображения) снижается почти в полтора раза.

Следовательно, недостатком известных мультистандартных стереоочков является существенное снижение величины оптического пропускания при использовании 3D дисплеев с различными поляризационными свойствами светового потока изображения.

Снижение яркости наблюдаемого изображения особенно ощутимо при работе активных очков с компьютерным ЖК монитором, отображающим 3D сцены, генерируемые видеокартами nVidia в компьютерных играх под управлением стереодрайвера nVidia, поскольку в этом случае, согласно протоколу работы стереоочков [3], при кадровой частоте 100-120 Гц каждый оптический ЖК затвор открыт в течение всего 2 мс (в 4-5 раз меньшее время по сравнению с телевизионным вариантом, где при 100 Гц кадровой частоте каждый ЖК затвор открыт соответственно в течение 10 мс).

Решаемой задачей в изобретении является обеспечение полной универсальности мультистандартных стереоочков за счет достижения максимального оптического пропускания оптических затворов при работе с различными современными 3D дисплеями независимо от поляризационных свойств формируемых ими светового потоков изображений.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается в мультистандартных ЖК стереоочках, содержащих два оптических ЖК затвора, электронный контроллер и мультистандартный декодер синхросигналов, выход которого соединен с входом электронного контроллера, первый и второй выходы которого подключены к электрическим входам первого и второго оптических ЖК затворов, а вход мультистандартного декодера синхросигналов сопряжен с выходом канала синхронизации, тем, что каждый из двух оптических ЖК затворов выполнен в виде последовательно оптически связанных бесполяроидного ЖК преобразователя поляризации и затворной ЖК ячейки, которая снабжена входным и выходным поляризаторами, в устройство дополнительно введен источник напряжения смещения, снабженный переключателем напряжения, подключенным к управляющему входу источника напряжения смещения, при этом первый и второй выходы источника напряжения смещения подключены к электрическим входам первого и второго бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации, электрические входы первой и второй затворных ЖК ячеек являются электрическими входами первого и второго оптических ЖК затворов, а входные апертуры двух бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации образуют оптический вход стереоочков.

Состояние поляризации входного линейно-поляризованного светового потока изображения каждый бесполяроидный ЖК преобразователь поляризации изменяет так, что линейная поляризация выходного света совпадает с направлением поляризации входного поляризатора затворной ЖК ячейки. На состояние поляризации неполяризованного (стохастически поляризованного) светового потока бесполяроидный ЖК преобразователь поляризации не действует за счет возможности его электрического отключения (отключения его свойства влиять на состояние поляризации проходящего светового потока).

В одном предпочтительном варианте выполнения устройства каждый бесполяроидный ЖК преобразователь поляризации выполнен на нематической ЖК (НЖК) структуре с спиральной закруткой ЖК молекул в общем случае на угол ±α₀·k, где α₀ - угол наклона линейной поляризации светового потока изображения на оптических входах бесполяроидных ЖК ячеек, k=0, 1, 2, ….

В другом предпочтительном варианте изобретения каждый бесполяроидный ЖК преобразователь поляризации выполнен в виде последовательно оптически связанных первой двупреломляющей пластинки с фазовой задержкой π/2±πn, где n=0, 1, 2, …, по крайней мере одной НЖК структуры с электрически управляемой фазовой задержкой Δ и второй двупреломляющей пластинки с фазовой задержкой π/2±πm, где m=0, 1, 2, ….

При этом оптическая геометрия НЖК структуры с спиральной закруткой в первом предпочтительном варианте их обретения и взаимная ориентация осей для обыкновенного и необыкновенного лучей (главных направлений) двупреломляющих пластинок и НЖК структур в втором предпочтительном варианте изобретения заданы такими, что с помощью выбора поляризационных параметров НЖК структур и их соответствующего электрического управления обеспечивается согласование направления поляризации входного светового потока изображения, формируемого на экране произвольного современного 3D дисплея, с ориентацией входного поляризатора каждой затворной ЖК ячейки.

Техническим результатом решения задачи изобретения является обеспечение высокого значения оптического пропускания мультистандартных стереоочков при наблюдении изображений с помощью различных современных 3D дисплеев

Перечень фигур

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, на которых представлены.

Фиг.1 - структурная схема мультистандартных стереоочков.

Фиг.2 - оптическая схема бесполяроидного преобразователя поляризации на основе НЖК структуры с -45°-ной закруткой ЖК молекул.

Фиг.3 - схема оптического затвора с закрученной НЖК структурой и затворной ЖК ячейкой с 270°-ной закруткой ЖК молекул.

Фиг.4 - конструкция оптического затвора на основе закрученной НЖК структуры и затворной ЖК ячейки.

Фиг.5 - оптическая схема бесполяроидного преобразователя поляризации на основе НЖК структуры с +45°-ной закруткой ЖК молекул и вертикальной ориентацией входных краевых ЖК молекул.

Фиг.6 - оптическая схема бесполяроидного преобразователя поляризации на основе НЖК структуры с +45°-ной закруткой ЖК молекул и горизонтальной ориентацией входных краевых ЖК молекул.

Фиг.7 - оптическая схема бесполяроидного преобразователя поляризации на основе двух четвертьволновых пластинок и НЖК структуры с электрически управляемым фазовым сдвигом.

Фиг.8 - оптическая схема бесполяроидного преобразователя поляризации на основе двух четвертьволновых пластинок и двух НЖК структур с электрически управляемым фазовым сдвигом.

Фиг.9 - иллюстрация работы бесполяроидного преобразователя поляризации в первом частном варианте выполнения устройства.

Фиг.10 - иллюстрация работы бесполяроидного преобразователя поляризации в втором частном варианте выполнения устройства.

Фиг.11 - иллюстрация работы бесполяроидного преобразователя поляризации в третьем частном варианте выполнения устройства.

Фиг.12 - иллюстрация работы бесполяроидного преобразователя поляризации в четвертом частном варианте выполнения устройства.

Фиг.13 - иллюстрация работы бесполяроидного преобразователя поляризации в пятом частном варианте выполнения устройства.

Описание изобретения

Мультистандартные жидкокристаллические ЖК стереоочки (фиг.1) содержат первый 1 и второй 2 бесполяроидные ЖК преобразователи поляризации, первую 3 и вторую 4 затворные ЖК ячейки, мультистандартный декодер 5 синхросигналов, электронный контроллер 6 и источник 7 напряжения смещения, снабженный переключателем 8 напряжения. Выход мультистандартного декодера 5 синхросигналов соединен с входом электронного контроллера 6, первый и второй выходы которого соединены с электрическими входами первой 3 и второй 4 затворных ЖК ячеек, каждая из которых снабжена входным и выходным поляризаторами. Вход мультистандартного декодера 5 синхросигналов сопряжен с выходом канала Sync синхронизации. Электрические входы обоих бесполяроидных ЖК преобразователей 1 и 2 поляризации соединены с выходом источника 7 напряжения смещения, управляющий вход которого соединен с переключателем 8 напряжения. Оптические входы первой 3 и второй 4 затворных ЖК ячеек сопряжены с оптическими входами соответственно первого 1 и второго 2 бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации. Оптические входы обоих бесполяроидных ЖК преобразователей 1 и 2 поляризации образуют оптический вход мультистандартных ЖК стереоочков для светового потока 9 изображения. Оптические выходы затворных ЖК ячеек 3, 4 сопряжены с глазами E₁, Е₂ наблюдателя.

В одном предпочтительном варианте выполнения устройства каждый бесполяроидный ЖК проебразователь поляризации 1, 2 выполнен в виде НЖК структуры с спиральной закруткой ЖК молекул па угол закрутки $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}$$ , удовлетворяющий условию $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}={45}^{\circ }\cdot k$$ , где k - целое положительное или отрицательное число (k=±1, ±2, ±3, …), угол входной ориентации $${\alpha }_{in}^{rot}$$ для краевых ЖК молекул НЖК структуры со стороны ее входа удовлетворяет условию $${\alpha }_{in}^{rot}={45}^{\circ }\cdot l$$ , где l - целое положительное или отрицательное число (l=±1, ±2, ±3, …), а угол выходной ориентации $${\alpha }_{out}^{rot}$$ , для краевых ЖК молекул НЖК структуры со стороны ее выхода связан с углом $${\alpha }_{pol\underset{\_}{}in}^{shut}$$ , наклона оси входного поляризатора затворной ЖК ячейки соотношением $${\alpha }_{pol\underset{\_}{}in}^{shut}={\alpha }_{out}^{rot}\pm {90}^{\circ }$$ .

Для определенности угол отсчитывается от вертикального направления на чертеже, соответствующего, например, направлению кадровой развертки изображения на экране стандартного 3D дисплея (начало отсчета угла может быть любым без ограничения общности изобретения).

На входе канала Sync синхронизации находится источник кодированного синхросигнала (не показан на чертеже), информационный вход которого сопряжен с каналом видеосигнала 3D изображения для получения информации о моменте смены (на экране 3D дисплея) изображения одного ракурса отображаемой 3D сцены изображением другого ее ракурса. Источник кодированного синхросигнала встроен в 3D дисплей либо выполнен в виде отдельного модуля. Каналом Sync синхронизации может быть любой проводной или беспроводной информационный канал, например, канал инфракрасного/видимого оптического излучения или радиочастотный канал.

В первом частном варианте выполнения устройства (фиг.2) НЖК структура 10 выполнена с углом входной ориентации $${\alpha }_{in}^{rot}={45}^{\circ }$$ , углом закрутки $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}=-{45}^{\circ }$$ и углом $${\alpha }_{out}^{rot}=0^{\circ }$$ выходной ориентации. Молекулы нематического жидкого кристалла являются полярными молекулами (диполями) стержнеобразной формы; знаком + на чертеже обозначена положительная полярность для соответствующего конца (далее - положительного конца) ЖК молекулы. Принято, что ориентация (направление) ЖК молекулы определяется ориентацией (направлением) ее длинной оси, а угол закрутки α ЖК молекулы отсчитывается от ее положительного конца. Угол входной ориентации $${\alpha }_{in}^{rot}$$ определяется ориентацией краевых ЖК молекул во входной плоскости P_in НЖК структуры 10, представленных ЖК молекулой 11. Угол выходной ориентации $${\alpha }_{out}^{rot}$$ , определяется ориентацией краевых молекул в выходной плоскости P_out, представленных ЖК молекулой 12.

Затворные ЖК ячейки 3 и 4 являются оптическими затворами (shutters) с двумя значениями оптического пропускания, соответствующие состояниям «открыто» и «закрыто» оптического затвора. Предпочтительным вариантом выполнения каждой из затворных ЖК ячеек 3 и 4 (фиг.3) является НЖК структура 13 с 270-градусной закруткой ЖК молекул $$\left(\Delta {\alpha }_{twist}^{shut}={270}^{\circ }\right)$$ , снабженная входным поляризатором 14, ось $$O_{in}^{pol}$$ которого параллельна ориентации входных краевых ЖК молекул НЖК структуры 13 (представленных ЖК молекулой 16), и выходным поляризатором 15, ось которого параллельна ориентации выходных краевых ЖК молекул (представленных ЖК молекулой 17), при этом угол наклона $${\alpha }_{pol\underset{\_}{}in}^{shut}=0^{\circ }$$ оси $$O_{in}^{pol}$$ входного поляризатора 14 совпадает с углом выходной ориентации $${\alpha }_{out}^{rot}=0^{\circ }$$ НЖК структуры 10.

В конструктивном выполнении (фиг.4) каждый из бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации 1, 2 содержит НЖК структуру 10, расположенную между двумя стеклянными подложками 18 и 19, на обращенных друг к другу сторонах которых нанесены прозрачные электроды, соединенные с выходом источника 7 напряжения смещения. Аналогично в каждой из затворных ЖК ячеек 3 или 4 НЖК структура 13 расположена между двумя стеклянными подложками 20 и 21 с прозрачными электродами, соединенными с соответствующим выходом электронного контроллера 6, и снабжена входным 14 и выходным 15 поляризаторами, приклеенными к стеклянным подложкам 20 и 21.

Во втором частном варианте устройства (фиг.5) каждый из бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации 1, 2 выполнен в виде НЖК структуры 22 с углом $${\alpha }_{in}^{rot}=0^{\circ }$$ входной ориентации (ориентации краевой ЖК молекулы 23), с углом закрутки $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}=+{45}^{\circ }$$ , углом $${\alpha }_{our}^{rot}={45}^{\circ }$$ выходной ориентации (ориентации краевой ЖК молекулы 24).

Во третьем частном варианте устройства (фиг.6) каждый из бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации 1, 2 выполнен в виде НЖК структуры 24 с углом $${\alpha }_{in}^{rot}={90}^{\circ }$$ входной ориентации (ориентации краевой ЖК молекулы 25), с углом закрутки $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}=+{45}^{\circ }$$ и углом $${\alpha }_{our}^{rot}=-{45}^{\circ }$$ выходной ориентации (ориентации краевой ЖК молекулы 26).

Закрученная НЖК структура является ахроматическим ротатором поляризации, например, при условии

$$\lambda <<\Delta n\cdot p_0,\left(1\right)$$

где λ - длина волны света, p₀ - шаг спиральной закрутки, Δn - оптическая анизотропия НЖК структуры, причем Δn=n_e-n_o, где n_e и n_o - показатели преломления НЖК структуры для необыкновенного и обыкновенного лучей. При соблюдении условия (1) закрученная НЖК структура вращает плоскость поляризации света на угол закрутки $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}$$ , в двух случаях, в первом и втором из которых вектор поляризации входного светового потока направлен параллельно или ортогонально направлению ориентации краевых ЖК молекул со стороны входа НЖК структуры [4]. Например, при $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}={45}^{\circ }-{135}^{\circ }$$ , p₀=8d, где d - толщина слоя НЖК структуры в направлении распространения света, при d=4÷10 мкм и Δn=0,2 условие (1) выполняется одинаковым образом для всех длин волн видимого света.

В четвертом частном варианте устройства (фиг.7) каждый из бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации 1, 2 выполнен в виде последовательно оптически связанных первой двупреломляющей пластинки 27 с фазовым сдвигом π/2 (далее: π/2-пластинка 27), НЖК структуры 28 с электрически управляемым фазовым сдвигом Δ (далее: НЖК Δ-структура 28) и второй пластинки 29 с фазовым сдвигом π/2 (далее: π/2-пластинка 29), при этом ось $$o_1^{\pi /2}$$ для обыкновенного луча и ось $${е}_1^{\pi /2}$$ для необыкновенного луча π/2-пластинки 27 ортогональна соответственно оси $${е}_2^{\pi /2}$$ для необыкновенного луча и оси $$o_2^{\pi /2}$$ для обыкновенного луча π/2-пластинки 29. Ось $$o_{LC}^{\Delta }$$ для обыкновенного луча либо ось $${е}_{LC}^{\Delta }$$ для необыкновенного луча НЖК Δ-структуры 28 направлена по биссектрисе угла между осью для обыкновенного луча и осью для необыкновенного луча любой из двух π/2-пластинок 27, 29, а электрический вход НЖК Δ-структуры 28 является электрическим входом любого из бесполяроидных преобразователей 1, 2 поляризации. Для определенности на чертеже ось $$o_{LC}^{\Delta }$$ , для обыкновенного луча НЖК Δ-структуры 28 направлена по биссектрисе b₁, между осями $${е}_1^{\pi /2}$$ и $$o_1^{\pi /2}$$ π/2-пластинки 27 и по биссектрисе b₂ между осями $$o_2^{\pi /2}$$ и $${е}_2^{\pi /2}$$ π/2 - пластинки 29.

С учетом свойства аддитивности фазы эквивалентным относительно действия на состояние поляризации проходящего света является использование в четвертном частном варианте устройства первой двупреломляющей пластинки 27 с фазовой задержкой π/2 ± πn (где n=0, 1, 2, …,) и второй двупреломляющей пластинки 29 с фазовой задержкой π/2 ± πm (где m=0, 1, 2, …). Для реализации в целом ахроматической характеристики каждого бесполяроидного ЖК преобразователя 1, 2 поляризации в НЖК Δ-структуре 28 выбрано, например, ЖК вещество с оптической анизотропией одного знака, а в обоих двупреломляющих пластинках 27, 29 - вещество с оптической анизотропией противоположного знака хроматической дисперсии (далее - дисперсии) одновременно с выбором различающихся (например, на π) значений фазового сдвига для первой и второй двупреломляющих пластинок 27, 29 за счет задания их разных толщин. В этом случае без влияния на результат преобразования состояния поляризации появится суммарная остаточная дисперсия одного знака у пары двупреломляющих пластинок 27, 29 (из-за разности их физических толщин), которая частично или полностью будет компенсировать дисперсию другого знака для НЖК Δ-структуры 28, что позволяет получить близкую к ахроматической передаточную характеристику бесполяроидного ЖК преобразователя поляризации 1, 2.

В пятом частном варианте устройства (фиг.8) каждый из бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации 1, 2 выполнен в виде последовательно оптически связанных первой двупреломляющей пластинки 30 с фазовым сдвигом π/2 (далее: π/2-пластинка 30), первой НЖК структуры 31 с электрически управляемым фазовым сдвигом Δ₁ (далее: НЖК Δ-структура 31), второй НЖК структуры 32 с электрически управляемым фазовым сдвигом Δ₂ (далее: НЖК Δ-структура 32) и второй двупреломляющей пластинки 33 с фазовым сдвигом π/2 (далее: π/2-пластинка 33). При этом ось $$o_1^{\pi /2}$$ для обыкновенного луча и ось $${е}_1^{\pi /2}$$ для необыкновенного луча π/2-пластинки 30 ортогональны соответственно оси $$o_2^{\pi /2}$$ для обыкновенного луча и оси $${е}_2^{\pi /2}$$ для необыкновенного луча π/2-пластинки 32, а ось $$o_{LC}^{{\Delta }_1}$$ для обыкновенного луча и ось $${е}_{LC}^{{\Delta }_1}$$ для необыкновенного луча НЖК Δ-структуры 31 ортогональны соответственно оси $$o_{LC2}^{{\Delta }_2}$$ для обыкновенного луча и оси $${е}_{LC}^{{\Delta }_2}$$ для необыкновенного луча НЖК Δ-структуры 32, при этом ось для обыкновенного луча либо ось для необыкновенного луча любой из НЖК Δ-структур 31, 32 направлена по биссектрисе угла между осью для обыкновенного луча и осью для необыкновенного луча любой из двух π/2-пластинок 30, 33. Электрические входы НЖК Δ-структуры 31 и НЖК Δ - структуры 32 образуют электрический вход соответствующего бесполяроидного жидкокристаллического преобразователя 1 или 2 поляризации. Для определенности на чертеже ось $$o_{LC}^{\Delta }$$ для обыкновенного луча НЖК Δ-структуры 31 и ось для необыкновенного луча НЖК Δ-структуры 32 направлены по биссектрисе b₁, между осями $${е}_1^{\pi /2}$$ и $$o_1^{\pi /2}$$ - π/2-пластинки 30 и по биссектрисе b₂ между осями $$o_2^{\pi /2}$$ и $${е}_2^{\pi /2}$$ π/2-пластинки 33.

При одинаковом знаке дисперсии оптической анизотропии ЖК вещества и одинаковой величине вносимого фазового сдвига Δ общая передаточная характеристика НЖК Δ-структур 31 и 32 является ахроматической. Кроме того, в такой схеме осуществляется взаимная компенсация начального (электрически неуправляемого) двулучепреломления Δ-структур 31 и 32.

В шестом частном варианте выполнения устройства мультистандартный декодер синхросигналов снабжен выходом логической идентификации состояния поляризации, который подключен к управляющему входу источника 7 напряжения смещения.

Устройство работает следующим образом. Мультистандартные стереочки в качестве активных стереоочков работают с любыми 3D дисплеями, обеспечивающими попеременное воспроизведение изображений двух ракурсов 3D сцены на экране. На вход мульти-стандартного декодера 5 синхросигнала поступает кодированный сигнал синхронизации с информацией о моменте смены изображений левого и правого ракурсов на экране 3D дисплея. После декодирования сигнала синхронизации на выходе мультистандартного декодера 5 формируется логический сигнал управления электронным контроллером 6, на двух выходах которого, в свою очередь, формируются сигналы управления затворными ЖК ячейками 3, 4, которые под воздействием сигналов управления попеременно переходят в состояния «открыто» и «закрыто» синхронно с появлением двух ракурсов 3D сцены на экране дисплея. В результате левый и правый глаза E₁, Е₂ наблюдателя попеременно воспринимают левый и правый ракурсы 3D сцены, что приводит к возникновению в сознании наблюдателя стереоизображения 3D сцены, к котором отсутствуют заметные мерцания при достаточно большой частоте смены ракурсов (не ниже 100-120 Гц). При этом с помощью переключателя напряжения 8, соединенного с источником 7 напряжения смешения, установлено такое значение напряжения смещения на электрическом входе каждой из бесполяроидных ЖК ячеек 1 и 2, которое обеспечивает согласование состояния поляризации входного светового потока с поляризационными свойствами входного поляризатора каждой из затворных ЖК ячеек 3, 4, что ведет к реализации максимального значение оптического пропускания стереоочков за счет отсутствия энергетических потерь светового потока изображения.

Особенности работы частных вариантов устройства определяются характером выбора параметров конкретных бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации 1, 2 в соответствии с состоянием поляризации входного светового потока изображения.

Типичные для современных 3D дисплеев состояния поляризации светового потока следующие: для ЖК 3D телевизоров - линейно-поляризованный по вертикали, для ЖК 3D мониторов - линейно поляризованный под углом 45 градусов, а также неполяризованный световой поток для 3D DLP видеопроекторов или любых ЭЛТ мониторов и ЭЛТ видеопроекторов.

В первом частном варианте устройства осуществляется выбор поляризационных параметров НЖК структуры 10 при вертикально ориентированной оси входного поляризатора 14 ЖК затворных ячеек (фиг.9). Для случая 45°-ного направления линейной поляризации $$S_{in}^{lin}$$ светового потока изображения (фиг.9, слева) каждая из закрученных НЖК структур 10 работает при нулевом напряжении смещения u^bias=0 от источника 7 и поворачивает на угол -45° вектор линейной поляризации с получением итогового направления линейной поляризации $$S_{out}^{lin}$$ , совпадающей с ориентацией оси $$O_{in}^{pol}$$ входного поляризатора 14 ЖК затворной ячейки 3 или 4. Для случая 0°-ного (вертикального) направления линейной поляризации $$S_{in}^{lin}$$ светового потока изображения (фиг.9, центр) каждая из закрученных НЖК структур 10 работает при максимальном значении u^bias=u_max напряжения смещения, выстраивающего ЖК молекулы вдоль силовых линий электрического поля, ориентация которых совпадает с направлением распространения светового потока, что приводит к изотропности оптических свойств НЖК структуры 10 в данном направлении, т.е. к отсутствию ее влияния на состояние поляризации $$S_{in}^{lin}$$ светового потока (т.е. НЖК структура 10 электрически отключена). Это означает, что направление $$S_{out}^{lin}$$ вектора поляризации в выходном световом потоке при u^bias=u_max совпадает с ориентацией оси $$O_{in}^{pol}$$ входного поляризатора 14. В случае неполяризованного $$S_{in}^{unpol}$$ светового потока НЖК структура 10 также электрически отключена (фиг.9, справа), и неполяризованный световой поток поступает на входной поляризатор 14. Отключение НЖК структуры 10 в случае неполяризованного светового потока необходимо для предотвращения цветовых искажений изображения.

Входной поляризатор 14 в случае падающего неполяризованного света обеспечивает последующее формирование линейно-поляризованного света для корректного функционирования ЖК слоев затворных ЖК ячеек 3 и 4. В случае линейно-поляризованного светового потока наличие входного поляризатора 14 обеспечивает инвариантность режима работы ЖК слоев затворных ЖК ячеек 3, 4 работы стереоочков при боковых наклонах головы наблюдателя, а также способствует последующему улучшению качества линейной поляризации света, вышедшего из НЖК структуры 10 (на выходах бесполяроидных ЖК преобразователей поляризации 1, 2) при возможной деполяризации света на оптических дефектах ЖК слоя НЖК структуры 10.

Во всех рассмотренных случаях вследствие взаимного согласования поляризационных параметров устройства и состояния поляризации светового потока отсутствуют потери энергии светового потока изображения.

В втором частном варианте устройства осуществляется выбор параметров НЖК структуры 22 при 45°-ной ориентации оси $$O_{in}^{pol}$$ поляризатора 14 (фиг.10). Здесь НЖК структура 22 электрически отключена для случаев 45°-го направления линейной поляризации или неполяризованного входного светового потока, а для случая вертикального направления его линейной поляризации НЖК структура 22 работает при нулевом напряжении смещения, обеспечивая требуемый 45°-ный поворот вектора линейной поляризации.

Для третьего частного варианта устройства НЖК структура 24 работает при 45°-ной ориентации оси $$O_{in}^{pol}$$ поляризатора 14 (фиг.11). Здесь на НЖК структуру 24 подано нулевое напряжение смещения только для случая вертикального направления линейной поляризации входного светового потока, что обеспечивает поворот линейной поляризации на 45°. Особенностью НЖК структуры 24 в третьем частном варианте устройства является ортогональная ориентация входных краевых ЖК молекул (представленных ЖК молекулой 25) относительно вектора поляризации входного света, в то время как в первом и втором частных вариантах устройства вектор поляризации входного света направлен параллельно ориентации входных краевых ЖК молекул (ориентации молекул 11 и 23) НЖК структур 10 и 22 соответственно. В НЖК структуре 24 под действием линейно-поляризованного входного светового потока образуется только необыкновенный луч по сравнению с образованием только обыкновенного луча в НЖК структурах 10 и 22.

Поскольку в закрученных НЖК структурах 10, 22 и 24 образуются только обыкновенный o или только необыкновенный е лучи, то наличие дисперсии обыкновенного или необыкновенного луча (т.е. наличие зависимости величины n_o или n_e от длины волны света) приводит лишь к изменению абсолютной фазовой задержки этого луча в зависимости от длины волны света λ, но никак не сказывается на величине итогового угла поворота вектора линейной поляризации выходного света, который определяется только углом закрутки НЖК структур 10, 22 и 24. Поэтому в величине интенсивности светового потока изображения, прошедшего НЖК структуры 10, 22, 24, не содержится информация об абсолютной фазовой задержке света, и в наблюдаемом изображении (поскольку глаза воспринимают только интенсивность света) практически отсутствуют цветовые искажения, обусловленные дисперсией показателя преломления НЖК структур бесполяроидных ЖК преобразователей 1, 2 поляризации с учетом того, что затворные ЖК ячейки 3, 4 также не вносят собственных существенных цветовых искажений.

В общем случае, когда угол α_in входной линейной поляризации отвечает условию α_in=α₀±90°, где α₀ - угол наклона ЖК молекул во входной плоскости НЖК структуры с углом закрутки ±α·k, свет в выходной плоскости P_out НЖК структуры будет характеризоваться вертикальным направлением линейной поляризации независимо от λ, что соответствует ахроматической передаточной характеристике рассмотренных ротаторов поляризации на закрученных НЖК структурах, что справедливо в том числе при условии α_in=±45° и α·k=±45°·k. Следовательно, что при поступлении светового потока с ±45-градусным наклоном линейной поляризации на оптические входы бесполяроидных ЖК преобразователей 1, 2 поляризации, основанных на НЖК структурах с углами закрутки ±45°·k градусов, цветовые искажения отсутствуют в световом потоке изображения на выходе этих НЖК структур с получением вертикального направления линейной поляризации в плоскости P_out.

Случай ±45-градусного наклона линейной поляризации в световом потоке изображения соответствует использованию в качестве 3D дисплеев компьютерных ЖК мониторов и ЖК экранов ноутбуков.

Четвертый частный вариант устройства работает следующим образом. С использованием формализма матриц Джонса [4] соответствующая матрица J₀ для описания передаточной оптической характеристики оптического бесполяроидного преобразователя 1 или 2 поляризации, образованного последовательно расположенными π/2-пластинкой 27, НЖК Δ-структурой 28 с фазовой задержкой величиной Δ₀ и π/2-пластинкой 29, имеет вид

$$\begin{array}{l}{J}_0=\left[\begin{array}{cc}\exp \left(i\frac{\pi }{4}\right)& 0\\ 0& \exp \left(-i\frac{\pi }{4}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\text{cos}\frac{{\Delta }_{\text{0}}}{2}& i\text{ sin}\frac{{\Delta }_{\text{0}}}{2}\\ i\text{ sin}\frac{{\Delta }_{\text{0}}}{2}& \cos \frac{{\Delta }_0}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\text{exp}\left(\text{-i}\frac{\pi }{\text{4}}\right)& \text{0}\\ \text{0}& \exp \left(i\frac{\pi }{4}\right)\end{array}\right]=\left(2\right)\\ =i\left[\begin{array}{cc}-i& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\text{cos}\frac{{\Delta }_{\text{0}}}{2}& i\text{ sin}\frac{{\Delta }_{\text{0}}}{2}\\ i\text{ sin}\frac{{\Delta }_{\text{0}}}{2}& \cos \frac{{\Delta }_0}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\text{1}& 0\\ \text{0}& -1\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}\cos \frac{{\Delta }_0}{2}& \sin \frac{{\Delta }_0}{2}\\ -\sin \frac{{\Delta }_0}{2}& \cos \frac{{\Delta }_0}{2}\end{array}\right)\end{array}$$

Из (2) следует, что совместное действие π/2-пластинки 27, НЖК Д-структуры 28 с фазовой задержкой величиной Δ₀ и π/2-пластинки 29 состоит в повороте вектора линейной поляризации выходного света на угол величиной Δ₀/2 относительно любого исходного направления вектора линейной поляризации входного света. Поскольку величина фазового сдвига Δ₀ меняется с помощью изменения величины u^bias напряжения смещения, то электрической перестройкой задержки Δ₀ в пределах 0÷π достигается любой (в пределах 0÷90°) угол поворота вектора поляризации выходного света. Это означает, что в случае любого направления вектора линейной поляризации входного светового потока за счет подстройки напряжения смещения можно установить вектор линейной поляризации выходного светового потока параллельно произвольно ориентированной оси $$O_{in}^{pol}$$ поляризатора затворной ЖК ячейки 3, 4. Например, для $$O_{in}^{pol}={45}^{\circ }$$ (фиг.12) соответствующую 45°-ную ориентацию вектор линейной поляризации прошедшего света приобретает при фазовом сдвиге Δ₀=π/2 в световом потоке с первоначально вертикально-ориентированном векторе линейной поляризации (фиг.12, слева) или при фазовом сдвиге Δ₀=π в световом потоке с начальной ориентацией -45° вектора линейной поляризации (фиг.12, центр). В случае +45°-ной первоначальной ориентации вектора линейной поляризации или в случае неполяризованного света НЖК Δ-структура 28 переводится (подачей соответствующего напряжения смещения) в оптически изотропное состояние, в результате состояние поляризации прошедшего света не меняется. При электрически отключенной ЖК Δ-структуре 28 две π/2-пластинки с взаимно скрещенными одноименными осями также образуют совокупную ахроматическую изотропную структуру, не влияющую на состояние поляризации и цветовые характеристики проходящего светового потока. Примером конкретного выполнения электрически перестраиваемой в пределах от 0 до π НЖК Δ-структуры является, например, НЖК π-ячейка [6].

Пятый частный вариант устройства работает аналогично четвертому частному варианту устройства с тем отличием, что в выражении (2) вместо величины Δ₀ подставляется величина разностного фазового сдвига Δ₁-Δ₂ между фазовым сдвигом Δ₁ НЖК Δ-структуры 31 и фазовым сдвигом Δ₂ НЖК Δ-структуры 32. В случае $$O_{in}^{pol}={45}^{\circ }$$ для оси входного поляризатора (фиг.13) отсутствие потерь энергии света при работе с вертикально-поляризованным входным световым потоком (фиг.13, слева) обеспечено электрическим отключением НЖК Δ-структуры 32 и созданием НЖК Δ-структурой 31 фазового сдвига π/2, при работе с горизонтально-поляризованным световым потоком (фиг.13, центр) - электрическим отключением НЖК Δ-структуры 31 и реализацией НЖК Δ-структурой 31 фазового сдвига - π/2, а при работе с неполяризованным входным световым потоком или при 45°-ной ориентации его линейной поляризации (фиг.13, справа) обе НЖК Δ-структуры 31 и 32 электрически отключены.

Электрическое переключение состояния (отключение) бесполяроидных ЖК преобразователей 1, 2 поляризации вручную осуществляется переводом переключателя 8 напряжения в соответствующее положение.

В шестом частном варианте выполнения устройства электрическое переключение состояния бесполяроидных ЖК преобразователей 1, 2 поляризации или их отключение осуществляется автоматически, поскольку величина напряжения смещения на выходе источника 7 (а следовательно, и оптическое состояние бесполяроидных ЖК ячеек 1, 2) меняется под действием сигнала логической идентификации состояния поляризации, возникающем на соответствующем выходе мультистандартного декодера 5 синхросигналов. Состояние поляризации входного светового потока изображения в этом случае идентифицируется по стандарту дешифрируемого синхросигнала, поскольку стандарт последнего связан с конкретным видом 3D дисплея, а, следовательно, и с видом поляризации светового потока, формируемого экраном конкретного 3D дисплея.

Промышленная применимость

Мультистандартные ЖК стереоочки с электрически переключаемыми (отключаемыми) бесполяроидными ахроматическими преобразователями поляризации являются универсальными стереоочками, способными работать практически со всеми типами современных 3D телевизоров и 3D мониторов с попеременным предъявлением ракурсов стереоизображения без потерь энергии светового потока изображения и при отсутствии искажений цветопередачи. Например, компьютерные ЖК 3D мониторы (в частности, марок Samsung 203 RZ, Viewsonic 3DVX2068, Acer GD223HQ, LG W2163D) формируют световой поток изображения с 45-градусным направлением линейной поляризации, ЖК 3D телевизоры (в частности, Samsung серии UE, Sony серии KDL) - световой поток с вертикальным направлением линейной поляризации, а плазменные 3D телевизоры (Panasonic серия Viera, Samsung серия PS) и DLP 3D видеопроекторы (Sharp PG355, Vewsonic PR08450) -неполяризованный световой поток изображения.

Литература

[1] Lipton L. Wireless active eyewear for stereoscopic applications. - Патент США №5463428, опублик. 31.10.95.

[2] Mentz J. Method of stereoscopic 3D viewing using wireless or multiple protocol capable shutter glasses. - Заявка №2010/0194857 на патент США, опублик. 05.08.2011.

[3] Slavenburg G., Fox Т., Cook JD. System, method and computer program product for controlling stereo glasses shutters. - Патент США №7724211, опублик. 25.05.2010.

[4] Zhuang Zh., Kirn Y., Patel J. Achromatic linear polarization rotator using twisted nematic liquid crystals - Appl. Phys. Letts., 2000, v. 76, No. 26, pp.3995-3997.

[5] Jones R. A new calculus for a treatment of optical systems. - J. Opt. Soc. Am., 1941, v.31, №7, pp.488-503.

[6] Bos P. Rapid starting, high speed liquid crystal variable optical retarder. - Патент США №4566758, опублик. 28.01.86.

Изобретение относится к стереоскопическим дисплеям и может быть использовано для создания универсальных мультистандартных жидкокристаллических стереоочков с высоким значением оптического пропускания светового потока изображения вне зависимости от состояния его поляризации, что обеспечивается за счет того, что каждый из оптических жидкокристаллических затворов стереоочков снабжен бесполяроидным жидкокристаллическим преобразователем поляризации, который в случае светового потока изображения с различными направлениями вектора линейной поляризации изменяет его направление для согласования с направлением оси входного поляризатора оптического жидкокристаллического затвора. Вариантами выполнения бесполяроидного ахроматического жидкокристаллического преобразователя поляризации являются спирально закрученные нематические жидкокристаллические структуры либо комбинации четвертьволновых пластинок с фазосдвигающими жидкокристаллическими структурами. 5 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Мультистандартные жидкокристаллические стереоочки, содержащие два оптических жидкокристаллических затвора, электронный контроллер и мультистандартный декодер синхросигналов, выход которого соединен с входом электронного контроллера, первый и второй выходы которого подключены к электрическим входам первого и второго оптических жидкокристаллических затворов, а вход мультистандартного декодера синхросигналов сопряжен с выходом канала синхронизации, отличающиеся тем, что каждый из двух оптических жидкокристаллических затворов выполнен в виде последовательно оптически связанных бесполяроидного жидкокристаллического преобразователя поляризации и затворной жидкокристаллической ячейки, снабженной входным и выходным поляризаторами, в устройство дополнительно введен источник напряжения смещения, снабженный переключателем напряжения, который подключен к управляющему входу источника напряжения смещения, первый и второй выходы которого подключены к электрическим входам первого и второго бесполяроидных жидкокристаллических преобразователей поляризации, при этом электрические входы первой и второй затворных жидкокристаллических ячеек являются электрическими входами первого и второго оптических жидкокристаллических затворов, а входные апертуры двух бесполяроидных жидкокристаллических преобразователей поляризации образуют оптический вход стереоочков.

2. Стереоочки по п.1, отличающиеся тем, что мультистандартный декодер синхросигналов снабжен выходом логической идентификации состояния поляризации, подключенным к управляющему входу источника напряжения смещения.

3. Стереоочки по п.1, отличающиеся тем, что каждый бесполяроидный жидкокристаллический преобразователь поляризации выполнен в виде нематической жидкокристаллической структуры с спиральной закруткой жидкокристаллических молекул на угол закрутки $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}$$ , удовлетворяющий условию $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}={45}^{\circ }\cdot k$$ , где k - целое положительное или отрицательное число (k=±1, ±2, ±3, …), угол входной ориентации $${\alpha }_{in}^{rot}$$ для краевых жидкокристаллических молекул нематической жидкокристаллической структуры со стороны ее входа удовлетворяет условию $${\alpha }_{in}^{rot}={45}^{\circ }\cdot l$$ , где l - целое положительное или отрицательное число (l=±1, ±2, ±3, …), а угол выходной ориентации $${\alpha }_{out}^{rot}$$ для краевых жидкокристаллических молекул нематической жидкокристаллической структуры со стороны ее выхода связан с углом $${\alpha }_{pol\_in}^{shut}$$ наклона оси входного поляризатора затворной жидкокристаллической ячейки соотношением $${\alpha }_{pol\_in}^{shut}={\alpha }_{out}^{rot}\pm {90}^{\circ }$$ .

4. Стереоочки по п.1, отличающиеся тем, что каждый бесполяроидный жидкокристаллический преобразователь поляризации выполнен в виде последовательно оптически связанных первой двупреломляющей пластинки с фазовой задержкой π/2±πn, где n=0, 1, 2, …, по крайней мере одной нематической жидкокристаллической структуры с электрически управляемой фазовой задержкой Δ и второй двупреломляющей пластинки с фазовой задержкой Δ/2±πm, где m=0, 1, 2, …, при этом ось $$o_1^{\pi /2}$$ для обыкновенного луча и ось $$e_1^{\pi /2}$$ для необыкновенного луча первой двупреломляющей пластинки параллельна соответственно оси $$e_2^{\pi /2}$$ для необыкновенного луча и оси $$o_2^{\pi /2}$$ для обыкновенного луча второй двупреломляющей пластинки, а ось $$o_{LC}^{\Delta }$$ для обыкновенного луча либо ось $$e_{LC}^{\Delta }$$ для необыкновенного луча нематической жидкокристаллической структуры с электрически управляемой фазовой задержкой Δ направлена по биссектрисе угла между осью для обыкновенного луча и осью для необыкновенного луча каждой из двух двупреломляющих пластинок, а электрический вход нематической жидкокристаллической π-структуры является электрическим входом бесполяроидного жидкокристаллического преобразователя поляризации.

5. Стереоочки по п.3, отличающиеся тем, что при угле $${\alpha }_{pol\_in}^{shut}=0^{\circ }$$ наклона оси входного поляризатора затворной жидкокристаллической ячейки каждая нематическая жидкокристаллическая структура выполнена с углом входной ориентации $$\alpha \frac{rot}{in}={45}^{\circ }$$ и углом закрутки $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}=-{45}^{\circ }$$ .

6. Стереоочки по п.3, отличающиеся тем, что при угле $${\alpha }_{pol\_in}^{shutter}={45}^{\circ }$$ наклона оси входного поляризатора затворной жидкокристаллической ячейки каждая нематическая жидкокристаллическая структура выполнена с углом входной ориентации $${\alpha }_{in}^{rot}=0^{\circ }$$ и углом закрутки $$\Delta {\alpha }_{twist}^{rot}={45}^{\circ }.$$