ДИНАМИЧЕСКИЙ АМПЛИТУДНЫЙ ПАРАЛЛАКСНЫЙ БАРЬЕР НА ПРОТИВОФАЗНЫХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЯХ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 2019 года по МПК H04N13/315 

Изобретение относится к трехмерным (3D) дисплеям, точнее, к двух- и многоракурсным автостереоскопическим дисплеям, работающим с кадровыми частотами 120-1000 Гц, и может быть использовано для создания безочковых стационарных и мобильных телевизоров, мониторов, смартфонов, планшетных компьютеров, ноутбуков с стереоскопическим изображением при полноэкранном разрешении в каждом ракурсе 3D сцены и совместимости с моноскопическим (2D) изображением.

Известен [1] динамический амплитудный параллаксный барьер (ДАПБ) на нематическом жидкокристаллическом (НЖК) слое, содержащий оптический параллаксный затвор (ОПЗ) с столбцовой адресацией, снабженный блоком управления, при этом оптический вход ОПЗ является оптическим входом ДАПБ для ракурсных изображений трехмерной (3D) сцены, а выход ОПЗ оптически сопряжен с зонами наблюдения, причем ОПЗ выполнен в виде последовательно оптически связанных первого линейного поляризатора, одиночного НЖК слоя и второго линейного поляризатора, при этом НЖК слой снабжен столбцовыми адресными прозрачными электродами, электрические входы которых образуют электронный вход ОПЗ, подключенный к выходу блока управления.

Известный ДАПБ характеризуется низким быстродействием, обусловленным большим (порядка нескольких миллисекунд) временем релаксации НЖК молекул одиночного НЖК слоя, которое проявляется в наличии соответствующей временной задержки в открытии (закрытии) столбцов ОПЗ ДАПБ для световых потоков ракурсных изображений отображаемой трехмерной (3D) сцены. Поэтому даже в случае формирования двухракурсного стереоизображения его качество будет низким из-за высокого уровня перекрестных искажений уже при кадровой частоте 120 Гц (минимальное значение для недопущения мерцаний наблюдаемого стереоизображения), поскольку из-за недостаточно быстрого закрытия столбцов ОПЗ ДАПБ (с задержкой 2-2,5 мс, равной времени релаксации одиночного слоя НЖК молекул) будет наблюдаться взаимное наложение двух ракурсных изображений (перекрестные помехи) на 25-30 % площади экрана для одной из двух зон наблюдения.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному устройству является известный ДАПБ на противофазных НЖК слоях [2], содержащий ОПЗ с столбцовой адресацией, снабженный блоком управления, при этом оптический вход ОПЗ является оптическим входом ДАПБ для ракурсных изображений, а выход ОПЗ оптически сопряжен с зонами наблюдения, где , причем два НЖК слоя ОПЗ расположены между первым и вторым линейными поляризаторами с взаимно параллельными осями поляризации, каждый из НЖК слоев выполнен с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости и гомогенной ориентацией НЖК молекул, ось для необыкновенного луча первого НЖК слоя ортогональна оси для необыкновенного луча второго НЖК слоя, оси поляризации первого и второго линейных поляризаторов направлены под углом ±45° к осям и , а каждый из НЖК слоев снабжен N столбцовыми адресными прозрачными электродами, которые расположены эквидистантно c периодом p, и электрические входы которых образуют электронный вход ОПЗ, подключенный к выходу блока управления.

Соответствующий известный способ (прототип) [2] управления ДАПБ на противофазных НЖК слоях, расположенных в параллельных поляризаторах (между линейными поляризаторами с взаимно параллельными осями поляризации), заключается в том, что, с началом k-ого цикла, в котором воспроизводят световые потоки k-го набора столбцов К ракурсных изображений (k = 1, 2, …, К, где K - число зон наблюдения, равное числу ракурсных изображений), k-й набор N/K столбцов ОПЗ, расположенных эквидистантно с периодом Кp, где p - период расположения столбцов ОПЗ, в течение времени τ_riseτ приводят в открытое состояние, переводя все столбцы первого НЖК слоя в высокоэнергетическое состояние с фазовым сдвигом +ϕ₀, и k-го набора N/K столбцов второго НЖК слоя в высокоэнергетическое состояние с фазовым сдвигом -ϕ₀, в то время как остальные N - N/K столбцов ОПЗ приводят в закрытое состояние с контрастом , переводя соответствующие N - N/K столбцов второго НЖК слоя в низкоэнергетическое состояние с фазовым сдвигом -π-ϕ₀, в течение k-ого цикла оставляют неизменными состояния всех столбцов ОПЗ, пропуская световые потоки k-го набора столбцов ракурсных изображений в k-й набор зон наблюдения через k-й набор открытых N/K столбцов ОПЗ, и в конце k-ого цикла за время τ_decay приводят k-й набор N/K столбцов ОПЗ в открытое состояние, переводя k-й набор N/K столбцов первого НЖК слоя в низкоэнергетическое состояние с фазовым сдвигом +π+ϕ₀, и k-й набор N/K столбцов второго НЖК слоя - в низкоэнергетическое состояние с фазовым сдвигом -π -ϕ₀, а в промежутке времени между k-м и (k+1)-м циклами k-й набор N/K столбцов ОПЗ в течение времени τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , переводя k-й набор N/K столбцов первого ЖК слоя в высокоэнергетическое состояние с фазовым сдвигом +ϕ₀, а k-й набор N/K столбцов второго ЖК слоя - в низкоэнергетическое состояние с фазовым сдвигом -π-ϕ₀, в последующем (k+1)-м цикле повторяют ту же последовательность операций для (k+1)-го набора N/K столбцов параллаксного оптического затвора, сдвинутого на один столбец относительно k-го набора, и за К последовательных циклов последовательно проводят через открытое состояние K наборов столбцов ОПЗ для пропускания световых потоков столбцов K ракурсных изображений в соответствующие K зон наблюдения, при этом перевод каждого из ЖК слоев в высокоэнергетическое или низкоэнергетическое состояния осуществляют подачей управляющих напряжений высокого U_high или низкого U_low уровней с выхода блока управления на соответствующие адресные прозрачные электроды НЖК слоев, где +ϕ₀ и -ϕ₀ - положительный и отрицательный остаточные фазовые сдвиги (между обыкновенным и необыкновенным лучами) в первом и втором НЖК слоях, +π и -π являются положительным и отрицательным коммутационными фазовыми сдвигами в первом и втором НЖК слоях, τ_rise - время принудительной переориентации НЖК молекул из исходного состояния под действием скачкообразного повышения управляющего напряжения от U_low до U_high , а τ_decay - время самопроизвольного возвращения НЖК молекул в исходное состояние после скачкообразного снижения управляющего напряжения от U_high до U_low.

Известный ДАПБ на противофазных НЖК слоях в параллельных поляризаторах и способ управления им обеспечивают переключение световых потоков ракурсных изображений за малое (30-100 микросекунд) время τ_rise, при этом длительное (1,5-2 миллисекунды) время релаксации τ_decay не влияет на скорость работы ДАПБ во время цикла сепарации ракурсных изображений благодаря противофазным свойствам двух НЖК слоев ОПЗ (взаимной ортогональности осей и ). При одновременном изменении одинаковых значений управляющего напряжения от U_low до U_high (и обратно) на обоих НЖК слоях их общее оптическое пропускание имеет постоянное максимальное значение, поскольку суммарный фазовый сдвиг двух ЖК слоев между обыкновенным и необыкновенным лучами в этом случае неизменно равен 0, что соответствует отсутствию поворота вектора линейной поляризации между входным и выходным параллельными поляризаторами. При подаче разных значений управляющего напряжения (U_high и U_low) на два НЖК слоя ОПЗ их общее оптическое пропускание становится минимальным из-за общего фазового сдвига π, ведущего к повороту вектора линейной поляризации на 90° между параллельными входным и выходным поляризаторами.

Недостатками известного ДАПБ на противофазных НЖК слоях является недостаточное качество стереоизображения в двух аспектах. Первый аспект - недостаточная точность сепарации ракурсных изображений вследствие двойственности расположения сепарирующего слоя ОПЗ по дальности относительно экрана формирователя амплитудных изображения (ФАИ). Геометрия оптической схемы сепарации определяется формулой сепарации , где - период расположения столбцов ФАИ, - расстояние между соседними зонами наблюдения, - расстояние от столбцов ОПЗ до зон наблюдения. Из формулы сепарации следует, что точность направления светового потока каждого ракурсного изображения в соответствующую зону наблюдения обеспечивается только при единственном значении d. Однако в ОПЗ известного ДАПБ имеются два последовательно расположенных структурированных по столбцам НЖК слоя с зазором между ними, определяемым толщиной промежуточной оптической подложки (порядка миллиметра), что сравнимо с величиной (порядка 5-10 мм), обусловливая увеличенные перекрестные помехи между зонами наблюдения.

Второй аспект недостаточного качества стереоизображения - невысокий контраст сепарации (невысокое отношение величин пропускания столбца ОПЗ в открытом и закрытом состояниях) вследствие того, что закрытое состояние в течение цикла сепарации соответствует контрасту для НЖК слоев в параллельных поляризаторах при фазовой задержке величиной π, обеспечиваемой совместным действием НЖК слоев ОПЗ. Одиночный НЖК слой характеризуется хроматической дисперсией, т.е. заданная величина фазовой задержки может быть обеспечена только на одной длине волны света. На каждой из остальных длин волн в видимой части спектра величина фазовой задержки отличается от π, что ведет к неполному закрытию столбцов ОПЗ ДМАПБ во время цикла сепарации, т.е. к снижению контраста сепарации для полноцветных ракурсных изображений.

Задача изобретения заключается в улучшении качества стереоизображения.

Задача улучшения качества стереоизображения в ДАПБ на противофазных жидкокристаллических слоях, содержащем ОПЗ с столбцовой адресацией, снабженный блоком управления, при этом оптический вход ОПЗ является оптическим входом ДМАПБ для ракурсных изображений трехмерной сцены, а выход ОПЗ оптически сопряжен с зонами наблюдения, где , причем ОПЗ выполнен в виде последовательно оптически связанных первого линейного поляризатора, двух противофазных НЖК слоев и второго линейного поляризатора, при этом каждый НЖК слой выполнен с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости и гомогенной ориентацией НЖК молекул, ось для необыкновенного луча первого НЖК слоя ортогональна оси для необыкновенного луча второго НЖК слоя, оси поляризации линейных поляризаторов направлены под углами ±45° к осям и , а по меньшей мере один НЖК слой снабжен N столбцовыми адресными прозрачными электродами, которые расположены эквидистантно c периодом p, и электрические входы которых образуют электронный вход ОПЗ, подключенный к выходу блока управления, решается тем, что, один НЖК слой выполнен сепарационным, снабженным столбцовыми адресными прозрачными электродами, а другой НЖК слой выполнен компенсационным, снабженным сплошным адресным прозрачным электродом, при этом общая апертура столбцовых адресных прозрачных электродов и апертура сплошного адресного прозрачного электрода апертура равны полной апертуре параллаксного оптического затвора, а оси поляризации первого и второго линейных поляризаторов взаимно ортогональны.

Задача изобретения в способе управления ДАПБ на противофазных ЖК слоях, заключающемся в том, что, с началом k-ого цикла, в котором воспроизводят световые потоки k-го набора столбцов К ракурсных изображений (k = 1, 2, …, К, где K - число ракурсных изображений, равное числу зон наблюдения), k-й набор N/K столбцов ОПЗ, расположенных эквидистантно с периодом Кp, приводят в открытое состояние, в то время как остальные N - N/K столбцов ОПЗ приводят в закрытое состояние, в течение k-ого цикла оставляют неизменными состояния всех столбцов ОПЗ, пропуская световые потоки k-го набора столбцов К ракурсных изображений в k-й набор соответствующих зон наблюдения через k-й набор открытых N/K столбцов ОПЗ, и по окончании k-ого цикла приводят все столбцы ОПЗ в закрытое состояние, которое сохраняется в промежутке времени между k-м и (k+1)-м циклами, в (k+1)-м цикле повторяют ту же последовательность операций для (k+1)-го набора N/K столбцов ОПЗ, сдвинутого на один столбец относительно k-го набора, и за К последовательных циклов последовательно проводят через открытое состояние K наборов столбцов ОПЗ, пропуская световые потоки столбцов K ракурсных изображений в соответствующие K зон наблюдения, при этом каждый из НЖК слоев переводят в высокоэнергетическое или низкоэнергетическое состояния, подавая с выхода блока управления соответственно высокое U_high или низкое U_low управляющее напряжение на адресные прозрачные электроды НЖК слоев, решается тем, что с началом k-ого цикла k-й набор N/K столбцов ОПЗ за время τ_rise приводят в открытое состояние, переводя весь первый НЖК слой в высокоэнергетическое состояние, соответствующее положительному остаточному фазовому сдвигу +ϕ₀, и одновременно оставляя k-й набор N/K столбцов второго НЖК слоя в низкоэнергетическом состоянии, соответствующее отрицательному коммутационному фазовому сдвигу -π в сумме с отрицательным остаточным фазовым сдвигом -ϕ₀, в то время как остальные N - N/K столбцов параллаксного оптического затвора за время τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , переводя соответствующие N - N/K столбцов второго НЖК слоя в высокоэнергетическое состояние с отрицательным остаточным фазовым сдвигом -ϕ₀, в конце k-ого цикла за время τ_rise переводят все столбцы ОПЗ в закрытое состояние с контрастом , переводя k-й набор N/K столбцов второго НЖК слоя в высокоэнергетическое состояние с отрицательным остаточным фазовым сдвигом -ϕ_0, а в промежутке времени между k-м и (k+1)-м циклами все столбцы параллаксного оптического затвора за время τ_decay приводят в закрытое состояние с контрастом , одновременно переводя первый и второй НЖК слои в низкоэнергетические состояния, соответствующие величинам фазового сдвига +π+ϕ₀ и -π-ϕ₀ соответственно, при этом > .

Улучшение качества стереоизображения достигается с помощью двух основных технических результатов.

Первый технический результат состоит в минимизации перекрестных помех между зонами наблюдения вследствие однозначного положения плоскости сепарации в ДАПБ за счет выполнения только одного из НЖК слоев сепарационным, т.е. снабженным столбцовыми прозрачными электродами, определяющими геометрию сепарации. Положение этого НЖК слоя (толщиной в несколько микрон) однозначно определяет величину d в формуле сепарации. Второй НЖК слой является компенсационным, снабженным сплошным адресным прозрачным электродом, и поэтому не влияющим на геометрию сепарации, не вносящим неопределенности в значение d.

Второй технический результат состоит в увеличенном значении контраста в цикле сепарации для закрытых столбцов ДАПБ по сравнению с величиной контраста по следующей причине. Величина получается в скрещенных входном и выходном поляризаторах при нулевом значении общего фазового сдвига двух НЖК слоев (сепарационного и компенсационного), поскольку величины их остаточных фазовых сдвигов в сумме (+ϕ₀) + (-ϕ₀) взаимно уничтожаются при нахождении обоих НЖК слоев в высокоэнергетическом состоянии под действием напряжения U_high. Это обеспечивает одинаково высокую величину контраста для всех длин волн света в световых потоках полноцветных изображений в процесс их сепарации, в отличие от влияния хроматической дисперсии НЖК слоя на величину контраста .

В целом оба технических результата приводят к решению задачи улучшения качества стереоизображения в устройстве и при осуществлении способа за счет минимизации перекрестных помех и увеличении контраста в стереоизображении за счет взаимосвязанных между собой конструктивных особенностей устройства (выполнение только одного НЖК слоя сепарационным, ортогональность осей поляризации входного и выходного поляризаторов) и требуемой последовательности операций в способе (закрытие столбцов ДМАПБ при работе в скрещенных поляризаторах двух НЖК слоев в высокоэнергетических состояниях, при которых фазовые задержки разного знака минимальны по величине).

Осуществление изобретения поясняется с помощью чертежей, на фигурах которых представлены:

Фиг. 1 - поперечное сечение оптического параллаксного затвора в его первом частном варианте выполнения.

Фиг. 2 - фронтальный и боковой вид оптического параллаксного затвора в составе динамического амплитудного параллаксного барьера.

Фиг. 3 - поперечное сечение ОПЗ во втором частном варианте выполнения.

Фиг. 4-6 - оптические свойства двух взаимно противофазных НЖК слоев.

Фиг. 7-23 - осуществление способа при работе динамического амплитудного параллаксного барьера по селекции ракурсных изображений.

Оптический параллаксный затвор (ОПЗ) 1 в первом частном варианте выполнения (фиг.1), входящий в состав динамического амплитудного параллаксного барьера (ДАПБ), содержит первый линейный поляризатор 2, первый (компенсационный) слой ЖК₁, второй (сепарационный) слой ЖК₂ и второй линейный поляризатор 3. Компенсирующий слой ЖК₁ снабжен сплошным адресным прозрачным электродом 4 и сплошным заземленным общим прозрачным электродом Э1. Сепарационный слой ЖК₂ снабжен N столбцовыми адресными прозрачными электродами 5 в виде ряда 5₁, …, 5_N и сплошным заземленным общим сплошным прозрачным электродом Э2. Компенсационный ЖК₁ и сепарационный ЖК₂ слои расположены в зазорах между тремя оптическими (стеклянными) подложками 6-8. Оптический вход 9 ОПЗ 1 на противофазных слоях ЖК₁ и ЖК₂ является оптическим входом ДАПБ для K ракурсных изображений , , …, , …, отображаемой 3D сцены. Выход 10 ОПЗ 1 является оптическим выходом ДАПБ, связанным с K зонами наблюдения Z₁, …, Z_k, ..., Z_K, где K ≥ 2. Каждый из НЖК слоев ЖК₁ и ЖК₂ выполнен с положительной диэлектрической анизотропией и с гомогенной ориентацией НЖК молекул (с ориентацией в одном и том же направлении вдоль примыкающих к слоям поверхностей оптических подложек 6-8 для каждого из НЖК слоев). Ось для необыкновенного луча слоя ЖК₁ ортогональна оси для необыкновенного луча слоя ЖК₂ (фиг. 2), оси поляризации первого и второго линейных поляризаторов p₁ и p₂ направлены под углами ±45° к осям и , которые направлены вдоль длинных осей жидкокристаллических молекул слоев ЖК₁ и ЖК₂, каждая из которых имеет удлиненную форму («карандашного» типа).

Во втором частном варианте выполнения (фиг. 3) ОПЗ 1 компенсационный ЖК₁ и сепарационный ЖК₂ слои взаимно переставлены вдоль оптического пути между оптическим входом и выходом ДАПБ без изменения взаимной ориентации осей и по сравнению с первым частным вариантом выполнения ОПЗ 1.

Фазовые характеристики компенсационного ЖК₁ и сепарационного ЖК₂ слоев (фиг. 4) взаимно противоположны. При подаче внешнего электрического поля НЖК молекулы становятся диполями, которые стремятся ориентироваться вдоль силовых линий электрического поля. Степень такой принудительной ориентации НЖК молекул (и величина соответствующего фазового сдвига между необыкновенным и обыкновенным лучами) в НЖК слое зависит от величины внешнего электрического поля (значения управляющего напряжения). При низком управляющем напряжении (порядка 3÷6 В) слои ЖК₁ и ЖК₂ создают фазовые сдвиги соответственно и . Величина соответствует коммутационному фазовому сдвигу, обусловленному изменяющимся наклоном НЖК молекул под действием внешнего управляющего электрического поля, величина есть остаточный фазовый сдвиг, который не меняется под действием внешнего электрического поля, поскольку обусловлен действием приповерхностных НЖК молекул, жестко связанных с поверхностями прилегающих оптических подложек. Величины и - стохастические (случайные) фазовые сдвиги, которые обусловлены несовершенством гомогенной ориентации НЖК молекул в слоях ЖК₁ и ЖК₂ (ведущей к частичной неопределенности в ориентации НЖК молекул относительно общего направления вдоль оси или оси ), вызванной несовершенством ориентирующих покрытий на поверхностях оптических подложек. Знаки стохастических фазовых сдвигов и одинаковы, поскольку они образованы случайными процессами и имеют статистический характер независимо от направления ориентации НЖК слоя, в отличие от детерминистических величин и , которые имеют разные знаки вследствие заданного взаимно ортогонального расположения осей , и из-за их общего расположения под углами ±45° относительно осей p₁ и p₂ входного 2 и выходного 3 поляризаторов.

При среднем значении управляющего напряжения слои ЖК₁ и ЖК₂ создают фазовые сдвиги соответственно и , где и - соответствующие стохастические фазовые сдвиги, при этом < и <, поскольку >, поэтому внешнее электрическое поле, создаваемое действием напряжения , обеспечивает принудительную ориентацию гораздо большего числа НЖК молекул в направлении силовых линий электрического поля, чем поле, создаваемое действием .

При высоком (максимальном) значении управляющего напряжения (около 20÷30 В) слои ЖК₁ и ЖК₂ создают фазовые сдвиги соответственно и . Величины стохастической фазовой задержки при этом принимаются равными нулю, поскольку практически все (кроме приповерхностных) НЖК молекулы переориентированы вдоль силовых линий внешнего электрического поля.

Фазовые сдвиги сдвоенного НЖК слоя, состоящего из последовательно расположенных слоев ЖК₁ и ЖК₂ (фиг. 5), равны , и при одинаковых для обоих слоев трех соответствующих значениях , и управляющего напряжения соответственно. Это ведет к тому, что максимальный контраст закрытого столбца ОПЗ 1 в скрещенных входном 2 и выходном 3 поляризаторах осуществляется при высоком управляющем напряжении на обоих (ЖК₁ и ЖК₂) слоях, поскольку в этом случае оба НЖК слоя совместно практически не меняют фазовый сдвиг в проходящем свете (). Тем самым также минимизирована зависимость контраста от длины волны, которая максимальна на всех частотах видимой части спектра (на всех цветовых составляющих ракурсных изображений).

При различающихся между собой значениях ( и или наоборот) управляющего напряжения на ЖК₁ и ЖК₂ (фиг. 6) фазовые сдвиги сдвоенного ЖК слоя составляют величины или . Это соответствует максимальной величине оптического пропускания света в скрещенных входном 2 и выходном 3 поляризаторах, поскольку фазовый сдвиг (независимо от его знака) соответствует повороту линейной поляризации света, заданной осью p₁ поляризации входного поляризатора, на угол 90° с получением направления линейной поляризации света, параллельного оси p₂ поляризации выходного поляризатора. Величины и много меньше величины , поэтому их влияние состоит в данном случае только в незначительном изменении яркости изображения.

Способ при работе устройства осуществляется в общем виде следующим образом. С началом k-ого цикла, в котором воспроизводят световые потоки k-го набора столбцов К ракурсных изображений (k = 1, 2, …, К, где K - число ракурсных изображений, равное числу зон наблюдения), k-й набор N/K столбцов ОПЗ 1, расположенных эквидистантно с периодом Кp, где - период расположения столбцов ОПЗ 1, приводят в открытое состояние за время τ_rise , переводя весь слой ЖК₁ в высокоэнергетическое состояние, соответствующее положительному фазовому сдвигу, и при этом оставляя k-й набор N/K столбцов слоя ЖК₂ в низкоэнергетическом состоянии, соответствующее отрицательному фазовому сдвигу , в то время как остальные N - N/K столбцов ОПЗ 1 за время τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , переводя соответствующие N - N/K столбцов слоя ЖК₁ в высокоэнергетическое состояние с отрицательным фазовым сдвигом . Для закрытых N - N/K столбцов величина контраста максимальна, поскольку для каждого из них фазовые сдвиги в двух НЖК слоях взаимно уничтожаются т.к. .

В течение k-ого цикла оставляют неизменными состояния всех столбцов ОПЗ 1, пропуская световые потоки k-го набора столбцов К ракурсных изображений в k-й набор соответствующих зон наблюдения через k-й набор открытых N/K столбцов ОПЗ 1. Открытое состояние каждого столбца обеспечивается выполнением соотношения .

В конце k-ого цикла приводят все столбцы ОПЗ 1 в закрытое состояние с контрастом , переводя k-й набор N/K столбцов слоя ЖК₂ в высокоэнергетическое состояние с отрицательным фазовым сдвигом , обеспечивающим для всех столбцов выполнение соотношения .

В промежутке времени между k-м и (k+1)-м циклами сохраняют закрытое состояние всех столбцов ОПЗ 1 с получением контраста , переводя весь слой ЖК1 и все столбцы слоя НЖК2 за время τ_decay в низкоэнергетические состояния, которым соответствуют положительный и отрицательный фазовые сдвиги и , которые обеспечивают суммарный фазовый сдвиг . При этом < вследствие ненулевого значения фазового сдвига , вызванного несовершенством начальной гомогенной ориентации каждого из НЖК слоев. Однако это не сказывается на качестве сепарации ракурсных изображений, поскольку в течение временного промежутка между соседними циклами (когда осуществляется ввод ракурсных изображений в формирователь амплитудных изображений) источник света (подсветки) всегда выключен.

В (k+1)-м цикле повторяют ту же последовательность операций для (k+1)-го набора N/K столбцов ОПЗ 1, сдвинутого на один столбец относительно k-го набора. Переход ОПЗ 1 от состояния с контрастом к состоянию с контрастом по окончании каждого цикла обеспечивает подготовку обоих слоев ЖК₁ и ЖК₂ работе с максимальным контрастом сепарации ракурсных изображений в течение каждого последующего цикла.

За К последовательных циклов последовательно проводят через открытое состояние K наборов столбцов ОПЗ 1, пропуская световые потоки столбцов K ракурсных изображений в соответствующие K зон наблюдения. При этом τ_rise - малое время (не более 0,1 мс) принудительной переориентации НЖК молекул слоев ЖК₁ и ЖК₂ из исходного состояния при скачкообразном повышении управляющего напряжения от величины U_low до величины U_high, τ_decay - длительное время (около 2 мс) самопроизвольного возвращения НЖК молекул в исходное состояние после скачкообразного снижения управляющего напряжения от величины U_high до величины U_low.

Осуществление способа на конкретном примере формирования 4-х ракурсного стереоизображения в 4-х зонах наблюдения - в 4-х последовательных циклах I, II, III и IV (фиг. 7-23) состоит в следующем. На -й столбец матричного формирователя амплитудного изображения (ФАИ), имеющего =12 столбцов, подают по одному -е столбцы изображений 4-х ракурсов в 4-х последовательных циклах. Например, на 12-й столбец (с номером =12) ФАИ в I, II, III и IV циклах подают первые (поскольку = 1 при =12) столбцы соответственно первого, второго, третьего и четвертого ракурсных изображений, обозначенные как последовательность столбцов , , , изображений ракурсов. Одновременно, например, на 1-й столбец (с номером =1) ФАИ подают в I, II, III и IV циклах по одному двенадцатые (поскольку = 12 при =1) столбцы соответственно третьего, четвертого, первого и второго ракурсов (т.е. последовательность столбцов , , , изображений ракурсов).

Конкретно, в I цикле (фиг. 7) на столбцы ФАИ подают столбцы , , …, ракурсных изображений, открывая столбцы , , ОПЗ 1 и пропуская в течение I цикла в каждую из зон наблюдения Z₁, Z₂, Z₃ и Z₄ по три соответствующих столбца ракурсных изображений. При этом в начале I цикла (фиг. 8) открывают столбцы , и , переводя в высокоэнергетическое состояние за время τ_rise как весь слой ЖК₁, так и соответствующий набор столбцов слоя ЖК₂ (подавая напряжение U_high на сплошной адресный прозрачный электрод ЖК₁ и на соответствующие столбцовые адресные прозрачные электроды ЖК₂). В конце цикла I (фиг. 9) все столбцы ОПЗ 1 за время τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , оставляя весь слой ЖК₁ в высокоэнергетическом состоянии, и переводя соответствующие (ранее находившиеся в низкоэнергетическом состоянии) столбцы слоя ЖК₂ в высокоэнергетическое состояние, подавая на их адресные прозрачные электроды напряжение U_high. По окончании I цикла (фиг. 10) все столбцы ОПЗ 1 за время τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , переводя весь слой ЖК₁ и все столбцы слоя ЖК₂ в низкоэнергетическое состояние за счет подачи напряжения U_low. Закрытое состояние ОПЗ 1 с контрастом длится в течение всего промежутка времени между I и II циклами.

В II цикле (фиг. 11) на столбцы ФАИ подают столбцы , , …, ракурсных изображений, открывая столбцы , , , ОПЗ 1 и пропуская в течение II цикла в каждую из зон наблюдения Z₁, Z₂, Z₃ и Z₄ по четыре соответствующих столбца ракурсных изображений. При этом в начале II цикла (фиг. 12) столбцы , , и открывают, переводя за время τ_rise в высокоэнергетическое состояние как весь слой ЖК₁, так и соответствующий набор столбцов слоя ЖК₂ . К концу II цикла (фиг. 13) все столбцы ОПЗ 1 за время τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , а по окончании II цикла (фиг. 14) все столбцы ОПЗ 1 за время τ_decay приводят в закрытое состояние с контрастом .

В III цикле (фиг. 15) на столбцы ФАИ подают столбцы , , …, ракурсных изображений, открывая столбцы , , , и пропуская в течение III цикла в каждую из зон наблюдения Z₁, Z₂, Z₃ и Z₄ по четыре соответствующих столбца ракурсных изображений. При этом в начале III цикла (фиг. 16) столбцы , , и открывают, переводя за время τ_rise в высокоэнергетическое состояние как весь слой ЖК₁, так и соответствующий набор столбцов слоя ЖК₂. К концу III цикла (фиг. 17) все столбцы ОПЗ 1 за время τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , а по окончании III цикла (фиг. 18) все столбцы ОПЗ 1 за время , τ_decay приводят в закрытое состояние с контрастом .

В IV цикле (фиг. 19) на столбцы ФАИ подают столбцы , , …, ракурсных изображений, открывая столбцы , , , и пропуская в течение IV цикла в каждую из зон наблюдения Z₁, Z₂, Z₃ и Z₄ по четыре соответствующих столбца ракурсных изображений. При этом в начале IV цикла (фиг. 20) столбцы , , , открывают, переводя за время τ_rise в высокоэнергетическое состояние как весь слой ЖК₁, так и соответствующий набор столбцов слоя ЖК₂ . К концу IV цикла (фиг. 21) все столбцы ОПЗ 1 за время τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , а по окончании IV цикла (фиг. 22) все столбцы ОПЗ 1 за время , τ_decay приводят в закрытое состояние с контрастом .

За полное время всех 4-х циклов сформируется 4-ракурсное стереоизображение (фиг. 23) с полноэкранным разрешением в каждом из ракурсных изображений.

Улучшение качества стереоизображения достигнуто как путем минимизации перекрестных помех (за счет однозначного задания величины d между экраном ФАИ и селекторным слоем ЖК₂), так и путем увеличения контраста селекции ракурсных изображений (за счет осуществления максимального контраста в закрытых столбцах ОПЗ 1) при обеспечении малого времени τ_rise переключения столбцов ОПЗ 1 как к открытое, так и закрытое состояния в рабочем режиме каждого цикла (для недопущения временных перекрестных искажений).

ЛИТЕРАТУРА

1. P. Kleinberger, I. Kleinberger, J. Mantinband, H. Goldberg, and E. Kleinberger. Systems and methods of three-dimensional viewing // Патент США. № 7190518, МПК G02B 27/76, опублик. 13.03.2007.

2. Ежов В.А. Способ автостереоскопического отображения с полноэкранным разрешением в каждом ракурсе и устройство для осуществления способа (варианты) // Патент РФ № 2518484, МПК H04N 13/04, опублик. 10.06.2014, приоритет 26.04.2012 (прототип).

Изобретение относится к автостереоскопическим (безочковым) дисплеям и может быть использовано для создания двух- и многоракурсных стационарных и мобильных 3D телевизоров, 3D мониторов с полноэкранным 3D разрешением при сохранении совместимости с 2D изображениями. Улучшение качества наблюдаемого стереоизображения достигается улучшением качества сепарации ракурсных изображений за счет изменения геометрии адресации жидкокристаллических слоев амплитудного параллаксного барьера - выполнения только одного жидкокристаллического слоя сепарационным, снабженным адресными прозрачными электродами, и увеличением контраста сепарации за счет минимизации влияния на контраст величины хроматической дисперсии жидкокристаллических слоев и несовершенства исходной ориентации жидкокристаллических молекул за счет использования взаимно ортогональных входного и выходного линейных поляризаторов и использования соответствующего алгоритма переключения сепарационного и компенсационного жидкокристаллических слоев. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Динамический амплитудный параллаксный барьер на противофазных жидкокристаллических слоях, содержащий параллаксный оптический затвор с столбцовой адресацией, снабженный блоком управления, при этом оптический вход оптического параллаксного затвора является оптическим входом динамического амплитудного параллаксного барьера для ракурсных изображений трехмерной сцены, а выход оптического параллаксного затвора оптически сопряжен с K зонами наблюдения, где K≥2, причем оптический параллаксный затвор выполнен в виде последовательно оптически связанных первого линейного поляризатора, двух противофазных нематических жидкокристаллических слоев и второго линейного поляризатора, при этом каждый нематический жидкокристаллический слой выполнен с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости и с гомогенной ориентацией нематических жидкокристаллических молекул, ось для необыкновенного луча первого нематического жидкокристаллического слоя ортогональна оси для необыкновенного луча второго нематического жидкокристаллического слоя, оси поляризации линейных поляризаторов направлены под углами ±45° к осям и , а по меньшей мере один нематический жидкокристаллический слой снабжен N столбцовыми адресными прозрачными электродами, которые расположены эквидистантно c периодом p и электрические входы которых образуют электронный вход параллаксного оптического затвора, подключенный к выходу блока управления, отличающийся тем, что один нематический жидкокристаллический слой выполнен сепарационным, снабженным столбцовыми адресными прозрачными электродами, а другой нематический жидкокристаллический слой выполнен компенсационным, снабженным сплошным адресным прозрачным электродом, при этом общая апертура столбцовых адресных прозрачных электродов и апертура сплошного адресного прозрачного электрода равны полной апертуре параллаксного оптического затвора, а оси поляризации первого и второго линейных поляризаторов взаимно ортогональны.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что последовательно оптически связаны сепарационный нематический жидкокристаллический слой и компенсационный нематический жидкокристаллический слой.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что последовательно оптически связаны компенсационный нематический жидкокристаллический слой и сепарационный нематический жидкокристаллический слой.

4. Способ управления амплитудным параллаксным барьером на противофазных ЖК слоях, заключающийся в том, что с началом k-го цикла, в котором воспроизводят световые потоки k-го набора столбцов К ракурсных изображений (k = 1, 2, …, К, где K - число ракурсных изображений, равное числу зон наблюдения), k-й набор N/K столбцов оптического параллаксного затвора, расположенных эквидистантно с периодом Кp, приводят в открытое состояние, в то время как остальные N-N/K столбцов параллаксного оптического затвора приводят в закрытое состояние, где p - период расположения столбцов оптического параллаксного затвора, в течение k-го цикла оставляют неизменными состояния всех столбцов оптического параллаксного затвора, пропуская световые потоки k-го набора столбцов К ракурсных изображений в k-й набор соответствующих зон наблюдения через k-й набор открытых N/K столбцов оптического параллаксного затвора, и по окончании k-го цикла приводят все столбцы оптического параллаксного затвора в закрытое состояние, которое сохраняется в промежутке времени между k-м и (k+1)-м циклами, в (k+1)-м цикле повторяют ту же последовательность операций для (k+1)-го набора N/K столбцов оптического параллаксного затвора, сдвинутого на один столбец относительно k-го набора, и за К последовательных циклов последовательно проводят через открытое состояние K наборов столбцов оптического параллаксного затвора, пропуская световые потоки столбцов K ракурсных изображений в соответствующие K зон наблюдения, при этом каждый из нематических жидкокристаллических слоев переводят в высокоэнергетическое или низкоэнергетическое состояния, подавая с выхода блока управления соответственно высокое U_high или низкое U_low управляющее напряжение на адресные прозрачные электроды нематических жидкокристаллических слоев, отличающийся тем, что с началом k-го цикла k-й набор N/K столбцов оптического параллаксного затвора за время τ_rise приводят в открытое состояние, переводя весь первый нематический жидкокристаллический слой в высокоэнергетическое состояние, соответствующее положительному остаточному фазовому сдвигу +ϕ₀, и одновременно оставляя k-й набор N/K столбцов второго нематического жидкокристаллического слоя в низкоэнергетическом состоянии, соответствующем отрицательному коммутационному фазовому сдвигу -π в сумме с отрицательным остаточным фазовым сдвигом -ϕ₀, в то время как остальные N-N/K столбцов оптического параллаксного затвора за время τ_rise приводят в закрытое состояние с контрастом , переводя соответствующие N-N/K столбцов второго нематического жидкокристаллического слоя в высокоэнергетическое состояние с отрицательным остаточным фазовым сдвигом -ϕ₀, в конце k-го цикла за время τ_rise приводят все столбцы оптического параллаксного затвора в закрытое состояние с контрастом , переводя k-й набор N/K столбцов второго нематического жидкокристаллического слоя в высокоэнергетическое состояние с отрицательным остаточным фазовым сдвигом -ϕ_0, а в промежутке времени между k-м и (k+1)-м циклами все столбцы оптического параллаксного затвора за время τ_decay приводят в закрытое состояние с контрастом , одновременно переводя первый и второй нематические жидкокристаллические слои в низкоэнергетические состояния, соответствующие величинам фазового сдвига +π+ϕ₀ и -π–ϕ₀ соответственно, где τ_rise - время принудительной переориентации нематических жидкокристаллических молекул из исходного состояния при скачкообразном повышении управляющего напряжения от величины U_low до величины U_high, τ_decay - время самопроизвольного возвращения нематических жидкокристаллических молекул в исходное состояние после скачкообразного снижения управляющего напряжения от величины U_high до величины U_low, при этом >.