Российские физики придумали 3D-очки для телевизора без пульта

На фото: Экспериментальная установка (предоставлено И.Н. Компанцом)

В ФИАН создан прототип активных 3D очков, способных не просто фильтровать изображения для правого и левого глаза, но также динамически подстраиваться под картинку и стандарты разных дисплеев. О том, какие материалы для этого нужны и как новая технология поможет забыть о вечной борьбе за пульт управления телевизором, рассказал ФИАН-Информ заведующий отделом оптоэлектроники ФИАН Компанец И.Н.

Для получения трехмерного изображения в настоящее время обычно используются специальные очки, которые с точки зрения оптики представляют собой пассивные или активные оптические затворы.

Комментирует заведующий отделом оптоэлектроники, профессор Игорь Компанец: 

«Пассивные оптические затворы широко известны – они используются в самых простых 3D очках. Например, для левого глаза через затвор проходит свет с одной поляризацией, а для правого с другой. Обе картинки, формируемые экраном, мозг собирает в единое изображение. А в активных оптических затворах по очереди для левого и правого глаза включается – выключается пропускание света, и его поляризация значения не имеет, что снижает требования к экрану. На сегодняшний день 64 % всех 3D устройств оснащаются очками с активными затворами, и этот рынок растёт до 30 % в год. Но есть и проблемы. Это сами нематические жидкие кристаллы (НЖК), которые используются в экранах современных ТВ и в оптических затворах»

В НЖК каждая молекула имеет вытянутую форму, а слой НЖК с одинаково ориентированными молекулами приобретает оптическую ось (становится анизотропным), причем в зависимости от направления оси относительно поляроидов меняются оптические характеристики всего слоя. Как раз этот эффект и используют при создании активных оптических затворов. Небольшое электрическое напряжение, приложенное к прозрачным электродам (на обеих стеклянных пластинках), примыкающим к слою НЖК,  переориентирует все молекулы НЖК вдоль другого направления, меняется оптическое пропускание слоя и в результате, предположим, на правый глаз уже не поступает картинка, а на левый поступает.

Но насколько быстро можно изменять оптические характеристики НЖК? Как раз ответ на  этот вопрос раскрывает основные трудности современного подхода – время изменения даже в самых «быстрых» ячейках с НЖК составляет не менее 8 миллисекунд. Но самое неприятное здесь связано не с «включением» электрическим полем нового оптического состояния, а с его «выключением» – возвращением НЖК в исходное состояние, которое происходит обязательно после снятия внешнего напряжения и только под действием упругих сил. Время такой релаксации превосходит время включения в несколько раз, а потому возможно нежелательное наложение «остатка» изображения, предназначенного для одного глаза, на изображение в другом глазу.

«Для работы оптических затворов нужно резкое включение и резкое выключение картинки. Поэтому в современных 3D очках во время выключения свет на экране или в самих очках часто просто перекрывают, что приводит к снижению общей яркости. Мы предлагаем другое решение – использование смектических ЖК (СЖК) с сегнетоэлектрическими свойствами. Они очень чувствительны к электрическому полю и при этом реагируют на его знак. Поэтому выключение осуществляется электрическим напряжением обратного знака, т.е. тоже «принудительно», и с тем же временем, что и включение. Оба времени составляют доли миллисекунды, а наш лучший результат – всего 25 микросекунд! Более того, для переключения оптических затворов с СЖК требуется и гораздо меньшее управляющее напряжение. Не 12 или 20 вольт, как в очках с НЖК, а всего ±1,5 или максимум ±3,0 Вольта », - рассказывает Игорь Компанец.

• 
• k1

На рисунке: Схема и временны’е характеристики включения-выключения
оптического отклика в ячейках с НЖК и СЖК (предоставлено И.Н. Компанцом)

Ограниченное быстродействие НЖК не позволяет без усталости долго наслаждаться программами трехмерного ТВ, так как при частоте кадров 120 Гц, т. е. при 60 Гц для каждого глаза, мерцания изображений и смазанность быстро перемещаемых объектов не обеспечивают должной комфортности наблюдения (по медицинским показаниям частота кадров для каждого глаза должна быть 90...100 Гц). В то же время дисплейная ячейка СЖК может переключаться с частотой в несколько килогерц (лучший результат – 7 кГц при управляющем напряжении ±1,5 Вольта), и при этом впервые демонстрирует полутона, необходимые для получения цветного изображения.

• 
• k3

На рисунке: Лабораторный образец СЖК-ячейки (сверху) и схема его структуры (снизу)
(предоставлено И.Н. Компанцом)

Это позволяет мечтать о создании телевизора для всей семьи. На его экране вперемешку могут меняться кадры самых разных ТВ передач, из которых очки отца, к примеру, будут «выбирать» трансляцию футбольного матча, очки матери – сериал, а ребёнка – мультфильм. То есть каждый член семейства со своими очками и беспроводными наушниками будет видеть на одном и том же экране совершенно разные программы.

В коллективе наряду с исследователями ФИАН работают специалисты ИОФАН и НИИСИ РАН.

«Василий Ежов из ИОФАН совместно с коллегами из Саратова уже сделал 3D очки на основе НЖК, которые пользуются спросом. Теперь мы вместе разрабатываем 3D очки на основе СЖК. При этом необходимо решить две главных задачи. Во-первых, отработать технологию, чтобы обеспечить однородность ориентации слоя СЖК и высокий оптический контраст. Во-вторых, надо сделать плату электронного управления (поместится в оправе очков), чтобы она синхронизовала работу оптических затворов по управляющим сигналам от различных дисплеев. В НИИСИ уже разработана микросхема, которую скоро будем тестировать вместе с затворами. Так что работаем. И верим в успех – ведь наш СЖК по многим характеристикам ощутимо превосходит аналоги. А следующим устройством, где хотелось бы реализовать в полной мере его быстродействие, мог бы быть скоростной видеопроектор типа «СЖК на управляющей кремниевой пластине» с частотой кадров в несколько килогерц для ввода данных в систему их оптической обработки или для ввода сечений изображений, визуализируемых в трёхмерном жидкокристаллическом экране » – отметил Игорь Компанец.

Ранее по этой теме на СУН: https://sdelanounas.ru/blogs/44445/

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈