Optická fyzika

„Wow, to je úžasné“ byla reakce alespoň jednoho návštěvníka na loňskou letní vědeckou výstavu v Royal Society v Londýně. Jejich nadšení nebylo primárně způsobeno přítomností královny, která dříve otevřela výstavu v rámci oslav 350.výročí společnosti. Spíše, jejich vzrušení bylo až na nejnovější displeje z tekutých krystalů na výstavě od Sharp Laboratories v Oxfordu. Diváci mohli sledovat pohyblivé obrázky ve 3D na notebooku-bez nutnosti speciálních brýlí. Mohli vidět, jak se holubi krmí na náměstí St Marks, Benátky, s ptáky zjevně sestupujícími z jejich ramen, nebo si mohli dopřát 3D dobrodružství, když pronásledovali padouchy v interaktivní počítačové hře Quake.

3D displej bez brýlí na výstavě v Royal Society byl jen nejnovějším příkladem revoluce způsobené displeji z tekutých krystalů, které nyní umožňují prohlížení pohyblivých obrazů na všem od mobilních telefonů a 46palcových televizorů s plochou obrazovkou až po ruční osobní elektronické hry a iPad a další tabletová zařízení. Přesto je úžasné si myslet, že je to jen 40 let od podání klíčového patentu, který znamenal zrod moderního displeje z tekutých krystalů-technologie tak úspěšné, že její zkratka, LCD, je okamžitě rozpoznána i ne-vědci. Ačkoli organické světelné diody (OLED), plazmy a „elektronický inkoust“ také mění povahu moderního displeje, jsou to pozoruhodné vlastnosti tekutých krystalů, které jsou nyní v popředí technologie 3D zobrazení.

zobrazování ve 3D

sledování obrázků ve 3D bez brýlí je opravdu ohromující zážitek, ale pojďme se nejprve podívat na to, jak to zapadá do jiných 3D zobrazovacích technik. Existují tři hlavní techniky – stereoskopické, holografické a volumetrické-všechny fungují na stejných principech bez ohledu na to, zda obrazovka používá tekuté krystaly, plazmy nebo OLED. Každý z nich má výhody a nevýhody, pokud jde o realismus, složitost, velikost a náklady, ale komerčně nejschůdnější metoda, která se používá ve většině 3D televizorů, které se bouří na hlavní ulici, zahrnuje zobrazení jiné perspektivy obrazu každému z našich očí. Tato „stereoskopická“ technika napodobuje skutečný svět, kde každé oko vidí jinou perspektivu a mozek „spojí“ dva obrazy dohromady, aby vytvořil 3D vnímání okolí (obrázek 1a).

úkol samostatně zobrazovat obrázky do levého a pravého oka byl v průběhu let řešen různými důmyslnými způsoby. Vyzkoušeno v kinech již v padesátých letech minulého století, přístup, který bude mnoho lidí obeznámeno s tím, že uživatel nosí brýle se samostatnými červenými a modrými čočkami na levém a pravém oku. Myšlenka je, že obraz je rozdělen na červené, zelené a modré kanály, přičemž levé oko vidí pouze červený obrázek a pravé oko vidí pouze zelené a modré obrázky.

novější systémy odstraňují barevné čočky a místo toho používají brýle, které střídavě přenášejí a blokují světlo do každého oka. Jinými slovy, čočky fungují jako „optické uzávěry“, takže jedno oko může kdykoli vidět statický obraz, ale druhé nemůže. Pokud označíme po sobě jdoucí statické snímky filmu L1, R1, L2, R2, L3, R3 atd., Pak levé oko vidí pouze „L scény“ a pravé oko vidí pouze „r scény“. Tyto brýle vyžadují různé kousky elektroniky, aby fungovaly, zatímco samotné scény jsou aktualizovány při frekvencích typicky 120 Hz nebo 240 Hz. (Alternativní přístup-běžný u projekčních pláten, které se nacházejí v hospodách a sledují sport – je pro L A R scény, které mají být zobrazeny s různými polarizacemi, což vyžaduje, aby uživatel nosil tmavé brýle obsahující čočky s různými polarizacemi.)

obrazy vytvořené pomocí tohoto stereoskopického přístupu mohou vyskočit z obrazovky s překvapivým realismem. Stereoskopické obrazy však nejsou dokonalé, protože všechny objekty v nich jsou zaostřeny, bez ohledu na jejich zamýšlenou 3D polohu. V reálném světě jsou naproti tomu různé hloubky 3D obrazu zaostřeny na různých pozicích. Jednou z technik pro vytváření 3D obrazů, které se správně zaměřují, je holografie (obrázek 1b). Hologramy jsou vytvořeny zaznamenáním interferenčního vzoru vytvořeného ve fotosenzitivním materiálu, když se koherentní odražené světlo z objektu překrývá s koherentním referenčním paprskem stejné vlnové délky. Vzor je uložen jako změna absorpce, indexu lomu nebo tloušťky fotosenzitivního materiálu a kopii objektu lze znovu vytvořit osvětlením vzoru odečteným laserem. 3D hologram je v podstatě jako mít hromadu 2D obrázků s vysokým rozlišením, kde každý obrázek představuje jinou rovinu obrazu.

velkou výhodou 3D hologramu je, že vnímání trojrozměrnosti diváka je úplné, protože pro změnu z pohledu na objekt v přední části scény na objekt vzadu musí divák upravit zaostření očí. Bohužel, vytváření a ovládání optických vlnových Front s dostatečnou přesností pro generování realistických holografických obrazů vyžaduje displeje s hustotou pixelů obvykle tisíckrát vyšší, než se nacházejí v dnešních komerčních LCD displejích, stejně jako ohromné množství výpočetní síly počítače pro zpracování potřebných objemů dat. Takže i když jejich obrazy jsou lepší, Další technické inovace je stále zapotřebí, než holografické displeje se stal komerční realitou.

stereoskopie se naproti tomu spoléhá na skutečnost, že naše mozky jsou dobré při odvozování hloubky od našich pravých a levých očí, které mají různé perspektivy obrazu. V praxi to znamená, že stereoskopický displej může vytvořit 3D obraz s použitím pouze dvojnásobného množství dat, které „normální“ displej potřebuje k vytvoření 2D obrazu, a proto se ukazují jako komerčně slibné.

třetím přístupem k vytváření 3D displejů je odstranění konvenčních 2D Pixelů uspořádaných v rovině a místo toho použití 3D, volumetrických pixelů nebo „voxelů“. Jedním ze způsobů, jak vytvořit takové voxely, je použití projektorů svítících na rotující obrazovce (obrázek 1c). Synchronizací projektorů s obrazovkou může být světlo odrazeno od obrazovky v jakékoli poloze uvnitř válcového objemu, který zametá. Ačkoli objemové displeje mohou vytvořit silný 3D dojem, jeden zádrhel je, že světlo promítané do objemu displeje se může volně šířit v tomto prostoru. To může učinit položky průhlednými, s objekty údajně skrytými za ostatními, které mají tendenci „Třpytit se“ před nimi. Objemové displeje bývají také poměrně objemné.

stereoskopie bez brýlí

Zatím jsme popsali stereoskopické 3D displeje založené na brýlích,ale to, co každý chce, je úplně odstranit brýle. Jedná se o aktivní oblast výzkumu, kterou sleduje pravděpodobně každá velká zobrazovací společnost a ze které se nyní začínají objevovat nové spotřební produkty. Například Nintendo již vydalo svou herní konzoli Nintendo 3DS bez brýlí, zatímco 3D mobilní telefony jsou k dispozici od společnosti Sharp.

všechny takové displeje bez brýlí jsou založeny na stereoskopii a úkolem je zajistit, aby na každé oko byly nasměrovány různé obrázky. Existují tři hlavní metody, jak toho dosáhnout, z nichž každá má své vlastní výhody a nevýhody v závislosti na tom, k čemu by mohla být použita. Nejběžnějším přístupem je, když uživatel musí sedět v pevné poloze před obrazovkou,a to se používá například na mobilním telefonu Nintendo 3DS, Sharpu LYNX 3D SH-03C a na displeji na zadní straně fotoaparátu Fujifilm W3 3D. Další přístup zahrnuje sledování zobrazení polohy uživatele, a přestože v současné době na trhu nejsou žádné produkty, které by to používaly, prototypové návrhy byly v posledních letech ukázány na průmyslových výstavách. Konečným řešením je „multi view“, který se již nachází v některých televizorech 3D bez brýlí, i když dosud na trh nedosáhly velkých nájezdů částečně proto, že není snadné generovat multi-view 3D bez změny standardů vysílání.

metoda „pevné polohy“ předpokládá, že uživatel vidí displej čelem, takže jeho pohled je na 90° k samotnému displeji (obrázek 1a) – předpoklad, který platí pro většinu mobilních zařízení. Obraz je rozdělen na malé pruhy L, R, L, R, L, R, přičemž všechny obrázky L jsou odesílány do levého oka a všechny obrázky R jsou odesílány do pravého oka pomocí fyzického zařízení známého jako „paralaxová bariéra“ (obrázek 2). Tato technika, která je známá již téměř 70 let, by samozřejmě mohla být použita na jakékoli obrázky – ať už jsou to fotografie nebo obrazy – nejen na LCD displej, samozřejmě za předpokladu, že levý a pravý obraz lze prokládat do levého a pravého obrazového pruhu pro práci s paralaxovou bariérou.

nevýhodou paralaxové bariéry je to, že protože každé oko může vidět pouze polovinu Pixelů, světlo pohybující se „špatným“ směrem – tj. od pruhu L k pravému oku nebo od pruhu R k levému oku – je absorbováno bariérou. Tím se sníží intenzita displeje přibližně o polovinu a sníží se rozlišení. Z praktického hlediska to znamená, že při použití displeje v konvenčním 2D režimu by měla být odstraněna paralaxová bariéra. Ve většině 3D displejů, jako je 3D mobilní telefon Sharp, je toho dosaženo vytvořením bariéry z vrstvy tekutých krystalů, kterou lze elektricky zapnout nebo vypnout.

bylo by samozřejmě mnohem efektivnější upustit od paralaxové bariéry a místo toho použít čočky, které jsou průhledné, k přesměrování světla L a R do příslušného oka. Vědci již vyvinuli vysoce kvalitní válcové čočky pomocí tekutých krystalů,které to dokážou. Princip je jednoduchý: protože index lomu kapalných krystalů se mění s napětím, čočky vyrobené z těchto materiálů lze zapnout“ zapnuto“, když je přivedeno napětí, a“ vypnuto“, když je napětí odstraněno. Tyto válcové čočky z tekutých krystalů nahradí paralaxovou bariéru a přesměrují světlo ve správném směru (obrázek 3). Tato technologie pravděpodobně v budoucnu zdvojnásobí účinnost 3D displejů bez brýlí, o nichž je známo, že mnoho společností aktivně provádí výzkum.

jednou z nevýhod technologie paralaxy je, že uživatel musí sedět v určité poloze vzhledem k obrazovce. Technika „tracked viewing position“ naproti tomu umožňuje prohlížení 3D obrazovek bez brýlí z jakéhokoli úhlu sledováním polohy hlavy uživatele. Toho lze dosáhnout například namontováním notebooku s webovou kamerou směřující dopředu, která identifikuje polohu obličeje a očí uživatele. Tato technologie je již běžná v mnoha digitálních fotoaparátech prodávaných na hlavní ulici, aby se zajistilo, že se obličej automaticky stane středem pozornosti. Vše, co je pak potřeba pro 3D prohlížení bez brýlí, je automaticky nastavitelná paralaxová bariéra, která může změnit úhel, ve kterém jsou vidět levý a pravý obraz. Kamera pak může identifikovat polohu uživatele, zatímco paralaxová bariéra nasměruje levý a pravý pohled pod příslušným úhlem.

toto nastavení lze provést pomocí algoritmů pro sledování obličeje zapsaných na čipy pro zpracování obrazu, které pracují velmi efektivně, což znamená, že není zapotřebí příliš mnoho výpočetního výkonu. Fotoaparát může také sledovat, jak daleko uživatel sedí od obrazovky, a podle toho upravovat obrázky. V praxi se divák může pohybovat až 30 cm od ideální pozorovací vzdálenosti, zatímco jejich pohyb ze strany na stranu je omezen na přibližně ±30° od normálu. Ubytování více než jednoho uživatele je v zásadě možné, ale složitost systému se výrazně zvyšuje. Kromě toho, že se divák může volně pohybovat, je další výhodou systému sledované polohy sledování to, že pokud je obraz náhodou z počítačem generované scény,lze hledisko upravit podle polohy uživatele. Například, divák mohl doslova rozhlédnout po straně objektu (krychle říci), aby dříve neviditelné tváře to do pohledu.

pokud jde o třetí metodu pro generování 3D-multi – view bez brýlí-jeho cílem je pracovat s širokou škálou pozorovacích pozic a více diváků. K tomu displej výstupy nejen dva pohledy, ale obvykle osm nebo více. Uživatel pak může umístit své oči, aby viděl perspektivy 1 a 3, nebo 2 a 4 atd., Takže 3D efektu lze dosáhnout z široké škály úhlů. Multi-view systém s, řekněme, osm zobrazení vyžaduje osmkrát větší rozlišení než 2D systém, a určitá vynalézavost je nutná k syntéze osmi zobrazení nebo jejich přenosu v dostupné televizní šířce pásma. Tato technologie je však pravděpodobně nejsilnějším uchazečem o 3D televizi bez brýlí, přičemž Philips a Toshiba již uvedly na trh televizi s více pohledy.

rychlý posun vpřed

jak jsme již diskutovali, Sharp již na jednom ze svých mobilních telefonů navrhl a postavil obrazovku z tekutých krystalů, která funguje jako přepínatelná paralaxová bariéra. Používá se v tandemu s konvenčním displejem z tekutých krystalů vybaveným stereoskopickými vstupními daty a poskytuje vysoce kvalitní 3D obrazy bez brýlí. Průmysl elektronických médií má však vizi budoucnosti, ve které 3D displeje nejsou jen specializovaným produktem, ale nedílnou součástí moderního života. To znamená systémy domácího kina zobrazující 3D filmy, počítačové hry se hrají s pohlcujícím 3D prostředím a fotografie z dovolené jsou prezentovány s hloubkou.

proto můžeme očekávat, že pro různé aplikace budou k dispozici různé metody generování 3D, a v rámci každé metody můžeme očekávat vylepšené optické technologie a nové související technologie, jako jsou technologie umožňující 3D interakci. Je vysoce pravděpodobné, že všechna taková zařízení využijí konkrétní elektro-optické vlastnosti kapalných krystalů. Výrobky vystavené na výstavě Royal Society loni v létě, které již letos přicházejí na trh, jsou jen začátkem.