optisk fysik

“”det var mindst en besøgendes reaktion på sidste års Sommervidenskabsudstilling på Royal Society i London. Deres entusiasme skyldtes ikke primært tilstedeværelsen af dronningen, der tidligere havde åbnet udstillingen som en del af selskabets 350-års jubilæum. Hellere, deres spænding var nede på de nyeste flydende krystalskærme, der blev vist fra Sharp Laboratories i Oksford. Seerne var i stand til at se bevægelige billeder i 3D på en bærbar computer – uden behov for specielle briller. De kunne se duer blive fodret på Markuspladsen, Venedig, med fuglene tilsyneladende faldende fra deres skuldre, eller de kunne forkæle sig med et 3D-eventyr, da de forfulgte de onde i det interaktive computerspil jordskælv.

den brillefri 3D-skærm, der blev vist på Royal Society, var bare det seneste eksempel på den revolution, der blev udført af flydende krystalskærme, som nu gør det muligt at se bevægelige billeder på alt fra mobiltelefoner og 46-tommer fladskærms-tv til håndholdte personlige elektroniske spil og iPad og andre tablet-enheder. Alligevel er det forbløffende at tro, at det kun er 40 år siden nøglepatentet blev indgivet, der markerede fødslen af det moderne flydende krystaldisplay-en teknologi, der er så vellykket, at dens akronym, LCD, genkendes øjeblikkeligt selv af ikke – forskere. Selvom organiske lysemitterende dioder (OLED ‘ er), plasmaer og “elektronisk blæk” også ændrer karakteren af det moderne display, er det de bemærkelsesværdige egenskaber ved flydende krystaller, der nu er i spidsen for 3D-displayteknologi.

billeddannelse i 3D

at se billeder i 3D uden briller er en virkelig forbløffende oplevelse, men lad os først se på, hvordan dette passer ind i andre 3D-billedteknikker. Der er tre hovedteknikker – stereoskopisk, holografisk og volumetrisk – som alle fungerer efter de samme principper, uanset om skærmen bruger flydende krystaller, plasmaer eller OLED ‘ er. De har hver især fordele og ulemper med hensyn til realisme, kompleksitet, størrelse og omkostninger, men den mest kommercielt levedygtige metode, der bruges i størstedelen af 3D-tv ‘ erne, der tager high street med storm, indebærer at vise et andet perspektiv på et billede til hver af vores øjne. Denne “stereoskopiske” teknik efterligner den virkelige verden, hvor hvert øje ser et andet perspektiv, og hjernen “smelter” de to billeder sammen for at skabe en 3D-opfattelse af omgivelserne (figur 1a).

opgaven med separat visning af billeder til venstre og højre øje er blevet tacklet på en række geniale måder gennem årene. Afprøvet på biografer så langt tilbage som i 1950 ‘ erne involverer den tilgang, som mange mennesker vil være bekendt med, brugeren iført briller med separate røde og blå farvede linser på henholdsvis venstre og højre øje. Ideen her er, at et billede er opdelt i røde, grønne og blå kanaler, hvor venstre øje kun ser det røde billede og højre øje kun ser de grønne og blå billeder.

nyere systemer fjerner farvede linser og bruger i stedet briller, der skiftevis transmitterer og blokerer lys til hvert øje. Med andre ord fungerer linserne som “optiske skodder”, så det ene øje til enhver tid kan se et stillbillede, men det andet ikke kan. Hvis vi mærker de successive stillbilleder af en film L1, R1, L2, R2, L3, R3 og så videre, ser venstre øje kun “L-scenerne”, og højre øje ser kun “R-scenerne”. Disse briller kræver forskellige elektronik for at få dem til at fungere, mens scenerne selv opdateres ved frekvenser på typisk 120 HS eller 240 HS. (En alternativ tilgang – almindelig med projektionsskærme, der findes på pubber for at se sport på – er, at l-og R-scenerne vises med forskellige polarisationer, hvilket kræver, at brugeren bærer mørke briller, der indeholder linser med forskellige polarisationer.)

billederne produceret ved hjælp af denne stereoskopiske tilgang kan hoppe ud af skærmen med overraskende realisme. Stereoskopiske billeder er imidlertid ikke perfekte, fordi alle objekter i dem er i fokus, uanset deres tilsigtede 3D-position. I den virkelige verden er derimod forskellige dybder af et 3D-billede i fokus på forskellige positioner. En teknik til at skabe 3D-billeder, der beskæftiger sig med fokus korrekt, er holografi (figur 1b). Hologrammer oprettes ved at optage i et lysfølsomt materiale interferensmønsteret, der oprettes, når sammenhængende reflekteret lys fra et objekt overlapper hinanden med en sammenhængende referencestråle med samme bølgelængde. Mønsteret gemmes som en ændring i absorption, brydningsindeks eller tykkelse af det lysfølsomme materiale, og en kopi af objektet kan genskabes ved at belyse mønsteret med en udlæsningslaser. Et 3D-hologram er i det væsentlige som at have en stak 2D-billeder i høj opløsning, hvor hvert billede repræsenterer et andet billedplan.

den store fordel med et 3D-hologram er, at en seers opfattelse af tredimensionalitet er total, fordi seeren skal ændre sig fra at se på et objekt nær fronten af scenen til et objekt bagpå, skal justere deres øjne fokus. Desværre kræver oprettelse og styring af optiske bølgefronter med tilstrækkelig præcision til at generere realistiske holografiske billeder skærme med billedtætheder, der typisk er tusinder af gange højere, end der findes i nutidens kommercielle LCD-skærme, såvel som vidunderlige mængder computerbehandlingskraft til at håndtere de nødvendige datamængder. Så selvom deres billeder er overlegne, kræves der stadig yderligere teknisk innovation, før holografiske skærme bliver en kommerciel virkelighed.

stereoskopi er derimod afhængig af, at vores hjerner er gode til at udlede dybde fra vores højre og venstre øjne med forskellige perspektiver på et billede. I praksis betyder det, at et stereoskopisk display kan oprette et 3D-billede ved kun at bruge dobbelt så meget data, som en “normal” skærm har brug for for at lave et 2D-billede, hvorfor de viser sig så kommercielt lovende.

den tredje tilgang til at lave 3D-skærme er at fjerne konventionelle 2D-billedpunkter arrangeret i et plan og i stedet bruge 3D, volumetriske billedpunkter eller “voksler”. En måde at skabe sådanne vokaler på er at bruge projektorer, der skinner på en spindeskærm (figur 1C). Ved at synkronisere projektorerne med skærmen kan lys reflekteres fra skærmen i enhver position inden for det cylindriske volumen, som det fejer ud. Selvom volumetriske skærme kan skabe et stærkt 3D-indtryk, er en hage, at det lys, der projiceres i skærmens lydstyrke, er frit at sprede sig i hele dette rum. Dette kan gøre genstande gennemsigtige, med genstande, der angiveligt er skjult bag andre, der har tendens til at “skimre igennem” dem foran. Volumetriske skærme har også en tendens til at være ret omfangsrige.

Brillefri stereoskopi

indtil videre har vi beskrevet brillebaserede stereoskopiske 3D-skærme, men hvad alle ønsker er at fjerne brillerne helt. Dette er et aktivt forskningsområde, der forfølges af sandsynligvis alle større displayvirksomheder, og hvorfra nye forbrugerprodukter nu begynder at dukke op. Nintendo har for eksempel allerede frigivet sin brillefri Nintendo 3DS-spilkonsol, mens 3D-mobiltelefoner er tilgængelige fra Sharp.

alle sådanne brillefrie skærme er baseret på stereoskopi, og udfordringen er at sikre, at forskellige billeder rettes mod hvert øje. Der er tre hovedmetoder til at opnå dette, som hver har sine egne fordele og ulemper afhængigt af, hvad det kan bruges til. Den mest almindelige tilgang er, hvor brugeren skal sidde i en fast position foran skærmen, og dette bruges for eksempel på Nintendo 3DS, Sharps GAUPE 3D SH-03C mobiltelefon og i displayet på bagsiden af Fujifilms 3D-kamera. Den næste tilgang involverer displayet, der sporer brugerens visningsposition, og selvom der i øjeblikket ikke er nogen produkter, der bruger dette i øjeblikket på markedet, er der vist prototypedesign på brancheudstillinger i de senere år. Den endelige tack er” multi-visning”, som allerede findes i nogle brillefrie 3D-fjernsyn, selvom de endnu ikke har gjort store indhug på markedet, dels fordi det ikke er let at generere 3D med flere visninger uden at ændre tv-standarder.

metoden “fast position” antager, at brugeren ser skærmen frontalt, så deres blik er på 90 liter til selve skærmen (figur 1a)-en antagelse, der gælder for de fleste mobile enheder. Billedet er adskilt i små striber L, R, L, R, L, R, hvor alle L-billederne sendes til venstre øje, og alle R-billederne sendes til højre øje ved hjælp af en fysisk enhed kendt som en “parallaksbarriere” (figur 2). Denne teknik, der har været kendt i næsten 70 år, kunne naturligvis anvendes på alle billeder – det være sig fotos eller malerier – ikke kun et LCD-display, forudsat at venstre og højre billeder kan flettes sammen i venstre og højre billedstriber for at arbejde med parallaksbarrieren.

en ulempe ved parallaksbarrieren er, at fordi hvert øje kun får lov til at se halvdelen af billedpunkterne, absorberes lys, der bevæger sig i den “forkerte” retning – dvs.fra en L – stribe til højre øje eller fra R-stribe til venstre øje-af barrieren. Dette reducerer intensiteten fra displayet med cirka halvdelen og reducerer opløsningen. I praksis betyder det, at når displayet bruges i konventionel 2D-tilstand, skal parallaksbarrieren fjernes. I de fleste 3D-skærme, såsom Sharps 3d-mobiltelefon, opnås dette ved at fremstille barrieren fra et flydende krystallag, der kan tændes eller slukkes elektrisk.

det ville selvfølgelig være meget mere effektivt at dispensere med en parallaksbarriere og i stedet bruge linser, som er gennemsigtige, til at omdirigere l-og R-lyset til det passende øje. Faktisk har forskere allerede udviklet cylindriske linser af høj kvalitet ved hjælp af flydende krystaller, der kan gøre netop det. Princippet er simpelt: da brydningsindekset for flydende krystaller varierer med spænding, kan linser fremstillet af disse materialer tændes”, når en spænding påføres, og” slukkes”, når spændingen fjernes. Disse cylindriske flydende krystallinser træder i stedet for parallaksbarrieren og omdirigerer lyset i den rigtige retning (figur 3). Denne teknologi vil sandsynligvis fordoble effektiviteten af briller-fri 3D-skærme i fremtiden, med mange virksomheder, der vides at aktivt udføre forskning i dem.

en ulempe ved parallaksteknologi er, at brugeren skal sidde i en bestemt position i forhold til skærmen. Teknikken” sporet visningsposition ” gør det derimod muligt at se 3D-skærme uden briller fra enhver vinkel ved at spore brugerens hovedposition. Dette kan opnås ved for eksempel at montere en bærbar computer med et fremadvendt netkamera for at identificere placeringen af brugerens ansigt og øjne. Faktisk er denne teknologi allerede almindelig i mange digitale kameraer, der sælges på high street for at sikre, at et ansigt automatisk bliver centrum for fokus. Alt, hvad der derefter er nødvendigt til brillefri 3D-visning, er en automatisk justerbar parallaksbarriere, der kan ændre vinklen, hvor venstre og højre billeder ses. Kameraet kan derefter identificere brugerens position, mens parallaksbarrieren styrer venstre og højre perspektiv i den passende vinkel.

denne justering kan udføres ved hjælp af ansigtssporingsalgoritmer skrevet på billedbehandlingschips, som fungerer meget effektivt, hvilket betyder, at der ikke kræves for meget processorkraft. Kameraet kan også overvåge, hvor langt en bruger sidder fra skærmen og justere billederne i overensstemmelse hermed. I praksis kan seeren bevæge sig op til 30 cm fra den ideelle synsafstand, mens deres side-til-side bevægelse er begrænset til ca. Det er i princippet muligt at rumme mere end en bruger, men systemets kompleksitet øges markant. Ud over at seeren er fri til at bevæge sig rundt, er den anden fordel ved det sporede visningspositionssystem, at hvis billedet tilfældigvis er fra en computergenereret scene, kan synspunktet justeres i henhold til brugerens position. For eksempel kunne en seer bogstaveligt talt se sig omkring siden af et objekt (en terning siger) for at bringe tidligere usete ansigter af det til syne.

hvad angår den tredje metode til generering af briller-fri 3D – multi-visning – er målet at arbejde med en bred vifte af visningspositioner og flere seere. For at gøre dette viser displayet ikke kun to perspektiver, men typisk otte eller flere. Brugeren kan derefter placere deres øjne for at se perspektiver 1 og 3, eller 2 og 4 osv., Så 3D-effekten kan opnås fra en lang række vinkler. Otte visninger kræver otte gange større opløsning end et 2D-system, og der kræves en vis opfindsomhed for at syntetisere de otte visninger eller transmittere dem i den tilgængelige tv-båndbredde. Ikke desto mindre er denne teknologi sandsynligvis den stærkeste konkurrent til brillefrit 3D-tv, hvor Philips og Toshiba begge allerede har lanceret et tv med flere visninger på markedet.

hurtigt fremad

som vi har diskuteret, har Sharp allerede designet og bygget en flydende krystalskærm på en af sine mobiltelefoner, der fungerer som en omskiftelig parallaksbarriere. Anvendes i tandem med et konventionelt flydende krystal display forsynet med stereoskopiske inputdata, giver dette system højkvalitets briller-fri 3D-billeder. Imidlertid har den elektroniske medieindustri en vision om fremtiden, hvor 3D-skærme ikke kun er et nicheprodukt, men en integreret del af det moderne liv. Det betyder hjemmebiografsystemer, der viser 3D-film, computerspil, der spilles med et fordybende 3D-miljø, og feriefotografier, der præsenteres med dybde.

vi kan derfor forvente, at en række 3D-generationsmetoder bliver tilgængelige for de forskellige applikationer, og inden for hver metode kan vi forvente forbedrede optiske teknologier og nye relaterede teknologier som dem, der muliggør 3D-interaktion. Det er meget sandsynligt, at alle sådanne indretninger vil udnytte de særlige elektro-optiske egenskaber af flydende krystaller. De produkter, der blev vist på Royal Society-udstillingen sidste sommer, som allerede kommer på markedet i år, er bare starten.