Física óptica

«Wow, eso es increíble» fue al menos la reacción de un visitante a la Exposición de Ciencia de Verano del año pasado en la Royal Society de Londres. Su entusiasmo no se debió principalmente a la presencia de la Reina, que había inaugurado anteriormente la exposición como parte de las celebraciones del 350 aniversario de la sociedad. Más bien, su entusiasmo se debió a las últimas pantallas de cristal líquido en exhibición de Sharp Laboratories en Oxford. Los espectadores pudieron ver imágenes en movimiento en 3D en una computadora portátil, sin necesidad de gafas especiales. Podían ver palomas alimentadas en la Plaza de San Marcos, Venecia, con los pájaros aparentemente descendiendo de sus hombros, o podían disfrutar de una aventura en 3D mientras perseguían a los malos en el juego interactivo de computadora Quake.

La pantalla 3D sin gafas que se exhibió en la Royal Society fue solo el último ejemplo de la revolución forjada por las pantallas de cristal líquido, que ahora permiten ver imágenes en movimiento en todo, desde teléfonos móviles y televisores de pantalla plana de 46 pulgadas hasta juegos electrónicos personales de mano y el iPad y otros dispositivos de tableta. Sin embargo, es increíble pensar que solo han pasado 40 años desde que se presentó la patente clave que marcó el nacimiento de la moderna pantalla de cristal líquido, una tecnología tan exitosa que su acrónimo, LCD, es reconocido instantáneamente incluso por no científicos. Aunque los diodos emisores de luz orgánicos (OLED), los plasmas y la «tinta electrónica» también están cambiando la naturaleza de la pantalla moderna, son las notables propiedades de los cristales líquidos las que ahora están a la vanguardia de la tecnología de pantalla 3D.

Imágenes en 3D

Ver imágenes en 3D sin gafas es una experiencia verdaderamente asombrosa, pero primero veamos cómo encaja esto con otras técnicas de imágenes en 3D. Hay tres técnicas principales-estereoscópica, holográfica y volumétrica – que funcionan con los mismos principios, independientemente de si la pantalla utiliza cristales líquidos, plasmas u OLEDs. Cada uno de ellos tiene ventajas y desventajas en términos de realismo, complejidad, tamaño y costo, pero el método más viable comercialmente, que se utiliza en la mayor parte de los televisores 3D que toman la calle principal por asalto, implica mostrar una perspectiva diferente de una imagen a cada uno de nuestros ojos. Esta técnica » estereoscópica «imita el mundo real, donde cada ojo ve una perspectiva diferente y el cerebro» fusiona » las dos imágenes para crear una percepción 3D del entorno (figura 1a).

La tarea de mostrar imágenes por separado a los ojos izquierdo y derecho se ha abordado de una variedad de maneras ingeniosas a lo largo de los años. Probado en cines ya en la década de 1950, el enfoque con el que muchas personas estarán familiarizadas implica que el usuario use gafas con lentes de color rojo y azul separados en el ojo izquierdo y derecho, respectivamente. La idea aquí es que una imagen se divide en canales rojos, verdes y azules, con el ojo izquierdo viendo solo la imagen roja y el ojo derecho viendo solo las imágenes verdes y azules.

Los sistemas más recientes eliminan las lentes de color y, en su lugar, utilizan gafas que transmiten y bloquean la luz de forma alternativa a cada ojo. En otras palabras, las lentes actúan como» persianas ópticas » de modo que en cualquier momento un ojo puede ver una imagen fija, pero el otro no puede. Si etiquetamos las imágenes fijas sucesivas de una película L1, R1, L2, R2, L3, R3 y así sucesivamente, entonces el ojo izquierdo solo ve las «escenas L» y el ojo derecho solo ve las «escenas R». Estas gafas requieren varios bits de electrónica para que funcionen, mientras que las escenas en sí se actualizan a frecuencias de típicamente 120 Hz o 240 Hz. (Un enfoque alternativo, común con las pantallas de proyección que se encuentran en los pubs para ver deportes, es que las escenas L y R se muestren con diferentes polarizaciones, lo que requiere que el usuario use gafas oscuras que contengan lentes con diferentes polarizaciones.)

Las imágenes producidas con este enfoque estereoscópico pueden saltar de la pantalla con un realismo sorprendente. Sin embargo, las imágenes estereoscópicas no son perfectas porque todos los objetos en ellas están enfocados, independientemente de su posición 3D prevista. En el mundo real, por el contrario, diferentes profundidades de una imagen 3D están enfocadas en diferentes posiciones. Una técnica para crear imágenes 3D que se ocupa del enfoque correctamente es la holografía (figura 1b). Los hologramas se crean registrando en un material fotosensible el patrón de interferencia creado cuando la luz reflejada coherente de un objeto se superpone con un haz de referencia coherente de la misma longitud de onda. El patrón se almacena como un cambio en la absorción, el índice de refracción o el grosor del material fotosensible y se puede recrear una copia del objeto iluminando el patrón con un láser de lectura. Un holograma 3D es esencialmente como tener una pila de imágenes 2D de alta resolución, donde cada imagen representa un plano de imagen diferente.

La gran ventaja de un holograma 3D es que la percepción de tridimensionalidad de un espectador es total porque para cambiar de mirar un objeto cerca de la parte frontal de la escena a un objeto en la parte posterior, el espectador necesita ajustar el enfoque de sus ojos. Desafortunadamente, la creación y el control de frentes de onda ópticos con la precisión suficiente para generar imágenes holográficas realistas requiere pantallas con densidades de píxeles típicamente miles de veces más altas que las que se encuentran en las pantallas LCD comerciales de hoy en día, así como cantidades prodigiosas de potencia de procesamiento informático para manejar los volúmenes de datos necesarios. Por lo tanto, aunque sus imágenes son superiores, aún se requiere una mayor innovación técnica antes de que las pantallas holográficas se conviertan en una realidad comercial.

La estereoscopia, por el contrario, se basa en el hecho de que nuestros cerebros son buenos para deducir la profundidad de nuestros ojos derecho e izquierdo que tienen diferentes perspectivas de una imagen. En la práctica, esto significa que una pantalla estereoscópica puede crear una imagen 3D utilizando solo el doble de la cantidad de datos que una pantalla «normal» necesita para crear una imagen 2D, por lo que están demostrando ser tan prometedoras comercialmente.

El tercer enfoque para hacer pantallas 3D es eliminar los píxeles 2D convencionales dispuestos en un plano y, en su lugar, usar píxeles volumétricos 3D o «vóxeles». Una forma de crear tales vóxeles es usar proyectores que brillen en una pantalla giratoria (figura 1c). Al sincronizar los proyectores con la pantalla, la luz se puede reflejar fuera de la pantalla en cualquier posición dentro del volumen cilíndrico que barre. Aunque las pantallas volumétricas pueden crear una fuerte impresión 3D, un inconveniente es que la luz proyectada en el volumen de la pantalla es libre de propagarse por todo este espacio. Esto puede hacer que los objetos sean transparentes, con objetos supuestamente ocultos detrás de otros que tienden a» brillar » a través de los que están delante. Las pantallas volumétricas también tienden a ser bastante voluminosas.

Estereoscopía sin gafas

Hasta ahora hemos descrito pantallas 3D estereoscópicas basadas en gafas, pero lo que todos quieren es eliminar las gafas por completo. Este es un área activa de investigación que probablemente llevan a cabo todas las grandes empresas de expositores y de la que están empezando a surgir nuevos productos de consumo. Nintendo, por ejemplo, ya ha lanzado su consola de juegos Nintendo 3DS sin gafas, mientras que los teléfonos móviles 3D están disponibles en Sharp.

Todas estas pantallas sin gafas se basan en estereoscopía y el desafío es garantizar que se dirijan diferentes imágenes a cada ojo. Hay tres métodos principales para lograr esto, cada uno de los cuales tiene sus propias ventajas y desventajas dependiendo de para qué se pueda usar. El enfoque más común es cuando el usuario tiene que sentarse en una posición fija frente a la pantalla, y esto se usa, por ejemplo, en el Nintendo 3DS, el teléfono móvil LYNX 3D SH-03C de Sharp y en la pantalla en la parte posterior de la cámara 3D W3 de Fujifilm. El siguiente enfoque consiste en el seguimiento de la posición de visualización del usuario, y aunque actualmente no hay productos que utilicen esto en el mercado, los diseños de prototipos se han mostrado en exposiciones de la industria en los últimos años. La táctica final es «multi-view», que ya se encuentra en algunos televisores 3D sin gafas, aunque todavía no han hecho grandes incursiones en el mercado, en parte porque no es fácil generar 3D multi-view sin cambiar los estándares de transmisión.

El método de «posición fija» asume que el usuario ve la pantalla de frente para que su mirada esté a 90° de la pantalla en sí (figura 1a), una suposición válida para la mayoría de los dispositivos móviles. La imagen se separa en pequeñas rayas L, R, L, R, L, R, con todas las imágenes L enviadas al ojo izquierdo y todas las imágenes R enviadas al ojo derecho por medio de un dispositivo físico conocido como «barrera de paralaje» (figura 2). Esta técnica, que se conoce desde hace casi 70 años, por supuesto se podría aplicar a cualquier imagen, ya sean fotos o pinturas, no solo a una pantalla LCD, siempre que, por supuesto, las imágenes izquierda y derecha se puedan entrelazar en rayas de imagen izquierda y derecha para trabajar con la barrera de paralaje.

Una desventaja de la barrera de paralaje es que debido a que a cada ojo se le permite ver solo la mitad de los píxeles, la luz que viaja en la dirección «incorrecta», es decir, de una franja L al ojo derecho o de la franja R al ojo izquierdo, es absorbida por la barrera. Esto reduce la intensidad de la pantalla a la mitad y reduce la resolución. En términos prácticos, esto significa que cuando la pantalla se utiliza en modo 2D convencional, la barrera de paralaje debe eliminarse. En la mayoría de las pantallas 3D, como el teléfono móvil 3D de Sharp, esto se logra haciendo la barrera de una capa de cristal líquido que se puede encender o apagar eléctricamente.

Por supuesto, sería mucho más eficiente prescindir de una barrera de paralaje y, en su lugar, usar lentes, que son transparentes, para redirigir la luz L y R al ojo apropiado. De hecho, los investigadores ya han desarrollado lentes cilíndricas de alta calidad con cristales líquidos que pueden hacer precisamente eso. El principio es simple: como el índice de refracción de los cristales líquidos varía con el voltaje, las lentes hechas de estos materiales se pueden encender cuando se aplica un voltaje y apagarse cuando se elimina el voltaje. Estas lentes cilíndricas de cristal líquido toman el lugar de la barrera de paralaje, redirigiendo la luz en la dirección correcta (figura 3). Es probable que esta tecnología duplique la eficiencia de las pantallas 3D sin gafas en el futuro, y se sabe que muchas empresas están investigando activamente sobre ellas.

Un inconveniente de la tecnología de paralaje es que el usuario tiene que sentarse en una determinada posición con respecto a la pantalla. La técnica de «posición de visualización rastreada», por el contrario, permite ver pantallas 3D sin gafas desde cualquier ángulo mediante el seguimiento de la posición de la cabeza del usuario. Esto podría lograrse, por ejemplo, instalando una computadora portátil con una cámara web orientada hacia adelante para identificar la ubicación de la cara y los ojos del usuario. De hecho, esta tecnología ya es común en muchas cámaras digitales que se venden en la calle principal para garantizar que una cara se convierta automáticamente en el centro de enfoque. Todo lo que se necesita para la visualización en 3D sin gafas es una barrera de paralaje ajustable automáticamente que pueda cambiar el ángulo en el que se ven las imágenes izquierda y derecha. La cámara puede identificar la posición del usuario, mientras que la barrera de paralaje dirige las perspectivas izquierda y derecha en el ángulo apropiado.

Este ajuste se puede realizar utilizando algoritmos de seguimiento facial escritos en chips de procesamiento de imágenes, que funcionan de manera muy eficiente, lo que significa que no se requiere demasiada potencia de procesamiento. La cámara también puede controlar qué tan lejos está sentado un usuario de la pantalla y ajustar las imágenes en consecuencia. En la práctica, el espectador puede moverse hasta 30 cm desde la distancia de visión ideal, mientras que su movimiento de lado a lado está limitado a aproximadamente ±30° de la distancia normal. En principio, es posible acomodar a más de un usuario, pero la complejidad del sistema aumenta significativamente. Además de que el espectador es libre de moverse, la otra ventaja del sistema de posición de visualización con seguimiento es que si la imagen proviene de una escena generada por computadora, el punto de vista se puede ajustar de acuerdo con la posición del usuario. Por ejemplo, un espectador podría mirar literalmente alrededor del lado de un objeto (un cubo, por ejemplo) para poner a la vista caras no vistas previamente.

En cuanto al tercer método para generar múltiples vistas en 3D sin gafas, su objetivo es trabajar con una amplia gama de posiciones de visualización y múltiples visores. Para hacer esto, la pantalla muestra no solo dos perspectivas, sino típicamente ocho o más. El usuario puede posicionar sus ojos para ver las perspectivas 1 y 3, o 2 y 4, etc., para que el efecto 3D se pueda lograr desde una amplia gama de ángulos. Un sistema multipista con, por ejemplo, ocho vistas requiere una resolución ocho veces mayor que un sistema 2D, y se requiere algo de ingenio para sintetizar las ocho vistas o transmitirlas en el ancho de banda de televisión disponible. Sin embargo, esta tecnología es probablemente el competidor más fuerte para la televisión 3D sin gafas, con Philips y Toshiba que ya han lanzado al mercado una televisión multipista.

Avance rápido

Como hemos comentado, Sharp ya ha diseñado y construido una pantalla de cristal líquido en uno de sus teléfonos móviles que funciona como una barrera de paralaje conmutable. Utilizado en conjunto con una pantalla convencional de cristal líquido provista de datos de entrada estereoscópicos, este sistema ofrece imágenes 3D de alta calidad sin gafas. Sin embargo, la industria de los medios electrónicos tiene una visión del futuro en la que las pantallas 3D no son solo un producto de nicho, sino una parte integral de la vida moderna. Eso significa sistemas de cine en casa que muestran películas en 3D, juegos de computadora que se juegan con un entorno 3D inmersivo y fotografías navideñas que se presentan con profundidad.

Por lo tanto, podemos esperar una variedad de métodos de generación 3D disponibles para las diferentes aplicaciones, y dentro de cada método podemos esperar tecnologías ópticas mejoradas y nuevas tecnologías relacionadas, como las que permiten la interacción 3D. Es muy probable que todos estos dispositivos exploten las propiedades electroópticas particulares de los cristales líquidos. Los productos expuestos en la exposición de la Royal Society el verano pasado, que ya están saliendo al mercado este año, son solo el comienzo.