optinen fysiikka

”Wow, that ’s amazing” oli ainakin yhden kävijän reaktio viime vuoden kesän Tiedenäyttelyyn Lontoon Royal Societyssa. Innostus ei johtunut ensisijaisesti kuningattaren läsnäolosta, sillä hän oli aiemmin avannut näyttelyn osana seuran 350-vuotisjuhlallisuuksia. Heidän innostuksensa johtui pikemminkin viimeisimmistä Oxfordissa sijaitsevista Sharp Laboratoriesin nestekidenäytöistä. Katsojat pystyivät katsomaan liikkuvaa kuvaa 3D: nä kannettavalla tietokoneella – ilman erikoislaseja. He saattoivat nähdä kyyhkyset ruokitaan St Marks Square, Venetsia, jossa linnut ilmeisesti laskeutuvat olkapäistään, tai he voisivat hemmotella 3D seikkailu kuin he ajoivat pahiksia interaktiivinen tietokonepeli Quake.

Royal Societyn esillä ollut silmälasiton 3D-näyttö oli vain viimeisin esimerkki nestekidenäyttöjen aikaansaamasta vallankumouksesta, jonka ansiosta liikkuvaa kuvaa voidaan nyt katsella kaikkialla matkapuhelimista ja 46-tuumaisista taulutelevisioista käsin kannettaviin henkilökohtaisiin elektronisiin peleihin ja iPadiin ja muihin tablettilaitteisiin. On kuitenkin hämmästyttävää ajatella, että on vain 40 vuotta siitä, kun keskeinen patentti jätettiin, mikä merkitsi nykyaikaisen nestekidenäytön syntyä-teknologia, joka on niin menestyksekäs, että sen lyhenne, LCD, on heti tunnistettavissa myös ei – tiedemiesten keskuudessa. Vaikka myös orgaaniset valodiodit (OLEDit), plasmat ja ”elektroninen muste” muuttavat modernin näytön luonnetta, juuri nestekiteiden huomattavat ominaisuudet ovat nyt 3D-näyttötekniikan eturintamassa.

kuvantaminen 3D: ssä

kuvien katselu 3D: ssä ilman laseja on todella ällistyttävä kokemus, mutta katsotaan ensin, miten tämä sopii yhteen muiden 3D-kuvantamistekniikoiden kanssa. On olemassa kolme pääasiallista tekniikkaa – stereoskooppinen, holografinen ja volumetrinen – jotka kaikki toimivat samoilla periaatteilla riippumatta siitä, käyttääkö näyttö nestekiteitä, plasmoja vai Oledeja. Niillä jokaisella on etuja ja haittoja realismin, monimutkaisuus, koko ja kustannukset, mutta kaupallisesti kannattavin menetelmä, jota käytetään suurin osa 3D televisiot ottaen high street myrskyn, liittyy osoittaa eri näkökulmasta kuvan jokaisen silmämme. Tämä ”stereoskooppinen” tekniikka jäljittelee reaalimaailmaa, jossa kumpikin silmä näkee eri näkökulman ja aivot ”sulattavat” kaksi kuvaa yhteen luodakseen 3D-havainnon ympäristöstä (kuva 1A).

tehtävään, jossa kuvia näytetään erikseen vasemmalle ja oikealle silmälle, on vuosien varrella tartuttu monin kekseliäin tavoin. Jo 1950-luvulla elokuvateattereissa kokeiltu lähestymistapa, jonka monet tuntevat, koskee käyttäjää, joka käyttää laseja, joissa on erilliset punaiset ja siniset linssit vasemmassa ja oikeassa silmässä. Ajatuksena tässä on, että kuva jaetaan punaisiin, vihreisiin ja sinisiin kanaviin siten, että vasen silmä näkee vain punaisen kuvan ja oikea silmä näkee vain vihreän ja sinisen kuvan.

uudemmat järjestelmät poistavat värilliset linssit ja käyttävät sen sijaan laseja, jotka lähettävät ja salpaavat vuorotellen valoa kumpaankin silmään. Toisin sanoen linssit toimivat ”optisina ikkunaluukkuina” niin, että minä hetkenä hyvänsä toinen silmä voi nähdä still-kuvan, mutta toinen ei. Jos leimaamme peräkkäiset still-kuvat elokuvasta L1, R1, L2, R2, L3, R3 ja niin edelleen, niin vasen silmä näkee vain ”l kohtauksia” ja oikea silmä näkee vain ”R kohtauksia”. Nämä lasit vaativat erilaisia vähän elektroniikkaa, jotta ne toimivat, kun taas itse kohtauksia päivitetään taajuuksilla tyypillisesti 120 Hz tai 240 Hz. (Vaihtoehtoinen lähestymistapa-yhteinen valkokankaat löytyy pubeissa katsella urheilua – on, että L ja R kohtauksia näytetään eri polarizations, joka edellyttää käyttäjä käyttää tummia laseja sisältävät linssit eri polarizations.)

tällä stereoskooppisella lähestymistavalla tuotetut kuvat voivat hypätä ruudusta yllättävän realistisesti. Stereoskooppiset kuvat eivät kuitenkaan ole täydellisiä, koska kaikki niissä olevat esineet ovat tarkennuksessa riippumatta niiden tarkoitetusta 3D-asennosta. Oikeassa maailmassa taas 3D-kuvan eri syvyydet ovat tarkentuneet eri asentoihin. Yksi tekniikka 3D-kuvien luomiseen, joka käsittelee tarkennusta oikein, on holografia (kuva 1b). Hologrammit luodaan tallentamalla valoherkkään materiaaliin interferenssikuvio, joka syntyy, kun kohteesta heijastuva koherentti valo limittyy samalla aallonpituudella olevan koherentin vertailusäteen kanssa. Kuvio tallentuu valoherkän materiaalin absorption, taitekertoimen tai paksuuden muutoksena ja kappaleen kopio voidaan luoda uudelleen valaisemalla kuvio lukulaserilla. 3D-hologrammi on pohjimmiltaan kuin pino korkearesoluutioisia 2D-kuvia, joissa jokainen kuva edustaa eri kuvatasoa.

3D-hologrammin suuri etu on se, että katsojan käsitys kolmiulotteisuudesta on täydellinen, koska muuttuakseen lähellä kohtausta olevan kohteen katsomisesta takana olevaan esineeseen katsojan on säädettävä silmiensä tarkennusta. Valitettavasti optisten aaltorintamien luominen ja ohjaaminen riittävän tarkasti realististen holografisten kuvien tuottamiseksi edellyttää näyttöjä, joiden pikselitiheydet ovat tyypillisesti tuhansia kertoja suurempia kuin nykyisissä kaupallisissa nestekidenäytöissä, sekä suunnattomia määriä tietokoneen prosessointitehoa tarvittavan datamäärän käsittelemiseksi. Vaikka heidän kuvansa ovat siis parempia, tarvitaan vielä lisää teknisiä innovaatioita, ennen kuin holografisista näytöksistä tulee kaupallista todellisuutta.

Stereoskopia sen sijaan perustuu siihen, että aivomme ovat hyviä päättelemään syvyyttä oikeasta ja vasemmasta silmästämme, joilla on eri näkökulmia kuvasta. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että stereoskooppinen näyttö voi luoda 3D-kuvan käyttämällä vain kaksi kertaa enemmän dataa kuin ”normaali” näyttö tarvitsee 2D-kuvan tekemiseen, minkä vuoksi ne osoittautuvat niin kaupallisesti lupaaviksi.

kolmas lähestymistapa 3D-näyttöjen tekemiseen on luopua tavanomaisista 2D-pikseleistä, jotka on järjestetty tasoon, ja käyttää sen sijaan 3D -, volumetrisiä pikseleitä eli ”vokseleita”. Yksi tapa luoda tällaisia vokseleita on käyttää projektoreita, jotka loistavat kehruuruudulla (kuva 1C). Synkronoimalla projektorit näytön kanssa valo voidaan heijastaa pois näytöltä mihin tahansa kohtaan sylinteritilavuudessa, jonka se pyyhkäisee pois. Vaikka volumetriset näytöt voivat luoda vahvan 3D-vaikutelman, yksi pulma on se, että näytön tilavuuteen heijastuva valo pääsee vapaasti leviämään koko tähän tilaan. Tämä voi tehdä esineistä läpinäkyviä, ja esineet, joiden oletetaan olevan piilossa toisten takana, pyrkivät ”hohtamaan” edessä olevien läpi. Volumetriset näytöt ovat myös yleensä melko kookkaita.

Silmälasiton stereoskopia

tähän mennessä olemme kuvanneet silmälasipohjaisia stereoskooppisia 3D-näyttöjä, mutta kaikki haluavat eroon silmälaseista kokonaan. Tämä on aktiivinen tutkimusala, jota luultavasti kaikki suuret näyttöyritykset harjoittavat ja josta uusia kuluttajatuotteita alkaa nyt syntyä. Esimerkiksi Nintendo on jo julkaissut silmälasittoman Nintendo 3DS-pelikonsolinsa, kun taas 3D-matkapuhelimia on saatavilla Sharpilta.

kaikki tällaiset silmälasittomat näytöt perustuvat stereoskopiaan ja haasteena on varmistaa, että eri kuvat suunnataan kumpaankin silmään. Tämän saavuttamiseksi on kolme pääasiallista menetelmää, joista jokaisella on omat etunsa ja haittansa riippuen siitä, mihin sitä voidaan käyttää. Tavallisimmin käyttäjän on istuttava kiinteässä asennossa näytön edessä, ja Tätä käytetään esimerkiksi Nintendo 3DS: ssä, Sharpin LYNX 3D SH-03C-matkapuhelimessa ja Fujifilmin W3 3D-kameran takaosan näytössä. Seuraava lähestymistapa liittyy näytön seuranta katseluasento käyttäjän, ja vaikka tällä hetkellä markkinoilla ei ole tuotteita, jotka käyttävät tätä tällä hetkellä, prototyyppejä on esitetty alan näyttelyissä viime vuosina. Lopullinen tack on” multi view”, joka on jo löytyy joitakin lasit-free 3d televisiot, vaikka ne eivät ole tehneet suuria tunkeutumista markkinoille vielä osittain siksi, että se ei ole helppo tuottaa multi-view 3D muuttamatta lähetysstandardeja.

”kiinteä asento” -menetelmä olettaa, että käyttäjä katselee näyttöä pää edellä, joten hänen katseensa on 90° suhteessa itse näyttöön (kuva 1A) – oletus, joka pätee useimpiin mobiililaitteisiin. Kuva on erotettu pieniksi raidoiksi L, R, L, R, L, R, R, siten, että kaikki L-kuvat lähetetään vasempaan silmään ja kaikki R-kuvat oikeaan silmään fyysisellä laitteella, joka tunnetaan nimellä ”parallaksimuuri” (kuva 2). Tätä tekniikkaa, joka on tunnettu lähes 70 vuotta, voitaisiin tietenkin soveltaa kaikkiin kuviin – olivatpa ne valokuvia tai maalauksia – ei vain LCD-näyttö, edellyttäen tietenkin, että vasen ja oikea kuvat voidaan yhdistää vasemmalle ja oikealle kuvan raidat työskennellä parallaksi este.

parallaksiesteen haittana on se, että koska kumpikin silmä saa nähdä vain puolet pikseleistä, este absorboi valon, joka kulkee ”väärään” suuntaan – eli L – juovasta oikeaan silmään tai R-juovasta vasempaan silmään. Tämä leikkaa näytön intensiteetin noin puoleen ja pienentää resoluutiota. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että kun näyttöä käytetään tavanomaisessa 2D-tilassa, parallaksimuuri tulee poistaa. Useimmissa 3D-näytöissä, kuten Sharpin 3D-matkapuhelimessa, tämä saavutetaan tekemällä este nestekidekerroksesta, joka voidaan kytkeä päälle tai pois päältä sähköisesti.

olisi tietenkin paljon tehokkaampaa luopua parallaksiesteestä ja käyttää sen sijaan läpinäkyviä linssejä L-ja R-valon ohjaamiseksi sopivaan silmään. Tutkijat ovatkin jo kehittäneet korkealaatuisia lieriömäisiä linssejä, joissa käytetään nestekiteitä, jotka pystyvät juuri tähän. Periaate on yksinkertainen: koska nestekiteiden taitekerroin vaihtelee jännitteen mukaan, näistä materiaaleista valmistetut linssit voidaan kytkeä ”päälle” jännitteen kohdistuessa ja ”pois päältä” jännitteen poistuessa. Nämä lieriömäiset nestekidelinssit ottavat parallaksin esteen paikan ohjaten valoa oikeaan suuntaan (kuva 3). Tämä teknologia todennäköisesti kaksinkertaistaa lasittomien 3D-näyttöjen tehokkuuden tulevaisuudessa, ja monien yritysten tiedetään tutkivan niitä aktiivisesti.

Parallax-tekniikan yksi haittapuoli on se, että käyttäjän on istuttava tietyssä asennossa suhteessa näyttöön. ”Tracked viewing position” – tekniikka sen sijaan mahdollistaa 3D-näyttöjen katsomisen ilman laseja mistä tahansa kulmasta seuraamalla käyttäjän pään asentoa. Tämä voitaisiin saavuttaa esimerkiksi asentamalla kannettavaan tietokoneeseen eteenpäin suunnattu web-kamera, joka tunnistaa käyttäjän kasvojen ja silmien sijainnin. Tämä tekniikka onkin jo yleistä monissa pääkadulla myytävissä digitaalikameroissa, joilla varmistetaan, että kasvot tulevat automaattisesti keskipisteeksi. Silmälasittomaan 3D-katseluun tarvitaan sitten vain automaattisesti säädettävä parallaksi-este, joka voi muuttaa vasemman ja oikean kuvan katselukulmaa. Kamera voi sitten tunnistaa käyttäjän asennon, kun taas parallaksimuuri ohjaa vasemman ja oikean perspektiivin sopivaan kulmaan.

tämä säätö voidaan suorittaa kuvankäsittelysiruille kirjoitetuilla kasvojenseurantalgoritmeilla, jotka toimivat erittäin tehokkaasti, eli prosessointitehoa ei tarvita liikaa. Kameralla voi myös seurata, kuinka kaukana käyttäjä istuu ruudusta ja säätää kuvia sen mukaan. Käytännössä katsoja voi liikkua jopa 30 cm ihanteelliselta katseluetäisyydeltä, kun taas sivusta toiseen liikkuminen on rajoitettu noin ±30° normaalista. Useamman kuin yhden käyttäjän huomioiminen on periaatteessa mahdollista, mutta järjestelmän monimutkaisuus lisääntyy merkittävästi. Sen lisäksi, että katsoja voi liikkua vapaasti, toinen seuratun katseluasentojärjestelmän etu on se, että jos kuva sattuu olemaan tietokoneella luodusta kohtauksesta, katselua voidaan säätää käyttäjän sijainnin mukaan. Katsoja saattoi esimerkiksi kirjaimellisesti katsoa esineen kylkeä (kuutiossa sanotaan) tuodakseen sen aiemmin näkemättömiä kasvoja näkyviin.

kuten kolmas menetelmä lasittoman 3D-moninäkymän tuottamiseksi-sen tavoitteena on toimia monenlaisten katselupaikkojen ja useiden katsojien kanssa. Tätä varten näyttö ei lähde vain kahdesta perspektiivistä, vaan tyypillisesti kahdeksasta tai useammasta. Käyttäjä voi sitten asettaa silmänsä näkemään näkökulmat 1 ja 3, tai 2 ja 4, jne, Joten 3D-efekti voidaan saavuttaa monesta eri kulmasta. Moninäkymäjärjestelmä, jossa on vaikkapa kahdeksan näkymää, vaatii kahdeksan kertaa suuremman resoluution kuin 2D-järjestelmä, ja kahdeksan näkymän syntetisoiminen tai niiden lähettäminen käytettävissä olevalla televisiokaistanleveydellä vaatii jonkin verran kekseliäisyyttä. Tästä huolimatta tämä tekniikka on todennäköisesti vahvin haastaja silmälasittomalle 3D-televisiolle, sillä Philips ja Toshiba ovat molemmat jo tuoneet markkinoille moninäkytelevision.

pikakelaus

kuten olemme keskustelleet, Sharp on jo suunnitellut ja rakentanut yhteen matkapuhelimeensa nestekidenäytön, joka toimii kytkettävänä parallaksiesteenä. Tätä järjestelmää käytetään yhdessä perinteisen nestekidenäytön kanssa, joka on varustettu stereosyöttötiedoilla, ja se antaa korkealaatuisia lasittomia 3D-kuvia. Elektronisen median alalla on kuitenkin visio tulevaisuudesta, jossa 3D-näytöt eivät ole vain niche-tuote, vaan olennainen osa modernia elämää. Tämä tarkoittaa kotiteatterijärjestelmiä, joissa näytetään 3D-elokuvia, tietokonepelejä pelataan mukaansatempaavalla 3D-ympäristöllä ja lomakuvia esitetään syvällisesti.

Voimme siis odottaa, että eri sovelluksiin tulee erilaisia 3D-sukupolven menetelmiä, ja jokaisessa menetelmässä voimme odottaa parempia optisia teknologioita ja uusia niihin liittyviä teknologioita, kuten 3D-vuorovaikutuksen mahdollistavia. On erittäin todennäköistä, että kaikki tällaiset laitteet hyödyntävät nestekiteiden erityisiä sähköoptisia ominaisuuksia. Royal Societyn viime kesän näyttelyssä esillä olleet tuotteet, jotka tulevat markkinoille jo tänä vuonna, ovat vasta alkua.