optikai fizika

“Azta, ez csodálatos” volt legalább egy látogató reakciója a londoni Royal Society tavalyi nyári Tudományos kiállítására. Lelkesedésük nem elsősorban a királynő jelenlétének volt köszönhető, aki korábban a Társaság 350.évfordulója alkalmából nyitotta meg a kiállítást. Inkább, izgalmuk az Oxfordi Sharp Laboratories legújabb folyadékkristályos kijelzőinek köszönhető. A nézők 3D-s mozgóképeket nézhettek laptopon-speciális szemüveg nélkül. Láthatták, hogy galambokat etetnek a Szent Márk téren, Velence, a madarak látszólag leereszkednek a vállukról, vagy belemerülhetnek egy 3D-s kalandba, amikor a Quake interaktív számítógépes játékban üldözték a rossz fiúkat.

a szemüveg nélküli 3D-s kijelző, amelyet a Royal Society mutatott be, csak a folyadékkristályos kijelzők forradalmának legújabb példája volt, amelyek ma már lehetővé teszik a mozgóképek megtekintését a mobiltelefonoktól és a 46 hüvelykes síkképernyős televízióktól kezdve a kézi személyes elektronikus játékokig, valamint az iPad és más táblagépekig. Mégis elképesztő azt gondolni, hogy csak 40 év telt el a kulcsszabadalom benyújtása óta, amely a modern folyadékkristályos kijelző születését jelentette-ez a technológia olyan sikeres, hogy rövidítését, az LCD – t még a nem tudósok is azonnal felismerik. Bár a szerves fénykibocsátó diódák (OLED-ek), a plazmák és az “elektronikus tinta” is megváltoztatják a modern kijelző jellegét, a folyadékkristályok figyelemre méltó tulajdonságai ma már a 3D megjelenítési technológia élvonalában vannak.

képalkotás 3D-ben

képek megtekintése 3D-ben szemüveg nélkül valóban meghökkentő élmény, de először nézzük meg, hogyan illeszkedik ez más 3D képalkotó technikákhoz. Három fő technika létezik – sztereoszkópikus, holografikus és volumetrikus -, amelyek mindegyike ugyanazon elveken működik, függetlenül attól, hogy a képernyő folyadékkristályokat, plazmákat vagy OLED-eket használ-e. Mindegyiküknek vannak előnyei és hátrányai a realizmus, a komplexitás, a méret és a költség szempontjából, de a kereskedelmileg leginkább életképes módszer, amelyet a 3D-s televíziók nagy részében használnak a főutcán viharral, magában foglalja a kép különböző perspektívájának bemutatását minden szemünk számára. Ez a “sztereoszkópikus” technika utánozza a valós világot, ahol minden szem más perspektívát lát, és az agy “összeolvasztja” a két képet, hogy 3D-s észlelést hozzon létre a környezetről (1A.ábra).

a bal és a jobb szem számára külön megjelenített képek feladatát az évek során számos ötletes módon oldották meg. A mozikban már az 1950-es években kipróbált megközelítés, amelyet sokan ismernek, magában foglalja a felhasználó szemüvegét, külön piros és kék színű lencsével a bal és a jobb szemen. Az ötlet az, hogy egy kép vörös, zöld és kék csatornákra oszlik, a bal szem csak a piros képet látja, a jobb szem pedig csak a zöld és kék képeket látja.

a legújabb rendszerek megszüntetik a színes lencséket, ehelyett olyan szemüveget használnak, amely felváltva továbbítja és blokkolja a fényt mindkét szemnek. Más szavakkal, a lencsék “optikai redőnyként” működnek, így az egyik szem bármikor láthat állóképet, a másik azonban nem. Ha L1, R1, L2, R2, L3, R3 és így tovább, akkor a bal szem csak az “L jeleneteket” látja, a jobb szem pedig csak az “R jeleneteket”. Ezek a szemüvegek különféle elektronikát igényelnek, hogy működjenek, míg maguk a jelenetek általában 120 Hz vagy 240 Hz frekvencián frissülnek. (Egy alternatív megközelítés-gyakori a kocsmákban található vetítővászonoknál, ahol sportot lehet nézni-az L és az R jelenetek különböző polarizációval jelennek meg, ami megköveteli a felhasználótól, hogy különböző polaritású lencséket tartalmazó sötét szemüveget viseljen.)

az ezzel a sztereoszkópikus megközelítéssel készített képek meglepő realizmussal ugorhatnak ki a képernyőről. A sztereoszkópikus képek azonban nem tökéletesek, mert a bennük lévő összes tárgy fókuszban van, függetlenül a tervezett 3D-s pozíciótól. A való világban ezzel szemben a 3D-s kép különböző mélységei vannak fókuszban különböző pozíciókban. A 3D-s képek létrehozásának egyik technikája, amely helyesen kezeli a fókuszt, a holográfia (1b ábra). A hologramokat úgy hozzák létre, hogy fényérzékeny anyagban rögzítik azt az interferenciamintát, amely akkor jön létre, amikor egy tárgy koherens visszavert fénye átfedésben van egy azonos hullámhosszú koherens referenciasugárral. A mintát a fényérzékeny anyag abszorpciójának, törésmutatójának vagy vastagságának változásaként tárolják, és a tárgy másolata újra előállítható a minta leolvasó lézerrel történő megvilágításával. A 3D hologram lényegében olyan, mintha egy halom nagy felbontású 2D kép lenne, ahol minden kép más képsíkot képvisel.

a 3D hologram nagy előnye, hogy a néző háromdimenziós érzékelése teljes, mert ahhoz, hogy a jelenet eleje közelében lévő tárgyról a hátsó tárgyra nézzen, a nézőnek módosítania kell a szemének fókuszát. Sajnos az optikai hullámfrontok megfelelő pontossággal történő létrehozása és vezérlése a valósághű holografikus képek előállításához olyan pixelsűrűségű kijelzőket igényel, amelyek általában több ezerszer nagyobbak, mint a mai kereskedelmi LCD-k, valamint óriási mennyiségű számítógépes feldolgozási teljesítmény a szükséges adatmennyiség kezeléséhez. Tehát bár képeik kiválóak, további technikai innovációra van szükség, mielőtt a holografikus kijelzők kereskedelmi valósággá válnának.

a sztereoszkópia ezzel szemben azon a tényen alapul, hogy agyunk jól képes a mélységet a jobb és a bal szemünkből levezetni, amelynek különböző perspektívái vannak a képnek. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a sztereoszkópikus kijelző 3D-s képet hozhat létre, csak kétszer annyi adat felhasználásával, mint egy “normál” kijelzőnek a 2D-s kép elkészítéséhez, ezért bizonyulnak olyan kereskedelmi szempontból ígéretesnek.

a 3D kijelzők készítésének harmadik megközelítése az, hogy megszünteti a síkban elrendezett hagyományos 2D pixeleket, ehelyett 3D, volumetrikus pixeleket vagy “voxeleket”használ. Az ilyen voxelek létrehozásának egyik módja a forgó képernyőn ragyogó Projektorok használata (1C ábra). A projektorok képernyővel történő szinkronizálásával a fény a hengeres térfogaton belül bármilyen helyzetben visszaverődhet a képernyőről. Bár a térfogati kijelzők erős 3D benyomást kelthetnek, az egyik gubanc az, hogy a kijelző térfogatába vetített fény szabadon terjedhet ezen a téren. Ez átlátszóvá teheti az elemeket, állítólag mások mögé rejtett tárgyakkal, amelyek hajlamosak “csillogni” az előttük lévőkön. A térfogati kijelzők szintén meglehetősen terjedelmesek.

szemüvegmentes sztereoszkópia

eddig leírtuk a szemüveg alapú sztereoszkópikus 3D kijelzőket, de mindenki azt akarja, hogy teljesen megszüntesse a szemüveget. Ez egy aktív kutatási terület, amelyet valószínűleg minden nagyobb kijelző vállalat folytat, és amelyből új fogyasztói termékek kezdenek megjelenni. A Nintendo például már kiadta szemüveg nélküli Nintendo 3DS játékkonzolját, míg a 3D mobiltelefonok a Sharp-tól kaphatók.

minden ilyen szemüvegmentes kijelző sztereoszkópián alapul, és a kihívás annak biztosítása, hogy minden szemre különböző képeket irányítsanak. Ennek elérésére három fő módszer létezik, amelyek mindegyikének megvannak a maga előnyei és hátrányai attól függően, hogy mire lehet használni. A leggyakoribb megközelítés az, amikor a felhasználónak rögzített helyzetben kell ülnie a képernyő előtt, ezt használják például a Nintendo 3DS-en, a Sharp LYNX 3D SH-03C mobiltelefonján, valamint a Fujifilm W3 3D kamerájának hátoldalán található kijelzőn. A következő megközelítés a felhasználó megtekintési pozíciójának nyomon követését jelenti, és bár jelenleg nincs olyan termék, amely ezt használná a piacon, az elmúlt években az ipari kiállításokon prototípusterveket mutattak be. A végső tapadás a “multi view”, amely már megtalálható néhány szemüveg nélküli 3D-s televízióban, bár ezek még nem tettek nagy lépéseket a piacon, részben azért, mert nem könnyű többnézetű 3D-t generálni a műsorszórási szabványok megváltoztatása nélkül.

a” rögzített pozíció ” módszer azt feltételezi, hogy a felhasználó fejjel nézi a kijelzőt, így a tekintete 90 MHz-re van a kijelzőhöz képest (1A.ábra) – ez a feltételezés a legtöbb mobileszközre érvényes. A képet apró L, R, L, R, L, R csíkokra osztják szét, az összes L képet a bal szemre, az összes R képet pedig a jobb szemre küldik egy “parallaxis gát” néven ismert fizikai eszköz segítségével (2.ábra). Ez a közel 70 éve ismert technika természetesen bármilyen képre alkalmazható – legyen az Fénykép vagy festmény–, nem csak egy LCD-kijelzőre, feltéve persze, hogy a bal és a jobb oldali képeket bal és jobb oldali képcsíkokba lehet átlapolni, hogy működjön a parallaxis akadály.

a parallaxis gát hátránya, hogy mivel mindkét szemnek csak a pixelek felét szabad látnia, a “rossz” irányba haladó fényt – azaz egy L csíktól a jobb szemig vagy az R csíktól a bal szemig – elnyeli a gát. Ez körülbelül felére csökkenti a kijelző intenzitását és csökkenti a felbontást. Gyakorlati szempontból ez azt jelenti, hogy amikor a kijelzőt hagyományos 2D módban használják, a parallaxis akadályt el kell távolítani. A legtöbb 3D-s kijelzőn, például a Sharp 3D-s mobiltelefonján ezt úgy érik el, hogy az akadályt egy folyadékkristályos rétegből állítják elő, amely elektromosan be-vagy kikapcsolható.

természetesen sokkal hatékonyabb lenne, ha a parallaxis akadályt elhagynánk, és ehelyett átlátszó lencséket használnánk az L és R fény átirányítására a megfelelő szemre. Valójában a kutatók már kifejlesztettek kiváló minőségű hengeres lencséket folyadékkristályok felhasználásával, amelyek erre képesek. Az elv egyszerű: mivel a folyadékkristályok törésmutatója a feszültségtől függően változik, az ezekből az anyagokból készült lencsék feszültség alkalmazásakor “bekapcsolhatók”, feszültség eltávolításakor pedig “kikapcsolhatók”. Ezek a hengeres folyadékkristályos lencsék a parallaxis gát helyét foglalják el, átirányítva a fényt a megfelelő irányba (3.ábra). Ez a technológia valószínűleg megduplázza a szemüveg nélküli 3D-s kijelzők hatékonyságát a jövőben, sok vállalat ismert, hogy aktívan végez kutatásokat velük kapcsolatban.

a parallax technológia egyik hátránya, hogy a Felhasználónak a képernyőhöz képest egy bizonyos helyzetben kell ülnie. A” nyomon követett megtekintési helyzet ” technika ezzel szemben lehetővé teszi a 3D-s képernyők szemüveg nélküli megtekintését bármilyen szögből a felhasználó fejhelyzetének követésével. Ezt úgy lehet elérni, ha például egy laptopot előre néző webkamerával szerelnek fel, hogy azonosítsák a felhasználó arcát és szemét. Valójában ez a technológia már sok, a főutcán értékesített digitális fényképezőgépben elterjedt annak biztosítása érdekében, hogy az arc automatikusan a fókusz középpontjává váljon. A szemüveg nélküli 3D-s megtekintéshez csak egy automatikusan állítható parallaxis akadály szükséges, amely megváltoztathatja a bal és jobb oldali képek látószögét. A kamera ezután azonosítja a felhasználó helyzetét, míg a parallaxis akadály a megfelelő szögben irányítja a bal és a jobb perspektívát.

ez a Beállítás képfeldolgozó chipekre írt arckövető algoritmusokkal végezhető el, amelyek nagyon hatékonyan működnek, ami azt jelenti, hogy nem kell túl sok feldolgozási teljesítmény. A kamera azt is figyeli, hogy a felhasználó milyen messze ül a képernyőtől, és ennek megfelelően állítja be a képeket. A gyakorlatban a néző akár 30 cm-re is elmozdulhat az ideális látótávolságtól, míg az oldalirányú mozgásuk a normálistól körülbelül 30 6db-ra korlátozódik. Több felhasználó befogadása elvileg lehetséges, de a rendszer összetettsége jelentősen megnő. Amellett, hogy a néző szabadon mozoghat, a nyomon követett-megtekintési-helyzetrendszer másik előnye, hogy ha a kép véletlenül számítógép által generált jelenetből származik, akkor a nézőpontot a felhasználó helyzetének megfelelően lehet beállítani. Például egy néző szó szerint körülnézhet egy tárgy oldalán (egy kocka mondjuk), hogy a korábban nem látott arcokat láthatóvá tegye.

ami a szemüveg előállításának harmadik módszerét illeti – ingyenes 3D-multi – view-célja, hogy széles körű megtekintési pozíciókkal és több nézővel dolgozzon. Ehhez a kijelző nem csak két perspektívát ad ki, hanem általában nyolc vagy annál többet. A felhasználó ezután elhelyezheti a szemét, hogy lássa az 1.és 3., vagy a 2. és 4. perspektívát, stb., így a 3D hatás széles szögtartományból érhető el. Egy többnézetes rendszer, mondjuk nyolc nézettel, nyolcszor nagyobb felbontást igényel, mint egy 2D rendszer, és némi találékonyságra van szükség a nyolc nézet szintetizálásához vagy a rendelkezésre álló televíziós sávszélességben történő továbbításához. Ennek ellenére valószínűleg ez a technológia a legerősebb versenyző a szemüveg nélküli 3D-s televíziók számára, a Philips és a Toshiba már piacra dobta a többnézetes televíziót.

Fast forward

mint már említettük, a Sharp már tervezett és épített egy folyadékkristályos képernyőt az egyik mobiltelefonjára, amely kapcsolható parallaxis akadályként működik. A sztereoszkópikus bemeneti adatokkal ellátott hagyományos folyadékkristályos kijelzővel párhuzamosan ez a rendszer kiváló minőségű szemüveg nélküli 3D képeket ad. Az elektronikus médiaiparnak azonban van egy jövőképe, amelyben a 3D-s kijelzők nem csupán niche termékek, hanem a modern élet szerves részét képezik. Ez azt jelenti, hogy a házimozi rendszerek 3D filmeket mutatnak, a számítógépes játékokat magával ragadó 3D környezetben játsszák, az ünnepi fényképeket pedig mélységgel mutatják be.

ezért arra számíthatunk, hogy a különböző alkalmazásokhoz különféle 3D-s generációs módszerek válnak elérhetővé, és minden módszeren belül jobb optikai technológiákra és új kapcsolódó technológiákra számíthatunk, például a 3D interakciót lehetővé tevő technológiákra. Nagyon valószínű, hogy minden ilyen eszköz kihasználja a folyadékkristályok sajátos elektro-optikai tulajdonságait. A tavaly nyáron a Royal Society kiállításon bemutatott termékek, amelyek már ebben az évben megjelennek a piacon, csak a kezdet.