optische fysica

“Wow, dat is verbazingwekkend” was ten minste een bezoeker reactie op de zomer wetenschap tentoonstelling vorig jaar in de Royal Society in Londen. Hun enthousiasme was niet in de eerste plaats te danken aan de aanwezigheid van de Koningin, die de tentoonstelling eerder had geopend als onderdeel van de 350ste verjaardag van de vereniging. Hun opwinding was eerder te danken aan de nieuwste liquid-crystal displays van Sharp Laboratories in Oxford. Kijkers waren in staat om bewegende beelden in 3D te kijken op een laptop-zonder de noodzaak van een speciale bril. Ze konden duiven zien worden gevoed in St Marks Square, Venetië, met de vogels blijkbaar afdalen van hun schouders, of ze konden genieten van een 3D-avontuur als ze achtervolgden de slechteriken in de interactieve computerspel Quake.

de glazen-vrije 3D-display op de Royal Society was slechts het laatste voorbeeld van de revolutie teweeggebracht door liquid-crystal displays, die nu bewegende beelden kunnen worden bekeken op alles, van mobiele telefoons en 46-inch flatscreen-televisies aan hand-held persoonlijke elektronische games en de iPad en andere tablets. Toch is het verbazingwekkend om te denken dat het slechts 40 jaar geleden is dat het belangrijkste patent werd ingediend dat de geboorte markeerde van het moderne liquid-crystal display – een technologie die zo succesvol is dat het acroniem, LCD, onmiddellijk wordt herkend, zelfs door niet-wetenschappers. Hoewel organische lichtgevende dioden( OLEDs), plasma ‘ s en “elektronische inkt” ook de aard van het moderne display veranderen, zijn het de opmerkelijke eigenschappen van vloeibare kristallen die nu in de voorhoede van 3D-display technologie.

3D-beeldvorming

3D-beelden bekijken zonder bril is echt een verbazingwekkende ervaring, maar laten we eerst kijken hoe dit past in andere 3D-beeldvormingstechnieken. Er zijn drie belangrijke technieken – stereoscopische, holografische en volumetrische – die allemaal werken op dezelfde principes, ongeacht of het scherm vloeibare kristallen, plasma ‘ s of OLEDs gebruikt. Ze hebben elk voor-en nadelen in termen van realisme, complexiteit, grootte en kosten, maar de meest commercieel haalbare methode, die wordt gebruikt in het grootste deel van de 3D-televisies nemen de hoofdstraat door storm, impliceert het tonen van een ander perspectief van een beeld aan elk van onze ogen. Deze “stereoscopische” techniek bootst de echte wereld na, waarbij elk oog een ander perspectief ziet en de hersenen de twee beelden samen “smelten” om een 3D-waarneming van de omgeving te creëren (figuur 1a).

in de loop der jaren is op verschillende ingenieuze manieren gewerkt aan het afzonderlijk weergeven van afbeeldingen in het linker-en rechteroog. Getest in bioscopen zo ver terug als de jaren 1950, de aanpak die veel mensen bekend zal zijn met de gebruiker het dragen van een bril met aparte rode en blauwe gekleurde lenzen op het linker en rechter oog, respectievelijk. Het idee hier is dat een beeld wordt opgesplitst in rode, groene en blauwe kanalen, waarbij het linkeroog alleen het Rode beeld ziet en het rechteroog alleen de groene en blauwe beelden.

recentere systemen elimineren gekleurde lenzen en gebruiken in plaats daarvan glazen die afwisselend licht naar elk oog overbrengen en blokkeren. Met andere woorden, de lenzen fungeren als “optische luiken” zodat op elk moment een oog een stilstaand beeld kan zien, maar het andere niet. Als we de opeenvolgende stilstaande beelden van een film L1, R1, L2, R2, L3, R3 enzovoort labelen, dan ziet het linkeroog alleen de “l-scènes” en het rechteroog ziet alleen de “R-scènes”. Deze brillen hebben verschillende elektronica nodig om ze te laten werken, terwijl de scènes zelf worden bijgewerkt met frequenties van doorgaans 120 Hz of 240 Hz. (Een alternatieve aanpak-gebruikelijk met projectieschermen gevonden in pubs om sport te kijken op-is voor de l en R scènes worden weergegeven met verschillende polarisaties, die vereist dat de gebruiker een donkere bril met lenzen met verschillende polarisaties dragen.)

de beelden geproduceerd met behulp van deze stereoscopische benadering kunnen springen uit het scherm met verrassend realisme. Echter, stereoscopische beelden zijn niet perfect omdat alle objecten in hen zijn in focus, ongeacht hun beoogde 3D-positie. In de echte wereld, daarentegen, zijn verschillende diepten van een 3D-beeld in focus op verschillende posities. Één techniek voor het creëren van 3D beelden die aandacht correct behandelt is holografie (figuur 1b). De hologrammen worden gecreeerd door in een lichtgevoelig materiaal het interferentiepatroon op te nemen dat wordt gecreeerd wanneer coherent weerspiegeld licht van een voorwerp met een coherente referentiestraal van dezelfde golflengte overlapt. Het patroon wordt opgeslagen als een verandering in absorptie, brekingsindex of dikte van het lichtgevoelige materiaal en een kopie van het object kan worden herschapen door het patroon te verlichten met een uitlezing laser. Een 3D hologram is hoofdzakelijk als het hebben van een stapel van high-resolution 2D beelden, waar elk beeld een verschillend beeldvlak vertegenwoordigt.

het grote voordeel van een 3D-hologram is dat de perceptie van driedimensionaliteit van een kijker totaal is, omdat de kijker de focus van zijn ogen moet aanpassen om te veranderen van kijken naar een object aan de voorkant van de scène naar een object aan de achterkant. Helaas, het creëren en controleren van optische golffronts met voldoende precisie om realistische holografische beelden te genereren vereist displays met pixeldichtheden typisch duizenden keren hoger dan worden gevonden in de commerciële LCD ‘ s van vandaag, evenals wonderbaarlijke hoeveelheden computerverwerkingskracht om de volumes van gegevens te behandelen die nodig zijn. Zo hoewel hun beelden superieur zijn, wordt de verdere technische innovatie nog vereist alvorens holografische vertoningen een commerciële werkelijkheid worden.Stereoscopie daarentegen berust op het feit dat onze hersenen goed zijn in het afleiden van diepte uit onze rechter-en linkerogen met verschillende perspectieven van een beeld. In de praktijk betekent dit dat een stereoscopisch display een 3D-beeld kan maken met slechts twee keer de hoeveelheid gegevens die een “normaal” display nodig heeft om een 2D-beeld te maken, en daarom blijken ze commercieel zo veelbelovend.

de derde manier om 3D-beeldschermen te maken is om conventionele 2D-pixels die in een vlak zijn gerangschikt, af te schaffen en in plaats daarvan 3D, volumetrische pixels of “voxels”te gebruiken. Een manier om dergelijke voxels te creëren is om projectoren te gebruiken die op een draaiend scherm schijnen (figuur 1c). Door de projectoren te synchroniseren met het scherm, kan het licht worden gereflecteerd van het scherm op elke positie binnen het cilindrische volume dat het veegt. Hoewel volumetrische displays een sterke 3D-indruk kunnen maken, is een addertje onder het gras dat het licht geprojecteerd in het volume van het display vrij is om zich door deze ruimte te verspreiden. Dit kan items transparant te maken, met objecten zogenaamd verborgen achter anderen de neiging om “shimmer door” die aan de voorkant. Volumetrische displays zijn ook vaak vrij omvangrijk.

stereoscopie zonder bril

tot nu toe hebben we stereoscopische 3D-schermen op basis van glazen beschreven, maar wat iedereen wil is dat de bril helemaal verdwijnt. Dit is een actief onderzoeksgebied dat waarschijnlijk door alle grote displaybedrijven wordt nagestreefd en waaruit nu nieuwe consumentenproducten beginnen te ontstaan. Nintendo heeft bijvoorbeeld al zijn brilvrije Nintendo 3DS spelcomputer uitgebracht, terwijl 3D mobiele telefoons beschikbaar zijn bij Sharp.

al deze glazen-vrije beeldschermen zijn gebaseerd op stereoscopie en de uitdaging is ervoor te zorgen dat verschillende beelden naar elk oog worden gericht. Er zijn drie belangrijke methoden om dit te bereiken, die elk zijn eigen voor-en nadelen, afhankelijk van wat het zou kunnen worden gebruikt voor. De meest voorkomende aanpak is waar de gebruiker in een vaste positie voor het scherm moet zitten, en dit wordt bijvoorbeeld gebruikt op de Nintendo 3DS, Sharp ’s LYNX 3D sh-03C mobiele telefoon en in het display op de achterkant van Fujifilm’ s W3 3D camera. De volgende aanpak houdt in dat het display de kijkpositie van de gebruiker volgt, en hoewel er momenteel geen producten op de markt zijn die dit gebruiken, zijn de afgelopen jaren prototypeontwerpen getoond op industrietentoonstellingen. De laatste tack is “multi view”, die al wordt gevonden in sommige bril-vrije 3D-televisies, hoewel ze nog geen grote opmars in de markt hebben gemaakt, deels omdat het niet gemakkelijk is om multi-view 3D te genereren zonder de uitzendstandaarden te veranderen.

de “vaste positie” – methode gaat ervan uit dat de gebruiker het beeldscherm head-on bekijkt, zodat zijn blik op 90° ten opzichte van het beeldscherm zelf is (figuur 1a) – een aanname die geldt voor de meeste mobiele apparaten. Het beeld wordt gescheiden in kleine strepen L, R, L, R, L, R, waarbij alle L-beelden naar het linkeroog worden gestuurd en alle R-beelden naar het rechteroog worden gestuurd door middel van een fysiek apparaat dat bekend staat als een “parallaxbarrière” (figuur 2). Deze techniek, die al bijna 70 jaar bekend is, kan natuurlijk worden toegepast op alle beelden – of het nu foto ‘ s of schilderijen zijn – en niet alleen op een LCD-display, op voorwaarde dat de linker en rechter beelden kunnen worden verweven in de linker en rechter beeldstrepen om te werken met de parallax barrier.

een nadeel van de parallaxbarrière is dat, omdat elk oog slechts de helft van de pixels mag zien, licht dat in de “verkeerde” richting beweegt – dat wil zeggen van een l – streep naar het rechteroog of Van De R-streep naar het linkeroog-door de barrière wordt geabsorbeerd. Dit vermindert de intensiteit van het scherm met ongeveer de helft en vermindert de resolutie. In de praktijk betekent dit dat wanneer het display in de conventionele 2D-modus wordt gebruikt, de parallax-barrière moet worden verwijderd. In de meeste 3D-schermen, zoals Sharp ‘ s 3D mobiele telefoon, wordt dit bereikt door het maken van de barrière van een vloeistof-kristal laag die elektrisch kan worden in-of uitgeschakeld.

het zou natuurlijk veel efficiënter zijn om af te zien van een parallaxbarrière en in plaats daarvan transparante lenzen te gebruiken om het L-en R-licht naar het juiste oog te leiden. Inderdaad, onderzoekers hebben al hoogwaardige cilindrische lenzen ontwikkeld met behulp van vloeibare kristallen die precies dat kunnen doen. Het principe is eenvoudig: omdat de brekingsindex van vloeibare kristallen varieert met de spanning, kunnen lenzen gemaakt van deze materialen “aan” worden gezet wanneer een spanning wordt toegepast en “uit” wanneer de spanning wordt verwijderd. Deze cilindrische lenzen met vloeibare kristallen nemen de plaats in van de parallaxbarrière, waarbij het licht in de juiste richting wordt omgeleid (figuur 3). Deze technologie zal waarschijnlijk de efficiëntie van brilvrije 3D-schermen in de toekomst verdubbelen, waarbij veel bedrijven bekend staan dat ze actief onderzoek naar hen uitvoeren.

een nadeel van parallax-technologie is dat de gebruiker in een bepaalde positie ten opzichte van het scherm moet zitten. De techniek van de” gevolgde kijkpositie ” maakt het daarentegen mogelijk om 3D-schermen zonder bril vanuit elke hoek te bekijken door de hoofdpositie van de gebruiker te volgen. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door een laptop te monteren met een naar voren gerichte webcamera om de locatie van het gezicht en de ogen van de gebruiker te identificeren. Sterker nog, deze technologie is al gebruikelijk in veel digitale camera ‘ s verkocht op de hoofdstraat om ervoor te zorgen dat een gezicht automatisch wordt het middelpunt van de aandacht. Alles wat dan nodig is voor brilvrije 3D-weergave is een automatisch instelbare parallaxbarrière die de hoek kan veranderen waaronder de linker-en rechterfoto ‘ s worden gezien. De camera kan vervolgens de positie van de gebruiker identificeren, terwijl de parallaxbarrière de linker-en rechterperspectieven onder de juiste hoek stuurt.

deze aanpassing kan worden uitgevoerd met behulp van face-tracking-algoritmen die zijn geschreven op beeldverwerkingschips, die zeer efficiënt werken, wat betekent dat er niet te veel rekenkracht nodig is. De camera kan ook monitoren hoe ver een gebruiker van het scherm zit en de beelden dienovereenkomstig aanpassen. In de praktijk kan de kijker tot 30 cm van de ideale kijkafstand bewegen, terwijl de zij-aan-zijbeweging beperkt is tot ongeveer ±30° ten opzichte van de normale kijkafstand. Het is in principe mogelijk om meer dan één gebruiker op te nemen, maar de complexiteit van het systeem wordt aanzienlijk vergroot. Naast het feit dat de kijker vrij kan bewegen, is het andere voordeel van het tracking-viewing-position-systeem dat als het beeld toevallig uit een door de computer gegenereerde scène komt, het gezichtspunt kan worden aangepast aan de positie van de gebruiker. Bijvoorbeeld, een kijker zou letterlijk rond de zijkant van een object kunnen kijken (een kubus zeggen) om eerder ongeziene gezichten van het in het zicht te brengen.

de derde methode voor het genereren van brilvrije 3D-multi – view-heeft als doel om te werken met een breed scala aan kijkposities en meerdere kijkers. Om dit te doen de weergave uitgangen niet alleen twee perspectieven, maar meestal acht of meer. De gebruiker kan dan zijn ogen positioneren om perspectieven 1 en 3, of 2 en 4, enz. te zien, zodat het 3D-effect kan worden bereikt vanuit een breed scala van hoeken. Een multi-view systeem met, Laten we zeggen, acht weergaven vereist acht keer meer resolutie dan een 2D-systeem, en enige vindingrijkheid is nodig om de acht weergaven te synthetiseren of ze uit te zenden in de beschikbare televisiebandbreedte. Toch is deze technologie waarschijnlijk de sterkste concurrent voor brilvrije 3D-televisie, aangezien Philips en Toshiba beiden al een multi-view-televisie op de markt hebben gebracht.

Fast forward

zoals besproken, heeft Sharp al een vloeistofkristalscherm ontworpen en gebouwd op een van zijn mobiele telefoons dat functioneert als een schakelbare parallaxbarrière. Gebruikt in combinatie met een conventioneel vloeistofkristal display voorzien van stereoscopische invoergegevens, geeft dit systeem hoogwaardige brilvrije 3D-beelden. De elektronische media-industrie heeft echter een toekomstvisie waarin 3D-beeldschermen niet alleen een nicheproduct zijn, maar een integraal onderdeel van het moderne leven. Dat betekent dat home-cinema systemen tonen 3D-films, computerspelletjes worden gespeeld met een meeslepende 3D-omgeving, en vakantie foto ‘ s worden gepresenteerd met diepte.

we kunnen daarom verwachten dat een verscheidenheid aan 3D-generatiemethoden beschikbaar komen voor de verschillende toepassingen, en binnen elke methode kunnen we verbeterde optische technologieën verwachten, en nieuwe gerelateerde technologieën zoals die welke 3D-interactie mogelijk maken. Het is zeer waarschijnlijk dat al deze apparaten de bijzondere elektro-optische eigenschappen van vloeibare kristallen zullen exploiteren. De producten die afgelopen zomer op de tentoonstelling van de Royal Society te zien zijn en die dit jaar al op de markt komen, zijn nog maar het begin.