optisk fysik

”Wow, det är fantastiskt” var minst en besökares reaktion på förra årets Sommarvetenskapsutställning på Royal Society i London. Deras entusiasm berodde inte främst på närvaron av drottningen, som tidigare hade öppnat utställningen som en del av föreningens 350-årsjubileum. Snarare var deras spänning ner till de senaste flytande kristalldisplayerna på show från Sharp Laboratories i Oxford. Tittarna kunde titta på rörliga bilder i 3D på en bärbar dator – utan behov av speciella glasögon. De kunde se duvor matas i St Marks Square, Venedig, med fåglarna tydligen fallande från sina axlar, eller de kunde ägna sig åt en 3D-äventyr som de förföljde skurkarna i den interaktiva dataspel Quake.

den glasögonfria 3D-skärmen på Royal Society var bara det senaste exemplet på revolutionen som gjordes av flytande kristallskärmar, som nu tillåter rörliga bilder att ses på allt från mobiltelefoner och 46-tums platt-tv till handhållna personliga elektroniska spel och iPad och andra surfplattor. Ändå är det fantastiskt att tro att det bara är 40 år sedan nyckelpatentet lämnades in som markerade födelsen av den moderna LCD-skärmen – en teknik som är så framgångsrik att dess akronym, LCD, omedelbart erkänns även av icke-forskare. Även om organiska ljusdioder (OLED), plasma och ”elektroniskt bläck” också förändrar naturen hos den moderna skärmen, är det de anmärkningsvärda egenskaperna hos flytande kristaller som nu ligger i framkant av 3D-skärmteknik.

bildbehandling i 3D

att titta på bilder i 3D utan glasögon är en verkligt häpnadsväckande upplevelse, men låt oss först titta på hur detta passar in i andra 3D-Bildtekniker. Det finns tre huvudtekniker – stereoskopiska, holografiska och volymetriska – som alla fungerar på samma principer oavsett om skärmen använder flytande kristaller, plasma eller OLED. De har alla fördelar och nackdelar när det gäller realism, komplexitet, storlek och kostnad, men den mest kommersiellt lönsamma metoden, som används i huvuddelen av 3D-TV-apparaterna som tar high street med storm, innebär att vi visar ett annat perspektiv på en bild för var och en av våra ögon. Denna ”stereoskopiska” teknik efterliknar den verkliga världen, där varje öga ser ett annat perspektiv och hjärnan ”säkringar” de två bilderna tillsammans för att skapa en 3D-uppfattning av omgivningen (Figur 1a).

uppgiften att separat visa bilder till vänster och höger öga har hanterats på olika geniala sätt genom åren. Testades på biografer så långt tillbaka som på 1950-talet, det tillvägagångssätt som många människor kommer att känna till innebär att användaren bär glasögon med separata röda och blåfärgade linser på vänster respektive höger öga. Tanken här är att en bild är uppdelad i röda, gröna och blå kanaler, med vänster öga som bara ser den röda bilden och höger öga ser bara de gröna och blå bilderna.

nyare system gör sig av med färgade linser och använder istället glasögon som växelvis överför och blockerar ljus till varje öga. Med andra ord fungerar linserna som ”optiska fönsterluckor” så att ett öga kan se en stillbild när som helst, men det andra kan inte. Om vi märker de successiva stillbilderna av en film L1, R1, L2, R2, L3, R3 och så vidare, ser det vänstra ögat bara ”l-scenerna” och det högra ögat ser bara ”R-scenerna”. Dessa glasögon kräver olika elektronik för att få dem att fungera, medan scenerna själva uppdateras vid frekvenser på typiskt 120 Hz eller 240 Hz. (Ett alternativt tillvägagångssätt-vanligt med projektionsskärmar som finns på pubar för att titta på sport på – är att l-och R-scenerna ska visas med olika polarisationer, vilket kräver att användaren bär mörka glasögon som innehåller linser med olika polarisationer.)

bilderna som produceras med detta stereoskopiska tillvägagångssätt kan hoppa ut ur skärmen med överraskande realism. Stereoskopiska bilder är dock inte perfekta eftersom alla objekt i dem är i fokus, oavsett deras avsedda 3D-position. I den verkliga världen står däremot olika djup i en 3D-bild i fokus på olika positioner. En teknik för att skapa 3D-bilder som hanterar fokus korrekt är holografi (Figur 1b). Hologram skapas genom inspelning i ett ljuskänsligt material interferensmönstret som skapas när koherent reflekterat ljus från ett objekt överlappar med en koherent referensstråle med samma våglängd. Mönstret lagras som en förändring i absorption, brytningsindex eller tjocklek på det ljuskänsliga materialet och en kopia av objektet kan återskapas genom att belysa mönstret med en avläsningslaser. Ett 3D-hologram är i huvudsak som att ha en bunt med högupplösta 2D-bilder, där varje bild representerar ett annat bildplan.

den stora fördelen med ett 3D-hologram är att en betraktares uppfattning om tredimensionalitet är total för att ändra från att titta på ett objekt nära scenens framsida till ett objekt på baksidan, måste tittaren justera sina ögons fokus. Tyvärr, att skapa och styra optiska vågfronter med tillräcklig precision för att generera realistiska holografiska bilder kräver skärmar med pixeldensiteter vanligtvis tusentals gånger högre än vad som finns i dagens kommersiella LCD-skärmar, liksom enorma mängder datorprocessorkraft för att hantera de datamängder som behövs. Så även om deras bilder är överlägsna krävs ytterligare teknisk innovation innan holografiska skärmar blir en kommersiell verklighet.

stereoskopi bygger däremot på det faktum att våra hjärnor är bra på att avleda djup från våra högra och vänstra ögon med olika perspektiv på en bild. I praktiken innebär detta att en stereoskopisk skärm kan skapa en 3D-bild med endast dubbelt så mycket data som en ”normal” skärm behöver för att göra en 2D-bild, varför de visar sig vara så kommersiellt lovande.

det tredje sättet att göra 3D-skärmar är att göra sig av med konventionella 2D-pixlar ordnade i ett plan och istället använda 3D, volymetriska pixlar eller ”voxels”. Ett sätt att skapa sådana voxlar är att använda projektorer som lyser på en snurrande skärm (figur 1C). Genom att synkronisera projektorerna med skärmen kan ljus reflekteras från skärmen i vilken position som helst inom den cylindriska volymen som den sveper ut. Även om volymetriska skärmar kan skapa ett starkt 3D-intryck, är en snag att ljuset som projiceras i skärmens volym är fritt att sprida sig i hela detta utrymme. Detta kan göra föremål transparenta, med föremål som förmodligen är dolda bakom andra som tenderar att” skimra igenom ” de framför. Volymetriska skärmar tenderar också att vara ganska skrymmande.

Glasögonfri stereoskopi

hittills har vi beskrivit glasögonbaserade stereoskopiska 3D-skärmar, men vad alla vill är att göra sig av med glasögonen helt och hållet. Detta är ett aktivt forskningsområde som bedrivs av förmodligen alla större displayföretag och från vilka nya konsumentprodukter nu börjar dyka upp. Nintendo har till exempel redan släppt sin glasögonfria Nintendo 3DS-spelkonsol, medan 3D-mobiltelefoner finns tillgängliga från Sharp.

alla sådana glasögonfria skärmar är baserade på stereoskopi och utmaningen är att se till att olika bilder riktas mot varje öga. Det finns tre huvudsakliga metoder för att uppnå detta, som alla har sina egna fördelar och nackdelar beroende på vad det kan användas till. Det vanligaste tillvägagångssättet är där användaren måste sitta i ett fast läge framför skärmen, och detta används till exempel på Nintendo 3DS, Sharps LYNX 3D SH-03C mobiltelefon och i displayen på baksidan av Fujifilms W3 3D-kamera. Nästa tillvägagångssätt innebär att displayen spårar användarens visningsposition, och även om det för närvarande inte finns några produkter som använder detta för närvarande på marknaden, har prototypdesigner visats på branschutställningar de senaste åren. Det sista tacket är ”multi view”, som redan finns i vissa glasögonfria 3D-TV-apparater, även om de ännu inte har gjort stora inbrytningar på marknaden delvis för att det inte är lätt att generera multi-view 3D utan att ändra sändningsstandarder.

”fast position”-metoden förutsätter att användaren tittar på displayen på huvudet så att blicken är 90 sek till själva skärmen (Figur 1a) – ett antagande som gäller för de flesta mobila enheter. Bilden är uppdelad i små ränder L, R, L, R, L, R, där alla L-bilder skickas till vänster öga och alla R-bilder skickas till höger öga med hjälp av en fysisk enhet som kallas en ”parallaxbarriär” (figur 2). Denna teknik, som har varit känd i nästan 70 år, kan naturligtvis tillämpas på alla bilder – vare sig de är foton eller målningar – inte bara en LCD-skärm, förutsatt naturligtvis att vänster och höger bilder kan sammanflätas i vänster och höger bildband för att arbeta med parallaxbarriären.

en nackdel med parallaxbarriären är att eftersom varje öga får se bara hälften av pixlarna, absorberas ljus i ”fel” riktning – dvs. från en L – Rand till höger öga eller från R-Rand till vänster öga-av barriären. Detta minskar intensiteten från skärmen med ungefär hälften och minskar upplösningen. I praktiken betyder det att när displayen används i konventionellt 2D-läge, bör parallaxbarriären tas bort. I de flesta 3D-skärmar, som Sharps 3D-mobiltelefon, uppnås detta genom att göra barriären från ett flytande kristallskikt som kan slås på eller av elektriskt.

det skulle naturligtvis vara mycket effektivare att avstå från en parallaxbarriär och istället använda linser, som är transparenta, för att omdirigera L-och R-ljuset till lämpligt öga. Faktum är att forskare redan har utvecklat Cylindriska linser av hög kvalitet med flytande kristaller som kan göra just det. Principen är enkel: eftersom brytningsindexet för flytande kristaller varierar med spänning, kan linser gjorda av dessa material slås på ”när en spänning appliceras och” av ”när spänningen avlägsnas. Dessa cylindriska flytande kristalllinser tar platsen för parallaxbarriären och omdirigerar ljuset i rätt riktning (figur 3). Denna teknik kommer sannolikt att fördubbla effektiviteten hos glasögonfria 3D-skärmar i framtiden, med många företag som är kända för att aktivt bedriva forskning om dem.

en nackdel med parallax-tekniken är att användaren måste sitta i en viss position i förhållande till skärmen. Tekniken ”spårad visningsposition” gör däremot att 3D-skärmar kan ses utan glasögon från vilken vinkel som helst genom att spåra användarens huvudposition. Detta kan uppnås genom att till exempel montera en bärbar dator med en framåtvänd webbkamera för att identifiera platsen för användarens ansikte och ögon. Faktum är att denna teknik redan är vanlig i många digitalkameror som säljs på high street för att säkerställa att ett ansikte automatiskt blir centrum för fokus. Allt som behövs för glasögonfri 3D-visning är en automatiskt justerbar parallaxbarriär som kan ändra vinkeln där vänster och höger bilder ses. Kameran kan sedan identifiera användarens position, medan parallaxbarriären riktar vänster och höger perspektiv i lämplig vinkel.

denna justering kan utföras med ansiktsspårningsalgoritmer skrivna på bildbehandlingschips, som fungerar mycket effektivt, vilket innebär att det inte krävs för mycket processorkraft. Kameran kan också övervaka hur långt en användare sitter från skärmen och justera bilderna därefter. I praktiken kan tittaren röra sig upp till 30 cm från det ideala visningsavståndet, medan deras sida-till-sida-rörelse är begränsad till cirka 30 xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx från det normala. Att rymma mer än en användare är i princip möjligt, men systemets komplexitet ökar avsevärt. Förutom att tittaren är fri att röra sig, är den andra fördelen med systemet för spårad visning att om bilden råkar vara från en datorgenererad scen kan synvinkeln justeras efter användarens position. Till exempel kan en tittare bokstavligen titta runt sidan av ett objekt (en kub säger) för att få tidigare osynliga ansikten av det i sikte.

när det gäller den tredje metoden för att generera glasögonfria 3D-multi – view-är målet att arbeta med ett brett utbud av visningspositioner och flera tittare. För att göra detta visar displayen inte bara två perspektiv utan vanligtvis åtta eller fler. Användaren kan sedan placera sina ögon för att se perspektiv 1 och 3, eller 2 och 4, etc, så att 3D-effekten kan uppnås från ett brett spektrum av vinklar. Ett multi-view-system med till exempel åtta visningar kräver åtta gånger större upplösning än ett 2D-system, och viss uppfinningsrikedom krävs för att syntetisera de åtta vyerna eller överföra dem i den tillgängliga TV-bandbredden. Ändå är denna teknik förmodligen den starkaste utmanaren för glasögonfri 3D-TV, med Philips och Toshiba som båda redan har lanserat en multi-view-TV på marknaden.

Snabbspolning framåt

som vi har diskuterat har Sharp redan designat och byggt en flytande kristallskärm på en av sina mobiltelefoner som fungerar som en omkopplingsbar parallaxbarriär. Används i kombination med en konventionell LCD-skärm försedd med stereoskopisk ingångsdata, ger detta system högkvalitativa glasögonfria 3D-bilder. Den elektroniska medieindustrin har dock en framtidsvision där 3D-skärmar inte bara är en nischprodukt utan en integrerad del av det moderna livet. Det betyder hemmabiosystem som visar 3D-filmer, dataspel som spelas med en uppslukande 3D-miljö och semesterfotografier presenteras med djup.

vi kan därför förvänta oss att en mängd olika 3D-generationsmetoder blir tillgängliga för de olika applikationerna, och inom varje metod kan vi förvänta oss förbättrad optisk teknik och ny relaterad teknik som de som möjliggör 3D-interaktion. Det är mycket troligt att alla sådana anordningar kommer att utnyttja de speciella elektrooptiska egenskaperna hos flytande kristaller. Produkterna som visades på Royal Society-utställningen förra sommaren, som redan kommer på marknaden i år, är bara början.