Безочковая стереоскопическая видеосистема с дистанционным бинокулярным фильтром

Безочковая стереоскопическая видеосистема с дистанционным бинокулярным фильтром

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к технике стереоскопического отображения трехмерных (3D) сцен, точнее, к автостереоскопическим (безочковым) видеосистемам, и может быть использовано для безочкового наблюдения стереоизображений с повышенной яркостью при коротком (порядка нескольких миллисекунд) времени воспроизведения изображений ракурсов 3D сцен.

Уровень технике

Известна кинотеатральная стереоскопическая видеосистема с повышенной кадровой частотой изображений, содержащая последовательно оптически связанные стереоскопический видеопроектор, экран и активные стереоочки (стереоочки XPAND), а также серверный источник сигналов изображений ракурсов (двумерных проекций) 3D сцены и синхронизирующий электронный модуль с инфракрасным (ИК) выходом, который сопряжен с ИК синхровходом активных стереоочков, а вход синхронизирующего электронного модуля подключен к выходу синхронизации серверного источника сигналов изображений ракурсов 3D сцены, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического видеопроектора [1].

Первым недостатком известной кинотеатральной стереоскопической видеосистемы является невозможность безочкового просмотра стереоизображений. Кроме того, кадровая частота воспроизведения изображений ракурсов в известной видеосистеме повышена до 160-200 Гц с целью минимизации мерцаний яркости наблюдаемых стереоизображений, особенно заметных на большом кинотеатральном экране из-за задействования периферийных областей зрения (глаз) наблюдателя, особенно чувствительных к быстрым колебаниям яркости. При кадровой частоте 200 Гц время показа t_view изображения каждого из двух ракурсов 3D сцены составляет 5 миллисекунд. Поскольку каждый оптический затвор активных стереоочков закрыт (имеет минимальное оптическое пропускание) при максимальном значении U_max управляющего электрического напряжения, то время открытия каждого оптического затвора (по критерию значения 0,5 от величины максимального оптического пропускания в режиме «открыто») практически равно времени релаксации τ_decay оптического отклика нематического жидкокристаллического (НЖК) слоя (на скачкообразное понижение уровня управляющего электрического напряжения от значения U_max до минимального значения U_min). На практике значение τ_decay составляет не менее 2-2,5 миллисекунд для НЖК слоев традиционного типа [2]. Это означает, что стереоизображение в рассматриваемой стерео видеосистеме при кадровых частотах 180-200 Гц всегда наблюдается при «полуоткрытых» НЖК затворах, т.е. при приблизительно двукратном снижении яркости по сравнению с наблюдением сквозь полностью открытые НЖК затворы.

Известна стереоскопическая видеосистема [3] с укороченным временем показа стереоизображений, содержащая компьютерный источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен (на основе видеокарт nVidia), стереоскопический дисплей, активные стереоочки (стереоочки 3D Vision компании nVidia) и синхронизирующий электронный модуль с инфракрасным (ИК) выходом, который сопряжен с ИК синхровходом активных стереоочков, а вход синхронизирующего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, ЖК-экран которого оптически сопряжен с оптическим входом активных стереоочков.

Первым недостатком известной стереоскопической видеосистемы является невозможность безочкового просмотра стереоизображений. Вторым недостатком является существенные потери (около 50%) в яркости наблюдаемого стереоизображения вследствие недостаточно высокого быстродействия оптических затворов (τ_decay не менее 2-2,5 миллисекунд), выполненных на основе одиночного слоя НЖК, для используемого здесь режима показа стереоизображений. Действительно, время показа t_view каждого из изображений ракурсов на экране ЖК-дисплея в режиме 3D Vision (с использованием видеокарт nVidia) составляет порядка 2 миллисекунд при частоте кадров 100-120 Гц. Все остальное время кадра тратится на развертку изображения из-за инерционности ЖК-экрана дисплея.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой видеосистеме является безочковая стереоскопическая видеосистема с дистанционным бинокулярным фильтром (ДБФ) [4], содержащая источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен, стереоскопический дисплей, ДБФ и управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу ДБФ, а вход синхронизации управляющего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, экран которого оптически сопряжен с входом апертуры ДБФ, первая и вторая зоны апертуры которого оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, при этом ДБФ содержит по крайней мере один ЖК-слой в качестве слоя рабочего электрооптического вещества.

Достоинством известной видеосистемы является безочковое наблюдение стереоизображений. Недостатком известной видеосистемы является недостаточное быстродействие ДБФ, структура ЖК-слоя которого аналогична структуре ЖК-затвора в активных стереоочках. Это приводит к существенному снижению яркости наблюдаемого стереоизображения в данной известной видеосистеме из-за запаздывания открытия каждой зоны апертуры на время τ_decay не менее 2-2,5 миллисекунд, если использовать здесь стереоскопические дисплеи с кадровой частотой до 200 Гц или с временем показа t_view≈2 миллисекунд при кадровой частоте 100-120 Гц.

Задачей изобретения является увеличение яркости наблюдаемого стереоизображения при коротком (порядка нескольких миллисекунд) времени показа t_view изображений ракурсов 3D сцены.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача в безочковой стереоскопической видеосистеме, содержащей источник сигналов изображений ракурсов 3D сцен, стереоскопический дисплей, дистанционный бинокулярный фильтр и управляющий модуль, выход которого подключен к электронному входу бинокулярного фильтра, а вход синхронизации управляющего модуля подключен к выходу синхронизации источника сигналов изображений ракурсов 3D сцен, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея, экран которого оптически сопряжен с входом апертуры дистанционного бинокулярного фильтра, первая и вторая зоны апертуры которого оптически связаны с первым и вторым окнами наблюдения, при этом дистанционный бинокулярный фильтр содержит по крайней мере один жидкокристаллический слой в качестве слоя рабочего электрооптического вещества, решается тем, что стереоскопический дисплей выполнен с жидкокристаллическим экраном, снабженным на своем выходе первым линейным поляризатором с осью поляризации p₁, ДБФ выполнен в виде последовательно расположенных первого НЖК слоя, второго НЖК слоя и второго линейного поляризатора, ось поляризации p₂ которого ортогональна оси поляризации p₁ первого линейного поляризатора, при этом каждый из НЖК слоев выполнен с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0 и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул вдоль биссектрис углов между осями поляризации p₁ и p₂ первого и второго линейных поляризаторов, причем ось o₁ для обыкновенного луча первого НЖК слоя ортогональна оси o₂ для обыкновенного луча второго НЖК слоя, а электрическим входом ДБФ является совокупность входов адресных прозрачных электродов, примыкающих к НЖК слоям ДБФ. При этом соблюдаются соотношения t_view>>τ_rise, t_view≈τ_decay, где

t_view - время попеременного показа каждого из изображений левого и правого ракурсов 3D сцены на экране стереоскопического дисплея,

τ_rise - время реакции оптического отклика каждого из НЖК слоев на ступенчатое повышение уровня управляющего электрического напряжения от значения U_min до значения U_max,

τ_decay - время релаксации оптического отклика каждого из НЖК слоев при ступенчатом понижении уровня управляющего электрического напряжения от значения U_max до значения U_min,

U_max и U_min - максимальное и минимальное рабочие значения управляющего электрического напряжения, соответствующие значениям фазовой задержки φ(U_max)=0 и φ(U_min)=π для каждого из НЖК слоев.

Увеличение яркости наблюдаемого стереоизображения достигается в видеосистеме за счет двух технических результатов.

Основной технический результат состоит в полном открытии каждой из двух зон апертуры ДБФ за время показа каждого изображения ракурса. Время открытия и время закрытия каждой зоны апертуры ДБФ, выполненного на основе двух НЖК слоев с положительной оптической анизотропией Δε>0 и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул вдоль биссектрис углов между двумя линейными поляризаторами с взаимно ортогональными осями поляризации p₁ и p₂, определяется только коротким временем τ_rise оптического отклика каждого НЖК слоя на скачкообразное повышение управляющего напряжения до максимального рабочего значения при соответствующем алгоритме электрического управления.

Дополнительный технический результат состоит в том, что линейный поляризатор на выходе ЖК-экрана дисплея используется одновременно в качестве входного поляризатора ЖК-структуры ДБФ (нет необходимости в использовании дополнительного линейного поляризатора в структуре ДБФ). Это ведет к дополнительному увеличению яркости наблюдаемого стереоизображения, поскольку два последовательно расположенных линейных поляризатора имеют в совокупности меньшее значение оптического пропускания, чем каждый из них. Поскольку ДБФ имеет фиксированное угловое положение относительно экрана дисплея при любом положении головы наблюдателя, то использование одного линейного поляризатора для экрана и ДБФ является оптимальным решением, не приводящем к ухудшению степени сепарации изображений ракурсов.

Такое решение не является оптимальным, например, при использовании активных стереоочков в известных стереоскопических видеосистемах с ЖК-экранами [3], поскольку, если не использовать входные линейные поляризаторы в ЖК-затворах стереоочков, то в силу механической связи оправы стереоочков с головой наблюдателя любой угловой наклон головы приведет к уходу от оптимального углового положения структуры ЖК-затворов относительно линейного поляризатора на экране дисплея, что вызовет существенное ухудшение контраста переключения НЖК затворов (существенные перекрестные помехи между наблюдаемыми изображениями первого (левого) и второго (правого) ракурсов 3D сцены.

Краткое описание чертежей

Осуществление изобретения поясняется чертежами, на фигурах которого представлены:

Фиг. 1 - общая схема видеосистемы.

Фиг. 2 - геометрия хода оптических лучей в видеосистеме.

Фиг. 3 - структура ДБФ с использованием комбинации сплошных и раздельных прозрачных адресных электродов.

Фиг. 4 - структура ДБФ с использованием только раздельных прозрачных адресных электродов.

Фиг. 5-8 - иллюстрации соответственно первого, второго, третьего и четвертого оптических состояний каждой зоны апертуры ДБФ.

Фиг. 9 - график открытия и закрытия оптического затвора на одиночном НЖК слое.

Фиг. 10 - диаграмма показа (воспроизведения) изображений двух (левого и правого) ракурсов 3D сцены с укороченным временем показа.

Фиг. 11 - диаграммы оптического пропускания зон апертуры ДБФ и форма управляющих напряжений на оба НЖК слоя ДБФ.

Фиг. 12 - диаграммы оптического пропускания зон апертуры ДБФ и формы видоизмененных управляющих напряжений для получения нулевой средней величины их амплитуд.

Фиг. 13 - иллюстрация реализации максимальных и минимальных значений управляющего напряжения за счет фазового сдвига несущей частоты с получением нулевой средней величины амплитуд управляющих напряжений.

Осуществление изобретения

Видеосистема (фиг. 1) содержит источник 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены, стереоскопический дисплей 2 с ЖК-экраном 3, снабженным линейным поляризатором 4 с осью поляризации p₁, дистанционный бинокулярный фильтр (ДБФ) 5 и управляющий модуль 6, вход синхронизации которого подключен к выходу синхронизации источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены, информационный выход которого подключен к входу стереоскопического дисплея 2, ЖК-экран 3 которого оптически сопряжен с входом апертуры ДБФ 5, первая Q₁ и вторая Q₂ зоны апертуры которого оптически связаны с первым W₁ и вторым W₂ окнами наблюдения. При этом ДБФ 5 выполнен в виде последовательно расположенных первого нематического жидкокристаллического (НЖК) слоя 5₁, второго НЖК слоя 5₂ и линейного поляризатора 5₃, ось поляризации р₂ которого ортогональна оси поляризации p₁ линейного поляризатора 4, при этом каждый из НЖК слоев 5₁, 5₂ выполнен с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0 НЖК вещества и с гомогенной начальной ориентацией НЖК молекул LC_5-1, LC_5-2, при этом ось o₁ для обыкновенного луча первого НЖК слоя 5₁ ортогональна оси o₂ для обыкновенного луча второго НЖК слоя 5₂ и направлена вдоль биссектрисы угла между осями поляризации p₁ и р₂ линейных поляризаторов 4 и 5₃ соответственно, причем электрическим входом ДБФ 5 является совокупность входов адресных прозрачных электродов E1-EK, примыкающих к НЖК слоям 5₁, 5₂, подключенных к выходу электронного управляющего модуля 6, причем соблюдаются соотношения

где:

t_view - время попеременного показа каждого из изображений первого (левого L) и второго (правого R) ракурсов 3D сцены на ЖК-экране 3 стереоскопического дисплея 2,

τ_rise - время реакции оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ на ступенчатое (скачкообразное) повышение уровня управляющего электрического напряжения от значения U_min до значения U_max,

τ_decay - время релаксации оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ при ступенчатом (скачкообразном) понижении уровня управляющего электрического напряжения от значения U_max до значения U_min,

U_max и U_min - максимальное и минимальное рабочие значения управляющего электрического напряжения, соответствующие значениям фазовой задержки φ(U_max)=0 и φ(U_min)=π для каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂.

Гомогенная начальная ориентация НЖК молекул в каждом из НЖК слоев 5₁ и 5₂ означает выстраивание длинных осей НЖК молекул в каждом из НЖК слоев 5₁ и 5₂ параллельно поверхностям диэлектрических пластин вдоль заданного направления (которое определяет начальное направление главной оси НЖК кристалла).

Геометрия хода лучей в оптической схеме (фиг. 2) видеосистемы в ее сечении (вид 1) вдоль направления строчной развертки изображения (вдоль горизонтального направления) определяется формулой

где:

В - расстояние между центральными точками двух окон наблюдения W₁ и W₂,

Z_B - расстояние от центральных точек двух окон наблюдения W₁ и W₂ до ДБФ 5,

Z_image - расстояние от ДБФ 5 до ЖК-экрана 3,

L_image - длина ЖК-экрана 3 (его размер вдоль горизонтального направления).

При выполнении соотношения (3) из каждой из центральных точек окон наблюдения W₁ и W₂ (в которых расположены глаза наблюдателя) сквозь каждую из первой Q₁ и второй Q₂ зон апертуры ДБФ 5 виден ЖК-экран 3 по всей его длине L_image.

Высота Н_ДБФ апертуры DBF 5 (вид 2 на фиг. 2) выбрана в соответствии с формулой

где H_image - высота ЖК-экрана 3 (его размер вдоль направления кадровой развертки изображения, соответствующего вертикальному направлению). При выполнении соотношения (4) из каждой из центральных точек окон наблюдения W₁ и W₂ сквозь каждую из первой Q₁ и второй Q₂ зон апертуры виден ЖК-экран 3 по всей высоте H_image.

В первом частном варианте выполнения видеосистемы ДБФ 5 содержит диэлектрическую прозрачную (например, стеклянную, кварцевую или пластиковую) пластину 7 (фиг. 3), сплошной адресный прозрачный электрод Е1, первый НЖК слой 5₁, раздельные адресные прозрачные электроды Е2 и Е3, диэлектрическую прозрачную пластину 8, сплошной адресный прозрачный электрод Е4, второй НЖК слой 5₂, раздельные адресные прозрачные электроды Е5 и Е6, диэлектрическую прозрачную пластину 9 и линейный поляризатор 5₃. Толщина НЖК слоев определяется диэлектрическими прокладками - спей-серами (spacers) 10₁-10₄. Топологии (конфигурации площади) раздельных прозрачных электродов Е2 и Е3, Е5 и Е6 определяют топологии соответствующих зон Q₁ и Q₂ апертуре ДБФ 5.

Во втором частном варианте выполнения видеосистемы ДБФ 5 все адресные прозрачные электроды Е7-Е14 выполнены раздельными для каждой из зон Q₁ и Q₂ (фиг. 4).

Видеосистема работает следующим образом. Видеосигнал с информационного выхода источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены подается на вход стереоскопического дисплея 2, на ЖК-экране 3 которого попеременно воспроизводятся изображения первого (левого) и второго (правого) ракурсов 3D сцены, при этом каждое из изображений ракурсов воспроизводится в течение времени t_view. Световой поток изображений первого и второго ракурсов после прохождения линейного поляризатора 4 приобретает линейную поляризацию, соответствующую направлению оси поляризации p₁ (направленную, для определенности, под углом +45° к горизонтальному направлению - направлению строчной развертки изображений на ЖК-экране 3). Поляризованный (p₁) световой поток изображений ракурсов поступает на вход апертуры ДБФ 5 и последовательно проходит первый НЖК слой 5₁, второй НЖК слой 5₂ и линейный поляризатор 5₃, направление оси поляризации которого направлено под углом -45° к горизонтальному направлению и составляет угол 90° с направлением исходной линейного поляризации (p₁) светового потока изображения (до его входа в апертуру ДБФ 5). Оптическое состояние ДБФ 5 определяется комбинацией величин управляющих напряжений, подаваемых на адресные прозрачные электроды E1-EK с выхода управляющего модуля 6 в соответствии с сигналами синхронизации, поступающими с выхода синхронизации источника 1 сигналов изображений ракурсов 3D сцены. При показе (воспроизведении) на ЖК-экране 3 изображений первого (левого) ракурса открывается только первая (левая) зона Q₁ (Q_L) апертуры ДБФ 5, обеспечивая просмотр этих изображений в первом (левом) окне W₁ (W_L) наблюдения. При показе (воспроизведении) на ЖК-экране 3 изображений второго (правого) ракурса открывается только вторая (правая) зона Q₂ (Q_R) апертуры ДБФ 5, обеспечивая просмотр этих изображений в втором (правом) окне W₂ (W_R) наблюдения. Время открытия и закрытия каждой из левой Q_L и правой Q_R зон апертуры равно короткому времени τ_rise, тем самым обеспечивается их практически полное открытие в течение времени t_view показа (воспроизведения) изображений ракурсов в силу выполнения соотношения (1). Наличие соотношения (2) при этом является основанием для использования двух НЖК слоев 5₁, 5₂ в ДБФ 5 для устранения влияния длительного (сравнимого с временем показа изображений ракурсов) времени τ_decay каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ на длительность открытия и закрытия обеих зон Q_L и Q_R апертуры ДБФ 5.

Рассмотрим оптические состояния и алгоритм (логику управления) НЖК слоями ДБФ 5, обеспечивающие выполнение соотношения (1) при наличии соотношения (2).

Оптическое состояние ДБФ 5 определяется комбинацией величин управляющих напряжений U_max, U_min (фиг. 5-8), подаваемых на адресные прозрачные электроды, примыкающие к первому 5₁ и второму 5₂ НЖК слоям.

Первое оптическое состояние S1 ДБФ 5 (фиг. 5) соответствует подаче минимальных значений управляющих напряжений U_min на первый 5₁ и второй 5₂ НЖК слои, каждый из которых в этом случае создает фазовый сдвиг φ(U_min)=π, т.е. первый НЖК слой 5₁ создает фазовый сдвиг φ_5-1(U_min)=π, а второй НЖК слой 5₂ создает фазовый сдвиг φ_5-2 (U_min)=π. Данное максимальное значение (π) фазового сдвига обусловлено тем, что главная ось НЖК кристалла в каждом из НЖК слоев 5₁ и 5₂ направлена под максимальным рабочим углом по отношению к направлению распространения входящего светового потока, а направление линейной поляризации которого составляет угол 450 с осью o₁ для обыкновенного луча. Совместное действие двух НЖК слоев 5₁ и 5₂ приводит к нулевому значению абсолютного разностного фазового сдвига , что соответствует отсутствию изменения направления линейной поляризации p₁ в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5₁ и 5₂. В итоге для первого оптического состояния S1 ДБФ 5 интенсивность света J₁ на выходе линейного поляризатора 5₃ равна нулю (J₁=0), поскольку направление линейной поляризации (p₁) в прошедшем свете остается ортогональным оси поляризации p₂.

Второе оптическое состояние S2 ДБФ 5 (фиг. 6) соответствует подаче максимальных значений управляющего напряжения U_max на первый 5₁ и второй 5₂ НЖК слои, которые создают фазовые сдвиги φ_5-1(U_max)=0 и φ_5-2(U_max)=0 соответственно. Данное минимальное значение (0) фазового сдвига обусловлено тем, что главная ось НЖК кристалла в каждом из НЖК слоев 5₁ и 5₂ направлена параллельно направлению распространения входящего светового потока. Это приводит к нулевому значению абсолютного разностного фазового сдвига , что также соответствует отсутствию изменения направления линейной поляризации (p₁) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5₁ и 5₂. В итоге для второго оптического состояния S2 ДБФ 5 интенсивность света J₂ на выходе линейного поляризатора 5₃ равна нулю (J₂=0), поскольку направление линейной поляризации (p₁) в прошедшем свете остается ортогональным оси поляризации p₂.

Третье оптическое состояние S3 ДБФ 5 (фиг. 7) соответствует подаче минимального значения управляющего напряжения U_min на первый НЖК слой 5₁ и максимального значения управляющего напряжения U_max на второй НЖК слой 5₂, первый из которых в этом случае создает фазовый сдвиг φ_5-1(U_min)=π, а второй - фазовый сдвиг φ_5-2(U_max)=0. Полученная величина абсолютного разностного фазового сдвига равна π (т.е. ), что вызывает поворот на 90° направления линейной поляризации (p₁) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5₁ и 5₂. В итоге для третьего оптического состояния S3 ДБФ 5 интенсивность света J₃ на выходе линейного поляризатора 5₃ имеет максимальное значение (J₃=J_max) в силу взаимной параллельности линейной поляризации в прошедшем свете, повернутой на 90° относительно (p₁), и оси поляризации p₂.

Четвертое оптическое состояние S4 ДБФ 5 (фиг. 8) соответствует подаче максимального значения управляющего напряжения U_max на первый НЖК слой 5₁ и минимального значения управляющего напряжения на второй 5₂ НЖК слой, первый из которых в этом случае создает нулевой фазовый сдвиг φ_5-1(U_max)=0, а второй - фазовый сдвиг φ_5-2(U_min)=π. Полученная величина абсолютного разностного фазового сдвига равна π (т.е. ), что вызывает поворот на 90° направления линейной поляризации (p₁) в свете, прошедшего оба НЖК слоя 5₁ и 5₂. В итоге для четвертого оптического состояния S4 ДБФ 5 интенсивность света J₄ на выходе линейного поляризатора 5₃ имеет максимальное значение (J₄=J_max) в силу взаимной параллельности линейной поляризации в прошедшем свете, повернутой на 90° относительно (p₁), и оси поляризации р₂.

Промежуточное оптическое состояние S_mid ДБФ 5 соответствует подаче на оба НЖК слоя 5₁, 5₂ двух одинаковых промежуточных значений U_mid управляющего напряжения (U_max≥U_mid≥U_min), которые обеспечивают промежуточное значение фазового сдвига φ(U_mid)=φ_mid в каждом из НЖК слоев 5₁, 5₂. В этом случае величина абсолютного значения разностного фазового сдвига равна нулю при любом значении U_mid. В итоге для промежуточного оптического состояния S_mid ДБФ 5 интенсивность света J_mid на выходе линейного поляризатора 5₃ равна нулю (J_mid=0), поскольку направление линейной поляризации в прошедшем свете (p₁) остается ортогональным оси поляризации р₂.

Оптический отклик каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ на ступенчатое (скачкообразное) изменение управляющего напряжения U несимметричен относительно направления изменения величины управляющего напряжения. А именно, время реакции τ_rise оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ на ступенчатое повышение управляющего напряжения U мало (не превышает 50-100 микросекунд при повышении напряжения от уровня U_min≈4-6 В до уровня U_max≈20-40 В для НЖК структур [2]). Это обусловлено тем, что НЖК молекулы являются полярными (представляют собой электрические диполи). Положительная диэлектрическая анизотропия Δε>0 НЖК вещества означает, что направление оси диполя каждой НЖК молекулы совпадает с направлением ее длинной оси. Поэтому при подаче управляющего напряжения на прозрачные электроды НЖК молекулы достаточно быстро принудительно поворачиваются под действием управляющего электрического напряжения с выстраиванием осей диполей и длинных осей НЖК молекул вдоль силовых линий высокой напряженности управляющего электрического поля. Время релаксации τ_decay оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ при ступенчатом понижении уровня управляющего электрического напряжения от U_max до U_min составляет порядка двух-трех миллисекунд, поскольку возврат НЖК молекул в исходной состояние происходит в этом случае самопроизвольно под действием относительно слабых внутренних сил вязкости и упругости НЖК слоя.

Примерный график оптического отклика каждого из НЖК слоев 5₁, 5₂ ДВФ 5 представлен на фиг. 9 (для упрощения чертежа минимальное значение U_min управляющего напряжения принято равным 0). На графике интенсивность света J_single для одиночного НЖК слоя (5₁ или 5₂) соответствует, например, изменению интенсивности света J₁ за поляризатором 5₃ во времени (фиг. 5) при ступенчатом снижении управляющего напряжения до U_min только на одном из НЖК слоев 5₁, 5₂, в то время как управляющее напряжение на другом из них неизменно остается высоким величиной U_max (в этом случае только один из НЖК слоев 5₁, 5₂ участвует в формировании величины фазовой задержки света). Видно, что момент времени t_open полного открытия (получение максимального оптического пропускания) при работе только одного из ЖК-слоев 5₁, 5₂ запаздывает на большую величину τ_decay относительно момента времени t_down ступенчатого снижения управляющего напряжения от U_max до U_min. При этом момент времени t_close полного закрытия (получение минимального оптического пропускания) запаздывает на малую величину τ_rise относительно момента времени t_up ступенчатого повышения управляющего напряжения от U_min до U_max.

Время показа (воспроизведения) t_view каждого из левого L (первого) и правого R (второго) изображений ракурсов 3D сцены на ЖК-экране 3, т.е. длительность t_view реализации светового потока изображения с интенсивностью J_image (фиг. 10) существенно короче времени номинального времени Т_frame кадра: t_view составляет величину порядка двух миллисекунд при длительности каждого кадра T_frame≈10÷8,3 миллисекунд (при частоте кадров 100-120 Гц соответственно).

Для минимизации переходных времен оптического отклика ДБФ 5 с целью увеличения яркости стереоизображения, воспринимаемого в окнах наблюдения W₁ и W₂, используется параллельное электрическое управление обоими НЖК слоями 5₁, 5₂ (фиг. 11). Величина J_image соответствует интенсивности светового потока каждого из изображений левого L (первого) и правого R (второго) ракурса 3D сцены. Промежутки времени, соответствующие реализации максимального оптического пропускания C_L, левой зоны Q_L апертуры ДБФ 5, соответствуют промежуткам времени показа изображений левого ракурса L. Промежутки времени, соответствующие реализации максимального оптического пропускания C_R правой зоны Q_R апертуры ДБФ 5, соответствуют промежуткам времени показа изображений правого ракурса R.

Управление оптическим пропусканием левой зоны Q_L апертуры осуществляется подачей управляющих напряжений как на НЖК слой 5₁ посредством, например, адресных прозрачных электродов Е7 и Е8, так и на НЖК слой 5₂ посредством адресных прозрачных электродов Е9 и Е10 (фиг. 4). В начальный момент времени t₀ оба НЖК слоя 5₁, 5₂ находятся под минимальным - нулевым - напряжением U_min (для простоты принятым равным 0 на фиг. 11), что соответствует случаю минимального оптического пропускания левой зоны Q_L апертуры (соответствующее первое оптическое состояние S1 последней иллюстрируется фиг. 5). В момент времени t₁ начала показа изображения левого ракурса L между адресными прозрачными электродами Е7, Е8 подается максимальное электрическое напряжение U_max только на первый НЖК слой 5₁, что приводит к быстрому (за время t_rise) открытию левой зоны Q_L апертуры до величины максимального оптического пропускания (соответствует четвертому оптическому состоянию S4, иллюстрируемому фиг. 8), которое реализуется в течение всего времени t_view воспроизведения изображения левого ракурса L за счет поддержания максимального напряжения U_max между электродами Е7, Е8. В момент t₂ прекращения показа изображения левого ракурса L на второй НЖК слой 5₂ между адресными прозрачными электродами Е9, Е10 подается максимальное электрическое напряжение U_max, что приводит к быстрому (за время t_rise) закрытию левой зоны Q_L апертуры (соответствует второму оптическому состоянию S2 последней, иллюстрируемому фиг. 6). Далее сохраняются максимальные значения напряжения U_max на обоих НЖК слоях 5₁ и 5₂ до момента t₃ времени, который отстоит от начала (момент t₄ времени) показа следующего изображения левого ракурса L на время t_adv, большее времени τ_decay

В момент t₃ времени одновременно понижают управляющее электрическое напряжение до нулевого значения на обоих НЖК слоях 5₁ и 5₂, что оставляет прежним минимальное значение оптического пропускания левой зоны Q_L апертуры, поскольку при этом происходит переход от второго оптического состояния S2 левой зоны Q_L апертуры, иллюстрируемого фиг. 6, к ее первому оптическому состоянию S1, иллюстрируемому фиг. 5. При этом для всех промежуточных состояний управляющего напряжения (в диапазоне от U_max до U_min) в течение времени малого Δt ступенчатого изменения напряжения левая зона Q_L апертуры характеризуется промежуточным оптическим состоянием S_mid при промежуточных значениях управляющего напряжения U_mid, для каждого из которых оптическое пропускание левой зоны Q_L апертуры равно нулю. (Величина Δt в основном определяется временем перезарядки емкости электрического конденсатора, образованного обкладками в виде адресных прозрачных электродов Е7, Е8 и диэлектриком в виде НЖК слоя 5₁ или 5₂). Процесс релаксации оптического отклика НЖК слоев 5₁, 5₂ в течение времени τ_decay при ступенчатом снижении управляющего напряжения происходит без изменения оптического пропускания левой зоны Q_L апертуры. После этого в момент t₄ времени подается максимальное управляющее напряжение U_max только на адресные прозрачные электроды E9-E10, примыкающие к второму НЖК слою 5₂. Это приводит к реализации максимального оптического пропускания левой зоны Q_L апертуры (соответствует третьему оптическому состоянию S3, иллюстрируемому фиг. 7). В момент t₅ прекращения показа изображения левого ракурса L подается максимальное управляющее напряжение U_max также и на первый НЖК слой 5₁, что приводит к нулевому оптическому пропусканию левой зоны Q_L апертуры (соответствует второму состоянию S2 оптического пропускания, иллюстрируемому фиг. 6).

Рассмотренный алгоритм управления двумя НЖК слоями 5₁ и 5₂ используется аналогично для управления оптическим пропусканием правой зоной Q_R апертуры (фиг. 11) для выделения в правой зоне W2 наблюдения изображений только правого ракурса 3D сцены. Для этого управляющие напряжения подаются на адресные прозрачные электроды E11, Е12 НЖК слоя 5₁ и на адресные прозрачные электроды Е13, Е14 НЖК слоя 5₂.

Как правило, для корректной работы НЖК слоев требуется поддержание нулевого среднего напряжения на них (для предотвращения, в частности, образования постоянного объемного электрического заряда внутри НЖК слоев). Для этого используются два частных варианта модификации управляющего напряжения.

Первый частный вариант состоит в смене полярности напряжения на адресных управляющих электродах для достижения нулевого среднего напряжения в течение времени t_average усреднения (фиг. 12). Для этого выбирается повторяющийся фрагмент диаграммы управляющего электрического напряжения, которому соответствует половина времени усреднения t_average/2. Тогда n-й фрагмент диаграммы управляющего электрического напряжения воспроизводится с положительной полярностью управляющего напряжения в течении первой половины времени усреднения t_average/2, а следующий (n+1)-й фрагмент - с отрицательной полярностью в течение второй половины времени усреднения t_average/2. В итоге в течение полного времени t_average усреднения обеспечивается нулевое среднее значение управляющего напряжения.

Второй частный вариант реализации нулевого среднего значения напряжения состоит в использовании низкочастотной несущей (порядка нескольких килогерц), огибающей которой являются значения управляющего электрического напряжения (фиг. 13). На сплошной адресный прозрачный электрод Е1 подается управляющее напряжение U_carrier(0) в виде прямоугольной волны (меандра) с нулевой начальной фазой. На адресный прозрачный электрод Е2 подается управляющее напряжение U_carrier(180°) в виде прямоугольной волны (меандра) с начальной фазой 180°, т.е. управляющее напряжение U_carrier(180°) противофазно управляющему напряжению U_carrier(0). В итоге часть НЖК слоя 5₁, примыкающая к адресному прозрачному электроду Е2, находится под разностным знакопеременным управляющим напряжением ΔU_carrier(antiphase), уровень амплитуды которого равен максимальному значению напряжения U_max. Часть НЖК слоя 5₁, примыкающая к адресному прозрачному электроду Е3, находится под нулевым значением управляющего напряжения ΔU_carrier (in phase)=0, поскольку к адресным прозрачным электродам Е1 и Е3 приложены управляющие напряжения U_carrier (0) с синфазными несущими. Таким образом, получение максимального значения управляющего напряжения на выбранном участке НЖК слоя обеспечивается приложением взаимно противофазных несущих на два адресных прозрачных электрода, примыкающие к выбранному НЖК слою с разных его сторон, а получение нулевого значения управляющего напряжения выбранном участке НЖК слоя - приложение взаимно синфазных несущих на два адресных прозрачных электрода, примыкающие к выбранному НЖК слою с разных его сторон. При этом за период несущей обеспечивается нулевое среднее значение напряжения.

Для первого частного варианта