CC BY
15
УДК: 535.8
DOI: 10.18384/2310-7251-2018-2-34-44
ДИСПЛЕЙ С МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИМ ИНДИВИДУАЛЬНО-РАЗЛИЧНЫМ ОТОБРАЖЕНИЕМ. УПРАВЛЯЕМОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЕЦИРУЕМОГО СВЕТОВОГО ПОТОКА ПРОЕКТОРОМ НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Соломатин А.О.
Московский государственный областной университет 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 10А, Российская Федерация Аннотация. В работе изложены принципы функционирования основного элемента (пикселя) ЖК дисплея, который позволяет просматривать индивидуально различный видеоряд. Зрители в интерактивном режиме задают параметры индивидуально востребованных изображений, могут использовать компьютер или телевизор с одним таким экраном вместо отдельных экранов для каждого. Многопользовательский экран может отображать для членов экипажа самолёта индивидуально различную информацию. Аналогично многопользовательский экран может применяться и в иных многоместных системах приёма и обработки информации. В работе предложены новые принципы управления световым потоком и конструктивные решения для проектора с улучшенной энергоэффективностью проецирования. Разработана конструкция основного элемента матрицы проектора - пикселя на основе жидкого кристалла, позволяющая управлять направлением луча света. Значительно уменьшается негативное влияние на качество проецируемого изображения эксплуатационных факторов.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, двулучепреломление, пространственно неоднородные структуры, оптические свойства, дисплей, жидкие кристаллы, проектор.
DISPLAY WITH MULTIPLAYER INDIVIDUALLY DIFFERENT SCREENS. CONTROLLED DISTRIBUTION OF A LIGHT FLUX PROJECTED BY A LIQUID-CRYSTAL PROJECTOR
A. Solomatin
Education & Research Lab of Theoretical and Applied Nanotechnology, Moscow Region State University
ul. Radio 10A, 105005 Moscow, Russian Federation
Abstract. The paper presents the principles of operation of the basic element (pixel) of an LCD display, which allows one to view individually different visuals. The audience interactively set the parameters of individually sought-for images, can use a computer or a TV with one screen instead of separate screens for each. A multiplayer screen can display individually different information for aircrew. Similarly, a multiplayer screen can be used in other multi-bed systems intended for receiving and processing information. New principles for the control of the luminous
© CC BY Соломатин А.С, 2018.
flux and constructive solutions for the projector with improved energy efficiency projection are proposed. The design of the main matrix element of the projector - a pixel-based liquid crystal, which allows one to control the direction of the light beam, is developed. It is shown that the negative impact of operational factors on the quality of the projected image is significantly reduced.
Key words: birefringence, LC display, optical anisotropy, liquid crystals, spatially heterogeneous structures, optical properties, projector.
Введение
Визуальное отображение информации в современном обществе стало общепринятым повсеместно, буквально во всех областях человеческой деятельности [1-5]. В широком ряде разнообразных ситуаций использования коллективных экранов вполне очевидным образом проявились и их недостатки. Прежде всего, пользователи (зрители) могут нуждаться, вследствие разницы их интересов и выполняемой деятельности, в индивидуально ориентированной информации. В таком случае эффективность коллективного экрана может быть невысока.
Также следует отметить, что скопление большого числа зрителей индивидуальной визуальной информации требует соответствующее количество индивидуальных экранов. Это создаёт дополнительные требования к планировке помещений, и т.д.
Возникает потребность в таком дисплее, который мог бы показывать различным пользователям индивидуально различную информацию (видеоряд). В данной работе предложено решение этой задачи.
Отображение информации на проекционных экранах главным образом предназначено для коллективного просмотра. Практически не нашли себе применения проекционные экраны для индивидуального пользования, особенно в качестве экрана компьютера. В то же время использование индивидуальных экранов сталкивается с ограничениями по их габаритам, например, экраны носимых с одного места использования на другое (ноутбуков) обычно невелики, а экраны носимых постоянно (телефонов) откровенно маленькие.
Возникает потребность в проекционной системе, включённой в состав устройства (как фонарик у телефона) или легко подключаемой (как внешняя подключаемая к ноутбуку видеокамера), например через USB-разъём (и через него же может быть электропитание). Такая проекционная система может увеличивать возможности устройства с маленьким дисплеем, если необходимо продемонстрировать информацию группе людей и им неудобно толпиться перед маленьким дисплеем. Проецирование может быть востребовано в такой ситуации на экран умеренных размеров, в течение небольшого времени, что совместимо с аккумуляторным питанием при условии энергоэкономности проектора. В качестве экрана может быть использована какая-нибудь (импровизированная) поверхность. Такая система может быть востребована как массовым потребителем, так и МЧС, военными. В данной работе предложено решение этой задачи.
На стоимость проекционной техники существенно влияет количество управляемых оптических элементов, обычно соответствующее количеству пикселей
в изображении. Актуальна разработка управляемого элемента (пикселя), обеспечивающего проецирование большого числа пикселей изображения. В данной работе предложено решение этой задачи.
Факторами, отрицательно влияющими на качество изображения, являются: наличие областей с пониженной контрастностью из-за интенсивного внешнего постороннего их освещения; расположение проектора не на нормали к середине экрана, формирующее трапециевидную картинку с искажениями; проецирование на криволинейную поверхность. Актуальна разработка управляемого элемента (пикселя), обеспечивающего корректировку распределения светового потока как по направлению, так и по яркости, для преодоления перечисленных проблем. В данной работе предложено решение этой задачи.
Основные новые оптические элементы предлагаемого ЖК дисплея
Элементная база предлагаемого в данной работе оборудования основана, в первую очередь, на пикселях ЖК дисплея, обеспечивающих за время показа одного кадра несколько переключений между такими различными состояниями, что световой сигнал посылается нескольким различным зрителям. Таким образом, каждому зрителю можно показывать кадр из его индивидуального видеоряда. А информация, предназначенная для других, будет ему не видна.
Естественно, зрители должны располагаться на некотором (небольшом) расстоянии друг от друга, чтобы пространственные области, в которых видны различные видеоряды, не перекрывались между собой.
Положение каждого зрителя может быть определено небольшим беспроводным маяком, который можно прикреплять как заколку к одежде, волосам, и т.д. Дисплей будет направлять видеосигнал (луч света от каждого пикселя дисплея) в направлении маяка, освещая область диаметром около полуметра. Таким образом, органы зрения пользователя будут видеть изображение, если расстояние от маяка до глаз не более чем радиус светового пятна.
Элемент, обеспечивающий заданный вертикальный угол луча света, выходящего из пикселя для предлагаемого дисплея
Управляемый элемент изображён на рис. 1. В его состав входит ячейка с не-матическим жидким кристаллом [6; 7]. Регулируя прилагаемым к ячейке полем ориентационное распределение директора ЖК, мы тем самым регулируем угол, на который преломляется луч света, падающий на ячейку под углом падения, обозначенным на рис. 1 как у.
Преломленный луч характеризуется углом преломления. На рис. 1 он обозначен для одного случая как ф, для другого он не отличается от угла падения у и не обозначен никаким специальным знаком.
Рассмотрим преломление луча при входе в ЖК ячейку подробнее. На рис. 1А показаны оба варианта хода луча и обозначена плоскость поляризации падающего луча света. Он поляризован вертикально в плоскости рисунка, падает луч горизонтально в плоскости рисунка.
Рис. 1. Регулятор вертикального угла выхода луча света.
На рис. 1Б директор ЖК в ячейке, показанный горизонтальными штрихами, ориентирован параллельно ходу луча, параллельно его плоскости поляризации, горизонтально в плоскости рисунка. При этом поле отключено. Такая ориентация директора ЖК в отсутствие поля достигается тем, что на двух противоположных друг другу сторонах ячейки ЖК нанесено покрытие с микрорельефом, обеспечивающее необходимый азимутальный угол планарно ориентированного ЖК (см. также рис. 2). Обе стороны, покрытые ориентантом и снабжённые прозрачными электродами поверхности ячейки ЖК, параллельны плоскости рисунка и на рис. 1 не показаны. Показатель преломления ЖК обыкновенный п0 подобран равным показателю преломления прозрачного изотропного материала, через который луч идёт до входа в ячейку.
В таком случае [8] луч идёт по прямой и достигает криволинейной поверхности, назовём её линзой. На поверхности линзы он преломится и выйдет. На рис. 1В показано преломление луча; угол его падения на поверхность линзы обозначен а, угол преломления луча обозначен р.
Если поле включено (оно перпендикулярно плоскости рисунка) и его напряжённость настолько велика, что директор ЖК в плоскости рисунка (в плоскости падения и преломления луча света) ориентирован по полю, перпендикулярно к первоначальному направлению директора, то, как показано на рис. 1Г, луч преломится в соответствии с необыкновенным показателем преломления ЖК пе. Затем он дойдёт до поверхности линзы, преломится на ней и выйдет.
Регулируя полем ориентацию (см. также рис. 2) директора ЖК, мы обеспечим выход луча через точку поверхности линзы, расположенную между точками выхода рассмотренных выше крайних лучей и, соответственно, обеспечим угол преломления выходящего луча в диапазоне между крайними значениями.
Этот диапазон и есть вертикальный диапазон углов, в пределах которого зрители могут увидеть изображение на экране.
Там, где к поверхности линзы приближается не преломившийся луч, то есть как на рис. 1Б, зачерним (покроем поглотителем), чтобы пользоваться для формирования изображения лучом, преломившимся в соответствии с условием
ne > neeff > no.
На рис. 2 показано распределение директора ЖК по толщине (то есть между поверхностями с электродами) ячейки ЖК для различных величин приложенного поля. Так, например, можно полагать, что плоскость рис. 1 соответствует середине ячейки, изображённой на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость угла директора ЖК от координаты по толщине ячейки при различных величинах приложенного поля.
Элемент, обеспечивающий заданный горизонтальный угол луча света, выходящего из пикселя для предлагаемого дисплея
Управляемый элемент изображён на рис. 3. В его состав входит ячейка с не-матическим жидким кристаллом. Регулируя прилагаемым к ячейке полем ори-ентационное распределение директора ЖК, мы тем самым регулируем угол, на который преломляется луч света, падающий на ячейку под углом падения, обозначенным на рис. 3 как у
Преломленный луч характеризуется углом преломления. На рис. 3 он обозначен для одного случая как ф, для другого он не отличается от угла падения у и не обозначен никаким специальным знаком.
Рассмотрим преломление луча при входе в ЖК ячейку подробнее. На рис. ЗА показаны оба варианта хода луча и обозначена плоскость поляризации падающего луча света. Он поляризован горизонтально перпендикулярно плоскости рисунка, падает луч горизонтально в плоскости рисунка.
На рис. ЗБ директор ЖК в ячейке ориентирован параллельно плоскости поляризации луча, перпендикулярно его ходу, горизонтально, перпендикулярно плоскости рисунка. При этом поле включено и обеспечивает полную переориентацию директора ЖК в плоскости преломления луча. Такая ориентация директора ЖК в поле достигается тем, что на двух противоположных друг другу сторонах
ячейки ЖК нанесено покрытие с микрорельефом, обеспечивающее необходимый азимутальный угол планарно ориентированного ЖК (см. также рис. 2). Обе покрытые ориентантом и снабжённые прозрачными электродами поверхности ячейки ЖК параллельны плоскости рисунка и на рис. 3 не показаны. Показатель преломления ЖК обыкновенный По подобран равным показателю преломления прозрачного изотропного материала, через который луч идёт до входа в ячейку. В таком случае луч идёт по прямой.
Рис. 3. Регулятор горизонтальных углов выхода луча света.
Если поле выключено, директор ЖК в плоскости рисунка (в плоскости падения и преломления луча света) ориентирован вертикально в плоскости рисунка, перпендикулярно к плоскости поляризации луча и к его ходу, то, как показано на рис. 3В, луч преломится в соответствии с показателем преломления ЖК необыкновенным пе.
Регулируя полем ориентацию (см. также рис. 2) директора ЖК, обеспечим выход луча через точку поверхности линзы, расположенную между точками выхода рассмотренных выше крайних лучей.
Там, где к поверхности выхода луча приближается не преломившийся луч, то есть как на рис. 3Б, зачерним поверхность (покроем поглотителем), чтобы пользоваться для формирования изображения лучом, преломившимся в соответствии с Пе > Пе > По.
На рис. 3В показаны оба элемента рядом. Слева регулятор горизонтального угла отклонения луча, рассмотренный на рис. 3А-В, справа - регулятор вертикального угла отклонения луча, рассмотренный на рис. 1. Причём регулятор вертикального угла отклонения луча показан в другой проекции, чем на рис. 1. Для регулятора вертикального угла плоскость рис. 3В можно считать горизон-
тальной плоскостью углов дисплея (на рис. 1 плоскость рисунка можно считать вертикальной плоскостью для углов работы дисплея). Как видно на рис. ЗВ, в зависимости от регулятора горизонтального угла отклонения (расположен в левой части рис. 3В) луч света проходит через регулятор вертикальных углов дисплея (расположен в правой части рисунка) и попадает на линзу, преломляясь в диапазоне углов горизонтальных.
Важнейшее практическое значение имеют количественные оценки. Угол, на который может быть отклонён луч, оценён количественно для ячейки ЖК, с показателями преломления п0 = 1,5, пе = 1,65.
Угол падения луча у принят равным 76°, тогда угол преломления ф равен 62°. Луч не преломленный идёт горизонтально, луч, преломленный под углом преломления 62°, отклоняется в плоскости рис. 1 вниз на 14°.
Для преломления на линзе угол падения а принят равным 41°, тогда угол преломления в равен 80° (вторая среда - воздух). Для точки падения луча горизонтального на рис. 1 это означает, что нормаль к поверхности линзы образует 41° к горизонтали, тогда преломленный линзой луч образует к горизонтали угол 39° (отсчёт угла вниз в плоскости рис. 1).
Для точки падения луча, преломленного вниз на 14° на рис. 1, это означает, что нормаль к поверхности линзы образует угол 55° с горизонталью, тогда преломленный линзой луч образует с горизонталью угол 25° (отсчёт угла вверх в плоскости рис. 1).
Для горизонтальных углов получаем 39° вправо и влево.
Примерные размеры элементов пикселя показаны на рис. 4.
Если поперечные размеры линзы между крайними точками выхода лучей около 100 мкм, то на рис. 1 толщина слоя ЖК (отрезок ВС) в ячейке 200 мкм, расстояние между крайними точками выхода луча из ячейки (отрезок ББ) 400 мкм, сторона ячейки не менее (отрезок АВ) 800 мкм.
Габарит пикселя по вертикали около 300 мкм.
Количественные оценки углов для предлагаемого дисплея
Рис. 4. Отрезки, длины которых количественно оценены.
Предлагаемый ЖК проектор
На проекционный экран с большим числом пикселей в изображении будет приходиться ограниченное число проекционных элементов (пикселей проектора), каждый из которых обеспечивает построчную развёртку (как в экранах на электронно-лучевой трубке) изображения ограниченных размеров на выделенной для него части экрана. Возможны варианты: строго одна строка (столбец) проецируемых пикселей на один пиксель проектора; участок прямоугольной формы (несколько строк и столбцов) экрана на один пиксель проектора. Оба варианта будут рассмотрены ниже в данной работе.
При этом время, которое луч света проходит по пикселю изображения (задерживается на нём, или пробегает пиксель с максимальной быстротой) напрямую определяет яркость пикселя изображения. Таким образом, в отличие от проекторов с поглощением части светового сигнала для регулирования яркости пикселя изображения, экономится значительная часть светового потока. В среднем, традиционные проекторы поглощают около половины светового потока при регулировании яркости пикселей изображения. Это означает, что предлагаемая в данной работе конструкция повышает максимальную яркость пикселя изображения (и, соответственно, контрастность) в два раза при том же энергопотреблении, или позволяет при той же максимальной яркости уменьшить энергопотребление вдвое.
Также можно предусмотреть регулировку проектора с учётом неравномерной посторонней засветки экрана, неоптимального положения проектора (трапециевидное искажение картинки), когда проекционные элементы (пиксели проектора) будут распределять световой сигнал соответствующим образом как по углам проецирования, так и по яркости.
Следовательно, на большое число строк и столбцов пикселей проекционного экрана будет приходиться ограниченное число проекционных элементов, каждый из которых обеспечивает построчную развёртку (как в экранах на электронно-лучевой трубке) изображения ограниченных размеров на выделенной для него части экрана.
Проекционные элементы могут располагаться под углом друг к другу. Тогда они будут охватывать более широкую область проецирования, составленную из зон проецирования отдельных элементов.
Для преодоления проблем с внешним неравномерным освещением экрана можно вводить в проектор соответствующие настройки. Можно также оснастить проекционный элемент фотоприёмником узкого углового диапазона и получать, таким образом, информацию о внешней освещённости области проецирования элемента перед началом проецирования, автоматически введя поправки на яркость проецирования.
Таким образом, проектор может использоваться там же, где и проекторы иных типов, превосходя их во многих эксплуатационных ситуациях и, предположительно, дешевле их из-за меньшего количества управляемых элементов.
Яркость для особо высококонтрастного изображения регулируется аддитивно (накапливается). Это обеспечивается следующим образом. Области про-
ецирования для смежных проецирующих элементов частично перекрываются (фактически это требует увеличить число проецирующих элементов в несколько раз). Каждый пиксель изображения находится в проецируемых областях для нескольких проецирующих элементов. Каждый проецирующий элемент может ни разу за время формирования кадра не осветить пиксель, и он будет иметь нулевую яркость в заданном цвете RGB палитры. В тоже время, пиксель с высокой яркостью может быть сформирован за счёт многократного по продолжительности (по сравнению с обычным) временем его освещения, как одним, так и в общей сложности несколькими проекционными элементами. Таким образом, световой поток от источника света перераспределяется в соответствии с заданной яркостью пикселей.
Выводы
В работе решена задача дисплея, показывающего значительному числу зрителей индивидуально различный видеоряд. Зрители могут использовать его как монитор компьютера или телевизор вместо множества отдельных индивидуальных экранов. Устройство может использоваться в кабинах самолётов с многоместным экипажем, отображая для членов экипажа индивидуально различную информацию. Аналогично и в иных многоместных системах управления, приёма и обработки информации.
В работе решена задача проекционного устройства, в котором число управляемых оптических элементов на несколько порядков меньше, чем число пикселей в формируемом (проецируемом) изображении, что снижает стоимость оборудования.
Использование предложенного в данной работе проекционного оборудования значительно уменьшает негативное влияние эксплуатационных факторов на качество проецируемого изображения.
Приблизительно в два раза снижается энергопотребление при формировании проекционного изображения, что благоприятно для аккумуляторных проецирующих систем. Также снижается влияние тепловыделения, при проецировании мощным световым потоком, на конструкцию и условия эксплуатации.
Статья поступила в редакцию 12.03.2018 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пескова О.В. О визуализации информации // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2012. № 1. С. 158-173.
2. Ишеев И.А. Технические решения для эффективной коллективной работы с информацией и управления визуализацией // Сборник трудов XX Международной научной конференции «Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов» (24-25 мая 2011 г., Москва). М.: Академия управления Министерства внутренних дел России, 2011. С. 290-297.
3. Рубио Д. Обзор решений по экранам коллективного пользования в диспетчерских ТЭК // Современные технологии автоматизации. 2017. № 2. С. 96-102.
4. Кузин О.С. Плазменные и светодиодные технологии // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. № 8. С. 20-23.
5. Бугаев С.М. Экран коллективного пользования // Мир Автоматизации. 2008. № 12. С. 64-65.
6. Optical Properties of Hybrid Aligned Nematic (HAN) Cells with Different Pretilt Angles / Belyaev V.V., Solomatin A.S., Kurilov A.D., Chausov D.N., Mazaeva V.G. // Applied Optics. 2014. Vol. 53. Iss. 29. pp. H51-H57.
7. Belyaev V.V., Solomatin A.S., Chausov D.N. Phase retardation difference of liquid crystal cells with symmetric and asymmetric boundary conditions // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2014. Vol. 596. Iss. 1. pp. 22-29.
8. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 1957. 759 с.
REFERENCES
1. Peskova O.V. O vizualizatsii informatsii [About visualization of information]. In: Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N.E. Baumana. Seriya: Priborostroenie [Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Instrument Engineering], 2012, no. 1, pp. 158-173.
2. Isheev I.A. Tekhnicheskie resheniya dlya effektivnoi kollektivnoi raboty s informatsiei i upravleniya vizualizatsiei [Technical solutions for effective collaboration with information and visualization management]. In: Sbornik trudov XX Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii "Informatizatsiya i informatsionnaya bezopasnost'pravookhranitel'nykh organov" (24-25 maya 2011 g., Moskva) [Proceedings of the XX International scientific conference "Informatization and information safety of law enforcement" (24-25 may, 2011, Moscow)]. Moscow, Academy of Management of the Ministry of Internal Affairs of Russia Publ., 2011. pp. 290-297.
3. Rubio D. Obzor reshenii po ekranam kollektivnogo pol'zovaniya v dispetcherskikh TEK [A review of the solutions for shared-use screens in dispatching facilities]. In: Sovremennye tekhnologii avtomatizatsii [Modern automation technologies], 2017, no. 2, pp. 96-102.
4. Kuzin O.S. Plazmennye i svetodiodnye tekhnologii [Plasma and LED technology]. In: Elektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes [Electronics: Science, Technology, Business], 2005, no. 8, pp. 20-23.
5. Bugaev S.M. Ekran kollektivnogo pol'zovaniya [Shared-use screen]. In: Mir Avtomatizatsii [World of Automation], 2008, no. 12, pp. 64-65.
6. Belyaev V.V., Solomatin A.S., Kurilov A.D., Chausov D.N., Mazaeva V.G. Optical Properties of Hybrid Aligned Nematic (HAN) Cells with Different Pretilt Angles. In: Applied Optics, 2014, vol. 53, iss. 29, pp. H51-H57.
7. Belyaev V.V., Solomatin A.S., Chausov D.N. Phase retardation difference of liquid crystal cells with symmetric and asymmetric boundary conditions. In: Molecular Crystals and Liquid Crystals, 2014, vol. 596, iss. 1, pp. 22-29.
8. Landsberg G.S. Optika [Optics]. Moscow, Gosudarstvennoe izdatel'stvo tekhniko-teoreticheskoi literatury Publ., 1957. 759 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Соломатин Алексей Сергеевич - кандидат физико-математических наук, инженер учебно-научной лаборатории теоретической и прикладной нанотехнологии Московского государственного областного университета; e-mail: Sotrudnica_UNC@mail.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Aleksei S. Solomatin - PhD in Physical and Mathematical Sciences, engineer of the Education & Science Lab for Theoretical and Applied Nanotechnology, Moscow Region State University; e-mail: Sotrudnica_UNC@mail.ru
ПРАВИЛЬНАЯ ССЫЛКА НА СТАТЬЮ
Соломатин А.С. Дисплей с многопользовательским индивидуально-различным отображением. Управляемое распределение проецируемого светового потока проектором на основе жидких кристаллов // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-математика. 2018. № 2. С. 34-44. DOI: 10.18384/2310-7251-2018-2-34-44.
FOR CITATION
Solomatin A.S. Display with multiplayer individually different screens. Controlled distribution of a light flux projected by a liquid-crystal projector. In: Bulletin of Moscow Region State University. Series: Physics and Mathematics. 2018. no. 2. pp. 34-44. DOI: 10.18384/2310-7251-2018-2-34-44.
