CC BY
8
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В.
ФОРМИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫМ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ КОМПОЗИТНЫМ ДИСПЛЕЕМ РЕАЛИСТИЧНОГО СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор,е-таП: Sotrudnica_UNC@mail.ru
Панкрушина Алла Вадимовна, к.т.н., доцент
Царева Елена Владимировна, к.т.н., доцент
Кафедра Информатики и Компьютерного Проектирования
Российский Химико-Технологический Университет им.Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
Мащенко Владимир Игоревич, к.х.н., с.н.с. учебно-научной лаборатории теоретической и прикладной нанотехнологии Московский государственный областной университет (МГОУ) 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. Веры Волошиной, д. 24.
Ермакова Мария Вадимовна магистрант факультета Инженерная Академия Российского Университета Дружбы Народов
В работе изложены новые принципы управления световым потоком, принципы функционирования и конструктивные решения дисплея на основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей с объемным отображающим пространством (объемным распределением пикселей), которые позволяют произвольному числу зрителей просматривать с произвольных точек обзора в реалистическом режиме индивидуальный интерактивный видеоряд - изображения трехмерных объектов, в том числе произвольно движущихся и вращающихся, с соблюдением их основных визуальных свойств.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты, дисплей, стереоизображение.
FORMATION OF A REALISTIC STEREOSCOPIC IMAGE BY A THREE-DIMENSIONAL LIQUID-CRYSTAL COMPOSITE DISPLAY
Solomatin A.S., Pankrushina A.V.,Tsareva Е.У., Mashchenko V.I.*, Ermakova M.V.*
Department of Computer Science and Computer Engineering
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
*Moscow Region State University, 24 Very Voloshinoy str., 141014, Mytishi, Russia
The paper presents new principles of light flow control, principles of operation and design solutions of the display based on 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels with a volumetric display space (volumetric pixel distribution), which allow an arbitrary number of viewers to view individual interactive video series from arbitrary viewing points in realistic mode - images of three-dimensional objects, including randomly moving and rotating ones, in compliance with their basic visual properties.
Keywords: optical anisotropy, borsiloxane gels, liquid crystal composites, display, stereo image.
Введение
В данной работе рассмотрен разработанный на основе микроструктур жидкокристаллических (ЖК) композитов [1,2] дисплей (рис.1а) с объемным распределением пикселей - объемным отображающим пространством. Он коллективный - позволяет произвольному числу зрителейпросматриватьизображения трехмерных объектов (в том числе произвольно движущихся и вращающихся) с соблюдением их основных визуальных свойств. Видеоряд индивидуальный -зрители в геометрически локализованных областях (рис.1а) видят отдельную интерактивную картинку для каждой области, не видимую в остальных областях расположения зрителей.
Предложенный коллективный объемный экран может быть востребован в управлении производством (диспетчерские пункты),
коллективных играх (на компьютере), показе фильмов (стерео кинотеатр с индивидуальным или
локально-коллективным видеорядом), управлении техническими средствами (кабина самолета), научно-техническом проектировании (системы автоматического проектирования), в медицине (управление медицинскими процедурами, диагностика).
Разделив для каждого пикселя пространство на конструктивно заданные (рис.1б) зоны (диапазоны углов по вертикали и по горизонтали), соответствующие секторам размещения зрителей с индивидуальным для каждого сектора видеорядом (рис.1а), в каждом из них можно, регулируя время свечения соответствующих этим направлениям субпикселей - частей поверхности пикселя (рис.1б), задать большое число градаций яркости каждым из цветов RGB палитры. При проектировании пикселей учитывается, что в реальности не все направления (физическое размещение зрителей над, под и т.д. относительно дисплея) могут успешно использоваться (рис.1а).
Основные новые оптические элементы, конструктивные решения и принципы функционирования
Световоды плоскопараллельного сечения (каждый - одного из RGB цветов) с источником поляризованного (параллельно основной стороне) света в торце (например, в нижнем) располагаются вертикально, с одинаковыми промежутками в горизонтальной плоскости по каждой из двух осей координат, в объеме дисплея. Направление поляризации хорошо сохраняется при неоднократном отражении луча света от стенок световода.
Пиксели на стенке световода (как бусы на нитке) состоят из сегментов - субпикселей, ограниченных каждый криволинейной поверхностью,
направляющей световой поток в заданный угловой сектор (рис.1а, рис.1б). Изображаемый предмет виден зрителю как совокупность объемно распределенных точек (каждая составлена из трех монохромных RGB пикселей) его поверхности, посылающих световой поток заданного цвета и яркости в том угловом секторе, где находятся органы зрения зрителя (рис.1а, рис.1б).
Распределение фиксированных секторов можно изменять, если покрыть выпускающую свет поверхность субпикселей регулируемым полем
тонким слоем (линзой) ЖК-композита (с размерами, в зависимости от температурных режимов ориентирования и термофиксации композитов, от долей до десятков микрон ЖК-фазы в боросилоксановых (БС) матрицах), преломляющего проходящий свет. Требуются конструктивные электронагревательные элементы,
чтобыприложением электрического поля
переориентировать [3] под другое фокусное расстояние линзы ЖК при нагревании композитов выше 55°С - температуры плавления 8ОЦБ (структуры из ориентированных кристаллитов переходят в ЖК-фазу). К долговременному фиксированию полученных микроструктур приводит охлаждение ниже температуры плавления ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля.
Предложенные конструктивные решения, позволяющие перенастраивать секторы размещения зрителей, развивают идеи коллективного ЖК экрана с фиксированными секторами просмотра индивидуального видеоряда, изложенные в [4,5]. Это позволяет адаптировать коллективный объемный экран к произвольной геометрии помещения и произвольно распределенным в помещении локальным зонам размещения зрителей.
а
1 ч1 © г^3©
г
>1 6 N>\
©
Рис. 1. а - 1 объемный дисплей; 2, 3, 4, 5 группы зрителей в фиксированных секторах, видящих индивидуальный для каждого сектора объемный видеоряд; 6 световые потоки от объемного дисплея в направлении фиксированных секторов б - Плоский световод 1 и часть половинки пикселя с одной из сторон световода. Поверхности субпикселей образуют
огранку пикселя, похожую на ювелирные изделия. Световые потоки 3 идут в фиксированных угловых секторах, разделенных границами 2. Группы зрителей в фиксированных секторах видят индивидуальный для каждого сектора объемный видеоряд, фактически видят световой поток от обращенного к ним субпикселя. Световые потоки от пикселя объемного экрана идут в направлении фиксированных секторов расположения зрителей. Их границы смыкаются
Яркость субпикселя, воспринимаемая зрителем, определяется временем его свечения - пропускания света (регулируется пространственное
распределение директора заполняющего
субпиксельнематического ЖК приложенным электрическим полем) из световода через субпиксель.
Те две параллельные друг другу стороны субпикселя, которые вертикальны и
перпендикулярны поверхности световода, покрыты ориентантом, задающим минимальный угол наклона (полярный угол) директора ЖК, то есть вертикально,
параллельно поверхности. Прозрачные электроды нанесены на обе такие стороны субпикселя.
Та сторона субпикселя, которая отделяет его от световода, покрыта материалом, не влияющим на ориентацию используемого сорта ЖК. Вследствие этого, заданная ориентированной стороной вертикальная ориентация директора транслируется во всем объеме субпикселя.
Стенкой субпикселя является непосредственно материал, заполняющий световод, пусть его показатель преломления пцёй=1,55, пусть у нематического ЖК в объеме субпикселя показатели
преломления п0=1,5, пе=1,65, пусть показатель преломления заполняющей объем дисплея вне световода и субпикселя средып0щ=1,5.
При темном состоянии субпикселя: поле выключено, на поверхности, отделяющей его от световода, ориентация директора ЖК планарная(вертикально, параллельно основному направлению луча света в световоде).Эффективный показатель преломления ЖК равен п0=1,5, свет не будет поступать из световода, будет так называемое полное внутреннее преломление - отражение луча света от границы раздела (так как показатель преломления материала световода больше).
При светлом состоянии субпикселя: поле включено, на ориентированной стороне угол наклона директора ЖК не изменяется, в объеме субпикселя ориентация директора ЖК распределяется в соответствии с упругими свойствами ЖК и напряженностью поля, на поверхности, отделяющей субпиксель от световода, ориентация директора ЖК планарная (горизонтально, перпендикулярно основному направлению луча света в световоде).Эффективный показатель преломления (директор ЖКпараллельно плоскости поляризации луча) равенпе=1,65, луч света преломится на границе раздела, размерами субпикселя определяется поступающая относительная доля светового потока световода.
Световой поток ослабевает после прохождения мимо отбирающего некоторую часть (в зависимости от суммы яркостей субпикселей) света пикселя, для следующего пикселя это учитывается при расчете светлого времени его субпикселей.
Выводы
В работе изложены новые принципы управления световым потоком, принципы функционирования и конструктивные решения дисплея на основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей с объемным отображающим пространством (объемным распределением пикселей), которые позволяют произвольному числу зрителей просматривать с произвольных точек обзора в реалистическом режиме индивидуальный
интерактивный видеоряд - изображения трехмерных объектов, в том числе произвольно движущихся и вращающихся, с соблюдением их основных визуальных свойств. Каждый зритель (локально расположенная группа зрителей) видит собственный видеоряд - остальным его не видно - и может управлять им в интерактивном режиме.
Предложены конструктивные решения, позволяющие перенастраивать секторы размещения зрителей. Это позволяет адаптировать коллективный объемный экран к произвольной геометрии помещения и произвольно распределенным в помещении локальным зонам размещения зрителей.
Предложенный коллективный объемный экран может быть востребован в управлении производством (диспетчерские пункты),
коллективных играх (на компьютере), показе фильмов (стерео кинотеатр с индивидуальным или локально-коллективным видеорядом), управлении техническими средствами (кабина самолета), научно-техническом проектировании (системы автоматического проектирования), в медицине (управление медицинскими процедурами, диагностика).
Список литературы
1. Мащенко В.И. Особенности формирования микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана / В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова, А.С. Соломатин, В.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. -№2. - С.34 - 45.
2. Мащенко В.И. Микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана. Оптические свойства дисперсной жидкокристаллической структуры на их основе / В.И. Мащенко, А.С. Соломатин, Ю.О. Шашкова, В.В. Беляев // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - № 3. - С.97 - 107. Б01: 10.18384/2310-7251-2017-3-97-107
3. Невская Г.Е. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. / Г.Е. Невская, М.Г. Томилин // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
4.Соломатин А.С., Беляев В.В. Дисплей с многопользовательским направленным распределением визуальной информации и проектор с управляемым распределением луча света на основе жидких кристаллов с неоднородным распределением директора // Вестник МГОУ. - 2018. - №1. - С. 4762.
5. Соломатин А.С. Дисплей с многопользовательским индивидуально-различным отображением. Управляемое распределение проецируемого светового потока проектором на основе жидких кристаллов // Вестник МГОУ. - 2018. - №2. - С. 34-44.
