Наука и технологии - Оптика

В лаборатории ФИАН (физического института им. П.Н. Лебедева РАН) создали электрооптические ЖК ячейки, в 100 раз превосходящие по быстродействию используемые в настоящее время. На их основе уже в обозримом будущем можно будет создавать сверхбыстрые видеопроекторы, объемные экраны трехмерных дисплеев, а также лазерные пико-проекторы, размещаемые даже в мобильном телефоне.

Макет трехмерного дисплея уже существует и находится в лаборатории Оптоэлектронных процессоров ФИАН. Он составлен из нескольких плоских модуляторов света (жидкокристаллических ячеек толщиной порядка миллиметра), расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. При этом объемное изображение объекта формируется "постепенно": в плоскости каждого модулятора, благодаря включению в них по очереди рассеяния света, визуализируются подаваемые от видеопроектора (также по очереди) изображения сечений объекта. В совокупности эти сечения и создают цельный световой макет объекта, который можно рассматривать мало того, что без очков, так еще и с разных сторон. Но это возможно только в том случае, если световой макет сформируется менее чем за 1/25 секунды, для чего цикл включения/выключения светорассеяния в ячейках должен быть тем меньше этого времени, чем большее число сечений визуализируется в объемном изображении. Добиться такого быстродействия позволяют созданные в ФИАНе ЖК материалы нового типа – наноструктуры на основе смектических кристаллов с сегнетоэлектрическими свойствами (СЖК). Они способны переключаться из одного прозрачного состояния в другое прозрачное или светорассеивающее состояние почти в 100 раз быстрее, чем нематические кристаллы, используемые в современных плоских телевизионных или компьютерных ЖК экранах.

_{Макет трехмерного дисплея: пример "постепенного" формирования объемного изображения трубы}

Над разработкой СЖК материалов, ячеек и приборов на их основе коллектив ученых под руководством доктора физ.-мат. наук Игоря Компанца работает уже более 15 лет. Он объясняет:

"СЖК ячейка – это не только "сэндвич", состоящий из слоя жидкого кристалла в нескольких микрометров толщиной, расположенного между прозрачными электродами толщиной порядка 80-100 нм. На них еще наносится тонкая, в 5-50 нм, полимерная пленка, ориентирующая в заданном направлении молекулы ЖК вещества и образующая с верхним шероховатым слоем проводящего покрытия композитную структуру. Наконец, есть еще диэлектрическая пленка в несколько десятков нанометров толщиной, предотвращающая возможное замыкание электродов, и диэлектрические столбики, высота которых задает толщину ЖК слоя"

Быстродействие разработанных в ФИАНе светорассеивающих СЖК модуляторов позволяет наблюдать одновременно порядка 100 сечений объемного пространства, в то время как самый быстрый из существующих на сегодня видеопроекторов на основе матрицы микрозеркал в реальном времени обеспечивает визуализацию лишь 20 сечений. К тому же, как утверждает профессор Компанец, микрозеркала через 2-3 года непрерывной работы "устают", а СЖК могут служить десятилетие и больше и могли бы обеспечить скорость формирования изображений в 8 тысяч кадров в секунду, а не в тысячу, как за рубежом.
Однако для использования СЖК ячеек в высокочастотном микродисплее скоростного видеопроектора нужно было разработать низковольтные ячейки, допускающие переключение оптического состояния с указанной частотой при управляющем напряжении менее 3 В. И такая низковольтная СЖК ячейка была недавно создана в ФИАНе. Частота модуляции света в 1-2 кГц достигается в ней при подаче всего 1,5-2 В напряжения.
Помимо использования в объемном экране трехмерного дисплея и в микродисплее скоростного видеопроектора, быстродействующая СЖК ячейка может служить еще и в качестве деспеклера - фильтра спекл-шума (зернистости) в изображениях, сформированных лазерным лучом в проекционных дисплеях.

_{На рисунке: вверху - изображение практически без спеклов (получено с применением деспеклера), внизу - со спеклами.}

"Для того чтобы лазерный луч сохранил важную для создания цветовой гаммы монохроматичность, но при этом потерял когерентность, приводящую к интерференции лучей и наблюдению спеклов, мы предложили поставить на его пути маленькую, но "удаленькую" СЖК ячейку. При подаче на нее электрического сигнала сложной формы когерентность луча разрушается вследствие особенностей его фазовой модуляции. Пико-проектор, использующий такой принцип фильтрации шумов, можно будет установить даже в мобильный телефон и с его помощью проецировать, например, на стену фильм или другую информацию и смотреть их в удобном масштабе", - комментирует Игорь Компанец.

В настоящее время фиановцы активно ищут партнеров для реализации своих столь заманчивых научных разработок. Ищут и в России, и за рубежом. Так, например, в мае 2010 года профессор Компанец планирует рассказать об этих достижениях на ежегодном международном симпозиуме Дисплейного общества (SID-2010), который пройдет в Сиэтле (США, штат Вашингтон).