IT-Байки: будущее 3D видео - за жидкими кристаллами / Аналитика

Выставка International Consumer Electronics Show (CES), с которой начался бурный и богатый на события 2008 год, чётко продемонстрировала, что одним из ключевых направлений дальнейшего развития полупроводниковых технологий и воспроизведения высококачественного контента постепенно становится техника 3-мерного изображения. И если с формированием и воспроизведением объёмного звука давным-давно наступила полная ясность, то с получением стереокартинки в фильмах и играх пока что полная неразбериха. Кроме того что 3D видео для бытовых нужд пока что не имеет ни единого общепринятого стандарта, большинство устройств для воспроизведения 3-мерного изображения пока или громоздки, или безумно дороги, или и то и другое вместе. Или требуют применения специальных 3D очков. Сам факт того, что лидеры мировой электронной индустрии как сговорившись ринулись осваивать этот сектор и продемонстрировали в рамках CES 2008 множество различных решений для просмотра 3D контента, говорит о потенциальной вероятности приведения в ближайшее время различных 3D технологий к какому-то общему стандартизированному знаменателю. Совсем не удивлюсь, если в ближайшие годы нам придётся стать свидетелями войн 3D стандартов по образу и подобию недавно окончившейся войны стандартов Blu-ray и HD DVD. Другое дело что до сих пор не существует такой технологии 3D отображения – пусть даже недешёвой в реализации, которую бы смело можно было назвать идеалом. С этой точки зрения можно сказать, что разработчики 3-мерных телевизоров и дисплеев, проводя аналогии с Blu-ray, ещё даже не договорились о диаметре собственно диска. Между тем потенциал для создания отличных 3D дисплеев уже имеется у ряда современных технологий, и об одной из них мы поговорим сегодня.
К настоящему времени можно насчитать множество патентов, столбящих передачу 3-мерного изображения с помощью жидких кристаллов, в том числе с использованием различного рода голографических технологий. Так, ещё в 2004 году компания Qinetiq смогла продемонстрировать полноцветный 3D проекционный дисплей на базе технологии амплитудных голограмм с применением жидких кристаллов, однако полученное решение получилось впечатляюще громоздким, слишком дорогим и значительно ограниченным в возможностях.

Идеальным методом для получения реалистичного 3D изображения могло бы стать применение техники полной амплитудно-фазовой голограммы, однако нынешний уровень развития технологий делает этот путь безумно сложным. Применение технологии фазовой голограммы в чистом виде (киноформная оптика) в настоящее время считается многими специалистами наилучшим способом формирования 3D изображения, однако и здесь имеется ряд ограничений по использованию жидкокристаллической технологии для модуляции фазовой голограммы. Группе учёных под руководством доктора Тима Вилкинсона (Tim Wilkinson) из Кембриджского университета (University of Cambridge) удалось совершить значительный прорыв в области создания новых типов жидкокристаллических структур, пригодных, в том числе, и для формирования 3D изображений. В своих экспериментах учёные совместили жидкие кристаллы с вертикально выращенными углеродными нанотрубками. В результате получилась уникальная реконфигурируемая 3-мерная жидкокристаллическая структура. На снимке ниже: Тим Вилкинсон исследует процесс переключения массива линз с помощью микроскопа Olympus BR11 в лаборатории Университета Кембриджа.

В полученном ЖК устройстве ориентированные вертикально многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT, multi-wall carbon nanotube) играют роль 3-мерной электродной структуры. Это позволяет отображать сложные фазовые голограммы с применением обычных жидкокристаллических материалов. Токопроводящие MWCNT-структуры, используемые в качестве 3D электродов в оптически анизотропных средах вроде жидких кристаллов, позволяют конструировать самые необычные микро-оптические компоненты. Достаточно габаритные (по сравнению с размерами молекул жидких кристаллов) упорядоченные вертикальные массивы из углеродных нанотрубок, будучи внедрёнными в структуру жидких кристаллов, гарантируют сильное взаимодействие между нанотрубками и ЖК материалом. Именно эта взаимосвязь позволяет использовать оптическую анизотропию жидких кристаллов на практике. На внедрённые наноструктуры, исполняющие роль своеобразных "примесных центров" в ЖК материалах, можно подавать внешний электрический управляющий потенциал. В этом случае нанотрубки выполняют роль точечных электродов в общем массиве, а в целом происходит образование объёмного профиля электрического поля и образование профиля показателя преломления в жидкокристаллической ячейке.

Далее серии профилей с переменным показателем преломления формируют общий фазовый профиль. Изменение приложенного электрического потенциала делает возможным модуляцию света в идеальном киноформном оптическом элементе.

На схеме выше нанотрубка (нижний электрод) представлена в ЖК-ячейке с приложенным внешним электрическим потенциалом. Верхний электрод (земля) выполнен из прозрачной проводящей плёнки на основе индий - оксида олова (ITO, indium tin oxide) на стеклянной подложке, с ориентирующим полиамидным слоем. Многослойная углеродная нанотрубка, в свою очередь, подключается к металлическому стержню нанометровых размеров. Если встроить эту конструкцию между двух плоских электродов, нанотрубка будет конфигурировать профиль электрического поля по кривой распределения Гаусса, и жидкокристаллические молекулы будут выстраиваться вдоль этого поля, создавая варьирующийся профиль показателя преломления в горизонтальной плоскости ячейки. Именно этот профиль является идеальным способом создания изменяемой фазовой функции, или киноформа для 3D голограммы. Многослойные нанотрубки играют роль адресуемой 3D электродной структуры, управляющей массивом микролинз в жидкокристаллической ячейке. Локальное электрическое поле с сильным потенциалом определяет поведение ближайших молекул жидких кристаллов, в результате чего формируются своеобразные микролинзы с изменяемым фокусным расстоянием. Массив из 1000 х 1000 микролинз умещается при этом на чипе габаритами всего 10 х 10 мм.

На схеме выше показан профиль электрического поля, окружающий единичную углеродную нанотрубку высотой 10 мкм с приложенным полем 1 Vm_-1>.

Интересно отметить, что работы по выращиванию токопроводящих электродов из углеродных нанотрубок на кремниевой подложке, начатые несколько лет назад, показали, что соотношение размеров нанотрубки влияет на профиль формируемого поля. Выращиваемые в настоящее время для поставленной задачи многослойные углеродные нанотрубки имеют длину порядка 2 мкм и диаметр примерно 50 нм. Тем не менее, даже такие крохотные трубки состоят из нескольких концентрических слоёв. В полной аналогии с многослойной структурой луковицы, каждый слой такой нанотрубки представляет – это "свёрнутый в трубку" слой графена. Типичные многослойные 50-нм нанотрубки состоят в среднем из семи слоёв. В практической плоскости очень важно отметить, что одна из каждых трёх одноуровневых углеродных нанотрубок является полупроводником.

Моделирование профиля электрического поля в трёх измерениях методом конечных элементов позволило выяснить зависимость величины поля от физических габаритов нанотрубки, а также тот факт, что создаваемое поле получается кругообразно симметричным. Эксперименты с выращиванием групп из двух, трёх или четырёх нанотрубок на расстоянии 1 мкм друг от друга позволило добиться частичного перекрытия профилей полей, а значит, добиться более широкой апертуры для каждой отдельной линзы массива. На снимке ниже, сделанном с помощью электронного микроскопа, хорошо видны выращенные таким образом углеродные нанотрубки.

Теперь о том, как вся эта заумная математика работает на практике. Оптическое устройство, выполненное на базе вертикальных многослойных углеродных нанотрубок на кремниевой подложке, представляет собой электрически реконфигурируемый микро-оптический масив (см. фото ниже).

электрически реконфигурируемый микро-оптический масив

Казалось бы, для преобразования оптических свойств полученного устройства достаточно подать потенциал на каждый электрод. Однако есть проблема: для каждой углеродной нанотрубки необходимо адресовать разные уровни смещающего напряжения, только так можно добиться функционирования киноформной линзы. Идеальной платформой для реализации полноценного килоформного дисплея является технология LCOS (Liquid Crystal on Silicon, жидкие кристаллы на кремнии). Типичный чип LCOS состоит из массива транзисторов для формирования полноцветного изображения каждым пикселем матрицы с разрешением Full HD, и такая технология вполне годится для переключения отдельных углеродных нанотрубок. На снимке ниже – фрагмент чипа LCOS, шаг между ключами – 17 мкм.

Идеальное 3D изображение может быть получено созданием компьютерной голограммы с использованием дифракции света каждого пикселя голограммы. На схеме ниже показан принцип использования голограммы для создания 3D изображения и пример генерирования объёмного объекта двухфазовыми голограммами с помощью LCOS-микродисплея.

Что любопытно отметить, уже сегодня новая технология формирования массивов микролинз находится в состоянии, готовом к внедрению в массовое производство. По крайней мере сейчас эта разработка находится в ведении Cambridge Enterprise, коммерциализационного представительства Кембриджского университета, и компания живо интересуется поиском потенциальных партнёров-инвесторов, которые сами смогут выбрать сферу применения, для которой новая 3D ЖК технология будет адаптирована первой. А список сфер применения новой технологии достаточно велик. Адаптивные оптические системы могут с успехом применяться в оптометрии для создания волновых датчиков, оптических рассеивателях, цифровых видеокамерах, наконец, в совершенно новом поколении индикаторов показаний приборов на ветровом стекле и шлемов-дисплеев. Со временем, глядишь, дело дойдёт и до крупногабаритных 3-мерных дисплеев. Несмотря на определённые успехи, до массового внедрения в производство разработчикам придётся решить ряд проблемных мест технологии. Например, разобраться с тем, что применение обычных LCOS-микродисплеев имеет существенный недостаток, выражающийся в малом угле обзора голограммы вследствие относительно малого количества пикселей и шага между ними. Так, в экспериментальном устройстве учёные использовали двухфазный принцип с матрицей 1280x1024 пикселей и шагом между пикселями 12 мкм, и это дало всего лишь 9-градусный угол обзора. Значительным образом качество восстановленного изображения также ограничивает применяемая на данном этапе двухфазовая модуляция. В настоящее время учёные работают над созданием устройств с многоуровневой фазовой модуляцией на основе сложных нематических жидких кристаллов. Хотя, в любом случае принцип формирования изображения останется тот же: вертикальные углеродные нанотрубки в ЖК ячейках с LCOS-коммутацией.