Projektio-, 3D- ja paperinkaltaiset näyttötekniikat T Kuvaus- ja näyttötekniikka Syksy 2012 Mikko Nuutinen,

Transkriptio

1 Projektio-, 3D- ja paperinkaltaiset näyttötekniikat T Kuvaus- ja näyttötekniikka Syksy 2012 Mikko Nuutinen, Luennon sisältö: Projektioteknologiat: CRT, LCD, LCOS, DLP 3D-näyttötekniikat: suuntakanavointi, volymetrinen tekniikka Paperinkaltaisia näyttöteknologioita

2 Pikselimäärä Projektorinäytöt: Ruutukoko hahmotelma OLED LCD Projection (LCD, DLP,LCOS) WUXGA (1920x1200) p/1080i (1920x1080) CRT Plasma 720p (1280x720) 50 Ruutukoko (tuumaa) 100

3 Projektorinäytöt: Komponentit Komponentit: Valonlähde Optiikka (2x) Ohjauspiiri Näyttöelementti (Image Engine) (Kangas) Projektionäyttöjen konfiguraatiot: etuprojektio: katsoja ja projektori samalla puolella kangasta, kangas heijastava takaprojektio: katsoja ja projektori eri puolilla kangasta, kangas transmissiivinen

4 Projektorinäytöt: Valonlähde UHP-lampun (Ultra High Pressure) periaate: paineen alaisessa tilassa sähkövirta elektrodien välillä aikaansaa kaasussa (kuten elohopea, xenon) valopurkauksia Vaatimuksena yhdensuuntainen sädekimppu valonsäteiden tulisi kulkea saman polttopisteen kautta ideaali valonlähde on äärettömän pieni piste, joka tarkentuu ellipsoidin muotoisesta heijastimesta tarkasti tiettyyn polttopisteeseen

5 Projektorinäytöt: Optiikka Funktiot: valon siirto lampusta näyttöelementille ja valon siirto näyttöelementiltä projektiopinnalle Valo tulee kohdistaa tasaisesti näyttöelementille eräs tapa parantaa tasaisuutta on ohjata valo suorakulmaiseen putkeen, jonka sisäpinta on heijastavaa peilimateriaalia valonsäteet heijastelevat putken sisällä muodostaen lopulta tasaisen, nelikulmion muotoisen sädekimpun

6 Projektorinäytöt: Näyttöelementti Näyttöelementit ns. mikronäyttöjä mikronäytöksi luokitellaan näyttö, jonka koko < 1 Mikronäyttöjen käyttöalueet: projektionäytöt: kuva suurennetaan optiikalla kankaalle virtuaalinäytöt: kuvaa katsotaan optiikan läpi (digitaalikameroiden elektroniset etsimet, kypärä-/päällepuettavat näytöt) Mikronäyttö voi olla emissiivinen, transmissiivinen tai heijastava Kuvantuottotekniikka projektoreissa: CRT-projektiot: kuva tuotetaan elektronitykin ja fosforien avulla (ei enää käytössä) valoventtiiliprojektorit: kuva tuotetaan moduloimalla valonlähteen valoa» transmissiivinen: LCD» heijastava: LCoS, DLP (Optics)

7 Projektorinäytöt: CRT Tekniikka suurentaa emittoivan CRT-näytön kuvan kankaalle Värientuotto kolmella elektronitykillä Kankaalle projisointi suoraan optiikalla emittoivista pinnoista tai puoliläpäisevien peilien kautta

8 Projektorinäytöt: LCD (transmissiivinen tekniikka) Valo suodatetaan nestekidekerroksen läpi Aktiivimatriisitekniikka, jossa transistorit yleensä valmistettu monikiteisestä piistä p-si mahdollistaa pienemmät transistorit kuin a-si ja paneelikoko saadaan riittävän pieneksi Värientuotto kolmen paneelin (RGB) sekä puoliläpäisevien peilien (dichroic mirror) ja prisman avulla Polarisaattorit suodattaa valoa

9 Projektorinäytöt: LCoS (Liquid Crystal on Silicon) Toiminta perustuu heijastavaan nestekidepaneeliin Valo läpäisee polarisaattorin sekä nestekidekerroksen ja heijastuu näyttöelementin pohjan peilipinnasta toiselle polarisaattorille (analysaattorille) Nestekidekerroksen toimintaa ohjataan CMOS-kennolla (>90% täyttöaste) Nestekidekerros määrittää valon polarisaatiosuunnan (eli läpäiseekö valo toisen polarisaattorin)

10 Projektorinäytöt: LCoS-mikronäytön sovelluksia Eräs LCoS-tekniikan sovellusalue on (projektorien ohella) kameroiden elektroninen etsin

11 Projektorinäytöt: LCoS yhden näyttöelementin konfiguraatio I LCoS - suodinpyörätekniikka Yhden näyttöelementin teknologia tuottaa värit suodinpyörällä, joka suodattaa temporaalisesti eri aallonpituusalueet Värit yleensä R, G ja B, mutta myös eri konfiguraatioita Absorptio ainakin 2/3 valosta valoteho laskee Lisäksi polarisaattorit suodattaa valoa

12 Projektorinäytöt: LCoS yhden näyttöelementin konfiguraatio II Vieritysväritekniikka: Näyttöelementti Värit esitetään kolmasosan näyttöelementin pinta-alasta peittävinä väriraitoina Väriraitoja vieritetään näyttöelementin yli Kun väriraita siirtyy kuvan alareunaan, se jatkaa kulkuaan alkaen kuvan yläreunasta Vieritysväritekniikassa optiikan rooli erittäin tärkeä Valon skannaus neliömäisillä prismoilla, joiden kiertoliike vastaa kunkin väriraidan siirtymistä näyttöelementillä

13 Projektorinäytöt: LCoS yhden näyttöelementin konfiguraatio II Neliömäisten prismojen kiertoliike aikaansaa väriraidat näyttöelementille Valon taipuminen prismassa ei absorboi valoa, vain polarisaattorit suodattaa valoa, vaikka kyseessä yhden näyttöelementin laite

14 Projektorinäytöt: LCoS kolmen näyttöelementin konfiguraatio Värit tuotetaan kolmen näyttöelementin sekä värisuotimien ja säteenjakajien avulla Polarisaattorit suodattaa valoa

15 Projektorinäytöt: DLP-teknologia (Digital Light Processor) Valo ohjataan (pikselikohtaisesti) alumiinipeilien avulla joko optiikkaan ja kankaalle tai valoa absorboivalle pinnalle Texas Instrumentsin kehittämä teknologia

16 Projektorinäytöt: DLP-teknologia Yksi DMD (Digital Micromirror Device) siru Värillisyys toteutetaan aikajakoisesti suodinpyörällä Demo

17 Projektorinäytöt: DLP-teknologia Yleensä peilien kääntökulma ~ 10 Tilassa +θ valo heijastuu peilin kautta optiikkaan ja kankaalle Tilassa -θ valo heijastuu peilin kautta absorboivalle pinnalle

18 Projektorinäytöt: DLP (Digital Light Processing) DLP-projektoreissa yleensä vain yksi näyttöelementti Värit suodinpyörän avulla (R,G,B, (W)) Joissakin malleissa myös kolme näyttöelementtiä tummuustasot synnytetään aikapohjaisesti, jonka mahdollistaa peilien nopea siirto tilojen +θ ja θ välillä (~15 s) esimerkki: paneeli toimii 60 Hz taajuudella ja toistaa 256 tasoa/värikanava yhden värikentän kesto on 5.56 ms (1/60*1/3) yhden tilan kesto on 22 s

19 3-D näyttöteknologioiden luokittelu Tyyppi Näkymien lukumäärä stereoskooppiset väri-, polarisaatio-, aika- ja paikkakanavointi autostereoskooppiset suuntakanavointi >=2 2 volymetrinen näyttö, elektroholografia rajoittamaton Stereoskooppiset näytöt tuottavat 3D-vaikutelman käyttäjäkohtaisen apuvälineen avulla; esim. puna-viher-, polarisoivat tai LCD-sulkijalasit Autostereoskooppiset näytöt tuottavat 3D-vaikutelman ilman käyttäjäkohtaisia apuvälineitä

20 3D-näyttöteknologiat: Stereoskooppiset tekniikat Värikanavointi perinteinen menetelmä oikealle ja vasemmalle silmälle eri kuva värisuotimien avulla edullinen menetelmä, mutta täysvärikuvien esitys ei mahdollista Polarisaatiokanavointi näyttöpinnalla esitetään polarisaatiosuunniltaan eroavat kuvat Aikakanavointi yleinen menetelmä 3D-elokuvateattereissa ja -televisioissa vasemman ja oikean silmän kuva näytetään temporaalisesti eri tahdissa käyttäjän silmikkosuodatin (aktiivisuljinlasit) on synkronoitu näytön kanssa silmikkosuodattimen toiminta voi perustua esimerkiksi nestekidesuotimiin Paikkakanavointi vanha menetelmä 3D-kuvan tuottamiseen vasemman ja oikean silmän kuva esitetään erillisillä tasoilla

21 3D-näyttöteknologiat: Autostereoskooppiset tekniikat Eräs tapa on luokitella autostereoskooppiset näytöt seuraaviin ryhmiin: suuntakanavointinäytöt volymetriset näytöt elektroholografiset näytöt Suuntakanavointinäytöt ovat tasomaisia näyttökomponentteja, joiden optisena ominaisuutena on pinnasta lähtevän valon riippuvuus katselukulmasta eli kuva jaetaan oikealle ja vasemmalle silmälle. Volymetriset näytöt ovat tilavuudellisia eli näyttöelementtinä toimii aina jonkinlainen tila, minkä sisään kuva projisoidaan tai esitetään Elektroholografiset näytöt perustuvat hologrammiteknologiaan, joka perustuu valon aaltorintaman suunnan ja intensiteetin tallentamiseen ja uudelleenesittämiseen

22 Autostereoskooppiset tekniikat: suuntakanavointinäytöt Suunnan estäminen vasemman silmän kuva oikean silmän kuva oikea silmä vasen silmä Suunnan estäminen Näyttöelementissä vertikaalinen aukkorakenne, joka suuntaa vasemmalle ja oikealle silmälle eri kuvat vertikaalinen aukkorakenne (parallax barrier) Sharp LCD-tekniikalla toteutettu näyttö, joka mahdollistaa sekä 2D- että 3D-kuvan esittämisen Kun näyttö tuottaa 3D-kuvan, nestekidetekniikkaan perustuva aukkorakenne asetetaan estotilaan

23 Autostereoskooppiset tekniikat: suuntakanavointinäytöt Linssimatriisi Linssimatriisi (lenticular screen) Näyttöelementin edessä puolisylinterilinsseistä koostuva taso Kun linssin ja tason etäisyys on sopiva, muodostuu kaksi kuvarintamaa A.C.T Kern Valmistaa linssimatriisitekniikkaan perustuvia 3D-näyttöjä Liittää NEC:in ja Samsungin näyttöpaneelien eteen linssimatriisikerroksen Erikoisuus on näyttöpaneelien 90 rotaatio RGB-osapikselit aiheuttavat normaalitilassa värihäiriöitä

24 Autostereoskooppiset tekniikat: suuntakanavointinäytöt Integraalikuvamenetelmä Integraalikuvamenetelmä Näyttöelementti esittää useaa, eri suunnista tuotettua 2D-kuvaa Eri suunnista tuotettu informaatio ohjataan usealla mikrolinssillä eri suuntiin Toshiba Toshiba julkaissut vaakasuuntaisen 3D-näytön, joka käyttää mikrolinssejä 3Dvaikutelman synnyttämiseen

25 Autostereoskooppiset tekniikat: suuntakanavointinäytöt Moniprojektorimenetelmä Moniprojektorimenetelmä tarvitaan yksi projektori/näkymä kallis ratkaisu lisäksi projektorit tulee kohdistaa tarkasti toisiinsa nähden valmistettu kokeellinen järjestelmä, joka sisältää > 100 näkymää (/projektoria) IEEE Computer Society 8/2005

26 Autostereoskooppiset tekniikat: suuntakanavointinäytöt Aikapohjainen menetelmä Aikapohjainen menetelmä Tarvitaan yksi korkean päivitystaajuuden näyttölaite Vaaditaan lisäksi optinen komponentti, joka ohjaa kuvat oikeille vyöhykkeille teoreettinen implementaatio: näyttöpaneelia valaistaan ajallisesti tietyllä taustavalon sarakkeella tuotettu kuva ohjautuu optiikan kautta tietylle kuvavyöhykkeelle nopealla näyttöpaneelin päivityksellä, joka on synkronoitu taustavaloon, voidaan tuottaa usean kuvavyöhykkeen autostereoskooppinen näyttö IEEE Computer Society 8/2005

27 Autostereoskooppiset tekniikat: Suuntakanavointinäytöt Head tracking Suuntakanavanäyttöihin liittyviä käytännön ongelmia: 50 % todennäköisyys, että kuvarintamat kohdistuvat väärin kohti käyttäjää, vaikka käyttäjä olisi oikealle etäisyydellä kuvatasosta mikäli kuvarintamat kohdistuvat oikein, tulee käyttäjän pysyä paikoillaan liike eteen- tai taaksepäin pienentää todennäköisyyttä havaita 3D-kuva Päämäärä olisi esittää kuvainformaatio niin, että käyttäjä saisi sijaintiriippumattomasti 3Dvaikutelman tarvitaan tieto käyttäjän pään sijainnista (head tracking) Kun tiedetään käyttäjän pään sijainti, voidaan vasemman- ja oikeanpuoleiset kuvat esittää oikeilla vyöhykkeillä IEEE Computer Society 8/2005

28 Autostereoskooppiset tekniikat: Suuntakanavointinäytöt Head tracking Head Tracking A.C.T Kern Head Tracking järjestelmä mahdollistaa käyttäjän pään vapaan liikkeen x-, y- ja z- suunnissa käyttäjän silmien sijainnin perusteella säädetään reaaliaikaisesti näytön linssimatriisia

29 Autostereoskooppiset tekniikat: Volymetriset näytöt Volymetriset näytöt ovat tilavuudellisia eli kuva tuotetaan tai projisoidaan jonkin tilan sisään Tilaelementti vokseli (voxel = volume element) eli pikseli Volymetriset näytöt voidaan toteuttaa esimerkiksi pyyhkäisy- tai staattisen tilan menetelmillä Volymetristen näyttöjen ominaisuuksia: Motion parallax: liikkeen (katsoja tai kohde) aiheuttama kuvainformaation muutos Useissa volymetrisessä näytöissä käyttäjillä mahdollisuus kiertää näyttöpintaa Volymetriset näytöt luovat kohteen, joka oikeasti sijaitsee 3D-tilassa käyttäjälle ei synny visuaalista rasitusta, joka johtuu konvergenssi- ja akkomodaatioetäisyyksien erosta IEEE Computer Society 8/2005

30 Autostereoskooppiset tekniikat: Volymetriset näytöt Perspecta spatial 3D system pyyhkäisytilamenetelmä 3Dkuva tuotetaan projisoimalla 2Dinformaatiota pyörivälle, diffuusille näyttöpinnalle, jolloin syntyy 10 pallomainen kuva projisointi DMD-tekniikkaan perustuvilla näyttöelementeillä (3x768x768 pikseliä, 3 bitin väriesitys 8 eri väriä) 2D-informaatio päivitetään 198 kertaa per näyttöpinnan kierros 198 x 768 x 768 = 100 milj. vokselia IEEE Computer Society 8/2005

31 Autostereoskooppiset tekniikat: Volymetriset näytöt Depthcube ei mekaanisesti liikkuvia osia 3D-kuva esitetään monitasoisen, LCDtekniikkaan perustuvan näyttöpinnan avulla (1024 x 768) jokainen taso voi olla joko läpinäkyvässä tai valoa sirottavassa tilassa projisointi toteutetaan DMD-tekniikkaan perustuvalla ja näyttöpinnan kanssa synkronoidulla projektorijärjestelmällä muuttuva 2D-informaatio projisoidaan yhden kierroksen aikana 20 kertaa 20 x 1024 x 768 = noin 16 milj. vokselia 15 bitin väriesitys 32k eri väriä IEEE Computer Society 8/2005

32 Autostereoskooppiset tekniikat: Elektroholografiset näytöt Hologrammit ovat kolmiulotteisia kuvia, jotka esitetään kaksiulotteisella tasolla Perusperiaate on tuottaa näytölle kuva, joka sisältää koherentin valon intensiteetti- sekä suuntainformaation MIT Media laboratory Moduloitu, punainen lasersäde ohjataan vaaka ja pystysuuntaisilla poikkeutuspeileillä vertikaalisesti diffuusille pinnalle

33 Paperinkaltaiset näytöt Vaatimuksia: Näyttömateriaali ei saa vahingoittua taivutuksessa pitkälläkään aikavälillä (?) Kaareutuvuus ei saa vaikuttaa näytön optisiin ominaisuuksiin (?) Paino- ja tehonkulutusrajoitus Bistabiilisuus Kaksi stabiilia tilaa ilman sähköistä signaalia (monostabiilissa tiloja vain yksi) Harmaasävyjen toisto edellyttää multistabiliutta Korkea luettavuus (vrt. paperi) Korkea tarkkuus Reflektiivisyys Laaja katselukulma Korkea kontrasti Eri valaistukset (hämärähkö sisävalaistus -> kirkas ulkovalaistus)

34 Ideaalinen bi- ja multistabiili elektro-optinen käyttäytyminen bistabiili Jännite Eli tila (optinen vaste) säilyy vaikka jännite poistetaan Optinen vaste Jännite multistabiili Optinen vaste

35 Partikkelipohjaiset näytöt Kehitystä jo 1970-luvulla; esim. Xeroxin patentit Ei kehitystä 1980-luvulla Kiihtyvää aktiviteettia 1990-luvulla Kaupalliset sovellukset > Pyörivän pallon menetelmä: Gyricon Elektroforeesi: partikkeli-väriaine (SiPix) in-plane elektroforeesi (Canon) kaksoispartikkeli (E Ink)

36 Partikkelipohjaiset näytöt: Pyörivän pallon menetelmä - Gyricon Muodostuu mustavalkoisista palloista elastomeerikerroksessa (joustava) Pallot liikkuvat onkaloissa ja pyörivät ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta Bistabiilisuus syntyy pallojen tarttuessa onkalon seinään Mekaanisesti järeä Korkeat resoluutiot vaativat pieniä palloja Suuri ohjausjännite (100 V) Elektrodit + Pallo + Onkalo Pohjalevy

37 Partikkelipohjaiset näytöt: Elektroforeettisen näytön periaate Havainnoitsija Läpinäkyvä elektrodi Valkoinen Musta Ohjauselektrodit Musta väriaine Valkoinen pigmenttihiukkanen

38 Partikkelipohjaiset näytöt: Elektroforeettiset näytöt Partikkeli-väriaine mikrokapseli: valo heijastuu joko pigmenttihiukkasista tai väriaineesta Kuori Valkoinen Havainnoitsija Musta Pigmenttihiukkanen 5 m Väriaine Mikrokapseli Pigmenttihiukkanen

39 Partikkelipohjaiset näytöt: Elektroforeettiset näytöt SiPix: Microcup mikrokapselien sijasta käytetään mikrokuppeja SID 2003

40 Partikkelipohjaiset näytöt: Elektroforeettiset näytöt In-plane elektroforeesi (Canon) pigmenttipartikkelit joko levitetään tasaisesti pikselissä tai ohjataan kasaksi SID 2000

41 Partikkelipohjaiset näytöt: E Ink ( elektroninen muste ) Mikrokapseleissa valkoisia ja mustia pigmenttipartikkeleita Valkoiset ja mustat partikkelit erimerkkisesti varattuja

42 Elektrokastuvuus (electrowetting) a) ilman jännitettä väriaine muodostaa kalvon b) jännitteen vaikutuksesta väriaine supistuu SID 2004

43 Elektrokastuvuus (electrowetting)

44 Elektrokemialliset näytöt Sähkövirta aiheuttaa väriaineen hapettumis- tai pelkistymisreaktio, joka aikaansaa värimuutoksen Värimuutos voi tapahtua kahden eri värin välillä tai värillisen ja läpinäkyvän tilan välillä Elektrodepositio (Sony) sähkövirran avulla elektrodien pinnoitus värittömät hopeaionit valkoisen heijastajan takana pelkistyvät, jonka seurauksena elektrodit pinnoittuvat ja saavat tumman värin SID 2002

45 Nestekidefaasi Nestekidekerroksen rakenne voi olla: nemaattinen smektinen kolesteerinen Nemaattisella faasilla on suunnan mutta ei paikan suhteen järjestyneisyyttä Smektisessä nestekiteessä on järjestäytyneisyyttä siten, että kiteet pyrkivät järjestäytymään kerroksellisesti tai tasomaisesti. Liike tapahtuu tasojen sisällä. Tasot voivat liikkua toisiinsa nähden. Kolesteerinen nestekidefaasi muodostuu nestekidefaasista, jossa kiteet järjestäytyvät kulmassa toisiinsa nähden. Tästä syntyy pinomainen rakenne nemaattisia 2-D kerroksia

46 Bistabiilit nestekidevaihtoehdot monostabiili bi/multistabiili (1) heikko ankkurointi (2) pinnan mikrokuviointi (3) polymeeridouppaus bistabiili nemaattinen twisted nematic kolesteerinen smektinen kolesteerinen LC ferroelektrinen LC

47 Bistabiili LCD-teknologia: Ch-LCD (Cholesteric-LCD) heijastava homeotrooppinen läpinäkyvä Kaksi stabiilia tilaa: a) heijastava (tasomainen) ja b) läpinäkyvä tila Heijastavassa tilassa kiteiden kiertymisakselit yhdensuuntaisia näytön ylä- ja alapinnan kanssa ja tietyt aallonpituudet valosta heijastuvat Läpinäkyvässä tilassa kiteiden kiertymisakselit satunnaisesti suuntautuneita ja valo kulkee läpi Kolmannessa ei-stabiilissa c) homeotrooppisessa tilassa kiteet vertikaalisesti asettuneita Ohjauspulssin muodolla ja amplitudilla ohjataan siirtymisiä tilojen välillä SID 2003

48 Ch-LCD (Cholesteric-LCD): Toimintaperiaate Elektrodeihin 10-20V Läpinäkyvä Heijastava Jännite poistetaan hitaasti Jännite poistetaan nopeasti Elektrodeihin 30-40V Homeotrooppinen

49 Ch-LCD (Cholesteric-LCD) : Pikselin rakenne Täysvärinäyttö mahdollinen päällekkäin olevat RGB-solut Sinistä valoa heijastava kerros Vihreää valoa heijastava kerros Punaista valoa heijastava kerros B G R Musta absorboija

50 Elektronisen paperin käyttöönotto Sähkökirja? Sigma book (2004) - Ch-LCD Sony Reader (2006) - E-ink Amazon Kindle I (2007), Kindle II (2009), Kindle III (2010), Kindle IV (2011), Kindle V (2012). - E-ink näyttö Harmaatasoja 4 (Kindle I) tai 16 (Kindle II ja III) Kindle Fire, ipad (LCD IPS)?? Motorola Fone F3 (2007) - E-ink