Текст: Дмитрий Целиков

В Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) созданы электрооптические ЖК-ячейки, по быстродействию на два порядка превосходящие современные решения. Практическое применение изобретения фиановцев очевидно — сверхбыстрые видеопроекторы, объемные экраны 3D-дисплеев и миниатюрные лазерные пикопроекторы.

Над созданием трехмерного дисплея на основе быстрых ЖК-ячеек работают ученые Лаборатории оптоэлектронных процессоров ФИАНа. Макет устройства составлен из нескольких плоских модуляторов света (жидкокристаллических ячеек толщиной порядка миллиметра), расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Объемное изображение объекта формируется «постепенно»: благодаря поочередному включению в модуляторах рассеяния света в плоскости каждого из них визуализируются подаваемые от видеопроектора (также по очереди) изображения сечений объекта. В совокупности эти сечения и создают цельный световой макет объекта, который можно рассматривать без специальных очков и даже с разных сторон. Но это возможно только в том случае, если световой макет сформируется менее чем за 1/25 секунды. Поэтому цикл включения/выключения светорассеяния в ячейках должен быть тем меньше этого времени, чем большее число сечений визуализируется в объемном изображении.

Добиться подобного 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.

Над разработкой СЖК-материалов, ячеек и приборов на их основе вот уже пятнадцать с лишним лет трудится коллектив ученых под руководством доктора физ.-мат. наук Игоря Компанца.

«СЖК-ячейка — это не только «сэндвич», состоящий из слоя жидкого кристалла в несколько микрометров, расположенного между прозрачными электродами толщиной 80–100 нм, — поясняет Игорь Николаевич. — 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 толщиной в несколько десятков нанометров, предотвращающая возможное замыкание электродов, и диэлектрические столбики, высота которых задает толщину ЖК-слоя».

Быстродействие разработанных в ФИАНе светорассеивающих СЖК-модуляторов позволяет наблюдать одновременно около 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 сейчас.

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. Частота модуляции света в 1–2 кГц достигается в разработке ФИАНа при подаче всего 1,5–2 В напряжения.

По мнению ученых, быстродействующая СЖК-ячейка может также служить в качестве деспеклера — фильтра спекл-шума (зернистости) в изображениях, сформированных лазерным лучом в проекционных дисплеях. «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, — комментирует Игорь Компанец. — При подаче на нее электрического сигнала сложной формы когерентность луча разрушается из-за особенностей его фазовой модуляции. Пикопроектор, 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».

В настоящее время фиановцы активно ищут партнеров для реализации этих неординарных разработок. В грядущем мае профессор Компанец представит успехи своей лаборатории на ежегодном международном симпозиуме Дисплейного общества (SID 2010), который пройдет в Сиэтле (штат Вашингтон, США).