Объемные дисплеи

Существующие сегодня модели объемных дисплеев не могут похвастать впечатляющими характеристиками: выдаваемое ими монохромное изображение более всего напоминает трехмерный рентгеновский снимок, причем хуже всего передаются эффекты затенения и темные участки объектов. Последнюю проблему удалось решить объединенной группе исследователей из Университета Суонси (Великобритания) и Университета Пердью (США).

Изображения башни и лица, полученные с использованием люми-объемов (фото Бенджамина Моры)
Изображения башни и лица, полученные с использованием люми-объемов (фото Бенджамина Моры)

Трехмерное изображение формируется на плоскости, совершающей 24 оборота в секунду, с помощью объемных элементов — вокселов, которые поглощают или пропускают свет от так называемого «изотропно излучающего источника» (isotropically emissive light device, IEVD). Для того чтобы повысить качество представления объектов, ученые модифицировали входной массив данных, поступающих в IEVD, добавив к нему информацию об освещенности каждого из участков изображения. Измененный таким образом набор данных они назвали «люми-объемом».

Полученные в результате эффекты затенения немногим уступали тем, которые можно наблюдать при визуализации изображения на обычным «плоском» компьютерном мониторе. «Мы вывели точные математические соотношения, описывающие процесс рендеринга на объемных мониторах, — сообщил в интервью сайту PhysOrg.Com Бенджамин Мора (Benjamin Mora), представляющий Университет Суонси. — Контролировать затенение невозможно, если не формализовать используемые алгоритмы».

Коммерческие перспективы объемных дисплеев, впрочем, довольно туманны. Они избавлены от многочисленных недостатков конкурирующих технологий (к примеру, для просмотра не требуется надевать специальные очки, а на обработку данных уходит относительно немного — по сравнению с голографическими дисплеями — процессорного времени). Однако очевидно, что качество формируемых изображений пока не соответствует ожиданиям потребителей. «Ничего, — уверенно заявляют исследователи, — зато уже сейчас можно устанавливать такие дисплеи в музеях — для демонстрации виртуальных экспонатов». Не прекращаются и попытки усовершенствовать технологию: в частности, ученые планируют провести эксперименты с двумя изображениями, проецируемыми на обе стороны вращающегося экрана.

Высокоскоостной поезд

В минувшие выходные во Франции завершились испытания высокоскоростного поезда Pegase AGV, созданного компанией Alstom. В ходе испытаний на участке европейской железнодорожной линии «Восток» поезд развил будущую эксплуатационную скорость — 360 км/ч.

Мчится поезд, поезд мчится (на фоне Фудзи) ненавязчиво, маняще, такт колес в висках стучится: завтра что-нибудь случится, завтра то, что нынче снится, может сбыться в настоящем... (Константин Никольский)
Мчится поезд, поезд мчится (на фоне Фудзи) ненавязчиво, маняще, такт колес в висках стучится: завтра что-нибудь случится, завтра то, что нынче снится, может сбыться в настоящем... (Константин Никольский)

AGV выгодно отличается от своего предшественника — модели TGV — по нескольким параметрам. Поезд основан на принципе сочлененной конструкции и распределенной тяги: его двигатели расположены под вагонами, а не в голове и хвосте поезда, как у TGV. Благодаря новой системе тяги и использованию композитных материалов масса поезда уменьшилась на 70 тонн, а энергопотребление — на 15% ( по сравнению с аналогичными поездами). Но основное новшество, главная особенность — это эксплуатационная скорость AGV, равная 360 км/ч, что на 40 км/ч превышает максимальный показатель TGV. Экспресс будет состоять из 7-14 вагонов и сможет вмещать от 250 до 650 пассажиров.

В течение четырех недель Pegase AGV выезжал на испытания ночью в выходные дни, чтобы не мешать регулярному движению. В испытательную команду входили 60 инженеров из компаний Alstrom и EurailTest, которые проверили все конструкционные параметры — аэродинамику, управление тягой, измерили динамические характеристики, испытали тормозную систему, использующую «орошение» рельсов, провели акустические измерения...

Результаты удовлетворили специалистов. Сообщается, что в конструкцию поезда будут внесены лишь незначительные улучшения. Теперь Pegase AGV отправится на очередной этап испытаний в Чехию, а затем пройдет сертификацию в Италии. К слову, первым заказчиком AGV стала итальянская компания NTV, которая уже в 2010 году получит первый из 25 составов.

Свет

То, что световое давление существует, впервые предположил Иоганн Кеплер в ХVII веке, наблюдая закрученные хвосты космических комет. Несмотря на огромное количество энергии, обрушивающейся на землю в виде солнечных лучей, ученые до сих пор не могли напрямую использовать её в механических системах. Теперь такая возможность появилась на стыке нанофотоники и наномеханики.

Преобразование энергии световых волн в механическую – давняя мечта многих ученых и писателей-фантастов. Еще в позапрошлом веке наличие силы светового давления было предсказано теоретически, а в семидесятых годах века прошлого, с развитием техники эксперимента, было впервые показано, как световые волны, отражаясь от поверхности, придают ей небольшой механический импульс.

Эти открытия в свое время вызвали немалый ажиотаж и в научной и в популярной прессе, наперебой обсуждавших возможность создания космических кораблей, в качестве единственного топлива использующих солнечный свет. Для этого им необходим был соответствующий солнечный парус – огромная по площади и ничтожная по массе отражающая поверхность.

Однако годы расчетов, экспериментов и моделирования показали – далеко такой солнечный корабль не улетит – уж слишком мала сила светового давления.

Сегодня надежды на прямое использование света для работы механических устройств вновь обрели под собой почву. В свежем выпуске журнала Nature группа Хуна Тана, профессора Йельского университета, опубликовала статью, в которой показала, каким образом можно осуществить преобразование так называемых градиентных оптических сил в энергию механических колебаний.

Оптический пинцет
(англ. Optical tweezers), иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка» — научный прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного...

Силы оптического градиента – обратная сторона корпускулярно-волновой двойственности электромагнитных волн. С одной стороны, волны видимого света проявляют свойства частиц, ударяясь и отталкиваясь от отражающих поверхностей, преграждающих путь их прямолинейному движению. Но когда размер отражающей поверхности становится меньше длины оптической волны, свойства принципиально меняются. В этом случае волна возбуждает на поверхности электрический диполь, который может взаимодействовать с электромагнитным полем. Взаимодействие это между волной и наведенным диполем тем сильнее, чем интенсивнее волна, то есть чем ярче свет.

На этом принципе основано действие так называемого оптического или лазерного пинцета, позволяющего манипулировать наноразмерными объектами. Создавая в лазерном луче градиент интенсивности излучения, нарастающий от краев луча, к его центру, можно затянуть наночастицу в этот самый центр, а затем аккуратно переметить с места на место.

Но заставить такие градиентные силы работать в каком-либо механическом устройстве до сих пор никому не удавалось.

Тан для этих целей разработал наномеханическое устройство весьма интересной геометрии, размещенное на стандартной пластине из кремния. Устройство сочетает в себе оптический волновод и механический резонатор. Волновод-резонатор помещен в более крупный оптический волновод, вытравленный в виде канавки в кремниевой пластине.


Оптический колебательный контур Тана. Внизу увеличенное изображение волновода-резонатора.//H. Tang, Yale University

Часть этого волновода подвешена в воздухе на двух опорах специальной геометрии, так же вытравленных внутри канавки. Эта подвешенная часть имеет собственную резонансную частоту колебаний в десять мегагерц. Однако одного резонатора для работы устройства мало. Дело в том, что электромагнитное излучение, распространяющееся вдоль волновода, частично выходит за его границы, теряя при этом интенсивность. Потому диэлектрическую подложку диоксида кремния, с которой это «градиентное» излучение может взаимодействовать, необходимо было разместить не дальше, чем на триста нанометров от резонатора.

Соорудив такое хитрое наноразмерное приспособление с помощью стандартных методик микроэлектронной индустрии, ученые в итоге

запустили по канавкам-волноводам световой поток полупроводникового лазера, «мигание» которого, а точнее частота изменения градиента интенсивности, совпадала с частотой резонанса волновода.

Тану оставалось только доказать, что колебания резонатора, возникающие в фотонном наномеханическом контуре – следствие и результат работы градиентных оптических сил а не, например, тепловые деформации. Разделить вклад тепловых воздействий и оптических сил удалось, подняв частоту работы механического устройства, так как распространение тепловых колебаний происходит гораздо медленнее. Например, при работе контура на гигагерцовой частоте тепловые эффекты вообще себя никак проявлять не должны.

Работа американских ученых открывает целую область знаний на стыке и без того очень перспективных областей нанофотоники и наномеханики. В будущем наномеханические устройства можно будет заставлять работать под действием электромагнитных волн самого широкого спектра, вплоть до микроволнового. При этом все преобразование энергии будет осуществляться на одном микрочипе без привлечения внешних сил, использующихся, например, в магнитомеханических устройствах.

Этими устройствами могут быть аналогичные микроосцилляторы, фотонные смешивающие устройства и узкополосные радиочастотные фильтры. Сейчас же наиболее важной задачей является возбуждение высокочастотных колебаний подобных оптомеханических устройств, которые требуют большей мощности светового излучения. Мощность устройства, продемонстрированного Таном, составляет десятки мВт. Существенно повысить её поможет уменьшение размеров волноводов и расстояния между проводником и диэлектриков. Тогда заставить контур колебаться можно будет и без модуляции интенсивности оптического излучения. Для этого подойдет обычный солнечный свет.