eng
Выпуск #7/2024
Е. В. Власов, П. С. Завьялов, Е. С. Жимулева
Расчет и оценка широкоугольных окуляров с высоким разрешением для трехмерного мультифокального наголовного дисплея
Расчет и оценка широкоугольных окуляров с высоким разрешением для трехмерного мультифокального наголовного дисплея
Просмотры: 1025
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.7.564.568
Расчет и оценка широкоугольных окуляров с высоким разрешением для трехмерного мультифокального наголовного дисплея
Е.В. Власов, П. С. Завьялов, Е. С. Жимулева
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, Новосибирск, Россия
Приводится расчет и анализ оптической схемы широкоугольного окуляра для иммерсионного мультификального наголовного дисплея. Окуляр основан на использовании светоделительного кубика в качестве делителя для формирования двух планов изображений. Угол поля зрения составляет 44° × 33°, 60° по диагонали. Максимальный радиус пятна рассеяния (RMS radius) составляет 13,2 мкм, при размере пиксела 9,3 мкм.
Ключевые слова: 3D изображение, наголовный дисплей, стереокуляры
Статья получена: 11.10.2024
Статья принята: 28.10.2024
Введение
Тенденция развития индивидуальных средств навигации, ориентации и контроля за движениями человека диктуется все более массовым их применением в таких областях человеческой деятельности как спорт, медицина, интерактивные компьютерные игры и военные задачи. К мобильным навигационным средствам военного назначения и их тактико–техническим и массогабаритным характеристикам предъявляются особые требования.
В настоящее время за рубежом очень активно развиваются технологии по построению очков дополненной реальности. Известны разработки таких фирм как Epson (Epson Moverio BT‑200, BT‑300), Lumus, Microsoft (Microsoft Hololens), Sony (Sony SmartEyeglass), Google (Google Glass) и др. В основе построения очков дополненной реальности используется несколько разных технологий проецирования изображения с микродисплея на полупрозрачный экран, расположенный перед глазом человека. Одна из технологий предполагает проецирование изображения при помощи стереокуляров [1–4].
Одним из существенных недостатков существующих и разрабатываемых очков дополненной реальности является очень малый угол поля зрения (Field Of Viev – FOV), порядка 20–40 градусов по диагонали. Увеличение же угла обзора в вышеописанных схемах приводит к существенному увеличению габаритов и массы очков.
Расчет оптической схемы
Все последующие расчеты стереокуляра для формирования объемного изображения сцены выполнены на основе Фурье–оптики с помощью программы оптического конструирования ZEMAX–EE фирмы Focus Software, Inc. В качестве источника изображения рассматриваются микродисплеи Low-Power AMOLED SXGA060 фирмы Olightek и FLCOS микродисплеи фирмы Forth Dimensional Displays c разрешением 1 280 × 1 024. В статьях [5,6] в результате дифракционного анализа линейной комбинации двух планов изображений было показано, что глаз аккомодирует на пиковую интенсивность кривой при любых аберрациях. Более того, установлено, что при различных размерах зрачка глаза интенсивность полусумм не остается постоянной величиной, поскольку глаз является одним из компонентов дисплея (комбинирование интенсивностей планов-изображений происходит на сетчатке). В программе расчет проведен в обратном ходе лучей, для видимой длины излучения в спектральном диапазоне от 486 нм до 656 нм. Рассматривается упрощенная модель глаза. В ходе расчета было проверено несколько моделей глаза (Lotmare, Atchison) [7].
Окуляр представленный на рис. 1 содержит два плоских изображения генерируемых микродисплеями 1 и с помощью оптических элементов 2–5 формирует их мнимое изображение. Благодаря светоделительному кубику 2 мнимые изображения оказываются соосными и перпендикулярными зрительной оси. Излучения элементов изображений с микродисплеев фокусируются хрусталиком глаза в световые пятна изображений на сетчатке таким образом, чтобы максимум суммарной энергии находился в районе фовеа (центральной ямки сетчатки) глаза наблюдателя.
Расчет проводился для двух планов изображений, установленных на расстояниях 1 м (1 дптр) для ближнего плана и 4 м (0,25 дптр) для дальнего плана. Таким образом, обеспечивается объемное восприятие глубины резко отображаемого пространства от 1 метра до бесконечности. Предметы, расположенные на указанных расстояниях, находятся в фокусе человеческого глаза.
Система не является жестко съюстированной. Устройство с двумя встроенными стереоокулярами одевается на голову наблюдателя, из-за чего возможно смещение положения глаза по трем осям в диапазоне ±2 мм (вдоль и поперек оптической оси). Кроме того, сам зрачок глаза, который является апертурной диафрагмой системы, перемещается по полю зрения в процессе наблюдения и это не должно качественно влиять на получаемое изображение.
Для достоверного восприятия получаемого изображения важно подобрать такой угол поля зрения, чтобы боковое зрение наблюдателя было задействовано в формировании сцены. Полученный в окуляре угол поля зрения составляет 44° (угол вращения глазного яблока при наблюдении 45–50°).
Для того чтобы было возможно перефокусироваться с одного плана на другой без видимого смещения объектов дополнительно задана функция, которая не позволяет смещаться одной и той же точке на изображениях в разных конфигурациях.
Расчет проводился на 16 конфигураций, учитывающих смещение зрачка, изменение оптики между светоделительным кубиком и микродисплеем, диоптрическую подвижку.
На рис. 2 представлена диаграмма пятен рассеяния для всех конфигураций. Видно, что максимальное ухудшение изображения возникает при смещении глаза поперек оптической оси, а также при введении дополнительной отрицательной оптической силы. Максимальный радиус пятна рассеяния (RMS radius) составляет 13,2 мкм при размере пиксела 9,3 мкм. Дисторсии не превышают 5%, кривизна поля не более 0,05 мм.
В ходе работы система была исследована на появление призраков в последовательном режиме. На рис. 3 показано изображение, полученное рассчитанной оптической системой в программе Zemax в непоследовательном режиме. Видно, что полученная картинка достаточно контрастна, призраки и блики на изображении отсутствуют, дисторсия, хроматическая аберрация выражены слабо.
Разработанная стереопара окуляров позволяет построить широкоформатное 3D-изображение, не меняя форматов левого и правого окуляров. Рис. 4 – это изображение формируемое окулярами на «бесконечности».
Исходный формат матриц 4 × 3, или 1 280 × 1 024 пикселов. Пусть площади 3D-стерео и 3D-моно одинаковы. Тогда в каждом окуляре площадь моно будет составлять 1 / 3 матрицы, а общая площадь 3D изображения увеличится на 33,3%. Горизонталь изображения будет равна 4 + 4 / 3 = 16 / 3. Результирующий формат равен (16 / 3) × 3, или 16 × 9, что соответствует широкоформатному 3D изображению.
В нашем случае, при «угловом» формате окуляров 44° × 33°, (4 × 3) получим (44° + 44° / 3) × 33°, или 58°40′ × 33°, т. е. имеем почти добавку в 12° к полю зрения одного окуляра.
Можно сделать формат 2 × 1. При этом левое и правое изображения будут перекрываться на половину, а общее 3D поле составит 66° × 33°, FOV порядка 74°.
На основе расчетов оптической схемы окуляров была разработана конструкторская документация на корпус. В конструкции окуляров реализованы такие функциональные особенности как: регулировка межцентрового расстояния окуляров и оптическая диоптрийная подвижка на величину ±1 дптр, предназначенные для подстройки окуляра к особенностям глаз наблюдателя. По разработанной конструкторской документации были изготовлены узлы и детали, проведена сборка макета стереоокуляров рисунок 5.
В результате проведенных исследований и оценки комплексных критериев качества изображения формируемого оптическим блоком очков дополненной реальности на схематических моделях глаза было показано, что: максимальный радиус пятна рассеяния (RMS radius) составляет 13,2 мкм при размере пиксела 9,3 мкм; дисторсия не превышает 5%, кривизна поля не более 0,05 мм, эти аберрации могут быть скорректированы программным образом; полученное изображение на сетчатке глаза достаточно контрастно, призраки и блики на изображении отсутствуют, дисторсия, хроматическая аберрация выражены слабо.
В перспективе планируется применение такого типа систем при разработке тренажеров нового поколения для космонавтов и авиатренажерах, а также при создании комплексов управления роботизированными аппаратами.
REFERENCES
H. Hua, L. D. Brown and C. Gao. Scape: supporting stereoscopic collaboration in augmented and projective environments. IEEE Comp. Graph. Appl. 2004;24:66–75.
A. Sisodia, A. Riser and M. Bayer. Advanced helmet mounted display (AHMD) for simulator applications. Proc. SPIE. 2006;6224:62240O.
J. P. Rolland and H. Fuchs. Optical versus video see-through headmounted displays in medical visualization. Presence. 9, 287–309
Vlasov E. V., Paterikin V. I. Prosvetnye. 3D mul’tifokal’nye displei na osnove ob’emnoj virtual’noj sredy s dobavlennoj fizicheskoj real’nost’yu. XIII Mezhdunarodnye nauchnyj kongress i vystavka. Interekspo Geo-Sibir’-2017. Mezhdunarodnaya nauchnaya konferenciya «SibOptika‑2017» T. 1. Sbornik materialov. URL: https://geosib.sgugit.ru/congress/sborniki/collections-of-materials-of-international-scientific-conference-interexpo-geo-siberia‑2017/?ysclid=m37u16uxmu422490737.
Власов Е. В., Патерикин В. И. Просветные 3D мультифокальные дисплеи на основе объемной виртуальной среды с добавленной физической реальностью. XIII Международные научный конгресс и выставка. Интерэкспо Гео-Сибирь‑2017. Международная научная конференция «СибОптика‑2017» Т. 1. Сборник материалов. URL: https://geosib.sgugit.ru/congress/sborniki/collections-of-materials-of-international-scientific-conference-interexpo-geo-siberia‑2017/?ysclid=m37u16uxmu422490737.
Kovalev A. M., Vlasov E. V. Difrakcionnaya glubina 3D izobrazhenij, stimuliruyushchih akkomodaciyu glaza. Avtometriya. 2014;50(1):3–8.
Ковалев А. М., Власов Е. В. Дифракционная глубина 3D изображений, стимулирующих аккомодацию глаза. Автометрия. 2014;50(1):3–8.
Kovalev A. M. O mul’tifokal’nyh displeyah, difrakcionnoj glubine fokusa i vizual’nom komforte. Avtometriya. 2010;46(3):86–94.
Ковалев А. М. О мультифокальных дисплеях, дифракционной глубине фокуса и визуальном комфорте. Автометрия. 2010;46(3):86–94.
Vlasov E. V. Sposoby povysheniya kontrasta kombinirovannyh izobrazhenij i linejnosti stimula akkomodacii glaza v mul’tifokal’nyh trekhmernyh displeyah. Avtometriya. 2018(1):78–84.
Власов Е. В. Способы повышения контраста комбинированных изображений и линейности стимула аккомодации глаза в мультифокальных трехмерных дисплеях. Автометрия. 2018(1):78–84.
Е.В. Власов, П. С. Завьялов, Е. С. Жимулева
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, Новосибирск, Россия
Приводится расчет и анализ оптической схемы широкоугольного окуляра для иммерсионного мультификального наголовного дисплея. Окуляр основан на использовании светоделительного кубика в качестве делителя для формирования двух планов изображений. Угол поля зрения составляет 44° × 33°, 60° по диагонали. Максимальный радиус пятна рассеяния (RMS radius) составляет 13,2 мкм, при размере пиксела 9,3 мкм.
Ключевые слова: 3D изображение, наголовный дисплей, стереокуляры
Статья получена: 11.10.2024
Статья принята: 28.10.2024
Введение
Тенденция развития индивидуальных средств навигации, ориентации и контроля за движениями человека диктуется все более массовым их применением в таких областях человеческой деятельности как спорт, медицина, интерактивные компьютерные игры и военные задачи. К мобильным навигационным средствам военного назначения и их тактико–техническим и массогабаритным характеристикам предъявляются особые требования.
В настоящее время за рубежом очень активно развиваются технологии по построению очков дополненной реальности. Известны разработки таких фирм как Epson (Epson Moverio BT‑200, BT‑300), Lumus, Microsoft (Microsoft Hololens), Sony (Sony SmartEyeglass), Google (Google Glass) и др. В основе построения очков дополненной реальности используется несколько разных технологий проецирования изображения с микродисплея на полупрозрачный экран, расположенный перед глазом человека. Одна из технологий предполагает проецирование изображения при помощи стереокуляров [1–4].
Одним из существенных недостатков существующих и разрабатываемых очков дополненной реальности является очень малый угол поля зрения (Field Of Viev – FOV), порядка 20–40 градусов по диагонали. Увеличение же угла обзора в вышеописанных схемах приводит к существенному увеличению габаритов и массы очков.
Расчет оптической схемы
Все последующие расчеты стереокуляра для формирования объемного изображения сцены выполнены на основе Фурье–оптики с помощью программы оптического конструирования ZEMAX–EE фирмы Focus Software, Inc. В качестве источника изображения рассматриваются микродисплеи Low-Power AMOLED SXGA060 фирмы Olightek и FLCOS микродисплеи фирмы Forth Dimensional Displays c разрешением 1 280 × 1 024. В статьях [5,6] в результате дифракционного анализа линейной комбинации двух планов изображений было показано, что глаз аккомодирует на пиковую интенсивность кривой при любых аберрациях. Более того, установлено, что при различных размерах зрачка глаза интенсивность полусумм не остается постоянной величиной, поскольку глаз является одним из компонентов дисплея (комбинирование интенсивностей планов-изображений происходит на сетчатке). В программе расчет проведен в обратном ходе лучей, для видимой длины излучения в спектральном диапазоне от 486 нм до 656 нм. Рассматривается упрощенная модель глаза. В ходе расчета было проверено несколько моделей глаза (Lotmare, Atchison) [7].
Окуляр представленный на рис. 1 содержит два плоских изображения генерируемых микродисплеями 1 и с помощью оптических элементов 2–5 формирует их мнимое изображение. Благодаря светоделительному кубику 2 мнимые изображения оказываются соосными и перпендикулярными зрительной оси. Излучения элементов изображений с микродисплеев фокусируются хрусталиком глаза в световые пятна изображений на сетчатке таким образом, чтобы максимум суммарной энергии находился в районе фовеа (центральной ямки сетчатки) глаза наблюдателя.
Расчет проводился для двух планов изображений, установленных на расстояниях 1 м (1 дптр) для ближнего плана и 4 м (0,25 дптр) для дальнего плана. Таким образом, обеспечивается объемное восприятие глубины резко отображаемого пространства от 1 метра до бесконечности. Предметы, расположенные на указанных расстояниях, находятся в фокусе человеческого глаза.
Система не является жестко съюстированной. Устройство с двумя встроенными стереоокулярами одевается на голову наблюдателя, из-за чего возможно смещение положения глаза по трем осям в диапазоне ±2 мм (вдоль и поперек оптической оси). Кроме того, сам зрачок глаза, который является апертурной диафрагмой системы, перемещается по полю зрения в процессе наблюдения и это не должно качественно влиять на получаемое изображение.
Для достоверного восприятия получаемого изображения важно подобрать такой угол поля зрения, чтобы боковое зрение наблюдателя было задействовано в формировании сцены. Полученный в окуляре угол поля зрения составляет 44° (угол вращения глазного яблока при наблюдении 45–50°).
Для того чтобы было возможно перефокусироваться с одного плана на другой без видимого смещения объектов дополнительно задана функция, которая не позволяет смещаться одной и той же точке на изображениях в разных конфигурациях.
Расчет проводился на 16 конфигураций, учитывающих смещение зрачка, изменение оптики между светоделительным кубиком и микродисплеем, диоптрическую подвижку.
На рис. 2 представлена диаграмма пятен рассеяния для всех конфигураций. Видно, что максимальное ухудшение изображения возникает при смещении глаза поперек оптической оси, а также при введении дополнительной отрицательной оптической силы. Максимальный радиус пятна рассеяния (RMS radius) составляет 13,2 мкм при размере пиксела 9,3 мкм. Дисторсии не превышают 5%, кривизна поля не более 0,05 мм.
В ходе работы система была исследована на появление призраков в последовательном режиме. На рис. 3 показано изображение, полученное рассчитанной оптической системой в программе Zemax в непоследовательном режиме. Видно, что полученная картинка достаточно контрастна, призраки и блики на изображении отсутствуют, дисторсия, хроматическая аберрация выражены слабо.
Разработанная стереопара окуляров позволяет построить широкоформатное 3D-изображение, не меняя форматов левого и правого окуляров. Рис. 4 – это изображение формируемое окулярами на «бесконечности».
Исходный формат матриц 4 × 3, или 1 280 × 1 024 пикселов. Пусть площади 3D-стерео и 3D-моно одинаковы. Тогда в каждом окуляре площадь моно будет составлять 1 / 3 матрицы, а общая площадь 3D изображения увеличится на 33,3%. Горизонталь изображения будет равна 4 + 4 / 3 = 16 / 3. Результирующий формат равен (16 / 3) × 3, или 16 × 9, что соответствует широкоформатному 3D изображению.
В нашем случае, при «угловом» формате окуляров 44° × 33°, (4 × 3) получим (44° + 44° / 3) × 33°, или 58°40′ × 33°, т. е. имеем почти добавку в 12° к полю зрения одного окуляра.
Можно сделать формат 2 × 1. При этом левое и правое изображения будут перекрываться на половину, а общее 3D поле составит 66° × 33°, FOV порядка 74°.
На основе расчетов оптической схемы окуляров была разработана конструкторская документация на корпус. В конструкции окуляров реализованы такие функциональные особенности как: регулировка межцентрового расстояния окуляров и оптическая диоптрийная подвижка на величину ±1 дптр, предназначенные для подстройки окуляра к особенностям глаз наблюдателя. По разработанной конструкторской документации были изготовлены узлы и детали, проведена сборка макета стереоокуляров рисунок 5.
В результате проведенных исследований и оценки комплексных критериев качества изображения формируемого оптическим блоком очков дополненной реальности на схематических моделях глаза было показано, что: максимальный радиус пятна рассеяния (RMS radius) составляет 13,2 мкм при размере пиксела 9,3 мкм; дисторсия не превышает 5%, кривизна поля не более 0,05 мм, эти аберрации могут быть скорректированы программным образом; полученное изображение на сетчатке глаза достаточно контрастно, призраки и блики на изображении отсутствуют, дисторсия, хроматическая аберрация выражены слабо.
В перспективе планируется применение такого типа систем при разработке тренажеров нового поколения для космонавтов и авиатренажерах, а также при создании комплексов управления роботизированными аппаратами.
REFERENCES
H. Hua, L. D. Brown and C. Gao. Scape: supporting stereoscopic collaboration in augmented and projective environments. IEEE Comp. Graph. Appl. 2004;24:66–75.
A. Sisodia, A. Riser and M. Bayer. Advanced helmet mounted display (AHMD) for simulator applications. Proc. SPIE. 2006;6224:62240O.
J. P. Rolland and H. Fuchs. Optical versus video see-through headmounted displays in medical visualization. Presence. 9, 287–309
Vlasov E. V., Paterikin V. I. Prosvetnye. 3D mul’tifokal’nye displei na osnove ob’emnoj virtual’noj sredy s dobavlennoj fizicheskoj real’nost’yu. XIII Mezhdunarodnye nauchnyj kongress i vystavka. Interekspo Geo-Sibir’-2017. Mezhdunarodnaya nauchnaya konferenciya «SibOptika‑2017» T. 1. Sbornik materialov. URL: https://geosib.sgugit.ru/congress/sborniki/collections-of-materials-of-international-scientific-conference-interexpo-geo-siberia‑2017/?ysclid=m37u16uxmu422490737.
Власов Е. В., Патерикин В. И. Просветные 3D мультифокальные дисплеи на основе объемной виртуальной среды с добавленной физической реальностью. XIII Международные научный конгресс и выставка. Интерэкспо Гео-Сибирь‑2017. Международная научная конференция «СибОптика‑2017» Т. 1. Сборник материалов. URL: https://geosib.sgugit.ru/congress/sborniki/collections-of-materials-of-international-scientific-conference-interexpo-geo-siberia‑2017/?ysclid=m37u16uxmu422490737.
Kovalev A. M., Vlasov E. V. Difrakcionnaya glubina 3D izobrazhenij, stimuliruyushchih akkomodaciyu glaza. Avtometriya. 2014;50(1):3–8.
Ковалев А. М., Власов Е. В. Дифракционная глубина 3D изображений, стимулирующих аккомодацию глаза. Автометрия. 2014;50(1):3–8.
Kovalev A. M. O mul’tifokal’nyh displeyah, difrakcionnoj glubine fokusa i vizual’nom komforte. Avtometriya. 2010;46(3):86–94.
Ковалев А. М. О мультифокальных дисплеях, дифракционной глубине фокуса и визуальном комфорте. Автометрия. 2010;46(3):86–94.
Vlasov E. V. Sposoby povysheniya kontrasta kombinirovannyh izobrazhenij i linejnosti stimula akkomodacii glaza v mul’tifokal’nyh trekhmernyh displeyah. Avtometriya. 2018(1):78–84.
Власов Е. В. Способы повышения контраста комбинированных изображений и линейности стимула аккомодации глаза в мультифокальных трехмерных дисплеях. Автометрия. 2018(1):78–84.
Отзывы читателей
