Иллюзия реальности

ТЕХНОСФЕРА

В статье 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.

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.

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 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).

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 энер гии 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.

Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи.