ЛИНЗА ФРЕНЕЛЯ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНОГО ШЛЕМА (варианты)
FRESNEL LENS FOR VIRTUAL HELMET (VERSIONS)

Изобретение относится к области специального оптического приборостроения и, в частности, к системам визуализации, тренажеров на основе нашлемного индикатора, систем виртуальной реальности и т.п.
При построении шлемов виртуальной реальности общепринято в каждом канале (для каждого глаза) на оси наблюдения глазом использовать положительную асферическую линзу, на фокусном расстоянии от которой располагать источник изображения (видеоматрицу). Такое построение оптической схемы шлема виртуальной реальности позволяет наблюдать видеоизображение матрицы глазом на бесконечности. Каждый глаз наблюдает свое изображение, которые совместно образуют стереопару. По этому принципу построено подавляющее большинство современных шлемов виртуальной реальности.
Так как D/ƒ - отношение диаметр/фокусное расстояние для асферических линз не превышает 1,0, то полный угол зрения FOV (field of view) не превышает 90° (угол зрения 45° в сторону от линии прямого взгляда). Увеличение угла зрения приводит к увеличению габаритных размеров линзы, так как толщина линзы пропорциональна значению D/ƒ.
Для уменьшения габаритных размеров и увеличения значения D/ƒ используют линзу Френеля. Это «сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна из сторон которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы» (Френеля линза // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия. - 1998. - Т. 5. - С. 374-375. - 760 с.). Такая конструкция обеспечивает малую толщину (следовательно, и вес) линзы Френеля даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, что сферическая аберрация линзы Френеля невелика. Линза Френеля позволяет увеличить значение D/ƒ без увеличения толщины линзы. Такое свойство линз Френеля широко используется в построении виртуальных шлемов, так как позволяет увеличить FOV до 130°.
Основным недостатком линзы Френеля является то, что линза состоит из множества элементов сдвинутых сферических поверхностей и в сечении имеет вид множества ступенек. Сдвиг между сферическими элементами формирует нерабочие переходные краевые участки, которые создают паразитные засветки и разного рода «ложные изображения» (по сравнению с обычными линзами и традиционными объективами). Кроме этого, рассеяние света на переходных краевых участках приводит к световым потерям. Обычно линза Френеля используется для сбора световой энергии в лэптопах, концентраторах солнечной энергии, в маяках и т.п. Это накладывает условие на расчет линзы Френеля, когда источник находится в фокусе линзы (смотри фигуру 1).
Как видно, лучи света от точечного источника 1, находящегося в фокусе линзы, проходят через линзу Френеля без потерь на переходных краевых участках, так как они параллельны друг другу.
Ход лучей в виртуальных шлемах, как изображено на фигуре 2, определяется конструкцией, когда входной зрачок глаза 4 находится от линзы на расстоянии значительно меньше ее фокусного расстояния, а протяженный источник изображения - дисплей 3 располагается в фокальной плоскости линзы.
Как видно, световые лучи от протяженного источника света - дисплея 3 в линзе Френеля идут под значительным углом к оптической оси линзы и к переходным краевым участкам линзы. Это приводит не только к потерям на отражении лучей света от переходных краевых участков, но и к тому, что краевые переходные участки становятся видимыми, при этом не несут полезной информации.
Технический результат направлен на создание линз Френеля для шлемов виртуальной реальности с отсутствием световых потерь на краевых переходных участках и отсутствием изображения краевых переходных участков в полезном изображении.
Технический результат достигается использованием линз Френеля в виртуальных шлемах с изменяемым наклоном переходных краевых участков к оптической оси линзы в зависимости от оптической схемы шлема и диаметра зоны.
Сущность шлема виртуальной реальности с большим углом зрения поясняется фигурами 1 и 2.
На фигуре 1 представлена оптическая схема классического использования линз Френеля.
На фигуре 2 представлена оптическая схема использования линз Френеля в виртуальных шлемах.
На фигуре 3 представлен ход лучей в одной зоне линзы Френеля.
i
i
i
i
Для определения величины наклона переходных краевых участков к оптической оси линзы введем следующие параметры оптической схемы виртуального шлема, смотри фигуру 3: L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; t - толщина линзы Френеля; α - угол зрения i-й зоны линзы Френеля; D - диаметр i-й зоны линзы Френеля; R - радиус оптической поверхности i-й зоны линзы Френеля; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля; δ - сдвиг i-й зоны линзы Френеля.
Из фигуры 3 следует, что наклон i-го переходного краевого участка линзы Френеля к оптической оси линзы равен величине:
Когда используется очень тонкая линза Френеля, можно считать, что высота падения луча света на плоскую поверхность стремится к половине диаметра i-й зоны линзы, тогда:
Так как в линзе Френеля, используемой в виртуальном шлеме, лучи непараксиальные, то необходимо использовать функции синусов и тангенсов. Тогда, объединяя выражения (1) и (2), имеем:
Автором для виртуальных шлемов предлагается следующая линза Френеля - сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, который для уменьшения паразитного влияния на качество изображения наклонен к оптической оси линзы под углом:
i
где D - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля.
Если линза толстая (больше 1 мм), то при проходе луча через линзу его высота на границе i-й зоны линзы Френеля выше его высоты на плоской поверхности линзы на величину Δ. Тогда выражение (3) имеет вид:
Выражения (4) и (5) вычислить напрямую невозможно, но можно вычислить методом последовательных приближений.
Автором для виртуальных шлемов предлагается следующая линза Френеля - сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, который для уменьшения паразитного влияния на качество изображения наклонен к оптической оси линзы под углом:
где
i
i
i
где D - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля; t - толщина линзы Френеля; δ - сдвиг i-й зоны линзы Френеля; R - радиус оптической поверхности i-й зоны линзы Френеля.