ВИРТУАЛЬНЫЙ ШЛЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОКУСНЫХ И КОНТЕКСТНЫХ ДИСПЛЕЕВ
VIRTUAL HELMET USING FOCAL AND CONTEXTUAL DISPLAYS

Изобретение относится к стереоскопическим устройствам, в частности, к шлемам виртуальной реальности, содержащим контекстные дисплеи, фокусные дисплеи и оптические комбинеры.
Стандартным виртуальным шлемам, у которых в каждом канале наблюдения используются положительная линза и дисплей, расположенный на фиксированном расстоянии от линзы, присущ основной недостаток - расположение наблюдаемых виртуальных объектов на фиксированном расстоянии независимо от параллакса. Такие виртуальные шлемы приводят к некомфортному наблюдению динамического стереоизображения и быстрой усталости наблюдателя. Для предотвращения этого недостатка существуют способы построения двух плоскостей наблюдения стереоизображения в виртуальных шлемах, а именно: контекстное изображение расположенное вдали (на бесконечности) и фокусное изображение расположенное вблизи, на котором сосредоточен взгляд наблюдателя. В таких виртуальных шлемах наблюдать стереоизображение комфортно. Для построения таких виртуальных шлемов в каждом канале необходимо использовать фокусный и контекстный дисплеи, а также совмещать их изображения на разных расстояниях друг от друга -фокусный дисплей перед контекстным дисплеем.
Известен виртуальный шлем с использованием фокусных и контекстных дисплеев (прототип) US 9711072 В1, представленный на фиг.1, каждый канал которого состоит из контекстного дисплея 1, полупрозрачного зеркала 2, положительной линзы 3, положительной линзы 4 и микродисплея 5. В данном изобретении фокусным дисплеем является микродисплей 5, который может перемещаться вдоль оптической оси линзы 4. Совмещение изображения фокусного дисплея 5' и контекстного дисплея 1 осуществляется с помощью полупрозрачного зеркала 2. Перемещение микродисплея 5 вдоль оптической оси, а также качание полупрозрачного зеркала 2 позволяет перемещать изображение фокусного дисплея 5' в направлении взгляда наблюдателя 6. Основное условие работоспособности данной оптической схемы - изображение фокусного дисплея 5' должно находиться перед контекстным дисплеем 1.
При построении виртуального шлема с двумя экранами в одном канале наблюдения необходимо, чтобы фокусное изображение располагалось перед контекстным экраном. Кроме этого, в виртуальном шлеме для увеличения поля зрения (далее - FOV) более 110° используются короткофокусные линзы Френеля с отношением D/f более 1,5. Если рассчитать ход лучей, то видно, что при заявленной величине FOV 110° линза 4 ограничивает распространение оптических лучей и, следовательно, видна, что нарушает комфортность и адекватность наблюдения видеоконтента. Кроме этого, известно, что если располагать объект перед положительной линзой на расстоянии меньше фокусного расстояния, то строится мнимое изображение за линзой, что явно не подходит для построения фокусного изображения перед контекстным экраном. Перемещение линзы 4 вдоль оптической оси относительно зафиксированного микродисплея приведет к перемещению мнимого изображения микродисплея за линзой, что подразумевает перемещения линзы в область распространения световых лучей от контекстного дисплея в направлении входного зрачка глаза. Кроме этого, изменяются как увеличение мнимого изображения микродисплея, так и сферические аберрации, что необходимо учитывать в расчетах.
Попытка уйти от этих недостатков путем применения диффузнорассеивающих экранов с использованием проекторов не меняет основной недостаток предложенной оптической схемы - перекрытие распространения световых лучей от контекстного дисплея в направлении входного зрачка глаза и, следовательно, наблюдение паразитного изображения фокусного экрана вдали от оси контекстного дисплея.
Предлагается использовать оптические схемы, позволяющие строить вынесенное промежуточное действительное изображение фокусного дисплея в необходимой области пространства виртуального шлема. При этом вынесенное промежуточное действительное изображение фокусного дисплея не перекрывает распространения световых лучей от контекстного дисплея в направлении входного зрачка глаза, и оно не наблюдается как паразитное.
Технический результат изобретения направлен на создание виртуального шлема с фокусными и контекстными дисплеями, в которых оптические элементы формирования фокусного изображения, состоящие из микродисплея и соответствующих линз, не мешают просмотру контекстного дисплея, а также изменения положения изображения фокусного дисплея вдоль оптической оси не изменяют его увеличение и сферические аберрации.
Технический результат достигается использованием в качестве оптической системы, строящей вынесенное действительное изображение фокусного дисплея, телескопической системы Кеплера без увеличения. Совмещение изображений фокального дисплея и контекстного дисплея осуществляется с помощью полупрозрачного зеркала. Перемещение телескопической системы и фокусного дисплея перпендикулярно оптической оси позволяет перемещать изображение фокусного дисплея в направлении взгляда наблюдателя, а перемещение фокусного дисплея вдоль оптической оси - изменять расстояние наблюдения до фокусного изображения.
Работа виртуального шлема с использованием фокусных и контекстных дисплеев поясняется фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 представлен один канал прототипа виртуального шлема с использованием фокусных и контекстных дисплеев.
На фиг. 2 представлен один канал виртуального шлема с использованием фокусных и контекстных дисплеев.
Известно, что телескопическую систему можно использовать в качестве оптической системы, строящей вынесенное действительное объемное изображение (Заявка на изобретение РФ №200610422), при этом если увеличение телескопической системы равно 1, то любое перемещение объекта приводит к аналогичному перемещению его изображения без изменения его увеличения. Поэтому если в прототипе заменить линзу 4 парой одинаковых положительных линз, которые расположены на двойном фокусном расстоянии друг от друга (условие построения телескопической системы Кеплера), то можно в области распространения оптических лучей от контекстного дисплея расположить действительное изображение фокусного дисплея.
Автором предлагается виртуальный шлем с использованием фокусных и контекстных дисплеев, каждый канал которого представлен на фиг.2 и состоит из расположенных на оптической оси контекстного дисплея 1, полупрозрачного зеркала 2 и положительной линзы 3, в фокальной плоскости которой расположен контекстный дисплей 1. На второй оптической оси, сформированной с помощью полупрозрачного зеркала 2, по ходу лучей располагаются фокусный дисплей 5 и телескопическая система 7, состоящая из двух одинаковых положительных линз расположенных друг от друга на двойном фокусном расстоянии.
Виртуальный шлем с использованием фокусных и контекстных дисплеев состоит из двух одинаковых каналов, - один для правого и другой для левого глаза наблюдателя. Каждый канал работает следующим образом - контекстный дисплей 1, расположенный в фокальной плоскости положительной линзы 3, строит для глаза наблюдателя 6 контекстное изображение, расположенное на бесконечности. Одновременно телескопическая система 7, состоящая из двух одинаковых положительных линз, расположенных друг от друга на двойном фокусном расстоянии, строит вынесенное перевернутое действительное изображение 5' фокусного дисплея 5. При этом любое перемещение фокусного дисплея 5 вдоль оптической оси или перпендикулярно оптической оси линейно изменяет положение его изображения. Так как действительное изображение фокусного дисплея 5' не мешает прохождению оптических лучей от контекстного дисплея 1, то его можно располагать на любом расстоянии от оптической оси контекстного дисплея. Полупрозрачное зеркало 2 предназначено для совмещения изображений от контекстного и фокусного дисплеев. Желательно одну сторону полупрозрачного зеркала 2 просветлить, чтобы не было двоения изображений.
Целесообразно для уменьшения габаритных размеров телескопическую систему изготовить в виде прямоугольной равнобедренной призмы, на плоскостях катетов которой установить положительные линзы, а на плоскости гипотенузы установить плоское зеркало. Условие - расстояние между линзами равное двум фокусным расстояниям, - остается неизменным.
В процессе наблюдения за виртуальным объектом необходимо изменять как расстояние до виртуального объекта, так и направление взгляда на него, поэтому необходимо перемещать действительное изображение фокусного дисплея как вдоль оптической оси, так и перпендикулярно ей. Для этого необходимо следить за положением зрачков наблюдателя с помощью видеокамер, при этом фокусный дисплей снабдить устройством для его перемещения - узлом перемещения.
Известно, что если расположить две одинаковые положительные линзы телескопической системы на одном фокусном расстоянии друг от друга и при этом расположить поверхность фокусного дисплея в фокальной плоскости линзы, то действительное перевернутое изображение фокусного дисплея будет построено на фокальной плоскости второй линзы без увеличения. Такое расположение линз телескопа и поверхности фокусного дисплея уменьшает габариты конструкции, но изменять положение дисплея относительно линз не рекомендуется, так как перемещение фокусного дисплея вдоль оптической оси телескопа приведет к изменению увеличения действительного изображения фокусного дисплея и изменению сферических аберраций, что необходимо учитывать в построении виртуальных изображений.
Кроме этого, целесообразно для уменьшения габаритных размеров телескопическую систему изготовить в виде прямоугольной равнобедренной призмы, на плоскостях катетов которой установить положительные линзы, а на плоскости гипотенузы установить плоское зеркало. Условие - расстояние между линзами равное фокусному расстоянию и расположение фокусного дисплея в фокальной плоскости линзы, - остается неизменным.
Тогда для перемещения действительного изображения фокусного дисплея как вдоль оптической оси, так и перпендикулярно ей необходимо следить за положением зрачков наблюдателя с помощью видеокамер и телескопическую систему с фокусным дисплеем снабдить устройством для их синхронного перемещения - узлом перемещения.