УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Полезная модель относится к аппаратным устройствам компьютерного оборудования и используется как устройство вывода современных компьютерных систем для получения трехмерного стереоскопического изображения высокого качества.
Известны устройства, применяемые для создания трехмерного стереоскопического изображения, которые могут быть использованы в различных отраслях науки и техники. Обычно для этого используются устройства, содержащие два оптически разделенных экрана, которые воспроизводят соответствующие изображения для правого и левого глаза человека; обычно подобные устройства выполняются в виде шлемов или очков виртуальной реальности [Hale K.S., Stanney K.М. Handbook of Virtual Environments: Design, Implementation, and Applications, Second Edition]. В простейшем случае используется ЖК-матрица небольшого размера, помещаемая непосредственно в поле зрения человека; также обычно для фокусировки изображения на сетчатке при рассматривании близко размещенного объекта (3-5 см) применяется оптическая система (окуляр) в виде плосковыпуклой линзы [Jerarld J. The VR Book: Human-Centered Design for Virtual Reality // Morgan & Claypool Publishers, 2015]. Так устроены Google Cardboard, Samsung Gear VR и ряд других систем, в качестве устройства вывода информации обычно использующие дисплей мобильного телефона [Tranton P. Samsung Gear VR: An Easy Guide for Beginners// Conceptual Kings, 2016; Buckley P., Lardinos F. Virtual Reality Beginner's Guide + Google Cardboard Inspired VR Viewer // Regan Arts, 2014]. Более сложные системы, например, НТС Vive использует линзы Френеля. Преимуществами линз Френеля являются короткое фокусное расстояние, небольшие габариты и вес - именно то, что требуется в устройствах виртуальной реальности [Casterson S. Htc Vive: A Guide for Beginners // Conceptual Kings, 2016].
Основным общим недостатком перечисленных устройств является то, что из-за наличия переходных краевых участков между зонами велик уровень паразитной засветки и разного рода «ложных изображений» (по сравнению с обычными линзами и традиционными объективами).
Для устранения указанных недостатков OculusRift C1 [Casterson S. OculusRift: ABeginner's Guide// Conceptual Kings, 2016] использует гибридные линзы Френеля (переменной толщины), минимизирующие сферические аберрации - главную проблему традиционных сферических линз.
Также все перечисленные выше оптические системы, кроме выраженной сферической аберрации, обладают еще одним важным отрицательным свойством - они в той или иной степени увеличивают изображение, в результате чего становятся хорошо видны отдельные пикселы (точки) на ЖК-матрице (так называемый screen-dooreffect, SDE). Впервые этот эффект был описан одним из изобретателей цифровых проекторов G. Dolgoff [Kumparak G. A Brief History Of Oculus // TechCrunch, 2014] (Screen-door effect - «эффект москитной сетки», или оптический артефакт (обман зрения), наблюдаемый при использовании цифровых проекторов, когда тонкие линии, разделяющие пиксели, становятся видимыми на экране). Обычный способ борьбы с этим - применение все более высококачественных специально изготовленных ЖК-матриц, однако, полной четкости изображения таким путем достичь все равно не удается. Отсутствие четкости изображения приводит к снижению реалистичности при использовании подобных устройств в качестве систем виртуальной реальности, а также делает невозможным их применение в ряде отраслей, в которых необходимо высочайшее качество изображения, например, в медицине.
Наиболее существенным недостатком рассмотренных устройств является принципиальная невозможность оптического сопряжения выходных зрачков их оптических систем со зрачком глаза наблюдателя. Это связано с тем, что выходным зрачком таких систем служит оправа глазной линзы, которая механически не может быть совмещена со зрачком входа глаза наблюдателя - изображением отверстия в радужной оболочке глаза, которое расположено внутри глаза - немного позади роговицы. В результате данного несоответствия имеет место виньетирование (затемнение) периферии поля зрения и у наблюдателя возникает ощущение «подглядывания в замочную скважину». Это нарушает зрительное восприятие широкоугольных полей зрения, а также не позволяет использовать такие системы в качестве тренажеров наблюдательных оптических приборов. Так как зрительные навыки, сформированные при работе с данными системами, существенно отличаются от таковых, необходимых для эффективной работы наблюдателя с реальными оптическими системами, вооружающими человеческий глаз - микроскопом, щелевой лампой, биноклем и т.п.
Наиболее близким устройством для создания стереоскопического изображения являются очки виртуальной реальности, описанные выше, содержащие в себе ЖК матрицу для создания изображения и окуляры различного устройства. Основными недостатками подобных систем являются низкая четкость изображения и невозможность имитации особенностей зрения через различные оптические приборы.
Нами впервые предлагается устройство для создания стереоскопического изображения, снабженное специальной оптической системой, позволяющее создавать высококачественные стереоскопические изображения, без нарушения слитности изображения, с угловым разрешением выше, чем 1-2' (около 0,02°-0,03°).
Техническим результатом является получение стереоскопических трехмерных изображений очень высокого качества. Высокое качество изображения обеспечивается оптимальным увеличением изображения дисплеев и оптическим сопряжением зрачков выхода оптической системы устройства с входными зрачками глаз наблюдателя.
Схема оптической системы устройства для создания стереоскопического изображения представлена на Фиг. 1, где
1 - дисплей (ЖК-матрица)
2 - объектив
3 - окуляр
4 - корпус окуляра
5 - корпус устройства
6 - перегородка
7 - оптическая ось канала
8 - изображение правого канала
9 - изображение левого канала.
Она состоит из дисплея (ЖК-матрицы) 1 и двух оптически идентичных каналов, каждый из которых состоит из объектива 2 и окуляра 3, собранных в единый корпус окуляра 4 и установленных в корпусе устройства с возможностью перемещения перпендикулярно и продольно оптической оси. На Фиг 1. для примера в качестве объектива 2 нами используется триплет Кука (асимметричный анастигмат, характеризуемый тем, что его средняя линза является рассеивающей, а передняя и задняя - собирающими), в качестве окуляра 3 в данном случае используется стандартный окуляр микроскопа (МБС-10). В предлагаемой оптической схеме устройства возможно использование различных окуляров 3 с соответствующими им объективами 2, в зависимости от необходимости имитации особенностей зрения через конкретную оптическую систему. Изображение левого канала 9 и правого канала 8 выводится, соответственно, на правую и левую половины дисплея, при этом центр изображения в каждом канале совмещен с оптической осью канала 7. Оптическое разделение каналов осуществляется при помощи непрозрачной перегородки 6, разделяющей корпус устройства на две равные части. Видимое угловое разрешение канала устройства д определяется соотношением
pix
ob
0
еур
где d - поперечный размер элемента (пиксела) матрицы дисплея, β - линейное увеличение объектива (меньше единицы по модулю), L - расстояние наилучшего зрения, принимается равным 250 мм, Г - увеличение окуляра.
Корпуса окуляров 4 имеют возможность перемещаться перпендикулярно оптическим осям 7 для того, чтобы обеспечить регулировку межзрачкового расстояния устройства для создания стереоскопического изображения в пределах 55-75 мм. Продольное перемещение каждого из окуляров 3 по оптической оси относительно корпуса окуляра 4 обеспечивает диоптрийную подстройку оптической системы микроскопа под зрение наблюдателя в пределах ± 3 диоптрии. В данной системе зрачком выхода является изображение апертурной диафрагмы объектива 2, сформированное при помощи окуляра 3 в плоскость входного зрачка глаза наблюдателя. При этом размер и положение (удаление) зрачка выхода близки к таковым у стандартного операционного микроскопа. Так как объективы 2 формируют перевернутое изображение поверхности дисплея в предметной плоскости окуляра, то изображения левого канала 9 и правого канала 8 выводятся на дисплей также в перевернутом виде.
В отличие от известных устройств, предложенная нами оптическая система каждого из каналов состоит из двух компонентов - объектива 2, который формирует уменьшенное изображение матрицы дисплея в передней фокальной плоскости окуляра 3, и собственно окуляра 3, посредством которого осуществляется наблюдение этого изображения. Для получения высокого качества изображение, выводимое на дисплей 1 в каждом из каналов, проецируется в предметную плоскость окуляра 3 при помощи объектива 2 с уменьшением в 5 и более раз согласно формуле (1). Использование нами дополнительно объектива 2 обеспечивает предлагаемой системе два преимущества перед аналогами: 1) изображение матрицы дисплея 1 может быть уменьшено в необходимое число раз для того, чтобы обеспечить высокое качество наблюдаемого изображения, отдельные пиксели которого не разрешаются глазом наблюдателя (отсутствует screen-dooreffect); 2) изображение апертурной диафрагмы промежуточного объектива, сформированное окуляром, является выходным зрачком системы, который располагается позади окуляра и может быть совмещен с входным зрачком глаза наблюдателя. Используемая оптическая система имеет низкий уровень паразитной засветки и разного рода «ложных изображений» по сравнению с перечисленными ранее существующими аналогами.
Использование дополнительного объектива 2 приводит к некоторому усложнению оптической системы и увеличению ее веса и габаритной длины, однако это с избытком компенсируется тем, что в такой системе может быть использован практически любой дисплей 1, в том числе и крупногабаритный, с практически любым размером пикселя, что дает возможность использовать недорогие дисплеи; а также тем, что размер и удаление выходного зрачка системы определяется конструктивными параметрами как объектива, так и окуляра и может изменяться в широких пределах. Таким образом, использование предложенного устройства точно воспроизводит условия наблюдения для конкретного оптического прибора, вооружающего человеческий глаз (зрительная труба, теодолит, микроскоп, оптический прицел, щелевая лампа, бинокль и др.), что необходимо при использовании в различных тренажерах и симуляторах, в том числе медицинского назначения (хирургические симуляторы, офтальмологические тренажеры и т.п.).
Следует заметить, что выходным зрачком оптических систем существующих аналогов является апертура окуляра, которая расположена в его корпусе, и в принципе не может быть совмещена с входным зрачком глаза наблюдателя.
Благодаря применению подобной оптической системы решаются следующие задачи: за счет оптимального увеличения изображения матрицы дисплея обеспечивается высокая четкость изображения, без возможности появления на нем пиксельной решетки, а также появляется возможность формировать зрительные навыки, необходимые для эффективной работы наблюдателя, использующего различные оптические устройства (например, операционный микроскоп).