Малогабаритные оптические системы виртуальных дисплеев тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Чжэел Рю

• Чжэел Рю
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Чжэел Рю

Введение

Актуальность работы

Цель диссертационной работы

Научные задачи:

Научная новизна

Практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы

Методология и методы исследования

Положения, выносимые на защиту

Степень достоверности

Личный вклад автора

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНЫХ ДИСПЛЕЕВ

1.1 Введение

1.1.1 Развитие технологий создания дисплеев

1.1.2 Важные характеристики виртуальных дисплеев

1.1.3 Основные способы формирования виртуального изображения

1.2 Классификация виртуальный дисплеев

1.3 Волноводная система для передачи виртуального изображения

1.4 Растровая оптическая система

1.5 Сравнение первичных источников информации

Вывод по главе

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНЫХ ДИСПЛЕЕВ С УЧЕТОМ ФИЗИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБАРЕЖИНЯ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ГЛАЗА ЧЕЛОВЕКА

2.1 Пространственное разрешение, поле зрения глаза и учет его вращения

2.2 Смещение глаза в вертикальном и горизонтальном направлениях

2.2.1 Зависимость требуемой зоны видения виртуального изображения от поля зрения

2.2.2 Влияние поля зрения на оптимальное положение глаза относительно зоны видения виртуального изображения

2.3 Требование к оптическим системам виртуальных дисплеев

Вывод по главе

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВОЛНОВОДОВ И ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

3.1 Ограничение поля зрения

3.2 Волновод неравномерной толщины

3.2.1 Актуальность использования волновода неравномерной толщины и принцип работы голографического оптического элемента

3.2.2 Оптимизация волновода неравномерной толщины

3.2.3 Исследование дифракционных эффективностей голографических оптических элементов

3.2.4 Изготовление волновода неравномерной толщины

3.2.5 Экспериментальное исследование волноводной системой неравномерной толщины

3.3 Исследование и разработка волноводной оптической системы со ступенчатой микрозеркальной структурой

3.3.1 Простейшая волноводная система с одной наклонной поверхностью

3.3.2 Волноводная система со ступенчатой микро зеркальной структурой

3.3.3 Выбор параметров волноводной системы

3.3.4 Исследование дифракции на ступенчатой микрозеркальной структуре

3.3.5 Прототипирование виртуального дисплея дополненной реальности со ступенчатой микрозеркальной структуры

Вывод по главе

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТРОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

4.1 Схема «один точечный источник - одно зеркало»

4.2 Схема «несколько пикселей для одного изображающего зеркала»

4.3 Схема «один точечный источник - одно зеркало», размещенная в контактной линзе

Вывод по главе

Основные результаты:

Основные выводы:

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Малогабаритные оптические системы виртуальных дисплеев»

Актуальность работы

В настоящее время во всем мире активно ведутся работы по созданию и совершенствованию различного вида дисплеев: дисплеи со сверхвысоким разрешением, прозрачные дисплеи, зеркальные дисплеи, ЭБ-дисплеи с использованием очков, Real 3D и ЭБ-дисплеи без использования очков, голографические дисплеи, шлемы и очки виртуальной реальности, шлемы и очки дополненной реальности, индикаторы, отображающие информацию на лобовом стекле автомобилей и самолетов и т.п.

Особенно быстро в последнее десятилетие продвигаются исследования систем виртуальных дисплеев (ВД) для использования в шлемах и очках виртуальной и дополненной реальности. В отличие от других технологий такие дисплеи позволяют формировать изображение с размером гораздо большим, чем физические размеры самого виртуального дисплея.

История устройств с ВД начинается с нашлемных систем прицеливания летчиков военных самолетов и вертолетов [1]. Позднее оптическая система для построения виртуального изображения (ВИ) была интегрирована в шлем летчика, что позволило накладывать ВИ на реальную внешнюю обстановку [2]. В последнее время с развитием электроники эти оборонные технологии [3] переходят в гражданское назначение и получают широкое распространение [4] [5]. Разработка ВД является одним из перспективных направлений развития систем управления сложными механизмами и реализации интерфейсов взаимодействия с ними, особенно в робототехнике.

Значительная часть исследований, как в научных организациях и университетах, так и в производственных компаниях, направлена на разработку ВД, которые создают у человека ощущение реального присутствия в виртуальной реальности. Оптическая система таких ВД должна создавать ВИ, при котором человек не чувствует различия между ВИ и реальным миром. Для получения требуемого результата ВД должен обеспечивать высокое пространственное

разрешение [6], большое поле зрения [7], при этом не вызывая у человека дискомфорт из-за большого веса и внешних габаритов устройства [8], и давать максимальный эффект погружения в виртуальный мир.

Однако, согласно принципам построение оптических систем, при фиксированных размерах дисплея и положении глаза наблюдателя с увеличением требуемого поля зрения габаритные размеры оптической системы будут возрастать, соответственно, также будет увеличиваться и вес устройства, а, следовательно, достижение требуемых параметров для такого ВД становится значительно труднее.

Для преодоления этих сложностей используются нестандартные решения построения ВИ, включая волноводные и растровые оптические системы. Исследуются и методы переноса ВИ к глазу зрителя, прорабатываются методы синтеза зрачка оптической системы ВД, но во всех вариантах есть физические ограничения, которые нельзя преодолеть. До настоящего момента еще пока не удалось создать такие легкие малогабаритные оптические системы построения ВИ с оптимальными характеристиками зоны видения виртуального изображения (ЗВВИ) и полем зрения, учитывающих физику формирования изображения глазом человека.

Цель диссертационной работы

Основная цель диссертационной работы - разработка малогабаритных внеосевых и растровых оптических систем виртуальных дисплеев, учитывающих физические особенности оптической системы глаза человека.

Для достижения сформулированной цели в диссертации были поставлены следующие

Научные задачи:

1. Установление связи между ключевыми параметрами (поле зрения, зона видения виртуального изображения (ЗВВИ), положение ЗВВИ) оптической системы ВД и физиологическими особенностями оптической системы глаза человека;

2. Исследование внеосевых оптических элементов для ввода и вывода излучения в оптической системе ВД дополненной реальности, и выполняющих роль бим-комбайнера;

3. Разработка оптических систем ВД дополненной реальности на основе внеосевых волноводных элементов, использование которых приводит к уменьшению габаритов и массы устройства ВД без потери качества получаемых изображений.

4. Определение физических ограничений параметров изображений, формируемых ВД, с учетом физиологических особенностей функционирования оптической системы глаза человека.

Научная новизна

1. Для ВД, формирующих мнимое увеличенное изображение в бесконечности, впервые аналитически установлена связь между размером зоны видения виртуального изображения и полем зрения в оптической системе, учитывающая неравномерное пространственное разрешения глаза по полю зрения и возможные повороты глаза;

2. В внеосевой системе бим-комбайнера для ВД дополненной реальности, впервые показана возможность использования волновода неравномерной толщиной для передачи изображения, позволяющего уменьшить габариты ВД;

3. Предложен новый тип бим-комбайнера, предназначенного для формирования виртуального изображения, со «ступенчатой микрозеркальной структурой», увеличивающего апертуру выводящего элемента до 2,3 раза;

4. Для ВД, формирующих мнимое увеличенное изображение в бесконечности, определено предельное разрешение растровых оптических систем с учетом дифракционных пределов базовых элементов.

Практическая значимость работы

1. Получена зависимость необходимой величины зоны видения виртуального изображения от поля зрения с учетом физических и физиологических особенностей оптической системы глаза, которые накладывают физические ограничения при разработке ВД, формирующих увеличенное мнимое изображение на фоне реальной окружающей обстановки.

2. Разработана новая конструкция волновода неравномерной толщины, которая позволяет уменьшить продольный размер волноводной системы со стороны глаз до 6,9 раза;

3. Разработан новый тип выводящего элемента «ступенчатая микрозеркальная структура», позволяющий:

а) увеличить зону видения виртуального изображения при расположении глаза на относительно большом расстоянии от апертуры;

б) уменьшить толщину волновода до 2,3 раза без ухудшения качества изображения;

4. Определены максимально возможные уголовные разрешения для трех моделей растровых оптических систем, позволяющие определить физические ограничения использования растровых схем ВД при формировании широкоапертурных виртуальных изображений:

а) один точечный источник - одно зеркало: максимальное угловое разрешение - 3 пикселя/0;

б) несколько пикселей для одного изображающего зеркала: максимальное угловое разрешение - 8 пикселей/°;

в) один точечный источник - одно зеркало, находящиеся в контактной линзе: максимальное угловое разрешение - 2 пикселя/°.

Теоретическая значимость работы

Исследования позволили определить физические ограничения в работе ВД дополненной реальности. Предложены новые внеосевые оптические системы ВД

дополненной реальности с улучшенными характеристиками.

Методология и методы исследования

1. В диссертации использованы хорошо апробированные методы геометрической и дифракционной оптики в применении к системам, которые ранее не были полностью изучены.

2. Компьютерное моделирование оптических систем с использованием программных комплексов Zemax, ^г^ш^Ь и LightTools.

Положения, выносимые на защиту

1. Установлена связь между изменяющимся положением глаза наблюдателя виртуального изображения в зрачке оптической системы дисплея виртуальной реальности с параметрами оптической системы, так, для конкретного случая формирования поля зрения в 24 градуса требуется зона видения виртуального изображения более 5 мм на расстоянии от глаза до границы оптической системы 20 мм, при этом размер апертуры оптической системы должен быть больше, чем 12 мм, что значительно больше случая неподвижного положения глаза;

2. На основе разработанного варианта голографического внеосевого бим-комбайнера, оптимизированы характеристики ВД дополненной реальности, так, ВД дополненной реальности, использующей волновод неравномерной толщины (4,8-0,7мм), позволяет сформировать зону видения виртуального изображения с постоянной по полю яркостью более 13 мм (на расстоянии 19мм от волновода) при вводном пучке диаметром до 6 мм, что невозможно обеспечить в волноводной системе равной толщины;

3. Разработан внеосевой волноводный элемент «ступенчатая микрозеркальная структура» для увеличения апертуры оптической системы, позволяющий увеличить поле зрения, зону видения виртуального изображения и расстояние от апертуры оптической системы до глаза без увеличения толщины волновода. Так, для поля зрения 24°, достигнута зона видения виртуального изображения в

9мм (при расстояние от апертуры оптической системы до глаза 19мм) без увеличения толщины волновода, то есть больше в 3,1 раза, чем обеспечивает классическая однозеркальная схема; 4. Определен физический предел углового разрешения зеркально-растровой системы дисплея виртуальной реальности, в частности, при условии минимального контраста изображения 0,3 физические ограничения разрешения для трех вариантов растровых схем составляют:

а) один точечный источник - одно зеркало: максимальное угловое разрешение - 3 пикселя/°;

б) несколько пикселей для одного изображающего зеркала: максимальное угловое разрешение - 8 пикселей/°;

в) один точечный источник - одно зеркало, расположенные в контактной линзе: максимальное угловое разрешение - 2 пикселя/°.

Степень достоверности

Теоретические расчеты, математическое и компьютерное моделирование и оптимизация проведены с использованием известных программных комплексов MathLab, Mathematica, Zemax, VirtualLab и LightTools. Полученные теоретические расчеты параметров компьютерных моделей хорошо согласовывались с характеристиками изготовленных экспериментальных макетов виртуальных дисплеев.

Личный вклад автора

Автором была предложена идея учета физиологических особенностей глаза человека при расчете параметров оптических систем виртуальных дисплеев. Используя такой подход, автором была аналитически установлена связь между апертурой, величиной зрачка, зоной видения виртуального изображения, положением зоны видения виртуального изображения и другими ключевыми параметрами оптических систем виртуальных дисплеев различного вида. Автор

самостоятельно проводил моделирование оптических схем и оптимизация моделей для практического изготовления макетных образцов, экспериментально осуществлял тестирование и настройку макетов дисплеев с голографическим и микрозеркальным внеосевыми бим-комбайнерами. Автором были выполнены оценки максимального уголовного разрешения растровых оптических систем, а также получены оценки физических ограничений на использование оптического растра на примере предложенных автором схем и по предложенной автором методике. Подготовка основных публикаций для печати, корректировка текста согласно замечанием рецензентов проводилась автором.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 118 страниц, включая 70 рисунков.

Публикации по результатам диссертационной работы

Статьи:

1. Чжэел Рю, Н.В. Муравьев; Д.Е. Пискунов, М.В. Попов, Н.В. Аниканова, Менгчжо Чой. Разработка световода со ступенчатой микрозеркальной структурой для очков дополненной реальности //Оптический журнал. - 2017. -Т. 84. - №. 8. - С. 84-88.

Jaeyeol Ryu, N. V. Muravev, D. E. Piskunov, M. V. Popov, N. V. Anikanova, and Myongjo Choi. Development of a light guide with a stair micromirror structure for augmented reality glasses //Journal of Optical Technology. - 2017. - Т. 84. - №. 8. -С. 574-578.

2. Чжэел Рю, А.Н. Путилин. Растровые оптические системы для виртуального дисплея // Физические основы приборостроения. 2017. Т. 6. №. 2. (24) - С. 98104.

3. Чжэел Рю, А.Н. Путилин. Исследование виртуальных дисплеев на основе растровых оптических элементов, Квантовая электроника, том 48, № 01, с. 87 -95 (2018).

Jaeyeol Ryu, A N Putilin, Study of virtual displays based on raster optical elements, Quantum Electronics, 2018, 48 (1), 87-94.

4. Чжэел Рю, Н.В. Муравьев, А.Н. Путилин. Требования к оптическим системам для виртуальных дисплеев, Краткие сообщения по физике 2018, 45 (1), 10-16. Jaeyeol Ryu, N.V. Muravyev, A.N. Putilin. The requirements for optical system for virtual display, Bulletin of the Lebedev Physics Institute 2018, 45 (01), 14-18.

Тезисы докладов:

1. Jaeyeol Ryu, Dmitry Piskunov, Mikhail Popov, Nikolay Muravyev. Optical design of hologram optical elements-based see-through glasses //10th International Symposium on Display Holography. - 2015. - C. 102.

2. Jaeyeol Ryu, Andrey Putilin. See-through HMD based on hologram optical element // 10th International Symposium on Display Holography. - 2015. - C. 158.

3. Чжэел Рю, Н.В. Муравьев, Д.Е. Пискунов, М.В. Попов, Н.В. Аниканова, Менгчжо Чой, Световод со ступенчатой микрозеральной структурой для очков дополненной реальности // Сборник трудов международной конференции «Прикладная 0птика-2016». - Т. 1. - C. 35-39.

4. Ryu, J., Muravev, N., Piskunov, D., Popov, M., Anikanova, N., & Choi, M. 51-5: Lightguide with Stair Micromirror Structure for Augmented Reality Glasses //SID Symposium Digest of Technical Papers. - 2017. - Т. 48. - №. 1. - С. 771-774.

5. Чжэел Рю, А.Н. Путилин, Виртуальные дисплеи: тенденции, оптические системы и проблемы, 60-я Научная конференция МФТИ 2017

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНЫХ

ДИСПЛЕЕВ

1.1 Введение

1.1.1 Развитие технологий создания дисплеев

С появлением кино и созданием телевизоров стало возможным воспроизводить изображения, которые могут одновременно наблюдать большое количество зрителей. Дальнейшее развитием техники и электроники позволило улучшить качество воспроизведения изображения: увеличилось пространственное разрешение, вырос контраст изображения, стала больше глубина передачи цвета, расширился диапазон яркости, стало возможно увеличить частоту повторения кадра и т.п. В последнее десятилетие наиболее ярко эти тенденции проявилась в телевизионной технике, особенно с появлением новых технологий производства телевизионных дисплеев, а также в экранах для планшетов или смартфонов.

Одним из перспективных и активно развивающихся направлений является создание виртуальных дисплеев. Термин "виртуальный" имеет множество значений. Виртуальную реальность или «мир виртуальных объектов» иногда называют искусственной реальностью, электронной реальностью, компьютерной моделью реальности и т.д. Это некоторый искусственно созданный мир. В то же самое время в оптике виртуальное изображение является одним из ключевых и объективных понятий при описании оптических схем. Двойственность профессионального понимания виртуальности часто порождает неправильное представления о быстроразвивающейся области оптических исследований - «Виртуальные дисплеи». В работе идет речь именно об оптических системах, которые стоят мнимое (виртуальное) изображение [9-13].

Человек воспринимает информацию о внешнем мире с помощью различных органов чувств. Сознание обрабатывает информацию, получаемую органами чувств, и строит некоторый образ на ее основе. У человека есть 5 органов чувств, с помощью которых он получает информацию об окружающем его мире: зрение (75%), слух (13%), осязание (6%), обоняние (3%), вкус (3%) [14]. Наибольший

объем информации (около 88 %) человек получает с помощью зрения и слуха. Эту информацию частично можно передавать с использованием обычных дисплеев. С развитием технологии, обычные 2D дисплеи перестали удовлетворять все запросы зрителей. 3D дисплеи, особенно голографические или с динамической генерацией ракурсов [15], во многом позволяют решить эту проблему.

В последнее время появилось много новых типов носимых электронных устройств, в которых используются дисплеи. Анализируя эволюцию развития компактных электронных устройств дисплейных систем, можно выделить две тенденции:

1) размер устройства неуклонно уменьшается;

2) соотношение площади дисплея к размеру самого устройства увеличивается.

На рисунке 1.1 (а) показана динамика изменения габаритных размеров

электронных устройств, начиная с персонального компьютера и заканчивая смартфоном. Тенденция уменьшения размера и массы электронного устройства связано еще и с желанием создать доступное удобное компактное многофункциональное устройство, которое всегда есть под рукой. Во многом создание таких устройств стало возможным благодаря появлению компактных экранов с высокой яркостью и контрастом при относительно небольшом энергопотреблении. Это привело к тому, что в настоящее время самым распространённым электронным устройством является смартфон. В многих развитых странах процент пользователей смартфонами в стране достигает выше 70 процентов: Республика Корея (88%), Австрия (77%), Израиль (74%), США (72%) и Испания (71%) [16].

Если смотреть динамку развития по времени компактных электронных устройств, от носимого телефона до смартфона, то соотношение площади дисплея к площади устройства К постоянно увеличивается (см. рисунок 1.1 (б)).

_2д

^устройство

17- _ ° дисплей / 1 1 \

—:—, ( 1Л)

-----------

где 5дисплей - площадь дисплея, 5устройство - площадь устройства.

1:1 1:1

Модель IBM 5150 PC Compaq SLT/286 Nokia 9000 Galaxy Note 8

Год выпуска 1981 1988 1998 2017

К 14.5% 25.9% 52.9% 68.6% 83.2°%

Модель C110 D870 i8910 Omnia HD Galaxy note 2 Galaxy Note 8

Год выпуска 2004 2006 2009 2012 2017

(а) (б)

Рисунок 1.1. (а) - тенденция развития электронных устройств, (б) - Увеличение соотношения размера дисплея к размеру устройства К [17]

2:1

Очевидно, что физически дисплей не может быть больше, чем устройство. Следовательно, и изображение не может быть больше, чем устройство. Но если устройство или дисплей создают виртуальное (мнимое) изображение, то возможно выйти из этого физического ограничения, то есть К>1. Причем параметр К зависит от расположения глаза относительно оптической системы, формирующей виртуальное изображение, где ¿д' - расстояние между глазом наблюдателя и положением виртуального изображения, а йд' - размера виртуального изображения. Если предположить, что такое устройство будет иметь размер 150^50 мм такой же, как у обычных или солнцезащитных очков, то можно провести предварительный анализ динамики увеличения коэффициента К в зависимости от поля зрения (см. рисунок 1.2).

Поле зрения = 2 • arctan

2 LT

( 1.2)

Рисунок 1.2. Изменение параметра К в зависимости от поля зрения (БоУ) и положения виртуального изображения относительно зрителя на расстоянии Ь=1м, 2м, 3м оптической системы с внешними размерами по ширине и высоте150 х 50 мм и соотношением сторон виртуального дисплея 16:9

Если виртуальный дисплей (ВД) сможет построить изображения с угловым размером 20°, то размер виртуального изображения может быть больше, чем само устройство в К=7, К=28 и К=63 раза, соответственно, для положений виртуальных изображений ¿д'=1м, ¿д'=2м, ¿д'=3м.

По тенденции уменьшения габаритов электронных устройств и увеличения отношения размеров дисплея к размерам устройства можно прогнозировать, что виртуальный дисплей станет следующим типом наиболее распространенных электронных устройств.

1.1.2 Важные характеристики виртуальных дисплеев

При исследовании и разработке ВД особое внимание прикладывалось к следующим наиболее важным характеристикам оптической системы ВД:

1) Угловое поле зрения [°] - угловой размер виртуального изображения (ВИ) ( 1.2). Этот параметр непосредственно влияет на качество ВД, а, следовательно, и на создание ощущения нахождения в виртуальном мире для зрителя. Зритель будет ощущать эффект присутствия тогда, когда будет видеть виртуальный мир в таком же масштабе, как и реальный мир, т.е. когда угловые размеры ВИ сопоставимы с реальными объектами, которые видит глаз человека в реальном мире;

и) Угловое разрешение [°] - минимальный угол между объектами в ВИ, который способна отобразить оптическая система. Известно, что глаз человека способен различать до одной угловой минуты. Соответственно, чтобы человек чувствовал естественность виртуального изображения, угловое разрешение должно быть не хуже одной угловой минуты 1';

iii) Зоны видения виртуального изображения (ЗВВИ, область, где можно видеть виртуальное изображение с требуемым качеством, англоязычный аналог Eye Box) [мм] или [ммхмм] - поперечный размер или площадь области, где можно видеть полное поле зрения с требуемым качеством изображения;

iv) Положение ЗВВИ (англоязычный аналог Eye relief) [мм] - расстояние от последней поверхности оптической системы до ЗВВИ. Из-за физиологических особенностей глаза рекомендуется, чтобы глаз находился более 10мм от препятствия, в нашем случае, от последней поверхности оптической системы;

v) Габариты [мм*мм*мм] и вес [г] - важные характеристики, которые будут влиять на удобство и комфорт при длительной эксплуатации. С учетом того, что ВД одевается на голову зрителя, большие вес и габариты устройства могут оказывать серьезную нагрузку на голову, мышцы шеи и позвоночник, что будет приводить к быстрому утомлению зрителя [18].

Эти ключевые параметры будут зависеть от назначения или специализации устройства ВД. Но для того, чтобы ВИ казалось зрителю максимально правдоподобным, необходимо добиться значений ключевых параметров максимально близких к значениям, при которых зритель видит реальный мир без ВД. Т.е. система должна формировать ВИ с большим углом зрения, с угловым разрешением, сравнимым с угловым разрешением глаза человека, с большой ЗВВИ такой, чтобы при вращении глаза свет попадал в глаз, при этом это ВД должен иметь малые габариты и вес, чтобы зритель не чувствовал дополнительного дискомфорта.

1.1.3 Основные способы формирования виртуального изображения

В оптике увеличенное изображение формируется положительным объективом, когда предмет расположен от системы ближе фокуса. Но в подавляющем большинстве оптических систем для ВД сам дисплей ставят в фокусе оптической системы, чтобы формировать ВИ в бесконечности. Это связано с физиологическими особенностями зрительной системы человека. Наиболее расслабленное состояние аккомодационных мышц глаза достигается тогда, когда

глаз аккомодирован на бесконечность. При этом задний фокус глаза совпадает с сетчаткой [19].

На практике используют два типа оптических систем для формирования ВИ: оптическая система без переноса изображения (см. рисунок 1.3) и оптическая система с переносом первичного действительного изображения (см. рисунок 1.4).

Оптическая система без переноса изображения - это случай, когда дисплей находится в фокусе положительного объектива.

Можно записать выражение для следующих параметров для идеально тонкой оптической системы: поле зрения, положение ЗВВИ и ЗВВИ.

Поле зрения:

Поле зрения = 2 • аг^ап (—), ( 1.3)

где /0 - фокусное расстояние объектива, - размер дисплея.

Максимальное расстояние от объектива до ЗВВИ в зависимости от диаметра объектива :

Г)

^е мак = " , 2tan(

^Поле зрения^, ( 1.4)

где - диаметр выходной апертуры объектива. Зависимость ЗВВИ от положения глаза Ье и поля зрения:

ЗВВИ = 2(£е_„ак — ^)^п(Поле|=) ( 1.5)

Мнимое изображение в бесконечность

Рисунок 1.3. Формирующая увеличенное мнимое изображение оптическая система без переноса изображения, в подкрашенной области можно получить

полное поле зрения.

Оптическая система с переносом изображения - это система, которая состоит из двух оптических компонентов объектива. Оба оптических компонента представляют собой положительную оптическую систему. Дисплей находится дальше, чем фокусное расстояние первого компонента. В результате чего, строится действительное изображение. (увеличенное действительное изображение, если Л-2/1; уменьшенное действительное изображение, если /1 <11д<2/1.) Фокус второго компонента совпадает с дисплеем, таким образом, второй компонент строит увеличенное мнимое изображение в бесконечности.

Можно записать выражение для следующих параметров идеально тонкой оптической системы: поле зрения, положение ЗВВИ и ЗВВИ.

Положение промежуточного действительного изображения из формулы

Гаусса:

= ( 1.6)

где /1' - задний фокус первого компонента, ¿1д - расстояние от дисплея до первого компонента.

Размер промежуточного действительного изображения

%А

¿1д+Л''

где Д, - размер дисплея.

п ( 17)

д

Мнимое изображение в бесконечность

Рисунок 1.4. Формирующая увеличенное мнимое изображение оптическая система с переносом изображения, в подкрашенной область можно получить

полное поле зрения

Не всегда для реализации дисплея с требуемой конструкцией и специализацией можно подобрать дисплей, имеющийся на рынке. Во-первых, микродисплеи имеют определенный размер, подавляющее большинство микродисплеев имеет размер меньше, чем 1 дюйма. Во-вторых, габариты устройства и поле зрения, формируемые объективом, на прямую связаны с фокусным расстоянием объектива, так как дисплей находится в фокусе.

При фиксированном поле зрения фокусное расстояние объектива

пропорционально размеру дисплея. При уменьшении размера дисплея необходимо использовать объектив с меньшим фокусным расстоянием. При формировании большой ЗВВИ относительное отверстие объектива должно увеличиваться, так как ЗВВИ пропорционально размеру зрачка объектива. Соответственно, сложность оптической системы возрастает, что приводит к увеличению количества оптических элементов и весу устройства. Чтобы избежать такой ситуацией, можно использовать оптическую систему с переносом изображения, в которой увеличен размер объекта для второго компонента оптической системы, соответственно, требование к относительному отверстию объектива уменьшается. Оптическая система с переносом изображения с учетом своих преимуществ, включая высокое разрешение и малые габариты, подходит при выборе микродисплея малого размера (LCoS) и избавляет от необходимости использования сложных оптических систем.

Однако реальная оптическая система обладает большим уровнем аберраций, что, в отличие от идеальной тонкой оптической системы, усложняет реализацию требуемых больших ЗВВИ и положения ЗВВИ с приемлемым качеством ВИ. Задача выбора значения целевых параметров оптических систем для ВД (поле зрения, положение ЗВВИ, размер ЗВВИ) формулируется на основе множества факторов: эргономического, экономического, габаритов, веса и т.п.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чжэел Рю, 2018 год

Список литературы

[1] P. B. A, «Weapon». США Патент 1183492, 1916.

[2] Sutherland I. E., "A head-mounted three dimensional display," in Proceedings of the December 9-11, 1968, fall joint computer conference, part I. - ACM, 1968.

[3] Browne M. P., Foote B. D. Wide field-of-view digital night vision head-mounted display //Head-and Helmet-Mounted Displays XV: Design and Applications. -International Society for Optics and Photonics, 2010. Vol. 7688. С. 768805.

[4] Fisher S. S. et al., "Virtual environment display system," in Proceedings of the 1986

workshop on Interactive 3D graphics. - ACM, 1987.

[5] M. B. J. e. al., "Augmented reality playspaces with adaptive game rules". США Patent

9454849, 2016.

[6] Reichlen B. A. Sparcchair, "A one hundred million pixel display," in Virtual Reality

Annual International Symposium, 1993.

[7] Bowman D. A., McMahan R. P., "Virtual reality: how much immersion is enough?,"

in Computer, 2007.

[8] Chang J. et al., "Determination of Optimal Location of Circuit Board and Battery on

3D Glasses by Considering Nose Load and Subjective Discomfort," in Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting, Sage CA: Los Angeles, 2012.

[9] Rolland J. P. et al. High-resolution inset head-mounted display //Applied optics. 1998.

Vol. 37. №19. С. 4183-4193.

[10] Ferrin F. J. Update on optical systems for military head-mounted displays //Helmet-and Head-Mounted Displays IV. - International Society for Optics and Photonics, 1999. Vol. 3689. С. 178-186.

[11] Rolland J. P., Hua H. Head-mounted display systems //Encyclopedia of optical engineering. 2005. С. 1-13.

[12] Cakmakci O., Rolland J. Head-worn displays: a review //Journal of display technology. 2006. Vol. 2. №3. С. 199-216.

[13] Kress B., Starner T. A review of head-mounted displays (HMD) technologies and

applications for consumer electronics //SPIE Defense, Security, and Sensing. -International Society for Optics and Photonics, 2013. С. 87200A-87200A-13.

[14] Instructors'Handbook A. FAA-H-8083-9A //Washington: US Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Flights Standards Service. 2008. P. 2-24.

[15] Жирков А., Путилин А. Трёхмерное видео с континуальным ракурсом: съёмка, модель и отображение //Мир техники кино. 2013. №3. P. 26-33.

[16] Center, Pew Research, «Top 15 markets by smartphone ownership» 2016.

[17] GSMArena:[сайт]. URL: https://www.gsmarena.com/ (Дата обращения: 24.03.2018).

[18] Chang J. et al. Determination of Optimal Location of Circuit Board and Battery on 3D Glasses by Considering Nose Load and Subjective Discomfort //Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. - Sage CA: Los Angeles, CA : SAGE Publications, 2012. Vol. 56. №1. P. 1877-1881.

[19] Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем. - М. : Машиностроение, 1992.

[20] Shechter R., Amitai Y, Friesem A. A. Compact beam expander with linear gratings //Applied optics. 2002. Vol. 41. №7. С. 1236-1240.

[21] Kress B. C., Cummings W. J. 11-1: Invited Paper: Towards the Ultimate Mixed Reality Experience: HoloLens Display Architecture Choices //SID Symposium Digest of Technical Papers. 2017. Vol. 48. №1. С. 127-131.

[22] Robinson J. D. et al. Video headset : пат. 5696521 США. 1997.

[23] Cheng D. et al. Design of an optical see-through head-mounted display with a low f-number and large field of view using a freeform prism //Applied optics. 2009. Vol. 48. №14. С. 2655-2668.

[24] Hua H., Gao C. A compact eyetracked optical see-through head-mounted display //Stereoscopic Displays and Applications XXIII. - International Society for Optics and Photonics, 2012. Vol. 8288. С. 82881F.

[25] Miao X., Amirparviz B., Wong A. Near-to-eye display with an integrated out-looking camera : пат. 9239415 США. 2016.

[26] Amitai Y., Reinhorn S., Friesem A. A. Visor-display design based on planar holographic optics //Applied Optics. 1995. Vol. 34. №8. C. 1352-1356.

[27] Shechter R. et al. Compact red-green-blue beam illuminator and expander //Applied optics. 2002. Vol. 41. №7. C. 1229-1235.

[28] Mukawa H. et al. 8.4: distinguished paper: a full color eyewear display using holographic planar waveguides //SID Symposium Digest of Technical Papers. -Blackwell Publishing Ltd, 2008. Vol. 39. №1. C. 89-92.

[29] Wu Z., Liu J., Wang Y. A high-efficiency holographic waveguide display system with a prism in-coupler //Journal of the Society for Information Display. 2013. Vol. 21. №12. C. 524-528.

[30] Zhang N. et al. Improved holographic waveguide display system //Applied Optics. 2015. Vol. 54. №12. C. 3645-3649.

[31] Russo J. M. et al. Mass production of holographic transparent components for augmented and virtual reality applications //Solid-State Lighting. - Optical Society of America, 2017. C. SW3C. 1.

[32] Mukawa H. et al. A full-color eyewear display using planar waveguides with reflection volume holograms //Journal of the society for information display. 2009.

[33] Levola T. Diffractive optics for virtual reality displays //Journal of the Society for Information Display. 2006. Vol. 14. №5. C. 467-475.

[34] Levola T. 28.2: Stereoscopic Near to Eye Display using a Single Microdisplay //SID Symposium Digest of Technical Papers. - Blackwell Publishing Ltd, 2007. Vol. 38. №1. C. 1158-1159.

[35] Laakkonen P. et al. High efficiency diffractive incouplers for light guides //Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XII. - International Society for Optics and Photonics, 2008. Vol. 6896. C. 68960E.

[36] Äyräs P., Saarikko P., Levola T. Exit pupil expander with a large field of view based on diffractive optics //Journal of the Society for Information Display. 2009. Vol. 17. №8. C. 659-664.

[37] Äyräs P., Saarikko P. Near-to-eye display based on retinal scanning and a diffractive

exit-pupil expander //Optics, Photonics, and Digital Technologies for Multimedia Applications. - International Society for Optics and Photonics, 2010. Vol. 7723. С. 77230V.

[38] Pan J. W., Hung H. C. Optical design of a compact see-through head-mounted display with light guide plate //Journal of Display Technology. 2015. Vol. 11. №3. С. 223-228.

[39] Levola T. Diffractive optics for virtual reality displays //Journal of the Society for Information Display. 2006. Vol. 14. №5. P. 467-475. Vol. 17. №3. P. 185-193.

[40] Migozzi J. B. Optical device enabling the introduction of a collimated image in an observer's field of vision : пат. 5076664 США. 1991.

[41] Amitai Y P-21: Extremely Compact High-Performance HMDs Based on Substrate-Guided Optical Element //SID Symposium Digest of Technical Papers. - Blackwell Publishing Ltd, 2004. Vol. 35. №1. С. 310-313.

[42] Cheng D. et al. Design of an ultra-thin near-eye display with geometrical waveguide and freeform optics //Optics express. 2014. Vol. 22. №17. С. 20705-20719.

[43] Bohn D. D. Reflective array waveguide : пат. 8917453 США. 2014.

[44] Robbins S., Bohn D. D. Increasing field of view of reflective waveguide : пат. 9274338 США. 2016.

[45] Frommer A. 11-3: Invited Paper: Lumus Optical Technology for AR //SID Symposium Digest of Technical Papers. 2017. Vol. 48. №1. С. 134-135.

[46] Mirza K., Sarayeddine K. Key challenges to affordable see through wearable displays: the missing link for mobilearmass deployment //Internal Technical Paper-OPTINVENT SA. 2012.

[47] Shi R. et al. Chromatic dispersion correction in planar waveguide using one-layer volume holograms based on three-step exposure //Applied optics. 2012. Vol. 51. №20. С. 4703-4708.

[48] Duparre J. et al. Thin compound-eye camera //Applied optics. 2005. Vol. 44. №15. P. 2949-2956.

[49] Helbing R., Gruhlke R. Compact optical navigation module and microlens array

therefore : заяв. пат. 11350023 США. 2007.

[50] Yu J. Y et al. The wide-field optical sectioning of microlens array and structured illumination-based plane-projection multiphoton microscopy //Optics express. 2013. Vol. 21. №2. P. 2097-2109.

[51] Smoot L. S. Flat virtual displays for virtual reality : пат. 5883606 США. 1999.

[52] Lanman D., Luebke D. Near-eye light field displays //ACM Transactions on Graphics (TOG). 2013. Vol. 32. №6. P. 220.

[53] Hong K. et al. Full-color lens-array holographic optical element for three-dimensional optical see-through augmented reality //Optics letters. 2014. Vol. 39. №1. P. 127-130.

[54] Guillaumee M. et al. Curved transflective holographic screens for head-mounted display //Advances in Display Technologies III. - International Society for Optics and Photonics, 2013. Vol. 8643. P. 864306.

[55] Maimone A. et al. Pinlight displays: wide field of view augmented reality eyeglasses using defocused point light sources //ACM SIGGRAPH 2014 Emerging Technologies. - ACM, 2014. P. 20.

[56] Griffith M. S. Display assembly, in particular a head mounted display : пат. 9400384 США. 2016.

[57] Jiang H. et al. Micro-size LED and detector arrays for minidisplay, hyper-bright light emitting diodes, lighting, and UV detector and imaging sensor applications : пат. 6410940 США. 2002.

[58] Armitage D., Underwood I., Wu S. T. Introduction to microdisplays. - John Wiley & Sons, 2006. Vol. 11.

[59] Harry Zervos and James Hayward, «Augmented, Mixed and Virtual Reality 20172027: Technologies, Forecasts, Players: Headsets, components and enabling technologies for future AR, MR, & VR devices,» IDTechEx, 2017.

[60] Amitai Y., Friesem A. A., Weiss V. Holographic elements with high efficiency and low aberrations for helmet displays //Applied optics. 1989. Vol. 28. №16. С. 34053416.

[61] Spitzer M. B., Crawford J. O. Eyeglass display lens system employing off-axis optical design : пат. 6353503 США. 2002.

[62] Gupta A., Wang C. J. Optical combiner for near-eye display : пат. 8947783 США. 2015.

[63] Lanman D. et al. Polarization fields: dynamic light field display using multi-layer LCDs //ACM Transactions on Graphics (TOG). - ACM, 2011. Vol. 30. №6. С. 186.

[64] Maimone A. et al. 36.1: Wide Field of View Compressive Light Field Display using a Multilayer Architecture and Tracked Viewers //SID Symposium Digest of Technical Papers. 2014. Vol. 45. №1. С. 509-512.

[65] Huang F. C., Chen K., Wetzstein G. The light field stereoscope: immersive computer graphics via factored near-eye light field displays with focus cues //ACM Transactions on Graphics (TOG). 2015. Vol. 34. №4. С. 60.

[66] Lee S. et al. Analysis and implementation of hologram lenses for see-through head-mounted display //IEEE Photonics Technology Letters. 2017. Vol. 29. №1. С. 82-85.

[67] Maimone A., Georgiou A., Kollin J. S. Holographic near-eye displays for virtual and augmented reality //ACM Transactions on Graphics (TOG). 2017. Vol. 36. №4. С. 85.

[68] Johnston R. S., Willey S. R. Development of a commercial retinal scanning display //Helmet-and Head-Mounted Displays and Symbology Design Requirements II. -International Society for Optics and Photonics, 1995. Vol. 2465. С. 2-14.

[69] Tanaka M. Retinal scanning display : пат. 8469513 США. 2013.

[70] Longfei L., Wenqiang L., Zhanjun Y. Design of retinal scanning display based on holographic waveguide //Optoelectronics and Microelectronics (ICOM), 2015 International Conference on. - IEEE, 2015. С. 293-297.

[71] Wandell B. A. Foundations of vision. - Sinauer Associates, 1995.

[72] Hunziker H. W. Im Auge des Lesers: foveale und periphere Wahrnehmung-vom Buchstabieren zur Lesefreude //The Eye of the Reader: Foveal and Peripheral Perception-from Letter Recognition to the Joy of Reading). Zurich: Transmedia. 2006.

[73] Keirl A., Christie C. Clinical optics and refraction: A guide for optometrists, contact lens opticians and dispensing opticians. - Elsevier Health Sciences, 2007.

[74] Moharam M. G., Gaylord T. K. Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings //JOSA. 1982. Vol. 72. №10. P. 1385-1392.

[75] В.И. Малышев, Введение в экспериментальную спектроскопию, Москва: М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979.

[76] Zemax R. ZEMAX User's Manual //July. 2011.

[77] Kim T. et al. Smart contact lenses for augmented reality and methods of manufacturing and operating the same : заяв. пат. 14644488 США. 2016.

[78] Linhardt J. G., Ho H. Method of ring-shaped structure placement in an eye-mountable device : пат. 9289954 США. 2016.

[79] Huang W., Zhao Y. Microlens array and a method of fabricating thereof : пат. 9244202 США. 2016.

[80] Duane T. D. Duane's clinical ophthalmology. - Lippincott Williams & Wilkins, 1994. Vol. 1.

[81] McNamara N. A. et al. Tear mixing under a soft contact lens: effects of lens diameter //American journal of ophthalmology. 1999. Vol. 127. № 6. P. 659-665.