СОСТАВНАЯ ЛИНЗА И СОДЕРЖАЩАЯ ЕЕ СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G02B3/10 G02C7/06 G02B27/01 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к технологии отображения и, в частности, к системам отображения, содержащим составные линзы, используемые для формирования изображений, обладающих разными разрешениями (т.е. разными плотностями пикселей) в центральной и периферийной областях изображения, тем самым улучшая 3D эффект, воспринимаемый пользователем. Такие системы отображения могут быть выполнены в виде шлема или очков. Изобретение может быть применено на выставках, в музеях, театрах, концертных и спортивных залах, на стадионах и на спортивных объектах, в рекламной индустрии, автомобилях, игровой индустрии и других местах, где необходимо обеспечить создание эффекта присутствия в виртуальной реальности.

Уровень техники

Устройства виртуальной реальности обычно выполняются в виде шлема или очков и имеют оптическую систему перед каждым глазом пользователя, который носит такие устройства. Также существует монокулярное устройство со встроенным микродисплеем, которое имеет оптическую систему только перед одним глазом пользователя. В большинстве случаев шлем или очки виртуальной реальности, известные из уровня техники, состоят из дисплея и одной линзы перед каждым человеческим глазом. Линза служит в качестве окуляра, проецирующего изображения, сформированные дисплеем, на сетчатку каждого человеческого глаза.

Один пример описан в документе US 5448312, относящемся к мультифокальной концентрической офтальмологической контактной линзе, предназначенной для использования пациентами с дальнозоркостью. Линза спроектирована таким образом, чтобы соответствовать размеру зрачка пациента в зависимости от уровня освещения, и состоит из центрального круглого участка, первого кольцевого участка и второго кольцевого участка. Центральный круглый участок линзы имеет только оптическую силу для наблюдения за удаленными предметами и окружен первым кольцевым участком. Первый кольцевой участок может состоять из множества кольцевых подучастков, включающих в себя внутренний кольцевой подучасток, который увеличивает оптическую силу для наблюдения за близкорасположенными предметами и окружен кольцевыми подучастками с по существу одинаковой суммарной степенью коррекции оптических сил для наблюдения за удаленными и близкорасположенными предметами. Первый кольцевой участок окружен вторым кольцевым участком. Второй кольцевой участок может состоять из одного или более кольцевых подучастков, имеющих дополнительную оптическую силу для наблюдения за удаленными предметами, вблизи периферии линзы. Каждый кольцевой участок или подучасток имеет либо оптическую силу для наблюдения за близкорасположенными предметами, либо оптическую силу для наблюдения за удаленными предметами и действует в сочетании с другими участками линз для достижения требуемого соотношения фокусных расстояний в этом участке линзы.

Существуют также офтальмологические линзы, так называемые прогрессивные линзы, в которых оптическая сила изменяется непрерывно из зоны в зону. Прогрессивные линзы составляют тип медицинских очков с постепенно изменяющейся оптической силой, которые имеют одновременно зоны, приспособленные к дальнозоркости и близорукости, в отличие от монофокальной линзы или традиционной линзы, обладающей оптической силой, которая практически является постоянной во всех точках ее поверхности. Пример этой линзы раскрыт в документе US 8256895.

Из документа KR 20150059085 A известно, например, устройство виртуальной реальности с одним линзовым элементом перед каждым глазом, который проецирует изображения, сформированные встроенным дисплеем или дисплеем любого другого устройства (такого как мобильный телефон), на сетчатку глаза. Известное устройство носится на голове пользователя и имеет оптическое средство перед каждым глазом, дисплей и каркас с механическими частями для монтажа и перемещения оптического средства и дисплея. Оптическое средство представляет собой окуляр перед каждым глазом пользователя. Левый окуляр, состоящий из по меньшей мере одной линзы, проецирует изображения, сформированные половиной дисплея на левый глаз пользователя. Правый окуляр функционирует аналогичным образом для правого глаза пользователя.

Однако вышеописанные линзы спроектированы для обеспечения приблизительно одного и того же разрешения в центральной области изображения и периферийной области изображения. В частности, разрешение периферийной области изображения выше, чем разрешение человеческого глаза, в то время как разрешение центральной области изображения значительно ниже, чем разрешение человеческого глаза. Следовательно, эти линзы создают избыточное разрешение в периферийной области изображения и недостаточное разрешение в центральной области изображения, тем самым уменьшая четкость отображаемых изображений и, следовательно, ухудшая ощущение эффекта 3D присутствия для наблюдателя.

Раскрытие изобретения

Для устранения или смягчения одного или более из вышеупомянутых недостатков решений, известных из уровня техники, предложено настоящее изобретение, охарактеризованное независимыми пунктами приложенной формулы изобретения. Разные частные варианты осуществления настоящего изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах приложенной формулы изобретения.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в улучшении качества изображения за счет использования составной линзы, обеспечивающей более высокое разрешение в центральной области изображения и более низкое разрешение в периферийной области изображения. Поскольку внимание пользователя, как правило, сфокусировано в центре изображения, будет казаться, что изображение, воспринимаемое глазом пользователя, имеет лучшее качество, чем изображение, сформированное обычными одиночными линзами, известными из уровня техники.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предложена составная линза. Составная линза содержит центральную часть линзы и по меньшей мере одну периферийную часть линзы. Центральная часть линзы имеет первое фокусное расстояние. По меньшей мере одна периферийная часть линзы окружает центральную часть линзы и имеет второе фокусное расстояние. Первое фокусное расстояние больше, чем второе фокусное расстояние. Центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы имеют совпадающие фокальные плоскости.

В одном варианте осуществления центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы выполнены из PMMA, стекла или оптического пластика с использованием любой известной технологии, такой как литьё или механическая обработка.

В одном варианте осуществления центральная часть линзы имеет круглую форму, а упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы имеет кольцевую форму. В качестве примера, центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы могут быть расположены концентрическим образом.

В одном варианте осуществления центральная часть линзы выполнена в виде выпуклой линзы, вогнутой линзы, двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы, вогнуто-выпуклой линзы, выпукло-вогнутой линзы или линзы, имеющей две произвольно изогнутые поверхности.

В одном варианте осуществления упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы выполнена в виде двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы или линзы, имеющей две произвольно изогнутые поверхности.

Например, одна или обе из центральной части линзы и упомянутой по меньшей мере одной периферийной части линзы могут иметь сферические или асферические поверхности.

В одном варианте осуществления центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы выполнены в виде оптических дифракционных или голографических элементов.

В одном варианте осуществления центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы выполнены в виде линзы Френеля.

В одном варианте осуществления центральная часть линзы и/или упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы покрыты тонкими пленками для улучшения характеристик составной линзы. Например, такие пленки могут представлять собой просветляющие покрытия, используемые для увеличения прозрачности линзы.

Составная линза согласно первому аспекту настоящего изобретения может быть использована для проецирования изображений, видеозаписи, фотографирования.

В одном варианте осуществления составная линза содержит множество периферийных частей линзы, окружающих центральную часть линзы. Множество периферийных частей линзы охарактеризовано фокусными расстояниями f_i, где i – номер периферийной части линзы, i = 1, 2, 3, …, n, при этом f₀>f₁>f₂>f₃>…>f_n, где f₀ – первое фокусное расстояние центральной части линзы. В этом случае, центральная часть линзы и множество периферийных частей линзы также имеют совпадающие фокальные плоскости.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложена система отображения. Система отображения содержит надеваемый на голову каркас, процессор, устройство отображения и две составные линзы. Процессор вмонтирован в каркас и выполнен с возможностью выбора изображения, которое должно отображаться наблюдателю. Устройство отображения прикреплено к каркасу и выполнено с возможностью отображения изображения, выбранного процессором. Каждая из упомянутых двух составных линз представляет собой составную линзу согласно первому аспекту настоящего изобретения. Каждая составная линза установлена в соответствующем месте в каркасе напротив соответствующего одного из глаз наблюдателя перед устройством отображения и выполнена с возможностью проецирования только половины отображаемого изображения в упомянутый соответствующий один из глаз наблюдателя.

В одном варианте осуществления система отображения дополнительно содержит крепежное средство, используемое для крепления каркаса вместе с процессором, устройством отображения и составными линзами на голове наблюдателя. Если система отображения выполнена в виде очков, крепежное средство будет реализовано в форме дужек. Система отображения может также быть выполнена в виде шлема. Устройство отображения может представлять собой экран мобильного телефона.

В одном варианте осуществления система отображения дополнительно содержит первое средство регулировки, выполненное с возможностью регулировки межглазного расстояния для наблюдателя путем перемещения составных линз перпендикулярно оптической оси составных линз. Система отображения также может содержать второе средство регулировки, выполненное с возможностью компенсации ошибок рефракции глаз наблюдателя путем перемещения составных линз вдоль оптической оси составных линз, тем самым изменяя расстояние между устройством отображения и составными линзами.

В одном варианте осуществления система отображения дополнительно содержит по меньшей мере один радиоинтерфейс, вмонтированный в каркас и выполненный с возможностью приема и передачи интерактивного контента посредством радиоволн.

В одном варианте осуществления система отображения дополнительно содержит по меньшей мере один оптический интерфейс, вмонтированный в каркас и выполненный с возможностью захвата и ретрансляции изображений. В этом случае, процессор может быть дополнительно выполнен с возможностью выбора изображений, захваченных оптическим интерфейсом для их отображения наблюдателю через устройство отображения. Оптический интерфейс может быть реализован в виде камеры.

В одном варианте осуществления система отображения дополнительно содержит по меньшей мере один акустический интерфейс, вмонтированный в каркас и выполненный с возможностью приема и передачи интерактивного контента посредством акустических волн. Акустический интерфейс может быть реализован в виде микрофона, динамика или преобразователя костной проводимости.

В одном варианте осуществления процессор дополнительно выполнен с возможностью компенсации дисторсии изображения, вызванной составными линзами, путем надлежащей предварительной дисторсии изображения, отображаемого устройством отображения.

В одном варианте осуществления каркас имеет бленду или экран для каждой составной линзы для предотвращения двоения изображения, вызванного составными линзами. Бленда или экран могут быть выполнены в форме усеченного конуса. В этом случае, форма бленды или экрана изменяется в зависимости от положений составных линз.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны после прочтения следующего далее подробного описания и просмотра сопроводительных чертежей.

Краткое описание чертежей

Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает разрешение человеческого глаза, традиционной линзы и составной линзы в зависимости от угла поля зрения;

Фиг.2 показывает схему традиционной одиночной линзы с ходом лучей;

Фиг.3 показывает одиночную линзу, имеющую центральную и периферийную части линзы с разными фокусными расстояниями;

Фиг.4 поясняет идею составной линзы согласно настоящему изобретению;

Фиг.5 показывает выпукло-вогнутую линзу с главными плоскостями;

Фиг.6 показывает двояковыпуклую линзу с главными плоскостями;

Фиг. 7А-Х показывают возможные варианты осуществления составной линзы согласно настоящему изобретению;

Фиг.8 показывает сетку дисторсии для составной линзы с нулевой дисторсией;

Фиг.9 показывает сетку дисторсии для составной линзы с выполненным условием отсутствия двоения изображения;

Фиг.10 показывает сетку дисторсии для составной линзы с двоением изображения;

Фиг.11 показывает ход лучей в составной линзе согласно настоящему изобретению;

Фиг.12 показывает составную линзу с экраном против двоения изображения в форме усеченного конуса;

Фиг. 13А-В показывают предварительно искаженное изображение на дисплее и изображение, воспринимаемое человеческим глазом;

Фиг. 14А-В показывают результаты сравнения изображений, сформированных традиционной линзой и составной линзой;

Фиг.15 показывает блок-схему алгоритма предварительной дисторсии для формирования предварительно искаженного изображения;

Фиг.16 показывает ход идеальных и реальных лучей через линзу;

Фиг.17 показывает соотношение между идеальными и реальными координатами лучей;

Фиг.18 показывает соотношение между преобразованным и исходным изображениями;

Фиг.19 показывает результаты работы алгоритма предварительной дисторсии;

Фиг.20 вид спереди составной линзы, имеющей три кольцевые части линзы с разными фокусными расстояниями;

Фиг.21 показывает вид спереди составной линзы, имеющей несимметричные части линзы;

Фиг.22 показывает составную линзу, состоящую из двух кольцевых дифракционных элементов;

Фиг.23 показывает устройство виртуальной реальности согласно настоящему изобретению;

Фиг.24 показывает оптическую систему согласно настоящему изобретению;

Фиг.25 показывает схему составной линзы согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.26 показывает зависимость углового разрешения от поля зрения;

Фиг.27 показывает зависимость модуляционной передаточной функции (MTF) от поля зрения;

Фиг.28 показывает сетку дисторсии, сформированную составной линзой согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее подробнее со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно трактоваться как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания, специалисту в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство, раскрытое в данном документе, может быть реализовано на практике с использованием любого числа вариантов осуществления, обеспеченных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, представленных в приложенной формуле изобретения.

Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.

Кроме того, терминология, связанная с расположением, такая как «центральная», «периферийная», используется со ссылкой на ориентацию описываемых фигур. Поскольку компоненты вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть расположены в разных ориентациях, терминология, связанная с расположением, используется в целях иллюстрации, а не ограничения. Должно быть понятно, что другие варианты осуществления могут быть использованы и структурные или логические замены могут быть выполнены без отступления от объема настоящего изобретения.

Устройства виртуальной реальности имеют широкое поле зрения (FOV) вплоть до 120°, но количество пикселей дисплея недостаточно для того, чтобы удовлетворять требованиям высокого разрешения во всем FOV. Как отмечено выше, человеческий глаз имеет более высокое разрешение в центральной области изображения, чем в периферийной области изображения. Традиционная одиночная линза имеет приблизительно одинаковое разрешение в центральной и периферийной областях изображения (примерно 15 пикселей на градус), причем разрешение периферийной области изображения выше, чем разрешение человеческого глаза, а разрешение центральной области изображения значительно ниже, чем разрешение человеческого глаза, как показано на Фиг.1. Таким образом, одиночная линза обеспечивает избыточное разрешение в периферийной области изображения и недостаточное разрешение в центральной области изображения. Для устранения этой проблемы авторы настоящего изобретения решили перераспределить пиксели таким образом, чтобы количество пикселей в центральной области изображения было больше, чем в периферийной области изображения. В частности, разрешение центральной области изображения должно быть достаточно высоким и плавно снижаться к периферийной области изображения.

Чтобы осознать это, следует рассмотреть характеристики одиночной линзы для устройства виртуальной реальности. Наиболее важные из них для пользователя – это поле зрения (FOV) и угловое разрешение (см. Фиг.2). FOV показывает максимальный угловой размер дисплея, который виден из входного зрачка. Угловое разрешение характеризует количество пикселей, видимых человеческим глазом на один градус. Из параксиальной оптики известно, что

где - высота параксиального главного луча в плоскости изображения или плоскости дисплея, - фокусное расстояние, - высота главного луча на главных плоскостях на краю FOV, задаваемая положением зрачка:

Используя из первого уравнения в системе (1) уравнения во втором выражении в системе (1) уравнений, можно найти угол поля зрения вплоть до знака:

Высоты главных лучей в параксиальной линзе и реальной линзе отличаются друг от друга вследствие дисторсии, определяемой как

где - высота главного луча в плоскости изображения. В рассматриваемом случае равна половине диагонали дисплея.

Далее найдем из (4):

Подставляя (5) в (3), получим, что

Имеется только один параметр в (6), который можно изменять. Он представляет собой фокусное расстояние . На самом деле, дисторсия в линзе зависит в основном от FOV и положения апертурной диафрагмы. FOV равно примерно 90 градусам для современных устройств виртуальной реальности. В этом случае, апертурная диафрагма совпадает со зрачком глаза. Положение зрачка составляет порядка 10-20 мм от линзы и определяется антропометрическими данными. Это приводит к дисторсии от -25% до -45%. также нельзя изменять в широком диапазоне. Для малой требуется оптическая система, состоящая из нескольких компонентов для коррекции аберрации линзы с сильным увеличением. Большая приводит к большим габаритным размерам.

Угловое разрешение, усредненное по всему FOV, определяется как

где N – количество пикселей вдоль диагонали дисплея. Для современных промышленно выпускаемых дисплеев, имеющих приемлемую диагональ , количество пикселей меньше чем 300 пикселей.

Угловое разрешение в центральной области FOV (определяемом углом ) пропорционально центральной области дисплея :

Как отмечено выше, дисторсия и фокусное расстояние обычной линзы выбираются при условии .

Зависимость между углом и областью отображения является такой же, как и в (6):

где - дисторсия центральной области изображения.

Выражения (6)-(9) показывают, что если требуется увеличить FOV, необходимо уменьшать разрешение, и наоборот. Очень важно для пользователя устройства виртуальной реальности иметь одновременно широкое FOV и высокое угловое разрешение. Для поддержания FOV и углового разрешения на высоком уровне необходимо иметь разное в (6) и (9), т.е. разное для центральной и периферийной областей изображения. В этом случае, одна из областей изображения будет вне фокуса, и изображение, воспринимаемое глазом, будет размыто. Например, Фиг.3 показывает, что центральная область изображения находится в фокусе , а периферийная область изображения – вне фокуса .

Для того чтобы иметь обе области изображения в фокусе, необходимо использовать линзу, которая обладает не только разными фокусными расстояниями, но и также главными плоскостями и частей линзы, расположенными в разных положениях, как показано на Фиг.4. Авторы пришли к идее составной линзы 66, состоящей из двух частей линзы. Таким образом, поддерживая в (6) таким же, как и для традиционной линзы, и подставляя увеличенное в (9), можно получить то же FOV, что и для традиционной линзы, но при этом улучшенное угловое разрешение (8) в центральной области изображения.

Вышеупомянутое положение главных плоскостей и можно без труда реализовать комбинацией выпукло-вогнутой линзы (Фиг.5) в качестве центральной части линзы и двояковыпуклой линзы (Фиг.6) в качестве периферийной части линзы. Разумеется, могут быть применены другие комбинации линз для достижения фокусировки центральной и периферийной областей изображения. Примеры комбинаций показаны на Фиг.7А-Х. Некоторые из этих комбинаций могут использоваться как часть сложной оптической системы для коррекции аберрации. Условие достижения положения в фокусе может быть получено из геометрических соображений (Фиг.4):

где и - положения главных плоскостей и относительно линзовых поверхностей 61 и 62 соответственно, - приемлемая дефокусировка периферийной части линзы относительно центральной части линзы (см Фиг.3, на Фиг.4), - разность между положением поверхностей 61 и 62 вдоль оптической оси 63.

Считая, что , можно переписать (10) в следующем виде:

Из геометрической оптики известно, что

где и - показатели преломления центральной и периферийной частей линзы, - толщина центральной части линзы вдоль оптической оси, - разность между толщиной центральной и периферийной частей линзы, - радиус поверхности 64 центральной части линзы, - поверхность 65 периферийной части линзы.

Подставляя (12) в (11), можно получить соотношение между радиусами центральной и периферийной частей линзы:

Для составной линзы с нулевой дисторсией изображения будут сформированы с разным масштабом и зазором между центральной и периферийной областями изображения. Например, если отобразить равномерную сетку, изображение, наблюдаемое глазом, будет выглядеть так, как показано на Фиг.8: для центральной части линзы с большим фокусным расстоянием и для периферийной части линзы с малым фокусным расстоянием ячейка 102 сетки (т.е. центральная область изображения) будет меньше, чем ячейка 103 сетки (т.е. периферийная область изображения). Кроме того, имеется зазор 101 между ячейками 102 и 103 сетки.

Для устранения вышеупомянутой проблемы необходимо изготовить составные линзы с такими дисторсиями и из (6) и (9), что

Если условие (14) выполнено, изображение, видимое глазом, будет принимать вид, показанный на Фиг.9.

Для предотвращения двоения изображения, показанного на Фиг.10, условие (14) должно выполняться в диапазоне , который зависит от размера зрачка: чем больше размер зрачка, тем больше диапазон . Фиг.11 показывает схему составной линзы, которая формирует изображение, показанное на Фиг.10.

Альтернативный способ устранения двоения изображения состоит в применении бленды или экрана (см Фиг.12). Экран 141 (выполненный, например, в форме усеченного конуса) не позволяет лучам 142, направленным на периферийную часть 143 линзы, проходить через центральную часть 144 линзы. Верно и обратное: лучи 145, направленные на центральную часть 144 линзы, не могут проходить через периферийную часть 133 линзы из-за экрана 141.

Как показано на Фиг. 9 и 10, изображения, сформированные составной линзой, являются искаженными. Эта дисторсия должна быть компенсирована в зависимости от устройства и применения. Наилегчайший способ компенсации дисторсии состоит в предварительной дисторсии изображений, сформированных дисплеем 31. Например, Фиг. 13А-В показывают заранее искаженное изображение 151 и изображение 152, воспринимаемое глазом.

Для понимания преимуществ составной линзы перед традиционной линзой следует посмотреть на изображения, сформированные обеими линзами (см. Фиг.14А-В). Левое изображение 161 сформировано традиционной линзой. Правое изображение 162 сформировано составной линзой. Оба изображения имеют одинаковый размер, т.е. одинаковое FOV. Изображение 161 имеет приблизительно одинаковое разрешение для центральной области 102 изображения и для периферийной области 103 изображения. Изображение 162 имеет более высокое разрешение в центральной области 102 изображения, чем в периферийной области 103 изображения. Визуально кажется, что изображение 162, сформированное составной линзой, более четкое, чем изображение 161, сформированное традиционной линзой, хотя разрешение периферийной области изображения все же хуже. Другое преимущество составной линзы заключается в отсутствии так называемого эффекта решетки. Эффект решетки представляет собой визуальный артефакт, возникающий, когда четкие линии, разделяющие пиксели, становятся видимыми на изображении виртуальной реальности. Область 163 изображения представляет собой увеличенную часть центральной области 102 изображения, сформированного традиционной линзой. Можно видеть пропуски между пикселями. Область 164 изображения представляет собой увеличенную часть центральной области 102 изображения, сформированного составной линзой. Эффект решетки не возникает, поскольку плотность пикселей, воспринимаемая глазом, увеличена, хотя плотность пикселей дисплея является такой же, как для традиционной линзы.

Алгоритм предварительной дисторсии (см. Фиг.15) учитывает дисторсию в составной линзе и хроматическую аберрацию составной линзы (разность между реальными и идеальными лучами). Он преобразует исходное изображение так, чтобы компенсировать дисторсию в линзе и хроматическую аберрацию.

Алгоритм предварительной дисторсии состоит из этапа 1 ввода исходного изображения, этапов 2-3 создания преобразованного изображения и этапа 4 вывода преобразованного изображения (см. Фиг.15). На этапе 1 вводят матрицу I_o(x_o;y_o) – матрицу исходного изображения, где x_o, y_o являются координатами исходного изображения. На этапе 4 выводят матрицу I_t(x;y) – матрицу преобразованного изображения, где x, y являются координатами преобразованного изображения.

Цикл создания координат изображения дисплея задает координаты (x; y). Координаты (x_o; y_o) исходного изображения задают идеальный луч, соответствующий высоте h2 (см. Фиг.16), а реальный луч, соответствующий выводу идеального луча, появляется из других точек изображения дисплея, соответствующих высоте h1. Следовательно, для формирования преобразованного изображения на экране в точке (x; y), соответствующей высоте h2, необходимо взять из исходного изображения точку, соответствующую положению высоты h1.

Соотношение между параметрами идеального и реального лучей: ϕ – угол FOV; h – высота луча на дисплее, ϕ_ideal(h) – функция угла идеального луча от высоты луча, h_real(φ) – функция высоты реального луча на дисплее от угла – является известной функций после обработки (см. Фиг.17).

Для нахождения матрицы I_t(x;y) необходимо определить I_o(x_o;y_o), где x_o и y_o функции x, y, т.е. I_t(x;y) = I_o(x_o(x;y);y_o(x;y)).

Основной цикл алгоритма представляет собой цикл создания координат (x; y) изображения дисплея. Зная координаты центра нового изображения, можно вычислить радиус:

и угловое направление к пикселю (см Фиг.18):

Тогда

текущий угол идеального луча

Зная угол, можно определить высоту

Радиус на исходном изображении определяется как

Зная угол α, можно определить координаты (x_o;y_o) на исходном изображении. Таким образом, получаются соответствующие пиксели исходного изображения и преобразованного изображения. Аналогичным образом, можно определить соотношение для всех трех цветов, и изображение формируется с коррекцией хроматичности. I_t(x,y) может быть сформирована на основании линейной кубической интерполяции или любых других операций (см. Фиг.19).

В некоторых вариантах осуществления составная линза может включать в себя более двух частей линзы с разными фокусными расстояниями (которые соответственно обеспечивают разные разрешения или плотности пикселей областей изображения). Если требуется плавное уменьшение разрешения от центральной области изображения к периферийной области изображения, необходимо увеличить количество частей линзы. Например, Фиг.20 показывает вид спереди составной линзы с множеством частей, имеющей три кольцевые части 171, 172, 173 линзы, обеспечивающие разные разрешения. Для непрерывного изменения разрешения количество частей линзы должно стремиться к бесконечности. На Фиг.20 части линзы расположены концентрическим образом. Чтобы иметь несимметричное разрешение, части линзы могут быть расположены другим образом, например, центральная часть 102 линзы может быть сдвинута к нижней части составной линзы, как показано на Фиг.21.

Для достижения соотношения (13) и условия (14) оптические поверхности 61, 62, 64, 65 составной линзы могут иметь разные формы и структуры. Наиболее широко используемой поверхностью является осесимметричная полиномиальная асферическая поверхность, описываемая следующей формулой:

где - кривизна (величина, обратная радиусу), - радиальная координата, - коническая константа, - коэффициенты, - число членов.

Если и , формула (15) описывает сферическую поверхность.

В общем случае, например, для лучшей коррекции аберраций поверхности 61, 62, 64, 65 могут иметь произвольную форму, описываемую как формулой, так и массивом координат точек.

Условие (10) может быть достигнуто не только разными формами поверхностей, но также применением среды с градиентным показателем преломления. Например, показатель преломления среды может описываться как

где - основной показатель преломления, - радиальная координата, - аксиальная координата, - радиальные члены, - аксиальные члены, - число радиальных и аксиальных членов соответственно.

Другой способ выполнить условие (10) состоит в использовании дифракционных оптических элементов вместо преломляющих поверхностей. Фиг.22 показывает принцип работы составной линзы, состоящей из двух частей линзы, представляющих собой два кольцевых дифракционных элемента 191 и 192. Фокусное расстояние элемента 191 больше, чем фокусное расстояние элемента 192. Элементы 191 и 192 могут представлять собой линзу Френеля. Если структуры элементов 191 и 192 получены интерференцией двух электромагнитных волн (двух лучей для построения изображения), они являются голографическими оптическими элементами. В этом случае, элементы 191 и 192 отклоняют лучи от траектории согласно уравнению:

где - единичный вектор, перпендикулярный к поверхности голограммы в точке 193 пересечения лучей, - единичный вектор вдоль первого луча для построения изображения, - единичный вектор вдоль второго луча для построения изображения, - единичный вектор вдоль падающего луча, - преломленный луч, - длина волны для построения изображения, - длина волны излучения, испускаемого дисплеем 31, - порядок дифракции.

Фиг.23 показывает, как изобретение может быть реализовано в устройстве 201 виртуальной реальности. Для обеспечения бинокулярного зрения используются две составные линзы 66. Дисплей 31 может быть общим для обеих линз, или каждая линза может иметь свой собственный дисплей 31. Вместо встроенного дисплея 31 может использоваться дисплей смартфона или любого другого мобильного устройства. Дисплей 31 и составные линзы 66 вмонтированы в каркас 202. Каркас имеет крепежное средство 203 для крепления устройства 201 на голове пользователя. Крепежное средство 203 может быть реализовано в виде дужек. Чтобы регулировать устройство 201 относительно межглазного расстояния для каждого пользователя, используется средство 204 регулировки, которое позволяет составным линзам 66 перемещаться перпендикулярно оптической оси 63. У некоторых пользователей имеется нарушение преломления в глазу (ошибки рефракции глаза), такое как миопия или гиперопия. Для компенсации ошибок рефракции глаза устройство 201 может иметь дополнительное средство регулировки, которое позволяет перемещать составную линзу 66 вдоль оптической оси 63. Та же самая функция может выполняться другим средством 206 регулировки, которое позволяет пользователю перемещать дисплей 31.

В устройство 201 могут быть встроены следующие элементы: интегральный процессор 207, беспроводные радиоинтерфейсы 208, оптические интерфейсы 209, акустические интерфейсы 210. Интегральный процессор 207 обрабатывает интерактивный контент для отображения пользователю. Беспроводные радиоинтерфейсы 208 принимают или передают интерактивный контент посредством радиоволн. Оптические интерфейсы 209 захватывают или ретранслируют интерактивный контент. Они могут быть выполнены в виде камеры, камеры-регистратора или проекционного объектива. Акустические интерфейсы 210 принимают или передают интерактивный контент посредством акустических волн. Они могут быть выполнены в виде микрофона, динамика или преобразователя костной проводимости.

Таким образом, легко реализовать устройство 201 с составными линзами. Достаточно вставить мобильный телефон в гарнитуру, если нет встроенного дисплея. Устройство 201 может использоваться без очков. Для компенсации глазных дефектов, таких как миопия и гиперопия, пользователь запускает программное приложение и погружается в виртуальную реальность. Достигаемое поле зрения обеспечивает наличие эффекта присутствия, вне зависимости от того, игра, или это кино или обучающий симулятор. Достигаемое высокое разрешение и отсутствие эффекта решетки обеспечивают эффект реального присутствия, поскольку пользователь может видеть все детали, словно в реальном мире. Пользователь будет полностью погружен в виртуальную реальность при предварительном просмотре кинофильма на устройстве 201 в театральном масштабе с высоким разрешением и с 3D эффектом.

Предложенная линза может быть использована не только в устройстве виртуальной реальности, но также и в устройствах, где требуется перераспределить разрешение по FOV. Например, Фиг.24 показывает применение составной линзы в оптической системе видеокамеры. Помимо составной линзы оптическая система включает в себя другие оптические элементы. В данном примере используются две линзы: собирающая линза 211 и рассеивающая линза 212. Фиг.24 показывает траекторию краевого луча 213 и главного луча 214. Вместо дисплея 31 используется датчик изображения, например, устройства с зарядовой связью (CCD) или устройства на основе технологии комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (CMOS). Видеокамера позволяет увеличить разрешение в центральной области изображения. Она может использоваться в приложении, связанном с безопасностью. Например, камера с широким полем зрения имеет две области изображения в поле зрения с высоким разрешением для идентификации объекта и низким разрешением для обнаружения подозрительных объектов. Если подозрительный объект находится в широком поле зрения, он обозначается маркером, который указывает положение подозрительного объекта, и затем камера поворачивается к объекту и размещает его в центральной области изображения с высоким разрешением, в которой происходит идентификация объекта.

Предпочтительный вариант осуществления

Рассмотрим один пример конструкции составной линзы для устройства виртуальной реальности, которая имеет параметры, перечисленные ниже в таблице 1.

Таблица 1. Параметры устройства виртуальной реальности

Дисплей 5.1" WQHD(2560x1440), 112.6 x 63.36 мм Размер пикселя 44 мкм Диаметр зрачка 8 мм Удаление выходного зрачка 10.0 мм Фокусное расстояние 47 мм F/# (Диафрагменное число) 6  Диапазон диоптрий -9D ∼ 6D Диаметр линзы 37 мм Угловое разрешение По оси 18 пикселей/градус Край поля зрения 8 пикселей/градус

Схема составной линзы показана на Фиг.25. Составная линза выполнена из PMMA. Разумеется, можно использовать другие оптические материалы, такие как стекло, оптическую пластмассу и т.д. Асферические поверхности S1, S2 и S3 описываются в координатах , уравнениями:

для S1

для S2

для S3

Коэффициенты указаны ниже в таблице 2

Таблица 2. Коэффициенты асферических поверхностей

S1 S2 S3 c 0.04146 -0.00215 -1.35232E-03 k -0.43513 0.02454 0.00175 A -7.97548E-05 -3.34598E-05 -3.05666E-05 B 1.03156E-07 -5.01220E-08 -4.69571E-08 C 5.48528E-10 1.42666E-10 1.14424E-10 D -3.48613E-12 0 0 E 9.46143E-15 0 0 F -1.33E-17 0 0 G 6.85E-21 0 0

Линза, показанная на Фиг.25, располагается перед каждым глазом пользователя. Обе линзы (для левого глаза и правого глаза) функционируют с общим дисплеем 31 с разрешением WGHD (2560x1440) и диагональю 5.1". Каждая линза проецирует половину изображения, отображаемого дисплеем 31. Дисплей 31 перемещается вдоль оптической оси 63 в интервале примерно 20 мм от исходного положения для обеспечения коррекции ошибок рефракции глаз в интервале от -9 до 6 диоптрий.

Фиг.26 показывает угловое разрешение в FOV. Фиг.27 показывает модуляционную передаточную функцию (MTF) на частоте , определяемой формулой:

где - угловое разрешение (см Фиг.26), - разрешение человеческого глаза (см Фиг.1).

Фиг.28 показывает сетку дисторсии, сформированную составной линзой, которая видна глазом. Для компенсации дисторсии изображение на дисплее предварительно искажают. Для этой компенсации используется вышеупомянутый алгоритм.

Следует также отметить, что в некоторых вариантах осуществления центральная часть линзы и/или упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы могут быть покрыты тонкими пленками для улучшения характеристик составной линзы. Например, такие пленки могут быть просветляющими покрытиями, используемыми для увеличения прозрачности линзы.

Вкратце, настоящее изобретение предлагает составную линзу, состоящую из центральной части линзы и по меньшей мере одной периферийной части линзы. Центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы имеют разные фокусные расстояния, в частности, фокусное расстояние центральной части линзы больше, чем фокусное расстояние упомянутой по меньшей мере одной периферийной части линзы. При этом центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы скомпонованы таким образом, что их фокальные плоскости совпадают друг с другом. Такая компоновка может быть выполнена посредством комбинации разных типов линз, как обсуждалось ранее. Основная идея настоящего изобретения состоит в том, что присутствие центральной части линзы, имеющей большее фокусное расстояние, обеспечивает более высокое разрешение изображения (или большую плотность пикселей) в центральной области изображения на экране. Вследствие меньшего фокусного расстояния упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы обеспечивает более низкое разрешение изображения (или меньшую плотность пикселей) в периферийной области изображения на экране. Таким образом, наблюдатель может ощущать эффект присутствия в сцене, показанной на изображении.

Хотя в данном документе были раскрыты примеры вариантов осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что в этих вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены любые различные изменения и модификации без отступления от объема правовой охраны, который определяется приложенной формулой изобретения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.

Составная линза может быть использована в устройствах виртуальной реальности. Составная линза содержит центральную часть линзы, имеющую первое фокусное расстояние, и по меньшей мере одну периферийную часть линзы, окружающую центральную часть и имеющую второе фокусное расстояние. Первое фокусное расстояние больше, чем второе фокусное расстояние. Центральная часть линзы и по меньшей мере одна периферийная часть линзы имеют совпадающие фокальные плоскости. В пределах диапазона , определяющего величину центральной части наблюдаемого предмета, выполняется равенство: где - дисторсия, вызываемая центральной частью линзы; - дисторсия, вызываемая периферийной частью линзы; - фокусное расстояние центральной части линзы; - фокусное расстояние периферийной части линзы. Технический результат - улучшение качества изображения за счет использования составной линзы, обеспечивающей более высокое разрешение в центральной области изображения и более низкое разрешение в периферийной области изображения. 2 н. и 28 з.п. ф-лы, 53 ил., 2 табл.

1. Составная линза, содержащая:

центральную часть линзы, имеющую первое фокусное расстояние, и

по меньшей мере одну периферийную часть линзы, окружающую центральную часть линзы и имеющую второе фокусное расстояние,

причем первое фокусное расстояние больше, чем второе фокусное расстояние,

причем центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы имеют совпадающие фокальные плоскости,

причем в пределах диапазона , определяющего величину центральной части наблюдаемого предмета, выполняется равенство:

,

где - дисторсия, вызываемая центральной частью линзы, - дисторсия, вызываемая упомянутой по меньшей мере одной периферийной частью линзы, - фокусное расстояние центральной части линзы, - фокусное расстояние упомянутой по меньшей мере одной периферийной части линзы.

2. Составная линза по п. 1, в которой центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы выполнены из PMMA, стекла или оптической пластмассы.

3. Составная линза по п. 1, в которой центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы изготовлены с использованием технологии литья или механической обработки.

4. Составная линза по п. 1, в которой центральная часть линзы имеет круглую форму, а упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы имеет кольцевую форму.

5. Составная линза по п. 4, в которой центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы расположены концентрическим образом.

6. Составная линза по п. 1, в которой центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы формируют вместе линзу Френеля.

7. Составная линза по п. 1, в которой центральная часть линзы выполнена в виде выпуклой линзы, вогнутой линзы, двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы, вогнуто-выпуклой линзы, выпукло-вогнутой линзы или линзы, имеющей две произвольно изогнутые поверхности.

8. Составная линза по п. 1, в которой упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы выполнена в виде двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы или линзы, имеющей две произвольно изогнутые поверхности.

9. Составная линза по п. 1, в которой одна или обе из центральной части линзы и упомянутой по меньшей мере одной периферийной части линзы имеют сферические или асферические поверхности.

10. Составная линза по п. 1, в которой центральная часть линзы и упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы выполнены в виде оптических дифракционных или голографических элементов.

11. Составная линза по п. 1, в которой центральная часть линзы и/или упомянутая по меньшей мере одна периферийная часть линзы покрыты тонкими пленками для улучшения характеристик составной линзы.

12. Составная линза по п. 11, в которой пленки представляют собой просветляющие покрытия, используемые для увеличения прозрачности линзы.

13. Составная линза по п. 1, при этом составная линза используется для проецирования изображений, видеозаписи, фотографирования.

14. Составная линза по п. 1, содержащая множество периферийных частей линзы, окружающих центральную часть линзы, причем множество периферийных частей линзы охарактеризовано фокусными расстояниями f_i, где i - номер периферийной части линзы, i = 1, 2, 3, ..., n, при этом f₀>f₁>f₂>f₃>…>f_n, где f₀ - первое фокусное расстояние центральной части линзы, при этом центральная часть линзы и множество периферийных частей линзы имеют совпадающие фокальные плоскости.

15. Система отображения, содержащая:

надеваемый на голову каркас;

процессор, вмонтированный в каркас и выполненный с возможностью выбора изображения, которое должно отображаться наблюдателю;

устройство отображения, прикрепленное к каркасу и выполненное с возможностью отображения изображения, выбранного процессором;

две составные линзы, причем каждая составная линза выполнена согласно одному из пп. 1-14, при этом каждая составная линза установлена в соответствующем месте в каркасе напротив соответствующего одного из глаз наблюдателя перед устройством отображения и выполнена с возможностью проецирования только половины отображаемого изображения на упомянутый соответствующий один из глаз наблюдателя.

16. Система отображения по п.15, дополнительно содержащая крепежное средство, используемое для крепления каркаса вместе с процессором, устройством отображения и составными линзами на голове наблюдателя.

17. Система отображения по п. 16, выполненная в виде очков, причем крепежное средство реализовано в виде дужек.

18. Система отображения по п. 15, в которой устройство отображения представляет собой экран мобильного телефона.

19. Система отображения по п. 15, выполненная в виде шлема.

20. Система отображения по п. 15, дополнительно содержащая первое средство регулировки, выполненное с возможностью регулировки межглазного расстояния для наблюдателя путем перемещения составных линз перпендикулярно оптической оси составных линз.

21. Система отображения по п. 15, дополнительно содержащая второе средство регулировки, выполненное с возможностью компенсации ошибок рефракции глаз наблюдателя путем перемещения составных линз вдоль оптической оси составных линз, тем самым изменяя расстояние между устройством отображения и составными линзами.

22. Система отображения по п. 15, дополнительно содержащая по меньшей мере один радиоинтерфейс, вмонтированный в каркас и выполненный с возможностью приема и передачи интерактивного контента посредством радиоволн.

23. Система отображения по п. 15, дополнительно содержащая по меньшей мере один оптический интерфейс, вмонтированный в каркас и выполненный с возможностью захвата и ретрансляции изображений, причем процессор дополнительно выполнен с возможностью выбора изображений, захваченных оптическим интерфейсом для их отображения наблюдателю через устройство отображения.

24. Система отображения по п. 23, в которой оптический интерфейс реализован в виде камеры, камеры-регистратора или проекционного объектива.

25. Система отображения по п. 15, дополнительно содержащая по меньшей мере один акустический интерфейс, вмонтированный в каркас и выполненный с возможностью приема и передачи интерактивного контента посредством акустических волн.

26. Система отображения по п. 25, в которой акустический интерфейс реализован в виде микрофона, динамика или преобразователя костной проводимости.

27. Система отображения по п. 15, в которой процессор дополнительно выполнен с возможностью компенсации дисторсии изображения, вызванной составными линзами, путем надлежащей предварительной дисторсии изображения, отображаемого устройством отображения.

28. Система отображения по п. 15, в которой каркас имеет бленду или экран для каждой составной линзы для предотвращения двоения изображения, вызванного составными линзами.

29. Система отображения по п. 28, в которой бленда или экран выполнен в форме усеченного конуса.

30. Система отображения по п. 28, в которой форма бленды или экрана изменяется в зависимости от положений составных линз.