ЛИНЗА ФРЕНЕЛЯ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНОГО ШЛЕМА (варианты) Российский патент 2019 года по МПК G02B3/08 

Описание патента на изобретение RU2685061C1

Изобретение относится к области специального оптического приборостроения и, в частности, к системам визуализации, тренажеров на основе нашлемного индикатора, систем виртуальной реальности и т.п.

При построении шлемов виртуальной реальности общепринято в каждом канале (для каждого глаза) на оси наблюдения глазом использовать положительную асферическую линзу, на фокусном расстоянии от которой располагать источник изображения (видеоматрицу). Такое построение оптической схемы шлема виртуальной реальности позволяет наблюдать видеоизображение матрицы глазом на бесконечности. Каждый глаз наблюдает свое изображение, которые совместно образуют стереопару. По этому принципу построено подавляющее большинство современных шлемов виртуальной реальности.

Так как D/ƒ - отношение диаметр/фокусное расстояние для асферических линз не превышает 1,0, то полный угол зрения FOV (field of view) не превышает 90° (угол зрения 45° в сторону от линии прямого взгляда). Увеличение угла зрения приводит к увеличению габаритных размеров линзы, так как толщина линзы пропорциональна значению D/ƒ.

Для уменьшения габаритных размеров и увеличения значения D/ƒ используют линзу Френеля. Это «сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна из сторон которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы» (Френеля линза // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия. - 1998. - Т. 5. - С. 374-375. - 760 с.). Такая конструкция обеспечивает малую толщину (следовательно, и вес) линзы Френеля даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, что сферическая аберрация линзы Френеля невелика. Линза Френеля позволяет увеличить значение D/ƒ без увеличения толщины линзы. Такое свойство линз Френеля широко используется в построении виртуальных шлемов, так как позволяет увеличить FOV до 130°.

Основным недостатком линзы Френеля является то, что линза состоит из множества элементов сдвинутых сферических поверхностей и в сечении имеет вид множества ступенек. Сдвиг между сферическими элементами формирует нерабочие переходные краевые участки, которые создают паразитные засветки и разного рода «ложные изображения» (по сравнению с обычными линзами и традиционными объективами). Кроме этого, рассеяние света на переходных краевых участках приводит к световым потерям. Обычно линза Френеля используется для сбора световой энергии в лэптопах, концентраторах солнечной энергии, в маяках и т.п. Это накладывает условие на расчет линзы Френеля, когда источник находится в фокусе линзы (смотри фигуру 1).

Как видно, лучи света от точечного источника 1, находящегося в фокусе линзы, проходят через линзу Френеля без потерь на переходных краевых участках, так как они параллельны друг другу.

Ход лучей в виртуальных шлемах, как изображено на фигуре 2, определяется конструкцией, когда входной зрачок глаза 4 находится от линзы на расстоянии значительно меньше ее фокусного расстояния, а протяженный источник изображения - дисплей 3 располагается в фокальной плоскости линзы.

Как видно, световые лучи от протяженного источника света - дисплея 3 в линзе Френеля идут под значительным углом к оптической оси линзы и к переходным краевым участкам линзы. Это приводит не только к потерям на отражении лучей света от переходных краевых участков, но и к тому, что краевые переходные участки становятся видимыми, при этом не несут полезной информации.

Технический результат направлен на создание линз Френеля для шлемов виртуальной реальности с отсутствием световых потерь на краевых переходных участках и отсутствием изображения краевых переходных участков в полезном изображении.

Технический результат достигается использованием линз Френеля в виртуальных шлемах с изменяемым наклоном переходных краевых участков к оптической оси линзы в зависимости от оптической схемы шлема и диаметра зоны.

Сущность шлема виртуальной реальности с большим углом зрения поясняется фигурами 1 и 2.

На фигуре 1 представлена оптическая схема классического использования линз Френеля.

На фигуре 2 представлена оптическая схема использования линз Френеля в виртуальных шлемах.

На фигуре 3 представлен ход лучей в одной зоне линзы Френеля.

Для определения величины наклона переходных краевых участков к оптической оси линзы введем следующие параметры оптической схемы виртуального шлема, смотри фигуру 3: L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; t - толщина линзы Френеля; αi - угол зрения i-й зоны линзы Френеля; Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; Ri - радиус оптической поверхности i-й зоны линзы Френеля; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля; δi - сдвиг i-й зоны линзы Френеля.

Из фигуры 3 следует, что наклон i-го переходного краевого участка линзы Френеля к оптической оси линзы равен величине:

Когда используется очень тонкая линза Френеля, можно считать, что высота падения луча света на плоскую поверхность стремится к половине диаметра i-й зоны линзы, тогда:

Так как в линзе Френеля, используемой в виртуальном шлеме, лучи непараксиальные, то необходимо использовать функции синусов и тангенсов. Тогда, объединяя выражения (1) и (2), имеем:

Автором для виртуальных шлемов предлагается следующая линза Френеля - сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, который для уменьшения паразитного влияния на качество изображения наклонен к оптической оси линзы под углом:

где Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля.

Если линза толстая (больше 1 мм), то при проходе луча через линзу его высота на границе i-й зоны линзы Френеля выше его высоты на плоской поверхности линзы на величину Δ. Тогда выражение (3) имеет вид:

Выражения (4) и (5) вычислить напрямую невозможно, но можно вычислить методом последовательных приближений.

Автором для виртуальных шлемов предлагается следующая линза Френеля - сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, который для уменьшения паразитного влияния на качество изображения наклонен к оптической оси линзы под углом:

где

где Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля; t - толщина линзы Френеля; δi - сдвиг i-й зоны линзы Френеля; Ri - радиус оптической поверхности i-й зоны линзы Френеля.

Похожие патенты RU2685061C1

название год авторы номер документа
ЛИНЗА ФРЕНЕЛЯ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНОГО ШЛЕМА 2020
  • Головков Олег Леонидович
RU2754636C1
ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ВИРТУАЛЬНЫЙ ШЛЕМ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ СОВМЕЩЕНИЯ РЕАЛЬНОГО И ВИРТУАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА 2005
  • Головков Олег Леонидович
RU2301436C2
ВИРТУАЛЬНЫЙ ШЛЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОКУСНЫХ И КОНТЕКСТНЫХ ДИСПЛЕЕВ 2020
  • Головков Олег Леонидович
RU2741256C1
ВИРТУАЛЬНЫЙ ШЛЕМ 2007
  • Головков Олег Леонидович
RU2359297C1
ВИРТУАЛЬНЫЙ ШЛЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2006
  • Головков Олег Леонидович
  • Иванищев Константин Васильевич
RU2326419C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТЕРЕОПРОСТРАНСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (СТЕРЕОМОНИТОР) 2008
  • Головков Олег Леонидович
RU2394260C1
СОСТАВНАЯ ЛИНЗА И СОДЕРЖАЩАЯ ЕЕ СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ 2016
  • Пискунов Дмитрий Евгеньевич
  • Муравьев Николай Викторович
  • Рю Чжэел
RU2642149C2
Цифровые очки для восстановления и эмуляции бинокулярного зрения 2022
  • Кожухов Илья Иванович
  • Милованов Юрий Александрович
  • Пономарев Дмитрий Леонидович
RU2792536C1
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ ФОКУСОМ 2019
  • Данилова Светлана Владимировна
  • Тигаев Владислав Олегович
  • Востриков Гаврил Николаевич
  • Муравьев Николай Викторович
  • Попов Михаил Вячеславович
  • Пискунов Дмитрий Евгеньевич
RU2719341C1
МНОГОЗОННАЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ ЛИНЗА 2020
  • Пискунов Дмитрий Евгеньевич
  • Данилова Светлана Владимировна
  • Муравьев Николай Викторович
RU2757072C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 685 061 C1

Реферат патента 2019 года ЛИНЗА ФРЕНЕЛЯ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНОГО ШЛЕМА (варианты)

Линза Френеля для виртуального шлема представляет сложную составную линзу, образованную совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы. Переходные краевые участки наклонены к оптической оси линзы под углом, определяемом по формулам, приведенным в формуле изобретения. Технический результат - отсутствие световых потерь на краевых переходных участках и отсутствие изображения краевых переходных участков в полезном изображении. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения RU 2 685 061 C1

1. Линза Френеля для виртуального шлема, представляющая сложную составную линзу, образованную совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу, при этом сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, отличающаяся тем, что для уменьшения паразитного влияния переходных краевых участков на качество изображения они наклонены к оптической оси линзы под углом:

где Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля.

2. Линза Френеля для виртуального шлема, представляющая сложную составную линзу, образованную совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу, при этом сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, отличающаяся тем, что для уменьшения паразитного влияния переходных краевых участков на качество изображения они наклонены к оптической оси линзы под углом:

где

где Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля; t - толщина линзы Френеля; δi - сдвиг i-й зоны линзы Френеля; Ri - радиус оптической поверхности i-й зоны линзы Френеля.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2685061C1

Физическая энциклопедия, гл
ред
А.М
Прохоров, М., Большая Российская энциклопедия, 1998, т
Кипятильник для воды 1921
  • Богач Б.И.
SU5A1
Устройство для телефонирования по проводам токами высокой частоты 1921
  • Коваленков В.И.
SU374A1
US 2011149418 A1, 23.06.2011
US 2018081092 A1, 22.03.2018
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ 2017
  • Стребков Дмитрий Семенович
  • Иродионов Анатолий Евгеньевич
  • Орехов Александр Ильич
RU2645800C1
US 2012120498 A1, 17.05.2012.

RU 2 685 061 C1

Авторы

Головков Олег Леонидович

Даты

2019-04-16Публикация

2018-10-15Подача