СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ ВИЗУАЛИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2019 года по МПК G02B27/22 G02B21/22 

Область техники

Изобретение относится к визуализирующему устройству, конкретно, к устройству для просмотра стереоскопических изображений, формируемых из видеоизображений.

Уровень техники

Известны различные оптические увеличительные приборы для получения стереоскопических изображений, например устройства, описанные в предшествующей международной заявке WO 1994/006048 А, поданной заявителем настоящего изобретения.

Известны также различные дисплеи, отображающие трехмерные видеоизображения; однако, если, используя эти устройства, наблюдателю потребуется изменить поляризованные или синхронизированные изображения, ему приходится применять адаптирующие очки, в результате чего рассматриваемые наблюдателем результирующие изображения имеют пониженное разрешение и/или более низкие скорости обновления.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании визуализирующего устройства, формирующего, на основе видеоизображений, стереоскопическое изображение и не требующего применения адаптирующих очков.

В одном из своих аспектов изобретение предлагает визуализирующее устройство, формирующее для наблюдателя стереоскопическое изображение и содержащее:

- первый и второй видеопроекторы, проецирующие соответственно первое и второе видеоизображения объекта, при этом первое и второе изображения отличаются одно от другого, причем одно из них или оба изображения имеет (имеют) пространственное и угловое смещение относительно объекта для создания параллакса между изображениями,

- зеркальный блок, содержащий вогнутое зеркало, которое установлено с возможностью принимать свет от первого и второго видеопроекторов, и расположенный относительно первого и второго видеопроекторов так, чтобы на зеркальном блоке формировались сфокусированные изображения объекта, и

- окуляр, переносящий в плоскость изображения выходные зрачки, соответствующие каждому из сфокусированных изображений, отраженных зеркальным блоком, с обеспечением наблюдателю возможности видеть, без применения адаптирующих очков, эти изображения, как стереоскопическое изображение.

При этом видеопроекторы снабжены первым и вторым видеодисплеями, которые способны, при приеме первого и второго видеосигналов, отображать соответственно первое или второе видеоизображение, а также первой и второй оптическими системами, способными фокусировать свет, поступающий на зеркальный блок от соответствующих изображений, отображаемых первым и вторым дисплеями.

В одном из вариантов изобретения дисплеи расположены напротив друг друга и имеют совпадающие оптические оси.

В другом варианте оптические оси дисплеев образуют острый угол.

В одном из вариантов изобретения видеосигналы поступают от систем трехмерного моделирования или анимационных систем.

Согласно одному из вариантов оптическая система содержит по меньшей мере одну линзу и по меньшей мере одно зеркало, способные направлять световой пучок от дисплея к зеркальному блоку.

В одном из вариантов изобретения изображения представляют собой изображения объекта, имеющие пространственное смещение.

В другом варианте изображения представляют собой изображения объекта, имеющие угловое смещение.

Еще в одном варианте изобретения изображения представляют собой изображения объекта, имеющие пространственное и угловое смещение

В одном из вариантов изображения представляют собой увеличенные изображения объекта.

В следующем варианте изобретения зеркальный блок состоит только из одного вогнутого зеркала.

В одном из вариантов предлагаемое устройство дополнительно содержит процессорный контур для манипулирования изображениями, проецируемыми видеопроекторами, с целью удаления или согласования по меньшей мере одного артефакта, обусловленного оптической схемой устройства.

В одном варианте данный по меньшей мере один артефакт представляет собой трапецеидальное искажение.

В другом своем аспекте изобретение предлагает визуализирующее устройство, формирующее для наблюдателя стереоскопическое изображение и содержащее:

- первый и второй видеопроекторы, проецирующие соответственно первое и второе видеоизображения объекта, при этом первое и второе изображения отличаются одно от другого, причем одно из них или оба изображения имеет (имеют) пространственное и угловое смещение относительно объекта для создания параллакса между изображениями,

- зеркальный блок, способный принимать свет от первого и второго видеопроекторов и расположенный относительно них так, чтобы на данном блоке формировались сфокусированные изображения объекта, и

- окуляр, переносящий в плоскость изображения выходные зрачки, соответствующие каждому из сфокусированных изображений, отраженных зеркальным блоком, с обеспечением наблюдателю возможности видеть, без применения адаптирующих очков, эти изображения, как стереоскопическое изображение.

В своем следующем аспекте изобретение предлагает стереоскопический микроскоп, снабженный вышеописанным визуализирующим устройством.

В своем заключительном аспекте изобретение предлагает стереоскопический микроскоп, содержащий вышеописанное визуализирующее устройство, а также первую и вторую видеокамеры, принимающие соответственно первое и второе увеличенные изображения объекта.

В одном из вариантов изобретения микроскоп дополнительно содержит объективный блок, принимающие первое и второе увеличенные изображения объекта. При этом первая и вторая видеокамеры выполнены с возможностью формировать соответственно первое и второе увеличенные изображения объекта, полученные из изображений, сформированных данным объективным блоком.

В одном из вариантов изобретения компонентами объективного блока являются первый и второй панкратические объективы, каждый из которых предназначен для формирования увеличенного изображения объекта, при этом первая и вторая видеокамеры выполнены с возможностью формировать соответственно первое и второе увеличенные изображения объекта из изображения, сформированного данными панкратическими объективами.

В одном из вариантов изобретения оптические оси панкратических объективов образуют острый угол, который соответствует углу между направлениями, под которыми наблюдатель видит зеркальный блок разными глазами.

Краткое описание чертежей

Далее, только в качестве примеров, будут описаны предпочтительные варианты изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1(a) иллюстрирует стереоскопическое визуализирующее устройство согласно первому варианту изобретения.

На фиг 1(b) устройство по фиг. 1(a) схематично проиллюстрировано на виде сбоку, с показом соотношения углов в вертикальной плоскости между траекториями света, падающего на зеркальный блок и отраженного от него.

Фиг. 2(а)-2(с) иллюстрируют соответственно в перспективном изображении, на виде сбоку и на виде спереди стереоскопическое визуализирующее устройство согласно второму варианту изобретения.

Фиг. 3 иллюстрирует стереоскопическое визуализирующее устройство согласно третьему варианту изобретения.

Фиг. 4 иллюстрирует стереоскопическое визуализирующее устройство согласно четвертому варианту изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1(a) и 1(b) представлено стереоскопическое визуализирующее устройство, выполненное согласно первому варианту изобретения.

Данное устройство содержит объективный блок 3 с апертурной диафрагмой 5, который формирует первое и второе увеличенные изображения объекта, находящегося в предметной плоскости (object plane, OP).

В этом варианте компонентами объективного блока 3 являются первый и второй объективы 4а, 4b с переменным фокусным расстоянием (панкратические объективы), каждый из которых состоит из объективной линзы 7 и дополнительных линз 9, 11, изменением положений которых относительно линзы 7 регулируется увеличение.

В данном варианте оптические оси панкратических объективов 4а, 4b являются сходящимися, обеспечивая тем самым наличие параллакса между сформированными изображениями объекта.

В одном из вариантов изобретения оптические оси панкратических объективов 4а, 4b образуют острый угол, который соответствует углу между направлениями, под которыми наблюдатель видит зеркальный блок 35 разными глазами (как это более подробно будет описано далее).

Кроме того, визуализирующее устройство содержит первую и вторую видеокамеры 15а, 15b, в каждой из которых имеется приемник 19, принимающий соответственно первое или второе увеличенное изображение объекта, причем данные изображения имеют пространственное и угловое смещение относительно объекта, так что, когда каждый из выходных зрачков спроецирован соответственно в левый или правый глаз наблюдателя (см. далее более подробно), воспринимаемое изображение будет трехмерным.

Визуализирующее устройство содержит также проекторы 20а, 20b, которые проецируют на зеркальный блок 35 сфокусированные световые изображения, полученные из соответствующих увеличенных изображений объекта, принятых первой и второй видеокамерами 15а, 15b.

В данном варианте каждый из проекторов 20а, 20b изображений содержит дисплей 21, предназначенный для отображения, соответственно, первого или второго увеличенного изображения объекта (изображений, воспринятых первой и второй видеокамерами 15а, 15b), и оптическую систему 25, обеспечивающую формирование на зеркальном блоке 35 сфокусированного светового изображения, полученного из увеличенных изображений, отображенных соответствующим дисплеем 21 проекторов 20а, 20b.

Дисплей 21 может представлять собой видеодисплей высокого разрешения или, как вариант, дисплей ультравысокого разрешения.

В этом варианте дисплеи 21 проекторов 20а, 20b изображений расположены соосно и напротив друг друга; однако, в альтернативных вариантах предусмотрена возможность установить их с любым соотношением между углами или с любым пространственным взаимным расположением.

В данном варианте каждая оптическая система 25 содержит по меньшей мере одну линзу 29, обеспечивающую получение сфокусированного изображения, и по меньшей мере одно зеркало 31, направляющее световой пучок от соответствующего дисплея 21 на зеркальный блок 35.

Зеркальный блок 35, который принимает свет от каждого из изображений, отображаемых дисплеями 21 проекторов 20а, 20b, и расположен так, что на нем фокусируются увеличенные изображения объекта, отражает падающий на него свет к окуляру 37.

В этом варианте зеркальный блок 35 содержит только одно вогнутое зеркало, на поверхности которого накладываются одно на другое сфокусированные действительные изображения объекта. Радиус зеркала выбран таким, чтобы выходной зрачок каждой из линз 29 оптических систем 25 соответствующих проекторов 20а, 20b изображений проецировался в глаза наблюдателя у плоскости изображения (viewing plane, VP), как это будет дополнительно описано далее.

В альтернативном варианте зеркальный блок 35 может представлять собой плоское или асферическое зеркало, у поверхности которого установлена сферическая линза.

Визуализирующее устройство снабжено также окуляром 37, переносящим выходные зрачки, соответствующие каждому из изображений, принятых зеркальным блоком 35, к плоскости VP изображения, где наблюдатель, рассматривая эти изображения разными глазами, получает возможность видеть стереоскопическое изображение.

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что детальность наблюдаемого трехмерного изображения гораздо больше ожидаемой детальности, соответствующей простому суммированию первого и второго изображений.

В добавление к этому, изобретение позволяет регистрировать видеосигналы, представляя их затем в виде неподвижного изображения или видеоизображения.

На фиг. 2(а)-2(с) представлено стереоскопическое визуализирующее устройство, выполненное согласно второму варианту изобретения.

В данном случае визуализирующее устройство очень похоже на уже описанное устройство по первому варианту изобретения; поэтому, чтобы избежать дублирования в описании, подробно будут рассмотрены только различия, а подобным деталям будут даны одинаковые обозначения.

Визуализирующее устройство, выполненное по этому варианту, отличается от уже описанного первого варианта тем, что оптические оси дисплеев 21 проекторов 20а, 20b изображений не совпадают, а образуют острый угол, тогда как оптические системы 25 каждого из данных проекторов 20а, 20b состоят из нескольких линз 29а, 29b и нескольких зеркал 31а, 31b, причем одно из зеркал (зеркало 31b) является общим для обеих систем 25.

На фиг. 3 представлено стереоскопическое визуализирующее устройство, выполненное согласно третьему варианту изобретения.

В данном случае визуализирующее устройство очень похоже на уже описанное устройство по первому варианту изобретения, поэтому, чтобы избежать дублирования в описании, подробно будут рассмотрены только различия, а подобным деталям будут даны одинаковые обозначения.

Визуализирующее устройство, выполненное по этому варианту, отличается от уже описанного первого варианта тем, что оптические оси панкратических объективов 4а, 4b ориентированы параллельно, пространственно разнесены, обеспечивая наличие параллакса между сформированными изображениями объекта, и проходят через общую положительную линзу 7.

На фиг. 4 представлено стереоскопическое визуализирующее устройство, выполненное согласно четвертому варианту изобретения.

В данном случае визуализирующее устройство очень похоже на уже описанное устройство по первому варианту изобретения, поэтому, чтобы избежать дублирования в описании, подробно будут рассмотрены только различия, а подобным деталям будут даны одинаковые обозначения.

Визуализирующее устройство, выполненное по этому варианту, отличается от уже описанного первого варианта тем, что дополнительно содержит светоделитель 51, установленный на оптической оси между зеркальным блоком 35 и окуляром 37 и принимающий свет от зеркал 31 оптических систем 25 первого и второго проекторов 20а, 20b, которые расположены ортогонально по отношению к светоделителю. Как показано на чертеже, в данном устройстве, в отличие от уже описанного первого варианта, отсутствует угол β между осями светового пучка, падающего на зеркальный блок 35, и отраженного пучка. В результате, несмотря на пониженную интенсивность света, существенно уменьшается характерное для первого варианта искажение, обусловленное падением пучка на плоскую поверхность под острым углом.

В данном варианте светоделитель 51 пучка выполнен в виде светоделительного кубика, альтернативно, им может быть полупрозрачное зеркало.

Наконец, должно быть понятно, что хотя изобретение было описано на примерах предпочтительных вариантов изобретения, в него могут быть внесены разнообразные изменения, если они не выходят за границы объема изобретения, заданные формулой.

Например, хотя в первом из описанных вариантов изобретения первое и второе видеоизображения, отображенные дисплеями 21 видеопроекторов 20а, 20b, получены из блока панкратических объективов, дисплеи 21 альтернативно могут реагировать на другие видеосигналы, формируемые, например, моделирующими или анимационными системами (в частности системами трехмерного моделирования в составе CAD). Такие видеосигналы должны соответствовать видам, имеющим пространственное и угловое смещение.

Для согласования артефактов, обусловленных оптической схемой, таких как трапецеидальное искажение, возникающее вследствие угловой проекции на плоскую поверхность, в одном из вариантов изобретения для манипулирования изображениями, отображенными дисплеями 21 видеопроекторов 20а, 20b, может быть использован процессорный контур.

Изобретение относится к устройствам для просмотра стереоскопических изображений. Визуализирующее устройство содержит первый и второй видеопроекторы (21) для проецирования соответственно первого и второго видеоизображений объекта, первое зеркало (35), по меньшей мере одно дополнительное зеркало (31, 31а, 31b). Первое и второе изображения отличаются одно от другого, причем одно из них или оба изображения имеют пространственное и угловое смещение относительно объекта для создания параллакса между изображениями. Первое зеркало (35) установлено с возможностью принимать свет от первого и второго видеопроекторов и расположено относительно первого и второго видеопроекторов так, чтобы на нем формировались сфокусированные изображения объекта, а выходные зрачки, соответствующие каждому из сфокусированных изображений, отражались первым зеркалом в плоскость изображения с обеспечением наблюдателю возможности видеть указанные изображения как стереоскопическое изображение. По меньшей мере одно дополнительное зеркало (31, 31а, 31b) расположено относительно видеопроекторов и первого зеркала так, чтобы свет от видеопроекторов отражался на первое зеркало. Между осями светового пучка, падающего на первое зеркало, и светового пучка, отраженного от указанного зеркала, имеется угол (β), так что траектория указанного отраженного пучка не пересекает дополнительное зеркало или дополнительные зеркала. Изобретение обеспечивает повышение разрешения и скорости обновления информации. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Визуализирующее устройство для формирования для наблюдателя стереоскопического изображения, содержащее:

- первый и второй видеопроекторы (21) для проецирования соответственно первого и второго видеоизображений объекта, при этом первое и второе изображения отличаются одно от другого, причем одно из них или оба изображения имеет (имеют) пространственное и угловое смещение относительно объекта для создания параллакса между изображениями,

- первое зеркало (35), которое установлено с возможностью принимать свет от первого и второго видеопроекторов и расположено относительно первого и второго видеопроекторов так, чтобы на нем формировались сфокусированные изображения объекта, а выходные зрачки, соответствующие каждому из сфокусированных изображений, отражались первым зеркалом в плоскость изображения с обеспечением наблюдателю возможности видеть указанные изображения как стереоскопическое изображение, и

- по меньшей мере одно дополнительное зеркало (31, 31а, 31b), расположенное относительно видеопроекторов и первого зеркала так, чтобы свет от видеопроекторов отражался дополнительным зеркалом или дополнительными зеркалами на первое зеркало,

при этом между осями светового пучка, падающего на первое зеркало, и светового пучка, отраженного от указанного зеркала, имеется угол (β), так что траектория указанного отраженного пучка не пересекает дополнительное зеркало или дополнительные зеркала.

2. Устройство по п. 1, в котором видеопроекторы снабжены первым и вторым видеодисплеями, способными при приеме первого и второго видеосигналов отображать соответственно первое или второе видеоизображение, а также первой и второй оптическими системами, способными фокусировать свет, поступающий на первое зеркало от соответствующих изображений, отображаемых первым и вторым дисплеями.

3. Устройство по п. 2, в котором дисплеи расположены напротив друг друга и имеют совпадающие оптические оси.

4. Устройство по п. 2, в котором оптические оси дисплеев образуют острый угол.

5. Устройство по п. 2, которое выполнено с возможностью принимать видеосигналы от систем трехмерного моделирования или анимационных систем.

6. Устройство по п. 2, в котором оптическая система содержит по меньшей мере одну линзу и по меньшей мере одно зеркало, способные направлять световой пучок от дисплея к первому зеркалу.

7. Устройство по п. 1, в котором изображения представляют собой увеличенные изображения объекта.

8. Устройство по п. 1, в котором первое зеркало является вогнутым.

9. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее процессорный контур для манипулирования изображениями, проецируемыми видеопроекторами, с целью удаления или согласования по меньшей мере одного артефакта, обусловленного оптической схемой устройства.

10. Устройство по п. 9, в котором по меньшей мере один артефакт представляет собой трапецеидальное искажение.

11. Стереоскопический микроскоп, снабженный визуализирующим устройством, выполненным согласно любому из пп. 1-10.

12. Стереоскопический микроскоп, содержащий визуализирующее устройство, выполненное согласно любому из пп. 1-10, а также первую и вторую видеокамеры для приема соответственно первого и второго увеличенных изображений объекта.

13. Микроскоп по п. 12, дополнительно содержащий объективный блок, формирующий первое и второе увеличенные изображения объекта, при этом первая и вторая видеокамеры выполнены с возможностью формировать соответственно первое и второе увеличенные изображения объекта из изображения, сформированного объективным блоком.

14. Микроскоп по п. 13, в котором объективный блок содержит первый и второй панкратические объективы, каждый из которых предназначен для формирования увеличенного изображения объекта, при этом первая и вторая видеокамеры выполнены с возможностью формировать соответственно первое и второе увеличенные изображения объекта из изображения, сформированного панкратическими объективами.

15. Микроскоп по п. 14, в котором оптические оси панкратических объективов образуют острый угол, который соответствует углу между направлениями, под которыми наблюдатель видит первое зеркало.