RU2143718C1 - Способ и устройство отображения пространственных объектов - Google Patents
Способ и устройство отображения пространственных объектов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2143718C1 RU2143718C1 RU98109571A RU98109571A RU2143718C1 RU 2143718 C1 RU2143718 C1 RU 2143718C1 RU 98109571 A RU98109571 A RU 98109571A RU 98109571 A RU98109571 A RU 98109571A RU 2143718 C1 RU2143718 C1 RU 2143718C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- spherical
- eye
- center
- objects
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к средствам отображения информации, а именно к персональным дисплеям нашлемного типа. Технический результат заключается в обеспечении естественного восприятия пространства объектов при больших полях наблюдения и на малых расстояниях до объектов. Технический результат достигается за счет того, что точечные элементы объектов располагают на сферической поверхности между фокальной поверхностью сферического вогнутого зеркала и отражающей поверхностью этого зеркала, а центр сферической поверхности совмещают с центром зеркала и центром вращения глаза, а также за счет того, что устройство содержит последовательно соединенные видеоконтроллер, волоконно-оптический источник светоизлучения, оптический элемент поляризации света, фокусирующую линзу и сканеры - вертикальный и горизонтальный. Сканеры связаны между собой через полупрозрачное плоское и вогнутое сферическое зеркала для получения растровой развертки световых пучков по сферической поверхности, а выход горизонтального сканера связан с глазом через полупрозрачное сферическое зеркало и плоское поляризационное зеркало. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Способ и устройство относятся к средствам отображения информации, к оптоэлектронным системам с мнимыми изображениями пространственных объектов, а именно к персональным дисплеям нашлемного типа, подключаемым к электронно-вычислительной машине (ЭВМ).
Известен способ [1, стр. 329-333] построения мнимых изображений пространственных объектов путем увеличения плоских изображений объектов, синтезированных из точечных элементов (чаще всего, на экране миниатюрной электронно-лучевой трубки или на матрице жидкокристаллического микродисплея), и переноса этих изображений на "бесконечность" или на расстояние наилучшего зрения с помощью положительной линзы (лупы), вогнутого зеркала или окуляра [2, 3, 4] , именуемых в дальнейшем "линзой". Способ заключается в том, что точечные элементы изображений объектов помещают на плоскую поверхность, перпендикулярную оптической оси линзы, в переднюю фокальную плоскость линзы или в непосредственной близости от нее. Координаты точечных элементов изображения устанавливают равными произведению заднего фокусного расстояния линзы на тангенсы угловых координат сопряженных точечных элементов в пространстве объектов. Зрительную ось глаза совмещают с оптической осью линзы. Входной зрачок глаза располагают в задней фокальной плоскости линзы, причем центр зрачка совмещают с задним фокусом линзы. Расстояние плоскости изображений от передней фокальной плоскости линзы устанавливают равным d для зрительного восприятия пространственных объектов на виртуальном плоском экране, удаленном от глаза на расстояние ff'/d, где f и f' - соответственно переднее и заднее фокусное расстояние линзы.
Недостатком такого способа является искажение естественного зрительного восприятия трехмерного пространства объектов при больших полях зрения и на малых расстояниях до объектов. Нарушение зрительного восприятия обусловлено неверной предпосылкой того, что глаз подобен фотоаппарату, а также тем, что движениям глаза не придается существенного значения.
Известно [1, стр. 676], что максимальное разрешение глаза соответствует центральной ямке желтого пятна ретины, через которую проходит зрительная ось. Поле зрения (фовеальное, или рабочее) этих участков ретины мало (6-8o для желтого пятна, 1-1,5o для центральной ямки). Поэтому "обрабатывается" симультанно, подобно фотоаппарату, "плоское" изображение малых угловых размеров. Восприятие пространства при больших полях наблюдения происходит параллельно-последовательным образом. При этом фовеальное поле зрения малых размеров скачкообразно перемещается путем вращательного движения глаза и фиксируется при новом положении зрительной оси, которое, естественно, не совпадает с оптической осью линзы. Зрачок не совпадает с задней фокальной плоскостью линзы, а глаз аккомодирует на большее расстояние, чем в исходном положении. В состоянии фиксации взгляда ретинальные изображения "регистрируются" не на плоскости, а в криволинейном пространстве. Показано, что изображения преобразуются в строгом соответствии с движениями глаз и головы и приходят на специальный уровень зрительной системы, который называют "константным зрительным экраном" [5]. "Экран" является трехмерным даже при монокулярном зрении, т.е. учитывает такое "движение" глаза, как аккомодация. Состояние элементов "экрана" не зависит от движения глаз. Поскольку наблюдается инвариантность вращению глаза, кратковременная память "экрана", очевидно, фиксирует пространство изображений в сферической системе координат - углы поворота глаза и полярный радиус-аккомодация, т.е. обратное расстояние, измеренное в диоптриях.
Применение рассматриваемого способа нарушает естественное зрительное восприятие трехмерного пространства, независимо от принципа построения, или синтеза исходных плоских изображений. Изображения, построенные в рамках линейной перспективы, чрезмерно увеличивают объекты ближнего плана и уменьшают объекты дальнего плана [6, стр. 220]. Линейная перспектива исключает возникновение перцептивного механизма константности величины и связанного с ним эффекта "обратной" перспективы. Изображения, построенные в рамках нелинейной перспективы по Б.В.Раушенбаху [6, стр. 247-284], страдают нарушением интерпозиции объектов, неизотропностью проективного преобразования, неоднозначностью его выбора и ограниченностью применения [7, стр. 6-7].
Известны также способы и устройства отображения пространственных объектов на сферические экраны, которые обеспечивают более естественное зрительное восприятие. Например, купольные сооружения кинотеатров системы ОМНИМАКС-65 с диаметром сферы 27 м или современные авиационные тренажеры с куполами от 8 до 24 футов в диаметре. Однако такие способы и устройства, создающие действительные изображения на реальных сферических экранах, относятся к классу дисплеев коллективного пользования и не подпадают в рассмотрение, поскольку предлагаемые способ и устройство относятся к классу персональных дисплеев с мнимыми изображениями.
Заявляемый способ отображения пространственных объектов устраняет искажения при больших полях наблюдения и на малых расстояниях до объектов, полностью соответствует физиологии и психологии зрительного восприятия.
Способ отображения пространственных объектов с использованием переноса точечных элементов изображений объектов сферическим вогнутым зеркалом на ретину глаза состоит в том, что точечные элементы изображений объектов с угловыми координатами, равными угловым координатам точечных элементов пространственных объектов, располагают на сферической поверхности между фокальный поверхностью радиуса f зеркала и отражающей поверхностью радиуса 2f зеркала. Центр сферической поверхности совмещают с центром зеркала и центром вращения глаза или точкой на отрезке зрительной оси между входным зрачком и центром вращения глаза. Для зрительного восприятия точечных элементов пространственных объектов на виртуальном сферическом экране радиуса f+f2/d радиус сферической поверхности устанавливают равным f+d, где d - расстояние от точечных элементов изображений объектов до фокальной поверхности.
Новыми признаками способа являются: размещение точечных элементов изображений объектов с угловыми координатами, равными угловым координатам точечных элементов пространственных объектов, на сферической поверхности между фокальной поверхностью сферического вогнутого зеркала и отражающей поверхностью зеркала; совмещение центра сферической поверхности с центром зеркала и центром вращения глаза или с точкой на отрезке зрительной оси между входным зрачком и центром вращения глаза; установка радиуса сферической поверхности в соответствии с требуемым удалением виртуального сферического экрана.
Схематическое представление способа отображения пространственных объектов показано на фиг. 1.
Предлагаемый способ, в соответствии с фиг. 1, состоит в том, что точечные элементы (A, B, C) изображений объектов с угловыми координатами, равными угловым координатам (θA(φA), θB= 0(φB), θC(φC)) точечных элементов (A'', B'', C'') пространственных объектов, располагают на сферической поверхности 1 между фокальной поверхностью 2 радиуса f зеркала 3 и отражающей поверхностью 4 радиуса 2f зеркала 3. Центр сферической поверхности 1 совмещают с центром зеркала 3 и центром вращения 5 глаза 6 (начало прямоугольной системы координат XYZ) или точкой на отрезке зрительной оси глаза 6 между входным зрачком 7 и центром вращения 5 глаза 6. Радиус сферической поверхности 1 устанавливают равным f+d для зрительного восприятия точечных элементов (A'',B'',C'') пространственных объектов на виртуальном сферическом экране 8 радиуса f+f2/d (A''', B''', C'''). (Угловые координаты θ,φ задают в сферической системе координат, связанной с прямоугольной - XYZ).
Рассмотрим на фиг. 1 процесс переноса зеркалом 3 точки B вдоль зрительной оси на ретину глаза 6 в точку B'. Элемент изображения, расположенный в точке B, излучает пучок света. Отразившись от поверхности 4 зеркала 3 и уменьшив свою расходимость, световой пучок через оптическую систему глаза 6 (роговицу, водянистую влагу, входной зрачок 7, хрусталик и стекловидное тело) фокусируется на центральной ямке желтого пятна ретины в точке B'. Главный луч пучка света из точки B падает на отражающую поверхность 4 зеркала 3 с нулевым углом падения, а через входной зрачок 7 глаза 6 проходит световой пучок малой апертуры (2-3 мм). Поэтому элемент изображения В отображается в B' с малыми оптическими аберрациями. Астигматизм теоретически отсутствует, сферическая аберрация и кома минимальны. Расстояние, на которое при этом аккомодирут глаз 6, можно определить из известной формулы для сферического зеркала [1, стр. 284]:
1/BS - 1/SB''' = 1/f,
где S - вершина зеркала 3, f - фокусное расстояние. Заметим, что BS=f-d, a SB'''= OB'''-2f, где d - расстояние от точки B до фокальной поверхности 2 зеркала 3, OB''' - радиус виртуального сферического экрана 8. Из формулы зеркала следует, что
OB'''=f+f2/d.
1/BS - 1/SB''' = 1/f,
где S - вершина зеркала 3, f - фокусное расстояние. Заметим, что BS=f-d, a SB'''= OB'''-2f, где d - расстояние от точки B до фокальной поверхности 2 зеркала 3, OB''' - радиус виртуального сферического экрана 8. Из формулы зеркала следует, что
OB'''=f+f2/d.
Если расстояние до виртуального экрана 8 рассчитывать в диоптриях от фокальной поверхности 2, то
d=f2A/1000,
где f - фокусное расстояние в мм, A - аккомодация в дптр. При f=20 мм и объеме аккомодации A=4 дптр (от расстояния наилучшего зрения 250 мм до ∞ ) 0≤d≥1,6 мм с линейным приращением 0,4 мм на каждую диоптрию аккомодации.
d=f2A/1000,
где f - фокусное расстояние в мм, A - аккомодация в дптр. При f=20 мм и объеме аккомодации A=4 дптр (от расстояния наилучшего зрения 250 мм до ∞ ) 0≤d≥1,6 мм с линейным приращением 0,4 мм на каждую диоптрию аккомодации.
Точечные элементы A и C изображений объектов расположены на сферической поверхности 1 с угловыми координатами θA(φA) и θC(φC) точечных элементов A'' и C'' пространственных объектов, находящихся вне рабочего поля зрения глаза 6. Точки A и C отстоят от фокальной поверхности 2 на таком же расстоянии d, что и точка B. Зеркало 3 перенесет точки A и C, с одной стороны, на виртуальный экран 8 в точки A''' и C''', а с другой стороны - в точки A' и C' на периферийную часть ретины глаза 6, отличающуюся пониженным разрешением. Поскольку через входной зрачок 7 глаза 6 проходит, в основном, периферийная часть отраженных световых пучков, излучаемых точечными элементами A и C, возрастают аберрационные искажения точечных элементов A' и C'. Таким образом, разрешение элементов "бокового" изображения оказывается в известной степени согласованным с разрешением периферийной части ретины, которое падает с приращением примерно 5 угловых минут на каждые 10 отклонения от центральной ямки желтого пятна ретины [7, стр. 12].
В предлагаемом способе процесс отображения происходит в системе концентрических сфер - сферическая поверхность 1, фокальная поверхность 2, зеркало 3, виртуальный экран 8. Система обладает центральной симметрией в отличие от осевой симметрии прототипа с оптической линзой. Центром симметрии является центр вращения 5 глаза 6. Поэтому при любом вращении глаза 6 и последующей фиксации зрительной оси в положении, отличном от исходного, процесс отображения точечных элементов изображений объектов, расположенных на сферической поверхности 1, не будет отличаться от рассмотренного выше. Например, зрительная ось приобрела угловые координаты θA,(φA). В этом случае точка A отобразится на центральной ямке желтого пятна ретины в точку A' с максимальным разрешением, а точки B и C попадут на периферию ретины в точки B' и C' с меньшим разрешением.
При реализации способа центр сферической поверхности 1, совмещенный с центром зеркала 3, можно также совмещать с точкой на отрезке зрительной оси глаза 6 между входным зрачком 7 и центром вращения 5 глаза 6. При этом возрастают аберрации и уменьшается допустимый угол поворота глаза 6, но также уменьшается и необходимая апертура световых пучков. В предельном случае, когда апертура световых пучков равна диаметру входного зрачка 7 глаза 6 (2-3 мм), а центр симметрии системы вынесен в центр входного зрачка 7 глаза 6, глаз обрекается на неподвижность, что приводит к быстрой утомляемости и поэтому не оправдано с физиологической точки зрения.
Отображение пространства объектов на сферические поверхности, или сферическая перспектива [7] устраняет искажения естественного восприятия трехмерного пространства объектов при больших полях зрения и на малых расстояниях до объектов, обеспечивает перцептивный механизм константности величины и "обратной" перспективы, чем достигается соответствие физиологии и психологии зрительного восприятия пространства.
Практическая реализация предлагаемого способа связана с построением генераторов сферических изображений. Для этих целей могут быть использованы электронно-лучевые трубки со сферическим экраном, видеопроекторы со сферическим просветным экраном или специально разработанные жидкокристаллические микродисплеи на сферической подложке.
Наиболее близким к предлагаемому устройству отображения пространственных объектов по совокупности существенных признаков и решаемой задаче является виртуальный ретинальный дисплей с волоконно-оптическим источником точечного светоизлучения [9] и миниатюрным оптическим двухосевым сканером [10]. Устройство содержит последовательно соединенные видеоконтроллер, волоконно-оптический источник светоизлучения, фокусирующую линзу, оптический двухосевой сканер и коллимирующую линзу. Волоконно-оптический источник светоизлучения составлен из последовательно расположенных светоизлучателя, оптического согласующего элемента и волоконного световода. Оптический двухосевой сканер составлен из последовательно расположенных горизонтального и вертикального механических зеркальных микросканеров, входы синхронизации которых подключены к видеоконтроллеру. Построение изображений на ретине глаза достигается путем направления в зрачок глаза коллимированного света, модулируемого видеосигналом и отклоняемого растровой разверткой.
Недостатком данного устройства является искажение естественного зрительного восприятия трехмерного пространства объектов при больших полях зрения и на малых расстояниях до объектов по двум причинам. Во-первых, коллимирующая линза переносит на "бесконечность" плоское "воздушное" изображение. Как было рассмотрено выше, такой способ отображения расчитан на неподвижный "глаз-фотоаппарат" и приводит к искажениям зрительного восприятия пространства. Эти искажения усугубляются, во-вторых, тем, что фокусирующая линза и оптический двухосевой сканер формируют действительное изображение не на плоской поверхности, а на поверхности второго порядка. При этом коллимирующая линза создает мнимое изображение на выпуклом виртуальном экране вместо вогнутого сферического, необходимого для естественного зрительного восприятия. Кроме того, использование в двухосевом сканере [10] умножающего зеркала в качестве сканера по второй координате приводит к дисторсии изображения.
Заявляемое устройство отображения пространственных объектов устраняет искажения при больших полях наблюдения и на малых расстояниях до объектов.
Предложенное устройство содержит последовательно соединенные видеоконтроллер, волоконно-оптический источник светоизлучения, фокусирующую линзу, вертикальный и горизонтальный сканеры, входы синхронизации которых подключены к видеоконтроллеру. Волоконно-оптический источник светоизлучения составлен из последовательно расположенных светоизлучателя, оптического согласующего элемента и световода. Видеоконтроллер связан с электронно-вычислительной машиной. Вертикальный сканер связан с горизонтальным сканером через плоское полупрозрачное зеркало и вогнутое сферическое зеркало. Выход горизонтального сканера связан с глазом через последовательно расположенные полупрозрачное сферическое зеркало и плоское поляризационное зеркало, а выход световода волоконно-оптического источника светоизлучения связан с фокусирующей линзой через оптический элемент поляризации света.
Новыми признаками устройства являются: установка между вертикальным и горизонтальным сканерами плоского полупрозрачного и сферического вогнутого зеркал; введение между горизонтальным сканером и глазом последовательно расположенных полупрозрачного сферического зеркала и плоского поляризационного зеркала; установка между световодом волоконно-оптического источника светоизлучения и фокусирующей линзой оптического элемента поляризации света.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение предлагаемого устройства. На фиг. 3 показан в аксонометрии двухосевой сканер сферического изображения. На фиг. 4 представлены альтернативные связи горизонтального сканера с глазом через наклонное полупрозрачное зеркало.
Предлагаемое устройство согласно фиг. 2 содержит последовательно соединенные видеоконтроллер 9, волоконно-оптический источник светоизлучения 10, фокусирующую линзу 11, вертикальный сканер 12, горизонтальный сканер 13, входы синхронизации которых 14 и 15 подключены к видеоконтроллеру 9. Волоконно-оптический источник светоизлучения 10 составлен из последовательно расположенных светоизлучателя 16, оптического согласующего элемента 17 и световода 18. Видеоконтроллер 9 связан с ЭВМ. Вертикальный сканер 12 связан с горизонтальным сканером 13 через плоское полупрозрачное зеркало 19 и вогнутое сферическое зеркало 20. Выход горизонтального сканера 13 связан с глазом 6 через последовательно расположенные полупрозрачное сферическое зеркало 3 и плоское поляризационное зеркало 21, а выход световода 18 волоконно-оптического источника светоизлучения 10 связан с фокусирующей линзой 11 через оптический элемент поляризации света 22.
Предлагаемое устройство на фиг. 2 работает следующим образом. Видеоконтроллер 9 получает от ЭВМ угловые координаты (широту θ, долготу φ и информацию о яркости (I) или цвете (R, G, B) точечных элементов (A, B, C) изображений объектов и, как правило, запоминает эту информацию в видеобуферной памяти для последующего отображения. В течение периода кадровой частоты (50-70 Гц) растровой развертки изображений на сферической поверхности 1 видеоконтроллер 9 вырабатывает управляющий сигнал 14 для отклонения вертикальным сканером 12 пучков света по широте θ, а в течение периода строчной частоты (16-50 кГц) растровой развертки видеоконтроллер 9, во-первых, вырабатывает управляющий сигнал 15 для отклонения горизонтальным сканером 13 пучков света по долготе φ и, во-вторых, управляет модуляцией яркости 1 либо цвета R, G, B светоизлучателя 16 на частоте видеосигнала (10-100 МГц).
Светоизлучатель 16 может быть выполнен с использованием светоизлучающих диодов или лазеров (предпочтительно полупроводниковых диодных). Для цветного светоизлучения используются лазеры или светодиоды, излучающие свет красного R, зеленого G и синего B цвета. С помощью дихроических рефлекторов и линз модулированные видеоконтроллером 9 лучи трех длин волн собираются и фокусируются оптическим согласующим элементом 17 на волоконном световоде 18. В качестве оптического согласующего элемента 17 для светодиодов и лазерных диодов светоизлучателя 16 предпочтительно использовать устройство типа фокон, а в качестве волоконного световода 18 - одномодовый световод с диаметром сердцевины 3-5 мкм. Таким образом, волоконно-оптический источник модулируемого светоизлучения 10 служит для создания и направления на ретину глаза 6 одного точечного элемента (A, B или C) изображения объекта за один такт видеочастоты. Размер элемента изображения, определяемый сердцевиной световода, соизмерим с диаметром колбочки центральной ямки желтого пятна ретины, т.е. соответствует максимальному разрешению глаза 6.
Световой пучок с выхода световода 18 через оптический элемент поляризации 22 и фокусирующую линзу 11 поступает на двухосевой оптический сканер сферического изображения, устройство и работу которого удобно проследить с помощью фиг. 3. Зеркала двух сканеров - вертикального 12 и горизонтального 13 - поворачиваются вокруг двух взаимно перпендикулярных осей вращения O'X' (угол θ и OY (угол φ в системах координат XYZ и X'Y'Z', сдвинутых друг относительно друга на расстояния ΔX = ΔZ ≠ 0 и ΔY = 0. Плоскость полупрозрачного зеркала 19 параллельна осям OY и O'Y' и расположена на равных расстояниях от центров зеркал сканеров 12 и 13, совмещенных с началами систем координат XYZ и X'Y'Z'. Таким образом, зеркало 19 переносит оптически центр зеркала сканера 12 в центр зеркала сканера 13. Центр сферического вогнутого зеркала 20 также совмещен с центром зеркала сканера 13. На фиг. 3 показаны главные лучи пучков света, отражаемых от четырех зеркал. Лучи света от фокусирующей линзы 11, отраженные поворотным зеркалом вертикального сканера 12, образуют вертикальный сектор лучей, который, отразившись от полупрозрачного зеркала 19, поступает на сферическое вогнутое зеркало 20, а отразившись от него и пройдя через полупрозрачное зеркало 19, "собирается" в центре поворотного зеркала сканера 13. Горизонтальный сканер 13 разворачивает вертикальный сектор лучей по горизонтали и образует "воздушное" изображение на сферической поверхности 1. Необходимо заметить, что при этом обеспечивается двойная фокусировка изображений (см. фиг. 2). Во-первых, фокусирующая линза 11 фокусирует пучки света на расстоянии, которое меньше фокусного расстояния вогнутого зеркала 20. Во-вторых, зеркало 20 переносит эти промежуточные изображения (меридианы) на сферическую поверхность 1. Таким образом, плоское полупрозрачное зеркало 19 и сферическое вогнутое зеркало 20, помещенные между вертикальным сканером 12 и горизонтальным сканером 13, обеспечивают построение сферической поверхности 1 путем оптического совмещения взаимно перпендикулярных осей вращения зеркал сканеров 12 и 13 до их пересечения в центре этой поверхности.
Точечные элементы (A, B, C) изображения объектов на сферической поверхности 1 (фиг. 2) рассматриваются глазом 6 через окуляр, составленный из последовательно расположенных сферического полупрозрачного зеркала 3 и плоского поляризационного зеркала 21. Плоскость зеркала 21 перпендикулярна оси OZ, на которой расположены центр сферического полупрозрачного зеркала 3, совмещенный с центром вращения 5 глаза 6, и центр сферической поверхности 1. Зеркало 21 расположено на равном расстоянии от центра поверхности 1 и центра сферического зеркала 3. Поэтому центры поверхности 1 и сферического зеркала 3 оказываются оптически совмещенными, а точечные элементы (A, B, C) изображений объектов оптически "перемещаются" на сферическую поверхность 1' в пространство между фокальной поверхностью зеркала 3 и отражающей поверхностью зеркала 3 в точном соответствии с предложенным выше способом отображения пространственных объектов.
Поляризационное зеркало 21 является также своеобразным вентилем. Расходящиеся пучки света от точечных элементов (A, B, C) изображений объектов, прошедшие через полупрозрачное вогнутое зеркало 3, напрямую не проходят к глазу 6. Только отразившись от зеркала 21 и зеркала 3 и уменьшив при этом свою расходимость, световые пучки проходят через зеркало 21 и фокусируются оптической системой глаза 6 на его ретине (A', B', C'). Рассмотренной особенностью обладают поляризационные зеркала, например, на основе жидких кристаллов холестерического типа [11]. Холестерики работают со светом, поляризованным по кругу. Например, свет с правой круговой поляризацией холестерик отражает практически на 100%, а свет с левой круговой поляризацией - пропускает. Пусть оптический элемент поляризации света 22 обеспечивает правую круговую поляризацию света. Отразившись от четырех зеркальных поверхностей - сканеров 12 и 13, а также зеркал 19 и 20 - свет, не меняя направления правого вращения вектора, проходит через сферическое полупрозрачное зеркало 3 и отражается от поляризационного зеркала 21, также не меняя направления вращения. Однако при отражении от зеркала 3 свет изменит поляризацию на левую круговую и пройдет через холестерик зеркала 21 к глазу 6.
Альтернативные связи горизонтального сканера 13 с глазом 6 показаны на фиг. 4а, б. На фиг. 4а центр сферической поверхности 1 совмещен с центром сферического вогнутого зеркала 3 и оптически совмещается с центром глаза 6 с помощью наклонно расположенного плоского полупрозрачного зеркала 23. Такая схема дает возможность отображать информацию от ЭВМ и одновременно смотреть на окружающий реальный мир. На фиг. 4б центр сферического вогнутого зеркала 3 совмещен с центром вращения глаза 6 и оптически совмещен с помощью наклонно расположенного плоского полупрозрачного зеркала 23 с центром сферической поверхности 1.
Предложенная технология отображения информации обеспечивает совокупность технических требований, недостижимых ранее, а именно:
естественное зрительное восприятие пространственных объектов;
высокое угловое разрешение, соответствующее остроте зрения и ограниченное только дифракцией и сферической аберрацией, а не размерами пиксельных элементов, как например, в большой матрице жидкокристаллического микродисплея;
высокая регулируемая яркость изображений, обеспечивающая работу с сильной фоновой засветкой;
предельно насыщенный цвет, определяемый спектрально чистыми цветами лазерного излучения;
малое потребление энергии, поскольку для восприятия изображений требуется мощность светоизлучения менее 1 микроватта;
малая стоимость, поскольку не требуется развития высоких технологий в области микроэлектроники и оптики.
естественное зрительное восприятие пространственных объектов;
высокое угловое разрешение, соответствующее остроте зрения и ограниченное только дифракцией и сферической аберрацией, а не размерами пиксельных элементов, как например, в большой матрице жидкокристаллического микродисплея;
высокая регулируемая яркость изображений, обеспечивающая работу с сильной фоновой засветкой;
предельно насыщенный цвет, определяемый спектрально чистыми цветами лазерного излучения;
малое потребление энергии, поскольку для восприятия изображений требуется мощность светоизлучения менее 1 микроватта;
малая стоимость, поскольку не требуется развития высоких технологий в области микроэлектроники и оптики.
Литература
1. Г.С.Ландсберг. Оптика. М.: Наука, 1976.
1. Г.С.Ландсберг. Оптика. М.: Наука, 1976.
2. Патент США 5539422, G 09 G 3/02.
3. Патент США 5539578, G 02 B 27/10, G 09 G 5/00.
4. Патент США 5684497, G 02 B 27/10.
5. Г.М.Зенкин, А.П.Петров. О механизмах константности зрительного восприятия пространства // Сенсорные системы, Л.: Наука, 1979, с. 25-39.
6. Б.В.Раушенбах. Пространственные построения в живописи. Очерк основных методов. М.: Наука, 1980.
7. А. М. Ковалев. О центральных проекциях трехмерного пространства // Автометрия. 1996. N 6.
8. С.В.Кравков. Глаз и его работа. М.-Л.: АН СССР, 1950.
9. Патент США 5596339, G 09 G 3/02.
10. Патент США 5557444, G 02 B 26/08.
11. С.А.Пикин, Л.М.Блинов. Жидкие кристаллы. М.: Наука, 1982.
Claims (2)
1. Способ отображения пространственных объектов с использованием переноса точечных элементов изображений объектов сферическим вогнутым зеркалом на ретину глаза, отличающийся тем, что точечные элементы изображений объектов с угловыми координатами, равными угловым координатам точечных элементов пространственных объектов, располагают на сферической поверхности между фокальной поверхностью радиуса f зеркала и отражающей поверхностью радиуса 2f зеркала, при этом центр сферической поверхности совмещают с центром зеркала и центром вращения глаза или точкой на отрезке зрительной оси между входным зрачком и центром вращения глаза, а радиус сферической поверхности устанавливают равным f+d для зрительного восприятия точечных элементов пространственных объектов на виртуальном сферическом экране радиуса f+f2/d, где d - расстояние от точечных элементов изображений объектов до фокальной поверхности.
2. Устройство отображения пространственных объектов, содержащее последовательно соединенные видеоконтроллер, волоконно-оптический источник светоизлучения, фокусирующую линзу, вертикальный и горизонтальный сканеры, входы синхронизации которых подключены к видеоконтроллеру, при этом волоконно-оптический источник светоизлучения составлен из последовательно расположенных светоизлучателя, оптического согласующего элемента и световода, а видеоконтроллер связан с электронно-вычислительной машиной, отличающееся тем, что вертикальный сканер связан с горизонтальным сканером через плоское полупрозрачное зеркало и вогнутое сферическое зеркало, выход горизонтального сканера связан с глазом через последовательно расположенные полупрозрачное сферическое зеркало и плоское поляризационное зеркало, а выход световода волоконно-оптического источника светоизлучения связан с фокусирующей линзой через оптический элемент поляризации света.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98109571A RU2143718C1 (ru) | 1998-05-15 | 1998-05-15 | Способ и устройство отображения пространственных объектов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98109571A RU2143718C1 (ru) | 1998-05-15 | 1998-05-15 | Способ и устройство отображения пространственных объектов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2143718C1 true RU2143718C1 (ru) | 1999-12-27 |
Family
ID=20206236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98109571A RU2143718C1 (ru) | 1998-05-15 | 1998-05-15 | Способ и устройство отображения пространственных объектов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2143718C1 (ru) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2473935C1 (ru) * | 2008-11-28 | 2013-01-27 | Шарп Кабусики Кайся | Оптическая система и дисплей |
| US8493520B2 (en) | 2007-06-01 | 2013-07-23 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical system and display that converts a flat image to a non-flat image |
| RU2548927C1 (ru) * | 2013-12-05 | 2015-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Система астронавигации |
| RU2563333C2 (ru) * | 2013-07-18 | 2015-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Бесплатформенная инерциальная навигационная система |
| CN105589201A (zh) * | 2016-02-02 | 2016-05-18 | 张国斌 | 一种轻小型大视场近眼显示光学系统 |
| CN105652450A (zh) * | 2016-03-31 | 2016-06-08 | 高霞辉 | 图像显示装置及具有该图像显示装置的头戴显示器 |
| US9977246B2 (en) | 2014-03-18 | 2018-05-22 | 3M Innovative Properties Company | Low profile image combiner for near-eye displays |
| RU2713128C1 (ru) * | 2018-10-09 | 2020-02-03 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Способ формирования размеров светового пятна на динамическом объекте и устройство для его осуществления |
| US10955666B2 (en) | 2014-12-31 | 2021-03-23 | 3M Innovative Properties Company | Compact projection systems with a folded optical path |
| US11394943B2 (en) | 2017-05-30 | 2022-07-19 | Sony Corporation | Image processing apparatus and method, file generation apparatus and method, and program |
-
1998
- 1998-05-15 RU RU98109571A patent/RU2143718C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976, с.329-333. * |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8493520B2 (en) | 2007-06-01 | 2013-07-23 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical system and display that converts a flat image to a non-flat image |
| US8780039B2 (en) | 2008-11-28 | 2014-07-15 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical system and display |
| RU2473935C1 (ru) * | 2008-11-28 | 2013-01-27 | Шарп Кабусики Кайся | Оптическая система и дисплей |
| RU2563333C2 (ru) * | 2013-07-18 | 2015-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Бесплатформенная инерциальная навигационная система |
| RU2548927C1 (ru) * | 2013-12-05 | 2015-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Система астронавигации |
| US9977246B2 (en) | 2014-03-18 | 2018-05-22 | 3M Innovative Properties Company | Low profile image combiner for near-eye displays |
| US10345598B2 (en) | 2014-03-18 | 2019-07-09 | 3M Innovative Properties Company | Low profile image combiner for near-eye displays |
| US10955666B2 (en) | 2014-12-31 | 2021-03-23 | 3M Innovative Properties Company | Compact projection systems with a folded optical path |
| US11579452B2 (en) | 2014-12-31 | 2023-02-14 | 3M Innovative Properties Company | Compact polarized illuminators using reflective polarizers |
| CN105589201A (zh) * | 2016-02-02 | 2016-05-18 | 张国斌 | 一种轻小型大视场近眼显示光学系统 |
| CN105652450A (zh) * | 2016-03-31 | 2016-06-08 | 高霞辉 | 图像显示装置及具有该图像显示装置的头戴显示器 |
| US11394943B2 (en) | 2017-05-30 | 2022-07-19 | Sony Corporation | Image processing apparatus and method, file generation apparatus and method, and program |
| RU2713128C1 (ru) * | 2018-10-09 | 2020-02-03 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Способ формирования размеров светового пятна на динамическом объекте и устройство для его осуществления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7170652B2 (ja) | ニアアイビューイング用ウェアラブルディスプレイ | |
| US6940645B2 (en) | Monocentric autostereoscopic optical apparatus with a spherical gradient-index ball lens | |
| US6396461B1 (en) | Personal display with vision tracking | |
| CA2388015C (en) | Personal display with vision tracking | |
| US20180284441A1 (en) | Wide field head mounted display | |
| RU2623708C2 (ru) | Компактный наголовный дисплей с отслеживанием движения глаз | |
| US9077973B2 (en) | Wide field-of-view stereo vision platform with dynamic control of immersive or heads-up display operation | |
| US6529331B2 (en) | Head mounted display with full field of view and high resolution | |
| EP3690517B1 (en) | Image projection device | |
| US20120013988A1 (en) | Head mounted display having a panoramic field of view | |
| US6517206B2 (en) | Display device | |
| WO1996005533A1 (en) | Method and apparatus for direct retinal projection | |
| Rolland et al. | The past, present, and future of head-mounted display designs | |
| JP2001512851A (ja) | プレーナバーチャルイメージを作成・表示する装置および方法 | |
| JPH03256461A (ja) | ヘルメット装着形表示装置 | |
| JP2022536860A (ja) | 拡張ビームによるニアアイビューイング用ウェアラブルディスプレイ | |
| RU2143718C1 (ru) | Способ и устройство отображения пространственных объектов | |
| US20220311992A1 (en) | System and method for displaying an object with depths | |
| US6252565B1 (en) | Elliptical cavity optical retinal display | |
| US20210231963A1 (en) | Device apparatus for projecting a laser beam for generating an image on the retina of an eye | |
| CN216485801U (zh) | 一种光学成像系统、图像显示装置及增强现实显示设备 | |
| RU2201610C2 (ru) | Мультифокальный стереодисплей | |
| JP6832318B2 (ja) | 目用投影システム | |
| US20230194841A1 (en) | Augmented reality display device | |
| Rolland et al. | Display Systems: Head-Mounted |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110516 |