МИКРОПРОЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ СМЕШАННОЙ И ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ПЛОСКИХ ВОЛНОВОДНЫХ ЭКРАНАХ
84
УДК 535.31:681.7; 681.382.473.84
В. А. ГРИММ, М. С. РУДАКОВА, С. А. СМИРНОВ
МИКРОПРОЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ СМЕШАННОЙ И ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ПЛОСКИХ ВОЛНОВОДНЫХ ЭКРАНАХ
Рассматривается архитектура микропроекторной системы с двумерной растровой структурой, реализованной на плоских оптических световодных (волноводных) элементах. Представлены различные варианты реализации такого устройства и приведены расчеты по выбору параметров призменных элементов, составляющих плоский световодный экран: угла наклона и требуемых коэффициентов отражения слоев в зависимости от заданных размеров поля обзора. Ключевые слова: системы индикации, оптический световодный (волноводный) элемент, комбинер, мультипликатор поля зрения, коллиматорный объектив, жидкокристаллический дисплей.
В последнее десятилетие появилось значительное количество публикаций, посвященных микропроекторным системам, реализующим технологии смешанной и дополненной реальности. Подобные устройства могут выполняться либо в виде индикаторов, установленных, к примеру, в кабине летательного аппарата, с увеличенным полем обзора и удаленным расположением относительно глаз наблюдателя, либо в виде моно- или бинокулярных систем, расположенных на расстоянии 15—30 мм от глаза. В качестве генератора изображений, как правило, используются отражательные FLCOS-микродисплеи, снабженные осветительной системой. Изображение с экрана микродисплея вводится с использованием малогабаритного коллиматорного объектива в двумерную растровую систему, создающую необходимое поле обзора и формирующую изображение, в виде растрово-символьной информации, на сетчатке глаза на фоне окружающего пространства. Область использования подобных систем достаточно широка: модульная авионика, индивидуальные системы поля боя, автомобилестроение, телевидение высокого разрешения, мультимедийные системы формирования 3D-изображений и т.п. Основным элементом таких микропроекторных систем является двумерная растровая структура — комбинер, обеспечивающая требуемое мультиплицирование световых пучков, заполняющих выходной зрачок коллиматорного объектива. Принципы построения таких растровых структур на основе плоских световодных (волноводных) элементов могут быть различными [1, 2]: с использованием призматических элементов, имеющих профилированный коэффициент отражения поверхностей; с использованием голографических элементов типа линз и дифракционных решеток на поверхностях световодной пластины для ввода— вывода излучения либо дифракционных оптических элементов для тех же целей.
Задача создания подобного рода систем и, в первую очередь, их оптического расчета на сегодняшний день не является типовой задачей теории оптического изображения и не решена с позиции обеспечения „сквозного“ расчета от плоскости предметов (с учетом характера ос-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Микропроекторные системы смешанной и дополненной реальности
85
вещающего поля) до плоскости изображения (сетчатка глаза). Отсутствуют расчетные модели и алгоритмы, а существующие специализированные программные продукты (ZEMAX, TracePro, MOPS) не предназначены для расчета с большими массивами лучей и поверхностей. Не выработаны надежные критериальные оценки качества формируемого изображения и не определена их связь с конструктивными характеристиками оптических элементов, что не позволяет ставить и решать оптимизационную задачу теории оптического расчета подобных элементов и систем.
Актуальность настоящей статьи связана с решением указанных проблем и созданием цветных систем индикации приборной информации, для которых существуют несколько основных вариантов построения плоских волноводных экранов. В данной статье рассматривается комбинированный метод построения плоского экрана на основе геометрических методов транспортировки плоскополяризованного излучения через селективно-отражающие/пропускающие слои (склеенные поверхности).
Плоский волноводный экран данного типа можно отнести к разряду двумерных растровых оптических систем, которые реализованы на однотипных призменных элементах. На рис. 1 показана принципиальная схема транспортировки излучения от микродисплея 1 через объектив 2, оптическую систему, состоящую из призм и представляющую собой плоский волноводный экран 3—8, до плоскости наблюдения 9. Как видно из рисунка, основными элементами сложной структуры экрана являются два скрещенных призменных блока: блок 3, 4, 5, именуемый мультипликатором горизонтального поля (МГП), и блок 6, 7, 8 — мультипликатор вертикального поля (МВП). Количество элементов (призм) в мультипликаторах полей может быть различным. Излучение в мультипликаторы вводится через входные прямоугольные призмы 3, 6 с углом β в основании.
1 2y
4 3
5
6
xz
9 7y
xz 8
Рис. 1
Здесь, как и относительно любой сложной составной призменной системы, можно говорить о необходимости соблюдения постоянства числа отражений от поверхностей каждого из двух ортогональных призменных блоков для заданного поля зрения. Несоблюдение данного принципа для лучей из заданного поля зрения приводит к появлению паразитных изображений и бликов и, как следствие, к снижению контраста в изображении информационной панели.
Если сохраняется четное число отражений от поверхностей в обоих блоках, то наблюдатель будет видеть прямое изображение. В этом случае перемещение точки на экране микродисплея по направлению будет всегда совпадать с видимым направлением перемещения
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
86 В. А. Гримм, М. С. Рудакова, С. А. Смирнов
объекта. При нечетном числе отражений от поверхностей в одном из блоков будет получаться зеркальное изображение. „Нечетность“ первого блока приводит к зеркальности изображения на экране дисплея относительно горизонтали, а „нечетность“ второго — к зеркальности относительно вертикали. В данном случае согласованное движение точки по экрану дисплея с направлением движения объекта будет нарушено. Для наблюдателя изображение точки будет перемещаться в направлении, противоположном движению объекта. При нечетном числе отражений от поверхностей обоих блоков (суммарно — четное число) получается перевернутое изображение. Этот недостаток легко устраняется поворотом микродисплея вокруг оптической оси на 180° (без учета работы объектива).
Для анализа мультипликатора можно использовать приближения в рамках лучевой геометрической оптики. Решение вопроса о том, каким образом обеспечить постоянную четность (или нечетность) числа отражений для всей совокупности рассматриваемых лучей, достигается выбором особенных селективно-отражающих/пропускающих покрытий входных граней призм, в дальнейшем именуемых ТР-слоями. На рис. 2, а—в соответственно представлены возможные варианты реализации мультипликатора в зависимости от выбора угла наклона α ТР-слоя (или угла β в основании входной прямоугольной призмы):
вариант 1 — наклон ТР-слоя под углом α=β>30°; вариант 2 — наклон ТР-слоя под углом α=β30° можно составить следующее равенство:
180 – 3α – ω – (α + ω) = 90 – (180 – 3α + ω).
Отсюда находим, что
α
=
β
=
38,
57
−
1 7
ω
.
Мультипликаторы могут быть выполнены из различных оптических материалов, но
наиболее приемлемыми являются стекла марок K8, N-BK7, ТК21, полистирол, так как они
обладают малыми потерями на исследуемых длинах волн. Рассмотрим случай, когда мате-
риалом мультипликатора является стекло ТК21 с показателем преломления n=1,65306. В дан-
ном случае максимальный полевой угол в мультипликаторе ω =9° (в воздухе ω = ±15°). Тогда
для варианта 1 α = β = 37,3°, а переходные области составят 12,8°.
Для варианта 2 при наклоне ТР-слоя под углом α=β arcsin(1/n),
находим:
α
>
18,
61 +
1 2
ω
.
Для стекла ТК21 угол α должен превышать 23,11°. Принимая α=β =23,2°, находим, что
размеры переходных зон составляют 28,4 и 11,4°.
Для варианта 3, при наклоне в основании прямоугольной призмы под углом β=30°, на-
блюдаем большие области переходных зон: 60– ω – ω =60–2 ω и 90–(60+ ω )=30+ ω , что при
ω =9° дает 42 и 39° соответственно. Чем больше размер области перехода от пропускания из-
лучения к частичному отражению, тем проще достигнуть требуемого коэффициента отраже-
ния/пропускания ТР-слоя. С этой точки зрения, решение, реализуемое при нечетном числе
отражений (вариант 3), выгодно отличается от вариантов 1 и 2.
Оптимальные значения углов наклона ТР-слоя при использовании некоторых оптиче-
ских материалов приведены в таблице.
Материал
К8, N-BK7 (n=1,51452) Полистирол (n=1,585376) ТК21 (n=1,65306)
α, …°
Вариант 1
Вариант 2
37,2 25,8 37,3 24,5 37,3 23,3
Таким образом, в настоящей статье представлен возможный вариант реализации двумерной растровой системы, используемой для отображения информации в микропроекторных системах смешанной и дополненной реальности. Разработанная расчетная модель позволила определить основные параметры призменных элементов, а именно углы наклона ТР-слоев и входной прямоугольной призмы, а также требуемые коэффициенты отражения слоев в зависимости от заданных размеров поля обзора ω. Как уже было замечено, возможная область применения такого устройства простирается в очень широких пределах, его разработка и дальнейшая реализация позволит существенно облегчить и повысить качество жизни.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Пространственно-временной бинарный фильтр
89
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Багдасаров А. А., Анитропов Р. В., Багдасарова О. В., Лившиц И. Л. Индикаторные системы отображения вторичной информации комплексов авионики и авиабазирования // Изв. вузов. Авиационная техника. 2011. № 2. С. 48—53.
2. Pat. 8.004.765 B2 US. Light Guide Optical Device / Y. Amitai. 2011. Aug.
Вячеслав Антонович Гримм Мария Сергеевна Рудакова Сергей Александрович Смирнов
Сведения об авторах — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; ст. науч. сотрудник; E-mail: mopsat@mail.ru — магистр; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: rudakovams@bk.ru — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: sma46@mail.ru
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
УДК 535.31:681.7; 681.382.473.84
В. А. ГРИММ, М. С. РУДАКОВА, С. А. СМИРНОВ
МИКРОПРОЕКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ СМЕШАННОЙ И ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ НА ПЛОСКИХ ВОЛНОВОДНЫХ ЭКРАНАХ
Рассматривается архитектура микропроекторной системы с двумерной растровой структурой, реализованной на плоских оптических световодных (волноводных) элементах. Представлены различные варианты реализации такого устройства и приведены расчеты по выбору параметров призменных элементов, составляющих плоский световодный экран: угла наклона и требуемых коэффициентов отражения слоев в зависимости от заданных размеров поля обзора. Ключевые слова: системы индикации, оптический световодный (волноводный) элемент, комбинер, мультипликатор поля зрения, коллиматорный объектив, жидкокристаллический дисплей.
В последнее десятилетие появилось значительное количество публикаций, посвященных микропроекторным системам, реализующим технологии смешанной и дополненной реальности. Подобные устройства могут выполняться либо в виде индикаторов, установленных, к примеру, в кабине летательного аппарата, с увеличенным полем обзора и удаленным расположением относительно глаз наблюдателя, либо в виде моно- или бинокулярных систем, расположенных на расстоянии 15—30 мм от глаза. В качестве генератора изображений, как правило, используются отражательные FLCOS-микродисплеи, снабженные осветительной системой. Изображение с экрана микродисплея вводится с использованием малогабаритного коллиматорного объектива в двумерную растровую систему, создающую необходимое поле обзора и формирующую изображение, в виде растрово-символьной информации, на сетчатке глаза на фоне окружающего пространства. Область использования подобных систем достаточно широка: модульная авионика, индивидуальные системы поля боя, автомобилестроение, телевидение высокого разрешения, мультимедийные системы формирования 3D-изображений и т.п. Основным элементом таких микропроекторных систем является двумерная растровая структура — комбинер, обеспечивающая требуемое мультиплицирование световых пучков, заполняющих выходной зрачок коллиматорного объектива. Принципы построения таких растровых структур на основе плоских световодных (волноводных) элементов могут быть различными [1, 2]: с использованием призматических элементов, имеющих профилированный коэффициент отражения поверхностей; с использованием голографических элементов типа линз и дифракционных решеток на поверхностях световодной пластины для ввода— вывода излучения либо дифракционных оптических элементов для тех же целей.
Задача создания подобного рода систем и, в первую очередь, их оптического расчета на сегодняшний день не является типовой задачей теории оптического изображения и не решена с позиции обеспечения „сквозного“ расчета от плоскости предметов (с учетом характера ос-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Микропроекторные системы смешанной и дополненной реальности
85
вещающего поля) до плоскости изображения (сетчатка глаза). Отсутствуют расчетные модели и алгоритмы, а существующие специализированные программные продукты (ZEMAX, TracePro, MOPS) не предназначены для расчета с большими массивами лучей и поверхностей. Не выработаны надежные критериальные оценки качества формируемого изображения и не определена их связь с конструктивными характеристиками оптических элементов, что не позволяет ставить и решать оптимизационную задачу теории оптического расчета подобных элементов и систем.
Актуальность настоящей статьи связана с решением указанных проблем и созданием цветных систем индикации приборной информации, для которых существуют несколько основных вариантов построения плоских волноводных экранов. В данной статье рассматривается комбинированный метод построения плоского экрана на основе геометрических методов транспортировки плоскополяризованного излучения через селективно-отражающие/пропускающие слои (склеенные поверхности).
Плоский волноводный экран данного типа можно отнести к разряду двумерных растровых оптических систем, которые реализованы на однотипных призменных элементах. На рис. 1 показана принципиальная схема транспортировки излучения от микродисплея 1 через объектив 2, оптическую систему, состоящую из призм и представляющую собой плоский волноводный экран 3—8, до плоскости наблюдения 9. Как видно из рисунка, основными элементами сложной структуры экрана являются два скрещенных призменных блока: блок 3, 4, 5, именуемый мультипликатором горизонтального поля (МГП), и блок 6, 7, 8 — мультипликатор вертикального поля (МВП). Количество элементов (призм) в мультипликаторах полей может быть различным. Излучение в мультипликаторы вводится через входные прямоугольные призмы 3, 6 с углом β в основании.
1 2y
4 3
5
6
xz
9 7y
xz 8
Рис. 1
Здесь, как и относительно любой сложной составной призменной системы, можно говорить о необходимости соблюдения постоянства числа отражений от поверхностей каждого из двух ортогональных призменных блоков для заданного поля зрения. Несоблюдение данного принципа для лучей из заданного поля зрения приводит к появлению паразитных изображений и бликов и, как следствие, к снижению контраста в изображении информационной панели.
Если сохраняется четное число отражений от поверхностей в обоих блоках, то наблюдатель будет видеть прямое изображение. В этом случае перемещение точки на экране микродисплея по направлению будет всегда совпадать с видимым направлением перемещения
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
86 В. А. Гримм, М. С. Рудакова, С. А. Смирнов
объекта. При нечетном числе отражений от поверхностей в одном из блоков будет получаться зеркальное изображение. „Нечетность“ первого блока приводит к зеркальности изображения на экране дисплея относительно горизонтали, а „нечетность“ второго — к зеркальности относительно вертикали. В данном случае согласованное движение точки по экрану дисплея с направлением движения объекта будет нарушено. Для наблюдателя изображение точки будет перемещаться в направлении, противоположном движению объекта. При нечетном числе отражений от поверхностей обоих блоков (суммарно — четное число) получается перевернутое изображение. Этот недостаток легко устраняется поворотом микродисплея вокруг оптической оси на 180° (без учета работы объектива).
Для анализа мультипликатора можно использовать приближения в рамках лучевой геометрической оптики. Решение вопроса о том, каким образом обеспечить постоянную четность (или нечетность) числа отражений для всей совокупности рассматриваемых лучей, достигается выбором особенных селективно-отражающих/пропускающих покрытий входных граней призм, в дальнейшем именуемых ТР-слоями. На рис. 2, а—в соответственно представлены возможные варианты реализации мультипликатора в зависимости от выбора угла наклона α ТР-слоя (или угла β в основании входной прямоугольной призмы):
вариант 1 — наклон ТР-слоя под углом α=β>30°; вариант 2 — наклон ТР-слоя под углом α=β30° можно составить следующее равенство:
180 – 3α – ω – (α + ω) = 90 – (180 – 3α + ω).
Отсюда находим, что
α
=
β
=
38,
57
−
1 7
ω
.
Мультипликаторы могут быть выполнены из различных оптических материалов, но
наиболее приемлемыми являются стекла марок K8, N-BK7, ТК21, полистирол, так как они
обладают малыми потерями на исследуемых длинах волн. Рассмотрим случай, когда мате-
риалом мультипликатора является стекло ТК21 с показателем преломления n=1,65306. В дан-
ном случае максимальный полевой угол в мультипликаторе ω =9° (в воздухе ω = ±15°). Тогда
для варианта 1 α = β = 37,3°, а переходные области составят 12,8°.
Для варианта 2 при наклоне ТР-слоя под углом α=β arcsin(1/n),
находим:
α
>
18,
61 +
1 2
ω
.
Для стекла ТК21 угол α должен превышать 23,11°. Принимая α=β =23,2°, находим, что
размеры переходных зон составляют 28,4 и 11,4°.
Для варианта 3, при наклоне в основании прямоугольной призмы под углом β=30°, на-
блюдаем большие области переходных зон: 60– ω – ω =60–2 ω и 90–(60+ ω )=30+ ω , что при
ω =9° дает 42 и 39° соответственно. Чем больше размер области перехода от пропускания из-
лучения к частичному отражению, тем проще достигнуть требуемого коэффициента отраже-
ния/пропускания ТР-слоя. С этой точки зрения, решение, реализуемое при нечетном числе
отражений (вариант 3), выгодно отличается от вариантов 1 и 2.
Оптимальные значения углов наклона ТР-слоя при использовании некоторых оптиче-
ских материалов приведены в таблице.
Материал
К8, N-BK7 (n=1,51452) Полистирол (n=1,585376) ТК21 (n=1,65306)
α, …°
Вариант 1
Вариант 2
37,2 25,8 37,3 24,5 37,3 23,3
Таким образом, в настоящей статье представлен возможный вариант реализации двумерной растровой системы, используемой для отображения информации в микропроекторных системах смешанной и дополненной реальности. Разработанная расчетная модель позволила определить основные параметры призменных элементов, а именно углы наклона ТР-слоев и входной прямоугольной призмы, а также требуемые коэффициенты отражения слоев в зависимости от заданных размеров поля обзора ω. Как уже было замечено, возможная область применения такого устройства простирается в очень широких пределах, его разработка и дальнейшая реализация позволит существенно облегчить и повысить качество жизни.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Пространственно-временной бинарный фильтр
89
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Багдасаров А. А., Анитропов Р. В., Багдасарова О. В., Лившиц И. Л. Индикаторные системы отображения вторичной информации комплексов авионики и авиабазирования // Изв. вузов. Авиационная техника. 2011. № 2. С. 48—53.
2. Pat. 8.004.765 B2 US. Light Guide Optical Device / Y. Amitai. 2011. Aug.
Вячеслав Антонович Гримм Мария Сергеевна Рудакова Сергей Александрович Смирнов
Сведения об авторах — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; ст. науч. сотрудник; E-mail: mopsat@mail.ru — магистр; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: rudakovams@bk.ru — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: sma46@mail.ru
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9