CC BY
42
Сведения об авторе
Марк Валерьевич Окулов
— аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: mvokulov@gmail.com
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию
26.04.13 г.
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 (волновод-ных) 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 БЬСОБ-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 ЗБ-изображе-ний 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-
вещающего поля) до плоскости изображения (сетчатка глаза). Отсутствуют расчетные модели и алгоритмы, а существующие специализированные программные продукты (ZEMAX, Trace-Pro, 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, б с углом Р в основании.
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
Рис. 1
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 а ТР-слоя (или угла в в основании входной прямоугольной призмы): вариант 1 — наклон ТР-слоя под углом а=в>30°; вариант 2 — наклон ТР-слоя под углом а=в<30°;
вариант 3 — наклон в основании прямоугольной призмы под углом Р=30°.
i 1
180-4а " 0 180-3 а Л/ N 2а N N а
р
а N
N
т
i н ; i i i i \
N 2а а N а 0 /\ а
3а N
в)
Рис. 2
Величина угла падения луча на грани определяет, будет ли излучение пропущено или отражено ТР-слоем. Если угол падения превышает заданное значение, то луч проходит через ТР-слой без частичного отражения. На рис. 3, а—в показан принципиальный ход кривой, ха-
растеризующей отражательную способность слоя, с учетом максимального полевого угла ю в мультипликаторе. Для варианта 1 (см. рис. 3, а) углы падения должны лежать в пределах 180 - 3а ± ш, для варианта 2 (см. рис. 3, б) — в пределах 3а ± ш . В случае варианта 3 (см. рис. 3, в) пропускание обеспечивается в окрестности углов ± ш . С точки зрения реализации зависимости коэффициента пропускания слоя р от угла падения вариант 3 можно отнести к тривиальному решению. Для вариантов 1 и 2 ход кривой, характеризующей отражательную способность оптических материалов на границе двух сред, противоречит обычному представлению.
а) р
' I
1,0
а+ш 180-3 а-ш 180-3а+ш 9о ~а
►
90 а,
-ш 0
90 а,
+ш 60-ш 60+ш
--рабочая область графика,
--переходная область
Рис. 3
Для обеспечения равномерной освещенности плоскости наблюдения необходимо соблюсти условие равномерного деления светового потока ТР-слоями. При общем количестве ТР-слоев N мультипликатора коэффициент отражения рг-го слоя в области углов падения а ± ш для вариантов 1 и 2 и при углах падения 60 ± ш для варианта 3 будет определяться по следующей формуле:
Р/ =Р0-1-, / = 1,2,..., N,
г (N - / +1)
где р0 — отражательная способность мультипликатора; для МГП р0 = 1,0, для МВП Р0=0,2...0,4.
Р
0
о
-
Оптимальный угол наклона ТР-слоя (а) и входной прямоугольной призмы (Р) определяются из условия равенства переходных зон. Для варианта 1 при наклоне ТР-слоя под углом а=Р>30° можно составить следующее равенство:
180 - 3а - ш - (а + ш) = 90 - (180 - 3а + ш).
Отсюда находим, что
а = в = 38,57-1 ш .
7
Мультипликаторы могут быть выполнены из различных оптических материалов, но наиболее приемлемыми являются стекла марок К8, К-БК7, ТК21, полистирол, так как они обладают малыми потерями на исследуемых длинах волн. Рассмотрим случай, когда материалом мультипликатора является стекло ТК21 с показателем преломления п=1,65306. В данном случае максимальный полевой угол в мультипликаторею =9° (в воздухе ю = ±15°). Тогда для варианта 1 а = Р = 37,3°, а переходные области составят 12,8°.
Для варианта 2 при наклоне ТР-слоя под углом а=Р<30°
3а - ш - (а + ш) = 90 - (3а + ш).
Отсюда находим, что
а = В = 18 + 1 ш .
5
Из этого выражения следует, что для варианта 2 угол наклона а=Р должен равняться 19,8°, а переходные области составят 21,6°. Однако здесь вступает в силу условие обеспечения полного внутреннего отражения на боковых гранях (см. рис. 2, б). Полагая, что
2а - ш > агс8т(Ш),
находим:
а> 18,61 +—ш .
2
Для стекла ТК21 угол а должен превышать 23,11°. Принимая а=Р =23,2°, находим, что размеры переходных зон составляют 28,4 и 11,4°.
Для варианта 3, при наклоне в основании прямоугольной призмы под углом Р=30°, наблюдаем большие области переходных зон: 60- ю - ю =60-2 ю и 90-(60+ ю )=30+ ю, что при ю =9° дает 42 и 39° соответственно. Чем больше размер области перехода от пропускания излучения к частичному отражению, тем проще достигнуть требуемого коэффициента отражения/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 оптических материалов приведены в таблице.
Материал а,
Вариант 1 Вариант 2
К8, М-БК7 (и=1,51452) 37,2 25,8
Полистирол (П=1,585376) 37,3 24,5
ТК21 (и=1,65306) 37,3 23,3
Таким образом, в настоящей статье представлен возможный вариант реализации двумерной растровой системы, используемой для отображения информации в микропроектор-ных 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 ю. 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.
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.
УДК 53.082.5
Г. Д. Фефилов
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ БИНАРНЫЙ ФИЛЬТР С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТИПА
Представлена методика оптимальной пространственно-временной фильтрации сигнала при лазерной дифрактометрии микрообъектов. Принцип работы пространственно-временного фильтра с перестраиваемыми параметрами основан на методе кусочно-линейной аппроксимации виртуальной модели фильтра. Приведены результаты экспериментальной проверки работы фильтра.
Ключевые слова: пространственно-временная фильтрация сигнала, лазерная дифрактометрия микрообъектов.
В лазерной дифрактометрии одной из основных операций преобразования измерительного сигнала является оптимальная фильтрация, с помощью которой осуществляется функциональное преобразование осциллирующего сигнала с неравномерной амплитудой, описывающего распределение интенсивности в регистрируемой дифракционной картине, в периодический сигнал с равномерной амплитудой.
Фильтрация сигнала осуществляется, как правило, с помощью либо оптических амплитудных пространственных фильтров с переменной плотностью, либо бинарных фильтров, конструктивно согласованных со сканирующим устройством и фотоэлектрическим преобразователем лазерного дифрактометра. Амплитудные пространственные фильтры с переменной плотностью изготавливаются в основном из темного стекла [1], или с использованием фотоматериалов [2], или по технологии градиентных тонкослойных покрытий, толщина которых меняется по заданному закону [3]. Бинарные фильтры, в свою очередь, выполняют функцию апертурной диафрагмы фотоприемника. Как правило, область пропускания бинарного фильтра
