Научная статья на тему 'ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ОЧКОВ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ'

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ОЧКОВ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
496
98
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОЧКИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ / ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ / ПОВЕРХНОСТИ СВОБОДНОЙ ФОРМЫ / AUGMENTED REALITY GLASSES / VIRTUAL REALITY / AUGMENTED REALITY / FREE FORM SURFACES

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Иванюк А. А.

Предмет исследования. Рассмотрен метод проектирования оптического модуля очков дополненной реальности, который содержит полупрозрачный светоделительный элемент, позволяющий наблюдать реальные предметы с наложенным дополнительным виртуальным изображением (OST HMD - optical see-through head-mounted display). Центральным элементом оптического модуля является призма, позволяющая видеть одновременно два канала: картину реального мира и наложенное на нее виртуальное изображение. В результате создается изображение дополненной реальности. Рассмотрена функциональная схема оптического модуля с введенной системой слежения за взглядом. Метод. Выполнена оптимизация поверхностей призмы, а также их наклонов и взаимного расположения при помощи Zemax OpticStudio. В основе оптимизации лежит идея использования поверхностей свободной формы, позволяющая уменьшить габариты, увеличить поле зрения и повысить качество изображения. Основные результаты. Приведены начальные параметры оптического элемента, а также алгоритм оптимизации поверхностей свободной формы, позволяющие получить сравнительно широкое поле зрения (54° по диагонали), компактность и высокие параметры качества изображения. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при проектировании и разработке очков дополненной реальности в различных областях, например: медицине, дистанционном образовании, оборонной промышленности, спорте, маркетинге.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Иванюк А. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OPTICAL MODULE DESIGN FOR AUGMENTED REALITY GLASSES

Subject of Research. The paper considers an optical module design method for augmented reality glasses. The module contains a translucent beam-splitting element that provides observation of real objects with superimposed additional virtual image (OST HMD - optical see-through head-mounted display). The central element of the optical module is a prism that views two channels simultaneously: a real world picture and a virtual image. As a result, the user is able to see an augmented reality image. The functional scheme of the optical module with the introduced eye tracking system is considered. Method. Optimization of the prism surfaces, as well as tilts and relative positions, was performed using Zemax OpticStudio. It is based on the idea of applying free-form surfaces, which enables the sizes to be reduced, the field of view to be increased and the image quality to be improved. Main Results. The initial parameters of the optical element and an algorithm for optimization of free-form surfaces are developed, that gives the possibility to obtain a relatively wide field of vision (54° diagonally), compactness and high image quality parameters. Practical Relevance. The results of this work can be used in the design and development of augmented reality glasses in various fields, such as: medicine, online education, defense industry, sports, and marketing.

Текст научной работы на тему «ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ОЧКОВ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ»

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ сентябрь-октябрь 2020 Том 20 № 5 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru/

SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS September-October 2020 Vol. 20 No 5 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru/en/

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

УДК 53 doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-5-642-648

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ОЧКОВ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ А.А. Иванюк

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Российская Федерация Адрес для переписки: ivanyukaa@student.bmstu.ru Информация о статье

Поступила в редакцию 06.08.20, принята к печати 05.09.20 Язык статьи — русский

Ссылка для цитирования: Иванюк А.А. Проектирование оптического модуля очков дополненной реальности // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 5. С. 642-648. doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-5-642-648

Аннотация

Предмет исследования. Рассмотрен метод проектирования оптического модуля очков дополненной реальности, который содержит полупрозрачный светоделительный элемент, позволяющий наблюдать реальные предметы с наложенным дополнительным виртуальным изображением (OST HMD — optical see-through head-mounted display). Центральным элементом оптического модуля является призма, позволяющая видеть одновременно два канала: картину реального мира и наложенное на нее виртуальное изображение. В результате создается изображение дополненной реальности. Рассмотрена функциональная схема оптического модуля с введенной системой слежения за взглядом. Метод. Выполнена оптимизация поверхностей призмы, а также их наклонов и взаимного расположения при помощи Zemax OpticStudio. В основе оптимизации лежит идея использования поверхностей свободной формы, позволяющая уменьшить габариты, увеличить поле зрения и повысить качество изображения. Основные результаты. Приведены начальные параметры оптического элемента, а также алгоритм оптимизации поверхностей свободной формы, позволяющие получить сравнительно широкое поле зрения (54° по диагонали), компактность и высокие параметры качества изображения. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при проектировании и разработке очков дополненной реальности в различных областях, например: медицине, дистанционном образовании, оборонной промышленности, спорте, маркетинге. Ключевые слова

очки дополненной реальности, виртуальная реальность, поверхности свободной формы

doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-5-642-648

OPTICAL MODULE DESIGN FOR AUGMENTED REALITY GLASSES

А.А. Ivaniuk

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russian Federation Corresponding author: ivanyukaa@student.bmstu.ru Article info

Received 06.08.20, accepted 05.09.20 Article in Russian

For citation: Ivaniuk A.A. Optical module design for augmented reality glasses. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2020, vol. 20, no. 5, pp. 642-648 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-5-642-648

Abstract

Subject of Research. The paper considers an optical module design method for augmented reality glasses. The module

contains a translucent beam-splitting element that provides observation of real objects with superimposed additional virtual image (OST HMD — optical see-through head-mounted display). The central element of the optical module is a prism that views two channels simultaneously: a real world picture and a virtual image. As a result, the user is able to see an augmented reality image. The functional scheme of the optical module with the introduced eye tracking system is considered. Method. Optimization of the prism surfaces, as well as tilts and relative positions, was performed using Zemax OpticStudio. It is based on the idea of applying free-form surfaces, which enables the sizes to be reduced, the field of view to be increased and the image quality to be improved. Main Results. The initial parameters of the optical element and an algorithm for optimization of free-form surfaces are developed, that gives the possibility to obtain a relatively wide field of vision (54° diagonally), compactness and high image quality parameters. Practical Relevance.

The results of this work can be used in the design and development of augmented reality glasses in various fields, such as: medicine, online education, defense industry, sports, and marketing.

Keywords

augmented reality glasses, virtual reality, augmented reality, free form surfaces

Введение

В последнее время особую популярность получают очки дополненной (augmented reality, AR) и виртуальной реальности, которые нашли применение в различных областях, таких как медицина (отображение вспомогательной информации, например, во время операции, когда использование рук невозможно); социальные сети (возможность видеть новости пользователей в режиме реального времени глазами авторов новостей); бизнес (обучение сотрудников и повышение их эффективности, а также контроль выполнения должностных обязательств); образование (виртуальные уроки для повышения эффективности дистанционного обучения); спорт (например, отображение скорости и пульса велосипедиста при использовании очков, или тренировки с сопровождением виртуального тренера) [1].

В соответствии с исследованием Tractica [2] популярность очков дополненной и виртуальной реальности вначале росла медленно, из-за того, что мировой рынок и качество самих устройств не были адаптированы к массовому использованию. Tractica прогнозирует, что мировой рынок умных AR-очков вырастет со 101 000 единиц в 2018 г. до 19,7 млн единиц ежегодно к 2025 г., что представляет собой совокупный годовой темп роста в размере 112,4 %. Эти объемы приведут к росту выручки устройств от 143 млн долларов США в 2018 г. до 20,9 млрд долларов США к 2025 г. в среднем на 103,8 %. Более того, мировые технологические гиганты (Google, Microsoft, Apple, Epson, Сбербанк и др.) уже занимаются разработкой очков дополненной и виртуальной реальности. А многие эксперты прогнозируют, что очки в будущем могут полностью заменить использование компьютеров и смартфонов.

Устройство оптического модуля

HMD (head-mounted display) — дословно переводится как дисплей, закрепленный на голове. Это устройство, используемое в системах дополненной и виртуальной реальности (иногда переводится как «шлем виртуальной реальности»), одеваемое непосредственно на голову в виде шлема или части его, которое имеет дисплей и оптику перед одним (монокулярная система) или двумя глазами (бинокулярная система).

OST HMD (optical see-through head-mounted display) — устройство HMD, с возможностью видеть не только виртуальную картину, но и одновременно наблюдать картину реального мира сквозь оптическую систему (рис. 1). Преимуществами AR-очков по технологии OST HMD с возможностью видения сквозь оптическую систему и использованием свободной формы, являются: компактность; невысокие значения фокусного расстояния; широкое поле зрения; улучшенные яркость и контраст передаваемого изображения; снижение аберраций.

Центральным элементом модуля является призма, одна из поверхностей которой — светоделительная, позволяющая наблюдать реальные предметы с наложенным дополнительным виртуальным изображением (рис. 2). Таким образом, будут оптимизированы два оптических канала: путь проекционного изображения микродисплея и путь прозрачного изображения.

Оптический модуль (рис. 2) состоит из призмы свободной формы, корректора свободной формы, микродисплея, системы отслеживания взгляда Eye tracking (состоит из инфракрасной (ИК) камеры и ИК светодио-дов), микроконтроллера.

Выбор начальных параметров

Успешная оптимизация во многом зависит от правильно выбранных ограничений систем.

YPä - YPa < 0, Ypa" - Ypa > 0, 0,5 < Zpa - Zpa < 2, Ypv - Ypb > 0, -1,5 < ZPb. - ZPb < -0,2,

-2 < YPc - YPc, < -0,2, 0 < ZPc - ZPc, <1,

Призма

(1) (2) (3)

Сетчатка Желтое пятно

- Оптический нерв

Рис. 1. Принцип работы оптического модуля очков дополненной реальности

ИК камепа

Микродисплей

ИК светодиод

Корректор свободной формы

Рис. 2. Функциональная схема оптического модуля

ZPa > расстояние видения глаза (17 мм), Zpc > расстояние видения глаза (17 мм),

(4)

где Pa, Pa', Pa" — координаты прохождения или отражения луча R2b от поверхностей 5"1, S2, S3, S1' соответственно (рис. 3, б); Ypa", YPa', YPa, ^ ZPa — соответствующие координаты по осям Y и Z; Pb — координата отражения луча Rlu от поверхности S2; Pb' — координата прохождения луча R2b через поверхность S3; ZPa', ZPb, YPa<, YPb — соответствующие координаты по осям Z и Y; Pс, Pс' — координаты прохождения или отражения луча через поверхности SГ, S3 соответственно; ZPс', ZPc, YPсf, YPс — соответствующие координаты по осям Z и Y.

Без выбора систем (1)-(4) велика вероятность, что будут получены три поверхности в пространстве, никак не связанные между собой, поэтому особое внимание необходимо уделить ограничениям и условиям оптимизации для контроля полученной системы. В соответствии с [3, 4] все координаты соотносятся с глобальной координатной системой с центром в зрачке глаза. Для наглядности приведено изображение хода лучей от локальных зон поверхности (рис. 3, б).

Ограничения по Y-направлению с помощью Pa", Pa', Pa утверждают, что поверхности 1 и 2 не пересекутся, и нижний краевой луч пройдет без помех. И также, последнее выражение в формуле (1) накладывает ограничения на толщину границ призмы (от 0,5 до 2 мм). С помощью параметров по Y- и Z-направлениям ^Ь', Pb) (2) гарантированно, что:

1. верхний краевой луч пройдет после преломления на поверхности SГ;

2. выражение (2) позволяет контролировать толщину призмы;

3. с помощью выражения (3) поверхности 1 и 3 расположены правильно относительно друг друга, и лучи будут проходить без помех и в соответствии с требованиями в (3);

4. при помощи выражений (1) и (3) три поверхности призмы располагаются верно друг относительно друга.

Эти ограничения [5] также в дальнейшем регламентирует поворот и децентрировку поверхностей 1 и 2, что помогает снизить аберрации на этих поверхностях. С использованием выражения (4) устанавливается минимальное значение наилучшего видения, а также факт, что наклон поверхности 1 призмы будет в противоположную сторону.

X2 +У2

(l +л/(1-(1+к)с2(х2+у2))}

+ ЕСУГ, (5)

J

[(т + п) 2 + т + 3 п)]

+ 1,

где z — прогиб поверхности вдоль оси Z; х и y — координаты в локальной системе координат; m и n — степени для y, х координат; с — кривизна поверхности в области вершины; k — коническая константа; Cj — коэффициент для xmyn с порядковым номером j.

В ходе оптимизации [3] в программе Zemax стандартные поверхности сначала оптимизируются до асферических поверхностей с типом Even asphere и добавлением коэффициентов до 10-го порядка [6, 7]. Далее тип этих поверхностей меняется на Extended Polynomial (расширенный полином) (5).

(L = arcsin —

(Э-

(6)

где пг — показатель преломления материала, в котором будет происходить преломление; щ — показатель преломления падающей среды. В этом случае условие полного внутреннего отражения выполняется, когда лучи, проходящие в пределах призмы, ударяются о поверхность S1' под углом, большим 0С = 42,09°. Материал призмы РММА (полиметилметакрилат), п = 1,492.

Рис. 3. Начальная схема призмы оптического модуля (а); оптический ход лучей от разных зон поверхности и положений зрачка, в зависимости от их поля и положения зрачка и контролируемого условия для создания полного внутреннего

отражения (б).

R2u, Я2ь — случайные лучи для разных поля зрения и положения входного зрачка; 0^1, 02^ и 0^1' — случайные углы падения лучей Я2и, Я2Ь на поверхностях S1, S1', P1, P2 — точки фокусировки лучей Я2и, Я2ь

Таблица 1. Начальные параметры призмы

Поверхность X, мм Y, мм Z, мм Децентрировка по оси Y, мм Поворот по оси X, град

S1 — 0,305 18,25 4,55 -1,8

S2 — 15,534 26,25 1,50 23

S1' Параметры совпадают с 51, так как это одна просветленная поверхность, которую для последовательного проектирования в Zemax необходимо вводить, как разные

S3 — 17,101 33,55 21,50 -70

Микродисплей — — 39,55 22,00 -60

Чтобы учесть факт полного внутреннего отражения [8], рассчитывается критический угол прохождения луча. Угол прохождения луча через поверхности — результат наклона, децентрировки и положения плоскостей друг относительно друга. Лучи, испускаемые микродисплеем, отражаются от 51' посредством полного внутреннего отражения. Это явление происходит, когда свет, перемещающийся внутри материала с более высоким индексом, ударяется о поверхностную границу среды с более низким индексом под углом, большим его критического угла (6).

Учитывая ограничения (1)-(6) и требования к компактности, выведены начальные (базовые) параметры призмы, которые приведены в табл. 1, схема призмы на начальном этапе приведена на рис. 3, а.

Целью настоящей работы является определение компактности, легкого веса, и широкого поля зрения AR-очков. Основываясь на таких параметрах, как размер, разрешение, доступность и цена, — выбран дисплей Emagin OLED с разрешением 2040 х 2040 (2K) пикселей и размером пикселя 9,3 мкм. В результате необходимо получить поле зрения 54° по диагонали, c фокусным расстоянием не более 17 мм. Минимальное фокусное расстояние 10 мм.

Оптимизация в Zemax OpticStudio

На начальном этапе оптимизации вводятся рассчитанные параметры из табл. 1 и основные характеристики. Размер входного зрачка определяется как 5 мм (выбирается среднее значение, так как зрачок человеческого глаза составляет 2-8 мм).

Система моделируется «в обратном ходе» для установки, работающей в реальности. В реальности (в фи-

зической системе) предметом является микродисплей, а плоскостью изображения — сетчатка человеческого глаза (выходные/входные зрачки системы и человеческого глаза будут совмещены). Для эффективной оптимизации система определяется таким образом, что выходной зрачок физической системы — это входной зрачок, смоделированный в OpticStudio, а микродисплей рассмотрен как «плоскость изображения» системы. Далее описан процесс моделирования лучей в OpticStudio.

Оптическая система в значительной степени зависит [4, 9] от наклонов и децентрировки (табл. 1) нескольких поверхностей, для регулировки наклона и децентрировки поверхностей которых используются координатные разрывы и тип поверхности Coordinate Break. Все поверхности приведены на рис. 4, а, при этом поверхность 1 — диафрагма (STOP). Например, координатными разрывами для поверхности 3 (S1) являются поверхности 2 и 4, а для поверхности 6 (S2) — поверхности 5 и 7.

На рис. 4, а координатные разрывы выделены красным цветом. Свойства поверхности S1 копируются в свойства поверхности S1' с помощью функции Pickup.

Для настройки работы системы в двух режимах одновременно используется редактор мультиконфигура-ций (рис. 4, б). Конфигурация 1 создана поверхностями 0-13, а также плоскостью изображения (поверхности 17 и 18). Конфигурация 2 состоит из поверхностей S1 и S2, но больше не использует поверхности S1' или S3. Эти поверхности (и соответствующие им разрывы координат) в редакторе не учтены. Конфигурация 2 настроена так, чтобы учитывать только поверхности 0-7, 14-16 и 18; координатный разрыв для поверхности изображения отсутствует, поскольку необходимо, чтобы

Surface Type Comment Radius Thickness Mi Scmi-Diamc Decenter X Decenter Y Tilt About X Tilt About Y Tilt About Z Order Par 7

STOP Standard * Infinity 18.250 3.000 0.000 .................

(aper Even Asphere - Surface 1 184.016 0.000 Coordinate 8reak * SI dec/ tiltreturn 9.259 Coordinate Break * S2 dec/tilt 0.000 PM. 19.700 U 0.000 0.000 -7.268E»27 -4.644E-03 0.000 P 0.000 -7.749E-05 -5.335 P 1.342 1.607E-06 5.146 P 21.074 -1.661E-08 9.322E-11 -2.952E-13 4.95 0.000 P 0.000 P 1 0.000 0.000 0

(aper Even Asphere * Surface 2 -13.599 0,000 Coordinate Break « S2 dec/tilt :retum 0.000 Coordinate Break * SI' dec/ tilt -9.259 P ML 18.400 U 0.000 0.000 -0.966 -7.268E+27 P 0.026 0.000 P 0.000 7.686E-07 -1.342 P 5.335 P -3.137E-09 -2L074 P -5.146 P -LS17E-11 1.044E-13 1.083E-16 -8.04 0.000 P 0.000 P 1 0.000 0.000 0

Coordinate Break * SI' dec/tilt:return 4,941 Coordinate Break * S3 dec/ tilt 0,000 0.000 0.000 -2.444E+36 0.000 P -5.335 P 5.146 P 0.000 P 0.000 P 1 0.000 22.500 -66.000 0.000 0.000 0

topei t*ieilueu ru.ynumiai - m Coordinate Break * S3 dec/ tilt:return 7.150 4 CQQ ; 0.000 0.000 P -22.500 P 66.000 P 0.000 P 0.000 P 1

(aper Even Asphere» Infinity z 40.000 z 0.000 V -5.999E-03 V Г "}

Coordinate Break » IMAG Standard * Microdisplay Infinity 0.000 0.000 1 10.000 и 0.000 0.000 ШЗЗЯ 1 -SO.™ O.OOO 0,000 0

Multi-Configuration Editor X Leiu С Update: All Windows - > V X - 1 * ' Operand 2 Properties

Active: 1/2 Conflg 1* Config 2

1 GLSS - 6 MIRROR PMMA

2 AFOC - I о 1

3 IGNR- 1-1 1 0

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4 IGNR - IS 1 0

5 IGNR- 16 1 0

6 IGNR- 8 0

7 IGNR • 9 o:

8 IGNR - 10 0

9 IGNR - 11 0

10 IGNR • 12 0

11 IGNR • 13 0

12 IGNR • 17 0

Рис. 4. Конструктивные параметры оптической системы (а) и редактор мультиконфигураций (б)

20 мм

20 мм

Рис. 5. Оптимизация на начальном этапе (а); оптическая система после введения полей 11° (зеленый цвет), 15° (красный),

20° (желтый цвет) и оптимизации (б)

плоскость изображения была перпендикулярна оси Z, как бы моделируя свет из окружающей среды.

До оптимизации введены конструктивные параметры [9, 10] и соответствующие координатные разрывы. После чего поверхности S1 и S2 подверглись оптимизации до типа Even asphere (рис. 5, а). На втором этапе оптимизации, когда аберрации и качество системы стали удовлетворительными, было увеличено поле зрения (рис. 5, б), и снова проведена оптимизация. На каждом этапе добавляются соответствующие операнды оценочной функции, которые представлены в табл. 2. На третьем этапе оптимизации поле зрения увеличено до 54° по диагонали, проведена оптимизация, и настроены режимы мультиконфигурации.

Полученные результаты

В результате рассчитанных ограничений систем (1)-(6) и начальных параметров призмы рис. 3, а, а также оптимизации в OpticStudio, результат которой приведен на рис. 6, были получены параметры главного оптического элемента модуля AR-очков. Конструктивные параметры оптической системы, полученные в результате оптимизации, приведены на рис. 4, а. Вид оптической системы с обозначениями после оптимизации и отображенными двумя каналами оптического хода, приведен на рис. 6.

На рис. 7, а представлена 3Б-модель оптического модуля. Рис. 7, б иллюстрирует виртуальное изобра-

Микродисплей

Полное внутреннее отражение

Входной зрачок (глаз)

Рис. 6. Вид оптической системы в режиме мультиконфигурации после оптимизации и с полем зрения 54° по диагонали

Таблица 2. Операнды OpticStudio и их применение при решении заданной задачи

Название операнда Функция операнда

GLCZ/GLCY/GLC Глобальные координатные ограничения: следует выровнять поверхность S1' к S1 (поверхностей 9 и 3), так как физически это одна поверхность;

DIFF (RAGY, RAGZ) Y, Z — координаты главного луча, попадающего на линзу, и луча, попадающего на фазовую поверхность;

MNCA, MXCA, MNEA требования к воздушным промежуткам;

MNCG, MXCG, MNEG требования к толщинам стекла;

CONF выбор конфигурации для введения ограничений:

GLCZ положение по оси Z, взаимное расположение по оси Z поверхностей S1, S1';

GLCY отслеживание положения по оси Y последней поверхности и микродисплея с применением операнда DIFF, который измеряет разницу;

EFFL контроль фокусного расстояния с применением дополнительных операндов OPGT и OPLT для задания минимального и максимального значений;

WFNO значение рабочего фокусного числа, зависящее от параметров краевого луча;

DIMX контроль дисторсии задается для каждой точки поля по оси Y;

DISG контроль дисторсии задается для всех точек поля;

POWP power at a point in the pupil вычисляет значения эффективного фокусного расстояния (EFL) после преломления от заданной поверхности в любой точке на зрачке для заданной длины волны;

PMGT, PMLT операнды для задания диапазона значений. В данном случае будет задаваться диапазон изменения децентрировки и наклона;

OPTH ограничения длины оптического пути при указанной длине волны;

CVVA контроль кривизны поверхностей при помощи дополнительных операндов: RECI (возвращает обратно значение), OPGT и OPLT (создают диапазон для ограничения возможных значений), MNCG и MXCG (для контроля толщины стекла заданных поверхностей создают диапазон возможных значений);

RAID контроль углов, задаются граничные значения.

жение, получаемое при прохождении света через разработанный модуль.

Полученная оптическая система имеет широкое поле зрения, 54° по диагонали [11, 12], в то время, как ряд приборов даже сейчас производится со значениями поля зрения 35°, 42° по диагонали. Из аберраций в системе присутствует в основном дисторсия. При этом для коррекции дисторсии, близорукости и дальнозоркости пользователя, а также других дефектов глаза, может

быть предусмотрена дополнительная система. Система соответствует требованиям к компактности, размер по каждой оси не превышает 20-25 мм.

В соответствии с рис. 1 и рис. 2, к микродисплею подключается микроконтроллер. При необходимости к оптическому модулю может быть подключена система отслеживания взгляда Eye tracking. В этом случае будет необходимо включение в оптический модуль ИК камеры и ИК светодиодов.

Рис. 7. 3Э-модель полученной оптической системы в Zemax OpticStudio (а); виртуальное изображение, получаемое

при прохождении света через разработанный модуль (б)

Оптический модуль может быть произведен методом литья под давлением [1, 13]. При этом необходима трехосевая система для центрировки и успешного цементирования основной призмы и корректора свободной формы. Контроль формы поверхностей свободной формы может быть осуществлен разными способами, например, иммерсионным или рефлекто-метрическим.

Заключение

В работе на конкретном примере рассмотрена задача создания и оптимизации оптического модуля очков дополненной реальности по технологии OST HMD с использованием поверхностей свободной формы. Полученные данные могут быть использованы при проектировании оптического модуля очков дополненной реальности или улучшении показателей уже разработанного оптического элемента.

Литература

1. Иванюк А.А. Производство оптического модуля очков дополненной реальности методом литья под давлением // Инновации. Наука. Образование. 2020. № 14. C. 579-589.

2. Tractica research. Smart augmented reality glasses. 2018 [Электронный ресурс]. URL: https://tractica.omdia.com/research/smart-augmented-reality-glasses/ (дата обращения: 30.06.20)

3. Fournier F.R., Cassarly W.J., Rolland J.P. Fast freeform reflector generation using source-target maps // Optics Express. 2010. V. 18. N 5. P. 5295-5304. doi: 10.1364/OE.18.005295

4. Cheng D., Hua H., Wang Y. Optical see-through free-form head-mounted display. Patent US20140009845A1. 2014.

5. Droessler J.G., Fritz T.A. High brightness see-through head-mounted display. Patent US6147807A. 2000.

6. Handbook of Plastic Optics / ed. by S. Baumer. Wiley-VCH, 2005. P. 98-202. doi: 10.1002/3527605126

7. Bajura M., Fuchs H., Ohbuchi R. Merging virtual objects with the real world: seeing ultrasound imagery within the patient // ACM SIGGRAPH Computer Graphics. 1992. V. 26. N 2. P. 203-210. doi: 10.1145/142920.134061

8. Rolland J.P., Biocca F., Hamza-Lup F., Ha Y., Martins R. Development of head-mounted projection displays for distributed, collaborative, augmented reality applications // Presence: Teleoperators and Virtual Environments. 2005. V. 14. N 5. P. 528549. doi: 10.1162/105474605774918741

9. Hua H., Brown L.D., Zhang R. Head-mounted projection display technology and applications // Handbook of Augmented Reality. Springer, 2011. P. 123-155. doi: 10.1007/978-1-4614-0064-6_5

10. Sisodia A., Bayer M., Townley-Smith P., Nash B., Little J., Cassarly W., Gupta A. Advanced helmet mounted display (AHMD) // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6557. P. 65570N. doi: 10.1117/12.723765

11. Русинов М.М. Техническая оптика. Л.: Машиностроение, 1979. С. 20-22, 401-419.

12. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989. С. 88-98.

13. Hazlett R.D. Fractal applications: Wettability and contact angle // Journal of Colloid and Interface Science. 1990. V. 137. N 2. P. 527533. doi: 10.1016/0021-9797(90)90425-N

References

1. Ivanjuk A.A. Production of optical module for alternate reality glasses by injection molding. Innovation. Science. Education, 2020, no. 14, pp. 579-589. (in Russian)

2. Tractica research. Smart augmented reality glasses, 2018. Available at: https://tractica.omdia.com/research/smart-augmented-reality-glasses/ (accessed: 30.06.20)

3. Fournier F.R., Cassarly W.J., Rolland J.P. Fast freeform reflector generation using source-target maps. Optics Express, 2010, vol. 18, no. 5, pp. 5295-5304. doi: 10.1364/0E.18.005295

4. Cheng D., Hua H., Wang Y. Optical see-through free-form head-mounted display. Patent US20140009845A1, 2014.

5. Droessler J.G., Fritz T.A. High brightness see-through head-mounted display. Patent US6147807A, 2000.

6. Handbook of Plastic Optics. Ed. by S. Bäumer. Wiley-VCH, 2005, pp. 98-202. doi: 10.1002/3527605126

7. Bajura M., Fuchs H., Ohbuchi R. Merging virtual objects with the real world: seeing ultrasound imagery within the patient. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 1992, vol. 26, no. 2, pp. 203-210. doi: 10.1145/142920.134061

8. Rolland J.P., Biocca F., Hamza-Lup F., Ha Y., Martins R. Development of head-mounted projection displays for distributed, collaborative, augmented reality applications. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 2005, vol. 14, no. 5, pp. 528-549. doi: 10.1162/105474605774918741

9. Hua H., Brown L.D., Zhang R. Head-mounted projection display technology and applications. Handbook of Augmented Reality. Springer, 2011, pp. 123-155. doi: 10.1007/978-1-4614-0064-6_5

10. Sisodia A., Bayer M., Townley-Smith P., Nash B., Little J., Cassarly W., Gupta A. Advanced helmet mounted display (AHMD). Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6557, pp. 65570N. doi: 10.1117/12.723765

11. Rusinov M.M. Optical Engineering. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1979, pp. 20-22, 401-419. (in Russian)

12. Rusinov M.M. Composition of Optical Systems. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1989, pp. 88-98. (in Russian)

13. Hazlett R.D. Fractal applications: Wettability and contact angle. Journal of Colloid and Interface Science, 1990, vol. 137, no. 2, pp. 527-533. doi: 10.1016/0021-9797(90)90425-N

Авторы

Иванюк Анастасия Александровна — студент, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Российская Федерация, ORCID ГО: 0000-0001-9070-1078, aanastasiia00@gmail.com

Authors

Anastasiia A. Ivaniuk — Student, Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russian Federation, ORCID ID: 0000-0001-9070-1078, aanastasiia00@gmail.com

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.