doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-808-816


УДК 535.317

Анализ аберраций клина как компенсационного и функционального элемента в системах дополненной и виртуальной реальности

Романова Г.Э., Нгуен Н.Ш.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Романова Г.Э., Нгуен Н.Ш. Анализ аберраций клина как компенсационного и функционального элемента в системах дополненной и виртуальной реальности // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 6. С. 808–816. doi:
10.17586/2226-1494-2021-21-6-808-816


Аннотация

Предмет исследования. Рассмотрены оптические системы виртуальной реальности, в которых применяется оптический клин для устранения или уменьшения конфликта конвергенции и аккомодации (vergence-accommodation conflict, VAC). Наклонные поверхности оптического клина вносят в оптическую систему специфические аберрации, которые могут критически сказаться на качестве изображения. Методы. Искажения, вносимые клином, проанализированы с использованием соотношений, полученных на основе теории аберраций третьего порядка. В отличие от существующих подходов, соотношения получены без допущений о небольшой величине преломляющего угла или толщины клина. Основные результаты. Показано, что в схеме с оптическим клином при типичных для систем виртуальной реальности характеристиках зависимость астигматизма от углового поля имеет линейный характер и значительно превышает остальные аберрации. Для получения изображения высокого качества наиболее успешная компенсация такой аберрации может быть достигнута за счет применения дифракционных оптических элементов (киноформ) или линзы Френеля. Приведены примеры оптических систем с клином, разработанные с учетом требований к габаритным размерам систем виртуальной реальности и качеству изображения. Практическая значимость. Полученные соотношения для аберраций оптического клина и наклонной поверхности позволяют оценить коррекционные возможности схем с использованием подобных элементов при произвольных характеристиках. Предложенные решения могут найти применение в системах виртуальной реальности с уменьшенным значением конфликта конвергенции и аккомодации.


Ключевые слова: оптический клин, конфликт аккомодации и конвергенции, анализ аберраций, виртуальная реальность, дополненная реальность

Благодарности. Нгуен Нгок Шон благодарит за поддержку Вьетнамский стипендиальный совет.

Список литературы
  1. Hoffman D.M., Girshick A.R., Akeley K., Banks M.S. Vergence–accommodation conflicts hinder visual performance and cause visual fatigue // Journal of Vision. 2008. V. 8. N 3. P. 33. https://doi.org/10.1167/8.3.33
  2. Shibata T., Kim J., Hoffman D.M., Banks M.S. The zone of comfort: Predicting visual discomfort with stereo displays // Journal of Vision. 2011. V. 11. N 8. P. 11. https://doi.org/10.1167/11.8.11
  3. Bankset M.S., Kim J., Shibata T. Insight into vergence-accommodation mismatch // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8735. P. 873509. https://doi.org/10.1117/12.2019866
  4. Akşit K., Lopes W., Kim J., Shirley P., Luebke D. Near-eye varifocal augmented reality display using see-through screens // ACM Transactions on Graphics. 2017. V. 36. N 6. P. 1. https://doi.org/10.1145/3130800.3130892
  5. Hasnain A., Laffont P.-Y., Jalil S.B.A., Buyukburc K., Guillemet P.-Y., Wirajaya S., Khoo L., Teng D., Bazin J.C. Piezo-actuated varifocal head-mounted displays for virtual and augmented reality // Proceedings of SPIE. 2019. V. 10942. P. 1094207. https://doi.org/10.1117/12.2509143
  6. Liu S., Cheng D., Hua H. An optical see-through head mounted display with addressable focal planes // Proc. of the 7th IEEE/ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality. 2008. P. 33–42. https://doi.org/10.1109/ISMAR.2008.4637321
  7. Akeley K., Watt S.J., Girshick A.R., Banks M.S. A stereo display prototype with multiple focal distances // ACM Transactions on Graphics. 2004. V. 23. N 3. P. 804. https://doi.org/10.1145/1015706.1015804
  8. Rolland J.P., Krueger M.W., Goon A. Multifocal planes head-mounted displays // Applied Optics. 2000. V. 39. N 19. P. 3209–3215. https://doi.org/10.1364/AO.39.003209
  9. Cheng D., Wang Q., Wang Y., Jin G. Lightweight spatial-multiplexed dual focal-plane head-mounted display using two freeform prisms // Chinese Optics Letters. 2013. V. 11. N 3. P. 031201 https://doi.org/10.3788/COL201311.031201
  10. Song W., Wang Y., Cheng D., Liu Y. Light field head-mounted display with correct focus cue using microstructure array // Chinese Optics Letters. 2014. V. 12. N 6. P. 060010. https://doi.org/10.3788/COL201412.060010
  11. Song W., Wang Y., Cheng D., Liu Y. Design of light field head-mounted display // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9293. P. 92930J. https://doi.org/10.1117/12.2075183
  12. Sluka T. Near-eye sequential light-field projector with correct monocular depth cues. Patent WO2018091984A1. 2017.
  13. Wilson A., Hua H. High-resolution optical see-through vari-focal-plane head-mounted display using freeform Alvarez lenses // Proceedings of SPIE. 2018. V. 10676. P. 106761J. https://doi.org/10.1117/12.2315771
  14. Cui W., Gao L. Optical mapping near-eye three-dimensional display with correct focus cues // Optics Letters. 2017. V. 42. N 13. P. 2475–2478. https://doi.org/10.1364/OL.42.002475
  15. Нгуен Н., Романова Г.Э. Преодоление конфликта конвергенции и аккомодации в системах виртуальной и дополненной реальности // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2021. Т. 64. № 2. С. 143–152. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2021-64-2-143-152
  16. Riedl M.J. Optical Design Fundamentals for Infrared Systems. SPIE Press, 2001. P. 90.
  17. Утехин Ю.А. Оптические методы и средства восстановления бинокулярного зрения: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Институт точной механики и оптики. СПб., 1993. 49 с.
  18. Sasián J.M. Aberrations from a prism and a grating // Applied Optics. 2000. V. 39. N 1. P. 34–39. https://doi.org/10.1364/AO.39.000034
  19. Howard J.W. Formulas for the coma and astigmatism of wedge prisms used in converging light // Applied Optics. 1985. V. 24. N 23. P. 4265–4268. https://doi.org/10.1364/AO.24.004265
  20. Barth C.J., Oepts D. Stigmatic and coma-free imaging with a thick prism: a comparison of third-order theory and ray-tracing results // Applied Optics. 1988. V. 27. N 18. P. 3838–3844. https://doi.org/10.1364/AO.27.003838
  21. Kidger M. Fundamental Optical Design. SPIE Press, 2002. P. 107.
  22. Geary J.M. Introduction to Lens Design: With Practical ZEMAX Examples. Willmann-Bell, 2002. P. 110.
  23. Delano E. Primary aberrations of Fresnel lenses // Journal of the Optical Society of America. 1974. V. 64. N 4. P. 459–468. https://doi.org/10.1364/JOSA.64.000459
  24. Бобров С.Т., Грейсух Г.И., Туркевич Ю.Г. Оптика дифракционных элементов и систем. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1986. 223 с.
  25. Zemax Optic Studio 19.8: User manual. October 2019.


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2022 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика