RU2359297C1

RU2359297C1 - Virtual reality helmet

Info

Publication number: RU2359297C1
Application number: RU2007147897/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Леонидович Головков (RU); Олег Леонидович Головков
Original assignee: Олег Леонидович Головков
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-20

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: invention refers to special optical instrument engineering, and namely to imaging systems, simulators based on helmet display, virtual reality systems, etc. Virtual reality helmet includes two similar channels, each of which includes in-series located, in the direction of light beams, liquid-crystal display and light-fibre screen, as well as a spherical collimating mirror; at that, into each of the above channels there additionally introduced is an optical wedge and a correcting cylindrical aspheric lens, and light-fibre screen is provided with parabolic surface; in addition, to virtual reality helmet there added is a video camera for observing eye position, which is attached to spherical collimating mirror, and correction unit connected to video camera and meant for forming correcting image on the liquid-crystal display.

EFFECT: designing virtual reality helmet with one spherical element in front of pilot's eyes, which, when turning spherical mirror relative to horizon observation line, can form a virtual image observed at wide sight angles at entrance pupil of more than 10 mm with minimum spherical aberrations.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области специального оптического приборостроения, в частности к системам визуализации, тренажеров на основе нашлемного индикатора, систем виртуальной реальности и т.п.The invention relates to the field of special optical instrumentation, in particular to visualization systems, simulators based on a helmet-mounted indicator, virtual reality systems, etc.

Известно устройство, описанное в патенте РФ №2199772 и взятое в качестве прототипа, представлено на фиг.1, которое состоит из двух одинаковых каналов, каждый из которых в свою очередь состоит из коллимирующего сферического светоделительного полупрозрачного зеркала 1, расположенного перед глазами оператора (летчика) 2 и делящего наблюдаемое пространство на два канала - реальный и виртуальный, при этом информация о виртуальном пространстве формируется с помощью расположенных по ходу световых лучей жидкокристаллического индикатора 4, световолоконного экрана 3, поверхность которого совмещена с фокальной поверхностью сферического зеркала 1, следовательно, имеющего сферический профиль, и развернутого в вертикальной плоскости коллимирующего сферического зеркала 1.A device is known, described in the patent of the Russian Federation No. 2199772 and taken as a prototype, shown in figure 1, which consists of two identical channels, each of which in turn consists of a collimating spherical beam-splitting translucent mirror 1, located in front of the eyes of the operator (pilot) 2 and dividing the observed space into two channels - real and virtual, while information about the virtual space is generated using the liquid crystal indicator 4 located along the light rays, the optical waveguide a window screen 3, the surface of which is aligned with the focal surface of the spherical mirror 1, therefore having a spherical profile, and deployed in the vertical plane of the collimating spherical mirror 1.

Недостатком известного устройства-прототипа, при развороте сферического зеркала относительно линии наблюдении горизонта, является наличие высокого уровня сферических аберраций при построении виртуального изображения, которое необходимо наблюдать при больших углах зрения (например, ±25°), при входном зрачке более 10 мм. К достоинствам следует отнести наличие одного оптического элемента перед глазами летчика, что создает комфортные психологические условия для работы в данном шлеме.A disadvantage of the known prototype device, when the spherical mirror is rotated relative to the horizon observation line, is the presence of a high level of spherical aberrations when constructing a virtual image, which must be observed at large viewing angles (for example, ± 25 °), with an entrance pupil of more than 10 mm. The advantages include the presence of one optical element in front of the pilot's eyes, which creates comfortable psychological conditions for working in this helmet.

Задачей заявляемого технического решения является расчет оптической схемы нашлемной системы, позволяющей создать виртуальный шлем с одним коллимирующим элементом перед глазами летчика, который при развороте сферического зеркала относительно линии наблюдении горизонта может формировать виртуальное изображения, наблюдаемое при больших углах зрения (например, ±25°), при входном зрачке более 10 мм с минимальными сферическими аберрациями.The objective of the proposed technical solution is to calculate the optical scheme of the helmet-mounted system, which allows you to create a virtual helmet with one collimating element in front of the pilot’s eyes, which, when the spherical mirror is turned relative to the horizon, can form a virtual image observed at large viewing angles (for example, ± 25 °), with an entrance pupil of more than 10 mm with minimal spherical aberrations.

Технический результат направлен на создание виртуального шлема с одним сферическим элементом перед глазами летчика, который при развороте сферического зеркала относительно линии наблюдении горизонта может формировать виртуальное изображения, наблюдаемое при больших углах зрения (например, ±25°), при входном зрачке более 10 мм с минимальными сферическими аберрациями.The technical result is aimed at creating a virtual helmet with one spherical element in front of the pilot’s eyes, which, when the spherical mirror is turned relative to the horizon, can form virtual images observed at large viewing angles (for example, ± 25 °), with an entrance pupil of more than 10 mm with minimal spherical aberrations.

В предлагаемом виртуальном шлеме технический результат достигается использованием сферического коллимирующего светоделительного зеркала, расположенного перед глазами летчика, делящего наблюдаемое пространство на два канала - реальный и виртуальный, световолоконного экрана, имеющего параболический профиль, корректирующего оптического клина и корректирующей цилиндрической асферической линзы.In the proposed virtual helmet, the technical result is achieved by using a spherical collimating beam splitting mirror located in front of the pilot’s eyes, dividing the observed space into two channels - a real and virtual, fiber optic screen having a parabolic profile, a corrective optical wedge, and a corrective cylindrical aspherical lens.

Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг.1-4.The essence of the proposed device is illustrated in figures 1-4.

Фиг.1 - оптическая схема прототипа виртуального шлема.Figure 1 is an optical diagram of a prototype virtual helmet.

Фиг.2 - распространение лучей света в виртуальном шлеме.Figure 2 - the propagation of rays of light in a virtual helmet.

Фиг.3 - расчет положения в пространстве и формы поверхности световолоконной шайбы.Figure 3 - calculation of the position in space and the surface shape of the fiber optic washer.

Фиг.4 - оптическая схема виртуального шлема.Figure 4 is an optical diagram of a virtual helmet.

В виртуальном шлеме-прототипе (патент РФ №2199772), представленном на фиг.1, высказывается утверждение, что если в каждом канале перед соответствующим глазом пилота 2 установить коллимирующее сферическое светоделительное зеркало 1, которое развернуто относительно линии наблюдении горизонта, при этом виртуальное изображение формировать с помощью жидкокристаллического индикатора 4 и корректировать аберрации изображения с помощью световолоконного экрана 3, который имеет сферическую поверхность и совпадает с фокальной поверхностью сферического зеркала 1, то виртуальное изображение для пилота формируется с минимальными геометрическими (в том числе сферическими) аберрациями. Проведенные расчеты показали, что при повороте сферического зеркала 1 относительно линии наблюдения горизонта на угол более 5°, угле зрения ±25°, входном зрачке более 10 мм изображение обладает сферическими аберрациями, астигматизмом, и говорить о качественном виртуальном изображении не имеет смысла.In the virtual helmet-prototype (RF patent No. 2199772), presented in figure 1, it is stated that if in each channel in front of the corresponding eye of the pilot 2 to install a collimating spherical beam-splitting mirror 1, which is deployed relative to the line of observation of the horizon, while forming a virtual image using the liquid crystal indicator 4 and correct the aberration of the image using the fiber optic screen 3, which has a spherical surface and coincides with the focal surface of a spherical If there is 1 mirror, then the virtual image for the pilot is formed with minimal geometric (including spherical) aberrations. The calculations showed that when the spherical mirror 1 is rotated relative to the horizon observation line by an angle of more than 5 °, a viewing angle of ± 25 °, and an entrance pupil of more than 10 mm, the image has spherical aberrations, astigmatism, and it makes no sense to talk about a high-quality virtual image.

Для определения формы и положения световолоконного экрана 3 относительно сферического зеркала 1, величины его сферических аберраций необходимо провести теоретические расчеты, для чего используем фиг.2, на которой изображена сферическая поверхность зеркала 1 радиусом кривизны R, поверхность световолоконного экрана 3, которую необходимо расчитать, при этом проекция глаза пилота на оптическую ось зеркала находится на расстоянии d от центра кривизны зеркала 1, L - смещение глаза вниз от оси зеркала, что эквивалентно развороту зеркала 1 относительно линии наблюдения горизонта глазами пилота на угол arctg(L/R). В результате расчетов необходимо было определить форму и положение световолоконного экрана 3, при использовании которого при входном зрачке h и угле зрения ±25° сферические аберрации минимальны. Для расчета поверхности световолоконного экрана 3 необходимо через центр хрусталика глаза провести два параллельных идеальных луча света с минимальным отклонением друг от друга δ, которые после отражения от поверхности зеркала 1 пересекутся на поверхности световолоконного экрана 3. Изменяя угол наклона лучей в диапазоне -25°÷15°, достаточно просто определить форму и положение световолоконного экрана 3. Для расчета сферических аберраций достаточно сравнить форму и положение световолоконной шайбы 3 при малых значениях δ и значениях h и определить такие параметры оптической схемы, при которых форма и положение световолоконного экрана совпадают.To determine the shape and position of the fiber optic screen 3 relative to the spherical mirror 1, the magnitude of its spherical aberrations, it is necessary to carry out theoretical calculations, for which we use figure 2, which shows the spherical surface of the mirror 1 with a radius of curvature R, the surface of the fiber optic screen 3, which must be calculated, when the projection of the pilot’s eye on the optical axis of the mirror is at a distance d from the center of curvature of the mirror 1, L is the displacement of the eye down from the axis of the mirror, which is equivalent to turning the mirror 1 The line of observation of the horizon through the eyes of the pilot at an angle arctg (L / R). As a result of the calculations, it was necessary to determine the shape and position of the optical fiber screen 3, when using which, at the entrance pupil h and an angle of view of ± 25 °, spherical aberrations are minimal. To calculate the surface of the fiber optic screen 3, it is necessary to draw two parallel ideal light beams through the center of the lens of the eye with a minimum deviation from each other δ, which, after reflection from the surface of the mirror 1, intersect on the surface of the fiber optic screen 3. Changing the angle of inclination of the rays in the range -25 ° ÷ 15 °, it is simple enough to determine the shape and position of the fiber optic screen 3. To calculate spherical aberrations, it is sufficient to compare the shape and position of the fiber optic washer 3 for small δ and h and divide such parameters of the optical scheme in which the shape and position of the fiber optic screen coincide.

Исходя из вышеизложенного и фиг.2 можно установить, что луч света, идущий через центр хрусталика глаза под углом α к линии наблюдения горизонта, отклоняется зеркалом 1 на угол:Based on the foregoing and FIG. 2, it can be established that a ray of light traveling through the center of the lens of the eye at an angle α to the observation line of the horizon is deflected by mirror 1 by an angle:

где α - угол прохождения луча света через глаз пилота.where α is the angle of the light beam passing through the pilot’s eye.

Луч света, идущий параллельно первому лучу света и смещенный на величину δ, отклоняется зеркалом на угол:A ray of light parallel to the first ray of light and offset by δ is deflected by an angle by the mirror:

Тогда расстояние от крайнего края сферического зеркала 1 до поверхности световолоконного экрана 3 равно:Then the distance from the extreme edge of the spherical mirror 1 to the surface of the fiber optic screen 3 is equal to:

где β_c=(β+β')/2.where β _c = (β + β ') / 2.

На фиг.3 представлены результаты расчетов формы и положения поверхности световолоконного экрана 3. На первом графике представлены форма и положение поверхности световолоконного экрана 3 в случае, когда зеркало не повернуто (L=0, при этом линия наблюдения горизонта глазами совпадает с оптической осью зеркала), при радиусе кривизны зеркала 120 мм. Рассчитанная поверхность световолоконного экрана 3 имеет форму параболоида вращения, которую при малых углах α можно аппроксимировать сферой, при этом поверхность световолоконного экрана 3 расположена в фокальной поверхности сферического зеркала 1, так же, как и в изобретении-прототипе. Также в результате расчетов было установлено, что минимальные сферические аберрации достигаются при положении глаза пилота в центре кривизны зеркала (d=0).Figure 3 presents the results of calculating the shape and position of the surface of the fiber optic screen 3. The first graph shows the shape and position of the surface of the fiber optic screen 3 in the case when the mirror is not rotated (L = 0, while the horizon observation line with the eyes coincides with the optical axis of the mirror) , with a radius of curvature of the mirror of 120 mm. The calculated surface of the fiber optic screen 3 has the shape of a paraboloid of revolution, which can be approximated by a sphere at small angles α, while the surface of the fiber optic screen 3 is located in the focal surface of the spherical mirror 1, as in the prototype invention. Also, as a result of calculations, it was found that the minimum spherical aberration is achieved when the pilot's eye is in the center of curvature of the mirror (d = 0).

На втором графике показаны форма и положения поверхности световолоконного экрана 3 в случае разворота сферического коллимирующего зеркала 1 на угол 14° (L=30), при радиусе кривизны зеркала 120 мм. Если на фиг.3 сравнить график 1 и график 2, то видно, что при развороте сферического зеркала на 14° относительно наблюдения линии горизонта глазами пилота необходимо поверхность световолоконного экрана 3 приблизить к поверхности сферического зеркала на 5,5 мм от фокальной поверхности сферического зеркала и развернуть его. Было также установлено - минимальные сферические аберрации достигаются при положении глаза пилота в центре кривизны зеркала (d=0). Так как в другой плоскости изображения, в которой не производится разворот сферического зеркала, не происходит изменение положения световолоконного экрана, то появляется астигматизм.The second graph shows the shape and position of the surface of the optical fiber screen 3 in the case of a spherical collimating mirror 1 being rotated by an angle of 14 ° (L = 30), with a mirror curvature radius of 120 mm. If we compare graph 1 and graph 2 in FIG. 3, it can be seen that when the spherical mirror is rotated by 14 ° relative to the observation of the horizon by the pilot’s eyes, it is necessary to bring the surface of the fiber optic screen 3 closer to the surface of the spherical mirror 5.5 mm from the focal surface of the spherical mirror and expand it. It was also found that minimal spherical aberrations are achieved when the pilot's eye is in the center of curvature of the mirror (d = 0). Since in the other image plane, in which the spherical mirror is not rotated, there is no change in the position of the optical fiber screen, astigmatism appears.

Совмещение изображений в разных плоскостях (сагиттальной и меридиональной) невозможно с помощью каких-либо оптических компенсаторов. Совмещение изображений в разных плоскостях в данном случае возможно, если в сагиттальном сечении увеличить радиус кривизны зеркала 1. На графике 3 фиг.3 представлены форма и положения поверхности световолоконного экрана 3 в случае разворота зеркала в сагиттальной плоскости на угол 14° (L=30), при радиусе кривизны сферического зеркала 130 мм. В связи с этим поверхность коллимирующего зеркала должна иметь тороидальную форму (разный радиус кривизны в сагиттальной и меридиональной плоскостях). Как видно, при использовании подобной коррекции, положение и формы световолоконного экрана 3 в сагиттальной и меридиональной плоскостях совпадают в двух точках, при этом взаимный наклон поверхностей световолоконного экрана в разных плоскостях сохранился.The combination of images in different planes (sagittal and meridional) is impossible with the help of any optical compensators. The combination of images in different planes in this case is possible if the radius of curvature of mirror 1 is increased in the sagittal cross section. Figure 3 in Fig. 3 shows the shape and position of the surface of the fiber optic screen 3 in the case of a mirror turning in the sagittal plane by an angle of 14 ° (L = 30) , with a radius of curvature of a spherical mirror of 130 mm. In this regard, the surface of the collimating mirror should have a toroidal shape (different radius of curvature in the sagittal and meridional planes). As you can see, when using this correction, the position and shape of the fiber optic screen 3 in the sagittal and meridional planes coincide at two points, while the mutual inclination of the surfaces of the fiber optic screen in different planes is preserved.

Тороидальное зеркало изготовить достаточно сложно, проще для перемещения изображения использовать положительную линзу. Стандартные расчеты показывают, что если использовать положительную линзу с фокальным расстоянием 40 мм, расположить объект вдоль оптической оси на расстоянии на 13,5 мм от линзы, то изображение объекта переместится на расстояние 18,5 мм от линзы с увеличением 1,37 крат. Наклон изображения можно компенсировать, используя оптический клин. В связи с этим для того чтобы компенсировать астигматизм в разных плоскостях, необходимо изображение в одной плоскости переместить в пространстве относительно второй плоскости (сагиттальной или меридиональной, в зависимости в какой плоскости осуществлен разворот коллимирующего сферического зеркала), для чего используется цилиндрическая положительная линза. При этом сохранился один недостаток - разная форма прогиба световолоконного экрана и его изображения в разных плоскостях. В результате расчетов было установлено, что данный недостаток легко устраняется использованием той же положительной цилиндрической линзой, имеющей асферическую (параболическую) поверхность. При этом расчетами установлено, что виртуальное изображении имеет такие аберрации как дисторсия, кома, компенсация которых может быть осуществлена электронным путем и путем формирования изображения световолоконным экраном (геометрическое изменение изображения при укладке световодов экрана). Также необходимо учитывать разную величину изображения в разных плоскостях, так как цилиндрическая линза создает разное увеличение изображения в разных плоскостях.It is rather difficult to make a toroidal mirror, it is easier to use a positive lens to move the image. Standard calculations show that if you use a positive lens with a focal distance of 40 mm, place the object along the optical axis at a distance of 13.5 mm from the lens, the image of the object will move to a distance of 18.5 mm from the lens with an increase of 1.37 times. The tilt of the image can be compensated using an optical wedge. In this regard, in order to compensate for astigmatism in different planes, it is necessary to move the image in one plane in space relative to the second plane (sagittal or meridional, depending on which plane the collimating spherical mirror is rotated), for which a cylindrical positive lens is used. At the same time, one drawback remained - a different form of deflection of the fiber optic screen and its image in different planes. As a result of calculations, it was found that this drawback is easily eliminated using the same positive cylindrical lens having an aspherical (parabolic) surface. In this case, the calculations established that the virtual image has such aberrations as distortion, coma, the compensation of which can be carried out electronically and by forming an image with a fiber optic screen (geometric image change when laying the optical fibers of the screen). It is also necessary to take into account different image sizes in different planes, since a cylindrical lens creates different image magnifications in different planes.

В результате вышеприведенных расчетов была предложена схема виртуального шлема, представленного на фиг.4, - виртуальный шлем, состоящий из двух одинаковых каналов, каждый из которых в свою очередь состоит из развернутого относительно оси наблюдения горизонта сферического полупрозрачного зеркала 1, расположенного перед соответствующим глазом оператора (летчика) 2 и делящего наблюдаемое пространство на два канала - реальный и виртуальный, при этом информация о виртуальном изображении формируется с помощью последовательно расположенных по ходу световых лучей жидкокристаллического индикатора 4, световолоконнго экрана с параболической формой поверхности 3, оптического клина 5, корректирующей цилиндрической асферической линзы 6 и сферического полупрозрачного зеркала 1.As a result of the above calculations, a virtual helmet scheme was proposed, as shown in Fig. 4, a virtual helmet consisting of two identical channels, each of which in turn consists of a spherical translucent mirror 1, which is unfolded relative to the observation axis, located in front of the corresponding operator’s eye ( pilot) 2 and dividing the observed space into two channels - real and virtual, while information about the virtual image is generated using sequentially located about the path of the light rays of the liquid crystal indicator 4, a fiber optic screen with a parabolic surface 3, an optical wedge 5, a corrective cylindrical aspherical lens 6 and a spherical translucent mirror 1.

Виртуальный шлем работает следующим образом: лучи света, идущие от поверхности жидкокристаллического индикатора 4, корректируются с помощью световолоконного экрана 3, имеющего параболическую форму, при этом световоды в нем расположены таким образом, чтобы скорректировать дисторсию и кому, далее по ходу лучей света изображение последовательно разворачивается с помощью оптического клина 5 на угол, соответствующий углу разворота сферического зеркала 1 относительно линии наблюдения горозонта, и корректируется цилиндрической асферической линзой 6. Далее сферическое полупрозрачное зеркало 1, развернутое на определенный угол относительно линии наблюдения горизонта, формирует виртуальное изображение для пилота, при этом пилот имеет возможность через сферическое полупрозрачное зеркало 1 наблюдать окружающее пространство. Очередность расположения оптического клина 5 и цилиндрической асферической линзы 6 по ходу лучей может меняться. На фиг.4 ориентация оптического клина 5 и цилиндрической асферической линзы 6 указаны условно, так как в представленной плоскости коррекция изображения не нужна.The virtual helmet works as follows: the light rays coming from the surface of the liquid crystal indicator 4 are corrected using a fiber optic screen 3 having a parabolic shape, while the optical fibers are arranged in such a way as to correct distortion and to whom, further along the path of the light rays, the image is sequentially deployed using an optical wedge 5 at an angle corresponding to the angle of rotation of the spherical mirror 1 relative to the observation line of the horizon, and is adjusted by a cylindrical aspherical lens 6. Next, the spherical translucent mirror 1, rotated at a certain angle relative to the horizon observation line, forms a virtual image for the pilot, while the pilot has the opportunity to observe the surrounding space through the spherical translucent mirror 1. The sequence of arrangement of the optical wedge 5 and the cylindrical aspherical lens 6 along the rays can vary. 4, the orientation of the optical wedge 5 and the cylindrical aspherical lens 6 are indicated conditionally, since image correction is not needed in the presented plane.

Так как при изменении положения глаз в пространстве относительно сферического зеркала 1 происходит изменение аберрации, в первую очередь дисторсии, то необходим контроль положения глаз пилота относительно зеркала 1, что достигается установкой на сферическом зеркале 1 видеокамеры 8, которая передает информацию о положении глаза в блок коррекции и формирования изображения 10, который в соответствии с полученной информацией корректирует аберрации изображения на жидкокристаллическом индикаторе 4.Since when changing the position of the eyes in space relative to the spherical mirror 1, a change in aberration occurs, primarily distortion, it is necessary to control the position of the pilot's eyes relative to mirror 1, which is achieved by installing a video camera 8 on the spherical mirror 1, which transmits information about the position of the eye to the correction unit and forming an image 10, which in accordance with the received information corrects the aberration of the image on the liquid crystal display 4.

Claims

1. A virtual helmet, which includes two identical channels, each of which includes a liquid crystal indicator and a fiber optic screen arranged in series along the light rays, as well as a spherical collimating mirror, characterized in that an optical wedge and a corrective cylindrical lens are additionally introduced into each of the channels an aspherical lens, and a fiber optic screen is made with a parabolic surface.

2. The virtual helmet according to claim 1, characterized in that an additional video camera for observing the position of the eye is attached to the spherical collimating mirror and, associated with it, a correction unit for generating a correction image on the liquid crystal display.