RU2413264C2 - Image reproducing apparatus (versions) - Google Patents
Image reproducing apparatus (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2413264C2 RU2413264C2 RU2009105185/28A RU2009105185A RU2413264C2 RU 2413264 C2 RU2413264 C2 RU 2413264C2 RU 2009105185/28 A RU2009105185/28 A RU 2009105185/28A RU 2009105185 A RU2009105185 A RU 2009105185A RU 2413264 C2 RU2413264 C2 RU 2413264C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- image
- air defense
- possibility
- stereo pair
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптики, а именно к устройствам для воспроизведения стереоскопического изображения, а также воспроизведения комбинации из виртуального изображения и изображения окружающей обстановки, и может применяться в приложениях расширенной реальности (augmented reality), выполненных, в том числе, в виде очков или шлема на выставках, в музеях, театрах, концертных и спортивных залах, на стадионах и спортивных площадках, в видеорекламе, в машинах, игровых и тренажерных системах и в других местах, где необходимо видеть не только виртуальное одномерное/стереоскопическое изображение, сгенерированное внутренним средством отображения (например, микродисплеем), но также изображение реальной окружающей обстановки. Таким образом, оно может быть использовано в приложениях расширенной реальности (augmented reality).The invention relates to the field of optics, namely, devices for reproducing a stereoscopic image, as well as reproducing a combination of a virtual image and an image of the environment, and can be used in augmented reality applications, made in the form of glasses or a helmet at exhibitions, in museums, theaters, concert and sports halls, at stadiums and sports fields, in video ads, in cars, game and training systems and in other places where you need to see not only irtualnoe dimensional / stereoscopic image display generated by internal means (e.g., microdisplay), but also a real image of the environment. Thus, it can be used in augmented reality applications.
Устройства воспроизведения виртуального изображения, как правило, носят на голове и монтируют на шлем, при этом они имеют формирующую оптическую систему перед каждым глазом пользователя. Существуют также и монокуляры со встроенным дисплеем, которые имеют формирующую оптическую систему только перед одним глазом.Virtual image reproduction devices are usually worn on the head and mounted on a helmet, while they have a forming optical system in front of each eye of the user. There are also monoculars with an integrated display, which have a forming optical system in front of just one eye.
Известны устройства воспроизведения виртуального изображения (виртуальные дисплеи), которые могут обеспечить просмотр виртуального изображения, формируемого внутренним средством отображения (например, микродисплеем), и/или изображения окружающей обстановки.Known devices for reproducing a virtual image (virtual displays), which can provide a view of the virtual image formed by the internal display means (for example, microdisplay), and / or image of the environment.
Многие современные устройства воспроизведения стереоскопического изображения функционируют следующим образом. Средство отображения (например, микродисплей) воспроизводит разделенные по времени изображения стереопары для левого и правого глаз пользователя, а управляемая электронной схемой синхронизации оптическая система делает прозрачным только один окуляр для одного глаза пользователя во время отображения соответствующего изображения стереопары, то есть окуляр левого глаза прозрачен, а окуляр правого глаза не прозрачен при отображении левого изображения стереопары и, наоборот, при отображении правого изображения стереопары. Таким образом, при быстрой смене изображений стереопары наблюдатель видит левым и правым глазом два разных изображения, но воспринимает их как единое трехмерное изображение.Many modern devices for reproducing stereoscopic images operate as follows. The display means (for example, a microdisplay) reproduces time-divided images of the stereo pair for the left and right eyes of the user, and the optical system controlled by the electronic synchronization circuit makes only one eyepiece transparent for one eye of the user while the corresponding image of the stereo pair is displayed, i.e. the eyepiece of the left eye is transparent, and the eyepiece of the right eye is not transparent when displaying the left image of a stereo pair and, conversely, when displaying the right image of a stereo pair. Thus, when changing stereopair images quickly, the observer sees two different images with his left and right eyes, but perceives them as a single three-dimensional image.
Известно устройство воспроизведения стереоскопического изображения, описанное в патентной заявке США №2002/0122145, которое содержит средство отображения, выполненное с возможностью поочередного формирования левого и правого изображений стереопары соответственно для левого и правого глаза пользователя, а также оптические системы левого и правого окуляра, каждая из которых включает в себя первый поляризатор, расположенный между средством отображения и глазом пользователя, второй поляризатор, расположенный между первым поляризатором и глазом пользователя, причем оси поляризации первого и второго поляризаторов ортогональны, а также управляемый вращатель плоскости поляризации, расположенный между первым и вторым поляризаторами и соединенный с электронной схемой синхронизации, которая подключена к средству отображения и выполнена с возможностью управления вращателями плоскости поляризации и синхронизации вращателей плоскости поляризации со средством отображения. Действие данного устройства основано на временном разделении левого и правого изображений стереопары с помощью оптических систем окуляров, которые работают синхронно со средством отображения под управлением электронной схемы синхронизации, поэтому они прозрачны для одного глаза в момент показа соответствующего изображения стереопары. Свет с изображением стереопары от средства отображения проходит в окуляр через первый поляризатор, его плоскость поляризации поворачивается (при необходимости) управляемым вращателем плоскости поляризации на 90° и поглощается вторым поляризатором (в случае, если состояние поляризации света было изменено вращателем плоскости поляризации).A device for reproducing a stereoscopic image described in US patent application No. 2002/0122145, which contains a display device configured to alternately generate left and right images of a stereo pair for the left and right eyes of the user, respectively, as well as optical systems of the left and right eyepiece, each of which includes a first polarizer located between the display means and the user's eye, a second polarizer located between the first polarizer and user interface, and the polarization axes of the first and second polarizers are orthogonal, as well as a controlled rotator of the plane of polarization located between the first and second polarizers and connected to an electronic synchronization circuit that is connected to the display means and configured to control the rotators of the polarization plane and synchronize the rotators of the polarization plane with display tool. The operation of this device is based on the temporary separation of the left and right images of the stereo pair using optical eyepiece systems that work in synchronization with the display means under the control of the electronic synchronization circuit, therefore they are transparent to one eye at the time of displaying the corresponding image of the stereo pair. Light with the image of a stereo pair from the imaging medium passes into the eyepiece through the first polarizer, its plane of polarization is rotated (if necessary) by a 90 ° polarized plane rotator and absorbed by the second polarizer (if the state of light polarization has been changed by the polarized plane rotator).
Недостаток данного устройства заключается в том, что в случае использования устройства отображения с линейно поляризованным излучением (например, ЖК дисплея) при вращении очков вокруг нормали к поверхности окуляров будет происходить изменение яркости изображения. Яркость изображения будет меняться по закону косинусов в зависимости от угла между плоскостью поляризации света, выходящего из ЖК дисплея, и плоскостью поляризации света, пропущенного первым поляризатором. Таким образом, качество стереоскопического изображения воспроизводимого системой прототипа нестабильно при вращении очков вокруг нормали к поверхности окуляров.The disadvantage of this device is that in the case of using a display device with linearly polarized radiation (for example, an LCD display), when the glasses rotate around the normal to the surface of the eyepieces, the image brightness will change. The brightness of the image will vary according to the law of cosines depending on the angle between the plane of polarization of the light emerging from the LCD display and the plane of polarization of the light transmitted by the first polarizer. Thus, the quality of the stereoscopic image reproduced by the prototype system is unstable when the glasses rotate around the normal to the surface of the eyepieces.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство одновременного воспроизведения виртуального изображения и изображения окружающей обстановки, описанное в патенте США №6,147,807, которое содержит средство отображения (дисплей), выполненное с возможностью формирования виртуального изображения, первую призму, которая имеет первую поверхность, выполненную с возможностью дифрагирования виртуального изображения и изображения внешней обстановки, вторую и третью поверхности, выполненные с возможностью отражения дифрагировавших виртуального изображения и изображения окружающей обстановки в зрачок глаза пользователя устройством (далее «наблюдателем»), а также вторую призму, примыкающую к первой призме и выполненную с возможностью направления изображения окружающей обстановки на первую призму. Данное устройство выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.Closest to the claimed invention is a device for simultaneous reproduction of a virtual image and an image of the environment described in US patent No. 6,147,807, which contains display means (display) configured to form a virtual image, a first prism that has a first surface configured to diffract virtual images and images of the external environment, the second and third surfaces, made with the possibility of reflection diffracted x virtual image and the image of the environment in the user device pupil of the eye (the "observer") and a second prism adjacent to the first prism and configured to guide the image of the environment on the first prism. This device is selected as a prototype of the claimed invention.
К недостатку прототипа можно отнести то, что он не позволяет наблюдать окружающую обстановку без применения дифракционной поверхности, которая снижает эффективность работы всего устройства. В случае использования дифракционной поверхности для обеспечения приемлемой яркости необходимо применять средство отображения (дисплей) с увеличенным световым потоком, что приводит к увеличению энергопотребления и веса. Кроме того, устройство прототипа не позволяет наблюдать стереоизображение.The disadvantage of the prototype can be attributed to the fact that it does not allow you to observe the environment without the use of a diffractive surface, which reduces the efficiency of the entire device. In the case of using a diffraction surface to ensure acceptable brightness, it is necessary to use a display device (display) with an increased luminous flux, which leads to an increase in energy consumption and weight. In addition, the prototype device does not allow to observe the stereo image.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для воспроизведения одномерного или стереоскопического виртуального изображения и изображения окружающей обстановки с повышенной эффективностью работы, с уменьшенным энергопотреблением и весом.The objective of the invention is the creation of a device for reproducing a one-dimensional or stereoscopic virtual image and image of the environment with increased efficiency, with reduced power consumption and weight.
Для решения этой задачи были рассмотрены варианты, обеспечивающие возможность отображения стереоизображения за счет использования явления нарушения полного внутреннего отражения (далее ПВО или FTIR - frustrated total internal reflection) для чередования изображения окружающей обстановки и виртуального изображения, сформированного встроенным средством отображения (дисплеем), а именно за счет применения оптического элемента с ПВО, выполненного с возможностью поочередного присоединения к поверхности оптического элемента распределения оптического пути, при этом нарушения полного внутреннего отражения поверхности и переключения изображения окружающей обстановки и виртуального изображения или переключения изображений стереопары между правым и левым глазом.To solve this problem, options were considered that provide the ability to display stereo images by using the phenomenon of violation of total internal reflection (hereinafter referred to as air defense or FTIR - frustrated total internal reflection) to alternate the image of the environment and a virtual image generated by the built-in display (display), namely due to the use of an optical element with air defense, made with the possibility of alternately attaching to the surface of the optical element of the distribution of the optical path, at the same time, violations of the total internal reflection of the surface and switching the image of the environment and the virtual image or switching the image of a stereo pair between the right and left eye.
Технический результат достигнут за счет создания устройства воспроизведения изображения, содержащего, по меньшей мере, одно средство отображения, оптический элемент с полным внутренним отражением (ПВО), соединенный с приводом, и, по меньшей мере, один оптический элемент распределения оптического пути, причем оптический элемент с ПВО выполнен с возможностью формирования оптического пути для передачи изображения окружающей обстановки непосредственно от окружающей обстановки к, по меньшей мере, одному оптическому элементу распределения оптического пути, который выполнен с возможностью формирования оптического пути для передачи изображения окружающей обстановки от оптического элемента с ПВО, по меньшей мере, к одному глазу наблюдателя и с возможностью формирования оптического пути для передачи виртуального изображения от средства отображения к, по меньшей мере, одному глазу наблюдателя, причем оптический элемент распределения оптического пути имеет поверхность с контролируемым ПВО, выполненную с возможностью полного внутреннего отражения или преломления виртуального изображения и изображения окружающей обстановки, при этом привод выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО в два положения, первое и второе, причем в первом положении оптический элемент с ПВО расположен на расстоянии от поверхности с контролируемым ПВО, при этом поверхность с контролируемым ПВО за счет явления полного внутреннего отражения отражает виртуальное изображение в направлении, по меньшей мере, одного глаза наблюдателя, а во втором положении оптический элемент с ПВО примыкает к поверхности с контролируемым ПВО, нарушая ее полное внутреннее отражение, при этом поверхность с контролируемым ПВО преломляет изображение окружающей обстановки внутрь оптического элемента распределения оптического пути в направлении, по меньшей мере, одного глаза наблюдателя.The technical result is achieved by creating an image reproducing device containing at least one display means, an optical element with total internal reflection (ATO) connected to the drive, and at least one optical distribution element of the optical path, the optical element with air defense made with the possibility of forming an optical path for transmitting an image of the environment directly from the environment to at least one optical distribution element optical path, which is configured to form an optical path for transmitting an environmental image from an optical element with air defense to at least one eye of the observer and with the possibility of forming an optical path for transmitting a virtual image from the display means to at least one eye observer, moreover, the optical distribution element of the optical path has a surface with controlled air defense, made with the possibility of complete internal reflection or refraction of the virtual image and the image of the environment, while the drive is configured to switch the optical element from air defense in two positions, the first and second, and in the first position, the optical element with air defense is located at a distance from the surface with controlled air defense, while the surface with controlled air defense is the total internal reflection phenomenon reflects a virtual image in the direction of at least one observer’s eye, and in the second position, the optical element with air defense is adjacent to the surface with the control controlled air defense, violating its total internal reflection, while the surface with controlled air defense refracts the image of the environment inside the optical distribution element of the optical path in the direction of at least one eye of the observer.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы средство отображения было выполнено в виде микродисплея.For the operation of the device, it makes sense that the display means was made in the form of a microdisplay.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оно дополнительно содержало держатель, выполненный с возможностью крепления устройства на голове наблюдателя.For the functioning of the device, it makes sense that it additionally contains a holder configured to mount the device on the head of the observer.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы держатель был выполнен в виде головного убора, например шлема.For the functioning of the device, it makes sense that the holder was made in the form of a hat, for example a helmet.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО с частотой, при которой наблюдатель видит одновременно виртуальное изображение и изображение окружающей обстановки.For the functioning of the device, it makes sense that the drive is capable of switching an optical element with air defense at a frequency at which the observer sees both a virtual image and an image of the environment.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО с частотой, по меньшей мере, пятьдесят герц.For the operation of the device, it makes sense that the drive is configured to switch the optical element from the air defense with a frequency of at least fifty hertz.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был выполнен в виде привода, выбранного из набора приводов, включающего электромеханический привод и пьезоэлектрический привод.For the operation of the device, it makes sense that the drive was made in the form of a drive selected from a set of drives, including an electromechanical drive and a piezoelectric drive.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был соединен со средством отображения через электронную схему синхронизации, выполненную с возможностью задания частоты переключения привода и ее синхронизации с частотой формирования виртуального изображения.For the operation of the device, it makes sense that the drive is connected to the display means through an electronic synchronization circuit configured to set the switching frequency of the drive and synchronize it with the frequency of the virtual image formation.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы в первом положении оптический элемент с ПВО был расположен от поверхности с контролируемым ПВО на расстоянии, предпочтительно равном длине волны.For the operation of the device, it makes sense that in the first position the optical element with air defense was located from a surface with controlled air defense at a distance, preferably equal to the wavelength.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент с ПВО был выполнен в виде оптической призмы с компенсатором оптической силы.For the operation of the device, it makes sense that the optical element with air defense was made in the form of an optical prism with an optical power compensator.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент распределения оптического пути был выполнен в виде трехгранной оптической призмы.For the operation of the device, it makes sense that the optical distribution element of the optical path was made in the form of a trihedral optical prism.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент распределения оптического пути был выполнен в виде четырехгранной оптической призмы.For the operation of the device, it makes sense that the optical distribution element of the optical path was made in the form of a tetrahedral optical prism.
Во втором варианте устройства воспроизведения изображения, которое связано с вышеописанным вариантом единым изобретательским замыслом, технический результат достигнут за счет создания устройства воспроизведения изображения, содержащего средство отображения, выполненное с возможностью поочередного формирования правого и левого изображения стереопары, оптический элемент распределения оптического пути, выполненный с возможностью распределения потока излучения с изображением стереопары вдоль оптического пути для правого глаза и вдоль оптического пути для левого глаза, а также оптическую систему правого окуляра, расположенную с одной стороны от оптического элемента распределения оптического пути, и оптическую систему левого окуляра, расположенную с другой стороны от оптического элемента распределения оптического пути, при этом оптический элемент распределения оптического пути содержит поверхность с контролируемым полным внутренним отражением (ПВО), которая имеет первую и вторую часть, причем первая часть выполнена с возможностью полного внутреннего отражения изображения стереопары в оптическую систему правого окуляра, а вторая часть с возможностью полного внутреннего отражения потока излучения с изображением в оптическую систему левого окуляра, причем оптическая система правого окуляра выполнена с возможностью направления изображения стереопары из оптического пути для правого глаза на правый глаз и оптическая система левого окуляра выполнена с возможностью направления изображения стереопары из оптического пути для левого глаза на левый глаз, при этом устройство дополнительно содержит оптический элемент с ПВО и привод оптического элемента с ПВО, который соединен со средством отображения через схему синхронизации, причем оптический элемент с ПВО выполнен из светопоглощающего материала с возможностью примыкания к первой части поверхности с контролируемым ПВО в первом положении и ко второй части поверхности с контролируемым ПВО во втором положении, а привод оптического элемента с ПВО выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО в первое и второе положение с частотой формирования изображений стереопары, при этом схема синхронизации выполнена с возможностью синхронизации работы средства отображения с приводом оптического элемента с ПВО, при которой привод переключает оптический элемент с ПВО в первое положение, когда средство отображения формирует правое изображение стереопары, и во второе положение, когда средство отображения формирует левое изображение стереопары, причем в первом положении используют явление нарушения полного внутреннего отражения первой части поверхности с контролируемым ПВО, в связи с чем часть правого изображения стереопары проходит через первую часть поверхности с ПВО и затем поглощается в оптическом элементе с ПВО, а остальная часть правого изображения стереопары отражается за счет эффекта полного внутреннего отражения от второй части поверхности с контролируемым ПВО, затем проходит через оптическую систему правого окуляра и падает на правый глаз наблюдателя, а во втором положении используют явление нарушения полного внутреннего отражения второй части поверхности с контролируемым ПВО, в связи с чем часть левого изображения стереопары проходит через вторую часть поверхности с контролируемым ПВО и затем поглощается в оптическом элементе с ПВО, а остальная часть левого изображения стереопары отражается за счет эффекта полного внутреннего отражения от первой части поверхности с ПВО, затем проходит через оптическую систему левого окуляра и падает на левый глаз наблюдателя, при этом привод оптического элемента с ПВО выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО с частотой, при которой наблюдатель видит одновременно правое и левое изображения стереопары.In the second embodiment of the image reproducing device, which is associated with the unified inventive conception described above, the technical result is achieved by creating an image reproducing device containing display means configured to alternately form the right and left stereopair images, an optical distribution element of the optical path, configured to distribution of the radiation flux depicting a stereo pair along the optical path for the right eye and in the optical path for the left eye, as well as the optical system of the right eyepiece, located on one side of the optical distribution element of the optical path, and the optical system of the left eyepiece, located on the other side of the optical distribution element of the optical path, while the optical distribution element of the optical path contains a surface with controlled total internal reflection (AA), which has a first and second part, and the first part is made with the possibility of total internal reflection image of the stereo pair into the optical system of the right eyepiece, and the second part with the possibility of complete internal reflection of the radiation flux with the image into the optical system of the left eyepiece, the optical system of the right eyepiece is configured to direct the image of the stereo pair from the optical path for the right eye to the right eye and the optical system of the left the eyepiece is configured to direct the image of the stereo pair from the optical path for the left eye to the left eye, while the device further comprises an optical element with air defense and an optical element drive with air defense, which is connected to the display means through a synchronization circuit, and the optical element with air defense is made of light-absorbing material with the ability to adjoin the first part of the surface with controlled air defense in the first position and to the second part of the surface with controlled air defense in the second position, and the optical element drive with air defense is configured to switch the optical element from air defense to the first and second position with a stereo imaging frequency pairs, while the synchronization circuit is configured to synchronize the operation of the display means with the drive of the optical element with air defense, in which the drive switches the optical element with air defense to the first position when the display means forms the right image of the stereo pair, and to the second position when the display means forms the left image of a stereo pair, and in the first position they use the phenomenon of violation of the total internal reflection of the first part of the surface with controlled air defense, in connection with which part of the right the stereopair’s movements pass through the first part of the surface with air defense and then is absorbed in the optical element with air defense, and the rest of the right image of the stereo pair is reflected due to the effect of total internal reflection from the second part of the surface with controlled air defense, then passes through the optical system of the right eyepiece and falls on the right the observer’s eye, and in the second position, the phenomenon of violation of the total internal reflection of the second part of the surface with controlled air defense is used, in connection with which part of the left stereo image It passes through the second part of the surface with controlled air defense and is then absorbed in the optical element with air defense, and the rest of the left image of the stereo pair is reflected due to the effect of total internal reflection from the first part of the surface with air defense, then passes through the optical system of the left eyepiece and falls on the left eye the observer, while the optical element drive with air defense is configured to switch the optical element with air defense with a frequency at which the observer sees both the right and left stereo images couples.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы средство отображения было выполнено в виде микродисплея.For the operation of the device, it makes sense that the display means was made in the form of a microdisplay.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оно дополнительно содержало держатель, выполненный с возможностью крепления устройства на голове наблюдателя.For the functioning of the device, it makes sense that it additionally contains a holder configured to mount the device on the head of the observer.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы держатель был выполнен в виде головного убора, например шлема.For the functioning of the device, it makes sense that the holder was made in the form of a hat, for example a helmet.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод был выполнен в виде привода, выбранного из набора приводов, включающего электромеханический привод и пьезоэлектрический привод.For the operation of the device, it makes sense that the drive was made in the form of a drive selected from a set of drives, including an electromechanical drive and a piezoelectric drive.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы привод оптического элемента с ПВО был выполнен с возможностью переключения оптического элемента с ПВО с частотой, по меньшей мере, в пятьдесят герц.For the operation of the device, it makes sense that the drive of the optical element with air defense was made with the possibility of switching the optical element with air defense with a frequency of at least fifty hertz.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент распределения оптического пути был выполнен в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, четыре поверхности, первую преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, распространяющегося от средства отображения, на вторую поверхность с контролируемым ПВО, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары на третью и четвертую преломляющие поверхности, каждая из которых выполнена с возможностью преломления изображения стереопары, на соответствующую оптическую систему окуляра.For the operation of the device, it makes sense that the optical distribution element of the optical path was made in the form of an optical prism, which has at least four surfaces, a first refracting surface configured to refract the image of the stereo pair propagating from the display means onto a second surface with a controllable Air defense made with the possibility of refraction of the image of the stereo pair on the third and fourth refractive surfaces, each of which is made with the possibility of pre Lenia image stereo pair, the corresponding optical eyepiece system.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптическая система окуляра была выполнена в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, три поверхности, первую преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, распространяющегося от оптического элемента распределения оптического пути, на вторую отражающую поверхность, выполненную с возможностью отражения изображения стереопары на третью отражающую поверхность, выполненную с возможностью отражения изображения стереопары обратно на вторую отражающую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары на глаз наблюдателя.For the operation of the device, it makes sense that the optical system of the eyepiece was made in the form of an optical prism, which has at least three surfaces, a first refractive surface configured to refract the image of a stereo pair propagating from the optical distribution element of the optical path to the second reflective surface configured to reflect the image of the stereo pair on a third reflective surface configured to reflect the image of the stereo pair back about the second reflective surface, made with the possibility of refraction of the image of the stereo pair in the eye of the observer.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент с ПВО был выполнен в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, две поверхности, первую примыкающую поверхность, выполненную с возможностью примыкания к первой и второй части поверхности с контролируемым ПВО, и вторую поглощающую поверхность, выполненную из светопоглощающего материала с возможностью поглощения потока излучения и изображением стереопары.For the operation of the device, it makes sense that the optical element with air defense was made in the form of an optical prism, which has at least two surfaces, a first adjacent surface configured to adjoin the first and second parts of the surface with controlled air defense, and a second absorbing surface made of light-absorbing material with the possibility of absorbing a radiation flux and the image of a stereo pair.
Для функционирования устройства имеет смысл, чтобы оптический элемент распределения оптического пути был выполнен в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, три поверхности, первую преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, распространяющегося от средства отображения, на вторую поверхность с контролируемым ПВО, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, на третью преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, на оптическую систему окуляра, выполненную в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, три поверхности, первую преломляющую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары, распространяющегося от третьей поверхности оптического элемента распределения оптического пути, на вторую отражающую поверхность, выполненную с возможностью отражения изображения стереопары на третью отражающую поверхность, выполненную с возможностью отражения изображения стереопары обратно на вторую отражающую поверхность, выполненную с возможностью преломления изображения стереопары на глаз наблюдателя, а оптический элемент с ПВО выполнен в виде оптической призмы, которая имеет, по меньшей мере, две поверхности, первую примыкающую поверхность, выполненную с возможностью примыкания к первой и второй части поверхности с контролируемым ПВО, и вторую поглощающую поверхность, выполненную из светопоглощающего материала с возможностью поглощения потока излучения и изображением стереопары.For the operation of the device, it makes sense that the optical distribution element of the optical path was made in the form of an optical prism, which has at least three surfaces, a first refracting surface configured to refract the image of the stereo pair propagating from the display means onto a second surface with a controllable Air defense, made with the possibility of refraction of the image of the stereopair, on the third refractive surface, made with the possibility of refraction of the image of the stereopair, on the optical system of the eyepiece, made in the form of an optical prism, which has at least three surfaces, a first refracting surface configured to refract the image of the stereo pair extending from the third surface of the optical distribution element of the optical path to a second reflective surface, configured to reflecting the stereo pair image onto a third reflective surface configured to reflect the stereo pair image back to the second reflective surface a bridge made with the possibility of refracting the stereo pair image to the observer's eye, and the optical element with air defense is made in the form of an optical prism, which has at least two surfaces, the first adjacent surface, made with the possibility of adjoining to the first and second parts of the surface with controlled air defense and a second absorbing surface made of light-absorbing material with the possibility of absorbing a radiation flux and the image of a stereo pair.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.For a better understanding of the claimed invention the following is a detailed description with the corresponding drawings.
Фиг.1 - схема варианта выполнения устройства для воспроизведения изображения (как виртуального, так и окружающей обстановки) с оптическим элементом распределения оптического пути, выполненным в виде четырехгранной призмы согласно изобретению:Figure 1 - diagram of an embodiment of a device for reproducing an image (both virtual and environmental) with an optical distribution element of the optical path, made in the form of a tetrahedral prism according to the invention:
1.1 - в положении, при котором оптический элемент с полным внутренним отражением (ПВО) примыкает к поверхности оптического элемента распределения оптического пути;1.1 - in the position in which the optical element with total internal reflection (AA) is adjacent to the surface of the optical element of the distribution of the optical path;
1.2 - в положении, при котором оптический элемент с ПВО не примыкает к поверхности оптического элемента распределения оптического пути.1.2 - in a position in which the optical element with air defense does not adjoin the surface of the optical element of the distribution of the optical path.
Фиг.2 - схема варианта выполнения устройства для воспроизведения изображения (как виртуального, так и окружающей обстановки) с оптическим элементом распределения оптического пути, выполненным в виде трехгранной призмы согласно изобретению:Figure 2 is a diagram of an embodiment of a device for reproducing an image (both virtual and environmental) with an optical distribution element of the optical path made in the form of a trihedral prism according to the invention:
2.1 - в положении, при котором оптический элемент с полным внутренним отражением (ПВО) примыкает к поверхности оптического элемента распределения оптического пути;2.1 - in the position in which the optical element with total internal reflection (AA) is adjacent to the surface of the optical element of the distribution of the optical path;
2.2 - в положении, при котором оптический элемент с ПВО не примыкает к поверхности оптического элемента распределения оптического пути.2.2 - in a position in which the optical element with air defense does not adjoin the surface of the optical element of the distribution of the optical path.
Элементы на Фиг.1 и Фиг.2:Elements in figure 1 and figure 2:
11 - средство отображения11 - display means
12 - преломляющая поверхность12 - refractive surface
13 - оптический элемент распределения оптического пути13 - optical element distribution of the optical path
14 - поверхность с полным внутренним отражением14 - surface with total internal reflection
15 - преломляющая поверхность15 - refractive surface
16 - глаз наблюдателя16 - eye of the observer
17 - поверхность с полным внутренним отражением17 - surface with total internal reflection
18 - поверхность с контролируемым полным внутренним отражением18 - surface with controlled total internal reflection
19 - оптический элемент с полным внутренним отражением19 - optical element with total internal reflection
20 - привод оптического элемента с полным внутренним отражением.20 - drive optical element with total internal reflection.
Фиг.3 - схема выполнения устройства воспроизведения стереоскопического изображения согласно изобретению.Figure 3 is a diagram of an apparatus for reproducing a stereoscopic image according to the invention.
Заявленное устройство для воспроизведения моноизображения (Фиг.1-2) содержит средство отображения 11, выполненное в виде микродисплея, оптический элемент 13 распределения оптического пути с поверхностью 18 контролируемого полного внутреннего отражения (ПВО) и двумя преломляющими поверхностями 12, 15, оптического элемента 19 с ПВО, который имеет или не имеет компенсатор оптической силы. Дополнительные оптические элементы перед микродисплеем, глазом или оптическим элементом 19 с ПВО предпочтительно использовать при необходимости улучшения качества изображения в зависимости от выполняемых задач. Описанные элементы расположены перед каждым глазом. Когда происходит полное внутреннее отражение (Фиг.1.1), оптический элемент 19 с ПВО приводится в движение механическим (пьезоэлектрическим, электромеханическим и т.д.) приводом.The claimed device for reproducing a single image (Fig.1-2) contains a
Рассмотрим варианты выполнения заявленного устройства для воспроизведения моноизображения с оптическим элементом распределения оптического пути, выполненным в виде четырехгранной и трехгранной призм согласно изобретению, представленные на Фиг.1 и Фиг.2. Устройство содержит средство 11 отображения, выполненное в виде микродисплея, оптический элемент 19 с полным внутренним отражением (ПВО), соединенный с приводом 20, и оптический элемент 13 распределения оптического пути, выполненный в виде четырехгранной призмы. Оптический элемент 13 распределения оптического пути имеет поверхность 18 с контролируемым ПВО, а также две преломляющие поверхности 12 и 15 и поверхность 15 с полным внутренним отражением. Привод 20 оптического элемента 19 с ПВО выполнен с возможностью переключения оптического элемента 19 с ПВО в два положения, первое и второе. В первом положении (Фиг.1.1 и Фиг.2.1) оптический элемент 19 с ПВО расположен на расстоянии от поверхности 18 с контролируемым ПВО, при этом поверхность 18 с контролируемым ПВО за счет явления полного внутреннего отражения отражает виртуальное изображение в направлении, по меньшей мере, одного глаза 16 наблюдателя. Во втором положении (Фиг.1.2 и Фиг.2.2) оптический элемент 19 с ПВО примыкает к поверхности 18 с контролируемым ПВО, нарушая ее полное внутреннее отражение, при этом поверхность 18 с контролируемым ПВО преломляет изображение окружающей обстановки внутрь оптического элемента 13 распределения оптического пути в направлении, по меньшей мере, одного глаза 16 наблюдателя. Лучи от средства отображения 11 распространяются через оптический элемент 13 распределения оптического пути с преломлением на поверхности 12. Затем они отражаются от поверхностей 17, 14, 18 с ПВО оптического элемента 13 распределения оптического пути. Далее лучи отражаются от поверхности 15 элемента 13. Полное внутреннее отражение происходит, когда оптический элемент 19 с ПВО отходит от поверхности 18 с контролируемым ПВО на расстояние, близкое к длине волны. Поэтому необходимо сдвинуть оптический элемент 19 с ПВО всего на несколько микрон. Когда полное внутреннее отражение нарушается, наблюдателю доступно изображение окружающей обстановки, при этом изображение проходит через оптический элемент 19 с ПВО и оптический элемент 13 распределения оптического пути. Дополнительное уменьшение энергопотребления заявленного устройства может быть достигнуто за счет применения средства отображения в виде дисплея с импульсной подсветкой. Дисплей излучает свет, когда происходит полное внутреннее отражение, и выключен, когда полное внутреннее отражение нарушено.Consider embodiments of the claimed device for reproducing a single image with an optical distribution element of the optical path, made in the form of tetrahedral and trihedral prisms according to the invention, presented in figure 1 and figure 2. The device includes a
Принцип функционирования заявленного устройства отображения заключается в чередовании изображения окружающей обстановки и изображения, сформированного встроенным устройством отображения (например, дисплеем). Скорость чередования должна быть настолько высокой, чтобы человеческий глаз воспринимал два изображения как единое изображение. В заявленном изобретении для быстрого чередования изображений предложено использовать явление нарушения полного внутреннего отражения. Человеческий глаз наблюдает изображение, сформированное встроенным дисплеем, когда работает оптический элемент с ПВО, и изображение окружающей обстановки, когда полное внутреннее отражение нарушается. Также возможна обратная ситуация. Элемент, который нарушает полное внутреннее отражение, содержит поверхности для компенсации оптической силы следующих оптических элементов. Компенсация оптической силы может быть также необходима при дальнозоркости или близорукости глаза. В этом случае требуемая компенсация оптической силы формируется поверхностями элемента с ПВО. Компенсацию оптической силы можно обеспечить с помощью линзы, расположенной после или до элемента с ПВО.The principle of operation of the claimed display device is to alternate the image of the environment and the image formed by the integrated display device (for example, a display). The rotation speed should be so high that the human eye perceives two images as a single image. In the claimed invention, for the rapid alternation of images, it is proposed to use the phenomenon of violation of total internal reflection. The human eye observes the image formed by the integrated display when the optical element with air defense is working, and the image of the environment when the total internal reflection is disturbed. The reverse is also possible. An element that interferes with total internal reflection contains surfaces to compensate for the optical power of the following optical elements. Compensation of the optical power may also be necessary for hyperopia or nearsightedness of the eye. In this case, the required compensation of the optical power is formed by the surfaces of the element with air defense. Compensation of the optical power can be provided using a lens located after or before the element with air defense.
Вариант устройства воспроизведения стереоскопического изображения представлен на Фиг.3. Устройство содержит средство 11 отображения, оптический элемент 13 распределения оптического пути, а также оптическую систему 21 правого окуляра, оптическую систему 22 левого окуляра, оптический элемент 19 с полным внутренним отражением (ПВО), соединенный с приводом 20, и схему 23 синхронизации, соединенную с приводом 20 и средством 11 отображения. Средство 11 отображения выполнено в виде микродисплея. Элемент 13 распределения оптического пути выполнен в виде оптической призмы, которая имеет четыре поверхности, первую преломляющую поверхность 12, вторую поверхность 18 с контролируемым ПВО, которая имеет первую и вторую часть, третью преломляющую поверхность 24 и четвертую преломляющую поверхность 25. Каждая оптическая система 21, 22 окуляра выполнена в виде оптической призмы и имеет три поверхности, первую преломляющую поверхность 26, вторую отражающую поверхность 27 и третью отражающую поверхность 28. Оптический элемент 19 с ПВО выполнен в виде оптической призмы и имеет две поверхности, первую примыкающую поверхность 29 и вторую поглощающую поверхность 30.An embodiment of a stereoscopic image reproducing apparatus is shown in FIG. 3. The device comprises a
На Фиг.3 показано состояние заявленного устройства воспроизведения стереоскопического изображения, в котором средство 11 отображения формирует правое изображение стереопары, оптический элемент 19 с ПВО примыкает ко второй части поверхности 18 с контролируемым ПВО, при этом происходит нарушение полного внутреннего отражения второй части поверхности 18 с контролируемым ПВО. В данном состоянии правое изображение стереопары преломляется первой преломляющей поверхностью 12 на поверхность 18 с контролируемым ПВО. Одна часть правого изображения стереопары проходит через первую часть поверхности 18 с контролируемым ПВО, через примыкающую поверхность 29 и затем поглощается поглощающей поверхностью 30. Другая часть правого изображения стереопары отражается второй частью поверхности 18 с контролируемым ПВО за счет эффекта полного внутреннего отражения на третью преломляющую поверхность 24, которая преломляет правое изображение стереопары на оптическую систему 21 правого окуляра. После чего, правое изображение стереопары проходит через поверхности 26-28 оптической системы 21 правого окуляра и падает на правый глаз 16 наблюдателя. Во втором состоянии устройства средство 11 отображения формирует левое изображение стереопары, оптический элемент с ПВО примыкает к первой части поверхности 18 с контролируемым ПВО, при этом левое изображение стереопары проецируется на левый глаз 16 наблюдателя. Быстрое переключение устройства между первым и вторым состоянием приводит к возникновению стереоэффекта.Figure 3 shows the state of the claimed device for reproducing a stereoscopic image, in which the display means 11 generates the right image of the stereo pair, the
Следует иметь в виду, что указанные выше варианты выполнения изобретения были изложены с целью иллюстрации настоящего изобретения, и специалистам должно быть ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.It should be borne in mind that the above embodiments of the invention were set forth to illustrate the present invention, and it should be clear to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible without departing from the scope and meaning of the present invention disclosed in the attached claims.
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105185/28A RU2413264C2 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | Image reproducing apparatus (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105185/28A RU2413264C2 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | Image reproducing apparatus (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009105185A RU2009105185A (en) | 2010-08-27 |
| RU2413264C2 true RU2413264C2 (en) | 2011-02-27 |
Family
ID=42798264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009105185/28A RU2413264C2 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | Image reproducing apparatus (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2413264C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2643649C2 (en) * | 2013-07-11 | 2018-02-02 | Сейко Эпсон Корпорейшн | Head-mounted display device and method of controlling head-mounted display device |
-
2009
- 2009-02-16 RU RU2009105185/28A patent/RU2413264C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2643649C2 (en) * | 2013-07-11 | 2018-02-02 | Сейко Эпсон Корпорейшн | Head-mounted display device and method of controlling head-mounted display device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009105185A (en) | 2010-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20220004007A1 (en) | Optical Systems with Reflective Prism Input Couplers | |
| US20220308343A1 (en) | Near-to-eye display device and augmented reality apparatus | |
| US9116337B1 (en) | Increasing effective eyebox size of an HMD | |
| US7764431B2 (en) | Multiple imaging arrangements for head mounted displays | |
| US11803054B2 (en) | Near eye 3D display with separate phase and amplitude modulators | |
| CN110161697B (en) | Near-eye display device and near-eye display method | |
| WO1996008736A2 (en) | Optical system for a head mounted display combining high and low resolutions images | |
| AU2008227081A1 (en) | Multiple imaging arrangements for head mounted displays | |
| EP2788809A1 (en) | Compact illumination module for head mounted display | |
| CN110088666B (en) | Head-mounted display and optical system thereof | |
| CN114153073A (en) | Binocular near-to-eye display device based on single optical machine and augmented reality display equipment | |
| US20230152592A1 (en) | Augmented reality display device | |
| CN216718817U (en) | Single-camera binocular imaging near-to-eye display device and augmented reality display equipment | |
| US9519092B1 (en) | Display method | |
| US10845614B2 (en) | Near-eye display device | |
| RU2413264C2 (en) | Image reproducing apparatus (versions) | |
| WO2023154241A1 (en) | Lightguide based illuminator for a reflective display panel | |
| US20220163816A1 (en) | Display apparatus for rendering three-dimensional image and method therefor | |
| KR100873409B1 (en) | Multiple imaging arrangements for head mounted displays | |
| WO2023220282A1 (en) | Waveguide with tunable bulk reflectors | |
| KR20200061755A (en) | Multi mode head-mounted display and operating method thereof | |
| MXPA06006604A (en) | Multiple imaging arrangements for head mounted displays |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190217 |