RU2685061C1 - Fresnel lens for virtual helmet (versions) - Google Patents

Fresnel lens for virtual helmet (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2685061C1
RU2685061C1 RU2018136417A RU2018136417A RU2685061C1 RU 2685061 C1 RU2685061 C1 RU 2685061C1 RU 2018136417 A RU2018136417 A RU 2018136417A RU 2018136417 A RU2018136417 A RU 2018136417A RU 2685061 C1 RU2685061 C1 RU 2685061C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
fresnel lens
section
fresnel
zone
Prior art date
Application number
RU2018136417A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Леонидович Головков
Original Assignee
Олег Леонидович Головков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Олег Леонидович Головков filed Critical Олег Леонидович Головков
Priority to RU2018136417A priority Critical patent/RU2685061C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2685061C1 publication Critical patent/RU2685061C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: lens of Fresnel for a virtual helmet is a complex composite lens formed by a set of separate concentric rings of relatively small thickness adjacent to each other. Section of each of rings has the shape of a triangle, one side of which is curved, and this section is an element of cross-section of a solid spherical lens, the other side is an adapter edge segment of the lens. Transient end sections are inclined to the optical axis of the lens at an angle defined by formulas given in the claim.
EFFECT: absence of light losses at edge transition sections and absence of image of edge transition sections in useful image.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области специального оптического приборостроения и, 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 and, in particular, to visualization systems, simulators based on the helmet indicator, virtual reality systems, etc.

При построении шлемов виртуальной реальности общепринято в каждом канале (для каждого глаза) на оси наблюдения глазом использовать положительную асферическую линзу, на фокусном расстоянии от которой располагать источник изображения (видеоматрицу). Такое построение оптической схемы шлема виртуальной реальности позволяет наблюдать видеоизображение матрицы глазом на бесконечности. Каждый глаз наблюдает свое изображение, которые совместно образуют стереопару. По этому принципу построено подавляющее большинство современных шлемов виртуальной реальности.When constructing virtual reality helmets, it is common in each channel (for each eye) on the axis of observation with the eye to use a positive aspherical lens, at the focal distance from which the source of the image (video matrix) is located. Such a construction of the optical scheme of a virtual reality helmet allows us to observe the video image of the matrix with an eye at infinity. Each eye observes its own image, which together form a stereo pair. According to this principle, the vast majority of modern virtual reality helmets are built.

Так как D/ƒ - отношение диаметр/фокусное расстояние для асферических линз не превышает 1,0, то полный угол зрения FOV (field of view) не превышает 90° (угол зрения 45° в сторону от линии прямого взгляда). Увеличение угла зрения приводит к увеличению габаритных размеров линзы, так как толщина линзы пропорциональна значению D/ƒ.Since D / ƒ - the diameter / focal length ratio for aspherical lenses does not exceed 1.0, the full FOV (field of view) angle does not exceed 90 ° (the angle of view 45 ° away from the line of sight). Increasing the angle of view leads to an increase in the overall dimensions of the lens, since the thickness of the lens is proportional to the value of D /.

Для уменьшения габаритных размеров и увеличения значения D/ƒ используют линзу Френеля. Это «сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна из сторон которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы» (Френеля линза // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия. - 1998. - Т. 5. - С. 374-375. - 760 с.). Такая конструкция обеспечивает малую толщину (следовательно, и вес) линзы Френеля даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, что сферическая аберрация линзы Френеля невелика. Линза Френеля позволяет увеличить значение D/ƒ без увеличения толщины линзы. Такое свойство линз Френеля широко используется в построении виртуальных шлемов, так как позволяет увеличить FOV до 130°.To reduce the overall dimensions and increase the value of D / ƒ using the Fresnel lens. This is a “complex compound lens formed by a collection of individual concentric rings of relatively small thickness adjacent to each other. The cross section of each of the rings has the shape of a triangle, one of the sides of which is curvilinear, and this section is an element of the cross section of a continuous spherical lens ”(Fresnel lens // Physical encyclopedia / Main editor AM Prokhorov. - M .: Big Russian encyclopedia - 1998. - V. 5. - p. 374-375. - 760 p.). This design provides a small thickness (and hence weight) of the Fresnel lens, even with a large angular aperture. The lens cross sections of the lens are constructed in such a way that the spherical aberration of the Fresnel lens is small. Fresnel lens allows you to increase the value of D / ƒ without increasing the thickness of the lens. This property of Fresnel lenses is widely used in the construction of virtual helmets, as it allows you to increase the FOV to 130 °.

Основным недостатком линзы Френеля является то, что линза состоит из множества элементов сдвинутых сферических поверхностей и в сечении имеет вид множества ступенек. Сдвиг между сферическими элементами формирует нерабочие переходные краевые участки, которые создают паразитные засветки и разного рода «ложные изображения» (по сравнению с обычными линзами и традиционными объективами). Кроме этого, рассеяние света на переходных краевых участках приводит к световым потерям. Обычно линза Френеля используется для сбора световой энергии в лэптопах, концентраторах солнечной энергии, в маяках и т.п. Это накладывает условие на расчет линзы Френеля, когда источник находится в фокусе линзы (смотри фигуру 1).The main disadvantage of the Fresnel lens is that the lens consists of a set of elements of shifted spherical surfaces and in the section has the form of a set of steps. The shift between spherical elements forms non-working transitional edge areas that create stray light and various “false images” (compared to conventional lenses and traditional lenses). In addition, the scattering of light on the transitional edge areas leads to light losses. Usually, the Fresnel lens is used to collect light energy in laptops, solar concentrators, lighthouses, etc. This imposes a condition on the calculation of the Fresnel lens when the source is in the focus of the lens (see figure 1).

Как видно, лучи света от точечного источника 1, находящегося в фокусе линзы, проходят через линзу Френеля без потерь на переходных краевых участках, так как они параллельны друг другу.As can be seen, the rays of light from a point source 1, located in the focus of the lens, pass through the Fresnel lens without loss at the transitional edge areas, since they are parallel to each other.

Ход лучей в виртуальных шлемах, как изображено на фигуре 2, определяется конструкцией, когда входной зрачок глаза 4 находится от линзы на расстоянии значительно меньше ее фокусного расстояния, а протяженный источник изображения - дисплей 3 располагается в фокальной плоскости линзы.The path of the rays in virtual helmets, as depicted in FIG. 2, is determined by the design when the entrance pupil of the eye 4 is located at a distance significantly shorter than its focal length, and the extended source of the image, display 3, is located in the focal plane of the lens.

Как видно, световые лучи от протяженного источника света - дисплея 3 в линзе Френеля идут под значительным углом к оптической оси линзы и к переходным краевым участкам линзы. Это приводит не только к потерям на отражении лучей света от переходных краевых участков, но и к тому, что краевые переходные участки становятся видимыми, при этом не несут полезной информации.As can be seen, the light rays from the extended light source - the display 3 in the Fresnel lens go at a considerable angle to the optical axis of the lens and to the transitional edge areas of the lens. This leads not only to losses in the reflection of light rays from the transitional edge areas, but also to the fact that the edge transitional areas become visible, without carrying useful information.

Технический результат направлен на создание линз Френеля для шлемов виртуальной реальности с отсутствием световых потерь на краевых переходных участках и отсутствием изображения краевых переходных участков в полезном изображении.The technical result is aimed at creating Fresnel lenses for virtual reality helmets with no light loss at the edge transitional areas and no image of the edge transitional areas in the useful image.

Технический результат достигается использованием линз Френеля в виртуальных шлемах с изменяемым наклоном переходных краевых участков к оптической оси линзы в зависимости от оптической схемы шлема и диаметра зоны.The technical result is achieved by using Fresnel lenses in virtual helmets with a variable inclination of the transitional edge areas to the optical axis of the lens, depending on the optical scheme of the helmet and the diameter of the zone.

Сущность шлема виртуальной реальности с большим углом зрения поясняется фигурами 1 и 2.The essence of a virtual reality helmet with a large angle of view is illustrated by figures 1 and 2.

На фигуре 1 представлена оптическая схема классического использования линз Френеля.The figure 1 presents the optical scheme of the classic use of Fresnel lenses.

На фигуре 2 представлена оптическая схема использования линз Френеля в виртуальных шлемах.The figure 2 presents the optical scheme of the use of Fresnel lenses in virtual helmets.

На фигуре 3 представлен ход лучей в одной зоне линзы Френеля.The figure 3 presents the course of the rays in one zone of the Fresnel lens.

Для определения величины наклона переходных краевых участков к оптической оси линзы введем следующие параметры оптической схемы виртуального шлема, смотри фигуру 3: L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; t - толщина линзы Френеля; αi - угол зрения i-й зоны линзы Френеля; Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; Ri - радиус оптической поверхности i-й зоны линзы Френеля; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля; δi - сдвиг i-й зоны линзы Френеля.To determine the amount of inclination of the transitional edge areas to the optical axis of the lens, we introduce the following parameters of the optical scheme of the virtual helmet, see figure 3: L is the distance from the observer's eye to the flat side of the lens; t is the Fresnel lens thickness; α i - the angle of view of the i-th zone of the Fresnel lens; D i is the diameter of the i-th zone of the Fresnel lens; R i is the radius of the optical surface of the i-th zone of the Fresnel lens; n is the refractive index of the material of the Fresnel lens; δ i - shift of the i-th zone of the Fresnel lens.

Из фигуры 3 следует, что наклон i-го переходного краевого участка линзы Френеля к оптической оси линзы равен величине:From figure 3 it follows that the slope of the i-th transitional edge of the Fresnel lens to the optical axis of the lens is equal to:

Figure 00000001
Figure 00000001

Когда используется очень тонкая линза Френеля, можно считать, что высота падения луча света на плоскую поверхность стремится к половине диаметра i-й зоны линзы, тогда:When a very thin Fresnel lens is used, we can assume that the height of the incidence of the light beam on a flat surface tends to half the diameter of the i-th zone of the lens, then:

Figure 00000002
Figure 00000002

Так как в линзе Френеля, используемой в виртуальном шлеме, лучи непараксиальные, то необходимо использовать функции синусов и тангенсов. Тогда, объединяя выражения (1) и (2), имеем:Since the Fresnel lens used in the virtual helmet has nonparaxial rays, it is necessary to use the functions of sines and tangents. Then, combining expressions (1) and (2), we have:

Figure 00000003
Figure 00000003

Автором для виртуальных шлемов предлагается следующая линза Френеля - сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, который для уменьшения паразитного влияния на качество изображения наклонен к оптической оси линзы под углом:For virtual helmets, the author proposes the following Fresnel lens — a complex compound lens formed by a combination of individual concentric rings of relatively small thickness adjacent to each other. The cross section of each of the rings has the shape of a triangle, one side of which is curvilinear, and this section is an element of the cross section of a solid spherical lens, the other side is a transitional edge portion of the lens, which, to reduce the parasitic effect on the image quality, is tilted to the optical axis of the lens at an angle:

Figure 00000004
Figure 00000004

где Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля.where D i is the diameter of the i-th zone of the Fresnel lens; L is the distance from the observer's eye to the flat side of the lens; n is the refractive index of the Fresnel lens material.

Если линза толстая (больше 1 мм), то при проходе луча через линзу его высота на границе i-й зоны линзы Френеля выше его высоты на плоской поверхности линзы на величину Δ. Тогда выражение (3) имеет вид:If the lens is thick (more than 1 mm), then when the beam passes through the lens, its height at the border of the i-th zone of the Fresnel lens is higher than its height on the flat surface of the lens by the amount Δ. Then the expression (3) has the form:

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Выражения (4) и (5) вычислить напрямую невозможно, но можно вычислить методом последовательных приближений.Expressions (4) and (5) cannot be calculated directly, but can be calculated using the method of successive approximations.

Автором для виртуальных шлемов предлагается следующая линза Френеля - сложная составная линза, образованная совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, который для уменьшения паразитного влияния на качество изображения наклонен к оптической оси линзы под углом:For virtual helmets, the author proposes the following Fresnel lens — a complex compound lens formed by a combination of individual concentric rings of relatively small thickness adjacent to each other. The cross section of each of the rings has the shape of a triangle, one side of which is curvilinear, and this section is an element of the cross section of a solid spherical lens, the other side is a transitional edge portion of the lens, which, to reduce the parasitic effect on the image quality, is tilted to the optical axis of the lens at an angle:

Figure 00000007
Figure 00000007

где

Figure 00000008
Where
Figure 00000008

где Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля; t - толщина линзы Френеля; δi - сдвиг i-й зоны линзы Френеля; Ri - радиус оптической поверхности i-й зоны линзы Френеля.where D i is the diameter of the i-th zone of the Fresnel lens; L is the distance from the observer's eye to the flat side of the lens; n is the refractive index of the material of the Fresnel lens; t is the Fresnel lens thickness; δ i - shift of the i-th zone of the Fresnel lens; R i is the radius of the optical surface of the i-th zone of the Fresnel lens.

Claims (7)

1. Линза Френеля для виртуального шлема, представляющая сложную составную линзу, образованную совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу, при этом сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, отличающаяся тем, что для уменьшения паразитного влияния переходных краевых участков на качество изображения они наклонены к оптической оси линзы под углом:1. Fresnel lens for a virtual helmet, representing a complex composite lens formed by a set of separate concentric rings of relatively small thickness, adjacent to each other, while the cross section of each of the rings has the shape of a triangle, one side of which is curvilinear, and this section is a solid section element spherical lens, the other side - the transitional edge of the lens, characterized in that in order to reduce the parasitic effect of the transition edge areas on the image quality they are on onenes to the optical axis of the lens at an angle:
Figure 00000009
Figure 00000009
 где Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля.where D i is the diameter of the i-th zone of the Fresnel lens; L is the distance from the observer's eye to the flat side of the lens; n is the refractive index of the Fresnel lens material. 2. Линза Френеля для виртуального шлема, представляющая сложную составную линзу, образованную совокупностью отдельных концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу, при этом сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна сторона которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы, другая сторона - переходной краевой участок линзы, отличающаяся тем, что для уменьшения паразитного влияния переходных краевых участков на качество изображения они наклонены к оптической оси линзы под углом:2. Fresnel lens for a virtual helmet, representing a complex composite lens formed by a set of separate concentric rings of relatively small thickness, adjacent to each other, while the cross section of each of the rings has the shape of a triangle, one side of which is curvilinear, and this section is a solid section element spherical lens, the other side - the transitional edge of the lens, characterized in that in order to reduce the parasitic effect of the transition edge areas on the image quality they are on onenes to the optical axis of the lens at an angle:
Figure 00000010
Figure 00000010
 где
Figure 00000011
Where
Figure 00000011
 где Di - диаметр i-й зоны линзы Френеля; L - расстояние от глаза наблюдателя до плоской стороны линзы; n - коэффициент преломления материала линзы Френеля; t - толщина линзы Френеля; δi - сдвиг i-й зоны линзы Френеля; Ri - радиус оптической поверхности i-й зоны линзы Френеля.where D i is the diameter of the i-th zone of the Fresnel lens; L is the distance from the observer's eye to the flat side of the lens; n is the refractive index of the material of the Fresnel lens; t is the Fresnel lens thickness; δ i - shift of the i-th zone of the Fresnel lens; R i is the radius of the optical surface of the i-th zone of the Fresnel lens.
RU2018136417A 2018-10-15 2018-10-15 Fresnel lens for virtual helmet (versions) RU2685061C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018136417A RU2685061C1 (en) 2018-10-15 2018-10-15 Fresnel lens for virtual helmet (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018136417A RU2685061C1 (en) 2018-10-15 2018-10-15 Fresnel lens for virtual helmet (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2685061C1 true RU2685061C1 (en) 2019-04-16

Family

ID=66168440

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018136417A RU2685061C1 (en) 2018-10-15 2018-10-15 Fresnel lens for virtual helmet (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2685061C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754636C1 (en) * 2020-12-01 2021-09-06 Олег Леонидович Головков Fresnel lens for virtual helmet
CN114280708A (en) * 2022-01-12 2022-04-05 京东方科技集团股份有限公司 Fresnel lens, optical module and virtual reality device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110149418A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-23 Takayoshi Togino Fresnel optical element and optical system using the same
US20120120498A1 (en) * 2010-10-21 2012-05-17 Lockheed Martin Corporation Head-mounted display apparatus employing one or more fresnel lenses
RU2645800C1 (en) * 2017-05-18 2018-02-28 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Solar module with concentrator
US20180081092A1 (en) * 2016-09-16 2018-03-22 Valve Corporation Optical system for head-mounted display system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110149418A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-23 Takayoshi Togino Fresnel optical element and optical system using the same
US20120120498A1 (en) * 2010-10-21 2012-05-17 Lockheed Martin Corporation Head-mounted display apparatus employing one or more fresnel lenses
US20180081092A1 (en) * 2016-09-16 2018-03-22 Valve Corporation Optical system for head-mounted display system
RU2645800C1 (en) * 2017-05-18 2018-02-28 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Solar module with concentrator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Физическая энциклопедия, гл. ред. А.М. Прохоров, М., Большая Российская энциклопедия, 1998, т. 5, с. 374-375. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754636C1 (en) * 2020-12-01 2021-09-06 Олег Леонидович Головков Fresnel lens for virtual helmet
CN114280708A (en) * 2022-01-12 2022-04-05 京东方科技集团股份有限公司 Fresnel lens, optical module and virtual reality device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106773008B (en) Eyepiece optical system
CN106338820B (en) A kind of micro display eyepiece wears eyepiece system and wears visual device
US9581818B2 (en) Head-mounted display optical system and head-mounted display
TW201723560A (en) Optical lens set
US20180143421A1 (en) Negative Lens and Endoscope Objective
JPS6128965B2 (en)
CN106501943B (en) A kind of eyepiece optical system for wearing display equipment
JP2020522024A5 (en)
JPH07104494B2 (en) Illumination optical system for endoscope
RU2685061C1 (en) Fresnel lens for virtual helmet (versions)
JP2017211475A (en) Observation optical system and observation device including the same
TW201734538A (en) Ocular optical system
US10928634B2 (en) Eyepiece and head-mounted display device
CN108132528A (en) Eyepiece optical system
US20180196228A1 (en) Ocular optical system
JP2006003569A (en) Large aperture wide angle lens and camera equipped with same
JP6879723B2 (en) Catadioptric optics, imaging devices and artificial satellites
RU2754636C1 (en) Fresnel lens for virtual helmet
RU163268U1 (en) TWO-LENS LENS
RU162318U1 (en) TWO-LENS LENS
RU2153691C2 (en) Fast lens
RU126479U1 (en) LIGHT LIGHT
RU2316795C1 (en) Two-lens objective
US2907248A (en) Photographic objectives
JP2020091340A5 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
QZ46 Withdrawal of statement about obligation of concluding the contract of assignment of patents acc. point 3 par 1366 civil code of russia