Наголовний пристрій відображення візуальної інформації

Реферат: Винахід стосується наголовних пристроїв відображення візуальної інформації, переважно окулярів віртуальної або доповненої реальності, або нашоломних пристроїв відображення візуальної інформації. Наголовний пристрій відображення візуальної інформації містить глухе або односторонньо прозоре дзеркало, що відбиває, поверхня якого є поверхнею обертання, вісь якої при використанні пристрою проходить через центр обертання ока, і екран, поверхня якого, що випромінює, співвісна з поверхнею, дзеркала, що відбиває. Згідно з винаходом, екран являє собою вигнутий гнучкий дисплей, а поверхня дзеркала, що відбиває, являє собою поверхню, яка апроксимує поверхню, що оптично сполучає точки на випромінюючій поверхні екрана із уявними зображеннями цих точок на заданій поверхні видимого зображення. Винахід забезпечує відображення візуальної інформації з необхідною колімацією спостережуваного оком зображення. UA 113665 C2 (12) UA 113665 C2 UA 113665 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до наголовних пристроїв відображення візуальної інформації, переважно окулярів віртуальної або доповненої реальності, або нашоломним пристроям відображення візуальної інформації. Відомий пристрій відображення візуальної інформації, який містить екран, що випромінює, поверхня якого є поверхнею обертання, і дзеркало, поверхня, що відбиває, якого є поверхнею обертання (див., наприклад, Потапова Г.К., Москаленко М.А., "Корекція геометричних викривлень зображень у системах візуалізації авіаційних тренажерів". - Праці 7 Міжнародної конференції "Прикладна оптика - 2006". Том 3. Комп'ютерні технології в оптиці. С.-Петербург, 2006, с. 127-132). Недоліками цього відомого пристрою відображення візуальної інформації є недостатня відповідність формованого в спостерігача уявлення про своє просторове положення та те, що задану колімацію спостережуваного зображення в такому пристрої можна забезпечити лише для єдиної точки спостереження. Найбільш близьким до наголовного пристрою відображення візуальної інформації, що заявляється, є пристрій відображення візуальної інформації, який містить екран і глухе або односторонньо прозоре в напрямку до зіниці ока дзеркало, поверхня якого, що відбиває, є поверхнею обертання, вісь якої проходить через центр обертання ока, а поверхня екрана являє собою поверхню, яка апроксимує точки, оптично сполучені із заданими точками спостережуваного оком зображення, причому поверхня екрана являє собою поверхню обертання, співвісну з поверхнею дзеркала, що відбиває, а утворююча поверхні екрана являє собою криву, що апроксимує точки, оптично сполучені із заданими точками меридіонального перетину спостережуваного оком зображення (див. заявка на видачу патенту України на винахід "Пристрій відображення візуальної інформації", № а201314413 від 09.12.2013). Недоліками цього відомого пристрою відображення візуальної інформації є те, що в ньому поверхня екрана, що забезпечує достатню для комфортного спостереження колімацію зображення, не може бути отримана згинанням плоскої поверхні, тобто топологічним перетворенням плоскої поверхні, при якому зберігаються довжини кожного з відрізків прямих, розташованих на цій поверхні. Задача винаходу є створення наголовного пристрою відображення візуальної інформації із гнучким дисплеєм і колімацією спостережуваного оком зображення, достатню для комфортного його спостереження. Технічний результат досягається тим, що запропонований наголовний пристрій відображення візуальної інформації, як і відомий, містить глухе або односторонньо прозоре дзеркало, що відбиває, поверхня якого є поверхнею обертання, вісь якої при використанні пристрою проходить через центр обертання ока, і екран, поверхня якого, яка випромінює, співвісна з поверхнею дзеркала, що відбиває. Новим у запропонованому наголовному пристрої відображення візуальної інформації є те, що випромінююча поверхня екрана являє собою вигнутий гнучкий дисплей, а поверхня дзеркала, що відбиває, являє собою поверхню, яка апроксимує поверхню, що оптично сполучає точки на випромінюючій поверхні екрана із мнимими зображеннями цих точок на заданій поверхні видимого зображення. Поверхня дзеркала, що відбиває, може бути утворена кривою, яка апроксимує криву, що оптично сполучає щонайменше три точки утворюючої випромінюючої поверхні екрана з точками відповідного меридіонального перетину заданої поверхні її видимого зображення. Утворююча поверхні дзеркала, що відбиває, може бути апроксимована дугою окружності, а поверхня дзеркала, що відбиває, являє собою тороїдальну поверхню. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак пропонованого технічного рішення та технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що при використанні відомого пристрою оптичне сполучення точок заданої поверхні видимого зображення, тобто необхідна колімація зображення, забезпечується формою випромінюючої поверхні екрана, яка відповідає вибраній формі поверхні дзеркала, що відбиває. У запропонованому наголовному пристрої відображення візуальної інформації навпаки, необхідна колімація зображення забезпечується формою поверхні глухого або односторонньо прозорого дзеркала, що відбиває, яка відповідає вибраній формі випромінюючої поверхні екрана та може бути отримана згинанням плоскої поверхні гнучкого дисплея. Суть винаходу пояснюється наведеними на фіг. 1, 2, 3 схемами пропонованого наголовного пристрою відображення візуальної інформації. На фіг. 1 наведена схема монокулярного наголовного пристрою відображення візуальної інформації - віртуальної реальності для лівого ока, яка відповідає п. 1 формули винаходу та містить екран - вигнутий гнучкий дисплей 1 з випромінюючою поверхнею 2 і глухе дзеркало 3 з 1 UA 113665 C2 5 10 15 20 25 поверхнею, що відбиває, 4. Випромінююча поверхня 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплею 1 являє собою конічну поверхню обертання з віссю 5, що проходить через центр обертання 6 лівого ока 7 спостерігача. Конічна поверхня може бути отримана згинанням плоскої поверхні. Поверхня, що відбиває, 4 дзеркала 3 являє собою поверхню обертання з віссю 5. У межах поля зору ока 7 спостерігача поверхня видимого уявного зображення 8 P випромінюючої поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 задана сукупністю її точок  i . P На фіг. 1 зображена одна із заданих точок  i - центральна точка 9 спостережуваного оком 7 зображення 8. Із точкою 9 поверхні видимого зображення 8 оптично сполучена точка 10 випромінюючої поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1, яка є точкою сходження відбитого поверхнею, що відбиває, 4 дзеркала 3 пучка 11 променів, що виходять із зіниці 12 ока 7 спостерігача та спрямованих у точку 9 спостережуваного оком 7 зображення 8. Точка 10 P випромінюючої поверхні 2 є прообразом точки 9 зображення 8. Із заданими точками  i спостережуваної оком 7 поверхні видимого зображення 8 поверхнею, що відбиває, 4 дзеркала 3 Pi оптично сполучені точки   випромінюючої поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1, які є прообразами відповідних точок Pi . Поверхня, що відбиває, 4 дзеркала 3 являє собою поверхню, що апроксимує поверхню, яка Pi оптично сполучає задані точки   випромінюючої поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 з заданими точками Pi спостережуваної оком 7 поверхні видимого зображення 8. На фіг. 2 наведена схема монокулярного наголовного пристрою відображення візуальної інформації для лівого ока, що відповідає п. 2 формули винаходу та містить екран - вигнутий гнучкий дисплей 1 з випромінюючою поверхнею 2 і дзеркало 3 з поверхнею, що відбиває, 4. Випромінююча поверхня 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 являє собою конічну поверхню обертання з віссю 5, яка проходить через центр обертання 6 лівого ока 7 спостерігача. Поверхня, що відбиває, 4 дзеркала 3 також являє собою поверхню обертання. Випромінююча поверхня 2 - вигнутого гнучкого дисплея 1 і поверхня, що відбиває, 4 дзеркала 3 співвісні, мають спільну вісь обертальної симетрії 5. Спостережувана оком 7 поверхня видимого зображення 8 випромінюючої поверхні 2 екрана P - вигнутого гнучкого дисплея 1 задана сукупністю точок j її меридіонального перетину 13. На Pj фіг. 2 зображені три задані точки - центральна точка 9 і крайні точки 14 і 15 меридіонального перетину 13 спостережуваного оком 7 зображення 8. Із точками 9, 14 і 15 меридіонального перетину 13 поверхні видимого зображення 8 утворюючою 16 поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 оптично сполучені відповідно точкам 10, 17 і 18 утворюючої 19 випромінюючої поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1. Точки 10, 17, 18 є точками сходження відбитих утворюючою 16 поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 пучків 11, 20 і 21 променів, що виходять із зіниці 12 ока 7 спостерігача та спрямовані відповідно в задані точки 9, 14 і 15. Точки 10, 17, 18 утворюючої 19 випромінюючої поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 є прообразами відповідно точок 9, 14 і 15 меридіонального перетину 13 поверхні Pj видимого зображення 8. Із заданими точками меридіонального перетину 13 спостережуваної оком 7 поверхні видимого зображення 8 утворюючою 16 поверхні, що Pj відбиває, 4 дзеркала 3 оптично сполучені точки   , які є прообразами відповідних точок Pj . Утворююча 16 поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 являє собою плоску криву, яка Pj апроксимує утворюючу поверхні, що відбиває, яка оптично сполучає задані точки     30 35  40 45 50 утворюючої 19 випромінюючої поверхні 2 екрана 1 із заданими точками Pj меридіонального перетину 13 поверхні видимого зображення 8. На фіг. 3 показана утворююча поверхні, що відбиває, дзеркала пропонованого наголовного пристрою відображення візуальної інформації, яка відповідає п. 3 формули винаходу. Утворююча 22 поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 являє собою частину дуги окружності 23, Pj яка апроксимує плоску криву 24 поверхні, що відбиває, яка оптично сполучає задані точки   утворюючої 19 випромінюючої поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплею 1 із заданими точками Pj меридіонального перетину 13 поверхні зображення 8 (див. також фіг. 2). Працює запропонований наголовний пристрій відображення візуальної інформації в показаній на фіг. 1 конфігурації, що являє собою монокулярний пристрій відображення 2 UA 113665 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 віртуальної - при глухому дзеркалі 3, або доповненої - при односторонньо прозорому дзеркалі 3 - реальності для спостереження лівим оком наступним чином. Екран 1 - плоский OLED дисплей, вигнутий так, що його випромінююча поверхня 2 трансформована в конічну поверхню. На випромінюючій поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 формується первинне оптичне зображення. Промені, які виходять від первинного оптичного зображення на випромінюючій поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 попадають на поверхню, що відбиває, 4 дзеркала 3, відбиваються від неї та попадають у зіницю 12 ока 7 спостерігача. У результаті спостерігач бачить уявне зображення відбитого від поверхні 4 дзеркала 3 первинного оптичного зображення, сформованого на випромінюючій поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1. Колімація спостережуваного оком 7 зображення 8 при цьому визначається відстанню до поверхні видимого в дзеркалі 3 уявного зображення 8 випромінюючої поверхні 2 екрана вигнутого гнучкого дисплея 1. Якщо спостережуване оком 7 зображення 8 у межах поля зору ока 7 спостерігача задано P сукупністю його точок  i , то оптичне сполучення щонайменше частини точок первинного оптичного зображення на випромінюючій поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 із заданим спостережуваним зображенням 8 забезпечується тим, що поверхня, яка відбиває, 4 дзеркала 3 виконана як поверхня, що апроксимує поверхню, яка відбиває, що оптично сполучає Pi точки   випромінюючої поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 із заданими точками Pi спостережуваного оком 7 зображення 8. P Кількість заданих точок  i може бути різною залежно від необхідної точності колімації спостережуваного оком 7 зображення 8. Форма поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 може бути знайдена як поверхня, що мінімізує цільову функцію - суму довжин відрізків прямих, спрямованих з верхнього та нижнього країв зіниці 12 на задані точки видимого на заданій відстані оком 7 зображення 8 від кожного із цих країв до точки перетинання кожної із цих прямих із шуканою поверхнею, що відбиває, 4 дзеркала 3 і відрізків прямих від точки перетинання кожної із цих прямих з поверхнею, що відбиває, 4 дзеркала 3 до заданої точки на заданій поверхні, що випромінює, 2 екрана вигнутого гнучкого дисплея 1. Цільова функція являє собою не що інше, як реалізацію основного для геометричної оптики принципу Френеля, відповідно до якого промінь між двома точками поширюється по шляху, оптична довжина якого менше будь-якого іншого шляху між цими точками. Цільова функція при мінімізації такої суми містить тільки довжини відповідних відрізків прямих, а обмеження містять умову, що точки відбиття променів від поверхні дзеркала, що відбиває, одночасно належать як цій поверхні, так і і прямим, спрямованим з верхнього й нижнього країв зіниці 12 на задані на поверхні видимого оком 7 на заданій відстані зображення 8 точки, і поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3. При заданій формі поверхні, що відбиває, така мінімізація дозволяє легко знайти падаючі й відбиті промені. Пошук таким чином форми поверхні, що відбиває, визначеної як поліном з невизначеними коефіцієнтами, може приводити до помилкових результатів. У цьому випадку пошук мінімуму цільової функції повинен бути обмежений тією умовою, що нормаль до поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 у точці перетинання кожної із прямих, спрямованих з верхнього й нижнього країв зіниці 12 на задані точки Pj на поверхні 8 видимого оком 7 на заданій відстані зображення заданої точки збігається з бісектрисою кута між кожною із цих прямих і відповідним відрізком від цієї точки перетинання до заданого на поверхні, що випромінює, 2 екрана - вигнутого гнучкого P P дисплея 1 до первинного зображення відповідної з точок j - прообразів точок j . При цьому цільова функція має локальних мінімумів не менше, ніж кількість довжин відрізків у цільовій функції. Цільова функція в цьому випадку має вигляд:  3  UA 113665 C2   F Xijq, Yijq, Zijq, abij  X  X   Y  Y   Z  Z  X  X   Y  Y   Z  Z   X  X   Y  Y   Z  Z   X  X   Y  Y   Z  Z  I J ph ijq i1  j1 mh 2 ijq ph ijq mh 2 ijq mh ijq s 2 ijq mh ijq s 2 ijq mh ijq mg 2 ijq pg ijq mg 2 ijq pg ijq mg 2 ijq mg ijq s 2 ijq mg ijq s 2 ijq mg ijq  s 2 ijq pg ijq 5 mh 2 ijq ph ijq s 2 ijq , де: x, y, z - осі координат правої прямокутної системи координат, початок координат - у центрі ока, вісь x спрямована вертикально вгору, вісь y горизонтальна та спрямована від лівого краю зіниці до правого краю, вісь z спрямована вперед по напрямку погляду; Fx, y, z  0 , поліном, що визначає форму шуканої поверхні, яка відбиває, 3 дзеркала 2 I J Q Fx, y, z      aijq  x i1  y j1  z q1 i1 j1q1 , Fx, y, z по x, y і z відповідно; I, J, Q - ступінь полінома x y z  - координати верхнього краю зіниці; , , x y z  - координати нижнього краю зіниці; , , X Y Z  - шукані координати точки перетинання променя від верхнього краю зіниці , , ph ijq 10 ph ijq ph ijq pg ijq pg ijq pg ijq mh ijq mh ijq mh ijq з поверхнею, що відбиває, 4 дзеркала 3; X Y Z  - шукані координати точки перетинання променя від нижнього краю зіниці з , , mg ijq 15 20 25 30 35 mg ijq mg ijq поверхнею, що відбиває, 4 дзеркала 3; abijq - шукані коефіцієнти полінома, який визначає форму поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3; Пошук форми поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 виконується методами глобальної, а не локальної оптимізації (наприклад, за допомогою Global Optimization Toolbox програми комп'ютерної алгебри Maple). Обмеженням при мінімізації цільової функції є належність точок з         mh mh Xmh , Yijq , Zmh Xmh , Yijq , Zmh ijq ijq ijq ijq координатами і одночасно як заданий поліномом z  Fx, y, z поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3, так і відповідному променю від країв зіниці 12 ока 7 до заданого на поверхні видимого зображення 8 уявному зображенню відповідної точки Pj. У результаті цієї мінімізації для заданого положення зіниці визначена така форма поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3, при якій зображення заданих на поверхні, що випромінює, 2 екрана 1 Pj точок   перебувають на заданій поверхні видимого зображення 9. У показаній на фіг. 2 конфігурації пропонований наголовний пристрій відображення візуальної інформації працює аналогічно наголовному пристрою відображення візуальної інформації в показаній на фіг. 1 конфігурації. При цьому поверхня, що відбиває, 4 дзеркала 3, як показано на фіг. 2, виконана як поверхня, утворена обертанням утворюючої 19 навколо осі обертальної симетрії 5, яка при використанні пристрою паралельна сагітальній та фронтальній площинам спостерігача та проходить через центр обертання 6 ока 7 спостерігача. Форма утворюючої 16 поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 може бути знайдена як крива, мінімізуюча суму довжин відрізків прямих, спрямованих з верхнього й нижнього країв зіниці 12 на щонайменше три точки 9, 14 і 15 на меридіональному перетині поверхні видимого зображення 8 від верхнього й нижнього країв зіниці 12 до точки перетинання кожної із цих прямих з меридіональним перетином поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 і від точки перетинання кожної із цих прямих з поверхнею, що відбиває, 4 дзеркала 3 до відповідної із 4 UA 113665 C2 точок 10, 17 і 18 на утворюючій поверхні, що випромінює, 2 екрана 1 - меридіональному перетині поверхні, що випромінює, 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 (див. фіг. 2). Цільова функція в цьому випадку має вигляд: F Xij, Zij, abij    X  X   Z X  X   Z  Z  Ii1 J1 j mg 2 ij pg ij 5 10 ph ij mh 2 ij pg ij ph ij mg 2 ij X  X   Z X  X   Z  Z   Zmh ij   2 mg ij s2 ij mh ij  s2 ij mg ij mh ij s  Zij  2  s2 ij , x, z - осі координат правої прямокутної системи координат, з розташуванням осей x і z де: у площині, що проходить через центр обертання 6 ока 7 спостерігача та паралельній сагітальній та фронтальній площинам спостерігача при горизонтальному розташуванні осі z у напрямку погляду; f x, z  0 - шуканий поліном з невизначеними коефіцієнтами, який визначає форму шуканої утворюючої поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3: I J f x, z     ab ij  x i1  z j1 i1 j1 , I, J - ступінь полінома f x, z по x і z відповідно; i - номер заданої точки; x z  - координати верхнього краю зіниці; , x z  - координати нижнього краю зіниці; , X Z  - координати точки перетинання , ph ij 15 ph ij pg ij pg ij mh ij mh ij променя від верхнього краю зіниці з утворюючою поверхнею, що відбиває 4 дзеркала 3; X Z  , mg ij 20 25 30 35 40 45 mg ij - координати точки перетинання променя від нижнього краю зіниці з утворюючою поверхнею, що відбиває, 4 дзеркала 3; a ij - шукані коефіцієнти полінома, що визначає форму утворюючої 16 поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3; Пошук коефіцієнтів полінома другого порядку (І=J=2), що описує плоску криву другого порядку - утворюючої поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3, яка оптично сполучає точки Pi 9, 14 і 15 спостережуваного оком 7 зображення на заданій сферичній поверхні зображення 8 Pi радіусом 1000 м і центром у центрі обертання бока 7 із точками   10, 17 і 18, заданих на утворюючій конічного екрана, прямою, описуваній рівнянням: 0.00059+0.00513x-0.01648z=0 шляхом мінімізації цієї цільової функції дає наступне рівняння утворюючої 16 поверхні, що 2 2 відбиває, 4 дзеркала 3: 2.66641 × +0.73146 xz+0.71381z -0.22916 z+0.26934 z-0.02016=0, а поверхня, що відбиває, 4 дзеркала 3, являє собою поверхню (див. фіг. 2), утворену обертанням навколо вертикальної осі х, що проходить через центр ока, утворюючої, описуваною цим рівнянням. Тому внаслідок принципу зворотності геометричної оптики уявні зображення 9, 14 і 15 точок, які сполучаються оптично, 10, 17 і 18 на випромінюючій поверхні 2 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1 у дзеркалі 3 будуть спостерігатись на заданій відстані, а інших точок поверхні 8 видимого зображення - на близькій до заданої відстані. Як показано на фіг. 3, утворююча 22 поверхні дзеркала, що відбиває, яка описується рівнянням, отриманим мінімізацією цільової функції, у свою чергу, також може бути апроксимована окружністю, наприклад, побудованою по трьох точках кривої 24 окружністю 23. У цьому випадку поверхня 4, що відбиває, дзеркала 3 являє собою тороїдальну поверхню. Оскільки поверхня, що відбиває, 4 дзеркала 3 виконана як поверхня обертання, яка оптично Pj сполучає точки Pj на заданій поверхні видимого уявного зображення 8 із точками   на співвісній з поверхнею видимого уявного зображення 8 випромінюючій поверхні 2 екрана вигнутого гнучкого дисплея 1, з тією же віссю 5 обертання, що проходить через центр обертання 6 ока 7 спостерігача, то при русі зіниці 12 ока 7 принаймні у площині зору (тобто при обертанні зіниці навколо спільної осі 5 поверхні, що відбиває, 4 дзеркала 3 і випромінюючій поверхні 2 5 UA 113665 C2 5 екрана - вигнутого гнучкого дисплея 1), конфігурація оптичної системи наголовного пристрою відображення відносно зіниці ока не змінюється, а, виходить, зберігаються як колімація, так і геометрія поверхні видимого оком зображення. Саме це й забезпечує вирішення задачі винаходу - можливість використання гнучкого екрана при збереженні заданої колімації видимого зображення. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 1. Наголовний пристрій відображення візуальної інформації, який містить глухе або односторонньо прозоре дзеркало, що відбиває, поверхня якого є поверхнею обертання, вісь якої при використанні пристрою проходить через центр обертання ока, і екран, поверхня якого, що випромінює, співвісна з поверхнею дзеркала, що відбиває, який відрізняється тим, що екран являє собою вигнутий гнучкий дисплей, а поверхня дзеркала, що відбиває, являє собою поверхню, яка апроксимує поверхню, що оптично сполучає точки на випромінюючій поверхні екрана із уявними зображеннями цих точок на заданій поверхні видимого зображення. 2. Наголовний пристрій відображення візуальної інформації за п. 1, який відрізняється тим, що твірною поверхнею дзеркала, що відбиває, є крива, яка апроксимує криву, що оптично сполучає щонайменше три точки твірної випромінюючої поверхні екрана з точками відповідного меридіонального перетину заданої поверхні її видимого зображення. 3. Наголовний пристрій відображення візуальної інформації за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що твірна поверхня дзеркала, що відбиває, апроксимована дугою окружності. 6 UA 113665 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7