Мультифокальный стереодисплей

 

Изобретение относится к средствам отображения информации, а именно к персональным дисплеям нашлемного типа. Его применение в дисплеях нашлемного типа позволяет получить технический результат в виде обеспечения естественного стереоскопического зрения при большом диапазоне расстояний до предметов, а также в виде увеличения объема аккомодации глаз и уменьшения разницы между аккомодацией и конвергенцией глаз. Этот результат достигается благодаря тому, что в каждый дисплейный канал, подключенный к видеоконтроллеру и содержащий волоконно-оптический источник светоизлучения, фокусирующую линзу и двухкоординатный сканер, введен многофокусный окуляр, составленный из расширителя световых пучков, светоделительной пластины и двух сферических вогнутых зеркал, расположенных с разных ее сторон, каждое из которых содержит два конфокальных отражающих слоя. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Устройство относится к средствам отображения информации, оптоэлектронным системам с мнимыми изображениями пространственных объектов, а именно к дисплеям персонального пользования нашлемного типа, подключаемым к электронно-вычислительной машине (ЭВМ).

В мировой практике мультифокальные стереоскопические дисплеи не известны. Традиционные стереодисплеи являются однофокусными. Они настроены либо на "бесконечность" (0÷0,1 дптр), либо на расстояние наилучшего зрения 250÷330 мм (3÷4 дптр). В дисплеях первого типа (нашлемных) стереопары изображений воспроизводятся и оптически переносятся на "бесконечность" отдельными для левого и правого глаза дисплейными каналами, выполненными обычно на базе жидкокристаллических микроматриц [1, 2]. В дисплеях второго типа стереопары воспроизводятся, как правило, на экране телевизионного монитора. Для разделения стереопар используются либо очки, снабженные "обтюраторами" на жидких кристаллах, либо растровые щелевые или лентикулярные экраны (из тонких цилиндрических линз), либо ретрорефлективные зеркала [3].

Однофокусные стереодисплеи обеспечивают ограниченный объем зрительно воспринимаемого пространства по дальности, особенно на малых расстояниях до предметов. Это затрудняет их применение в таких приложениях, как системы телеприсутствия и телеуправления, когда требуется воспроизводить предметы в непосредственной близости от человека при достаточно большом объеме пространства, например, на расстоянии от 25 см до 10 м.

При бинокулярном зрении фиксация какого-либо предмета в пространстве состоит из двух действий. Первое заключается в направлении зрительных осей на предмет, чтобы его изображение возникло в фовеальной области сетчатой оболочки глаз, где острота зрения максимальна. Это действие выполняется по воле человека и сопровождается конвергенцией (сведением) зрительных осей. Второе действие происходит без участия воли человека и заключается в аккомодации (фокусировке на резкость) путем изменения оптической силы глаз. Известно, что конвергенция и аккомодация взаимно связаны, поскольку аккомодационные мышцы иннервируются глазодвигательным нервом [4, стр.83]. Определенное состояние аккомодации стремится вызвать и определенную степень сведения зрительных осей, и, наоборот, тому или иному сведению зрительных осей соответствует определенная степень аккомодации. Связь между углом конвергенции α в радианах и аккомодацией А в диоптриях выражается формулой α=b•А/1000, где b - расстояние между центрами вращения глазных яблок в миллиметрах [5, стр. 414] . Для типового значения b=64 мм расстоянию наилучшего видения 25 см соответствует аккомодация А= 4 дптр и конвергенция α=14,6^o; на бесконечном расстоянии аккомодация и угол конвергенции равны нулю.

В однофокусных стереодисплеях естественная связь между конвергенцией и аккомодацией нарушается. С одной стороны, сами изображения предметов на стереопарах задают конвергенцию, разную для различного удаления предметов. С другой стороны, стереопары воспроизводятся на фиксированном от наблюдателя расстоянии, что поддерживает постоянную степень аккомодации. Если аккомодация глаз последует за их конвергенцией, то упадет резкость изображений, в противном случае - возникает двоение изображений или диплопия. При длительном нарушении естественной связи между конвергенцией и аккомодацией появляется головная боль, тошнота и утомление глаз. На основании ряда экспериментов было установлено [4], что человек практически безболезненно переносит лишь небольшое расхождение расстояний конвергенции и аккомодации. Это расхождение определяется так называемой "зоной комфорта", величина которой меньше ±1,0 дптр и несколько уменьшается при увеличении расстояний до объектов.

Таким образом, однофокусные стереодисплеи не обеспечивают необходимого объема аккомодации глаз и нарушают естественное зрительное восприятие окружающего пространства, в котором предметы могут располагаться в диапазоне расстояний от зоны ближнего видения (3÷4 дптр) до зоны дальнего видения (0÷0,1 дптр).

В приложении к нашлемным дисплеям известно единственное предложение для фокусировки элементов изображения с учетом аккомодации. В виртуальных ретинальных дисплеях с растровой разверткой коллимированного пучка по сетчатке [6, 7] предлагается применять отражающую поверхность, которая "может быстро изменять свою форму". Например, миниатюрное зеркало в виде деформируемой мембраны, установленное между оптическим сканером и коллимирующей линзой. Зеркало должно модулировать каждый элемент изображения по глубине, т.е. перемещать его параллельно оптической оси линзы. Такое предложение осуществить невозможно по двум причинам. Во-первых, механическое устройство типа мембраны должно работать на видеочастотах до 100 МГц, что технически трудно реализовать. Во-вторых, миниатюрные оптические сканеры [8, 9] на частоте строчной развертки 16 кгц и выше способны отклонять световые пучки очень малой апертуры (~ 2 мм). Чтобы исключить эндоскопический эффект и потери изображения при глазных движениях, апертуру пучков необходимо увеличивать [10]. В схеме с расширителем апертуры пучков динамическое перемещение элементов изображения по оптической оси становится невозможным.

Наиболее близким к предлагаемому мультифокальному стереодисплею по совокупности существенных признаков, решаемой задаче и используемому способу является устройство отображения пространственных объектов [11]. Устройство содержит последовательно связанные видеоконтроллер, волоконно-оптический источник светоизлучения, фокусирующую линзу, двухкоординатный сканер и зеркальный окуляр. Волоконно-оптический источник светоизлучения составлен из последовательно расположенных светоизлучателя, оптического согласующего элемента и волоконного световода. Двухкоординатный сканер составлен из горизонтального и вертикального механических зеркальных сканеров, связанных через плоское полупрозрачное зеркало и вогнутое сферическое зеркало. Входы синхронизации сканеров подключены к видеоконтроллеру, который связан с электронно-вычислительной машиной. Зеркальный окуляр составлен из полупрозрачного сферического зеркала и плоского поляризационного зеркала. Стереоскопический дисплей составляется из двух идентичных устройств {дисплейных каналов) для левого и правого глаза соответственно.

Недостатком такого стереодисплея являются малый физиологически допустимый объем аккомодации глаз и появление конфликтов между конвергенцией и аккомодацией при отображении пространства с большим динамическим диапазоном расстояний до предметов (от расстояния наилучшего видения 250÷330 мм до бесконечности). Недостатком является наличие малых выходных зрачков. Вследствие принципа работы выходной зрачок каждого устройства совмещен с неподвижной точкой глаза - его центром вращения. Поэтому при глазных движениях изображение просматривается полностью, но оказывается в значительной степени виньетированным. Кроме того, наблюдается эндоскопический эффект.

Заявляемый мультифокальный стереодисплей обеспечивает стереоскопическое зрение при большом динамическом диапазоне расстояний до предметов (от 250÷330 мм до ∞), увеличивает объем аккомодации глаз до 3,5÷4 дптр, уменьшает разность между конвергенцией и аккомодацией глаз до ±0,25÷±0,5 дптр, обладает большими выходными зрачками для естественного зрительного восприятия трехмерного пространства предметов без виньетирования.

Такие характеристики достигаются за счет того, что в стереоскопическом дисплее, содержащем видеоконтроллер и подключенные к нему два идентичных дисплейных канала для левого и правого глаза соответственно, причем каждый дисплейный канал состоит из последовательно связанных волоконно-оптического источника светоизлучения, фокусирующей линзы и двухкоординатного сканера, при этом волоконно-оптический источник светоизлучения составлен из последовательно расположенных светоизлучателя, оптического согласующего элемента и световода, причем вход светоизлучателя и вход синхронизации сканера соединены с видеоконтроллером, подключенным к электронно-вычислительной машине, каждый дисплейный канал снабжен многофокусным окуляром, составленным из расширителя световых пучков, светоделительной пластины и двух сферических вогнутых зеркал, каждое из которых содержит два конфокальных отражающих слоя, причем светоделительная пластина связана со сканером через расширитель световых пучков и расположена на пересечении зрительной оси глаза и оптической оси расширителя световых пучков под равными углами наклона к осям, при этом одно сферическое вогнутое зеркало помещено на оптической оси расширителя световых пучков со стороны светоделительной пластины, обращенной к глазу, другое - на зрительной оси глаза со стороны светоделительной пластины, обращенной к расширителю световых пучков.

В другой модификации устройства конфокальные отражающие слои сферических вогнутых зеркал дисплейных каналов выполнены на жидких кристаллах.

Новыми признаками устройства являются: введение в каждый дисплейный канал многофокусного окуляра, составленного из расширителя световых пучков, светоделительной пластины и двух сферических вогнутых зеркал, каждое из которых содержит два конфокальных отражающих слоя; установка расширителя световых пучков между сканером и светоделительной пластиной; расположение светоделительной пластины на пересечении зрительной оси глаза и оптической оси расширителя световых пучков под равными углами наклона к этим осям; установка одного зеркала на оптической оси расширителя световых пучков на стороне светоделительной пластины, обращенной к глазу; установка второго зеркала на зрительной оси глаза на стороне светоделительной пластины, обращенной к расширителю; выполнение конфокальных отражающих слоев зеркал на жидких кристаллах.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого устройства. На фиг. 2 показан принцип бинокулярной фокусировки при двух стратегиях выбора радиусов виртуальных экранов. На фиг.3 приведены графики разности между конвергенцией и аккомодацией в зависимости от расстояния до предметов. На фиг.4 показан альтернативный вариант практической реализации окуляра дисплейного канала мультифокального стереодисплея.

Предлагаемое устройство согласно фиг. 1 содержит видеоконтроллер 1 и подключенные к нему два идентичных дисплейных канала 2 и 3 для левого глаза 4 и правого глаза 5 соответственно. Каждый дисплейный канал, например канал 2, состоит из последовательно связанных волоконно-оптического источника светоизлучения 6, фокусирующей линзы 7 и двухкоординатного сканера 8. Волоконно-оптический источник светоизлучения 6 составлен из последовательно расположенных светоизлучателя 9, оптического согласующего элемента 10 и световода 11. Вход 12 светоизлучателя 9 и вход 13 синхронизации сканера 8 соединены с видеоконтроллером 1, подключенным к электронно-вычислительной машине (ЭВМ). Каждый дисплейный канал, например канал 2, снабжен многофокусным окуляром 14, составленным из расширителя 15 световых пучков, светоделительной пластины 16 и двух сферических вогнутых зеркала 17 и 18, каждое из которых содержит два конфокальных отражающих слоя 19, 20 и 21, 22 соответственно. Светоделительная пластина 16 связана со сканером 8 через расширитель 15 световых пучков и расположена на пересечении зрительной оси 23 глаза 4 и оптической оси 24 расширителя 15 под равными углами наклона к осям 23 и 24. Зеркало 18 со слоями 21 и 22 помещено на оптической оси 24 расширителя 15 на стороне светоделительной пластины 16, обращенной к глазу 4. Зеркало 17 со слоями 19 и 20 помещено на зрительной оси 23 глаза 4 на стороне светоделительной пластины 16, обращенной к расширителю 15.

Предлагаемое устройство (фиг.1) работает следующим образом. Видеоконтроллер 1 получает от ЭВМ для дисплейных каналов 2 и 3 стереопару изображений. Каждое отдельное изображение стереопары содержит угловые координаты (широту Θ, долготу ϕ) и информацию о яркости (I) или цвете (R, G, B) точечных элементов изображений предметов. Видеоконтроллер 1, как правило, запоминает эту информацию в видеобуферной памяти для последующего отображения. Оба дисплейных канала в дальнейшем работают одинаково. Поэтому рассмотрим подробно работу одного канала, например канала 2. В течение периода кадровой (50-70 Гц) и строчной (16-50 кГц) частоты растровой развертки изображений видеоконтроллер 1 вырабатывает управляющий сигнал 13 для отклонения сканером 8 пучков света по широте Θ (вертикали) и по долготе ϕ (горизонтали). Наряду с этим видеоконтроллер 1 на частоте видеосигнала 10-100 МГц управляет с помощью сигнала 12 модуляцией яркости I либо цвета R, G, B светоизлучателя 9.

Светоизлучатель 9 может быть выполнен с использованием светоизлучающих диодов или лазеров (предпочтительно полупроводниковых). Для цветного дисплея используются лазеры или светодиоды, излучающие свет красного R, зеленого G и синего В цвета. С помощью дихроических рефлекторов и линз модулированные видеоконтроллером 1 лучи трех длин волн собираются и фокусируются оптическим согласующим элементом 10 на волоконном световоде 11. В качестве оптического согласующего элемента 10 предпочтительно использовать устройство типа фокон, а в качестве волоконного световода 11 - одномодовый световод с диаметром сердцевины 3-5 мкм. Таким образом, волоконно-оптический источник 6 модулируемого светоизлучения служит для создания и направления на сетчатку глаза 4 одного точечного элемента изображения предмета за один такт видеочастоты.

Модулированные световые пучки с выхода световода 11 через фокусирующую линзу 7 поступают на двухкоординатный сканер 8 для горизонтального и вертикального отклонения. Возможны два варианта реализации сканера 8: в виде последовательно связанных горизонтального механического резонансного зеркального микросканера [8, 9] и вертикального сканера на основе зеркального гальванометра или в виде микроэлектро-механического двумерного сканера с одним зеркалом, изготовленного по кремниевой технологии интегральных схем [12]. Оба варианта двухкоординатных сканеров 8 отклоняют световые пучки с малой угловой апертурой, определяемой размером подвижных зеркал (≤2х2 мм²), и требуют последующего увеличения угловой апертуры световых пучков для окуляров с расширенным выходным зрачком.

Входным зрачком многофокусного окуляра 14 является выходная поверхность расширителя 15 световых пучков, на которую фокусируются пучки, отклоненные сканером 8, образуя растровое изображение предметов с расширенной угловой апертурой. Расширитель 15 выполняется в виде рефракционной линзы, у которой выходная поверхность, обращенная к светоделительной пластине 16, является сферической со специальным покрытием. В простейшем случае - это матовая поверхность, обеспечивающая диффузное рассеяние света. В другом варианте на сферическую поверхность расширителя 15 может быть нанесен голографический элемент с псевдослучайной фазой для формирования определенной направленности расширенных световых пучков. И, наконец, на поверхности расширителя 15 может быть сформирован двумерный мультипликатор выходных световых пучков как элемент дифракционной оптики. Вид входной поверхности расширителя 15, обращенной к сканеру 8, зависит от типа применяемого двухкоординатного сканера. Это может быть тороидальная или сферическая поверхность. Линза расширителя 15 работает как коллектив, обеспечивающий фокусировку пучков на выходной сферической поверхности.

Действительное изображение предметов, сформированное на выходной сферической поверхности расширителя 15 световых пучков, увеличивается и переносится в виртуальное пространство с помощью светоделительной пластины 16 и сферических вогнутых зеркал 17 и 18. Каждое зеркало (17 и 18) содержит два конфокальных отражающих слоя, напыленных на внутренней и внешней поверхностях концентрического мениска. Например, пусть зеркало 17 на внутренней поверхности мениска содержит слой 20, отражающий 36% и пропускающий 60% света при потерях света 4%. Пусть слой на внешней поверхности мениска отражает 100% света. В этом случае в отраженном от зеркала 17 свете будет присутствовать 36% света, отраженного от внутреннего слоя, и равное количество 36% света, отраженного от внешнего слоя. 28% света будет потеряно, причем около 19% света будет многократно переотражаться между внутренним и внешним слоями. Вторичные и последующие отражения приведут лишь к некоторому снижению контраста. Таким образом, каждое сферическое вогнутое зеркало (17 и 18), составленное из двух конфокальных отражающих слоев, эквивалентно двум сферическим отражающим поверхностям с разными радиусами кривизны. Два зеркала (17 и 18) с четырьмя отражающими слоями обеспечивают четыре сферических поверхности с разной кривизной. Очевидно, что если варьировать прозрачностью слоев, то можно построить окуляр с одним, двумя, тремя или четырьмя отражающими слоями. Например, если слой 19 зеркала 17 прозрачен, а остальные слои зеркал 17 и 18 имеют вышеописанные коэффициенты отражения, то получается окуляр просветного типа с тремя отражающими слоями для воспроизведения изображения от ЭВМ плюс окно для внешнего окружающего мира (30% света).

Точечный элемент изображения предмета, расположенный на выходной поверхности расширителя 15, излучает расширенный пучок света в направлении светоделительной пластины 16. Половину света этого пучка пластина 16 направляет в сторону зеркала 17 вдоль зрительной оси 23 глаза 4, а другую половину пропускает вдоль оптической оси 24 к зеркалу 18. Одна "половина пучка" отражается от двух слоев 19 и 20 зеркала 17. При этом вдоль зрительной оси 23 в направлении глаза 4 через светоделительную пластину 16 пройдут два расходящихся пучка света одинаковой интенсивности, но с разной кривизной волнового фронта. Другая "половина пучка" отражается от двух слоев 21 и 22 зеркала 18, а затем - от светоделительной пластины 16. При этом вдоль зрительной оси 23 в направлении глаза 4 пройдут другие два расходящихся пучка света. Таким образом, вдоль зрительной оси 23 к глазу 4 будет направлено четыре световых пучка с разной кривизной волновых фронтов, с одинаковой яркостью и с совпадающими со зрительной осью 23 главными лучами. Эти пучки проходят через оптическую систему глаза 4 и фокусируются в четыре световые точки, расположенные вдоль зрительной оси 23.

Расположение зеркальных элементов многофокусного окуляра 14 таково, что центры конфокальных отражающих поверхностей 19 и 20 зеркала 17 совмещены с центром вращения глаза 4. Центры конфокальных отражающих поверхностей 21 и 22 зеркала 18 и центр сферического изображения на поверхности расширителя 15 совмещены между собой, а с помощью светоделительной пластины 16 этот общий центр оказывается также совмещенным оптически с центром вращения глаза 4. Таким образом, вдоль зрительной оси 23 глаза 4 оказываются виртуально расположенными сферическое изображение предметов на расширителе 15 и четыре конфокальные отражающие поверхности сферических вогнутых зеркал с разными величинами радиусов кривизны. Причем центры всех сферических поверхностей совмещены с центром вращения глаза. В соответствии со способом [11] отображения пространственных объектов в этом случае точечное изображение предмета будет перенесено на четыре виртуальных сферических экрана, расположенных на разном удалении от наблюдателя. Вследствие центральной симметрии системы (центром симметрии является центр вращения глаза) при любом вращении глаза 4 и последующей фиксации зрительной оси 23 в положении, отличном от исходного, процесс отображения точечных элементов изображений предметов, расположенных на сферической поверхности расширителя 15 световых пучков, не будет отличаться от рассмотренного выше. Таким образом, при любом положении зрительной оси 23 глаза 4 соответствующий точечный элемент изображения предмета одновременно отображается на четырех разноудаленных сферических виртуальных экранах, лежит на пересечениях зрительной оси 23 с этими экранами и фокусируется глазом 4 в четыре световые точки или четыре фокуса вдоль его зрительной оси в окрестности фовеальной ямки сетчатой оболочки глаза.

Конфокальные отражающие слои 19 и 20 зеркала 17 и слои 21 и 22 зеркала 18 могут быть выполнены на жидких кристаллах холестерического типа [13]. Холестерики работают со светом, поляризованным по кругу. Например, свет с правой круговой поляризацией холестерик отражает практически на 100% без изменения направления вращения вектора, а свет с левой круговой поляризацией - пропускает. Назовем такой жидкий кристалл правоотражающим. Холестерик, который отражает свет с левой круговой поляризацией и пропускает свет с правой круговой поляризацией, назовем левоотражающим. Отражающие слои зеркал 17 или 18 составляются из пары холестериков - левоотражающего и правоотражающего. Например, слой 19 зеркала 17 может быть левоотражающим холестериком, тогда слой 20 этого зеркала должен быть выполнен из правоотражающего холестерика. Для зеркала 18 слой 22 - левоотражающий, слой 21 - правоотражающий.

Многофокусный окуляр 14 на жидких кристаллах работает следующим образом. Диодные полупроводниковые лазеры, используемые в качестве светоизлучателя 9, генерируют обычно световую волну с плоской поляризацией. Такую волну можно представить как сумму двух волн, электрические векторы которых вращаются в противоположных направлениях по мере распространения волны. Таким образом, плоскополяризованный свет содержит в себе как свет с правой круговой поляризацией, так и свет с левой круговой поляризацией. Такой свет от светоизлучателя 9 проходит через оптический согласующий элемент 10, световод 11, двухкоординатный сканер 8, расширитель световых пучков 15, светоделительную пластину 16 и не изменяет своей плоской поляризации. При падении плоскополяризованного света на зеркало 17 правоотражающий холестерик слоя 20 отразит составляющую света с правой круговой поляризацией и пропустит через себя составляющую света с левой круговой поляризацией. Левоотражающий холестерик слоя 19 отразит свет с левой круговой поляризацией, а правоотражающий слой 20 пропустит этот свет в обратном направлении. Таким образом, вдоль зрительной оси 23 в направлении к глазу 4 пойдут два пучка света с разной круговой поляризацией и с разной кривизной волновых фронтов. Аналогичный процесс расщепления и отражения света происходит на зеркале 18. В результате вдоль зрительной оси 23 к глазу 4 пройдут четыре световых пучка, которые создадут изображение на четырех виртуальных сферических экранах. Применение жидких кристаллов уменьшает потери света и увеличивает контраст изображения.

Пусть радиус i-го виртуального экрана соответствует аккомодации Ai в диоптриях и пусть задан в миллиметрах радиус R изображения на поверхности расширителя 15. Тогда величины радиусов отражающих слоев зеркал 17 и 18 в миллиметрах можно найти из формулы для сферического зеркала в виде 1/R+Ai/1000=2/Ri, где Ri - радиус i-го отражающего слоя. Для R=40, А1=3, А2=2, А3=1 и А4= 0,1 из формулы получим радиусы R1=71,43, R2=74,07, R3=76,92 и R4=79,68. Присвоим R1 слою 20, R2 слою 19, R3 слою 22 и R4 слою 21. Теперь надо скорректировать величину радиусов внешних поверхностей менисков с учетом показателя преломления стекла n. В параксиальном приближении это можно сделать по формулам 1/R2'=n/R2-(n-1)/R1 и 1/R4'=n/R4-(n-1)/R3, где R2', R4' - скорректированные радиусы внешних отражающих слоев. После коррекции при n= 1,5163 толщина мениска зеркала 17 составит 4,08 мм, а толщина мениска 18 - 4,26 мм.

Очевидно, что в приведенном примере дисплейный канал 2 с учетом зоны комфорта ±0,5 дптр может обеспечить объем аккомодации В=(А1+0,5) - (А4-0,1) = 3,5 дптр.

Все вышеприведенные пояснения относительно устройства и принципов работы дисплейного канала 2 в равной степени справедливы и для дисплейного канала 3.

Опишем теперь, как происходит бинокулярная фокусировка глаз. Допустим, что величины радиусов кривизны отражающих слоев зеркал в дисплейных каналах 2 и 3 совпадают. На фиг.2а показана фиксация взгляда на точке F, воспроизводимой дисплейными каналами 2 и 3 для левого 4 и правого 5 глаза соответственно. Точка F предмета отображается на восьми виртуальных экранах: для левого глаза 4 вдоль его зрительной оси L в точках L1, L2, L3, L4; для правого глаза 5 вдоль зрительной оси R в точках R1, R2, R3, R4. Оптические системы глаз переносят изображения этих точек вдоль зрительных осей в район фовеальных ямок сетчаток в точки l1, l2, l3, l4 и r1, r2, r3, r4. При фиксации взгляда на точке F глаза конвергируют на угол α. Глазодвигательный нерв иннервирует аккомодационные мышцы, оптическая сила глаз начинает изменяться и точки l1÷l4 и r1÷r4 начинают передвигаться вдоль зрительных осей L и R до тех пор, пока не будет получено резкое изображение точки F на сетчатках при минимальной разнице между расстояниями аккомодации и конвергенции. На фиг.2а это наступает в том случае, когда на фовеальные ямки глаз попадают точки l2 и r2, соответствующие точкам L2 и R2, которые отстоят от F на расстоянии не более чем |0,5| дптр.

Таким образом, конвергенция глаз, задаваемая изображениями стереопар, автоматически выбирает необходимые виртуальные экраны для наилучшей фокусировки глаз с погрешностью аккомодации не более ±0,5 дптр.

На фиг. 2б показан другой вариант бинокулярной фокусировки, позволяющий уменьшить погрешность аккомодации вдвое при неизменном количестве экранов либо уменьшить вдвое количество экранов при неизменной погрешности аккомодации. В этом подходе радиусы экранов для левого 4 и правого 5 глаз отличаются согласно фиг. 2б на 0,5 дптр. При конвергенции глаз на точку F в отличие от предыдущего случая глаза не могут сфокусироваться одинаково резко одновременно на двух экранах. Наиболее близкими к точке F являются точки L2 и R3, расстояние между которыми 0,5 дптр. Возникает известное в теории бинокулярного зрения соперничество и "побеждает" тот глаз, на сетчатке которого более резкое изображение, или при равных условиях - ведущий глаз [14]. В нашем примере точка F оказывается расположенной ближе к L2 и глаза фокусируются на 2 дптр. При этом разрешение изображения на правом глазу 5 падает примерно вдвое, т.к. сетчатка этого глаза оказывается между двумя фокусами r2 и r3. Однако в силу свойств бинокулярного смешения изображений стереопсис не нарушается, а резкость объемного изображения соответствует лучшему по резкости из воспринятых изображений стереопары. По сути, такие же выводы следуют из экспериментальных работ по стереотелевидению [15], позволивших сделать заключение о том, что без потери качества передачу изображений в одном из каналов (левом или правом) можно вести с ограниченной полосой частот.

Таким образом, для рассмотренного примера при изменении расстояния точки фиксации от 3,5 дптр до нуля разность между конвергенцией и аккомодацией не будет превышать ±0,25 дптр, а объем аккомодации с учетом зоны комфорта ±0,5 дптр увеличивается до 4 дптр.

На фиг.3 показаны графики разности между конвергенцией и аккомодацией в зависимости от расстояния до фиксируемой точки: кривая 1 - однофокусный стереодисплей; кривая 2 - бифокальный стереодисплей; кривая 3 - квадрофокальный стереодисплей; кривая 4 - октафокальный стереодисплей. Очевидно, что по таким показателям как объем аккомодации и конфликт между аккомодацией и конвергенцией предпочтение следует отдать октафокальному стереодисплею.

Альтернативный вариант практической реализации окуляра дисплейного канала мультифокального стереодисплея показан на фиг.4. Окуляр выполнен в виде призменного светоделителя 25, на боковых поверхностях которого расположены расширитель 15 световых пучков, вогнутые сферические зеркала 17 и 18 и выходная вогнутая поверхность 26. Светоделение пучков выполняет полупрозрачный слой 16, расположенный на гипотенузной поверхности светоделителя 25. Многофокусный окуляр представляет менисковую систему и свободен практически от любых аберраций. Выходная поверхность 26 может быть плоской и даже выпуклой, что способствует увеличению поля зрения дисплейного канала.

Литература 1. Патент США 5539422, G 09 G 3/02.

2. Патент США 5539578, G 02 В 27/10, G 09 G 5/00.

3. Патент США 5671992, G 03 В 21/14.

4. С.В. Кравков. Глаз и его работа. М.-Л.: АН СССР, 1950.

5. В.И. Чуриловский. Теория оптических приборов. М.-Л.: Машиностроение, 1966.

6. Патент США 5467104, G 09 G 3/02.

7. Патент США 5596339, G 09 G 3/02.

8. Патент США 5751465, G 02 В 26/08.

9. Патент США 5982528, G 02 В 26/08.

10. Патент США 5701132, G 09 G 5/00.

11. Патент RU 2143718 C1, G 02 В 27/22, G 09 G 3/02.

12. Патент США 6134042, G 02 В 26/08.

13. С.А. Пикин, Л.М. Блинов. Жидкие кристаллы. М.: Наука, 1982.

14. lan P. Howard, Brian J. Rogers. Binocular Vision & Stereopsis. Oxford University Press, 1995.

15. П. В. Шмаков, К.Е. Колин, В.Е. Джакония. Стереотелевидение (черно-белое и цветное). М.: Связь, 1968.

Формула изобретения

1. Мультифокальный стереодисплей, содержащий видеоконтроллер и подключенные к нему два идентичных дисплейных канала для левого и правого глаза соответственно, причем каждый дисплейный канал состоит из последовательно связанных волоконно-оптического источника светоизлучения, фокусирующей линзы и двухкоординатного сканера, при этом волоконно-оптический источник светоизлучения составлен из последовательно расположенных светоизлучателя, оптического согласующего элемента и световода, причем вход светоизлучателя и вход синхронизации сканера соединены с видеоконтроллером, подключенным к электронно-вычислительной машине, отличающийся тем, что каждый дисплейный канал снабжен многофокусным окуляром, составленным из расширителя световых пучков, светоделительной пластины и двух сферических вогнутых зеркал, каждое из которых содержит два конфокальных отражающих слоя, причем светоделительная пластина связана со сканером через расширитель световых пучков и расположена на пересечении зрительной оси глаза и оптической оси расширителя световых пучков под равными углами наклона к этим осям, при этом одно сферическое вогнутое зеркало помещено на оптической оси расширителя световых пучков со стороны светоделительной пластины, обращенной к глазу, другое - на зрительной оси глаза со стороны светоделительной пластины, обращенной к расширителю световых пучков.

2. Мультифокальный стереодисплей по п. 1, отличающийся тем, что конфокальные отражающие слои сферических вогнутых зеркал дисплейных каналов выполнены на жидких кристаллах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4