Анализ аберраций децентрированных линз для компенсации конфликта конвергенции и аккомодации в системах виртуальной реальности

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Романова Г.Э., Нгуен Н.Ш. Анализ аберраций децентрированных линз для компенсации конфликта конвергенции и аккомодации в системах виртуальной реальности // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 9. С. 20–29. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-09-20-29

Romanova G.E., Nguyen N.S. Aberration analysis of decentered lenses for the compensation of vergence–accommodation conflict in virtual reality systems [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 9. P. 20–29. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-09-20-29

Ссылка на англоязычную версию:

G. E. Romanova and N. S. Nguyen, "Aberration analysis of decentered lenses for the compensation of vergence–accommodation conflict in virtual reality systems," Journal of Optical Technology. 89(9), 517-523 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000517

Аннотация:

Предмет исследования. Оптические системы виртуальной реальности, в которых предложено использовать децентрированные линзы, позволяющие устранить или уменьшить конфликт конвергенции и аккомодации, который приводит к дискомфорту или быстрой утомляемости наблюдателя в большинстве таких систем. Целью работы являются исследование возможности применения децентрированных линз для компенсации конфликта конвергенции и аккомодации в системах виртуальной реальности и поиск оптимальной конфигурации двухкомпонентной оптической системы. Методы. Проанализированы как необходимые значения децентрировки в случае смещения одного или обоих компонентов, так и аберрационные зависимости. Основные результаты. На основе соотношений теории аберрации третьего порядка получены более точные формулы для аберраций, вносимых в оптическую систему децентрированными линзами при относительно большом смещении линз. Показано, что минимальная децентрировка и, следовательно, минимальные аберрации, обеспечиваются в схеме при децентрировке обоих компонентов. Представлен пример оптической системы с децентрированными линзами, разработанный с учетом требований к габаритным размерам и высокого качества изображения. Практическая значимость. Полученные формулы для аберраций децентрированных линз позволяют оценить влияние поперечного смещения линз на качество изображения системы виртуальной реальности и могут также применяться для анализа аберраций децентрировки в других схемах. Предложенные решения оптических схем могут найти применение в системах виртуальной реальности с уменьшенным значением конфликта конвергенции и аккомодации.

Ключевые слова:

виртуальная реальность, конфликт конвергенции и аккомодации, аберрации, децентрированные линзы, кома, астигматизм, кривизна поля изображения

Коды OCIS: 330.1400, 090.1000, 050.1970

Список источников:

1. Andrew J.W. How are crosstalk and ghosting defined in the stereoscopic literature? // Proc. SPIE 7863. Stereoscopic Displays and Applications XXII. 78630Z (25 February 2011). DOI: 10.1117/12.877045

2. Frank L.K., Toet A. Visual comfort of binocular and 3D displays // Displays. 2004. V. 25. P. 99–108. DOI: 10.1016/j.displa.2004.07.004

3. Kim J., Kim W., Ahn S., Kim J., Lee. S. Virtual reality sickness predictor: Analysis of visual-vestibular conflict and VR contents // 10th Internat. Conf. Quality of Multimedia Experience (QoMEX). Cagliari, 2018. P. 1–6. DOI: 10.1109/QoMEX.2018.8463413

4. Shibata T., Kim J., Hoffman D.M., Banks M.S. The zone of comfort: Predicting visual discomfort with stereo displays // J. Vision. 2011. V. 11. № 8. P. 1–29.

5. Hoffman D.M., Girshick A.R., Akeley K., Banks M.S. Vergence–accommodation conflicts hinder visual performance and cause visual fatigue // J. Vision. 2008. V. 8(3). № 33. P. 1–30.

6. Liu S., Cheng D., Hua H. An optical see-through head mounted display with addressable focal planes // Proc. 7th IEEE/ACM Int. Symp. Mixed Augmented Reality. Sep., 2008. P. 33–42. DOI: 10.1109/ISMAR.2008.4637321

7. Hasnain A., Laffont P.-Y., Jalil S.B.A., Buyukburc K., Guillemet P.-Y., Wirajaya S., Khoo L., Deng T., Bazin J.C. Piezo-actuated varifocal head-mounted displays for virtual and augmented reality // Proc. SPIE. 2019. V. 10942. P. 1094207. DOI: 10.1117/12.2509143

8. Rolland J.P., Krueger M.W., Goon A. Multifocal planes head-mounted displays // Appl. Opt. 2000. Jul. V. 39. № 19. P. 3209–3215. DOI: 10.1364/AO.39.003209

9. Cheng D., Wang Q., Wang Y., Jin G. Lightweight spatial-multiplexed dual focal-plane head-mounted display using two freeform prisms // Chin. Opt. Lett. 2013. V. 11. № 3. Р. 031201. DOI: 10.3788/COL201311.031201

10. Song W., Wang Y., Cheng D., Liu Y. Light field head-mounted display with correct focus cue using microstructure array // Chin. Opt. Lett. 2014. V. 12. P. 060010. DOI: 10.3788/COL201412.060010

11. Song W., Wang Y., Cheng D., Liu Y. Design of light field head mounted display // Proc. SPIE. 2014. V. 9293. P. 92930J. DOI: 10.1364/IODC.2014.ITh4A.3

12. Wilson A., Hua H. High-resolution optical see-through vari-focal plane head-mounted display using freeform Alvarez lenses // Proc. SPIE 10676. Digital Optics for Immersive Displays. 106761J (21 May 2018). DOI: 10.1117/12.2315771

13. Cui W., Gao L. Optical mapping near-eye three-dimensional display with correct focus cues // Opt. Lett. 2017. V. 42. Iss. 13. P. 2475–2478. DOI: 10.1364/OL.42.002475

14. Нгуен Н.Ш., Романова Г.Э. Преодоление конфликта конвергенции и аккомодации в системах виртуальной и дополненной реальности // Известия вузов. Приборостроение. 2021. Т. 64. № 2. С. 143–152.

15. The Dual-Element Optics of the OSVR HDK Headset [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.roadtovr.com/sensics-ceo-yuval-boger-dual-element-optics-osvr-hdk-vr-headset/

16. Timothy L.W., Zhisheng Y., Gregg A., Jo E. Folded optics with birefringent reflective polarizers // Proc. SPIE 10335. Digital Optical Technologies. 2017. 103350E (26 June 2017). DOI: 10.1117/12.227026

17. 3апрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем: учебник для вузов. М.: Логос, 2000. 584 с.

18. Shack R.V. Aberration theory, OPTI 514 course notes // College of Optical Sciences, University of Arizona. Tucson, Arizona.

19. Thompson K.P. Aberration fields in tilted and decentered optical systems // Ph.D. dissertation. University of Arizona, Tucson, Arizona, 1980.

20. Губель Н.Н. Аберрации децентрированных оптических систем. Л.: изд. Машиностроение, Л.О., 1975. 272 с.

21. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л.: Машиностроение, 1969. 672 с.

22. Романова Г.Э., Нгуен Н.Ш. Анализ аберраций клина как компенсационного и функционального элемента в системах дополненной и виртуальной реальности // Научно-техн. вест. информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 6. С. 808–816.

23. Bang K., Jo Y., Chae M., Lee B. LensIet VR: Thin, flat and wide-FOV virtual reality display using fresnel lens and lensIet array // IEEE Trans. Vis. Comput. Graph. 2021. May. V.27(5). P. 2545–2554. DOI: 10.1109/TVCG.2021.3067758

24. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://imall.com/product/2.9-inch-2160x2160-Lcd-Screen-Head-Mounted-Display-HMD-Windows-Mixed-Reality-MR-VR-Lcds-Panel-Mipi-Driver-Board-1058-PPI/Home-Improvement-Furniture-Apparel-Accessories-Electronic-Components-Supplies-Phones-Telecommunications-Mobile-Phone-Parts/aliexpress.com/4001178680657/144-74564500/en

25. Zemax Optic Studio 19.8 User manual. October 2019.