Profondeur de champ étendue en réalité augmentée

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8786 (2023) Citer cet article

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Le dispositif d'affichage 3D affiche une image avec des informations de profondeur. Les dispositifs d'affichage 3D conventionnels basés sur la parallaxe binoculaire peuvent effectuer une mise au point précise uniquement sur la profondeur d'un écran spécifique. Étant donné que l'œil humain a une profondeur de champ (DOF) étroite dans des circonstances normales, les écrans 3D qui fournissent une gamme relativement large de zones de profondeur virtuelles ont des limites sur le DOF où des images 3D claires sont vues. Pour résoudre ce problème, il faut trouver les conditions optiques pour étendre le DOF et analyser les phénomènes qui lui sont liés. Pour cela, en utilisant le critère de Rayleigh et le rapport de Strehl, un critère pour cette extension du DDL est proposé. Une structure optique pratique qui peut étendre efficacement le DOF est conçue à l'aide d'un écran plat. Cette structure optique pourrait être appliquée à AR, VR et MR dans le domaine des écrans proches de l'œil. À partir des résultats de cette recherche, les conditions et normes optiques fondamentales sont proposées pour les écrans 3D qui fourniront des images 3D avec DOF étendu à l'avenir. En outre, on s'attend également à ce que ces conditions et critères puissent être appliqués à des conceptions optiques pour les performances requises dans le développement d'affichages 3D dans divers domaines.

Les écrans 3D tels que les écrans 3D de type stéréo avec lunettes ou sans lunettes offrent généralement une parallaxe binoculaire1,2. De plus, pour fournir une parallaxe de mouvement, les informations de position des observateurs peuvent être utilisées pour un processus logiciel comme rétroaction3,4,5,6. À l'aide d'un écran 3D multivue, la parallaxe de mouvement peut également être fournie optiquement7,8,9,10,11. De plus, lorsqu'une personne regarde un objet dans un environnement naturel, les lignes de visée des deux yeux convergent vers l'emplacement de l'objet et créent un point de fixation dans la fovéa de la rétine. Dans le même temps, l'œil ajuste l'épaisseur du cristallin de l'œil pour que l'image de la rétine devienne nette en se concentrant sur la profondeur de convergence. De cette manière, l'action de liaison convergence-accommodation s'effectue naturellement dans l'œil humain.

Dans le cas de l'image 3D, une impression de profondeur peut être fournie à partir d'une image de parallaxe binoculaire. La reconnaissance d'images 3D est obtenue en combinant des effets binoculaires et monoculaires. Pour les effets monoculaires, il y a un effet de contrôle de mise au point. Cependant, lors de l'observation d'une image 3D, la plage de profondeur des objets virtuels que l'œil humain perçoit comme une image claire sur la rétine par accommodation est connue pour être d'environ ± 0,3 dioptrie en moyenne pour une largeur de pupille de 3 mm12. Par conséquent, si une image 3D avec une profondeur focale supérieure à ± 0,3 dioptrie est fournie à partir de l'affichage 3D, en raison du flou de l'image sur la rétine, un observateur ne peut pas voir l'image 3D globalement claire à partir de l'image 3D fournie avec une telle différence en profondeur. C'est-à-dire qu'il en résulte un conflit vergence-accommodation (VAC)13,14. Ce phénomène VAC peut provoquer une fatigue oculaire, de sorte que la profondeur de l'image 3D à exprimer est inévitablement limitée, et la zone d'application de l'image 3D est également limitée. Par conséquent, lorsque le DOF est élargi dans une image 3D générale, l'image monoculaire peut être considérée comme une image 2D qui montre toujours une image claire quelles que soient les informations de profondeur de l'image dans la zone DOF agrandie. Cependant, si une telle image 3D est combinée avec la parallaxe binoculaire de la situation de regard des deux yeux, une image claire peut toujours être vue lorsque la profondeur de regard des deux yeux se situe dans la plage de DOF. Cependant, il ne s'agit pas d'une image 3D avec les caractéristiques d'une image réelle. Mais il n'y a aucun problème à reconnaître l'image 3D du point d'observation car l'observateur peut reconnaître une image claire même lorsqu'il visualise le point d'image 3D à n'importe quelle profondeur dans la plage de profondeur de DOF.

La technologie d'affichage 3D pour résoudre ce problème VAC devrait être capable de contrôler le départ de la lumière de la profondeur de l'image virtuelle, similaire à la technologie holographique15,16. Ou mettre en œuvre un affichage spatial pour fournir des images 3D comme dans un dispositif d'affichage d'images volumétrique17,18,19. Ces technologies peuvent être appliquées aux écrans 3D généraux sans verre, mais les technologies d'hologramme ont encore certaines limites dans les performances des modulateurs de lumière spatiaux qui affichent l'amplitude et la phase pour une application, et les écrans 3D volumétriques ont également le problème de limiter l'espace pour les écrans 3D. . Par conséquent, ils ont des difficultés considérables dans le développement d'affichages 3D commerciaux. Par conséquent, la recherche et le développement d'écrans 3D pouvant fournir des informations de réglage de la mise au point ont été principalement tentés dans la zone d'affichage proche de l'œil (NED)20,21,22. Dans le NED, un certain nombre d'études ont été menées pour étendre la zone de profondeur dans laquelle le réglage de la mise au point est fourni afin qu'il puisse être utilisé même si la zone de visualisation des images 3D est limitée. De plus, il existe diverses méthodes pour satisfaire le réglage de la mise au point dans la méthode de parallaxe complète23, la méthode super-multiview (SMV)24 et la méthode Light Field25,26. De plus, une technologie permettant de modifier la profondeur de l'écran virtuel peut être appliquée27,28. Si la condition optique pour l'expansion DOF est formée, dans le cas d'un affichage 3D dans le type d'une vue maxwellienne, même si un seul point de vue est fourni au monoculaire, une image 3D claire peut toujours être visualisée lorsque la profondeur du regard binoculaire est dans la plage de profondeur de DOF. En particulier, le procédé SMV suggère la possibilité de fournir un indice sur les informations de commande de mise au point en fournissant plus de deux points d'informations de parallaxe dans une pupille de l'œil. Tout comme les informations de profondeur peuvent être déduites des informations d'image des deux yeux en utilisant la disparité binoculaire, cela commence par l'hypothèse qu'un indice pour le réglage artificiel de la mise au point peut être donné en fournissant des informations sur deux disparités ou plus à un seul œil afin que les informations de profondeur puissent être fourni même dans un seul œil. Dans ce cas, le DOF de chaque image de point de vue formant SMV doit être large pour fournir des informations de contrôle de mise au point artificielles, et même si la mise au point est décalée à différentes profondeurs, une image claire peut être vue29,30,31. Dans ce contexte, la mise en œuvre d'une seule image de parallaxe avec un large DOF est un facteur important dans la réalisation de plusieurs types d'images 3D, y compris SMV32,33,34,35. Ainsi, cette application peut être utilisée même si un seul point de vue est fourni au monoculaire dans le cas d'un affichage 3D sous la forme d'une vue maxwellienne. De plus, lorsqu'un système optique avec une large plage de profondeur de DOF est appliqué à une structure optique telle que la vue maxwellienne, SMV, IP et Light Field, des effets de type hologramme peuvent être obtenus comme dans les documents de référence29,34,35 appliqués à SMV. Par conséquent, une image 3D similaire à une image d'hologramme, qui est l'image 3D ultime, peut être générée.

Comme méthode de mise en œuvre d'une technique d'extension DOF, il y a l'optique AR de type pin-mirror array36,37. La technologie à base de miroirs à broches a l'avantage de pouvoir mettre en œuvre un système optique compact et d'étendre la boîte à œil, mais l'utilisation du réseau de miroirs à broches a également l'effet inverse de réduire l'effet d'expansion DOF. De plus, la technologie HOE38 et la technologie d'extension DOF appliquant la projection rétinienne holographique39,40,41,42 ont été étudiées. Ces technologies ont montré la possibilité d'être appliquées en tant que technologies commercialisées lorsque l'affichage holographique ou la technologie HOE arrivera à maturité dans le futur.

Comme proposé par SMV, il existe une possibilité de réglage de la mise au point lorsque deux ou plusieurs images de parallaxe sont fournies dans le diamètre de la pupille. Compte tenu du contexte de ce développement technologique, la combinaison du concept de la technologie SMV à parallaxe complète avec une méthode pour mettre en œuvre une forme de lumière semblable à un rayon peut atteindre virtuellement la focalisation et la non-focalisation et peut être un moyen de résoudre le problème lié à la mise au point de l'image 3D. De plus, si un large DOF peut être fourni en ajustant la forme de la lumière incidente sur la pupille, des images 3D peuvent théoriquement être fournies avec une mise au point complète. Dans ce cas, étant donné que la mise au point est toujours au point, il est possible de générer une image 3D exempte du problème de mise au point lié à la commande de mise au point en utilisant une seule information de point de vue sans satisfaire la condition SMV. Une telle image 3D sans le problème de mise au point peut être utilisée de diverses manières. Cependant, les conditions optiques pour les écrans 3D dans cette technique n'ont pas été systématiquement étudiées sur les limitations à l'expansion du DOF en fonction de la forme de la lumière formant des images 3D26,29,43,44,45,46.

Dans cette recherche, les conditions de la plage de DOF où l'observateur peut ajuster la mise au point sont étudiées en tenant compte des caractéristiques de l'optique géométrique et diffractive. Sur la base de ces contextes théoriques, simulations et résultats expérimentaux, des conditions optiques géométriques et diffractives liées à la plage de profondeur de l'image 3D à mise au point réglable sont dérivées. Dans cette structure optique, la corrélation entre la résolution angulaire et l'expansion DOF a été dérivée pour examiner les limites de DOF pour chaque résolution angulaire. Une méthode est conçue pour présenter une norme pour la gamme DOF possible en considérant l'effet de diffraction et la défocalisation géométrique à l'aide du critère de Rayleigh, qui est le critère de résolution dans l'état de mise au point, et le rapport de Strehl, qui peut être utilisé pour déterminer -de-focus. Et, sur la base de cette étude, des conditions commercialement applicables de résolution angulaire et d'expansion DOF ont été trouvées. De plus, pour mettre en œuvre ces conditions, un système optique réaliste applicable aux écrans NED de type AR est conçu, et des simulations et des vérifications expérimentales de l'expansion DOF dans le système optique sont effectuées. Ces conditions optiques peuvent être appliquées aux optiques AR et VR, et peuvent finalement être appliquées à la conception d'un système optique qui étend le DOF d'un écran 3D pour afficher des images 3D dans une zone de profondeur étendue. Et les écrans DOF XR ou 3D étendus peuvent atténuer le phénomène VAC.

Par conséquent, dans cet article, nous proposons une méthode pour former une large image DOF 3D en déterminant la structure réaliste et la limite de profondeur focale du système optique et vérifions qu'une profondeur focale étendue peut être réalisée grâce à la reproduction expérimentale et aux résultats de simulation du système optique. . Nous dérivons d'abord les conditions pour étendre DOF en utilisant la corrélation entre la position d'une source lumineuse dans l'espace 3D et la largeur de la lumière incidente sur la pupille. Deuxièmement, nous concevons la structure d'un système optique capable de mettre en œuvre la situation de cette condition géométrique. Troisièmement, en examinant le phénomène de diffraction du système optique se produisant dans cette expansion DOF géométrique, la quantité de diffraction due à l'expansion DOF est calculée. Ensuite, en tenant compte de la corrélation entre l'expansion DOF géométrique et l'expansion DOF optique diffractive dans le système optique imaginé et conçu, nous obtenons les conditions de maximisation du DOF, à partir desquelles nous atteignons des conditions pratiques pour la mise en œuvre. Enfin, nous simulons ces conditions et vérifions les conditions de base d'une expansion DOF réaliste en construisant un système optique pour le tester.

Si la lumière de chaque pixel constituant une image 3D peut être idéalement réalisée sous la forme d'un rayon lumineux, elle peut toujours avoir un DOF profond quelle que soit la puissance de réfraction du cristallin. Cependant, cette situation ne peut pas se produire dans le milieu naturel. La lumière provenant de n'importe quelle profondeur prédéterminée a une certaine largeur lorsqu'elle traverse la pupille. Par conséquent, à condition que la lumière traversant la pupille forme une certaine largeur, il est nécessaire d'examiner le DOF et sa profondeur standard pour la lumière avec la largeur sur la pupille45,47,48. Si la profondeur de départ de la source lumineuse pour avoir une profondeur focale pour la zone de profondeur définie comme sur la figure 1 est \({d}_{best}\), alors la profondeur de l'écran virtuel pour représenter l'image 3D est \ ({d}_{meilleur}\). Désormais, lorsqu'un œil se concentre sur un point d'image 3D à la profondeur (\({d}_{n}\)) plus proche de l'écran virtuel à la profondeur (\({d}_{best}\)), le l'image du point d'image 3D à \({d}_{best}\) est formée aussi près que \(\alpha \) avant la rétine, elle est donc floue car la taille du spot de \({B}_{n }\) est formé dans la rétine. D'autre part, lorsqu'un œil se concentre sur un point d'image 3D à une profondeur (\({d}_{f}\)) plus loin que l'écran virtuel à une profondeur (\({d}_{best}\) ), l'image est formée à une position plus éloignée que \(\beta \) derrière la rétine, et elle est également floue avec une taille de point de \({B}_{f}\) dans la rétine. Dans ces conditions, si la taille du spot liée au DOF est déterminée comme étant une certaine valeur spécifique, la profondeur de départ de la source lumineuse (\({d}_{best}\)) pour la région DOF peut être décidée car les deux \({B}_{n}\) et \({B}_{f}\) doivent être égaux à la valeur déterminée.

La relation entre la profondeur focale de l'œil et la profondeur optimale (\({d}_{best}\)).

Lorsque la Fig. 1 est considérée, on constate que \({D}_{best}\) a une relation d'une moyenne arithmétique de la dioptrie à courte distance (\({D}_{n}\)) et la distance distance dioptrique (\({D}_{f}\)) comme suit :

La plage DOF \(\Delta D\) est donnée par

Lorsque la lumière provenant du point image (\({P}_{best}\)) sur l'écran virtuel passe à travers la lentille de l'œil, la largeur de la lumière sur la pupille, qui est le diamètre de la zone de distribution de la lumière sur la pupille, est noté PD.

Dans l'éq. (2), il est démontré que la plage DOF est proportionnelle au diamètre du flou géométrique dans la rétine, c'est-à-dire \({B}_{n}\) ou \({B}_{f}\), et inversement proportionnel à la fois à la distance rétinienne effective, \(E/n\), du cristallin à la rétine et à la largeur de la lumière du point d'imagerie côté objet sur le cristallin, PD. Cependant, étant donné que la distance rétinienne effective est une valeur fixe, on peut conclure que la PD doit être réduite pour élargir la plage de DOF. \({B}_{n}\) ou \({B}_{f}\) peut être déterminé par la norme DOF de l'œil.

Les critères optiques géométriques pour déterminer la région DOF ont été décrits dans la section précédente. Cependant, il existe un besoin pour une conception d'une structure optique qui fournisse une image bidimensionnelle capable de mettre en œuvre cette situation. Cette structure optique permet de visualiser l'image 2D uniquement lorsque les conditions de passage dans une certaine zone de la pupille sont remplies. De plus, étant donné que la plage DOF est inversement proportionnelle à la taille du PD sur la lentille oculaire à laquelle les rayons lumineux générés à partir du point d'imagerie arrivent, une structure dans laquelle la lumière du point d'imagerie est collectée sur la lentille oculaire doit être construit. Même dans cette situation de convergence de la lumière, toute l'image virtuelle de l'affichage doit être visible à l'œil. Une autre condition est que le système optique doit être configuré de sorte que la lumière traversant le cristallin puisse commencer à une profondeur optimale spécifique (\({D}_{best}\)) calculée ci-dessus. La structure du système optique proposé pour satisfaire ces deux conditions est présentée à la Fig. 2. Dans cette structure, la lumière provenant de l'écran passe à travers la 1ère ouverture de l'objectif associée à la largeur de lumière (PD) sur la lentille de l'œil et forme une image de l'affichage dans la distance focale de la seconde lentille.

Schéma conceptuel montrant la structure de base de la conception du système optique.

En fixant les conditions des Figs. 2 et 3, nous suggérons un système optique capable de déterminer PD et \({d}_{best}\)(= \({L}_{img}\)) simultanément pour la plage DOF géométriquement optimale. Plus la largeur de la lumière sur la lentille oculaire (PD) est étroite, plus la plage DOF devient large. Cependant, il faut noter qu'un système optique avec une DP plus étroite augmente inévitablement le phénomène de diffraction optique. Par conséquent, l'expansion de la plage DOF optimale ne peut être obtenue que lorsque ces deux conditions conflictuelles sont correctement compromises.

Schéma conceptuel pour dériver des variables de relation géométrique dans la structure optique conçue.

Dans cette section, selon la gamme de DOF géométriques, la relation entre la diffraction et \(PD\) est expliquée. Lorsque nous considérons la diffraction se produisant dans le système optique avec deux lentilles et une lentille oculaire conçues dans la section précédente. Lorsqu'une image est formée dans la rétine à travers le système optique à trois lentilles, on peut montrer que la taille du disque d'Airy est donnée par l'équation. (3)32,41,49.

où \(\uplambda \) représente la longueur d'onde de la lumière pénétrant dans l'œil, et \({E}_{eff}\equiv E/n\) représente la distance rétinienne effective, qui est la distance rétinienne entre le cristallin et le rétine divisée par l'indice de réfraction n. Bien sûr, si la taille de la pupille de l'œil est inférieure à \(PD\), la taille de la pupille peut être remplacée par \(PD\). Par conséquent, la plage de DOF peut être définie dans une condition dans laquelle la taille de l'image optique géométrique est floue (\({B}_{n}\) ou \({B}_{f})\) dans la rétine , donnée par l'éq. (2), est égal à la limite de diffraction, c'est-à-dire la taille du flou d'image dû à la diffraction, donnée par l'Eq. (3). Puis, enfin, la gamme de DOF est obtenue comme

Notez que pour simplifier le coefficient, l'unité de dioptrie pour la plage de DOF (\(\Delta D\)), l'unité de \({\text{um}}\) pour la longueur d'onde (\(\uplambda \ )), et l'unité de \({\text{mm}}\) pour \(PD\) sont utilisées dans l'équation. (4). Par conséquent, on trouve que l'Eq. (4) signifie que la plage de DOF n'est qu'inversement proportionnelle au carré de \(PD\), quelle que soit la structure d'un système optique.

Pour élargir le DOF en optique AR autant que possible, il est expliqué dans la section précédente que le compromis optimal entre les effets optiques géométriques et diffractifs de l'image dans la rétine selon PD doit être trouvé. Plus précisément, lorsque PD augmente, le flou diffractif diminue, comme dans l'Eq. (3) en raison de la diffraction dans la rétine alors que le flou géométrique augmente. Par conséquent, on peut vérifier qu'un PD d'environ 1 mm correspond à la condition optimale. Pour le PD de la condition B sur la Fig. 4a, dans le cas où la focalisation de la lentille oculaire est sur les limites DOF de 0D et 3D, le rayon de diffraction et le rayon de tache géométrique dans la rétine deviennent les mêmes pour le point d'image de l'image virtuelle formée en 1.5D, comme le montre la figure 4b. Lorsque l'œil est focalisé sur la limite DOF, la taille PD pour la condition A, qui est inférieure à la taille PD pour la condition B, réduit la résolution maximale de l'image virtuelle du rayon d'Airy par rapport à la condition optimale B, de sorte qu'elle a un rayon de tache plus grand que la condition B. Lorsque l'œil est focalisé à la limite DOF, la taille PD pour la condition C, qui est plus grande que la taille PD pour la condition B, a un rayon de tache plus grand que celui de la condition B en raison de l'effet d'optique géométrique. En conséquence, la taille de PD sur le plan de la pupille pour laquelle le rayon Airy dû à la diffraction est le même que le rayon du spot géométrique devient une condition importante pour étendre la gamme DOF.

Relation entre défocalisation géométrique et diffractive aux largeurs d'ouverture au niveau de la pupille.

Cependant, ce rayon de la figure 4 est basé sur l'intensité de la distribution de lumière géométrique et diffractive. Par conséquent, la MFT doit également être envisagée. A partir de là, la limite de résolution du système optique correspondant par la limite de diffraction peut être déterminée à la profondeur de référence (\({D}_{best}\)). Dans la sous-section suivante, des conditions plus spécifiques seront examinées par simulation.

Une méthode est conçue pour dériver la taille PD et la plage DOF implémentable en tenant compte de l'effet de diffraction et de la défocalisation géométrique en utilisant le critère de Rayleigh, qui est la norme pour la résolution dans l'état de mise au point, et le rapport de Strehl, qui peut être utilisé pour déterminer le flou. Selon le critère de Rayleigh, le minimum de l'intervalle optiquement perceptible est défini comme le cas où deux images ponctuelles sont aussi éloignées que le rayon d'Airy (\(\uprho )\) dans la rétine, et dans ce cas, la fréquence spatiale est \(1/\uprho \)[lp/mm]. L'équation (4) donne la région DOF autorisée basée sur le rayon Airy lorsque la mise au point est activée, qui est basée sur la profondeur \({d}_{best}\). Dans ce cas, la qualité de l'image est dégradée dans les deux limites de \(\Delta D\) par rapport à la profondeur \({d}_{best}\), ce qui peut être vérifié en calculant le rapport de contraste dans un programme de simulation d'objectif . Par conséquent, en termes de reconnaissance visuelle, il est nécessaire de présenter une limite qui ne ressente pas de diminution de la qualité d'image par rapport à la qualité d'image à la profondeur de \({d}_{best}\). Bien que diverses méthodes puissent être envisagées pour ce critère, la plage d'aberration due à la défocalisation dans le cristallin peut être déterminée comme la plage DOF en appliquant la règle du quart d'onde de Rayleigh, qui est couramment utilisée en optique50,51. Dans ce cas, le coefficient dans l'Eq. (4) passe de 4,88 à 4. Lorsque la mise au point de l'œil est à la position limite de la plage DOF, le rapport de Strehl a une valeur d'environ 0,851,52,53. Par conséquent, dans cet article, nous avons défini une plage dans laquelle le rapport de Strehl par la règle du quart de longueur d'onde de Rayleigh est de 0,8 ou plus en tant que plage DOF qui peut être considérée comme un état de mise au point sans reconnaître le changement dans l'image54,55. La plage de DOF basée sur le rapport Strehl est similaire au phénomène dans lequel l'image de l'objectif est dégradée, et par conséquent, la plage de DOF est réduite par rapport à la plage définie en fonction des tailles de la tache géométrique et de la Disque aéré. Par conséquent, en changeant le coefficient de 4,88 à 4, Eq. (4) peut s'écrire

Pour vérification, un système optique AR avec une plage DOF de 3,0 D (dioptrie) et un HFOV de 35,3 degrés est conçu. De plus, dans une méthode quantitative, nous analysons la qualité des images virtuelles dans le système optique AR conçu avec un modèle de lentille oculaire simplifié. La configuration du système optique AR pour la vérification de la plage DOF est illustrée à la Fig. 5. Les spécifications spécifiques de la Fig. 5 sont données dans le Tableau 1.

Optique AR combinée à un module DOF étendu.

Le résultat de la simulation de savoir si la plage DOF peut être contrôlée efficacement en ajustant la PD dans le système optique précédemment conçu est illustré à la Fig. 6, où trois longueurs d'onde de couleur (0,4861 µm, 0,5876 µm, 0,6563 µm) sont utilisées pour la comparaison avec l'expérience et les caractéristiques MTF de champ nul pour les ondes carrées sont examinées puisqu'une image virtuelle provient d'un affichage avec des pixels.

Caractéristiques MTF à onde carrée dans 4 types de conditions PD.

Les fréquences angulaires correspondant aux paires de lignes (LP) de l'image virtuelle sont représentées par des lignes pointillées verticales, et la valeur MTF (~ 0,14) calculée à partir des valeurs maximale et minimale de modulation dans la condition du critère de Rayleigh pour la PSF adjacente est indiquée par la ligne rouge pointillée horizontale53. Les valeurs des PD dans la simulation sont définies pour être la taille de PD dans laquelle la plage de DOF calculée par l'Eq. (5) sont respectivement 3D, 2D, 1.0D et 0.26D. LP1 est configuré avec marche/arrêt d'un pixel unitaire, LP2 est configuré avec marche/arrêt de deux pixels unitaires adjacents, LP3 est configuré avec marche/arrêt de trois pixels unitaires adjacents, et LP4 est configuré avec marche/arrêt de quatre pixels unitaires adjacents. pixels. Comme le montre la figure 6, la résolution diminue lorsque la PD diminue pour augmenter la plage DOF. Pour le PD de 0,89 mm correspondant à la plage DOF de 3D, le contraste MTF à la fréquence angulaire de 20 cpd pour le motif LP1 est d'environ 0,19, ce qui est une valeur de contraste suffisamment plus grande que la condition du critère de Rayleigh. Lorsque la position de réglage de la mise au point du modèle d'œil simplifié pour chaque condition de PD est modifiée par rapport à la meilleure mise au point (1,5 D) par un pas de 0,1 D, les résultats de la simulation du changement du rapport Strehl de la PSF sont illustrés à la Fig. 7.

Caractéristiques du rapport de Strehl de la PSF en fonction du contrôle de la mise au point de l'œil pour chaque condition de DP.

Comme mentionné précédemment, le cas où le rapport de Strehl de la PSF est supérieur à 0,8 correspond à la zone de mise au point. Il est montré sur la figure 7 que la plage dans laquelle le rapport de Strehl est de 0,8 ou plus pour chaque condition PD établie par calcul est presque la même que la plage DOF déterminée par le calcul. Pour confirmer indirectement les caractéristiques pertinentes, le résultat de la simulation pour la valeur de contraste du motif LP1 correspondant à la résolution la plus élevée de l'image virtuelle est illustré à la Fig. 8, où la valeur de contraste est normalisée à 1 pour comparer le taux de changement du valeur de contraste pour chaque condition de DP. Par rapport au rapport de Strehl pour chaque position de mise au point de l'oeil, on peut vérifier que la valeur de contraste normalisée de 0,71 à 0,77 correspond au rapport de Strehl de 0,8, bien que ce ne soit pas la même valeur de contraste pour chaque condition. La raison pour laquelle ceux-ci n'ont pas exactement la même valeur mais une certaine plage est que la résolution est différente pour chaque condition PD et la sensibilité de la valeur de contraste est différente même à la même valeur du rapport Strehl en fonction du réglage de la mise au point.

Caractéristiques MTF d'onde carrée normalisée des modèles LP1.

Les caractéristiques de la valeur absolue du contraste du motif LP1, qui est la résolution la plus élevée de l'image virtuelle, en fonction du réglage de la mise au point, sont illustrées à la Fig. 9. Il est également illustré à la Fig. 9 que la plage de commande de mise au point de le motif LP1 reconnu à partir du critère de Rayleigh (valeur de contraste ~ 0,14) est conçu pour être plus large que la plage DOF basée sur le critère du rapport de Strehl défini précédemment.

Caractéristiques MTF d'onde carrée des modèles LP1.

Le système optique AR conçu est construit et les résultats expérimentaux sont analysés quantitativement et qualitativement à l'aide d'une caméra à distance focale fixe qui remplace la reconnaissance d'image virtuelle de l'œil. Comme le montre la Fig. 10, le système optique AR avec le module DOF étendu (EDOF) pour la vérification expérimentale est configuré conformément aux spécifications du tableau 1.

Système optique EDOF AR définissant des images et des images pour l'expérience.

La figure 10a est un système de mesure pour une évaluation quantitative. Pour l'expérience de mesure MTF, les images de la Fig. 10c, dans lesquelles les motifs LP1, LP2, LP3 et LP4 sont disposés sur l'axe optique, sont utilisées pour obtenir la valeur de mesure quantitative MTF. De plus, les images pour l'évaluation de comparaison qualitative du motif MTF en fonction des conditions de la plage DOF sont utilisées dans les images de la Fig. 10d, e, dans lesquelles les motifs LP1 – LP4 sont disposés.

Pour déterminer si la plage DOF déterminée par le calcul pour chaque condition d'ouverture est validée expérimentalement, la valeur de contraste est mesurée expérimentalement à partir des images prises en changeant la commande de mise au point de la caméra en unités de 0,1D pour les quatre fréquences spatiales de l'image virtuelle . Les résultats de simulation du système optique conçu sont comparés à la Fig. 11.

Comparaison de la simulation des caractéristiques de la valeur de contraste et des résultats expérimentaux en fonction du contrôle de la mise au point pour chaque condition d'ouverture. (a) PD 0,885 mm, (b) PD 1,084 mm, (c) PD 1,533 mm, (d) PD 3 mm.

La simulation et les résultats expérimentaux des valeurs de contraste en fonction de la position de mise au point de la caméra pour chacune des quatre fréquences spatiales selon PD correspondent raisonnablement les uns aux autres dans la condition PD à moins de 2 mm. À l'exception de la condition selon laquelle PD est de 3 mm, il est démontré que le contraste au meilleur foyer est maintenu dans une large plage de mise au point lorsque PD diminue, comme prédit par la simulation.

La figure 12 représente la comparaison des résultats obtenus en normalisant le changement de la valeur de contraste en fonction de l'ajustement de la mise au point dans la simulation et l'expérience de la figure 11. Dans cette expérience, la valeur du rapport de Strehl comme preuve logique pour déterminer le DOF ne peut pas être directement mesuré. Cependant, il est démontré expérimentalement que la plage DOF selon la taille de PD peut être ajustée à partir d'une plage où la valeur de contraste normalisée correspondant à la valeur est modifiée.

Comparaison de la simulation des caractéristiques de la valeur de contraste normalisée et des résultats expérimentaux en fonction du contrôle de la mise au point pour chaque condition d'ouverture. (a) PD 0,885 mm, (b) PD 1,084 mm, (c) PD 1,533 mm, (d) PD 3 mm.

Le modèle MTF de LP1 et LP2 parmi les résultats capturés sur l'image de la Fig. 10d, ajustant la profondeur focale de la caméra dans le système optique AR conçu pour vérification, est représenté sur la Fig. 13, où les résultats qualitatifs des images capturées pour la plage DOF sont affichés en fonction de la taille de PD. Dans les cas d'un PD de 0,885 mm pour la condition DOF de 3,0 D, d'un PD de 1,084 mm pour la condition DOF de 2,0D, d'un PD de 1,533 mm pour la condition DOF de 1,0D et d'un PD de 3 mm pour la condition DOF de 0,26D, les images de motif MTF sont comparées en ajustant la profondeur focale de la caméra. Dans l'image pour chaque condition de profondeur focale de la Fig. 13, les images sur fond jaune indiquent les images dans la plage DOF basée sur le rapport Strehl standard, et les images sur fond bleu indiquent que les images répondent à la condition du critère de Rayleigh. Lorsque la PD est de 0,885 mm, même si la mise au point change à ± 1,5 D de la meilleure mise au point (1,5 D), qui est la plage DOF basée sur le rapport Strehl standard, il n'y a pas de dégradation significative de la qualité de l'image par rapport à l'image optimale , on s'attend donc à ce que la VCA causée par l'incohérence entre la convergence et le réglage de la mise au point des yeux puisse être atténuée. Dans le cas d'une DP de 1,084 mm, il est montré que la dégradation de la qualité d'image par rapport à l'image optimale ne se fait pas sentir de manière significative dans la plage ± 0,9D du meilleur foyer (1,5D), qui est 0,2D plus petit que le Gamme DOF basée sur la norme du rapport de Strehl. Lorsque la PD est de 1,53 mm, la détérioration de la qualité de l'image ne se fait pas beaucoup sentir par rapport à l'image optimale dans la plage de ± 0,4D à partir de la meilleure mise au point (1,5D), qui est la plage DOF basée sur le rapport Strehl standard. Le motif LP1 dans la zone de réglage de la mise au point entre + 0,9D et − 0,8D à partir de la meilleure mise au point (1,5D) fournit un contraste plus élevé que le critère de Rayleigh. Les conditions d'un système optique AR classique sont similaires à la condition selon laquelle la PD est supérieure à 3 mm. La dégradation de la qualité de l'image est à peine ressentie à environ ± 0,2D de la meilleure position de mise au point par rapport à la qualité de l'image à la position de mise au point optimale, mais la qualité de l'image se détériore rapidement au-delà.

Résultats du modèle MTF pour chaque condition PD en fonction du réglage de la mise au point.

Le système optique pour effectuer l'analyse qualitative est représenté sur la figure 10b. Dans l'arrangement expérimental de 3,0D à 0,3D, des objets réels sont placés et 0D (distance infinie) est défini comme la profondeur focale estimée en utilisant l'angle de rotation de mise au point de l'objectif de la caméra. De plus, l'image de la figure 10e est utilisée pour l'image virtuelle. Les lettres disposées en cercle sont fixées à la taille correspondant au motif LP4, et la première phrase disposée dans la direction horizontale est fixée à la taille correspondant au motif LP3. Les modèles LP1, LP2 et LP3 sont placés dans la deuxième ligne pour comparaison avec l'analyse quantitative. Une comparaison entre les images capturées de l'image virtuelle et les objets réels selon le réglage de la profondeur focale est illustrée à la Fig. 14 pour la condition que les PD sont de 3 mm et 0,885 mm. Sur la figure 14, les images pour la condition PD de 3 mm correspondant à la condition de lunettes AR classiques sont à gauche, et les images pour la condition PD de 0,885 mm correspondant à la plage DOF de 3,0D sont à droite. Dans la condition de DP conventionnelle de 3 mm, telle qu'analysée dans l'évaluation quantitative, on peut vérifier que l'image virtuelle du texte horizontal se détériore à partir de la profondeur focale ± 1,0D loin de la profondeur focale optimale. Ce résultat implique le phénomène de faible DOF qui peut apparaître dans le cas du système optique AR conventionnel. Dans cet article, comme résultat qualitatif de la preuve que le DOF peut être élargi en ajustant la taille de PD à la position de la pupille de l'œil, le résultat typique pour la taille de PD correspondant à la plage de DOF de 3,0D est affiché sur le côté droit de Fig. 14. Contrairement au résultat sur le côté gauche de la Fig. 14, même si la mise au point est ajustée à ± 1,5D à partir de 1,5D, on peut trouver que le motif LP1 de 20 cpd peut être résolu. Pour montrer clairement la différence de qualité d'image de l'image virtuelle dans la condition de réglage lorsque DOF est 3D et les conditions conventionnelles selon un tel réglage de mise au point, les photos de la rangée du milieu de la Fig. 14 sont des photos agrandies de la partie texte de la image virtuelle.

Comparaison de l'image virtuelle et de l'objet réel en fonction du réglage de la mise au point à PD 3 mm et PD 0,885 mm. Concentrez-vous sur (a) 0.0D, (b) 0.5D, (c) 1.5D, (d) 2.5D et (e) 3.0D.

(Les plages DOF qualitatives pour les parties gauche et droite de la Fig. 14 se trouvent dans les vidéos supplémentaires S1 et S2).

En ce qui concerne la mise au point monoculaire, qui est l'un des facteurs importants dans la mise en œuvre d'un affichage 3D, les conditions d'expansion du DOF sont dérivées. Si ces conditions fondamentales sont mises en œuvre dans le procédé SMV de type à parallaxe complète, le réglage de la mise au point peut être simulé artificiellement de sorte qu'une image similaire à un hologramme peut être réalisée. Il est également possible de développer des affichages 3D qui sont tout au point en appliquant une seule image de parallaxe ayant une condition DOF large à un seul œil. Pratiquement, un DOF large peut être plus facilement réalisé dans une zone de visualisation étroite, telle qu'un affichage proche de l'œil. Pour cette raison, il a d'abord été appliqué au système optique AR pour mettre en œuvre un large DOF de 3,0 dioptries. Il a été confirmé que la gamme DOF peut être utilisée comme norme appropriée en introduisant le critère de Rayleigh et la norme du rapport de Strehl. En combinant le système optique AR avec le module DOF étendu qui fournit le DOF large dans cet article, il a été montré que le FOV est déterminé en tenant compte de l'effet de diffraction et de l'effet de défocalisation géométrique, et que la plage et la résolution DOF peuvent être ajustées en fonction de la DP et de la taille de la zone de convergence dans le plan pupillaire de l'œil. Il a également été démontré que l'effet d'amélioration du pouvoir de résolution peut être obtenu en ajustant la PD en fonction de la situation dans laquelle l'image virtuelle est fournie. Si ces caractéristiques sont correctement utilisées, il est possible de fournir un large DOF et des images virtuelles haute résolution dans diverses applications XR. Un standard optique pourrait être présenté pour fournir des images 3D confortables sans VAC. Par conséquent, on s'attend à ce que ces résultats puissent également être utilisés dans la conception optique et la mise en œuvre d'écrans 3D sans lunettes à l'avenir. De plus, dans les études futures, la limitation DOF due à la diffraction, qui entrave l'application à grande échelle de l'expansion DOF, et comment agrandir la zone de la boîte à œil36,38,56,57 seront des sujets importants.

Sur la figure 5, deux lentilles achromatiques FL 20 mm sont utilisées pour minimiser l'aberration géométrique et l'aberration de couleur. De plus, la taille du PD est contrôlée en ajustant le diaphragme à iris situé au milieu des deux lentilles achromatiques. Ce système optique associé à l'afficheur est le module EDOF. L'image de l'écran passe à travers le module EDOF et une image intermédiaire est générée avant l'optique AR. Ensuite, cette image intermédiaire traverse le système optique AR pour former une région convergente sur le plan pupillaire de l'œil et forme finalement une image dans la rétine. Le système optique AR est un système optique AR de type bain d'oiseau composé d'un miroir concave transréfléchissant et d'un séparateur de faisceau plat. Le HFOV et le dégagement oculaire dans le système optique AR conçu sont de 35,3 degrés et 19,1 mm, respectivement, comme indiqué sur la Fig. 5 et le Tableau 1. Pour cela, l'image virtuelle qui peut être vue depuis la position de l'œil est de 57,7 % du FHD zone d'affichage. La profondeur optimale du plan d'image virtuelle du système optique est conçue pour être de 1,5 dioptrie. La taille du diaphragme à iris est ajustée pour modifier la taille de la DP sur le plan pupillaire de l'œil. La plage DOF est indiquée dans le tableau. 1 peut être ajusté en fonction de la taille du PD. Le modèle de lentille oculaire simplifié utilisé dans la simulation est constitué d'une seule lentille paraxiale avec une distance focale de 16 mm, proche de 60 dioptries, qui est la puissance équivalente de la lentille oculaire. Il est configuré pour ajuster la position du plan image correspondant au réglage de profondeur focale58.

La figure 10a est un système de mesure pour une évaluation quantitative où la caméra (modèle acA2500-14 µm) avec un objectif F 16 mm (n° 59870) d'Edmund Optics et un capteur CMOS 1/2,5″ de Basler est utilisée. Le capteur de la caméra est sélectionné pour avoir une taille de pixel de 2,2 µm afin de refléter les caractéristiques de l'œil. Les conditions d'ouverture sont définies pour être des valeurs de PD sur la pupille de l'œil correspondant aux extensions DOF de 3,0D, 2,0D, 1,0D et 0,26D. Dans l'expérience pour ces conditions, la profondeur focale optimale est fixée à 1,5D. Pour l'expérience d'extension DOF, en changeant la position de réglage de la mise au point de la caméra par unités de 0,1D, les images du motif MTF sont capturées par la caméra. De plus, pour l'expérience de mesure MTF, les images de la Fig. 10c, dans lesquelles les motifs LP1, LP2, LP3 et LP4 sont disposés sur l'axe optique, sont utilisées pour obtenir la valeur de mesure quantitative MTF, et les valeurs de contraste sont calculé à partir des valeurs maximales et minimales pour chaque modèle. De plus, les images pour l'évaluation de comparaison qualitative du motif MTF en fonction des conditions de la plage DOF sont utilisées dans les images de la Fig. 10d, e, dans lesquelles les motifs LP1 – LP4 sont disposés.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par le programme institutionnel de l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST) (projet n° 2E31591).

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Sung Kyu Kim et Ki-Hyuk Yoon

Département de physique, Seoul Science High School, Séoul, 03066, Corée du Sud

Yongjoon Kwon

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SKK a conçu l'approche de la limite logique et le concept de la structure optique de l'expansion DOF, et K.-HY a réalisé les simulations et mené les expériences. YK a analysé l'effet de diffraction du système optique.

Correspondance avec Sung Kyu Kim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Kim, SK, Kwon, Y. & Yoon, KH. Profondeur de champ étendue en réalité augmentée. Sci Rep 13, 8786 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35819-9

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Reçu : 27 janvier 2023

Accepté : 24 mai 2023

Publié: 31 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35819-9

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