Profundidad de campo extendida en realidad aumentada

Mar 27, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8786 (2023) Citar este artículo

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El dispositivo de visualización 3D muestra una imagen con información de profundidad. Los dispositivos de visualización 3D convencionales basados ​​en paralaje binocular pueden enfocar con precisión solo en la profundidad de una pantalla específica. Debido a que el ojo humano tiene una profundidad de campo (DOF) estrecha en circunstancias normales, las pantallas 3D que brindan una gama relativamente amplia de áreas de profundidad virtual tienen limitaciones en el DOF donde se ven imágenes 3D claras. Para resolver este problema, es necesario encontrar las condiciones ópticas para extender el DOF y analizar los fenómenos relacionados con él. Para ello, utilizando el criterio de Rayleigh y la razón de Strehl, se sugiere un criterio para esta extensión del DOF. Se diseña una estructura óptica práctica que puede extender efectivamente el DOF utilizando una pantalla de panel plano. Esta estructura óptica podría aplicarse a AR, VR y MR en el campo de las pantallas cercanas al ojo. A partir de los resultados de esta investigación, se proponen las condiciones y los estándares ópticos fundamentales para las pantallas 3D que proporcionarán imágenes 3D con DOF extendido en el futuro. Además, también se espera que estas condiciones y criterios se puedan aplicar a los diseños ópticos para el rendimiento requerido en el desarrollo de pantallas 3D en varios campos.

Las pantallas 3D, como las pantallas 3D de tipo estéreo con gafas o sin gafas, suelen proporcionar paralaje binocular1,2. Además, para proporcionar un paralaje de movimiento, la información de posición de los observadores se puede utilizar para un proceso de software como retroalimentación3,4,5,6. Usando una pantalla 3D multivista, el paralaje de movimiento también se puede proporcionar ópticamente7,8,9,10,11. Además, cuando una persona mira un objeto en un entorno natural, las líneas de visión de ambos ojos convergen en la ubicación del objeto y crean un punto de fijación en la fóvea de la retina. Al mismo tiempo, el ojo ajusta el grosor del cristalino del ojo para que la imagen de la retina se vuelva clara enfocándose en la profundidad de convergencia. De esta manera, la acción de enlace de convergencia-acomodación se realiza naturalmente en el ojo humano.

En el caso de la imagen 3D, se puede proporcionar una sensación de profundidad a partir de una imagen de paralaje binocular. El reconocimiento de imágenes 3D se logra combinando efectos binoculares y monoculares. Para efectos monoculares, hay un efecto de control de enfoque. Sin embargo, al observar una imagen 3D, se sabe que el rango de profundidad de los objetos virtuales que el ojo humano percibe como una imagen clara en la retina a través de la acomodación es de aproximadamente ± 0,3 dioptrías en promedio para un ancho de pupila de 3 mm12. Por lo tanto, si se proporciona una imagen 3D con una profundidad focal superior a ± 0,3 dioptrías desde la pantalla 3D, debido a la borrosidad de la imagen en la retina, un observador no puede ver la imagen 3D clara general de la imagen 3D proporcionada con tal diferencia a fondo. Es decir, resulta en un conflicto de acomodación de vergencia (VAC)13,14. Este fenómeno VAC puede causar fatiga ocular, por lo que la profundidad de la imagen 3D que se va a expresar es inevitablemente limitada y el área de aplicación de la imagen 3D también es limitada. Por lo tanto, cuando el DOF se amplía en una imagen 3D general, se puede decir que la imagen monocular es una imagen 2D que siempre muestra una imagen clara independientemente de la información de profundidad de la imagen en el área DOF ampliada. Sin embargo, si dicha imagen 3D se combina con el paralaje binocular de la situación de la mirada de ambos ojos, siempre se puede ver una imagen clara cuando la profundidad de la mirada de ambos ojos está dentro del rango de DOF. Sin embargo, esta no es una imagen 3D con las características de una imagen real. Pero no hay problema en reconocer la imagen 3D del punto de observación porque el observador puede reconocer una imagen clara incluso cuando ve el punto de imagen 3D a cualquier profundidad dentro del rango de profundidad de DOF.

La tecnología de visualización 3D para resolver este problema de VAC debería poder controlar la salida de la luz desde la profundidad de la imagen virtual, de forma similar a la tecnología de holografía15,16. O implemente una visualización espacial para proporcionar imágenes en 3D como en un dispositivo de visualización de imágenes volumétricas17,18,19. Estas tecnologías se pueden aplicar para pantallas 3D sin vidrio en general, pero las tecnologías de hologramas todavía tienen algunas limitaciones en el rendimiento de los moduladores de luz espacial que muestran la amplitud y la fase para una aplicación, y las pantallas 3D volumétricas también tienen el problema de limitar el espacio para las pantallas 3D. . Por lo tanto, tienen una dificultad considerable en el desarrollo de pantallas 3D comerciales. Por lo tanto, la investigación y el desarrollo de pantallas 3D que pueden proporcionar información de ajuste de enfoque se han intentado principalmente en el área de visualización cercana al ojo (NED)20,21,22. En NED, se han realizado una serie de estudios para ampliar el área de profundidad en la que se proporciona el ajuste de enfoque para que pueda utilizarse incluso si el área de visualización de las imágenes en 3D es limitada. Además, existen varios métodos para satisfacer el ajuste de enfoque en el método de paralaje completo23, el método de supervista múltiple (SMV)24 y el método de campo de luz25,26. Además, se puede aplicar una tecnología para cambiar la profundidad de la pantalla virtual27,28. Si se forma la condición óptica para la expansión DOF, en el caso de una pantalla 3D en el tipo de una vista Maxwelliana, incluso si solo se proporciona un punto de vista al monocular, siempre se puede ver una imagen 3D clara cuando la profundidad de la mirada binocular es dentro del rango de profundidad de DOF. En particular, el método SMV sugiere la posibilidad de proporcionar una pista sobre la información de control de enfoque proporcionando más de dos puntos de información de paralaje dentro de una pupila ocular. Así como la información de profundidad se puede inferir de la información de la imagen de ambos ojos mediante el uso de la disparidad binocular, se comienza con la suposición de que se puede dar una pista para el ajuste del enfoque artificial proporcionando información sobre dos o más disparidades a un solo ojo para que la información de profundidad pueda proporcionarse incluso en un solo ojo. En este caso, el DOF de cada imagen de punto de vista que forma SMV debe ser amplio para proporcionar información de control de enfoque artificial, e incluso si el enfoque se desplaza a varias profundidades, se puede ver una imagen clara29,30,31. En este contexto, la implementación de una sola imagen de paralaje con un amplio DOF es un factor importante en la realización de varios tipos de imágenes 3D, incluido SMV32,33,34,35. Por lo tanto, esta aplicación se puede usar incluso si solo se proporciona un punto de vista al monocular en el caso de una visualización 3D en forma de vista Maxwelliana. Además, cuando se aplica un sistema óptico con un amplio rango de profundidad de DOF a una estructura óptica como Maxwellian view, SMV, IP y Light Field, se pueden obtener efectos similares a hologramas como en los documentos de referencia29,34,35 aplicados a SMV. En consecuencia, se puede generar una imagen 3D similar a una imagen de holograma, que es la imagen 3D definitiva.

Como método de implementación de una técnica de extensión DOF, existe la óptica AR tipo pin-mirror array36,37. La tecnología basada en pin-mirror tiene la ventaja de poder implementar un sistema óptico compacto y expandir el ojo, pero el uso de la matriz pin-mirror también tiene el efecto contrario de reducir el efecto de expansión DOF. Además, se han estudiado la tecnología HOE38 y la tecnología de extensión DOF aplicando proyección retinal holográfica39,40,41,42. Estas tecnologías mostraron la posibilidad de ser aplicadas como tecnologías comercializadas cuando la pantalla holográfica o tecnología HOE madure en el futuro.

Según lo propuesto por SMV, existe la posibilidad de ajuste de enfoque cuando se proporcionan dos o más imágenes de paralaje dentro del diámetro de la pupila. Teniendo en cuenta los antecedentes de este desarrollo tecnológico, la combinación del concepto de tecnología SMV de paralaje completo con un método para implementar una forma de luz similar a un rayo puede lograr el enfoque y el desenfoque virtual y puede ser una forma de resolver el problema relacionado con el enfoque de la imagen 3D. Además, si se puede proporcionar un DOF amplio ajustando la forma de la luz que incide sobre la pupila, teóricamente se pueden proporcionar imágenes 3D con todo enfocado. En este caso, dado que el foco siempre está enfocado, es posible generar una imagen 3D libre del problema de foco relacionado con el control de foco utilizando solo información de un punto de vista sin satisfacer la condición SMV. Tal imagen 3D sin el problema de enfoque se puede utilizar de varias maneras. Sin embargo, las condiciones ópticas para visualizaciones 3D en esta técnica no han sido sistemáticamente estudiadas sobre las limitaciones a la expansión del DOF según la forma de la luz formando imágenes 3D26,29,43,44,45,46.

En esta investigación, se estudian las condiciones para el rango de DOF donde el observador puede ajustar el enfoque bajo la consideración de las características de la óptica geométrica y difractiva. Sobre la base de estos antecedentes teóricos, simulaciones y resultados experimentales, se derivan las condiciones ópticas geométricas y difractivas relacionadas con el rango de profundidad de la imagen 3D de enfoque ajustable. En esta estructura óptica, se derivó la correlación entre la resolución angular y la expansión DOF para examinar los límites de DOF para cada resolución angular. Se diseña un método para presentar un estándar para el posible rango DOF considerando el efecto de difracción y el desenfoque geométrico utilizando el criterio de Rayleigh, que es el criterio de resolución en el estado de enfoque, y la relación de Strehl, que se puede utilizar para determinar -de-enfoque. Y, en base a este estudio, se encontraron condiciones comercialmente aplicables de resolución angular y expansión DOF. Además, para implementar estas condiciones, se diseña un sistema óptico realista aplicable a pantallas NED tipo AR y se realizan simulaciones y verificaciones experimentales de la expansión DOF en el sistema óptico. Estas condiciones ópticas se pueden aplicar a la óptica AR y VR y, en última instancia, se pueden aplicar al diseño de un sistema óptico que expande el DOF de una pantalla 3D para mostrar imágenes 3D en un área de profundidad amplia. Y las pantallas DOF ​​XR o 3D expandidas pueden aliviar el fenómeno VAC.

Por lo tanto, en este documento, proponemos un método para formar una imagen 3D DOF amplia mediante la determinación de la estructura realista y el límite de profundidad focal del sistema óptico y verificamos que se puede lograr una profundidad focal extendida a través de la reproducción experimental y los resultados de simulación del sistema óptico. . Primero derivamos las condiciones para extender el DOF usando la correlación entre la posición de una fuente de luz en el espacio 3D y el ancho de la luz que incide sobre la pupila. En segundo lugar, ideamos la estructura de un sistema óptico capaz de implementar la situación de esta condición geométrica. En tercer lugar, al examinar el fenómeno de difracción del sistema óptico que se produce en esta expansión DOF geométrica, se calcula la cantidad de difracción debida a la expansión DOF. Luego, teniendo en cuenta la correlación entre la expansión geométrica del DOF y la expansión del DOF óptico difractivo en el sistema óptico ideado y diseñado, obtenemos las condiciones para maximizar el DOF, a partir de las cuales llegamos a las condiciones prácticas para el implementable. Finalmente, simulamos estas condiciones y verificamos las condiciones básicas de una expansión DOF realista mediante la construcción de un sistema óptico para probarlo.

Si la luz de cada píxel que constituye una imagen 3D se puede convertir idealmente en un rayo de luz, siempre puede tener una DOF profunda independientemente del poder de refracción de la lente del ojo. Sin embargo, esta situación no puede darse en el medio natural. La luz que se origina desde cualquier profundidad predeterminada tiene un cierto ancho cuando pasa a través de la pupila. Por lo tanto, bajo la condición de que la luz que pasa a través de la pupila forme un cierto ancho, es necesario examinar el DOF y su profundidad estándar para la luz con el ancho de la pupila45,47,48. Si la profundidad inicial de la fuente de luz para tener una profundidad focal para el área de profundidad establecida como en la Fig. 1 es \({d}_{mejor}\), entonces la profundidad de la pantalla virtual para representar la imagen 3D es \ ({d}_{mejor}\). Ahora, cuando un ojo enfoca un punto de imagen 3D en la profundidad (\({d}_{n}\)) más cerca que la pantalla virtual en la profundidad (\({d}_{best}\)), el La imagen del punto de imagen 3D en \({d}_{best}\) se forma tan cerca como \(\alpha \) antes de la retina, por lo que está borrosa porque el tamaño del punto de \({B}_{n }\) se forma en la retina. Por otro lado, cuando un ojo enfoca un punto de imagen 3D a una profundidad (\({d}_{f}\)) más lejos que la pantalla virtual a una profundidad (\({d}_{best}\) ), la imagen se forma en una posición más lejana como \(\beta \) detrás de la retina, y también se ve borrosa con un tamaño de punto de \({B}_{f}\) en la retina. En estas condiciones, si se determina que el tamaño del punto relacionado con el DOF es un valor específico determinado, se puede decidir la profundidad inicial de la fuente de luz (\({d}_{mejor}\)) para la región DOF porque ambos \({B}_{n}\) y \({B}_{f}\) deben ser iguales al valor determinado.

La relación entre la profundidad focal del ojo y la profundidad óptima (\({d}_{mejor}\)).

Cuando se considera la Fig. 1, se encuentra que \({D}_{mejor}\) tiene una relación de una media aritmética de la dioptría de distancia cercana (\({D}_{n}\)) y la lejana dioptría de distancia (\({D}_{f}\)) de la siguiente manera:

El rango DOF \(\Delta D\) viene dado por

Cuando la luz que se origina en el punto de la imagen (\({P}_{mejor}\)) en la pantalla virtual pasa a través de la lente del ojo, el ancho de la luz en la pupila, que es el diámetro del área de distribución de la luz en la pupila, se denota como PD.

En la ecuación. (2), se muestra que el rango DOF es proporcional al diámetro del desenfoque geométrico en la retina, es decir, \({B}_{n}\) o \({B}_{f}\), e inversamente proporcional tanto a la distancia retiniana efectiva, \(E/n\), desde el cristalino del ojo a la retina como al ancho de luz desde el punto de imagen del lado del objeto en el cristalino del ojo, PD. Sin embargo, dado que la distancia retiniana efectiva es un valor fijo, se puede concluir que la PD debe reducirse para ampliar el rango DOF. \({B}_{n}\) o \({B}_{f}\) se pueden determinar mediante el estándar DOF del ojo.

Los criterios ópticos geométricos para determinar la región DOF se han descrito en la sección anterior. Sin embargo, existe la necesidad de un diseño de una estructura óptica que proporcione una imagen bidimensional capaz de implementar esta situación. Esta estructura óptica permite visualizar la imagen 2D sólo cuando se cumplen las condiciones de paso por una determinada zona de la pupila. Además, dado que el rango DOF es inversamente proporcional al tamaño de la PD en el cristalino al que llegan los rayos de luz generados desde el punto de imagen, se debe construir una estructura en la que la luz del punto de imagen se recoja en el cristalino. construido. Incluso en esta situación de convergencia de la luz, toda la imagen virtual de la pantalla debe ser visible a simple vista. Otra condición es que el sistema óptico debe configurarse para que la luz que pasa a través de la lente del ojo pueda comenzar a una profundidad óptima específica (\({D}_{mejor}\)) calculada anteriormente. La estructura del sistema óptico propuesto para satisfacer estas dos condiciones se presenta en la Fig. 2. En esta estructura, la luz que se origina en la pantalla pasa a través de la apertura de la primera lente asociada con el ancho de luz (PD) en la lente del ojo y forma una imagen. de la pantalla dentro de la distancia focal de la segunda lente.

Diagrama conceptual que muestra la estructura básica del diseño del sistema óptico.

Al establecer las condiciones de las Figs. 2 y 3, sugerimos un sistema óptico que puede determinar PD y \({d}_{best}\)(= \({L}_{img}\)) simultáneamente para el rango DOF geométricamente óptimo. Cuanto más estrecho es el ancho de la luz en la lente del ojo (PD), más amplio se vuelve el rango DOF. Sin embargo, cabe señalar que un sistema óptico con una DP más estrecha inevitablemente aumenta el fenómeno de difracción óptica. Por lo tanto, la expansión del rango DOF óptimo solo se puede lograr cuando estas dos condiciones en conflicto se comprometen adecuadamente.

Diagrama conceptual para derivar variables de relación geométrica en la estructura óptica diseñada.

En esta sección, de acuerdo con el rango de grados de libertad geométricos, se explica la relación entre difracción y \(PD\). Cuando consideramos la difracción que se produce en el sistema óptico con dos lentes y una lente ocular diseñada en el apartado anterior. Cuando se forma una imagen en la retina a través del sistema óptico con tres lentes, se puede demostrar que el tamaño del disco de Airy se da como Eq. (3)32,41,49.

donde \(\uplambda \) representa la longitud de onda de la luz que ingresa al ojo, y \({E}_{eff}\equiv E/n\) representa la distancia retiniana efectiva, que es la distancia retiniana entre el cristalino del ojo y el retina dividida por el índice de refracción n. Por supuesto, si el tamaño de la pupila del ojo es más pequeño que \(PD\), el tamaño de la pupila se puede sustituir en lugar de \(PD\). Por lo tanto, el rango de DOF se puede definir bajo una condición en la que el tamaño de la imagen óptica geométrica se desdibuja (\({B}_{n}\) o \({B}_{f})\) en la retina , dada por la Ec. (2), es igual al límite de difracción, es decir, el tamaño del desenfoque de la imagen debido a la difracción, dado por la Ec. (3). Luego, finalmente, el rango de DOF se obtiene como

Tenga en cuenta que para simplificar el coeficiente, la unidad de dioptría para el rango de DOF (\(\Delta D\)), la unidad de \({\text{um}}\) para la longitud de onda (\(\uplambda \ )), y la unidad de \({\text{mm}}\) para \(PD\) se utilizan en la ecuación. (4). En consecuencia, se encuentra que la Ec. (4) significa que el rango de DOF es solo inversamente proporcional al cuadrado de \(PD\), independientemente de la estructura de un sistema óptico.

Para ampliar el DOF en la óptica AR tanto como sea posible, se explica en la sección anterior que se debe encontrar el equilibrio óptimo entre los efectos ópticos geométricos y difractivos de la imagen en la retina según PD. Más específicamente, cuando aumenta la DP, disminuye la borrosidad difractiva, como en la ecuación. (3) debido a la difracción en la retina mientras aumenta el desenfoque geométrico. Como resultado, se puede comprobar que una PD de aproximadamente 1 mm corresponde a la condición óptima. Para la PD de la condición B en la Fig. 4a, en el caso de que el foco de la lente del ojo esté en los límites DOF ​​de 0D y 3D, el radio de difracción y el radio del punto geométrico en la retina se vuelven iguales para el punto de imagen de la imagen virtual formada en 1.5D, como se muestra en la Fig. 4b. Cuando el ojo se enfoca en el límite DOF, el tamaño de PD para la condición A, que es menor que el tamaño de PD para la condición B, reduce la resolución máxima de la imagen virtual por el radio de Airy en comparación con la condición óptima B, por lo que tiene un radio de punto más grande que la condición B. Cuando el ojo se enfoca en el límite DOF, el tamaño de PD para la condición C, que es más grande que el tamaño de PD para la condición B, tiene un radio de punto más grande que el de la condición B debido al efecto de óptica geométrica. Como resultado, el tamaño de PD en el plano de la pupila para el cual el radio de Airy debido a la difracción es el mismo que el radio del punto geométrico se convierte en una condición importante para extender el rango DOF.

Relación entre desenfoque geométrico y difractivo en los anchos de apertura en la pupila.

Sin embargo, este radio de la Fig. 4 se basa en la intensidad de la distribución de luz geométrica y difractiva. Por lo tanto, MFT también debe ser considerado. A partir de esto, el límite de resolución del sistema óptico correspondiente por el límite de difracción puede determinarse en la profundidad de referencia (\({D}_{mejor}\)). En la siguiente subsección, se revisarán condiciones más específicas a través de la simulación.

Se diseña un método para derivar el tamaño de DP y el rango DOF implementable considerando el efecto de difracción y el desenfoque geométrico utilizando el criterio de Rayleigh, que es el estándar para la resolución en el estado enfocado, y la relación de Strehl, que se puede usar para determinar fuera de foco. Según el criterio de Rayleigh, el mínimo del intervalo ópticamente perceptible se define como el caso en que dos imágenes puntuales están tan lejos como el radio de Airy (\(\uprho )\) en la retina, y en este caso, la frecuencia espacial es \(1/\uprho \)[lp/mm]. La ecuación (4) da la región DOF permitida basada en el radio de Airy cuando el foco está encendido, que se basa en la profundidad \({d}_{mejor}\). En este caso, la calidad de la imagen se degrada en ambos límites de \(\Delta D\) en comparación con la \({d}_{mejor}\) profundidad, lo que se puede comprobar calculando la relación de contraste en un programa de simulación de lentes . Por lo tanto, en términos de reconocimiento visual, es necesario presentar un límite que no sienta una disminución en la calidad de la imagen en comparación con la calidad de la imagen en la profundidad de \({d}_{mejor}\). Aunque pueden considerarse varios métodos para este criterio, el rango de aberración debido al desenfoque en el cristalino puede determinarse como el rango DOF aplicando la regla del cuarto de longitud de onda de Rayleigh, que se usa comúnmente ópticamente50,51. En este caso, el coeficiente en la Ec. (4) se cambia de 4,88 a 4. Cuando el foco del ojo está en la posición límite del rango DOF, la relación de Strehl tiene un valor de aproximadamente 0,851,52,53. En consecuencia, en este artículo, establecemos un rango en el que el índice de Strehl según la regla del cuarto de longitud de onda de Rayleigh es de 0,8 o más como un rango DOF que puede considerarse un estado de enfoque sin reconocer el cambio en la imagen54,55. El rango de DOF basado en la relación de Strehl es similar al fenómeno en el que la imagen de la lente se degrada y, como resultado, el rango de DOF se reduce en comparación con el rango establecido en función de los tamaños del punto geométrico y el Disco aireado. Por lo tanto, al cambiar el coeficiente de 4,88 a 4, la ecuación. (4) se puede escribir como

Para la verificación se diseña un sistema óptico AR con un rango DOF de 3.0 D (dioptrías) y un HFOV de 35.3 grados. Además, en un método cuantitativo, analizamos la calidad de las imágenes virtuales en el sistema óptico AR diseñado con un modelo de lente de ojo simplificado. La configuración del sistema óptico AR para la verificación del rango DOF se muestra en la Fig. 5. Las especificaciones específicas de la Fig. 5 se dan en la Tabla 1.

Óptica AR combinada con un módulo DOF expandido.

El resultado de la simulación de si el rango DOF se puede controlar de manera efectiva ajustando la PD en el sistema óptico diseñado previamente se muestra en la Fig. 6, donde se usan tres longitudes de onda de color (0.4861 µm, 0.5876 µm, 0.6563 µm) para comparar con el experimento. y se examinan las características MTF de campo cero para ondas cuadradas ya que una imagen virtual es de una pantalla con píxeles.

Características de MTF de onda cuadrada en 4 tipos de condiciones de DP.

Las frecuencias angulares correspondientes a los pares de líneas (LP) de la imagen virtual se representan mediante líneas de puntos verticales, y el valor MTF (~ 0,14) calculado a partir de los valores máximo y mínimo de modulación en la condición del criterio de Rayleigh para la PSF adyacente se indica mediante la línea roja punteada horizontal53. Los valores de PD en la simulación se establecen para ser el tamaño de PD en el que el rango DOF calculado por Eq. (5) son 3D, 2D, 1.0D y 0.26D, respectivamente. LP1 está configurado con encendido/apagado de una unidad de píxeles, LP2 está configurado con encendido/apagado de dos unidades de píxeles adyacentes, LP3 está configurado con encendido/apagado de tres unidades de píxeles adyacentes y LP4 está configurado con encendido/apagado de cuatro unidades adyacentes píxeles Como se muestra en la Fig. 6, la resolución disminuye cuando la PD disminuye para aumentar el rango DOF. Para el PD de 0,89 mm correspondiente al rango DOF de 3D, el contraste MTF a la frecuencia angular de 20 cpd para el patrón LP1 es de aproximadamente 0,19, que es un valor de contraste suficientemente mayor que la condición del criterio de Rayleigh. Cuando la posición de ajuste del enfoque del modelo de ojo simplificado para cada condición de PD se cambia del mejor enfoque (1,5D) en un paso de 0,1D, los resultados de simular el cambio en la relación de Strehl de la PSF se muestran en la Fig. 7.

Características del índice de Strehl de la PSF según el control del foco ocular para cada condición de DP.

Como se mencionó anteriormente, el caso en el que el índice de Strehl de la PSF es superior a 0,8 corresponde a la región enfocada. En la Fig. 7 se muestra que el rango en el que la relación de Strehl es 0,8 o superior para cada condición de PD establecida por cálculo es casi el mismo que el rango de DOF determinado por el cálculo. Para confirmar indirectamente las características relevantes, el resultado de la simulación para el valor de contraste del patrón LP1 correspondiente a la resolución más alta de la imagen virtual se muestra en la Fig. 8, donde el valor de contraste se normaliza a 1 para comparar la tasa de cambio de la valor de contraste para cada condición de DP. Comparado con el índice de Strehl para cada posición de enfoque del ojo, se puede comprobar que el valor de contraste normalizado de 0,71 a 0,77 corresponde al índice de Strehl de 0,8, aunque no es el mismo valor de contraste para cada condición. La razón por la que estos no tienen exactamente el mismo valor sino un cierto rango es que la resolución es diferente para cada condición de DP y la sensibilidad del valor de contraste es diferente incluso con el mismo valor de la relación de Strehl según el ajuste del enfoque.

Características MTF de onda cuadrada normalizadas de patrones LP1.

Las características para el valor absoluto del contraste del patrón LP1, que es la resolución más alta de la imagen virtual, según el ajuste de enfoque se muestran en la Fig. 9. También se muestra en la Fig. 9 que el rango de control de enfoque de el patrón LP1 reconocido a partir del criterio de Rayleigh (valor de contraste ~ 0,14) está diseñado para ser más amplio que el rango DOF basado en el criterio de la relación de Strehl definido anteriormente.

Características de onda cuadrada MTF de patrones LP1.

Se construye el sistema óptico AR diseñado y los resultados experimentales se analizan cuantitativa y cualitativamente mediante el uso de una cámara de distancia focal fija que reemplaza el reconocimiento de imagen virtual del ojo. Como se muestra en la Fig. 10, el sistema óptico AR con el módulo DOF expandido (EDOF) para la verificación experimental está configurado de acuerdo con las especificaciones de la Tabla 1.

Cuadros e imágenes de configuración del sistema óptico EDOF AR para el experimento.

La figura 10a es un sistema de medición para evaluación cuantitativa. Para el experimento de medición de MTF, las imágenes de la Fig. 10c, en las que los patrones LP1, LP2, LP3 y LP4 están dispuestos en el eje óptico, se utilizan para obtener el valor de medición de MTF cuantitativo. Además, las imágenes para la evaluación de comparación cualitativa del patrón MTF según las condiciones del rango DOF se utilizan en las imágenes de la Fig. 10d, e, en las que se organizan los patrones LP1-LP4.

Para determinar si el rango DOF determinado por el cálculo para cada condición de apertura se valida experimentalmente, el valor de contraste se mide experimentalmente a partir de las imágenes tomadas cambiando el control de enfoque de la cámara en unidades de 0.1D para las cuatro frecuencias espaciales de la imagen virtual. . Los resultados de la simulación del sistema óptico diseñado se comparan en la Fig. 11.

Comparación de simulación de características de valor de contraste y resultados experimentales de acuerdo con el control de enfoque para cada condición de apertura. (a) PD 0,885 mm, (b) PD 1,084 mm, (c) PD 1,533 mm, (d) PD 3 mm.

La simulación y los resultados experimentales de los valores de contraste según la posición de enfoque de la cámara para cada una de las cuatro frecuencias espaciales según PD coinciden razonablemente bajo la condición de PD dentro de 2 mm. Excepto por la condición de que la PD sea de 3 mm, se muestra que el contraste en el mejor enfoque se mantiene en un amplio rango de enfoque cuando la PD disminuye, según lo predicho por la simulación.

La Figura 12 representa la comparación de los resultados obtenidos al normalizar el cambio en el valor de contraste según el ajuste de enfoque en la simulación y el experimento de la Fig. 11. En este experimento, el valor de la relación de Strehl como evidencia lógica para determinar DOF no puede ser medido directamente. Sin embargo, se muestra experimentalmente que el rango de DOF según el tamaño de PD se puede ajustar desde un rango en el que se cambia el valor de contraste normalizado correspondiente al valor.

Comparación de la simulación de las características del valor de contraste normalizado y los resultados experimentales según el control de enfoque para cada condición de apertura. (a) PD 0,885 mm, (b) PD 1,084 mm, (c) PD 1,533 mm, (d) PD 3 mm.

El patrón MTF de LP1 y LP2 entre los resultados capturó la imagen en la Fig. 10d, ajustando la profundidad focal de la cámara en el sistema óptico AR diseñado para verificación, se representa en la Fig. 13, donde los resultados cualitativos de las imágenes capturadas para el rango DOF se muestran según el tamaño de PD. En los casos de un PD de 0,885 mm para la condición DOF de 3,0D, un PD de 1,084 mm para la condición DOF de 2,0D, un PD de 1,533 mm para la condición DOF de 1,0D y un PD de 3 mm para la condición DOF de 0.26D, las imágenes del patrón MTF se comparan ajustando la profundidad focal de la cámara. En la imagen para cada condición de profundidad focal en la Fig. 13, las imágenes en el fondo amarillo indican las imágenes dentro del rango DOF basado en la relación de Strehl estándar, y las imágenes en el fondo azul indican que las imágenes cumplen con la condición del criterio de Rayleigh. Cuando el PD es de 0,885 mm, incluso si el enfoque cambia dentro de ± 1,5 D del mejor enfoque (1,5 D), que es el rango DOF basado en la relación Strehl estándar, no hay una degradación significativa de la calidad de la imagen en comparación con la imagen óptima , por lo que se espera que se pueda paliar el VAC provocado por la incoherencia entre la convergencia y el ajuste de enfoque de los ojos. En el caso de un PD de 1,084 mm, se demuestra que la degradación de la calidad de imagen respecto a la imagen óptima no se siente significativamente en el rango de ± 0,9D del mejor enfoque (1,5D), que es 0,2D menor que el Rango DOF basado en el estándar de la relación Strehl. Cuando el PD es de 1,53 mm, el deterioro de la calidad de la imagen no se siente mucho en comparación con la imagen óptima en el rango de ± 0,4D desde el mejor enfoque (1,5D), que es el rango DOF basado en la relación Strehl estándar. El patrón LP1 en el área de ajuste de enfoque entre +0.9D y −0.8D desde el mejor enfoque (1.5D) proporciona un mayor contraste que el criterio de Rayleigh. Las condiciones de un sistema óptico AR convencional son similares a la condición de que el PD sea más de 3 mm. La degradación de la calidad de imagen apenas se siente en aproximadamente ± 0,2D en la posición de mejor enfoque en comparación con la calidad de imagen en la posición de enfoque óptima, pero la calidad de imagen se deteriora rápidamente por encima de eso.

Resultados del patrón MTF para cada condición de DP según el ajuste de enfoque.

El sistema óptico para realizar el análisis cualitativo se muestra en la Fig. 10b. En la disposición experimental de 3.0D a 0.3D, se colocan objetos reales y se establece 0D (distancia infinita) como la profundidad focal estimada usando el ángulo de rotación de enfoque de la lente de la cámara. Además, la imagen de la Fig. 10e se usa para la imagen virtual. Las letras dispuestas en círculo se ajustan al tamaño correspondiente al patrón LP4, y la primera frase dispuesta en dirección horizontal se ajusta al tamaño correspondiente al patrón LP3. Los patrones LP1, LP2 y LP3 se colocan en la segunda fila para compararlos con el análisis cuantitativo. En la Fig. 14 se muestra una comparación entre imágenes capturadas de la imagen virtual y objetos reales según el ajuste de profundidad focal para la condición de que los PD sean de 3 mm y 0,885 mm. En la Fig. 14, las imágenes para la condición de PD de 3 mm correspondientes a la condición de anteojos AR convencionales están a la izquierda, y las imágenes para la condición de PD de 0,885 mm correspondientes al rango DOF de 3,0D están a la derecha. En la condición de PD convencional de 3 mm, como se analizó en la evaluación cuantitativa, se puede comprobar que la imagen virtual del texto horizontal se deteriora desde la profundidad focal ± 1.0D alejándose de la profundidad focal óptima. Este resultado implica el fenómeno DOF bajo que puede aparecer en el caso del sistema óptico AR convencional. En este documento, como resultado cualitativo de la evidencia de que el DOF se puede expandir ajustando el tamaño de PD en la posición de la pupila del ojo, el resultado típico para el tamaño de PD correspondiente al rango de DOF de 3.0D se muestra en el lado derecho de Fig. 14. A diferencia del resultado del lado izquierdo de la Fig. 14, incluso si el enfoque se ajusta a ± 1,5 D desde 1,5 D, se puede encontrar que el patrón LP1 de 20 cpd se puede resolver. Para mostrar claramente la diferencia en la calidad de imagen de la imagen virtual en la condición de configuración cuando el DOF es 3D y las condiciones convencionales de acuerdo con dicho ajuste de enfoque, las fotos en la fila central de la Fig. 14 son fotos ampliadas de la parte del texto de la imagen virtual.

Comparación de imagen virtual y objeto real según ajuste de foco a PD 3 mm y PD 0,885 mm. Concéntrese en (a) 0.0D, (b) 0.5D, (c) 1.5D, (d) 2.5D y (e) 3.0D.

(Los rangos DOF ​​cualitativos para las partes izquierda y derecha de la Fig. 14 se pueden encontrar en los videos complementarios S1 y S2).

En relación con el enfoque monocular, que es uno de los factores importantes en la implementación de una pantalla 3D, se derivan las condiciones para la expansión de DOF. Si estas condiciones fundamentales se implementan en el método SMV de tipo paralaje completo, el ajuste del enfoque se puede simular artificialmente para que se pueda obtener una imagen similar a un holograma. También es posible desarrollar pantallas 3D que estén totalmente enfocadas aplicando una sola imagen de paralaje con una condición DOF amplia a un solo ojo. Prácticamente, un DOF amplio se puede realizar más fácilmente en un área de visualización estrecha, como una pantalla cercana al ojo. Por esta razón, se aplicó por primera vez al sistema óptico AR para implementar un amplio rango de DOF de 3,0 dioptrías. Se ha confirmado que el rango DOF se puede utilizar como un estándar apropiado mediante la introducción del criterio de Rayleigh y el estándar de la relación de Strehl. Al combinar el sistema óptico AR con el módulo DOF extendido que proporciona el DOF amplio en este documento, se ha demostrado que el FOV se determina teniendo en cuenta el efecto de difracción y el efecto de desenfoque geométrico, y el rango DOF y la resolución se pueden ajustar. según la PD y el tamaño del área de convergencia en el plano pupilar. También se ha demostrado que el efecto de mejorar el poder de resolución se puede lograr ajustando el PD de acuerdo con la situación en la que se proporciona la imagen virtual. Si estas características se utilizan correctamente, es posible proporcionar un DOF amplio e imágenes virtuales de alta resolución en varias aplicaciones de XR. Se podría presentar un estándar óptico para proporcionar cómodas imágenes 3D sin VAC. Por lo tanto, se espera que estos resultados también se puedan utilizar en el diseño óptico y la implementación de pantallas 3D sin anteojos en el futuro. Además, en estudios futuros, la limitación del DOF debido a la difracción, que dificulta la amplia aplicación de la expansión del DOF, y cómo agrandar el área de la caja ocular36,38,56,57 serán temas importantes.

En la Fig. 5, se utilizan dos lentes acromáticas FL de 20 mm para minimizar la aberración geométrica y la aberración cromática. Además, el tamaño de la PD se controla ajustando el diafragma del iris ubicado en el medio de las dos lentes acromáticas. Este sistema óptico combinado con la pantalla es el módulo EDOF. La imagen de la pantalla pasa a través del módulo EDOF y se genera una imagen intermedia antes de la óptica AR. Luego, esta imagen intermedia pasa a través del sistema óptico AR para formar una región convergente en el plano de la pupila del ojo y finalmente forma una imagen en la retina. El sistema óptico AR es un sistema óptico AR tipo bebedero para pájaros que consiste en un espejo cóncavo transreflectante y un divisor de haz plano. El HFOV y el alivio ocular en el sistema óptico AR diseñado son de 35,3 grados y 19,1 mm, respectivamente, como se muestra en la Fig. 5 y la Tabla 1. Para esto, la imagen virtual que se puede ver desde la posición del ojo es el 57,7 % de la FHD área de visualización. La profundidad óptima del plano de imagen virtual del sistema óptico está diseñada para ser de 1,5 dioptrías. El tamaño del diafragma del iris se ajusta para alterar el tamaño de la PD en el plano de la pupila del ojo. El rango DOF se muestra en la Tabla. 1 se puede ajustar según el tamaño de PD. El modelo de lente de ojo simplificado utilizado en la simulación consiste en una sola lente paraxial con una distancia focal de 16 mm, cerca de 60 dioptrías, que es la potencia equivalente de la lente de ojo. Está configurado para ajustar la posición del plano de la imagen correspondiente al ajuste de profundidad focal58.

La Figura 10a es un sistema de medición para evaluación cuantitativa donde se utiliza la cámara (Modelo acA2500-14 µm) con lente F 16 mm (No. 59870) de Edmund Optics y un sensor CMOS de 1/2.5″ de Basler. El sensor de la cámara se selecciona para que tenga un tamaño de píxel de 2,2 µm para reflejar las características del ojo. Las condiciones de apertura están configuradas para ser valores de PD en la pupila del ojo correspondientes a las extensiones DOF ​​de 3.0D, 2.0D, 1.0D y 0.26D. En el experimento para estas condiciones, la profundidad focal óptima se establece en 1,5D. Para el experimento de extensión DOF, cambiando la posición de ajuste de enfoque de la cámara en unidades de 0.1D, las imágenes del patrón MTF son capturadas por la cámara. Además, para el experimento de medición de MTF, las imágenes de la Fig. 10c, en las que los patrones LP1, LP2, LP3 y LP4 están dispuestos en el eje óptico, se utilizan para obtener el valor de medición de MTF cuantitativo y los valores de contraste son calculado a partir de los valores máximo y mínimo de cada patrón. Además, las imágenes para la evaluación de comparación cualitativa del patrón MTF según las condiciones del rango DOF se utilizan en las imágenes de la Fig. 10d, e, en las que se organizan los patrones LP1-LP4.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa Institucional del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST) (Proyecto No. 2E31591).

Centro de Inteligencia Artificial, Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea, Seúl, 136-791, Corea del Sur

Sung Kyu Kim y Ki-Hyuk Yoon

Departamento de Física, Escuela Secundaria de Ciencias de Seúl, Seúl, 03066, Corea del Sur

Yong Joon Kwon

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SKK ideó la aproximación al límite lógico y el concepto de la estructura óptica de la expansión DOF, y K.-HY realizó las simulaciones y realizó los experimentos. YK analizó el efecto de difracción del sistema óptico.

Correspondencia a Sung Kyu Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Kim, SK, Kwon, Y. y Yoon, KH. Profundidad de campo extendida en realidad aumentada. Informe científico 13, 8786 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35819-9

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Recibido: 27 enero 2023

Aceptado: 24 de mayo de 2023

Publicado: 31 mayo 2023

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

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