B&M Optik Sp. z o.o. http://www.bmo.pl

Wykorzystanie tekstu dozwolone, po podaniu, że pochodzi ze strony www.bmo.pl

Soczewki dla goglach VR.

W goglach do wirtualnej rzeczywistości ważna jest tylko jedna rzecz. OBRAZ.

Najczęściej źródłem obrazu jest smartfon zamontowany około 10 cm przed naszymi oczami. Aby z tej odległości obraz był ostry, musimy zastosować silne dodatnie soczewki. Postępujemy tak samo jak ludzie starsi, którzy chcą przeczytać gazetę muszą założyć okulary by móc z bliska czytać.

Dodatkowo musimy powiększyć obraz wyświetlany na ekranu by zajmował całe pole widzenia.

Zapewne kojarzycie zegarmistrza z lupą w oku podczas naprawy zegarka. Soczewka w lupie powiększa i przybliża obraz umożliwiając dojrzenie małych szczegółów.

Czyli między ekranem a okiem musi znajdować się lupa. Poniższy tekst przybliży wam właściwości optyczne lupy, jej wady i zalety w kontekście gogli VR.

Lupa jest soczewką pojedynczą lub złożoną służącą do zwiększenia kąta widzenia blisko położonych przedmiotów przy zwolnionej akomodacji oka.

Zwolniona akomodacja oka występuje wtedy , gdy patrzymy na bardzo odległe obrazy (chmury, horyzont, odległe góry) Wzrok nasz wtedy odpoczywa. Akomodacja oka pozwala nam korygowanie ostrości, gdy patrzymy na bliskie przedmioty np. ekran komórki, książkę. Niestety dłuższe wpatrywanie się męczy nasz wzrok, powoduje często ból głowy, łzawienie oczu itp. Dlatego bardzo ważne jest prawidłowe dobranie odległości przedmiotu od lupy.

Soczewka posiada tylko dwa parametry. Średnicę (d) i ogniskową (f). Obie te wartości są istotne w goglach VR.

Ogniskowa wyrażona jest w milimetrach a jej odwrotnością jest dioptria mówiąca o zdolności skupiającej soczewki dioptria = 1000/f , gdy f wyrażone jest w milimetrach.

1. Powiększenie soczewki (powiększenie wizualne) (wzór 1)

+ 1

Czyli powiększenie lupy zależy wyłącznie od jej ogniskowej. Ani średnica, ani kształt ani strona soczewki przez którą patrzymy, nie ma znaczenia. 250 we wzorze, to odległość najbliższego ostrego widzenia przez człowieka , czyli 25 cm.

2. Pole widzenia (wzór 2)

, d- średnica soczewki

Czyli im większa średnica soczewki a mniejsze jej powiększenie, tym widzimy większą powierzchnie ekranu komórki.

3. Zdolność rozdzielcza (najmniejsza odległość dwóch punktów które widzimy jeszcze oddzielnie) (wzór 3)

Np. przy lupie o powiększeni 10x będziemy mogli dostrzec piksele odległe od siebie nie mniej niż o 0,0073 mm . Człowiek jest w stanie odróżnić dwa punkty odległe o więcej niż 1 minuta kątowa. Tangens z 1 minuty raz odległość najbliższego ostrego widzenia , czyli 250 daje 0,073.

Przykład

Soczewka o ogniskowej f = 44 mm i średnicy d = 23 mm

Jej moc 1000/44 = 22,7 dpi

Powiększenie = 250 / 44 = 5,68 raza

Pole widzenia D = 10 x 23 / 5,68 = 40,49 mm

Zdolność rozdzielcza a = 0,073 / 5,68 = 0,0128 mm

Ważne jest by gogle VR były tak zaprojektowane by ekran był możliwie najdalej odsunięty do soczewek. Wtedy oko będzie akomodować się na punkcie dali nie męcząc się podczas korzystania z urządzenia.

Wady optyczne soczewek i jak im zapobiegać.

Rozstaw soczewek.

Aby zapewnić komfort użytkowania gogli VR, wzrok użytkownika musi „patrzeć” w dal a środki optyczne soczewek muszą się pokrywać z gałkami ocznymi. Przeciętny człowiek ma rozstaw oczu wynoszący 62 mm i w takiej odległości od siebie muszą być środki soczewek jak i obrazy wyświetlane na smartfonie. Człowiek jest w stanie patrzeć zezem i korygować źle ustawiony obraz, ale dość szybko powoduje to zmęczenie oczu i ból głowy.

Soczewki asferyczne.

Producenci telewizorów wprowadzili na rynek ekrany zaokrąglone. Ma to na celu by obraz ze środka ekranu i z jego boku był w tej samej odległości od oka.

W przypadku gogli VR sytuacja jest jeszcze gorsza. Z powodu bardzo małej odległości, procentowa różnica między odległością oka do środka obrazu a oka do krawędzi obrazu jest bardzo duża. Zwykła soczewka skupia obraz tylko z jednej odległości. Przez to mamy albo ostry obraz środka albo brzegu. Aby uzyskać akceptowaną ostrość całego obrazu, konstruuje się urządzenia tak by ostrość była gdzieś w połowie przez co ludzkie oko zmuszone jest do ciągłego ustawiania ostrości . Soczewka asferyczna jest tak skonstruowana, że jej krzywizna jest różna w zależności od jej odległości od środka a tym samym ostrość ekranu jest taka sama na całej powierzchni.

Achromat

Warunek achromatyczności układu dwóch soczewek (wzór 4)

, - moc soczewek, – współczynnik dyspersji szkieł.

Achromat tu układ dwóch soczewek (kronowej i flintowej) tak dobranych, że ich aberracje achromatyczne wzajemnie się znoszą. Soczewki są najczęściej sklejone, tworząc pojedynczy układ optyczny.

Ogniskowa układu dwóch soczewek (wzór 5)

, - moc soczewek, d – odległość płaszczyzny głównej spczewek

Z wzory 5 wynika, że ogniskowe dwóch soczewek nie sumują się. Bardzo duży wpływ ma odległość między nimi. Np. soczewka 1 ma ogniskową – 50 mm, a soczewka 2 ogniskową + 100. Odległość między nimi wynosi 10 mm.

-0,02 + 0,01 – 10 x (- 0,02) x 0,01 = -0,01 – (-0,002) = -0,008

f = 1/ = -125 mm

Promień brzeżny

Promień światłą przechodząc przez szkło ulega załamaniu o kąt zależny od współczynnika załamania szkła. Soczewka poprzez swoją kulistość jest nachylona pod różnym kątem w zależności od wysokości od osi optycznej. Zmienność tego kąta, powoduje, że światło wchodzące do soczewki ogniskuje się w różnych odległościach od soczewki w zależności od wysokości na jakiej wchodzi.

To zjawisko powoduje, że soczewka ma rozmytą ogniskową, co stanowi jedną z wad, zwanej aberracją sferyczną.