新技術(shù)的結(jié)晶：頭盔顯示器

作者：東南大學(xué)電子學(xué)研究所 張曉兵 來(lái)源：《電子產(chǎn)品世界》 頭盔顯示器 (helmet-mounted displays，hmd)由1968年哈佛大學(xué)的ivan sutherland首先提出，并設(shè)計(jì)出應(yīng)用crt的名為達(dá)摩克里斯之劍的頭盔顯示器。經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，頭盔顯示器取得了巨大的進(jìn)步和廣泛的應(yīng)用。特別是在微型液晶顯示器、虛擬現(xiàn)實(shí)（vr）、袖珍計(jì)算機(jī)、可視移動(dòng)電話以及現(xiàn)代數(shù)字化部隊(duì)的裝備中的逐漸普及，使得頭盔顯示器在這些領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位。 頭盔顯示器應(yīng)用 無(wú)論是要求在現(xiàn)實(shí)世界的視場(chǎng)上同時(shí)看到需要的數(shù)據(jù)，還是要體驗(yàn)視覺(jué)圖像變化時(shí)全身心投入的臨場(chǎng)感，模擬訓(xùn)練、3d游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療和手術(shù)，或者是利用紅外、顯微鏡、電子顯微鏡來(lái)擴(kuò)展人眼的視覺(jué)能力，hmd 都得到了應(yīng)用。比如軍事上在車(chē)輛、飛機(jī)駕駛員以及單兵作戰(zhàn)時(shí)的命令傳達(dá)、戰(zhàn)場(chǎng)觀察、地形查看、夜視系統(tǒng)顯示、車(chē)輛和飛機(jī)的炮瞄系統(tǒng)等需要信息顯示的，都可以采用hmd。在cad/cam 操作上，hmd使操作者可以遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)，比如局部數(shù)據(jù)清單、工程圖紙、產(chǎn)品規(guī)格等。波音公司在采用vr技術(shù)進(jìn)行波音777飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，hmd就得到了應(yīng)用。 頭盔顯示器組成 hmd一般由以下幾部分組成：圖像信息顯示源、圖像成像的光學(xué)系統(tǒng)、定位傳感系統(tǒng)、電路控制及連接系統(tǒng)、頭盔及配重裝置。 圖像顯示信息源是指圖像信息顯示器件，一般采用微型高分辨率crt或lcd、el、vfd、led、fed、pdp等平板顯示器件。由于crt具有高分辨率、高亮度、快的響應(yīng)速度和低成本，目前在軍事上較為常用，但一般為0.6~1英寸高亮度、高分辨率單色投影顯示。為了實(shí)現(xiàn)彩色crt顯示，可采用光閥技術(shù)進(jìn)行調(diào)制或用光纖傳導(dǎo)的方法。crt的不足之處是功耗較大，體積大、重量重，需要高壓，在頭盔顯示中，重量是影響視野和眼睛運(yùn)動(dòng)的重要因素之一，同時(shí)由于頭盔顯示大多應(yīng)用于單獨(dú)供電的環(huán)境，因此，這些因素限制了crt在頭盔顯示中的應(yīng)用。 近年來(lái)平板顯示器件的發(fā)展，特別是高分辨率視頻顯示用平板顯示器件的長(zhǎng)足進(jìn)步，對(duì)減輕頭盔的重量和功耗、降低工作電壓方面起到了促進(jìn)作用。目前已有采用 1024×768 的高分辨率微型lcd制作的頭盔顯示出售，價(jià)格在1.5萬(wàn)美元左右。采用lcd的hmd的不足之處是亮度較低、響應(yīng)速度較慢，對(duì)有快速響應(yīng)要求的場(chǎng)合目前還不適用。el和vfd顯示在驅(qū)動(dòng)、彩色等方面尚有需要完善之處，在hmd中的應(yīng)用還有待發(fā)展。 在頭盔顯示器件中，觀察者是通過(guò)眼前的目鏡看清圖像的，因此在hmd中，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分重要的，它影響著圖像顯示的質(zhì)量。hmd可以根據(jù)需要，設(shè)計(jì)成全投入式或半投入式。全投入式將顯示器件的圖像經(jīng)放大、畸變等像差的校正以及中繼等光學(xué)系統(tǒng)在觀察者眼前呈放大的虛像；半投入式是將經(jīng)過(guò)校正放大的虛像投射到觀察者眼前的半反半透的光學(xué)玻璃上，這樣顯示的圖像就疊加在透過(guò)玻璃的外界環(huán)境圖像之上，觀察者可以同時(shí)得到顯示的信息和外部環(huán)境的信息。圖1為投入和半投入式頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。圖2為 kaiser公司的雙目投入和半投入式頭盔顯示器，將頭盔改為頭帶，減輕了重量。 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到成像質(zhì)量的好壞，還影響到頭盔顯示的體積和重量，以及觀察者在長(zhǎng)時(shí)間觀看時(shí)是否疲勞，因此光學(xué)系統(tǒng)和視覺(jué)感受是hmd研究的重要部分。國(guó)外hmd公司一般采用商用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如目前較好的有ora 的code v和light tools，是常用的可視化光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化、光軌跡計(jì)算軟件。但是，它們的價(jià)格也比較昂貴，如code v 在6萬(wàn)美元左右，一般用于航天航空系統(tǒng)中的光學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)用的層次的不同，也有一些價(jià)格相對(duì)較低的軟件，如 zemax，價(jià)格在4千美元左右。 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮觀察者的視力、瞳孔間距等因素，設(shè)計(jì)成可調(diào)整結(jié)構(gòu)。頭盔的定位傳感系統(tǒng)是與光學(xué)系統(tǒng)同等重要的一部分。它包括頭部的定位和眼球的定位。 眼球的定位主要應(yīng)用在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)上，一般采用紅外圖像的識(shí)別處理跟蹤來(lái)獲得眼球的運(yùn)動(dòng)信息。頭部定位采用的方法比較多，如超聲波、磁、紅外、發(fā)光二極管等的定位系統(tǒng)，頭部的定位提供位置和指向六個(gè)自由度的信息。對(duì)定位傳感系統(tǒng)的要求是靈敏度高、延遲小。靈敏