基本信息
- 项目名称：
- 大视场低成本头盔显示器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 头盔显示器对于建立理想单兵作战武器平台系统和改进医疗设备，以及实现3D游戏、3D电影的家庭普及化和文化遗址的复原再现，都发挥着不可替代的重要作用。 与价格高昂的国外高端头盔显示器相比，本作品主要突出“大视场”、“高分辨率”、“低成本”的高性价比优势，单目视场角达到28°(V)×37°(H)，分辨率至少达到800×600，同时将成本由数十万元大幅度降低至2000元以内。
- 详细介绍：
- 一、选题背景与目的 “十二五”指出：国防和军队现代化建设要进一步加强，医疗技术水平要进一步提高。《北京城市总体规划》指出：文化创意产业要实现快速发展，在国民经济中所占比重逐步提高。此外，我国拥有的丰富文化遗存，面临展出数量少、陈列手段落后等严峻形势。 头盔显示器（HMD）作为重要的虚拟现实显示器，可以引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。无论对于建立理想的单兵作战武器平台系统和改进医疗设备，还是通过技术手段再现文化遗址和实现3D游戏、3D电影的家庭普及化，头盔显示器都发挥着不可替代的重要作用。 二、市场分析 现今世界范围内HMD主要分为两种：高端主流HMD和低端HMD。高端主流HMD价格高昂但性能优良，其分辨率一般在800×600以上，视场达到25°(V)×40°(H)以上；低端HMD价钱低廉但性能较差，其分辨率较低，同时视场角仅为22°(V)×29°(H)左右。两款HMD分别在价格和性能上的劣势使得它们不能推广应用到人们的生活当中。 高端主流HMD应用超微型显示器作为成像显示系统，复杂的自由曲面棱镜作为目视光学系统，无论在设计还是加工上难度都很大，因此极大地提高了主流HMD的价格。而低端HMD由于成本较低且设计不合理，无论是显示器件还是光学系统性能都较差，分辨率和视场角都无法满足高沉浸感的需求。 本作品利用斜45°放置的半透半反玻璃将直射型系统与反射型系统相结合，增大了视场角范围，同时分别用3.5寸液晶显示屏和平凸透镜取代高端头盔显示器的成像显示系统和目视光学系统，降低了加工装配的难度，将成本由数十万元大幅度降低至2000元以内。 三、关键技术与创新点（见图1） （1）成像显示系统：采用普通的3.5寸液晶屏代替昂贵的微型液晶显示器，制作透射型和反射型相结合的成像显示系统，从而解决了显示系统的高分辨大视场问题，降低了成本。 （2）目视光学系统：借鉴“立体观片器”的光学系统，从根本上降低了加工制作的难度和成本，提高了人眼的舒适度。 （3）内部结构装配：采用市场上常见的元器件和泡沫表层涂抹碳纤维来定型的方法，很好地设计了前部结构并解决了内部器件与外部头盔的合理装配问题，降低了装配难度。 （4）外部材料选用：高科技含量的碳纤维材料使得系统质量大减。 （5）可扩展性强：随着液晶行业技术的迅速发展，采用宽屏液晶时系统性能会因为设计的优势进一步得到提升，分辨率和视场角都会大幅度提高。 （6）跟踪定位：采用的头部定位系统采集位置和指向六个自由度的信息，可随时根据头部的转动匹配人眼的场景变化。 四、经济价值及推广前景 （1）市场容量大，扩大受益群体的范围； （2）符合实际需求，紧跟国家政策导向； （3）应用领域广阔，可以在家庭生活中普及； （4）经济效益可观，打破国外垄断，发展民族产业。 五、作品主要技术指标 分辨率（像素）：800×600（svga） 视场范围（度）：28°(V)×37°(H) 立体效果：支持 设备重量：1.2kg 显示器类型：TFT—LCD 输入方式：VGA输入 亮度：4-5 fL（估测） 眼睛间隙：25mm 焦距：90mm 头部尺寸：可调至任何尺寸
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计目的 头盔显示器对于建立理想单兵作战武器平台系统和改进医疗设备，以及实现3D游戏、3D电影的家庭普及化和文化遗址的复原再现，都发挥着不可替代的重要作用。与价格高昂的国外高端头盔显示器相比，本作品主要突出“大视场”、“高分辨率”、“低成本”的高性价比优势。 二、作品设计思路 本作品利用斜45°放置的半透半反玻璃将直射型与反射型系统相结合，借鉴“立体观片器”的目视光学系统，增大了视场角范围，降低加工装配难度，将成本由数十万元大幅度降低至2000元以内。 三、作品创新点及技术关键（见图1） （1）成像显示系统：采用3.5寸液晶屏代替昂贵的微型液晶屏，制作透射型和反射型相结合的成像显示系统，从而解决了显示系统的高分辨大视场问题，降低了成本。 （2）目视光学系统：借鉴“立体观片器”的光学系统，从根本上降低了加工制作的难度和成本，提高了人眼的舒适度。 （3）内部结构装配：采用市场上常见的元器件，设计前部结构并解决了内部器件与外部头盔的合理装配问题，降低了装配难度。 （4）外部材料选用：高科技含量的碳纤维材料使得系统质量大减。 四、作品主要技术指标 分辨率（像素）：800×600（svga） 视场范围（度）：28°(V)×37°(H) 设备重量：1.2kg 亮度：4-5 fL（估测） 眼睛间隙：25mm
科学性、先进性
- 现今世界范围内HMD主要分为两种：高端主流HMD和低端HMD。高端主流HMD价格高昂但性能优良，其分辨率一般在800×600以上，视场达到25°(V)×40°(H)以上；低端HMD价钱低廉但性能较差，其分辨率较低，视场角仅为22°(V)×29°(H)左右。 本作品在保证主流HMD性能（分辨率至少达到800×600，单目视场角达到28°(V)×37°(H)）的前提下，使成本控制在2000元以内。与现有技术相比实质性进步体现在如下几个方面： （1）利用半透半反玻璃将直射型与反射型系统有效结合在一起，配合偏振片解决了图像相互交叠引起的视觉干扰问题，增大了视场角范围。 （2）在大视场得到保证和考虑人眼可接受分辨率（800×600）的前提下，用3.5寸液晶屏代替主流HMD中的超微型液晶屏。 （3）借鉴“立体观片器”的光学系统，通过实验验证了该光学系统的可行性，避免了传统自由曲面棱镜的复杂设计。 （4）采用市场上常见元器件，容易购买装配，降低了加工难度和成本。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月获北京理工大学第八届“世纪杯”课外学术科技作品竞赛 第一名、特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段，正在向生产阶段过渡。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、模型、现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、作品使用说明 将头盔显示器戴在使用者头部，通过旋转头上部和后部棘轮固定头盔；通过物理调节实现液晶屏图像位置的微调；进行虚拟场景的3D体验。 二、作品技术特点及推广前景 本作品成本低廉、视场角大、装配简单、质量轻便，具有广泛的推广价值和巨大的应用潜力。 （1）市场容量大 随着世界范围内3D电影的普及和网络游戏玩家的激增，HMD的低成本化将很大程度扩大受益群体的范围。 （2）符合国家中短期规划需求 “十二五”规划指出，我国要培育发展战略性新兴产业。《北京城市总体规划》指出：文化创意产业要在国民经济中所占比重逐步提高。本作品符合国家规划需求，必将促进我国文化创意产业的快速发展。 （3）应用领域广阔 对于3D网游、3D电影及文化遗址再现等技术热点问题，本作品极具实用价值和开发潜力，有助于家庭生活普及化。 （4）经济效益可观 高端HMD由于价格高昂，且长期为国外技术垄断，国内民族产业受到极大限制。本作品更加符合我国市场需求，性能高，成本低，必将受到更多民众青睐。
同类课题研究水平概述
- 头盔显示器一般由以下几部分组成：图像信息显示源、图像成像的光学系统、定位传感系统、电路控制及连接系统、头盔及配重装置。其中最重要也最能决定优劣的是图像显示源和光学系统。 一、显示元器件 图像信息显示源是指头盔的显示器件，一般采用微型高分辨率CRT或LCD、EL、VFD、LED、FED、PDP等平板显示器件。 早期头盔显示器一般都采用微型高分辨率CRT，由于其技术起步较早，且具有分辨率低成本的优势，得到了广泛的应用。但其功耗较大，体积大，重量重，需要高压，这些因素极大地限制了CRT在头盔显示中的应用。 近年来，随着平板显示器技术的发展，微型高分辨率液晶显示屏成为现实，其小重量、低功耗等优点使得它在头盔显示器中的应用越来越多，已逐渐取代了CRT型显示原件，目前主流HMD均采用微型液晶为其显示元件。 但微型液晶生产困难，目前核心技术仍被国外所垄断，造价极高，这一点直接导致头盔显示器整体价格十分高昂。因此寻找微型液晶的替代显示设备，又保证头盔体积、重量、显示效果均在可合适的范围内便成为一大难题。 二、光学系统 按照光学系统结构的不同，可将头盔分为普通折射型、投影式、折/衍混合式、反射式等。 普通折射式和反射式HMD光路十分复杂，需要多个光学元件配合使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉。 折/衍混合式系统利用衍射元件的负色散及对波面进行任意整形的特点，有效地平衡了系统色差和波前像差，同时使系统的体积和重量下降。 投影式系统中，投影物镜形成的物体像被与光轴成45°放置的分光棱镜反射到投影屏幕上,人眼不仅可以观察到投影像，还能观察到处于分光棱镜与投影屏幕之间的外界真实景物。 这些光学系统所采用的自由曲面棱镜不管是设计还是加工都十分困难。国内在这方面的技术水平与国外还存在很大的差距，这直接导致了目前市场上的主流头盔显示器大多数来自国外。因此有必要在保证出瞳、成像要求的前提下，对光学系统进一步简化。 综上所述，当前主流头盔显示器存在着设计困难，加工难度大，元器件成本高，总体价格过于昂贵等问题，这些问题直接导致其无法得到普及应用。我们的作品从设计思路、元件选择、加工方式等方面着手解决这些问题。
