数字头盔显示及其关键技术研究

论文摘要

头盔显示器是现代显示技术中的一种全新技术,在增强显示、虚拟现实以及立体显示等方面有非常重要的应用。高分辨率图像重构技术的发展、二元光学理论和设计的完善以及全息技术的成熟,为头盔显示器的设计开辟了新的途径。本文首先介绍了头盔显示器的发展现状,分析机载环境对头盔显示技术的特殊要求。结合与头盔显示器相关的人机工效要求,研究头盔显示器光学系统的视场角、出瞳直径、分辨率、显示方式、眼距和字符颜色等,建立头盔显示器的系统指标要求,设计基于护目镜的头盔显示器光学系统,增大了出瞳直径和视场。研究红外头盔显示器系统中的非制冷红外焦平面阵列,提出了像素灰度值独立方程算法,解决由于其分辨率低引起图像混淆失真问题。分析半像素错位的序列低分辨率图像与高分辨率图像各像素灰度值的对应关系,建立了高分辨率图像的像素灰度值方程,并利用像素灰度值独立方程重构高分辨率图像。通过计算机仿真验证算法的可行性,得出像素灰度值独立方程算法把重构时间提高到毫秒级,为重建高分辨率视频信号奠定了基础。在理论和仿真基础上,采用机械平移法获取序列低分辨率图像。在PC机上编写串口通信程序和高分辨率图像重构程序,在单片机上编写D/A转换程序和串口通信程序,设计后端高压放大电路。搭建实验系统,重构高分辨率图像。具体分析二元光学元件的位相特性和色散特性,分析折/衍组合透镜设计方法,把折/衍组合透镜引入到头盔显示器光学系统中。设计基于折/衍组合透镜的目镜系统,与Erfle目镜进行对比分析;设计基于折/衍组合透镜的头盔光学系统,与传统头盔光学系统进行对比分析。最后,给出了折/衍组合透镜对头盔显示系统的改进作用,缩小体积、减轻重量。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 头盔显示器的发展现状
• 1.2 头盔显示器的组成及其分类
• 1.3 头盔显示器的作用和发展趋势
• 1.4 头盔显示器的关键技术对其性能影响
• 1.4.1 高分辨率图像重构技术对HMD性能影响
• 1.4.2 BOE对HMD性能影响
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 头盔显示器光学系统设计分析
• 2.1 头盔显示器的工作原理
• 2.2 头盔显示器的光学系统
• 2.2.1 投影式头盔显示器光学系统
• 2.2.2 目镜式头盔显示器光学系统
• 2.3 头盔显示器光学系统设计参数要求
• 2.3.1 显示方式
• 2.3.2 出射光瞳
• 2.3.3 眼距
• 2.3.4 视场
• 2.3.5 字符颜色
• 2.3.6 畸变
• 2.3.7 调制传递函数
• 2.4 微显示器要求
• 2.4.1 微显示器的功耗
• 2.4.2 微显示器的尺寸
• 2.4.3 微显示器的亮度
• 2.4.4 微显示器的分辨率
• 3 头盔显示器光学系统设计
• 3.1 头盔护目镜的外形
• 3.1.1 球面护目镜
• 3.1.2 非球面护目镜
• 3.2 基于护目镜的头盔显示器光学系统设计
• 3.2.1 头盔显示器光学系统设计依据
• 3.2.3 头盔显示器光学系统最终设计结果
• 3.3 头盔显示器光学系统像差分析
• 3.3.1 畸变
• 3.3.2 点列图
• 3.3.3 调制传递函数
• 4 头盔显示器高分辨率图像重构技术研究
• 4.1 头盔显示器的红外成像系统
• 4.2 红外头盔的高分辨率图像重构技术
• 4.2.1 高分辨率图像重构概念
• 4.2.2 高分辨率图像重构方法
• 4.3 序列图像重构算法
• 4.3.1 CCD基本结构
• 4.3.2 像素灰度值独立方程算法
• 4.3.3 像素灰度值独立方程算法仿真结果
• 4.4 序列图像高分辨率重构系统
• 4.4.1 实验中采用的CCD
• 4.4.2 图像采集卡
• 4.4.3 光学成像镜头
• 4.4.4 电致伸缩陶瓷微位移器
• 4.4.5 序列图像获取装置
• 4.4.6 微位移器电压驱动电路
• 4.4.7 计算机处理系统
• 4.5 实验结果与分析
• 5 基于二元光学元件头盔显示器的研究
• 5.1 二元光学元件的原理
• 5.2 头盔显示器的折/衍组合透镜原理
• 5.3 用于头盔显示器的折/衍组合目镜设计
• 5.4 基于BOE头盔显示器光学系统设计
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 作者简历