波导显示在机载头戴显示领域的应用分析

波导显示技术是一种新型显示技术,在AR领域有重要的应用。首先阐述了波导显示技术的原理、分类和特点,说明其技术特征,梳理技术发展趋势;然后综述了该技术在机载头戴显示领域的应用现状,分析了机载波导头戴显示器的优缺点和应用难点,在此基础上提出了波导显示技术推广至机载领域的未来发展方向,对其发展前景进行了展望。

折叠光路结构头戴显示器的光学设计

为了满足虚拟现实头戴显示器大视场、大出瞳和高成像质量且结构轻小化等要求,采用逆向光路设计方法,对折叠光路pancake结构展开研究;采用两片透镜进行设计,进行了理论分析和软件仿真,对设计的光学系统进行了公差分析。结果表明,全视场角为96°、出瞳直径为10 mm、出瞳距离为14.94 mm时,在奈奎斯特频率(20.83 lp/mm)处调制传递函数(MTF)大于0.2,最大畸变为-26.5%,最大垂轴色差为13.84μm;此结构具有更高的MTF值、更小的垂轴色差和弥散斑均方根半径,像差平衡合理。该研究为折叠光路结构的头戴显示器提供了参考。

面向未来战争的头戴显示装置认知疲劳分析

针对目前头戴显示装置在军事领域应用效果不佳,系统性地分析了辐辏调节冲突、瞳距不匹配、视场角不够大等所带来的认知疲劳问题,提出了优化头戴显示装置功能设计方案。通过对人眼成像方式、分辨率、刷新率、视野范围和瞳距等人体生理结构及其适应性进行多维度分析认知疲劳的产生主要来源于人眼视觉与头戴显示装置的冲突。而运动跟踪、环境理解、光照估计、多任务切换和降低延迟等设备优化方案的提出,在理论分析和初步实践中都展示出良好的应用效果,有助于降低头戴显示装置对作战人员造成的认知疲劳程度,大大提升决策效率和作战效能。

情感化设计在头戴显示设备中的应用——以Apple Vision Pro为例

以苹果公司的头戴显示设备Apple.Vision.Pro为例,从情感化设计的角度对头戴显示设备的发展现状及存在问题进行了分析,并提出了情感化设计在头戴显示设备上的应用思路。从情感化设计的概念和重要性出发,针对现有设备对情感诉求的缺失,从本能层、行为层和反思层3个层面提出了情感化设计在头戴显示设备上的应用思路。以Apple.Vision.Pro为例,分析了情感化设计在其上的应用,为情感化设计在头戴显示设备的设计和开发上提供参考和借鉴,同时也为情感化设计在其他领域的应用提供了启示。

大视场低照度夜视头戴目镜光学系统设计

基于CMOS器件的低照度夜视装备隐蔽性好,成本较红外热像装备低,是拓展人眼低照度条件下视觉感知的重要手段,在军事和民用领域都有广泛应用。为满足夜间低照度天候条件下装备维修保障需求,设计了一款大视场低照度夜视头戴目镜光学系统。通过选择合适的光学玻璃材料,在可见/近红外波段均有很好的光谱响应。设计完成的大相对孔径目镜视场角为74.46°,焦距为46 mm,F数为1.2,畸变小于-7.14%,系统总长小于80 mm,且镜头总质量小于100 g。该目镜在486 nm~950 nm光谱范围内能够满足夜间无照明条件下的维修、训练和场景观察,为低照度夜视头戴系统光学模组研制提供了新的技术手段。

大视场轻小型折反射头戴显示器光学设计

随着元宇宙概念的兴起,虚拟现实头戴显示器得到了快速发展。基于偏振折反射的折叠光路可以减小系统总长和镜片数量,使虚拟现实头戴显示器更加轻薄。在不增大系统尺寸和重量的同时,为进一步增大虚拟现实头戴显示器的视场角,将菲涅耳透镜和折叠光路相结合,得到出瞳距为14 mm,出瞳直径为(4±3)mm,视场角为120°,系统总长小于21 mm的大视场角轻薄型光学系统。设计的系统满足虚拟现实头戴显示器大视场角和轻薄化的需求。

离轴回转对称棱镜式头戴显示器目镜的研制

针对大曲率自由曲面棱镜在加工中存在表面粗糙度差的问题,本文采用离轴非球面面型研制了棱镜式虚拟显示目镜。目镜的3个光学表面都采用了回转对称的非球面面型,其加工精度比自由曲面高且加工难度大大降低。通过控制棱镜各表面的曲率、倾斜角度来实现短焦距和大视场并通过优化高次非球面系数校正像差。实验结果显示:研制的目镜其光瞳大小为6mm,视场大小为55°;在30lp/mm处,轴上视场的调制传递函数(MTF)值高于0.2,轴外视场的MTF值高于0.1,目镜的最大畸变量为-5.37%。棱镜的检测和试验结果表明:与自由曲面棱镜相比,采用非球面面型能够显著降低棱镜表面的粗糙度,避免图像重影现象,成像更为清晰,虚拟成像的目视效果得到了明显改善。

有源抗噪声头戴耳机

有源噪声控制为抗噪声头戴耳机提供了一种新的方法。文章讨论了有源抗噪声头戴耳机的理论机制，说明它在降噪的同时可以保留有用的通讯信号，并通过对于一种反馈控制系统的分析，展示了这种耳机的实验设计与效果。

投影式头戴静脉显像光学系统的设计

为了辅助静脉穿刺及相关的医疗操作,设计了一款基于投影式头戴显示器(HMPD)的静脉显像系统,其光学系统由近红外成像系统和穿透型HMPD构成。利用光学设计软件ZEMAX优化设计近红外成像系统,使其具有F/2.6的大数值孔径,有利于弱反射红外光的收集成像。穿透型HMPD采用与近红外成像系统相同的光学结构,有利于简化系统的加工装调。设计结果表明,近红外成像系统成像质量优异,分辨率达到QXGA(2 048×1 536)。穿透型HMPD具有18 mm的大出瞳直径及25 mm的大出瞳距离,场曲小于0.03 D,畸变小于0.32%,达到QXGA分辨率显示模式。与现行的静脉显像系统相比,本显像系统结构简单紧凑、佩戴舒适,且具有超高分辨率,是一款适用于辅助医疗的目视系统。

头戴设备VR环境下光滑加权等距面交互建模

给出一种在头戴设备VR环境中交互式建模机制,通过头戴式VR设备手柄可输入点、线、面基本骨架,对于给定的可变半径信息,在GPU上采用CUDA(Compute Unified Device Architecture)并行计算带权重的距离场,并进一步采用并行Marching Cubes方法提取等距面。为避免多骨架等距面交接处的不光滑性,本建模系统采用加权滤波核函数根据骨架半径对距离场自适应光顺处理,从而生成基于骨架的多组件光滑混合模型。系统所提供交互方式自然,适合非专业人员的快速建模需求,并且所生成模型具有二维流形表面特征,可直接用于三维打印。

基于鱼眼投影的头戴显示器全景显示系统

设计了一套结合鱼眼摄像头和头戴显示器的新型全景显示系统。采用鱼眼正交投影法建立合适的数学模型,基于该数学模型合理展开虚拟半球的UV,将鱼眼图像映射到虚拟半球上,同时使用双目虚拟摄像头采集已经矫正畸变的图像,并将其显示在头戴显示器中,达到头戴显示器全景显示的效果。通过实际测试验证了该方案的可行性。

头戴设备VR环境下基于网格变形的交互雕刻建模

为满足非专业用户的3D模型生成和编辑需求,提出一种在头戴设备VR环境下的数字雕刻系统.对初始化的三维模型进行半边结构拓扑表示,根据VR交互手柄的笔刷位置和空间划分来高效查询网格雕刻区域;对待雕刻顶点按法向变形以生成新模型,为保证得到高质量网格形状和鲁棒雕刻过程,对新移动的顶点所在边长进行排序并重新局部网格化;对用户的三维输入实时反馈变形并迭代生成具有丰富细节的二维流形模型.借助本文系统,将用户与所雕刻模型置于同一三维空间,增加了建模交互性,降低了建模难度,即使非专业建模人员也能快速实时雕刻生成复杂三维模型.

基于振动触觉感知研究的头戴预警设备开发设计

目的在预警场景下应用振动触觉传递警报信号以弥补受损的感觉通道,探索头戴振动设备的合理形式,从而为头戴振动设备的工业设计提供指导。方法围绕空间分布位置、时间和振动参数设置实验,研究振动触觉的特征,提出一种振动触觉系统。在实验一中,对头部进行触觉感知性测量以比较不同位置的灵敏性,确定振动作用于头部的适宜部位。在实验二中,组合不同的时间模式以及强弱程度形成7种振动模式,通过比较得出适于传达警报信息的触觉模式。基于实验结论,设计出一款应用于建筑工地场景下的工程预警头盔。结果前额无毛区域与颞部中央区域感受性最灵敏;时间间隔短、强度高的振动模式更适于传达警报信息。结论感知实验的结论为振动组件的布置和振动警报模式的参数设定提供了依据,并有效地被运用于针对具体场景的头戴设备设计中。

教学用头戴耳机左右盒壳注射模设计

分析了教学用头戴耳机塑件的成型工艺特点,对成型该塑件的注射模结构、工作过程及制造要求作了介绍。

基于视网膜扫描的头戴显示器研究现状

随着头戴显示器的轻小型化发展,基于视网膜扫描的头戴显示器逐渐成为近年来虚拟现实领域和头戴显示器领域的一个研究热点。此类显示器通过扫描装置控制激光束进行二维扫描,扫描图像经成像后可直接在观察者的视网膜上进行显示,具有大视场、高亮度、结构紧凑等独特优势,也被称为视网膜扫描显示器。鉴于国内该方向的研究较为薄弱,结合国外视网膜扫描显示器的研究基础,阐述了视网膜扫描显示器的工作原理,论述了该领域的技术发展及关键技术研究现状,总结了视网膜扫描显示器的技术发展趋势和应用前景,为国内相关领域的研究和发展指出了方向。

头戴式虚拟现实设备的热舒适研究

目的了解头戴式虚拟现实设备的热特性,以及用户的主观热舒适感受。方法让被试者使用头戴设备45min,过程中采用温度记录器记录数据,最后用主观量表获取热舒适评分。获得的数据用SPSS进行方差分析,并结合设备的物理属性进一步进行主观热舒适影响因素分析。结果三款头戴设备的平均微环境温度在使用时间内共上升了8.11℃,主观热不适程度随使用时间的增加而增强。数据统计结果表明,三款设备间的微环境温度和主观热舒适数据差异显著(p<0.05)。结论头戴式虚拟现实设备在使用时间内的微环境温度变化会对用户造成"轻微不适"的热感受,在提升产品热舒适方面可以从显示器的发热性和目镜的散热性入手。用户更青睐透气性强、且对面部相对不造成压力的S款设计。

头戴显示器简介

随着电子装备的小型化．适应便携式移动装备的头戴显示器成为一种非常有潜力的产品．国内外都在竞相开发之中。本文以便携式移动显示器产品之一的头戴式显示器为主题，介绍此产品的背景、技术发展现况及市场前景。

沉浸式头戴显示器光学系统设计

为了满足虚拟现实头戴显示器大视场、大出瞳和高成像质量等要求,采用非球面透镜设计了1种3片式虚拟现实头戴显示器光学系统,对光学系统进行了公差分析。结果表明,光学系统的平均调制传递函数(MTF)值均满足传递函数的要求;系统视场角为90°、出瞳直径为8mm、系统重量为33.67g、总长小于60mm、频率为9.31lp/mm时的MTF值均优于0.272,最大畸变为8.17%,最大垂轴色差为36.2μm,小于一个像素尺寸;与已有研究相比,增加了视场角、出瞳直径和出瞳距离等参量的信息,提高了成像质量。该研究为沉浸式头戴显示器的光学设计提供了参考。

大视场虚拟现实头戴显示器光学结构设计

为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求,采用逆向设计方法,通过理论计算与软件仿真,设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明,每个通道采用3片非球面透镜,全视场角为90°,出瞳直径为8mm,出瞳距离为13mm,在奈奎斯特频率10.58lp/mm处调制传递函数大于0.3,最大畸变为6.1%;与参考文献相比,此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。

轻小型头戴显示器的光学设计

目前头戴显示器体积大、重量大、视场角小,为了满足用户对轻小型头戴显示器的使用需求,以冉斯登目镜为初始结构,采用ZEMAX软件对其优化,并进行了像质评价和公差分析。结果表明,双目系统中的每个通道仅使用两片透镜,光学系统的最大视场角为80°,总长为54.24mm,最大畸变小于4.7%,两片透镜重量小于11.5g,与相关研究比较,增加了视场角和像素数量,减小了体积,提高了调制传递函数。该头戴显示器具有一定的市场前景,能够为轻小型头戴显示器的光学设计提供参考。