头盔显示器作为虚拟现实系统中重要的显示设备，具有非常广泛的应用价值。本作品基于菲涅尔原理，采用透射与反射相结合的方式，构建了一种新型立体显示系统，并用于头盔显示器中。本作品突出“大视场”、“高分辨率”、“普及化”等特点，单目视场角达到36.8°(V)×47.9°(H)，分辨率为800×600，达到了同类产品的世界先进水平，同时将成本由数万元降低至两千元左右。

一、选题背景与目的
头盔显示器（HMD）是虚拟现实应用中用于显示和观察虚拟环境的专用设备，可单独与主机相连以接收和显示来自主机的双通道立体图像，从而引导用户产生一种身在三维虚拟环境中的感觉。
头盔显示器在虚拟技术应用系统中的地位非常重要，是虚拟现实系统必不可少的显示和交互装备。
当前头盔显示器从性能上主要分两种层次：专用级头盔显示器和民用级头盔显示器。专用级头盔显示器具有较大的视场角（一般在水平45°以上）和较高的分辨率（一般在800*600以上），同时集成有高精度的位姿跟踪装置，能够实现良好的三维显示效果，其性能远远高于民用级头盔显示器。民用级头盔显示器分辨率和视场角等参数都远远低于专业级头盔显示器，但是体积小，结构简单，成本较低，使用也较为方便。
随着虚拟现实技术被用于越来越广泛的领域，人们对于专业级头盔显示器的需求也在与日俱增，当前急需一种能够被大量生产的普及型头盔显示器。这种头盔显示器不但需要具有较大的视场角，较高的分辨率还需要具有结构简单、操作便捷、造价低廉等特性，以便其在具有广泛需求的领域中得到应用。
就目前国内相关技术以及已知国外的现有相关设备的发展水平而言，头盔显示器存在的主要问题如下：
1) 专业级头盔显示器的成像元件生产规模小、成本高。
对于专业级头盔显示器，其使用的高分辨率微型液晶显示元件本身成本很高，而且产量较小，使得头盔整体的成本也无法降低。诸如型号为NVISor SX60、NVISor ST50、Cybermind Visette45、VR1280、5DT HMD的产品，成本从四万到十几万不等，而分辨率1280*1024的头盔显示器成本更是达到数十万，这在很大程度上限制了头盔显示器的广泛应用。
2) 专业级头盔显示器的目视光学系统设计、制作难度高，国内加工困难。
由于专业级头盔显示器所使用的光学元件结构精细复杂，往往使用具有复杂面型的自由曲面结构，加工和装配难度高，国内尚不具备足够的加工和装配能力。所以专业级头盔显示器长期为国外所垄断，民族工业受到限制。
3) 民用级头盔显示器视场角小、沉浸感差。
对于民用级头盔显示器，国内具有完备的加工能力，但是性能的不足使其无法满足大众对于高品质画面的需求。而且由于民用级头盔显示器视场角较小，缺乏沉浸感，其应用领域也受到很大的限制。
针对上述问题，本作品以高性能、普及型、低成本为出发点，综合国内外相关技术的发展情况，通过对当前市场上的各种头盔显示器进行了研究。在菲涅尔原理的基础上，本作品实现了一种新颖的偏振滤光与透射反射相结合的立体显示系统设计，并配以结构精简的目视光学系统，设计制作了一套可以推广应用的大视场普及型头盔显示器。该头盔显示器分辨率达到了800*600，视场角36.8°(V)×47.9°(H)，质量仅1080g，成本仅仅相当于同类产品的10%左右，达到了同类产品的世界先进水平。而且由于结构设计较为简单，所使用的全部零件都可在国内进行加工，突破了国外对于微型液晶显示元件的限制，使得本作品所设计的头盔显示器具有巨大的市场推广潜力。

二、基本思路
本作品主要针对高性能、低成本的普及型头盔显示器展开研究，研究的目的是实现具有极高市场推广价值的产品级头盔显示器，并配合相应的软件，实现一个完整的虚拟现实应用系统，研究的具体内容包括：
1) 基于菲涅尔原理的双屏幕立体显示系统研究
为了保证较高的性能和维持相对合理的成本，本作品采用2个3.5英寸、分辨率为800*600的液晶显示屏作为显示单元。由于显示单元本身尺寸较大，如果直接采用传统的双目相互独立的光学系统，会导致空间干涉而无法进行安装。本作品针对这一问题，提出了一种基于半透半反玻璃的折反射融合光路，使得两个光学系统能够共享同一物理空间。但是由于本作品中设计的目视光学系统具有很大的视场角，用户的一只眼睛有可能同时看到两个显示单元的图像，为了消除这种光学干扰，本系统基于菲涅尔原理，通过使用偏振元件对上述光学干扰进行了消除。

2) 用于头盔显示器的最简目视光学系统研究
为了减轻整体重量，减小安装复杂度，本作品研究了针对上述立体显示系统的最简目视光学系统，通过对几种方案的仿真模拟，本作品最终选择了双曲面透镜组成的目视光学系统，并进一步对该系统光学传递函数和像差等参数进行了深入分析。

3) 基于惯性传感器的头部位姿跟踪模块开发
为了满足虚拟现实系统对交互操作的要求，本作品设计的头盔显示器内还集成有一个位姿跟踪模块。该模块采用STM32微处理器，实现了三自由度惯性跟踪系统，并最终完成了与软件环境的集成。

4) 头盔显示器整体结构优化设计
为了使最终完成的头盔显示器结构更为精简，本作品还开展了头盔显示器整体结构优化设计方面的工作。通过对各种元件的排布方式和走线方式进行反复对比，实现了各模块的有效集成，并最终加工完成了头盔显示器样机。

5) 基于头盔显示器的典型应用范例开发
为展示所完成的头盔显示器的综合性能，本作品还针对基于头盔显示器的典型应用范例展开了研究，并最终完成了一套立体漫游系统。通过该系统，用户可以在一个虚拟的岛屿上漫游，并与岛屿上的动物进行交互。

三、创新点分析
本作品的主要创新之处体现在以下几点：
1) 本作品基于菲涅尔原理，利用半透半反玻璃将透射型系统与反射型系统有效地结合在一起，实现了空间的重复利用，完成了一套新型立体显示系统；
2) 本作品设计完成了一套针对大尺寸显示单元的大视场目视光学系统，并配合偏振片解决了两个图像单元相互交叠引起的视觉干扰问题，既避免了头盔体积过大，又增大了视场角范围，实现了良好的立体显示效果；
3) 本作品采用了市场上普遍使用的3.5寸液晶显示屏代替传统头盔显示器中的微型液晶，极大地降低了头盔显示器的成本，实现了清晰的成像效果；
4) 本作品采用惯性传感器，实现了高精度的三自由度位姿跟踪模块，有效地提高了头盔显示器的交互性能。

四、作品主要技术指标
分辨率（像素）：800×600（svga）
视场范围（度）：36.87°(V)×47.92°(H)
立体效果：支持
设备重量：1080g
显示器类型：TFT—LCD
输入方式：VGA输入
亮度：4-5 fL（估测）
头部尺寸：可调至任何尺寸

第十二届“挑战杯”作品 二等奖
本系统于2011年3月10日获得了国家知识产权局的专利申请号：201110057220.4。