第六讲,虚拟环境中常用的视听设备原理与系统

第六讲、虚拟环境中常用的视听设备原理与系统——江萍头盔式显示器显示技术用于实现头盔式显示器的显示技术有多种，其原理不尽相同，且具有不同的特点。当为某一特定应用选择显示器时，了解不同的技术并根据实际需要选择显示器是非常重要的。源图象光纤耦合投影式直射式激光光阀平板式阴极射线管阴极射线管非发射式发射式照明白炽CRT显示设备CRT是由电子枪、控制网栅、聚焦系统、偏转线圈、加速电场和涂有磷光体的屏幕所组成。由电子枪放出的电子通过控制网栅后变成电子束，该电子束在聚焦系统的作用下进一步聚焦，形成很细的束，然后在超高压电场(通常为15000—20000V)的加速下轰击屏幕表面的磷光体从而发光。电子柬轰击点的位置可以由偏转线圈所产生的磁场来控制，而该磁场的大小和方向可以通过控制流过不同偏转线圈的电流大小来实现。因此，电子枪可以在偏转电路的控制下轰击屏幕上的任意指定点。轰击所产生的亮度大小由电子数的多少决定，而电子数束的多少是由控制网栅控制的。电子电子束聚焦方向轰击磷光屏幕电子枪控制网栅聚焦系统偏转线圈加速电场由于轰击后磷光体的发光时间是有限的，因此为了能够让使用者看到连续的不闪烁图象。必须要不断地重新扫描轰击(称为刷新)正在发光的点。阴罩CRT最初可用的彩色CRT就是基于阴罩式的。这种彩色CRT有三个独立的电子枪(红绿蓝)用来提供三原色，每支枪用来激活适当的磷光体，CRT内表面盖了一层三色磷光体，三种颜色的磷光体交替排列。为了确保从某支电子枪中发出的电子准确击中指定的磷光体，将一个带有网眼的金属屏(阴罩)放在枪与磷光体之间。阴罩CRT显示分辨率就决定于罩孔的大小和密度。电子束索引CRT电子束索引CRT利用—个电子枪来击打屏幕的磷光体，这种CRT工作方式的关键在于可以实时确定当前电子束轰击的准确位置。为了精确定位电子束，新CRT在屏幕平面涂上一层磷光体，它能在接受电子轰击之后发出紫外线。当电子扫描时，该涂层就会形成一系列表明电子束位置的紫外线脉冲。CRT内部装有一个紫外线脉冲检测器，它可检测紫外线脉冲并转换成复用红、绿、蓝视频信息的控制信号。直视式显示设备液晶显示器LCD液晶显示器LCD由六层结构构成，第一层是垂直偏振层；第二层是很薄的垂直网栅层，用于施加电压；第三层是液晶层，其厚度约为0.0005英寸；第四层和第五层分别是水平网栅连线层和水平偏振层；最后是反射器层。液晶显示器的工作原理是利用电场中长晶分子会发生整齐排列的现象而工作的。液晶层由长晶有机分子组成，通常，长晶分子被安排成罗旋形式，在此形式下光通过时光的行进方向会被偏转90º，所以，在不加电场的时候，当光线通过垂直偏振器时光被旋转了90º，然后，光在经过液晶层后被重新偏转了过来。光穿过水平偏振器时在水平方向上被偏转，经反射后再穿过液晶层，被重新再旋转90º而恢复原来的行进方向，最终反射回到观察者的眼睛。但是如果液晶层被加上了电场，则长晶分子就会在电场的作用下将螺旋打开，整齐排列成一个长链，因此就失去了对光的再偏转能力，进入显示器的光也就不可能再被反射出来。此时观察者就会看到暗的显示器表面。阴极辉光有一些显示设备是以阴极辉光的原理工作的，荧光灯就是这样的设备。当电子轰击涂有磷光层的阳极时，光子就会辐射出来。所需轰击电子的能量与X荧光管中的轰击电子的能量相比是比较低的。当许多离散的阳极单元被加上电压时，聚焦的电子就会撞击连续的阳极表面，从而产生图象。阴极是一个细丝，同热阴极工作方式相比，它工作在较低的温度下。阳极由一系列分离的涂磷光体的电极单元组成，当工作时，阳极维持一个较高的正电势，阴极发射的电子被充满正电荷的阳极吸引。当电子轰击磷光体时，能量便释放出来，光就产生了。当要调节亮度时，将带有负电荷的栅格插入正负极之间就可以实现了。栅格由细密的网格组成，使得从涂磷光体阳极出来的光能被看得见。分立的阳极单元可安排成字母数字笔画或者线阵列。场致发光当磷光体处于一定的电场之下，就可形成场致光。这个电场可以是交变的，也可以连续的。薄膜场致光显示器由导体层和绝缘层组成，中间有发光的磷光体。由锑化铟的氧化组成的透明电极沉积在一个玻璃基底上，透明电极下是一层击穿强度很高的绝缘体，再下面是混入锰的ZnS磷光体，然后是第二层磷光体和一层导体。当强度很高的电场施加到两电极之间时，ZnS层被雪崩击穿成导体，电流流过绝缘体表面，电荷在绝缘体表面积累。ZnS层内部的电场逐渐减小，最终电流不导通。为使ZnS层再次击穿导通，电场必须保留。在很高的电场之下，电子使Mg原子变为激发态，并反射出质子。这种结构类型的显示器会发出黄橙色的光。发光二极管发光二极管LED是最早应用于头盔显示系统的显示技术，它的优点是可以提供满意的亮度。然而由于采用LED阵列，构成的显示系统分辨率非常有限。尽管LED的电流消耗较低，但当亮度增大时LED的驱动电流也相应增加，这就意味着设备制造者必须找到一种办法散发掉过量的热以确保设备的寿命。在要求高亮度显示以便与现实世界的视景叠加到一起的军事应用中，LED比较受欢迎。气体放电／等离子体板等离子显示器用气体中的电子放电的原理产生光源。现有两种类型的等离子显示器显示器：直流等离子和交流等离子显示器。在交流等离子显示器中，为产生放电，在充满气体的两极之间加入一个电场，它恰好低于所需的电压。为形成放电，电压升至击穿电压，这时电就会产生，同时发出光。为停止放电，电压需降低至击穿电压以下；在直流等离子显示器中，栅格置于形成阵列的电极间，用来限制不同象素之间的放电。白炽光白炽光显示器发光的原理是利用细金属丝在温度极高时会发光。这种显示器通常不用来作为直视式的虚拟环境显示器。相反，它们被用来作为某种形式的光源或投影式的显示器的后部照明。不幸的是，它们的发光会产生大量的热，这会带来散热问题，尤其对小型的显示器更是如此。它们的主要优点是简单见有较理想的寿命。液晶开关显示设备彩色开关显示器显示器和液晶显示器LCD两种显示技术的结合产生了一种有趣的显示设备。彩色开关显示器采用传统的单色显示器来产生图象，液晶显示器LCD设备放在显示器后面用来选择显示器显示的一到两种颜色，通常是红色或绿色。液晶显示器LCD设备用一个很低的电压来控制状态切换。显示器每帧图象显示两次，同时液晶显示器LCD也在两种状态间进行切换，它可以产生从红色到黄绿色的各种颜色。彩色液晶显示器LCD开关如同显示器那样的小型高分辨率图象显示设备的问题很容易理解。困难产生于当进行颜色操作时需要产生三种主要的颜色图象以用来生成全彩色图象。因为受到诸如磷光体颗粒度、显示宽度、亮度和转换等因素的限制，传统的制造技术不能在一个小区域上产生高分辨率。克服这些限制是基于一个放在单色显示器前面的旋转的色滤波轮。作为一个场景单独的红、绿、蓝三色图象由显示器顺序地显示出来。滤波轮以一个与主色图产生速率相同的速率旋转。该系统的结果很好，因为它在没有产生转换错误的情况下获得了高亮度。投影式设备投影显示器投影显示器是要在一个宽阔的视域里投影图象，典型的视域是专用加罩的投影屏。毫无疑问，投影显示器意味着高亮度和高分辨率。以提高标准显示器的电子束强度来增加亮度会减少磷光体的寿命，磷光体可能在几微秒之后被烧毁。太高的电子束强度会产生坏聚焦图象，因为电子束将扩散而出现一个大尺寸的点。投影显示器经过特殊设计，采用高亮度磷光体，并且具有高效的磷光体散热机制。投影显示器常用于军用头盔式显示器HMD。光阀显示器光阀显示系统的显著特点是具有超高亮度投影图象的能力。光阀技术的基础是一个光控元件，该元件的透光和反射性质由一个电信号和光信号共同控制。基于特殊设计的一种液晶单元。液晶单元的一边是通光层，另一边是绝缘镜，一个阻光层和一片感光区域集成在镜的另一侧，这样的安排是为了保持电压。它的工作原理是一个象源在感光区成象，当图象照亮感光区时，导光区的导光率在被照亮的地方便有相应地降低，穿过单元的电压则升高到激活液晶的程度。单元马上变得透明，使高亮度光源透过液晶室并从绝缘镜上反射回来。结果用低亮度光源就可以控制高亮度光源，使得投影显示的亮度要远远高于驱动象源的亮度。激光扫描器激光扫描器是利用一个小的激光光源为扫描镜提供校准光束，使用旋转和上下点动镜装置来控制和调节扫描激光随机或有规律地产生图象。激光光源能提供高亮度；高分辨率的显示，但问题是如何避免射人眼中的相干光。更进一步的问题是，激光是高度单色的，产生一个全彩色显示将需要三个光源。微机械硅显示设备基于镜元素阵列的被称为镜矩阵的设备(MMD)被认为是将来最重要的也是最可能的新型HMD显示部件。该设备的核心是一种称为可变形镜DMD的设备，它采用微机械制造技术在硅基片上制造袖珍镜阵列，每一小镜可以通过与之相对应的晶体管阵列来电子寻址。该设备可以根据镜表面所表达的信息来调制光从而产生所需的图象。通过像光阀一类设备类似的工作机理，它可以构成大屏幕，也可以构成小型电视显示屏幕。因为它可以产生高亮度和高对比度，所以这样的设备有可能代替传统的CRT。此类设备的优势在于它的低成本、小体积和低功率要求。这种显示设备仍成功依赖于由集成电路发展起来的精密石板印刷技术的进步。头盔式显示器HMD光学系统为了更确切地了解、检测和使头盔式显示器HMD，理解焦距、出瞳、眼睛松弛和视野等光学设计参数是极为重要的。首先通过一个单眼直视式头盔式显示器来了解其设计原理，其他头盔式显示器HMD都是该设计的变种。眼睛合成器外部世界窥视孔显示器镜头盔显示样例简化头盔显示简图象源头盔式显示器HMD中的象源通常使用以上介绍的显示技术，它的选择可以根据空间分辨率、亮度、重量和显示任务类型等决定。另外，对于安全、鲁棒性和分辨率因素等也很重要。在保持高分辨率而限制象素密度的同时必须提高它们在特定视野的显示的有效性。光学系统的目的有两个：一是扩大显示源的图象以填满视野，二是把虚拟世界同外部世界结合。窥视孔最简单的头盔式显示器HMD可以具有一个基本的窥视孔系统，它由一到两个透镜元素构成，起到放大象源的作用。窥视孔和象源之间的镜元的用途是弯曲光路，使其机械范围尽可能的小。多元素窥视孔用来减少同时性异常的影响。半反射银镜用来反射一部分象源和使一部分外界光通过，射入眼睛。因此，半反射银镜通常也称作合成器。显示器图象延迟镜窥视镜眼睛合成器简单的头盔式显示器HMD把窥视孔安排在眼睛的正前方。为舒服和安全，可以用镜子来使得象源放置在头部的任意一边。为了得到透视能力，在眼睛前面放置一面部分反射镜，使窥视孔和象源可以放置在头部更加合适的位置上。部分反射镜称为合成器，它把象源反射到眼睛，同时又允许一部分外界光通过。特别值得一提的是合成器的光学性质。合成器可以被设计成将全部可见波长的光反射到眼睛，这称为同时合成器。合成器可以是平板的或是曲面的，以提供大型反射图象。这样头盔式显示器HMD的视野可以做得很大。合成器的设计十分重要，它是整个光学设计的一个组成部分。对合成器的一个重要要求是产生可以覆盖外界物体的变形光。延迟镜人类头部的形状意味着安装象源的位置可能危及整个光学设计。为了获得更大的灵活性，我们使用延迟镜把图象从显示源传递到窥视孔。延迟镜与窥视孔一道构成了一个简单的望远镜，延迟镜作为物镜，窥视孔是目镜。换而言之，延迟镜把显示的图象投影到通过窥视孔能够看到的地方。延迟镜相对于显示源的位置可以控制系统的大小。视野当需要填满整个窥视孔(眼睛)视野时，显然视角Ø同象源侧的夹角相等。这里M代表图象的幅度，Ø是视角，d是显示源直径，V是虚拟图象的距离。头盔显示器HMD的视野合成器的视野要求头盔显示系统显示质量显示质量是一个要从多维空间来定义的极困难的参数。由于在最低限度的可接受显示质量的组成上缺乏一致看法，而使这个问题变得更困难。通常，人们考虑如下因素：分解能力空间分辨率显示的亮度和对比度畸变显示动态范围工作上可接受的视域头盔式显示器的全息成象视觉系统全息技术的发展已经达到了可以同时支持好几个头盔式显示器的阶段。虽然这些是军事上的应用而设计的，但是这项技术在较广的社会领域内得到应用也只是