头戴显示关键技术及应用
完成单位:北京理工大学

支撑项目(平台):国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、863计划、973计划等

参与单位:北京理工大学

所属学科:仪器科学与技术

主要贡献者:王涌天、程德文、刘娟、姜滨、翁冬冬、刘越

成就简介:本项目针对虚拟现实和增强现实显示技术的核心需求,突破了头戴显示穿戴无扰化、输出高清化和呈现舒适化等科学难题,研制了超轻薄、大视场和真三维的透视式和沉浸式头戴显示设备,产生了重大的社会效益和经济效益。

头戴显示是下一代计算平台中最重要的信息呈现方式,包括沉浸式虚拟现实和透视式增强现实显示技术。本项目团队历经近30年深入探索,开展了一系列以构建实际应用系统为目标、以解决国际前沿的共性技术难题为核心的研究工作,并取得了以下技术创新和发明:
1、在超轻薄头戴显示方面,提出了先进的超轻型自由曲面棱镜光学设计与加工方法,在视场角、分辨率、透视效果等关键技术指标上领先于国际同类产品;提出了平面波导和自由曲面相结合的显示方法,实现了超轻薄型透视显示;提出了结合视力校正功能的曲面波导增强现实显示方法,首次消除了用户佩戴双重眼镜的困扰。
2、在大视场头戴显示方面,早在1992年就提出了在目镜中有意引入大量桶形畸变结合电子畸变校正的设计方案,实现了低成本大视场沉浸式显示;提出了自由曲面光学无缝拼接及其光学透视补偿方法,实现了无视点畸变的大视场高分辨增强现实头戴显示;提出了多通道自由曲面拼接方案,彻底突破了传统头戴显示器中视场角/分辨率光学不变量的限制。
3、在真三维头戴显示方面,提出了自由曲面光学空分复用方法,实现了双焦面的头戴显示;提出了基于微结构阵列的近眼三维光场渲染方法,实现了稠密光场头戴三维显示;提出了复振幅调制计算全息头戴显示方法,实现了符合人眼观察习惯的动态连续深度的真三维显示。
在上述技术发明的基础上,面向应用分别成功研制了穿戴无扰化、输出高清化和呈现舒适化的超轻薄、大视场和真三维的透视式和沉浸式头戴显示系统,在国内外产生广泛影响。获得授权发明专利57项,其中包括美国、欧洲专利5项;制定行业标准1项;发表SCI检索论文48篇;出版专著1部。包括信息领域5位院士的鉴定专家组一致认为“项目组……取得了突出的创新,成果达到了国际领先水平”。成果获得2017年中国光学工程学会创新技术一等奖。
本项目取得的具有完全自主知识产权的头戴显示研究成果具有显著优势,各项主要性能指标超过国外同类产品。成果已通过两种形式在国内外100余家单位推广应用:一是直接出售满足航天、航空、军事、工业、医疗、科研、教育、文化、体育、科普等众多领域用户需求的头戴显示设备,满足了国家重大需求,得到了广大用户部门的高度评价;二是以专利许可、技术转让、提供光学设计解决方案等形式支持了国内外多个大型上市公司和知名创新型初创企业的产品研发和发布。上述应用产生了重大的社会效益和7亿余元的经济效益,有力地推动了虚拟现实、增强现实、光电显示行业的发展。

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