LCOS可穿戴近眼顯示設(shè)備在變電站運(yùn)維作業(yè)中的應(yīng)用

LCOS可穿戴近眼顯示設(shè)備在變電站運(yùn)維作業(yè)中的應(yīng)用

0引言

電力系統(tǒng)現(xiàn)場作業(yè)是一個涉及工作繁雜而且高危的工作，為保證現(xiàn)場工作

的安全和保障工作的順利無誤開展，電力現(xiàn)場作業(yè)制定了嚴(yán)珞的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管

理規(guī)定，來規(guī)范電力的現(xiàn)場作業(yè)，保障現(xiàn)場作業(yè)的安全，同時也形成了多套系

統(tǒng)來輔助現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場工作，但是隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)場作

業(yè)的工作量越來越大，雖然有越來越多的輔助設(shè)備協(xié)助人員進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，但

是依然存在著一些電力生產(chǎn)的問題：

針對不同的電力作業(yè)應(yīng)用有不同的輔助設(shè)備，比如巡視業(yè)務(wù)和故障缺陷記

錄業(yè)務(wù)都有不同的PDA在現(xiàn)場支撐其相應(yīng)的工作，現(xiàn)場作業(yè)人員攜帶的輔助設(shè)

備越來越多，加重了現(xiàn)場作業(yè)人員的攜帶的負(fù)擔(dān)，而且各類設(shè)備都稍有差異，

作業(yè)人員一方面存在熟悉適應(yīng)的過程，另一方面多套設(shè)備同時應(yīng)用，容易出現(xiàn)

操作錯誤，反倒造成不必要的安全隱患，因此需要一整套的解決方案，將多種

業(yè)務(wù)集成在一起，減輕現(xiàn)場作業(yè)人員的負(fù)擔(dān)。

1.功能需求分析

本論文研究的核心目的是提高在變電站運(yùn)維作業(yè)中施工人員的安全系數(shù)；

對在作業(yè)中使用的輔助儀器設(shè)備，要提高其集成度，減小作業(yè)人員的負(fù)擔(dān)。研

究的輔助設(shè)備在提高集成度的基礎(chǔ)上，更要使操作簡單易用C

針對佩戴和操作的便利性，經(jīng)分析需滿足如下要求：

1)設(shè)備的各個組件要方便拆卸和組裝，功能性組件要即插即用；

2)設(shè)備要方便佩戴，且佩戴后要牢固可靠；

3)設(shè)備的人機(jī)交互為語音控制，無需用手操作。

設(shè)備上的近眼顯示器要做到體積小、重量輕，且不能遮擋作業(yè)人員的視線,

根據(jù)變電站運(yùn)維作業(yè)規(guī)范，近眼顯示器需要支持顯示如下的內(nèi)容：

1)電氣設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、操作規(guī)范之類的文本文件；

2)電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，以及操作規(guī)范示例之類的圖片；

3)設(shè)備的安裝、調(diào)試和維護(hù)時用到的教學(xué)視頻；

4)作業(yè)人員佩戴的攝像頭的實時畫面。

為了實現(xiàn)語音控制和視頻傳輸，設(shè)備需要支持WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，同時還需

要一臺服務(wù)器用于轉(zhuǎn)發(fā)來自現(xiàn)場作業(yè)人員的音頻和視頻圖像c

2.技術(shù)框架

設(shè)備的系統(tǒng)框圖如圖1明示,

］現(xiàn)場服務(wù)器

攝像頭WIF模塊

a

處理器

近眼顯示器

音頻輸出

Q音頻輸入

圖1系統(tǒng)框圖

近眼顯示(NED)也稱為頭戴式顯示(HMD)或可穿戴顯示，在一只眼或

兩只眼睛的視野范圍內(nèi)創(chuàng)建一個虛擬圖像。從人眼角度來看，虛擬圖像看起來

在一段距離以外，比創(chuàng)建圖像所用的相對較小的顯示板和光學(xué)器件要大。

近眼顯示大致可分為兩大類：沉浸式和透射式，其典型應(yīng)用如圖2所示

沉浸式

圖2近眼顯示的典型應(yīng)用

考慮到變電站的復(fù)雜施工環(huán)境，透射式的顯示方式較沉浸式的方式更適合

用在變電站的運(yùn)維作業(yè)中，外形可參考谷歌眼鏡，原因如下：

1)透射式的顯示方式體積小，重量輕；

2)光路采用投射式設(shè)計，整體幾乎為透明的，因此對施工人員的視線

影響非常小。

攝像頭的作用為實時記錄現(xiàn)場作業(yè)的情況，以備作業(yè)結(jié)束后查找問題；同

時攝像頭的圖像還會通過WIFI實時傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，再由服務(wù)器分享給其

他成員。

WIFI模塊提供了無線網(wǎng)絡(luò)連接的功能，負(fù)責(zé)將設(shè)備的音視頻信號傳輸給服

務(wù)器。

麥克風(fēng)的作用為采集作業(yè)人員的語音控制指令，以實現(xiàn)對近眼顯示器上的

內(nèi)容切換和變更；揚(yáng)聲器用來播放系統(tǒng)的提示音。

3.LCOS顯示屏的原理及構(gòu)造

近眼顯示器是由顯示屏幕、驅(qū)動電路和光路三大部分構(gòu)成，其中顯示屏幕

是整個顯示器的核心。

目前市場上主流的近眼顯示屏可分為兩類，一類是基于DLP技術(shù)，一類是

LCOS技術(shù)。本文所研究的設(shè)備是基于LCOS設(shè)計的近眼顯示器，因此本文僅

對LCOS進(jìn)行深入的研究，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3LCOS顯示芯片的結(jié)構(gòu)

像素的驅(qū)動電路做在硅基板上，在單晶硅片上集成CMOS和存貯電容器的

數(shù)組，通過開孔把漏電極和像素電極連結(jié)，像素電極用鋁做成反射電極。為防

止強(qiáng)光照射溝道，加一層金屬擋光層。另一側(cè)基板是ITO電極的玻璃板。

LCOS的顯示原理闡述如下：

圖3中分別畫出了一個暗態(tài)像素和一個亮態(tài)像素的示意圖，可以看出液晶

分子在兩種狀態(tài)下不同的排列狀態(tài)。暗態(tài)像素的電極此時處于未加電狀態(tài)，液

晶分子是垂直于電極排列，入射的S偏光經(jīng)過液晶層后而不會發(fā)生任何變化，

即偏振光的偏振方向不會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，到達(dá)底部的發(fā)射電極后又反射回來，再次

經(jīng)過液晶層穿出LCOS芯片，且光線仍是S偏光。隨后，在經(jīng)過PBS時發(fā)生發(fā)

射，該S偏光又返回原來的光路，而不能穿透PBS射出光路，因此，光路的輸

出為暗態(tài)。

當(dāng)像素的電極施加驅(qū)動電壓后，液晶分子的排列狀態(tài)如圖3中亮態(tài)像素中

液晶分子的排列所示，其液晶分子與電極平行，此時入射的S偏光經(jīng)過液晶層

后，偏振方向發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，到達(dá)底部的反射電極后反射回來，再次穿過液晶層

變?yōu)镻偏光，然后P偏光穿透后面的PBS棱鏡，從光路射出，此時光路的輸出

即為亮態(tài)。

4.LCOS近眼顯示設(shè)備中的光學(xué)器件

在一個LCOS系統(tǒng)中，除了LCOS顯示芯片，PBS和光路的設(shè)計也起到了

至關(guān)重要的作用。一個典型的LCOS系統(tǒng)如圖4所示，由LCOS顯示屏、三色

LED光源、準(zhǔn)直鏡、PBS和鏡頭組成。

PBS鎮(zhèn)頭

A人眼

圖4典型的LCOS系統(tǒng)

1)準(zhǔn)直鏡

為了提高的光的利用率，降低LED燈的功耗，以及使顯示畫面均勻，

色彩清晰、逼真，打到LCOS顯示屏上的光束需滿足兩個要求，其一是光

束為平行光，二是是光束為S方向的偏振光。

LED燈因體積小、亮度高被廣泛用在投影和近眼顯示系統(tǒng)中，但LED

燈發(fā)射出的光不是平行光，而是以一定角度向外發(fā)射，這個角度稱之為發(fā)

光角度(或視角)，如圖5所示，如果以這樣的光束達(dá)到LCOS顯示屏上,

則畫面會出現(xiàn)中間亮度高，往外逐漸變暗的圖像，而且畫面模糊，整休用

戶體驗很差。

發(fā)光分布圖

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7

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用超Ml

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圖5LED相對照度和發(fā)射角度的關(guān)系

為了將LED光源發(fā)出的發(fā)散光調(diào)成平行光，需要用到準(zhǔn)直透鏡，準(zhǔn)直

透鏡一般就是凸透鏡，發(fā)散光入射，平行光射出，如圖6所示。在設(shè)計準(zhǔn)

直透鏡的時候，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的尺寸要求計算出透鏡的焦距，在產(chǎn)品裝配時

務(wù)必確保LED位于透鏡的焦點(diǎn)處。

準(zhǔn)直透鏡

圖6準(zhǔn)直透鏡原理圖

2)PBS

前面提到了打到LCOS顯示屏上的光束除了要求為平行光之外，還要求為

S偏振光。獲取偏振光的方法很多，比較常用的辦法是利用PBS,將自然光分

解出所需的偏振光。

PBS(polarizationbeamsplitter),即偏振分光棱鏡，其結(jié)構(gòu)是由一對高精

度直角棱鏡膠合而成，外形為一個立方體，其中一個棱鏡的斜邊上鍍有偏振分

光介質(zhì)膜，它能把自然光分解為S偏振光和P偏振光。自然光射入PBS棱鏡，

遇到偏振分光介質(zhì)膜后，分成兩束垂直的線偏光，其中P偏光完全通過，而S

偏光以45度角被反射，出射方向與P光成90度角。

PBS的工作原理圖如圖7所示。

入射光

圖7PBs結(jié)構(gòu)圖

5.LCOS顯示器的接口設(shè)計

作為一款用在使用環(huán)境惡劣的可穿戴產(chǎn)品，必須要考慮產(chǎn)品的易維護(hù)性，

因此將近眼顯示器和主控模塊設(shè)計成了兩個獨(dú)立的部分，任何模塊部分損壞后

直接用新的模塊替換即可，保證現(xiàn)場作業(yè)的順利進(jìn)行。

LCOS顯示屏的接口有多種類型，但為了與現(xiàn)有的LCD接口兼容，很多

LCOS廠商將接口設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)的RGB接口，但RGB接口信號線較多，與主控

模塊連接無法做到小型、拆卸方便且可靠的連接。而HDMI接口目前已成為一

種主流接口，并且HDMI是一種即插即用的接口，非常近眼顯示器和主控模塊

之間的連接。

由于近眼顯示屏為RGB接口，需要轉(zhuǎn)換成HDMI接口才可以與主控模塊

連接。圖8是一款轉(zhuǎn)換芯片的原理框圖，藍(lán)色框為HDMI接口，紅色框為RGB

接口。通過這款接口芯片，近眼顯示器的接口轉(zhuǎn)換成了HDMI接口，用線纜方

便與主控模塊連接，達(dá)到了即插即用、拆解方便、組裝和連接可靠的設(shè)計目的。

HDMI接口RGB接口

圖8RGB接口與HDMI接口的轉(zhuǎn)換

6.視頻采集、傳輸及語音控制

視頻采集是由固定在近眼顯示器上的攝像頭完成，攝像頭采用的是標(biāo)準(zhǔn)的

UVC攝像，輸出為720P的圖像，視角為178度的寬角度，與主控模塊的接口是

USB2.0,跟近眼顯示器一樣，也支持即插即用，方便拆卸和組裝。采集的圖像經(jīng)

USB傳輸給主控CPU,然后進(jìn)行圖像的H264編碼，再通過町FI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)

器端。

語音控制實質(zhì)為一個雙向的實時音頻流，作業(yè)人員將自己需求（列