LCOS可穿戴近眼显示设备在变电站运维作业中的应用

LCOS可穿戴近眼显示设备在变电站运维作业中的应用

0引言

电力系统现场作业是一个涉及工作繁杂而且高危的工作，为保证现场工作

的安全和保障工作的顺利无误开展，电力现场作业制定了严珞的标准化作业管

理规定，来规范电力的现场作业，保障现场作业的安全，同时也形成了多套系

统来辅助现场作业人员进行现场工作，但是随着电网规模的不断扩大，现场作

业的工作量越来越大，虽然有越来越多的辅助设备协助人员进行现场作业，但

是依然存在着一些电力生产的问题：

针对不同的电力作业应用有不同的辅助设备，比如巡视业务和故障缺陷记

录业务都有不同的PDA在现场支撑其相应的工作，现场作业人员携带的辅助设

备越来越多，加重了现场作业人员的携带的负担，而且各类设备都稍有差异，

作业人员一方面存在熟悉适应的过程，另一方面多套设备同时应用，容易出现

操作错误，反倒造成不必要的安全隐患，因此需要一整套的解决方案，将多种

业务集成在一起，减轻现场作业人员的负担。

1.功能需求分析

本论文研究的核心目的是提高在变电站运维作业中施工人员的安全系数；

对在作业中使用的辅助仪器设备，要提高其集成度，减小作业人员的负担。研

究的辅助设备在提高集成度的基础上，更要使操作简单易用C

针对佩戴和操作的便利性，经分析需满足如下要求：

1)设备的各个组件要方便拆卸和组装，功能性组件要即插即用；

2)设备要方便佩戴，且佩戴后要牢固可靠；

3)设备的人机交互为语音控制，无需用手操作。

设备上的近眼显示器要做到体积小、重量轻，且不能遮挡作业人员的视线,

根据变电站运维作业规范，近眼显示器需要支持显示如下的内容：

1)电气设备的技术参数、操作规范之类的文本文件；

2)电气设备的结构图，以及操作规范示例之类的图片；

3)设备的安装、调试和维护时用到的教学视频；

4)作业人员佩戴的摄像头的实时画面。

为了实现语音控制和视频传输，设备需要支持WIFI无线网络，同时还需

要一台服务器用于转发来自现场作业人员的音频和视频图像c

2.技术框架

设备的系统框图如图1明示,

］现场服务器

摄像头WIF模块

a

处理器

近眼显示器

音频输出

Q音频输入

图1系统框图

近眼显示(NED)也称为头戴式显示(HMD)或可穿戴显示，在一只眼或

两只眼睛的视野范围内创建一个虚拟图像。从人眼角度来看，虚拟图像看起来

在一段距离以外，比创建图像所用的相对较小的显示板和光学器件要大。

近眼显示大致可分为两大类：沉浸式和透射式，其典型应用如图2所示

沉浸式

图2近眼显示的典型应用

考虑到变电站的复杂施工环境，透射式的显示方式较沉浸式的方式更适合

用在变电站的运维作业中，外形可参考谷歌眼镜，原因如下：

1)透射式的显示方式体积小，重量轻；

2)光路采用投射式设计，整体几乎为透明的，因此对施工人员的视线

影响非常小。

摄像头的作用为实时记录现场作业的情况，以备作业结束后查找问题；同

时摄像头的图像还会通过WIFI实时传输到后台服务器，再由服务器分享给其

他成员。

WIFI模块提供了无线网络连接的功能，负责将设备的音视频信号传输给服

务器。

麦克风的作用为采集作业人员的语音控制指令，以实现对近眼显示器上的

内容切换和变更；扬声器用来播放系统的提示音。

3.LCOS显示屏的原理及构造

近眼显示器是由显示屏幕、驱动电路和光路三大部分构成，其中显示屏幕

是整个显示器的核心。

目前市场上主流的近眼显示屏可分为两类，一类是基于DLP技术，一类是

LCOS技术。本文所研究的设备是基于LCOS设计的近眼显示器，因此本文仅

对LCOS进行深入的研究，其结构如图3所示。

图3LCOS显示芯片的结构

像素的驱动电路做在硅基板上，在单晶硅片上集成CMOS和存贮电容器的

数组，通过开孔把漏电极和像素电极连结，像素电极用铝做成反射电极。为防

止强光照射沟道，加一层金属挡光层。另一侧基板是ITO电极的玻璃板。

LCOS的显示原理阐述如下：

图3中分别画出了一个暗态像素和一个亮态像素的示意图，可以看出液晶

分子在两种状态下不同的排列状态。暗态像素的电极此时处于未加电状态，液

晶分子是垂直于电极排列，入射的S偏光经过液晶层后而不会发生任何变化，

即偏振光的偏振方向不会发生扭转，到达底部的发射电极后又反射回来，再次

经过液晶层穿出LCOS芯片，且光线仍是S偏光。随后，在经过PBS时发生发

射，该S偏光又返回原来的光路，而不能穿透PBS射出光路，因此，光路的输

出为暗态。

当像素的电极施加驱动电压后，液晶分子的排列状态如图3中亮态像素中

液晶分子的排列所示，其液晶分子与电极平行，此时入射的S偏光经过液晶层

后，偏振方向发生了扭转，到达底部的反射电极后反射回来，再次穿过液晶层

变为P偏光，然后P偏光穿透后面的PBS棱镜，从光路射出，此时光路的输出

即为亮态。

4.LCOS近眼显示设备中的光学器件

在一个LCOS系统中，除了LCOS显示芯片，PBS和光路的设计也起到了

至关重要的作用。一个典型的LCOS系统如图4所示，由LCOS显示屏、三色

LED光源、准直镜、PBS和镜头组成。

PBS镇头

A人眼

图4典型的LCOS系统

1)准直镜

为了提高的光的利用率，降低LED灯的功耗，以及使显示画面均匀，

色彩清晰、逼真，打到LCOS显示屏上的光束需满足两个要求，其一是光

束为平行光，二是是光束为S方向的偏振光。

LED灯因体积小、亮度高被广泛用在投影和近眼显示系统中，但LED

灯发射出的光不是平行光，而是以一定角度向外发射，这个角度称之为发

光角度(或视角)，如图5所示，如果以这样的光束达到LCOS显示屏上,

则画面会出现中间亮度高，往外逐渐变暗的图像，而且画面模糊，整休用

户体验很差。

发光分布图

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图5LED相对照度和发射角度的关系

为了将LED光源发出的发散光调成平行光，需要用到准直透镜，准直

透镜一般就是凸透镜，发散光入射，平行光射出，如图6所示。在设计准

直透镜的时候，应根据产品的尺寸要求计算出透镜的焦距，在产品装配时

务必确保LED位于透镜的焦点处。

准直透镜

图6准直透镜原理图

2)PBS

前面提到了打到LCOS显示屏上的光束除了要求为平行光之外，还要求为

S偏振光。获取偏振光的方法很多，比较常用的办法是利用PBS,将自然光分

解出所需的偏振光。

PBS(polarizationbeamsplitter),即偏振分光棱镜，其结构是由一对高精

度直角棱镜胶合而成，外形为一个立方体，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分

光介质膜，它能把自然光分解为S偏振光和P偏振光。自然光射入PBS棱镜，

遇到偏振分光介质膜后，分成两束垂直的线偏光，其中P偏光完全通过，而S

偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。

PBS的工作原理图如图7所示。

入射光

图7PBs结构图

5.LCOS显示器的接口设计

作为一款用在使用环境恶劣的可穿戴产品，必须要考虑产品的易维护性，

因此将近眼显示器和主控模块设计成了两个独立的部分，任何模块部分损坏后

直接用新的模块替换即可，保证现场作业的顺利进行。

LCOS显示屏的接口有多种类型，但为了与现有的LCD接口兼容，很多

LCOS厂商将接口设计为标准的RGB接口，但RGB接口信号线较多，与主控

模块连接无法做到小型、拆卸方便且可靠的连接。而HDMI接口目前已成为一

种主流接口，并且HDMI是一种即插即用的接口，非常近眼显示器和主控模块

之间的连接。

由于近眼显示屏为RGB接口，需要转换成HDMI接口才可以与主控模块

连接。图8是一款转换芯片的原理框图，蓝色框为HDMI接口，红色框为RGB

接口。通过这款接口芯片，近眼显示器的接口转换成了HDMI接口，用线缆方

便与主控模块连接，达到了即插即用、拆解方便、组装和连接可靠的设计目的。

HDMI接口RGB接口

图8RGB接口与HDMI接口的转换

6.视频采集、传输及语音控制

视频采集是由固定在近眼显示器上的摄像头完成，摄像头采用的是标准的

UVC摄像，输出为720P的图像，视角为178度的宽角度，与主控模块的接口是

USB2.0,跟近眼显示器一样，也支持即插即用，方便拆卸和组装。采集的图像经

USB传输给主控CPU,然后进行图像的H264编码，再通过町FI网络发送到服务

器端。

语音控制实质为一个双向的实时音频流，作业人员将自己需求（列