向 華， 孫長(zhǎng)卿， 鐘軍華， 劉延新

(中國航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009)

0 引言

頭盔顯示部件是通過接收電子組件送出的導(dǎo)航、攻擊等顯示畫面信息，為飛行員操作飛機(jī)、執(zhí)行對(duì)敵攻擊等任務(wù)提供顯示畫面信息［1］。目前頭盔顯示部件采用像源有兩種:CRT像源［2-3］(陰極射線管)和液晶數(shù)字像源。本文僅針對(duì)使用CRT像源的頭盔顯示部件的互換性技術(shù)進(jìn)行研究。

CRT像源作為顯示像源已經(jīng)有著相對(duì)成熟的使用過程，CRT像源在頭盔顯示技術(shù)使用發(fā)展中，經(jīng)歷了從直徑1 in(1 in=2.54 cm)到 0.5 in(CRT 像源的管平面)的發(fā)展歷程［4］，頭盔顯示系統(tǒng)對(duì)0.5 in CRT像源成像的分辨率［5］、顯示亮度、亮度均勻性、顯示畫面畸變、顯示字符線寬［6］等性能指標(biāo)要求越來越高，以此來保證頭盔顯示部件的良好顯示和一致性，并滿足頭盔組件與電子組件的互換性要求，進(jìn)一步提高頭盔顯示系統(tǒng)整體實(shí)用性能和維護(hù)性能。

本文在分析影響頭盔顯示部件互換性的基礎(chǔ)上，提出有效解決問題的方法。

1 影響互換性的因素

頭盔顯示系統(tǒng)由頭盔組件和電子組件組成。

頭盔組件由頭盔顯示部件和頭盔盔體組成，其中與顯示互換性有關(guān)的部件包括:CRT像源、光學(xué)鏡筒、高壓電源模塊(驅(qū)動(dòng)CRT像源工作)。

電子組件中與顯示互換性有關(guān)的部件包括:偏轉(zhuǎn)放大模塊、輝亮放大模塊、畸變校正模塊。

頭盔顯示系統(tǒng)中影響顯示互換性的相關(guān)部件參見圖1。

由于頭盔盔體結(jié)構(gòu)的特殊性，HMD的光學(xué)系統(tǒng)［7］如圖1所示，包括一個(gè)球面反射護(hù)目鏡和一個(gè)大離軸角的光學(xué)鏡筒。光學(xué)鏡筒由一對(duì)離軸雙膠合透鏡、1個(gè)離軸單透鏡和5個(gè)常規(guī)透鏡組成，光學(xué)鏡筒將CRT像源產(chǎn)生的圖像準(zhǔn)直后，通過反射護(hù)目鏡將顯示圖像送入人眼，人在觀看顯示畫面的同時(shí)可以看見外景。

對(duì)于反射護(hù)目鏡而言，科丁頓方程可表示為

式中:T、T'和S、S'分別為子午和弧矢面內(nèi)物距和像距;i為反射護(hù)目鏡與光軸的夾角。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)物在無窮遠(yuǎn)處，則式(1)中1/T和式(2)中1/S為0，另外，考慮到反射護(hù)目鏡消像散，于是有

將式(1)和式(2)代入式(3)解得

設(shè)Rx=Rcos i，Ry=R/cos i，其中R為反射護(hù)目鏡的曲率半徑(在設(shè)計(jì)HMD顯示光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，R為固定的值)。

在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，首先采用了球面反射鏡來消除反射鏡自身傾斜帶來的像散像差，然后利用透鏡自身離軸及透鏡之間的離軸來消除系統(tǒng)由于球面反射鏡離軸帶來的光學(xué)系統(tǒng)弓形和梯形畸變［8］。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HMD光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Setup for nonaxial optical system of HMD

光學(xué)系統(tǒng)在理論設(shè)計(jì)中就會(huì)有光學(xué)畸變，光學(xué)畸變會(huì)使顯示畫面變形，HMD采用畸變校正模塊電路來修正光學(xué)畸變。

CRT像源的電感線圈和熒光粉的特性［9］，決定了其會(huì)影響顯示畫面的中心位置、線條傾斜角度、畫面正交性、幾何失真、畫面增益、畫面字符線寬、畫面截止亮度、畫面最大亮度、畫面亮度調(diào)節(jié)比率等［10］。

高壓電源模塊有3路輸出電壓:末陽極(8500 V)、聚焦極(900～1500 V)、加速極(500～900 V)，對(duì)應(yīng)有3個(gè)電位計(jì)可以相應(yīng)調(diào)整這3路電壓值。調(diào)整末陽極控制電位計(jì)時(shí)，會(huì)改變加速極的基準(zhǔn)值，并影響顯示畫面的亮度和畫面增益;調(diào)整聚焦極電位計(jì)時(shí)，可以改變CRT顯示畫面的線條粗細(xì);調(diào)整加速極電位計(jì)時(shí)，可以改變顯示畫面的亮度。

畸變校正模塊的作用是根據(jù)光學(xué)鏡筒中不同區(qū)域的光學(xué)畸變系數(shù)搭建模擬校正電路，修正光學(xué)設(shè)計(jì)中固有的光學(xué)畸變，可以改變顯示畫面的畸變程度。

偏轉(zhuǎn)放大模塊有5對(duì)電位計(jì)可以分別調(diào)整顯示畫面X、Y軸向的中心零位、線條傾斜角度、畫面正交、畫面幾何失真、畫面增益。

輝亮放大模塊的陰極電壓控制電位計(jì)和柵極電壓控制電位計(jì)可以調(diào)整畫面的截止電壓和畫面的最大亮度。

綜合以上6個(gè)與顯示互換性有關(guān)的因素，可以看出光學(xué)鏡筒和CRT像源是主要因素，而且這兩個(gè)部件加工成成品后是不能調(diào)整的，其余4個(gè)部件可以根據(jù)光學(xué)鏡筒和CRT像源的差異做相應(yīng)的調(diào)整。

2 影響互換性的分析和解決方法

2.1 光學(xué)鏡筒與畸變校正模塊

通過加強(qiáng)光學(xué)鏡筒［11］的光學(xué)鏡片和鏡筒殼體加工精度的工藝控制，光學(xué)鏡片在鏡筒殼體中裝配精度的工藝控制，可以保證光學(xué)鏡筒的光學(xué)顯示畸變［12］、顯示精度和整體顯示效果能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

使用高精度數(shù)控機(jī)床加工出高精度的光學(xué)鏡片、鏡筒殼體、鏡片裝配工裝和裝配夾具，保證光學(xué)鏡筒裝配的一致性，提高光學(xué)鏡筒的互換性。

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的理論畸變參數(shù)，配合加工和裝配誤差所帶來的實(shí)際光學(xué)畸變偏差系數(shù)，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，得出畸變校正公式，使用模擬電路設(shè)計(jì)出光學(xué)畸變校正模塊修正光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生的畸變。

光學(xué)系統(tǒng)的畸變系數(shù)在理論上為固定值，通過加強(qiáng)對(duì)光學(xué)鏡筒加工、裝配工藝流程的控制，光學(xué)鏡筒的光學(xué)畸變可以控制在一個(gè)穩(wěn)定的理論值范圍內(nèi)，這樣光學(xué)畸變校正模塊的電路就可以將光學(xué)畸變校正在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)對(duì)畫面的顯示要求。在光學(xué)鏡筒和畸變校正模塊更換時(shí)，不需要調(diào)整其他部件，并且不會(huì)影響系統(tǒng)的顯示性能指標(biāo)和顯示效果，達(dá)到實(shí)現(xiàn)光學(xué)鏡筒和畸變校正模塊滿足互換性設(shè)計(jì)要求。

2.2 CRT像源—高壓電源模塊

CRT像源的電感線圈和熒光粉的特性［13］，決定了其會(huì)影響顯示畫面的中心位置、畫面線條傾斜角度、畫面正交性、畫面幾何失真、畫面增益、畫面線條粗細(xì)、亮度截止電壓、峰值亮度、畫面亮度調(diào)節(jié)比率等性能指標(biāo)。通過控制CRT像源的電感線圈的長(zhǎng)度、繞組、燈絲電壓、電流等性能指標(biāo)，并優(yōu)化加工工藝流程［14］，最后對(duì)生產(chǎn)出來的成品進(jìn)行篩選測(cè)試，挑出一致性好的CRT像源使用，以此來保證CRT像源的互換性。

CRT像源在生產(chǎn)加工過程中需要嚴(yán)格控制的各項(xiàng)性能指標(biāo)參見表1。

表1 CRT像源的性能指標(biāo)Table 1 The requirment of CRT image source

高壓電源模塊的末陽極電壓值調(diào)整會(huì)影響到加速極電壓值，畫面的顯示亮度和增益也會(huì)隨之變化;同時(shí)會(huì)影響到輝亮放大模塊和偏轉(zhuǎn)放大模塊，需要調(diào)整控制亮度和增益的電位計(jì)，使互換性更加難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，高壓電源模塊在加入系統(tǒng)中使用前，將末陽極調(diào)整到規(guī)定范圍值8500 V±100 V，然后使用硅膠將末陽極調(diào)整電位計(jì)封死，避免在后續(xù)使用過程中調(diào)此電位計(jì)。

調(diào)整聚焦極電壓值的控制電位計(jì)可以改變顯示畫面的字符線條粗細(xì)，因每支CRT像源電感線圈的細(xì)微差異性，高壓電源模塊在驅(qū)動(dòng)CRT像源時(shí)需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整此電位計(jì)，將畫面的線條調(diào)整至最細(xì)，這樣觀看畫面時(shí)最舒適。調(diào)整加速極電壓值的控制電位計(jì)可以改變顯示畫面的亮度，在將輝亮放大模塊的亮度控制電位計(jì)調(diào)整成一致參數(shù)的前提下，即使每支CRT像源的亮度有細(xì)微差異，都可以通過調(diào)整加速極電壓值來調(diào)整亮度的細(xì)微差異。

高壓電源模塊與CRT像源焊接、灌封在一起，更換部件時(shí)要同時(shí)替換，所以高壓電源模塊和CRT像源是一個(gè)更換整體，則調(diào)整聚焦極和加速極電位計(jì)屬于部件內(nèi)部調(diào)整，并且調(diào)整這兩個(gè)電位計(jì)不會(huì)影響到其他方面。

因此通過加強(qiáng)對(duì)CRT像源生產(chǎn)、加工過程中的各項(xiàng)參數(shù)的嚴(yán)格控制，對(duì)高壓電源模塊的末陽極電壓值的限制和灌封處理，實(shí)現(xiàn)CRT像源和高壓電源模塊滿足互換性設(shè)計(jì)要求。

2.3 輝亮放大模塊

輝亮放大模塊上有控制亮度截止電壓的陰極電壓控制電位計(jì)，控制最大亮度的柵極電壓控制電位計(jì)。在2.2節(jié)中，通過嚴(yán)格約束CRT像源和高壓電源模塊的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)將輝亮放大模塊的陰極、柵極電壓控制電位計(jì)調(diào)整至一樣的參數(shù)。在更換輝亮放大模塊時(shí)，不需要調(diào)整其他部件，并且不影響系統(tǒng)顯示畫面的亮度和顯示效果，實(shí)現(xiàn)輝亮放大模塊的互換性設(shè)計(jì)要求。

2.4 偏轉(zhuǎn)放大模塊

偏轉(zhuǎn)放大模塊有控制顯示畫面的10個(gè)電位計(jì)，分別控制顯示畫面的X、Y軸向的相關(guān)參數(shù):畫面中心零位、線條傾斜角度、線條是否直、枕型失真度、畫面增益。通過對(duì)這10個(gè)電位計(jì)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整來彌補(bǔ)CRT像源的差異。

在2.2節(jié)中，通過嚴(yán)格約束CRT像源和高壓電源模塊的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)將偏轉(zhuǎn)放大模塊的各個(gè)調(diào)節(jié)電位計(jì)都調(diào)整至一樣的參數(shù)。在更換偏轉(zhuǎn)放大模塊時(shí)，不需要調(diào)整其他部件，并且不會(huì)改變系統(tǒng)的顯示性能指標(biāo)和畫面的顯示效果，實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)放大模塊的互換性設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)背景

在第1、2節(jié)中，詳細(xì)分析了影響頭盔顯示部件互換性的因素，并提出了解決問題的方法，下面通過更換各部件的試驗(yàn)來驗(yàn)證解決問題的方法的可行性。試驗(yàn)中依次更換的部件包括:光學(xué)鏡筒、畸變校正模塊、CRT像源—高壓電源模塊、輝亮放大模塊、偏轉(zhuǎn)放大模塊。(注:CRT像源與高壓電源模塊焊接、灌封在一起，這兩個(gè)部件更換時(shí)需要同時(shí)進(jìn)行。)

試驗(yàn)中更換部件的清單參見表2。

表2 試驗(yàn)更換部件清單Table 2 List of replacable module in experments

系統(tǒng)由1#光學(xué)鏡筒、1#畸變校正模塊、1#CRT像源(含高壓電源模塊)、1#偏轉(zhuǎn)放大模塊、1#輝亮放大模塊和其余部件組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)整各部件的參數(shù)使顯示畫面滿足系統(tǒng)要求，以此作為試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)參考值(1#試驗(yàn)基準(zhǔn)環(huán)境)，測(cè)試更換相應(yīng)模塊后對(duì)顯示系統(tǒng)的影響。

3.2 光學(xué)鏡筒和畸變校正模塊

在1#試驗(yàn)基準(zhǔn)環(huán)境條件下，僅更換光學(xué)鏡筒。理論上更換光學(xué)鏡筒會(huì)影響畫面畸變和視差，系統(tǒng)指標(biāo)是畫面畸變≤14'，畫面視差≤10'，在更換光學(xué)鏡筒后，如果畫面的畸變和視差沒有超出系統(tǒng)指標(biāo)范圍就視為滿足互換性。3支光學(xué)鏡筒更換后，顯示系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 更換光學(xué)鏡筒的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Test data of lens drawtube after being replaced

從表3數(shù)據(jù)中可以看出，通過控制加工精度，優(yōu)化裝配工藝流程等方法，光學(xué)鏡筒可以實(shí)現(xiàn)互換性的設(shè)計(jì)要求。

在1#試驗(yàn)基準(zhǔn)環(huán)境條件下，僅更換畸變校正模塊。理論上更換畸變校正模塊會(huì)影響畫面畸變，系統(tǒng)指標(biāo)要求是對(duì)光學(xué)系統(tǒng)校正后，畫面畸變≤14'。5塊畸變校正模塊(配合1#光學(xué)鏡筒)更換后，顯示系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。

表4 更換畸變校正模塊的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Test data of module for distortion correction after being replaced

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，更換畸變校正模塊對(duì)系統(tǒng)中心畸變的影響為0'，畫面最大畸變≤14'，對(duì)邊緣畸變產(chǎn)生的差異不超過2'，因此畸變校正模塊滿足互換性的設(shè)計(jì)要求。

3.3 CRT像源—高壓電源模塊

在1#試驗(yàn)基準(zhǔn)環(huán)境條件下，僅更換CRT像源—高壓電源模塊。理論上更換這兩個(gè)模塊會(huì)影響畫面中心位置、增益、畸變、亮度、聚焦。1#輝亮放大模塊已經(jīng)調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)值，通過調(diào)整高壓電源模塊的加速極和聚焦極電位計(jì)，可以將CRT像源顯示畫面的亮度和聚焦調(diào)整成一致。

更換4套CRT像源—高壓電源模塊，測(cè)試畫面中心位置、增益和畸變的變化，以 1#為基準(zhǔn)尋找 1#、2#、3#、4#的差異性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求是CRT像源更換后，顯示畫面中心位置偏差不超過20'，增益不超過10'。

更換CRT像源—高壓電源模塊后顯示測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。

表5 更換CRT像源—高壓電源模塊的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 5 Test data of module for CRT image source＆high voltage after being replaced

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，更換CRT像源—高壓電源模塊后畫面畸變的差異性較小，且滿足系統(tǒng)≤14'的要求，在畫面畸變方面滿足系統(tǒng)互換性設(shè)計(jì)要求，但是對(duì)系統(tǒng)的畫面中心位置和增益影響較大，是影響系統(tǒng)互換性設(shè)計(jì)的最大因素。在對(duì)CRT像源和高壓電源模塊的生產(chǎn)、加工、裝配和工藝流程的嚴(yán)格控制基礎(chǔ)上，CRT像源加入系統(tǒng)前要進(jìn)行篩選，淘汰偏差值大的CRT像源，提高CRT像源—高壓電源模塊的一致性，以此來實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)部件的互換性設(shè)計(jì)要求。

3.4 偏轉(zhuǎn)放大模塊

在1#試驗(yàn)基準(zhǔn)環(huán)境條件下，僅更換偏轉(zhuǎn)放大模塊。理論上更換偏轉(zhuǎn)放大模塊會(huì)影響畫面中心位置、畸變、增益，系統(tǒng)指標(biāo)要求是畫面中心位置≤30'，畸變≤10'，增益≤10'。將10塊偏轉(zhuǎn)放大模塊相對(duì)應(yīng)的電位計(jì)調(diào)整至一樣的參數(shù)，更換偏轉(zhuǎn)放大模塊后顯示系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表6。

表6 更換偏轉(zhuǎn)放大模塊的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 6 Test data of module for deflexion and amplification after being replaced

從表6中數(shù)據(jù)可以看出，更換偏轉(zhuǎn)放大模塊后，顯示畫面的整體畸變和增益變化不會(huì)影響系統(tǒng)的互換性設(shè)計(jì)，畫面中心位置的變化也滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，因此偏轉(zhuǎn)放大模塊滿足系統(tǒng)互換性設(shè)計(jì)要求。

頭盔顯示系統(tǒng)主要是根據(jù)畫面中心位置的瞄準(zhǔn)十字線攻擊目標(biāo)，因此解決顯示畫面的中心位置是技術(shù)核心。通過表3～表6中的測(cè)試數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)中同時(shí)更換CRT像源和偏轉(zhuǎn)放大模塊時(shí)，畫面中心位置的累計(jì)誤差未超過系統(tǒng)要求的30';系統(tǒng)同時(shí)更換2個(gè)以上的顯示部件時(shí)，畫面的中心位置、畸變、增益、亮度、聚焦等指標(biāo)都滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此本文闡述的方法可以實(shí)現(xiàn)頭盔顯示部件互換性設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

頭盔CRT顯示部件互換性技術(shù)有效地解決了因CRT像源離散性大帶來的系統(tǒng)互換性差的問題。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中涉及的更換部件，詳細(xì)地分析了影響顯示的各種因素，通過實(shí)物測(cè)試，多方位地驗(yàn)證了該方法的正確性，通過測(cè)試數(shù)據(jù)說明CRT像源是影響互換性的最大因素，提出了解決此問題的方法。該項(xiàng)技術(shù)的研究可以促進(jìn)CRT像源應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，并提高頭盔的顯示部件互換性和頭盔組件互換性。

［1］李軍建，成建波，蔣泉，等.CRT顯示管分辨率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(2):288-290.

［2］石俊生，云利軍，楊鍵，等.陰極射線管顯示器特性化精度及黑點(diǎn)的影響［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(2):371-376.

［3］何鍵.解析顯示器的CRT技術(shù)［J］.黑龍江科技信息，2007，13:65.

［4］武懷玉，艾延平，趙富寶，等.場(chǎng)發(fā)射顯示器陰極結(jié)構(gòu)的發(fā)展［J］.現(xiàn)代顯示，2010(4):40-43.

［5］梁靜秋.微顯示器件的研究進(jìn)展［J］.光機(jī)電信息，2010(12):21-27.

［6］孫保偉.即將淡退視野的 CRT［J］.中國商界，2010(7):400-401.

［7］WEBER L F,姜曉鵬.高發(fā)光效率電視的競(jìng)爭(zhēng)［J］.現(xiàn)代顯示，2007(7):23-29.

［8］陳鵬，白純潔.顯像管真空度在線自動(dòng)檢測(cè)機(jī)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2010(4):142-143.

［9］吳衛(wèi)玲.頭盔顯示器的技術(shù)發(fā)展綜述［J］.科技信息，2010，33:61.

［10］高偉清，周仕娥，呂國強(qiáng).雙目光學(xué)透視式頭盔顯示器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.光電工程，2010，37(5):139-143.

［11］楊新軍，吳華夏，余曉芬，等.機(jī)載護(hù)目鏡型頭盔顯示器畸變校正［J］.光子學(xué)報(bào)，2010(3):455-459.

［12］楊勝杰，李曉霞，劉春華.頭盔顯示器視差調(diào)校的量化研究［J］.電光與控制，2009，16(5):86-89.

［13］范海英，張寶潁，楊嘉，等.折/衍混合超輕小型投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2010，31(1):13-18.

［14］楊新軍，吳華夏，余曉芬，等.穿透型航天員艙外頭盔信息顯示系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2010，39(2):241-245.