段 庸，王 巍，費(fèi) 冰，杜 妍

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

引 言

上世紀(jì)60年代，美國提出了頭盔瞄準(zhǔn)具（helmet mounted sight）的概念，其設(shè)計(jì)目的是為了解決平視場顯示器在使用過程中操作復(fù)雜的問題。頭盔瞄準(zhǔn)具的提出給飛行員帶來了新的飛行感受，飛行員在高空操作飛機(jī)時(shí)，在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)不需調(diào)整飛行方向，只調(diào)整頭部運(yùn)動就可以對目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和打擊。上世紀(jì)70年代末，第一次提出了頭盔顯示器的感念，其設(shè)計(jì)理念是將平視場顯示器安裝在飛行員頭盔上，其功能是可以讓飛行員實(shí)時(shí)地感知外界環(huán)境的變化，并及時(shí)作出相應(yīng)反應(yīng)。1973年，第一臺頭盔顯示器研發(fā)成功，并在當(dāng)年就通過了檢測，而且還應(yīng)用在了美國當(dāng)時(shí)的主站飛機(jī)上。其先進(jìn)的性能引起了世界各國的注意，頭盔顯示器的誕生給天空作戰(zhàn)帶來了新的技術(shù)革命，飛行員不必再操作繁瑣的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，不必在臨近目標(biāo)時(shí)進(jìn)行飛機(jī)調(diào)整，更不必再低頭或是左右觀看飛機(jī)顯示表，因?yàn)楦黜?xiàng)性能指標(biāo)和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)都集中在了頭盔顯示器當(dāng)中，飛行員可以在觀察外界景物的同時(shí)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，明顯地提升了飛行員的作戰(zhàn)能力［1－6］。

頭盔顯示器突出的優(yōu)勢使它在短短幾年內(nèi)就成為了現(xiàn)在戰(zhàn)爭的先進(jìn)設(shè)備，在戰(zhàn)爭設(shè)備優(yōu)越性決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的今天，需要加強(qiáng)對主要核心設(shè)備的研發(fā)和優(yōu)化，頭盔顯示器已經(jīng)成為現(xiàn)代化空軍作戰(zhàn)的核心設(shè)備。我國對頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的研究也在傳統(tǒng)頭盔顯示器的基礎(chǔ)上得到了加強(qiáng)。文中對頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)小型化開展設(shè)計(jì)、研究。

1 頭盔顯示器一般設(shè)計(jì)方法

1.1 基本結(jié)構(gòu)組成

頭盔顯示器的基本結(jié)構(gòu)主要由圖像源，顯示設(shè)備，頭盔體和跟蹤系統(tǒng)4個(gè)部分組成。圖像源是主要產(chǎn)生信息和字符的電子設(shè)備；顯示設(shè)備是頭盔顯示器的主要輸出設(shè)備，其顯示的數(shù)據(jù)和信號可以給使用人員進(jìn)行分析和參考；頭盔盔體是裝配整體系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，也可以對系統(tǒng)的電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)和支撐；跟蹤系統(tǒng)主要有電子傳感器組成，其功能強(qiáng)大，是該系統(tǒng)的主要部分之一［7］。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)組成

頭盔顯示器的技術(shù)核心是其光學(xué)系統(tǒng)。一般在設(shè)計(jì)該光學(xué)系統(tǒng)的時(shí)候，必須首先考慮結(jié)構(gòu)簡便，系統(tǒng)小，視場大的設(shè)計(jì)方案。再根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行各項(xiàng)性能的改進(jìn)。

頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：圖像源，中繼系統(tǒng)，目鏡系統(tǒng)，合成鏡。工作原理如圖1所示：圖像源發(fā)出的信號經(jīng)過中繼系統(tǒng)后成像，其像再經(jīng)過目鏡系統(tǒng)投射在合成鏡處，合成鏡一般鍍有半反半透膜，可以把圖像源信號跟外界景物信號合成進(jìn)入系統(tǒng)，在系統(tǒng)出瞳位置成像。

人眼在出瞳1處可以接收到6圖像源的圖像，也可以通過合成鏡2看到外界景物。因?yàn)楹铣社R是帶有曲率的半透半反鏡，所以像面3是傾斜的，圖像源6也需要傾斜放置。

圖1 頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Helmet mounted display optical system

1.3 設(shè)計(jì)要求

出瞳直徑：10mm；眼點(diǎn)距：25mm；視場角：40°（H）×30°（V）；分辨力：33.3lp／mm 空間頻率處的MTF值大于0.1；有效焦距：49mm；波長：540～560nm。

2 小型化設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)

2.1 小型化設(shè)計(jì)方法

頭盔顯示器光學(xué)元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。不但體積大，而且重量也隨著系統(tǒng)鏡片的增多而不斷加大。這樣就給飛行員的佩戴帶來了很多問題，比如佩戴起來感覺擁擠和笨重。離軸系統(tǒng)中包括圖像源在內(nèi)的大部分元件都有傾斜，而且系統(tǒng)反射面和眾多的透鏡引起系統(tǒng)的透過率和反射率降低。所以在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)要考慮以上因素，在保證系統(tǒng)成像質(zhì)量的前提下盡量簡化系統(tǒng)，減小體積。

為了既符合設(shè)計(jì)參數(shù)而又達(dá)到系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化目的，需從系統(tǒng)的光學(xué)元件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)。一般常用的小型化設(shè)計(jì)方案有：（1）利用護(hù)目鏡改進(jìn)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（2）利用自由面型棱鏡改進(jìn)頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（3）利用自由曲面改進(jìn)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)；（4）利用衍射元件改進(jìn)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)；（5）利用全息光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)頭盔顯示器。在設(shè)計(jì)中，如何運(yùn)用以上方法進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，要根據(jù)具體的要求和具體的問題分析設(shè)計(jì)。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 最初的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Optical system of initial design

對光學(xué)系統(tǒng)的光路分析和像質(zhì)評價(jià)都采用和光路相反的方式，其中設(shè)計(jì)的光路根據(jù)圖2分析如下：系統(tǒng)入瞳位置發(fā)出的光線經(jīng)過合成鏡反射后進(jìn)入透鏡組，合成透鏡是自由曲面面型，用來校正系統(tǒng)像差；光線通過合成鏡進(jìn)入中繼系統(tǒng)，中繼系統(tǒng)的第一塊透鏡是個(gè)正場鏡，用來壓縮光束的口徑，控制系統(tǒng)尺寸，正場鏡第一面是非球面，用來校正系統(tǒng)像差，減小鏡片的傾斜，簡化系統(tǒng)復(fù)雜度；系統(tǒng)其它各面型都為標(biāo)準(zhǔn)球面。系統(tǒng)正透鏡玻璃為冕牌玻璃，棱鏡玻璃材料為火石玻璃。

2.3 系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)和像差校正方法

2.3.1 非球面

非球面指不能用一個(gè)半徑確定的面型，包括旋轉(zhuǎn)對稱的非球面和非旋轉(zhuǎn)對稱的非球面。非球面在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用有很多的優(yōu)點(diǎn)：可以減少系統(tǒng)元件，可以減小系統(tǒng)傾斜，更可以校正系統(tǒng)除場曲外的各種像差。而且一個(gè)系統(tǒng)往往因?yàn)榉乔蛎娴募尤?，使得其成像質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍。設(shè)計(jì)中就是在中繼系統(tǒng)的第一面加入非球面，以校正系統(tǒng)高級像差和減小中繼的傾斜。

2.3.2 自由曲面

自由曲面是根據(jù)現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)要求發(fā)展的一種新型光學(xué)元件，其設(shè)計(jì)理念是可以構(gòu)造任意形狀光學(xué)表面。自由曲面的應(yīng)用可以很好地校正系統(tǒng)像差，簡化系統(tǒng)，達(dá)到系統(tǒng)小型化的目的，設(shè)計(jì)中，合成鏡為自由曲面。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

3.1 光學(xué)傳遞函數(shù)

光學(xué)傳遞函數(shù)評價(jià)法，是現(xiàn)在最常用最方便的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評價(jià)方法。用光學(xué)傳遞函數(shù)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評價(jià)時(shí)，是把被評價(jià)物體看成是由頻率譜線組成的，把物體的光場分布函數(shù)展開為傅里葉級數(shù)的形式。被評價(jià)物看成是線性系統(tǒng)時(shí)，其經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后它的頻率不變只是對比度產(chǎn)生了變化，相位也產(chǎn)生了變化。這種對比度的變化和相位的變化是根據(jù)頻率發(fā)生改變的，其線性的函數(shù)關(guān)系就是光學(xué)傳遞函數(shù)。這種評價(jià)方法客觀可靠，能夠應(yīng)用在各類光學(xué)系統(tǒng)像差的評價(jià)當(dāng)中。

系統(tǒng)優(yōu)化后的MTF曲線，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)優(yōu)化后的MTF曲線Fig.3 MTF curve of the system after optimization

系統(tǒng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

3.2 結(jié)果分析

由MTF曲線圖和優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，可以達(dá)到使用要求即：33.3lp／mm頻率處的MTF大于0.1；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，使用鏡片數(shù)量少，鏡片薄厚適當(dāng)，間距合理，滿足頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

頭盔顯示器在現(xiàn)代化軍事和民生上都有廣泛的應(yīng)用，通過對頭盔顯示器歷史和發(fā)展的研究，在其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)理論，提出了對頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)的研究方向，并應(yīng)用最新的光學(xué)設(shè)計(jì)理念與相關(guān)研究成果，對頭盔顯示器進(jìn)行了細(xì)致和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠懻撗芯?，最后?jīng)過設(shè)計(jì)完成了對系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)的要求目標(biāo)。該設(shè)計(jì)成果將為今后的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of optical system

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