李訓(xùn)牛，張竹平，鄭為建，戴賦貴，馮曉燕

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機(jī)載頭盔顯示系統(tǒng)的主要光學(xué)實(shí)現(xiàn)形式

李訓(xùn)牛1,2，張竹平1，鄭為建1,2，戴賦貴1，馮曉燕1

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京 100081）

頭盔顯示技術(shù)是當(dāng)代有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。簡(jiǎn)述了生物動(dòng)力學(xué)、頭部跟蹤技術(shù)等頭盔顯示技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究成果。重點(diǎn)討論了顯示技術(shù)，分析了非浸入式頭盔顯示的幾種主要光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)這些技術(shù)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展概況進(jìn)行了詳細(xì)描述，并討論了其相對(duì)的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，對(duì)適用于固定翼戰(zhàn)斗機(jī)的頭盔顯示技術(shù)作了總結(jié)和展望。

機(jī)載頭盔；頭盔顯示；非浸入式頭盔顯示

0 引言

由于使用平視顯示器（HUD）時(shí)，飛行員視線受限于HUD，飛機(jī)若要跟蹤目標(biāo)需要隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，才能將目標(biāo)保持在視線范圍內(nèi)。為了克服HUD視場(chǎng)較小的缺點(diǎn)，頭盔顯示器（HMD）技術(shù)由此得以發(fā)展。通過將顯示器及光學(xué)系統(tǒng)置于頭盔上，飛行系統(tǒng)信息、瞄準(zhǔn)標(biāo)記和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)（分布式孔徑系統(tǒng)（DAS）、雷達(dá)信息等）等信息可直接投射到飛行員眼前，使飛行員隨時(shí)觀察所需的信息。利用慣性、光電等原理制作的頭部跟蹤系統(tǒng)（HTS）的使用，使得武器（如空-空導(dǎo)彈）和各種傳感器能夠準(zhǔn)確指向目標(biāo)。同時(shí)具有頭盔顯示和瞄準(zhǔn)功能的完整頭盔顯示瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（HMDS）在空戰(zhàn)中起到了越來越大的作用[1-4]。

20世紀(jì)60年代，HMDS的早期型式最先使用在AH-1G武裝直升機(jī)上。經(jīng)過數(shù)10年的發(fā)展，HMDS由比較笨重、使用者感覺不舒服的初級(jí)系統(tǒng)發(fā)展到比較成熟的、武裝直升機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)都可列裝使用的重要裝備。

現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)裝備的HMDS的最佳配置[1-16]需要包括以下幾點(diǎn)：①雙目顯示；②重量輕（＜2.5kg）；③高精度大范圍頭部跟蹤；④頭部跟蹤快速響應(yīng)；⑤高分辨率圖像顯示；⑥機(jī)載及頭盔顯示傳感器可選擇（紅外/可見光）。

上述配置稱為HMDS設(shè)計(jì)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。目前最符合這種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的為VSI等公司生產(chǎn)的F-35的二代和三代HMDS。

HMDS的設(shè)計(jì)主要需要注意以下3個(gè)方面：生物動(dòng)力學(xué)相關(guān)技術(shù)研究、頭部跟蹤和頭盔顯示技術(shù)。本文重點(diǎn)分析了顯示技術(shù)的光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式。

1 頭盔顯示相關(guān)的技術(shù)

1.1 生物動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究

與HMDS相關(guān)的生物動(dòng)力學(xué)特征主要包括：頭部承受重量和重量不平衡可能帶來的機(jī)體損傷和疲勞、眩暈等感覺對(duì)工作效率的影響、頭部承受一定碰撞對(duì)機(jī)體的影響及對(duì)應(yīng)情況下的頭盔設(shè)計(jì)。例如，對(duì)于直升機(jī)飛行員，有關(guān)機(jī)構(gòu)研究指出[9,11]，在重量和重心極限范圍內(nèi)，允許重量和重心偏離的組合圖見圖1和圖2。

圖1 水平重量-重心偏移曲線

圖2 垂直重量-重心偏移曲線

頭部碰撞閾值是另一個(gè)研究的領(lǐng)域[4-5]。有關(guān)研究機(jī)構(gòu)指出頭部碰撞閾值為150～175，頭盔應(yīng)在這種極限條件下提供碰撞緩沖[4]。為了滿足碰撞時(shí)的保護(hù)、重心平衡和顯示器在大過載時(shí)的穩(wěn)定性，帶HMDS的頭盔多采用內(nèi)、外盔設(shè)計(jì)。常用激光掃描飛行員頭部，測(cè)量到的精確數(shù)據(jù)用以完成頭盔內(nèi)襯的輔助設(shè)計(jì)和加工，以使得內(nèi)盔更精確有效地貼合飛行員頭部且佩戴舒適。外盔通常用來安裝顯示器及頭部跟蹤裝置，并用高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料加工外盔。

1.2 頭部跟蹤技術(shù)

頭部跟蹤系統(tǒng)（HTS）利用光電或者慣性等方法，測(cè)量飛行員視線或者頭部指向來確定飛行員瞄準(zhǔn)線相對(duì)機(jī)體的參數(shù)。受限于頭盔的重量和體積，HTS組件必須重量輕、體積小，并能裝入到頭盔中。目前用于HTS的技術(shù)主要有：慣性技術(shù)、電磁（EM）技術(shù)和光電（EO）技術(shù)。通常情況下為了同時(shí)滿足跟蹤精度和跟蹤范圍的要求，會(huì)考慮同時(shí)使用電磁和光電，或者慣性與光電2種形式[5]。

1.3 微顯示器

在早期研制的HMD中，圖像源通常采用小型CRT管，其具有高亮度和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。目前因CRT管在世界上大多數(shù)廠家都已停產(chǎn)，且存在體積大、重量和功耗大等缺點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)者尋找新的顯示器件。如AMLCD（有源矩陣液晶顯示器）、AMEL（有源矩陣電致發(fā)光顯示器）、OLED（有機(jī)電致發(fā)光二極管）等許多技術(shù)都很有發(fā)展前景[7,16-19]。

2 顯示技術(shù)

要分析HMDS的顯示技術(shù)，首先要分清楚HMD的光學(xué)結(jié)構(gòu)。HMD的光學(xué)結(jié)構(gòu)根據(jù)作戰(zhàn)需求來選擇。主要分為：

1）頭盔瞄準(zhǔn)具（HMS）型還是頭盔顯示器（HMD）型，HMS視場(chǎng)一般＜30°，單目結(jié)構(gòu)；HMD視場(chǎng)一般＞40°，雙目結(jié)構(gòu)。

2）單目還是雙目結(jié)構(gòu)，雙目結(jié)構(gòu)觀察舒適度相對(duì)較高、但是成本較高。

3）如果是雙目結(jié)構(gòu)，要使用的像源是1個(gè)還是2個(gè)，雙像源多通過合像形成較大的觀察視場(chǎng)，單像源視場(chǎng)相對(duì)小。

4）白天使用、夜間使用還是晝/夜使用，使用條件決定了成像器件的選擇方向。

受限于人的承受能力，需要對(duì)頭盔顯示系統(tǒng)的重量、重心作好控制。除了采用更輕的圖像源外，還需從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等角度控制HMD重量。但是，當(dāng)飛機(jī)處于大機(jī)動(dòng)或大過載飛行狀態(tài)時(shí)，頭盔相對(duì)滑動(dòng)可能使圖像丟失，為此必須加大光學(xué)系統(tǒng)出瞳直徑（＞14mm）；為了能容納護(hù)目鏡或其他裝備，光學(xué)系統(tǒng)出瞳距離也較大（＞25mm）。如果按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，則在這種情況下系統(tǒng)較重且重心偏移較大，會(huì)降低飛行員舒適度、增大疲勞感，并增大損傷頸椎的危險(xiǎn)。因此需要打破傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念來設(shè)計(jì)頭盔顯示系統(tǒng)。

由于浸入式顯示系統(tǒng)存在系統(tǒng)延遲，影響飛行員觀察儀表等座艙信息的情況，導(dǎo)致了其系統(tǒng)無法適應(yīng)有人駕駛固定翼戰(zhàn)斗機(jī)。本文主要分析非浸入式顯示技術(shù)。

非浸入式頭盔顯示技術(shù)主要有：

1）折射/直視型頭盔顯示，如圖3所示。

圖3 單目單管、雙目單管、雙目雙管折射/直視型頭盔顯示效果圖

該型式的頭盔顯示器通常的技術(shù)指標(biāo)如下： ①像增強(qiáng)器：超二代/三代/四代像增強(qiáng)器；②自動(dòng)脫落：機(jī)械解脫；③放大率：1倍；④視場(chǎng)：40°。

其優(yōu)點(diǎn)主要有：技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)，加工，裝調(diào)簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)為：通視視場(chǎng)受到遮擋，影響平視顯示器的觀察；重量大，重心靠前，需要配重，在飛機(jī)大過載情況下使飛行員承受較大的過載；彈射時(shí)需要解脫，影響彈射安全[10]。

2）基于棱鏡分光的型式。

該型式與自由曲面棱鏡技術(shù)類似，但其使用長(zhǎng)出瞳目鏡加棱鏡分光的型式實(shí)現(xiàn)非浸入顯示，圖4為棱鏡分光型式光學(xué)原理圖。該型式技術(shù)條件相當(dāng)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)主要是受系統(tǒng)體積、重量控制，顯示視場(chǎng)和通視視場(chǎng)都相對(duì)較小，佩戴在頭盔上時(shí)重心靠前，雙目使用時(shí)則嚴(yán)重影響通視視場(chǎng)觀察，彈射時(shí)需要解脫。

圖4 棱鏡分光型式光學(xué)原理圖

3）基于自由曲面棱鏡技術(shù)的頭盔顯示技術(shù)[20-21]。其光學(xué)結(jié)構(gòu)原理圖如圖5。圖中S代表面，E代表元件。由于自由曲面大多采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，極大地提高了光學(xué)面改善像質(zhì)的能力，使得系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)得緊湊、輕巧。該型式系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧。缺點(diǎn)主要有：該型式適合單目顯示，與目前頭盔顯示技術(shù)追求雙目顯示的技術(shù)發(fā)展方向不符，雙目顯示時(shí)需要2個(gè)棱鏡，則會(huì)影響通視視場(chǎng)，或者加工一個(gè)較大的面罩或拼接棱鏡，實(shí)現(xiàn)困難，重量難以控制。

4）光導(dǎo)型頭盔顯示技術(shù)。利用全息波導(dǎo)平板顯示技術(shù)的原理[22-24]，如圖6所示。

圖5 自由曲面棱鏡頭盔顯示系統(tǒng)光學(xué)原理圖和結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 全息平板顯示原理圖

源圖像由經(jīng)中繼光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直輸出，光線經(jīng)過全息光柵耦合后進(jìn)入平板波導(dǎo)，并在波導(dǎo)中以全反射形式傳播；光在波導(dǎo)中多次全反射，經(jīng)透射光柵調(diào)制而由波導(dǎo)中出射至人眼，成像到視網(wǎng)膜[22]。如果兩個(gè)全息光柵具有相同的設(shè)計(jì)周期，可以解決窄帶光源的色散等問題[23]。典型的形式如BAE公司的Q-Sight，如圖7[25-26]。

全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)由于具有常規(guī)頭盔顯示技術(shù)所不具備的多種優(yōu)勢(shì)（如重量輕、體積小等）。然而，全息波導(dǎo)顯示技術(shù)也面臨著許多難題，如高質(zhì)量的全息光柵制造難度大，難以實(shí)現(xiàn)彩色顯示，不同視場(chǎng)的像差和亮度差異大，光源利用率低等[23]。目前，英國BAE公司在全息波導(dǎo)顯示領(lǐng)域走在世界最前面，其Q-Sight頭盔顯示器已經(jīng)大規(guī)模投入軍用。Q-Sight頭盔顯示器采用的大功率綠光LED需要進(jìn)行窄帶濾波[25-26]，對(duì)單色性的高要求使得系統(tǒng)分辨率一定程度地降低。目前，Q-Sight已經(jīng)有多個(gè)系列產(chǎn)品，其主要性能參數(shù)如表1所示[25]。

圖7 BAE公司的Q-Sight

表1 Q-Sight主要性能參數(shù)

該型式具有重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，彈射安全等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：光導(dǎo)型頭盔顯示技術(shù)對(duì)圖像源即微顯示器有較高要求，OLED、LCD等顯示器件難以滿足要求；需要光源具有較強(qiáng)的單色性，導(dǎo)致圖像降低了人觀察的舒適度和辨別率[27]；受衍射效應(yīng)、加工能力（國內(nèi)）的限制，難以做到大視場(chǎng)，其視場(chǎng)通常只能滿足HMS的要求，顯示瞄準(zhǔn)視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)，而非人眼觀察較舒適的40°以上的視場(chǎng)。

5）目前服役使用較多且在較先進(jìn)戰(zhàn)斗飛機(jī)上使用的頭盔顯示器的型式主要由：微顯示器、中繼光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)組合玻璃3部分組成[1-2]，圖8為F35一代HMDS系統(tǒng)原理圖。

圖8 F35一代HMDS系統(tǒng)光學(xué)原理圖

該型式可通過雙目接收不同的視場(chǎng)信息以擴(kuò)大視場(chǎng)，亦可以雙目接收同一個(gè)視場(chǎng)信息。雙目合像常用的光學(xué)系統(tǒng)型式如圖9。

圖9 光學(xué)原理圖

如圖10，該形式通常通過合像[10,27]形成大于40°×30°的視場(chǎng)，通視視場(chǎng)受到組合器邊緣的影響。F35第一代HMDS亦使用類似的設(shè)計(jì)，但是由于護(hù)目鏡組合器的原因，可以見到護(hù)目鏡組合器接口處的一條豎線，影響飛行員觀察和駕駛安全。其產(chǎn)品形式常如圖11所示。

另一種是單圖像源的型式，如F35二代、三代頭盔顯示器，如圖12。

圖10 雙目合像原理及合像示意圖

圖11 雙圖像源合像的常見產(chǎn)品形式

圖12 F35二代頭盔顯示器

該型式目前表現(xiàn)良好。該型式通過護(hù)目鏡面罩反射或者在護(hù)目鏡內(nèi)安裝一個(gè)組合器反射中繼光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)出的微顯示器的圖像信息，達(dá)到人眼，并成像于視網(wǎng)膜。其光學(xué)原圖如圖13。由于該型式存在較大的光線折轉(zhuǎn)，所以，該型式多采用離軸、傾斜設(shè)計(jì)，且會(huì)使用一定量的二元光學(xué)元件（BOE）或者全息光學(xué)元件（HOE）以保證像質(zhì)[28-29]。其較一代主要優(yōu)點(diǎn)是使用相同的圖像源顯示在2個(gè)顯示器上，這樣就不存在視場(chǎng)疊加帶來的問題。即將圖像源位置略作調(diào)整后，光學(xué)系統(tǒng)得到了改善，能滿足較大視場(chǎng)的要求，且通視視場(chǎng)不受光學(xué)系統(tǒng)的影響。該型式的缺點(diǎn)即為重量相對(duì)較大，加工裝調(diào)較困難，多數(shù)情況下需要給每個(gè)飛行員定制整個(gè)頭盔，頭盔的通用性、互換性較差。

圖13 頭盔顯示光學(xué)原理圖

3 總結(jié)和展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，在有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)領(lǐng)域，HMDS技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用?？紤]人的承受能力，跟蹤技術(shù)的精度，HMDS是否適用的關(guān)鍵集中在顯示器件部分的重量，體積，重心的控制，像質(zhì)的好壞等[30]。因此，研究HMDS技術(shù)需要從飛行員的適應(yīng)性、瞄準(zhǔn)跟蹤技術(shù)需要的精度，彈射安全的角度來綜合考慮使用哪種顯示技術(shù)。現(xiàn)階段，國外較成熟的技術(shù)典型的為BAE公司使用光波導(dǎo)技術(shù)制造的Q-Sight頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，美國F35使用護(hù)目鏡型頭盔顯示技術(shù)的最新一代頭盔顯示器。從像質(zhì)來說，護(hù)目鏡型式頭盔顯示器占優(yōu)，但其重量較大，加工，裝調(diào)難度大，需要針對(duì)飛行員單獨(dú)定制。從體積重量上來說，Q-Sight占優(yōu)，但其像質(zhì)是靠對(duì)顯示器件單色性的較高要求達(dá)到的，且視場(chǎng)較小，通視視場(chǎng)受到影響，多使用單目顯示來作為瞄準(zhǔn)使用，難以疊加清晰的目標(biāo)圖像信息。另外，其他的一些產(chǎn)品大多較重，＞1.8kg，不適合高過載的戰(zhàn)斗機(jī)，多用于直升機(jī)或者運(yùn)輸機(jī)做輔助駕駛和瞄準(zhǔn)用。

從頭盔顯示器使用的光學(xué)原理和頭部跟蹤技術(shù)的原理來說，非浸入式頭盔顯示器的實(shí)現(xiàn)途徑有光導(dǎo)式和護(hù)目鏡型式2種。而若考慮雙目顯示，則護(hù)目鏡式占優(yōu)。所以，在短期內(nèi)，護(hù)目鏡式頭盔顯示技術(shù)將得到較快的發(fā)展。而光導(dǎo)式頭盔顯示器受到光學(xué)衍射效應(yīng)的限制，現(xiàn)階段加工技術(shù)難以使得光導(dǎo)式頭盔顯示器在比較寬的波段內(nèi)顯示圖像，且視場(chǎng)較小。相信隨著光學(xué)加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些難題將得到一定程度的解決。

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Summary of Airborne Helmet-mounted Display Optical System

LI Xunniu1,2，ZHANG Zhuping1，ZHEN Weijian1,2，DAI Fugui1，F(xiàn)EN Xiaoyan1

(1.，650223,； 2.,,100081,)

Helmet-mounted display (HMD) technology is one of the key technologies of advanced manned fighter aircraft technology. This article analyzes the helmet display technology research in biodynamic features, head tracking technology and other aspects. The research focuses on the display technology, and analyzes several main optical implementations of see-through helmet-mounted display. A description of each technology is given along with a discussion of its basic theory, key technology，advantages and disadvantages. Finally, the article summarizes the Helmet-Mounted Display System（HMDS）technologies and the outlook.

airborne helmet，helmet-mounted display，see-through helmet-mounted display

TN216

A

1001-8891(2016)06-0486-07

2015-07-26；

2016-01-16.

李訓(xùn)牛（1984-），碩士，工程師，研究方向：目視光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，光譜成像技術(shù)。