機載頭盔顯示系統(tǒng)的光學實現(xiàn)形式范文

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《紅外技術雜志》2016年第五期

摘要：

頭盔顯示技術是當代有人駕駛戰(zhàn)斗機技術的關鍵技術之一。簡述了生物動力學、頭部跟蹤技術等頭盔顯示技術相關領域的研究成果。重點討論了顯示技術，分析了非浸入式頭盔顯示的幾種主要光學實現(xiàn)方式。對這些技術的基本原理、關鍵技術及發(fā)展概況進行了詳細描述，并討論了其相對的優(yōu)缺點。最后，對適用于固定翼戰(zhàn)斗機的頭盔顯示技術作了總結和展望。

關鍵詞：

機載頭盔；頭盔顯示；非浸入式頭盔顯示

由于使用平視顯示器（HUD）時，飛行員視線受限于HUD，飛機若要跟蹤目標需要隨時轉動，才能將目標保持在視線范圍內(nèi)。為了克服HUD視場較小的缺點，頭盔顯示器（HMD）技術由此得以發(fā)展。通過將顯示器及光學系統(tǒng)置于頭盔上，飛行系統(tǒng)信息、瞄準標記和戰(zhàn)場態(tài)勢（分布式孔徑系統(tǒng)（DAS）、雷達信息等）等信息可直接投射到飛行員眼前，使飛行員隨時觀察所需的信息。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-空導彈）和各種傳感器能夠準確指向目標。同時具有頭盔顯示和瞄準功能的完整頭盔顯示瞄準系統(tǒng)（HMDS）在空戰(zhàn)中起到了越來越大的作用[1-4]。20世紀60年代，HMDS的早期型式最先使用在AH-1G武裝直升機上。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系統(tǒng)發(fā)展到比較成熟的、武裝直升機和戰(zhàn)斗機都可列裝使用的重要裝備。現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機裝備的HMDS的最佳配置[1-16]需要包括以下幾點：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；⑤高分辨率圖像顯示；⑥機載及頭盔顯示傳感器可選擇（紅外/可見光）。上述配置稱為HMDS設計的“黃金標準”。目前最符合這種設計標準的為VSI等公司生產(chǎn)的F-35的二代和三代HMDS。HMDS的設計主要需要注意以下3個方面：生物動力學相關技術研究、頭部跟蹤和頭盔顯示技術。本文重點分析了顯示技術的光學實現(xiàn)方式。

1頭盔顯示相關的技術

1.1生物動力學相關研究與HMDS相關的生物動力學特征主要包括：頭部承受重量和重量不平衡可能帶來的機體損傷和疲勞、眩暈等感覺對工作效率的影響、頭部承受一定碰撞對機體的影響及對應情況下的頭盔設計。例如，對于直升機飛行員，有關機構研究指出[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。頭部碰撞閾值是另一個研究的領域[4-5]。有關研究機構指出頭部碰撞閾值為150～175g，頭盔應在這種極限條件下提供碰撞緩沖[4]。為了滿足碰撞時的保護、重心平衡和顯示器在大過載時的穩(wěn)定性，帶HMDS的頭盔多采用內(nèi)、外盔設計。常用激光掃描飛行員頭部，測量到的精確數(shù)據(jù)用以完成頭盔內(nèi)襯的輔助設計和加工，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，并用高強度、輕質(zhì)材料加工外盔。

1.2頭部跟蹤技術頭部跟蹤系統(tǒng)（HTS）利用光電或者慣性等方法，測量飛行員視線或者頭部指向來確定飛行員瞄準線相對機體的參數(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的技術主要有：慣性技術、電磁（EM）技術和光電（EO）技術。通常情況下為了同時滿足跟蹤精度和跟蹤范圍的要求，會考慮同時使用電磁和光電，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。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，使得設計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（有機電致發(fā)光二極管）等許多技術都很有發(fā)展前景[7,16-19]。

2顯示技術

要分析HMDS的顯示技術，首先要分清楚HMD的光學結構。HMD的光學結構根據(jù)作戰(zhàn)需求來選擇。主要分為：1）頭盔瞄準具（HMS）型還是頭盔顯示器（HMD）型，HMS視場一般＜30，單目結構；HMD視場一般＞40，雙目結構。2）單目還是雙目結構，雙目結構觀察舒適度相對較高、但是成本較高。3）如果是雙目結構，要使用的像源是1個還是2個，雙像源多通過合像形成較大的觀察視場，單像源視場相對小。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，還需從光學系統(tǒng)設計等角度控制HMD重量。但是，當飛機處于大機動或大過載飛行狀態(tài)時，頭盔相對滑動可能使圖像丟失，為此必須加大光學系統(tǒng)出瞳直徑（＞14mm）；為了能容納護目鏡或其他裝備，光學系統(tǒng)出瞳距離也較大（＞25mm）。如果按傳統(tǒng)方法設計光學系統(tǒng)，則在這種情況下系統(tǒng)較重且重心偏移較大，會降低飛行員舒適度、增大疲勞感，并增大損傷頸椎的危險。因此需要打破傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)設計理念來設計頭盔顯示系統(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，導致了其系統(tǒng)無法適應有人駕駛固定翼戰(zhàn)斗機。本文主要分析非浸入式顯示技術。非浸入式頭盔顯示技術主要有1）折射/直視型頭盔顯示，如圖3所示。該型式的頭盔顯示器通常的技術指標如下：①像增強器：超二代/三代/四代像增強器；②自動脫落：機械解脫；③放大率：1倍；④視場：40°。其優(yōu)點主要有：技術成熟，設計，加工，裝調(diào)簡單。其缺點為：通視視場受到遮擋，影響平視顯示器的觀察；重量大，重心靠前，需要配重，在飛機大過載情況下使飛行員承受較大的過載；彈射時需要解脫，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類似，但其使用長出瞳目鏡加棱鏡分光的型式實現(xiàn)非浸入顯示，圖4為棱鏡分光型式光學原理圖。該型式技術條件相當成熟，結構簡單。其缺點主要是受系統(tǒng)體積、重量控制，顯示視場和通視視場都相對較小，佩戴在頭盔上時重心靠前，雙目使用時則嚴重影響通視視場觀察，彈射時需要解脫。3）基于自由曲面棱鏡技術的頭盔顯示技術[20-21]。其光學結構原理圖如圖5。圖中S代表面，E代表元件。由于自由曲面大多采用非對稱結構，極大地提高了光學面改善像質(zhì)的能力，使得系統(tǒng)可以設計得緊湊、輕巧。該型式系統(tǒng)的主要優(yōu)點為結構緊湊、輕巧。

缺點主要有：該型式適合單目顯示，與目前頭盔顯示技術追求雙目顯示的技術發(fā)展方向不符，雙目顯示時需要2個棱鏡，則會影響通視視場，或者加工一個較大的面罩或拼接棱鏡，實現(xiàn)困難，重量難以控制。4）光導型頭盔顯示技術。利用全息波導平板顯示技術的原理[22-24]，如圖6所示。源圖像由經(jīng)中繼光學系統(tǒng)準直輸出，光線經(jīng)過全息光柵耦合后進入平板波導，并在波導中以全反射形式傳播；光在波導中多次全反射，經(jīng)透射光柵調(diào)制而由波導中出射至人眼，成像到視網(wǎng)膜[22]。如果兩個全息光柵具有相同的設計周期，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]。全息波導頭盔顯示技術由于具有常規(guī)頭盔顯示技術所不具備的多種優(yōu)勢（如重量輕、體積小等）。然而，全息波導顯示技術也面臨著許多難題，如高質(zhì)量的全息光柵制造難度大，難以實現(xiàn)彩色顯示，不同視場的像差和亮度差異大，光源利用率低等[23]。目前，英國BAE公司在全息波導顯示領域走在世界最前面，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需要進行窄帶濾波[25-26]，對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)有多個系列產(chǎn)品，其主要性能參數(shù)如表1所示[25]。

該型式具有重量輕，結構簡單，彈射安全等優(yōu)點。其缺點是：光導型頭盔顯示技術對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；需要光源具有較強的單色性，導致圖像降低了人觀察的舒適度和辨別率[27]；受衍射效應、加工能力（國內(nèi)）的限制，難以做到大視場，其視場通常只能滿足HMS的要求，顯示瞄準視場內(nèi)的目標，而非人眼觀察較舒適的40°以上的視場。5）目前服役使用較多且在較先進戰(zhàn)斗飛機上使用的頭盔顯示器的型式主要由：微顯示器、中繼光學系統(tǒng)和光學組合玻璃3部分組成[1-2]，圖8為F35一代HMDS系統(tǒng)原理圖。該型式可通過雙目接收不同的視場信息以擴大視場，亦可以雙目接收同一個視場信息。雙目合像常用的光學系統(tǒng)型式如圖9。如圖10，該形式通常通過合像[10,27]形成大于40°×30°的視場，通視視場受到組合器邊緣的影響。F35第一代HMDS亦使用類似的設計，但是由于護目鏡組合器的原因，可以見到護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。該型式目前表現(xiàn)良好。該型式通過護目鏡面罩反射或者在護目鏡內(nèi)安裝一個組合器反射中繼光學系統(tǒng)轉出的微顯示器的圖像信息，達到人眼，并成像于視網(wǎng)膜。其光學原圖如圖13。由于該型式存在較大的光線折轉，所以，該型式多采用離軸、傾斜設計，且會使用一定量的二元光學元件（BOE）或者全息光學元件（HOE）以保證像質(zhì)[28-29]。其較一代主要優(yōu)點是使用相同的圖像源顯示在2個顯示器上，這樣就不存在視場疊加帶來的問題。即將圖像源位置略作調(diào)整后，光學系統(tǒng)得到了改善，能滿足較大視場的要求，且通視視場不受光學系統(tǒng)的影響。該型式的缺點即為重量相對較大，加工裝調(diào)較困難，多數(shù)情況下需要給每個飛行員定制整個頭盔，頭盔的通用性、互換性較差。

3總結和展望

隨著技術的發(fā)展，在有人駕駛戰(zhàn)斗機領域，HMDS技術將得到廣泛的應用。考慮人的承受能力，跟蹤技術的精度，HMDS是否適用的關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技術需要從飛行員的適應性、瞄準跟蹤技術需要的精度，彈射安全的角度來綜合考慮使用哪種顯示技術。現(xiàn)階段，國外較成熟的技術典型的為BAE公司使用光波導技術制造的Q-Sight頭盔瞄準系統(tǒng)，美國F35使用護目鏡型頭盔顯示技術的最新一代頭盔顯示器。從像質(zhì)來說，護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，需要針對飛行員單獨定制。從體積重量上來說，Q-Sight占優(yōu)，但其像質(zhì)是靠對顯示器件單色性的較高要求達到的，且視場較小，通視視場受到影響，多使用單目顯示來作為瞄準使用，難以疊加清晰的目標圖像信息。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，多用于直升機或者運輸機做輔助駕駛和瞄準用。

從頭盔顯示器使用的光學原理和頭部跟蹤技術的原理來說，非浸入式頭盔顯示器的實現(xiàn)途徑有光導式和護目鏡型式2種。而若考慮雙目顯示，則護目鏡式占優(yōu)。所以，在短期內(nèi)，護目鏡式頭盔顯示技術將得到較快的發(fā)展。而光導式頭盔顯示器受到光學衍射效應的限制，現(xiàn)階段加工技術難以使得光導式頭盔顯示器在比較寬的波段內(nèi)顯示圖像，且視場較小。相信隨著光學加工技術的進一步發(fā)展，這些難題將得到一定程度的解決。

作者：李訓牛 張竹平 鄭為建 戴賦貴 馮曉燕 單位：昆明物理研究所 北京理工大學光電學院