向 華， 孫長卿， 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、執(zhí)行對敵攻擊等任務(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。本文僅針對使用CRT像源的頭盔顯示部件的互換性技術(shù)進行研究。

CRT像源作為顯示像源已經(jīng)有著相對成熟的使用過程，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，進一步提高頭盔顯示系統(tǒng)整體實用性能和維護性能。

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，包括一個球面反射護目鏡和一個大離軸角的光學(xué)鏡筒。光學(xué)鏡筒由一對離軸雙膠合透鏡、1個離軸單透鏡和5個常規(guī)透鏡組成，光學(xué)鏡筒將CRT像源產(chǎn)生的圖像準直后，通過反射護目鏡將顯示圖像送入人眼，人在觀看顯示畫面的同時可以看見外景。

對于反射護目鏡而言，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為反射護目鏡與光軸的夾角。為了簡化計算，設(shè)物在無窮遠處，則式(1)中1/T和式(2)中1/S為0，另外，考慮到反射護目鏡消像散，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為反射護目鏡的曲率半徑(在設(shè)計HMD顯示光學(xué)系統(tǒng)時，R為固定的值)。

在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時，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)計中就會有光學(xué)畸變，光學(xué)畸變會使顯示畫面變形，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)，對應(yīng)有3個電位計可以相應(yīng)調(diào)整這3路電壓值。調(diào)整末陽極控制電位計時，會改變加速極的基準值，并影響顯示畫面的亮度和畫面增益;調(diào)整聚焦極電位計時，可以改變CRT顯示畫面的線條粗細;調(diào)整加速極電位計時，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對電位計可以分別調(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和柵極電壓控制電位計可以調(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，而且這兩個部件加工成成品后是不能調(diào)整的，其余4個部件可以根據(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)計指標的要求。

使用高精度數(shù)控機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)計中的理論畸變參數(shù)，配合加工和裝配誤差所帶來的實際光學(xué)畸變偏差系數(shù)，利用Matlab軟件進行仿真計算，得出畸變校正公式，使用模擬電路設(shè)計出光學(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，通過加強對光學(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)計范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)對畫面的顯示要求。在光學(xué)鏡筒和畸變校正模塊更換時，不需要調(diào)整其他部件，并且不會影響系統(tǒng)的顯示性能指標和顯示效果，達到實現(xiàn)光學(xué)鏡筒和畸變校正模塊滿足互換性設(shè)計要求。

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、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。通過控制CRT像源的電感線圈的長度、繞組、燈絲電壓、電流等性能指標，并優(yōu)化加工工藝流程［14］，最后對生產(chǎn)出來的成品進行篩選測試，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)加工過程中需要嚴格控制的各項性能指標參見表1。

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

高壓電源模塊的末陽極電壓值調(diào)整會影響到加速極電壓值，畫面的顯示亮度和增益也會隨之變化;同時會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，使互換性更加難以實現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計要求，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)整電位計封死，避免在后續(xù)使用過程中調(diào)此電位計。

調(diào)整聚焦極電壓值的控制電位計可以改變顯示畫面的字符線條粗細，因每支CRT像源電感線圈的細微差異性，高壓電源模塊在驅(qū)動CRT像源時需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整此電位計，將畫面的線條調(diào)整至最細，這樣觀看畫面時最舒適。調(diào)整加速極電壓值的控制電位計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，更換部件時要同時替換，所以高壓電源模塊和CRT像源是一個更換整體，則調(diào)整聚焦極和加速極電位計屬于部件內(nèi)部調(diào)整，并且調(diào)整這兩個電位計不會影響到其他方面。

因此通過加強對CRT像源生產(chǎn)、加工過程中的各項參數(shù)的嚴格控制，對高壓電源模塊的末陽極電壓值的限制和灌封處理，實現(xiàn)CRT像源和高壓電源模塊滿足互換性設(shè)計要求。

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，控制最大亮度的柵極電壓控制電位計。在2.2節(jié)中，通過嚴格約束CRT像源和高壓電源模塊的各項技術(shù)指標參數(shù)，可以實現(xiàn)將輝亮放大模塊的陰極、柵極電壓控制電位計調(diào)整至一樣的參數(shù)。在更換輝亮放大模塊時，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，實現(xiàn)輝亮放大模塊的互換性設(shè)計要求。

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個電位計，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。通過對這10個電位計進行參數(shù)調(diào)整來彌補CRT像源的差異。

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

3 試驗驗證

3.1 試驗背景

在第1、2節(jié)中，詳細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來驗證解決問題的方法的可行性。試驗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，這兩個部件更換時需要同時進行。)

試驗中更換部件的清單參見表2。

表2 試驗更換部件清單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，以此作為試驗的標準參考值(1#試驗基準環(huán)境)，測試更換相應(yīng)模塊后對顯示系統(tǒng)的影響。

3.2 光學(xué)鏡筒和畸變校正模塊

在1#試驗基準環(huán)境條件下，僅更換光學(xué)鏡筒。理論上更換光學(xué)鏡筒會影響畫面畸變和視差，系統(tǒng)指標是畫面畸變≤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)測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 更換光學(xué)鏡筒的測試數(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)鏡筒可以實現(xiàn)互換性的設(shè)計要求。

在1#試驗基準環(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影響畫面畸變，系統(tǒng)指標要求是對光學(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)的測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 更換畸變校正模塊的測試數(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系統(tǒng)中心畸變的影響為0'，畫面最大畸變≤14'，對邊緣畸變產(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)計要求。

3.3 CRT像源—高壓電源模塊

在1#試驗基準環(huán)境條件下，僅更換CRT像源—高壓電源模塊。理論上更換這兩個模塊會影響畫面中心位置、增益、畸變、亮度、聚焦。1#輝亮放大模塊已經(jīng)調(diào)整至標準值，通過調(diào)整高壓電源模塊的加速極和聚焦極電位計，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，測試畫面中心位置、增益和畸變的變化，以 1#為基準尋找 1#、2#、3#、4#的差異性。系統(tǒng)設(shè)計的要求是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試數(shù)據(jù)見表5。

表5 更換CRT像源—高壓電源模塊的測試數(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)計要求，但是對系統(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)計的最大因素。在對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格控制基礎(chǔ)上，CRT像源加入系統(tǒng)前要進行篩選，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，以此來實現(xiàn)這兩個部件的互換性設(shè)計要求。

3.4 偏轉(zhuǎn)放大模塊

在1#試驗基準環(huán)境條件下，僅更換偏轉(zhuǎn)放大模塊。理論上更換偏轉(zhuǎn)放大模塊會影響畫面中心位置、畸變、增益，系統(tǒng)指標要求是畫面中心位置≤30'，畸變≤10'，增益≤10'。將10塊偏轉(zhuǎn)放大模塊相對應(yīng)的電位計調(diào)整至一樣的參數(shù)，更換偏轉(zhuǎn)放大模塊后顯示系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)見表6。

表6 更換偏轉(zhuǎn)放大模塊的測試數(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影響系統(tǒng)的互換性設(shè)計，畫面中心位置的變化也滿足系統(tǒng)指標要求，因此偏轉(zhuǎn)放大模塊滿足系統(tǒng)互換性設(shè)計要求。

頭盔顯示系統(tǒng)主要是根據(jù)畫面中心位置的瞄準十字線攻擊目標，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中的測試數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)中同時更換CRT像源和偏轉(zhuǎn)放大模塊時，畫面中心位置的累計誤差未超過系統(tǒng)要求的30';系統(tǒng)同時更換2個以上的顯示部件時，畫面的中心位置、畸變、增益、亮度、聚焦等指標都滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，因此本文闡述的方法可以實現(xiàn)頭盔顯示部件互換性設(shè)計要求。

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)實際應(yīng)用中涉及的更換部件，詳細地分析了影響顯示的各種因素，通過實物測試，多方位地驗證了該方法的正確性，通過測試數(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。該項技術(shù)的研究可以促進CRT像源應(yīng)用技術(shù)的進一步發(fā)展，并提高頭盔的顯示部件互換性和頭盔組件互換性。

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