李 林 呂鑫燚 郝東升

（海軍航空大學青島校區(qū) 青島 266041）

1 引言

平視顯示器（Head Up Display，HUD）自20世紀50年代首次裝備軍用戰(zhàn)斗機以來，迅速在軍用作戰(zhàn)飛機上得到廣泛應用［1-2］，成為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機不可或缺的光電瞄準設備。它作為軍用作戰(zhàn)飛機前艙的主顯示器，能夠?qū)@示控制處理機送來的飛行和作戰(zhàn)信息成像在飛行員正前方無窮遠處，使飛行員在觀察這些信息的同時也能夠觀察外景。光學系統(tǒng)作為HUD的重要組成，直接關系著HUD的整體性能，特別是成像質(zhì)量這一指標亟待提升以適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)任務的不斷升級［3］。

本文應用二元光學元件（Binary Optical Ele?ments，BOE）對HUD折射光學系統(tǒng)進行改進設計，可以簡化光學系統(tǒng)的結構，降低系統(tǒng)的體積、重量，使之小型化，并能顯著提高成像質(zhì)量［4］。

2 HUD折射光學系統(tǒng)分析

2.1 HUD折射光學系統(tǒng)原理

HUD光學系統(tǒng)的主要任務是在飛行員眼前的組合玻璃處形成清晰、準直的瞄準符號，以輔助飛行員完成戰(zhàn)場態(tài)勢評估和對目標實施瞄準攻擊。根據(jù)應用的原理不同主要分為折射光學系統(tǒng)和衍射光學系統(tǒng)。典型的折射光學系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由前組物鏡、分光棱鏡、反光鏡、后組物鏡、組合玻璃等組成。其成像原理為：從圖像源發(fā)出的光線經(jīng)前組物鏡、分光棱鏡、反光鏡和后組物鏡、組合玻璃等多組光學元件的折射、透射、反射，最終在飛行員正前方無窮遠處形成與外景疊加的清晰圖像。

圖1 折射式光學系統(tǒng)結構圖

2.2 HMD光學系統(tǒng)設計參數(shù)

光學系統(tǒng)決定了HUD的顯示視場指標，還影響成像質(zhì)量以及觀察的舒適度。由于HUD安裝在在飛行員正前方，其設計不僅要保證良好的光學性能，還要兼顧體積以及布局，設計過程極為復雜。因此，要想構建一個具有良好視覺效果的HUD折射光學系統(tǒng)，還要按照人眼的視覺機制，考慮系統(tǒng)應該滿足的視場、亮度、對比度、畸變、亮度調(diào)制傳遞函數(shù)各項性能參數(shù)要求［5］。

2.2.1 視場（field of view，F(xiàn)OV）

是指觀察者通過光學系統(tǒng)可以觀察到的一個角度范圍。理論上來說，視場越大，能夠顯示的信息數(shù)量就越多，也就更加有利于飛行員的作戰(zhàn)觀察。而視場又分為總視場與瞬時視場。

2.2.2 亮度

顯示器的亮度影響著平顯圖像在一定環(huán)境亮度下的可視性，只有在足夠的亮度下，才能體現(xiàn)出其它光學參數(shù)的意義，如果亮度不足，其它參數(shù)沒有任何意義。低亮度的平顯容易出現(xiàn)對比度暗淡的情況，甚至可能在明亮的光照情況下看不到圖像。亮度取決于圖像源的亮度、光學系統(tǒng)的效率以及組合玻璃的特性。還有一點是，圖像源的發(fā)光能量分布于整個平顯的視場上，但是總能量使一定的，所以視場越大，亮度就會越小。實際的圖像亮度是組合玻璃外景光亮度與穿過組合玻璃的圖像亮度的疊加。

2.2.3 對比度

是指顯示畫面上最亮部分Lmax與最暗部分Lmin的亮度之比。如果環(huán)境光在畫面上的影響不能忽略，設為L外，那么對比度公式為

2.2.4 畸變

是物像經(jīng)光學系統(tǒng)（如透鏡、透鏡組、反射鏡等）時發(fā)生的能夠清晰成像但是與原物像不完全一樣的現(xiàn)象，是單色像差的一種。這是因為光學系統(tǒng)對高度不同的物像有不同的橫向放大率。以圖2（a）方格網(wǎng)為例，假如橫向放大率隨著物高的增大而增大，則那么就會得到如圖2（b）的圖像，這種畸變叫做正畸變或枕形畸變；假如橫向放大率隨物高的增大而減小，則就會得到得到如圖2（c）的圖像，這種畸變叫做負畸變或桶形畸變。而產(chǎn)生什么樣的畸變，與孔徑光闌在光路的位置很有關系。例如將小孔光闌放在凸透鏡和像面之間會產(chǎn)生正畸變，將小孔光闌放在凸透鏡和物面之間會產(chǎn)生負畸變。

圖2 光學系統(tǒng)畸變示意圖

2.2.5 亮度調(diào)制傳遞函數(shù)

亮度調(diào)制傳遞函數(shù)MTF是輸出像對比度和與輸入像對比度之比。因為輸出圖像的對比度不會大于輸入圖像的對比度，所以MTF的值在0～1之間。一般情況下，總系統(tǒng)的MTF可以用各個分系統(tǒng)的MTF乘積表示，即：

2.3 HUD折射光學系統(tǒng)分析

從HUD折射光學系統(tǒng)成像原理分析可知，為使圖像源的像呈現(xiàn)在飛行員眼前，同時保證成像質(zhì)量，前組物鏡、后組物鏡均使用了多個透鏡等光學元件。從HUD折射光學系統(tǒng)設計參數(shù)分析，數(shù)量眾多、功能多樣的光學元件應用，保證了參數(shù)的優(yōu)越，但同時卻使光學系統(tǒng)的體積、重量不斷增大［6，7］，占據(jù)了寶貴的座艙空間，十分不利于戰(zhàn)機的座艙布置。

因此，在給定設計參數(shù)的前提下，為優(yōu)化HUD折射光學系統(tǒng)整體結構，需要進一步優(yōu)化設計光學系統(tǒng)。在保證成像質(zhì)量的前提下，最大限度減小HUD的體積、重量，以節(jié)約寶貴的座艙空間。

3 BOE應用于HUD的可行性分析

BOE是指基于光波衍射原理，在基片上刻蝕產(chǎn)生兩個或多個臺階深度的浮雕結構，以形成純相位、同軸再現(xiàn)并具有高衍射效率的一類光學元件［8］。它在實現(xiàn)光波相位變換上具備獨特的優(yōu)異性能，為光學系統(tǒng)微型化、陣列化和集成化的實現(xiàn)提供了有力條件，而且其表面浮雕相位結構能進一步使不同波長的光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而聚焦，能有效校準像差與色差，提高透鏡成像質(zhì)量［9～10］。

BOE作為一種新穎的光學元件，具有突出的優(yōu)點［11～12］：

1）BOE擁有正光焦度，透鏡的表面曲率更小，從結構上改善了單色像差；

2）BOE無匹茲伐場曲；

3）BOE可對圖像畸變進行有效校正，特別是在較大視場情況下，較傳統(tǒng)光學元件優(yōu)勢明顯［13～14］；

4）使用BOE代替透鏡組會減少鏡片數(shù)量，有利于減輕重量以及優(yōu)化光學系統(tǒng)的結構。

因此，用BOE替代HUD折射光學系統(tǒng)中的傳統(tǒng)光學元件，在不更改HUD折射光學系統(tǒng)構型的前提下，可以使HUD折射光學系統(tǒng)擁有更加緊湊的結構、更小的重量和更加優(yōu)越的性能。

4 基于BOE的HUD折射光學系統(tǒng)改進設計

圖1所示的折射式光學系統(tǒng)結構中，分光棱鏡的作用是透綠反紅，反光鏡是一塊用于折轉(zhuǎn)系統(tǒng)光軸的平面光學玻璃元件，為方便研究可簡化為等效結構圖（如圖3）。為方便觀察，可將其設置為圖4所示的框線圖。

圖3 簡化后光學系統(tǒng)結構示意圖

圖4 簡化后光學系統(tǒng)結構框線圖

將其中平凸透鏡以及后組物鏡的雙膠合透鏡用BOE所取代（如圖5、圖6），在優(yōu)化函數(shù)中加入有效焦距以及垂軸色差函數(shù)。為了在不改變焦距的前提下消除色差，進一步優(yōu)化BOE中的二次相位次數(shù)與球面曲率。

圖5 加入BOE的光學系統(tǒng)結構圖

圖6 加入BOE的光學系統(tǒng)框線圖

從光學系統(tǒng)的前后對比來看，加入BOE元件之后，光學系統(tǒng)整體結構更為緊湊，整體長度縮短，體積減小。而且，由于前、后組物鏡分別被數(shù)量更少的BOE元件代替，重量也會減小。同時，從成像效果方面來看，由于焦距變小，HUD的視場得到進一步增大。

從折射光學系統(tǒng)與二元光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量出發(fā)，將二者的調(diào)制傳遞函數(shù)、畸變和垂軸像差對比分析，如圖7～8所示，其中（a）為折射光學系統(tǒng)的參數(shù)示意圖，（b）為二元光學系統(tǒng)的參數(shù)示意圖。經(jīng)對比可知，二元光學系統(tǒng)的MTF曲線更加平滑趨近于1，較傳統(tǒng)光學元件有明顯的成像質(zhì)量優(yōu)勢。使用BOE后，光學系統(tǒng)的最大畸變也由-6.7%變化為4.9%，有明顯改善。垂軸像差曲線在縱軸方向的波動范圍相對較小，像差也有所改善。

圖7 調(diào)制傳遞函數(shù)對比

圖8 場曲和畸變對比

圖9 垂軸像差對比

綜上，基于BOE對傳統(tǒng)折射式光學系統(tǒng)進行改進設計，可以在保證成像質(zhì)量的前提下，有效簡化光學系統(tǒng)的結構，從而減輕HUD的體積與重量。

5 結語

針對傳統(tǒng)的HUD折射光學系統(tǒng)在體積、重量和成像質(zhì)量等方面存在的不足，結合其在小型化、輕型化和高質(zhì)化的發(fā)展需求，將BOE引入HUD折射光學系統(tǒng)進行改進設計。通過參數(shù)與成像質(zhì)量對比，驗證了利用BOE進行改進設計的有效性，從而使HUD折射光學系統(tǒng)達到較為理想的設計效果，使之結構更緊湊、重量更輕、成像效果更好。