（光学工程专业论文）机载头盔瞄准显示器光学系统的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 护目镜式头盔瞄准显示器的研究是国家十五预研课题，目前只有少数几个国家 开展此项研究。 本文详细论述了机载头盔瞄准显示器光学系统的结构和设计要求，确定抛物面 护目镜式光学结构为最终设计方案。运用非球面光学理论建立了非球面护目镜的数学 模型；依据此种数学模型，使用c o d e v ( 9 0 ) 光学设计软件对头盔瞄准具的护目镜 式离轴非球面光学系统进行了优化设计，获得十分理想的效果，使得头盔瞄准具整个 结构更合理，实用性更强。 关键词：h m s h m d头盔护目镜光学系统离轴非球丽像差 r 。、- 。一- _ _ _ “。一- _ _ _ _ _ _ _ 。一。，_ _ 一 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fa v i o n i ch m s h m dv i s o r 7 so p t i c a ls y s t e mi sat o p i ci n “t h e t e n t hf i v e y e a r p l a n ”a n da tp r e s e n t so n l yaf e wc o u n t r i e sd ot h i sw o r k t h eo p t i c a ls t r u c t u r ea n dd e s i g nd e m a n d sr e l a t et ot h eo p t i c a ls y s t e mo f a v i o n i ch m s h m da r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h i s p a p e r ap a r a b o l i cv i s o r p r o j e c t i l ed i s p l a yi ss e l e c t e da saf i n a ls c h e m e t h e nam a t h e m a t i c a lm o d e l o fa s p h e r i cv i s o ri sm a d eo nt h eb a s i so ft h ea s p h e r i co p t i c a l t h e o r y a n d a c c o r d i n g t ot h i s m o d e l ，a n o f f a x i s a s p h e r i co p t i c a ls y s t e mo fv i s o r p r o j e c t i l ei i m si sd e s i g n e da n do p t i m i z e db yu s i n gc o d e v ( 9 0 ) s o f t w a r e t h e r e s u l ti sv e r yg o o da n dt h i so p t i c a ls y s t e mm a k e s 珏l s h m d ss t r u c t u r em o r e r e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：t t m s t t m d h e l m e tv i s o r o p t i c a ls y s t e m o f f a x i sa s p h e r i c a ls u r f a c e a b e r r a t i o n “ 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 机载头盔瞄准显示器的概念 人们对头盔瞄准具( h e l m e tm o u n t e ds i g h t h m s ) 的认识和定义有一个发展过 程。从头盔瞄准设想的提出到现在已经有8 0 多年的历史了。最初，艾伯特培根普 拉脱在第一次世界大战期间( 1 9 1 6 年) 提出了将h m s 和枪综合进头盔，称之为头盔 综合枪。早期，美国把h m s 称为“目视精度控制设备”、“目视目标截获系统”，实 际上是把h m s 扩展为以h m s 作为目标探测器的火力控制系统。英国曾经称h m s 为“头 盔指向系统”( h e l m e tp o i n t i n gs y s t e m h p s ) ，有等同于头盔位置探测器之意。1 9 9 2 年版的美国空军辞典把h m s 作为现代头盔显示器( h e l m e tm o u n t e dd i s p l a y h m d ) 的前身，定义为“一种固连在飞行头盔上、把简单的瞄准信息投影到透视显示媒体( 例 如半反光镜或护目镜) 上、进入空勤人员一只或两只眼睛里的装置，适用于机载的显 示器。 实际上，h m s 删d 是一种使用方便、瞄准迅速、能充分发挥飞行员作用的头戴式 瞄准具。哪s h 如一般由头盔、光学瞄准镜、头部位置探测器和电子装置( 含计算机) 四部分组成。光学瞄准镜装在头盔上，主要功能是显示瞄准标线和少量的离散信息， 其光源为白炽灯或者发光二极管。执行任务的过程中，m l s 删d 通过光学系统将瞄准 标线准直在无穷远处，与目标重叠并且跟踪目标；头部位置探测器则通过测量头部位 置获得瞄准线的位置，即目标相对于本机的位置；计算机将目标位置转换成方位角和 俯仰角瞄准指令，控制活动武器( 如炮塔) 和导弹导引头等对准目标。因此，飞行员 的眼睛和头部实际上是瞄准具的跟踪系统，而通过转动头部实现目视搜索和观察目标 的过程也就是操纵瞄准具和武器跟踪瞄准的过程。在这一过程中，删s h m d 很好地发 挥飞行员的目视特性。除了控制武器瞄准外，删s h 如还可以控制机载霄达、红外、 激光和摄像机等探测器瞄准目标；另外，m i s h m d 还可以和中心计算机、飞行控制系 统等交联，进行空勤人员之间和地一空之间的联络，完成飞行控制、导航、侦察等任 务。因此，h m s 哪d 是现代航空火力控制系统中不可缺少的设备之一。 1 2 机载头盔瞄准显示器的作用 佩戴h m s h m d 的飞行员转动头部完成目视跟踪和瞄准目标的过程就是飞行员操 纵h m s h m d 跟踪和瞄准目标的过程，这一过程能充分发挥飞行员的主动性，使h m s h m d 具有现今自动控制系统难以实现的快速自适应搜索、识别和跟踪目标的能力；h m s h m d 还可以驱动格斗导弹的导引头快速扫描和指向目标，并实施攻击，或者驱动其它目标 探测设备，如前视红外、机载雷达、光电雷达、摄像机等快速对准目标。 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 美国的一次空战模拟实验表明，装有m l s h m d 的飞机在相同时间内截获目标的次 数是没有安装h m s m d 飞机的三十倍。俄红星报在空战的威力一文中指出：在装 有p 一7 3 导弹的情况下，装有h m s h m d 的飞机与不装h m s h m d 的飞机相比，其作战 图1 i 空对地攻击任务中h m s 控制的导弹离轴发射 能力提高了八倍。空战模拟实验验证，直升机在实施对地面目标的攻击中，由于使用 h m s h m d 而使目标定位和目标截获所需时间显著减少，从发现到截获目标仅需2 3 秒，因此，使用删s h m d 能大大提高战斗机的作战效能。图1 1 为h m s 发射离轴导弹 的示意图。 删s h m d 系统具有平视显示器的特性，可以提供全方位视场，其受阻挡部分只限 于机身和机翼遮挡部位；另外，在改善人机接口、减轻飞行员的工作负担、提高武器 投放和导弹命中精度等方面也具有重要的意义。图1 2 为啪和其它机载设备视场的 比较。 图i 2h m d 和其它机载设备视场的比较 h m s h m d 在机载火控系统中主要完成以下任务： ( 1 ) 控制武装直升机活动炮塔进行瞄准射击； ( 2 ) 控制导弹和探测器( 如前视红外、雷达及摄像机等) 快速截获离轴目标； - 2 - 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 3 ) 给导航攻击系统指示目标； ( 4 ) 利用指示目标提供定位信息，以校正导航系统； ( 5 ) 传递目标数据( 这里是指飞行员之间、飞机之间、空地之间进行目标信息 的非语言通讯联络) ： ( 6 ) 目视启动控制装置； ( 7 ) 飞行员夜视系统。 1 3 机载头盔瞄准，显示器涉及的技术 i b i s 删d 系统是一项多学科交叉的系统工程，涵盖了生物工程、光学、机械、电 子、测试、计算机及自动控制等多个领域，具体涉及的技术如图1 3 所示。 生物工程方面包括：人体视觉效应、人体生理学及生命保障技术等； 光学方面包括：光学设计、光纤技术、激光技术、光电子技术等； 电子学方面包括：航空火力控制技术、航空电子技术等； 材料方面包括：复合材料技术、机械加工技术等； 测试方面包括：头部位置跟踪技术、瞄准线的测量技术等： 计算机方砸包括：软件技术等； 自动控制方面包括：传感器技术、图像处理技术、惯导技术等。 图1 3h m s h m d 所涉及的技术 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究是现代头盔显示与综合系统的核心技术之 一，开展此项工作的研究可以提高h h l s h m d 综合显示系统的性能，优化其结构。 1 4 机载头盔瞄准显示器的现状b 3 1 4 。1 使用中的头盔瞄准显示系统 已经使用并且大批装备部队的h m s h m d 有如下三种： 3 机载头盔瞄准，显不器光学系统的研究 ( 1 ) 美国杭尼韦尔公司的综合头盔和显示瞄准系统( i n t e g r a t e dh e l m e t a n d d i s p l a ys i g h t i n gs y s t e m i h a d s s ) 。这种删s 系统已相继交付了9 0 0 套，装备了 a h 一6 4 a 武装直升机，还用于意大利a 1 2 9 武装直升机。1 9 9 1 年海湾战争中装备了 i h a d s s 的3 0 0 架a h 一6 4 a 武装直升机投入战斗使用，在对地攻击中战果显著。它的成 功使用，促使美国下决心在r a h 一6 6 武装直升机和f - 1 6 战斗机上装备双目h m d ，以提 高战斗力。 ( 2 ) 俄罗斯的z h 一3 y m 一1 头盔瞄准具，它采用了光电头部位置跟踪器和准直瞄准 标线显示器。这种h m s 被大量地装备在米格一2 9 和苏一2 7 战斗机上，主要用于r - 7 3 近距离空一空导弹的离轴发射。 ( 3 ) 以色列e l b i t 公司的d a s h ( d i s p l a ya n ds i g h th e l m e t d a s h ) 显示与瞄 准头盔。这种头盔显示器从8 0 年代开始研制到现在，几经改进，已经发展到了第三 代，即d a s h 3 。它采用了电磁式头部跟踪器，先后装备了以色列的f - 1 5 、f - 1 6 和f - 4 战斗机，还为罗马尼亚空军改装了米格一2 l 战斗机。e l b i t 公司还与美国k a i s e r 公司 合作，共同研制开发联合头盔显示系统。 上述三种h m s h m d 情况如表1 1 所示。 表1 1 已经投入使用的头盔瞄准系统 单双目头部 公司产品重量( k g )显示方式鼗备机种 视场跟踪器 h o n e y w e l l 1 9 7 ( 不含单目笔划一光栅 光电 h - 6 4 a i h a d s s ( 美国)面覃) 4 0 3 0 目镜a - 1 2 9 t a u r u sz h 一3 删一1 跗加n3 6单目4 5 光学准直标 光电 米格一2 9 ( 俄国)线目镜苏一2 7 e 1 b i td a s h 3 笔划护目f 一1 5 、f _ 1 6 1 8 单目2 2电磁 ( 以色列)镜f 一4 、 1 4 2 发展中的头盔瞄准显示系统 起初，h m s 蹦d 并未引起人们的重视。直到2 0 世纪六十年代初，在越战中，美 国军方为解决武装直升机贴地快速飞行时的对地攻击而重新提出了头盔瞄准具这一 技术。当时研制了x m l 2 8 机电式h m s 和a v a v g - 8 光电式删s ，但这两种h m s 由于笨 重或精度不高而于七十年代相继下马，装上直升机的设备又被撤了下去。到了八十年 代，由于现代战争的需要，m i s 和h m d 又得到了复兴和发展。现在一些军事强国已经对 h m s h m d 进行了深入的研制开发，取得了一些阶段性成果。 研制中的h m s h m d 种类很多，有白天型、夜间型和全天候型；有单目镜型，也有 双目镜型。进行研制的国家和公司主要有英国g e c - m a r c o n i 公司、美国的h o n e y w e l l 公司、以色列的e l b i t 公司和美国k a s i e r 公司等，他们研制的产品( 见表1 2 ) 已达 到或接近实用阶段。 南京航空航天大学硕士学位论文 表1 2 发展中的h m s h m d 系统 名称生产商视场( 。) 单双目出瞳( )眼距( m ) 显示器类型 h m dm k i vg e c - 马可尼1 0单目 1 0护目镜投影l e d 阵州 f r l g h t h e l m g e c - 马可尼4 0双目 1 53 5 c r t a 1 p h ah m dg e c - 马可尼 3 5单目1 64 7 5 l e d 阵列 f a l c o ne y eg e c - 马可尼3 0双目1 02 5 c r t v i p e r ig e c - 马可尼 2 2单目2 0 护目镜投影c r t v i p e r l ig e c - 马可尼 4 0双目 1 5 护目镜投影c r t t o p s i g h t s e x t a n t4 0 3 0双目 2 5 护目镜投影c r t 删c sh o n e y w e l l2 0单目 2 5 护目镜投影c r t d a s he l b i t2 2单目s o2 5 c r t m d d e l o p 2 8 2 0单目1 02 5c r t s t r i k ee y ek a i s e t3 0双目1 22 5c r t 1 4 3 我国的研制情况 我国在h m s h m d 上的研究起步较晚，但已经取得了一定的进展。中国航空工业总 公司第六一三研究所在1 9 9 2 年对全息h m d 进行了初步理论性研究，1 9 9 8 年借鉴俄罗 斯的研究成果又成功研制了国产的h m s ；目前，液晶式h m d 也已被列入国家十五预研 计划。但是，这些h m s h m d 的光学系统采用的均是共轴反一折射光学系统，从技术发 展和实际要求上来看，与国外同类产品还有一定的差距。因此，非常需要研制开发具 有国际先进水平的与国产h m s h m d 相配套的光学系统。这也正是此次论文研究的出发 点，即研究设计一种结构合理、实用强的离轴非球面护目镜式光学系统，使我国在该 领域的研究达到国际先进水平。这项研究工作的开展对于我国h m s 瑚d 综合系统的研 制开发，对于提高我国空军在未来现代化战争中的优势，增强我国现代化国防建设的 实力具有十分重要的意义。 1 5 本文的主要研究内容 本论文研究是国家十五预研项目之一，论文共由六章组成。本章绪论是对 h m s h m d 的研究背景作一概述。第二章详细介绍了机载头盔瞄准显示器光学系统的 原理和显式方式。第三章着重论述了机载头盔瞄准显示器光学系统的设计要求。第 四章讨论了几种h m s h m d 光学结构，并确定离轴非球面护目镜式光学结构为本论文的 设计研究结构。第五章建立了护目镜式非球面光学元件的数学模型，并依据此种数学 模型设计了离轴非球面h m s 光学系统。第六章对所设计的光学系统进行像质分析。最 后，将本文工作予以归纳总结，并指出今后发展的努力方向。 下面将逐章介绍本文的工作。 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 第二章头盔瞄准显示器光学系统 2 1 机载头盔瞄准显示器的工作原理 基本h m s h 如由微型图像源及其光学系统组成。一些重要的飞机控制信号( 如跟 踪、搜索、瞄准、发射等信号) 由外设( 如雷达) 、航空火控计算机和符号发生器产 生，它们通过h m s h m d 光学系统将准直后的图像投射在组合玻璃上，显示至无穷远， 以便于飞行员正常观察。在透视式h m s h m d 中，图像将与外部视景叠加在一起投射入 飞行员眼中。图2 1 为h m s h m d 的基本工作原理。 图2 1h m d 的基本工作原理 2 2 机载头盔瞄准显示器的光学系统 h m s h m d 光学系统的特性与平视显示器( h e a du pd i s p l a y h u d ) 的相同。最 初，其光学系统的设计是直接沿用h o d 的设计或是对h u d 光学系统的改进。目前，多 数h m d h m $ 光学系统基本上都采用显微镜正像目镜系统，整个系统大致有三部分组 成：中继光学系统、目镜系统和光学组合玻璃。在h m s h m d 中，中继光学系统将图像 源成像在目镜系统的焦平面上，再经过目镜系统转变成平行光，经飞行员眼前的光学 组合玻璃将其投射到飞行员眼中“1 。具体光路示意图如图2 2 所示。 与前视红外技术相结合时，可先由战斗机吊舱将前视红外图像传输到h m d 的阴极 射像管( c a t h o d er a yt u b e c r t ) 上，或是将微型图像增强器直接安装在头盔上，通 过c r t 将显示符号显示在h m de 。 南京航空航天大学硕士学位论文 ! 一! ! ! = = = = 2 1 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 扑v 恩， 滞炒1 i 垆i n 喇h l l 一 e ，i 图2 2h m d h m s 光学系统原理图 2 2 1 反射光学系统 反射光学系统的优点是与同等功效的折射光学系统相比重量较轻。在宽视场 ( f j e l do fv i e w f o v ) 的m l s 咖d 中，很多都使用反射光学系统，而且有一种将 头盔护目镜用作光学系统准直和组合元件的趋势。 反射系统有两种基本类型：同轴型，即旋转对称几何结构；和偏轴型，即旋转非 对称几何结构”“。 同轴系统使用一个平直光束分光玻璃和一个球面半透明组合玻璃。光学中继系统 产生的图像投射到平面型光束分离器，然后经其反射到组合玻璃上，进行成像。其优 点是：宽f o v 、大出瞳、低畸变、重量轻。其缺点是：降低了显示图像的亮度，因为 图像在平面光束组合玻璃中要通过两次。典型的同轴折反射系统如图2 3 所示。 图2 3 同轴折反射h m d 光学系统 偏轴系统的组合玻璃相对于显示器的光轴倾斜，像场中心的主光线以一个偏移 ( 或折叠) 角反射。偏轴系统更易把某些不利于观察和瞄准的因素从飞行员的f o v 中移出，这样能提供较大的f o v 。图2 4 表示一个具有球面组合玻璃的离轴、倾斜反 7 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 折透镜光学系统“1 。 平面反射和球面反射在h u d 和 h m $ h m d 光学系统的设计中都是很常用 的。平面反射可以完成预定光轴的转 折，也可以实现光轴在一定范围内的转 动，这样可以使h m s h m d 的结构更合 理、更紧凑。h u d 和部分h m s h m d 的最 后一块组合玻璃也常常用平面反射来 实现图像与外界视景的叠加。 球面反射除了反射作用外，还具有 与透镜相同的作用，可以使光线会聚或 发散，并成像。在h m s h m d 中，球面反 射镜常与透镜组合起来使用，构成折反 射光学系统。如果球面反射部分与头盔 护目镜结合，还可以构成球面形护目镜 图2 4 离轴、倾斜反射哳射透镜系统 透视式h m s h m d 。 抛物面反射镜在h m s h m d 光学系统的设计中也常常用到。抛物面反射镜的特点是 所有平行与轴线的入射光线都将会聚于反射镜的焦点处。离轴抛物面反射镜经常用于 宽f o v 的h u d 和h m s i 枷d 中。图2 5 为离轴抛物面反射镜光路示意图。 图2 5离轴抛物面反射镜光线示意图 关于球面形和非球面形反射与头盔护目镜相结合的有关详细描述将在第五章予 以介绍。 2 2 2 折射光学系统 折射光学系统结构相对简单，图2 6 为最简单的折射光学系统示意图。折射光学 系统成本较低、亮度较高、像差小，但大部分折射光学系统的重量都较大。 - 8 南京航空航天大学硕士学位论文 ! = = = = = = = = ! = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = 周2 6 最简单的折射光学系统原理图 折射类光学系统的实例”l i h a d s s 的光学系统结构如图2 7 所示。 图2 7i h a d s s 头盔显示器的光学系统 2 3 机载头盔瞄准显示器的显示方式 h m s h m d 的显示方式有下列三种形式：( 1 ) 单像源单目镜；它的显示器仅用单眼 ( 左或右) 观察；( 2 ) 单像源双目镜；( 3 ) 双像源双目镜。图2 8 为这三种显示方式 的示意图。 三皓潲 e 玲硝一 e 歪黹 ( a )( b )( c ) 图2 8 ( a ) 单目镜、( b ) 单像源双目镜和( c ) 双像源双目镜显示系统的原理图 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 2 3 1 单像源单目镜显示 这种显示方式有单一的像源、单一的光学系统，并只显示给一只眼睛，可以为透 视式或遮挡式，其优点是重量轻、体积小。 图2 9 为h o n e y - w e l l 公司攻击型直升机a h - 6 4 阿帕奇上的h m s 显示系统的结构 图，其成像显示方式即为单像源单目镜显示。国产h m s 也使用此种显示方式，而且为 遮挡式，即飞行员眼前的组合玻璃不是半透半反，而是全反射，这样飞行员眼前的显 示图像就不能与外界视景相叠加；而且飞行员的视界也受到影响。利用护目镜进行透 视式成像则可以克服这种缺点。 图2 9a h 6 4 阿帕奇直升机的i h a d s s 显示器 2 3 2 单像源双目镜显示凹1 这种显示方式是将单一图像通过光学系统显示给两只眼睛，它与单像源单目镜系 统相比有更大的重量和体积。 这种显示方式只能用透视式方式成像，即：把图像叠加在真实外界视景上，由飞 行员眼前的组合玻璃将显示图像和外部视景融合。而且，多数情况下，组合玻璃都是 针对特定的波长而优选的，即其膜层与图像源的波长相匹配，以提高系统功效。 2 3 3 双像源双目镜显示n 们n 妇 这种显示方式使用两个像源和两套光学系统，因而有更大的重量、体积和较高的 价格，并且比较复杂，需要特殊的对准和安装调校。但是，双像源双目镜显示器也有 很多优点，除了能提供良好的立体和深度感觉外，还可以使飞行员观察到较高亮度的 显示图像。 双像源双目镜显示器的另外一个优点是增加了系统的可靠性，因为有使用两个独 立显示器时的内在余度。与单像源双目显示器一样，它也只能用透视式方式来成像。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章机载头盔瞄准显示器光学系统设计要求 3 1 机载头盔瞄准显示器的总体设计要求 h m s h m d 是将飞行、导航信息呈现在飞行员眼前，并且还能瞄准目标、控制导弹 指向目标，其总体设计要求可分为：主要战术技术指标和使用要求“2 “。 3 1 1 主要战术技术指标 ( 1 ) 头部活动范围 a )前后：1 8 0m m b )左右：4 0 0m m c )上下：2 0 0m m ( 2 ) 视界范围 a )方位：6 0 。( h m s ) ，1 5 0 。( h m d ) b )俯仰：一1 5 。+ 4 5 。( h m s ) ，8 0 。( 嘲d ) ( 3 ) 瞄准精度 h m s 4 0 。( 夜) b )出瞳： 1 0 m m c )准直：呈像于无穷远，1 0 0 9 6 重叠； ( 5 ) 重量 头盔与瞄准具总重量不大于1 6 5 k g 单个扫描器重量不大于1 2 5k g 电子组件重量不大于7 5k g ( 6 ) 功耗 不大于6 0 w m t b f ( 外场最低可接受值) ：3 0 0 小时 3 1 2 使用要求 速度范围m = o 2 2 马赫 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 高度范围h = 3 0 2 0 0 0 0 m 过载范围n = 一2 0 + 7 9 此外，还有适用的机种和武器配载等其它战术要求。 3 2 光学系统设计参数要求 与h m d h m s 光学系统相关的设计参数很多，许多参数理想值的取值范围取决于 h m s 哪d 的具体使用要求。咖s h m d 光学系统设计参数见表3 1 。 表3 1 光学系统参数一览表 序号设计参数内容 1 尺寸重量重心 2 单目或双目 3出射光瞳 4眼距 5视场 6焦距 7 准直 8畸变 9 渡长 10调制传递函数( m t f ) 1 l 其它 其中，系统的主要设计参数有：显示方式、出射光瞳、眼距、视场、准直、调制 传递函数( m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n m t f ) 。图3 1 为h 惦嘲d 光学系统 的相关参数示意图。 图3 1h m s h m d 光学系统相关参数示意图 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 i 单目或双目显示 单目或双目的显示方式在第二章2 3 节内讨论过，这里不在赘述。此次论文设 计将采用单像源单目镜透视式显示方式，即图像源位于飞行员头部左侧上方，通过光 学系统的投射，在头盔护目镜上将显示图像呈现在飞行员的右眼前方。 3 2 2 出射光瞳 孔径光阑在系统像空间所成的像称为“出射光瞳”( 简称出瞳) 。光学系统的出瞳 是个空间区域，飞行员必须将他的眼睛放置在这个区域内以利用系统的全部f o v 。设 计h m s h m d 的出瞳时，必须考虑人眼瞳孔直径的变化，即明亮的光照条件下为2 5 m m ， 暗淡光照条件下约为l o m m “”。此外，还要将眼睛运动以及头盔的滑动量考虑在内。 从这方面讲，出瞳越大越好，但是实际上出瞳可以增加的范围是有限的，若出瞳太大， 当显示器相对飞行员眼睛有瞬间移动时，看到的图像会产生波动，这样会不利于飞行 员观察，因此，出瞳也不宜太大。 考虑到上述因素，此次论文中出瞳大小取值为1 1 5 m m 。而且，设计时将出瞳的 中心定位于设计眼位，连接眼位点与瞄准标记中心的连线定为飞行员的瞄准线。 3 2 3 眼距 跟距是眼睛到光学系统最后一个光学元件表面的距离。典型的眼距为2 5 r a m 。为 防止偶然碰撞或弹射时的安全或可能佩戴夜视镜的情况，也为使飞行员有足够下视其 它显示器的视场，常希望有较大一点的眼距。此次设计眼距为3 0 m 。 眼睛的位置必须与出瞳的位置重合，即眼距等于出瞳距。 3 2 4 视场 视场是飞行员观看h m s h m d 图像时所对应的观察角度。它的设计与许多因素有 关，而且彼此间相互制约“”，如图3 2 所示。 困、厂囤 回一回一田 园j l 回 图3 2与f o v 有关的相互制约的因紊 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 在h m d 的设计中，眼距、光学系统直径、f o v 三者之间的关系如图3 3 所示。 簟蓖一5 0 m m o m m3 0 t r i m 2 0 m m f o m i l l i ii iii i o1 1 ) 锄帅t , o7 0 ， o ，t ：t 1 1 4 1 ) ， 槐场p 】 图3 3h m d 中眼距、光学系统直径、f o v 三者之间的关系 通常，h m s h m d 所需视场取决于它的使用场合。对于显示字符而言，视场相对 较小，一般为4 。1 5 。：对于图像观察、驾驶飞机、飞机导航则要求2 0 。或是更大 一些的视场。 瞄准际志 图3 4h m s 瞄准标志和信号标志 此次设计中，h m s 要显示的瞄准标志和信号标志( 如图3 4 所示) 是比较简单的 显示指令，f o v 不必太大，4 。即可满足要求。其符号的一次性显示方式见表3 2 。 表3 2h m s 中的一次性指令显示方式 一次头盔观测装置3 个辐射二极管均位于扫描器区域时的信号头部离开工作转动区 性指令正常工作目标截获允许发射误差过大域时 瞄准 i 7 毒、j 孓 f 标志熄灭标志 。：量， 心乡 h z 婚 蚰 鹅 笛 侣 他 一e山)搿槎蜒峰筝米 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 5 焦距 焦距的公式为：y = f7 t g c o ( 3 1 ) 其中：y 半像高； 系统焦距； 半视场角。 设计像源为经微型石英灯照射的刻蚀在分划板上的瞄准标志和信号标志“，其几何 尺寸分别为： 圆环直径1 8 2 0 0 m m 十字线长度2 5 5 0 0 m m 所以可以设定系统的像高为2 9 1 1 8 m m ，当c o 为2 。，将上述数据代入焦距公式 ( 3 - 1 ) 中，得： 厂= 【o 5 29 1 1 8 t a n ( 2 。) 】= 4 1 6 9 1 9 ( m m ) 根据放大率公式：f = 2 5 0 f ，可得：f = 2 5 0 4 1 6 9 1 9 = 6 3 2 6 准直 在h m s h m d 的系统中，要求图像经h m s h m d 光学系统后呈现在无穷远处，即要求 图像准直。准直可以使h m s h m d 的图像和被叠加的远距离外景间不存在视差，这对目 标截获是很重要的。假如图像没有被准直，那么当眼睛在出瞳内横向移动时，图像将 会相对目标移动。 3 2 7 畸变 畸变是由于图像源通过光学系统时产生非线性传输而形成的，或者说是横向放大 率随像高( 或f o v ) 的变化而变化的结果“。在旋转对称光学系统中，畸变表现为枕 形畸变”或“桶形畸变”，如图3 5 所示。畸变小于5 时，不用电子畸变校正。 口圈霜 ( 射 ( b ) 图3 5 畸变的类型( a ) 正常图像 c ) ( b ) 枕形畸变( c ) 桶形畸变 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 在数值上，像场某点畸变的表达式为： a y = y 一y ： ( 3 - 2 ) 其中： y 主光线的纵坐标； “对应理想像的纵坐标； 以百分比表示为： ，：! 二丛1 0 0 ( 3 - 3 ) y j 通常，增加光学元件数，畸变和其它像差相应会随之减少，但这会引起光学系 统重量的增加，所以在光学元件数和光学像差之间必须进行合理的折衷。 本文中所设计的护目镜式洲s 光学系统的畸变图见第六章。 3 2 8 调制传递函数( m t f ) 光学系统的m t f 描述了输出对比度与输入对比度之间比率，作为空间频率的函数， 特性曲线中一维方向的强度是以正旋规律变化的“”。在零空间频率时，m t f 为l ，随 着空间频率的增加，m t f 单调地减少。目前，m t f 是被普遍接受的光学系统像质度量 的一种方法，它能说明透镜系统在不同的空间频率时是如何影响物体的对比度。 图3 6 用黑白相间的目标条纹来说明m t f 的原理。线条为有规定的亮度和间隔； 目标条纹经光学系统成像后，由于光学系统本身不完善，物体的每一条几何线成像后 会是一条模糊线，因而降低了对比度。 一般说来，高频传递函数反映了物体细节的传递能力，低频传递函数反映了物体 轮廓的传递能力，中频传递函数则反映了对物体层次的传递能力。 低空橱毅率 中珂空阿麟率 搿空同鞭事 且括条坟 茸张魔 i ! j 哪 凤咫风 图3 6调制传递函数灵敏原理 童塞篁至堡奎奎兰堡圭耋堡丝塞一 调制系数表达式为： m ：生尘 ( 3 - 4 ) 。+ m m 上式中：，和。是目标或成像线条的最大和最小亮度。 物体和图像的两个调制系数之比为m t f ，其公式为： m t f ( u ) = 渊 ( 3 - s ) 上式中： 卉0 ) 和 扔( u ) 分别是图像和物体的调制系数， u 空间频率，即每毫米内包含的亮线条或暗线条的条数，单位为线对 毫米( 1 p r n m ) 。 一般说来，显示系统m t f 可以由系统中各个分系统m t f 的乘积来表示，即： f z ：吒示= 仃j 源 仃下 中继光学 疗：台玻璃 ( 3 - 6 ) 典型h m s f l h m d 系统的m t f 如图3 7 所示。 目音t 薯 、滁! 心 心? 。淋 | 迤 o 空翱蕞奉州n 叫 图3 7 典型h m s h m d 系统的m t f 曲线 本论文中设计的光学系统m t f 的相关数值可详见第六章。 3 3 人眼的视觉作用 3 3 1 人眼的简要结构n 印 一个理想的h m s h m d 系统还必须和人眼的视觉特性匹配起来，这样才能充分地发 挥人机功效。 抽 * 呈 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 人眼的简要结构如图3 8 所示。物体发出的 光通过水晶体( 透镜) 在视网膜上成像，视轴和 眼的几何轴之间的夹角约为1 5 。，视轴从中央凹 穿过，中央凹直径约为1 5 m m 。视网膜上的感光 元素为圆柱细胞和圆锥细胞。人眼中的圆锥细胞 约七百万个，圆柱细胞却超过一亿个。圆锥细胞 绝大多数分布于视网膜中部，圆柱细胞位于视网 膜的周围。圆柱细胞感光度高，能感觉弱光，但 分辨率低，不能分辨颜色；圆锥细胞则相反，感 光度低，分辨率高，能感觉颜色。可以说人眼本 身就是一个极其灵敏的、分辨率很高的多功能图 像探测器。 3 3 2 人眼的主要视觉特性 图3 8 人眼的简约结构 ( 1 ) 视场：高质量的视场是中央凹视场，它为9 。的圆形视场；最佳的视场为直 径1 2 。的圆形视场。由于中央凹处分辨率能力最强，所以为了清楚地看清物体， 人眼必须不断地运动，使中央凹对准物体，以获得最佳视场。此次论文设计中h m s 的f o v 为4 。，恰好处于人眼的高质量f o v 范围内。 ( 2 ) 光感动态范围：人眼对亮度感觉的动态范围很宽，它基本上可以分为三个区； 即： 微光区：( 夜间：仅圆柱细胞用于黑白感觉) ：1 0 1 0 。3c d m 2 中间区：( 黄昏：圆柱细胞和圆锥细胞同时感觉) ：1 0 l o c d m 2 亮光区：( 白天：仅圆锥细胞用于颜色的感觉) ：1 0 1 0 5 c d m 2 人眼对不同亮度的快速适应是通过改变瞳孔的直径( 2 5 r a m 8 3 m m ) 来实现 的，慢适应是借助于视网膜上的转换过程来处理的。人眼可分辨的灰度等级约为2 0 0 级。通常认为：人眼要分辨出亮暗条纹的过渡差具，所需图像的反差比约为3 0 。 ( 3 ) 视觉分辨率：正常照度下，在明视距离( 2 5 0 m m ) 条件下，人眼的空间分辨 角为1 ，这样，裸眼能分辨两相邻条纹的最小间隔为o 0 7 2 7 m m ，相当于1 4 1 p m m ”0 1 。 我们此次论文研究中，瞄准符号的刻线宽度为0 0 3 4 5 m m ，对应的空间频率为 2 9 1 p r n m 。因此，考虑到光学系统的放大率后，在分析光学系统时，取m t f 上限为 3 0 1 p r a m ，以满足设计要求。 ( 4 ) 感觉波长：人眼的视觉范围主要集中在4 0 0 n m 7 6 0 h m 的电磁辐射频谱区域 内。在白天，波长为5 5 5 n m 的黄光对人眼造成的光刺激强度最大。“，光感最亮，如图 1r 南京航空航天大学硕士学位论文 3 9 所示。本文研究的h m s 光学系统的主设计波长为5 4 0 6 7 n m ，正是处于人眼的亮视 觉敏感波段之内。 ( f 饥) 图3 9人眼的光谱特性 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 ! ! ! = = = ! ! = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 第四章机载头盔瞄准显示器光学系统方案 h m s h m d 的结构形式由于使用场合和视场需求的不断变化而一直处于不断地改 进过程，因此，h m s h m d 光学系统有许多种设计方案。下面将对一些光学系统作以分析 介绍。 4 1 自由棱镜型光学系统 自由面形( f r e ef o r ms u r f a c e f f s ) 棱镜是将h m s h m d 的整个光学系统集成 在一块棱镜上，通过棱镜内部的反射面构成整个光路，实现图像源的传输和透射，以 达到简化整个光学系统的目的“。f f s 棱镜型光学结构示意图如图4 1 所示。 图像源 日 一一l j 仑 图4 1f f s 棱镜构成的h m d h m s 光学结构光路示意图 从图中可以看出，图像源位于半反射面的焦平面处，发出的光线进入f f s 棱镜， 在棱镜内部经全反射面第一次反射，再经半反射面二次反射后形成准直光线，并且与 外界视景相叠加，从f f s 棱镜中透射出，进入人眼。在这种结构形式中，f f s 棱镜如 果与新型的图像源( 如液晶显示器) 相结合，可以使h h l s 珏粕光学系统的整个结构变 的非常紧凑，并有可能使h m s 啪光学系统向着集成化、微型化方向发展。目前此种 设计方案还处于实验阶段，在军事领域的应用还不是十分成熟。 4 2 全息光学系统 4 2 1 全息光学原理 全息透镜是两束相干激光光束在光敏介质中对相干图像的记录，其中一束是参考 光，另一束是物光“。两束光线从介质的同一侧照射，就会记录下一幅透射全息图。 透射全息图的记录过程如图4 2 ( a ) 所示。如果在r 点用相干光源照射全息图，光 南京航空航天大学硕士学位论文 束将会聚于物点0 ，与一个透镜的成像作用相仿，这就是透射全息图的再现过程。再 现的过程如图4 2 ( b ) 所示，其中照射光束是发散光，而衍射光束( 或成像光束) 是会聚光。 ( a )( b ) 图4 3 反射全息干板的记录和再现的过程 r x 、 r l 夕7 ，、 二名 7 一 y 固4 4 反射全息固的坐标图示 机载头盔瞄准显示器光学系统的研究 反射型全息的坐标图如图4 4 所示。 其位相函数式。”为： 妒，= ( + ) ( + ：正一级衍射；一：负一级衍射)( 4 1 ) 相应的物像关系式为： 同时像点的位置为： = 丽 胪趟糍篙糍4 - z o 必) l z o z r p l c ( r ( 4 - 2 ) ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) ( 4 5 ) 其中，i ：衍射光； c ：再现光； 0 ：物光； r ：参考光； 反射全息图的衍射效率为： 叩= 掣以州翩， s ， 其中：c ，、c 。光波的倾斜因子，i r 一衍射光波的振幅； 爿书劫 + + 妊幢幢 三0土七土 i l 1 i = !i生丝 盟 掰丛等小瓦 苎 离京航空航天大学硕士学位论文 4 2 2 全息光学f 珏俗h 瑚 许多传统光学元件( 包括透镜、反射镜、组合玻璃等) 都可以利用全息光学元 件( h o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n t h o e ) 来取代“。运用全息光学技术，单个薄 薄的全息图就能综合体现复杂的、体积庞大的光学系统的光学特性，这种特性运用在 h m s h m d 中就可使h m s h m d 光学系统的设计更灵活、重量更轻“7 m 1 。h m s h m d 中应用 的h o e 一般都是体积位相反射型全息图“，其主要特点是：全息记录材料薄膜的厚度 较大，几乎是纯折射率调制，吸收和散射很小，记录的光栅条纹密度较高，所以，它的衍 射效率高。另外，角度选择性和波长选择性强，在特定角度下对特定窄带光波( 如 c r t 主波长附近的光波) 能够高效率地衍射，而对其它光谱范围的可见光则高效率的 透射。h o e 的这特性可以提高删s 啪的显示亮度，并改善飞行员观察外界时的透 过率。 在含h o e 的系统光路中，显示图像可以由图像源直接形成。”( 如图4 5 所示) 或 者通过中继系统( 透镜或光纤束) 间接形成。”( 如图4 6 所示) ，并经h o e 反射后将 图像投射到人眼。 图4 , 5 图像源直接投射的光路示意图 中继系统 一翰1 二尹澎、 图4 6 中继光学系统投射的光路示意图 机载头盔瞄准，显示器光学系统的研究 h o e 的另一个特点是其光学特性与元件的实际形状无关，因此能很方便地制作在 各种形状的表面上( 如机载头盔护目镜) ，使得整个h m s h h i d 的结构也随之简化。图 4 7 为包含h o e 的头盔显示器结构示意图。 中继光学 图4 7 使用全息元件的头盔显示器的结构示意图 在使用h o e 时，由于记录材料光敏重铬酸盐明胶膜对潮气非常敏感，这使得 h m s h m d 上使用的全息图必须很好地被密封，以防止接触水或潮气；否则，会使整个 系统的衍射效率降低或改变全息图的光学特性，进而影响整个哪s 哪d 光学系统的性 能。 4 3 二元光学系统 4 3 1 二元光学元件的原理 二元光学是指基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计并用超大规模集成( v l s i ) 电路制作工艺，在片基( 或传统光学器件表面) 上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮