頭盔CRT顯示部件互換性技術

向 華， 孫長卿， 鐘軍華， 劉延新

(中國航空工業(yè)洛陽電光設備研究所，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的部件包括:CRT像源、光學鏡筒、高壓電源模塊(驅動CRT像源工作)。

電子組件中與顯示互換性有關的部件包括:偏轉放大模塊、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部件參見圖1。

由于頭盔盔體結構的特殊性，HMD的光學系統(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鏡筒。光學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Rx=Rcos i，Ry=R/cos i，其中R為反射護目鏡的曲率半徑(在設計HMD顯示光學系統(tǒng)時，R為固定的值)。

在設計光學系統(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系統(tǒng)弓形和梯形畸變［8］。光學系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 HMD光學系統(tǒng)結構Fig.2 Setup for nonaxial optical system of HMD

光學系統(tǒng)在理論設計中就會有光學畸變，光學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)，對應有3個電位計可以相應調整這3路電壓值。調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;調整聚焦極電位計時，可以改變CRT顯示畫面的線條粗細;調整加速極電位計時，可以改變顯示畫面的亮度。

畸變校正模塊的作用是根據(jù)光學鏡筒中不同區(qū)域的光學畸變系數(shù)搭建模擬校正電路，修正光學設計中固有的光學畸變，可以改變顯示畫面的畸變程度。

偏轉放大模塊有5對電位計可以分別調整顯示畫面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的因素，可以看出光學鏡筒和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整的，其余4個部件可以根據(jù)光學鏡筒和CRT像源的差異做相應的調整。

2 影響互換性的分析和解決方法

2.1 光學鏡筒與畸變校正模塊

通過加強光學鏡筒［11］的光學鏡片和鏡筒殼體加工精度的工藝控制，光學鏡片在鏡筒殼體中裝配精度的工藝控制，可以保證光學鏡筒的光學顯示畸變［12］、顯示精度和整體顯示效果能夠滿足設計指標的要求。

使用高精度數(shù)控機床加工出高精度的光學鏡片、鏡筒殼體、鏡片裝配工裝和裝配夾具，保證光學鏡筒裝配的一致性，提高光學鏡筒的互換性。

根據(jù)光學系統(tǒng)設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，使用模擬電路設計出光學畸變校正模塊修正光學系統(tǒng)所產(chǎn)生的畸變。

光學系統(tǒng)的畸變系數(shù)在理論上為固定值，通過加強對光學鏡筒加工、裝配工藝流程的控制，光學鏡筒的光學畸變可以控制在一個穩(wěn)定的理論值范圍內，這樣光學畸變校正模塊的電路就可以將光學畸變校正在合理的設計范圍內，滿足系統(tǒng)對畫面的顯示要求。在光學鏡筒和畸變校正模塊更換時，不需要調整其他部件，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)光學鏡筒和畸變校正模塊滿足互換性設計要求。

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放大模塊，需要調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)設計要求，高壓電源模塊在加入系統(tǒng)中使用前，將末陽極調整到規(guī)定范圍值8500 V±100 V，然后使用硅膠將末陽極調整電位計封死，避免在后續(xù)使用過程中調此電位計。

調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，高壓電源模塊在驅動CRT像源時需要適當?shù)卣{整此電位計，將畫面的線條調整至最細，這樣觀看畫面時最舒適。調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，都可以通過調整加速極電壓值來調整亮度的細微差異。

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，則調整聚焦極和加速極電位計屬于部件內部調整，并且調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整至一樣的參數(shù)。在更換輝亮放大模塊時，不需要調整其他部件，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計要求。

2.4 偏轉放大模塊

偏轉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指標參數(shù)，可以實現(xiàn)將偏轉放大模塊的各個調節(jié)電位計都調整至一樣的參數(shù)。在更換偏轉放大模塊時，不需要調整其他部件，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)偏轉放大模塊的互換性設計要求。

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#光學鏡筒、1#畸變校正模塊、1#CRT像源(含高壓電源模塊)、1#偏轉放大模塊、1#輝亮放大模塊和其余部件組成。根據(jù)設計要求，調整各部件的參數(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)，測試更換相應模塊后對顯示系統(tǒng)的影響。

3.2 光學鏡筒和畸變校正模塊

在1#試驗基準環(huán)境條件下，僅更換光學鏡筒。理論上更換光學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，光學鏡筒可以實現(xiàn)互換性的設計要求。

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)指標要求是對光學系統(tǒng)校正后，畫面畸變≤14'。5塊畸變校正模塊(配合1#光學鏡筒)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)調整至標準值，通過調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計要求。

3.4 偏轉放大模塊

在1#試驗基準環(huán)境條件下，僅更換偏轉放大模塊。理論上更換偏轉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塊偏轉放大模塊相對應的電位計調整至一樣的參數(shù)，更換偏轉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)的互換性設計，畫面中心位置的變化也滿足系統(tǒng)指標要求，因此偏轉放大模塊滿足系統(tǒng)互換性設計要求。

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計要求。

4 結論

頭盔CRT顯示部件互換性技術有效地解決了因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。該項技術的研究可以促進CRT像源應用技術的進一步發(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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