基于BOE的HUD折射光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)?

李 林 呂鑫燚 郝東升

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266041）

1 引言

平視顯示器（Head Up Display，HUD）自20世紀(jì)50年代首次裝備軍用戰(zhàn)斗機(jī)以來(lái)，迅速在軍用作戰(zhàn)飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用［1-2］，成為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)不可或缺的光電瞄準(zhǔn)設(shè)備。它作為軍用作戰(zhàn)飛機(jī)前艙的主顯示器，能夠?qū)@示控制處理機(jī)送來(lái)的飛行和作戰(zhàn)信息成像在飛行員正前方無(wú)窮遠(yuǎn)處，使飛行員在觀察這些信息的同時(shí)也能夠觀察外景。光學(xué)系統(tǒng)作為HUD的重要組成，直接關(guān)系著HUD的整體性能，特別是成像質(zhì)量這一指標(biāo)亟待提升以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)任務(wù)的不斷升級(jí)［3］。

本文應(yīng)用二元光學(xué)元件（Binary Optical Ele?ments，BOE）對(duì)HUD折射光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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(xué)系統(tǒng)分析

2.1 HUD折射光學(xué)系統(tǒng)原理

HUD光學(xué)系統(tǒng)的主要任務(wù)是在飛行員眼前的組合玻璃處形成清晰、準(zhǔn)直的瞄準(zhǔn)符號(hào)，以輔助飛行員完成戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估和對(duì)目標(biāo)實(shí)施瞄準(zhǔn)攻擊。根據(jù)應(yīng)用的原理不同主要分為折射光學(xué)系統(tǒng)和衍射光學(xué)系統(tǒng)。典型的折射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xué)元件的折射、透射、反射，最終在飛行員正前方無(wú)窮遠(yuǎn)處形成與外景疊加的清晰圖像。

圖1 折射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 HMD光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

光學(xué)系統(tǒng)決定了HUD的顯示視場(chǎng)指標(biāo)，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(shè)計(jì)不僅要保證良好的光學(xué)性能，還要兼顧體積以及布局，設(shè)計(jì)過(guò)程極為復(fù)雜。因此，要想構(gòu)建一個(gè)具有良好視覺(jué)效果的HUD折射光學(xué)系統(tǒng)，還要按照人眼的視覺(jué)機(jī)制，考慮系統(tǒng)應(yīng)該滿(mǎn)足的視場(chǎng)、亮度、對(duì)比度、畸變、亮度調(diào)制傳遞函數(shù)各項(xiàng)性能參數(shù)要求［5］。

2.2.1 視場(chǎng)（field of view，F(xiàn)OV）

是指觀察者通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)可以觀察到的一個(gè)角度范圍。理論上來(lái)說(shuō)，視場(chǎng)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(chǎng)又分為總視場(chǎng)與瞬時(shí)視場(chǎng)。

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(xué)參數(shù)的意義，如果亮度不足，其它參數(shù)沒(méi)有任何意義。低亮度的平顯容易出現(xiàn)對(duì)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(xué)系統(tǒng)的效率以及組合玻璃的特性。還有一點(diǎn)是，圖像源的發(fā)光能量分布于整個(gè)平顯的視場(chǎng)上，但是總能量使一定的，所以視場(chǎng)越大，亮度就會(huì)越小。實(shí)際的圖像亮度是組合玻璃外景光亮度與穿過(guò)組合玻璃的圖像亮度的疊加。

2.2.3 對(duì)比度

是指顯示畫(huà)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(huà)面上的影響不能忽略，設(shè)為L(zhǎng)外，那么對(duì)比度公式為

2.2.4 畸變

是物像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)（如透鏡、透鏡組、反射鏡等）時(shí)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?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)對(duì)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(huì)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(huì)得到得到如圖2（c）的圖像，這種畸變叫做負(fù)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(guān)系。例如將小孔光闌放在凸透鏡和像面之間會(huì)產(chǎn)生正畸變，將小孔光闌放在凸透鏡和物面之間會(huì)產(chǎn)生負(fù)畸變。

圖2 光學(xué)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(duì)比度和與輸入像對(duì)比度之比。因?yàn)檩敵鰣D像的對(duì)比度不會(huì)大于輸入圖像的對(duì)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(gè)分系統(tǒng)的MTF乘積表示，即：

2.3 HUD折射光學(xué)系統(tǒng)分析

從HUD折射光學(xué)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(shí)保證成像質(zhì)量，前組物鏡、后組物鏡均使用了多個(gè)透鏡等光學(xué)元件。從HUD折射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析，數(shù)量眾多、功能多樣的光學(xué)元件應(yīng)用，保證了參數(shù)的優(yōu)越，但同時(shí)卻使光學(xué)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(jī)的座艙布置。

因此，在給定設(shè)計(jì)參數(shù)的前提下，為優(yōu)化HUD折射光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)光學(xué)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(yīng)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(gè)或多個(gè)臺(tái)階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，以形成純相位、同軸再現(xiàn)并具有高衍射效率的一類(lèi)光學(xué)元件［8］。它在實(shí)現(xiàn)光波相位變換上具備獨(dú)特的優(yōu)異性能，為光學(xué)系統(tǒng)微型化、陣列化和集成化的實(shí)現(xiàn)提供了有力條件，而且其表面浮雕相位結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步使不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而聚焦，能有效校準(zhǔn)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(xué)元件，具有突出的優(yōu)點(diǎn)［11～12］：

1）BOE擁有正光焦度，透鏡的表面曲率更小，從結(jié)構(gòu)上改善了單色像差；

2）BOE無(wú)匹茲伐場(chǎng)曲；

3）BOE可對(duì)圖像畸變進(jìn)行有效校正，特別是在較大視場(chǎng)情況下，較傳統(tǒng)光學(xué)元件優(yōu)勢(shì)明顯［13～14］；

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

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

4 基于BOE的HUD折射光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖1所示的折射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xué)玻璃元件，為方便研究可簡(jiǎn)化為等效結(jié)構(gòu)圖（如圖3）。為方便觀察，可將其設(shè)置為圖4所示的框線圖。

圖3 簡(jiǎn)化后光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 簡(jiǎn)化后光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 加入BOE的光學(xué)系統(tǒng)框線圖

從光學(xué)系統(tǒng)的前后對(duì)比來(lái)看，加入BOE元件之后，光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，整體長(zhǎng)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(huì)減小。同時(shí)，從成像效果方面來(lái)看，由于焦距變小，HUD的視場(chǎng)得到進(jìn)一步增大。

從折射光學(xué)系統(tǒng)與二元光學(xué)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(duì)比分析，如圖7～8所示，其中（a）為折射光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)示意圖，（b）為二元光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)示意圖。經(jīng)對(duì)比可知，二元光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線更加平滑趨近于1，較傳統(tǒng)光學(xué)元件有明顯的成像質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。使用BOE后，光學(xué)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(dòng)范圍相對(duì)較小，像差也有所改善。

圖7 調(diào)制傳遞函數(shù)對(duì)比

圖8 場(chǎng)曲和畸變對(duì)比

圖9 垂軸像差對(duì)比

綜上，基于BOE對(duì)傳統(tǒng)折射式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以在保證成像質(zhì)量的前提下，有效簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而減輕HUD的體積與重量。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的HUD折射光學(xué)系統(tǒng)在體積、重量和成像質(zhì)量等方面存在的不足，結(jié)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(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過(guò)參數(shù)與成像質(zhì)量對(duì)比，驗(yàn)證了利用BOE進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性，從而使HUD折射光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到較為理想的設(shè)計(jì)效果，使之結(jié)構(gòu)更緊湊、重量更輕、成像效果更好。