機載頭盔顯示系統的主要光學實現形式

李訓牛，張竹平，鄭為建，戴賦貴，馮曉燕

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機載頭盔顯示系統的主要光學實現形式

李訓牛1,2，張竹平1，鄭為建1,2，戴賦貴1，馮曉燕1

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.北京理工大學光電學院，北京 100081）

頭盔顯示技術是當代有人駕駛戰斗機技術的關鍵技術之一。簡述了生物動力學、頭部跟蹤技術等頭盔顯示技術相關領域的研究成果。重點討論了顯示技術，分析了非浸入式頭盔顯示的幾種主要光學實現方式。對這些技術的基本原理、關鍵技術及發展概況進行了詳細描述，并討論了其相對的優缺點。最后，對適用于固定翼戰斗機的頭盔顯示技術作了總結和展望。

機載頭盔；頭盔顯示；非浸入式頭盔顯示

0 引言

由于使用平視顯示器（HUD）時，飛行員視線受限于HUD，飛機若要跟蹤目標需要隨時轉動，才能將目標保持在視線范圍內。為了克服HUD視場較小的缺點，頭盔顯示器（HMD）技術由此得以發展。通過將顯示器及光學系統置于頭盔上，飛行系統信息、瞄準標記和戰場態勢（分布式孔徑系統（DAS）、雷達信息等）等信息可直接投射到飛行員眼前，使飛行員隨時觀察所需的信息。利用慣性、光電等原理制作的頭部跟蹤系統（HTS）的使用，使得武器（如空-空導彈）和各種傳感器能夠準確指向目標。同時具有頭盔顯示和瞄準功能的完整頭盔顯示瞄準系統（HMDS）在空戰中起到了越來越大的作用[1-4]。

20世紀60年代，HMDS的早期型式最先使用在AH-1G武裝直升機上。經過數10年的發展，HMDS由比較笨重、使用者感覺不舒服的初級系統發展到比較成熟的、武裝直升機和戰斗機都可列裝使用的重要裝備。

現代作戰飛機裝備的HMDS的最佳配置[1-16]需要包括以下幾點：①雙目顯示；②重量輕（＜2.5kg）；③高精度大范圍頭部跟蹤；④頭部跟蹤快速響應；⑤高分辨率圖像顯示；⑥機載及頭盔顯示傳感器可選擇（紅外/可見光）。

上述配置稱為HMDS設計的“黃金標準”。目前最符合這種設計標準的為VSI等公司生產的F-35的二代和三代HMDS。

HMDS的設計主要需要注意以下3個方面：生物動力學相關技術研究、頭部跟蹤和頭盔顯示技術。本文重點分析了顯示技術的光學實現方式。

1 頭盔顯示相關的技術

1.1 生物動力學相關研究

與HMDS相關的生物動力學特征主要包括：頭部承受重量和重量不平衡可能帶來的機體損傷和疲勞、眩暈等感覺對工作效率的影響、頭部承受一定碰撞對機體的影響及對應情況下的頭盔設計。例如，對于直升機飛行員，有關機構研究指出[9,11]，在重量和重心極限范圍內，允許重量和重心偏離的組合圖見圖1和圖2。

圖1 水平重量-重心偏移曲線

圖2 垂直重量-重心偏移曲線

頭部碰撞閾值是另一個研究的領域[4-5]。有關研究機構指出頭部碰撞閾值為150～175，頭盔應在這種極限條件下提供碰撞緩沖[4]。為了滿足碰撞時的保護、重心平衡和顯示器在大過載時的穩定性，帶HMDS的頭盔多采用內、外盔設計。常用激光掃描飛行員頭部，測量到的精確數據用以完成頭盔內襯的輔助設計和加工，以使得內盔更精確有效地貼合飛行員頭部且佩戴舒適。外盔通常用來安裝顯示器及頭部跟蹤裝置，并用高強度、輕質材料加工外盔。

1.2 頭部跟蹤技術

頭部跟蹤系統（HTS）利用光電或者慣性等方法，測量飛行員視線或者頭部指向來確定飛行員瞄準線相對機體的參數。受限于頭盔的重量和體積，HTS組件必須重量輕、體積小，并能裝入到頭盔中。目前用于HTS的技術主要有：慣性技術、電磁（EM）技術和光電（EO）技術。通常情況下為了同時滿足跟蹤精度和跟蹤范圍的要求，會考慮同時使用電磁和光電，或者慣性與光電2種形式[5]。

1.3 微顯示器

在早期研制的HMD中，圖像源通常采用小型CRT管，其具有高亮度和高分辨率的優點。目前因CRT管在世界上大多數廠家都已停產，且存在體積大、重量和功耗大等缺點，使得設計者尋找新的顯示器件。如AMLCD（有源矩陣液晶顯示器）、AMEL（有源矩陣電致發光顯示器）、OLED（有機電致發光二極管）等許多技術都很有發展前景[7,16-19]。

2 顯示技術

要分析HMDS的顯示技術，首先要分清楚HMD的光學結構。HMD的光學結構根據作戰需求來選擇。主要分為：

1）頭盔瞄準具（HMS）型還是頭盔顯示器（HMD）型，HMS視場一般＜30°，單目結構；HMD視場一般＞40°，雙目結構。

2）單目還是雙目結構，雙目結構觀察舒適度相對較高、但是成本較高。

3）如果是雙目結構，要使用的像源是1個還是2個，雙像源多通過合像形成較大的觀察視場，單像源視場相對小。

4）白天使用、夜間使用還是晝/夜使用，使用條件決定了成像器件的選擇方向。

受限于人的承受能力，需要對頭盔顯示系統的重量、重心作好控制。除了采用更輕的圖像源外，還需從光學系統設計等角度控制HMD重量。但是，當飛機處于大機動或大過載飛行狀態時，頭盔相對滑動可能使圖像丟失，為此必須加大光學系統出瞳直徑（＞14mm）；為了能容納護目鏡或其他裝備，光學系統出瞳距離也較大（＞25mm）。如果按傳統方法設計光學系統，則在這種情況下系統較重且重心偏移較大，會降低飛行員舒適度、增大疲勞感，并增大損傷頸椎的危險。因此需要打破傳統的光學系統設計理念來設計頭盔顯示系統。

由于浸入式顯示系統存在系統延遲，影響飛行員觀察儀表等座艙信息的情況，導致了其系統無法適應有人駕駛固定翼戰斗機。本文主要分析非浸入式顯示技術。

非浸入式頭盔顯示技術主要有：

1）折射/直視型頭盔顯示，如圖3所示。

圖3 單目單管、雙目單管、雙目雙管折射/直視型頭盔顯示效果圖

該型式的頭盔顯示器通常的技術指標如下： ①像增強器：超二代/三代/四代像增強器；②自動脫落：機械解脫；③放大率：1倍；④視場：40°。

其優點主要有：技術成熟，設計，加工，裝調簡單。其缺點為：通視視場受到遮擋，影響平視顯示器的觀察；重量大，重心靠前，需要配重，在飛機大過載情況下使飛行員承受較大的過載；彈射時需要解脫，影響彈射安全[10]。

2）基于棱鏡分光的型式。

該型式與自由曲面棱鏡技術類似，但其使用長出瞳目鏡加棱鏡分光的型式實現非浸入顯示，圖4為棱鏡分光型式光學原理圖。該型式技術條件相當成熟，結構簡單。其缺點主要是受系統體積、重量控制，顯示視場和通視視場都相對較小，佩戴在頭盔上時重心靠前，雙目使用時則嚴重影響通視視場觀察，彈射時需要解脫。

圖4 棱鏡分光型式光學原理圖

3）基于自由曲面棱鏡技術的頭盔顯示技術[20-21]。其光學結構原理圖如圖5。圖中S代表面，E代表元件。由于自由曲面大多采用非對稱結構，極大地提高了光學面改善像質的能力，使得系統可以設計得緊湊、輕巧。該型式系統的主要優點為結構緊湊、輕巧。缺點主要有：該型式適合單目顯示，與目前頭盔顯示技術追求雙目顯示的技術發展方向不符，雙目顯示時需要2個棱鏡，則會影響通視視場，或者加工一個較大的面罩或拼接棱鏡，實現困難，重量難以控制。

4）光導型頭盔顯示技術。利用全息波導平板顯示技術的原理[22-24]，如圖6所示。

圖5 自由曲面棱鏡頭盔顯示系統光學原理圖和結構示意圖

圖6 全息平板顯示原理圖

源圖像由經中繼光學系統準直輸出，光線經過全息光柵耦合后進入平板波導，并在波導中以全反射形式傳播；光在波導中多次全反射，經透射光柵調制而由波導中出射至人眼，成像到視網膜[22]。如果兩個全息光柵具有相同的設計周期，可以解決窄帶光源的色散等問題[23]。典型的形式如BAE公司的Q-Sight，如圖7[25-26]。

全息波導頭盔顯示技術由于具有常規頭盔顯示技術所不具備的多種優勢（如重量輕、體積小等）。然而，全息波導顯示技術也面臨著許多難題，如高質量的全息光柵制造難度大，難以實現彩色顯示，不同視場的像差和亮度差異大，光源利用率低等[23]。目前，英國BAE公司在全息波導顯示領域走在世界最前面，其Q-Sight頭盔顯示器已經大規模投入軍用。Q-Sight頭盔顯示器采用的大功率綠光LED需要進行窄帶濾波[25-26]，對單色性的高要求使得系統分辨率一定程度地降低。目前，Q-Sight已經有多個系列產品，其主要性能參數如表1所示[25]。

圖7 BAE公司的Q-Sight

表1 Q-Sight主要性能參數

該型式具有重量輕，結構簡單，彈射安全等優點。其缺點是：光導型頭盔顯示技術對圖像源即微顯示器有較高要求，OLED、LCD等顯示器件難以滿足要求；需要光源具有較強的單色性，導致圖像降低了人觀察的舒適度和辨別率[27]；受衍射效應、加工能力（國內）的限制，難以做到大視場，其視場通常只能滿足HMS的要求，顯示瞄準視場內的目標，而非人眼觀察較舒適的40°以上的視場。

5）目前服役使用較多且在較先進戰斗飛機上使用的頭盔顯示器的型式主要由：微顯示器、中繼光學系統和光學組合玻璃3部分組成[1-2]，圖8為F35一代HMDS系統原理圖。

圖8 F35一代HMDS系統光學原理圖

該型式可通過雙目接收不同的視場信息以擴大視場，亦可以雙目接收同一個視場信息。雙目合像常用的光學系統型式如圖9。

圖9 光學原理圖

如圖10，該形式通常通過合像[10,27]形成大于40°×30°的視場，通視視場受到組合器邊緣的影響。F35第一代HMDS亦使用類似的設計，但是由于護目鏡組合器的原因，可以見到護目鏡組合器接口處的一條豎線，影響飛行員觀察和駕駛安全。其產品形式常如圖11所示。

另一種是單圖像源的型式，如F35二代、三代頭盔顯示器，如圖12。

圖10 雙目合像原理及合像示意圖

圖11 雙圖像源合像的常見產品形式

圖12 F35二代頭盔顯示器

該型式目前表現良好。該型式通過護目鏡面罩反射或者在護目鏡內安裝一個組合器反射中繼光學系統轉出的微顯示器的圖像信息，達到人眼，并成像于視網膜。其光學原圖如圖13。由于該型式存在較大的光線折轉，所以，該型式多采用離軸、傾斜設計，且會使用一定量的二元光學元件（BOE）或者全息光學元件（HOE）以保證像質[28-29]。其較一代主要優點是使用相同的圖像源顯示在2個顯示器上，這樣就不存在視場疊加帶來的問題。即將圖像源位置略作調整后，光學系統得到了改善，能滿足較大視場的要求，且通視視場不受光學系統的影響。該型式的缺點即為重量相對較大，加工裝調較困難，多數情況下需要給每個飛行員定制整個頭盔，頭盔的通用性、互換性較差。

圖13 頭盔顯示光學原理圖

3 總結和展望

隨著技術的發展，在有人駕駛戰斗機領域，HMDS技術將得到廣泛的應用。考慮人的承受能力，跟蹤技術的精度，HMDS是否適用的關鍵集中在顯示器件部分的重量，體積，重心的控制，像質的好壞等[30]。因此，研究HMDS技術需要從飛行員的適應性、瞄準跟蹤技術需要的精度，彈射安全的角度來綜合考慮使用哪種顯示技術。現階段，國外較成熟的技術典型的為BAE公司使用光波導技術制造的Q-Sight頭盔瞄準系統，美國F35使用護目鏡型頭盔顯示技術的最新一代頭盔顯示器。從像質來說，護目鏡型式頭盔顯示器占優，但其重量較大，加工，裝調難度大，需要針對飛行員單獨定制。從體積重量上來說，Q-Sight占優，但其像質是靠對顯示器件單色性的較高要求達到的，且視場較小，通視視場受到影響，多使用單目顯示來作為瞄準使用，難以疊加清晰的目標圖像信息。另外，其他的一些產品大多較重，＞1.8kg，不適合高過載的戰斗機，多用于直升機或者運輸機做輔助駕駛和瞄準用。

從頭盔顯示器使用的光學原理和頭部跟蹤技術的原理來說，非浸入式頭盔顯示器的實現途徑有光導式和護目鏡型式2種。而若考慮雙目顯示，則護目鏡式占優。所以，在短期內，護目鏡式頭盔顯示技術將得到較快的發展。而光導式頭盔顯示器受到光學衍射效應的限制，現階段加工技術難以使得光導式頭盔顯示器在比較寬的波段內顯示圖像，且視場較小。相信隨著光學加工技術的進一步發展，這些難題將得到一定程度的解決。

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Summary of Airborne Helmet-mounted Display Optical System

LI Xunniu1,2，ZHANG Zhuping1，ZHEN Weijian1,2，DAI Fugui1，FEN Xiaoyan1

(1.，650223,； 2.,,100081,)

Helmet-mounted display (HMD) technology is one of the key technologies of advanced manned fighter aircraft technology. This article analyzes the helmet display technology research in biodynamic features, head tracking technology and other aspects. The research focuses on the display technology, and analyzes several main optical implementations of see-through helmet-mounted display. A description of each technology is given along with a discussion of its basic theory, key technology，advantages and disadvantages. Finally, the article summarizes the Helmet-Mounted Display System（HMDS）technologies and the outlook.

airborne helmet，helmet-mounted display，see-through helmet-mounted display

TN216

A

1001-8891(2016)06-0486-07

2015-07-26；

2016-01-16.

李訓牛（1984-），碩士，工程師，研究方向：目視光學系統設計、成像光學系統設計，光譜成像技術。