便攜式發射裝置的微型顯示器研究*

黃燕群，方 帆，陳錫春,王爽英，郭雨華

(1 西安現代控制技術研究所, 西安 710065; 2 32382 部隊， 北京 100000；3 西安北方光電科技防務有限公司， 西安 710043)

0 引言

便攜式制導武器[1]的應用前景廣闊，如美國標槍[2]及以色列長釘[3]導彈武器系統，此類型武器系統由導彈和地面便攜式發射裝置兩大分系統組成。使用時士兵目視便攜式發射裝置上的微型顯示器，操作手柄按鍵偵察和執行導彈發射任務。微型顯示器承擔了武器系統的信息顯示功能，是系統的關重件之一。

鑒于便攜式武器重量體積有嚴格要求，顯示器常用單目微型顯示器[4]來實現。以往微型顯示器常由黑白OLED顯示模組、目鏡光學放大系統、目鏡筒及鏡座等組成，視頻信號通過接插件送到顯示模組上顯示；且光學儀器的視頻圖像常用PAL制式，如紅外熱成像的分辨率為388×288；電視成像以PAL制式視頻格式輸出，此時用黑白分辨率800×600的微型顯示器顯示視頻圖像，可無損顯示。

近年，高清探測器在便攜式武器裝備中逐漸推廣，如1280×1024分辨率的非制冷型紅外熱成像[5]，配合大孔徑紅外光學系統后可滿足單兵裝置使用要求；同時電視組件1280×1024的CCD探測器也在廣泛地應用，以往分辨率800×600的單目微型顯示器已不能充分顯示圖像，需采用壓縮顯示，將損失圖像細節降低了像質。

文中根據便攜式發射裝置的發展需求，研究一種便攜發射裝置微型顯示器的設計方法，及樣機試制。微型顯示器以彩色OLED顯示芯片為核心，支持(1280×1024)像素彩色圖文信息視頻源輸入；顯示芯片前端匹配了倍率為12倍光學放大系統，圖像畸變小，成像清晰，適合不同視力人群觀察使用。

1 技術方案

依據便攜式發射裝置的功能特點進一步細化了顯示器的技術參數，其功能和指標應滿足以下要求：

a)單目成像，畫面清晰流暢不卡滯，無殘留影像，無盲點；支持彩色數字視頻信號，分辨率(1280×1024)像素，支持30～60幀頻數字視頻輸入，預留通訊接口，可調節圖像對比度。

b)視度可調，設置轉動手輪。

c)結構緊湊氣密防塵，自帶眼罩防漏光，低溫不結霜。

微型顯示器設計前應確定光學系統參數，且在設計過程中需考慮使用對象的具體工況，如士兵佩戴鋼盔，特殊情況還佩戴防毒面具，及眼罩的壓縮距離等具體情況。微型顯示器的出瞳距離應考慮上述因素，過小不能觀察圖像；距離過長則將降低視場角，目標圖像在人眼成像過小，易丟失目標細節；適當的視場角開闊了眼睛視野有利于觀察，但視場角數值過大可能導致圖像的枕形畸變、失真，影響眼睛的舒適度。

參考國軍標[6]中微光瞄準鏡目鏡系列參數，微型顯示器的目鏡光學系統主要參數如下所述：

1)出瞳直徑D′≥Ф6 mm；

2)出瞳距離l′z≥20 mm；

3)焦距f′≥20 mm;

4)畸變系數≤4%；

5)視度調節范圍為±4°。

1.1 光學系統設計

在便攜式發射裝置上采用單目鏡，其主要優點是重量輕、體積小、成本低；單目鏡系統也適合應用于槍械、導彈發射筒的成像系統中。

在微型顯示器光學系統中OLED顯示屏處在目鏡的物方焦平面處，光學成像系統對所顯示的圖像進行放大，并將其成像在無窮遠供人眼觀察。觀察使用時人眼與目鏡的出瞳重合，出瞳位置在目鏡的像方焦平面附近。

微型顯示器的光學特性參數[7]主要有焦距f′、像方視場角2w′、工作距離l及出瞳距l′z。

1.1.1 焦距和放大倍數

選用的OLED顯示屏主要物理尺寸參數為：1)彩色OLED顯示屏；2)視場分辨率1280×1024；3)顯示尺寸11.94 mm×9.56 mm；4)物理像素尺寸9.3 μm。

經過目鏡需滿足正常人眼睛能對9.3 μm×9.3 μm的OLED像素進行臨界分辨，并對像素清晰成像；而人眼睛張角大于眼鏡分辨率1′時才能正常分辨。因此，人眼直接觀察OLED時其單個像素對眼睛的張角為：

ω0=arctan(y/D)=arctan(0.0093 / 250)= 0.13′

式中:y=9.3 μm為OLED單個像素邊長，D=250 mm為人眼明視距離，計算結果小于1′，不能被人眼正常分辨，需借助目鏡進行觀察。

綜合考慮視場角、出瞳直徑、出瞳距離、目鏡放大率等因素，目鏡的放大倍率為：

Γ=250/f′=12.5×

OLED單個像素通過該目鏡后對人眼所成張角為：ω0=arctan(?！?y/D))=1.60′>1′滿足人眼觀測需求，因此可得焦距f′=20 mm。

出瞳距指出瞳到目鏡最后一面頂點的距離，即觀察時眼瞳的位置，目鏡的出瞳與人眼瞳的大小有關，由于軍用目視儀器需要加眼罩或防毒面具，通用取值大于等于20 mm。

1.1.2 目鏡視場的計算

如果增大系統的放大率或者增大系統的視場角都會使目鏡的視場角增大,這會涉及到結構的選取和像差的校正問題,由于目鏡視場角一般比較大,目鏡的軸外像差校正是像差設計的重點,用于觀測的目鏡其出瞳應該在結構的外面,軸外視場的光線在目鏡各面上的投射高度較大,給像差的平衡增加了一定的難度。目鏡的視場角在40°～50°,廣角目鏡的視場可達60°～80°,而一些特廣角目鏡的視場角可達90°以上。

OLED顯示芯片物理尺寸為11.94 mm×9.56 mm，放光面尺寸的對角線loled尺寸為15.30 mm。

目鏡視場計算為：

2ω′=2arctan(loled/ 2f′)

將數據代入上式可得：2ω′=41.8°，此時選用的放大倍數為12×,若取值10×，視場角為34°，文中目鏡系統的視場為41.8°。

1.1.3 目鏡分辨率計算

目鏡分辨率為：

α=140″×(K/D)

式中：K為修正系數取值1.4；軍用儀器的出瞳直徑較大，D為出瞳直徑取11 mm，代入式子計算得α= 32.7″。

1.1.4 視度計算

目鏡應該有視圖調節的能力適應近視眼和遠視眼使用，目鏡的光學系統安裝于目鏡筒中，通過多頭目鏡螺紋與目鏡座聯接；利用隨目鏡筒、手輪整體轉動的視度圈指示視度，調整與物方焦平面上OLED芯片的位置，實現視度調節功能，由公式：

x=(N×f′2)/1000

式中：f′為焦距；N為視度范圍取±4°；N=8°，計算得x的值為3.2 mm，旋轉目鏡筒的軸向活動范圍為3.2 mm，目鏡視度圈的分劃值計算公式為：

β=360°×f2×N/(1000×t×n)

式中：t為多頭螺紋的螺距；n為多頭螺紋的頭數。視度圈的值需要根據螺紋的實際情況而定，目鏡的工作距離l即目鏡第一面頂點到物方焦平面的距離，一般物鏡的像在目鏡的物方焦平面附近，而目鏡的工作距離必須滿足大于5個屈光度。

1.1.5 目鏡光學設計

經過上述的計算，目鏡光學系統的主要參數如下：焦距20 mm；出瞳直徑Φ6 mm；出瞳距離20 mm。視場為41.8°；放大倍數12×；視度移動的距離為5 mm。

在設計目鏡光學系統時,按照逆向光路計算,就是將實際的出瞳作為逆向光路的入瞳,假設目鏡對無窮遠的目標成像,在目鏡的焦平面上衡量像質。

根據技術指標要求,對該目鏡光學系統做了細致的分析和研究,選定凱涅爾光學模型結構, 目鏡光學系統為6片5組如圖1所示，利用ZeMAX光學設計軟件對設計參數進行系統性的優化。

圖1 光學系統主光線成像圖

圖1中子午、弧矢光線的像差曲線,從圖中可知像差很小滿足設計要求。

目鏡的所有視場子午、弧矢光學的調制傳遞函數的軟件仿真如圖2所示，該目鏡在空間頻率為40線對/mm時，傳遞函數的值達到0.5以上,全視場范圍達到0.4以上。

圖2 目鏡光學調制傳遞函數

彌散斑如圖3所示點列圖,表明該設計滿足要求?；兦闆r如圖4所示，其畸變系數小于4%。

圖3 目鏡彌散圖

圖4 光學系統畸變

圖中場曲和畸變控制在合理的范圍之內。

1.2 OLED[8]顯示電路模塊

顯示器的OLED顯示模塊安裝在目鏡的后端，OLED芯片靶面處于物方焦平面位置，用于顯示視頻圖像，外部的視頻信號通過接插件連接傳輸。

顯示器中核心器件OLED集成亞像素金屬陽極、多層OLED發光薄膜、透明陰極(公共極)、復合高密度密封薄膜、RGB彩色過濾層等如圖5所示，并貼裝上玻璃保護蓋片，最后再與PCB背板互聯封裝后制備而成，器件的結構示意如圖6所示。

圖5 OLED結構示意圖

圖6 芯片PCB背板

每個像素點由3個亞像素點構成，其每個像素的尺寸、發光面積與顯示面積的占空比、顯示區域尺寸、發光效率要高于彩色顯示器。

1.2.1 硬件電路

OLED發光芯片由北方奧雷德光電科技股份有限公司生產，OLED顯示模塊電路通常采用模塊化設計，分成兩個電路板，一是驅動電路板，二是視頻解碼電路板。

驅動電路板頂層功能結構如圖7所示。提供數字視頻信號接口、數字伽瑪矯正、色飽和度調整、灰度映射、行列掃描、像素驅動陣列、兩線串行通信接口、可編程控制邏輯單元、溫度傳感器，其時序如圖8所示。

圖7 芯片接口框圖

圖8 顯示芯片驅動時序

視頻解碼電路板利用小封裝的CPLD或SOC控制芯片，設置顯示芯片參數、視頻解碼芯片及與外部串口通信；電源DC/DC模塊進行電壓轉換。

文中視頻輸入為DVI視頻，采用TFP401芯片[9]接收視頻端的視頻解碼，將DVI串口數據解碼成并行24位圖像數據，視頻的行、場、消隱、數據有效等信號，并送至驅動電路板進行控制顯示圖像，此過程數字視頻信號傳輸避免不必要的A/D、D/A環節。

1.2.2 軟件協議

微型顯示器通過視頻解碼電路板的控制芯片與外部電氣進行異步串口通訊，調節亮度、對比度等參數，采用特定的波特率和數據格式通訊設置參數，具體命令要求(包括：對比度、亮度查詢設置；紅綠藍的顏色色溫查詢設置)需查閱資料，用串口傳輸。通信數據格式如下所示:

1)第1字節：起始標志 FAH；

2)第2字節：數據長度n-2；

3)第3～n字節:3，4字節為指令字節值，5～n字節為數據；

4)第(n+1),(n+2)字節：內容為第3,4,…,n-1，n字節的累加和所對應的ASCII值，只保留一個字節；

5)第(n+3)字節：結束標志F5H。

1.2.3 殘影效應[10]

OLED有機發光具有壽命衰減的特性，其中發光亮度高的單元比發光亮度低的單元壽命衰減快。長時間、高亮度、高對比度顯示靜態畫面，可導致不同發光亮度單元在恢復到同樣工作條件下時，發光亮度產生較大差異，從而導致“負相”殘影效應，原來發光亮度高的區域由于壽命衰減較快，發光亮度偏暗；原來發光亮度低的區域由于壽命衰減較慢，發光亮度偏亮。在典型狀態下，發光亮度(100～220)cd/m2，持續顯示30～60 min的靜態畫面就有可能出現輕微的殘影現象。

便攜式發射裝置的視頻界面往往疊加固定數字或觀瞄線；且工況中就會出現工作時間大于1 h的情況，因此出現殘影的幾率較大，出現殘影將影響觀察，避免殘影的出現從以下方面著手：

1)避免長時間待機，控制顯示時間；

2)設計圖像界面時，避免固定位置顯示高灰階的文字或菜單，采用半灰階或定時消隱等手段降低顯示亮度；

3)避免顯示器在高亮度條件下工作。

當出現殘影時，嚴重殘影將導致顯示器產生不可恢復的痕跡；產生輕微殘影時，可將顯示器工作于全白光模式，并適當增加亮度，維持數分鐘后即可消除。

2 系統結構

2.1 整機結構

微型顯示器的組成圖如圖9所示。

1-OLED顯示模組；2-目鏡筒座；3-限位銷；4-視度刻度圈；5-轉動手輪；6-橡膠眼罩；7-光學零件；8-光學鏡座；9-密封圈；10-電路板后蓋；11-接插件。圖9 微型顯示器結構示意圖

在目鏡筒座中間位置安裝限位銷如圖9中3所示，限制手輪調節螺紋的行程范圍，避免零件脫落；圖9中1的OLED模組電路板用螺釘固定在目鏡筒座的后端處，用電路板后蓋蓋住，電氣連接通過圖中的11接插件實現。

2.2 密封結構設計

便攜式武器特別適用于隱蔽性強的潮濕叢林或沙漠地區，微型顯示器通常會外露一部分，如果外面的雨水或沙塵進入內部，將會導致光學零件發霉，產品無法使用，因此密封性設計和充氣結構是必須考慮的問題，產品裝配時充入高純度的氮氣，防止霉變。

2.3 轉動手輪

轉動手輪用于調節視力，滿足不同視力的使用；順時針方向旋轉視度手輪為調節負視度，逆時針方向旋轉為調節正視度。

在目鏡設計過程中,應考慮目鏡視度調節機構的人機工程和密封性,提高調節的目鏡螺紋的公差精度和表面光潔度,并在配合鏡框處用橡膠圈密封,讓使用者旋轉視度手輪時手感順滑、無滯感。

轉動圓圈上帶刻度線和數字，標志清晰，轉動手輪部位帶手把及止滑結構，適合單手操作，轉動力度適中，滿足全溫范圍下的使用。

2.4 眼罩

微型顯示器與眼睛接觸部位應安裝擠壓式軟性航空橡膠眼罩，起到緩沖保護眼睛的作用，同時起到防塵、防漏光的作用。眼罩材料選用黑色航空工業橡膠,需滿足在高低溫工作仍能保持較好的彈性。頂開眼罩力度適中，觀察時不遮擋屏幕圖像，產品的實物圖如圖10所示。

圖10 微型顯示器

3 結束語

根據設計要求，研究了高清彩色微型顯示器的設計方法和樣機加工，樣機支持分辨率為1280×1024的數字高清彩色顯示，產品采用12倍的光學放大系統，其主要的光學參數焦距為20 mm，出瞳距離為20 mm，視場角為41.8°，系統畸變系數小于等于4%，用手輪結構調節視度范圍，實現了高清圖像的顯示功能，產品總重250 g，總長55 mm(包含眼罩)，法蘭盤安裝直徑Φ45 mm，微型顯示器其性能滿足設計技術指標要求，重量輕、體積小，成像清晰，適合于批量裝備使用。