头盔显示器光学系统小型化设计＊

段 庸，王 巍，费 冰，杜 妍

（长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022）

引 言

上世纪60年代，美国提出了头盔瞄准具（helmet mounted sight）的概念，其设计目的是为了解决平视场显示器在使用过程中操作复杂的问题。头盔瞄准具的提出给飞行员带来了新的飞行感受，飞行员在高空操作飞机时，在发现目标时不需调整飞行方向，只调整头部运动就可以对目标进行瞄准和打击。上世纪70年代末，第一次提出了头盔显示器的感念，其设计理念是将平视场显示器安装在飞行员头盔上，其功能是可以让飞行员实时地感知外界环境的变化，并及时作出相应反应。1973年，第一台头盔显示器研发成功，并在当年就通过了检测，而且还应用在了美国当时的主站飞机上。其先进的性能引起了世界各国的注意，头盔显示器的诞生给天空作战带来了新的技术革命，飞行员不必再操作繁琐的瞄准系统，不必在临近目标时进行飞机调整，更不必再低头或是左右观看飞机显示表，因为各项性能指标和瞄准系统都集中在了头盔显示器当中，飞行员可以在观察外界景物的同时获得相应的数据，明显地提升了飞行员的作战能力［1－6］。

头盔显示器突出的优势使它在短短几年内就成为了现在战争的先进设备，在战争设备优越性决定战争胜负的今天，需要加强对主要核心设备的研发和优化，头盔显示器已经成为现代化空军作战的核心设备。我国对头盔显示器光学系统的研究也在传统头盔显示器的基础上得到了加强。文中对头盔显示器光学系统小型化开展设计、研究。

1 头盔显示器一般设计方法

1.1 基本结构组成

头盔显示器的基本结构主要由图像源，显示设备，头盔体和跟踪系统4个部分组成。图像源是主要产生信息和字符的电子设备；显示设备是头盔显示器的主要输出设备，其显示的数据和信号可以给使用人员进行分析和参考；头盔盔体是装配整体系统的主体结构，也可以对系统的电子设备进行保护和支撑；跟踪系统主要有电子传感器组成，其功能强大，是该系统的主要部分之一［7］。

1.2 光学系统组成

头盔显示器的技术核心是其光学系统。一般在设计该光学系统的时候，必须首先考虑结构简便，系统小，视场大的设计方案。再根据实际的需要进行各项性能的改进。

头盔显示器光学系统由四个部分组成：图像源，中继系统，目镜系统，合成镜。工作原理如图1所示：图像源发出的信号经过中继系统后成像，其像再经过目镜系统投射在合成镜处，合成镜一般镀有半反半透膜，可以把图像源信号跟外界景物信号合成进入系统，在系统出瞳位置成像。

人眼在出瞳1处可以接收到6图像源的图像，也可以通过合成镜2看到外界景物。因为合成镜是带有曲率的半透半反镜，所以像面3是倾斜的，图像源6也需要倾斜放置。

图1 头盔显示器光学系统Fig.1 Helmet mounted display optical system

1.3 设计要求

出瞳直径：10mm；眼点距：25mm；视场角：40°（H）×30°（V）；分辨力：33.3lp／mm 空间频率处的MTF值大于0.1；有效焦距：49mm；波长：540～560nm。

2 小型化设计方法和设计的光学结构

2.1 小型化设计方法

头盔显示器光学元件多，结构复杂。不但体积大，而且重量也随着系统镜片的增多而不断加大。这样就给飞行员的佩戴带来了很多问题，比如佩戴起来感觉拥挤和笨重。离轴系统中包括图像源在内的大部分元件都有倾斜，而且系统反射面和众多的透镜引起系统的透过率和反射率降低。所以在设计光学系统时要考虑以上因素，在保证系统成像质量的前提下尽量简化系统，减小体积。

为了既符合设计参数而又达到系统整体结构的最优化目的，需从系统的光学元件和系统结构等方面进行改进。一般常用的小型化设计方案有：（1）利用护目镜改进头盔显示器光学系统结构；（2）利用自由面型棱镜改进头盔显示器的光学系统结构；（3）利用自由曲面改进头盔显示器光学系统；（4）利用衍射元件改进头盔显示器光学系统；（5）利用全息光学系统改进头盔显示器。在设计中，如何运用以上方法进行小型化设计，要根据具体的要求和具体的问题分析设计。

2.2 光学系统结构

图2 最初的光学系统结构Fig.2 Optical system of initial design

对光学系统的光路分析和像质评价都采用和光路相反的方式，其中设计的光路根据图2分析如下：系统入瞳位置发出的光线经过合成镜反射后进入透镜组，合成透镜是自由曲面面型，用来校正系统像差；光线通过合成镜进入中继系统，中继系统的第一块透镜是个正场镜，用来压缩光束的口径，控制系统尺寸，正场镜第一面是非球面，用来校正系统像差，减小镜片的倾斜，简化系统复杂度；系统其它各面型都为标准球面。系统正透镜玻璃为冕牌玻璃，棱镜玻璃材料为火石玻璃。

2.3 系统小型化设计和像差校正方法

2.3.1 非球面

非球面指不能用一个半径确定的面型，包括旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面。非球面在光学系统中的应用有很多的优点：可以减少系统元件，可以减小系统倾斜，更可以校正系统除场曲外的各种像差。而且一个系统往往因为非球面的加入，使得其成像质量有了质的飞跃。设计中就是在中继系统的第一面加入非球面，以校正系统高级像差和减小中继的倾斜。

2.3.2 自由曲面

自由曲面是根据现代光学设计要求发展的一种新型光学元件，其设计理念是可以构造任意形状光学表面。自由曲面的应用可以很好地校正系统像差，简化系统，达到系统小型化的目的，设计中，合成镜为自由曲面。

3 设计结果与分析

3.1 光学传递函数

光学传递函数评价法，是现在最常用最方便的光学系统成像质量评价方法。用光学传递函数进行光学系统成像质量评价时，是把被评价物体看成是由频率谱线组成的，把物体的光场分布函数展开为傅里叶级数的形式。被评价物看成是线性系统时，其经过光学系统后它的频率不变只是对比度产生了变化，相位也产生了变化。这种对比度的变化和相位的变化是根据频率发生改变的，其线性的函数关系就是光学传递函数。这种评价方法客观可靠，能够应用在各类光学系统像差的评价当中。

系统优化后的MTF曲线，如图3所示。

图3 系统优化后的MTF曲线Fig.3 MTF curve of the system after optimization

系统优化后的结构图，如图4所示。

3.2 结果分析

由MTF曲线图和优化后的系统结构可以看出系统满足设计要求，可以达到使用要求即：33.3lp／mm频率处的MTF大于0.1；系统结构紧凑，使用镜片数量少，镜片薄厚适当，间距合理，满足头盔显示器光学系统小型化设计要求。

4 结 论

头盔显示器在现代化军事和民生上都有广泛的应用，通过对头盔显示器历史和发展的研究，在其传统结构的基础上，根据现代光学设计理论，提出了对头盔显示器光学系统小型化设计的研究方向，并应用最新的光学设计理念与相关研究成果，对头盔显示器进行了细致和严谨的讨论研究，最后经过设计完成了对系统小型化设计的要求目标。该设计成果将为今后的进一步研究打下了基础。

图4 光学系统结构Fig.4 Structure of optical system

［1］HYA H，GAO C Y.A polarized head－mounted projective display［C］∥IEEE proceedings of the international symposium on mixed and augmented reality.Vienna：IEEE，2005：32－35.

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［3］TAKAGI A，YAMAZAKI S，SAITO Y，et al.Development of a stereo video see－through HMD for AR systems［C］∥IEEE Proceedings of ISAR，Munich：IEEE，2000：68－77.

［4］BARTLETT C T.Application of alternative display devices to helmet mounted displays［J］.SPIE，1997，3058，153－164.

［5］FERRIN F J.Current issues in helmet mounted display systems for military applications［J］.SPIE，1998，3362：71－79.

［6］BURNETT G M，HOOVER J L，RACINE M S，et al.Human system integration considerations for tactical head mounted displays［J］.SPIE，2010，7688：768－802.

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