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李 林 吕鑫燚 郝东升
（海军航空大学青岛校区 青岛 266041）
平视显示器（Head Up Display，HUD）自20世纪50年代首次装备军用战斗机以来，迅速在军用作战飞机上得到广泛应用［1-2］，成为现代战斗机不可或缺的光电瞄准设备。它作为军用作战飞机前舱的主显示器，能够将显示控制处理机送来的飞行和作战信息成像在飞行员正前方无穷远处，使飞行员在观察这些信息的同时也能够观察外景。光学系统作为HUD的重要组成，直接关系着HUD的整体性能，特别是成像质量这一指标亟待提升以适应现代战争作战任务的不断升级［3］。
本文应用二元光学元件（Binary Optical Ele⁃ments，BOE）对HUD折射光学系统进行改进设计，可以简化光学系统的结构，降低系统的体积、重量，使之小型化，并能显著提高成像质量［4］。
2.1 HUD折射光学系统原理
HUD光学系统的主要任务是在飞行员眼前的组合玻璃处形成清晰、准直的瞄准符号，以辅助飞行员完成战场态势评估和对目标实施瞄准攻击。根据应用的原理不同主要分为折射光学系统和衍射光学系统。典型的折射光学系统结构如图1所示，主要由前组物镜、分光棱镜、反光镜、后组物镜、组合玻璃等组成。其成像原理为：从图像源发出的光线经前组物镜、分光棱镜、反光镜和后组物镜、组合玻璃等多组光学元件的折射、透射、反射，最终在飞行员正前方无穷远处形成与外景叠加的清晰图像。
图1 折射式光学系统结构图
2.2 HMD光学系统设计参数
光学系统决定了HUD的显示视场指标，还影响成像质量以及观察的舒适度。由于HUD安装在在飞行员正前方，其设计不仅要保证良好的光学性能，还要兼顾体积以及布局，设计过程极为复杂。因此，要想构建一个具有良好视觉效果的HUD折射光学系统，还要按照人眼的视觉机制，考虑系统应该满足的视场、亮度、对比度、畸变、亮度调制传递函数各项性能参数要求［5］。
2.2.1 视场（field of view，FOV）
是指观察者通过光学系统可以观察到的一个角度范围。理论上来说，视场越大，能够显示的信息数量就越多，也就更加有利于飞行员的作战观察。而视场又分为总视场与瞬时视场。
2.2.2 亮度
显示器的亮度影响着平显图像在一定环境亮度下的可视性，只有在足够的亮度下，才能体现出其它光学参数的意义，如果亮度不足，其它参数没有任何意义。低亮度的平显容易出现对比度暗淡的情况，甚至可能在明亮的光照情况下看不到图像。亮度取决于图像源的亮度、光学系统的效率以及组合玻璃的特性。还有一点是，图像源的发光能量分布于整个平显的视场上，但是总能量使一定的，所以视场越大，亮度就会越小。实际的图像亮度是组合玻璃外景光亮度与穿过组合玻璃的图像亮度的叠加。
2.2.3 对比度
是指显示画面上最亮部分Lmax与最暗部分Lmin的亮度之比。如果环境光在画面上的影响不能忽略，设为L外，那么对比度公式为
2.2.4 畸变
是物像经光学系统（如透镜、透镜组、反射镜等）时发生的能够清晰成像但是与原物像不完全一样的现象，是单色像差的一种。这是因为光学系统对高度不同的物像有不同的横向放大率。以图2（a）方格网为例，假如横向放大率随着物高的增大而增大，则那么就会得到如图2（b）的图像，这种畸变叫做正畸变或枕形畸变；
假如横向放大率随物高的增大而减小，则就会得到得到如图2（c）的图像，这种畸变叫做负畸变或桶形畸变。而产生什么样的畸变，与孔径光阑在光路的位置很有关系。例如将小孔光阑放在凸透镜和像面之间会产生正畸变，将小孔光阑放在凸透镜和物面之间会产生负畸变。
图2 光学系统畸变示意图
2.2.5 亮度调制传递函数
亮度调制传递函数MTF是输出像对比度和与输入像对比度之比。因为输出图像的对比度不会大于输入图像的对比度，所以MTF的值在0～1之间。一般情况下，总系统的MTF可以用各个分系统的MTF乘积表示，即：
2.3 HUD折射光学系统分析
从HUD折射光学系统成像原理分析可知，为使图像源的像呈现在飞行员眼前，同时保证成像质量，前组物镜、后组物镜均使用了多个透镜等光学元件。从HUD折射光学系统设计参数分析，数量众多、功能多样的光学元件应用，保证了参数的优越，但同时却使光学系统的体积、重量不断增大［6，7］，占据了宝贵的座舱空间，十分不利于战机的座舱布置。
因此，在给定设计参数的前提下，为优化HUD折射光学系统整体结构，需要进一步优化设计光学系统。在保证成像质量的前提下，最大限度减小HUD的体积、重量，以节约宝贵的座舱空间。
BOE是指基于光波衍射原理，在基片上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，以形成纯相位、同轴再现并具有高衍射效率的一类光学元件［8］。它在实现光波相位变换上具备独特的优异性能，为光学系统微型化、阵列化和集成化的实现提供了有力条件，而且其表面浮雕相位结构能进一步使不同波长的光产生偏转而聚焦，能有效校准像差与色差，提高透镜成像质量［9～10］。
BOE作为一种新颖的光学元件，具有突出的优点［11～12］：
1）BOE拥有正光焦度，透镜的表面曲率更小，从结构上改善了单色像差；
2）BOE无匹兹伐场曲；
3）BOE可对图像畸变进行有效校正，特别是在较大视场情况下，较传统光学元件优势明显［13～14］；
4）使用BOE代替透镜组会减少镜片数量，有利于减轻重量以及优化光学系统的结构。
因此，用BOE替代HUD折射光学系统中的传统光学元件，在不更改HUD折射光学系统构型的前提下，可以使HUD折射光学系统拥有更加紧凑的结构、更小的重量和更加优越的性能。
图1所示的折射式光学系统结构中，分光棱镜的作用是透绿反红，反光镜是一块用于折转系统光轴的平面光学玻璃元件，为方便研究可简化为等效结构图（如图3）。为方便观察，可将其设置为图4所示的框线图。
图3 简化后光学系统结构示意图
图4 简化后光学系统结构框线图
将其中平凸透镜以及后组物镜的双胶合透镜用BOE所取代（如图5、图6），在优化函数中加入有效焦距以及垂轴色差函数。为了在不改变焦距的前提下消除色差，进一步优化BOE中的二次相位次数与球面曲率。
图5 加入BOE的光学系统结构图
图6 加入BOE的光学系统框线图
从光学系统的前后对比来看，加入BOE元件之后，光学系统整体结构更为紧凑，整体长度缩短，体积减小。而且，由于前、后组物镜分别被数量更少的BOE元件代替，重量也会减小。同时，从成像效果方面来看，由于焦距变小，HUD的视场得到进一步增大。
从折射光学系统与二元光学系统的成像质量出发，将二者的调制传递函数、畸变和垂轴像差对比分析，如图7～8所示，其中（a）为折射光学系统的参数示意图，（b）为二元光学系统的参数示意图。经对比可知，二元光学系统的MTF曲线更加平滑趋近于1，较传统光学元件有明显的成像质量优势。使用BOE后，光学系统的最大畸变也由-6.7%变化为4.9%，有明显改善。垂轴像差曲线在纵轴方向的波动范围相对较小，像差也有所改善。
图7 调制传递函数对比
图8 场曲和畸变对比
图9 垂轴像差对比
综上，基于BOE对传统折射式光学系统进行改进设计，可以在保证成像质量的前提下，有效简化光学系统的结构，从而减轻HUD的体积与重量。
针对传统的HUD折射光学系统在体积、重量和成像质量等方面存在的不足，结合其在小型化、轻型化和高质化的发展需求，将BOE引入HUD折射光学系统进行改进设计。通过参数与成像质量对比，验证了利用BOE进行改进设计的有效性，从而使HUD折射光学系统达到较为理想的设计效果，使之结构更紧凑、重量更轻、成像效果更好。
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