基于BOE的HUD折射光學系統改進設計?

李 林 呂鑫燚 郝東升

（海軍航空大學青島校區 青島 266041）

1 引言

平視顯示器（Head Up Display，HUD）自20世紀50年代首次裝備軍用戰斗機以來，迅速在軍用作戰飛機上得到廣泛應用［1-2］，成為現代戰斗機不可或缺的光電瞄準設備。它作為軍用作戰飛機前艙的主顯示器，能夠將顯示控制處理機送來的飛行和作戰信息成像在飛行員正前方無窮遠處，使飛行員在觀察這些信息的同時也能夠觀察外景。光學系統作為HUD的重要組成，直接關系著HUD的整體性能，特別是成像質量這一指標亟待提升以適應現代戰爭作戰任務的不斷升級［3］。

本文應用二元光學元件（Binary Optical Ele?ments，BOE）對HUD折射光學系統進行改進設計，可以簡化光學系統的結構，降低系統的體積、重量，使之小型化，并能顯著提高成像質量［4］。

2 HUD折射光學系統分析

2.1 HUD折射光學系統原理

HUD光學系統的主要任務是在飛行員眼前的組合玻璃處形成清晰、準直的瞄準符號，以輔助飛行員完成戰場態勢評估和對目標實施瞄準攻擊。根據應用的原理不同主要分為折射光學系統和衍射光學系統。典型的折射光學系統結構如圖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：從圖像源發出的光線經前組物鏡、分光棱鏡、反光鏡和后組物鏡、組合玻璃等多組光學元件的折射、透射、反射，最終在飛行員正前方無窮遠處形成與外景疊加的清晰圖像。

圖1 折射式光學系統結構圖

2.2 HMD光學系統設計參數

光學系統決定了HUD的顯示視場指標，還影響成像質量以及觀察的舒適度。由于HUD安裝在在飛行員正前方，其設計不僅要保證良好的光學性能，還要兼顧體積以及布局，設計過程極為復雜。因此，要想構建一個具有良好視覺效果的HUD折射光學系統，還要按照人眼的視覺機制，考慮系統應該滿足的視場、亮度、對比度、畸變、亮度調制傳遞函數各項性能參數要求［5］。

2.2.1 視場（field of view，FOV）

是指觀察者通過光學系統可以觀察到的一個角度范圍。理論上來說，視場越大，能夠顯示的信息數量就越多，也就更加有利于飛行員的作戰觀察。而視場又分為總視場與瞬時視場。

2.2.2 亮度

顯示器的亮度影響著平顯圖像在一定環境亮度下的可視性，只有在足夠的亮度下，才能體現出其它光學參數的意義，如果亮度不足，其它參數沒有任何意義。低亮度的平顯容易出現對比度暗淡的情況，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、光學系統的效率以及組合玻璃的特性。還有一點是，圖像源的發光能量分布于整個平顯的視場上，但是總能量使一定的，所以視場越大，亮度就會越小。實際的圖像亮度是組合玻璃外景光亮度與穿過組合玻璃的圖像亮度的疊加。

2.2.3 對比度

是指顯示畫面上最亮部分Lmax與最暗部分Lmin的亮度之比。如果環境光在畫面上的影響不能忽略，設為L外，那么對比度公式為

2.2.4 畸變

是物像經光學系統（如透鏡、透鏡組、反射鏡等）時發生的能夠清晰成像但是與原物像不完全一樣的現象，是單色像差的一種。這是因為光學系統對高度不同的物像有不同的橫向放大率。以圖2（a）方格網為例，假如橫向放大率隨著物高的增大而增大，則那么就會得到如圖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，則就會得到得到如圖2（c）的圖像，這種畸變叫做負畸變或桶形畸變。而產生什么樣的畸變，與孔徑光闌在光路的位置很有關系。例如將小孔光闌放在凸透鏡和像面之間會產生正畸變，將小孔光闌放在凸透鏡和物面之間會產生負畸變。

圖2 光學系統畸變示意圖

2.2.5 亮度調制傳遞函數

亮度調制傳遞函數MTF是輸出像對比度和與輸入像對比度之比。因為輸出圖像的對比度不會大于輸入圖像的對比度，所以MTF的值在0～1之間。一般情況下，總系統的MTF可以用各個分系統的MTF乘積表示，即：

2.3 HUD折射光學系統分析

從HUD折射光學系統成像原理分析可知，為使圖像源的像呈現在飛行員眼前，同時保證成像質量，前組物鏡、后組物鏡均使用了多個透鏡等光學元件。從HUD折射光學系統設計參數分析，數量眾多、功能多樣的光學元件應用，保證了參數的優越，但同時卻使光學系統的體積、重量不斷增大［6，7］，占據了寶貴的座艙空間，十分不利于戰機的座艙布置。

因此，在給定設計參數的前提下，為優化HUD折射光學系統整體結構，需要進一步優化設計光學系統。在保證成像質量的前提下，最大限度減小HUD的體積、重量，以節約寶貴的座艙空間。

3 BOE應用于HUD的可行性分析

BOE是指基于光波衍射原理，在基片上刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮雕結構，以形成純相位、同軸再現并具有高衍射效率的一類光學元件［8］。它在實現光波相位變換上具備獨特的優異性能，為光學系統微型化、陣列化和集成化的實現提供了有力條件，而且其表面浮雕相位結構能進一步使不同波長的光產生偏轉而聚焦，能有效校準像差與色差，提高透鏡成像質量［9～10］。

BOE作為一種新穎的光學元件，具有突出的優點［11～12］：

1）BOE擁有正光焦度，透鏡的表面曲率更小，從結構上改善了單色像差；

2）BOE無匹茲伐場曲；

3）BOE可對圖像畸變進行有效校正，特別是在較大視場情況下，較傳統光學元件優勢明顯［13～14］；

4）使用BOE代替透鏡組會減少鏡片數量，有利于減輕重量以及優化光學系統的結構。

因此，用BOE替代HUD折射光學系統中的傳統光學元件，在不更改HUD折射光學系統構型的前提下，可以使HUD折射光學系統擁有更加緊湊的結構、更小的重量和更加優越的性能。

4 基于BOE的HUD折射光學系統改進設計

圖1所示的折射式光學系統結構中，分光棱鏡的作用是透綠反紅，反光鏡是一塊用于折轉系統光軸的平面光學玻璃元件，為方便研究可簡化為等效結構圖（如圖3）。為方便觀察，可將其設置為圖4所示的框線圖。

圖3 簡化后光學系統結構示意圖

圖4 簡化后光學系統結構框線圖

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），在優化函數中加入有效焦距以及垂軸色差函數。為了在不改變焦距的前提下消除色差，進一步優化BOE中的二次相位次數與球面曲率。

圖5 加入BOE的光學系統結構圖

圖6 加入BOE的光學系統框線圖

從光學系統的前后對比來看，加入BOE元件之后，光學系統整體結構更為緊湊，整體長度縮短，體積減小。而且，由于前、后組物鏡分別被數量更少的BOE元件代替，重量也會減小。同時，從成像效果方面來看，由于焦距變小，HUD的視場得到進一步增大。

從折射光學系統與二元光學系統的成像質量出發，將二者的調制傳遞函數、畸變和垂軸像差對比分析，如圖7～8所示，其中（a）為折射光學系統的參數示意圖，（b）為二元光學系統的參數示意圖。經對比可知，二元光學系統的MTF曲線更加平滑趨近于1，較傳統光學元件有明顯的成像質量優勢。使用BOE后，光學系統的最大畸變也由-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范圍相對較小，像差也有所改善。

圖7 調制傳遞函數對比

圖8 場曲和畸變對比

圖9 垂軸像差對比

綜上，基于BOE對傳統折射式光學系統進行改進設計，可以在保證成像質量的前提下，有效簡化光學系統的結構，從而減輕HUD的體積與重量。

5 結語

針對傳統的HUD折射光學系統在體積、重量和成像質量等方面存在的不足，結合其在小型化、輕型化和高質化的發展需求，將BOE引入HUD折射光學系統進行改進設計。通過參數與成像質量對比，驗證了利用BOE進行改進設計的有效性，從而使HUD折射光學系統達到較為理想的設計效果，使之結構更緊湊、重量更輕、成像效果更好。