平视显示系统的工作原理及其构架

平视显示系统的工作原理及其构架

发表时间：2018-10-22T14:35:02.683Z 来源：《科技新时代》2018年8期作者：闫思齐赵善禄

[导读] 从HUD诞生起，许多的科研工作者不断地做各方面的研究以达到提升HUD各方面的性能，如在视场角、显示界面等

（1.空军航空大学，吉林长春，130022；2. 空军航空大学，吉林长春，130022）

摘要：从HUD诞生起，许多的科研工作者不断地做各方面的研究以达到提升HUD各方面的性能，如在视场角、显示界面等。HUD的性能随着研究的深入也在不断的提升，这使的HUD己经成为飞机显示系统中必备的显示器件之一。HUD能够提升飞行员的操作效率，尤其飞机执行起飞和降落任务的过程中，因此对HUD的研究有着十分重要的科研意义和实践意义。本文就平视显示系统的构架和原理进行阐述。

关键词：平显系统；准直系统

1平视显示系统系统构架

飞机的平视显示器(HUD)主要是由光学投影系统(组合玻璃、组合透镜、半透半反镜等)、HUD 信息处理器、HUD 像源以及像源控制系统这四部分组成。HUD的工作原理：飞机的飞行参数以及飞行状态，如速度、高度、方向、风速以及方向等，通过航电总线按照航电通信协议传送至 HUD 信息处理器，HUD 信息处理器对这些消息进行处理并将处理后的消息以字符、图像的形式输出至 HUD 像源，HUD 像源上显示这些字符和图像，HUD 像源的 LED 背光经准直后照射在显示屏上，将 HUD 显示屏上的图像信息转换为平行光信号，光信号经过投影装置后成像在组合玻璃的前方。HUD 使得飞行员在保持平视的状态下，同时能够观察到飞行信息和外界环境。HUD 的构架图如图 1-1所示。

图1.1 HUD构架图

HUD 光学系统主要由组合镜和中继镜组组成。飞行员通过组合镜观察外部环境，组合透镜就是将外景和显示图像光线组合在一起供飞行员观察的光学镜片。组合镜片对外景具有很高的透过率，飞行员可以透过组合透镜清楚地观察外景，

显示图像来自 CRT 或数字像源，通过中继光学系统放大并校正像差，并投影到组合镜上，最终反射到飞行员的视野中。由于图像光线被准直，虚拟的显示图像呈现在无穷远处并与验方的外景叠加在一起。

2 平视显示系统成像原理

HUD 光路系统是一种准直光学系统，图像源的显示画面放置在光学系统的有效焦平面，像平面上不同点对应不同的视场，像面上发出的光线经光学系统后成为一束平行光线，人眼观察时感觉来自无穷远处。若把 HUD 光路系统的瞄准线看作一条空间直线，该空间直线能用“两点式”写如下方程：

式 1-2 说明，某一视场光线的空间方向角度由准直光学系统有效焦距、光点在准直光学系统焦平面(像面)上的位置确定。来自焦平面上的点的光线经过准直系统中心时光线方向不会发生变化，称为主光线。其他光线经过光学系统准直后平行于主光线。显示器部分的光学系统为视准式光学系统，显示光路将液晶屏上的图像变换成平行光线，经反射镜和双组合玻璃两次反射后，成像在飞行员正前方。为了使得飞行员同时观察到飞机的飞行信息画面和外界环境，组合玻璃应该是具反射和透射功能的光学玻璃，它的透射率要达到 70%~80%，反射率要达到 30%~20%[1]。像源控制系统的功能是根据飞机的外界光环境来调节 LED 背光源的亮度以及根据外界环境的温度来调节显示屏的温度。HUD 作为一种先进的机载显示器，

3 光学准直系统

所谓激光的准直，就是要改善光束的方向性，压缩光束的发散角；激光的扩束，就是扩大光束的光斑尺寸[21-22]。一种是通过扩大发散角来扩大光斑尺寸，这可以用凹透镜，也可以用凸透镜来实现，另一种是既要求扩大光斑尺寸[23]，又要求有较小的发散角，可以通过倒置的望远镜来实现。对于本文所要设计的扩束准直系统就需要用倒置的望远镜来实现。

由于激光技术的快速发展，光学扩束系统在空间滤波、红宝石激光器的级间隔离、全息照相中的扩束、激光测距仪和激光雷达的发散系统的光源扩束已广泛应用，特别是在新型激光投影显示技术中对激光光源的扩束准直，其作用是改变出射光口径，改善激光束的发散角，使激光束的准直性加强[24]。激光与液晶投影芯片技术相结合，可以获得高效率，高亮度，高分辨和自由焦距的微型投影仪。由于激光

器自身发出的光束口径有限，且具有一定的发散角，因此，对于需要高准直性、大孔径光束的激光投影显示系统来说，激光的扩束准直是十分必要地[25]。倒置的望远镜系统是其常采用的型式。伽利略和开普勒是激光扩束器主要使用的两种类型[26-27]，绝大部分扩束镜采用伽利略望远镜，除非需要在目镜与物镜之间进行空间滤波采用开普勒望远镜。结构尺寸小，镜筒间没有激光束的高能量集中是伽利略望远镜的特点。

参考文献

[1] PMichael H Kalmanash. Digital HUDs for tactical aircraft[C]. Proc of SPIE, 2006, 62250L0-62220L8