漫谈广角全息平视显示器

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1、漫谈广角全息平视显示器打开文本图片集作战飞机尤其是战斗机的座舱设计一直是飞机设计的关键。随着 作战飞机性能的不断提高、作战任务的日趋复杂和机载电子设备的迅 速增加，提供给飞行员的信息呈爆炸性增加。尽管飞机上的仪表越来 越完善，飞行员借助仪表不看外界就能驾驶飞机，但是在允许的条件 下特别是进场着陆和攻击目标时，很少有哪个飞行员会放弃直接观察 外界的任何机会。这种情况在战斗机和攻击机飞行员中表现得尤为突 出。在遂行作战任务当中，这些飞行员必不可少地要目视搜索、跟踪、 瞄准和攻击目标，而且观察舱外可以迅速、直观地了解战区概况和敌 我态势。不过，飞行员目测很难获得精确信息，要是在以前，飞行员 想准确掌

2、握某些数据还不得不低头观看座舱内的仪表显示。其视线不 断从目视外界转移到观察座舱仪表，然后再转而目视机外。由于人体 生理机能的限制，从观察座舱仪表到观察外界时，眼球聚焦需要调整， 以适应视距和亮度的变化，在约0.8秒的瞬间看不清目标:反之亦然。 这就产生了内视与外视的矛盾。这种矛盾随着飞机性能提高、任务复 杂和仪表数量的增多而越来越尖锐。对于低空高速飞行的单座战斗机 和攻击机来说，不但会丧失战机，还有可能危及飞行安全。为了解决这个问题，20世纪50年代中期，英、美两国开始研究 利用阴极射线管（cRT）作为光电显示仪表而取代第二次世界大战期 间出现的反射式射击瞄准具，其结果就是60年代出现的平视

3、显示器 （HUD）。从准直平显到广角平显经过数十年的发展，平显已经是现代作战飞机座舱显示系统的关 键设备，在座舱显示系统和火控系统中居于中心地位，与其他电子显 示器组成综合电子显示系统，成为综合航空电子系统的组成部分。在 战斗机与攻击机中，可以没有阴极射线管多功能显示器（MFD）或液 晶显示器（LCD）,但不能没有平显。因为平视显示器是实现飞行员平 视飞行、握杆操纵（HOTAS）的关键设备。从20世纪60年代后期服 役的F-111D战斗轰炸机一直到世界上第四代战斗机F-22,均装备有 这种电子显示仪表。传统的准直平视显示器运用被称作“准直”的折射原理，透镜系统 产生的显示符号的准直图像，通过玻

4、璃显示屏反射到飞行员眼中。瞬 时视场受到准直透镜尺寸限制，飞行员必须转动视频相机（Eyebox） 以看见整个视野。从实战出发，需要为飞行员实时提供一个视场宽阔、 图像清晰、全天候都能工作的平视显示系统。但是，平视显示器半个 世纪的发展表明，受显示器光学系统和使用空间的制约，要实现这一 要求相当困难。几家世界顶级平显研发公司的传统平显，其总视场角 一般都在20左右。视场扩大，对显示器的分辨率和亮度也提出了更 高的要求。资料表明，当总视场由10 （水平）x10 （垂直）扩大到 30x20，其分辨率应提高6倍、亮度增大近两个数量级，才能达到 原来的显示效果。因此，视场扩大也就意味着将给平显电子组件和

5、光 学系统的研制带来相当大的困难。在当代，作战飞机座舱显示系统除了平显外，还有由荫罩式阴极 射线管多功能显示器或有源矩阵液晶显示器（AMLCD）等，这些电子 设备均可以显示雷达获得的信息。目前战斗机、攻击机的机载火控雷 达尽管已经非常先进，但其探测和跟踪地面目标的能力依然受到一定 限制，还需要通过携带的导航与瞄准吊舱，把前视红外图像或微光电 视叠加在平视显示器上。这就需要扩大平显的视场和亮度。由美国空 军主导的“蓝盾”（*）夜间低空导航和红外瞄准吊舱的前视红外探测器的瞬时 视场为28x21，大于传统平显的视场。因此，“蓝盾”计划的实施， 促进了当代战斗机、攻击机安装使用广角全息平显的步伐。在当

6、今的信息化时代，广角全息平显作为作战飞机的重要显示设 备，将与有源矩阵液晶显示器、全景座舱控制显示系统（PACCDS）、 头盔综合显示瞄准系统（HIDSS）一同存在一定时期，在民用飞机上将会存在更久。广角全息平显的技术特点与传统的准直平显不同的是，广角全息平显需要设计、制造不同 的光学系统。这种采用全息摄影原理制成的平视显示器，是20世纪 70年代中后期平视显示系统技术的新突破。由这种原理制成的平视 显示器称为全息平显，又称衍射平显（简称DHUD或DOHUD）。它 采用曲面玻璃代替常规的平面玻璃，阴极射线管产生的字符或图像经 玻璃的半镀银面反射，叠加到外景图像上。字符或图像由玻璃显示屏 下的透

7、镜聚焦于无穷远处，有效地呈现在飞行员前面。理论上可以实 现180的总现场，而实际显示图像的大小由准直透镜确定。以美国休斯飞机公司在20世纪70年代研制的第一种广角全息 平显为例，该平显用全息图记录构成薄膜透镜，覆盖整个曲面玻璃显 示屏。采用这种方法，玻璃显示屏本身就变成了光学系统的最后一级 透镜，其大小实际上占据了整个显示屏。这种薄膜透镜是用激光摄影 法在涂到曲面玻璃显示屏上的明胶层记录下衍射光栅（亦称全息板） 的形状而构成的。经过处理后，在薄膜透镜上方盖上第二层玻璃，形 成夹层。“透镜”由明胶层折射系数的变化形成，并产生衍射光栅效应。在白天，外景经过衍射平置至飞行员的透光率通常高于85%，与

8、 之相比，传统平显为70%。同样，阴极射线产生的信息从发光面到飞 行员眼睛的反光率亦高达80%，而传统平显仅约为25%了。然而，这 两种平显的最主要的差别还在于瞬时视场的扩大上，新型平显的瞬时 视场由以往的窄视场（如F-16A装备的平显为13.5x9，F-15c装备 的平显为12x17）提高到30x20o因为衍射光学系统对振动不敏 感，大多数广角平显玻璃显示屏的支架大大减小，这对改善飞行员向 舱外观察的视野非常有利。由此可见，广角全息平显最突出的特点是:在夜间或低能见度下， 可以显示用于此种情况下的微光电视和前视红外图像，真正达到宽视 场、全天候、全天时使用的目的，可以显著提高载机的作战性能。

9、广角平显的类型从理论上讲，可以用传统的折射/反射光学元件来构建广角光学 系统，但其光学效率较差。因此，在实践中是用全息衍射技术来设计、 制造这些系统。对于光学系统来说，有必要设计一条光路，以便将阴 极射线管产生的图像叠加到飞行员观看外界的视线中而又不发生光 学畸变。与传统平显的折射光学系统相比，广角平显具有更为复杂的 光学系统。目前已知的广角平显主要有以下几种类型：非衍射型的广角平显英国GEC-马可尼航空电子公司一开始为F-16c/D研制生产的广 角平视显示器仍采用传统透镜准直光学系统，总视场达到25，瞬时 视场为21x13.45或20x150，均比F-16A/B的平显有所扩大。除 采用笔划法

10、显示字符外，还可采用光栅扫描显示图像，为在夜间和坏 天气飞行制导和目标搜索时，显示1： 1的前视红外外景图像创造了 条件。F-16c/D是20世纪80年代第一个正式装备广角平显武器瞄准 计算系统的先进飞机。最新型的F-16E/F安装使用的广角平显的视场 已经达到25x25。AV-8B/鹞”GR，Mk7攻击机也安装有并未使用衍射技术的、具备 白昼和夜间作战能力的广角平显。该平显的型号为SU-128/A，使用 双目组合镜，大直径出射透镜的光学轴线更靠近飞行员而不影响其安 全弹射。双目瞬时视场为20x15，总视场是22。此外，“幻影”2000的VE130平显、“狂风”IDS战斗轰炸机上装备 的5-5

11、1或5-52型平显、鹞”GR，Mk3的4-23型平显的总视场均为 25。，其中VE130的瞬时视场为20x18。新西兰及新加坡在改装A- 4攻击机，为其选择的4510系列广角平显，视场为24。Z形衍射平显和多反射准轴线衍射平显与先进的离轴系统相比，被称为准轴线的衍射平显具有小得多的 反射入射角，偏差达到最小。因此，反射元件本身不需要偏差补偿功 能，所需要的有限修正可以通过一个简单的中继透镜（组）来实现。 z形衍射平显（之所以这样称呼是因为光路的走向很像字母z）是一 种两个全息图像多个组合玻璃的衍射平显，因发射功能与合成功能分 离开了具有更进一步的优势。尽管这很有吸引力，但在实际安装中， 平行光

12、镜可能会妨碍出射光线。另外，显示装置下方的准直元件深入 到飞行员弹射线以内，尽管可以快速向上折叠，但还是有可能危及飞 行员在弹射时的安全。英国史密斯工业公司和皇家航空研究院研制的 30视场的z形平显曾在“美洲虎”攻击机上试飞过，水平视场大于40 的z形平显早在20世纪80年代已经制造出来，但这种平显在后来未 见有正式服役的报道。1985年后，F-16c/D座舱内的广角平显换成了多反射准轴线衍 射平显，由于是美国空军“蓝盾”系统的一部分，因此也被称为“蓝盾” 全息平视显示器。与其他平显不同的是，“蓝盾”平显和z形平显飞行 员显示装置的出射透镜在玻璃显示屏之前（相对于飞行方向），而非 在屏幕之后。单器件离轴衍射平显在光学上这是最好的同时也是最复杂的设计。与z形平显和多反 射准轴线衍射平显不同，这种构造不包含阻挡上部视野的上部镜面， 在飞行员和外界之间只有单个光学元件，即半透射的曲面平行光镜/ 组合镜。组合镜的曲率提供了主要的校准功能，但由于其太大而不能 使用平面玻璃而必须用曲面玻璃将反射涂料夹在其中。这样，元件的 厚度和重量降低了，但在制造上比平面组合镜更复杂，还要注意确保 将从其中看到的外界图像明显的变形降低到最小。这种构造上的优美 与简洁掩盖了其光学上的复杂性，而光学上的复杂性正是