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第35卷，增刊 红外与激光工程 2006年10月 Vbl_35 In行arcd卸dLaser Oct．2006 SuppIement Engineering CI玎替代技术在军用飞机平视显示器中的应用 陆南燕，刘红漫 (中国·航光电所，河南洛阳47l009) 摘要：随着数字显示技术的发展j目前平视显示器中普遍使用的cRT有被取代的趋势．国夕卜早巳开始对 cI盯替代技术的探索和研究，并已研制出新型HuD样机。可用于替代CRT产生图像的设备有：数字微镜装 置、反射型液晶显示器和透射型液晶显示器等；可选用的光源有激光器．弧光灯、LED和荧光粉。对最有可 能用于平显的几种显示技术和光源进行了综合比较，介绍了国外三家公司分别采用LCOS和DMD技术研制 的新型平显情况，提出进行平显改进的必要性和思路。 关键词：平视显示器： LCOS；DMD；投影显示器； CRT 中图分类号：V27l 文献标识码；A 文章编号：l007．2276(2006)增A．0464．07 CRT for onboard aircrafts replacementhead-up military display LU N锄-y锄，LIUHon分m锄 I嬲dtutc (Luoy锄g ofElcc打0·opticalEquipment，A~rlCI，Luoy雒g471009，CIlim) Abstract：Withthe of formeCRTisa the deVelopmentdigitaldisplay teclmology，areplacement necessi够fbr ofthenext new have some deVelopmentgenerationofhead—updisplaysystems．M觚yforeigncompaniesdesiglled HUD basedonnat deVicesfor insteadofCI盯include prototypes displaytechnology．Thegeneratingimages DMD， a_te renectionLCD卸d仃ansmissionthec锄did sourcesinclude aIld LCD，alld 1雒er，arc light l锄p，LEDphosphor．IIl t11e sourcesare somenew ofHUDbasedonLCOS p印erseVeraldisplay light compared，aIld tecllIlologies孤d b，pes 锄dDMDarein仃oduced． LCOS； CRT Keywords：Head—updisplay； DMD；Ptojectiondisplay； 0引言 上世纪60年代以来，由CRT组成的平视显示器已成为大多数战斗机和一部分军用货运机／运输机的标准 设备。除了军用以外，平显还被迅速地应用到商用飞机上以提高机组人员的态势感知能力。随着更新型高性 能投影显示器技术的发展，传统的CRT技术也逐渐变得陈旧过时。CRT生产厂商的减少使得硬件成本上涨， 给军用和民用平显生产商带来很大影响。 和高压电子组件对整个系统的可靠性也有不利影响，而且CRT型平显的全寿命周期成本(LCC)较高，因而 收稿日期：2006-07．28 作者简介：陆南燕(1957．)，女，浙江宁波人，研究员。主要从事航空光电技术情报研究． 万方数据 增刊 陆南燕等：cRT替代技术在军用飞机平视显示器中的应用 就显得不太令人满意。随着更多数字显示器技术的出现，生产更轻、更经济和更简单平显的可能性也在增加【¨。 在过去几年中，国外许多公司在替换平显技术的研究和开发上进行了相当多的工作。生产厂商们都在尽 量减少替换技术开发中所遇到的技术问题和不利因素，并且已经评估了更换已经成熟、经过战场检验的CRT 型平显的可行性。 l标准的基于CRT的平显 标准的平显如图l所示，图中所示的装置是由Flight Vision公司生产的。一部平显有4个关键部件：(1)产 生符号图像的CRT管；(2)把符号投影到组合玻璃上 的一套聚焦光学设备； (3)组合玻璃，可以让人看到 外部场景和字符； (4)一套驱动电子仪器，可以把仪 表读数转换成平显字符。 传统的平视显示器主要使用阴极射线管(CRT)作 为图像源。cRT有许多优点，如亮度、分辨率和对比度 等，但存在体积、重量、功耗及寿命等问题。平视显示 器必须在带有直射阳光的开放式座舱内工作。在平视显 图l典型的平显 h。ad。updisplay 示器组合玻璃上的平显符号光强需设定到将近l800凡 Fig·1TypicaI 才能适应环境。为达到组合玻璃上的光强，则要求CRT 屏幕上的亮度必须超过5000几。以如此高的光强条件进行工作会引起CRT屏幕上荧光粉的退化，从而缩短 CRT的一半寿命。 由于认识到平板显示源的成本更低、性能更可靠、成品体积更小，可直接使用数字驱动，因而人们越来 越热衷于寻找军用和民用HUD中CRT的替代品。 表1列出了下一代平显性能的一套标准的技术规范【2】。 表l先进平视显示器的设计规范 of ’I．ab．1 adVanced Designspecificationshead-updisplay 2 可能用于平显的CRT的替代技术 为使下一代平显满足上述技术规范，必须研制出一套使用高强度光源和高对比度图像调制器的系统。另 外，为使这套系统与座舱环境兼容，它必须能够满足MIL—STD一810技术规范。 万方数据 红外与激光工程：光电系统总体技术 第35卷 20世纪90年代初，出现了很多可以用于图像调制系统(图像源)的备选技术，而另外一个关键的组成 部分是合适的光源。标准投影仪采用高强度的弧光灯，但弧光灯很难与飞机平显相匹配。替代光源有荧光灯 和扫描激光器等。 2．1几种替代技术的研究结果 micro—min-or 参考文献【3】对数字微镜装置(dighl device，DMD)、反射型液晶显示器(1iquidcwstaldisplay， LCDl和透射型液晶显示器等几种图像调制技术和相应的光源，如激光器、弧光灯、LED和荧光粉等进行了研 究，现将结果总结如下： (1)数字微镜设备。可用固态激光器作为平显的光源。平显光学系统的效率为3s％j所以用在组合玻 璃的亮度是2850fL(此处使用的是双组合玻璃系统，预计对于一个单层组合玻璃亮度应该加倍)；，基于投影器 的DMD对比度经常是350：l。 可靠性：DMD已经在各种条件下进行了广泛的故障测试，证明该装置在振动、冲击和寒冷工作条件下不 000h。 受影响。在45℃以下工作的镜面其寿命时间预计为100000h，而在75℃，寿命时间降低到2 重量：删D显示器总重量(显示器部件外壳、光学系统、DMD投影器光学系统等)为7．5虹。 (2)反射型液晶显示器。反射LCD投影器具有与DMD类似的设计考虑。平显系统显示器总重量约为 6．3kg。 极管(LED)和荧光粉两种光源进行试验，对比度较低，在组合玻璃处测得的对比度介于30：l和60：1之间。 可靠性未知，平显总重量4．7 kg。 而对激光器、弧光灯、LED和荧光粉等光源的研究结果是：固态激光器光源可作为DMD、反射型LCD和 透射型LCD的理想光源：弧光灯由于有振动、寿命周期和照明方向上的限制，不适于在飞机上使用；LED的 光学输出非常强，但阵列产生的发散角很大，并不适合于所有的图像调制器；荧光粉光源非常亮，但发散也 较为严重pJ。 2．2 适用于平显的CRT替代技术比较 on 到目前为止，正在进行实验的数字化平显技术有三种：硅基液晶(1iquidcwstal 源、数字微镜装置(DMD)和透射型LCD。DMD技术最初是由德州仪器公司(Texas 幕显示器采用的就是DMD技术。 为不同的系统提供的光源不同，其中一种LCOS使用一个弧光灯，另一种则使用微型激光器。DMD配置 同样也可使用微型激光器照明源，LCD面板则使用一种发光二极管(LED)阵列作为照明源。表2给出了在 下列不同配置的基础上各种系统试验和分析结果的总结。其中“1”为用弧光灯作光源的LCOs；“2”为用微 型激光器作光源的DMD；“3”为用LED阵列作光源的透射型LCD；“4”为用微型激光器作光源的LCOS【11。 表2数字化平显技术比较 T．ab．2 for ofdiffeMnt HUD Comparisondigiti臻ddisplaytechnoIogies 万方数据 增刊 陆南燕等：CRT替代技术在军用飞机平视显示嚣中的应用 467 续表2 3国外正在开发的非CRT图像源平显 到目前为止，已经应用到军用飞机显示器开发中的投影显示技术有数字微镜(DMD)技术和硅基液晶 (LCOS)图像源。DMD已经由Fli曲tVisions公司作为一个数字化平显原理样机的图像处理装置进行了试验， 而对于硅基液晶(LCOS)图像源，Kaiser 技术的下视显示器，同时FlightD”锄ics公司也已经试验带有相同图像处理装置的数字化平显原理样机。F．35 (JSF)项目目前正在研究一个大屏幕座舱显示器(8”×20”)也包含有相同的技术。 BAE 照明源：其样机强调的是可靠性与总的寿命周期成本。RockwellC01lins FlightDyn锄ics公司也已经开发出基 于LCOs的HUD，并声称已完成生产型的设计。 3．1 BAE SYSTEMS公司研制的平显 BAE 图2新型HuD系统功能方框图 Functionalblock anewHUD Fig．2 diagr锄of syst锄 万方数据 468 红外与激光工程：光电系统总体技术 第35卷 新型HUD主要组成部分有：现有光学部件、数字光引擎(DLE)、低功率绿色激光器、电源管理、驱动 和符号发生电子组件和机箱。 该公司已经制作HUD样机，并已进行了仿真和飞行试验。 系统中完成军事应用。与此类似，激光器已经在某些要求很高的场合下得到应用，尽管在激光器坚固性上还 需要做一些工作。显示屏质量和电源管理等小问题已经解决。尽管采用了高新技术，新型HUD在改善功能的 同时，也会在本机费用上有大幅度的降低【4l。 3．2 RockweuComns Flight Dynamics公司研制的新型平显 ‘Rockw硎tC011ins Fli曲tDyllamics公司研制的平显 on crystalsilicon，LCOS)投影仪， 采用硅基液晶(1iquid LED作为光源：投影器的核心是单个Brillian1280型 SXGA LCOS微型显示器。该显示器是单色的。LED照 明器采用了先进的高亮度绿色LED和一个非成像光学系 统，对LCOS提供空间均匀的照明。LED可获得大的调 光范围，不需要昂贵的、效率低的液晶元件。照明器集 光率与投影器集光率相匹配，使耦合损失最小。不需要 彩色分离滤光器，进一步提高了对比度和效率。LED照 图3 Lcos投影显示器 Lcos 明器的峰值功耗大约是弧光灯的一半。由于HUD仅可在 Fig．3 projectiondisplay 峰值电源下工作，当外界景物非常高时，总的节能是很 显著的。 图3是一个包含投影透镜组件、LcOs和LED发光器的数字图像源系统模型卯。 HUD的主要光学作用是在飞行员看到的实景上叠加显示校准了的虚像，如图4所示。 像澈 窟体 f计算祧生 飞行疆 图4删D光学系统 HUD Fig．4 opticalsystem 路AIuNC 429数据总线接收来自飞机传感器的数字飞行数据，控制律处理器采用RCFD的专利飞行控制算法， 生成对图像处理器的一系列指令，图像处理器根据指令生成数字图像。系统监视器(专利)可用于验证所需 万方数据 增刊 陆南燕等：cl玎替代救术在军用飞机平视显示器中的应用 的数据综合。光栅成像通过Rs．170或Rs343接口传到一传感器处理器，该传感器处理器将来自图像处理器 的图像进行融合，使得HuD图像能和视频图像同时显示出来。融合后的图像通过Rs．170从计算机输出，在 飞行测试和验证过程中用于外部监视，如图5所示。 I税硕 ≈蟾入 上 ● l E捕 -忆 税钡I譬{像缨冲器 。If，#h 盘1像处 牲嗣器 r 刈托制球 理：{：； I 甲1处理器r八 0 t 川拄视豁—丫 H抟感嚣 LKlJ ’ 叫观；{：} i 跬瑚器 轲 —南 ￡；I} ’孤 lIit 。掣 兜邀 ◆V ¨ ：S }fl合 ．t ……、』Kti．d1Ⅲ ■ 玻璃 挺菇H塞毳b 7I 1．I{l； VnC … 鼠仲廿uPo艘挫 图5 HUD系统构造 HUD Fig．5 system盯chitcctm℃ 3．3 FIightVision公司设计的平显样机 FlightVision公司为空军研究试验室的机组系统接口部研制一套试验样机平显，采用的也是数字微镜装置 一激光光源的系统。 致窄激镜裴鬣 图6是该公司使用DMD一激光光源制作的平显模 l，MD 波豪J越J{!；器 激光器 型的概念性图解。 光源包括四个元件：激光器，波束成形器，连接这 两个元件的一条光纤，军用显示器，和一组源透镜，可将输出光源聚 焦至DMD表面。激光器是一个固态激光器，这台特殊 的设备是一个双频波长1064nm的装置，能产生532衄 波长的绿光。波束成形器将成扇状散输出激光并去除其 斑点，使得最终的图像上没有杂质。源透镜形成一个l：l 的传输，它形成一个直径14mm，光圈数为5．0的图像。 鲤☆玻璃 Hul，透镜2 双透镜物镜的效率大约是98％。 图6平显光学原理图 采用CRT替代技术的显示器已经在军机的多功能显 Fig．6HuD叩tical州nciple 示器和民机的平视显示器上使用。F．35上的多功能显示 器(MFD)是由凯泽公司供应的，其特点是采用反射光 技术，具有一个小型的反射液晶显示器。这个装置的性能优于阴极射线管和普通的液晶显示器，它的尺寸小、 重量轻、成本低，而且亮度为阴极射线管的三倍‘们。而泰雷兹航空电子公司已经将数字式平视显示器(D．HuD) 280×1 万方数据 470 红外与激光工程：光电系统总体技术 第35卷 4结束语 随着CR-T生产厂商的减少，其成本连续上涨。为了降低平显的总成本、减小整个平显的尺寸和重量、提 供更高的图像清晰度、增强可靠性、延长寿命以及增加平台间的通用性，在平显中用一种新技术装备来替换 的平显样机的出现说明替代技术正趋于成熟。我们的科研人员在进行平显技术改造时，可直接利用其最新的 研究成果，不必再针对每一种平板显示技术逐一研究和比较。 参考文献： s into air啪n commercial 【11 J．Inte鲫ionofprojectiondi刚aysmilip眄锄d cockpits【C】，／PmceedingsofsPI事，2002· H9NENER 4712：178．188． ， BILLINGSM，TISDALE of趴adva眦edmultifimction micromin．ordevice锄dl嬲盯 f2】 GDeVelopment head—updisplayusing digi协l ofSPIE，200l，4362：194-202． technologies【C1／／Proceedings BILLINGSM．CRT forttIenext 【3】 replacemem generationhead-updisplay【C】胛mceedings BA砌凡ETTCT．Alaserill啪inatedhead 【4】 up BROWNRD，MODROD GA，eta1．Perform柚ce髂ses锄entof孤LCOS-b觞ed 【5】 H，QUAST head—up SPIE，2004，5443：146．155． MH．statlls KALMANASH ofLCOS JsF 【6】 ofdcveJopm曲tp啊ecti∞dj剐ay矗”F．22A，F执-18E／F锄dcoc印its犯归r0∞ed抽gs ofSPIE，200l，4361：161．169． 万方数据

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