头盔CRT显示部件互换性技术

向 华， 孙长卿， 钟军华， 刘延新

(中国航空工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009)

0 引言

头盔显示部件是通过接收电子组件送出的导航、攻击等显示画面信息，为飞行员操作飞机、执行对敌攻击等任务提供显示画面信息［1］。目前头盔显示部件采用像源有两种:CRT像源［2-3］(阴极射线管)和液晶数字像源。本文仅针对使用CRT像源的头盔显示部件的互换性技术进行研究。

CRT像源作为显示像源已经有着相对成熟的使用过程，CRT像源在头盔显示技术使用发展中，经历了从直径1 in(1 in=2.54 cm)到 0.5 in(CRT 像源的管平面)的发展历程［4］，头盔显示系统对0.5 in CRT像源成像的分辨率［5］、显示亮度、亮度均匀性、显示画面畸变、显示字符线宽［6］等性能指标要求越来越高，以此来保证头盔显示部件的良好显示和一致性，并满足头盔组件与电子组件的互换性要求，进一步提高头盔显示系统整体实用性能和维护性能。

本文在分析影响头盔显示部件互换性的基础上，提出有效解决问题的方法。

1 影响互换性的因素

头盔显示系统由头盔组件和电子组件组成。

头盔组件由头盔显示部件和头盔盔体组成，其中与显示互换性有关的部件包括:CRT像源、光学镜筒、高压电源模块(驱动CRT像源工作)。

电子组件中与显示互换性有关的部件包括:偏转放大模块、辉亮放大模块、畸变校正模块。

头盔显示系统中影响显示互换性的相关部件参见图1。

由于头盔盔体结构的特殊性，HMD的光学系统［7］如图1所示，包括一个球面反射护目镜和一个大离轴角的光学镜筒。光学镜筒由一对离轴双胶合透镜、1个离轴单透镜和5个常规透镜组成，光学镜筒将CRT像源产生的图像准直后，通过反射护目镜将显示图像送入人眼，人在观看显示画面的同时可以看见外景。

对于反射护目镜而言，科丁顿方程可表示为

式中:T、T'和S、S'分别为子午和弧矢面内物距和像距;i为反射护目镜与光轴的夹角。为了简化计算，设物在无穷远处，则式(1)中1/T和式(2)中1/S为0，另外，考虑到反射护目镜消像散，于是有

将式(1)和式(2)代入式(3)解得

设Rx=Rcos i，Ry=R/cos i，其中R为反射护目镜的曲率半径(在设计HMD显示光学系统时，R为固定的值)。

在设计光学系统时，首先采用了球面反射镜来消除反射镜自身倾斜带来的像散像差，然后利用透镜自身离轴及透镜之间的离轴来消除系统由于球面反射镜离轴带来的光学系统弓形和梯形畸变［8］。光学系统结构如图2所示。

图2 HMD光学系统结构Fig.2 Setup for nonaxial optical system of HMD

光学系统在理论设计中就会有光学畸变，光学畸变会使显示画面变形，HMD采用畸变校正模块电路来修正光学畸变。

CRT像源的电感线圈和荧光粉的特性［9］，决定了其会影响显示画面的中心位置、线条倾斜角度、画面正交性、几何失真、画面增益、画面字符线宽、画面截止亮度、画面最大亮度、画面亮度调节比率等［10］。

高压电源模块有3路输出电压:末阳极(8500 V)、聚焦极(900～1500 V)、加速极(500～900 V)，对应有3个电位计可以相应调整这3路电压值。调整末阳极控制电位计时，会改变加速极的基准值，并影响显示画面的亮度和画面增益;调整聚焦极电位计时，可以改变CRT显示画面的线条粗细;调整加速极电位计时，可以改变显示画面的亮度。

畸变校正模块的作用是根据光学镜筒中不同区域的光学畸变系数搭建模拟校正电路，修正光学设计中固有的光学畸变，可以改变显示画面的畸变程度。

偏转放大模块有5对电位计可以分别调整显示画面X、Y轴向的中心零位、线条倾斜角度、画面正交、画面几何失真、画面增益。

辉亮放大模块的阴极电压控制电位计和栅极电压控制电位计可以调整画面的截止电压和画面的最大亮度。

综合以上6个与显示互换性有关的因素，可以看出光学镜筒和CRT像源是主要因素，而且这两个部件加工成成品后是不能调整的，其余4个部件可以根据光学镜筒和CRT像源的差异做相应的调整。

2 影响互换性的分析和解决方法

2.1 光学镜筒与畸变校正模块

通过加强光学镜筒［11］的光学镜片和镜筒壳体加工精度的工艺控制，光学镜片在镜筒壳体中装配精度的工艺控制，可以保证光学镜筒的光学显示畸变［12］、显示精度和整体显示效果能够满足设计指标的要求。

使用高精度数控机床加工出高精度的光学镜片、镜筒壳体、镜片装配工装和装配夹具，保证光学镜筒装配的一致性，提高光学镜筒的互换性。

根据光学系统设计中的理论畸变参数，配合加工和装配误差所带来的实际光学畸变偏差系数，利用Matlab软件进行仿真计算，得出畸变校正公式，使用模拟电路设计出光学畸变校正模块修正光学系统所产生的畸变。

光学系统的畸变系数在理论上为固定值，通过加强对光学镜筒加工、装配工艺流程的控制，光学镜筒的光学畸变可以控制在一个稳定的理论值范围内，这样光学畸变校正模块的电路就可以将光学畸变校正在合理的设计范围内，满足系统对画面的显示要求。在光学镜筒和畸变校正模块更换时，不需要调整其他部件，并且不会影响系统的显示性能指标和显示效果，达到实现光学镜筒和畸变校正模块满足互换性设计要求。

2.2 CRT像源—高压电源模块

CRT像源的电感线圈和荧光粉的特性［13］，决定了其会影响显示画面的中心位置、画面线条倾斜角度、画面正交性、画面几何失真、画面增益、画面线条粗细、亮度截止电压、峰值亮度、画面亮度调节比率等性能指标。通过控制CRT像源的电感线圈的长度、绕组、灯丝电压、电流等性能指标，并优化加工工艺流程［14］，最后对生产出来的成品进行筛选测试，挑出一致性好的CRT像源使用，以此来保证CRT像源的互换性。

CRT像源在生产加工过程中需要严格控制的各项性能指标参见表1。

表1 CRT像源的性能指标Table 1 The requirment of CRT image source

高压电源模块的末阳极电压值调整会影响到加速极电压值，画面的显示亮度和增益也会随之变化;同时会影响到辉亮放大模块和偏转放大模块，需要调整控制亮度和增益的电位计，使互换性更加难以实现。根据设计要求，高压电源模块在加入系统中使用前，将末阳极调整到规定范围值8500 V±100 V，然后使用硅胶将末阳极调整电位计封死，避免在后续使用过程中调此电位计。

调整聚焦极电压值的控制电位计可以改变显示画面的字符线条粗细，因每支CRT像源电感线圈的细微差异性，高压电源模块在驱动CRT像源时需要适当地调整此电位计，将画面的线条调整至最细，这样观看画面时最舒适。调整加速极电压值的控制电位计可以改变显示画面的亮度，在将辉亮放大模块的亮度控制电位计调整成一致参数的前提下，即使每支CRT像源的亮度有细微差异，都可以通过调整加速极电压值来调整亮度的细微差异。

高压电源模块与CRT像源焊接、灌封在一起，更换部件时要同时替换，所以高压电源模块和CRT像源是一个更换整体，则调整聚焦极和加速极电位计属于部件内部调整，并且调整这两个电位计不会影响到其他方面。

因此通过加强对CRT像源生产、加工过程中的各项参数的严格控制，对高压电源模块的末阳极电压值的限制和灌封处理，实现CRT像源和高压电源模块满足互换性设计要求。

2.3 辉亮放大模块

辉亮放大模块上有控制亮度截止电压的阴极电压控制电位计，控制最大亮度的栅极电压控制电位计。在2.2节中，通过严格约束CRT像源和高压电源模块的各项技术指标参数，可以实现将辉亮放大模块的阴极、栅极电压控制电位计调整至一样的参数。在更换辉亮放大模块时，不需要调整其他部件，并且不影响系统显示画面的亮度和显示效果，实现辉亮放大模块的互换性设计要求。

2.4 偏转放大模块

偏转放大模块有控制显示画面的10个电位计，分别控制显示画面的X、Y轴向的相关参数:画面中心零位、线条倾斜角度、线条是否直、枕型失真度、画面增益。通过对这10个电位计进行参数调整来弥补CRT像源的差异。

在2.2节中，通过严格约束CRT像源和高压电源模块的各项技术指标参数，可以实现将偏转放大模块的各个调节电位计都调整至一样的参数。在更换偏转放大模块时，不需要调整其他部件，并且不会改变系统的显示性能指标和画面的显示效果，实现偏转放大模块的互换性设计要求。

3 试验验证

3.1 试验背景

在第1、2节中，详细分析了影响头盔显示部件互换性的因素，并提出了解决问题的方法，下面通过更换各部件的试验来验证解决问题的方法的可行性。试验中依次更换的部件包括:光学镜筒、畸变校正模块、CRT像源—高压电源模块、辉亮放大模块、偏转放大模块。(注:CRT像源与高压电源模块焊接、灌封在一起，这两个部件更换时需要同时进行。)

试验中更换部件的清单参见表2。

表2 试验更换部件清单Table 2 List of replacable module in experments

系统由1#光学镜筒、1#畸变校正模块、1#CRT像源(含高压电源模块)、1#偏转放大模块、1#辉亮放大模块和其余部件组成。根据设计要求，调整各部件的参数使显示画面满足系统要求，以此作为试验的标准参考值(1#试验基准环境)，测试更换相应模块后对显示系统的影响。

3.2 光学镜筒和畸变校正模块

在1#试验基准环境条件下，仅更换光学镜筒。理论上更换光学镜筒会影响画面畸变和视差，系统指标是画面畸变≤14'，画面视差≤10'，在更换光学镜筒后，如果画面的畸变和视差没有超出系统指标范围就视为满足互换性。3支光学镜筒更换后，显示系统测试数据见表3。

表3 更换光学镜筒的测试数据Table 3 Test data of lens drawtube after being replaced

从表3数据中可以看出，通过控制加工精度，优化装配工艺流程等方法，光学镜筒可以实现互换性的设计要求。

在1#试验基准环境条件下，仅更换畸变校正模块。理论上更换畸变校正模块会影响画面畸变，系统指标要求是对光学系统校正后，画面畸变≤14'。5块畸变校正模块(配合1#光学镜筒)更换后，显示系统的测试数据见表4。

表4 更换畸变校正模块的测试数据Table 4 Test data of module for distortion correction after being replaced

从表4中数据可以看出，更换畸变校正模块对系统中心畸变的影响为0'，画面最大畸变≤14'，对边缘畸变产生的差异不超过2'，因此畸变校正模块满足互换性的设计要求。

3.3 CRT像源—高压电源模块

在1#试验基准环境条件下，仅更换CRT像源—高压电源模块。理论上更换这两个模块会影响画面中心位置、增益、畸变、亮度、聚焦。1#辉亮放大模块已经调整至标准值，通过调整高压电源模块的加速极和聚焦极电位计，可以将CRT像源显示画面的亮度和聚焦调整成一致。

更换4套CRT像源—高压电源模块，测试画面中心位置、增益和畸变的变化，以 1#为基准寻找 1#、2#、3#、4#的差异性。系统设计的要求是CRT像源更换后，显示画面中心位置偏差不超过20'，增益不超过10'。

更换CRT像源—高压电源模块后显示测试数据见表5。

表5 更换CRT像源—高压电源模块的测试数据Table 5 Test data of module for CRT image source＆high voltage after being replaced

从表4中数据可以看出，更换CRT像源—高压电源模块后画面畸变的差异性较小，且满足系统≤14'的要求，在画面畸变方面满足系统互换性设计要求，但是对系统的画面中心位置和增益影响较大，是影响系统互换性设计的最大因素。在对CRT像源和高压电源模块的生产、加工、装配和工艺流程的严格控制基础上，CRT像源加入系统前要进行筛选，淘汰偏差值大的CRT像源，提高CRT像源—高压电源模块的一致性，以此来实现这两个部件的互换性设计要求。

3.4 偏转放大模块

在1#试验基准环境条件下，仅更换偏转放大模块。理论上更换偏转放大模块会影响画面中心位置、畸变、增益，系统指标要求是画面中心位置≤30'，畸变≤10'，增益≤10'。将10块偏转放大模块相对应的电位计调整至一样的参数，更换偏转放大模块后显示系统测试数据见表6。

表6 更换偏转放大模块的测试数据Table 6 Test data of module for deflexion and amplification after being replaced

从表6中数据可以看出，更换偏转放大模块后，显示画面的整体畸变和增益变化不会影响系统的互换性设计，画面中心位置的变化也满足系统指标要求，因此偏转放大模块满足系统互换性设计要求。

头盔显示系统主要是根据画面中心位置的瞄准十字线攻击目标，因此解决显示画面的中心位置是技术核心。通过表3～表6中的测试数据分析，系统中同时更换CRT像源和偏转放大模块时，画面中心位置的累计误差未超过系统要求的30';系统同时更换2个以上的显示部件时，画面的中心位置、畸变、增益、亮度、聚焦等指标都满足系统设计要求，因此本文阐述的方法可以实现头盔显示部件互换性设计要求。

4 结论

头盔CRT显示部件互换性技术有效地解决了因CRT像源离散性大带来的系统互换性差的问题。根据系统实际应用中涉及的更换部件，详细地分析了影响显示的各种因素，通过实物测试，多方位地验证了该方法的正确性，通过测试数据说明CRT像源是影响互换性的最大因素，提出了解决此问题的方法。该项技术的研究可以促进CRT像源应用技术的进一步发展，并提高头盔的显示部件互换性和头盔组件互换性。

［1］李军建，成建波，蒋泉，等.CRT显示管分辨率自动测量系统［J］.电子科技大学学报，2007，36(2):288-290.

［2］石俊生，云利军，杨键，等.阴极射线管显示器特性化精度及黑点的影响［J］.光学学报，2007，27(2):371-376.

［3］何键.解析显示器的CRT技术［J］.黑龙江科技信息，2007，13:65.

［4］武怀玉，艾延平，赵富宝，等.场发射显示器阴极结构的发展［J］.现代显示，2010(4):40-43.

［5］梁静秋.微显示器件的研究进展［J］.光机电信息，2010(12):21-27.

［6］孙保伟.即将淡退视野的 CRT［J］.中国商界，2010(7):400-401.

［7］WEBER L F,姜晓鹏.高发光效率电视的竞争［J］.现代显示，2007(7):23-29.

［8］陈鹏，白纯洁.显像管真空度在线自动检测机［J］.机械制造与自动化，2010(4):142-143.

［9］吴卫玲.头盔显示器的技术发展综述［J］.科技信息，2010，33:61.

［10］高伟清，周仕娥，吕国强.双目光学透视式头盔显示器的实验研究［J］.光电工程，2010，37(5):139-143.

［11］杨新军，吴华夏，余晓芬，等.机载护目镜型头盔显示器畸变校正［J］.光子学报，2010(3):455-459.

［12］杨胜杰，李晓霞，刘春华.头盔显示器视差调校的量化研究［J］.电光与控制，2009，16(5):86-89.

［13］范海英，张宝颍，杨嘉，等.折/衍混合超轻小型投影式头盔光学系统设计［J］.应用光学，2010，31(1):13-18.

［14］杨新军，吴华夏，余晓芬，等.穿透型航天员舱外头盔信息显示系统［J］.红外与激光工程，2010，39(2):241-245.