便攜式發(fā)射裝置的微型顯示器研究*

黃燕群，方 帆，陳錫春,王爽英，郭雨華

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065; 2 32382 部隊(duì)， 北京 100000；3 西安北方光電科技防務(wù)有限公司， 西安 710043)

0 引言

便攜式制導(dǎo)武器[1]的應(yīng)用前景廣闊，如美國(guó)標(biāo)槍[2]及以色列長(zhǎng)釘[3]導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，此類(lèi)型武器系統(tǒng)由導(dǎo)彈和地面便攜式發(fā)射裝置兩大分系統(tǒng)組成。使用時(shí)士兵目視便攜式發(fā)射裝置上的微型顯示器，操作手柄按鍵偵察和執(zhí)行導(dǎo)彈發(fā)射任務(wù)。微型顯示器承擔(dān)了武器系統(tǒng)的信息顯示功能，是系統(tǒng)的關(guān)重件之一。

鑒于便攜式武器重量體積有嚴(yán)格要求，顯示器常用單目微型顯示器[4]來(lái)實(shí)現(xiàn)。以往微型顯示器常由黑白OLED顯示模組、目鏡光學(xué)放大系統(tǒng)、目鏡筒及鏡座等組成，視頻信號(hào)通過(guò)接插件送到顯示模組上顯示；且光學(xué)儀器的視頻圖像常用PAL制式，如紅外熱成像的分辨率為388×288；電視成像以PAL制式視頻格式輸出，此時(shí)用黑白分辨率800×600的微型顯示器顯示視頻圖像，可無(wú)損顯示。

近年，高清探測(cè)器在便攜式武器裝備中逐漸推廣，如1280×1024分辨率的非制冷型紅外熱成像[5]，配合大孔徑紅外光學(xué)系統(tǒng)后可滿足單兵裝置使用要求；同時(shí)電視組件1280×1024的CCD探測(cè)器也在廣泛地應(yīng)用，以往分辨率800×600的單目微型顯示器已不能充分顯示圖像，需采用壓縮顯示，將損失圖像細(xì)節(jié)降低了像質(zhì)。

文中根據(jù)便攜式發(fā)射裝置的發(fā)展需求，研究一種便攜發(fā)射裝置微型顯示器的設(shè)計(jì)方法，及樣機(jī)試制。微型顯示器以彩色OLED顯示芯片為核心，支持(1280×1024)像素彩色圖文信息視頻源輸入；顯示芯片前端匹配了倍率為12倍光學(xué)放大系統(tǒng)，圖像畸變小，成像清晰，適合不同視力人群觀察使用。

1 技術(shù)方案

依據(jù)便攜式發(fā)射裝置的功能特點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)化了顯示器的技術(shù)參數(shù)，其功能和指標(biāo)應(yīng)滿足以下要求：

a)單目成像，畫(huà)面清晰流暢不卡滯，無(wú)殘留影像，無(wú)盲點(diǎn)；支持彩色數(shù)字視頻信號(hào)，分辨率(1280×1024)像素，支持30～60幀頻數(shù)字視頻輸入，預(yù)留通訊接口，可調(diào)節(jié)圖像對(duì)比度。

b)視度可調(diào)，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。

c)結(jié)構(gòu)緊湊氣密防塵，自帶眼罩防漏光，低溫不結(jié)霜。

微型顯示器設(shè)計(jì)前應(yīng)確定光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮使用對(duì)象的具體工況，如士兵佩戴鋼盔，特殊情況還佩戴防毒面具，及眼罩的壓縮距離等具體情況。微型顯示器的出瞳距離應(yīng)考慮上述因素，過(guò)小不能觀察圖像；距離過(guò)長(zhǎng)則將降低視場(chǎng)角，目標(biāo)圖像在人眼成像過(guò)小，易丟失目標(biāo)細(xì)節(jié)；適當(dāng)?shù)囊晥?chǎng)角開(kāi)闊了眼睛視野有利于觀察，但視場(chǎng)角數(shù)值過(guò)大可能導(dǎo)致圖像的枕形畸變、失真，影響眼睛的舒適度。

參考國(guó)軍標(biāo)[6]中微光瞄準(zhǔn)鏡目鏡系列參數(shù)，微型顯示器的目鏡光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)如下所述：

1)出瞳直徑D′≥Ф6 mm；

2)出瞳距離l′z≥20 mm；

3)焦距f′≥20 mm;

4)畸變系數(shù)≤4%；

5)視度調(diào)節(jié)范圍為±4°。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在便攜式發(fā)射裝置上采用單目鏡，其主要優(yōu)點(diǎn)是重量輕、體積小、成本低；單目鏡系統(tǒng)也適合應(yīng)用于槍械、導(dǎo)彈發(fā)射筒的成像系統(tǒng)中。

在微型顯示器光學(xué)系統(tǒng)中OLED顯示屏處在目鏡的物方焦平面處，光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)所顯示的圖像進(jìn)行放大，并將其成像在無(wú)窮遠(yuǎn)供人眼觀察。觀察使用時(shí)人眼與目鏡的出瞳重合，出瞳位置在目鏡的像方焦平面附近。

微型顯示器的光學(xué)特性參數(shù)[7]主要有焦距f′、像方視場(chǎng)角2w′、工作距離l及出瞳距l(xiāng)′z。

1.1.1 焦距和放大倍數(shù)

選用的OLED顯示屏主要物理尺寸參數(shù)為：1)彩色OLED顯示屏；2)視場(chǎng)分辨率1280×1024；3)顯示尺寸11.94 mm×9.56 mm；4)物理像素尺寸9.3 μm。

經(jīng)過(guò)目鏡需滿足正常人眼睛能對(duì)9.3 μm×9.3 μm的OLED像素進(jìn)行臨界分辨，并對(duì)像素清晰成像；而人眼睛張角大于眼鏡分辨率1′時(shí)才能正常分辨。因此，人眼直接觀察OLED時(shí)其單個(gè)像素對(duì)眼睛的張角為：

ω0=arctan(y/D)=arctan(0.0093 / 250)= 0.13′

式中:y=9.3 μm為OLED單個(gè)像素邊長(zhǎng)，D=250 mm為人眼明視距離，計(jì)算結(jié)果小于1′，不能被人眼正常分辨，需借助目鏡進(jìn)行觀察。

綜合考慮視場(chǎng)角、出瞳直徑、出瞳距離、目鏡放大率等因素，目鏡的放大倍率為：

Γ=250/f′=12.5×

OLED單個(gè)像素通過(guò)該目鏡后對(duì)人眼所成張角為：ω0=arctan(?！?y/D))=1.60′>1′滿足人眼觀測(cè)需求，因此可得焦距f′=20 mm。

出瞳距指出瞳到目鏡最后一面頂點(diǎn)的距離，即觀察時(shí)眼瞳的位置，目鏡的出瞳與人眼瞳的大小有關(guān)，由于軍用目視儀器需要加眼罩或防毒面具，通用取值大于等于20 mm。

1.1.2 目鏡視場(chǎng)的計(jì)算

如果增大系統(tǒng)的放大率或者增大系統(tǒng)的視場(chǎng)角都會(huì)使目鏡的視場(chǎng)角增大,這會(huì)涉及到結(jié)構(gòu)的選取和像差的校正問(wèn)題,由于目鏡視場(chǎng)角一般比較大,目鏡的軸外像差校正是像差設(shè)計(jì)的重點(diǎn),用于觀測(cè)的目鏡其出瞳應(yīng)該在結(jié)構(gòu)的外面,軸外視場(chǎng)的光線在目鏡各面上的投射高度較大,給像差的平衡增加了一定的難度。目鏡的視場(chǎng)角在40°～50°,廣角目鏡的視場(chǎng)可達(dá)60°～80°,而一些特廣角目鏡的視場(chǎng)角可達(dá)90°以上。

OLED顯示芯片物理尺寸為11.94 mm×9.56 mm，放光面尺寸的對(duì)角線loled尺寸為15.30 mm。

目鏡視場(chǎng)計(jì)算為：

2ω′=2arctan(loled/ 2f′)

將數(shù)據(jù)代入上式可得：2ω′=41.8°，此時(shí)選用的放大倍數(shù)為12×,若取值10×，視場(chǎng)角為34°，文中目鏡系統(tǒng)的視場(chǎng)為41.8°。

1.1.3 目鏡分辨率計(jì)算

目鏡分辨率為：

α=140″×(K/D)

式中：K為修正系數(shù)取值1.4；軍用儀器的出瞳直徑較大，D為出瞳直徑取11 mm，代入式子計(jì)算得α= 32.7″。

1.1.4 視度計(jì)算

目鏡應(yīng)該有視圖調(diào)節(jié)的能力適應(yīng)近視眼和遠(yuǎn)視眼使用，目鏡的光學(xué)系統(tǒng)安裝于目鏡筒中，通過(guò)多頭目鏡螺紋與目鏡座聯(lián)接；利用隨目鏡筒、手輪整體轉(zhuǎn)動(dòng)的視度圈指示視度，調(diào)整與物方焦平面上OLED芯片的位置，實(shí)現(xiàn)視度調(diào)節(jié)功能，由公式：

x=(N×f′2)/1000

式中：f′為焦距；N為視度范圍取±4°；N=8°，計(jì)算得x的值為3.2 mm，旋轉(zhuǎn)目鏡筒的軸向活動(dòng)范圍為3.2 mm，目鏡視度圈的分劃值計(jì)算公式為：

β=360°×f2×N/(1000×t×n)

式中：t為多頭螺紋的螺距；n為多頭螺紋的頭數(shù)。視度圈的值需要根據(jù)螺紋的實(shí)際情況而定，目鏡的工作距離l即目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的距離，一般物鏡的像在目鏡的物方焦平面附近，而目鏡的工作距離必須滿足大于5個(gè)屈光度。

1.1.5 目鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)上述的計(jì)算，目鏡光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：焦距20 mm；出瞳直徑Φ6 mm；出瞳距離20 mm。視場(chǎng)為41.8°；放大倍數(shù)12×；視度移動(dòng)的距離為5 mm。

在設(shè)計(jì)目鏡光學(xué)系統(tǒng)時(shí),按照逆向光路計(jì)算,就是將實(shí)際的出瞳作為逆向光路的入瞳,假設(shè)目鏡對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)的目標(biāo)成像,在目鏡的焦平面上衡量像質(zhì)。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,對(duì)該目鏡光學(xué)系統(tǒng)做了細(xì)致的分析和研究,選定凱涅爾光學(xué)模型結(jié)構(gòu), 目鏡光學(xué)系統(tǒng)為6片5組如圖1所示，利用ZeMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)主光線成像圖

圖1中子午、弧矢光線的像差曲線,從圖中可知像差很小滿足設(shè)計(jì)要求。

目鏡的所有視場(chǎng)子午、弧矢光學(xué)的調(diào)制傳遞函數(shù)的軟件仿真如圖2所示，該目鏡在空間頻率為40線對(duì)/mm時(shí)，傳遞函數(shù)的值達(dá)到0.5以上,全視場(chǎng)范圍達(dá)到0.4以上。

圖2 目鏡光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)

彌散斑如圖3所示點(diǎn)列圖,表明該設(shè)計(jì)滿足要求?；兦闆r如圖4所示，其畸變系數(shù)小于4%。

圖3 目鏡彌散圖

圖4 光學(xué)系統(tǒng)畸變

圖中場(chǎng)曲和畸變控制在合理的范圍之內(nèi)。

1.2 OLED[8]顯示電路模塊

顯示器的OLED顯示模塊安裝在目鏡的后端，OLED芯片靶面處于物方焦平面位置，用于顯示視頻圖像，外部的視頻信號(hào)通過(guò)接插件連接傳輸。

顯示器中核心器件OLED集成亞像素金屬陽(yáng)極、多層OLED發(fā)光薄膜、透明陰極(公共極)、復(fù)合高密度密封薄膜、RGB彩色過(guò)濾層等如圖5所示，并貼裝上玻璃保護(hù)蓋片，最后再與PCB背板互聯(lián)封裝后制備而成，器件的結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖5 OLED結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 芯片PCB背板

每個(gè)像素點(diǎn)由3個(gè)亞像素點(diǎn)構(gòu)成，其每個(gè)像素的尺寸、發(fā)光面積與顯示面積的占空比、顯示區(qū)域尺寸、發(fā)光效率要高于彩色顯示器。

1.2.1 硬件電路

OLED發(fā)光芯片由北方奧雷德光電科技股份有限公司生產(chǎn)，OLED顯示模塊電路通常采用模塊化設(shè)計(jì)，分成兩個(gè)電路板，一是驅(qū)動(dòng)電路板，二是視頻解碼電路板。

驅(qū)動(dòng)電路板頂層功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。提供數(shù)字視頻信號(hào)接口、數(shù)字伽瑪矯正、色飽和度調(diào)整、灰度映射、行列掃描、像素驅(qū)動(dòng)陣列、兩線串行通信接口、可編程控制邏輯單元、溫度傳感器，其時(shí)序如圖8所示。

圖7 芯片接口框圖

圖8 顯示芯片驅(qū)動(dòng)時(shí)序

視頻解碼電路板利用小封裝的CPLD或SOC控制芯片，設(shè)置顯示芯片參數(shù)、視頻解碼芯片及與外部串口通信；電源DC/DC模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

文中視頻輸入為DVI視頻，采用TFP401芯片[9]接收視頻端的視頻解碼，將DVI串口數(shù)據(jù)解碼成并行24位圖像數(shù)據(jù)，視頻的行、場(chǎng)、消隱、數(shù)據(jù)有效等信號(hào)，并送至驅(qū)動(dòng)電路板進(jìn)行控制顯示圖像，此過(guò)程數(shù)字視頻信號(hào)傳輸避免不必要的A/D、D/A環(huán)節(jié)。

1.2.2 軟件協(xié)議

微型顯示器通過(guò)視頻解碼電路板的控制芯片與外部電氣進(jìn)行異步串口通訊，調(diào)節(jié)亮度、對(duì)比度等參數(shù)，采用特定的波特率和數(shù)據(jù)格式通訊設(shè)置參數(shù)，具體命令要求(包括：對(duì)比度、亮度查詢?cè)O(shè)置；紅綠藍(lán)的顏色色溫查詢?cè)O(shè)置)需查閱資料，用串口傳輸。通信數(shù)據(jù)格式如下所示:

1)第1字節(jié)：起始標(biāo)志 FAH；

2)第2字節(jié)：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度n-2；

3)第3～n字節(jié):3，4字節(jié)為指令字節(jié)值，5～n字節(jié)為數(shù)據(jù)；

4)第(n+1),(n+2)字節(jié)：內(nèi)容為第3,4,…,n-1，n字節(jié)的累加和所對(duì)應(yīng)的ASCII值，只保留一個(gè)字節(jié)；

5)第(n+3)字節(jié)：結(jié)束標(biāo)志F5H。

1.2.3 殘影效應(yīng)[10]

OLED有機(jī)發(fā)光具有壽命衰減的特性，其中發(fā)光亮度高的單元比發(fā)光亮度低的單元壽命衰減快。長(zhǎng)時(shí)間、高亮度、高對(duì)比度顯示靜態(tài)畫(huà)面，可導(dǎo)致不同發(fā)光亮度單元在恢復(fù)到同樣工作條件下時(shí)，發(fā)光亮度產(chǎn)生較大差異，從而導(dǎo)致“負(fù)相”殘影效應(yīng)，原來(lái)發(fā)光亮度高的區(qū)域由于壽命衰減較快，發(fā)光亮度偏暗；原來(lái)發(fā)光亮度低的區(qū)域由于壽命衰減較慢，發(fā)光亮度偏亮。在典型狀態(tài)下，發(fā)光亮度(100～220)cd/m2，持續(xù)顯示30～60 min的靜態(tài)畫(huà)面就有可能出現(xiàn)輕微的殘影現(xiàn)象。

便攜式發(fā)射裝置的視頻界面往往疊加固定數(shù)字或觀瞄線；且工況中就會(huì)出現(xiàn)工作時(shí)間大于1 h的情況，因此出現(xiàn)殘影的幾率較大，出現(xiàn)殘影將影響觀察，避免殘影的出現(xiàn)從以下方面著手：

1)避免長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，控制顯示時(shí)間；

2)設(shè)計(jì)圖像界面時(shí)，避免固定位置顯示高灰階的文字或菜單，采用半灰階或定時(shí)消隱等手段降低顯示亮度；

3)避免顯示器在高亮度條件下工作。

當(dāng)出現(xiàn)殘影時(shí)，嚴(yán)重殘影將導(dǎo)致顯示器產(chǎn)生不可恢復(fù)的痕跡；產(chǎn)生輕微殘影時(shí)，可將顯示器工作于全白光模式，并適當(dāng)增加亮度，維持?jǐn)?shù)分鐘后即可消除。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

微型顯示器的組成圖如圖9所示。

1-OLED顯示模組；2-目鏡筒座；3-限位銷(xiāo)；4-視度刻度圈；5-轉(zhuǎn)動(dòng)手輪；6-橡膠眼罩；7-光學(xué)零件；8-光學(xué)鏡座；9-密封圈；10-電路板后蓋；11-接插件。圖9 微型顯示器結(jié)構(gòu)示意圖

在目鏡筒座中間位置安裝限位銷(xiāo)如圖9中3所示，限制手輪調(diào)節(jié)螺紋的行程范圍，避免零件脫落；圖9中1的OLED模組電路板用螺釘固定在目鏡筒座的后端處，用電路板后蓋蓋住，電氣連接通過(guò)圖中的11接插件實(shí)現(xiàn)。

2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式武器特別適用于隱蔽性強(qiáng)的潮濕叢林或沙漠地區(qū)，微型顯示器通常會(huì)外露一部分，如果外面的雨水或沙塵進(jìn)入內(nèi)部，將會(huì)導(dǎo)致光學(xué)零件發(fā)霉，產(chǎn)品無(wú)法使用，因此密封性設(shè)計(jì)和充氣結(jié)構(gòu)是必須考慮的問(wèn)題，產(chǎn)品裝配時(shí)充入高純度的氮?dú)?，防止霉變?/p>

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)手輪

轉(zhuǎn)動(dòng)手輪用于調(diào)節(jié)視力，滿足不同視力的使用；順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)視度手輪為調(diào)節(jié)負(fù)視度，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為調(diào)節(jié)正視度。

在目鏡設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)考慮目鏡視度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的人機(jī)工程和密封性,提高調(diào)節(jié)的目鏡螺紋的公差精度和表面光潔度,并在配合鏡框處用橡膠圈密封,讓使用者旋轉(zhuǎn)視度手輪時(shí)手感順滑、無(wú)滯感。

轉(zhuǎn)動(dòng)圓圈上帶刻度線和數(shù)字，標(biāo)志清晰，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪部位帶手把及止滑結(jié)構(gòu)，適合單手操作，轉(zhuǎn)動(dòng)力度適中，滿足全溫范圍下的使用。

2.4 眼罩

微型顯示器與眼睛接觸部位應(yīng)安裝擠壓式軟性航空橡膠眼罩，起到緩沖保護(hù)眼睛的作用，同時(shí)起到防塵、防漏光的作用。眼罩材料選用黑色航空工業(yè)橡膠,需滿足在高低溫工作仍能保持較好的彈性。頂開(kāi)眼罩力度適中，觀察時(shí)不遮擋屏幕圖像，產(chǎn)品的實(shí)物圖如圖10所示。

圖10 微型顯示器

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，研究了高清彩色微型顯示器的設(shè)計(jì)方法和樣機(jī)加工，樣機(jī)支持分辨率為1280×1024的數(shù)字高清彩色顯示，產(chǎn)品采用12倍的光學(xué)放大系統(tǒng)，其主要的光學(xué)參數(shù)焦距為20 mm，出瞳距離為20 mm，視場(chǎng)角為41.8°，系統(tǒng)畸變系數(shù)小于等于4%，用手輪結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)視度范圍，實(shí)現(xiàn)了高清圖像的顯示功能，產(chǎn)品總重250 g，總長(zhǎng)55 mm(包含眼罩)，法蘭盤(pán)安裝直徑Φ45 mm，微型顯示器其性能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，重量輕、體積小，成像清晰，適合于批量裝備使用。