便携式发射装置的微型显示器研究*

黄燕群，方 帆，陈锡春,王爽英，郭雨华

(1 西安现代控制技术研究所, 西安 710065; 2 32382 部队， 北京 100000；3 西安北方光电科技防务有限公司， 西安 710043)

0 引言

便携式制导武器[1]的应用前景广阔，如美国标枪[2]及以色列长钉[3]导弹武器系统，此类型武器系统由导弹和地面便携式发射装置两大分系统组成。使用时士兵目视便携式发射装置上的微型显示器，操作手柄按键侦察和执行导弹发射任务。微型显示器承担了武器系统的信息显示功能，是系统的关重件之一。

鉴于便携式武器重量体积有严格要求，显示器常用单目微型显示器[4]来实现。以往微型显示器常由黑白OLED显示模组、目镜光学放大系统、目镜筒及镜座等组成，视频信号通过接插件送到显示模组上显示；且光学仪器的视频图像常用PAL制式，如红外热成像的分辨率为388×288；电视成像以PAL制式视频格式输出，此时用黑白分辨率800×600的微型显示器显示视频图像，可无损显示。

近年，高清探测器在便携式武器装备中逐渐推广，如1280×1024分辨率的非制冷型红外热成像[5]，配合大孔径红外光学系统后可满足单兵装置使用要求；同时电视组件1280×1024的CCD探测器也在广泛地应用，以往分辨率800×600的单目微型显示器已不能充分显示图像，需采用压缩显示，将损失图像细节降低了像质。

文中根据便携式发射装置的发展需求，研究一种便携发射装置微型显示器的设计方法，及样机试制。微型显示器以彩色OLED显示芯片为核心，支持(1280×1024)像素彩色图文信息视频源输入；显示芯片前端匹配了倍率为12倍光学放大系统，图像畸变小，成像清晰，适合不同视力人群观察使用。

1 技术方案

依据便携式发射装置的功能特点进一步细化了显示器的技术参数，其功能和指标应满足以下要求：

a)单目成像，画面清晰流畅不卡滞，无残留影像，无盲点；支持彩色数字视频信号，分辨率(1280×1024)像素，支持30～60帧频数字视频输入，预留通讯接口，可调节图像对比度。

b)视度可调，设置转动手轮。

c)结构紧凑气密防尘，自带眼罩防漏光，低温不结霜。

微型显示器设计前应确定光学系统参数，且在设计过程中需考虑使用对象的具体工况，如士兵佩戴钢盔，特殊情况还佩戴防毒面具，及眼罩的压缩距离等具体情况。微型显示器的出瞳距离应考虑上述因素，过小不能观察图像；距离过长则将降低视场角，目标图像在人眼成像过小，易丢失目标细节；适当的视场角开阔了眼睛视野有利于观察，但视场角数值过大可能导致图像的枕形畸变、失真，影响眼睛的舒适度。

参考国军标[6]中微光瞄准镜目镜系列参数，微型显示器的目镜光学系统主要参数如下所述：

1)出瞳直径D′≥Ф6 mm；

2)出瞳距离l′z≥20 mm；

3)焦距f′≥20 mm;

4)畸变系数≤4%；

5)视度调节范围为±4°。

1.1 光学系统设计

在便携式发射装置上采用单目镜，其主要优点是重量轻、体积小、成本低；单目镜系统也适合应用于枪械、导弹发射筒的成像系统中。

在微型显示器光学系统中OLED显示屏处在目镜的物方焦平面处，光学成像系统对所显示的图像进行放大，并将其成像在无穷远供人眼观察。观察使用时人眼与目镜的出瞳重合，出瞳位置在目镜的像方焦平面附近。

微型显示器的光学特性参数[7]主要有焦距f′、像方视场角2w′、工作距离l及出瞳距l′z。

1.1.1 焦距和放大倍数

选用的OLED显示屏主要物理尺寸参数为：1)彩色OLED显示屏；2)视场分辨率1280×1024；3)显示尺寸11.94 mm×9.56 mm；4)物理像素尺寸9.3 μm。

经过目镜需满足正常人眼睛能对9.3 μm×9.3 μm的OLED像素进行临界分辨，并对像素清晰成像；而人眼睛张角大于眼镜分辨率1′时才能正常分辨。因此，人眼直接观察OLED时其单个像素对眼睛的张角为：

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

式中:y=9.3 μm为OLED单个像素边长，D=250 mm为人眼明视距离，计算结果小于1′，不能被人眼正常分辨，需借助目镜进行观察。

综合考虑视场角、出瞳直径、出瞳距离、目镜放大率等因素，目镜的放大倍率为：

Γ=250/f′=12.5×

OLED单个像素通过该目镜后对人眼所成张角为：ω0=arctan(Γ×(y/D))=1.60′>1′满足人眼观测需求，因此可得焦距f′=20 mm。

出瞳距指出瞳到目镜最后一面顶点的距离，即观察时眼瞳的位置，目镜的出瞳与人眼瞳的大小有关，由于军用目视仪器需要加眼罩或防毒面具，通用取值大于等于20 mm。

1.1.2 目镜视场的计算

如果增大系统的放大率或者增大系统的视场角都会使目镜的视场角增大,这会涉及到结构的选取和像差的校正问题,由于目镜视场角一般比较大,目镜的轴外像差校正是像差设计的重点,用于观测的目镜其出瞳应该在结构的外面,轴外视场的光线在目镜各面上的投射高度较大,给像差的平衡增加了一定的难度。目镜的视场角在40°～50°,广角目镜的视场可达60°～80°,而一些特广角目镜的视场角可达90°以上。

OLED显示芯片物理尺寸为11.94 mm×9.56 mm，放光面尺寸的对角线loled尺寸为15.30 mm。

目镜视场计算为：

2ω′=2arctan(loled/ 2f′)

将数据代入上式可得：2ω′=41.8°，此时选用的放大倍数为12×,若取值10×，视场角为34°，文中目镜系统的视场为41.8°。

1.1.3 目镜分辨率计算

目镜分辨率为：

α=140″×(K/D)

式中：K为修正系数取值1.4；军用仪器的出瞳直径较大，D为出瞳直径取11 mm，代入式子计算得α= 32.7″。

1.1.4 视度计算

目镜应该有视图调节的能力适应近视眼和远视眼使用，目镜的光学系统安装于目镜筒中，通过多头目镜螺纹与目镜座联接；利用随目镜筒、手轮整体转动的视度圈指示视度，调整与物方焦平面上OLED芯片的位置，实现视度调节功能，由公式：

x=(N×f′2)/1000

式中：f′为焦距；N为视度范围取±4°；N=8°，计算得x的值为3.2 mm，旋转目镜筒的轴向活动范围为3.2 mm，目镜视度圈的分划值计算公式为：

β=360°×f2×N/(1000×t×n)

式中：t为多头螺纹的螺距；n为多头螺纹的头数。视度圈的值需要根据螺纹的实际情况而定，目镜的工作距离l即目镜第一面顶点到物方焦平面的距离，一般物镜的像在目镜的物方焦平面附近，而目镜的工作距离必须满足大于5个屈光度。

1.1.5 目镜光学设计

经过上述的计算，目镜光学系统的主要参数如下：焦距20 mm；出瞳直径Φ6 mm；出瞳距离20 mm。视场为41.8°；放大倍数12×；视度移动的距离为5 mm。

在设计目镜光学系统时,按照逆向光路计算,就是将实际的出瞳作为逆向光路的入瞳,假设目镜对无穷远的目标成像,在目镜的焦平面上衡量像质。

根据技术指标要求,对该目镜光学系统做了细致的分析和研究,选定凯涅尔光学模型结构, 目镜光学系统为6片5组如图1所示，利用ZeMAX光学设计软件对设计参数进行系统性的优化。

图1 光学系统主光线成像图

图1中子午、弧矢光线的像差曲线,从图中可知像差很小满足设计要求。

目镜的所有视场子午、弧矢光学的调制传递函数的软件仿真如图2所示，该目镜在空间频率为40线对/mm时，传递函数的值达到0.5以上,全视场范围达到0.4以上。

图2 目镜光学调制传递函数

弥散斑如图3所示点列图,表明该设计满足要求。畸变情况如图4所示，其畸变系数小于4%。

图3 目镜弥散图

图4 光学系统畸变

图中场曲和畸变控制在合理的范围之内。

1.2 OLED[8]显示电路模块

显示器的OLED显示模块安装在目镜的后端，OLED芯片靶面处于物方焦平面位置，用于显示视频图像，外部的视频信号通过接插件连接传输。

显示器中核心器件OLED集成亚像素金属阳极、多层OLED发光薄膜、透明阴极(公共极)、复合高密度密封薄膜、RGB彩色过滤层等如图5所示，并贴装上玻璃保护盖片，最后再与PCB背板互联封装后制备而成，器件的结构示意如图6所示。

图5 OLED结构示意图

图6 芯片PCB背板

每个像素点由3个亚像素点构成，其每个像素的尺寸、发光面积与显示面积的占空比、显示区域尺寸、发光效率要高于彩色显示器。

1.2.1 硬件电路

OLED发光芯片由北方奥雷德光电科技股份有限公司生产，OLED显示模块电路通常采用模块化设计，分成两个电路板，一是驱动电路板，二是视频解码电路板。

驱动电路板顶层功能结构如图7所示。提供数字视频信号接口、数字伽玛矫正、色饱和度调整、灰度映射、行列扫描、像素驱动阵列、两线串行通信接口、可编程控制逻辑单元、温度传感器，其时序如图8所示。

图7 芯片接口框图

图8 显示芯片驱动时序

视频解码电路板利用小封装的CPLD或SOC控制芯片，设置显示芯片参数、视频解码芯片及与外部串口通信；电源DC/DC模块进行电压转换。

文中视频输入为DVI视频，采用TFP401芯片[9]接收视频端的视频解码，将DVI串口数据解码成并行24位图像数据，视频的行、场、消隐、数据有效等信号，并送至驱动电路板进行控制显示图像，此过程数字视频信号传输避免不必要的A/D、D/A环节。

1.2.2 软件协议

微型显示器通过视频解码电路板的控制芯片与外部电气进行异步串口通讯，调节亮度、对比度等参数，采用特定的波特率和数据格式通讯设置参数，具体命令要求(包括：对比度、亮度查询设置；红绿蓝的颜色色温查询设置)需查阅资料，用串口传输。通信数据格式如下所示:

1)第1字节：起始标志 FAH；

2)第2字节：数据长度n-2；

3)第3～n字节:3，4字节为指令字节值，5～n字节为数据；

4)第(n+1),(n+2)字节：内容为第3,4,…,n-1，n字节的累加和所对应的ASCII值，只保留一个字节；

5)第(n+3)字节：结束标志F5H。

1.2.3 残影效应[10]

OLED有机发光具有寿命衰减的特性，其中发光亮度高的单元比发光亮度低的单元寿命衰减快。长时间、高亮度、高对比度显示静态画面，可导致不同发光亮度单元在恢复到同样工作条件下时，发光亮度产生较大差异，从而导致“负相”残影效应，原来发光亮度高的区域由于寿命衰减较快，发光亮度偏暗；原来发光亮度低的区域由于寿命衰减较慢，发光亮度偏亮。在典型状态下，发光亮度(100～220)cd/m2，持续显示30～60 min的静态画面就有可能出现轻微的残影现象。

便携式发射装置的视频界面往往叠加固定数字或观瞄线；且工况中就会出现工作时间大于1 h的情况，因此出现残影的几率较大，出现残影将影响观察，避免残影的出现从以下方面着手：

1)避免长时间待机，控制显示时间；

2)设计图像界面时，避免固定位置显示高灰阶的文字或菜单，采用半灰阶或定时消隐等手段降低显示亮度；

3)避免显示器在高亮度条件下工作。

当出现残影时，严重残影将导致显示器产生不可恢复的痕迹；产生轻微残影时，可将显示器工作于全白光模式，并适当增加亮度，维持数分钟后即可消除。

2 系统结构

2.1 整机结构

微型显示器的组成图如图9所示。

1-OLED显示模组；2-目镜筒座；3-限位销；4-视度刻度圈；5-转动手轮；6-橡胶眼罩；7-光学零件；8-光学镜座；9-密封圈；10-电路板后盖；11-接插件。图9 微型显示器结构示意图

在目镜筒座中间位置安装限位销如图9中3所示，限制手轮调节螺纹的行程范围，避免零件脱落；图9中1的OLED模组电路板用螺钉固定在目镜筒座的后端处，用电路板后盖盖住，电气连接通过图中的11接插件实现。

2.2 密封结构设计

便携式武器特别适用于隐蔽性强的潮湿丛林或沙漠地区，微型显示器通常会外露一部分，如果外面的雨水或沙尘进入内部，将会导致光学零件发霉，产品无法使用，因此密封性设计和充气结构是必须考虑的问题，产品装配时充入高纯度的氮气，防止霉变。

2.3 转动手轮

转动手轮用于调节视力，满足不同视力的使用；顺时针方向旋转视度手轮为调节负视度，逆时针方向旋转为调节正视度。

在目镜设计过程中,应考虑目镜视度调节机构的人机工程和密封性,提高调节的目镜螺纹的公差精度和表面光洁度,并在配合镜框处用橡胶圈密封,让使用者旋转视度手轮时手感顺滑、无滞感。

转动圆圈上带刻度线和数字，标志清晰，转动手轮部位带手把及止滑结构，适合单手操作，转动力度适中，满足全温范围下的使用。

2.4 眼罩

微型显示器与眼睛接触部位应安装挤压式软性航空橡胶眼罩，起到缓冲保护眼睛的作用，同时起到防尘、防漏光的作用。眼罩材料选用黑色航空工业橡胶,需满足在高低温工作仍能保持较好的弹性。顶开眼罩力度适中，观察时不遮挡屏幕图像，产品的实物图如图10所示。

图10 微型显示器

3 结束语

根据设计要求，研究了高清彩色微型显示器的设计方法和样机加工，样机支持分辨率为1280×1024的数字高清彩色显示，产品采用12倍的光学放大系统，其主要的光学参数焦距为20 mm，出瞳距离为20 mm，视场角为41.8°，系统畸变系数小于等于4%，用手轮结构调节视度范围，实现了高清图像的显示功能，产品总重250 g，总长55 mm(包含眼罩)，法兰盘安装直径Φ45 mm，微型显示器其性能满足设计技术指标要求，重量轻、体积小，成像清晰，适合于批量装备使用。