高清可复制 HB 8693-2023 机载平视显示器光学测量方法

　　ICS 49.090 V 45

　　HB 8693-2023

　　机载平视显示器光学测量方法

　　Optical measurement procedures for airborne head-up display

　　2023-12-29 发布 2024-07-01 实施

　　中华人民共和国工业和信息化部 发 布

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　本文件由中国航空工业集团有限公司提出。

　　本文件由中国航空综合技术研究所归口。

　　本文件起草单位：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所、中国航空综合技术研究所、成都凯天电子股份有限公司。

　　本文件主要起草人：高成志、许承宇、郑 洁、顾 刚、王 刚、陈广卫、任 烨、姜 盼、冉继灯、吴 蔚。

　　机载平视显示器光学测量方法

　　1 范围

　　本文件规定了机载平视显示器的视场、眼盒尺寸、符号位置精度、显示偏移、线宽、显示抖动、双目视差和亮度等光学参数的测量方法。

　　本文件适用于阴极射线管(CRT)像源的机载平视显示器(下文简称 HUD)，大多数测量方法也可用于其他像源的 HUD。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　HB 6167.1-2014 民用飞机机载设备环境条件和试验方法 第 1 部分：总则

　　CCAR 25-R4 中国民用航空规章 第 25 部 运输类飞机适航标准

　　3 术语和定义、缩略语

　　3.1 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1.1

　　眼盒 eyebox

　　符合平视显示器光学性能要求的观察眼睛允许活动的三维空间范围。眼盒也称眼点活动范围、眼点活动包络或头部活动范围。

　　3.1.2

　　符号位置精度 symbol positioning accuracy

　　从HUD 眼盒中任一眼点透过组合镜和挡风玻璃看到的有关外景视野和HUD 显示信息的角度精度。

　　3.1.3

　　偏离 display drift

　　在一个 1h 试验周期内符号位置的最大改变。

　　3.1.4

　　组合镜透射率 HUD combiner transmissivity

　　当外景亮度透过 HUD 组合镜进入观察者眼中的亮度传输效率。

　　3.1.5

　　组合镜对头部伤害判据 combiner head injury criteria

　　在飞机异常着陆时，HUD 组合镜对飞行员头部可能造成的伤害判据。

　　3.1.6

　　亮度均匀性 luminance uniformity

　　HUD 显示画面中不同区域的亮度均匀程度。

　　3.1.7

　　外景畸变 real world distortion

　　HUD 组合镜引起的进入飞行员眼中的外景图像畸变。

　　3.1.8

　　副像 secondary display images

　　由光学系统设计原因造成的，在 HUD 显示画面中存在可见的第二层亮度较弱的画面。

　　3.2 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　CCAR：中国民用航空规章(China Civil Aviation Regulations);

　　CR：对比率(Contrast Ratio);

　　CRT：阴极射线管(Cathode Ray Tube);

　　CT：组合镜透射率(Combiner Transmissivity);

　　CTSO：技术标准规定(Chinese Technical Standard Order);

　　DL：显示亮度(Display Luminance);

　　HUD：平视显示器(Head-up Display);

　　HIC：头部伤害判据(Head Injury Criteria);

　　LCD：液晶显示器(Liquid Crystal Display);

　　TU：透射率均匀性(Transmissivity Uniformity)。

　　4 测量条件

　　4.1 实验室要求

　　除非另外指定，HUD 应在 HB 6167.1-2014 的第 4 章和本文的章节规定的实验室条件下进行测量。

　　4.2 计量要求

　　测量所用设备应经过计量合格，并在有效检定周期内，其准确度应满足 HUD 测量准确度需要。

　　4.3 设备要求

　　在 HUD 的光学测量过程中使用的测量设备包括但不限于：

　　a) 经纬仪，精度一般不低于 10″ ;

　　b) 亮度计，宜选用光点亮度计;

　　c) 背景亮度源，宜选用以下两类：

　　1) 具有特定尺寸的出光孔径，可放置在 HUD 的纵向来提供环境光亮度，即积分球;

　　2) 专用的全封闭式的环境光试验室。

　　5 测量程序

　　5.1 概述

　　HUD 的光学测量包括：视场、眼盒尺寸、符号位置精度、偏离、线宽、显示抖动、双目视差、亮

　　度、亮度均匀性、对比率、组合镜透射率、最小亮度、自动亮度控制、组合镜头部伤害判据、光栅对比率变化、光栅暗亮度、光栅亮度均匀性、组合镜引起的外景畸变和视差、副像、色彩配准。

　　5.2 视场

　　视场的测量步骤如下：

　　a) 将经纬仪安装到三轴平移台上，该平移台的平移范围应能覆盖整个眼盒;

　　b) 使用合适的可充满 HUD 总视场的画面，而该画面通常是由 6 条水平线和 6 条垂直线交叉组成的栅格图，参见图 1;

　　c) 将经纬仪的基准轴定位在需要测量的 HUD 眼点;

　　d) 在方位和俯仰方向旋转经纬仪，以便观察水平线的一端。记录水平和垂直方向的数值。水平地快速转动经纬仪以读取同一水平线的另一端，记录这些水平和垂直读数。水平方向的读数差值表示水平线所对应的视场角，垂直方向的读数差值表示垂直线所对应的视场角。重复测量每条水平线和每条垂直线。

　　注：栅格图的水平和垂直方向的线可根据 HUD 的水平视场和垂直视场进行均值划分进行绘制，如：HUD 的视场为 30˚ (H)×20˚ (V)，那么水平线可以画成 7 条，相邻两条水平间隔 5˚ ,垂直线可以画成 6 条，相邻两条垂直间隔 4˚ 。

　　图 1 栅格图画面

　　e) 对每个相关的眼点，重复步骤 c)、d)，确定该眼点处的单目瞬时视场;

　　f) 计算在 HUD 眼盒内的任意位置测得的最大水平和垂直目视显示边界，确定总视场;

　　g) 计算水平间隔为 66mm 的瞳孔距离的两个眼点的最大水平和垂直显示边界，确定在 HUD 眼盒内指定头部位置的瞬时视场;

　　注：在设计眼位以上 33mm 处的瞬时视场是由左眼点(上 33mm，左 33mm)和右眼点(上 33mm，右 33mm)的单目瞬时视场确定的。

　　h) 计算水平间隔为 66mm 的瞳孔距离的两个眼点处共同的水平和垂直视场，确定在 HUD 眼盒内指定头部位置的双目重叠视场。

　　注：计算在(上 12.7mm，左 6.4mm)和(上 12.7mm，右57.2mm)眼点处的共同视场，确定指定头部位置(上 12.7mm，右 25.4mm)处的双目重叠视场。

　　5.3 眼盒尺寸

　　眼盒尺寸的测量步骤如下：

　　a) 按 5.2 的测量单目瞬时视场的步骤，将经纬仪对准图 1 的画面中心;

　　b) 使用三轴平移台，将锁定俯仰和方位转动轴的经纬仪分别向左、向右移动到图 1 的边缘，测量和计算这两次位置之差，即可确定眼盒的横向尺寸;

　　c) 使用三轴平移台，将锁定俯仰和方位转动轴的经纬仪分别向上、向下移动到图 1 的边缘，测量和计算这两次位置之差，即可确定眼盒的垂向尺寸;

　　d) 使用三轴平移台，将锁定俯仰和方位转动轴的经纬仪分别向前、向后移动到图 1 的边缘，并重复步骤 b)和 c)，测量和计算前后两次位置之差，即可确定眼盒的纵向尺寸。

　　5.4 符号位置精度

　　符号位置精度的测量步骤如下：

　　a) 按 5.2 的测量单目瞬时视场的步骤，将经纬仪对准图 2 的画面中心十字;

　　b) 使用经纬仪分别对 图 2 中的至少 9 个十字进行测量，记录每个十字实际 的方位值RAi (i=1,2, …,9)和实际俯仰值 RPi (i=1,2,…,9);

　　c) 分别计算图 2 中 9 个十字的理论方位值 Ai (i=1,2, …,9)和理论俯仰值 Pi (i=1,2,…,9);

　　d) 按下面的公式计算 9 个十字的符号位置精度：

　　SPRi=[(RAi-Ai)2+(RPi-Pi)2]1/2 (i=1,2,…,9)…………………………(1)

　　式中：

　　SPRi ——第 i 个十字的位置精度，单位为mrad;

　　RAi ——第 i 个十字的实际方位值，单位为mrad;

　　Ai ——第 i 个十字的理论方位值，单位为mrad;

　　RPi ——第 i 个十字的实际俯仰值，单位为mrad;

　　Pi ——第 i 个十字的理论俯仰值，单位为mrad;

　　i ——下角注，i=1,2, …,9。

　　注：满天星画面中的十字的个数以及排布一般根据 HUD 水平和垂直视场进行设定，水平和垂直方向的相邻两个十字一般间隔 2˚ 。

　　图 2 满天星画面

　　5.5 偏离

　　偏离的测量步骤如下：

　　a) 按 5.2 的测量单目瞬时视场的步骤，将经纬仪对准图 2 的画面中心十字;

　　b) 测量在开机 1 分钟后开始进行;

　　c) 使用经纬仪分别对画面中 9 个已标号十字的方位、俯仰值进行测量，结果记为 A1i 和P1i (i=1,2,…,9);

　　d) 在此后一个小时内，每隔 20 分钟对上述 9 个十字的方位、俯仰值进行 1 次测量，将这三次测量的结果分别记为 A2i 和 P2i、A3i 和 P3i、A4i 和 P4i (i=1,2,…,9);

　　式中：

　　D2i 、D3i 和 D4i ——第 2、3、4 次测量相对第 1 次测量到的第 i 个十字的偏移，单位为mrad; A2i、A3i 和 A4i ——第 2、3、4 次测得的第 i 个十字的方位值，单位为mrad;

　　P2i 、P3i 和 P4i ——第 2、3、4 次测得的第 i 个十字的俯仰值，单位为mrad;

　　i ——下角注，i=1,2, …,9。

　　f) 通过计算和比较，按公式(5)得到 9 个十字各自在 1 个小时内的最大偏移：

　　Dimax =Max{D2i,D3i,D4i}………………………………………(5)

　　式中：

　　D2i 、D3i 和 D4i ——第 2、3、4 次测量相对第 1 次测量到的第 i 个十字的偏移，单位为mrad; Dimax ——第 i 个十字的最大偏移，单位为mrad;

　　i ——下角注，i=1,2, …,9。

　　5.6 线宽

　　5.6.1 二极管亮度计法

　　线宽的测量步骤如下：

　　a) 使用恰当的透镜系统，将在 HUD 组合镜上看到的 CRT 扫描线重新成像在一个线性检测器阵列上;

　　b) 在 50%的光强点上，通过观察在 CRT 或示波器上的检测器阵列读数;

　　c) 确定在 50%的强度阈以上的像素数，就可以确定线宽。

　　注：因为每毫弧的像素数是已知的，所以就可以确定在 50% 光强点上的 CRT 线宽。

　　5.6.2 扫描狭缝法

　　线宽的测量步骤如下：

　　a) 慢慢扫描与显示线交叉的一个角宽度大约为 HUD 线宽 10%的狭缝;

　　b) 将一个灵敏的探测器置于狭缝后面;

　　c) 探测器的输出用狭缝角度位置的函数进行度量;

　　d) 通过分析该数据，就可以确定 50% 的光强点，并确定在 50%的光强点之间的扫描角。注：注意本方法的一个可接受的变化是扫描与一个固定的探测器交叉的 HUD 的显示线。

　　5.7 显示抖动

　　显示抖动的测量步骤如下：

　　a) 按 5.2 的测量单目瞬时视场的步骤，将经纬仪对准图 2 的画面中心十字;

　　b) 测量在 HUD 制造商指定的预热周期之后进行;

　　c) 将经纬仪十字线对准图 2 画面中心十字，锁定方位和俯仰转动轴;

　　d) 通过经纬仪观察该十字在连续 30s 测量周期内发生的位置变化，记录该十字在不同时刻测量的两个峰峰值(A11,P11)和(A21,P21);

　　e) 按公式(6)计算抖动：

　　DJ=[(A21-A11)2+(P21-P11)2]1/2 ……………………………………(6)

　　式中：

　　DJ ——画面中心十字的抖动，单位为mrad;

　　A11 和 A21 ——画面中心十字的方位峰峰值，单位为 mrad;

　　P11 和 P21 ——画面中心十字的俯仰峰峰值，单位为 mrad。

　　5.8 双目视差

　　双目视差的测量步骤如下：

　　a) 确定要测试的视场角和眼点位置;

　　注：建议在 HUD 眼盒内选取 5 个眼点，并在每个眼点最少选取 9 个视场角，以便充分描述 HUD 双目视差的特征。

　　b) 使用三轴平移台，将经纬仪的基准轴置于期望的左眼点;

　　c) 确定经纬仪的每个感兴趣的视场角，记录每个视场角的水平和垂直经纬仪刻度读数;

　　d) 使用三轴平移台，将经纬仪的基准轴置于期望的右眼点;

　　e) 重复步骤 c);

　　f) 计算从左眼到右眼数值的差值，给出每个视场角的水平和垂直视差值。

　　注：由于三轴平移台有小的转动误差，在眼盒内将经纬仪平移到不同位置的过程中，将引入非期望的角度误差。若有平移误差的影响，应将该误差从 HUD 光学系统的视差中去掉。

　　5.9 亮度

　　亮度的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 使用图 3 所示的纯白场画面，将 HUD 的亮度手动调节至期望的亮度;

　　c) 在眼位，使用亮度计对准组合镜中心，测量此时的亮度。

　　注：纯白场画面与 HUD 的水平和垂直视场保持一致。

　　图 3 纯白场画面

　　5.10 亮度均匀性

　　亮度均匀性的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 使用图 4 所示的棋盘格画面，测量 HUD 瞬时视场内不同场点的显示元素的亮度，确定瞬时视场的亮度均匀性;

　　注：最少从瞬时视场采样 9 个场点进行测量。

　　c) 确定最大显示亮度值和最小显示亮度值，并按公式(7)计算亮度均匀性;

　　LV (%)=(Lmax-Lmin)/(Lmax+Lmin)×100%…………………………………(7)

　　式中：

　　LV ——亮度均匀性;

　　Lmax ——最大亮度值，单位为 cd/m2;

　　Lmin ——最小亮度值，单位为 cd/m2。

　　d) 测量不同眼点的特定符号亮度，确定不同眼点的指定符号的亮度均匀性。

　　注：最少在 5 个眼点进行测量。

　　注：棋盘格画面的水平和垂直方向的方格可根据 HUD 的水平视场和垂直视场进行均值划分进行绘制，如：HUD 的视场为 30˚ (H)×20˚ (V)，那么水平方向可以绘制 7 个方格，每个方格为 4˚ , 垂直方向可以绘制 5 个方格，每个方格 4˚ ,画面中心方格为全亮，交替为暗，依次排布。

　　图 4 棋盘格画面

　　5.11 对比率

　　对比率的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 打开并调节积分球亮度，使周围背景环境亮度达到 34,000cd/m2;

　　c) 使用亮度计对准组合镜中心，测量可视背景亮度 LVB (可视背景亮度等于 HUD 的组合镜透射率乘以 34,000cd/m2;

　　d) 关闭积分球;

　　e) 使用图 3 所示的纯白场画面，将 HUD 的亮度手动调节至最大;

　　f) 使用亮度计对准组合镜中心，测量显示亮度 LDB;

　　g) 按公式(8)计算显示对比率：

　　CR=1+LDB/LVB ……………………………………………(8)

　　式中：

　　CR ——亮度对比率;

　　LDB ——显示亮度，单位为 cd/m2;

　　LVB ——可视背景亮度，单位为 cd/m2。

　　5.12 组合镜透射率

　　组合镜透射率的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 打开并调节积分球亮度至期望的亮度，测量背景亮度;

　　c) 将亮度计相对组合镜放置，并保持正确的空间位置;

　　d) 测量可视背景亮度;

　　e) 按公式(9)计算组合镜的透射率：

　　CT=Lvb/Lb ………………………………………………(9)

　　式中：

　　CT ——组合镜透射率;

　　Lvb ——可视背景亮度，单位为 cd/m2;

　　Lb ——背景亮度，单位为 cd/m2。

　　f) 在至少 5 个不同的眼点，重复步骤 a)到 e)，确定组合镜的透射率均匀性。

　　g) 按公式(10)计算：

　　TU (%)=(Tmax-Tmin)×100%/(Tmax+Tmin)………………………………(10)

　　式中：

　　TU ——透射率均匀性;

　　Tmax 、Tmin ——在至少五个点分别测量的透射率的最大值和最小值，包括在显示中心的点以及与显示中心等距的四个点。

　　5.13 最小亮度

　　最小亮度的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 使用图 3 所示的纯白场画面，将 HUD 的亮度手动调节至最小;

　　c) 使用亮度计测量靠近视场中心的显示亮度。

　　注：建议最小亮度应在暗室中进行测量。

　　5.14 自动亮度控制

　　自动亮度控制的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 打开并调节积分球亮度至期望的亮度，测量背景亮度;

　　c) 使用图 3 所示的纯白场画面，在眼位使用亮度计对准组合镜中心，测量显示亮度;

　　d) 按公式(8)计算对比率;

　　e) 调节积分球亮度，重复步骤 a)～d)。最少进行 5 次积分球亮度调节，如果满足 5.11 的要求，那么就满足自动亮度控制的要求。

　　5.15 组合镜头部伤害判据

　　组合镜头部伤害判据(HIC)测量步骤如下：

　　a) 将装有仪器的模拟测试假人相对 HUD 的组合镜置于正确的位置;

　　b) 在加速度冲击期间，记录每个加速度计的输出;

　　c) 按公式(11)计算 HIC 值，确认其是否小于 1000。

　　HIC max ………………………………

　　式中：

　　t1 ——积分初始时间，单位为 s;

　　t2 ——积分终止时间，单位为 s;

　　a (t)——头部撞击总加速度对时间的关系曲线(a 用 g 的倍数表示)。

　　注 1：本测量方法不适用于所有的 HUD。

　　注 2：如果适用，组合镜/测试假人等组合要符合 CCAR 25.562 条款的试验要求。

　　5.16 光栅对比率变化

　　光栅对比率变化的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 使用图 5 所示的光栅灰度画面，手动调节 HUD 的亮度，使用亮度计对准白色光栅，直至该亮度值小于 HUD 光栅峰值亮度的 20%;

　　c) 将亮度计指向每个灰度，并测量其亮度;

　　d) 计算每个相邻灰度梯度间的光强比，确定梯度间的光强比;

　　e) 重复步骤 c)、d)，测量显示亮度在大于 HUD 光栅峰值亮度 80% 时的相邻灰度等级之间的对比率。

　　注：光栅灰度画面应至少包含 6 个灰度，可根据测试需求灵活设置。

　　图 5 光栅灰度画面

　　5.17 光栅暗亮度

　　光栅暗亮度的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 使用图 5 所示的光栅灰度画面，手动调节 HUD 的亮度，使用亮度计对准白色光栅，直至该亮度值为 1.7cd/m2 (0.5ft/L);

　　c) 目视观察是否至少有 6 个可见的灰度等级。

　　注：HUD 的光栅暗亮度测量必须在背景亮度小于 0.34cd/m2 (0.1ft/L)的暗室中进行。

　　5.18 光栅亮度均匀性

　　光栅亮度均匀性的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 使用图 4 所示的棋盘格画面，选择在瞬时视场(直径大于 10˚ )的五个采样场点，测量光栅场亮度;

　　c) 使用公式(7)计算亮度均匀性。

　　5.19 组合镜引起的外景畸变和视差

　　组合镜引起的外景畸变和视差的测量步骤如下：

　　a) 确定要评估的眼盒眼点。确定从每个眼点观察到的组合镜元件边缘的视场角;

　　b) 使用三轴平移台，将经纬仪的基准点相对组合镜置于期望的眼点;

　　c) 将经纬仪指向期望的视场角。放置并调整参考镜， 将经纬仪自动准直到镜子上。记录经纬仪的水平和垂直刻度读数;

　　d) 将组合镜置于在经纬仪和参考镜之间靠近经纬仪的正确相对位置。将经纬仪重新自动准直到参考镜上。记录经纬仪的水平和垂直刻度读数;

　　注：不要相对经纬仪的底座移动参考镜。

　　e) 计算经纬仪的读数变化，即组合镜的外景畸变;

　　f) 通过计算水平移动 66mm (假定的瞳孔间距)的两个眼点的视差差值，就可以确定组合镜引起的外景视差。

　　注：最少进行 5 个眼点的测量，才能描述组合镜的特性。

　　5.20 副像

　　副像的测量步骤如下：

　　a) 将亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 打开并调节积分球亮度，使周围背景环境亮度小于 3.4cd/m2;

　　c) 使用图 2 所示的满天星画面，手动调节 HUD 的亮度;

　　d) 使用亮度计对准画面中心十字，直至该亮度值达到 340cd/m2;

　　e) 使用亮度计对准画面中心十字的副像亮度。

　　注 1：在某些情况下，必需将亮度计的焦点调节聚焦到虚像上。

　　注 2：在副像测量过程中，应调整 HUD 的亮度，使得在黑暗的环境背景下能清晰地看到虚像，才可以进行测量。

　　5.21 色彩配准

　　色彩配准的测量步骤如下：

　　a) 将图像亮度计固定在三轴平移台上，并将亮度计的入瞳孔径置于眼位;

　　b) 使用图 2 所示的满天星画面，手动调节 HUD 的亮度至最大;

　　c) 在 50% 的光强点上，用亮度计测量中心十字主颜色线宽的大小。

　　注：在此情况下，主颜色线宽应不大于线宽，如此才能保证颜色线中心会聚。

　　6 测量报告

　　测量报告的主要内容应包括：测量系统组成、测量布局及测量方法、测量数据记录、测量结论、测量人员签名等，参见附录 A。

　　附 录 A (规范性)测量报告表

　　测量报告表示例见表 A.1。

　　表 A.1 测量报告表