空用抬頭顯示器,顧名思義,其目的即在于可使駕駛員"抬頭"操縱飛機,而不須低頭去俯看儀錶板,由陰極射線管(CRT)螢幕所顯示關于飛行方面的資料,則經由抬頭顯示器,和外界的景物一起重疊呈現在駕駛員的眼前。抬頭顯示器如此安排可減輕駕駛員的工作負擔,並增加他的武器瞄準能力,從而達到人機合一的境界,這點對于一架戰鬥機之近空纏鬥是非常重要。從美國發展F-4幽靈戰鬥機以來,在越南戰場空戰中,戰術學家已發現空戰戰術有必要再作修正,新發展的戰鬥機常走向低造價(以便大量採購)的方向,除了可搭配高科技操作系統外,並必須要有近空纏鬥的能力,有的可以有視界外的攻擊能力,有的甚至不配備具有鎖定目標的雷達,無法配備有麻雀飛彈,因而也就不具有視界外的攻擊能力,但無論如何,空軍(海軍亦然)戰鬥機之設計者已了解到,設計一種無近空纏鬥能力的戰鬥機,根本是一種錯誤。

除了考慮到近空纏鬥的能力外,抬頭顯示器也是單人機艙的靈魂,單人機艙只有一個駕駛員,卻同樣的必須全神留意機內和機外的狀況,藉抬頭顯示器之助,單人飛機可以很完美的做出滯空,倒飛,靜止間俯仰機頭,靜止間旋轉機身,瞬間急劇加速或減速,側翻,偏滾,急轉彎等高難度動作。單人機艙比起雙人機艙來淂靈巧輕便,同時也較為經濟(節省了機身、引擎造價及人事、設備之費用),因此逐漸成為現代飛機的主流,抬頭顯示器也就日形重要。

一個典型的傳統式抬頭顯示器系統包括有陰極射線管(CRT),中繼鏡片(

RELAYLENS)及分光鏡(COMBINER)。在此分光鏡可定義為一雙功能(DUAL

FUNCTION)的光學元件(如圖),它同時傳送了外界的影像及陰極射線管螢幕上的資料。通常空用陰極射線管,其螢幕照明(LUMINANCEATSCREEN)可達1200

cd/㎡,經過25%繞射效率之分光鏡,在分光鏡上,可以得到約1600FTLAMBERT之亮度。至于解析度方面,陰極射線管螢幕可以達到1000X1000個PIXELS,同樣道理,分光鏡所繞射之光點必須非常清晰(SHARP),才能確保最終之影像良好而無模糊扭曲的情形。陰極射線管螢幕所產生之磷光,無論是P-33或P-43,皆為波長為543nm之綠光。

2 抬頭顯示器之分類

抬頭顯示器一般可依形狀分成如下的四個類型:

(1)平面分光鏡型

(2)曲面分光鏡型

(3)頭盔(HELMET)型及眼罩型

(4)多件分光鏡組合(COMPOUNDORMULTIPLE

ELEMENTCOMBINERS)型

曲面分光鏡組合可得到比平面分光鏡較大之視場FOV(FieldOfView).

然而,須考慮像差之問題。

一般典型的傳統式抬頭顯示器系統其瞬間視場IFOV(INSTANTANEOUS

FIELDOFVIEW)較小,約可提供12°ELX18°AZ左右,已不足敷現代抬頭

顯示器日益龐大之工作需求,而改由多件分光鏡組合,如此較易達到廣角之效

果。例如LANTIRN式抬頭顯示器系統(可達19°ELX30°AZIFOV,接近人

類的全視角)即為多件分光鏡組合,由馬可尼(MARCONI)公司所開發,目前廣泛的為各國空軍所接受。甚至于簡單的雙面分光鏡組合(DUALCOMBINER)即可得到較單面分光鏡大3°之IFOV。然而,在考慮影像之亮度是否均勻時,我們應考慮在分光鏡之繞射效率上作不同的安排,如前分光鏡之繞射效率為35%,後分光鏡之繞射效率為28%。

頭盔(HELMET)型及眼罩型由于分光鏡靠近駕駛員的眼睛,故駕駛員可以得到較大之FOV(FIELDOFVIEW),日後頭盔(HELMET)型及眼罩型必將成為抬頭顯示器之主流。

若依光線軌跡則可分成如下的二個類型:軸上(ONAXIS)型及離軸(OFFAXIS)型。

所謂離軸(OFFAXIS)即指中繼鏡片(RELAYLENS)為了消除像差,而與光軸有一個傾斜角。而軸上(ONAXIS)型一般其FOV(FIELDOFVIEW)較小,但無像差之問題。

若依製作情形則可分成如下的二個類型:鍍膜分光鏡型及全像分光鏡

型。目前在空用抬頭顯示器方面,前者已逐漸為後者所淘汰,但鍍膜分光鏡

3 抬頭顯示器全像分光鏡

舊式的分光鏡(COMBINER)是使用鍍膜的玻璃片,無論它是曲面的,或是

平面的,都具有以下兩個缺點,一是透明度不佳,二是效率不高。

因此全像抬頭顯示器乃應運而生,它使用全像技術拍攝成全像分光鏡(H

OLOGRAPHICCOMBINER),具有透明度佳及效率高的優點。

在此簡單介紹全像的基本精神:兩個光場干涉後,再重新用一道光入射其

干涉條紋時,將出現當初建立干涉時之另一個光場。因此當我們使用全像技

術拍攝一個物體,記錄下兩道光之干涉圖形後,再利用原來的一道光來重現,

,可得到重現的物體影像為立體之結果,看起來十分神奇。因此當我

們使用全像技術來拍攝一面鏡子的時候,自然也可以得到一面"立體鏡子",

在此可稱之為全像分光鏡,全像的特性不但是選角也是選頻的,亦即它對波

長是有選擇性的,因此我們可以設法使鏡子內側波長為543nm之綠光幾乎百

分之百的反射,無法通過這個全像分光鏡,,鏡子外側波長不為543nm其他的

光線,幾乎百分之百的通過此分光鏡。全像技術是分光鏡所有問題的答案。

關于全像分光鏡拍攝之光學佈置,休斯飛機公司(HUGHESAIRCRAFT)

係使用兩道平行光互相干涉的方法(TwoBeamMethod).但馬可尼(MARCONI)

公司使用一道平行光與底片背後反射互相干涉的方法(ONEBEAMandBACK

REFLECTIONMETHOD)。倘使此全像分光鏡為曲面,則前者改為點光源與收斂光互相干涉,而後者改為點光源與曲面鏡反射光互相干涉。嚴格來說,兩者各有其優缺點,前者必須要有複雜的條紋穩定裝置(FRINGESSTABLIZER)。後者雖較易保持同調及穩定,但反射光穿越底片兩次,受反射面鏡及藥膜品質影響很大。此外,藥膜中重鉻酸銨的劑量(CONCENTRATION)在後者也受到限制,因太高劑量之重鉻酸銨將使反射光光場強度大為減弱,無法與入射光保持1:1之比例。

關于全像分光鏡拍攝時所使用之感光材料方面，由于要達到高的折射率調制幅度(indexmodulation)及透明度佳,效率高的優點。目前重鉻酸明膠(DICHROMATED　GELATIN)才可以滿足此一要求,現在仍有許多材料科學家致力于感光材料之開發工作,例如杜邦公司開發之感光材料,效果不輸給重鉻酸明膠,特性卻比重鉻酸明膠優異。重鉻酸明膠在曝光後,其折射率約為1.550(平均值)。至于其折射率調制幅度,將由于沖洗處理過程的不同而有所差別,根據現有資料顯示，最大之值可達0.08。

重鉻酸明膠所需之曝光量甚大(拍攝此類光柵系統使用到300mj/c㎡-1000mj/c㎡之曝光量),因此一片8inX10in之底片需要曝光到30分鐘以上。拍攝時穩定系統需比一般之全像拍攝裝置還講究。

4 平面全像分光鏡

曲面全像分光鏡無論在理論分析,拍攝,成品的處理及應用上,遠比平面全像分光鏡複雜得多,因此本文仍以介紹平面全像分光鏡為主。而平面全像分光鏡拍攝之光學佈置,甚至可簡化成單光束,點光源來拍攝。

全像分光鏡,應具有如下的三個特性:

(1)只有一個像,並且不致在此產生像差問題。

(2)高階重建繞射光顯得十分微弱,其強度可以忽略,或根本不存在。

(3)角頻的選擇能力非常低如此纔能得到較大之FOV(FIELDOFVIEW )。

平面全像分光鏡,其干涉條紋平行藥膜面,故能滿足以上之要求。

而對于平面全像分光鏡設計上,應考慮如下的七個重點:

(1)光源角度

(2)光源距離

(3)繞射效率

(4)頻譜偏移量控制

(5)角頻寬

(6)透明度

(7)容忍值及公差

如此,所拍攝之成品,在光學品質方面纔能呈現良好之性能。

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