НАШЛЕМНЫЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ ИНДИКАТОР Российский патент 2003 года по МПК G02B23/10 G02B23/12 

Изобретение относится к области построения оптических индикаторов, формирующих в поле зрения наблюдателя коллимированные изображения, в частности к проектированию малогабаритных пилотажных-навигационных индикаторов, размещаемых на шлеме (каске) наблюдателя, и может найти применение в авиации, космонавтике, тренажеростроении и других областях техники.

Известно большое число нашлемных коллиматорных индикаторов (например, патенты Великобритании 2283833 А1 от 08.07.1993 г. и Франции 2718855 А1 от 18.04.1994 г. ), содержащих в общем случае генератор изображения, коллимирующий элемент и устройство для сопряжения генератора изображения с коллимирующим элементом. Все известные нашлемные коллиматорные индикаторы содержат довольно сложные согласующие устройства для сопряжения, из-за чего усложняется конструкция и компоновка на шлеме индикатора, увеличивается его масса и габариты, что приводит к ухудшению аэродинамических характеристик шлема, увеличению нагрузок на голову наблюдателя и созданию дискомфорта при работе с ним.

В качестве прототипа может быть принят безлинзовый нашлемный (или головной) индикатор (патент US 5715094 от 03.02.1998 г.), включающий в себя отражающий козырек и оптически связанный с ним источник изображения, а также устройство сопряжения, включающее фронтальную волоконно-оптическую пластину (экран). В прототипе используются индивидуальные генераторы излучения для правого и левого глаза. Кроме того, имеются дополнительные оптические рассеивающие устройства, предназначенные для оптического сопряжения источника излучения с фронтальной волоконно-оптической пластиной.

Таким образом, взятый в качестве прототипа индикатор также конструктивно сложен и технологически трудоемок в изготовлении, сопряжении со шлемом и глазами наблюдателя. Для наблюдения индицируемой информации двумя глазами необходимо два индикатора, что увеличивает общую массу и вызывает сложности при компоновке на шлеме.

Перед авторами стояла задача создать простой по конструкции нашлемный коллиматорный индикатор, удобный в экслуатации, не ухудшающий аэродинамические характеристики шлема.

Это достигается тем, что в нашлемном коллиматорном индикаторе, содержащем коллимирующее сферическое зеркало и оптически сопряженный с ним генератор изображения, включающий в себя световолоконный экран, излучающая поверхность которого совмещена с фокальной поверхностью коллимирующего сферического зеркала, генератор изображения размещен в плоскости симметрии шлема, при этом угол падения световых лучей, выходящих из излучающей поверхности экрана, на сферическое зеркало определяется зависимостью

где α - угол между выходящим из волокна световым лучом, угол падения которого на излучающую поверхность равен β, и перпендикуляром к поверхности сферического зеркала в точке падения луча;
β - угол между направлением волокна и перпендикуляром к излучающей поверхности экрана на выходе волокна, не более критического угла полного внутреннего отражения волокна;
n - показатель оптического преломления материала стекловолокон экрана;
а угол между линией глаза наблюдателя, направленной на горизонт, и линией глаза, направленной на верхнюю крайнюю точку индицируемого изображения, не более максимального угла поворота глаза по вертикали.

Световолоконный экран выполняет функцию согласующего элемента между генератором и зеркалом за счет придания излучающей поверхности экрана сферической формы, совмещаемой с фокальной поверхностью сферического зеркала, а расположение светопроводящих волокон экрана под углом к излучающей поверхности экрана дает возможность направить основной световой поток в сторону глаз наблюдателя.

Вышеперечисленное позволяет получить коллимированное изображение, сформированное генератором изображения, с повышенной яркостью и видимое наблюдателем двумя глазами. Простота конструкции индикатора позволяет оптимально разместить его на шлеме, не создавая дискомфорта наблюдателю, не нарушая аэродинамических характеристик шлема.

Сущность изобретения иллюстрируется на фиг.1 и фиг.2.

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый нашлемный коллиматорный индикатор, где 1 - коллимирующее сферическое зеркало, 2 - козырек, 3 - шлем, 4 - глаз наблюдателя, 5 - ось поворота козырька, 6 - оболочка шлема, 7 - генератор изображения, 8 - световолоконный экран, 9 - линия горизонта, 10 - линия глаза, γ - угол между линией горизонта и линией глаза, направленной на индицируемое изображение.

На фиг.2 изображено взаимное расположение элементов индикатора и показан ход луча света, выходящего из волокна, расположенного в центре излучающей поверхности светового экрана, где β - угол между направлением волокна и перпендикуляром к излучающей поверхности экрана на выходе волокна, β′ - угол между перпендикуляром к излучающей поверхности экрана на выходе волокна и преломленным лучом, α - угол между световым лучом, выходящим из волокна, и перпендикуляром к поверхности сферического зеркала в точке падения луча, α′ - угол между перпендикуляром к поверхности сферического зеркала в точке падения светового луча и отраженным лучом, направленным в точку В, A - точка выхода светового луча из волокна, С - точка падения светового луча на сферическое зеркало, O - центр кривизны зеркала 1, B - центр вращения глаза, 11 - направление волокон экрана 8.

Индикатор содержит коллимирующее сферическое зеркало 1, расположенное на козырьке 2 шлема 3. Козырек может быть выполнен с возможностью вывода его из поля зрения глаз 4 наблюдателя поворотом вокруг оси 5. В качестве козырька может быть использован светофильтр, имеющийся на шлеме. В качестве коллимирующего зеркала 1 может быть применено зеркальное покрытие, нанесенное на сферическую поверхность соответствующего радиуса кривизны козырька 2. Покрытие может быть и полупрозрачным, в этом случае индикация наблюдается на фоне внешнего пространства.

Внутри шлема 3, в лобовой его части, расположен и закреплен на оболочке 6 шлема генератор изображения 7. В качестве генератора изображения может быть применена жидкокристаллическая (ЖК) или полупроводниковая индикаторная панель (см. Н. В.Пароль, С.А.Кандалов. Знако-синтезирующие индикаторы и их применение. М.: Радио и связь, 1989 г.).

Генератор изображения 7 снабжен световолоконным экраном 8 (например, приклеенным к излучающей поверхности ЖК-панели), излучающая поверхность которого выполнена сферической с радиусом кривизны, равном половине радиуса R кривизны сферического зеркала 1. Взаимное расположение генератора изображения 7 и сферического зеркала 1 на шлеме 3 обеспечивает совмещение излучающей поверхности световолоконного экрана 8 с фокальной поверхностью коллимирующего сферического зеркала 1.

Светопроводящие волокна экрана 8 в вертикальной плоскости наклонены к излучающей поверхности экрана и составляют с перпендикуляром к излучающей поверхности на выходе волокна угол β, меньший критического угла полного внутреннего отражения волокон, который составляет 30÷40^o (см. Д.К.Саттаров. Волоконная оптика. Л.: Машиностроение, 1973 г., стр. 33).

В этом случае основной световой поток, содержащий информацию об изображении, выходя из волокон, отклоняется вниз и, отражаясь от сферического зеркала 1, направляется в глаз 4 наблюдателю, создавая яркое изображение.

Все объяснения справедливы и для других волокон.

Нашлемный коллиматорный индикатор работает следующим образом. Лучи света, составляющие световой поток, несущий информацию об изображении, сформированном генератором изображения 7, проходя через светопроводящие волокна экрана 8, на выходе волокна (границе раздела сред стекло-воздух) преломляются и отклоняются вниз от перпендикуляра к излучающей поверхности экрана на выходе волокна.

Поскольку световые лучи распространяются вдоль волокна, то угол β между направлением волокна и перпендикуляром к излучающей поверхности экрана на выходе волокна можно принимать за угол падения луча на границу раздела сред стекло-воздух, а угол β′ принимать за угол преломления, которые связаны между собой зависимостью:
β′ = arcsin n•sinβ,
где n - показатель оптического преломления стекла волокон экрана.

Отклоненный световой луч попадает на сферическое зеркало 1 под углом α.

В ΔАОС ОС=R; АО=R/2,
где R - радиус сферического зеркала 1.

из ΔАОС следует:

откуда


Луч , отраженный от сферического зеркала 1 под углом α′, равном α, направляется в глаз наблюдателю, точка В которого совмещена с центром вращения глаза. Поскольку излучающая поверхность световолоконного экрана 8 совмещена с фокальной поверхностью коллимирующего сферического зеркала 1, световой поток коллимируется и наблюдатель видит изображение в бесконечности.

Центр зоны индикации, а следовательно, и коллимирующее сферическое зеркало 1 могут располагаться в поле зрения наблюдателя выше линии глаз (являющейся оптической осью глаза), направленной на горизонт, на угол γ.

В этом случае для наблюдения индикации необходимо поднять взгляд (линию глаз) вверх. Поскольку максимальный угол поворота глаз вверх составляет 45-50^o (см. М. Я. Кругер и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. М. -Л. : Гос. научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963 г. стр. 210-212), то угол γ между линией глаз наблюдателя, направленной на горизонт и на верхнюю крайнюю точку изображения, не должен превышать этого значения.

При этом увеличивается свободная от элементов конструкции индикатора зона внешнего пространства, просматриваемая наблюдателем.

Предлагаемый нашлемный коллиматорный индикатор за счет оптимальной компоновки его составных частей на шлеме позволяет упростить его конструкцию и уменьшить массу. Расположение генератора изображения внутри и в плоскости симметрии шлема значительно снижает дисбаланс нагрузок на голову наблюдателя, особенно при перегрузках, не нарушает аэродинамических характеристик шлема.

Применение генератора изображения со световолоконным экраном в сочетании с достаточно простым в изготовлении сферическим зеркалом дает возможность легко совместить излучающую поверхность генератора изображения с фокальной поверхностью сферического зеркала и создать нашлемный индикатор, позволяющий наблюдать коллимированное изображение повышенной яркости двумя глазами без геометрических и цветовых искажений и не создавая при этом физиологических неудобств наблюдателю.

Нашлемный коллиматорный индикатор включает коллимирующее сферическое зеркало и оптически сопряженный с ним генератор изображения, размещенный в плоскости симметрии шлема и снабженный световолоконным экраном, излучающая поверхность которого совмещена с фокальной поверхностью коллимирующего сферического зеркала, а направление светопроводящих волокон экрана составляет с перпендикуляром к излучающей поверхности экрана на выходе волокна угол не более критического угла полного внутреннего отражения волокна. Угол падения световых лучей, выходящих из излучающей поверхности экрана, на сферическое зеркало определяется зависимостью, приведенной в формуле изобретения. При этом угол между линией глаза наблюдателя, направленной на горизонт, и линией глаза, направленной на верхнюю крайнюю точку индицируемого изображения, не более максимального угла поворота глаза по вертикали. Технический результат заключается в создании простого по конструкции индикатора, удобного в эксплуатации и не ухудшающего аэродинамические характеристики шлема. 2 ил.

Нашлемный коллиматорный индикатор, содержащий коллимирующее сферическое зеркало и оптически сопряженный с ним генератор изображения, включающий в себя световолоконный экран, излучающая поверхность которого совмещена с фокальной поверхностью коллимирующего сферического зеркала, отличающийся тем, что генератор изображения размещен в плоскости симметрии шлема, при этом угол падения световых лучей, выходящих из излучающей поверхности экрана, на сферическое зеркало определяется зависимостью

где α - угол между выходящим из волокна световым лучом, угол падения которого на излучающую поверхность равен β, и перпендикуляром к поверхности сферического зеркала в точке падения луча;
β - угол между направлением волокна и перпендикуляром к излучающей поверхности экрана на выходе волокна не более критического угла полного внутреннего отражения волокна;
n - показатель оптического преломления материала стекловолокон экрана,
а угол между линией глаза наблюдателя, направленной на горизонт, и линией глаза, направленной на верхнюю крайнюю точку индицируемого изображения, не более максимального угла поворота глаза по вертикали.