ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОЕКЦИОННОГО БОРТОВОГО ИНДИКАТОРА Российский патент 2014 года по МПК G02B23/10 G02B27/01 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в авиационной промышленности, в частности для авиационных оптических прицелов, устройств индикации перед лобовым стеклом кабины пилотов и т.п.

Устройства бортовой индикации представляют собой оптическую систему, обеспечивающую наложение на реальную картину внешнего пространства различной символьной информации, воспринимаемой пилотом за счет положительного яркостного контраста. Эффект наложения обеспечивается путем применения в индикаторе оптических светоделителей, частично пропускающих лучи света от внешнего пространства и отражающих лучи света, идущие от сколлимированного мнимого изображения информационной картины. Источником изображения информационной картины являются высокояркостные экраны, дисплеи которых совмещены с передней фокальной поверхностью оптической системы проекционного бортового индикатора (ОСПБИ).

Основными требованиями, предъявляемыми к ОСПБИ, являются:

- Большое выходное поле зрения не менее чем 30° по горизонтали и 20° по вертикали, определяющее информативные возможности индикатора;

- Значительный вынос входного зрачка - плоскости расположения глаза пилота от отражающего светоделителя (комбинера) на расстоянии более 300 мм;

- Значительные размеры входного зрачка не менее 160 мм по горизонту и 100 мм по вертикали, обеспечивающие возможность наблюдения информации при движении головы пилота в пределах Δx=80 мм по горизонту и Δy=±50 мм по вертикали;

- Минимальные дисторсионные искажения изображения объектов;

- Необходимость применения в качестве дисплея для формирования изображения символьной или иной информации - жидкокристаллических панелей ЖСК дисплеев;

- Конструктивная возможность вывода комбинера из хода лучей для обеспечения наблюдения объектов только пространства объектов.

Известен ряд ОСПБИ [1-2], установленных перед лобовым стеклом кабины самолета.

В известных оптических системах [1-2] в качестве отражающего светоделительного зеркала (комбинера) использованы плоские поверхности, а ОСПБИ представляет собой коллиматорные объективы, в фокальных плоскостях которых установлены светящиеся экраны.

Недостатки таких оптических систем заключаются в том, что они не обеспечивают требуемых больших угловых полей зрения из-за ограниченных размеров объектива. Действительно, угловое поле 2ω связано с диаметром (D) объектива соотношением:

D=2S tg(ω)xD_вх.зр,

где S - расстояние от глаз пилота до объектива, D_вх.зр - диаметр входного зрачка.

Поскольку значение S=300 мм, то уже при 2ω=30° должен быть диаметр объектива D≥160-270 мм.

Оптическая система проекционного бортового индикатора [3] выполнена в виде вогнутого сферического светоделительного зеркала, плоского светоделительного зеркала, установленного наклонно к оптической оси, проекционного объектива и дисплея, содержащего электронно-лучевую трубку (ЭЛТ).

Недостатком такой ОСПБИ является невозможность использования ЖК дисплея для формирования информационного изображения.

Недостатком ОСПБИ [4], содержащей светоделительное вогнутое сферическое зеркало и плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, диффузно-рассеивающий экран, проекционный объектив и ЖСК дисплей, является малое угловое поле зрения.

Недостатком ОСПБИ [5], содержащей светоделительное вогнутое сферическое зеркало и плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, диффузно-рассеивающий экран, проекционный объектив и дисплей, является малые угловое поле зрения и размер входящего зрачка.

Недостатком ОСПБИ [6], содержащей светоделительное вогнутое сферическое зеркало и установленное наклонно к оптической оси плоское зеркала, проекционный объектив, ЖСК-дисплей, является малый размер входного зрачка.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является ОСПБИ [7].

Оптическая система проекционного бортового индикатора содержит вогнутое сферическое светоделительное зеркало с радиусом кривизны R, плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, сферический диффузно-рассеивающий экран, проекционный объектив, жидкокристаллический дисплей и конденсор.

Проекционный объектив состоит из двух компонентов и апертурной диафрагмы (AD), первый из компонентов выполнен в виде одиночного мениска с отрицательной оптической силой φ_I, обращенного выпуклостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану с радиусом кривизны R/2, второй компонент выполнен из склеенной линзы с отрицательной оптической силой φ_II,1 и двухлинзового элемента с положительной оптической силой φ_II,2, содержащего двояковогнутую и двояковыпуклую линзы, склеенные между собой.

Недостатками ОСПБИ являются возможность ее применения только для малых расстояний от глаз пилота до светоделительного зеркала, т.е. для значений S<50 мм; отсутствие возможности движения головы пилота в процессе наблюдения символьной информации из-за строго фиксированного положения ОСПБИ относительно головы пилота.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение безопасности полета за счет исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота как вдоль оптической оси, так и перпендикулярно ей за счет обеспечения больших размеров входного зрачка ОСПБИ и расстояний от него до комбинера.

Для решения поставленной задачи предлагается оптическая система проекционного бортового индикатора, которая, как и прототип, содержит вогнутое сферическое светоделительное зеркало с радиусом кривизны R, плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, сферический диффузно-рассеивающий экран, проекционный объектив, состоящий из двух компонентов и апертурной диафрагмы (AD), первый из компонентов выполнен в виде одиночного мениска с отрицательной оптической силой φ_I, обращенного выпуклостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану с радиусом кривизны R/2, второй компонент выполнен из склеенной линзы с отрицательной оптической силой φ_II,1 и двухлинзового элемента с положительной оптической силой φ_II,2, содержащего двояковогнутую и двояковыпуклую линзы, а также жидкокристаллический дисплей и конденсор.

В отличие от прототипа в предлагаемой оптической системе проекционного бортового индикатора апертурная диафрагма (AD) установлена между первым и вторым компонентами в переднем фокусе второго компонента, во второй компонент введены склеенная линза с положительной оптической силой φ_II,3, установленная между апертурной диафрагмой (AD) и склеенной линзой с отрицательной оптической силой φ_II,1, и менисковая линза с положительной оптической силой φ_II,4, обращенная вогнутостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану, установленная за склеенной линзой с отрицательной оптической силой φ_II,1, причем двояковогнутая и двояковыпуклая линзы двухлинзового элемента с положительной оптической силой φ_II,2 установлены с воздушным промежутком, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

0,2<|φ_I/φ_экв|<0,3

0,4<|φ_II,1/φ_экв|<0,5

0,1<φ_II,2/φ_экв<0,25

0,9<φ_II,3/φ_экв<1,1

0,45<φ_II,4/φ_экв<0,6

где φ_экв - эквивалентная оптическая сила объектива в целом.

Сущность предлагаемой оптической системы проекционного бортового индикатора заключается в следующем.

Установка апертурной диафрагмы (AD) между первым и вторым компонентами в переднем фокусе второго компонента обеспечивает телецентрический ход главных лучей в пространстве жидкокристаллического дисплея.

Поляризованное излучение от источника после конденсора с параллельным ходом лучей освещает жидкокристаллический дисплей и после отражения от его поверхности заполняет апертурную диафрагму (AD) проекционного объектива, создавая наибольшую и равномерную яркость жидкокристаллического дисплея.

Введение во второй компонент между апертурной диафрагмой (AD) и склеенной линзой с отрицательной оптической силой φ_II,1 склеенной линзы с положительной оптической силой φ_II,3, а за склеенной линзой с отрицательной оптической силой φ_II,1 менисковой линзы с положительной оптической силой φ_II,4, обращенной вогнутостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану позволило увеличить апертуру объектива в пространстве жидкокристаллического дисплея и тем самым увеличить освещенность изображения на сферическом диффузно-рассеивающем экране, внесло положительные аберрации, кому, астигматизм, хроматизм увеличения и отрицательный хроматизм положения, что позволило скомпенсировать аберрации, вносимые остальными линзами проекционного объектива.

Установка двояковогнутой и двояковыпуклой линз двухлинзового элемента с положительной оптической силой φ_II,2 с воздушным промежутком позволило, устранить хроматизм положения и увеличения, а также астигматизм.

Выполнение линз с оптическими силами, удовлетворяющими условию:

0,2<|φ_I/φ_экв|<0,3

0,4<|φ_II,1/φ_экв|<0,5

0,1<φ_II,2/φ_экв<0,25

0,9<φ_II,3/φ_экв<1,1

0,45<φ_II,4/φ_экв<0,6

где φ_экв - эквивалентная оптическая сила объектива в целом, позволило получить заданные значения кривизны поверхности сферического диффузно-рассеивающего экрана, равного фокусному расстоянию (f) вогнутого сферического светоделительного зеркала, f=R/2, где R - радиус кривизны вогнутого сферического светоделительного зеркала, и компенсировать дисторсию проекционного объектива на сферическом диффузно-рассеивающем экране.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема оптической системы проекционного бортового индикатора, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.

Предлагаемая оптическая система проекционного бортового индикатора состоит из вогнутого сферического светоделительного зеркала 1 со светоделительной отражающей поверхностью 2 радиусом R, плоского светоделительного зеркала 3 со светоделительной отражающей поверхностью 4, сферического диффузно-рассеивающего экрана 5 с радиусом R/2, проекционного объектива, состоящего из первого компонента, выполненного в виде одиночного мениска 6 с отрицательной оптической силой φ_I, обращенного выпуклостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану 5, апертурной диафрагмы (AD) 7 и второго компонента, содержащего склеенную линзу 8 с отрицательной оптической силой φ_II,1, двухлинзовый элемент 9 с положительной оптической силой φ_II,2, выполненного в виде двояковогнутой и двояковыпуклой линз, установленных с воздушным промежутком, склеенную линзу 10 с положительной оптической силой φ_II,3, менисковую линзу 11 с положительной оптической силой φ_II,4, обращенную вогнутостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану 5.

Жидкокристаллический дисплей 12 освещается источником 13 с помощью конденсора 14 и поляризационной призмы 15.

Зрачок глаза 16 может перемещаться по горизонту на ±Δx и по вертикали (в плоскости чертежа) на ±Δy в плоскости входного зрачка 17, наблюдая объект 18 и одновременно изображение символьной информации с жидкокристаллического дисплея 12 на сферическом диффузно-рассеивающем экране 5.

Работа оптической системы проекционного бортового индикатора осуществляется следующим образом.

В обратном ходе лучей параллельные пучки света от каждого глаза пилота диаметром, равным диаметру входного зрачка глаза (2-4 мм), после отражения от вогнутого сферического зеркала 1 и плоского светоделительного зеркала 3 фокусируется на сферической поверхности диффузно-рассеивающего экрана 5, расположенного в фокусе вогнутого сферического зеркала 1.

Проекционный объектив 6-11 сопрягает поверхность жидкокристаллического дисплея 12 с поверхностью диффузно-рассеивающего экрана 5. Таким образом, оптическая система проекционного бортового индикатора представляет собой монокулярную широкоугольную лупу, в фокусе которой установлен диффузно-рассеивающий экран 5, на который проектируется информация с жидкокристаллического дисплея 12. Пилот одновременно наблюдает поверхность диффузно-рассеивающего экрана 5 на фоне внешнего объекта 18.

Для освещения жидкокристаллического дисплея 12 используется осветительная система, состоящая из источника излучения (светодиода) 13, расположенного в фокусе конденсора 14. Параллельный пучок излучения после конденсора 14 отражается от поляризационной поверхности призмы 15, которая отражает P-поляризацию и пропускает S-поляризацию. Отраженное от жидкокристаллического дисплея 12 P-излучение поворачивается на 90° и фокусируется в плоскости апертурной диафрагмы (AD) 7, заполняя ее диаметр. Проекционный объектив 6-11 работает с увеличением 5,7^x для прилагаемого примера в направлении к диффузно-рассеивающему экран 5.

Наибольшие апертуры, при которых обеспечивается поляризация призмой 15, не превышают 0,13-0,15. При увеличении 5,7^х апертура в пространстве изображения на диффузно-рассеивающем экране 5 составляет 0,02-,025. Для обеспечения возможности наблюдения информации при смещении головы пилота на Δx=±80 мм, Δy=±50 мм требуется, чтобы апертура (α) рассеяния диффузно-рассеивающего экрана 5 составляла не менее , например, при R=360 мм α≥24°, или апертура sinα≥0,4.

Для обеспечения апертуры sinα≥0,4-0,5 применяется диффузно-рассеивающий экран 5, который преобразует падающую на него апертуру 0,025 после прохождения излучения через него до 0,4-0,5.

В качестве примера приведена оптическая система проекционного бортового индикатора со следующими параметрами, приведенными в Приложении.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, патент на изобретение №2358304, МПК: G02B 27/08, G02B 27/01, опубл. 10.06.2009 г.

2. Российская Федерация, патент на изобретение №2358303, МПК: G02B 27/08, G02B 27/01, опубл. 10.06.2009 г.

3. США, патент на изобретение №5907416, МПК: G02B 27/01, G09B 9/30, опубл. 25.05.1999 г.

4. Франция, патент на изобретение №2858068, МПК: G02B 27/01, опубл. 28.01.2005 г.

5. США, патент на изобретение №7391574, МПК: G02B 27/14, опубл. 20.09.2007 г.

6. США, патент на изобретение №8089568, МПК: G02B 27/01, G02F 1/1335, опубл. 03.01.2012 г.

7. США, патент на изобретение №5483307, МПК: G02B 26/08, G02B 27/01, G02B 27/02, G02B 27/00, опубл. 09.01.1996 г. - прототип.

Оптическая система содержит вогнутое сферическое светоделительное зеркало с радиусом кривизны R, плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, сферический диффузно-рассеивающий экран, проекционный объектив, жидкокристаллический дисплей и конденсор. Проекционный объектив состоит из двух компонентов и апертурной диафрагмы (AD). Первый компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к диффузно-рассеивающему экрану с радиусом кривизны R/2. Второй компонент выполнен из отрицательной склеенной линзы и двухлинзового положительного элемента, содержащего двояковогнутую и двояковыпуклую линзы. AD установлена между первым и вторым компонентами в переднем фокусе второго компонента, в который введены положительная склеенная линза, установленная между AD и отрицательной склеенной линзой, и менисковая положительная линза, обращенная вогнутостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану. Оптические силы линз удовлетворяют условиям, приведенным в формуле изобретения. Технический результат - повышение безопасности полета за счет исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота как вдоль оптической оси, так и перпендикулярно ей. 1 ил., 1 прилож.

Оптическая система проекционного бортового индикатора, содержащая вогнутое сферическое светоделительное зеркало с радиусом кривизны R, плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, сферический диффузно-рассеивающий экран, проекционный объектив, состоящий из двух компонентов и апертурной диафрагмы (AD), первый из компонентов выполнен в виде одиночного мениска с отрицательной оптической силой φ_I, обращенного выпуклостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану с радиусом кривизны R/2, второй компонент выполнен из склеенной линзы с отрицательной оптической силой φ_II,1 и двухлинзового элемента с положительной оптической силой φ_II,2, содержащего двояковогнутую и двояковыпуклую линзы, а также жидкокристаллический дисплей и конденсор, отличающаяся тем, что апертурная диафрагма (AD) установлена между первым и вторым компонентами в переднем фокусе второго компонента, во второй компонент введены склеенная линза с положительной оптической силой φ_II,3, установленная между апертурной диафрагмой (AD) и склеенной линзой с отрицательной оптической силой φ_II,1, и менисковая линза с положительной оптической силой φ_II,4, обращенная вогнутостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану, установленная за склеенной линзой с отрицательной оптической силой φ_II,1, причем двояковогнутая и двояковыпуклая линзы двухлинзового элемента с положительной оптической силой φ_II,2 установлены с воздушным промежутком, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:
0,2<|φ_I/φ_экв|<0,3
0,4<|φ_II,1/φ_экв|<0,5
0,1<φ_II,2/φ_экв<0,25
0,9<φ_II,3/φ_экв<1,1
0,45<φ_II,4/φ_экв<0,6
где φ_экв - эквивалентная оптическая сила объектива в целом.