СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G02B27/01 G02B23/10 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании оптических систем нашлемных дисплеев, например, для индивидуальной экипировки бойца.

Система формирования изображения предназначена для создания в поле зрения наблюдателя изображения, которое рассматривается им одновременно с окружающей обстановкой. Совмещение изображений осуществляется за счет частично отражающего и частично пропускающего элемента - комбинера, на который нанесено спектроделительное покрытие или голограмма. Яркость создаваемого изображения должна быть достаточной для его восприятия на фоне окружающей обстановки при ярком солнечном свете.

Известна оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея (см. патент RU 2353958 C1, МПК G02B 27/00, опубл. 27.04.2009 г.), которая содержит комбинер, первый светоделитель, проекционный объектив, включающий два компонента, апертурную диафрагму, расположенную между указанными компонентами, второй светоделитель и источник изображения. Основной недостаток системы - наличие полупрозрачного зеркала, которое снижает энергетические характеристики в четыре раза.

Известна оптическая система для нашлемных дисплеев, описанная в патенте US 5526183, МПК G02B 27/14, опубл. 11.06.1996 г., которая содержит комбинер и передающий модуль, состоящий из шести линз и клина. К недостаткам этой системы можно отнести сложность конструкции передающего модуля и его большие габаритные размеры.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе, принятой за прототип, является система формирования изображения для нашлемного дисплея (см. патент WO 97/01123, МПК G02B 27/01, 17/00, опубл. 09.01.1997 г.), включающая первый компонент - комбинер, отражающая поверхность которого является асферическим тороидом, установленный под углом к оптической оси системы, второй компонент, содержащий первую положительную плосковыпуклую линзу и вторую положительную выпукло-вогнутую линзу, все поверхности которых сферические, сильно децентрированные (на 16,8 мм) относительно оптической оси системы и установленные к ней под углом, и дисплей, также установленный под углом к оптической оси. В схеме прототипа между первым и вторым компонентами отсутствует промежуточное изображение и вынос комбинера относительно глаза наблюдателя составляет 83 мм, при этом световой диаметр линз второго компонента более 40 мм и толщина по оси более 12 мм.

Наблюдение обстановки осуществляется непосредственно глазом сквозь комбинер, работающий на пропускание (на просвет). Световой поток от дисплея проходит через второй компонент, затем отражается от вогнутой поверхности комбинера и попадает в глаз наблюдателя.

К основным недостаткам прототипа следует отнести большие габариты и массу второго компонента, связанные с использованием сильно децентрированных линз и значительным выносом комбинера относительно глаза наблюдателя, ограничивающим к тому же поле зрения для бинокулярного варианта системы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение выноса комбинера относительно глаза наблюдателя и массы второго компонента в системе формирования изображения при высоком качестве изображения.

Указанная цель достигается тем, что в системе формирования изображения, содержащей первый компонент, выполненный в виде комбинера, установленного под углом к оптической оси системы, второй компонент, содержащий первую положительную двояковыпуклую линзу и вторую выпукло-вогнутую линзу, которые децентрированы и наклонены относительно оптической оси системы, излучающий микродисплей, установленный под углом к оптической оси системы, и электронный блок обработки информации, поверхности первого компонента выполнены биконическими, во втором компоненте вторая линза выполнена отрицательной и дополнительно введены третья и четвертая положительные двояковыпуклые линзы, при этом первый и второй компоненты выполнены и установлены таким образом, что между ними формируется промежуточное изображение.

А также тем, что во втором компоненте первая поверхность второй линзы выполнена асферической.

А также тем, что во втором компоненте первая поверхность третьей линзы выполнена асферической.

А также тем, что во втором компоненте третья и четвертая линзы децентрированы относительно оптической оси первой и второй линз.

На фиг.1 представлена схема системы формирования изображения.

На фиг.2 представлен ход лучей в системе формирования изображения.

На фиг.3 представлены графики функции концентрации энергии (ФКЭ) в кружке заданного диаметра, характеризующие качество системы формирования изображения.

Система формирования изображения содержит первый компонент - комбинер 1, поверхности которого выполнены биконическими, установленный под углом α к оптической оси системы, второй компонент, содержащий первую положительную двояковыпуклую линзу 2, вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу 3, третью положительную двояковыпуклую линзу 4 и четвертую положительную двояковыпуклую линзу 5, излучающий микродисплей 6 и электронный блок обработки информации 7. Во втором компоненте первые поверхности линз 3 и 4 выполнены асферическими. Линзы 2 и 3 децентрированы относительно оптической оси на величину b₁, выбранную из условия 0≤b₁≤2 мм, и наклонены на угол β. Линзы 4 и 5 децентрированы относительно оптической оси линз 2 и 3 на величину b₂, выбранную из условия 2≤b₂≤4 мм. Микродисплей 6 установлен под углом γ к оптической оси системы.

Система формирования изображения работает следующим образом. Сигнал от наблюдаемой сцены с оптико-электронного устройства (например, тепловизора) передается в электронный блок обработки информации 7, в который одновременно поступает служебная информация. В электронном блоке обработки информации 7 формируется видеокадр, в котором в растровое изображение добавляется служебная информация. Затем полученный видеокадр сворачивается с обратной функцией дисторсии оптической системы и передается на излучающий микродисплей 6. После чего излучение проходит через линзы 5-2 второго компонента, затем отражается от вогнутой поверхности комбинера 1, далее коллимированый пучок излучения направляется в глаз наблюдателя. Наблюдатель видит изображение, поступающее от излучающего микродисплея 6, содержащее изображение сцены со служебной информацией, наложенное на изображение окружающей обстановки, рассматриваемое сквозь комбинер 1.

Компоновка оптической системы с формированием промежуточного изображения позволило уменьшить световые диаметры линз 2-5 второго компонента до 22 мм, а их толщину по оси до 8,5 мм, и тем самым уменьшить его массу и габариты.

Уменьшение выноса комбинера 1 относительно глаза наблюдателя до 67 мм позволяет увеличить поле зрения для бинокулярного варианта системы и улучшает эргономические характеристики системы формирования изображения за счет оптимального расположения центра масс.

В заявляемой системе хорошо исправлены сферическая аберрация и астигматизм за счет выбранной формы поверхности комбинера 1 и увеличения числа линз во втором компоненте, что иллюстрируют графики функции концентрации энергии, приведенной на фиг.3. В предложенной системе формирования изображения исправление дисторсии происходит за счет электронной компенсации, осуществляемой блоком обработки информации 7.

Таким образом, выполнение системы формирования изображения в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет уменьшить габариты и массу за счет уменьшения выноса комбинера относительно глаза наблюдателя и габаритов второго компонента при высоком качестве изображения.

Система может быть использована при создании оптических систем нашлемных дисплеев, например, для индивидуальной экипировки бойца. Система содержит первый компонент - комбинер, установленный под углом к оптической оси системы, второй компонент, содержащий первую двояковыпуклую линзу и вторую выпукло-вогнутую линзу, которые децентрированы и наклонены относительно оптической оси системы, излучающий микродисплей, установленный под углом к оптической оси системы, и электронный блок обработки информации. Поверхности первого компонента выполнены биконическими, во втором компоненте вторая линза выполнена отрицательной и дополнительно введены третья и четвертая двояковыпуклые линзы. Первый и второй компоненты установлены таким образом, что между ними формируется промежуточное изображение. Технический результат - уменьшение выноса комбинера относительно глаза наблюдателя и массы второго компонента при высоком качестве изображения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система формирования изображения, содержащая первый компонент, выполненный в виде комбинера, установленного под углом к оптической оси системы, второй компонент, содержащий первую положительную двояковыпуклую линзу и вторую выпукло-вогнутую линзу, которые децентрированы и наклонены относительно оптической оси системы, излучающий микродисплей, установленный под углом к оптической оси системы, и электронный блок обработки информации, отличающаяся тем, что поверхности первого компонента выполнены биконическими, во втором компоненте вторая линза выполнена отрицательной и дополнительно введены третья и четвертая положительные двояковыпуклые линзы, при этом первый и второй компоненты установлены таким образом, что между ними формируется промежуточное изображение.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что во втором компоненте первая поверхность второй линзы выполнена асферической.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что во втором компоненте первая поверхность третьей линзы выполнена асферической.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что во втором компоненте третья и четвертая линзы децентрированы относительно оптической оси первой и второй линз.