ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОЕКЦИОННОГО БОРТОВОГО ИНДИКАТОРА Российский патент 2016 года по МПК G02B27/01 G02B27/14 G02B23/10 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в авиационной промышленности, в частности для авиационных оптических прицелов, устройств индикации на лобовом стекле кабины пилота и т.п.

Устройства бортовой проекционной индикации представляют собой систему, обеспечивающую одновременное наблюдение пилотом реального окружения, объектов в пространстве и изображение с индикационного дисплея, видимое через оптическую систему со светоделительным отражателем, при этом визирная ось наблюдателя и оптическая ось системы проекции дисплея совмещены.

Таким образом, оптическая система проекционного бортового индикатора (ОСПБИ) состоит из светоделительного отражающего зеркала и оптической системы, в фокальной плоскости которой установлен дисплей.

Основными требованиями, предъявляемыми к ОСПБИ, являются:

- большое угловое поле зрения: ±15° по горизонту и ±10° по вертикали;

- значительный вынос входного зрачка - глаза наблюдателя от отражающего светоделительного зеркала более 500 мм;

- минимизированный вес;

- возможность наблюдения дисплея при движении головы пилота в пределах не менее ±75 мм по горизонту и ±45 мм по вертикали;

- минимальные дисторсионные искажения изображений объектов и дисплея;

- минимальные световые потери в обоих каналах.

Известен целый ряд проекционных бортовых индикаторов [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8] на лобовом стекле кабины самолета.

В устройствах [1] и [2] использована система индикации с применением осевой оптической системы, светоделительное отражающее зеркало - сферическое, в фокальной плоскости которого установлен дисплей.

Недостатками такой системы являются:

- значительные световые потери из-за применения двух светоделительных зеркал (сферического и плоского);

- малое угловое поле (2ω), определенное из формулы

tg(2ω)=L/f′, где L - наибольший размер дисплея,

f′ - фокусное расстояние зеркала.

Поскольку из габаритных требований значение f′ достаточно большое, то угловое поле весьма ограничено.

В устройстве [3] используется три светоделительные поверхности для канала индикации и две - для канала наблюдения объекта, что приводит к значительным энергетическим потерям.

Кроме того, угловое поле ограничено большими габаритами светоделительных зеркал, т.к. в каналах индикации наблюдения объекта оптические оси дважды проходят через светоделительные зеркала в разнесенных точках по поверхностям.

В устройствах [4], [5], [6] и [7] в качестве отражающего светоделительного зеркала использованы плоские поверхности, что не обеспечивает большие углы поля зрения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является ОСПБИ [8].

ОСПБИ состоит из вогнутого сферического зеркала со светоделительным или голографическим покрытием (комбинер), установленного под углом α₀ к визирной оси, вторичное зеркало, представляющее собой клин с углом α₁ и со сферической отражающей и преломляющей поверхностями, линзовую проекционную оптическую систему, выполненную из трех компонентов, первый из которых - сфероцилиндрическая линза с оптической силой φ₁, наклоненная на угол α₁ против часовой стрелки и смещена на δy₁ относительно своей оптической оси, второй четырехлинзовый компонент с оптической силой φ₂, наклоненный на угол α₂ против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, выполненной из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, третий компонент выполнен в виде эллиптической менисковой линзы, смещенной с оптической оси на δy₃, и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом ОСПБИ.

Недостатками ОСПБИ являются:

- малая величина выходного зрачка, ограничивающая смещение глаз наблюдателей в широких пределах без потери информации индикационного дисплея;

- солнечные блики, попадающие в глаза наблюдателя после прохождения солнечного излучения через комбинер, вторичное зеркало и отражение от дисплея и прохождения через информационный дисплейный канал.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение безопасности полета за счет исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота и устранения солнечных бликов, попадающих в глаза пилота.

Для решения поставленной задачи предлагается оптическая система проекционного бортового индикатора, которая, как и прототип, содержит сферическое светоделительное зеркало (комбинер) радиуса R, установленное под углом α₀ к визирной оси, вторичное зеркало, выполненное в виде клина с углом α₁ и со сферической отражающей и преломляющей поверхностями, линзовую проекционную оптическую систему с эквивалентной оптической силой φ, выполненную из трех компонентов, первый из которых - сфероцилиндрическая линза с оптической силой φ₁, наклоненная на угол α₁ против часовой стрелки и смещенная на δy₁ относительно своей оптической оси, второй четырехлинзовый компонент с оптической силой φ₂, выполненный из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненный на угол α₂ против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, третий компонент - эллиптическая менисковая линза, наклоненная на угол α₃ по часовой стрелке и смещенная на δy₃ с оптической оси второго компонента, и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом оптической системы проекционного бортового индикатора.

В отличие от прототипа перед первым компонентом линзовой проекционной оптической системы установлена поляризационная плоскопараллельная пластина, третий компонент дополнен положительной гиперболической менисковой линзой, установленной между дисплеем и эллиптической менисковой линзой с эквивалентной оптической силой φ₃ компонента, смещен с оптической оси второго компонента на δy₃ и наклонен по часовой стрелке на угол α₃ вокруг первой поверхности, при этом оптические силы смещения и наклона компонентов удовлетворяют условиям:

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение линзовой проекционной оптической системы из трех компонентов с оптическими силами φ₁, φ₂, φ₃, смещением δy₁, δy₂, δy₃ и наклонами на углы α₁, α₂, α₃ соответственно, установкой в третий компонент дополнительной положительной гиперболической менисковой линзы, а перед первым компонентом установкой поляризационной плоскопараллельной пластинки, позволило увеличить размер входного зрачка и тем самым исключить срезание полевых лучей при движении головы пилота, устранить солнечные блики, попадающие в глаза пилота, после отражения световых лучей от поверхности дисплея и обеспечить коррекцию нецентрированных аберраций, вносимых сферическим зеркалом (комбинером), наклоненным на угол α₀ к визирной оси.

Зеркало, работающее под углом α₀, вносит искажения изображения (аберрации), существенную часть которых составляют различного вида дисторсии, кривизна изображения и астигматизм, пропорциональный величине:

где i - угол отклонения луча от α₀.

Для центрального луча угол i равен 0. При смещении положения глаза пилота в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также при изменении угла поля ω, значение i меняется в достаточно больших пределах. Поэтому для каждого направления главного луча, исходящего из глаза пилота, значения астигматизма имеют различную величину.

Другая аберрация, редко встречаемая в центрированных системах, называемая параллаксом, т.е. разность координат на для заданного угла поля ω для положения зрачка глаза, при котором смещение по горизонту равно Δx и по вертикали равно Δy относительно визирной оси. Важно стремиться к тому, чтобы параллакс в пространстве глаза наблюдателя был менее ±10 угл. минут в достаточно большом окне наблюдения, т.е. ΔX>±75 мм, ΔY>±45 мм при ω≥15°. Параллакс пропорционален углу (α₀+i)³ и является переменной, зависящей от значений Δy и Δx.

Выполнение первой поверхности клина сферической устраняет кривизну изображения, второй - уменьшает астигматизм в углах прямоугольного поля.

Выполнение первой линзы проекционной оптической системы сфероцилиндрической с оптической силой φ₁ позволяет уменьшить габариты системы в сагиттальной плоскости и, одновременно, уменьшить разность меридионального и сагиттального увеличений, т.е. анаморфозы изображения.

Наклон сфероцилиндрической линзы на угол α₁ против часовой стрелки устраняет кому в горизонтальном сечении изображения.

Выполнение второго компонента четырехлинзовым с оптической силой φ₂, выполненного из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненным на угол α₂ против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, а введение в третий компонент дополнительной положительной гиперболической менисковой линзой, установленной между дисплеем и эллиптической менисковой линзой с эквивалентной оптической силой φ₃ двух линз, смещенных с оптической оси второго компонента на δy₃ и наклоненных по часовой стрелке на угол α₃ вокруг первой поверхности, позволило устранить кому в вертикальном сечении.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 - 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 сферического зеркала 1 со светоделительной отражающей поверхностью 2 радиуса R₀, вторичного зеркала 3, выполненного в виде клина 4 со сферической первой поверхностью 5 с второй сферической отражающей поверхностью 6, линзовой проекционной оптической системы 7, состоящей из трех компонентов, первый из которых сфероцилиндрическая линза 8 наклонена на угол α₁ и смещена на δy₁ относительно оптической оси вторичного зеркала 3.

Второй компонент - четырехлинзовая осесимметричная система 9, выполненная из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненная на угол α₂ против часовой стрелки относительно оси первой линзы.

Третий компонент состоит из положительной сфероэллиптической менисковой линзы 10 и положительной гиперболической линзы 11, смещенных на δy₃ в направлении, перпендикулярном оптической оси, и наклоненных на угол α₃ по часовой стрелке относительно оси второго компонента, дисплея 12.

Перед первым компонентом проекционной оптической системы установлена поляризационная плоскопараллельная пластинка 13.

Зрачок глаза 14 может перемещаться по горизонту на ±Δx и по вертикали (в плоскости чертежа) на ±Δy, наблюдая объект 15 в направлении визирной оси 16.

Работа ОСПБИ осуществляется следующим образом.

Параллельный пучок света от каждого глаза наблюдателя диаметром, равным диаметру входного зрачка глаза (2÷4) мм, после отражения от сферического зеркала 1 фокусируется в наклонном фокусе зеркала 1, расположенного вблизи вторичного зеркала 3. Линзовая проекционная оптическая система 7 (8, 9, 10, 11 и 13) сопрягает промежуточное изображение, даваемое сферическим зеркалом 1 с поверхностью дисплея 12.

Таким образом, ОСПБИ представляет собой бинокулярную широкоугольную лупу, в фокусе F′ которой установлен дисплей 12, а после сферического зеркала 1 параллельные пучки лучей попадают в зрачок глаза 14.

Линзовая проекционная оптическая система 8, 9, 10, 11 и 13 работает с увеличением β<1, при этом эквивалентное фокусное расстояние и тем самым видимое увеличение ОСПБИ (лупы) обеспечивается Г>2÷3. Реально ОСПБИ работает в обратном ходе лучей, т.е. одновременно наблюдатель видит объект 15 по направлению визирной оси 16, на которое накладывают изображение от дисплея 12.

В качестве примера приведена ОСПБИ со следующими параметрами, приведенными в Приложении.

Таким образом, предложенная ОСПБИ обеспечивает малопараллаксное с хорошим качеством одновременно наблюдение объекта и наложенное на него изображение поверхности дисплея с сеткой для точного наведения и необходимой информацией.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. США, патент №4082432, МПК: G02B 27/01, 27/14, 1976 г.

2. Германия, патент №19806310, МПК: G02B 27/01, 1998 г.

3. ЕР, патент №0009332, МПК: G02B 27/00, G02B 5/32, 1989 г.

4. Великобритания, патент №2163869, МПК: G02B 27/00, 1984 г.

5. США, патент №4611877, МПК: G02B 27/14, 1986 г.

6. Великобритания, патент №2049984, МПК: G02B 27/10, 1979 г.

7. США, патент №4832449, МПК: G02B 27/14, 1987 г.

8. Российская Федерация, патент на полезную модель №63559, МПК: G02B 27/14, 2007 г. - прототип.

Оптическая система проекционного бортового индикатора содержит сферическое светоделительное зеркало (комбинер). Также система содержит вторичное зеркало, выполненное в виде клина и со сферической отражающей и преломляющей поверхностями, линзовую проекционную оптическую систему, выполненную из трех компонентов. Перед первым компонентом линзовой проекционной оптической системы установлена поляризационная плоскопараллельная пластинка, а третий компонент содержит положительной гиперболической менисковую линзу, которая установлена между дисплеем и эллиптической менисковой линзой с эквивалентной оптической силой φ₃ компонента. При этом второй компонент смещен с оптической оси и наклонен по часовой стрелке вокруг первой поверхности. Технический результат заключается в увеличении выходного зрачка и устранении солнечных бликов. 1 ил.

Оптическая система проекционного бортового индикатора, содержащая сферическое светоделительное зеркало (комбинер) радиуса R, установленное под углом к визирной оси, вторичное зеркало, выполненное в виде клина с углом и со сферической отражающей и преломляющей поверхностями, линзовую проекционную оптическую систему с эквивалентной оптической силой , выполненную из трех компонентов, первый из которых, сфероцилиндрическая линза с оптической силой , наклоненная на угол против часовой стрелки и смещенная на относительно оптической оси, второй - четырехлинзовый компонент с оптической силой , выполненный из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненный на угол против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, третий компонент - эллиптическая менисковая линза, наклоненная на угол по часовой стрелке и смещенная на с оптической оси второго компонента, и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом оптической системы проекционного бортового индикатора, отличающаяся тем, что перед первым компонентом линзовой проекционной оптической системы установлена поляризационная плоскопараллельная пластинка, третий компонент дополнен положительной гиперболической менисковой линзой, установленной между дисплеем и эллиптической менисковой линзой с эквивалентной оптической силой компонента, смещенного с оптической оси второго компонента на и наклоненного по часовой стрелке на угол вокруг первой поверхности, при этом оптические силы смещения и наклона компонентов удовлетворяют условиям:
0,1≤/≤0,2; 0,1≤≤0,3; -0,040,1;
0,3≤/≤0,4; 0,45≤≤0,65;
1,0≤/≤1,5 0,15≤≤0,40; 0,020,07