КОЛЛИМАТОР Российский патент 2022 года по МПК G02B27/30 G02B27/01 

Изобретение относится к бортовым информационным системам летательных аппаратов, а именно к коллиматорным индикаторам на лобовом стекле.

Известно устройство отображения, содержащее источник света, цифровое микрозеркальное устройство, объектив, промежуточный экран, зеркало и объединитель. При этом цифровое микрозеркальное устройство содержит матрицу микрозеркал, и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал в одно из двух крайних положений. Объектив установлен на оптической оси изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и увеличивает размеры направляемого на него изображения. Промежуточный экран расположен между цифровым микрозеркальным устройством и зеркалом перпендикулярно оптической оси изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и выполнен с возможностью визуализации этого изображения. Зеркало установлено таким образом, что отражает изображение, визуализированное промежуточным экраном, на объединитель, а объединитель, расположен на оптической оси взгляда наблюдателя, установлен под углом к этой оптической оси, и выполнен с возможностью отражения в сторону наблюдателя изображения, отраженного на него зеркалом, и пропускания изображения, расположенного за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя [международная заявка WO 2019/151314, МПК G02B 27/01, Display apparatus / Hashimura Junji, Yamada Norihide, заявл. 30.01.2019, опубл. 08.08.2019].

Известное устройство предназначено для создания трехмерного изображения в закабинном пространстве, находящемся за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя. Для этого промежуточный экран выполнен в виде диска, снабженного приводом его вращения, а цифровое микрозеркальное устройство снабжено приводами его перемещения вдоль оптической оси сформированного им изображения и в двух направлениях, перпендикулярных этой оптической оси. Наличие этих приводов усложняет конструкцию устройства и увеличивает его габаритные размеры. Отсутствие оптической системы, коллимирующей изображение, сформированное цифровым микрозеркальным устройством и увеличенное объективом, не позволяет создавать виртуальное изображение, спроецированное в бесконечность так, чтобы наблюдатель мог его видеть перед собой на большом расстоянии. Это не позволяет использовать известное устройство при пилотировании самолетов и других летательных аппаратов. Это сужает область использования известного устройства.

Известен индикатор для проекции изображения на лобовое стекло (ИЛС), содержащий источник света, цифровое микрозеркальное устройство, промежуточный экран, зеркало и объединитель, при этом источник света установлен таким образом, что излучаемые им лучи света направлены на цифровое микрозеркальное устройство, цифровое микрозеркальное устройство содержит матрицу микрозеркал, и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений, промежуточный экран расположен между цифровым микрозеркальным устройством и зеркалом перпендикулярно оптической оси О изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему визуализировать это изображение, зеркало установлено под углом к оптической оси О изображения таким образом, что отражает изображение, визуализированное промежуточным экраном, на объединитель, а объединитель, расположен на оптической оси взгляда наблюдателя, установлен под углом к этой оптической оси, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему отражать в сторону наблюдателя изображение, отраженное на него зеркалом, и пропускать изображение, расположенное за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя [патент US 9784969, МПК G02B27/01, Head-up display and method for operating it / Sebastien Hervy и др., заявл. 24.01.2013, опубл. 10.10.2017] - прототип.

В известном устройстве объединитель выполнен в виде пластины, сделанной из стекла или пластика. Поэтому изображение, направленное на него зеркалом, отражается в сторону наблюдателя как от поверхности объединителя, расположенной ближе к наблюдателю, так и от поверхности объединителя, расположенной дальше от наблюдателя. Поскольку объединитель установлен под углом к оси взгляда наблюдателя, то изображение, отразившееся от ближней поверхности объединителя, по отношению к оси взгляда наблюдателя расположено ниже изображения, отразившегося от дальней поверхности объединителя. Вследствие этого, изображение, отраженное от объединителя в сторону наблюдателя, получается раздвоенным. Это снижает качество изображения, видимого наблюдателем.

Отсутствие в известном устройстве объектива, увеличивающего изображение, сформированное цифровым микрозеркальным устройством, не позволяет создавать изображение нужного размера. А отсутствие оптической системы, коллимирующей изображение, не позволяет создавать виртуальное изображение, спроецированное в бесконечность так, чтобы наблюдатель мог его видеть перед собой на большом расстоянии. Это не позволяет использовать известное устройство при пилотировании самолетов и других летательных аппаратов. Это сужает область использования известного устройства.

Кроме того, в известном устройстве лучи света от трех светодиодов разного цвета направляются на цифровое микрозеркальное устройство под разными углами и, как следствие этого, отражаются от него тоже под разными углами. Это снижает резкость получаемого изображения.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - повышение качества изображения, проецируемого в сторону наблюдателя, и расширение области использования коллиматора за счет обеспечения возможности его использования в качестве индикаторного коллиматора при пилотировании летательных аппаратов, в частности, самолетов.

Для решения этой задачи коллиматор, содержащий источник света, цифровое микрозеркальное устройство, промежуточный экран, зеркало и объединитель, при этом источник света установлен таким образом, что излучаемые им лучи света направлены на цифровое микрозеркальное устройство, цифровое микрозеркальное устройство содержит матрицу микрозеркал, и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений, промежуточный экран расположен между цифровым микрозеркальным устройством и зеркалом перпендикулярно оптической оси О изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему визуализировать это изображение, зеркало установлено под углом к оптической оси О изображения таким образом, что отражает изображение, визуализированное промежуточным экраном, на объединитель, а объединитель, расположен на оптической оси взгляда наблюдателя, установлен под углом к этой оптической оси, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему отражать в сторону наблюдателя изображение, отраженное на него зеркалом, и пропускать изображение, расположенное за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя, согласно полезной модели, дополнительно снабжен объективом, оптической системой и поляризационными пленками, при этом объектив установлен между цифровым микрозеркальным устройством и промежуточным экраном на оптической оси О изображения и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему увеличивать размеры направленного на него изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, оптическая система установлена на оптической оси О изображения и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ей коллимировать изображение, увеличенное объективом и визуализированное промежуточным экраном, одна из поляризационных пленок наклеена на поверхность промежуточного экрана, а другая поляризационная пленка, имеющая направление поляризации, перпендикулярное направлению поляризации пленки, наклеенной на поверхность промежуточного экрана, наклеена на поверхность объединителя, расположенную дальше от наблюдателя.

Источник света в коллиматоре содержит три светодиода красного, зеленого и синего цвета, расположенные с трех сторон от дихроических зеркал, расположенных крест-накрест, и конденсорные линзы, расположенные между каждым из светодиодов и дихроическими зеркалами. При этом одно из дихроических зеркал пропускает лучи зеленого и синего цвета и отражает лучи красного цвета, а другое дихроическое зеркало пропускает лучи зеленого и красного цвета и отражает лучи синего цвета.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в создании нераздвоенного изображения нужного размера и такого, что лучи света, формирующие это изображение, параллельны друг другу и направлены в бесконечность.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен предлагаемый коллиматор, общий вид; на фиг. 2 - продольный разрез коллиматора; на фиг. 3 - продольный разрез коллиматора в увеличенном масштабе; на фиг. 4 - источник света коллиматора, вид сверху; на фиг. 5 - местный вид А по фиг. 3; на фиг. 6 - местный вид Б по фиг. 2.

Коллиматор содержит источник света 1, цифровое микрозеркальное устройство 2, объектив 3, промежуточный экран 4, оптическую систему 5, зеркало 6 и объединитель 7.

Источник света 1 содержит три светодиода красного 8, зеленого 9 и синего 10 цвета, расположенные с трех сторон от дихроических зеркал 11, 12, расположенных крест-накрест, конденсорные линзы 13…18, расположенные между каждым из светодиодов и дихроическими зеркалами, матрицу 19 микролинз, зеркало 20 и прямоугольную двояковыпуклую линзу 21. При этом одно из дихроических зеркал (11) пропускает лучи зеленого и синего цвета и отражает лучи красного цвета, а другое дихроическое зеркало (12) пропускает лучи зеленого и красного цвета и отражает лучи синего цвета. Одна сторона матрицы 19 микролинз выполнена плоской, а на другой ее стороне, обращенной к дихроическим зеркалам 11, 12, выполнено множество короткофокусных микролинз со сферическими выпуклыми поверхностями с одинаковыми фокусными расстояниями. За счет этого матрица 19 микролинз обеспечивает более равномерную яркость света по всей площади световых лучей. Зеркало 20 установлено таким образом, что отражает лучи света, выходящие из матрицы 19 микролинз, на прямоугольную двояковыпуклую линзу 21, которая, в свою очередь, направляет эти лучи света на цифровое микрозеркальное устройство 2.

Цифровое микрозеркальное устройство (digital micromirror device, DMD) 2 содержит матрицу микрозеркал и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений.

Перед цифровым микрозеркальным устройством 2 установлена призма 22, две грани которой выполнены прозрачными в обоих направлениях, а на третью грань нанесено покрытие, которое пропускает свет, падающий на эту грань снаружи, и отражает свет, падающий на нее изнутри призмы. Призма 22 установлена таким образом, что пропускает лучи света, направленные на нее прямоугольной двояковыпуклой линзой 21, на цифровое микрозеркальное устройство 2 и отражает изображение, сформированное микрозеркалами матрицы цифрового микрозеркального устройства 2, в направлении объектива 3.

Между призмой 22 и объективом 3 установлена непрозрачная шторка 23, имеющая сквозное окно, через которое изображение, сформированное цифровым микрозеркальным устройством 2 и отраженное призмой 22, проецируется на объектив 3.

Объектив 3 установлен на оптической оси О изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством 2 и отраженного призмой 22, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет объективу увеличивать размеры изображения, отраженного на него призмой 22, и направлять увеличенное изображение на промежуточный экран 4.

Промежуточный экран 4 установлен перпендикулярно оптической оси изображения, направленного на него объективом 3, и выполнен в виде стеклянной пластины с матовой поверхностью на одной ее стороне для того, чтобы визуализировать направленное на него изображение. На другую сторону промежуточного экрана 4 наклеена поляризационная пленка 24, пропускающая лучи света, ориентированные только в одном направлении, например горизонтальном.

Оптическая система 5 также установлена на оптической оси О изображения и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ей коллимировать изображение, увеличенное объективом 3 и визуализированное промежуточным экраном 4.

Зеркало 6 установлено под углом к оптической оси О изображения и отражает изображение, коллимированное оптической системой 5, на объединитель 7.

Объединитель (комбайнер) 7, расположен на оптической оси В взгляда наблюдателя, установлен под углом к этой оптической оси, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему отражать в сторону наблюдателя изображение, отраженное на него зеркалом 6, и пропускать изображение, расположенное за объединителем 7 на оптической оси В взгляда наблюдателя.

С целью увеличения размера поля зрения наблюдателя в вертикальном направлении коллиматор снабжен вторым объединителем 25, установленным параллельно и выше первого объединителя 7. Объединители 7 и 25 могут быть выполнены, например, из стекол, на поверхности которых, расположенные ближе к наблюдателю, нанесены полупрозрачные покрытия, которые позволяют объединителям отражать в сторону наблюдателя изображение, направленное на них зеркалом 6, и пропускать изображение, расположенное за объединителями на оптической оси В взгляда наблюдателя. На поверхности объединителей 7 и 25, расположенные дальше от наблюдателя, наклеены поляризационные пленки 26, пропускающие лучи света, ориентированные в направлении, перпендикулярном направлению поляризации пленки 24, например в вертикальном направлении. Работает коллиматор следующим образом.

Светодиоды 8, 9 и 10 по очереди испускают свет, соответственно, красного, зеленого и синего цвета ультракороткими импульсами. Луч света от светодиода 9 зеленого цвета проходит через дихроические зеркала 11, 12 на матрицу микролинз 19. Луч света от светодиода 8 красного цвета отражается от дихроического зеркала 11 в сторону матрицы микролинз 19. В свою очередь, луч света от светодиода 10 синего цвета отражается от дихроического зеркала 12 в сторону матрицы микролинз 19. Таким образом, лучи зеленого, красного и синего цвета по очереди, пройдя через матрицу микролинз 19, отражаются от зеркала 20 и направляются прямоугольной двояковыпуклой линзой 21 на цифровое микрозеркальное устройство 2.

Пройдя через призму 22 лучи света попадают на матрицу микрозеркал цифрового микрозеркального устройства 2. Посредством команд от компьютера микрозеркала матрицы выборочно занимают одно из двух крайних положений. При этом в одном крайнем положении микрозеркала матрицы находятся под углом + α, а в другом крайнем положении - под углом - α по отношению к оптической оси цифрового микрозеркального устройства 2.

Микрозеркала, находящиеся в одном из двух крайних положений, например под углом + α, формируют нужное изображение. За счет длительности периодов свечения светодиодов 8, 9 и 10 и положения микрозеркал матрицы, освещенных, соответственно, зеленым, красным или синим цветом, формируется цветное изображение. Это изображение отражается гранью призмы 22, на которую нанесено покрытие, в направлении объектива 3.

Пройдя через сквозное окно в шторке 23 изображение, отраженное гранью призмы 22, попадает на объектив 3. Изображение, сформированное микрозеркалами матрицы цифрового микрозеркального устройства 2, находящимися в это время в другом крайнем положении, например под углом - α, отражается гранью призмы 22 на непрозрачную часть шторки 23, где частично поглощается, а частично отражается в окружающее пространство, не попадая в объектив 3.

Объектив 3 увеличивает изображение, прошедшее через сквозное окно в шторке 23, и направляет его на промежуточный экран 4. Промежуточный экран 4 отображает это изображение, делая его видимым, т.е. визуализирует. Через поляризационную пленку 24 проходят лучи света, ориентированные только в одном направлении, например горизонтальном.

После этого это поляризованное в горизонтальном направлении изображение направляется на оптическую систему 5, которая коллимирует это изображение. Зеркало 6 отражает коллимированное изображение на первый объединитель 7 и второй объединитель 25. От поверхностей объединителей 7 и 25, расположенных ближе к наблюдателю, это изображение отражается в сторону наблюдателя. За счет того, что это изображение коллимировано, наблюдатель видит его наложенным на реальное изображение, расположенное на оптической оси В взгляда наблюдателя в закабинном пространстве летательного аппарата. Это позволяет пилоту видеть нужную ему информацию, не переводя взгляд на панель приборов. Благодаря тому, что на поверхности объединителей 7 и 25, расположенные дальше от наблюдателя, наклеены поляризационные пленки 26, пропускающие лучи света, ориентированные только в вертикальном направлении, они не отражают изображение, направленное на них зеркалом 6. Поэтому изображение, которое видит наблюдатель, не раздваивается.

Изобретение относится к бортовым информационным системам летательных аппаратов, а именно к коллиматорным индикаторам на лобовом стекле. Коллиматор содержит источник света (1), цифровое микрозеркальное устройство (2), объектив (3), промежуточный экран (4), оптическую систему (5), зеркало (6) и объединители (7) и (25). Объектив переносит изображение, сформированное цифровым микрозеркальным устройством, на промежуточный экран, установленный перпендикулярно оптической оси изображения. Оптическая система коллимирует изображение на промежуточном экране., а зеркало отражает его на объединитель, расположенный под углом к оптической оси. Одна из поляризационных пленок наклеена на поверхность промежуточного экрана, а другая, имеющая направление поляризации, перпендикулярное направлению поляризации пленки, наклеенной на поверхность промежуточного экрана, наклеена на поверхность объединителя, расположенную дальше от наблюдателя. Технический результат – обеспечение параллельности лучей, формирующих изображение, и отсутствия раздвоенного изображения. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Коллиматор, содержащий источник света, цифровое микрозеркальное устройство, промежуточный экран, зеркало и объединитель, при этом источник света установлен таким образом, что излучаемые им лучи света направлены на цифровое микрозеркальное устройство, цифровое микрозеркальное устройство содержит матрицу микрозеркал и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений, промежуточный экран расположен между цифровым микрозеркальным устройством и зеркалом перпендикулярно оптической оси О изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему визуализировать это изображение, зеркало установлено под углом к оптической оси О изображения таким образом, что отражает изображение, визуализированное промежуточным экраном, на объединитель, а объединитель расположен на оптической оси взгляда наблюдателя, установлен под углом к этой оптической оси и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему отражать в сторону наблюдателя изображение, отраженное на него зеркалом, и пропускать изображение, расположенное за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен объективом, оптической системой и поляризационными пленками, при этом объектив установлен между цифровым микрозеркальным устройством и промежуточным экраном на оптической оси О изображения и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему увеличивать размеры направленного на него изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, оптическая система установлена на оптической оси О изображения и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ей коллимировать изображение, увеличенное объективом и визуализированное промежуточным экраном, одна из поляризационных пленок наклеена на поверхность промежуточного экрана, а другая поляризационная пленка, имеющая направление поляризации, перпендикулярное направлению поляризации пленки, наклеенной на поверхность промежуточного экрана, наклеена на поверхность объединителя, расположенную дальше от наблюдателя.

2. Коллиматор по п. 1, отличающийся тем, что источник света выполнен в виде трех светодиодов красного, зеленого и синего цвета, расположенных с трех сторон от дихроических зеркал, расположенных крест-накрест, и конденсорных линз, расположенных между каждым из светодиодов и дихроическими зеркалами, при этом одно из дихроических зеркал пропускает лучи зеленого и синего цвета и отражает лучи красного цвета, а другое дихроическое зеркало пропускает лучи зеленого и красного цвета и отражает лучи синего цвета.

3. Коллиматор по п. 1, отличающийся тем, что промежуточный экран выполнен в виде стеклянной пластины с матовой поверхностью на той ее стороне, на которой нет поляризационной пленки.

4. Коллиматор по п. 1, отличающийся тем, что на поверхность объединителя, расположенную ближе к наблюдателю, нанесено полупрозрачное покрытие, которое позволяет ему отражать в сторону наблюдателя изображение, отраженное на него зеркалом, и пропускать изображение, расположенное за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя.

5. Коллиматор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен вторым объединителем, установленным параллельно первому объединителю, при этом на поверхность второго объединителя, расположенную ближе к наблюдателю, нанесено такое же полупрозрачное покрытие, которое нанесено на первый объединитель, а на поверхность второго объединителя, расположенную дальше от наблюдателя, наклеена поляризационная пленка, имеющая направление поляризации такое же, как и у поляризационной пленки, наклеенной на первый объединитель.