ШИРОКОУГОЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАШЛЕМНОГО КОЛЛИМАТОРНОГО ДИСПЛЕЯ Российский патент 2023 года по МПК G02B27/01 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности, к созданию оптических систем коллиматорных дисплеев, и может быть использовано при создании устройств нашлемной индикации.

Системы нашлемных коллиматорных дисплеев обеспечивают одновременное наблюдение внешнего пространства и информационного кадра, позволяющего осуществлять индикацию и/или целеуказание. Совмещение изображения осуществляется при помощи специального оптического элемента со светоделительным покрытием - комбинера. При этом в нашлемных системах зачастую роль комбинера берет на себя защитное стекло шлема (визор).

Основными требованиями, предъявляемыми к оптической системе нашлемного коллиматорного дисплея, являются:

- Вынос выходного зрачка от комбинера - не менее 70 мм;

- Увеличенный диаметр выходного зрачка - не менее 14 мм;

- Большое угловое поле - не менее 22° по горизонтали и 18° по вертикали;

- Минимальная масса и габариты системы;

Известна система формирования изображения [Патент РФ 2540135 С1, публ. 2015, МПК G02B 27/01 23/10], состоящая из биконического комбинера, установленного под углом к оптической оси системы, проекционного объектива и излучающего микродисплея, установленного под углом к оптической оси системы.

К недостаткам аналога можно отнести компоновку с очень большим углом наклона комбинера и несферическую форму комбинера, требующую сложной технологии изготовления визора и высокой точности установки на шлеме.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является нашлемная широкоугольная коллиматорная дисплейная оптическая система [Патент РФ 2586097 С1, публ. 2016, МПК G02B 27/01 27/30 13/18], содержащая наклонный сферический комбинер, два зеркала Манжена, установленных под углом к оптической оси системы, линзовый проекционный объектив, состоящий из трех компонентов, поляризационную светоделительную призму, конденсор и жидкокристаллический микродисплей.

Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемого изобретения:

- оптическая система содержит светоделительный комбинер, двухзеркальный компонент, проекционный объектив и микродисплей;

- комбинер имеет сферическую форму поверхности;

- в проекционном объективе используются линзы со смещением и наклонами относительно оптической оси системы;

- в проекционном объективе используются линзы с асферическими поверхностями.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

- использование отражающего микродисплея, требующего специально организованной системы подсветки и телецентрического хода лучей в проекционной системе;

- большое количество оптических элементов в системе;

- большая масса системы;

- использование зеркал Манжена с внутренним отражением, провоцирующих появление двоений и паразитных изображений.

Задачей изобретения, как технического решения, является замена отражательного микродисплея на самосветящийся, уменьшение количества оптических элементов системы, а также массы системы.

Технические результаты получены за счет того, что предлагаемая система, имеющая оптическую силу ϕ, обладает новой совокупностью существенных признаков: комбинер имеет сферическую форму поверхности и оптическую силу ϕ₀ установлен под углом α₀ к оптической оси системы, в двухзеркальном компоненте первое зеркало выполнено с внешним отражением, имеет плоскую форму и установлено под углом α₁ к оптической оси системы, второе зеркало выполнено с внешним отражением, имеет плоскую форму и установлено под углом α₂ к оптической оси системы, проекционный объектив выполнен из двух компонентов, при этом первый компонент имеет оптическую силу ϕ₁, смещение относительно оптической оси двухзеркального компонента d₁ и наклон на угол β₁ и выполнен из первого положительного мениска и второго асферического положительного мениска, смещенного относительно оси первого положительного мениска на величину d₂, а второй компонент имеет оптическую силу ϕ₂, смещение относительно оптической оси первого компонента d₃ и наклон на угол β₂ и состоит из плоско-цилиндрической линзы и двояковыпуклой асферической линзы, при этом микродисплей является самосветящимся и смещен с оси второго компонента на величину d₄ и наклонен на угол α₃, при этом оптические силы, углы наклонов и смещения компонентов удовлетворяют условиям:

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - внешний вид заявленной оптической системы;

Фиг. 2 - расположение расчетных полевых точек заявленной оптической системы в плоскости экрана микродисплея;

Фиг. 3 - диаграммы пятен рассеяния в расчетных полевых точках заявленной оптической системы при большом выходном зрачке (∅14 мм);

Фиг. 4 - диаграммы пятен рассеяния в расчетных полевых точках заявленной оптической системы при малом выходном зрачке (∅4 мм).

Предлагаемая широкоугольная коллиматорная оптическая система (Фиг. 1) для нашлемного индикатора содержит следующие элементы: самосветящийся микродисплей 1, двояковыпуклую асферическую линзу 2, плоскоцилиндрическую линзу 3, асферический положительный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к микродисплею, положительный мениск 5, обращенный вогнутой поверхностью к микродисплею, плоское зеркало 6, плоское зеркало 7, наклонный сферический комбинер 8 и выходной зрачок 9.

Предлагаемая широкоугольная коллиматорная оптическая система работает следующим образом: излучение от экрана микродисплея 1 проходит через линзы 2-5, отражается от зеркал 6 и 7, частично отражается от комбинера 8 и коллимируется на бесконечность, при этом все пучки лучей попадают в выходной зрачок 9 системы, совмещаемый со зрачком глаза наблюдателя.

Разработанная широкоугольная коллиматорная оптическая система для нашлемного индикатора имеет меньшее количество оптических элементов по сравнению с прототипом (8 и 13 соответственно), меньшую массу и более высокое качество изображения, а также обеспечивает возможность использования самосветящегося микродисплея в качестве формирователя первичного изображения информационной картины.

Для подтверждения высокого качества изображения, создаваемого предлагаемой широкоугольной коллиматорной оптической системой, далее приводятся результаты расчета конкретного варианта системы, имеющей следующие параметры:

- размеры экрана светоизлучающего микродисплея 16×12 мм;

- угловое поле зрения оптической системы 24°×18°;

- вынос выходного зрачка от комбинера 70 мм;

- диаметр выходного зрачка 14 мм;

- фокусное расстояние оптической системы f=33MM;

- оптическая сила системы ϕ=1000 мм/(f=33 мм)=1000/33≈30,3диоптрии.

На Фиг. 2 показано расположение девяти пронумерованных расчетных полевых точек 2.1…2.9 в плоскости экрана микродисплея, при этом точка 2.1 находится в центре поля зрения, а остальные восемь точек расположены по периметру поля зрения рассчитанной оптической системы.

На Фиг. 3 показаны диаграммы 3.1…3.9 пятен рассеяния (для соответствующих полевых точек 2.1…2.9 на Фиг. 2) рассчитанной оптической системы в плоскости микродисплея (в обратном ходе лучей) для большого выходного зрачка (∅14 мм). На диаграмме 3.1 указан линейный масштаб сетки, равный 400 мк. Сетка содержит 10×10 ячеек, следовательно, одна ячейка сетки представляет собой квадрат со стороной 40 мк. Для коллиматорной оптической системы с фокусным расстоянием f ≈33 мм угловой размер у стороны квадрата 40 мк (0,04 мм) определятся по формулам

Пятно рассеяния центральной полевой точки на диаграмме 3.1 не выходит за пределы площадки, содержащей 4×4 ячейки сетки (в угловой мере 16×16 угл.мин.), следовательно, угловые размеры пятна рассеяния указанной точки в любом направлении не превышают 16 угл. мин.

Остальные восемь диаграмм 3.2…3.9 показывают пятна рассеяния по периметру углового поля зрения рассчитанной оптической системы, которые не превышают 6-7 ячеек сетки и соответственно имеют угловые размеры не более 24-28 угл. мин.

На Фиг. 4 показаны диаграммы 4.1…4.9 пятен рассеяния (для соответствующих полевых точек 2.1…2.9 на Фиг. 2) рассчитанной оптической системы в плоскости микродисплея (в обратном ходе лучей) для малого выходного зрачка системы (∅4 мм).

На диаграмме 4.1 указан линейный масштаб сетки, равный 50 мк, что в 8 раз меньше, чем на диаграмме 3.1. Следовательно, угловой размер β стороны квадратной ячейки на диаграмме 4.1 меньше, чем на диаграмме 3.1, в 8 раз, а именно

Пятно рассеяния центральной полевой точки на диаграмме 4.1 не выходит за пределы площадки, содержащей 3×3 ячейки сетки (в угловой мере 1,5×1,5 угл.мин.), следовательно, угловые размеры пятна рассеяния указанной точки в любом направлении не превышают 1,5 угл. мин, что практически соответствует разрешающей способности глаза.

Угловые размеры пятен рассеяния на диаграммах 4.2, 4.3, 4.4, 4.6 и 4.8 не превышают 8 ячеек сетки и, следовательно, имеют угловые размеры не более 4 угл. мин. Угловые размеры пятен рассеяния на диаграммах 4.5, 4.8 и 4.9 немного превышают размеры сетки и имеют угловые размеры 5,5 - 6,5 угл. мин., что также можно считать достаточно высоким результатом для предложенной оптической системы, имеющей всего четыре линзы.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к созданию оптических систем коллиматорных дисплеев, и может быть использовано при создании устройств нашлемной индикации. Оптическая система содержит микродисплей, двояковыпуклую асферическую линзу, плоскоцилиндрическую линзу, асферический положительный мениск, положительный мениск, два плоских зеркала и наклонный сферический комбинер. Технические результаты: уменьшение количества оптических элементов и массы системы, увеличение качества изображения, обеспечение возможности использования самосветящегося микродисплея. 4 ил.

Широкоугольная оптическая система для нашлемного коллиматорного дисплея, имеющая оптическую силу ϕ и содержащая наклонный сферический комбинер, двухзеркальную систему, проекционный объектив и микродисплей, отличающаяся тем, что комбинер имеет сферическую форму поверхности и оптическую силу ϕ₀, установлен под углом α₀ к оптической оси системы, в двухзеркальном компоненте первое зеркало выполнено с внешним отражением, имеет плоскую форму и установлено под углом α₁ к оптической оси системы, второе зеркало выполнено с внешним отражением, имеет плоскую форму и установлено под углом α₂ к оптической оси системы, проекционный объектив выполнен из двух компонентов, при этом первый компонент имеет оптическую силу ϕ₁, смещение относительно оптической оси двухзеркального компонента d₁ и наклон на угол β₁ и выполнен из первого положительного мениска и второго асферического положительного мениска, смещенного относительно оси первого положительного мениска на величину d₂, а второй компонент имеет оптическую силу ϕ₂, смещение относительно оптической оси первого компонента d₃ и наклон на угол β₂ и состоит из плоскоцилиндрической линзы и двояковыпуклой асферической линзы, при этом микродисплей является самосветящимся и смещен с оси второго компонента на величину d₄ и наклонен на угол α₃, при этом оптические силы, углы наклонов и смещения компонентов удовлетворяют условиям: