ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОЕКЦИОННОГО БОРТОВОГО ИНДИКАТОРА Российский патент 2024 года по МПК G02B27/01 G02B27/10 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в авиационной промышленности, в частности в системах отображения символьной навигационно-пилотажной и специальной информации на лобовом стекле кабины самолета.

Устройство проекционного бортового индикатора (ПБИ) представляет собой систему, обеспечивающую одновременное наблюдение летчиком реального окружения, т.е. закабинной обстановки и на ее фоне отображения символьной и графической информации.

Использование ПБИ позволяет в значительной степени снизить информационную перегрузку летчика, вынужденного следить одновременно как за окружающим пространством, так и за показателями многочисленных приборов.

Обычно для военных и гражданских самолетов устройства ПБИ стационарно устанавливаются либо на полу кабины, либо вблизи потолка, от этого зависит конструкция ПБИ.

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

В напольном варианте приходится усложнять оптическую систему ПБИ дополнительным вторичным зеркалом [1] и располагать дисплей под комбинером таким образом, что ОСБПИ находится перед летчиком.

В потолочном варианте ОСПБИ и дисплей должны располагаться над головой летчика так, чтобы в области от комбинера до оптической системы не было никаких препятствий для обзора наблюдаемого пространства.

К ОСПБИ предъявляются следующие основные требования:

- формируемое изображение от дисплея должно быть коллимировано, в противном случае летчику придется постоянно перефокусировать зрение при переключении внимания с объекта в закабинном пространстве на показания ПБИ;

- для гражданских самолетов с потолочным ПБИ должна быть предусмотрена возможность выполнения комбинера, выключающимся для того времени, когда пилот его не использует.

Основные оптические требования, предъявляемые к ПБИ являются:

- большое угловое поле зрения в пространстве наблюдателя-летчика: ±15° по горизонту и ±10° по вертикали;

- зона видимости ПБИ - размер входного зрачка, область расположения глаз пилота, в пределах которого сохраняются все оптические характеристики дисплея, не менее 140 мм по горизонту и 65 мм по вертикали:

- отсутствие дисторсионных искажений изображения объекта на дисплее при движении головы в пределах зоны видимости;

- вынос входного зрачка - глаза наблюдателя от отражающей поверхности комбинера не менее 300 мм;

- минимальные габаритно-массовые характеристики ПБИ.

Известен целый ряд ОСПБИ на лобовом стекле кабины самолета [1÷8].

В устройства [2], [3] использована система индикации с применением осевой оптической системы со сферическим светоделительным отражающим зеркалом, в фокальной плоскости которого установлен дисплей.

Недостатками такой системы являются:

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

- большие габариты, вызывающие сложность включения и выключения комбинера их хода лучей в оптической схеме.

В устройствах [4, 5, 6, 7 и 8] в качестве отражающего светоделительного зеркала использованы плоские поверхности, что не обеспечивает большие углы поля зрения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является ОСПБИ [9], которая состоит из сферического светоделительного зеркала (комбинера) радиуса R, установленного под углом α₀ к визирной оси, проекционной оптической системы с эквивалентной совместно с комбиниром с оптической силой ϕ_I дисплея, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом ОСПБИ.

К недостаткам ОСПБИ, принятой за прототип, можно отнести следующее:

- наличие в фокальной плоскости комбинера на расстоянии менее 0,5R (R - радиус поверхности комбинера) клина со сферической поверхностью, ограничивающий зону видимости летчика, при установке ПБИ в потолочной области кабины самолета;

- отсутствие возможности вывода комбинера из хода лучей области наблюдения пространства, что снижает безопасность управления самолетом.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение безопасности полета за счет свободной от экранирования зоны видимости пространства наблюдения летчиком, возможности ввода и вывода комбинера из хода лучей ПБИ и установки ПБИ в потолочной части самолета.

Поставленная задача решается с помощью оптической системы проекционного бортового индикатора, которая, как и прототип, содержит вогнутое сферическое зеркало (комбинер), радиуса R, установленное под углом α₀ к визирной оси, проекционную оптическую систему, дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом оптической системы бортового индикатора.

В отличие от прототипа проекционная оптическая система бортового индикатора выполнена из двух оптических модулей I и II, разделенных призмой с двумя отражающими поверхностями и углом отклонения визирной оси α₁ из которых первый модуль I с оптической силой ϕ_I выполнен из двух центрированных линз с положительными оптическими силами ϕ_I,1 и ϕ_I,2, наклоненные на угол α_I вокруг вершины первой линзы, второй модуль II с положительной оптической силой ϕ_II выполнен из пяти последовательно установленных линз, из которых: первая - двояковыпуклая гиперболическая линза с оптической силой ϕ_II,1 смещенная на δy_II,1 с визирной оси и наклонена на угол α_II,1 вокруг вершины против часовой стрелки, вторая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к дисплею с оптической силой ϕ_II,2, смещенный на δy_II,2 с оптической оси первой двояковыпуклой гиперболической линзы, и наклонен на угол α_II,2 вокруг вершины по часовой стрелке, третья - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к дисплею с оптической силой ϕ_II,3, смещенный с оси второй - положительного мениска на δy_II,3 и наклонена на угол α_II,3 вокруг вершины против часовой стрелки, четвертая - двояковыпуклая линза с оптической силой ϕ_II,4 смещенная с оси третьей - отрицательного мениска на δy_II,4, и наклонена на угол α_II,4 вокруг вершины по часовой стрелке, пятая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к дисплею с оптической силой ϕ_II,5 смещена с оси четвертой - двояковыпуклой линзы на δy_II,5, и наклонена на угол α_II,5 вокруг вершины по часовой стрелке, при этом оптические силы, смещения и углы наклона удовлетворяют условиям:

0,5≤ϕ_I/ϕ≤0,55 0,8≤ϕ_II/ϕ≤1,2 -0,4≤δy_II,1⋅ϕ≤0,8 0,8≤α_II,1/α₀≤-1,2

0,10≤ϕ_I,1/ϕ≤0,55 0,25≤ϕ_II,1/ϕ≤0,55 0,4≤δy_II,2⋅ϕ≤1,3 0,3≤α_II,2/α₀≤0,7

0,01≤ϕ_I,2/ϕ≤0,2 0,1≤ϕ_II,2/ϕ≤0,4 -0,6≤δy_II,3⋅ϕ≤-1,1 -1,7≤α_II,3/α₀≤-2,3≤δy_I⋅ϕ≤=0

0,05≤|ϕ_II,3|/ϕ≤0,5 0,1≤δy_II,4⋅ϕ≤0,3 -0,055≤α_II,4/α₀≤-0,3 0,2≤α₁/α₀≤0,4

0,30≤ϕ_II,4/ϕ≤0,55 0,5≤δy_II,5⋅ϕ≤0,9 0,6≤α_II,5/α₀≤1,0

0,4≤ϕ_II,5/ϕ≤0,7

Кроме того, линзы первого модуля и первая и вторая линзы второго модуля проекционной оптической системы бортового индикатора выполнены из одного оптического материала с показателем преломления n>1,7 и дисперсией >40.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение проекционной оптической системы из двух оптических модулей I и II, разделенных призмой с двумя отражающими поверхностями с углом отклонения визирной оси α₁, выполнение первого модуля с оптической силой ϕ_I, состоящего из двух центрированных линз с положительными оптическими силами ϕ_I,1 и ϕ_I,2, смещенными на и наклоненными на углы α_I,1 и α_I,2 вокруг вершин, выполнение второго модуля с оптической силой ϕ_II, состоящего из пяти линз с оптическими силами ϕ_II,1, ϕ_II,2, ϕ_II,3, ϕ_II,4, ϕ_II,5, смещенными на δу_1,II, δу_2,II, δу_3,II, δy_4,II, δy_5,II, и наклоненными вокруг вершин на углы α_1,II, α_2,II, α_3,II, α_4,II, α_5,II, позволило:

1. Расположить ПБИ в верхней части кабины самолета на ее потолке, а визирную ось - вдоль потолка, обеспечить минимальную высоту кабины, возможность вывода комбинера из хода лучей ПБИ для наблюдения летчиком реального окружения объектов в пространстве без экранирования элементами ПБИ и конструкции кабины.

2. Обеспечить коррекцию нецентрированных аберраций, вносимых отражающей светоделительной поверхностью сферического зеркала (комбинера), наклоненного на угол α₀ к визирной оси.

Зеркало, работающее под углом α₀, вносит искажения - децентрированные аберрации, такие как различного вида дисторсии, кривизна изображения, астигматизм, кома и др. Особенность этих аберраций в том, что они присутствуют по всему полю изображения, включая центр поля, тогда как для центрированных систем в центре поля кроме сферической аберрации все полевые аберрации отсутствуют.

Астигматизм Z'_m - Z'_s пропорционален R и углу падения луча на зеркало: α₀+i, где i - угол отклонения луча от α₀, и равен

Z'_m-Z'_s ≅R[sin²(α₀+i)/cos(α₀+i)].

Для центрального луча угол i=0. При смещении положения глаза летчика в зоне выходного зрачка ПБИ - зоне видимости при изменении угла поля ω значения угла i меняются в широких пределах. Поэтому для каждого луча, проходящего через выходной зрачок, или в обратном ходе лучей - для каждого луча, исходящего из глаза летчика, значения аберраций имеют различные значения, что хорошо видно на примере астигматизма.

Другая аберрация, встречающаяся в децентрированных системах - это параллакс. По международному стандарту авиационному регистру - «Квалификационные требования КТ-8055. Требования к индикаторам на лобовом стекле» параллаксом называется точность позиционирования внешних символов. Он численно равен угловой разнице между положением реального объекта, наблюдаемого через комбинер, и положением символа, проецируемого на ПБИ. В зависимости от угла поля допустимый параллакс колеблется в пределах 10-35 минут для всех точек выходного зрачка и углов зрения, т.е. параллакс пропорционален углу (α₀+i)³ и является переменным, зависящим от координат глаза летчика в области выходного зрачка.

Аберрации децентрированной оптической системы в первом приближении можно представить в виде:

δg'_{о.с.дец.}=δg'_.дец.+δg'_центр.,

где δg'_{о.с.дец.} - поперечные аберрации децентрированной оптической системы;

bg'_.дец. - поперечные аберрации децентровки;

δg'_центр. - поперечные аберрации децентрированной системы, для которой δy_j, α_j равны нулю, j - номер компонента.

Выполнение I и II модулей с оптическими силами ϕ_I и ϕ_II позволило обеспечить ход, близкий к параллельному, лучей между I и II модулями проекционной оптической системы и сопряжение промежуточного изображения (в обратном ходе лучей от выходного зрачка ПБИ со стороны летчика) пространства объекта, расположенного в фокальной плоскости комбинера с плоскостью дисплея - т.е. размер изображения пространства, равный 2f''_m tgω_гор × 2f''_s tgω_верт, где f''_m и f''_s - меридиональное и сагиттальное значения фокусных расстояний комбинера, 2ω_гор и 2ω_верт - угловые поля зрения.

Такая система с аберрационной точки зрения работает как оборачивающая система, в которой взаимно компенсируются полевые аберрации III порядка: кома, дисторсия, хроматизм увеличения, а призма, установленная между модулями, не вносит аберраций.

Призма с двумя отражающими поверхностями с углом отклонения визирной оси - α₁ позволяет оптимально скомпоновать ПБИ: вдоль поверхности потолка кабины с минимальным объемом по высоте с исключением экранирования наблюдаемых объектов летчиком.

Примером использования призмы является призма БУ-45 - полупента.

Выбор оптимальных сил линз модулей I и II: ϕ_I,1, ϕ_I,2, ϕ_II,1, ϕ_II,3, ϕ_II,4, ϕ_II,5, их смещение на δy_I,1, δy_I,2, δy_II,1 δy_II,2, δy_II,3, δy_II,4, δy_II,5 и наклоны вокруг вершин по и против часовой стрелки на углы: α_I,1, α_II,2, α_II,1, α_II,2, α_II,3, α_II,4, α_II,5 приведет к работе линз своими внеосевыми частями.

Внеосевые части линз представляют собой клинья со сферическими поверхностями с вершинами, направленными вверх и вниз относительно центральной оси.

Так, во втором модуле оптической системы вершины клиньев направлены вверх во второй, третьей и пятой линзах, вниз - в первой и четвертой линзах.

Смещения на δy_i и наклоны линз относительно вершин по и против часовой стрелки позволили минимизировать децентрированные аберрации, астигматизм, кому и дисторсию (параллакс).

Выполнение первой линзы II-го модуля оптической системы гиперболической позволило устранить сферическую аберрацию высших порядков.

Несмотря на узкий спектральный диапазон излучения дисплея, наклоны и децентрировки линз вызывают поперечный хроматизм.

Выполнение линз I-го модуля и первой и второй линз II-го модуля из оптических стекол с показателем преломления n>1,7 и дисперсией >40 позволило уменьшить влияние поперечного хроматизма на качество изображений.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлена оптическая система ПБИ, на фиг. 2 - представлена компоновка ПБИ в кабине самолета, на фиг. 3 - изображены диаграммы пятен рассеяния для 9 полей зрения и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.

Предлагаемая оптическая система ПБИ состоит из сферического зеркала 1 со светоделительной отражающей поверхностью 2 радиуса R₀, проекционной оптической системы 3, состоящей из двух оптических модулей I и II: первого 4, второго 5 и призмы 6 с двумя отражающими поверхностями 7 и 8 и углом отклонения визирной оси α₁.

Первый оптический модуль 4 с оптической силой ϕ_I выполнен из двух центрированных положительных линз 9 с оптической силой ϕ_I,1 и линзой 10 с оптической силой ϕ_I,2, наклоненные на угол α₁ вокруг вершины первой линзы.

Второй модуль 5 с положительной оптической силой ϕ_II выполнен из пяти последовательно установленных линз, из которых первая двояковыпуклая линза 11 с гиперболической поверхностью 12 с оптической силой ϕ_II,1 смещенная на δy_II,1 с визирной оси и наклоненная на угол α_II,1 вокруг вершины против часовой стрелки.

Вторая линза - положительный мениск 13, обращенный вогнутостью к дисплею, с оптической силой ϕ_II,2, смещенный на δy_II,2 с оптической оси первой двояковыпуклой линзы 11 и наклоненный на угол α_II,2 вокруг вершины по часовой стрелке.

Третья линза - отрицательный мениск 14, обращенный выпуклостью к дисплею, с оптической силой ϕ_II,3, смещенный с оси второй положительной линзы 13 на δy_II,3 и наклоненный на угол α_II,3 вокруг вершины против часовой стрелки.

Четвертая линза - двояковыпуклая линза 15 с оптической силой ϕ_II,4, смещенная с оси третьей линзы - отрицательного мениска 14 на δy_II,4 и наклоненная на угол α_II,4 вокруг вершины по часовой стрелке.

Пятая линза - положительный мениск 16, обращенный вогнутостью к дисплею 17, с оптической силой ϕ_II,5, смещенный на δy_II,5 с оси четвертой двояковыпуклой линзы 15 и наклоненный на угол α_II,5 вокруг вершины по часовой стрелке.

Выходной зрачок ПБИ 18 - плоскость расположения глаз летчика. Зрачок глаза 19 может перемещаться по плоскости выходного зрачка ПБИ 18 по горизонту и вертикали, наблюдая объект 20 в направлении визирной оси 21.

На фиг. 2 показано положение ПБИ в кабине самолета - его положение относительно потолка 22 кабины, относительно поверхности лобового стекла 23, головы летчика 24.

Пунктиром показано положение 25 выключенного из системы комбинера 1. В этом случае летчик видит только объект 20 в закабинном пространстве.

Работа ОСПБИ осуществляется следующим образом.

Параллельный пучок света от глаза наблюдателя (летчика) диаметром, равным диаметру входного зрачка глаза (2÷4 мм) после отражения от сферического зеркала 1 формируется в фокальной плоскости сферического зеркала, расположенного между сферическим зеркалом 1 и центрированной положительной линзой 9 первого оптического модуля 4 ОСПБИ на расстоянии, примерно равным от сферического зеркала 1, находящейся вблизи переднего фокуса первого модуля ПБИ.

Линзовая оптическая система ПБИ 9, 10, 6, 11, 12, 13, 14, 15, 16 с увеличением сопрягает промежуточное изображение, даваемое сферическим зеркалом (комбинером) 1 с поверхностью дисплея 17.

Таким образом, ОСПБИ представляет собой лупу, в фокусе которой установлен дисплей 17, а после сферического зеркала 1 параллельный пучок лучей попадает в зрачок глаза 19.

Видимое увеличение лупы Г равно:

Реально ОСПБИ работает в обратном ходе лучей, т.е. на сетчатке глаза летчик одновременно видит наложенные друг на друга два изображения от дисплея 17 и объекта 20.

Оба пучка лучей от дисплея 17 и объекта 20 коллимированы, т.е. спроектированы на бесконечность, поэтому летчику видятся одновременно резко, не требуется затрат времени на оккомодацию глаза.

Приложение

Основные параметры оптической схемы:

выходной зрачок 2Y₀ (по вертикали) × 2Х₀ (по горизонтали);

угловое поле 2ω_у × 2ω_х=20° × 30°;

расстояние от выходного зрачка до комбинера - 310 мм; расстояние от комбинера до первой поверхности ОСПБИ - размер дисплея: 2Y' × 2Х';

эквивалентное фокусное расстояние ОСПБИ f'_экв=111,4 мм, ϕ_экв;

комбинер:

R=503,5 мм; 2α₀=34,5°; световой размер 2Y₁ × 2Х₁.

Параметры ОСПБИ

Диаграммы пятен рассеяния показаны на фиг. 3 для 9-ти полей зрения:

Для длины волны 0,53 мкм; масштаб изображения пятен: диаметр круга 500 мкм, или в угловой мере - 15'.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. WO, патент №2009/136393, МПК: G02B 27/01, 2009 г.

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

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

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

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

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

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

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

9. Российская Федерация, патент на изобретение №2582210, МПК: G02B 27/01, G02B 27/14, G02B 23/00, 2016 г. - прототип

Оптическая система проекционного бортового индикатора содержит комбинер в виде светоделительного вогнутого сферического зеркала, установленного под углом к визирной оси, проекционную оптическую систему и дисплей. Проекционная оптическая система выполнена из двух оптических модулей, разделенных призмой с двумя отражающими поверхностями и углом отклонения визирной оси α₁. Первый модуль выполнен из двух положительных центрированных линз, наклоненных вокруг вершины первой линзы. Второй модуль выполнен из пяти линз: первая - двояковыпуклая гиперболическая линза, смещенная с визирной оси и наклоненная вокруг вершины, вторая - положительный мениск, смещенный с оптической оси первой линзы и наклоненный вокруг вершины, третья - отрицательный мениск, смещенный с оси второй линзы и наклоненный вокруг вершины, четвертая - двояковыпуклая линза, смещенная с оси третьей линзы и наклоненная вокруг вершины, пятая - положительный мениск, смещенный с оси четвертой линзы и наклоненный вокруг вершины. Оптические силы, смещения и углы наклона линз удовлетворяют условиям, указанным в формуле изобретения. Технический результат - обеспечение безопасности полета за счет свободной от экранирования зоны видимости пространства наблюдения летчиком. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптическая система проекционного бортового индикатора, содержащая комбинер, выполненный в виде светоделительного вогнутого сферического зеркала радиуса R, установленного под углом α₀ к визирной оси, проекционную оптическую систему, дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом проекционной оптической системы бортового индикатора, отличающаяся тем, что проекционная оптическая система бортового индикатора выполнена из двух оптических модулей I и II, разделенных призмой с двумя отражающими поверхностями и углом отклонения визирной оси α₁, из которых первый модуль I с оптической силой ϕ_I выполнен из двух центрированных линз с положительными оптическими силами ϕ_I,1 и ϕ_I,2, наклоненных на угол α_I вокруг вершины первой линзы, второй модуль II с положительной оптической силой ϕ_II выполнен из пяти последовательно установленных линз, из которых: первая - двояковыпуклая гиперболическая линза с оптической силой ϕ_II,1 смещена на δy_II,1 с визирной оси и наклонена на угол α_II,1 вокруг вершины против часовой стрелки, вторая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к дисплею с оптической силой ϕ_II,2, смещенный на δy_II,2 с оптической оси первой двояковыпуклой гиперболической линзы и наклоненный на угол α_II,2 вокруг вершины по часовой стрелке, третья - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к дисплею с оптической силой ϕ_II,3, смещенный с оси второй - положительного мениска на δy_II,3 и наклоненный на угол α_II,3 вокруг вершины против часовой стрелки, четвертая - двояковыпуклая линза с оптической силой ϕ_II,4, смещенная с оси третьей - отрицательного мениска на δy_II,4 и наклоненная на угол α_II,4 вокруг вершины по часовой стрелке, пятая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к дисплею с оптической силой ϕ_II,5, смещена с оси четвертой - двояковыпуклой линзы на δy_II,5 и наклонена на угол α_II,5 вокруг вершины по часовой стрелке, при этом оптические силы, смещения и углы наклона удовлетворяют условиям:

2. Оптическая система проекционного бортового индикатора по п. 1, отличающаяся тем, что линзы первого модуля и первая и вторая линзы второго модуля проекционной оптической системы бортового индикатора выполнены из одного оптического материала с показателем преломления n>1,7 и дисперсией >40.