Коллиматорная индикаторная система
Владельцы патента RU 2364902:
Общество с ограниченной ответственностью "Транзас Инжиниринг" (RU)
Коллиматорная индикаторная система предназначена для отображения полетной информации, совмещенной с наблюдаемой закабинной обстановкой. Система содержит генератор двумерного изображения с излучателем 2 в виде ЖК панели, проекционный объектив 3 с децентрированными оптическими элементами и комбинер 4. Оптическая система проекционного объектива 3 состоит из трех линзовых групп и оптического клина, оптические оси которых смещены и/или развернуты в меридиональной плоскости. Комбинер 4 выполнен в виде склеенных по сферическим поверхностям плосковыпуклой линзы 5 и плосковогнутой линзы 6 с нанесенным на поверхность склейки многослойным диэлектрическим светоделительным покрытием 7, которое селективно отражает излучение ЖК панели в узком диапазоне длин волн и пропускает проходящий свет видимого диапазона волн. Технический результат - расширение поля зрения и повышение комфортности восприятия на значительном удалении от выходной линзы проекционного объектива. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к технике проекционных систем отображения полетной информации и может быть использовано преимущественно для кабинного базирования на воздушных судах.
Современные тенденции развития авиационной техники, тактики пилотирования и применения технических средств в полете ведут к все возрастающей информационной насыщенности всего процесса, постоянному повышению требований к скорости и качеству принятия решений, к возрастанию цены ошибки. Это означает необходимость улучшения доставки информации для пилота, создание для него, при всей скорости изменения обстановки, максимально комфортных условий восприятия, улучшающих концентрацию внимания, снижающих утомляемость и, как следствие, снижающих вероятность неверного решения.
Первостепенное значение для решения этой задачи имеет технический уровень оборудования кабины. Особое место занимает в нем кабинный индикатор коллиматорного типа, то есть индикатор, в который смотрят с поднятой головой, не опуская взгляд на приборную панель.
Конструктивное исполнение коллиматорных индикаторных систем существенно зависит от организации рабочего пространства кабины. Для реализации рассматриваемых индикаторных систем известны разные решения на базе одной или нескольких отражающих/пропускающих поверхностей (US 6567014 В1, 20.05.2003; US 5640275 17.06.1997; US 4669810, 02.06.1987; US 4407564, 04.10.1983). При прохождении оптических лучей через несколько отражающих/пропускающих поверхностей возникают дополнительные искажения изображения, для компенсации которых в состав проекционного объектива включают децентрированные оптические элементы, то есть элементы, имеющие внеосевое смещением линз или групп линз, заклон некоторых поверхностей или линз.
Наиболее близким к настоящему изобретению по сущности и достигаемому результату является коллиматорная индикаторная система с децентрированными оптическими элементами по патенту US 5640275, 17.06.1997. Использование в указанном изобретении комбинера (светоделительного оптического элемента) с применением голографических элементов является существенным недостатком, так как требует привлечения специальной дорогостоящей технологии его изготовления и специальных условий эксплуатации на воздушных судах.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании простой коллиматорной индикаторной системы кабинного базирования на воздушных судах общего назначения с повышенным качеством изображения.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в расширении поля зрения индикаторной системы с комфортными условиями восприятия на значительном удалении от выходной линзы проекционного объектива, а также в уменьшении стоимости системы.
Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в коллиматорной индикаторной системе, содержащей генератор двумерного изображения с излучателем, расположенным в фокальной плоскости проекционного объектива с децентрированными оптическими элементами и комбинер, излучатель выполнен в виде жидкокристаллической (ЖК) панели с системой подсветки на светодиодах с излучением в узком диапазоне длин волн, генератор двумерного изображения выполнен с возможностью введения дисторсионных предыскажений в изображение, формируемое на экране ЖК панели, комбинер наклонен к оси визирования и выполнен с возможностью совмещения изображения обозреваемого пространства с изображением от проекционного объектива, который расположен вдоль оси визирования, отраженной от комбинера, и отнесен от него, оптическая система проекционного объектива состоит из последовательно расположенных относительно комбинера трех линзовых групп и оптического клина, первая линзовая группа состоит из первой двояковыпуклой линзы и отнесенных от нее второй двояковыпуклой линзы и выпукло-вогнутой линзы, вторая линзовая группа отделена от первой линзовой группы апертурной диафрагмой, расположенной посередине воздушного промежутка между ними, и содержит первую двояковогнутую линзу, линзу с цилиндрической поверхностью и склейку из второй двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, третья линзовая группа содержит двояковыпуклую и выпукло-вогнутую линзы, а оптический клин расположен в промежутке между третьей линзовой группой и излучателем, при этом оптическая ось первой линзовой группы смещена в меридиональной плоскости параллельно влево относительно оси визирования, отраженной от комбинера, оптическая ось второй линзовой группы смещена в меридиональной плоскости параллельно влево относительно оптической оси первой группы, оптическая ось двояковыпуклой линзы третьей группы смещена в меридиональной плоскости параллельно вправо относительно оптической оси второй группы, оптическая ось выпукло-вогнутой линзы третьей группы смещена относительно оптической оси двояковыпуклой линзы в противоположном направлении на эту же величину и развернута по часовой стрелке относительно оси, перпендикулярной меридиональной плоскости и проходящей через вершину выпукло-вогнутой линзы, а оптический клин развернут по часовой стрелке относительно оси, перпендикулярной меридиональной плоскости и проходящей через середину передней поверхности оптического клина.
Технический результат достигается также тем, что:
комбинер выполнен в виде склеенных по сферическим поверхностям плосковыпуклой и плосковогнутой линз с нанесенным на поверхность склейки многослойным диэлектрическим светоделительным покрытием, которое селективно отражает излучение ЖК панели в узком диапазоне длин волн и пропускает проходящий свет видимого диапазона волн;
генератор двумерного изображения содержит последовательно соединенные блок приема отображаемых данных, блок формирования комбинированного изображения, блок формирования предыскаженного изображения и ЖК панель.
Расширение поля зрения индикаторной системы с комфортными условиями восприятия, то есть с незначительными аберрациями наблюдаемого изображения, на значительном удалении от выходной линзы проекционного объектива обеспечивается предложенной конструкцией оптической системы с децентрированными оптическими элементами, конструкцией комбинера и применением электронной компенсации дисторсии. Уменьшение стоимости системы обусловлено возможностью использования стандартных технологий для производства оптических элементов проекционной системы и комбинера.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - геометрия расположения коллиматорной индикаторной системы;
на фиг.2 - конструкция оптической системы;
на фиг.3 - вид дисторсии индикаторной системы до коррекции;
на фиг.4 - ход некоторых световых лучей в индикаторной системе;
на фиг.5 - структурная электрическая схема генератора двумерного изображения.
На чертежах обозначены:
1 - генератор двумерного изображения;
1-1 - блок приема отображаемых данных;
1-2 - блок формирования комбинированного изображения,
1-3 - блок формирования предыскаженного изображения;
1-4 - ЖК панель;
2 - излучатель;
3 - проекционный объектив;
4 - комбинер;
5 - плосковыпуклая линза комбинера;
6 - плосковогнутая линза комбинера;
7 - внутренняя светоделительная поверхность комбинера;
8 - первая линзовая группа;
9 - вторая линзовая группа;
10 - третья линзовая группа;
11 - первая двояковыпуклая линза первой группы;
12 - вторая двояковыпуклая линза первой группы;
13 - выпукло-вогнутая линза первой группы;
14 - апертурная диафрагма;
15 - первая двояковогнутая линза второй группы;
16 - линза с цилиндрической поверхностью второй группы;
17 - вторая двояковогнутая линза второй группы;
18 - двояковыпуклая линза второй группы,
19 - двояковыпуклая линза третьей группы;
20 - выпукло-вогнутая линза третьей группы;
21 - оптический клин;
22 - ось визирования;
23 - ось визирования, отраженная от комбинера;
24 - зрачковая зона наблюдения.
Коллиматорная индикаторная система (см. фиг.1) содержит генератор 1 двумерного изображения с излучателем 2, расположенным в фокальной плоскости проекционного объектива 3, и комбинер 4. Проекционный объектив 3 расположен вдоль оси визирования 23, которая является осью визирования 22, изломанной с соответствии с отражением света от плоской поверхности плосковыпуклой линзы 5 комбинера 4, и отнесен от него на расстояние А1. Комбинер 4 наклонен к оси визирования 22 на угол θ1 и выполнен в виде склеенных по сферическим поверхностям плосковыпуклой линзы 5 и плосковогнутой линзы 6 с нанесенным на поверхность склейки многослойным диэлектрическим светоделительным покрытием, которое селективно отражает излучение ЖК панели в узком диапазоне длин волн и пропускает проходящий свет видимого диапазона волн.
Комбинер 4 обеспечивает возможность смещения проекционного объектива 3 относительно оси визирования 22 на угол 02, и совмещение наблюдаемой через комбинер закабинной обстановки с изображением от проекционного объектива 3 без закрывания видимости обстановки элементами конструкции системы вне поля зрения канала индикации.
Оптическая система проекционного объектива 3 состоит (см. фиг.2) из последовательно расположенных относительно комбинера 4 трех линзовых групп 8, 9 и 10 и оптического клина 21. Первая линзовая группа 8 состоит из первой двояковыпуклой линзы 11 и отнесенных от нее второй двояковыпуклой линзы 12 и выпукло-вогнутой линзы 13. Вторая линзовая группа 9 отделена от первой линзовой группы апертурной диафрагмой 14, расположенной посередине воздушного промежутка между ними, и содержит первую двояковогнутую линзу 15 второй группы, линзу 16 с цилиндрической поверхностью и склейку из второй двояковогнутой линзы 17 и двояковыпуклой линзы 18. Первая двояковогнутая линза 15 имеет отрицательную силу. Образующая цилиндрической поверхности линзы 16, имеющей отрицательную оптическую силу, ориентирована перпендикулярно меридиональной плоскости. Третья линзовая группа 10 содержит двояковыпуклую линзу 19 и выпукло-вогнутую линзу 20. Оптический клин 21 расположен в промежутке между третьей линзовой группой 10 и излучателем 2.
Оптическая ось первой линзовой группы 8 смещена в меридиональной плоскости XOY на величину Δ1 параллельно влево относительно оси 23. Оптическая ось второй линзовой группы 9 смещена в меридиональной плоскости XOY на величину Δ2 параллельно влево относительно оптической оси первой линзовой группы 8. Оптическая ось двояковыпуклой линзы 19 третьей линзовой группы 10 смещена в меридиональной плоскости XOY на величину Δ3 параллельно вправо относительно оптической оси второй линзовой группы 9. Оптическая ось выпукло-вогнутой сферической линзы 20 третьей линзовой группы 10 смещена относительно оптической оси второй двояковыпуклой сферической линзы 19 в противоположном направлении на эту же величину Δ3 и развернута по часовой стрелке на угол α1 относительно оси, перпендикулярной меридиональной плоскости и проходящей через вершину выпукло-вогнутой линзы 20. Оптический клин 21 отнесен от третьей линзовой группы 10 и развернут по часовой стрелке на угол α2 относительно оси, перпендикулярной меридиональной плоскости и проходящей через середину передней поверхности оптического клина.
Ход некоторых лучей в оптической системе проекционного объектива 3 и комбинере 4 приведен на фиг.4. Первая линзовая группа 8 обеспечивает развитие поля зрения в пределах заданных габаритов комбинера 4 и его удаления от проекционного объектива 3. Апертурная диафрагма 14 обеспечивает минимизацию засветок за счет срезания паразитных пучков лучей. Вторая линзовая группа 9 обеспечивает исправление аберрации широкого наклонного пучка лучей, астигматизма и дисторсии, при этом первая двояковогнутая сферическая линза 15 совместно с двояковогнутой линзой 17 исправляет кривизну поля, линза 16 с цилиндрической поверхностью исправляет астигматизм, а склейка из двояковогнутой и двояковыпуклой линз 17 и 18 минимизирует аберрацию комы и сферическую аберрацию. Третья линзовая группа 10 обеспечивает развитие относительного отверстия системы, уменьшение совместно с клином 21 наклона изображения, а также исправление астигматизма, дисторсии и комы.
Совокупность элементов индикаторной системы фокусирует на бесконечность изображение, передаваемое пилоту, и обеспечивает его наложение на видимую пилотом закабинную обстановку. Конструкция предложенной индикаторной системы обеспечивает формирование изображения с необходимым уровнем исправления всех аберраций, кроме дисторсии. Дисторсия оптической системы представляет собой аберрацию, которая не влияет на резкость изображения, но искажает его форму. Для предложенной индикаторной системы дисторсия до компенсации приведена на фиг.3, где представлена трансформация равномерной сетки в зрачковой зоне наблюдения 24 в сетку на поверхности излучателя 2. Размеры поля зрения - нормированные на его максимальное значение по оси Z. В скобках указаны значения углов поля зрения на входе для крайних лучей. Дополнительная компенсация дисторсии осуществляется электронным путем за счет формирования в генераторе 1 предыскаженного изображения.
Генератор 1 двумерного изображения содержит (см. фиг.5) последовательно соединенные блок 1-1 приема отображаемых данных, блок 1-2 формирования комбинированного изображения, блок 1-3 формирования предыскаженного изображения и ЖК панель 1-4.
ЖК панель 1-4 имеет светодиодную систему подсветки, которая обеспечивает достаточную яркость и равномерность изображения на экране ЖК панели (см., например, RU 46865 U, 27.06.2005). Для индикаторных систем на воздушных судах, как правило, используют светодиоды с излучением в узкой полосе длин волн зеленого участка спектра.
Блок 1-1 приема отображаемых данных является интерфейсным блоком и обеспечивает прием данных от датчиков окружающей обстановки, например бортового радара, телевизионной камеры, а также бортовых датчиков положения и параметров полета воздушного судна, систем предупреждения столкновения воздушного судна с землей или с другим воздушным судном. Блок 1-2 обеспечивает формирование сигнала изображения, содержащего данные от одного из датчиков или любой их комбинации. Блок 1-3 содержит в своем составе блок памяти коэффициентов компенсации дисторсии и вычислитель, формирующий с учетом указанных коэффициентов предыскаженное изображение, которое поступает на отображение на экран ЖК панели 1-4. После прохождения предыскаженного изображения через оптическую систему 3 и комбинер 4 в поле зрения пилота формируется неискаженное изображение.
Коллиматорная индикаторная система работает следующим образом.
Комбинер 4 располагают перед лобовым стеклом кабины воздушного судна, а проекционный объектив 3 на потолке над шлемом пилота в соответствии с геометрией размещения, приведенной на фиг.1. Угол θ2 выбирают из условия максимального удаления выходной линзы 11 проекционного объектива 3 от шлема пилота при достижении требуемого качества изображения.
Полетная информация, выбранная пилотом для отображения, формируется на экране ЖК панели 1-4 и излучается в узкой полосе длин волн зеленого участка спектра, определяемой типом светодиода, например от 515 до 535 нм. Экран расположен в фокальной плоскости проекционного объектива 3, который проецирует изображение через комбинер 4 в поле зрения пилота. Световые лучи, формирующие изображение, отражаются от внутренней светоделительной поверхности 7 комбинера, и, за счет его наклона на угол 01 относительно линии визирования 22, попадают в поле зрения пилота, где происходит совмещение изображения, формируемого на экране ЖК панели, с изображением закабинной обстановки, наблюдаемой через комбинер 4. Комбинер 4 обеспечивает интегральный коэффициент отражения изображения в диапазоне длин волн от 500 до 550 нм не менее 0,7 и пропускает проходящий свет видимого диапазона волн с интегральным коэффициентом пропускания не менее 0,85. Пилот одновременно может наблюдать закабинную обстановку и выбранную полетную информацию.
Разработан опытный образец вертолетного базирования системы, который при размере матрицы ЖК панели 2,5 дюйма и длине проекционного объектива не более 240 мм обеспечивает:
поле зрения - не менее ±12° по горизонтали и ±8° по вертикали;
размеры зрачковой зоны наблюдения - не менее 110 мм по горизонтали и 90 мм по вертикали;
расстояние от проекционного объектива до комбинера А1 - не менее 350 мм;
удаление глаз наблюдателя от комбинера А2 - до 400 мм;
дисторсия не более 5%;
разрешающая способность - не более 3 угловых минут в центре и не более 10 угловых минут на краю поля зрения.
Таким образом, предлагаемая коллиматорная индикаторная система обеспечивает возможность наблюдения в поле зрения системы высококачественного изображения полетной информации на фоне обозреваемого закабинного пространства.
Производство оптических элементов проекционного объектива и комбинера предлагаемой системы возможно с использованием стандартных технологий. Предлагаемая система может быть использована в других изделиях авионики, а также в изделиях морского и наземного базирования.
1. Коллиматорная индикаторная система, содержащая генератор двумерного изображения с излучателем, расположенным в фокальной плоскости проекционного объектива с децентрированными оптическими элементами, и комбинер, отличающаяся тем, что излучатель выполнен в виде жидкокристаллической (ЖК) панели с системой подсветки на светодиодах с излучением в узком диапазоне длин волн, генератор двумерного изображения выполнен с возможностью введения дисторсионных предыскажений в изображение, формируемое на экране ЖК панели, комбинер наклонен к оси визирования и выполнен с возможностью совмещения изображения обозреваемого пространства с изображением от проекционного объектива, который расположен вдоль оси визирования, отраженной от комбинера, и отнесен от него, оптическая система проекционного объектива состоит из последовательно расположенных относительно комбинера трех линзовых групп и оптического клина, первая линзовая группа состоит из первой двояковыпуклой линзы и отнесенных от нее второй двояковыпуклой линзы и выпукло-вогнутой линзы, вторая линзовая группа отделена от первой линзовой группы апертурной диафрагмой, расположенной посередине воздушного промежутка между ними, и содержит первую двояковогнутую линзу, линзу с цилиндрической поверхностью и склейку из второй двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, третья линзовая группа содержит двояковыпуклую и выпукло-вогнутую линзы, а оптический клин расположен в промежутке между третьей линзовой группой и излучателем, при этом оптическая ось первой линзовой группы смещена в меридиональной плоскости параллельно влево относительно оси визирования, отраженной от комбинера, оптическая ось второй линзовой группы смещена в меридиональной плоскости параллельно влево относительно оптической оси первой группы, оптическая ось двояковыпуклой линзы третьей группы смещена в меридиональной плоскости параллельно вправо относительно оптической оси второй группы, оптическая ось выпукло-вогнутой линзы третьей группы смещена относительно оптической оси двояковыпуклой линзы в противоположном направлении на эту же величину и развернута по часовой стрелке относительно оси, перпендикулярной меридиональной плоскости и проходящей через вершину выпукло-вогнутой линзы, а оптический клин развернут по часовой стрелке относительно оси, перпендикулярной меридиональной плоскости и проходящей через середину передней поверхности оптического клина.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что комбинер выполнен в виде склеенных по сферическим поверхностям плосковыпуклой и плосковогнутой линз с нанесенным на поверхность склейки многослойным диэлектрическим светоделительным покрытием, которое селективно отражает излучение ЖК панели в узком диапазоне длин волн и пропускает проходящий свет видимого диапазона волн.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что генератор двумерного изображения содержит последовательно соединенные блок приема отображаемых данных, блок формирования комбинированного изображения, блок формирования предыскаженного изображения и ЖК панель.
