Коллиматорная индикаторная система (варианты)
Изобретение относится к технике проекционных систем отображения информации и может быть использовано для бортовых индикаторов на лобовом стекле коллиматорного типа. Система содержит источник изображения, находящийся в фокальной плоскости силового комбайнера, который наклонен к горизонтальной оси визирования. По первому варианту изобретения корректором аберраций изображения является оптический рефракционный компонент, который расположен в непосредственной близости от поверхности источника изображения и выполнен в виде клиновидного элемента со сферическими или асферическими поверхностями. По второму варианту изобретения корректором аберраций изображения является оптический отражательный компонент, который расположен между источником изображения и силовым комбайнером и выполнен в виде выпуклого зеркала со сферическими или асферическими поверхностями. Параметры кривизны поверхностей клиновидного элемента и зеркала обеспечивают внесение в изображение аберраций, обратных тем, которые вносит в изображение силовой комбайнер. Технический результат заключается в повышении качества изображения с упрощением конструкции коллиматорной индикаторной системы. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к технике проекционных систем отображения информации и может быть использовано преимущественно для бортовых индикаторов на лобовом стекле коллиматорного типа.
Устройства бортовой проекционной индикации представляют собой систему, обеспечивающую одновременное наблюдение пилотом реального окружения, объектов в пространстве и изображение источника изображения, видимое через оптическую систему со светоделительным отражателем, при этом визирная ось наблюдателя и оптическая ось системы проекции источника изображения совмещены.
Для реализации рассматриваемых индикаторных систем известны разные решения на базе одной или нескольких отражающих/пропускающих поверхностей (RU 173768 U1, 11.09.2017; RU 2582210 С1, 20.04.2016; RU 2540135 С1, 09.01.2014; RU 63559 U1, 2007; US 8089568 В1, 03.01.2012; US 7602552 В1, 13.10.2009; RU 2226292 С1, 27.03.2004; US 6567014 В1, 20.05.2003; US 5991087 А, 13.11.1999; US 5640275 А, 17.06.1997; US 4669810, 02.06.1987; US 4407564 А, 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 смещение линз или групп линз, наклон некоторых поверхностей или линз.
Наиболее близкой к первому варианту настоящего изобретения является коллиматорная индикаторная система с децентрированными оптическими элементами по патенту RU 2364902 С1, МПК G02B 27/18, G02B 27/01, опубл. 20.08.2009. Система содержит источник изображения, проекционный объектив с децентрированными оптическими элементами и силовой комбайнер, который является коллиматором изображения, создаваемого проекционным объективом.
Силовой комбайнер селективно отражает излучение источника изображения в узком диапазоне длин волн и пропускает проходящий свет видимого диапазона волн окружающей обстановки в зрачковую зону наблюдения. Линзы проекционного объектива создают предыскажение изображения, равное по величине и обратное по знаку тому искажению, которое вносит в изображение силовой комбайнер. Основной недостаток системы -сложность проекционного объектива, который состоит из трех линзовых групп и оптического клина, и его большие габариты и масса.
Наиболее близким ко второму варианту настоящего изобретения является устройство по патенту RU 2424541, МПК G02B 23/10, G02B 27/18, G02B 17/06, опубл. 20.07.2011. Устройство содержит источник изображения, зеркало, принимающее свет от источника изображения, и вогнутое асферическое зеркало, направляющее свет на лобовое стекло. Зеркало, принимающее свет от источника изображения, выполнено выпуклым асферическим. Между зеркалом, принимающим свет от источника изображения, и зеркалом, направляющим свет на лобовое стекло, может быть размещено дополнительное вогнутое асферическое зеркало.
В устройстве в качестве комбайнера используют лобовое стекло автомобиля. Однако форма кривизны ветрового стекла очень сложна, кривизна его меняется по площади лобового стекла по неизвестному закону, поэтому форма зеркал, призванных компенсировать аберрации, вносимые лобовым стеклом, чрезвычайно сложна. Изготовление зеркал требует сложной технологии, поэтому зеркала дороги в изготовлении.
Кроме того, лобовое стекло изготавливается не как оптический компонент, требующий при своем изготовлении микронных допусков и строгого следования заданным формам, а как прозрачный защитный экран, форма которого регламентируется лишь в самом общем виде. Это приводит к тому, что каждое ветровое стекло даже для автомобиля одной марки нестабильно по форме. Поэтому оптические компоненты, изготовленные под конкретное лобовое стекло, не взаимозаменяемые и требуют подгонки под каждое лобовое стекло в зависимости от особенностей его кривизны.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи улучшения коррекции аберраций и, соответственно, повышения качества изображения с одновременным упрощением конструкции и снижением стоимости коллиматорной индикаторной системы.
Поставленная задача по первому варианту изобретения решается тем, в коллиматорной индикаторной системе, содержащей источник изображения, находящийся в фокальной плоскости силового комбайнера, который наклонен к визирной оси, и корректор аберраций изображения, согласно изобретению, корректором аберраций изображения является оптический рефракционный компонент, который расположен в непосредственной близости от поверхности источника изображения и выполнен в виде клиновидного элемента, параметры кривизны граней которого обеспечивают внесения в изображение аберраций, обратных тем, которые вносит в изображение силовой комбайнер.
Поставленная задача по второму варианту изобретения решается тем, в коллиматорной индикаторной системе содержащей источник изображения, находящийся в фокальной плоскости силового комбайнера, который наклонен к визирной оси, и корректор аберраций изображения, согласно изобретению, корректором аберраций изображения является оптический отражательный компонент, который расположен между источником изображения и силовым комбайнером и выполнен в виде выпуклого зеркала со сферическими или асферическими поверхностями, параметры кривизны которых обеспечивают внесение в изображение аберраций, обратных тем, которые вносит в изображение силовой комбайнер.
Кроме того, поставленная задача по первому или второму варианту изобретения решается тем, что силовой комбайнер выполнен в виде зеркала со сферической или асферической поверхностями, внутренняя поверхность которого представляет из себя многослойную селективно отражающую структуру, а источник изображения выполнен в виде ЖК матрицы или любого другого самосветящегося объекта.
Упрощение конструкции и снижение стоимости коллиматорной индикаторной системы обеспечивается использованием в качестве корректора аберраций изображения простых форм оптических элементов в виде клиновидного элемента или зеркала.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает схему оптической системы первого варианта коллиматорной индикаторной системы;
фиг. 2 изображает схему оптической системы второго варианта коллиматорной индикаторной системы;
фиг. 3 изображает фотографию наблюдаемого изображения в коллиматорной индикаторной системе без коррекции аберраций;
фиг. 4 изображает фотографию наблюдаемого изображения в коллиматорной индикаторной системе с корректором аберраций.
Коллиматорная индикаторная система по первому варианту изобретения содержит силовой комбайнер 1, который представляет собой в общем случае асферическое селективно отражающее зеркало. В частном случае силовой комбайнер 1 может быть выполнен в виде сферического сегмента радиусом кривизны R, на вогнутую поверхность которого нанесено интерференционное многослойное светоотражающее покрытие 2, рассчитанное на определенную длину волны в зеленом участке спектра, обычно 420-450 нм. Кроме того, силовой комбайнер 1 может быть выполнен в виде голограммы.
Силовой комбайнер 1 наклонен под углом α0 к визирной оси 3. В его фокальной плоскости расположен источник изображения 4, который может быть выполнен в виде ЖК матрицы или любого другого самосветящегося объекта. При нахождении источника изображения 4 в фокальной плоскости, силовой комбайнер 1 проецирует это изображение в бесконечность, направляя сколлимированные пучки лучей в глаз 5 наблюдателя.
Зрачок глаза 5 наблюдателя находится на визирной оси 3, при этом наблюдатель одновременно видит реальную закабинную обстановку и проецируемое изображение.
Из-за наклона силового комбайнера 1 к визирной оси 3 проецируемая система является неосесимметричной, что приводит к возникновению таких видов аберраций изображения, как кривизна поля изображения, астигматизм и трапецеидальная дисторсия. Корректором аберраций изображения является оптический рефракционный компонент, который расположен в непосредственной близости от поверхности источника изображения 4, и выполнен в виде клиновидного элемента 6, параметры кривизны граней которого обеспечивают внесения в изображение аберраций, обратных тем, которые вносит в изображение силовой комбайнер 1. Поверхности клиновидного элемента 6 могут быть выполнены сферическими или асферическими. На выходе оптической схемы предыскажения, вносимые корректором аберраций в изображение, компенсируются искажениями силового комбайнера 1.
Второй вариант изобретения отличается тем, что корректором аберраций является оптический отражательный компонент, который расположен между источником изображения 4 и силовым комбайнером 1 и выполнен в виде выпуклого зеркала 7 со сферическими или асферическими поверхностями, параметры кривизны которых обеспечивают внесения в изображение аберраций, обратных тем, которые вносит в изображение силовой комбайнер.
Искажения, вносимые силовым комбайнером в изображение, определяются расчетным путем или экспериментально, а параметры кривизны поверхностей корректора аберраций в виде клиновидного элемента 6 и зеркала 7 определяют моделированием, например в программе ZEMAX [Электронный ресурс]. URL: https://www.zemax.com. (Дата обращения: 01.06.2021).
В качестве примера осуществления изобретения приведена система со следующими параметрами. Силовой комбайнер выполнен в виде сферического зеркала размером 270x216 мм2 с радиусом кривизны 480 мм, на внутреннюю (вогнутую) сторону которого нанесено многослойное светоотражающее покрытие. Такой комбайнер имеет фокусное расстояние F=240 мм. Угол наклона комбайнера относительно визирной оси составляет 10°.
В качестве источника изображений используется ЖК матрица диагональю 5'' с размерами активной области 106x75 мм2.
Поверхности клиновидного элемента 6 корректора аберраций выполнены сферической формы.
При выбранном соотношении размеров источника изображений и фокусного расстояния силового комбайнера расчетные параметры оптической системы, полученные в программе ZEMAX, составляют:
- зона видимости более 200x200 мм;
- дисторсия 3,7% в поле 26°х12°;
- угловое разрешение по полю 1,3 угл. мин.;
При выполнении силового комбайнера с поверхностями асферической формы, описываемой уравнением с 6 коэффициентами, дисторсия 3,7% сохраняется в поле 26°х16°.
На фиг. 3 и фиг. 4 приведены фотографии наблюдаемого изображения в коллиматорной индикаторной системе без коррекции аберраций и с корректором аберраций, соответственно. Как следует из фиг. 4 предлагаемая коллиматорная индикаторная система формирует качественное изображение с необходимой информацией.
Таким образом, предложенная коллиматорная индикаторная система обеспечивает с хорошим качеством одновременное наблюдение объекта и наложенное на него изображение с необходимой информацией.
Наибольшее применение предлагаемая коллиматорная индикаторная система найдет в авиационных индикаторах на лобовом стекле кабины пилота.
1. Коллиматорная индикаторная система, содержащая источник изображения, находящийся в фокальной плоскости силового комбайнера, который наклонен к горизонтальной оси визирования, и корректор аберраций изображения, отличающаяся тем, что корректором аберраций изображения является оптический рефракционный компонент, который расположен в непосредственной близости от поверхности источника изображения и выполнен в виде клиновидного элемента со сферическими или асферическими поверхностями, параметры кривизны которых обеспечивают внесение в изображение аберраций, обратных тем, которые вносит в изображение силовой комбайнер.
2. Коллиматорная индикаторная система, содержащая источник изображения, находящийся в фокальной плоскости силового комбайнера, который наклонен к горизонтальной оси визирования, и корректор аберраций изображения, отличающаяся тем, что корректором аберраций изображения является оптический отражательный компонент, который расположен между источником изображения и силовым комбайнером и выполнен в виде выпуклого зеркала со сферическими или асферическими поверхностями, параметры кривизны поверхностей которого обеспечивают внесение в изображение аберраций, обратных тем, которые вносит в изображение силовой комбайнер.
3. Коллиматорная индикаторная система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что силовой комбайнер выполнен в виде зеркала со сферической или асферической поверхностями, внутренняя поверхность которого представляет из себя многослойную селективно отражающую структуру.
4. Коллиматорная индикаторная система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что источник изображения выполнен в виде ЖК матрицы или любого другого самосветящегося объекта.
