Результат интеллектуальной деятельности: ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОЕКЦИОННОГО БОРТОВОГО ИНДИКАТОРА

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в авиационной промышленности, в частности для авиационных оптических прицелов, устройств индикации на лобовом стекле кабины пилота и т.п.

Устройства бортовой проекционной индикации представляют собой систему, обеспечивающую одновременное наблюдение пилотом реального окружения, объектов в пространстве и изображение с индикационного дисплея, видимое через оптическую систему со светоделительным отражателем, при этом визирная ось наблюдателя и оптическая ось системы проекции дисплея совмещены.

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

Основными требованиями, предъявляемыми к ОСПБИ, являются:

- большое угловое поле зрения: ±15° по горизонту и ±10° по вертикали;

- значительный вынос входного зрачка - глаза наблюдателя от отражающего светоделительного зеркала более 500 мм;

- минимизированный вес;

- возможность наблюдения дисплея при движении головы пилота в пределах не менее ±75 мм по горизонту и ±45 мм по вертикали;

- минимальные дисторсионные искажения изображений объектов и дисплея;

- минимальные световые потери в обоих каналах.

Известен целый ряд проекционных бортовых индикаторов [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8] на лобовом стекле кабины самолета.

В устройствах [1] и [2] использована система индикации с применением осевой оптической системы, светоделительное отражающее зеркало - сферическое, в фокальной плоскости которого установлен дисплей.

Недостатками такой системы являются:

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

- малое угловое поле (2ω), определенное из формулы

tg(2ω)=L/f′, где L - наибольший размер дисплея,

f′ - фокусное расстояние зеркала.

Поскольку из габаритных требований значение f′ достаточно большое, то угловое поле весьма ограничено.

В устройстве [3] используется три светоделительные поверхности для канала индикации и две - для канала наблюдения объекта, что приводит к значительным энергетическим потерям.

Кроме того, угловое поле ограничено большими габаритами светоделительных зеркал, т.к. в каналах индикации наблюдения объекта оптические оси дважды проходят через светоделительные зеркала в разнесенных точках по поверхностям.

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

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является ОСПБИ [8].

ОСПБИ состоит из вогнутого сферического зеркала со светоделительным или голографическим покрытием (комбинер), установленного под углом α₀ к визирной оси, вторичное зеркало, представляющее собой клин с углом α₁ и со сферической отражающей и преломляющей поверхностями, линзовую проекционную оптическую систему, выполненную из трех компонентов, первый из которых - сфероцилиндрическая линза с оптической силой φ₁, наклоненная на угол α₁ против часовой стрелки и смещена на δy₁ относительно своей оптической оси, второй четырехлинзовый компонент с оптической силой φ₂, наклоненный на угол α₂ против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, выполненной из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, третий компонент выполнен в виде эллиптической менисковой линзы, смещенной с оптической оси на δy₃, и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом ОСПБИ.

Недостатками ОСПБИ являются:

- малая величина выходного зрачка, ограничивающая смещение глаз наблюдателей в широких пределах без потери информации индикационного дисплея;

- солнечные блики, попадающие в глаза наблюдателя после прохождения солнечного излучения через комбинер, вторичное зеркало и отражение от дисплея и прохождения через информационный дисплейный канал.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение безопасности полета за счет исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота и устранения солнечных бликов, попадающих в глаза пилота.

Для решения поставленной задачи предлагается оптическая система проекционного бортового индикатора, которая, как и прототип, содержит сферическое светоделительное зеркало (комбинер) радиуса R, установленное под углом α₀ к визирной оси, вторичное зеркало, выполненное в виде клина с углом α₁ и со сферической отражающей и преломляющей поверхностями, линзовую проекционную оптическую систему с эквивалентной оптической силой φ, выполненную из трех компонентов, первый из которых - сфероцилиндрическая линза с оптической силой φ₁, наклоненная на угол α₁ против часовой стрелки и смещенная на δy₁ относительно своей оптической оси, второй четырехлинзовый компонент с оптической силой φ₂, выполненный из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненный на угол α₂ против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, третий компонент - эллиптическая менисковая линза, наклоненная на угол α₃ по часовой стрелке и смещенная на δy₃ с оптической оси второго компонента, и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом оптической системы проекционного бортового индикатора.

В отличие от прототипа перед первым компонентом линзовой проекционной оптической системы установлена поляризационная плоскопараллельная пластина, третий компонент дополнен положительной гиперболической менисковой линзой, установленной между дисплеем и эллиптической менисковой линзой с эквивалентной оптической силой φ₃ компонента, смещен с оптической оси второго компонента на δy₃ и наклонен по часовой стрелке на угол α₃ вокруг первой поверхности, при этом оптические силы смещения и наклона компонентов удовлетворяют условиям:

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение линзовой проекционной оптической системы из трех компонентов с оптическими силами φ₁, φ₂, φ₃, смещением δy₁, δy₂, δy₃ и наклонами на углы α₁, α₂, α₃ соответственно, установкой в третий компонент дополнительной положительной гиперболической менисковой линзы, а перед первым компонентом установкой поляризационной плоскопараллельной пластинки, позволило увеличить размер входного зрачка и тем самым исключить срезание полевых лучей при движении головы пилота, устранить солнечные блики, попадающие в глаза пилота, после отражения световых лучей от поверхности дисплея и обеспечить коррекцию нецентрированных аберраций, вносимых сферическим зеркалом (комбинером), наклоненным на угол α₀ к визирной оси.

Зеркало, работающее под углом α₀, вносит искажения изображения (аберрации), существенную часть которых составляют различного вида дисторсии, кривизна изображения и астигматизм, пропорциональный величине:

где i - угол отклонения луча от α₀.

Для центрального луча угол i равен 0. При смещении положения глаза пилота в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также при изменении угла поля ω, значение i меняется в достаточно больших пределах. Поэтому для каждого направления главного луча, исходящего из глаза пилота, значения астигматизма имеют различную величину.

Другая аберрация, редко встречаемая в центрированных системах, называемая параллаксом, т.е. разность координат на для заданного угла поля ω для положения зрачка глаза, при котором смещение по горизонту равно Δx и по вертикали равно Δy относительно визирной оси. Важно стремиться к тому, чтобы параллакс в пространстве глаза наблюдателя был менее ±10 угл. минут в достаточно большом окне наблюдения, т.е. ΔX>±75 мм, ΔY>±45 мм при ω≥15°. Параллакс пропорционален углу (α₀+i)³ и является переменной, зависящей от значений Δy и Δx.

Выполнение первой поверхности клина сферической устраняет кривизну изображения, второй - уменьшает астигматизм в углах прямоугольного поля.

Выполнение первой линзы проекционной оптической системы сфероцилиндрической с оптической силой φ₁ позволяет уменьшить габариты системы в сагиттальной плоскости и, одновременно, уменьшить разность меридионального и сагиттального увеличений, т.е. анаморфозы изображения.

Наклон сфероцилиндрической линзы на угол α₁ против часовой стрелки устраняет кому в горизонтальном сечении изображения.

Выполнение второго компонента четырехлинзовым с оптической силой φ₂, выполненного из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненным на угол α₂ против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, а введение в третий компонент дополнительной положительной гиперболической менисковой линзой, установленной между дисплеем и эллиптической менисковой линзой с эквивалентной оптической силой φ₃ двух линз, смещенных с оптической оси второго компонента на δy₃ и наклоненных по часовой стрелке на угол α₃ вокруг первой поверхности, позволило устранить кому в вертикальном сечении.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 - представлена схема оптической системы проекционного бортового индикатора, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.

Предлагаемая оптическая система проекционного бортового индикатора состоит из сферического зеркала 1 со светоделительной отражающей поверхностью 2 радиуса R₀, вторичного зеркала 3, выполненного в виде клина 4 со сферической первой поверхностью 5 с второй сферической отражающей поверхностью 6, линзовой проекционной оптической системы 7, состоящей из трех компонентов, первый из которых сфероцилиндрическая линза 8 наклонена на угол α₁ и смещена на δy₁ относительно оптической оси вторичного зеркала 3.

Второй компонент - четырехлинзовая осесимметричная система 9, выполненная из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненная на угол α₂ против часовой стрелки относительно оси первой линзы.

Третий компонент состоит из положительной сфероэллиптической менисковой линзы 10 и положительной гиперболической линзы 11, смещенных на δy₃ в направлении, перпендикулярном оптической оси, и наклоненных на угол α₃ по часовой стрелке относительно оси второго компонента, дисплея 12.

Перед первым компонентом проекционной оптической системы установлена поляризационная плоскопараллельная пластинка 13.

Зрачок глаза 14 может перемещаться по горизонту на ±Δx и по вертикали (в плоскости чертежа) на ±Δy, наблюдая объект 15 в направлении визирной оси 16.

Работа ОСПБИ осуществляется следующим образом.

Параллельный пучок света от каждого глаза наблюдателя диаметром, равным диаметру входного зрачка глаза (2÷4) мм, после отражения от сферического зеркала 1 фокусируется в наклонном фокусе зеркала 1, расположенного вблизи вторичного зеркала 3. Линзовая проекционная оптическая система 7 (8, 9, 10, 11 и 13) сопрягает промежуточное изображение, даваемое сферическим зеркалом 1 с поверхностью дисплея 12.

Таким образом, ОСПБИ представляет собой бинокулярную широкоугольную лупу, в фокусе F′ которой установлен дисплей 12, а после сферического зеркала 1 параллельные пучки лучей попадают в зрачок глаза 14.

Линзовая проекционная оптическая система 8, 9, 10, 11 и 13 работает с увеличением β<1, при этом эквивалентное фокусное расстояние и тем самым видимое увеличение ОСПБИ (лупы) обеспечивается Г>2÷3. Реально ОСПБИ работает в обратном ходе лучей, т.е. одновременно наблюдатель видит объект 15 по направлению визирной оси 16, на которое накладывают изображение от дисплея 12.

В качестве примера приведена ОСПБИ со следующими параметрами, приведенными в Приложении.

Таким образом, предложенная ОСПБИ обеспечивает малопараллаксное с хорошим качеством одновременно наблюдение объекта и наложенное на него изображение поверхности дисплея с сеткой для точного наведения и необходимой информацией.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

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

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

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

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

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

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

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

8. Российская Федерация, патент на полезную модель №63559, МПК: G02B 27/14, 2007 г. - прототип.