ВИРТУАЛЬНЫЙ ШЛЕМ
VIRTUAL REALITY HELMET

Изобретение относится к области специального оптического приборостроения, в частности к системам визуализации, тренажеров на основе нашлемного индикатора, систем виртуальной реальности и т.п.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2199772 и взятое в качестве прототипа, представлено на фиг.1, которое состоит из двух одинаковых каналов, каждый из которых в свою очередь состоит из коллимирующего сферического светоделительного полупрозрачного зеркала 1, расположенного перед глазами оператора (летчика) 2 и делящего наблюдаемое пространство на два канала - реальный и виртуальный, при этом информация о виртуальном пространстве формируется с помощью расположенных по ходу световых лучей жидкокристаллического индикатора 4, световолоконного экрана 3, поверхность которого совмещена с фокальной поверхностью сферического зеркала 1, следовательно, имеющего сферический профиль, и развернутого в вертикальной плоскости коллимирующего сферического зеркала 1.
Недостатком известного устройства-прототипа, при развороте сферического зеркала относительно линии наблюдении горизонта, является наличие высокого уровня сферических аберраций при построении виртуального изображения, которое необходимо наблюдать при больших углах зрения (например, ±25°), при входном зрачке более 10 мм. К достоинствам следует отнести наличие одного оптического элемента перед глазами летчика, что создает комфортные психологические условия для работы в данном шлеме.
Задачей заявляемого технического решения является расчет оптической схемы нашлемной системы, позволяющей создать виртуальный шлем с одним коллимирующим элементом перед глазами летчика, который при развороте сферического зеркала относительно линии наблюдении горизонта может формировать виртуальное изображения, наблюдаемое при больших углах зрения (например, ±25°), при входном зрачке более 10 мм с минимальными сферическими аберрациями.
Технический результат направлен на создание виртуального шлема с одним сферическим элементом перед глазами летчика, который при развороте сферического зеркала относительно линии наблюдении горизонта может формировать виртуальное изображения, наблюдаемое при больших углах зрения (например, ±25°), при входном зрачке более 10 мм с минимальными сферическими аберрациями.
В предлагаемом виртуальном шлеме технический результат достигается использованием сферического коллимирующего светоделительного зеркала, расположенного перед глазами летчика, делящего наблюдаемое пространство на два канала - реальный и виртуальный, световолоконного экрана, имеющего параболический профиль, корректирующего оптического клина и корректирующей цилиндрической асферической линзы.
Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг.1-4.
Фиг.1 - оптическая схема прототипа виртуального шлема.
Фиг.2 - распространение лучей света в виртуальном шлеме.
Фиг.3 - расчет положения в пространстве и формы поверхности световолоконной шайбы.
Фиг.4 - оптическая схема виртуального шлема.
В виртуальном шлеме-прототипе (патент РФ №2199772), представленном на фиг.1, высказывается утверждение, что если в каждом канале перед соответствующим глазом пилота 2 установить коллимирующее сферическое светоделительное зеркало 1, которое развернуто относительно линии наблюдении горизонта, при этом виртуальное изображение формировать с помощью жидкокристаллического индикатора 4 и корректировать аберрации изображения с помощью световолоконного экрана 3, который имеет сферическую поверхность и совпадает с фокальной поверхностью сферического зеркала 1, то виртуальное изображение для пилота формируется с минимальными геометрическими (в том числе сферическими) аберрациями. Проведенные расчеты показали, что при повороте сферического зеркала 1 относительно линии наблюдения горизонта на угол более 5°, угле зрения ±25°, входном зрачке более 10 мм изображение обладает сферическими аберрациями, астигматизмом, и говорить о качественном виртуальном изображении не имеет смысла.
Для определения формы и положения световолоконного экрана 3 относительно сферического зеркала 1, величины его сферических аберраций необходимо провести теоретические расчеты, для чего используем фиг.2, на которой изображена сферическая поверхность зеркала 1 радиусом кривизны R, поверхность световолоконного экрана 3, которую необходимо расчитать, при этом проекция глаза пилота на оптическую ось зеркала находится на расстоянии d от центра кривизны зеркала 1, L - смещение глаза вниз от оси зеркала, что эквивалентно развороту зеркала 1 относительно линии наблюдения горизонта глазами пилота на угол arctg(L/R). В результате расчетов необходимо было определить форму и положение световолоконного экрана 3, при использовании которого при входном зрачке h и угле зрения ±25° сферические аберрации минимальны. Для расчета поверхности световолоконного экрана 3 необходимо через центр хрусталика глаза провести два параллельных идеальных луча света с минимальным отклонением друг от друга δ, которые после отражения от поверхности зеркала 1 пересекутся на поверхности световолоконного экрана 3. Изменяя угол наклона лучей в диапазоне -25°÷15°, достаточно просто определить форму и положение световолоконного экрана 3. Для расчета сферических аберраций достаточно сравнить форму и положение световолоконной шайбы 3 при малых значениях δ и значениях h и определить такие параметры оптической схемы, при которых форма и положение световолоконного экрана совпадают.
Исходя из вышеизложенного и фиг.2 можно установить, что луч света, идущий через центр хрусталика глаза под углом α к линии наблюдения горизонта, отклоняется зеркалом 1 на угол:
где α - угол прохождения луча света через глаз пилота.
Луч света, идущий параллельно первому лучу света и смещенный на величину δ, отклоняется зеркалом на угол:
Тогда расстояние от крайнего края сферического зеркала 1 до поверхности световолоконного экрана 3 равно:
c
где β=(β+β')/2.
На фиг.3 представлены результаты расчетов формы и положения поверхности световолоконного экрана 3. На первом графике представлены форма и положение поверхности световолоконного экрана 3 в случае, когда зеркало не повернуто (L=0, при этом линия наблюдения горизонта глазами совпадает с оптической осью зеркала), при радиусе кривизны зеркала 120 мм. Рассчитанная поверхность световолоконного экрана 3 имеет форму параболоида вращения, которую при малых углах α можно аппроксимировать сферой, при этом поверхность световолоконного экрана 3 расположена в фокальной поверхности сферического зеркала 1, так же, как и в изобретении-прототипе. Также в результате расчетов было установлено, что минимальные сферические аберрации достигаются при положении глаза пилота в центре кривизны зеркала (d=0).
На втором графике показаны форма и положения поверхности световолоконного экрана 3 в случае разворота сферического коллимирующего зеркала 1 на угол 14° (L=30), при радиусе кривизны зеркала 120 мм. Если на фиг.3 сравнить график 1 и график 2, то видно, что при развороте сферического зеркала на 14° относительно наблюдения линии горизонта глазами пилота необходимо поверхность световолоконного экрана 3 приблизить к поверхности сферического зеркала на 5,5 мм от фокальной поверхности сферического зеркала и развернуть его. Было также установлено - минимальные сферические аберрации достигаются при положении глаза пилота в центре кривизны зеркала (d=0). Так как в другой плоскости изображения, в которой не производится разворот сферического зеркала, не происходит изменение положения световолоконного экрана, то появляется астигматизм.
Совмещение изображений в разных плоскостях (сагиттальной и меридиональной) невозможно с помощью каких-либо оптических компенсаторов. Совмещение изображений в разных плоскостях в данном случае возможно, если в сагиттальном сечении увеличить радиус кривизны зеркала 1. На графике 3 фиг.3 представлены форма и положения поверхности световолоконного экрана 3 в случае разворота зеркала в сагиттальной плоскости на угол 14° (L=30), при радиусе кривизны сферического зеркала 130 мм. В связи с этим поверхность коллимирующего зеркала должна иметь тороидальную форму (разный радиус кривизны в сагиттальной и меридиональной плоскостях). Как видно, при использовании подобной коррекции, положение и формы световолоконного экрана 3 в сагиттальной и меридиональной плоскостях совпадают в двух точках, при этом взаимный наклон поверхностей световолоконного экрана в разных плоскостях сохранился.
Тороидальное зеркало изготовить достаточно сложно, проще для перемещения изображения использовать положительную линзу. Стандартные расчеты показывают, что если использовать положительную линзу с фокальным расстоянием 40 мм, расположить объект вдоль оптической оси на расстоянии на 13,5 мм от линзы, то изображение объекта переместится на расстояние 18,5 мм от линзы с увеличением 1,37 крат. Наклон изображения можно компенсировать, используя оптический клин. В связи с этим для того чтобы компенсировать астигматизм в разных плоскостях, необходимо изображение в одной плоскости переместить в пространстве относительно второй плоскости (сагиттальной или меридиональной, в зависимости в какой плоскости осуществлен разворот коллимирующего сферического зеркала), для чего используется цилиндрическая положительная линза. При этом сохранился один недостаток - разная форма прогиба световолоконного экрана и его изображения в разных плоскостях. В результате расчетов было установлено, что данный недостаток легко устраняется использованием той же положительной цилиндрической линзой, имеющей асферическую (параболическую) поверхность. При этом расчетами установлено, что виртуальное изображении имеет такие аберрации как дисторсия, кома, компенсация которых может быть осуществлена электронным путем и путем формирования изображения световолоконным экраном (геометрическое изменение изображения при укладке световодов экрана). Также необходимо учитывать разную величину изображения в разных плоскостях, так как цилиндрическая линза создает разное увеличение изображения в разных плоскостях.
В результате вышеприведенных расчетов была предложена схема виртуального шлема, представленного на фиг.4, - виртуальный шлем, состоящий из двух одинаковых каналов, каждый из которых в свою очередь состоит из развернутого относительно оси наблюдения горизонта сферического полупрозрачного зеркала 1, расположенного перед соответствующим глазом оператора (летчика) 2 и делящего наблюдаемое пространство на два канала - реальный и виртуальный, при этом информация о виртуальном изображении формируется с помощью последовательно расположенных по ходу световых лучей жидкокристаллического индикатора 4, световолоконнго экрана с параболической формой поверхности 3, оптического клина 5, корректирующей цилиндрической асферической линзы 6 и сферического полупрозрачного зеркала 1.
Виртуальный шлем работает следующим образом: лучи света, идущие от поверхности жидкокристаллического индикатора 4, корректируются с помощью световолоконного экрана 3, имеющего параболическую форму, при этом световоды в нем расположены таким образом, чтобы скорректировать дисторсию и кому, далее по ходу лучей света изображение последовательно разворачивается с помощью оптического клина 5 на угол, соответствующий углу разворота сферического зеркала 1 относительно линии наблюдения горозонта, и корректируется цилиндрической асферической линзой 6. Далее сферическое полупрозрачное зеркало 1, развернутое на определенный угол относительно линии наблюдения горизонта, формирует виртуальное изображение для пилота, при этом пилот имеет возможность через сферическое полупрозрачное зеркало 1 наблюдать окружающее пространство. Очередность расположения оптического клина 5 и цилиндрической асферической линзы 6 по ходу лучей может меняться. На фиг.4 ориентация оптического клина 5 и цилиндрической асферической линзы 6 указаны условно, так как в представленной плоскости коррекция изображения не нужна.
Так как при изменении положения глаз в пространстве относительно сферического зеркала 1 происходит изменение аберрации, в первую очередь дисторсии, то необходим контроль положения глаз пилота относительно зеркала 1, что достигается установкой на сферическом зеркале 1 видеокамеры 8, которая передает информацию о положении глаза в блок коррекции и формирования изображения 10, который в соответствии с полученной информацией корректирует аберрации изображения на жидкокристаллическом индикаторе 4.