НАШЛЕМНАЯ ШИРОКОУГОЛЬНАЯ КОЛЛИМАТОРНАЯ ДИСПЛЕЙНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
HELMET-MOUNTED WIDE-ANGLE COLLIMATING OPTICAL DISPLAY SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано, например, в авиационной промышленности, в частности для устройств индикации на шлеме пилота и т.п.
Нашлемная широкоугольная коллиматорная дисплейная оптическая система (НШКДОК) представляют собой систему, обеспечивающую одновременное наблюдение пилотом реального пространства и информационной картины с дисплея, видимых через оптическую систему со светоделительным вогнутым коллимирующим зеркалом (комбинером), при этом визирные оси наблюдателя (пилота) и оптическая ось системы от дисплея совмещены. При этом комбинер является одновременно частью откидывающегося защитного стекла шлема пилота.
Таким образом, НШКДОК работает по принципу лупы или окуляра, т.е. формирует изображение дисплея на практическую бесконечность. В качестве формирователей изображения используются миниатюрные электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) или более перспективные матричные дисплеи на основе технологии LCOS (liguid Cry stal on Silicon) - жидкокристаллический дисплей.
Основными требованиями, предъявляемыми к НШКДОК, являются:
- большое угловое поле в пространстве объекта: не менее 21° в горизонтальном направлении и 18° в вертикальном направлении;
- значительный вынос входного зрачка - глаза наблюдателя от объекта - не менее 70 мм от визирного стекла - комбинера, и диаметр входного зрачка ≥12-14 мм;
- минимизированный вес всего устройства, (менее 150 г);
- высокое разрешение по всему полю: 1280 пикселей и более в строке;
- высокое пропускание и одинаковая цветность наблюдаемого внешнего пространства;
- отсутствие дисторсионных искажений изображения объекта на жидкокристаллический дисплей;
- телецетрический ход лучей в пространстве жидкокристаллического дисплея и большой задний отрезок для размещения элементов осветительной системы;
- отсутствие оптических компонентов в пространстве между глазом наблюдателя и комбинером;
- выполнение комбинера сферической формы как части защитного сферического стекла.
Известен ряд нашлемных широкоугольных дисплейных оптических систем (НШДОС).
НШДОС [1] содержит жидкокристаллический дисплей (ЖКД), проектор и светоделительное коллимирующее зеркало - комбинер, являющийся частью защитного выключающегося стекла нашлемника.
Недостатками таких НШДОС являются малый задний отрезок, не позволяющий устанавливать поляризационную призму и осветительную отражающую систему ЖКД, наличие оптического компонента между глазом наблюдателя и комбинером.
В НШДОС [1] применяется только проходящий ЖКД, чья энергетическая яркость ниже, чем в отражающих ЖКД. Светоделительное коллимирующее вогнутое зеркало (комбинер) имеет сложную асферическую форму, не технологичную в изготовлении и требующую точной юстировки по следующей проекционной системы. Кроме того, компоновка НШДОС такова, что ее габариты достаточно велики.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является НШДОС [2].
НШДОС состоит из проектора, включающего в себя расположенные последовательно по ходу световых лучей жидкокристаллический дисплей, линзовой проекционной системы, состоящей из трех компонентов, первый из которых выполнен однолинзовым, а второй и третий компоненты выполнены двулинзовыми, двухзеркального компонента с Z-образным ходом центрального луча, выполненного из менисковых линз с вогнутыми и выпуклыми поверхностями соответственно с внутренними зеркальными поверхностями, и светоделительного коллимирующего вогнутого зеркала (комбинера), соединяющего изображения от внешнего пространства и от ЖКД.
Недостатками НШДОС являются:
- отсутствие телецетрического хода лучей в пространстве жидкокристаллического дисплея, не позволяющее устанавливать поляризационную призму, и осветительной системы ограничивает энергетическую яркость ЖКД;
- сложная асферическая (эллиптическая) форма комбинера, вызывающая повышенные требования к точности установки проектора и его нерасстраиваемости в процессе эксплуатации.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции защитного стекла нашлемной системы, обеспечение телецентрического хода главных лучей в пространстве жидкокристаллического дисплея, увеличение яркости за счет освещения жидкокристаллического дисплея отраженными поляризационными лучами, нормальными к поверхности дисплея, и обеспечение высокого качества по всему полю при диаметре входного зрачка не менее 14 мм.
Для решения поставленной задачи предлагается нашлемная широкоугольная коллиматорная дисплейная оптическая система, которая, как и прототип, содержит проектор, включающий в себя расположенные последовательно по ходу световых лучей жидкокристаллический дисплей, линзовую проекционную систему, состоящую из трех компонентов, двухзеркальный компонент, выполненный из менисковых линз с вогнутыми и выпуклыми поверхностями соответственно с внутренними зеркальными поверхностями с Z-образным ходом центрального луча, и светоделительное коллимирующее вогнутое зеркало, соединяющее изображения от внешнего пространства и до жидкокристаллического дисплея.
1
y1
2
y21
у22
22
3
3
у3
4
41
42
0
0
В отличие от прототипа, в предлагаемом изобретении линзовая проекционная система выполнена с телецетрическим ходом главных лучей в пространстве жидкокристаллического дисплея, при этом ее первый компонент выполнен с оптической силой φ и содержит двояковыпуклую линзу и положительный мениск, обращенный выпуклостью к жидкокристаллическому дисплею, смещен на δ с центральной оси, второй компонент с оптической силой φ выполнен из положительного гиперболического мениска, обращенного вогнутостью к жидкокристаллическому дисплею, смещен с оси первого компонента на δ и отрицательной гиперболической двояковогнутой линзы, смещенной с оси положительного гиперболического мениска на δ, и наклонен на угол α, a третий компонент с оптической силой φ выполнен из положительного мениска, обращенного вогнутостью к жидкокристаллическому дисплею, и двояковыпуклой линзы, наклонен на угол α относительно вершины вогнутой поверхности отрицательной гиперболической двояковогнутой линзы второго компонента и смещен с оси отрицательной гиперболической двояковогнутой линзы на δ, причем двухзеркальный компонент с Z-образным ходом центрального луча с оптической силой φ установлен под углом α и α к центральной оси, а светоделительное коллимирующее вогнутое зеркало выполнено сферическим с радиусом отражающей поверхности R, наклоненное на угол α к центральной оси, при этом оптические силы, углы наклонов и смещение компонентов удовлетворяют условиям:
где φ - эквивалентная оптическая сила нашлемной широкоугольной коллиматорной дисплейной оптической системы.
Кроме того, между жидкокристаллическим дисплеем и проектором установлена поляризационная светоделительная призма, отражающая одну из поляризаций излучения и пропускающая другую, и светодиодный осветительный коллиматор.
1
2
3
у1
y21
у22
у3
21
3
4
41
42
0
0
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что дополнение линзовой проекционной системы с телеметрическим ходом главных лучей в пространстве жидкокристаллического дисплея, выполненной в виде трех двухлинзовых компонентов с оптическими силами φ, φ, φ, смещенными на δ, δ, δ, δ и наклоненными на углы α, α, соответственно, выполнение двухзеркального компонента с оптической силой φ, каждое из зеркал которого представляет собой менисковую линзу с вогнутыми и выпуклыми поверхностями соответственно с внутренними зеркальными поверхностями, установленные под углом α и α к центральной оси, светоделительное коллимирующее вогнутое сферическое зеркало с радиусом R и наклоненное на угол α к центральной оси, а установка поляризационной светоделительной призмы, отражающей одну из поляризаций излучения по нормали к ЖКД и пропускающей другое поляризационное излучение, отраженное от ЖКД и светодиодного осветительного коллиматора, позволило обеспечить коррекцию аберраций вносимым наклонным сферическим коллимирующим зеркалом (комбинером) и увеличить яркость ЖКД.
0
Сферическое зеркало, работающее под углом α, вносит несимметричные аберрации типа комы и астигматизма по всему полю изображения, а также разновидность дисторсии.
Астигматизм ΔZ пропорционален величине
0
где ,  - астигматические отрезки в меридиональной и сагиттальной плоскостях, ω - угол отклонения луча от α- угловое поле.
Для центрального луча угол i=0. При смещении положения глаза наблюдателя в вертикальном и горизонтальном положениях на ΔХ, ΔY, а также при изменении углового поля ω, астигматизм принимает различные значения.
Другая аберрация, возникающая в данной децентрированной системе - разновидность дисторсии (параллакс).
Параллакс ΔХ′, ΔY′ определяется для каждого фиксированного угла поля - ω как разность координат на дисплее.
ΔX, ΔY
ΔX, ΔY
ΔX=0, ΔY=0
ΔX=0 ΔY=0
где Х′, Y′ - значение координат на дисплее при угловом поле ω, для координат положения глаза на зрачке ΔХ, ΔY; Х′, Y′ - значения координат на дисплее при угловом поле ω, для координаты положения глаза ΔХ=ΔY=0, т.е. глаз расположен в центре зрачка.
Важно для оптимальной работы НШКДОС значение углового параллакса в пространстве глаза наблюдателя не превышал значений более 12′.
1
2
3
Выполнение проекционной линзовой системы из трех компонентов с оптическими силами φ, φ, φ позволило исправить кривизну изображения, обеспечить телецентрический ход главных лучей в пространстве ЖКД и большой задний отрезок для установки поляризационной призмы.
у1
y21
у22
у3
22
3
Смещение δ, δ, δ, δ и наклоны второй линзы второго компонента на угол α и третьего компонента на угол α позволило устранить кому децентрировки и минимизировать параллакс.
4
41
42
Выполнение двухзеркального компонента с оптической силой φ, выполнение его из менисковых линз с вогнутыми и выпуклыми поверхностями с внутренними зеркальными поверхностями, построение его по Z-образной схеме с углами α, α позволило устранить астигматизм сферического светоделительного коллимирующего зеркала (комбинера).
Выполнение первого компонента из двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклостью к ЖКД, второго компонента из положительного мениска, обращенного вогнутостью к ЖКД, и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к ЖКД, третьего компонента из положительного мениска, обращенного вогнутостью к ЖКД, и двояковыпуклой линзы позволило устранить сферическую аберрацию и остаточные полевые аберрации комы и астигматизма.
Выполнение осветительной системы, состоящей из светодиодного осветительного коллиматора, т.е. из источника излучения светодиода и линзового коллиматора, формирующего параллельный пучок излучения, поляризационного светоделителя, пропускающего Р-поляризацию и отражающего S-поляризацию, позволило осветить ЖКД лучами, перпендикулярными его поверхности, и направить излучение от ЖКД через оптическую систему проектора во входной зрачок (глаз наблюдателя), обеспечивая наибольшую яркость ЖКД.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена нашлемная широкоугольная коллиматорная дисплейная оптическая система, и Приложением, в котором приведены параметры и оптические характеристики конкретного образца.
Предлагаемая нашлемная широкоугольная коллиматорная дисплейная оптическая система состоит из проектора 1, включающего в себя жидкокристаллический дисплей (ЖКД) 2, линзовый светодиодный коллиматор 3, поляризационную светоделительную призму 4, линзовую проекционную систему 5, выполненную из первого компонента 6, содержащего двояковыпуклую линзу 7 и положительный мениск 8, обращенный выпуклостью к жидкокристаллическому дисплею 2, второго компонента 9, содержащего положительный гиперболический мениск 10 и отрицательную гиперболическую двояковогнутую линзу 11, третьего компонента 12, содержащего положительный мениск 13 и двояковыпуклую линзу 14, двухзеркальный компонент 15, содержащий менисковую линзу 16 с вогнутыми поверхностями с зеркальной 17 поверхностью и менисковую линзу 18 с выпуклыми поверхностями с зеркальной поверхностью 19 и вогнутого светоделительного коллимирующего сферического зеркала 20 со светоделительной поверхностью 21.
Зрачок глаза 22 может перемещаться по горизонту на ±ΔХ, а по вертикали на ±ΔY в плоскости зрачка системы, наблюдая объект 23 в направлении визирной оси 24.
Работа нашлемной широкоугольной коллиматорной дисплейной оптической системы осуществляется следующим образом.
Линзовый светодиодный коллиматор 3 через светоделительную поверхность поляризационной призмы 4 Р-составляющей излучения освещает поверхность жидкокристаллического дисплея 2. Жидкокристаллический дисплей 2 поворачивает плоскость поляризации и S-излучение от жидкокристаллического дисплея 2 проходит светоделительную поверхность поляризационной призмы 4.
Линзовая проекционная система 5, состоящая из I, II и III компонентов - 6, 9, 12 линз 7, 8, 10, 11, 13, 14, и двухзеркальный компонент 15, состоящий из линз 16 и 18, проектируют объект на поверхность жидкокристаллического дисплея 2 в фокальную плоскость отражающей поверхности 21 светоделительного коллимирующего зеркала 20.
После отражения от поверхности 21 параллельные пучки из каждой точки поля изображения попадают в зрачок глаза 22 наблюдателя.
Таким образом, нашлемная широкоугольная коллиматорная дисплейная оптическая система представляет собой монокулярную широкоугольную лупу, в фокусе F′ которой установлен жидкокристаллический дисплей 2.
Пилот наблюдает одновременно поверхность жидкокристаллического дисплея 2 и пространственный объект 23 в направлении визирной оси 24, т.е. на фон объекта 23 накладывается изображение поверхности жидкокристаллического дисплея 2 и тем самым обеспечивается без параллаксное с хорошим качеством одновременное наблюдение пространственного объекта и изображение с жидкокристаллического дисплея 2.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. WO №2009/018875, МПК: G02B 27/01, 12.02.2009.
2. WO №2009/136393, МПК: G02B 27/01, 12.11.2009 - прототип.