СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ЛОБОВОМ СТЕКЛЕ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD OF DISPLAYING INFORMATION ON VEHICLE WINDSCREEN

Изобретение относится к технике отображения информации на экранах коллективного пользования и может быть использовано для обеспечения управления транспортными средствами (автомобилями, летательными аппаратами, судами и др.) днем и ночью, а именно, не отвлекаясь от управления транспортным средством, оператор может наблюдать на лобовом стекле транспортного средства изображение закабинного пространства, сформированное в условиях плохой видимости телевизионными камерами, показания приборов транспортного средства, навигационную и другую справочную знакографическую информацию.
Известен способ отображения информации на лобовом стекле транспортного средства, включающий формирование потока оптического излучения, коллимирование первым голографическим элементом и перенос оптического излучения в плоскость спектрально-селективного отражения, после селективного отражения вторым голографическим элементом потока оптического излучения от этой плоскости перенос его в зрительную зону оператора [1].
Недостатками данного технического решения являются значительные искажения в зрительную зону оператора, обусловленные ложными изображениями за счет отражения потока оптического излучения от передней поверхности первого и передней поверхности второго голографических оптических элементов. Эти ложные изображения смещены относительно действительного изображения и также сформированы в зрительной зоне оператора, что затрудняет управление транспортного средства.
Наиболее близким техническим решением является способ отображения информации на лобовом стекле транспортного средства, включающий формирование потока оптического излучения, перенос его в промежуточную плоскость, корректировку его волнового фронта, перенос оптического излучения в плоскость спектрально-селективного отражения, после селективного отражения потока оптического излучения от этой плоскости перенос его в зрительную зону оператора [2].
Недостатками данного технического решения являются искажение сформированных изображений, обусловленное отражением от лобового стекла со сложной формой поверхности, а также ограниченная зрительная зона оператора.
Использование в качестве спектрально-селективного отражательного элемента голограммного элемента, имеющего оптическую силу, обеспечивает простоту и компактность данной оптической схемы, что позволяет использовать подобные системы отображения информации в кабинах различных транспортных средств. Однако при использовании данного технического решения для отображения информации на лобовом стекле со сложной формой поверхности не удается провести аберрационную коррекцию этой оптической системы данным голографическим элементом. Кроме того, данный голографический элемент имеет оптическую силу и, следовательно, водитель транспортного средства при наблюдении через данный оптический элемент будет видеть увеличенное изображение закабинного пространства, а это не отвечает требованиям безопасности вождения транспортного средства.
При таком построении оптической схемы отображения размер зрительской зоны пропорционален габаритным размерам дисплея. Схема устройства отображения информации на лобовом стекле транспортного средства (без учета зеркал, изламывающих оптическую ось), используемая для расчета основных параметров устройства, представлена на фиг.1.
ЗР
ПЗ
ЗР
Проведенная оценка показывает, для обеспечения размера зрительской зоны А=⌀150 мм при угловом поле зрения 2α=16° расстояние от последней поверхности коллимационного объектива до зрительской зоны оптической системы составляет L=1000 мм. Тогда фокусное расстояние коллимационного объектива
КОЛ
КОЛ
TP
F'=850 и световой диаметр коллимационного объектива D=430 мм, размер экрана дисплея D, требуемый для построения изображения в бесконечности с заданными параметрами, должен быть не менее 240 мм.
Эти искажения изображения и ограничения зрительной зоны оператора затрудняют управление транспортными средствами особенно в условиях пониженного уровня естественной ночной освещенности, а также приводят к резкому ограничению скорости движения транспортного средства.
Кроме того, при проецировании изображения в зрительную зону после отражения от селективно-отражательного элемента, расположенного под углом 45° к линии визирования оператора, происходит геометрическое искажение, обусловленное данной геометрией оптической схемы. Так, например, прямоугольный растр на экране монитора будет трапецеидальным в плоскости наблюдательной зоны оператора.
Снижение качества изображения на лобовом стекле и ограничение зрительской зоны приводит к уменьшению комфортности управления транспортного средства, особенно в темное время суток, и, как следствие, наблюдается резкое уменьшение дальности обнаружения и распознавания объектов и уменьшение предельно допустимой скорости движения транспортного средства.
Предложенное изобретение направлено на решение технической задачи высококачественного отображения информации на лобовом стекле транспортного средства, сформированного на экране микродисплея, и возможности наблюдения сформированного изображения в широком диапазоне перемещения головы оператора (зрительской зоне оператора), что в свою очередь приводит к комфортному наблюдению изображения и, следовательно, обеспечению возможности безопасного управления транспортными средствами в условиях пониженного уровня естественной ночной освещенности, в условиях воздействия мощных оптических организованных (фары встречных и попутных транспортных средств и др.) и естественных (прямое солнечное излучение, солнечные блики и др.) помех.
Техническим результатом, получаемым в результате использования изобретения, является повышение надежности и обеспечение условий безопасности управления транспортных средств, заключающиеся в том, что обеспечивается формирование высококачественного изображения и создание требуемых размеров зрительской зоны оператора исходя из обоснованных психофизиологических рекомендаций зрительной деятельности водителей при управлении транспортных средств с использованием индикатора на лобовом стекле. Также техническим результатом является существенное упрощение изготовления голографических диффузора и светоделителя на лобовом стекле транспортного средства, упрощение юстировки оптической схемы, также при этом снижаются требования к жесткости конструкции держателей оптических элементов. Кроме того, в зрительской зоне оператора отсутствуют искажения в виде окрашенных полос и полевые аберрации, обусловленные сложной формой поверхности лобового стекла. Таким образом, обеспечиваются более высокие технологические и эксплуатационные параметры устройства, реализующего заявленный способ.
Технический результат достигается тем, что при отображении информации на лобовом стекле транспортного средства осуществляют формирование потока оптического излучения, перенос его в промежуточную плоскость, перенос оптического излучения в плоскость спектрально-селективного отражения, после селективного отражения потока оптического излучения перенос его в зрительную зону оператора, а также для улучшения качества изображения, уменьшения поперечных размеров потока оптического излучения и увеличения зрительской зоны до формирования потока оптического излучения осуществляют его преобразование и дополнительно в промежуточной плоскости изменяют направление распространения потока оптического излучения и корректируют его индикатрису.
Изобретение позволяет в реальном времени отображать высококачественные изображения на лобовом стекле транспортного средства за счет применения специально разработанной оптической системы, в оптическую схему которой включена реальная оптическая поверхность лобового стекла сложной формы, что позволяет провести аберрационную коррекцию оптической системы устройства с учетом реальной отражающей поверхности лобового стекла, а также за счет дополнительного включения в состав устройства видеопроцессора для устранения геометрических искажений, обусловленных геометрическими особенностями построения оптической схемы устройства.
Для формирования требуемого размера зрительской зоны, изображение, сформированное на экране микродисплея, проецируется объективом на топографический диффузор, представляющий собой сборку из двух определенным (заданным) образом развернутых относительно друг друга анаморфотных (одномерных) диффузоров. Голографический диффузор локализует промежуточное изображение и формирует требуемую индикатрису рассеяния, чтобы обеспечить заданную зрительскую область изображения с требуемым качеством изображения (контрастом и пространственным разрешением).
Для уменьшения поперечных размеров устройства перед диффузором установлена специально рассчитанная коллективная линза для направления главных лучей ближе к оптической оси устройства.
Предложенное техническое решение обеспечивает при малых поперечных габаритах устройства, реализующего способ, отображение в реальном времени высококачественных изображений на лобовом стекле транспортного средства, а также позволяет сформировать данные изображения в предельно допустимой зрительской зоне оператора, обеспечивая возможность комфортного безопасного управления транспортных средств ночью и днем в условиях естественных и искусственных оптических помех.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где:
- на фиг.1 приведена оптическая схема устройства (без преломляющего и отражающего зеркал), реализующего способ - прототипа;
- на фиг.2 приведена оптическая схема устройства, реализующего предложенный способ;
- на фиг.3 приведена оптическая схема записи голограмм диффузора;
- на фиг.4 приведена оптическая схема записи топографического светоделителя.
Предложенный способ может быть реализован в устройстве, оптическая схема которого приведена на фиг.2.
Устройство содержит монитор 1, репродукционный объектив 2, голографический диффузор 3, анаморфотные диффузоры 4 и 5, слой иммерсионного прозрачного вещества 6, коллективную линзу 7, поворотное зеркало 8, голографический светоделитель 9, лобовое стекло 10, зрительскую зону водителя 11, глаз водителя 12, видеопроцессор 13.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Изображение закабинного пространства формируется на экране монитора 1 и проецируется репродукционным объективом 2 на голографический диффузор 3, представляющий собой сборку из двух определенным образом развернутых относительно друг друга анаморфотных (одномерных) диффузоров 4 и 5, соединенных слоем иммерсионного прозрачного вещества 6 и формирующих требуемую индикатрису рассеяния. Перед голографическим диффузором 3 устанавливается коллективная линза 7 для направления главных лучей ближе к оптической оси системы. Поворотное зеркало 8 изламывает оптическую ось системы для удобства компоновки схемы. Далее излучение, отражаясь от голографического светоделителя 9, нанесенного на лобовое стекло 10, направляется в зрительскую зону водителя 11, в которой расположен глаз водителя 12. Для устранения геометрических искажений, обусловленных геометрией оптической схемы, до формирования изображений на экране монитора с помощью видеопроцессора 13 осуществляется цифровая предобработка изображений.
В устройстве отображения информации на лобовом стекле транспортного средства, схема которого приведена на фиг.2, в качестве микродисплея, на экране которого формируется отображаемые изображения, используется цифровое микрозеркальное устройство с числом элементов 800×600 и размером микрозеркала 15×15 мкм, что соответствует габаритам экрана 12×9 мм.
В предложенном устройстве матрица микрозеркал отображается с помощью объектива на голографический диффузор размером 200×200 мм, представляющий собой сборку из двух определенным образом развернутых относительно друг друга анаморфотных (одномерных) диффузоров, формирующих требуемую индикатрису рассеяния.
Получение и регистрацию поля когерентного излучения при изготовлении оптического рассеивателя осуществляют в устройстве, схема которого в произвольном осевом сечении приведена на фиг.3. На схеме представлены: пучок когерентного излучения 14, однородный рассеиватель 15, диафрагма 16, светочувствительная среда 17 с прозрачной в случае изготовления пропускающего рассеивателя подложкой 18.
Гомоцентричный пучок когерентного излучения 14 облучает пропускающий однородный рассеиватель 15, например матовое стекло. Каждая из неоднородностей рассеивателя 15, воздействующая на амплитуду и фазу когерентного излучения в своей зоне, может рассматриваться в качестве вторичного источника излучения, когерентного с остальными такими источниками.
За рассеивателем, в частности в плоскости светочувствительной среды 17, в результате взаимодействия пучков, излучаемых этими вторичными источниками, образуется сложное интерференционное поле, имеющее вид спекл-структуры.
а
Размер  диафрагмы 16 за рассеивателем 15 определяет минимальный размер нерегулярных пятен-спеклов в светочувствительной среде 4, которые в свою очередь определяют максимальный угол рассеяния топографического диффузора при его освещении рабочим излучением. В частности, в предельном случае, при использовании в схеме регистрации щелевой диафрагмы с малым раскрытием (а→0) получают одномерный, а точнее, квазиодномерный рассеиватель.
После изготовления голограмм 3, 4 (фиг.2) они совмещаются друг с другом через прослойку иммерсионного вещества в единый блок так, что луч, дифрагировавший на голограмме 3, падает на голограмму 4, под таким углом, чтобы после отражения попасть в зрительскую зону.
Совмещенные таким образом голограммы 3 и 4 представляют собой голограммный оптический элемент 2, имеющий требуемую индикатрису рассеяния. В качестве иммерсионного вещества может быть использован, например, оптический клей.
Голографический светоделитель 9 (фиг.2) представляет собой, как правило, многослойную структуру. При расположении слоев параллельно подложке отсутствует шумовая поверхностная дифракционная решетка. Слоистая структура топографического светоделителя может быть сформирована на отдельной подложке, устанавливаемой на лобовом стекле, либо непосредственно в многослойной (триплексной) структуре лобового стекла транспортного средства. Для формирования структуры использована голограммная технология. Оптическая схема записи топографического светоделителя приведена на фиг.4.
Перед топографическим диффузором установлена коллективная линза для направления главных лучей ближе к оптической оси системы. Поворотное зеркало изламывает оптическую ось системы для удобства компоновки схемы. Далее излучение, отражаясь от топографического светоделителя, направляется в зрительскую зону водителя, диаметр которой составляет порядка 150 мм.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает более высокими технологическими и эксплуатационными параметрами. Существенно упрощается изготовление топографических диффузора и светоделителя на лобовом стекле транспортного средства, юстировка оптической схемы, а также снижаются требования к жесткости конструкции держателей оптических элементов. Кроме того, в зрительской зоне оператора отсутствуют искажения в виде окрашенных полос и полевые аберрации, обусловленные сложной формой поверхности лобового стекла.
Литература
6
6
1. Патент США №4613200, МКИ G02B 5/32, 1986; Патент США №5237455 "Optical combiner with integral support arm", Robert A. Bordo, Edvin D. Lorenz, Charles M. Enderby; Патент Российской Федерации №2057352, МКИ С02В и 5/32; Патент США №5278532 "Automotive instrumentvirtual image display", Ronald G. Hegg, Ronald T. Smith, Mao-Jin Chem, John J. Ferrer.
2. Патент США №7031067 "Head-Up Display", Dmitry Voloschenko, Zili Li, George T. Villiath (рис.1).