НАШЛЕМНЫЙ ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ ИНДИКАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована, например, в авиационной промышленности, в частности для устройств индикации на шлеме пилота и т.п.
Нашлемный широкоугольный коллиматорный индикатор (НШКИ) представляют собой систему, обеспечивающую одновременное наблюдение пилотом реального пространства и информационной картины с дисплея, видимое через оптическую систему со светоделительным отражателем, при этом визирные оси наблюдателя (пилота) и оптическая ось системы от дисплея совмещены.
Таким образом, НШКИ работает по принципу 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 НШКИ являются:
- большое угловое поле в пространстве объекта: не менее 20°;
- значительный вынос входного зрачка-глаза наблюдателя от объекта - не менее 6 мм;
- минимизированный вес всего устройства, (менее 150 г);
- высокое разрешение по всему полю: 1280 пикселей и более в строке;
- не снижать пропускание и цветность наблюдаемого внешнего пространства;
- отсутствие дисторсионных искажений изображения объекта на жидко-кристаллический дисплей;
- телеметрический ход лучей в пространстве жидко-кристаллического дисплея и большой задний отрезок для размещения элементов осветительной системы.
Известен целый ряд оптических нашлемных широкоугольных коллиматорных систем (НШКС) [1, 2], объективы которых состоят из проекционной системы с промежуточным изображением и вогнутого зеркального комбинера.
Недостатками таких НШКС являются: большие массы, более 350 г, трапециодальная дисторсия, обусловленная ассиметрией оптической схемы, вызывающая геометрические искажения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является НШКС [3].
НШКС состоит из жидко-кристаллического дисплея, осесимметричного линзового объектива, формирующего коллимированное изображение информационной картины от жидко-кристаллического дисплея, плоский светоделительный отражатель (комбинер), соединяющий изображение от внешнего пространства с изображением от жидко-кристаллического дисплея.
Недостатками НШКС являются:
- отсутствие телеметрического хода лучей в пространстве жидко-кристаллического дисплея, не позволяющее использовать поляризационную систему освещения дисплея;
- сложная многолинзовая конструкция объектива, увеличивающая массу НШКС.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является упрощение конструкции объектива, обеспечение телецентрического хода главных лучей в пространстве жидко-кристаллического дисплея, уменьшение массы НШКИ, увеличение яркости за счет обеспечения возможности освещения жидко-кристаллического дисплея поляризационными лучами, нормальными к поверхности дисплея.
Для решения поставленной задачи предлагается нашлемный широкоугольный коллиматорный индикатор, который, как и прототип, содержит жидко-кристаллический дисплей, осесимметричный линзовый объектив, формирующий коллимированное изображение информационной картины от жидко-кристаллического дисплея, плоский светоделительный отражатель, соединяющий изображение от внешнего пространства с изображением от жидко-кристаллического дисплея.
В отличие от прототипа, осесимметричный линзовый объектив выполнен из двух линз с телеметрическим ходом главных лучей в пространстве жидко-кристаллического дисплея, первая из которых двояковыпуклая, а вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к жидко-кристаллическому дисплею, при этом относительные оптические силы линз удовлетворяют условию:
1
2
1<φ/φ<2; 0,2<|φ/φ|<0,25; 0,10<d/φ<0,2,
1
2
где φ, φ, φ - оптические силы первой, второй линз и всего объектива в целом;
d - расстояние между линзами.
Кроме того, двояковыпуклая линза осесимметричного линзового объектива выполнена параболической, а материал линзы имеет показатель преломления n>1,7.
Жидко-кристаллический дисплей НШКИ дополнен осветителем, содержащим источник света-светодиод, однолинзовый конденсор с поляризатором, поляризационный светоделитель, выполненный в виде наклонной плоскопараллельной пластины, отражающей S-поляризационный свет и пропускающий Р-поляризующий свет.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что выполнение осесимметричного линзового объектива из двух линз с телеметрическим ходом главных лучей в пространстве жидко-кристаллического дисплея, первая из которых двояковыпуклая, а вторая - отрицательный мениск, разделенными воздушным промежутком, с оптическими силами, удовлетворяющими условию:
1
2
1<φ/φ<2; 0,2<|φ/φ|<0,25; 0,10<d/φ<0,2,
1
2
где φ, φ, φ - оптические силы первой, второй линз и всего объектива в целом; d - расстояние между линзами, позволило уменьшить длину объектива на 1/3 фокусного расстояния объектива (f′), обеспечить задний отрезок объектива, равный 2/3 f′ для установки осветительной системы жидко-кристаллического дисплея, и исправить кривизну изображения.
Выполнение первой линзы параболической, а второй линзы - в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к жидко-кристаллическому дисплею, и применение оптического материала линз с n>1,7, позволило исправить сферическую аберрацию, кому и астигматизм. При этом входной зрачок объектива, совмещенный с глазом наблюдателя, вынесен на расстояние более 1,5f′ и совмещен с передним фокусом объектива, что обеспечивает телецентрический ход главных лучей в пространстве жидко-кристаллического дисплея.
Выполнение осветительной системы, состоящей из источника излучения-светодиода, однолинзового конденсора с поляризатором, формирующего параллельный пучок поляризационного излучения, поляризационного светоделителя в виде наклонной плоскопараллельной пластины, пропускающей Р-поляризацию и отражающую S-поляризацию, позволило осветить жидко-кристаллического дисплея лучами, перпендикулярными его поверхности, и направить излучение от жидко-кристаллического дисплея через объектив во входной зрачок-глаз наблюдателя, обеспечивая тем самым наибольшую яркость дисплея.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена схема оптической системы нашлемного широкоугольного коллиматорного индикатора, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.
Предлагаемая оптическая система нашлемного широкоугольного коллиматорного индикатора состоит из плоского светоделительного отражателя 1 со светоделительной отражающей поверхностью 2, объектива, состоящего из двояковыпуклой линзы 3 и отрицательного мениска 4, причем оптические силы линз удовлетворяют условию:
1
2
1<φ/φ<2; 0,2<|φ/φ|<0,25; 0,10<d/φ<0,2,
1
где φ - оптическая сила двояковыпуклой линзы 3;
2
φ - оптическая сила отрицательного мениска 4;
φ - оптическая сила всего объектива 3, 4 в целом;
d - расстояние между линзами.
Кроме того, двояковыпуклая линза 3 выполнена параболической, а ход главных лучей в пространстве жидко-кристаллического дисплея 5 - телецентрический.
Источник света-светодиод 6, установленный в фокусе конденсора 7, создающий параллельный пучок света, проходящий через поляризатор 8 и создающий Р-поляризацию, и светоделительную поляризационную пластину 9, пропускающую Р-поляризацию и отражающую S-поляризацию, освещает поверхность жидко-кристаллического дисплея 5. Отраженное от жидко-кристаллического дисплея S-поляризационное излучение отражается от пластины 9, проходит объектив 4, 3, отражается от светоделительной отражающей поверхности 2 светоделительного отражателя 1, попадает во входной зрачок 10 объектива 3, 4, совмещенный с глазом наблюдателя.
Наблюдатель одновременно видит изображение внешнего пространства 11 и жидко-кристаллический дисплей 5.
Работа НШКИ осуществляется следующим образом.
Глаз наблюдателя 10, совмещенный с входным зрачком объектива, состоящего из двояковыпуклой линзы 3 и отрицательного мениска 4, наблюдает одновременно внешнее пространство 11 и изображение от жидко-кристаллического дисплея 5 через светоделительный отражатель 1 со светоделительной отражающей поверхностью 2 (комбинер). Параллельный пучок света от источника света-светодиода 6, совмещенным с фокусом конденсора 7, проходит поляризатор 8. Поляризационное излучение, например, Р-поляризации, проходит через светоделительную поляризационную пластину 9, пропускающую Р-поляризационное излучение и освещает дисплей 5. жидко-кристаллический дисплей 5 поворачивает плоскость поляризации на 90° и отраженное от дисплея S-поляризационное излучение без световых потерь отражается пластиной 9, проходит объектив, состоящий из двояковыпуклой линзы 3 и отрицательного мениска 4, и, благодаря телецентрическому ходу главных лучей объектива в пространстве жидко-кристаллического дисплея 5, отражается от светоделительной отражающей поверхности 2 светоделительного отражателя 1 и проходит через входной зрачок 10 объектива, совмещенный с глазом наблюдателя.
Таким образом, наблюдатель одновременно видит изображение внешнего пространства 11 в широком спектральном интервале и изображении от жидко-кристаллического дисплея 5 в узком спектральном интервале.
∗
Объектив работает с видимым увеличением более 4. При этом НШКИ обеспечивает без параллаксное высококачественное изображение дисплея и внешнее пространство.
В качестве примера приведена оптическая схема НШКИ со следующими параметрами, приведенными в Приложении:
- фокусное расстояние объектива - 60 мм;
- угловое поле - 20°;
- диаметр входного зрачка объектива - 6 мм;
- расстояние от входного зрачка до первой поверхности объектива - 100 мм;
- относительная оптическая сила двояковыпуклой линзы 3 - 1,1;
- относительная оптическая сила отрицательной линзы 4 -- 0,22;
- расстояние между линзами 11 мм;
- показатель преломления материала линз - 1,76;
- разрешающая способность более 100 л/мн по всему полю.
Таким образом, предложенный НШКИ обеспечивает без параллаксное с хорошим качеством одновременно наблюдение объекта и наложенное на него изображение поверхности дисплея с сеткой для точного наведения и необходимой информацией.
Достигнуто упрощение конструкции объектива, обеспечение телецентрического хода главных лучей в пространстве жидко-кристаллического дисплея, уменьшение массы НШКИ, увеличение яркости НШКИ за счет обеспечения возможности освещения жидко-кристаллического дисплея поляризационными лучами, нормальными к поверхности дисплея.
Источники информации
1. США, патент №5299063, МПК: G02В 27/01, 27/14.
2. Великобритания, патент №1459814, МПК: G02В 27/00.
3. США, патент №2006/0007055, МПК: G02В 27/14, 01.12.2006 г. - прототип.