ЛАЗЕРНЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ ДЛЯ КОЛЛИМАТОРНОГО АВИАЦИОННОГО ИНДИКАТОРА
LASER ILLUMINATOR FOR COLLIMATING AVIATION INDICATOR

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению для авиационной промышленности, в частности для коллиматорных авиационных индикаторов.
Коллиматорный авиационный индикатор (КАИ) представляет собой устройство, экран (комбинер) которого размещается на линии визирования между пилотом и лобовым стеклом кабины самолета или вертолета [1]. Изображение, формируемое коллимирующей системой, отражается от комбинера в глаза пилота. Комбинер практически прозрачен, поэтому пилот видит информацию на фоне окружающей обстановки. Если бы изображение просто проецировалось на экран, то пилот, глядя в пространство, не мог бы ясно видеть информацию на экране, так как при этом его глаза фокусируются в бесконечность. Для того чтобы увидеть изображение пилоту нужно было бы перефокусировать взгляд в плоскость экрана. Чтобы исключить необходимость аккомодации глаз изображение коллимируют. В результате пилот видит это изображение, словно оно находится на большом удалении, поэтому аккомодация глаз не требуется, и глаза меньше утомляются.
4
2
2
Очевидно, что яркость изображения, формируемого КАИ, должна обеспечивать возможность его использования при всех возможных внешних условиях полета, как при ярком солнце, так и в условиях ночи. Согласно требованиям по коэффициенту контрастности изображения более 1,2 напротив внешнего освещения яркостью 3,4⋅10 кд/м [2], максимально достижимая яркость изображения на комбинере должна быть выше 6800 кд/м.
В настоящее время в известных отечественных КАИ в качестве формирователя изображения в основном используют электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) [1,3-6]. Их недостатками являются большие габариты, непродолжительный срок службы из-за деградации люминофора, низкая монохроматичность излучения, дрейф нуля при воздействии магнитного поля, высокое энергопотребление, недостаточная яркость изображения, низкая стойкость к воздействиям ударов и вибраций, низкая частота следования кадров при повышении яркости и зависимость яркости изображения от скорости движения электронного луча, а, следовательно, и от частоты следования кадров [1,7]. Последний недостаток фактически не позволяет синтезировать растровое изображение. Перечисленные выше недостатки существенно ограничивают эффективность применения ЭЛТ в КАИ.
В последнее время в России и за рубежом отмечается тенденция к переходу в КАИ на использование в качестве источника дополнительной информации жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) со светодиодной подсветкой [8-12].
ЖКД, которые могут использоваться в КАИ, в зависимости от положения источника света разделяются на трансмиссионные и отражающие [1]. Необходимо отметить, что как трансмиссионные, так и отражающие ЖКД работают исключительно в поляризованном свете.
Прототипом предлагаемого устройства является осветитель для КАИ, в котором в качестве источника информации используют отражающий ЖКД с подсветкой на светодиоде [9]. Оптическая система такого осветителя ЖКД в КАИ включает в себя светодиод, конденсор и поляризационную призму.
Существенным недостатком светодиодной подсветки является низкая монохроматичность (ширина спектра их излучения - Δλ=30-100 нм [13, 14]), что приводит к необходимости учета всего спектра, как в оптической системе КАИ с целью коррекции хроматических аберраций, так и в отражающем покрытии комбинера и, как следствие этого, приводит к искажению цветопередачи закабинного пространства и к уменьшению его пропускания, либо к необходимости установки узкополосного светофильтра перед светодиодами, что существенно снижает его выходную мощность. Еще одно требование к подсветке ЖКД-излучение должно быть линейно поляризовано. Излучение светодиода является неполяризованным. Неполяризованное излучение можно преобразовать в линейно поляризованное, пропустив его через поляризатор, однако интенсивность линейно поляризованного излучения будет в два раза меньше интенсивности неполяризованного излучения, направляемого на поляризатор [15]. Все это существенно снижает эффективность светодиодной подсветки. Отдельным недостатком светодиодной подсветки является невозможность получения равномерного освещения ЖКД, при помощи одного или небольшого количества мощных светодиодов, что обусловлено индикатрисой их излучения [16].
Поэтому ни ЭЛТ, ни ЖКД со светодиодной подсветкой не обеспечивают требуемой яркости формируемого изображения при ярком солнечном небе, что является важным для постоянного обеспечения пилота дополнительной информацией.
Наиболее перспективным источником для КАИ являются лазерные полупроводниковые излучатели (ЛПИ), вследствие их высокой яркости, компактности и простоты в управлении.
Таким образом, перечислим преимущества ЛПИ перед светодиодами:
- высокая яркость;
- линейная поляризация;
- узкий спектр;
- узкая индикатриса после коллимирующей линзы.
Целью настоящего изобретения является повышение максимальной яркости индицируемого пилоту изображения и повышение комфортности восприятия индицируемого пилоту изображения во всем диапазоне яркости закабинного пространства (от фактического отсутствия внешнего освещения, например, ночью, до яркого солнечного неба).
2
2
2
Обеспечение комфортной работы оператора во всем диапазоне яркости закабинного пространства (от фактического отсутствия внешнего освещения, например, ночью, до яркого солнечного неба) осуществляется за счет обеспечения возможности получения максимальной яркости выше 6800 кд/м, и за счет регулирования яркости от 0,3 кд/м (что соответствует ночному режиму) до максимальной. При этом актуальной задачей является существенное превышение максимальной яркости значения 6800 кд/м, так как это расширяет возможности КАИ.
С учетом физиологии зрения пилота при ярком дневном свете требуется использовать зеленое излучение. Поэтому в настоящем изобретении было решено использовать зеленые ЛПИ.
2
Возможность достижения яркости выше 6800 кд/м обеспечивается выбором в качестве источника излучения нескольких ЛПИ и за счет использования оптических компонент, которые позволяют фактически все излучение свести на освещаемую площадку (в данном случае - коллимирующие линзы, оптические клинья и конденсор). Число ЛПИ подбирается исходя из максимальной необходимой яркости.
Возможность регулирования яркости обеспечивается регулированием тока накачки ЛПИ, широтно-импульсной модуляцией с частотой на порядок превышающей частоту следования кадров ЖКИ и количества включенных ЛПИ.
Обеспечение требуемой для КАИ равномерности освещенности ЖКД обусловлено использованием гомогенизатора (который, в данном случае состоит из двух наборов цилиндрических линз, расположенных взаимно перпендикулярно друг относительно друга).
Рассмотрим более подробно суть предлагаемого изобретения.
ЛПИ
л
к
к
г
г
г
Предлагаемая оптическая схема лазерного осветителя представлена на фиг. 1 и состоит из системы мощных зеленых ЛПИ 1, коллимирующих линз 2, оптических клиньев 3-5, поворотных зеркал 6 и 8, гомогенизатора 7 и конденсора 9. Мощные зеленые ЛПИ имеют расходимость равную θ и находятся в фокальной плоскости коллимирующих линз, фокусное расстояние которых равно ƒ. Количество ЛПИ определяется исходя из величины максимальной яркости изображения на КАИ Оптические клинья, имеющие показатель преломления n и величину угла α, позволяют свести излучение на гомогенизатор, световой размер которого равен D, фокусное расстояние каждой линзы гомогенизатора равно ƒ. Гомогенизатор состоит из двух наборов цилиндрических линз, расположенных взаимно перпендикулярно друг относительно друга. Каждый набор состоит из N цилиндрических линз. Для возможности сведения лазерного излучения оптическими клиньями на гомогенизатор с минимальными потерями световой диаметр гомогенизатора должен быть больше диаметра пучка от каждого из ЛПИ после коллимирующей линзы, при этом, пучок лазера должен занимать значительную часть светового диаметра, что можно описать формулой:
Для создания равномерного распределения интенсивности лазерного излучения на выходе из гомогенизатора должно выполняться условие, что падающее на гомогенизатор излучение ограничено углом, не превышающим угловую апертуру гомогенизатора, что можно описать формулой:
ЖКД
Поворотные зеркала служат для снижения габаритов системы. Гомогенизатор состоит из двух растров из цилиндрических линз, ориентированных перпендикулярно друг относительно друга, фокусное расстояние линз гомогенизатора может быть описано формулой. Гомогенизатор располагается в фокусе конденсора. Условие того, что после конденсора весь ЖКД, имеющий диагональ L, будет засвечен, можно описать следующей формулой:
2
2
г
л
ЛПИ
к
к
г
г
конд
ЖКД
На фиг. 2 представлена фотография макета лазерного осветителя для КАИ, на котором были апробированы представленные выше формулы при следующих параметрах: максимально достижимая яркость изображения 21000 кд/м, использовано шесть зеленых ЛПИ, D=10 мм, ƒ=8 мм, θ=40, n=1,458, α=9°, ƒ=0,6 мм, N=30, ƒ=56 мм, L=46,1 мм. Осветитель был вмонтирован в КАИ ИКШ-КИ1. Экспериментально получено комфортно воспринимаемое изображение при внешней засветке в диапазоне от 0 40000,0 кд/м.
Таким образом, в отличие от прототипа в предлагаемой оптической системе в качестве источника света используется несколько мощных ЛПИ, излучающих в зеленой области спектра, лазерное излучение сводится коллимирующими линзами и оптическими клиньями на гомогенизатор, который представляет собой блок двух взаимно перпендикулярных растров из цилиндрических линз, при этом линейные размеры ЖКД и параметры оптических элементов системы связаны между собой следующими соотношениями:
где:
г
D - световой размер гомогенизатора;
л
ƒ - фокусное расстояние коллимирующих линз;
ЛПИ
θ - наибольшая расходимость ЛПИ;
к
n - показатель преломления клина;
к
α - максимальный угол оптического клина в осветителе;
г
ƒ - фокусное расстояние линзы гомогенизатора;
г
N - количество цилиндрических линз в одном наборе;
конд
ƒ - фокусное расстояние конденсора;
ЖКД
L - диагональ ЖКД.
2
Технический результат достигается тем, что в настоящем осветителе, используется несколько мощных зеленых ЛПИ, минимальное количество которых определяется максимальной требуемой яркостью изображения выше 6800 кд/м. Также использование нескольких ЛПИ повышает надежность устройства. Возможность регулирования яркости изображения для его комфортного восприятия во всем диапазоне яркости закабинного пространства (от фактического отсутствия внешнего освещения, например, ночью, до яркого солнечного неба) обеспечивается регулированием тока накачки ЛПИ, широтно-импульсной модуляцией с частотой на порядок превышающей частоту следования кадров ЖКИ и количества включенных ЛПИ. После системы ЛПИ расположены коллимирующие линзы и оптические клинья, которые позволяют изменить направления оптических осей лазерных пучков и тем самым свести их на гомогенизатор, состоящий из двух растров из цилиндрических линз, расположенных взаимно перпендикулярно друг относительно друга. После прохождения гомогенизатора формируется равномерное распределение излучения по полю. После гомогенизатора располагается линзовый конденсор, который направляет световой поток с гомогенизатора на ЖКД. Параметры элементов оптической системы осветителя и ЖКД связаны следующими зависимостями:
где:
г
D - световой размер гомогенизатора;
л
ƒ - фокусное расстояние коллимирующих линз;
ЛПИ
θ - наибольшая расходимость ЛПИ;
к
n - показатель преломления клина;
к
α - максимальный угол оптического клина в осветителе;
г
ƒ - фокусное расстояние линзы гомогенизатора;
г
N - количество цилиндрических линз в одном наборе;
конд
ƒ - фокусное расстояние конденсора;
ЖКД
L - диагональ ЖКД.
2
Таким образом, предлагаемая оптическая система позволяет обеспечить высокую яркость изображения в дневном режиме, регулирование яркости изображения на ЖКД во всем диапазоне яркости закабинного пространства (от фактического отсутствия внешнего освещения, например, ночью, до яркого солнечного неба), равномерность яркости изображения на фоне закабинного пространства. Также регулировать яркость можно за счет дополнения системы зеленых ЛПИ теми ЛПИ (таких цветов), к интенсивности которых глаз менее чувствителен. Предпочтительно использовать маломощные красные ЛПИ. Выбор здесь красного цвета связан с тем, что именно он обеспечивает наиболее быструю темновую адаптацию между информацией на КАИ и на приборной панели и объектами за бортом при фактическом отсутствии внешнего освещения [17, 18]. При этом, для обеспечения малой яркости (0,3 кд/м) достаточно одного красного ЛПИ малой мощности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Кучерявый А.А. Бортовые информационные системы: курс лекций. 2-е изд., перераб. и доп., Ульяновск: УлГТУ, 2004 г., 504 с.
2. Требования к индикаторам на лобовом стекле. Квалификационные требования КТ-8055. Межгосударственный Авиационный Комитет. 34 с.
3. Российская Федерация, патент на изобретение №2358302, МПК: G02B 27/18, G02B 27/01, опубл. 10.06.2009 г.
4. Российская Федерация, патент на изобретение №2518863, МПК: G02B 23/10, G02B 27/01, опубл. 10.06.2014 г.
5. Российская Федерация, патент на изобретение №2431204, МПК: G09G 1/00, опубл. 10.10.2011 г.
6. Российская Федерация, патент на изобретение №148261, опубл. 19.05.2014 г.
7. Бахолдин А.В., Васильев В.Н., Гримм В.А., Романова Г.Э., Смирнов С.А. Оптические устройства виртуальных дисплеев. Оптический журнал, т. 80, №5, 2013 г., с. 17-24.
8. Российская Федерация, патент на изобретение №2364902, МПК: G02B 27/18, G02B 27/01, опубл. 20.08.2009 г.
9. Российская Федерация, патент на изобретение №2518863, МПК: G02B 23/10, G02B 27/01, опубл. 10.06.2014 г. - Прототип
10. США, патент на изобретение №7982959, МПК: G02B 27/14, G02F 1/1335, H04N 7/00, опубл. 19.07.2011 г.
11. КНР, патент на изобретение №104199188, МПК: G02B 27/01, F21V 7/00, F21Y 101/02, опубл. 10.12.2014 г.
12. КНР, патент на изобретение №106324902, МПК: G02F 1/13357, G02B 27/01, опубл. 11.01.2017 г.
13. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Полыциков Г.В. Источники и приемники излучения: учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. СПб.: Политехника, 1991 г., 240 с.
14. Шуберт Ф. Светодиоды. 2-е изд, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008 г., 496 с.
15. Литвинов О.С., Горелик В.С. Электромагнитные волны и оптика, М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 г., 448 с.
16. Новиков В.М., Шибаев С.С. Измерение индикатрис излучения светодиодов. Таганрог: ЮФУ, 2007 г., 12 с.
17. Connors М.М. Effect of wavelength and bandwidth of red light ob recovery of dark adaptation. Journal of the Optical Society of America, т. 56, №1, 1966 г., с. 111-115.
18. Solandt D.Y., Best С.H. Night vision. Can. M. A. J., т. 49, 1943 г., с. 17-21.