ОПТИЧЕСКОЕ КОЛЛИМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО АВИАЦИОННОГО ТРЕНАЖЕРА

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения, в частности, к линзовым и зеркальным коллимационным устройствам наблюдения объектов в авиационных тренажерах, и может быть использована для улучшения их технических характеристик, а именно для увеличения светосилы, упрощения конструкции и т.д.
Известны аналогичные линзовые коллимационные устройства, в фокальной плоскости которых установлен объект. Объект через линзовый объектив коллимационного устройства рассматривается наблюдателем.
Таким образом, линзовые коллимационные устройства представляют собой наблюдательную бинокулярную лупу, в фокальной плоскости которой установлен объект, а параллельно ходу лучей за объективом (линзовый) - оба глаза наблюдателя [1].
Недостатками таких линзовых коллимационных устройств в применении к авиационным тренажерам являются ограниченные угловые поля наблюдения. Это обусловлено следующими факторами:
1. Угловые поля наблюдения должны быть не менее 40 по горизонтали и 30° по высоте, при этом расстояние от наблюдателя до объектива должно быть не менее одного метра для обеспечения установки рукояток управления тренажера.
В этом случае габариты линзового объектива становятся весьма громоздкими (примерно 600×800 мм) и технологически труднореализуемыми.
''
2. Фокусное расстояние линзового объектива определяется размерами используемого экрана монитора, так для экрана 23 составляет порядка 600-700 мм.. Это приводит к необходимости использования много
линзового крупногабаритного объектива, что существенно усложняет конструкцию тренажера.
Известно аналогичное зеркальное коллимационное устройство [2], включающее вогнутое сферическое зеркало, обеспечивающее большой угол обзора, вплоть до 180°, сферический экран и проектора, формирующие изображение объекта на экране.
Недостатками такого устройства являются: сложная реализация устройства, требующая применение сферического экрана и проекторов и, тем самым, невозможность использования дисплейных устройств.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является оптическое коллимационное устройство [3].
Оптическое коллимационное устройство, принятое за прототип, содержит сферическое вогнутое зеркало, выполняющее функцию объектива, светоделительную пластинку и экран монитора, управляемый компьютером и установленный в фокальной плоскости зеркала.
Наблюдатель рассматривает объект на экране монитора через светоделительную пластинку. Визирная ось коллимационного устройства совпадает с его оптической осью.
Недостатком такого коллимационного устройства является низкая светосила, обусловленная потерями на отражение и пропускание при прохождении лучей через пластинку и сложность конструкции.
Коэффициент пропускания такой системы менее 0,25.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение светосилы за счет повышения коэффициента пропускания и упрощение конструкции.
Для решения поставленной задачи предлагается оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера, которое, как и прототип, содержит сферическое вогнутое зеркало и экран монитора, управляемый компьютером, размещенные на оптической и визирной осях устройства.
В отличие от прототипа визирная ось расположена под углом а к оптической оси устройства, а экран монитора установлен под углом 90°-(0,5-1,0)α к оптической оси, при этом вершина угла 90°-(0,5-1,0)α расположена между фокусом сферического вогнутого зеркала и центром его поверхности на расстоянии от центра сферического зеркала, равном
причем угол α удовлетворяет условию:
где R - радиус кривизны сферического зеркала, 2у - высота экрана монитора.
Сущность предлагаемого оптического коллимационного устройства заключается в том, что визирная ось расположена под углом α к оптической оси устройства, что позволяет исключить светоделительную пластинку из оптической схемы и тем самым увеличить коэффициент пропускания более, чем в четыре раза.
Выбор параметров с описанным выше соотношениями позволил реализовать угол α между визирной и оптической осями с высоким качеством изображения по всему полю.
Таким образом, расположение оптических элементов так, что визирная ось и оптическая ось не совпадают, а визирная ось наклонена на угол α, позволило исключить светоделительную пластинку и увеличить не менее, чем в четыре раза коэффициент пропускания.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется чертежом, на котором представлена общая схема оптического коллимационного устройства авиационного тренажера.
Оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера состоит из вогнутого сферического зеркала 1 и экрана монитора 2, управляемого компьютером (на чертеже не показан).
Оптическая ось АС, проходящая через точку А на зеркале 1 и центр кривизны зеркала - точку С.
ОАВ - визирная ось оптического коллимационного устройства, где точка О - глаз наблюдателя 3.
Визирная ось ОАВ расположена под углом а к оптической оси АС устройства, а экран монитора 2 установлен под углом 90-(0,5-1,0)α к оптической оси АС, при этом вершина угла 90-(0,5-1,0)α расположена между фокусом F сферического вогнутого зеркала и центром его поверхности А, на расстоянии от центра А сферического зеркала 1, равном
при этом угол α удовлетворяет условию:
где R - радиус кривизны сферического зеркала 1, 2у - высота экрана монитора 2.
Работа оптического коллимационного устройства авиационного тренажера осуществляется следующим образом.
i
Лучи, исходящие из каждой точки на объекте-экране монитора 2 после отражения от вогнутого сферического зеркала 1, попадают в зрачок глаза наблюдателя 3. Или в обратном ходе лучей, параллельный пучок света из точки 3 с диаметром, равным диаметру зрачка глаза под углом Ψ к визирной оси падает на зеркало 1, отражается от него и фокусируется на экране монитора 2.
mах
max
Как видно из чертежа, в его плоскости по высоте максимальный угол обзора составляет 2 Ψ. В плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа - угол обзора по горизонтали равен 2 ζ. Т.о. наблюдатель резко видит объект с углами:
mах
mах
2 Ψ- по высоте и 2 ζ - по ширине (по горизонтали - на чертеже не показан).
Экран монитора установлен под углом 90°-(0,5-1,0)α к оптической оси, при этом вершина угла 90°-α расположена между фокусом F сферического вогнутого зеркала и центром его поверхности.
Этот интервал углов выбран из условия, чтобы астигматизм по всему размеру экрана был минимальным.
Расстояние от центра зеркала А до экрана - до точки В по визирной оси определяется расстоянием, равным:
где R - радиус кривизны зеркала, расстояние АС.
Это расстояние выбрано из условия, чтобы меридиональный и сагиттальный фокуса зеркала, обусловленные углом а, располагались в противоположные стороны оси экрана на одинаковых расстояниях. В этом случае аберрационный кружок рассеяния по всему полю экрана минимизирован.
Угол α удовлетворяет условию:
где 2у - высота экрана монитора.
mах
Такой выбор параметров обеспечивает без экранирования наблюдения всего экрана по высоте, т.е. прохождению лучей для углов визирования ± Ψ.
Прилагается расчет оптического коллимационного устройства со следующими параметрами.
- Радиус кривизны зеркала R=1300 мм.
- Расстояние от вершины зеркала до экрана монитора - АВ=620 мм
'
- Угол α=20° 25
- Экран установлен под углом 75° к оптической оси устройства
- Смещение центра экрана с оси - 222 мм
Расстояние от зрачка глаза наблюдателя до вершины зеркала ОА=1289 мм
"
- Размер монитора - 23, соотношение сторон 3:4.
При этом обеспечивается диапазон углов:
maх
по высоте 2 Ψ=30°
mах
по горизонту 2 ζ=40°
Коэффициент пропускания близкий к единице ~ 0,96. Преимущества предлагаемого оптического коллимационного устройства заключаются в высокой светосиле, обусловленной высоким коэффициентом пропускания, а также в упрощении конструкции устройства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. В.Н.Чуриловский. Теория оптических приборов. Изд. Машиностроение, 1966 г.
2. ЕПВ (ЕР), заявка №0487385, МПК: G 09 В 9/08, 1993 г.
3. Оптическое коллимационное устройство, выпускаемое по технической документации ОАО «ЭРА», г.Пенза, ОКУ-61-45-3 - прототип.