СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ ИНДИКАТОР С ОТОБРАЖЕНИЕМ ТРЕХМЕРНОЙ ИНФОРМАЦИИ СКВОЗЬ ЛОБОВОЕ СТЕКЛО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
STEREOSCOPIC INDICATOR DISPLAYING THREE-DIMENSIONAL INFORMATION THROUGH WINDSCREEN OF AIRCRAFT

Область техники
Изобретение относится к области стереоскопических индикаторных устройств, предназначенных преимущественно для летательных аппаратов, и может быть использовано для наблюдения в внекабинном пространстве трехмерного изображения, реализованного на основе как сигналов информационных датчиков, обеспечивающих информацию о техническом состоянии и режиме полета летательного аппарата (с использованием псевдостереоскопического отображения в случае моноскопических датчиков), так и сигналов бинокулярных телевизионных датчиков, воспринимающих информацию об объектах внекабинного пространства, в том числе в участках спектра, отличных от спектра видимого излучения.
Уровень техники
Известен моноскопический индикатор с отображением информации сквозь лобовое стекло (индикатор на лобовом стекле - ИЛС или head-up display - HUD) летательного аппарата [1], содержащий информационные датчики, выходы которых подключены к информационным входам бортового вычислителя, информационный выход которого подключен к входу дисплея изображений, полученных от информационных датчиков, светообъединительный блок, выход которого оптически связан с входом зоны моноскопического просмотра изображений с информационных датчиков, первый вход светообъединительного блока оптически связан с апертурой лобового стекла, а второй вход светообъединительного блока оптически связан с экраном дисплея изображений.
Данное известное устройство не обеспечивает возможности наблюдения трехмерных изображений с информационных датчиков, тем самым сужая функциональные возможности индикатора из-за невозможности задействования природного бинокулярного (трехмерного) зрения летчика для ориентации в окружающем трехмерном пространстве полета.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является стереоскопическая индикаторная система с отображением трехмерной информации сквозь лобовое стекло летательного аппарата (самолета) [3], содержащая информационные датчики, выходы которых подключены к информационным входам бортового вычислителя, информационный выход которого подключен к входу дисплея с попеременным воспроизведением изображений двумерных проекций виртуального пространства трехмерной информации, светообъединительный блок, выход которого оптически связан с входом блока оптической сепарации изображений, выполненного в виде активных стереоочков, вход синхронизации которых подключен к выходу синхронизации (управляющему выходу) бортового вычислителя, при этом первый вход светообъединительного блока оптически связан с внутрикабинной апертурой лобового стекла, второй вход светообъединительного блока оптически связан с экраном дисплея изображений, а выходные апертуры первого и второго окон стереоочков оптически связаны с первой и второй зонами зон бинокулярного просмотра.
В данном известном устройстве наблюдаемое оператором (летчиком) виртуальное пространство трехмерной информации создается за счет реализации в бортовом вычислителе метода псевдостереоскопии - введение искусственных параллаксов в изображениях, полученной от моноскопических информационных датчиков. Сепарация (разделение) исходных изображений (идущих, например, в нечетных кадрах) от изображений с искусственным параллаксом (идущих в четных кадрах) осуществляется с использованием специального зрительного приспособления, находящегося на лице наблюдателя (летчика) - активных стереоочков (например, тип CrystalEyes). Тем самым в направлении лобового стекла создается разноплановая структура изображений от различных моноскопических датчиков, обеспечивающая приоритетное внимание на наиболее важной информации (чем ближе план, тем важнее информация на нем) с параллельным прямым наблюдением реальных объектов внекабинной обстановки сквозь лобовое стекло.
Недостатком известной стереоскопической индикаторной системы являются недостаточно широкие функциональные возможности - невозможность безочкового просмотра объектов виртуального пространства трехмерной (псевдостереоскопической) информации. При этом также отсутствует возможность наблюдения трехмерной информации о внекабинной обстановке, находящейся в участках спектра, отличающихся от спектра видимого излучения.
В изобретении решается задача расширения функциональных возможностей устройства за счет осуществления безочкового просмотра стереоизображений виртуального пространства трехмерной информации. Причем при использовании в том числе бинокулярных информационных датчиков телевизионного типа (работающих в спектрах излучения, отличных от спектра видимого излучения) обеспечивается наблюдение (наряду с псевдостереоскопическими изображениями от моноскопических датчиков) «настоящих» (true) стереоскопических изображений внекабинной обстановки в различных участках спектра, которые в случае объединения их объектов с напрямую наблюдаемым реальным трехмерным миром внекабинного пространства дают улучшенное восприятие объектов внекабинного пространства в любую погоду и с любое время суток.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача в стереоскопической индикаторной системе с отображением трехмерной информации сквозь лобовое стекло летательного аппарата, содержащей информационные датчики, бортовой вычислитель, дисплей с попеременным воспроизведением изображений двумерных проекций виртуального пространства трехмерной информации, светообъединительный блок для объединения изображения реальной внекабинной обстановки с изображениями двумерных проекций виртуального пространства трехмерной информации, блок оптической сепарации изображений двумерных проекций виртуального пространства трехмерной информации, при этом выходы информационных датчиков соединены с соответствующими входами вычислителя, информационный выход которого соединен с входом дисплея, экран которого оптически связан с первым входом светообъединительного блока, второй вход которого оптически связан с апертурой лобового стекла внутри кабины, а выход светообъединительного блока оптически связан с оптическим входом блока оптической сепарации изображений, выход которого оптически связан с двумя зонами бинокулярного просмотра изображений, а электронный вход блока оптической сепарации изображений соединен с управляющим выходом бортового вычислителя, решается тем, что блок оптической сепарации изображений выполнен в виде активного бинокулярного фильтра, содержащего единую для обеих зон бинокулярного просмотра апертуру с двумя примыкающими друг к другу областями попеременного бинарного изменения оптического пропускания, общая граница между которыми соответствует границе между двумя зонами бинокулярного просмотра, и этом выполняются математические соотношения, обеспечивающие (за счет выбора геометрии активного бинокулярного фильтра и его расположения) раздельное наблюдение на экране дисплея изображений первой (левой) и второй (правой) проекций виртуального пространства трехмерной информации соответственно в первой (левой) и второй (правой) зоне бинокулярного просмотра.
Безочковый просмотр стереоизображения осуществляется за счет технической способности активного бинокулярного фильтра, расположенного на расчетном расстоянии от лица наблюдателя, осуществлять взаимную сепарацию (разделение) световых потоков изображений различающихся между собой двумерных проекций виртуального пространства трехмерной информации.
Краткое описание чертежей
Осуществление изобретения поясняется чертежами, на фигурах которых представлены:
Фиг. 1 - общая схема стереоскопического индикатора с отображением виртуального пространства трехмерной информации сквозь лобовое стекло летательного аппарата.
Фиг. 2 - вид сверху (вид 1) и вид сбоку (вид 2) схемы стереоскопического индикатора.
Осуществление изобретения
L
R
Стереоскопическая индикаторная система с отображением трехмерной информации сквозь лобовое стекло летательного аппарата содержит (фиг. 1) информационные датчики 1, бортовой вычислитель 2, дисплей 3 прямого наблюдения с попеременным воспроизведением двумерных проекций виртуального пространства трехмерной информации, светообъединительный блок 4, активный бинокулярный фильтр 5, содержащий единую для первой (левой L) и второй (правой R) зон бинокулярного просмотра апертуру с двумя примыкающими друг к другу первой (левой) A и второй (правой) A областями попеременного бинарного изменения оптического пропускания, общая граница между которыми определяет границу между двумя зонами L и R бинокулярного просмотра, причем экран дисплея 3 оптически связан с первым входом светообъединительного блока 4, второй вход которого оптически связан с апертурой лобового стекла 6, а выход светообъединительного блока 4 оптически связан с входной апертурой активного бинокулярного фильтра 5, выходная апертура которого оптически связана с бинокулярной зоной просмотра, при этом выполняются соотношения:
где:
L
R
Lview - общее расстояние от центральных точек Z и Z соответственно левой L и правой R зон бинокулярного просмотра до активного бинокулярного фильтра 5,
L
R
L
R
Bview - расстояние между центральными точками Z и Z двух зон L и R бинокулярного просмотра, в которых расположены глаза E и E наблюдателя,
Lfilt-scr - длина оптического пути от активного бинокулярного фильтра 5 до экрана дисплея 3,
Hscr - размер экрана дисплея 3 вдоль направления строчной развертки изображений (для определенности принятого в качестве горизонтального направления в системе).
Vscr - размер экрана дисплея 3 вдоль направления кадровой развертки изображения (вдоль вертикального направления в системе).
L
R
В первом частном варианте выполнения устройства светообъединительного блока 4 выполнен в виде полупрозрачного зеркала (полированная прозрачная пластина с зеркальным покрытием на одной из сторон пластины, характеризующимся 50%-ным пропусканием и 50%-ным отражением интенсивности света), наклоненная под углом 45 градусов к направлению распространения света вдоль первой оптической оси OF, соединяющей центральную точку О апертуры лобового стекла 6, центральную точку М апертуры полупрозрачного зеркала и центральную точку F общей границы между двумя областями A и A активного бинокулярного фильтра 5. Вторая оптическая ось MS (S - точка центра экрана дисплея 3) ортогональна оси OF. При этом дисплей 3 и активный бинокулярный фильтр 5 выполнены жидкокристаллическими, а направление осей поляризации выходного линейного поляризатора экрана дисплея и входного линейного поляризатора активного бинокулярного фильтра находятся в плоскости, проходящей через первую OF и вторую MS оптические оси.
L
R
T
B
L
R
T
B
В случае использования полупрозрачного зеркала в качестве светообъединительного блока 4 длина Lfilt-scr оптического пути от активного бинокулярного фильтра 5 до экрана дисплея 3 определяется (фиг. 2) геометрическим расстоянием между экраном дисплея 3 и активным фильтром 5. Для упрощения на фиг. 2 не показано изменение направления траектории оптического пути за счет отражения от полупрозрачного зеркала (светообъединительного блока 4), что не существенно для расчета оптической схемы системы. Точки F, F - граничные точки апертуры активного бинокулярного фильтра 5 вдоль горизонтального направления, F и F - граничные точки апертуры активного бинокулярного фильтра 5 вдоль вертикального направления, S и S - граничные точки апертуры экрана дисплея 3 вдоль горизонтального направления, S и S - граничные точки апертуры экрана дисплея 3 вдоль вертикального направления.
Соотношения (1)-(3) выводятся из геометрии оптической схемы следующим образом.
L
R
L
R
Из подобия треугольников FZZ и FSS (вид 1 на фиг. 2) следует
L
L
L
L
R
Из подобия треугольников ZFF и ZSS (вид 1 на фиг. 2) следует
L
R
T
B
L
R
T
B
Из подобия треугольников Z(Z)FF и Z(Z)SS (вид 2 на фиг. 2) следует
Соотношения (1), (2) и (3) выведены посредством алгебраических преобразований соответствующих соотношений (4), (5) и (6).
Расстояние Bview равно величине глазной базы, равной среднему расстоянию (65 мм) между центрами зрачков наблюдателя.
Во втором частном варианте выполнения устройства активный бинокулярный фильтр 5 вмонтирован в входное окно летного шлема наблюдателя (летчика).
В третьем частном варианте выполнения устройства по крайней мере один информационный датчик выполнен в виде бинокулярного телевизионного датчика инфракрасного излучения (например, в диапазоне 1-14 мкм), в том числе в виде тепловизионного датчика, при этом изображения всех объектов виртуального пространства, полученных от всех информационных датчиков пространственно совмещены между собой и с соответствующими объектами внекабинного пространства по масштабу и пространственным координатам.
L
R
L
R
L
R
L
R
L
R
Устройство работает следующим образом. По сигналам информационных датчиков 1 бортовой вычислитель 2 вырабатывает сигналы первого и второго изображений, соответствующие первой (левой) и второй (правой) двумерным проекциям виртуального пространства трехмерной информации, которые поступают на вход дисплея 3, на экране которого попеременно воспроизводятся первое и второе изображения. С экрана дисплея 3 световой поток изображений поступает на первый вход светообъединительного блока 4 (в частном варианте выполнения - первый вход полупрозрачного зеркала), и с выхода светообъединительного блока 4 (после отражения от полупрозрачного зеркала под прямым углом относительно первоначального направления) световой поток изображений поступает на вход апертуры активного бинокулярного фильтра 5. Левая A и правая A области апертуры активного бинокулярного фильтра 5 попеременно переключаются в состояния с максимальным и минимальным оптическим пропусканием (в соответствии с сигналами управления с управляющего выхода бортового вычислителя 2) так, что при воспроизведении изображения левой (правой) двумерной проекции на экране дисплея 3 открыта (имеет максимальное светопропускание) только левая A (правая A) области апертуры активного бинокулярного фильтра 5. Следовательно, в левую L (правую R) зону бинокулярного наблюдения поступает световой поток изображений только левой (правой) двумерной проекции трехмерной информации. Соответственно левый E и правый E глаза наблюдателя воспринимают изображение левой и правой двумерных проекций виртуального пространства трехмерной информации, в результате чего в сознании наблюдателя возникает стереоскопический образ виртуального пространства трехмерной информации, который находится в внекабинном пространстве, поскольку сознание наблюдателя формирует стереоскопический образ в направлении, являющемся продолжением осевой линии FM (фиг. 1), вдоль которой световой поток изображений двумерных проекций распространяется перед поступлением в зону бинокулярного просмотра (в глаза E и E наблюдателя). Одновременно световой поток изображения реального внекабинного пространства проходит лобовое стекло 6, поступает на второй вход светообъединительного блока 4 (в частном варианте выполнения - на полупрозрачное зеркало) и далее через выход светообъединительного блока 4 на вход апертуры бинокулярного фильтра 5 и в зону бинокулярного просмотра (в глаза E и E наблюдателя).
L
R
При достаточно высокой частоте (не менее 100-120 Гц для отсутствия мерцаний изображений) переключения величины оптического пропускания областей активного бинокулярного фильтра 5 в зоне бинокулярного просмотра в глазах E и E наблюдателя возникает суммирование потока изображения реального мира внекабинного пространства и изображений соответственно левого и правой проекций виртуального пространства трехмерной информации, поступающих с информационных датчиков 1, которые совместно образуют пространство «дополненной реальности» (augmented reality), что позволяет улучшить ориентацию летчика в окружающем пространстве (situation awareness). Данному улучшению дополнительно способствует выполнение по крайней мере одного из информационных датчиков 1 в виде бинокулярного телевизионного датчика, работающего в спектре, отличном от спектра видимого излучения.
В первом частном варианте выполнения устройства ортогональность оси поляризации выходного линейного поляризатора экрана жидкокристаллического дисплея 3 и входного линейного поляризатора жидкокристаллического активного бинокулярного фильтра 5 по отношению к плоскости, проходящей через взаимно ортогональные оптические оси OF и MS, обеспечивает максимальное светопропускание, поскольку при отражении света от наклонной поверхности раздела двух сред преимущественно сохраняется та составляющая поляризации света, которая ортогональная плоскости его падения [4], т.е. ортогональна плоскости, проходящей через оптические оси OF и MS.
Активный бинокулярный фильтр может быть закреплен на кронштейне, крепящемся к раме кабины, с возможностью ручного перемещения или удаления.
Наиболее рациональным, обеспечивающим максимальную безопасность и удобство в использовании является частный вариант устройства с активным бинокулярным фильтром 5, вмонтированным в входное окно шлема наблюдателя (летчика). Тем самым функциональные возможности безочковой системы стереоскопической индикации дополнительно расширяются за счет реализации инвариантности качества работы системы (качества сепарации изображений двумерных проекций) к положению головы наблюдателя (летчика), поскольку при любом положении головы наблюдателя (летчика) обеспечивается автоматическое совпадение положений левого и правого глаз наблюдателя с левой и правой областями зоны бинокулярного просмотра.
Дополнительное расширение функциональных возможностей обеспечивается в третьем частном варианте устройства за счет реализации дополнительного контроля зрением трехмерной информации из внекабинного пространства, содержащейся в невидимом для глаз излучении при использовании в составе информационных датчиков, например инфракрасных и тепловизионных бинокулярных датчиков, обеспечивающих восприятие информации наблюдателем (летчиком) о объектах внекабинного пространства в спектрах излучения, отличного от видимого (напрямую воспринимаемого зрительным аппаратом наблюдателя). При этом изображения всех объектов виртуального пространства, полученных от всех информационных датчиков любого рабочего спектра, пространственно совмещены между собой и с соответствующими реальными объектами внекабинного пространства по масштабу и пространственным координатам. В таком комплексном изображении бинокулярное зрение наблюдателя (летчика) более четко классифицирует (распознает) тип объектов внекабинного пространства и более четко идентифицирует их пространственное расположение в различных неблагоприятных условиях наблюдения, например в условиях ночного полета, условиях плохой погоды, в том числе при выполнении взлета-посадки или при выполнении дозаправки летательного аппарата в воздухе.
Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано для разработки в пилотируемых летательных аппаратах (ПЛА), на рабочих местах операторов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), космических аппаратов (КА), наземных и наводных аппаратов (НзНвА), стереоскопических индикаторных систем с отображением трехмерной информации сквозь лобовое стекло летательного аппарата, обеспечивающих безочковый просмотр стереоизображения виртуального пространства трехмерной информации параллельно с просмотром реального мира внекабинного пространства, что создает комфорт в наблюдении виртуальных трехмерных объектов за счет отсутствия необходимости в использовании летчиком (оператором) специальных зрительных приспособлений (стереоочков), крепящихся на лице. Для ПЛА летчику достаточно использовать штатный летный шлем, в входное окно которого вмонтирован активный бинокулярный фильтр. Для оператора БПЛА активный бинокулярный фильтр может быть размещен на кронштейне, крепящемся к раме экрана дисплея или в шлеме оператора, в котором находятся все атрибуты летного шлема или шлема того типа, который используется в БПЛА (для координаций действий разных операторов между собой и с летчикам на ПЛА с помощью нашлемных средств связи).
Изобретение может быть использовано в ПЛА и БПЛА для безопасной посадки на оборудованные и необорудованные площадки в условиях плохой видимости, включая низкий туман, стыковку ПЛА и БПЛА с самолетом-заправщиком в режиме полета, управление автоматизированными роботами (в том числе типа сапер, самоходное орудие, КА типа луноход, марсоход, для автоматизированных систем управления НзНвА: морскими кораблями и речными суднами при заходах в бухты и прохождения по мелководью в трудных условиях видимости, включая морской туман).
Изобретение может быть использовано для модернизации существующих индикаторов на лобовом стекле (ИЛС) типа отечественных ИЛС-31 (ЭлектроАвтоматика), ШКАИ (ЭлектроАвтоматика), КАИ-24П (Герест иТ), иностранных ИЛС для самолетов Туре 1502 (Smith Industries), Sparrow Hawk (Flight Vision), Night Hawk (Flight Vision), HUD (BAE System), FD-4500 (BAE System), Smart HUD (Thales Avionics), TMV 1451 (Thales Avionics), Electronic HUD (Thales Avionics), HFDS (Thales Avionics), D-HUDS (Thales Avionics), FV-2000E (Flight Visions), HGS (Flight Dynamics).
ЛИТЕРАТУРА
1. Никифоров В.О., Завгородний Д.С., Краснова Л.О. и др. Оптическая система проекционного бортового индикатора. - Патент РФ №2518863, заявл. 14.09.2012, опублик. 10.06.2014.
2. Kaiser G., Mayer U. Development of a stereoscopic head-up display. - Proc. Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 2002, v. 4712, p. 501-510 (прототип).
3. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Физматлит, 2003.