ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОЕКЦИОННОГО БОРТОВОГО ИНДИКАТОРА
OPTICAL SYSTEM FOR ONBOARD PROJECTOR INDICATOR

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в авиационной промышленности, в частности для авиационных оптических прицелов, устройств индикации на лобовом стекле кабины пилота и т.п.
Устройства бортовой проекционной индикации представляют собой систему, обеспечивающую одновременное наблюдение пилотом реального окружения, объектов в пространстве и изображение с индикационного дисплея, видимое через оптическую систему со светоделительным отражателем, при этом визирная ось наблюдателя и оптическая ось системы проекции дисплея совмещены.
Таким образом, оптическая система проекционного бортового индикатора (ОСПБИ) состоит из светоделительного отражающего зеркала и оптической системы, в фокальной плоскости которой установлен дисплей.
Основными требованиями, предъявляемыми к ОСПБИ, являются:
- большое угловое поле зрения: ±15° по горизонту и ±10° по вертикали;
- значительный вынос входного зрачка - глаза наблюдателя от отражающего светоделительного зеркала более 500 мм;
- минимизированный вес;
- возможность наблюдения дисплея при движении головы пилота в пределах не менее ±75 мм по горизонту и ±45 мм по вертикали;
- минимальные дисторсионные искажения изображений объектов и дисплея;
- минимальные световые потери в обоих каналах.
Известен целый ряд проекционных бортовых индикаторов [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8] на лобовом стекле кабины самолета.
В устройствах [1] и [2] использована система индикации с применением осевой оптической системы, светоделительное отражающее зеркало - сферическое, в фокальной плоскости которого установлен дисплей.
Недостатками такой системы являются:
- значительные световые потери из-за применения двух светоделительных зеркал (сферического и плоского);
- малое угловое поле (2ω), определенное из формулы
tg(2ω)=L/f′, где L - наибольший размер дисплея,
f′ - фокусное расстояние зеркала.
Поскольку из габаритных требований значение f′ достаточно большое, то угловое поле весьма ограничено.
В устройстве [3] используется три светоделительные поверхности для канала индикации и две - для канала наблюдения объекта, что приводит к значительным энергетическим потерям.
Кроме того, угловое поле ограничено большими габаритами светоделительных зеркал, т.к. в каналах индикации наблюдения объекта оптические оси дважды проходят через светоделительные зеркала в разнесенных точках по поверхностям.
В устройствах [4], [5], [6] и [7] в качестве отражающего светоделительного зеркала использованы плоские поверхности, что не обеспечивает большие углы поля зрения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является ОСПБИ [8].
0
1
1
1
1
2
2
3
ОСПБИ состоит из вогнутого сферического зеркала со светоделительным или голографическим покрытием (комбинер), установленного под углом α к визирной оси, вторичное зеркало, представляющее собой клин с углом α и со сферической отражающей и преломляющей поверхностями, линзовую проекционную оптическую систему, выполненную из трех компонентов, первый из которых - сфероцилиндрическая линза с оптической силой φ, наклоненная на угол α против часовой стрелки и смещена на δy относительно своей оптической оси, второй четырехлинзовый компонент с оптической силой φ, наклоненный на угол α против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, выполненной из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, третий компонент выполнен в виде эллиптической менисковой линзы, смещенной с оптической оси на δy, и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом ОСПБИ.
Недостатками ОСПБИ являются:
- малая величина выходного зрачка, ограничивающая смещение глаз наблюдателей в широких пределах без потери информации индикационного дисплея;
- солнечные блики, попадающие в глаза наблюдателя после прохождения солнечного излучения через комбинер, вторичное зеркало и отражение от дисплея и прохождения через информационный дисплейный канал.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение безопасности полета за счет исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота и устранения солнечных бликов, попадающих в глаза пилота.
0
1
1
1
1
2
2
3
3
Для решения поставленной задачи предлагается оптическая система проекционного бортового индикатора, которая, как и прототип, содержит сферическое светоделительное зеркало (комбинер) радиуса R, установленное под углом α к визирной оси, вторичное зеркало, выполненное в виде клина с углом α и со сферической отражающей и преломляющей поверхностями, линзовую проекционную оптическую систему с эквивалентной оптической силой φ, выполненную из трех компонентов, первый из которых - сфероцилиндрическая линза с оптической силой φ, наклоненная на угол α против часовой стрелки и смещенная на δy относительно своей оптической оси, второй четырехлинзовый компонент с оптической силой φ, выполненный из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненный на угол α против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, третий компонент - эллиптическая менисковая линза, наклоненная на угол α по часовой стрелке и смещенная на δy с оптической оси второго компонента, и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом оптической системы проекционного бортового индикатора.
3
3
3
В отличие от прототипа перед первым компонентом линзовой проекционной оптической системы установлена поляризационная плоскопараллельная пластина, третий компонент дополнен положительной гиперболической менисковой линзой, установленной между дисплеем и эллиптической менисковой линзой с эквивалентной оптической силой φ компонента, смещен с оптической оси второго компонента на δy и наклонен по часовой стрелке на угол α вокруг первой поверхности, при этом оптические силы смещения и наклона компонентов удовлетворяют условиям:
1
2
3
1
2
3
1
2
3
0
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение линзовой проекционной оптической системы из трех компонентов с оптическими силами φ, φ, φ, смещением δy, δy, δy и наклонами на углы α, α, α соответственно, установкой в третий компонент дополнительной положительной гиперболической менисковой линзы, а перед первым компонентом установкой поляризационной плоскопараллельной пластинки, позволило увеличить размер входного зрачка и тем самым исключить срезание полевых лучей при движении головы пилота, устранить солнечные блики, попадающие в глаза пилота, после отражения световых лучей от поверхности дисплея и обеспечить коррекцию нецентрированных аберраций, вносимых сферическим зеркалом (комбинером), наклоненным на угол α к визирной оси.
0
Зеркало, работающее под углом α, вносит искажения изображения (аберрации), существенную часть которых составляют различного вида дисторсии, кривизна изображения и астигматизм, пропорциональный величине:
0
где i - угол отклонения луча от α.
Для центрального луча угол i равен 0. При смещении положения глаза пилота в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также при изменении угла поля ω, значение i меняется в достаточно больших пределах. Поэтому для каждого направления главного луча, исходящего из глаза пилота, значения астигматизма имеют различную величину.
0
3
Другая аберрация, редко встречаемая в центрированных системах, называемая параллаксом, т.е. разность координат на  для заданного угла поля ω для положения зрачка глаза, при котором смещение по горизонту равно Δx и по вертикали равно Δy относительно визирной оси. Важно стремиться к тому, чтобы параллакс в пространстве глаза наблюдателя был менее ±10 угл. минут в достаточно большом окне наблюдения, т.е. ΔX>±75 мм, ΔY>±45 мм при ω≥15°. Параллакс пропорционален углу (α+i) и является переменной, зависящей от значений Δy и Δx.
Выполнение первой поверхности клина сферической устраняет кривизну изображения, второй - уменьшает астигматизм в углах прямоугольного поля.
1
Выполнение первой линзы проекционной оптической системы сфероцилиндрической с оптической силой φ позволяет уменьшить габариты системы в сагиттальной плоскости и, одновременно, уменьшить разность меридионального и сагиттального увеличений, т.е. анаморфозы изображения.
1
Наклон сфероцилиндрической линзы на угол α против часовой стрелки устраняет кому в горизонтальном сечении изображения.
2
2
3
3
3
Выполнение второго компонента четырехлинзовым с оптической силой φ, выполненного из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненным на угол α против часовой стрелки вокруг вершины первой линзы, а введение в третий компонент дополнительной положительной гиперболической менисковой линзой, установленной между дисплеем и эллиптической менисковой линзой с эквивалентной оптической силой φ двух линз, смещенных с оптической оси второго компонента на δy и наклоненных по часовой стрелке на угол α вокруг первой поверхности, позволило устранить кому в вертикальном сечении.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 - представлена схема оптической системы проекционного бортового индикатора, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.
0
1
1
Предлагаемая оптическая система проекционного бортового индикатора состоит из сферического зеркала 1 со светоделительной отражающей поверхностью 2 радиуса R, вторичного зеркала 3, выполненного в виде клина 4 со сферической первой поверхностью 5 с второй сферической отражающей поверхностью 6, линзовой проекционной оптической системы 7, состоящей из трех компонентов, первый из которых сфероцилиндрическая линза 8 наклонена на угол α и смещена на δy относительно оптической оси вторичного зеркала 3.
2
Второй компонент - четырехлинзовая осесимметричная система 9, выполненная из последовательно установленных двояковыпуклой линзы и трех менисковых линз, обращенных вогнутостями к вторичному зеркалу, из которых первая линза отрицательная, а последующие две положительные, наклоненная на угол α против часовой стрелки относительно оси первой линзы.
3
3
Третий компонент состоит из положительной сфероэллиптической менисковой линзы 10 и положительной гиперболической линзы 11, смещенных на δy в направлении, перпендикулярном оптической оси, и наклоненных на угол α по часовой стрелке относительно оси второго компонента, дисплея 12.
Перед первым компонентом проекционной оптической системы установлена поляризационная плоскопараллельная пластинка 13.
Зрачок глаза 14 может перемещаться по горизонту на ±Δx и по вертикали (в плоскости чертежа) на ±Δy, наблюдая объект 15 в направлении визирной оси 16.
Работа ОСПБИ осуществляется следующим образом.
Параллельный пучок света от каждого глаза наблюдателя диаметром, равным диаметру входного зрачка глаза (2÷4) мм, после отражения от сферического зеркала 1 фокусируется в наклонном фокусе зеркала 1, расположенного вблизи вторичного зеркала 3. Линзовая проекционная оптическая система 7 (8, 9, 10, 11 и 13) сопрягает промежуточное изображение, даваемое сферическим зеркалом 1 с поверхностью дисплея 12.
Таким образом, ОСПБИ представляет собой бинокулярную широкоугольную лупу, в фокусе F′ которой установлен дисплей 12, а после сферического зеркала 1 параллельные пучки лучей попадают в зрачок глаза 14.
Линзовая проекционная оптическая система 8, 9, 10, 11 и 13 работает с увеличением β<1, при этом эквивалентное фокусное расстояние  и тем самым видимое увеличение ОСПБИ (лупы) обеспечивается Г>2÷3. Реально ОСПБИ работает в обратном ходе лучей, т.е. одновременно наблюдатель видит объект 15 по направлению визирной оси 16, на которое накладывают изображение от дисплея 12.
В качестве примера приведена ОСПБИ со следующими параметрами, приведенными в Приложении.
Таким образом, предложенная ОСПБИ обеспечивает малопараллаксное с хорошим качеством одновременно наблюдение объекта и наложенное на него изображение поверхности дисплея с сеткой для точного наведения и необходимой информацией.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. США, патент №4082432, МПК: G02B 27/01, 27/14, 1976 г.
2. Германия, патент №19806310, МПК: G02B 27/01, 1998 г.
3. ЕР, патент №0009332, МПК: G02B 27/00, G02B 5/32, 1989 г.
4. Великобритания, патент №2163869, МПК: G02B 27/00, 1984 г.
5. США, патент №4611877, МПК: G02B 27/14, 1986 г.
6. Великобритания, патент №2049984, МПК: G02B 27/10, 1979 г.
7. США, патент №4832449, МПК: G02B 27/14, 1987 г.
8. Российская Федерация, патент на полезную модель №63559, МПК: G02B 27/14, 2007 г. - прототип.