ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НАШЛЕМНОГО КОЛЛИМАТОРНОГО ДИСПЛЕЯ
OPTICAL SYSTEM OF HELMET-MOUNTED COLLIMATOR DISPLAY

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к созданию оптических систем для нашлемных коллиматорных дисплеев, формирующих изображение в поле зрения наблюдателя.
Оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея предназначена для создания в поле зрения наблюдателя синтезированного изображения, которое рассматривается им одновременно с окружающей обстановкой. Совмещение изображений осуществляется за счет частично пропускающего и частично отражающего свет элемента - комбинера. Оптическая система нашлемного дисплея должна обеспечивать естественную видимость окружающей обстановки с минимальным ослаблением ее яркости и отсутствием перспективных искажений. Яркость синтезированного изображения должна быть регулируемой в зависимости от яркости фона и должна быть достаточной для восприятия синтезированного изображения на фоне окружающей обстановки при ярком солнечном свете.
Известна оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея, последовательно содержащая комбинер в виде полупрозрачной менискообразной линзы, светоделительную пластину, расположенную под углом к оси комбинера, проекционный объектив, состоящий из шести линз, распределенных на три группы, между которыми располагаются плоские зеркала, и источник изображения, которым является выходной экран электронно-оптического преобразователя, преобразующего изображение в инфракрасных лучах, полученное соответствующей оптической системой, в видимое изображение. Проекционный объектив строит промежуточное изображение на поверхности, близкой к фокальной плоскости вогнутой поверхности комбинера. После отражения от этой поверхности параллельные световые пучки поступают в глаз наблюдателя, который видит изображение поверхности источника изображения наложенным на изображение окружающей обстановки, рассматриваемое сквозь светоделительную пластину и комбинер, US 4961626.
Основным недостатком данного решения является весьма значительная общая длина и большая масса проекционного объектива в составе оптической системы дисплея и необходимость применения плоских зеркал для компоновки объектива.
Известна оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея, последовательно содержащая комбинер в виде полупрозрачной менискообразной линзы, первый светоделитель, выполненный в виде пластины, расположенной под углом к оси комбинера, плоское зеркало, проекционный объектив, содержащий первый компонент, включающий двояковыпуклую линзу, на одной из поверхностей которой нанесена дифракционная структура, и второй компонент в виде двояковыпуклой линзы с дифракционной структурой, размещенную между первым и вторым компонентами апертурную диафрагму, второй светоделитель и источник изображения, US 5822127.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
Оптическая система проецирует синтезированное изображение от источника изображения на бесконечность, при этом изображение апертурной диафрагмы (выходной зрачок оптической системы) должно быть вынесено за пределы системы и располагаться вблизи глаза наблюдателя. Поверхностью, на которой происходит частичное отражение излучения, является вогнутая поверхность комбинера, представляющая собой силовой оптический элемент, на выходе которого в пространстве глаза наблюдателя создаются коллимированные световые пучки. Наблюдение окружающей обстановки осуществляется сквозь первый светоделитель и комбинер. Такая компоновка комбинера и первого светоделителя требует формирования действительного промежуточного изображения в фокальной плоскости отражающей поверхности комбинера, которое располагается вблизи первого светоделителя. Проекционный объектив переносит изображение поверхности источника изображения в указанную плоскость промежуточного изображения.
В устройстве-прототипе не исправлены аберрации, обусловленные кривизной поля зрения, что снижает качество изображения по его краям; двухлинзовая схема проекционного объектива не позволяет достичь требуемой светосилы при малой длине проекционного объектива, что неудобно для пользователя, так как увеличивает габариты устройства в целом. Для частичного уменьшения габаритов изделия использовано плоское ломающее зеркало, которое увеличивает вес устройства, усложняет его конструкцию и процесс сборки и регулировки.
Задачей настоящего изобретения является исправление аберраций, обусловленных кривизной поля зрения оптической системы, и повышение тем самым качества изображения; кроме того, решается задача уменьшения габаритов и веса, что весьма важно для нашлемного устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - оптическая система по п.1 формулы изобретения;
на фиг.2 - оптическая система по п.2 формулы изобретения.
Оптическая система нашлемного индикаторного дисплея последовательно содержит комбинер 1, выполненный в виде полупрозрачной менискообразной линзы, первый светоделитель 2, проекционный объектив, включающий первый компонент, содержащий двояковыпуклую линзу 3, второй компонент, выполненный из шести линз, из которых первая линза 4 - положительная двояковыпуклая, вторая отрицательная линза 5 совместно с третьей положительной линзой 6 образуют составной мениск, обращенный выпуклостью к источнику 12 изображения, четвертая линза 7 выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к источнику 12 изображения, пятая линза 8 - положительная двояковыпуклая, а шестая линза 9 представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к источнику 12 изображения, и расположенную между первым и вторым компонентами апертурную диафрагму 10, второй светоделитель 11 и источник 12 изображения. Глаз наблюдателя располагается так, что окружающая обстановка рассматривается сквозь первый светоделитель 2 и комбинер 1. На вогнутую поверхность комбинера 1 может быть нанесено узкополосное многослойное интерференционное покрытие, коэффициент отражения которого максимален для основной длины волны источника 12 изображения. В частности, такое покрытие может состоять из нескольких десятков чередующихся слоев, каждый из которых имеет оптическую толщину в одну четвертую часть основной длины волны, выполненных из прозрачных материалов последовательно с высоким и низким показателем преломления, например, из двуокиси циркония и двуокиси кремния соответственно. Возможно также нанесение на вогнутую поверхность комбинера 1 фазовой объемной отражательной голограммы, которая также имеет высокий коэффициент отражения для основной длины волны источника 12 изображения и хорошее пропускание для остальной части спектра. Объемная отражательная голограмма представляет собой периодическую фазовую структуру в слое прозрачного материала, нанесенного на вогнутую поверхность комбинера 1, которая есть результат регистрации объемного распределения стоячих волн, возникающих в результате интерференции падающего волнового фронта от точечного источника, расположенного в центре кривизны данной вогнутой поверхности, и отраженного от этой поверхности волнового фронта. Первый светоделитель 2 выполнен в виде тонкой плоскопараллельной пластины из прозрачного материала, расположенной под углом к оси комбинера, на одну из поверхностей которой нанесено светоделительное покрытие.
Первый компонент проекционного объектива может дополнительно содержать положительный мениск 15, расположенный между первым светоделителем 2 и двояковыпуклой линзой 3 и обращенный вогнутостью к первому светоделителю 2 (фиг.2).
В конкретном примере источник 12 изображения представляет собой экран жидкокристаллической (ЖК) панели. Возможно также, что источником изображения служит экран электронно-лучевой трубки или набор светодиодов, или иных объектов, расположенных в одной плоскости, и т.п. В случае использования в качестве источника изображения ЖК панели или иных несамосветящихся объектов, оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея содержит систему освещения, состоящую из источника 13 излучения и конденсора 14, который, в частности, может быть выполнен в виде линзы Френеля.
Второй светоделитель 11 предназначен для направления светового потока от системы освещения, состоящей из источника 13 излучения и конденсора 14, на источник 12 изображения и дальнейшей передачи его через проекционный объектив к глазу наблюдателя. Второй светоделитель 11 может использоваться также для суперпозиции двух и более изображений, если в нашлемном дисплее используется более одного источника изображения. Второй светоделитель 11 может быть выполнен в виде тонкой пластины, пленки или в виде светоделительной призмы.
Устройство работает следующим образом. Наблюдение обстановки осуществляется непосредственно глазом наблюдателя сквозь первый светоделитель 2 и комбинер 1, работающие на пропускание (на просвет). Благодаря их малой толщине и малой оптической силе комбинера 1, наблюдатель видит сквозь них окружающую обстановку без заметных на глаз искажений.
Для освещения жидкокристаллической матрицы, которая является источником 12 изображения, используется источник излучения 13 и конденсор 14, например, в виде линзы Френеля. Световой поток от источника излучения 13 коллимируется конденсором 14, отражается от второго светоделителя 11 и поступает на рабочую поверхность источника 12 изображения.
Световой поток, отраженный от источника изображения 12, проходит сквозь второй светоделитель 11 и поступает на проекционный объектив, который строит промежуточное изображение рабочей плоскости источника 12 изображений вблизи фокальной поверхности вогнутой отражающей поверхности комбинера 1, преимущественно отражающей лучи спектрального диапазона источника 12 изображения. После отражения от первого светоделителя 2 и вогнутой поверхности комбинера 1 пучки становятся параллельными и поступают сквозь первый светоделитель 2 в глаз наблюдателя, который видит изображение рабочей поверхности источника 12 изображения на фоне окружающей обстановки. Так как виртуальное изображение рабочей поверхности источника 12 изображения локализовано в бесконечности, наблюдатель одновременно резко видит элементы обстановки и проецируемого изображения. Сочетание вогнутой отражающей поверхности комбинера 1 и выбранной схемы проекционного объектива обеспечивает расположение выходного зрачка оптической системы вблизи глаза наблюдателя при минимальных диаметрах линз проекционного объектива. Благодаря этому глаз наблюдателя в любом случае находится на достаточном расстоянии (не менее 20-30 мм) от элементов конструкции системы, что исключает механические повреждения глаза.
Выбранная оптическая схема проекционного объектива обеспечивает достижение его высокой светосилы, что позволяет сократить длину объектива и получить компактную конструкцию в простом и легком корпусе без ломающих зеркал. Увеличение светосилы проекционного объектива достигается за счет добавления в его второй компонент трех положительных линз 7, 8, 9.
Аберрация кривизны поля зрения оптической системы исправляется за счет введения во второй компонент проекционного объектива составного мениска, состоящего из отрицательной линзы 5 и положительной линзы 6. Вогнутая поверхность отрицательной линзы 5 со стороны апертурной диафрагмы 10 создает часть результирующего значения аберрации кривизны поля, противоположную по знаку части этого значения, создаваемой выпуклой поверхностью положительной линзы 6 со стороны линзы 7. и частям этого значения, создаваемым остальными положительными линзами. Так как радиус вогнутой поверхности отрицательной линзы 5 меньше радиуса наружной выпуклой поверхности мениска, мениск в целом уменьшает результирующую кривизну поля системы. Значения радиусов линз 5 и 6, которые находятся внутри мениска, более чем в 15 раз превосходят значения наружных радиусов мениска и не оказывают заметного влияния на результирующую кривизну поля всей системы. Расположение апертурной диафрагмы со стороны вогнутой поверхности мениска позволяет при исправлении кривизны поля достичь хорошего исправления аберраций астигматизма и дисторсии в пределах всего поля зрения. При этом необходимо отметить, что использование в линзах 5 и 6 стекол с различными показателями преломления и коэффициентами дисперсии позволяет также исправить сферическую аберрацию и хроматические аберрации оптической системы.
Оптическая схема проекционного объектива обеспечивает размещение второго светоделителя 11 в его заднем отрезке - между последней линзой объектива 9 и рабочей плоскостью источника 12 изображения, что позволяет применить отражательную жидкокристаллическую матрицу в качестве источника 12 изображения.
Действие многослойного интерференционного покрытия основано на многолучевой интерференции нескольких волновых фронтов. При падении волнового фронта на многослойное покрытие происходит частичное отражение света от каждой границы, разделяющей слои с разными показателями преломления. В результате интерференции множества образовавшихся волновых фронтов происходит усиление или ослабление отраженного и проходящего световых потоков в зависимости от структуры покрытия, длины волны и поляризации падающего света. Применение многослойного интерференционного покрытия обеспечивает максимальный коэффициент отражения комбинера 1 в рабочем диапазоне источника 12 изображения и одновременно максимальный коэффициент пропускания излучения в остальном видимом диапазоне. Потери на поглощение в таком покрытии пренебрежимо малы.
Объемная фазовая голограмма представляет собой периодическую фазовую структуру в прозрачной среде, полученную как результат регистрации интерференционной картины в виде стоячих волн. Эта структура для падающей на нее световой волны является объемной дифракционной решеткой, отражательные свойства которой зависят от длины волны падающего света. С помощью объемной фазовой голограммы обеспечивается максимальный коэффициент отражения комбинера 1 в рабочем диапазоне источника 12 изображения и, соответственно, наибольший коэффициент пропускания для остального видимого спектра. Таким образом, достигается максимальная видимая яркость изображения источника 12 при минимальном ослаблении яркости наблюдаемой обстановки.
Заявленная оптическая система нашлемного коллиматорного дисплея позволяет выполнить все требования к габаритам и массе, размерам поля зрения и качеству изображения.