КОЛЛИМАТОР

Полезная модель относится к бортовым информационным системам летательных аппаратов, а именно к коллиматорным индикаторам на лобовом стекле.
Известен индикатор для проекции изображения на лобовое стекло (ИЛС), содержащий источник света, цифровое микрозеркальное устройство, промежуточный экран, зеркало и объединитель, при этом цифровое микрозеркальное устройство содержит матрицу микрозеркал, и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений, промежуточный экран расположен между цифровым микрозеркальным устройством и зеркалом перпендикулярно оптической оси изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и выполнен с возможностью визуализации этого изображения, зеркало установлено таким образом, что отражает изображение, визуализированное промежуточным экраном, на объединитель, а объединитель, расположен на оптической оси взгляда наблюдателя, установлен под углом к этой оптической оси, и выполнен с возможностью отражения в сторону наблюдателя изображения, отраженного на него зеркалом, и пропускания изображения, расположенного за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя [патент US 9784969, МПК G02B 27/01, Head-up display and method for operating it / Sebastien Hervy и др., заявл. 24.01.2013, опубл. 10.10.2017].
В известном устройстве лучи света от трех светодиодов разного цвета направляются на цифровое микрозеркальное устройство под разными углами и, как следствие этого, отражаются от него тоже под разными углами, что снижает резкость получаемого изображения. Отсутствие объектива, увеличивающего изображение, сформированное цифровым микрозеркальным устройством, не позволяет создавать изображение нужного размера. Отсутствие оптической системы, коллимирующей изображение, не позволяет создавать виртуальное изображение, спроецированное в бесконечность, так, чтобы наблюдатель мог его видеть перед собой на большом расстоянии. Это не позволяет использовать известное устройство при пилотировании самолетов и других летательных аппаратов. Это сужает область использования известного устройства.
Известен цифровой коллиматор, содержащий источник света, цифровое микрозеркальное устройство, объектив и оптическую систему, при этом источник света установлен таким образом, что излучаемые им лучи света направлены на цифровое микрозеркальное устройство, цифровое микрозеркальное устройство содержит матрицу микрозеркал, и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений, объектив установлен на оптической оси О изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему увеличивать размеры направленного на него изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, а оптическая система также установлена на оптической оси О изображения и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ей коллимировать изображение, увеличенное объективом [патент РФ 2664542, МПК G02B 27/30, Цифровой коллиматор / Старосотников Н.О. и др., заявл. 16.05.2016, опубл. 20.08.2018].
В известном коллиматоре между объективом и оптической системой отсутствует промежуточный экран. Это не позволяет визуализировать изображение, сформированное цифровым микрозеркальным устройством и увеличенное объективом. Вследствие этого, известный коллиматор не может создавать виртуальное изображение, которое наблюдатель мог бы видеть как изображение, расположенное на большом расстоянии от коллиматора.
Отсутствие зеркала, отражающего на объединитель изображение, коллимированное оптической системой, и отсутствие объединителя, отражающего в сторону наблюдателя изображение, направленное на него этим зеркалом, не позволяет разнести в пространстве оптическую ось коллиматора и оптическую ось взгляда наблюдателя, что не позволяет использовать известный коллиматор в качестве индикатора на лобовом стекле (ИЛС) транспортного средства, например, самолета или автомобиля. Это сужает область использования коллиматора.
Кроме того, в известном коллиматоре источник света выполнен в виде одного светодиода. Это не позволяет создавать цветные изображения, что также сужает область использования коллиматора.
Известен коллиматор, содержащий источник света, цифровое микрозеркальное устройство, объектив, промежуточный экран, оптическую систему, зеркало и объединитель, при этом источник света установлен таким образом, что излучаемые им лучи света направлены на цифровое микрозеркальное устройство, цифровое микрозеркальное устройство содержит матрицу микрозеркал и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений, объектив установлен на оптической оси О изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему увеличивать размеры направленного на него изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, промежуточный экран расположен между объективом и оптической системой и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему визуализировать изображение, увеличенное объективом, оптическая система имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ей коллимировать изображение, визуализированное промежуточным экраном, зеркало установлено под углом к оптической оси О изображения, а объединитель, расположен на оптической оси взгляда наблюдателя, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему пропускать изображение, расположенное за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя, [патент US 7391574, МПК G02B 27/14, Head-up display / Arnold Fredriksson, заявл. 15.12.2006, опубл. 24.06.2008] - прототип.
Недостатком известного коллиматора является то, что его оптическая система установлена на оптической оси взгляда наблюдателя. Эта оптическая система выполнена в виде сферического или слегка асферического полупрозрачного зеркала, установленного перпендикулярно оптической оси взгляда наблюдателя. Это полупрозрачное зеркало коллимирует изображение, направленное на него полупрозрачным объединителем и отражает это коллимированное изображение в глаза наблюдателя. Поэтому изображение внешнего фона из закабинного пространства, прежде чем попасть в глаза наблюдателя, проходит и через полупрозрачный объединитель и через это полупрозрачное зеркало. Вследствие этого, яркость внешнего фона значительно снижается по отношению к яркости изображения, формируемого источником света и цифровым микрозеркальным устройством. Это затрудняет для наблюдателя, в частности для пилота самолета, возможность видеть изображение внешнего фона, особенно при сумрачной погоде, а также в вечернее и ночное время. Это сужает область применения коллиматора.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, - расширение области применения коллиматора за счет обеспечения возможности его использования при сумрачной погоде, а также в вечернее и ночное время.
Для решения этой задачи коллиматор, содержащий источник света, цифровое микрозеркальное устройство, объектив, промежуточный экран, оптическую систему, зеркало и объединитель, при этом источник света установлен таким образом, что излучаемые им лучи света направлены на цифровое микрозеркальное устройство, цифровое микрозеркальное устройство содержит матрицу микрозеркал и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений, объектив установлен на оптической оси О изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему увеличивать размеры направленного на него изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством, промежуточный экран расположен между объективом и оптической системой и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему визуализировать изображение, увеличенное объективом, оптическая система имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ей коллимировать изображение, визуализированное промежуточным экраном, зеркало установлено под углом к оптической оси О изображения, а объединитель, расположен на оптической оси взгляда наблюдателя, установлен под углом к этой оптической оси и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ему отражать изображение, направленное на него зеркалом, и пропускать изображение, расположенное за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя, согласно полезной модели промежуточный экран расположен перпендикулярно оптической оси О изображения, оптическая система установлена на оптической оси О изображения, зеркало установлено таким образом, что отражает на объединитель изображение, коллимированное оптической системой, а объединитель установлен таким образом, что отражает изображение, направленное на него зеркалом, в сторону наблюдателя.
Кроме того, источник света в коллиматоре содержит три светодиода красного, зеленого и синего цвета, расположенные с трех сторон от дихроических зеркал, расположенных крест-накрест, и конденсорные линзы, расположенные между каждым из светодиодов и дихроическими зеркалами. При этом одно из дихроических зеркал пропускает лучи зеленого и синего цвета и отражает лучи красного цвета, а другое дихроическое зеркало пропускает лучи зеленого и красного цвета и отражает лучи синего цвета.
При этом промежуточный экран коллиматора выполнен в виде стеклянной пластины с матовой поверхностью на одной ее стороне.
При этом на поверхность объединителя нанесено полупрозрачное покрытие, которое позволяет ему отражать в сторону наблюдателя изображение, направленное на него зеркалом, и пропускать изображение, расположенное за объединителем на оптической оси взгляда наблюдателя.
Кроме того, коллиматор снабжен вторым объединителем, установленным параллельно первому объединителю, при этом на второй объединитель нанесено такое же полупрозрачное покрытие, которое нанесено на первый объединитель.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в разнесении в пространстве оптической оси коллиматора и оптической оси взгляда наблюдателя.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен предлагаемый коллиматор, общий вид; на фиг. 2 - продольный разрез коллиматора; на фиг. 3 - продольный разрез коллиматора в увеличенном масштабе; на фиг. 4 - источник света коллиматора, вид сверху.
Коллиматор содержит источник света 1, цифровое микрозеркальное устройство 2, объектив 3, промежуточный экран 4, оптическую систему 5, зеркало 6, и объединитель 7.
Источник света 1 содержит три светодиода красного 8, зеленого 9 и синего 10 цвета, расположенные с трех сторон от дихроических зеркал 11, 12, расположенных крест-накрест, конденсорные линзы 13…18, расположенные между каждым из светодиодов и дихроическими зеркалами, матрицу 19 микролинз, зеркало 20 и прямоугольную двояковыпуклую линзу 21. При этом одно из дихроических зеркал (11) пропускает лучи зеленого и синего цвета и отражает лучи красного цвета, а другое дихроическое зеркало (12) пропускает лучи зеленого и красного цвета и отражает лучи синего цвета. Одна сторона матрицы 19 микролинз выполнена плоской, а на другой ее стороне, обращенной к дихроическим зеркалам 11, 12, выполнено множество короткофокусных микролинз со сферическими выпуклыми поверхностями с одинаковыми фокусными расстояниями. За счет этого матрица 19 микролинз обеспечивает более равномерную яркость света по всей площади световых лучей. Зеркало 20 установлено таким образом, что отражает лучи света, выходящие из матрицы 19 микролинз, на прямоугольную двояковыпуклую линзу 21, которая, в свою очередь, направляет эти лучи света на цифровое микрозеркальное устройство 2.
Цифровое микрозеркальное устройство (digital micromirror device, DMD) 2 содержит матрицу микрозеркал и формирует изображение за счет выборочного управляемого поворота микрозеркал матрицы в одно из двух крайних положений.
Перед цифровым микрозеркальным устройством 2 установлена призма 22, две грани которой выполнены прозрачными в обоих направлениях, а на третью грань нанесено покрытие, которое пропускает свет, падающий на эту грань снаружи, и отражает свет, падающий на нее изнутри призмы. Призма 22 установлена таким образом, что пропускает лучи света, направленные на нее прямоугольной двояковыпуклой линзой 21, на цифровое микрозеркальное устройство 2 и отражает изображение, сформированное микрозеркалами матрицы цифрового микрозеркального устройства 2, в направлении объектива 3.
Между призмой 22 и объективом 3 установлена непрозрачная шторка 23, имеющая сквозное окно, через которое изображение, сформированное цифровым микрозеркальным устройством 2 и отраженное призмой 22, проецируется на объектив 3.
Объектив 3 установлен на оптической оси О изображения, сформированного цифровым микрозеркальным устройством 2 и отраженного призмой 22, и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет объективу увеличивать размеры изображения, отраженного на него призмой 22, и направлять увеличенное изображение на промежуточный экран 4.
Промежуточный экран 4 установлен перпендикулярно оптической оси изображения, направленного на него объективом 3, и выполнен в виде стеклянной пластины с матовой поверхностью на одной ее стороне для того, чтобы визуализировать направленное на него изображение.
Оптическая система 5 также установлена на оптической оси О изображения и имеет такое конструктивное исполнение, которое позволяет ей коллимировать изображение, увеличенное объективом 3 и визуализированное промежуточным экраном 4.
Зеркало 6 установлено под углом к оптической оси О изображения, и отражает изображение, коллимированное оптической системой 5, на объединитель 7.
Объединитель (комбайнер) 7, расположен на оптической оси В взгляда наблюдателя, установлен под углом к этой оптической оси, и выполнен с возможностью отражения в сторону наблюдателя изображения, направленного на него зеркалом 6, и пропускания изображения, расположенного за объединителем 7 на оптической оси В взгляда наблюдателя.
С целью увеличения размера поля зрения наблюдателя в вертикальном направлении, коллиматор снабжен вторым объединителем 24, установленным параллельно и выше первого объединителя 7. Объединители 7 и 24 могут быть выполнены, например, из стекла, на поверхность которого нанесено полупрозрачное покрытие, которое позволяет объединителям отражать в сторону наблюдателя изображение, направленное на них зеркалом 6, и пропускать изображение, расположенное за объединителями на оптической оси В взгляда наблюдателя.
Работает коллиматор следующим образом.
Светодиоды 8, 9 и 10 по очереди испускают свет, соответственно, красного, зеленого и синего цвета ультракороткими импульсами. Луч света от светодиода 9 зеленого цвета проходит через дихроические зеркала 11,12 на матрицу микролинз 19. Луч света от светодиода 8 красного цвета отражается от дихроического зеркала 11 в сторону матрицы микролинз 19. В свою очередь, луч света от светодиода 10 синего цвета отражается от дихроического зеркала 12 в сторону матрицы микролинз 19. Таким образом, лучи зеленого, красного и синего цвета по очереди, пройдя через матрицу микролинз 19, отражаются от зеркала 20 и направляются прямоугольной двояковыпуклой линзой 21 на цифровое микрозеркальное устройство 2.
Пройдя через призму 22 лучи света попадают на матрицу микрозеркал цифрового микрозеркального устройства 2. Посредством команд от компьютера микрозеркала матрицы выборочно занимают одно из двух крайних положений. При этом в одном крайнем положении микрозеркала матрицы находятся под углом +α, а в другом крайнем положении - под углом -α по отношению к оптической оси цифрового микрозеркального устройства 2.
Микрозеркала, находящиеся в одном из двух крайних положений, например под углом +α, формируют нужное изображение. За счет длительности периодов свечения светодиодов 8, 9 и 10 и положения микрозеркал матрицы, освещенных, соответственно, зеленым, красным или синим цветом, формируется цветное изображение. Это изображение отражается гранью призмы 22, на которую нанесено покрытие, в направлении объектива 3.
Пройдя через сквозное окно в шторке 23 изображение, отраженное гранью призмы 22, попадает на объектив 3. Изображение, сформированное микрозеркалами матрицы цифрового микрозеркального устройства 2, находящимися в это время в другом крайнем положении, например под углом -α, отражается гранью призмы 22 на непрозрачную часть шторки 23, где частично поглощается, а частично отражается в окружающее пространство, не попадая в объектив 3.
Объектив 3 увеличивает изображение, прошедшее через сквозное окно в шторке 23, и направляет его на промежуточный экран 4. Промежуточный экран 4 отображает это изображение, делая его видимым, т.е. визуализирует. После этого это изображение направляется на оптическую систему 5, которая коллимирует это изображение. Зеркало 6 отражает коллимированное изображение на первый объединитель 7 и второй объединитель 24. Объединители 7 и 24 отражают это изображение в сторону наблюдателя. За счет того, что это изображение коллимировано, наблюдатель видит его наложенным на реальное изображение, расположенное на оптической оси взгляда наблюдателя в закабинном пространстве летательного аппарата. Это позволяет пилоту видеть нужную ему информацию, не переводя взгляд на панель приборов.