Оптическая система проекционного бортового индикатора
Использование: в оптическом приборостроении, а также в авиационной промышленности, в частности в авиационных оптических прицелах, устройствах индикации перед лобовым стеклом кабины пилотов и т.п.
Задача: обеспечение безопасности полета за счет исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота как вдоль оптической оси, так и перпендикулярно ей за счет обеспечения больших размеров входного зрачка оптической системы проекционного бортового индикатора и расстояний от него до комбинера.
Сущность: в оптической системе проекционного бортового индикатора, содержащей вогнутое сферическое светоделительное зеркало с радиусом кривизны R, плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, сферический диффузнорассеивающий экран, проекционный объектив, состоящий из двух компонентов и апертурной диафрагмы (AD), первый из компонентов выполнен в виде одиночного мениска с отрицательной оптической силой 
I, обращенного выпуклостью к сферическому диффузнорассеивающему экрану с радиусом кривизны R/2, второй компонент выполнен из склеенной линзы с отрицательной оптической силой II,1, и двухлинзового элемента с положительной оптической силой II,2, содержащего двояковогнутую и двояковыпуклую линзы, а также жидкокристаллический дисплей и конденсор, апертурная диафрагма (AD) установлена между первым и вторым компонентами в переднем фокусе второго компонента, во второй компонент введены склеенная линза с положительной оптической силой II,3, установленная между апертурной диафрагмой (AD) и склеенной линзой с отрицательной оптической силой II,1, и менисковая линза с положительной оптической силой II,4, обращенная вогнутостью к сферическому диффузнорассеивающему экрану, установленная за склеенной линзой с отрицательной оптической силой I,1, причем двояковогнутая и двояковыпуклая линзы двухлинзового элемента с положительной оптической силой II,2 установлены с воздушным промежутком, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:
0,2<|I/экв|<0,3|
0,4<|II,1/экв|<0,5
0,1<II,2/экв<0,25
0,9<II,3/экв<1,1
0,45<II,4/экв<0,6
где фэкв - эквивалентная оптическая сила объектива в целом.
1 н.п. ф-лы, 1 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в авиационной промышленности, в частности для авиационных оптических прицелов, устройств индикации перед лобовым стеклом кабины пилотов и т.п.
Устройства бортовой индикации представляют собой оптическую систему, обеспечивающую наложение на реальную картину внешнего пространства различной символьной информации, воспринимаемой пилотом за счет положительного яркостного контраста. Эффект наложения обеспечивается путем применения в индикаторе оптических светоделителей, частично пропускающих лучи света от внешнего пространства и отражающих лучи света, идущие от сколлимированного мнимого изображения информационной картины. Источником изображения информационной картины являются высокояркостные экраны, дисплеи которых совмещены с передней фокальной поверхностью оптической системы проекционного бортового индикатора (ОСПБИ).
Основными требованиями, предъявляемыми к ОСПБИ являются:
- Большое выходное поле зрения не менее чем 30° по горизонтали и 20° по вертикали, определяющее информативные возможности индикатора;
- Значительный вынос входного зрачка - плоскости расположения глаза пилота от отражающего светоделителя (комбинера) на расстоянии более 300 мм;
- Значительные размеры входного зрачка не менее 160 мм по горизонту и 100 мм по вертикали, обеспечивающие возможность наблюдения информации при движении головы пилота в пределах 
х=80 мм по горизонту и у=±50 мм по вертикали;
- Минимальные дисторсионные искажения изображения объектов; - Необходимость применения в качестве дисплея для формирования изображения символьной или иной информации - жидкокристаллических панелей ЖСК дисплеев;
- Конструктивная возможность вывода комбинера из хода лучей для обеспечения наблюдения объектов только пространства объектов.
Известен ряд ОСПБИ [1-2], установленных перед лобовым стеклом кабины самолета.
В известных оптических системах [1-2] в качестве отражающего светоделительного зеркала (комбинера) использованы плоские поверхности, а ОСПБИ представляет собой коллиматорные объективы, в фокальных плоскостях которых установлены светящиеся экраны.
Недостатки таких оптических систем заключаются в том, что они не обеспечивают требуемых больших угловых полей зрения из-за ограниченных размеров объектива. Действительно, угловое поле 2 со связано с диаметром (D) объектива соотношением:
D=2Stg(
)×Dвх.зр,где
S - расстояние от глаз пилота до объектива, Dвх зр - диаметр входного зрачка.
Поскольку значение - S=300 мм, то уже при 2=30° должен быть диаметр объектива D
160-270 мм.
Оптическая система проекционного бортового индикатора [3] выполнена в виде вогнутого сферического светоделительного зеркала, плоского светоделительного зеркала, установленного наклонно к оптической оси, проекционного объектива и дисплея, содержащего электронно-лучевую трубку (ЭЛТ).
Недостатком такой ОСПБИ является невозможность использования ЖК дисплея для формирования информационного изображения.
Недостатком ОСПБИ [4], содержащей светоделительное вогнутое сферическое зеркало и плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, диффузнорассеивающий экран, проекционный объектив и ЖСК дисплей, является малое угловое поле зрения.
Недостатком ОСПБИ [5], содержащей светоделительное вогнутое сферическое зеркало и плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, диффузнорассеивающий экран, проекционный объектив и дисплей, является малые угловое поле зрения и размер входящего зрачка.
Недостатком ОСПБИ [6], содержащей светоделительное вогнутое сферическое зеркало и установленное наклонно к оптической оси плоское зеркала, проекционный объектив, ЖСК-дисплей, является малый размер входного зрачка.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является ОСПБИ [7]. "
Оптическая система проекционного бортового индикатора содержит вогнутое сферическое светоделительное зеркало с радиусом кривизны R, плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, сферический диффузнорассеивающий экран, проекционный объектив, жидкокристаллический дисплей и конденсор.
Проекционный объектив состоит из двух компонентов и апертурной диафрагмы (AD), первый из компонентов выполнен в виде одиночного мениска с отрицательной оптической силой I обращенного выпуклостью к сферическому диффузнорассеивающему экрану с радиусом кривизны R/2, второй компонент, выполнен из склеенной линзы с отрицательной оптической силой II,1 и двухлинзового элемента с положительной оптической силой II,2 содержащего двояковогнутую и двояковыпуклую линзы, склеенные между собой.
Недостатками ОСПБИ являются возможность ее применения только для малых расстояний от глаз пилота до светоделительного зеркала, т.е. для значений S<50 мм; отсутствие возможности движения головы пилота в процессе наблюдения символьной информации из-за строго фиксированного положения ОСПБИ относительно головы пилота.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение безопасности полета за счет исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота как вдоль оптической оси, так и перпендикулярно ей за счет обеспечения больших размеров входного зрачка ОСПБИ и расстояний от него до комбинера.
Для решения поставленной задачи предлагается оптическая система проекционного бортового индикатора, которая, как и прототип, содержит вогнутое сферическое светоделительное зеркало с радиусом кривизны R, плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, сферический диффузнорассеивающий экран, проекционный объектив, состоящий из двух компонентов и апертурной диафрагмы (AD), первый из компонентов выполнен в виде одиночного мениска с отрицательной оптической силой I, обращенного выпуклостью к сферическому диффузнорассеивающему экрану с радиусом кривизны R/2, второй компонент выполнен из склеенной линзы с отрицательной оптической силой II,1, и двухлинзового элемента с положительной оптической силой II,2, содержащего двояковогнутую и двояковыпуклую линзы, а также жидкокристаллический дисплей и конденсор,.
В отличие от прототипа в предлагаемой оптической системе проекционного бортового индикатора апертурная диафрагма (AD) установлена между первым и вторым компонентами в переднем фокусе второго компонента, во второй компонент введены склеенная линза с положительной оптической силой II,3, установленная между апертурной диафрагмой (AD) и склеенной линзой с отрицательной оптической силой II,1, и менисковая линза с положительной оптической силой II,4, обращенная вогнутостью к сферическому диффузнорассеивающему экрану, установленная за склеенной линзой с отрицательной оптической силой II,1, причем двояковогнутая и двояковыпуклая линзы двухлинзового элемента с положительной оптической силой II,2 установлены с воздушным промежутком, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:
0,2<|I/экв|<0,3|
0,4<|II,1/экв|<0,5
0,1<II,2/экв<0,25
0,9<II,3/экв<1,1
0,45<II,4/экв<0,6
где экв - эквивалентная оптическая сила объектива в целом.
Сущность" предлагаемой оптической системы проекционного бортового индикатора заключается в следующем.
Установка апертурной диафрагмы (AD) между первым и вторым компонентами в переднем фокусе второго компонента обеспечивает телецентрический ход главных лучей в пространстве жидкокристаллического дисплея.
Поляризованное излучение от источника после конденсора с параллельным ходом лучей освещает жидкокристаллический дисплей и после отражения от его поверхности заполняет апертурную диафрагму (AD) проекционного объектива, создавая наибольшую и равномерную яркость жидкокристаллического дисплея.
Введение во второй компонент между апертурной диафрагмой (AD) и склеенной линзой с отрицательной оптической силой II,1 склеенной линзы с положительной оптической силой II,3, а за склеенной линзой с отрицательной оптической силой II,1 менисковой линзы с положительной оптической силой II,4, обращенной вогнутостью к сферическому диффузнорассеивающему экрану позволило увеличить апертуру объектива в пространстве жидкокристаллического дисплея и тем самым увеличить освещенность изображения на сферическом диффузнорассеивающем экране, внесло положительные аберрации, кому, астигматизм, хроматизм увеличения и отрицательный хроматизм положения, что позволило скомпенсировать аберрации, вносимые остальными линзами проекционного объектива.
Установка двояковогнутой и двояковыпуклой линз двухлинзового элемента с положительной оптической, силой II,2 с, воздушным промежутком позволило, устранить хроматизм положения и увеличения, а также астигматизм.
Выполнение линз с оптическими силами, удовлетворяющими условию:
0,2<|I/экв|<0,3|
0,4<|II,1/экв|<0,5
0,1<II,2/экв<0,25
0,9<II,3/экв<1,1
0,45<II,4/экв<0,6
где экв - эквивалентная оптическая сила объектива в целом позволило получить заданные значения кривизны поверхности сферического диффузнорассеивающего экрана, равного фокусному расстоянию (f) вогнутого сферического светоделительного зеркала, f=R/2, где R - радиус кривизны вогнутого сферического светоделительного зеркала и компенсировать дисторсию проекционного объектива на сферическом диффузнорассеивающем экране.
Сущность предлагаемой полезной модели 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.
Предлагаемая оптическая система проекционного бортового индикатора состоит из вогнутого сферического светоделительного зеркала 1, со светоделительной отражающей поверхностью 2 радиуса R, плоского светоделительного зеркала 3 со светоделительной отражающей поверхностью 4, сферического диффузнорассеивающего экрана 5 с радиусом R/2, проекционного объектива, состоящего из первого компонента, выполненного в виде одиночного мениска 6 с отрицательной оптической силой I обращенного выпуклостью к сферическому диффузнорассеивающему экрану 5, апертурной диафрагмы (AD) 7 и второго компонента, содержащего склеенную линзу 8 с отрицательной оптической силой II,1, двухлинзовый элемент 9 с положительной оптической силой II,2, выполненного в виде двояковогнутой и двояковыпуклой линз, установленных с воздушным промежутком, склеенную линзу 10 с положительной оптической силой II,3, менисковую линзу 11 с положительной оптической силой II,4, обращенную вогнутостью к сферическому диффузнорассеивающему экрану 5.
Жидкокристаллический дисплей 12 освещается источником 13 с помощью конденсора 14 и поляризационной призмы 15.
Зрачок глаза 16 может перемещаться по горизонту на ±х и по вертикали (в плоскости чертежа) на±у в плоскости входного зрачка 17, наблюдая объект 18 и одновременно изображение символьной информации с жидкокристаллического дисплея 12 на сферическом диффузнорассеивающем экране 5.
Работа оптической системы проекционного бортового индикатора осуществляется следующим образом.
В обратном ходе лучей параллельные пучки света от каждого глаза пилота, диаметром, равным диаметру входного зрачка глаза (2-4 мм), после отражения от вогнутого сферического зеркала 1 и плоского светоделительного зеркала 3 фокусируется на сферической поверхности диффузнорассеивающего экрана 5, расположенном в фокусе вогнутого сферического зеркала 1.
Проекционный объектив 6-11 сопрягает поверхность жидкокристаллического дисплея 12 с поверхностью диффузнорассеивающего экрана 5. Таким образом, оптическая система проекционного бортового индикатора представляет собой монокулярную широкоугольную лупу, в фокусе которой установлен диффузнорассеивающий экран 5, на который проектируется информация с жидкокристаллического дисплея 12. Пилот одновременно наблюдает поверхность диффузнорассеивающего экрана 5 на фоне внешнего объекта 18.
Для освещения жидкокристаллического дисплея 12 используется осветительная система, состоящая из источника излучения (светодиода) 13, расположенного в фокусе конденсора 14. Параллельный пучок излучения после конденсора 14 отражается от поляризационной поверхности призмы 15, которая отражает Р-поляризацию и пропускает S-поляризацию. Отраженное от жидкокристаллического дисплея 12 Р-излучение поворачивается на 90° и фокусируется в плоскости апертурной диафрагмы (AD) 7, заполняя ее диаметр. Проекционный объектив 6-11 работает с увеличением 5,7х для прилагаемого примера в направлении к диффузнорассеивающему экран 5.
Наибольшие апертуры, при которых обеспечивается поляризация призмой 15 не превышает 0,13-0,15. При увеличении 5,7х, апертура в пространстве изображения на диффузнорассеивающем экране 5 составляет 0,02-,025. Для обеспечения возможности наблюдения информации при смещении головы пилота на х=±80 мм, у=±50 мм требуется, чтобы апертура (
) рассеяния диффузнорассеивающего экрана 5 составляла не менее 
, например, при R=360 мм 24°, или апертура sin0,4.
Для обеспечения апертуры sin0,4-0,5 применяется диффузнорассеиваюшйй экран 5, который преобразует падающую на него апертуру 0,025 после прохождения излучения через него до 0,4-0,5.
В качестве примера приведена оптическая система проекционного бортового индикатора со следующими параметрами, приведенными в Приложении.
1. Российская Федерация, патент на изобретение 
2358304, МПК: G02В 27/08, G02В 27/01, опубл. 10.06.2009 г.
2. Российская Федерация, патент на изобретение 2358303, МПК: G02В 27/08, G02В 27/01, опубл. 10.06.2009 г.
3. США, патент на изобретение 5907416, МПК: G02В 27/01, G09В 9/30, опубл. 25.05.1999 г.
4. Франция, патент на изобретение 2858068, МПК: G02В 27/01, опубл. 28.01.2005 г.
5. США, патент на изобретение 7391574, МПК: G02В 27/14, опубл. 20.09.2007 г.
6. США, патент на изобретение 8089568, МПК: G02В 27/01, G02F 1/1335, опубл. 03.01.2012 г.
7. США, патент на изобретение 5483307, МПК: G02В 26/08, G02В 27/01, G02В 27/02, G02В 27/00, опубл. 09.01.1996 г. - прототип.
Оптическая система проекционного бортового индикатора, содержащая вогнутое сферическое светоделительное зеркало с радиусом кривизны R, плоское светоделительное зеркало, установленное наклонно к оптической оси, сферический диффузно-рассеивающий экран, проекционный объектив, состоящий из двух компонентов и апертурной диафрагмы (AD), первый из компонентов выполнен в виде одиночного мениска с отрицательной оптической силой I, обращенного выпуклостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану с радиусом кривизны R/2, второй компонент выполнен из склеенной линзы с отрицательной оптической силой II,1, и двухлинзового элемента с положительной оптической силой II,2, содержащего двояковогнутую и двояковыпуклую линзы, а также жидкокристаллический дисплей и конденсор, отличающаяся тем, что апертурная диафрагма (AD) установлена между первым и вторым компонентами в переднем фокусе второго компонента, во второй компонент введены склеенная линза с положительной оптической силой II,3, установленная между апертурной диафрагмой (AD) и склеенной линзой с отрицательной оптической силой II,1, и менисковая линза с положительной оптической силой II,4, обращенная вогнутостью к сферическому диффузно-рассеивающему экрану, установленная за склеенной линзой с отрицательной оптической силой II,1, причем двояковогнутая и двояковыпуклая линзы двухлинзового элемента с положительной оптической силой II,2 установлены с воздушным промежутком, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию
0,2<|I/ЭКВ\<0,3\
0,4<|II,1/ЭКВ\<0,5
0,1<II,2/ЭКВ<0,25
0,9<II,3/ЭКВ<1,1
0,45<II,4/ЭКВ<0,6
где экв - эквивалентная оптическая сила объектива в целом.
