Оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера

Использование: в области оптического приборостроения при наблюдении объектов в авиационных тренажерах для улучшения их технических характеристик. Задача: повышение светосилы за счет повышения коэффициента пропускания и упрощение конструкции. Сущность: в оптическом коллимационном устройстве авиационного тренажера, содержащем сферическое вогнутое зеркало и экран монитора, управляемый компьютером, размещенные на оптической и визирной осях устройства, визирная ось расположена под углом а к оптической оси устройства, а экран монитора установлен под углом 90°-(0,5-1,0) к оптической оси, при этом вершина угла 90°-(0,5-1,0) расположена между фокусом сферического вогнутого зеркала и центром его поверхности, на расстоянии от центра сферического зеркала, равном причем угол удовлетворяет условию: где R - радиус кривизны сферического зеркала, 2у - высота экрана монитора.

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения, в частности, к линзовым и зеркальным коллимационным устройствам наблюдения объектов в авиационных тренажерах, и может быть использована для улучшения их технических характеристик, а именно для увеличения светосилы, упрощения конструкции и т.д.

Известны аналогичные линзовые коллимационные устройства, в фокальной плоскости которых установлен объект. Объект через линзовый объектив коллимационного устройства рассматривается наблюдателем.

Таким образом, линзовые коллимационные устройства представляют собой наблюдательную бинокулярную лупу, в фокальной плоскости которой установлен объект, а параллельно ходу лучей за объективом (линзовый) - оба глаза наблюдателя [1].

Недостатками таких линзовых коллимационных устройств в применении к авиационным тренажерам являются ограниченные угловые поля наблюдения. Это обусловлено следующими факторами:

1. Угловые поля наблюдения должны быть не менее 40 по горизонтали и 30° по высоте, при этом расстояние от наблюдателя до объектива должно быть не менее одного метра для обеспечения установки рукояток управления тренажера.

В этом случае габариты линзового объектива становятся весьма громоздкими (примерно 600×800 мм) и технологически труднореализуемыми.

2. Фокусное расстояние линзового объектива определяется размерами используемого экрана монитора, так для экрана 23^'' составляет порядка 600-700 мм.. Это приводит к необходимости использования много

линзового крупногабаритного объектива, что существенно усложняет конструкцию тренажера.

Известно аналогичное зеркальное коллимационное устройство [2], включающее вогнутое сферическое зеркало, обеспечивающее большой угол обзора, вплоть до 180°, сферический экран и проектора, формирующие изображение объекта на экране.

Недостатками такого устройства являются: сложная реализация устройства, требующая применение сферического экрана и проекторов и, тем самым, невозможность использования дисплейных устройств.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является оптическое коллимационное устройство [3].

Оптическое коллимационное устройство, принятое за прототип, содержит сферическое вогнутое зеркало, выполняющее функцию объектива, светоделительную пластинку и экран монитора, управляемый компьютером и установленный в фокальной плоскости зеркала.

Наблюдатель рассматривает объект на экране монитора через светоделительную пластинку. Визирная ось коллимационного устройства совпадает с его оптической осью.

Недостатком такого коллимационного устройства является низкая светосила, обусловленная потерями на отражение и пропускание при прохождении лучей через пластинку и сложность конструкции.

Коэффициент пропускания такой системы менее 0,25.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение светосилы за счет повышения коэффициента пропускания и упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи предлагается оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера, которое, как и прототип, содержит сферическое вогнутое зеркало и экран монитора, управляемый компьютером, размещенные на оптической и визирной осях устройства.

В отличие от прототипа визирная ось расположена под углом а к оптической оси устройства, а экран монитора установлен под углом 90°-(0,5-1,0) к оптической оси, при этом вершина угла 90°-(0,5-1,0) расположена между фокусом сферического вогнутого зеркала и центром его поверхности на расстоянии от центра сферического зеркала, равном

причем угол удовлетворяет условию:

где R - радиус кривизны сферического зеркала, 2у - высота экрана монитора.

Сущность предлагаемого оптического коллимационного устройства заключается в том, что визирная ось расположена под углом к оптической оси устройства, что позволяет исключить светоделительную пластинку из оптической схемы и тем самым увеличить коэффициент пропускания более, чем в четыре раза.

Выбор параметров с описанным выше соотношениями позволил реализовать угол между визирной и оптической осями с высоким качеством изображения по всему полю.

Таким образом, расположение оптических элементов так, что визирная ось и оптическая ось не совпадают, а визирная ось наклонена на угол , позволило исключить светоделительную пластинку и увеличить не менее, чем в четыре раза коэффициент пропускания.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется чертежом, на котором представлена общая схема оптического коллимационного устройства авиационного тренажера.

Оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера состоит из вогнутого сферического зеркала 1 и экрана монитора 2, управляемого компьютером (на чертеже не показан).

Оптическая ось АС, проходящая через точку А на зеркале 1 и центр кривизны зеркала - точку С.

ОАВ - визирная ось оптического коллимационного устройства, где точка О - глаз наблюдателя 3.

Визирная ось ОАВ расположена под углом а к оптической оси АС устройства, а экран монитора 2 установлен под углом 90-(0,5-1,0) к оптической оси АС, при этом вершина угла 90-(0,5-1,0) расположена между фокусом F сферического вогнутого зеркала и центром его поверхности А, на расстоянии от центра А сферического зеркала 1, равном

при этом угол удовлетворяет условию:

где R - радиус кривизны сферического зеркала 1, 2у - высота экрана монитора 2.

Работа оптического коллимационного устройства авиационного тренажера осуществляется следующим образом.

Лучи, исходящие из каждой точки на объекте-экране монитора 2 после отражения от вогнутого сферического зеркала 1, попадают в зрачок глаза наблюдателя 3. Или в обратном ходе лучей, параллельный пучок света из точки 3 с диаметром, равным диаметру зрачка глаза под углом _i к визирной оси падает на зеркало 1, отражается от него и фокусируется на экране монитора 2.

Как видно из чертежа, в его плоскости по высоте максимальный угол обзора составляет 2 _mах. В плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа - угол обзора по горизонтали равен 2 _max. Т.о. наблюдатель резко видит объект с углами:

2 _mах - по высоте и 2 _mах - по ширине (по горизонтали - на чертеже не показан).

Экран монитора установлен под углом 90°-(0,5-1,0) к оптической оси, при этом вершина угла 90°- расположена между фокусом F сферического вогнутого зеркала и центром его поверхности.

Этот интервал углов выбран из условия, чтобы астигматизм по всему размеру экрана был минимальным.

Расстояние от центра зеркала А до экрана - до точки В по визирной оси определяется расстоянием, равным:

где R - радиус кривизны зеркала, расстояние АС.

Это расстояние выбрано из условия, чтобы меридиональный и сагиттальный фокуса зеркала, обусловленные углом а, располагались в противоположные стороны оси экрана на одинаковых расстояниях. В этом случае аберрационный кружок рассеяния по всему полю экрана минимизирован.

Угол удовлетворяет условию:

где 2у - высота экрана монитора.

Такой выбор параметров обеспечивает без экранирования наблюдения всего экрана по высоте, т.е. прохождению лучей для углов визирования ± _mах.

Прилагается расчет оптического коллимационного устройства со следующими параметрами.

- Радиус кривизны зеркала R=1300 мм.

- Расстояние от вершины зеркала до экрана монитора - АВ=620 мм

- Угол =20° 25^'

- Экран установлен под углом 75° к оптической оси устройства

- Смещение центра экрана с оси - 222 мм

Расстояние от зрачка глаза наблюдателя до вершины зеркала ОА=1289 мм

- Размер монитора - 23^", соотношение сторон 3:4.

При этом обеспечивается диапазон углов:

по высоте 2 _maх=30°

по горизонту 2 _mах=40°

Коэффициент пропускания близкий к единице ˜ 0,96. Преимущества предлагаемого оптического коллимационного устройства заключаются в высокой светосиле, обусловленной высоким коэффициентом пропускания, а также в упрощении конструкции устройства.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. В.Н.Чуриловский. Теория оптических приборов. Изд. Машиностроение, 1966 г.

2. ЕПВ (ЕР), заявка №0487385, МПК: G 09 В 9/08, 1993 г.

3. Оптическое коллимационное устройство, выпускаемое по технической документации ОАО «ЭРА», г.Пенза, ОКУ-61-45-3 - прототип.

Оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера, содержащее сферическое вогнутое зеркало и экран монитора, управляемый компьютером, размещенные на оптической и визирной осях устройства, отличающееся тем, что визирная ось расположена под углом к оптической оси устройства, а экран монитора установлен под углом 90°-(0,5-1,0) к оптической оси, при этом вершина угла 90°-(0,5-1,0) расположена между фокусом сферического вогнутого зеркала и центром его поверхности, на расстоянии от центра сферического зеркала, равном

причем угол удовлетворяет условию

где R - радиус кривизны сферического зеркала;

2y - высота экрана монитора.