Оптическая система проекционного бортового индикатора
Использование: в оптическом приборостроении и может найти применение в авиационной промышленности, в частности для авиационных оптических прицелов, устройств индикации на лобовом стекле кабины пилота и т.п. Задача: обеспечение безопасности полета и повышение точности наведения на объект за счет увеличения углового поля и исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота. Сущность: в оптической системе проекционного бортового индикатора, содержащей сферическое светоделительное зеркало радиуса R0, установленное под углом 
0 к визирной оси, вторичное зеркало, выполненное в виде клина с углом 1 и со сферической отражающей поверхностью радиуса R2 на его второй поверхности, линзовую проекционную оптическую систему и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом оптической системы, первая поверхность клина выполнена сферической с радиусом R 1, при этом R1, R 2, 1 удовлетворяют условию:
R 1=(2,3÷4,2)R0; R 2=(7÷13)R0; 1=(0,30÷0,45)0,
кроме того, первая линза проекционной оптической системы выполнена сфероцилиндрической и наклонена на угол 2 к оптической оси в сторону клина, при этом 2=-(0,35÷0,55)0, а последняя линза проекционной оптической системы выполнена плосковыпуклой, эллиптической и смещена в направлении, перпендикулярном оптической оси.
Кроме того, в оптической системе проекционного бортового индикатора сферическое светоделительное зеркало выполнено клиновидным, с углом клина 3, удовлетворяющим условию: 3·10 -30<3<10-20., а величина смещения в направлении, перпендикулярном оптической оси 
, удовлетворяет условию:
=10,5+0,485t+0,077t2, где t=0-26,5° при 0=20÷30°.
1 н.п. ф-лы, 2 з.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 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 ±60 мм по горизонту и ±35 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 (2
), определенное из формулы
tg(2)=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 заявляемой полезной модели является ОСПБИ [8].
ОСПБИ состоит из вогнутого сферического зеркала со светоделительным или топографическим покрытием, установленного под углом 0 к визирной оси, вторичное зеркало, представляющее собой
призменный блок и клин с углом 1 со сферической отражающей поверхностью радиуса R2 на второй поверхности, проекционной системы и дисплея, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом всей оптической системы, включающей в себя сферическое зеркало, вторичное зеркало и проекционную систему.
Оптическая ось системы проекции дисплея и визирная ось в пространстве наблюдателя совмещены.
Недостатками ОСПБИ являются:
- ограниченное угловое поле и малые допустимые значения смещения глаза наблюдателя в плоскости входного зрачка;
- крупногабаритные размеры призмы из-за двухкратного отражения от поверхностей, увеличивающие вес устройства, наличие бликов от поверхностей призм, разделенных малым воздушным промежутком.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение безопасности полета и повышение точности наведения на объект за счет увеличения углового поля и исключения потери информации с дисплея при движении головы пилота.
Для решения поставленной задачи предлагается оптическая система проекционного бортового индикатора, которая, как и прототип, содержит сферическое светоделительное зеркало радиуса R0, установленное под углом 0 к визирной оси, вторичное зеркало, выполненное в виде клина с углом 1 и со сферической отражающей поверхностью радиуса R2 на его второй поверхности, линзовую проекционную оптическую систему и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом оптической системы.
В отличие от прототипа, в предлагаемой оптической системе проекционного бортового индикатора первая поверхность клина выполнена сферической с радиусом R1, при этом R 1, R2, 1 удовлетворяют условию:
R 1=(2,3÷4,2)R0; R 2=(7÷13)R0; 1=(0,30÷0,45)0,
при этом первая линза проекционной оптической системы выполнена сфероцилиндрической и наклонена на угол 2 к оптической оси в сторону клина, при этом 2=-(0,35÷0,55)0, а последняя линза проекционной оптической системы выполнена плосковыпуклой, эллиптической и смещена в направлении, перпендикулярном оптической оси.
Кроме того, в предлагаемом устройстве сферическое светоделительное зеркало выполнено клиновидным, с углом клина 3, удовлетворяющим условию: 3·10 -30<3<10-20, а величина смещения в направлении, перпендикулярном оптической оси , удовлетворяет условию:
=10,5+0,485t+0,077t2, где t=0-26,5° при 0=20÷30°.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что выполнение первой поверхности светоделительного зеркала сферической, а также выполнение зеркального клина со сферическими поверхностями, а первой линзы проекционной оптической системы сфероцилиндрической и наклоненной к оптической оси в сторону клина, и последней линзы проекционной оптической системы - плосковыпуклой, эллиптической и смещенной в направлении, перпендикулярном оптической оси, позволило скорректировать нецентрированные аберрации, вносимые сферическим зеркалом, наклоненным на угол 0 к визирной оси, и смещением центра входного зрачка в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Зеркало, работающее под углом 0, вносит искажения изображения (аберрации), существенную часть которых составляют различного вида дисторсии, кривизна изображения и астигматизм, пропорциональный величине:
Z=(Z'm-Z' s)˜R0[sin(0+i)]2/[cos(0+i)],
где i - угол отклонения луча от 0.
Для центрального луча угол i равен 0. При смещении положения глаза пилота в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также при изменении угла поля , значение i меняется в достаточно больших пределах. Поэтому для каждого направления главного луча, исходящего из глаза пилота, значения астигматизма имеют различную величину.
Другая аберрация, редко встречаемая в центрированных системах, - разновидность дисторсии, называемая параллаксом, т.е. разность полевых углов =-0, где 0 - угол поля для положения зрачка глаза, при котором смещение по горизонту у и по вертикали х относительно визирной оси равно нулю. Данному углу на дисплее соответствует точка с координатами y' 0, z'0: - угол, под которым виден объект с координатами y' 0, z'0, для случая y и х не равно нулю. Важно стремиться к тому, чтобы параллакс был менее 10 угл. Минут в достаточно большом окне наблюдения, т.е. y>50 мм, х>30 мм при >15°. Параллакс пропорционален углу (0+i)3 и является переменной, зависящей от значений y и х.
Выполнение первой поверхности клина сферической устраняет кривизну изображения, второй - уменьшает астигматизм в углах прямоугольного поля.
Выполнение первой линзы проекционной оптической системы сфероцилиндрической позволяет уменьшить габариты системы в сагиттальной и, одновременно, уменьшить разность меридионального и сагиттального увеличений, т.е. анаморфозу изображения.
Наклон сфероцилиндрической линзы относительно проекционного объектива устраняет кому в горизонтальном сечении изображения. Поперечное смещение плоскоэллиптической линзы в меридиональной плоскости относительно оси устраняет кому в вертикальном сечении изображения.
Наличие клина 1 на светоделительном зеркале позволяет минимизировать разность углов падающего и прошедшего через него лучей и тем самым уменьшить постоянную составляющую дисторсии наблюдаемых объектов.
Сущность заявляемой 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 сферического зеркала 1 со светоделительной отражающей поверхностью 2 радиуса R0, клином 3 с углом 3, причем 3 удовлетворяет условию 3·10 -30<3<10-20, вторичного зеркала 4, выполненного в виде клина 5 со сферической первой поверхностью 6 с радиусом R1 и второй сферической отражающей поверхностью 7 с радиусом R2, причем R 1, R2, 1 удовлетворяют условию:
R 1=(2,3÷4,2)R0; R 2=(7÷13)R0; 1=(0,30÷0,45)0,
проекционной оптической системы, состоящей из осесимметричного блока 8, сфероцилиндрической линзы 9, наклоненной на угол 2 к оптической оси, и плосковыпуклой линзы 10 с эллиптической поверхностью, смещенной на величину перпендикулярно оптической оси, причем
2=-(0,35...0,55)0,
=10,6+0,485t+0,077t2, где t=0-26,5°, 0=20°...30°, из светоделительной призмы 11 для одновременной установки дисплея 12 и сетки 13, которые расположены в эквивалентном фокусе всей системы F'.
Зрачок глаза 14 может перемещаться по горизонту на ±х и по вертикали (в плоскости чертежа) на ±y, 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 4. Проекционная оптическая система 8, 9 и 10 сопрягает промежуточное изображение, даваемое сферическим зеркалом 1 и поверхностью дисплея 12 или сетки 13.
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.
Проекционная оптическая система 8, 9 и 10 работает с увеличением 
<1, при этом эквивалентное фокусное расстояние f' экв.<·R0/2 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 без параллаксное 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: G02В 27/01, 27/14, 1976 г.
2. Германия, патент №19806310, МПК: G02В 27/01, 1998 г.
3. ЕР, патент №0009332, МПК: G02В 27/00, G02В 5/32, 1989 г.
4. Великобритания, патент №2163869, МПК: G02В 27/00, 1984 г.
5. США, патент №4611877, МПК: G02В 27/14, 1986 г.
6. Великобритания, патент №2049984, МПК: G02В 27/10, 1979 г.
7. США, патент №4832449, МПК: G02В 27/14, 1987 г.
8. США, патент №6392812, МПК: G02В 27/14, 2002 г. - прототип.
1. Оптическая система проекционного бортового индикатора, содержащая сферическое светоделительное зеркало радиуса R 0, установленное под углом 0 к визирной оси, вторичное зеркало, выполненное в виде клина с углом 1 и со сферической отражающей поверхностью радиуса R2 на его второй поверхности, линзовую проекционную оптическую систему и дисплей, поверхность которого совмещена с эквивалентным фокусом оптической системы, отличающаяся тем, что первая поверхность клина выполнена сферической с радиусом R1, при этом R1, R2, 1 удовлетворяют условию:
R 1=(2,3÷4,2)R0; R 2=(7÷13)R0; 1=(0,30÷0,45)0,
кроме того, первая линза проекционной оптической системы выполнена сфероцилиндрической и наклонена на угол 2 к оптической оси в сторону клина, при этом 2=-(0,35÷0,55)0, а последняя линза проекционной оптической системы выполнена плосковыпуклой, эллиптической и смещена в направлении, перпендикулярном оптической оси.
2. Оптическая система проекционного бортового индикатора по п.1, отличающаяся тем, что сферическое светоделительное зеркало выполнено клиновидным, с углом клина 3, удовлетворяющим условию: 3·10 -30<3<10-20.
3. Оптическая система проекционного бортового индикатора по п.1, отличающаяся тем, что величина смещения в направлении, перпендикулярном оптической оси , удовлетворяет условию:
=10,5+0,485t+0,077t2, где t=0-26,5° при 0=20÷30°.
