Оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера

Использование: в области оптического приборостроения, в частности, в линзовых и зеркальных коллимационных устройствах для наблюдения объектов в авиационных тренажерах. Задача: улучшение качества изображения за счет увеличения разрешающей способности, упрощение конструкции и уменьшение трудоемкости сборочных работ. Сущность: в оптическом коллимационном устройстве авиационного тренажера, выполненном внеосевым и децентрированным по апертуре, содержащем сегментное сферическое вогнутое зеркало, сегментный экран, установленный выпуклостью к сферическому вогнутому зеркалу, проекторы, каждый из которых содержит линзовый объектив и жидко-кристаллическую матрицу, центры кривизны сегментного сферического зеркала, сегментного экрана и точка пересечения оптических осей объективов проекторов совмещены, а радиус кривизны сегментного экрана удовлетворяет условию: R_Э=(0,6-0,7)R, где R - радиус сферического вогнутого зеркала. При этом сегментный экран выполнен отражающим, а многолинзовый объектив проектора удовлетворяет условию: где - оптическая сила i-ой линзы объектива, n_i - показатель преломления материала i-ой линзы. Кроме того, сегментный экран выполнен цилиндрическим, а образующая цилиндра наклонена на угол , равный =arctg t/R,

где t - расстояние между оптической осью коллимационного устройства и плоскостью, проходящей через центр входного зрачка и линию симметрии сегментного сферического зеркала. 1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 3 илл.

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.

Известно зеркальное коллимационное устройство [1], включающее вогнутое зеркало, оптическая ось которого наклонена относительно визирной оси, и экран монитора.

Недостатком такого коллимационного устройства является малый угол поля наблюдения, прежде всего по горизонтали, составляющий 30-40° и определяемый линейными размерами монитора. При этом возможна работа только одного пилота.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является зеркальное коллимационное устройство [2], включающее сегментное вогнутое сферическое зеркало, обеспечивающее большой угол обзора, 180 и более, сегментный сферический экран и проектор, формирующий изображение объекта на экране. Такое устройство при больших радиусах (R) кривизны зеркала R>2÷2,5 м обеспечивает возможность наблюдения объектов на экране двумя пилотами одновременно.

Недостатком такого устройства является пониженное качество изображения объекта - разрешающая способность, особенно при смещении глаз наблюдателя вдоль и поперек оси коллимационного устройства, сложная конструкция, обусловленная увеличенными размерами сферического зеркала для обеспечения формирования

изображения на отражающем экране от проектора, сложность юстировки из-за взаимных децентрировок сферического зеркала и экрана.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является улучшение качества изображения за счет увеличения разрешающей способности, упрощение конструкции и уменьшение трудоемкости сборочных работ.

Для решения поставленной задачи предлагается оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера, которое, как и прототип, выполнено внеосевым и децентрированным по апертуре, и содержит сегментное сферическое вогнутое зеркало, сегментный экран, установленный выпуклостью к сферическому вогнутому зеркалу, проекторы, каждый из которых содержит линзовый объектив и жидкокристаллическую матрицу.

В отличие от прототипа, центры кривизны сегментного сферического зеркала, сегментного экрана и точка пересечения оптических осей объективов проекторов совмещены, а радиус кривизны сегментного экрана удовлетворяет условию:

R_Э=(0,6÷0,7)R, где R - радиус сферического вогнутого зеркала.

При этом сегментный экран выполнен отражающим, а многолинзовый объектив проектора удовлетворяет условию:

где _i - оптическая сила i-ой линзы объектива, n _i - показатель преломления материала i-ой линзы.

Кроме того, сегментный экран выполнен цилиндрическим, а образующая цилиндра наклонена на угол , равный =arctg t/R,

где t - расстояние между оптической осью коллимационного устройства и плоскостью, проходящей через центр входного зрачка и линию симметрии сегментного сферического зеркала.

Сущность предлагаемого оптического коллимационного устройства заключается в том, что совмещение центров кривизны сферического зеркала, сегментного экрана и точки пересечения оптических осей объективов проекторов, и выполнение экрана с радиусом кривизны R_Э, удовлетворяющему условию:

R_Э =(0,6-0,7)R, где R - радиус сферического вогнутого зеркала, позволяет увеличить разрешающую способность системы в широких интервалах положения входных зрачков наблюдателя, существенно упростить конструкцию и упростить сборку и юстировку.

Аберрации оптической системы по полю экрана минимизированы и качество оптического изображения существенно не меняется, если положение головы пилота смещается вдоль и поперек оптической оси.

Выполнение сегментного экрана отражающим упрощает его конструкцию и повышает яркость объекта.

Объектив проектора проектирует объект на жидко-кристаллической матрице на экран. При этом отражающий экран расположен выпуклостью к объективу. Для коррекции кривизны выпуклого экрана многолинзовый проекционный объектив, состоящий из m-линз, выполнен таким образом, что сумма оптических сил линз _i, деленная на показатель преломления (n _i) материалов линз, удовлетворяет условию:

В этом случае кривизна изображения плоской жидкокристаллической матрицы на экране будет совпадать с кривизной экрана и тем самым качество оптического изображения, даваемого проектором, или качество рассматриваемого объекта на экране будет наилучшим.

Выполнение экрана в виде цилиндра упрощает его конструкцию и уменьшает трудоемкость при его изготовлении по сравнению со сферической поверхностью экрана. Например, экран может представлять собой металлический каркас, на который по цилиндрической образующей

натягивается экранная ткань, используемая для отражающих экранов. Установка экрана таким образом, чтобы его образующая была наклонена на угол , равный =arctg t/R, где t - расстояние между оптической осью коллимационного устройства и плоскостью, проходящей через центр входного зрачка и линию симметрии сегментного сферического зеркала позволяет минимизировать аберрации по полю и обеспечить наилучшую разрешающую способность.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков предлагаемого оптического коллимационного устройства позволяет решить поставленную задачу.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 - представлена общая оптическая схема коллимационного устройства авиационного тренажера со сферическим экраном; на фиг.2 - общая оптическая схема коллимационного устройства авиационного тренажера со сферическим экраном, вид сверху; на фиг.3 - общая оптическая схема коллимационного устройства авиационного тренажера с цилиндрическим экраном и Приложением, в котором представлены пространственная модель устройства и точечные диаграммы.

Оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера, состоит из сегментного сферического вогнутого зеркала 1, сегментного экрана 2, на котором формируется изображение объекта, даваемого объективом 3 и жидко-кристаллической матрицей 4 проектора 5.

Центры кривизны зеркала - C₁, экрана С₂, и точки пересечения оптических осей аа объективов 3 проекторов 5 - С₃, совмещены.

Центр входного зрачка 6 - середина расстояния между глазами пилота смещена на t относительно оптической оси АА коллимационного устройства. Линия ВВ - линия симметрии сферического зеркала 1.

Расстояние между сферическим зеркалом и экраном по оптической оси равно R-R_Э.

В оптическом коллимационном устройстве авиационного тренажера с цилиндрическим экраном 2 (фиг.3), образующая цилиндра наклонена на угол 9 к оптической оси АА.

Центр кривизны цилиндрического экрана С₂ совмещен с центром кривизны C₁ сферического зеркала 1 и точкой пересечения С₃ осей аа проекторов 5.

Работа оптического коллимационного устройства авиационного тренажера осуществляется следующим образом.

Проектора 5 проектируют объекты на поверхность экрана 2 так, что вся поверхность экрана становится объектом для наблюдения пилотом (наблюдателем) через сферическое зеркало 1.

Поверхность экрана 2 совмещена с фокальной поверхностью сферического зеркала 1, что делает наблюдательную систему коллимационной.

Лучи, исходящие из каждой точки на объекте-экране 2, после отражения от вогнутого сферического зеркала 1, попадают в зрачок газа наблюдателя 6.

В вертикальной плоскости угол обзора (по высоте) составляет 2₂, (фиг.1) а в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (фиг.2) -угол обзора в горизонтальной плоскости составляет 2₁=180° и более.

Совмещение центров кривизны сферического зеркала 1, экрана 2 и точки пересечения осей объективов 3 проекторов 5, а также выбор значения радиусов кривизны экрана R_Э дает наилучшее качество изображения при достаточно свободном положении наблюдателя 6 как вдоль оси, так и в направлении, перпендикулярном ей.

Прилагается расчет оптической схемы (по фиг.1) коллимационного устройства со следующими параметрами:

Радиус кривизны сферического вогнутого зеркала R=2500 мм;

Радиус кривизны сферического экрана R_Э=1600 мм;

Расстояние между вершинами сферического вогнутого зеркала и экрана по оптической оси АА - 900 мм;

Величина смещения t=1100 мм;

Расстояние от входного зрачка до вершины сферического зеркала по оси АА - S=2225 мм.

Точечные диаграммы для девяти точек по экрану: с координатами ₁=0°, 45°, 80° ₂=0°, 20°, -20° приведены в Приложении.

Диаграмма P1- получена при S=2225 мм и смещении у перпендикулярно оси, равное 0.

Диаграмма Р2 S=2225 мм у=-300 мм

Диаграмма Р3 S=1925 мм у=-300 мм

На диаграммах масштаб - 500 мкм, или в угловой мере - 1,5 минуты.

Из диаграммы видно, что при смещениях на±300 мм диаметры кружков рассеяния изменяются незначительно и составляют примерно 1,5'что говорит о хорошем качестве изображения.

Преимущества предлагаемого оптического коллимационного устройства заключаются в хорошем качестве изображения (разрешающей способности) при смещении входного зрачка (наблюдателя) в широких пределах и в возможности одновременного наблюдения объекта двумя наблюдателями, в упрощении конструкции и уменьшении трудоемкости сборочных работ за счет совмещения центров кривизны зеркала и экрана и точки пересечения оптических осей проекторов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, полезная модель 41529, МПК: G09В 9/08, 27.10.2004 г.

2. ЕПВ (ЕП), заявка 0487385, МПК: G09В 9/08, 1993 г. прототип.

1. Оптическое коллимационное устройство авиационного тренажера, выполненное внеосевым и децентрированным по апертуре, содержащее сегментное сферическое вогнутое зеркало, сегментный экран, установленный выпуклостью к сферическому вогнутому зеркалу, проекторы, каждый из которых содержит линзовый объектив и жидкокристаллическую матрицу, отличающееся тем, что центры кривизны сегментного сферического зеркала, сегментного экрана и точка пересечения оптических осей объективов проекторов совмещены, а радиус кривизны сегментного экрана удовлетворяет условию:

R_Э=(0,6-0,7)R, где R - радиус сферического вогнутого зеркала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сегментный экран выполнен отражающим, а многолинзовый объектив проектора удовлетворяет условию:

где - оптическая сила i-й линзы объектива, n_i - показатель преломления материала i-й линзы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сегментный экран выполнен цилиндрическим, а образующая цилиндра наклонена на угол , равный =arctg t/R,

где t - расстояние между оптической осью коллимационного устройства и плоскостью, проходящей через центр входного зрачка и линию симметрии сегментного сферического зеркала.