Современные тенденции и проблемы композиции оптических схем надголовных дисплеев (Head-Up Display) авиационного базирования
Анализ требований к индикаторам на лобовом стекле для гражданских самолётов и вертолётов. Проблемы композиции оптических схем с учётом эргономики и безопасности расположения в кабине. Использование современных дисплеев в качестве генератора изображения.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 07.12.2018 |
Размер файла | 1,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Современные тенденции и проблемы композиции оптических схем надголовных дисплеев (Head-Up Display) авиационного базирования
А.А. Багдасаров
Проанализированы требования к индикаторам на лобовом стекле для гражданских самолётов и вертолётов. Рассмотрены основные проблемы композиции оптических схем с учётом эргономики и безопасности расположения в кабине, а также с учётом использования современных дисплеев в качестве генератора изображения в таких системах.
С точки зрения конструктора-разработчика оптической схемы, Head-Up-Display (надголовный дисплей, далее HD) представляет собой сверхсветосильный децентрированный объектив с вынесенным входным зрачком и средним по размерам полем. В состав HD входит светоделитель, через который пилот видит пространство перед самолётом и показания приборов. Качество изображения HD удобно оценивать по максимальному геометрическому кружку рассеяния, так как он даёт представление о разрешении и таком важном параметре, как параллакс изображения. Типичное требование -- 3 угл. мин. на оси и порядка 15 угл. мин. по полю. Термины и минимальные требования к НД регламентируются международным стандартом КТ-8055 [1]. Проведённые в нашей фирме исследования надголовных дисплеев позволили выявить важные моменты в разработке данных систем. индикатор лобовое стекло изображение
Влияние размеров проекционной матрицы.
Элементарные геометрические расчёты показывают пределы реализации постоянно возрастающих требований заказчиков. Пусть Sp положение входного зрачка объектива, D - его диаметр, 2L - диагональ проекционной матрицы в дюймах, k1=1,25 - соотношение её сторон, k2=0,85 - коэффициент учёта дисторсии; 2X - поле в градусах, наблюдаемое пилотом. (Здесь и далее говорится только о “мгновенном поле”, видимом из центра входного зрачка одним глазом). Тогда фокусное расстояние (F) объектива: F =25,4·k2·L/(k1·tg(X)), относительное отверстие 1: F/D, размер светоделителя Dc = 2Sp·tg(X)+D/2.
Таблица
2L[дюйм] |
F[мм] |
D:F |
|
1 |
32 |
1: 0,25 |
|
2 |
65 |
1: 0,5 |
|
3 |
97 |
1: 0,74 |
|
4 |
130 |
1: 1 |
|
5 |
160 |
1: 1,24 |
|
7 |
225 |
1: 1,75 |
|
10 |
320 |
1: 2,5 |
В таблице даны расчёты указанных параметров для входного зрачка D=130 мм и поля 30O. Размер светоделителя Dc не менее 220 мм, оптимальный 290 мм.
Как известно, при относительном отверстии выше 1: 3 сильное влияние приобретают аберрации высших порядков. О сложности разработки говорит то, что серийно не выпускаются фотообъективы с D/F выше 1:1 и фокусом более 50 мм. Изготовленная на ОАО ЛОМО система [3] имеет ещё большее относительное отверстие - 1: 0,6 при фокусе 65 мм и матрице 2 дюйма. Часто заказчики требуют применить проекционную матрицу в 1 дюйм. Но из данных таблицы следует, что это требование невыполнимо без дополнительного проекционного объектива, который существенно усложнит всю систему.
Подсветка проекционной матрицы.
Второй момент, связанный с матрицей -- организация её подсветки. Изображение в HD должно быть видимым на фоне облаков и освещённой солнцем заснеженной поверхности аэродрома. Цветовой контраст изображения увеличивают использованием узкой спектральной полосы в зелёной области спектра. Предполагается, что монохроматическая яркость порядка 10000 кд/м2 удовлетворяет требованиям гражданской и военной авиации.
Ежегодно появляются новые проекционные матрицы и мониторы различных типоразмеров. Известны ТФТ и LCOS, плазменные, прозрачные электролюминесцентные, поляризационные матрицы. К настоящему времени разработаны матрицы размером от 0,5 до 100 дюймов, например, для нашлемных дисплеев, кинопроекторов, телевизоров. Для работы с кинопроекционными DLP и LCOS матрицами 1-2 дюйма требуется мощный точечный источник света с небольшой угловой расходимостью, поляризационные светоделители и преобразователи. Выполненные расчёты показали, что лазерный модуль с мощностью излучения 1 вт обеспечит на входном зрачке HD яркость изображения 13500 кд/м2; светодиодная матрица со светоотдачей 6200 лм (10,5 вт) - от 5500 до 37000 кд/м2. Отметим также, что светодиодную подсветку трудно осуществить для матриц размером менее 3 дюйма из-за недостаточной яркости единицы площади светодиода.
Примеры оптических схем.
На рис. 1. показана система, аналогичная запатентованной шведской фирмой SAAB [2]. Принцип её работы следующий. Проектор 1 создаёт изображение S' матрицы S на выпуклом
Рис. 1. Оптическая система с 1-дюймовой матрицей, проектором и двойным светоделителем.
экране 2. С помощью светоделителя 4 и вогнутого селективного зеркала 5 наблюдатель видит изображение S', удалённое в бесконечность. Наблюдение ведётся из зоны 6 (входной зрачок или окно для пилота). Конденсор 3 необходим для переноса изображения осветителя в выходной зрачок системы. Особенность показанной на рис. 1 схемы заключается в том, что свет в проекторе отражается от светоделителя 4 и далее, отражённый от зеркала 5, на обратном пути снова проходит через него. Поэтому с обычными светоделительными покрытиями светопропускание системы 4-5 не более 22%, не считая потерь света в остальной части оптической системы. Для улучшения этого показателя на зеркало 5 требуется нанести интерференционно-поляризационное покрытие, изменяющее фазу отражённого излучения на р/2. Система относится к осесимметричным и имеет прекрасные аберрационные характеристики. Но из-за двух светоделителей наблюдаемый фиолетово-розовый фон местности усиливается. При солнечной засветке на их поверхностях возникнет множество бликов; кроме того, расстояние до светоделителя 4 слишком мало в условиях экстремальной посадки ЛА. В оригинальной HUD SAAB вся система заключена в монолитный корпус, что ограничивает обзор верхней части поля. Этот недостаток ограничивают область применения системы пассажирской и транспортной авиацией.
Один из вариантов HD проекта “Асферика”, разработанных нами, имел дополнительную проекционную систему увеличением 4х. Он представлен на рисунке 2. Исходная система была рассчитана под матрицу 4 дюйма. К сожалению, из-за проблемы согласования наклонных поверхностей изображений, апертур и полей появилась внешне
Рис. 2. Применение проектора 4х во внеосевом Head-Up дисплее.
несуразная, крупногабаритная конструкция. Она имеет удовлетворительные оптические характеристики: проекционная матрица 1 дюйм, фокусное расстояние 28 мм, входной зрачок 130 мм, D/F - 1: 0,22; поле - 30О, дисторсия - 12,5%, параллакс менее 3 угл. мин. по полю. Но её габариты и масса (общий вес линз более 7 кг) превышают разумные пределы.
Экстремальное по размерам мгновенное поле с 8-дюймовой матрицей получено в оптической системе, показанной на рисунке 3. Для меньшего поля в настоящее время можно подобрать высокоразрешающую матрицу и получить систему с лучшей компоновкой.
Оптическая система на рис. 4 показывает принципиальную возможность минимизировать количество оптических деталей в HD - их всего 3.
Рис. 3. Оптическая система с матрицей 8 дюймов.
Рис. 4. Оптическая система с матрицей 12 дюймов:
проекционная матрица 1280х800 pix., 261х163 мм, поле 36х25 градусов,
разрешение центр/край 0,5'/ 3,4', дисторсия 6,2%, масса линз 2,4 кг.
Следующую систему можно рассматривать близкой к оптимальной по полученным параметрам (рис. 5). Семь оптических элементов, пластиковые линзы, асферические
поверхности позволили создать компактную конструкцию. Она вписывается в кабину небольших летательных аппаратов, оставляя достаточно свободного пространства перед
пилотом и над его головой. Характеристики системы: матрица 3,5 дюйма, фокусное расстояние 160 мм, входной зрачок 130 мм, D/F - 1: 1,23; поле - 25О, дисторсия - 19%,
Рис. 5. Head-Up Display проекта BiPi
Выводы
Анализ оптических схем показал, что также как и выбор фотоприёмника в оптико-электронных приборах, для надголовных дисплеев большое значение имеет тщательный выбор проекционной матрицы. Лишь в этом случае удастся получить приемлемые по оптическим характеристикам и габаритами конструкции. Удачные варианты могут быть построены на основе проекционных матриц размером 4-5 дюймов с применением асферических линз. Для них допустимо применение относительно простой светодиодной подсветки.
В заключение несколько слов об исправлении дисторсии в Head-Up Display. Данные из приборов, камер наблюдения и прочих систем на проекционную матрицу подаются с бортового компьютера. В процессе обработки исправляются и геометрические искажения
изображения. Иногда допускаются искажения 4-6%. Степень допустимой дисторсии оптической системы, подвергаемой затем обработке, обсуждается с заказчиком при подготовке технического задания.
Литература
1 Квалификационные требования АР МАК: КТ-8055 «Требования к индикаторам на лобовом стекле», 2012 г.
2. Сайт фирмы SAAB: www.saabgroup.com .
3. В. Никифоров, Ю. Д. Пименов, М. Н. Сокольский, А. А. Строганов, А. И. Эфрос «Оптическая система широкоугольного коллиматорного авиационного индикатора», Оптический журнал №10, 2009.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Получение изображения в монохромных электронно-лучевых трубках. Свойства жидких кристаллов. Технологии изготовления жидкокристаллического монитора. Достоинства и недостатки дисплеев на основе плазменных панелей. Получение стереоскопического изображения.
презентация [758,4 K], добавлен 08.03.2015Сущность хроматических, волновых и лучевых аберраций, их функции. Характеристика первичных аберраций Зайделя. Особенности сферической аберрации, астигматизма и кривизны поля, дисторсии. Искажения, погрешности изображения оптических систем, их устранение.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 03.05.2011Изучение теорий каустик, оптических свойств кривых и поверхностей на примере моделирования оптических систем в СКM Maple. Понятие каустики в рамках геометрической оптики, ее образования. Построение модели каустики, написание программных процедур.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 16.06.2017Оптико-механические приборы. Крепления оптических деталей. Особенности сборки оптических деталей с механическими. Устройство для юстировки сетки. Сборка и юстировка окуляров. Проверка диоптрийной установки. Схема проверки натяжения. Диоптрийная трубка.
реферат [2,7 M], добавлен 25.11.2008Поворот плоскости поляризации света под действием магнитного поля. Характеристики оптических циркуляторов. Коэффициент отражения, использование эффекта Фарадея. Использование двулучепреломляющих элементов из кристалла рутила в качестве поляризаторов.
доклад [417,8 K], добавлен 13.07.2014Многообразие рынка оптических приборов. Методы контрастирования изображения. Предметные и покровные стекла. Устройства защиты объектива. Система призм и зеркал. Счетные камеры и измерительные приспособления. Современные прямые металлургические микроскопы.
реферат [790,1 K], добавлен 27.11.2014Обзор оптических схем спектрометров. Характеристики многоканального спектрометра. Описание методики и установки исследования характеристик вогнутых дифракционных решёток. Измерение квантовой эффективности многоэлементного твёрдотельного детектора.
дипломная работа [3,7 M], добавлен 18.03.2012История и эволюции изготовления оптических деталей, его современное состояние. Характеристика простейших оптических деталей в виде линз. Место российских мастеров в развитии оптики и производства стекла. Исследования по обработке оптического стекла.
реферат [18,0 K], добавлен 09.12.2010Применение метода контурных токов для расчета электрических схем. Алгоритм составления уравнений, порядок расчета. Метод узловых потенциалов. Определение тока только в одной ветви с помощью метода эквивалентного генератора. Разделение схемы на подсхемы.
презентация [756,4 K], добавлен 16.10.2013Устройство и параметры оптических квантовых генераторов. Устойчивые и неустойчивые резонаторы. Основные типы лазеров, способы накачки. Зеркала оптического резонатора. Определение потерь и оптимального коэффициента пропускания выходного зеркала.
дипломная работа [2,8 M], добавлен 09.10.2013Химическая природа пигментов и оптических свойствах краски. Влияние дисперсности па оптические свойства пигментов. Спектрофотометрические кривые. Диспергирование в масляной среде, а также взаимосвязь оптических и структурных свойств красочного слоя.
дипломная работа [503,1 K], добавлен 14.05.2014Расчет показателей преломления и дисперсии при заданных составах стекла. Показатель преломления и средняя дисперсия. Коэффициенты для перехода от массовых единиц к объемным долям. Зависимость показателя преломления от содержания в стекле диоксида кремния.
контрольная работа [524,4 K], добавлен 05.12.2013Интересные факты из истории открытия графена. Свойства графена: механическая жёсткость, хорошая теплопроводность, прочность, гибкость. Использование графена как перспективной основы наноэлектроники, замены кремнию, при создании сенсорных дисплеев.
презентация [186,8 K], добавлен 17.05.2011Современное состояние элементной базы полупроводниковых оптических преобразователей. Воздействие электромагнитного излучения видимого и инфракрасного диапазонов на параметры токовых колебаний в мезапланарных структурах на основе высокоомного GaAs n-типа.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 18.07.2014Оптический диапазон спектра. Теоретические основы оптических методов НК. Световые колебания. Классификация оптических методов НК. Дискретный спектр излучения газов и жидкостей. Непрерывный спектр собственного излучения твёрдых тел с разной температурой.
реферат [355,1 K], добавлен 15.01.2009Чтение и составление принципиальных схем как часть деятельности промышленного инженера. Виды и типы схем, их назначение. Правила составления принципиальных схем. Графическое изображение соединений. Обозначение элементов на принципиальных схемах.
дипломная работа [510,5 K], добавлен 03.12.2012Виды световых микроскопов, их комплектация. Правила использования и ухода за микроскопом. Классификация применяемых объективов в оптических приборах. Иммерсионные системы и счетные камеры световых микроскопов. Методы контрастирования изображения.
реферат [607,9 K], добавлен 06.10.2014Создание обзора по методам изготовления планарных интегрально-оптических волноводов в подложках. Кристаллохимическое описание стекол. Методы получения планарных волноводов методами диффузии. Параметры диффузантов используемых при изготовлении волноводов.
курсовая работа [711,5 K], добавлен 20.11.2012Определение второй производной показателя преломления прямотеневым методом. Исследование оптических неоднородностей путем измерения угловых отклонений света и схема прибора Теплера. Снятие характеристик импульсного оптического квантового генератора.
научная работа [537,5 K], добавлен 30.03.2011Методы и этапы проектирования генератора пачки прямоугольных импульсов (ГППИ). Обоснование выбора узлов, элементной базы и конкретных типов интегральных схем. Принцип работы управляемого генератора прямоугольных импульсов и усилителя сигналов запуска.
курсовая работа [374,2 K], добавлен 11.01.2011