Современные тенденции и проблемы композиции оптических схем надголовных дисплеев (Head-Up Display) авиационного базирования

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

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