ВВЕДЕНИЕ В технической и научной литературе представлено большое количество информации по устройствам визуализации обстановки, которые применяются в сфере развлечений, архитектурном и промышленном дизайне, тренажёростроении и других областях. В данной работе рассматривается более узкая задача визуализации информации в смотровых окнах или иллюминаторах. Такие устройства применяются, например, в тренажерах космических кораблей, подводных аппаратов, специальных транспортных средств и т. п., где положение наблюдателя весьма ограничено, с другой стороны, нет возможности или запрещено использовать устройства визуализации на голове человека (специальные очки, шлемы, оккуляры и т. д.). Эти особенности ограничивают выбор конструкций и оптической схемы устройств визуализации. Одним из критически важных параметров для устройства формирования изображения является размер поля зрения. Чем шире оно будет, тем больший «эффект присутствия» будет формироваться в тренажере. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ По принципу построения оптической схемы можно выделить следующие две группы методов: экранные, где между наблюдателем и источником изображения нет никакой оптической схемы, и проекционные, в которых в формировании визуальной обстановки для наблюдателя используются элементы, обладающие оптической силой (зеркала, линзы). Экранные методы можно разделить по источнику изображения, которым может быть либо светорассеивающий или просветный экран, освещаемый проектором, либо один или несколько дисплеев (мониторов). Для имитации визуальной обстановки с широким полем зрения (вплоть до 360°) используют экраны различной формы (плоские, сферические, тороидальные), которые освещаются несколькими LCD- или DLP-проекторами. При этом поля проекторов приходится достаточно точно калибровать для минимизации эффектов, наблюдаемых в области перекрывающихся зон. При использовании дисплеев также можно получать достаточно большие поля зрения, совмещая их друг с другом. Однако в силу конструктивных особенностей – наличия рамки у большинства дисплеев – на формируемой картине будут видны стыки. Все перечисленные экранные методы обладают определенными недостатками. Во-первых, визуальная обстановка создается на определенном ограниченном расстоянии. Это не дает задействовать стимулы аккомодации глаза. Оператор видит, что картина находится ­где-то вблизи. Поэтому при синтезе дальней зоны стараются располагать экраны по возможности дальше от оператора (от 2 до 10 м), где этот визуальный дискомфорт уже не ощущается. Во-вторых, при близком расположении экрана / дисплея не будет наблюдаться эффект параллакса, когда при смещении головы наблюдателя будут возникать ошибки в определении пространственного расположения близко и далеко расположенных предметов. В ряде случаев такая ситуация может быть достаточно критичной, поскольку у обучаемых создается неверное представление об управлении транспортным средством. В ряде ситуаций это может приводить к серьезным последствиям. Экранные методы находят широкое применение в авиатренажерах, где вся синтезируемая обстановка обычно находится в дальней зоне (на бесконечности), а возможности перемещения наблюдателя сильно ограничены тесной кабиной. В проекционных методах между источником изображения (экраном, дисплеем, слайдом, шаблоном и т. п.) устанавливается оптическая система, которая создает, как правило, мнимое изображение на конечном или бесконечном расстоянии от оператора. При этом в таких системах существует возможность изменения видимой дальности до синтезируемой картины путем изменения расстояния между оптической системой и источником изображения. Также есть возможность создания нескольких планов (ближнего и дальнего) путем комбинирования с помощью призм и полупрозрачных зеркал нескольких источников изображения. В качестве основного оптического элемента для коллимации излучения в тренажерной технике широко используются вогнутые зеркала (как правило, сферической формы). Источник изображения при этом размещают в фокусе сферического зеркала: F = R / 2. Основная проблема при использовании такого варианта состоит в том, что источник изображения при этом находится между зеркалом и наблюдателем (рис. 1а). Для широкоугольных схем (поле зрения больше 30°) это представляет существенную проблему, поэтому здесь используют два пути: либо проецируют в эту область промежуточное изображение через полупрозрачное зеркало (рис. 1b), либо делают внеосевую оптическую схему (рис. 1c).

Такой вариант построения проекционной оптической системы может обеспечить достаточно широкое поле зрения (в пределах 30–60°). При использовании вместо сферического зеркала тороидального, в фокусе которого установлен также тороидальный просветный экран, можно достичь широкого панорамного обзора до 180°, но по другой координате будут те же 30–60°. Вместо зеркальной оптической схемы также используются и линзовые оптические схемы. В этом случае, если экран устанавливается в фокальной плоскости некоторого объектива, наблюдатель видит бесконечно удаленный от него объект. Поле зрения может достигать при этом достаточно больших величин (до 90–120°). Но при этом и увеличиваются диаметры оптических элементов. При высоких требованиях к качеству изображения для исправления аберраций требуется использовать многолинзовые оптические схемы из разных марок стекол. Поэтому линзовые схемы чаще применяют для монокулярного наблюдения. Этим обстоятельством объясняется тот факт, что наибольшее распространение получили зеркальные проекционные схемы, так как зеркала большого формата гораздо легче изготовить, а сами зеркала не вносят хроматических аберраций. Но при этом, внеосевые широкоугольные зеркальные схемы вносят существенные искажения (астигматизм и кому). Поэтому при их использовании требуется анализировать качество формируемого изображения и находить баланс между величиной поля зрения и значениями аберраций. ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ФОРМИРУЕМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Требования к качеству изображения весьма разнообразны и зависят от задачи, решаемой с помощью оптической системы. Полного исправления всех аберраций нельзя получить даже в сколь угодно сложной системе. Поэтому остаточные аберрации допускаются, их величины определяются назначением системы и приемником изображения. В телескопических системах (дальний предмет – дальнее изображение), работающих с глазом, хорошее качество изображения должно быть в центре поля, а на краю поля допускается ухудшение качества изображения, т. к. рассматриваемое изображение всегда можно привести в центр поля. Поскольку приемником изображения является глаз, то допустимые значения аберраций должны быть меньше или соизмеримы с разрешающей способностью глаза. В таблице приведены допустимые значения аберраций зрительных труб. Приводимые значения получены из многолетних практических наблюдений. Ими удобно пользоваться при оценке допустимого качества систем, работающих с таким приемником изображения как глаз.

При оценке внеосевых аберраций зрительных труб и соответственно окуляров, нужно учитывать условия работы. Так, в биноклях и зрительных трубах, удерживаемых в руках, человек, видя края поля изображения за счет периферийного зрения и отметив там некоторое движение, поворачивает голову вместе с биноклем и переводит «подозрительный» участок в центр. В таких случаях края поля изображения окуляра воспринимаются периферическим зрением и могут обладать большими аберрациями. В приборах, размещаемых стационарно, например в танковых панорамах, стереотрубах и т. п., перевод крайних зон поля изображения в центр занимает существенное время, поэтому наблюдатель вынужден рассматривать края поля изображения, поворачивая глаз. В фотообъективах (дальний предмет – ближнее изображение) требования к качеству изображения очень разнообразны и во многом зависят от рабочего спектрального диапазона, приемника изображения и назначения системы. В качестве требований к качеству изображения могут выступать: разрешающая способность в лин. / мм в центре поля и на краю, частотно-­контрастная характеристика (ЧКХ) с указанием частоты и требуемого контраста. В инфракрасных системах может задаваться диаметр кружка рассеяния с заданной концентрацией энергии в нем. В проекционных системах (ближний предмет – ближнее изображение), если они рассчитываются в обратном ходе лучей, требования к качеству изображения приблизительно такие же, что и в фотографических системах. Качество изображения в плоскости экрана можно оценить по углу, под которым наблюдатель видит кружок рассеяния. Если угол составляет 1–2′, то качество изображения можно считать удовлетворительным. Таким образом, из приведенных требований к визуальным приборам видно, что основным критерием качества оптической системы, формирующей визуальную обстановку, считается разрешение по всему полю зрения, которое должно достигать предела разрешающей способности человеческого глаза 1–2′. При этом для формирователя изображения как стационарной системы нельзя накладывать разные требования к разрешению на краю и в центре поля зрения. Разрешение по всему полю должно стремиться к 2′. Дисторсия для визуальных приборов обычно ограничивается значением 2–5%, при которых человек не замечает существенных геометрических искажений. Для представленных выше вариантов оптических схем систем синтеза визуальной обстановки обычно дисторсия значительно превышает указанный порог. В этом случае необходимо компенсировать дисторсионные искажения путем формирования соответствующей цифровой визуальной модели. Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи.​ https://www.photonics.su/journal/article/9040 Больше познавательной информации можно узнать на нашем сайте: technosphera.ru #техносфера