Google glass. Безусловно интересный гаджет, открывающий новую страницу в потребительской электронике. Нужный или нет, возможно сложный, ненадежный и мало держит батарею, но он первый и с этим нельзя поспорить. Или не первый… ведь идея не появилась из воздуха – постараюсь проследить эволюцию развития подобных устройств, способных совмещать внешнее реальное изображение с дополнительным, виртуальным.
Авиационные прицелы
У истоков всех оптических систем, накладывающих дополнительное изображение на реальный мир, лежат авиационные прицелы. Дело было после первой Мировой Войны, самолеты стали строиться с учетом аэродинамики, стали оснащаться мощными двигателями, летать быстро и высоко и вообще перестали сваливаться в штопор при каждой попытке выполнить маневр.
Как известно, на пулю выпученную из пулемета действуют сила тяжести и тормозящая сила воздуха (которую в данном случае не учитывают). Но если в момент выстрела маневрировать, да еще крутиться вокруг своей оси – то определить в какою сторону отклониться очередь, могли только самые опытные пилоты.
Для отображения той самой точки попадания (PIP – Predicted impact point (WikiEn) или индикатор «Прогноз-дорожка») в начале 40 годов была разработана полностью механическая система, работавшая по следующему принципу:
Видя цель, пилот захватывал ее в кольцо, названное дальнометрическим, потому что позволяло внести в «бортовую систему» дальность до цели. Алгоритм работы был следующим – нажимая на дополнительную педаль ( коленом), летчик вызывал расширение кольца, которое надо было потом уменьшить до размеров самолета противника, немного приотпустив педать. По мере сближения пилот также увеличивал кольцо, постепенно уменьшая давление на педать.
С положением в пространстве было проще – в середине 30-х годов были изобретены гироскопы, таким образом бортовая система механически передавала информацию на подвижную осветительную систему. Схема показана на следующем рисунке.
Поскольку погрешность гироскопа была невелика, а погрешность расстояния несущественна (на средних дальностях) – использование таких систем давало преимущество пилотам, не имеющих большого опыта.
Право первыми изобрести такой прибор принадлежит Франции, но в Германии он был доведен до работоспособного варианта. Можно также отметить, что немцы использовали оптические бомбовые прицелы сложной конструкции.
Первый электронный прибор, использовавший электролучевую трубку в качестве индикатора на лобовом стекле (ИЛС — Head up display (WikiEn), создали в СССР на 5-6 лет раньше США. Устанавливался на перехватчик МИГ-15П бис. Он изображал, кроме прицела, еще и положение вражеского самолета (полученное от радиолокатора).
Первые отечественные полнофункциональные ИЛС стояли в кабинах самолетов МИГ-27К, которые выпускались серийно в 1976–1982 годах. Индикаторы на лобовом стекле выводили теперь всю пилотажную информацию (скорость, высота, линия горизонта), а также передавали изображение с тепловизоров (FLIR – forward looking IR – «ИК камера, смотрящая вперед» ).
В то время ИЛС был прекрасным помощником и в гражданской авиации. Специальные покрытия позволяли увеличить контраст изображения, уменьшая коэффициент пропускания экрана на длине волны изображащего дисплея. Таким образом изображение стало более читаемым при ярком освещении.
Но кому потребовалось надевать эту систему пилоту на голову?
В 1953 году была изобретена первая успешная ракета с тепловой головкой самонаведения (Wiki) AIM-9 Sidewinder. Идеальное оружие, построенное по принципу «выстрелил и забыл», оно позволяло захватить цель в диапазоне углов ±45°, но пуск обычно производился только по самолетам, летящим прямо по курсу.
Изображение поворачиваемой головки самонаведения.
(PS у нас на кафедре стоит одна из подобных ракет, она способна захватить тепловое излучение лампы накаливания или зажигалки и поворачиваться за ним)
Поле зрения головки без дополнительного поворота – ~10° — поэтому повернуть ее в сторону цели надо очень точно (джойстиком не получится).
В 1974-78 годах для самолетов F-14 и F-15 были разработаны системы, позволяющие пилоту движением головы и совмещением небольшой метки, повернуть ГСН на цель. Метка проецировалась на небольшое стеклышко, располагающееся перед глазом. Это и был первый нашлемный прицел.
Стоит заметить, что американская система была ненадежна и неточна, поэтому практически не использовалась. Поэтому, созданная в 1985 году, советская система «СУРА» может по праву называться первым массовым нашлемным прицелом. Сура устанавливалась на самолеты МИГ-25 и СУ-27 и работала для ракеты Р-73 «Вымпел». Ракета позволяет захватить цель на расстоянии 25-30 км.
Маленькое стеклышко — экран, светящиеся лампы — система позиционирования
Алгоритм работы был следующим:
Пилот поворачивал голову в сторону самолета противника и захватывал силует в кольцо, которое изображалось на стеклышке. 2 лампы накаливания, находящиеся на шлеме, 2 фоприемника на приборной панели позволяли определить положение взгляда. (Также возможно было использовать электромагнитные системы, но точность оптической была достаточно, да и наличие дополнительных радиоизлучателей в кабине мешало бы основным приборам).
Практически сразу после наведения, летчик слышал звуковой сигнал в наушнике и мог произвести пуск.
Кстати, самонаводящаяся ракета не обязательно взрывалась при попадании в цель. Обычно она взрывалась на небольшом расстоянии (500 метров) и стальными шариками накрывала небольшую область. (в виде конуса). Поскольку скорость ракеты 5 махов, то шарики прошивали всю возможную броню.
На такой пробивной ноте, хочется перейти ко второй части – конструкция.
Сначала прошу определиться с обозначениями. Самый важный элемент, который совмещает изображения называется combiner (в моем дипломе я писал просто — комбинер) – отвечает за добавление виртуального изображения. Обычно это зеркало с покрытием хорошо отражающем длину волны излучения дисплея, но возможен вариант с кубом, как в google glass.
Самая простая схема, характерна небольшими углами и большими габаритами.
По этой схеме построен Google Glass и многие другие очки виртуальной реальности, профессионального и развлекательного сектора.
Но существуют другая возможность ввести дополнительное изображение. При этом будут уменьшены габариты и добавлены уникальные свойства.
Q-sight от BAE systems.
Все начинается с создания в центральном слое из Дихромированного Желатина (DCG) дифракционной решетки. Данная решетка преломляет излучение (которое должно быть монохроматичным) и отклоняет пучек в сторону глаза. На излучение приходящее от реального мира решетка действует слабо, поскольку это излучение состоит из всего спектра длин волн.
Принцип действия.
После LCD монитора излучение преобразуется в квазипараллельный пучок и попадает в пластинку под углом полного внутреннего отражения. Благодаря дифракционной решетке, находящейся внутри пластинки, пучки отклоняются и нарушают условие полного внутреннего отражения; таким образом, широкий параллельный пучок попадает в глаз и создает представление, что изображение находится в бесконечности.
Нарушение ПВО за счет преломления части пучка на ДОЭ.
Образование полноценного неразрывного выходного пучка за счет сложной дифракционной решетки.
Стоит заметить, что пользователю не требуется точно устанавливать нашлемный прицел, при смещении глаз начинает видеть соседний пучок. Возможно, там стоит система слежения за глазом или глаз/мозг способен “склеивать” две половинки изображения в одно – так или иначе пользователю проще использовать такой легкий дисплей.
BAE имеет 25 летний опыт создания индикаторов на лобовом стекле на основе DCG для истребителей EFA (eurofighter), F-22, F16. Сейчас данные приборы поставляются и на гражданские самолеты.
2 «сложный» вариант системы совмещения. На дифракции Брэгга
Дифракция Брегга в двух словах – под действием акустической волны вызываемой наклеенным пъезоэлектрическим источником вибрации с одной стороны и медной пластинкой, отражающей вибрации с другой – получается стоячая волна, которую можно рассматривать как дифракционную решетку, поскольку коэффициент преломления в «узлах» и «пучностях» различны.
При выполнении определенных условий возможно выделить один луч, который можно эффективно управлять
Принцип Дифракции
Акустическую волну возможно создавать, как при помощь «механики» так и напрямую, с помощи электрического напряжения приложенного к пластинке. Для этого используют специальные прозрачные пленочные электроды.
Кстати, по похожей схеме построены самозатемняющиеся окна.
Обычно при отсутствии напряжения стекла матовые.
А теперь представьте, что это не просто кристалл Парателлурита (материал больше всего отлоняющий лучи при одинаковом напряжении), а еще и внутри располагается дифракционная решетка. Кстати, для каждой длины волны определенная решетка, поэтому для полноцветного изображения используются 5 решеток, включающихся поочереди.
Компания SBG Labs Inc (Switchable Bragg Grating – переключаемые брегговские решетки) находится в Кремниевой долине, Калифорния. Создала сначала такие пластинки, которые могут одновременно фокусировать и отклонять луч.
Позже были созданы очки виртуальной реальности – 40 градусов поле зрения, 3-х цветные – только это опытный образец и в продажу не поступил, хотя и был разработан в 1999 году.
Сейчас на стадии разработки находится новые очки – разрешение 1080p, 60 градусов поле зрения.
Видео, описывающее принцип работы:
youtu.be/XkmqKeGn4yo
Очки от Apple
Apple зарегистрировала патент на создание очков виртуальной реальности по схеме лазерного телевизора.
Стоит отметить одно достоинство такой схемы.
Система использующая лазер не нуждается в коллиматоре. Поэтому, человеку носящему Google glass, в котором проецируется «виртуально» изображение на расстоянии сложно смотреть этим глазом на сильно удаленные или близкие объекты, изображение дисплея для него тут же станет расплывчатым и сам глаз будет пытаться перефокусироваться.
В «очках от Apple», как лазерный телевизор способен спроецировать четкое изображение на экран, отстоящий на любом расстоянии, так лазерный луч будет приходить на сетчатку в первозданном «тонком» виде. Понятно, что если 3 лазера еще за ухом разместить можно, то установить 2-х координатную сканирующую систему (на MEMS зеркалах) на переносице – удел далекого будущего.
После обсуждения таких гигантов мировой индустрии будет честно перейти к моему проекту и рассмотреть мою разработку.
Схематическое изображение моего нашлемного дисплея, его фотография и оптическая схема в Zemax. (Призма сильно искажена, поскольку программа показывает ход лучей и расположение поверхностей).
Мой прибор в точности является копией нашлемного дисплея, 20 лет использующегося в вертолете Апач. (ровно, как и мой диплом является копией материалов лекции одного южного института (см список литературы)
В моем приборе источником излучения является ЭЛТ, как наиболее гуманный источник излучения – при посадке вертолета вес «нашлемника» слегка надламливает шею пилота, а отвалившийся кабель высокого напряжения гуманно его приканчивает.
Спасибо, что Вы смогли прочитать это до конца.
О себе: 7 лет назад при поступлении в МГТУ им. Н.Э. Баумана я выбрал своей специальностью оптику, а именно расчет оптических систем (хотя я этого, конечно, не сразу понял). Тогда моему взору представлялись оптические компьютеры и фотоны, несущие информациию со скоростью света. Время шло, курсы сменялись, зачетку от «удовов» все меньше хотелось открывать, а электроны в обычных компьютерах тоже передвигались со скоростью света, видимо наперекор моим мечтам.
А еще моей темой диплома стала «Нашлемная система целеуказания». Или я говорил просто «шлем виртуальной реальности».
Тема диплома удивительным образом сошлась с текущим витком прогресса, и чтобы не совсем потерять квалификацию (диплом был благополучно сдан 8 месяцев назад), я решил написать небольшой доклад, описывающий популярным языком основные моменты моего диплома.
Майские праздники прошли плодотворно – я сел и постарался избавить текст диплома от официальной академической сухости и специфических терминов, точнее просто переписал его целиком.
Update 1. Один любопытный факт — американский летчик, который постоянно пользовался монокулярным нашлмным дисплеем обнаружил, что может двигаль глазами, как кролик, т.е. буквально читать 2 книги одновременно. Хотя по моему это эволюционный шаг в сторону прогресса.
1. Бортовые информационные системы: Курс лекций: Кучерявый А.А. 2004 год. (Единственный материал по русском языке. Несмотря на поздний период публикации — актуально)
2. Wiley — Military Avionics Systems (2006 года)
3. Advanced Avionics Handbook (для летчиков, «как пользоваться самолетом»)
4. British Aircraft Armament (отсюда прочитал, про «механический прицел». — последний Appendix B)
Оригинальное фото
Честно говоря, я в некоторых мелких подробностях неуверен, поэтому буду рад любым комментариям.
Автор: MustER
