DE1299435B

DE1299435B - Optisches Bildueberlagerungssystem

Info

Publication number: DE1299435B
Application number: DEU14234A
Authority: DE
Inventors: Schaefer Carl F
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-09-19
Filing date: 1967-09-14
Publication date: 1969-07-17
Also published as: US3589796A; GB1156578A; SE319624B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Bildüberlagerungssystem, welches einem in einer Kabine od. dgl. befindlichen Betrachter einen Blick nach außen und ein Bild einer in der Kabine liegenden Beobachtungsfläche darbietet.
Es ist verständlich, daß ein Flugzeugpilot beim Landen seine Aufmerksamkeit mehr der Außenzene als den Instrumenten zuwendet. Aus diesem Grund sind die optischen Bildüberlagerungssysteme der oben geschilderten Gattung geschaffen worden, so daß der Pilot sowohl die Außenszene als auch ein Bild eines oder mehrerer Instrumente in seinem Blickfeld hat, wenn er normal in aufrechter Haltung sitzt. Es sind optische Bildübertragungssysteme bekanntgeworden, bei denen zur Bildmischung ein im normalen Blickfeld angeordneter Bildmischerspiegel benutzt wird, der mittels seiner reflektierenden Fläche das von einem Linsensystem entworfene Bild weiterleitet, welches von einer Kathodenstrahlröhre abgeleitet ist. Dieses bekannte System wird zwar teilweise erfolgreich eingesetzt, hat aber doch eine Anzahl Nachteile aufzuweisen. Das Gerät ist nämlich relativ kompliziert, nimmt viel Platz ein und ist teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bildüberlagerungssystem zu schaffen, das mindestens bezüglich der sphärischen Aberration und der Koma sowie vorzugsweise auch des Astigmatismus korrigiert ist und bei dem die reflektierende Fläche des Bildmischers besser ausgenutzt ist.
Diese Aufgabe wird durch folgende Merkmale gelöst: a) Eine Bildmischerscheibe weist ein Teil mit gekrümmter, dem Kabineninneren zugewendeter Oberfläche sowie eine teilreflektierende, gekrümmte Fläche auf, die, von der Kabine aus gesehen, weiter außen angeordnet ist; b) die Bildmischerscheibe und die Beobachtungsfläche sind derart zum Betrachterplatz angeordnet, daß die teilreflektierende Fläche dem Betrachter ein Bild der Beobachtungsfläche darbietet; c) die gekrümmten Flächen sind im Hinblick auf geringste sphärische Aberration und kleiner Koma des Bildes der Beobachtungsfläche hergestellt und angeordnet.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung des optischen Bildüberlagerungssystems in einer Flugzeugkabine, F i g. 2 ein Schnittbild des optischen Bildüberlagerungssystems in vergrößertem Maßstab.
In einer Flugzeugkabine 10 ist ein Sessel 12 direkt hinter einem Träger 14 des Meßinstrumentenbretts, an dem auch ein Steuerrad 16 od. dgl. angebracht ist, angeordnet. Ruderpedale 18 sind auf dem Kabinenboden 20 angebracht. Bekanntlich ist der Platz in der Kabine 10 beschränkt, und die Instrumente, welche der Pilot bedient, müssen so angeordnet sein, daß sie den Blick durch .das Kabinenfenster 22 nicht behindern.
Eines der Hilfsinstrumente zur Führung des Flugzeugs, insbesondere beim Landen, ist beispielsweise eine als Bildröhre ausgebildete Kathodenstrahlröhre 24, die dem Piloten ein Bild .der Landefläche darbietet. Wie bereits erläutert, ist es wünschenswert, daß der Pilot nicht nur die Außenszene, sondern auch das von der Röhre 24 entworfene Bild im Gesichtsfeld hat.
Beim neuen Bildüberlagerungssystem ist eine Bildmischerscheibe 26 im Gesichtsfeld des Piloten im Fenster 22 angeordnet und bildet ein Teil dieses Fensters. Diese Bildmischerscheibe 26 weist ein erstes Teil 28 auf, das dem Kabineninnern zugewendet ist und aus einem geeigneten durchsichtigen Material, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff von guter optischer Qualität, hergestellt ist. Die nach außen gewendete Fläche 32 des Teils 28 ist mit einem teilreflektierenden überzug 30 versehen. Als solcher Überzug 30 kann z. B. ein sehr dünner Aluminiumfilm benutzt werden.
Die zum Kabineninneren liegende Oberfläche 34 der Bildmischerscheibe 28 ist vorzugsweise mit einer geeigneten, die Reflexion herabsetzenden Überzugsschicht 36, beispielsweise aus Magnesiumfluorid, versehen. Aus noch zu beschreibenden Gründen sind die Flächen 32 und 34 gekrümmt, und zwar ist die Fläche 34 stärker gekrümmt als die Fläche 32. Die optische Achse der Bildmischerscheibe 26 ist durch die Linie X-X in F i g. 2 markiert.
Die Kathodenstrahlröhre 24 ist auf dem Träger 14 derart angebracht, daß die Achse Y-Y der Röhre 24 einen spitzen Winkel zur optischen Achse X-X bildet. Die Röhre 24 besitzt einen Leuchtschirm 38, auf dem das zu übermittelnde Bild dargestellt wird, sowie die übliche Elektronenstrahlquelle 40 und vertikale und horizontale Ablenkplatten 42 und 44.
In der Anordnung nach F i g. 2 ist .die Fläche 32 im großen und ganzen sphärisch mit einem Krümmungsmittelpunkt A. Die Fläche 34 ist ebenfalls sphärisch mit einem Krümmungsmittelpunkt B auf der Achse X-X. Der Leuchtschirm 38 ist unterhalb der Achse X-X in solcher Lage angeordnet, daß ein Bild des Leuchtschirms von der halbdurchlässigen Schicht 30 zum Auge des Piloten 46 vermittelt wird, wenn dieser sich in seiner normalen Sitzlage befindet.
In Beziehung auf das vom Leuchtschirm 38 dargebotene Bild wirkt das Teil 28 der Bildmischerscheibe als negative Linse und der überzug 30 der Fläche 32 als positiver Spiegel. Das System wirkt also gewissermaßen als ein Mangin-Spiegel, der bekanntlich ein sowohl sphärische Aberration als auch Koma korrigierendes, aplanatisches System darstellt.
Es wurde gefunden, daß die beiden erwähnten Fehler noch weiter verringert werden können, wenn die Flächen 32 und 34 leicht asphärisch gemacht werden. Der Betrag der Abweichung von der sphärischen Form wird experimentell bestimmt.
Während die Kombination der negativen Linse 28 und des durch den überzug 30. gegebenen positiven Spiegels sowohl die sphärische Aberration als auch die Koma klein macht, beseitigen sie nicht den Astigmatismus. Der Astigmatismus kann klein gehalten werden, wenn die Feldwinkel möglichst klein gemacht werden. In dem eingangs besprochenen vorgeschlagenen System ist der Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre unterhalb der optischen Achse des Systems angeordnet, und die optische Achse der Röhre liegt im großen und ganzen parallel zur Systemachse. Diese Anordnung begrenzt jedoch die Größe des ausnutzbaren Feldes und erfordert eine relativ große Apertur, so daß der Bildmischer ziemlich dick wird. Nunmehr wird die Achse Y-Y der Röhre 24 im spitzen Winkel zur optischen Achse X-X gelegt, wodurch das ausnutzbare Feld der Bildmischerscheibe vergrößert wird. Beim gezeichneten optischen Bildüberlagerungssystem trifft die Verlängerung der Oberfläche eines Fensters 48 der Kathodenstrahlröhre das Auge 46 des Betrachters, wenn sich dieser in seiner normalen Sitzhaltung befindet. Es wurde gefunden, daß bezüglich der Herabsetzung der Aberration und der Koma der Leuchtschirm 38 unmittelbar unter der optischen Achse X-X in der Nähe des Punktes B angeordnet werden soll.
Durch die Ausrichtung der Röhre 24 wird zwar der Ausblick durch die gekrümmte Scheibe des Bildmischers nicht behindert, der Astigmatismus des Systems ist jedoch bei einem derartigen System nicht korrigiert.
Zur Kompensation des Astigmatismus wird im Fenster 48 ein astigmatisches Element angeordnet. Vorzugsweise wird das Fenster 48 als optischer Keil ausgebildet, dessen dickeres Ende der Bildmischerscheibe benachbart ist. Dadurch wird der Astigmatismus des Systems klein gehalten. Es wurde auch gefunden, daß die Beseitigung des Astigmatismus noch verbessert werden kann, wenn eine oder beide Flächen des Fensters 48 nichtplanar gemacht werden. Eine Fläche des Fensters 48 kann beispielsweise zylindrisch gemacht werden, wobei die Achse des Zylinders in der Zeichnungsebene liegt. Die Oberfläche kann auch mit nichtzylindrischer Krümmung in Beziehung auf eine ähnliche Achse gestaltet werden. Der Astigmatismus kann fernerhin dadurch verringert werden, daß eine oder beide Flächen bezüglich einer zur Zeichnungsebene senkrechten Achse gekrümmt werden. Die spezielle Krümmung der Flächen des Fensters 48 im Hinblick auf größtmögliche Verringerung des Astigmatismus wird empirisch bestimmt. Die keilförmige Gestaltung des Fensters bildet den Hauptfaktor bei der Reduzierung des Astigmatismus.
Das System wurde bislang in Beziehung auf die Vermittlung des Leuchtschirmbildes beschrieben. Die negative Linse 28 und der durch die Fläche 32 gegebene positive Spiegel halten die sphärische Aberation und die Koma dieses Leuchtschirmbildes gering. Das keilförmig gestaltete Fenster 48 verringert den Astigmatismus des Bildes und erlaubt die Krümmung der Bildmischerscheibe wirkungsvoll auszunutzen. Während das System ein Bild des Leuchtschirms 38 vermittelt, wirkt das Teil 28 der Bildmischerscheibe bezüglich des äußeren Bildfeldes als Linse und würde dieses Bildfeld verzeichnen. Damit dies nicht geschieht, hat die Bildmischerscheibe ein äußeres Teil 50, welches eine äußere gekrümmte Oberfläche 52 aufweist. Die Fläche 52 ist mit einem die Spiegelung herabsetzenden Überzug 54, beispielsweise aus Magnesiumfluorid, versehen. Im Hinblick auf Verringerung der Verzeichnung des äußeren Blickfeldes ist die Fläche 52 im großen und ganzen parallel zur Fläche 34. Eine geringe Abweichung der Fläche 52 von der sphärischen Gestalt verringert die Verzeichnung.
Es wird nunmehr die Wirkungsweise des neuen optischen Bildüberlagerungssystems besprochen. Ein vom Punkt P des Leuchtschirms ausgehender Lichtstrahl trifft auf das Teil 28 der Bildmischerscheibe auf, wird gebrochen und gelangt auf die reflektierende Schicht 30. Dort wird der Lichtstrahl reflektiert, und nach abermaliger Brechung tritt er aus dem Teil 28 aus und wandert zum Auge 46 des Betrachters. Die Wirkung des Teils 28 der Bildmischerscheibe und der reflektierenden Schicht 30 ist der einer negativen Linse und eines positiven Spiegels, welche sowohl zur Verringerung der sphärischen Aberration und der Koma dienen. Die Ausrichtung der Röhre 24 und die Lage des Leuchtschirmes 28 erlauben eine sehr wirksame Ausnutzung der Krümmung der reflektierenden Schicht 30 und führen zu einer großen Verringerung der sphärischen Aberration und der Koma, ohne das Blickfeld des Betrachters einzuschränken. Während diese wünschenswerten Resultate erzielt werden, würde das System ohne das keilförmig gestaltete Fenster 48 astigmatisch sein. Das Fenster 48 hält den Astigmatismus gering.
Während die Anordnung der negativen Linse und des positiven Spiegels in Kombination mit dem Fenster 48 ein Bild des Leuchtschirms darbietet, würde das Außenblickfeld durch das Teil 28 der Bildmischerscheibe verzerrt sein, wenn nicht das Teil 50 vorgesehen wäre, welches eine gekrümmte Fläche 52 aufweist, die im großen und ganzen parallel zur Fläche 34 ist. Diese Anordnung verschafft dem Betrachter ein unverzerrtes äußeres Gesichtsfeld.
Wie bereits erläutert, werden die Flächen 32, 34 und 52 leicht asphärisch gemacht. Weiterhin werden eine oder mehrere Flächen des Fensters 48 leicht gekrümmt gestaltet, um die besprochenen optimalen Ergebnisse zu erzielen.
Das neue optische Bildüberlagerungssystem vermeidet sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus. Es erlaubt die wirkungsvolle Ausnutzung der gekrümmten Fläche der Bildmischerschesbe. Die Verzerrung des äußeren Blickfeldes wird vermieden.

Claims

Patentansprüche: 1. Optisches Bildüberlagerungssystem, welches einem in einer Kabine od. dgl. befindlichen Betrachter einen Blick nach außen und ein Bild einer in der Kabine od. dgl. liegenden Beobachtungsfläche darbietet, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Eine Bildmischerscheibe (26) weist ein Teil (28) mit gekrümmter, dem Kabineninnern zugewendeter Oberfläche (34) sowie eine teilreflektierende, gekrümmte Fläche (30, 32) auf, die, von der Kabine aus gesehen, weiter außen angeordnet ist; b) die Bildmischerscheibe (26) und die Beobachtungsfläche (38) sind derart zum Betrachterplatz (12) angeordnet, daß die teilreflektierende Fläche (30, 32) dem Betrachter ein Bild der Beobachtungsfläche (38) darbietet; c) die gekrümmten Flächen (30, 34) sind im Hinblick auf geringste, sphärische Aberration und Koma des Bildes der Beobachtungsfläche (38) hergestellt und angeordnet.
2. Optisches Bildüberlagerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildmischerscheibe (26) eine optische Achse (X-X) aufweist und daß die Beobachtungsfläche (38) unterhalb dieser optischen Achse (X-X) angeordnet ist.
3. Optisches Bildüberlagerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachtungsfläche (38) eine optische Achse (Y-Y) zugeordnet ist, die im spitzen Winkel zur optischen Achse (X-X) der Bildmischerscheibe angeordnet ist.
4. Optisches Bildüberlagerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kabineninnern zugewendete Oberfläche (34) und die teilreflektierende Oberfläche (30, 32) der Bildmischerscheibe (26) unterschiedlich gekrümmt sind.
5. Optisches Bildüberlagerungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kabineninnern zugewandte Oberfläche (34) stärker gekrümmt ist als die teilreflektierende Fläche (30, 31).
6. Optisches Bildüberlagerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildmischerscheibe eine äußere gekrümmte Oberfläche (54) aufweist, die im Abstand von der teilweise reflektierenden Fläche (30, 32) angeordnet ist.
7. Optisches Bildüberlagerungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere gekrümmte Fläche (52) derart geformt und angeordnet ist, daß die Verzerrung des äußeren Blickfeldes durch den Linseneffekt des Teiles (28) zwischen der reflektierenden Fläche (30) und der inneren Oberfläche (34) kompensiert wird. B.
Optisches Bildüberlagerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Beobachtungsfläche (38) und der Bildmischerscheibe (26) ein astigmatisches, optisches Element (48) angeordnet ist.
9. Optisches Bildüberlagerungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Element (48) einen optischen Keil darstellt.
10. Optisches Bildüberlagerungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisfläche des optischen Keils (48) in Blickrichtung des Betrachters liegt.
11. Optisches Bildüberlagerungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalseite des optischen Keils (48) der Achse (X-X) der Bildmischerscheibe benachbart ist.
12. Optisches Bildüberlagerungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere und die innere Fläche (34, 54) im wesentlichen parallel zueinander sind.