DE1817721A1

DE1817721A1 - Flugzeugnavigationsverfahren

Info

Publication number: DE1817721A1
Application number: DE19681817721
Authority: DE
Inventors: Upton Hubert W
Original assignee: Bell Aerospace Corp
Current assignee: Bell Aerospace Corp
Priority date: 1968-03-06
Filing date: 1968-10-22
Publication date: 1970-02-19
Also published as: FR1589907A; DE1804431A1

Description

Dr. ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

Anlage ^ Anzeichen P 18 04 431.0-51 ΤΓ.Α.

zur Eingabe vom 3. September 1969 VA* Named. Anm. BELL AEROSPACE

CORPORATION

Flugzeunavigationsverfahren

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Flugzeugnavigationsverfahren und betrifft im einzelnen die Darbietung von Navigationsinformationen und insbesondere eines Bildes des vor dem Flugzeug liegenden Raumes an de.n Piloten.

Die Erfindung soll ein Flugzeugnavigationsverfahren schaffen, das dem Piloten in jedem Flugzustand, unter allen möglichen Flugbedingungen und bei allen möglichen Navigationsvorgängen oder Navigationsaufgaben ein richtiges, zuverlässiges Bild des vor dem Flugzeug liegenden Raumes liefert, wobei gegebenenfalls zusätzlich zu diesen Informationen über den Raum vor dem Flugzeug auch noch weitere Daten über die Fluglage, den Zustand des Flugzeuges, Außenbedingungen usw. geliefert werden können· Insbesondere soll das Navigationsverfahren gemäß der Erfindung dem Piloten bei schlechten Sichtverhältnissen kontinuierlich zunächst ein elektronisches Bild des Raumes vor dem Flugzeug und dann, sobald ein optisches Bild erhältlich ist, auch ein optisches Bild dieses Raumes liefern, so daß der Pilot beispielsweise beim Landeanflug in jedem Augenblick optimale Informationen über seinen Landeplatz zur Verfügung hat. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung soll das Navigationsverfahren des Piloten ein wirklich dreidimensionales optisches Bild des vor dem Flugzeug liegenden Raumes liefern und ihm damit die Navigation und insbesondere die Entfernungsabschätzung wesentlich erleichtern.

Zur Lösung dieser und weiterer sich aus der folgenden Beschrei-

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bung ergebender oder für den Fachmann auf der Hand liegender Aufgaben, ist beim Flugzeugnavigationsverfahren gemäß der Erfindung vorgesehen, daß man den vor des Piloten liegenden Raum alt zwei Bildaufnahmevorrichtungen aufnimmt und das Bild der ersten Bildaufnahmevorrichtung auf die Konkave Innenfläche einer vor dem einen Auge des Piloten angeordneten reflektierenden Linse projiziert, während man das Bild der zweiten Bildaufnahmevorrichtung auf die konkave Innenfläche einer vor dem anderen Auge des Piloten angeordneten reflektierenden Linse projiziert.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß man mit der ersten Bildaufnahmevorrichtung ein optisches Bild aufnimmt und vor dem einen Auge des Piloten projiziert, während man mit der anderen Bildaufnahmevorrichtung ein elektronisches oder Radarbild aufnimmt und vor dem anderen Auge des Piloten projiziert, so daß der Pilot bei der navigation gleichzeitig das optisch und das elektronisch erzeugte Bild berücksichtigen kann und folglich insbesondere bei schlechten Sichtverhältnissen sich zunächst mit dem elektroniscfcferzew; - τ Bild etwa einem Landeplatz annähern kann, um dann Bit üem zusätzlich gelieferten optischen Bild eine noch genauere Übersicht Über die Landefläche zu erhalten.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß man zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes des vor dem Piloten liegenden Raumes die beiden optischen Bildaufnahmevorrichtungen im Abstand voneinander anordnet, so daß der Pilot ein wirklich dreidimensionales Bild des vor ihm liegenden Raumes sieht, dessen Tiefenwirkung besser als ein mit bloßem Auge betrachtetes Bild sein kann, und das dem Piloten insbesondere die Entfernungsabschätzung wesentlich erleichtert.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden EinzelbeSchreibung einiger Vorrichtungen, mit denen man das erfindungsgemäße Verfahren durchführen kann, wobei auf beiliegende Zeichnungen Bezug genommen wird.

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In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Beobachtungsbrille für einen Piloten,

Flg. 2 die in Fig. 1 dargestellte Brille bei ihrer Benutzung,

Fig. 3 in einer Draufsicht zu Fig. 2 die Stellung der Brille zu den Augen des Piloten,

Fig. 4 in. einer schematischen Draufsicht die Anordnung der we-

- seitlichen Teile des optischen Systems der Brille gemäß M Fig. 1 und des Strahlenganges,

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform des optischen Systems,

Fig. 6 eine scheaatische Darstellung eines Instrumentensystems,' von den die Brille gemäß Fig. 1 eine Komponente bildet,

Fig. $A und 6B Einzelheiten des in Fig. 6 dargestellten Systems,

Fig. 7 eine perspektivische Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Beobachtungsbrille, bei der eine Membran benutzt wird, um ein "koaxiales" System zu schaffen, %

Flg. 8 eine perspektivische Untersicht zu Fig. 7,

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Strahlenganges auf einer Seite der Ausführungsfora gemäß Fig. 7,

Fig.10 eine schematische Darstellung eines Mittels zum Schutz der bei Fig. 7 verwendeten Membran und

Fig>*11. in eifier sphematischen Darstellung den Strahlengang ei- _? ner. Anordnung, bei der den zwei Augen des Benutzers

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verschiedene Bilder dargeboten werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Brille 10 weist reflektierende Linsen 12 auf, die auf dem Vorderteil 14 eines Brillenrahmens mit Befestigungsarmen 32 und StellstUcken 20 gelagert sind« Die Stellstücke 20 haben einen Schlitz 22, durch den zur Einstellung der Feldlinsentragzylinder 42 gegenüber den Stellstücken 20 eine Stellschraube 24 ragt. Die einzelnen, reflektierenden Linsen 12 sind auf den Stellstücken 20 mit Haltern 26 gelagert, die an den Linsen 12 mit Klemmschrauben 28 befestigt sind. Es sind Seitenbügel 18 vorgesehen, die teleskopartig verlängerbar sind.und einen Schlitz 34 aufweisen, der zur Festlegung eines Seitenbügelendstückes 40 mittels einer Schraube 36 und einer Flügelmutter 38 in einer beliebigen Längsausfahrstellung dient. Der Seitenbügel 18 bildet an seinem vorderen Ende den Feldlinsentragzylinder 42, der schräg zu den Seitenbügeln angeordnet' ist, wobei beide Enden des Zylinders 42 über die Seitenbügel hinausragen. Im Tragzylinder 42 sind ein Glasfaserbündelhalter 48 und ein Glasfaserbündel 46 enthalten. Die reflektierenden Linsen können mittels einer Rändelschraube 50 in Querrichtung entlang Führungsstiften 52 mittels einer nicht dargestellten Schraubenspindel eingestellt werden. Ein Nasenbügelträger 56 mit einem senkrechten Stellschlitz 64 ermöglicht die senkrechte Einstellung des Nasenbügels 58. Ein elastisches Band 66 kann an beiden Seiten des Vorderteils 14 befestigt sein, um um den Kopf des Benutzers gelegt zu werden und so den korrekten Sitz des Brillenrahmens zu den Augen des Benutzers sicherzustellen, ohne hinderlich zu sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung brechen die Linsen 12 das Licht nicht. Auf den konkaven Oberflächen der Linsen ist eine Beschichtung aufgebracht und die Linsen können einen Krümmungsradius von 50,8 mm haben. Die Beschichtung reflektiert Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge zwischen 560 und 580 Millimikron und bildet einen Spiegel in diesem Spektrum mit einer Brennweite von 25,4 mm. Die Linsen 12 lassen alle Wellenlängen

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durchtreten mit Ausnahme der zwischen 560 und 580 Millimikron liegenden Wellenlängen, für die die Linse als Spiegel wirkt, so daß diese zum Betrachter zurückgeworfen werden. Die Feldlinse 44 kann aus zwei einfachen Linsen (s. Fig. 4) bestehen, so daß man das Glasfaserbündelbild unterschiedlich stark vergrößern kann; diese Linsen nehmen das Bild vom.Glasfaserbündel 46 oder einer anderen Bildquelle auf und übertragen es in den Brennpunkt der reflektierenden Linsen 12. Der Feldlinsenhalter 48 kann mit einer nicht dargestellten Stellschraube festgelegt werden, nachdem er an der richtigen Stelle angeordnet worden

2 2 ist. Man kann ein Glasfaserbündel 46 mit 1,2 mm (3/16 inch ) verwenden, das etwa 1.000.000 Glasfasern mit jeweils 15 Mikron Durchmesser enthält.

Man erkennt aus Fig. 4, daß das Auge dort angeordnet sein soll, wo die Feldlinsenöffnung vom Okularreflektor fokussiert wird (d, h. im Augenpunkt der reflektierenden Oberfläche der reflektierenden Linsen 12). Hierdurch wird.sichergestellt, daß das Auge den größten Teil des durch die Feldlinse kommenden Lichtes empfängt.

Es ist bekannt, daß man durch entsprechende Auswahl und Anordnung der optischen Teile das Bild so erzeugen kann, daß es dem Betrachter entweder auf einer Brennebene im Unendlichen oder auf einer Brennebene in irgendeiner anderen Entfernung erscheint. Der erste Fall, d. h. die Darstellung des Bildes im Unendlichen, ist beispielsweise für Flugzeugbestückungen oder Instrumentensysteme geeignet, während der zweite Fall für andere Anwendungsfälle geeignet ist, beispielsweise zur Einstellung von Mechanismen, bei denen eine visuelle Information auf eine in einer bestimmten Entfernung vom Betrachter befindliche Ebene überlagert wird.

Fig. 5 zeigt eine geringe Abwandlung der Fig. 4, wobei in Fig. 5 für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 verwendet wurden. In Fig. 5 sind nur ein Visierfaden-

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kreuz 68 und ein diagonaler Reflektor oder Strahlenteiler 66 zusätzlich vorgesehen, die beide zwischen des Ausgang des Glasfaserbündels 46 und der Feldlinse 44 angeordnet sind. Auf diese Weise kann man das Bild des Visierfadenkreuzes 68 mit dem auf der reflektierenden Linse 12 dargestellten Bild vom Glasfaserbündel 46 kombinieren.

Fig. 6 zeigt schematisch, wie man die Brille 10 gemäß der Erfindung in ein Instrumentensystem eines Flugzeuges einbauen kann. Der Flugzeugrumpf 70 1st in gestrichelten Linien bei 70 angedeutet und auf dem Rumpf 70 ist eine Sensorgruppe 72 montiert. Die Sensorgruppe 72 1st nur als ein Viereck schematisch dargestellt und enthält die vollständige Flugzeuginstrumenteninformation, die auf der gekrümmten Innenfläche der Linse 12 zur Beobachtung durch den Piloten projiziert werden soll. Der Ausgang der Sensoren wird einem Bilderzeuger 74 zugeführt, der ein Bild erzeugt, das beispielsweise mittels des Glasfaserbündel s 46 zu den Seitenbügeln 18 der Brille 10 geleitet wird.

Die Sensorgruppe 72 enthält vorzugsweise soviel als möglich an Fluginformationssensoren, wie etwa Längsneigungs- oder Nick- und Rollsensoren. Die Triebwerkszustandssensoren, wie etwa die die Triebwerkstemperatur und den Motoröldruck feststellenden Sensoren, müssen normalerweise im Triebwerk angeordnet sein und ihre Ausgänge können zur Darstellung auf der Brille 10 in die Sensoranordnung 72 eingespeist werden· Da die Triebwerkswerte auf jeder Flugzeugarmaturentafel angezeigt werden, muß die Sensoranordnung 72 selbst nicht unbedingt eine Anzeige der Triebwerkswerte enthalten. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Anordnung 72 auch die Triebgwerkswerte darstellen kann, da der Pilot dann ununterbrochen die Uagebung vor dem Flugzeug beobachten kann und seine Augen während des Fluges nicht in gewissen Zeitabständen auf die verschiedenen Instrumente zu richten braucht»

Die Figuren 6A und 6B zeigen ein Ausführungsbeispiel dieser In-

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strumentendarstellung gemäß der Erfindung. Aus Fig. 6A ersieht man, daß in einen Brillenrahmen 75 die zur Nick- und Rollanzeige notwendigen Geräte eingebaut sind. Diese in den Ohrbügel des Brillenrahmens 75 eingebauten Geräte umfassen einen Rollmotor 76, an dem ein Nick- und Rollstab 78 aufgehängt ist. Die untere Endfläche des Stabes 78 ist lichtreflektierend ausgebildet. An einem Nickmotor 80 ist ein Strahlenteiler 82 befestigt. Unter einer öffnung 84 unter dem Strahlenteiler 82 ist eine Lichtquelle derart angeordnet, daß das Licht' nach oben durch den Strahlenteiler 82 reflektiert wird, um von der Unterseite des Nick- und Rollstabes 78 zurück zum Strahlenteiler reflektiert zu werden, von dem es unter einem Winkel von 90° durch die Projek-

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tionslinsen 86 auf die innere, halb reflektierende Oberfläche des Okulars 88 reflektiert wird. Wenn der Nickmotor 80 sich um seine Achse dreht, dreht sich der Strahlenteiler 82 und bewirkt, daß das Bild des Stabes 78 sich vor dem Auge des Benutzers auf und ab bewegt. Wenn der Rollmotor S56 sich um seine Achse dreht, , bewirkt er, daß der Stab 78 sich entsprechend dreht, und dadurch wird bewirkt, daß das Bild des Stabes 78 sich vor dem Auge des Benutzers dreht.

Fig. 6b zeigt ein Ausführungsbeispiel des dem Piloten dargebotenen Bildes. Neben der Abbildung 78i des Stabes 78 werden verschiedene Flug- und Triebwerksanzeigen durch die Stellung von Punkten 9Oa_f 90b, 90c, 9Od auf einem Kreis dargestellt. Jeder dieser Punkte wird von einen Sensor mittels Glasfaserbündeln auf eine Tafel 92 innerhalb des Brillenrahmens übertragen. Das Bild dieser verschiedenen Anzeigen wird durch den Strahlenteller 82 mittels der Linsen 86 auf die gekrümmte Oberfläche des Okulars 88 projiziert. Diese Anzeigen sieht der Betrachter dann zugleich mit dem Bild 78i des Stabes 78 gemäß der Darstellung in Fig. 6B.

IQ eine Marken 94 auf der Tafel 92 erscheinen als Marken 94i in dem in Fig. 6B dargestellten Bild und stellen Fixpunkte dar, an denen der Pilot die Auslenkung des Bildes 78i des Stabes 78 er-

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kennen kann.

Ein System, bei dem man eine auf dem Brillenrahmen gelagerte Projektionsvorrichtung der in den Figuren 6 bis 6B dargestellten Art benutzt, um auf dem Okular 88 dargestellte Instrumentenanzeige zu erzeugen, hat den wesentlichen Vorteil, daß man verhältnismäßig kleine Projektionsmittel benutzt, die auf dem Brillenrahmen montiert sind. Diese hierdurch geschaffene Anzeigeanlage ist sehr viel leichter als herkömmliche Anzeigevorrichtungen und Instrumententafeln, was insbesondere bei-Flugzeugen einen erheblichen Vorteil bedeutet, bei denen jede Gewichtsersparnis wesentlich ist. Die Gewichtsersparnis ergibt sich nicht nur aus der Tatsache, daß die kleine Kathodenstrahlröhre oder ein entsprechendes anderes Projektionsmittel sehr viel leichter ist als die herkömmlichen in den Instrumententafeln montierten Kathodenstrahlröhren, sondern auch aus der Tatsache, daß weniger Energie benötigt wird und die zugeordneten Geräte kleiner sein können.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß dieses Anzeigesystem transportabel ist und daher nicht in das Flugzeug eingebaut sein muß. Herkömmliche Kathodenstrahlröhrenanzeigen auf den Instrumententafeln erfordern Raum auf der Instrumententafel und bedingen umfangreiche Konstruktionskosten durch den Einbau in die Kabine.

Die in den Figuren 7, 8 und 9 dargestellte Ausführungsform gleicht weitgehend der AusfUhrungsform gemäß der Fig. 1, und zwar in erster Linie insofern, als ein Brillenrahmen 100 zur Lagerung des Okulars 102 benutzt wird, das die für die Erfindung kennzeichnende Art der Anzeige ermöglicht. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind Kathodenstrahlröhren 104 kleinen Durchmessers (beispielsweise 25,4 mm) an Stelle der in Fig. 1 vorgesehenen Projektion mittels Glasfaserbündeln 46 dargestellt.

Wie aus den Figuren 8 und 9 am besten erkennbar ist, ist bei

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dieser Ausführungsform außerdem eine "Membran" 108 zwischen dem Auge 114 des Benutzers und dem halb reflektierenden Okular 102 angeordnet, um eine sogenannte "koaxiale" Projektion (on-axis projection) vorzusehen. Mit der "Koaxialen" Projektion ist gemeint, daß das projizierte Bild (Fig. 9) vom Auge 114 in Richtung der gleichen optischen Achse empfangen wird, wie das Hintergrundbild, das durch das halb reflektierende Okular 102 zum Auge 114 gelangt. Die optische Anordnung der AusfUhrungsform gemäß Fig. 7 ist in Fig. 9 dargestellt, aus der man erkennt, daß der Ausgang der Projektionseinrichtung (bein dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kathodenstrahlröhre 104) von einem Spiegel 110 zu einer Feld- oder Projektionslinse 112 reflektiert wird, um von dort zur "Membran" 108 projiziert zu werden. Die Membran 108 ist eine sehr dünne, halb reflektierende und halb transparente Membran, die einen Teil des projizierten Lichtstrahles zum Okular 102 reflektiert. Das Okular 102 hat eine halb reflektierende Innenfläche und ist derart gekrümmt, daß es das von ihm reflektierte Licht zum Auge 114 des Betrachters hin zur Erzeugung eines Bildes im Unendlichen bricht. Der reflektierte und vom Okular 102 zum Auge 114 des Betrachters auf diese Weise reflektierte Teil des Lichtes wird entlang einer Achse projiziert, die mit der Achse desjenigen Lichtes und Bildes zusammenfällt, das von außen durch das halb transparente Okular 102 empfangen wird.

Man erkennt, daß durch die Anwendung der Membran 108 diese "koaxiale" Projektion möglich wird. Der Vorteil dieser "koaxialen" Projektion gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß bei der koaxialen Projektion das projizierte Bild sehr viel weniger verzerrt wird. Die Art der bei der nicht "koaxialen" Projektion erzeugten Verzerrung ist dem Astigmatismus verwandt und wird zu einem schwerwiegenden Problem, wenn das projizierte Bild ein Weitwinkelbild ist. Die "koaxiale" Ausführungsform gemäß Fig. 7 muß angewendet werden, wenn man eine gute Auflösung auf dem ganzen Gesichtsfeld erreichen und die sonst auftretenden optischen Verzerrungen und Ab-

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errationen vermeiden will. Auf diese Weise erreicht «an eine korrekte Deckung und Brennschärfeabbildung des projizieren Bildes auf dem Hintergrundbild, das durch das Okular 102 zu sehen ist. In den meisten Anwendungsfällen der vorliegenden Erfindung muß man die "koaxiale" Ausführungsfora gemäß Fig. 7 anwenden, weil in den meisten Anwendungsfällen der Erfindung eine Weitwinkeldarstellung sit ausreichender Bildschärfe erforderlich ist, die eine größtmögliche Auflösung des projizierten Bildes bedingt. In diesen Fällen ist daher der Einbau der unter 45° angeordneten halb reflektierenden Membranscheibe 108 von sehr großer Wertigkeit.

Die Figuren 7 und 8 zeigen verschiedene bei der Anwendung dieser Ausführungsform der Erfindung nützliche Einstellvorrichtungen. Die Stellschrauben 115 und 116 dienen zur Einstellung des Nasenbügels gegenüber dem Brillenrahmen 100. Im einzelnen dient die Stellschraube 115 zur senkrechten Verstellung des Nasenbügels, während die Stellschraube 116 die waagerechte Verstellung des Nasenbügels bewirkt. Die Einstellung des Nasenbügels ist wichtig, um der Brille das gewünschte Auflager zu schaffen. Die Stellschraube 117 dient zum Festspannen des Brillenrahmens; wenn die Stellschraube 117 gelöst wird, kann man die Okulare 102 in einer senkrechten Ebene um eine durch die Mitte der Brille verlaufende waagerechte Achse drehen. Mit den Stellschrauben 118 kann man die waagerechte Lage der zwei Okulare 102 einzeln verändern. So dient die rechte Stellschraube 118 zur Einstellung der waagerechten Lage des rechten Okulars 102. Mit den zwei Stellschrauben 118 kann man den Mittenabstand der beiden Okulare verändern und dem Augenabstand des Benutzers anpassen, so daß das Bild entsprechend dem Augenabstand der Benutzer erzeugt wird.

Da die Membran 108 eine sehr dünne und empfindliche Membran ist, sollte sie vor Verunreinigung und Berührung während der Benutzung geschützt sein. Fig. 10 zeigt die Benutzung eines einfachen Rahmens 120 um die Membran 108 herum und hinter dem Oku-*

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lar 102, so daß der Benutzer die Membran 108 nicht berühren kann. Ein Ende des Rahmens 120 ist mit dem gekrümmten Okular 102 verschlossen. Das andere Ende des Rahmens 120 ist durch eine zusätzliche, transparente Glasscheibe 122 verschlossen. Um das Auge 114 des Piloten vor seitlich einfallendem Licht zu schützen, ist der Rahmen 120 üb das Auge des Piloten herum verlängert und liegt mit einem biegsamen Wulst 124 aus Gummi oder dergleichen gegen dessen Gesicht an.

Zwischen dem halb reflektierenden Okular 102 und der halb reflektierenden Membranscheibe 108 kann ein erheblicher Verlust des .von der Kathodenstrahlröhre projizierten Lichtes und des Lichtes vom Hintergrundbild auftreten. Dieser Lichtverlust für den Piloten isttjedÖch nicht so erheblich, wie es zunächst zu sein scheint. Wenn beispielsweise das Licht des Hintergrundbildes äußerst gering ist, wie etwa während eines Nachtfluges, ist ein Kathodenstrahlröhrenausgang mit einer Helligkeit von einem Fuß-Lambert (die am Auge des Piloten nur eine Helligkeit von etwa 1/8 Fuß-Lambert liefert) gegenüber dem Hintergrund, dessen Helligkeit im Bereich von 1/10.000 Fuß-Lambert liegen mag, hell genug. Unter diesen Umständen erreicht man einen guten Kontrast.

Beim Tagflug hat das Hintergrundbild manchmal natürlich Helligkeiten von bis zu mehreren tausend Fuß-Lambert. Unter diesen Umständen kann es vorkommen, daß das von der Kathodenstrahlröhre (oder einer anderen Projektionseinrichtung) projizierte Bild infolge seiner geringen Lichtstärke vor dem Hintergrundbild nicht sichtbar ist.-Daher benötigt man in diesen Fällen ein verhältnismäßig scharfes Okular 102. Um den Jeweiligen Flugbedingungen entsprechend verschiedene optische Dichten (Schärfen) des Okulars zur Verfügung zu haben, ist das Okular 102 vom Piloten leicht auswechselbar und der Pilot hat drei oder vier verschiedene Okulare für verschiedene Flugbedingungen zur Verfügung. Der Brillenrahmen kann so ausgebildet sein, daß diese Okulare in etwa 30 Sekunden auswechselbar sind. Da die Okulare nicht häufig ausgewechselt werden müssen, bedeutet dies keine

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erhebliche Belastung für den Piloten. Außerdem sind Linsen bekannt, die ihre Schärfe in Abhängigkeit von dem einfallenden Licht ändern, und man kann derartige Linsen anwenden, um die Anpassung an die Lichtstärke des Hintergrundes automatisch durchzuführen und auf diese Weise den richtigen Kontrast zwischen dem Hintergrundbild und dem von der Kathodenstrahlröhre projizierten Bild entsprechend der Lichtintensität dieser beiden Bilder zu erreichen.

Fig. 11 zeigt eine der Fig. 9 ähnliche schematische Strahlengangdarstellung, nur daß in Fig. 11 neben dem Strahlengang für das rechte Auge 114 auch der Strahlengang für das linke Auge 114» dargestellt ist. Der Strahlengang für das linke Auge 114· ist gleich dem Strahlengang für das rechte Auge 114, so daß die Beschreibung der Fig. 9 hier nicht wiederholt zu werden braucht. Zur Kennzeichnung der Parallelität sind bei beiden Strahlengängen die gleichen Bezugszeichen verwendet worden, wobei diese Bezugszeichen im Strahlengang zur Erzeugung des vom linken Auge gesehenen Bildes nur zusätzlich mit einem Apostroph versehen wurden.

Diese Anordnung zur Projektion von zwei Bildern hat unter anderem den Zweck, daß man zwei verschiedene Bilder projizieren kann, von denen jeweils eines von den beiden Augen des Benutzers empfangen oder gesehen wird·

So kann man beispielsweise mit der Kathodenstrahlröhre-104 ein optisches Bild des Raumes vor dem Piloten projizieren, während man mit der Kathodenstrahlröhre 104» den gleichen Raum mittels eines Radarbildes darstellt. Das optische Bild würde dann vom rechten Auge 114 und das Radarbild vom linken Auge 114' des Piloten gesehen. Bei einer derartigen Anordnung, sei es daß die gekrümmten Okularlinsen 102, 102* durchsichtig sind oder nicht, stehen dem Piloten einerseits das durch die Radaranlage erzeugte "Fernbild" und andererseits das optisch erzeugte Detailbild gleichzeitig zur Verfügung. Da es optische oder diesem sehr älin-

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liehe Bilderzeugungsverfahren gibt, mit denen man Bilder sehen oder projizieren kann, die mit dem unbewaffneten menschlichen Auge nicht mehr zu sehen sind, kann man auf diese Weise dem Piloten eines Flugzeuges bei der Blindlandung mit dieser Kombination einer optischen Projektionseinrichtung 104 mit einer Radarprooektionseinrichtung 104· ein sehr nützliches Hilfsmittel an Hand geben»

Nach derzeitigen Überlegungen soll diese Mehrfach-Sensoranordnung es dem Piloten in erster Linie ermöglichen, einen gewünschten Punkt sobald wie möglich und mit angehobenem Kopf festzustellen oder zu lokalisieren; dabei kann es sich beispielsweise um die Lokalisierung einer zum Landen geeigneten offenen Stelle am Boden handeln. Mit dem Radarbild, das eine größere Reichweite als das optische Bild hat, kann diese Stelle zuerst festgestellt werden und der Pilot kann dann sein Flugzeug auf diese Stelle ausrichten. Der Pilot wird dann die Radar- und die optisfce Aufnahmevorrichtung derart ausrichten, daß sie die Landestelle, zu der er fliegt, in der Mitte seines Blickfeldes darstellen* Wenn dann auch die optische Aufnahmevorrichtung ein Bild liefert, stellt er das Radar- und das optische Bild der Höhe nach zueinander ein, bis der Bereich, den er auf dem optischen Bild sieht, sich mit dem von dem Radarbild dargestellten Bereich deckt. Die Relativbewegung des optischen und des Radarbildes zueinander werden durch vom Piloten gesteuerte Relativbewegungen der zwei Sensoren zueinander und nicht etwa durch Verstellung der beiden Okulare 102, 102¹ gegeneinander areicht. Dies ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber beispielsweise dem Fall der dreidimensionalen Darstellung, bei der die Okulare verstellt werden, um die gewünschte und notwendige Ausrichtung aufeinander zu erreichen.

In der Azimutebene laufen die Radar- und die optische Einrichtung normalerweise zusammen, so daß die von beiden Einrichtungen aufgenommenen Bilder sich gleichzeitig zur senkrechten Mittelachse des Schirmes bewegen.

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Einer der Hauptvorteile dieser Mittel zur Schaffung von Bildern von zwei verschiedenen Sensoren, wie etwa einen Radar- und einem optischen Sansor, besteht darin, daß jedes der Bilder von einem System erzeugt wird, das für das betreffende Bild am besten geeignet ist, und daß die Bilder dann jeweils einem*der beiden Augen dargeboten werden, so daß das Benschliche Gehirn die Überlagerung vornimmt. Es sind Verfahren zur Überlagerung eines optischen und eines Radarbildes auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre bekannt, bei diesen Verfahren sind jedoch Kompromisse hinsichtlich der Anordnung des Phosphors und anderer Parameter der Vorrichtung erforderlich, um beide Bilder gleichzeitig zu sehen.

Bei dieser Bauart von Anzeige- oder Betrachtungsvorrichtungen mit mehreren Sensoren verwendet man nach derzeitiger Auffassung vorzugsweise durchsichtige (d. h. halb reflektierende) Linsen, weil es nach wie vor wünschenswert ist, daß der Pilot den Landeplatz kurz vor dem Landen sehen kann; obwohl der Pilot die Sensoren benötigt, um ganz nahe an den Landesplatz gefährt zu werden, wird er normalerweise in der Lage sein, während des Landevorganges den Landesplatz zu sehen·

Das in Fig. 11 gezeigte Zweifach-Darstellungsverfahren kann man außerdem benutzen, um dem Piloten mittels zweier im Abstand voneinander angeordneter Sensoren, wie etwa optischer Aufnahmevorrichtungen, ein dreidimensionales Bild zu liefern j diese Aufnahmevorrichtungen liefern der optischen Röhre 104 ein Bild für das rechte Auge und der optischen Röhre 104* ein Bild für das linke Auge. Der Betrag des stereo-optischen Stiches hängt in erster Linie vom Abstand zwischen den optischen Sensoren ab« Normalerweise entspricht der Abstand zwischen den optischen Sensoren dem Abstand zwischen den Augen 114, 114' des Benutzers. Bei der dreidimensionalen Anwendung müssen die Okulare auf jeden Fall zueinander so eingestellt werden, daß sich für den Benutzer der beste Blick ergibt. Beispielsweise ist 6s bei der dreidimensionalen Anwendung wichtiger als bei jeglicher ande- *

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rer Anwendung, daB die zwei Bilder senkrecht sehr genau auf ein-' ander eingestellt werden, wenn der dreidimensionale Effekt nicht zu schnell verloren gehen soll. Daher muß sowohl eine Azimutwinkeleinstellung als auch eine Höhenwinkeleinsteilung vorgesehen sein, so daß der Benutzer die zwei Bilder zur Erzeugung des dreidimensionalen Effektes richtig zur Deckung bringen kann. Zusätzlich zu den bei allen Anwendungsforaen erforderlichen Einstellaöglichkeiten nuß der Augenabstand einstellbar sein, was in den Zeichnungen dargestellt ist. Zur Einstellung der zwei Bilder derart, daß dem Benutzer eine richtige dreidimensionale Darstellung dargeboten wird, muß man die Okulare 102, 102' zueinander einstellen, Hierdurch unterscheidet sich diese Anwendungsform von der Anwendungsform mit mehreren Sensoren, bei der die Sensoren relativ zueinander eingestellt werden, um die Bilder mit Bezug auf den Blick des Piloten zur Deckung miteinander zu bringen«.

Bei dieser dreidimensionalen Anwendungsform der Brille gemäß der Erfindung ist besonders interessant, daß, obwohl der Augenabstand des Benutzers selbstverständlich festliegt und folglich der Abstand zwischen den zwei Okulare η 102, 102¹ für jeden einzelnen Benutzer in wesentlichen gegeben ist, man durch Vergrößerung (bis zu einem gewissen Funkt) des Abstandes zwischen den Sensoren ein Bild erzeugen kann, das beim Benutzer eine bessere Tiefenwirkung hat. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung liefert also ein MIttel, mit dem man die Navigationsmöglichkelten eines Benutzers (etwa eines Piloten) durch eine optische Tiefendarstellung verbessern kann.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen erzeugen die gekrümmten Okulare ein Bild im Unendlicfaen_s weil bei den meisten derzeit in Aussicht genommenen Anwendungsfällen der vorliegenden Erfindung ein proäizlertes Bild einem optisch im Unendlichen liegenden Hintergrundbild überlagert werden soll.. Man will daher das proQizierte Bild mit einer unendlichen Brennweite überlagern. ■ Um eine, überlagerung im Unendlichen zu erreichen, müssen die

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Okulare die produzierten Lichtstrahlen derart brechen, daß das Bild im Unendlichen erscheint. Dies gilt jedenfalls für einen normal sichtigen Benutzer, eine Voraussetzung, die für die meisten Piloten zutrifft. Für Benutzer, die normalerweise eine Brille benötigen, oder wenn das projizierte Bild in einem wesentlich geringeren Abstand als im optisch unendlichen erscheinen soll, übernehmen die gekrümmten Linsen die Funktion einer optischen Sammellinse. In den Ansprüchen sind die Okulare daher entsprechend ihrer allgemeinen Funktion als optische Sammellinsen und nicht entsprechend ihrer speziellen Funktion als ^ Linsen bezeichnet, die ein Bild im Unendlichen erzeugen.

Von größerer Bedeutung für die Funktionsfähigkeit der beschriebenen Anordnungen ist die Tatsache, daß die gekrümmten Linsenokulare 12, 102 die Lichtstrahlen von der Kathodenstrahlröhre bündeln (gewöhnlich zur Abbildung eines Bildes im Unendlichen). Unabhängig davon, ob die gekrümmten Linsenokulare ganz durchsichtig oder ganz undurchsichtig sind, ist diese Bündelungsfunktion notwendig, um diese Art der Brillenrahmenlagerung realisierbar zu machen. Da diese Fähigkeit des gekrümmten, reflektierenden Okulars zur Bündelung des von der Kathodenstrahlröhre erzeugten Lichtes Teil des optischen Systems zur Projek- _ tion von Licht von der Kathodenstrahlröhre zum Auge des PiIo-™ ten ist, wird die Schaffung eines leichteren und einfacheren Systems möglich, als wenn Sammellinsen im Strahlengang vor den Okularen erforderlich wären.

Im Zusammenhang mit diesem Vorteil sei daran erinnert, daß dieses Okular eine Breite von 5,08 cm hat und folglich ein Weitwinkelblickfeld liefert. Um ein vergleichbares Weitwinkelblickfeld mit das Bild im Unendlichen erzeugenden Linsen zu schaffen, die weiter oben im Strahlengang liegen, sind verhältnismäßig große und verhältnismäßig schwere Linsenanordnungen erforderlich. Dieser Gewichtsunterschied ist hinsichtlich der Bequemlichkeit und der Stabilität des Proöektionssystems von erheblicher Bedeutung, wenn dieses auf dem Kopf des Piloten oder eines

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anderen Benutzers getragen werden soll.

Man erkennt also* daß die gekrümmten Okulare 12, 102 zwei wich-* tige Funktionen erfüllen· Die erste Funktion feesteht darin, daß sie den das produzierte Bild enthaltenden Lichtstrahl bündeln, so daß keine weiteren Bündelungslinsen im Strahlengang erforderlich sind« line Folge hiervon ist, daß das Gewicht und die größe der Brille se weit verringert werden, daß die Brille bequem und. stabil auf dem Kopf des Benutzers getragen werden kann. Die zweite Funktion besteht darin, dai das gekrümmte Okular eine Weii^inkeldarstellung liefert. Man kann dem Benutzer daher eine ^BPajt,oram^B-Darstellung (ler Information bieten, ohne daß die sonst erforderliehen umfangreichen Ausrüstungen und Geräte erforderlich wlren*

Diese beiden Vorteile stehen insofern in Beziehung zueinander, als sie beide aus der Benutzung der gekrümmten Okulare erwachsen. Dieser Vorteil der Weitwinkeldarstellung bei äußerst geringer ßr^ge und Kompliziertheit und bei äußerst geringem Gewicht der Anlage wird allerdings unter der Einschränkung erzielt, daß nur 4Ae die Brille tragende Person diese Information oder Darstellung sieht. Jeder Benutzer muß seine eigene Brille haben« Bei vielen Anwendungsfällen der vorliegenden Erfindung stellt diese Einschränkung jedoch einen Vorteil dar, Als Beispiele für derartige Anwendungsfälle, bei denen diese Einschränkung einen Vorteil bedeutet, seien aufgeführt? 1· Die Verwendung zur Betrachtung eines Fernsehbildes nur durch den Brillenträger und 2, die Benutzung der Brille in einem Kontrollraum und seihst in der Pilotenkanzel eines Flugzeuges, wo die den einzelnen Personen dargebotenen Daten und Bilder entsprechend 4en speziellen Aufgaben dieser Personen verschieden

Für den Fachmann liegen daher die Anwendungsmöglichkeiten der Brille gemäß 4er Erfindung auf der Hand. Selbstverständlich sollen, die beschriebinen und dargestellten Ausführungsformen

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und Anwendungsfälle nur zur Erläuterung und nicht zur Abgrenzung der Erfindung dienen·

Patentansprüche

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Claims

Aktenzeichen: P 18 04 431.0-51

Tr. A.

Anmelder: BELL AEROSPACE

CORPORATION

P ATE NT ANSPRÜCHE

1J Flugzeugnavigationeverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man den vor dem Piloten liegenden Raus mit zwei Bildaufnahmevorrichtungen aufnimmt und das Bild der ersten Bildauf- * nahmevorrichtung auf die konkave Innenfläche einer vor dem einen Auge des Piloten angeordneten reflektierenden Linse projiziert, während man das Bild der zweiten Bildaufnahmevorrichtung auf die konkave Innenfläche einer vor dem anderen Auge des Piloten angeordneten reflektierenden Linse projiziert.
2. Flugzeugnavigationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit der ersten Bildaufnahmevorrichtung ein optisches Bild aufnimmt und vor des einen Auge des Piloten projiziert, während man mit der anderen Bildaufneigevorrichtung ein.elektronisches oder Radarbild aufnimmt und vor dem anderen Auge des Piloten projiziert, so daß der Pilot bei der Naviga- μ tion gleichzeitig das optische und das elektronisch erzeugte Bild berücksichtigen kann.
3. Flugzeugnavigationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes des vor dem Piloten liegenden Raumes die beiden optischen Bildaufnahmevorrichtungen im Abstand voneinander anordnet.

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