DE19809711C1

DE19809711C1 - Einblick- oder Einspiegelungseinrichtung

Info

Publication number: DE19809711C1
Application number: DE19809711A
Authority: DE
Inventors: Ernst Rothe; Hans-Georg Heckmann
Original assignee: Rodenstock Prazisionsoptik GmbH
Current assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2018-03-07

Abstract

Beschrieben wird eine Einblick- oder Einspiegelungseinrichtung zur visuellen Betrachtung eines Objektes, mit einem optischen System, dessen Strahlengang mindestens einmal durch einen Spiegel gefaltet ist, und das wenigstens einen nicht planaren Spiegel aufweist, auf den der Strahlengang unter einem Einfallswinkel ungleich Null auftritt. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das optische System ein Element mit einer Oberfläche aufweist, die zu einer Ebene symmetrisch ist, und die keine Rotationssymmetrie aufweist, und entlang einer ersten Schnittlinie mit einer ersten Ebene einen einsinnig ab- oder zunehmenden meridionalen Krümmungsradius und entlang derselben Schnittlinie einen einsinnig ab- oder zunehmenden sagittalen Krümmungsradius besitzt. DOLLAR A Dadurch wird ein optisches Element geschaffen, mit dessen Hilfe Abbildungsfehler unter Verwendung bewährter und kostengünstiger Materialien in bisher nicht erreichtem Ausmaß korrigiert werden können.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einblick- oder Einspiegelungseinrich tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gattungsgemäße Einblick- oder Einspiegelungsvorrichtungen werden bei spielsweise in Head Up Displays (HUD's) oder Helmet Mounted Displays (HMD's) eingesetzt. Insbesondere werden der artige Einrichtungen dazu benutzt, um im Sichtfenster von Helmen, wie sie beispielsweise von Piloten getragen werden, Informationen oder Bilder von einem LCD, einer CRT, einem Diapositiv oder dgl. darzustellen. Hierzu sind die gattungsgemäßen Einrichtungen an oder im Bereich eines Kopf helms angebracht.

Stand der Technik

Gattungsgemäße Einblick- oder Einspiegelungseinrichtungen sind bei spielsweise aus der US-A-3 923 370, der US-A-5 341 242 oder der US-A-5 576 887 bekannt. Auf diese Druckschriften wird im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen.

Die aus den vorstehend genannten Druckschriften bekannten Einrichtun gen weisen ein optisches System auf, dessen Strahlengang mindestens einmal durch einen Spiegel gefaltet ist, und das wenigstens einen nicht planaren Spiegel aufweist, auf den der Strahlengang unter einem Einfalls winkel ungleich Null auftrifft.

Die optischen Systeme dieser Head-Up-Displays (HUD's) oder Head-Mounted-Displays (HMD's) werden häufig aufgrund geometrischer oder sonstiger Nebenbedingungen als dezentrierte asymmetrische Syste me gefertigt.

Es ist bekannt, die in dem optischen System auftretenden Bildfehler durch Elemente mit asymmetrischen Flächen wie beispielsweise Zylinderflächen, Torusflächen oder rotati onssymmetrischen Asphären zu korrigieren und diese Ele mente gegebenenfalls auch verkippt anzuordnen.

Ferner ist es bekannt, zur Formung dieser Flächen Kegel schnitte zu verwenden.

Die herkömmlich zur Verfügung stehenden optischen Elemen te haben den Nachteil, daß mit ihnen - selbst in verkipp ter Lage - die auftretenden Bildfehler wie etwa Astigma tismus nur unzureichend korrigiert werden können.

Auch der Einsatz holographischer Elemente zur Fehlerkor rektur bringt neben den Nachteilen hoher Kosten und einer begrenzten Haltbarkeit bzw. Belastbarkeit des Geräts auch eine starke Dispersion mit sich.

Mit herkömmlichen optischen Elementen gelingt es nicht, die bei den Einblickeinrichtungen auftretenden Bildfehler in ausreichendem Maße zu korrigieren.

Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Einrichtung derart weiterzubilden, daß die Bildfehler, insbesondere bei dezentrierten asymmetrischen Systemen, besser als bei bekannten Systemen korrigiert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das optische System ein Element mit einer Oberfläche auf weist, die zu einer Ebene symmetrisch ist, und die keine Rotationssymmetrie aufweist, und entlang einer ersten Schnittlinie mit einer ersten Ebene einen einsinnig ab- oder zunehmenden meridionalen Krümmungsradius und entlang derselben Schnittlinie einen einsinnig ab- oder zunehmen den sagittalen Krümmungsradius besitzt.

Während herkömmliche Linsen- oder Spiegelflächen bis zu zwei verschiedene Hautkrümmungen besitzen oder allenfalls in einer Richtung verschieden stark gekrümmt sind, ist die erfindungsgemäße Oberfläche so geformt, daß sich so wohl die meridionalen als auch die sagittalen Krümmungs radien entlang einer Schnittlinie der Oberfläche mit ei ner Ebene verändern. Dadurch entsteht eine Oberfläche, die zur Bildkorrektur gerade bei dezentrierten asymmetri schen Optiken viel weitergehendere Möglichkeiten bietet als herkömmliche, zumeist symmetrische oder sogar kreis symmetrische Spiegel- oder Prismenelemente.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Schnittlinie durch eine quadratische Gleichung, durch ei ne Kurve dritten Grades oder durch einen kubischen Spline beschreibbar. Die Variablen a, b, c, und d sind im Sinne einer optimalen Fehlerkorrektur angepaßt; im Falle der kubischen Spline-Funktion wird diese Anpassung abschnitt weise vorgenommen. Aus dieser Anpassung ergibt sich eine Schnittlinie, deren Krümmung, die meridionale oder tan gentiale Flächenkrümmung, entlang der Schnittlinie vari iert.

Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Verlauf des sa gittalen Krümmungsradius entlang der ersten Schnittlinie durch eine lineare Funktion der Höhe, eine Potenzreihe oder auch einen kubischen Spline beschreibbar. Dadurch werden Möglichkeiten eröffnet, die Oberfläche auch in sa gittaler Richtung, d. h. senkrecht zur ersten Schnittlinie variabel zu gestalten und Bildfehler weitergehend zu kor rigieren, als es beispielsweise mit einem torusförmigen Spiegel oder Linsenelement möglich ist.

Weiterhin ist es möglich, daß zweite Schnittlinien der Oberfläche mit zur ersten Schnittebene senkrecht stehen den zweiten Schnittebenen kreisförmig sind. Alternativ ist es möglich, daß die zweiten Schnittlinien Kegel schnitte sind oder auch Potenzreihen der Form

Z = c₂ . x² + c₄ . x⁴ + ...

sind.

Bei einer weiteren Ausgestaltung werden die zweiten Schnittlinien durch kubische Splines dargestellt.

Diese Ausführungsmöglichkeiten beschreiben den Verlauf der Oberfläche in sagittaler Richtung, wobei die vorge schlagenen Schnittlinienverläufe im allgemeinen höhenver änderlich sind.

Die einfacheren Ausführungsformen mit kegelschnitt- oder kreisförmigen Schnittlinien sind fertigungstechnisch vor teilhaft; die Ausführungsformen mit durch Potenzreihen oder kubische Splines darstellbaren Schnittlinien bieten hingegen mehr Möglichkeiten zur Fehlerkorrektur.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Ebene eine Symmetrieebene der Oberfläche. Während herkömmliche optische Elemente häufig zwei oder unendlich viele Symme trieebenen besitzen, ist (ohne Beschränkung des allgemei nen Erfindungsgedankens) die Oberfläche des erfindungsge mäßen optischen Elements lediglich zur ersten Ebene sym metrisch und eignet sich daher besonders zum Einsatz in dezentrierten asymmetrischen Optiken.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das optische Ele ment ein Spiegel oder ein Linsenelement. Auf diese Weise kann die erwünschte Korrektur der Abbildungsfehler mit an sich bewährten und preisgünstigen Materialien erzielt werden.

Weiterhin ist es möglich, daß das optische System Fal tungsspiegel enthält. Sie dienen dazu, den Strahlengang zu verkürzen und an die Geometrie des Kopfhelms anzupas sen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, deren einzige Figur einen typischen, aber nur bei spielhaften Verlauf einer Oberfläche eines erfin dungsgemäßen optischen Elements darstellt.

Darstellung eines Ausführungsbeispiels

Die Oberfläche des in der Figur dargestellten Elements ist bezüglich der yz-Ebene symmetrisch, in der sie ent lang der Schnittlinie A verläuft. Die Schnittlinien B ge ben den Verlauf der Oberfläche parallel zur xz-Ebene in unterschiedlichen Höhen y wieder.

Die abgebildete Oberfläche entspräche als herkömmliche Oberfläche beispielsweise einem Flächenausschnitt eines Torus, der aufrechtstehend von rechts gegen die y-Achse angelehnt ist. Im Unterschied zu herkömmlichen Flächen besitzt sie jedoch entlang der Schnittlinie A sowohl un terschiedliche Meridionale als auch unterschiedliche sa gittale Krümmungen. So ist zu erkennen, daß der tangen tiale Krümmungsradius entsprechend dem Gesamtverlauf des Flächenabschnitts von oben nach unten abnimmt. Die sagit tale Krümmung in der xz-Ebene oder einer dazu parallelen Ebene ist ebenso wie der Schnittlinienverlauf in diesem Beispiel variabel. Ein herkömmlicher Torus, auf den wie derum nur beispielhaft verwiesen wird, wäre dagegen durch zwei festgelegte Hauptkrümmungen bestimmt.

Mit der erfindungsgemäßen Oberfläche des optischen Ele ments ist es möglich, beispielsweise die Oberfläche eines Kegels oder einer in etwa eiförmig verzerrten Oberfläche zu beschreiben. Dabei sind die verwendeten Parameter ebenso wie die bekannte Kegelschnittskonstante "Kappa" Koeffizienten von nur 2. Ordnung in der impliziten Flä chenfunktion F[x, y, z] = 0. In der Taylor'schen Reihenent wicklung der Flächenpfeilhöhe Z = F[x, y] erscheinen diese Koeffizienten vor Gliedern mit x³ bzw. y³. Die Flächen normale auf der Oberfläche F(x, y, z) = 0 hat dabei nur eine z-Komponente; und der Ursprung der Fläche liegt innerhalb des genutzten Freidurchmessers.

Die so gearteten erfindungsgemäßen Oberflächen sind nicht rotationssymmetrisch, sie sind lediglich zu einer einzi gen Ebene symmetrisch.

Claims

1. Einblick- oder Einspiegelungseinrichtung zur visuellen Betrachtung eines Objektes, mit einem optischen System, dessen Strahlengang mindestens einmal durch einen Spiegel gefaltet ist, und das wenigstens einen nicht plan aren Spiegel aufweist, auf den der Strahlengang unter einem Einfallswinkel ungleich Null auftrifft,
dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Element mit einer Oberfläche aufweist, die zu einer Ebene symmetrisch ist, und die keine Rota tionssymmetrie aufweist, und
entlang einer ersten Schnittlinie mit einer ersten Ebene einen einsinnig ab- oder zunehmenden meridionalen Krümmungsradius und entlang derselben Schnittlinie einen einsinnig ab- oder zunehmenden sagittalen Krüm mungsradius besitzt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schnittlinie durch eine quadratische Gleichung der Form z = a + b . y + c . y² beschreibbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schnittlinie durch eine Kurve 3. Grades der Form z = a + b . y + c . y² + d . y³ beschreibbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schnittlinie durch einen kubischen Spline beschreibbar ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der sagittale Krüm mungsradius p entlang der ersten Schnittlinie gemäß p = P₀ + k₁ . y linear mit einer Höhe y verändert.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sagittale Krümmungsra dius p entlang der ersten Schnittlinie durch eine Po tenzreihe p = p₀ + k₁ . y + k₂ . y² + ... beschreibbar ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des sagitta len Krümmungsradius durch einen kubischen Spline be schreibbar ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Schnittlinien der Oberfläche mit zur ersten Schnittebene senkrecht ste henden zweiten Schnittebenen kreisförmig sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schnittlinien Kegelschnitte sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schnittlinien durch Potenzreihen Z = c₂ . x² + c₄ . x⁴ + ... darstell bar sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schnittlinien durch kubische Splines darstellbar sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ebene Symme trieebene der Oberfläche ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Spiegel oder ein Linsenelement ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System Fal tungsspiegel enthält.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System dezen triert ist.

16. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in Head Up Displays (HUD's) oder in Helmet Mounted Displays (HMD's).