DE2009798C3 - Optisches System zum Überlagern von sichtbaren Informationen mit einem im Blickfeld eines Beobachters befindlichen Bild - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Überlagern von sichtbaren Informationen mit einem im Blickfeld eines Beobachters befindlichen Bild unter Verwendung von außerhalb des Blickfeldes angeordneten Bilddarstellungselementen sowie einer in bezug auf den Beobachter konkav gekrümmten Reflexionsfläche und einer im wesentlichen ebenen, zwischen dem Beobachter und der gekrümmten Reflexionsfläche angeordneten Teilretlexionsfläche zur Reflektierung der von den Bilddarstellungselementen ausgehenden Informationen auf die gekrümmte Reflexionsfläche und von dort durch die ebene Teilreflexionsfläche zum Beobachter, so daß dieser im Unendlichen ein Bild der durch die Bilddarstellungselemente sichtbar gemachten Informationen wahrnimmt.

Bei einem derartigen, aus der US-Patentschrift <>5 90 747 bekannten optischen System ist die gekrümmte Reflexionsfläche als Konkavspiegel ausgebildet, so daß der Beobachter das Ziel nicht unmittelbar in

Blickrichtung zu liegen hat.

Aus der US-Patentschrift 32 30 819 ist zwar eine gewölbte Teilreflexionsfläche bekannt, die aber nicht in Kombination mit einem ebenen Teilreflektor verwendet wird.

Nach der DT-AS 12 43 414 wird zum Ausgleich des durch das negativ zum Beobachter gekrümmte durchsichtige Element verursachten Fehlers eine negativ in Richtung auf das durchsichtige Element gekrümmter, teilweise durchlässiger Reflektor und zwischen diesem und dem Bildschirm einer Kathodenstrahlrohre ein Kollimationslinsensystem vorgesehen. Dieses Kollimationslinsensystem kann auch zwischen einem ebenen, teilweise durchlässigen Reflektor und dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre vorgesehen sein und enthält eine 2:ylinderlinse, die negativ zum Reflektor gekrümmt ist.

Nach dem Buch von Brueggemann »Conic Mirrors«, The FocdI Press, London and New York, 1968, S. IO und 11, sind konische Spiegel bekannte optische Elemente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß beispielsweise bei Verwendung in Über-Kopf-Bildwiedergabegeräten zur Darstellung eines Bildes von sichtbar gemachten Informationen für den Piloten eines Flugzeuges der Pilot in die Lage versetzt wird, diese Informationen wahrzunehmen, ohne seinen Blick von der Szenerie außerhalb des Flugzeuges abzuwenden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die gekrümmte Reflexionsfläche des optischen Systems ebenfalls als Teilreflexionsfläche ausgebildet und so angeordnet, daß der Beobachter durch die gekrümmte Teilreflexionsfläche zur Wahrnehmung der dahinterliegenden Szene hindurchsehen kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die gekrümmte Te'lreflexionsfläche wenigstens annähernd kugelförmig ausgebildet, vorzugsweise in Form eines Kugelsegments, wobei eine Abweichung von der exakten Kugelform möglich ist. Die gekrümmte Teilreflexionsfläche kann auch eine konische Krümmung haben, z. B. in Form einer Krümmungsoberfläche eines Drehkörpersegments, eines nicht kreisförmigen Kegelschnitts u. dgl., wobei z. B. an das Segment eines Ellipsoids gedacht ist. Die gekrümmte Teilreflexionsfläche kann auch eine torische Krümmung haben.

Vorzugsweise ist die ebene Teilreflexionsfläche so angeordnet, daß sie ein virtuelles Bild des reellen, sichtbaren Bildes auf dem Bilddarstellungselement im Brennpunkt der gekrümmten Tel reflexionsfläche hervorruft, so daß das virtuelle Bild dem Beobachter infolge Reflexion durch die gekrümmte Teilreflexionsfläche im Unendlichen erscheint.

Die Bilddarstellungselemente können einen gegen die Teilreflexionsfläche konvexen Bildschirm aufweisen, der im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist. Dieser konvexe Bildschirm kann Teil einer Kathodenstrahlröhre sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus einem Über-Kopf-Bilddarstellungsgerät, das eine Kathodenstrahlröhre mit einem zumindest angenähert sphärisch konvexen Bildschirm umfaßt, auf dem eine sichtbare Information für einen Piloten dargestellt wird, wobei der Pilot durch einen ersten Teilreflektor die äußere Szenerie beobachten kann. Dieser Teilreflektor hat eine zumindest angenähert sphärische Oberfläche mit in bezug auf den Piloten konkaver Wöl-

bung. Ein /weiter Teilreflekior ist im wesentlichen eben ausgebildet und zwischen dem Piloten und dem ersten Reflektor angeordnet, wobei der Krümmungsradius des vorstehend genannten Bildschirms halb so groß ist wie derjenige der genannten sphärischen Oberfläche. Der Bildschirm und der zweite Teilreflektor sind so angeordnet, daß es möglich ist. ein virti dies Bild des Bildschirms konzentrisch /ur sphärischen Reflexionsfläche zu produzieren, so daß das von dem Bildschirm ausgehende Licht eines dargestellten Bildes von dem eLenen Reflektor geworfen wird und von dort zum Piloten als Beobachter gelangt. Dieser sieht ein Bild des auf dem Bildschirm dargestellten Zeichens im Unendlichen der äußeren Szenerie überlagert.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt und näher erläutert. Hierin zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung eines Über-Kopf-Bildapparates und

F i g. 2 die perspektivische Ansicht eines Apparates gemäß Fig. 1, angebracht im Cockpit eines Luftfahrzeuges.

Das Gerät besteht aus einem ersten Teilreflektor 1 mit einer sphärischen, d.h. kugelig konkaven Reflexionsfläche 2. Der Pilot eines Luftfahrzeuges, in dem das Gerät befestigt ist. sieht die äußere Szenerie durch den Teilreflektor 1. Der Krümmungsmittelpunkt Cder Reflexionsfläche 2 fällt annähernd mit dem Centrum des Kopfes des Beobachters, und zwar in Höhe der Augen zusammen. In der Zeichnung sind die Augen des Piloten mit E bezeichnet, das von außen kommende Licht der äußeren Szenerie mit L Der Krümmungsradius der kugeligen Reflexionsfläche 2 liegt vorteilhaft in einem Bereich zwischen 15 und 75 Zentimeter. Zwischen den Augen des Piloten und dem Teilreflektor 1 ist ein zweiter Tcilrefiektor 3 angeordnet, der eine im wesentlichen ebene Reflexionsfiäche 4 hat und. wie aus der Zeichnung ersichtlich, geneigt ist. Oberhalb der Teilreflexionsfläche 3 und außerhalb des Blickfeldes des Piloten ist eine Kathodenstrahlröhre 5 angeordnet, die einen konvex-kugeligen Bildschirm 6 aufweist, auf dem sichtbare Informationen zur Übertragung für den Piloten erscheinen. Der Krümmungsradius des Bildschirmes 6 ist halb so groß wie derjenige der Reflexionsfläche 2, wobei der Bildschirm in bezug auf den Teilreflektor 3 so angeordnet ist, daß ein virtuelles Bild, gekennzeichnet mit 6' des Bildschirmes 6 infolge der Reflexion durch die ebene Reflexionsfläche 4, konzentrisch zur kugeligen Reflexionsfläche 2 angeordnet erscheint. Das vom Bildschirm 6 ausgehende Licht wird von der ebenen Reflexionsfläche 4 so reflektiert, daß ein virtuelles Bild der Darstellung auf dem Bildschirm in der Projektion 6' erscheint. Das Licht wird von der ebenen Reflexionsfläche 4 auf die kugelige Fläche 2 geworfen und von dort in Richtung auf die Augen E des Piloten reflektiert.

Da das virtuelle Bild 6' einen Krümmungsradius hat, der halb so groß ist wie derjenige der Reflexionsfläche 2. jedoch zu dieser konzentrisch ist, erscheint es auf halber Strecke zwischen dem Krümmungsmittelpunkt C und der Reflexionsfläche 2, d. h.. jeder Punkt des virtuellen Bildes 6' erscheint in einem Brennpunkt der Reflexionsfläche 2. Infolge dieser Stellung des Bildes 6' wird das Licht, das von jedem Punkt des Bildschirmes 6 ausgeht und von der Fläche 4 reflektiert wird, dann von der kugeligen Fläche 2 als paralleler Strahl reflektiert, so daß für die Augen des Piloten ein Bild der im Unendlichen auf dem Bildschirm 6 entstehenden sichtbaren Informationen erscheint. Das erlaubt ein gleichzeitiges Betrachten der äußeren Szenerie und der dargestellten Information, ohne daß der Pilot gezwungen ist. seinen Kopf zu wenden oder die augenblickliche Brennweiteneinstellung der Augen zu verändern.

Die Reflexionen der Flächen 2 und 4 können unter Berücksichtigung der relativen Lich'stärken zwischen

ίο der äußeren Szenerie und dem Licht des Bildschirmes 6 so aufeinander abgestimmt werden, daß sie diesen besonderen Anforderungen genügen. Hauptsächlich wird dabei die gesamte Lichtübertragung von der äußeren Szenerie etwas eingeschränkt, bei gleichzeitiger Forderung nach höchstmöglicher Lichtstärke des Bildschirmes.

Wenn die Beleuchtung in dem Cockpit durch das Licht von außen relativ groß ist, ist es möglich, daß eine leichte Unklarheit oder Unscharfe der äußeren Szenerie und/oder der Bilddarstellung beim beobachtenden Piloten eintriu. hervorgerufen durch Reflexionen von Streulicht an der konkaven Fläche 2 in das Blickfeld des Piloten.

Zum Beispiel kann das Gesicht des Piloten von der Fläche 2 zurückgespiegelt werden, was die Beobachtungen des Piloten erschwert. Um diese mögliche nachteilige Wirkung zu verringern, kann die sphärische Reflexionsfläche 2 so ausgebildet sein, daß sie im wesentlichen nur Licht von bestimmten Wellenlängen reflektiert, wobei dann die Kathodenstrahlröhre 6 so ausgeführt sein muß, daß das von ihr ausgehende Licht innerhalb dieses Wellenbereichs liegt. Diese Anordnung wird dann lediglich nur das innerhalb des gewählten Wellenbereiches liegende Streulicht von der Fläche 2

M reflektieren, welches jedoch so gering ist, daß keine wesentlich störende Wirkung mehr auftritt. Der Wellenlängenbereich kann genügend eng gewählt werden, um jede wesentliche, unerwünschte Einwirkung bei der Betrachtung der äußeren Szenerie durch den Piloten auszuscheiden, d. h., der Wellenbereich ist nicht so breit, daß Erscheinungen der äußeren Szenerie durch dieses Licht von Wellenlängen, die innerhalb des genannten Wellenbereichbandes liegen, unklar werden. Die Oberfläche 2. die vorstehend als sphärisch beschrieben wurde, kann auch nur einer Kugelform angenähert sein, sie kann auch eine konische oder eine torische Krümmung aufweisen.

Eine erfindungsgemäß gestaltete Einrichtung hat ein weites Blickfeld in Verbindung mit relativ kleinen Abmessungen, was in bezug auf die bekannten Räumlichkeiten im Cockpit eines modernen Luftfahrzeuges wesentlich ist. Anstatt einer Kathodenstrahlröhre 5 mit einem kugelig konvexen Bildschirm 6 kann die Einrichtung andere geeignete optische Vorrichtungen zur Erzeugung eines Bildes von sphärisch-konvexer Form auf dem Bildschirm enthalten.

Die F i g. 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Gerät gemäß F i g. 1 innerhalb eines Cockpits eines Luftfahrzeuges befestigt. Ein Gehäuse 7 ist an Haltestreben 8 eines geeigneten festen Elements 9 der Cockpitbauteile befestigt. Das Gehäuse 7 enthält eine Kathodenstrahlröhre 5 oder eine andere, einen Gegenstand bzw. eine Information abbildende Vorrichtung, wobei die Teilreflektoren 1 und 3 wie in der gezeigten Darstellung am Gehäuse 7 befestigt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Optisches Sysiem zum Überlagern von sichtbaren Informationen mit einem im Blickfeld eines Beobachters befindlichen Bild unter Verwendung von außerhalb des Blickfeldes angeordneten Bilddarstellungselementen sowie einer in bezug auf den Beobachter konkav gekrümmten Reflexionsfläche und einer im wesentlichen ebenen, zwischen dem Beobachter und der gekrümmten Reflexionsfläche angeordneten Teilreflexionsfläche zur Reflektierung der von den Bilddarstellungselementen ausgehenden Informationen auf die gekrümmte Reflexionsfläche und von dort durch die ebene Teilrefiexionsfläche zum Beobachter, so daß dieser im Unendlichen ein Bild der durch die Bilddarstellur.gselemente sichtbar gemachten Informationen wahrnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Reflexionsfläche (2) ebenfalls als Teureflexionsfläche ausgebildet und so angeordnet ist. daß der Beobachter durch die gekrümmte Teilreflexionsfläche (2) zur Wahrnehmung der dahimerliegenden Szene hindurchsieht.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Teiireflexionsfläche (2) wenigstens annähernd kugelförmig ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Teilreflexionsfläche (2) eine konische Krümmung hat.

4. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Teilreflexionsfläche (2) eine torische Krümmung hat.

5. Optisches System nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddarstellungselemente einen gegen die Teilreflexionsflächen konvexen Bildschirm (6) aufweisen, der im wesentlichen kugelig ist.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Bildschirm (7) Teil einer Kathodenstrahlröhre (5) ist.

7. Optisches System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilreflexionsfläche (2) dichroitisch ausgebildet

45