DE2326841A1

DE2326841A1 - Optische kollimatorvorrichtung

Info

Publication number: DE2326841A1
Application number: DE2326841A
Authority: DE
Inventors: Bernard Picardat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-05-26
Filing date: 1973-05-25
Publication date: 1973-12-06
Also published as: GB1428833A; YU138673A; FR2185803A1; YU35402B; US3864025A; DE2326841B2; FR2185803B1; JPS4963454A; JPS5415216B2; DE2326841C3; SE381747B

Description

THOMSON - CSi¹
173, Bd. Haussmann
PARIS 8e /Frankreich

Unser Zeichen; T 1373

Optische Kollimatorvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Kollimatorvorrichtung, mit einem optischen Objektiv, einem leuchtenden Objekt nach Art einer Strichplatte, das in der Brenn- . ebene des Objektivs liegt, und mit einem halbdurchlässigen Spiegel, über den die Beobachtung der Umgebung erfolgt, der sich die leuchtende Abbildung der ins Unendliche projezierten Strichplatte überlagert.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Bildung von Plugkollimatoren oder Blickfeldanzeigegeräten (in der angelsächsischen Terminologie "Head up display" genannt). Diese Kollimatorvorrichtungen ermöglichen es, der von dem Piloten beobachteten Umgebung Steuerinformationen zu überlagern. Diese Informationen erscheinen in Eorm von leuchtenden Zeichen oder Symbolen. Sie

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ORIGINAL INSPECTED

werden mittels entsprechender leuchtender Objekte nach. Art von "Strichplatten¹¹ erzeugt, die in der Brennebene eines optischen Objektivs liegen, damit die Abbildung ins Unendliche projiziert wird und« eine Beobachtung ohne Entf ernungs— oder Helligkeitsakkomodation möglich ist. Eine optische Mischvorrichtung kann verwendet werden, um mehrere Strichplatten zu kombinieren und eine ausgefeiltere- Darstellung zu ermöglichen«

Es ist wesentlich, daß der Pilot die Gesamtheit der Strichplatten ohne störende-Verschiebungen des Kopfes sieht und ohne sich übermäßig dem halbdurchlässigen Spiegel' der Kol.limatorvorrichtung zu nähern, über den die Beobachtung erfolgt»

Die Abbildung des Randes der Linse in dem Spiegel wirkt wie eine optische Pupille. Das lutzfeld der Yorrichtung besteht bei der monokularen Beobachtung aus einem auf das Auge zentrierten Kegel, der an der optischen Pupille anliegt, und bei der binokularen Beobachtung aus zwei Kegeln, die jeweils auf die Augen des Beobachters zentriert sind und an der optischen Pupille anliegen. Die Beobachtung der Zeichen in einer in Betracht gezogenen Beobachtungsrichtung bleibt bei Verschiebungen eines jeden Auges in einem Bereich, der dem der optischen Pupille entspricht, sichergestellt.

Es ist wichtig, eine optische Pupille großen Durchmessers zu erhalten, um den Komfort des Piloten zu erhöhen? indem man ihm eine erleichterte Beobachtung in einem ausreichenden Abstand von dem halbdurchlässigen Spiegel ermöglicht.

In der Praxis erfolgt die Vergrößerung der Abmessungen der optischen Pupille im allgemeinen zum Nachteil der

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Abmessungen und der Kompaktheit des Geräts. Insbesondere muß das Gerät, das über einem Armaturenbrett eines Flugzeugs angeordnet ist, eine verminderte Höhenabmessung aufweisen, um nicht die Sicht und die Bewegungen des Piloten zu behindern· Bei Kollimatorvorrichtungen, die eine gute optische Qualität und insbesondere eine Punktionsweise ohne Terzerrungen und ohne Parallaxe aufweisen, ist die mögliche Mindesthöhe des Gehäuses durch den gewünschten Durchmesser der Pupille bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Kollimatorvorrichtung zu schaffen, die die.se Nachteile beseitigt und eine Pupille aufweist, die größer als das Gehäuse ist, wobei jedoch die optischen Qualitäten der Torrichtung beibehalten werden.

Die Kompaktheit einer derartigen Ausführungsfortn ist von Vorteil, da sie eine leichte Montage an Bord von verschiedenen Steuerkabinen ermöglicht und eine spätere Montage (."Nachrüstung") ohne besondere Maßnahmen durchgeführt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß ein reflektierendes Ablenkprisma zwischen dem Objektiv und der leuchtenden Strichplatte angeordnet ist, daß das Prisma eine senkrecht zur optischen Achse durch die Brennebene verlaufende Eintrittsfläche, eine zweite, zur Bildung eines reflektierenden Planspiegels bearbeitete Fläche und eine dritte, zur optischen Achse des ihr gegenüberliegenden Objektivs senkrechte Austritt sf lache aufweist, und daß der zwischen der Austrittsfläche und der reflektierenden Fläche gebildete Prismenwinkel zu dem zwischen der Austrittsfläche und der Eintrittsfläche gebildeten Prismenwinkel im Verhältnis 1:2 steht.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt ι

Pig. 1 ein Schema einer optischen Kollimatorvorrichtung bekannter Art,

Pig. 2 ein Schema einer optischen Kollimatorvorrichtung gemäß der Erfindung,

Pig. 3 und 4 Darstellungen des äquivalenten optischen Strahlengangs in dem reflektierenden Ablenkprisma ■ der optischen Kollimatorvorrichtung gemäß der Erfindung.

Pig. 1 zeigt.ein Schema einer Plugkollimatorvorrichtung. Sie besteht im wesentlichen aus einer Strichplatte 1, die im Brennpunkt eines optischen Objektivs 2 liegt, das aus einer bikonvexen Linse bestehen kann, und einem halbdurchlässigen Umlenkspiegel 3. Die Strichplatte 1 und das Austrittsobjektiv 2 sind in einem Gehäuse 4 angeordnet. Die Strichplatte trägt -die leuchtenden Zeichen, die dazu bestimmt sind, im Sichtfeld des Piloten der beobachteten Umgebung überlagerte, entsprechende Abbildungsdarstellungen zu bilden. In der dargestellten Ausführungsform ermöglicht es ein reflektierender Spiegel 5, der gegenüber der optischen Achse um 45° geneigt ist, die Längsachse des Gehäuses parallel zur Beobachtungsachse zurückzuführen, wenn man annimmt, daß der halbdurchlässige Spiegel 3 ebenfalls um 45° geneigt ist. Die Orientierung des Spiegels 3 ist im, allgemeinen einstellbar. Die Beobachtung der Strichplatte erfolgt für jedes Auge und für eine bestimmte Position außerhalb des auf das Auge zentrierten Kegels, der an der optischen Pupille anliegt, die von dem Rand der Abbildung 20

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des Objektivs 2₅ gesehen durch, den Spiegel 3, begrenzt wird.' Die Beobachtung in der betrachteten Richtung, hier der Achse ist bei vertikalen Verschiebungen des Auges innerhalb einer Fläche 21 sichergestellt, die der Fläche der Pupille 20 entspricht. Der Durchmesser der Pupille entspricht im Falle der Figur dem Durchmesser D des Objektivs 2»

Die Höhe H des Gehäuses ist notwendigerweise größer als der Durchmesser D der Pupille, insbesondere unter Berücksichtigung der Dicke des Objektivs 2.

Fig. 2 zeigt ein Schema einer Kollimatorvorrichtung gemäß der Erfindung»

Sie besteht aus einem Gehäuse 10, das ein optisches Austrittsobjektiv 11, ein reflektierendes Ablenkprisma und eine in der Brennebene angeordnete Strichplatte 13 trägtc Das Prisma 12 ist im optischen Strahlengang angeordnet, sein Querschnitt ist dreieckig, eine der Eintrittsfläche entsprechende Seite BG liegt senkrecht zu der zur Brennebene verlaufenden optischen Achse X, eine zweite Seite AC entspricht einer Fläche_} die zur BiI-dung eines reflektierenden Planspiegels bearbeitet ist, und die dritte Seite AB entspricht der Austrittsfläche, gegenüber der das Objektiv 11 angeordnet ist«, Die optische Achse des Objektivs 11 verläuft senkrecht zu der Austrittsfläche des Prismas 12„"

Die Funktionsweise der Torrichtung ist folgende: Ein von einer Punktlichtquelle der Strichplatte ausgehender Lichtstrahl wird von der Eintrittsfläche des Prismas gebrochen, dann von der Austrittsfläche reflektiert, auf die er mit einem Einfallswinkel auftrifft, der größer als der Totalreflexionswinkel ist, wird dann von der

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den Spiegel bildenden Fläche reflektiert und schließlich von der Austrittsfläche gebrochen, auf die er dieses Mal mit einem Einfallswinkel trifft, der kleiner als der Totalreflekionswinkel ist; der Strahl wird danach von dem Austrittsobjektiv 11 kollimiert. Die Einfallsbedingungen der Strahlen, die auf die Austrittsfläche treffen, werden insbesondere durch die Wahl der Brennweite des Objektivs 11. und der Winkel des Prismas bestimmt.

Der Winkel an der Kante A des Prismas wird gleich dem halben Winkel an der Kante B gewählt, so daß der optische Strahlengang in dem Prisma dem Durchgang durch eine planparallele Platte entspricht, deren Dicke gleich der größten Höhe des Dreiecks ABG ist, also gleich der von der Ecke A ausgehenden Höhe, wobei die Platte aus dem gleichen Material wie das Prisma, z.B, aus Glas, besteht.

Mg. 3 zeigt den äquivalenten optischen Strahlengang. Bei diesem Beispiel ist der Winkel bei C gleich 90 . Die beiden aufeinanderfolgenden Reflexionen der Strahlen werden in äquivalenter Weise durch die Konstruktion, eines Dreiecks ABC₁, das symmetrisch zu dem Dreieck ABC bezüglich der Linie AB ist, und eines Dreiecks AB^C₁, das symmetrisch zu dem Dreieck ABC< bezüglich der linie AC, ist, ausgedrückt» Unter den Winkelbedingungen «£ B = 2 ^t A, ist die Strecke AB.. parallel zu der Strecke BC, und der optische Strahlengang in dem Prisma entspricht dem Durchgang durch eine Platte, deren Dicke gleich der Seite AC = L.. des rechteckigen Dreiecks ABC ist.

Die Vergrößerung der Austrittspupille geht aus Fig. 3 hervor. Man nimmt an, daß eine Pupille der Höhe H₁ gleich der Seite BC in Luft ausgehend von einem Brenn-309849/0579

punkt F₁ erhalten wird, der in einer Brennweite LF = L.J + L₂ liegt ο Wenn F, die Lage des Brennpunkts unter der Annahme ist, daß der Strahlengang vollständig in einem Medium verläuft, das dem Medium des Prismas entspricht, ist der Punkt F^ von dem Punkt F.. um eine komplementäre Strecke Oj₁ + ^n)/n entfernt, wobei η der Brechungsindex zwischen der Luft und dem transparenten Material des Prismas ist. Der Vergleich zwischen den Dreiecken F,JB und F,GE., zeigt, daß die Vergrößerung E^G~BJ der Pupille H₂ aufgrund des Punktes F~ gegenüber der Pupille H. durch das Verhältnis

Bj" F ,J
bestimmt wird_? das größer als 1 ist.

Berücksichtigt man, daß der optische Durchgang teilweise in Luft erfolgt, wird der Brennpunkt zum Punkt F₂ verschoben, der im Abstand L./n vom Punkt F^ liegt, entsprechend dem Durchgang durch die dem Prisma 12 äquivalente Platte.

Die optische Achse des Austrittsobjektivs mit dem Durchmesser H₂ ist im Fall von Fig. 3 gegen die für die Pupille, mit dem Durchmesser H^ angenommene Achse X.. nach X₂ versetzt. Der Brennpunkt F₂ wird nach F. auf der Achse Xp übertragen, und die Strichplatte muß in der Brennebene in der Nähe des Punktes Fp angebracht werden. Die zuvor erwähnte Versetzung kann erheblich verringert werden, wenn man die Größe der Winkel A und B, die 30° bzw* 60° im Beispiel von Fig. 3 betragen, etwas ändert. Der Winkel A kann insbesondere im Bereich von 25° bis 35° gewählt werden. Fig. 4 bezieht sich auf ein solches Beispiel, bei dem der Winkel A kleiner als 30° gewählt wurde.

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Es ist zu beachten, daß das Austrittsobjektiv im geringen Abstand von der Austrittsfläche AB angeordnet ist. Dieser Abstand wurde bei der Beschreibung der Punktionsweise anhand der Pig. 3 der Einfachheit halber vernachlässigt. Wenn E^ der auf die Achse AB (Pig. 3) übertragene Punkt E ist, kann der Bereich EB der Austrittsfläche, der dem Austrittsobjektiv nicht gegenüberliegt, derart behandelt werden, daß er einen reflektierenden Spiegel bildet.

Die Vergrößerung des Durchmessers der optischen Pupille erreicht Ieicht25 bis 30 $. Z.B« war es bei einer. Höhe H des Gehäuses von 60 mm und einer Höhe H von 55 mm möglich,' eine Kollimatorvorrichtung mit einem Pupillendurchraesser von etwa 7.0 mm herzustellen, wobei die optischen Eigenschaften der Vorrichtung beibehalten wurden.

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Claims

Patentansprüche

(Iy Optische Kollitnatorvorrichtung mit einem optischen Objektiv, einem leuchtenden Objekt nach Art einer Strichplatte, das in der Brennebene des Objektivsliegt, und mit einem halbdurchlässigen Spiegel, über den die Beobachtung der Umgebung erfolgt, der sich die leuchtende Abbildung der ins Unendliche projizierten Strichplatte überlagert, dadurch gekennzeichnet, daß ein reflektierendes Ablenkprisma (12) zwischen dem Objektiv (11) und der leuchtenden Strichplatte (13) .augeordnet ist, daß das Prisma eine senkrecht zur optischen Achse (X) durch die Brennebene verlaufende Eintrittsfläche, eine zweite, zur Bildung eines reflektierenden Planspiegels bearbeitete Fläche und eine dritte, zur optischen Achse des ihr gegenüberliegenden Objektivs senkrechte Austrittsfläche aufweist, und daß der zwischen der Austrittsfläche und der reflektierenden Fläche gebildete Prismenwinkel (A) zu dem zwischen der Austrittsfläche und der Eintrittsfläche gebildeten Prismenwinkel (B) im Verhältnis 1:2 steht.
2. Torrichtung nach Anspruch 1_? dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des zv/ischen der Austrittsfläche und der reflektierenden Fläche des Prismas gebildete Winkel (A) in dem Bereich von 25° bis 35° gewählt ist.

3« Yorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv gegenüber der Austrittsfläche in dem Austrittsbereich der von der Strichplatte ausgehenden Lichtstrahlen angeordnet ist, wobei der Austrittsbereich einem Teil der Gesamtfläche der Aiistrittsflache entspricht, und daß der restliche Bereich der Austrittsfläche zur Bildung eines reflektierenden Planspiegels bearbeitet ist.

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