DE2331772A1

DE2331772A1 - Am kopf oder helm tragbare anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2331772A1
Application number: DE2331772A
Authority: DE
Inventors: Richard P Vizenor
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1972-06-28
Filing date: 1973-06-22
Publication date: 1974-01-10
Also published as: JPS4943749A; US3787109A; DE2331772C2; FR2191139A1; FR2191139B1; SE393195B; GB1438789A; CA984644A; JPS5613805B2

Description

02-4527 Ge 22. Juni 1973

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Am Kopf oder Helm tragbare Anzeigevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine am Kopf oder Helm tragbare Anzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle sowie einer halbdurchlässigen optischen Uberlagerungsvorrichtung, mit deren Hilfe das von der Lichtquelle ausgehende Bild in das Gesichtsfeld der Person eingespiegelt wird. Solche Anzeigevorrichtungen werden insbesondere in Aufklärungs- und Zielvorrichtungen eingesetzt, bei denen die Ausrichtung einer Kamera oder einer Waffe der Blickrichtung des Piloten selbsttätig nachgeführt wird.

Ein übliches Beispiel für eine Anzeigevorrichtung der eingangs genannten Art zeigt die US-PS 3 291 906, wo als Lichtquelle eine Mehrstrahl-Kathodenstrahlröhre in Verbindung mit einer Kollimatoroptik und einem ebenen Strahlungsteiler als Überlagerungsvorrichtung verwendet wird. Der Strahlungsteiler liegt in der Blickrichtung des Piloten, so daß das auf der Kathodenstrahlröhre erzeugte Bild in das Gesichtsfeld des Piloten eingespiegelt und auf diese Weise dem vom Piloten gesehenen Bild der Umgebung überlagert wird. Bei bekannten Ausführungsformen solcher Vorrichtungen sind die Kathodenstrahlröhre und die Kollimatoroptik in einem Zylinder untergebracht und entweder auf der linken oder der rechten Seite des Helms des Piloten befestigt. Diese unsymmetrische

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Gewichtsverteilung ist für den Piloten nachteilig. Außerdem wird als überlagerungsvorrichtung in den meisten Fällen ein dicht vor dem Auge des Piloten angeordnetes ebenes Okular verwendet, was für manche Piloten eine beträchtliche Störung und Ablenkung bedeutet. .Außerdem verursacht die Anbringung des Okulars unmittelbar vor dem Auge des Piloten vielfach eine Beklemmung. Darüberhinaus ist das Blickfeld durch die Kollimatoroptik stark eingeengt. Schließlich müssen für die wahlweise Benutzung der Anzeigevorrichtung mit dem linken oder dem rechten Auge zwei komplette Kollimatoroptiken vorhanden sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Anzeigevorrichtungen dieser Art eine Vorrichtung zu schaffen, welche das Gesichtsfeld des Piloten oder einer sonstigen diese Anzeigevorrichtung verwendenden Person möglichst wenig beeinträchtigt und ohne Umbau dem Gesichtsfeld 'beider Augen das Bild der Lichtquelle zu überlagern gestattet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung. Sie führt zu einer symmetrischen Gewichtsverteilung am Helm oder Kopf der Person. Da Piloten gewöhnt sind, einen Helm mit Schirm zu tragen und die Kanten der Anzeigevorrichtung außerhalb des Gesichtsfeldes liegen, entfällt die bei Verwendung eines kleinen Strahlenteilers dicht vor dem Auge vielfach auftretende Beklemmung. Durch die Verwendung eines konkaven Spiegels als Hauptelement der Anzeigevorrichtung ergibt sich ein größeres Gesichtsfeld. Durch die Anordnung einer einstellbaren Lichtquelle in unmittelbarer Nähe des Brennpunkts der Innenfläche des Schirms kann die Anzeigevorrichtung mit dem einen oder dem anderen oder beiden Augen verwendet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf zwei in den Zeichnungen wiedergegebene Ausführungsbeispiele Bezug genommen. Dabei zeigen die

Fig. 1 und 2 schematisch die Seitenansicht von zwei Ausführungsformen der Anzeigevorrichtung und

Fig. 3 die zweite Ausführungsform im Schnitt.

Ein Helm 1O,beispielsweise ein herkömmlicher standardisierter Fliegerhelm, besitzt, wie Figur 1 zeigt, einen gewölbten Schirm 12, der auf seiner Innenseite mit einer teilweise reflektierenden Schicht versehen ist. Dieser Schirm 12 ist so gekrümmt, daß er einen definierten Brennpunkt 14 'besitzt. Als Brennpunkt einer reflektierenden Oberfläche, wie sie hier verwendet wird, bezeichnet man jenen Punkt, dessen von ihm ausgesandte Strahlen bei Auf treffen auf ,,¹Ie Oberfläche parallel zueinander zurückgeworfen werden. Mit anderen Worten versteht man unter dem Brennpunkt einer solchtn Oberfläche jenen Punkt, in dem ein zu ihrer * Achse parallel anfallendes Strahlenbündel punktförmig vereint wird. Der in den Zeichnungen dargestellte Schirm besteht aus einem Rotationsparaboloid, das bei Korrektur der Lage der Lichtquelle durch eine sphärische oder eine andere konkave Oberfläche ersetzbar ist.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele benützen alle zur Befestigung und relativen Anordnung des Schirmes gegenüber dem Kopf des Beobachters einen Helm. In gleicher Weise läßt sich jedoch jedes Befestigungsmittel verwenden, das eine^Bewegung des Schirms im Einklang mit den normalen Kopfbewegungen eines Beobachters bei Einhaltung der Winkelbeziehungen zwischen Kopf und Schirm gewährleistet. Eine Lichtquelle 18 ist an einem Arm 22 angebracht, der im Bereich 16 am

Schirm 12 befestigt ist. Die Lichtquelle 18 besteht aus einem Licht aussendenden Objekt kleinen Durchmessers und dient der Projektions eines eine Information enthaltenden Bildes auf die innere Oberfläche des Schirms. Diese Lichtquelle ist so angeordnet, daß ihr Licht vom Brennpunkt 14 des Schirms ausgeht. Das projezierte

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Bild zeigt beispielsweise ein Fadenkreuz, das in Verbindung mit einer Waffe benutzt wird, deren Ausrichtung mit der Blickrichtung des Piloten gekoppelt ist. Eine andere mögliche Bildinformation wäre das über eine Faseroptik in die Lage der Lichtquelle 18 übertragene Bild eines lichtschwachen Fernsehsystems oder ei-

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ner anderen bildhafte Information erzeugenden Anordnung. Zur Verdeutlichung ist ein Strahl 24, der von der Licht aussendenden Quelle 18 ausgeht ., auf die Oberfläche des Schirms 12 auftrifft und von dieser parallel zu ihrer Achse zurückgeworfen wird,eingezeichnet.

Die Oberfläche des Schirms 12 besteht aus einer reflektierenden Substanz, beispielsweise aus einem im Vakuum aufgedampften Silberniederschlag.· In gleicher Weise zufriedenstellend erwiesen sich Metalloxydnie-'.-. rschläge. Ein Niederschlag einer bestimmten Dichte verwandelt die Schirmoberfläche in eine Oberfläche, die auf Licht teilweise durchlassend, teilweise reflektierend wirkt.

Ein Teil der Strahlen, die von einer im Brennpunkt angeordneten Lichtquelle ausgesandt werden und auf die reflektierende Oberfläche auftreffen, werden im wesentlichen parallel zur Achse der Schirmoberfläche zurückgeworfen. Daher wird für einen Beobachter, der den Helm 10 trägt, das von der Lichtquelle 18 projizierte Bild dor durch den Schirm beobachteten Szene überlagert. Das überlagerte Bild erscheint infolge der Parallelität der projizierenden Strahlen für den Beobachter im Unendlichen. Für kleinflächige Lichtquellen, also solche, deren Begrenzung nur geringfügig ausserhalb des Brennpunktes des Schirmes 12 liegt, tritt eine geringe Divergenz der reflektierten Strahlen auf. Der mit dieser Divergenz verbundene Effekt wird vom Auge ausgeglichen. Infolgedessen wird ein klares Bild des Fadenkreuzes oder eines anderen dargestellten Gegenstandes, welcher der gerade beobachteten Szene im Unendlichen überlagert ist, sichtbar.

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Figur 2 zeigt eine von der gerade beschriebenen hur geringfügig abweichende Ausführungsform, bei der der Abstand zwischen dem Helm 10 und Schirmoberfläche 12 verkleinert wurde. Dies wird durch eine Umkonstruktion der Lichtquelle ermöglicht. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 läßt sich der Schirm 12 durch einfaches Verschieben nicht aus dem Blickfeld des Piloten entfernen, da die Krümmung des Schirms nicht hinreichend mit der nahezu sphärischen Oberfläche des Helms 10 übereinstimmt. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 wird der Brennpunkt 14 in Wirklichkeit in den Bereich der Stirn des Beobachters gelegt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 28 in einem Lager 30, das an der Schirmoberfläche 12 befestigt ist, drehbar gelagert angeordnet. Die Lichtquelle 28 besitzt einen Ansatz 32 .parallel zur Richtung ihrer Längsachse. Das von der Lichtquelle entfernt liegende Ende des Ansatzes 32 trägt einen Spiegel 34, der so angeordnet ist, daß das Bild eines Objektes, das durch die Lichtquelle 28 erzeugt wird, im Brennpunkt 14 liegt. Der Spiegel 34 muß nicht wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Planspiegel sein. Wird eine Bildvergrößerung erforderlich, so ist ein Spiegel mit Vergrößerungseigenschaften vorzusehen.

Die hier angewandte Technik zur Verlagerung der Lichtquelle 28 aus dem Brennpunkt und die Benutzung eines Spiegels zur Verlegung des virtuellen Bildes der Lichtquelle in den Brennpunkt erlauben eine Anordnung der Schirmoberfläche 12 in wesentlich kleinerem Abstand zum Helm als dies beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 möglich ist. Folglich läßt sich eine Führungsschiene und eine Schutzvorrichtung für den einziehbaren Schirm viel leichter in den Aufbau des Helms eingliedern. Figur 3, in der ein detaillierter Querschnitt durch die Ausführungsform der Figur 2 dargestellt ist, zeigt eine solche Anordnung.

Am Helm 10 ist ein Schirm 36 mit einer inneren,konkaven Oberfläche 37 und einer äußeren, konvexen Oberfläche 38 angebracht. Die innere Oberfläche 37 hat die Form eines Rotationsparaboloids und ist mit

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einem Metallfilm überzogen, der sie teilweise reflektierend macht. Hingegen ist auf der konvexen äußeren Oberfläche 38 eine reflexionsunterdrückende Beschichtung vorgesehen. ->

Mit der inneren Oberfläche des Schirms ist ein Lager 40 starr verbunden, in dem eine zylinderförmige Lichtquelle 42 so angeordnet ist, daß sie beim Einziehen des Schirmes gegen diesen klappt. Die zylindrische Lichtquelle 42 ist mit einem Einstellring 44 versehen, der dazu dient, den Planspiegel 48 in die richtige Lage zur Lichtquelle zu bringen. Der Spiegel wird so eingestellt, daß das von der Lichtquelle 42 einfallende und an ihm reflektierte Licht scheinbar vom Brennpunkt des Rotationsparaboloids, das durch die Oberfläche 36 gebildet wird, ausgeht.

Der Schirm ist übe: ain Halteglied 50, das durch eine mechanische Verbindung am Schirm 37 befestigt ist, einziehbar.Am anderen Ende der Haltevorrichtung 50 ist ein Verschiebeknopf 52 angebracht. Die Kanten des Schirms (hier nicht dargestellt) bewegen sich in einer ebenfalls nicht dargestellten Führungsschiene aus Kunststoff, insbesondere aus einem unter dem Handelsnamen "Delrin" bekannten Kunststoff, die zwischen einer schützenden Auflage 54 und dem Helm 10 angeordnet ist. Ein Schlitz in der Auflage 54 dient dazu, den Verschiebeknopf 52 und mit ihm den Schirm in der Führungsschiene auf und ab zu bewegen. Die Lichtquelle 42 steht unter Federspannung, so daß sie bei Berührung mit der Kante des Helms beim weiteren Einschieben gegen die Schirmoberfläche 37 klappt.

Der Schirm ist aus einem beständigen, gut durchsichtigen Material herzustellen. Der zu seiner Herstellung verwendete Kunststoff kann zur Formgebung mechanisch bearbeitet, gegossen oder gespritzt werden. Wie bereits festgestellt, wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel die innere Oberfläche des Schirms mit einem sehr dünnen Metalloxydniederschlag überzogen. Eine geeignete zusätzliche Antireflexbeschichtung auf der konvexen äußeren Oberfläche des Schirms verbessert die Leistungsfähigkeit des Systems.

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Mit Hilfe der Lichtquelle läßt sich entweder ein Fadenkreuz oder eine andere sichtbare Darstellung abbilden. Besondere Anwendxmg findet die Erfindung bei der Ausrichtung von Waffensystemen oder in Luftaufklärungssystemen. In diesen Anwendungsbereichen läßt sich die Erfindung in Verbindung mit einem in der US-Patentschrift 3 375 375 offenbarten System zur Ermittlung der Helmorientierung verwenden. Dieses System ermittelt die Blickrichtung des Piloten und richtet ein Waffensystern, eine Kamera oder ein Fernsehgerät danach aus.

In jedem dieser Anwendungsfälle erzeugt die Vorrichtung gemäß Erfindung im eingeschalteten Zustand ein im Unendlichen liegendes Bild und überlagert dieses der gerade vom Piloten beobachteten Szene. Bei Einspiegelung eines Fadenkreuzes übernimmt die Vorrichtung gemäß Erfindung im wesentlichen die Rolle eines in der Figur 1 der US-Patentschrift 3 375 375 dargestellten Visiers 28. >

Das virtuelle Bild der Lichtquelle wird gemäß Erfindung in den Brennpunkt der Schirmoberfläche verlegt, da diese Fläche die Eigenschaft besitzt, aus dem Brennpunkt auffallende Strahlen parallel zueinander auszurichten. Das auf der inneren Schirmoberfläche auftreffende und von dieser reflektierte Licht wird parallel ausgerichtet und erscheint den in einiger Entfernung befindlichen vom Beobachter beobachteten Objekten im Unendlichen Überlagert.

Es besteht natürlich eine obere Grenze für die Bildgröße, die zusammen mit der Schirmoberfläche verwendet werden kann. Da das Bild eine endliche Fläche hat, also nicht punktförmig ist, liegen mit Sicherheit Teile davon nicht im Brennpunkt der Schirmoberfläche. Ist jedoch das Bild hinreichend klein, so gleicht das Auge des Beobachters, wie bereits erwähnt, die optischen Fehler, die dadurch entstehen, daß das Bild eine endliche Fläche darstellt und somit nicht alle Punkte gleichzeitig im Brennpunkt liegen, aus.

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Claims

Patentansprüche

1. Am Kopf oder Helm tragbare'Anzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle sowie einer halbdurchiässigen optischen Überlagerungsvorrichtung, mit deren Hilfe das von der Lichtquelle ausgehende Bild in das Gesichtsfeld der Person eingespiegelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungsvorrichtung aus einem derart gewölbten Schirm (12) besteht, daß auftreffende Strahlen zu einem Brennpunkt (14) abgelenkt werden, und daß die Lichtquelle (18) derart angeordnet ist, daß ihr Bild vom Brennpunkt zu kommen scheint und auf den Schirm trifft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fläche des Schirms (12) als Paraboloid ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fläche des Schirms (12) kugelförmig gewölbt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle (18) im Brennpunkt (14) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (34, 48) derart angeordnet ist, daß er ein virtuelles Bild der Lichtquelle (28, 42) in den Brennpunkt (14) verlegt.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spiegel (34) eben ist.

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