DE2427975A1

DE2427975A1 - Am kopf oder helm tragbare anzeigevorrichtung sowie verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2427975A1
Application number: DE19742427975
Authority: DE
Inventors: George Darrell Hedges
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1973-06-12
Filing date: 1974-06-10
Publication date: 1975-01-09
Also published as: GB1439084A; FR2233589A1; US3870405A; NL7407858A; SE7407676L; AU6981474A; JPS5035986A

Description

02-4570 Ge 6. Juni 1974

HONEYWELL ING. 27O1 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Am Kopf oder Helm tragbare Anzeigevorrichtung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Zusatz zu P 23 31 772.8

Gegenstand der.Hauptanmeldung ist eine am Kopf oder Helm tragbare Anzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle und einer als gewölbter Schirm ausgebildeten halbdurchlässigen optischen tiberlagerungseinrichtung , wobei die Lichtquelle derart angeordnet ist, daß das von ihr ausgehende und mit Hilfe des Schirms in das Gesichtsfeld der Person eingespiegelte Bild aus dem Brennpunkt des Schirms zu kommen scheint. Die Fläche des Schirms ist dabei vorzugsweise als Paraboloid ausgebildet.

Da bei einer solchen überlagerungseinrichtung das von der Lichtquelle ausgehende Licht nicht nur an der Innenfläche des Schirms, sondern auch an dessen Außenfläche reflektiert wird, entsteht normalerweise ein zweites Bild, dessen Strahlen nicht parallel zu denjenigen verlaufen, die von der Innenfläche reflektiert werden. Eine solche Sekundärreflexion führt.somit zu einer verschwommenen Darstellung des Bildes der Lichtquelle,beispielsweise

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HR/Kö.

eines Fadenkreuzes, und zum Entstehen eines sogenannten Geisterbildes, welches gegenüber dem von der Schirminnenfläche erzeugten Hauptbild etwas verschoben ist. Dies ist für den Beobachter störend und führt bei der Verwendung einer solchen Anzeigevorrichtung in einem Zielsystem zu Zielfehlern. Bei anderen Anwendungen, wo eine Kathodenstrahlröhre oder eine andere optische Informationsquelle an Stelle eines Fadenkreuzes verwendet wird, kann das Vorhandensein solcher Sekundärreflexionen die Erkenn-

der
barkeit Information stark behindern.

Aufgabe der vorliegenden Zusatzerfindung ist es demnach, einen als optische Überlagerungsvorrichtung dienenden gewölbten Schirm derart auszubilden, daß Geisterbilder und sonstige störende Einflüsse von Sekundärreflexionen an der Schirmaußenfläche vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Dadurch, daß gemäß der Erfindung sowohl die von der Schirminnenfläche als auch die von der Schirmaußenfläche reflektierten Strahlen zueinander parallel zum Auge des Beobachters gelangen, wird ein Verwaschen oder überdecken des an der Innenfläche reflektierten Hauptbildes vermieden.

Die Zusatzerfindung betrifft ferner ein zur Herstellung eines solchen gewölbten Schirms besonders geeignetes Verfahren,dessen Merkmale Gegenstand des Anspruchs 7 und der hierauf rückbezogenen Unteransprüche sind.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnungen Bezug genommen. Dabei zeigt

Figur 1 vereinfacht eine Anzeigevorrichtung gemäß der Hauptanmeldung, wobei der Schirm eine gleichmäßige Dicke hat;

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Figur 2 eine schematische Darstellung einer optischen Anzeigevorrichtung mit einem Schirm gemäß der Zusatzerfindung; Figur 3A eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines .solchen Schirms;

die Figuren 3B und 3C die gleiche Vorrichtung im Schnitt während verschiedener Verfahrenszustände. "

In Figur 1 trägt der Beobachter 10 einen Helm 12, an welchem durch im einzelnen nicht dargestellte Verbindungsmittel ein durchsichtiger Schirm 14, befestigt ist/ die geometrische Lage des Schirms 14 gegenüber dem Helm 12 bleibt praktisch gleich. Der Schirm 14 ist der Einfachheit wegen im Schnitt dargestellt. Er hat eine innere Oberfläche 16, welche ein Ausschnitt aus einem Rotationsparaboloid ist und sich somit in der Schnittdarstellung als Teil

ist

einer Parabel darstellt. Der Schirm 14 über seine gesamte Erstreckung von gleicher Dicke. In einem typischen Anwendungsfall besteht er aus einem für sichtbares Licht gut durchlässigen Material, beispielsweise Glas oder Acryl-Kunststoff. Die Oberfläche 16 kann beschichtet oder getönt sein, um einerseits die Reflexion zu erhöhen und andererseits die Lichtdurchlässigkeit zu verringern. Für den letztgenannten Zweck kann der Werkstoff des Schirms 14 auch mit einem Farbstoff eingefärbt sein. Da der Schirm 14 nicht durchlässig ist, seine innere Oberfläche 16 jedoch eine endliche Reflexion hat, kann er als optische Überlagerungseinrichtung dienen. Auf der Rotationsachse 20 des Paraboloids liegt sein Brennpunkt 22. Ein von diesem ausgehender Strahl 24 wird von der Innenfläche 16 parallel zur Rotationsachse 20 zum Auge des Beobachters 10 hin reflektiert. Da der Brennpunkt 22 in unmittelbarer Nähe der.Stirn des Beobachters 10 liegt, wird im praktischen Anwendungsfall die Lichtquelle 28 nicht im Brennpunkt 22 selbst^ sondern außerhalb desselben derart angeordnet, daß mit Hilfe eines Spiegels 32 der Strahl 24 aus derselben Richtung auf die Innenfläche 16 des Schirms 14 geworfen wird wie

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bei einem unmittelbar aus dem Brennpunkt 22 kommenden Strahl. Der Strahl 24 und andere von der Lichtquelle 28 kommende Strahlen fallen auf die innere Oberfläche 16. Ein Teil dieser Strahlen wird parallel zur Rotationsachse 20 zum Auge des Beobachters 10 hin reflektiert und erzeugt ein Parallelstrahlenbild. Ein Teil des Lichts dringt jedoch durch die innere Oberfläche 16 hindurch und fällt auf die äußere Oberfläche 18. Ein Teil dieses Lichts 36 wird von der äußeren Oberfläche 18 reflektiert und gelangt als Strahl 40 ebenfalls zum Auge des Beobachters. Dieses von der äußeren Oberfläche 18 reflektierte Licht fällt jedoch nicht parallel zu dem von der inneren Oberfläche 16 reflektierten Licht auf das Auge des Beobachters, sondern bildet mit diesen Strahlen einen Winkel Θ. Hierdurch entsteht ein unscharfes Bild oder Geisterbild aufgrund des Zusammentreffens des Parallelstrahlenbildes, mit dem durch die sekundäre Reflexion an der äußeren Oberfläche erzeugten zweiten Bild.

In Figur 2 hat der Schirm 56 eine ungleichmäßige Dicke,und zwar nimmt die Dicke von der Rotationsachse 62 aus zum äußeren Umfang des Schirms 56 hin zu. Der Beobachter 50 mit dem Helm 54 richtet seinen Blick wiederum auf den Schirm 56, welcher eine innere Oberfläche 58 und eine äußere Oberfläche 60 aufweist. Die innere Oberfläche 58 ist Teil eines zur Achse 62 symmetrischen Rotationsparaboloids. Sie ist teildurchlässig, d.h., ein Teil der Strahlen wird reflektiert, ein anderer Teil der Strahlen durchdringt diese Oberfläche. Der Brennpunkt 64 des Rotationsparaboloids , von dem die Innenfläche 58 einen Teil bildet, liegt wiederum auf der Rotationsachse 62. Auch die äußere Fläche 60 ist Teil eines Rotationsparaboloids um die gleiche Achse 62, wobei auch dieses Paraboloid den gleichen Brennpunkt 64 hat. Ein Strahl 68 vom Brennpunkt 64 trifft im Winkel auf die Innenfläche 58 des Schirms 56. Auch hier wird im praktischen Ausführungsbeispiel die Lichtquelle 74 mit Hilfe eines Spiegels 76 so in Bezug auf den Schirm ausgerichtet, daß die Strahlen aus dem Brennpunkt 64 zu kommen

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scheinen. Ein Teil des Lichts entsprechend dem Strahl 68 wird durch die Innenfläche 58 längs des Strahls 70 und damit parallel zur Achse 62 zum Auge des Beobachters 50 hin reflektiert. Auf diese Weise wird das Bild der Lichtquelle 74,beispielsweise eines Fadenkreuzes oder eines anderen dargestellten Gegenstandes, der vom Beobachter 50 gerade beobachteten Szene im Unendlichen überlagert. ' '

Ein Teil des Lichts entsprechend dem Strahl 68 dringt als Strahl 80 in das Innere des Schirms 56 ein und wird an dessen äußerer Oberfläche 60 längs des Strahls 84 ebenfalls parallel zur Achse 62 zum Auge des Beobachters 50 hin reflektiert. Da beide Paraboloide praktisch den gleichen Brennpunkt 64 und die gleiche Rotationsachse 62 haben, fallen sowohl die von der Innenfläche 58 als auch die von der Außenfläche 60 reflektierten Strahlen 70 bzw. 84 parallel zueinander auf das Auge des Beobachters. Die an der äußeren Fläche 60 reflektierten Strahlen bilden ein zweites Parallelstrahlenbild, welches gegenüber dem durch die Reflexion an der Innenfläche 58 erzeugten Bild geringfügig parallel verschoben ist. Da beide Bilder Parallelstrahlenbilder sind und beide aus dem Unendlichen zu kommen scheinen, stört die geringfügige lineare Parallelverschiebung zwischen den beiden Bildern nicht. Sie ist im Unendlichen vernachlässigbar. Das Auge kann bekanntlich Winkelunterschiede sehr gut erkennen. Da jedoch irgendwelche Winkelunterschiede zwischen den beiden Bildern in Bezug auf.die Blickrichtung nicht auftreten, sondern beide Bilder parallel zueinander zum Beobachter hin reflektiert werden, wandelt das Auge beide Bilder in eine scharfe Abbildung des Fadenkreuzes um und das Problem der Sekundärreflexion an der äußeren Oberfläche des Schirms ist beseitigt.

Bei der vorangehenden Beschreibung wurde zwecks Vereinfachung die Auswirkung von Beugungserscheinungen der Lichtstrahlen am Schirm nicht erwähnt. In Wirklichkeit werden die an der Außenfläche 80 reflektierten Strahlen bei jedem Durchtritt durch die Grenzschicht

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zwischen Luft und Schirininaterial an der Innenfläche 58 geringfügig gebeugt. Diese Beugungserscheinungen sind jedoch für alle praktischen Fälle vernachläßigbar, so daß ein Sichtschirm mit praktisch konfokaler Innen- und Außenfläche das Problem der Sekundärreflexion zufriedenstellend löst.

Während der Sichtschirm gemäß der Erfindung praktisch aus jedem beliebigen durchsichtigen Werkstoff hergestellt werden kann, dessen innere Oberfläche eine ausreichende Reflexion hat und der genügend lichtdurchlässig ist_f so daß er als optische Überlagerungsvorrichtung dienen kann, haben sich für die Anwendung bei Tageslicht bestimmte Werte des Reflexionsvermögens und der Lichtdurchlässigkeit als besonders vorteilhaft erwiesen. So ist ein Sichtschirm aus unbeschichtetem getöntem Acrylkunststoff mit einer Lichtdurchlässigkeit von 10 bis 28 % besonders vorteilhaft. Die Reflexion eines solchen unbeschichteten Kunststoffes sollte zwischen 3 und 5 % liegen. Die geringe Lichtdurchlässigkeit in Verbindung mit dem genannten Reflexionsgrad schützt dabei gegen Störungen durch Reflexion des Umgebungslichtes am Gesicht des Beobachters. Die Verwendung unbeschichteten Materials verringert Unterschiede in den Reflexionseigenschaften auf ein Minimum, vermeidet den teuren Beschichtungsvorgang und erzeugt eine wesentlich beständigere Oberfläche. Zusätzlich zu den erwähnten bevorzugten Bereichen für Lichtdurchlässigkeit und Reflexion wurde gefunden, daß die Dicke des Schirms in Höhe der gemeinsamen Rotationsachse 62 beider Paraboloide vorzugsweise zwischen 1,2 und 3,8 mm liegen sollte. Hat der Schirm eine größere Dicke, so wird er schwer und unhandlich und optische Abbildungsfehler können zu Schwierigkeiten führen. Auf der anderen Seite haben Schirme mit weniger als 1,2 nun Dicke meistens nicht die nötige Steifigkeit und Festigkeit, insbesondere dann, wenn der Sichtschirm zugleich als Schutzmaske für den Piloten dient.

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Zur Beschreibung einer Vorrichtung für die Herstellung eines Sichtschirms gemäß der Zusatzerfindung wird nachfolgend auf die Figuren 3A bis 3C Bezug genommen. Eine Form 100 hat einen Hohlraum 104 von der Gestalt eines Rotationsparaboloids. Eine Düse 106 mündet von unten in den Hohlraum 104, und zwar im Scheitel des Paraboloids. Eine Unterdruckleitung 117 zum Evakuieren des Hohlraums 104 ist an die Düse 106 bzw. einen entsprechenden porös ausgebildeten Teil der Wand der Form 100 angeschlossen. Eine Platte 112 aus Acryl-Kunststoff ist mit Hilfe eines Spannringes 114 und einiger Spannschrauben 116, welche in die Gewindelöcher 124 der Form 100 eingeschraubt werden, auf der Oberfläche der Form 100 festgespannt. Gleichzeitig wird hierdurch die Acryl-Platte 112 gegenüber der flachen Oberfläche der Form 100 abgedichtet.Dann wird die Vakuumleitung 110 an eine Vakuumpumpe angeschlossen und die Form mit der aufgespannten Acryl-Platte in einen Ofen eingebracht und dort über etwa 3 Stunden bei einer Temperatur von 120 bis 150 ⁰C geheizt. Die Temperatur wird hoch genug gewählt, um den Kunststoff genügend weich für den Ziehvorgang zu machen. Andererseits muß die Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts bleiben. Durch die erhöhte Temperatur wird die Platte 112 verformbar. Außerdem werden Temperaturunterschiede in der Platte und der übrigen Vorrichtung vermieden. Während dieser Aufheizung wird der Druck in der Leitung 110 praktisch auf dem Wert des Umgebungsdrucks gehalten, so daß die Platte 112 flach bleibt. Am Ende dieser Vorbereitungsperiode wird die Vakuumpumpe eingeschaltet und der entstehende Unterdruckim Hohlraum 104 zieht die Platte 112 in den Hohlraum 104 hinein. Dabei wird das Evakuieren des Hohlraums 112 vorzugsweise derart gesteuert, daß es langsam vor sich geht und möglichst 20 Sekunden oder langer dauert. Das Evakuieren wird so lange fortgesetzt, bis die verformte Platte 112 den tiefsten Punkt des Hohlraums 104 erreicht. Anschließend wird der auf diese Weise gezogene Schirmrohling bei einer Temperatur von 71 + 8°C über etwa 16 Stunden entspannt, sodann aus der Form herausgenommen, poliert und glanzgeschliffen, um etwaige Formmarken zu beseitigen und eine hochglänzende äußere

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Oberfläche zu erzielen. Aus dem paraboloidförmigen Rohling werden dann die besten Teile herausgeschnitten und zu Sichtschirmen verarbeitet. Eine besonders günstige Dimensionierung besteht darin, daß die Brennweite des RotationsparaboIoids 42,5 mm, die Hohlraumtiefe 90 mm und die Plattendicke 4,65 mm beträgt.

Es wurde ferner gefunden, daß für einen Hohlraum vorgegebener Tiefe und eine Oberfläche gegeben durch einen Rotationsparaboloid bestimmter Brennweite ein wichtiger Parameter für die Herstellung des Schirms über einen beträchtlichen Bereich der Acrylplattendicke konstant ist. Dieser Parameter wird als Dünnungsverhältnis bezeichnet und bestimmt sich als das Verhältnis der Dicke des gezogenen Schirmrohlings im Scheitel der parabolischen Oberfläche und damit am tiefsten Punkt der Form dividiert durch die Dicke der ursprünglichen Acrylplatte. Ein Hohlraum mit obengenannten Abmessungen hat ein.Dünnungsverhältnis von etwa 0,5 oder 50 %. Sobald dieses Dünnungsverhältnis für eine bestimmte Hohlform definiert ist/ kann die Konstanz dieses Verhältnisses zur Berechnung der Dicke der Acrylplatte herangezogen werden, wenn diese nach dem Ziehen Begrenzungsflächen in Form zweier gleichachsiger Rotationsparaboloide mit gleichem Brennpunkt haben sollen. Dies kann sowohl grafisch durch Zeichnen von Gruppen konfokaler Parabeln oder quasi-analytisch erfolgen.

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Claims

Patentansprüche

1. Am Kopf oder Helm tragbare Anzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle und einer als gewölbter Schirm ausgebildeten halbdurchlässigen optischen Überlagerungseinrichtung, wobei die Lichtquelle derart angeordnet ist, daß das von ihr ausgehende und mit Hilfe des Schirms in das Gesichtsfeld der Person eingespiegelte Bild aus dem Brennpunkt des durch einen Teil eines Rotationsparaboloids gebildeten Schirms zu kommen scheint gemäß P 23 31 772.8, gekennzeichnet durch eine solche Zunahme der Dicke des Schirms (56) von der Rotationsachse (62) zum Rand hin, daß sowohl die an seiner Innenseite (58) als auch die an seiner Außenseite (60) reflektierten Strahlen (68,70,84) der Lichtquelle (74) zueinander parallel zum Auge der Person zurückgeworfen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die innere und äußere Begrenzungsfläche (58,60) des Schirms (56) durch zwei gleichachsige und praktisch konfokale Rotatiosparaboloide gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke des Schirms (56) im Bereich der Achse (62) der beiden Paraboloide gleich dem Brennweitenunterschied der beiden Paraboloide ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Brennweitenunterschied zwi-

. sehen 1,2 und 3,8 mm liegt.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm

(56) aus durchsichtigem Kunststoff besteht und die Innenfläche (58) einen Reflexionsgrad von 3 bis 5 % aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdurchlässigkeit des Schirms (56) 10 bis 28 % beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Sichtschirmes gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 aus einem flachen Kunststoffrohling unter Verwendung einer Hohlform mit einem paraboloidförmigen Hohlraum vorgegebener Tiefe und mit einer Innenfläche vorgegebener Brennweite, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststoffplatte (112), deren Dicke der Tiefe und der Brennweite der Form (100) entsprechend ausgewählt ist, auf die offene Oberseite der Form gelegt wird und deren Hohlraum abdichtet, daß die Kunststoffplatte bei einer Temperatur zwischen 120 und 150 ⁰C erweicht wird,und daß innerhalb des Hohlraums ein Unterdruck erzeugt wird und sich die erweichte Kunststoffplatte unter dem Einfluß des Außendruckes an die Innenwand der Form anlegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine derart langsame Evakuierung des Hohlraums (104), daß das Anlegen der erweichten Kunststoffplatte an die Innenfläche des Hohlraums länger als 10 Sekunden dauert.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein anschließendes Entspannen des verformten Kunststoffrohlings bei einer Temperatur von 71+8 C.

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