DE2727886B2 - Optische KoUimatorvorrichtung insbesondere zur Verwendung in Luftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Kollimatorvorlichtung insbesondere zur Verwendung in Luftfahrzeugen zur Projektion von Navigationsinformationen ins Unendliche zur Oberlagerung mit der von dem Piloten

ίο wahrgenommenen Außenwelt

Diese Navigationsinformationen treten in Form von leuchtenden Zeichen oder Symbolen auf, die von leuchtenden Objekten abgegeben werden, welche im Brennebenenbereich eines optischen Objektivs an-

'5 geordnet sind. Das Bild dieser Objekte wird somit im Unendlichen abgebildet und ermöglicht eine Betrachtung bzw. Wahrnehmung durch den Piloten ohne daß eine Entfernungsakkomodation erforderlich ist Die Überlagerung mit der durch die Windschutzscheibe

2» oder Cockpitfenster wahrgenommenen Außenwelt wird mit Hilfe einer halbdurchlässigen Scheibe erzielt, die gegen die Sehrichtung des Betrachters geneigt ist Die festen oder beweglichen Objekte können mit Hilfe von beleuchteten Masken, Blenden oder Strichgittern

Ά erzeugt werden; ebenso kann es sich um ein synthetisches Bild handeln, das auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre sichtbar gemacht wird. Zur Vereinigung der leuchtenden Objekte und zur Erzielung einer Darstellung mit vielen Einzelheiten kann ein

i<> optischer Mischer benutzt werden.

Es ist wesentlich, daß der Pilot die Gesamtheit der projizierten Objekte wahrnimmt, ohne hierzu zu Kopfbewegungen gezwungen zu sein und ohne eine bestimmte Entfernung zu der halbdurchlässigen Scheibe

'· ■■ der Kollimatorvorrichtung herstellen zu müssen, durch die hindurch die Betrachtung erfolgt.

Das Bild des Randes des Objektivs in der Scheibe wirkt wie eine optische Pupille. Das nutzbare Gesichtsfeld des Gerätes besteht bei monokularer Betrachtung

·'" aus einem Kegel, dessen Spitze im Auge liegt und dessen Basis durch die optische Pupille gebildet wird, und bei binokularer Betrachtung aus der Zusammenfassung von zwei Kegeln, deren Spitzen jeweils in den Augen des Betrachters liegen und deren jeder seine Basis auf der

¹' optischen Pupille hat. Die Wahrnehmung der Zeichen in einer betrachteten Blickrichtung ist sichergestellt, solange die Verschiebungen jedes Auges innerhalb einer Fläche entsprechend derjenigen der optischen Pupille bleiben.

■■··■' Es ist von Bedeutung, eine optische Pupille großen Durchmessers zu erzielen, wenn die Bequemlichkeit für den Piloten dadurch gesteigert werden soll, daß für ihn eine einfache Wahrnehmung in einer hinreichend großen Entfernung von der halbdurchlässigen Scheibe

■·'■■ sichergestellt ist.

In der Praxis geht die Vergrößerung der Abmessungen der Pupille meist zu Lasten der Abmessungen und des Raumbedarfes der Gesamtvorrichtung. Diese befindet sich im Cockpit hängend oberhalb oder unterhalb der Windschutzscheibe oder der Cockpitfenster. Sie soll eine möglichst geringe Höhe besitzen, um ihre Anbringung zu erleichtern und die Sicht und die Bewegungen des Piloten nicht zu behindern. Für Kollimatorvorrichtungen, die gute optische Eigenschaf-

• ■ ten besitzen und insbesondere frei von Verzeichnungen und Paralaxenfehlern sind, ist die kleinstmögliche Gehäusehöhe im wesentlichen durch den Durchmesser des Objektivs festgelegt.

Es ist bekannt, die halbdurchlässige Scheibe beweglich auszuführen, und zwar entweder geradlinig verschieblich oder drehbar oder beides. Dabei bleiben zwar die Abmessungen der Pupille unverändert, jedoch wird diese durch die der Scheibe auferlegten Bewegungen verschoben, woraus sich eine scheinbare Vergrößerung der Pupille infolge der Verschiebung des augenblicklichen Gesichtsfeldes ergibt, das für kleine Bewegungsamplituden der Scheibe denselben Wert etwa beibehält.

Eine andere bekannte Maßnahme besteht darin, ein doppelreflektierendes Prisma zwischen das optische Objektiv und die leuchtenden Objekte einzufügen, das eine kleine reflektierende Fläche parallel zur optischen Achse besitzt und dessen große Fläche parallel zum optischen Objektiv angeordnet ist Bei unverändertem Platzbedarf des Kollimators wird der Durchmesser des Objektivs und dementsprechend derjenige der Pupille vergrößert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kollimatorvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, deren Pupille größere Abmessungen als das Objektiv aufweist, wobei jedoch die optischen Eigenschaften der Vorrichtung erhalten bleiben. Dabei soll gleichzeitig auch eine örtliche Vergrößerung der optischen Pupille in der Vertikalrichtung entsprechend einer Vergrößerung in der Höhenebene erzielt werden, ohne den Durchmesser des Objektivs zu ändern.

Die Lösung dieser Aufgabe sowie vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist die Vorrichtung nach der Erfindung schematisch vereinfacht in einem Ausführungsbeispiel dargestellt Es zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Schema einer Kollimatorvorrichtung zur Erläuterung des mit der Erfindung angewandten Prinzips;

F i g. 2 eine die Anbringung einer Betrachtungsvorrichtung im Cockpit veranschaulichende Skizze;

F i g. 3 bis 8 ein Ausführungsbeispiel einer Kollimatorvorrichtung nach der Erfindung und

F i g. 9 ein Beispiel für die Anordnung der optischen Elemente in dem Gehäuse der Kollimatorvorrichtung.

F i g. 1 zeigt in vereinfachter Weise einen optischen Kollimator mit einem optischen Objektiv 1, das durch eine Linse mit dem Durchmesser D1 symbolisiert wird. Weiter umfaßt der Kollimator eine halbdurchlässige Scheibe 2 und bei 3 im Bereich der Brennebene des Objektivs angeordnete, leuchtende Objekte. Der auf der optischen Achse liegende Brennpunkt des Objektivs ist mit F bezeichnet. Um den Platzbedarf der Vorrichtung in der Höhe zu verringern, umfaßt sie einen Umlenkspiegel 4, vergleiche F i g. 2. Die verschiedenen Teile befinden sich in einem Gehäuse 5.

Die optische Pupille wird begrenzt durch den Umriß 6 des durch die Scheibe 2 hindurchgesehenen Bildes der Linse 1. Für einen bei A auf der optischen Achse Z befindlichen Beobachter ist das Gesichtsfeld der leuchtenden Objekte ein Konus, dessen Spitze im Auge bei A liegt und dessen Basis durch die Pupille 6 gebildet wird, wobei der Gesichtsfeldwinkel den Wert ω für die gegebene Betrachtungsentfernung d\ hat. Im dargestellten Beispiel sollte der Gesichtsfeldwinkel des Kegels einen Wert θ größer als ω haben, um eine sofortige gleichzeitige Betrachtung aller leuchtenden Objekte zu ermöglichen. Hierzu dürfte der Beobachter sich höchstens in der Entfernung dl von der Pupille 6 im Punkt B befinden. Der sich bei A befindende Beobachter kann nur diejenigen Objekte gleichzeitig sehen, die sich in einem kleineren Brennebenenbereich entsprechend einem Kreis mit dem Radius τ 1 befinden, während der gesamte Brennebenenbereich einen demgegenüber größeren Radius rl besitzt Die Betrachtung von Objekten, die in dem Kreisring zwischen den Kreisen mit den Radien r 1 und rl enthalten sind, erfordert eine Verschiebung des Kopfes des Beobachters in der Ebene 7 senkrecht zu der Achse Z durch A, wobei die

ι ο halbdurchlässige Scheibe 2 als ortsfest angenommen ist Die Entfernung d 1 stellt den kleinstmöglichen Wert für die Betrachtung durch den Piloten unter Flugbedingungen dar. Die augenblickliche oder gleichzeitige Betrachtung aller Objekte ist unter der Voraussetzung

is möglich, daß die optische Pupille 6 vergrößert wird. Im dargestellten Fall bedeutet dies, daß eine Pupille mit einem Durchmesser D 2 erzielt werden muß, der um soviel größer als der Durchmesser Dl ist daß der Gesichtsfeldwinkel von A aus den gewünschten Wert θ besitzt

Wie einleitend bereits erwähnt stößt die Vergrößerung des Durchmessers des Objektivs rasch auf Grenzen infolge des Platzbedarfes und auch im Hinblick auf die Kosten. Lösungen mit beweglicher Scheibe führen andererseits zu aufwendigen Geräten und erfordern Betätigungen durch den Piloten.

Außerdem ist zu berücksichtigen, daß die Vergrößerung der Pupille im allgemeinen nicht in Rechts-Links-Richtung sondern vor allem in der Oben-Unten-Rich- tung notwendig ist da die Dispersion oder die Ausdehnung der leuchtenden Objekte in der Praxis häufiger bzw. größer in dieser letzteren Richtung ist, die mit YY in F i g. 1 bezeichnet ist. Dies ist vor allem bei der Einspiegelung einer Vertikalen, graduierten Skala

J-) der Fall.

Zur Erzielung einer örtlichen Vergrößerung der Pupille in dieser Vorzugsrichtung, die man als Vergrößerung in der Höhenebene oder im Höhenwinkel bezeichnen kann, wird gemäß der Erfindung ein

■»«) Volumen benutzt, das zwischen der Ebene des Objektivs, die durch ihre Spur PO (das heißt ihre Schnittgerade mit der Zeichnungsebene) dargestellt ist, und die Scheibe 2 verfügbar ist. Dort wird eine reflektierende optische Einrichtung 13 angeordnet, die

■' '> eine zweite Pupille 8 erzeugt Die Einrichtung 13 besteht vorzugsweise aus einem reflektierenden Planspiegel, dessen Abmessungen, dessen Form und dessen Ort der Anbringung derart festgelegt sind, daß eine Gesamtpupille der gewünschten Form und Abmessungen hinsicht-

">« lieh der Breite gemäß der Achse XX und der Höhe gemäß der Achse YYerzielt wird.

F i g. 2 zeigt im Fall einer Anwendung auf ein Projektions- oder Einspiegelungsgerät in einem Luftfahrzeug die für die Festlegung des vorerwähnten,

;·"> verfügbaren Volumens zu berücksichtigenden Randbedingungen. Die Gerade VB gibt die Grenze der Sicht nach unten an; sie entspricht der Spur der Ebene, die vom Auge des Piloten zum Unterrand der Windschutzscheibe 10 verläuft. Die Spur 7Έ begrenzt ein Volumen,

w innerhalb dessen im Cockpit keine Instrumente oder Apparate angeordnet werden dürfen, die das Herauskatapultieren des insbesondere bei militärischen Luftfahrzeuge!', vorgesehenen Schleudersitzes behindern könnten. In F i g. 2 ist das Sicht- oder Projektionsgerät 11

<'■■' unterhalb der Windschutzscheibe angebracht; im Fall einer Montage oberhalb der Windschutzscheibe würde man die Grenze VZ der Sicht nach oben berücksichtigen, die durch den Oberrand der Windschutzscheibe

vorgegeben ist. Die Instrumente auf dem Bordamaturenbrett, das mit 12 angedeutet ist, bedingen eine Untergrenze VI, die sog. Instrumentensicht, die durch die Anbringung des Sicht- oder Projektionsgerätes 11 nicht beeinflußt werden soll. Das Gerät befindet sich demzufolge in dem Volumen V, das durch die Ebenen VB, V/und TEbegrenzt ist.

Die durch ihre Spurgerade PO angegebene Ebene des Objektivs des Projektionsgerätes 11 verläuft im allgemeinen parallel zur Längsachse des Fahrzeugs. Diese Ebene begrenzt in dem Volumen Vein teilweise freies Volumen v, bei dem es sich um das erwähnte verfügbare Volumen handelt Die Ebene PO befindet sich, wie dargestellt in der höchstmöglichen Lage in dem Volumen V, die noch mit der Grenze der Sicht nach unten VB vereinbar ist was gleichbedeutend damit ist, daß in der Praxis das Projektionsgerät 11 derart angeordnet ist daß die Pupille 6 von unten Tangente an die Spurgerade VB ist

Eine Ausführungsform der Kollimatorvorrichtung nach der Erfindung wird nun anhand der F i g. 3 bis 8 beschrieben. Die F i g. 3 und 4 stellen den Strahlengang in der Ebene der Figur entsprechend der von der optischen Achse und der Richtung YY definierten Ebene dar; diese Ebene ist orthogonal zur Ebene PO der Linse 1. Gemäß dem Grundgedanken wurde die untere Erzeugende des Gesichtsfeldkegels, das heißt der untere Radius des augenblicklichen Gesichtsfeldes, als zusammenfallend mit der Grenze VB der Sicht nach unten angenommen. Die mittlere Betrachtungsrichtung entspricht im allgemeinen der Symmetrieachse der beobachtbaren Pupille. Unter Berücksichtigung der Vergrößerung der Pupille von D1 auf der Wert D 2 in der Richtung YY ergibt sich hieraus genau genommen eine Verschiebung dieser Richtung von Z in Zl, wobei die Achse Zl parallel zur Achse Z ist und der Symmetrieachse der vergrößerten Pupille Ό 2 entspricht Diese Verschiebung rf 3 ist aus den F i g. 3 und 4 zu erkennen; in der perspektivischen Darstellung der Fig.5 ist diese Verschiebung rf3 aus Vereinfachungsgründen nicht berücksichtigt außerdem auch deswegen nicht weil diese Verschiebung klein und vernachlässigbar sein kann und weil die Vergrößerung der Pupille der Richtung nach festgelegt ist

Gemäß Fig.3 liegt der obere Strahl Al des gewünschten Augenblicksfeldes durch Reflexion an der Scheibe 2 einen Schnittpunkt E mit der Geraden VB fest Der Planspiegel 13 ist derart angeordnet daß seine Oberkante durch diesen Punkt hindurchverläuft und dieser Planspiegel ist parallel zu der Scheibe 2 ausgerichtet Seine kleinste Abmessung EG in der Ebene der Figur ist festgelegt durch den Weg des Strahls R 2 entsprechend dem Oberrand der Pupille 6 (Fig.3) und seine maximale Abmessung ist festgelegt durch den Weg des Strahles R3 entsprechend dem Unterrand der Pupille 8 (Fig.4), wobei davon ausgegangen wird, daß die Lage des Unterrandes G des Spiegels 13 normalerweise durch das Vorhandensein der Optik 1 begrenzt wird. Die Darstellung der F i g. 4 läßt einen Sektor 15 der Optik 1 erkennen, der infolge des in geringer Entfernung befindlichen Spiegels 13 nicht genutzt ist Wenn man mit 9 den nutzbaren Teil der Pupille 8, bezogen auf die Ebene der Pupille 6, bezeichnet werden aus den Fig.6 und 7 die Verläufe der vergrößerten Pupille, die mit den Anordnungen nach den Fi g. 3 bzw. 4 erhalten werden, deutlich. Diese extremen Ausprägungen sind nur von geringem Interesse, da die Pupille eine quasi-punktförmige Einschnürung im Bereich der Achse YY aufweist. Es muß daher die Abmessung EG des Spiegels innerhalb der vorher aufgezeigten Ober- und Untergrenze geeignet festgelegt werden. F i g. 5 zeigt eine entsprechende Ausbildung nach Fig.8 die in der Ebene XY erhaltene Pupille. Wenn man mit e den Abstand zwischen der Scheibe 2 und dem Spiegel 13 bezeichnet, sind die Mittelpunkte der Pupillen 6 und 8 um e\l2 von den Richtungen YY und Z entfernt. Die zweite

in Abmessung des Spiegels 13 längs XX ist so festgelegt, daß sie ausreicht, um den nutzbaren Teil der Pupille 8 ohne Begrenzungen zu erhalten, wobei die Bedingungen dieselben sind wie diejenigen, die durch die Scheibe 2 für die Erzielung der Pupille 6 auferlegt werden.

ι s Unter Berücksichtigung der zahlreichen vorhandenen Parameter, nämlich der vorgegebenen Position des Beobachters (Punkt A), der Grenze VB der Sicht nach unten, dem Durchmesser Dl des Objektivs, dem zu erzielenden Gesichtsfeldwinkel θ usw. können keine einfachen Formen für die Abmessungen und die Lage des Spiegels 13 in Abhängigkeit von diesen Parametern aufgestellt werden. Die konkrete Lösung muß fallweise ermittelt werden.

Die Scheibe 2 und der Spiegel 13 können durch

mechanische Verbindungsmittel 20 und 21 auf dem Gehäuse 5 der Kollimatorvorrichtung fest angebracht werden, wie in F i g. 9 schematisch dargestellt.

Selbstverständlich sind auch aufwendigere Anordnungen möglich, die das Wegklappen der Scheibe 2 im unbenutzten Zustand des Gerätes ermöglichen, ebenso wie ein entsprechendes Einschwenken des Spiegels 13. Solche Anordnungen müssen jedoch die genaue Positionierung des halbdurchlässigen Spiegels 2 und des totalreflektierenden Spiegels 13 bei der Wiederinbe-

is triebnahme des Gerätes sicherstellen; dies kann beispielsweise durch eine Parallelogrammführung und zugeordnete Anschlag.: gewährleistet werden.

Die Abmessungen des Spiegels 13 und insbesondere seine Breite EG sind vorzugsweise gemäß der

Α--. Beschreibung der Fig.5 und 8 derart festgelegt daß sich die Pupillen 9 und 6 längs einer hinreichend breiten Bogensehne KH überlappen. Die resultierende Pupille besitzt dann längs der Richtung XX ausreichende Abmessungen, um die Projektion beweglicher leuchten-

A-, der Objekte zu ermöglichen, die von der vertikalen Symmetrieachse YY einen sehr großen Abstand haben können. In F i g. 8 ist als Beispiel für die Projektion eines Symbols großer Abmessungen ein graduierter senkrechter Maßstab 16 angegeben.

-,ο Bei einer Ausführungsform gemäß den F i g. 5 und 8 ist ein Teil 15 des Objektivs 1 durch den Spiegel 13 abgedeckt und wird nicht genutzt Demzufolge kann dieser Bereich des optischen Objektivs weggeschnitten werden, was die Ausführung der Kollimatorvornchtung leichter macht und ihren Raumbedarf verringert sowie ihre Anbringung im Cockpit erleichtert

Es muß jedoch bemerkt werden, daß die in dem der zusätzlichen Pupille 8 entsprechenden Teil des tatsächlichen Gesichtsfeldes θ gesehenen Objekte weniger

bo leuchtstark sind, als diejenigen, die in dem der ursprünglichen Pupille 6 entsprechenden Teil des Feldes gesehen werden, und zwar wegen der Zwischenreflexionen zwischen den Teilen 2 und 13. Es kann daher von Interesse sein, durch eine geeignete Form des Spiegels

b5 13 die Gesamtheit der ursprünglichen Pupille 6 beizubehalten, was dazu führt, die durch G verlaufende Kante des Spiegels 13 gebogen auszubilden. In dieser Auslegung und unter der Annahme, daß die

durch E verlaufende Kante unverändert geradlinig ist, besitzt die auf die Ebene der Pupille 6 bezogene zusätzliche Pupille 9 im oberen Bereich eine Kreisbogensehne (F i g. 8) und folgt in ihrem unteren Bereich dem Kreis mit dem Durchmesser D I der Pupille 6.

Die Form des Spiegels ist nicht auf die beschriebenen Formen beschränkt; die seitlichen Kanten können auf ein gewünschtes Format der Pupille 8 ausgelegt sein, beispielsweise derart, daß sie einen kreisförmigen Umriß ergeben. Unabhängig von der gewählten Form wird man jedoch stets sicherstellen, daß sich das

optische Element 13 vollständig in dem verfügbaren Volumen ν befindet, das unterhalb der Grenzebene VB für die Sicht nach unten bei der gewählten Anbringung (F i g. 2) liegt.

Aus Vereinfachungsgründen wurde das Gesichtsfeld des Piloten als ein Kegel angenommen, während es tatsächlich zufolge des binokularen Sehens zwei Kegel umfaßt; dieser Umstand ändert jedoch an dem Gedanken der Erfindung zur Vergrößerung der Pupille der Kollimatorvorrichtung nichts.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Optische Kollimatorvorrichtung insbesondere zur Verwendung in Luftfahrzeugen, zur Projektion von Navigationsinformationen ins Unendliche zur Oberlagerung mit der von dem Piloten wahrgenommenen Außenwelt, wobei die Vorrichtung die Informationen darstellende, leuchtende Objekte, ein optisches Objektiv zur Abbildung dieser Objekte im Unendlichen, eine aus einem halbdurchlässigen Spiegel bestehende Scheibe zur Betrachtung der Abbildung in Oberlagerung mit der Außenwelt und optische Einrichtungen zur Vergrößerung der ursprünglichen Austrittspupille, die durch den Umriß des durch die Scheibe betrachteten Bildes des Objektivs begrenzt wird, umfaßt, dadurch gekeηczeichnet, daß die Einrichtungen ein parallel zu der Scheibe (2) auf der Seite des Objektives (1) und vorzugsweise in einem Raum (v) zwischen dem Objektiv und dem auf der ursprünglichen Pupille beruhenden Gesichtsfeld angeordnetes, reflektierendes optisches Element (13) umfassen, das eine zusätzliche Pupille (8) erzeugt, die in Verbindung mit der ursprünglichen Pupille (6) eine vergrößerte Pupille (6 + 9) ergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (13) ein reflektierender Planspiegel ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesichtsfeld unter der vereinfachten Annahme einer monokularen Betrachtung einem Kegel angenähert ist und das optische Element (13) einen gemeinsamen Punkt (E) mit dem Kegel besitzt und der Punkt auf der unteren Erzeugenden des Kegels, d. h. der nächst dem Objektiv (1) liegenden Erzeugenden, liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Planspiegel (13) zwei gerade, zueinander und zu der Ebene des Objektivs (PO) parallele Kanten besitzt, nämlich eine obere Kante, die Tangente an die untere Erzeugende in dem gemeinsamen Punkt (E) ist und eine untere Kante in einer bestimmten Entfernung von der oberen Kante, zur Erzielung einer resultierenden Pupille solcher Form, daß die Verbindung der optischen Pupille mit der zusätzlichen Pupille gemäß einer Bogensehne (K, H) bestimmter Abmessung geschieht (F ig. 5 bis 8).

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Planspiegel eine gerade Oberkante parallel zur Ebene des optischen Objektivs (1) und durch den gemeinsamen Punkt und eine gebogene Unterkante besitzt, deren Verlauf in Abhängigkeit der ursprünglichen Pupille zur Angleichung an diese festgelegt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Objektiv in einem unbenutzten Teil (15) schräg abgeschnitten ist, der sich durch die Abschattung in diesem Bereich durch das reflektierende optische Element (13) ergibt.

7. Sichtvorrichtung für Luftfahrzeuge mit einer Kollimatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und derart angeordnet, daß die optische Pupille von unten Tangente an die Grenzebene (VB) der Sicht des Piloten nach unten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umriß des optischen Elementes oben begrenzt ist durch eine Gerade der Ebene der Sicht nach unten parallel zu der Objektivebene.