DE2729212A1

DE2729212A1 - Sichtvorrichtung

Info

Publication number: DE2729212A1
Application number: DE19772729212
Authority: DE
Inventors: Stafford Malcolm Ellis
Original assignee: Elliott Brothers London Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1978-01-12
Also published as: FR2357021B1; NL7706893A; SE7707537L; JPS533741A; FR2357021A1; US4099841A; IL52374A

Description

Dr-4m. Wilhelm Reichel DfeL-fos. Wolignna Reiehcl

6Frankhirta.M.l Pcaketiaße 13

8816

ELLIOTT BROTHERS (LONDON) LIMITED, Chelmsford, Essex, CM1 1 PL, Großbritannien

Sichtvorrichtung

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Die Erfindung betrifft Sichtvorrichtungen für Aufrechtsichtgeräte zur Benutzung in Flugzeugen oder Fahrzeugen.

üblicherweise enthalten derartige Sichtvorrichtungen einen optischen Projektor oder Bildwerfer, der die von einem als Lichtquelle wirkenden Bildschirm dargebotenen optischen Daten kollimiert und projiziert und ein optisches Kombinationsgerät enthält, das teilweise durchsichtige und teilweise lichtreflektierende Bauelemente in solcher Lage gegenüber der Austrittsapertur des Projektionsobjektivs aufweist, daß ein Beobachter der entfernte wirkliche Gegenstände, z.B. eine Landschaft durch diese Bauelemente hindurch betrachtet, die von der Austrittsapertur des Projektionsobjektivs dargebotenen optischen Daten nach Reflektion an den Bauelementen als ein virtuelles, den wirklichen Gegenständen überlagertes Bild sieht. Eine derartige Sichtvorrichtung wird im folgenden als Sichtvorrichtung der beschriebenen Art bezeichnet. Ein virtuelles Bild der Austrittsapertur, das häufig auch als "Fenster" oder als "Auslug" (porthole) bezeichnet wird, scheint dem Beobachter, der die Sichtvorrichtung benutzt, vor dem Kombinationsgerät zu liegen, d.h. zwischen dem Kombinationsgerät und den entfernten wirklichen Gegenständen an einer Stelle, die durch die Länge des Strahlenganges zwischen der Endlinse des Projektionsobjektivs und dem Kombinationsgerät bestimmt ist. Bei Sichtvorrichtungen der beschriebenen Art enthält das Kombinationsgerät meist eine einzelne geneigte Glasplatte, deren Hauptaußenflächen optisch eben sind und die parallel zueinander liegen, wobei die nach hinten liegende Oberfläche eine teilweise, das Licht reflektierende und teilweise das Licht durchlassende Schicht trägt.Die .Schicht ist, da sie nach

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außen freiliegt, vorzugsweise eine harte Schicht. Die Glasplatte des Kombinationsgerätes wird in ihrer Lage gegenüber dem Projektionsobjektiv und insbesondere dem die Austrittsapertur definierenden Teil desselben durch seitliche Stützen gehaltert.

Wenn, wie bei einem Flugzeug, die Sichtvorrichtung hohen Beschleunigungen und starken Schwingungen ausgesetzt ist, müssen die Platte des Kombinationsgerätes und die seitlichen Stützen derselben starr und kräftig ausgeführt sein.

Das Bildfeld der projizierten optischen Daten, welches dem Betrachter zur Verfügung steht, ist bei Benutzung einer einzigen Glasplatte infolge der praktischen Grenzen der Ausführung häufig kleiner als wünschenswert.

Ein bekanntes Verfahren zur Erreichung eines größeren Bildfeldes besteht darin, ein Kombinationsgerät zu benutzen, das zwei geneigte Glasplatten hat, die je optisch ebene und parallele Oberflächen aufweisen und auf der nach hinten gerichteten Oberfläche einen teilweise lichtdurchlässigen, teilweise lichtreflektierenden überzug haben. Die beiden Platten sind durch seitliche Stützen gehaltert und liegen in optisch parallelen Ebenen eine über der anderen. Die Abmessungen der beiden Glasplatten sind so gewählt, daß in der Blickrichtung des Beschauers der fernen Gegenstände der obere Randteil der unteren schrägen Platte und der untere Randteil der oberen schrägen Platte einander zum Teil überlappen.

Hit einer solchen Anordnung ist es zwar möglich, ein in vertikaler Richtung ausgedehnteres Bildfeld zu erhalten, jedoch treten bei der Ausbildung eines solchen Kombinations-

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gerätes konstruktive Schwierigkeiten auf. Die seitlichen Stützen, welche die beiden Platten tragen, müssen sehr stabil und schwer ausgeführt werden, wenn die Wirkungen der Beschleunigung und von Schwingungen auf das Kombinationsgerät genügend kleingehalten werden sollen. Ferner sind derartige Kombinationsgeräte mit zwei Platten nicht leicht herzustellen und instand zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sichtvorrichtung der beschriebenen Art anzugeben, in der ein verhältnismäßig großes Bildfeld ohne die oben erwähnten Schwierigkeiten erhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Eine Sichtvorrichtung gemäß der Erfindung besitzt eine Reihe von wichtigen Vorteilen gegenüber der bekannten Sichtvorrichtung mit einem Zweiplatten-Kombinationsgerät, wie es oben angegeben wurde.

Mit einem Sichtgerät gemäß der Erfindung kann ein verhältnismäßig großes Bildfeld erhalten werden, auch wenn eine rechteckige Austrittsapertur von kleinen Abmessungen benutzt wird. Das optische Kombinationsgerät weist von sich aus einen starren Aufbau auf. Es ist verhältnismäßig leicht herstellbar und kann auch leicht instand gehalten werden.

Die Brechungseigenschaften des durchsichtigen Materials, auf dem die Schichten angeordnet sind, tragen wesentlich zur Vergrößerung des Bildfeldes bei. Die Lage des "Fensters" des Systems, d.h. das virtuelle Bild der Austrittsapertur, das mit Hilfe des Kombinationsgerätes in die Sichtlinie des

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Betrachters projiziert wird, erscheint infolge der Anwesenheit des brechenden Materials näher am Betrachter zu liegen.

Wie noch aus der weiteren Beschreibung hervorgeht, kann ein derartiges Kombinationsgerät nicht nur mit einem Projektor verhältnismäßig kleiner Abmessungen und kleinen Gewichtes benutzt werden, ohne an Bildfeldgröße zu verlieren,sondern der Projektor kann auch bei Benutzung in einem Flugzeug so angeordnet werden, daß sein oberer Teil oberhalb der Bug-Sichtbegrenzungslinie (overnose Linie) des Piloten beim Ausblick nach außen liegt. Die Brechungseigenschaften des brechenden Materials können so ausgenutzt werden, daß der obere Teil des Kombinationsgerätes nicht in die nach außen führende Sichtlinie des Piloten eintritt.

Die Sichtvorrichtung gemäß der Erfindung enthält vorzugsweise nur drei Schichten. Aus der weiteren Beschreibung geht hervor, daß es möglich ist, mit einer derartigen Anzahl von Schichten ein genügend großes Bildfeld zu erhalten, ohne daß die Qualität des dem Betrachter dargebotenen Bildes der Außenwelt bei Benutzung des Kombinationsgerätes leidet.

Bei einer besonderen Ausführungsform gemäß der Erfindung trägt der Körper des Kombinationsgerätes eine weitere Schicht auf der Seite der anderen Schichten, die von der dritten Oberfläche des Körpers abgewendet ist, wobei diese weitere Schicht voll reflektierend ausgebildet ist. Hierdurch geht kein Licht verloren, das in den Körper des Kombinationsgerätee, sei es von der Außenwelt her oder vom Sichtgerät her, eintritt. Die weitere Schicht befindet sich vorzugsweise auf einer Außenfläche des Körpers des Kombinationsgerätes.

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Wie bei den bekannten Kombinationsgeräten tragen die nach hinten und nach vorn gerichteten Oberflächen des Körpers vorzugsweise reflexvermindernde überzüge.

Aus der Verwendung der Sichtvorrichtungen gemäß der Erfindung ergeben sich weitere Vorteile:

Da die Austrittsapertur des Projektionsobjektives nur geringe Größe hat, besteht weniger Gefahr, daß Sonnenlicht eintritt und Uberstrahlungen oder Auslöschungen/überlagerten Bildes eintreten, wie dies bei Sichtgeräten mit vollkreisförmiger Austrittsapertur der Fall ist.

Der Eintrittswinkel für einfallendes Licht ist sehr schmal, wie dies für gewöhnlich bei Sichtvorrichtungen der beschriebenen Art der Fall ist.

Das Fahrzeug oder Flugzeug, in dem die Sichtvorrichtung benutzt wird, hat möglicherweise vor dem Kombinationsgerät ein optisches Element,z.B. eine gekrümmte Windschutzscheibe, welches das Bild .. der wirklichen Gegenstände verzerrt. Während bei den bekannten Sichtvorrichtungen eine Abhilfe nicht möglich schien, ergibt sich gemäß der Erfindung die Möglichkeit einer Kompensation einer derartigen Verzerrung durch entsprechende Formgebung der vorderen Oberfläche des Körpers der Sichtvorrichtung, d.h. im Falle einer Windschutzscheibe einer Krümmung der nach vorn gerichteten Oberfläche in einer oder mehreren Ebenen, je nach der Krümmung der Windschutzscheibe.

Bei der Sichtvorrichtung gemäß der Erfindung erstreckt sich jede Schicht normalerweise über einen größeren Teil des Abstandes zwischen der ersten und zweiten Außenfläche des Kombinationsgerätes .Jede Sdiicht hat normalerweise ein

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Reflexionsvermögen, das größer ist als das einer Schicht zwischen dieser Schicht und der Austrittsapertur des Projektionsobjektivs, so daß sich Sichtbilder von im wesentlichen gleichförmiger Helligkeit ergeben.

Im folgenden werden mehrere Sichtvorrichtungen als Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten AusfUhrungsform des Sichtgerätes, in dem durch eine Zentimeterskala angegebenen Maßstab;

Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Sichtvorrichtung der Fig. 1 von hinten;

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausf Uhrungsform einer Flugzeugsichtvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Bildfeldes, das bei Benutzung der Sichtvorrichtung nach Fig. oder Fig. 3 erhalten wird;

Fig. 5 zeigt schematisch, wie die optische Verzerrung des Bildes der Außenwelt, die sich durch die Krümmung einer Windschutzscheibe ergibt, korrigiert werden kann;

Fig. 6 ist ein Schnitt durch den Körper des Kombinationsgerätes nach Fig. 1;

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Fig. 7 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Kombinationsgerätes zur Verwendung in einer Sichtvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 8 zeigt in einem Diagramm die Wirkung verschiedener lichtreflektierender und lichtdurchlässiger Schichten in einem Kombinationsgerät der Fig. 7;

Fig. 9 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform einer Sichtvorrichtung für ein Flugzeug gemäß der Erfindung und

Fig. 10 bis 15 zeigen schematisch den Vorgang des Entwurfs eines optischen Kombinationsgerätes zur Verwendung in einer Sichtvorrichtung gemäß der Erfindung.

Das Pilotensichtgerät 17 der Fig. 1 enthält einen Bildwerfer 19 oder Projektor und ein optisches Kombinationsgerät Der in der Kanzel eines Flugzeuges sitzende Pilot sieht die Außenwelt vor dem Flugzeug durch das Kombinationsgerät 21, das zwischen dem KopfPdes Piloten und der Windschutzscheibe 11 der Kanzel angeordnet ist.

In der Zeichnung sind die verschiedenen Linien angegeben, welche das Sichtgerät mit den Achsen des Flugzeuges verbinden. In der Figur ist eine Horizontalebene angedeutet und eine Auswurfs- oder Schleuderlinie. Ferner eine Bug-Sichtbegrenzungslinie, welche die Sichtbegrenzung für den Piloten nach unten angibt. Die Mittellinie des gesamten Blickfeldes oder Gesichtsfeldes der Außenwelt, die von der Stelle 0 aus erblickt wird, ist mit den Buchstaben CLTFoV (centre line of the total field of view) bezeichnet.

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Der Projektor 19 hat ein Gehäuse 23. Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine Kathodenstrahlröhre 25 und ein Kollimationsobjektiv 27. Der Schirm der Kathodenstrahlröhre befindet sich in der Brennpunktebene des Objektivs 27· Die auf dem Schirm erscheinenden optischen Daten werden durch das Objektiv 27 an der Austrittsöffnung 29 der Endlinse 31 des Objektivs 27 kollimiert.

Das Kombinationsgerät 21 enthält einen Körper aus einem lichtdurchlässigen brechenden Material mit drei inneren optisch ebenen und parallelen teilweise lichtdurchlässigen, teilweise lichtreflektierenden dünnen Schichten 33a, 33b und 33c.

Die Schichten 33a, b und c sind durch das Material des Körpers, das ein klares Kunststoffmaterial, z.B. Methylmethacrylat ist, getrennt und unterstützt. Es sei bemerkt, daß andere lichtdurchlässige Materialien ebenfalls benutzt werden können, wie z.B. Glas.

Die nach hinten gerichtete Oberfläche 35 und die nach vorne gerichtete Oberfläche 37 des Kombinationsgerätes 21 sind optisch eben und parallel zueinander.

Die Aussage, daß die Oberflächen 35 und 37 optisch eben und parallel sind, muß indessen so verstanden werden, wie es die Umgebung,in der die Sichtvorrichtung verwendet wird, erfordert.

Wenn die Windschutzscheibe 11 eben ist, dann sind auch die Oberflächen 35 und 36 eben und zueinander parallel. Wenn jedoch die Windschutzscheibe 11 gekrümmt ist, dann kann die nach vorne gerichtete Fläche 37 eine Krümmung aufweisen, die

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so berechnet ist, daß sie die Verzerrung des Bildes der Außenwelt, das sich bei einer Betrachtung durch die gekrümmte Windschutzscheibe ergibt, kompensiert, selbst wenn die Verzerrung nur klein ist. Praktisch kann die Krümmung, die der nach vorn gerichteten Oberfläche 37 zur Kompensation der Windschutzscheibenverzerrung erteilt wird, sehr klein sein und die Aussage, daß die Oberflächen 35 und 37 im wesentlichen eben und parallel sind, soll so verstanden werden, daß sie derartige kleine Abweichungen einschließt.

Das bei der Korrektur der Windschutzscheibenkriimmung angewendete Prinzip ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Krümmungen sind zur Verdeutlichung stark übertrieben.

Die untere Fläche 39 des Kombinationsgerätes 21 befindet sich in der Nähe der Austrittsapertur 29 des Projektionsobjektivs 19. Die untere Fläche 39 des Kombinationsgerätes 21 schließt einen Winkel θ mit den dünnen Schichten 33a, 33b und 33c ein, der gleich dem Winkel zwischen den genannten Schichten und der nach hinten gerichteten Oberfläche 35 ist. Die Gleichheit der Winkel wird durch die Verwendung eines durchsichtigen Mediums,z.B. Glas oder eines durchsichtigen Kunststoffes erforderlich, dessen Brechungsindex verschieden von dem von Luft 1st. Wenn die genannte Winkelbeziehung zwischen der Bodenfläche 39 und der nach hinten gerichteten Fläche 35 und den verschiedenen dünnen Schichten innerhalb des durchsichtigen Materials des Kombinationsgerätes 21 nicht eingehalten wird, dann ist der Brechungswinkel für einen an der Oberfläche 39 des Körpers eintretenden Lichtstrahl nicht gleich dem Brechungswinkel des den Körper an der Oberfläche 35 verlassenden Lichtstrahles und die Grundvoraussetzung eines

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Aufrechtsichtgerätes, d.h. die Darbietung der Kollimationsbilder der dargestellten Daten, z.B. des Schirmes der Kathodenstrahlröhre 25 würde nicht erfüllt sein.

Die Austrittsapertur 29 hat im allgemeinen rechteckige Form. In der Praxis wird die Austrittsapertur 29 in der Endlinse 31 definiert, die selbst eine im allgemeinen rechteckige Form hat, wobei die Hauptabmessung der rechteckigen Linse 31 (oder A pertur 29) in der Richtung der Breite, d.h. in der Querrichtung des Körpers 21 liegt und die kleinere Dimension der rechteckigen Linse der Bodenfläche 39 des Kombinationsgerätes 21 im wesentlichen entspricht. Die rechteckige Endlinse 31 wird in passender Welse durch Beschneidung oder Begrenzung einer vollkreisförmigen sphärischen Linse erzeugt. Dies ist in Fig. A dargestellt, in der die im allgemeinen rechteckige Form der Austrittsapertur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, während die kleineren Seiten der /. pertur durch die Beschneidung der kreisförmigen Endlinse 31 gegeben ist.

Das Kollimationssystem 27 der Vorrichtung enthält nicht nur aktive Elemente, wie die Linsenkombination 31 und 32, sondern auch eine reflektierende Zwischenfläche 36. Bei einer solchen Anordnung liegt das Projektionsobjektiv fast ganz unterhalb der Sichtbegrenzungslinie 15 und das optische Kombinationsgerät 21 ragt nach oben und hinten von dem Projektor 19 unter einem verhältnismäßig steilen Winkel, wie dies in der Figur 1 dargestellt ist. Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung für ein Pilotensichtgerät. In Bezug auf die Bildfelder und die Anzahl der Teile sind die Ausführungen nach Fig. 1 und 3 praktisch einander ähnlich. Das Gerät nach Fig. 3 wird daher

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nicht im einzelnen beschrieben, sondern es wird auf die Beschreibung der Fig. 1 Bezug genommen.

Das Gerät nach Fig. 3 unterscheidet sich jedoch beträchtlich bezüglich der Geometrie vom Gerät der Fig. 1. Dies rührt daher, daß das Kollimationssystem der Fig. 3 ein gerade durchlaufendes System 1st, das keine reflektierende Oberfläche 36 wie das der Fig. 1 enthält. Das Projektionsobjektiv 19 des Gerätes nach Fig. 3 hat zwar auch eine Austrittsapertur 29 der gleichen Größe wie das Gerät nach Fig. 1, jedoch ist der Winkel gegenüber der Horizontalebene wesentlich flacher. Um daher das gleiche Bildfeld wie mit dem Gerät der Fig. 1 zu erhalten, ist das Kombinationsgerät 21 der Fig. 3 erheblich dicker als das Kombinationsgerät der Fig. 1 und die nach vorne und hinten zu liegenden Oberflächen schließen einen flacheren Winkel mit der Mittellinie des Gesamtbildfeldes ein.

Ein weiterer geometrischer Unterschied zwischen den Geräten der Fig. 1 und 3 besteht darin, daß das Gerät der Fig. 3 mit einem viel größeren Teil des Projektionsobjektivs 19 über die Sichtbegrenzungslinie herausragt. Dieser Teil des Projektionsobjektivs oberhalb der Sichtbegrenzungslinie bildet jedoch kein Hindernis bei der Betrachtung der Außenwelt durch den Piloten. Daß dies der Fall ist, rührt daher, daß das Kombinationsgerät einen Körper mit einem hohen Brechungsindex benutzt. Während die von der Außenwelt kommen· den Strahlen in der Nähe der Sichtbegrenzungslinie durch das Gehäuse des Projektors unterbrochen werden und daher von dem Piloten nicht wahrgenommen werden können, werden parallele Strahlen, d.h. andere Strahlen von dem gleichen entfernten Punkt, die in das optische Kombinationsgerät einfallen, nach der Brechung von dem Piloten wahrgenommen.

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Da das Kombinationsgerät mit seinen parallelen Seitenflächen die Winkel des Außenbildes beibehält, werden die sonst verdeckten Punkte des Außenbildes durch das Kombinationsgerät 21 hindurch sichtbar. Die Sichtvorrichtung hat daher die Wirkung, eine scheinbare Sichtbegrenzungslinie zu erzeugen, so daß kein Bildverlust infolge der Lage des Projektionsobjektivs eintritt. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Wirkung auch bei dem Gerät der Fig. 1 aber in einem geringeren Maße auftritt.

Ein gewisser Nachteil des Gerätes der Fig. 3 ist, daß die größere Masse des Kombinationsgerätes 21 auch ein größeres Gewicht bedingt und dieser Nachteil muß daher abgewogen werden gegen den Vorteil, daß das Kombinationsgerät nur einen wesentlich kleineren Raum der Instrumententafel 43 in Anspruch nimmt.

Das mit dem Gerät nach Fig. 1 und Fig. 4 erzeugte Gesamtbildfeld (TFoV) und das Einzelbildfeld (IFoV) der proJizierten optischen Daten ist in Fig. 4 angegeben. Die drei Schichten 33a, b und c ergeben drei getrennte, einander überlappende Einzelbildfelder 1,2 und 3 » die den Segmenten 1', 2' und 3' des Schirmes der Kathodenstrahlröhre 25 entsprechen. Der Strahlengang, insbesondere derjenigen Lichtstrahlen, die die Bildfelder begrenzen, welche der Pilot durch das Kombinationsgerät von den projizierten Daten und der Außenwelt sieht, sind durch strichpunktierte Linien angegeben. Es sei darauf hingewiesen, daß bei anderen Ausführungsformen die verschiedenen Bildfelder, die den verschiedenen Schichten zugeordnet sind, nicht zu überlappen brauchen sondern sich nur am Rande berühren. Normalerweise sollten jedoch keine Zwischenräume zwischen den ver-

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schiedenen Bildfeldern vorhanden sein.

Die verhältnismäßig großen Einzelbildfelder werden trotz der geringen Abmessungen der Austrittsapertur 29 durch die Brechung in dem optischen Kombinationsgerät 21 erhalten, wobei die Entfernung zwischen dem Fenster und dem Auge 0 des Betrachters kürzer ist als es der Fall wäre, wenn keine Brechung eintreten würde, d.h. wenn das Kombinationsgerät aus einem Material bestehen würde, das denselben Brechungsindex wie Luft hat.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist das Kombinationsgerät 21 in Fig. 1 und auch in Fig. 3 in einfachen seitlichen Stützen 41 befestigt. Das Kombinationsgerät 21 kann auf dem Wege der üblichen optischen Technik hergestellt werden. Das in Fig. 6 dargestellte Kombinationsgerät wird z.B. dadurch hergestellt, daß zuerst vier Prismen A, B, C und D angefertigt werden, die geschliffen und poliert werden, so daß Oberflächen entstehen, auf denen die Schichten 33a, 33b und 33c aufgebracht werden können, worauf die Prismen unter Verwendung eines üblichen optischen Kittes miteinander verbunden werden. Der sich ergebende Block aus lichtdurchlässigem Material wird dann geschliffen und poliert, so daß die optisch ebenen und parallelen vorderen und hinteren Oberflächen 35 und 37 entstehen. Schließlich werden die beiden Oberflächen mit einem reflektionsvermindernden Überzug versehen. Die Schichten 33a, 33b und 33c können, da sie geschützt sind, weiche Schichten sein. Bei einer praktischen Ausführungsform haben die Schichten 33a, 33b und 33c Reflexionsvermögen von 2596, 3596 bzw. 45%. Mit diesen Reflektionseigenschaften erscheinen sowohl die eingeblendeten Daten als auch die Außenwelt bei der Betrachtung durch das Kombinationsgerät mit etwa gleichförmiger Helligkeit,

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jedoch ist, wie bei den üblichen Sichtvorrichtungen die durch das Kombinationsgerät gesehene Außenwelt etwas dunkler als die direktgesehene Außenwelt.

Bei den im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen wird das Licht von dem Schirmbild und von der Außenwelt direkt übertragen bzw. reflektiert und gelangt nach oben durch die Schicht 33c und tritt an der oberen Seite des Kombinationsgerätes 21 wieder aus oder wird von ihr absorbiert.

Bei anderen Ausführungsformen, von denen eine in Fig. 7 dargestellt ist, hat das Kombinationsgerät 21 außer den inneren Schichten 33a, 33b und 33c eine äußere reflektierende Schicht 33d, die optisch eben und parallel zu den inneren Schichten ausgebildet ist, wodurch ein weiteres Bildfeld der projlzierten Daten erzeugt wird. Während die Innenschichten teilweise reflektieren, ist die Schicht 33 im wesentlichen vollreflektierend ausgebildet.

Um eine parallele Lage zwischen der reflektierenden Schicht 33d und den inneren Schichten des Kombinationsgerätes herbeizuführen, wird am oberen Ende des Kombinationskörpers ein Element A¹ verwendet. Die obere Fläche des Elementes A* trägt den äußeren reflektierenden Überzug 33d.

In dem Kombinationsgerät der Fig. 7 geht praktisch kein Licht verloren und zwar weder von der Außenwelt noch von dem Schirmbild. Die vollreflektierende Schicht 33d lenkt das Licht, das nach oben hindurchtritt oder von der Schicht 33 reflektiert wird, in Richtung auf den Beobachter.

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Wenn gefordert wird, daß bei Benutzung des Kombinationsgerätes die Außenwelt und das Schirmbild im wesentlichen konstante Helligkeit Über das Bildfeld haben sollen und gleichzeitig auch ausreichende Kontraste aufweisen sollen, ergibt sich, daß die Verwendung einer äußeren vollständig reflektierenden Schicht 33d es bedingt, daß die Lichtdurchlässigkeiten und Reflektionseigenschaften der verschiedenen inneren Schichten sorgfältig aufeinander abgestimmt und berechnet sein müssen.

Es sei bemerkt, daß ein Anteil des von der Außenwelt stammenden Lichtes durch die Schichten 33a, 33b und 33c hindurchgelassen und ein Teil auch nach oben reflektiert wird. Diese durchgelassenen und reflektierten Anteile der verschiedenen Schichten müssen in Betracht gezogen werden, um das gewünschte Ergebnis, d.h. die gleichmäßige Helligkeit des Bildes der Außenwelt und des Schirmbildes zu erhalten.

Wenn man theoretisch fordert, daß eine gleichmäßige Helligkeit des Bildes der Außenwelt von 7596 und eine gleichförmige Helligkeit des Schirmbildes von 25# angestrebt wird, wie sich schematisch aus Fig. 8a und 8b ergibt, so kann dies mit Werten des Reflektionsvermögens für die Schichten 33a, 33b, 33c und 33d erreicht werden, die im Verhältnis von 0,25 : 0,33 : 0,50 : 1,00 stehen, d.h. daß die Durchlässigkeiten ein Verhältnis von 0,75 ' 0,66 : 0,50 : haben.

In der Praxis kann Jedoch eine vollständige Gleichförmigkeit infolge der Übertragungsverluste und der Polarisationen durch die Schichten nicht erreicht werden. D.h., daß in der Praxis eine Gleichförmigkeit nur für das von der Außenwelt stammende Licht oder das Licht des Bildschirmes, aber nicht für beide erreicht werden kann. Wenn daher auf die Gleich-

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förmigkeit in einem gewissen Ausmaß verzichtet werden muß, dann erscheint es annehmbarer, Änderungen in der Gleichförmigkeit der Schirmbilddarstellungen zuzulassen als Änderungen in der Helligkeit der Außenweltbilder. Die Durchlässigkeiten und Reflektionseigenschaften können dann entsprechend gewählt werden.

Es sei ferner bemerkt, daß unter Umständen ein größerer Kontrast zwischen der Darstellung der Außenwelt und den Schirmbildern erforderlich ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man ein oder mehrere zusätzliche innere optisch ebene und parallele lichtdurchlässige und lichtreflektierende Schichten einführt. Die Einführung derartiger zusätzlicher Schichten macht eine Änderung bezüglich der Übrigen Innenschichten notwendig.

Schließlich ist ersichtlich, daß äußere Lichtstrahlen, z.B. von der Sonne, wenig Möglichkeit haben, das Auge des Betrachters nach der Reflektion zu erreichen. Wie man aus Fig. 7 ersieht, werden Strahlen, die auf das Kombinationsgerät an der Stelle S1 eintreten, diffus von dem Kombinationsgerät reflektiert und Strahlen, die an den Stellen S2 und S3 eintreten, in dem Kombinationsgerät gebrochen.

Bei den Anordnungen nach Fig. 1 bis 7 ist die Austrittsapertur 29 in enger Nachbarschaft des Kombinationsgerätes angeordnet. Wenn dies auch unter dem Gesichtspunkt wünschenswert ist, daß das"Fenster" einen möglichst kleinen Abstand vom Auge des Beobachters hat, ist es jedoch gemäß der Erfindung nicht notwendig. Um z.B. ein Kombinationsgerät der beschriebenen Art bei einem bereits vorhandenen üblichen Sichtgerät für Piloten zu verwenden, um dieses Gerät gemäß der Erfindung umzuwandeln, kann es notwendig sein, das

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Kombinationsgerät in einem gewissen Abstand von der Austritt sapertur des Projektionsobjektivs anzuordnen und das an der Austrittsapertur austretende Licht durch entsprechende reflektierende Einrichtungen, z.B. ein Prisma, auszurichten. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 9 dargestellt, in der das Prisma 45 dazu dient, das an dem Objektiv 19 austretende Licht in das Kombinationsgerät 21 zu leiten.

Der Entwurf des optischen Kombinationsgerätes zur Verwendung in einer Sichtvorrichtung gemäß der Erfindung kann auf dem Wege der Handzeichnung durchgeführt werden. Anstelle einer Zeichnung von Hand kann auch ein Computerprogramm erstellt werden, um den Entwurf zu vereinfachen, wobei das Programm unter Benutzung der folgenden Algorithmen entwickelt werden kann, die für ein Gerät nach Fig. 7 abgeleitet und bei ihm angewendet werden können.

Zunächst werden Werte für die folgenden Größen eingesetzt, die in Fig. 10 angegeben sind:

X 1 - Abstand des Auges des Beobachters von der Oberfläche 35 entlang der Horizontallinie

FoV - Gesamtbildfeld des Beobachters bezüglich des Schirmbildes

* - Winkel der Mittellinie des Bildfeldes mit der Horizontalen

^ - Winkel der Mittellinie des projizieren Schirmbildes, das an der Seite 39 eintritt, gegenüber der Horizontalen

0 - Winkel der Fläche 35 gegenüber der Horizontalen

AS - Länge der Fläche 35

T2 - Abstand zwischen der Fläche 35 und der 709882/0880

Schicht 33d für den obersten Strahl vom Auge des Beobachters

Aus diesen Werten werden die folgenden Größen abgeleitet: Winkel der Schicht 33 gegenüber der Horizontalen (^ ) =

1/2 (a-v )

Winkel des obersten Strahls gegenüber der Horizontalen (RA1) = <x + 1/2 FoV

Winkel der Fläche 39 gegenüber der Horizontalen (6 ) =

0 - 2f>

Ferner besteht die folgende Beziehung:

Y = 0 - 2p

Das Kombinationsgerät ist nunmehr, wie in Fig. 11 dargestellt, definiert, wobei die Linie RM1 die Bahn des obersten Strahles in dem Kombinationsgerät nach Reflektion an der Schicht 33d ist und T4 der Abstand zwischen dem Strahl RM1 und der Fläche 35 an der Fläche 39 ist.

Die Größe T4 wird dann geprüft, um sicherzustellen, daß sich ein geeigneter Abstand im Innern des Kombinationsgerätes ergibt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird der Wert von T2 in kleinen Schritten erhöht, bis T4 einen geeigneten Abstand im Innern des Kombinationsgeräts liefert.

Es wird nun ein Winkel für den Bodenstrahl RA2 gewählt, der von der Schicht 33d reflektiert wird. Das Kombinationsgerät ist nun soweit definiert, wie dies in Fig. 12 dargestellt 1st. Wenn der Strahl RA2 in das Kombinationsgerät eintritt, verläuft er nach der Brechung entlang RG2 und trifft auf die Schicht 33d an einem Punkt D, welcher das untere Ende der Schicht 33d definiert.

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Die oberste Schicht 33d ist nun völlig bestimmt und es kann die Schicht 33c ermittelt werden. Wenn der Strahl RA1 in das Kombinationsgerät eintritt, verläuft er nach der Brechung entsprechend RG1 und trifft auf die Schicht 33d am Punkt B. In entsprechender Weise verläuft der Strahl nach der Brechung von der Schicht 33d entlang RM1. Er kann daher einen Punkt E auf der Schicht 33c ermitteln, indem der Strahl RM1 reflektiert wird, so daß er durch den Punkt D hindurchgeht, wie dies in Fig. 13 dargestellt ist.

Alle Schichten 33 liegen parallel zueinander und die Schicht 33c kann nun durch den Punkt E gezogen werden. Die Schicht 33c erstreckt sich nach oben, bis sie im Punkt F den Strahl RG2 trifft und dem Strahl RA2 nach der Brechung beim Eintritt in das Kombinationsgerät folgt und nach unten verläuft, bis er an dem Punkt G den Strahl RM2 trifft, der den Strahl RA2 nach der Brechung an der Schicht 33d ergibt. Das Kombinationsgerät ist nun so weit definiert, wie es die Fig. 14 angibt.

Der Bodenstrahl RA3, der auf die Schicht 33c auftrifft, muß nach der Brechung entlang der Bahn RG3 durch den Punkt G gehen und kann durch Iteration bestimmt werden.

Das Verfahren, den Punkt E zu finden, wird wiederholt, um einen Punkt J auf der Schicht 33b zu ermitteln, in dem ein Strahl auf der Bahn RM1 reflektiert wird, so daß er durch den Punkt G nach Fig. 15 hindurchgeht. Die Schicht 33b verläuft nach oben bis zur Bahn RG3 und nach unten zur Bahn RM2 und ist nun vollständig definiert.

Das Verfahren wird fortgesetzt, bis die letzte Schicht 33a und der untere Hauptstrahl RA5 aufgefunden sind. Erst jetzt

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wird FoV durch Subtraktion von RA 5 von RA1 gefunden. Wenn dieser Wert niedriger ist als der erforderliche Wert FoV, dann wird der Vorgang an dem Punkt wieder aufgenommen, wo RA2 gewählt wurde und weitere Iterationen werden durchgeführt, indem RA2 um einen kleinen Betrag geneigt wird, bis der gewünschte Wert FoV erreicht ist.

Die ermittelten Werte werden dann geprüft, um festzustellen, ob eine der unteren drei Schichten durch die rückseitige Oberfläche des Kombinationsgerätes herausragt. Wenn dies der Fall ist, wird der Wert von T2 um einen kleinen Betrag erhöht und der gesamte Vorgang wiederholt.

Es ist nun noch notwendig, die Lage der vorderen Fläche 37 des Kombinationsgeräts zu ermitteln. Ihre Lage ist definiert alsdi= „juriise' minimale Dicke T des Kombinationsgerätes (Fig. 10), die nötig ist, um die vorderen Enden sämtlicher vier Schichten einzuschließen,und die auch die Strahlen von den ermittelten Punkten so weit einschließt , daß sichergestellt ist, daß keine Schichten außerhalb der Oberflächen des Kombinationsgerätes zu liegen kommen.

Schließlich können alle austretenden Strahlen und Mittellinienstrahlen festgelegt werden.

Während bei den als Ausführungsbeispiele beschriebenen Anordnungen nur drei teilweise lichtdurchlässige,teilweise lichtreflektierende Schichten verwendet werden, können auch mehr als drei derartige Schichten bei anderen Ausführungsformen angewendet werden. Im Interesse der Einfachheit jedoch wird vorzugsweise die Zahl der Schichten so klein wie möglich gehalten, um ein angemessen großes Bildfeld der projezierten Daten und eine gute Qualität des durch das Kombinationsgerät sichtbaren Bildes der Außenwelt zu erhalten.

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Claims

Patentansprüche:

1. Sichtvorrichtung für ein Aufrecht-Sichtgerät zur Benutzung in einem Fahr- oder Flugzeug mit einem Bildwerfer, der die von einem als Lichtquelle wirkenden Bildschirm dargebotenen optischen Daten unter Kollimation projiziert, und mit einem optischen Kombinationsgerät, das teilweise durchsichtige und teilweise lichtreflektierende Bauelemente in solcher Lage gegenüber der Austrittsapertur des Projektionsobjektivs aufweist, daß ein Beobachter, der entfernte wirkliche Gegenstände durch diese Bauelemente hindurch betrachtet, die von der Austrittsapertur des Projektionsobjektivs dargebotenen optischen Daten nach Reflektion an den Bauelementen als ein virtuelles, den wirklichen Gegenständen überlagertes Bild sieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsapertur (29) des Projektionsobjektivs (19) rechteckförmig ist und daß das Kombinationsgerät (21) folgende Merkmale aufweist: daß ein Körper aus lichtdurchlässigem brechenden Material mit zwei im wesentlichen optisch ebenen, parallelen Außenflächen (37, 35) versehen ist, von denen die eine nach vorn in Richtung auf die entfernten wirklichen Gegenständen zu und die andere nach hinten auf den Betrachter zu liegt; daß in dem Körper mindestens drei teilweise lichtdurchlässige, teilweise lichtreflektierende, im wesentlichen optisch ebene, parallele Schichten (33a, 33b, 33c) durch das Material des Körpers gehalten und voneinander getrennt sind; daß der Körper eine dritte Außenfläche (39) hat, durch welche die vom Projektionsobjektiv gelieferten optischen Daten in den Körper eintreten, so daß sie an den Schichten in

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ORIGINAL INSPECTED

Richtung auf den Beobachter reflektiert werden und daß diese dritte Außenfläche mit den Schichten (33a, 33b, 33c) einen Winkel (θ) einschließt, der gleich dem Winkel (θ) zwischen den Schichten und der zweiten Oberfläche (35) ist; und daß die Schichten so zueinander angeordnet sind, daß bei einer Betrachtung der entfernten Gegenstände in der Blickrichtung des Beobachters jede Schicht ein anderes Bildfeld (1,2,3) der projizierten optischen Daten liefert.

2. Sichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur drei Schichten vorgesehen sind.

3. Sichtvorrichtung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß eine weitere Schicht (33d) auf der Seite der anderen Schichten angeordnet ist, die von der dritten Fläche abgewendet ist und daß diese weitere Schicht voll reflektierend ausgebildet ist.

4. Sichtvorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet,

daß die weitere Schicht (33d) sich auf einer Außenfläche des Körpers des Kombinationsgerätes befindet.

5. Sichtvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Körper des Kombinationsgerätes aus einem Kunststoff besteht.

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6. Sichtvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Hethylmethacrylat ist.

7. Sichtvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Kombinationsgerätes eine Anzahl von Prismen (A, B, C und D) enthält, die miteinander verbunden sind, wobei die teilweise reflektierenden, teilweise durchlässigen Schichten durch überzüge gebildet sind, die zwischen je zwei benachbarten Prismen angeordnet sind.

8. Sichtvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die dritte äußere Schicht eine Unterseite des Körpers des Kombinationsgerätes in der Gebrauchslage ist.

9. Sichtvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schichten sich über einen größeren Teil des Abstandes zwischen der ersten und zweiten Außenfläche erstreckt.

10. Sichtvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Außenfläche so geformt ist, daß sie eine durch ein vor dem Kombinationsgerät liegendes optisches Element hervorgerufene Verzerrung der entfernten wirklichen Gegenstände kompensiert.

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11. Sichtvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht ein Reflexionsvermögen aufweist, das nicht kleiner ist, als dasjenige einer Schicht, die zwischen dieser Schicht und der Austrittsapertur liegt.

12. Sichtvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brechung der Lichtstrahlen von den entfernten wirklichen Gegenständen durch den Körper des Kombinationsgerätes es dem Beobachter ermöglicht, durch den Körper des Kombinationsgerätes einen Teil der entfernten wirklichen Gegenstände zu beobachten, der andernfalls durch einen Teil des Sichtgerätes verdeckt würde, der sich vor dem Körper des Kombinationsgerätes befindet.

13. Optisches Kombinationsgerät zur Verwendung in einer Sichtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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