DE2747760B2 - Bild-Misch-Block und dessen Verwendung in einem Sichtgerät - Google Patents

Description

so daß der scheinbare Krümmungsmittelpunkt C" des Kollimationsspiegels (10) zwischen dem hinteren Fenster (20) und einer vorbestimmten Betrachtungs- ι ο stelle liegt (F ig. 6).

22. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das Bildfenster (22) und die Reflexionsfläche (56) zu einer gesonderten, an der Unterseite des Blocks befestigten Einheit gehören, und
daß die Ebene des Bildfensters (22) senkrecht auf der Ebene des vorderen Fensters (18) steht

23. Bild-Misch-Block nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit mit dem Bildfenster (22) und der Reflexionsfläche (56) ein Prisma ist, von dem Flächen das Bildfenster (22) und die Reflexxjnsfläche (56) bilden (F ig. 7).

24. Bild-Misch-Block nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet,

daß der Bilderzeuger (62) drehbar mit der Einheit mit dem Bildfenster (22) und der Reflexionsfläche (56) verbunden ist (F i g. T).

25. Verwendung des Bild-Misch-BIocks nach jo einem der vorhergehenden Ansprüche in einem optischen Sichtgerät in Kopfhöhe, insbesondere für raumsparende Anzeige in Fahrzeugen, vor allem Flugzeugen.

Die Erfindung betrifft einen Bild-Misch-Block und dessen Verwendung in einem Sichtgerät in Kopfhöhe mit Optik, insbesondere ein Aufachsen-Sichtgerät

Herkömmliche Sichtgeräte in Kopfhöhe (vgl. US-PS 16 005) verwenden eine »Abachsen«-Vorrichtung für eine raumsparende Anzeige in Fahrzeugen, insbesondere Flugzeugen. Jedoch ist bei der Ahachsen-Technik der Beobachtungsbereich begrenzt, d. h., die Augenstellung bezüglich des optischen Mischers, was darauf beruht, daß die Sehlinie (Gesichtslinie) eines Betrachters bzw. Beobachters etwas zur optischen Achse des Kollimationsspiegels versetzt ist.

In Abachsen-Vorrichtungen ist dieser Bereich aufgrund der schmalen Fläche beträchtlich eingeschränkt, in der die Lichtstrahlen ausreichend kollimiert sind. Die optischen Verzeichnungen oder kleineren Ungenauigkeiten der Abachsen-Mischer sind für Anwendungen wie z. B. Flugzeug-Landehilfen annehmbar, jedoch ist für Anwendungen mit genaueren Anforderungen, wie z. B. Waffenvisiergeräten, eine beträchtlich höhere Genauigkeit zusammen mit einem größeren Beobachtungsfeld erforderlich, Zusätzlich erfordern die Abachsen-Vorrichtungen oft eine Bild-Projektor-Ortung, die sich in gewissem Maß mit dem unleren Sehfeld des Beobachters überlappt.

Zahlreiche dieser Nachteile können vermieden werden, wenn ein Aufachsen-Sichtgerät verwendet wird, bei dem das Auge des Beobachters mit der optischen Achse des Spiegels ausgerichtet ist (vgl. US-PS24 90 747V

65 Die herkömmlichen Aufachsen-Sichtgeräte können in zwei große Klassen eingeteilt werden:

Reflektierende Geräte mit sphärischem Kollimationsspiegel (US-PS 35 47 522) und brechende Geräte mit Kollimationslinsen und einer Misch-PIatte (vgl. US-PS 36 79 297).

In der Praxis haben sich die reflektierenden Geräte (vgl. US-PS 35 47 522) für Flugzeuge nicht durchgesetzt, da die relativen Orientierungen der verschiedenen Bauelemente, wie z. B. des Bilderzeugers und Spiegels, einer merklichen Verzeichnung aufgrund der Schwingungen und Spannungen unterliegen, die in den meisten Flugzeug- oder Fahrzeug-Umgebungen vorliegen. Ein Versteifen des Aufbaues zur Oberwindung der Einwirkungen der Schwingungen in einem Flugzeug erfordert jedoch z. B. Bauelemente, die zu einer unerwünschten Behinderung des Sehfeldes des Piloten führen.

Bei brechenden Geräten (vgl. US-PS 36 79 297) führen dVi optischen Eigenschaften dieser Geräte, die getrennte optische Bauelemente ve .wenden, zu Sichtgeräten in Kopfhöhe, die sehr beträchtliche Nachteile für Kampfflugzeuge haben. Zum Beispiel ist ein Beobachtungsfeld von wenigstens 20° in Sichtgeräten in Kopfhöhe für Kampfflugzeug-Waffensysteme wünschens vert, jedoch haben die Cockpit-Raumbeschränkungen, wie z. B. die Instrumententafel und die Forderung, daß das Sichtgerät außerhalb der Piloten-Schleuderkabine liegt zu brechenden Geräten geführt, bei denen der Pilot seinen Kopf bis 10 cm in jeder Richtung bewegen muß, um das volle Beobachtungsfeld von 20° zu überblicken. Dies ist ein wesentlicher Nachteil in Kampfflugzeugen, die großen »gw-Kräften (g = Erdbeschleunigung) unterliegen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Bild-Misch-Block zu schaffen, der so aufgebaut ist daß er alle hauptsächlichen optischen Teile eines Aufachsen-Sichtgeräts in Kopfhöhe umfaßt, damit ein derartiges Sichtgerät bei kleinen Abmessungen ein weites Beobachtungsfeld erzielt, wobei insbesondere die optische Verzeichnung des erzeugten Bilds möglichst geiing sein soll, ferner die Empfindlichkeit gegen Störungen durch Wärmeeinflüsse verringert und eine gute Abschirmung gegen Fremdbilder, z. B. von der Sonne oder Beleuchtungslampen, erzielt werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Der Bild-Misch-Block ist aus einem hochtransparenten Material hergestellt, wie z. B. Glas oder Kunststoff, wie z. B. klares Akryl. Der obere Teil des Blockes ist in einen Teil eines sphärischen Spiegels gestaltet, wobei die Rückfläche des Spiegels mit einem Material beschichtet ist, um einen hohen Reflexionsgrad zu erzeugen. Der Block selbst besteht aus zwei Hauptteilen aus transparentem Material, die auf einer Diagonalen verbunden sind, die von der oberen Kante des vorderen Fensters des Blockes, d. h. der Seite, von der Lichtstrahlen von einem Hintergrund-Beobachtungsfeld in den Block eintreten, nach unten zum hinteren Teil des Blockes verläuft. Die Diagonale arbeitet als optische Misch-Fläche, wobei das Hintergrund-Beobachtungsfeld mit einem erzeugten Bild gemischt wird, um ein gemischtes Bild zu erzeugen. Dies erfolgt durch Auftragen einer teilweise reflektierenden, teilweise durchlässigen Beschichtung, wie z. B. einer dielektrischen Strahlteiler-Beschichtung, auf eine der Diagonal-Flachen vor dem Vereinigen der Diagonal-Flachen mit einem oDtisch transDarertcn Bindematerial, so ilafi Mn

Leerstellen von der Zwischenfläche ausgeschlossen sind.

Die Misch-Fläche erlaubt die Aufwärts-Übertragung eines erzeugten Bildes zum Kollimationsspiegel. Der Spiegel reflektiert dieses Bild zurück zur Misch-Fläche, die ihrerseits das erzeugte Bild durch das hintere Fenster des Blockes zum Auge des Beobachters reflektiert. Die Misch-Fläche erlaubt auch die Übertragung des Hintergrund-Beobachtungsfeldes vom vorderen Fenster des Blockes zum hinteren Fenster, wodurch so das Hintergrund-Beobachtungsfeld mit dem erzeugten Bild gemischt wird, um ein Misch-Bild (gemischtes Bild) für einen Beobachter zu erzeugen.

Der Block ist nach unten zur Brennebene des Kollimationsspiegels ausgedehnt. Da der Block transparent ist, stört er nicht merklich den unteren Teil des Beobachtungsfeldes des Beobachters. Daher kann durch Ausdehnen des Blockes nach unten zur Kollimationsspiegel-Brennebene und Sichern des Bilderzeugers am Block in diesem Punkt eine geringste optische Verzeichnung erzielt werden.

Alternativ kann der untere Teil des Blockes ein Prisma enthalten, das die relative Stellung der Brennebene ändert, wodurch der Bilderzeuger in eine andere Lage als direkt unter dem Block selbst gebracht werden kann.

Der insbesondere für Aufachsen-Optik-Sichtgeräte in Kopfhöhe für festee Installationen, Fahrzeuge oder Flugzeuge verwendete Bild-Misch-Block ist also vorzugsweise ein einziger Block aus transparentem Akryl, dessen Oberweite gekrümmt und beschichtet ist, um einen Kollimationsspiegel zu bilden. Der Block selbst besteht aus zwei Hauptteilen, die durch einen transparenten Klebstoff verklebt sind, wobei die entstehende Zwischenfläche eine Misch-Fläche bildet. Ein erzeugtes Bild wird von der Brennebene des Kollimationsspiegels nach oben durch die Misch-Fläche übertragen; dann wird es nach unten durch den Kollimationsspiegel zurück zur Misch-Fläche reflektiert, die ihrerseits zum Mischen des erzeugten Bildes mit einem Hintergrund-Beobachtungsfeld dient. Das gemischte Bid wird durch einen Beobachter über ein hinteres Fenster des Blockes beobachtet. Optische Aberrationen werden verringert, indem der Block zur Brennebene des Kollimationsspiegels ausgedehnt wird, wo ein Bilderzeuger angeordnet ist.

Demgegenüber ist lediglich noch für sich ein Bild-Misch-Block für einen kompakten Entfernungsmesser in fotografischen Kameras bekanntgeworden (vgl. US-PS 36 80 946), wobei einem Becbachtungsfeld ein Bild eines Fadenkreuzes od. dgl. überlagert wird. Dieser Bild-Mkch-Block besteht aus drei zusammengefaßten Einzelteilen, wobei insbesondere eine plane Grenzfläche zwischen zwei Teilen Licht teilweise reflektiert und teilweise durchläßt und eine andere Grenzfläche — zwischen den drei Teilen — des Blocks als konkaver Spiegel ausgebildet ist Auf diese Weise gelangt das Fadenkreuz od. dgl. durchsetzendes Licht seitlich von einer Licht-Eintrittsfläche des Blocks zur schräg angeordneten teilreflektierenden planen Zwischenfläche, wird von dieser teilweise zur konkaven Spiegelfläche reflektiert und fällt dann, soweit es erneut die teilverspiegelte Zwischenfläche durchsetzt, in das Auge des Betrachters.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine linke Seitensicht eines Bild-Misch-Blocks, F i g. 2 eine Draufsicht des Bild-Misch-Blocks,

F i g. 3 den Blick des rechten Auges des Beobachten zu der durch den Bild-Misch-Block erzeugten Anzeige,

Fig. 4 eine linke Seitensicht eines Bild-Misch-Block: mit einem Prisma zum Ändern der Lage de) j Bilderzeugers,

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel des Bild-Misch-Block; in einem Flugzeug-Cockpit,

Fig.6 einen Bild-Misch-Block mit aufgespannte: Optik und

in Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Bild Misch-Blocks mit dem Bilderzeuger rechtwinklig zui Beobachtungsrichtung.

Fig. I der Zeichnung zeigt ein AusfUhrungsbeispie des Bild-Misch-Blocks. Die Oberseite 10 des Blocks is

ι> eine gekrümmte Fläche, die einen Teil einer Kugel bilde und mit einer dünnen Lage aufgedampften Aluminium! beschichtet ist. um eine Spiegelfläche mit einerr Reflexionsgrad von ungefähr 90% zu bilden. Diese sphärische Fläche bildet den Kollimationsspiegel. Dei

.τ» Block selbst besteh! aus einem oberen Teil 12 und einerr unteren Teil 14, die durch eine Misch-Fläche If verbunden sind. Die Misch-Fläche 16 besteht aus einei Strahlteiler-Beschichtung mit Teilmetallisierung odei vorzugsweise einem Dielektrikum auf einer dei

_>> Verbindungsflächen. Der obere und der untere Teil de; Blockes sind dann mit einem im wesentlichen transparenten Bindematerial verbunden, das mechanisch die beiden Teile des Blockes aneinander befestigt und optisch Leerstellen an der Zwischenfläche füllt, um

in unerwünschte Reflexionen zu verhindern. Um unerwünschte Reflexionen weiterhin möglichst klein zu machen, ist es vorteilhaft, daß aas Bindematerial einen Brechungsindex ähnlich dem Brechungsindex des Blockes oder eine Dicke von einigen Wellenlängen des

r> Lichtes oder beides aufweist, um Interferenzmuster zu verhindern. Die Strahlteiler-Beschichtung ist so bemessen oder zugeschnitten, daß der gewünschte Reflexionsgrad erzielt wird, wenn sie den Block einerseits und das Bindematerial andererseits berührt und unter einem geeigneten Einfallswinkel beobachtet wird. Ein derartiger Strahlteiler wird als Binde-Strahlteiler bezeichnet und ist an sich bekannt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein dielektrischer Strahlteiler auf den oberen Teil J2 des Blockes aufgetragen, und der

■π obere und der untere Teil sind dann mit einem klaren Epoxydharz verbunden. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die optische Funktion des Bindematerials durch zahlreiche Flüssigkeiten, Halb-Festkörper, Fette usw, erfüllt werden kann; die mechanische Befestigung der Blockteile kann auch durch andere Einrichtungen erfolgen, wie z. B. durch eine äußere Verspannung, um die beiden Teile des Blockes aneinander zu befestigen.

Der Misch-Block hat uach ein vorderes Fenster 18, das auf ein Hintergrund-Beobachtungsfeld gerichtet ist wie z. B. auf eine Start- und Landebahn, auf der ein Flugzeug mit dem Sichtgerät in Kopfhöhe zu landen beabsichtigt, und ein hinteres Fenster 20, durch das ein gemischtes Bild des Hintergrund-Beobachtungsfeldes und ein erzeugtes Bild durch den Beobachter betrachtet wird, dessen Auge 21 dargestellt ist

Der untere Teil des Blockes enthält das Brennebenen-Fenster 22, das der Brennebene 24 des Kollimationsspiegels 10 zugerichtet ist Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die optische Achse 26 des Kollimationsspiegels 10 etwas zum rechten Winkel 29 mit der Vorwärts-Beobachtungsachse 28 geneigt Die genaue Winkelversetzung wird so gewählt daß die

Behinderung oder Abschirmung zur Vorwärts-Beobachtung durch den Kollimationsspiegel 10 möglichst klein gemacht wird. Eine sehr kleine Abschirmung oder Behinderung der Vorwärts-Beobachter infolge des Kollimationsspiegcls 10 ist durch einen Winkel 30 dargestellt. Da der Spiegel 10 selbst das Ergebnis einer sehr dünnen Beschichtung ist, sei darauf hingewiesen, dal} die Behinderung oder Abschirmung des oberen Teiles des Beobachtungsfeldes des Beobachters sehr klein ist.

In Normalbetrieb grenzt ein (nicht dargestellter) Biiderzeuger (vgl. den Projektor in tier US-PS 38 16 005) an das Brennebenen-Fenster 22 an und erzeugt ein Bild, das zahlreiche gewünschte Eingangssignale darstellen kann, wie z.B. Waffen-Visiersignale oder ein Symbol, das einen Landepunkt auf einer Start- und Landebahn angibt. Zusätzlich können zahlreiche andere Bilderzeuger verwendet werden, wie z. B. ein·· rechnergesteuerte Elektronenstrahlröhre, um eine Anzeige zu erzeugen, oder sogar ein einfaches, von hinten beleuchtetes Fadenkreuz kann einen Wert als Bilderzeuger angeben. Um die Auswirkungen der sphärischen Aberration auf das er/engte Bild infolge des flachen Brennebenen-Fensters 22 möglichst klein zu machen, ist es vorteilhaft, den unteren Block 14 so nahe als möglich an den Bilderzeuger in der Brennebene 24 heranzubringen. Dies beruht darauf, daß die durch das flache Brennebenen-Fenster erzeugte Aberration um so größer ist, je größer der Abstand zwischen dem Bild^rzeuger und dem Brennebenen-Fenster ist. Vorzugsweise liegt daher das Brennebenen-Fenster am Bilderzeuger in der Brennebene 24 an. An Stelle den Bilderzeuger am Brennebenen-Fenster 22 anliegen zu lassen, kann jedoch auch ein flaches Brennebenen-Fenster verwendet werden, das von der Brennebene beabstandet ist, und die sich ergebende Aberration kann angenommen werden, oder es kann ein konkaves Brennebenen-Fenster vorgesehen werden, um diese Aberration zu verringern.

Wie durch Pfeile in F i g. I dargestellt ist, verläuft ein durch den Bilderzeuger erzeugter typischer Lichtstrahl 32 durch das Brennebenen-Fenster 22 und durch die Misch-Fläche 16. um nach unten durch den Kollimationsspiegel 10 zu einem Punkt 34 auf der Misch-Fläche 16 reflektiert zu werden. Im Punkt 34 wird der Bildstrahl mit einem das Hintergrund-Beobachtungsfeld darstellenden Lichtstrahl 36 zu einem Misch-Bildstrahl 38 gemischt. Es ist dieser Misch-Bildstrahl 38, der vom Beobachter wahrgenommen wird, dessen Augen auf unendliche Entfernung fokussiert sind, um das Hintergrund-Beobachtungsfeld mit dem erzeugten Bild als integralem Bestandteil zu ergeben.

Ein anderer wesentlicher Vorteil dieses Geräts beruht darauf, daß der Kollimationsspiegel 10 äußere Lichtstrahlen von Lichtquellen in Kopfhöhe, wie z. B. der Sonne oder Instrumenten-Leuchten, am Eintreten in das Gerät wie bei brechenden Geräten hindert Ohne diesen Schutz kann Licht von der Sonne, das auch eine sehr leistungsstarke Wärmequelle sein kann, in das Gerät eintreten und den Bilderzeuger beschädigen oder zerstören, wobei unerwünschte Bilder in der Brennebene erzeugt werden. Tatsächlich erfordern zahlreiche herkömmliche Geräte einen speziellen Aufbau mit Wärmekompensation, um eine Beschädigung oder Zerstörung der Bilderzeuger durch das Sonnenlicht zu verhindern.

F i g. 2 zeigt das sehr kleine Seiten-Beobachtungsfeld des Beobachters, das durch den Misch-Block abgeschirmt ist, da die Seiten 42 und 44 des Blockes im wesentlichen parallel zum Beobachtungsfeld des Beobachters ausgerichtet sind. Wenn das rechte Auge 40 als Beispiel genommen wird, schirmt die rechte Seite 42 des > Blockes das Beobachtungsfeld des rechten Auges um weniger als 1° und die linke Seite des Blockes lediglich um ca, 1,5" das Beobachtugnsfeld des rechten Auges ab. Die Seiten-Sicht des linken Auges ist entsprechend um weniger als 1° abgeschrimt, während die Abschirmung

I" durch die rechte Seite 42 des Blockes ca. 1.5° beträgt. Daraus folgt, daß die gemischte Beobachtung beider Augen eine Abschirmung der Seiten-Sicht von weniger als Γ aufweist.

Vorteilhafte Eigenschaften werden mit einem Gerät

r> mit folgenden optischen Parametern erzielt: Das vordere Fenster 18 hat eine Breite von 20,8 cm; das hintere Fenster 20 hat eine Breite von 17,3 cm; der Abstand zwischen dem vorderen und dem hinteren Fenster beträft 11,2 cm; das Vertikal-Beobachtungsfeld

-'» 46 (vgl. Fig. I) hat 16°; der Krümmungsradius des Kollimationsspiegels 10 beträgt 45,7 cm. Bei diesem bestimmten Ausführungsbeispiel wird ein Krümmungsradius von 45,7 cm gewählt, um die Größe der Brennebene 24 zu verringern. Insbesondere wird der

-'Ί kugelförmige oder sphärische Kollimationsspiegel bei normalem Einfall auf seine Oberfläche beobachtet. Wenn der Brechungsindex am hinteren Fenster und am Block N= 1,49 beträgt, befindet sich der Beobachter ca. 22,9 cm vom hinteren Fenster entfernt. Jedoch tritt

in keine ernste Verschlechterung der Kollimation des Bildes auf, wenn der Beobachter sich zurück nach 30,5 cm bewegt, was für bestimmte Betriebsumgebungen geeigneter ist, wie z. B. das Cockpit eines Flugzeuges. Daher sind die obigen Abmessungen des

π Bild-Misch-Blockes für einen Beobachter angegeben, der 30,5 cm vom hinteren Fenster entfernt ist und zusätzlich einen seitlichen Abstand von 6,3 cm zwischen den Augen hat. Diese Abmessungen sind für ein Optik-Sichtgerät vorteilhaft, das insbesondere in Flug-

4Ii zeug-Lande-Anflugsystemen verwendet wird, bei denen ein relativ weites Seiten-Beobachtungsfeld dem Wind entgegengedrehte Anflüge erleichtert. Bei Waffen-Abschuß-Visiergeräten erfolgt andererseits die Beobachtung von weiter hinten im Cockpit und erfordert ein

4) geringeres Seiten-Beobachtungsfeld. In diesem Fall kann das hintere Fenster 20 höher und nicht so breit oder weit sein.

F i g. 3 zeigt das Beobachtungsfeld vom rechten Auge 40 des Beobachters beim Aufachsen-Optik-Sichtgerät.

ίο Wie oben erläutert wurde, schirmt der Kollimationsspiegel 10 wegen seiner Anordnung sehr wenig den oberen Teil des Beobachtungsfeldes des Beobachters al). Entsprechend schirmt die rechte Seite 42 des Blockes nahezu überhaupt nicht das Beobachtungsfeld vom rechten Auge 40 des Beobachters ab; auf gleiche Weise schirmt die linke Seite 44 des Blockes sehr wenig das Beobachtungsfeld des Beobachters ab. Zusätzlich braucht bei diesem Ausführungsbeispiel das Außen-Beobachtungsfeld des Beobachters unter dem Hauptteil 12 des Blockes nicht abgeschirmt zu werden, da (vgl. Fig. 1) die Fensterfläche 50 parallel zur Fläche des vorderen Fensters 18 für ungestörte Vorwärts-Beobachtung angeordnet sein kann. Es ist auch vorteilhaft, die Seiten 42 und 44 des Blockes mit einem

es nichtreflektierenden Materia! zu versehen, um Reflexionen vom Block weg zu verringern.

Es ist auch vorteilhaft, daß eine Einrichtung vorgesehen wird, um das Brennebenen-Fenster 22 und

die Brennebene 24 in eine von Fig. I abweichende Stellung auszurichten. In diesem Fall ist eine Einrichtung erforderlich, die die Richtung des erzeugten Bildes bei möglichst geringer Störung ändert. Eine Abwandlung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung isi ί hierzu in Fig.4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Teil 14 des Blockes ein Prisma 52, an Stelle; wie in F i g. I den gesamten Strahlengang nach unten zur Brennebene 24 zu richten. Das Prisma 52 verlegt die: Brennebene 24' des Spiegels 10 und das Brennebenen- ι<· Fenster 22' vor den Block, so daü der Bilderzeuger in einer geeigneleren Stellung vorgesehen werden kann, wie /. B. hinter der Instrumenten-Anzeigetafel eines Flugzeuges. Der Bilderzeuger kann auch an zahlreichen Stellen vorgesehen werden, indem lediglich ein geeigne- ι > (es Prisma oder geeignete Prismen gewählt werden. Wenn der Einfallswinkel 54 der zum Spiegel 10 zu reflektierenden Lichtstrahlen angemessen gewählt ist, reicht die innere Reflexion aus; im anderen Fall kann die: reflektierende Fläche 56 versiiberi oder beschiehiei. ϋ> werden, um eine angemessene Reflexion zu erzeugen. Es ist aucli vorteilhaft, das Prisma 52 mit einer Ausdehnung des Blockes 14 zu vereinigen (vgl. die: Strichlinien in F i g. 4), indem die Spiegelfläche 56 durch eine Misch-Fläche ersetzt wird, wie z. B. einen -'"> zusammengefügten Strahlteiler ähnlich der Misch-Fläche 16, damit eine Doppelquelle der erzeugten Bilder vorhanden ist. Zum Beispiel können dadurch zwei Bilderzeuger alternativ oder gleichzeitig verwende! werden, wie z. B. eine Elektronenstrahlröhre, zum w Erzeugen einer Ziel-Information und ein von hinten beleuchtetes Fadenkreuz zum Erzeugen einer Reserve-Ziel-Information.

In F i g. 5 ist ein Bild-Misch-BIock 58 ähnlich zu F i g. 4 für Flugzeug-Cockpit-Umgebung dargestellt. Der Bild- ι> Misch-Block 58 in Fig. 5 hat einen Kollimationsspiegel 10, eine Misch-Fläche 16, ein vorderes Fenster 18, ein hinteres Fenster 20, ein Bildfenster 22' in der Brennebene des Kollimationsspiegels 10 und eine reflektierende Fläche 56. Lichtstrahlen vom Hintergrund-Beobachtungsfeld treten in das vordere Fenster 18 des Bild-Misch-Blockes 18 durch die Flugzeug-Schutzscheibe 60 ein. Ει,ι Bilderzeuger 62 mit z. B. einer Elektronenstrahlröhre 63 ist am Bildfenster 22 des Bild-Misch-Blockes 58 befestigt. Im Cockpit ist eine -n Instrumenten-Anzeigetafel für die verschiedenen Flug· instrumente, wie ζ. B. einen Höhen-Leit-Anzeiger, und andere Anzeige-Instrumente vorgesehen, die durch das Bezugszeichen 68 angedeutet sind. Eine Geschützkamera 70 bildet ebenfalls gewöhnlich einen Teil der w Cockpit-Umgebung. Der Bild-Misch-BIock 58 ist auf einem getrennten Träger vorgesehen, der nicht dargestellt ist. Die Lage des Piloten im Cockpit ist durch das Bezugszeichen 72 angedeutet Eine Strichlinie 74 zeigt die Grenze der Schleuderkabine, die in Kampfflugzeugen für die Konstruktion von großer Bedeutung ist Aus der F i g. 5 folgt daß der Bild-Misch-BIock 58, der eine reflektierende Fläche 56 zum Ausrichten der Brennebene des Kollimationsspiegels 10 in Vorwärts-Richtung näherungsweise rechtwinklig zur Achse des eo Koilimationsspiegels 10 hat im wesentlichen die gleichen Vorteile bei Sichtgeräten in Kampfflugzeugen ermöglicht Zum Beispiel stört der Bild-Misch-BIock 58 in F i g. 5 sehr wenig die Flugzeug-Instrumente 68; er läßt Platz für eine bequeme Anordnung der Geschützkamera 70; er erfordert einen kleinen Träger im Beobachtungsfeld des Piloten, während gleichzeitig ein praktisches Sichtgerät in Kopfhöhe mit ausreichendem Beobachtungsfeld ermöglicht wird.

In den meis'sn modernen Kampfflugzeugen erfordern die Waffen-Abschuß-Visiersysteme ein Beobachtungsfeld oder eine Apertur /"von etwa 20° und müssen zusätzlich vor der Schleuderkabine 74 angeordnet sein. Herkömmliche Sichtgeräte in Kopfhöhe für Waffen-Visiersysteme benötigen ein beträchtliches Volumen der optischen Kollimationslinsen in brechenden Geräten oder optische Bauelemente, wie z. B. Spiegel und Misch-Platten zusammen mit Trägern in reflektierenden Geräten, die zwingend außerhalb dem Vorwärts-Beobachtungsfeld des Piloten 72 vorgesehen sein müssen. Auch führen die Forderungen an den Aufbau und die Optik der optischen Bauelemente bei den herkömmlichen Sichtgeräten in Kopfhöhe gewöhnlich zu einer Entfernung eines Teiles der Instrumenten-Anzeigetafel. wodurch beträchtlich die Anordnung der Flugzeug-!.;-strumente 68 gestört wird. Wegen dieser Einschränkungen haben die herkömmlichen Sichtgeräte in Kopfhöhe eine kleinere Sichi-Aperiur als ua;> uuiuii «Jen Biiiiiri «uger erzeugte Beobachtungsfeld, so daß eine starke Kopfbewegung des Piloten erforderlich ist. um das gesamte benötigte Beobachtungsfeld zu überdecken. Wenn der Pilot seinen Kopf um mehr als ?,5 oder 5 cm bewegen muß, ist dies in Kampfflugzeugen wegen der hohen »£<r-Kräfte ein beträchtlicher Nachteil, da der Pilot oft sehr schwierig oder gar nicht seinen Kopf ausreichend bewegen kann, um das gesamte Beobachtungsfeld in engen Kurven zu überblicken.

Die optischen Eigenschaften des Bild-Misch-Blockes 58 der Fig. 5 sind in Fig. 6 in auf eine Gerade geklappter Form dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 6 die Bild-Misch-Fläche 16 der F i g. 5 weggelassen. Der linke Abschnitt des Blockes 75 liegt am Bilderzeuger 63 an und hat eine Länge gleich der Brennweite Fdes Spiegels 10. Die Brennweite Fdes Spiegels 10 ist gleich dem halben Krümmungsradius R des Kollimationsspiegels 10. Der Durchmesser d der Brennebene des Kollimationsspiegels 10 beim Bildfenster 22 ist gleich dem halben Spiegel-Durchmesser D des Kollimationsspiegels 10. Der rechte Teil 76 des Misch-Blockes der F i g. 6 stellt den Teil des Misch-Blokkes dar. der die Lichtstrahlen vom Kollimationsspiegel 10 zum hinteren Fenster 20 überträgt In F i g. 6 stellt der Punkt Cdie Krümmungsmitte des Kollimationsspiegels 10 dar, und der Punkt C gibt die virtuelle oder optische Mitte der Krümmung des Kollimationsspiegels 10 an. Die scheinbare Mitte der Krümmung C ist näher beim hinteren Fenster 20 wegen eier Brechung der ebenen Fläche des hinteren Fensters 20. Die optischen Eigenschaften der Bild-Misch-Blöcke 58 der F i g. 5 und 6 können durch mehrere Gleichungen beschrieben werden. Zum Beispiel gibt der Durchmesser D des Kollimationsspiegels 10 die Größe des Bilderzeugers 62 beim Fenster 22' an, da der Durchmesser d der Brennebene des Spiegels gegeben ist durch:

'-■?■■

Wegen der brechenden Eigenschaft des Materials der Misch-BIöcke 58 steht der Durchmesser D des Kollimationsspiegels 58 im Zusammenhang mit dem Radius R des Kollimationsspiegels 58, dem Feldwinkel f (gemessen in rad) und dem Brechungsindex /V durch die folgende Gleichung für kleine Winkel um die optische

Achs; des Spiegels 10, was im wesentlichen der achsnahe Bereich der Optik ist:

D =

^R£

Damit ist die Brennweite F, die bei sphärischer Geometrie gleich dem halben Krümmungsradius R des Spiegels ist, gegeben durch:

F_

N_ 2/

Daher ist das Längenverhältnis der Brennweite Fdes KollimationssDiegels 10 zum Durchmesser D des Spiegels ungefähr gegeben durch NI2f. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß für ein vergleichbares Gerät mit diskreten Bauelementen der Term N in den obigen Gleichungen und Beziehungen nicht vorliegt,

Fig.6 kann durch die folgende Gleichung angegebti werden:

—- = 2 sin"¹

— tan"

^?² + Y²

- 5R/

mit V — Abstand, mit dem ein Strahl 64 die scheinbare Krümmungsmitte C" aufgrund der sphärischen Aberration verfehlt.

Da sich in der obigen Gleichung A im wesentlichen mit der dritten Potenz des Einfallswinkels I zum Spiegel 10 ändert und da der Einfluß der ebenen Fläche des hinteren Spiegels 10 die Aberration mit dem Faktor N multipliziert, kann die sphärische Aberration einer Optik durch die folgende Gleichung angegeben werdtn:

UMU HiS Ligeui'is lil ua^ i.<iii£trnvci iiduiii- üci icsiKur- _ίι

per-Optik der Fig. 5 und 6 um einen Faktor N größer als ein offenes Gerät.

Ein Vorteil der Festkörper-Optik der F i g. 5 liegt in einem Sichtgerät in Kopfhöhe mit größerem Längenverhältnis, dns damit für einen gegebenen Bilddurch- >i messer d und Feldwinkel f eine um einen Faktor N größere Brennweite haben kann, wodurch der Bilderzeuger 62 außerhalb des Beobachtungsfeldes und weiterhin hinter der Instrumenten-Anzeigetafel angeordnet werden kann, wodur h die Beeinträchtigung ic der Sicht auf die Instrumente 68 verringert wird. Zum Beispiel kann in einem Bild-Mischer aus Akrylharz mit einem Brechungsindex /V= 1,49 die Brennweite F 1.49mal so groß wie bei einem vergleichbaren System mit diskreten Bauelementen sein. Damit ermöglicht für π einen gegebenen Feldwinkel f die Festkörper-Optik oder der Bild-Mischer 58 eine größere Flexibilität bei der Auswahl eines kleineren Spiegeldurchmessers D und damit des Durchmessers d eines erzeugten Bildes zusammen mit einer größeren Brennweite F für eine -to bestimmte Cockpit-Umgebung aufgrund der brechenden Eigenschaften des Blockes 58. Das heißt, der Bilddurchmesser c/und die Brennweite Fkönnen für ein gegebenes Beobachtungsfeld f größer als bei einem ähnlichen System mit getrennten optischen Bauelemen- 4-> ten sein. Ein anderer Vorteil dieser vergrößerten Brennweite Fliegt darin, daß ein ausreichender Abstand zwischen dem Kollimationsspiegel 10 und der Brennebene 22 gewährleistet ist, um die reflektierende Fläche 56 der Fig. 5 einzuführen, so daß der Bilderzeuger v\ hinter dem Hauptteil des Bild-Misch-Blockes 58 angeordnet werden kann. Dies ist ein sehr wesentlicher Vorteil gegenüber dem offenen reflektierenden Gerät (vgl. US-PS 35 47 522), da für einen Feldwinkel /Von 20° keine ausreichende Brennweite in einem offenen Gerät vorliegt, um die reflektierende Fläche 56 zu verwenden, wodurch die Anordnung des Bilderzeugers 62 hinter dem Block wie in Fig.5 verhindert wird. Daher ermöglicht das große Längenverhältnis des geschlossenen Gerätes ein reflektierendes Gerät mit einem Feldwinkel von 20° oder mehr, wobei der Bilderzeuger 62 hinter dem Bild-Misch-Block an Stelle vor diesem vorgesehen werden kann.

Für Sichtgeräte in Kopfhöhe mit einem bestimmten Wert der sphärischen Aberration A hat die Festkörper-Optik oder der Misch-Block 58 einen bedeutenden Vorteil gegenüber einem Gerät mit getrennten optischen Bauelementen. Die Aberration A des Geräts der

A = kl·}, = k N

Konstante und

Einfallswinkel im Bild-Misch-Block 58 sowie Einfallswinkel in einem offenen Gerät getrennten Bauelementen.

Da der Einfallswinkel in direkter Beziehung zum Krümmungsradius des Spiegels steht, können die Krümmungsradien für zwei Geräte mit gleichen sphärischen Aberrationen durch die folgende Gleichung angegeben werden:

R = R₀ [N

R₀ = Krümmungsradius für einen Kollimationsspiegel in einem Gerät mit getrennten Bauelementen.

Als Ergebnis hat der Kollimationsspiegel einen größeren Radius R und damit eine Brennweite F im Misch-Block 58 um einen Faktor ³\[N für ein Gerät mit gleicher sphärischer Aberration. Für Geräte mit gleichen Radien R und Ro wird der Einguß der sphärischen Aberration auf das im Gerät erzeugte Bild in den Festkörper-Geräten der F i g. 5 und 6 verringert. Da weiterhin der Durchmesser D des Kollimationsspiegels in folgendem Verhältnis zum Krümmungsradius R des Spiegels steht:

D =

ist die Beziehung zwischen dem Durchmesser Do eines Gerätes mit getrennten optischen Bauelementen und dem Durchmesser D des Spiegels 10 im Misch-Block 58 für gleiche Aberration gegeben durch:

= D₀

Da der Durchmesser dder Brennebene 22 in direkter Beziehung zum Spiegeldurchmesser D steht, kann die Brennebene 22 des Bild-Misch-Blockes 58 der F i g. 5 um einen Faktor \fN/N gegenüber einem Gerät mit getrennten Bauelementen für gleiche Beobachtungsfelder /und Aberration A verrineert werden.

Zusätzlich zu einer wesentlichen Flexibilität bei der Konstruktion ermöglicht die Verwendung einer Festkörper-Optik, wie z. B. des Kollimationsblockes 58 der F i g. 5, ein Sichtgerät in Kopfhöhe, das eine größere Brennweite Fund einen kleineren Spiegeldurchmesser D als ein offenes Gerät für gleiche Feldwinkel / und Aberration A hat

Ein anderer sehr wesentlicher Vorteil des Misch-Blockes 58 ist in Fig.6 dargestellt. Die Lage der scheinbaren Krümmungsmitte C ist ungefähr gegeben durch:

C --= W+

(C- W)

Wie in F i g. 5 dargestellt ist, liegt die vorteilhafteste Beobachtungsstelle etwas hinter der scheinbaren Krümmungsmitte C, so daß das erzeugte Bild mit einer möglichst geringen sphärischen Aberration beobachtet wird. Die bevorzugte Beobachtungsstelle ist hinter der scheinbaren Krümmungsmitte C₁ wo der Pile». 72 das gesamte Beobachtungsfeld überblicken kann, indem er seinen Kopf lediglich um etwa 2,5 cm bewegt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel in den Fig.5 und 6 sollte die Länge Wso klein als möglich gemacht werden, solange eine ausreichende Länge vorgesehen ist, um den Spiegel 10 zu umfassen. In einem Gerät mit einem Beobachtungsfeld /von 20° liegt das hintere Fenster 20 in einem Abstand W₁ der ungefähr ein Drittel der optischen Entfernung von der scheinbaren Krümmungsmitte C zum Kollimal ioruispiegel 10 ist Damit ist die » optische Entfernung von der Stelle des Beobachters 72 zum Kollimationsspiegel 10 mehr als dreimal so groß als die optische Entfernung W vom hinteren Fenster 20 zum Kollimationsspiegel 10, da die bevorzugte Lage des Beobachters 72 hinter der optischen Krümmungsmitte

lu C(vgl. F i g. 5) ist

Ein zusätzliche Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.7 dargestellt Hier ist das Prisma 52 rechtwinklig zur Beobachtungsrichtung versetzt Dies ist vorteilhaft da der Bild-Misch-Block 58 um die Achse

ι ϊ 66 des Bilderzeugers 62 gedreht werden kann, so daß der Block 58 außerhalb des Sichtfeldes untergebracht werden kann, indem er lediglich nach unten und vom Beobachter weggedreht wird. Entweder kann das Bildfenster 22 des Prismas 52 um den Bilderzeuger 62 gedreht oder der Bilderzeuger kann am Prisma befestigt und mit dem Block 58 gedreht werden. Das in F i g. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel ist in zahlreichen Anwendungsfällen vorteilhaft, wie z. B. bei einem Sichtgerät in Kopfhöhe für den Tankerrohr-Bediener in

2> Tankflugzeugen, in denen es wünschenswert sein kann, das Sichtgerät in Kopfhöhe aus dem Beobachtungsfeld des Beobachters ^u entfernen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (21)

Patentansprüche;

1. Bild-Misch-Block, gekennzeichnet durch ΐ einen Kollimationsspiegel (10) an der Oberseite des Blocks zum Kollimieren der Lichtstrahlen eines erzeugten Bilds,

ein vorderes Fenster (18) zum Eintritt von Licht entsprechend einem Hintergrund-Beobachtungsfeld, ι ο ein Bildfenster (22) an der Unterseite des Blocks in der optischen Brennebene des Kollimationsspiegels (10) zum Eintritt des erzeugten Bilds, eine Misch-Fläche (16) zum Mischen des Hintergrund-Beobachtungsfelds mit den vom Kollima- tionsspiegei (10) reflektierten Lichtstrahlen, und ein der Misch-Fläche (16) optisch nachgeordnetes hinteres Fenster (20) zur Betrachtung des Misch-Bilds.

2. Bilrf-Ivlisch-Block nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine Reflexionsfläche (56) optisch zwischen dem Bildfenster (22) und dem Kollimationsspiegel (10).

3. Bild-Misch-Block nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennebene (24') und die Achse (26') des Kollimationsspiegels (10) nicht senkrecht aufeinander stehen (F i g. 4).

4. Bild-Misch-Block nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, jo daß die Reflcxionsfläche (56) einen Winkel von ca. 45° mit der Achse des Kollimationsspiegels bildet

5. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurcn gekennzeichnet,

daß der Kollimationsspiegel (It/ sphärisch ist. j->

6. Bild-Misch-Block nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Bildung des Kollimationsspiegels (10) tie Oberseite des Blocks als Teil einer Kugel mit vorbestimmtem Radius gestaltet ist

7. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das Längenverhältnis von Brennweite (F) zu Durchmesser (D) des Kollimationsspiegels (10) beträgt:

0,5 ■ N ■ f mit

N = Brechzahl des Materials des Bild-Misch-Blocksund ^M

f = gewünschter Feldwinkel des den Block verwendenden Sichtgeräts.

8. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bildfenster (22) senkrecht zur optischen Achse des Kollimationsspiegels (10) angeordnet ist

9. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Misch-Fläche (16) die Zwischenfläche t>o zwischen zwei getrennten Teilen des Blocks ist.

10. Bild-Misch-Block nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Teile des Blocks miteinander verklebt sind, wobei der Klebstoff auf mindestens einem der b5 beiden Block-Teile aufgetragen ist.

11. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Misch-Fläche (16) so ausgerichtet ist, daß wenigstens ein Teil der Linienstrahlen vom vorderen Fenster (18) zum hinteren Fenster (20) übertragen und gleichzeitig ein Bild vom Kollimationsspiege! (10) zum hinteren Fenster (20) reflektiert wird.

12. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die optische Achse des Kollimationsspiegels (10) nicht genau senkrecht auf der Verbindungslinie vom Auge des Betrachters (72) zur Mitte des Hintergrund-Beobachtungsfelds steht, um die Abdeckung des oberen Beobachtungsfelds des Betrachters (72) durch den Kollimationsspiegel (10) Wein zu halten.

13. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der Block mit Seiten im wesentlichen parallel zum seitlichen Beobachtungsfeld des Betrachters (72) ausgeführt ist,

um die Abdeckung des seitlichen Beobachtungsfelds des Betrachters (72) durch die Seiten klein zu halten.

14. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das Bildfenster (22) in der Brennebene an einem das erzeugte Bild abgebenden Bilderzeuger (62) anliegt.

15. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das hintere Fenster (20) so hinter dem vorderen Fenster (18) angeordnet ist, daß der virtuelle Krümmungsmittelpunkt (C) des Kollimationsspiegels (10) vor einer vorbestimmten Betrachtungsstelle liegt (F i g. 5,6).

16. Bild-Misch-Block nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß das hintere Fenster (20) vom Kollimationsspiegel (10) in einer Entfernung (w) gleich einem Drittel des Abstands des Kollimationsspiegels von seinem virtuellen Krümmungsnv.ttelp&jk; (C)liegt (Fig.5, 6).

17. Bild-Misch-Block nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß das hintere Fenster (20) vom Kollimationsspiegel (10) in einer Entfernung (w) von weniger als einem Drittel des Abstands des Kollimationsspiegels von einer vorbestimmten Betrachtungsstelle (72) liegt (F i g. 5,6).

18. Bild-Misch-Block nach einem der Ansprüche 2-17, dadurch gekennzeichnet,

daß die Reflexionsfläche (56) am unteren Teil des Blocks angeordnet ist.

19. Bild-Misch-Block nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

daß die Reflexionsfläche (56) je einen Winkel von ungefähr 45° mit einerseits der Normalen auf dem Mittelpunkt des Kollimationsspiegels (10) und andererseits der Ebene des Bildfensters (22) bildet

20. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das hintere Fenster (20) parallel zum vorderen Fenster (18) angeordnet ist.

21. Bild-Misch-Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet.

daß der optische Abstand W des hinteren Fensters (20) vom Kollimationsspiegel (20) beträgt:

„ „, , (C-W)

mit

C = Krümmungsmittelpunkt des

Kollimationsspiegels (10),
C = scheinbarer Krümmungsmittelpunkt

des Kollimationsspiegels (10) und
N = Brechzahl des Materials des Blocks,