DE3000402C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Head-up-display-System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Head-up-display-Systemen wird eine Anzeige auf ein halb­ transparentes optisches Bauteil projiziert, welches sich in der Sichtlinie eines Betrachters befindet, wodurch auf diese Weise das von der Anzeige erzeugte Bild gegen den Hintergrund der äußeren Szene sichtbar wird. Derartige Systeme finden bei­ spielsweise bei Flugzeugen Anwendung, wo die Anzeige durch eine Kathodenstrahlröhre erzeugt wird und das Bild dieser Anzeige Symbole umfaßt, welche auf das halbtransparente Bauteil pro­ jiziert werden, das im Sichtbereich des Piloten angeordnet ist, so daß bei Betrachtung der Umgebung der Pilot diese Symbole gegenüber dem Hintergrund der Umgebung sieht. Diese Symbole geben ihm beispielsweise eine Anzeige dafür, wie der Flugzu­ stand, beispielsweise die Flughöhe und der Flugverlauf ist. Das optische Bauteil, das bei derartigen Systemen Anwendung findet, besteht üblicherweise aus einer transparenten Glas­ platte, welche mit einer halbtransparenten Metallschicht be­ schichtet ist.

Wegen des nur begrenzten Raums im Flugzeugcockpit, sind die Baugrößen der im Cockpit verwendeten Geräte relativ gering, so daß es in der Vergangenheit schwierig war, die vorgenannten Head-up-display-Systeme mit großen Austrittspupillen für ein großes Blickfeld auszubilden. Die Austrittspupille derartiger Systeme wird bestimmt von der Größe des optischen Bauteils, über das das Schirmbild der Kathodenstrahlröhre in das Blick­ feld des Piloten projiziert wird. Eine große Austrittspupille ist wünschenswert, um es dem Piloten zu ermöglichen, das Bild über einen größeren Bereich von Kopfhaltungen hinweg zu sehen, was ihm eine größere Bewegungsfreiheit gibt.

Ein Head-up-display-System der eingangs genannten Art ist Gegen­ stand der US-PS 40 99 841. Das optische Bauteil dieses Systems besteht aus einem Block aus transparentem Material, in welchem übereinander mehrere schräg zum Betrachter und zum Anzeige­ projektor verlaufende Flächen angeordnet sind, die das vom Projektor erzeugte Bild teilweise in Richtung es Betrachters reflektieren und teilweise in Richtung der darüber angeordneten Fläche hindurchlassen. Der Betrachter kann somit das projizierte Bild über ein größeres Blickfeld hinweg als beim vorbeschriebenen System sehen.

Der spitze Winkel, unter dem die vorgenannten Flächen in bezug auf die Hauptachse des Blocks angeordnet sind, wird bestimmt durch den Ort des Betrachters. Es ergibt sich daher ein relativ dicker Block, der einen erheblichen Rauminhalt des Cockpits einnimmt. Weiterhin ist von Nachteil, daß bei einer aus der Sollage veränderten Kopfhaltung des Betrachters das vom Betrachter gesehene Bild an den Kanten der Flächen Diskontinuitäten in Form von Überlappungen oder freien Streifen aufweist. Letztlich ist der Block durch das Zusammenfügen aus einzelnen Teilen nur mit Aufwand herstellbar.

Es besteht die Aufgabe, dieses System so zu verbessern, daß es wenig Raum einnimmt und der Betrachter über einen großen Blickwinkel unabhängig von seiner Kopfhaltung ein kontinuier­ liches Bild sieht.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unter­ ansprüchen entnehmbar.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Head-up-display- Systems;

Fig. 2 die Symbole, die bei einem solchen System wiederge­ geben werden;

Fig. 3 eine erste Ausführungsform des beim System verwendeten optischen Bauteils und

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform dieses Bauteils.

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist ein optisches Bauteil 1 innerhalb des Cockpits des Flugzeuges vor dem Piloten in dessen Blickrichtung 2 durch die Windschutzscheibe 3 angeordnet. Eine Abzeige der Flug- und Waffenzielinformationen wird auf eine Fläche 4 des Bauteils 1 projiziert. Das Bauteil 1 richtet dann ein Bild dieser Anzeige in Richtung des Piloten, so daß dieser das Anzeigebild im Bauteil 1 gegen den Hintergrund der äußeren Szene durch die Windschutzscheibe 3 sieht. Die Anzeige wird über ein optischem System vom Anzeigefeld bzw. -schirm 5 einer Kathoden­ strahlröhre 6 projiziert, wobei dieses optische System 7 dazu dient, das Bild, welches der Pilot sieht, im wesentlichen ins Un­ endliche zu fokussieren.

Ein Beispiel einer anzuzeigenden Information ist in Fig. 2 wieder­ gegeben. Es handelt sich hierbei um die Analogdarstellung der Fluglage, bestehend aus fünf im Abstand voneinander angeordneten Balken 8 bis 12 und einem Flugvektorsymbol 13, welches aus einem Kreis mit zwei seitlich davon abstehenden Armen besteht. Das Flug­ vektorsymbol 13 bleibt stationär im Zentrum des Schirmes 5 der Kathodenstrahlröhre 6, so daß sein Bild stationär im Blickfeld des Piloten durch das Bauteil 1 bleibt. Die fünf Balken 8 bis 12 dagegen bewegen sich im Blickfeld des Piloten winkelmäßig und auch aufwärts und abwärts relativ zum Symbol 13, entsprechend dem Roll- und dem Neigungswinkel des Flugzeugs, d. h. entsprechend der Lage der Quer- und der Längsachse des Flugzeugs, bezogen auf eine horizontale Ebene. Die Balken 8 bis 12 bleiben parallel zuein­ ander und ihre Bewegungen auf dem Schirm 5 werden bestimmt in Bezug auf eine Vertikale, beispielsweise durch einen Gyroscop oder andere Fluglagesensoren im Flugzeug in der Weise, daß der mittlere Balken 8 für die Horizontale bestimmend ist und die anderen vier Balken 9 bis 12 darüber und darunter jeweils Neigungs­ winkelintervallen von 30° entsprechen. Das Bild beinhaltet weiter­ hin eine Waffenzielinformation in Form eines Kreuzsymbols 14, wel­ ches sich im Anzeigefeld des Schirmes 5 bewegt, so daß der Pilot dieses Symbol gegen die äußere Szene durch die Windschutzscheibe 3 sieht. Das Bild dieses Kreuzsymbols 14 zeigt die Ziellinie des Flugzeugwaffensystems an. Des Piloten Aufgabe besteht darin, das Flugzeug so zu manövrieren, daß das Symbol 14 in das Flugvektor­ symbol 13 wandert, wodurch die Flugrichtung des Flugzeugs mit der Feuerrichtung des Waffensystems übereinstimmt.

Die elektrischen Zeitbasis- und Videosignale, die zur Erzeugung der Anzeige der Flug- und Waffenzielinformationen auf dem Schirm 5 erforderlich sind, werden der Kathodenstrahlröhre 6 über einen Signalgenerator 15 zugeführt. Der Signalgenerator 15 erzeugt eine Rasterzeitbasis und die entsprechenden Videosignale in Über­ einstimmung mit Signalen, die ihm von Fluglage- und anderen Sen­ soren 16 und einem Zielrechner 17 zugeführt werden. In Wirklich­ keit umfaßt die erzeugte Anzeige eine Vielzahl weiterer Informa­ tionen, welche der Einfachheit halber bei Fig. 2 weggelassen wurden. Diese Informationen können in digitaler oder analoger Form sein. In jedem Fall wird die Information angezeigt durch Helligkeitsmodulation der Kathodenstrahlröhre 6 in Überein­ stimmung mit den Zeilen- und Zeitbasissignalen, welche vom Signal­ generator 15 dem Ablenksystem der Röhre zugeführt werden. Die Videosignale für die verschiedenen Teile der Symbole 8 bis 14 werden im Signalgenerator 15 getrennt abgeleitet und sodann mit­ einander vermischt und der Gitterelektrode der Kathodenstrahl­ röhre 6 zugeführt. Jedes dieser Signale wird abgeleitet in Über­ einstimmung aufeinanderfolgender Augenblicke im Zeitbasisraster, bei welchen ein Aufleuchten erfolgen soll, um eine Darstellung der relevanten Symbole an entsprechenden Stellen des Schirms 5 zu erreichen. Weitere Einzelheiten derartiger Symbole und ihre Erzeugung sind beispielsweise beschrieben in der GB-PS 15 26 396 und der US-PS 41 27 850.

Die Weise, in welcher das optische Bauteil 1 ein Bild des Anzeige­ schirms 5 in der Blickrichtung 2 des Piloten erzeugt, wird nach­ folgend anhand der Fig. 3 beschrieben. Das Bauteil 1 besteht aus einem dicken langgestreckten Glasblock 20, der vertikal angeordnet und rechtwinkelig zur Blickrichtung 2 des Piloten ausgerichtet ist. Der Block 20 weist einen im wesentlichen rechteckigen Quer­ schnitt auf, jedoch ist die untere Stirnfläche 4 um einen Winkel R von etwa 60° zur Frontfläche 21 geneigt, d. h. zu der­ jenigen Fläche, welche dem Piloten zugewandt ist. Das Bauteil 1 weist weiterhin eine Glasplatte 22 auf, welche mit der rückseiti­ gen Fläche 23 des Blocks 20 verleimt ist. Auf der Platte 22 ist ein holographisches Bauteil 24 angeordnet und zwar an der­ jenigen Fläche, welche an die Rückfläche 23 des Blocks 20 an­ stößt.

Die Kathodenstrahlröhre 6 ist unterhalb des optischen Bauteiles 1 angeordnet in der Weise, daß der Bildschirm 5 parallel zur Fläche 4 des Teiles 1 verläuft. Das optische System 7, welches aus einer Konvergenzlinse oder einem Konvergenzlinsensystem besteht, ist so angeordnet, daß seine Fokusebene übereinstimmt mit dem Schirm 5, so daß ein Bild der Anzeige des Schirms ins Unendliche fokussiert wird, indem das Licht 25 als paralleler Strahl recht­ winkelig auf die Fläche 4 des Bauteiles 1 fällt. Dieser Licht­ strahl 25 geht durch die untere Fläche 4 hindurch und dringt in den Block 20 ein, wobei der Lichtstrahl gerichtet ist gegen die Frontfläche 21, wo eine totale innere Reflektion stattfindet. Der Lichtstrahl 26 wird von der Frontfläche 21 rückwärts durch die rückseitige Fläche 23 des Glasblocks 20 hindurch auf die rück­ wärtige Fläche 27 der Platte 22 reflektiert, wo ebenfalls eine totale innere Reflektion stattfindet. Die Fig. 3 zeigt, daß der Lichtstrahl der Anzeige dreimal von der Frontfläche 21 des Bau­ teiles 1 und dreimal von der rückseitigen Fläche 27 reflektiert wird. Durch die Wahl des Winkels, mit welchem der Strahl 25 auf das Bauteil 1 gerichtet wird und durch die Abmessungen dieses Bauteiles 1 ist es möglich, die Anzahl der Reflektionen zu er­ höhen oder zu vermindern. Hierbei muß sichergestellt sein, daß der Winkel R größer ist als der kritische Winkel für eine totale innere Reflektion.

Das holographische Element 24 an der Vorderseite der Glasplatte 22 bewirkt, daß einiges auftreffende Licht reflektiert wird und zwar unter einem rechten Winkel zur rückseitigen Fläche 23 des Blocks 20 und dieses reflektierte Licht über die Frontfläche 21 in Richtung des Piloten austritt. Das holographische Bauteil 24 selek­ tiert Licht einer bestimmten Wellenlänge, wie es vom Phosphor der Kathodenstrahlröhre 5 ausgesandt wird, und es selektiert weiterhin Licht, welches in das Bauteil unter einem Winkel R zur Normalen einfällt. Das von der Frontfläche 21 des Glasblocks reflektierte Licht, welches auf die rückseitige Fläche 23 einfällt, wird also z. T. durch die holographische Schicht 24 längs der Senkrechten auf die rückseitige Fläche nach vorne reflektiert. Der Anteil des Lichts, der von der rückseitigen Fläche 27 der Platte 22 unter einem Winkel R zur Senkrechten reflektiert wird, wird demnach an Intensität reduziert infolge des Lichtverlustes durch Reflektion durch die holographische Schicht 24. Die holo­ graphische Schicht 24 ist vorzugsweise so angeordnet, daß sie einen größeren Anteil von Licht bei denjenigen Strahlen reflektiert, welche die größere Anzahl von Reflektionen zwischen den Flächen 21 und 27 durchgemacht haben, so daß das vom Bauteil 1 abge­ strahlte Licht im wesentlichen über die gesamte Länge bzw. Höhe des Bauteils die gleiche Intensität aufweist.

Die Fig. 3 zeigt drei austretende Lichtstrahlen 30, 31 und 32, wie sie vom holographischen Bauteil 24 in Richtung des Piloten reflektiert werden. Diese Strahlen 30 bis 32 sind längs des Bauteiles 1 voneinander getrennt. Der Pilot sieht daher ein Bild des Anzeigeschirms 5, welches ins Unendliche fokussiert ist, wenn er längs eines dieser Strahlen 30 bis 32 blickt. Das Blickfeld des Geräts längs einer vertikalen Achse wird daher bestimmt durch die Höhe des optischen Bauteiles 1 und nicht lediglich durch die Größe des Schirmes 5 der Kathodenstrahlröhre. Im dargestellten Beispiel sind die austretenden Strahlen 30 bis 32 voneinander getrennt. Bei der praktischen Anwendung wird jedoch die Anord­ nung so getroffen, daß benachbarte austretende Strahlen anein­ ander anstoßen oder sich überlappen, so daß ein kontinuierliches Blickfeld über die gesamte Länge des Bauteils 1 entsteht.

Der Aufbau von reflektierenden holographischen Bauteilen, bei denen der Einfallswinkel und der reflektierte Strahl nicht gleich sind, sind beispielsweise beschrieben in den GB-PS 13 87 717 und 14 23 947, sowie in den US-PS 35 75 485, 35 86 412 und 38 07 829. Hologramme und holographische Bauteile werden im allgemeinen ge­ bildet, indem man ein holographisches oder fotoempfindliches Medium zwei Strahlen kohärenter Strahlung aussetzt, wie beispiels­ weise Laserstrahlen. Hierdurch bildet sich ein Interferenzmuster, welches abhängig ist von der Phasendifferenz zwischen den beiden Strahlen längs der Oberfläche des holographischen Mediums. Dieses Muster wird fixiert durch Entwickeln des Mediums, welches die Form einer Emulsion auf einer Platte haben kann. Wird das fixierte Muster durch geeignete Strahlung beleuchtet, dann kann die ur­ sprüngliche Beleuchtungsbedingung rekonstruiert werden. Wird beispielsweise ein holographisches Element hergestellt durch Auf­ zeichnen des Interferenzmusters zwischen einem Objektstrahl, wel­ cher unter einem rechten Winkel auf das Bauteil einfällt und einem Referenzstrahl, der unter einem Winkel R auf das Bauteil einfällt, dann wird, nach der Entwicklung, wenn das Bauteil mit einem Strahl belichtet wird, der unter einem Winkel R einfällt ein Strahl er­ zeugt, der rechtwinkelig von dem Bauteil abstrahlt. Das Bauteil arbeitet deshalb in analoger Weise wie ein Reflektor. In ent­ sprechender Weise ist es möglich, ein holographisches Bauteil zu erzeugen, welches für Lichtstrahlen durchlässig ist. Wird ein solches Bauteil von einem Lichtstrahl unter einem bestimmten Ein­ fallswinkel an einer Seite angestrahlt, dann entsteht ein Strahl an der entgegengesetzten Fläche des Bauteiles unter einem bestimm­ ten Winkel.

Die Fig. 4 zeigt ein zur Fig. 3 alternatives Ausführungsbeispiel, bei welchem das zuletzt erwähnte lichtdurchlässige holographische Bauteil 40 verwendet wird. Das lichtdurchlässige holographische Bauteil 40 ist an der Rückseite der Glasplatte 41 angeordnet, welche mit der Vorderfläche 42 des Glasblocks 43 verbunden ist. Das Licht vom Anzeigeschirm 5 fällt auf die Vorderfläche 44 der Platte 41 ein, über die geneigte untere Fläche 45 unter einem Winkel R zur Senkrechten. Ein Teil des Lichts wird von der Frontfläche 44 total reflektiert, während ein weiterer Teil des Lichts infolge der Wirkung des holographischen Bauteils 40 unter einem rechten Winkel zur Frontfläche austritt. Drei parallele Strahlen 50 bis 52 sind dargestellt.

Es ist möglich, ein optisches Bauteil 1 vorzusehen, welches aus einem Glasblock besteht, bei welchem ein lichtdurchlässiges holographisches Bauteil an der Frontfläche und ein reflektierendes holographisches Bauteil an der Rückfläche angeordnet ist. Das von der reflektierenden Schicht reflektierte Licht kann dort aus dem optischen Bauteil austreten an Stellen zwischen denjenigen, wo das Licht vom lichtdurchlässigen Bauteil abgestrahlt wird, wo­ durch ein gleichmäßigeres Blickfeld über die Gesamtfläche des optischen Bauteiles 1 erzeugt wird.

Wie schon vorstehend erwähnt, ist das in den Fig. 3 und 4 ver­ wendete holographische Bauteil bevorzugt selektiv für Licht einer bestimmten Wellenlänge, wie es vom Phosphor der Kathodenstrahl­ röhre 5 emittiert wird. Hierdurch wird erreicht, daß Umgebungs­ licht unterschiedlicher Wellenlänge, beispielsweise Sonnenlicht, das auf die Oberfläche des Schirmes 5 reflektiert wird, nicht durch die holographischen Bauteile 24 oder 40 in Richtung des Piloten abgestrahlt wird. Es ist weiterhin möglich, unerwünschten Lichteinfall zu reduzieren, indem für die Verglasung des Cock­ pits gefärbtes Glas verwendet wird, welches Licht derjenigen Wellenlänge ausfiltert, auf welche das holographische Bauteil anspricht. Alternativ dazu können über dem Anzeigeschirm holo­ graphische Filter angeordnet werden.

Die holographischen Schichten 24 und 40 sind bevorzugt an der Oberfläche der Platte 22 bzw. 41 angeordnet.

Die Platten 22 bzw. 41 werden an einer Fläche des Blocks 20 bzw. 43 in der vorbeschriebenen Weise befestigt. Die holographischen Schichten können jedoch alternativ direkt an einer Oberfläche des Glas­ blocks durch Beschichten mit einer holographischen Emulsion ge­ bildet werden, wobei die Emulsionsschicht in der vorbeschriebenen Weise belichtet, entwickelt und fixiert wird. Diese alternative Ausführungsform vermeidet die Notwendigkeit einer zusätzlichen Glasplatte, jedoch bringt die Verwendung einer zusätzlichen Glas­ platte den Vorteil, daß die holographische Schicht keinem Ab­ rieb und der Atmosphäre ausgesetzt ist, wobei Atmosphärenein­ flüsse die optische Wirksamkeit des Bauteiles nachteilig beein­ flussen können.

Die Blocks 20 und 43 und die Platten 22 und 41 müssen nicht not­ wendigerweise aus Glas bestehen, d. h. sie können auch aus anderen Materialien bestehen, welche die geforderten optischen Eigen­ schaften aufweisen. Es kann auch wünschenswert sein, daß das optische Bauteil eine gekrümmte Vorder- oder Rückfläche aufweist, um die im Inneren reflektierten und die austretenden Strahlen zu modifizieren. Die untere, zwischen der vorderen und rückseiti­ gen Fläche verlaufende Fläche 4 braucht nicht in der zuvor be­ schriebenen Weise geneigt sein, obwohl das Licht dem Block 20 am wirksamsten zugeführt wird, wenn der Lichtstrahl 25 vom Anzeige­ schirm 5 und einem rechten Winkel zur Fläche 4 auftrifft. Um eine kompaktere Ausführung des Geräts zu erhalten, kann es sich als wünschenswert erweisen, wenn der Lichtstrahl 25 vom Anzeigeschirm 5 auf die Fläche 4 auftrifft unter einem Winkel, der von der Senkrechten auf diese Fläche 4 abweicht. Es ist auch möglich, daß die holographischen Bauteile 24 bzw. 40 das Licht reflektieren bzw. abstrahlen unter einem Winkel, der zur Senkrechten auf die Vorder- oder Rückflächen abweicht. Das optische Bauteil 1 kann auch horizontal angeordnet sein, so daß das Blickfeld sich längs einer horizontalen Achse erstreckt.

Obwohl das Head-up-display-System anhand einer Fluganzeige beschrie­ ben wurde, ist ihre Anwendung hierauf nicht beschränkt. Die rück­ seitige Fläche des optischen Bauteils 1 kann bei bestimmten An­ wendungsfällen auch vollständig lichtundurchlässig sein. Die Vorrichtung muß auch nicht notwendigerweise mit einer Kathodenstrahlanzeige betrieben werden. Hierzu können auch andere Anzeigen verwendet werden.

Claims (6)

1. Head-up-display-System mit einem optischen Bauteil aus optisch transparentem Material, das zwei einander gegenüber­ liegende Flächen und eine dazwischenliegende schräge Fläche aufweist, der Licht von einer Anzeige zugeführt wird, das zur Wiedergabe eines Bilds der Anzeige an verschiedenen Stellen längs des optischen Bauteils in Richtung eines Betrachters abgestrahlt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf eine der einander gegenüberliegenden Flächen (21, 44) das über die schräge Fläche (4, 45) ein­ tretende Licht auftrifft, von dort mindestens ein Teil des Lichts zur anderen gegenüberliegenden Fläche (27) re­ flektiert und von dort mindestens ein Teil des Lichts auf die eine gegenüberliegende Fläche (21, 44) zurückreflektiert wird und somit innerhalb und längs des Bauteils (1) auf­ einanderfolgende Reflektionen entstehen, und ein holographisches Bauteil (24, 40) auf einer der gegenüberliegenden Flächen (21, 27, 44) angeordnet ist, das einen Teil des auf diese Fläche (21, 27, 44) einfallenden Lichts nach außen ab­ strahlt.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das holographische Bauteil (24) re­ flektierend ist und der reflektierte Anteil des einfallenden Lichts über die dem holographischen Bauteil (24) gegenüber­ liegende Fläche (21) des optischen Bauteils (1) abgestrahlt wird.

3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das holographische Bauteil (40) licht­ durchlässig ist, wobei ein Anteil des auf das holographische Bauteil (40) einfallenden Lichts über die Fläche (44) ab­ gestrahlt wird, auf der es angeordnet ist.

4. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauteil (1) aus einem Block (20, 43) eines optisch transparenten Ma­ terials und einer Platte (22, 41) eines im wesentlichen optisch transparenten Materials besteht, die auf einer Fläche (23, 42) des Blocks (20, 43) angeordnet ist, das holographische Bauteil (24, 40) an der Verbindungsfläche zwischen dem Block (20, 43) und der Platte (22, 41) ange­ ordnet ist und die außen liegende Fläche (27, 44) der Platte (22, 41) eine der gegenüberliegenden Flächen des optischen Bauteils (1) bildet.

5. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das holographische Bauteil (24, 40) so angeordnet und ausgebildet ist, daß von ihm im wesentlichen nur Licht einer bestimmten Wellen­ länge abgestrahlt wird.

6. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das holographische Bauteil (24, 40) so angeordnet und ausgebildet ist, daß von ihm im wesentlichen nur Licht abgestrahlt wird, das unter einem vorgegebenen Winkel auf das holographische Bauteil (24, 40) einfällt.