DE3028297A1

DE3028297A1 - Richtfilter fuer bildschirme

Info

Publication number: DE3028297A1
Application number: DE19803028297
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Galves; Pierre Merloz; Jean Sagnard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1979-07-27
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1981-02-12
Also published as: FR2462723B1; GB2055225B; US4342821A; FR2462723A1; GB2055225A; DE3028297C2; JPS5659208A; JPS6155641B2

Description

c-aterranwälte

Dipl.-Ing. Dipl -Chern. Dipl -Ing

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

F r nsber ger st r aese 19

8 München 60
- 3 -

THOMSON - CSF 24.JuIi 1980

173, Bd. Haussmann
Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3347

Richtfilter für Bildschirme

Die Erfindung betrifft ein Richtfilter für Bildschirme oder Leuchtschirme zur visuellen Darstellung von Informationen. Sie befaßt sich insbesondere mit Informationsanzeigesystemen, bei denen ein oder mehrere Bildschirme verwendet werden.

Die Beobachtung von Leuchtschirmen, z.B. von Kathodenstrahlröhren, und von darauf sichtbar gemachten Informationen kann durch die umgebende Beleuchtung erschwert werden. Eine zu intensive Umgebungsbeleuchtung ist für das Ablesen der Leuchtspuren auf den Bildschirmen ungünstig. Dies trifft insbesondere für Flugzeugcockpits zu, die von der Sonne oder von durch die Wolken gestreutem Licht erhellt werden. Der Anteil des Umgebungslichtes, der von dem Bildschirm reflektiert wird, überlagert sich der abzulesenden Leuchtspur und

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erschwert das Auslesen der Information. Der Kontrast, mit dem dann die Leuchtspur erscheint, ist unzureichend, um eine gute Wahrnehmung zu gewährleisten. Diese Schwierigkeit besteht auch in etwa gleicher Weise bei mehrfarbigen Bildschirmen, deren Leuchtspuren verschiedene Farben haben.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten wurden bereits folgende Maßnahmen vorgeschlagen:

1. Anwendung eines neutralen Filters. Ein Filterelement mit einem bestimmten Transmissionskoeffizient T wird vor dem Schirm angeordnet. Der Koeffizient T ist der Bruchteil des durchgelassenen Lichtes, wenn eine gegebene Beleuchtung mit beliebiger Richtung auf das Filter auftrifft.

Der Anteil des Umgebungslichtes, der von dem Bildschirm reflektiert wird, erfährt eine zweifache Abschwächung mit dem Koeffizienten T vor dem Auftreffen auf dem Auge des Beobachters, nämlich ein erstes Mal vor dem Auftreffen auf dem Bild und ein zweites Mal nach der Reflexion an diesem.

Dieser Anteil wird also in Verhältnis T gedämpft, während das von der Leuchtspur ausgesandte Licht nur eine einmalige Dämpfung erfährt. Dadurch wird der Kontrast im Verhältnis 1/T verbessert. Wenn T den Wert 10% hat, so wird eine Verbesserung um einen Faktor 10 erreicht.

2. Anwendung von selektiven oder Bandfiltern, die das gesamte sichtbare Licht mit Ausnahme des von der Leuchtspur ausgesandten Lichtes absorbieren.

Eine and.ere Lösung besteht darin, Richtfilter zu verwenden, die sowohl für mehrfarbige als auch für einfarbige Leuchtspuren anwendbar sind.

Ein Richtfilter oder ein direktives Filter ist ein optisches System, dessen Lichtdurchlässigkeit von dem Einfalls-

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winkel abhängt. Es ist üblicherweise aus einer Platte gebildet, die von einer Mehrzahl Löchern kleinen Durchmessers durchbohrt ist. Ihr entspricht eine Charakteristik bzw. Kurve, die den Transmissionskoeffizienten in Abhängigkeit von diesem Einfallswinkel darstellt. Diese Kurve hat ein Maximum für die Betrachtungsachse und abnehmende Werte bei Entfernung von dieser Achse, wobei diese Werte praktisch zu Null werden, wenn ein bestimmter Winkelwert überschritten wird, der als Auslöschwinkel bezeichnet wird, also außerhalb eines sogenannten Auslöschkegels .

Der axiale Transmissionskoeffizient solcher Filter kann einen Wert von mehreren Zehnteln erreichen, während der Reflexionskoeffizient außerhalb des Auslöschkegels einen Wert von 0,3% hat.

Die Erfindung befaßt sich mit derartigen Richtfilern.

Während bisher derartige Filter durch Aufeinanderstapeln von Platten gebildet wurden, z.B. mit Wabenmustern versehene Fotonegative, von kreisförmigen Löchern mit einer gegebenen Anordnung durchbohrte Metallplatten usw., ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dieses Filter aus nur einer Platte oder Matrix zu bilden, die in der im folgenden beschriebenen Weise zwischen Träger eingespannt ist.

Richtfilter mit aufeinandergeschichteten Platten ergeben im allgemeinen einen zu hohen Reflexionskoeffizienten, insbesondere bei Verwendung von Fotonegativen. Aufgrund der Abmessungen der vorgesehenen Öffnungen ergeben sie außerdem einen zu großen Auslöschwinkel.

Das erfindungsgemäße Richtfilter ermöglicht eine Beobachtung bei einer Beleuchtungsstärke der Umgebung bis zu 100 000 Lux.

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Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein fotosensibles bzw. lichtempfindliches Glas verwendet. Wenn ein solches Glas durch eine Maske hindurch dem ültraviolettlicht ausgesetzt wird, ändert es zunächst an den beleuchteten Stellen seine Farbe. Diese Stellen können dann anschließend fortgeätzt werden. Diese Materialeigenschaft ermöglicht es, in einer so belichteten Platte äußerst präzise Muster zu bilden und in ihr durch ausreichend lange fortgeführtes Ätzen Netze aus Kanälen sehr geringen Durchmessers zu schaffen, welche die Platte von einer Seite zur anderen durchbohren. Erfindungsgemäß wird diese Eigenschaft ausgenutzt, um Richtfilter zu schaffen, die bei den erläuterten Umgebungsbeleuchtungen verwendbar sind. Durch das chemische Ätzen können Kanäle mit sehr kleinem Durchmesser und großer Länge, also in dicken Platten, geschaffen werden. Dies wird später anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Im allgemeinen wird eine Verjüngung des Kanalquerschnitts in halber Höhe festgestellt, wenn das Ätzen ausgehend von den beiden Oberflächen durchgeführt wird.

Sobald der Vorgang des Anbringens der Bohrungen abgeschlossen ist, kann dasselbe Material leicht auf der gesamten Schnittoberfläche mit einem Überzug, z.B. aus einem Metall, versehen werden, das z.B. auf chemischem Wege abgelagert wird und anschließend durch verschiedene Mittel geschwärzt werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der. Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der verschiedenen Bestandteile einer Ausführungsform des Richtfilters;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1;

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Fig. 3 eine schematische Ansicht desselben Richtfilters zur Erläuterung seiner Arbeitsweise;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Charakteristik des Richtfilters; und

Fig. 5 eine Ansicht analog Fig. 3, jedoch zur Darstellung einer anderen Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt im Schnitt die verschiedenen Bestandteile eines Richtfilters nach einer ersten Ausführungsform. Das gesamte Filter ist allgemein mit 10 bezeichnet.

Das Filter 10 ist aus drei aufeinander angeordneten Glasteilen gebildet, die durch Harz miteinander verklebt sind. Das auf der Beobachtungsseite liegende Teil 1 ist eine gewöhnliche Glasplatte, die für sichtbare Strahlung durchlässig ist. Sie ist vorzugsweise auf der Außenseite durch chemisches Ätzen mattiert, damit der von ihr reflektierte Bruchteil des Umgebungslichtes gestreut wird. Die Stärke der Mattierung ist dadurch begrenzt, daß kein merkbarer Verlust an Auflösung der von dem Bildschirm wiedergegebenen Bilder verursacht wird, und zwar ebenfalls durch Streuung. Das Teil 1 ist ferner'vorzugsweise auf seiner mattierten Oberfläche mit einer Antireflexionsschicht versehen.

Das auf der Bildschirmseite angeordnete Teil 2 gleicht dem Teil 1 , jedoch ohne Mattierung und ohne Antireflexionsschicht.

Zwischen den beiden Teilen befindet sich eine Platte 3, die das eigentliche Filter bildet. Diese Platte ist aus einem fotoempfindlichen Glas hergestellt, z.B. des Typs "Fotoform" (Warenzeichen der Corning Glass). Sie weist Kanäle 30 auf, die bei der gezeigten Ausführungsform zylindrisch sind und

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senkrecht zu den Oberflächen dieser Platte münden. Diese Kanäle sind in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Jeder Kanal hat einen Durchmesser d, der eine Größe von 100 μπι aufweisen kann, wenn die Dicke e der Platte die Größenordnung von 1 mm hat. Der Abstand zwischen den Achsen zweier benachbarter Kanäle beträgt etwa 150 ym. Die Kanäle sind gemäß einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet, die den größten Teil der Platte 3 einnimmt und z.B. quadratisch mit den Abmessungen 150 χ 150 mm ausgebildet sein kann. Die Kanäle 30 und die Platte 3 als solche sind mit einer schwarzen Beschichtung 31 versehen, die Lichtreflexionen verhindert, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Die drei Teile 1,2, 3 sind durch zwei Schichten 4, 5 aus einem Harz verklebt, das für das von den Leuchtspuren des Bildschirms ausgesandte Licht durchlässig ist; es ist somit auch für das Umgebungslicht durchlässig, wenngleich diese Bedingung zur Verbesserung des Kontrastes nicht angestrebt wird.

Die Platten 1 und 2, die die Aufgabe von Halteelementen erfüllen, sind relativ dick. Sie können eine Dicke von 2 bis 2,5 mm erreichen, während hingegen die Klebeschichten 4,5 sehr dünn sind und einige hundertstel Millimeter Dicke nicht überschreiten. Dieser Kleber füllt die Kanäle 30 in Form von kleinen Zylindern 6 aus, welche die Schichten 4 und 5 verbinden. Wenn die vorstehend genannten Werte angenommen werden, so ist leicht ersichtlich, daß in der Zeichnung die Proportionen der verschiedenen Elemente nicht maßstabsgerecht dargestellt sind, ebenso wie in den anderen Figuren. Ferner sind in einigen Figuren die massiven Teile zwischen den Kanälen zur Vereinfachung vollständig schraffiert dargestellt., ■' so als seien sie vollständig aus dem Metall gebildet, von dem sie bedeckt sind.

Die Arbeitsweise dieses Richtfilters wird nun anhand von Fig.3 erläutert.

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Das Filter 10 ist zwischen dem Bildschirm 100 und dem Auge des Beobachters angeordnet. Bei einem axialen Transmissionskoeffizienten T (Richtung des Pfeiles N) sieht der Beobachter durch dieses Filter ein Lichtsignal der Helligkeit L der Leuchtdichte LxT. Es wird angenommen, daß die Umgebungsbeleuchtung eine diffuse homogene Beleuchtung E ist. Ein Teil E₁ dieser Beleuchtung wird von dem Filter blockiert und mit einem sehr schwachen Reflexionskoeffizienten R reflektiert. Dieser Anteil wird in der Tat praktisch vollständig durch die geschwärzte Platte 3 absorbiert. Ein anderer Teil dringt in die Kanäle 30 ein. Je nach seiner Richtung wird dieser Anteil ebenfalls durch die Wandungen der Kanäle absorbiert (Bruchteil E„ in der Zeichnung) oder bis zum Bildschirm durchgelassen (Bruchteil E-.) , von dem er dann diffus innerhalb des Auslöschwinkels Θ-. reflektiert, wird (kleine Pfeile), und zwar mit einem Transmissionskoeffizienten, der gleich demselben Koeffizienten T ist. Im. Ergebnis weist der Bildschirm auf dem Grund durch die diffuse Beleuchtung aus der Umgebung eine geringe Leuchtdichte und einen guten Kontrast in bezug auf die auszulesenden Leuchtspuren auf.

Das Auge des Beobachters empfängt nämlich aufgrund der diffusen Umgebungsbeleuchtung den Anteil des Lichtes, der von dem Filter reflektiert wird und gemäß den vorstehenden Ausführungen dem Beleuchtungswert RE₁ entspricht, wozu der ebenfalls erläuterte Anteil hinzukommt, der auf der Streuung durch den Bildschirm beruht, wobei dieser Anteil aufgrund der doppelten Transmission kaum größer als RE₁ sein kann.

Was die.Reflexion durch dieses Filter anbetrifft, so ist festzuhalten, daß sie noch weiter dadurch gedämpft wird, daß der Beobachter selbst vorhanden ist, der niemals sehr weit von dem Bildschirm entfernt ist, denn der Kopf des Beobachters bildet eine wirksame Abschirmung des einfallen-

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den Umgebungslichtes und ergibt eine Verdunkelung in bezug auf das Umgebungslicht in dem gesamten Auslöschkegel oder wenigstens in einem Teil desselben. Der Gesamtwert dieser Reflexionen des Umgebungslichtes entspricht einem Gesamtreflexionskoeffizienten, der mit R bezeichnet wird. Dieser Koeffizient hat die Größenordnung von einigen Tausendsteln, während gleichzeitig der Transmissionskoeffizient T den Wert von einigen Zehnteln aufweist. Dies hat eine Kontrastverbesserung zur Folge, die als Faktor T/R, gemessen wird und ein Mehrfaches von 10 beträgt.

Im folgenden werden die Werte für Aufbau und Charakteristik von zwei Ausführungsbeispielen des Richtfilters angegeben, bei denen zylindrische Kanäle senkrecht zu .den Oberflächen des Filters gemäß einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, die sich unter einem Winkel von 60° schneiden:

Durchmesser der Kanäle:

in der Mitte an den Enden

Abstand zwischen den Achsen Dicke der Platte (3) Auslöschwinkel θ

axialer Transmissionskoeffizient T

Reflexionskoeffizient R Reflexionskoeffizient R,

mit axialer Verdunkelung in einem Winkel von 10O

Verhältnis T/R_t 60 120

Diese-Beispiele beziehen sich auf Filter, deren Kanäle im wesentlichen gerade Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt sind, die senkrecht zu den Oberflächen der Platte 3 ausgerichtet sind, bei einer Beobachtung senkrecht zu der Platte, Aus diesen Beispielen geht im übrigen hervor, daß diese

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Beispiel I	Beispxel II
ViO ym	100 ym·
150 ym	150 ym
170 ym	170 ym
0,6 mm	1,2 mm
20°	10°
0,42	0,30
0,25%	0,25%
0,7%	0,25%

Zylinder an ihren Enden etwas aufgeweitet sind. Diese Form eines Doppelkegels bzw. "Diabolos" ist günstig für eine geringe Änderung des Transmissionskoeffizienten T in Abhängigkeit von dem Beobachtungswinkel. In der Mitte des Auslöschkegels, d.h. für einen Beobachtungswinkel β = θ /2 gilt ferner, wie die Transmissionscharakteristik nach Fig. 4 zeigt, für die Kanäle bei dem Beispiel I ein Transmissionskoeffizient von 0,9T; dieser Wert würde nur 0,5 T betragen, wenn die Kanäle genau zylindrisch wären.

Die Kanäle 30 können auch in bezug auf die Oberflächen der Platte 3 geneigt sein, z.B. für Ausrüstungen an Bord eines Flugzeugs, die von dem Piloten unter schrägem Blickwinkel betrachtet werden. Auf diese Weise wird der Transmissionskoeffizient in Richtung auf den Beobachter verbessert. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung dieser Ausführungsform für eine Beobachtungsrichtung Δ.

Die Kanäle können auch eine andere Gestalt aufweisen, z.B. mit elliptischem Querschnitt, wobei dann Transmissionskoeffizienten erreicht werden, die in zwei zueinander senkrechten Ebenen verschieden sind.

Eine solche Kanalform ist günstig, wenn die Information für zwei Beobachter bestimmt ist, die sich an verschiedenen Stellen befinden, z.B. Pilot und Kopilot in einer Flugzeugkabine.

Für die Herstellung der Richtfilter ist eine fotoempfindliche Glasplatte vorgesehen, die mit einem System von Kanälen durchbohrt wird, indem eine Ultraviolettbestrahlung durch eine Maske hindurch und eine anschließende Ätzung vorgenommen werden. Als Beispiel wurden Kanäle beschrieben, deren Querschnitt in der Mitte der Glasplatte geringer ist.

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Diese Platte wird dann auf ihrer gesamten Schnittfläche, einschließlich der Innen-seiten der Kanäle, mit einem Metallüberzug 31 (Fig. 2) geringer Dicke versehen. Als Metall wird zweckmäßigerweise Chrom verwendet, weil dieses auf dem Glas der Platte 3 gut anhaftet. Ein anderes geeignetes Metall ist Kupfer. In beiden Fällen kann die Beschichtung durch Vakuumaufdampfung erfolgen. Bei Verwendung von Kupfer kann auch eine chemische Ablagerung erfolgen.

Die Ablagerung dieser beiden Metalle erfolgt vorteilhafterweise zum einen wegen der guten Haftwirkung und zum anderen zur Erleichterung des Bearbeitungsschrittes, der in der Schwärzung dieser Ablagerung besteht. Bei Verwendung von Kupfer wird die Schwärzung allein auf chemischem Wege erreicht, und zwar z.B. durch Eintauchen in ein Bad aus Natriumpolysulfid während 5 Minuten.

Die auf diese Weise geschaffene Matrix aus Kanälen wird auf eine Glasplatte (1 oder 2) aufgelegt, die zuvor reichlich mit einem Kleber beschichtet wurde, der für das Licht der Leuchtspuren durchlässig ist, z.B. Silikonharz, dessen Brechungsindex so gewählt ist, daß er möglichst genau gleich demjenigen der Glasplatten 1 und 2 ist, die damit auf der Matrix 3 aufgeklebt werden sollen, um Spiegelreflexionen an den Grenzflächen dieser Platten zu vermeiden. Für diesen Zweck ist das Harz des Typs RTV 141 A von Rhone-Poulenc geeignet. Die zweite Platte wird aufgebracht, wenn das Harz an der anderen Oberfläche der Matrix übergelaufen ist.

Das Metall, mit dem die Kanäle und die Oberflächen der Platte überzogen sind, kann mit Masse verbunden werden und dient dann im Betrieb als Abschirmung gegen jegliche elektrischen Komponenten wechselnder Polarität, die in dem Beobachtungssystem oder in seiner Umgebung vorhanden sind, insbesondere die Komponenten der Ablenkung. Das erfindungs-

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gemäße Filter schafft somit bereits allein aufgrund seines Aufbaus eine Lösung für das Problem der Beseitigung von Störsignalen, ohne daß zusätzliche Maßnahmen erforderlich wären. Dies ist einer der Vorteile des Filters.

Es sind andere Ausführungsformen vorgesehen, bei denen die Kanäle eine andere Gestalt als die zuvor beschriebenen aufweisen, wobei verschiedene Kombinationen möglich sind.

Das erfindungsgemäße Richtfilter ist besonders geeignet zur Anwendung bei den verschiedenartigsten Sichtgeräten, die in sehr heller Umgebung arbeiten, insbesondere in den Flugkabinen von Flugzeugen. Zur Erfindung gehört auch die Anwendung der Filter, insbesondere bei Kathodenstrahlröhren,

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■ /in--

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Claims

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19 8 München 60

THOMSON - CSF 24.JuIi 1980

173, Bd. Haussmann
Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3347

PATENTANSPRÜCHE

Richtfilter für Bildschirme, gekennzeichnet durch eine Platte aus einem fotoempfindlichen Glas, die von einem Kanalnetz durchbrochen ist und auf ihrer gesamten Oberfläche einschließlich der Innenseiten der Kanäle mit einer geschwärzten, lichtabsorbierenden Metallschicht bedeckt ist.
2. Richtfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbrochene Platte zwischen zwei Halteplatten mittels eines Klebers gehalten ist, der für das Licht, das von den auf dem Schirm aufgezeichneten Spuren ausgesandt wird, durchlässig ist.
3. Richtfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle zylinderförmig mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und senkrecht zu den Oberflächen der Platte orientiert sind, in der sie angeordnet sind.

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4. Richtfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle zylinderförmig und mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und in bezug auf die Oberflächen der Platte, in der sie angeordnet sind, schräg orientiert sind.
5. Richtfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle zylinderförmig und mit elliptischem Querschnitt ausgebildet und in bestimmter Weise in bezug auf die Oberflächen der Platte, in der sie angeordnet sind, orientiert sind.
6. Richtfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Masse verbundene Metallschicht eine Elektrode bildet, die eine Abschirmung für elektrische Komponenten wechselnder Polarität bildet.
7. Verfahren zur Herstellung des Richtfilters nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- die gesamte Oberfläche der fotoempfindlichen, von Kanälen durchbrochenen Glasplatte wird mit wenigstens einem Metall beschichtet;

- die Beschichtung wird geschwärzt.
8. Richtfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch seine Verwendung auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre.

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