DE3101854C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Head-up-Display- System gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 39 40 204 ist ein Head-up-Display- System bekannt, das sich auszeichnet durch eine Vereini­ gungseinrichtung in Form einer abgestimmten, Reflexions­ vermögen aufweisenden optischen Film- oder Schichtlinse vom holographischen Typ, durch eine Projektionseinheit mit einer im allgemeinen planaren, schmalbandigen, lichtemittie­ renden Anzeigeoberfläche, beispielsweise dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre, durch ein Faltprisma und durch ein op­ tisches Relaislinsensystem, das zwischen der Anzeigeoberflä­ che und dem Prisma angeordnet ist.

Ein schmales Wellenband, beispielsweise Grünlicht, wird ausgehend von der Anzeigeoberfläche durch das optische System zum Prisma übertragen. Das Prisma ist unterhalb der Blick­ richtung oder Sichtlinie des Beobachters bei der unteren Kante der holographischen Linse angeordnet. Auf dem Prisma auffallendes Licht wird nach oben zur holographischen Linse reflektiert, von wo aus es zu der Position der Augen des Betrachters reflektiert wird.

Die Kollimation des Bildes der Anzeige wird im wesent­ lichen gänzlich durch die holographische Linse bewirkt, die ohne bedeutende Dämpfung auf ihr auffallendes Licht von der entfernten Szene durchläßt, der das virtuelle Bild der Anzeige überlagert wird.

Das insbesondere bei einem nichtaxialen System (off- axis system), wie dem oben erläuterten System, deutliche Vorhandensein von axialem Koma und Astigmatismus macht es er­ forderlich, daß eine Koma- und Astigmatismuskorrektureinrich­ tung sowie eine Korrektureinrichtung für die optische Stärke im optischen Relaissystem vorhanden sind. Dieser Umstand führt im Hinblick auf die Unterbringung aller Systeme und Einrich­ tungen zu schwerwiegenden Problemen, und zwar insbesondere dann, wenn für das Display-System nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht, wie es beispielsweise in der Kanzel von Flugzeugen der Fall ist.

Aus der DE-AS 19 44 211 ist ein Head-up-Display-System bekannt, bei dem reflektierende bzw. transmittierende opti­ sche Elemente so angeordnet sind, daß sie zwei spitz zu­ laufende Räume begrenzen und daß von einer Anzeigeeinheit ausgehendes Licht von dem ersten Element reflektiert, durch das zweite Element durchgelassen, von dem dritten Element reflektiert und dann vom zweiten Element direkt in Rich­ tung auf den Betrachter reflektiert wird. Bei dem zweiten optischen Element handelt es sich um einen im Blickfeld des Betrachters angeordneten teildurchlässigen Umlenkspiegel und bei dem dritten optischen Element um einen außerhalb des Blickfeldes des Betrachters angeordneten sphärischen Spiegel, der die Bildfläche der Anzeigeeinheit abbildet. Das erste optische Element ist ein einen reflektierenden Überzug aufweisender Planspiegel, der vor der Bildfläche der Anzeigeeinheit angeordnet ist. Die Gesamtanordnung ist so getroffen, daß die Bildfläche der Anzeigeeinheit optisch im wesentlichen in der Brennfläche des sphärischen Spiegels liegt und daß der teildurchlässige Umlenkspiegel derart angeordnet ist, daß das Auge des Betrachters optisch im Krümmungsmittelpunkt des sphärischen Spiegels zu liegen ver­ mag. Durch diese ein axiales System (on-axis-system) bildende Anordnung sollen die sonst auftretenden Abbildungsfehler, insbesondere die sphärische Aberration, verringert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Head-up-Display-System nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszubil­ den, daß es trotz eines geringen Platzbedarfes für eine gute optische Abbildung sorgt.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Display- System handelt es sich wie bei dem System nach der US-PS 39 40 204 um ein nicht-axiales optisches System. Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es jedoch, den im Ver­ gleich zu einem axialen System bei einem nicht-axialen System auftretenden Abweichungswinkel beträchtlich kleiner als bei herkömmlichen Display-System dieser Art zu machen. Folglich können das Ausmaß und der Aufwand zur Korrektur von Unzulänglichkeiten und Störungen im dargestellten oder angezeigten Bild beträchtlich geringer als beim Stand der Technik gehalten werden.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei den Filmen oder Schichten handelt es sich vorzugs­ weise um Anordnungen vom holographischen Typ. Die Anord­ nungen können als mehrlagige Filme oder Schichten ausgebil­ det sein. Allerdings ist jede beliebige Film- oder Schicht­ konstruktion möglich, sofern sie die erforderlichen Trans­ missions-Reflexions-Eigenschaften aufweist.

Um einem abgestimmten, Reflexionsvermögen aufweisen­ den optischen Film wird ein optischer Film, eine optische Schicht oder ein ähnliches optisches Bauelement verstanden, das die Eigenschaft hat, bei besonderen Kombinationen von Wellenlänge und Einfallswinkel in effizienter Weise Licht zu reflektieren. Man sagt, daß der Film auf diese Kombina­ tionen aus Wellenlänge und Einfallswinkel abgestimmt ist. Licht, das der abgestimmten Bedingung nicht genügt, wird von dem Film mit niedrigen Reflexionsverlusten durchge­ lassen.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten Display-Geräts an Hand von Zeich­ nungen im einzelnen erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines nach der Erfindung ausgebildeten Geräts, an Hand dessen die grundsätzliche Arbeitsweise veranschaulicht werden soll,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer praktischen Ausführungsform des in der Fig. 1 darge­ stellten Geräts,

Fig. 3 eine Stirnansicht des in der Fig. 2 gezeig­ ten Geräts und

Fig. 4 eine Darstellung des Gesichtsfelds, das man mit dem Gerät nach den Fig. 2 und 3 erhält.

Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Gerät enthält eine Kathodenstrahlröhre 1, deren Schirm mit einem schmalbandigen, Grünlicht emittierenden Leuchtstoff be­ schichtet ist. Die vom Schirm der Kathodenstrahlröhre emit­ tierten Lichtstrahlen laufen durch ein Relaislinsensystem 5 und werden dann von einem Reflektor 7 zu einer Vereini­ gungseinrichtung 9 reflektiert. Der besseren Übersicht hal­ ber ist in der Fig. 1 nur ein einziger Lichtstrahl 11 dar­ gestellt. Das Relaislinsensystem 5 ist auf der Seite der Vereinigungseinrichtung 9 von der Blickposition des Beo­ bachters entfernt angeordnet und erstreckt sich im wesentli­ chen parallel zur Blickrichtung des Beobachters durch die Vereinigungseinrichtung 9.

Die Vereinigungseinrichtung 9 enthält ein erstes Glied 13, das mit einem erst holographischen Film 13 c ausgerü­ rüstet ist, ein zweites Glied 15, das mit einem zweiten holo­ graphischen Film 15 c ausgerüstet ist, und ein drittes Glied 17, das mit dem dritten holographischen Film 17 c ausge­ rüstet ist. Das Glied 15 befindet sich zwischen den Glie­ dern 13 und 17, wobei die Oberkante des Glieds 15 dicht beim Glied 13 und die Unterkante des Glieds 15 dicht beim Glied 17 und beim Reflektor 7 angeordnet ist. Die Glieder 13 und 15 laufen in der Richtung der Oberkante des Glieds 15 zusammen, um einen spitzwinkligen Raum zu begrenzen. Die Glieder 15 und 17 konvergieren in Richtung der Unterkante des Glieds 15, um ebenfalls einen spitz zulaufenden Raum zu begrenzen. Man kann erkennen, daß die Glieder 13, 15 und 17 jeweils aus zwei Glaselementen 13 a, 13 b, 15 a, 15 b bzw. 17 a, 17 b bestehen. Zwischen diesen Glaselementen ist jeweils ein zugehöriger holographischer Film 13 c, 15 c bzw. 17 c eingebettet.

Die räumliche Beziehung zwischen den Gliedern 13, 15 und 17, und zwar insbesondere zwischen ihren Filmen 13 c, 15 c und 17 c, sowie die räumliche Beziehung zwischen den Filmen 13 c, 15 c, 17 c, dem Relaislinsensystem 5, dem Reflek­ tor 7 und dem Schirm 3 der Kathodenstrahlröhre 1 sind der­ art, daß das schmalbandige Grünlicht vom Schirm 3 der Ka­ thodenstrahlröhre in der Reihenfolge der folgenden Aufzäh­ lung vom Film 13 c reflektiert wird, vom Film 15 c durchge­ lassen wird, vom Film 17 c zurück zum Film 15 c reflektiert wird, vom Film 15 c reflektiert wird und vom Film 17 c zur Betrachterposition des Beobachters durchgelassen wird.

Von den Strahlen, die von jedem Punkt des Schirms 3 der Kathodenstrahlröhre 1 auf dem Film 13 c auftreffen, wer­ den nur diejenigen Strahlen, die in einem schmalen koni­ schen Strahlungsbündel liegen, dessen Strahlen mit dem Film 13 c einen Winkel haben, der in den reflektierenden Winkelbereich dieses Films fällt, vom Film 13 c reflektiert. Strahlen außerhalb jedes derartigen konischen Bündels wer­ den vom Film 13 c durchgelassen und gelangen daher nicht zu den Augen des Beobachters, weil sie außerhalb des Be­ reiches der zulässigen Kopfbewegung des Beobachters fallen.

Die Strahlen, die selektiv vom Film 13 c reflektiert und durch den Film 15 c durchgelassen werden, fallen auf den holographischen Film 17 c. Hier werden wiederum nur diejenigen Strahlen von jedem Reflexionspunkt des Films 13 c, die innerhalb eines schmalen konischen Strahlenbündels fallen, dessen Strahlen mit der Schicht oder dem Film 17 c einen Winkel bilden, der im Re­ flexionswinkelbereich dieses Filmes liegt, vom Film 17 c reflektiert. Ähnliches geschieht dann beim Film 15 c, zu dem die vom Film 17 c reflektierten Strahlen gelangen. Die vom Film 15 c reflektierten Strahlen treffen dann auf den Film 17 c. Diesesmal fallen jedoch die Einfallswinkel nicht in den Reflexionswinkelbereich des Films 17 c, so daß die vom Film 15 c reflektierten Strahlen vom Film 17 c zu einem klei­ nen Bereich von Positionen rund um die vorgesehene Augen­ position des Beobachters durchgelassen werden.

Dem Beobachter wird auf diese Weise ein Bild der An­ zeige dargeboten, die der Schirm 3 der Kathodenstrahlröhre präsentiert, und zwar ein Bild, das seinem Blick durch die Glieder 13, 15 und 17 der Vereinigungseinrichtung überla­ gert ist.

Der Fig. 1 kann man entnehmen, daß der Film 15 c sphä­ risch ist, und die Glieder 13 und 17 sowie ihre Filme 13 c und 17 c sind eben. Der Beobachter betrachtet die Szene, auf der die Anzeige mit Hilfe der beiden Filme 15 c und 17 c oder mit Hilfe aller drei Filme 13 c, 15 c und 17 c als Überlagerung erscheint.

In jedem Falle besteht die Funktion des Films 15 c dar­ in, von der vom Schirm 3 der Kathodenstrahlröhre 1 dargebo­ tenen Anzeige ein virtuelles Bild bei unendlicher Weite zu erzeugen, so daß diese Anzeige betrachtet werden kann, während die Augen des Beobachters durch die Filme 15 c und 17 c oder 13 c, 15 c und 17 c auf eine entfernte Szene fokus­ siert sind. Es sei bemerkt, daß die Filme 13 c, 15 c und 17 c gleichermaßen Licht von der entfernten Szene ohne ir­ gendeine beachtliche Dämpfung durchlassen, allerding mit Ausnahme von Licht in dem schmalen grünen Wellenband des Leuchtstoffes oder der Leuchtmasse des Schirms der Kathoden­ strahlröhre.

Die Möglichkeit, den Film 15 c sphärisch auszubilden, folgt aus der relativ kleinen Abweichung des optischen Sy­ stems beim Film 15 c von einem achsgerechten oder axialen System. Die notwendigen Korrekturen zur Kompensation von Unzulänglichkeiten, die aufgrund der nichtaxialen Konfi­ guration des optischen Systems in der Einheit auftreten, werden natürlich von dem Relaislinsensystem 5 ausgeführt. Da jedoch die beschriebene Sichteinheit einen Aufbau hat, der näher bei der axialen optischen Kon­ figuration als vergleichbare herkömmliche Anzeigeeinheiten liegt, ist das Relaislinsensystem 5 relativ einfach und kompakt.

In den Fig. 2 und 3 ist eine praktische Ausführungs­ form eines Head-up-Display-Geräts darge­ stellt, das von dem optischen System Gebrauch macht, das an Hand der Fig. 1 erläutert wurde.

Bei dieser praktischen Ausführungsform sind die Katho­ denstrahlröhre 1, das Relaislinsensystem 5 und der Reflek­ tor 7 in einem langgestreckten Gehäuse 19 untergebracht. Die Glieder 15 und 17 befinden sich auf jeder Seite eines ellip­ tischen Gehäuses 21, das mit seinem untersten Teil am Gehäu­ se 19 befestigt ist und zusätzlich an jeder Seite von ein­ stellbaren Längsstreben 23 getragen wird. Das Glied 13 ist an einem Stützteil 25 befestigt, das am oberen hinteren Ende des Gehäuses 21 angebracht ist.

Wie es aus den Fig. 1, 2 und 3 hervorgeht, ist das als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte und beschrie­ bene Gerät zur Verwendung durch einen Piloten in der Kanzel eines Flugzeugs geeignet, wobei das Gerät zwischen dem Kanzeldach 27 und einer Schleudersitz-Auswurflinie 29 angeordnet ist.

Ein typisches Beobachtungsfeld, das der Beobachter bei seiner vorgesehenen Augenposition unter Verwendung des Geräts nach den Fig. 2 und 3 sieht, ist in der Fig. 4B dargestellt. Die Fig. 4A zeigt im Vergleich dazu das maximale Gesichtsfeld bei Verwendung herkömmlicher Head-up-Display-Geräte.

Es soll bemerkt werden, daß in besonderen Fällen die Winkelbeziehungen zwischen den verschiedenen aktiven Kom­ ponenten einer Anzeigeeinheit oder eines Gerätes nach der Erfindung von denjenigen abweichen können, die hier beispielshalber angegeben sind. Das beschriebene Beispiel ist für eine besondere Zusammenstellung räumlicher Bedin­ gungen optimiert. Diese Bedingungen oder Forderungen ändern sich von Fall zu Fall innerhalb gewisser Grenzen, und zwar insbesondere in Abhängigkeit von Toleranzen, die man der Augenposition des Piloten zugesteht.

Claims (6)

1. Head-up-Display-System, enthaltend eine Vereinigungs­ einrichtung (9), durch die ein Beobachter eine Szene be­ trachten kann, und eine Projektionseinheit (1) mit einer Anzeigeoberfläche (3), von der aus eine Anzeige darstel­ lendes Licht auf die Vereinigungseinrichtung zur Reflexion zum Beobachter projiziert wird, um dem Beobachter ein Bild der Anzeige darzubieten, das seinem Blickfeld durch die Vereinigungseinrichtung überlagert ist, welche ein erstes, ein zweites und ein drittes optisches Element aufweist, die derart in Richtung aufeinander konvergieren, daß sie ein Paar spitz zulaufender Räume begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente einen ersten, einen zweiten und einen dritten, Reflexionsvermögen aufweisenden optischen Film (13 c, 15 c, 17 c) enthalten, wobei die Reflexions- Transmissions-Eigenschaften der Filme sowie die Konvergenz­ winkel der Filme und die Winkelbeziehung der Filme zu der Anzeigeoberfläche derart aufeinander abgestimmt sind, daß innerhalb eines schmalen Wellenbandes von der Anzeigeober­ fläche ausgehendes Licht in der angegebenen Reihenfolge vom ersten Film (13 c) in Richtung auf den zweiten Film (15 c) reflektiert wird, vom zweiten Film in Richtung auf den dritten Film (17 c) durchgelassen wird, vom dritten Film zurück in Richtung auf den zweiten Film reflektiert wird, vom zweiten Film in Richtung auf den dritten Film reflek­ tiert wird und vom dritten Film zur Betrachtungsposition des Beobachters durchgelassen wird.

2. Head-up-Display-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Film (15 c) zwischen dem ersten und dem dritten Film (13 c und 17 c) angeordnet ist und daß der erste Film (13 c) in Richtung auf eine Kante des zweiten Films (15 c) und der dritte Film (17 c) in Richtung auf die entgegengesetzte Kante des zweiten Films (15 c) konvergiert.

3. Head-up-Display-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflektor (7), der nahe bei der genannten entgegen­ gesetzten Kante des zweiten Films (15 c) angeordnet ist, Licht von der Projektionseinheit (1) auf den ersten Film (13 c) richtet.

4. Head-up-Display-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Relaislinsensystem (5), das auf der der Betrach­ terposition des Beobachters entfernt gelegenen Seite der Vereinigungseinrichtung (9) angeordnet ist und sich im allgemeinen parallel zur Blickrichtung des Beobachters durch die Vereinigungseinrichtung (9) erstreckt, Licht von der Projektionseinheit (1) auf den Reflektor (7) richtet.

5. Head-up-Display-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Film (13 c, 17 c) im wesentli­ chen eben und der zweite Film (15 c) im wesentlichen sphä­ risch ausgebildet sind.

6. Head-up-Display-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der genannten Filme (13 c, 15 c, 17 c) nach Art einer Schichtenkonstruktion zwischen einem Paar licht­ durchlässiger Stützelemente (13 a, 13 b, 15 a, 15 b, 17 a, 17 b) eingebettet ist.