DE3133147A1 - Anzeigesystem - Google Patents

Anzeigesystem

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DE3133147A1
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Description

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the united Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London SWlA IHB, Großbritannien
Anzeigesystem
Die Erfindung betrifft Anzeigesysteme und insbesondere Headup-Anzeigen bzw. -Anzeigesysteme, die eine Anzeige eines Objekts erreichen, die einem externen Gesichtsfeld bzw. Sehfeld überlagert ist.
Es ist erwünscht, daß Headup-Anzeigesysteme (HUD-Systeme) ein weites Gesichtsfeld besitzen und daß das Gesichtsfeld binokular ist. Nachteilig ist der für die Anordnung von Komponenten eines HUD-Systems zur Verfügung stehende Raum üblicherweise stark eingeschränkt wie beispielsweise bei der Anordnung in einem Flugzeug-Cockpit, wodurch das Gesichtsfeld, das erreicht werden kann, begrenzt ist.
Bei herkömmlichen HÜD-Systemen wird Licht von einem Objekt zu einem Kombinierer gerichtet, der ein geneigtes optisches Element ist, das die Eigenschaft besitzt, daß das Licht an der Kombiniererfläche
so reflektiert wird, daß es auf einem externen Sehfeld durch den Kombinierer überlagert erscheint. Damit das Bild in Unendlichkeit oder einem anderen bevorzugten Abstand auftreten kann, ist ein richtendes (kollimierendes) optisches Element in dem Lichtweg enthalten. Das momentane Gesichtsfeld eines herkömmlichen Headup-Anzeigesystems, d. h. das Winkelfeld der überlagerten und gerichteten Anzeige, das durch Verwenden der beiden Augen des Beobachters gesehen werden kann, ist durch die Größe des kollimierenden oder richtenden Elements und den Winkel,der einer Seite gegenüberliegt, durch dessen Bild im Komb.J.nierer begrenzt, was als System-Durchlaßöffnung oder -bullauge bezeichnet ist. Das binokulare Sehfeld ist das Feld, das simultan durch zwei Augen gesehen werden kann/und ist auf den schmalen Bereich der Überlappung der Durchlaßöffnungen für jedes Auge begrenzt.
Zur Überwindung der obigen Einschränkungen werden Kombinierer mit optischer Leistung in Form von Spiegeln verwendet, die außerhalb von Achsen verwendet werden. Zur Erleichterung der Anordnung in einem Luftfahrzeug wird bei einem solchen System ein Zwischenbild, das durch eine Übertragungslinse gebildet wird, kollimiert bzw. gerichtet und mit dem außenseitigen Gesichtsfeld kombiniert. Das Gesichtsfeld ist wie zuvor durch die Abmessungen des kombinierenden Elements begrenzt, wobei zusätzlich der Durchmesser der Übertragungslinse, der nahe dem Beobachter abgebildet wird, eine Austrittspupille entstehen läßt, durch die das kombinierte Bild beobachtet werden kann. Das volle
Gesichtsfeld, aas einer Seite des Koinbinierers gegenüberliegt, kann durch jedes Auge gesehen werden oder von beiden Augen, wenn sie innerhalb des Volumens der Austrittspupille angeordnet sind. Nachteilig sind Aberrationen in solchen Systemen, die für ein breites Gesichtsfeld angeordnet sind, sehr ernsthaft bzw. wesentlich. Die Verwendung einer Übertragungslinse ermöglicht eine gewisse Korrigierbarkeit, jedoch muß selbst bei komplizierten Mehrelement-tibertragungsoptiken eine deutliche Aberration und eine Binokularstreuung bzw. -Unvereinbarkeit tol_eriert werden, wenn die Vorteile eines breiten Gesichtsfeldes erreicht werden sollen.Ein solches System kann selten für Luftfahrzeuganwendung ausgebildet werden, ohne sehr viel Raum zu erfordern, wobei es weiter schwierig ist, ein einziges Element für sowohl Kollimator als auch Kombinierer vorzusehen, das sehr schwierig genau positioniert gehalten werden kann, da es notwendigerweise eine ungünstige Lage über der Luftfahrzeug-Instrumententafei erfordert.
Seit einigen Jähren, wird sehr viel Interesse bezüglich der Möglichkeit der Verwendung von streuenden bzw. ablenkenden optischen Elementen bei Head up-Anzeigesystemen gezeigt. Solche Elemente können nützliche Vorteile aufgrund ihrer niedrigeren Masse,ihrer hohen Durchlässigkeit,ihrer Schmalbandigkeit und ihres Winkelansprechverhaltens und teilweise Aberrationskorrektur erreichen. Nachteilig sind die möglichen
Vorteile, die durch beugende Elemente geboten werden, nicht vollständig verwirklicht worden, insbesondere ist der Plan von Systemen, die große beugende optische Elemente niedrigerer Masse und niedriger Kosten enthalten, noch nie ausgeführt worden. Die hohen grundsätzlichen Aberrationen des außerachsigen Spiegelsystems, wie das erläutert worden ist, bei dem beugende Kombinierer bisher verwendet worden sind, haben auch das Erreichen idealer Genauigkeitspegel und binokularer Streuungen bzw. Ungenauigkeiten bei der breiten Gssichtsfeld-Head up-Anzeige verhindert mit adäquater großer Austrittspupille, um ausreichende Freiheit für die Kopfbewegung des Beobachters zu erreichen.
Achsige Systeme, die den Vorteil von inhärenter niedriger Aberration besitzen, in denen ein Kollimator, der oberhalb der externen Sehlinie angeordnet ist, auf einen ebenen Kombinierer reflektiert, der in der Sehlinie angeordnet ist, sind vorgeschlagen worden. Obwohl der Wirkungsgrad solcher Systeme möglicherweise annehmbar ist, ist der große Kollimator, der für ein großes Gesichtsfeld erforderlich ist, mit den räumlichen Einschränkungen, die in Kraftfahrzeugen auftreten, unvereinbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Anzeigesystem großen Gesichtsfeldes anzugeben.
Gemäß der Erfindung enthält ein Anzeigesystem eine Einrichtung zum Erzeugen eines Objekts, einen Kollimator zum Erzeugen eines gerichteten Bildes des Objekts, einen Kombinierer zum Erzeugen einer Anzeige des Objekts, das einem externen Gesichtsfeld überlagert ist, über den Kombinierer von einer Beobachtungsstelle,
und eine Übertragungsoptik im Lichtweg von dem Objekt und zwischen dem Objekt und dem Kollimator, wobei die Übertragungsoptik beabstandete Elemente aufweist zum Erzeugen einer ersten Austrittspupille nahe der Beobachtungsstelle und einer zweiten Austrittspupille nahe dem Kombinierer.
Die Volumen von erster und zweiter Austrittspupille sind vorteilhaft so angeordnet/ daß sie sich überlappen zur Erzeugung eines binokularen Sehfeldes, das sich zum Kombinierer von der Beobachtungsstelle erstreckt. Es zeigt sich,daß diese Anordnung ein Anzeigesystem erreicht, bei dem Bewegungen des Beobachters um die Beobachtungsstelle durchgeführt werden können, ohne daß das binokulare Sehfeld bzw. der binokulare Blick verlorengeht.
Bei einer bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung wird Licht von dem Objekt durch ein reflektierendes optisches Element abgelenkt, das auf einer Seite der Anzeige-Mittellinie von dem Beobachter zum Kombinierer positioniert ist,zu einem Kollimator, der auf der anderen Seite der Anzeige-Mittellinie positioniert ist. Die optischen Elemente werden vorteilhaft auf der Achse oder achsennah verwendet und der Kombinierer ist vorzugsweise eben, um ein maximales Gesichtsfeld in Elevation und eine symmetrische Verteilung von Aberrationen um die Anzeige-Mittellinie zu erreichen.
Ein Headup-Anzeigesystem gemäß der Erfindung kann vorteilhaft in einem Luftfahrzeug angeordnet werden durch
nach unten Erweitern des Lichtweges von dem Objekt zu einem Reflektor,der über der Anzeige-Mittellinie angeordnet ist. Daher kann die Einrichtung zum Erzeugen des Objekts,beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre, innerhalb des Luftfahrzueg-Instrumententafel-Raums angeordnet werden, wodurch die Verdunkelung oder die Verundeutlichung des externen Gesichtsfeldes überwunden wird, die durch Systemkomponente verursacht wird, die üblicherweise über der Instrumententafel angeordnet sind. Die Erfindung erleichtert die Anordnung einer zweiten Anzeige für Headdown-Beobachtung, vorzugsweise mit einem Lichtweg,der zwischen den beabstandeten Elementen der Übertragungsoptik gefaltet bzw. abgelenkt ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung sind Aufzeichnungssystem-Optiken in der zweiten Austrittspupille vorgesehen, so daß eine Aufzeichnung der Anzeige zusammen mit dem externen Gesichtsfeld genau so durchgeführt werden kann, wie es sich dem Beobachter darstellt.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Headup-Anzeigesystem gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine achsennah betriebene Anordnung, Fig. 3 ein anderes Anzeigesystem gemäß der Erfindung - für Luftfahrzeug-Ausrüstung.
Wenn gleiche Teile verwendet sind, sind gleiche Bezugszeichen verwendet.
Eine Kathodenstrahlröhre 12 (CRT) (Fig. 1) erzeugt ein Objekt in Form einer Anzeige 14, die abzubilden ist. Licht von der. Anzeige 14 tritt in eine Übertragungsoptik 17 ein, die so angeordnet ist, daß sie ein reelles Bild 18 der Anzeige vor einem Reflektor erzeugt, der Licht auf einen reflektierenden beugenden bzw. ablenkenden Kollimator 16 richtet, der ein gerichtetes oder kollimiertes Bild der Anzeige 14 zur Kombination mittels eines Kombinierers 10 mit einem externen vorderen Gesichtsfeld von- einer Beobachtungsstelle 11 erreicht. Der Reflektor 15 und der Kollimator 16 sind auf je einer Seite der Anzeige Mittellinie 31 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 15 facettiert als Alternative zu einem ebenen Spiegel derart, daß eine besondere Drehung der Spiegelteile durchgeführt werden kann zur minimalen Verdunklung des externen Gesichtsfeldes, ohne den Reflexionswinkel zu ändern.
Gemäß der Erfindung enthält die übertragüngsoptik beabstandete Elemente. Zur Verdeutlichung sind diese als erste Übertragungslinse L, und als zweite Übertragungslinse L_ dargestellt, obwohl diese Übertragungslinsen selbst Mehrfachelement-Linsengruppen gemäß üblicher Prinzipien sein können. Die erste Übertragungslinse L. wird im Kollimator 16 an oder nahe der Beobachtungsstelle abgebildet, wodurch eine erste Austrittspupille P, entsteht. Ein binokulares
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Sehen wird erreicht, wenn beide Augen des Beobachters innerhalb der Austrittspupille P, sind. Die zweite Übertragungslinse L„ wird ebenfalls durch die Linsengruppe L, und den Kollimator 16 abgebildet, wodurch eine zweite Pupille P2 entsteht, die aufgrund der Vergrößerung durch die Linse L, nahe dem Kombinierer positioniert sein kann. Das Vorliegen der weiter vorn liegenden zweiten Austrittspupille P2 erweitert das Feld des binokularen Sehens, so daß ein binokulares Sehen über das volle Feld aufrechterhalten wird, wenn die Beobachtungsstelle 11 in Richtung auf den Kombinierer bewegt wird, einschließlich einer solchen Bewegung jenseits der ersten Äustrittspupille P^ in das überlappungsvolumen des Volumens V, der ersten Austrittspupille und des Volumens V2 der zweiten Austrittspupille.
Es zeigt sich nun, daß die Erfindung zur Anordnung innerhalb der Raumgrenzen eines Luftfahrzeugs ausgebildet werden kann, wie beispielsweise zwischen der Lage der Windschutzscheibe 19 und einer typischen Auswurf- bzw. Absprenglinie 20, um ein breites oder weites Gesichtsfeld für binokulares Sehen mit Toleranz bezüglich einer Vorwärtsbewegung des Beobachters zu erreichen und ohne auf außerachsigen Optiken, wie bei herkömmlichen Systemen zurückgreifen zu müssen, wodurch die zugeordnete Aberration und deren kostspielige Korrektur vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist eine günstige Massenverteilung, da sich ergibt, daß Systemkomponenten in einem Rahmenwerk einstückigen Aufbaus befestigt
werden können, dessen Massen- und Trägheitsmitten so angeordnet werden können,daß sie, beispielsweise bei einer Luftfahrzeug-Ausrüstung, innerhalb des Instrumententafel-Raums liegen, wodurch das sichere Befestigen erleichtert und die Empfindlichkeit bezüglich Schwingungen oder Vibrationen verringert werden.
Besondere Vorteile können bei einer HUD gemäß der Erfindung erreicht werden. Die Verwendung eines schmalbandigen beugenden bzw. ablenkenden optischen Elements für den Kollimator 16 erreicht die Unterdrückung externen Lichtes von Wellenlängen außerhalb deren Bandbreite und von Licht von außeraehsigen Winkeln. In einem System mit einem ebenen Kombinierer (Fig. 2) der achsennah (Winkel Θ) betrieben wird, ist der Einfallswinkel «C , für übertragung bzw. Durchlässigkeit durch den Kombinierer 22 nicht gleich dem Einfallswinkel «C _ für Reflexion. Der Kombinierer 22 kann für hohe Durchlässigkeit von Licht, das mit einem ersten Einfallswinkel «0, ankommt/und für hohe Reflexionsfähigkext von Licht, das unter einem zweiten Einfallswinkel cC^ ankommt, hergestellt werden unter Verwendung üblicher Prinzipien der Beugungsoptik.
Ein weiterer Vorteil ist, daß ein Anzeigen-Auswaschen (washout) durch Überfluten von Sonnenlicht sehr stark verringert ist durch den Reflektor 15 (Fig.1), der
die optischen Achsen des Kombinierers 10 und des Kollimators 16 und der Übertragungsoptik 17 blockiert. Direkter Sonnenlichteinfall auf L, und damit auf die übertragungsoptik wird durch ein Filter 21 verringert, das ein Honigwabenfilter sein kann, das zur Ebene der Übertragungslinse L2 normale bzw. senkrechte Streifen aufweist und das außerhalb des Brennpunkts von der Beobachtungsstelle 11 aus auftritt.
In der Militärluftfahrt enthält ein Flugzeug-Cockpit üblicherweise eine Anzeige für Headdown-Betrachtung, die unter einer Headup-Anzeige angeordnet ist. Die Form irgendeiner solchen Anzeige ist durch den Cockpitraum begrenzt, der verfügbar ist, wobei bei üblicher Luftfahrt die verfügbare Avionik-Information nicht in geeigneter Weise auf herkömmlichen Instrumenten angezeigt werden kann.
Die Erfindung erreicht eine Ausbildung, bei der die räumlichen Einschränkungen bei einem Militär-Cockpit berücksichtigt sind, wobei ein Headup-Anzeigesystem mit weitem Gesichtsfeld bzw. Blickfeld und eine geeignete Headdown-Informationsunterbringung erreicht ist. Ein solches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden erläutert.
Übertragungslinsengruppen L. und L2, der Kollimator 16 und der Kombinierer 10 erzeugen ein Bild der Anzeige 14 an der Beobachtungsstelle 11, das einem externen Gesichtsfeld überlagert ist (Fig. 3). Ein
-Af-
Zwischenbild wird vor einem Reflektor in Form eines ebenen Spiegels 30 erzeugt. Das Bild ist so angeordnet, daß es symmetrisch um eine Mittellinie 31 ist. Es zeigt sich nun, daß ein HUD-System mit weitem Sehfeld, wie das zuvor erläutert worden ist, innerhalb der räumlichen Einschränkungen eines Flugzeug-Cockpits angeordnet werden kann, · wie der Linie der Windschutzscheibe 32 und der Instrumentenabdeckung Eine dritte Einschränkung, die bei Militär-Cockpits einzuhalten ist, ist die Auswurf- bzw. Absprenglinie Der beugende bzw. ablenkende Kollimator 16 ist eine relativ leichtgewichtige Komponente und ist zum Zurückziehen hinter die Auswurf- bzw. Abspre.nglinie im Fall eines Auswerfens bzw. Absprengens verstaubar befestigt. Ein Primärträger (nicht dargestellt) des Kollimators 16 ist nahe dessen Trägheitsmitte angeordnet, um irgendwelche Schwingungen aufs äußerste zu verringern, die mit einer Schwenkachse zum Verstauen übereinstimmt. Andererseits kann der Kollimator im Fall des Auswerfens oder Absprengens zerstörbar sein.
Eine wesentliche Anforderung im praktischen Gebrauch eines Headup-Anzeigesystems ist die Möglichkeit kontinuierlichen AufZeichnens mittels einer Filmoder Fernsehkamera einer Darstellung des außenseitigen Gesichtsfeldes zusammen mit der vollen Anzeige. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfüllt eine Kamera 35 zusammen mit einer Periskopanordnung
diese Anforderung. Eine genaue Anordnung der Kamera und des Periskops ist nicht erforderlich, wobei diese unkomplizierte bzw. einfache Anordnung ein Hauptvorteil gegenüber herkömmlichen Systemen weiten Gesichtsfeldes ist, bei denen die begrenzte Austrittspupille es unmöglich macht, das volle Gesichtsfeld aufzuzeichnen, ohne Zuflucht zu einem getrennten sekundären optischen System zu nehmen, das zur Aufzeichnung bestimmt ist, wodurch sich Zweifel bezüglich der Ausrichtung zu dem ersteren Anzeigesystem ergeben.
Moderne Militärluftfahrzeuge bzv. -flugzeuge enthalten üblicherweise eine andere Anzeige, die unter der Headup-Anzeigesystem-Einrichtung befestigt ist und die mit Kopf nach unten* (Headdovr.) betrachtet wird. Bei der vorliegenden Erfindung wirsS ein Bild einer Anzeige 37 auf einer Kathodenstrahlröhre 30 (CRT) für Headdown-Betrachtung vorgesehen^ Licht von der Anzeige wird zur Betrachung mittels Reflektoren 39 und 40 gerichtet. Ein Zwischenglied 4 3 wird durch Übertragungslinsengruppen 41 gebildetf und das Bild wird teilweise oder vollständig mittels einer Linse 4 gerichtet (kollimiert), wie das an Elch üblich ist. Der Weg des Lichtes von der CRT 38 -tritt zwischen den Elementen L1, L2 der Obertraguncisoptiken hindurch. Ein Absorptionsfilter 46, das vor der Linse 4 2 angeordnet ist, verringert die Wirkung vjn externem einfallenaer. Licht.'
Es zeigt sich,daß sowohl das Headiri- als auch das Headdown-Anzeigesystem , das bisher arläutert worden ist,
in einfacher Weise innerhalb der räumlichen Grenzen 32, 33, 34 angeordnet werden kann. Die optischen Elemente L,, L2, 41, 39, 40, 42 der Anzeigesysteme sind nahejzu einander und können vorteil_haft in einer einzigen Anordnung untergebracht werden als Anzeigeoptik-Paket. Es zeigt sich weiter, daß die Raumnutzung im Vergleich zu:· herkömmlichen Systemen sehr wirkungsvoll ist. Eine weitere Anzeige 44 auf einer Kathodenstrahlröhre 45 (CRT) kann zur Direktbeobachtung von der Beobachtungsstelle 11 vorgesehen sein. Die CRTs 38 und 12 und die zugeordneten Elektronikeinrichtungen können vorteilhaft als demontierbares Paket zur einfachen Wartung ausgebildet sein.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können mehrere Anzeigen auf eine gemeinsame Mittellinie abgebildet werden durch Vorsehen mehrerer getrennter Kathodenstrahlröhren, Übertragungsoptiken und Ablenkspiegel, wobei die Ablenkspiegel jeweils für den Einfall auf einen einzigen Kollimations-Spiegel geneigt sind. Anzeigen in verschiedenen Kanälen können vorteilhaft bei verschiedenen Wellenlängen projiziert werden, um eine Farbdarstellung zu erreichen*
Selbstverständlich sind noch andere Auführungen möglich.

Claims (13)

Ansprüche
1. Anzeigesystem/
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Objekts, einen Kollimator zum Erzeugen eines gerichteten Bildes
des Objekts,
einen Kombinierer zum Erzeugen einer Anzeige des Objekts, die einem externen Gesichtsfeld überlagert ist,über den Kombinierer von einer Beobachtungsstelle und
eine Übertragungsoptik im Weg des Lichtes von dem Objekt und zwischen dem Objekt und dem Kollimator, wobei die Übertragungsoptik beabstandete Elemente aufweist zum Erzeugen einer ersten Sehpupille nahe der Beobachtungsstelle und einer zweiten Sehpupille nahe dem Kombinierer.
2. Anzeigesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumen von erster und zweiter Sehpupille einander überlappen zum Erzeugen eines' Feldes mit binokularem Sehfeld, das sich zum Kombinierer von der Beobachtungsstelle erstreckt.
3. Anzeigesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Licht von dem Objekt durch ein reflektierendes optisches Element abgelenkt wird, das auf einer Seite der Anzeige-Mittellinie angeordnet ist, auf einen
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Kollimator, der auf der anderen Seite der Anzeige-Mittellinie positioniert ist.
4. Anzeigesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende optische Element lichtundurchlässig ist und die optischen Achsen des Kombinierers des Kollimators und der Übertragungsoptik blockiert.
5. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator oder der Kombinierer beugende bzw. ablenkende optische Elemente sind.
6. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß der Kombinierer auf der Achse betreibbar ist und der Kollimator ein beugendes bzw. ablenkendes optisches Element mit schmalbandigem Ansprechverhalten ist.
7. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß der Kombinierer ein beugendes bzw. ablenkendes optisches Element ist, das achsennah betreibbar ist und das für hohe Durchlässigkeit von Licht von einem ersten Einfallswinkel bei hoher Reflexion von Licht von einem zweiten Einfallswinkel angeordnet ist.
8. J.nzeigesystein nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet., daß der Kollimator .achsennah betrie?^en ist.
9. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Headdown-Anzeige mit einem Lichtweg, der zwischen den beabstandeten Elementen der Übertragungsoptik gefaltet bzw. abgelenkt ist.
10. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer Luftfahrzeugausrüstung vorgesehen ist und daß der Lichtweg von ¥-, dem Objekt nach unten in den Luftfahrzeug-Instrumententafel-Raum verlängert ist. %
11. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Kamera mit einem Gesichtsfeld innerhalb der zweiten Sehpupille.
12. Anzeigesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemkomponenten in einem Rahmenwerk einstückigen Aufbaus befestigt sind mit Massen- und Trägheitsmittelpunkten, die so angeordnet sind, daß sie innerhalb des Luftfahrzeug-Instrumententafel-Raums liegen.
13. Luftfahrzeug einschließlich eines Anzeigesystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12. /
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