DE3133147C2

DE3133147C2 -

Info

Publication number: DE3133147C2
Application number: DE3133147A
Authority: DE
Inventors: John Randolph Fleet Hampshire Gb Banbury
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1980-08-21
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1992-07-30
Also published as: IT1209891B; US4714320A; DE3133148A1; GB2182159B; IT8149135A0; IT8149134A0; GB2182159A; FR2625336A1; FR2625336B1; DE3133147A1; DE3133148C2; IT1209890B

Description

Die Erfindung betrifft eine Blickfeldanzeigeanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung ist aus der US-PS 38 92 474 bekannt.

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 Ge sichtsfeld, das erreicht werden kann, begrenzt ist.

Bei herkömmlichen HUD-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 rich tendes (kollimierendes) optisches Element in dem Lichtweg enthalten. Das momentane Gesichtsfeld eines herkömmlichen Headup-Anzeigesystems, d. h. das Winkelfeld der überlager ten 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 Kombinierer begrenzt, was als System-Durchlaß öffnung oder -bullauge bezeichnet ist. Das binokulare Sehfeld ist das Feld, das simultan durch zwei Augen ge sehen werden kann, und ist auf den schmalen Bereich der Überlappung der Durchlaßöffnungen für jedes Auge begrenzt.

Zur Überwindung der obigen Einschränkungen werden Kombi nierer mit optischer Leistung in Form von Spiegeln ver wendet, die außerhalb von Achsen verwendet werden. Zur Erleichterung der Anordnung in einem Luftfahrzeug wird bei einem solchen System ein Zwischenbild, das durch eine Übertragumgslinse gebildet wird, kollimiert bzw. gerichtet und mit dem außenseitigen Gesichtsfeld kombiniert. Das Gesichtsfeld ist wie zuvor durch die Abmessungen des kombi nierenden Elements begrenzt, wobei zusätzlich der Durch messer der Übertragungslinse, der nahe dem Beobachter ahgebildet wird, eine Austrittspupille entstehen läßt, durch die das kombinierte Bild beobachtet werden kann. Das volle Gesichtsfeld, das einer Seite des Kombinierers gegenüberliegt, kann durch jedes Auge gesehen werden oder von beidem Augen, wenn sie innerhalb des Volumens der Austrittspupille angeordmet sind. Nachteilig sind Ab errationen in solchen Systemen, die für ein breites Ge sichtsfeld angeordnet sind, sehr ernsthaft bzw. wesent lich. Die Verwendung einer Übertragungslinse ermöglicht eine gewisse Korrigierbarkeit, jedoch muß selbst bei kompli zierten Mehrelement-Übertragungsoptiken eine deutliche Aberration und eine Binokularstreuung bzw. -unvereinbarkeit toleriert werden, wenn die Vorteile eines breiten Gesichts feldes 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 posi tioniert gehalten werden kann, da es notwendigerweise eine ungünstige Lage über der Luftfahrzeug-Instrumenten tafel erfordert.

Seit einigen Jahren wird sehr viel Interesse bezüglich der Möglichkeit der Verwendung von streuenden bzw. ab lenkenden optischen Elementen bei Headup-Anzeigesystemen gezeigt. Solche Elemente können nützliche Vorteile auf grund ihrer niedrigeren Masse, ihrer hohen Durchlässigkeit, ihrer Schmalbandigkeit umd 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 grund sätzlichen Aberrationen des außerachsigen Spiegelsystems, wie das erläutert worden ist, bei dem beugende Kombinierer bisher verwendet worden sind, haben auch das Erreichen idealer Genauigkeitspegel umd binokularer Streuungem bzw. Ungenauigkeiten bei der breiten Gesichtsfeld-Headup- Anzeige verhindert mit adäquater großer Austrittspupille, um ausreichende Freiheit für die Kopfbewegung des Beobach ters 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 erfor derlich ist, mit den räumlichen Einschränkungen, die in Kraftfahrzeugen auftreten, unvereinbar.

Die US-PS 38 92 474 beschreibt eine Blickfeldanzeigean ordnung mit einer Sichtanzeigeeinheit, einem auf einer Seite bezüglich des Blickfeldes eines Betrachters liegen den Umlenkspiegel, einer auf der gegenüberliegenden Seite bezüglich des Blickfeldes liegenden Sammellinse, einem schräg über das Blickfeld verlaufenden Kombinierer, der Licht von der Sichtanzeigeeinheit nach der Umlenkung durch den Umlenkspiegel auf den Kombinierer in das Blickfeld des Betrachters lenkt, um dort ein Bild der Sichtanzeige der Außensicht des Betrachters zu überlagern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes Anzeigesystem mit integrierter Monitorsichtanzeige großen Gesichtsfeldes anzugeben.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Unteransprüche sind auf Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfin dung gerichtet.

Die Volumem von erster und zweiter Austrittspupille sind vorteilhaft so angeordnet, daß sie sich überlappen zur Erzeugung eines binokularen Sehfeldes, das sich zum Kombi nierer von der Beobachtungsstelle erstreckt. Es zeigt sich, daß diese Anordnung ein Anzeigesystem erreicht, bei dem Bewegungen des Beobachters um die Beobachtungs stelle 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-Mittel linie von dem Beobachter zum Kombinierer positioniert ist, zu einem Kollimator, der auf der anderen Seite der Anzeige-Mittellinie positioniert ist. Die optischen Ele mente werden vorteilhaft auf der Achse oder achsennah verwendet und der Kombinierer ist vorzugsweise eben, um ein maximales Gesichtsfeld in Elevation und eine symmetri sche Verteilung von Aberrationen um die Anzeige-Mittellinie zu erreichen.

Ein Headup-Anzeigesystem gemäß der Erfindung kann vor teilhaft im 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 Kathodenstrahl röhre, 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 beab standeten 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 Auf zeichnung der Anzeige zusammen mit dem externen Ge sichtsfeld 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 Über tragungsoptik 17 ein, die so angeordnet ist, daß sie ein reelles Bild 18 der Anzeige vor einem Reflektor 15 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 Übertragungsoptik 17 beabstandete Elemente. Zur Verdeutlichung sind diese als erste Übertragungslinse L₁ und als zweite Über tragungslinse L₂ dargestellt, obwohl diese Über tragungslinsen selbst Mehrfachelement-Linsengruppen gemäß üblicher Prinzipien sein können. Die erste Übertragungslinse L₁ wird im Kollimator 16 an oder nahe der Beobachtungsstelle abgebildet, wodurch eine erste Austrittspupille P₁ entsteht. Ein binokulares Sehen wird erreicht, wenn beide Augen des Beobachters innerhalb der Austrittspupille P₁ sind. Die zweite Übertragungslinse L₂ wird ebenfalls durch die Linsen gruppe L₁ und den Kollimator 16 abgebildet, wodurch eine zweite Pupille P₂ entsteht, die aufgrund der Vergrößerung durch die Linse L₁ nahe dem Kombinierer 10 positioniert sein kann. Das Vorliegen der weiter vorn liegenden zweiten Austrittspupille P₂ erweitert das Feld des binokularen Sehens, so daß ein Mino kulares 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 Austrittspupille P₁ in das Überlappungsvolumen des Volumens V₁ der ersten Austrittspupille und des Volumens V₂ der zweiten Austrittspupille.

Es zeigt sich nun, daß die Erfindung zur Anordnung innerhalb der Raumgrenzen eines Luftfahrzeugs ausge bildet 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 kost spielige 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 Unter drückung externen Lichtes von Wellenlängen außerhalb deren Bandbreite und von Licht von außerachsigen Winkeln. In einem System mit einem ebenen Kombinierer 22 (Fig. 2) der achsennah (Winkel R) betrieben wird, ist der Einfallswinkel α₁ für Übertragung bzw. Durchlässigkeit durch den Kombinierer 22 nicht gleich dem Einfallswinkel α₂ für Reflexion. Der Kombinierer 22 kann für hohe Durchlässigkeit von Licht, das mit einem ersten Einfallswinkel α₁ ankommt, und für hohe Reflexionsfähigkeit von Licht, das unter einem zweiten Einfallswinkel α₂ ankommt, hergestellt werden unter Verwendung üblicher Prinzipien der Beugungsoptik.

Ein weiterer Vorteil ist, daß ein Anzeigen-Aus waschen (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 L₁ 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-Anzeige system mit weitem Gesichtsfeld bzw. Blickfeld und eine geeignete Headdown-Informationsunterbringung erreicht ist. Ein solches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden erläutert.

Übertragungslinsengruppen L₁ und L₂, der Kolli mator 16 und der Kombinierer 10 erzeugen ein Bild der Anzeige 14 an der Beobachtungsstelle 11, das einem externen Gesichtsfeld überlagert ist (Fig. 3). Ein Zwischenbild wird vor einem Reflektor in Form eines ebenen Spiegels 30 erzeugt. Das Bild ist so ange ordnet, 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 Wind schutzscheibe 32 und der Instrumentenabdeckung 33. Eine dritte Einschränkung, die bei Militär-Cockpits einzuhalten ist, ist die Auswurf- bzw. Absprenglinie 34. Der beugende bzw. ablenkende Kollimator 16 ist eine relativ leichtgewichtige Komponente und ist zum Zurückziehen hinter die Auswurf- bzw. Absprenglinie 34 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 Film- oder Fernsehkamera einer Darstellung des außensei tigen Gesichtsfeldes zusammen mit der vollen Anzeige. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfüllt eine Kamera 35 zusammen mit einer Periskopanordnung 36 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 bzw. -flugzeuge enthalten üblicherweise eine andere Anzeige, die unter der Headup-Anzeigesystem-Einrichtung befestigt ist und die mit "Kopf nach unten" (Headdown) betrachtet wird. Bei der vorliegenden Erfindung wird 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 43 wird durch Übertragungslinsengruppen 41 gebildet, und das Bild wird teilweise oder vollständig mittels einer Linse 42 gerichtet (kollimiert), wie das an sich üblich ist. Der Weg des Lichtes von der CRT 38 tritt zwischen den Elementen L₁, L₂ der Übertragungsoptiken hindurch. Ein Absorptionsfilter 46, das vor der Linse 42 ange ordnet ist, verringert die Wirkung von externem einfallendem Licht.

Es zeigt sich, daß sowohl das Headup- als auch das Headdown-Anzeigesystem das bisher erläutert worden ist, in einfacher Weise innerhalb der räumlichen Grenzen 32, 33, 34 angeordnet werden kann. Die optischen Elemente L₁, L₂, 41, 39, 40, 42 der Anzeigesysteme sind nahe zu einander und können vorteilhaft in einer einzigen Anordnung untergebracht werden als Anzeige optik-Paket. Es zeigt sich weiter, daß die Raumnutzung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen sehr wirkungsvoll ist. Eine weitere Anzeige 44 auf einer Kathoden strahlröhre 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 Mittel linie 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

1. Blickfeldanzeigeanordnung mit

- einer Sichtanzeigeeinheit (12),
- einem auf einer Seite bezüglich des Blickfeldes eines Betrachters liegenden Umlenkspiegel (15),
- einer auf der gegenüberliegenden Seite bezüglich des Blickfeldes liegenden Sammellinse,
- einem schräg über das Blickfeld verlaufenden Kombinie rer (10), der Licht von der Sichtanzeigeeinheit nach der Umlenkung durch den Umlenkspiegel (15) auf den Kombinierer (10) in das Blickfeld des Betrachters (11) lenkt, um dort ein Bild der Sichtanzeige (14) der Außensicht des Betrachters zu überlagern,

dadurch gekennzeichnet, daß

- in der Nähe des Umlenkspiegels (15) ein reelles Bild (18) der Sichtanzeige (14) gebildet wird durch eine zwei Gruppen axial voneinander getrennt angeordneter optischer Elemente (L₁, L₂) enthaltende Linseneinheit (17), und durch
- eine Monitoranordnung mit einer Monitor-Anzeigeeinheit (37), einer Einheit (41) zur Erzeugung eines reellen Bildes (43) der Monitoranzeige (37) und eine Sammel linse (42) zur Bildung einer Abbildung der Monitor anzeige (37) am Ort des Betrachters (11), wobei sich die optischen Achsen der Blickfeldbetrachtungsanordnung und der Monitoranordnung zwischen den beiden Gruppen optischer Elemente (L₁, L₂) schneiden.

2. Blickfeldanzeigeanordnung dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kombinierer (10) aus einem ebenen optisch brechen den Element besteht.

3. Blickfeldanzeigeanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch erste (39) und zweite (40) Reflektoren, die das Licht der Monitorsichtanzeige von der Einheit (41) zur Er zeugung eines reellen Bildes der Monitor-Sammellinse (42) zuführen, wobei die Einheit zur Erzeugung eines reellen Bildes (41) und der erste Reflektor (39) auf einer Seite der Sammellinseneinheit (17) und der zweite Reflektor (40) und die Monitorsammellinse (42) auf der anderen Seite der Sammellinseneinheit (17) ange ordnet sind.

4. Blickfeldanzeigeanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das reelle Bild (43) der Monitoranzeige (37) zwischen den zwei Gruppen optischer Elemente (L₁ und L₂) gebildet wird.