DE3133148A1 - Anzeigesystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Anzeigesysteme und insbe
sondere Head up-Anzeigesysteme bzw. -anzeigen.
Head up-Anzeigen werden in der Luftfahrt weitgehend
verwendet, wenn der Bedarf besteht, eine Information
einem Besatzungsmitglied darzustellen, ohne Ver
wirrung bzw. Ablenkung von der Bewegung der Sichtlinie
weg von seinem externen Gesichtsfeld bzw. Visier.
Bei herkömmlichen Head up-Anzeigen wird von einer
Anzeige abgegebenes Licht auf einen Kombinierer ge
richtet, der ein geneigtes optisches Element ist
mit der Eigenschaft, daß das Licht an der Kombinierer
fläche reflektiert wird derart, daß es einem externen
Gesichtsfeld über den Kombinierer von der Beobachtungs
stellung eines Besatzungsmitgliedes überlagert erscheint.
Damit das Bild bis zur Unendlichkeit oder einem an
deren vorgegebenen Abstand auftreten kann und damit
bequem beobachtet werden kann, ist in dem Lichtweg
ein einstellendes bzw. richtendes Element vorge
sehen.
Nachteilig besitzt ein derartiges, zum Einbau
in ein Luftfahrzeug vorgesehenes System ernsthafte
Einschränkungen durch die dort auftretenden räumlichen
Begrenzungen. Besonders einschränkend sind die Er
fordernisse im Cockpit eines Militärflugzeugs, bei
dem das zusätzliche Erfordernis von Freiheit hinter
einer Auswerf- oder Absprenglinie, die die Grenze des
Raums im Fall eines Auswerfens bzw. Absprengens
ist, eingehalten werden muß. Der begrenzte Raum ist
für Systemkomponenten verfügbar, was nur sehr schwierig
mit der optischen Geometrie in Einklang bringbar ist,
die für herkömmliche Systeme erforderlich ist. Für
herkömmliche Systeme haben die Erfordernisse des
Einbaus Einschränkungen der Wirkungsweise bzw.
des Wirkungsgrades, die bzw. der erreicht werden kann,
zur Folge.
Ein besonders Problem, das bei Head up-Anzeigen auf
tritt, ist das Auswaschen oder washout des Anzeige
bildes durch Eintritt von Sonnenlicht in die optische
Anordnung. Systeme, die für ein großes Gesichtsfeld
(auch Sehfeld) entwickelt sind, sind insbesondere an
fällig, wodurch der mögliche Wirkungsgrad herkömmlicher
Systeme weiter eingeschränkt wird.
In den letzten Jahren wurde großes Interesse be
züglich der Verwendbarkeit beugender bzw. ablenkender
optischer Elemente in Head up-Anzeigen aufgrund der
niedrigeren Masse, der höheren Durchlässigkeit und der
schmalbändigeren und schmalwinkligeren Ansprech
fähigkeit dieser Elemente über herkömmliche optische
Elemente gezeigt. Nachteilig bleibt der Wirkungsgrad
der solche Elemente enthaltenden Systeme eingeschränkt
aufgrund der erläuterten Einschränkungen bzw.
Grenzen, weshalb keine wesentliche Verbesserung
erreicht werden konnte.
Es ist Aufgabe der Erfindung unter Vermeidung
dieser Nachteile bei Head up-Anzeigen einen größeren
Wirkungsgrad zu erreichen.
Gemäß der Erfindung enthält eine Head up-Anzeige
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Objekts,
einen reflektierenden Kollimator zum Erzeugen eines im wesentlichen gerichteten Bildes des Objektes,
einen Kombinierer zum Erzeugen einer Anzeige des Objekts, das einem Gesichtsfeld überlagert ist, über den Kombinierer, und
einen lichtundurchlässigen Übertragungsspiegel zum Richten von Licht von dem Objekt auf den Kollimator, der so angeordnet ist, daß der Übertragungsspiegel über der Achse des Kollimators liegt.
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Objekts,
einen reflektierenden Kollimator zum Erzeugen eines im wesentlichen gerichteten Bildes des Objektes,
einen Kombinierer zum Erzeugen einer Anzeige des Objekts, das einem Gesichtsfeld überlagert ist, über den Kombinierer, und
einen lichtundurchlässigen Übertragungsspiegel zum Richten von Licht von dem Objekt auf den Kollimator, der so angeordnet ist, daß der Übertragungsspiegel über der Achse des Kollimators liegt.
Ein Anzeigesystem gemäß der Erfindung kann für die
Ausrüstung eines Luftfahrzeugs, für die Beobachtung einer
Objektdarstellung, die einem externen Gesichtsfeld
von dem Luftfahrzeug überlagert ist, vorgesehen sein.
Die Erfindung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß
der Übertragungsspiegel auf einer Seite der Mittellinie
angeordnet ist, um Licht von der Objektanzeige auf
einen Kollimator zu der anderen Seite der Anzeigemittel
linie über den Kombinierer abzulenken. Die Einrichtung
zum Erzeugen des Objekts kann herkömmlich über anderen
Luftfahrzeuginstrumenten angeordnet sein, wobei Licht
von dem Objekt auf den Übertragungsspiegel mittels
eines Faltspiegels gerichtet ist. Ein Merkmal der
Erfindung ist, daß die Anordnung eine Erweiterung des
Lichtweges zu einem Objekt ermöglicht, das innerhalb
eines Fahrzeug-Instrumententafel-Raums angeordnet ist.
Die Einrichtung zum Erzeugen des Objekts kann entfernt von
dem externen Sehfeld innerhalb der Instrumententafel
positioniert sein und kann mit der Erzeugung
von Objekten für andere Luftfahrzeuganzeigen integriert
sein.
Es zeigt sich, daß die Erfindung eine Head up-Anzeige
erreicht, die in bequemer Weise in einem Luftfahrzeug
angeordnet werden kann, ohne ungünstiger Verdunkelung des
externen Gesichtsfeldes und mit verringerter Gefahr
einer Anzeigen-Auswaschung. Insbesondere kann der Kollimator
nahe dem Beobachter befestigt werden und bleibt an dem
Befestigungsrahmen des Anzeigesystems befestigbar.
Vorteilhaft ist der Kollimator über der Luftfahrzeug-
Auswerf- bzw. Absprenglinie befestigt, wobei er
verstaubar oder zerstörbar im Fall eines Auswurfs bzw.
Absprengens ist, und ist nahe dessen Trägheitsmitte getragen.
Vorzugsweise ist das System in einem Rahmen einstückigen
Aufbaus derart befestigt, daß die Trägheitsmitte inner
halb des Luftfahrzeug-Instrumentengehäuses liegt,
was eine verringerte Empfindlichkeit bezüglich
Vibrationen zur Folge hat im Vergleich zu
herkömmlichen Anordnungen, wodurch folglich eine
Verringerung des Gewichts des Befestigungsrahmens
erreichbar ist.
Es zeigt sich, daß der Übertragungsspiegel keine
schädliche Verdunkelung des externen Gesichtsfeldes
zur Folge hat, da er im wesentlichen parallel zur
externen Sichtlinie von der Beobachterstellung aus
angeordnet werden kann. Bei bestimmten Anordnungen
kann ein facettierter Spiegel für minimale Ver
dunkelung oder Unschärfe vorteilhaft sein.
Die Erfindung kann so angeordnet werden, daß optische
Elemente des Kombinierers und Kollimators auf der
Achse oder nahe der Achse arbeiten. Ein wesentliches
Merkmal der Erfindung ist, daß Vorteil aus den
Eigenschaften beugender bzw. ablenkender optischer
Elemente gezogen werden kann, ohne Zuflucht zu
achsenfernen Elementen nehmen zu müssen, die sich
als kostspielig und ungünstig aufgrund von Aberration
und Lichteintrittsproblemen gezeigt haben, die solchen
Vorrichtungen eigen sind. Bei einer Anzeige bzw.
einem Anzeigesystem gemäß der Erfindung kann ein
ebener beugender oder ablenkender Kombinierer vor
teilhaft verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dar
gestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Anzeigesystem gemäß der Erfindung,
die für einen Betrieb auf der Achse vor
gesehen ist,
Fig. 2 ein Anzeigesystem für achsennahen Betrieb,
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel für achsennahen
Betrieb,
Fig. 4 ein Anzeigesystem, das für eine Luftfahr
zeug-Ausrüstung ausgebildet bzw. angeordnet ist.
Wenn Teile der Ausführungsbeispiele gleich sind oder
gleiche Funktion besitzen, sind gleiche Bezugszeichen
verwendet.
Ein Anzeigesystem (Fig. 1) enthält eine Kathoden
strahlröhre 10 (CRT) zum Erzeugen eines Objekts auf
einer lichtemittierenden Fläche 11. Licht von dem Objekt
tritt über einen herkömmlichen Faltspiegel 12 (Ablenk
spiegel) und Übertragungslinsen 14 zu einem Über
tragungsspiegel 15, der Licht von dem Objekt auf einen
reflektierenden Kollimator 16 richtet, der ein
im wesentlichen gerichtetes (kollimiertes) Bild
des Objekts erzeugt, das zum Kombinierer 17 reflektiert
ist zwecks Überlagerung auf ein externes Gesichtsfeld
von der Beobachtungslage 18 längs einer Mittellinie 19.
Der Übertragungsspiegel 15 ist auf einer Seite der
Mittellinie 19 angeordnet und der Kollimator 16 ist
auf der anderen Seite angeordnet, so daß Licht von
dem Übertragungsspiegel 15 durch den Kombinierer 17
tritt, bevor es auf den Kollimator 16 auftrifft.
Der lichtundurchlässige (opake) Übertragungs
spiegel 15 liegt über der Achse 20 des reflektierenden
Kollimators 16. Externes Licht aus der Richtung A
parallel zur Achse 20 wird dadurch daran gehindert,
daß es in das System-Gesichtsfeld über den Kollimator 16
zum Auswaschen der Anzeige eintritt. Es zeigt sich,
daß der opake Spiegel 15 auch Licht aus der Richtung B
blockiert, die parallel zur Achse 20′ ist, die
die Achse 20 des Kollimators 16 ist, die durch den
Spiegel 16 abgelenkt ist derart, daß es nicht in das
System-Gesichtsfeld eintritt, so daß die Anzeige nicht
durch Reflexion von den Flächen der Übertragungslinsen 14,
dem Spiegel 12 oder der CRT-Fläche 11 ausgewaschen
werden kann.
Der Kollimator 16 arbeitet auf der Achse (axial)
und diese Anordnung erreicht maximales vertikales
Gesichtsfeld für eine gegebene Anordnung. Die Verwendung
optischer Elemente auf der Achse erreicht niedrigere
optische Aberration und insbesondere gute Anzeige
gleichförmigkeit mit einem einfachen ebenen Kombinierer.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, die
für achsennahen Betrieb ausgebildet ist, wird mit Bezug
auf Fig. 2 näher erläutert.
Der lichtundurchlässige Übertragungsspiegel 15
liegt über den Achsen 20, 20′, um den Eintritt von
externem Licht aus den Richtungen A und B zu
blockieren, wie das erläutert worden ist. Der Über
tragungsspiegel 15 richtet Licht von dem Objekt,
das aus Vereinfachungsgünden in Fig. 2 nicht darge
stellt ist, zum Kombinierer 16 unter einem Einfall
winkel R. Der Kollimator 16 arbeitet achsennah,
so daß R kleiner als 10° ist. Ein mittiger Strahl 30
von dem Objekt besitzt einen Weg zur Beobachtungs
lage 18 und wird einem externen Sehfeld und längs der
Mittellinie 19 überlagert. Randstrahlen 31 und 32
besitzen Wege zu den Grenzen der Ausgangspupille 35,
was äquivalent dem Bild der Übertragungslinse 14
im Kollimator 16 ist. Wie bei herkömmlichen Head up-An
zeigen ist das volle Feld des Objekt-Sehfeldes von
einer Beobachtungslage 18 sichtbar an jeder Stelle
innerhalb der Austrittspupille.
Es zeigt sich, daß das vorliegende Ausführungs
beispiel Nutzen aus den erwünschten Eigenschaften
beugender bzw. ablenkender optischer Elemente mittels
des ebenen Kombinierers 17 zieht. Die Übertragung über
den Kombinierer 17 tritt bei einem Winkel α 1 auf,
während die Reflexion bei einem Winkel α 2 erfolgt. Da
α 1 ≠ a 2 ist, kann der Kombinierer für gute Übertragungs
charakteristik bei α 1 und gute Reflexionscharakteristik
bei α 2 ausgebildet sein bei der Lichtwellenlänge von
dem Objekt, wodurch das System guten photometrischen
Wirkungsgrad erhält. Externes Licht, das nicht durch
den Übertragungsspiegel 15 blockiert ist, wie aus
Richtungen C und D, wird bei allen Wellenlängen gedämpft
mit Ausnahme derjenigen des Lichts von dem Objekt
aufgrund des schmalbandigen Ansprechverhaltens des
beugenden bzw. ablenkenden Elements 17, wodurch
dessen Wirkung verringert wird. Andererseits kann
Licht aus der Richtung C durch ein lichtundurch
lässiges Schild 37 blockiert werden.
Zusätzlich kann Licht aus der Richtung E nur in
die Austrittspupille 35 im Anschluß an mindestens
drei Reflexionen längs eines Weges wie dem Weg 36
eintreten. Der achsennahe Betrieb bietet daher
eine besonders gute Unterdrückung von externem Licht.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel für achsen
nahen Betrieb ist der Kollimator 16 so angeordnet,
daß er Licht rückwärts zum Kollimator 17 ablenkt
(Fig. 3). Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere
vorteilhaft, wenn Anordnungs- bzw. Unterbringungs
grenzen sehr eng sind, und erreicht maximale
Blockierung von externem Licht mittels des Übertragungs
spiegels 15.
Ein Anzeigesystem gemäß der Erfindung kann vor
teilhaft in einem Luftfahrzeug insbesondere in einem
Flugzeug angeordnet werden. Der Lichtweg 40 (Fig. 4)
zum Übertragungsspiegel 15 kann zu einer Kathoden
strahlröhre 10 (CRT) nach unten erweitert werden, die
innerhalb des Instrumententafel-Raums angeordnet ist
unter einer Instrumentenverkleidung 41, wodurch die
Verdunkelung bzw. das Verundeutlichen oder Unscharf
machen des externen Sehfeldes mittels einer herkömmlichen
Anordnung oberhalb der Verkleidung 41 verhindert wird.
Es zeigt sich, daß Systemkomponenten wirksam in
dem Raum zwischen der Windschutzscheibe 42 und
einer Auswerf- bzw. Absprenglinie 43 angeordnet werden
können.
Die CRT 10, die Übertragungsoptik 14, der Spiegel 15,
der Kombinierer 17 und der Kollimator 16 sind in
einem (nicht dargestellten) Rahmenwerk einstückigen
Aufbaus zum bequemen Anordnen und Positionieren be
festigt. Es zeigt sich, daß eine günstige Gewichts
verteilung die Befestigung des System-Rahmenwerks
nahe dessen Trägheitsmittelpunkt erleichtert, der
nahe dem Schwerpunkt untergebracht werden kann und
innerhalb des Instrumententafel-Raums für starre
Befestigung. Dadurch wird die Empfindlichkeit bezüglich
Vibration und Anfälligkeit sehr stark gegenüber her
kömmlichen Anordnungen verringert, was eine Verringerung
der Masse des Rahmenwerks zur Folge hat. Der Kolli
mator 16 ist verstaubar angeordnet und ist hinter die
Auswerf- bzw. Absprenglinie 43 im Fall des Auswerfens
bzw. Absprengens rückziehbar. Weiter kann eine Instru
mentierung zur headdown-Beobachtung wie eine
Kathodenstrahlröhre 44 (CRT) sehr leicht untergebracht
werden und kann in dem üblichen Rahmenwerk befestigt
werden.
Der Übertragungsspiegel 15 ist zur minimalen Ver
dunkelung bzw. Unschärfe des externen Sehfeldes von der
Beobachtungslage 18 facettiert ausgebildet.
Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen
möglich.
Claims (12)
1. Head up-Anzeige,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Objektes,
einen reflektierenden Kollimator zum Erzeugen eines
im wesentlichen gerichteten Bildes des Objekts,
einen Kombinierer zum Erzeugen einer Anzeige des
Objekts, die einem Gesichtsfeld bzw. einem Visier
über den Kombinierer überlagert ist, und
einen lichtundurchlässigen Übertragungsspiegel zum
Richten von Licht von dem Objekt auf den Kollimator,
der so angeordnet ist, daß der Übertragungsspiegel
über der Achse des Kollimators liegt.
2. Head up-Anzeige nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Übertragungsspiegel auf einer Seite
der Anzeigenmittellinie angeordnet ist, um Licht von
dem Objekt auf den Kollimator über den Kombinierer
zu lenken.
3. Head up-Anzeige nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß sie für Fahrzeugeinbau vorgesehen
ist und daß der Lichtweg zu dem Übertragungsspiegel
sich zu der Einrichtung zum Erzeugen des Objekts er
streckt, die innerhalb des Fahrzeug-Instrumententafel-
Raums angeordnet ist.
4. Head up-Anzeige nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Erzeugen des Objekts, der
Kollimator, der Kombinierer und der Übertragungsspiegel
in einem Rahmen einstückigen Aufbaus angeordnet sind.
5. Head up-Anzeige nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rahmen eine Befestigungseinrichtung für die
Instrumentierung aufweist.
6. Head up-Anzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß sie für Luftfahrzeug-Aus
rüstung vorgesehen ist und daß der Kollimator über der
Luftfahrzeug-Auswerf- bzw. -absprenglinie angeordnet
ist und im Fall eines Auswerfens bzw. Absprengens
verstaubar oder zerstörbar ist.
7. Head up-Anzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsspiegel
facettiert ist.
8. Head up-Anzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator oder der
Kombinierer beugende bzw. ablenkende optische Elemente
sind.
9. Head up-Anzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kombinierer auf der Achse
betreibbar ist und der Kollimator ein ablenkendes bzw.
beugendes optisches Element ist, das schmalhandiges
Ansprechverhalten besitzt.
10. Head up-Anzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
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 Einfalls
winkel und hoher Reflexion von Licht von einem zweiten
Einfallwinkel angeordnet ist.
11. Head up-Anzeige nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kollimator achsennah betreibbar ist.
12. Fahrzeug, das eine Head up-Anzeige nach einem der
Ansprüche 1 bis 11 enthält.
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