DE3133148C2

DE3133148C2 -

Info

Publication number: DE3133148C2
Application number: DE3133148A
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: 1991-12-12
Also published as: IT8149135A0; GB2182159A; US4714320A; IT1209890B; DE3133148A1; IT1209891B; DE3133147A1; FR2625336B1; FR2625336A1; DE3133147C2; IT8149134A0; GB2182159B

Description

Die Erfindung betrifft eine Head-up-Anzeige nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Head-up- Anzeige ist aus der US-PS 38 92 474 bekannt. Head-up-An zeigen werden in der Luftfahrt weitgehend verwendet, wenn der Bedarf besteht, eine Information einem Besatzungsmit glied darzustellen, ohne Verwirrung bzw. Ablenkung von der Bewegung der Sichtlinie weg von seinem externen Gesichts feld bzw. Visier. Bei herkömmlichen Head-up-Anzeigen wird von einer Anzeige abgegebenes Licht auf einen Kombinierer gerichtet, der ein geneigtes optisches Element ist mit der Eigenschaft, daß das Licht an der Kombiniererfläche re flektiert wird derart, daß es einem externen Gesichtsfeld über den Kombinierer von der Beobachtungsstellung eines Besatzungsmitgliedes überlagert erscheint. Damit das Bild bis zur Unendlichkeit oder einem anderen vorgegebenen Ab stand auftreten kann und damit bequem beobachtet werden kann, ist in dem Lichtweg ein einstellendes bzw. richten des Element vorgesehen.

Nachteilig besitzt ein derartiges, zum Einbau in ein Luftfahrzeug vorgesehenes System ernsthafte Einschränkun gen durch die dort auftretenden räumlichen Begrenzungen. Besonders einschränkend sind die Erfordernisse im Cockpit eines Militärflugzeugs, bei dem das zusätzliche Erforder nis von Freiheit hinter einer Auswerf- oder Absprenglinie, die die Grenze des Raums im Fall eines Auswerfens bzw. Ab sprengens ist, eingehalten werden muß. Der begrenzte Raum ist für Systemkomponenten verfügbar, was nur sehr Schwie rig mit der optischen Geometrie in Einklang bringbar ist, die für herkömmliche Systeme erforderlich ist. Für her kömmliche Systeme haben die Erfordernisse des Einbaus Ein schränkungen der Wirkungsweise bzw. des Wirkungsgrades, die bzw. der erreicht werden kann, zur Folge.

Diese aus der US-PS 38 92 474 bekannte Head-up-Anzeige verwendet als Kombinierer halbdurchlässige Spiegel, die unter den angegebenen Einsatzbedingungen etwa 50% des auf sie einfallenden Lichtes reflektieren und 50% transmit tieren.

Die relativ hohe Absorption beim geraden Durchgang durch einen solchen Spiegel zur Überlagerung von mehreren Strahlengängen führt dazu, daß bei geringer Helligkeit der Durchsichtanteil der Head-up-Anzeige nur sehr schwach ge genüber dem überlagerten Anteil erkennbar ist.

Ein besonderes Problem, das bei Head-up-Anzeigen auf tritt, ist das Auswaschen oder washout des Anzeigebildes durch Eintritt von Sonnenlicht in die optische Anordnung. Systeme, die für ein großes Gesichtsfeld (auch Sehfeld) entwickelt sind, sind insbesondere anfällig, wodurch der mögliche Wirkungsgrad herkömmlicher Systeme weiter einge schränkt wird.

In den letzten Jahren wurde großes Interesse bezüg lich der Verwendbarkeit beugender bzw. ablenkender opti scher Elemente in Head-up-Anzeigen aufgrund der niedri geren Masse, der höheren Durchlässigkeit und der schmal bändigeren und schmalwinkligeren Ansprechfähigkeit die ser Elemente über herkömmliche optische Elemente gezeigt.

Nachteilig bleibt der Wirkungsgrad der solche Elemente enthaltenden Systeme eingeschränkt aufgrund der erläu terten Einschränkungen bzw. Grenzen, weshalb keine we sentliche Verbesserung erreicht werden konnte.

Es ist Aufgabe der Erfindung unter Vermeidung dieser Nachteile bei Head-up-Anzeigen einen größeren Wirkungs grad zu erreichen.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

In den Unteransprüchen sind Merkmale bevorzugter Aus führungsformen gekennzeichnet.

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 beugcnder bzw. ablenkender optischer Elemente mittels des ebenen Kombinierers 17 zieht. Die Übertragung über den Kombinierer 17 tritt bei einem Winkel α₁ auf, während die Reflexion bei einem Winkel α₂ erfolgt. Da α₁ α₂ ist, kann der Kombinierer für gute Übertragungs charakteristik bei α₁ und gute Reflexionscharakteristik bei α₂ 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

1. Head-up-Anzeige mit

- einer Sichtanzeigeeinheit,
- einem Umlenkspiegel auf einer Seite des Betrachtungs raumes eines Betrachters
- einem Kollimator auf der dem Umlenkspiegel entgegen gesetzten Seite des Betrachtungsraumes und
- einem Kombinierer, der schräg über den Betrachtungs raum geneigt ist, so daß Licht von der Sichtanzeige durch den Kombinierer durchgelassen wird zum Kollima tor, von wo aus vom Kombinierer weg auf den Betrach ter zu reflektiert wird, um dem Blickfeld des Be trachters ein kollimiertes Bild zu überlagern,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kombinierer (17) ein ebenes lichtbeugendes optisches Element ist.

2. Head-up-Anzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Kollimators (16) mit einem Winkel kleiner als 10° gegenüber der Geraden geneigt ist, die durch den Mittelpunkt des Spiegels (15) und den Mittelpunkt des Kollimators verläuft und daß der Kombinierer (17) das vom Kollimator (16) aus auf ihn einfallende Licht reflektiert und das vom Spiegel (15) auf ihn einfallen de Licht und Licht aus dem Blickfeld des Betrachters transmittiert.

3. Head-up-Anzeige nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatorachse (16) vom Betrachter weg geneigt ist.

4. Head-up-Anzeige nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sichtanzeigeeinheit (11) auf der gleichen Seite wie der Kollimator (16) im Betrachtungsraum angeordnet ist und Licht von der Anzeige durch den Betrachtungsraum zum Spiegel über Übertragungslinsen projiziert wird.