DE3345486A1

DE3345486A1 - Display-geraet

Info

Publication number: DE3345486A1
Application number: DE19833345486
Authority: DE
Inventors: Alan Polton Midlothian Boot
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1982-12-17
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1984-06-20
Also published as: GB2132376B; IT1169384B; GB2132376A; IT8349524A0; US4647142A

Description

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Bridge House, Park Road

Gatley, Cheadle,.Cheshirej England

Display-Gerät

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Display-Gerät (head-up display), insbesondere ein solches Gerät, das ein erweitertes momentanes Beobachtungsfeld hat.

Display-Geräte (head-up displays) dieser Art sind bekannt und sie werden verwendet, um es einem Beobachter zu ermöglichen, eine Szene voraus von ihm zu beobachten, während gleichzeitig ein separat erzeugtes Bild beobachtet werden kann. Gewöhnlich ist der Beobachter der Pilot eines Flugzeuges und das Display zeigt bestimmte Parameter, die sich auf den Flug des Flugzeuges beziehen. In der Praxis wird das Display kombiniert mit der Szene durch Verwendung eines Kombinators in Form einer teilweise reflektierenden Fläche, auf welche das Display mittels einer Kollimator-Linse projiziert wird. Das momentane Beobachtungsfeld ist eine Funktion sowohl des Durchmessers der KoIlimatorlinse und ihres Abstandes vom Auge des Beobachters. Einer Steigerung des momentanen Beobachtungsfeldes durch Erhöhen des Durchmessers der Kollimatorlinse oder Verkürzen des Abstandes vom Auge zur Linse stehen jedoch praktische Grenzen entgegen, weshalb andere Methoden gesucht wurden, um dies zu erreichen. Insbesondere wurden Anstrengungen unternommen,'um eine Ausdehnung in der Höhenrichtung zu erreichen. Der Begriff "Höhe" muß hier mit Bezug auf die Lage des Flugzeuges oder Piloten definiert werden, und nicht mit Bezug auf externe Achsen. Eine Technik zur Schaffung eines erweiterten Beobachtungsfeldes benutzt einen zweiten Kombinator, der parallel zum ersten verläuft, in Höhenrichtung jedoch versetzt zu diesem angeordnet ist. Bei dieser Anordnung sind die teilreflektierenden Schichten abgestuft, um eine subjektiv gleichmäßige übertragungs- und Reflexions-Charakteristik zu bewirken bei Beobachtung mit normaler Augen-Position. Hierdurch wird die gewünschte Ausdehnung des momentanen Beobachtungsfeldes erreicht, die Methode ist jedoch mit Nachteilen verbunden, da drei potentielle Quellen vorhanden sind, die das Beobachtungsfeld abschatten oder schattieren können. Der untere Rand des oberen Kombinators oder eine Reflexion von diesem über den unteren und den oberen Kombinator kann scharfe Linien oder Schatten hervorrufen, die

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quer über das Beobachtungsfeld auftreten. Ferner, wenn das Auge des Beobachters über oder unter der normalen Beobachtungsposition sich befindet, tritt ein Band von entweder niedriger oder höherer übertragung (transmission) auf, wo die Überlappung der abgestuften Schicht des Kombinators nicht langer optimiert ist. Jedes dieser Merkmale kann in extremen Fällen zu Irreführungen mit oder bezüglich des Horizontes führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Display-Gerät zu schaffen, bei dem das momentane Beobachtungsfeld unter Vermeidung der obigen Probleme ausgedehnt werden kann.

Nach der Erfindung wird dies bei einem Display-Gerät (head-up display) mit erweitertem momentanen Beobachtungsfeld in einer Richtung senkrecht zu einer Sichtlinie durch das Bild oder Display in Hbhenrichtung dadurch erreicht, daß ein Kombinator vorgesehen ist, durch den eine Szene von einem Beobachter beobachtet werden kann, eine Bildeinheit mit einem Bildschirm, von welchem Licht vorgegebener Wellenlänge mittels einer KoIlimatorlinse auf den Kombinator gerichtet und kombiniert mit der Szene zum Beobachter reflektiert wird, wobei der Kombinator ein holographisches optisches Dickphasen-Element aufweist, das sich erstreckt zwischen den Grenzen des gewählten momentanen Beobachtungsfeldes in der Höhenrichtung und ein holographisches Streifenmuster in Form von parallelen Streifen aufweist, von denen sich jeder senkrecht zu der Höhenrichtung erstreckt und die senkrecht zu der Ebene ausgerichtet sind, welche den Schnittwinkel am Kombinator halbiert, der zwischen dieser Sichtlinie und der optischen Achse gebildet wird, die zwischen dem Kombinator und der KoIlimatorlinse verläuft.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch ein konventionelles Gerät (head-up display) zeigt.

Fig. 2 zeigt das Beobachtungsfeld des Gerätes nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch das Display-Gerät nach der Erfindung und

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Fig. 4 zeigt das Beobachtungsfeld des Gerätes nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt ein konventionelles Gerät mit zwei Kombinatoren, das daher als Doppelkombinator-Display bekanntgeworden ist. Die Zeichnung zeigt die Grenzen des momentanen Beobachtungsfeldes in Höhenrichtung durch eine strichpunktierte Linie an.

Die Zeichnung zeigt ferner das Auge 10 des Beobachters, der allgemein längs einer Sichtlinie 11 durch einen ersten Kombinator 12 sieht. Eine Bildschirmfläche, wie z.B. der Bildschirm 13 einer Kathodenstrahlröhre 14, erzeugt ein Bild, das von einem Spiegel 15 längs der optischen Achse 16 einer Kollimatorlinse 17 reflektiert wird. Die optische Achse 16 und die Sichtlinie 11 treffen sich am Kombinator 12 und das Licht vom Bildschirm 13 wird in Richtung zum Beobachter 10 als parallel gerichtetes Licht reflektiert, weil Licht von anderen Punkten als der Mitte des Bildschirms 13 unter verschiedenen Winkeln relativ zur Sichtlinie wahrgenommen wird. Der Bildschirm und die äußere Szene sind in Kombination sichtbar durch ein"Auge"18, welches das Bild der Kollimatorlinse im Kombinator ist, womit des Beobachters momentanes Beobachtungsfeld durch dieses Auge oder diese 'Öffnung 18 definiert ist.

Eine zweite Kombinatorplatte 19 ist oberhalb und hinter der Kombinatorplatte angeordnet und liefert ein zweites "Auge" 20, das sich mit dem ersten überlappt, aber sich oberhalb von diesem erstreckt. Fig. 2 zeigt für jedes Auge des Beobachters die vier überlappenden "Augen" oder Bildöffnungen 21, die in irgendeiner Kopf-Position gesehen werden. Der Beobachter kann seinen Kopf bewegen und diese vier "Augen" oder Bildöffnungen bewegen sich ebenfalls entgegengesetzt bezüglich des Kollimator-Bildes und der Szene. Das gesamte Beobachtungsfeld 23 ist der Winkel bereich, über welchen der Beobachter bei richtiger Ausrichtung bzw. Fluchtung von Kopf und ßildöffnung in der Lage ist, die gesamte BiIdschirmflache 13 zu sehen, die der äußeren Szene überlagert ist.

Die Kombinatorplatten 12 und 19 sind beschichtet und die Schichten sind abgestuft, wo sich die Beobachtungsfelder überlappen, aber es ist für den Beobachter

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trotzdem möglich, daß er über oder unter der normalen Kopfposition einen dunklen oder einen hellen Schatten über seinem Beobachtungsfeld sieht, wo sich die abgestuften Schichten nicht mehr treffen (match), ferner eine Linie, wo der Boden der oberen Platte endet, entweder direkt oder als Doppel reflexion in beiden Kombinatoren, oder beides. Dies kann zu ernsten Problemen führen. Ferner ist der Aufbau, um die beiden Kombinatorplatten abzustützen und die Platten selbst, notwendigerweise massig und aufwendig. Die beiden Kombinatorplatten sind dargestellt unter einem Neigungswinkel von 45 zur Sichtlinie, aber dieser Winkel hängt von der physischen Anordnung der Komponenten ab und kann variieren, wenn die optische Achse der KoIlimatorlinse geneigt ist oder wird zur Anpassung an irgendeine besondere Anordnung oder Ausführung.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung, die die obigen Probleme vermeidet. Die beiden Kombinatorplatten 12 und 19 der Ausführung nach Fig. 1 sind ersetzt durch eine einzige Platte 31, die mit einem holographischen optischen dickphasigen Element versehen ist. Dieses Element ist in einem Winkel zur Sichtlinie 11 geneigt, derart, daß das Element sich über das gesamte Beobachtungsfeld des Beobachters erstreckt. Die ursprünglichen Platten 12 und 19 des Doppelplatten-Konminators von Fig. 1 sind in gestrichelten Linien dargestellt und man erkennt, daß das holographische Element 31 sich erstreckt von der Position, die die untere Grenze der Platte eingenommen hat, bis zu der oberen Grenze der Platte 19.

Ein dickphasiges holographisches Element ist ein Element, das viele optische Wellenlängen dick ist und mit Linien oder Streifen versehen ist in der Form von Variationen des Brechungsindexes. Es hat auch die Eigenschaft,rzur Reflexion durch konstruktive Interferenz sämtliches Licht, das von irgendeinem Streifen reflektiert worden ist und auch das, das von sukzessiven Streifen reflektiert worden ist, in Phase sein muß. Eine Folge hiervon ist, daß das Element nur eine besondere Wellenlänge in einer besonderen Richtung reflektiert. Die Wellenlänge wird so gewählt, daß sie diejenige des Lichtes ist, die von dem Bildschirm emittiert wird, d.h. dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 14. Bei Licht, das durch das Element von der äußeren Szene her hindurchtritt, fehlt diese besondere Wellenlänge in seinem Spektrum.

Es ist erforderlich, daß, wie in Fig. 3 gezeigt, die Streifen 32 parallel zueinander liegen und senkrecht zur nominalen Höhenrichtung verlaufen. Sie sind ferner geneigt zur Oberfläche des holographischen Elementes in solcher Weise, daß sie in Ebenen parallel zu den ursprünglichen separaten Kombinatorplatten und 19 liegen. Dies bedeutet, daß die Streifen senkrecht zu der Ebene liegen, welche den Schnittwinkel an der Kombinatorplatte halbiert, der gebildet wird zwischen der Sichtlinie 11 und der optischen Achse 16 der Kollimatorlinse 17. Wie oben erwähnt, kann dieser Winkel variieren, da die körperliche Anordnung der Komponenten des Gerätes variiert werden kann und er liegt gewöhnlich im Bereich von 60-120°.

Die Wirkung der Verwendung des einzigen holographischen Elementes besteht darin, ein einziges Auge oder eine Bildöffnung 33 zu bilden, die zur Sichtlinie 11 geneigt ist. Wie Fig. 4 zeigt, ist daher das momentane Beobachtungsfeld für jedes Auge in Höhenrichtung langgestreckt und etwas verjüngt. Die frühere Einschnürung bei dem bekannten System mit Doppelkonibinatorplatten, welches das momentane Beobachtungsfeld beschränkt hat, d.h. die Verengung oder Einschnürung zwischen den beiden sich überlappenden Bildöffnungen in Fig. 2, fällt bei der erfindungsgemäßen Lösung weg. Der Abstand zwischen den beiden Kombinatoren kann daher beim Aufbau des äquivalenten einzigen holographischen Kombinatorelementes ausgedehnt oder zusammengedrückt werden, womit die gewünschte vertikale Erweiterung des Beobachtungsfeldes erreicht wird.

Es ist nicht erforderlich, die Optimierung, die Konstruktion oder Herstellung des holographischen optischen Elementes, das hier verwendet wird, zu erläutern, da diese Aspekte bekannt sind.

Es ist einfach, bei den bekannten Geräten die Kombinatorplatten durch ein holographisches Element, wie hier beschrieben, zu ersetzen, wodurch ein erweitertes Beobachtungsfeld in Höhenrichtung erzielt wird, ohne irgendwelche si chtbaren Diskontinuitäts-Prob!eme.

Der optische Wirkungsgrad bzw. die optische Leistungsfähigkeit des holographischen

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Elementes ist wesentlich höher als die einer konventionellen Kombinatorplatte, Bis zu 90% des Lichtes von dem Schirm der Kathodenstrahlröhre wird zum Beobachter hin reflektiert, verglichen mit etwa 25% beim konventionellen Kombinator. Ferner überträgt das holographische Element bis zu 80% Licht von anderen Wellenlängen, d.h. etwas mehr als die konventionellen Kombinatorplatten.

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Claims

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Patentansprüche

Display-Gerät mit einem erweiterten momentanen Beobachtungsfeld in einer Richtung senkrecht zu einer Sichtlinie durch das Gerät in der Höhenrichtung, gekennzeichnet durch einen Kombinator (31), durch den eine Szene von einem Beobachter (10) beobachtbar ist, ein Bildgerät mit einem Bildschirm (13), von welchem Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge über eine Kollimatorlinse (17) auf den Kombinator (31) gerichtet wird zur Reflexion in Richtung zum Beobachter (10), kombiniert mit dieser Szene, daß ferner der Kombinator (31) aus einem holographischen optischen Dickphasen-Element besteht, das sich zwischen den Grenzen des gewählten momentanen Beobachtungsfeldes in der Höhenrichtung erstreckt und das mit einem holographischen Streifenmuster (32) versehen ist, das in Form paralleler Streifen ausgebildet ist, die senkrecht zur Höhenrichtung verlaufen und quer zu der Ebene ausgerichtet sind, die den Schnittwinkel am Kombinator(31) halbiert, der zwischen der Sichtlinie (11) und der optischen Achse (16) gebildet ist, die sich zwischen dem Kombinator (31) und der Kollimatorlinse (17) erstreckt.

Display-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildschirm (13) der Schirm einer Kathodenstrahlröhre (14) ist.

Display-Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Linien oder Streifen (32) im Kombinator (31) so gewählt ist, daß nur Licht dieser vorgegebenen Wellenlänge reflektiert wird, während Licht anderer Wellenlängen durch den Kombinator (31) übertragen wird.

Display-Gerät nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittwinkel zwischen der Sichtlinie (11) und der optischen Achse (16) der Kollimatorlinse (17) im Bereich von 60-120° liegt.