DE3878581T2

DE3878581T2 - Holographisches head-up-display zur anbringung auf einem helm.

Info

Publication number: DE3878581T2
Application number: DE8888400917T
Authority: DE
Inventors: Francoise Cheysson; Jean-Blaise Migozzi
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2008-04-16
Also published as: FR2614434A1; US4874214A; FR2614434B1; DE3878581D1; EP0288365A1; EP0288365B1; CA1297711C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen holographischen Durchsicht-Sucher, der eine Lenk-Visiervorrichtung bilden kann, die nach Art eines Head-up-Displays an einem Helm anbringbar ist. Die Visiervorrichtung kann einem Piloten ein ins Unendliche gerichtetes Bild anbieten, das der Ansicht der äußeren Landschaft überlagert ist. Dieses leuchtende Bild kann wahlweise eine Lenkinformation, ein Visierfadenkreuz oder ein künstlich erzeugtes Bild sein, das von einem Generator oder einem eingebauten Fühler, beispielsweise einem Infrarotfühler, kommt.
Allgemein wird das zu kollimierende Leuchtbild zunächst auf dem Schirm einer Katodenstrahlröhre oder einer Flüssigkristallmatrix erzeugt, worauf es dann von einer herkömmlichen ersten Optik, einer sogenannte Relaisoptik, erfaßt wird, die daraus ein Zwischenbild erzeugt. Das Zwischenbild wird mit Hilfe eines teilweise reflektierenden Optiksystems kollimiert, das aus einer ebenen Platte und einer auf der Achse verwendeten sphärischen Platte zusammengesetzt ist. Diese zwei Platten sind so behandelt, daß sie die von dem Schirm kommenden Strahlen teilweise reflektieren und diejenigen Strahlen, die von der Landschaft kommen, teilweise durchlassen. Daraus resultiert ein Informationsverlust auf diesen beiden Wegen, nämlich dem der Abbildungsvorrichtung und dem der Sicht auf die Landschaft. Außerdem sind die angewendeten Verarbeitungsvorgänge so, daß Störbilder, beispielsweise Reflexionen an der vorderen Fläche der ebenen Platte, auftreten und den Beobachter stören können. Übrigens haben diese Visier-Vorrichtungen ein begrenztes optisches Feld, und sie sind zu sperrig, um an einem Helm angebracht zu werden.
Bei Anwendung leistungsfähigerer Techniken erfolgt eine Anbringung neben der Achse, und holographische Bearbeitungen der Platten ermöglichen es, die Kollimierung mit einem verbesserten photometrischen Wirkungsgrad durch Beugung sowie eine verbesserte Übertragung des Wegs der Landschaft zu erreichen. Solche Lösungen sind in der Zeitschrift DISPLAYS vom April 1983 in dem Aufsatz von J.R. BANBURY mit dem Titel "Wide field of view head-up-displays" beschrieben, wobei insbesondere auf die Lösung von Fig. 8C, Seite 85, verwiesen ist, die einen Head-up-Aufbau zeigt, der mit einem Faltspiegel und einer Relaisoptik versehen ist, deren Abmessungen mit der Ausrüstung vereinbar sind, weil das Auge des Beobachters genügend weit entfernt von der Kombinations- und Kollimationsanordnung liegt, die von der ebenen Platte und der sphärischen Platte gebildet wird. Die Beobachtungspupille liegt bei einem solchen System in der Nähe der Mitte des sphärischen Spiegels. Die Relaisoptik dient dazu, das Zwischenbild zu erzeugen und die Aberrationen der holographischen Platten zu korrigieren. Wegen der Position der Pupille (in der Mitte des sphärischen Spiegels) kann dieses System nicht vollständig für die Antireflexionsbearbeitungen an der ebenen Platte optimiert werden. Es weist somit starke Störbilder auf. Außerdem ist die Anwendung einer Relaisoptik nachteilig bezüglich des Gewichts und des Platzbedarfs der Visiervorrichtung.
Das Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteilen abzuhelfen, indem ein holographischer Durchsicht-Sucher des oben angegebenen Typs mit großem Feld ohne Wiederaufnahmeoptik geschaffen wird, der an einem Helm befestigt werden kann und eine sehr gute photometrische Bilanz mit minimiertem Störbildgrad bietet. Sein geringer Platzbedarf erleichtert dabei das Anbringen an einem Helm oder in einer Kabine.
Dies wird erhalten, indem ein holographischer Durchsicht- Sucher geschaffen wird, wie er im Anspruch 1 definiert ist. Dieser Sucher gleicht der Head-up-Vorrichtung, die in dem Dokument EP-A-9332 beschrieben ist, mit der Maßgabe, daß in den zwei Fällen ein Bildgenerator ein Bild an eine Optikbaugruppe zum Kollimieren und zum Kombinieren liefert, in der eine ebene Platte und eine sphärische Platte, die jeweils ein Hologramm aufweisen, enthalten sind, wobei die ebene Platte zwischen der sphärischen Platte und der Beboachtungsposition angeordnet ist. In dem betrachteten Dokument kommt jedoch der Bildkanal direkt am Bildgenerator auf der sphärischen Platte an und erzeugt dadurch eine Maske für die Betrachtung der Landschaft durch den Beobachter, der sich auf der anderen Seite der ebenen und sphärischen Platten bezüglich des Bildgenerators befindet; eine derartige Maske ist kein Nachteil, wenn der Sucher in einem Cockpit angebracht ist, jedoch kann sie bei einem Sucher nicht toleriert werden, der an einem Helm befestigt ist. Dieser Nachteil wird beim erfindungsgemäßen Sucher dadurch beseitigt, daß der Bildgenerator bezüglich der ebenen und sphärischen Platten auf andere Weise positioniert wird.
Es sei außerdem bemerkt, daß für die folgende Beschreibung Hologramme durch digitale Berechnung unter Verwendung eines Rechners erzeugt werden und daß ein solches Verfahren beispielsweise aus den Seiten 146-159 der zweiten Auflage eines Buchs von P. HARIHARAN mit dem Titel "Optical Holograms", das bei Calmbridge University Presse am 13. Mai 1986 erschienen ist, bekannt ist. Außerdem ist bei der zu beschreibenden Ausführung das Verfahren zum Reduzieren der Aberrationen, das darin besteht, eine sphärische Platte zu verwenden, ein bekanntes Verfahren, wie es beispielsweise aus den Zeilen 57-62, Spalte 2 und den Zeilen 48-54, Spalte 3 des Dokuments US-A-3 940 204 hervorgeht.
Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung erscheinen in der als Beispiel gegebenen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die folgendes zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schema eines Durchsicht-Suchers nach der Erfindung;
Fig. 2 ein Schema einer Ausführungsform der optischen Kollimator- und Kombinationsbaugruppe;
Fig. 2A ein detailliertes Schema der holographischen ebenen Platte von Fig. 2;
Fig. 3 ein Schema zur Veranschaulichung der optischen Kollimationsbahn;
Fig. 4 ein Schema einer Anwendung des an einem Helm angebrachten Suchers.
Mit Bezugnahme auf Fig. 1 ist der Sucher von einem Leuchtbildgenerator gebildet, der vereinfacht durch seinen Schirm 1 dargestellt ist. Dieser Generator wird meistens mit Hilfe einer Katodenstrahlröhre oder einer Flüssigkristallmatrix gebildet, und der Schirm, auf dem das zu kollimierende Leuchtbild erzeugt wird, ist allgemein eben, wie dargestellt ist.
Der Schirm 1 ist im Brennpunkt eines holographischen Spiegels 3 angeordnet, der auf einem sphärischen Träger gebildet ist und außerhalb der Achse benutzt wird. Das Leuchtbild wird mit Hilfe einer einen Rückübertragungsspiegel bildenden ebenen holographischen Platte 2 auf diesen Spiegel zurückübertragen. Diese Kollimationsanordnung ist dazu bestimmt, ausgehend von jedem Punkt M des Leuchtbildes für das dargestellte Feldstrahlenbündel gemäß der Darstellung ein Ausgangsstrahlenbündel aus parallelen Strahlen zu erzeugen, die durch eine Beobachtungspupille P1 laufen, die sich in einem Abstand SP vom Scheitelpunkt des sphärischen Spiegels 3 befindet, der im wesentlichen gleich dessen Brennweite, d.h. gleich R/2 ist, wobei R der Krümmungsradius dieses Spiegels ist. Der Punkt C repräsentiert den Krümmungsmittelpunkt, die Achse Z1 repräsentiert die Mittelachse dieses Spiegels, die Achse Z0 repräsentiert die Rückübertragungsrichtung entsprechend der normalen Sichtrichtung des Beobachters, und der Winkel θ zwischen diesen zwei Achsen repräsentiert die Winkelabweichung von der Anwendungsachse. Die Pupille P1 hat den Durchmesser Φ1.
Der optische Kollimationsweg ist in Fig. 3 für drei Punkte M1, M2, M3 des Leuchtbildes genauer dargestellt, wobei M1 den Mittelpunkt auf der Achse und M2, M3 Extrempunkte darstellen. Es ist zu erkennen, daß die kollimierten Strahlenbündel in der Pupillenzone P1 konvergieren. Die Bahn weist am Anfang eine Reflexion an dem ersten Hologramm H1 auf, das von der ebenen Platte 2 getragen wird. Die Strahlung wird durch Beugung gegen den sphärischen Spiegel 3 geschickt, wo ein zweites Hologramm H2 die Kollimation erzeugt. Die kollimierten Strahlen repräsentieren dabei einen Einfall, als ob sie das Hologramm H1 durchlaufen, ohne gebeugt zu werden. Die von außen kommende Strahlung durchläuft nacheinander die Hologramme H2 und H1, die von den Platten 2 und 3 getragen werden. Die Pupille P1 oder der Kasten mit Auge repräsentiert die Zone, in der sich das Auge befinden kann; ihr Durchmesser kann beispielsweise in der Größenordnung von 15 mm liegen.
Die außerachsige Anwendung des Hologramms H2 auf dem sphärischen Träger 3 ergibt eine Änderung des Einfalls auf der ebenen Platte 2 für die Strahlen vor und nach der Reflexion am Hologramm H2. Dies ermöglicht die Verwendung der ebenen Platte 2 mit dem Hologramm H1 in der Weise, daß die Leuchtstrahlen selektiv in Abhängigkeit von ihrem Einfall reflektiert werden. Die ebene Platte 2 reflektiert quasi vollständig die vom Schirm 1 abgegebene Strahlung und läßt sie quasi vollständig nach der Reflexion durch das Hologramm H2 durch. Die außerachsige Anordnung ermöglicht die winkelmäßige Trennung der zu reflektierenden Strahlen von den zu übertragenden Strahlen. Die ebene holographische Platte 2 ermöglicht einen hohen photometrischen Gewinn für die Übertragung auf den Kanal des Bildgenerators. Dieser Gewinn wird durch die Anwendung des Hologramms H2 auf dem sphärischen Träger 3 noch verstärkt, das auch die Erzielung von Wirkungsgraden von 100% bezüglich der Reflexion auf dem Kanal des Bildgenerators ermöglicht. Insgesamt ermöglicht die Verwendung der zwei Hologramme H1 und H2 die Übertragung von nahezu 100% auf dem Landschaftskanal für das gesamte Spektrum mit Ausnahme der Wellenlänge (oder des schmalen Bandes), bei der die Hologramme reflektierend wirksam sind und die dem Sendeband des Bildgenerators 1 entspricht, und auch in der Größenordnung von 100% auf dem Kanal des Bildgenerators für die Wellenlänge (oder das schmale Spektrum der Wellenlänge), die entsprechend der von diesem Bildgenerator ausgesendeten Strahlung ausgewählt ist.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der optischen Baugruppe zur Kombination und Kollimation, d.h. der Elemente 2 und 3 in einer detaillierteren Darstellung. Jedes dieser Elemente zerfällt in ein Hologramm H1 bzw. H2, das sandwichartig zwischen zwei transparenten Platten, beispielsweise aus Glas, eingefügt ist. Das Hologramm H1 liegt zwischen den ebenen Platten 21 und 22, und das Hologramm H2 liegt zwischen den die gleiche Krümmung aufweisenden sphärischen Platten 31 und 32.
Die sich auf eine vergrößerte Einzelheit der Platte 2 beziehende Fig. 2A zeigt eine Besonderheit des Aufbaus, die es ermöglicht, den photometrischen Gewinn durch Reduktion der Störbildrate zu erhöhen. Die Platte 22 ist die Trägerplatte des Hologramms H1, und die Platte 21 bildet eine Einbettungs platte. Letztere ist sehr dünn gewählt, beispielsweise mit einer Dicke von ein zehntel Millimeter, damit die durch Reflexion am Hologramm H1 gebeugte Nutzstrahlung RU sehr nahe bei der Störstrahlung RP liegt, die von der Vorderfläche der Einbettungsplatte 21 zurückgeschickt wird. Für den Fall einer herkömmlichen, teilweise transparenten Platte wird die Nutzstrahlung RU von der Vorderf läche reflektiert, und die Störstrahlung RP wird durch Reflexion an der nicht bearbeiteten Hinterfläche der ebenen Platte erzeugt. Diese Strahlung RP ist dabei von der Hauptstrahlung RU ziemlich getrennt, um so mehr, je dicker die ebene Platte ist. Wenn mit K der Reflexionsfaktor der bearbeiteten Fläche bezeichnet wird, kann außerdem gezeigt werden, daß die Störbildrate T im wesentlichen gleich 1,6 K für eine ebene bearbeitete Platte und gleich K für den Fall der holographischen Platte 2 ist. Es wird dadurch ein Faktor 1,6 an Störlicht gewonnen, was für diese Sucher sehr viel ist.
Da das Auge im wesentlichen in der Brennebene des Hologramms H2 liegt, sind die Einfälle der Strahlen, die von der ebenen Platte reflektiert werden sollen, voneinander wenig verschieden. Die vom Bildgenerator 1 ausgesendeten Strahlen müssen in kollimierter Form auf der Pupille P1 des Auges ankommen. Diese Pupille hat eine kleine Abmessung Φ1 bezüglich der Gesamtabmessungen der Anordnung und befindet sich im Bildbrennpunkt des Hologramms H2, was bedeutet, daß die Strahlen nahezu parallel am Hologramm H2 und somit auch am Hologramm H1 der Platte 2 ankommen müssen. Dies ermöglicht die Verwirklichung einer Antireflexionsbearbeitung mit sehr guter Qualität an der Einbettungsplatte 21 der Platte 2. Auf diese Weise kann die sich aus der besonderen Lage der Pupille P1 ergebende Störbildrate durch diese Antireflexionsbearbeitung weiter herabgesetzt werden.
Die Verwendung der gekrümmten holographischen Platte 3 ermöglicht die Korrektur der Aberrationen des Systems bei der holographischen Reflexion. Zur Erzielung dieses Resultats wird ein Hologramm H2 verwendet, das mit zwei komplexen Wellen aufgezeichnet worden ist, von denen wenigstens eine mittels eines digitalen Hologramms erzeugt worden ist. Letztere wird zuvor mittels eines Rechners berechnet und dann in der Speicherbank integriert.
Das Prinzip der digitalen Holographie besteht darin, daß ein mathematischer Ausdruck mit variablen Koeffizienten oder Parametern zur Verfügung steht, um eine optische Formel zu repräsentieren. Abhängig von der Wahl der Parameter werden die von dieser optischen Formel ausgedrückten Aberrationen berechnet. Anschließend werden die Parameterwerte und in der Folge die optische Formel so modifiziert, daß die Aberrationen durch Verformungen der Wellenfront vermindert werden. Auf diese Weise wird mit Hilfe der digitalen Berechnungen nach und nach eine optimierte optische Formel mit minimierten oder sehr geringen Aberrationen erhalten. Diese Berechnungen werden unter Berücksichtigung des gesamten Nutzfeldes durchgeführt, das für das System gewünscht wird, und sie ermöglichen schließlich, eine holographische Optik 3 zu definieren, die es ermöglicht, eine Relaisoptik zur Wiederaufnahme des Bildes wegzulassen. Die angewendete digitale Holographie ermöglicht die Vergrößerung des Feldes, der Auflösung und die Reduzierung des Platzbedarfs.
Ferner sei auch das Interesse der außerachsigen Anwendung unter dem Gesichtspunkt der Ergonomie angemerkt. Die Neigung der ebenen Platte 2 bezüglich der Achse ZO kann nämlich zunehmen und größer als der Wert von 45º sein, der allgemein bei den herkömmlichen Lösungen mit teilweise transparent gemachten Platten angewendet wird. Die vorgeschlagene Struktur ist somit weniger agressiv und kann leichter in einen Helm eingebaut werden.
Für eine weitere beabsichtigte Anwendung wie ein Head-up- Display für Hubschrauber kann die Neigung der ebenen Platte von 450 beibehalten werden, was ermöglicht, den Schirm 1 nach hinten zu schieben und das Feld des Systems zu vergrößern, ohne daß die Röhre auf die Glasdachkonstruktion des Cockpits trifft.
Als Ausführungsbeispiel können die angegebenen Winkel folgende Werte haben: Außerachswinkel Θ in der Größenorndung von 15º; Neigungswinkel der Platte 2 auf der Achse ZO entsprechend der normalen Sichtrichtung in der Größenordnung von 70º; Winkel zwischen der Achse Z1 und der Platte 2 etwa 55º; Radius R von 160 mm. Das Auswertungsfeld der kollimierten Sicht ist kreisförmig und kann mehr als 40º im Kreis erreichen.
Der beschriebene holographische Durchsicht-Sucher hat somit mehrere Nachteile wie den sehr großen photometrischen Wirkungsgrad, die reduzierte Störbildrate, das vergrößerte Feld und die vergrößerte Auflösung, den reduzierten Platzbedarf durch Weglassen der Wiederaufnahmeoptik, die verbesserte Ergonomie wegen der höheren Neigung der ebenen Platte.
Ein Anwendungsbeispiel ist in Fig. 4 für die Anbringung an einem Helm angegeben, wobei von einer Flüssigkristallmatrix 1 Gebrauch gemacht wird, die mittels einer (nicht dargestellten, außerhalb des Helms oder vom Helm getragenen) Lichtquelle beleuchtet wird. Ein Faserbündel 11 überträgt die Lichtstrahlung von der Quelle zur Rückseite der Matrix nach einer Reflexion an einem reflektierenden Spiegel 10.
Diese Anordnung kann auf eine Hubschrauberkabine übertragen werden, wobei gegebenenfalls zur Vereinfachung des Einbaus eines Bildgebers mit großem Platzbedarf eine größere Neigung der ebenen Platte 2 angewendet wird.

Claims

1. Holographischer Durchsicht-Sucher mit einer mittleren Achse (MSP) der Feldmitte, mit einem Generator (1) für ein zu kollimierendes Leuchtbild, einer Optikbaugruppe (2, 3) zum Kollimieren und Kombinieren, die eine ein Hologramm (H1) tragende ebene Platte (2) und eine ein Hologramm (H2) tragende sphärische Platte (3) enthält, um das der Landschaft überlagerte kollimierte Bild zu sehen, wobei die ebene Platte zwischen der sphärischen Platte und der Beobachtungsposition (P) angeordnet ist und die sphärische Platte eine zentrale Achse (Z1) aufweist, die um einen Winkel außerhalb der mittleren Achse (MSP) versetzt ist und ihr Hologramm (H2) aufweist, das das Bild im Unendlichen kollimiert, wobei die Strahlung des Landschaftskanals direkt auf der sphärischen Platte (3) der optischen Baugruppe (2, 3) ankommt, damit sie von der sphärischen Platte und dann von der ebenen Platte zur Beobachtungsposition übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem beabsichtigten Anwendungsfeld die Beobachtungspupille (P1) in einem Abstand vom Scheitelpunkt (S) des die sphärische Platte bildenden sphärischen Spiegels liegt, der angenähert gleich der Brennweite (R/2) des sphärischen Spiegels ist, und daß die Strahlung des Bildkanals in der optischen Baugruppe (2, 3) direkt auf der ebenen Platte (2) ankommt, damit sie durch die ebene Platte und dann durch die sphärische Platte reflektiert und durch die ebene Platte zur Beobachtungsposition übertragen wird.

2. Holographischer Durchsicht-Sucher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die holographische ebene Platte (2) ein Hologramm (H1) zwischen einer Trägerplatte (22) und einer Einschließungsplatte (21) enthält, wobei letztere bezüglich der räumlichen Auflösung des Generators eine geringe Dicke hat, damit vor dieser Einschließungsplatte eine Störreflexion erhalten wird, die sehr nahe der durch das Hologramm (H1) gebeugten Nutzstrahlung (RU) liegt.

3. Holographischer Durchsicht-Sucher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sphärische holographische Spiegel (3) einen Krümmungsradius (R) in der Größenordnung von 160 mm hat und die Kollimation in einer Pupillenzone (P1) mit einem Durchmesser von etwa 15 mm erzeugt.

4. Holographischer Durchsicht-Sucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsabweichung des sphärischen Spiegels bei etwa 15º liegt.

5. Holographischer Durchsicht-Sucher nach Anspruch 3 oder den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertungsfeld, das der Sicht des kollimierten Bildes entspricht, kreisförmig ist und etwa ±20º beträgt.