DE395570T1 - Auf einem helm montiertes anzeigegeraet, angeordnet fuer simulatorgebrauch. - Google Patents

Auf einem helm montiertes anzeigegeraet, angeordnet fuer simulatorgebrauch.

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DE395570T1 DE199090630091T DE90630091T DE395570T1 DE 395570 T1 DE395570 T1 DE 395570T1 DE 199090630091 T DE199090630091 T DE 199090630091T DE 90630091 T DE90630091 T DE 90630091T DE 395570 T1 DE395570 T1 DE 395570T1
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Jr. Joseph T. Glastonbury Connecticut 06033 Fournier
Harry R. Southampton Massachusetts 01073 Mckinley
Stephen J. Simsbury Connecticut 06070 Smith
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Anmeldung Nr. 90630091.8-2205/0395570 United Technologies Corp. PATENTANSPRÜCHE:
1. Am Kopf befestigte Anzeigevorrichtung, die ein variables binokulares Sichtfeld mit variabler partieller Überlappung der linken und rechten monokularen Felder bereitstellt, wobei die Vorrichtung hauptsächlich für die Untersuchung von visuellen Anzeigeparametern in einem Flugsimulator oder in einer anderen experimentellen Flugumgebung vorgesehen ist, mit:
einer Helmeinrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie die Befestigung von optischen Komponenten gestattet, und eine Öffnung in der Nähe der Augen des Beobachters hat;
einer Bildquelleneinrichtung, die selbstleuchtend und an der Helmeinrichtung befestigbar ist, um Bilder zu liefern, die Symbole, Text oder szenische Bilder umfassen, welche durch einen Computer erzeugt werden oder aus einem externen Sensor wie einer Fernsehkamera stammen;
einer Optikeinrichtung, die an der Helmeinrichtung befestigbar ist, um ein virtuelles Bild der Bildquelleneinrichtung in einer Brennweite von einem Meter bis unendlich in des Beobachters Sichtfeld darzubieten, wobei die Optikeinrichtung linke und rechte optische Bausteine aufweist, wobei jeder Baustein eine der Bildquelleneinrichtungen aufweist und eine Relaisoptikeinrichtung sowie zwei separate, gegeneinander austauschbare optische Okulareinrichtungen umfaßt, wobei jede Relaisoptikeinrichtung eine Anordnung von optischen Komponenten zum gemeinsamen Gebrauch mit jeder der Okulareinrichtungen umfaßt; und
einer Koppeleinrichtung zum lösbaren Anbringen der Okulareinrichtungen an dem entsprechenden optischen Baustein, wobei die Koppeleinrichtung weiter eine Einrichtung aufweist zum Drehen des Okulars um eine Achse des entsprechenden optischen Bausteins, wodurch die optische Achse des Anzeige-' systems, die in des Beobachters Sichtfeld vorsteht, veranlaßt wird, von der Geradeaussichtlinie des Beobachters ab-
zuweichen, um dadurch dem Sichtfeld des Beobachters ein binokulares Bild mit variabler Winkelausdehnung darzubieten, das teilweise überlappte linke und rechte Bilder umfaßt, wobei das binokulare Bild einen zentralen Teil hat, der jeweils einen Teil der linken und rechten Bildquelleneinrichtungsbilder umfaßt, wobei der zentrale Bildteil beiden Augen gemeinsam dargeboten wird und wobei das binokulare Bild außerdem linke und rechte periphere Bildteile hat, die dem linken bzw. rechten Auge dargeboten werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Relaisoptikeinrichtung ein reelles Zwischenbild der Bildquelleneinrichtung längs des Strahlenganges der Relaisoptikeinrichtung darbietet, wobei das Zwischenbild, das eine Vergrößerung von 0,5 bis 4,0 hat, bei Betrachtung mit den Okulareinrichtungen das virtuelle Bild in des Beobachters vorderem Sichtfeld darbietet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder optische Baustein an der Helmeinrichtung in einer vertikalen Ebene angeordnet ist, die die Geradeaussichtlinie enthält, wobei die Okulareinrichtungen um eine Achse in der Ebene drehbar sind, die zu der Sichtlinie orthogonal ist, wodurch ein horizontales Sichtfeld mit variabler Winkelsehne bereitgestellt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein erster Typ der Okulareinrichtungen katadioptrisch ist, wobei das katadioptrisch^ Okular teilweise reflektierende, teilweise durchlässige optische Komponenteneinrichtungen aufweist, um ein virtuelles Bild der Bildquelleneinrichtungen in des Beobachters Sicht der äußeren Szene zu überlagern, wobei das virtuelle Bild einen Teil des Sichtfeldes des Beobachters einnimmt, der eine Mindestsehne von 10 Grad am Auge des Beobachters hat, wobei das katadioptrische Okular ein Augenrelief von wenigstens 2&Iacgr; Millimeter hat, wodurch das katadioptrische Okular zum Betrachten der relativ hohen Luminanz der Bildquelleneinrichtung optimiert ist, welche des
Beobachters Sicht der äußeren Szene überlagert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die katadioptrische Okulareinrichtung einen teilweise durchlässigen, teilweise reflektierenden ebenen Strahlteiler aufweist, der vor des Beobachters Auge angeordnet ist, und eine zweite, teilweise durchlässige, teilweise reflektierende, gekrümmte optische Einspiegelerkomponente, die vor dem ebenen Strahlteiler längs der Sichtlinie des Beobachters angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Oberfläche des Einspiegeiers, die dem Auge des Beobachters am nächsten ist, mit einem teilweise reflektierenden, teilweise durchlässigen optischen Überzug versehen ist, der ein Reflexionsvermögen in dem Bereich von 20-60 Prozent für sichtbares Licht in dem Wellenlängebereich von 400 - 700 Nanometer hat.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Oberfläche des ebenen Strahlteilers, die von dem Auge des Beobachters am weitesten entfernt ist, mit einem teilweise reflektierenden, teilweise durchlässigen optischen überzug versehen ist, der ein Reflexionsvermögen in dem Bereich von 2 0 - 60 Prozent für sichtbares Licht in dem Wellenlängebereich von 4 00 - 700 Nanometer hat.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine sekundäre Oberfläche jeweils des ebenen Strahlteilers und des Einspiegelers mit einem optischen Antireflexüberzug für sichtbares Licht in dem Wellenlängebereich von 400 - 700 Nanometer versehen ist, wodurch der Antireflexüberzug störende Reflexionen sichtbaren Lichtes in dem Wellenlängebereich von 400 - 700 Nanometer reduziert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Einspiegeier ein leichtes Quarzglasmaterial umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der ebene Strahltei-
, Q39S570
ler ein leichtes Quarzglasmaterial umfaßt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Einspiegeier einen optischen Polycarbonat- oder Acrylkunststoff umfaßt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der ebene Strahlteiler einen optischen Polycarbonat- oder Acrylkunststoff umfaßt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die effektive Brennweite der optischen Komponenten der Relaisoptikeinrichtung zusammen mit den optischen Komponenten des katadioptrischen Okulars in dem Bereich von 15 - 55 Millimeter ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein zweiter Typ der Okulareinrichtung lichtbrechend ist, wobei das lichtbrechende Okular einen totalreflektierenden Planspiegel hat, der vor dem Auge des Beobachters angeordnet ist, und wenigstens eine Linse, die zwischen dem Auge des Beobachters und dem Planspiegel angeordnet ist, wobei der Planspiegel und die Linse so angeordnet sind, daß sie ein virtuelles Bild der Bildquelleneinrichtung in dem Sichtfeld des Beobachters darbieten, wobei das virtuelle Bild einen Teil des Sichtfeldes des Beobachters einnimmt, der eine Mindestsehne von 20 Grad an dem Auge des Beobachters einnimmt, wobei das lichtbrechende Okular ein Augenrelief von wenigstens 24 Millimeter hat, wodurch das lichtbrechende Okular zum Betrachten von Bildern geringer Luminanz optimiert ist, die durch die Bildquelleneinrichtung geliefert werden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die effektive Brennweite der optischen Komponenten der Relaisoptikeinrichtung zusammen mit den optischen Komponenten des lichtbrechenden Okulars in dem Bereich von 15 - 55 Millimeter ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bildquelleneinrichtung eine Miniaturkatodenstrahlröhre aufweist, die
einen aktiven Bilddurchmesser in dem Bereich von 16-25 Millimeter hat.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optischen Komponenten der Relaisoptikeinrichtung aus unterschiedlichen optischen Materialien bestehen, wodurch die unterschiedlichen optischen Materialien chromatische Aberrationen sichtbaren Lichtes kontrollieren.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die unterschiedlichen optischen Materialien Quarzglas und F4-Glas umfassen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die unterschiedlichen optischen Materialien Acryl und Polycarbonat umfassen.
as 5 57 &pgr;
20. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Bildquelleneinrichtung eine Ausgangsbildfläche aufweist, wobei die optischen Komponenten Relaisoptikeinrichtung mehrere Linsen und einen ebenen Umlenkspiegel aufweisen, wobei die optischen Komponenten des katadioptrischen Okulars wenigstens eine Feldlinse aufweisen, wobei die optischen Komponenten des katadioptrischen Okulars zusammen mit der Ausgangsbildfläche und die optischen Komponenten der Relaisoptikeinrichtung folgende vorgeschriebene optische Eigenschaften und folgenden gegenseitigen Abstand zwischen den Komponenten haben:
Komponenten Oberfläche 40. Radius Krüm- Dicke/ (mm) Material typ Nr. 28. (mm) mungs- Dist. 62.600000 20. typ 3.000000 Bildquelle 34 52. 000000 KV 2.731300 LUFT Linse 85 81. 285000 KX 5.500000 F4 Il 86 201. 309000 ■ KV 22.462960 LUFT Linse 87 24. 397000 KX 5.500000 SIO2 Il 88 1253. 200000 KX 5.342720 LUFT Linse 89 46. 985000 KV 4.500000 SIO2 Il 90 30. 617000 KX 1.147060 LUFT Linse 91 98. 000000 KX 3.000000 SIO2 Il 92 — 488000 KX 34.300000 LUFT Linse 93 — 500000 KV 144.000000 F4 Il 94 137. 331000 KX 33.947919 LUFT Spiegel 95 — — 35.087919 LUFT Strahlteiler 100 — — 3.000000 LUFT Einspiegeier 101 —_ 360000 KV 51.420000 LUFT Strahlteiler 100 — __ ACRYL 102 — LUFT 103 ——
21. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Bildquelleneinrichtung eine Ausgangsbildfläche aufweist, wobei die optischen Komponenten Relaisoptikeinrichtung mehrere Linsen und einen ebenen Umlenkspiegel aufweisen, wobei die optischen Komponenten des lichtbrechenden Okulars wenigstens eine Okularlinse aufweisen, wobei die optischen Komponenten des lichtbrechenden Okulars zusammen mit der Ausgangsbildfläche und die optischen Komponenten der Relaisoptikeinrichtung folgende vorgeschriebene optische Eigenschaften und folgenden gegenseitigen Abstand zwischen den Komponenten haben:
Komponenten Oberfläche Radius (mm) Krüm Dicke/ Material typ Nr. mung s- Dist. 40.000000 typ (mm) Bildquelle 84 28.285000 ' KV 61.863200 LUFT Linse 85 20.309000 KX 3.000000 F4 Il 86 52.397000 KV 1.792300 LUFT Linse 87 81.200000 KX 6.000000 SIO2 Il 88 201.985000 KX 21.905600 LUFT Linse 89 24.617000 KV 5.500000 SIO2 Il 90 1253.000000 KX 5.209200 LUFT Linse 91 46.488000 KX 4.500000 SIO2 Il 92 30.500000 KX 1.147060 LUFT Linse 93 98.331000 KV 3.000000 F4 Il 94 — KX 34.300000 LUFT Spiegel 95 58.105000 — 112.929245 LUFT Linse 112 89.283000 KX 7.000000 ACRYL Il 113 — . KX 25.070755 LUFT Spiegel 114 — — 20.500000 LUFT Linse 115 83.478000 — 4.000000 ACRYL It 116 39.515000 KX 0.500000 LUFT Linse 117 — KX 4.500000 ACRYL Il 118 25.000000 LUFT 103 _—
22.Am Kopf befestigte Anzeigevorrichtung, die ein variables binokulares Sichtfeld mit variabler partieller Überlappung der linken und rechten monokularen Felder liefert, wobei die Vorrichtung hauptsächlich zur Untersuchung von visuellen Anzeigeparametern in einem Flugsimulator oder einer anderen experimentellen Flugumgebung vorgesehen ist, mit:
einer Helmeinrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie die Befestigung von optischen Komponenten gestattet, und eine Öffnung in der Nähe der Augen des Beobachters hat;
einer Bildquelleneinrichtung, die selbstleuchtend und an der Helmeinrichtung befestigbar ist, um Bilder zu liefern, die Symbole, Text oder graphische Bilder umfassen, welche durch einen Computer erzeugt werden oder aus einem externen Sensor wie einer Fernsehkamera stammen;
einer Optikeinrichtung, die an der Helmeinrichtung befestigbar ist, um ein virtuelles Bild der Bildquelleneinrichtung in einer Brennweite von einem Meter bis unendlich in dem Sichtfeld des Beobachters darzubieten, wobei die Optikeinrichtung linke und rechte Relaisoptikbausteine aufweist, wobei jeder Baustein eine Koppeloptikeinrichtung aufweist, eine gemeinsame Relaisoptikeinrichtung und optische Okulareinrichtungen;
einer Sichtobjektiveinrichtung, die linke und rechte Sichtoptikbausteine aufweist, die jeweils an dem entsprechenden Relaisoptikbaustein befestigbar sind, um ein Bild eines Teils der externen Szene zu liefern, die jenseits der Sichtoptikeinrichtung angeordnet ist;
einer ersten Koppeleinrichtung zum lösbaren Anbringen der Okulareinrichtung an dem entsprechenden Relaisoptikbaustein, wobei die Koppeleinrichtung eine Einrichtung umfaßt zum Drehen der angebrachten Okulareinrichtung um eine Achse des Relaisoptikbausteins, wodurch die optische Achse des Anzeigesystems, die in das Sichtfeld des Beobachters vorsteht, veranlaßt wird, von der Geradeaussichtlinie des Beobachters abzuweichen, um dadurch dem Beobachter ein binokulares Bild mit variabler Winkelausdehnung darzubieten, das teilweise überlappte linke und rechte Bilder umfaßt;
einer zweiten Koppeleinrichtung zum lösbaren Anbringen jeder Sichtoptikeinrichtung an der entsprechenden Optikeinrichtung, wobei die Koppeleinrichtung eine Einrichtung aufweist zum Drehen der angebrachten Sichtoptikeinrichtung um eine Achse, die zu der Drehachse der Okulareinrichtung parallel ist, wodurch die Drehung der Sichtoptikeinrichtung linke und rechte Bilder der externen Szene in dem Sichtfeld des Beobachters darbietet, wobei die linken und rechten Bilder der externen Szene beide sowohl einen gemeinsamen Bildteil in der Sicht von beiden Sichtobjektiveinrichtungen als auch separate linke und rechte periphere Bildteile, die in der Sicht der linken bzw. rechten Sichtobjektiveinrichtung sind, umfassen, wobei der Beobachter weiter die entsprechende Okulareinrichtung aufgrund der Drehung der Sichtobjektiveinrichtung um ein entsprechendes Ausmaß dreht und wobei die Drehung der Okulareinrichtung und die Drehung der Sichtobjektiveinrichtung das gesamte Sichtfeld und entsprechend den Grad der binokularen Überlappung der Bilder der externen Szene, die den Augen des Beobachters dargeboten werden, verändert.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Sichtobjektiveinrichtung aufweist:
eine Objektivlinseneinrichtung zum Liefern eines Bildes eines Teils der externen Szene, der jenseits der Sichtobjektivlinseneinrichtung angeordnet ist;
eine optische Invertereinrichtung, die eine Ausgangsbildfläche hat, zum Drehen des Bildes der externen Szene um 180 Grad und zum Liefern des gedrehten Bildes auf der Ausgangsbildfläche;
eine optische Reflexionseinrichtung zum Leiten des gedrehten Bildes zu der entsprechenden gemeinsamen Relaisoptikeinrichtung; und
eine optische Strahlteilereinrichtung, die in dem Strahlengang der gemeinsamen Relaisoptikeinrichtung angeordnet ist, zum gleichzeitigen Reflektieren der Lichtstrahlen, die das gedrehte Bild angeben, in den Strahlengang der gemeinsamen
Relaisoptikeinrichtung und zum Übertragen der Lichtstrahlen aus der Bildquelleneinrichtung längs des Strahlenganges der gemeinsamen Relaisoptikeinrichtung.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die optische Reflexionseinrichtung einen Spiegel umfaßt.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die optische Reflexionseinrichtung ein Prisma umfaßt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die optische Invertereinrichtung einen Lichtleitfaserinverter umfaßt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die gemeinsame Relaisoptikeinrichtung ein reelles Zwischenbild der Bildquelleneinrichtung längs des Strahlenganges der gemeinsamen Relaisoptikeinrichtung darbietet, wobei das Zwischenbild, das eine Vergrößerung von 0,5 bis 4,0 hat, bei Betrachtung mit der Okulareinrichtung das virtuelle Bild in dem vorderen Sichtfeld des Beobachters darbietet.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei jeder Relaisoptikbaustein an der Helmeinrichtung in einer vertikalen Ebene angeordnet ist, die die Geradeaussichtlinie enthält, wobei die Okulareinrichtung um eine Achse in der Ebene drehbar ist, die zu der Sichtlinie orthogonal ist, wodurch ein horizontales Sichtfeld mit variabler Winkelsehne geliefert wird.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Okulareinrichtung lichtbrechend ist, wobei das lichtbrechende Okular einen totalreflektierenden Planspiegel hat, der vor dem Auge des Beobachters angeordnet ist, und wenigstens eine Linse, die zwischen dem Auge des Beobachters und dem Planspiegel angeordnet ist, wobei der Planspiegel und die Linse so angeordnet sind, daß sie ein virtuelles Bild des reellen Zwischenbildes in dem Sichtfeld des Beobachters darbieten, wobei das virtuelle Bild einen Teil des Sichtfeldes des Be-
obachters einnimmt, der eine Mindestsehne von 20 Grad an dem Auge des Beobachters hat, wobei das lichtbrechende Okular ein Augenrelief von wenigstens 24 Millimeter hat, wodurch das lichtbrechende Okular zum Betrachten der relativ geringen Luminanz des Bildes der externen Szene optimiert ist, welches dem Bild der Bildquelleneinrichtung überlagert ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die effektive Brennweite der optischen Komponenten der Relaisoptikeinrichtung zusammen mit den optischen Komponenten des lichtbrechenden Okulars in dem Bereich von 15 - 55 Millimeter ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Bildquelleneinrichtung eine Miniaturkatodenstrahlröhre umfaßt, die einen aktiven Bilddurchmesser in dem Bereich von 16 - 25 Millimeter hat.
32. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die optischen Komponenten der Relaisoptikeinrichtung aus unterschiedlichen optischen Materialien bestehen, wodurch die unterschiedlichen optischen Materialien chromatische Aberrationen sichtbaren Lichtes kontrollieren.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei die unterschiedlichen optischen Materialien Quarzglas und F4-Glas umfassen.
34. Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei die unterschiedlichen optischen Materialien Acryl und Polycarbonat umfassen.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei die Bildquelleneinrichtung eine Ausgangsbildfläche aufweist, wobei die optischen Komponenten der gemeinsamen Relaisoptikeinrichtung mehrere Linsen und einen ebenen Umlenkspiegel aufweisen, wobei die optischen Komponenten des lichtbrechenden Okulars wenigstens eine Okularlinse aufweisen, wobei die optischen Komponenten des lichtbrechenden Okulars zusammen mit der Ausgangsbildfläche, der Sichtobjektiveinrichtung und den optischen Komponenten der gemeinsamen Relaisoptikeinrichtung folgende vorgeschriebene optische Eigenschaften und folgenden gegenseitigen Abstand zwischen den Komponenten haben:
Komponenten Oberfläche 30. Radius Krüm 4. Dicke/ Material typ Nr. (mm) 12. Dist. mungs 12. (mm) Bildfläche 256 619700 typ 26. ,000000 LUFT Prisma 302 — KV 15. ,000000 ACRYL Il 303 28. — — 3, .000000 ACRYL Il 304 40. — — 61, .650000 LUFT Strahlteiler 301 — — 1 .150000 LUFT Linse 85 285000 — 15 .000000 F4 Bildquelle 84 28. 000000 KX 3 .863200 LUFT Strahlteiler 300 20. — ' ■ KV 1 .000000 SIO2 Il 301 52. — — 6 .150000 LUFT Linse 85 81. 285000 — 21 .000000 F4 Il 86 201. 309000 KX ' 5 .792300 LUFT Linse 87 24. 397000 KV 5 .000000 SIO2 Il 88 1253. 200000 KX 4 .905600 LUFT Linse 89 46. 985000 KX . 1 .500000 SIO2 Il 90 30. 617000 KV 3 .209200 LUFT Linse 91 98. 000000 KX 34 .500000 SIO2 Il 92 — 488000 KX 112 .147060 LUFT Linse 93 58. 500000 KX 7 .000000 F4 Il 94 89. 331000 KV 25 .300000 LUFT Spiegel 95 — KX 20 .929245 LUFT Linse 112 —— 105000 — 4 .000000 ACRYL Il 113 83. 283000 KX 0 .070755 LUFT Spiegel 114 39. KX '4 .500000 LUFT Linse 115 — — 25 .000000 ACRYL Il 116 —— 478000 — __ .500000 LUFT Linse 117 515000 KX .500000 ACRYL Il 118 KX .000000 LUFT 103
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