DE4339354A1

DE4339354A1 - Optisches System

Info

Publication number: DE4339354A1
Application number: DE19934339354
Authority: DE
Inventors: Abraham Reichert
Original assignee: ELECTRO OPTICS IND Ltd
Current assignee: ELECTRO OPTICS IND Ltd
Priority date: 1992-11-26
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1994-06-01
Also published as: GB2272980B; GB2272980A; FR2698454B1; IL103900A; FR2698454A1; GB9324292D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für die Überlagerung von sichtbaren Informationsdaten, Darstellungen, Ansichten o. dgl. mit einer Hintergrundansicht, die von einem Beobachter betrachtet wird. Das System der Erfindung hat eine weite Anwendbarkeit. Es kann z. B. in der Industrie verwendet werden, beispielsweise dort, wo ein Techniker ein Werkstück in spiziert, indem er gewisse elektrische Kontakte herstellt, und gleichzeitig Daten von einem Meßinstrument in seinem Sichtfeld wahrnimmt.

Das erfindungsgemäße optische System kann z. B. auch von Fahrern verwendet werden, die ein offenes Gesichtsfeld der Straße und der vor ihnen liegenden Landschaft haben, während einer solchen Ansicht kritische Parameter und Warnsignale überlagert werden.

Das optische System der Erfindung kann weiterhin beispielsweise von Piloten verwendet werden, um die Szenerie, die Landschaft, die Flugumgebung o. dgl. zu beurteilen und zu überblicken, wäh rend der Pilot mit den erforderlichen Daten von einem oder meh reren Instrumenten versorgt wird. Wie schon diese wenigen Bei spiele erkennen lassen, liegen darüberhinaus viele weitere und andere Anwendungen im Bereich der vorliegenden Erfindung.

Zunächst sei der Hintergrund der vorliegenden Erfindung kurz erläutert:
Es gibt eine Verschiedenheit an optischen Instrumenten für die Überlagerung von Daten mit einem gegebenen Hintergrund. Gene rell sind diese optischen Instrumente Headup-Display-Einrich tungen, insbesondere sogenannte projizierte Frontscheibenanzei geeinrichtungen, welche eine gleichzeitige Betrachtung der Au ßenwelt und die Überlagerung von Daten, die für den Betrachter wichtig sind, ermöglichen.

Unter Instrumenten dieser Art seien insbesondere Headup-Dis plays erwähnt, die von Piloten und Fahrern verwendet werden.

Die Charakteristika und Eigenschaften eines solchen Displays werden durch eine Anzahl von Erfordernissen diktiert, wie ins besondere: Augenrelief, Augenkreis- bzw. Ausgangspupillendurch messer, Gesichtsfeld der Symbole, Gewicht der Einheit, und als eines der wichtigsten Erfordernisse ein ungeschmälertes und un beeinträchtigtes Gesichtfeld der Außenwelt bzw. des Äußeren. Ein solches System umfaßt im wesentlichen einen Kollimator mit einem weiten Gesichtsfeld und Augenrelief, das größer als die Brennweite des Systems ist. Solche Systeme sind Teil von Head up-Displays (HUDs) und beispielsweise in Flugsimulatoren vorge sehen. Verschiedene Patentschriften beziehen sich auf unter schiedliche Ausführungsformen solcher Einrichtungen, wie die britischen Patentschriften 1 139 269 und 2 108 702 sowie die US-Patentschrift 4 269 476. Jedoch liefert keines der besagten Systeme ein zufriedenstellendes optisches System der eingangs genannten Art, das beispielsweise auch ein an einem Helm anzu bringendes Display (ein sogenanntes HMD nach dem englischen Ausdruck "Helmet Mounted Display") sein kann, welches optische System optimale Lösungen betreffend die oben angegebenen Erfor dernisse liefert.

Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes System dieser Art zur Verfügung.

Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es insbesondere, die oben aufgezeigten Nachteile zu überwinden und ein System der ein gangs genannten Art, insbesondere des optischen Ein-Achsen- Typs, zur Verfügung zu stellen, welches auf einem integralen optischen Teil basiert, worin die zu einer Kollimation führende Komponente ein sphärischer Spiegel ist, der längs der optischen Achse angeordnet ist. Aufgabe der Erfindung ist es im besonde ren, es dem Betrachter zu ermöglichen, ein weites Gesichtsfeld von Symbolen bei minimaler Sichtstörung, Sichtsperrung und/oder Sichtbehinderung der bzw. zur Außenwelt oder zum Äußeren und bei großem Augenrelief zu erkennen (unter "Augenrelief" wird hier der Abstand zwischen der letzten optischen Oberfläche des Systems und dem Auge des Betrachters verstanden).

Die Hauptkomponente des erfindungsgemäßen Systems ist ein blockförmiges Teil, das aus transparentem Material (z. B. Glas, Acrylharz o. dgl.) in einem Paar oder Doppelstück oder einer Doppellinse hergestellt ist, dessen bzw. deren Form, wenn man hindurchschaut, nicht notwendigerweise Vergrößerungskraft hat. Dieses Paar oder Doppelstück oder diese Doppellinse ist an seiner bzw. ihrer oberen Oberfläche, die nahe an dem Display - dem sekundären Objekt - ist, poliert, und ist vorzugsweise an dem Umfang in konischer Form poliert, wo die kleine oder schma le Basis nahe dem Auge ist und einen Teil der Sammellinse der Doppellinse (dieser Ausdruck wird hier zusammenfassend für "Doppelstück, Paar, Doublette, Doppellinse o. dgl." verwendet) bildet. Die Doppellinse umfaßt zwei Linsen, eine Sammellinse, wie z. B. eine plankonvexe Linse, und eine Zerstreuungslinse, wie z. B. eine plankonkave Linse. Die Sammellinse ist aus zwei Komponenten hergestellt, wobei eine geneigte Ebene zwischen ihnen vorgesehen ist, welche als ein Strahlteiler dient. Die Zerstreuungslinse der Doppellinse, die einen Radius hat, der identisch mit jenem des ersten Teils ist, ist mit einer teil weise lichtdurchlässigen, teilweise lichtreflektierenden Be schichtung, wie beispielsweise einer dichroitischen Beschich tung oder einer holographischen Beschichtung, versehen.

Die Beleuchtung, die von dem Display herkommt, welches in dem Brennpunkt des gekrümmten Spiegels positioniert ist, tritt in die Doppellinse an deren oberem Teil ein und wird durch den Strahlteiler teilweise in der Richtung des Spiegels reflek tiert. Der Spiegel reflektiert die Beleuchtung als Parallelbün del durch den Strahlteiler, welcher es in der Richtung der äu ßeren Oberfläche der Doppellinse nach dem Auge des Betrachters zu durchläßt.

Die Austrittspupille ist in der Nähe des Zentrums der Krümmung des Spiegels positioniert. In diesem Falle ist das Krümmungs zentrum, wenn sich die Linse nicht in Luft befindet, das Krüm mungszentrum, wie es nach einer Brechung durch die optische Oberfläche erscheint, welche nahe an dem Auge des Betrachters ist.

Unter "einer Sammellinse" und "einer Zerstreuungslinse" im Sin ne der Erfindung kann sowohl eine einzige Sammel- bzw. Zer streuungslinse als auch ein Sammel- bzw. Zerstreuungslinsensy stem verstanden werden, so daß eine "Doppellinse" auch aus zwei Linsensystemen bestehen kann, also auch eine "Doppellinsensy stem-Linse" sein kann.

Die vorstehenden und die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale und Vorteile der Erfindung seien nachstehend unter Be zugnahme auf die Zeichnung anhand von bevorzugten Ausführungs formen des erfindungsgemäßen optischen Systems näher beschrie ben und erläutert, wobei jedoch zunächst der der Erfindung am nächsten kommende Stand der Technik anhand der ersten beiden Figuren der Zeichnung erläutert wird; in der Zeichnung, deren Figuren aus Darstellungsgründen nicht maßstabsgerecht sind, zeigen:

Fig. 1A und 1B Systeme gemäß dem Stande der Technik;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer einfachsten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich jener der Fig. 2 ist, jedoch mit Null-Vergrößerungskraft;

Fig. 4 eine Ausführungsform eines Doppellinsen-Linsensy stems der Erfindung;

Fig. 5 eine Veranschaulichung des abgestumpften Winkels oder Abschneidewinkels des Konus;

Fig. 6 eine seitliche Aufsicht auf die Doppellinse der Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Doppellinse gemäß der Erfindung; und

Fig. 8 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei die Zerstreuungslinse an der dem Betrach ter nahen Oberfläche an die Sammellinse gebunden, beispiels weise angeklebt, ist.

Die Fig. 1A zeigt ein optisches System, das zwei Spiegel 11 und 12 umfaßt, und zwar einen sphärischen Spiegel 11, der in der Reflexion als Kollimator und im Durchlaß als Fenster ohne Vergrößerungskraft dient. Der zweite Spiegel 12 dient als ein Strahlteiler. Die von der Displayoberfläche 13 herkommende Be leuchtung bzw. beleuchtete Darstellung wird auf den Strahltei ler-Spiegel 12 gerichtet und von demselben in Richtung auf den sphärischen Spiegel 11 reflektiert. Der sphärische Spiegel 11 dient als Kollimator und reflektiert die Beleuchtung bzw. be leuchtete Darstellung in kollimierter Form in Richtung auf den Strahlteiler-Spiegel 12 zu, welcher sie auf das Auge 14 des Pi loten oder Betrachters richtet bzw. zu diesem Auge 14 durch läßt, das sich nahe dem Zentrum bzw. Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 15 befindet. Dieses System hat eine Anzahl von mecha nischen und optischen Nachteilen, insbesondere erfordert es ei ne im hohen Maße genaue mechanische Montage der Komponenten re lativ zueinander, und solche komplizierten Fassungen bzw. Mon tageteile, wie sie in diesem System, insbesondere für die vor genannte Montage, erforderlich sind, haben die Tendenz, wenig stens einen Teil der Sicht zu versperren und zu behindern. Selbst eine kleine Behinderung oder Störung in der Nähe des Au ges behindert und versperrt einen nennenswerten und spürbaren Winkel der Sicht bzw. des Gesichtsfelds.

In einem solchen System befindet sich, wie bereits erwähnt, das Auge an oder in dem Krümmungszentrum des Spiegels, der den Krümmungsradius R hat, und das Display befindet sich an der Hälfte dieser Entfernung, da die Brennweite des sphärischen Spiegels gleich der Hälfte R/2 seines Radius′ R ist. Der Strahlteiler 12 teilt die Brennweite in zwei Abschnitte, näm lich den Abschnitt x längs der horizontalen Achse und den Ab schnitt y längs der vertikalen Achse, so daß x + y = R/2 ist. In diesem Falle ist y die Höhe des Displays 13 über der opti schen Achse 16.

Es besteht das Bestreben, die Höhe so groß wie möglich zu ma chen, um die Behinderungen und Störungen des oberen Teils des Außenwelt-Gesichtsfelds oder des Gesichtsfelds des Äußeren so weit wie möglich zu vermindern. Da die Höhe auch eine Funktion des Abstands des Strahlteilers 12 ist, vermindert sich das Sym bol-Gesichtsfeld umso mehr, je weiter weg liegend das Display 13 ist. Bei existierenden Parametern eines vertikalen Gesichts felds befindet sich das Augenrelief in einer Entfernung E von der letzten Oberfläche bzw. der Oberfläche, die dem Auge am nächsten ist, wobei der Durchmesser des Austrittspupille Φ sei und die Dicke des Teils (von der zuletzt genannten Oberfläche zu dem sphärischen Spiegel, wie in Fig. 1A angedeutet ist) mit T bezeichnet sei, und es läßt sich zeigen, daß für diese Para meter die folgenden Gleichungen gelten:

(1) Xmin = T - Φ/(2-E.tg. (α)
(2) Ymax = R/2 - Xmin
(3) R/n = E + T/n
(4) R = n.E + T

Wenn die Gleichung (4) in die Gleichung (2) eingeführt wird, dann erhält man

Ymax = n · E/2 + T/2 - Xmin

Hieraus wird klar, daß der Wert von Ymax umso größer ist, je größer n ist, und demgemäß nimmt auch das Außenwelt-Gesichts feld oder das Gesichtsfeld des Äußeren in entsprechender Weise zu.

Auch die Fig. 1B zeigt eine Einrichtung gemäß dem Stande der Technik. Diese Einrichtung basiert auf einem Rückseitenoberflä chenspiegel, welcher ein Teil eines massiven transparenten Kör pers ist. Die Beleuchtung bzw. die beleuchtete Informationsdar stellung, die von 21 herkommt, wird auf die Eingangsoberfläche 22 dieses Körpers gerichtet und geht zu einem Strahlteiler 23, geht durch denselben ohne Reflexion hindurch, kommt an dem Spiegel 24 an, dessen optische Achse senkrecht zu der Achse des zentralen Gesichtsfelds ist, und wird in Richtung auf den Strahlteiler 21 zu reflektiert und von diesem schließlich in Richtung auf das Auge 26 des Betrachters reflektiert. Diese Version des Standes der Technik überwindet zwar einige der Nachteile der Einrichtung der Fig. 1A, hat jedoch ihrerseits gewisse Probleme. Insbesondere ist es so, daß, da die Achse des sphärischen Spiegels 24 senkrecht zu der optischen Hauptachse ist, die Projektion des sphärischen Spiegels 24 (vom Auge 26 des Betrachters aus) den mit 25 bezeichneten Winkel aus dem Ge sichtsfeld ausschließt. Um ein größeres Gesichtsfeld zu erhal ten, muß der Block bzw. Glasblock sehr dick sein. Außerdem ist es so, daß die Neigung besteht, daß bei gewissen Winkeln para sitische Reflexionen von den äußeren Oberflächen des Glasblocks her auftreten.

Es seien nun, insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 8, bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ein richtung bzw. des optischen Systems nach der Erfindung in nähe ren Einzelheiten beschrieben und erläutert:

Zunächst sei eine erste Ausführungsform des optischen Systems der Erfindung anhand der Fig. 2 beschrieben, wonach dieses er findungsgemäße optische System eine Sammellinse 30 umfaßt, die eine plane oder ebene Oberfläche 31 und eine konkave bzw. kon vexe Oberfläche 32 hat, welche senkrecht zu der optischen Achse 33 sind. Die Sammellinse 30 ist durch einen Strahlteiler 36 in zwei Teile 34 und 35 unterteilt, wobei der Strahlteiler 36 von dem oberen Teil 34 der Sammellinse 30 auf der Seite, welche dem Betrachter am nächsten ist, nach abwärts nach dem unteren Teil 35 der Sammellinse 30 zu der Seite, die dem Betrachter abge wandt ist, geneigt ist. Vorliegend ist also, wie Fig. 2 zeigt, der Strahlteiler 36 so geneigt, daß, bezogen auf die Ansicht der Fig. 2, sein oberes Ende dem Auge 39 des Betrachters am nächsten und sein unteres Ende vom Auge 39 des Betrachters am entferntesten ist (bezogen auf die Erstreckung des Strahltei lers 36). Die konkave bzw. konvexe Oberfläche 32 ist mit einer Beschichtung 32′ versehen, welche es einem Teil des Lichts er möglicht, hindurchzugehen, und welche den anderen Teil des Lichts reflektiert. Außerdem ist eine obere, plane oder ebene Oberfläche 37 vorgesehen, die parallel zu der Achse 33 ist. Sie kann auch unter einem spitzen Winkel zu dieser Achse verlaufen.

Das Bild der Daten, welches überlagert werden soll, wird von der Oberfläche 38 aus projiziert, die sich im Brennpunktabstand oder in der Fokaldistanz von dem Spiegel 32′ befindet, und zwar erfolgt die Projektion von der Oberfläche 38 her durch die Oberfläche 37 zu dem Strahlteiler 36 und von demselben zu dem Spiegel 32′, welcher das Bild in Richtung auf das Auge 39 des Betrachters reflektiert (siehe die Pfeilungen der eingezeich neten Strahlen).

Das Auge 39 erkennt gleichzeitig ein Objekt bzw. Bild 40 durch den halbtransparenten Spiegel 32′, und sieht demgemäß beide Bilder, nämlich vorliegend das Bild der Daten und das Bild ei nes Objekts, beispielsweise eines Objekts in der Außenwelt oder im Äußeren, gleichzeitig.

Da die Oberfläche 32 eine konkave bzw. konvexe Oberfläche und die Oberfläche 31 eine plane oder ebene Oberfläche ist, wird das Bild 40 in einer vergrößerten Art und Weise gesehen.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 veran schaulicht, die sich von der Ausführungsform der Fig. 2 nur insofern unterscheidet, als die Oberfläche 41 eine konkave Oberfläche ist, welche dem Auge 39 des Betrachters oder Beob achters zugewandt ist. Aufgrund der Tatsache, daß beide Ober flächen 32 und 41 gekrümmte Oberflächen sind, ist die Vergröße rungskraft diese Linse null, wenn die Krümmung korrekt gewählt wird. Dieses liefert ein reales, lebensgroßes Bild des Objekts 40.

Die Fig. 4 ist eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht ei ner weiteren Ausführungsform einer Einrichtung oder eines opti schen Systems nach der vorliegenden Erfindung. Die Hauptkompo nente dieser Einrichtung oder dieses optischen Systems ist ein Block aus transparentem Material, beispielsweise Glas oder Acrylpolymer. Dieser Block ist als eine Doppellinse ausgebildet und hat Null-Vergrößerungskraft, wenn man durch dieselbe hin durchsieht. Diese Doppellinse umfaßt, wie schon die Bezeich nung sagt, zwei Linsen, nämlich eine Sammellinse 41′, welche beispielsweise plankonvex sein kann, und eine Zerstreuungslinse 42, welche z. B. eine plankonkave Linse sein kann. Die Sammel linse 41′ ist aus zwei Teilen 41′a und 41′b aufgebaut, wobei ein geneigter Strahlteiler 43 zwischen diesen Teilen 41′a und 41′b angeordnet ist.

Die Ebene dieses Strahlteilers 43 beginnt an dem unteren Ende, nahe der konvexen Oberfläche 44, welche beiden Linsen gemeinsam ist, und erstreckt sich nach aufwärts nach der oberen Oberflä che 45 der Doppellinse zu, welche der Quelle des Displays am nächsten ist. Die Oberfläche 46, die der konvexen Oberfläche 44 entgegengesetzt ist, bildet die dem Auge 47 des Betrachters na he oder am nächsten liegende äußere Oberfläche. Die Zerstreu ungslinse 42 der Doppellinse hat eine Oberfläche 44a mit einem Krümmungsradius, der identisch mit dem Krümmungsradius der Oberfläche 44 der Sammellinse 41′ ist. Diese Oberfläche 44a ist mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung versehen, wie beispielsweise einer dichroitischen oder holographischen Be schichtung, welche als kollimierender Spiegel dient. Die beiden Linsen 41′ und 42 sind an der Oberfläche 44 aneinander ange bracht. Eine Beleuchtung, beispielsweise eine beleuchtete In formationsdarstellung, die von der Brennebene 50 ausgeht, wird auf die Eingangsoberfläche 45 der Doppellinse gerichtet, welche im wesentlichen parallel zu der optischen Betrachtungs- oder -sichtachse 51 ist. Die Beleuchtung kommt an dem Strahlteiler 43 an und wird teilweise in Richtung zu dem kollimierenden Spiegel 44 reflektiert, welcher auch mit einer teilweise re flektierenden Beschichtung versehen ist und einen Teil der Energie in Richtung auf den Strahlteiler 43 reflektiert, der in diesem Stadium den Strahl bzw. das Strahlenbündel in Richtung nach der äußeren Oberfläche 46 durchläßt, von wo der Strahl bzw. das Strahlenbündel zu dem Auge 47 des Betrachters ge langt, das sich in dem Bereich 48 der mittigen Krümmung, insbe sondere des Krümmungsmittelpunkts, des Spiegels 44 befindet. Strahlen, die von einer äußeren Ansicht 49 oder einer Außen weltansicht 49 herkommen, z. B. von einem Objekt, kommen an der Oberfläche 40′ des optischen Systems an, gehen durch den Spie gel 44, den Strahlteiler 43 und die zweite äußere Oberfläche 46 hindurch und gelangen von dort zu dem Auge 47 des Betrachters.

Da sich die Beleuchtung, beispielsweise eine erleuchtete Infor mationsdarstellung, die von der Oberfläche 50 ausgeht, in der Brennebene des Spiegels 44 befindet, erreicht sie das Auge 47 des Betrachters als Parallelstrahlenbündel und wird so wahrge nommen, als ob sie aus dem Unendlichen käme. Es ist natürlich möglich, den Brennpunkt bzw. die Brennweite des Systems so zu ändern, daß derselbe bzw. dieselbe auf Objekte eingestellt ist, welche sich nicht im Unendlichen befinden.

Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen eine dem optischen Körper der Erfindung gegebene äußere Form, die so ist, daß Behinderun gen und Störungen des Teils der Außenweltansicht oder der äuße ren Ansicht, wenn man hindurchsieht, minimiert sind. Jede Be hinderung und Störung in der Nähe des Auges behindert oder ver sperrt einen wesentlichen Teil der äußeren Welt, wenn man hin durchschaut.

Um Behinderungen und Störungen zu minimieren, ist diesem Körper eine äußere konische Form gegeben worden, und zwar so, daß ein Strahl, welcher sich verhält, als ob er aus dem Auge des Be trachters käme, nicht mit Behinderungen, Sperrungen, Störungen o. dgl. von den äußeren Oberflächen des Körpers her zusammen stößt.

Zur Erläuterung sei nun näher auf Fig. 5 Bezug genommen, wo nach ein von dem Auge 47 in der Richtung des unteren Endes 53 dieses Körpers ausgehender Strahl 52 einen Winkel 54, der auch als a bezeichnet ist, mit der optischen Achse 55 des Systems einschließt. Dieser Strahl wird in dem transparenten Körper ge mäß dem Snellschen Gesetz gebrochen und schließt dann einen Winkel 56, der auch als β bezeichnet ist, mit der optischen Achse ein und verläuft schließlich parallel zum Strahl 52 am Ausgang 57. Ein weiterer Strahl 58, welcher von dem Auge 47 herkommt und parallel zu dem ersten Strahl 52 verläuft, geht sehr nahe an dem unteren Ende 53 vorbei, wird jedoch nicht ge brochen und verläuft ohne irgendein Hindernis oder eine Behin derung weiter in einer geraden Richtung. Der Schnitt- oder Schliffwinkel 59 des Konus′ beträgt

β < Φ < α

worin die beste Form ein Schnitt oder Schliff unter einem Win kel von

Φ < β/2 + α/2

ist. Die Fig. 6 ist eine Projektion des transparenten Teils.

Die Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Körpers gemäß der Erfindung, der entsprechend der Fig. 5 aus gebildet ist, wobei 70 die Bildoberfläche ist, die sich in der Brennebene des Spiegels befindet, und 72 das Auge des Betrach ters darstellt, während die anderen Teile des optischen Systems in Fig. 7 nicht näher bezeichnet sind, so daß insofern auf die Fig. 5 Bezug genommen wird.

Schließlich sei unter Bezugnahme auf die Fig. 8 eine noch an dere Ausführungsform der Erfindung erläutert, worin 81 eine Sammellinse ist, die eine gekrümmte, teilweise spiegelnde Ober fläche 82 hat, deren konvexe Seite der Szenerie 87, beispiels weise einer Landschaft, einem Objekt in der Außenwelt o. dgl. zugewandt ist. An der ebenen Oberfläche 83 der Linse 81 ist eine Linse 84 mit Verkleinerungs- oder Zerstreuungskraft, die vorliegend als plankonkave Linse ausgebildet ist, angebracht, beispielsweise angekittet, angeklebt, anzementiert o. dgl., und zwar so, daß die konkave Oberfläche 85 dem Auge 86 des Betrach ters zugewandt ist. Die anderen Elemente, wie die Oberfläche 88 und der Strahlteil 89, sind die gleichen wie in Fig. 3. Die resultierende Vergrößerungskraft dieses Linsendoppelstücks oder Linsendoublets ist null, und demgemäß wird das Bild 87, bei spielsweise das Bild eines Objekts in der Außenwelt, in natür licher Größe gesehen.

Kurz zusammengefaßt wird mit der Erfindung ein optisches System zur Verfügung gestellt, welches es einem Betrachter ermöglicht, gleichzeitig eine Szenerie, wie beispielsweise einen Ausschnitt der Außenwelt oder der äußeren Umgebung, und Informationsdaten, die dieser Szenerie überlagert sind, zu betrachten. Das opti sche System hat eine breite Anwendbarkeit: es kann beispiels weise in der Industrie verwendet werden, es kann z. B. von Fah rern benutzt werden, welche die Landschaft und die Straße beob achten können, während sie gleichzeitig mit informativen kriti schen Daten und Warnsignalen versorgt werden. Das optische Sy stem besteht aus einer Anzahl von Komponenten; es läßt sich ganz besonders gut und in hohem Umfang herstellen und ist trotzdem vergleichsweise kostengünstig.

Claims

1. Integriertes optisches System für die gleichzeitige Betrachtung einer Szenerie und von informativen Daten, welche der Szenerie überlagert sind, umfassend eine Linse oder Linsen gruppe (30; 41′; 81), die durch einen Strahlteiler (36; 43; 89) in zwei Teile (34, 35; 41′a, 41′b) unterteilt ist, wobei die Linse oder Linsengruppe (30; 41′; 81) eine erste Oberfläche (31; 41; 46; 83) hat, die dem Betrachter zugewandt ist, und eine zweite, teilweise reflektierende konvexe Oberfläche (32; 44; 82) auf der optischen Hauptachse (33; 51), welche einen teilweise reflektierenden konkaven Spiegel (32′; 44a) bildet, der der ersten Oberfläche (31; 41; 46; 83) zugewandt ist, wobei die Linse oder Linsengruppe (30; 41′; 81) eine zu der optischen Hauptachse (33; 51) parallele oder unter einem spitzen Winkel zu der optischen Hauptachse (33; 51) verlaufende dritte Ober fläche (37; 45; 88) hat, die der Quelle (38; 50; 60; 70) der überlagerten informativen Daten zugewandt ist, wobei sich der Strahlteiler (36; 43; 89) von dem oberen Teil der ersten Ober fläche (31; 41; 46; 83) zu dem unteren Teil des konkaven Spie gels (32′; 44a) erstreckt, so daß die Quelle (38; 50; 60; 70) der informativen Daten an oder in dem Brennpunkt der konkaven Oberfläche (32′; 44a; 82) ist, so daß das von der Datenquelle (38; 50; 60; 70) kommende Strahlenbündel durch die dritte Ober fläche (37; 45; 88) eintritt, von dem Strahlteiler (36; 43; 89) nach dem teilweise reflektierten konkaven Spiegel (32′; 44a; 82) zu reflektiert wird und von diesem über den Strahlteiler (36; 43; 89) zu der ersten Oberfläche (31; 41; 46; 83) und von dieser zu dem Auge (39; 47; 86) des Betrachters verläuft, der gleichzeitig die informativen Daten und die Szenerie (40; 49; 87) durch die Linse (30; 41′; 81) einschließlich dem Strahltei ler (36; 43; 89) längs der optischen Hauptachse (33, 51) sieht.

2. Optisches System gemäß Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die dem Betrachter zugewandte Oberfläche (31; 46; 83) der Linse oder Linsengruppe (30; 41′; 81) eine plane Oberfläche ist.

3. Optisches System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Betrachter zuge wandte Oberfläche (41) der Linse oder Linsengruppe eine konkave Oberfläche ist, so daß die Vergrößerungskraft der Linse oder Linsengruppe in der Richtung der Szenerie (40) null ist.

4. System gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß weiter eine Zerstreuungslinse oder -linsengruppe (42; 84) an der konvexen Oberfläche (44) oder der planen Oberfläche (83) der ersten Linse oder Linsen gruppe (41′; 81) angebracht ist, die der Szenerie (49; 87) oder dem Betrachter zugewandt ist, insbesondere durch Ankleben, An kitten oder Anzementieren, so daß das System eine Einblockein heit umfaßt, welche aus einer Doppelstücklinse aus einer Sam mellinse (41′; 81) oder -linsengruppe und einer Zerstreuungs linse (42; 84) oder -linsengruppe besteht, die an einer gemein samen gekrümmten (44) oder planen (83) Oberfläche miteinander verbunden sind, wobei die gemeinsame gekrümmte Oberfläche (44) oder eine andere gekrümmte Oberfläche (82) als teilweise re flektierender Spiegel dient, wobei ferner eine parallel zu der optischen Achse (51) des Doppelstücks parallele oder unter ei nem Winkel zu der optischen Achse (51) des Doppelstücks verlau fende Oberfläche (45; 88) vorgesehen ist, die der Datenquelle (50; 60; 70) zugewandt ist, worin die Sammellinse (41′; 81) oder -linsengruppe durch einen Strahlteiler (43; 81) in einen oberen (41′a) und einen unteren (41′b) Teil unterteilt ist, welcher Strahlteiler (43; 81) sich von dem oberen Teil der äußeren Oberfläche (46) oder von dem oberen Teil der gemeinsa men planen Oberfläche (83), die dem Betrachter zugewandt ist, nahe der parallelen oder geneigten Oberfläche (45; 88) nach ab wärts geneigt nach der gekrümmten Oberfläche (44; 81) zu er streckt, wobei die parallele oder geneigte Oberfläche (45; 88) dazu geeignet ist, das "Daten"-Bild zu dem Strahlteiler (43; 89) und von demselben auf den gekrümmten Spiegel (44a; 82) gehen zu lassen.

5. System gemäß Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Doppelstück (81; 84) Null-Vergröße rungskraft in der Blickrichtung der Szenerie (87) hat.

6. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, insbeson dere nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß die der Datenquelle (38; 50; 60; 70) zugewandte Oberfläche (37; 45; 88) gekrümmt ist.

7. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der teilweise reflektie rende Spiegel (36′; 44a′; 82) ein dichroitischer Spiegel ist.

8. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive oder wirksame optische Bereich der Oberfläche (32; 40′; 82; Fig. 5), welche der Szenerie (40; 49; 87) zugewandt ist, größer als die Oberfläche (31; 41; 46; 85; Fig. 5) ist, die dem Be trachter zugewandt ist, so daß der Umfang der Linse die Szene rie (40; 49; 87) nicht verdunkelt oder in sonstiger Weise be einträchtigt.

9. Optisches System gemäß Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Form der äußeren Oberfläche der Linse oder Linsengruppe oder des Doppelstücks ein Segment oder Abschnitt eines Konus′ derart ist, daß die Basis in der Richtung der Szenerie ist und die Spitze bzw. die gedachte Spitze hinter dem Auge (47) des Betrachters liegt.

10. System nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstreuungslinse (84) oder -linsengruppe, die an die dem Betrachter zugewandte Ober fläche (83) der Sammellinse (81) oder -linsengruppe gebunden ist, so gestaltet ist, daß eine Null-Vergrößerungskraft des Doppelstücks resultiert.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (32′; 44a; 82) eine sphärische, eine konische oder eine torische Oberfläche hat.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberflä che des Spiegels (32′; 44a; 82) mit einer mehrschichtigen Be schichtung oder einer holographischen Beschichtung versehen ist oder aus einer mehrschichtigen Beschichtung oder einer hologra phischen Beschichtung besteht.