DE69126454T2

DE69126454T2 - Störfreies Betrachtungssystem für katadioptrische Projektionssysteme

Info

Publication number: DE69126454T2
Application number: DE69126454T
Authority: DE
Inventors: David A Ansley; Eric C Haseltine
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1991-02-18
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2011-02-19
Also published as: IL97246A0; EP0443793B1; IL97246A; EP0443793A2; DE69126454D1; TW198748B; JPH04215646A; EP0443793A3

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein störfreies Betrachtungssystem für katadioptrische Projektionssysteme, während zwei oder mehreren Personen gleichzeitig in solchen Systemen Anzeigen betrachten.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Katadioptrische Anzeigeprojektoren und Projektionssysteme für ein Gebiet von Interesse haben für ein gleichzeitiges Betrachten durch zwei oder mehrere Personen im wesentlichen die gleichen Anzeigen verwendet.
Wie in der GB-A-906042 und der US-A-4657512 beschrieben ist, sind auch Systeme bekannt, in denen unabhängige, störungsfreie, gleichzeitige Anzeigen für ein Gebiet von Interesse für zwei oder mehrere Personen vorgesehen sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sieht ein Komplementärbetrachtungssystem für einen ersten und zweiten Betrachter vor, die das System gemäß Anspruch 1 gleichzeitig benützen.
Vorzugsweise verwendet die Erfindung innerhalb eines einfachen katadioptrischen Projektionssysteins eine störungsfreie Anzeigebeträchtungsvorrichtung für das Gebiet von Interesse für zwei oder mehrere Personen, im folgenden manchmal Betrachter Nr. 1 und Betrachter Nr. 2 genannt, die gleichzeitig auf zwei oder mehrere verschiedene Anzeigen schauen, im folgenden manchmal Anzeige Nr. 1 und Anzeige Nr. 2 genannt. Eine solche Betrachtungsvorrichtung erlaubt es jeder dieser zwei Personen nur eine der zwei gleichzeitigen Anzeigen zu sehen, ohne von der anderen Anzeige gestört zu werden.
Die Betrachtungsvorrichtung für jede Person enthält eine Einrichtung zum Bestimmen der Sichtlinie für jede Betrachtungsvorrichtung, wobei sie eine Einrichtung zum Erzeugen eines die Sichtlinie des Betrachters repräsentierenden Signales und eine Einrichtung zum Überliefern eines Signales an eine Einrichtung in dem katadioptrischen Projektionssystem für das Gebiet von Interesse enthält, um eine gewünschte Anzeige in das Blickfeld der Betrachtungsvorrichtung zu lenken. Die Betrachtungsvorrichtung enthält auch eine Einrichtung zum Durchlassen von gewünschten Lichtwellenlängen der gewünschten Anzeige und zum Sperren von ungewollten Lichtwellenlängen, insbesondere dieser Lichtwellenlängen, die für einen anderen Betrachter beabsichtigt sind.
Je größer im allgemeinen die Trennung zwischen den gewünschten Lichtwellenlängenbildern, die für ein Betrachten durch einen ersten Betrachter beabsichtigt sind, und den gewünschten Lichtwellenlängenbildern, die für ein Betrachten durch einen zweiten Betrachter beabsichtigt sind, ist, desto besser ist die Unterdrückung des Nebensprechens bzw. Nebenstrahlens zwischen den zwei Paaren von Bildern. Wenn zum Beispiel der Betrachter Nr. 1 Bilder mit einer Wellenlänge von 815 Nanometern betrachten will und der Betrachter Nr. 2 Bilder mit einer Wellenlänge von 750 Nanometern betrachten will, kann die Unterdrückung des Nebensprechens ungefähr 10000 zu 1 betragen (optische Dichte = 4). Wenn die längere Wellenlänge statt 815 Nanometer 840 Nanometer und die kürzere Wellenlänge 715 Nanometer betragen, kann die Unterdrückung ungefähr 100000 zu 1 betragen (optische Dichte = 5). Je größer die Unterdrückung des Nebensprechens ist, desto besser sind die Ergebnisse. Wo es in der Praxis zum Beispiel zwei Betrachter gibt, hängt der Spalt zwischen den zwei verwendeten Wellenlängen von den Kapazitäten der zum Produzieren der Bilder verwendeten optischen Systeme ab. Für die Betrachtungsvorrichtung dieser Erfindung erstreckt sich der Wellenlängenbereich, von dem die Bilder für jeden Betrachter getrennt werden, vorzugsweise von ungefähr 600 Nanometer bis ungefähr 1100 Nanometer.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Betrachtungsvorrichtung eine selektive Lichtdurchlaßeinrichung auf, die in dem Lichtweg der gewünschten Anzeige über den Augen eines Betrachters oder über Betrachtungshilfsmitteln angeordnet sein kann. Eine solche Lichtdurchlaßeinrichtung läßt im wesentlichen jegliche spezifische Lichtausstrahlung bei den gewünschten Wellenlängen durch und reflektiert oder absorbiert alle anderen Wellenlängen. Über ein Blickfeld, das sich über einen Winkel im Bereich von ungefähr -20º bis ungefähr +20º erstreckt, überträgt in einigen Ausführungsformen für den Betrachter Nr. 1 ein Filter, wie zum Beispiel eine Schott - Platte RG830, bei 880 Nanometer im wesentlichen jegliche spezifische Lichtausstrahlung und sperrt oder absorbiert bei 750 Nanometer im wesentlichen jegliche spezifische Lichtausstrahlung.
Über ein Blickfeld, das sich über einen Winkel im Bereich von ungefähr -20º bis ungefähr +20º erstreckt, absorbiert oder reflektiert für den Betrachter Nr. 2 ein Filter, wie zum Beispiel ein holografisches, optisches Bauteil (HOE = holographic optical element) von Sinott, ein zweifaches, holografisches, optisches Bauteil oder ein Mehrschichtdünnfilmfilter bei 880 Nanometer im wesentlichen jegliche spezifische Lichtausstrahlung und überträgt bei 750 Nanometer jegliche spezifische Lichtausstrahlung. Derartige Filter sind bekannt. Das Dünnf umfilter kann zum Beispiel mit Ausnahme der ersten drei Schichten und der Luftgrenzschicht ein 43-Schichtenstapel von abwechselnden Ta&sub2;O&sub5; und SiO&sub2; Schichten sein, von denen jede eine Viertelwellenlänge dick ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung kann mit bezug auf die zeichnungen besser verstanden werden, in denen:
Figur 1 ein Diagramm darstellt, das die spektrale Empfindlichkeit einer bevorzugten Ausführungsform für das Lichtfilter eines ersten Betrachters zeigt;
Figuren 2a und 2b zwei Diagramme enthalten, die für einen zweiten Betrachter die Winkelempfindlichkeit zeigen, wobei einfache und zweifache, holografische, optische Bauteile verwenden werden;
Figur 3 die spektrale Empfindlichkeit für die Filter der zwei Betrachter darstellt und die spektrale Empfindlichkeit von Brillen-Nachtsichthilfsmitteln (NVG = night vision goggle) der Generation 3 anzeigt;
Figur 4 ein schematisches Diagramm darstellt, das das gleichzeitige Betrachten von zwei verschiedenen Bildpaaren durch zwei verschiedene Betrachter zeigt, in denen das Nebensprechen zwischen den zwei Paaren minimiert ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Figur 1 zeigt grafisch die Leistungsfähigkeit von einigen verschiedenen infrarotdurchlässigen Filtern, d.h. RG780, RG830 und RG850, die im wesentlichen jegliche spezifische Lichtausstrahlung bei 880 Nanometer durchlassen und jegliche spezifische Lichtausstrahlung bei 750 Nanometer sperren oder absorbieren.
Die Figuren 2a und 2b zeigen die abgeschätzte optische Dichte als Funktion vom Blickfeld der Lichtfilter mit einfachen und zweifachen, holografischen, optischen Bauteilen (HOE) für einen zweiten Betrachter. Wie in Figur 3 zu sehen ist, lassen die Filter des zweiten Betrachters bei einer Wellenlänge von 750 Nanometer im wesentlichen jegliche spezifische Lichtausstrahlung durch und sperren oder absorbieren bei einer Wellenlänge von 880 Nanometer im wesentlichen jegliche spezifische Lichtausstrahlung.
In bevorzugten Ausführungsformen sind für Anzeige- und Filterzwecke dichromatische, auf Gelatine basierende, hobgrafische Bauteile (DCG = dicromated gelatin-based holographic elements) wegen ihrer niedrigen Streueigenschaften und ihrer hohen Indexinodulation verwendbar. Insbesondere sind holografische DCG-Filter verwendbar, die 80 Mikrometer dick sind und Phasengitter mit einer Indexmodulation von ungefähr 0,06 haben.
Holografische Infrarotfilterbauteile sind vorzugsweise entweder einschichtige oder zweischichtige Bauteile. Das einschichtige Bauteil ist einfacher, da es nur ein Hologramm verwendet. Das zweischichtige Bauteil verwendet zwei Komplementärgitter, für jeden der zwei Blickfeldwinkelbereiche eines, d.h. hohe und niedrige. In derartigen Einrichtungen sind die Anforderungen an die Winkelbandweite für jedes Bauteil verringert.
Ein einschichtiges Hologrammfilter, das geschaffen worden ist, um bei 880 Nanometer ein Blickfeld von ungefähr ± 200 mit einer maximalen, optischen Dichte von 4 erfassen, hat die folgenden Eigenschaften: die Dicke (t) beträgt ungefähr 45 Mikrometer, der Gitterabstand (L) ungefähr 894,5 Nanometer und die Indexmodulation ungefähr 0,053. Figur 2a zeigt die optische Dichte, dargestellt gegenüber dem Eingangswinkel, gemessen in Grad, in Luft, bei 880 Nanometer, für willkürlich polarisiertes Licht von einem Filter mit einem einfachen, holografischen, optischen Bauteil. Die Kurve ist bei ungefähr 0º symmetrisch und beschreibt somit die Auslöschungseigenschaften über den gesamten 40º Bereich. Wenn Streu- und Absorptionsverluste vernachlässigt werden, übersteigt bei 750 Nanometer über den gleichen Bereiche für das selbe Hologramm die theoretische Durchlässigkeit 95%.
Mit zweischichtigen, holografischen Filtern ist die Anforderung an die winkelmäßige Erfassung zwischen den zwei Bauteilen aufgeteilt. Ein Hologramm erfaßt den Bereich von ungefähr 0º bis ungefähr 17º und das zweite Hologramm den Bereich von ungefähr 15º bis ungefähr 240 Figur 2b stellt die Verbindung von den zwei HOE-Filterschichten dar. Die Erhebung in der Kurve bei einem Einfallswinkel von etwa 16º entsteht aufgrund des Überlappens im Erfassen zwischen den zwei Hologrammen. Wie Figur 2b zeigt, sind die zugehörigen Parameter weniger streng als in dem Fall eines einfachen Bauteiles. Somit kann die Dicke jedes Hologrammes ungefähr 35 Mikrometer betragen. Die Gitterabstände betragen 887 Nanometer und 906 Nanometer. Die Modulationsindizes betragen ungefähr 0,045.
Mit zweischichtigen Filterhologrammen kann jedes Hologramm dünner sein als ein einschichtiges Filter. Jedes kann niedrigere Modulationsanforderungen haben. Weiter beträgt die Winkelerfassung bei der minimalen, optischen Dichte von 3 ungefähr ein theoretisches 48º-Blickfeld, wobei räumliche Eigeninhomogenitäten erlaubt sind. Als Ergebnis werden solche Filter leichter und mit niedrigeren Kosten hergestellt als einschichtige Filter. Mit den zwei schichtigen Filtern kann über das geforderte, theoretische 40º-Blickfeld ein Kontrastverhältnis von 10000 zu 1 erreicht werden.
Figur 3 zeigt den Gebrauch zweier verschiedener Lichtfiltern von zwei verschiedenen Betrachtern, so daß jeder Betrachter in dem selben katadioptrischen Projektions system für ein Gebiet von Interesse eine Anzeige sieht, die nur für ihn geplant ist, ohne eine gleichzeitige Anzeige zu sehen, die für einen anderen Betrachter geplant ist. Die spektrale Empfindlichkeit eines Brillen-Nachtsichthilfsmittels (NVG) einer Generation 3 erstreckt sich typischerweise von 600 bis 1100 Nanometer. Also sollte die für jeden der zwei Betrachter ausgewählte Wellenlänge innerhalb dieses Wellenlängenbereiches liegen.
Fig. 4 zeigt die Anzeige Nr. 1 bei einer Wellenlänge von 880 Nanometer, die nur von dem ersten Betrachter gesehen werden kann, und die Anzeige Nr. 2 bei einer Wellenlänge von 750 Nanometer, die nur von dem zweiten Betrachter gesehen werden kann.
In einem katadioptrischen Anzeige-Projektionssystem für ein Gebiet von Interesse mit zwei Betrachtern, wie zum Beispiel der Pilot und der Waffensystemoffizier eines Kampfflugzeugsimulators, die gleichzeitig während einer Nachtsichtsimulation anwesend sind und von denen jeder eine Vorrichtung trägt, wie zum Beispiel Nachtsichtbrillen, um gedämpftes Licht auf verwendbare Niveaus zu verstärken, bestimmen Sensoren die Richtung, in die die Brille jedes Betrachters gerichtet ist, und erzeugen ein oder mehrere Signale, um gleichzeitig eine Anzeige des Gebietes von Interesse in das Blickfeld des einen Betrachters und die andere Anzeige in das Blickfeld des anderen zu lenken. Es ist Figur 4 zu betrachten.
Um den Piloten und den Waffensystemoffizier davor zu schützen, daß sie das für den anderen Betrachter geplante Blickfeld sehen, enthält die Brille jedes Betrachters ein Filter für jedes Auge, um einfallendes Licht zu sperren, das von der Anzeige herrührt, die für den anderen Betrachter geplant ist, und um nur das Licht von der für ihn geplanten Anzeige durchzulassen.
Unabhängig davon verhindern störungsfreie Anzeigen auch perspektivische Verzeichnung, die von der endlichen Entfernung jedes Betrachters zur Anzeige abhängt. Wenn zum Beispiel vorausgesetzt wird, daß in einer Kuppel von 9 Meter Durchmesser ein Zweipositionen-Kampfsimulator verwendet wird, kann ein Betrachter einen perspektivischen Verzeichnungsfehler bis zu 200 haben, wenn er die für den anderen Betrachter geplante Anzeige sieht. Die Betrachtungsvorrichtung der Erfindung erlaubt es, dieses Problem durch Bildverzeichnungs-Korrektionstechniken zu lösen, die nur für jeden Betrachter gemacht wurden.
Bildquellen für die Anzeige Nr. 1 und für die Anzeige Nr. 2 können Vorrichtungen sein, die elektrische Videosignale in räumlich modulierte Anzeigen bei den gewünschten Wellenlängen umwandeln. Übertragungsteleskope Nr. 1 und Nr. 2 übertragen die Anzeigen von den Quellen an die Okular/Spiegel-Anordnung des katadioptrischen Anzeigeprojektionssystems für das Gebiet von Interesse (CAOID catadioptric area-of-interest display projection system).
Das CAOID projiziert die Anzeigen auf den Kuppelschirm. Der Strahlteiler vereinigt die zwei Anzeigen in einen gemeinsamen optischen Weg. Die motorangetriebenen Spiegel lenken die Anzeigen an die gewünschten Stellen auf dem Kuppelschirm. Eine komplette Beschreibung dieser CAOID Vorrichtungen erscheint in der EP-A-0396128 mit dem Titel "Katadioptrischer Projektor, katadioptrisches Projektionssystem und -verfahren" und bildet den Stand der Technik im Sinne des Artikels 54(3) EPC.

Claims

1. Komplementärbetrachtungssystem für eine erste und eine zweite Person, die gleichzeitig das System benützen, mit:

einer Vorrichtung zum Lenken eines ersten Bildes auf die erste Person, während gleichzeitig ein zweites Bild auf die zweite Person gelenkt wird, wobei sich das erste Bild zumindest teilweise im Blickfeld der zweiten Person befindet und nur an einer im wesentlichen ersten vorbestimmten Wellenlänge eine spezifische Lichtausstrahlung aufweist, und wobei sich das zweite Bild zumindest teilweise im Blickfeld der ersten Person befindet und nur an einer im wesentlichen zweiten vorbestimmten, sich von der ersten vorbestimmten Wellenlänge unterscheidenden Wellenlänge eine spezifische Lichtausstrahlung aufweist;

einer ersten selektiven Lichtdurchlaßvorrichtung, die in dem Weg der durch die Lenkungsvorrichtung auf die erste Person gelenkten Bilder angeordnet ist, um das erste Bild an die erste Person durchzulassen und um im wesentlichen alle spezifische Lichtausstrahlung bei im wesentlichen allen Wellenlängen, die anders sind als die erste vorbestimmte Wellenlänge, zu sperren oder zu absorbieren;

einer zweiten selektiven Lichtdurchlaßvorrichtung, die in dem Weg der durch die Lenkungsvorrichtung auf die zweite Person gerichteten Bilder angeordnet ist, um im wesentlichen alle spezifische Lichtausstrahlung bei im wesentlichen allen Wellenlängen, die anders sind als die zweite vorbestimmte Wellenlänge, zu sperren oder zu absorbieren, wobei jede Person gleichzeitig ein jeweiliges Bild ohne Störung durch das andere Bild betrachten kann,

dadurch gekennzeichnet,

daß das erste und das zweite Bild unterschiedlich sind, und

daß sowohl die erste als auch die zweite selektive Lichtdurchlaßvorrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen der jeweiligen Sichtlinie der ersten und zweiten Person, eine Einrichtung zum Erzeugen eines die jeweilige Sichtlinie der ersten und zweiten Person repräsentierenden Signales und eine Einrichtung zum Übermitteln des Signales, um eine gewünschte Bildanzeige jeweils in das Blickfeld der ersten bzw. der zweiten Person zu lenken, enthält.

2. System gemäß Anspruch 1, in dem die Lenkungsvorrichtung eine katadioptrische Anzeige für das Gebiet von Interesse aufweist.

3. System gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem die erste Durchlaßvorrichtung ein Filter aufweist.

4. System nach jedem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, in dem die zweite Durchlaßvorrichtung ein einfaches, holografisches, optisches Bauteil, ein zweifaches, holografische, optisches Bauteil oder ein aus Mehrfachschichten von dünnen Filmen gebildetes Filter aufweist.

5. System gemäß den vorherigen Ansprüchen, in dem die erste und zweite Wellenlänge im Infrarotbereich liegen.

6. System gemäß den vorherigen Ansprüchen, in dem die erste Durchlaßvorrichtung Brillen aufweist.

7. System gemäß den vorherigen Ansprüchen, in dem die zweite Durchlaßvorrichtung Brillen aufweist.