EP1047973A1 - Einblick- bzw. einspiegelungseinrichtung - Google Patents

Einblick- bzw. einspiegelungseinrichtung

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EP1047973A1
EP1047973A1 EP99911590A EP99911590A EP1047973A1 EP 1047973 A1 EP1047973 A1 EP 1047973A1 EP 99911590 A EP99911590 A EP 99911590A EP 99911590 A EP99911590 A EP 99911590A EP 1047973 A1 EP1047973 A1 EP 1047973A1
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EP
European Patent Office
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plane
optical system
curvature
cutting
line
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99911590A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ernst Rothe
Hans-Georg Heckmann
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Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Original Assignee
Rodenstock Prazisionsoptik GmbH
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Filing date
Publication date
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Application filed by Rodenstock Prazisionsoptik GmbH filed Critical Rodenstock Prazisionsoptik GmbH
Publication of EP1047973A1 publication Critical patent/EP1047973A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion

Definitions

  • the invention relates to a viewing or reflecting device according to the preamble of claim 1.
  • Generic insight and reflection devices are used, for example, as head-up displays (HUD's) or home-mounted displays (HMD's).
  • HUD's head-up displays
  • HMD's home-mounted displays
  • such devices are used to display information or images from an LCD, a CRT, a slide or the like in the viewing window of helmets, such as those worn by pilots.
  • the generic devices are attached to or in the area of a head helmet.
  • the devices known from the above-mentioned documents have an optical system, the beam path of which is folded at least once by a mirror, and the at least one has non-planar mirrors on which the beam path strikes at a non-zero angle of incidence.
  • HUD's head-up displays
  • HMD's head-mounted displays
  • the conventionally available optical elements have the disadvantage that - even in a tilted position - the image errors that occur, such as astigmatism, can only be corrected inadequately.
  • the optical system has an element with a surface which is symmetrical to a plane and which has no rotational symmetry, and along a first section line with a first plane a meridional radius of curvature decreasing or increasing along and along same cutting line has a sagittal radius of curvature that decreases or increases in one direction.
  • the surface according to the invention is shaped such that both the meridional and sagittal radii of curvature change along a line of intersection of the surface with one plane. This creates a surface that offers much wider options for image correction, especially with decentered asymmetrical optics, than conventional, mostly symmetrical or even circularly symmetrical mirror or prism elements.
  • the first intersection line can be described by a quadratic equation, by a third degree curve or by a cubic spline.
  • the variables a, b, c, and d are adapted in the sense of an optimal error correction; in the case of the cubic spline function, this adjustment is made in sections.
  • a line of intersection results from this adaptation - 4 -
  • Curvature the meridional or tangential surface curvature, varies along the cutting line.
  • the course of the sagittal radius of curvature along the first section line can be described by a linear function of the height, a power series or a cubic spline. This opens up possibilities for the surface also in the sagittal direction, i.e. to be designed to be variable perpendicular to the first cutting line and to correct image errors more than is possible, for example, with a toroidal mirror or lens element.
  • second cutting lines of the surface are circular with second cutting planes perpendicular to the first cutting plane.
  • the second cutting lines are conic sections or power series of the shape
  • the second cut lines are represented by cubic splines.
  • the first plane is a plane of symmetry of the surface. While conventional optical elements often have two or infinitely many levels of symmetry, the surface of the optical element according to the invention is only symmetrical with respect to the first level (without restricting the general inventive concept) and is therefore particularly suitable for use in decentered asymmetrical optics.
  • the optical element is a mirror or a lens element. In this way, the desired correction of the aberrations can be achieved with materials which have proven themselves and are inexpensive.
  • optical system it is also possible for the optical system to contain folding mirrors. They are used to shorten the beam path and adapt it to the geometry of the head helmet.
  • the surface of the element shown in the figure is symmetrical with respect to the yz plane in which it runs along the section line A.
  • the intersection lines B show the course of the surface parallel to the xz plane at different heights y.
  • the surface shown corresponds to a conventional surface, for example, a surface section of a torus, which is upright from the right against the y-axis. In contrast to conventional surfaces, however, it has both different meridional and different sagittal curvatures along section line A:
  • the surface normal on the surface F (x, y, z) 0 has only one z component; and the origin of the surface lies within the free diameter used.
  • the surfaces according to the invention of this type are not rotationally symmetrical, they are only symmetrical about a single plane.

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Abstract

Beschrieben wird eine Einblick- bzw. Einspiegelungseinrichtung zur visuellen Betrachtung eines Objektes, mit einem optischen System, dessen Strahlengang mindestens einmal durch einen Spiegel gefaltet ist, und das wenigstens einen nicht planaren Spiegel aufweist, auf den der Strahlengang unter einem Einfallswinkel ungleich Null auftrifft. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das optische System ein Element mit einer Oberfläche aufweist, die zu einer Ebene symmetrisch ist, und die keine Rotationssymmetrie aufweist, und entlang einer ersten Schnittlinie mit einer ersten Ebene einen einsinnig ab- oder zunehmenden meridionalen Krümmungsradius und entlang derselben Schnittlinie einen einsinnig ab- oder zunehmenden sagittalen Krümmungsradius besitzt. Dadurch wird ein optisches Element geschaffen, mit dessen HIlfe Abbildungsfehler unter Verwendung bewährter und kostengünstiger Materialien in bisher nicht erreichtem Ausmass korrigiert werden können.

Description

Einblick- bzw. Einspiegelungseinrichtung
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einblick- bzw. Einspiegelungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Einblick- bzw. Einspiegelungsvorrichtungen werden beispielsweise als Head Up Displays (HUD's) oder Heimet Mounted Displays (HMD's) eingesetzt. Insbesondere werden derartige Einrichtungen dazu benutzt, um im Sichtfenster von Helmen, wie sie beispielsweise von Piloten getragen werden, Informationen oder Bilder von einem LCD, einer CRT, einem Diapositiv oder dgl. darzustellen. Hierzu sind die gattungsgemäßen Einrichtungen an oder im Bereich eines Kopfhelms angebracht.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Einblick- bzw. Einspiegelungseinrichtungen sind beispielsweise aus der US-A-3 923 370, der US-A-5 341 242 oder der US- A-5 576 887 bekannt. Auf diese Druckschriften wird im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen.
Die aus den vorstehend genannten Druckschriften bekannten Einrichtungen weisen ein optisches System auf, dessen Strahlengang mindestens einmal durch einen Spiegel gefaltet ist, und das wenigstens einen nicht planaren Spiegel aufweist, auf den der Strahlengang unter einem Einfallswinkel ungleich Null auftrifft.
Die optischen Systeme dieser Head-Up-Displays (HUD's) oder Head- Mounted-Displays (HMD's) werden häufig aufgrund geometrischer oder sonstiger Nebenbedingungen als dezentrierte asymmetrische Systeme gefertigt.
Es ist bekannt, die in dem optischen System auftretenden Bildfehler durch Elemente mit asymmetrischen Flächen wie beispielsweise Zylinderflächen, Torusflächen oder rotationssymmetrischen Asphären zu korrigieren und diese Elemente gegebenenfalls auch verkippt anzuordnen.
Ferner ist es bekannt, zur Formung dieser Flächen Kegelschnitte zu verwenden.
Die herkömmlich zur Verfügung stehenden optischen Elemente haben den Nachteil, daß mit ihnen - selbst in verkippter Lage - die auftretenden Bildfehler wie etwa Astigmatismus nur unzureichend korrigiert werden können.
Auch der Einsatz holographischer Elemente zur Fehlerkorrektur bringt neben den Nachteilen hoher Kosten und einer begrenzten Haltbarkeit bzw. Belastbarkeit des Geräts auch eine starke Dispersion mit sich.
Mit herkömmlichen optischen Elementen gelingt es nicht, die bei den Einblickeinrichtungen auftretenden Bildfehler in ausreichendem Maße zu korrigieren. Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Einrichtung derart weiterzubilden, daß die Bildfehler, insbesondere bei dezentrierten asymmetrischen Systemen, besser als bekannten Systemen korrigiert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das optische System ein Element mit einer Oberfläche aufweist, die zu einer Ebene symmetrisch ist, und die keine Rotationssymmetrie aufweist, und entlang einer ersten Schnittlinie mit einer ersten Ebene einen einsinnif ab- oder zunehmenden meridionalen Krümmungsradius und entlang derselben Schnittlinie einen einsinnig ab- oder zunehmenden sagittalen Krümmungsradius besitzt.
Während herkömmliche Linsen- oder Spiegelflächen bis zu zwei verschiedene Hautkrümmungen besitzen oder allenfalls in einer Richtung verschieden stark gekrümmt sind, ist die erfindungsgemäße Oberfläche so geformt, daß sich sowohl die meridionalen als auch die sagittalen Krümmungsradien entlang einer Schnittlinie der Oberfläche mit einer Ebene verändern. Dadurch entsteht eine Oberfläche, die zur Bildkorrektur gerade bei dezentrierten asymmetrischen Optiken viel weiterge- hendere Möglichkeiten bietet als herkömmliche, zumeist symmetrische oder sogar kreissymmetrische Spiegel- oder Prismenelemente.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Schnittlinie durch eine quadratische Gleichung, durch eine Kurve dritten Grades oder durch einen kubischen Spline beschreibbar. Die Variablen a, b, c, und d sind im Sinne einer optimalen Fehlerkorrektur angepaßt; im Falle der kubischen Spline-Funktion wird diese Anpassung abschnittweise vorgenommen. Aus dieser Anpassung ergibt sich eine Schnittlinie, deren - 4 -
Krümmung, die meridionale oder tangentiale Flächenkrümmung, entlang der Schnittlinie variiert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Verlauf des sagittalen Krümmungsradius entlang der ersten Schnittlinie durch eine lineare Funktion der Höhe, eine Potenzreihe oder auch einen kubischen Spline beschreibbar. Dadurch werden Möglichkeiten eröffnet, die Oberfläche auch in sagittaler Richtung, d.h. senkrecht zur ersten Schnittlinie variabel zu gestalten und Bildfehler weitergehend zu korrigieren, als es beispielsweise mit einem torusförmigen Spiegel oder Linsenelement möglich ist.
Weiterhin ist es möglich, daß zweite Schnittlinien der Oberfläche mit zur ersten Schnittebene senkrecht stehenden zweiten Schnittebenen kreisförmig sind. Alternativ ist es möglich, daß die zweiten Schnittlinien Kegelschnitte sind oder auch Potenzreihen der Form
Z = c2 * x2 + c4 * x4 + ...
sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltung werden die zweiten Schnittlinien durch kubische Splines dargestellt.
Diese Ausführungsmöglichkeiten beschreiben den Verlauf der Oberfläche in sagittaler Richtung, wobei die vorgeschlagenen Schnittlinienverläufe im allgemeinen höhenveränderlich sind.
Die einfacheren Ausführungsformen mit kegelschnitt- oder kreisförmigen Schnittlinien sind fertigungstechnisch vorteilhaft; die Ausführungsformen mit durch Potenzreihen oder kubische Splines darstellbaren Schnittlinien bieten hingegen mehr Möglichkeiten zur Fehlerkorrektur.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Ebene eine Symmetrieebene der Oberfläche. Während herkömmliche optische Elemente häufig zwei oder unendlich viele Symmetrieebenen besitzen, ist (ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens) die Oberfläche des erfindungsgemäßen optischen Elements lediglich zur ersten Ebene symmetrisch und eignet sich daher besonders zum Einsatz in dezentrierten asymmetrischen Optiken.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element ein Spiegel oder ein Linsenelement. Auf diese Weise kann die erwünschte Korrektur der Abbildungsfehler mit an sich bewährten und preisgünstigen Materialien erzielt werden.
Weiterhin ist es möglich, daß das optische System Faltungsspiegel enthält. Sie dienen dazu, den Strahlengang zu verkürzen und an die Geometrie des Kopfhelms anzupassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben,
deren einzige Figur einen typischen, aber nur beispielhaften Verlauf einer Oberfläche eines erfindungsgemäßen optischen Elements darstellt. Darstellung eines Ausführungsbeispiels
Die Oberfläche des in der Figur dargestellten Elements ist bezüglich der yz-Ebene symmetrisch, in der sie entlang der Schnittlinie A verläuft. Die Schnittlinien B geben den Verlauf der Oberfläche parallel zur xz-Ebene in unterschiedlichen Höhen y wieder.
Die abgebildete Oberfläche entspräche als herkömmliche Oberfläche beispielsweise einem Flächenausschnitt eines Torus, der aufrechtstehend von rechts gegen die y-Achse angelehnt ist. Im Unterschied zu herkömmlichen Flächen besitzt sie jedoch entlang der Schnittlinie A sowohl unterschiedliche Meridionale als auch unterschiedliche sagittale Krümmungen:
So ist zu erkennen, daß der tangentiale Krümmungsradius entsprechend dem Gesamtverlauf des Flächenabschnitts von oben nach unten abnimmt. Die sagittale Krümmung in der xz-Ebene oder einer dazu parallelen Ebene ist ebenso wie der Schnittlinienverlauf in diesen Beispiel variabel. Ein herkömmlicher Torus, auf den wiederum nur beispielhaft verwiesen wird, wäre dagegen durch zwei festgelegte Hauptkrümmungen bestimmt.
Mit der er indungsgemäßen Oberfläche des optischen Elements ist es möglich, beispielsweise die Oberfläche eines Kegels oder einer in etwa eiförmig verzerrten Oberfläche zu beschreiben. Dabei sind die verwendeten Parameter ebenso wie die bekannte Kegelschnittskonstante „Kappa" Koeffizienten von nur 2. Ordnung in der impliziten Flächenfunktion F[x,y,z] = 0. In der Taylor'schen Reihenentwicklung der Flächen- pfeilhöhe Z=F[x,y] erscheinen diese Koeffizienten vor Gliedern mit x3 bzw. y3. - 7 -
Die Flächennormale auf der Oberfläche F(x,y,z)=0 hat dabei nur eine z-Komponente; und der Ursprung der Fläche liegt innerhalb des genutzten Freidurchmessers.
Die so gearteten erfindungsgemäßen Oberflächen sind nicht rotationssymmetrisch, sie sind lediglich zu einer einzigen Ebene symmetrisch.

Claims

- 8 -PATENTANSPRÜCHE
1. Einblick- bzw. Einspiegelungseinrichtung zur visuellen Betrachtung eines Objektes, mit einem optischen System, dessen Strahlengang mindestens einmal durch einen Spiegel gefaltet ist, und das wenigstens einen nicht planaren Spiegel aufweist, auf den der Strahlengang unter einem Einfallswinkel ungleich Null auftrifft, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Element mit einer Oberfläche aufweist, die zu einer Ebene symmetrisch ist, und die keine Rotationssymmetrie aufweist, und entlang einer ersten Schnittlinie mit einer ersten Ebene einen einsinnig ab- oder zunehmenden meridionalen Krümmungsradius und entlang derselben Schnittlinie einen einsinnig ab- oder zunehmenden sagittalen Krümmungsradius besitzt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schnittlinie durch eine quadratische Gleichung der Form z = a + b * y + c *y2 beschreibbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schnittlinie durch eine Kurve 3. Grades der Form z = a + b *y + c * y2 +d * y3 beschreibbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schnittlinie durch einen kubischen Spline beschreibbar ist. - 9 -
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der sagittale Krümmungsradius p entlang der ersten Schnittlinie gemäß p = p0 + k-, * y linear mit einer Höhe y verändert.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sagittale Krümmungsradius p entlang der ersten Schnittlinie durch eine Potenzreihe p = p0 + ki * y + k2 * y2 +... beschreibbar ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des sagittalen Krümmungsradius durch einen kubischen Spline beschreibbar ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Schnittlinien der Oberfläche mit zur ersten Schnittebene senkrecht stehenden zweiten Schnittebenen kreisförmig sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schnittlinien Kegelschnitte sind.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schnittlinien durch Potenzreihen Z = c2* x2 + c4 * x4 + ... darstellbar sind.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schnittlinien durch kubische Splines darstellbar sind. - 10 -
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ebene Symmetrieebene der Oberfläche ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Spiegel oder ein Linsenelement ist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System Faltungsspiegel enthält.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System dezentriert ist.
16. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in Head Up Displays (HUD's) oder in Heimet Mounted Displays (HMD's).
EP99911590A 1998-02-06 1999-02-08 Einblick- bzw. einspiegelungseinrichtung Withdrawn EP1047973A1 (de)

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DE19804780 1998-02-06
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DE19809711 1998-03-06
PCT/DE1999/000341 WO1999040470A1 (de) 1998-02-06 1999-02-08 Einblick- bzw. einspiegelungseinrichtung

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