ES2231116T3 - Visualizador de cabeza erguida. - Google Patents
Visualizador de cabeza erguida.Info
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Abstract
Un sistema visualizador de cabeza erguida, que incluye un generador (11) de imágenes dispuesto para generar una imagen, un combinador (14), y un subsistema óptico (15) dispuesto entre el generador (11) de imágenes y el combinador (14), cuyo subsistema (15) óptico incluye un prisma (20) que tiene una primera superficie (29) de prisma y una segunda superficie (30) de prisma, caracterizado porque el subsistema (15) óptico incluye un espejo (21) que tiene una superficie (38) especular, cuyo espejo (21) está separado del prisma (20), con el prisma (20) y el espejo (21) estando dispuestos para llevar una imagen generada desde el generador (11) de imágenes hacia el combinador (14), teniendo la primera superficie (29) de prisma una primera parte (31) y una segunda parte (32), teniendo la segunda superficie (30) de prisma una primera parte (33) y una segunda parte (34), y estando el prisma (20) dispuesto internamente para reflejar una imagen generada desde la primera parte (31) de la primera superficie (29) de prisma hacia la primera parte (33) de la segunda superficie (30) de prisma dispuesta internamente para reflejar la imagen generada hacia y a través de la segunda parte (32) de la primera superficie (29) de prisma dispuesta para permitir que la imagen reflejada pase a través de la misma para la reflexión por la superficie especular (38) del espejo (21) que está dispuesto para reflejar la imagen transmitida de vuelta a través de la segunda parte (32) de la primera superficie (29) de prisma y a través de la segunda parte (34) de la segunda superficie (30) de prisma hacia una superficie (22) reflectante del combinador (11), dispuesta para superponer la imagen sobre una escena vista a través del combinador (14).
Description
Visualizador de cabeza erguida.
La presente invención se refiere a un sistema
visualizador de cabeza erguida y a un método de superponer una
imagen generada sobre una escena.
Un visualizador de cabeza erguida típico de la
técnica anterior comprende un generador de imágenes dispuesto para
generar una imagen en una superficie objeto de la misma, un
combinador dispuesto para superponer la imagen generada sobre una
escena vista a través del combinador y un sistema óptico dispuesto
entre el generador de imágenes y el combinador para llevar la imagen
generada desde el generador de imágenes al combinador. Se entenderá
que la imagen formada por el generador de imágenes sigue una
trayectoria óptica desde la superficie objeto, a través del sistema
óptico, hasta el combinador.
Cuando tal visualizador de cabeza erguida se
utiliza como sistema visualizador del piloto en una cabina de un
avión, para alojar el visualizador dentro de las restricciones
espaciales de la cabina del avión, la trayectoria óptica entre la
superficie objeto y el combinador se dobla habitualmente dentro del
sistema óptico de tal manera que la imagen generada es redirigida
entre el generador de imágenes y el combinador. En tal sistema, el
sistema óptico puede comprender un reflector situado debajo del
combinador, en línea con el plano de eyección del piloto de la
cabina, de modo que no hay espacio disponible delante del plano de
eyección para alojar disposiciones de visualización adicionales
tales como un sistema visualizador de cabeza baja.
El documento
EP-A-0479439 describe un aparato
visualizador óptico que tiene una fuente de visualización de tubo de
rayos catódicos, unos medios ópticos de colimación, un prisma y unos
medios de combinación. El prisma está dispuesto con respecto a la
fuente de visualización para doblar la luz proveniente de la fuente
mediante reflexión interna en el prisma tres veces para reducir la
profundidad del visualizador óptico.
El documento
US-A-3940204 describe un sistema de
visualización que utiliza una lente holográfica que funciona en un
ángulo con respecto al eje relativamente grande para realizar la
doble función de cristal combinador y ocular.
El documento
DE-B-245074 describe el uso de un
filtro polarizante dispuesto entre un subsistema óptico y un
combinador de un visualizador de cabeza erguida.
En la solicitud de patente internacional PCT
89/12840 hay descrito un visualizador que utiliza dos superficies
reflectantes separadas para reflejar una imagen desde tres
posiciones dispuestas a lo largo de las dos superficies reflectantes
para transmitir la imagen al combinador. Es decir, la imagen es
generada en una superficie objeto y es redirigida hacia arriba al
combinador por una superficie inferior completamente reflectante y
una superficie superior reflectante que tiene tanto propiedades
transmisoras de luz como reflectantes de luz provista de un
recubrimiento semiplateado. Las dos superficies reflectantes se
disponen para estar una frente a otra y para estrecharse una hacia
la otra en la dirección de propagación de la imagen a través del
sistema. En funcionamiento, la imagen de la superficie objeto se
refleja primero en la superficie reflectante inferior y luego se
refleja, en parte, en la superficie reflectante superior de vuelta
hacia la superficie inferior donde se refleja de nuevo hacia la
superficie reflectante superior para la transmisión a través de ella
hacia el combinador para reflejarse hacia un observador.
De esta manera, se construye un sistema más
compacto que tiene un perfil de menor profundidad que el obtenido
utilizando un reflector que proporciona una reflexión simple. Sin
embargo, el rendimiento de transmisión de este sistema es pobre y
susceptible de reflexiones no deseadas desde varias superficies
dentro de la cabina del avión y del sistema.
Es un objeto de la presente invención evitar o
mitigar las desventajas asociadas con la técnica anterior.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención se proporciona un sistema visualizador de cabeza erguida,
que incluye un generador de imágenes dispuesto para generar una
imagen, un combinador, y un subsistema óptico dispuesto entre el
generador de imágenes y el combinador, cuyo subsistema óptico
incluye un prisma que tiene una primera superficie de prisma y una
segunda superficie de prisma, caracterizado porque el subsistema
óptico incluye un espejo que tiene una superficie especular, cuyo
espejo está separado del prisma, estando el prisma y el espejo
dispuestos para llevar una imagen generada desde el generador de
imágenes hacia el combinador, teniendo la primera superficie de
prisma una primera parte y una segunda parte, teniendo la segunda
superficie de prisma una primera parte y una segunda parte, y
estando el prisma dispuesto internamente para reflejar una imagen
generada desde la primera parte de la primera superficie de prisma
hacia la primera parte de la segunda superficie de prisma dispuesta
internamente para reflejar la imagen generada hacia y a través de la
segunda parte de la primera superficie de prisma dispuesta para
permitir que la imagen reflejada pase a través de la misma para la
reflexión por la superficie especular del espejo que está dispuesto
para reflejar la imagen transmitida de vuelta a través de la segunda
parte de la primera superficie de prisma y a través de la segunda
parte de la segunda superficie de prisma hacia una superficie
reflectante del combinador, dispuesta para superponer la imagen
sobre una escena vista a través del combinador.
Preferiblemente, la imagen sigue un trayecto
óptico a través del sistema y las superficies del prisma pueden ir
estrechándose hacia el interior en la dirección de propagación de la
imagen a lo largo del camino de la trayectoria óptica. Las
superficies de prisma primera y segunda pueden ser planas.
Ventajosamente el prisma está hecho de un
material transparente desde el punto de vista óptico y la primera
parte reflectante de la segunda superficie de prisma tiene un
recubrimiento sobre ella. El recubrimiento puede ser un
recubrimiento dieléctrico.
El subsistema óptico puede incluir también una
lente repetidora dispuesta entre el generador de imágenes y el
combinador que está dispuesta para llevar una imagen generada por el
generador de imágenes a la primera parte de la primera superficie de
prisma del prisma.
Preferiblemente, el combinador es un combinador
holográfico. La superficie especular del espejo puede ser
sustancialmente plana. De manera alternativa, la superficie
especular del espejo puede ser esférica.
Un filtro polarizante puede estar dispuesto entre
el prisma y el combinador.
El combinador puede estar situado encima del
subsistema óptico cuando el sistema visualizador está montado en una
cabina de avión para su utilización como un sistema visualizador de
cabeza erguida para un piloto.
La invención será descrita ahora, a modo de
ejemplo solamente, con referencia a los dibujos adjuntos, en los
que:
La figura 1 ilustra esquemáticamente un sistema
visualizador de cabeza erguida de acuerdo con la presente
invención.
El inventor se ha percatado de que el sistema
visualizador de cabeza erguida descrito en la solicitud de patente
internacional 89/12840 utiliza una superficie reflectante superior
que tiene un recubrimiento semiplateado que tiene como resultado un
rendimiento de transferencia de imagen a través del sistema de
aproximadamente un 25%. El bajo rendimiento se deriva de una
ineficiencia del 50% en la reflexión desde la superficie reflectante
superior y una ineficiencia adicional de transmisión del 50% a
través de la superficie reflectante superior. Además hay una
ineficiencia de reflexión adicional desde la superficie reflectante
inferior y desde el combinador utilizado para llevar una imagen al
observador, y una ineficiencia de transmisión dentro de todos los
componentes ópticos repetidores utilizados para llevar la imagen a
las dos superficies reflectantes. En la práctica, el rendimiento
total que se puede conseguir con el sistema no es mayor del 20%. El
uso de un recubrimiento multicapa en lugar del recubrimiento
semiplateado sobre la superficie reflectante superior mejoraría el
rendimiento del sistema, pero esto tendría como resultado conflictos
de transmisión y reflexión en la superficie reflectante superior
debido a la similitud de los ángulos requeridos por las necesidades
de la transmisión y la reflexión de la superficie superior
reflectante. El uso de un recubrimiento de un 50% sobre la
superficie reflectante superior tiene también un efecto perjudicial
de reflexión hacia atrás de un 50% de cualquier luz que caiga sobre
ella desde arriba. Si el sol está situado por encima del sistema
entonces el piloto observaría fuertes reflexiones de luz
provenientes del sol. Ni siquiera el uso de un filtro polarizante
mitigará la reflexión de luz proveniente del sol hasta un nivel
aceptable para que el piloto vea, y el rendimiento de transferencia
de la imagen a través del filtro polarizante y la superficie
reflectante superior se reducirá en un 55% aproximadamente. Por lo
tanto, el rendimiento de transferencia total del sistema sería menor
del 10%.
En referencia a la figura 1, un sistema 10
visualizador de cabeza erguida, de acuerdo con la presente
invención, incluye un generador 11 de imágenes que está apoyado y
alineado ópticamente dentro de una cabina de un avión, que tiene una
cubierta 12, para su uso por un piloto del avión. El generador 11 de
imágenes puede ser un tubo de rayos catódicos, un visualizador de
cristal líquido u otro medio visualizador adecuado. El sistema 10
incluye también un alojamiento 13 utilizado para sostener el
generador 11 de imágenes y un combinador 14 holográfico que está
sostenido en pie sobre la parte superior del alojamiento 13 en un
marco rígido, no ilustrado.
Dentro del alojamiento 13 hay un subsistema 15
óptico que incluye una disposición 16 de lentes repetidoras. La
disposición 16 repetidora de lentes está constituida por una
pluralidad de lentes y otros elementos ópticos que están sostenidos
por el alojamiento 13 según unos ángulos y con disposición axial
relativa tanto uno con otro como en relación con una superficie 17
objeto del generador 11 de imágenes. El generador 11 de imágenes
está dispuesto para generar una imagen en la superficie 17 objeto y
la disposición 16 de lentes repetidoras está dispuesta para recibir
la imagen, para colimar y para llevar la imagen a una pupila 18 de
salida de la disposición 16 de lentes repetidoras. Se entenderá que
la imagen formada en la superficie 17 objeto sigue un camino 19 de
trayectoria óptica a través del sistema 10 desde la superficie 17 de
objetivo, a través del subsistema 15 óptico, hasta el combinador
14.
El subsistema 15 óptico incluye también un prisma
20 y un espejo 21 dispuestos a lo largo del camino 19 de trayectoria
óptica entre la disposición 16 de lentes repetidoras y el combinador
14. El prisma 20 y el espejo 21 están separados, situados dentro del
alojamiento 13 y montados en él y sirven para doblar el camino 19 de
trayectoria óptico desde una dirección generalmente horizontal a una
dirección generalmente vertical, y por lo tanto dirigir la imagen
desde la pupila 18 de salida de la disposición 16 de lentes
repetidoras hacia arriba hasta el combinador 14.
El combinador 14 tiene un recubrimiento de lentes
holográficas de reflexión en la interfaz 22 entre dos elementos 23 y
24 de material plástico o de vidrio, que proporcionan unas
superficies anterior y posterior, 25 y 26 respectivamente, planas y
sustancialmente paralelas, una sobre cada uno de los elementos 23 y
24. Como el combinador 14 es holográfico, el recubrimiento en la
interfaz 22 está ajustado tanto para la longitud de onda como para
el ángulo de incidencia de la imagen en cada punto de su superficie.
En consecuencia, el generador 11 de imágenes puede estar dispuesto
para generar una banda estrecha de longitud de onda de luz y el
combinador 14 puede estar ajustado para reflejar luz dentro de la
banda de longitud de onda recibida con un ángulo de incidencia
dado.
El recubrimiento de lentes de reflexión
holográficas de la interfaz 22 del combinador 14 se construye
utilizando frentes de onda con aberraciones de manera que actúa para
contrarrestar esas aberraciones en la imagen generada por el
subsistema 15 óptico. Como resultado, puede verse una imagen visual
clara que corresponde a la generada en la superficie 17 objeto del
generador 11 de imágenes en el infinito cuando se mira a través del
combinador 14, superpuesta sobre la escena vista a través del
combinador 14. Se entenderá que un ojo 27 del piloto ve una escena
28, en este caso representada por una flecha, delante del avión y a
través tanto del combinador 14 como de la cubierta 12 de la
cabina.
El prisma 20 comprende un material transparente
desde el punto de vista óptico formado a partir de un material
plástico o de vidrio que tiene unas superficies de prisma primera y
segunda, 29 y 30 respectivamente. La primera superficie 29 de prisma
comprende una primera parte 31 y una segunda parte 32. La primera
parte 31 está dispuesta para reflejar internamente de manera
completa la imagen dentro del prisma 20 y la segunda parte 32 está
dispuesta para permitir que la imagen pase a través de la misma. Es
decir, la imagen pasa a través de la primera superficie 29 de prisma
en la segunda parte 32. La segunda superficie 30 de prisma tiene una
primera parte 33 y una segunda parte 34. La primera parte 33 está
dispuesta para reflejar internamente de manera completa la imagen
dentro del prisma 20 y la segunda parte 34 está dispuesta para
permitir que la imagen pase a través de la misma. Es decir, la
imagen pasa a través de la segunda superficie 30 de prisma en la
segunda parte 34 que forma una abertura 35 de salida del prisma
20.
Las superficies de prisma primera y segunda 29 y
30 son sustancialmente coplanares y definen un estrechamiento que se
estrecha en la dirección de propagación de la imagen a través del
sistema 10 a lo largo del camino 19 de trayectoria óptica desde la
pupila 18 de salida de la disposición 16 de lentes repetidoras. El
prisma 20 está colocado con la segunda superficie 30 de prisma en su
parte más alta y un borde 36 delantero en la dirección en la que ve
el ojo 27 del piloto a lo largo de un camino 37 de trayectoria de
visión. El prisma 20 está también situado debajo e inmediatamente al
lado del combinador 14. La primera superficie 29 de prisma está
situada consecuentemente debajo de la segunda superficie 30 de
prisma.
El espejo 21 está situado debajo del prisma 20,
que está debajo de la segunda parte 32 de la primera superficie 29
de prisma, y comprende una superficie 38 especular que es
sustancialmente coplanar con las superficies reflectantes primera y
segunda 29 y 30. La superficie especular puede ser plana o esférica
con poder óptico para presentar un campo de visión mayor al ojo 27
del piloto con menos o ningún movimiento de cabeza por parte del
piloto.
Durante el funcionamiento, el generador 11 de
imágenes produce una imagen en su superficie 17 objeto, que es
llevada por la disposición 16 de lentes repetidoras a su pupila 18
de salida a lo largo del camino 19 de trayectoria óptica. La imagen
entra entonces en el prisma 20 y se refleja internamente de manera
completa desde la primera parte 31 de la primera superficie 29 de
prisma hacia la primera parte 33 de la segunda superficie 30 de
prisma donde se refleja internamente de manera completa a través de
la segunda parte 32 de la primera superficie 29 de prisma que está
dispuesta para permitir que la imagen pase a través de ella. La
imagen es reflejada luego por la superficie 38 especular del espejo
21 que está dispuesta para reflejar la imagen hacia atrás a través
de la segunda parte 32 de la primera superficie 29 de prisma y a
través de la segunda parte 34 se la segunda superficie 30 de prisma
que está dispuesta también para permitir que la imagen pase a través
de ella. Es decir, la imagen abandona el prisma 20 a través de su
abertura 35 de salida. La imagen se dirige entonces hacia la
interfaz 22 del combinador 14 que está dispuesta para superponer la
imagen sobre la escena 28 vista por el ojo 27 del piloto a través
del combinador 14 a lo largo del camino 36 de la trayectoria óptica.
De esta manera el piloto observa la imagen en el infinito
superpuesta sobre la escena 28 vista a través del combinador 14.
Se observará que, en virtud de la geometría del
prisma 20, se proporciona un espacio debajo del prisma 20 para el
alojamiento de un visualizador 39 de cabeza baja secundario en una
posición ergonómicamente deseable, con todas las disposiciones de
visualización, es decir, el sistema 10 y el visualizador 39,
alojados delante del plano 40 de eyección del piloto.
Se apreciará que a la vista del espacio limitado
en la cabina del avión, más particularmente en una cabina de un
avión de combate, la provisión de un sistema 10 visualizador de
cabeza erguida que permite que un visualizador 39 adicional de
cabeza baja sea situado en tal posición ergonómicamente deseable es
de gran valor.
El visualizador 39 de cabeza baja puede ser un
visualizador de cristal líquido con una unidad de accionamiento
electrónica y un sistema de refrigeración asociados.
Alternativamente, el visualizador 39 de cabeza baja podría ser otra
forma de visualizador, tal como un tubo de rayos catódicos.
Se entenderá que aunque el sistema 10
visualizador está destinado principalmente para el uso como sistema
visualizador de un piloto en una cabina de avión, pueden encontrarse
no obstante aplicaciones en otros ámbitos donde se requiera un
visualizador 39 adicional, por ejemplo en un tren.
El sistema visualizador 10 proporciona un buen
rendimiento de transmisión de la imagen y es menos susceptible de
dispersar reflexiones dentro de la cabina del avión y del sistema
10. Es decir, el prisma 20 proporciona un rendimiento mayor del 90%
cuando la reflexión interna total se utiliza principalmente para
transmitir la imagen a través del prisma 20, mientras que el sistema
10 completo proporciona un rendimiento mayor del 60%.
Un recubrimiento 41 dieléctrico puede aplicarse a
la primera parte 33 de la segunda superficie 30 de prisma a fin de
ampliar el margen de ángulo de reflexión de la imagen desde su
superficie y asegurar que sustancialmente toda la imagen es
reflejada internamente de manera completa dentro del prisma 20.
Además, el ángulo con el que la segunda superficie 30 de prisma del
prisma 20 refleja la luz del sol se incrementa, y se transmite más
luz del sol incidente sobre la segunda superficie 30 de prisma al
sistema 10 que al ojo 27 del piloto. La inclusión de un filtro 42
polarizante entre el prisma 20 y el combinador 14 además reduce a un
nivel aceptable la luz del sol que es reflejada por el sistema 10 al
ojo 27 del piloto.
Claims (11)
1. Un sistema visualizador de cabeza erguida, que
incluye un generador (11) de imágenes dispuesto para generar una
imagen, un combinador (14), y un subsistema óptico (15) dispuesto
entre el generador (11) de imágenes y el combinador (14), cuyo
subsistema (15) óptico incluye un prisma (20) que tiene una primera
superficie (29) de prisma y una segunda superficie (30) de prisma,
caracterizado porque el subsistema (15) óptico incluye un
espejo (21) que tiene una superficie (38) especular, cuyo espejo
(21) está separado del prisma (20), con el prisma (20) y el espejo
(21) estando dispuestos para llevar una imagen generada desde el
generador (11) de imágenes hacia el combinador (14), teniendo la
primera superficie (29) de prisma una primera parte (31) y una
segunda parte (32), teniendo la segunda superficie (30) de prisma
una primera parte (33) y una segunda parte (34), y estando el prisma
(20) dispuesto internamente para reflejar una imagen generada desde
la primera parte (31) de la primera superficie (29) de prisma hacia
la primera parte (33) de la segunda superficie (30) de prisma
dispuesta internamente para reflejar la imagen generada hacia y a
través de la segunda parte (32) de la primera superficie (29) de
prisma dispuesta para permitir que la imagen reflejada pase a través
de la misma para la reflexión por la superficie especular (38) del
espejo (21) que está dispuesto para reflejar la imagen transmitida
de vuelta a través de la segunda parte (32) de la primera superficie
(29) de prisma y a través de la segunda parte (34) de la segunda
superficie (30) de prisma hacia una superficie (22) reflectante del
combinador (11), dispuesta para superponer la imagen sobre una
escena vista a través del combinador (14).
2. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según la reivindicación 1, en el que la imagen sigue un camino de
trayectoria óptica a través del sistema (10) y las superficies (29,
30) del prisma (20) se estrechan hacia el interior en la dirección
de propagación de la imagen a lo largo del camino de trayectoria
óptica.
3. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las
superficies de prisma primera y segunda (29, 30) son planas.
4. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el prisma
(20) está hecho de un material transparente desde el punto de vista
óptico y en el que la primera parte (33) de la segunda superficie
(30) de prisma tiene un recubrimiento (41) sobre ella.
5. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según la reivindicación 4, en el que el recubrimiento (41) es un
recubrimiento dieléctrico.
6. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según cualquier reivindicación precedente, en el que el subsistema
(15) óptico incluye también una disposición (16) de lentes
repetidoras dispuesta entre el generador (11) de imágenes y el
combinador (14) que está dispuesto para llevar una imagen generada
por el generador (11) de imágenes a la primera parte (31) de la
primera superficie (29) de prisma del prisma (20).
7. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según cualquier reivindicación precedente, en el que el combinador
(14) es un combinador holográfico.
8. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según cualquier reivindicación precedente, en el que la superficie
(38) especular del espejo (21) es sustancialmente plana.
9. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la
superficie (38) especular del espejo (21) es esférica.
10. Un sistema visualizador de cabeza erguida,
según cualquier reivindicación precedente, que incluye un filtro
(42) polarizante dispuesto entre el prisma (20) y el combinador
(14).
11. Una cabina de avión, que incluye un sistema
visualizador de cabeza erguida, según cualquier reivindicación
precedente, dispuesto como un sistema visualizador de cabeza erguida
para un piloto, en el que el combinador (14) está situado encima del
subsistema (15) óptico.
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