ES2231116T3 - Visualizador de cabeza erguida. - Google Patents

Visualizador de cabeza erguida.

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ES2231116T3 ES00302878T ES00302878T ES2231116T3 ES 2231116 T3 ES2231116 T3 ES 2231116T3 ES 00302878 T ES00302878 T ES 00302878T ES 00302878 T ES00302878 T ES 00302878T ES 2231116 T3 ES2231116 T3 ES 2231116T3
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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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