NL9401110A

NL9401110A - Display system designed to superimpose three images to obtain a mixed image.

Info

Publication number: NL9401110A
Application number: NL9401110A
Authority: NL
Inventors: Godwin Jeroom Odo G Hooreweder
Original assignee: Optische Ind Oede Oude Delftoe
Priority date: 1994-07-01
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 1996-02-01
Also published as: WO1996001440A1

Description

Titel: Weergeefstelsel bestemd voor het superponeren van drie beelden voor het verkrijgen van een gemengd beeld.Title: Display system for superimposing three images to obtain a mixed image.

De uitvinding heeft betrekking op een weergeefstelsel voor het superponeren van drie beelden voor het verkrijgen van een gemengd beeld. Een weergeefstelsel volgens de uitvinding kan worden gebruikt voor verschillende toepassingen, waarin de behoefte bestaat om drie verschillende beelden met elkaar te mengen en in een zelfde richting uit te zenden om vervolgens te worden waargenomen of te worden geprojecteerd op bijvoorbeeld een scherm. Hierbij correspondeert bijvoorbeeld het eerste beeld met een groenachtig kleurendeelbeeld, het tweede beeld met een roodachtig kleurendeelbeeld en het derde beeld met een blauwachtig kleurendeelbeeld. In een dergelijke configuratie kan het stelsel bijvoorbeeld worden toegepast in een kleurentelevisieprojectiesysteem. Het stelsel kan echter eveneens worden toegepast in bijvoorbeeld een nachtzicht-systeem. Hierbij correspondeert bijvoorbeeld het eerste beeld met een nachtbeeld, het tweede beeld met een informatiebeeld en het derde beeld met een dagbeeld.The invention relates to a display system for superimposing three images to obtain a mixed image. A display system according to the invention can be used for different applications, in which there is a need to mix three different images together and transmit them in the same direction and then be observed or projected on, for example, a screen. For example, the first image corresponds to a greenish color sub-image, the second image to a reddish color sub-image and the third image to a bluish-color sub-image. For example, in such a configuration, the system can be used in a color television projection system. However, the system can also be used in, for example, a night vision system. Here, for example, the first image corresponds to a night image, the second image to an information image and the third image to a day image.

Uit de Europese octrooiaanvrage o 475 790 is een weer-geefstelsel bekend geschikt voor bevestiging op het hoofd of aan een helm waarin een dagbeeld, nachtbeeld en videobeeld met elkaar worden vermengd. Hierin wordt gebruik gemaakt van slechts één (holografisch) element om een videobeeld en nachtbeeld te mengen. Vervolgens worden deze twee gemengde beelden tezamen met een daglichtbeeld door een combinatie* optiek in de richting van het oog geprojecteerd. Een nadeel van een dergelijk systeem is dat alle drie de beelden noodzakelijkerwijs altijd op een zelfde afstand zijn afgebeeld en voor een gebruiker altijd tegelijkertijd scherp zijn. Dit kan een bijzonder verwarrend effect hebben. Bovendien is een dergelijk systeem veelal niet voldoende nauwkeurig voor deze en andere hierna nog te bespreken toepassingen.European patent application no. 475 790 discloses a display system suitable for mounting on the head or on a helmet in which a day image, night image and video image are mixed together. It uses only one (holographic) element to mix a video image and night image. These two mixed images are then projected together with a daylight image towards the eye through a combination * optic. A drawback of such a system is that all three images are necessarily always at the same distance and are always sharp for a user at the same time. This can have a particularly confusing effect. Moreover, such a system is often not sufficiently accurate for these and other applications to be discussed below.

Een ander type weergeefstelsel is bekend uit de Europese octrooiaanvrage 0 252 200. Deze weergeefstelsels worden ondermeer gebruikt voor de helmen van piloten van in het bijzonder militaire vliegtuigen en helicopters. Hierin wordt een vrij doorzichtbeeld vermengd met een nachtbeeld, waarbij het nacht-beeld een versterkt beeld is. Voor het verkrijgen van een helder beeld van een omgeving waarvan de lichtintensiteit laag is verschaft dit bekende weergeefstelsel aan een gebruiker een uitstekend helder beeld met een hoge resolutie. Ook wanneer de intensiteit van het omgevingslicht toeneemt wordt een helder beeld verkregen, doordat een gebruiker de omgeving eveneens direkt kan waarnemen. Een gebruiker die een dergelijk stelsel draagt kan derhalve daarmee in daglicht, schemerlicht en duister waarnemen zonder dat de helm op of af dient te worden gezet. Dat wil zeggen dat het omgevingslicht door het weergeef stelsel direkt in de richting van het oog wordt geprojecteerd. Een van een dergelijk weergeefstelsel voorzien hoofd-bevestigingsysteem of helm heeft bovendien als voordeel dat een voor de gebruiker ideaal gelegen zwaartepunt kan worden gerealiseerd.Another type of display system is known from European patent application 0 252 200. These display systems are used, inter alia, for the helmets of pilots of, in particular, military aircraft and helicopters. In this, a free transparent image is mixed with a night image, the night image being a reinforced image. In order to obtain a clear image of an environment whose light intensity is low, this prior art display system provides a user with an excellent, high-resolution image. Even when the intensity of the ambient light increases, a clear image is obtained, because a user can also observe the environment directly. A user wearing such a system can thus observe in daylight, twilight and darkness without having to put the helmet on or off. That is, the ambient light is projected directly in the direction of the eye by the display system. A head fastening system or helmet provided with such a display system also has the advantage that a center of gravity ideally located for the user can be realized.

Thans is de behoefte ontstaan aan een weergeefstelsel waarbij het mogelijk is op zeer nauwkeurige wijze drie beelden te vermengen.The need has now arisen for a display system in which it is possible to mix three images in a very accurate manner.

Het weergeefstelsel volgens de uitvinding wordt hiertoe gekenmerkt in dat het weergeefstelsel is voorzien van een oculair dat is samengesteld uit een eerste en tweede lichtdoorlatend reflecterend element met hoek- en frequentie-afhankelijke reflectie- en transmissie-eigenschappen, het eerste beeld invalt op een eerste zijde van het eerste element, het tweede beeld invalt op een tweede zijde van het eerste element en het derde beeld invalt op een zijde van het tweede element en waarbij genoemde eigenschappen ertoe leiden dat de drie beelden via het oculair als een gemengd beeld uittreden. Een bijzondere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat het stelsel verder is voorzien van tenminste een beeldversterkingseenheid met een ingang waarop een beeld kan worden geprojecteerd en een uitgang die het geprojecteerde beeld met een versterkte intensiteit en binnen een voorafbepaalde eerste frequentieband weer uitzendt voor het verkrijgen van een, het eerste beeld vormende versterkte beeld waarbij de genoemde eigenschappen in combinatie met de genoemde eerste frequentieband ertoe leiden dat het versterkte beeld via het oculair uittreedt in de richting van het oog en een beeldbuis die een zichtbaar, het tweede beeld vormende videobeeld uitzendt waarbij de genoemde eigenschappen van het oculair ertoe leiden dat het videobeeld via het oculair, binnen een voorafbepaalde tweede frequentieband in de richting van het oog uittreedt.To this end, the display system according to the invention is characterized in that the display system comprises an eyepiece composed of a first and second light-transmitting reflective element with angle and frequency-dependent reflection and transmission properties, the first image incident on a first side of the first element, the second image is incident on a second side of the first element and the third image is incident on one side of the second element and wherein said properties cause the three images to exit as a mixed image through the eyepiece. A special embodiment according to the invention is characterized in that the system is further provided with at least one image intensifying unit with an input on which an image can be projected and an output which transmits the projected image again with an amplified intensity and within a predetermined first frequency band for obtaining an amplified image forming the first image, wherein said properties, in combination with said first frequency band, cause the amplified image to exit through the eyepiece towards the eye and a picture tube which transmits a visible video image forming the second image wherein said eyepiece properties cause the video image to exit through the eyepiece within a predetermined second frequency band toward the eye.

Een gebruiker, zoals bijvoorbeeld een piloot die een van een dergelijk weergeefstelsel voorziene helm draagt, behoeft daarmee in principe zijn ogen niet van de omgeving af te wenden om de benodigde wapensysteem- of andere informatie waar te nemen. De van de beeldweergave-inrichting afkomstige informatie kan immers in het gezichtsveld van de piloot worden af-gebeeld, terwijl hij bijvoorbeeld recht voor zich uit naar buiten kijkt.In principle, a user, such as, for example, a pilot wearing a helmet provided with such a display system, does not have to turn his eyes away from the environment in order to perceive the required weapon system or other information. After all, the information from the image display device can be displayed in the field of view of the pilot, while he, for example, looks straight ahead.

Uit de Europese octrooiaanvragen 0 286 496 en 0 288 365 en het Amerikaanse octrooischrift 5.257.094 zijn eveneens weergeefsystemen bekend waarin beelden met elkaar worden gemengd. In deze systemen worden echter steeds slechts twee in plaats van mogelijk drie beelden met elkaar gemengd.European patent applications 0 286 496 and 0 288 365 and U.S. patent 5,257,094 also disclose display systems in which images are mixed together. However, in these systems only two instead of possibly three images are mixed together.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt gekenmerkt in dat het versterkte beeld achtereenvolgens door het eerste element wordt gereflecteerd, door het tweede element wordt gereflecteerd en gecollimeerd om vervolgens door het eerste element te worden doorgelaten. Hierbij wordt het videobeeld door het eerste element gereflecteerd in dezelfde richting als waarin het versterkte beeld uittreedt. Meer in het bijzonder vallen het versterkte beeld en het videobeeld respectievelijk aan verschillende zijden van het eerste element op het eerste element in. Volgens een zeer geavanceerde uitvoeringsvorm is de hoek van inval van het versterkte beeld op het eerste element verschillend van de hoek van inval van het videobeeld op het eerste element.A particular embodiment of the invention is characterized in that the amplified image is successively reflected from the first element, reflected from the second element and collimated, and then transmitted through the first element. The video image is reflected by the first element in the same direction in which the amplified image emerges. More particularly, the amplified image and the video image are incident on the first element on different sides of the first element. According to a very advanced embodiment, the angle of incidence of the amplified image on the first element is different from the angle of incidence of the video image on the first element.

Een aldus werkend optisch stelsel kan in het bijzonder worden gerealiseerd wanneer de eerste frequentieband althans in hoofdzaak andere frequenties dan de tweede frequentieband omvat. De eerste frequentieband omvat bijvoorbeeld althans in hoofdzaak groenachtig gekleurd licht en de tweede frequentie-band omvat althans in hoofdzaak roodachtig gekleurd licht. Dankzij een dergelijke keuze van frequenties kunnen de hierboven vermelde reflecties en transmissies van het eerste en tweede element worden bewerkstelligd. Bovendien is het zeer voordelig voor een gebruiker dat het videobeeld in een andere kleur wordt waargenomen dan het nachtbeeld. Verwarring tussen beide beelden is hiermee uitgesloten, terwijl het kleurcontrast de afzonderlijke waarneming van elk van beide beelden bevordert.An optical system operating in this way can in particular be realized when the first frequency band comprises at least substantially other frequencies than the second frequency band. For example, the first frequency band includes at least substantially greenish-colored light, and the second frequency band includes at least substantially reddish-colored light. Thanks to such a choice of frequencies, the above-mentioned reflections and transmissions of the first and second elements can be effected. In addition, it is very advantageous for a user that the video image is perceived in a different color than the night image. This avoids confusion between the two images, while the color contrast promotes the separate perception of each image.

Het weergeefstelsel volgens de uitvinding heeft daarnaast als voordeel dat een daglichtbeeld achtereenvolgens door het tweede en eerste element wordt doorgelaten en uit het oculair treedt in een zelfde richting als het versterkte beeld en het videobeeld. Dit betekent, dat het dagbeeld rechtstreeks kan worden waargenomen.The display system according to the invention also has the advantage that a daylight image is successively transmitted through the second and first element and exits the eyepiece in the same direction as the amplified image and the video image. This means that the day view can be observed directly.

In het bijzonder omvat het eerste element ten minste een holografische laag. Het is echter ook mogelijk dat het eerste element ten minste een meerlaagsinterferentiefilter omvat. Het tweede element omvat bij voorkeur ten minste een holografische holle laag en vormt hiermee een holle collimerende holografische spiegel. Daarnaast is het echter mogelijk dat het tweede element een gebogen meerlaagsinterferentiefilter omvat.In particular, the first element comprises at least one holographic layer. However, it is also possible that the first element comprises at least a multi-layer interference filter. The second element preferably comprises at least one holographic hollow layer, thereby forming a hollow collimating holographic mirror. In addition, however, the second element may include a curved multi-layer interference filter.

Volgens een meer specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding is het stelsel voorts voorzien van een objectiefdeel met behulp waarvan bijvoorbeeld het nachtbeeld op de ingang van de beeldversterkingseenheid wordt geprojecteerd. De genoemde beeldweergave-inrichting kan bestaan uit bijvoorbeeld een LCD of een CRT.According to a more specific embodiment of the invention, the system is further provided with an objective part, with the aid of which, for example, the night image is projected on the input of the image intensification unit. The said image display device can consist of, for example, an LCD or a CRT.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een helm voorzien van een dergelijk weergeefstelsel.The invention furthermore relates to a helmet provided with such a display system.

Bij voorkeur is een dergelijke helm ten behoeve van ieder oog van een gebruiker voorzien van een beeldversterkings-eenheid (UT) en een oculair en waarbij de helm voorts is voorzien van een gemeenschappenjke beeldweergave-inrichting ten behoeve van een van de ogen of beide ogen. Hierdoor kan een gebruiker zowel het dagbeeld als het nachtbeeld in stereo, dat wil zeggen in drie dimensies, waarnemen.Preferably, such a helmet is provided for each eye of a user with an image intensifying unit (UT) and an eyepiece and wherein the helmet is further provided with a common image display device for one or both eyes. This allows a user to perceive both the day image and the night image in stereo, i.e. in three dimensions.

tt

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin toont: figuur 1 een principe-schema van een weergeefstelsel volgens de uitvinding; figuur 2 een reflectie-karakteristiek van een eerste element volgens figuur 1; figuur 3 een emissiespectrum van een fosforscherm volgens figuur 1; figuur 4 een transmissie-karakteristiek van het eerste element volgens figuur 1; figuur 5 een alternatief principe-schema van een weergeef stelsel volgens de uitvinding; figuur 6 een vooraanzicht van een weergeefstelsel dat aan een helm is gemonteerd; figuur 7 een zijaanzicht van een deel van het weergeef-stelsel van figuur 6; en figuur 8 een bovenaanzicht van een deel van het weergeef-stelsel van figuur 6.The invention will be further elucidated with reference to the drawing. Herein: figure 1 shows a principle diagram of a display system according to the invention; figure 2 shows a reflection characteristic of a first element according to figure 1; figure 3 shows an emission spectrum of a phosphor screen according to figure 1; figure 4 shows a transmission characteristic of the first element according to figure 1; figure 5 shows an alternative principle diagram of a display system according to the invention; Figure 6 is a front view of a display system mounted on a helmet; figure 7 shows a side view of a part of the display system of figure 6; and figure 8 shows a top view of a part of the display system of figure 6.

Figuur 1 toont schematisch een weergeefstelsel 1 dat bijvoorbeeld geschikt is om aan een helm te worden gemonteerd.Figure 1 schematically shows a display system 1 which is suitable, for example, for mounting on a helmet.

Het weergeefstelsel 1 omvat een eerste lichtdoorlatend reflecterend element 2 met hieronder in het kader van figuren 2, 3 en 4 nader gedefinieerde hoek- en frequentie-afhankelijke reflectie- en transmissie-eigenschappen. In dit voorbeeld bestaat het eerste element 2 uit een op zich bekende vlak element met ten minste een holografische laag of meerlaags-interferentiefilter zoals hierna nader zal worden toegelicht.The display system 1 comprises a first translucent reflecting element 2 with angle and frequency-dependent reflection and transmission properties further defined hereinafter in the context of Figures 2, 3 and 4. In this example, the first element 2 consists of a per se known flat element with at least one holographic layer or multi-layer interference filter, as will be explained in more detail below.

Daarnaast omvat het weergeefstelsel l een tweede lichtdoor-latend reflecterend element 4 met hieronder in het kader van figuren 2, 3 en 4 nader gedefinieerde hoek- en frequentie-afhankelijke reflectie- en transmissie-eigenschappen. In dit voorbeeld bestaat het tweede element 4 uit een op zich bekend hol collimerend element 4 met ten minste een holografische laag (holle holografische spiegel) of meerlaagsinterferentie-filter zoals hierna nader zal worden toegelicht. Beide elementen 2, 4 vormen tezamen een oculair 6 van het weergeef-stelsel l.In addition, the display system 1 comprises a second light-transmitting reflective element 4, with angle and frequency-dependent reflection and transmission properties further defined below in the context of Figures 2, 3 and 4. In this example, the second element 4 consists of a per se known hollow collimating element 4 with at least one holographic layer (hollow holographic mirror) or multilayer interference filter as will be explained in more detail below. Both elements 2, 4 together form an eyepiece 6 of the display system 1.

Een lichtstraal 8 van een dagbeeld in de richting van het oculair wordt zowel door het tweede element 4 alsook door het eerste element 2 doorgelaten. Een lichtstraal 10 afkomstig van een nachtbeeld valt in op een eerste zijde 12 van het eerste element 2 en wordt hierdoor gereflecteerd in de richting van het tweede element 4. De lichtstraal 10 wordt vervolgens door het tweede element 4 terug gereflecteerd in de richting van het eerste element 2. De door het tweede element 4 gereflecteerde lichtstraal 10 wordt doorgelaten door het eerste element in een zelfde richting als de lichtstraal 8. Voorts valt een lichtstraal 14 van een videobeeld in op een tweede zijde 16 van het eerste element en wordt hierdoor eveneens in de richting van de lichtstraal 8 gereflecteerd.A light beam 8 of a day image in the direction of the eyepiece is transmitted both by the second element 4 and by the first element 2. A light beam 10 from a night image is incident on a first side 12 of the first element 2 and is thereby reflected in the direction of the second element 4. The light beam 10 is then reflected back by the second element 4 in the direction of the first element 2. The light beam 10 reflected by the second element 4 is transmitted through the first element in the same direction as the light beam 8. Furthermore, a light beam 14 of a video image falls on a second side 16 of the first element and is thereby also the direction of the light beam 8 is reflected.

Een en ander brengt met zich mee dat het dagbeeld, nachtbeeld en videobeeld met elkaar worden gemengd en door een oog 18 van een gebruiker kunnen worden waargenomen. Ten behoeve van een tweede oog 20 van een gebruiker kan een zelfde tweede weergeefstelsel 1 worden gebruikt. Hierdoor kan de gebruiker het dagbeeld en het nachtbeeld drie-dimensionaal waarnemen. Het videobeeld kan desgewenst naar beide ogen worden ingespiegeld of naar slechts één oog. In het laatste geval kan bij een van beide weergeefstelsels 1 de inspiegeling van het videobeeld achterwege worden gelaten. Het weergeef-stelsel l is voorzien van op zich bekende middelen voor het genereren van het nachtbeeld en het videobeeld die in relatie met figuur 1 niet verder zullen worden besproken.All this entails that the day image, night image and video image are mixed together and can be observed through an eye 18 of a user. The same second display system 1 can be used for the benefit of a second eye 20 of a user. This allows the user to perceive the day image and the night image three-dimensionally. The video image can be mirrored to both eyes if desired or to just one eye. In the latter case, the reflection of the video image can be omitted in either display system 1. The display system 1 is provided with means known per se for generating the night image and the video image, which will not be discussed further in connection with Figure 1.

In figuur 2 is de reflectie-karakteristiek 22 van de eerste zijde 12 van het eerste element 2 getoond voor lichtstralen die onder een hoek Hl ten opzichte van de normaal van de eerste zijde 12 invallen. Hieruit blijkt dat in dit voorbeeld de eerste zijde van het eerste element dusdanig is ontworpen dat lichtstralen met een golflengte van rond de 550 n~ nagenoeg volledig worden gereflecteerd. Van deze eigenschap is gebruik gemaakt door een nachtbeeld te genereren met frequenties die althans tenminste binnen een frequentieband vallen die golflengtes van rond de 550 nm omvat. Dit kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd wanneer voor het opwekken van het, in dit geval groenachtig, nachtbeeld een op zich bekend fosforscherm wordt gebruikt.In Fig. 2, the reflection characteristic 22 of the first side 12 of the first element 2 is shown for light rays incident at an angle H1 to the normal of the first side 12. This shows that in this example, the first side of the first element is designed in such a way that light rays with a wavelength of around 550 n ~ are reflected almost completely. This property has been exploited by generating a night image with frequencies that are at least within a frequency band that includes wavelengths of around 550 nm. This can be realized, for example, if a per se known phosphor screen is used to generate the, in this case greenish, night image.

Figuur 3 toont het emissiespectrum van een dergelijk fos-forscherm dat een piek 24 heeft rond de 550 nm. Dit verklaart dat de invallende lichtstraal 10 inderdaad althans in hoofdzaak door het eerste element 2 wordt gereflecteerd. De zij -banden 26 die aan weerszijden van de piek 24 zijn gelegen worden echter gewoon doorgelaten. De eerste zijde 12 kan hiertoe zijn voorzien van een op zich bekende holografische laag 13 of een eveneens op zich bekend meerlaagsinterferentiefilter 13 op een lichtdoorlatend medium dat in de tekening gearceerd is getoond.Figure 3 shows the emission spectrum of such a phosphor screen that has a peak 24 around 550 nm. This explains that the incident light beam 10 is indeed reflected at least substantially by the first element 2. However, the side bands 26 located on either side of the peak 24 are normally allowed to pass. To this end, the first side 12 can be provided with a per se known holographic layer 13 or a multilayer interference filter 13, also known per se, on a light-transmitting medium which is shown hatched in the drawing.

De eigenschappen van het tweede element zijn dusdanig gekozen dat een onder een hoek H2 invallende lichtstraal met een frequentiespectrum dat een piek rond de 550 nm omvat wordt gereflecteerd. Het tweede element 4 is hiertoe voorzien van een op zich bekende holografische laag 25 of meerlaagsinterferentief ilter 25 op een lichtdoorlatend medium dat in de tekening gearceerd is getoond. Een en ander is vergelijkbaar als besproken in relatie met het eerste element en zal hier niet nader worden toegelicht.The properties of the second element are selected such that a light beam incident at an angle H2 with a frequency spectrum comprising a peak around 550 nm is reflected. To this end, the second element 4 is provided with a per se known holographic layer 25 or multilayer interfering filter 25 on a light-transmitting medium which is shown hatched in the drawing. All this is similar to that discussed in relation to the first element and will not be further explained here.

De tweede zijde 16 van het eerste element 2 heeft reflectie- en transmissie-eigenschappen die vergelijkbaar zijn met de besproken eigenschappen van de eerste zijde 12. In dit voorbeeld is de tweede zijde 16 dusdanig ontworpen dat een onder een hoek H3 invallende lichtstraal 14 wordt gereflecteerd voor frequenties die roodachtig gekleurd licht omvatten. De tweede zijde 16 kan hiertoe zijn voorzien van een op zich bekende holografische laag 17 of een eveneens op zich bekend meerlaagsinterferentiefilter op een in de tekening gearceerd getoond lichtdoorlatend medium. Dienovereenkomstig omvat het gereflecteerde videobeeld 14 roodachtig gekleurd licht. Dit heeft als bijkomend voordeel dat een gebruiker het in dit voorbeeld groenachtige nachtbeeld goed kan onderscheiden van het roodachtige videobeeld. Het videobeeld dat invalt op het eerste element 2 zal derhalve ten minste een frequentieband omvatten die althans gedeeltelijk overlapt met die frequenties of frequentieband waarvoor bij een hoek van inval H3 reflecties optreden aan het eerste element 2. Dit betekent dat het invallende videobeeld bijvoorbeeld een zwart/wit beeld kan zijn. Van dit beeld worden dan de roodachtige frequentiecomponenten gereflecteerd en de overige componenten worden door het eerste element 2 doorgelaten.The second side 16 of the first element 2 has reflection and transmission properties comparable to the discussed properties of the first side 12. In this example, the second side 16 is designed such that a light beam 14 incident at an angle H3 is reflected for frequencies that include reddish colored light. To this end, the second side 16 can be provided with a per se known holographic layer 17 or a multilayer interference filter, also known per se, on a light-transmitting medium shown in the drawing. Accordingly, the reflected video image 14 includes reddish colored light. This has the additional advantage that a user can clearly distinguish the greenish night image from the reddish video image in this example. The video image incident on the first element 2 will therefore comprise at least one frequency band which at least partly overlaps with those frequencies or frequency band for which at an angle of incidence H3 reflections occur on the first element 2. This means that the incident video image is, for example, a black / white picture can be. The reddish frequency components of this image are then reflected and the other components are transmitted through the first element 2.

In figuur 4 is voorts de transmissie-karakteristiek van het eerste element 2 weergegeven wanneer een lichtstraal met een van de hoek Hl verschillende, kleinere hoek invalt.Figure 4 furthermore shows the transmission characteristic of the first element 2 when a light beam incident at a smaller angle different from the angle H1.

Hieruit blijkt dat transmissie optreedt wanneer de golflengte afwijkt van ongeveer 625 nm. Dit verklaart dat de door het tweede element 4 gereflecteerde lichtstraal 10 door het eerste element wordt doorgelaten.This shows that transmission occurs when the wavelength deviates from about 625 nm. This explains that the light beam 10 reflected by the second element 4 is transmitted through the first element.

Het tweede element 4 heeft met figuur 4 vergelijkbare transmissie-eigenschappen, zodat het daglicht - dat immers een continu frequentiespectrum omvat - nagenoeg geheel door het tweede en eerste element wordt doorgelaten. Indien het gewenst is dat het door het eerste element 2 gereflecteerde videobeeld een andere kleur heeft dan hiervoor omschreven - zoals bijvoorbeeld een blauwachtig gereflecteerd beeld 14'- kan dit worden gerealiseerd door het videobeeld 14' onder een hoek H4 die in dit voorbeeld groter is dan Hl op het eerste element 2 te laten invallen.The second element 4 has comparable transmission properties to Figure 4, so that the daylight - which after all comprises a continuous frequency spectrum - is transmitted almost entirely through the second and first element. If it is desired that the video image reflected by the first element 2 has a different color than described above - such as, for example, a bluish reflected image 14 '- this can be realized by the video image 14' at an angle H4 which in this example is greater than Hl on the first element 2.

Bij een grotere hoek H4 treden dan reflecties op van blauwachtige frequentiecomponenten, (tweede frequentieband), terwijl andere frequentiecomponenten door het eerste element 2 worden doorgelaten. Het gereflecteerde beeld 14' zal dan blauwachtig zijn. Voorwaarde is natuurlijk wel dat het op het eerste element 2 invallende videobeeld 14' ten minste frequenties omvatten die door het eerste element worden gereflecteerd indien de hoek van inval H4 is. Met andere woorden de laatstgenoemde frequenties vallen althans gedeeltelijk binnen de eerder genoemde tweede frequentieband.At a greater angle H4, reflections of bluish frequency components (second frequency band) then occur, while other frequency components are transmitted through the first element 2. The reflected image 14 'will then be bluish. It is, of course, a condition that the video image 14 'incident on the first element 2 comprise at least frequencies that are reflected by the first element if the angle of incidence is H4. In other words, the latter frequencies fall at least partly within the aforementioned second frequency band.

in een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm zoals getoond in figuur 5 omvat het eerste element 2 slechts één enkele laag 17 met de genoemde hoek- en frequentie-afhankelijke reflectie- en transmissie-eigenschappen, dit is de eerste laag 13 en de tweede laag 17 behoren tot één en dezelfde laag welke in figuur 5 van een referentienummer 13 is is voorzien. Door de bijzondere constructie van een holografische laag 13 of meerlaagsinterferentiefilter met de eigenschappen zoals weergegeven in de figuren 2 en 4 worden de in die figuren getoonde frequentie-afhankelijke reflectie- en transmissie-eigenschappen bereikt voor één specifieke hoek van inval zoals bijvoorbeeld de hoek Hl. Indien echter de hoek van inval een andere is dan Hl, dan zijn ook de bijbehorende centrum-frequenties van de piek in figuur 2 en van het dal in figuur 4 andere. In het bijzonder behoort bij een kleinere hoek van inval ten opzichte van de normaal een grotere golflengte van de centrum-frequentie van de piek in figuur 2 en van het dal in figuur 4, een en ander overeenkomstig de bekende Bragg-relatie. van deze bijzondere eigenschap van holografische lagen of meerlaagsinterferentiefilters met hoek- en frequentie-afhankelijke reflectie- en transmissie-eigenschappen kan nu met voordeel gebruik worden gemaakt bij het eerste element 2 en het tweede element 4.in a particularly advantageous embodiment as shown in figure 5, the first element 2 comprises only a single layer 17 with said angular and frequency-dependent reflection and transmission properties, this is the first layer 13 and the second layer 17 belong to one and the same layer which is provided with a reference number 13 in figure 5. Due to the special construction of a holographic layer 13 or multi-layer interference filter with the properties as shown in figures 2 and 4, the frequency-dependent reflection and transmission properties shown in those figures are achieved for one specific angle of incidence, such as for instance the angle H1. However, if the angle of incidence is other than H1, then the corresponding center frequencies of the peak in Figure 2 and of the trough in Figure 4 are also different. In particular, a smaller angle of incidence relative to the normal means a greater wavelength of the center frequency of the peak in Figure 2 and of the trough in Figure 4, all in accordance with the known Bragg relationship. this particular property of holographic layers or multilayer interference filters with angle- and frequency-dependent reflection and transmission properties can now be used advantageously with the first element 2 and the second element 4.

Zoals blijkt uit figuur 5, dient de hoek van inval ten opzichte van de normaal voor het licht afkomstig van de beeld-versterkingseenheid een andere te zijn dan de hoek van inval ten opzichte van de normaal van het licht van het videobeeld teneinde te kunnen bereiken dat zowel van het nachtzichtbeeld als van het videobeeld de uittreedrichting dezelfde is. De betreffende hoeken zijn in figuur 5 aangegeven met Hl respectievelijk H3. Indien nu bij het element 2 gebruik wordt gemaakt van slechts één holografische laag 13 of meerlaagsinterferen-tiefilter 13 om de hoek- en freguentie-afhankelijke reflectie-en transmissie-eigenschappen te verkrijgen voor zowel de reflectie aan de ene zijde 12 van het nachtzichtbeeld 10 als de reflectie aan de andere zijde 16 van het videobeeld 14, dan blijkt uit het voorgaande dat die reflecties optreden bij verschillende golflengten. En wel is aangezien hoek Hl groter is dan hoek H3, de bijbehorende centrumgolflengte van het nachtzichtbeeld kleiner dan de bijbehorende centrumgolflengte van het videobeeld. Oftewel bij een groenachtig nachtzichtbeeld hoort een roodachtig videobeeld. De hier beschreven en in figuur 5 weergegeven uitvoeringsvorm met slechts één holografische laag 13 of meerlaagsinterferentiefilter 13 heeft niet alleen het voordeel dat slechts één laag met hoek- en frequentie-afhankelijke reflectie- en transmissie-eigenschappen behoeft te worden aangebracht op een substraat maar tevens dat het nachtzichtbeeld en het videobeeld worden gereflecteerd in kleuren (groenachtig respectievelijk roodachtig) waarvan onderzoek heeft aangetoond dat juist die twee kleuren als contrasterende kleuren in een samengevoegd beeld een bijzonder goede gescheiden waarneming van elk van de beide (het groen-achtige respectievelijk het roodachtige) beelden tot gevolg hebben. De hier beschreven uitvoeringsvorm is dus niet alleen minder kritisch te vervaardigen (er hoeft slechts één holografische laag of meerlaagsinterferentiefilter te worden vervaardigd) maar tevens is daarmee één van de best bekende kleurcontrasten (groen-rood) gerealiseerd voor het nachtzicht-en het videobeeld. In dit voorbeeld is de laag of filter 13 opgenomen in een lichtdoorlatend medium dat in de tekening gearceerd is weergegeven. Evenzo is de laag 25 opgenomen in een lichtdoorlatend medium dat gearceerd is weergegeven, voor het verkrijgen van bijvoorbeeld een blauwachtig gereflecteerd videobeeld 14' kan de hoek van inval bijvoorbeeld gelijk zijn aan H4 zoals dit in relatie met figuur 1 is besproken.As can be seen from Figure 5, the angle of incidence to the normal for the light from the image intensifying unit must be different from the angle of incidence to the normal of the light of the video image in order to achieve that the exit direction of both the night vision image and the video image is the same. The angles in question are indicated in FIG. 5 by H1 and H3, respectively. If the element 2 now uses only one holographic layer 13 or multi-layer interference filter 13 to obtain the angle and frequency dependent reflection and transmission properties for both the reflection on one side 12 of the night vision image 10 and the reflection on the other side 16 of the video image 14, it is apparent from the foregoing that those reflections occur at different wavelengths. Namely, since angle H1 is greater than angle H3, the associated center wavelength of the night vision image is smaller than the associated center wavelength of the video image. In other words, a greenish night vision image has a reddish video image. The embodiment described here and shown in figure 5 with only one holographic layer 13 or multi-layer interference filter 13 not only has the advantage that only one layer with angle and frequency-dependent reflection and transmission properties need to be applied to a substrate, but also that the night vision image and the video image are reflected in colors (greenish and reddish), which research has shown that precisely those two colors as contrasting colors in a merged image have a particularly good separate perception of each of the two (greenish and reddish) images have as consequence. The embodiment described here is thus not only less critical to manufacture (only one holographic layer or multi-layer interference filter has to be manufactured), but also one of the best known color contrasts (green-red) has been realized for the night vision and video image. In this example, the layer or filter 13 is contained in a translucent medium shown in the drawing in hatched form. Likewise, the layer 25 is contained in a light transmissive medium shown in hatched, for example, to obtain a bluish reflected video image 14 ', the angle of incidence may be, for example, H4 as discussed in connection with Figure 1.

Aan de hand van de figuren 6, 7 en 8 zal thans een moge-lijke uitvoeringsvorm van een weergeefstelsel voor een helm worden besproken. Hierin zijn de met figuren l en 5 corresponderende delen van een zelfde referentienummer voorzien.A possible embodiment of a helmet display system will now be discussed with reference to Figures 6, 7 and 8. The parts corresponding to Figures 1 and 5 are provided with the same reference number.

Het weergeefstelsel omvat naast de in figuren 1 en 5 besproken onderdelen een CRT 28 waarmee een informatie omvattend videobeeld 14 wordt gegenereerd. Het videobeeld 14 wordt via een spiegel 30, een objectief 32, een spiegel 34 en het eerste element 2 aan het oog aangeboden. Dit betekent, dat dit videobeeld 14 na reflectie aan de tweede zijde 16 van het eerste element 2 met het oog 18 op bepaalde afstand kan worden waargenomen.In addition to the components discussed in Figures 1 and 5, the display system includes a CRT 28 with which an information-containing video image 14 is generated. The video image 14 is presented to the eye via a mirror 30, a lens 32, a mirror 34 and the first element 2. This means that after reflection on the second side 16 of the first element 2, this video image 14 can be observed at a certain distance with the eye 18.

Het weergeefstelsel is voor ieder oog verder voorzien van een objectief 36 waarmee een nachtbeeld op een ingang van een beeldversterkerbuis (ook wel aangeduid als UT of Image Intensifier Tube) kan worden afgebeeld. De IIT 38 versterkt de intensiteit van het beeld dat vervolgens aan een uitgang van de IIT 38 weer wordt uitgezonden. Het aldus verkregen nachtbeeld wordt via een spiegel 40, een lenzenstelsel 42, een spiegel 44, een lenzenstelsel 46 en een spiegel 48 in de richting van het oculair 6 geleid. Een en ander is dusdanig op elkaar afgestemd, dat het nachtbeeld 10 in het oneindige wordt afgebeeld. Dit betekent dat dit nachtbeeld na reflectie aan het eerste element 2 en het tweede element 4 en transmissie door element 2 door op oneindig gefixeerde ogen 18, 20 kan worden waargenomen. Hiermee wordt bereikt, dat nachtbeeld 10 en dagbeeld 8 gesuperponeerd worden waargenomen. Dit is bijzonder aangenaam voor een gebruiker, omdat dag- en nachtbeeld op natuurlijke wijze in elkaar overvloeien.The display system is further provided for each eye with a lens 36 with which a night image can be imaged on an input of an image intensifier tube (also referred to as UT or Image Intensifier Tube). The IIT 38 amplifies the intensity of the image which is then broadcast again at an output of the IIT 38. The night image thus obtained is guided in the direction of the eyepiece 6 via a mirror 40, a lens system 42, a mirror 44, a lens system 46 and a mirror 48. All this is coordinated in such a way that the night image 10 is depicted in infinity. This means that this night image can be observed after reflection on the first element 2 and the second element 4 and transmission through element 2 through eyes 18, 20 fixed infinitely. This ensures that night image 10 and day image 8 are superimposed. This is particularly pleasant for a user, because day and night images naturally blend into one another.

Voor de duidelijkheid zijn in figuren 7 en 8 de CRT 28, spiegel 30 en objectief 32 weggelaten.For clarity, in Figures 7 and 8, the CRT 28, mirror 30 and lens 32 are omitted.

Bovendien zal een gebruiker het videobeeld dat op een bepaalde afstand is afgebeeld in het algemeen niet tegelijk met het dag- en nachtbeeld scherp zien, omdat de laatste twee in het algemeen veraf zijn gelegen. De UT 38 omvat in dit voorbeeld een fosforscherm dat een groenachtig beeld genereert, terwijl het door de CRT gegenereerde videobeeld een roodachtige kleur heeft. Hierdoor is de kans dat deze beelden op een gebruiker een verwarrende indruk maken bijzonder klein.In addition, a user will generally not see the video image displayed at a certain distance simultaneously with the day and night images, because the latter two are generally distant. In this example, the UT 38 comprises a phosphor screen that generates a greenish image, while the video image generated by the CRT has a reddish color. As a result, the chance that these images make a confusing impression on a user is extremely small.

Een voordeel van het weergeefstelsel is dat de relatief hoge resolutie van de IIT 38 behouden blijft. Tevens kan een IIT worden vervangen door integrale CCD camera's met bijvoorbeeld CRT display.An advantage of the display system is that the relatively high resolution of the IIT 38 is maintained. An IIT can also be replaced by integral CCD cameras with, for example, a CRT display.

Het is echter eveneens mogelijk een LCD in plaats van een CRT te gebruiken. Daar een LCD een ander frequentiespectrum heeft dan een CRT, zal de eerste zijde 12 van het eerste element 2 en het tweede element 4 dienovereenkomstig moeten worden aangepast. Op grond van de hierboven reeds beschreven relatie tussen hoek van inval ten opzichte van normaal en centrumfrequenties van het gereflecteerde licht, kan de positie van de CRT of LCD natuurlijk eveneens worden veranderd. Het is ook mogelijk een weergeefstelsel volgens een zogenaamde mono-uitvoering te vervaardigen, volgens welk voorbeeld de rechter onderdelen van figuur 6 worden weggelaten, zodat in principe het weergavestelsel volgens figuur l of 5 resteert. Het weergeefstelsel volgens figuur 1 is natuurlijk ook geschikt om drie willekeurige beelden met elkaar te mengen waarbij deze beelden niet noodzakelijk een dagbeeld, nachtbeeld en videobeeld zijn. Het met het nachtlicht corresponderende eerste beeld kan dan bijvoorbeeld althans in hoofdzaak groenachtig zijn, het met het daglicht corresponderende derde beeld althans in hoofdzaak blauwachtig en het met het videobeeld corresponderende tweede beeld in hoofdzaak roodachtig. Deze beelden worden dan gemengd en kunnen door het oog 20 worden waargenomen of op een scherm worden afgebeeld wanneer zich bijvoorbeeld op de positie van het oog een objectief bevindt dat de beelden gemengd afbeeldt op het scherm. Op deze wijze is op eenvoudige wijze een kleurentelevisieprojectiesysteem verkregen waarbij de drie deelbeelden reeds perfect in register zijn gebracht en dan pas, in register worden worden geprojecteerd. Natuurlijk kan het tweede beeld eveneens blauwachtig zijn, zoals dit met referentienummer 14' in de figuren 1 en 5 is aangegeven, in dat geval kan bijvoorbeeld het beeld 8 roodachtig zijn. In al deze gevallen kan het gemengde beeld een kleurenafbeelding vormen. Het eerste, tweede en derde beeld omvatten dan een zelfde afbeelding, die na mengen een kleurenafbeelding vormen volgens het principe dat bijvoorbeeld bij kleurentelevisies wordt toegepast. Deze en andere varianten behoren alle tot de uitvinding.However, it is also possible to use an LCD instead of a CRT. Since an LCD has a different frequency spectrum than a CRT, the first side 12 of the first element 2 and the second element 4 will have to be adjusted accordingly. Due to the relationship between angle of incidence with respect to normal and center frequencies of the reflected light already described above, the position of the CRT or LCD can of course also be changed. It is also possible to manufacture a display system according to a so-called mono-version, in which example the right-hand parts of figure 6 are omitted, so that in principle the display system according to figure 1 or 5 remains. The display system according to Figure 1 is of course also suitable for mixing three random images together, these images not necessarily being a day image, night image and video image. The first image corresponding to the night light can then be at least substantially greenish, for example, the third image corresponding to daylight at least substantially bluish and the second image corresponding to the video image substantially reddish. These images are then mixed and can be perceived by the eye 20 or displayed on a screen when, for example, a lens is positioned at the position of the eye that images the images mixed on the screen. In this way, a color television projection system is obtained in a simple manner, in which the three sub-images have already been perfectly registered and only then are projected in register. Of course, the second image may also be bluish, as indicated by reference number 14 'in Figures 1 and 5, in which case, for example, the image 8 may be reddish. In all these cases, the mixed image can form a color image. The first, second and third images then comprise the same image, which after mixing form a color image according to the principle which is used for example in color televisions. These and other variants all belong to the invention.

Claims

A display system for superimposing three images to obtain a mixed image, comprising an eyepiece composed of a first and second light transmissive reflective element having angle and frequency dependent reflection and transmission properties, wherein the the first image is incident on a first side of the first element, the second image is incident on a second side of the first element and the third image is incident on one side of the second element and wherein said properties result in the three images appearing through the eyepiece as a mixed image.

2. Display system according to claim 1, characterized in that the second element is collimated.

Display system according to claim 1 or 2, characterized in that the third image is incident on a side of the second element remote from the second side of the first element.

Display system according to any one of the preceding claims, characterized in that the system further comprises an objective for displaying the mixed image on a screen.

A display system according to any one of the preceding claims, characterized in that the first image passing through the eyepiece has a greenish color, the second image passing through the eyepiece has a reddish color and the third image passing through the eyepiece is a bluish color.

Display system according to any one of the preceding claims 1-4, characterized in that the first image emerging through the eyepiece has a greenish color, the second image emerging through the eyepiece has a bluish color and the third an image emerging through the eyepiece.

7. Display system according to any one of the preceding claims, characterized in that the color of the third image incident on the second element is at least substantially the same as the color of the third image emerging via the eyepiece.

Display system according to claim 2 intended for mounting on the head or on a helmet, characterized in that the system further comprises at least one image intensification unit (IIT) with an input on which an image can be projected and an output which is projected transmits an image with an amplified intensity and within a predetermined first frequency band to obtain an amplified image forming the first image, wherein said properties in combination with said first frequency band cause the amplified image to exit through the eyepiece in the direction of the eye and a picture tube which emits a visible video image forming the second image, wherein said eyepiece properties cause the video image to exit through the eyepiece within a predetermined second frequency band towards the eye.

Display system according to claim 8, characterized in that the amplified image is successively reflected from the first element, reflected from the second element and collimated and transmitted through the first element.

Display set according to one of the preceding claims 8 or 9, characterized in that the video image is reflected by the first element.

Display system according to claims 9 and 10, characterized in that the amplified image and the video image are incident on the first element on different sides of the first element.

Display system according to claim 11, characterized in that the angle of incidence (H1) of the reinforced field on the first element is different from the angle of incidence (H3) of the video image on the first element.

Display system according to any one of the preceding claims 8-12, characterized in that a daylight image is successively transmitted through the second and first element and exits the eyepiece in at least substantially the same direction as the amplified image.

Display system according to any one of the preceding claims, characterized in that the first element comprises at least one holographic layer.

Display system according to claim 14, characterized in that the first element comprises a holographic layer on each side.

Display system according to claim 14, characterized in that the first element comprises only one holographic layer.

Display system according to any one of the preceding claims, characterized in that the first element comprises at least one multi-layer interference filter.

Display system according to claim 17, characterized in that the first element comprises a multilayer interfere filter on each side.

Display system according to claim 17, characterized in that the first element comprises only one multi-layer interference filter.

Display system according to any one of the preceding claims, characterized in that the second element comprises at least one holographic hollow mirror.

Display system according to any one of the preceding claims, characterized in that the second element comprises at least one curved multilayer interference filter.

Display system according to any one of the preceding claims 8-21, characterized in that the first frequency band comprises at least substantially higher frequencies than the second frequency band.

A display system according to claim 22, characterized in that the first frequency band comprises at least substantially greenish colored light and the second frequency band comprises at least substantially reddish colored light.

Display system according to any one of the preceding claims 8-23, characterized in that the system further comprises an objective part with the aid of which the said image is projected on the input of the image intensification unit.

Display system according to any one of the preceding claims 8-24, characterized in that the image display device comprises an LCD or a CRT.

26. Helmet provided with a display system according to any one of the preceding claims 8-25.

Helmet according to claim 26, characterized in that the axis of the image intensifying unit is directed at least substantially horizontally during normal use of the helmet.

28. Helmet provided with a display system according to claim 24, characterized in that the objective part, in use, is at approximately the same height as the eyes of a wearer of the helmet.

29. Helmet according to any one of the preceding claims 26-28, characterized in that the helmet is provided with an image intensifying unit and an eyepiece for each eye of a user and wherein the helmet is further provided with a common image display device for the benefit of of one or both eyes.

30. Helmet according to any one of the preceding claims 26-29, characterized in that the video image for a user is displayed at a different distance than the image projected by the image intensifying unit.