DE1932326A1

DE1932326A1 - Geraet zur Darbietung einer optischen Information an einen Beobachter in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE1932326A1
Application number: DE19691932326
Authority: DE
Inventors: Freeman Michael Harold
Original assignee: Pilkington PE Ltd
Current assignee: Qioptiq Ltd
Priority date: 1968-06-29
Filing date: 1969-06-26
Publication date: 1970-01-02
Also published as: DE1932326C3; DE1932326B2; FR2014456A1; GB1223173A

Description

201-211, Martins Bank Building, Water Street,

LIVERPOOL 2, Lancashire / England

Titel: Gerät zur Darbietung einer optischen

Information an einen Beobachter in einem Fahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft bei erhobenem Kopf wirksame Anzeige- oder Darbietungsanlagen zur Verwendung in Fahrzeugen, wie etwa Flugzeugen oder Landfahrzeugen.

Eine Anlage zur Darbietung von optischen Informationen bei erhobenem Kopf dient zur Überlagerung optischer oder visueller Informationen auf das Blickfeld eines Beobachters in einem Fahrzeug, beispielsweise eines Piloten in einem Flugzeug, so daß der Beobachter gleichzeitig den Außenraum oder die Umgebung beobachten und die visuelle Information sehen kann, ohne seine Blickrichtung ändern zu müssen, und zwar insbesondere ohne seinen Kopf senken zu müssen. Derartige Anlagen, wie sie allgemein in Flugzeugen benutzt werden, wenden normalerweise ein teilweise lichtreflektierendes System zur Überlagerung der visuellen Information auf den Blick des Piloten nach draußen aW, d.h. zur Überlagerung auf das Bild, das er durch die Windschutzscheibe hindurch sieht, so daß der Pilot Informationen von den Instrumenten und Anlagen innerhalb des Flugzeuges beobachten kann, ohne seine Augen von dem durch die Windschutz-

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scheibe sichtbaren Bild abzuwenden. Um diese Information möglichst gut nutzen zu können, wird gewöhnlich ein optisches System vorgesehen, das das die Information tragende Licht kollimatiert, so daß dieses ein Bild erzeugt, das im Unendlichen erscheint, und infolgedessen der Pilot die Information sehen kann, ohne die Brennweite seiner Augen verändern, zu müssen.

Wenn das dem Piloten die Information darbietende optische System nur am Flugzeug montiert ist, ist es verhältnismäßig leicht, die übermittelte Information -zur Ausrichtung des Plugzeuges in Beziehung zu setzen. Bei den derzeitigen Flugzeugen ist es jedoch im allgemeinen wegen technischer und funktioneller Notwendigkeiten anderer Einrichtungen in der Pilotenkabine nicht angängig, aas im Flugzeug montierte, bei erhobenem Kopf wirksame optische Darbietungssystem näher als etwa 45 bis 50 cm an den Augen des Piloten anzuordnen. Da das dem Piloten verfügbare Informationsblickfeld, d.h. der Winkel, den die Ausgangspupille des Systems an den Augen des Piloten einnimmt, vom Abstand zwischen dem optischen System und dem Piloten ebenso wie von den physikalischen Abmessungen der Teile des optischen Systems abhängt, begrenzt dieser minimal annehmbare Abstand das Informationsblickfeld des Piloten und beschränkt daher die Gesamtmenge an Informationen, die dargeboten werden können.

Angesichts dieser durch die Umgebungsbedingungen auferlegten Abstandsbeschränkung hat man vorgeschlagen, das ganze, bei erhobenem Kopf wirksame optische Darbietungssystem auf dem Kopf des Piloten zu befestigen, wobei teilweise reflektierende Elemente nach Art einer Brille getragen werden, um so ein größeres Informationsblickfeld zur Verfügung zu haben. Dabei ergeben sich Jedoch praktische Probleme insofern, als die Stellung des Kopfes des Piloten zur Ausrichtung des Flugzeuges in Beziehung gesetzt werden muß.

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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung eines bei erhobenem Kopf wirksamen Informationsdarbietungssystems, das besonders, wenn auch nicht ausschließlich, zur Verwendung in modernen Plugzeugen geeignet ist und mit dem das Ausmaß der oben erwähnten Probleme zumindest verkleinert werden kann.

Die Lösung dieser und weiterer, sich aus der folgenden Beschreibung ergebender Aufgaben erfolgt bei einem Gerät zur Darbietung einer optischen Information an einen Beobachter in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Plugzeug, wobei der Beobachter den Kopf erhoben hat und in seinem Blickfeld durch Lichtstrahlen, die im allgemeinen in einer bestimmten Richtung zum Fahrzeug verlaufen, ein Bild des Außenraumes sieht, gemäß der Erfindung durch eine Quelle, die Lichtinformationssignale liefert, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines kollimatierten Lichtstrahles, der die Lichtinformationssignale trägt und entgegengesetzt der erwähnten, bestimmten Richtung verläuft, und durch wenigstens ein optisches Element, das geeignet ist, Licht dieses kollimatierten Strahles derart zu reflektieren, daß dieses entlang einem parallel zu seinem ursprünglichen Strahlenweg aber in entgegengesetzter Richtung ■ verlaufenden Strahlenweg weiterwandert, um so dem Blickfeld des Beobachters ein Bild der Lichtinformationssignale zu überlagern. Die Lichtinformationssignale liefernde Quelle und die Einrichtung zur Erzeugung eines kollimatierten Strahles können auf dem'Fahrzeug montiert sein und das optische Element kann zur Montage auf dem Beobachter geeignet sein.

Das optische Element kann mehrere" reflektierende Flächen aufweisen, so daß der kollimatierte Strahl eine mehrfache Reflektion des Lichtes und das Licht bei seiner Richtungsumkehrung eine seitliche Verschiebung erfährt. Vorzugsweise ist das optische Element ein Reflektor mit der Gestalt einer Kubusecke, der drei rechtwinklig zueinanderliegende reflektierende Flächen hat. Eine der reflektierenden Flächen kann teilweise reflektierend sein, so daß Licht vom Außenraum durch sie zum

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Beobachter gelangen kann, und eine andere reflektierende Fläche oder die anderen reflektierenden Flächen-können ein vollständiger Reflektor sein. Nach Wunsch kann eine oder können mehrere der Reflektionsflächen eine bestimmte Wellenlängen reflektierende Beschichtung aufweisen, wie etwa eine dichroitische oder trichroitische Beschichtung.

Die Einrichtung zur Erzeugung eines kollimatierten Lichtstrahles kann ein kollimatiertes Licht erzeugen, das an beiden Seiten des Kopfes des Beobachters vorbeiwandert, und das Gerät kann zwei optische Elemente aufweisen, von denen jeweils eines im wesentlichen vor jedem Auge des Beobachters angeordnet ist, um Licht zum betreffenden Auge hin zu reflektieren. Somit kann eine einzelne Lichtinformationssignalquelle vorgesehen werden, die im wesentlichen unmittelbar hinter dem Beobachter angeordnet ist, und es werden optische Einrichtungen zur Kollimatierung des von der Quelle ausgestrahlten Lichtes und zur Lenkung des kollimatierten Lichtes an beiden Seiten des Kopfes des Beobachters vorbei vorgesehen. Bei diesen optischen Einrichtungen kann es sich beispielsweise um einen Konvex- und einen Konkavspiegel handeln. Gemäß einer anderen Ausführungsform können zwei Lichtinformationssignalquellen vorgesehen sein, die hinter dem Beobachter beiderseits seines KopfeS_fangeordnet sind, wobei Einrichtungen zur Kollimatierung dea von den beiden Quellen ausgesendeten Lichtes vorgesehen sind, so daß zwei kollimatierte Lichtstrahlen erzeugt werden, die an den beiden Seiten des Kopfes des Beobachters vorbeiwandern.

Die oder jede Lichtinformationssignalquelle kann eine Kathodenstrahlröhre sein.

Die Erfindung wird nun weiter anhand eines der Erläuterung und nicht etwa der Abgrenzung des Irfindungsgedankens dienenden Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei auf die beiliegend den Zeichnungen Bezug genommen wird, in denens

Fig. 1 eine scheinatische Seitenansicht eines Gerätes zur Darbietung optischer Informationen zeigt, das in ein Flugzeug eingebaut ist, wobei die Zeichnung die Lage des Gerätes zum Kopf eines Piloten zeigt, und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das in Fig* 1 dargestellte Gerät zeigt, wobei in dieser Figur in gestrichelten Linien außerdem eine andere Ausführungsform des Gerätes dargestellt ist.

In den Figuren 1 und 2 ist die Front- oder Windschutzscheibe 2 der" Pilotenkabine eines Flugzeuges gezeigt.. Das durch die Windschutzscheibe hindürchtretende und mit 1 bezeichnete Licht wird von den Äugen 3 des Piloten empfangen, dessen Kopf allgemein mit 4 bezeichnet ist. Der Pilot sieht iia allgemeinen nach vorne, so daß das von ihm empfangene Licht in Fig. 1 im wesentlichen von links nach rechts wandert»

Die dem Blickfeld des Piloten zu überlagernde Information wird von einer unmittelbar hinter dem Piloten angeordneten Kathodenstrahlröhre 5 in Lichtinformationssignale umgewandelt, wobei diese Signale als visuelle Information auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre erscheinen. Vor dem Schirm der Kathodenstrahlröhre befindet sich eine allgemein mit 7 bezeichnete Spiegelanordnung, die aus einem konkaven Hohlspiegel 8 mit einer Mittelöffnung 6 besteht, durch welche Licht vom Schirm der Kathodenstrahlröhre su einem konvexen Hohlspiegel 9 gelangen kann. Das von der Kathodenstrahlröhre ausgesendete Licht tritt zunächst durch die öffnung im Hohlspiegel 8 hindurch und wird dann vom Hohlspiegel 9 auf die reflektierende Oberfläche des Hohlspiegels 8 reflektiert, von der das Licht als kollimätierter Strahl nach vorne an beiden Seiten des Kopfes 4 des Piloten vorbeiwandert.

Vor den Augen 5 des Piloten sind zwei Reflektoren 10 in Gestalt von Kubusecken angeordnet, und zwar vor jedem Auge ein derartiger Reflektor 10. Diese Reflektoren 10 weisen jeweils drei

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rechtwinklig zueinander liegende reflektierende Flächen auf, d.h. Flächen, die die Gestalt.der Ecke eines Kubus haben, wobei diese die Eigenschaft haben, daß sie das in den Reflektor eintretende. Licht dreimal reflektieren, und zwar durch jede der reflektierenden Flächen einmal, woraufhin das Licht entlang einem Strahlenweg austritt, der zum ursprünglichen Strahlenweg des Lichtes parallel, jedoch in entgegengesetzter Richtung verläuft und gegenüber diesem seitlich versetzt ist. Das vom Hohlspiegel 8 nach vorne gelenkte kollimatierte Licht wird daher von den Reflektoren 10 zurück zu den Augen des Piloten reflektiert. Das Licht, das der Pilot von den Reflektoren empfängt, wandert daher in der gleichen Richtung, wie das Licht, dem er das Bild des Außenrauiaes vor sich sieht. Jeder der Reflektoren 10 lenkt Li-cht zu demjenigen Auge, vor dem er angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein Bild der visuellen Information, das auf dem Bild der Kathodenstrahlröhre erscheint, aem Blickfeld des Piloten überlagert, und da aas die Informationssignale tragende Lieht kollimatiert ist, sieht der Pilot ein Bild der Information im Unendlichen.

Die Reflektoren 10 in Gestalt einer Kirtraseoke können beide aus einem massiven Glaskörper bestehen^ der drei senkrecht zueinander verlaufende Flächen und eine vierte Fläche hat, die unter 4t)° zu jeder der drei anderen Flächen verläuft; diese Reflektoren 10 können jedoch auch aus drei ebenen Glasstücken bestehen, die rechtwinklig zueinander wie die angrenzenden Seiten einer Kubusecke aneinander befestigt sind.

Die Reflektoren 10 sind teilweise lichtdurchlässig, so daß das Licht vom Außenraum vor dem Piloten durch die Reflektoren zu den Augen des Piloten gelangen kann. Im einzelnen ist eine der reflektierenden Flächen jedes Reflektors teilweise mit einer Silberverspiegelung versehen., so daß 3ie teilweise re- felktierend ist, während die zwei anderen Reflektionsflächen ganz mit einer Silberverspiegelung veraehen sind, ao daß sie vollständig reflektieren, una der Reflektor ist derart angeordnet, daß die teilweise reflektierende Fläche unmittelbar

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vor dem Auge des Piloten liegt und dieser daher durch diese teilweise reflektierende Fläche das Bild des Außenraumes vor dem Plugzeug sieht. Die beiden ganz reflektierenden Flächen sind dann seitlich vom Kopf des Piloten angeordnet, so daß sie das Licht des an dieser Seite des Kopfes des Piloten vorbeigehenden kollimatierten Strahles sammeln. Nach Wunsch kann man die reflektierenden Flächen der Umkehrrefelktoren auch mit einer geeigneten Beschichtung versehen, die bewirkt, daß diese Flächen für bestimmte Wellenlängen reflektierend werden, so daß die betreffende Fläche für Licht innerhalb des betreffenden Wellenlängenbandes oder der betreffenden Wellenlängenbänder stark reflektierend und für Licht anderer Wellenlängen verhältnismäßig gut durchlässig ist. Die Informationssignale können dann zum Piloten mit Licht einer Wellenlänge oder mit Licht eines Wellenlängenbereiches übertragen werden, die innerhalb dieses Wellenlängenbandes oder dieser Mlenlängenbänder liegen, so daß dieses Licht von den beschichteten Flächen reflektiert wird, während Licht anderer Wellenlängen vom. Bild des Außenraumes vor dem Piloten durch die Reflektoren hindurchtritt. Die reflektierenden Flächen können beispielsweise eine dichroitische oder eine trichroitische Beschichtung aufweisen.

Das Spiegelsystem 7 und die Kathodenstrahlröhre b sind mit geeigneten Befestigungsvorrichtungen am Rumpf des Flugzeuges befestigt, so daß die Winkel und Richtungen der dem Piloten dargebotenen, ausgesendeten Informationssignale in Beziehung zur Stellung und Ausrichtung des Flugzeuges stehen. Die Umkehrreflektoren 10 sind auf dem Kopf des Piloten, befestigt, beispielsweise auf einem Rahmen, der wie eine Brille getragen wird. Infolge der optischen Eigenschaften der Reflektoren in Gestalt von Kubusecken behält das vom Piloten gesehene Bild der Informätions'signale seine Beziehung zur Stellung und Ausrichtung des Flugzeuges unabhängig von Bewegungen des Kopfes des Piloten und sich hieraus ergebenden Änderungen der Ausrichtung oder Stellung der Reflektoren bei.

Man beachte, daß, wenn dies bevorzugt wird, das oben beschriebene Spiegelsystem 7 leicht durch ein Linsensystem ersetzt werden kann, mit dem im wesentlichen das gleiche Ergebnis, erzielt wird, nämlich die Erzeugung eines kollimatierten Strahles, der die Lichtinformationssignale trägt und an beiden Seiten des Kppfes des Piloten vorbeiwandert.

Gremäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann man das Spiegelsystem 7 oder ein entsprechendes Linsensystem weglassen und statt der einzelnen Kathodenstrahlröhre 5 zwei Kathodenstrahlröhren 11 und 12 vorsehen, die in Fig. 2 in gestrichel- ' ten Linien angedeutet sind. Die zwei Kathodenstrahlröhren 11 und 12 sind hinter dem Piloten auf beiden Seiten seines Kopfes angeordnet und es sind geeignete Kollimationslinsen vorgesehen, um einen kollimatierten Lichtstrahl beiderseits des Kqfes des Piloten zu erzeugen, wobei dieser Strahl die Lichtinformationssignale trägt, die auf dem Schirm der betreffenden Kathodenstrahlröhre erscheinen. Wenn das Signal auf beiden Kathodenstrahlröhren gleich ist, sieht der Pilot ein einziges Bild des visuellen Informationssignals im Unendlichen.

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Claims

5 KDLN-LINDENTHAL 25. Juni 1969 Bachemer Straße 55 ,

V/bo

Telefon: (0221)41775«

Mein Zeichen: P 18/3

. Aranelderin; PILKINGTON PERKIN-ELMER LIMITED

201-211, Martins Bank Building, Water Street, LIVERPOOL 2, Lancashire / England

PATENTANSPRÜCHE

1. Gerät zur Darbietung einer optischen Information an einen Beobachter in einem Fahrzeug, beispielsweise eineu Plugzeug, wobei der Beobachter den Kopf erhoben hat und in seinem Blickfeld durch Lichtstrahlen, die im allgemeinen in einer bestimmten Richtung zum Fahrzeug verlaufen, ein Bild des Außenraumes sieht, gekennzeichnet durch eine Quelle (5), die Lichtinformationssignale liefert, durch eine Einrichtung (7) zur Erzeugung eines kollimatierten Lichtstrahles, der die Lichtinformationssignale trägt und entgegengesetzt der erwähnten, bestimmten Richtung verläuft, und durch wenigstens ein optisches Element (10), das geeignet ist, Licht dieses kollimatierten Strahles derart zu reflektieren, daß dieses entlang einem parallel zu seinem ursprünglichen Strahlenweg aber in entgegengesetzter Richtung verlaufenden Strahlenweg weiterwandert, um ao dem Blickfeld des Beobachters ein Bild der Lichtinformationssignale zu überlagern.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtinformationssignale liefernde Quelle (5) und die Einrichtung (7) zur Erzeugung eines kollimatitrten Strahles zur Montage auf dem Fahrzeug und das optische Element (10)

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zur Montage auf dem Beobachter geeignet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (10) mehrere reflektierende Flächen aufweist derart, daß der kollimatierte Strahl durch mehrfache Reflektion bei seiner Richtungsumkehrung eine seitliche Verschiebung erfährt.

4. Gerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (10) ein Reflektor mit der Gestalt einer Kubusecke ist, der drei rechtwinklig zueinander liegende reflektierende Flächen hat.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der reflektierenden Flächen teilweise reflektierend ist, so daß Licht vom Außenraum durch sie zum Beobachter gelangen kann, während eine andere reflektierende Fläche ein vollständiger Reflektor ist.

6. Gerät nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10) mit der Gestalt einer Kubusecke eine teilweise und zwei vollständig reflektierende Flächen hat ...■'".

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4_f dadurch gekennzeichnet, dafl das optische Element (10) wenigstens eine Reflektionsflache aufweist, die eine bestimmte Wellenlängen reflektierende Beschichtung hat.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsfläche eine dichroitische Beschichtung aufweist.

9· Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Reflektionsfläche eine trichroitische Beschichtung aufweist.

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10. '■ Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) zur Erzeugung eines kollimatierten Lichtstrahles kollimatiertes Licht erzeugt, das an beiden Seiten des Kopfes (4) des Beobachters vorbeiwandert, und daß zwei optische Elemente (10), und zwar jeweils eines im wesentlichen vor jedem Auge (3) des Beobachters, angeordnet sind, um Licht zum betreffenden Auge des Beobachters zu reflektieren.

11. - Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es eine einzelne Lichtinformationssignalquelle (5) aufweist, die im wesentlichen unmittelbar hinter dem Beobachter angeordnet ist, und daß es optische Einrichtungen (7) zur Kollimatierung des von der Quelle (5) ausgestrahlten Lichtes und zur Lenkung des kollimatierten Lichtes an beiden Seiten des Kopfes des Beobachters vorbei aufweist.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung aus einem Konvex- und einem Konkavspiegel (9, 8) besteht.

13· Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Kopfes des Beobachters hinter demselben zwei Lichtinformationssignalquellen (11, 12) angeordnet sind und daß Einrichtungen zur Kollimatierung des von den beiden Quellen ausgesendeten Lichtes vorgesehen sind, so daß zwei kollimatierte Lichtstrahlen erzeugt werden, die an den beiden Seiten des Kopfes (4) des Beobachters vorbeiwandern.

14. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Lichtinformationssignalquelle (5, 11, 12) eine Kathodenstrahlröhre ist.

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/Il L e e r s e ι t e