DE3779577T2

DE3779577T2 - Am kopf schwenkbarer sichtanzeigeschirm.

Info

Publication number: DE3779577T2
Application number: DE8787309476T
Authority: DE
Inventors: Charles Dewayne Evans; Eric Walter Larkin; Andrew Theodore Tirums
Original assignee: Kaiser Aerospace and Electronics Corp
Current assignee: Rockwell Collins ElectroMechanical Systems Inc
Priority date: 1986-10-27
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2007-10-28
Also published as: EP0269259A1; US4755023A; DE3779577D1; CA1295090C; IL84018A; EP0269259B1; JPS63177108A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf am Kopf aufgebaute Anzeigen, die dem Träger der Anzeige sichtbare Bilder bereitstellen, und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Schirmes oder Schildes zur Benutzung mit einer an einem Helm angebrachten Anzeige, die in Verbindung mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung bewirkt, daß sich die Anzeige einer äußeren Szene überlagert, die von dem Träger betrachtet wird. Die Erfindung betrifft auch einen verbesserten Schirm an sich.
Helmgebundene Anzeigevorrichtungen finden in vielen Bereichen wie bei der Ausbildung, der Maschinensteuerung oder der Unterhaltung Verwendung. In den letzten Jahren fanden derartige Vorrichtungen insbesondere Verwendung bei militärischen Anwendungen, bei denen Fahrzeugführer und Waffensteuerer mit Informationen versorgt werden müssen. Flugzeugpiloten finden derartige Vorrichtungen nützlich zur Versorgung mit Informationen, die den Flugzeugbetrieb, Radar-Darstellungen, Karten, das Zielen mit Waffen und andere Dinge betreffen, die bei ihrem Einsatz nützlich oder wünschenswert sind.
Die Bilder, die in der Sichtlinie des Trägers auf einer Oberfläche überlagert werden, können aus einer Vielzahl von Quellen, einschlieplich Kathodenstrahlröhren (CRT), abgeleitet sein, die in einem Helm angebracht sein können. Bei bekannten Vorrichtungen wurden Faseroptik-Anzeigen, Fallschirm- Flüssigkristall-Anzeigen mit Bildverbesserern und sogar fotografische Projektoren verwendet, die mit einem geeigneten optischen Übertragungssystem arbeiten, wobei all diese Anzeigen den Träger mit einem Informationsbild versorgen können.
Helmgebundene Systeme zur Anzeige von Bildern sind im Stand der Technik bekannt. US-A 3 059 519 zeigt eine helmgebundene Anzeige, bei der eine CRT-Anzeige durch ein optisches System, das eine Vielzahl von reflektierenden Spiegeln enthält, umgelenkt wird, das schließlich das Bild in die Augen des Betrachters geringfügig oberhalb der normalen Sichtlinie bringt. Eine alternative Ausführungsform enthält jedoch einen teilweise reflektierenden Spiegel in Verbindung mit einem Parabolreflektor. Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ersetzt einen der Spiegel mit einem halbreflektierenden Spiegel, so daß die Sicht des Piloten nicht vollständig durch den Helm und die Spiegel behindert wird.
US-A 3 787 109 offenbart eine Anzeige, bei der der Helm mit einem Parabolschirm mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung auf der Innenoberfläche als primäres optisches Element bei der Übertragung des Bildes von der Bilderzeugungsvorrichtung zum Beobachterauge versehen ist. Eine derartige Neuerung beseitigt die Notwendigkeit separater Verbindungsspiegel oder Strahlteile nahe bei den Augen.
Ein komplexerer optischer Weg, bei dem noch ein Schirm verwendet wird, ist in US-A 3 923 370 offenbart. Bei diesem Patent sind beschränkte Bereiche der inneren Oberfläche des Schirms derart beschichtet, daß sie teilweise oder vollständig reflektieren. Ein Bilderzeugungssystem, das im oberen Bereich des Helms angebracht ist, projiziert ein Bild auf eine erste reflektierende Fläche, die sich oben auf dem Schirm befindet. Das Bild wird auf einen ebenen Spiegel, der an der Vorderseite des Helms angebracht ist und von diesem zu einer zweiten reflektierenden Fläche übertragen, die sich gerade über der normalen Sichtlinie des Beobachters befindet. Als Ergebnis können alle reflektierenden Elemente als im wesentlichen außerhalb des Sichtfeldes des Helmträgers betrachtet werden.
Eine ähnliche optische Anordnung ist auch in US-A 4 465 347 gezeigt. Das in dem offenbarten System beobachtete Bild ist jedoch von einem teleskopartigen optischen System abgeleitet, das das Bild auf die innere Oberfläche des Schirmes projiziert. Das Bild wird auf einen ebenen Spiegel auf dem Helm und dann zu dem Schirm zurückreflektiert, wo es in das Auge des Beobachters geführt wird und anscheinend einen Teil einer äußeren Szene bildet.
Ein wesentlich komplexeres Helm-Anzeigesystem ist in US-A 4 361 384 offenbart. Diese Vorrichtung verbindet eine Dünnschicht-Flachtafelanzeige und eine Diodenwafer-Bildverstär- kerröhre. Eine Vielzahl von halbdurchlässigen optischen Elementen führen das Bild von der Flachtafelanzeige in das Auge des Beobachters. Der Bildverstärker führt unter Verwendung einiger der selben optischen Elemente auch ein Bild in das Auge, wo es mit den von der äußeren Szene empfangenen Bildern überlagert werden kann. Der Träger beobachtet somit die äußere Szene durch die Bilder sowohl des Schirmes als auch der Flachtafelanzeige. Der Schirm kann für die Zwecke der Reflektion holographisch, torisch, asphärisch oder sphärisch ausgebildet sein.
Eine torische Anordnung ist in US-A 4 026 641 offenbart. Der torische Reflektor ist offenbar nicht als Teil des Schirmes sondern vielmehr dazu angepaßt, an den Helm angesetzt zu werden.
Ein fast direktes helmgebundenes System ist in US-A 4 153 913 offenbart, bei dem eine Kathodenstrahlröhre in Kombination mit einem halbdurchlässigen Zusammenführungsschirm verwendet wird. Das Patent schlägt vor, die zusammenführungsplatte als Schutzbrille oder als Brille zu tragen.
US-A 4 081 209 verwendet ein komplexeres optisches System in Verbindung mit einer sphärischen, halbreflektierenden Zusammenführungsfläche, die Bestandteil eines Schirmes sein kann. Ein Prisma überträgt das Bild von der Quelle und führt es zu der Zusammenführungsfläche, die das Bild zum Beobachterauge zurückführt. Eine brechende Oberfläche an einer gegenüber der Bildquelle geneigten Ebene gleicht Störungen des Bildes durch verschiedene optische Weglängen verschiedener Strahlen aus.
Wie sich zeigt, sind die meisten bekannten Helmschirme Rotationsflächen, gewöhnlich Paraboloide, die einen ziemlich sperrigen Schirm ergeben. Eine derartige Gestaltung war durch die Erfordernisse der Bearbeitungswerkzeuge zum Gießen oder Formen derartiger Schirme notwendig. Eine Veränderung der Gestaltung des bekannten Parabolschirmes ist in US-A 3 870 405 beschrieben, wo ein Schirm angegeben wird, dessen innere und äußere Oberflächen Abschnitte eines konfokalen Rotationsparaboloids sind. Da frühere Parabolschirme von im wesentlichen gleichbleibender Dicke waren, besaßen die von der inneren und der äußeren Oberfläche reflektierten Bilder nicht den gleichen Brennpunkt und führten daher zu "Geisterbildern". Die Verbesserung dieses Patents führt dazu, daß beide Bilder ohne Winkeldifferenz in der Strahlrichtung kollimiert werden und daß sich daraus ergebend die Bilder überlagert mit einer äußeren Szene für den Beobachter ohne Verlust an Schärfe oder Klarheit ergeben.
Ein Problem aller in den oben angegebenen Druckschriften und gegenwärtig verfügbaren helmgebundenen Anzeigevorrichtungen sind deren Ausmaß und Volumen. Da das Helmteil des helmgebundenen Anzeigesystems von einer Person getragen werden muß, die viele komplizierte Aufgaben zu erfüllen hat und dabei gewöhnlich unter großen Streß steht sowie wenig verfügbare Zeit zur Ausführung der Aufgaben hat, sollte das Helmteil des Anzeigesystems so leicht und knapp sein wie möglich und dabei noch eine überlegene optische Darstellung bereitstellen. Im einzelnen bewirken umfangreiche, große oder schwere Helme, daß ihre Träger schnell ermüden, so daß sich die Effektivität des Trägers verkürzt. In ähnlicher Weise werden durch schlechte Bilder Fehlentscheidungen verursacht und die Entscheidungs- und Reaktionsfähigkeit des Trägers behindert.
Es ist wünschenswert, einen Schirm geringer Volumenmaße herzustellen, der dabei noch für eine Massenproduktion mit einer verfügbaren Anlage geeignet ist, wodurch die Herstellungskosten unter Kontrolle bleiben. Ein derartiger Schirm sollte auch eine gute optische Darstellung sowohl bei beidäugigem als auch bei einäugigem Betrieb bereitstellen. Das sind die Probleme der gegenwärtig bekannten Geräte, auf die die vorliegende Erfindung gerichtet ist. Die vorliegende Erfindung zielt auf die Verbesserung der bekannten parabolischen Rotationsflächen, die umfangreiche Maße ergeben und nicht für knappe, helmgebundene Anzeigesysteme geeignet sind.
Ein bekannter Schirm, der die in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche enthaltenen Merkmale zeigt, ist in US-A 3 833 300 beschrieben. Während dieser Schirm leicht hergestellt werden kann, besteht dessen Problem darin, daß die sich ergebende Form nicht besonders neutral für die Augen ist. Ins besondere besitzt der Mittelbereich des Schirmes, der die zwei parabolischen Bereiche gegenüber eines jeden Auges miteinander verbindet, einen Wendepunkt (d. h. einen Vorzeichenwechsel), der eine prismatische Abweichung verursacht, sobald das Auge diesen überfliegt, so daß ophthalmische Störungen verursacht werden.
Daher ist es eine der Aufgaben der Erfindung, einen kompakten, helmgebundenen Anzeigeschirm zu ermöglichen, der eine gute optische Betriebsweise sowohl im binokularen als auch im monokularen Betrieb bereitstellt.
Der erfindungsgemäße Schirm wird durch die im Anspruch 1 enthaltenen Merkmale charakterisiert. Da der Schirm nicht nur eine einfache parabolische Rotationsfläche ist, können sein Volumen und seine Maße gemeinsam mit einer entsprechenden Gewichts- und Umfangreduzierung verringert werden. Die Bereitstellung eines konkaven Mittelbereiches, der glatt in die parabolischen Bereiche übergeht und keine Wendepunkte aufweist, verringert die ophthalmische Effekte durch prismatische Abweichungen auf ein Mindestmaß.
Entsprechend einer Ausführungsform enthält somit der Schirm zwei gegeneinander versetzte, bildformende, Parabolsegmente (jeweils eine gegenüber jeder Augenlage), die optisch in eine Schirmoberfläche übergehen, die eine künstliche optische Form ohne die in herkömmlichen Optiken enthaltene Rotationsachse aufweist. Die Kompaktheit des Schirmes ist das Ergebnis dieser Schirmform, die nicht als Rotationsfläche definiert ist.
Diese Bereiche können entsprechend in den ersten und zweiten oberen Bereich oberhalb dieser Bereiche aufgehen, die einen allgemein kreisförmigen vertikalen Querschnitt aufweisen. Die ersten und zweiten oberen Bereiche können im horizontalen Querschnitt allgemein parabolisch sein.
Die Schirmdicke kann zwischen 1.3 bis 1.8 mm (0.05 bis 0.15 inch) betragen.
Entsprechend einer zweiten Gestaltung umfaßt die Kopfanzeige die in Anspruch 10 enthaltenen Merkmale.
Vorzugsweise wird ein kartesisches Koordinatensystem benutzt. Das ist jedoch nicht wesentlich, da auch andere Koordinatensysteme wie ein sphärisches Koordinatensystem statt dessen benutzt werden können.
In der Einzelbeschreibung und den Ansprüchen wird die bevorzugte, vielfältig wählbare Funktion angegeben, die bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Es ist jedoch klar, daß gegenüber den Zeichnungen ziemlich entscheidende Veränderungen vorgenommen werden können, wobei dennoch ein Schirm mit den Vorteilen der Erfindung bereitgestellt wird.
Die Erfindung kann praktisch in einer Vielzahl von Wegen ausgeführt werden, und ein spezielles Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schirmes und ein Verfahren zu seinem Aufbau im folgenden als Beispiel an Hand der Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel eines Schirms, der entsprechend der Erfindung aufgebaut ist;
Figur 2 eine Vorderansicht des Schirmes gemäß Figur 1;
Figur 3 eine perspektifische Seitenansicht des Schirmes gemäß den Figuren 1 und 2;
Figur 4 eine Seitenansicht des Schirmes gemäß den Figuren 1 und 2;
Figur 5 eine Ansicht entlang der Linie 5-5 gemäß Figur 2 in Richtung der angegebenen Pfeile;
Figur 6 eine Ansicht entlang der Linie 6-6 gemäß Figur 2 in Richtung der angegebenen Pfeile;
Figur 7 eine gegenüber Figur 6 ähnliche Darstellung, die im Querschnitt zeigt, wie ein Sonnenschirm und reflektierende Beschichtungen mit dem Schirm gemäß den Figuren 1 und 2 verbunden werden;
Figur 8 den Verlauf des Ausgangssignals des CRT-Optik-Systems, das als Funktion der Intensität (in Prozent) gegenüber der Wellenlänge dargestellt ist;
Figur 9 den Verlauf der Beschichtungsreflektivität eines Ausführungsbeispiels eines optischen Schirms, die als Funktion der Reflektion (in Prozent) gegenüber der Wellenlänge dargestellt ist; und
Figur 10 den Verlauf der Beschichtungstransmission eines Ausführungsbeispiels eines optischen Visiers, die als Funktion der Transmission (in Prozent) gegenüber der Wellenlänge dargestellt ist.
Ein an einem Helm angebrachter Anzeigeschirm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus zwei dezentrierten, außeraxialen Parabolflächen, die auf einer Schirmoberfläche jeweils ungefähr 3.8 cm (1.5 inch) gegenüber jedem Auge des Helmträgers angeordnet sind. Um die Durchsicht- Störungen auf ein Mindestmaß zu verringern und eine angenehme Schirmform bereitzustellen geht jede Parabolfläche auf allen ihrer Seiten in eine komplexe, sich jedoch glatt verändernde Form über, wie sie im folgenden im einzelnen beschrieben wird. Diese Form besitzt, obwohl sie kontinuierlich und wohl definiert ist, keine einfach geschlossene Form eines mathematischen Ausdrucks und erfordert daher die folgende Beschreibung mit Hilfe der Begriffe von begrenzten Bereichen und Segmenten.
Vor der Fortsetzung der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Schirms wird betont, daß die einzig wesentlichen Oberflächen, die mit dem Verfahren zur Schirmherstellung erzeugt werden und sich auf dem Schirm selbst befinden, die zwei dezentrierten, außeraxialen Parabolflächen sind. Die Oberflächensegmente, die an diese beiden Parabolflächen angrenzen, können durch irgendeine andere gekrümmte Oberfläche bereitgestellt werden, die den Zielen der Schirm- Gesamtgestaltung entsprechen. Dementsprechend können, während im folgenden ein Verfahren zur Erzeugung eines bevorzugten Schirmes und der bevorzugte Schirm selbst mit bestimmten ausdrücklich tangential verbundenen Oberflächenformen, d. h. kreisförmig-parabolisch-elliptisch in der x-z-Bezugsebene und kreisförmig-kreisförmig-parabolisch in der y-z-Bezugsebene, beschrieben werden, die Oberflächen, die tangential aneinander angrenzende Flächen zu den Parabolflächen bilden, durch irgendeine andere gekrümmte Oberfläche ersetzt werden, die den unmittelbaren Zielen des einzelnen Gestalters angepaßt ist.
Die Figuren 1 bis 4 stellen das allgemeine Aussehen eines bevorzugten Schirmes dar. Der Schirm 10 ist dazu vorgesehen, an einem (nicht dargestellten) Helm mit bekannten mechanischen Mitteln angebracht zu werden, so daß die geometrische Beziehung zwischen dem Helmträger und dem Schirm im wesentlichen gleichbleibend gehalten wird.
Zur Vereinfachung wird im folgenden die Erfindung in Betrachtung eines normierten, rechtwinkligen, rechtsgängigen, kartesischem x-y-z-Koordinatensystems 12 zum Raumbezug beschrieben, dessen Ursprung 14 mittig auf der inneren konkaven Oberfläche 16 des Schirmes 10 angeordnet ist, und dessen z-Achse 18 parallel zur Sichtlinie des Helmträgers verläuft. Die y- Achse 20 verläuft vertikal, und die x-Achse 22 verläuft horizontal und von dem entlang der z-Achse 18 sehenden Betrachter nach links. Dementsprechend bestimmen die x-z-Bezugsebene die Horizontal- und die y-z-Bezugsebene die Links-rechts-Ebene der menschlichen zweiseitigen Symmetrie.
Während die Beschreibung sich auf das genannte Raumbezugssystem bezieht, ist klar, daß andere Raumbezugssysteme wie ein Polarkoordinatensystem ebenfalls geeignet sind, wobei die im folgenden mathematische Beschreibung unter Verwendung geeigneter Transformationsfunktionen ähnlich in diesen anderen Bezugssystemen durchgeführt werden kann.
Da die Gestalt des bevorzugten Schirmes nicht als Rotationsfläche bestimmt ist, wird die folgende Beschreibung die Schirmgestalt in verschiedenen Querschnitten sowohl in der x- z- als auch in der y-z-Bezugsebene darstellen.
Figur 5 stellt einen ersten Querschnitt dar, den der Schirm in der horizontalen oder x-z-Bezugsebene bildet.
Die Bereiche A, B und C sind um die y-z-Bezugsebene und den Ursprung 14 symmetrisch und umfassen Bogensegmente verschiedener geometrischer Gestalt, die tangential an ihren Grenzen verbunden sind.
Im einzelnen entspricht bei Bewegung entlang der x-Achse 22 (unter der lediglich vereinfachenden Annahme y=0) die innere konkave Oberfläche 16 des Schirmes 10 im Bereich A im wesentlichen der folgenden Beziehung:
[z(x,0) + (c)]² + (x)² = (r)² Gl. 1
die ein Kreisbogensegment ist, dessen Mittelpunkt sich bei (x, 0, z(x,0) - c) befindet und dessen Radius r beträgt, wobei c einen konstanten Wert darstellt.
Im Bereich B wird die Schirmoberfläche am besten beschrieben, wenn sie im wesentlichen der folgenden Beziehung entspricht:
die ein parabolisches Bogensegment ist (wobei a, b und c konstante Werte darstellen).
Schließlich entspricht die Schirmfläche im Bereich C im wesentlichen der Beziehung:
die ein elliptisches Bogensegment ist.
Jeder horizontale oder in der x-z-Ebene geführte Querschnitt durch den Schirm 10 wird der oben beschriebene zusammengesetzte Kurve entsprechen, ist dabei jedoch in der y-z- Bezugsebene verschoben.
Figur 6 stellt einen zweiten Querschnitt dar, den der Schirm in der vertikalen oder y-z-Bezugsebene bildet.
Die Bereiche D, E und F sind symmetrisch um die x-z-Bezugsebene und umfassen Bogensegmente verschiedener geometrischer Gestalt, die tangential an ihren Grenzen verbunden sind.
Im einzelnen entspricht für Änderungen entlang der y-Achse 20 (unter der lediglich vereinfachenden Voraussetzung x = 0) die innere konkave Oberfläche 16 des Schirmes 10 im Bereich D im wesentlichen der folgenden Beziehung:
[z(0,y) + (c)]² + (y)² = (r)² Gl. 4
die ein Kreisbogensegment ist, dessen Zentrum sich bei (0, y, z(0,y) - c) befindet und dessen Radius r beträgt, wobei c ein konstanter Wert ist.
Im Bereich E wird die Schirmoberfläche am besten beschrieben dadurch, daß sie im wesentlichen der folgenden Beziehung entspricht:
[z(0,y) + (c)]² + (y)² - (r)² Gl. 5
die ein anderes Kreisbogensegment ist, dessen Zentrum sich bei (0, y, z(0,y) - c) befindet und dessen Radius r beträgt.
Schließlich entspricht die Schirmfläche im Bereich F im wesentlichen der Beziehung:
die ein parabolisches Bogensegment ist.
Jeder vertikale oder in der y-z-Ebene geführte Querschnitt durch den Schirm wird mit der beschriebenen zusammengesetzten Kurve übereingehen, ist jedoch entlang der x-Bezugsachse verschoben.
Die Oberfläche ist dann durch die Gleichung z(x,y) = z(x,0) + z (0,y) bestimmt, wobei z(x,0) und z(0,y) wie oben definiert sind.
Für einen Helmträger, dessen Position des linken Auges sich bei:
x = 32.376958702
y = -49.62262979
z = -68.611847849
und des rechten Auges sich bei:
x = -32.376958702
y = -49.62262979
z = -68.611847849
befindet, entspricht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß aufgebauten Schirmes in jedem der oben angegebenen Bereiche im wesentlichen den folgenden Beziehungen.
Die oben verallgemeinerte Beschreibung des Querschnittes des Schirmes 10 in der horizontalen oder x-z-Bezugsebene ist am besten in Figur 5 dargestellt und weist in bevorzugter Weise die folgenden Maße (in mm) auf:
Für Bereich A mit 0 ≤ x ≤11.720329103 beträgt
z(x,0) = [(320.88080003)² - (x)²] - (320.88080003) Gl. 1A
wobei sich der Mittelpunkt 24 des Kreises bei (x, 0, -320.88080003) befindet und der Radius r = 320.88080003.
Der Bereich A besitzt gegenüber dem Bereich B einen Tangentialpunkt 29 bei (x,y,z) = (±11.720329103, 0, ±0.21411683138).
Für die Region B mit 11.720329103 ≤ x ≤56.928795878 beträgt:
wobei sich der Scheitel 26, 28 der Parabel bei (x, 0, z(x,0)) = (±8.1925345917, 0, -0.14964659663) und der Parabelbrennpunkt 30, 32 bei (x, 0, z(x,0)) = (±8.1925345917, 0, -48.40101) befinden.
Der Bereich B besitzt einen Tangentialpunkt 33 bei (x,y,z) = (±56.928795878, 0, +12.453952254).
Im Bereich C mit x ≥56.928795878 werden in Gleichung 3 die folgenden Werte benutzt:
A = 14729.01761, B = 8248.033634, C = 3980.622389, D = -1183664.396, E = 403214.7075 und F = 29201474.86 wobei sich der Ellipsenmittelpunkt 34, 36 bei
(x, 0, z(x,0)) = (±76.575011396, 0, -129.98067588)
befindet, die Ellipsenneigung ±18.750838606 Grad beträgt und die großen bzw. kleinen Halbachsen jeweils entsprechend 127.0000 und 50.8000 betragen.
Die oben verallgemeinerte Beschreibung des Querschnitts des Schirmes 10 in der vertikalen oder y-z-Bezugsebene ist am besten in Figur 6 dargestellt und besitzt bevorzugterweise die folgenden Maße (in mm):
Im Bereich D mit y ≥44.920846709 beträgt
z(0,y) = [(139.7)² - (y + 44.920846709)²'] - (123.3396255) Gl. 4A
wobei der Kreismittelpunkt 33 sich bei (x, y, z(0,y)) = (0, -44.920846709, -123.3396255) befindet und der Radius r = 139.7 beträgt.
Der Bereich D besitzt gegenüber dem Bereich E einen Tangentialpunkt 46 bei (x,y,z) = (0, 44.920846709, -16.36037455).
Im Bereich E mit -27.58643266 ≤ y ≤44.920846709 beträgt
z(0,y) = [(69.85)² = (y)²'] - (69.85) Gl. 5A
wobei der Kreismittelpunkt 40 sich bei (x, y, z(x,y)) = (0, 0, -69.85) befindet und der Radius des Kreises r = 69.85 beträgt.
Der Bereich E besitzt gegenüber dem Bereich F einen Tagentialpunkt 48 bei (x,y,z) = (0, -27.58643266, -5.678267649).
Im Bereich F mit y ≤-27.58643266 beträgt
wobei der Parabelscheitel 42 sich bei
(x,y,z) = (0, 13.96018656, 3.2402130619)
und der Parabelbrennpunkt 44 sich bei
(x,y,z) = (0, 13.96018656, -45.01978694) befinden.
Die Motivation bei der Auswahl der oben bezeichneten x- und y-Grenzwerte besteht z. T. darin, daß Abweichungen der Lage des rechten und linken Auges von den im Beispiel angenommenen Werten durch Bereitstellung eines geringfügig überdimensionierten parabolischen Bereiches im Schirm berücksichtigt werden. Mit diesen ausgewählten x- und y-Grenzwerten besitzt der Schirm wie in Figur 2 dargestellt zentrierte optische Flächenbereiche 48, die dem Ort eines jeden Beobachterauges entsprechen und eine große kritische Fläche der Sichtfläche 50 für eine weitere Anpassung auf dem Träger. Schließlich sind die nichtkritische Sichtfläche 52 und die Fläche außerhalb der Sicht 54 durch diese Wahl der Grenzwerte verringert, um einen Schirm 10 herzustellen, der gut an die Anforderungen an die Sicht des Trägers angepaßt ist. Würden dennoch die Positionen des rechten und linken Auges entscheidend von den oben im Beispiel angenommenen Positionen abweichen, so würden die verallgemeinerten mathematischen Ausdrücke, die für jeden Bereich aufgestellt wurden, im wesentlichen unverändert bleiben, wobei lediglich die konstanten Werte im obigen Beispiel entsprechend umgerechnet werden müßten.
Es ist zu verstehen, daß die Grenzen der Flächen in Figur 2 natürlich nur illustrierenden Charakter besitzen und in keiner sichtbaren Weise mit der Verbindung der über der Schirmoberfläche verschieden gekrümmten Flächen in Beziehung stehen. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche tatsächlich aus 15 getrennten Flächen (5 horizontale x 3 vertikale) hergestellt, die jeweils quadratisch und entlang von 4 horizontalen und 2 vertikalen Verknüpfungen verbunden sind. Dabei treten zwei getrennte Flächen auf, die sowohl in Bezug auf den horizontalen und den vertikalen Querschnitt parabolisch (d. h. Paraboloide) sind, wobei diese zwei Flächen allgemein den Bereichen des Schirmes entsprechen, die sich unmittelbar gegenüber den Augen des Trägers befinden. Gemäß Figur 2 umfassen diese Parabolflächen rechte Winkel, die die Bereiche 48 umschließen und sich von dort abwärts zu der Unterkante des Schirmes erstrecken.
Während die erfindungsgemäße Schirmvorrichtung aus jedem durchlässigen Material aufgebaut sein kann, das eine Innenoberfläche mit merklicher Reflektivität und eine genügende Transmission aufweist, so daß der Schirm als "zusammenführendes Glas" im Rahmen der Grenzen durch die Lichtquelle und die Umgebungs-Lichtintensitäten wirken kann, wird im folgenden der Aufbau einer bevorzugten Reflexionsbeschichtung beschrieben.
Gemäß Figur 7 kann ein entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel aufgebauter Schirm 100 entweder an sich oder in Verbindung mit einem Sonnenschirm 102 verwendet werden. Der Sonnenschirm 102 kann an dem selben Helm wie der Schirm 100 angebracht und je nach den Forderungen oder Wünschen des Helmträgers in derartigen Situationen wie Nachtflug oder blendender Sonne entfernt oder angesetzt werden.
Der Schirm 100 wird bevorzugterweise aus einem klaren Material wie einem Acryl- oder Polycarbonat-Kunststoff aufgebaut. Der Sonnenschirm 102 kann aus einem zu dem des Schirms 100 ähnlichen Material aufgebaut sein, weist jedoch eine Tönung auf, die eine Transmission von ungefähr 15 % des Umgebungslichtes ergibt.
Breitbandige Antireflexionsbeschichtungen 104 werden auf der inneren und der äußeren Oberfläche 106, 108 des Sonnenschirms 102 und auf der äußeren Oberfläche 110 des Schirmes 100 aufgetragen.
Eine schmalbandige Reflexionsbeschichtung 112 mit ungefähr 30 % Reflexion bei der Projektionswellenlänge der 0ptiken und des CRT-Systems, die mit dem optischen Schirm 100 verwendet werden, wird auf der Innenoberfläche 114 des Schirmes 100 aufgetragen. Wie es am besten den in den Figuren 8, 9 und 10 dargestellten Kurven entnommen werden kann, besitzt der optische oder klare Schirm 100 eine abgestimmte Reflexionsbeschichtung 112, die auf seiner Innenoberfläche 114 abgeschieden und derart gestaltet ist, daß die Reflexion der projizierten Leuchtstoffarbe eines CRT-Optik-Systems 116 ein Höchstmaß aufweist, während gleichzeitig diese von der Außenwelt abgezogene Farbe auf ein Mindestmaß verringert wird.
Bei Verwendung dieses Aufbaus der Reflexionsbeschichtung sind die Antireflexionsbeschichtungen wirkungsvoll bei der Minimierung von Geisterbildern aller Art wie CRT-Zeichen, "Sonnenbälle", Instrumententafelbeleuchtung usw. Desgleichen ist die Dicke des optischen Schirms 110 nicht durch Betrachtungen in Bezug auf die Reflexion oder Transmission, sondern durch die Erfordernisse des Aufschlagschutzes des Trägers bestimmt.
Die Korrektur von Durchsichtsstörungen am optischen Schirm 100 wird vorzugsweise durch Ausbildung der äußeren Oberfläche des optischen Schirms in einer Form erreicht, die im wesentlichen eine Kopie der oben beschriebenen inneren Oberfläche 114 des optischen Schirms 100 darstellt.
Neben der Erfindung des oben beschriebenen verbesserten Schirmaufbaus wurde ein sehr wirkungsvolles Verfahren zum Aufbau von Schirmen mit im wesentlichen konfokalen inneren und äußeren Oberflächen entsprechend dem oben beschriebenen verbesserten Schirmaufbau entwickelt.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung eines Schirms zur Anbringung an einem Helm, der darauf gerichtet ist, von einer Person getragen zu werden, umfaßt die folgenden Schritte. Zuerst wird ein rechtwinkliges Koordinatensystem als Raumbezug festgelegt, dessen Ursprung auf der inneren konkaven Oberfläche des gewünschten Schirmes angeordnet ist und dessen z- Achse parallel zur Sichtlinie der Person führt, die zum Tragen des Helmes bestimmt ist. Dann muß ein Satz von Lösungswerten für die Mehrfach-Variablen-Funktion erzeugt werden, die durch das im folgenden angegebene System in Bezug auf das vorher festgelegte rechtwinklige Raum-Bezugskoordinatensystem bestimmt ist:
Wenn die oben angegebene Folge von Gleichungen für einen speziellen Lösungssatz gelöst ist, der für einen Satz von gewählten Variablen wünschenswert ist, so wird der Lösungswertesatz vorzugsweise in einer Form und in einem Medium gespeichert, das an die Verwendung in einem numerisch gesteuerten Herstellungssystem angepaßt ist.
Dann wird bevorzugterweise eine Anlage eines numerisch gesteuerten Herstellungssystems benutzt, die von dem gespeicherten Satz von Lösungswerten gesteuert wird, um ein Werkstück mindestens auf einer seiner Oberflächen der räumlichen Darstellung des Lösungswertesatzes in Bezug auf das rechtwinklige Raum-Bezugskoordinatensystem anzupassen.
Das numerisch gesteuerte Herstellungssystem kann benutzt werden, um eine Gußform herzustellen, die zum Spritzgießen geeignet ist. Das Spritzgießen beinhaltet die Umformung eines allgemein flachen Acryl- oder Polycarbonat-Kunststoffwerkstücks in den Schirm entsprechend einem derart bekannten Verfahren wie Wärmeverformung und Vakuumverformung des Werkstückes in der Gußform.

Claims

1. Schirm (10) für eine Kopf-Anzeige, bei dem die Bereiche der inneren Schirmoberfläche (16) die unmittelbar gegenüber der Augen eines Trägers des Schirms angeordnet sind, jeweils entsprechend einem ersten und einem zweiten Paraboloid darstellen, wobei die zwei Paraboloide voneinander beabstandete Achsen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Bereiche in einen aus der Sicht Trägerseite konkaven Verbindungsbereich der Oberfläche (16) aufgehen.

2. Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Bereiche in einen Verbindungsbereich übergehen, der im Horizontalschnitt im wesentlichen kreisförmig ist

3. Schirm nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Bereiche jeweils entsprechend in einen ersten und einen zweiten Seitenbereich auf den gegenüberliegenden Seiten des Schirmes übergehen, die im horizontalen Querschnitt im wesentlichen elliptisch sind.

4. Schirm nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Bereiche an der Unterkante des Schirmes angeordnet sind.

5. Schirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche jeweils entsprechend in einen ersten und einen zweiten oberen Bereich oberhalb der Bereiche übergehen, die im vertikalen Querschnitt im allgemeinen kreisförmig sind.

6. Schirm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite obere Bereich im horizontalen Querschnitt allgemein parabelförmig sind.

7. Schirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schirmoberfläche eine Form ausweist, die im wesentlichen eine Kopie der inneren Oberfläche (16) darstellt.

8. Schirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche (16) des Schirms eine auf diese abgeschiedene, schmalbandige Reflexionsbeschichtung mit einer Reflexion von ungefähr 30 % bei der Abbildungswellenlänge und eine auf ihre Außenoberfläche abgeschiedene, breitbandige Antireflexionsbeschichtung aufweist.

9. Schirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmdicke im wesentlichen im Bereich von 1.3 bis 3.8 mm (0.05 bis 0.15 inch) liegt.

10. Kopfanzeige, die eine durch eine Person tragbare Kopfbedeckung, bildprojizierende Mittel und einen Abbildungsschirm enthält, der einen Schirm (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfaßt.

11. Kopfanzeige nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Sonnenschirm, der an der Kopfbedeckung angebracht und derart ausgerichtet ist, daß der Schirm (10) wahlweise bedeckt wird.

12. Kopfanzeige nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenschirm eine auf seinen Innen- und Außenoberflächen abgeschiedene, breitbandige Antireflexionsbeschichtung aufweist.

13. Kopfanzeige nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenschirm aus einem Material besteht, das gegenüber dem Umgebungslicht eine Transmission von im wesentlichen 15 % aufweist.

14. Kopfanzeige nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das bildprojizierende Mittel eine Kathodenstrahlröhre ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Schirmes zur Kopfanzeige, das die Schritte umfaßt:

(a) Bestimmung der gewünschten Schirmoberflächenform mittels einer Mehrvariablen-Funktion

(b) Erzeugung eines Satzes von Lösungswerten dieser Funktion,

(c) Speicherung des Satzes von Lösungswerten in einer Form und in einem Medium, das für die Verwendung in einem numerisch gesteuerten Herstellungssystem geeignet ist,

(d) Benutzung einer Anlage eines numerisch gesteuerten Herstellungssystems, das durch den gespeicherten Satz von Lösungswerten gesteuert wird, um eine Gußform aus einem Werkstück herzustellen und dabei mindestens eine seiner Oberflächen entsprechend einer räumlichen Darstellung des Satzes von Lösungswerten umzuformen, wobei diese räumliche Darstellung einen ersten und einen zweiten im allgemeinen parapoloid-förmigen Bereich mit voneinander beabstandeten Achsen bestimmt, die unmittelbar gegenüber den Augen des Schirmträgers angeordnet sind, wobei die zwei Bereiche in einen aus Sicht der Trägerseite konkaven Verbindungsbereich übergehen, und

(e) Formung eines Stücks eines flexiblen Materials in der Gußform, um den Schirm herzustellen.

16. Verfahren zur Herstellung eines Schirmes nach Anspruch 15, bei dem die Umformung des Werkstücks in den Schirm die Wärmeformung des Werkstücks in der Gußform umfaßt.

17. Verfahren zur Herstellung eines Schirmes nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung des Werkstückes in den Schirm das Vakuumgießen des Werkstücks in die Gußform umfaßt.

18. Verfahren zur Herstellung eines Schirmes nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung des Werkstückes in den Schirm das Spritzgießen des Werkstücks zwischen einem Ober- und Unterstempel der Gupform umfaßt.

19. Verfahren zur Herstellung eines Schirmes nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion im wesentlichen dem folgenden Ausdruck entspricht oder zu diesem in einem anderen Koordinatensystem äquivalent ist: