DE69009158T2

DE69009158T2 - Optische Einrichtung zur Darstellung von Sichtdaten im Unendlichen.

Info

Publication number: DE69009158T2
Application number: DE69009158T
Authority: DE
Inventors: Serge Ediar; Jean-Blaise Migozzi
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1989-12-12
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2010-12-08
Also published as: DK0433145T3; US5170153A; CA2032076A1; FR2655742A1; DE69009158D1; FR2655742B1; EP0433145A1; EP0433145B1; JPH04242715A; ATE106148T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Vorrichtungen zur Sichtbarmachung von Leuchtdaten, die ins Unendliche kollimatiert sind und im allgemeinen, aber nicht notwendigerweise, in das Bild einer äußeren Landschaft eingeblendet werden. Solche Vorrichtungen, mit denen Flugzeuge ausgerüstet sind, können entweder auf einem Armaturenbrett über Kopf oder in einem Pilotenhelm montiert sein. Sie dienen hauptsächlich der Unterstützung der Navigation und beim Anpeilen von Geschoßzielen.
Die Nachfragen nach Leuchtdaten nehmen im Flugzeug zu, und die erzeugten Bilder müssen immer größere Sichtfelder mit einer hohen Qualität erfassen, die im ganzen Sichtfeld unabhängig von der Beobachtungslage der Augen ausreichend bleiben muß.
Dies hat zunehmend zu optischen Vorrichtungen mit einer Vielzahl von Linsen, zumindest sechs Linsen geführt, und damit zu einem erheblichen Raumaufwand und Gewicht, wodurch die Montage dieser Vorrichtungen in Pilotenhelmen schwierig wird.
Ziel der Erfindung ist es, die Anzahl dieser Linsen für ein noch größeres Sichtfeld und eine ebenso hohe Bildauflösung zu verringern.
Gegenstand der Erfindung ist eine optische Vorrichtung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, die die Ausgangspupille (im Englischen exit pupil) dauernd vor der Pupille des Auges bildet und diese Ausgangspupille auf Abmessungen deutlich unter denen der Pupille des Auges reduziert.
Andere Gegenstände und Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen hervor.
Figur 1 zeigt das vereinfachte Schema einer optischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt das vereinfachte Schema einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Figuren 3 und 4 zeigen detaillierte Ansichten von erfindungsgemäßen optischen Vorrichtungen.
Figur 5 zeigt das Schema einer elektronischen Schaltung für die optischen Vorrichtungen gemäß den Figuren 3 und 4.
In den verschiedenen Figuren tragen entsprechende Elemente gleiche Bezugszeichen.
Figur 1 zeigt eine Kathodenstrahlröhre T, die Strahlen in alle Richtungen aussendet und so eine Kollimationsoptik 4 beleuchtet, die diese Strahlen zu im wesentlichen parallelen Strahlen macht. Das von der Optik gelieferte Bild wird als ins Unendliche kollimatiert bezeichnet. In Wirklichkeit sind die Strahlen am Ausgang der Optik 4 nicht vollkommen parallel. Die mangelnde Parallelität oder der Parallaxenfehler kann von einer schlechten Einstellung der Röhre hinsichtlich des Brennpunkts der Optik, von Restverzerrungen, die bei der Berechnung dieser Optik nicht korrigiert werden konnten (sphärische Aberration, Coma, Astigmatismus, Feldkrümmung), von Bearbeitungsfehlern oder Montagefehlern stammen (exzentrische Anordnung, Neigung).
Für eine Position des Auges im Ausgangsstrahl der Optik empfängt die Pupille Strahlen, die von verschiedenen Punkten der Röhre kommen. Die Netzhaut bildet aus Strahlen entsprechend einem gemeinsamen Punkt der Bildröhre nicht einen Punkt, sondern einen Fleck, der umso größer ist, je erheblicher die erwähnten Fehler sind. Das betrachtete Bild ist also mehr oder weniger scharf. Dieses Bild kann nur verbessert werden durch Minzufügung weiterer Linsen zur Optik.
Begrenzt man stark den Querschnitt eines Lichtstrahls, der ein Bild überträgt und in die Pupille des Auges eintritt, dann verringert sich auch die Anzahl der aus Abbildungsfehlern stammenden Strahlen. Wenn gar der Auftreffpunkt dieses Strahls auf der Netzhaut punktförmig wird, dann ergibt sich eine bessere Bildauflösung, selbst wenn die optische Vorrichtung, die zur Übertragung des Bilds verwendet wurde, nur ein oder zwei optische Elemente enthält.
Der Durchmesser der Ausgangspupille einer optischen Vorrichtung kann nicht unbeschränkt verkleinert werden aufgrund der Beugung, die die Qualität des Bilds beeinträchtigt. Ein guter Kompromiß ergibt sich für einen Durchmesser von einigen Zehntel Millimeter. Läßt man die Strahlen durch ein Loch dieser Abmessung hindurchtreten, dann werden die Abbildungsfehler der Optik vernachlässigbar, und die Beugung ist, obgleich sie in sehr kleinen Punkten sichtbar ist, nicht in den Zeichnungen sichtbar, die in den Zielgeräten verwendet werden und die eine Strichbreite in der Nähe von oder größer als ein Milliradian besitzen. Die Pupille des Auges hat aber einen Durchmesser, der natürlich zwischen 2 und 8 mm abhängig von der leuchtenden Umgebung variiert.
Figur 2 zeigt schematisch im Querschnitt eine optische Vorrichtung zur Sichtbarmachung gemäß der Erfindung mit einem Auge, das in zwei unterschiedlichen Lagen A0 und A1 in einer Zone dargestellt ist, in der das Bild sichtbar gemacht werden soll.
Die Vorrichtung enthält in Reihe eine ebene Matrix von Elektrolumineszenzdioden, die eine Lichtquelle 1 bildet, einen optischen Kondenser 2, einen Bildgenerator 3 und eine Kollimationsoptik 4.
Das von einer Quelle gelieferte Licht wird als kohärent bezeichnet, wenn die Quelle in einem Konuswinkel von höchstens gleich dem Beugungskonus Licht aussendet. Damit der Bildgenerator 3 mit kohärentem Licht beleuchtet wird, muß jeder Punkt dieses Generators von einem sehr feinen Strahl beleuchtet werden. Die sehr feinen Strahlen zur Beleuchtung des Bildgenerators 3 ergeben sich durch Erzeugung des Bilds einer Diode der Matrix auf der Pupille des Auges, d.h. daß abhängig von der Lage des Auges eine der Dioden der Quelle 1 aufleuchtet, deren Bild sich auf der Pupille des Auges ergibt. So leuchtet in der Lage A0 die Diode D0, während in der Lage A1 die Diode D1 leuchtet. So ist der Aberrationsfleck auf der Netzhaut des Auges sehr verkleinert, und das vom Auge gesehene und vom Generator erzeugte und ins Unendliche kollimatierte Bild ist scharf, selbst wenn die Optik 4 Abbildungsfehler aufweist. Eine gute Tiefenschärfe wird erreicht, und es ist möglich, die Kollimationsoptik bezüglich des Bildgenerators 3 zu verschieben, um die Vergrößerung des Bildes zu verändern, ohne dabei die Schärfe des betrachteten Bilds zu verschlechtern.
In der optischen Vorrichtung gemäß Figur 2 war, wie gesagt, die Lichtquelle 1 eine Matrix von Elektrolumineszenzdioden. Die Ausführungsformen, die nachfolgend anhand der Figuren 3 und 4 beschrieben werden, enthalten jeweils ebenfalls eine derartige Quelle, aber auch andere Arten Quellen können verwendet werden. So könnte beispielsweise die Quelle aus einer einzigen Elektrolumineszenzdiode, einer Glühbirne, einem Laser usw. bestehen. In allen drei Fällen wird die Quelle versetzt und ihr Licht wird abgelenkt in Abhängigkeit von den Verschiebungen des Auges, damit ihr Bild sich permanent auf der Pupille des Auges abbildet. Außerdem und insbesondere im Fall von Elektrolumineszenzdioden und Glühbirnen könnte eine optische Verkleinerung notwendig sein, um einen ausreichend feinen Strahl zu liefern. Es ist auch möglich, den Bildgenerator und die Punktquelle zu kombinieren, indem direkt das Bild auf die Netzhaut des Auges projiziert wird durch eine Abtastung eines gerichteten Strahls, vom Typ einer Fernsehabtastung, der beispielsweise von einem Laser ausgesendet wird.
Es sei bemerkt, daß zur Realisierung eines nahezu punktförmigen Lichtstrahls zwischen der Lichtquelle und dem Auge überhaupt kein streuendes Element vorgesehen sein darf. Daher besteht in den anhand der Figuren 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen der Generator aus einer nicht streuenden Flüssigkristalltafel, die zwischen zwei Polarisatoren liegt. Andere Möglichkeiten eignen sich aber auch für den Bildgenerator, insbesondere die oben erwähnte Möglichkeit, die in einem Laser die Lichtquelle und den Generator zusammenfaßt. Es ist auch möglich, als Bildgenerator eine Matrixröhre vom Typ des einachsigen und polaren Flüssigkristalls mit den beiden Polarisatoren auf beiden Seiten zu verwenden.
In obigen Ausführungen wurde behauptet, daß der Lichtstrahl den Verschiebungen des Auges folgen muß. Um diese Verschiebungen zu ermitteln, verwendet man in den Ausführungsformen gemäß den Figuren 3 und 4 ein Augenmeßgerät. Es handelt sich um ein Gerät, das das Auge beobachtet und aufgrund einer Analyse des beobachteten Bilds die Koordinaten des Zentrums der Iris liefert. Ein solches Gerät wird beispielsweise in dem französischen Patent 2 522 804 vom 5. März 1982 beschrieben. Außerdem ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in der Patentanmeldung GB-A-1 578 136 beschrieben.
Figur 3 ist ein Schema, das eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung mit mehr Einzelheiten als in Figur 2 zeigt.
Figur 3 zeigt eine Lichtquelle 1, bestehend aus einer Matrix von Elektrolumineszenzdioden. Eine Projektionsoptik 5 bestehend aus Linsen liefert ein Bild der Dioden am Eingang eines Bündels von Lichtleitfasern F, dessen Ausgang auf einem nicht dargestellten Pilotenhelm liegt. Ein Kondensor 2 wandelt den vom Ausgang der Lichtleitfasern F ausgehenden Lichtstrahl in ein paralleles Lichtstrahlenbündel um, das einen Bildgenerator 3 durchquert, bestehend aus einer Flüssigkristalltafel, die zwischen zwei Polarisatoren liegt. Dieser Generator soll hier als Bild ein Kreuz erzeugen. Die Schaltungen und Anschlüsse der Tafel zur Erzeugung der Bilder wurden in Figur 3 weggelassen. Der Strahl wird dann von einer Kollimationsoptik 4 auf die Pupille des Auges A eines Beobachters fokussiert, nachdem er ein Trennplättchen 7a durchquert hat und an einem Mischspiegel M reflektiert wurde. Das Trennplättchen und der Mischspiegel M sind halbdurchlässige Spiegel, die es einerseits dem Auge A des Betrachters ermöglichen, die vor ihm liegende Landschaft durch den Mischspiegel M zu betrachten, und andererseits das Augenmeßgerät 6 in die Lage versetzen, die Bewegungen des Auges A zu überwachen, wobei diese Überwachung über einen optischen Pfad erfolgt, der eine Reflexion an jedem der beiden halbdurchlässigen Spiegel M und 7a einschließt.
Das Augenmeßgerät 6 wird vom Helm des Beobachters getragen, d.h. es ist mit den optischen Elementen fest verbunden, die vom Ausgang der Lichtleitfasern F bis zum Mischspiegel M einschließlich reichen. Dieses Gerät ermittelt die Lage des Auges durch die Koordinaten des Zentrums der Pupille des Auges bezüglich der optischen Elemente und sendet diese Lageinformation in Form eines elektrischen Signals an einen Regelkreis 8. Der Kreis 8 enthält einen Speicher, in dem die Adressen der zu be leuchtenden Elektrolumineszenzdioden der Quelle 1 abhängig von der Lage des Auges gespeichert sind. Eine Diode wird beleuchtet, wenn ihr Bild, d.h. die Ausgangspupille der Vorrichtung, sich im Zentrum der Pupille des Auges befindet, wo sie eine beleuchtete Zone darstellt. In Wirklichkeit werden in dem beschriebenen Beispiel neun Dioden gleichzeitig eingeschaltet, und diese neun Dioden liegen in einem Quadrat von 3 x 3 Leuchtdioden. Weiter besitzt in dem beschriebenen Beispiel die beleuchtete Zone der Pupille des Auges einen Durchmesser von 0,6 mm, und die Verschiebungen dieser Zone erfolgen in Schritten von 0,2 mm, um die Verschiebungen des Auges um 2,6 mm zu beiden Seiten eines zentralen Punkts zu verfolgen. Diese Verschiebungen des Auges entsprechen einem Sichtfeld von 30º.
Da der Regelkreis 8 jedem vom Bildgenerator 3 erarbeiteten Bildpunkt einen schmalen Lichtstrahl zuordnet, der im wesentlichen im Zentrum der Pupille des Auges A ankommt, ist das vom Auge gesehene Bild scharf. Wegen der Fehler der verschiedenen optischen Elemente und insbesondere der Kollimationsoptik 3, kann dieses Bild jedoch verzerrt werden. Diese Verzerrungen hängen vom optischen Pfad ab, den die Strahlen dieses Bündels verfolgen, d.h. von der Position der Dioden, die beleuchtet sind. Da es bekannt ist, daß für jeden Pfad in einem optischen System die Verzerrung, die das System in das Bild bringt, bestimmt werden kann, ist es möglich, diese Verzerrung zu korrigieren, indem der umgekehrte Effekt im Bildgenerator 3 erzeugt wird. Wenn beispielsweise ein Quadrat im Bildgenerator als ein Kissen erscheint, dann erlaubt eine tonnenförmige Korrektur in Höhe des Generators dem Auge, wieder ein Quadrat zu sehen. Bei jeder Bewegung des Auges muß die auf den Bildgenerator 3 angewandte Korrektur der Lage der Dioden angepaßt werden, die in der Lichtquelle 1 beleuchtet sind. Dies erfolgt mit Hilfe der Schaltung gemäß Figur 5. Wenn diese Korrektur nicht existiert, dann empfängt der Bildgenerator 3 unmittelbar seine Eingangssignale von einem Videokreis 9. Figur 5 zeigt, daß die Korrektur erfolgt, indem zwischen den Videokreis 9 und den Bildgenerator 3 ein Transkoder 10 angebracht wird, der vom Regelkreis 8 die Koordinaten der eingeschalteten Dioden empfängt und abhängig von diesen Koordinaten die theoretischen Koordinaten der vom Videokreis gelieferten Bildpunkte korrigiert. Der Transkoder ist also eine Schaltung für die Steuerung spezieller Effekte von der Art, wie sie beim Fernsehen verwendet werden.
Figur 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel, das eine optische Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der gemäß Figur 3 dadurch, daß das Augenmeßgerät 6 nicht auf dem Helm des Beobachters sitzt, sondern mit den optischen Elementen eine Einheit bildet, die von der Lichtquelle 1 bis einschließlich zum Eingang der optischen Filter F reicht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich weiter darin, daß zwischen den Bildgenerator 3 und dem Auge A des Beobachters das Visier des Helms, bestehend aus einem konkaven halbdurchlässigen Spiegel 4m, liegt, durch das hindurch das Auge A die Landschaft P betrachtet, und das die optische Aufgabe des Kollimators und die des Mischspiegels übernimmt. In dieser Ausführungsform wird die Pupille des Auges vom Augenmeßgerät 6 mit Hilfe eines Trennplättchens 7b beobachtet, das von einem im optischen Pfad zwischen der Projektionsoptik 5 und der Lichtquelle 1 liegenden halbdurchlässigen Spiegel gebildet wird. Der Kondensor 2 aus Figur 3 entfällt, so daß der Helm des Beobachters erleichtert wird, auf dem nur noch der Bildgenerator und ein Ende der Lichtleitfaser F montiert sind. Diese Erleichterung wurde möglich, weil in dem Beispiel gemäß Figur 4 die nutzbare Oberfläche des Bildgenerators 3 deutlich kleiner (mehr als zweimal kleiner) als die Nutzoberfläche der Kollimationsoptik 4m ist. Mit ansonsten gleichen Bildgeneratoren ist aber die Bildauflösung aus der Sicht des Auges deutlich geringer als die im Fall der Figur 3.
Die optische Vorrichtung gemäß Figur 4 wurde in einer ihrer Ausführungsformen mit einer elektronischen Schaltung 5 zur Korrektur der von der vom Spiegel 4m gebildeten Kollimationsoptik verursachten Verzerrungen versehen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt. So betrifft die Erfindung insbesondere optische Vorrichtungen, in denen die Lichtquelle 1 ihr Licht nicht an den Bildgenerator 3 über einen Pfad übermittelt, der einen elastischen optischen Leiter enthält, sondern über einen Pfad, bei dem alle Elemente mechanisch fest einander zugeordnet sind. Umgekehrt könnte man eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung erdenken, die einen elastischen optischen Leiter zwischen dem Bildgenerator und dem Auge enthält.
Die Erfindung ist auch auf den Fall anwendbar, in dem das gewünschte Bild mehrfarbig sein soll, wobei die Farbe beispielsweise durch die Verschmelzung von drei auf der Netzhaut des Auges erzeugten Bildern erreicht wird, von denen das eine rot, das andere grün und das dritte blau ist. Wie auch immer diese drei Bilder erzeugt und die Verschmelzung auf der Netzhaut des Auges bewirkt wird, gibt es die Möglichkeit, die chromatischen Achsverschiebungsfehler der im optischen Pfad jedes der Bilder liegenden optischen Elemente zu kompensieren. Hierzu kann jedes Bild getrennt von einer Schaltung der anhand von Figur 5 beschriebenen Art bearbeitet werden.
Die Erfindung ist auch auf Vorrichtungen anwendbar, die zur Sichtbarmachung von im Unendlichen kollimatierten Daten bestimmt sind, ohne gleichzeitig eine Landschaft oder eine andere Absicht beobachtet werden kann. Die Erfindung ist auch auf die Sichtbarmachung mittels zweier Augen anwendbar, wobei die Vorrichtungen mit Hilfe von halb-durchlässigen Spiegeln für die beiden Augen gemeinsame Teile besitzen können, aber für jedes Auge einen eigenen Regelkreis.

Claims

1. Optische Vorrichtung für die Sichtbarmachung von im Unendlichen kollimatierten Leuchtdaten, mit Sichtbarmachungsmitteln (1 bis 5, F, M; 1, 3, 5, F, 4m), zu denen ein Bildgenerator (3) gefolgt von einer Kollimationsoptik (4; 4m), um dem menschlichen Auge ein ins Unendliche kollimatiertes Bild ausgehend von dem vom Bildgenerator erzeugten Bild zu liefern, und ein Augenmeßgerät (6) gehören, um ein Lagesignal zu liefern, das für die Koordinaten des Zentrums der Pupille des Auges repräsentativ ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Sichtbarmachung eine Ausgangspupille mit einem Durchmesser besitzen, der kleiner als die Pupille des Auges ist und dessen Lage regelbar ist, und daß die Mittel einen Regelkreis (8) besitzen, der das Lagesignal empfängt und eine Steuerung der Sichtbarmachungsmittel durchführt, derart, daß die Ausgangspupille auf die Pupille des Auges zentriert wird.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sichtbarmachungsmittel eine Matrix von Elektrolumineszenzdioden und ein optisches System (5, F, 2, 4, M; 5, F, 4m) besitzen, um ein Bild der Dioden der Matrix in einer Zone zu erzeugen, in der die Sichtbarmachung durch das Auge erfolgt, und daß die vom Regelkreis durchgeführte Steuerung darin besteht, mindestens eine Diode der Matrix aufleuchten zu lassen, deren vom optischen System erzeugtes Bild praktisch in der Nähe des Zentrums der Pupille des Auges liegt.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Kollimationsoptik (4; 4m) Verzerrungen erzeugt, mit einem Transkodierer (10), um die Kennwerte des Bildgenerators (3) abhängig vom Lagesignal zu verändern, damit das vom Generator erzeugte Bild Verzerrungen aufweist, die denen entgegengesetzt sind, die von der Kollimationsoptik (4) erzeugt werden.

4. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Mittel zur Sichtbarmachung zumindest teilweise auf einem Helm angeordnet sind, wobei das Augenmeßgerät (6) auch auf dem Helm angeordnet ist.

5. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der die Mittel zur Sichtbarmachung einen ersten Teil (3, 4m) auf dem Helm und einen zweiten Teil (1, 5) besitzen, der optisch mit dem Helm über ein Bündel von elastischen Lichtleitfasern (F) gekoppelt ist, wobei das Augenmeßgerät (6) mit dem zweiten Teil fest verbunden ist und so ausgebildet ist, daß es das Auge (A) über einen die Lichtleitfasern einschließenden optischen Pfad beobachtet.