DE69108452T2

DE69108452T2 - Anzeigevorrichtung von simulierten Bildern für einen Helm.

Info

Publication number: DE69108452T2
Application number: DE69108452T
Authority: DE
Inventors: Michel Lacroix
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1990-06-01
Filing date: 1991-05-07
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2011-05-08
Also published as: CA2043643A1; FR2662894B1; FR2662894A1; EP0460983B1; US5184250A; DE69108452D1; EP0460983A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Sichtbarmachung von simulierten Bildern für einen Helm.
Um Bilder in einem Simulator wie z.B. einem Flugzeugsimulator wiedergeben zu können, greift man im allgemeinen auf Systeme zurück, die einen Monitor mit einer Optik zur Darstellung im Unendlichen verwenden, oder auf außerhalb der Achse kollimatierte Systeme mit sphärischem Bildschirm und Spiegel, wobei dieser Spiegel eine Kugel großen Durchmessers (mehrere Meter) sein kann. Solche Systeme arbeiten korrekt, aber sind sehr raumaufwendig und schwer und können eine komplexe Infrastruktur erforderlich machen.
Es sind weiter Anzeigevorrichtungen mit einer Linsenoptik und einem Spiegel bekannt, die auf einem vom Benutzer getragenen Helm befestigt sind. Diese Vorrichtungen sind im allgemeinen wenig raumaufwendig und von geringem Gewicht, aber ihr Sichtfeld ist begrenzt und ihre Lichtausbeute gering. Aus der Druckschrift NTIS Tech Notes, November 1986, Seite 1160, Springfield, Virginia, USA mit dem Titel "Fiber Optic Helmet Mounted Display" ist eine Anzeigevorrichtung für einen Helm mit Lichtleitfasern zum Transfer des Bilds und mit einem Detektor für die Kopfstellung bekannt, aber der optische Teil ist dort nicht beschrieben. Aus den Druckschriften US-A-4 465 347 und US-A-3 923 370 sind Anzeigevorrichtungen für einen Helm mit parabolischen Spiegeln bekannt, deren Sichtfeld begrenzt ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Anzeige von simulierten Bildern für einen Helm, die leicht und wenig raumaufwendig ist und die Bilder mit einem möglichst großen Sichtfeld und möglichst guter Lichtausbeute wiedergibt.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung ist eine Vorrichtung zur Anzeige von simulierten Bildern für einen Helm, mit einem entfernt angeordneten Bildgenerator, einem entfernt angeordneten Projektor, einer optischen Verbindung über Lichtleitfasern zwischen dem Projektor und dem Helm, mit einer optischen Aufbereitungsvorrichtung, die auf dem Helm befestigt ist, einer Detektorvorrichtung zur Erfassung der Lage des Kopfes des Benutzers, die mit dem Bildgenerator verbunden ist, und mit einer auf dem Helm befestigten optischen Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Kollimation ins Unendliche mit einem sphärischen Spiegel und einem sphärischen Schirm aufweist, dessen konkave Seite zum Benutzer zeigt, wobei der Schirm und der Spiegel so angeordnet sind, daß mindestens ein Teil der aus der optischen Aufbereitungsvorrichtung kommenden Lichtstrahlen nacheinander an der konvexen Seite des Schirms und der konkaven Seite des sphärischen Spiegels reflektiert wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Figur 2 zeigt den auf dem Helm montierten optischen Teil der Vorrichtung aus Figur 1 von oben.
Figur 3 zeigt von der Seite den optischen Teil aus Figur 2.
Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Projektors, der in der Vorrichtung aus Figur 1 verwendet werden kann.
Die in Figur 1 gezeigt Anzeigevorrichtung enthält im wesentlichen einen Bildgenerator 1, einen Projektor 2, eine Lichtleitfaser 3, 4 zum Transfer des Bildes bezüglich jedes Auges des Benutzers 5, eine optische Aufbereitungsvorrichtung 6, 7, die am Ende jeder Lichtleitfaser befestigt ist, und eine entsprechende optische Vorrichtung zur Bildformung 8, 9, die im einzelnen weiter unten anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben wird.
Die Elemente 1 und 2 können in einer Entfernung vom Benutzer angeordnet sein, wenn die Lichtleitfasern 3 und 4 die notwendige Länge haben. Die Elemente 6 bis 9 sind in geeigneter Form auf einem nicht dargestellten Helm befestigt, der vom Benutzer 5 getragen wird. Außerdem wurde auf diesem Helm eine Detektorvorrichtung 10 zur Erfassung der Lage des Kopfes des Benutzers befestigt, die an sich bekannt ist. Diese Vorrichtung 10 ist mit dem Bildgenerator 1 verbunden und steuert dort in an sich bekannter Weise die Verschiebungen eines "Fensters" entsprechend der interessierenden Zone, die der Benutzer sehen will.
In den Figuren 2 und 3 sind die optischen Vorrichtungen 8 und 9 im einzelnen gezeigt. Diese Vorrichtungen 8 und 9 sind identisch und enthalten je zwei Kanäle zur Formung benachbarter Bilder, um das horizontale Sichtfeld zu vergrößern, aber selbstverständlich könnte man sich mit einem einzigen Kanal für jede der Vorrichtungen 8 und 9 begnügen, wenn man kein sehr großes horizontales Sichtfeld benötigt. Im vorliegenden Beispiel überdeckt jeder Kanal ein horizontales Sichtfeld von etwa 50º.
Die Vorrichtungen 8 und 9 enthalten einen ebenen Umlenkspiegel 11 bzw. 12, einen sphärischen Schirm 13 bzw. 14 und einen sphärischen Spiegel 15 bzw. 16, der zumindest teilweise halbreflektierend ist. Die konkaven Seiten der Schirme und der sphärischen Spiegel zeigen zum Benutzer hin. Die ebenen Spiegel und die Schirme liegen oberhalb einer horizontalen Ebene, die durch die Zentren der Augen des Beobachters verläuft, während die sphärischen halbtransparenten Spiegel 15 und 16 im wesentlichen in Höhe der Augen des Benutzers 5 liegen. Diese Spiegel 15, 16 sind einige Zentimeter von den Augen des Benutzers entfernt befestigt. Wenn der Benutzer geradeaus blickt, überdeckt sein jeweiliges vertikales Sichtfeld von etwa 40º den oberen Teil der Spiegel 15, 16, wobei der untere Teil dieser Spiegel einem vertikalen Sichtfeld von etwa 40º (Winkel A in Figur 3) entspricht, das der Benutzer durch Senken der Augen überdecken kann. Die Schirme 13, 14 sind so bezüglich der Spiegel 15, 16 angeordnet, daß die Obergrenze 17 seines vertikalen Sichtfelds praktisch die unteren Ränder dieser Schirme und die oberen Ränder der Spiegel 15, 16 tangiert (siehe Figur 3), wenn der Benutzer geradeaus blickt. Die Vorrichtungen 6, 7 sind an sich bekannte Vorrichtungen mit Linsen, die die von den Lichtleitfasern 3, 4 transportierten Bilder auf die Spiegel 11, 12 projizieren können. Wenn, wie in der Figur dargestellt, die Vorrichtungen 8 und 9 zweikanalig sind, liegen die Lichtleitfasern 3 und 4 sowie die Vorrichtungen 6 und 7 und die Spiegel 11 und 12 doppelt vor. Die von den Vorrichtungen 6, 7 auf den Spiegeln 11, 12 geformten Bilder werden von diesen Spiegeln 11, 12 auf die Schirme 13, 14 umgelenkt. Der Benutzer 5 kann so die auf den Schirmen 13, 14 geformten Bilder sehen, indem er die Spiegel 15, 16 betrachtet.
Natürlich sind der Bildgenerator und die Projektoren so ausgebildet, daß sie eine vollkommene Überlagerung der vom rechten und vom linken Auge in der Überdeckungszone der Sichtfelder dieser beiden Augen sichtbaren Bilder gewährleistet. Die Spiegel 15 und 16 sind halbreflektierend und erlauben dem Benutzer, durch sie hindurch die Instrumente der Pilotenkanzel 18 zu betrachten.
Die Vorrichtung 10, die die Bewegungen des Kopfes des Benutzers erfaßt, sendet an den Bildgenerator 1 Informationen, mit denen in an sich bekannter Weise die Relativverschiebungen der den Benutzer interessierenden Zone entsprechend der Bewegungen seines Kopfs gesteuert werden können.
In Figur 4 ist eine dichroitische Mischstufe gezeigt, die mit lichtstarken Röhren verwendbar ist. Diese Mischstufe enthält ein dichroitisches Prisma 19, an dessen drei Seiten lichtstarke Kathodenstrahlröhren 20 bis 22 für Rot, Grün und Blau angelegt sind. An eine vierte Seite des Prismas 19 ist eine optische Vorrichtung 23 zur Kopplung an eine Lichtleitfaser 24 angelegt. Diese Mischvorrichtung wird für jeden der Kanäle bezüglich jedes Auges des Beobachters verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet man einen Projektor vom Lichtröhrentyp oder mit Flüssigkristallen, der an sich bekannt ist.
Wenn der verwendete Projektor ein lichtstarker Röhrenprojektor ist, führt man die Korrektur der geometrischen Verzerrungen der Projektoren und jedes anderen optischen Teils des erfindungsgemäßen Simulators in den Projektoren durch. Es ist relativ leicht, hier alle notwendigen Korrekturen durchzuführen, insbesondere um die vollkommene Überlagerung der Bilder in der sich in horizontaler Richtung über etwa 30 bis 40º erstreckenden Überdeckungszone der Sichtfelder bezüglich des rechten und des linken Auges zu erreichen.
Wenn der verwendete Projektor vom Lichtröhrentyp oder vom Flüssigkristalltyp ist, dann erfolgt die Korrektur der geometrischen Verzerrungen im Bildgenerator, da es bisher unmöglich ist, in den Projektoren Korrekturen durchzuführen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt also ein weites Sichtfeld: Mit zwei Kanälen für jedes Auge gelangt man zu einem Sichtfeld für jedes Auge von etwa 100º in waagrechter Richtung und 40º in senkrechter Richtung, während das gesamte Sichtfeld etwa 160º in waagrechter Richtung und 40º in senkrechter Richtung (mit einer Überdeckung von 40º im Zentrum) beträgt. Der halbreflektierende sphärische Spiegel ist die Vorrichtung, die die von außen kommenden Bilder (beispielsweise vom Instrumentenpult 18) am wenigsten abschwächt.
Einer der Vorteile einer Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß Projektoren mit lichtstarken Röhren verwendet werden können, die die Korrektur der geometrischen Verzerrungen in den Projektoren erlauben, was den Bildgenerator von dieser viel Rechenzeit beanspruchenden Aufgabe entlastet. Die Verwendung von Projektoren mit lichtstarken Röhren ist möglich wegen ihrer hohen Lichtausbeute.

Claims

1. Vorrichtung zur Anzeige von simulierten Bildern für einen Helm, mit einem entfernt angeordneten Bildgenerator (1), einem entfernt angeordneten Projektor (2), einer optischen Verbindung über Lichtleitfasern (3, 4) zwischen dem Projektor und dem Helm, mit einer optischen Aufbereitungsvorrichtung (6, 8), die auf dem Helm befestigt ist, einer Detektorvorrichtung (10) zur Erfassung der Lage des Kopfes des Benutzers, die mit dem Bildgenerator verbunden ist, und mit einer auf dem Helm befestigten optischen Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Kollimation ins Unendliche mit einem sphärischen Spiegel (15, 16) und einem sphärischen Schirm (13, 14) aufweist, dessen konkave Seite zum Benutzer zeigt, wobei der Schirm und der Spiegel so angeordnet sind, daß mindestens ein Teil der aus der optischen Aufbereitungsvorrichtung kommenden Lichtstrahlen nacheinander an der konvexen Seite des Schirms und der konkaven Seite des sphärischen Spiegels reflektiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dar sie für jedes Auge des Benutzers eine Verbindung über Lichtleitfasern (3, 4), eine Aufbereitungsoptik (6, 7), einen Schirm (13, 14) und einen sphärischen Spiegel (15, 16) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärischen Spiegel mindestens teilweise halbreflektierend sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor vom Lichtröhrentyp ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor vom Flüssigkristalltyp ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor vom Typ der lichtstarken Kathodenstrahlröhren ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der geometrischen Verzerrungen im Bildgenerator erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der geometrischen Verzerrungen im Projektor erfolgt.

9. Simulator, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vorrichtung zur Anzeige nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche enthält.