DE69117626T2

DE69117626T2 - Optisches System zur Einspiegelung eines kollimierten Bildes ins Gesichtsfeld eines Beobachters für Nachtsichtanwendung und Helm mit mindestens einem derartigen System

Info

Publication number: DE69117626T2
Application number: DE69117626T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Kraus; Laurent Monnier; Jean-Noel Perbet
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-07-04
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2011-07-05
Also published as: CA2047845A1; FR2665267A1; JPH0690419A; FR2665267B1; JP3154518B2; DE69117626D1; ATE135117T1; EP0475790A1; US5157548A; EP0475790B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, die bei Tag und bei Nacht verwendet werden kann und die es ermöglicht, dem Sichtfeld eines Beobachters ein kollimatiertes Bild zu überlagern.
Bekanntlich kann man mit einem optischen Kombinierer ein kollimatiertes Bild auf dem Sichtfeld eines Beobachters überlagern, das zum Beispiel einem Piloten Informationen in Bezug auf die Flugparameter seines Flugzeugs liefert. Die zu diesem Zweck verwendete Kombinationsoptik wird vor dem Auge des Beobachters angeordnet und ermöglicht es diesem Beobachter, die umgebende Landschaft im allgemeinen durch einen transparenten Optikblock hindurch und das kollimatierte Bild aufgrund einer Optikstrecke zu sehen, die Reflexionen im Inneren des Optikblocks enthält. Wenn eine in dieser Art hergestellte optische Vorrichtung auf einem Helm angeordnet wird, bildet sie ein sogenanntes Helm-Display. Es ist ebenfalls bekannt, mit einem Helm-Display eine Beobachtung bei Nacht durchzuführen, wobei dieses Display eine Optik zur nächtlichen Beobachtung gefolgt von einem Lichtverstärker enthält: Das vom Lichtverstärker gegebene Bild wird mit dem kollimatierten Bild mittels einer Hilfs-Kombinationsoptik von der Art haibreflektierender Spiegel kombiniert, bevor es zu einer Haupt-Kombinationsoptik gelangt, die vor dem Auge des Piloten angeordnet ist und es ihm erlaubt, die Außenumgebung per Transparenz, aber auch das kollimatierte Bild und das Bild des Verstärkers zu sehen; eine solche Vorrichtung ist zum Beispiel in der Patentanmeldung EP-A-0 206 324 beschrieben.
Die Hilfs-Kombinationsoptik begünstigt stark die vom Verstärker kommende optische Strecke zum Nachteil der dem kollimatierten Bild eigenen optischen Strecke. Um zu vermeiden, daß bei Tageslicht das kollimatierte Bild aufgrund der Abschwächung durch die Hilfs-Kombinationsoptik und aufgrund der Helligkeit der Sicht auf die Außenumgebung schlecht sichtbar ist, werden die Mittel, die die nächtliche Sicht erlauben, nur dann auf den Helm montiert, wenn sie benutzt werden; dies erfordert eine Montage und eine Demontage, die den Übergang von der Sicht bei Tag zur Sicht bei Nacht und umgekehrt sehr unbequem machen.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Dies wird ausgehend von einer Hilfs-Kombinationsoptik erreicht, die derart gestaltet ist, daß bei Tageslicht zumindest der größte Teil des Lichts, das das kollimatierte Bild zeigen soll, die Haupt-Kombinationsoptik erreicht, während die Hilfs-Kombinationsoptik bei Tageslicht weggeschwenkt ist.
Erfindungsgemäß wird eine optische Vorrichtung für die Sicht bei Tag und bei Nacht vorgeschlagen, die eine erste, eine zweite und eine dritte optische Strecke aufweist, die alle drei am Auge eines Beobachters enden sollen, wobei die erste Strecke in Reihe eine Optik zur nächtlichen Beobachtung, einen Lichtverstärker, eine Hilfs-Kombinationsoptik, eine Kollimationsoptik zur Lieferung eines kollimatierten Bilds und eine Haupt-Kombinationsoptik enthält, während die zweite Strecke in Reihe einen Bildgenerator, die Hilfs-Kombinationsoptik, die Kollimationsoptik und die Haupt-Kombinationsoptik und die dritte Strecke die Haupt- Kombinationsoptik aufweist, wobei die Vorrichtung es einem Beobachter erlauben soll, direkt zu sehen, was sich in seinem Sichtfeld befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs-Kombinationsoptik aus einem halbreflektierenden Schwenkspiegel besteht, der bearbeitet ist, um einen Reflexionskoeffizienten aufzuweisen, der wesentlich höher ist als sein Durchlaßkoeffizient, wobei dieser Schwenkspiegel, wenn er nicht weggeschwenkt ist, für die erste Strecke mit Reflexion und für die zweite Strecke in Durchlaßrichtung arbeitet.
Es ist anzumerken, daß es aus einem Aufsatz von T.H. JAMIESON, erschienen in der Zeitschrift OPTICAL ENGINEERING Vol. 23, No 3 von Mai/Juni 1984 mit dem Titel "Channel interaction in an optical fire control sight" bekannt ist, eine Vorrichtung zur Beobachtung bei Tageslicht in eine Vorrichtung zur Beobachtung bei Nacht zu verwandeln. Zu diesem Zweck wird die Tagstrecke an einer Stelle unterbrochen, die mittels einer schwenkbaren Einheit umgangen werden kann, die vier voll reflektierende Spiegel aufweist und einen Lichtverstärker enthält. Eine solche Vorrichtung zeigt, daß die Verwendung von Schwenkspiegeln bekannt ist, um zwischen verschiedenen optischen Strecken zu wählen, sie regt jedoch nicht dazu an, eine wie im vorhergehenden Absatz beschriebene Vorrichtung herzustellen, d.h. insbesondere eine Vorrichtung, bei der es mittels eines schwenkbaren halbreflektierenden Spiegels möglich ist, zwischen einer ersten plus einer zweiten Strecke und nur der zweiten Strecke zu wählen, wobei diese beiden Strecken je einen Lichtverstärker und einen Bildgenerator aufweisen.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Merkmale mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Die Figuren 1 und 2 zeigen je ein Schema einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung.
Figur 3 zeigt ein Schema einer anderen optischen Vorrichtung.
Die Figuren 4 bis 8 zeigen repräsentative Kurven für Merkmale von Elementen der optischen Vorrichtung gemäß Figur
Gleiche Elemente in mehreren Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die nachfolgenden technischen Erläuterungen sollen, wenn nötig, zum besseren Verständnis der Erfindung dienen.
Optische Vorrichtungen, wie zum Beispiel Helm-Displays, arbeiten folgendermaßen: Die zum Benutzer zu übertragenden Informationen werden von einem Lichtbildgenerator zum Beispiel auf einem Kathodenstrahlröhre-Bildschirm oder einem Matrixbildschirm erzeugt; das so erzeugte Bild wird von einer optischen Einheit eingemischt, die es dem Benutzer erlaubt, die Außenlandschaft und in Überlagerung das Bild zu sehen, das vorher ins Unendliche kollimatiert wurde, damit es klar ist, wenn der Benutzer seine Augen auf Fernsicht akkomodiert hat.
Nachtsicht-Systeme enthalten in Reihe eine erste optische Einheit, die ein sehr lichtschwaches Bild der Außenumgebung bildet, eine Bildverstärkerröhre, die das von der ersten optischen Einheit geformte Bild empfängt und seine Helligkeit verstärkt, und eine zweite optische Einheit, die das helligkeitsverstärkte Bild empfängt und es ins Unendliche kollimatiert, um die Beobachtung des Bilds von physiologischen Standpunkt her angenehm zu machen, d.h. in Bezug auf die Konvergenz und die Anpassung der Augen.
Das Bild, das der Bildgenerator der Kollimationsoptik in einem Helm-Display liefert, hat in etwa die gleiche Größe wie die Bilder, die bei einem Nachtsichtfernglas jeder der beiden Lichtverstärker der Ausgangs-Optikeinheit liefert, an die er gekoppelt ist. Diese Ähnlichkeit der Größe erleichtert die Herstellung der Vorrichtungen gemäß den Figuren 1 bis 3, bei denen die Kombination der Bilder des Bildgenerators und des Nachtsicht-Systems bereits bei der Herstellung dieser Bilder mit Hilfe einer Kombinationsoptik erfolgt.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Stellung für die Beobachtung bei Tag bzw. bei Nacht. Diese Vorrichtung enthält einen Bildgenerator 1, dessen Bilder von einer Kollimationsoptik 2 ins Unendliche kollimatiert werden, um zum Auge V eines Beobachters durch eine Kombinationsoptik 3 übertragen zu werden, durch die der Beobachter außerdem direkt die Außenumgebung P sehen kann, zumindest wenn die Beleuchtungsbedingungen es erlauben.
Wenn die Beleuchtungsbedingungen es nicht mehr erlauben, die Außenumgebung direkt durch die Kombinationsoptik 3 zu sehen, wird ein halbreflektierender Schwenkspiegel 7 unter einem Winkel von 45º in die optische Strecke zwischen den Bildgenerator 1 und die Kollimationsoptik 2 eingeschwenkt. Wenn dieser Spiegel in der Nachtstellung angeordnet ist, wie in Figur 2 gezeigt, spielt er die Rolle einer Kombinationsoptik: Er läßt die Lichtstrahlen, die vom Bildgenerator 1 kommen, zur Kollimationsoptik 2 durch und reflektiert zur Kollimationsoptik 2 die Lichtstrahlen, die von einer für die Nachtsicht bestimmten Einheit kommen. Die für die Nachtsicht bestimmte Einheit enthält eine Beobachtungsoptik 4, 5 gefolgt von einem Lichtverstärker 6; die Beobachtungsoptik besteht aus einem Objektiv 4 und einem Reflexionsspiegel 5, die von der Außenumgebung ein Bild auf den Lichtverstärker 6 werfen, und dieser letztere verstärkt die Leuchtkraft dieses Bilds. Die diesem verstärkten Bild entsprechenden Lichtstrahlen gelangen zum halbreflektierenden Schwenkspiegel 7.
Bei der Benutzung tagsüber, d.h. gemäß Figur 1, wird das Maximum an Lichtfluß vom Bildgenerator in Richtung der Kollimationsoptik 2 geschickt, was die Kollimatierung und die Mischung des vom Generator 1 kommenden Bilds mit der Landschaft P ermöglicht, die der Beobachter direkt durch die Kombinationsoptik 3 sieht.
Im beschriebenen Beispiel besitzt der halbreflektierende Schwenkspiegel 7 einen Reflexionskoeffizient von 95% und eine Übertragungskoeffizient von 5%. Dies ermöglicht bei nächtlicher Benutzung, d.h. gemäß Figur 2, die bevorzugte Übertragung des vom Lichtverstärker gelieferten Bilds; dies ist sehr interessant, da die Helligkeit dieses Lichts gering ist und allgemein nur einige Candelas pro Quadratmeter beträgt, während die Helligkeit des vom Bildgenerator gelieferten Bilds auf den gewünschten Pegel eingestellt werden kann, damit die in ihm enthaltenen Informationen unter guten Bedingungen sichtbar sind.
Die in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellte Mechanik, die für die Verwendung dieses schwenkbaren Mischers notwendig ist, erhöht natürlich den Raumbedarf und das Gewicht der Vorrichtung, ist aber aufgrund ihrer technischen Einfachheit vertretbar: sie ähnelt den Klappspiegeln, die bei Spiegelreflexkameras verwendet werden.
Beim beschriebenen Beispiel wird diese Mechanik manuell betätigt: Der Beobachter setzt selbst den halbreflektierenden Spiegel ein, wenn er die Vorrichtung bei Nachtlicht verwenden will, während die Rückkehr zum Tageslicht halbautomatisch aufgrund einer beim Einsetzen des Spiegels gespannten Feder erfolgt.
Ein Motorantrieb des Spiegels 7 ist ebenfalls möglich, um beim Einschalten des Bildverstärkers oder durch Einwirkung des Beobachters das Schwenken des Spiegels zu erhalten.
Figur 3 zeigt eine andere Vorrichtung, die aus dem Rahmen der Erfindung fällt und die sich von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Figuren 1 und 2 dadurch unterscheidet, daß die Aufgabe einer Kombinationsoptik, die vom Spiegel 7 erfüllt wurde, jetzt von einem Mischkubus 7' gelöst wird. Die Vorrichtung gemäß Figur 3 enthält die gleichen Elemente 1 bis 6 wie die Vorrichtung der Figuren 1 und 2, aber im Gegensatz zum Spiegel 7 arbeitet der Mischkubus 7' im Durchlaßmodus für das vom Lichtverstärker 6 kommende Licht und im Reflexionsmodus für das vom Bildgenerator 1 kommende Licht, so daß die Kollimationsoptik 2 sich von der der Figuren 1 und 2 durch ihre Lage in der Vorrichtung und durch die Lage ihres Eingangs in Bezug auf den Ausgang unterscheidet.
Im beschriebenen Beispiel ist der Mischkubus 7' ein dichroitischer Kubus, d.h. daß er aus zwei zusammengefügten Prismen besteht, deren einander gegenüberliegende Flächen behandelt sind, um eine Fläche 70 zu ergeben, die in der Umgebung einer gegebenen Wellenlänge des Lichts reflektiert, hier gleich 545 Nanometer; eine holographische Bearbeitung der einander gegenüberliegenden Flächen der Prismen ergäbe das gleiche Ergebnis. Figur 4 zeigt, wie der Reflexionskoeffizient R der Fläche 70 in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts variiert; der Wert des Übertragungskoeffizienten T der Fläche 70 läßt sich leicht aus der Kurve gemäß Figur 4 ableiten, wobei gilt R + T = 1.
Die im Lichtverstärker 6 verwendeten Leuchtstoffe sind wie bei den meisten derzeitigen Lichtverstärkern Leuchtstoffe P20, deren Helligkeitskurve abhängig von der Wellenlänge in Nanometern in Figur 5 dargestellt ist; diese Kurve stellt die Helligkeit Li mit Werten zwischen 0 und 1 dar, wobei der Wert 1 bei der Wellenlänge 560 Nanometer erreicht wird, die dem Maximum an vom Leuchtstoff P20 übertragenen Energie entspricht; die Breite des Spektralbands des Leuchtstoffs P20 beträgt 150 Nanometer für den Wert 0,2 der Helligkeit.
Unter Berücksichtigung der Kurven gemäß den Figuren 4 und 5 stellt sich die Kurve der Helligkeit Li' entsprechend dem vom Lichtverstärker kommenden und an der Kollimationsoptik 2 nach Durchquerung der Fläche 70 des Kubus 7' ankommenden Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge wie in Figur 6 gezeigt dar; da das Spektralband des Leuchtstoffs P20 relativ breit ist, ist der Energieverlust, der sich bei Durchquerung der Fläche 70 bei 545 Nanometern ergibt, gering und ohne erwähnenswerte Wirkung auf die Qualität des Bildes, das der Lichtverstärker 6 liefert.
Der Bildgenerator 1 der Vorrichtung gemäß Figur 3 verwendet Leuchtstoffe P43, die Leuchtstoffe mit einem auf 545 Nanometer zentrierten engen Band sind; die Helligkeit Lg dieser Leuchtstoffe in Abhängigkeit von der Wellenlänge ist in Figur 7 dargestellt.
Unter Berücksichtigung der Kurven gemäß den Figuren 4 und 6 stellt sich die Kurve der Helligkeit Lg' entsprechend dem vom Bildgenerator kommenden und an der Kollimationsoptik 2 nach Durchquerung der Fläche 70 des Kubus 7' ankommenden Lichtin Abhängigkeit von der Wellenlänge wie in Figur 8 gezeigt dar, d.h. daß fast die Gesamtheit der vom Bildgenerator 1 kommenden Lichtenergie zur Kollimationsoptik 2 reflektiert wird.
Es ist anzumerken, daß die Vorrichtung gemäß Figur 3 mit breitbandigen Lichtquellen auf der Strecke des Lichtverstärkers und mit schmalbandigen Lichtquellen auf der Strecke des Bildgenerators arbeitet; es ist aber auch möglich, sie mit schmalbandigen Lichtquellen auf der Strecke des Lichtverstärkers und mit breitbandigen Lichtquellen auf der Strecke des Bildgenerators oder mit schmalbandigen Lichtquellen unterschiedlicher Frequenzen auf beiden Strecken arbeiten zu lassen; es genügt dann, die Bearbeitung der Fläche 70 des Kubus 7 in Abhängigkeit von den zu reflektierenden und durchzulassenden Frequenzbändern zu wählen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Helm-Displays, die von Flugzeug- und Hubschrauberpiloten verwendet werden und die eine im Anspruch 1 definierte erfindungsgemäße Vorrichtung enthalten.

Claims

1. Optische Vorrichtung für die Sicht bei Tag und bei Nacht, die eine erste, eine zweite und eine dritte optische Strecke aufweist, die alle drei am Auge eines Beobachters (V) enden sollen, wobei die erste Strecke in Reihe eine Optik (4, 5) zur nächtlichen Beobachtung, einen Lichtverstärker (6), eine Hilfs-Kombinationsoptik (7), eine Kollimationsoptik (2) zur Lieferung eines kollimatierten Bilds und eine Haupt-Kombinationsoptik (3) enthält, während die zweite Strecke in Reihe einen Bildgenerator (1), die Hilfs-Kombinationsoptik (7), die Kollimationsoptik (2) und die Haupt-Kombinations-Optik (3) und die dritte Strecke die Haupt-Kombinationsoptik (3) aufweist, wobei die Vorrichtung es einem Beobachter erlauben soll, direkt zu sehen, was sich in seinem Sichtfeld (P) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs-Kombinationsoptik aus einem halbreflektierenden Schwenkspiegel (7) besteht, der bearbeitet ist, um einen Reflexionskoeffizienten aufzuweisen, der wesentlich höher ist als sein Durchlaßkoeffizient, wobei dieser Schwenkspiegel, wenn er nicht weggeschwenkt ist, für die erste Strecke mit Reflexion und für die zweite Strecke in Durchlaßrichtung arbeitet.

2. Pilotenhelm, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 aufweist.