DE69316389T2

DE69316389T2 - Ueberkreuzprojektions-vorrichtung für eine an einem helm montierte visier-anzeige-vorrichtung

Info

Publication number: DE69316389T2
Application number: DE69316389T
Authority: DE
Inventors: Bernard Fritz; Teresa Fritz
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1992-11-10
Filing date: 1993-11-10
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: US5299063A; EP0669011A1; JPH08503559A; IL107545A; IL107545A0; WO1994011773A1; DE69316389D1; EP0669011B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Anzeigen, welche eine spezielle Nützlichkeit im Zusammenhang mit Befestigungen an durch Flugzeugpiloten getragenen Helmen (heimmontierte Anzeigen) besitzen, wobei ein Bild einer gewünschten Anzeige, wie beispielsweise Information auf der Fläche einer Kathodenstrahlröhre in das Gesichtsfeld, das durch den Piloten beobachtet wird, eingeführt werden kann, so daß die gewünschte Anzeige einer Szene überlagert wird, die durch die Visierlinie des Piloten betrachtet wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

An einem Helm montierte Anzeigen sind im Stand der Technik wohlbekannt und verwenden gewöhnlicherweise ein optisches System, welches ein Bild einer gewünschten Anzeige von einer Kathodenstrahlröhre erhält und hiervon ein kollimiertes Bild projiziert unter Verwendung einer teilweise reflektierenden Oberfläche, so daß das Bild im Unendlichen betrachtet wird und mit der Szene kombiniert wird die der Pilot durch die Windschutzscheibe des Flugzeuges sieht. In einem Patent 4 859 030 von Donald J. Rotier, das am 22. August 1989 ausgegeben wurde und für den Anmelder der vorliegenden Erfindung eingetragen ist, ist eine an einem Helm montierte Anzeige gezeigt, wobei ein Kombinierer an dem Helm vor einem der Augen des Piloten angeordnet ist und eine gekrümmte Oberfläche und ein Filter umfaßt, die Licht von einem Bild empfangen, das der Szene zu überlagern ist, die durch die Bedienungsperson durch die Windschutzscheibe betrachtet wird. Die Vorrichtung von Rotier, obgleich im allgemeinen ganz befriedigend, besitzt verschiedene Nachteile bezüglich des Aufbaus des Kombinierers, der mit dem Helm relativ nahe an dem Auge des Piloten befestigt ist. Diese Nähe zu dem Auge kann Sicherheitsgefahrdungen für den Piloten ergeben in dem Fall, wo der Helm auf seinem Kopf nach vorne geschlagen wird. Ferner sind die optischen Elemente, die in dem Weg von der Kathodenstrahlröhre zu dem Kombinierer verwendet werden, ziemlich kompliziert und einige Elemente sind nicht zentrisch, wodurch sie sehr schwierig herzustellen sind. Ferner sehen wegen des monokularen Aufbaus beide Augen nicht die gleiche Szene und im Falle eines Ausfalls einer Kathodenstrahlröhre geht die gesamte Anzeige verloren. In der Einrichtung von Rotier ist ebenfalls die den Kombinierer lagernde Vorrichtung nahe an dem Auge und gibt eine Abdeckung in einigen Betrachtungsrichtungen vor.
Eine andere bekannte an einem Helm montierte Anzeige ist in den Figuren 1 und 2 der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnete Kathodenstrahlröhre an dem oberen Teil des Helmes 12 eines Piloten gelagert. Eine ziemlich komplexe Anordnung von optischen Elementen, die besser in Fig. 2 ersichtlich ist, arbeitet als ein Relais für die Bildausrichtung von der Quelle 10 zu einem Paar von reflektierenden Oberflächen 14 und 16 und sodann seitlich zu einem zweiten Paar von reflektierenden Oberflächen 18 und 20, wo die Bilder nach unten zu einem Paar von teilweise reflektierenden Oberflächen 22 und 24 reflektiert werden. Das reflektierte Licht von den Oberflächen 22 und 24 wird danach zu den Pupillen 26 und 28 der Augen des Piloten gerichtet und er betrachtet das gewünschte seiner Sicht der Szene überlagertes Bild durch die Oberflächen 22 und 24. Während diese Vorrichtung doppelte Bilder der projizierten Anzeige vorgibt, löst sie nicht das Problems eines Ausfalls einer Kathodenstrahlröhre da nur eine benutzt wird und da ferner die Optik hoch an dem Helm gelagert werden muß, stellt sie eine sekundäre Gefährdung des Piloten im Falle des Ausschleuderns dar. Das Gewicht des optischen Relaissystems an der Oberseite des Helmes erzeugt ein hohes Schwerkraftzentrum für den Helm an dem Kopf des Piloten, welches während des Ausschleuderns Kräfte gegen den Nacken des Piloten hervorrufen kann, die sogar zu einem Bruch desselben führen können. Ein weiteres Hauptproblem, das bei der bekannten Vorrichtung der Figuren 1 und 2 angetroffen wird, ist die Verbindungslinie zwischen den zwei teilweise reflektierenden Oberflächen 22 und 24, die in Fig. 2 als ein Wendepunkt 30 bezeichnet ist. Der Wendepunkt 30 liefert eine extrem unerwünschte Störung, wenn der Pilot durch den Bereich des Wendepunktes zu schauen versucht. Eine weitere an einem Helm montierte Anzeige mit optischen Elementen, die mit dem Visier befestigt sind, ist in der WO 92/16867 offenbart.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine an einem Helm montierte Anzeige so wie in Anspruch 1 beansprucht.
Die vorliegende Erfindung vermeidet alle Probleme des Standes der Technik durch Vorgabe eines Doppel-Projektionssystems unter Verwendung von zwei Kathodenstrahlröhren und Anordnung der Kathodenstrahlröhren auf der Seite des Helmes um die Anhebung des Schwerkraftzentrums desselben zu verhindern. Die Relaisoptik ist beträchtlich gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht und bei der Anordnung der vorliegenden Erfindung wird, wenn das Visier des Helmes selbst als die teilweise reflektierende Oberfläche verwendet wird, um das Bild der Anzeige auf die Augen des Piloten zu übertragen, ein weiteres nicht abgedecktes Gesichtsfeld dargeboten als dies mit der Vorrichtung von Rotier möglich war. Wenn das Visier relativ weit entfernt von den Augen des Piloten angeordnet wird, wird ebenfalls die Gefahr in dem Fall wesentlich eliminiert, wo der Helm nach vorne geschlagen wird.
Um das Visier des Helmes zu benutzen, haben wir ein optisches Relaissystem verwendet, das so angeordnet ist, daß die Projektion von einer Kathodenstrahlröhre die Projektion von der anderen Kathodenstrahlröhre zu den gegenüberliegenden Seiten des Visiers vor den Augen des Piloten kreuzt und jede Hälfte des Visiers sodann das Bild zu einem der Augen des Piloten überträgt wodurch doppelte Bilder vorgegeben werden. Da die Form des Visiers in der Mitte nicht zurückgebogen ist, wird der größte Teil der Störung, die durch den Wendepunkt 30 in den Figuren 1 und 2 erzeugt wird, ebenfalls eliminiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen einen Helm tragenden Piloten und ein Anzeigesystem des Standes der Technik;
Fig. 2 zeigt den optischen Strahlenverlauf des Systems von Fig.- 1 im Stand der Technik;
Fig. 3 zeigt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles

Gemäß Fig. 3 sind erste und zweite Bildquellen 42 und 44, welche Kathodenstrahlröhren sein können, auf den Seiten eines Helmes angeordnet, der durch Schraffierungen 45 gezeigt ist. Die Kathodenstrahlröhren 42 und 44 besitzen Bildoberflächen 46 und 48, aufweichen eine gewünschte Anzeige, wie beispielsweise Instrumentenablesungen dargestellt werden. Die Bildquellen oder Kathodenstrahlröhren 42 und 44 sollten an den Seiten des Helmes ungefähr auf dem Pegel der Augen des Piloten gelagert sein, um das Schwerkraftzentrum der Anordnung für die Sicherheit niedrig zu halten.
Licht von dem Bild auf der Oberfläche 46 ist so dargestellt, daß es nur von drei Punkten A, B und C der Einfachheit halber ausgeht. Licht von diesen drei Punkten wandert über Wegstrecken, wie beispielsweise 52, 54 und 56 zu einer reflektierenden Oberfläche 58, wo es an den Punkten D, E und F entlang der Wegstrecken, wie beispielsweise 62, 64 und 66 zu einem optischen Relais 70 reflektiert wird, das Linsen 72, 74 und 76 enthält. Das Relais 70 sammelt dieses Licht und richtet es entlang von Wegstrecken aus die beispielsweise durch die Bezugsziffern 82, 84 und 86 dargestellt sind zu Punkten G, H und I eines teilweise reflektierenden Teiles 88 eines Helmvisiers 90.
Es ist erkennbar, daß die Strahlen 82, 84 und 86 von der linken Seite des Helmes 45 quer vor dem Gesicht des Piloten zu der teilweise reflektierenden Oberfläche 88 auf der rechten Seite des Visiers 90 wandern. Der Visierteil 88 kann elliptisch in der Form sein und reflektiert und fokussiert das Licht von den Punkten G, H und I entlang von Wegstrecken, wie beispielsweise 92, 94 und 96 auf das rechte Auge 98 des Piloten im Punkt J.
Es sei vermerkt, daß die Oberfläche 88 des Visiers um einen beträchtlichen Abstand von den Augen des Piloten entfernt angeordnet ist, um eine Verletzung zu vermeiden, wenn sich der Helm auf dem Kopf des Piloten nach vorne bewegen sollte.
Das Bild auf der Oberfläche 48 der Quelle oder der Kathodenstrahlröhre 44 auf der rechten Seite des Helmes 45 ist der Einfachheit halber als drei Punkte gezeigt, die mit den Buchstaben M, N und O bezeichnet sind. Licht von diesen Punkten wandert über Wegstrecken, die durch Referenznummern 112, 114 und 116 bezeichnet sind zu einer zweiten reflektierenden Oberfläche 118, wo es von Punkten reflektiert wird, die durch Buchstaben P, Q und R bezeichnet sind und wandert entlang der Linien 122, 124 und 126 zu einem zweiten optischen Relaissystem 130, das Linsen 132, 134 und 136 enthält. Das Relais 130 sammelt dieses Licht und richtet es entlang von Linien, die durch Referenznummem 142, 144 und 146 gezeigt sind, zu Punkten S, T und U auf einem zweiten teilweise transparenten Teil 148 des Visiers 90. Erneut ist erkennbar, das das Licht von der rechten Seite des Helmes vor dem Gesicht des Piloten zu dem linken Teil 148 kreuzt. Der Visierteil 148 ist gespritzt oder anderweitig mit dem Visierteil 88 in einem Bereich verbunden, der durch die Bezugsziffer 150 bezeichnet ist. Es sei vermerkt, daß der Bereich 150 relativ glatt im Vergleich zudem Wendepunkt 30 in Fig. 2 ist und er kann zwischen den Punkten S und G gerundet werden, um eine sehr geringe Störung vozugeben, wenn der Pilot hindurchschaut.
Der Visierteil 148 kann, wie der Teil 88, elliptisch in der Form sein und reflektiert und fokussiert das Licht von den Punkten S5, T und U entlang von Wegstrecken, wie beispielsweise 152, 154 und 156 auf das linke Auge 160 des Piloten in dem Punkt V.
Um den Kollimationseffekt des Relais und der Visieroptik 70, 130, 88 und 148 zu zeigen, sei ein Beispiel gegeben von dem Punkt N auf der Bildquelle 44. Zusätzlich zu dem Strahl 114 sind Strahlen 172 und 174, ausgehend von dem Punkt N zu der reflektierenden Oberfläche 118 gezeigt, wo sie allgemein in der Nähe der Punkte P und R entsprechend auftreffen. Die Strahlen 172 und 174 werden von der Oberfläche 118 entlang von Linien reflektiert, die als gestrichelte Linien 176 und 178 zu der Relaisoptik 130 gezeigt sind und sie treten hiervon entlang gestrichelter Linien 182 und 184 entsprechend aus. Die Strahlen 182 und 184 treffen auf die elliptische Oberfläche 148 in Punkten T' und T" entsprechend auf und werden nach unten über Wegstrecken reflektiert, die als gestrichelte Linien 192 und 194 entsprechend gezeigt sind. Es sei vermerkt, daß die Strahlen 192 und 194 im wesentlichen parallel zu dem zentralen Strahl 154 sind, der von dem Punkt N ausgeht d.h. sie sind kollimiert. Die kollimierten Strahlen 192, 194 und 154 treten in das linke Auge 160 des Piloten ein.
Es ist somit erkennbar, daß wir eine an einem Helm montierte Anzeige vorgegeben haben, welche ein niedriges Schwerkrafizentrum für das optische System zur Verbesserung der Sicherheit vorgibt, ein relativ breites Gesichtsfeld vorgibt, im wesentlichen die Störung eines Wendepunktes zwischen den teilweise reflektierenden Oberflächen eliminiert und doppelte Bildquellen vorgibt, so daß beide Augen das gleiche Bild sehen und in dem Fall des Ausfalles einer der Quellen das andere Auge in der Lage ist, den Piloten mit der geforderten Information zu versehen.
Viele Änderungen ergeben sich für den Fachmann, ohne daß von dem Geist und dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Während ich beispielsweise elliptische Oberflächen 88 und 148 als Teil des Visiers gezeigt habe, ist es möglich, in bestimmten Umständen diese mehr kugelförmig zu machen. In gleicher Weise kann das aus drei Elementen bestehende optische Relaissystem 70 und 130, obgleich es beträchtlich einfacher als der Stand der Technik ist, andere Elemente umfassen, wenn es erwünscht ist zusätzliche Aberrationen zu eliminieren, die vorliegen können.
Ich wünsche daher nicht auf die spezifische Offenbarung beschränkt zu werden, die im Zusammenhang mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles verwendet wurde, sondern beabsichtige, lediglich durch die folgenden Ansprüche beschränkt zu werden.

Claims

1. An einem Helm montierte Anzeige, wobei der Helm erste und zweite Seiten und ein Visier (90) allgemein quer zur Vorderseite aufweist, um den Augen (98,160) eines Helmträgers die Beobachtung einer Szene hierdurch zu gestatten, aufweisend: eine erste Bildquelle (42), die auf der ersten Seite des Helmes ungefähr auf der Höhe der Augen des Trägers angeordnet ist; und

eine Einrichtung (58,70), um das Bild der ersten Bildquelle (42) zu einer ersten teilweise reflektierenden Oberfläche auf der zweiten Seite des Helmes zu richten, gekennzeichnet dadurch,

daß die Richteinrichtung ein optisches Relaissystem (70) ist das aus mehreren Linsen gebildet wird und angeordnet ist, um das Bild von der ersten Bildquelle zu empfangen und kollimierte Strahlen zu dem Visier (90) zu richten, wobei das Visier (90) teilweise reflektierend ist, so daß das kollimierte Bild der Szene überlagert wird und beide durch das Auge so beobachtet werden, als würden sie von unendlich ohne Verformung kommen.

2. An einem Helm montierte Anzeige nach Anspruch 1, da durchgekennzeichnet, daß der erste Teil des Visiers im wesentlichen elliptisch ist, um Licht von dem ersten Relais an dem ersten Auge des Trägers zu sammeln, welches Auge der zweiten Seite des Helmes am nächsten ist.

3. An einem Helm montierte Anzeige nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine zweite Bildquelle, die auf der zweiten Seite des Helmes angeordnet ist und durch ein zweites optisches Relais zum Richten des Bildes von der zweiten Quelle quer zum Helm zu einem zweiten Teil des Visiers auf der ersten Seite des Helmes, wobei der zweite Teil das Bild zu einem zweiten Auge des Trägers reflektiert.

4. An einem Helm montierte Anzeige nach Anspruch 3, wobei der zweite Teil des Visiers im wesentlichen elliptisch ist, um Licht von dem zweiten Relais an dem zweiten Auge des Trägers zu sammeln, welches Auge der ersten Seite des Helmes am nächsten ist.