DE2425914A1

DE2425914A1 - Beobachtungseinrichtung

Info

Publication number: DE2425914A1
Application number: DE19742425914
Authority: DE
Inventors: Stafford Malcolm Ellis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-05-31
Filing date: 1974-05-30
Publication date: 1974-12-19
Also published as: JPS5533044B2; IL50884A0; IL50884A; IL44936A; SE7602391L; US3936148A; AU6958074A; CA1029223A; FR2231979A1; NL7407439A; JPS50124661A; SE7407046L; IL44936A0; SE389745B

Description

Stafford Malcolm Ellis, Ribblesdale_? Ashford Road, Bearsted, Maidstone (England)

Beobachtungseinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine visuelle Beobachtungseinrichtung, die es einer in einem Fahrzeug, etwa einem Flugzeug oder Panzer oder dergleichen eingeschlossenen Person, die üblicherweise im folgenden als Betrachter bezeichnet wird, ermöglicht, eine außerhalb liegende Szene zu beobachten und gleichzeitig in Überlagerung zu dieser Szene Informationen wahrzunehmen, die zwecks Beobachtung und Verwendung dargeboten werden. Derartige Informationen können den Betrachter beispielsweise mit Instruktionen oder einer Führung bezüglich eines gewünschten Aktionsverlaufs oder Ziels, das erreicht werden soll, beliefern.

In einem Flugzeug beispielsweise wünscht der Pilot in seinem normalen Sehfeld die immer wechselnde Szene vorn vor dem Flugzeug und zur gleichen Zeit Informationen betreffend die derzeitige oder zukünftige Bedienung des Flugzeugs zu haben. Dies ist mit einem sogenannten "Head-up Display System" (üblicherweise als HUD-System abgekürzt) möglich. In bisher bekannten HUD-Systemen werden die Daten durch leuchtende Signale (Zeichen, Linien usw.) auf einem relativ dunklen

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Schirm (beispielsweise einer Kathodenstrahlröhre) erzeugt, während ein optisches System verwendet wird, die Leuchtzeichen zu kollimieren und sie durch eine Austrittsblende oder Austrittsöffnung auf einen transparenten planen Schirm zu projizieren, durch den der Pilot die Szene vorne vor dem Flugzeug beobachtet, wenn er in normaler Stellung in dem Flugzeug sitzt.

Auf diese Weise sieht der Pilot vor sich zusätzlich zu der äußeren Szene Reflex-ionen der Leuchtzeichen, wobei diese Reflexionen in der Weise erzeugt werden, daß sie so erscheinen, als befänden sie sich im Unendlichen vor ihm. Der transparente Schirm, der im folgenden als Kombinatorschirm bezeichnet wird, ist gegenüber der normalen Sichtlinie des Piloten geneigt, wenn dieser normal sitzt und die Szene vorn vor dem Flugzeug betrachtet, so daß der dunkle Schirm (d.h. die Leuchtzeichenquelle), auf dem die Leuchtzeichen erzeugt werden, und das optische Kollimatorsyste» (dies wird im folgenden insgesamt als kollimierte Zeichenquelle bezeichnet) .in irgend einer geeigneten Lage angeordnet werden kann, wo sie den normalen und direkten Blick des Piloten auf die Szene vorn vor dem Flugzeug nicht behindern.

Bisher war die geeignetste Stellung für die kollimierte Zeichenquelle unterhalb der normalen Sichtlinie des Piloten, so daß das Gerät,das diese Quelle bildet, (die beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre als Leuchtzeichenquelle umfasst), notwendigerweise wertvollen Platz an der Instrumententafel weggenommen hat, so daß der Raum reduziert wurde, der für andere notwendige Instrumente verfügbar war.

In solchen bekannten Systemen hat die kollimierte Zeichen-

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quelle ihre Ausgangsblende oder -öffnung notwendigerweise in einiger Entfernung von dem Betrachter (aufgrund anderer Zwangsbedingungen, beispielsweise aufgrund der Notwendigkeit eines ungestörten Schleudersitzweges), so daß für eine gegebene Größe der Austrittsöffnung der Bereich dieses Schirms, der gleichzeitig (d.h. augenblicklich) durch den Piloten gesehen werden kann, abhängig von der Länge des Lichtweges zwischen der Austrittsöffnung und den Augen des Piloten ist. Je größer die Länge des Lichtweges ist, desto kleiner ist der momentane Bereich oder das Blickfeld des Piloten für das, was hinter der Austrittsöffnung liegt. Daher muß der Pilot seine Augen herumbewegen, um alle Leuchtsignale auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre zu sehen.

Bei den großen Lichtweglängen, die derzeit in modernen Flugzeugen verwendet werden, ist'die Größe der Aüstrittsöffnung sehr.groß ausgebildet worden, um dem Piloten ein großes Augenblickliches Blickfeld für die Informationen auf dem Schirm zu geben, um gleichzeitig die Größe der Augenbewegung zu reduzieren, die für eine volle Betrachtung des Schirms notwendig ist. Jedoch wurden die Beobachtungseinrichtungen damit auch sehr schwer und haben einen großen Platzbedarf.

Jedoch ist trotzdem sogar mit den derzeit erhältlichen Austrittsöffnungsdurchmessern für eine maximale Sicht das augenblickliche Sichtfeld des Piloten bezüglich des Schirms der Kathodenstrahlröhre noch unerwünscht beschränkt. Bei einigen Systemen wurden Einrichtungen zum zeitweisen Einstellen der Lage des Kombinatorschirms vorgesehen, um so zeitweise das augenblickliche Sichtfeld des Piloten auf dem Schirm zu variieren, was jedoch zu einem weiteren Raumbedarf und zusätzlichen Gewicht der Anzeigeeinrichtung führt.

Bisher bekannte HUD-Systeme leiden auch unter dem unerwünsch-

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ten Auftreten von breiten Punkten auf dem Kombinatorschirm, die den Piloten blenden oder stören können und die von Lichtstrahlen voft der Sonne herrühren.

Die bisher bekannten Beobachtungssysteme ermöglichten es dem Piloten eines Flugzeugs, die Szene vorne vor dem Flugzeug durch direkte Betrachtung durch die normale Windschutzscheibe des Flugteugcockpits und ferner einen transparenten Kombinatorschirm zu beobachten, während Informationen in Form von Leuchtzeichen auf diesen durch Reflektion auf dem Kombinatorschirm einer Quelle für kollimierte Leuchtsignale übertragen wurden, die unter dem Blickfeld des Piloten durch die Windschutzscheibe angeordnet war.

Versuche wurden gemacht, den Piloten mit Reflektionen einer derartigen Leuchtsignalquelle zu versorgen, die irgendwo im Ccdkpit untergebracht war. Insbesondere wurde gemäß den GB-PSen 999 84o und 1 223 173 die Leuchtzeichenquelle hinter dem Piloten angeordnet, während der Pilot mit einem reflektierenden optischen System [das in Art einer Brille zu tragen war) ausgerüstet wurde, um ihn in die Lage zu versetzen, überlagert über die Szene vor ihm die Leuchtzeichen der Quelle hinter ihm zu sehen.

In der ersten Patentschrift wird ein weiter Gesichtswinkel für die kollimierte Signalquelle gefordert, während auf Seite 3, Zeilen 118-126 ausgeführt ist, daß eine derartige Quelle aufgrund ihrer bloßen Größe schwierig in einer Stellung in Bezug auf die Windschutzscheibe zu montieren ist. Daher erfolgt die Anordnung dieser Qeulle hinter dem Piloten und entfernt von den normalen Instrumententafeln unter der Windschutzscheibe.

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In der zweiten Patentschrift wird auf Seite 1, Zeilen 37-58 angegeben, daß die minimale akzeptable Entfernung der Augen des Piloten von dem optischen System das Sichtfeld des Piloten für die Informationen beschränkt, wodurch die gesamte Anzahl der Informationen beschränkt ist, die effektiv gleichzeitig dem Piloten angezeigt werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine visuelle Beobachtungseinrichtung in Form eines HUD-Systems zu schaffen, bei dem eine neue Anordnung der verschiedenen Teile die effektive Entfernung zwischen der kollimierten Signalquelle und dem Auge des Piloten (oder eines anderen Betrachters) weitgehend reduziert» wodurch eine umfangreichere: Anzeige von Leuchtinformationen ermöglicht wird, die dem Betrachter in jedem Moment angezeigt wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Beobachtungseinrichtung zur Verwendung beispielsweise in einem Flggzeug mit einer Leuchtzeichenquelle, einer optischen Kollimatoreinheit, die ein Teil, das eine Eingangsblende bildet und benachbart der Leuchtzeichenquelle angeordnet ist, und ein Teil aufweist, das eine Austrittsblende oder -öffnung bildet, durch die ein virtuelles Bild der Leuchtzeichenquelle sichtbar ist, das dem Auge eines Betrachters gegenüberliegt, wenn dieser auf die Austrittsöffnung von einer vorbestimmten Augenstellung und einem vorbestimmten Winkel, der größer als der Winkel ist, der durch die Austrittsöffnung dem Auge des Betrachters gegenüberliegt, blickt, und mit Mitteln zum Kombinieren des Blicks auf die Austrittsöffnung mit dem Blick auf die Szene vorne vor dem Betrachter, wenn dieser in einer Beobachtungsstellung ist,

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ivobei der Betrachter in überlagerter Weise die Szene und die Leuchtzeichen der Quelle wahrnehmen kann, die dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens die Austrittsöffnung der Kollimatoreinheit zwischen der Beobachtungsstellung und der Szene vor dem Betrachter angeordnet ist, wobei ein Teil des Blicks des Betrachters auf diese Szene gegen direktes Sehen abgeschirmt ist, und daß die Mittel zum Kombinieren zwischen der Austrittsöffnung der Kollimatoreinheit und der Beobachtungsstellung angeordnet sind.und Mittel zum Durchlassen einer Ansicht der Austrittsöffnung durch direkten Durchgang des Lichts von der Austrittsöffnung zum Auge des Betrachters und einer Ansicht der Szene vor dem Betrachter durch Reflex-ion des Lichts von dieser Szene aufweisen.

Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, die Länge des Lichtweges zwischen dem Auge des Betrachters und der Austrittsöffnung wesentlich zu reduzieren, so daß das Momentane Blickfeld des Betrachters für das, was unter der Austrittsöffnung liegt, wesentlich vergrößert werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Mittel zum Kombinieren gegenseitig geneigte ebene optische Flächen auf (die nachfolgend als innere optische Flächen bezeichnet werden), die an einer gemeinsamen Kante, die entfernt von dem Austrittsöffnungsteil angeordnet ist, aneinanderstossen, in Richtung auf den Austrittsöffnungstexl divergieren und miteinander den Austrittsöffnungsteil umspannen, während zwei weitere plane optische Flächen (nachfolgend als äußere optische Flächen bezeichnet) vorgesehen sind, die

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im wesentlichen parallel mit und ifn Abstand KU den entsprechenden inneren optischen flächen angeordnet sind» wobei die inneren optischen Flächeh den Durchgang von Licht von der Aus trittst* ff nung zu einem Betrachter in Betrachtungssteilung und das Reflektieren von Licht von der Szene vor dem Betrachter zu dem Betrachter aufgrund der Reflex-ion an den äußeren optischen Flächen ermöglicht.

Eine vorteilhafte Einrichtung wird erhalten, wenn die gemeinsame Kante der inneren optischen Flächen zentral relativ zu dem Teil der Kollimatoreinheit angeordnet wird, die den direkten Blick des Betrachters auf die Szene vor ihm abschirmt; die Neigung und Länge jeder der inneren optischen Flächen wird bestimmt durch den Weg eines vorbestimmten Grenzstrahl des Lichts, der von einem vorbestimmten Ende der Szene vor dem Betrachter an einer Seite hiervon kommt und mit dem Auge des Betrachters in einer vorbestimmten Grenzstellung des Auges an der gegenüberliegenden Seite einer zentralen Ebene gesehen wird, die durch die gemeinsame Kante der inneren optischen Flächen und durch das Zentrum des Austrittsöffnungsteils und der Szene vor dem Betrachter nach RefleX-ion an den entsprechenden Kanten der inneren und äußeren optischen Flächen verläuft, die dem Austrittsöffnungsteil auf der gleichen Seite der zentralen Ebene wie dieses Ende liegen; die Länge jeder äußeren optischen.Fläche wird bestimmt durch den Weg eines Grenzstrahls des Lichts von der Szene vor dem Betrachter, der den Blickfeld abschirmenden Teil der Kollimatoreinheit auf der gleichen Seite der zentralen Ebene wie die vorbestimmte Grenzstellung des Auges streift und der durch das Auge des Betrachters in dieser

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Stellung nach Reflex-ion an den entsprechenden Kanten der äußeren und inneren optischen Flächen gesehen wird, die am weitesten von dem Austrittsöffnungsteil auf der gleichen Seite der zentralen Ebene wie die Grenzposition des Auges liegen.

Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die inneren und äußeren optischen Flächen, die benachbart zueinander liegen, durch gegenüberliegende, im wesentlichen parallele Flächen eines Glasprismas gebildet, während ein drittes Glasprisma mit dreieckiger Form zwei gleichartige plane Flächen aufweist, die mit den entsprechenden Flächen der entsprechenden Prismen verklebt sind, die die inneren optischen Flächen bilden,wobei die verklebten Paare von Flächen des dritten Prismas derart ausgebildet sind, daß das Licht sowohl hindurchgeht als auch reflektiert wird, wobei die drei Prismen aus einem Glas mit vorbestimmten optischen Eigenschaften sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden entsprechenden Flächen des ■zentralen dreieckigen Prismas behandelt, bevor sie mit den benachbarten Flächen der benachbarten Prismen verklebt werden, so daß sie den Durchgang von Licht von der Austrittsöffnung und das Reflektieren von Licht von der benachbarten äußeren optischen Fläche ermöglichen, während jede der benachbarten Flächen der benachbarten Prismen entsprechend wie vorgenannt nur in einem zentralen Bereich und in den Grenzbereichen benachbart dem zentralen Bereich so behandelt ist, daß die Grenzbereiche nur das Reflektieren von Licht von der benachbarten

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äußeren optischen Fläche ermöglichen.

In der Anordnung der Prismen enden die inneren und äußeren optischen Flächen vorzugsweise in planen querverlaufenden Flächen, die in der .Richtung zur Austrittsöffnung divergieren.

Die Eintrittsöffnung der Kollimatoreinheit kann koaxial mit der Austrittsöffnung angeordnet sein. Andererseits kann die Eintrittsöffnung der Kollimatoreinheit relativ zur Austrittsöffnung versetzt.sein, in welchem Falle die Kollimatoreinheit Mittel zum Reflektieren von Lichtstrahlen von der Leuchtzeichenquelle zur Austrittsöffnung aufweist, um durch die Austrittsöffnung sichtbare Leuchtzeichen dieser Quelle zu liefern.

Die Kollimatoreinheit kann eine zweite Eintrittsöffnung benachbart einer zweiten Leuchtzeichenquelle aufweisen, in welchem Fall die Kollimatoreinheit Mittel zum Kombinieren von Lichtstrahlen der entsprechenden Leuchtzeichenquellen aufweist, um Leuchtzeichen von beiden Quellen gleichzeitig durch die Austrittsöffnung sichtbar zu liefern.

Die oder wenigstens eine Leuchtzeichenquelle kann elektrische Erregungsmittel aufweisen, die auf diesen zugeführte elektrische Eingangssignale ansprechen, um eine Leuchtzeichenanzeige zu liefern, die entsprechend den Eingangssignalen variiert. Eine derartige Quelle kann eine Kathodenstrahlröhre umfassen, Weiterhin kann die Leuchtsignalquelle oder Quellen Mittel zum Erzeugen/statischen Anzeige von Leuchtzeichen umfassen.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Austrittslinse an der Austrittsöffnung eine Linse in Form eines Kreises auf, von der gegenüberliegende Randteile entfernt worden sind, um ein Paar von parallelen Grenzen zu liefern.

Eine erfindungsgemäße Beobachtungseinrichtung (mit modifizierten Ausführungsformen) für ein elektrisch betriebenes HUD-System wird nachfolgend anhand der beigefügten Abbildungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch eine teilweise Ansicht der Beobachtungseinrichtung in einem Flugzeugcodpit zur Benutzung durch den Piloten des Flugzeugs.

Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt in Längsrichtung entsprechend der Linie H-II von Figur 1 in Ansicht von oben.

Figur 3 zeigt eine Rückansicht der Beobachtungseinrichtung mit Blickrichtung von rechts bezüglich Figur 1.

Figur 4 zeigt eine vereinfachte diagrammartige Ansicht einer ersten modifizierten Ausführungsform, in der die Wege der verschiedenen Lichtstrahlen gezeigt sind, die zum Auge des Piloten verlaufen.

Figur 5 zeigt eine weitere vereinfachte diagrammartige Ansicht der Ausführungs form von Figur 4 mit anderen Lichtstrahlen.

Figur 6 zeigt eine Ansicht ähnlich zu derjenigen von Figur mit anderen Lichtstrahlen.

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Figur 7 zeigt eine vereinfachte diagrammartige Ansicht eines überlagernden oder kombinierenden optischen Systems für eine zweite modifizierte Ausführungs form zu der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten mit dem Strahlengang für verschiedene Strahlen.

Figur 8 zeigt diagrammartig in Seitenansicht die Anordnung der verschiedenen Teile, die eine dritte modifizierte Ausführungsform der Beobachtungseinrichtung der Figuren 1 bis bilden, wobei das Gehäuse der Einrichtung weggelassen ist.

Figur 9 zeigt den Blick eines Piloten auf eine typische Szene vor einem Flugzeug bei normalem Horizontalflug, wobei der Umriss der Beobachtungseinrichtung der Figuren 4 und 5 angedeutet ist.

Figur 1o zeigt diagrammartig in Seitenansicht die relative Anordnung verschiedener äquivalenter Teile in einer typischen bekannten Beobachtungseinrichtung und in einer solchen gemäß den Figuren 4 und 5.

Figur 11 zeigt diagrammartig Darstellungen des momentanen und anderer Blickfelder des Piloten bei den entsprechenden Beobachtungseinrichtungen von Figur 1o.

Figur 12 zeigt bildhaft einen Piloten in seinem Flugzeug, der die Szene vor dem Flugzeug durch eine Beobachtungseinrichtung gemäß den Figuren 4 und 5 betrachtet.

Figur 13 zeigt bildhaft eine Beobachtungseinrichtung gemäß den Figuren 4 und 5.

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Figur 14 zeigt vergleichbare Umrisse in Seitenansicht einer typischen bekannten Beobachtungseinrichtung und einer solchen, wie sie in Figur 12 dargestellt ist.

Ein Pilot 1o, der in normaler Stellung in einem Flugzeugcodkpit sitzt, sieht die Szene vor dem Flugzeug über die Flugzeugnase durch eine Beobachtungseinrichtung 11, die zwischen dem Kopf des Piloten und der vorderen Windschutzscheibe 12 des Cojqpits angeordnet ist (Figuren 1 bis 3). Die Beobachtungseinrichtung besitzt einen unteren Montierteil 13, durch den die Einrichtung zentral in einem Raum getragen wird, der in dem oberen Teil der vorderen Instrumententafel 14 des Piloten vorgesehen ist.

Die Beobachtungseinrichtung weist eine optische Längsachse auf, die sich zum Auge des Piloten erstreckt, wenn der Kopf des Piloten sich in der gezeigten "Betriebsstellung" des Auges befindet.

In einem äußeren Gehäuse 16 sind in linearer Anordnung Bauteile längs der optischen Längsachse 15 ausgerichtet angeordnet. An dem vorderen Ende (d.h. relativ zum Flugzeug) ist eine Kathodenstrahlröhre 17 angeordnet, die benachbart zu ihrem rückwärts gerichteten Schirm 18 ein Kollimatorsystem 19 aufweist. Das Gehäuse hat an seinem rückwärtigen Ende eine Austrittsöffnung 2o, durch die kollimierte Leuchtzeichen beobachtet werden, können. Quer hierzu und die Austrittsöffnung 2o bedeckend ist eine horizontal angeordnete Prismeneinheit 21 vorgesehen, deren rückwärtige Seite direkt dem Blick des Piloten ausgesetzt ist.

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Die Prismenanordnung 21 weist hintere und vordere Flächen 22, 23 auf, die plan und parallel zueinander sind, sowie obere und untere Flächen 24, 25, die plan und parallel zueinander und senkrecht zu den vorderen und hinteren Flächen 22, 23 verlaufen. Die Prismenanordnung weist mehrere Glasprismen auf, die miteinander in einer solchen Weise verklebt bzw. verkittet sind, daß die Berührungsflächen zwischen benachbarten Prismen plane optische Flächen bilden, die das gleichzeitige Durchlassen und Reflektieren von Lichtstrahlen in einer Weise ermöglichen, die nachfolgend beschrieben wird.

Die verschiedenen Prismen besitzen alle die gleiche Glaszusammensetzung und haben daher die gleichen optischen Eigenschaften.

Wie am besten aus Figur 2 erkennbar ist, weist die Prismen- · anordnung ein zentrales Prisma 26 mit dreieckigem Querschnitt auf, das eine freie plane Fläche 27, die die Austrittsöffnung 2o überspannt, und eine zweite und dritte plane Fläche 28, 29 auf, die sich an der hinteren senkrechten Kante 3o treffen und mit benachbarten planen Flächen 31, 32 von zwei ähnlichen, jedoch komplementären mittleren Prismen 33, 34 verklebt sind. Das mittlere Prisma 33 besitzt eine weitere plane Fläche 35, die parallel zu der planen Fläche 31 und mit einer entsprechenden planen Fläche 36 eines äußeren Prismas 37 mit dreieckigem Quers'chnitt" verklebt ist.

Ebenso besitzt das mittlere Prisma 34 eine weitere plane Fläche 38, die parallel zu der planen Fläche 32 und mit einer

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entsprechenden planen Fläche 39 eines äußeren* Prismas 4o mit dreieckigem Querschnitt verklebt ist.

Die mittleren Prismen 33, 34 sind miteinander längs schmaler vertikaler planerFlächen verklebt, die einander benachbart der rückwärtigen Kante 3o des zentralen Prismas 26 treffen.

Die Kathodenstrahlröhre 17 ist mit einem Hochspannungsnetzteil 41 und mit einer Verstärkereinheit 42 verbunden, die X- und Y-Ablenkungssignale zum entsprechenden Ablenkungssystem der Röhre gibt. Die Verstärkereinheit wird ihrerseits mit geeigneten elektrischen Signalen einer Recheneinheit 43 versorgt, die Eingangskreise zur Aufnahme von .Eingangssignalen aufweist, aus denen Daten errechnet werden, die von der Kathodenstrahlröhre 17 an der Austrittsöffnung 2o angezeigt werden. Die Hoch- und Niederspannungsnetzteile 41 und 44 besitzen einen Eingangskreis zur Aufnahme von elektrischem Strom von einer Versorgungsquelle.

Beim Betrieb werden Leuchtzeichen, die an der Austrittsöffnung 2o des Kollimatorsystems 19 erzeugt werden, wenn sie von geeignet hoher Intensität sind, durch den Piloten durch die teilweise lichtdurchlassenden, geneigten planen Berührungsflächen 28, 31 und 29, 32 der Prismen 26, 33, 34 beobachtet. Diese Signale erscheinen in der Weise, als ob sie sich im Unendlichen befinden würden. Jedoch wird der Pilot die dunkleren Teile des Schirms der Kathodenstrahlröhre durch die Austrittsöffnung nicht sehen. Stattdessen wird der Pilot auf den teilweise nicht reflektierenden, geneigten, planen Berührungsflächen 28, 31 und 29, 32 der Prismen 26, 33, 34 ein Bild der Szene vor dem Flugzeug sehen, wie es

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durch den Pilot gesehen werden würde, wenn der vorwärts gerichtete Blick des Piloten nicht durch die Kathodenstrahlröhre 17 und das Kollimatorsystem 19 verdeckt wäre. Wie dies erfolgt, wird .später erläutert.

Die Prismenanordnung ist so aufgebaut, daß der Pilot die Seitenflächen des Gehäuses 16 oder der Flugzeugnase nicht sehen kann, solange er seinen Kopf nicht aus einer vorbestimmten dreidimensionalen Zone einer erlaubten Kopfbewegung herausbewegt. Diese Zone kann groß genug gemacht werden, um alle normalen Kopfstellungen des Piloten zu umfassen, die bei der Arbeit des Piloten auftreten.

Die optische Längsachse 15 ist abwärts zu einer Horizontalhöhe 45 (strichpunktiert dargestellt) geneigt, so daß sie mit der normalen für den Piloten bei seiner Arbeit (etwa beim Landen oder beim Folgen eines Luftziels), die seine Konzentration und einen behinderten Blick gerade über die Flugzeugnase verlangt, erforderlichen Blickrichtung ausgerichtet ist.

Wenn der Pilot eine ihn weniger beanspruchende Arbeit ausführt, etwa in vorbestimmter Flughöhe mit automatischer Steuerung, wird der Kopf des Piloten normalerweise eine mehr entspannte Stellung nach rückwärts einnehmen und wenig höher sein als angedeutet ist. In diesem Fall wird das Auge des Piloten eine sogenannte "Ruhestellung" 46 anstelle der in Figur 1 gezeigten Betriebsstellung einnehmen. In der Ruhestellung des Auges kann der Pilot die Szene vor dem Flugzeug alternativ entweder durch die Beobachtungseinrichtung 11 oder, wenn ein.fernerer Blick erforderlich ist,

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durch Schauen über die Einrichtung beobachten.

Ein durch die Punkte 47 bis 5o in Figur 1 definiertes Viereck stellt den Bereich der Augenstellungen dar, in dem ein ununterbrochener Blick durch die Beobachtungseinrichtung effektiv erhalten werden kann, wobei die obere Grenze des Vierecks die Grenze für die Augenstellungen höher als die Ruhe- und Betriebsstellung des Auges und die untere Grenze des Vierecks die Grenze für Augenstellungen unter der Ruhe- und Betriebsstellung festlegen.

Die in Figur 4 dargestellte modifizierte Einrichtung ist ähnlich der in den Figuren 1 bis 3 beschriebenen, obwohl die Prismenanordnung nicht die äußeren dreieckigen Prismen 37 und 4o umfasst und daher die äußeren planen Flächen 35 und 38 stattdessen total -reflektierend gemacht worden sind. Wohingegen der Pilot bei der Einrichtung nach den Figuren 1 bis 3 die Szene vor dem Flugzeug durch eine rückwärtige Fläche, die sich von einer Kante 51 zu einer Kante 52 der Prismenanordnung erstreckt, sehen konnte, erstreckt sich bei der Einrichtung von Figur 4 die rückwärtige Fläche nur von der Kante 5 3 zur Kante 54. Jedoch wird trotzdem die Einrichtung von Figur 4 allgemein bevorzugt, da alle Lichtstrahlen von der Szene vor dem Flugzeug zweimal reflektiert werden und deshalb die gleichen Verluste erleiden, wohingegen bei der Einrichtung von Figur 1 bis 3 Lichtstrahlen, die direkt durch die äußeren dreieckigen Prismen 37 und 4o ohne Refletf-ion hindurchgehen, Verluste erleiden, die verschieden von denjenigen sind, die die gleichen Lichtstrahlen erleiden, wenn diese zwei Mal vor Erreichen des Auges des Betrachters reflektiert werden. Sofern nicht sehr

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große Sorgfalt bei der Ausführung der Prismenanordnung aufgewendet wird, kann die Szene vor dem Flugzeug, wie sie durch das optische System der Figuren 1 bis 3 gesehen wird, aufeinanderfolgende vertikale Bänder von verschiedenen mittleren Lichtintensitäten aufweisen.

In Figur 4 sind die Grenzen für den Blick des Piloten in Vorwärtsrichtung durch den Windschutzscheibenrahmen 55 angedeutet. Die normalen Betriebsstellungen der Augen sind bei 56, 57 gezeigt, die durch einen typischen Abstand Y zwischen den Pupillen getrennt sind.

In den Beobachtungseinrichtungen der Figuren 1 bis 3 und 4 liegt die rückwärtige Kante 3o des zentralen Prismas 26 vor der rückwärtigen Fläche '22 der Prismenanordnung.. Jedoch ist in einigen Fällen die Konstruktion der Prismenanordnung derart gewählt, daß das rückwärtige Ende 3o in der Ebene der rückwärtigen Fläche 22 der Anordnung liegt. Eine derartige Anordnung ist in Figur 7 gezeigt. Dies wird erreicht durch Verringerung des Winkels zwischen den teilweise durchlässigen, teilweise reflektierenden Flächen 28, 29 des dreieckigen Prismas 26 auf einen Wert unterhalb von 9o°. Diese modifizierte Ausführungsform hat ebenfalls die Eigenschaft, daß die vorderen planen Flächen 58, 59 der äußeren Prismen 33, 34 vor"der vorderen freien planen Fläche 27 des zentralen Prismas 26 liegen, so daß ein vorderer Teil 6o, 61 jedes der äußeren Prismen längs des rückwärtigen Teils des Gehäuses 16 anliegt. . ' '

Die bis dahin beschriebenen Beobachtungseinrichtungen können derart modifiziert werden, daß sie eine zusätzliche Leucht-

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zeichenquelle zum Liefern eines zweiten Satzes von Leuchtzeichen vorzugsweise in einer anderen Farbe an der Austrittsöffnung 2o liefern. Dies kann durch Einbau einer Prismenanordnung in das Kollimatorsystem geschehen, die zwei dreieckige miteinander verklebte Prismen aufweist, um an der Berührungsfläche der beiden Prismen eine teilweise reflektierende, teilweise durchlässige plane optische Fläche zu "erzeugen, die zur optischen Längsachse 15 geneigt ist. Diese geneigte Fläche wird angeordnet, um die Signale von der ersten Kathodenstrahlröhre 17 ohne Ablenkung zu der Austrittsöffnung 2o durchzulassen und gleichzeitig Leuchtzeichen, die auf dejn Schirm einer zweiten Kathodenstrahlröhre erzeugt wurden, die unter der geneigten Fläche angeordnet und entsprechend zu der optischen Längsachse 15 geneigt ist, zu der Austrittsöffnung 2o zu reflektieren.

Durch Anbringung einer dichroitischen Schicht oder Film an der geneigten Berührungsfläche der beiden Prismen kann die Leuchtzeichenanzeige, dj.e an der Austrittsöffnung gesehen wird, eine Anzeige von grünen Signalen, die von der ersten Kathodenstrahlröhre 17 geliefert werden, und eine überlagerte Anzeige von roten Signalen, die von der zweiten Kathodenstrahlröhre geliefert werden, aufweisen. In diesem Fall überführt die dichroitische Schicht Signale im grünen Teil des Farbspektrums und reflektiert Signale im roten Teil des Spektrums.

Eine derartig modifizierte zweifarbige Anzeigeeinrichtung mit einer zweiten Kathodenstrahlröhre 62, den beiden Prismen 63, 64 und der dichroitischen Schicht 65 ist in Figur gezeigt. Diese Figur zeigt ferner, wie eine Kamera 66 an

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der Beobachtungseinrichtung angebracht werden kann, um das gesamte oder einen bevorzugten Teil des zusammengesetzten Bildes, das dem Pilot an der rückwärtigen Fläche 22 der Prismenanordnung 21 präsentiert wird, zu fotografieren.

Diese modifizierte Einrichtung besitzt, einen Schnitt längs der optischen Längsachse, der im wesentlichen ähnlich zu dem in Figur 2 gezeigten ist.

Der Aufbau der oben erwähnten Prismeneinrichtungen beruht auf verschiedenen Betrachtungen, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 6 und 9 bis 11 erklärt werden. In den Figuren 4 bis 6 werden die Augen des Piloten durch die Punkte E_R und E* dargestellt, wobei die Indizes R und L entsprechend die rechte und linke Seite des Piloten bezeichnen. Ferner werden die inneren reflektierenden und durchlässigen Flächen bei 28, 31 und 29, 32 mit I„ bzw. Iy und die äußeren reflektierenden Flächen bei 35 und 38 als 0_R bzw. Ογ bezeichnet.

Wie im Falle der Figur 1 muß ein genügender Bereich für eine normale Querbewegung des Kopfes des Piloten möglich sein, so daß der Pilot ein gewünschtes vorwärts gerichtetes Blickfeld unabhängig davon haben kann, wo sich sein Kopf innerhalb eines vorbestimmten Stellungsbereichs befindet. Der Pilot möchte beispielsweise seinen Kopf zu der einen oder anderen Seite bewegen, um einen bestimmten Teil der Anzeige der Leuchtzeichen zu sehen, die sich nicht in seinem Gesichts·

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feld befindet, wenn sein Kopf in der mittleren Stellung ist. Daher muß das Prismensystem so ausgebildet sein, daß erreicht wird, daß der Blick des Piloten durch das Gehäuse selbst dann nicht unterbrochen wird, wenn sein Kopf seitlich innerhalb des genannten Bereichs verschoben ist. Dieser · Bereich ist durch die Grenzstellungen des rechten und linken Auges gekennzeichnet, die mit E_nT und E_LL bezeichnet sind. In Figur 4 ist der Bereich für die erlaubte Kopfbewegung durch das schraffierte¹ Rechteck dargestellt, das vorne und hinten durch die Ebenen begrenzt ist, die die Arbeits- und Ruhestellung des Auges enthalten.

Beim geradeaus Schauen auf die entfernte Szene von der normalen zentralen Augenstellung E„ und E. aus werden die Augen des Piloten an den inneren reflektierenden Flächen In, I_L aufgrund der Reflex-ion von den äußeren Flächen On, Ot die Szenen in den entsprechenden verborgenen Feldern F_R und F^ erblicken, die direkt dahinter liegen und durch die inneren Flächen In, L· abgedeckt werden. Die Grenzen, die das tatsächliche Blickfeld F'_R und F¹τ definieren, sind fast parallel zu denjenigen der Felder F_R und Fr aufgrund der relativ kleinen seitlichen Verschiebung der Lichtstrahlen, die von der Doppelreflektion an den parallelen reflektierenden Flächen resultiert (eine Verschiebung von wenigen Zentimetern in Bezug zu einem Lichtweg von Objekten, die einige Kilometer entfernt sind).

Ferner können die Augen zur gleichen Zeit auch Licht bemerken, das durch die Prismenanordnung 21 ohne Reflektion hindurchgeht. Objekte, die aufgrund eines solchen Lichts gesehen

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werden, erscheinen in genauer räumlicher Beziehung zu anderen Objekten, die innerhalb der Felder F_R, F_L aufgrund der Doppelreflex-ion an den parallelen reflektierenden Flächen gesehen werden. Eine Querbewegung des Kopfes zu einer Seite der optischen Längsachse 15 ermöglicht es, daß ein Verschiebungsblickfeld gesehen wird, von dem progressiv mehr von einem Auge durch direktes Sehen durch die Prismenanordnung und progressiv weniger aufgrund der Doppelreflektion gesehen wird und umgekehrt für das andere Auge.

Wenn jedes Auge seinen Blick über die gemeinsame rückwärtige Kante 3o der beiden inneren reflektierenden Flächen Ip, It führt, kann dieses Auge das Gehäuse 16 auf einer der beiden Flächen nicht bemerken und die Augen bemerken die Kante nicht, wenn sie die hintere Fläche der Prismenanordnung überstreichen, indem sie auf die entfernte Szene blicken.

Obwohl in jedem Moment jedes Auge erstens Lichtstrahlen, die direkt durch die Prismen 33 oder 34 laufen, zweitens Lichtstrahlen, die durch Reflex-ion an einem Paar von parallelen Flächen- (ζ.Βΐ I_R, 0_R) hindurchgehen, und drittens Lichtstrahlen aufnehmen kann, die durch Reflex-ion an dem anderen Paar der parallelen Flächen (z.B. 1^, 0_L) hindurchgehen, bemerkt der Pilot nur eine genaue Rekonstruktion der Szene vor ihm, selbst obwohl Teile dieser Szene vom direkt-ien Blick abgeschirmt sind.

Wenn der Pilot seinen Kopf zur einen öder anderen Seite der optischen Längsachse 15 oder seine Augen horizontal bewegt, ändert sich die Szene innerhalb seines Blickfeldes in richtiger Weise, als ob die Beobachtungseinrichtung seinen Blick nicht verdecken würde.

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In Figur 5 sind verschiedene Gesichtsfelder des linken Auges E^ in der Extrems teilung E_LL mit D_L, - R,, R_R, D_R bezeichnet. Beim Bewegen dieses Auges horizontal von links nach rechts wird der direkte Blick D^ zuerst überflogen, gefolgt in der Reihenfolge durch den reflektierten Blick R_L, den reflektierten Blick R_R und den direkten Blick D_R.

Wenn die Augen von rechts nach links bewegt werden, bis das linke Auge Et den extremen rechten Grenzwert 69 erreicht, ist das rechte Auge "blind" (soweit es den Blick durch die Prismenanordnung 21 betrifft) bis es aus«gerichtet ist, um den Lichtstrahl 7o zu bemerken, so daß in diesem Bewegungsbereich das von dem Piloten gesehene Bild nur von dem Licht herrührt, das von dem linken Auge Ex bemerkt wird.

Wenn die Bewegung fortgesetzt wird, bemerken beide Augen Licht durch die Prismenanordnung 21 und tragen so beide zu dem gesehenen Bild bei. Dies geht weiter, bis das linke Auge die Sicht des Grenzstrahls 71 verliert, worauf dieses Auge "blind" (soweit es die Sicht durch die Prismenanordnung 21 betrifft) für den Rest der Bewegung wird. Dieses Umschauen endet, wenn das rechte Auge E_R die Sicht des Grenzstrahls verliert, wonach der Pilot über die Prismenanordnung 21 keine Sicht auf die Szene vor ihm erhält.

Figur 9 stellt gegen eine Darstellung einer Szene mit Bergen vor einem Flugzeug den Umriss der Prismenanordnung 21 der Beobachtungseinrichtung dar. Obwohl der Pilot, wenn er auf den Umriss der Prismenanordnung als solche blickt, den Umriss hiervon wie dargestellt sehen wird, wenn er den Hori-

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zont durch die Prismenanordnung mit seinen Augen, die auf unendlich eingestellt sind, absucht, wird er die Szene mit Bergen wie in Wirklichkeit im wesentlichen so bemerken, als ob der Umriss der Prismenanordnung nicht existiert. Wenn ferner ein entferntes Flugzeug, das über die Berge fliegt, den Flugweg seines Flugzeugs kreuzt, kann der Pilot ohne Unterbrechung seines Blicks den Flug des anderen Flugzeugs, verfolgen, wie es am Horizont vorüber fliegt.

Der Aufbau der oben beschriebenen Prismenanordnung wird in der nachfolgenden Weise zuwege gebracht.

Mit der Festlegung einer gegebenen Cockpit-Gestaltung und einer geeigneten Anordnung einer Kathodenstrahlröhre 17 und eines Kollimatorsystems 19 sind die prinzipiellen Parameterwerte, die den Aufbau der Prismenanordnung bestimmten, bereits festgelegt; der Bereich der erlaubten Kopfbewegung für den Piloten, der Abstand dieses Bereichs von der Austrittsöffnung 2o des optischen Systems 19 und die Position des Windschutzscheibenrahmens 5o sind -hierdurch bestimmt. Daher sind in Figur 6 die Werte der Abmessungen D (äußerer Durchmesser des Gehäuses 16 um die Austrittsöffnung 2o), L (Abstand der Vorderfläche 23 der Prismenanordnung vom Auge), X (maximale Querverschiebung des Auges E^ von der optischen Längsachse 15), und u (der Brechungsindex des zu verwendenden Prismenglases) bestimmt. Ferner hat die Prismenanordnung symmetrisch bezüglich der optischen Längsachse 15 zu sein.

Der freien Vorderfläche 2 7 des zentralen dreieckigen Prismas 26 wird eine Breite geringfügig größer als D gegeben.

Der längs des Weges 93 verlaufende Grenzstrahl, der an den

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Vorderkanten der inneren und äußeren Flächen I_R und 0_R reflektiert wird, bestimmt die Neigung dieser Flächen relativ zu der freien Fläche 27, da die entsprechenden Neigungswinkel des Weges an den zwei Reflex.-ionspunkten mit den entsprechenden Reflex-ionswinkeln gleich sind. Dies bestimmt vollständig die Abmessungen und Winkel des zentralen Prismas 26, da der Punkt 3o des Schnitts der beiden inneren Flächen I_R und Ir auf der optischen Längsachse 15 liegt, und den Abstand der äußeren Flächen 0_R und CL von den entsprechenden Flächen I_R und I_L.

Die Stellung der rückwärtigen planen Fläche 22 der Prismenanordnung wird dann bestimmt durch den Weg 94 des Grenzstrahles, der gerade die Seite des Gehäuses 16 streift (in der die Kathodenstrahlröhre und das Kollimatorsystem eingeschlossen sind) und der gerade dann gesehen werden kann, wenn das Auge Er die Kante der inneren Fläche I_L überfliegt, die mit der benachbarten Kante der inneren Fläche I_n zusammentrifft. Der Reflex-ionspunkt dieses Strahls auf der äusseren Fläche CL bestimmt die Lage des Schnitts der rückwärtigen Fläche 22 mit den äußeren Flächen CL und 0_R.

Entsprechende Betrachtungen sind in Bezug auf die in Figur "dargestellte Prismenanordnung anzustellen.

Die optische Kollimatoreinheit 19 liefert ein virtuelles Bild des kreisförmigen Schirms 18 der Kathodenstrahlröhre 17, das dem Pilot in der Weise erscheint, als ob es sich im Unendlichen befinden würde, und sich zum Auge des Piloten in einem Konuswinkel von z.B. 2o° erstreckt. Da ein starker

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Raummangel vor dem Piloten herrscht, ist es nicht möglich, vor ihm eine Austrittsöffnung 2o vorzusehen, die groß genug ist, die gesamten 2o° zu umfassen, die für ein augenblickliches Erblicken des gesamten Bildes des Kathodenstrahlröhrenschirms notwendig wäre. Daher muß ein kleineres momentanes Blickfeld, wie es durch eine kleinere Austrittsöffnung gegeben wird, akzeptiert werden. Der Pilot hat daher seinen Kopf von einer Stellung zur anderen zu bewegen, um so die verschiedenen Felder >des Schirmbildes zu überfliegen, wenn er verschiedene Informationsteile, die auf diesen Teilen abgebildet sind,·zu sehen wünscht.

Je näher die Austrittsöffnung zum Piloten ist, desto größer ist das momentan zu sehende Feld des Schirmbildes.

Im vorliegenden Falle ist die Austrittsöffnung in einem minimal möglichen Abstand von dem vorgenannten Bereich der akzeptablen Augenstellungen des Piloten angeordnet, so daß ' das momentane Blickfeld für den Schirm in Bezug auf die Größe der Austrittsöffnung wesentlich größer als bei bekannten Einrichtungen dieser Art ist. Auf diese Weise wird die Größe der Bewegung des Pilotenkopfs, um das gesamte Schirmbild zu sehen, wesentlich reduziert.

Dies ist in den Figuren 1o und 11 dargestellt.

In Figur 1o ist an der Rückseite der Windschutzscheibe 12 ein an sich bekannter Kombinatorschirm 73 und eine Kollimatoraustrittsoptik 74 einer bereits bekannten Einrichtung gezeigt. Die virtuelle Lage der Austrittsöffnungoptik (Linse) ist in gestrichelten Linien bei 75 gezeigt, während

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.das momentane Blickfeld hiervon in der gezeigten Ruhestellung des Auges durch den Pfeil 76 bezeichnet ist, der sich zwischen oberen und unteren Grenzlinien 77, 78 erstreckt.

Das gesamte durch Aufwärts-bzw. Abwärtsbewegung dem Auge verfügbare Blickfeld ist durch den Pfeil 79 bezeichnet, der sich zwischen der unteren Grenzlinie 8o der oberen Augensteilung 81 und der oberen Grenzlinie 82 der unteren Augenstellung 83 erstreckt.

In Figur 11 sind die mit einer derartigen bekannten Einrichtung erhältlichen verschiedenen Gesichtsfelder auf der rechten Seite dargestellt, wo der Umfang des kollimierten Bildes des Kathodenstrahlröhrenschirms 18 mit 2o° Kegelwinkel durch den Kreis 84 dargestellt ist. Der gestrichelte Bereich 85 stellt das momentane Gesichtsfeld entsprechend der Größe des Winkels 76 in Figur 1 ο in der Ruhestellung des Auges dar.

Ein Senken der Augen um 6,35 cm unter die Augenruhestellung hebt das momentane Blickfeld in eine obere Position, in der seine obere Grenze bei 86 liegt, während ein Heben der Augen um 1,2 7 cm über die Augenruhestellung das momentane Blickfeld in eine niedrigere Lage bewegt, in der seine untere Grenze bei 87 liegt. Eine vertikale Änderung der Lage der Augen um 7,62 cm liefert daher ein gesamtes beobachtbares Blickfeld, das zwischen den unteren und oberen Grenzen 86 und 87 liegt. Diese Blickfelder sind mit einer Austrittsöffnungsoptik mit 5 Zoll Durchmesser erhältlich.

Vergleichsweise ist in Figur 1o entsprechendes für die Aus-

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trittsÖffnungsoptik 2o und die Prismenanordnung 21 der Einrichtung nach Figuren 4 und 5 gezeigt, wobei die Austritts Öffnungsoptik 2o einen solchen Durchmesser besitzt, daß sie den gleichen Konuswinkel 76 für das momentane Blickfeld am Auge des Piloten liefert.

Da die Austrittsöffnungsoptik 2o viel näher am Auge des Piloten sich befindet, ist der Winkel des totalen Blickfeldes das durch Bewegung des Auges zwischen den Positionen 81 und 83 beobachtet werden kann, das mit dem Pfeil 88 bezeichnete. Dieser Winkel 88 ist sehr viel größer als der entsprechende Winkel 79 trotz der Tatsache, daß die Austrittsöffnungsoptik 2o enger als die Optik 74 der bekannten Einrichtung ist.

Daher wird für eine Austrittsöffnungsoptik 2o eines Durchmess-ers, der größer als der in Figur 1o gezeigte ist, ein sehr viel größeres momentanes Blickfeld erhalten, so daß eine noch geringere vertikale Bewegung des Auges erforderlich ist, um die gesamte vertikale Erstreckung des Bildes des Kathodenstrahlröhrenschirmes zu überdecken. Dies ist in Figur 11 auf der linken Seite gezeigt, wo die verschiedenen gezeigten Blickfelder sich auf eine Austrittsöffnungsoptik von 4 Zoll Durchmesser beziehen, die an ihren Seiten beschnitten ist, so daß sie eine Breite zwischen den parallelen vertikalen Seitenkanten von 11/4 Zoll aufweist.

Das momentane Blickfeld in der Augenruhestellung ist durch den schraffierten Bereich 89 dargestellt. Durch Senken der Augen um 1,27cm unter die Augenruhestellung steigt das mo-

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mentane Blickfeld in eine Stellung, in der seine obere Grenze bei 9o liegt, während durch Erheben der Augen um 3,81 cm über die Augenruhestellung das momentane Blickfeld in eine untere Stellung gelangt, in der seine untere Grenze bei 91 liegt. Eine vertikale Änderung in der Augenstellung von 5,o8 cm führt daher zu einem gesamten beobachtbaren Blickfeld, das zwischen den oberen und unteren Grenzen 9o bzw. 91 liegt.

Mit einer Austrittsöffnungsoptik, die wesentlich kleiner als die bekannten ist, liefert die erfindungsgemäße Beobachtungseinrichtung ein wesentlich größeres beobachtbares Blickfeld bei einer wesentlich verringerten vertikalen .Bewegung des Auges.

Figur 12 zeigt bildhaft, wie der Pilot in dem Flugzeugcockpit sitzt und die Szene vor ihm beobachtet. Vor ihm fliegt ein anderes Flugzeug und der Kathodenstrahlröhrenschirm trägt eine Anzeige in Form eines Paars von vertikalen Seitenskalen und zwischen diesen eine durch einen Kreis unterbrochene Linie. Eine Darstellung von dem, was der Pilot sieht, wenn er in die Prismenanordnung 21 der Beobachtungseinrichtung sieht, ist bei 92 gezeigt.

Figur 13 zeigt bildhaft eine praktische Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Beobachtungseinrichtung gemäß der Ausführungs form der Figuren 4 bis 6. Hierbei ist jedoch die Kathodenstrahlröhre auf einer Achse angeordnet, die parallel mit und unter der optischen Längsachse 15 ist, während die auf dem Schirm 18 der Kathodenstrahlröhre erzeugten Leuchtzeichen durch eine Anordnung von Prismen in der Kollimatoreinheit reflektiert werden, um so durch die AustrittsÖffnung 2o, die direkt benachbart dem zentralen

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Prisma 26 der Prismenanordnung 21 angeordnet ist, sichtbar zu sein.

Während die Prismenanordnung eine Breite (gemessen senkrecht zu der vertikalen zentralen Längsebene) von etwa 23 cm aufweist, besitzt die Kollimatoreinheit benachbart dieser Anordnung eine Breite von etwa 7,5 cm. Unter der Kathodenstrahlröhre besitzt das Gehäuse 16, das die zugeordneten elektrischen Geräte umfasst, eine Breite von etwa 18 cm. Diese Beobachtungseinrichtung hat ein Gewicht von etwa 1o kg, was etwa die Hälfte oder weniger des Gewichtes einer vergleichbaren bisher bekannten Einrichtung ist.

Durch Anordnung der Kathodenstrahlröhre 17 unter die optische Längsachse 15 wie bei Figur 13 oder in einer ähnlichen Anordnung zu der von Figur 8, jedoch nur mit einer Kathodenstrahlröhre 62, wird die vordere Länge des sichtabdekkenden Teils des Gehäuses 16 weitgehend reduziert, so daß eine vorteilhaftere Ausbildung der Prismenanordnung 21 und ein besseres Sichtfeld der Szene vor dem Flugzeug möglich ist.

Figur 14 zeigt einen Vergleich des Umrisses der Einrichtung von Figur 13 und einer typischen bekannten vergleichbaren Einrichtung in Seitenansicht. Es ist ersichtlich, daß die Einrichtung von Figur 13 einen beträchtlich wenigeren Raum unterhalb der Höhe der Austrittsöffnung 2o benötigt.

In den verschiedenen Prismenanordnungen 21, die weiter oben

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beschrieben wurden, können die inneren optischen Flächen I_D, Ij so angeordnet sein, daß in jeder derartigen Fläche nur ein zentraler Teil hiervon, durch den an der Austrittsöffnung sichtbare Zeichen zu beobachten sind, Licht von der Austritts-'-öffnung und von der benachbarten äußeren optischen Fläche durchlässt, während Grenzbereiche dieser Fläche, die dem zentralen Teil benachbart sind, für Licht, das von der benachbarten äußeren optischen Fläche erhalten wird, voll reflektierend wirkt.

Bei den Ausführungen der verschiedenen beschriebenen Prismenanordnungen 21 haben die Flächen Licht von der Austrittsöffnung durchzulassen und Licht von einer benachbarten äusseren optischen Fläche zu reflektieren, wobei sie zu etwa 15 bis 2o % durchlässig und zu 8o bis 65 % reflektierend ausgeführt werden.

Obwohl bei der Diskussion von Figur 11 nicht auf eine seitliche Bewegung des Kopfes eingegangen wurde, verschiebt eine .derartige Bewegung den entsprechenden gestrichelten Bereich seitwärts. Eine derartige seitliche Bewegung des Kopfes liefert keine solch schwierigen Probleme, wie sie mit der vertikalen Bewegung des Kopfes auftreten.

Obwohl im allgemeinen die verschiedenen beschriebenen Beobachtungseinrichtungen das Betrachten einer entfernten Szene vor dem Piloten betreffen, so daß die äußeren optischen Flächen 0_R, 0_L für alle Vorhaben und Zwecke parallel mit den inneren optischen Flächen Iß, Ir sind, werden, wenn in einem anderen Anwendungsgebiet eine derartige Beobachtungseinrichtung dazu dienen soll, dem Betrachter einen Blick auf eine nähere Szene vor ihm zu geben, die äußeren optischen

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Flächen 0_R, CK einwärts um einen entsprechenden kleinen Winkel gedreht, so daß sie nicht mehr exakt parallel zu den inneren optischen Flächen I_R, It sind, so daß ein reflektierter Strahl, der durch den Betrachter an einer Kante einer inneren optischen Fläche benachbart der Austrittsöffnung gesehen wird, von einem Punkt in der Szene vor ihm, die unmittelbar benachbart liegt, einen Punkt in dieser Szene erzeugt, der durch den Betrachter direkt durch das Prisma an einem Punkt unmittelbar benachbart der Kante gesehen wird. Um beispielsweise eine Szene in einer Entfernung von etwa 7 m zu betrachten, müssen die äußeren optischen Flächen um etwa o,5° einwärts gedreht werden.

Der Aufbau der verschiedenen beschriebenen Prismenanordnungen kann variiert werden, um für-eine besondere Anpassung durch Variieren des Brechungsindex yu des Glases für die Prismen angepasst zu werden. Weiter kann die Neigung der äußeren optischen Flächen Op, 0_T leicht geändert werden, um die optischen Eigenschaften einer besonderen Windschutzscheibe 12 zu kompensieren.

In bevorzugten Formen der verschiedenen Prismenanordnungen 21 werden die oberen und unteren Flächen 24, 25, an denen die inneren und äußeren optischen Flächen Ip, Ir und 0_R, CL enden, divergent in Richtung der Austritts-öffnung 2o gemacht (d.h. konvergent gegen das Auge des Piloten), um eine geringe Abschirmung des Blicks des Piloten zu haben, wenn sein Blick die oberen und unteren Grenzen seines Blickfeldes durch die Prismenanordnung kreuzt. Dieses bevorzugte Merkmal ist in Figur 14 bei 95 und 96 dargestellt.

Obwohl in den verschiedenen beschriebenen Beobachtungsein-

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richtungen die Leuchtzeichenquelle durch den Schirm einer Kathodenstrahlröhre gebildet wurde, können stattdessen auch andere Arten von Leuchtsignalquellen verwendet werden, etwa Flüssigkristallquellen, Fotodiodenquellen, beleuchtete Fadenkreuze und Laser und holographische Einrichtungen. Weiterhin können statische Signalquellen (d.h. in denen die gezeigten Signale konstant sind) entweder alleine oder in Verbindung mit einer dynamischen Signalquelle (beispielsweise einer Kathodenstrahlröhre) verwendet werden. Beispielsweise kann eine statische Signalquelle (beispielsweise ein beleuchtetes Fadenkreuz) die zweite Kathodenstrahlröhre 62 in Figur 8 ersetzen.

Im allgemeinen sollen Beobachtungseinrichtungen für den Piloten oder andere Betrachter eine Anzeige von Leuchtzeichen liefern, die für seine Augen so erscheint, als wäre sie im gleichen oder einem ähnlichen Abstand wie die zu betrachtende Szene vor ihm, so daß bei Bewegung seines Blicks zur Betrachtung der Anzeige er den Brennpunkt seiner Augen nicht zu ändern hat.

Die Kollimatoreinheit dient daher dazu, eine derartige Anzeige von Leuchtzeichen zu liefern.

Wenn daher eine Beobachtungseinrichtung in einem Simulator verwendet werden soll, wo die Szene in einem Abstand von nur etwa 7 m (wie oben angeführt) liegt, hat die Kollimatoreinheit ein kollimiertes Bild der Anzeige der Leuchtzeichen zu erzeugen, das für das Auge des Betrachters in einem Abstand von nur 7 m erscheint. Der Ausdruck Kollimatoreinheit

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ist daher als eine optische Einrichtung zur Erzeugung eines virtuellen Bildes für den Betrachter zu verstehen, der in die Austrittsöffnung der Einheit Sieht, wobei das Bild in einem Abstand unter der Austrittsöffnung erscheint und groß verglichen mit dem Durchmesser der Austrittsöffnung ist.

Obwohl die verschiedenen beschriebenen Beobachtungseinrichtungen alle eine Kollimatoreinheit besitzen, können auch solche bei entsprechenden Umständen verwendet werden, wo die Notwendigkeit einer Vermeidung der Änderung in der Brennpunkteinstellung der Augen des Betrachters, wenn dieser auf die Anzeige der Leuchtzeichen schaut, nicht bedeutend ist. In einer derartigen Ausführungsform kann die Leuchtzeichenquelle benachbart der freien Oberfläche 27 des zentralen dreieckigen Prismas 26, d.h. benachbart der inneren optischen Flächen I_R, I^ angeordnet werden. Die Leuchtzeichenquelle kann in einem solchen Falle zum Beispiel die Leuchtskala einer Stoppuhr enthalten.

Die erfindungsgemäßen Beobachtungseinrichtungen können auch von anderen Personen in anderen Stellungen im Flugzeug oder von Personen in Panzerfahrzeugen oder Schiffen verwendet werden, wo die Anzeige von Leuchtzeichen in Überlagerung mit der Ansicht einer Szene vor dem Betrachter außerhalb des geschlossenen Raumes, in dem sich der Betrachter befindet, erforderlich ist.

Die planen optischen Flächen I_R, Iy und 0_R, 0_L können anstatt auf Glasprismen auch auf anderen Bauteilen, etwa plan-parallelen Platten aus Glas (versilbert oder teilweise versilbert) angeordnet sein, Jedoch werden Glasprismen bevorzugt, da sie eine robustere, stabilere und genauere Form

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als Trägermittel für diese Flächen liefern. Ferner verkürzen die Glasprismen die optischen Wege der Lichtstrahlen, die zum Auge des Beobachters verlaufen.

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Claims

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Patentansprüche

Beobachtungseinrichtung, insbesondere zur Verwendung in Flugzeugen, mit" einer Leuchtzeichenquelle, einer optischen Kollimatoreinheit, die ein Teil, das eine Eingangsblende bildet und benachbart der Leuchtzeichenquelle angeordnet ist, und ein Teil aufweist, das eine Austrittsblende oder -öffnung bildet, durch die ein virtuelles Bild der Leuchtzeichenquelle sichtbar ist, das dem Auge eines Betrachters gegenüberliegt, wenn dieser auf die Austrittsöffnung von einer vorbestimmten Augenstellung und einem vorbestimmten Winkel, der größer als der Winkel ist, der durch die Austrittsöffnung dem Auge des Betrachters gegenüberliegt, blickt, und mit Mitteln zum Kombinieren des Blicks auf die Austrittsöffnung mit dem Blick auf die Szene vor dem Betrachter, wenn dieser in einer Beobachtungsstellung ist, wobei der Betrachter in überlagerter Weise die Szene und die Leuchtzeichen der Quelle wahrnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Austrittsöffnung (2o) der Kollimatoreinheit (19) zwi-r sehen der Beobachtungsstellung und der Szene vor dem Betrachter angeordnet ist, wobei ein Teil des Blicks des Betrachters auf diese Szene durch direktes Sehen abge-

ZWX S CrI Θ Tl

schirmt ist, und daß die Mittel zum Kombinieren (21)/der Austrittsöffnung der Kollimatoreinheit und der Beobachtungsstellung Mittel (I_R, Ij, 0_R, Ot) zum Durchlassen einer An-sicht der Austrittsöffnung durch direkten Durchgang des Lichts von der Austrittsöffnung zum Auge des Betrachters und einer Ansicht der Szene vor dem Betrachter durch

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Reflexion des Lichts von dieser Szene aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kombinieren (21) wenigstens eine erste plane optische Fläche (I^ oder IjO benachbart der Austrittsöffnung (2o) und in einem Winkel hierzu geneigt und wenigstens eine zweite plane optische Fläche COn oder 0_T) aufweisen,die im wesentlichen parallel zu, je-

^L zu
doch mit Abstand/der ersten optischen Fläche angeordnet ist, wobei die erste optische Fläche Licht von der Austrittsöffnung zu einem Betrachter in Betrachtungsposition durchlässt und zu dem Betrachter Licht von der Szene vor ihm aufgrund von Reflexion an der zweiten optischen Fläche reflektiert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kombinieren (21) zwei gegeneinander geneigte plane optische Flächen (Ip, Ij) - als innere optische Flächen bezeichnet - die an einer gemeinsamen Kante (3o) an der der Austrittsöffnung abgewandten Seite zusammentreffen, in Richtung zu der Austrittsöffnung divergieren und gemeinschaftlich die Austrittsöffnung überspannen, und zwei weitere plane optische Flächen (Op, CL) - als äußere optische Flächen bezeichnet aufweisen, die im wesentlichen parallel mit und im Abstand zu den entsprechenden inneren optischen Flächen angeordnet sind, wobei die inneren optischen Flächen Licht von der Austrittsöffnung zu einem Betrachter in Betrachtungsposition durchlassen und zu dem Betrachter Licht von der Szene vor ihm aufgrund der Reflexion an den äußeren

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optischen Flächen reflektieren.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren optischen Flächen Kanten aufweisen, die in einer gemeinsamen Ebene (23) benachbart der Austrittsöffnung (2o) liegen.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Kante (3o) der inneren optischen Flächen zentral relativ zu dem Teil (2o, 16) der Kollimatoreinheit (19) angeordnet ist, die den direkten Blick des Betrachters auf die Szene vor ihm verdeckt, das die Neigung und Länge jeder inneren optischen Fläche (Ir,, I_T) durch den Weg eines vorbestimmten Grenzlichtstrahls (93) bestimmt wird, der von einem vorbestimmten Ende der Szene vor dem Betrachter an einer Seite hiervon staunt und durch das Auge des Betrachters (Ej) in einer vorbestimmten Grenzaugenstellung (Ε^ΐΡ ^au^ ^der gegenüberliegenden Seite einer zentralen Ebene (15) gesehen wird, die durch die gemeinsame Kante der inneren optischen Flächen und durch die Mitte des Austrittsöffnungsteils und die Szene vor dem Betrachter nach Reflexion an den entsprechenden Kanten der inneren und äußeren optischen Flächen (I_R, 0_R) verläuft, die am nächsten zu dem Austrittsöffnungsteil auf der gleichen Seite der zentralen Ebene wie dieses Ende liegt, und daß die Länge jeder äußeren optischen Fläche (Oß, OjO durch den Weg eines begrenzenden Lichtstrahls (94) von der Szene vor dem Betrachter bestimmt wird, der den Blick verdeckenden Teil (2o, 16) der Kollimatoreinheit (19) auf der gleichen Seite der zentralen Ebene (15) wie die vorbestimmte Augengrenzstellung (E,,) streift und der

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durch das Auge des Betrachters (E_T) in der Position (Εττ) nach Reflexion an den entsprechenden Kanten der äußeren und inneren optischen Flächen (Or, I₁) gesehen wird, die am weitesten von dem Austrittsoffnungsteil auf der gleichen Seite der zentralen Ebene wie die Augengrenzstellung liegen.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede innere optische Fläche (I_R, It) einen mittleren Bereich aufweist, der Licht zu dem Betrachter direkt von der Ausgangsöffnung durchlässt und von der benachbarten äußeren optischen Fläche reflektiert, und die Grenzbereiche aufweist, die benachbart zu dem zentralen Bereich liegen und den Durchgang von Licht zu dem Betrachter nur bei Reflexion von den benachbarten äußeren optischen Flächen erlaubt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren optischen Flächen, die benachbart zueinander liegen, durch gegenüberliegende, im wesentlichen parallele Flächen (31, 35 und 32, 38) von Glasprismen (33, 34) gebildet werden, während ein drittes Glasprisma (26) von dreieckigem Querschnitt zwei gleiche plane Flächen (28, 29) aufweist, die mit den entsprechenden Flächen (31, 32) der entsprechenden Prismen (33, 34) verkittet sind, die die inneren optischen Flächen bilden, wobei die verkitteten Paare von Flächen (28, 29) des dritten Prismas derart ausgebildet sind, daß sie die vorgenannten Lichtdurchlässigkeits- und Reflexionseigenschaften aufweisen, während die drei Prismen aus einem Glas mit vorbestimmten optischen Eigenschaften sind.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Prismenflächen, die am nächsten zu der Betrachterposition liegen und durch die der Betrachter die Szene vor ihm beobachten kann, und die Leuchtsignale in einer gemeinsamen Ebene (22) angeordnet sind, die parallel zu der Ebene der Austrittsöffnung (2o) verläuft.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Prismenfläche (35, 38), die eine der äußeren optischen Flächen (0_R, CL) bildet, mit einer planen Fläche (36, 39) eines Glasprismas (37, 4o) von dreieckigem Querschnitt verkittet ist, um eine Anordnung von fünf Prismen (4oj 34, 26, 33, 37) zu liefern, in der die verkitteten Flächen, die die äußeren optischen Flächen bilden, derart angeordnet sind, daß sie Licht von der Szene vor dem Betrachter direkt zum Betrachter und durch Reflexion zu den benachbarten inneren optischen Flächen durchlassen, während die entsprechenden Prismenflächen der Anordnung·, die am nächsten zu der Beobachterstellung liegen, in einer gemeinsamen Ebene (22) angeordnet sind, die parallel mit der Ebene der Austrittsöffnung (2o) und den äußeren dreieckigen Prismen ist, die aus einem Glas mit vorbestimmten Eigenschaften sind. -

1o. Einrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, insofern diese sich auf Anspruch 6 zurückbeziehen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen (28, 29) des zentralen dreieckigen Prismas (26) vor dem Verkitten mit benachbarten Flächen von benachbarten Prismen behandelt sind, so daß sie Licht von der Austrittsöffnung und reflektierendes Licht von der benachbarten äußeren optischen

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Fläche durchlassen, wobei jede der benachbarten Flächen (31, 32) der benachbarten Prismen (33, 34) ähnlich nur in einem zentralen Bereich behandelt sind, während die Grenzbereiche benachbart dem mittleren Bereich nur Licht von den benachbarten äußeren optischen Flächen reflektieren.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 1o, dadurch

" gekennzeichnet, daß in der Prismenanordnung die inneren und äußeren optischen Flächen (I_R> Ir, 0_R, 0_T ) in planen querverlaufenden Flächen (95, 96) enden, die in Richtung der Austrittsöffnung (2o) divergieren.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die planen optischen Flächen durch Oberflächenbereiche von Glasplatten gebildet werden, wobei die Bereiche derart behandelt sind, daß sie die erforderlichen optischen Eigenschaften -haben, während die Glasplatten fest in einem Trägermittel gehalten werden.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung der Kollimatoreinheit (19) koaxial mit der Austrittsöffnung (2o) ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung der Kollimatoreinheit (19) relativ zu der Austrittsöffnung (2o) versetzt ist und die Kollimatoreinheit Mittel (63 bis 65) zum Reflektieren von Lichtstrahlen von der Lichtzeichenquelle (62) zu der Austrittsöffnung (2o) aufweist, um

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Leuchtzeichen von der Quelle durch die Austrittsöffnung sichtbar zu machen.

15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatoreinheit (19) eine zweite Eintrittsöffnung benachbart einer zweiten Leuchtzeichenquelle (62) aufweist und Mittel (63-65) zum Kombinieren der Lichtstrahlen von den entsprechenden Leuchtzeichenquellen (17, 62) aufweist, um Leuchtzeichen von beiden Quellen gleichzeitig durch die Austrittsöffnung (2o) sichtbar .zu machen.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Leuchtsignalquelle (17) Mittel zur elektrischen Erregung in Abhängigkeit von elektrischen Eingangssignalen aufweist, die hierauf

- gegeben werden, um eine Leuchtzeichenanzeige zu liefern, die entsprechend den Eingangssignalen variiert.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet., daß wenigstens eine Leuchtsignalquelle Mittel zur Erzeugung einer statischen Anzeige von Leuchtzeichen aufweist.

18. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Leuchtzeichenquelle eine Kathodenstrahlröhre (17) aufweist.

19.Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Austrittslinse, die in der Austrittsöffnung (2o) montiert ist, eine Linse in Form eines Kreises aufweist, von der gegenüberliegende Enden

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entfernt worden sind» um ein Paar von parallelen Be-. grenzungen zu schaffen.

2o. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 18 oder 19, gekennzeichnet durch elektrische Verstärkungsmittel (42) mit Ausgangskreisen, die mit einem Ausgangskreis, der mit der Leuchtzeichenquelle (17) verbunden ist, um elektrische Signale zum Variieren der Anzeige der Leuchtzeichen hierauf zu geben, und elektrische Mittel zum Rechnen (43) mit einem Ausgangskreis, der mit Verstärkermitteln (42) verbunden ist, um elektrische Steuersignale zum Variieren der Leuchtzeichenanzeige entsprechend einer vorbestimmten Funktion von Eingangssignalen hierauf zu geben, die auf den Eingangskreis der Mittel zum Rechnen gegeben wurden.

21. Beobachtungseinrichtung zur Verwendung beispielsweise in einem Flugzeug oder einem anderen Fahrzeug mit einer Datenquelle (17), die Leuchtdatenzeichen liefert, mit einem optischen Kollimatorsystem (19), von dem ein Teil, wenn die Einrichtung in oder durch ein Fahrzeug getragen wird, das Sichtfeld des Betrachters auf eine entfernte Szene vor dem Betrachter unterbricht und das kollimierte Leuchtdatensignale von der Datenquelle wiedergibt, und mit zwischen einer Austrittsöffnung (2o) des Kollimatorsystems und dem Betrachter angeordneten ersten und zweiten teilweise lichtdurchlässigen, teilweise lichtreflektierenden ebenen Filmen (I_R, I.) die so gegeneinander geneigt sind, daß sie einen Raum in Form eines Prismas von dreieckigem Querschnitt definieren, der die Austrittsöffnung überspannt und dessen Spitze Kante (3o) von der Austrittsöffnung (2o) abgekehrt ist, und

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durch die solche Leuchtdatensignale, wie sie von der Austrittsöffnung geliefert werden, zu dem Betrachter durchgelassen werden, und dritten und vierten lichtreflektierenden planaren Filmen (0_R, 0_L), die parallel zu und im seitlichen Abstand bezüglich des ersten bzw. zweiten Films angeordnet sind, wobei der Neigungswinkel zwischen dem ersten und zweiten Film derart und die Abmessungen der vier Filme und des seitlichen Abstandes zwischen dem ersten und dritten Film und dem zweiten und vierten Film so sind, daß bestimmte Lichtstrahlen von der entfernten Szene vor dem Betrachter und auftreffend auf den dritten Film von dem Betrachter nach aufeinanderfolgenden Reflexionen an dem dritten und ersten Film wahrgenommen werden, während in gleicher Weise bestimmte Lichtstrahlen von der entfernten Szene vor dem Betrachter und auftreffend auf den vierten Film von dem Betrachter nach aufeinanderfolgenden Reflexionen an dem vierten und zweiten Film wahrgenommen werden, während von dem Teil des optischen Kollimatorsystems reflektiertes und auf den dritten und vierten Film auftreffendes Licht und nach Reflexion hiervon an dem ersten bzw..zweiten Film durch den ersten und zweiten Film so abgelenkt wird, daß für einen bestimmten Bewegungsbereich des Kopfes des Betrachters in beiden Richtungen quer zur vorderen Sichtlinie des Betrachters dieser Teil des optischen Kollimatorsystems für den Betrachter nicht sichtbar ist.

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