DE602004009258T2

DE602004009258T2 - Optische Geräte insbesondere für Fernerkundung

Info

Publication number: DE602004009258T2
Application number: DE602004009258T
Authority: DE
Inventors: Yaakov Amitai
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2024-09-11
Also published as: EP1515173B1; DE602004009258D1; ATE374955T1; ES2295807T3; US7021777B2; EP1515173A1; IL157836A; WO2005024485B1; WO2005024485A1; US20050078388A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Einrichtungen, und insbesondere Einrichtungen, bei denen ein Objekt aus der Ferne betrachtet wird, mit einem großen Gesichtsfeld (FOV – Field of View), und bei denen die Systemöffnung verschiedenen Beschränkungen unterliegt.
Die Erfindung kann vorteilhaft bei einer großen Anzahl von Abbildungsanwendungen realisiert werden, wie z. B. Periskopen sowie Datenhelmen und Head-Up-Displays.
Allgemeiner Stand der Technik
Es gibt viele Anwendungen, bei denen Fernwahrnehmung (Remote Viewing) notwendig ist, weil sich das zu betrachtende Objekt in einer für den Betrachter ungünstigen Umgebung befindet oder es dem Betrachter unzugänglich ist, ohne seiner Umgebung unzulässige Beschädigung zuzufügen. Periskope für militärische Anwendungen fallen in die erste Kategorie, während Endoskope, Kolonoskope, Laryngoskope und Otoskope für medizinische Anwendungen in die letztere Kategorie fallen. Eine zusätzliche Kategorie ist die der Durchsicht-Abbildungssysteme (See-Through-Abbildungssysteme), wie z. B. Datenhelme (HMDs – Head-Mounted-Displays) und Head-Up-Displays (HUDs), wobei sich der optische Kombinierer vor dem Auge des Betrachters befindet, während sich die Anzeigenquelle in einer Entfernung befindet, um zu vermeiden, dass die Sicht von außen blockiert wird. Jede dieser Anwendungen benötigt Instrumente zum Sammeln von Licht von dem Objekt, zum Transport des Lichts zu einer für die Betrachtung günstigeren Stelle und zum Abgeben des Lichts an die Betrachtungsinstrumente oder das Auge des Betrachters. Heutzutage gibt es einige Bildtransport-Techniken, die allgemein Verwendung finden. Ein mögliches Transportverfahren besteht darin, das Bild mit einer Kamera zu erfassen und die Daten elektronisch in eine Anzeigenquelle zu transportieren, die das Bild projiziert. Zusätzlich zu den relativ hohen Kosten des elektronischen Systems ist üblicherweise leider auch die Auflösung sowohl der Kamera als auch der Anzeigenquelle der Auflösung des Auges unterlegen. Ein weiteres Verfahren besteht darin, das Lichtmuster mit einem kohärenten optischen Faserbündel zu transportieren. Dieses Verfahren ist jedoch nur für Systeme mit sehr kleinen Blenden ausreichend. Weiterhin ist die Auflösung eines optischen Faserbündels noch schlechter als die des oben erwähnten elektronischen Abbildungssystems. Ein alternatives Verfahren besteht darin, das Lichtmuster mit einer Relaislinse oder einer Reihe von Relaislinsen zu transportieren. Zwar ist das zuletzt erwähnte Verfahren bei vielen Anwendungen das am häufigsten verwendete und kann den Benutzer in der Regel mit einem scharfen und hellem Bild versorgen, doch es ist noch immer mit einigen Nachteilen behaftet. In erster Linie wird das optische Modul aufwändig und teuer, insbesondere bei optischen Systemen, die eine hohe Leistung benötigen.
Aus der DE-AS 1 422 172 (C.W. Kopperschmidt) ist ein Periskop aus einem rhomboidischen 45°-Prisma bekannt. Der Hauptkörper des Periskops weist eine abgeschrägte Unter- und Oberseite mit Reflexionsschichten auf. Lichtwellen treten in den Hauptkörper durch eine Eingangsöffnung auf einer seiner Längsseiten ein und verlassen den Hauptkörper durch eine Ausgangsöffnung auf der gegenüberliegenden Längsseite. Hinter den Blenden besitzt der Hauptkörper Reflexionsflächen aus leicht transparenten und verspiegelten Scheiben, die parallel zur optischen Achse der Einrichtung ausgerichtet sind. Alle Lichtwellen treten in den Hauptkörper ein, indem sie eine erste der Reflexionsflächen passieren, werden von der Oberseite reflektiert und verlassen den Hauptkörper, wobei sie nach Reflexion durch die Unterseite die zweite der Reflexionsflächen passieren; einige der Lichtwellen erfahren zwei weitere Reflexionen, wenn sie auf die Innenseite der an den Blenden vorgesehenen Reflexionsflächen treffen. Das Periskop liefert zwei Bilder, eines des Ferngesichtsfelds und eines des Nahgesichtsfelds, die einzeln wahrnehmbar sind.
Häufig ist es jedoch nicht erwünscht, dass unterschiedliche Gesichtsfelder einzeln abgebildet werden. Weiterhin wird zum Erhalt einer bestimmten Vergrößerung des Gesichtsfelds eine gewisse Mindestlänge des offenbarten Periskops benötigt.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Auslegung und Herstellung von sehr einfachen optischen Hochleistungsmodulen für, unter anderen Anwendungen, Periskope. Die Erfindung gestattet Systemen, ein relativ großes FOV zu erzielen, wobei das Modul einfach und kompakt gehalten wird. Das durch die vorliegende Erfindung gebotene optische System ist besonders vorteilhaft, da es selbst in optische Systeme mit Spezialkonfigurationen leicht eingebaut werden kann.
Die Erfindung ermöglicht auch den Bau von verbesserten HUDs in Flugzeugen und auch Bodenfahrzeugen, wo sie den Piloten oder Fahrer potentiell bei Navigations- und Fahraufgaben unterstützen können. HUDs des Stands der Technik sind dennoch mit einigen bedeutsamen Nachteilen behaftet. Da die Systemanhaltung, die sich gewöhnlich an der äußeren Fläche der Kollimationslinse befindet, weit von den Augen des Betrachters weg positioniert ist, ist das momentane Gesichtsfeld (IFOV – Instantaneous Field of View) erheblich reduziert. Um ein besonders wünschenswertes IFOV zu erhalten, ist daher eine sehr große Kollimationslinse nötig, da man sonst ein viel kleineres IFOV erhält. Folglich sind derzeitige HUD-Systeme entweder sperrig und groß, benötigen erheblichen Einbauplatz, was unpraktisch und manchmal sogar gefährlich ist, oder leiden unter begrenzter Leistung.
Eine wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft ihre Realisierung in einem kompakten HUD, was die oben erwähnten Nachteile lindert. Bei der HUD-Gestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Gesamtvolumen des Systems erheblich reduziert, wobei das erzielbare IFOV erhalten bleibt. Das Gesamtsystem ist somit sehr kompakt und kann leicht in unterschiedliche Konfigurationen für eine breite Palette von Anwendungen installiert werden.
Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung schafft eine kompakte Anzeige mit einem weiten FOV für HMDs, wobei ein optisches Modul sowohl als Abbildungslinse als auch als Kombinierer dient und eine zweidimensionale Anzeige auf unendlich abgebildet ist und in das Auge eines Betrachters reflektiert wird. Die Anzeige kann direkt, d. h. entweder von einer Kathodenstrahlröhre (CRT – Cathode Ray Tube) oder einer Flüssigkristallanzeige (LCD – Liquid Crystal Display), oder indirekt, mittels einer Relaislinse oder einem optischen Faserbündel, erhalten werden. Die Anzeige umfasst normalerweise ein Array aus Punkten, die von einer Kollimationslinse auf unendlich abgebildet sind und mittels einer als Kombinierer wirkenden teilreflektierenden Fläche in das Auge eines Betrachters übermittelt werden. Dazu wird gewöhnlich ein herkömmliches optisches Freiraummodul verwendet. Leider wird jedoch mit der Vergrößerung des gewünschten FOVs des Systems das optische Modul schwerer, sperriger und bei der Verwendung sehr kompliziert. Dies ist ein großer Nachteil bei Anwendungen, die auf dem Kopf getragen werden, bei denen das System möglichst leicht und kompakt sein sollte.
Die derzeitigen Systeme haben auch andere Nachteile. Die optischen Gesamtsysteme sind in diesen Gestaltungen gewöhnlich sehr kompliziert und schwer herzustellen. Ferner ist das aus diesen Gestaltungen resultierende Blickfeld der optischen Betrachtungswinkel gewöhnlich sehr klein – normalerweise weniger als 8 mm. Die Leistung des optischen Systems ist damit selbst geringen Bewegungen des Visiers relativ zum Auge des Betrachters gegenüber sehr empfindlich.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Auslegung und Herstellung von sehr kompakten HMDs. Die Erfindung gestattet relativ weite FOVs zusammen mit relativ großen Blickfeldwerten. Das resultierende optische System bietet ein großes Bild hoher Qualität, welches auch starken Bewegungen des Auges Rechnung trägt.
Bei allen möglichen Anwendungen ist die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft bei Konfigurationen der Substratart, d. h. bei einer Konfiguration mit einem lichtsendenden Substrat mit mindestens zwei Hauptflächen und Kanten, mit optischen Mitteln zum Einkoppeln von Licht aus dem Abbildungsmodul in das Substrat unter Totalreflexion und mindestens einer teilreflektierenden Fläche im Substrat zur Kopplung des Lichts auf das Auge des Betrachters. Die Kombination der vorliegenden Erfindung mit einer Konfiguration der Substratart kann ein sehr kompaktes und praktisches optisches System zusammen mit einem großen IFOV und großem Blickfeld ergeben.
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Linderung der Nachteile der optischen Einrichtungen des Stands der Technik und insbesondere Fernwahrnehmungsanzeigeeinrichtungen und in der Schaffung optischer Einrichtungen und Systeme mit verbesserter Leistung.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert, wobei die Erfindung im Wesentlichen eine optische Einrichtung zum Übertragen von Licht innerhalb eines gegebenen Gesichtsfelds bereitstellt, mit einer Eingangsöffnung für den Eintritt von Lichtwellen in die Einrichtung; reflektierenden Flächen, einer Ausgangsöffnung, die in beabstandeter Beziehung zur Eingangsöffnung liegt, und einer optischen Achse, die sich zwischen der Eingangs- und Ausgangsöffnung erstreckt, so dass Lichtwellen, die sich im Gesichtsfeld befinden und durch die Eingangsöffnung in die optische Einrichtung eintreten, die optische Einrichtung durch die Ausgangsöffnung verlassen, und wobei die reflektierenden Flächen aus mindestens einem Paar paralleler reflektierender Flächen bestehen, während bei jedem des mindestens einen Paars eine erste der Flächen des Paars auf einer ersten Seite der optischen Achse liegt und eine zweite der Flächen des Paars auf einer zweiten Seite der optischen Achse gegenüber der ersten Seite liegt. Jede des mindestens einen Paars paralleler reflektierender Flächen ist zur optischen Achse so abgewinkelt, dass, in Richtung Ausgangsöffnung, eine erste des Paars paralleler reflektierender Flächen zur optischen Achse konvergiert, während eine zweite des Paars paralleler reflektierender Flächen von der optischen Achse divergiert. Ein Teil der Lichtwellen innerhalb des Gesichtsfelds, der in die Eingangsöffnung eintritt, passiert direkt zur Ausgangsöffnung, ohne von der mindestens einen des Paars paralleler reflektierender Flächen reflektiert zu werden, während ein anderer Teil der Lichtwellen innerhalb des Gesichtsfelds, der in die Eingangsöffnung eintritt, an der Ausgangsöffnung ankommt, nachdem er zweimal an dem mindestens einen Paar paralleler reflektierender Flächen reflektiert wurde. Jede des mindestens einen Paars paralleler reflektierender Flächen liegt abgewinkelt in Bezug auf die optische Achse der Einrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung in Zusammenhang mit gewissen bevorzugten Ausführungsformen anhand der folgenden veranschaulichenden Figuren beschrieben.
Mit speziellem Bezug auf die Figuren im Einzelnen wird betont, dass die gezeigten Einzelheiten beispielhaft sind und nur zur veranschaulichenden Erörterung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen und im Sinne einer als am nützlichsten und am leichtesten zu verstehen erachteten Beschreibung der Grundzüge und konzeptionellen Aspekte der Erfindung dargestellt werden. In dieser Hinsicht wird nicht versucht, bauliche Details der Erfindung ausführlicher zu zeigen als dies zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung nötig ist. Die Beschreibungen zusammen mit den Zeichnungen sollen dem Fachmann als Anleitung dienen, wie man mehrere Formen der Erfindung in der Praxis ausgestalten kann.
In den Zeichnungen ist
1 eine Seitenansicht der einfachsten Form einer Periskopausführung des Stands der Technik;
2 ein schematisches Diagramm eines nicht-gefalteten optischen Aufbaus einer Periskopausführung des Stands der Technik;
3 eine Seitenansicht einer faltbaren optischen Einrichtung für HUD und HMD der Substratart nach dem Stand der Technik;
4 ein schematisches Diagram eines erfindungsgemäßen optischen Aufbaus unter Verwendung von zwei Paaren paralleler reflektierender Spiegel zum Erreichen eines weiten Gesichtsfelds;
5 ein Diagramm einer erfindungsgemäßen faltbaren optischen Einrichtung für HUD und HMD der Substratart; und
6A und 6B veranschaulichen eine Seiten- und Draufsicht einer erfindungsgemäßen optischen Einrichtung, die die Lichtwellen als in ein Element der Substratart eingekoppelt zeigen.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Optische Fernwahrnehmungssysteme und insbesondere Periskope sind optische Systeme, die so ausgeführt sind, dass der Objektraumbezugspunkt von dem Augenraumbezugspunkt weg verschoben wird. Dies erlaubt es dem Beobachter, über ein im Weg liegendes Hindernis hinweg oder darum herum zu sehen oder Objekte an einer gefährlichen Stelle oder in einer gefährlichen Umgebung zu betrachten, während sich der Beobachter an einer sichereren Stelle oder in einer sichereren Umgebung befindet. Ein Unterseebootperiskop ist das typische Beispiel, doch es kommen auch viele andere Anwendungen in Betracht, sowohl im militärischen als auch nicht-militärischen Bereich.
1 veranschaulicht die einfachste Form eines Periskops 2 des Stands der Technik mit einem Paar optischer Elemente 4 und 6, z. B. einem Paar Faltspiegel, deren Verwendung einem Betrachter die Sicht über ein nahe liegendes Hindernis ermöglicht. Die Grundgeometrie dieser Ausführungsform erlegt der Leistung des Systems Einschränkungen auf. Dies gilt insbesondere für Systeme mit einem sehr weiten FOV und einer Beschränkung hinsichtlich der Entfernung, l, zwischen dem nach innen faltbaren optischen Element 4 und dem nach außen faltbaren Element 6.
2 veranschaulicht ein ungefaltetes optisches System mit den folgenden Parametern: l = 400 mm, R_eye, der Abstand zwischen dem Auge eines Betrachters oder noch besser des Blickfelds (EMB – Eye-Motion-Box) 8 und der Ausgangsöffnung 10 beträgt 60 mm, das benötigte EMB 8 beträgt 50 mm und das benötigte vertikale FOV beträgt 42°. Wenn die Strahlen von dem EMB 8 nachgezeichnet werden, ist ersichtlich, dass das Licht durch die Projektion des EMB an der Ausgangsöffnung 10 hindurchläuft, wobei 12, 14 und 16 die Projektionen der oberen, mittleren bzw. unteren Winkel des FOVs sind. Dies bedeutet, dass die benötigte Eingangsöffnung 18 325 mm betragen muss, um das gewünschte FOV zu erzielen. Dies ist eine relativ große Blende, die notwendigerweise die Größe des gesamten Systems vergrößert. Wird jedoch nur eine kleinere Eingangsöffnung 20 von 200 mm verwendet, verringert sich das erhältliche vertikale FOV 22 auf 23°, was nahezu die Hälfte des benötigten FOVs ist.
Das gebräuchlichste Verfahren zur Erzielung sowohl einer kleinen Blende als auch eines weiten FOV besteht darin, das Lichtmuster über eine Relaislinse oder eine Reihe von Relaislinsen, üblicherweise mit Vergrößerungseinheitlichkeit, von der nach innen faltbare Blende in die nach außen faltbare Blende zu übermitteln. Obgleich dieses Verfahren bei vielen Anwendungen verwendet wird und dem Benutzer gewöhnlich ein scharfes und helles Bild bietet, ist es dennoch mit einigen Nachteilen behaftet, insbesondere bei Systemen, wo hohe Leistung gefordert ist. Erstens ist es wünschenswert, sowohl zur Übersendungsmaximierung als auch zur Minimierung der Feldkrümmung, die von der großen Anzahl positiver Linsen verursacht wird, die Anzahl an Relaisstufen in der Relaisreihe zu minimieren. Zweitens ist der Außendurchmesser der Relaisreihe normalerweise begrenzt, was der optischen Gestaltung des Systems schwere Einschränkungen auferlegen kann. Drittens machen es wirtschaftliche Überlegungen wünschenswert, die Gesamtzahl optischer Elemente zu minimieren. Viertens ist es wünschenswert, Innenbilder deutlich von optischen Flächen fernzuhalten, wo Staub und Kratzer Teile des Bilds undeutlich machen können, was die mechanische Gestaltung und Herstellung der Einrichtung verkompliziert. Fünftens muss die Anzahl der Relaisstufen entweder ungerade oder gerade sein, um die gewünschte Ausgangsbildausrichtung zu gewährleisten, was die optische Gestaltung noch Weiter verkompliziert. Insgesamt sind die derzeitigen Systeme entweder schwer, unhandlich und teuer oder sie haben eine schlechte Leistung. Daher muss bei der Gestaltung eines Fernwahrnehmungssystems für gewöhnlich ein Kompromiss zwischen guter Leistung einerseits und Kompaktheit und Kosten andererseits gefunden werden.
3 veranschaulicht schematisch eine herkömmliche Faltoptikanordnung für sowohl HUDs als auch HMDs, wobei das optische System 2 von einer Anzeigenquelle 24 beleuchtet wird. Die Anzeige wird von einer Kollimationslinse 26 kollimiert. Das Licht von der Anzeigenquelle 24 wird von einem ersten reflektierenden optischen Element 4 gefaltet, während ein zweites reflektierendes optisches Element 6 das Licht nach außen in das EMB 8 eines Betrachters faltet. Trotz der Kompaktheit dieser Konfiguration ist es mit erheblichen Nachteilen behaftet, speziell einem begrenzten FOV. Wie in der Figur zu sehen ist, beträgt der maximal zulässige außeraxiale Winkel α im Substrat:
worin

T: die Substratdicke bezeichnet;
d_eye: den gewünschten Durchmesser der Austrittspupille bezeichnet und
l: den Abstand zwischen den reflektierenden Elementen 4 und 6 bezeichnet.

Diese schematische Konfiguration gilt sowohl für HUDs als auch für HMDs und unterscheidet sich nur in der Größenordnung, d. h. Abstände bei HUDs sind in der Größenordnung einiger hundert Millimeter, während die Abstände bei HMDs in der Größenordnung einiger zehn Millimeter sind. In beiden Fällen besteht jedoch die Einschränkung, dass der Kombinierer vor dem Auge des Betrachters liegen sollte, während die Anzeigenquelle und die Kollimationslinse weiter entfernt liegen sollten, um die Außenszene nicht zu blockieren.
4 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Lösung dieses Problems. Statt einen einfachen rechteckigen Kasten zu verwenden, werden zwei der Horizontalkanten des mechanischen Körpers eines gewöhnlichen Periskops durch zwei Paare paralleler reflektierender Flächen 28a, 28b bzw. 30a, 30b ersetzt. In Richtung der Ausgangsöffnung 20 konvergieren die reflektierenden Flächen 28a und 30a zueinander, während die reflektierenden Flächen 28b und 30b voneinander divigieren. Die beiden Paare bilden eine durchgängige Fläche, d. h. die Kanten der Flächen 30a und 28b bzw. 28a und 30b berühren einander, wobei sie im Querschnitt zwei zusammenhängende Flächen in der Konfiguration eines Schmetterlings bilden.
Wie ersichtlich ist der mittlere Teil der Einrichtung ein Freiraummedium und die Strahlen durchqueren dieses Medium von der Eingangsöffnung zur Ausgangsöffnung 20 ohne reflektiert zu werden.
Während der mittlere Teil des FOVs wie in 2 direkt durch die Blende 20 projiziert wird, werden die Strahlen vom unteren Teil des FOVs von den Flächen 28a und 28b reflektiert während die Strahlen vom oberen Teil des FOVs von den Flächen 30a und 30b reflektiert werden. Da die in das EMB 8 eintretenden Strahlen entweder direkt von der Eingangsöffnung laufen oder zweimal von einem Paar paralleler Flächen reflektiert werden, wird die ursprüngliche Richtung eines jeden Strahls beibehalten und das ursprüngliche Bild wird nicht beeinträchtigt. Wie ersichtlich, setzt sich das Ausgangsbild am EMB 8 aus drei Teilen zusammen: einem mittleren Teil optischer Wellen, der von keinem der Paare paralleler reflektierender Flächen reflektiert wird, und zwei Seitenteilen, die zweimal von den Flächen 28a, 28b; 30a, 30b reflektiert werden. Diese drei Teile müssen ordnungsgemäß kombiniert werden, um in den Augen des Betrachters ein stufenloses Bild ohne Streifen oder Geisterbilder zu bilden.
Der Einfachheit halber ist die Richtung der Strahlen vom EMB 8 zur Eingangsöffnung 10 invertiert. Jeder Strahl, der von Flächen 28a und 30b reflektiert wird, wird ebenfalls von Fläche 28b bzw. 30a reflektiert, bevor er auf die Eingangsöffnung 20 auftrifft. Um dies zu bestätigen, genügt es, den Weg der zwei Strahlen zu überprüfen: Der Randstrahl des Extremwinkels 32 des FOVs, der an einem Punkt 34 auf die Fläche 28a fällt, muss auf die Fläche 28b hinter ihrem Schnittpunkt mit der Fläche 30a auftreffen; und der Randstrahl 36, der auf die Fläche 28a neben ihrem Schnittpunkt 38 mit der Fläche 30b fällt, muss auf die Fläche 28b auftreffen, bevor er die Eingangsöffnung 20 durchschreitet. Da beide Randstrahlen die Bedingung erfüllen, treffen alle Strahlen vom FOV, die auf die Fläche 28a fallen, notwendigerweise auch auf die Fläche 28b auf. Wird also die Richtung der Strahlen erneut invertiert, tritt ein im FOV liegender Strahl, der mit einem im FOV liegenden Winkel auf das EMB auftrifft, notwendigerweise mit dem gleichen Winkel in die Eingangsöffnung ein. Das vorliegende Beispiel ergibt ein FOV von 42° mit einer erheblich reduzierten Eingangsöffnung 20 von 180 mm. In Fällen, wo l besonders groß ist, kann natürlich eine Kaskade von zwei oder mehr Paaren reflektierender Flächen verwendet werden, um das gewünschte FOV zu erzielen, wobei eine annehmbare Größe einer Eingangsöffnung erhalten bleibt.
Die zwei Paare paralleler reflektierender Flächen, die in 4 veranschaulicht sind, sind identisch und um die optische Achse der Einrichtung symmetrisch, obwohl die beiden Paare paralleler reflektierender Flächen nicht unbedingt identisch sein müssen und ein asymmetrisches System mit unterschiedlichen Paaren entsprechend erwünschtem oberen und unteren Winkel des FOVs verwendet werden kann. Bei Systemen, bei denen nur eines der FOVs vergrößert werden soll (entweder das obere oder das untere), ist ferner nur ein Paar paralleler reflektierender Flächen nötig, um ein erwünschtes FOV zu erhalten. Danüber hinaus kann mit diesem Verfahren nicht nur das vertikale FOV vergrößert werden. Es gibt Systeme, insbesondere für die Navigation und/oder das Fahren, in denen das horizontale FOV wichtiger ist und demnach vergrößert werden kann. Weiterhin kann das FOV sowohl in der horizontalen Achse als auch in der vertikalen Achse vergrößert werden, wobei dennoch darauf geachtet werden muss, Übersprechen zwischen den horizontalen und den vertikalen Paaren zu verhindern.
Der Zweck der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung besteht darin, Licht innerhalb eines bestimmten Gesichtsfelds (FOV) von Winkeln zwischen einem kleinsten Winkel α_min und einem größten Winkel α_max zu übertragen. Die optische Einrichtung umfasst eine Eingangsöffnung und eine von dieser Eingangsöffnung entfernt liegende Ausgangsöffnung, so dass eine sich in dem FOV befindliche Lichtwelle, die durch die Eingangsöffnung in die optische Einrichtung eintritt, d. h. einen solchen Einfallswinkel α hat, dass α_min < α < α_max, die optische Einrichtung durch die Ausgangsöffnung verlässt, und hat mindestens ein Paar paralleler reflektierender Flächen. Ein Teil der sich in dem FOV befindlichen Lichtwellen, der durch die Eingangsöffnung eintritt, passiert direkt im Freiraum zu der Ausgangsöffnung, ohne reflektiert zu werden, während ein anderer Teil der durch die Eingangsöffnung eintretenden Lichtwellen in dem FOV an, der Ausgangsöffnung ankommt, nachdem er zweimal von dem Paar paralleler reflektierender Flächen reflektiert wurde.
Die reflektierenden Flächen 28a, 28b, 30a, 30b, die in 4 veranschaulicht sind, sind einfache Spiegel, die dem Snelliusschen Gesetz unterliegen, das heißt, dass der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel an der Fläche ist. In einigen Fällen wird jedoch bevorzugt, stattdessen zwei parallele Beugungsgitter zu verwenden, wobei der Reflexionswinkel an der Fläche nicht gleich dem Einfallswinkel ist. Zwar hängt bei einem gegebenen Einfallswinkel der Reflexionswinkel von der Wellenlänge des einfallenden Strahls ab, doch wird bei allen Wellenlängen der Reflexionswinkel an der zweiten reflektierenden Fläche gleich dem Einfallswinkel an der ersten reflektierenden Fläche sein, wenn die Gitterfunktionen der beiden Gitter identisch sind.
Die Ausführungsform nach 4 ist ein eine einfache Realisierung dieses Verfahrens veranschaulichendes Beispiel. Die Verwendung von Paaren paralleler reflektierender Flächen zur Verkleinerung der Blende der Einrichtung bei einem gegebenen FOV oder als Alternative zur Vergrößerung des verwendbaren FOVs bei einer gegebenen Blende ist nicht auf Periskope begrenzt und kann bei anderen optischen Einrichtungen Gebrauch finden, wo die Eingangsöffnung weit von der Ausgangsöffnung weg liegt, einschließlich Freiraumsystemen wie HUDs, HMDs u. Ä., ohne darauf beschränkt zu sein.
Wie in 5 veranschaulicht, kann das FOV des optischen Systems durch Verwendung der gleichen Struktur wie unter Bezug auf 3 beschrieben vergrößert werden, indem zwei Paare paralleler Spiegel 42a, 44b, 44a und 42b hinzugefügt werden, wie in 4 gezeigt.
6A und 6B veranschaulichen eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer optischen Einrichtung 46 der Substratart der vorliegenden Erfindung, die ein lichtsendendes Substrat 48 mit mindestens zwei parallelen Hauptflächen 50, 52 und Seitenkanten 54, 56, ein optisches Element 4 zum Einkoppeln des Lichts durch Totalreflexion von der Anzeigenquelle 24 über eine Kollimationslinse 26 in das Substrat 48 und ein oder mehrere mindestens teilreflektierende optische Elemente 6, die sich im Substrat befinden, zum Einkoppeln des Lichts in das EMB 8 eines Betrachters umfasst. Statt jedoch eine einfache rechteckige Substratplatte zu verwenden, ist ein Teil der zwei Seitenkanten 54, 56 des Substrats 48 mit zwei Paaren paralleler reflektierender Flächen 58a, 58b, 60a, 60b versehen, ähnlich den zwei Paaren paralleler Spiegel 28a, 28b und 30a, 30b von 4. Die Winkel zwischen den im Substrat 48 gefangenen Strahlen und den reflektierenden Flächen 58a, 58b, 60a, 60b sind groß genug, um Totalreflexion zu erzielen. Als solche benötigen diese Flächen keine besondere Reflexionsschicht und es handelt sich lediglich um polierte Flächen. Die Kombination der vorliegenden Erfindung mit einer Konfiguration der Substratart ergibt ein kompaktes und praktisches optisches System mit zufriedenstellender optischer Leistung und einem weiten FOV.
Die Ausführungsform in 6A und 6B ist ein Beispiel eines Verfahrens zum Einkoppeln der Eingangswellen in das Substrat. Eingangswellen könnten aber auch durch andere optische Mittel in das Substrat eingekoppelt werden, unter anderem Faltprismen, optische Faserbündel, Beugungsgitter u. a., ohne darauf beschränkt zu sein.
Weiterhin befinden sich in der Ausführungsform nach 6A und 6B die Eingangswellen und die Bildwellen zwar auf derselben Seite des Substrats, es sind aber auch andere Konfigurationen vorstellbar, bei denen sich die Eingangs- und die Bildwellen auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats befinden. Es könnte sogar Anwendungen geben, bei denen die Eingangswellen durch eine der Substratseitenkanten in das Substrat eingekoppelt werden können.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass sich die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der oben erwähnten veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt und dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgestaltet werden kann, ohne dass von ihrem Gedanken oder ihren wesentlichen Merkmalen abgewichen wird. Die vorliegenden Ausführungsformen sollen daher in jeglicher Hinsicht als veranschaulichend und nicht-einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung eher durch die angehängten Ansprüche als durch die oben erwähnte Beschreibung aufgezeigt wird, und alle Änderungen, die unter die Bedeutung und in den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher darin mit umfasst sein.

Claims

Optische Einrichtung zum Übertragen von Licht innerhalb eines gegebenen Gesichtsfeldes, umfassend: eine Eingangsöffnung (20) für den Eintritt von Lichtwellen in die Einrichtung; eine Ausgangsöffnung, die in beabstandeter Beziehung zur Eingangsöffnung (20) liegt, so dass Lichtwellen, die sich in dem Gesichtsfeld befinden und durch die Eingangsöffnung (20) in die optische Einrichtung eintreten, die optische Einrichtung durch die Ausgangsöffnung verlassen; einen mittleren Teil, der sich so zwischen der Eingangs- und Ausgangsöffnung erstreckt, dass die Strahlen den mittleren Teil von der Eingangsöffnung bis zur Ausgangsöffnung durchlaufen, ohne reflektiert zu werden; und reflektierende Flächen (28a, 28b, 30a, 30b; 42a, 42b, 44a, 44b; 58a, 58b, 60a, 60b); wobei die reflektierenden Flächen aus mindestens einem Paar paralleler reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b; 42a, 42b, 44a, 44b; 58a, 58b, 60a, 60b) bestehen; dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem des mindestens einen Paars eine erste der Flächen des Paars auf einer ersten Seite des mittleren Teils liegt und eine zweite der Flächen des Paars auf einer zweiten Seite des mittleren Teils gegenüber der ersten Seite liegt; jede des mindestens einen Paars paralleler reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b; 42a, 42b, 44a, 44b; 58a, 58b, 60a, 60b) zur optischen Achse abgewinkelt ist und, in Richtung Ausgangsöffnung, eine erste des Paars paralleler reflektierender Flächen zur optischen Achse konvergiert, während eine zweite des Paars paralleler reflektierender Flächen von der optischen Achse divergiert; wodurch ein Teil der Lichtwellen innerhalb des Gesichtsfelds, der in die Eingangsöffnung (20) eintritt, direkt zur Ausgangsöffnung passiert, ohne von dem mindestens einen der Paare paralleler reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b; 42a, 42b, 44a, 44b; 58a, 58b, 60a, 60b) reflektiert zu werden, während ein anderer Teil der Lichtwellen innerhalb des Gesichtsfelds, der in die Eingangsöffnung (20) eintritt, an der Ausgangsöffnung ankommt, nachdem er zweimal an dem mindestens einen Paar paralleler reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b; 42a, 42b, 44a, 44b; 58a, 58b, 60a, 60b) reflektiert wurde.
Optische Einrichtung nach Anspruch 1, bei der ein anderer Teil der Lichtwellen mit der gleichen Richtung an der Ausgangsöffnung ankommt, mit der er an der Eingangsöffnung (20) ankommt.
Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das mindestens eine Paar reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) die Ausbreitungsrichtung mindestens eines Teils der Lichtwellen ändert und es dann in seine ursprüngliche Richtung zurück reflektiert.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Ort und die Ausrichtung des mindestens einen Paars reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) und der Ausgangsöffnung das Gesichtsfeld für eine gegebene Eingangsöffnung (20) erzeugen.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Ort und die Ausrichtung des mindestens einen Paars reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) und der Ausgangsöffnung die Eingangsöffnung (20) für ein gegebenes Gesichtsfeld erzeugen.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das mindestens eine Paar reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) die Lichtwellen in eine Richtung reflektiert, die so berechnet wurde, dass sie ein Auge eines Beobachters erreichen.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das mindestens eine Paar reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) die Lichtwellen in eine Richtung reflektiert, die so berechnet wurde, dass sie beide Augen eines Beobachters erreichen.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der eine erste Fläche der reflektierenden Flächen (28b, 30b, 42b, 44b, 58b, 60b) bezüglich des mittleren Teils konvergiert und eine zweite reflektierende Fläche (28a, 30a, 42a, 44a, 58a, 60a) bezüglich des mittleren Teils divergiert.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend mindestens zwei Paare paralleler reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b).
Optische Einrichtung nach Anspruch 9, bei der die zwei Paare reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) miteinander identisch sind.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das mindestens eine Paar reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) um den mittleren Teil der Einrichtung symmetrisch ist.
Optische Einrichtung nach Anspruch 9, bei der, in Richtung Ausgangsöffnung, eine erste reflektierende Fläche (28b, 30b, 42b, 44b, 58b, 60b) jedes Paars bezüglich der anderen konvergiert und eine zweite reflektierende Fläche (28a, 30a, 42a, 44a, 58a, 60a) jedes Paars bezüglich der anderen divergiert.
Optische Einrichtung nach Anspruch 12, bei der die beiden Paare reflektierender Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b, 58a, 58b, 60a, 60b) einander berühren und somit zwei direkt aneinanderliegende Flächen bilden.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die reflektierenden Flächen (28a, 28b, 30a, 30b, 42a, 42b, 44a, 44b) Spiegel sind.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die reflektierenden Flächen (58a, 58b, 60a, 60b) nicht beschichtet sind.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die beiden reflektierenden Flächen Beugungsgitter sind.
Optische Einrichtung nach Anspruch 16, bei der die Gitterfunktionen der beiden Beugungsgitter miteinander identisch sind.