DE1813141A1

DE1813141A1 - System zur Erzeugung eines virtuellen Bildes fuer einen Trainingssimulator

Info

Publication number: DE1813141A1
Application number: DE19681813141
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Goodyear Aerospace Corp
Current assignee: Goodyear Aerospace Corp
Priority date: 1967-12-06
Filing date: 1968-12-03
Publication date: 1969-07-24
Also published as: FR1597669A; GB1247557A; US3549803A

Description

1813U1

Patentanwälte Dipi.-ing. Walter Meissner Dipi.-ing. Herbert Tisch er

1 BERLIN 33, HERBERTSTRASSE 22 Fernsprecher: β 87 72 37 - Drahtwort: Invention Berlin Postscheckkonto: W. Meissner, Berlin West 12282 Bankkonto: W. Meissner, Berilner Bank Α.-α, Depka 9β, Berlln-Halensee, Kurfdrstendamm 130, Konto Nr. 96 716

MÜNCHEN

1 BERLIN 33 (GRUNEWALD), den HerbertstraBe 22

' 3. BEI

A-1966-GE Goodyear Aerospace Corporation, Akron, Ohio, V.St.v.A.

System zur Erzeugung eines virtuellen Bildes für einen Trainingesimulator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen reflektiven Typ von virtuellem Schaubild für Simulatoren und Trainer, wobei das Schaubild durch die Verwendung von leichten Spiegeln mit grossem Durchmesser, die zusammen mit einem Eingangsschaubild angeordnet sind, erzeugt wird.

Bisher gab es viele verschiedene Simulatortypen, die virtuelle Bilder benutzten, jedoch waren diese Systeme ziemlich kompliziert und benötigten eine umfangreiche und teuere Ausrüstung für die Anbringung der Spiegel und der übrigen optischen Ausrüstung, da diese ein erhebliches Gewicht aufwies, pie Justierung dieser Ausrüstung, um damit ein viertuelles Bild zu erzeugen, war wegen des großen Gewichtes derselben äußerst schwierig. Die Systeme entsprechend dem Stande der Technik konnten nicht für Simulatoren mit beweglichem Unterteil verwendet werden, da sie hierfür zu schwerfällig und groß waren. Daher wurde eine leichte, einfach einzustellende Trainingsvorrichtung für die Simulierung virtueller Bilder, die außerdem transportierbar sein sollte, benötigt.

Das allgemeine Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung und Überwindung der oben erwähnten und anderer Schwierigkeiten bei bisherigen Vorrichtungen, indem ein leichtes j einfach einzustellendes und transportierbares System zur Erzeugung eines virtuellen Schaubildes geschaffen wird.

909830/Q88&

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verwendung von grossen Abschnitten leichter, mit Aluminium überzogener Kugeln, die aus einem Kunststoffschaum bestehen und auf einfache Weise in einem Leichtbaurahmen angebracht werden können, wobei sie in diesem verstellbar sind und einen Simulator für ein virtuelles Schaubild ergeben, der preiswert, anpassungsfähig und vielseitig verwendbar ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Simulatorsystem für ein virtuelles Bild, das leicht hergestellt, transportiert und angepaßt werden kann, so daß ein Schaubild von einer ^ Kathodenstrahlröhre, einer gewöhnlichen Filmleinwand oder von anderen bekannten Bildquellen übernommen werden kann, wobei die entstehenden Kosten weit geringer und die Zuverlässigkeit weit größer als bei den bisherigen Systemen sind.

Diese Ziele der Erfindung und weitere Ziele derselben, die aus der Beschreibung hervorgehen werden, werden dadurch verwirklicht, daß bei einem Simulatorgerät die Kombination eines Rahmens, eines großen, leichten, mit Aluminium bedeckten Spiegels in Form eines Kugelabschnittes, der verstellbar im Rahmen angebracht ist, und eines optisch durchsichtigen Strahlspalters, der verstellbar in einem Winkel von etwa 45° auf dem Rahmen angebracht ist, wodurch ein Teil des Bildes vom Spie- ψ gel durch den ütrahlspalter reflektiert W2,rd, so daß auf der dem Spiegel gegenüberliegenden Seite des Strahlspalters ein virtuelles Bild erzeugt wird,vorgesehen wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, wobei.·

Fig. 1 eine schematische Darstellung der das erfindungsgemäße System bildenden optischen Einzelteile,

Fig« 2 eine Seitenansicht einer tatsächlichen Anordnung, bei der die Prinzipien der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 angewendet wurden,

909830/0885

^:"~^!|Hi!:;^!ll""5! pi"' τι 's»;«

Fig. 3 eine Schnittansicht des Gebildes mit dem leichten Spiegelaufbau längs der Linie 3-3 der Fig. 2 und

Fig. 4 eine Schnittansicht eines abgewandelten, leichten Verbundspiegelaufbaus darstellen.

Bezugnehmend auf die schematische Darstellung der Fig. 1, weist die Bezugsziffer 10 auf eine geeignete Fernsehröhre, die von einer gewünschten äußeren Quelle gespeist wird und eine Feldlinse 12 aufweisen kann, um die Krümmung des Eingangsbildes an die Krümmungserfordernisse der Spiegel in dem Simulatorgerät anzupassen. Das durch die Linse 12 korrigierte Bild fällt auf einen Strahlspalter 14. Der Strahlspalter 14 ™ ist eine jener optisch klaren oder durchsichtigen Vorrichtungen, wie sie auf diesem Gebiet wohlbekannt sind und z.B. von der Fa. Liberty Mirror, Abteilung von Libby-Owens Ford, Toledo, Ohio hergestellt werden. Der Strahlspalter läßt etwa 50% des auf ihn fallenden Lichtes passieren und reflektiert den anderen Teil des Bildes mit einem Reffexionswinkel, der gleich dem Einfallswinkel ist, so daß in diesem Fall dieser Teil direkt in einen sorgfältig angebrachten, sehr großen Projektionsspiegel 16 reflektiert wird. Der Strahlspalter 14 ist in einem spitzen Winkel von zwischen 35° und 55° gegenüber dem Durchmesser der Konkavseite des Spiegels 16 angebracht. Der Aufbau des Spiegels 16 wird später noch genauer { erläutert; er ist ein Kugelabschnitt, besteht aus einem leichten Kunststoff, auf dessen Oberfläche eine dünne Schicht eines reflektierenden Materials geklebt wird, und weist mehrere Schichten auf. *'ϋχ die Zwecke der Erfindung wird der Spiegel 16 gewöhnlich einen durchmesser von wenigstens 122 cm aufweisen. Der Spiegel 16 projiziert ein sphärisches Bild zurück durch den Strahlspalter 14 und bestimmt auch eine vorbestimmta Systemblende, die durch die Linien 18 angedeutet ist. Das derart projizierte Bild wird zu etwa 50 % von einem zweiten Strahlspalter 20 vom gleichen Typ wie der Strahlspalter 14

909830/0885

_ 4- —

in einen Okularspiegel 22 hinein reflektiert, der etwa den Aufbau und die Größe des Projektionsspiegels 16 aufweist. Das vom Okularspiegel 22 reflektierte Licht passiert.wiederum den Strahlspalter 20 und bildet ein virtuelles Bild in einer Bildebene, die durch die gestrichelte Linie 24 definiert ist»

■kiner Person 26 wird vom System in der Bildebene 24 ein virtuelles Bild dargestellt, welches einen öffnungswinkel von 30° - 60° in senkrechter Richtung und von 60°-150° in waagerechter Richtung aufweist. Gemäß des vorliegenden Entwurfes ist ein optimaler Betrachtungswinkel von 4-5° in senkrechter Richtung und von 110° in waagerechter Richtung vorgesehen. Der Ausgangsdurchmesser des virtuellen Bildes beträgt wenigstens 15 cm» U²¹^- cLie Leuchtstärke des Ausgangsbildes beträgt etwa 6% der Leuchtstärke des Eingangsbildes, wobei der Rest beim Durchgang durch die Strahlspalter und durch Reflexion an den Spiegel oberflächen verlorengegangen ist«. Das System hat ein hohes Auflösungsvermögen und kann mit gewöhnlichen Fernsehbildern, mit auf eine Leinwand projezierten Bildern oder mit tatsächlichen Gegenständen betrieben werden, und es gibt die Bilder in voller Farbe wieder.

Das System ist auf eine bestimmte Bildgröße beschrankt, und wenn das virtuelle Schaubild vergörßert oder verkleinert werden soll, muß das Eingangsbild der Größe nach verändert werden.

Die eigentliche Lage der Spiegel, der Strahlspalter und des Bildprojektionssystems im Kahmenwerk ist am deutlichsten aus der Fig. 2 zu ersehen. Das Rahmenwerk JO ist rechtwinklig und weist eine Länge von 213 cm, eine Breite von 137 cm und eine Höhe von 305 cm auf. Das Rahmenwerk besteht aus Rohren, und sein Gewicht hängt ab vom Werkstoff der Rohre. Bei Verwendung von -kisenrohren beträgt das Gewicht des Rahmenwerkes allein etwa 154 kp, und das gesamte System wiegt etwa 272 kp.

909830/0885

1813U1

_ 5 —

Die gewählte Bauart eignet sich insbesondere für eine leichte Verstellung der optischen Einzelteile, da durch Stellschrauben 34- befestigte Gleitschuhe 32 verwendet werden, die eine gleitende Verstellung der Einzelteile bezüglich des Grundrohrrahmens 30 gestatten. Das Rahmenwerk 30 besteht aus genormten 1-Zoll-Rohr, das lediglich auf die erforderliche Lange geschnitten wird und keinerlei Gewinde aufweist. Schuhe 32 halten die Rohrabschnitte zusammen. Die Gleiteigenschaften dieser Schuhe gestatten eine leichte Verstellung. Da das Rahmenwerk an Ort und Stelle zusammengebaut werden kann, beträgt das Maximalgewicht eines zu handhabenden Rohrabschnittes weniger als 9 kp.

-^ine Zelttuchabdeckung 36 ist vorgesehen, die Staub und das bei der Betrachtmg des Schaubildes störende Licht abschirmt. Das Material kann wasserabstoßendes Leinentuch sein. Ösen 38 werden in geeigneten Abständen vorgesehen, um das Material mittels Seil 4-0 mit dem Rohrrahmenwerk 30 zu verbinden, wie dies in *ig. 2 dargestellt ist. Eine lose Tuchbahn gestattet leichten Zugang zum Zuschauerraum.

Geeignete Rahmen, vorzugsweise aus Holz, werden für die Spiegel, die Strahlspalter und die Feldlinsen vorgesehen. Holz bildet leichte und ausreichend haltbare Hahmen für diese -tanzelteile. Die Holzrahmen werden auch mittels Gleitschuhen mit dem Rohrrahmen 30 verbunden.

Der tatsächliche Aufbau der Spiegel 16 und 22 mit ihren großen Durchmessern ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, da sie bei hoher optischer Qualität zu dem erwünschten Leichtbau führen. Um eine bevorzugte Ausführungsart dieser Konstruktion zu verstehen, sollte auf Fig. 3 Bezug genommen werden, aus der zu sehen ist, daß der Spiegel aus Schichten besteht, wobei eine Aluminiumschicht 52 mit einem inneren Kunststofffilm 54- verbunden ist. Das Film-Aluminium-Verbundgebilde wird dann mittels eines Kunststoffschaumeß mit hoher Dichte und eines KunststoffSchaumes mit niedriger Dichte versteift, wobei

909830/0885

- 6 diese die Schichten 56 "bzw. 58 bilden.

Das Herstellungsverfahren für diese leichte Spiegeloberfläche in -⁰OnIi eines Kugelabschnittes besteht darin, daß eine kreisförmige Umhüllung aus einer Aluminiumschicht, die mit einem Kunststoffilm verbunden ist, gebildet wird. Es ist festgestellt worden, daß Mylar, ein von der Fa. E.I. Du Pont de Nemours & Ooο hergestellter durchsichtiger Polyesterfilm, der metallisiert bzw. aluminisiert worden ist, mit einem bestimmten Druck aufgeblasen werden kann, wenn dreieckige Abschnitte zusammengeklebt worden sind, wobei die von den Klebnähten freie Spiegelfläche die erwünschte spärisch® Kontour erhält. Falls eine genügend große Bahn des Kunststofffilmes verwendet werden kann, müssen keine Dreiecksabschnitte benutzt werden. Jetzt werden Polyurethan oder andere geeignete Schaumstoffe vermischt und auf die konvexe Kunststoffoberfläche des Reflektorabschnittes des aufgeblasenen Gebildes gegossen» Die Flüssigkeit fließt mit gleichmäßiger Dicke über den Film und erhärtet schnell. Es ist äußerst wichtig, daß eine sehr glatte, reflektierende Spiegeloberfläche aus dem metallisierten -^iIm erzeugt wird_f und dies wird dadurch erreicht, daß die erste Schicht ziemlich dünn, ist und aus dichtem Schaum besteht, was der Spiegeloberfläche ihre Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Beulen verleiht«, Falls ohne die dünne, dichte Schicht unmittelbar eine gewöhnliche ziemlich dicke Sch.aumsch.icht niedriger Dichte aufgetragen wird, ist die Oberflächeglätte wegen der gröberen Zellenstruktur unbefriedigend» Der Kunststoffilm auf der Innenseite der reflektierenden Aluminiumschicht hält die Schicht fest während des Aufblas- und Streckvorganges und wenn der gewünschte Abschnitt aus dem sich ergebenden Schaumgebilde geschnitten wird» In einigen Fällen kann es erwünscht sein, daß ein äußerer Kunststoffilm 50 vorgesehen wird, woöurch die metallisierte Reflexionsoberfläche vor dem Zerkratzen oder einer Beschädigung durch atmosphärische Einflüsse geschützt wird. Dieses Herstellungsverfahren führt zu leichten Spiegeln mit einem Durchmesser von mindestens 122 cm, deren. Gewicht nur 1/5 bis 1/10 des Gewichtes vergleichbarer Glasspiegel

909830/0835

beträgt,

Ein abgewandelter Spiegelaufbau, der sich auch als sehr leicht und äußerst wirksam herausgestellt hat, ist in Fig. dargestellt. Bei diesem Verbundspiegel besitzt eine Mylarschicht 60 einen Aluminiumüberzug 62, und diese werden auf der Rückseite durch vier abwechselnde Schichten von Epoxyd und Schaum hoher Dichte gestützt und geformt, wobei diese Schichten mit den Bezugsziffern 64 - 70 versehen sind. Am geeignetesten hat sich für die Schichten 64-70 ein Dickenverhältnis erwiesen, bei dem die Epoxydschicht 64 etwa zweimal so dick wie die Epoxydschicht 68 ist, wogegen die Schaumschicht 66 nur ungefähr halb so dick wie die Schaumschicht 70 ist. f Der gesamte Schichtaufbau wird dann durch eine Schicht 72 aus harzdurchtränktem Fiberglas verstärkt. Bei Verwendung dieses Schichtaufbaus wiegt ein großer Spiegel in Form eines Kugelabschnittes etwa 256 kp/m , was etwa 1/5 bis 1/10 des Gewichts eines vergleichbaren Glasspiegels ausmacht.

Die Dicke des Materials, das den reflektierenden Belag trägt, hängt ab von der Größe und Gestalt des zu bildenden Reflektors und auch von den Verarbeitungseigenschaften des Materials. Verschiedene und beliebige Schichten des Schaumes und des Epoxyds können verwendet werden, um die technischen Anforderungen an den Reflektor zu erfüllen. i

Es wurde also ein leichtes, transportierbares und dennoch höchst wirksames Simulationssystem für ein virtuelles Bild offenbart, welches einen erheblichen Fortschritt gegenüber dem Stand eier Technik darstellt.

909830/0885

Claims

Patentansprüche

1. Simulatorgerät zur Erzeugung eines virtuellen Bildes, gekennzeichnet durch einen Rahmen, einen großen, leichten Spiegel, der konkav ist und waagerecht, senkrecht und drehbar gegenüber dem Rahmen verstellt werden kann, einen optisch durchsichtigen Strahlspalter, der verstellbar am Rahmen angebracht ist und einen Winkel von 35° bis 55° gegenüber der Konkavseite des Spiegels einnimmt, und durch Mittel zur Projizierung eines Bildes zum Strahlspalter hin, wobei . ein Teil des Bildes vom Spiegel durch den Strahlspalter reflektiert wird, so daß von der dem Spiegel gegenüberliegenden Seite des Strahlspalters aus ein virtuelles Bild gesehen werden kann.

2. Simulatorgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten großen, leichten Spiegel und einen zweiten Strahlspalter, die beide verstellbar am Rahmen befestigt sind und wobei del? zweite Strahlspalter die gleiche Lage gegenüber dem zweiten Spiegel einnimmt, wie der erste Strahlspalter gegenüber dem ersten Spiegel, und wobei beide derart bezüglich des ersten Spiegels und Strahlspalters angebracht sind, daß das virtuelle Bild von der der Konkavseite des zweiten Spiegels gegenüberlxegenden Seite des zweiten Strahlspalters gesehen werden kann.

3. Simulatorgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Projizierung des Eingangsbildes eine Kathodenstrahlröhre, die bezüglich des großen Spiegels verstellbar ist, verwendet wird, und daß jeder Spiegel einen Durchmesser von mindestens 122 cm aufweist und etwa 1/10 dessen wiegt, was ein Glasspiegel entsprechender Größe wiegen würde.

4. Simulatorgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der große Spiegel von einer aluminisierten Kunststoffschicht

909830/0885

1813H1

gebildet wird, wobei Schichten von Kxinst stoff schaum die aluminisierte Kunststoffschicht in konkaver Gestalt versteifen, und daß der Spiegel höchstens 1/5 des Gewichts eines vergleichbaren Glasspiegels besitzt.

5« Simulatorgerät, gekennzeichnet durch einen leichten Rahmen in Gestalt eines rechteckigen Kastens, bei dem alle Verbindungen durch verstellbare Gleitschuhe gebildet werden, einen großen, leichten Spiegel mit konkavem Querschnitt, der mittels verstellbarer Gleitschuhe mit dem Rahmen verbunden ist, einen optisch durchsichtigen Strahlenspalter, der in einem Winkel von 35° bsi 55° zum Durchmesser der Konkavseite des Spiegels am R&hraen mittels Gleitschuhen befestigt ist, einen zweiten großen Spiegel, der auch einen Kugelabschnitt darstellt, mittels Gleitschuhen am Rahmen befestigt ist und einen Winkel von etwa 90° gegenüber dem ersten großen Spiegel bildet, einen zweiten optisch durchsichtigen Strahlspalter, der mittels Gleitschuhen am Rahmen befestigt ist und einen Winkel von 35° bis 55° zum Durchmesser der Konkavseite des zweiten Spiegels bildet, und durch Mittel zum Projizieren eines Bildes auf den ersten Strahlspalter in einem Winkel von etwa 4-5°, so daß ein Teil des Lichtes vom ersten Spiegel durch den ersten Strahlspalter reflektiert wird, wonach das Licht auf den zweiten Strahlspalter fällt, so daß wiederum ein Teil des Lichtes vom zweiten Spiegel durch den zweiten Strahlspalter relektiert wird, wobei auf der dem*zweiten Spiegel gegenüberliegenden Seite des zweiten St/qjnlspqfLters ein virtuelles Bild entsteht.

909830/0885