DE60122012T2

DE60122012T2 - Avionik-Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE60122012T2
Application number: DE60122012T
Authority: DE
Inventors: John Middletown MAGNO; A. Paul Rockway PAPANESTOR
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: EP1354240B1; KR20030034196A; US6538813B1; WO2002025359A2; ATE335221T1; CN1505771A; EP1674900A1; JP4768210B2; AU2001291317A1; EP1354240A2; JP2004510185A; DE60140327D1; WO2002025359A3; CN1285950C; EP1674900B1; DE60122012D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Luftfahrzeugavionik-Anzeigeeinrichtungen. Solche Anzeigen sind bekannt, siehe zum Beispiel die US 5,657,408 .
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Anzeigeeinrichtungen, wie zum Beispiel Projektionsanzeigeeinrichtungen, vom Bildschirm abgesetzte Anzeigeeinrichtungen und Direktsichtanzeigen sind bekannt. Siehe zum Beispiel Zimmerman et al. (US-Patent 5,481,385). Solche Anzeigen werden in einem großen Spektrum von Anwendungen benutzt, darunter Computerterminals, Flugzeug-Cockpitanzeigen, Instrumententafeln für Kraftfahrzeuge, Fernsehgeräte und andere Einrichtungen, die Text-, Graphik- oder Videoinformationen liefern. Herkömmliche Direktsichtanzeigen, wie zum Beispiel Flüssigkristallanzeigen, sind mit etlichen inhärenten Nachteilen behaftet. Zum Beispiel sind solche Anzeigen bei großen Einblickwinkeln (große Winkel zu der Oberflächennormalenrichtung der Anzeige) mit dem Nachteil eines niedrigen Kontrasts behaftet sowie mit dem Nachteil, dass sich bei Änderungen des Einblickwinkels die wahrgenommene Farbart ändert.
Für die meisten Anzeigeeinrichtungen ist es wichtig, dass der Bediener die Anzeige unter diversen Winkeln zur Achse einsehen kann. Zum Beispiel kann es in einem Flugzeug mit einem linken und einem rechten Crewsitz (Pilotensitz/Copilotensitz) notwendig sein, dass der Pilot quer durch das Cockpit blicken muss, um die Anzeigen des Copiloten abzulesen. In dieser Situation ist ein großer (> 60°) Einblickwinkel zur Achse wünschenswert. Bestimmte Anzeigetypen (z.B. LCDs) haben einen begrenzen Einblickwinkel zur Achse (< 20°), sofern keine externe Kompensation geschaffen wird.
In Zimmerman, US-Patent 5,481,385, erteilt am 2. Januar 1996, ist zwischen einer Flüssigkristallanzeige (LCD, engl. „liquid crystal display") und einer Person, die die Anzeige betrachtet, ein Betrachtungsschirm platziert. Auf dem Fachgebiet ist es wünschenswert, kollimiertes Licht durch eine LCD-Anzeige zu leiten, um ein Bild zu erzeugen. Solches kollimiertes Licht weist einen reichlich kleinen Streuwinkel (ca. 5° bis 10°) auf, was für die Anzeige zu nicht wünschenswerten Eigenschaften bei der Betrachtung außerhalb der Achse führt. Der Betrachtungsschirm von Zimmerman, der auf der Betrachterseite des Schirms mehrere optische Wellenleiter von konischer Gestalt aufweist, ist in 1 gezeigt. Der Betrachtungsschirm umfasst mehrere konische Wellenleiter 11, die auf einem transparenten, ebenen Substrat 12, wie etwa einem Glas, angeordnet sind. Jeder konische Wellenleiter weist eine (in 1 nicht zu sehende) Lichteingangsfläche 13 durch das Substrat 12, eine Lichtausgangsfläche 14 und konische Seitenwände 15 auf. Diese optischen Wellenleiter sind aus einem Photopolymermaterial wie etwa Acryl aufgebaut.
2 veranschaulicht die internen Lichtreflexionen (d.h., den Lichtweg) durch einen solchen konischen Wellenleiter. Lichtstrahlen 101 treten an der Lichteingangsfläche 13 in einen konischen Wellenleiter 11 ein und breiten sich über eine Anzahl von Reflexionen an den konischen Seitenwänden durch den konischen Wellenleiter 11 aus. Bei der ersten Reflexion wird der Streuwinkel des Lichtstrahls 101 von A auf A + B vergrößert, wobei B der Abschrägungswinkel der Seitenwand ist. Bei der zweiten Reflexion 22 wird der Streuwinkel auf A + 2B vergrößert. Im Allgemeinen kann der Streuwinkel des Lichtausgangs aus einem konischen Wellenleiter als A + (n·B) ausgedrückt werden, wobei „n" die Anzahl von Reflexionen an den konischen Seitenwänden vor Austritt des Lichtstrahls 101 aus dem konischen Wellenleiter 12 ist. Es sei angemerkt, dass für jeden Lichtstrahl 101 der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist.
In einem transparenten Wellenleiter, wie er z.B. von Zimmerman gezeigt wird, findet die Lichtausbreitung, auf dieselbe Weise wie bei einem faseroptischen Kabel, durch innere Totalreflexion (TIR) statt. Für TIR muss der Einfallswinkel des Lichts unter einem von den Materialeigenschaften des optischen Mediums (z.B. Acryl) bestimmten kritischen Wert liegen. 3 veranschaulicht mehrere Lichtstrahlen 101, die sich durch einen konischen Wellenleiter, wie er von Zimmerman gelehrt wird, zu einem Öffnungswinkel 31 des Ausgangslichts ausbreiten. Nach einer eine Begrenzung darstellenden Anzahl von Reflexionen überschreitet der Streuwinkel des Lichtstrahls 101 einen kritischen Einfallswinkel für das optische Wellenleitermedium, und die Lichtstrahlen treten an Seitenpunkten 32 auf dem konischen Wellenleiter 11 aus diesem aus, anstatt von der konischen Oberfläche 15 reflektiert zu werden. Zimmerman lehrt, dass es wünschenswert ist, Licht zu absorbieren, das aus dem Wellenleiter 11 austritt, indem die Zwischenraumregion zwischen den Wellenleitern mit einem lichtabsorbierenden Material wie etwa Lampenschwarz ausgefüllt wird.
Typischerweise wird ein konischer Wellenleiter aus einem optischen Medium wie etwa Glas oder einem Photopolymermaterial wie etwa Acryl aufgebaut. Zimmerman lehrt einen Photopolymerisationsprozess unter Verwendung ultravioletten Lichts (UV) aus einer Quecksilberquelle (Hg-Quelle) oder Xenonquelle (Xe-Quelle), der besonders für die Herstellung eines konischen Wellenleiters geeignet ist. Die verwendete Belichtungs-Schichtanordnung:
Maske/Methanol/PET/Photopolymer/oberseitige Platte aus Klarglas. Die Belichtungs-Schichtanordnung wurde entwickelt und anschließend UV-nachgehärtet. Eine Maske mit 50-Mikron-Löchern und 5-Mikron-Linien erzeugt konische Kegel, die 200 Mikron hoch sind und 20 Mikron breite Spitzen (Lichtaustrittsbereiche) aufweisen. Die Kegel werden in der Regel auf einer Tiefe von 160 Mikron miteinander verschmolzen und weisen einen um 12 Grad abgeschrägten Seitenwandkegel auf.
Lichtstrahlen 101 treten an der Lichteingangsfläche 13 in den konischen Wellenleiter 11 ein und treten durch die Lichtausgangsfläche 14 aus. Bei seiner Ausbreitung durch das optische Medium 12 wird der Lichtstrahl 101 an den Seitenwänden 15 reflektiert. Die Geometrie für Lichtstrahlen 101 am äußersten linken und rechten Rand des Öffnungswinkels am Eingang sind dargestellt. Nach einer bestimmten Anzahl von Reflexionen übersteigt der Einfallswinkel des Lichtstrahls den Brechungsindex des optischen Materials und tritt wie bei 32 gezeigt aus dem Wellenleiter aus. Dies hat einen begrenzten Öffnungswinkel 31 des Ausgangslichts zur Folge.
Bestimmte Verbesserungen des Konzepts von Zimmerman sind bekannt, darunter das Ausfüllen der Zwischenraumregionen zwischen den Wellenleitern 11 mit einem optischen Medium, das einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der Brechungsindex der Wellenleiter ist. Jedoch führt dieser Ansatz zu unerwünschten Reflexionen von externem Licht aus Sicht des Betrachters. Zu den für Avionik-Anzeigen erwünschten Merkmalen zählen eine hohe Umgebungslichtreflexion, eine hohe Durchlässigkeit, und eine asymmetrische Verteilung der Ausgangsleuchtdichte um die Anzeigennormale.
Die Erfindung schafft eine Luftfahrzeugavionik-Anzeige mit festgelegten Anzeigebereichen für Informationen mit hoher Priorität und festgelegten Bereichen für Informationen mit normaler Priorität, umfassend:
eine Anzeige mit einer lichtemittierenden Direktsichtfläche,
einen Schirm zur Vergrößerung des Einblickwinkels, der vor der lichtemittierenden Fläche auf der Anzeige angeordnet ist und Flächenbereiche mit hoher Priorität, die den Informationsanzeigebereichen mit hoher Priorität der Anzeige entsprechen, sowie Flächenbereiche mit niedriger Priorität, die den Informationsanzeigebereichen mit niedriger Priorität der Anzeigefläche entsprechen, aufweist, und
eine Vielzahl konischer Wellenleiter, deren Seitenwände verschiedene Abschrägungswinkel aufweisen, die auf den Flächenbereichen mit hoher Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels und den Flächenbereichen mit niedriger Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels angeordnet sind, wobei
sich der Abschrägungswinkel der Seitenwände derjenigen konischen Wellenleiter, die auf den Flächenbereichen mit hoher Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels angeordnet sind, von dem Abschrägungswinkel der Seitenwände derjenigen konischen Wellenleiter, die auf den Flächenbereichen mit niedriger Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels angeordnet sind, unterscheidet.
Die erfindungsgemäße Direktsicht-Anzeigeeinrichtung zeigt gegenüber bekannten Einrichtungen mehrere Vorteile. Zum Beispiel weist die erfindungsgemäße Einrichtung einen asymmetrischen Einblickwinkel auf, der dergestalt angepasst werden kann, dass die Eigenschaften einer Flüssigkristallanzeige mit den in einem Flugzeug bestehenden Anforderungen an die Einsehbarkeit quer durch das Cockpit in Übereinstimmung gebracht werden können.
Anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und der beigefügten Zeichnungen lässt sich die Erfindung umfassender verstehen, und es werden weitere Vorteile deutlich. Es zeigen:
1 einen Betrachtungsschirm nach Stand der Technik für eine Anzeigeeinrichtung mit mehreren konischen Wellenleitern auf der dem Betrachter zugewandten Seite,
2 die Geometrie eines Lichtstrahls, der von den Seiten eines konischen Wellenleiters des Betrachtungsschirms aus 1 reflektiert wird,
3 die Ausbreitung von Lichtstrahlen durch einen polymerisierten konischen Wellenleiter des Betrachtungsschirms aus 1,
4 einen polymerisierten konischen Wellenleiter mit einer metallischen Reflexionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung und
5 einen metallischen konischen Wellenleiter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es wird nun auf 4 Bezug genommen, in der ein erfindungsgemäßer konischer Wellenleiter 40 gezeigt wird. Vorteilhafterweise fügt unsere Erfindung der Außenfläche des Wellenleiters 40, speziell dem oberen Kegelbereich, wo das einfallende Licht einen Öffnungswinkel aufweist, welcher den Brechungsindex des optischen Mediums 12 übersteigt, eine metallische Schicht 43 hinzu. Die metallische Beschichtung wird beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, engl. „chemical vapor deposition") auf das Äußere des Kegels aufgebracht. Bei der Reflexion eines Lichtstrahls 101 an der metallischen Schicht 43 wird vermieden, dass er aus dem Wellenleiter 40 austritt, wie bei dem Reflexionspunkt 42 gezeigt. Vorteilhafterweise hat der metallisierte konische Wellenleiter 40 einen Öffnungswinkel 41 des Ausgangslichts zur Folge, der größer ist, als dies mit einem nicht metallisierten konischen Wellenleiter wie in der auf den Stand der Technik bezogenen 3 möglich wäre.
Eine weitere Verbesserung wird in 5 gezeigt. Bei dieser bevorzugten Verbesserung wird das Photopolymer wie bei Zimmerman zum Beispiel mittels einer Säurewäsche entfernt. Das Innere des sich ergebenden Kegels wird mit einer Schutzschicht wie etwa Polyethylen beschichtet. Lichtstrahlen 101 treten in die Grundfläche des metallischen konischen Hohlwellenleiters 50 ein, welche wie in 1 gezeigt auf dem transparenten Substrat angeordnet ist. Die Lichtstrahlen 101 breiten sich von der Grundfläche des Hohlkegels 50 zur Spitze des Hohlkegels aus, indem sie an den metallischen konischen Wänden 53 reflektiert werden. Der Eingangsöffnungswinkel der Lichtstrahlen 101, die in den Kegel eintreten, ist klein (ca. 5 Grad), und der Ausgangsöffnungswinkel 41 der Lichtstrahlen ist wesentlich größer, genau wie bei dem in 4 gezeigten metallisierten konischen Kegel 40.
Als Nächstes wird auf 6 Bezug genommen, in der eine Anordnung 60 metallischer Kegel gezeigt ist. Die Innenflächen der einzelnen metallischen Kegel 50 sind jeweils mit einem transparenten Schutzfilm 61 wie etwa Polyethylen beschichtet. Die Außenflächen der einzelnen metallischen Kegel sind jeweils mit einer geschwärzten Zwischenschicht 62 wie etwa einem matten Epoxidanstrich oder einem chemischen Film beschichtet. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der verbleibende Zwischenraum 63 zwischen den Kegeln 50 mit einem lichtabsorbierenden Material wie etwa Lampenschwarz ausgefüllt.
Verbesserungen können außerdem durch Aufnahme einer asymmetrischen Streuung an der Grundfläche oder besonders bevorzugt an der Spitze (dem Ausgang) des konischen Wellenleiters 40 eine asymmetrische Verteilung der Leuchtdichte der Ausgangslichtstrahlen 101 schaffen. Diese asymmetrische Streuung kann durch ein Oberflächenreliefhologramm erzielt werden, wie es von der Physical Optics Corporation angeboten wird. Vorteil hafterweise hat die asymmetrische Streuung eine höhere Lichtdurchlässigkeit (ungefähr 90%) im Vergleich zu Volumenstreuung (ungefähr 50%) zur Folge. Die Platzierung nur an der Spitze schafft eine hohe Zurückweisung von Umgebungslicht durch das geschwärzte Äußere 62 der in 6 gezeigten metallischen Reflexionsschicht oder ein anderes in der Zwischenraumregion zwischen den Kegeln aufgenommenes schwarzes Material.
Weitere Ausführungsformen unserer Erfindung passen die Einblickwinkel (Lichtöffnungswinkel) auf asymmetrische Weise an, so dass zum Beispiel der horizontale Einblickwinkel größer sein kann als der vertikale Einblickwinkel. Die Asymmetrie des Einblickwinkels wird durch Verwendung diverser Formen der metallischen konischen Wellenleiter angepasst, insbesondere rechtwinkliger (nicht schiefer) Kegel mit kreisförmigen und ovalen Grundflächen und rechtwinkliger (nicht schiefer) Pyramiden mit quadratischen, rechteckigen, hexagonalen und oktagonalen Grundflächen. Weitere andere Ausführungsformen weisen Formen der metallisierten konischen Wellenleiter auf, die schiefe Kegel und Pyramiden mit den oben beschriebenen Grundflächen umfassen.
Es wird auf 7 Bezug genommen, in der eine Ausführungsform unserer Erfindung für eine Luftfahrzeugavionik-Anzeige 71 gezeigt wird. Vorteilhafterweise können metallisierte Kegel mit diversen Abschrägungswinkeln dergestalt über den Betrachtungsbereich verteilt werden, dass beispielsweise dem mittleren Teil einer Avionik-Anzeige, der Warntexte zeigt, ein nach oben hin größerer vertikaler Einblickwinkel verliehen werden kann, so dass das Licht unter eine Piloten-Nachtsichtbrille (NVG, engl. „night vision goggles") geleitet wird. Die Luftfahrzeug-Anzeige 71 ist relativ zu dem geplanten Ort eines Auges 72 eines Piloten positioniert und ausgerichtet dargestellt. Bei der Planung eines Luftfahrzeug-Cockpits wird der Abwärtsblickwinkel 73 dergestalt festgelegt, dass der Pilot eine angemessene Sicht über die Nase des Luftfahrzeugs hat. Unsere Erfindung schafft Bereiche der Anzeige mit Informationen mit normaler Priorität 74, die eingeschränkte vertikale Einblickwinkel aufweisen, so dass der aus dem Luftfahrzeug blickende Pilot nicht abgelenkt wird, sowie Bereiche der Anzeige mit Informationen mit hoher Priorität 75, die ausgedehnte vertikale Einblickwinkel aufweisen, so dass der Pilot wirksam alarmiert werden kann.

Claims

Luftfahrzeugavionik-Anzeige (71) mit festgelegten Anzeigebereichen (75) für Informationen mit hoher Priorität und festgelegten Bereichen (74) für Informationen mit normaler Priorität, umfassend: eine Anzeige mit einer lichtemittierenden Direktsichtfläche, einen Schirm zur Vergrößerung des Einblickwinkels, der vor der lichtemittierenden Fläche auf der Anzeige angeordnet ist und Flächenbereiche mit hoher Priorität, die den Informationsanzeigebereichen mit hoher Priorität der Anzeige entsprechen, sowie Flächenbereiche mit niedriger Priorität, die den Informationsanzeigebereichen mit niedriger Priorität der Anzeigefläche entsprechen, aufweist, und eine Vielzahl konischer Wellenleiter (40, 50, 60), deren Seitenwände verschiedene Abschrägungswinkel θ aufweisen, die auf den Flächenbereichen mit hoher Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels und den Flächenbereichen mit niedriger Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels angeordnet sind, wobei sich der Abschrägungswinkel der Seitenwände derjenigen konischen Wellenleiter, die auf den Flächenbereichen mit hoher Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels angeordnet sind, von dem Abschrägungswinkel der Seitenwände derjenigen konischen Wellenleiter, die auf den Flächenbereichen mit niedriger Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels angeordnet sind, unterscheidet.
Avionik-Anzeige (71) nach Anspruch 1, wobei die konischen Wellenleiter (40, 50, 60) metallisierte konische Wellenleiter (40) sind.
Avionik-Anzeige nach Anspruch 1, wobei die konischen Wellenleiter (40, 50, 60) metallische konische Hohlwellenleiter (50) sind.
Avionik-Anzeige nach Anspruch 1, wobei der Abschrägungswinkel der Seitenwände derjenigen konischen Wellenleiter (40, 50, 60), die auf den Flächenbereichen mit hoher Priorität des Schirms zur Vergrößerung des Einblickwinkels angeordnet sind, zu einem größeren vertikalen Einblickwinkel für die Informationen mit hoher Priorität führt.