JP2007193071A - Helmet mount display - Google Patents

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Tsunehisa Ohashi
恒久 大橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a helmet mount display designed such that the size and weight of the entire helmet mount display can be easily reduced while the intensity of light emission is sufficiently maintained. <P>SOLUTION: The helmet mount display includes: a helmet 10 mounted on the head of a user; an image display device 22 fixed to the helmet and used to emit image information; a visor 12 disposed in front of the eyes of the user; and an optical system 30 by which a virtual image of emitted image information is imaged ahead of the visor. In the helmet mount display, the image information is emitted by using an organic EL element for the image display device 22, thereby using light emission of the entire 480 to 560 nm wavelength area. Also, by using a plurality of optical elements so as to eliminate color aberration, the optical system 30 images a virtual image of the image information ahead of the visor. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば、航空機やヘリコプタのパイロットや搭乗員、バーチャルリアリティの体験者等が頭部に装着し、眼前に置かれたバイザに必要な画像情報を投影するようにしたヘルメット型の頭部装着型表示装置（ヘルメットマウントディスプレイ）に関する。   The present invention is, for example, a helmet-type head that is mounted on the head of an aircraft or helicopter pilot, a crew member, a virtual reality experience person, etc., and projects necessary image information on a visor placed in front of the eyes. The present invention relates to a wearable display device (helmet mount display).

従来、例えば救難飛行艇による救難活動において、発見した救難目標を見失うことのないように、搭乗員の頭部に装着される頭部装着型表示装置により表示される照準画像と救難目標とが対応したとき救難目標の位置をロックオンし、以後は演算により救難目標の位置を容易に追尾できるようにすることが行われている。このような頭部装着型表示装置のひとつに、眼前を覆うバイザ付きのヘルメットを用いて、そのバイザに照準画像等の画像情報を投影するようにしたヘルメットマウントディスプレイがある（特許文献１参照）。
特開２０００−１３７１９０号公報 Conventionally, for example, in a rescue operation by a rescue flying boat, the aiming image displayed by the head-mounted display device attached to the head of the crew corresponds to the rescue target so that the discovered rescue target is not lost. In this case, the position of the rescue target is locked on, and after that, the position of the rescue target can be easily tracked by calculation. One such head-mounted display device is a helmet-mounted display that uses a helmet with a visor that covers the front of the eye and projects image information such as an aiming image onto the visor (see Patent Document 1). .
JP 2000-137190 A

ヘルメットマウントディスプレイでは、眼前のバイザに画像情報を表示するための画像表示装置を搭載している。従来は、主としてこの画像表示装置にＣＲＴを用いていた。これは、ＣＲＴが画像情報を表示するときの発光強度を大きくすることができるからである。図３（ａ）は、ＣＲＴの発光強度スペクトルの相対強度を示す図である。ＣＲＴを用いた場合の発光のスペクトルは、複数の狭い波長範囲のピークを含んでおり、そのうち５４０ｎｍ〜５５５ｎｍ付近のピークの発光強度が最も大きい。画像表示装置としてＣＲＴを用いる場合に、色収差の影響をなくすために、５４０ｎｍ〜５５５ｎｍ以外の光を色フィルタによってカットしている。ＣＲＴの場合は色フィルタにより波長範囲を狭く制限するようにした場合であっても画像情報を視認するのに十分な発光強度を得ることができる。   The helmet mount display is equipped with an image display device for displaying image information on the visor in front of the eyes. Conventionally, a CRT has been mainly used for this image display device. This is because the light emission intensity when the CRT displays image information can be increased. FIG. 3A is a diagram showing the relative intensity of the emission intensity spectrum of the CRT. The emission spectrum when CRT is used includes a plurality of peaks in a narrow wavelength range, and the emission intensity of the peak in the vicinity of 540 nm to 555 nm is the highest. When a CRT is used as an image display device, light other than 540 nm to 555 nm is cut by a color filter in order to eliminate the influence of chromatic aberration. In the case of CRT, even when the wavelength range is narrowly limited by a color filter, it is possible to obtain a light emission intensity sufficient for visually recognizing image information.

しかしながら、ＣＲＴは、構造上、小型化や軽量化を図ることが困難である。そのため、ＣＲＴをヘルメットに搭載した場合に、ヘルメット全体としての小型軽量化を進めることは、なかなか困難となっていた。
そこで、本発明は、発光強度を十分に維持しつつヘルメットマウントディスプレイ全体としての小型軽量化を容易に行うことができるようにしたヘルメットマウントディスプレイを提供することを目的とする。 However, it is difficult to reduce the size and weight of the CRT because of its structure. Therefore, when a CRT is mounted on a helmet, it has been difficult to reduce the size and weight of the entire helmet.
Therefore, an object of the present invention is to provide a helmet mount display that can easily reduce the size and weight of the entire helmet mount display while maintaining sufficient light emission intensity.

上記課題を解決するためになされた本発明のヘルメットマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着されるヘルメットと、ヘルメットに固定され画像情報を出射する画像表示装置と、使用者の眼前に配置されるバイザと、出射された画像情報の虚像をバイザ前方に結像する光学系とを備えたヘルメットマウントディスプレイであって、前記画像表示装置に有機ＥＬ素子を用いて４８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長領域全体の発光を利用して画像情報を出射するとともに、前記光学系は色収差をなくすように複数の光学素子を用いて画像情報の虚像をバイザ前方に結像するようにしている。   The helmet mount display of the present invention made to solve the above problems is arranged in front of the user's eyes, a helmet mounted on the user's head, an image display device fixed to the helmet and emitting image information. And an optical system that forms a virtual image of the emitted image information in front of the visor, using an organic EL element in the image display device, the entire wavelength region of 480 nm to 560 nm. The optical system emits image information by using light emission, and the optical system forms a virtual image of the image information in front of the visor using a plurality of optical elements so as to eliminate chromatic aberration.

すなわち、本発明では、画像表示装置に有機ＥＬ素子を使用する。図３（ｂ）は、有機ＥＬ素子の発光強度スペクトルの相対強度を示す図である。ＥＬ素子は、ＣＲＴに比べて発光強度は小さいが、４８０ｎｍ〜５６０ｎｍにわたるブロードな発光波長幅で発光する。そこで、４８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長領域全体での発光を利用して画像情報を出射する。
その一方で、発光波長幅が広がるにつれて色収差が大きくなるため、複数の光学素子を用いて色収差を補正するようにして、画像情報の虚像をバイザ前方に結像するようにしている。すなわち、色収差は、使用する発光波長の屈折率の差によって生じるが、複数の光学素子を組み合わせることにより色収差を低減することができる。したがって、画像表示装置の有機ＥＬ素子から出射された画像情報の虚像をバイザ前方に結像するための光学系において色収差を補正することにより、色収差を低減しながら、有機ＥＬ素子からの出射光をバイザ前方に結像する。 That is, in the present invention, an organic EL element is used for the image display device. FIG. 3B is a diagram showing the relative intensity of the emission intensity spectrum of the organic EL element. The EL element has a light emission intensity smaller than that of the CRT, but emits light with a broad light emission wavelength range from 480 nm to 560 nm. Therefore, image information is emitted using light emission in the entire wavelength region of 480 nm to 560 nm.
On the other hand, since the chromatic aberration increases as the emission wavelength width increases, the chromatic aberration is corrected using a plurality of optical elements so that a virtual image of the image information is formed in front of the visor. That is, chromatic aberration is caused by a difference in refractive index of the light emission wavelength to be used, but chromatic aberration can be reduced by combining a plurality of optical elements. Therefore, by correcting the chromatic aberration in the optical system for forming a virtual image of the image information emitted from the organic EL element of the image display device in front of the visor, the emitted light from the organic EL element is reduced while reducing the chromatic aberration. The image is formed in front of the visor.

本発明によれば、ヘルメットマウントディスプレイの画像表示装置に有機ＥＬ素子を用いても十分な発光強度を得ることができるとともに、色収差の少ない画像情報をバイザ前方に結像させることができる。   According to the present invention, sufficient light emission intensity can be obtained even when an organic EL element is used in an image display device of a helmet mount display, and image information with little chromatic aberration can be imaged in front of the visor.

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、出射された画像情報の虚像をバイザ前方に結像する光学系は色フィルタを含まず、かつ、４８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長の色収差をなくす複数のレンズまたはミラーからなる光学系であるようにしてもよい。
これにより、有機ＥＬ素子を用いた場合でも、十分に明るい画像情報を表示することができるヘルメットマウントディスプレイを作成することができる。 (Means and effects for solving other problems)
In the above invention, the optical system that forms the virtual image of the emitted image information in front of the visor does not include a color filter, and seems to be an optical system that includes a plurality of lenses or mirrors that eliminate chromatic aberration with a wavelength of 480 nm to 560 nm. It may be.
Thereby, even when an organic EL element is used, a helmet mount display capable of displaying sufficiently bright image information can be created.

以下において、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるヘルメットマウントディスプレイの構成図、図２はその(右眼用)光学系を説明する図である。
このヘルメットマウントディスプレイ１は、ヘルメット１０と、使用者がヘルメット１０を装着した状態で使用者の眼Ａの前方に配置されるバイザ１２と、複数の光学素子１３〜２１からなる光学系３０と、画像表示装置２２とから構成される。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a helmet mount display according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating an optical system (for the right eye).
The helmet mount display 1 includes a helmet 10, a visor 12 disposed in front of the user's eye A in a state where the user wears the helmet 10, an optical system 30 including a plurality of optical elements 13 to 21, and And an image display device 22.

ヘルメット１０は、頭部に装着できるものであればその形状はどのようなものでもよいが、ヘルメット内側に頭部以外に光学系３０を固定するためのスペースが設けてある。
バイザ１２は、ヘルメット１０に対して上下方向にスライドできるように取り付けてあり、使用者がヘルメットを装着した状態で上方から下方にスライドして眼前に移動するようにしてある。バイザ１２は、可視光を透過するとともに画像表示装置２２からの出射光（画像情報）の虚像が形成できるように半透明にしてある。例えば透明樹脂からなるバイザ表面に反射用の薄膜を形成することにより半透明化してある。 The helmet 10 may have any shape as long as it can be attached to the head, but a space for fixing the optical system 30 other than the head is provided inside the helmet.
The visor 12 is attached to the helmet 10 so as to be slidable in the vertical direction, and the user slides from the upper side to the lower side while wearing the helmet to move in front of the eyes. The visor 12 is made translucent so as to transmit visible light and to form a virtual image of light emitted from the image display device 22 (image information). For example, it is made translucent by forming a reflective thin film on the visor surface made of transparent resin.

画像表示装置２２には、有機ＥＬ素子を用いた画像表示装置を用いている。上述したように有機ＥＬ素子は４８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長光を発光して画像情報を出射する。
光学系３０は、複数（例えば９個）の光学素子１３〜２１からなる。これら光学素子は球面レンズ、円筒面レンズ（シリンドリカルレンズ）、円環面レンズ（トーリックレンズ）平面レンズ、ミラーを複数個組み合わせてあり、これら全体の組み合わせにより、有機ＥＬ素子から出射された画像情報を、バイザ１２の前方に色収差が生じないように結像する。 As the image display device 22, an image display device using an organic EL element is used. As described above, the organic EL element emits light having a wavelength of 480 nm to 560 nm to emit image information.
The optical system 30 includes a plurality of (for example, nine) optical elements 13 to 21. These optical elements are a combination of a spherical lens, a cylindrical lens (cylindrical lens), a toric lens (toric lens) plane lens, and a mirror. By combining these as a whole, image information emitted from the organic EL element can be obtained. The image is formed in front of the visor 12 so that no chromatic aberration occurs.

色収差を生じないようにするための各光学素子１３〜２１の曲率半径や設置位置座標は、予め、ヘルメット内で光学素子を配置するスペースに合わせて、試行錯誤により、光学素子を適当に配置した初期設定を行い、コンピュータを用いた周知の幾何光学の数値計算により曲率半径や位置の最適化を図ることにより行なう。本実施例では、光学素子を９個使用しているが、素子の数は増減してもよく、要するに、レンズやミラーの配置および順序は自由に設定し、それに合わせて曲率半径や位置を調整すればよい。
具体的には、例えば、図２に示すように、バイザ１２の側から、ミラー１３、レンズ１４、ミラー１５、レンズ１６〜２１の順で光学素子を配置し、数値計算により各光学素子の曲率半径を設定していく。 The curvature radii and installation position coordinates of the optical elements 13 to 21 for preventing the occurrence of chromatic aberration are appropriately arranged by trial and error according to the space for arranging the optical elements in the helmet in advance. Initialization is performed, and the radius of curvature and position are optimized by well-known numerical calculation of geometric optics using a computer. In this embodiment, nine optical elements are used, but the number of elements may be increased or decreased. In short, the arrangement and order of lenses and mirrors can be set freely, and the radius of curvature and position can be adjusted accordingly. do it.
Specifically, for example, as shown in FIG. 2, optical elements are arranged in the order of the mirror 13, the lens 14, the mirror 15, and the lenses 16 to 21 from the visor 12 side, and the curvature of each optical element is calculated by numerical calculation. Set the radius.

数値計算による曲率半径の最適化を行うことにより、たとえ４８０ｎｍ〜５６０ｎｍまでのブロードな波長を利用する場合でも色収差も減らすことができる。例えば、図２の光学系を最適化することにより、色フィルタを用いることなく、色収差を従来と同程度、あるいはそれ以下（１／３程度）に抑えることもできる。   By optimizing the radius of curvature by numerical calculation, it is possible to reduce chromatic aberration even when using a broad wavelength from 480 nm to 560 nm. For example, by optimizing the optical system shown in FIG. 2, the chromatic aberration can be suppressed to the same level as before or less (about 1/3) without using a color filter.

そして、ＥＬ素子からなる画像表示装置２２は４８０ｎｍ〜５６０ｎｍまでのすべての波長光を利用して画像情報を表示するようにして、輝度の大きな画像を出射することで、ＣＲＴを用いた場合に比べても決して劣らない画像情報を表示するようにする。   Then, the image display device 22 composed of EL elements displays image information using all light wavelengths from 480 nm to 560 nm, and emits a high-luminance image, compared with the case where a CRT is used. However, image information that is never inferior is displayed.

本発明は、小型軽量のヘルメットマウントディスプレイの製造に利用することができる。   The present invention can be used for manufacturing a small and lightweight helmet mount display.

本発明の一実施形態であるヘルメットマウントディスプレイの構成を示す図。The figure which shows the structure of the helmet mount display which is one Embodiment of this invention. 図１のヘルメットマウントディスプレイの光学系（右眼用）を説明する図。The figure explaining the optical system (for right eyes) of the helmet mount display of FIG. ＣＲＴと有機ＥＬ素子の発光強度スペクトルの相対強度を示す図。The figure which shows the relative intensity | strength of the emission intensity spectrum of CRT and an organic EL element.

符号の説明Explanation of symbols

Ａ 瞳
１： ヘルメットマウントディスプレイ
１０： ヘルメット
１２： バイザ
１３〜２１： 光学素子
２２： 画像表示装置（ＥＬ素子）
３０： 光学系
A Eye 1: Helmet mount display 10: Helmet 12: Visor 13 to 21: Optical element 22: Image display device (EL element)
30: Optical system

Claims (2)

使用者の頭部に装着されるヘルメットと、ヘルメットに固定され画像情報を出射する画像表示装置と、使用者の眼前に配置されるバイザと、出射された画像情報の虚像をバイザ前方に結像する光学系とを備えたヘルメットマウントディスプレイであって、
前記画像表示装置に有機ＥＬ素子を用いて４８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長領域全体の発光を利用して画像情報を出射するとともに、前記光学系は色収差をなくすように複数の光学素子を用いて画像情報の虚像をバイザ前方に結像することを特徴とするヘルメットマウントディスプレイ。 A helmet mounted on the user's head, an image display device that is fixed to the helmet and emits image information, a visor disposed in front of the user's eyes, and a virtual image of the emitted image information is formed in front of the visor A helmet-mounted display equipped with an optical system,
The organic EL element is used in the image display device to emit image information by using light emission in the entire wavelength region of 480 nm to 560 nm, and the optical system uses a plurality of optical elements to eliminate chromatic aberration. A helmet-mounted display that forms a virtual image in front of the visor. 出射された画像情報の虚像をバイザ前方に結像する光学系は色フィルタを含まず、かつ、４８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長の色収差をなくす複数のレンズまたはミラーからなる光学系であることを特徴とする請求項１に記載のヘルメットマウントディスプレイ。 An optical system that forms a virtual image of the emitted image information in front of the visor is an optical system that does not include a color filter and includes a plurality of lenses or mirrors that eliminate chromatic aberration at a wavelength of 480 nm to 560 nm. The helmet mount display according to claim 1.
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