JP2705879B2 - 超小型広視界の虚像ディスプレイ光学システム - Google Patents

超小型広視界の虚像ディスプレイ光学システム

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JP2705879B2
JP2705879B2 JP5080801A JP8080193A JP2705879B2 JP 2705879 B2 JP2705879 B2 JP 2705879B2 JP 5080801 A JP5080801 A JP 5080801A JP 8080193 A JP8080193 A JP 8080193A JP 2705879 B2 JP2705879 B2 JP 2705879B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は虚像ディスプレイシステ
ム、特に超小型広視界の虚像ディスプレイシステムに関
する。
【０００２】
【従来の技術】ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）お
よびヘルメット設置ディスプレイ（ＨＭＤ）のような虚
像ディスプレイ（ＶＩＤ）は、一般に結合器および中継
器群を含む。ヘッドアップディスプレイに関する従来技
術は一般に２つのカテゴリィ：（１）１つの結合器およ
び全屈折中継器群を有するディスプレイ、または（２）
１つの結合器および凹面反射中継器群に分類される。
（１）の場合、結合器の非対称的な幾何学形状の効果は
屈折中継器によって取消される。一般に画像の品質は著
しい妥協をする必要がある。（２）の場合、一般的なテ
レフォト光学システム形態は有効な視界を制限する。こ
れらの欠点は本発明によって克服される。
【０００３】特に、ヘッドアップディスプレイおよびヘ
ルメット設置ディスプレイに関連した適切な従来技術を
以下において論じる。これらの従来技術のディスプレイ
の欠点はまた以下において要約される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】典型的な通常のヘッド
アップまたはヘルメット設置ディスプレイは、Withring
ton 氏による米国特許第 3,940,204号明細書（“Optica
l Display Systems Utilizing Holographic Lenses”）
に記載されている。この光学系は３つのサブモジユー
ル：１つのホログラフィック結合器、１つの中継器群お
よび１つの陰極線管（ＣＲＴ）を含んでいる。ＣＲＴ上
に表示された情報は最初に中間画像を形成するために中
継器群によって中継され、さらに結合器によって観察者
の正面の適切な位置に中継される。この光学設計形態は
以下の利点を有している：（１）中継器群はＣＲＴの寸
法を小さくすることを可能にする。（２）中継器群はオ
ーバーレイフィールドの面積を拡大する。（３）結合器
は中継器群の内側のアイボックス（瞳孔）を中継し、し
たがって中継器群の寸法は小さい。
【０００５】しかしながら、このような光学系の大きい
欠点は結合器に関連した大きい屈曲角度である。視線の
屈曲のために結合器によって導入された収差は、しばし
ば画像品質および光学系の寸法を制限する。収差を補償
し、減少するために、３つの設計ステップが一般に取ら
れる：（１）収差補償を行なわせるために中継器群の光
学素子を傾斜させ、中心を外れさせる；（２）収差平衡
のためにプリズムおよび円筒形レンズのような歪曲光学
素子を使用する；（３）結合器によって導入された収差
を最小にするように結合器の屈曲角度を減少する。残念
ながら、これらの技術は結果的に小さい有効視界および
小さいオーバーレイフィールドを生じる。
【０００６】虚像ディスプレイシステムおよび関連した
技術に関する別の特許出願は、Wood氏による米国特許第
4,669,810号明細書（“Display System”）、Brown 氏
他による米国特許第 4,740,780号明細書（“Head-Up Di
splay For Automobile”）、Johnson 氏による米国特許
第 3,697,154号明細書（“Optical Viewing Syste
m”）、Scarpino氏他による米国特許第 3,723,805号明
細書（“distortion Correction System”）、Ellis 氏
による米国特許第 4,042,957号明細書（“Display Syst
em”）、Burnham 氏による米国特許第 3,784,742号明細
書（“Ground-Based Flight Simulating Apparatu
s”）、Kaufman 氏による米国特許第 4,294,515号明細
書（“Virtual Image Display Apparatus”）、Becht
氏他による米国特許第3,549,803号明細書（“Virtual I
mage System For Training Simulator ”）、Weihrauch
氏他による米国特許第 4,973,139号明細書（“Automot
ive Head-Up Display”）、Yoshiyuki 氏他による欧州
特許第 229,876号明細書（“On-vehiclehead up displa
y device ”）に記載されている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】通常の虚像ディスプレイ
システムの欠点を克服するために、本発明は通常のシス
テムと比較した場合に、非常に小型であり、広い視界を
有する虚像ディスプレイ（ＶＩＤ）光学系を提供する。
従来技術のシステムと比較すると、本発明にしたがって
構成された光学系ははるかに良好な画像品質であり、簡
単な光学系を有し、非常に小型であり、広いフィールド
カバレージを提供し、非常に大きいフィールドオーバー
レイを有する。本発明はまたそこにおいて使用される簡
単な光学素子のために潜在的に非常に安価である。
【０００８】本発明は、オペレータによって観察される
画像ソースの画像を拡大する虚像ディスプレイ光学シス
テムにおいて、画像ソースとオペレータとの間の光路に
沿って配置された結合器および中継器群とを具備し、こ
の中継器群は凹面鏡および少なくとも１つの正の屈折力
の屈折レンズを具備し、中間像は結合器と中継器群の前
記凹面鏡との間に形成され、凹面鏡は結合器により発生
された非対称収差を減少するように傾斜されていること
を特徴とする。
【０００９】特に、本発明の虚像ディスプレイ光学系
は、オペレータによって観察される陰極線管の画像を拡
大するために構成される。システムは陰極線管とオペレ
ータとの間の光路に沿って配置された結合器およびカタ
ジオプトリック中継器群を具備している。
【００１０】カタジオプトリック中継器群は典型的に凹
面鏡および少なくとも１つのレンズを含む。凹面鏡はシ
ステムに正の倍率を与え、したがって小型の光学系を提
供する。凹面鏡は結合器によって発生された非対称収差
を平衡させるために傾斜され、およびまたはデセンタさ
れている。凹面鏡は、収差の平衡を行うように軸対称の
表面形状または一般化された表面形状を有している。凹
面鏡および結合器は、中継グループの屈折形状によって
導入されるフィールド湾曲を平衡にするように共同す
る。中継器の屈折群は、残留非対称収差を減少するよう
に傾斜され、およびまたはデセンタされている。
【００１１】本発明の種々の特徴および利点は、以下の
詳細な説明および添付図面を参照して容易に理解される
であろう。なお、同じ参照符号は同じ構造素子を示す。
【００１２】
【実施例】本発明は上記において論じられた欠点を克服
する。図１は、本発明の原理による超小型広視界の虚像
ディスプレイシステム10を示す。図２および図３は、そ
れぞれ図１の虚像ディスプレイシステム10の光学系部分
の側面および上面図である。虚像ディスプレイシステム
10は、オペレータの目22が陰極線管（ＣＲＴ）20の虚像
23を見るように陰極線管20とオペレータ21との間に配置
されている。
【００１３】光学系10は、結合器11およびカタジオプト
リック中継器群12を含む２つのサブモジュールを含む。
中継器群12は、１つの凹面鏡13および少なくとも１つの
中継レンズ14を備えたカタジオプトリックシステムであ
る。ＣＲＴ20上に表示された画像は最初に中継レンズ14
を通過し、その後中間画像平面15において凹面鏡13によ
って再画像化される。最後に、結合器11はオペレータの
目22の正面の適切な観察距離に画像を中継する。カタジ
オプトリック中継器群12の設計原理は以下に要約され
る：結合器11から結果的に生じた非対称収差および歪み
は、主として中継器群12の凹面鏡13によって補償され
る。全体的なシステム10の残留収差を最小にするため
に、凹面鏡13は傾斜され、および、またはデセンタされ
る。凹面鏡13の正の光倍率は全体的なシステム10を非常
に小型にする。凹面鏡13のペッツヴァル湾曲は中継レン
ズ14のペッツヴァル湾曲の一部分を平衡にする。結合器
11および凹面鏡13の組合せは中継器群13の近くにアイボ
ックスを投射する。
【００１４】凹面鏡13は、典型的に収差平衡を行うよう
に軸対称的な表面形状を有するように構成されている。
その代わりとして、凹面鏡13は収差の平衡を行うように
構成される一般化された表面形状を有するように形成さ
れる。凹面鏡13は、矢印16によって示されるように残留
非対称収差を減少するように傾斜され、および、または
デセンタされる。凹面鏡13および結合器11は、中継器群
12の中継レンズ14の屈折形状によって導入されたフィー
ルド湾曲を平衡にするように共同する。中継器群12の屈
折中継レンズ14は、矢印17によって示されるように残留
非対称収差を減少するように傾斜され、および、または
デセンタされている。
【００１５】
【発明の効果】本発明による虚像ディスプレイシステム
光学系は良好な画像品質を有する広角度でコンパクトな
システムを生成する。特に中継器として凹面鏡と屈折レ
ンズの組合わせを使用することによって屈折レンズの湾
曲面に基づく収差を凹面鏡の湾曲面によって部分的に補
償できるために中継器の収差を小さくすることが容易と
なり、したがって中継器の光学系の構成を簡単でコンパ
クトなものとすることができ、しかも凹面鏡によって十
分な倍率の拡大した画像を結合器に与えることができ
る。さらに、光学系の構成が簡単になることによって視
界の広い、大きいフィールドオーバーレイを有する装置
を得ることが容易となり、また構造が簡単でコンパクト
となるために比較的安価に製造することができる。
【００１６】図２および図３は、上記の本発明にしたが
って構成された１実施例のシステムの側面図および上面
図を示す。また、表１はこの実施例の特定の設計の光学
系の具体的な設計値の一例を示している。なお、この表
１におけるＣi （Ｃ5 ，Ｃ8等）はザルニク多項式にお
ける係数である。また、寸法は単位はインチで示されて
いる。
【００１７】 表１ 素子：結合器 半径 円錐定数 デセンタ 傾斜 (度) 厚さ -16.2000 -1.1560 ０ 15.0 -12.55501 係数Ｃ Ｃ5 ＝-0.238523E-2 Ｃ8 ＝ 0.526213E-3 Ｃ10＝-0.175038E-4 Ｃ11＝-0.257247E-4 Ｃ12＝ 0.815987E-5 Ｃ14＝ 0.162943E-5 Ｃ17＝-0.158314E-5 Ｃ19＝-0.258717E-6 Ｃ21＝ 0.271240E-6 Ｃ22＝ 0.871057E-7 素子：凹面鏡 半径 円錐定数 デセンタ 傾斜（度） 厚さ 18.3519 -14.670 ０ -30.0 2.835 係数Ｃ Ｃ5 ＝0.175836E-2 Ｃ8 ＝0.235507E-2 Ｃ10＝0.279274E-3 Ｃ11＝-0.764886E-3 Ｃ12＝-0.113785E-3 Ｃ14＝-0.108931E-4 Ｃ17＝0.558278E-4 Ｃ19＝-0.437458E-4 Ｃ21＝-0.156684E-4 Ｃ22＝0.385348E-5 素子：屈折レンズ 曲率半径 距離／ 孔の直径 ガラスのタイプ 正面／背面 デセンタ 厚さ 正面／背面 プラスチック 3.05134/ 0.315 1.35 4.4/4.4 プレキシガラス -4.24546 正面円錐定数＝-2.9291 ザルニク(Zernike) 多項式：
【数１】 は円錐表面から変位した付加的な表面垂れ下りを示す。
以下、ゼロでないザルニク多項式の項を列挙する。
【００１８】Ｚ5 （ｘ，ｙ）＝ｘ2 −ｙ2 Ｚ8 （ｘ，ｙ）＝ｙ（ｘ2 ＋ｙ2 ） Ｚ10（ｘ，ｙ）＝ｙ（３ｘ2 −ｙ2 ） Ｚ11（ｘ，ｙ）＝（ｘ2 ＋ｙ2 ）2 Ｚ12（ｘ，ｙ）＝ｘ4 −ｙ4 Ｚ14（ｘ，ｙ）＝ｘ4 −６ｘ2 ＋ｙ4 Ｚ17（ｘ，ｙ）＝ｙ（ｘ2 ＋ｙ2 ）2 Ｚ19（ｘ，ｙ）＝３ｘ4 ｙ＋２ｘ2 ｙ3 −ｙ5 Ｚ21（ｘ，ｙ）＝５ｘ4 ｙ−10ｘ2 ｙ3 ＋ｙ5 Ｚ22（ｘ，ｙ）＝（ｘ2 ＋ｙ2 ）3 ここでｙおよびｘはそれぞれ子午線および矢じり形平面
における光学表面の開口座標であり、ｆ（ρ）は回折光
学素子の格子位相式であり、ｎ番目の格子リング境界は
ρがｆ（ρ）＝ｎを満足する位置に配置されており、ρ
は放射座標で、（＋）半径は右側に中心を有し、（−）
半径は左側に中心を有し、（＋）厚さは右側、（＋）デ
センタは上方、（＋）傾斜は反時計方向であって度数で
あり、デセンタは傾斜の前に行われ、円錐定数−ε2 ＝
−（偏心率）2 であり、ディメンションはインチで与え
られ、基準波長＝0.58765 μｍで、スペクトル領域＝0.
17μｍである。
【００１９】以上、新しく改良された超小型広視界の虚
像ディスプレイシステムが示されている。上記の実施例
は、本発明の原理の適用を表す多数の特定の実施例のい
くつかの単なる例示であることが理解されるであろう。
当業者は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々
および別の構造を容易に実現することが可能なことは明
らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理による超小型広視界の虚像ディス
プレイシステムの概略図。
【図２】図１の虚像ディスプレイシステムの光学系部分
の側面図。
【図３】図１の虚像ディスプレイシステムの光学系部分
の上面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロナルド・ジー・ヘッグ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90045、ロサンゼルス、キティーホー ク・アベニュー 7631 (56)参考文献 特開 昭60−198515（ＪＰ，Ａ)

Claims (24)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 オペレータによって観察される画像ソー
    スの画像を拡大する虚像ディスプレイ光学システムにお
    いて、 画像ソースとオペレータとの間の光路に沿って配置され
    た結合器および中継器群とを具備し、 前記中継器群は凹面鏡および少なくとも１つの正の屈折
    力の屈折レンズを具備し、 中間像は結合器と中継器群の前記凹面鏡との間に形成さ
    れ、 前記凹面鏡は結合器により発生された非対称収差を減少
    するように傾斜されていることを特徴とする虚像ディス
    プレイ光学システム。
  2. 【請求項２】 凹面鏡はシステムに正の倍率を与えて小
    型の光学システムを構成している請求項１記載の虚像デ
    ィスプレイ光学システム。
  3. 【請求項３】 凹面鏡は収差平衡を行うように軸対称の
    表面形状を有している請求項１記載の虚像ディスプレイ
    光学システム。
  4. 【請求項４】 凹面鏡は収差平衡を行うように構成され
    た一般化された表面形状を有している請求項１記載の虚
    像ディスプレイ光学システム。
  5. 【請求項５】 凹面鏡および結合器は中継器群の正の屈
    折力の屈折レンズによって導入された視界湾曲を平衡す
    るように共同する請求項１記載の虚像ディスプレイ光学
    システム。
  6. 【請求項６】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは残
    留非対称収差を減少するように傾斜されている請求項１
    記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  7. 【請求項７】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは残
    留非対称収差を減少するようにデセンタされている請求
    項１記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  8. 【請求項８】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは残
    留非対称収差を減少するように傾斜され、デセンタされ
    ている請求項１記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  9. 【請求項９】 オペレータによって観察された画像ソー
    スの画像を拡大する虚像ディスプレイ光学システムにお
    いて、 画像ソースとオペレータとの間の光路に沿って配置され
    た結合器および中継器群とを具備し、 前記中継器群は凹面鏡および少なくとも１つの正の屈折
    力の屈折レンズを具備し、 中間像は結合器と中継器群の前記凹面鏡との間に形成さ
    れ、 前記凹面鏡は結合器により発生された非対称収差を減少
    するように中心がずらされていることを特徴とする虚像
    ディスプレイ光学システム。
  10. 【請求項１０】 凹面鏡はシステムに正の倍率を与えて
    小型の光学システムを構成している請求項９記載の虚像
    ディスプレイ光学システム。
  11. 【請求項１１】 凹面鏡は収差平衡を行うように軸対称
    の表面形状を有している請求項９記載の虚像ディスプレ
    イ光学システム。
  12. 【請求項１２】 凹面鏡は収差平衡を行うように構成さ
    れた一般化された表面形状を有している請求項９記載の
    虚像ディスプレイ光学システム。
  13. 【請求項１３】 凹面鏡および結合器は中継器群の正の
    屈折力の屈折レンズによって導入された視界湾曲を平衡
    するように共同する請求項９記載の虚像ディスプレイ光
    学システム。
  14. 【請求項１４】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは
    残留非対称収差を減少するように傾斜されている請求項
    ９記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  15. 【請求項１５】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは
    残留非対称収差を減少するようにデセンタされている請
    求項９記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  16. 【請求項１６】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは
    残留非対称収差を減少するように傾斜され、デセンタさ
    れている請求項９記載の虚像ディスプレイ光学システ
    ム。
  17. 【請求項１７】 オペレータによって観察された画像ソ
    ースの画像を拡大する虚像ディスプレイ光学システムに
    おいて、 画像ソースとオペレータとの間の光路に沿って配置され
    た結合器および中継器群とを具備し、 前記中継器群は凹面鏡および少なくとも１つの正の屈折
    力の屈折レンズを具備し、 中間像は結合器と中継器群の前記凹面鏡との間に形成さ
    れ、 前記凹面鏡は結合器により発生された非対称収差を減少
    するように傾斜され、かつ中心がずらされていることを
    特徴とする虚像ディスプレイ光学システム。
  18. 【請求項１８】 凹面鏡はシステムに正の倍率を与えて
    小型の光学システムを構成している請求項１７記載の虚
    像ディスプレイ光学システム。
  19. 【請求項１９】 凹面鏡は収差平衡を行うように軸対称
    の表面形状を有している請求項１７記載の虚像ディスプ
    レイ光学システム。
  20. 【請求項２０】 凹面鏡は収差平衡を行うように構成さ
    れた一般化された表面形状を有している請求項１７記載
    の虚像ディスプレイ光学システム。
  21. 【請求項２１】 凹面鏡および結合器は中継器群の正の
    屈折力の屈折レンズによって導入された視界湾曲を平衡
    するように共同する請求項１７記載の虚像ディスプレイ
    光学システム。
  22. 【請求項２２】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは
    残留非対称収差を減少するように傾斜されている請求項
    １７記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  23. 【請求項２３】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは
    残留非対称収差を減少するようにデセンタされている請
    求項１７記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  24. 【請求項２４】 中継器群の正の屈折力の屈折レンズは
    残留非対称収差を減少するように傾斜され、デセンタさ
    れている請求項１７記載の虚像ディスプレイ光学システ
    ム。
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