JP2620532B2 - 頭またはヘルメットに取付けられたディスプレイ用の光ファイバリボンの超小型ディスプレイ - Google Patents

頭またはヘルメットに取付けられたディスプレイ用の光ファイバリボンの超小型ディスプレイ

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JP2620532B2 JP7012077A JP1207795A JP2620532B2 JP 2620532 B2 JP2620532 B2 JP 2620532B2 JP 7012077 A JP7012077 A JP 7012077A JP 1207795 A JP1207795 A JP 1207795A JP 2620532 B2 JP2620532 B2 JP 2620532B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は重量が重要な要素である
頭またはヘルメットに取付けられたディスプレイ（ＨＭ
Ｄ）、特にＨＭＤ用の改良された軽重量の光ファイバリ
ボンの超小型ディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】テレビジョンのような２次元ディスプレ
イは画像素子または画素の行および列を有する。フライ
ングスポット走査装置または光（ガラスまたはプラステ
ィック）ファイバのリボンのような１次元ディスプレイ
は画素の１つの行を有するのみである。この第２のディ
メンションは観察者に関する１次元ディスプレイの移動
により生成される。この動作は通常、検流計シャフト上
でミラーを回転しまたは多角形表面のミラーを回転する
ことにより達成される。
【０００３】図１で示されているように既知のタイプの
ＨＭＤでは、光は音響光変調器を使用してテレビジョン
ビデオ速度で振幅を変調される。回転する多角形断面の
ミラーは１対の中継ミラーを経て光を光ファイバ（Ｆ
Ｏ）リボンの入力端部に供給するように走査する。光フ
ァイバリボンの出力端部にはレンズからの１焦点距離に
位置される。レンズの他方の面から離れた１焦点距離の
位置に検流計のシャフトに取付けられたミラーがある。
その代りに、回転する多角形ミラーは検流計に置換され
ることができる。光はミラーにより反射され、再度レン
ズを通過し後方投射スクリーン上に焦点を結ばれる。ス
クリーン上の高さはミラーの角度の関数である。スクリ
ーン上のテレビジョン画像は投射光学系により中継さ
れ、部分的に反射性の表示面から反射され、最後に観察
者の目に到達する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このようなＨＭＤで
は、レンズ設計の複雑性は光ファイバリボンを出る光の
角度により影響され、コーン角度が小さい程、レンズは
簡単である。光回折の制限は最小のコーン角度を示す。
例えば中心と中心の間のファイバの間隔が４ミクロンで
あるならば最小のコーン角度は４．７６度（ｆ数＝Ｆ／
６）である。そうでなければ個々のファイバの画像は部
分的に解像されることができない。
【０００５】ＨＭＤはより大きなコーン角度（典型的に
１８．４度）を必要とする。この必要性を満たすためス
クリーンは大きいコーン角度に入射光を散乱しなければ
ならない。残念ながら、スクリーン中での散乱はディス
プレイの解像度とコントラストに悪影響する。ほとんど
の応用では色が必要である。このためさらにレンズの複
雑性と重量が増加する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、軽重量で２次
元の頭またはヘルメットに取付けられた光ファイバディ
スプレイに関する。ディスプレイは入力端部とヘルメッ
トに設けられた出力端部とを具備するリボン状に配置さ
れたフレキシブルな光導体の１次元アレイを含んでい
る。光導体はガラスまたはプラスティック光ファイバで
あることが好ましい。ディスプレイはさらに２次元ディ
スプレイの第１のディメンションを生成するため光をリ
ボン入力端部に注入する手段、例えばリボンの画素入力
端部の行を横切ってレーザビームを走査するための多角
形走査装置をさらに含んでいる。
【０００７】本発明によると、ディスプレイはさらに２
次元ディスプレイの第２のディメンションを生成するた
めにヘルメットを着用した観察者に関連してリボンの出
力端部を移動するためのヘルメット上に取付けられた手
段を含んでいる。好ましい実施例では出力端部を移動す
る手段はカンチレバーリボン部分を生成するために出力
から間隔を隔てた位置でリボンをクランプするためのク
ランプ手段と、リボンの出力端部を偏向するためにカン
チレバーリボン部分を振動させる駆動手段とを含んでい
る。リボンの出力端部は移動されるかまたはテレビジョ
ンフィールド速度で振動される。
【０００８】ディスプレイ駆動手段は固有共振周波数で
リボン部分を振動する。リボンの寸法は共振周波数をテ
レビジョンフィールド速度と一致するように選択され
る。
【０００９】
【実施例】本発明のこれらのおよび他の特徴と利点は添
付図面で示されているように実施例の後述の詳細な説明
から明白になるであろう。図２は本発明を実施したＨＭ
Ｄを示している。ヘルメットに取付けられたディスプレ
イの内容で好ましい実施例を説明するが、別の実施例で
は頭に取付けられたディスプレイ素子は頑丈なヘルメッ
ト構造により固定または支持される必要はないが、代り
にヘッドバンドまたは覆面構造により支持されてもよ
い。ヘルメットから外れて位置するＨＭＤ部品は通常と
同じである。即ち、入力光源はレーザ52であり、その出
力は音響光学変調器54により振幅変調される。変調され
た光は多角形走査装置56と中継ミラー58,60 により平面
光ファイバリボン64の入力端部62に反射される。リボン
64は典型的に数百から数千のガラスまたはプラスティッ
ク光ファイバで構成されている。走査装置56は２次元テ
レビジョンディスプレイの行ディメンションを生成する
ためファイバ入力端部の１次元アレイを横切ってレーザ
光ビームを走査する。リボン64はシステムの使用者に着
用されたヘルメット66につながっている。典型的にリボ
ンは１５フィートの長さでありヘルメットにつながって
いる。
【００１０】発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイはレーザ
52、変調器54、多角形走査装置56、中継ミラーの代りと
されることができる。別の変形は例えばチャンネル導波
体レーザまたは垂直放射空洞レーザのようなマイクロレ
ーザを各ファイバに１つづつ使用することである。
【００１１】ディスプレイはさらにテレビジョンディス
プレイの２次元表示を生成するように光ファイバリボン
64の出力端部64Ｂを移動するためヘルメット上に取付け
られている手段を含んでいる。本発明によると、特に図
３に示されているように光ファイバリボン64はクランプ
68により出力端部64Ｂから距離Ｌの位置をクランプされ
る。駆動装置70はクランプ68とリボン出力端部64Ｂとの
間の位置でリボン部分64Ａに接続され、リボンの長さ方
向に対してほぼ直交する軸72に沿ってリボン部分を振動
する。駆動装置は固有共振周波数でリボンを振動させ、
光ファイバリボンの幅、厚さ、長さはテレビジョンフィ
ールド速度に等しい固有共振周波数を提供するように選
択される。クランプ68と駆動装置70は光ファイバリボン
の出力端部の動作を達成するため前述の通常のＨＭＤで
使用されるミラー、スクリーン、検流計または多角形ミ
ラーを置換する。
【００１２】光ファイバリボンの出力端部64Ｂから放射
された光は通常の投射光学系構造80を通過され、ヘルメ
ットディスプレイを構成する光結合装置82から観察者の
目まで反射する。
【００１３】リボン64の幅Ｂと厚さＨはカンチレバー光
ファイバリボンの共振周波数がディスプレイのテレビジ
ョンフィールド速度に等しいように選択される。従っ
て、米国の標準的なテレビジョンフィールド速度を実施
する応用では好ましい共振周波数は６０Ｈｚであり、好
ましい共振周波数は欧州と日本で使用される標準的なテ
レビジョンフィールド速度を使用する応用では５０Ｈｚ
である。
【００１４】光ファイバリボン64のカンチレバー部分64
Ａはビームと考えられることができる。カンチレバービ
ームの共振周波数の公式はよく知られている。
【００１５】 固有角周波数＝Ａ（（Ｅ＊Ｉ）／（Ｍ＊Ｌ4 ））1/2 ここでＥ＝ヤング率 Ｉ＝ビーム断面部分の慣性の面積モーメント Ｌ＝ビーム長 Ｍ＝ビームの単位長さ当りの質量 Ａ＝振動モードに依存する係数 （基本的モードではＡ＝３．５２）である。
【００１６】Ｌ＝１０６．６８ｍｍ Ｂ＝ ２０．００ｍｍ Ｈ＝ １．００ｍｍであるとき、 ガラス（ヤング率＝６．７×１０6 ｐｓｉ）では基本的
共振周波数は６０ＨＺｚである。
【００１７】Ｌ、Ｂ、Ｈの他の組合わせは６０Ｈｚの共
振を生成する。Ｌ、Ｂ、Ｈでは前述の例の値はガラス光
ファイバリボンとＨＭＤに適切である。図３で示されて
いる“Ｘ”の寸法であるクランプから駆動装置までの距
離はいかなる距離でもよい。Ｘが短い程必要な駆動力も
大きくなる。Ｘの例示的な値と、20の仮定された制動係
数“Ｑ”に対する駆動力が表Ｉで示されており、ここで
“駆動位置”はリボン部分64Ａの固定した端部からの距
離であり、“平均変位”は駆動位置のリボンに垂直な変
位であり、“駆動力”はリボン端部を＋／−６ｍｍ移動
するのに必要な力であり、“パワー”は20の制動係数
“Ｑ”に対する入力パワーであり、“最大応力”は固定
した端部におけるものである。
【００１８】 表Ｉ 駆動位置 平均変位 駆動力 駆動パワー 最大応力 （in. ） （in. ） （ib. ） （Ｗ） （psi ） 0.24706 0.001613 0.635 0.021867 7549 0.49412 0.005873 0.16 0.020066 7229 0.74118 0.012419 0.0721 0.01912 6944 0.98824 0.021102 0.0415 0.018699 6777 1.4824 0.043795 0.0194 0.018142 6564 1.9765 0.072475 0.0116 0.017951 6465 光ファイバリボン部分64Ａが６０Ｈｚで共振するので駆
動装置70の大きさは非常に小さい。しかしながら、駆動
装置70の設計は非常に臨界的である。好ましいリボン駆
動システムは反対の極性で配置され、光ファイバリボン
部分64Ａの上面と下面に接して挟んでいるピエゾセラミ
ックの薄いスライス70Ａ、70Ｂを含んでいる。上向き運
動では、上部ピエゾスライス70Ａは収縮し、下部のピエ
ゾセラミックスライス70Ｂは膨脹する。下向きの運動で
は上部のピエゾセラミックスライス70Ａは膨脹し、下部
のピエゾセラミックスライス70Ｂは収縮する。
【００１９】動力学的に平衡しなければ、リボン部分64
Ａの上下運動は振動を生じる。ダイナミックな平衡は光
ファイバリボン部分の質量74の中心の運動に反対方向で
等しい質量を移動することを含んでいる。振動を完全に
消去するためには、質量は光ファイバリボン部分64Ａの
質量中心の円弧に一致する円弧で運動しなければならな
い。１実施例では、このダイナミックなカウンタ平衡は
ピエゾセラミックを変形し、質量の中心74の運動に対し
て反対の方向に運動するように形成することによって達
成される。その代りに、カウンタ質量98はピボット100
を中心にしての振動運動のためにヘルメットに取付けら
れることができ、駆動装置104 はリボン部分の振動と反
対の位相でカウンタ質量を振動するように付勢される。
従って、カウンタ質量98はリボン部分64Ａの質量の中心
74の運動と反対方向で等しい振幅で振動するように駆動
装置104 により駆動される。カウンタ質量98の質量はカ
ンチレバーリボン部分64Ａの質量に等しく、ピボット腕
の長さはリボンの質量中心74とクランプ68の間の距離に
等しく選択される。カウンタ質量の１駆動技術は２つの
板の間でつるされる金属のカウンタ質量を使用し、静電
気的または磁気的に質量を吸引反撥するように板を付勢
することである。カウンタ質量98は質量の中心74が移動
する円弧と同一の大きさの円弧102 に沿って運動する。
【００２０】リボンの寸法値が前述の例示値である応用
ではカンチレバー光ファイバリボン部分64Ａの偏向は典
型的に＋／−６ｍｍである。偏向のフィードバック（サ
ーボ）制御はフォトトランジスタのような光検出器76を
介して感知される。光検出器はテレビジョンディスプレ
イ領域の僅かに外に位置される。
【００２１】光検出器はまた光ファイバリボン偏向の位
相とテレビジョンビデオを同期化するために使用され
る。光ファイバリボンの偏向と時間の関係は線形関数で
はない。従って、テレビジョンビデオは偏向された光フ
ァイバリボンの位置に応じた予め定められた量だけ線形
基準を進相するかまたは遅相しなければならない。この
進相または遅相は容易に計算される。例えば、光ファイ
バリボン偏向対時間は有限の素子応力と、ヒューストン
のスワンソンアナリシスシステム（Swanson Analysis S
ystems）により商標名ＡＮＳＹＳで市販されている歪み
分析コンピュータプログラムを使用して計算されること
ができる。１次近似として偏向対時間関数はサイン（ω
ｔ）に比例し、ここでω＝２π周波数であり、ｔ＝時間
である。
【００２２】進相または遅相の実行はラインバッファに
テレビジョンビデオの幾つかのラインを記憶することに
より行われる。ラインバッファからの読取りは光ファイ
バリボン偏向に同期されなければならない。従って、制
御装置90は多角形走査装置56と駆動装置70の動作を制御
し、光検出器76から光検出器センサ信号を受信するよう
に構成されている。ビデオデータはビデオデータ源94か
らラインバッファ92に出力され、これは制御装置90の制
御下である。ビデオデータはＡ−Ｏ変調器54を制御し、
多角形の走査装置は順次に各ファイバ／画素の入力端部
を照射し、それによって第１のビデオライン即ちテレビ
ジョンディスプレイの第１のディメンションを生成する
ためリボンの入力端部を横切って変調されたレーザビー
ムを走査するように動作される。所定のテレビジョンフ
ィールドの連続した行の位置はリボンの出力端部64Ｂの
運動により制御される。最上位置から最下位置までのリ
ボン端部の各トラバースはテレビジョンフィールドを与
える。駆動装置は方向が反転され、リボン端部は次のフ
ィールドの表示を始めるために最下の位置から最上の位
置まで導かれる。
【００２３】光検出器はまた外部の衝撃と振動により生
じる予期されない光ファイバリボン偏向を感知するため
に使用される。次のテレビジョンフィールドの開始は光
検出器76が早く、あるいは遅く現在ディスプレイされた
テレビジョンフィールドの端部を感知するか否かによっ
て進められるかまたは遅延される。
【００２４】例示的応用に対して必要な光ファイバリボ
ンの端部から光の１８．４度（Ｆ／１．５）のコーン角
度を得るために、２つの方法が使用されてもよい。高開
口数の光ファイバリボン（ＮＡ＞＝．３３）が使用され
ることができ、または（通常のスクリーン上の被覆に類
似する）散乱被覆が光ファイバリボンの出力端部上に塗
布されることができる。高い開口数の光ファイバリボン
（ＮＡ＞＝．４０）は市場で入手可能である。それ故、
このような高い開口数のリボンの使用は選択できる解決
策である。特定のＨＭＤが光ファイバの開口数の円弧正
弦よりも大きいコーン角度を必要とする場合にのみ、被
覆が典型的に必要とされる。
【００２５】本発明の見積もられた重量の節約を以下に
示す。全ての重量は“１眼当り”のグラムである。
【００２６】 前述の実施例は本発明の原理を表した可能な特定の実施
例の単なる図示であることが理解されよう。他の装置も
本発明の技術的範囲を逸脱することなく当業者によりこ
れらの原理に応じて容易に実施できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常の頭／ヘルメットに取付けられたディスプ
レイ（ＨＭＤ）の概略図。
【図２】本発明を実施したＨＭＤ。
【図３】図２のＨＭＤの光ファイバリボンクランプと駆
動装置。
フロントページの続き (72)発明者 アショック・シソディア アメリカ合衆国、バージニア州 22071、 ハーンドン、ストーン・ヘザー・ドライ ブ 13210

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力端部と出力端部を有するリボンに配
    列されたフレキシブルな光導体の１次元アレイと、 前記２次元ディスプレイの第１のディメンションを生成
    するために光を前記リボンの前記入力端部に注入する光
    源と、 カンチレバーリボン部分を生成するために前記出力端部
    から間隔を隔てられた位置で前記リボンをクランプする
    クランプと、 前記リボンの前記出力端部を偏向し、それによって観察
    者に関して前記リボンの前記出力端部を運動させて前記
    ディスプレイの第２のディメンションを生成するために
    前記カンチレバーリボン部分を振動させる駆動装置とを
    具備していることを特徴とする２次元の頭またはヘルメ
    ットに取付けられた光ディスプレイ。
  2. 【請求項２】 前記ディスプレイがテレビジョンフィー
    ルド速度で動作し、前記駆動装置は前記テレビジョンフ
    ィールド速度で前記リボン部分を振動させる請求項１記
    載のディスプレイ。
  3. 【請求項３】 前記カンチレバーリボン部分が固有共振
    周波数を有し、前記駆動装置が前記共振周波数で前記リ
    ボン部分を振動させる請求項１または２記載のディスプ
    レイ。
  4. 【請求項４】 前記リボン部分の長さ、幅、厚さの大き
    さが公称上前記テレビジョンフィールド速度に等しい前
    記固有共振周波数を与える請求項３記載のディスプレ
    イ。
  5. 【請求項５】 前記リボンの前記出力端部の前記偏向を
    感知するためのセンサと、前記光源の動作に前記偏向を
    同期させるように前記駆動装置を制御する前記センサに
    応答する制御装置とをさらに具備している請求項１乃至
    ４のいずれか１項記載のディスプレイ。
  6. 【請求項６】 前記センサは前記リボンの前記出力端部
    から光を受けるように配置されている光検出器を具備し
    ている請求項５記載のディスプレイ。
  7. 【請求項７】 前記光導体は光ファイバによって構成さ
    れている請求項１乃至６のいずれか１項記載のディスプ
    レイ。
  8. 【請求項８】 前記光ファイバは高い開口数のファイバ
    である請求項７記載のディスプレイ。
  9. 【請求項９】 前記カンチレバーリボン部分はこのリボ
    ン部分が振動されると動く質量中心位置を有し、駆動装
    置はそれに関連する駆動装置質量を有し、前記駆動装置
    は前記リボンの質量中心位置の運動と反対の方向に前記
    駆動装置の質量を移動するように動作され、それによっ
    て振動を減少させている請求項１乃至８のいずれか１項
    記載のディスプレイ。
  10. 【請求項１０】 前記質量中心位置が前記リボン部分の
    前記振動期間中、円弧に沿って移動され、前記駆動装置
    の質量はその動作期間中円弧に沿って移動される請求項
    ９記載のディスプレイ。
  11. 【請求項１１】 前記リボンの前記出力端部で設けられ
    たスクリーン散乱被覆をさらに具備している請求項１乃
    至１０記載のディスプレイ。
  12. 【請求項１２】 振動を減少するために前記カンチレバ
    ーリボン部分の振動運動と逆位相に前記カウンタ質量を
    振動させるためにカウンタ平衡質量とカウンタ平衡駆動
    装置をさらに具備している請求項１乃至１１のいずれか
    １項記載のディスプレイ。
  13. 【請求項１３】 前記カウンタ質量が前記リボン部分に
    関連する質量値に実質的に等しい質量値を有し、前記カ
    ウンタ質量が前記カンチレバーリボン部分の質量中心の
    振動運動に対して大きさが等しいが反対の方向の運動で
    ピボット点を中心にスイング運動を行う請求項１２記載
    のディスプレイ。
  14. 【請求項１４】 前記クランプと前記駆動装置が観察者
    により着用されるヘルメット上に取付けられている請求
    項１乃至１３のいずれか１項記載のディスプレイ。
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