JPH04501927A - ヘルメット装着形表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ヘルメット装着形表示装置 発明の背景 この発明はヘルメット装着形表示装置、更に具体的に云えば、ヘルメット等の様 なヘッドギアに装着することの出来る薄膜トランジスタ／液晶装置（Ｔ　Ｐ　Ｔ 　−Ｌ　ＣＤ）投影装置に関する。

頭を上げたま＼で見られる表示装置（ＨＵ　Ｄ）は軍用機及びその他の乗物で広 い用途がある。ＨＵＤは前を見た景観に情報を重畳する様に取付けられるのが典 型的であり、パイロットが、操縦席の前側から見える場面から視野をそらせずに 、航空機の装置、航海装置等の情報を監視することが出来る様にする。ＨＵＤは パイロットの仕事の負担並びに目の疲れを減らす。これは、パイロットが操縦席 の外側の場面と、操縦席の内部にある監視用の計装との間で絶えず目を動かさな くてもよい様にするからである。然し、パイロットが乗物の前方の直ぐ近くにな い天蓋の一部分に目を向ける時には、何時でもＨＵＤ情報が失われる。

ヘルメット装着形表示装置（ＨＭＤ）が、ＨＵＤの多くの欠点を解決する次の世 代の１つの装置である。ＨＭＤは、パイロットがどちらを向いていても、表示装 置を見ることが出来る様にする。パイロットは、ＨＵＤによって通常表示される 情報を見る為に、天蓋の前方から目をそらす必要はない。航空及び航海の装置の 情報、レーダの表示、前方監視赤外線（Ｆ　Ｌ　Ｉ　Ｒ）カメラの図、低光レベ ルのカメラの図等の様に、非常にいろいろな種類の情報をＨＭＤによってパイロ ット／着用者に示すことが出来る。パイロットの希望又は必要に応じて、逐次的 に項目を表示し又はそれらを表示する様に、コンピュータ・ソフトウェアを開発 することが出来る。コンピュータによって、表示装置には、パイロットの視線に 対応する十字線を表示することが出来るが、これによってパイロットは単に所期 の標的を見ることによって、自分の銃器の照準を合せることが出来る。

従来のＨＭＤは、航空機で飛ぶパイロットが着用出来る位に小形で軽量であるが 、小形の陰極線管（ＣＲＴ）を使っていた。これは典型的には、正しい釣合いの 為にヘルメットの両側に１つずつ取付けられ、３次元の作像が出来る様になって いる。各々のＣＲＴが一連の鏡及びレンズと光学的に結合されて、各々のＣＲＴ の虚像をパイロットの目の前に、実際の世界の景観と重畳して投影する。ＣＲＴ に伴う問題は、実際的にヘルメットに着用出来る位に小形のＣＲＴを用いては、 高い解像度及び色が得られないことである。小形ＣＲＴの映像は、１本の電子ビ ームから典型的には逐次的に発生されるものであって、ＣＲＴのスクリーンは直 径２５ｍａで、受入れることの出来る様な解像度にする為には、管の長さを約１ １０ｍｍにする必要がある。更に、小形ＣＲＴは、典型的には視角が小さく、像 をパイロットの目に投影する為の光学系の構成により、パイロットの実際の景観 が部分的にぼかされることがある。

従来の別の１つのＨＭＤ装置は、パイロットの頭の背後に取付けた１個のＣＲＴ と、パイロットが観察する為に像を前側に投影するコヒーレント光ファイバ束と を使っている。従来の別の金色装置は、像源として、ゼネラル・エレクトリック ・カンパニイのタラリア（登録商標）形ライト・パルプ投影装置の様な投影テレ ビ形装置を使っている。

その嵩の為に、ライト・バルブ投影装置はヘルメットに装着することが出来ず、 長い光ファイバ束によってヘルメットに光学的に結合される。光ファイバ束がパ イロットの運動の自由を著しく制限し、緊急時の航空機からの安全な脱出を妨げ ることがある。従って、こう云う種類の装置は飛行用には余り望ましくない。

ＨＭＤの重量の増加、ＨＭＤを着用するパイロットの重量と安全な脱出との釣合 いが、高性能航空機にＨＭＤを使。

うことに関する主な問題点である。ＨＭＤの重量及び釣合いは、高速操縦の間、 強いＧ力を受ける戦闘機のパイロットにとって特に骨が折れ、疲れるものである ことがある。

パイロットが脱出しなければならない場合、パイロットの怪我を防ぐ為には、Ｈ ＭＤに繋がるケーブル、光ファイバ等があった場合、それを確実に切断しなけれ ばならない。

従って、この発明の主な目的は、上に述べた欠点のない新規なＨＭＤを提供する ことである。

この発明の別の目的は、ＨＭＤ着用者の目の前の現実の世界の景観に重畳して、 無限遠に解像度の高い全色の３次元の虚像を発生することである。

この発明の別の目的は、軽量で釣合いとれたＨＭＤを提供することである。

この発明の上記並びにその他の目的が、その特徴及び利点と共に、以下図面につ いて具体的に詳しく説明する所から明らかになろう。図面では、同様な要素には 同じ参照数字を用いている。

発明の要約 この発明では、ヘルメット装着形表示（ＨＭＤ）装置が、何れもヘルメットに取 付けられていて何れも投影面及び側面を持つ１対のダイクロイック・プリズム集 成体を含む。

３つの薄膜トランジスタ液晶ライト・バルブ（ＴＰＴ−ＬＣＬＶ）が何れも各々 のダイクロイック・プリズム集成体の異なる側面に取付けられており、赤、緑及 び青の光源手段の１つが相異なる対応するＴＰＴ−ＬＣＬＶと整合して夫々取付 けられ、関連する赤、緑又は青の光ビームを対応するＴＰＴ−ＬＣＬＶを介して 夫々のダイクロイック・プリズム集成体に投影する。各々のＴＰＴ−ＬＣＬＶの 画素が多数のシャッタの内の１つとして作用して、ダイクロイック・プリズム集 成体の各々の側面に入る光量を制御する。

各々のダイクロイック・プリズム集成体が着色光の別々のビームを合成して、別 個の全色像を形成し、それが各々のプリズム集成体の投影面を介して投影される 。潜望鏡にあるのと同様な中継レンズが各々の像をダイクロイック・プリズムか ら前方に伝達し、ヘルメットの前側部分の近くで無限遠に焦点合せした像を形成 する。１対の投影レンズが各々の像をヘルメットの前方に取付けた球形反射器へ と前向きに投影する。球形反射器の背後でヘルメットに平面反射器が取付けられ ている。球形反射器が像を下向きに平面反射器へと後向きに反射し、その後平面 反射器が像を下向き及び逆に球形反射器へ反射する。投影レンズ、球形反射器及 び平面反射器は、球形反射器からの２回目の反射で、着用者の各々の目に歪みの ない像を投影して、着用者が、無限遠に焦点合せされた全色の３次元像を見る様 にする。

着用者の目と整合させることが出来る部分的に反射する下側部分を持っていて、 この下側部分を介して視野を明瞭に見ることの出来る様にした球形反射器を設け ることにより、投影される像は現実の世界の景観に重畳することが出来る。

ＴＰＴ−ＬＣＬＶ及びダイクロイック・プリズム集成体の偏光に応じて、偏光フ ィルタを各々の光源手段とそれに対応すルＴ　Ｐ　Ｔ　−Ｌ　ＣＬ　Ｖ　（７） 　間ニ取付け、ＴＰＴ−ＬＣＬＶの画素又はセルがオフ状態にある時、暗出力を 発生することが出来る。

別の実施例では、各々のダイクロイック・プリズムをＴＰＴ−ＬＣＬＶに置換え 、違う色の光源手段は単色光源手段に置換えることが出来る。単色光源手段を各 々のＴＰＴ−ＬＣＬＶと整合する様に取付けて、関連する単色光ビームを各々の 対応するＴＰＴ−ＬＣＬＶを介して投影し、着用者が、無限遠に焦点合せされた 白黒の３次元像を見れる様にする。

図面の簡単な説明 第１Ａ図はこの発明によるヘルメット装着形表示装置の側面図である。

第１Ｂ図は第１Ａ図のヘルメット装着形表示装置の平面図である。

第１Ｃ図は第１ＡＩｇＪ及び第１Ｂ図のヘルメット装着形表示装置の正面図であ る。

第２図はダイクロイック・プリズム集成体の平面断面図好ましい実施例の詳しい 説明 この発明では、ヘルメット装着形表示装置１が、ヘルメット１１の後部に横に並 べて取付けられた１対のダイクロイック・プリズム集成体１０を有する（第１Ａ 図、第１Ｂ図及び第１Ｃ図）。ダイクロイック・プリズム集成体１゜の平面断面 図が第２図に示されている。並置された各々のダイクロイック・プリズム集成体 １ｏは、直角２等辺三角形プリズム１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの同じ長さ の辺１４．１６を結合して、略立方体形のプリズムを形成することによって作ら れる。第１のダイクロイック界面層１８は、赤色光を反射するが、同じ長さの辺 １４の間に配置されていて、ダイクロイック・プリズム集成体１ｏの一方の対角 線方向に伸びる。第２のダイクロイック界面層２゜は、青色光を反射するが、同 じ長さの辺１６の間に配置されていて、第１のグイクロイック層１８とは略垂直 な方向に、ダイクロイック・プリズム集成体１ｏの対角線方向に伸びる。

第１の薄膜トランジスタ／液晶ライト・バルブ（ＴＦＴ−ＬＣＬＶ）２２ａが、 プリズム集成体の後面２４、即ちプリズム集成体１ｏの出口又は投影面２６とは 反対側に取付けられる。他のＴＦＴ−ＬＣＬＶ　２２ｂ、２２ｃが夫々プリズム 集成体１０の向い合った側面２８．３０に取付けられる。緑色光源３２がＴＦＴ −ＬＣＬＶ　２２ａと整合する様に取付けられ、赤色光源３４又は青色光源３６ が、夫々ＴＦＴ−ＬＣＬＶ　２２ｂ又は２２ｃと整合する様に取付けられる。光 源３２．３４．３６は、適当な着色発光体を持つ蛍光灯であることが好ましく、 ヘルメット内の散逸電力（このヘルメットは対流冷却を行なう様に通気すること が好ましい）を着用者が不愉快にならない位の低いレベルに抑える様に、合計所 要電力を１５ワツト以下にする。

各々の光源３２，３４．３６を１本の蛍光灯として示しであるが、各々の源は３ つの１．５ワツトの蛍光灯で構成することが好ましい。赤色光源３４又は青色光 源３６は、夫々からの光が赤色光を反射する層１８又は青色光を反射する層２０ に入射する様に位置ぎめされる。緑色光源３２がらの光がグイクロイック層１８ ．２０を透過する。ダイクロイック・プリズム集成体１０とＴＦＴ−ＬＣＬＶ　 ２２ｇ、２２ｂ又は２２ｃの内の１つとの組合せにより、それを通過する光ビー ムの偏光が回転する。偏光フィルタ３８ａ、ａｓｂ又は３８ｃが関連する光源３ ２．３４又は３６とＴＦＴ−ＬＣＬＶ　２２ａ、２２ｂ又は２２ｃの内の関連す る１つとの間に夫々取付けられて、光ビームを反対向きに回転させ、画素セルが オフ状態にある時、１つのＴＰＴ−ＬＣＬＶの画素を通る光出力を暗にする。ダ イクロイック・プリズム集成体、ＴＦＴ−ＬＣＬＶ及び光源は、ハウジング４０ に取付けるのが適当である。

動作について説明すると、ＴＦＴ−ＬＣＬＶ　２２ａ。

２２ｂ、２２ｃの画素が多重シャッタとして作用して、ダイクロイック・プリズ ム集成体１０の各々の側面に入る赤色、緑色、又は青色の光ビームの存在及び強 度を制御する。

その後、ダイクロイック・プリズム集成体１０が着色光の各々の別々のビームを 合成して金色像を形成し、それがプ　。

リズム集成体１０の投影面又は出口面２６から外向きに投影される。

第１Ａ図、第１Ｂ図及び第１Ｃ図に戻って説明すると、１対のＴＰＴ−ＬＣＬＶ を含むプリズム集成体１０が、ヘルメットの裏側に配置されて、ヘルメットの前 側部分に取付けられたコリメーター組合せ手段４４の重量と釣合いをとる。手段 ４４は後で更に詳しく説明する。各々のダイクロイック・プリズムの出口面２６ から投影された合成された光ビームが１対の金色像を作る。合成された光ビーム の発散を防止する１対のテレセントリック投影手段４６の各々が、各々のダイク ロイック・プリズム集成体の出口２６と、何れもヘルメット前側部分に接近して 取付けられた１対の投影レンズ４８の内の関連した１つの間の光路に取付けられ ている。各々のテレセントリック投影手段４６は、典型的には１対の中継レンズ ５０を含み、これらが協働して、関連する投影レンズ４８とそれに一番近い中継 レンズ５０の間の位置５２（第１Ａ図及び第１Ｂ図に破線で示す）に像を形成す る。

コリメーター組合せ手段４４がこの１対の投影レンズ４８、ヘルメット１１の前 側に取付けられた球形反射器５４、及びヘルメット着用者の額（第１Ａ図）に接 近した場所でヘルメット１１に取付けられた平面反射器５６を含む。レンズ４８ 及び反射器５４．５６は、ヘルメット着用者の目に対し、着用者の各々の目に像 を投影して、着用者が無限遠にある歪みのない３次元の金色像を見る様に、位置 ぎめされている。これは、レンズ４８が、像を球形反射器５４の上側部分に投影 して、像が平面反射器５６に対して横方向及び下向きに反射される様にするから である。反射された光ビームが大体平面反射器５６の所で歪みのない実像を形成 する。球形反射器５４からの反射された光ビームの入射角の為、平面反射器５６ がこの光ビームを球形反射器５４の下側部分５４′　（第１Ａ図）へと横方向及 び下向きに反射する。この球形反射器の部分５４′が光ビームを反射し及びコリ メートして、歪みのない像を球形反射器５４からの２回目の跳返りの時に着用者 の各々の目に投影する。

現実の世界の景観に投影像を重畳して移すことを希望する場合、球形反射器５４ の下側部分５４′　（第１Ａ図及び第１Ｃ図）は、部分的に反射する面にする。

１組の反射器光学系を使って、各々の目に対する独立の像を形成し、こうして着 用者の目の前に何等ぼやかす様な構造を使わずに、非常に簡単な装置を提供する 。更に、中継反射器５４が実質的にドーム形であるから、反射された像は、第１ Ｂ図に示す様に、球形反射器５４及び平面反射器５６によって反射された時に交 差する。従って、ヘルメットの左側にあるダイクロイック・プリズム集成体によ って作られた像が着用者の右目に投影され、右側のダイクロイック・プリズム集 成体の像が左目に投影される。各々のダイクロイック・プリズム１０、関連する 中継レンズ５０及び関連する投影レンズ４８は何れも光路５８（第１Ｂ図に破線 で示す）を作る様に位置ぎめすることが出来る。光路５８は何れも平面反射器５ ６の法線に対して選ばれた角度αに調節して、着用者が像を最適に観察出来る様 に、球形及び平面反射器からの正しい反射角を保証することが出来る。

光源３２，３４．３６の輝度は約７．０００フイート・ランベールにすることが 出来る。ＴＦＴ−ＬＣＬＶ　２２ａ、２２ｂ及び２２ｃとダイクロイック・プリ ズム１０を通る時の輝度の低下は、光源の約９０％になる。残りの光学系を通る 透過損失は、現実の世界の景観を像と組合せない場合は、約２０％になることが ある。この実施例では、観察者／着用者が見る像の輝度は約５６０フイート・ラ ンベールである。像を現実の世界の景観と組合せる時の透過損失は約６０％にな り、この為像の輝度は観察者／着用者にとって約２８０フイート・ランベールに なる。

観察者／着用者に投影される像の解像度は、各々のＴＰＴ−ＬＣＬＶにある画素 の数の関数である。約３００Ｘ３００乃至５００Ｘ５００画素のマトリクス配列 により、大抵の用途で適切な解像度が得られる筈である。この発明のヘルメット 装着形表示装置は、ヘルメットの重量の増加が約２ポンド未満になると予想され る。ダイクロイック・プリズム集成体１０及び関連したレンズの重量は約０．８ ボンドであり、球形反射器及び平面反射器は、プラスチック材料で製造した場合 、何れも約０，３ボンドである。ダイクロイック・プリズム及び光学系の取付は 部品の重量は約０．５ボンドである。この発明の構成部品は、ヘルメットに取付 けた時、着用者の疲労を最小限に抑える様に、実現可能な限り一様に分布してい る。ヘルメットに装着されるかも知れないオージオ部品等の様な他の装置の部品 の重量も、着用者の疲労を更に少なくする為にヘルメットの釣合いをとる上で考 慮に入れることが出来る。

当業者であれば、１個のダイクロイック・プリズム集成体及び上に述べたのと同 様な１組の光学部品を使うことにより、３次元表示を希望しない場合は、着用者 の片方又は両方の目に１個の像を投影することが出来ることが理解されよう。同 様に、着色表示を希望しない場合、単色光源を使うことが出来、金色表示を希望 しない場合、異なる色の２つの光源を使い、ダイクロイック・プリズムはそれに 応じた構成（三角形）にすることが出来る。

当業者であれば、この発明が図面に示し、以上説明した特定の実施例に制限され ないことが容易に理解されよう。

こ＼で図示し且つ説明した以外の異なる実施例及び改造やいろいろな変更、修正 及び均等物も、この発明の範囲を逸脱せずに、以上の説明から明白であるか或い は当然に考えられよう。この発明を好ましい実施例について詳しく説明したが、 この開示はこの発明を例示するものであって、この発明の十分な開示を行なう為 にすぎない。従って、この発明は特許請求の範囲の記載のみによって限定される ことを承知されたい。

ＦＩＧ、旧 ＦｊＧ、１Ｃ ＦＩＧ、２ 国際調査報告 −１１，□１Ｐσ／υＳ　９０１０５２０５Ｓ＾　４１７５４

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．ヘルメットに装着し得る表示装置に於て、少なくとも１つの光ビームを投影 する光源手段を有し、該光源手段は少なくとも１つの蛍光灯を有し、前記少なく とも１つの光ビームは多数の光セグメントを持ち、更に、各々の光源手段の光セ グメントにある光量を制御する手段と、 少なくとも１つの光ビームをコリメートさせ且つ焦点合せを行なって像を形成す るテレセントリック投影手段と、該テレセントリック投影手段からの歪みのない 虚像を着用者の少なくとも一方の目に投影するコリメーター組合せ手段とを有す る表示装置。
2. ２．光源手段が複数個の異なる色の光ビームを投影する請求項１記載の表示装置 。
3. ３．前記光源手段とテレセントリック投影手段の間の光路にあって、何れも異な る光ビームを受取る複数個の側面、及びそこから受取った全てのビームから合成 された光ビームが出て来る投影面を有するダイクロイック・プリズム集成体を有 する請求項２記載の表示装置。
4. ４．光源手段が単色光ビームを投影する請求項１記載の表示装置。
5. ５．光を制御する手段がマトリクス形にアドレスされる複数個の液晶ライト・バ ルブで構成される請求項１記載の表示装置。
6. ６．前記光源手段及び各々の液晶ライト・パルプの間に取付けられていて、伝達 しようとする光の偏光を選ぶ偏光手段を有する請求項５記載の表示装置。
7. ７．テレセントリック投影手段が１対の中継レンズで構成される請求項１記載の 表示装置。
8. ８．コリメーター組合せ手段が、 球形反射器と、 前記テレセントリック投影手段からの像を前記球形反射器に投影するレンズ手段 と、 該球形反射器から反射像を受取って、この受取った像を歪んだ像として球形反射 器へ反射する平面反射器とを有し、前記球形反射器は歪んだ像を前記少なくとも 一方の目に歪みのない像として現れる様に反射する請求項１記載の表示装置。
9. ９．前記球形反射器が着用者の目と整合し得る部分的に反射する部分を有し、歪 みのない像が現実の世界の景観に重量されている間でも、前記部分を介して現実 の世界を観察することが出来る様にした請求項８記載の表示装置。
10. １０．ヘルメットに装着し得る表示装置に於て、何れも少なくとも１つの光ビー ムを投影する少なくとも１つの蛍光灯を持っていて、該少なくとも１つの光ビー ムの各々が多数の光セグメントを持つ様な第１及び第２の光源手段と、 各々の光源手段の光セグメントにある光量を制御する手段と、 各々の光ビームを独立にコリメート及び焦点合せして、１対の像の一方を形成す る１対のテレセントリック投影手段と、 各々のテレセントリック投影手段から歪みのない像を着用者の関連する目に投影 して、着用者が３次元の虚像を見る様にするコリメーター組合せ手段とを有する 表示装置。
11. １１．前記第１及び第２の光源手段が何れも単色光ビームを投影する請求項１０ 記載の表示装置。
12. １２．前記第１及び第２の光源手段が何れも複数個の異なる色の光ビームを投影 する請求項１０記載の表示装置。
13. １３．何れも一方の光源手段及び一方のテレセントリック投影手段の間の光路内 にある１対のダイクロイック・プリズム集成体を有し、その各々が複数個の側面 を持ち、各々の側面が異なる光ビームを受取り、各々の集成体が投影面を持って いて、該投影面から、集成体が受取った全ての光ビームから合成された光ビーム が出て来る様にした請求項１２記載の表示装置。
14. １４．ダイクロイック・プリズム集成体、対のテレセントリック投影手段及びコ リメーター組合せ手段が、何れもヘルメット内で重量を釣合わせたヘルメットに なる様な場所に取付けられている請求項１３記載の表示装置。
15. １５．各々の光源手段が、 前記投影面とは反対のダイクロイック・プリズムの後面に隣接して取付けられた 緑色光源と、 前記後面及び投影面の間でダイクロイック・プリズムの１つの側面に隣接して取 付けられた赤色光源と、前記１つの側面とは反対側のダイクロイック・プリズム の別の側面に隣接して取付けられた青色光源とを有する請求項１３記載の表示装 置。
16. １６．各々のダイクロイック・プリズム集成体が、その相等しい辺の所で互いに 取付けられた４つの直角２等辺三角形形プリズムで構成されていて、立方体形の プリズムを形成し、該三角形プリズム集成体の各々の斜辺が前記立方体形ダイク ロイック・プリズムの面に対応している請求項１５記載の表示装置。
17. １７．各々のダイクロイック・プリズム集成体が、前記１つの側面及び前記後面 によって形成された第１の頂点、及び前記別の側面及び前記投影面によって形成 された第２の頂点の間を前記ダイクロイック・プリズムの対角線方向に伸び、赤 色光を反射する第１のダイクロイック界面手段と、 前記別の側面及び前記後面によって形成された第３の頂点、及び前記１つの側面 及び前記投影面によって形成された第４の頂点の間で前記ダイクロイック・プリ ズムの対角線方向に伸び、青色光を反射する第２のダイクロイック界面手段とを 有する請求項１６記載の表示装置。
18. １８．前記光を制御する手段がマトリクス形でアドレスされる複数個の液晶ライ ト・バルブで構成される請求項１０記載の表示装置。
19. １９．各々の光源手段と各々の液晶ライト・パルプの間に取付けられていて、伝 達する光の偏光を選ぶ偏光手段を有する請求項１８記載の表示装置。
20. ２０．各々のテレセントリック投影手段が１対の中継レンズで構成される請求項 １０記載の表示装置。
21. ２１．前記コリメーター組合せ手段が、球形反射器と、 前記１対の像の各々を球形反射器に夫々投影する１対のレンズ手段と、 前記球形反射器から１対の反射像を受取り、各々の受取った像を歪んだ像として 球形反射器に反射する平面反射器とを有し、 前記球形反射器は各々の歪んだ像を着用者の関連する目に歪みのない虚像として 現れる様に更に反射する請求項１０記載の表示装置。
22. ２２．第１及び第２の光源手段の各々と前記１対の投影レンズ手段の関連する１ つとの間に光路が設けられ、各々の光路は前記平面反射器に対する法線に対して 選はれた角度であって、前記虚像を作る請求項２１記載の表示装置。