JPH07509328A - 超広角視野，広スペクトル帯域ヘルメットバイザー表示光学系 - 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】 超広角視野、広スペクトル帯域 ヘルメットバイザー表示光学系 ［発明の背景］ ［発明の分野］ 本発明は、イメージが大きく屈曲角度で表面から反射され、反射されたイメージ に非対称的な収差を生成する光学表示システム、特に収差を補償する光学系を含 むヘルメット取付はバイザー表示装置としてのこのようなシステムの使用に関す る。

［関連技術の説明］ 航空機ヘルメットバイザー表示システムは、パイロットの両眼の直ぐ前のヘルメ ットバイザー上に必要なパイロット情報を提供するイメージを投影し、′ヘッド アップ“モードでパイロットがバイザーから反射されたイメージおよび外部シー ンの両方を見ることを可能にする。典型的なヘルメットバイザー表示システムは 、本発明の出願人であるヒユーズエアクラフト社に５渡されたＷｉｌｈｒｉｎｇ ｔｏｎ氏による米国特許第３□９４０、２０４号明細書（１９７６年２月２４日 発行）に記載されている。

情報イメージは、ヘルメットの側面に取付けられた陰極線管（ＣＲＴ）から提供 される。イメージはほぼ前方に導かれ、その後プリズム装置によって湾曲したバ イザー上に偏向される。ヘルメットの任意の部分またはパイロットの頭部によっ てイメージを妨害することを避けるために、イメージはバイザーの中心線に対す る垂線に対して実質的な“屈曲角度“でバイザー上に導かれる。屈曲角度は、典 型的に約５５乃至６０″である。これは、結果的に反射されたイメージにおいて 著しい非対称的な収差を生じさせる。

この非対称的なシステムにより生成された収差は、非常に複雑であり、主にパイ ノーダル（ｂｉｎｏｄａｌ）非点収差およびコマ収差からなる。過去において、 リレーレンズ群はＣＲＴとバイザーとの間に導入され、リレ一群は大きさが等し く符号が逆の収差を生成して、非対称性の結果生じた収差を相殺（補償）シよう として傾斜され、中心をずらされている。ＣＲＴの傾斜角はまたこの目的のため に調節された。さらに、バイザーの内面（それはＣＲＴから投影された情報およ び外部シーンの両方を結合するため“結合器“とも呼ばれる）は、非対称的な波 頭がさらに収差を減少するために記録されたホログラフ面として構成された。リ レ一群の使用はＣＲＴの小型化を維持することを可能にし、一方において結合器 はリレ一群の内側の位置に装着者の瞳孔をリレーし、小型のリレ一群を可能にし た。しかしながら、収差を減少するための努力は完全には成功せず、著しい残留 収差が残された。

非点収差およびコマ収差は多数の光学系のイメージ品質を制限する２つの著しい 収差である。カメラレンズ等の対称的な光学系に対して、非点収差は視野に４乗 根ｆｑｕｘｄｒｘｄｉｃｘｌ）で比例し、コマ収差は視野に線形的に比例する。

したがって、フィールドの中心において非点収差およびコマ収差はゼロである。

高屈曲角ヘルメットバイザー表示装置（ＨＶＤ）等の非対称的な光学系に対して 、バイザーによって生成された非点収差およびコマ収差は、対称的なシステムの ものよりはるかに複雑である。非点収差は、一般に視野と共に４乗根的におよび 線形的に変化する成分並びに一定成分を有するものとして特徴付けられる。

したがって、一般にゼロ非点収差を有する２つのフィールド点が存在し、これら は対称的な光学系に対するゼロ非点収差の単一のフィールド点とは異なっている 。パイノーダル非点収差という用語は、２つのゼロ非点収差フィールド点を特徴 付けるために使用される。非対称的光学系に対するコマ収差は、視野と共に線形 的に変化する線形（ｌｉｎｅ！ｒ）コマ収差成分および視野にわたって一定であ る一定（ｃｏｎｓｔａｎ＋）コマ収差成分を含む。

これらの種々の収差は、過去の補償システムの設計において理解されておらず、 またそのシステムはそれらの全てを補償することができなかった。いずれにして も、過去のシステムは２次（ｑｕａｄｒａｔｉｃ）非点収差、一定非点収差およ び線形コマ収差だけを取除くことを試みている。これは結果的に小さい視野、残 留収差、小さい瞳孔寸法および制限されたイメージ分解能を有するＨＶＤを生じ させる。

別の方法は、実効屈曲角度を減少し、それによって第１の位置における非対称的 な収差の発生を消去することである。

これは、ＣＲＴからビームを再指向するために装着者の目の直前にビーム分割器 を位置し、それによってさらに小さい屈曲角度および広い視野を達成することに よって実行されている。この方法に関する主要な問題は、それが装着者の目に非 常に近接して、典型的に１／２インチより近くに偏向した（ｄｉｓｌ＋ａｃｌｉ ｎｇ）成分を位置し、また眼鏡の使用を妨害することである。

従来の方法の別の制限は、ホログラフ結合器が典型的に単色にシステムを制限す る狭い帯域幅を有していることである。

これは、やはり狭い帯域幅を有する従来のＣＲＴに対しては特別の問題ではなか った。しかしながら、より新しいＣＲＴはさらに広い帯域幅を有するが、システ ム全体の帯域幅はその最も狭い帯域幅の素子すなわちホログラフ結合器のものに 制限される。しかしながら、従来のシステムの帯域幅制限がより一般的なバイザ ーでホログラフ結合器を置換することによって取除かれた場合、付加的な非対称 的収差および色収差の両者が結果的に生じる。

［発明の要約］ 本発明の目的は、広い視野および広い帯域幅を提供し、しかも低レベルの光学収 差を示すヘルメットバイザーまたは類似した大きい屈曲角度の装置で使用するた めに改良された光学表示システムを提供することである。

これらの目的は、前方群および後方群の２つの光学レンズリレ一群を設け、大き い屈曲角度を有するバイザー収差に一致し、それを補償するパイノーダル非点収 差並びに線形および一定の両コマ収差を発生するために他とは無関係に、各群の 中心をずらし、および、または傾斜することによって達成される。２つの分離し たリレ一群を設けることにより、補償プロセスに利用可能な自由度が大幅に増加 され、３つ全てのパイノーダル非点収差成分および両コマ収差成分の補償が行わ れる。

好ましい実施例において、前方リレ一群は後方リレ一群の前端部の近くの位置に ヘルメット装着者の目の瞳孔のイメージの焦点を結ぶ純粋な正の集束を有する。

これは、後方リレ一群の寸法を減少させる。後方群はまた純粋な正の光倍率を有 し、イメージ発生器からのイメージを規準の近くにコリメートし、それによって 見掛は上の遠フィールドイメージを装着者に提供する。後方群は、大きい開口数 を持つ双眼アイピースとして機能する。

非ホログラフ反射面はバイザーに使用され、実質的に全可視スペクトルを含むた めにその帯域幅を拡張する。結果的な色収差を補償するために、前方および後方 側リレ一群においてレンズダブレット（ｄｏｕｂｌＣｔ）が使用され、両群は純 粋な正の焦点集束を生じさせる。後方群は、２組のレノズダブレ・ソトの間に正 の集束レンズを含んでいることが好ましい。後方君１の前方レンズはまたさらに リレーの寸法を減少させ、瞳孔イメージ寸法を拡大させるように正の光倍率を有 していることが好ましい。光学ウェッジ（ｖｓｄｇｅ）　は、残留している一定 コマ収差を補償するようにイメージ発生器と後方リレ一群との間に位置され、前 方および後方リレ一群の間の誤整列がやはりウェッジによって導入された色収差 を補償するために選択される。

本発明のこれらおよび別の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付図面 から当業者に明らかになるであろう。

［図面の簡単な説明］ 図１は本発明による光学表示システムを取付けられたヘルメットの上面図である 。

図２は、図１に示されたヘルメットの側面図である。

図３は、好ましい実施例の光学素子の構造を示した上面図である。

図４は、図３に示された実施例の側面図である。

図５は、本発明の特定の構成に対するレンズ規定を示した図表である。

［発明の詳細な説明コ 本発明は、パイロットが使用するヘッドアップヘルメット表示に関して説明され る。しかしながら、本発明はイメージが観察者の真正面に配置された表示面に著 しい屈曲角度で与えられるその他種々の応用を有していることを認識すべきであ る。このような応用には、例えば“バーチャルリアリテイ”装置およびＤＮＡ研 究またはアーキテクチャ設計等の複雑な構造の設計または解析の面で補助するた めに使用される計器が含まれる。

図１および２は、バイザー４を含むパイロットヘルメ・ノド２に対する本発明の 適用を示す。装着者に面した内側ｌくイザー面は光学結合器として機能する。情 報イメージは、ヘルメットの側面に沿って取付けられたＣＲＴ６によって生成さ れる。ＣＲＴスクリーン８のイメージは、それが観察者の目のほぼ正面のバイザ ーの方に向くようにプリズム装置ｌＯによって再指向されることが好ましい。こ のようにして、装着者は矢印１２によって示されているように外部シーンが明瞭 に見えるだけでなく、バイザー上に可視情報表示を有する。プリズム装置の使用 により、光学素子はヘルメット上に良好にパッケージされることができる。

前方リレ一群１４および後方リレ一群１６からなる１対の光学レンズリレ一群は 、ＣＲＴスクリーン８とバイザーとの間の光路１８においてヘルメットに取付け られる。後方リレ一群１６は一般にＣＲＴ６とプリズム装置ｌＯとの間に配置さ れる。もっとも、いくつかの適用では、それは前方リレーｆｆＴ１４の直ぐ後ろ に配置され、プリズム装置ｌＯがそれとＣＲＴとの間に配置されてもよい。光学 素子は、図１および２においてブロック形状で示され、光学系の付加的な素子は これらの図には示されていない、以下、図３および４と関連して光学系をさらに 詳細に説明する。

バイザー４の内面は、従来のシステムのようにホログラムを支持するのではなく 、リレ一群の湾曲を平衡にするペツツヴアール（ｐｅｆｘｖａｌ）　０曲を備え た通常の反射結合器である。

シースルー能力は、ビーム分割器タイプの被覆をそれに適用することによって結 合器に与えられている。実質的に可視スペクトル全体にわたる広い帯域幅を有す る非ホログラフ結合器を使用することによって、同様に広い帯域出力を有するＣ ＲＴ６の使用が可能になる。この広帯域動作の結果生じる色収差は、以下説明す るようにリレ一群１４．　１６の設計によって補償される。

ＣＲＴ６からバイザー４への視野の中心の主光線１８をここでは光軸と定義する 。それはバイザーに対する入射角θを有し、θはその点でバイザーに対して描か れた垂線から著しくオフセットされている。バイザーの垂線と軸１８との間の角 度の差をシステムの屈曲角度と呼ぶ。屈曲角はバイザー上の異なる位置で変化す るが、一般にそれは典型的に約５５°乃至６０″であることを認めることができ る。ＣＲＴ６からの入射ビームに関するバイザーの非対称的な方位は、結果的に 前述の複雑な非対称的な収差を生じさせる。

本発明の重要な特徴は、前方および後方リレ一群１４．１６がこれらの収差を補 償するために利用できる自由度を著しく増大させるように互いと無関係に方位付 けされることができることである。一方または両方のリレ一群は、リレ一群の中 心が軸１８上に位置されないように、互いに関しておよび光軸１８に関して中心 をずらされている、すなわち少し横方向にシフトされることができる。さらに、 各リレ一群は、その内部軸がシステム軸１８に対して平行でないように角度的に 傾斜されることができる。各リレ一群は他方と無関係に位置されることができる ため、それらは互いに中心をずらし、角度的に傾斜することによって互いに関し て誤整列されることができる。

バイザー収差は、一般に光軸１８を含む対称の平面を有する。

平面の上方および下方の対応した点の任意の対において、ＣＲＴからの入射光は 等しい距離を横断し、バイザーに対する同じ入射角度を有する。図２において、 対称の平面は頁中に広がっている。光収差は一般にこの平面の両側で対称的であ るため、リレ一群１４．１６は対称面にほぼ平行な平面において傾斜し、中心が ずれているだけでよい。

バイザー４および光学系のその他の素子は、ＣＲＴ６からのイメージがヘルメッ ト装着者の目２２に導かれるように方位付けされている。以下、図３および４と の関連により、システムの構造、およびＣＲＴからの光学イメージが無非点収差 およびコマ収差の実質的な減少と共に装着者にどのようにして与えられるかをさ らに詳細に説明する。

図３および４を参照すると、本発明の好ましい実施例が示されている。図３は、 光学素子が図１のように右側ではなくヘルメットの左側に取付けられたものとし て示されていることを除き、図１に類似した方位を有している。その代わりに、 光学系はヘルメットの上部に配置されることが可能であり、その場合中心を外れ た傾斜した平面は図１および３の対応した平面から、或はある別の都合の良い位 置で９０″回転する。

前方リレ一群１４は、整合した正および負のレンズ２４および２６を含み、それ らは共に色収差を補償するレンズダブレットを構成している。さらに、前方リレ 一群１４は別の正のレンズ２８、およびレンズ２８と後方リレ一群１６との間の 厚い負のレンズ３０を含んでいる。レンズ３０は少し湾曲した後面を有し、光学 的な回転角度を有してそれを構成することによって図１および２のプリズム装置 ｌＯとしても機能ことかできる。レンズ２８および３０は純粋な正の光信率を有 する別のレンズダブレットを構成している。色収差を補償するときのレンズダブ レットの動作は、文献（Ｓｍｉｔｈ氏による　ＭｃＧｒａｖ　Ｂ１１１　Ｂｏｏ ｋＣｏｍｐａｎ７．１９６６　年、３３４３３７頁）に記載されている。

前方リレ一群１４の正の光信率は、後方リレ一群の前方レンズ３２の近くの位置 にヘルメット装着者の瞳孔のイメージをリレーする。これは、後方リレ一群１６ が前方リレ一群より実質的に小さい断面積で構成されることを可能にする。バイ ザー／結合器４と共に前方リレ一群１４はまた無限焦点望遠鏡として機能し、結 果的にコリメートされた入力ビームがコリメートされた出力ビームを生じさせる 。それは中間イメージ平面３１においてＣＲＴ表示の中間イメージを形成する。

後方リレ一群１６は、正のレンズ３２および負のレンズ３４からなる前方レンズ ダブレットと、正のレンズ３６および負のレンズ３８からなる後方レンズダブレ ットと、前方および後方レンズダブレット間の正の集束レンズ４０とを含んでい ることが好ましい。前方レンズダブレットは、その２つの構成レンズ３２゜３４ 間にエアスペースを有している。このような構造は、高次の収差を減少すること が知られている。中間の正レンズ４０は、後方リレ一群に純粋な正の集束を行わ せる。各リレ一群に対する正の集束は実像を生成するために必要である。正のレ ンズ３６および４０は大きい表面曲率を有する単一レンズに結合されることが可 能であるが、これは収差を増大させる。

両リレ一群における正のレンズは、異なる波長に対して比較的低い分散および低 い屈折率微分を有するクラウンガラスから形成されることが好ましい。負のレン ズは、異なる波長に対して分散率が高く、大きい屈折率微分を有するフリントガ ラスから形成されることが好ましい。

独立的に２つのリレ一群１４および１６の中心をずらし、それらを角度的に傾斜 することによって、従来のシステムよりかなり高度の非対称的な収差補償が達成 されることができることが認められている。各リレ一群に対する傾斜および中心 のずれの墓は、特定の光学系の特性に依存している。図３において、前方リレ一 群１４は点４２にその光学的な中心を有し、光軸４４（破線で示されている）が 中心を通って延在するものとして示されている。示された例において、前方リレ 一群１４はシステムの光軸１８の右側に（リレ一群からバイザー４に向かう進行 方向に関して）中心をずらされている。それはまた角度的に傾斜され、その先軸 ４４は前方リレ一群とバイザーとの間でシステム軸１８と交差する。

後方リレ一群１６は４６にその光学的中心を有し、また異なる量で、システム軸 １８の右側に中心をずらされているものとして示されている。この例において、 後方リレ一群１６は前方リレ一群と逆方向に角度的に傾斜され、その光軸４８は リレ一群１６の後部へシステム軸１８と交差する。

所定のシステムにおける各リレ一群に対する特定の中心のずれおよび傾斜は、コ ンピュータプログラムの補助により決定されることが好ましい。オプティカル・ リサーチφアソシエイツ社（カリフォルニア州バサデナ）による商標名Ｃ０ＤＥ Ｖプログラム等のこの能力を備えたソフトウェアパッケージが現在市販されてい る。システム設計者は、全てのレンズの曲率半径および厚さ、レンズ間の間隔お よび位置、レンズ材料、中心のずれおよび傾斜調節の自由度、およびバイザー面 の特性を入力することによってここで検討されている光学系を特徴付けている。

プログラムはリレ一群の中心のずれおよびそれらの傾斜角度を少し調節し、これ らの調節がイメージ品質にどのように影響するかを観察し、イメージ品質を最適 化して、収差を最小にするように付加的に調節を反復しながら連続する反復プロ セスを使用する。

前方リレ一群１４は、バイザー４の内面から反射された観察者の瞳孔２２からの イメージの焦点を後方リレ一群１６の直ぐ前の位置に結ぶように設計されている 。これは、光を損失せずに後方リレ一群の断面積が前方リレ一群のそれより著し く小さいことを可能にする。後方リレ一群の第１のレンズ３２は、正の光信率を 有していることが好ましく、これはリレ一群に要求される寸法をさらに減少させ 、瞳孔イメージを拡大させる。後方リレ一群は、実効的に大きい開口数を持つ双 眼アイピースを構成する。それはイメージ発生器の中心からの光線トレース５０ ａ、５０ｂから認めることができるように、イメージ発生面２３からのイメージ の焦点を規準の近くに結ぶ純粋な正の光信率を有する。これは、ヘルメットの装 着者によりバイザー上で見られるイメージに望ましい遠フィールド効果を与える 。

光学ウェッジ５２は、光学系の残りのものから残された全ての残留コマ収差を取 除くようにイメージ発生面２３と後方リレ一群１６との間に位置される。ウェッ ジの特性はまた特定のシステム設計のために使用されるソフトウェアプログラム への人力として付加され、そのプログラムは最適なウェッジ傾斜角度を決定する 。ウェッジの存在はある程度の色収差を導入するが、これは前方および、または 後方リレ一群の中心のずれを調節することによって補償されることができる。

説明されたような本発明により、３つ全てのパイノーダル非点収差成分（２次、 線形および一定）のほとんどおよび線形および一定のコマ収差の両者は効果的に 補償されることができ、一方間時に著しく視野を増加させる。水平６０’　Ｘ垂 直８０°程度の視野が実現可能である。さらに、動作帯域幅はイメージ品質にお いて対応した劣化を生ぜずに実質的に全ての可視スペクトルをカバーするように 拡大されることができる。

本発明を使用する特定のシステムのレンズ規格は、図５に与えられている。シス テムは、図３および４に示されたレンズ構造を使用する。各レンズ面の曲率半径 は単位がＣｍで与えられ、正の数が図面の右側から見たときの凹状湾曲を示し、 負の数が凸状湾曲を示す。やはり単位がｃｍで与えられた厚さは所定のレンズ面 の中心から左隣の面の中心までの厚さである。レンズ面の直ぐ左側の媒体の屈折 率およびア・ソベ数は、通常の６桁の表記で定義されており、屈折率がア・ノベ 数に先行する。全ての屈折率は、ｌ、ｘｙｚの形態である；単位値１は図５にお いて省略されており、３つの小数値だけが与えられている。例えば、第１のエン トリイ（７９６）は、１．７９６の屈折率に対応する。全てのアツベ数は、後に １桁の小数が続く２桁の整数の形態（ｘｙ、ｚ）である。第１のエントリイは、 ５０６は、アツベ数５０６に対応する。レンズの前面（図面の右側から見たとき に）は文字ｆで示され、後面は文字ｒで示されている。バイザーは、−１２，３ ４４４ｃｍの曲率半径を有し、レンズ２４から１７．１４９３ｃｍ間隔を隔てら れていた。イメージ平面２３は１９．３４８０ｃｍの曲率半径を有し、ウェッジ ５２の後方に０、５３３４ｃｏ＋間隔を隔てられていた。前方リレ一群１４はこ の特定の例では中心をずらされていないが、２．６６５７８１″′傾斜された。

後方リレ一群は０．０７３５３ｃｍ中心をずらされ、−６’、　５９２３２８　 ”傾斜された。ウェッジは９．２００１２１’傾斜され、イメージ平面は−２０ ，０１９８６５°傾斜された。

本発明の特定の実施例が図示および説明されているが、当業者は、種々の変更お よび別の実施例を認識するであろう。

したがって、本発明は添付された請求の範囲に関してのみ限定されるものである 。

ＦＩＧ、１゜ レンズ　曲率半径　厚　さ　媒　体 表　面　（６口））　（ＣＩＴＩ） ２４ｆ　−３，８４４００−０，４０００００７９６，５０６２４ｒ／２６＋　 −３，０９０００−０，１０００００７９８，２８０２６ｒ　−１３，１０５０ −０，４０６４８０空気２８ｆ　−２，３１６００−０，３７９２２７７９６， ５０６２８ｒ／３Ｏｆ　−０，０００００−１，６５００００７ｇＢ、２Ｂ０３ ０ｒ　−３，８４４００−０，０４００００空気３２ｆ　−１，１５０００−０ ，２０００００７ｇ６．５０６３２ｒ　−１，９６４００−０，１４１３０２空 気３６ｆ　−１２２１２００−０，５０００００７９６，５０６３６ｒ／３８ｆ 　１．２３５３０　−０．０４５０００　７９６．２８０３６ｒ　−９，２３４ ００−０，０９９ｉ７２　空気つｘ　ノンｆ　−０，０００００−０，１５５４ ９８５３２，８１７ＦＩＧ、　５゜

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．イメージ発生器と、前記イメージ発生器からイメージを受けて反射するよう に位置された反射表面を有する反射器とを含み、前記反射器が反射されたイメー ジ中に非対称的な収差を生成するように前記イメージ発生器に対して実質的な屈 曲角で方位付けされている広視野の光学表示システムにおいて、 前記イメージ発生器と前記反射器との間の光路中に位置された後方光学レンズリ レー群と、 前記後方光学レンズリレー群と前記反射器との間の光路中に位置された前方光学 レンズリレー群とを具備し、前記前方および後方光学レンズリレー群が前記非対 称的な収差を補償するために互いに関して整列されていないことを特徴とする光 学表示システム。
2. ２．前記前方および後方リレー群は互いに中心をずらされている請求項１記載の 光学表示システム。
3. ３．前記前方および後方リレー群は互いに関して角度的に傾斜されている請求項 １記載の光学表示システム。
4. ４．前記イメージ発生器の反射器からのイメージは、前記反射器に関して予め定 められた位置から観察されるように意図され、前記前方リレー群が前記後方リレ ー群の前端部の近くの位置に観察者の目のイメージの焦点を結ぶ純粋な正の光倍 率を有している請求項１記載の光学表示システム。
5. ５．前記後方リレー群はイメージ発生器からのイメージの焦点を視準の近くに結 び、それによって前方リレー群に見掛け上の遠フィールドイメージを提供し、前 記反射器と共に前記前方リレー群が無限焦点望遠鏡として機能する請求項１記載 の光学表示システム。
6. ６．前記前方および後方リレー群は共にそれぞれ純粋な正の集束を有している請 求項１記載の光学表示システム。
7. ７．前記後方リレー群は、断面積が前記前方リレー群より実質的に小さい請求項 ６記載の光学表示システム。
8. ８．一定のコマ収差成分を含む前記非対称的な収差は、さらに前記イメージ発生 器と前記後方リレー群との間に設けられた光学ウェッジを含み、前記光学ウェッ ジが前記前方および後方リレー群によって補償されない残留した一定のコマ収差 を補償するように方位付けられている請求項１記載の光学表示システム。
9. ９．前記イメージ発生器および反射表面は、実質的に全可視スペクトルにわたっ て広がっている帯域幅を有している請求項１記載の光学表示システム。
10. １０．前記前方および後方リレー群は、そうでなければ表示システムによって前 記イメージ発生器からのイメージに与えられる色収差を補償するためにレンズダ ブレットを含んでいる請求項９記載の光学表示システム。