JPS5834814B2 - 光学的コリメ−シヨンを用いる表示器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学的コリメーションを用いる表示器に関する
ものであり、更に詳しくいえば「ヘッドアップ表示器」
または「コリメーティング・ヘッド」として知られてい
る航空機用の飛行データ表示器に関するものである。

この表示器により飛行データを操縦士から見える光景す
なわち空の背景上に重ね合わせて表示できる。

データは輝くマークや記号の形で現われる。

それらのマークや記号はレンズの焦点領域に置かれて背
後から照明される十字線や、陰極線管のスクリーン上の
合成映像のような対応する輝く物体から発生される。

十字線の映像は、操縦士の通常の視線内に配置されてい
る組合わせガラスの反射面へ向けて、無限遠へ投与され
る。

表示はこのようにして光景に重ね合わされ、距離または
輝度に眼を合わせることは不要である。

いくつかの十字線を１つの非常に精密な表示に組合わせ
るために光学的混合器が用いられる。

操縦士は頭を動かしたり、透明なスクリーンへ非常に近
づく必要なしに十字線の映像を完全に見なくてはならな
い。

眼鏡のレンズの映像の輪郭は光学的なひとみとして機能
する。

したがって、場は、観察者の眼の上に中心を有し、光学
的ひとみの上に置かれる円錐形の形の単眼視と、観察者
の両眼にそれぞれ中心を有し、光学的ひとみの上に置か
れる２個の円錐の組合わせによる複眼視より成る。

与えられた観察方向では、投写された映像は、光学的ひ
とみの動きに対応する領域上のいずれの眼の動きに対し
ても見ることができる。

組合わせガラスから十分な距離をおいて容易に見ること
ができるようにすることにより、操縦士が楽に見えるよ
うにするために、光学的ひとみの直径は十分に大きくす
ることが重要である。

実際には、光学的ひとみの寸法を大きくすると装置が大
型となる。

とくに、この装置は航空機の計器盤にとりつげられるも
のであるから、操縦士が外部を見たり、動いたりするこ
との妨げとならないように鉛直方向の寸法は小さくしな
げればならない。

良好な光学的特性を有し、ひずみや視差なしに動作する
コリメータヘッドの場合には、ハウジングの可能な最小
の高さは光学レンズの直径で決められる。

先行技術によれば、組合わせガラスは移動と回転運動の
うちの少くとも一方の運動を行なえるように配置される
。

光学的ひとみは寸法の点からは不変であるが、ガラスへ
伝えられる動きのために移動させられ、その結果として
、ガラスの小さな動きに対してほぼ同じ寸法を保つ瞬時
視野内での移動のために、光学的ひとみは仮想的に拡大
されることになる。

別の公知技術では、対物レンズと光を当てられる物体と
の間に反射偏向プリズムを挿入することにより、光学的
ひとみを拡大している。

このプリズムは光軸に平行な小さい反射面を有し、その
大きな面に平行に対物レンズが配置される。

コリメータヘッドの大きさは不変であるが、対物レンズ
の直径、したがって光学的ひとみの大きさが拡大される
。

本発明の目的は、対物レンズよりも大きな光学的ひとみ
を構成すると同時に、装置の光学的特性を保持するコリ
メータ装置を提供することであって、光学レンズの直径
を変えることなしに光学的ひとみを鉛直方向に大きくす
る（これは高さの増大を表わす）ことである。

本発明によれば、光マークの形のデータを観察者の正常
な視線へ向けて投写するために光学的コリメーションを
用いる表示器であって、前記データを表わす発光物体と
、この発光物体の映像を無限遠に投写するための対物レ
ンズと、前記投写された映像を前記視線内へ反射させる
ために半透明平面鏡により形成される組合わせガラスと
、対物レンズの映像の輪郭により定められる元の光学的
ひとみを、付加的な光学的ひとみを生じさせることによ
り組合わせガラスを介して拡大するための光学装置とを
備え、前記付加的な光学的ひとみは元の光学的ひとみと
関連して拡大された結果的なひとみを形成し、前記光学
装置は第２の半透明平面ガラスを備え、この第２の半透
明平面ガラスは対物レンズから大きく離れた点で前記第
１のガラスに平行に配置されて、前記元の光学的ひとみ
を垂直方向に拡大させることを特徴とする光学的コリメ
ーションを用いる表示器が得られる。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図には直径がＤ１０対物レンズ１と、半透明平面ガ
ラス２と、対物レンズ１の焦点距離内に設けられた照明
される物体３とを備える表示器が簡略化して示されてい
る。

Ｆは光軸上の焦点を示す。

表示器の高さを制限するために、この表示器は反射鏡４
を含む。

表示器全体はノ・ウジング５によって支持される。

この表示器の光学的ひとみは、組合わせガラス２を通じ
て見えるレンズ１の映像の輪郭６により定められる。

光軸２上のＡ点に居る観察者にとって、照明されている
物体を見るのに有用な視野は眼Ａに頂点を有し、底部が
ひとみ６にある円錐形であって、観察距離ｄ１の場合の
視角はωである。

図示の実施例では、視野円錐の頂角θは、照明されてい
る全ての物体を同時に見ることができるようにωよりも
大きくなげればならない。

そのために、観察者はひとみ６から最大距離ｄ２の点に
位置せねばならない。

Ａ点に位置する時は、観察者は半径がｒｌの円に対応す
る狭くなった焦点領域内に存在する物体を同時に見るこ
とができるだけである。

全体の焦点領域はより大きな半径ｒ２を有する。

半径がｒｌとｒ２の円の間の環の中に含まれている物体
を見るためには、観察者はＡ点で光軸Ｚに垂直な平面γ
の中で頭を動かす必要がある。

半透明ガラス２は固定されていると仮定していることを
理解されたい。

距離ｄ１は飛行中に操縦士が見る可能な最小値を表わす
。

光学的なひとみ６を拡大すれば全ての物体を同時に見る
ことが可能である。

図示の場合には、このことはＤｌより大きく、視野円錐
のＡ点における頂角θが求められているような値である
ような直径Ｄ２を有するひとみ６を得ることを意味する
。

前記したように、対物レンズの直径を大きくすることは
装置の寸法と、製作費の点ですぐに壁にあたることにな
る。

可動ガラスを用いるやり方も、構造が複雑となり、適切
な時に操縦士が操作する必要が生ずるために面倒である
。

また、前記したように幅方向にひとみを拡大することを
一般に不要で、高さ方向に拡大する方がむしろ必取であ
り、実際にも上下方向（第１図でＹ方向）に物体が拡が
る方が多い。

このことは垂直に目盛られた尺度が表示される場合にと
（にそうである。

この好ましい方向にひとみを局部的に拡大するために、
本発明にでは風防窓ガラス２との間の空間Ｖ（第２図）
に、第２のびとみ８を発生する反射光学素子１０が設け
られる。

光学素子１０は第２の半透明ガラスで構成され、対物レ
ンズ１から、第１の半透明ガラス２と対物レンズ１との
間の距離よりも遠（離れた位置に、第１の半透明ガラス
２に平行に配置される。

この第２の半透明ガラス１００寸法と位置は、全ての物
体を同時に見ることができるような、幅方向Ｙと高さ方
向Ｘとの寸法と、所要の形を有するひとみを生ずるよう
に計算される。

操縦士の表示器コリメータに関連して、第２図は表示器
を設置するために考えなげればならない制約を示す。

直線ＶＢは外界を見るための下限を示し、かつ操縦士の
眼から風防窓の下側縁部まで延びる平面の直線を表わす
。

直線ＴＥは射出軌道を表わす。

この射出軌道は、操縦士が行なうことがある射出操作の
ためのスペース、従ってその中に装置や物体が存在すれ
ば上記射出操作を妨げることとなるスペースの臨界を形
成する。

上記操作は特に軍用航空機で行なわれる。

第２図で、ヘッドアップ表示器１１が下の位置にとりつ
げられている。

計器盤１２にとりつげられている計器は、表示器１１を
設置する時に許容せねばならない計器の観察境界ＶＩを
定める。

表示器１１は平面ＶＢと、ＶＩおよびＴＥの間に定めら
れるスペースＶの中に配置される。

直線ＰＯで示されている対物レンズの面は航空機の長手
軸に全体として平行であり、対物レンズは視野の下限Ｖ
Ｂに適合する可能な最高位置に配置される。

このことは、ひとみ６が底部で直線ＶＢに接することを
意味する。

次に第３〜６図を参照して本発明の表示器の実施例につ
いて説明する。

第３，４図は光軸と方向Ｙとにより形成される平面に対
応する平面内の光路を示す。

この平面はレンズ１０面ＰＯに垂直である。

視野円錐の下側母線すなわち同時に見える視野の下側半
径は視野の下側境界線ＶＢに一致すると仮定している。

平均視野直線２は観測できる視野の対称軸に一致するよ
うに移動させることができるが、この移動は小さく、ひ
とみの拡大は方向が限定されるから、簡単にするために
図ではこの移動は無視しである。

第３図ａ、ｂは第２の半透明ガラス１０の位置の関数と
してのひとみの変化を示す。

第３図ａでは半透明ガラス１０は２つの異なる位置１０
ａ。

１０ｂにあるのが示されている。

これらの位置では半透明鏡はそれぞれひと−ＺＡ８ａ、
８ｂを生ずる。

第３図すは得られた全体のひとみを表わす。

この全体のひとみは各位置１０ａ、１０ｂに対して付加
的なひとみ９ａｔ９ｂを含む。

これらのひとみ９ａ 、９ｂは元のひとみ６の面へ移さ
れたひとみ８ａ、８ｂにそれぞれ一致する。

第２の半透明鏡１０が対物レンズ１から更に離れている
場合にはＹ方向へのひとみの拡大は大きいが、付加部分
９の直径は短くなることに気がつくであろう。

位置１０ｂは２つのひとみ９ｂと６が接する端の位置で
ある。

輝く物体の映像がＸ方向に拡大されるという事実から、
円９ａと６が交わる点である幅を有する全体のひとみを
発生させるためには、位置１０ａのような中間位置が好
適である。

図示の光線は、半透明ガラス１０ａにより行なわれる上
下方向のひとみの拡大が、ＥＦ＝ＤＩではなくて大きな
直径ＥＧ＝Ｄ２０対物レンズにより発生されるのと同じ
である事実を明らかにしている。

ノ・ツチングを施した部分に対応するこれらの光線は、
第２の半透明ガラス１０から反射される前に第１の半透
明ガラス２を透過せねばならない。

輝く物体が視野全体にわたってほぼ同じ輝度であるため
に、第４〜６図を参照して以下に説明するような構成に
する。

まず、ガラス２０半透明処理はＰ点（第４図ａ）におけ
る直線ＭＮ（第５図）をこえて継続されることはなく、
それにより上部がＸ方向に希望の幅の弦ＫＨにより境界
を定められるひとみ６（第４図ｂ）を生ずる。

第２の半透明ガラス１０の下側縁部ＱＲ（Ｓ点）が、形
成されたひとみが参照番号９で示されているようにして
形成されるように、弦ＫＨに一致するようにして第２の
半透明ガラス１０が位置させられる。

ひとみ９の底部は弦ＫＨにより境界が定められる。

ガラス２，１０を半透明にする材料がそれらのガラスの
観察者の側の面に付着される。

ガラス１０は均一に処理される。

ガラス２と１０の他の面（これらの面は外界と同じ側に
ある）は反射を防止するように処理される。

ガラス１０の下側縁部は光学研摩されて、半透明ガラス
１０と２を通して見た時、とくに周囲光のレベルが高く
なった時に、平行な棒の形の干渉像がその下側縁部面に
より形成されることを防ぐ。

更に、下側縁部ＳＴは第６図に示すように特別な輪郭形
状を有する。

簡単にするためにガラス２に起因する移動は無視しであ
る。

角度１０はガラス１０への法線と、縁部Ｓを観察者の眼
とを結ぶ直線ＳＡとの間の角度である。

この角度は図に示されている２つの角度１１と１２の和
の半分にほぼ等しくされ、それらの角度は空間内に二面
角りを定める。

この二面角ではガラス１００面ＴＳは観察者からＱＲ線
に沿って見た時に幅が零であるように見える。

この二面角の外では観察者は点ＳとＴを別々に通る縁部
を見る。

角度１１はＴＳ方向の光線Ｒ１，Ｒ２により定められ、
角度１２は直線ＴＳに沿って屈折される光線Ｒ３とＳ点
を通って光線Ｒ３と同じ方向へ向う光線Ｒ４とにより定
められる。

角度１１゜ｉ２．ｉｏ、およびガラス１０の縁部ＴＳが
切る角度αは次式によって互いに関係づけられる。

ｎはガラス１０の屈折率、 これは１０の関数としてのαの値が次式で与えられるこ
とを意味する。

したがって、１０の値は操縦士の位置と、航空機内の表
示器の位置とから容易に計算できる。

ガラス１０は上記に対応する形に切断される。

ガラス２の半透明処理の境界線ＭＰＮの位置は、その境
界線ＭＰＮが観察者の観察点ＡとＱＳＲ線とにより定め
られる平面内に位置するように計算される。

ただし、この計算には、ガラス２から成る平行面透明板
を透過することによりひき起こされる小さな変位が考慮
に入れられる。

ガラス２と１０の透過率Ｔと反射率Ｒは、ひとみ６によ
り見られる視野の付加部分内の輝度とほぼ同じ輝度の物
体の映像を得るために計算できる。

たとえば、ガラス２の場合にはＴ ＝ ０．６、Ｒ＝０
．４にでき、ガラス１０の場合にはＴ ＝ ０．４、Ｒ
＝０，６にできる。

これらの値はガラス２によって反射されて観察者（第４
図ａの領域ｃ１）へ向う光に対しては０．４の係数を与
え、ガラス２（領域ｃ２）を透過してからガラス１０に
より反射される光に対しては０．６ Ｘ Ｏ，６＝ ０
．３６の係数を与える。

ガラス２の上側の非反射部分を透過する対物レンズから
の光はそれらの光路内でほとんど減衰されず、ガラス１
０（領域Ｃ３）で反射された後のそれらの光線に対する
係数は０．６である。

これと同じ例で、外界は観察者により、領域ｃ１に対し
ては０．６の透過率で見られ、領域ｃ２とＣ３に対して
は０．４の透過率で見られる。

したがって、ヘッドアップ表示器コリメータの場合には
、外部の低い高さに位置する物体はもつと高い所に位置
する物体より高い輝度レベルで見られ、輝度の記号はほ
ぼ同程度の輝度で見られる。

観察点Ａ、最小距離ｄＬ下側の見える限界ＶＢ、射出軌
道ＴＥ、対物レンズの直径ＤＩ、得られる全視野角度θ
、拡大されたひとみの形などのような多くのパラメータ
が存在するので、第２の半透明ガラスの寸法と位置に対
して簡単な公式％式％ 半透明ガラス２，１０は視野の外側にある機械的な連結
部材２０，２１により、第７図に示されているように、
コリメータ装置のハウジング５の固定位置にセットでき
る。

部材２０によりガラス２．１０をハウジング５に固定で
きる。

部材２１は横に置かれ、ガラス２と１０を互いに平行に
セットできる。

使用しない時にガラスを下へたたみ込み、ガラス１０を
調節できるようにとりつけることができるようにするた
めに、もつと精巧な構造とすることができることがわか
るであろう。

しかし、２枚の半透明ガラス２，１０は正しく平行に保
たなければならない。

これは、たとえば変形可能な平行四辺形彫の端部移動ス
トップで行なうことができる。

半透明ガラス１００寸法と（にその幅ＱＲは、第５，８
図を参照して説明したように、ひとみ９ａと６が十分に
広い弦ＫＨに沿って交わるように決めるとよい。

このようにすると、得られるひとみのＸ方向の寸法は、
物体が動いていて垂直対称軸Ｙから点Ｋ、点Ｈの如く遠
（離れることがある場合にも、その投写を可能にするほ
ど十分に大きくできる。

寸法の大きな記号の投写の例として、第８図に目盛をつ
げられた物指しが示されている。

半透明ガラス１０の形は長方形に限定されるものではな
く、その横方向縁部はひとみ８に希望の形をとらせるよ
うな形にできる。

簡単にするために、操縦士の視野は円錐形であるとした
が、人は通常両眼で見るから視野は実際には２つの円錐
形より成る。

しかし、これは対物レンズとハウジングの寸法を大きく
することなしにコリメータ装置のひとみを大きくする本
発明の技術に何ら影響を及ぼすものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の表示器の簡略化した略図、第２図は操
縦席内でのヘッドアップ表示器の設置場所を示す線図、
第３〜６図は本発明の表示器の動作と製作に関連する図
、第１図はコリメータヘッドの・・ウジングにおける光
学素子の配置例を示す線図、第８図は拡大されたひとみ
を通って投写された大きな映像の例を示す。 １・・・・・・対物レンズ、２，１０・・・・・・半透
明ガラス、４・・・・・−反射鏡、５・・・・−・ハウ
ジング、６，８ａ。 ８ｂ 、９ａ 、９ｂ・・・・・・光学的ひとみ、１１
・・・・・・ヘッドアップ表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発光マークの形式のデータを観察者の通常の視線に
   向けて投与するための光学的コリメーションを用いる表
   示器であって、 前記データを表わす発光物体と、 この発光物体の映像を無限遠に投与するための対物レン
   ズと、 前記投与された映像を反射する第１の半透明平面ガラス
   により形式された組合せガラスと、前記第１の半透明平
   面ガラスと平行にかつ前記対物レンズから、前記第１の
   半透明ガラスよりも遠い位置に配置された第２の半透明
   平面ガラスと、を備え、 前記第１の半透明平面ガラスを介して前記対物レンズの
   映像の輪郭により元の光学的ひとみが形成され、 前記第２の半透明平面ガラスを介して、前記元の光学的
   ひとみとともに拡大されたひとみが形成され、 前記第１および第２のガラスは対物レンズへ向けられる
   面が半透明となるように処理され、半透明処理は第２の
   ガラス上でその全面にわたって行なわれ、第１のガラス
   の場合には定められた上限で終端し、 前記第２のガラスはその下側縁部が光学研摩され、その
   下側縁部の面が第２のガラスの面に対して、式 （但し、ｉｏは第２のガラスへの法線と半透明処理され
   る側に位置する第２のガラスの下側縁部と観察者の眼と
   を通る平面との間の角度）を満たす角度αをなすように
   切られている 光学的コリメーションを用いる表示器。 ２、特許請求の範囲の第１項に記載の表示器において、
   第１のガラスの半透明処理の限界は、方向が第２のガラ
   スの下側縁部に平行で、垂直方向の拡大方向に垂直な線
   であり、この線の位置は、とくに観察者の位置と付加的
   なひとみの位置との関数として、前記下側縁部と観察者
   の眼とを通る平面内にほぼ位置するように定められてい
   ることを特徴とする表示器。 ３ 特許請求の範囲の第２項に記載の表示器において、
   対物レンズは円形レンズであり、前記線と前記下側縁部
   は、付加的な円形のひとみが所定の幅の弦（ＫＨ）に沿
   って元の円形ひとみに合体するように位置することを特
   徴とする表示器。 ４ 特許請求の範囲の第１〜３項のいずれかに記載の表
   示器において、ガラスの外界へ向けられている面は全面
   にわたって反射防止処理されることを特徴とする表示器
   。 ５ 特許請求の範囲の第１〜４項のいずれかに記載の表
   示器において、第１および第２のガラスの透過率と反射
   率は、ベースが元のひとみ上にある場の領域と、ベース
   が付加的なひとみの上にある場の付加領域とのいずれか
   に前記物体を見てもその物体はほぼ同じ輝度であるよう
   に計算されていることを特徴とする表示器。 ６ 特許請求の範囲の第５項に記載の表示器において、
   第１のガラスの反射率はほぼ０．４であり、第２のガラ
   スの反射率はほぼ０．６であることを特徴とする表示器
   。 ７ 特許請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載の表示
   器において、前記コリメータは、光学的ひとみがその底
   部で操縦士の視野の下側境界に接するようにとりつげら
   れ、前記第１および第２のガラスはそれらの相対位置の
   観点からすると固定された位置にとりつげられて所定の
   形の拡大されたひとみを形成することを特徴とする表示
   器。