JPS59502122A - 回折ヘッドアップデイスプレイ用の太陽放射フイルタ - 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】 回折ヘッドアップディスプレイ用の太陽放射フィルタ 佼遣ＪＬＩ！ｉｆ 本発明は太陽放射を除去する回折光学ディスプレイに関する。

１１立１１ 本発明はディスプレイ情報を洗い流してしまう太陽放射を除去するためのヘッド アップディスプレイ装置を具体化する。

例えば、Ｒ，Ｊ、Ｗｉｔｈｒｉｎｇｔｏｍ等に１９７６年２月２４日に発行され た”ホログラフィックレンズを用いた光学表示システム”Ｕ、Ｓ、Ｐａｔｅｎｔ 　Ｎｏ、３９４０２０４に記述されたタイプのヘッドアップディスプレイ（以後 ＨＵＤと記す）では操縦室の観測者はホログラフィック回折格子レンズを介して 情景を眺めている。飛行機内で視線外に設けられた陰極線管のような光源からの ディスプレイ情報像はリレー光学系、折りたたみ反射鏡やホログラフィックレン ズを含む光学系によって結合されあるいは重ね合わされる。

動作昨には、光学系はディスプレイ情報像をホログラフィックレンズに送り、ホ ログラフィックレンズから観測者の目の方へ回折あるいは反射される。そして観 測者の目で結合される。この結合機能の結果、ホログラフィックレンズは以後、 結合器と称される。

このタイプのヘッドアップディスプレイは太陽放射の太陽ノイズに晒されている 。太陽がある臨界入射角の範囲にある場合には光学路を逆に進み陰極線管上のデ ィスプレイ情報を消去してしまう。

この太陽ノイズの問題に対して多数の解決法が研究されてきたが、大部分は入射 放射線が制限された入射角を越えるときにのみ効果がある。例えば、狭帯域反射 あるいは透過フィルタである。代表的な狭帯域等価フィルタは高屈折率を有する 物質、例えば、金属と誘電体の薄膜からなり、高透過率の狭帯域通過を示す。こ のタイプのフィルタは好ましくはリレー光学系の前で光学軸を斜めに交差し、陰 極線管はリレー光学系の背面に配置される。動作中に、このフィルタは所定の範 囲以上の太陽光入射角で陰極線管の表面に入射する太陽放射量を減少せしめる。

ほかの解決法に、斜めに挿入された透過フィルタにいくらか似ているが透過モー ドよりもむしろ反射モードで動作する狭帯域の反射ミラーを用いた方法がある。

そのミラーでは、しばしばグイクロニックミラーの反射面のまえに吸収ガラス層 を有している。この方法の欠点はやはり効果のある角度範囲が制限されることで ある。

研究されてはいるがまだ成功してはいない他の方法として移動機械式の阻止装置 あるいは、ヴエネチア・ブラインド式阻止エレメントがある。

１え１立ＩＪ 本発明は入射太陽放射がディスプレイ情報を消去するのを阻止するヘッドアップ ディスプレイの太陽フィルタに関する。例えば光学系の後焦点面あるいはその近 くに設けられたフォトクロミック素子を有し、ディスプレイ装置面のほうに光路 を逆進透過してきた太陽放射がフォトクロミック素子の微小位置に焦点を結ぶよ うに構成されている。このためにフォトクロミック素子は焦点で逆に黒くなり、 太陽エネルギーは阻止される。太陽放射の集らない太陽フィルタの残りの領域で は低強度のディスプレイ情報が透過する。

特に、回折ヘッドアップディスプレイでは陰極線管のディスプレイ情報は太陽フ ィルタ、リレーレンズを通って光路に沿って前方に進み、折りたたみ反射鏡に達 し、その反射鏡から結合器レンズの方に反射される。その結合器レンズは、ディ スプレイ情報の波長を有する狭帯域幅光のみを回折によって透過させる回折格子 を有している。この回折像は視覚で見るために射出瞳の方に向けられる。

広いスペクトルを有する太陽放射が結合器レンズの他方の側を照らす場合には、 結合器は狭帯域幅のディスプレイ情報内にある太陽光の成分を回折により除去す る。

しかしながら結合器は広範囲スペクトルの太陽エネルギーの残りを透過する。

太陽がオー八ヘッド角の範囲内にある場合には、この残りの太陽エネルギーは光 路を逆進して陰極線管の方に達してディスプレイ情報を洗い流してしまう。しか しながら本発明のフィルターによって上記除去は妨げられる。このフィルターは リレー光学系の後焦点面に位置す・るりで光路を逆進する任意の太陽放射はフィ ルターのきわめて小さな点に集光される。フィルターのフォトクロミ・ンク物質 が焦点に於て高エネルギー密度で黒化するので、太陽エネルギーが陰極線管の表 面に達するのが効果的に防止される。

このフィルターはヘッドアップディスプレイに対して任意の角度で入射する太陽 エネルギーを阻止する利点を有している。太陽光の入射角度は連続的に変化する ので、それに対応して集光点は太陽フィルター上を移動する。太陽エネルギーの 阻止状態はフォトクロミ・ンク物質の黒化度に依存している。集光された太陽エ ネルギーが所定のフィルター領域から移動すると、可逆的なフォトクロミック物 質は再び光り始める。

フォトクロミック物質の暗点は非常に小さいので、通常ディスプレイ情報を阻止 する結果とはならないことは本発明のもう１つの利点である。例えば２眼を有す る観測者は、少なくともｌ眼で暗点がディスプレイ点になるのを見ているのでデ ィスプレイ情報を見失うことはない。更に、たとえ暗点が所定の目に対して臨界 的な視野を覆い隠しているとしても、観測者が頭や目を視軸にたいして横方向に 移動させれば以前阻止されていたディスプレイ情報を見ることができる。

本発明の更に別の利点は、光路長を増すことなく太陽フィルター素子をリレー光 学系の背面で光軸に沿って配置できることである。だからヘッドアップディスプ レイ全体の寸法を短く保つことができ、飛行機操縦室の限られた空間内に保つこ とができる。

の簡　な普 第１図はヘッドアップディスプレイの概略的な側面図であり、光学系は陰極線管 （ＣＲＴ）から観測者の目に至るディスプレイ情報が前方に集光する光線軌跡を 示している。

第２図は第１図のシステムの概略的な側面図であり、ＣＲＴ面上のディスプレイ 情報の方に太陽放射が逆進集光する光線軌跡を示す。

第３図はＨＵＤ光学システムの好ましい実施例をより詳細に示す概略的な側面図 である。

第４図は太陽フィルターの第２の実施例を示す。

−の・、なｔ 図面を参照して実施例を詳細に説明する。第１図はＨＵＤ光学システムを概略的 に示し、陰極管の表面のような像面上に表示された情報は空間の領域と考えられ る射出瞳の方に集光あるいは送られる。以後上”あるいは°゛前方参る語は陰極 線管から射出瞳の方へ進む光線の方向を示し、”下”あるいは”後方”なる語は 陰極線管の方に進む逆方向を表わすのに使用される。パイロットのような観測者 は自分の目をこの射出瞳内に位置付け、陰極線管１０からの像を乗物の前方の光 景と結合あるいは重ね合わせて見る。

特に、陰極線管１０は５４３ｎｍの波長λＯを中心とする狭帯域の光の像を生ず る蛍光体を有する画面を具備している。これは可視光スペクトルの縁部にある。

陰極線管ｌＯの画面を傾けることは本発明の一部を構成しないが、傾斜すること は光学系のパフォーマンスを改良するとして一般に知られている。

陰極線管ｌＯからの比較的低強度のディスプレイ光は太陽フィルター１２を介し て透過する。好ましい実施例において太陽フィルター１２は例えば第３図を参照 して詳細に説明されるタイプのフォトクロミック物質板である。この太陽フィル ター１２は好ましくはリレー光学系１４の後焦点面に配置される。

リレー光学系は太陽フィルターを介して透過してきたディスプレイ情報光を受信 する。リレー光学系１４はホログラフィックレンズ系の収差を部分的に補正する ために構成されたレンズ系からなる。リレー光学系からのディスプレイ光は折り たたみ反射鏡１６の方に進行する。

折りたたみ反射鏡１６は中間像を部分的に集め、光学系の全長を縮める働きをな すミラーあるいはプリズムである。

折りたたみ反射鏡１６を介して受信された中間像は風防止板（ウィンドスクリー ン）２０と観測者の目の間に位置する結合器１８の方に反射される。この結合器 １８はフォログラフィー２り回折光学レンズであり、狭帯域幅の光を反射し、良 く知られたブラッグ反射側に従って他の全ての波長の光を略透過する。この結合 器１８を作成する方法はＵ、Ｓ、Ｐａｔｅｎｔ　Ｎｏ−３，９４０，２０４に詳 細に説明されているので、ここでは繰り返さない。

動作時、結合器１８はディスプレイからの狭帯域幅の光を射出瞳の方に反射する 。このようにディスプレイ像は、観測者がウィンドスクリーン２０を介して見ら れる乗物の前の情景と結合し重ね合わされる。結合器１８はλ０を中心とした好 ましい帯域幅の光を反射するように同調されているので、外部の風景からの広帯 域幅の光の部分は除去される。

次に第２図を参照する。太陽が所定の臨界角内にあれば、広範囲のスペクトルを 有する太陽放射の形態をした太陽ノイズは結合器１８を透過し、光学系を逆進し て陰極線管１０の表面に達する。しかしながら、太陽フィルター１２は太陽放射 を効果的に阻止するので、太陽放射が陰極線管１０の画面上のディスプレイ情報 を消去することはない。

特に結合器１８の表面で光る広スペクトルの太陽放射は結合器１８で坂射される ことによって刻まれた狭帯域幅を有する。以前述べたように、結合器１８の反射 能力は波長λＯが含まれるような帯域幅に同調されている。

だから太陽放射スペクトルのこの部分は結合器１８の表面で反射され、残りは光 学系を逆進透過して折りたたみ反射鏡１６に達し、光学軸に沿いリレー光学系１ ４を通って太陽フィルター１２に至る。もちろん太陽、放射の入射角が結合器１ ８の限界を越えて、なおも光路な光り輝いて逆進することも有り得る。

太陽フィルター１２は好ましくはリレー光学系１４の後焦点面に配置される。従 って太陽エネルギーは太陽フィルター１２内の点あるいはスポットに集光する。

結果として太陽フィルター１２の７オトクロミツク物質は焦点で黒化し、太陽エ ネルギーを効果的に阻止する暗部が形成される。さもなくばディスプレイ情報が 消去されたであろうが、結果として太陽エネルギーは陰極線管１０表面に達する ことはできない。

更に太陽の相対角が移動すると、太陽エネルギーの集光点も移動する。結果とし て、暗点はフォトクロミック物質の反応速度で太陽フィルター内を移動し、集光 した太陽放射がスポットから除かれるとフォトクロミック物質の回復速度で以前 の暗状態から逆に明るくなる。従って、臨界的な太陽角の全範囲内で太陽エネル ギーの相対的な移動にたいして補正が続けられる。

もちろん、暗点像は前方で像を結び、ディスプレイ情報を妨げる空間点として射 出瞳から見える。この空間点は非常に小さい（例えば０．０８インチの径を有す る）ので１両目で情景を観測する観測者はその空間点の周りを通常見ることがで きる。更にスポット像が臨界的な視角であったり、フォトクロミック物質が有限 な回復時間を有することから生じる″せ星の尾”′の効果によって、両目で見て も微妙な障害物にたいして補正できないような場合には、観測者は単に自分の頭 を移動させて光軸に対して横方向に自分の目を位置付ければ暗点像を見過ごすこ とができる。

第３図は特別な目的のために構成された光学系の好ましい実施例を詳細に示して いる。もちろん、他の目的のためにこの構成の変形例を作成することは可能であ り、太陽フィルター１２は等測的に適用可能である。

以前述べたように、像表示面１０は好ましくは陰極線管の面であり、約５４３ｎ ｍの波長を中心とした非常に狭い帯域幅の像を生じさせる蛍光体を有している。

もちろん、像を形成するのに他のタイプのディスプレイを使用してもよい。例え ば、十分な輝度を有しかつ光学系により集光し射出瞳の方に回折される適当な波 長を有する光を発生させる液晶表示器あるいは他のディスプレイ装置を用いても よい。

ハウジシグ２５は陰極線管１０の画面、太陽フィルター１２、リレー光学系１４ 、折りたたみ反射鏡１６とを包み、中間像の光線を折りたたみ反射鏡から結合器 １８の方に導くための開口部を有している。更に／＼ウジング２５はその中の光 学素子を保持している。

太陽フィルター１２はディスプレイ情報像にたいして略門明であるフォトクロミ ック物質の平板からなり、狭帯域幅のディスプレイ情報の強度は太陽フィルター １２内のスポット上に集光する広スペクトルの太陽エネルギーの強度よりも十分 に低い。太陽フィルター１２は薄い平板とし示されているが、リレー光学系１４ を通過して後方に集光する太陽放射が太陽フィルター１２の小部分に集中するよ うな十分な厚みと形を有していなければならない。だから太陽フィルター１２は 太陽放射の集光点が太陽フィルターの物質内かあるいは少なくとも極めて近接し たところに位置するように位置していなければならない。従って、リレー光学系 の後焦点面は太陽フィルターを位置付けるのに好ましい位置である。

太陽フィルター１２の材料は好ましくは光の作用に対して可逆的に透過率を変え るフォトクロミックガラスである。ある特別なガラスの主材料は硅素ガラスであ り、活性物質としては初期冷却あるいは次の熱処理によりガラス状から結晶化す ることにより形成される銀ハロゲン化物が考えられる。銀の含有量は０．５ｚ以 下であり、結晶寸法は光の波長に比較して小さいので散乱は問題とはならない。

このタイプのフォトクロミックガラスはＧ、Ｋ。

Ｍｅｇｌａの”Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｃｈｒｏｍｉｃ　 Ｇｌａｓｓ″。

０ｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｌａ５ｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ａｐｒｉｌ　１９ ７４．ｐｐ、Ｅｆｌ−Ｈに記述されている。

特殊な材料では、黒化時間は高強度、広スペクトラムな集光太陽放射にたいして 比較的速い。回復時間も”せ星の尾”の効果を減じるために集光光が除去された 領域では比較的速い。

リレー光学系１４は光軸に沿って配置された一連のレンズを有している。使用さ れている一組のレンズはＵ、Ｓ。

Ｐａｔｅｎｔ　Ｎｏ、３，９４０，２０４　（７）第１６図に関して開示された ものである。特に、リレーレンズ１４は正の球面レンズ素子３０．３２．３６． ４０と負の球面レンズ素子３４及び負のシリンドリカルレンズ素子３８とを有し ている。

負のシリンドリカルレンズの湾曲は第３図の側面図に表されているが、正のレン ズも本発明の概念のうちに入っている。

シリンドリカルレンズ３８は結合器１８の残りの軸方向の非点収差を補正する。

このレンズ素子３８の代りに、リレー光学系１４の１つあるいはそれ以上の正の 球面レンズを円柱面に置換えることができる。軸方向のコマは負の球面レンズの 中心を外すことにより図示された配置で最良に補正される。軸方向のコマはリレ ー光学系１４の任意の適当なレンズの中心を外すことにより補正される。

折りたたみｌ射鏡１６は軸方向のコマを部分的に補正するプリズムである。しか しながらこれがその主な目的ではない。プリズム１６は背面にミラーを有するく さびである。中間像の上部の像を形成する光線は、その像の底部の像を形成する 光線よりもより厚いガラスのくさびの部分を横に通過する。このため中間像の焦 点面の傾斜はかなり減少し、また物体面の傾斜も減少する。図示された構成に於 る物体面の最終的な傾きは１５°であり、プリズムが使用されていない場合には ３０°以上になるであろう。中間像の光線はプリズム１６から結合器１８に向う 。

結合器１８は例えばｔｌｓ−Ｐａｔｅｎｔ　Ｎｏ、　３，９４０，２０４に洲示 されたフォログラフィック光学の手段によって構成された回折格子パターンを有 している。結合器１Ｂはその表面に回折格子パターンが記録された重クロム酸ゼ ラチンあるいは写真用のエマルジョンのような感光性の有機物質の層４０を有し ている。そのような物質やホログラフィック記録についての詳細な議論はＲｏｂ ｅｒｔ　Ｊ、Ｃ：ｏｌｌｉｅｒ等による０ｐｔｉｃａｌ　Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ 、（Ｎｅｖ　Ｙｏｒｋ：　Ａｃａｃｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ、　１９７１）のｐ、 ２９３以下になされている。この薄い層４０は構造的な強度を増すために設けら れ、物理的な衝撃から保護する二個のガラス層４２．４４の間にはさまれている 。結合器１８はディスプレイ情報の中間像が凹面から射出瞳のほうに反射される ように一般的な球面あるいは凹面を有している。

機能的には、回折格子パターンは一般に良く知られたブラッグ回折原理に従って 狭帯域に高光学的効率で光を回折あるいは反射する。しかしながら、結合器１８ はこの狭帯域の反射光以外の光にたいして高い透過率を有するので、パイロット は反射されたディスプレイ情報を眺ながら外部の情景を見ることができる。従っ て、ディスプレイ情報は外部の情景と結合されまた重ね合わされて現われる。更 に結合器１’８の球面形状は射出瞳に反射されるディスプレイ情報像の軸方向の コマあるいは軸方向の非点収差が補正されるように光学系の他の光学素子と調和 するような形状を有している。

結合器１８は反射型の回折パターンを有するとして記載されているが、Ｅ、Ｆ、 ０ｐｉｔｔｅｋ等に１９７５年１０月２８日に発行されたＵ、Ｓ、Ｐａｔｅｎｔ 　Ｎｏ、　３，９１５，５４８に記載された方法で光波の向きを直す透過型を使 用することが可能である。

以前に述べたように、陰極線管１０とリレーレンズ１４との間に太陽フィルター １２を置くことにより、光軸長を短くすることが可能となり従って光学系をコン パクトにできる。結果として光学系を第３図の破線で示されている射出線の外に 保つことができる。こうして窮屈な操縦室に関するある種の空間的な束縛を除去 できる。

太陽フィルター１２はフォトクロミック型の材料として記述されてきたが、他の 型の材料から構成してもよ光検出器マトリックスのようなセンサー型の装置から 作ることもできる。もし反射型である場合には、反射方向は通常の光路からはず れた方向を向いている。透過型の液晶装置の例はＴ、Ｄ、Ｂｅａｒｄ等に１９７ ３年７月ＩＯ日に発行されたＵ、Ｓ、Ｐａｔｅｎｔ　Ｎｏ、　３，７４４，８７ ９とＭ、Ｂｒａｕｎｓｔｅｉｎに【９７４年５月２１日に発行されたＵ、Ｓ、Ｐ ａｔｅｎｔ　Ｎｏ、　３，８１１．１８０に開示されている。

＄４図では、フィルター１２は平板とは異なる形状に構成されている。ここで太 陽フィルター１２はフォトクロミック物質の光学的プリズムとして構成されてい る。

リレー光学系１４を通って逆進し集光した太陽エネルギーは光学プリズム５０の スポットとして集中するので、プリズム内の小容積の物質を黒化せしめ、従って 太陽放射を阻止し、ディスプレイ情報を有する像面１０上に太陽放射が入射する のを防止し、像を消去したりあるいは像に影響を与えたりすることを阻止できる 。

本発明は特別な実施例を参照して記述されたが、当業者にとって自明な種々の変 形は本発明を逸脱しない範囲で可能である。

国際調査報告 ？１表我町９−５０２１２２　（６）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．ディスプレイ情報像を形成するためのディスプレイ手段と、ディスプレイ情 報像を観測者の目の方に向けるためのレンズ手段を有する光学系とを具備するヘ ッドアップディスプレイ用可視光フィルターにおいて、ディスプレイ手段とレン ズ手段との間に光学フィルタ一手段が設けられ、該光学フィルタ一手段は該レン ズ手段を通って該ディスプレイ手段の方に逆進してきた集光可視光にたいして可 逆的に応答して集光可視光を阻止し、さらに該光学フィルタ一手段は集光可視光 が阻止された局所的な位置を除いてディスプレイ情報に対して透過的であること を特徴とするヘッドアップディスプレイ用可視光フィルター。 ２、該光学フィルタ一手段は該レンズ手段の後焦点距離の焦点面内に設けられる 請求の範囲第１項に記載のヘッドアップディスプレイ用可視光フィルター。 ３、該光学フィルタ一手段は該レンズ手段の後焦点距離の焦点面の近くに設けら れる請求の範囲第１項に記載のヘッドアップディスプレイ用可視光フィルター。 ４、該光学フィルタ一手段はフォトクロミック材料から構成されている請求の範 囲第１項、２項または３項に記載ノへラドアップディスプレイ用可視光フィルタ ー。 ５、該光学フィルタ一手段はフォトクロミック材料の板である請求の範囲第１項 、２項または３項に記載のへラドアップディスプレイ用可視光フィルター。 ６、該光学フィルタ一手段はフォトクロミック材料から構成されたプリズム光学 素子である請求の範囲第１項、２項または３項に記載のヘッドアップディスプレ イ用可視光フィルター。 ７、該光学フィルタ一手段は透過型の液晶検出器マトリックスである請求の範囲 第１項、２項または３項に記載のヘッドアップディスプレイ用可視光フィルター 。