JPS63502933A - 一体形ヘッドアップおよびパネルデイスプレイユニット - 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】 一体形へラドアップおよびパネルディスプレイユニット発明の背景 本発明は、航空機の操縦席等に装着される表示装置に関し、さらに特定すれば、 航空機の操縦席に設けられるヘッドアップディスプレイ（ＵＨＤ）とカラーパネ ルディスプレイとを一体化した表示ユニットに関する。

従来から、ヘッドアップディスプレイ装置は知られている。たとえば、米国特許 Ｎｏ、３，９４０．２０４（Ｗｉｔｈｒｉｎｇｔｏｎ）には、ホログラフィを利 用したヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。

このような装置全体における問題点は、このＵＨＤを航空機の計器パネルの上部 中央部に配置しなければならないことである。この位置は、計器パネルのうちの 最も視認性の高い位置であり、この位置にＨＵＤの折畳みミラーを配置すると他 の表示器の視認性を犠牲にする。このため、他の表示器はこのＨＵＤの側方か直 下に配置しなければならず、これらの他の表示器の寸法が制約される。また、現 在ＨＵＤが備えられている計器パネルの上部は重要度の低い表示器、スイッチ、 フラッグ等が配置されており、これらの機器は計器パネルのより重要度の低い位 置に配置できるものである。

これらの制約によって、最終的には表示された情報に対するパイロットの視認性 を損い、ミッションの成功度、安全性等に悪影響を与える。したがって、前部操 縦席の計器パネルの主要な視認性の高い位置により多くの情報を表示することが 要望されている。

米国特許Ｎｏ、３．８８５．０９５　（Ｗｏｌｆｓｏｎ他）には、ヘッドアップ ディスプレイとマルチセンサ形パネルディスプレイを組合わせた装置が開示され ている。この装置は、ヘッドアップディスプレイおよびマルチセンサ形パネルデ ィスプレイの両方に映像情報を送る１個の陰極線管またはその他の映像発生器が 備えられている。また、この装置にはへラドアップディスプレイ作動またはパネ ルディスプレイ作動を選択するための手動スイッチが設けられており、パイロッ トがこのスイッチを操作していずれかの表示作動に切替えるように構成されてい る。しかし、厳しい飛行状態では、このような切替え作業はパイロットに大きな 負担を与え、パイロットが操縦に専念することを妨げる。

以上の事情から、ＨＵＤとカラーパネルディスプレイとを一体化し、計器パネル の同じ位置でＨＵＤだけでなく同時にパネルディスプレイの表示もできることが 必要である。

発明の概要 本発明は、ヘッドアップディスプレイとパネルディスプレイを一体化した装置で ある。この本発明の装置は、ヘッドアップディスプレイとパネルディスプレイを 一体化した装置である。この装置には、狭い帯域のＨＵＤ用映像を投影する第１ の映像発生装置と、カラーパネルディスプレイ用の映像を投影する第２の映像発 生装置とを備えている。これら２個の映像は波長選択性の折畳み形の回折ミラー に投影され、このミラーは狭い波長帯域の第１の映像をＨＵＤ光学コンビナ−に 向けて反射し、またこの第１の映像の狭い波長帯域の外側の可視光を透過させる 。このＨＵＤ光学コンビナ−は、狭い波長帯域の第１の映像を瞳孔に向けて反射 し、この狭い波長帯域以外の可視光を透過させるように構成されかつ配置されて いる。また、上記第２の映像は、この折畳みミラーを透過してルックダウンディ スプレイ（ＬＤＤ）のスクリーンアセンブリに投影され、このスクリーンアセン ブリは計器パネルの同じ位置の上記折畳みミラーの背後に配置されている。簡単 な形式では、このスクリーンアセンブリは通常の拡散スクリーンで構成され、パ ネルディスプレイ用の映像はどの位置からもパイロットが見ることができるよう に構成されている。

また、さらに複雑な形式では、このパネルディスプレイに表示される映像は、Ｈ ＵＤの外部の瞳から見えるように構成されている。よって、エネルギ保存の法則 から、パイロットはより輝度の高いパネル映像を見ることができる。この後者の 場合、上記折畳みミラー、ＬＤＤスクリーンアセンブリおよびＨＵＤコンビナ− は協働して瞳に対して狭い帯域の映像とカラー映像とを表示することができる。

本発明の上記および他の特徴は、以下の図を参照した実施例の説明によって明白 となるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は、ヘッドアップディスプレイとカラーパネルテダイスプレイとを一体化 した装置の正面図。

第２Ａ図は、本発明のヘッドアップディスプレイとカラーパネルディスプレイを 一体化した装置の側方からの断面図。

第２Ｂ図は、折畳みミラーに対するＨＵＤ用映像発生装置とパネル用映像発生装 置の光学的な関係を示す概略図。

第３図は、ディスプレイ装置の平面図。

第４図は、この装置の折畳みミラーの光学的な構成を示す側面図。

第５図は、第１図に示す装置に使用されるルックダウンディスプレイ用スクリー ンアセンブリの断面図。

第６図は、本発明に使用される方向性拡散スクリーンとその光路を示す側面から の光学的な概略図。

第７図は、第６図に示す拡散スクリーンの光学的な構成を示す概略図。

第８図は、回折光学拡散スクリーンを構成する角度規制光学繊維フェースプレー トに関連した透過ホログラフィック拡散スクリーンの断面図。

第９図は、２個の分割された回折カラー映像とともに示す拡散スクリーンアセン ブリの上記第８図に相当する断面図である。

好ましい実施例の説明 第１図には、航空機用のヘッドアップディスプレイとパネルディスプレイとを一 体化した装置の正面図を示す。この装置は、１個のヘッドアップディスプレイと 、並列に配置され゛た分離されたパネルディスプレイを備え、これらは同じハウ ジングに取付けられている。この装置には、１個のＨＵＤ光学コンビナ−３０と 、左および右のルックダウンディスプレイ（ＬＤＤ）スクリーンアセンブリ７５ Ｌ、７５Ｒを備えている。

この第１図に示す一体化したディスプレイ装置の構成を第２Ａ図に示す。このＭ ＵＤとカラーバネディスプレイを一体化した装置は、ＨＵＤ用映像発生装置を構 成する陰極線管（ＣＲＴ）１０を備えている。このＣＲＴＩＯは、そのフェース プレートにＰ４３りん光層を備えており、緑色の可視光である波長５４３ｎｍの 狭い波長帯域の光を放射する。このＣＲＴＩＯは、従来公知の技術により、映像 構成回路によって駆動され、ＨＵＤ用の映像を形成する。

このＣＲＴディスプレイは、リレーレンズ２０によって映像が投影され、このレ ンズは折畳みミラー２５の近傍で高い収差を生じるように形成されている。また 、この装置全体の外形形状をより好ましい形状とするため、プリズム１５が使用 されている。そして、映像に再構成されたＨＵＤディスプレイからの光は、折畳 みミラー２６によってＢＵＤコンビナ−３０に投影される。このＨＵＤコンビナ −３０は、上記ＣＲＴＩＯのりん光物質からの光の波長帯域において回折倍率を 有する光学部品である。この方向と位置によって、この装置の観察者の目いわゆ る外部瞳３５の位置またはその近傍にリレーレンズ瞳２２の像が形成され、また このリレーレンズ２０によってその像が照準される。これらの光学部品１５゜２ ０．２５および３０を介して投影されるＭＵＤの映像の経路をその中心の光線４ ０で示す。

上記折畳みミラーアセンブリ２５の２つの目的を持った光学部品であり、ＭＵＤ 映像光の狭い波長帯域内の光のみを反射し、またこのＢＵＤ映像の狭い波長帯域 以外の波長の光を透過する作用をなす。この折畳みミラー２５の詳細な構成は後 述する。

また、上記のカラーパネルディスプレイは２個のパネルディスプレイ用の映像発 生装置を備え、これらは好ましくは３個のカラー液晶マトリクスディスプレイア センブリ５０Ｌ。

５０Ｒで構成されている。なお、第２Ａ図には、１個のアセンブリ５０Ｒのみを 示す。このアセンブリ５０Ｒにはレンズアセンブリ６５Ｒと、液晶マトリクス５ ６Ｒ，，５７Ｒおよび５８Ｒを備え、これらは光学繊維束６０Ｒを介して図示し ない光源から照明されるように構成されている。上記液晶マトリクスの素子は電 気的にアドレスされ、「オン」、「オフ」作動される。これら素子が「オフ」状 態の場合には、照明光が反射され、この反射光はこの装置の開口５１Ｒを介して スクリーン上に輝点を形成する。また「オン」の状態の場合には、これら素子は 照明光を散乱させ、スクリーン上のダークスポットを形成する。すべての場合に おいて、この液晶マトリクスで形成された像は、比較的小さな開口を介して投影 されることが好ましい。たとえば、この実施例の開口５１Ｒはかなり小さな径に 形成され、中心の光路に対して２°の範囲にある光のみを通過させるように構成 されている。

このパネルディスプレイ用映像発生装置は、パネル映像光を供給するためのＬＣ Ｄ光バルブを選択的に構成することもできる。フルカラー光バルブプロジェクタ では、照明光はプロジェクタおよびビームスプリッタレンズアセンブリ（レンズ アセンブリ６５Ｒとして構成してもよい）を介して放射され、このレンズアセン ブリは照明光を偏光し、３原色の光に分け、これらの偏光をそれぞれ対応する液 晶光バルブ面（これらは部品５６Ｒ，５７Ｒ，５８Ｒとして構成してもよい）に 照射する。これらの光バルブ面は、たとえば小形のＣＲＴ等の映像発生装置（図 示せず）で形成されたパネルディスプレイ用映像を青、緑および赤の原色成分に 変調する。これらの光バルブ面は映像の３原色に対応して照明光を反射し、この 光はビームスプリッタおよび投影レンズを介して投影開口の位置でこれらの３原 色の光が重ねられる。

ＬＣＤ光バルブプロジェクタは従来公知である。たとえば、米国特許Ｎｏ、４， ４２５．０２８および４，４６１゜５４２にはカラー光バルブプロジェクタが開 示されている。

また、従来技術からも明らかなように、このパネルディスプレイはフルカラーデ ィスプレイでなくとも良く、モノクロ映像発生装置を用いてもよい。同様に、映 像発生装置は液晶形のものには限定されず、他の形式のものでもよい。

映像発生装置５０Ｒからの中央の光線７０は、上記の折畳みミラー２５に当り、 この波長感応性の折畳みミラーを透過し、この背後に配置され計器パネルの小さ な部分に配置されているルックダウンディスプレイ（ＬＤＤ）スクリーンアセン ブリ７５Ｒに投影される。このアセンブリ７５Ｒは、たとえば通常の拡散形のス クリーンで構成され、このスクリーンに投影されたパネルディスプレイ映像をパ イロットが見ることができるように構成されている。また、より複雑な形式では 、このアセンブリ７５はフルネルレンズ、カラー回折拡散形ホログラム、光学繊 維フェースプレート、およびフィールドレンズが備えられ、ＭＵＤ以外の瞳３５ からより効率的に映像を視認できるように構成される。このＬＤＤスクリーンア センブリの詳細は後述する。

また、第２Ｂ図には、ＨＵＤ映像発生装置およびパネル映像発生装置からの光の 折畳みミラーに対する角度関係を詳細に示す。ＨＵＤリレーレンズ２０からの円 錐形のＢＵＤ映像光の中心光線４１と、これが投射される点における折畳みミラ ーの面に対する法線とのなす角度をθ１とする。この角度θ１は、折畳みミラー 上の位置が変化すると、すなわち中心光線４１がこの折畳みミラー２５の表面上 を走査することによって変化する。

また、パネルディスプレイ映像発生装置からの光線７１が同じ位置に当たった場 合のこの折畳みミラー２５の表面の法線とのなす角度をθ２とする。この折畳み ミラーの各位置、すなわちこの光線７１がこの折畳みミラー２５上を走査した場 合の各位置におけるこの角度θ２はそれぞれ異なる。上記ＨＵＤ映像発生装置と パネル映像発生装置との折畳みミラーに対する角度が相違していれば、これらか らの光が折畳みミラーに入射する各位置において上記角度θ１とθ２は互いに相 違する。

上記折畳みミラー２５は、ホログラフィック記録媒体を保持した透明な基板を備 えている。また、この基板はグレーテッドインデックス被覆を備えており、この 技術は米国特許Ｎσ、４，５４５，６４６　表題「グレーテッドインデックス形 光学材料の製造方法およびこれによって製造される構造体」に開示されている。

この折畳みミラー２５は、ホログラムコーティング、グレーデッドインデックス コーティング、その他の技術により、所定の狭い波長帯域の光のみを反射し、こ の波長帯域以外の波長の光を透過させるように構成されている。この狭い波長帯 域は所定の波長を中心とするもので、この所定の波長は、入射角をＨＵＤのため の所定の方向に変化させるような波長である。このＨＵＤのための所定の入射角 における中心の波長は、一般に「ホログラム波長」と称されているものである。

よって、特別な回折光学装置では、この装置によって反射される光の波長はホロ グラム波長から変化し、この装置に入射する光の入射角はＨＵＤのための所定の 方向から変化する。このような光学装置は、入射する任意の波長に対する反射率 の関係である角度反射特性を有する。

この回折光学装置の角度反射特性によって、ＨＵＤ映像とパネル映像が同じ波長 の光たとえばはちよう５４３ｎｍの波長の光を含んでいても、このミラー２５に 入射するＨＵ映像光とパネル映像光の入射角θｌとθ２を選択してこれらを分離 させることができる。このような作用を達成するためには、上記２つの角度に十 分な差があり、またこのミラー２５に入射したＨＵＤの光（すなわち波長５４３ ｎｍの光）が上記の角反射特性によってこの波長の光だけが反射するような角度 に上記の角度を選択する必要がある。また、入射角度を別に設定すれば、異なる 波長（５４３ｎｍ以上の波長）のパネル映像光を反射させることもできる。また 、パネル映像発生装置の特性に対応して、パネル映像光の特別の波長を反射させ ることもできる。ある液晶カラープロジェクタ−では、波長が約５８５ｎｍの黄 色光が特に弱い。したがって、このような映像発生装置を使用すれば、実質的に この波長の像は形成されず、またこの折畳みミラーでの反射損失が小さく、緑、 赤および青の３原、色は透過される。別の種類の映像プロジェクタでは、別の反 射波長が使用される。

第３図には、この一体形ディスプレイ装置の平面図を示す。

この図には、上記の映像発生装置とこれに関連した光学部品の関係を示す。上記 ＣＲＴＩＯはこの装置の中心軸８０上に配置され、また上記ＬＣＤパネル映像発 生装置５０Ｌ。

５０Ｒは上記中心線８０の両側に配置されている。この実施例では、この装置は ２個の分離された並列なパネルディスプレイを備えている。しかし、この技術分 野では明らかなように、操縦席の空間等に対応してパネルディスプレイの数を選 択することは設計上の事項である。

上記の折畳みミラー２５の作用は、ＨＵＤ映像光を反射してＨＵＤコンビナ−３ ０に導き、同時にパネルディスプレイ映像光を透過させて対応するＬＤＤスクリ ーンアセンブリに導くものである。この折畳みミラー２５は、ＨＵＤ映像がノ々 ネルディスプレイ上に現われたり、またパネルディスプレイ映像がＨＵＤコンビ ナ−上に現われないようにする作用をなす。このミラー２５の目的は、ＨＵＤの 精度やパネルディスプレイの色の均一性に影響されずに機能を達成することであ る。このような目的を達成するには、ＬＤＤの配置やＨＵＤリレーレンズの配置 に対応してこのミラー２５の角度や波長帯域特性を所定の範囲に正確に設定する 必要がある。

上述した如く、この折畳みミラー２５はＨＵＤモノクロ映像発生装置からの光を 反射し、ＨＵＤに必要な狭い波長帯域以外の波長の光を透過するように構成され ている。上記ＨＵＤおよびパネル映像の光が折畳みミラー２５に入射する入射角 θｌおよびθ２がこの折畳みミラーのある点において等しければ、この折畳みミ ラーの透過特性はＨＵ映像が反射されるＣＲＴの波長帯域だけ抜けた特性となる 。このＣＲＴにＰｄ２りん光物質を使用すれば、このＣＲＴの波長は強い緑の可 視光（波長５４３ｎｍ）となる。また上記の入射角が互いに十分に相違していれ ば、パネル映像発生装置からの強い緑色の光は透過し、ＬＤＤカラーディスプレ イに投影される。これらの入射角の差が十分に大きければ、パネル映像発生装置 からの光は、このミラー２５によって反射されるべきＨＵＤ映像光が入射する際 の所定の円錐形の部分以外に放射される。その結果、このパネルディスプレイの 光の大部分はこのミラー２５を透過し、パネルディスプレイ映像とＨＵＤ映像と のクロストークは少なくなる。さらに、このパネルディスプレイ映像からの光が このミラーで反射され、その後。

ＨＵＤコンビナ−で反射しても、この光は装置外の瞳３５には入射しない。した がって、この映像はＨＵＤ映像と重なることがない。

また、この装置が上記のＨＵＤおよびパネル映像の入射角が等しくなるように設 計されている場合には、このパネル映像発生装置に緑のフィルタ（５４３ｎｍ） を設け、この折畳みミラーで反射して外部の瞳に入射するような緑色の光を遮断 する。好ましくは、上記の入射角に差を与え、上記のようなフィルタを不要にす る。

第４図には、上記の折畳みミラー２５をホログラフィック回折装置として構成す る方法の一例を示す。点光源８０および８５から収束された単色のコヒーレント な光が放射される。

これらの光源８０．８５は、同じ光源（レーザ光源のような）であることが好ま しい。

上記の折畳みミラーは、透明な基板２７に感光性のゼラチン層２６を被着して構 成されている。そして、このゼラチン層は感光、現像され、波長感応性の折畳み モラー２５が形成される。このようなゼラチン層およびその感光、現像は、米国 特許Ｎｏ、４，３１８．９７０に開示されている。

上記感光性のゼラチを感光させるには、上記の光をこのゼラチン層内で干渉させ 、潜像を形成してこれを現像し、反射率や吸収率の相違による微細なパターンを 形成する。上記の点光源８０は、ＨＵＤ映像光源光がこの折畳みミラー２５に入 射する方向と同じ方向からこのゼラチン層２６を照明する。

上記ＣＲＴからの光の波長はたとえば５４３ｎｍであるので、この点光源８０と して利用できるアルゴンレーザはすでに市販されている。このホログラフィック 回折部品を製造する際には、この部品の製造用の光源およびこの装置に使用され る光源が実際に入手できるものでなければならないという条件から、この装置に 実際に使用される光の波長とこの部品の製造に使用される光の波長とを異ならせ ることもある。このように装置に使用される光の波長と製造に使用される光の波 長が相違する場合であっても、従来公知の技術でこの相違を補償することができ る。たとえば、製造用の光の入射角をこの装置に使用される光の入射角と相違さ せたり、また露光させた後ベーキングによってこのゼラチン層の厚さを縮小させ たりすることによって上記の相違を補償することができる。

また、上記の点光源８５は、このゼラチン層２６に対して上記点光源８０と鏡対 称の位置に配置され、この感光性ゼラチン層内に潜像を形成するように構成され ている。そして、この露光されたゼラチン層は現像され、この折畳みミラー２５ が製造される。

また、前記のスクリーン７５Ｒは通常の拡散スクリーンから構成され、入射した 光をすべての方向に拡散させ、すべての方向からこの像を視認できるように構成 されている。しかし、このようなスクリーンは、入射した光のエネルギの一部し か観察者の目に入らず、映像の輝度が低下する不具合がある。

このような装置には、入射した光を所定の立体角の円錐内にのみ拡散する効率の 高い拡散スクリーンを使用することが有利である。このようなスクリーンは、所 定の範囲にのちより輝度の高い映像を表示することができる。この見える範囲以 外の範囲には、わずかまたは全く像が見えない。

この高い効率のスクリーンは、スネルの法則すなわち反射の法則により、所定の 方向の所定の円錐がたの範囲内にのみ光を拡散する。または、レンチキュラース クリーンを使用してもよく、このスクリーンは微細な多数のレンズ部を備え、入 射した光を制御して所定の方向に配分する配光特性を有している。

このレンチキュラースクリーンとして作用する方向性拡散スクリーンを製造する ため、ホログラフィが利用される。この方向性スクリーンは、映像発生装置の位 置に対応した位置に配置された点光源と、視認範囲に対応する位置に配置された 拡散光源とによるホログラムにより露光させて製造する。

このスクリーンの製造ホログラムによる露光を使用した場合には、この装置の映 像発生装置はホログラムによる映像を投影し、所定の視認範囲にのみ光を拡散す る。この形式のスクリーンは、第５図に示すスクリーンアセンブリ７５に使用さ れる。

また、さらに複雑な形式では、第５図に断面で示すようにスクリーンアセンブリ ７５Ｌ、７５Ｒからアセンブリ７５が形成される。このアセンブリはフルネルレ ンズ７６、拡散スクリーン７７、光学繊維束フェースプレート７８、および偏心 フィールドレンズセグメント７９とから構成される。

このフレネルレンズは前記折畳みミラー２５を透過した光を平行にするものであ り、このレンズ７６を通過した光は平行となる。これにより、均等拡散スクリー ン７７が使用でき、この装置の構造が簡単になる。

拡散スクリーン７７は、映像発生装置からの映像光を外部の瞳の全域に拡散する 。拡散スクリーンは一般に映像発生装置の開口がその外部の瞳上の投射に比べて 比較的小さい場合に使用される。この装置では、映像発生装置の開口が外部の瞳 に匹敵するほど大きいので、このような拡散スクリーンは省略してもよい。

また、上記の光学繊維フェースプレート７８は、外部の瞳３５に向けて光を拡散 スクリーンに導く。このようなアセンブリ７５にこの光学繊維フェースプレート を使用する問題については、米国特許出願Ｎｏ、４０３．９４４．１９８２年７ 月３０日、表題「ゼロオーダーの光を抑制した方向性拡散スクリーン」に開示さ れている。

この光学繊維フェースプレート７８からの出力光は平行に揃えられる。そして、 フィールドレンズ７９によってこの光が収束され、外部の瞳３５に送られる。

この拡散スクリーン７７および光学繊維フェースプレート７８の作用をより明確 に説明するため、第６図にはこの光学装置１００を示し、この装置は点光源１０ ２からの光１０４が拡散スクリーン１１６を介して投影される。たとえば、この 光は横方向または時間的な変調の情報を搬送する。この拡散スクリーン１１６は ホログラフィック光学部品であり、光学ガラス等の支持基板１２０上にゼラチン フィルム１０８が設けられている。この光学部品１１６は、光１０４を回折し、 観察者１２４の外部瞳１２２に拡散する。

上記の光１０４の大部分は、スクリーン１１６で拡散され、外部瞳１２２に到達 する。しかし、実際にはこのスクリーン１１６は完全なものでないので、光の一 部はゼロオーダーの光１２６としてこのスクリーンを拡散しないまま透過し、ゼ ロオーダーの瞳１２８に到達する。このようなゼロオーダーの光はこの拡散スク リーンの作用を低下させ、また外部瞳１２２の周囲を照明してこの瞳の映像のコ ントラストを低下させる。

第７図は、均一なホログラフィック回折部品として製造する方法を示す。アルゴ ンレーザ１３０は収束したコヒーレントな単色光を放射し、この光はビームスプ リッタ１３０ａによって２つの光１３２，１３５に分割される。光１３２はミラ ー１３０ｂ、１３０ｃによって空間フィルタ１３０ｄを通過し、中心光１３４を 中心とする所定の円錐形の光に形成される。ホログラフィック感応板１３８が露 光され、現像されてスクリーン１１６に形成される。この板１３８は通常のホロ グラフィック記録媒体から構成される。この例としては、前記の米国特許Ｎｏ、 ４．３１８，９７０に開示されている。

適切な露光をなすため、この板内で光の干渉がなされ、微細な像が形成され、こ れが現像されて反射率または吸収率による微細なパターンが形成される。光源１ ３０からの中心光１３４を含む光は、コリメーティングレンズ１４４を介して。

この板１３８に照射され、この照射の方向はこの拡散スクリーン１１６の現像さ れたホログラムを照明する入射光（光源１０２のような）の方向である。よって 、この板１３８に光源１３０から入射する中心光１３４、第６図のスクリーン１ １６に入射する中心光１０５と同じである。

また、上記ビームスプリッタ１３０ａからの光１３５は、ミラー１３０ｅ、空間 フィルタ１３０ｆを介して中央光のまわりの円錐の範囲に導かれる。この光はフ ィールドレンズ１４０ａに導かれ、平行にされる。この平行にされた光は、曇り ガラス等の通常の拡散スクリーン１４０に導かれる。この曇りガラスが均一であ れば、均一に照明されたスクリーンが得られる。また、不均一な照明密度が必要 であれば、このスクリーン１４０の横方向の照明密度を調整する。

この照明された拡散スクリーン１４０の像は、板１３８の中央のフィールドレン ズ１４０ｂによって収束される。また、コリメーティングレンズ１４４によって 光束が板１３８角点に対して揃えられ、この光束の軸が平行になる。

上記拡散スクリーン１４０からの光および光１３２によって、このホログラフィ ック感応性板１３８に潜像が形成される。そしてこの板が現像され、方向性拡散 スクリーン１１６が形成される。この方向性拡散スクリーン１１６が単色光源１ ０２によって照明された場合には、外部瞳１２２で視認される像はこの拡散スク リーンの像である。

このような構成によれば、適切な方法で所定の方向に配置されたこの板１３８か ら放射された光は、所定の円錐形の作動範囲１４３に放射される。この方向性拡 散スクリーン１１６は、観察者の瞳に対する所定放射範囲以外にはわずかの光し か放射されない。さらに、中心光１１７は中心光１０５に対しである角度をもっ ているので、外部瞳１２２はゼロオーダーの光の中心光１２５の外側範囲１２６ に対して完全に外側に位置する。よって、この観察者からはゼロオーダーの光が 完全に見えない。

また、このホログラフィック拡散スクリーン１１６を製造する別の方法は米国特 許Ｎｏ、４，３７２，６３９に開示されている。

また、この拡散スクリーン１１６を透過するゼロオーダーの光は、第８図に示す ような光学繊維フェースプレート１４８によっても減少させることができる。こ のものは、極めて小径の光学繊維を接着剤で互いに接合した繊維束を斜めに切断 した一枚板のものである。たとえば、この第８図に示すものは、光学繊維１５０ ，１５２，１５４および１５６が接着剤１６０によって互いに接着されている。

実際には、このような繊維によって長い繊維束を形成し、これを斜めに切断して 一枚板とし、フェースプレート１４８を製造する。これらの小さな径の繊維内に その中心軸に対して十分に小さな角度で入射した光はこの繊維内で全反射を繰返 してこの繊維内を進み、また大きな角度で入射した光はその大部分がこれら繊維 の間の物質に吸収され、その一部しか通過しない。この繊維内を通過する光は複 数の反射を繰返すので、その軸まわりに十分に散乱され、所定の円錐形の範囲に 出力する。

このフェースプレートの作用を第８図に示す。光１０５のうちホログラフィック 拡散スクリーン１１６で回折されなかった一部の光１２５はゼロオーダーの光に なる。この光は繊維１５４の全反射角に対して大きな角度をもっているので、こ の繊維１５４と接着剤１６０境界面を通過して進行し、この接着剤１６０によっ て吸収され、このフェースプレート１４８を通過することはない。よって、この ゼロオーダーの光は吸収される。

この先１０５のうちスクリーン１１６で回折された一部の光は、繊維内にその壁 の全反射角に対して十分に小さな角度で入射し、このフェースプレート１４８の 出力面まで通過する。繊維の中心上にあるこの光を符号１１７で示す。実際には 、この出力光は円錐形の範囲に放射され、繊維の中心線に対するこの円錐の角度 φは全反射角の２倍である。この作用は、観察者の瞳に均一に光を送るために有 利である。また、円錐形の入射光の中心をこの光学繊維の中心線と平行となるよ うに設計しておけば、円錐形の入射光の円錐の角度と、円錐形に出力される出力 光の円錐の角度が等しくなる。また、この拡散スクリーン１１６は、マルチカラ ー映像発生装置からのマルチカラー光ビームを観察者の瞳に送ることができる。

しかし、この場合にはマルチカラー光の異なる波長の光は、回折部品１１６によ ってそれぞれ異なった量だけ回折される。

この状態を第９図に示す。たとえば赤色の光の中心光１６１（破線）および緑色 の光の中心光（実線）はこの部品１１６で回折される。これら２つの色の光の回 折の相違によって、赤色の光葉破線で示す円錐１６６、緑色の光は実線で示す円 錐１６８の範囲に放射される。これらの円錐の回折角を両方ともこの光学繊維の 内部の臨界角以下にしておけば、これら光はこの繊維１５４内で全反射を繰返す 。

このフェースプレート１４８はこれら２つの円錐状の光１６６．１６８を混合し 、外部の瞳に効果的に送る。この混合により、第９図に示すように、入射する赤 色の光の円錐の円錐角の半分をφ１１１００光の円錐の円錐角の半分をφ２とす ると、出力される光の円錐の光学繊維の中心線１５５とのなす角度は２φｅとな る。ここで、角度φ２は角度φ１より大きく、またこのフェースプレートから出 力される混合された光の円錐の向かう角度は２φ′２である。よって、赤色あ光 の円錐角の半分の角度φ１が緑色の光の円錐角の半分の角度φ２より大きければ 、このフェースプレートから出力される混合された光の円錐の角度は２φｌに近 くなる。したがって、このフェースプレートに入射する光の角度φｌとφ２とが 等しくなるように調整すれば、出力される光の円錐１５７は一致し、観察者の瞳 からはこのフェースプレートからの異なる色の光は同じに見える。したがって、 このフェースプレートからの２つの色の混合した光の円錐は同じ角度であり、こ れらの色の光の像は観察者の瞳にはまったく合致して見える。

以上、航空機の操縦席用のヘッドアップディスプレイとパネルディスプレイの一 体形の装置について説明した。この装置は、ヘッドアップディスプレイ映像とパ ネルディスプレイ映像とをパイロットに同時に表示することができる。一実施例 では、２つの映像は共通の外部瞳から視認できる。

以上図示して説明した実施例は本発明の原理を示す可能な実施例である。本発明 の技術分野における技術者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変 形が可能である。

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Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．ＨＵＤ映像を投影する第１の映像発生装置と；パネル映像を投影する第２の 映像発生装置と；上記のＨＵＤ映像光を装置外の瞳に導くコンビナーと；上記の パネル映像光を表示するパネルスクリーンと；光学的選別手段とを備え、この手 段は上記第１の映像発生装置からの光を上記コンビナーに導き、また上記第２の 映像発生装置からの光を上記パネルスクリーンに導くことを特徴とする一体形ヘ ッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
2. ２．前記第２の映像発生装置はマルチカラーパルネル映像を出力するものである ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の一体形ヘッドアップおよびパ ネルディスプレイ装置。
3. ３．前記第２の映像発生装置は液晶光バルブプロジェクターであることを特徴と する前記特許請求の範囲第２項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプ レイ装置。
4. ４．前記光学的選別手段は回折光学部品であることを特徴とする前記特許請求の 範囲第１項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
5. ５．前記光学的選別手段は、グレーテッドインデックス被覆を有する基板を備え ていることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の一体形ヘッドアップお よびパネルディスプレイ装置。
6. ６．前記パネルスクリーンは： 入射した光を拡散する回折光学部品； 光束を通過させる光軸を有する光学手段を備え、この光学手段は前記光学部品に 対応して配置され、その光学軸は拡散光と略合致するように配置され、前記光学 部品からの回折された光は上記光学手段に入射する回折されていない入射光から 逸らされ、上記光学手段内で吸収されるものであることを特徴とする前記特許請 求の範囲第１項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
7. ７．前記光学手段は互いに平行な複数の光学繊維からなる光学繊維フェースプレ ートからなり、これら光学繊維の方向は前記光学部品で回折された光と平行であ ることを特徴とする前記特許請求の範囲第６項記載の一体形ヘッドアップおよび パネルディスプレイ装置。
8. ８．前記ＨＵＤ映像およびパネル映像は、前記コンビナーおよび前記パネルスク リーンにそれぞれ同時に表示されることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項 記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
9. ９．前記パネルスクリーンは拡散スクリーンであることを特徴とする前記特許請 求の範囲第１項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
10. １０．前記光学的選別手段は選別ミラーであることを特徴とする前記特許請求の 範囲第１項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
11. １１．前記第１の映像発生装置は第１の波長帯域のＨＵＤ映像を投影し、また前 記第２の映像発生装置は前記第１の波長帯域以外の第２の波長帯域を含むパネル ディスプレイ映像を投影するものであり、また前記光学選別手段は前記第１の波 長帯域または第２の波長帯域のいずれか内の波長を反射し、この反射する波長帯 域以外の波長の光を透過させる波長選択性ミラーであることを特徴とする前記特 許請求の範囲第１項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
12. １２．前記第１の映像発生装置は狭い波長帯域のＨＵＤ映像を投影するものであ ることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の一体形ヘッドアップおよび パネルディスプレイ装置。
13. １３．前記コンビナーは波長選択性光学部品であり、この光学部品は前記第１の 映像発生装置からの光を反射し、これ以外の波長の光を透過させるものであるこ とを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の一体形ヘッドアップおよびパネ ルディスプレイ装置。
14. １４．単色のＨＵＤ映像を投影するＨＵＤ映像発生装置と；パネル映像を投影す るパネル映像発生装置と；上記ＨＵＤ映像の光を反射し、上記パネル映像の光を 透過させる波長選感応性折畳みミラーと； 上記単色のＨＵＤ映像を装置外の瞳に反射し、またこれ以外の光を透過させる光 学コンビナーと；前記折畳みミラーを透過したパネル映像の光を受けるルックダ ウンデイスプレイスクリーンアセンブリとを備えたことを特徴とする一体形ヘッ ドアップおよびパネルディスプレイ装置。
15. １５．前記スクリーンアセンブリは、前記第２の映像発生装置からの光を偏向、 拡散して外部外部の瞳に送るものであることを特徴とする前記特許請求の範囲第 １４項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
16. １６．前記スクリーンアセンブリは： 前記折畳みミラーによって送られた光を平行にするフレネルレンズと； 上記フレネルレンズによって平行にされた光を拡散する均一拡散スクリーンと； 複数の光学繊維を備えた光学繊維フェースプレートを備え、これらの光学繊維は 前記拡散スクリーンからの光と平行に配置され、入射する回折されていない光は この光学繊維フェースプレート内で吸収され； また前記光学繊維フェースプレートからの光を屈折させこれを収束して外部の瞳 に送る光学フィールドレンズとを備えたものであることを特徴とする前記特許請 求の範囲第１５項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
17. １７．前記拡散スクリーンは、前記折畳みミラーを透過したマルチカラー光を回 折する回折ホログラムを支持する透明な基板を備えていることを特徴とする前記 特許請求の範囲第１４項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装 置。
18. １８．前記第１の映像発生装置は、単色の陰極線管および前記ＨＵＤ映像光を所 定の第１の角度で前記折畳みミラーに送るリレーレンズとを備えていることを特 徴とする前記特許請求の範囲第１４項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルデ ィスプレイ装置。
19. １９．前記第２の映像発生装置は、マルチカラー液晶映像プロジェクターおよび このマルチカラー映像を前記第１の角度とは異なる第２の角度で前記折畳みミラ ーに送るレンズアセンブリを備えていることを特徴とする前記特許請求の範囲第 １４項記載の一体形ヘッドアップおよびパネルディスプレイ装置。
20. ２０．ＨＵＤ映像を投影する第２の映像発生装置と；パネル映像を投影する第２ の映像発生装置と；この装置の使用者に対向した前面パネル部を有する装置のハ ウジングと； 上記ハウジングの前面パネル部の近傍に配置され、前記第１の映像発生装置から のＨＵＤ映像光を受けこれをこの装置の使用者に送るコンビナーと； 上記ハウジングの前面パネル部に配置され、上記第２の映像発生装置からのパネ ル映像光を受けこれを装置の使用者に表示するパネルスクリーンとを備え； 上記ＨＵＤ映像およびパネル映像を同時に表示することを特徴とする一体形ヘッ ドアップおよびパネルディスプレイ装置。