(57)【要約】【課題】  観察者が長時間使用しても観察者に疲労感を与えず、観察者に観察対象物を可能な限り正確な距離感で提供できる頭部装着型表示装置を提供する。【解決手段】  バイザ（又はコンバイナ）２１と、暗視モジュール（イメージインテンシファイア及び光学系）２と、それらが取り付けられた頭部保持装置２０と、暗視モジュールで増幅した画像を、バイザ（又はコンバイナ）２１にメイン光学系３０を介して投影する画像伝送手段４０とを備える頭部装着型表示装置１であって、画像伝送手段４０は、複数本の光ファイバ４１が束ねられたイメージングファイバ４０であり、イメージングファイバ４０は、屈曲可能となっており、各光ファイバ４１の一端部４０ａで画像を入力し、伝送して、各光ファイバ４１の他端部４０ｂからそれぞれ出力することで、画像を投影することを特徴とする。【選択図】図１
2011145578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系及びその光学系から入射した光を増幅する機能を有する暗視モジュールと、
観察者の眼の前方に配置されるバイザ又はコンバイナと、
前記暗視モジュール、並びに、バイザ又はコンバイナが取り付けられた頭部保持装置と、
前記暗視モジュールで増幅した画像を、前記バイザ又はコンバイナにメイン光学系を介して投影する画像伝送手段とを備える頭部装着型表示装置であって、
その暗視モジュールとメイン光学系との間を画像伝送する画像伝送手段として、複数本の光ファイバが束ねられたイメージングファイバを用い、
前記イメージングファイバは、屈曲可能となっており、
各光ファイバの一端部でそれぞれ画像を入力し、各光ファイバの他端部に画像をそれぞれ画像伝送することにより、前記イメージングファイバの他端部からバイザ又はコンバイナに画像を出力することを特徴とする頭部装着型表示装置。
【請求項２】
光ファイバの一端部の断面積のサイズと、当該光ファイバの他端部の断面積のサイズとを異なった構成にすることにより、画像の拡大・縮小を行うこと、及び／又は、イメージングファイバの一端部における各光ファイバの配列と、当該イメージングファイバの他端部における各光ファイバの配列とを異なった構成にすることにより、前記メイン光学系、並びに、バイザ又はコンバイナによって生じる光学歪を相殺することを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項３】
表示画像を生成する制御部と、
前記制御部で生成した表示画像を、暗視モジュールで増幅した画像に重畳し、メイン光学系を介してバイザ又はコンバイナに投影する表示手段とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の頭部装着型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部装着型表示装置に関し、特に、ヘリコプタや航空機のパイロットに、イメージインテンシファイアで取得した外界画像を提供する頭部装着型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
装着者（観察者）の頭部に装着される形態の頭部装着型表示装置がある。頭部装着型表示装置では、夜間、目視確認が難しい状況で外界画像を取得、増幅して表示することが行われている。特に、外界画像を取得する手段として、イメージインテンシファイアを用いた表示装置は、目視で認識できない条件下でも、外界画像を取得し装着者に表示することができる。また、取得した外界画像を画像処理しさらに視認性を向上させた後、装着者に表示することもできる。したがって、ヘリコプタや航空機等での、夜間運用に有効である。
【０００３】
現在、イメージインテンシファイアを用いた「ＮＶＧ（Night Vision Goggle）」と呼ばれる暗視装置は航空機等の分野で既に使用されており、ＮＶＧを装着した装着者は、夜間等の環境下でも外界を視認できる。
ＮＶＧは、一般的に単眼鏡や双眼鏡に類似の外観を呈し、装着者の眼前に配置して使用されるものであり、そのＮＶＧは、対物レンズ（光学系）とイメージインテンシファイアと接眼レンズ（光学系）とがこの順に並んだ３段構成となっている。このようなＮＶＧでは、まず、対物レンズによって外界の微弱光の光学像を得る。次に、得られた微弱光の光学像は、次段のイメージインテンシファイアの入力面（光電面）に結像され、さらにイメージインテンシファイアの内部で一旦光電変換され、その電子は加速電圧を受けて電子増倍され、それが蛍光面に衝突することで、増幅された光学像（増幅光学像）としてイメージインテンシファイアの出力面（蛍光面）に再現される。最後に、装着者は、接眼レンズを通してイメージインテンシファイアの出力面を視認することになる。
【０００４】
一方、近年、ＨＭＤ（Helmet- ないし Head-Mounted Display）が開発されて普及の途上にある（例えば、特許文献１参照）。このようなＨＭＤには、各種の形式があるが、暗視モジュール（イメージインテンシファイア及び光学系）をヘルメット（頭部保持装置）の側面等に配置し、暗視モジュールで取得した外界画像をリレー光学系及びメイン光学系を介してバイザ（又はコンバイナ）に投射し、無限遠表示として虚像を装着者に視認させている。
図６は、暗視モジュールを備えたＨＭＤの概略構成の一例を示す側面図であり、図７は、図６に示すＨＭＤの平面図である。ＨＭＤ６０は、バイザ（又はコンバイナ）２１を有するヘルメット２０と、左眼用外界画像を取得する左眼用暗視モジュール２Ｌと、右眼用外界画像を取得する右眼用暗視モジュール２Ｒと、左眼用画像をバイザ２１に投影する左眼用メイン光学系３０Ｌと、右眼用画像をバイザ２１に投影する右眼用メイン光学系３０Ｒと、左眼用暗視モジュール２Ｌと左眼用メイン光学系３０Ｌとの間を画像伝送する左眼用リレー光学系３２Ｌと、右眼用暗視モジュール２Ｒと右眼用メイン光学系３０Ｒとの間を画像伝送する右眼用リレー光学系３２Ｒとを備える。
【０００５】
バイザ２１は、所定の曲面形状であり、ハーフミラーやホログラム素子等により構成される。そして、バイザ２１は、上下方向にスライド可能な状態でヘルメット２０に支持されており、バイザ２１を下げると装着者Ｐの左眼ＥＬ及び右眼ＥＲの前方に配置されるようになっている。
【０００６】
左眼用暗視モジュール２Ｌは、外界の光学像を入射する光学系と、入射した光学像を光電子像に変換する光電面と、当該光電子像の電子群を増倍する電子増倍管と、増倍された電子群から増幅光学像を生成する蛍光面とを有するものである。右眼用暗視モジュール２Ｒも、左眼用暗視モジュール２Ｌと同様な構造をしている。
そして、左眼用暗視モジュール２Ｌは、撮影方向が正面方向となるようにヘルメット２０に配置されるとともに、右眼用暗視モジュール２Ｒも、撮影方向が正面方向となるようにヘルメット２０に配置される。
【０００７】
バイザ２１の反射面は、曲面形状であり、かつ、バイザ２１の正面には装着者Ｐの頭部が配置されるため、左眼用メイン光学系３０Ｌから出射される左眼用画像表示光と右眼用メイン光学系３０Ｒから出射される右眼用画像表示光とは装着者Ｐの頭部を避けるようにして、バイザ２１の反射面に投影することになり、非同軸光学系を構成する。
このため、装着者Ｐの前方に歪のない虚像を形成するために、各リレー光学系３２Ｌ、３２Ｒ、各メイン光学系３０Ｌ、３０Ｒ及びバイザ２１によってその光学歪を相殺するように、各リレー光学系３２Ｌ、３２Ｒ、各メイン光学系３０Ｌ、３０Ｒ及びバイザ２１において多くのレンズが必要となる。
【０００８】
これにより、左眼用暗視モジュール２Ｌで取得された左眼用外界画像は、左眼用リレー光学系３２Ｌを介して光学歪が相殺されながら、左眼用メイン光学系３０Ｌに導かれ、その後、左眼用メイン光学系３０Ｌから出射される左眼用画像表示光が、バイザ２１の反射面で反射されることで、装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれるとともに、同様にして右眼用メイン光学系３０Ｒから出射される右眼用画像表示光が、バイザ２１の反射面で反射されることで、装着者Ｐの右眼ＥＲに導かれる。よって、装着者Ｐは、観察対象物を視認できるとともに、バイザ２１を透過する光により前方の外界も視認できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１８９６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、装着者が、上述するようなＮＶＧを装着する場合には、単眼鏡や双眼鏡のような突出する形状をしたＮＶＧを眼前に縣下するようにヘルメットに固定しているため、ヘルメットの重心がかなり前方に偏るので、装着者には大きな負担であり、長時間使用すると、疲労してしまう原因となっていた。
さらに、ＮＶＧの筐体部分は、視野障害の要因となり、視認しにくく疲労感を助長する上に、操縦の安全性の面からも不安があった。
【００１１】
一方、装着者ＰがＨＭＤ６０を装着した場合には、ＮＶＧを固定したヘルメットのように重心が極端に前方に偏ることはなく、計器板等を容易に視認可能となるが、図７に示すように、左眼用暗視モジュール２Ｌがヘルメット２０の左側方に所定の距離をあけて配置されるとともに、右眼用暗視モジュール２Ｒがヘルメット２０の右側方に所定の距離をあけて配置されている。すなわち、外界画像を取得するための左眼用暗視モジュール２Ｌ及び右眼用暗視モジュール２Ｒの光軸は、装着者Ｐの左眼ＥＬ及び右眼ＥＲの視軸と一致していない。これは、左眼用暗視モジュール２Ｌの画像を左眼用メイン光学系３０Ｌに導くために、左眼用リレー光学系３２Ｌを配置する必要があり、左眼用暗視モジュール２Ｌの光軸は、装着者Ｐの左眼ＥＬの視軸と、かなり離れる状態となる。また、右眼用暗視モジュール２Ｒの光軸も、同様に装着者Ｐの右眼ＥＲの視軸と、かなり離れる状態になる。
【００１２】
よって、このようなＨＭＤ６０では、装着者Ｐの左眼ＥＬ及び右眼ＥＲの視軸と異なる位置から取得した外界画像を装着者Ｐの眼前に提供することになり、その結果、装着者Ｐにとって外界の認識の誤差を招いたり、両眼視効果による距離の違和感となって現れたりしていた。
そこで、本発明は、観察者が長時間使用しても観察者に疲労感を与えず、観察者に観察対象物を可能な限り正確な距離感で提供できる頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明の頭部装着型表示装置は、光学系及びその光学系から入射した光を増幅する機能を有する暗視モジュールと、観察者の眼の前方に配置されるバイザ又はコンバイナと、前記暗視モジュール、並びに、バイザ又はコンバイナが取り付けられた頭部保持装置と、前記暗視モジュールで増幅した画像を、前記バイザ又はコンバイナにメイン光学系を介して投影する画像伝送手段とを備える頭部装着型表示装置であって、その暗視モジュールとメイン光学系との間を画像伝送する画像伝送手段として、複数本の光ファイバが束ねられたイメージングファイバを用い、前記イメージングファイバは、屈曲可能となっており、各光ファイバの一端部でそれぞれ画像を入力し、各光ファイバの他端部に画像をそれぞれ画像伝送することにより、前記イメージングファイバの他端部からバイザ又はコンバイナに画像を出力するようにしている。
【００１４】
ここで、「光を増幅する」とは、画像における光を増幅することをいい、例えば、微弱光の光学像（画像）を、目視で認識できるように光が増幅された光学像（画像）にすることをいう。このような光を増幅するものとして、例えば、イメージインテンシファイア等が挙げられる。
また、「頭部保持装置」とは、暗視モジュール、並びに、バイザ又はコンバイナを取り付けることができ、かつ、観察者の頭部に装着されることができるもののことをいい、例えば、ヘルメットやヘッドギア等が挙げられる。
本発明の頭部装着型表示装置によれば、イメージングファイバの一端部で画像を入力し、イメージングファイバの他端部から画像を出力する。そして、イメージングファイバは、屈曲可能となっている。これにより、イメージングファイバによって暗視モジュールとメイン光学系との間で画像を画像伝送する。このとき、イメージングファイバによって暗視モジュールとメイン光学系との間を画像伝送するので、リレー光学系のようにメイン光学系に光学的に結合した位置に配置する必要がなくなるため、暗視モジュールの光軸と観察者の眼の視軸とをより近くに配置することが可能となり、かつ、重心が極端に偏ることがないようなヘルメットにおける最適な位置に暗視モジュールを配置することができる。
【発明の効果】
【００１５】
したがって、本発明の頭部装着型表示装置によれば、観察者の視軸に可能な限り近い状態で観察対象物を視認させることができる。また、重心が極端に前方に偏ることもない。
【００１６】
（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記発明において、光ファイバの一端部の断面積のサイズと、当該光ファイバの他端部の断面積のサイズを異なった構成にすることにより、画像の拡大・縮小を行うこと、及び／又は、イメージングファイバの一端部における各光ファイバの配列と、当該イメージングファイバの他端部における各光ファイバの配列を異なった構成にすることにより、前記メイン光学系、並びに、バイザ又はコンバイナによって生じる光学歪を相殺するようにしてもよい。
さらに、上記発明において、表示画像を生成する制御部と、前記制御部で生成した表示画像を、暗視モジュールで増幅した画像に重畳し、メイン光学系を介してバイザ又はコンバイナに投影する表示手段とを備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態であるＨＭＤの概略構成を示す側面図である。
【図２】図１に示すＨＭＤの平面図である。
【図３】光学歪を相殺する方法について説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態であるＨＭＤの概略構成を示す側面図である。
【図５】図４に示すＨＭＤの平面図である。
【図６】従来のＨＭＤの概略構成を示す側面図である。
【図７】図６に示すＨＭＤの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１９】
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態であるＨＭＤ（頭部装着型表示装置）の概略構成を示す側面図であり、図２は、図１に示すＨＭＤの平面図である。なお、ＨＭＤ６０と同様のものについては、同じ符号を付している。
ＨＭＤ１は、バイザ２１を有するヘルメット２０と、左眼用外界画像を取得する左眼用暗視モジュール２Ｌと、右眼用外界画像を取得する右眼用暗視モジュール２Ｒと、左眼用画像をバイザ２１に投影する左眼用メイン光学系３０Ｌと、右眼用画像をバイザ２１に投影する右眼用メイン光学系３０Ｒと、左眼用暗視モジュール２Ｌと左眼用メイン光学系３０Ｌとの間を画像伝送する左眼用イメージングファイバ４０Ｌと、右眼用暗視モジュール２Ｒと右眼用メイン光学系３０Ｒとの間を画像伝送する右眼用イメージングファイバ４０Ｒとを備える。
【００２０】
左眼用イメージングファイバ４０Ｌは、画像の必要解像度を確保可能な複数本の光ファイバ４１が束ねられたイメージングファイバである。
光ファイバ４１は、プラスチック製等の円柱形状であり、その一端部の円形状の断面で光を入力することで、その入力した光を他端部の円形状の断面から出力する。そして、複数本の光ファイバ４１における一端部の断面を所定の配列で並べるとともに、複数本の光ファイバ４１における他端部の断面を所定の配列で並べるように、複数本の光ファイバ４１を束ねることにより、左眼用イメージングファイバ４０Ｌが形成されている。
なお、右眼用イメージングファイバ４０Ｒも、左眼用イメージングファイバ４０Ｌと同様な構造をしている。
【００２１】
そして、左眼用イメージングファイバ４０Ｌの一端部を、左眼用暗視モジュール２Ｌの後に配置し、左眼用イメージングファイバ４０Ｌの他端部を、左眼用メイン光学系３０Ｌの前方に配置する。各光ファイバ４１の一端部から入力した画像を、各光ファイバ４１の他端部からそれぞれ出力することで、画像を出力するようにしている。
このとき、装着者Ｐの前方に歪のない虚像を形成するためには、左眼用メイン光学系３０Ｌ及びバイザ２１によって生じる光学歪を相殺するように、左眼用暗視モジュール２Ｌで取得された左眼用画像を、左眼用メイン光学系３０Ｌに導く必要がある。
【００２２】
そこで、左眼用メイン光学系３０Ｌ及びバイザ２１によって生じる光学歪を相殺し、さらに画像の拡大・縮小を行うように、左眼用イメージングファイバ４０Ｌの一端部４０ａのサイズと他端部４０ｂのサイズを異なる構成にする（光ファイバ４１の一端部のサイズと他端部のサイズとを異なる構成にする）とともに、左眼用イメージングファイバ４０Ｌの一端部４０ａにおける各光ファイバ４１の配列と、左眼用イメージングファイバ４０Ｌの他端部４０ｂにおける各光ファイバ４１の配列を異なる構成にする。
ここで、左眼用メイン光学系３０Ｌ及びバイザ２１によって生じる光学歪を相殺する方法について説明する。図３は、光学歪を相殺する方法について説明するための図である。
図３（ａ）は、左眼用メイン光学系３０Ｌ及びバイザ２１によって生じる光学歪を相殺するように、左眼用イメージングファイバ４０Ｌの一端部４０ａで画像を入力し、左眼用イメージングファイバ４０Ｌの他端部４０ｂから画像を出力したものであり、一方、図３（ｂ）は、左眼用メイン光学系３０Ｌ及びバイザ２１によって生じる光学歪を相殺せずに、左眼用イメージングファイバ１４０Ｌの一端部１４０ａで画像を入力し、左眼用イメージングファイバ１４０Ｌの他端部１４０ｂから画像を出力したものである。
【００２３】
図３（ｂ）では、左眼用イメージングファイバ１４０Ｌの一端部１４０ａで入力した画像が、そのままの画像として導かれる。その後、その画像が、左眼用メイン光学系３０Ｌとバイザ２１の反射面とを通して、装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれる。その結果、装着者Ｐの左眼ＥＬは、光学歪が生じた画像を認識することになる。
しかし、図３（ａ）では、左眼用イメージングファイバ４０Ｌの一端部４０ａから入力した画像が、光学歪を考慮した画像として導かれる。その後、その画像が、左眼用メイン光学系３０Ｌとバイザ２１の反射面とを通して、装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれる。その結果、装着者Ｐの左眼ＥＬは、光学歪を相殺した画像を認識することになる。
【００２４】
また、左眼用イメージングファイバ４０Ｌは、プラスチック等で作成し、屈曲可能となっている。そのため、左眼用メイン光学系３０Ｌの近傍という制約はなく、左眼用暗視モジュール２Ｌを配置することができる。よって、左眼用暗視モジュール２Ｌの光軸と装着者Ｐの左眼ＥＬの視軸をより一致した状態にすることも可能となり、かつ、重心が極端に偏ることがないようなヘルメット２０における最適な位置に左眼用暗視モジュール２Ｌを配置することができる。
なお、右眼用イメージングファイバ４０Ｒも、左眼用イメージングファイバ４０Ｌと同様に使用されている。
【００２５】
以上のように、ＨＭＤ１によれば、装着者Ｐに観察対象物を可能な限り両眼の視軸間隔を近づけることが可能となり、実際の距離感に近い状態で視認することができる。また、重心が極端に前方に偏ることもない。
【００２６】
＜第二の実施形態＞
図４は、本発明の一実施形態であるＨＭＤ（頭部装着型表示装置）の概略構成を示す側面図であり、図５は、図４に示すＨＭＤの平面図である。なお、ＨＭＤ１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ＨＭＤ１は、バイザ２１を有するヘルメット２０と、左眼用外界画像を取得する左眼用暗視モジュール２Ｌと、右眼用外界画像を取得する右眼用暗視モジュール２Ｒと、左眼用画像をバイザ２１に投影する左眼用メイン光学系３０Ｌと、右眼用画像をバイザ２１に投影する右眼用メイン光学系３０Ｒと、左眼用暗視モジュール２Ｌと左眼用メイン光学系３０Ｌとの間を画像伝送する左眼用イメージングファイバ４０Ｌと、右眼用暗視モジュール２Ｒと右眼用メイン光学系３０Ｒとの間を画像伝送する右眼用イメージングファイバ４０Ｒと、左眼用表示画像をバイザ２１に投影する左眼用フラットパネル（左眼用表示手段）３３Ｌと、右眼用表示画像をバイザ２１に投影する右眼用フラットパネル（右眼用表示手段）３３Ｒと、左眼用フラットパネル３３Ｌ及び右眼用フラットパネル３３Ｒに左眼用画像信号及び右眼用画像信号を出力する画像信号処理部（制御部）３とを備える。
【００２７】
映像信号処理部３が実行する制御・演算内容を機能ごとに分けて説明すると、画像を生成する表示画像生成部３ａと、左眼用画像信号を左眼用フラットパネル３３Ｌに出力する左眼用画像信号出力部３ｂと、右眼用画像信号を右眼用フラットパネル３３Ｒに出力する右眼用画像信号出力部３ｃとを有する。
表示画像生成部３ａは、左眼用表示画像と右眼用表示画像とを生成する制御を行う。
【００２８】
左眼用フラットパネル３３Ｌは、左眼用画像信号に基づいて、左眼用表示画像を出射する。そして、左眼用フラットパネル３３Ｌの前方には、光学カップリング素子３４Ｌを配置する。光学カップリング素子３４Ｌは、２方向から入力した画像を光学的に重畳する機能を有する。これにより、左眼用イメージングファイバ４０Ｌから出射された左眼用画像と、左眼用フラットパネル３３Ｌから出射された左眼用表示画像とが、光学カップリング３４Ｌで重畳され、左眼用メイン光学系３０Ｌ及びバイザ２１を介して装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれる。よって、左眼用表示画像を左眼用画像に重畳して表示することができるようになっている。
なお、右眼用フラットパネル３３Ｒ及び光学カップリング素子３４Ｒも、左眼用フラットパネル３３Ｌ及び光学カップリング素子３４Ｌと同様に使用されている。
【００２９】
以上のように、ＨＭＤ５０によれば、装着者Ｐに観察対象物を可能な限り正確な距離で視認させることができる。また、重心が前方に偏ることもない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、例えば、ヘリコプタや航空機のパイロット等に、外界画像を提供する頭部装着型表示装置等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１、５０、６０  ＨＭＤ（頭部装着型表示装置）
２Ｌ  左眼用暗視モジュール(イメージインテンシファイア及び光学系)
２Ｒ  右眼用暗視モジュール(イメージインテンシファイア及び光学系)
２０  ヘルメット(又はヘッドギア等の頭部保持装置)
２１  バイザ(又はコンバイナ)
３０Ｌ  左眼用メイン光学系
３０Ｒ  右眼用メイン光学系
４０Ｌ  左眼用イメージングファイバ
４０Ｒ  右眼用イメージングファイバ
４１  光ファイバ
ＥＬ  左眼
ＥＲ  右眼
Ｐ  装着者（観察者）
【図１】
2011145578.tif 000003
【図２】
2011145578.tif 000004
【図３】
2011145578.tif 000005
【図４】
2011145578.tif 000006
【図５】
2011145578.tif 000007
【図６】
2011145578.tif 000008
【図７】
2011145578.tif 000009