(57)【要約】ディスプレイ装置２０は映像ソース２６とディスプレイの波長範囲に透明な光学素子で形成されたリレーグループ２８とリレーグループ２８に面した反射結合装置３０とを備えている。リレーグループ２８はガラス光学楔４０とガラスレンズ８２と回折光学素子８０を含むプラスチックレンズのグループ４６，６４，７２とを有する。プラスチックレンズのグループ４６，６４，７２はガラス光学楔４０とガラスレンズの間に位置している。リレーグループ２８は映像ソース２６に面した前面４２と後面４４とを有する光学楔４０と、光学楔４０の後面４４に面した前面４８と後面５０とを備えた非球面レンズモジュール４６と、非球面レンズモジュール４６の後面５０に面した前面６６と、後面６８と、光軸３８とを有する非球面レンズ６４とを備えている。非球面レンズモジュール４６は非球面レンズ６４の光軸３８に関して傾斜され中心からずらされている。リレーグループ２８はさらに非球面レンズ６４の後面６８に面した前面７２と後面７６と光軸３８と回折光学素子レンズモジュール７２の後面７６に面した前面８４を有している正の倍率のレンズモジュール８２とを含んでいる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプ波長範囲のためのディスプレイ装置において、
映像ソース（２６）と、
ディスプレイの波長範囲に対して透明な光学素子から形成されたリレーグループ（２８）とを具備し、
そのリレーグループ（２８）は、
ガラス光学楔（４０）と、
ガラスレンズ（８２）と、
回折光学素子（８０）を含むプラスチックレンズのグループ（４６，６４，７２）とから構成され、
プラスチックレンズのグループ（４６，６４，７２）はガラス光学楔（４０）とガラスレンズ（８２）との間に配置され、
さらに、ガラスレンズ（８２）に面している反射結合装置（３０）を具備しているディスプレイ装置。
【請求項２】
前記プラスチックレンズのグループ（４６，６４，７２）は、
光学楔（４０）の後面（４４）に面した前面（４８）と、後面（５０）とを有している非球面レンズモジュール（４６）と、
この非球面レンズモジュール（４６）の後面（５０）に面した前面（６６）と、後面（６８）と、光軸（３８）とを有している非球面レンズ（６４）と、
非球面レンズ（６４）の後面（６８）に面している前面（７４）と、ガラスレンズ（８２）の前面（８４）に面した後面（７６）とを有している回折光学素子（７２）とを具備し、
非球面レンズモジュール（４６）は非球面レンズの光軸（３８）に関して傾斜され中心からずらされている請求項１記載のディスプレイ装置。
【請求項３】
ディスプ波長範囲用のディスプレイ装置において、
映像ソース（２６）と、
ディスプレイの波長範囲に対して透明な光学素子から形成されたリレーグループ（２８）とを具備し、
そのリレーグループ（２８）は、
映像ソース（２６）に面した前面（４２）と後面（４４）とを有している光学楔（４０）と、
光学楔（４０）の後面（４４）に面した前面（４８）と、後面（５０）とを有している非球面レンズモジュール（４６）と、
この非球面レンズモジュール（４６）の後面（５０）に面した前面（６６）と、後面（６８）と、光軸（３８）とを有している非球面レンズ（６４）と、
非球面レンズ（６４）の後面（６８）に面した前面（７４）と、後面（７６）とを有している回折光学素子レンズモジュール（７２）と、
回折光学素子レンズモジュール（７２）の後面（７６）に面している前面（８４）と、後面（８６）とを有している正の倍率のレンズモジュール（８２）とを具備し、
非球面レンズモジュール（４６）は非球面レンズ（６４）の光軸（３８）に関して傾斜され中心からずらされており、
さらに、リレーグループ（２８）の正の倍率のレンズモジュール（８２）に面している反射結合装置（３０）を具備しているディスプレイ装置。
【請求項４】
前記非球面レンズモジュール（４６）はプラスチックで構成されている請求項３記載のディスプレイ装置。
【請求項５】
前記非球面レンズモジュール（４６）は、
低分散材料で形成された正の倍率の単一レンズ（５２）と、
高分散材料で形成された負の倍率の単一レンズ（５４）とを具備している請求項３記載のディスプレイ装置。
【請求項６】
前記非球面レンズモジュール（４６）は、正の倍率の単一レンズ上の非球面表面を有している請求項３記載のディスプレイ装置。
【請求項７】
前記非球面レンズ（６４）はプラスチックで構成されている請求項３記載のディスプレイ装置。
【請求項８】
回折光学素子レンズモジュール（７２）はプラスチックで構成されている請求項３記載のディスプレイ装置。
【請求項９】
回折光学素子レンズモジュール（７２）は、
レンズ本体（７８）と、
このレンズ本体（７８）の前面（７４）上に浮彫りにされた回折光学素子（８０）とを備えている請求項３記載のディスプレイ装置。
【請求項１０】
正の倍率のレンズモジュール（８２）はガラスで構成されている請求項３記載のディスプレイ装置。
【請求項１１】
正の倍率のレンズモジュール（８２）は、
低分散ガラス材料で形成された正の倍率の単一レンズ（８８）と、
高分散ガラス材料で形成された負の倍率の単一レンズ（９０）とを具備している請求項３記載のディスプレイ装置。
【請求項１２】
反射結合装置（３０）は、ヘルメットのバイザ（３２）の一部である請求項３記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学装置、特に、軽量で、優れた光学特性を有する反射形のヘッドマウントシースルーディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘッドマウントディスプレイシステムはパイロット等に情報を提供し、それによってディスプレイに利用可能な付加的な情報を得るために外部情景から眼を逸らす必要をなくしている。１つの応用では、ヘッドマウントディスプレイシステムはパイロットのヘルメットに取付けられ、ディスプレイ映像は眼の前方のヘルメットのバイザ（マスク）の表面に投影される。パイロットは直接情景を観察し、また、データまたは赤外線映像のような２次映像等の付加的な情報の表示をバイザ上で観察する。
【０００３】
ヘッドマウントディスプレイは、ヘルメットの側面または頂部からある角度で投影され、湾曲したバイザからパイロットの眼に反射される付加的な情報の表示を必要とする。したがって表示された情報に顕著な歪みが存在し、座席から風防上に投影されて反射された映像を自動車のドライバーが読取ろうとするときのような問題が生じる。それ故、投影および反射による歪みと反対になるようにその投影の前に映像に予め歪みを与えて、パイロットにより観察される映像が最小の歪で、容易に読取られることが必要である。
【０００４】
米国特許第５，４９９，１３９号明細書に記載されているような既存のヘッドマウントディスプレイでは、中継レンズグループは映像ソースによって生成された映像を湾曲したバイザ上に投影する。この投影は、パイロットによって最終的に観察される反射された映像が最小の歪みを有するように映像に予め歪みを与えるように行われる。前記米国特許第５，４９９，１３９号明細書に記載されている中継レンズグループはその光学オブジェクトを得ることに成功している。
【０００５】
しかしながら、前記米国特許明細書に記載されている方法は、幾つかの点で改良の余地を残している。この特許明細書に記載された中継レンズグループは２つの分離されたレンズのサブグループを有しており、そのため比較的複雑となり、大型で、重く、高価である。中継レンズグループの重量および寸法は非常に重要である。何故ならばそれはヘルメットに取付けられなければならず、したがってパイロットの頭によって支持されなければならないからである。前記米国特許明細書に記載された中継レンズグループはヘルメット構造中に慣性モーメントを導入し、それによってパイロットが頭を回すことのできる速度を減少させ、また長い動作期間中の疲労を生じる欠点がある。また、その比較的複雑な構造により、空中戦状態で所望されるような頑丈さが得られない。最後に、投影されたディスプレイの瞳孔の寸法を増加させてパイロットによる読取りをさらに容易にし、最良の位置にディスプレイ映像が投影されることを可能にすることが望ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、優れた光学特性を維持し、改善しながら、上述したようにディスプレイシステムを改良するヘッドマウントまたはヘルメットマウントの反射形ディスプレイが必要とされている。
本発明は、この要求を満たし、さらに関連する利点を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ヘッドマウントまたはヘルメットマウントの反射形ディスプレイとして使用されることのできるディスプレイ装置を提供する。このディスプレイ装置は観察される映像中の歪みが少なく、優れた光学的性能を有している。それは小型で、軽量であり、頭部またはヘルメットに取付けたときの慣性モーメントが小さく、安全性および戦闘環境の要求を満たすように堅牢である。このディスプレイ装置は大きい瞳孔寸法を有し、広いスペクトル帯域にわたって動作することができる。
【０００８】
本発明によれば、ディスプレイ映像の波長範囲に対するディスプレイ装置は、映像ソースと、ディスプレイの波長範囲に対して透明な光学素子から形成されたリレーグループと、リレーグループに面している反射結合装置とを備えている。リレーグループは、映像ソースに面した前面と後面とを有する光学楔と、光学楔の後面に面した前面と、後面とを有する非球面レンズモジュールと、この非球面レンズモジュールの後面に面した前面と、後面と、光軸とを有している非球面レンズと、非球面レンズの後面に面している前面と、後面とを有している回折光学素子レンズモジュールと、回折光学素子レンズモジュールの後面に面した前面と、後面とを有する正の倍率のレンズモジュールとを備え、非球面レンズモジュールは非球面レンズの光軸に関して傾斜され中心がずらされている。
【０００９】
好ましい形態においては、映像ソースはアクチブマトリックス液晶ディスプレイまたは陰極線管のような小型の映像ソースであり、反射結合装置はヘルメットのバイザの一部である。光学楔は低分散のガラス材料で形成されている。非球面レンズモジュールはプラスチックで構成され、低分散材料で形成された正の倍率の単一レンズと、高分散材料で形成された負の倍率の単一レンズとを有している。非球面レンズはプラスチックで構成されている。回折光学素子レンズはプラスチックで構成され、レンズ本体と、このレンズ本体の前面上に浮彫りにされた回折光学素子とを備え、格子間隔は約１０マイクロメータよりも大きい。正の倍率のレンズモジュールはガラスで構成され、低分散ガラス材料で形成された正の倍率の単一レンズと、高分散ガラス材料で形成された負の倍率の単一レンズとによって形成されている。
【００１０】
可能な場合に光学品質のプラスチック素子を使用することによってディスプレイ装置の重量およびコストを減少させることができる。通常の設計と比較して、リレーグループの重量は約６０％減少され、それは結果的にディスプレイ装置の慣性モーメントを減少させる。プラスチックの光学素子はガラスの光学楔とガラスの正の倍率のレンズモジュールとの間に位置されており、スクラッチその他の障害から保護されている。
【００１１】
回折光学素子の使用は高い効率で色収差の補正を達成し、重量の減少を可能にし、ディスプレイ装置のカラー帯域幅を改善する。これは高次の色収差を減少させるのに特に効果的であり、そうでなければ大きい瞳孔のディスプレイ装置を取扱うことは非常に困難である。このような高次の色収差の補正なしでは、パイロットは軸を外れて投影された映像を観察するために眼を回転させるとき虹の効果が観察される。
【００１２】
したがって、１実施形態では、ディスプレイ映像の波長範囲に対するディスプレイ装置は、映像ソースと、ディスプレイの波長範囲に対して透明な光学素子から形成されたリレーグループとを具備している。そのリレーグループは映像ソースに面したガラス光学楔と、ガラスレンズと、回折光学素子を含んだプラスチックレンズのグループとを備えている。プラスチックレンズのグループはガラスの光学楔と、ガラスレンズとの間に配置されている。
【００１３】
この光学リレーグループは前記米国特許第５，４９９，１３９号明細書に記載されているリレーグループよりも光学素子の数が少なく、本発明の光学リレーグループは単一のグループで配置される。本発明の光学リレーグループはそれ故サイズがコンパクトになる。いくつかのプラスチック光学素子を使用することによって光リレーグループの重量を減少させることができる。それ故、本発明の光学リレーグループは従来の相当する光学システムよりもコンパクトで重量を軽くすることができ、その結果、低い慣性モーメントとすることができて、パイロットの疲労を軽減することができる。プラスチックの非球面レンズはモールド或いはダイアモンドによる機械加工のいずれかにより比較的低いコストで製造されることができ、全体の光学リレーグループを低いコストにすることができる。
【００１４】
本発明のその他の特徴および利点は、本発明の原理を例示として示している添付図面を参照にした以下の詳細な実施形態の説明により明らかになるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態によって限定されるものではない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１および図２にはパイロット２４のヘルメット２２に取付けられたディスプレイ装置２０が示されている。ディスプレイ装置２０は一般的に映像ソース２６を含んでおり、この映像ソース２６は任意の動作可能な形式のものでよい。典型的な適当な小型の映像ソースは例えばアクチブマトリックス液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、陰極線管（ＣＲＴ）、または組織されたマトリックス発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ディスプレイ装置２０はさらに、ハウジング２９内に設置された光学リレーグループ２８と、反射結合装置３０とを有している。反射結合装置３０は、パイロット２４の眼２３の前方に位置するヘルメット２２のバイザ（マスク）３２の一部であることが望ましい。反射結合装置３０はパイロットが観察できるように外部情景からの光を通過させる。ディスプレイ波長範囲、すにわち典型的に可視領域である映像ソース２６からのディスプレイ映像３４はディスプレイ装置２０によって投影され、ディスプレイ映像３４は光線３６によって示されているように反射結合装置３０からパイロット２４の眼２３に反射される。ディスプレイ映像３４はパイロット２４の眼２３から約３０ｃｍ（１フィート）以上の位置の虚像であり、それ故容易に観察可能である。ディスプレイ映像３４は、文字数字情報、コンピュータで生成されたグラフィック情報、および、または赤外線センサのような観察装置によって生成された外部情景の可視映像のような、任意の有用な内容のものであってよく、そのためパイロット２４は可視光および赤外線スペクトルの両方からの可視情報を受信する。
【００１６】
図３は光学リレーグループ２８の構成の詳細を示している。リレーグループ２８はディスプレイの波長範囲に対して透明な光学素子で構成されている。可視領域に対しては光学素子は光学品質のガラス或いは光学品質のプラスチックで作られることができる。これらの光学素子は光軸３８に沿って整列して配置されている。
【００１７】
リレーグループ２８は光学素子２６に面している前面４２と、後面４４とを有する光学楔４０を含んでいる。前面４２と後面４４とは角度Ａを有して楔を形成している。この光学楔４０は反射結合装置３０によって導入される軸方向コマ収差を予め予備的に補正する。光学楔４０は任意動作可能な材料で形成されのが、Ｓｃｈｏｔｔガラス社によって製造されているＦＫ５ガラスのような低分散性材料で形成されることが好ましい。
【００１８】
透明材料の光分散特性は異なった波長の光に対する異なった光回折特性の尺度である。透明材料の光分散特性はその材料に対するアッベ数によって特徴付けられ、（ｎａｖｇ −１）／（ｎ１ −ｎ２ ）として計算される。この式で、ｎ１ は第１の波長における透明材料の回折の指数であり、ここでは０．４８６ マイクロメータに選択されており、ｎ２ は第２の波長における透明材料の回折の指数であり、ここでは０．６４７ マイクロメータに選択されており、ｎａｖｇ は０．５１５ マイクロメータである。本実施例に対しては、アッベ数が約４５以上である場合はその材料は“低分散”材料である。アッベ数が約４５より小さい場合はその材料は“高分散”材料である。
【００１９】
非球面レンズモジュール４６は光学楔４０の後面４４に面した前面４８と、後面５０とを有している。非球面レンズモジュール４６は両面が凸面の正の倍率の単一レンズ５２と両面が凸面と凹面の負の倍率の単一レンズ５４とを含み、それらは表面５６で接合されていることが好ましい。これらの単一レンズ５２および５４は図示のように光学接着剤で接着されてもよく、或いは間に空隙を有していてもよい。非球面レンズモジュール４６の後面５０は非点収差の予備補正のために非球面である。非球面表面５０は単一レンズ５２、５４のいずれに設けられてもよいが、色収差の生成を最小にするためには正の倍率の単一レンズ５２に設けられることが好ましい。正の倍率の単一レンズ５２は、好ましい軽量で良好な光学特性を有しているシクロ・オレフィンプラスチックのような低分散材料で作られることが好ましい。このようなシクロ・オレフィンプラスチックは日本ゼオン社から商標名“Ｚｅｏｎｅｘ”として入手可能である。負の倍率の単一レンズ５４は、色収差の補正のためにポリスチレンプラスチックまたはポリカーボネイトプラスチックのような高分散材料で作られることが好ましい。
【００２０】
非球面レンズモジュール４６は頂点６０を通る二重レンズ軸５８を有するものとして示されている。付加的な非点収差の予備補正は、光軸３８に対して角度Ｂで二重レンズ軸５８を傾斜させ、頂点６０を光軸３８から離れるように移動させることによって達成される。角度Ｂの大きさおよび中心の光軸３８から頂点６０がずらされる量は、使用される特定の反射結合装置３０に対して必要である非点収差の予備補正の量に応じて調節されることが可能である。図３ではそれらを分かり易くするために誇張して示されている。
【００２１】
図６および７に示されるように、リレーグループ２８は非球面レンズモジュール４６と次に説明するレンズとの間に瞳孔６２を有している。
【００２２】
リレーグループ２８はさらに、非球面レンズモジュール４６の後面に面する前面６６と後面６８とを有し、各面がそれぞれ凸面と凹面の非球面レンズ６４を含んでいる。この非球面レンズ６４は、軽量にするためにシクロ・オレフィンプラスチックのような光学品質のプラスチックで構成されることが好ましいが、ガラスで構成されてもよい。非球面レンズ６４は球面収差を予備補正するために非球面表面７０（この例では後面６８）を有している。球面収差の補正は出口瞳孔を大きくすることを可能にし、それはディスプレイ装置２０がパイロット２４に対して大きいアイボックスを有することを許容する。これはパイロット２４が軸から離れた観察視野を見るとき眼の回転に適応する。
【００２３】
凸面と凹面の回折光学素子レンズモジュール７２は、非球面レンズ６４の後面６８に面する前面７４と、後面７６とを有している。回折光学素子レンズモジュール７２は、レンズ本体７８とこのレンズ本体の前面７４上に好ましくは浮彫りにより形成された回折光学素子８０とを有するように構成されることが好ましい。回折光学素子のレンズ本体７８は軽量にするためにシクロ・オレフィンプラスチックのようなプラスチックで構成されることが好ましいが、ガラスで構成されてもよい。
【００２４】
図４は前面７４に形成された回折光学素子８０を概略的に示している。回折光学素子８０は、設計波長で理論的に１００％の回折効率を有するキノフォーム（すなわちフレネルゾーンプレート）であることが好ましい。このような高い回折効率を得るために、各ゾーンのピークと谷との間の光路差は１波長に等しくされる。各ゾーンの表面形状はレンズの表面形状と同じである。回折光学素子８０は１次色収差の予備補正をすることができるが、２次およびそれより高次の色補正に対して最も有効であり、システムに重量、寸法およびコストの付加的な増加を生じることはない。回折光学素子８０は半径方向の間隔Ｓを有する一連の同心円であり、その間隔Ｓは開口座標に関して変化している。Ｓの値は約１０マイクロメータより大きいことが好ましく、その最小値が約２５マイクロメータより大きいことがさらに好ましい。この比較的大きい間隔は製造を簡単にし、格子のシェーディング効果を最小にするので好ましい。回折光学素子８０の不所望な回折オーダーはこの大きい間隔によって減少される。
【００２５】
正の倍率のレンズモジュール８２は回折光学素子７２の後面７６に面した前面８４と、反射結合装置３０に面した後面８６とを有している。正の倍率のレンズモジュール８２は低分散のガラスで作られた両面が凸面の正の倍率の単一レンズ８８と、高分散のガラスで作られた両面が凹面の負の倍率の単一レンズ９０とによって構成されている。単一レンズ８８と９０は湾曲した表面９２に沿って光学接着剤によって接合されることが望ましい。正の倍率のレンズモジュール８２はプラスチックから構成されてもよいが、ガラスで構成されることが好ましい。ガラスの光学楔４０とガラスの正の倍率のレンズモジュール８２とはハウジング２９の両端に配置されている。それらはハウジング２９のそれらより内側に位置するリレーグループ２８の他のレンズをスクラッチ等による損傷から保護している。正の倍率のレンズモジュール８２は、図１および２の光線３６で示されているように、反射結合装置３０から反射された後にパイロット２４の眼２３にディスプレイ映像３４の焦点を結ぶような十分の光学倍率であるように選択されている。
【００２６】
図５は光学リレーグループ２８に対する現在好ましい規定値を示している。この好ましい構造では、角度Ａは７．３９４９８５度であり、角度Ｂは３．１３８８５５度である。頂点６０は光軸３８から０．０７７ ｍｍ（０．００３０４ インチ）ずらされている。
【００２７】
図６および７はそれぞれディスプレイ装置２０の光線路を示す平面図および側面図である。映像は映像ソース２６によって生成され、光学リレーグループ２８の光学素子を通り抜けて反射結合装置３０（この実施形態ではヘルメットノバイザ３２の一部である）で反射され、パイロット２４の眼２３に与えられる。本発明により良好な収差補正を行うことによってアイボックスは前記米国特許第５，４９９，１３９号明細書に記載されている中継レンズグループと比較して拡大される。
【００２８】
本発明の特定の実施形態が、例示の目的で説明されたが、種々の変形および強化が本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われることができる。したがって本発明は特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるディスプレイ装置を備えたヘルメットの平面図。
【図２】
図１のヘルメットとディスプレイ装置の側面図。
【図３】
ディスプレイ装置の概略的正面図。
【図４】
回折光学素子の概略図。
【図５】
本発明による光学リレーグループの１実施形態の１組の設計パラメータを与えるテーブルの説明図。
【図６】
ディスプレイ装置の光路の概略的平面図。
【図７】
ディスプレイ装置の光路の概略的側面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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2004536331.tif 000011
2004536331.tif 000012
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2004536331.tif 000014
2004536331.tif 000015
2004536331.tif 000016
2004536331.tif 000017
2004536331.tif 000018
2004536331.tif 000019
2004536331.tif 000020
2004536331.tif 000021
2004536331.tif 000022
2004536331.tif 000023
2004536331.tif 000024
2004536331.tif 000025
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004536331.tif 000026
【国際調査報告】
2004536331.tif 000027
2004536331.tif 000028