JP2564366B2 - 観察者の視線内に像を投影する方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般に、航空機やフライトミュレータ等に
使用するディスプレイシステムに係り、より詳細には、
発生した像をコレステリック液晶合成器に投影し、この
合成器が、その投影された像を、合成器を通る観察者の
視線内の像と共に観察者に向けて映し出すようにするこ
とにより、発生した像と観察者の視線内の像とを合成す
るシステムに係る。

従来の技術 外部環境と、制御器や指示器のような計器との両方に
はほゞ常時に注意を向けなければならない航空やその他
の乗物においては、両方を同時に観察することが所望さ
れる。外部環境と計器類との両方をこのように同時に観
察するために、ヘッドアップ式のディスプレイ（HUD）
が使用されている。このような典型的な公知のHUDシス
テム８が第１図に示されている。一般に、このHUDシス
テムは、陰極線管（CRT）や液晶ディスプレイ（LCD）や
その他同様のディスプレイのような計器像ソース10と、
像の合成器12と、像をコリメートするための光学系16と
を備えている。合成器は、通常、観察者の視線に対して
斜めに配置され、像ソースの投影像が観察者の視線へ反
射させるようになっている。観察者は、合成器を通して
外部環境を観察すると共に、無限遠点に収束される仮想
像として見える像投影された計器像を観察する。従っ
て、計器像は、実際には、観察者の害簿環境視野に重畳
される。

現在のところ、合成器は、半反射合成器及びホログラ
フ合成器の２つの分類の一方に入る。半反射合成器は、
一般に、平らな面又は選択的にカーブした面を有するガ
ラスのような光透過材料の本体で構成され、その一方の
面（通常は、観察者に向いた面）には、アルミニウムや
銀等の半反射性の薄膜コーティングが施されている。

或る方向から半反射性の合成器に入射する光はこの合
成器を透過し、そしてそれと反体の方向から合成器に入
射する光は、この合成器によって反射される。然し乍
ら、絶対的な透過も絶対的な反射も不可能である。即
ち、外部環境から合成器を通して像を容易に透過させる
ためには、合成器による投影像の反射率を或る程度犠牲
にしなければならず、又、これと反対のこともいえる。
このため、合成器としての半反射ミラーは、外部環境か
らの像の透過率が比較的が低く、且つ外部環境からの像
に対する投影像のコントラストも低い。更に、アルミニ
ウムのコーティングは酸化し、銀のコーティングは曇り
が生じる、等々により、特に短い波長においては合成器
の劣化と共にその透過率及び反射率が低下する傾向にあ
る。典型的な半反射ミラー式の合成器は、外部環境から
の光をせいぜい約75％透過する一方、投影像を構成する
光を観察者へ約25％反射する。

ホログラク合成器は、一般に、像のソースに加えて、
複雑さの異なる回折光学系を備えている。この回折光学
系は、合成器として働き、典型的に、回折格子が記録さ
れた二色性のゼラチン又は写真乳剤のような感光性有機
材料の層を備えている。この層は、構造支持体を形成す
る２枚のガラス層間にサンドイッチされ、物理的なダメ
ージら保護される。ブラッグ回折の原理に基づいて、回
折格子は、選択された帯域巾の光を回折及び反射し、そ
の選択された帯域巾以外の光を透過する。

作動に際し、ホログラフ合成器は、観察者の視線内に
配置される。観察者の視線内に含まれる外部環境からの
全ての像は、回折／反射波長におけるものを除いて、合
成器を通過する。回折／反射波長における像は、観察者
から離れるように反射される。回折格子の回折／反射波
長における投影像は、合成器に入射すると、観察者の視
線内で反射され、外部環境からの像に重畳して見えるよ
うになる。

ホログラフ合成器は、主として露出された記録媒体上
で機能し、即ち、感光層を用いて機能する。この媒体上
には、ドットの露出像のマトリクス又は線のグリッドが
記録されている。この記録された像（即ち、マトリクス
又はグリッド）に入射する光は、ホログラフ合成器によ
って反射される。この記録された像間においてホログラ
フ合成器に当たる光は、回折及び反射されずにこれを通
過する。これは、ホログラフ合成器の反射率が絶対反射
率よりも低いことを意味する。更に、感光層が完全に透
過性でないために、外部環境からの光がホログラフ合成
器によってフィルタされ、その透過率を低減する。実際
には、典型的なホログラフ合成器は、70％ないし80％の
効率で光を透過し、一方、投影像の反射も70％ないし80
％の効率で行なわれる。

特に、夜間や、天候不良のような視界条件の悪い運転
状態においては、合成器の透過率及び反射率が低いこと
は望ましくない。更に、フライトシミュレータ等の用途
においては、運転コストを最小にすると共に、シミュレ
ータの像投影装置の寿命を最大に延ばすために、訓練者
の視線内に発生される像の所要輝度を最低に保持するこ
とは困難である。

発明が解決しようとする課題 従って、現在、この業界では、外部環境からの像やシ
ミュレータの像等の透過率が高く、且つ計器類のような
投影像の反射率が高く、然も光学系の重量や複雑さやコ
ストを最低限に保持することのできる合成器が要望され
ている。

課題を解決するための手段 本発明は、コレステリック液晶の特性を利用して観察
者の視線内の像に投影像を重畳するHUD合成器を提供す
る。従って、本発明の合成器は、従来のものとは異な
り、観察者の視線内の像の透過率を高めると共に、それ
に投影される像の反射率を高めることができる。

本発明の好ましい実施例によれば、HUDシステムの合
成器は、２つの平らなコレステリック液晶素子で形成さ
れ、各液晶素子は、互いに逆の偏光面回転方向を有する
或る帯域巾内の光を反射する。CRT及びコリメート光学
系が配置されていて、例えば、計器の読みを表わす像
を、観察者の視線へ反射するように合成器に投影する。
合成器は、観察者の視線内に配置されていて、観察者の
視線へと反射されるCRTからの像が外部環境やシミュレ
ータ等からの像に重畳して見えるようにされる。

本発明によるHUDシステムのための合成器は、公知技
術に比して、外部環境からの像の透過率を高めると共
に、計器のような投影像の反射率を高める。更に、公知
技術に比して、部品の重畳、複雑さ及びコストが低減さ
れる。

実施例 以下、添付図面を参照し、本発明の好ましい実施例を
詳細に説明する。

第２図には、本発明によるコレステリック液晶合成器
20を用いたHUDシステム18の好ましい実施例が示されて
いる。図示されたように、HUDシステム18は、合成器20
と、像ソース22と、コリメート光学系24とを備えてい
る。

合成器20は、好ましい実施例では、第１及び第２のコ
レステリック素子26及び28を備えている。第１のコレス
テリック液晶素子26は、540mn（即ち、緑色の光）を中
心とする帯域巾Ｂ内の右回り円偏光（RHCP）光線を反射
するように同調され、そして第２のコレステリック液晶
素子28は、その同じ帯域巾Ｂ内の左回り円偏光（LHCP）
光線を反射するように同調される。第１及び第２のコレ
ステリック液晶素子26及び28は、１つの実施例では、個
別の素子であり、互いにほゞ平行に配置される。然し乍
ら、本発明の他の実施例では、第１及び第２のコレステ
リック素子26及び28がその意図された用途に基づいて１
つの素子として接合されるか又は互いに平行に配置され
る。

像ソース22は、陰極線管（CRT）であってもよいし、
液晶ディスプレイ（LCD）であってもよいし、或いは他
の形式のディスプレイであってもよい。一般に、像ソー
ス22は、例えば、航空機の高度、方位、燃料貯蔵レベ
ル、照準、等の計器の像を形成することができる。像ソ
ース22は、540nmを中心とする狭い透過帯域巾を有して
いて蛍光コーティング例えばP43又はP53が施された緑色
のCRTであるのが好ましい。像ソース22の輝度は、反射
の後に、Ｏで示された目で表わされた観察者が認知でき
るに充分なものでなければならないが、本発明によって
構成された合成器は反射率が高いので、像ソース22の輝
度を最小に保つことができる。

コリメート光学系24は、種々のレンズ等で構成され、
合成器20、像ソース22及び観察者Ｏの相対的な位置に基
づいて配置される。コリメーションの作用は、像ソース
22からの像を観察者Ｏの視線内において或る方向に収束
することである。航空機のHUDの用途においては、コリ
メート収束は40フィートないし無限大であるのが好まし
い。

HUDシステム18は、航空機のコックピット又は同様の
位置に配置され、合成器20が観察者の視線内で外部環境
と観察者Ｏとの間に存在するようにされる。コリメート
光学系24は、合成器20と像ソース22との間に配置され
る。像ソース22は、これによって発生された像が合成器
20に入射しそして合成器20によって観察者Ｏの視線平面
に反射される。

本発明の機能を良く理解できるようにするため、コレ
ステリック液晶素子を簡単に説明することが有用であろ
う。

本発明に用いられる形式のコレステリック液晶は、こ
れに入射する光に対して多数の独自の特性を示す。本発
明の特徴は、第3a図及び第3b図を参照して説明するこの
ような液晶の多数の特性にある。コレステリック液晶素
子（即ち、コレステリック素子）は、例えば、第3a図に
示すように540nm（即ち、緑色）である選択された主波
長を中心とする狭帯域Ｂ内の波長を除いて、全ての波長
の電磁放射３、特に可視光線を実質的に透過する。この
帯域巾Ｂ内において、いずれかの方向からコレステリッ
ク素子に入射する或る円偏光（LHCP又はRHCP）の光はコ
レステリック素子によって反射される。規定によれば、
右回り円偏光を反射するコレステリック素子は、右回り
円偏光（即ち、右旋光性）コレステリック素子であると
いえる。これに対し、左回り円偏光を反射するコレステ
リック液晶素子は、左回り円偏光（即ち、左旋光性）コ
レステリック素子であるといえる。これについては、19
71年「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス」
第42巻、第10号に掲載されたアダムス氏等の「光学フィ
ルタとしてのコレステリックフィルム（CHOLESTERICFIL
MS AS OPTICAL FILTERS）」を参照されたい。

更に、コレステリック素子によって反射された光は、
その元の偏光面回転方向を維持する（即ち、左回り右回
りの変化は生じない）。例えばコレステリック素子によ
って反射されるRHCP光は、RHCP光として反射される。こ
れは、反射が偏光面回転方向の変化によって行なわれる
（即ち、反射面に入射するRHCP光がLHCP光として反射さ
れる）他の面の一般的な場合と逆である。

コレステリック素子を通過する光の透過についても同
じことがいえる。コレステリック素子を通過する第１の
偏光面回転方向の光は、その第１の偏光面回転方向を維
持する。例えば、左旋光性コレステリック素子を通過す
るRHCP光は、その方向RHCPを維持する。

第3b図は、主波長の周りで非常に高い透過率及び反射
率を有するコレステリック素子を示している。コレステ
リック素子は、主波長を中心とする帯域巾Ｂ内の或る偏
光面回転方向の光を除く全ての光に対し90％の光透過性
を得ることができ、又、この光に対して90％の反射率を
得ることができる。これは、HUDの用途においては、コ
レステリック素子を通して伝達される外部環境の像と、
該素子から反射された高いコントラストの投影記号情報
との合成体を観察者が著しく見易いようにする。

本発明の好ましい実施例によるHUDシステム18の動作
を第２図について以下に説明する。観察者Ｏは、外部環
境から合成器20を通して像を受けるように位置される。
像ソース22から放射される同じ部分LHCP及びRHCPの緑色
光線は、コリメート光学系24によってコリメートされ、
そして第１のコレステリック素子26に入射するようにさ
れる。第１のコレステリック素子26に入射する光のRHCP
部分は、観察者Ｏの視線へ反射され、一方、該光のLHCP
部分は第１のコレステリック素子26によって減衰されず
に透過して第２のコレスチック素子28に入射するように
される。第２のコレステリック素子28に入射したLHCP光
は、該第２のコレステリック素子28により第１のコレス
テリック素子26を減衰せずに通過して観察者Ｏの視線へ
と反射される。

外部環境から観察者Ｏの視線に入った像で帯域巾Ｂ内
に含まれない全ての像は、第１及び第２のコレステリッ
ク素子26、28を経て観察者Ｏへと通過される。帯域巾Ｂ
内にあるLHCPの像は、第２のコレステリック素子28によ
り観察者Ｏから離れるように反射され、そしてRHCPの像
は、第１のコレステリック素子26により観察者Ｏから離
れるように反射される。

コレステリック素子は高い透過率を示すので、外部環
境の像を良く見ることができる。更に、コレステリック
素子は、いずれかの方向から入射する選択された帯域巾
内の光を反射するので、反射帯域巾内に含まれる外部環
境からの像は観察者Ｏから離れるように反射される。従
って、帯域巾Ｂ内の投影像は、外部環境からの像に対し
て高いコントラストを有する。その結果、像ソース22
は、公知技術で用いられているものよりも低い出力のも
のでよい。これにより、HUDシステム18のコスト及び複
雑さが低減される。

第４図には、本発明の別の実施例が示されている。こ
の実施例では、HUDシステム18′は、上記と同様の像ソ
ース32と、上記と同様のコリメート光学系34と、第１及
び第２のコレステリック素子36及び38より成る合成器2
0′とを備えている。第１及び第２のコレステリック素
子36、38の間には1/2波長フィルタ40が配置される。第
１及び第２のコレステリック素子36、38は、その方向が
RHCPであって540mn（緑色の光）を中心とする帯域巾Ｂ
を有するように構成される。第１及び第２のコレステリ
ック素子36、38及び1/2波長フィルタ40は、観察者Ｏの
視線及び像ソース32の入射経路内に配置される。

作動に際し、像ソース32から発生される等部分LHCP及
びRHCPの緑色の光は、コリメート光学系34によってコリ
メートされ、第１のコレステリック素子36に入射するよ
うにされる。第１のコレステリック素子36に入射するRC
HP光は観察者Ｏの視線へ反射され、一方、LHCP光は第１
のコレステリック素子36によって減衰されずに透過さ
れ、1/2波長フィルタ40に入射される。1/2波長フィルタ
40を通過する光は、その偏光面回転方向を反転するよう
にされる（即ち、LHCP光はRHCP光に反転される）。1/2
波長フィルタ40を通過する光は、第２のコレステリック
素子38に入射するようにされ、該素子は、新たなRHCP光
を観察者Ｏの視線へ反射する。第２のコレステリック素
子38によって反射された光は、観察者Ｏまで到達する中
間で、1/2波長フィルタ40をもう一度通過し、回転方向
の第２の反転を受け（即ち、RHCPからLHCPへ）、第１の
コレステリック素子36を経て減衰せずに観察者Ｏへと送
られる。

コレステリック素子の光学特性は、コレステリック液
晶材料の温度に直接基ずくものであるから、上記の実施
例（第４図）では、合成器の光学性能に対する温度変動
の影響を最小にするように２つの同じコレステリック素
子が使用された。入射角度（以下に述べる）に対する反
射波長の依存性のごとき特性も、同じコレステリック素
子を使用したときには良好に制御することができる。

第５図に示されたように、本発明の別の実施例による
HCDシステム18″は、単一のコレステリック素子48で形
成された合成器20″を有しており、これは、緑色のRHCP
光線を反射するように同調されそして観察者Ｏの視線内
に配置されている。HUDシステム18″は、更に、像ソー
ス42、コリメート光学系44及び円偏光フィタ46を備えて
いる。この実施例は、像ソース42に偏光フィルタを設け
て日光のような外部の光の反射を減少すべき場合に最も
一般的に使用される。

作動に際し、RHCPである像ソース42から放射された光
は、コリメート光学系44によってコリメートされ、円偏
光フィルタ46によってコレステリック素子48へ送られ
る。一方、LHCPである光は、円偏光フィルタ46によって
実質的に完全にフィルタ除去される。従って、像ソース
42によりコレステリック素子48に投影される像は、主と
してRHCPであり、よってコレステリック素子48により反
射され、外部環境からコレステリック素子48を経て送ら
れる像と合成される。

一般に、本発明に関連した当業者であれば、本発明の
精神及び範囲から逸脱せずに、その構造に種々の変更を
加えたり、広く異なった仕方で実施したり適用したりで
きることが明らかであろう。例えば、コレステリック合
成器の組成は、540nm以外の波長を中心とする最大反射
の帯域巾を有するようにされてもよい。同様に、主波長
を中心とする最大反射の帯域巾は、コレステリック液晶
の組成に基づいて変えることができる。

更に、本発明の各部品の物理的な配置を変えて特定の
結果を得ることもできる。例えば、第６図に示すよう
に、最大反射の波長が角度感知性である（即ち、入射角
度が増加するにつれて、最大反射の波長が短い波長に向
かってシフトされる）といったコレステリック素子の別
の特性に基づいて、直角入射光に対するコレステリック
液晶素子の最大反射の波長を増大し、非直角入射光に対
してより短い反射波長に向かうシフトを補償することが
できる。

第7a図及び第7b図に示されたコレステリック素子の別
の特性は、入射角αｉと反射角αｒとの分離がコレステ
リック層の螺旋軸の向き即ち傾斜に基づいたものである
ことである。螺旋軸がコレステリック液晶素子の表面に
対して直角から離れるように傾斜するにつれて、分離は
小さくなる。従って、観察者の視線における反射像の位
置は、素子の組成によって制御される（像ソースの位置
とは対照的である）。

以上、本発明の好ましい実施例を詳細に説明したが、
これは、本発明を解説するものであって、本発明の範囲
をこれに限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、合成器を有する公知のHUDシステムを示す
図、 第２図は、二重のコレステリック液晶素子を用いた本発
明の一実施例によるHUDシステムを示す図、 第3a図は、RHCPの緑色光線を反射するコレステリック液
晶素子の透過特性を示す図、 第3b図は、コレステリック液晶素子の透過及び偏光効率
を示すグラフ、 第４図は、二重のコレステリック液晶素子及び1/2波長
フィルタを用いた本発明の一実施例によるHUDシステム
を示す図、 第５図は、単一のコレステリック液晶素子及び円偏光フ
ィルタを用いた本発明の別の実施例によるHUDシステム
を示す図、 第６図は、最大反射波長の角度依存性を示すグラフ、そ
して 第7a図及び第7b図は、表面の傾斜、各々、傾斜しない場
合と傾斜した場合とを用いたことによるコレステリック
液晶素子からの反射角の変位を示す図である。 18……HUDシステム 20……コレステリック液晶合成器 22……像ソース 24……コリメート光学系 26、28……コレステリック素子 Ｏ……観察者

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】観察者の視野内に像を投影する装置であっ
   て、投影される上記像が第１の円偏光を有しており、上
   記装置が、 主波長範囲を有していて、上記像を投影する像ソース
   と、 上記主波長範囲内にあって第１の円偏光を有している像
   を反射し、そして上記主波長範囲内にあるが上記第１の
   円偏光とは逆回転の第２の円偏光を有する像と上記主波
   長範囲外の全ての波長の像とを透過し、上記観察者の視
   線内に位置する第１の液晶素子とを具備したことを特徴
   とする装置。
2. 【請求項２】上記投影される像をコリメートするための
   手段を更に備えた請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】上記観察者の視線内の上記第１の液晶素子
   の付近であって且つ上記第１の液晶素子の上記像ソース
   と反対の側に第２の液晶素子を具備しており、この第２
   の液晶素子は、主波長範囲内にあって上記第２の円偏光
   を有する像を反射し、上記主波長範囲内にあって上記第
   １の円偏光を有する像と上記主波長範囲外の波長の像と
   を透過し、そして上記主波長範囲内の上記投影される像
   をその像の円偏光を偏光面回転方向を反転することなく
   反射して、上記投影される像と上記視線内の像とを合成
   できるようにした請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】観察者の視線内に像を投影する方法であ
   り、 選択された波長範囲内にあって第１の円偏光を有してい
   る像を反射し、上記選択された波長範囲内にあって上記
   第１の円偏光とは逆回転の第２の円偏光を有する像を透
   過しそして上記選択された波長範囲外において上記第１
   又は第２の円偏光を有している像を透過するような液晶
   素子を観察者の視線上に位置設定し、そして 上記選択された波長範囲内の像を、上記液晶素子で観察
   者の方向へ反射して、観察者の視線内へ投影し、これに
   よって、この投影される像と上記液晶素子を透過する上
   記視線内の像とを合成する方法。