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JP2002542409A - ヘルメット用バイザー - Google Patents

ヘルメット用バイザー

Info

Publication number
JP2002542409A
JP2002542409A JP2000612790A JP2000612790A JP2002542409A JP 2002542409 A JP2002542409 A JP 2002542409A JP 2000612790 A JP2000612790 A JP 2000612790A JP 2000612790 A JP2000612790 A JP 2000612790A JP 2002542409 A JP2002542409 A JP 2002542409A
Authority
JP
Japan
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visor
helmet
spherical
correction means
aspheric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000612790A
Other languages
English (en)
Inventor
ローラン ポタン，
Original Assignee
タレス アヴィオニックス エス．アー．
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by タレス アヴィオニックス エス．アー． filed Critical タレス アヴィオニックス エス．アー．
Publication of JP2002542409A publication Critical patent/JP2002542409A/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A42—HEADWEAR
    • A42B—HATS; HEAD COVERINGS
    • A42B3/00—Helmets; Helmet covers ; Other protective head coverings
    • A42B3/04—Parts, details or accessories of helmets
    • A42B3/18—Face protection devices
    • A42B3/22—Visors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D10/00—Flight suits
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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Abstract

(57)【要約】 ヘルメットに装着するバイザーは概ね球面状であり、一定の厚さを有し、ヘルメットの側面の額の高さの位置に、前記球面の中心を通る軸の周りに回転自在に取り付けられる。この構成のために、バイザーは、ヘルメットを装着した者にとっては軸からずれて見え、バイザーの表側と裏側での屈折のために、装着した者から見ると光学的な歪みを生じている。本発明によれば、ヘルメットを装着した者が感知する光学的な歪みを最小限に抑えるために、バイザーの形状が変更されている。本発明が提案する第１の変更は、一方の表面を他の表面に対して鉛直面上でピボットさせ、バイザーの外表面の半径を内表面の半径に比較して、球または同心的なバイザーよりも若干低減することである。第２の変更は、特定の形状を有する非球面の採用である。第３の変更は、バイザーの一方の面にホログラフ回折マスクを使用することである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、保護のため、およびヘルメットを装着した者の眼前に、外界の映像
と重ね合わせて合成された映像を投影することができるシステムを具備したバイ
ザーに関するものである。
【０００２】 この種のヘルメットは幾つかの制約、特に、航空機やヘリコプターのコックピ
ットのような狭い空間内で使用する際に不便であってはならず、運動時に装着者
の首の疲労を抑制するためには重量が軽くなくてはならないという制約がある。
この制約のために、映像投影システムのエレメントを可能な限り軽量化して、装
着者の頭部の重心近傍に位置させることになる。
【０００３】 ヘルメット用の映像投影システムのエレメントは、ヘルメット装着者の視野を
塞ぐことが無く、また呼吸のための装置（酸素マスク）のために取っておくべき
ヘルメット装着者の視野の下辺を侵食しないように、ヘルメット装着者の眼前に
合成された映像を重ね合わせて投影する光学的な重ね合わせ装置を除いて、ヘル
メットの上縁部近傍に位置することになる。映像投影システムによって合成され
た映像は、前面に位置する光学システムによって、ヘルメット装着者の眼前の重
ね合わせ装置に投影される。
【０００４】 さらに、ヘルメットには通常着脱可能な保護用バイザーが１つまたは複数設け
られており、それらは例えば、風や埃よけのような機械的な保護のためのバイザ
ー、太陽やレーザー光に対する光学的な保護のためのバイザー等である。この種
の保護用可動バイザーは、完全に着脱可能か、さもなければ前面部に位置する映
像投影システムのエレメントの上部に隠すことができる。使用位置に配置したり
隠したりする動きを円滑に行うことができるように、バイザーの形状は概ね球面
状で、ヘルメットの前部に位置して球面の中心を通る回転軸の周りにヘルメット
の表面に沿って回転できるのが一般的である。さらに、製造の容易さの観点から
、一定の厚さを有する透明なプラスティック板の加熱成形によって製造されるバ
イザーの多くは、２つの表面の間に一定の厚さを有する同心状の２つの球面、同
心球面状の内表面と外表面、からなる形状である。
【０００５】 ヘルメット装着者の目の位置は、バイザーの内表面と外表面の中心に対して２
０°以上平行に変位している。この変位のために、バイザーの表面を通ってヘル
メット装着者の目に到達する光線は、面の垂線方向から外れており、バイザーを
通過する際に屈折して映像は変位して、同時に歪みを生じる。
【０００６】 したがって、ヘルメット装着者にとっては、バイザーを装着した時は、映像が
上方にずれると共に変形した映像が見える。
【０００７】 中心からのずれ角は見る方向によって異なるために、バイザーによってもたら
されるずれは、見る方向によって異なる。このずれ角は、正面を見た時は０．４
°であるが、横方向や下を見た場合にはこの偏差は急激に大きくなる。このずれ
のために、ヘルメットを装着した者が見る外の景色と、投影される合成映像との
間には不一致を生じることになる。
【０００８】 今までのところ、変位はヘルメットのバイザーを使用した識別システムの精度
に顕著な影響を与えておらず、ヘルメット装着者はほとんどの場合、目ではなく
頭を動かすことによって狭い視野を補って満足していたので、バイザーに起因す
る映像のずれとひずみは無視されていた。
【０００９】 しかし、ヘルメットのバイザーによる識別システムの精度が向上するにつれて
バイザーの誤差による映像のずれの影響は無視することができなくなってきた。
【００１０】 保護用バイザーや透明なバイザーによって映像の軸方向にもたらされるずれを
考慮することは容易である。実際は、この種のバイザーは、一般に、すべての職
務遂行を通じて下ろされているので、投影される映像に生じる同じ方向のずれを
一旦考慮すればそれで充分である。
【００１１】 目の保護のための追加的なバイザーは、１つの職務遂行の途中で遭遇すること
になる光線とレーザに応じてヘルメットを装着する者が使い分けることになるの
で、この種のバイザーによって生じる視線方向のずれは一層厄介である。投影さ
れる合成映像を同じ方向にずらすことによってこのずれに対処するには、常にバ
イザーの位置を認識することが必要になる。この種の位置認識はヘルメットにバ
イザーの位置検出のためのセンサーを設けることで可能ではあるが、ヘルメット
の軽量化の要請とは逆行することになる。
【００１２】 さらに、バイザーが存在することによる景色のずれを、投影されるアナログ合
成映像をずらすことによって相殺するには、中心からのずれ角とずれの大きさは
ヘルメット装着者から見た方向に依存するので、ずれ角とずれの大きさをこの角
度の関数として扱う必要がある。ヘルメット装着者の視線の方向を検出してヘル
メット装着者の見る方向によって合成映像をずらすことも考えられるが、このよ
うに動的に合成映像を修正することは、ヘルメット装着者は視線の動きと共に振
動する合成映像を見ることになるので受け入れがたいであろう。
【００１３】 ずれの修正のみでは、暗視鏡や赤外線鏡の場合に特に具合の悪い、合成映像と
バイザーを介して見た映像の不正確な重ね合わせの原因となる映像の歪みを解消
することができない。重ねあわせを改善するには、合成映像を処理してアナログ
的な歪みを与えることが考えられるが、そのために必要になる光学的または数値
的な装置は、ヘルメットに装着するには重過ぎる。
【００１４】 本発明は、保護用バイザーの光学的な特性を改善することによって上述の問題
を解決するものである。
【００１５】 本発明は、外表面と内表面２つの面を有する透明シェルを有するヘルメット用
保護バイザーであって、ヘルメット装着者が感知する角度のずれを修正するよう
な光学手段を具備する概ね球面状のバイザーを対象とする。
【００１６】 好ましくは、前記光学的な修正手段は、バイザーのシェルの２つの表面の軸を
互いにずらすことによって、当該シェルの厚さを変化させて、バイザーを通して
所定の方向を見る時にヘルメット装着者が感じる角度のずれを修正するプリズム
効果を持たせるものである。
【００１７】 好ましくは、前記光学的な修正手段は、鉛直断面に関して偏心した、バイザー
の外表面と内表面とを有する。
【００１８】 好ましくは、前記光学的な修正手段は、バイザーの外表面の中心をバイザーの
内表面の中心に対して２分の１度程度、上に位置させることである。
【００１９】 好ましくは、光学的修正手段は、バイザーの外表面の局率半径のバイザーの内
表面の局率半径に対する比を、２つの同心球面からなる厚さが一定なバイザーの
比率よりも小さくすることが内容である。
【００２０】 好ましくは、光学的修正手段においては、バイザーの外表面の局率半径のバイ
ザーの内表面の局率半径に対する比の、２つの同心球面から構成される一定圧の
バイザーにおける局率半径比に対する相違は、１／１００のオーダーである。
【００２１】 好ましくは、前記光学的修正手段は、バイザーの一方の表面を球面で他方の表
面を非球面とし、当該非球面は、球面を近似する複数のファセットから構成され
た多面体から出発した近似計算によって論理的に歪みを最小化する球面であり、
各ファセットはヘルメット装着者の目に到達する光線の角度のずれを最小限にす
るように方向を再設定されており、多面体の各表面の他の各表面に対する相対的
な厚さは、バイザーの中央部から周辺部に掛けて凹凸を最小限にするよう計算に
よって平滑化が行われている。
【００２２】 好ましくは、前記非球面は、理論上歪みを最小にする、計算によって得られた
トーラス状である。
【００２３】 好ましくは、前記光学的修正手段は、２つの初期球面から得られた２つの非球
面を有し、第１の非球面は初期の球面に本質的な歪みを理論上最小化する第１の
形状を形成する第１の段階によって得られ、第１の理論的な形状はそれぞれのフ
ァセットがヘルメット装着者の目に到達する光線に加えられる角度のずれを修正
するように方向が決定された複数の面からなる多面体によって球面を近似し、方
向を決定されたファセットの他のファセットに対する相対的な厚さはバイザーの
中央部から周辺部に掛けての凹凸を最小限にするように計算によって平滑化され
ており、第２の非球面は第１の段階で球面−非球面形状によって本質的に生じる
歪みを理論上最小にする第２の形状を求める第２の段階によって得られ、当該理
論的な第２の形状は、それぞれのファセットがヘルメット装着者の目に到達する
光線に加えられる角度のずれを修正するように方向が決定された複数の面からな
る多面体によって球面を近似し、方向を決定されたファセットの他のファセット
に対する相対的な厚さはバイザーの中央部から周辺部に掛けて凹凸を最小限にす
るように計算によって平滑化されたものである。
【００２４】 好ましくは、前記非球面は計算によって得られた歪みを最小にする理論的な形
状はトーラス状である。
【００２５】 好ましくは、前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを通して
任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバイザー
の２つの表面が相対的に偏心しており、バイザーの外表面の局率半径のバイザー
の内表面の局率半径に対する比は、２つの同心球面からなる一定厚さのバイザー
の場合よりも小さい。
【００２６】 好ましくは、前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを通して
任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバイザー
の２つの表面が同心でなく、一方の表面は球面状で他方の表面は非球面であって
、他方の表面は当該球面に対して任意の方向のバイザーの領域について残る角度
のずれを低減する。
【００２７】 好ましくは、前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを通して
任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバイザー
の２つの表面が同心でなく、球面とトーラス状の非球面とを有し、当該トーラス
状の非球面は球面に対して、任意の方向のバイザーの領域について残る角度のず
れを低減する。
【００２８】 好ましくは、前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを通して
任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバイザー
の２つの表面は相対的に偏心しており、一方が他方に対して任意の方向のバイザ
ーの領域について残る角度のずれを低減する２つの非球面を有する。
【００２９】 好ましくは、前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを通して
任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバイザー
の２つの表面が同心でなく、一方が他方に対して任意の方向のバイザーの領域に
ついて残る角度のずれを低減するようトーラス状の２つの非球面を有する。
【００３０】 好ましくは、前記光学的修正手段は、バイザーの一方の表面に設けられたホロ
グラフ回折面を有し、バイザーを通る前と後でヘルメット装着者の目に入る光線
の方向をバイザーのすべての点において調整する。
【００３１】 好ましくは、ホログラフ回折面は、バイザーの内表面に貼付されている。
【００３２】 好ましくは、ホログラフ回折面は緑色である。
【００３３】 本発明の上記以外の特徴と利点は、以下に例示する多くの実施例の説明を通じ
て明らかになるはずである。
【００３４】 図１は、ヘルメット装着者の顔１の目の位置と、従来方法によって回転可能に
支持された保護バイザー２を下げた位置との関係を示すものである。機械的な保
護または光学的な保護のためのバイザー２は、所定の透明性を有し、球面状で一
定の厚さを有し、ヘルメットの前部において、その球体の中心を通る回転軸の周
りに回転可能に支持されている。
【００３５】 従来から使用されているこの球面形状と位置は、ヘルメット装着者の少なくと
も片方の目の前に位置する合成装置に合成映像を供給する投影システムのような
光学エレメントを配置するためにヘルメットの前部空間を確保する必要と、バイ
ザーを下ろした状態だけでなくバイザーを上げた状態または上げる途中の状態で
もバイザーが邪魔にならないようにする必要とに対する１つの解答である。ヘル
メットの前部に映像投影のための光学システムが設けられていることと関係して
、直接の映像の邪魔にならないために、映像投影システムに起因する不要な映像
を視野の外に位置させなければならない必要から保護バイザーに関しては上述の
ような形状と位置が好まれたのである。
【００３６】 さらに、容易に製造することができるように（一定の厚さを有する透明なプラ
スチック材料のシェルから単純な加熱成型によって製造する可能性のために）、
バイザー１の厚さは一定であり、内表面Ｓ１と外表面Ｓ２は同心球面状である。
この形状は同心２球面と称する。
【００３７】 図１には、厚さが一定で同心２球面形状である保護バイザー２が従来の位置に
ある状態、つまり、ヘルメット装着者１の顔と顔の前のバイザーを、ヘルメット
装着者の額の高さに共通の中心Ｃが来る２つの同心円弧Ｓ１とＳ２によって前記
内表面と外表面を表す鉛直断面であらわしたものである。バイザーを通ってヘル
メット装着者の目３に到達する光線Ｒは２度屈折しており、バイザー２に入射す
る際のバイザーの外表面Ｓ２における最初の屈折と、バイザー２から出てくる際
のバイザーの内表面Ｓ１における２度目の屈折であり、バイザー２の外表面と内
表面での入射角は垂直ではなく、ヘルメット装着者の目の方向ではなく額の方向
に屈折する。この２度の屈折のために、光線Ｒは折れ線Ｒ１、Ｒ２とＲ３を通り
、まっすぐな方向に対して角度δだけずれている。
【００３８】 図２は、図１に図示した従来形状の同心２球面バイザーを通して物を見るヘル
メット装着者の目に到達する光線が２度屈折する現象を詳細に示したものである
。
【００３９】 ヘルメット装着者の目０は同心２球面バイザーに対して軸とは外れた位置にあ
る。バイザーの内表面Ｓ１と外表面Ｓ２を通過する光線Ｒは、折れ線Ｒ１、Ｒ２
、Ｒ３で表される経路を通る。光線は、バイザーの外表面Ｓ２に入射角ｉ’で入
射し、最初の屈折が生じる。光線は、バイザーの媒質中を入射角ｒ’で進み、バ
イザーの内表面Ｓ１に到達する。バイザーが同心２球面形状を有するために、内
表面Ｓ１に到達した時は光線は別の入射角ｒを有しており、ヘルメット装着者の
目０の方向に出射角ｉで出射する。
【００４０】 屈折はその度に下記のデカルトの法則に従う： sin ｉ’= n sin ｒ’ sin ｉ = n sin ｒ
【００４１】 同心２球面バイザーを軸とずれた方向から見ているために、バイザーの内表面
Ｓ１と外表面Ｓ２にＡ点とＢ点で入射する光線は、バイザーの球面の同一半径方
向には位置していない。その結果以下の２つの結論が導かれる：
【００４２】 −Ａ点における入射角および出射角ｒ、ｉと、Ｂ点に置ける入射と出射角ｒ’
、ｉ’は真正面方向に対して平行でない。
【００４３】 −バイザーのシェルの垂線に対して光線の入射角ｒ、ｒ’がなす角は同一では
ない。その結果、バイザーに入射する際とバイザーから出て行く際の角度ｉ’と
ｉは同一ではなく、前述のように真正面方向でないことと関連している。これら
２つの現象によるバイザーが存在する場合の光線の方向変化は、当業者であれば
光学幾何的な計算によって求めることができるものである。
【００４４】 厚さが２ｍｍで半径が１０ｃｍ程度の、屈折率１．５である透明ポリカーボネ
ートの同心２球面バイザーを、球の中心から２５°外れた位置でヘルメット装着
者が見た場合の角度のずれは、下方向に４ミリラジアン程度である。
【００４５】 より一般的には、角度のずれは考察している光線を含む面内でバイザーの内表
面Ｓ１と外表面Ｓ２の垂直線に対して生じ、光線の中心方向からのずれ角に依存
する。ヘルメット装着者の視野方向について考えれば、中心方向からのずれ角は
バイザー上での視線の方向に依存し、従って、バイザーに対するヘルメット装着
者の目の方向に依存する。
【００４６】 図３は、上述の同心２球面バイザーの場合に見られる角度のずれを、ヘルメッ
ト装着者の視線の方向の関数として、上下方向の角度を縦軸に水平方向の角度を
横軸にミリラジアン単位で示したものである。
【００４７】 角度のずれは場所によって変化が激しく、ヘルメット装着者の視線が側方や下
方に向くに従って大きくなることが分かる。視線方向によって角度のずれが変化
するために、ヘルメット装着者にとっては景色の視野が狭くなり、バイザーの軸
方向の視覚に視線を集中させる傾向を生じる。従って、視野の大きさが足りない
弱点を補うために、頭を動かすことになる。
【００４８】 バイザーを装着したとき、ヘルメット装着者は見せられた景色を見ている印象
をもつ。同じヘルメットで合成映像を投影する光学システムを使用する視覚化装
置がない状態では特に大きな問題とはならない。反対に、上記のような光学シス
テムを装着した時は、バイザーには合成されて投影された映像に外の景色が重ね
合わせられて見えることになる。結果的に、投影された合成映像を標準とすると
、ヘルメット装着者がバイザーを通して見たか否かによって景色の位置が異なる
ことになる。図４ａと４ｂはこの現象を示すものである。図４ａは、円５で表さ
れたバイザーがない状態の景色中に当該システムが映し出した合成映像の照準４
を示すものである。図４ｂは、ヘルメット装着者がバイザーを装着した時にヘル
メット装着者にとって図３ａに示した状態がどのようにずれてみえるかを示すも
のである。合成映像とその中の照準４は動いたわけではない。反対に、円で示し
た景色は高い位置に移動している。ヘルメット装着者は、照準を対称物に合わせ
ると、バイザーを使用することによる前述の角度誤差に影響される。識別システ
ムはますます精密になっており、もはやバイザーの存在に起因する誤差を無視す
ることはできない。
【００４９】 上記の誤差を低減するために、バイザーの光学特性を改善することを提案する
。第１の対策は、バイザーの内表面Ｓ１に対して外表面Ｓ２を、視野の中央を通
る水平軸に対して傾斜させて合成映像である照準が表示されるヘルメット装着者
の視野の中央にプリズム効果を有する補償手段を導入することである。この傾斜
は、バイザーの外表面Ｓ２を前記の水平軸に対して下向きに適切な角度だけ傾斜
させ、その下向きに傾斜させる角度αはこの場合がそうであるように当該角度α
が小さいときには角度αのプリズムを形成し、以下に示す角度変化を生じさせる
： ｄ≒（ｎ−１）α
【００５０】 前述の値を採用して、屈折率を１．５、修正すべき角度を０．４ミリラジアン
とすると、バイザーの外表面Ｓ２を内表面Ｓ１に対して０．４度程度回転させる
ことが必要である。
【００５１】 図５は、バイザーの形状に与えるこの影響を示すものである。外表面Ｓ２の中
心Ｃ２は、内表面Ｓ１の中心Ｃ１からわずかに上方にずれている。バイザーの厚
さは一定ではなく、厚さは下から上に行くに従って大きくなっている。平均厚さ
が２ｍｍであるバイザーの場合、厚さは底部から上部に掛けて１から３ｍｍに変
化する。
【００５２】 図６は、ヘルメットの軸方向の角度のずれを修正するために外表面Ｓ２と内表
面Ｓ１との間に角度のずれをつけたバイザーによって得られた角度のずれを示す
ものである（バイザーの水平軸に対してヘルメット装着者の仰角が０、水平角が
０とする）。角度のずれの修正はおこなわれているが、仰角０で水平角０の点を
中心とした領域以外では充分ではないことがわかる。
【００５３】 所定の方向の角度のずれを修正するためにバイザーの２つの表面に設けたプリ
ズム角は最大でも非常に小さく（０．４°）、白色光の基本成分の拡散効果は目
で認識できるよりも非常に小さく、景色の色分解に気づくことはない。
【００５４】 材料自体が着色を有する太陽光に対する保護バイザーの場合には、上部の方が
下部よりも分厚くなっているために上部の方が下部よりも光のフィルター効果が
強い。このグラデーションは、バイザーの上部に見える景色は、明るい空の領域
であることを考えると一層好ましいものである。
【００５５】 表面中心をずらすことによって合成映像と景色の重ねあわせに関する問題は、
バイザーに対する仰角０で水平角０の部分に関しては解消されている。しかし、
このバイザーはヘルメット装着者の視野内においては以前のバイザーと同等の歪
みを有している。実際、図６に示した表には、バイザーの下方向に関しては角度
歪みが低減しているが、側方と上方に関しては角度歪みが拡大していることが示
されている。
【００５６】 バイザーの光学歪みを解消するために、バイザーの表面の形状を１つあるいは
２つ提案する。
【００５７】 まず、バイザーの内表面についてはそのままとして、内表面は別途考慮するこ
とにする。内表面は、ヘルメットに搭載された合成映像投影のための光学システ
ムと組み合わせて使用し（半透明ミラー）、そのための構造を有することもでき
る。
【００５８】 図６に示した表に示したローカルな角度のずれを修正するために、バイザーの
外表面の理論的な形状を求めることにする。１つの方法は、ヘルメット装着者の
２つの目を顔の前面中央に位置する１つの目で近似して２つの目による視界を１
つの目による視界で近似し、バイザーの外表面を、それぞれが目では見えないほ
ど小さい複数の平坦なファセットからなる多面体表面で近似することである。次
に、幾何的計算に基づき、バイザーの外表面を構成するそれぞれのファセットを
通って１つの目に到達する光線の軌跡を計算し、この光線が経験する角度のずれ
を求める。これに基づいて、それぞれの光線に対して与えるべきプリズム修正、
つまりバイザーの外表面を構成する個々のファセット面に与えるべき方向修正の
大きさを求める。方向を修正した後で、バイザーの中心から始めて、結果として
得られる形状の凹凸を最小にしてそれぞれが整合するように厚さを再調整する。
この再調整が可能であるのは、角度編差がバイザーに対する光線の角度の単調関
数として変化することによるものである。このようにして、方向調整と再調節を
行ったファセットからバイザーの外表面の新しい形状を得ることができる。バイ
ザーの歪みを理論的に最小にする非球面形状を得るために、数学的な平滑化を行
ってこの新しい形状を規定する連続関数を得る。
【００５９】 このようにして得られたバイザーの外表面の非球面形状は製造困難である。そ
のために、ある程度の精度を有する近似手段を使用することが必要になる。
【００６０】 まず球面によって近似を行うことを試みることができる。外表面の形状は従っ
て球面であり、外表面の内表面に対する方向は理論的な非球面に近い局率半径を
有する（２つの形状の間の２乗誤差の合計を最小にする）。
【００６１】 図７はこの方法で得られたバイザーの水平断面図である。バイザーの外表面Ｓ
２と内表面Ｓ１とが球面であるが、２つの球面の局率半径は、バイザーの厚さが
一定になるような関係ではなく、バイザーがわずかに収束するレンズの形状にな
るような関係、つまり、中央部が周辺部よりも厚い形状、である。前述のように
、バイザーの中央部の厚さを２ｍｍとすれば、周辺部と下部の厚さは１ｍｍで、
頂部の厚さは３ｍｍである。外表面の局率半径の内表面の局率半径に対する比は
、この例の場合には、一定の厚さを有する２球面バイザーの場合に比較して１／
１００程度小さい。
【００６２】 図８は、ヘルメットの軸線方向（バイザーの水平軸に対してヘルメット装着者
の仰角が０、水平角が０とする）に関する角度のずれの修正を行うために外表面
Ｓ２と内表面Ｓ１を相対的に縦に回転させて、かつ、歪みが理論的に最小になる
非球面形状に近づくように外表面の半径を小さくしたバイザーに関して得られた
角度のずれを示す表である。角度のずれを有しない領域が２倍以上に広がり、こ
の領域の周辺部においても角度のずれは大幅に減少していることが分かる。これ
は、２つの球面を有するバイザーの２つの面の相対的な角度を鉛直平面内で動か
し、さらにそのバイザーの球面の曲率半径を変化させ、光学歪みを低減できるこ
とを示すものである。
【００６３】 バイザーの外表面に関して計算によって得られた理論的な形状の近似値は、最
初に使用した球面形状の代わりに非球面形状を採用することで一層改善すること
ができる。結果的に、球面は、デカルト座標系において以下の数式で表すことが
できる： ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝Ｒ２ あるいは、 ｚ＝sphere（ｘ、ｙ） Ｒは球の半径である。その位置を除外すれば、これが球状キャロットの形状に影
響を与える唯一のパラメータである。
【００６４】 球面から出発して、球を表す式に下記のように高次の項を加えて非球面とする
ことによって調整の可能性を改善することができる： ｚ＝sphere（ｘ、ｙ）＋ａｈ２＋ｂｈ４＋ｃｈ６・・・・ ａ、ｂ、ｃは規制係数であり、 ｈ２＝ｘ２＋ｙ２ を満足する。
【００６５】 新たなパラメータａ、ｂ、ｃによって、バイザーの外表面を、計算によって得
られた理論形状にさらに正確に近づけることができる。
【００６６】 より一般的には、球面に関する式ではなくトーラスに関する以下の式を用いる
ことで、計算によって得られたバイザーの外表面の理論形状を近似することがで
きる。 ｚ＝tore（Ｒ，ｐ，ｘ，ｙ）＋ａｈ２＋ｂｈ４＋ｃｈ６・・・ ここで、ａ、ｂ、ｃは、前出のものとは別の規制係数であり、ｈは前と同様に、 ｈ２＝ｘ２＋ｙ２ の関係を満足する。
【００６７】 角度のずれと歪みを低減するための上述の技術によって、バイザーの２つの表
面を鉛直面内において相対的に回転させ、バイザーの表面の内の１つを、残った
角度のずれを最小にするように計算によって求められた理論的な形状に近づける
ことは、既述のようにバイザーの表面が当初は同心２球面の場合であっても、バ
イザーの表面が当初は球−トーラス状、非球面−トーラス状、あるいは「キャル
ー・ドゥ・ベジエ(carreaux de Bezier)」や他の形状であっても、すべての形式
のバイザーに適用することができる。
【００６８】 この技術は、何度も繰り返して最初の光学歪みを次第に修正していくように、
同じバイザーに対して繰り返して適用することができる。又、合成映像投影シス
テムが設けられていないか、合成映像投影システムが映像を投影するためにバイ
ザーの内表面を利用しないか、あるいはさらに当該バイザーが２つ目のバイザー
であるか、いずれかの理由で、ヘルメットの２球面バイザーの内表面に合成映像
を投影する投影システムが搭載されていない場合には、ヘルメットの軸方向の角
度ずれを修正するためにバイザーの２つの表面の内の１つの鉛直面内において角
度を他に対して変化させた後、球面状の外表面を歪みを最小にするよう計算によ
って求められた理論上の形状に近い非球面によって置き換え、さらに、その結果
得られたバイザーから出発して、残存する歪みを最小にするバイザーの内表面形
状を求め、バイザーの球面状内表面を前記第２の理論的な形状に近い非球面形状
で置き換えて、最終的には、鉛直平面において若干軸のずれた２非球面バイザー
を得ることができる。
【００６９】 プリズム効果による修正は、バイザーによる角度のずれと歪みに対する唯一の
解決方法ではない。バイザーの内表面と外表面の一方または両方に、ホログラフ
回折マスクを適用することも可能である。前述のように、ヘルメット装着者の眼
前に合成映像を投影するために内表面が使用されているなら、当該内表面の光学
的な特性を変化させないように、ホログラフ回折マスクをバイザーの外表面だけ
に設けることもできる。
【００７０】 ホログラフ回折マスクはバイザーの所望の表面に従来方法によって設けること
ができる。このために、ヘルメット装着者の目の代わりに１つは実部で他方は虚
部である２つのコヒーレントなポイントソースを使用し（ヘルメット装着者の２
つの目の中心に位置する仮想的な１つの目）、バイザーの所望の側の表面に感光
性ゼラチンでホログラムを記録する。このホログラムは、ヘルメット装着者の目
に到達する光線にバイザーが与えた歪み、つまりポイントソースの補完的実部と
虚部を有する符号が反対の複素値、を記録するものである。
【００７１】 しかし、ホログラフは色に対して感度を有するので、すべての可視光線のスペ
クトルを対象としてホログラフを利用することは困難である。この技術は、景色
の色を変化させてもよい場合に利用可能である。例えば、ホログラフ回折マスク
は、目の感度が最も優れている緑色を対象として設けるのが良い。ホログラフ回
折マスクは、赤色のバイザー上にシンボルを投影する場合に使用することができ
る。この場合、バイザーの内表面を、合成映像または景色の投影システムが赤色
を投影するために使用する。ヘルメット装着者は、赤色の景色を見ることになる
。実際は、シンボルの投影のためには、目で見て赤色と感じられる領域の内の極
めて限定されたスペクトル部分を使用してシンボルを投影することができる。こ
の場合、この赤色の景色の部分はバイザーを透過せず、赤色は全体としてそこに
残る。ヘルメット装着者は景色の緑と青色を感知する。青色はホログラフ回折マ
スクでは処理されないが、目は緑色に対してよりも青に対するほうが遥かに鈍感
なので、青色が邪魔になることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 見るものの軸からずれた位置にある目に対して、従来の２球面一
定厚の保護バイザーによって生じる角度のずれを示す断面図である。
【図２】 視線に角度的なずれを生じる屈折現象を詳細に示す概念図である
。
【図３】 従来の２球面一定厚のバイザーによって生じる視線の角度のずれ
の測定値を、ヘルメット装着者の視線方向の関数として示した表である。
【図４】 図４ａと４ｂは、映像投影システムを有するヘルメット装着者の
目の前に従来の保護バイザーを使用した場合の効果を、合成映像を十字線によっ
て外部の景色を照準円によって図示するものである。
【図５】 軸方向の視野のずれを排除するために偏心した表面を有する２球
面形状を有するバイザーの鉛直断面図である。
【図６】 図５に示した形状を有するバイザーを使用した場合の、視線の角
度のずれの測定値をヘルメット装着者の視線方向の関数として示した表である。
【図７】 バイザーによって生じる光学歪みを低減するために表面の局率半
径比を変更した、本発明に基づく形状を有する２球面バイザーの鉛直断面図であ
る。
【図８】 図５と７に示した形状を有するバイザーを使用した場合の、視線
の角度のずれの測定値を、ヘルメット装着者の視線方向の関数として示した表で
ある。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外表面Ｓ２と内表面Ｓ１からなる２つの面を有する概ね球面
    状の透明シェル（２）を有するヘルメット用保護バイザーであって、ヘルメット
    装着者が感知する角度のずれを修正する光学手段を具備するバイザー。
  2. 【請求項２】 前記光学的修正手段は、バイザーの透明シェルの２つの表面
    Ｓ１、Ｓ２の軸を相対的にずらし、透明シェルの厚さを変化させてヘルメット装
    着者が感知する角度のずれを修正するプリズム効果を生じさせることを特徴とす
    る請求項１に記載のバイザー。
  3. 【請求項３】 前記光学的修正手段は、バイザーの外表面Ｓ２をバイザーの
    内表面Ｓ１に対して、鉛直面内において偏心させたものであることを特徴とする
    請求項１に記載のバイザー。
  4. 【請求項４】 前記光学的修正手段は、バイザーの外表面Ｓ２の中心をバイ
    ザーの内表面Ｓ１の中心よりも上方に位置させることを内容とする請求項３に記
    載のバイザー。
  5. 【請求項５】 前記光学的修正手段は、バイザーの外表面の局率半径のバイ
    ザーの内表面の局率半径に対する比が、２つの同心球面からなる厚さが一定なバ
    イザーの当該比率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のバイザー。
  6. 【請求項６】 前記光学的修正手段は、バイザーの外表面の局率半径のバイ
    ザーの内表面の局率半径に対する比の、２つの同心球面から構成される一定圧の
    バイザーにおける局率半径比に対する差は、１／１００のオーダーであることを
    特徴とする請求項１に記載のバイザー。
  7. 【請求項７】 前記光学的修正手段は、バイザーの一方の表面を球面で他方
    の表面を非球面とし、当該非球面は、球面を近似する複数のファセットから構成
    された多面体から出発した近似計算によって論理的に歪みを最小化する球面であ
    り、各ファセットはヘルメット装着者の目に到達する光線の角度のずれを最小限
    にするように方向を再設定されており、多面体の各表面の他の各表面に対する相
    対的な厚さは、バイザーの中央部から周辺部に掛けて凹凸を最小限にするよう計
    算によって平滑化が行われていることを特徴とする請求項１に記載のバイザー。
  8. 【請求項８】 理論上歪みを最小にする、計算によって得られた前記非球面
    は、トーラス状であることを特徴とする請求項７に記載のバイザー。
  9. 【請求項９】 前記光学的修正手段は、２つの初期球面から得られた２つの
    非球面を有し、第１の非球面は初期の球面に本質的な歪みを理論上最小化する第
    １の形状を形成する第１の段階によって得られ、第１の理論的な形状はそれぞれ
    のファセットがヘルメット装着者の目に到達する光線に加えられる角度のずれを
    修正するように方向が決定された複数の面からなる多面体によって球面を近似し
    、方向を決定されたファセットの他のファセットに対する相対的な厚さはバイザ
    ーの中央部から周辺部に掛けての凹凸を最小限にするように計算によって平滑化
    されており、第２の非球面は第１の段階で球面−非球面形状によって本質的に生
    じる歪みを理論上最小にする第２の形状を求める第２の段階によって得られ、当
    該理論的な第２の形状は、それぞれのファセットがヘルメット装着者の目に到達
    する光線に加えられる角度のずれを修正するように方向が決定された複数の面か
    らなる多面体によって球面を近似し、方向を決定されたファセットの他のファセ
    ットに対する相対的な厚さはバイザーの中央部から周辺部に掛けて凹凸を最小限
    にするように計算によって平滑化されたものであることを特徴とする請求項１に
    記載のバイザー。
  10. 【請求項１０】 理論上の歪みを最小にする、計算によって得られた前記非
    球面は、トーラス状であることを特徴とする請求項９に記載のバイザー。
  11. 【請求項１１】 前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを
    通して任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバ
    イザーの２つの表面が相対的に偏心しており、バイザーの外表面の局率半径のバ
    イザーの内表面の局率半径に対する比は、２つの同心球面からなる一定厚さのバ
    イザーの場合よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のバイザー。
  12. 【請求項１２】 前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを
    通して任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバ
    イザーの２つの表面が同心でなく、一方の表面は球面状で他方の表面は非球面で
    あって、他方の表面は当該球面に対して任意の方向のバイザーの領域について残
    る角度のずれを低減することを特徴とする請求項１に記載のバイザー。
  13. 【請求項１３】 前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを
    通して任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバ
    イザーの２つの表面が同心でなく、球面とトーラス状の非球面とを有し、当該ト
    ーラス状の非球面は球面に対して、任意の方向のバイザーの領域について残る角
    度のずれを低減するものであることを特徴とする請求項１に記載のバイザー。
  14. 【請求項１４】 前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを
    通して任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバ
    イザーの２つの表面は相対的に偏心しており、一方が他方に対して任意の方向の
    バイザーの領域について残る角度のずれを低減する２つの非球面を有することを
    特徴とする請求項１に記載のバイザー。
  15. 【請求項１５】 前記光学的修正手段は、ヘルメットの装着者がバイザーを
    通して任意の方向を見た時の角度のずれを修正するプリズム効果を有するようバ
    イザーの２つの表面が同心でなく、一方が他方に対して任意の方向のバイザーの
    領域について残る角度のずれを低減するようトーラス状の２つの非球面を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のバイザー。
  16. 【請求項１６】 前記光学的修正手段は、バイザーの一方の表面に設けられ
    たホログラフ回折面を有し、光線がバイザーを通る前と後でヘルメット装着者の
    目に入る光線の方向をバイザーのすべての点において調整することを特徴とする
    請求項１に記載のバイザー。
  17. 【請求項１７】 前記ホログラフ回折面は、バイザーの内表面Ｓ２に貼付さ
    れていることを特徴とする請求項１６に記載のバイザー。
  18. 【請求項１８】 前記ホログラフ回折面は緑色であることを特徴とする請求
    項１７に記載のバイザー。
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