請求の範囲
1 デイスプレイ情報像を形成するためのデイス
プレイ手段と、レンズ手段を有し、デイスプレイ
情報像を観測者の目の方に向けるための光学系と
を具備するヘツドアツプデイスプレイ用可視光フ
イルターにおいて、該デイスプレイ手段と該レン
ズ手段との間であつて該レンズ手段の後焦点距離
の焦点面内域いはその近傍に単一の光学フイルタ
ー手段が設けられ、該光学フイルター手段は該レ
ンズ手段を通つて該デイスプレイ手段の方に逆進
してきた集束可視光にたいして可逆的に応答し
て、該レンズ手段と該デイスプレイ手段との間で
収束する該集束可視光を阻止し、さらに該光学フ
イルター手段は該集束可視光が阻止された局所的
な位置を除いてデイスプレイ情報に対して透過的
であることを特徴とするヘツドアツプデイスプレ
イ用可視光フイルター。
2 該光学フイルター手段はフオトクロミツク材
料から構成されている請求の範囲第1項に記載の
ヘツドアツプデイスプレイ用可視光フイルター。
3 該光学フイルター手段はフオトクロミツク材
料の板である請求の範囲第1項に記載のヘツドア
ツプデイスプレイ用可視光フイルター。
4 該光学フイルター手段はフオトクロミツク材
料から構成されたプリズム光学素子である請求の
範囲第1項に記載のヘツドアツプデイスプレイ用
可視光フイルター。
5 該光学フイルター手段は透過型の液晶検出器
マトリツクスである請求の範囲第1項に記載のヘ
ツドアツプデイスプレイ用可視光フイルター。
技術的背景
本発明は太陽放射を除去する回折光学デイスプ
レイに関する。
発明の背景
本発明はデイスプレイ情報を洗い流してしまう
太陽放射を除去するためのヘツドアツプデイスプ
レイ装置を具体化する。
例えば、R.J.Withrington等に1976年2月24日
に発行された”ホログラフイツクレンズを用いた
光学表示システム”U.S.Patent No.3940204に記
述されたタイプのヘツドアツプデイスプレイ(以
後HUDと記す)では操縦室の観測者はホログラ
フイツク回折格子レンズを介して情景を眺めてい
る。飛行機内で視線外に設けられた陰極線管のよ
うな光源からのデイスプレイ情報像はリレー光学
系、折りたたみ反射鏡やホログラフイツクレンズ
を含む光学系によつて結合されあるいは重ね合わ
される。動作時には、光学系はデイスプレイ情報
像をホログラフイツクレンズに送り、ホログラフ
イツクレンズから観測者の目の方へ回折あるいは
反射される。そして観測者の目で結合される。こ
の結合機能の結果、ホログラフイツクレンズは以
後、結合器と称される。
このタイプのヘツドアツプデイスプレイは太陽
放射の太陽ノイズに晒されている。太陽がある臨
界入射角の範囲にある場合には光学路を逆に進み
陰極線管上のデイスプレイ情報を消去してしま
う。
この太陽ノイズの問題に対して多数の解決法が
研究されてきたが、大部分は入射放射線が制限さ
れた入射角を越えるときにのみ効果がある。例え
ば、狭帯域反射あるいは透過フイルタである。代
表的な狭帯域等価フイルタは高屈折率を有する物
質、例えば、金属と誘電体の薄膜からなり、高透
過率の狭帯域通過を示す。このタイプのフイルタ
は好ましくはリレー光学系の前で光学軸を斜めに
交差し、陰極線管はリレー光学系の背面に配置さ
れる。動作中に、このフイルタは所定の範囲以上
の太陽光入射角で陰極線管の表面に入射する太陽
放射量を減少せしめる。
ほかの解決法に、斜めに挿入された透過フイル
タにいくらか似ているが透過モードよりもむしろ
反射モードで動作する狭帯域の反射ミラーを用い
た方法がある。そのミラーでは、しばしばダイク
ロニツクミラーの反射面のまえに吸収ガラス層を
有している。この方法の欠点はやはり効果のある
角度範囲が制限されることである。
研究されてはいるがまだ成功してはいない他の
方法として移動機械式の阻止装置あるいは、ヴエ
ネチア・ブラインド式阻止エレメントがある。
本発明の概要
本発明は入射太陽放射がデイスプレイ情報を消
去するのを阻止するヘツドアツプデイスプレイの
太陽フイルタに関する。例えば光学系の後焦点面
あるいはその近くに設けられたフオトクロミツク
素子を有し、デイスプレイ装置面のほうに光路を
逆進透過してきた太陽放射がフオトクロミツク素
子の微小位置に焦点を結ぶように構成されてい
る。このためにフオトクロミツク素子は焦点で逆
に黒くなり、太陽エネルギーは阻止される。太陽
放射の集らない太陽フイルタの残りの領域では低
強度のデイスプレイ情報が透過する。
特に、回折ヘツドアツプデイスプレイでは陰極
線管のデイスプレイ情報は太陽フイルタ、リレー
レンズを通つて光路に沿つて前方に進み、折りた
たみ反射鏡に達し、その反射鏡から結合器レンズ
の方に反射される。その結合器レンズは、デイス
プレイ情報の波長を有する狭帯域幅光のみを回折
によつて透過させる回折格子を有している。この
回折像は視覚で見るために射出瞳の方に向けられ
る。
広いスペクトルを有する太陽放射が結合器レン
ズの他方の側を照らす場合には、結合器は狭帯域
幅のデイスプレイ情報内にある太陽光の成分を回
折により除去する。しかしながら結合器は広範囲
スペクトルの太陽エネルギーの残りを透過する。
太陽がオーバヘツド角の範囲内にある場合に
は、この残りの太陽エネルギーは光路を逆進して
陰極線管の方に達してデイスプレイ情報を洗い流
してしまう。しかしながら本発明のフイルターに
よつて上記除去は妨げられる。このフイルターは
リレー光学系の後焦点面に位置するので光路を逆
進する任意の太陽放射はフイルターのきわめて小
さな点に集光される。フイルターのフオトクロミ
ツク物質が焦点に於て高エネルギー密度で黒化す
るので、太陽エネルギーが陰極線管の表面に達す
るのが効果的に防止される。
このフイルターはヘツドアツプデイスプレイに
対して任意の角度で入射する太陽エネルギーを阻
止する利点を有している。太陽光の入射角度は連
続的に変化するので、それに対応して集光点は太
陽フイルター上を移動する。太陽エネルギーの阻
止状態はフオトクロミツク物質の黒化度に依存し
ている。集光された太陽エネルギーが所定のフイ
ルター領域から移動すると、可逆的なフオトクロ
ミツク物質は再び光り始める。
フオトクロミツク物質の暗点は非常に小さいの
で、通常デイスプレイ情報を阻止する結果とはな
らないことは本発明のもう1つの利点である。例
えば2眼を有する観測者は、少なくとも1眼で暗
点がデイスプレイ点になるのを見ているのでデイ
スプレイ情報を見失うことはない。更に、たとえ
暗点が所定の目に対して臨界的な視野を覆い隠し
ているとしても、観測者が頭や目を視軸にたいし
て横方向に移動させれば以前阻止されていたデイ
スプレイ情報を見ることができる。
本発明の更に別の利点は、光路長を増すことな
く太陽フイルター素子をリレー光学系の背面で光
軸に沿つて配置できることである。だからヘツド
アツプデイスプレイ全体の寸法を短く保つことが
でき、飛行機操縦室の限られた空間内に保つこと
ができる。Claim 1: A visible light filter for a head-up display, comprising a display means for forming a display information image, and an optical system having a lens means and for directing the display information image toward the observer's eyes. , a single optical filter means is provided between the display means and the lens means in or near the focal plane of the rear focal length of the lens means, and the optical filter means reversibly responsive to focused visible light traveling back through the lens means toward the display means to block the focused visible light from converging between the lens means and the display means; A visible light filter for a head-up display, characterized in that it is transparent to display information except at local locations where the focused visible light is blocked. 2. A visible light filter for a head-up display as claimed in claim 1, wherein said optical filter means is constructed from a photochromic material. 3. A visible light filter for a head-up display as claimed in claim 1, wherein said optical filter means is a plate of photochromic material. 4. A visible light filter for a head-up display as claimed in claim 1, wherein said optical filter means is a prism optical element made of a photochromic material. 5. A visible light filter for a head-up display as claimed in claim 1, wherein said optical filter means is a transmissive liquid crystal detector matrix. TECHNICAL BACKGROUND The present invention relates to diffractive optical displays that filter out solar radiation. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention embodies a head-up display device for eliminating solar radiation that would wash out display information. For example, a head-up display (hereinafter referred to as HUD) of the type described in US Patent No. 3940204, "Optical Display System Using Holographic Lenses," published February 24, 1976 by RJ Withrington et al. The person views the scene through a holographic grating lens. Display information images from light sources such as cathode ray tubes located outside the line of sight within the airplane are combined or superimposed by optical systems including relay optics, folding reflectors, and holographic lenses. In operation, the optical system sends an image of the display information to the holographic lens where it is diffracted or reflected toward the observer's eye. and are combined in the observer's eyes. As a result of this combining function, the holographic lens is hereinafter referred to as a combiner. This type of head-up display is exposed to solar noise from solar radiation. When the sun is within a certain critical angle of incidence, the optical path is reversed and the display information on the cathode ray tube is erased. A number of solutions to this solar noise problem have been investigated, but most are effective only when the incident radiation exceeds a limited angle of incidence. For example, narrowband reflection or transmission filters. Typical narrowband equivalent filters are made of thin films of materials with high refractive indices, such as metals and dielectrics, and exhibit a narrowband pass with high transmittance. This type of filter preferably crosses the optical axis obliquely in front of the relay optics, and the cathode ray tube is placed behind the relay optics. In operation, this filter reduces the amount of solar radiation incident on the surface of the cathode ray tube at solar incidence angles above a predetermined range. Another solution is to use narrowband reflective mirrors, somewhat similar to diagonally inserted transmission filters, but operating in a reflection mode rather than a transmission mode. Such mirrors often have an absorbing glass layer in front of the reflective surface of the dichroic mirror. The disadvantage of this method is again that the effective angular range is limited. Other methods that have been investigated but have not yet been successful include mobile mechanical blocking devices or Venetian blind blocking elements. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a head-up display solar filter that prevents incident solar radiation from erasing display information. For example, the optical system may have a photochromic element installed at or near the back focal plane of the optical system, and be configured so that the solar radiation that has passed through the optical path back toward the display device is focused on a minute position of the photochromic element. There is. For this reason, the photochromic element turns black at the focal point, and solar energy is blocked. The remaining areas of the solar filter that do not collect solar radiation allow low-intensity display information to pass through. Specifically, in a diffractive head-up display, the cathode ray tube display information travels forward along an optical path through a solar filter, a relay lens, a folding reflector, and is reflected from the reflector toward a combiner lens. The combiner lens has a diffraction grating that allows only narrow bandwidth light having the wavelength of the display information to be transmitted by diffraction. This diffraction image is directed toward the exit pupil for visual viewing. When solar radiation with a broad spectrum illuminates the other side of the combiner lens, the combiner diffracts out the components of the sunlight that are within the narrow bandwidth display information. However, the combiner transmits the remainder of the broad spectrum solar energy. If the sun is within the overhead angle, this remaining solar energy travels back down the optical path to the cathode ray tube and washes out the display information. However, the filter of the present invention prevents this removal. This filter is located at the back focal plane of the relay optic so that any solar radiation traveling back in the optical path is focused onto a very small spot on the filter. The photochromic material of the filter blackens at the focal point with high energy density, effectively preventing solar energy from reaching the surface of the cathode ray tube. This filter has the advantage of blocking solar energy incident on the head-up display at any angle. Since the angle of incidence of sunlight changes continuously, the focal point moves on the solar filter accordingly. The blocking state of solar energy depends on the degree of blackening of the photochromic material. Once the concentrated solar energy is removed from the predetermined filter area, the reversible photochromic material begins to glow again. It is another advantage of the present invention that the scotoma of the photochromic material is so small that it typically does not result in blocking display information. For example, an observer with two eyes will see the scotoma becoming a display point with at least one eye, so he will not lose sight of the display information. Furthermore, even if the scotoma obscures critical visual fields for a given eye, if the observer moves his or her head or eyes laterally relative to the visual axis, he or she may see previously blocked display information. be able to. Yet another advantage of the invention is that the solar filter element can be placed behind the relay optic along the optical axis without increasing the optical path length. Therefore, the overall dimensions of the head-up display can be kept short and can be kept within the limited space of an airplane cockpit.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第1図はヘツドアツプデイスプレイの概略的な
側面図であり、光学系は陰極線管(CRT)から
観測者の目に至るデイスプレイ情報が前方に集光
する光線軌跡を示している。
第2図は第1図のシステムの概略的な側面図で
あり、CRT面上のデイスプレイ情報の方に太陽
放射が逆進集光する光線軌跡を示す。
第3図はHUD光学システムの好ましい実施例
をより詳細に示す概略的な側面図である。
第4図は太陽フイルターの第2の実施例を示
す。
FIG. 1 is a schematic side view of a head-up display, and the optical system shows the trajectory of light rays that converge the display information from the cathode ray tube (CRT) to the observer's eyes. FIG. 2 is a schematic side view of the system of FIG. 1, showing ray trajectories that focus solar radiation back toward display information on a CRT surface. FIG. 3 is a schematic side view showing a preferred embodiment of the HUD optical system in more detail. FIG. 4 shows a second embodiment of the solar filter.
【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
図面を参照して実施例を詳細に説明する。第1
図はHUD光学システムを概略的に示し、陰極管
の表面のような像面上に表示された情報は空間の
領域と考えられる射出瞳の方に集光あるいは送ら
れる。以後”上”あるいは”前方”なる語は陰極
線管から射出瞳の方へ進む光線の方向を示し、”
下”あるいは”後方”なる語は陰極線管の方に進
む逆方向を表わすのに使用される。パイロツトの
ような観測者は自分の目をこの射出瞳内に位置付
け、陰極線管10からの像を乗物の前方の光景と
結合あるいは重ね合わせて見る。
特に、陰極線管10は543nmの波長λ0を中心と
する狭帯域の光の像を生ずる蛍光体を有する画面
を具備している。これは可視光スペクトルの縁部
にある。陰極線管10の画面を傾けることは本発
明の一部を構成しないが、傾斜することは光学系
のパフオーマンスを改良するとして一般に知られ
ている。
陰極線管10からの比較的低強度のデイスプレ
イ光は太陽フイルター12を介して透過する。好
ましい実施例において太陽フイルター12は例え
ば第3図を参照して詳細に説明されるタイプのフ
オトクロミツク物質板である。この太陽フイルタ
ー12は好ましくはリレー光学系14の後焦点面
に配置される。
リレー光学系は太陽フイルターを介して透過し
てきたデイスプレイ情報光を受信する。リレー光
学系14はホログラフイツクレンズ系の収差を部
分的に補正するために構成されたレンズ系からな
る。リレー光学系からのデイスプレイ光は折りた
たみ反射鏡16の方に進行する。
折りたたみ反射鏡16は中間像を部分的に集
め、光学系の全長を縮める働きをなすミラーある
いはプリズムである。
折りたたみ反射鏡16を介して受信された中間
像は風防止板(ウインドスクリーン)20と観測
者の目の間に位置する結合器18の方に反射さ
る。この結合器18はフオログラフイツク回折光
学レンズであり、狭帯域幅の光を反射し、良く知
られたブラツグ反射則に従つて他の全ての波長の
光を略透過する。この結合器18を作成する方法
はU.S.Patent No.3940204に詳細に説明されてい
るので、ここでは繰り返さない。
動作時、結合器18はデイスプレイからの狭帯
域幅の光を射出瞳の方に反射する。このようにデ
イスプレイ像は、観測者がウインドスクリーン2
0を介して見られる乗物の前の情景と結合し重ね
合わされる。結合器18はλ0を中心とした好まし
い帯域幅の光を反射するように同調されているの
で、外部の風景からの広帯域幅の光の部分は除去
される。
次に第2図を参照する。太陽が所定の臨界角内
にあれば、広範囲のスペクトルを有する太陽放射
の形態をした太陽ノイズは結合器18を透過し、
光学系を逆進して陰極線管10の表面に達する。
しかしながら、太陽フイルター12は太陽放射を
効果的に阻止するので、太陽放射が陰極線管10
の画面上のデイスプレイ情報を消去することはな
い。
特に結合器18の表面で光る広スペクトルの太
陽放射は結合器18で反射されることによつて刻
まれた狭帯域幅を有する。以前述べたように、結
合器18の反射能力は波長λ0が含まれるような帯
域幅に同調されている。だから太陽放射スペクト
ルのこの部分は結合器18の表面で反射され、残
りは光学系を逆進透過して折りたたみ反射鏡16
に達し、光学軸に沿いリレー光学系14を通つて
太陽フイルター12に至る。もちろん太陽放射の
入射角が結合器18の臨界を越えて、なおも光路
を光り輝いて逆進することも有り得る。
太陽フイルター12は好ましくはリレー光学系
14の後焦点面に配置される。従つて太陽エネル
ギーは太陽フイルター12内の点あるいはスポツ
トに集光する。結果として太陽フイルター12の
フオトクロミツク物質は焦点で黒化し、太陽エネ
ルギーを効果的に阻止する暗部が形成される。さ
もなくばデイスプレイ情報が消去されたであろう
が、結果として太陽エネルギーは陰極線管10表
面に達することはできない。
更に太陽の相対角が移動すると、太陽エネルギ
ーの集光点も移動する。結果として、暗点はフオ
トクロミツク物質の反応速度で太陽フイルター内
を移動し、集光した太陽放射がスポツトから除か
れるとフオトクロミツク物質の回復速度で以前の
暗状態から逆に明るくなる。従つて、臨界的な太
陽角の全範囲内で太陽エネルギーの相対的な移動
にたいして補正が続けられる。
もちろん、暗点像は前方で像を結び、デイスプ
レイ情報を妨げる空間点として射出瞳から見え
る。この空間点は非常に小さい(例えば0.08イン
チの径を有する)ので、両目で情景を観測する観
測者はその空間点の周りを通常見ることができ
る。更にスポツト像が臨界的な視角であつたり、
フオトクロミツク物質が有限な回復時間を有する
ことから生じる”彗星の尾”の効果によつて、両
目で見ても微妙な障害物にたいして補正できない
ような場合には、観測者は単に自分の頭を移動さ
せて光軸に対して横方向に自分の目を位置付けれ
ば暗点像を見過ごすことができる。
第3図は特別な目的のために構成された光学系
の好ましい実施例を詳細に示している。もちろ
ん、他の目的のためにこの構成の変形例を作成す
ることは可能であり、太陽フイルター12は等価
的に適用可能である。
以前述べたように、像表示面10は好ましくは
陰極線管の面であり、約543nmの波長を中心とし
た非常に狭い帯域幅の像を生じさせる蛍光体を有
している。もちろん、像を形成するのに他のタイ
プのデイスプレイを使用してもよい。例えば、十
分な輝度を有しかつ光学系により集光し射出瞳の
方に回折される適当な波長を有する光を発生させ
る液晶表示器あるいは他のデイスプレイ装置を用
いてもよい。
ハウジング25は陰極線管10の画面、太陽フ
イルター12、リレー光学系14、折りたたみ反
射鏡16とを包み、中間像の光線を折りたたみ反
射鏡から結合器18の方に導くための開口部を有
している。更にハウジング25はその中の光学素
子を保持している。
太陽フイルター12はデイスプレイ情報像にた
いして略透明であるフオトクロミツク物質の平板
からなり、狭帯域幅のデイスプレイ情報の強度は
太陽フイルター12内のスポツト上に集光する広
スペクトルの太陽エネルギーの強度よりも十分に
低い。太陽フイルター12は薄い平板とし示され
ているが、リレー光学系14を通過して後方に集
光する太陽放射が太陽フイルター12の小部分に
集中するような十分な厚みと形を有していなけれ
ばならない。だから太陽フイルター12は太陽放
射の集光点が太陽フイルターの物質内かあるいは
少なくとも極めて近接したところに位置するよう
に位置していなければならない。従つて、リレー
光学系の後焦点面は太陽フイルターを位置付ける
のに好ましい位置である。
太陽フイルター12の材料は好ましくは光の作
用に対して可逆的に透過率を変えるフオトクロミ
ツクガラスである。ある特別なガラスの主材料は
硅素ガラスであり、活性物質としては初期冷却あ
るいは次の熱処理によりガラス状から結晶化する
ことにより形成される銀ハロゲン化物が考えられ
る。銀の含有量は0.5%以下であり、結晶寸法は
光の波長に比較して小さいので散乱は問題とはな
らない。このタイプのフオトクロミツクガラスは
G.K.Meglaの”Exploitation of Photochromic
Glass”,Optics and Laser Technology,April
1974,pp.61−68に記述されている。
特殊な材料では、黒化時間は高強度、広スペク
トラムな集光太陽放射にたいして比較的速い。回
復時間も”彗星の尾”の効果を減じるために集光
光が除去された領域では比較的速い。
リレー光学系14は光軸に沿つて配置された一
連のレンズを有している。使用されている一組の
レンズはU.S.Patent No.3940204の第16図に関
して開示されたものである。特に、リレーレンズ
14は正の球面レンズ素子30,32,36,4
0と負の球面レンズ素子34及び負のシリンドリ
カルレンズ素子38とを有している。負のシリン
ドリカルレンズの湾曲は第3図の側面図に表され
ているが、正のレンズも本発明の概念のうちに入
つている。
シリンドリカルレンズ38は結合器18の残り
の軸方向の非点収差を補正する。このレンズ素子
38の代りに、リレー光学系14の1つあるいは
それ以上の正の球面レンズを円柱面に置換えるこ
とができる。軸方向のコマは負の球面レンズの中
心を外すことにより図示された配置で最良に補正
される。軸方向のコマはリレー光学系14の任意
の適当なレンズの中心を外すことにより補正され
る。
折りたたみ反射鏡16は軸方向のコマを部分的
に補正するプリズムである。しかしながらこれが
その主な目的ではない。プリズム16は背面にミ
ラーを有するくさびである。中間像の上部の像を
形成する光線は、その像の底部の像を形成する光
線よりもより厚いガラスのくさびの部分を横に通
過する。このため中間像の焦点面の傾斜はかなり
減少し、また物体面の傾斜も減少する。図示され
た構成に於る物体面の最終的な傾きは15゜であり、
プリズムが使用されていない場合には30゜以上に
なるであろう。中間像の光線はプリズム16から
結合器18に向う。
結合器18は例えばU.S.Patent No.3940204に
開示されたフオログラフイツク光学の手段によつ
て構成された回折格子パターンを有している。結
合器18はその表面に回折格子パターンが記録さ
れた重クロム酸ゼラチンあるいは写真用のエマル
ジヨンのような感光性の有機物質の層40を有し
ている。そのような物質やホログラフイツク記録
についての詳細な議論はRobert J.Collier等によ
るOptical Holography,(New York:
Acacemic Press,1971)のp.293以下になされて
いる。この薄い層40は構造的な強度を増すため
に設けられ、物理的な衝撃から保護する二個のガ
ラス層42,44の間にはさまれている。結合器
18はデイスプレイ情報の中間像が凹面から射出
瞳のほうに反射されるように一般的な球面あるい
は凹面を有している。
機能的には、回折格子パターンは一般に良く知
られたブラツグ回折原理に従つて狭帯域に高光学
的効率で光を回折あるいは反射する。しかしなが
ら、結合器18はこの狭帯域の反射光以外の光に
たいして高い透過率を有するので、パイロツトは
反射されたデイスプレイ情報を眺ながら外部の情
景を見ることができる。従つて、デイスプレイ情
報は外部の情景と結合されまた重ね合わされて現
われる。更に結合器18の球面形状は射出瞳に反
射されるデイスプレイ情報像の軸方向のコマある
いは軸方向の非点収差が補正されるように光学系
の他の光学素子と調和するような形状を有してい
る。
結合器18は反射型の回折パターンを有すると
して記載されているが、E.F.Opittek等に1975年
10月28日に発行されたU.S.Patent No.3915548に
記載された方法で光波の向きを直す透過型を使用
することが可能である。
以前に述べたように、陰極線管10とリレーレ
ンズ14との間に太陽フイルター12を置くこと
により、光軸長を短くすることが可能となり従つ
て光学系をコンパクトにできる。結果として光学
系を第3図の破線で示されている射出線の外に保
つことができる。こうして窮屈な操縦室に関する
ある種の空間的な束縛を除去できる。
太陽フイルター12はフオトクロミツク型の材
料として記述されてきたが、他の型の材料から構
成してもよい。例えば吸収型あるいは反射型どち
らかの透過型液晶光検出器マトリツクスのような
センサー型の装置から作ることもできる。もし反
射型である場合には、反射方向は通常の光路から
はずれた方向を向いている。透過型の液晶装置の
例はT.D.Beard等に1973年7月10日に発行された
U.S.Patent No.3744879とM.Braunsteinに1974年
5月21日に発行されたU.S.Patent No.3811180に
開示されている。
第4図では、フイルター12は平板とは異なる
形状に構成されている。ここで太陽フイルター1
2はフオトクロミツク物質の光学的プリズムとし
て構成されている。リレー光学系14を通つて逆
進し集光した太陽エネルギーは光学プリズム50
のスポツトとして集中するので、プリズム内の小
容積の物質を黒化せしめ、従つて太陽放射を阻止
し、デイスプレイ情報を有する像面10上に太陽
放射が入射するのを防止し、像を消去したりある
いは像に影響を与えたりすることを阻止できる。
本発明は特別な実施例を参照して記述された
が、当業者にとつて自明な種々の変形は本発明を
逸脱しない範囲で可能である。
Examples will be described in detail with reference to the drawings. 1st
The figure schematically shows a HUD optical system in which information displayed on an image plane, such as the surface of a cathode tube, is focused or directed towards an exit pupil, which can be considered a region of space. Hereinafter, the term ``above'' or ``front'' will refer to the direction of the light rays traveling from the cathode ray tube toward the exit pupil.''
The terms ``down'' or ``backward'' are used to refer to the opposite direction of movement toward the cathode ray tube. An observer, such as a pilot, positions his or her eyes within this exit pupil and views the image from the cathode ray tube 10. The cathode ray tube 10 includes a screen having a phosphor that produces an image of a narrow band of light centered at a wavelength λ 0 of 543 nm. at the edges of the light spectrum. Although tilting the screen of cathode ray tube 10 does not form part of the present invention, tilting is commonly known to improve the performance of optical systems. The relatively low intensity display light is transmitted through a solar filter 12. In a preferred embodiment, the solar filter 12 is, for example, a photochromic material plate of the type described in detail with reference to FIG. is preferably located at the back focal plane of the relay optical system 14. The relay optical system receives the display information light transmitted through the solar filter.The relay optical system 14 partially eliminates the aberrations of the holographic lens system. The display light from the relay optical system travels toward the folding reflector 16. The folding reflector 16 serves to partially collect the intermediate image and shorten the total length of the optical system. The intermediate image received through the folding reflector 16 is reflected towards a coupler 18 located between the windscreen 20 and the observer's eye. The coupler 18 is a fluorographic diffractive optical lens that reflects a narrow bandwidth of light and transmits substantially all other wavelengths of light according to the well-known Bragg reflection law. The method is described in detail in US Patent No. 3940204 and will not be repeated here. In operation, coupler 18 reflects a narrow bandwidth of light from the display toward the exit pupil. In this way, the display image is , the observer uses windscreen 2
It is combined and superimposed with the scene in front of the vehicle seen through 0. Since the combiner 18 is tuned to reflect a preferred bandwidth of light centered at λ 0 , the broadband portion of the light from the external scene is filtered out. Refer now to FIG. If the sun is within a predetermined critical angle, solar noise in the form of solar radiation having a wide spectrum is transmitted through the combiner 18;
The light travels backward through the optical system and reaches the surface of the cathode ray tube 10.
However, the solar filter 12 effectively blocks solar radiation, so that the solar radiation is transmitted to the cathode ray tube 10.
The display information on the screen will not be erased. In particular, the broad spectrum solar radiation that shines at the surface of the coupler 18 has a narrow bandwidth carved out by being reflected off the coupler 18. As previously mentioned, the reflection capability of coupler 18 is tuned to a bandwidth that includes wavelength λ 0 . Therefore, this part of the solar radiation spectrum is reflected off the surface of the combiner 18 and the rest is transmitted back through the optical system to the folding reflector 16.
and reaches the solar filter 12 along the optical axis through the relay optical system 14. Of course, it is also possible that the angle of incidence of the solar radiation exceeds the criticality of the coupler 18 and still shines back through the optical path. The solar filter 12 is preferably arranged in the back focal plane of the relay optics 14. Solar energy is therefore concentrated to a point or spot within the solar filter 12. As a result, the photochromic material of the solar filter 12 darkens at the focal point, creating a dark area that effectively blocks solar energy. Otherwise, the display information would have been erased, but as a result, no solar energy can reach the cathode ray tube 10 surface. Furthermore, as the relative angle of the sun moves, the focal point of solar energy also moves. As a result, the dark spot moves through the solar filter at the rate of reaction of the photochromic material, and when the concentrated solar radiation is removed from the spot, it becomes brighter from its previous dark state at the rate of recovery of the photochromic material. Therefore, correction continues for the relative movement of solar energy within the entire range of critical solar angles. Of course, the scotoma image forms an image in front and is visible from the exit pupil as a spatial point that obstructs the display information. This spatial point is so small (eg, has a diameter of 0.08 inches) that an observer viewing the scene with both eyes can normally see around the spatial point. Furthermore, the spot image is at a critical viewing angle,
In cases where the ``comet tail'' effect caused by the finite recovery time of photochromic materials prevents the observer from correcting for subtle obstructions even with both eyes, the observer simply moves his or her head. If you position your eyes laterally to the optical axis, you can overlook the scotoma image. FIG. 3 shows in detail a preferred embodiment of a specially constructed optical system. Of course, it is possible to create variations of this configuration for other purposes, and the solar filter 12 is equivalently applicable. As previously mentioned, the image viewing surface 10 is preferably the surface of a cathode ray tube and includes phosphors that produce a very narrow bandwidth image centered at a wavelength of approximately 543 nm. Of course, other types of displays may be used to form the image. For example, a liquid crystal display or other display device may be used that produces light of sufficient brightness and a suitable wavelength that is collected by an optical system and diffracted toward the exit pupil. The housing 25 encloses the screen of the cathode ray tube 10, the solar filter 12, the relay optics 14, and the folding reflector 16, and has an opening for directing the intermediate image rays from the folding reflector towards the combiner 18. There is. Furthermore, the housing 25 holds the optical elements therein. The solar filter 12 consists of a plate of photochromic material that is substantially transparent to the display information image, such that the intensity of the narrow bandwidth display information is substantially greater than the intensity of the broad spectrum solar energy focused onto a spot within the solar filter 12. low. Although solar filter 12 is shown as a thin flat plate, it must have sufficient thickness and shape so that the solar radiation that passes through relay optics 14 and is concentrated behind it is concentrated in a small portion of solar filter 12. Must be. The solar filter 12 must therefore be located such that the focal point of the solar radiation is located within the material of the solar filter or at least in close proximity. Therefore, the back focal plane of the relay optic is a preferred location for positioning the solar filter. The material of the solar filter 12 is preferably photochromic glass, which changes its transmittance reversibly under the action of light. The main material of a particular glass is silicon glass, and the active substance can be a silver halide formed by crystallization from the glassy state during initial cooling or subsequent heat treatment. The silver content is less than 0.5%, and the crystal size is small compared to the wavelength of light, so scattering is not a problem. This type of photochromic glass
GKMegla’s “Exploitation of Photochromic”
Glass”, Optics and Laser Technology, April
1974, pp. 61-68. For special materials, the blackening time is relatively fast for high-intensity, broad-spectrum, concentrated solar radiation. Recovery time is also relatively fast in regions where the focused light has been removed to reduce the "comet tail" effect. Relay optical system 14 includes a series of lenses arranged along the optical axis. The set of lenses used is that disclosed with respect to FIG. 16 of US Patent No. 3940204. In particular, the relay lens 14 includes positive spherical lens elements 30, 32, 36, 4.
0, a negative spherical lens element 34, and a negative cylindrical lens element 38. Although negative cylindrical lens curvature is illustrated in the side view of FIG. 3, positive lenses are also within the concept of the present invention. Cylindrical lens 38 corrects the remaining axial astigmatism of coupler 18. Instead of this lens element 38, one or more positive spherical lenses of the relay optics 14 can be replaced by cylindrical surfaces. Axial coma is best corrected in the illustrated arrangement by off-centering the negative spherical lens. Axial coma is corrected by off-centering any suitable lens of relay optic 14. The folding reflector 16 is a prism that partially corrects coma in the axial direction. However, this is not its main purpose. Prism 16 is a wedge with a mirror on the back. The rays forming the top of the intermediate image pass laterally through a thicker portion of the glass wedge than the rays forming the bottom of the image. Therefore, the tilt of the focal plane of the intermediate image is considerably reduced, and the tilt of the object plane is also reduced. The final tilt of the object plane in the configuration shown is 15°,
If no prism is used it will be more than 30°. The intermediate image rays pass from prism 16 to combiner 18 . The coupler 18 has a grating pattern constructed by means of fluorographic optics, such as that disclosed in US Patent No. 3,940,204. Coupler 18 has a layer 40 of a photosensitive organic material, such as dichromate gelatin or photographic emulsion, with a diffraction grating pattern recorded on its surface. A detailed discussion of such materials and holographic recording can be found in Optical Holography by Robert J. Collier et al., New York:
Academic Press, 1971), p.293 onwards. This thin layer 40 is provided for added structural strength and is sandwiched between two glass layers 42, 44 that protect against physical impact. Coupler 18 has a generally spherical or concave surface so that an intermediate image of display information is reflected from the concave surface toward the exit pupil. Functionally, the grating pattern diffracts or reflects light in a narrow band with high optical efficiency according to the well-known Bragg diffraction principle. However, because the coupler 18 has a high transmittance to light other than this narrow band of reflected light, the pilot can view the external scene while viewing the reflected display information. Thus, the display information appears combined and superimposed with the external scene. Furthermore, the spherical shape of the coupler 18 is such that it is compatible with other optical elements of the optical system so that axial coma or axial astigmatism of the display information image reflected into the exit pupil is corrected. are doing. The coupler 18 is described as having a reflective diffraction pattern, but in 1975 EFOpitek et al.
It is possible to use a transmission type that redirects light waves using the method described in US Patent No. 3915548, published October 28th. As previously mentioned, by placing the solar filter 12 between the cathode ray tube 10 and the relay lens 14, the optical axis length can be shortened, and the optical system can therefore be made more compact. As a result, the optical system can be kept outside the exit line indicated by the dashed line in FIG. This eliminates certain spatial constraints associated with cramped cockpits. Although solar filter 12 has been described as a photochromic type material, it may be constructed from other types of materials. It can also be made from a sensor type device, for example a transmissive liquid crystal photodetector matrix, either of the absorptive or reflective type. If it is a reflective type, the direction of reflection is away from the normal optical path. An example of a transmissive liquid crystal device was published in TDBeard et al. on July 10, 1973.
Disclosed in US Patent No. 3744879 and US Patent No. 3811180 issued May 21, 1974 to M. Braunstein. In FIG. 4, the filter 12 is configured in a shape different from that of a flat plate. Here solar filter 1
2 is constructed as an optical prism of photochromic material. The solar energy that travels backwards and is concentrated through the relay optical system 14 is sent to the optical prism 50.
Since it is concentrated as a spot, it darkens a small volume of material within the prism, thus blocking solar radiation and preventing it from impinging on the image surface 10 containing the display information, erasing the image. or otherwise affect the statue. Although the invention has been described with reference to particular embodiments, various modifications that will be obvious to those skilled in the art are possible without departing from the invention.