JPH0627409A - 広スペクトル帯域の虚像ディスプレイ光学システム - Google Patents

広スペクトル帯域の虚像ディスプレイ光学システム

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JPH0627409A
JPH0627409A JP5080966A JP8096693A JPH0627409A JP H0627409 A JPH0627409 A JP H0627409A JP 5080966 A JP5080966 A JP 5080966A JP 8096693 A JP8096693 A JP 8096693A JP H0627409 A JPH0627409 A JP H0627409A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、１次および２次色収差が補正さ
れ、小型で構成が簡単で廉価な虚像ディスプレイ光学シ
ステムを得ることを目的とする。 【構成】 光学システムは画像源31と、結合器22と、カ
タトリオプトリック中継器グル−プ23とを具備してい
る。カタトリオプトリック中継器グル−プ23は例えば反
射鏡24と、レンズと回折光学素子とよりなるハイブリッ
ド光学素子29と、レンズ27と28のダブレットを含む屈折
レンズグル−プ26とによって構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は虚像ディスプレイ光学シ
ステム、特に広スペクトル帯域幅の虚像ディスプレイ光
学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】広スペクトル帯域幅のヘッドアップディ
スプレイ（ＨＵＤ）のような虚像ディスプレイシステム
の従来技術は通常２つの分類に分けられ、それらは
（１）１つの結合器および全屈折中継器を使用するシス
テム又は（２）１つの結合器と凸面の反射中継器を使用
するシステムを含む。（１）の場合、二次的な軸、側面
および高次の色収差が使用可能なスペクトル帯域幅と、
アイボックス（瞳孔）サイズと、視野を厳しく限定す
る。（２）の場合、この光学系の一般的な望遠レンズの
光学形態の設計は使用可能な視野を限定する。
【０００３】典型的な通常のヘッドアップディスプレイ
（ＨＵＤ）又はヘルメット設置ディスプレイ（ＨＭＤ）
は米国特許第3,940,204 号明細書に記載されている。こ
の特許明細書に記載されている光学系は３つのサブモジ
ュ−ル、即ち１つのホログラフ結合器と、１つの中継器
グル−プと、１つの陰極線管（ＣＲＴ）とを含む。ＣＲ
Ｔに表示された情報は中間画像を形成するため最初に中
継器グル−プにより中継され、さらに結合器により観察
者の正面の快適な位置に中継される。この光学設計形態
は次の利点を有する。（１）中継器グル−プはＣＲＴの
サイズを小型にできる。（２）中継器グル−プはオーバ
ーレイ視野の面積を拡大する。（３）結合器は中継器グ
ル−プ内のアイボックス（瞳孔）を中継する。それ故中
継器グル−プのサイズは比較的小型である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このタイプの
光学システムの１つの欠点は、ホログラフ結合器に関す
る使用可能なスペクトル帯域幅が非常に狭いことであ
る。この欠点を修正する１つの方法はホログラフ結合器
を反射型結合器に置換することである。このタイプのヘ
ルメット設置ディスプレイシステムに関する第２の欠点
は屈折中継器グル−プにより生じる二次的な軸方向およ
び横方向色収差が使用可能なスペクトル帯域幅を制限す
ることである。
【０００５】例えばスコットにより製造されるＫＺＦＳ
Ｎ４とＦＫ５２のような特別なガラス材料等は長い実効
的焦点距離（ＥＦＬ）の光モジュ−ルに関する二次的色
収差を補正するのによく使用される。しかし典型的なヘ
ッドアップディスプレイとヘルメット設置ディスプレイ
は低いＦ数と広視野と長いＥＦＬを必要とする。それ故
一次的球面色収差、色コマ、色歪み、二次的球面色収差
のような高次の色収差が存在する。色コマおよび色歪み
は画像品質を非常に低下させる。さらに特殊なガラス材
料は非常に高価であり、製造が困難である。
【０００６】さらに、商用および軍事用のヘッドアップ
ディスプレイおよび自動車用ヘッドアップディスプレイ
は通常モノクロ又は準モノクロ画像生成器で使用され
る。将来のディスプレイシステムの多くはカラーディス
プレイの使用が好ましいことは明白である。しかしこの
必要性を満足する簡単な通常の設計形態は現在存在して
いない。
【０００７】本発明の目的は、通常の広スペクトル帯域
幅の虚像ディスプレイ光学システムに固有の欠点を克服
することである。さらに本発明の別の目的は、カラー画
像生成器で使用される虚像ディスプレイ光学システムを
提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は広スペクトル帯
域幅の虚像ディスプレイ（ＶＩＤ）光学システムを具備
する光学システムである。虚像ディスプレイ光学システ
ムは画像源と、結合器と、中継器グル−プとを有する。
この中継器グル−プは、カタトリオプトリック(catatri
optric)中継器グル−プから構成され、このカタトリオ
プトリック中継器グル−プは、反射光学素子と、２つの
レンズ（ダブレット）を含む屈折レンズグル−プと、ハ
イブリッドの屈折／回折光学素子を含む。ある応用では
カタトリオプトリック中継器グル−プはハイブリッド屈
折−回折中継器グル−プにより置換される。屈折／回折
中継器グル−プはレンズグル−プと回折光学素子を含
む。これはカタトリオプトリック中継器グル−プで使用
される反射光学素子の必要性を除去する。
【０００９】ハイブリッド光学素子はレンズの片面にコ
−ド化された回折光学素子を含む。ハイブリッド光学素
子は一次色収差補正を行うために屈折／回折色消しを形
成する。ダブレットはまた色収差補正を行う色消しを有
する。ハイブリッド光学素子とダブレットとの間のパワ
−分配はダブレットの二次的な色収差がハイブリッドの
光学素子の二次的色収差により平衡されるように構成さ
れている。
【００１０】回折光学素子は典型的に中継器グル−プの
球面色収差と二次的な球面色収差を減少するために片面
でコ−ド化される高次の波面補正項を使用して設計され
る。中継器グル−プのレンズの少なくとも１つは球面色
収差および二次的球面色収差を減少するように円錐又は
非球面を有する。結合器から生じる非対称の収差および
歪みは反射光学素子により補償される。ＶＩＤ光学系の
残留収差を最少化するため反射光学素子は傾斜されるか
又はデセンタされる。
【００１１】従来技術のＶＩＤシステムと比較して、本
発明による光学システムははるかに広範囲のスペクトル
帯域幅を有し、画像品質がよく、単純な光学装置として
構成され、超小型で広範囲の視野と非常に広い視野オー
ギーレイを提供する。本発明はまた比較的安価である。
【００１２】本発明では、少なくとも２つのレンズを有
する回折サブグル−プと回折光学素子とを具備する新し
いクラスの中継器グル−プは非常に広視野にわたって優
れた画像品質を提供する。本発明の光学システムは優れ
た一次および二次色収差補正を有する。それは非常に小
型の容器で構成され、設計形態は非常に簡単で潜在的に
非常に安価である。
【００１３】本発明の種々の特徴および利点は添付図面
を伴って後述の詳細な説明を参照して容易に理解でき
る。同じ参照数字は同様の構成素子を示す。
【００１４】
【実施例】図面を参照すると、図１および図２は本発明
の原理による虚像ディスプレイ光学システム20の側面図
と平面図をそれぞれ示している。虚像ディスプレイ光学
システム20は陰極線管（ＣＲＴ）のような画像源21、結
合器22、中継器レンズグル−プ23を備えている。従っ
て、光学系20は結合器22および中継器レンズグル−プ23
を含む２つのサブモジュ−ルを含む。図１、２のシステ
ム20では中継器レンズグル−プ23（カタトリオプトリッ
ク中継器グル−プ23）は反射光学素子24（反射性凹面鏡
24）と、屈折レンズグル−プ25を具備し、屈折レンズグ
ル−プ25は２つのレンズ27,28 を有する屈折ダブレット
26とハイブリッド光学素子29（レンズ29）を含む。シス
テム20の光学素子の関連する１つの特殊な特徴を以下に
詳細に説明する。
【００１５】動作上、画像源21（ＣＲＴ21）に表示され
た情報は中継器レンズグル−プ23を通過し、この中継器
レンズグル−プはダブレット26とハイブリッド光学素子
29を有し、中間画像面で反射素子24（凹面鏡24）により
再結像される。結合器22は中間画像面からオペレ−タ30
の視点31の正面の適切な観察距離へ画像を中継する。カ
タトリオプトリック中継器グル−プ23の設計原理を以下
に要約する。
【００１６】（１）結合器21から生じる非対称収差と歪
みは反射光学素子24（凹面鏡24）により補償される。総
合的な光学系20の残留収差を最少化するため凸面反射鏡
24は傾斜されるか又はデセンタされる。傾斜又はデセン
タの必要性は典型的な光分析プログラムを使用して決定
される。
【００１７】（２）ハイブリッド光学素子29（レンズ2
9）は回折光学素子を具備し、この回折光学素子は片面
にコ−ド化され、一次色収差補正が行われる屈折−回折
色消し又は近似的色消しを形成する。屈折−回折色消し
を適切に形成するのに必要なコ−ド化は通常の光分析プ
ログラムを使用して達成される。
【００１８】（３）ダブレット26はハイブリッド光学素
子29と結合して一次色収差の補正用の色消し又はほぼ色
消しとしても構成される。
【００１９】（４）ダブレット26による二次的な色収差
はハイブリッド光学素子29の二次的な色収差により平衡
される。
【００２０】（５）球面色収差および二次的球面色収差
はハイブリッド光学素子29にコ−ド化されるρ4 、ρ6
又はもっと高次のコ−ド化した波面情報により平衡され
る。多くの場合、高次の残留色収差は中継器レンズグル
−プ23のレンズ27,28,29のうちの少なくとも１つが円錐
又は非球形表面を有するときさらに減少されることがで
きる。図１ではハイブリッド光学素子29の１つの表面33
は非球面である。
【００２１】（６）上記（２）乃至（５）項で要約され
ている設計処理はまたシステム20の光学素子により生じ
る一次的および二次的な横方向色収差、色コマ、色歪み
のような非対称の色収差を自動的に最少化する。
【００２２】さらに、回折光学素子は高い回折効率又は
特にキノフォルム格子表面に匹敵する２n 段階を有する
二進光学表面を提供するためキノフォルムタイプの回折
表面を具備する。さらに応用に応じて反射鏡24は広視野
範囲を提供する凹面又は拡大を提供するための凸面であ
る。
【００２３】本発明の研究により構造された虚像ディス
プレイ光学システム20は改良された画像品質、比較的単
純な光学素子を有し、比較的小型で、広視野範囲と優れ
た色収差補正を有する。さらにシステムのスペクトル帯
域を横切る残留色収差は非常に小さい。
【００２４】図１、２は前述した本発明により構成され
た設計例の側面および平面図を示している。表１は光学
システムの詳細な規定を要約している。それは広視野を
有する広スペクトル帯域は非常に広い視野を有し、非常
に小型である。全体的なスペクトル帯域に渡る残留色収
差は非常に小さい。
【００２５】 表１ 素子 半径(in) 円錐定数 デセンタ(in) 傾斜(deg) 厚さ 結合器 -14.7867 -4.4317 ０ 15.0 -12.55501 Ｃ5 ＝-0.207811E-2 Ｃ8 ＝0.40700E-3 Ｃ10＝0.161392E-44 Ｃ11＝-0.570015E-4 Ｃ12＝0.375767E-5 Ｃ14＝-0.373330E-6 Ｃ17＝-0.124571E-5 Ｃ19＝-0.254268E-6 Ｃ21＝0.160307E-6 Ｃ22＝0.253730E-6 素子 半径(in) 円錐定数 デセンタ(in) 傾斜(deg) 厚さ 中継鏡 40.8679 -550.78 ０ -30.0 2.835 Ｃ5 ＝0.781415E-3 Ｃ8 ＝0.169647E-3 Ｃ10＝0.170825E-3 Ｃ11＝0.169583E-3 Ｃ12＝-0.244154E-3 Ｃ14＝-0.114474E-4 Ｃ17＝0.254529E-4 Ｃ19＝-0.392984E-4 Ｃ21＝-0.340554E-4 Ｃ22＝-0.600655E-4 素子 クラスタイプ 湾曲半径 デセンタ 距離／ 孔の直径 正面／背面 (in) 厚さ 正面／背面(in) 反射 プラスチック 8.75637/ 0.315 1.35 5.4/5.4 素子 プレキシガラス -8.32869 円錐定数＝-16.177 回折素子 屈折素子の背面上 ｆ（ρ）＝213.300 ρ2 素子 クラスタイプ 湾曲半径 デセンタ 距離／ 孔の直径 正面／背面 (in) 厚さ 正面／背面(in) 回折 スコットＦ２ 4.60832/ ０ 0.300 5.8/5.2 素子 2.85118 回折 スコットＢｋ７ 2.85118/ ０ 1.900 5.2/5.2 素子 -10.0335 Ｚ（ｘ，ｙ）はＣｉＺｉ（ｘ，ｙ）をｉが１から24につ
いて合計するザルニク多項式は円錐表面から逸れた付加
的な表面の垂れ下りを示している。ゼロでないザルニク
多項式の項が以下にリストされている。
【００２６】Ｚ5 （ｘ，ｙ）＝ｘ2 −ｙ2 Ｚ8 （ｘ，ｙ）＝ｙ（ｘ2 ＋ｙ2 ） Ｚ10（ｘ，ｙ）＝ｙ（３ｘ2 −ｙ2 ） Ｚ11（ｘ，ｙ）＝（ｘ2 ＋ｙ2 ）2 Ｚ12（ｘ，ｙ）＝ｘ4 −ｙ4 Ｚ14（ｘ，ｙ）＝ｘ4 −６ｘ2 ＋ｙ4 Ｚ17（ｘ，ｙ）＝ｙ（ｘ2 ＋ｙ2 ）2 Ｚ19（ｘ，ｙ）＝３ｘ4 ｙ＋２ｘ2 ｙ3 −ｙ5 Ｚ21（ｘ，ｙ）＝５ｘ4 ｙ−10ｘ2 ｙ3 ＋ｙ5 Ｚ22（ｘ，ｙ）＝（ｘ2 ＋ｙ2 ）3 ここでｘとｙはそれぞれメリジオナル平面と矢じり平面
の光学面の開口座標であり、ｆ（ρ）はこの回折光学素
子の格子位相式であり、ｎ番目の格子リング境界はρが
ｆ（ρ）＝ｎを満足する位置に配置されており、ρは放
射座標で、（＋）半径は右方向に中心を有し、（−）は
半径は左方向に中心を有し、（＋）の厚さは右方向で、
（＋）のデセンタは上方向で、（＋）の傾斜は反時計方
向であり、度で示され、デセンタは傾斜前に行われ、円
錐定数−ε2 ＝−（偏心度）2 であり、寸法はインチで
与えられ、基準波長＝0.58765 μｍで、スペクトル領域
＝0.17μｍである。
【００２７】図３を参照するとある応用ではカタトリオ
プトリック中継器グル−プ23は反射性光学素子24の使用
を必要としない。図３は本発明の原理による虚像ディス
プレイ光学システムの第２の実施例20ａの側面図であ
る。この第２の実施例は図１、２のシステム20で使用さ
れた反射光学素子24を具備しない。カタトリオプトリッ
ク光中継器グル−プ23はハイブリッド屈折−回折レンズ
グル−プ35により置換される。
【００２８】特に虚像ディスプレイ光学システム20ａは
画像源21、結合器22、ハイブリッド屈折回折レンズグル
−プ35を有する。ハイブリッド屈折回折レンズグル−プ
35は第１の屈折レンズグル−プ36、第２の屈折レンズグ
ル−プ25ａを有する。第１の屈折レンズグル−プ36はウ
ェッジ又はプリズム37、ダブレット38、屈折レンズ39、
トリプレット40を有する。第２の屈折レンズグル−プ25
ａは屈折ダブレット26ａ（レンズ27ａと28ａを有する）
とハイブリッド屈折／回折光学素子29ａを含む。各レン
ズ27ａ、28ａ、29ａの焦点距離と曲率半径は結合器22の
適切な画像を提供するように調節される。
【００２９】以上、新規で改良された広スペクトル帯域
幅の虚像ディスプレイ光学システムについて説明した。
この光学システムは色収差と歪みが改良された画像品質
を提供するため最少限にされる。前述の実施例は本発明
の原理の応用を示した多くの特別な実施例の単なる例示
であることが理解されるであろう。明らかに、多くの他
の装置は本発明の技術的範囲を逸脱することなく当業者
に容易に考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理による虚像ディスプレイ光学シス
テムの側面図。
【図２】本発明の原理による虚像ディスプレイ光学シス
テムの平面図。
【図３】図２、３のシステムで使用される反射光学素子
を除去した本発明の原理による虚像ディスプレイ光学シ
ステムの第２の実施例の側面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マオ − ジン・チャーン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90216、ランチョ・パロス・バーデス、シ ーマウント・ドライブ 28414

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 画像源と、結合器と、カタトリオプトリ
    ック中継器グル−プとを具備していることを特徴とする
    虚像ディスプレイ光学システム。
  2. 【請求項２】 カタトリオプトリック中継器グル−プが
    反射鏡と、レンズおよび回折光学素子を有する中継器グ
    ル−プと、少なくとも１つのダブレットを含む屈折レン
    ズグル−プとを具備している請求項１記載の虚像ディス
    プレイ光学システム。
  3. 【請求項３】 反射鏡が広視野の範囲を提供するために
    凹面である請求項２記載の虚像ディスプレイ光学システ
    ム。
  4. 【請求項４】 反射鏡が拡大を行うために凸面である請
    求項２記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  5. 【請求項５】 ハイブリッド光学素子が実質的に一次の
    色収差補正を行う屈折／回折色消しを形成している請求
    項２記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  6. 【請求項６】 一次色収差を補正するために屈折レンズ
    グル−プが実際的に色消しを有する請求項２記載の虚像
    ディスプレイ光学システム。
  7. 【請求項７】 ハイブリッド光学素子と屈折レンズグル
    −プとの間のパワ−分配は屈折レンズグル−プの二次の
    色収差がハイブリッド光学素子の二次的な色収差により
    平衡されるように配置されている請求項２記載の虚像デ
    ィスプレイ光学システム。
  8. 【請求項８】 回折光学素子が中継器グル−プの球面色
    収差および二次的球面色収差を減少するように高次の波
    面補正項を使用して設計されている請求項２記載の虚像
    ディスプレイ光学システム。
  9. 【請求項９】 レンズの少なくとも１つが球面色収差お
    よび二次的球面色収差を減少するように円錐の表面を有
    する請求項８記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  10. 【請求項１０】 レンズの少なくとも１つが球面色収差
    および二次的球面色収差を減少するように非球面表面を
    有する請求項６記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  11. 【請求項１１】 回折光学素子が高回折効率を提供する
    ためにキノフォルムタイプの回折表面を有している請求
    項２記載の虚像ディスプレイシステム。
  12. 【請求項１２】 回折光学素子がキノフォルム格子表面
    に匹敵する２インチの段階を有する二進光学表面を有し
    ている請求項２記載の虚像ディスプレイシステム。
  13. 【請求項１３】 画像源と、結合器と、屈折回折中継器
    グル−プとを具備していることを特徴とする虚像ディス
    プレイ光学システム。
  14. 【請求項１４】 屈折回折中継器グル−プがレンズおよ
    び回折光学素子と、少なくとも１つのダブレットを含む
    屈折レンズグル−プとを具備している請求項１３記載の
    虚像ディスプレイ光学システム。
  15. 【請求項１５】 ハイブリッド光学素子が一次色収差補
    正を行うため実質上屈折／回折色消しを形成している請
    求項１４記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  16. 【請求項１６】 屈折レンズグル−プが実質上一次色収
    差を補正するため色消しを具備している請求項１４記載
    の虚像ディスプレイ光学システム。
  17. 【請求項１７】 ハイブリッド光学素子と屈折レンズグ
    ル−プとの間のパワ−分配は、屈折レンズグル−プの二
    次的色収差がハイブリッド光学素子の二次的色収差によ
    り平衡されるように配置されている請求項１４記載の虚
    像ディスプレイ光学システム。
  18. 【請求項１８】 回折光学素子が中継器グル−プの球面
    色収差および二次的球面色収差を減少するために高次の
    波面補正項を使用して設計されている請求項１４記載の
    虚像ディスプレイ光学システム。
  19. 【請求項１９】 レンズの少なくとも１つが球面色収差
    および二次的球面色収差を減少するため円錐表面を有す
    る請求項１８記載の虚像ディスプレイ光学システム。
  20. 【請求項２０】 レンズの少なくとも１つが球面色収差
    および二次的球面色収差を減少するために非球面表面を
    有する請求項１８記載の虚像ディスプレイ光学システ
    ム。
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