ヘルメットマウントディスプレイ

ヘルメットマウントディスプレイ（HMD）は、ディスプレイと光学系を使用して画像や記号を目に投影する頭部装着型デバイスです。^{[1] [2] [3]} 頭部の保護が必要な場合、特に軍用機でユーザーに視覚情報を提供します。ディスプレイ光学系アセンブリは、ヘルメットに取り付けることも、ヘルメットのデザインに統合することもできます。HMDは、パイロットに状況認識、つまりシーンの鮮明な画像を提供し、軍事用途では、頭が向いている方向に兵器システムを指示します。兵器システムの指示を可能にするアプリケーションは、ヘルメットマウントサイトおよびディスプレイ（HMSD）またはヘルメットマウントサイト（HMS）と呼ばれます。

航空 HMD 設計は、次の目的に役立ちます。

• パイロットがヘルメットをターゲットに向け、HOTAS を介してスイッチを操作するだけで、頭の角度を指標として空対空および空対地兵器のシーカーまたはその他のセンサー (レーダー、FLIR など) をターゲットに向けることができます。近接戦闘では、 HMDがなければ、パイロットは航空機をターゲットに向けて射撃する必要があります。HMD を使用すると、パイロットは単に頭をターゲットに向け、武器を指定して射撃することができます。
• パイロットが「ヘッドアップ」状態にあるときに、ターゲティング情報と航空機の性能情報（対気速度、高度、ターゲット距離、ウェポンシーカーの状態、「g」など）を表示し、コックピット内を確認する必要性を排除します。
• 以下の目的でセンサービデオを表示します。
  • パイロットがコックピット内を見なくても、選択されたセンサーが正しいターゲットまたは位置に指示されていることを検証する
  • 視認性が悪い状況でもセンサービデオを使用して外部の地形を確認する。

HMD システムを高オフボアサイト(HOBS) 兵器と組み合わせると、航空機の乗組員はパイロットが視認したほぼすべてのターゲットを攻撃して破壊することができます。これらのシステムにより、航空機の操縦を最小限に抑えてターゲットを指定できるため、脅威の環境で過ごす時間が最小限に抑えられ、殺傷力、生存性、パイロットの状況認識が向上します。

1962年、ヒューズ・エアクラフト社は、透明な接眼レンズにテレビ信号を反射するコンパクトなCRTヘッドマウント単眼ディスプレイであるエレクトロキュラーを発表しました。 ^{[4] [5] [6] [7]}

シンプルなHMDデバイスを搭載した最初の航空機の1つは、1960年代半ばに熱追跡ミサイルの標的を支援するための実験目的で登場しました。ハネウェル社製の米海軍の視覚目標捕捉システム（VTAS）は、1970年代初頭にF-4Jで飛行し、1974～78年には米国のF-14およびF-15戦闘機でACEVAL/AIMVALを使用しました。VTASは 、照準外ミサイルの標的設定における有効性で賞賛されましたが^[8] 、米国は1969年からAIM-9サイドワインダーを搭載した後期型の海軍F-4ファントムに統合した以外は、配備を進めませんでした。 ^[9]この時期にはヘリコプター にもHMDが導入されました。例としては、1985年に実証された統合ヘルメットおよびディスプレイ照準システム（IHADSiSy）を搭載したボーイングAH-64アパッチがあります。 ^[10]

同じ頃（1975年）、南アフリカ空軍（SAAF）のミラージュ3CZとミラージュF1AZは、アームスコールV3A熱追跡ミサイルと統合された、現地開発されたヘルメット装着型照準器を使用していた。^{[11] [12] [13] [14]}これにより、パイロットは最適な射撃位置に移動することなく、オフボア攻撃を行うことができる。南アフリカのシステムが戦闘で実証され、アンゴラ上空でソ連機を撃墜する役割を果たした後、ソ連はこの技術に対抗するための緊急プログラムに着手したと一般に主張されている^[要出典]。その結果、 1985年にHMDと高オフボアサイト兵器（ R-73 ）を搭載したMiG-29が配備され、接近戦での機動交戦で優位に立った。

MiG-29/HMD/R-73（後にSu-27 ）の組み合わせの有効性が明らかになると、いくつかの国^{（どの国？）}は、主に統一ドイツ空軍によって運用されていた旧東ドイツのMiG-29へのアクセスを通じて、これに対抗するプログラムで対応しました。

成功した HMD の 1 つは、1990 年代初頭にPython 4と組み合わせて配備されたイスラエル空軍のエルビット DASH シリーズです。米国、英国、ドイツは、 ASRAAMシステムと組み合わせた HMD を追求しました。技術的な問題により、米国は ASRAAM を放棄し、代わりに1990 年にAIM-9Xと統合ヘルメット搭載指示システムの開発に資金を提供しました。米国と欧州の戦闘機用 HMD は、1990 年代後半から 2000 年代初頭にかけて広く使用されるようになりました。

航空機におけるHMDの民間初の使用は、 ATR 72/42飛行機 に搭載されたエルビット・スカイレンズHMDであった。 ^[15]

概念的には単純ですが、航空機用HMDの実装は非常に複雑です。多くの変数があります。^[16]

• 精度 - 視線と導き出された手がかりの間の角度誤差。ヘルメットの位置はミサイルを向けるために使用されるため、調整され、パイロットの頭にしっかりとフィットする必要があります。パイロットの目とバイザーのレチクルの間の線は、航空機と意図したターゲットの間の視線(LOS)として知られています。ユーザーの目は、照準と一直線上になければなりません。言い換えれば、現在の HMD は目がどこを見ているのかを感知することはできませんが、目とターゲットの間に予測される着弾点マーカーを配置することはできます。
• レイテンシーまたはスルーレート - ヘルメットとキューの間にどれだけの遅延があるか。
• 視野 – 照準器が適切に正確な測定を行うことができる角度範囲。
• 重量とバランス - ヘルメットの総重量と重心。これらは、高「 g 」操縦下では特に重要です。重量は、戦闘機の HMD 設計者が直面する最大の問題です。これはヘリコプターの用途ではあまり問題にならないため、精巧なヘリコプター HMD が一般的です。
• 安全性と操縦室の互換性、射出座席の互換性も含みます。
• 光学特性 - キャリブレーション、鮮明度、遠焦点（または視準、画像を遠焦点で表示して画像の読みやすさを向上させる技術）、単眼画像と両眼画像、眼の優位性、および両眼視野闘争。
• 耐久性と日常的な摩耗に耐える能力。
• 統合とトレーニングを含むコスト。
• パイロットの頭部と航空機のフィットおよびインターフェース - 頭部の人体測定と顔面の解剖学により、ヘルメットのフィットはパイロットが航空機システムとインターフェースする能力において重要な要素となります。ずれやヘルメットのずれは不正確な画像の原因となります。

HMDの設計では、高重力や振動、急激な頭部の動きの中でも、機体に対するパイロットの頭部の向き（仰角、方位角、ロール角）と、場合によっては位置（x、y、z）を十分な精度で感知する必要があります。現在のHMD技術では、慣性、光学、電磁、音波、ハイブリッドの5つの基本的な方法が使用されています。^[16 ] ハイブリッドトラッカーは、慣性や光学などのセンサーを組み合わせて使用​​​​し、追跡精度、更新レート、遅延を改善します。^[17]

ハイブリッド慣性追跡システムは、高感度慣性計測ユニット(IMU) と光学センサーを使用して航空機の参照情報を提供します。MEMS ベースの IMU は 1,000 Hz などの高更新レートのメリットがありますが、経時的な歳差運動やドリフトが発生するため、単独では使用できません。このクラスのトラッカーでは、光学センサーを使用して IMU ドリフトを抑制します。その結果、ハイブリッド慣性/光学トラッカーは低遅延と高精度を実現します。Thales Scorpion® HMCS ^[18]と HMIT HMD は、InterSense 製のハイブリッド光学ベース慣性トラッカー (HObIT) と呼ばれるトラッカーを使用しています。^[19]

光学システムでは、ヘルメット（または操縦室）上の赤外線エミッターと操縦室（またはヘルメット）内の赤外線検出器を使用して、パイロットの頭部の位置を測定します。主な制限は、視野の制限と日光やその他の熱源に対する感度です。MiG-29/AA-11アーチャーシステムはこの技術を使用しています。^[16]ユーロファイタータイフーン^[20] とJAS39グリペン^{[21]の両方で使用されているコブラHMDは、どちらもデネルオプトロニクス（現在はツァイスオプトロニクス[22]}の一部門）によって開発された光学ヘルメットトラッカーを採用しています。

電磁感知設計では、ヘルメット内のコイルを（フライトデッキ内で生成される）交流磁場内に設置し、ヘルメットの複数の軸の動きに基づいて交流電圧を生成します。この技術では、測定の角度誤差を減らすために、座席、フライトデッキの敷居、キャノピー内の鉄や導電性の材料を考慮してフライトデッキの正確な磁気マッピングが必要です。^[23]

音響センシング設計では、超音波センサーを使用してパイロットの頭の位置を監視し、コンピューターソフトウェアによって複数の軸で更新します。一般的な動作周波数は50〜100kHzの 範囲で、超音波センシング信号のサブキャリア変調を介して音声情報をパイロットの耳に直接伝えることができます。^{[23] [検証失敗]}

旧式の HMD は、通常、ヘルメットに埋め込まれた小型CRTと、パイロットのバイザーまたはレチクルに無限遠に焦点を合わせたシンボルを表示するための適切な光学系を採用しています。最新の HMD では、CRT が廃止され、代わりに液晶オンシリコン (LCOS)や液晶ディスプレイ (LCD)などのマイクロディスプレイと、表示画像を生成する LED 照明が採用されています。高度な HMD では、FLIR または暗視画像を投影することもできます。最近の改良点として、カラー シンボルとビデオを表示できる機能があります。

システムは、初期運用能力の大まかな時系列順に提示されます。

1985年^[24] 、米陸軍はAH-64アパッチを配備し、それとともに統合ヘルメット・ディスプレイ照準システム（IHADSS）を導入した。これは、ヘルメットの役割を拡張し、パイロットと航空機の間の視覚的に結合されたインターフェースを提供するという新しいヘルメットのコンセプトである。ハネウェルM142 IHADSSには、40°×30°の視野角を持つビデオ・シンボル付き単眼ディスプレイが装備されている。IRエミッターにより、航空機の先端に取り付けられた回転式サーモグラフィーカメラセンサーをパイロットの頭の動きに連動させることができる。このディスプレイは、夜間の地表でのナビゲーションも可能にする。IHADSSは、イタリアのAgusta A129 Mangustaにも使用されている。^[25]

ウィキメディア・コモンズの IHADSS 関連メディア

1981年にロシアが設計したシュチェル3UM HMDは、ZSh-5シリーズのヘルメット（後にZSh-7ヘルメット）に装着され、R-73ミサイル（NATO報告名：AA-11アーチャー）と組み合わせてMiG-29とSu-27に使用されました。HMDとアーチャーの組み合わせにより、MiG-29とSu-27の近接戦闘能力が大幅に向上しました。^{[26] [27]}

エルビット・システムズのDASH IIIは、実用化された最初の西側諸国の最新HMDである。DASHの開発は、イスラエル空軍がF-15およびF-16航空機の要件を出した1980年代半ばに始まった。最初の設計は1986年頃に生産に入り、現在のGEN IIIヘルメットは1990年代前半から半ばにかけて生産に入った。現在の生産型は、イスラエル国防軍のF-15およびF-16航空機に配備されている。さらに、 F/A-18およびF-5でも認定されている。DASH IIIは輸出され、 MiG-21を含むさまざまな旧式航空機に統合されている。^{[28] [信頼できない情報源? ]} また、米国のJHMCSのベースライン技術となっている。^[29]

DASH GEN IIIは完全に埋め込まれた設計で、完全な光学および位置感知コイルパッケージがヘルメット（USAF標準HGU-55/Pまたはイスラエル標準HGU-22/P）内に組み込まれ、球形のバイザーを使用してパイロットに平行画像を提供します。クイックディスコネクトワイヤがディスプレイに電力を供給し、ヘルメットのブラウン管（ CRT）にビデオ駆動信号を伝送します。DASHは、MIL-STD-1553 Bバスを介して航空機の兵器システムと密接に統合されています。最新モデルのDASH IVは現在、インドのHAL Tejasに統合されています。^[30]

米国がASRAAMから撤退した後、米国は2003年11月にアラスカ州エルメンドルフ空軍基地の第12および第19戦闘飛行隊にレイセオン AIM-9Xと組み合わせたJHMCSの導入を進め、配備した。海軍はJHMCSの主力プラットフォームとしてF/A-18 CでRDT&Eを実施したが、2003年に最初にF/A-18スーパーホーネットEおよびF機に配備した。米空軍もJHMCSをF-15E、F-15C、F-16C機に統合している。

JHMCSはDASH IIIとKaiser Agile Eye HMDの派生製品で、ロックウェル・コリンズとエルビット（現在Kaiser Electronicsはロックウェル・コリンズが所有）の合弁会社であるVision Systems International（VSI）によって開発された。ボーイングは同システムをF/A-18に統合し、2002年度に低率初期生産納入を開始した。JHMCSはF/A-18 A++/C/D/E/F、F-15C/D/E/S/K/SG/SA/QA/EX、F-16 Block 40/50/50+/60/70に採用されており、設計は全プラットフォームで95%共通となっている。^[31]

ヘルメット自体に統合されている DASH とは異なり、JHMCS アセンブリは、改造された HGU-55/P、HGU-56/P、または HGU-68/P ヘルメットに取り付けられます。JHMCS は、より新しく、より高速なデジタル処理パッケージを採用していますが、DASH と同じタイプの電磁位置検出機能を保持しています。CRT パッケージはより高性能ですが、筆記体のシンボルのモノクロ表示に限定されています。JHMCS は、夜間操作用の FLIR/ IRST画像を表示するためのラスタースキャン画像のサポートを提供し、パイロットに視準されたシンボルと画像を提供します。暗視ゴーグルを JHMCS に統合することは、このプログラムの重要な要件でした。

JHMCSは、焦点面アレイシーカーと推力偏向尾翼制御パッケージを採用した先進的な短距離ドッグファイト兵器であるAIM-9Xと組み合わせると、機首の両側80度までの効果的なターゲット指定が可能になります。2009年3月、オーストラリア空軍（RAAF）のF/A-18がJHMCSを使用して、発射機の翼ラインの後ろに位置するターゲットにASRAAMを発射して「発射後ロックオン」することに成功しました。^[32]

エルビット設計のシステムはカタールとインドでラファールF3Rに使用されている^{[33] [34]}

Gentex / Raytheonは、 2008年にScorpion®ヘッド/ヘルメットマウントディスプレイシステムを軍用航空市場に導入しました。2010年、ScorpionはUSAF/ANG/AFResヘルメットマウント統合ターゲティング（HMIT）プログラムの勝者となりました。^[35] Gentexのヘルメットマウントディスプレイおよびモーショントラッキング部門は、その後2012年にThalesに買収されました。HMITシステムは、 2012年にA-10 ^[36]とF-16プラットフォームの両方で認定され、展開されました。^[37] 2018年から、HMITシステムのインストールベースでヘルメットトラッカーのアップグレードが行われました。元のAC磁気追跡センサーは、ハイブリッド光学ベース慣性トラッカー（HObIT）と呼ばれる慣性光学ハイブリッドトラッカーに置き換えられました。^{[38] [39]} HObITはInterSense ^[40]によって開発され、2014年にThalesによってテストされました。^[41]

スコーピオンは、フルカラーの等角シンボルを表示できる最初のHMDとして導入され、配備されたという特徴があります。^[42]これは、航空機のミッションシステムとともに、航空機のターゲティングポッド、ジンバルセンサー、および高オフボアサイトミサイルの指示を出すために使用されます。スコーピオンは「アイズアウト」機能を提供します。つまり、物体が視界から隠れている場合でも、スコーピオンは近距離ディスプレイに視覚的なグラフィックキューを提供できます。^{[43]カスタムヘルメットを必要とするほとんどのHMDとは異なり、スコーピオンは標準装備の}HGU-55/PおよびHGU-68/Pヘルメットに取り付けられるように設計されており、特別な取り付けなしで標準装備の米国パイロットフライト機器と完全に互換性があります。また、標準の改造されていないAN/AVS-9ナイトビジョンゴーグル（NVG）およびパノラマナイトビジョンゴーグル（PNVG）とも完全に互換性があります。パイロットは、スコーピオンを使用して、ディスプレイ上の暗視画像とシンボルの両方を見ることができます。^{[44] [45]}

Scorpion は、パイロットにコンパクトなカラーコリメート画像を提供する光ガイド光学素子 (LOE) を備えた新しい光学システムを使用しています。ディスプレイは各パイロットが配置できるため、ユーザーの頭にヘルメットを正確に装着したり、特別なヘルメットを装着したりする必要がありません。ソフトウェア補正によりディスプレイの位置が調整され、パイロットに正確な画像が提供され、Scorpion HMCS をパイロットの既存のヘルメットに取り付けることができます。ディスプレイの前にバイザーを配置して、射出時の保護を行うことができます。バイザーは、透明、グレア、高コントラスト、グラデーション、またはレーザー保護にすることができます。夜間操作の場合、飛行中にバイザーの代わりに NVG マウントを設置できます。取り付けると、NVG をディスプレイの前に配置できるため、パイロットはディスプレイ シンボルと NVG 画像の両方を同時に見ることができます。

スコーピオンは、タクティカル・エア・サポート社によってF-5ATに搭載され、^[46]フランス空軍によってラファールF4に搭載され、^[47]スペイン空軍によってEF-18に搭載され、^[48] AC -130WスティンガーIIガンシップ、^[49] F -22 ラプター、^[50]ベルギー空軍のF-16AM/BM、アメリカ空軍州兵のF-16Cにも搭載されている。^{[51] [52]}

トルコのアセルサンは、フランスのトップアウルヘルメットに似たシステム、AVCIヘルメット統合キューイングシステムの開発に取り組んでいます。このシステムは、トルコのT-129攻撃ヘリコプターにも採用される予定です。^[53]

フランスのダッソー ラファールおよび後期型ミラージュ 2000戦闘機用の推力偏向マトラ MICA (ミサイル)には、Sextant Avionique の Topsight HMD が装備されていました。TopSight は、パイロットの右目に 20 度の視野を提供し、ターゲットと航空機のパラメータから筆記体のシンボルを生成します。電磁位置感知が採用されています。Topsight ヘルメットは一体型埋め込み設計を採用しており、輪郭のある形状はパイロットに完全に遮るもののない視野を提供するように設計されています。

Topsight の派生製品である TopNight は、悪天候や夜間の空対地作戦用に特別に設計されており、より複雑な光学系を使用して、シンボルが重ねられた赤外線画像を投影します。Topsight の最新バージョンは TopOwl-F と呼ばれ、Mirage-2000-5 Mk2 および Mig-29K で認定されています。

ユーロファイター タイフーンは、 BAE システムズとピルキントン オプトロニクスが開発したヘルメット搭載型シンボル システム (HMSS) を採用しています。ストライカー、その後のバージョンではストライカー II と名付けられたこのシステムは、ラスター画像と筆記体シンボルの両方を表示でき、NVGを内蔵しています。DASH ヘルメットと同様に、このシステムでは統合位置検知を採用し、外界の実体を表すシンボルがパイロットの頭の動きに合わせて動くようにします。

ビジョンシステムズインターナショナル（VSI、エルビットシステムズとロックウェルコリンズの合弁会社）は、ヘルメットインテグレーテッドシステムズ社と共同で、F-35統合打撃戦闘機用のヘルメットマウントディスプレイシステム（HMDS）を開発した。他のシステムが提供する標準的なHMD機能に加えて、HMDSはF-35の高度な航空電子機器アーキテクチャを最大限に活用し、昼夜を問わずパイロットにビデオ画像を提供する。その結果、F-35は50年ぶりにHUDなしで飛行する戦術戦闘機となった。^{[54] [55]} HMDSの開発が大きな問題を経験していたとき、BAEシステムズのヘルメットが検討されたが、これらの問題は最終的に解決された。^{[56] [57]}ヘルメットマウントディスプレイシステムは2014年7月に完全に運用可能となり、納品の準備が整った。^[58]

Jedeye は、Elbit Systems が最近導入した新しいシステムで、Apache やその他の回転翼プラットフォームの要件を満たすために特別に設計されています。このシステムは、昼間、夜間、および電圧低下の飛行環境向けに設計されています。Jedeye の FOV は 70 x 40 度、解像度は 2250 x 1200 ピクセルです。

スウェーデンのJAS 39C/Dグリペン戦闘機はコブラHMDを採用している。このヘルメットはBAEシステムズがユーロファイター用に開発したストライカーヘルメットをさらに開発・改良したものである。改良はBAEがデネル・キュムラスと提携して行った。^{[59] [60]}

• RCEVS は、米国海軍向けに標準ビューの Night Vision Cueing & Display (NVCD) を開発しています。
• 視線追跡– 視線追跡装置は、頭の方向に対する視線の位置を測定し、システムがユーザーがどこを見ているかを計算できるようにします。これらのシステムは現在、航空機では使用されていません。
• 直接網膜投影-低出力レーザー（仮想網膜ディスプレイ）を使用して情報を着用者の網膜に直接投影するシステムも実験中です。^{[61] [62]}

• ヘッドマウントディスプレイ（HMD）
• バーチャルリアリティ（VR）
• 拡張現実
• VRML
• 航空記事の索引

• Melzer & Moffitt (1997)。ヘッドマウントディスプレイ: ユーザーのための設計。McGraw Hill。

ウィキメディア・コモンズには、ヘルメット搭載ディスプレイに関連するメディアがあります。

• USAARL ヘルメットマウントディスプレイ - 感覚、知覚、認知の問題
• タレス・ヴィジョニックス
• ビジョンシステムズインターナショナル
• HMD要件に関するユーザー調査
• HMDヘルメットの解像度分析 / 比較表