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JP2905486B2 - 光学視準装置及び光学視準方法 - Google Patents
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JP2905486B2 - 光学視準装置及び光学視準方法 - Google Patents

光学視準装置及び光学視準方法

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JP2905486B2
JP2905486B2 JP63194300A JP19430088A JP2905486B2 JP 2905486 B2 JP2905486 B2 JP 2905486B2 JP 63194300 A JP63194300 A JP 63194300A JP 19430088 A JP19430088 A JP 19430088A JP 2905486 B2 JP2905486 B2 JP 2905486B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、広くは航空機の飛行シミュレータ等に使用
する視覚表示装置の技術分野に関し、より詳しくは、投
影されたイメージ（像）を無限遠又はその近くに、高伝
達率を以て視準（コリメーティング）する装置に関す
る。
単一の物体又は光学的に重畳された複数の物体のイメ
ージを無限遠又はその近くに形成することができる光学
視準装置が、これ迄にも知られている。かような装置の
一例として、米国再発行特許第Re27,356号に開示された
ものがある。この特許に係る装置は、イメージ形成エレ
メントとして、球形状に湾曲した単一のコンバインミラ
ーを使用している。一次イメージはコンバインミラーの
凸面側に向けられ、該コンバインミラーはこの一次イメ
ージを、コンバインミラーの凹面側に位置する複屈折ビ
ームスプリッタアレイに伝送する。このアレイはイメー
ジを球形のコンバインミラーに向けて反射し、観察者が
視認できるようにイメージを視準する。光路には幾つか
の偏光フィルタが設けられていて、球形のコンバインミ
ラーに戻る一次イメージの一部を選択的に偏光させるよ
うになっている。
この米国再発行特許第Re27,356号に開示の装置は、コ
ンパクトなサイズでかつ軽量に組み立てることができ
る。しかしながら、一次イメージの多数のフィルタリン
グ及び反射を必要とするため、一次イメージの伝達率は
小さくなる。例えば、一次イメージがフィルタリング及
び反射される毎に、一次イメージの強度は約1/2ずつ低
下する。この結果、一次イメージの最終強度は、最初の
強度の約0.5〜10％になってしまう。
米国特許第3,940,203号には別の光学視準装置が開示
されている。この光学視準装置は前述の米国再発行特許
第Re27,356号の装置の球状ミラーを球状ミラーの反射型
ホログラフィーアナログに置換したものである。この米
国特許第3,940,203号に開示の装置は、観察者に到達す
る光を適正に制御するのに比較的多くの回数で光を反射
させる必要があるため、この技術もまた一次イメージの
伝達率を小さくしてしまう。ホログラフィーエレメント
の改良された反射特性及び伝達特性を用いれば、イメー
ジの最初の強度の、最高で６〜10％のオーダの効率を達
成することができる。
このため、イメージの伝達率を改善した光学視準装置
が要望されている。また、かような光学視準装置はヘル
メットに装着する形式のディスプレイ装置を備えている
こと又はサイズや重量に制限がある所で使用しなければ
ならないこと等の理由から、光学視準装置は、コンパク
トでありかつ軽量であることが要求されている。
従って本発明の目的は、単一の物体又は光学的に重畳
された複数の物体のイメージを、観察者の視線上で無限
遠点又はその近くに形成することができるというコレス
テリック液晶の特性を利用した光学視準装置を提供する
ことにある。
本発明の好ましい実施例によれば、光学視準装置は、
半反射凹面鏡及びコレステリック液晶エレメントにより
形成されている。これらの半反射凹面鏡及びコレステリ
ック液晶エレメントは、観察者の視線上に設置されたト
ランスミッタ／コンバイナと一緒に使用されている。ま
た、陰極線管（CRT）、液晶ディスプレイ（LCD）その他
のディスプレイ装置からなるイメージ発生源によって投
影されたイメージは、トランスミッタ／コンバイナによ
って、観察者の視線上に反射されるようになっている。
反射されたイメージは、該イメージを円偏光する円偏
光フィルタを通して半反射凹面鏡に導かれる。この半反
射凹面鏡は、イメージのロータリセンスとは反対のロー
タリセンスのコレステリック液晶エレメントにイメージ
を伝送し、該コレステリック液晶エレメントはイメージ
のロータリセンスを反転させることなく、イメージを半
反射凹面鏡の凹面側に反射する。次いでイメージは、半
反射凹面鏡によってロータリセンスを反転させてコレス
テリック液晶エレメントに向けて反射され、該コレステ
リック液晶エレメントは、単一又は複数のイメージを観
察者に伝達する。
光学視準装置の外部の環境からのイメージは、トラン
スミッタ／コンバイナ及び半反射凹面鏡を通って伝送さ
れ、イメージの一部がコレステリック液晶エレメントに
よって観察者に伝達される。また、イメージの他の一部
はコレステリック液晶エレメントによって半反射凹面鏡
の凹面側に向けて反射される。このコレステリック液晶
エレメントによって反射された一部のイメージは、半反
射凹面鏡によって再びコレステリック液晶エレメントに
向けて反射され、該コレステリック液晶エレメントによ
り観察者に伝達される。
本発明の光学視準装置のイメージ伝達効率は、従来技
術による光学視準装置のイメージ伝達効率よりも優れて
いる。その理由は、本発明の光学視準装置は、従来の光
学視準装置よりも反射伝達回数が少ないこと、及びコレ
ステリック液晶エレメントは従来の反射装置に比べて、
入射光を高い割合で伝達及び／又は反射することができ
るからである。
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。
本発明による光学視準装置（オプティカルコリメーテ
ィング装置）30が第１図に示してある。この実施例にお
いては、光学視準装置30は、ヘッドアップ・ディスプレ
イモード又はイメージ結合ディスプレイモードで使用さ
れるようになっている。光学視準装置30は、イメージ発
生源34と、フォーカシング・オプティクスすなわち焦点
光学系36と、円形の偏光フィルタ38と、トランスミッタ
／コンバイナ40と、凸面側に透過コーティングが施され
ておりかつ凹面側に反射コーティングが施されている、
半反射凹面鏡又は半反射凹面鏡のホログラフィーアナロ
グ42と、ほぼ中心周波数ｆの所に中心をもつバンド幅Ｂ
（第2a図及び第2b図）内のRHCP（Right−Hand Cirularl
y Polarization:右手円偏光）イメージを反射するよう
に形成されたコレステリック液晶エレメント44とを有し
ている。第１図に示すように、観察者（「眼」の印を付
した符号Ｏで示してある）と、外部イメージ（例えば図
示のような、航空機の滑走路）32との間の視認平面の視
線上に、トランスミッタ／コンバイナ40、半反射凹面鏡
42及びコレステリック液晶エレメント44が配置される。
イメージ発生源34は、該イメージ発生源34から投影され
たイメージが焦点光学系36及び円偏光フィルタ38を通っ
た後、トランスミッタ／コンバイナ40によって観察者Ｏ
の視線上に反射される。
作動に際し、外部イメージ32は、トランスミッタ／コ
ンバイナ40によって半反射凹面鏡42に伝送され、更に該
半反射凹面鏡42によってコレステリック液晶エレメント
44に伝送される。コレステリック液晶エレメント44は、
外部イメージ32の反射された一部を除き、観察者Ｏに外
部イメージ32を伝送し、上記反射された一部は回転方向
（説明のために右手偏光（RHCP）とする）を有し、コレ
ステリック液晶エレメントの反射の波長幅Ｂ内にある。
外部イメージ32の反射された部分は、そのロータリセン
スを反転することなく、半反射凹面鏡42の凹面側に反射
される。ここで半反射凹面鏡42は、外部イメージのロー
タリセンスを反転（すなわち、右手円偏光（RHCP）から
左手円偏光（LHCP）へ反転）させて、この一部の外部イ
メージ32をコレステリック液晶エレメント44に戻し、外
部イメージ32の一部はコレステリック液晶エレメント44
によって首尾良く観察者Ｏに伝送される。
イメージ発生源34から発生される像すなわちイメージ
は約540nmの波長（すなわち、グリーンの波長）ｗを有
しており、かつ焦点光学系36によって合焦されて、コレ
ステリック液晶エレメント44の伝送のロータリセンス
（すなわち、上記仮定に従ってLHCP）に一致するロータ
リセンスで、円偏光フィルタ38に導かれる。発生された
イメージは、トランスミッタ／コンバイナ40によってそ
のロータリセンスが反転（LHCPからRHCPへと反転）され
て、観察者Ｏの視認平面の視線上で半反射凹面鏡42の凸
面側に反射される。半反射凹面鏡42は、発生されたイメ
ージをコレステリック液晶エレメント44に伝送し、該コ
レステリック液晶エレメント44は、この発生されたイメ
ージのロータリセンスを反転することなく、該イメージ
を半反射凹面鏡42の凹面側に向けて反射する。半反射凹
面鏡42は、発生されたイメージのロータリセンスを反転
（RHCPからLHCPへと反転）させて該イメージをコレステ
リック液晶エレメント44に向けて反射しかつ視準（コリ
メート）し、コレステリック液晶エレメント44は、発生
されたイメージを観察者Ｏに伝送する。
かような光学視準装置に使用される光学コンポーネン
ツの性質のため、これらの光学コンポーネンツに入射す
る光を100％伝送したり反射することはできない。イメ
ージ発生源34によって発生されかつ円偏光フィルタ38に
よって単一のロータリセンス（すなわち、LHCP）で伝達
されるイメージは、該イメージから逆のロータリセンス
（すなわちRHCP）が除去されるために、イメージの強度
が約50％低減される。トランスミッタ／コンバイナ40に
よって反射されるイメージは、該トランスミッタ／コン
バイナ40に入射する直前のイメージの強度の約50％の強
度で反射される。また、半反射凹面鏡42により伝送され
るイメージは、該半反射凹面鏡42に入射される直前の強
度の約50％の強度で伝送される。同様に、半反射凹面鏡
42は、該半反射凹面鏡42に入射する強度の約50％の強度
で反射することができる。更に、コレステリック液晶エ
レメント44により反射されるイメージは、該コレステリ
ック液晶エレメント44に入射する直前のイメージの強度
の約89％の強度で反射される。同様に、このコレステリ
ック液晶エレメント44は、該コレステリック液晶エレメ
ントに入射するイメージの強度の約89％の強度でイメー
ジを伝送する。
イメージ発生源34（又は外部環境すなわち外部イメー
ジ32）と光学視準装置30の観察者Ｏとの間のイメージの
強度の数値的低減率は、各光学コンポーネンツの伝達率
の積として求めることができ、外部イメージ32について
は、ほぼ、（50％）（50％）（89％）＝22.25％とな
り、イメージ発生源34により発生されるイメージについ
ては、ほぼ、 （50％）（50％）（50％）（89％）（50％）（89％）＝
4.95％ となる。従来の光学視準装置の伝達率は、外部イメージ
について約6.25％であり、発生されたイメージについて
約0.78％であることから、本発明による光学視準装置30
についての上記数値と比較すれば、本発明の装置の長所
が明らかになるであろう。本発明によるこの伝達率の向
上の意味するところは、外部イメージ32については、観
察者Ｏがより明瞭にこの外部イメージ32を視認できると
いうことであり、発生されたイメージについては、従来
の装置と同程度の鮮明度（ビジビリティ）を得るには、
イメージ発生源34をより小さな電力で発光させればよい
こと、又は、本発明の装置30のイメージ発生源34を従来
の装置のイメージ発生源と同じ電力で発光させるものと
すれば、発生されたイメージは、従来の装置により発生
されたイメージよりも強度及び明るさにおいて優れたも
のとなるということである。
一般に、本発明が関連する当業者は、本発明の精神及
び範囲から逸脱することなく、本発明の構造上の多くの
変更及び本発明の実施例及び用途の広範囲な変更を行う
ことができるであろう。例えば本発明の装置は、イメー
ジ発生源により発生されたイメージを視準する、飛行シ
ミュレータ又はこれと同様な装置に使用することができ
る。第３図に示すように、本発明の別の実施例に基づく
光学視準装置50は、イメージ発生源52と、円偏光フィル
タ54と、半反射凹面鏡56と、コレステリック液晶エレメ
ント58とで構成されている。コレステリック液晶エレメ
ント58の反射のバンド幅Ｂ内でイメージ発生源52によっ
て発生されたイメージは、コレステリック液晶エレメン
ト58の反射のロータリセンスと同じロータリセンスで伝
達される。イメージは半反射凹面鏡56を通ってコレステ
リック液晶エレメント58に伝送され、該コレステリック
液晶エレメント58はイメージを半反射凹面鏡56の凹面側
に向けて反射し、更に該半反射凹面鏡56の凹面によって
イメージはコレステリック液晶エレメント58に向けて反
射され、最後にコレステリック液晶エレメント58は視準
されたイメージを観察者Ｏに伝送する。この実施例にお
いては、装置の配置に応じて、トランスミッタ／コンバ
イナ（図示せず）を使用するか否かは任意である。
更に、コレステリック液晶エレメントは、540nm以外
の波長に中心をもつ最大反射のバンド幅が得られるよう
に、その組成を定めることができる。また、このバンド
幅の近くでの最大反射のバンド幅を、コレステリック液
晶エレメントの組成の関数として変化できるように構成
することもできる。
また、本発明の各コンポーネンツの物理的構成を、特
定の結果が得られるように変えてもよい。例えば、コレ
ステリック液晶エレメントの特性に基づいて第４図に示
すように、最大反射の波長が入射角に応答するように
（すなわち、入射角が増大するにつれて最大反射の波長
が、より短い波長の方にシフトするように）構成するこ
とができる。直角に入射する光に対するコレステリック
液晶エレメントの最大反射の波長は、非直角で入射する
光についての短波長側へのシフトを補償すべく増加させ
ることができる。
第5a図及び第5b図に示すコレステリック液晶エレメン
トの他の特性は、入射角αｉと反射角αｒとの間の分離
が、コレステリック層のヘリカル軸線の傾斜の関数にな
っていることである。このヘリカル軸線が、コレステリ
ック液晶エレメントの表面に対する法線から離れる方向
に傾斜するに従って、分離は小さくなる。これにより、
反射されたイメージの、観察者Ｏの視線上での位置決め
は、イメージ発生源の位置決めとは異なり、コレステリ
ック液晶エレメントの組成によって制御することができ
る。
以上説明した実施例は純粋に例示のためのものであ
り、本発明の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による光学視準装置の１つの実施例で
あり、ヘッドアップ・ディスプレイモード又はイメージ
結合ディスプレイモードで使用できるように構成された
光学視準装置を示すものである。 第2a図は、RHCPのグリーン光線を反射するコレステリッ
ク液晶エレメントの伝達特性を示すものである。 第2b図は、コレステリック液晶エレメントの伝達効率及
び偏光効率を示すグラフである。 第３図は、本発明による光学視準装置の別の実施例を示
すものである。 第４図は、入射角に対する最大反射の波長の応答を示す
グラフである。 第5a図及び第5b図は、それぞれ、ヘリカル軸線が傾斜し
ていない場合と傾斜している場合とについて、コレステ
リック液晶エレメントからの反射角の偏りを示すもので
ある。 30、50……光学視準装置、 32……外部イメージ、 34、52……イメージ発生源、 36……焦点光学系、 38、54……円偏光フィルタ、 40……トランスミッタ／コンバイナ、 42、56……半反射凹面鏡、 44、58……コレステリック液晶エレメント。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 27/02

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】観察者から無限遠の距離又は無限遠より近
    い距離にイメージを合焦させる光学視準装置において、 円偏光フィルタと、 半反射凹面鏡と、さらに コレステリック液晶エレメントとを包含し、 イメージが、上記円偏光フィルタを介して伝送され、第
    １回転偏光のイメージを上記コレステリック液晶エレメ
    ント上に投影し、上記第１回転偏光を反転させるために
    上記半反射凹面鏡に向けて反射し、上記コレステリック
    液晶エレメントによって観察者に伝送されることを特徴
    とする光学視準装置。
  2. 【請求項２】観察者から無限遠の距離又は無限遠より近
    い距離にイメージを合焦させ、合焦したイメージを外部
    イメージに結合する光学視準装置において、 コレステリック液晶エレメントと、 上記外部イメージを受けて観察者の視線に伝送するため
    の半反射凹面鏡と、 円偏光フィルタと、さらに イメージを上記円偏光フィルタを介して上記コレステリ
    ック液晶エレメントに投影し、そこで上記半反射凹面鏡
    に向けて反射し、それによって反射して上記コレステリ
    ック液晶エレメントを介して伝送して観察者の視線に入
    れて外部イメージと結合するためのイメージ発生源と を有することを特徴とする光学視準装置。
  3. 【請求項３】上記円偏光フィルタからイメージを受取
    り、上記半反射凹面鏡に伝送して外部イメージと結合す
    るためのトランスミッタ／コンバイナを包含し、該トラ
    ンスミッタ／コンバイナは上記円偏光フィルタからのイ
    メージを反射して上記半反射凹面鏡を介して上記コレス
    テリック液晶エレメントに伝達するように配置されてい
    ることを特徴とする請求項２に記載の光学視準装置。
  4. 【請求項４】上記イメージ発生源が、単色陰極線管、及
    び該単色陰極線管によって形成されたイメージを合焦す
    るための合焦光学系を包含し、上記円偏光フィルタが上
    記単色陰極線管によって形成されたイメージを第１回転
    偏光のイメージとして上記コレステリック液晶エレメン
    ト上に投影することを特徴とする請求項２に記載の光学
    視準装置。
  5. 【請求項５】観察者から無限遠の距離又は無限遠より近
    い距離にイメージを視準させ、上記イメージを観察者の
    視認平面の視線上に位置決めする光学視準方法におい
    て、 イメージを発生させ、発生されたイメージを観察者の視
    認平面の視線上に配置されたトランスミッタ／コンバイ
    ナ上に投影し、前記トランスミッタ／コンバイナは、前
    記投影されたイメージを観察者の視線上のイメージと結
    合するコンバイナとして作用し、上記発生されたイメー
    ジと観察者の視認平面の視線上の上記イメージとのイメ
    ージ結合を半反射凹面鏡に伝送し、該学反射凹面鏡が上
    記イメージ結合をコレステリック液晶エレメントに伝送
    し、該コレステリック液晶エレメントが、観察者の視認
    平面の上記視線上の上記イメージの第１部分を含む上記
    イメージ結合の第１部分を観察者に伝送し、上記コレス
    テリック液晶エレメントが、上記発生されたイメージと
    一緒に観察者の上記視線上に上記イメージの第２部分を
    含む上記イメージ結合の第２部分を上記半反射凹面鏡に
    向けて反射し、該学反射凹面鏡が、上記イメージ結合の
    第２部分を上記コレステリック液晶エレメントに向けて
    反射し、該コレステリック液晶エレメントが上記イメー
    ジ結合の上記第２部分を観察者に伝送することを特徴と
    する光学視準方法。
JP63194300A 1987-08-03 1988-08-03 光学視準装置及び光学視準方法 Expired - Lifetime JP2905486B2 (ja)

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US080739 1987-08-03

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JPH01126620A JPH01126620A (ja) 1989-05-18
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US (1) US4859031A (ja)
EP (1) EP0302619A3 (ja)
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CA (1) CA1313914C (ja)
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