JPH05150712A - 旋回可能な投射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 背景中の注視領域を簡単に効率よく動かすこ
とができる旋回可能な投射装置を提供する。 【構成】 背景投射器でスクリーンに低解像度の像を投
射しておき、その一部にＡＯＩ挿入投射器からの高解像
度の像を挿入するようにしたものである。双方からの像
をプリズムで合成させ、その合成像を投射部から投射す
るが、その合成部と投射部との間を光ファイバで接続し
た。またＡＯＩ挿入投射器からプリズムまでの間の途中
に設けたフィルタまでも光ファイバで接続し、その光フ
ァイバとフィルタとが一緒に動くようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコンピュータイメージ発
生（ＣＩＧ）表示装置に関するものであり、とくに、光
ファイバ素子を利用する新規な表示装置に関するもので
ある。本発明は、フライトシュミレータ用のドーム状表
示装置に適した表示装置であって、ドーム状のスクリー
ンに低解像の像を表示しておき、訓練者の視野の部分に
相当する部分，注視領域（ａｒｅａ−ｏｆ−ｉｎｔｅｒ
ｅｓｔ，ＡＯＩ）を高解像の像として表示するようにし
たものに利用するのに適している。

【０００２】

【従来の技術】利用する人の視線方向の高解像力の領域
が、解像力のより低い背景像の一部分に挿入されて表示
されるような注視領域表示装置を使用することは周知で
ある。この技術が、本願出願人が所有する米国特許第
４，６３４，３８４号、および第４，７１４，４２８号
に記載されている。後者はＣＩＧ装置において歪みを修
正する方法が開示されている。米国特許第４，６３４，
３８４号には光学組立体を有する旋回可能な投射装置が
開示されている。その光学組立体においては、像回転、
方位および高度（エレベーション）回転，多重焦点合わ
せ，像組み合わせ，フィールドおよびリレーのために利
用される各種のプリズムが比較的複雑なレンズ群に組み
込まれる。米国特許第４，６３４，３８４号にはとくに
示されてはいないが、いくつかの環境要因（動き、温
度、震動等）のかなり広い範囲にわたって高い位置安定
度で強固な光学要素を保持および維持する比較的複雑な
機械的組立体が要求されることを当業者は容易に理解さ
れるであろう。この強固な光学的投射装置の価格を低減
し、構成を簡単にすることが非常に望ましい。また、多
重像モザイク、ダイナミック像オーバレイ等のような付
加的なイメージング装置を付け加えることができること
も非常に望ましい。とくに、その付加的な装置がコスト
を低くすること、および構成を簡単にすることが同時に
行われるならば、とくにそうである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、少な
くとも１つの光ファイバ要素を用いて、改良した旋回可
能なＡＯＩ ＣＩＧ表示装置を得ることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、比較的高い解
像力の対象とする領域（ＡＯＩ）のシーンを有し、この
ＡＯＩシーンは、その部分の面積より広い面積を有する
比較的低い解像力の視野（ＦＯＶ）のシーンへ挿入され
て、それの一部として表示されるような旋回可能な投射
装置である。この装置は低解像力の背景像を供給する少
なくとも１つの手段と、高解像力のＡＯＩ像を供給する
少なくとも１つの手段と、低解像力像と高解像力像とを
組み合わせる手段と、その組み合わされた像を見る領域
へ投射する手段と、前記供給する手段および投射手段の
少なくとも一つと前記組み合わせ手段とを相互に接続す
る光ファイバ手段とを含む。

【０００５】ここで説明する実施例においては、高い投
射旋回速度と加速度を実現でき、かつ、像の回転停止と
ピント合わせの少なくとも１つに関連する強固光学装置
をなくすことができるように、光ファイバ要素が組み合
わせ手段と投射手段とを切り離す。別の光ファイバ要素
が、投射装置その他の高重量のサブアセンブリを動かす
ことなしに、背景シーンの全領域にわたって任意の選択
領域に注視領域を動かすことができる装置を提供するも
のである。別の光ファイバ要素はダイナミックな像の挿
入および類似の利点を容易に達成できる。

【０００６】

【実施例】（前記米国特許第４，６３４，３８４号の図
３に示されている組立体４０に多少類似する）表示源お
よびサーボ／光学的組立体すなわち装置１０が示されて
いる図１をまず参照する。この装置１０は背景投射器１
１と、この背景投射器の投射レンズ１１ａから投射され
た比較的低解像力の像に挿入される高解像力の区域の像
を形成する注視領域（ＡＯＩ）投射器１２とを含む。ビ
ーム分割器のような光学的組み合わせ手段１４が、背景
照明をレンズ１１ａから受け、注視領域の照明を投射器
レンズ１２ａから受け、レンズ等のような共通の中継手
段１６を介して、混ぜ合わされた照明をサーボ制御され
る光学手段１８へ供給する。この光学手段１８は投射レ
ンズ手段１９をハウジンング１９ａの内部に含む。その
ハウジングは、上下駆動／検出手段２０ａにより旋回お
よび上下に（矢印Ａで示すように）動かされ、方位駆動
／検出手段２０ｂにより（矢印Ｂで示すように、図が描
かれている紙面に入ったり、紙面から出る）方位方向に
動かされて、組み合わされたシーンを見ることができる
スクリーン等の区域へ投射する。

【０００７】本発明の一実施例では、ビーム分割器すな
わち光学的組み合わせ手段１４からの組み合わされた像
がレンズ手段１６により、光ファイバ要素２２の入力面
２２ａへ中継される。像はたわみ光ファイバ要素２２に
沿って送られ、それの出力部２２ｂからレンズ手段１９
により投射される。光ファイバ要素２２は光ファイバの
２２ｆの束を有する。各光ファイバは第１のファイリン
グ手段２２ｃにより保持され、かつ位置させられる。各
光ファイバ２２ｆは末端部２２ｄも有する。この末端部
は投射ハウジング１９ａの穴１９ｂを通り（かつ、弾性
ワッシャ等によりそれから緩衝できる）、出口面２２ｂ
において終端する。別のクランプ手段２２ｅが光ファイ
バの末端部をその相互の位置関係をほぼ永久的に固定す
る。入口面２２ａへ投射されたイメージ照明は、光ファ
イバ要素２２のたわみ性のために、光学手段１８が上下
および方位のあらゆる組み合わせにわたって旋回させら
れるとしても、出口面２２ｂから放射されることがわか
るであろう。そのたわみ光ファイバ要素２２はそれの長
手方向に沿って最少の機械的支持を必要とし、ビーム分
割器と投射レンズの間に通常必要とされる、前記米国特
許第４，６３４，３８４号の図３に示されているような
フォールド鏡（ｆｏｌｄ ｍｉｒｒｒｏｒ）６２と半角
鏡（ｈａｌｆ−ａｎｇｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）６４のよう
な、精密光学要素の必要性を実効的になくす。

【０００８】従来の装置は、サーボ制御される光学装置
の旋回によりひき起こされる像回転を除するために、
（前記米国特許第４，６３４，３８４号の光学要素６０
および図３に示されている）回転阻止プリズムを必要と
していた。この比較的高価な光学装置と、それに要求さ
れる精密装着組立体は本発明の新規なＡＯＩ装置では必
要とされない。固定リング２２ｅ内の光ファイバ要素の
末端部２２ｄを、出口面２２ｂ内の光ファイバ要素の軸
を中心として矢印Ｃの向きに回転させること、したがっ
て入口面２２ａにおけるイメージ入力の向きに関して、
出力イメージの向きを回転させることを希望するものと
すると、（複数の部分、たとえば一対の回転ＤＲ／ＳＮ
Ｓ部分２４ａ，２４ｂと一体、またはそれらを有するこ
とができる）回転駆動／検出手段１４を設けることがで
きる。像回転特性が図２に更に示されている。この図に
は矢印Ｗ−Ｗ（光ファイバ要素の出口面２２ｂへ向か
う）の方向の絵が示されている。個々の光ファイバ要素
２２ｆの直径が非常に短いから図示していない。コヒー
レントなイメージを送るために、各要素「ケーブル」２
２においてそれらの光ファイバ要素が多数（少なくとも
数千本）が組み合わされる。光ファイバ要素の横断面を
円形または入口／出口面構成として示してあるが、他の
対称的または非対称的な形を等しく利用できることを理
解すべきである。特定の用途のために選択された横断面
の形とは無関係に、入口面２２ａへ供給された照明が頭
を上に垂直の向き（矢印２２ａ’により示されているよ
うに）を有するものとすると、末端固定リング２２ｅが
回転することにより、出口面２２ｂの照明は、入力およ
び照明の向き（入力矢印２２ａ’と同一のイメージ矢印
２２ｂ’により示されているように）と正確に同じ向
き、またはある回転の向き（回転された矢印２２ｂ''、
２２ｂ'''、２２ｂ''''等で示すように）を持たせられ
る。したがって、回転駆動／検出手段２４が０の向き
（矢印２２ｂ’で表されている）に対してもともとイン
デックスされるものとすると、第１の選択された向き
（たとえば時計回りで３０度）にいくらか回転させるこ
とにより、入力情報２２ａ’が回転させられた出力情報
２２ｂ''として出力させられる。それ以上回転すると
（たとえば、時計回りに合計９０度）入力情報２２ａ’
が別の出力の向き２２ｂ''' で出力させられる。総回転
量（要求があれば少なくとも３６０度）は特定の用途に
より決定される。

【０００９】本発明はさらに投射のピント合わせがピン
ト合わせ手段２６を用いて行われるようになっている。
ピント合わせは投射レンズ手段１９から最も遠い第１の
限度位置２２ｂと、投射レンズ手段１９に最も近い第２
の限度位置２２ｂ’の間の希望の位置へ、光ファイバ要
素の末端面２２ｄを移動させることによって行われる。
ピント合わせ手段２６は、１つまたは複数のセンサ部品
２６ａ／２６ｂを有する焦点検出手段と、リング回転手
段２４およびそれに関連する光ファイバ要素保持リング
２２ｅ（光ファイバ要素の末端面２２ｄが取付けられて
いる）を、矢印Ｄの方向で、投射レンズ手段１９へ向か
って、または投射レンズ手段１９から離れる向きに動か
すための移動手段２６ｃとを有する。したがって、光フ
ァイバ移動手段２６は鏡または他の精密光学部品（投射
レンズ手段１９自体のような）を動かす必要もなけれ
ば、求められている光学手段１８全体を動かす必要もな
い。したがって、ピント合わせ手段２６は、ＡＯＩ Ｃ
ＩＧ表示装置において従来利用されているピント合わせ
手段より安価で、簡単にできる。

【００１０】本発明は光ファイバ要素２２が利用されな
いとしても、高解像力の視覚情報を比較的低い解像力の
シーンに挿入して、そのシーンに組み合わせる際の融通
性を一層高くするために有利に利用できる。前記米国特
許第４，６３４，３８４号に開示されているように、背
景照明は背景（ＢＧ）中間イメージフィルタを通され
る。そのイメージフィルタは、矢視Ｘ−Ｘ（図３ａ）に
示すように、映像の投射を阻止する領域３０ａの区域を
除き、十分に透明である。その領域３０ａは、その領域
に接近するにつれて透明度が減少する遷移領域３０ｂに
より囲まれていることが有利である。別の（ＡＯＩ）中
間イメージフィルタ３２は、矢視Ｙ−Ｙ（図３ｃ）中間
フィルタ３０の阻止領域３０ａとほぼ相補的な寸法およ
び形を有する十分に透明な区域３２ａを除き、ほぼ不透
明である。透明な区域３２ａは透明度がしだいに高くな
る遷移領域３２ｂにより囲まれる。その遷移領域３２ｂ
はしだいに不透明になる遷移領域３０ｂに対してほぼ相
補的である。ビーム分割器１４により組み合わされた像
中で領域３０ａの中心と領域３２ａの中心を一致させる
ことにより、不透明な領域３０ａは低解像力の背景シー
ンの該当する部分を取り除き、そこに高解像力のＡＯＩ
照明情報を挿入できる。この組み合わされて、合成され
た照明情報は装置１０の前述の部分により投射される。

【００１１】今までは、不透明な領域３０ａと透明な領
域３２ａは中間イメージフィルタ３０／３２のほぼ中心
にあり、それらのフィルタはビーム分割器１４に関して
位置が固定されていた。そのため動的に変化する合成さ
れた像を供給するためには光学的に合成された像は、装
置１０の像投射部分を、サーボにより追従されるやり方
で、旋回させていた。このように光学手段１８を動かす
ために利用される駆動装置（たとえば上下および方位駆
動／検出手段２０ａ／２０ｂ）は比較的大きな負担がか
かる。

【００１２】本発明は像の組み合わせを同様にして行う
が、比較的小さい相補領域（フィルタ３０の領域３０ａ
とフィルタ３２の領域３２ａ）だけを有する背景中間イ
メージフィルタ３０と挿入イメージフィルタ３０とを合
成並行駆動／検出手段３４により連係して動かされるよ
うにした。したがって、高解像力情報の区域を、たとえ
ばシーンの左上隅に移動するものとすると（ユーザーの
眼と頭がその左上隅へ回されたために）、光学手段１８
全体をそのように回さずに、単に背景イメージフィルタ
の不透明な領域３０ａを、合成並行駆動／検出手段３４
により左上隅へ動かして（図２ｂに示すように）、その
領域内の低解像力の情報を除去し、同時に高解像力イメ
ージフィルタ３２が、混合並行駆動／検出手段３４への
機械的連結によって矢印Ｅで示す同じ向きへ動かされそ
の透明な領域３２ａが対向するスクリーンの同じ部分の
中央へ動かされる。低解像力像の小さい部分の除去はイ
メージフィルタ３０の二次元運動により簡単に行うこと
ができるが、高解像力情報をその場所へ挿入すること
は、マスキングイメージフィルタ３２単独での単なる動
きだけでは行うことができないことがわかるであろう。
領域３２ａを通る高解像力情報の入力はそのスポットを
良く追跡せねばならない。

【００１３】したがって、レンズ手段１２ａを有するＡ
ＯＩ挿入投射器１２をマスク領域３２ａに関して固定さ
れている場所に置いたものでは、スポット追跡のため投
射器１２全体をフィルタ３２とともに並行移動させねば
ならない。しかし、本発明においては投射器１２を固定
することができる。そのために光ファイバ要素２８を用
い、その近端部２８ｂの入射面２８ａに投射レンズ１２
ａから照明出力を受けさせ、光ファイバ２８ｆを近端部
２８ｂと末端部２８ｃとの間をたわみ可能にし、その出
口面２８ｄをイメージマスク透明領域３２ａに対して適
切な固定場所に置き、保持手段３０によりそこに固定し
た。光ファイバ要素２８の近端部または挿入投射器１２
を動かすことなしに、光ファイバ要素２８の末端部の動
きだけで、フィルタ３２の透明な領域３２ａを挿入面内
の任意の場所（たとえば、ビーム分割器１４の底面への
入力面）へ、矢印Ｅで示されるように、移動させること
ができることがわかるであろう。したがって、挿入フィ
ルタ３２は光ファイバ要素２８の出口のイメージ面に固
定され、背景フィルタは組み合わせ光学装置の前段の中
間イメージ面に置かれる。挿入像は任意の方向へ動かす
ことができる（像平面と同じ平面内で）から、キースト
ーニングまたは倍率のような相対的な形状変化を受ける
ことなしに、像を背景シーン内で自由に動かすことがで
きる。このようにして、背景像マスクをそれ自身のイメ
ージ平面内で、挿入イメージと１対１のやり方で動かす
ことができる。

【００１４】この技術により行われる光学的合成は、背
景と、動いている間に起こる挿入マスクとの間の変位誤
差なく背景シーン全体にわたって動かすことができる。
マスクは比較的小さく、変位範囲は限られているから、
比較的簡単なサーボ制御により、比較的少ない費用で高
い確度を達成できる。マスクの相対的な変位はシステム
のユーザには知覚できないことがある。挿入機構が小型
で、変位することにより速度と加速度をより高くでき
る。とくに、従来のジンバル旋回投射光学装置と比較す
るとそうである。ここでは、組み合わされた背景視野／
挿入視野を頭の動きに追従する速度および加速度で一緒
に旋回させ、眼の動きに追従する速度および加速度で背
景に対して移動させられるような構成が好ましい。こう
することにより、現在の技術で達成されるものよりも高
い解像力の挿入速度および加速度を達成するという問題
に対して、コストの面で効果的な解決を図ることができ
る。領域３０ａ／３２ａと、周囲の遷移領域３０ｂ／３
２ｂが長円形で示されているが、他の形も等しく利用で
きることがわかるであろう。

【００１５】次に図４と図５を参照する。投射装置の一
部４０により、複数の投射器４１，４２，４３の少なく
とも１つからの多数のビデオ入力を組み合わせて解像力
を更に高くしたり、輝度を一層高くしたり、投射される
視野を広くしたりすることができるようにする。種々の
ソース（たとえばビデオチャネル）からの種々の情報を
含んでいるいくつかのイメージを組み合わせて、共通の
対物レンズへ出力するための、従来の光学的方法（たと
えば、ビーム分割器に組み合わされるマスク等）は知ら
れている。共通対物レンズに多数のイメージ出力を通す
ことが求められる従来の投射装置においては、各々１対
１のイメージ組み合わせに対して光学的処理効率は典型
的に５０％だけ低くなる。

【００１６】たとえば、標識「Ｊ」を形成するためのデ
ータは第１の投射器のデータ入力端子４１ａへ供給さ
れ、標識「Ｈ」を形成するためのデータは第２の投射器
のデータ入力端子４２ａへ供給され、標識「Ｍ」を形成
するためのデータは第３の投射器のデータ入力端子４３
ａへ供給される。Ｊ／Ｈ／Ｍ照明パターンはそれぞれの
投射器出力端子４１ａ／４２ａ／４３ａにおいて、それ
ぞれの光ファイア要素４５／４６／４７のそれぞれの入
力面４５ａ／４６ａ／４７ａへ供給される。第１の光フ
ァイバ要素４５は近端部４５ｂを有する。この近端部は
固定リング要素４５ｃにより保持されている。同様のや
り方で、光ファイバ要素４６，４７のそれぞれの近端部
４６ｂ，４７ｂは関連する固定リング要素４６ｃ，４７
ｃにより保持される。光ファイバ要素４５／４６／４７
のそれぞれの光ファイバ４５ｆ／４６ｆ／４７ｆは１本
の光ファイバ要素４８に組み合わされ、その光ファイバ
要素４８の末端部４８ａは部材４８ｂにより固定され
て、共通の光ファイバ要素端部４８ｃが組み合わされた
出力イメージを共通の対物レンズ手段５０へ供給するよ
うにする。

【００１７】光ファイバアレイの端部すなわち出力面４
８ｃが、ビーム分割器の使用を必要とすることなしに、
相互に隣接するチャネルイメージ４８ｃａ，４８ｃｂ，
４８ｃｃを供給するように（図４参照）、ここでは光フ
ァイバ要素のモザイクが製造される。入力イメージに対
して拡大される部分、たとえば中央部４８ｃｂ、を出力
イメージが持つことができることがわかるであろう。ま
た、少なくとも投射器（たとえば投射器４１，４２）の
出力を、関連する光ファイバ要素、たとえば４５，４６
によじることにより、空間的に回転させることができる
ことにも注目されたい。また、要求に応じて拡大、解像
力、輝度、視野の少なくとも１つの変化を行うために、
種々の映像部分を物理的に分離し、かつそれらの部分に
作用することができる。これは、光ファイバ要素の入力
近端部において、入口面（たとえば表面４５ａまたは４
６ａ）の形を種々の弧状に適当に形成することにより行
うことができる。

【００１８】この技術的思想は、対象とする領域投射装
置の見る領域の中央部に高解像力の像を集中でき、低解
像力の像を周縁部に置くことができる、可変鮮鋭度イメ
ージマッピングを得るために、更に拡張できる。通常、
投射器の直線的なラスタの態様では、高解像力像と低解
像力像の間の移行は段階的に行えるだけである。しか
し、光学装置の解像力が投射された視野を横切って放射
状に徐々に低下する場合に、ＡＯＩ投射装置のためのビ
デオ情報を最も効果的に使用できる。通常のハード光学
要素を用いて可変鮮鋭度レンズマッピングを行うことが
試みられたが、色収差が限られていること、照度が低下
すること、製作コストが高いことのために、結果は満足
できるものではなかった。独特で、歪んだ多数の出力フ
ォーマットを得ることができるように、製造中に光ファ
イバ要素４５〜４８を伸ばすこと、テーパーをつけるこ
と、よじること等の加工を施すことができる。また、研
削、エッチング等により入口面と出口面の少なくとも一
方を凹面、凸面またはそれらの複合面にして、光ファイ
バ要素において制御可能な鮮鋭度変化を行うこともでき
る。そのような光ファイバ要素を直接投射源へ結合する
ことにより、非直線出力イメージフォーマットを達成で
きる。ハード光学のやり方を用いる時に典型的に見られ
る色異常が出力イメージに生じないように、光ファイバ
要素は「零深さ」ウィンドウ（ｚｅｒｏ ｄｅｐｔｈ
ｗｉｎｄｏｗ）として作用する。したがって、光ファイ
バ要素の出口面に、きれいで、色補正されたイメージ面
が生じ、入口から出口への光ファイバの面積の変化に正
比例して照度は低下する。

【００１９】以上、本発明の好適な実施例のいくつかに
ついて説明したが、精密に維持および研磨されたハード
光学要素の代わりの光ファイバ要素を用いるイメージ投
射装置に対して多くの変更を行えることが当業者には明
らかになったであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＡＯＩ ＣＩＧ表示装置の応用可能な
部分の部分断面ブロック図である。

【図２】図１の装置における対象となる点において見る
ことができる像を示す線図である。

【図３】図１のＸ−Ｘ矢視（ａ），Ｙ−Ｙ矢視（ｂ）の
図である線図である。

【図４】複数の光ファイバ要素を有する多数のイメージ
モザイク組立体の使用を示す、本発明の別のＡＯＩ Ｃ
ＩＧ表示装置の一部の部分概略ブロック図である。

【図５】図４の装置において見ることができる光学的パ
ターンを示す図である。

【符号の説明】

１０ 表示源およびサーボ／光学組立体 １１ 背景投射器 １２ ＡＯＩ投射器 １４ 光学的組み合わせ手段 １８ サーボ制御光学手段 ２０ａ 上下駆動／検出手段 ２０ｂ 方位駆動／検出手段 ２２，２８ 光ファイバ要素 ２６ ピント合わせ手段 ３０ 背景中間イメージフィルタ ３２ ＡＯＩ中間イメージフィルタ ３４ 混合並行駆動／検出手段 ４１，４２，４３ 投射器

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年２月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 比較的低い解像力のシーンの視野部分内
   に挿入されて、そのシーンの部分とされる比較的高い解
   像力の注視領域（ＡＯＩ）シーンを有する旋回可能な投
   射装置において、 低解像力の像を供給する少なくとも１つの手段と、 高解像力の像を供給する少なくとも１つの手段と、 低解像力の像と高解像力の像とを組み合わせる手段と、 組み合わされた像を見る領域へ投射する手段と、 前記像を供給する手段と投射手段との少なくとも一つと
   像を組み合わせる手段とを相互に接続して、それらの間
   で像情報を通す少なくとも１つの光ファイバ手段と、を
   備える旋回可能な投射装置。