JPH079488B2 - 高いコントラストの放射状光ファイバ拡散フェースプレート - Google Patents

高いコントラストの放射状光ファイバ拡散フェースプレート

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JPH079488B2
JPH079488B2 JP1223344A JP22334489A JPH079488B2 JP H079488 B2 JPH079488 B2 JP H079488B2 JP 1223344 A JP1223344 A JP 1223344A JP 22334489 A JP22334489 A JP 22334489A JP H079488 B2 JPH079488 B2 JP H079488B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は光表示装置に関するものであり、特に通常の
高利得またはホログラフ拡散スクリーンと関連した光フ
ァイバフェイスプレートに関するものである。
［従来の技術］ 光ファイバフェイスプレートはホログラフ拡散スクリー
ンと関連して使用されている。その一例は米国特許第4,
586,781号明細書に開示されている。しかしながらフィ
ールドレンズが典型的に第1A図および第1B図に示すよう
に出口瞳孔に拡散された光を導くようにフェイスプレー
トの後方に付加される。ホログラフフィルム22（例えば
２色性のゼラチンフィルム）を有する拡散スクリーン20
は光ファイバフェイスプレート24およびフィールド凸レ
ンズ26と共に組立てられている。湾曲した表面27を有す
るフィールド凸レンズ26は出口瞳孔に太陽光を反射させ
てスクリーンの一部を見えなくする可能性を高める。太
陽光反射は出口瞳孔に面するレンズ26の湾曲した表面27
（第1A図）、或いはフェイスプレート24に面するレンズ
26の湾曲した表面27（第1A図）、或いはフェイスプレー
ト24に面するレンズ26の湾曲した表面27（第1B図）によ
って生じる。太陽光反射の問題を最小にする唯一の方法
はスクリーン24の後方に湾曲した表面を設けないことで
ある。
［発明の解決すべき課題］ それ故、この発明の目的は、拡散ホログラフ光学装置の
出口瞳孔の外部の周囲環境からの光を吸収し、光学装置
によって生成された画像の観察を妨害する太陽光反射可
能性を増加させることなくコントラストを改善する光学
装置中で使用される光ファイバフェイスプレートを提供
することである。
［課題解決のための手段］ この発明の光ファイバフェイスプレートは、予め定めら
れた方向から特定の点に入射する光ビームを出口瞳孔に
向かって回折させる手段を備えている拡散ホログラフ光
学素子と、光吸収物質で外周を囲まれた複数の光ファイ
バより構成され、出口瞳孔に面するほぼ平坦な第１の表
面とこの第１の表面にほぼ平行な反対側の第２の平坦な
表面とを有している光ファイバフェイスプレートとを具
備し、この光ファイバフェイスプレートは回折された光
がそれを通過するように前記拡散ホログラフ光学素子に
対して位置を定められ、出口瞳孔は前記フェイスプレー
トから予め定められた距離に位置された点を中心点と
し、前記光ファイバはその光軸がこの中心点から伸び出
ている対応する半径に沿ってそれぞれ整列するように方
向が定められており、出口瞳孔の外部から前記平坦な外
面に入射する周囲光は前記光吸収物質によって実質上吸
収されてそれによりコントラストが強調されることを特
徴とする。
放射状の光ファイバフェイスプレートの特に有利な点
は、予め定められた出口瞳孔の外部からの周囲環境の光
がフェイスプレートの各光ファイバを囲んでいる光吸収
物質によって実質上吸収され、それによってコントラス
トが増加されることである。
放射状の光ファイバフェイスプレートはコントラストを
増加させるために光学的表示装置において有効に使用さ
れる。フェイスプレートの開口数を減少することによっ
て、表示装置の出口瞳孔は所望の観察ボックスの外側の
周囲環境の効果を何等拒否することなく、表示のために
所望の観察ボックスまたは区域に整合するように減少さ
せることができる。そのような光学装置の特定の応用は
航空機コックピットで使用される（例えば10,000cfの周
囲光強度）高いコントラストと高い読取り能力を有する
ように背面反射の低い高利得ホログラフ拡散スクリーン
を使用するカラー投影液晶表示装置である。
この発明はまた平行な光ファイバを有する通常のフェイ
スプレートから放射状の光ファイバフェイスプレートを
製造する方法を含む。
［実施例］ この発明は光ファイバの光学軸がそれぞれ予め定められ
た出口瞳孔へ向かうように方向を定められている放射状
の光ファイバフェイスプレートを提供する。ホログラフ
拡散スクリーンを含む光学装置中で使用されるとき、放
射状の光ファイバフェイスプレートは画像を生成する光
を出口瞳孔の方向へ導き、一方実質上全ての外部周囲光
を吸収する。これはコントラストを増加させ、実質上太
陽光反射による観察妨害の可能性を減少する。
第２図を参照すると、放射状の光ファイバフェイスプレ
ートを使用する光学装置の好ましい実施例が示されてい
る。光学装置40は投影レンズ52のレンズ絞り孔50を通っ
て表示源51の光を受ける。光学装置40はフィールドレン
ズ42、拡散ホログラフ層またはスクリーン44、および放
射状の光ファイバフェイスプレート46を備えている。フ
ェイスプレート46はそれぞれ平坦な表面46aおよび46bを
有しており、それらはこの実施例では互いに平行であ
る。表面46bは拡散スクリーン44に隣接しており、外部
表面46aは光学装置40の出口瞳孔に面している。フェイ
スプレート46は複数の顕微鏡的な太さの光ファイバ、例
えば光ファイバ47乃至49を具備し、それらは熱および接
着プロセスによって互いに固定されている。光ファイバ
間の光吸収材料は通常の光ファイバフェイスプレートと
同様に各光ファイバを囲んでいる。各光ファイバに入る
光が光ファイバの中心軸に対して十分に小さな角度であ
ると、光は光ファイバとそれを囲む材料との境界面の反
復的な全反射によって光ファイバ中を伝播し、一方急峻
な角度で光ファイバに入る光は部分的に境界面を通過し
て迅速に消滅する部分的反射光線を生じる。
第３図はフェイスプレート46の一部の拡大図であり、中
央の光ファイバ48とそれを囲む光ファイバを詳細に示し
ており、光ファイバの放射状の様子は説明のために誇張
して示されている。光吸収材料は光ファイバ間の材料48
bとして示されている。フェイスプレート46を構成する
光ファイバの光学軸は、光ファイバを通過する屈折され
た光が光学装置の予め定められた出口瞳孔に向けられる
ようにそれぞれ方向を定められている。したがって例示
された光ファイバ47乃至49の軸47a乃至47c（第２図）は
出口瞳孔に向いており、ここでは出口瞳孔が位置してい
る媒体と光ファイバ媒体との間の屈折率変化の屈折効果
を無視している。
放射状の光ファイバフェイスプレート46は、出口瞳孔の
外部からの周囲光を拡散層44に入る前に吸収することに
よってフェイスプレート46のコントラスト強調を増加さ
せる利点を有する。フェイスプレート46の開口数を低く
することによって、出口瞳孔は第４図に示すように所望
の観察ボックスの外側の周囲環境の効果を何等拒否する
ことなく、表示のために所望の観察ボックスまたは区域
に整合するように減少させることができる。放射状の光
ファイバフェイスプレート46の厚さは比較的薄くされる
ことができ、そのため光学装置40に対する顕著な深さの
増加はない。
第４図は、この発明による放射状の光ファイバフェイス
プレートの使用によって得られる利点を示す。前記第1A
図や第1B図に示されるような従来技術の光ファイバフェ
イスプレートを例えば航空機のコックピット等のような
太陽光の直射を受ける可能性が高い場所で使用される表
示装置の拡散ホログラフ光学装置に対して使用すれば、
コントラストを大きく低下させて画像の認識を困難にす
る。一方、この発明においては前記のようにフェイスプ
レートを構成している各光ファイバ素子が出口瞳孔に導
かれるように放射状に配置されているので第４図に示さ
れるように周囲光は出口瞳孔に到達することはなくコン
トラストを大きく増加させることができる。
このような放射状の光ファイバフェイスプレートを製造
するために、平行な光ファイバを有する通常の光ファイ
バフェイスプレートが軟化温度に加熱され、特定の球面
半径のマンドレル上に置かれる。冷却後、湾曲したフェ
イスプレートから平坦なフェイスプレートが切り出さ
れ、研磨され、それにおいて光ファイバは球面状工具の
中心を向いている。この放射状の光ファイバフェイスプ
レートは、第２図乃至第４図に示すように観察者に向か
って拡散された光を導くスクリーンを生成するために、
ホログラフ拡散スクリーンと一体に構成することができ
る。
製造技術は第6A図乃至第6D図に示されている。図を参照
すると十分な厚さおよび大きさを有する光ファイバフェ
イスプレートの未加工板70が準備され、その光ファイバ
の公称軸、例えば軸72は観察軸と同じか、或いは観察軸
に対して少し傾斜している。フェイスプレートの未加工
板70の寸法は、マンドレル上に置かれて垂れ下がった状
態で冷却した後の最終の切り出した部片の寸法が表示設
計によって要求されるようなものでなければならない。
未加工板70はその軟化温度に到達するまで炉中で注意深
く加熱される。温度は使用されるフェイスプレート材料
の特定の組成にしたがって選択され、フェイスプレート
材料の溶融温度に達しないように監視される。加熱され
たフェイスプレートの未加工板70は同じ温度に加熱され
ている球面状の金属のマンドレル74の頂部に置かれる。
（第6B図参照）。マンドレル74の曲率は表示装置設計に
よって要求される出口瞳孔の寸法および位置にしたがっ
て選択される。フェイスプレートの未加工板70はマンド
レル74の球状表面の形状に合致した形態になるまでマン
ドレル74上に垂れ下がることを可能にする。必要な垂れ
下がりは大きくはなく（以下の例に示される）、光ファ
イバの軸は球面状マンドレル74の半径に沿った方向に向
けられなければならず、それによって放射状の光ファイ
バの効果が生じる。垂れ下がったフェイスプレートの未
加工板70bおよびマンドレル74はそれらが室温に戻され
るまでゆっくりと冷却されることを可能にし、室温に冷
却された時点で第6B図に示されるような湾曲したフェイ
スプレート71bはアンドレル74から取り外される。
湾曲したフェイスプレート70bの中央部分の平坦な板状
部分75が設計の仕様にしたがって切り出される。物理的
に平坦な板状部分75は研磨され、光学的仕上げに磨かれ
る。得られた平坦な板75aは放射状の光ファイバフェイ
スプレート素子となり、それは放射状の光ファイバフェ
イスプレートを使用する光学装置中に集積することがで
きる。
この発明を使用する光学装置の特定の例として第５図に
示すような24インチの距離から観察する6.4インチ×4.8
インチの拡散スクリーンが放射状の光ファイバフェイス
プレートを使用して有効に構成される。このスクリーン
の対角線の長さは８インチであり、それ故スクリーンの
コーナーは正常の観察位置で光学軸と次の角度をなす。
tan-1（４″/24″）＝9.5゜ フェイスプレートは典型的には約1.5の屈折率を有して
いるから、このコーナーの光ファイバの角度は光ファイ
バを出て行く主光線が9.5゜の角度となるように調整さ
れる。それ故スネルの法則（snell）によって光フアイ
バ軸は次の角度でなければならない。
sin-1［sin（9.5）/1.5］＝6.3゜ この角度はフェイスプレートから次の距離で光学軸と交
差する。
４″/tan（6.3゜）＝36.2″ それ故放射状の光ファイバフェイスプレートは36.2イン
チの半径を有する球状マンドレル上に垂れ下がったフェ
イスプレートから製作されなければならない。
この半径において未加工フェイスプレートはそのもとの
平坦な状態から端部において0.22インチ垂れ下がる。完
成されたフェイスプレートの厚さは周囲光を適切に吸収
するために0.25インチでなければならず、フェイスプレ
ートの未加工板は少なくとも最初に0.47インチの厚さを
有していなければならない。これらの数値は市販の供給
源（例えばIncom,Inc.マサチューセッツ州サウスブリッ
ジ）から容易に入手できる製造されたフェイスプレート
と一致している。
もしもこのようなフェイスプレートが後方から投影され
るスクリーンのような拡散層として使用されるならば、
輝度の全体の均一性が増加される。例えば粒度15の拡散
ガラス（オハイオ州シンシナチ、ウィリアムソンロード
のDa-Liteスクリーン社の＃LS85）を全ての光ファイバ
がその光学軸に平行な（第２図参照）通常の光ファイバ
フェイスプレートの背面に取り付けられるならば、スク
リーンの中心とコーナーの間に利得の変化が生じる。光
学軸上の正常な位置で観察するとき、中央における利得
は15であるが、コーナーではスクリーン利得軸に対して
9.5度の角度をなし、利得は７に低下する。放射状光フ
ァイバフェイスプレートを使用することによって、コー
ナーにおける利得は中央と同じ15になる。それは光ファ
イバから出る主光線が全て正常の観察位置を向いている
からである（第２図参照）。この方法は他の方法で可能
であるよりも光学拡散スクリーンの粒子による屈折を許
容する。
0.35の開口数によって、24インチにおける領域を見る大
きさまたは出口瞳孔は直径18インチである。それ故この
18インチ観察領域の外側からの周囲光は放射状光ファイ
バフェイスプレートによって吸収される。もっと低い開
口数のフェイスプレートに対してはこの大きさはさらに
減少される。
インコム社（Incom Inc.）によって市販されているモデ
ル35NAフェイスプレート材料の通常のフェイスプレート
から放射状光ファイバフェイスプレートを製作するため
に、一例として以下の処理が使用されることが理解され
るであろう。それぞれ適当な半径の曲率を有し、一方は
凸面であり他方は凹面である２個の鋳鉄ラップまたはマ
ンドレルが製作された。
凸面から上方を向いたマンドレルが炉中に配置された。
軟化により垂れ下がる通常の光ファイバフェイスプレー
トがこのマンドレルの上に置かれた。凹面のマンドレル
がその凹面を下に向けてフェイスプレートの上面に置か
れた。
炉は1120゜Fに加熱され、その温度に４時間維持され
た。この期間にフェイスプレートは軟化して凸面のマン
ドレル上に垂れ下がった。炉はそれから加熱を停止さ
れ、全体は８時間の期間でゆっくりと室温間で冷却され
た。冷却された垂れ下がって湾曲したフェイスプレート
はそれから２個のマンドレルから取り外された。第6C図
に75で示したような平坦な部分の切り出しが行われ、研
磨されて第6D図に示された平坦な放射状光ファイバフェ
イスプレート75aが得られた。
上記の実施例はこの発明の原理を示す可能な実施例を単
に例示として示したものに過ぎないことを理解すべきで
ある。当業者にはこの発明の技術的範囲を逸脱すること
なくその他の構成も容易に考えられるであろう。
【図面の簡単な説明】
第1A図および第1B図は、拡散スクリーン、通常の光ファ
イバフェイスプレートおよびフィールドレンズを備えた
光学装置の簡略図である。 第２図は、この発明を使用する光学装置の好ましい実施
例を示す。 第３図は、第２図の光学装置を構成する光ファイバフェ
イスプレートの一部の拡大した詳細図である。 第４図は、第３図の光学装置で使用される放射状の光フ
ァイバフェイスプレートのコントラスト増加能力の説明
図である。 第５図は、本発明の放射状の光ファイバフェイスプレー
トを使用する拡散スクリーンの概略斜視図である。 第6A図乃至第6D図は、この発明による放射状の光ファイ
バフェイスプレートを製造するための一般的な製造段階
を示している。 44……拡散ホログラフスクリーン、46……光ファイバフ
ェイスプレート、47,48,49……光ファイバ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】予め定められた方向から特定の点に入射す
    る光ビームを出口瞳孔に向かって回折させる手段を備え
    ている拡散ホログラフ光学素子と、 光吸収物質で外周を囲まれた複数の光ファイバより構成
    され、出口瞳孔に面するほぼ平坦な第１の表面とこの第
    １の表面にほぼ平行な反対側の第２の平坦な表面とを有
    している光ファイバフェイスプレートとを具備し、 この光ファイバフェイスプレートは回折された光がそれ
    を通過するように前記拡散ホログラフ光学素子に対して
    位置を定められ、 出口瞳孔は前記フェイスプレートから予め定められた距
    離に位置された点を中心点とし、前記光ファイバはその
    光軸がこの中心点から伸び出ている対応する半径に沿っ
    てそれぞれ整列するように方向が定められており、出口
    瞳孔の外部から前記平坦な外面に入射する周囲光は前記
    光吸収物質によって実質上吸収されてそれによりコント
    ラストが強調されることを特徴とする光学装置。
JP1223344A 1988-09-01 1989-08-31 高いコントラストの放射状光ファイバ拡散フェースプレート Expired - Lifetime JPH079488B2 (ja)

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US07/239,250 US4904049A (en) 1988-09-01 1988-09-01 High-contrast fiber optic diffusion faceplate with radiused fibers
US239,250 1988-09-01

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JPH02108006A JPH02108006A (ja) 1990-04-19
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EP (1) EP0357070B1 (ja)
JP (1) JPH079488B2 (ja)
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DK (1) DK171003B1 (ja)
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