專利名稱：實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在本發(fā)明中，"回歸反射"是指，使反射光向入射光入射來 的方向反射(逆反射)的現(xiàn)象，入射光與反射光平行且成為相反方向。 在單位回歸反射元件充分小的情況下，可以視為入射光與反射光的路
徑重疊。將這樣的單位回歸反射元件的集合在本發(fā)明中稱為回歸反射 元件，但在該回歸反射元件中各單位回歸反射元件無需存在于同一面 上，各單位回歸反射元件也可以三維地分散。另外，本發(fā)明中的"半
透半反鏡，，是指，具備使光線透射的功能和反射的功能這兩個的部件， 優(yōu)選透射率與反射率成為大致1:1。特別在將回歸反射元件設(shè)為曲面的情況下，由于在任意場
所都可以使入射射出光角度相對元件的反射面接近垂直，所以可以良 好地維持元件中的反射率。在回歸反射元件中，具有在光線從相對元 件的反射面傾斜的方向入射時，反射率降低這樣的特征，例如在回歸 反射元件是平面的情況下，在元件的上部成為來自斜向的入射，所以 觀察的像變暗。另外，通過將回歸反射元件設(shè)為曲面并以包圍所成像 的實鏡影像的形式配置元件，可以確保非常寬的視角。另外，即使將 回歸反射元件設(shè)為曲面，只要構(gòu)成的各單位回歸反射元件可以正確地 進(jìn)行回歸反射，則像質(zhì)不會特別惡化，而可以自由地設(shè)計該曲面。另外，只要如上所述利用第一光路或第二光路中的至少一
個，則可以向相對半透半反鏡的面對稱的位置成像被投影物的實鏡影 像，所以將回歸反射元件僅配置在半透半反鏡的表面?zhèn)扰c背面?zhèn)戎械?某一個即可，在將回歸反射元件配置于半透半反鏡的表面?zhèn)鹊那闆r
下，利用第一光路來成像，在配置于背面?zhèn)鹊那闆r下利用第二光路來 成像。在希望利用兩個光路來得到更明了的實鏡影像的情況下，配置 在半透半反鏡的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)冗@兩個中即可。進(jìn)而，在半透半反鏡 的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)冗@兩個中配置回歸反射元件的情況下，將它們配置 在同一面上即可，其中該面既可以是曲面也可以是平面，例如在將各 回歸反射元件分別設(shè)為在共同的平面上配置了單位回歸反射元件的 方式的情況下，還可以將兩個回歸反射元件設(shè)為相對半透半反鏡側(cè)附
加了小于180度的角度的彎曲姿勢。另外，除了上述遮光單元以外，為了防止通過半透半反鏡 直接視認(rèn)被投影物，在半透半反鏡的表面?zhèn)龋€設(shè)置有僅使特定方向 的光線透射、遮斷或漫射的光學(xué)性的視線控制單元，通過該視線控制 單元，對從觀察半透半反鏡的表面?zhèn)鹊目臻g中的上述實鏡影像的視點 通過該半透半反鏡直接視認(rèn)被投影物的方向的光線進(jìn)行遮斷。由此， 觀察者不會直接看到半透半反鏡的下側(cè)的被投影物，而可以僅觀察作 為空中影像的實鏡影像。另外，作為視線控制單元的具體例，可以使 用僅使特定方向的光線漫射的視野控制膜(例如"RUMISTY(商品名、 住友化學(xué)林式會社制)")、僅遮斷特定方向的光線的視角調(diào)整膜(例 如"Light Control Film"(商品名、住友化學(xué)抹式會社制))等光學(xué)膜 等。特別，在可以從多視點觀察實鏡影像的上述實鏡影像成像光學(xué)系 統(tǒng)的情況下，由于無法應(yīng)用上述遮光單元，所以適合使用這樣的視線控制單元。另外，當(dāng)構(gòu)成各單位回歸反射元件的三個鏡面在各個單位 回歸反射元件彼此中朝向同 一方向的情況下，有可能出現(xiàn)通過一次反 射、二次反射產(chǎn)生的成像，但通過將構(gòu)成后向反射鏡的三個鏡面設(shè)為 維持該單位回歸反射元件內(nèi)的鏡面彼此的角度關(guān)系、同時在各個單位 回歸反射元件中朝向〗壬意方向，可以回避該現(xiàn)象。這樣的被投影物O的實鏡影像P在圖示例子中經(jīng)由兩個光 路而成像，所以針對從被投影物O (A點)發(fā)出的光線的光路的每一 個，說明該成像的結(jié)構(gòu)。在

圖1中，(a)示出關(guān)于第一光路L1的成 像的原理，(b)示出關(guān)于笫二光路L2的成像的原理。首先，對于通 過第一光路Ll的光線，從被投影物O上的一點即A點向各個方向輸 出的光直線地透射半透半反鏡2A，通過在半透半反鏡2A的表面?zhèn)韧?出的回歸反射元件3A反射而向相同的方向回歸反射(在圖2中，作 為例子，示出回歸反射點的一個即C點)，進(jìn)而通過半透半反鏡2A 反射，在半透半反鏡2A的表面的上方空間的B點再次集中到一個點。 即，該聚光意味著成像。該B點是A點相對半透半反鏡2A的面對稱 位置。另一方面，對于通過第二光路L2的光線，從被投影物O上的 一點即A點向各個方向輸出的光通過透射半透半反鏡2A反射，通過 在半透半反鏡2A的背面?zhèn)韧怀龅幕貧w反射元件3A向相同的方向回 歸反射(在圖2中，作為例子，示出回歸反射點的一個即D點)，進(jìn) 而直線地透射半透半反鏡2A，從而在半透半反鏡2A的表面的上方空 間的B點成像。即，通過Ll和L2中的任意一個光路的光線都通過 被投影物O的相對半透半反鏡2A的面對稱位置，所以在相同的位置 成像出實鏡影像P，可以從視點V對其進(jìn)行觀察。此處，通過針對每 個光路乘上"半透半反鏡透射率"、"半透半反鏡反射率"、以及"角錐 棱鏡反射率"這三個，而得到實鏡影像P相對被投影物O的明亮度(光線的透射率)。如果作為理想的最大值，將"半透半反鏡透射率"以
及"半透半反鏡反射率，，都設(shè)為0.5，將"角錐棱鏡反射率"設(shè)為r,則通 過各光路L1、 L2而得到的實鏡影像P的透射率都成為0.25r，在將兩 個光路Ll、L2合起來時，實鏡影像P整體的透射率成為其合計的0.5r。另外，單位回歸反射元件的尺寸是決定像的分辨率的參 數(shù)。在幾何光學(xué)上，點光源擴(kuò)展成單位回歸反射元件的尺寸的兩倍左 右而成像，所以優(yōu)選期望更小的光源，但另一方面在波動光學(xué)上當(dāng)尺 寸變小后，衍射變得顯著而使分辨率惡化。因此，需要考慮這些相反 的效果來決定大小。例如，在從幾十cm左右的近距離觀察像的情況 下，優(yōu)選具有五十~幾百nm左右的尺寸，在從幾m~幾十m的遠(yuǎn)距 離觀察的情況下，需要與距離對應(yīng)地增大尺寸，優(yōu)選為幾百~幾千nm 的尺寸。
[00311另外，在以上的說明中，作為回歸反射元件，說明了平面 形狀的元件，但也可以如圖8所示的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)1D那樣 應(yīng)用曲面形狀的回歸反射元件3D。該圖(a)是從橫向觀察的實鏡影 像成像光學(xué)系統(tǒng)1的示意圖，該圖(b)是從上方觀察的實鏡影像成 像光學(xué)系統(tǒng)1的示意圖。在該圖示例中，作為回歸反射元件3D，采 用了內(nèi)側(cè)為空洞的部分球體狀的元件，在內(nèi)面?zhèn)刃纬啥鄠€單位回歸反 射元件，將內(nèi)部空間上下隔開而以水平姿勢設(shè)置半透半反鏡2 (與上 述半透半反鏡2A等同)。在這樣的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)1D中， 與上述使用了平面形狀的回歸反射元件1A、 1B、以及1C的實鏡影像 成像光學(xué)系統(tǒng)1A、 1B、以及1C同樣地，從被投影物O(A點)輸出 的光經(jīng)過兩個光路L1、 L2，從而在相對半透半反鏡2D的面對稱位置 (B )點成像為實鏡影像，但相對曲面狀的回歸反射元件3D的表面(反射面)的光線的入射角度、射出角度不論在回歸反射元件3的哪個位 置都接近垂直，所以作為回歸反射元件3D中的反射率非常高的元件， 可以維持極其高的視角以及分辨率。
[0032I除了上述，還可以通過變更回歸反射元件的配置結(jié)構(gòu)，來 實現(xiàn)實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)的多視點化、即可以同時從多個方向觀察 被投影物O的實鏡影像P。圖9是示出實現(xiàn)多視點化的實鏡影像成像 光學(xué)系統(tǒng)1E的一個例子的概略的縱剖面圖。在該實鏡影像成像光學(xué) 系統(tǒng)1E中，通過呈現(xiàn)圓盤狀的半透半反鏡2E、和在半透半反鏡2E 的背面?zhèn)瘸尸F(xiàn)半球狀的回歸反射元件3E來包圍被投影物O。半透半 反鏡2E的形狀與上述各半透半反鏡2A~2D不同，除此以外是等同 的。另外，在半透半反鏡2E的上面，作為使特定方向的光線透射且 遮斷其他特定方向的光線、或者僅使特定方向的光線漫射的視線控制 單元，粘貼設(shè)置了視野控制膜或視角調(diào)整膜等光學(xué)膜5。另一方面， 回歸反射元件3E與上述回歸反射元件3D同樣地，具有在內(nèi)面?zhèn)刃纬?有多個單位回歸反射元件的彎曲形狀。另外，由于在光線的回歸反射 中不利用成為被投影物O的正下方的回歸反射元件3E的底部，所以 沒有形成單位回歸反射元件，但即使在底部形成了單位回歸反射元件 也沒有問題。
[0033在該實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)1E的情況下，由于在半透半 反鏡2E的表面?zhèn)葲]有配置回歸反射元件，所以僅觀察到根據(jù)通過第 二光路的成像而形成的實鏡影像P。即，從被投影物O上的一點即A 點向各個方向輸出的光通過半透半反鏡2E反射，并通過處于半透半 反鏡2E的背面?zhèn)鹊幕貧w反射元件3E向相同的方向回歸反射(在圖9 中，作為例子，示出回歸反射點的一點即D點)，進(jìn)而直線地透射半 透半反鏡2E，從而在半透半反鏡2E的表面的上方空間中的A點的面 對稱位置即B點成像。另外，從被投影物O朝向正上方輸出并通過 半透半反鏡2E而反射的光再次返回到被投影物O,所以不在回歸反 射元件3E回歸反射，根據(jù)該理由，在回歸反射中不利用回歸反射元 件3E的底部。因此，除了被投影物O的正上方的空間以外，還可以將半透半反鏡2E的表面?zhèn)鹊目臻g的大致所有位置作為視點，而同時 觀察作為成像點B的集合的實鏡影像P。另外，從被投影物O發(fā)出的 光中的直接透射半透半反鏡2E而未被反射的光由于光學(xué)膜5而不會 到達(dá)視點，所以可以防止從視點A直接觀察到被投影物O。
[0034這樣的可以實現(xiàn)多視點化的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)不限 于上述的方式，只要通過半透半反鏡和回歸反射元件包圍被投影物， 則可以適當(dāng)?shù)刈兏鼈兊男螤畹?。例如，代替上述圖9的實鏡影像成 像光學(xué)系統(tǒng)1E的結(jié)構(gòu)，在半透半反鏡2E的表面?zhèn)纫才渲门c背面?zhèn)韧?樣的回歸反射元件3E，從而還可以利用第一光路來提高實鏡影像P 的明亮度。但是，在表面?zhèn)鹊幕貧w反射元件3E中，考慮從相同一側(cè) 的視點觀察實鏡影像P，在可以充分確保視點的范圍內(nèi)，決定從半透 半反鏡2E的突出高度即可。
0035j另外，本發(fā)明不限于上述實施方式，并且，對于半透半反 鏡、回歸反射元件等各部的具體的結(jié)構(gòu)，也不限于上述實施方式、上 述各種例子，而可以在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)實現(xiàn)各種變形。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0036本發(fā)明的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于將被投影物 的實鏡影像投影成空中影像，并可以實現(xiàn)與用戶的互動的影像設(shè)備、 引力裝置、教育設(shè)備、醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括半透半反鏡；和配置在使來自該半透半反鏡的透射光或反射光回歸反射的位置的單位回歸反射元件的集合即回歸反射元件，使來自配置在上述半透半反鏡的背面?zhèn)鹊谋煌队拔锼l(fā)出的光經(jīng)由第一光路和第二光路中的某一個或兩個光路而使上述被投影物的實鏡影像成像于相對該半透半反鏡的面對稱的位置，在該第一光路中，使來自配置在上述半透半反鏡的背面?zhèn)鹊谋煌队拔锼l(fā)出的光透射該半透半反鏡，并且在配置于表面?zhèn)鹊纳鲜龈鲉挝换貧w反射元件回歸反射，進(jìn)而在該半透半反鏡的表面?zhèn)确瓷?，在該第二光路中，使來自上述被投影物所發(fā)出的光在該半透半反鏡的背面?zhèn)确瓷?，并且在配置于背面?zhèn)鹊纳鲜龈鲉挝换貧w反射元件回歸反射，進(jìn)而透射該半透半反鏡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于 在上述回歸反射元件中，在共同的曲面上排列了各單位回歸反射元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于 在上述回歸反射元件中，在共同的平面上排列了各單位回歸反射元件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中的任意一項所述的實鏡影像成像光學(xué)系 統(tǒng)，其特征在于將上述回歸反射元件配置在上述半透半反鏡的表面?zhèn)扰c背面?zhèn)?的某一個或兩個中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任意一項所述的實鏡影像成像光學(xué)系 統(tǒng)，其特征在于在上述半透半反鏡中，設(shè)置有對與上述第一光路以及第二光路相 比更接近相對實鏡影像的觀察側(cè)的區(qū)域進(jìn)行遮光的遮光單元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~4中的任意一項所述的實鏡影像成像光學(xué)系 統(tǒng)，其特征在于將上述回歸反射元件配置成至少在上述半透半反鏡的背面?zhèn)戎?與該半透半反鏡一起三維地包圍上述被投影物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1~6中的任意一項所述的實鏡影像成像光學(xué)系 統(tǒng)，其特征在于在上述半透半反鏡的表面?zhèn)?，設(shè)置有僅使特定方向的光線透射、 遮斷或漫射的光學(xué)性的視線控制單元，通過該視線控制單元，對從觀察上述半透半反鏡的表面?zhèn)鹊目臻g 中的上述實鏡影像的視點通過該半透半反鏡直接視認(rèn)上述被投影物 的方向的光線進(jìn)行遮斷。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1~7中的任意一項所述的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述單位回歸反射元件由三個鄰接的鏡面構(gòu)成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于: 上述單位回歸反射元件是由三個相互正交且鄰接的鏡面構(gòu)成的角錐棱鏡。
10，根據(jù)權(quán)利要求8所述的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于: 在上述單位回歸反射元件中，三個鄰接的鏡面所成的角度中的兩 個角度是90度，且另一個角度形成90/N度，其中N為整數(shù)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于 上述單位回歸反射元件是三個鄰接的鏡面所成的角度成為90度、65度以及45度的銳角后向反射鏡。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8~ 11中的任意一項所迷的實鏡影像成像光學(xué) 系統(tǒng)，其特征在于將構(gòu)成上述單位回歸反射元件的三個鏡面設(shè)為維持該單位回歸 反射元件內(nèi)的鏡面彼此的角度關(guān)系，同時在各個單位回歸反射元件中 朝向任意的方向。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1~7中的任意一項所述的實鏡影像成像光學(xué) 系統(tǒng)，其特征在于上述單位回歸反射元件是貓眼后向反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明提供一種實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，由半透半反鏡、和配置在使來自該半透半反鏡的透射光或反射光回歸反射的位置的回歸反射元件構(gòu)成實鏡影像成像光學(xué)系統(tǒng)，使從配置在半透半反鏡的背面?zhèn)鹊谋煌队拔镏邪l(fā)出的光經(jīng)由第一光路和第二光路中的某一個或兩個光路而使被投影物的實鏡影像成像于相對半透半反鏡的面對稱的位置，該第一光路基于半透半反鏡的透射、回歸反射元件中的回歸反射、以及半透半反鏡中的反射，該第二光路基于半透半反鏡中的反射、回歸反射元件中的回歸反射、以及半透半反鏡的透射。
文檔編號G02B27/22GK101680976SQ20088002109
公開日2010年3月24日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者前川聰 申請人:獨(dú)立行政法人情報通信研究機(jī)構(gòu)