CN101563636A - 光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有在实际不存在镜的空间将被投影物如同在镜中映出时那样成像的崭新的成像方式的光学系统，其中具备具有一边使光线弯曲一边让其通过并在面对称位置形成实像之作用的光线弯曲面和朝向该光线位置面配置的镜面，从被投影物发出的光透射光线曲折面并在镜面上反射后再透射光线曲折面，从而使夹着光线弯曲面配置在与镜面相反的一侧即观察侧的被投影物在移动到镜面的相对于光线曲折面的面对称位置上的、实体不存在的假想镜中映出的位置上成像。

Description

光学系统
技术领域
[0001]本发明涉及具有利用光的透射和反射的镜面功能的新型光学系统。
背景技术
[0002]平面镜中映出像时，观察者的眼睛看到镜表面的反射光的光线如同来自向镜中延长的方向，因此平面镜中映出的像(镜面映像)是在镜内成像的虚像(例如，参照非专利文献1)。
非专利文献1：关于″Virtual image(虚像)″项的网上检索、WIKIPEDIA(英语版)、[平成18年10月23日检索]、互联网网址<URL:httpl//en.wikipedia.org/wiki/Virtua1_image>
[0003]平面镜中映出的镜面映像在相对于镜面与物体(被投影物)成面对称关系的镜的内部成像，因此，不可能实现观察者通过将手伸向像等动作而接近像。
发明内容
[0004]本发明提供一种新型光学系统，该系统使得三维物体的镜面映像在由实际上不存在的空中假想存在的镜中映出的位置成像。
[0005]也就是，本发明是一种光学系统，其特征在于：具备具有使光线边弯曲边透射而向面对称位置形成实像的作用的光线弯曲面和朝向该光线弯曲面配置的镜面，从该被投影物发出的光透射所述光线弯曲面并在所述镜面上反射后再透射所述光线弯曲面，从而使配置在夹着所述光线弯曲面与所述镜面相反的一侧即观察侧的被投影物在移动到所述镜面的相对于所述光线弯曲面的面对称位置的、实体不存在的假想镜中映出的位置上成像。
[0006]也就是，图1的原理图(a)表示将镜面2相对于光线弯曲面1倾斜配置的方式、(b)表示将镜面2相对于光线弯曲面1平行配置的方式，首先，被投影物O(图中用点表示)反射的光线(从被投影物发出的光线)透射光线弯曲面1时在与入射光成面对称的路径上行进，因此，理应在夹着光线弯曲面1而与被投影物成面对称的位置上成像(I1)，但是，由于镜面2的存在，实际上在与该像I1相对于镜面2成面对称的位置上成像(I2)。该位置上的像I2发出的光线再次透射光线弯曲面后通过相对于光线弯曲面1成面对称的路径，所以在相对于光线弯曲面1的被投影物O的同一侧成像(I3)。该像I3与镜面2在相对于光线弯曲面1的面对称位置上映出的假想镜3中映出被投影物O时的像处于相同的位置关系。也就是，通过将光线弯曲面1配置在镜面2的观察侧，能够将镜面2假想地移动到相对于光线弯曲面1的面对称位置，其结果，观察者能够观察到如浮于空中的、物理实体不存在的假想镜3中映出的被投影物O的像I3。
[0007]举一例这样的光学系统进行说明，作为具备所述光线弯曲面的光学元件，该系统具备平面地形成有多个具备相互正交的2个镜面要素的单位光学元件的反射型面对称成像元件(参考文献：特愿2006-080009申请说明书)。这时，反射型面对称成像元件使从所述多个单位光学元件的光线弯曲面的一侧向另一侧通过的光在各单位光学元件中由2个镜面要素各自反射，从而使其在所述光线弯曲面的另一侧成像，将通过所述2个镜面要素且与这2个镜面要素垂直或成为接近垂直的角度的面设为所述光线弯曲面。
[0008]这样的反射型面对称成像元件使位于元件一侧的被投影物的像在元件另一侧的成为面对称的位置上成像。因此，被投影物发出的光(直接光)通过反射型面对称成像元件的单位光学元件时由2个镜面要素各自反射1次后由镜面反射而成为反射光，在再次通过单位光学元件时又在2个镜面要素各自反射1次，结果将被投影物在假想镜中映出的位置上成像。而且，2个镜面要素与光线弯曲面大致垂直地配置，如图1(a)所示，镜面2配置成与光线弯曲面1成锐角。这里，镜面的配置位置设在透射反射型面对称成像元件而成像的被投影物的实像的位置和反射型面对称成像元件之间，镜面的配置角度设定成直接光和反射光均可在2个镜面要素上各自反射1次的适当角度上。另外，如上所述，为了使直接光和反射光在2个镜面要素上反射，像的观察以相对于反射型面对称成像元件倾斜的角度(相对于光线弯曲面成锐角，特别是最好相对于光线弯曲面的法线成30～40°)进行。再有，「垂直或接近垂直的角度」或者「大致垂直」在本发明中意指「正好垂直到与垂直偏离几分的误差范围内的角度」。
[0009]具体地说，反射型面对称成像元件具备在厚度方向贯穿规定的基片的多个孔，在各孔的内壁上形成由所述正交的2个镜面要素构成的单位光学元件，光线通过所述孔从基片的一个面方向朝另一个面方向透射时，可由2个镜面要素各自反射1次。也就是，可用在基片面上形成许多孔、在各孔中形成2个正交的镜面要素的这种较简单的结构做成反射型面对称成像元件。
[0010]或者，反射型面对称成像元件是具备使规定的基片在厚度方向突出的多个透明的筒状体，在各筒状体的内壁面形成由所述正交的2个镜面要素构成的单位光学元件，光通过所述筒状体从基片的一个面方向朝另一个面方向透射时，能够在2个镜面要素上各自反射1次。这样，能够以在基片面上形成许多筒状体并在各筒状体中形成2个正交的镜面要素这样较简单的结构，做成反射型面对称成像元件。
[0011]在具备如上所述的反射型面对称成像元件的光学系统中，若将这样的单位光学元件在所述基片上形成规则的格子状，就能实现被投影物像的高精细化。
[0012]除了采用如上所述的反射型面对称成像元件的方式之外，也可利用在折射率为负的路径上使光透射的物质即超材料(Meta-material)(参考文献；「在光学技术中引起革命的超透镜」，日经科学2006年10月号，株式会社日经科学)来实现本发明的光学系统。也就是，将本发明的光学系统设置成具有将超材料光学元件作为所述光线弯曲面的光学元件的系统，该超材料光学元件将与配置有所述被投影物的空间相接的面作为平面的光线弯曲面。这时，超材料光学元件设置成至少在所述光线弯曲面和所述镜面之间充填了超材料的元件。要在被投影物的相对于光线弯曲面(超材料的表面)的面对称位置上形成实像，超材料的折射率最好设成-1。另外，镜面的位置设在光线弯曲面和由光线弯曲面形成的被投影物实像的成像位置之间，镜面的配置角度可适当地设定在入射光和出射光均可通过光线弯曲面的范围。也就是，可采用图1(a)、(b)中的任一种结构。并且，使用超材料光学元件时，对于观察角度没有特别限制。
[0013]除以上所述外，在本发明的光学系统中，具有所述光线弯曲面的光学元件是无焦立体光学元件，其光学部分包括多个由第1透镜要素和第2透镜要素配置在同一光轴上而构成的无焦(afocal)光学系统，所述第1透镜要素阵列状地排列而设在同一平面上、同时所述第2透镜要素阵列状地排列而设在同一平面上，所述无焦光学系统具有将所述第1透镜要素和所述第2透镜要素配置在从该第1透镜要素入射的平行光线在该第2透镜要素的前侧焦点会聚的位置上的无焦立体光学元件，将所述第1透镜要素和所述第2透镜要素的中间位置处与所述光轴垂直或构成接近垂直的角度的面设为所述光线弯曲面。
[0014]无焦光学系统中，第1透镜要素和第2透镜要素隔着各自的焦点距离配置在同一光轴上而成为无焦光学系统，能够设为将该无焦光学系统的入射透镜面和出射透镜面分别以阵列状配置在同一平面上的所述光学部分。第1透镜要素和第2透镜要素的组合可以采用2个凸透镜的组合、2个柱面透镜的组合、2个光纤透镜的组合等(参考文献；特开2005-10755公报)。这里，所谓无焦光学系统是焦点距离无限大的光学系统。另外，为了在面对称位置成像，第1和第2透镜的焦点距离须成为大致相等。
[0015]这样构成的无焦立体光学元件将从无焦光学系统的第1透镜要素入射的被投影物的光经由各第1透镜要素形成单元图像，并从第2透镜要素出射。然后，无焦立体光学元件利用从第2透镜要素出射的单元图像的整个光线群形成并显示对应于被投影物的立体光学像。而且，从被投影物发出的光透射无焦立体光学元件，在被投影物的相对于光线弯曲面的面对称位置上形成立体光学像之前在镜面上反射，入射时在相反方向上透射无焦立体光学元件，使该被投影物的实像在镜面的相对于光线弯曲面的面对称位置上形成的假想镜中映出被投影物的位置上成像。
[0016]在使用这样的无焦立体光学元件的光学系统中，由于光主要从正面方向透射各透镜要素，为了使直接光和反射光均透射2个透镜要素，如图1(b)所示，最好将镜面配置成与光线弯曲面大致平行。另外，像的观察最好在相对于光线弯曲面大致垂直的方向进行。
[0017]本发明创造出新型成像方式的光学系统，其中利用具有透射光而在面对称位置上形成实像的成像作用的光学元件和镜面，能够观察到在作为实体不存在的假想镜中映出的被投影物的实像。因此，通过从适当的角度、距离窥视本发明的光学系统，能够在空中观察到假想镜中映出的镜面映像(例如观察者自身的面容)。这样得到的假想镜映像是通过与普通平面镜不同的光学系统而在眼前(观察者侧)成像的，因此本发明使得观察者能够伸手接近(假想地触及)，也可提供一种在观察者和像之间崭新的交流方法。
附图说明
[0018]
图1是说明本发明光学系统的成像方式的原理图。
图2是表示本发明第1实施例的光学系统的概略透视图。
图3是表示同一光学系统中的面对称成像元件的平面图。
图4是将同一光学系统中的面对称成像元件的一部分放大表示的透视图。
图5是表示同一面对称成像元件的光的透射和折射状态的示意图。
图6是表示同一光学系统的成像方式的示意图。
图7表示用于同一光学系统的另一例面对称成像元件。
图8是表示本发明第2实施例的光学系统及其成像方式的示意图。
图9是表示本发明第2实施例的光学系统及其成像方式的示意图。
图10是表示通过同一光学系统的无焦光学系统透射光的示意图。
具体实施方式
[0019]以下，参照附图就本发明的实施例进行说明。
图2所示的本发明的第1实施例是光学系统X1，由包含具有让光透射后在面对称位置上形成实像的成像作用的光线弯曲面的反射型面对称成像元件10和配置在被投影物O的夹着该反射型面对称成像元件10的相对侧的平面镜20构成。以下，就该光学系统X1的各部分的结构和成像方式进行说明。
[0020]如图2和图3所示，反射型面对称成像元件10具备平板状的基片11，在该基片11上形成多个垂直于平的基片表面而贯穿片厚的孔12，为了将各孔12作为单位光学元件13利用，在其内壁面上形成2个正交的镜面要素14a、14b。
[0021]基片11的厚度尺寸为50～200μm，例如本实施例中的100μm的薄片状的基片，本实施例使用宽度尺寸和进深尺寸各为约5cm的基片，但是基片11的厚度和平面尺寸可以适当设定，并不受此限制。如图4中的图3的A部放大所示，各单位光学元件13为使光透射而利用了在基片11上形成的物理的、光学的孔12。本实施例中，作为单位光学元件13，采用平面视图上大致为矩形状(具体而言，在本实施例中为正方形)的孔12，在相互正交的2个内壁面上作平滑镜面处理而做成镜面要素14a、14b，使这些镜面要素14a、14b作为反射面起作用，而对于孔12的内壁面的其他部分不作镜面处理，做成不能反射光的面或者在有角度等的情况下使反射光被抑制的面。各单位光学元件13在基片11上全部以相同的取向形成镜面要素14a、14b。本实施例在形成镜面要素14a、14b时，首先做成金属制的模具，对于要形成镜面要素14a、14b的内壁面进行纳米尺度的切削加工处理而形成镜面，这些表面的粗糙度设为10nm以下，形成了对于可见光谱区具有同样效果的镜面。
[0022]具体而言，各单位光学元件13的边长例如为50～200μm，最好是本实施例中的100μm，通过纳米压印工艺或电铸工艺在1个基片11上以规定节距形成多个元件，这些工艺将使用预制模具的压制工艺应用于纳米尺度。本实施例中，使各单位光学元件13的纵横延伸的各边相对于基片11的宽度方向或进深方向成45度倾斜，同时使任意2个不同的单位光学元件13之间相互平行。但是，也可以考虑设置成任意2个不同的单位光学元件13之间不平行而加上各种(随机)的角度。这是因为：通过加上角度，构成杂散光的一次反射光更加扩散，同时二次反射光的横向视野角变宽，透射率的相对于视野角的峰值变得平坦。再有，通过将相邻的单位光学元件13之间的分离尺寸设定得尽量小，能够提高透射率。而且，对所述基片11内形成单位光学元件13的部分以外的部位作了遮光处理，并在基片11的上面和下面设置有薄片状的增强材料(未图示)。当然，不能让这种片状材料将各单位光学元件13封盖。本实施例中，在基片11上具备数万至数十万个这样的单位光学元件13。
[0023]作为另一种镜面要素形成方法，通过电铸工艺用铝或镍等金属形成基片11时，如果模具的表面粗糙度足够小，则可用此法自然地形成镜面要素14a、14b的镜面。另外，若以纳米压印工艺用树脂等制作基片11时，则须通过溅射等镀覆镜面层来制成镜面要素14a、14b。
[0024]如此，在基片11上形成的单位光学元件13具有使得从基片11的表面侧(或背面侧)进入孔12的光在一方的镜面要素(14a或14b)上反射后再在另一方的镜面要素(14b或14a)上反射，然后向基片11的背面侧(或表面侧)通过的功能，从侧面看该光的路径，光的进入路径和射出路径夹着基片11而成为面对称，因此，基片11上的单位光学元件13的集合构成为反射型面对称成像元件10。也就是，这样的反射型面对称成像元件10的光线弯曲面(通过单位光学元件13的全部镜面要素且与这些镜面要素正交的面)，成为使得位于基片11的一侧的物体的实像在另一侧的面对称位置上成像的光线弯曲面1(图中，用假想线表示。假定该面为通过基片11的片厚中央部的与各镜面要素正交的面)。
[0025]另一方面，平面镜20的朝向基片11的面设为平的镜面2，镜面21与反射型面对称成像元件10上的光线弯曲面1构成锐角(图示例中为45°)而配置在基片11的背面侧。该平面镜20的位置位于到被投影物O的由反射型面对称成像元件10产生的成像位置的光的路径上，其条件是设定成比该成像位置离基片11更近。再有，可适当地设定平面镜20的形状、大小和角度。并且，本实施例的光学系统X，例如也可设置成以基片11作为盖的箱形装置，这时将平面镜20设在箱内。
[0026]这里，对使用本实施例的光学系统X1的成像方式与被投影物O发出的光的路径一起进行说明。首先，如图5中的平面示意图所示，被投影物O发出的光(箭头方向，实线表示，三维地从纸前向纸面内行进)，透射反射型面对称成像元件10时，在一方的镜面要素14a(或14b)反射后再在另一方的镜面要素14b(或14a)上反射(透射光的光线用虚线示出)，若不存在镜面2，就在被投影物O的相对于反射型面对称成像元件4的光线弯曲面1的面对称位置上成像。但是，由于镜面2的存在，透射光成像前先在镜面2上反射。因此，如图6中从侧面看的示意图所示，被投影物O(粗箭头图形，位置A)发出的光，就在反射型面对称成像元件10产生的像(位置B)的相对于镜面2的面对称位置(位置C)上成像。该位置C上的像，从与先前相反的一侧即从基片11的背面侧向表面侧透射反射型面对称成像元件10时，由2个镜面要素14a、14b各自反射1次，在相对于光线弯曲面1成面对称的位置(位置D)上形成实像。这里，考虑到在镜面2的相对于反射型面对称成像元件10的光线弯曲面1的面对称位置上实际并不存在的假想镜3，存在位置A上的被投影物O和位置D上的像处于相对于假想镜3成面对称的关系。也就是，利用本实施例的光学系统X，能够在什么都不存在的空中如同镜中映出般地观察到被投影物O的像。再有，图2所示的箭头表示相对于本实施例的光学系统X1的反射型面对称成像元件10从斜上方观察像的方向。
[0027]再有，上述那样的反射型面对称成像元件10，也可以不采用在孔12的内壁形成2个正交的镜面要素14a、14b的方式而代之以用如下方式实现：如图7中的放大图所示，棋盘状地形成多个在基片11的厚度方向上突出的透明筒状体15，将各筒状体15的内壁面中2个正交的面设为镜面要素14a、14b。该镜面要素可以利用全反射，也可利用反射膜的反射。这时，不将筒状体15的镜面要素14a、14b以外的内壁面设置成反射面或通过加上角度来消除多余的反射，从而可得到更鲜明的像。
[0028]另外，本发明的第2实施例，如图8(a)所示，光学系统X2由折射率为负的物质即超材料构成的超材料光学元件30和平面镜20构成。光从正折射率的介质(例如大气中)进入超材料时，入射光相对于通过超材料的表面(也就是光线弯曲面1)的法线的同一侧折射而在超材料中行进。如图示例中所示，为了实现向面对称位置成像实像，作为超材料采用折射率为-1的物质。该图所示的光学系统X2具有下述结构：在用超材料做的长方体状的超材料光学元件30的内部，设置具有向被投影物O的超材料光学元件30的表面即光线弯曲面1倾斜成规定角度(例如45°)的镜面2的平面镜20。
[0029]这里，将使用本实施例的光学系统X2的成像方式与被投影物O发出的光的路径一起进行说明。该光学系统X2中，被投影物O(位置A)发出的光，在超材料光学元件30的表面(光线弯曲面1)上被折射到入射光的同一侧而在超材料光学元件30内行进，在镜面2上反射后成像(位置C)，该反射光再在超材料光学元件30的表面(光线弯曲面1)上折射而向外部射出，从而在位置D上成像。这里，与前述的第1实施例的光学系统X1一样，若设想在镜面2的相对于超材料光学元件30的表面的面对称位置上有实际并不存在的假想镜3，则有位置A上的被投影物O和位置D’上的像处于相对于假想镜3的面对称关系。也就是，通过利用本实施例的光学系统X2，能够在什么都不存在的空中如同从镜中映出般地观察到被投影物O的像。
[0030]再有，平面镜20的配置位置和镜面2的配置角度可以任意设置，只要入射光和出射光都透射光线弯曲面1就行，例如图8(b)所示，可以将平面镜20配置成使镜面2与超材料光学元件30的表面(光线弯曲面1)平行。如此，使用超材料光学元件30的光学系统X2中，由于只要在光线弯曲面1和镜面2之间入射光和出射光通过的区域充填均质的超材料即可，如图示例那样，可以采用将超材料光学元件30形成为长方体形状的块状，并将平面镜20设置成其镜面2与光线弯曲面1相对的面贴合的方式。
[0031]另外，如图9和图10所示，本发明的第3实施例中，光学系统X3由无焦立体光学元件40和平面镜20构成。无焦立体光学元件40具备由多个作为无焦光学系统的无焦透镜41阵列状配置而成的光学部分42。无焦透镜41的第1透镜要素411和第2透镜要素412配置在同一光轴t上，在隔开它们的焦点距离的位置上分离地配置。该无焦立体光学元件40，阵列状地排列无焦透镜41的第1透镜要素411的入射透镜面并配置在同一平面上，且阵列状地排列第2透镜要素412作为出射透镜面并配置在同一平面上，从而用多个无焦透镜41构成光学部分42。再有，无焦透镜41的入射面41a和出射面41b分别在成为配置于同一平面上的第1透镜要素411和第2透镜要素412的焦点距离的位置上形成，在成为多个第1透镜要素411或第2透镜要素412的焦点距离的位置上连续，也就是，在光学部分42的前侧和后侧的整个面上形成。本实施例这样设置无焦光学系统(无焦透镜41)：第1和第2透镜要素配置在同一光轴t上，且分别配置在第1透镜要素的后侧焦点和第2透镜要素的前侧焦点一致的位置上。
[0032]本实施例中示出使用任何凸透镜作为构成无焦透镜41的第1透镜要素411和第2透镜要素412的方式。如图10所示，作为同一光轴t上的位置(共轴位置)关系，以相互分离焦点距离fs、fe的方式配置构成无焦光学系统的第1透镜要素41和第2透镜要素而成为无焦透镜41。就无焦立体光学元件40而言，如果注视各无焦透镜41的光轴t上的光线，聚集了由各透镜要素形成的各单元图像上的光线的整个光线群就形成了立体光学像。如果焦点距离fs、fe相等，则该立体光学像就会在被投影物的相对于光线弯曲面的面对称位置上成像。
[0033]在第2透镜要素412的与第1透镜要素411相反的一侧，在比无焦立体光学元件40产生的立体光学像的成像位置靠前的位置(接近第2透镜要素412的位置)上，平面镜20的镜面2配置成与第1透镜要素411和第2透镜要素412的光轴t大致垂直。
[0034]这里，对采用本实施例的光学系统X3的成像方式与被投影物O发出的光的路径一起进行说明。如图9和图10所示，被投影物O发出的光(箭头方向，用实线表示)透射无焦立体光学元件40时，首先以入射角度入射到入射面41a后经各第1透镜要素411折射，再经第2透镜要素412折射后从出射面41b以出射角度
Figure A20078004726900142
出射。但是，如果fs和fe相等，则
Figure A20078004726900143
和
Figure A20078004726900144
成为相等的角度。若无镜面2存在，该出射光就会在被投影物O的相对于无焦立体光学元件40的光线弯曲面1的面对称位置(位置B)上成像，但是由于镜面2的存在，在该镜面2上反射后在位置B上的像的相对于镜面2的面对称位置(位置C)上成像。在该位置C上形成像的光，再以角度
Figure A20078004726900145
入射到无焦立体光学元件40的出射面41b，在第2透镜要素412折射并在第1透镜要素411上折射后从入射面41a以角度
Figure A20078004726900146
出射。然后，在镜面2的相对于光线弯曲面1的面对称位置上形成的假想镜3中映出被投影物O时相同的位置D上，形成被投影物O的实像(假想的镜像)。从第1透镜要素411和第2透镜要素412的光轴方向上朝第1透镜要素411进行像的观察。也就是，利用本实施例的光学系统X，也能够在什么都不存在的空中如同镜中映出般地观察到被投影物O的像。
[0035]再有，作为本实施例的无焦光学系统，如上所述，除了将凸透镜和凸透镜用作第1和第2透镜要素之外，利用光纤透镜和光纤透镜的系统等也适用。
[0036]本发明不受上述实施例限定。另外，各部分的具体结构也不受上述实施例的限制，可以在不脱离本发明主题的范围内有各种变形。
产业上的利用可能性
[0037]本发明的光学系统可用于实现这样的显示装置，该装置能够使三维物体的镜面映像在作为实体不存在但在空中假想存在的镜中映出的位置上成像。

Claims (7)

1.一种光学系统，其特征在于：具备光线弯曲面和镜面，所述光线弯曲面具有使光线弯曲地透射而在面对称位置上形成实像的成像作用，所述镜面配置成朝向该光线弯曲面，从被投影物发出的光透射所述光线弯曲面并在所述镜面上反射后再透射所述光线弯曲面，从而使配置在夹着所述光线弯曲面而与所述镜面相反的一侧即观察侧的该被投影物的像在移动到所述镜面的相对于所述光线弯曲面的面对称位置上的、实体不存在的假想镜中映出的位置上成像。
2.权利要求1所述的光学系统，其中：作为具有所述光线弯曲面的光学元件，具备平面地形成多个具有相互正交的2个镜面要素的单位光学元件而构成的反射型面对称成像元件，该反射型面对称成像元件使从所述多个单位光学元件的光线弯曲面的一侧向另一侧通过的光在各单位光学元件中由2个镜面要素各自反射，从而在所述光线弯曲面的另一侧成像，通过所述2个镜面要素且与这2个镜面要素垂直或成为接近垂直的角度的面被设为所述光线弯曲面。
3.权利要求2所述的光学系统，其中：所述反射型面对称成像元件具备在厚度方向贯穿规定的基片的多个孔，在各孔的内壁上形成由所述正交的2个镜面要素构成的单位光学元件，光线通过所述孔从基片的一个面方向而向另一个面方向透射时由2个镜面要素各自反射1次。
4.权利要求2所述的光学系统，其中：所述反射型面对称成像元件具备使规定的基片在厚度方向突出的多个透明的筒状体，在各筒状体的内壁面上形成由所述正交的2个镜面要素构成的单位光学元件，光线通过所述筒状体从基片的一个面方向而向另一个面方向透射时由2个镜面要素各自反射1次。
5.权利要求3或4所述的光学系统，其中：在所述基片中以规则的格子状形成所述单位光学元件。
6.权利要求1所述的光学系统，其中：作为具有所述光线弯曲面的光学元件，具备将与配置所述被投影物的空间相接的面设为平面的所述光线弯曲面的超材料光学元件，该超材料光学元件至少在所述光线弯曲面和所述镜面之间充填有超材料。
7.权利要求1所述的光学系统，其中：具有所述光线弯曲面的光学元件是无焦立体光学元件，其光学部分包括多个由第1透镜要素和第2透镜要素配置在同一光轴上而构成的无焦光学系统，所述第1透镜要素阵列状地排列而设于同一平面上，并且所述第2透镜要素阵列状地排列而设于同一平面上，所述无焦光学系统具有将所述第1透镜要素和所述第2透镜要素配置在从该第1透镜要素入射的平行光线在该第2透镜要素的前侧焦点会聚的位置上的无焦立体光学元件，在所述第1透镜要素和所述第2透镜要素的中间位置与所述光轴垂直或构成接近垂直的角度的面被设为所述光线弯曲面。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102597857A (zh) * 2009-10-28 2012-07-18 夏普株式会社 光学系统
CN102681322A (zh) * 2011-03-14 2012-09-19 精工爱普生株式会社 显示装置
CN103293684A (zh) * 2012-02-29 2013-09-11 深圳光启创新技术有限公司 3d显示装置
CN104520747A (zh) * 2012-08-03 2015-04-15 夏普株式会社 反射型成像元件和光学系统、以及反射型成像元件的制造方法
CN111366338A (zh) * 2020-04-24 2020-07-03 华中科技大学 一种成虚像光学系统的成像质量检测装置及方法
CN114966925A (zh) * 2022-06-10 2022-08-30 上海嘉强自动化技术有限公司 反射式宽带积分镜及宽带光纤激光光学系统

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4865088B2 (ja) * 2008-04-22 2012-02-01 株式会社アスカネット 光学結像方法
JP5398308B2 (ja) * 2009-03-06 2014-01-29 三菱電機株式会社 エレベータ表示装置
JP5408532B2 (ja) * 2009-05-11 2014-02-05 独立行政法人情報通信研究機構 表示装置
JP2011081300A (ja) * 2009-10-09 2011-04-21 Pioneer Electronic Corp 反射型面対称結像素子の製造方法
WO2011108469A1 (ja) * 2010-03-01 2011-09-09 シャープ株式会社 反射型結像素子および光学システム
WO2011108139A1 (ja) * 2010-03-03 2011-09-09 シャープ株式会社 テレビ会議システム
US8953124B2 (en) 2010-04-28 2015-02-10 Sharp Kabushiki Kaisha Optical system
US9075301B2 (en) 2010-04-28 2015-07-07 Sharp Kabushiki Kaisha Optical component and optical system
JP2013190448A (ja) 2010-06-30 2013-09-26 Sharp Corp 表示装置
WO2012157632A1 (ja) * 2011-05-17 2012-11-22 シャープ株式会社 空中映像評価装置
JP5728748B2 (ja) * 2011-05-25 2015-06-03 国立研究開発法人情報通信研究機構 リフレクタアレイ光学装置およびそれを用いた表示装置
US20130229704A1 (en) * 2011-08-31 2013-09-05 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Graded index metamaterial lens
EP2772783B1 (en) 2011-10-24 2017-04-12 Asukanet Company, Ltd. Optical image forming device
US8702252B2 (en) 2012-01-30 2014-04-22 Asukanet Company, Ltd. Optical imaging apparatus and optical imaging method using the same
JP5921243B2 (ja) 2012-02-14 2016-05-24 シャープ株式会社 反射型結像素子および光学システム
US9523859B2 (en) 2012-02-28 2016-12-20 Asukanet Company, Ltd. Volumetric-image forming system and method thereof
JP2012128456A (ja) * 2012-03-22 2012-07-05 Pioneer Electronic Corp 反射型面対称結像素子の製造方法
JP5318242B2 (ja) * 2012-03-22 2013-10-16 パイオニア株式会社 反射型面対称結像素子の製造方法
JP2013242850A (ja) * 2012-04-27 2013-12-05 Nitto Denko Corp 表示入力装置
US9097849B2 (en) * 2013-03-07 2015-08-04 Seiko Epson Corporation Display device
WO2014196088A1 (ja) 2013-06-07 2014-12-11 株式会社アスカネット 再生画像の指示位置を非接触で検知する方法及び装置
JP6282052B2 (ja) * 2013-07-08 2018-02-21 株式会社平和 遊技機
JP6282053B2 (ja) * 2013-07-08 2018-02-21 株式会社平和 遊技機
WO2015033645A1 (ja) 2013-09-06 2015-03-12 株式会社アスカネット 平行配置された光反射部を備えた光制御パネルの製造方法
JP2015191051A (ja) 2014-03-27 2015-11-02 ソニー株式会社 空間映像表示装置
JP2015194601A (ja) 2014-03-31 2015-11-05 ソニー株式会社 空間映像表示装置
JP2015197551A (ja) 2014-03-31 2015-11-09 ソニー株式会社 空間映像表示装置
US9557547B2 (en) * 2014-07-24 2017-01-31 University Of Rochester Paraxial cloak design and device
EP3286596B1 (en) 2015-04-21 2022-11-02 University of Rochester Cloaking systems and methods
JP6780560B2 (ja) * 2016-03-31 2020-11-04 大日本印刷株式会社 光学素子、周期構造体
WO2017170744A1 (ja) * 2016-03-31 2017-10-05 大日本印刷株式会社 光学素子、周期構造体、光学素子の製造方法及び周期構造体の製造方法
JP6645371B2 (ja) 2016-07-15 2020-02-14 オムロン株式会社 光デバイス及び立体表示方法
EP3494457A1 (en) 2016-08-05 2019-06-12 University of Rochester Virtual window
US10496238B2 (en) * 2016-08-22 2019-12-03 University Of Rochester 3D display ray principles and methods, zooming, and real-time demonstration
US20180121152A1 (en) * 2016-11-01 2018-05-03 International Business Machines Corporation Method and system for generating multiple virtual image displays
GB201801762D0 (en) * 2018-02-02 2018-03-21 Interesting Audio Visual Ltd Apparatus and method
CN110716248B (zh) * 2018-07-12 2021-03-09 安徽省东超科技有限公司 一种多列多排等效负折射率平板透镜的加工工艺
JP6878683B2 (ja) 2018-12-20 2021-06-02 株式会社アスカネット ディスプレイシート
JP7240242B2 (ja) * 2019-04-26 2023-03-15 Ｔｉａｎｍａ Ｊａｐａｎ株式会社 表示装置
JP2021189362A (ja) * 2020-06-03 2021-12-13 凸版印刷株式会社 空中表示装置
KR102466283B1 (ko) 2020-12-22 2022-11-14 한국과학기술연구원 이면각 반사체와 반사 편광 필름을 이용한 테이블탑 3d 디스플레이
KR102478488B1 (ko) 2021-02-16 2022-12-19 한국과학기술연구원 이면각 반사체와 프리폼미러을 이용한 테이블탑 3d 디스플레이

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4492442A (en) * 1979-10-04 1985-01-08 Gaudyn Tad J Three dimensional projection arrangement
AU2003226033A1 (en) 2002-04-09 2003-10-27 Massachusetts Institute Of Technology Photonic crystal exhibiting negative refraction without requiring a negative effective index
JP3887276B2 (ja) 2002-07-08 2007-02-28 株式会社東芝 立体画像再生装置
US7054067B2 (en) 2003-05-27 2006-05-30 Nippon Hoso Kyokai Three-dimensional image optical system
JP4664620B2 (ja) 2003-05-27 2011-04-06 日本放送協会 アフォーカル立体光学装置
JP4394546B2 (ja) 2004-09-10 2010-01-06 日本圧着端子製造株式会社 ジャック
JP4685589B2 (ja) * 2005-10-24 2011-05-18 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ 移動局、無線アクセスネットワーク装置および移動通信システム並びに報知情報送受信方法
JP4900618B2 (ja) * 2006-03-23 2012-03-21 独立行政法人情報通信研究機構 結像素子、ディスプレイ装置
JP5177483B2 (ja) * 2007-06-21 2013-04-03 独立行政法人情報通信研究機構 実鏡映像結像光学系

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102597857A (zh) * 2009-10-28 2012-07-18 夏普株式会社 光学系统
CN102597857B (zh) * 2009-10-28 2015-01-14 夏普株式会社 光学系统
CN102681322A (zh) * 2011-03-14 2012-09-19 精工爱普生株式会社 显示装置
CN102681322B (zh) * 2011-03-14 2015-03-11 精工爱普生株式会社 显示装置
CN103293684A (zh) * 2012-02-29 2013-09-11 深圳光启创新技术有限公司 3d显示装置
CN104520747A (zh) * 2012-08-03 2015-04-15 夏普株式会社 反射型成像元件和光学系统、以及反射型成像元件的制造方法
CN111366338A (zh) * 2020-04-24 2020-07-03 华中科技大学 一种成虚像光学系统的成像质量检测装置及方法
CN111366338B (zh) * 2020-04-24 2021-11-19 华中科技大学 一种成虚像光学系统的成像质量检测装置及方法
CN114966925A (zh) * 2022-06-10 2022-08-30 上海嘉强自动化技术有限公司 反射式宽带积分镜及宽带光纤激光光学系统

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US20090310231A1 (en) 2009-12-17

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