JP2004117780A - Device and method for improving picture quality of real-image projection system using on-axis reflectors, at least one of which is in aspherical shape - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は光学表示システムの分野に関している。さらに特に、本発明は一つ以上の非球面ミラー又は補正用非球面光学湾曲面の使用による実像投射システムの画質向上のための装置及び方法に関している。
【０００２】
関連技術の説明
本発明は、実像投射システム、及び特に、実際の対象物が実際には存在しないのに空間の一点に存在するという幻影を作りながら実際の対象物の映像が空間に形成されるというシステムに関している。このタイプのシステムの変形は種々の玩具や手品の形式で長年存在してきた。その大抵のものは３６０（すなわち３６０度）表示として知られた等焦点距離の二面向かい合わせの放物面ミラーの形式であり、それは実際の対象物が上方の曲面ミラーの頂点に存在するという幻影を生み出すが、実際のそのターゲット対象物は現実には下方の曲面ミラーの頂点において装置自身の内側に設けられている。かくして、装置は、実際には対象物がその装置の内側で異なる位置に設けられているのに、そのユニットの上方に浮かぶ対象物の幻影を作り出す。
【０００３】
Ｓｕｍｍｅｒ等に与えられた米国特許第５，８８６，８１８号（１９９９年）は、その完全な開示が参照という形でここに組み入れられているが、本発明と共通のいくつかの特徴を持つ実像投射システムを開示している。
Ｅｌｉｎｇｓに与えられた米国特許第３，６４７，２８４号（１９７２年）は、その完全な開示がＥｌｉｎｇｓ特許として参照という形でここに組み入れられているが、放物面ミラー、球面ミラー又は楕円面ミラーを特定している。１９７２年当時の技術状態は非球面ミラーを非実用的な考え方にしていたであろう。かくして、Ｅｌｉｎｇｓ特許に述べられた装置は二つの放物面ミラーを使用して容認できる程度に機能することができたに過ぎない。しかしながら、今日の製造技術は非球面光学体を量産することを可能にしており、現在利用可能な机上のレンズ設計ソフトウェアとともに、そのような複雑な光学体の設計と生産を可能にしている。放物面は焦点に作像するのはすぐれているが、対象物の一部が実質的に焦点から離れた位置にあるより大きい対象物を作像しようとする時には、光学収差の効果が映像画質を深刻に低下させる。二つの球面によって作られる収差と映像画質低下は対象物が作像される時の映像をほとんど容認できないものにしたであろう。楕円面はより著しい作像上の問題さえも持っている。Ｅｌｉｎｇｓのものはより著しい作像上の問題さえも持っている。放物面は、すべてのサイズの非球面光学体の生産が当業界の専門家が設計又は製造を考慮したであろう実用的選択でも何でもなかったため、１９７２年においては最適の解であった。最近のレンズ製造上の技術の進歩は現在非球面反射器を困難な作像上の問題に対する現実的な解としている。
非球面は、例えば球面、放物面、双曲面及び楕円面のような他の円錐系の曲面とはかなり違った最適化された曲面である。非球面は特にオフ軸に又は焦点から離れて作像する際の他の曲面系の自然現象である収差を特に妨害し、最小化させるよう設計された非常に不均一な曲面変化を持っている。
【０００４】
Ｗｅｌｃｋに与えられた米国特許第４，８０２，７５０号（１９８９年）は、その完全な開示がＷｅｌｃｋの特許として参照という形でここに組み入れられているが、等焦点距離の二つの向き合った放物面セグメントを開示しており、それらセグメントのそれぞれはその頂点が互いの焦点と一致するよう位置決めされている。その光線路は第一の放物面ミラーセグメントの焦点から伝播され、視準された光としてその第一の放物面の反射面で反射する（すなわち、どの一つの点ソースから発散する反射光線も、実質的にその曲面上で反射する場所がどこであろうとも、その点ソースから発散する他のすべての反射光線に平行である）。そしてその光線路はその際向き合う第二の放物面ミラーに向かって反射し、その第二の放物面ミラーの焦点において像を形成する。二つの反射面の間で視準された、又は平行な光線路を維持することは例えば放物面ミラーのような曲面ミラーの自然現象である収差の効果を最小にするために重要である。本発明は、Ｗｅｌｃｋの特許のシステムが等焦点距離の放物面ミラーセグメントに限定され、オフ軸システムとして定義される点で実質的に異なる。Ｗｅｌｃｋの特許は「複合曲面の回転面」を使用するという点でＥｌｉｎｇｓの特許と異なる。Ｗｅｌｃｋの特許に開示されたミラーが「複合曲面」の回転面を持つとして定義されているといっても、Ｗｅｌｃｋの特許は明らかに放物面に限定される。
【０００５】
等焦点距離の二つの放物面ミラーを使用する例えばＷｅｌｃｋ特許のような従来のコンフィギュレーションにおいては、二つの放物面反射ミラーの間の光線路は「１対１」の非拡大状態で映像が投射される時に視準される。このコンフィギュレーションを使用して縮小映像を創生するためには、実際のターゲット対象物は焦点と異なる位置に移さなければならない。この方法での非拡大の結果は二つの放物面ミラーの間の光線路がもはや視準されない、すなわち平行でないということであり、収差の効果はより明白となり、かくして投射された像の低質化をもたらす。映像が焦点から離れるにしたがって、映像の質は実質的に低下する。このことは、オフ軸に使用される放物面システムにおける、又は光学要素の焦点と異なる点に作像する時の、自然かつ固有の問題である。非球面はこのような収差を妨害又は最小化するために最適化され得る。
【０００６】
改良された作像により縮小映像を投射することには顕著な利点がある。縮小映像は１インチ当たりの分解能がより高い。一例として、分解能６４０／４８０での高さ３インチ、幅４インチの標準的な５インチＬＣＤパネルは水平方向と垂直方向の両方において１インチ当たり１６０画素、すなわち１平方インチ当たり２５，６００画素の分解能を持つ。少なくとも一方が非球面である二つの不等焦点距離のミラーセグメント（例えば一方が他方の８０％である、すなわち８０％縮小である）を使用する本発明により投射された実像は、水平方向と垂直方向の両方において１インチ当たり２００画素の実像画素密度となり、かくして、１平方インチ当たり４０，０００画素の映像画素密度となる。かくしてこの結果映像の分解能は、実際のターゲットＬＣＤスクリーンの分解能の１５６％となる。実像の密度は映像が如何に立体的に、すなわち如何にリアルに目に映るかに直接関係する。このことは背景の場面又は背景の像の映像「ブリードスルー」を防ぐ上で重要である。
【０００７】
本発明の第二の利点は、映像の低質化がかなり少ないため、実際のターゲット対象物に比べて投射された実像の１平方インチ当たりの明るさが増大することである。一例として、１平方インチ当たり２００ルーメンを生じるＬＣＤパネルを使用するシステムは１平方インチ当たり２３０ルーメンを生じる映像を作る（二つの反射器がそれぞれ９６％の反射率を持ち、システムが二つの異なる焦点距離、すなわち一方が他方の８０％の焦点距離を持つと仮定する）。これに対して、例えばＥｌｉｎｇｓやＷｅｌｃｋの特許で述べたような従来型のシステムは１平方インチ当たり１８４ルーメルの明るさしか持たない実像を作る（その両ミラーがまた９６％反射の被覆を施され、システムが、彼等が述べているように、１倍倍率又は等焦点距離の反射器において使用されると仮定する）。
【０００８】
本発明の更なる利点は、二つの非球面ミラーの光学的配列が選択的に逆にでき、そのためより長い焦点距離のセグメントの軸が視軸に平行であり、かくして増大した投射距離に拡大された映像を生じることである。二つの異なる焦点距離のミラーは選択的に四つの異なる配列に組み合わされる。例えば、焦点距離１０インチのミラーと焦点距離１２インチのミラーを使用するシステムにおいては、四つの別々の効果が焦点距離の組合せを変化させることにより達成できる。二つの１０インチミラーなら増大した視野で１倍フルサイズの映像を作るであろう。二つの１２インチミラーならより大きい投射距離で１倍フルサイズの映像を作るであろう。第一のミラーが１２インチで第二のミラーが１０インチなら、縮小映像を作るであろうし、第一のミラーが１０インチで第二のミラーが１２インチなら拡大された映像を作るであろう。
放物面をしのぐ非球面の最も重要な利点は光学体がもはや焦点距離に対する直径の比率を２．８２８に限定しないことである。放物面においては、焦点から発散する光は放物面から反射して常にその頂点からの物理的距離限界（２．８２８インチ／２＊ｆ）まで視準された、すなわち平行な光線で進む。焦点距離が１０インチの放物面ミラーに対しては、反射して視準光となる最大直径は２８．２８インチの光学体直径である。この物理的直径を超えた放物面にぶつかる光は反射して視準された光線とはならない。したがって、焦点距離１０インチの放物面は直径２８．２８インチ、すなわち１０インチの２．８２８倍に限定される。焦点距離の２．８２８倍以上の直径を持つ放物面は歪んだ映像を形成するであろう。非球面は焦点距離の２．８２８倍という係数には限定されない。直径２８．２８インチより大きく、全面にわたって視準された反射光線を維持する非球面は１０インチの焦点距離で設計することができる。もし非球面がホログラフィックミラーとして形成されるならば、より大きい非球面光学体の利点が特に「３６０」コンフィギュレーションに対して明白となる。
種々の曲面の光線トレーシングの研究においては、非球面光学体を使用することは、システムがオフ軸配置で使用される時に、映像品質をかなり改良することができることが明白となる。かくして、たとえば、Ｗｅｌｃｋの特許に示されるコンフィギュレーションなら、Ｗｅｌｃｋの特許で述べられた放物面ミラーセグメントの一方又は両方に対して本発明の非球面ミラーで置換することにより実質的に改良することができるであろう。これと同じ利点又は改良がＥｌｉｎｇｓの特許に示されたコンフィギュレーションに対しても適用でき、かくしてここに述べられた３６０度デバイスにおいて非常に改良された映像を作ることになる。
【０００９】
発明の概要
簡単にいえば、実像投射システムは少なくとも二つの円錐系の曲面の光学面を含んでおり、この場合、前記光学面のうち少なくとも一つは非球面の回転面で構成されている。そのシステムは、選択的に、二つの曲面光学体又は一方は凸面側、他方は凹面側にあってどちらか一つは非球面の回転面である二つの光学回転面を含む一つの曲面光学体で構成された、すべての焦点距離の湾曲面のうちの一つの組合せを選択的に含んでいる。
本発明の一実施例においては、実像投射システムは円錐系の曲面を持つ１対の曲面反射器セグメントを含んでおり、この場合、その反射器セグメントのうち少なくとも一つは非球面の回転面を持ち、第一のセグメントは第二のセグメントに対して焦点距離が長く、そして対象物は実質的に焦点距離が長い方のセグメントの焦点に位置しており、このため実像は実質的に焦点距離が短い方のセグメントの焦点に位置し、その実像は第一のセグメントの焦点に位置する対象物から第一のセグメントの表面、第二のセグメントの表面、第二セグメントの焦点、そして観察者に伸びる視軸に沿って投射される。
【００１０】
本発明の第二の実施例においては、一つの光学体は二つの別々の曲面で構成され、その光学体の凹面側に一つの非球面が、そして凸面側に標準的円錐曲面系の中の一つの曲面が配置されている。鏡面被覆が施された凸面に放物面、球面又は他の標準的円錐曲面が適用され、凹面の方は非球面であり、球面収差や他の自然発生的光学収差を減らすための補正レンズとして機能する非反射被覆を施されている。
【００１１】
発明の詳細な説明
次の定義は特記されていない限り明細書及び請求項の全体を通じて使用されるためのものである。
非球面―例えば球面、放物面、双曲面又は楕円面のような円錐形のベースラインを持つ曲面であり、非球面の回転面を含む。非球面は組合せによって減少した収差で作像する回転面を創成するため曲線の公式においてより高い次数の項を組み合わせている。事実、実際の円錐断面からのずれは、実像又は虚像作像システムにおける作像を改良するために光学機器設計者により使用され得る余分の設計自由度を可能にする。これらの標準的な円錐曲線のそれぞれは、例えばここに述べたような本発明のコンフィギュレーションのような特別のコンフィギュレーションにおいて使用される時、かなりの欠点を有する。非球面曲線のずれは、かなりのオフ軸を実施するために、又は対象物の位置が焦点から離れている時に、システムの光学体が最適化されるのを可能にする。すべての光学システムは自然物理学の機能として固有の誤差と収差を有しており、非球面において可能な少々の曲線のずれはこれらの現象に対して補償するであろう。ここにあげる請求項のすべてにおいて、「非球面」の語は例えば球面、放物面、双曲面又は楕円面のような円錐形のベースラインを持つ一曲面を意味するものであり、システムの反射器の少なくとも一つに非球面の回転面を含んでいる。
【００１２】
視野―実像全体が見られる角度
レンズ要素―映像の焦点を変更するレンズ、レンズシステム又はすべての光学体を意味する。この語は一般に、本発明ではここに述べたように主に二つの非球面反射器セグメントを含む第一の光学システムに対する補助的な光学要素を述べるために使用される。
オン軸−光学体相互の配列をいうが、この場合、各親光学体の焦点及び各親光学体の頂点又は光学中心がすべて１本の共通軸上又は仮想直線上にある。
光学収差―すべての光学体に見られる自然的光学現象である。レンズ又はミラーが完全な映像を形成することの不可能性は光学収差と呼ばれる自然発生現象によるものである。光学システム内に見られる固有の光学収差を許容可能なレベルまで最小化するのは光学設計者の仕事である。このことは映像内の欠陥を均衡させ、抹消するための種々のレンズ、ミラー、光学表面形状及び材料の使用により達成され得る。非球面の設計は光学表面形状を最適化することによる収差最小化の一方法である。通常の収差は非点収差、色収差、非対称収差、像面湾曲、歪み及び球面収差である。映像品質に影響する収差は作像位置が光学体の焦点及び光学軸から離れる時に増大する。この現象は映像及びターゲット対象物を実質的に放物面又は非球面の焦点に維持することにより最小化できる。
反射器―例えば限定されないが半透明ビームスプリッター被覆光学体のような、ミラー被覆又は部分的な反射被覆を施された基質を意味する反射用光学体。この被覆は、一般に反射させるために使用する基質の表面に依存するが、前面被覆か裏面被覆のいずれかとすることができる。
親光学体―一つのセグメントが切り取られ、又は他の方法で分離される元となる完全な放物面体、円錐体又は非球面体。
セグメント―セグメントの語はその親光学体から切り取られ、その親光学体の光学中心と縁との間に設けられたより小さい光学体を意味する。
対象物―実像を形成する元となる現実の対象物又は光源である。対象物（すなわちターゲット対象物）は、光を反射し、発散し、又は伝播する、そして、限定はされないが、例えば実際の対象物、ビデオもしくはコンピュータモニター、又は投射装置、スクリーン及びそれらの類似物のようなものを含むすべての映像ソースとして定義される。
頂点―親放物面又は親非球面の光学中心と一致する親光学体の反射面上の先端。セグメントの頂点はセグメントが切り取られ、又は他の方法で分離される元となる親光学体の光学中心と一致する反射面上の先端として定義される。
【００１３】
非球面の計算
非球面を計算するためには次の公式が必要である。
下に示すように、円錐回転面用の公式は本発明の一実施例におけるベースカーブとして使用される。また、本発明の非球面の回転面を計算し、設計する公式も示すこととする。
次式は円錐回転面用の公式である。図２５に示す点「Ｐ」の軌跡は固定点「ｆ」（焦点）からのその距離（ｙ）が固定直線（準線）からのその距離に対して一定の比率「ｅ」（偏心率）を保持するように動く。その軌跡が円錐である。
ｙ２＋ｘ２＝ｅ２（ｄ＋ｘ）２ ｒ＝ｄｅ／（１−ｅｃｏｓθ）
もし（ｅ＝１）なら、カーブは「放物面」である。
もし（ｅ＞１）なら、カーブは「双曲面」である。
もし（ｅ＜１）なら、カーブは「楕円面」である。
次式は非球面の回転面用の公式である。非球面の回転面は次の形式の方程式により表わされる。
ｘ＝ｆ（ｙ，ｚ）＝（ｃｓ２／［１＋１−ｃ２ｓ２］）＋Ａ２Ｓ２＋Ａ４Ｓ４＋・・・＋ＡｉＳｉ
ここで、「ｘ」は「ｘ軸」からの距離「ｓ」である面上の一点の長手方向座標（横座標）である。距離「ｘ」は次式に示す座標「ｙ」及び「ｚ」に関係する。
ｓ２＝ｙ２＋ｚ２
上式の従属項は２乗項、４乗項等の冪変形項の定数としての「Ａ２」、「Ａ４」等を伴う球面に対する変形を表わす。面上の一点の「ｘ」座標は基準球面の「ｘ」座標の合計と変形項全部の合計である。
【００１４】
さて、図１を参照すると、本発明の不等焦点距離の実施例の一例が示されている。この例におけるターゲット対象物（１）は５インチＬＣＤパネルである。しかしながら、そのターゲット対象物は選択的に光を発散させるか、伝播させるか、反射させるかのいずれの対象物であってもよい。そのＬＣＤパネル（１）の映像発生面は上方の反射器（４）の焦点（Ｆｐ）における面上に位置している。映像光はＬＣＤパネル（１）から発散し、二つの反射器（４）及び（３）のうち焦点距離の長い方の放物面又は非球面反射器（４）にぶつかる。示された例では、第一の反射器（４）の焦点距離は１５インチであり、第二の反射器（３）の焦点距離は１２インチである。両反射器セグメントのうち少なくとも一つは非球面の回転面であり、好ましくは両方とも非球面がよい。第一の反射器（４）の焦点（Ｆｐ）から発散するＬＣＤパネル（１）からの光はその第一の反射器（４）の表面で反射して視準された光線となり、そのことは反射した光線同士が第一の反射器（４）で反射して第二の反射器（３）に向かう際に実質的に互いに平行であることを意味する。それら二つの反射器（３，４）は焦点距離が異なる。視準された光線は視準光線コンフィギュレーションにおいて第二反射器（３）にぶつかり、その第二反射器（３）の焦点（Ｆｓ）においてターゲット対象物（１）の実像（２）を形成する。ターゲット対象物（１）と実像（２）の両方とも、両焦点距離（それぞれＦｐとＦｓ）に位置しているので、光学収差の効果が最小の映像が作られる。なぜならば、両反射器（４，３）の間で反射した光線は視準されているからである。
【００１５】
二つの反射器の間の視準された光線を維持する重要性の理解を助けるために、次の説明をする。非球面反射器は収差を最小にすることを除いて放物面反射器と同じ基本的機能を発揮する。しかしながら、説明の目的から次の説明を放物面反射器に対して行う。放物面反射器はその反射器の焦点からの光を捕まえて反射させ、それを視準すなわち平行光線とするよう設計される。放物面ミラーはまた平行光線を集めて反射器の焦点に集結させる。視準されない、すなわち平行でない光線は反射器の焦点という共通の点に集結しないであろう。光学収差の効果は反射光線が視準状態から外れるにつれて増大する。ＬＣＤスクリーン（１）の表面上の共通の点からの光線は発散して反射器（３）の表面の点全部にぶつかり、そして、そのＬＣＤスクリーン（１）の同一の点から発散する各光線が放物面反射器で反射した時、各光線は、ターゲット対象物（１）が反射器（４）の焦点（Ｆｓ）と共通の面上にある限り、視準され、すなわちＬＣＤパネル（１）上の同一の位置から発散する他の光線のすべてに対して平行である。
【００１６】
図１に示す実施例において、ターゲット（１）は６４０／４８０画素の分解能を持つ、幅４インチで高さ３インチのスクリーンサイズの５インチＬＣＤモニターである。ＬＣＤパネル（１）は焦点距離１５インチの第一の反射器（４）を使用する例に対してその１５インチの距離にある第一の反射器（４）の焦点（Ｆｐ）と共通の平面上に位置する。そのＬＣＤ（１）からの光線はその第一の反射器（４）にぶつかり、そして、その光線がその第一の反射器（４）の焦点（Ｆｐ）と共通の平面から発散するので、それが第一の反射器（４）で反射した後、そのＬＣＤスクリーン上の一点から発散した全部の光が視準された光線となる。そのことはターゲット（１）上の一共通点から発散した光線全部が第一の反射器（４）で反射した後は平行な光線路を形成することを意味する。その視準された光線は第二の反射器（３）にぶつかり、そして、その光線が視準されているため、その第二の反射器（３）はターゲット（１）上の一共通点から発散した光線全部をその第二の反射器（３）の焦点（Ｆｓ）を含む一平面上の共通の交差点に導く。示された例では、その第二の反射器（３）の焦点は第一の反射器（４）の焦点距離１５インチに比べれば、１２インチである。ターゲットのＬＣＤスクリーン（１）の映像は第二の反射器（３）の焦点（Ｆｓ）と共通の一平面に形成される。示された例では、ターゲット（１）と比べた実像（２）の倍率は「Ｆｓ／Ｆｐ」すなわち第一の反射器に対する第二の反射器の焦点距離の比で計算され、この例では（１２／１５）すなわち８０％縮小となる。
実像（２）は、その実像（２）のサイズがこの例ではターゲット対象物（１）の８０％であるという事実を除けば、そのターゲットＬＣＤ（１）と同じ数の画素を持つことになろう。そのＬＣＤの４インチの幅はかくして３．２インチすなわち４インチの８０％の幅を持つモニターの実像として投射される。実像（２）の垂直高さは、ＬＣＤ（１）の高さ３インチと比べれば、２．４インチである。実像（２）の直線１インチ当たりの分解能は、ＬＣＤ（１）に対する１インチ当たり１６０画素に比べれば、１インチ当たり２００画素である。このことは、ＬＣＤターゲット（１）対する２５，６００画素（１６０×１６０）と比べれば、実像（２）に対しては１平方インチ当たり４０，０００画素（２００×２００）の画素密度に帰着する。かくして実像（２）の解像密度はＬＣＤ（１）の解像密度の１５６％（２００／１６０）までに増大する。丁度低分解能の新聞の写真と高分解能の雑誌の写真との間の差異に見るように、映像密度が高いほど、映像はよりリアルに見える。このことは、背景のスクリーン一杯に（例えば図２）又は外部の照明が映像を「ウォッシュアウト」するかもしれない状態で実像をオーバーレイする時、極度に重要となる。
同じ利点が映像の明るさを計算する時にあてはまる。丁度拡大ガラスを通じて投射されるフラッシュ光が明るさを増すように見えるように、同じ原理が提案された実像装置にあてはまる。ルーメンすなわち明るさはより小さいエリア上に投射され、したがって実像の１平方インチ当たりのルーメンはターゲットＬＣＤ（１）の１平方インチ当たりのルーメンより大きい。
図１はまた、例えばシステムのフットプリントがコンパクトなコンフィギュレーションを必要とする時、ターゲット対象物（９）が異なった位置に設けられることを可能にするための第一の反射器（４）の光線路内の選択的なフォールドミラー（５）を示す。好ましいベースラインとなる円錐曲面は放物面であり、セグメントの少なくとも一つは、システムが収差を少なくし、作像を改良するために最適化するのを可能にするために、非球面でなければならない。
【００１７】
図２は、第二反射器（１０）がビームスプリッター被覆又は半透明ミラー被覆で被覆を施されていることを除き、基本的に図１と同じ本発明のコンフィギュレーションを示す。反射被覆は好ましくは反射器の凹面に施されるが、選択的に凸面の方に施されることがある。もし凸面に反射被覆が施されれば、凹面は、例えば二次ゴースト作像を減らすため、選択的に非反射被覆を施される。図２に示すように、第二の映像ソース（１１）は第二反射器（１０）の後方に位置し、その第二反射器を通して見える。そのため、投射された実像（２）を見ている間、同時に第二の映像ソースが観察者に見えるのを可能にする。この第二の映像ソースは選択的に実際の対象物、モニター、投射器、投射スクリーン又はこれらの類似品であると同様に虚像、実像又は無限像（すなわち無限遠点に像を投射する視準された光）でもある。
ビームスプリッター被覆を使用することの不利は、ビームスプリッター被覆が標準システムにおけるアルミニウム被覆に対する反射率９６％と比べて約６０％の反射率を持つため、実像（２）の明るさがかなり減ることである。このことはＬＣＤ（１）に比べて１２５％の明るさを持つ実像（２）の利点がより大きい価値を持つ所以である。８０％縮小の前述の例におけるように、ＬＣＤ（１）から発散する１平方インチ当たり２００ルーメンは、本発明における１平方インチ当たり１４２ルーメンと比べて例えばＷｅｌｃｋ特許で述べた装置におけるような標準的システムに対して１平方インチ当たり１１４ルーメンとなる。
図２はまた、例えばシステムのフットプリントがコンパクトなコンフィギュレーションを必要とする時のような異なった位置にターゲット対象物（９）が置かれることを可能にするための、第一反射器（４）の光線路における選択的なフォールドミラー（５）を示す。
【００１８】
図３は本発明の別の実施例を示す。この場合、前景映像ソース（９）と背景映像ソース（１２）の両方が共通のＬＣＤ又はモニタースクリーン（１１）上に形成される。この方法にはかなりの利点がある。なぜなら両方の入力ソース（９，１２）が同じ入力モニター（１１）に表示されるため、必要とする一つのビデオ信号と一つのビデオソースがあるのみである。図２に示すコンフィギュレーションにおいては、両入力モニター（９，１１）は一つの分離したビデオ信号を必要とする。これは二重ビデオ出力、又は二つのＤＶＤプレヤーもしくはＶＣＲプレヤー及び二つのビデオストリームを共に同期させる方法を備えた一つのコンピュータを必要とするであろう。図３に示す例は一つのビデオ信号と一つのＤＶＤ又はＶＣＲだけを必要とする。前景映像と背景映像が同じビデオフレーム上に記録されるので、二つの映像ストリームを同期させる必要はない。
【００１９】
図４は本発明の不等焦点距離の実施例の光線路と構成要素の相互関係位置を示す。第一反射器セグメント（４）の焦点（Ｆｐ）に位置するターゲット対象物（１）からの光は第一反射器セグメント（４）で反射して視準されるが、それはその焦点（Ｆｐ）の平面における単一の点から発散する光線はその反射器セグメント（４）の表面で反射した時平行であることを意味する。その視準された光線は第二反射器セグメント（３）で反射して第二反射器セグメント（３）の焦点（Ｆｓ）に共通の一平面上の同一の点に集結する。
反射器セグメント（３，４、）はそれぞれ完全ミラー又は親光学体（１４，１３）から切り取られた扇状体である。少なくとも一つの光学体及び選択的に両方ともが非球面である。第二反射器（３）は第二親光学体の頂点（光学中心）が第一反射器（４）の焦点（Ｆｐ）に位置するように位置決めされている。これは反射光線が視準され（ＣＲ）、その結果の光学収差が最小化されていることを保証する。
図４の下方の図は、視軸が水平であるように回転させた上方の図の実施例を示し、焦点（Ｆｓ）に位置する映像、反射器の物理的中心（１５）及び観察者が共通軸上にあることを意味する。
【００２０】
図５は相互に向き合うよう配置された反射器を示し、このため第一反射器（４）の焦点（Ｆｓ）は第二親反射器（１４）の頂点（１８）に位置し、第二反射器（３）の焦点（Ｆｓ）は第一親反射器（１３）の頂点（１７）と焦点（Ｆｓ）との間の共通の光学軸（１９）又は仮想線上にあって第一親反射器（１３）の頂点にはない。このコンフィギュレーションは縮小映像（２）を発生させる。ターゲット対象物（１）が第一反射器（４）の焦点（Ｆｐ）に位置するため、二つの反射器（３，４）の間の光線は視準される。
【００２１】
図６は、例えば縮小する時の、Ｅｌｉｎｇｓ特許又はＷｅｌｃｋ特許に記載されているような従来技術における光線路を示す。この図は、システムが映像を縮小するように計画されている時、二つの反射器の間の光線がどうして視準されないかを示す。等焦点距離の二つのミラーを組み入れた従来技術のシステムにおいては、縮小を達成させるための唯一の方法は視軸（１９）に沿ってターゲット対象物（１）を移動させることであり、それによりターゲット対象物（１）から第一親反射器（１３）の頂点（１７）までの距離は第一親反射器（４）の焦点（Ｆｐ）とその頂点（１７）との間の距離よりも大きくしている。これがなされた時、二つの反射器（４，３）の間で反射した光線はもはや視準されず、すなわち平行ではなく、光学収差が発生する。この結果、実際のターゲット対象物が曲がっていなくても、実像は曲がっている。光学収差は、放物面システムがオフ軸で作動する時か、対象物が焦点以外の点にある時に、通常発生する。
図５及び図６に示すように、不等焦点距離の反射器を組み合わせることにより縮小映像を作り出すことは両反射器間で視準された光線路を維持し、かくして光学収差と映像歪曲を減少させる。非球面の回転面と組み合わせた時、映像品質は図６に示す従来のシステムのそれ以上にかなり改良される。非球面光学体は、システムの焦点と異なる点に作像する時、オフ軸状態で機能するよう、そして映像品質劣化を減少させるよう特にデザインされている。図５及び図６は各システムを縮小することに関しての、Ｗｅｌｃｋの特許で述べたような、本発明と従来技術との比較を示す。
【００２２】
図７は非球面反射器セグメントを持つ本発明の一例を示し、またその親光学体の内部におけるそのセグメントの位置を示す。この例では、親光学体から三つのセグメントが切り取られている。そのセグメントの実際の寸法と形状は用途に基づいて決定される。セグメントの寸法を変えると、実像全体が見える視野又は視角と同時に、映像が光学構造物の前方に投射される距離に影響を及ぼす。垂直方向の視野を増大させると、投射距離を減少させ、作像され得る対象物の寸法を減少させる。
【００２３】
図８は本発明の典型的なコンフィギュレーションを示す。この図は二つのセグメント（４，３又は１０）の関係、背景のモニター（１１）、ターゲット対象物（１）の位置決め、実像（２）、観察者（１６）及び視軸（２０）を示す。
図９及び図１０はターゲット（１）と映像位置（２）を入れ替えた本発明の実施例を示し、そのシステムのコンフィギュレーションはターゲット（２１）から焦点距離が長い方の第一反射器（４）への光線路が実質的に視軸（２０）と一致するように回転している。その結果、映像の軸は視軸と一致している。これは投射距離を増大させた拡大映像を作り出し、二つの反射器の間の光線は視準されたままであり、かくして二つの等焦点距離の放物面反射器で拡大させる時に固有な収差を減少させる。実像（２）は焦点距離が長い方のセグメント（４）により投射され、長い方の焦点距離を短い方の焦点距離で除して計算された二つの焦点距離の比に基づいて拡大される。簡単にいえば、図１０に示すように、もしターゲット対象物（１）が焦点距離の短い方のセグメント（３）の焦点距離の位置に置かれたら、拡大された映像（２）は焦点距離が長い方のセグメント（４）の焦点の位置に現れる。
【００２４】
図１１及び図１２は一方又は両方の反射器セグメントの焦点距離、又はターゲット対象物もしくはその映像の位置を変更するため選択的にレンズ要素（３０）を追加したものを示す。そのレンズ要素は選択的に一つのレンズ、複数のレンズ又はレンズ組合せ品により構成される。そのレンズ要素は、各反射器の焦点距離を変えることなく、ターゲット位置又は作像位置が置き直されるのを可能にする。図１１では、第二光学要素（３０）が第二反射器（３）と観察者（１６）の間の光線路内に置かれており、そのことがシステムの焦点距離を変え、かくして実像（２）が新しい位置（１２）に移動させる。図１２には代替コンフィギュレーションが示されており、第二の光学構造物（３３）がターゲット（１）と第一反射器（１２）との間の光線路内に置かれている。これは倍率を非常に多く変化させるので非常に価値が高い。例えば、四つの異なる焦点距離のセグメントが六つの異なる倍率を達成させるために組み合わせられる一方、一つのレンズ要素の追加は有効倍率の数を１２に増大させ得る。これは手作業コストの減少と在庫品としての要求について大きな利点である。例えば、種々のレンズ要素と種々の焦点距離の反射器とを組み合わせることにより、より大きい倍率の組合せがより小さい焦点距離の反射器の在庫品と手作業で達成される。レンズ要素は選択的に映像品質を改良するために最適化される。例えば、追加するレンズ要素は、ターゲットソース又はモニターの前に置かれる時、選択的にシステム内の自然の収差の効果を減らすためにデザインされる。
【００２５】
図１３及び図１４は本発明の実施例を示すが、この場合は二つの反射セグメント（４，３）は相互にずれた状態で配置されている。これは二つの親光学体（１３，１４）の光学軸（２２，２３）をずらすことにより達成される。このため両光学軸は一つの共通の軸を共有しないが、相互に平行に維持される。光学中心をずらすことにより、映像の投射距離又は位置は、システムの倍率を変えることなく、それが変更される方向に依存して増大したり減少したりする。これは実像の位置が倍率に影響を及ぼすことなく光学構造物に対して移動するのを可能にする。第二の親光学体（１４）の焦点（Ｆｓ）はもはや第一の親光学体（１３）の光学軸（２３）とは一致しない。図１４に示すように、これはシステムの倍率に影響を及ぼすことなくずらした距離に等しい量だけ投射距離を増大させる。光学軸をずらすことはまた選択的に等焦点距離の放物面反射器により構成されるシステムにおいても使用される。
【００２６】
図１５は本発明の１８０度視野の実施例を示す。本発明のこの実施例はＥｌｉｎｇｓの特許で述べた従来の技術の３６０度システムに非常によく似た使い方をされるが、しかし本発明は拡大コンフィギュレーションにおいて不等焦点距離の非球面セクター（３，４）を少なくとも一つ使用している。同じシステムが選択的に縮小コンフィギュレーションを作り出すために反転され、又は選択的に１倍倍率の映像を投射するために、等焦点距離のセグメントを含んでいる。そのセグメントは選択的に特別の用途に要求される希望の視野に依存して種々の度数（すなわち寸法）のものにされる。
図１６は宝石表示として使用される本発明の実施例を示す。この場合、実像（１）はユニットの内側に固定され、実像（２）はユニットのアパーチャーの上方に浮上して表示される。
【００２７】
図１７は非球面の親光学体全体を使用する本発明の３６０度視野の実施例を示す。ターゲット対象物（１）は選択的にバッフル（７）の下の視野外に隠されたランプ組立品（３１）により照明される。そのバッフルは両親光学体の頂点同士の間の仮想線上に設けられ、また、システムの二つの焦点の間の中間に位置している。バッフルの目的は、頂部の観察アパーチャーからシステムを覗くとき、ターゲット対象物の直接視を阻止することである。そのシステムは、非球面反射器がセグメントでないことを除いて、図１１に示す１８０度システムとして正確に作動し、かくして親光学体全体を使用して完全３６０度システムを創出する。各曲面の深さ、すなわち「サッグ」は、焦点が希望の位置に置かれている時、最大直径を制限する。二つの等焦点距離の放物面の通常の３６０度システムにおいて、その最大直径は、それを選択された湾曲面に基づいてより大きくし得る限り、焦点距離の２．８２８倍である。これは各反射器の焦点が他の反射器の頂点に位置することを可能にし、そのため二つの反射器の両縁間の干渉はない。選択的に、ミラーの一つ以上はまたその内側に切られたアパーチャーを持つ。これは選択的に反射被覆を施されていない領域内にある。そのアパーチャーは好ましくは、合理的な寸法の映像の形式を可能にする限り、視野を著しく減らさない直径のものである。最適なものは一般に親光学体の直径の約３０％の直径であることが分かっている。
【００２８】
図１８は３６０度システム用の内部照明の例を示す。光放散ダイオードアレー「ＬＥＤ」（５３）がターゲット対象物（１）上に集中光（５４）を与えるために使用される。その個々のダイオード「ＬＥＤ」は高出力、低電圧、白色光放散ダイオードである。そのＬＥＤ’ｓは約６度の集中出力で冷たい光を放散する。ＬＥＤ’ｓはハロゲン電球に対する２０００時間に比べて１００，０００時間の定格寿命を持つため３６０度用途用としてすぐれている。ＬＥＤ’ｓ（５５）は電流制限抵抗器（５７）とともにプリント基板（５６）に取り付けられており、１２ボルトの直流電圧ソース（５８）により出力される。選択的に、光の強度を変えるために電力ライン（５８）中にレオスタット（制光装置）が含まれる。ＬＥＤ冷光照明システムは、実際上熱を発生しないため、ファンすなわち表示システム内の冷却の必要性を排除する。また、ＬＥＤ’ｓは１１年以上の定格寿命を持つため比較的メンテナンスが要らない。
【００２９】
図１９は「焦点対最大直径」の比が２．８２８：１を超える放物面に対する光線路の例を示す。放物面は焦点距離（ＦＯＣ）の２．８２８倍の直径の範囲内でのみ視準光（６０）を反射する。ＦＯＣの２．８２８倍領域の外側の面で反射した光は「不視準」光（６１）として反射する。
図２０においては、非球面反射器はＦＯＣの２．８２８倍の直径の範囲内の光を視準光（６０）として反射するし、またその最大直径の外側の光をも視準光として反射する。
図２１は、焦点距離の２．８２８倍以上大きい親光学体から切り取られた非球面セグメントが、例えばＥｌｉｎｇｓの特許やＷｅｌｃｋの特許で述べたような、従来の放物面のシステムより広い視野を如何にして与えるかを示す。
図２２は焦点距離の２．８２８倍以上大きい放物面が従来の表示システムで使用される時何が起こるかを示す。
【００３０】
図２３は実像投射システム用の選択的な多ステーション割出し入力装置の例を示す。示された例はタレット組立品（７１）に取り付けられた六つの独立のターンテーブル（７０）を持つ。そのタレット組立品は各ターンテーブル（７０）が表示位置（７３）へ回転するようにモータ（７２）で駆動される。タレット組立品が希望の位置（７３）に来た時を検知するため、例えばリミットスイッチ又はマイクロスイッチ（７４）のような検知装置が組み入れられている。ターンテーブルが表示位置（７３）に来た時、ターンテーブルは所定位置へ持ち上げられる。示された装置は垂直スライド組立品（７８）上に取り付けられたターンテーブル駆動モータ（７６）を使用し、駆動モータ（７７）に取り付けられたカムホイール（７９）で所定位置へ持ち上げられる。装置全体はシーケンス内の必要な動作を行うためにプログラムを組まれた小さいマイクロプロセッサを使用して稼動し、制御される。
【００３１】
図２４は「３６０度」表示装置（８１）に取り付けられた選択的な割出し器（８２）を示す。六つのターンテーブルには六つの時計（８０）が置かれている。その装置は第一のターンテーブルを所定位置に割り出し、それを持ち上げる。そのため、ターゲットの時計（１）が３６０度表示システムの焦点に置かれ、３６０度表示システムの上方に浮いた映像（２）が形成される。時計はゆっくり回転し、あらかじめプログラムで決められた表示時間に到達したとき、そのターンテーブルは下降して、次のターンテーブルが所定位置に割り出され、焦点まで持ち上げられ、そして別の時計を表示する。
【００３２】
図２５は標準的な円錐回転面を計算するためのグラフを示す。
図２６は非球面の回転面を計算するためのグラフを示す。
したがって、ここに述べられた本発明の実施例は単に本発明の原理の応用について説明するものであると理解されるべきである。ここで説明された実施例の詳細に対してここで行った参照は請求項を制限することを意図するものではなく、請求項はそれ自身本発明に対して本質的なものとみなされるそれらの特徴を謳い上げるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の好ましい一実施例の側面図であり、支持フレームに取り付けられた１対の向き合ったオン軸反射ミラーを示す。
【図２】図２は図１の実施例に対する代替実施例を示し、第二の背景映像ソースを示している。
【図３】図３は図１の実施例に対する別の代替実施例であり、共通の入力ソース又は単一のモニターから発散する前景及び背景入力を含んでいる。
【図４】図４は本発明の光線路、光線トレースのレイアウトであり、縮小コンフィギュレーション用焦点に対する反射器の位置決めを示している。
【図５】図５は縮小状態で使用される時のＷｅｌｃｋの特許のコンフィギュレーションに対する本発明の光線路の比較を示している。
【図６】図６は縮小状態で使用される時のＥｌｉｎｇｓの特許のコンフィギュレーションに対する本発明の光線路の比較を示している。
【図７】図７は縮小コンフィギュレーション用の非球面親光学体並びに頂点と光学軸に対するセグメントの関係及び各頂点に対する焦点の関係の一例を示している。
【図８】図８は本発明の可能な光学配置と対応する光線路の一例を示している。
【図９】図９は本発明の一実施例を示しており、この場合装置はターゲットと実像の位置を入れ替えることにより拡大された映像を作るために回転されている。
【図１０】図１０は本発明の一実施例を示しており、この場合装置はターゲットと実像の位置を入れ替えることにより拡大された映像を作るために回転されている。
【図１１】図１１は反射器セグメントの焦点を変更するために使用される選択的レンズ要素又は二次的光学組立品を示す。
【図１２】図１２は反射器セグメントの焦点を変更するために使用される選択的レンズ要素又は二次的光学組立品を示す。
【図１３】図１３は相互にずれている二つの親反射器軸を相互の平行を維持しつつ位置換えすることにより達成される映像位置への変更を示す。
【図１４】図１４は相互にずれている二つの親反射器軸を相互の平行を維持しつつ位置換えすることにより達成される映像位置への変更を示す。
【図１５】図１５は本発明の１８０度視野実施例を示す。
【図１６】図１６は宝石表示として使用された図１１の１８０度視野実施例を示す。
【図１７】図１７は親光学体全体を使用する本発明の３６０度視野実施例を示す。
【図１８】図１８は３６０コンフィギュレーション用の照明システムを示す。
【図１９】図１９はより大きい直径の光学体が要求される時の放物面に対する非球面の相違及び利点を示す。
【図２０】図２０はより大きい直径の光学体が要求される時の放物面に対する非球面の相違及び利点を示す。
【図２１】図２１は非球面が如何に二重放物面の視覚表示システムの視野を増大させ得るかを示す。
【図２２】図２２は実像表示システムにおいて焦点距離の２．８２８倍以上大きい放物面を使用する効果を示す。
【図２３】図２３は実像投射システム用の多ステーション割り出しターンテーブルのための設計詳細の一例を示す。
【図２４】図２４はその割り出しターンテーブルが如何に３６０コンフィギュレーションで使用されるかの一例を示す。
【図２５】図２５は標準的円錐回転面及び非球面の回転面を計算するための曲線を示す。
【図２６】図２６は標準的円錐回転面及び非球面の回転面を計算するためのグラフを示す。
【符号の説明】
１ ＬＣＤパネル ２ 実像 ３，１０ 第二の反射器
４ 第一の反射器 ５ フォールドミラー
９ ターゲット対象物 １１ 第二の映像ソース
１３ 第一親反射器 １４ 第二親反射器 １６ 観察者
１７，１８ 頂点 ２０ 視軸 ２１ ターゲット
２２，２３ 光学軸 ３０ 第二光学要素[0001]
Background of the Invention
Field of the invention
The invention relates to the field of optical display systems. More particularly, the present invention relates to an apparatus and method for enhancing the image quality of a real image projection system by using one or more aspheric mirrors or correcting aspheric optical curved surfaces.
[0002]
Description of related technology
The present invention relates to a real image projection system, and more particularly, to a system in which an image of a real object is formed in space while creating an illusion that the real object is present at a point in space when it does not actually exist. . Variations of this type of system have existed in the form of various toys and magic tricks for many years. Most of them are in the form of equi-focal, two-faced parabolic mirrors known as 360 (ie, 360 degree) displays, where the actual object is at the apex of the upper curved mirror. Although producing the illusion, the actual target object is actually located inside the device itself at the vertex of the lower curved mirror. Thus, the device creates the illusion of an object floating above the unit, even though the object is actually located at a different location inside the device.
[0003]
US Patent No. 5,886,818 to Summer et al. (1999), the full disclosure of which is incorporated herein by reference, has real images with some features in common with the present invention. A projection system is disclosed.
U.S. Pat. No. 3,647,284 (1972) to Elings, whose full disclosure is incorporated herein by reference as the Elings patent, includes a parabolic mirror, a spherical mirror, or an ellipsoidal surface. Identify the mirror. The state of the art in 1972 would have made aspheric mirrors an impractical concept. Thus, the device described in the Elings patent could only function acceptably using two parabolic mirrors. However, today's manufacturing techniques have made it possible to mass produce aspheric optics, and with the currently available desk lens design software, the design and production of such complex optics. The parabolic surface is good at imaging the focal point, but when trying to image a larger object where a portion of the object is substantially away from the focal point, the effects of optical aberrations can cause Seriously degrades image quality. The aberrations and image quality degradation created by the two spheres would have rendered the image when the object was imaged almost unacceptable. Ellipsoids have even more significant imaging problems. Elings's even have more significant imaging problems. Paraboloids were the best solution in 1972, as the production of all sizes of aspherical optics was not a practical choice that would have been considered by a person skilled in the art to design or manufacture. Recent advances in lens manufacturing technology now make aspheric reflectors a viable solution to difficult imaging problems.
An aspheric surface is an optimized surface that is significantly different from other conical surfaces such as, for example, a sphere, paraboloid, hyperboloid, and ellipsoid. Aspheric surfaces have very non-uniform surface variations specifically designed to interfere and minimize aberrations, a natural phenomenon of other curved systems, especially when imaging off-axis or away from focus. .
[0004]
U.S. Pat. No. 4,802,750 to Welck (1989), the full disclosure of which is incorporated herein by reference as Welck's patent, discloses two opposed focal lengths of equifocal length. Disclose object surface segments, each of which is positioned such that its apex coincides with the focal point of each other. The optical path propagates from the focal point of the first parabolic mirror segment and reflects off the reflective surface of the first parabolic surface as collimated light (ie, a reflected ray emanating from any one point source) Is substantially parallel to all other reflected rays emanating from the point source, no matter where it reflects on the surface). The optical path then reflects towards the opposing second parabolic mirror and forms an image at the focal point of the second parabolic mirror. Maintaining a collimated or parallel light path between the two reflecting surfaces is important to minimize the effects of aberrations, which are a natural phenomenon of curved mirrors such as parabolic mirrors. The present invention differs substantially in that the system of the Welk patent is limited to equifocal parabolic mirror segments and is defined as an off-axis system. The Welck patent differs from the Elings patent in that it uses a "composite curved surface of revolution." Although the mirror disclosed in the Welck patent is defined as having a "composite surface" of revolution, the Welck patent is clearly limited to a parabolic surface.
[0005]
In a conventional configuration using two parabolic mirrors of equal focal length, such as the Welk patent, the light path between the two parabolic reflecting mirrors is imaged in a "one-to-one" non-magnified state. Is collimated when projected. In order to create a reduced image using this configuration, the actual target object must be moved to a position different from the focal point. The consequence of non-magnification in this way is that the light path between the two parabolic mirrors is no longer collimated, i.e. no longer parallel, the effect of aberrations becomes more pronounced and thus the quality of the projected image is reduced. Bring. As the image moves away from focus, the quality of the image substantially degrades. This is a natural and inherent problem in parabolic systems used off-axis or when imaging at a point different from the focus of the optical element. Aspheric surfaces can be optimized to obstruct or minimize such aberrations.
[0006]
There are significant advantages to projecting reduced images with improved imaging. The reduced image has a higher resolution per inch. As an example, a standard 5 inch LCD panel, 3 inches high and 4 inches wide at 640/480 resolution, has 160 pixels per inch in both the horizontal and vertical directions, or 25,600 pixels per square inch. Has resolution. A real image projected according to the present invention using two unequal focal length mirror segments, at least one of which is aspheric (eg, one is 80% of the other, ie, is 80% reduced), is horizontal and vertical. A real image pixel density of 200 pixels per inch in both directions results in a video pixel density of 40,000 pixels per square inch. Thus, the resolution of the image is 156% of the resolution of the actual target LCD screen. The density of a real image is directly related to how stereoscopically, that is, how realistic the image is. This is important in preventing video "bleed-through" of the background scene or background image.
[0007]
A second advantage of the present invention is that the brightness of the projected real image per square inch is increased compared to the actual target object, since the image quality is significantly reduced. As an example, a system that uses an LCD panel that produces 200 lumens per square inch produces an image that produces 230 lumens per square inch (two reflectors each have a 96% reflectivity and the system has two different focuses). Distance, i.e. one assumes 80% focal length of the other). In contrast, conventional systems, such as those described in the Elings and Welck patents, produce a real image with only 184 rumels per square inch of brightness (both mirrors are also coated with a 96% reflective coating). , Assuming that the system is used in a 1 × magnification or equifocal reflector, as they state).
[0008]
A further advantage of the present invention is that the optical arrangement of the two aspherical mirrors can be selectively reversed, so that the axis of the segment with the longer focal length is parallel to the visual axis, thus expanding to an increased projection distance. Is to produce an image that Mirrors of two different focal lengths are selectively combined into four different arrangements. For example, in a system that uses a 10 inch focal length mirror and a 12 inch focal length mirror, four separate effects can be achieved by changing the focal length combination. Two 10-inch mirrors will produce a 1x full size image with an increased field of view. Two 12-inch mirrors will produce a 1x full size image at a larger throw distance. If the first mirror is 12 inches and the second mirror is 10 inches, it will make a reduced image, if the first mirror is 10 inches and the second mirror is 12 inches, it will make an enlarged image .
The most important advantage of an aspheric surface over a paraboloid is that the optical body no longer limits the ratio of diameter to focal length to 2.828. In the paraboloid, light emanating from the focal point reflects off the paraboloid and is always collimated to the physical distance limit (2.828 inches / 2 * f) from its apex, ie travels in parallel rays . For a parabolic mirror with a focal length of 10 inches, the maximum diameter to be reflected and collimated is 28.28 inches. Light striking the paraboloid beyond this physical diameter is not reflected and collimated. Thus, a 10 inch focal length parabolic surface is limited to a diameter of 28.28 inches, or 2.828
In studies of ray tracing of various curved surfaces, it becomes clear that using aspherical optics can significantly improve image quality when the system is used in an off-axis configuration. Thus, for example, the configuration shown in the Welk patent would be substantially improved by replacing one or both of the parabolic mirror segments described in the Weck patent with the aspheric mirror of the present invention. Will be able to. This same advantage or improvement can be applied to the configuration shown in the Elings patent, thus producing a greatly improved image in the 360 degree device described herein.
[0009]
Summary of the Invention
Briefly, a real image projection system includes at least two conical curved optical surfaces, wherein at least one of the optical surfaces comprises an aspheric rotating surface. The system optionally comprises two curved optics or one curved optic comprising two optical rotating surfaces, one on the convex side and the other on the concave side, one of which is an aspherical rotating surface. And selectively includes one combination of curved surfaces of all focal lengths.
In one embodiment of the present invention, the real image projection system includes a pair of curved reflector segments having a conical curved surface, wherein at least one of the reflector segments has an aspheric rotating surface. The first segment has a longer focal length with respect to the second segment, and the object is substantially at the focal point of the longer focal length segment, so that the real image is substantially at the focal length Is located at the focal point of the shorter segment, and its real image is transmitted from the object located at the focal point of the first segment to the surface of the first segment, the surface of the second segment, the focal point of the second segment, and the observer. Projected along the extending visual axis.
[0010]
In a second embodiment of the present invention, one optical body is composed of two separate curved surfaces, one aspherical surface on the concave side of the optical body and one of the standard conical curved surface systems on the convex side. One curved surface is arranged. A parabolic, spherical or other standard conical surface is applied to the mirrored convex surface, the concave surface being an aspheric surface, as a correction lens to reduce spherical aberration and other naturally occurring optical aberrations. It has a functional anti-reflective coating.
[0011]
Detailed description of the invention
The following definitions are intended to be used throughout the specification and claims unless otherwise indicated.
Aspherical surface-A curved surface with a conical baseline, such as a sphere, paraboloid, hyperboloid or ellipsoid, including aspheric rotating surfaces. The aspheric surface combines higher order terms in the curve formula to create a rotational surface that images with reduced aberrations due to the combination. In fact, deviations from the actual conical cross section allow for extra design freedom that can be used by optics designers to improve imaging in real or virtual imaging systems. Each of these standard conic curves has considerable drawbacks when used in special configurations, such as the inventive configuration described herein. The deviation of the aspheric curve allows the optics of the system to be optimized to implement a significant off-axis or when the position of the object is away from focus. All optical systems have inherent errors and aberrations as a function of natural physics, and any possible curvilinear deviation in the aspheric surface will compensate for these phenomena. In all of the claims that follow, the term "aspheric" is intended to mean a curved surface having a conical baseline, such as, for example, a sphere, paraboloid, hyperboloid or ellipsoid, and the reflection of the system. At least one of the vessels includes an aspheric rotating surface.
[0012]
Field of view-Angle at which the entire real image can be seen
Lens element-Means a lens, lens system or all optics that change the focus of the image. This term is generally used in the present invention to describe an auxiliary optical element to a first optical system that includes primarily two aspheric reflector segments as described herein.
On axis-Refers to the arrangement of the optical bodies, where the focal point of each parent optical body and the apex or optical center of each parent optical body are all on one common axis or virtual straight line.
Optical aberration-A natural optical phenomenon found in all optical bodies. The inability of a lens or mirror to form a perfect image is due to a naturally occurring phenomenon called optical aberration. It is the job of the optical designer to minimize the inherent optical aberrations found in the optical system to an acceptable level. This can be achieved by the use of various lenses, mirrors, optical features and materials to balance and eliminate defects in the image. Aspheric design is a way to minimize aberrations by optimizing the optical surface shape. Typical aberrations are astigmatism, chromatic aberration, asymmetric aberration, field curvature, distortion and spherical aberration. Aberrations affecting image quality increase as the imaging position moves away from the focus and optical axis of the optical body. This phenomenon can be minimized by maintaining the image and the target object at a substantially parabolic or aspheric focal point.
Reflector-Reflective optics, meaning substrates with mirror or partially reflective coatings, such as, for example but not limited to, translucent beam splitter coated optics. The coating generally depends on the surface of the substrate used to reflect, but can be either a front coating or a back coating.
Parent optical bodyA complete parabolic, conical or aspherical body from which one segment is cut or otherwise separated.
segment-The term segment means a smaller optical body cut from its parent optical body and placed between the optical center and the edge of the parent optical body.
ObjectA real object or light source from which a real image is formed. An object (ie, a target object) reflects, diverges, or propagates light and is, for example and without limitation, an actual object, a video or computer monitor, or a projection device, screen, and the like. Is defined as any video source, including:
vertexThe tip on the reflective surface of the parent optic that coincides with the optical center of the parent paraboloid or parent aspheric surface The vertex of a segment is defined as the tip on the reflective surface that coincides with the optical center of the parent optic from which the segment is clipped or otherwise separated.
[0013]
Calculation of aspheric surface
The following formula is needed to calculate the aspheric surface.
As shown below, the formula for the conical surface of revolution is used as the base curve in one embodiment of the present invention. In addition, a formula for calculating and designing the rotating surface of the aspherical surface of the present invention is also shown.
The following formula is for the conical surface of revolution. The locus of the point “P” shown in FIG. 25 is such that its distance (y) from the fixed point “f” (focal point) is a fixed ratio “e” (eccentricity) to its distance from the fixed straight line (quasi-line). Move to hold. The trajectory is a cone.
y2+ X2= E2(D + x)2R = de / (1-ecos θ)
If (e = 1), the curve is "parabolic."
If (e> 1), the curve is a "hyperboloid".
If (e <1), the curve is "elliptical."
The following equation is a formula for an aspheric rotating surface. A rotating surface of an aspheric surface is represented by an equation of the form
x = f (y, z) = (cs2/ [1 + 1-c2s2]) + A2S2+ A4S4+ ... + AiSi
Here, “x” is the longitudinal coordinate (abscissa) of one point on the surface at a distance “s” from the “x axis”. The distance “x” is related to the coordinates “y” and “z” shown in the following equation.
s2= Y2+ Z2
The dependent term in the above equation is "A"2”,“ A4”And the like with respect to a spherical surface. The “x” coordinate of one point on the surface is the sum of the “x” coordinates of the reference spherical surface and the sum of all deformation terms.
[0014]
Referring now to FIG. 1, there is shown an example of an unequal focal length embodiment of the present invention. The target object (1) in this example is a 5-inch LCD panel. However, the target object may be any object that selectively diverges, propagates, or reflects light. The image generating surface of the LCD panel (1) is located on the surface at the focal point (Fp) of the upper reflector (4). The image light diverges from the LCD panel (1) and strikes a parabolic or aspherical reflector (4) with the longer focal length of the two reflectors (4) and (3). In the example shown, the focal length of the first reflector (4) is 15 inches and the focal length of the second reflector (3) is 12 inches. At least one of the reflector segments is an aspheric rotating surface, preferably both are aspheric. Light from the LCD panel (1) diverging from the focal point (Fp) of the first reflector (4) is reflected by the surface of the first reflector (4) into a collimated light beam, It means that the reflected light rays are substantially parallel to each other when reflected by the first reflector (4) and traveling toward the second reflector (3). The two reflectors (3, 4) have different focal lengths. The collimated light beam strikes a second reflector (3) in a collimated light beam configuration and forms a real image (2) of the target object (1) at the focal point (Fs) of the second reflector (3). . Since both the target object (1) and the real image (2) are located at both focal lengths (Fp and Fs, respectively), an image in which the effect of optical aberration is minimal is created. This is because the light rays reflected between the two reflectors (4, 3) are collimated.
[0015]
To help understand the importance of maintaining a collimated beam between two reflectors, the following is provided. Aspheric reflectors perform the same basic function as parabolic reflectors, except that aberrations are minimized. However, for purposes of explanation, the following description will be made for a parabolic reflector. Parabolic reflectors are designed to capture and reflect light from the focal point of the reflector and to collimate or collimate it. The parabolic mirror also collects the collimated rays and focuses them at the focal point of the reflector. Non-collimated, ie, non-parallel, rays will not collect at the common point of the reflector focus. The effect of optical aberrations increases as reflected light deviates from collimation. Rays from a common point on the surface of the LCD screen (1) diverge and strike all points on the surface of the reflector (3), and each ray diverging from the same point on the LCD screen (1) When reflected by a parabolic reflector, each ray is collimated, ie, the LCD panel (1), as long as the target object (1) is on a common plane with the focal point (Fs) of the reflector (4). It is parallel to all other rays emanating from the same location above.
[0016]
In the embodiment shown in FIG. 1, target (1) is a 4 inch wide and 3 inch
Real image (2) will have the same number of pixels as its target LCD (1), except for the fact that the size of real image (2) is in this example 80% of target object (1). Would. The 4 inch width of the LCD is thus projected as a real image on a monitor having a width of 3.2 inches or 80% of 4 inches. The vertical height of the real image (2) is 2.4 inches compared to the 3 inch height of the LCD (1). The resolution per linear inch of the real image (2) is 200 pixels per inch compared to 160 pixels per inch for the LCD (1). This results in a pixel density of 40,000 pixels per square inch (200 × 200) for the real image (2) when compared to 25,600 pixels (160 × 160) for the LCD target (1). . Thus, the resolution density of the real image (2) increases to 156% (200/160) of the resolution density of the LCD (1). The higher the image density, the more realistic the image looks, as can be seen from the difference between the low resolution newspaper photos and the high resolution magazine photos. This becomes extremely important when overlaying a real image with a background full screen (eg, FIG. 2) or with external lighting that may “wash out” the image.
The same benefits apply when calculating image brightness. Just as the flash light projected through the magnifying glass appears to increase in brightness, the same principle applies to the proposed real image device. Lumen or brightness is projected onto a smaller area, so the lumens per square inch of the real image is greater than the lumens per square inch of the target LCD (1).
FIG. 1 also shows a first reflector (4) for enabling the target object (9) to be provided at different positions, for example when the system footprint requires a compact configuration. Fig. 4 shows an optional fold mirror (5) in the optical path. The preferred baseline conical surface is a paraboloid, and at least one of the segments must be aspheric to enable the system to reduce aberrations and optimize for improved imaging. Must.
[0017]
FIG. 2 shows essentially the same inventive configuration as FIG. 1, except that the second reflector (10) is coated with a beam splitter coating or a translucent mirror coating. The reflective coating is preferably applied to the concave surface of the reflector, but may optionally be applied to the convex surface. If the convex surface is provided with a reflective coating, the concave surface is optionally provided with a non-reflective coating, for example to reduce secondary ghost imaging. As shown in FIG. 2, the second image source (11) is located behind the second reflector (10) and is visible through the second reflector. This allows the second video source to be simultaneously visible to the observer while viewing the projected real image (2). This second video source may optionally be a real object, monitor, projector, projection screen or the like, as well as a virtual, real, or infinite image (i.e., a collimator that projects the image at infinity). Light).
The disadvantage of using a beam splitter coating is that the brightness of the real image (2) is significantly reduced since the beam splitter coating has a reflectivity of about 60% compared to 96% for an aluminum coating in a standard system. is there. This is because the advantage of the real image (2) having 125% brightness as compared with the LCD (1) is more valuable. As in the previous example of an 80% reduction, the 200 lumens per square inch emanating from the LCD (1) is compared to the standard of 142 lumens per square inch in the present invention, for example, in a standard such as in the device described in the Welck patent. There are 114 lumens per square inch for the system.
FIG. 2 also shows a first reflector (4) to enable the target object (9) to be placed in different positions, for example when the system footprint requires a compact configuration. 3) shows a selective fold mirror (5) in the optical path of FIG.
[0018]
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. In this case, both the foreground video source (9) and the background video source (12) are formed on a common LCD or monitor screen (11). This method has considerable advantages. Because both input sources (9, 12) are displayed on the same input monitor (11), there is only one video signal and one video source required. In the configuration shown in FIG. 2, both input monitors (9, 11) require one separate video signal. This would require dual video output or one computer with two DVD or VCR players and a way to synchronize the two video streams together. The example shown in FIG. 3 requires only one video signal and one DVD or VCR. Since the foreground video and the background video are recorded on the same video frame, there is no need to synchronize the two video streams.
[0019]
FIG. 4 shows the relative positions of the optical path and the components in the unequal focal length embodiment of the present invention. Light from the target object (1) located at the focal point (Fp) of the first reflector segment (4) is reflected and collimated by the first reflector segment (4), but is reflected at its focal point (Fp). Means that rays emanating from a single point in the plane of are parallel when reflected at the surface of their reflector segment (4). The collimated light rays are reflected by the second reflector segment (3) and converge at the same point on a plane common to the focal point (Fs) of the second reflector segment (3).
Each of the reflector segments (3,4,) is a fan cut from a perfect mirror or parent optic (14,13). At least one optical body and optionally both are aspheric. The second reflector (3) is positioned so that the vertex (optical center) of the second parent optical body is located at the focal point (Fp) of the first reflector (4). This ensures that the reflected rays are collimated (CR) and the resulting optical aberrations are minimized.
The lower view of FIG. 4 shows an example of the upper view rotated so that the visual axis is horizontal, the image located at the focal point (Fs), the physical center of the reflector (15) and the observer It means that they are on a common axis.
[0020]
FIG. 5 shows reflectors arranged facing each other, so that the focal point (Fs) of the first reflector (4) is located at the vertex (18) of the second parent reflector (14) and The focal point (Fs) of the reflector (3) is on the common optical axis (19) or the imaginary line between the vertex (17) of the first parent reflector (13) and the focal point (Fs) and It is not at the top of (13). This configuration generates a reduced image (2). Since the target object (1) is located at the focal point (Fp) of the first reflector (4), the light rays between the two reflectors (3, 4) are collimated.
[0021]
FIG. 6 shows an optical path in the prior art, for example, as described in the Elings or Welck patents, when shrinking. This figure shows how the rays between the two reflectors are not collimated when the system is planned to reduce the image. In prior art systems incorporating two equifocal mirrors, the only way to achieve reduction is to move the target object (1) along the visual axis (19), thereby. The distance from the target object (1) to the vertex (17) of the first parent reflector (13) is greater than the distance between the focal point (Fp) of the first parent reflector (4) and its vertex (17). I'm making it big. When this is done, the light rays reflected between the two reflectors (4, 3) are no longer collimated, ie not parallel, and optical aberrations occur. As a result, the real image is bent even if the actual target object is not bent. Optical aberrations typically occur when the parabolic system operates off-axis or when the object is at a point other than the focal point.
As shown in FIGS. 5 and 6, creating a reduced image by combining unequal focal length reflectors maintains the collimated optical path between the two reflectors, thus reducing optical aberrations and image distortion Let it. When combined with an aspheric rotating surface, image quality is significantly improved over that of the conventional system shown in FIG. Aspheric optics are specifically designed to function in an off-axis state when imaging at a point different from the focal point of the system, and to reduce image quality degradation. FIGS. 5 and 6 show a comparison between the present invention and the prior art as described in the Welck patent with respect to reducing each system.
[0022]
FIG. 7 shows an example of the present invention with an aspheric reflector segment and also shows the location of that segment within its parent optic. In this example, three segments have been cut from the parent optic. The actual size and shape of the segment will be determined based on the application. Changing the dimensions of the segments affects the distance at which the image is projected in front of the optical structure, as well as the field of view or viewing angle at which the entire real image is visible. Increasing the vertical field of view reduces the throw distance and reduces the size of the object that can be imaged.
[0023]
FIG. 8 shows a typical configuration of the present invention. This figure shows the relationship between the two segments (4, 3 or 10), the background monitor (11), the positioning of the target object (1), the real image (2), the observer (16) and the visual axis (20). .
9 and 10 show an embodiment of the present invention in which the target (1) and the image position (2) are interchanged, and the configuration of the system is such that the first reflector (4) having a longer focal length from the target (21). ) Has been rotated so that it substantially coincides with the visual axis (20). As a result, the axis of the image coincides with the visual axis. This creates a magnified image with an increased throw distance, the rays between the two reflectors remain collimated, thus reducing the inherent aberrations when expanding with two equifocal parabolic reflectors Let it. The real image (2) is projected by the segment with the longer focal length (4) and is magnified based on the ratio of the two focal lengths calculated by dividing the longer focal length by the shorter focal length. Briefly, as shown in FIG. 10, if the target object (1) is positioned at the focal length of the segment (3) with the shorter focal length, the enlarged image (2) will have the focal length. Appear at the focal point of the longer segment (4).
[0024]
Figures 11 and 12 show the optional addition of a lens element (30) to change the focal length of one or both reflector segments, or the position of the target object or its image. The lens element is optionally constituted by one lens, a plurality of lenses or a lens combination. The lens element allows the target or imaging position to be repositioned without changing the focal length of each reflector. In FIG. 11, a second optical element (30) is placed in the light path between the second reflector (3) and the observer (16), which changes the focal length of the system and thus the real image ( 2) moves to a new position (12). FIG. 12 shows an alternative configuration in which a second optical structure (33) is placed in the optical path between the target (1) and the first reflector (12). This is very valuable because it changes the magnification so much. For example, while four different focal length segments are combined to achieve six different magnifications, the addition of one lens element can increase the number of effective magnifications to twelve. This is a great advantage in terms of reduced manual costs and inventory requirements. For example, by combining different lens elements with different focal length reflectors, a higher magnification combination is achieved manually with a smaller focal length reflector inventory. Lens elements are selectively optimized to improve image quality. For example, additional lens elements are designed to selectively reduce the effects of natural aberrations in the system when placed in front of the target source or monitor.
[0025]
FIGS. 13 and 14 show an embodiment of the invention, in which the two reflecting segments (4, 3) are arranged offset from one another. This is achieved by shifting the optical axes (22, 23) of the two parent optics (13, 14). Thus, the two optical axes do not share one common axis, but are kept parallel to each other. By shifting the optical center, the projection distance or position of the image increases or decreases depending on the direction in which it is changed, without changing the magnification of the system. This allows the position of the real image to move relative to the optical structure without affecting the magnification. The focal point (Fs) of the second parent optic (14) no longer coincides with the optical axis (23) of the first parent optic (13). As shown in FIG. 14, this increases the projection distance by an amount equal to the offset distance without affecting the magnification of the system. Offsetting the optical axis is also used in systems which are optionally comprised of equifocal parabolic reflectors.
[0026]
FIG. 15 shows an embodiment of a 180-degree field of view of the present invention. This embodiment of the present invention is used very similar to the prior art 360 degree system described in the Elings patent, but the present invention is directed to asymmetric focal length aspherical sectors (3 , 4) are used at least. The same system may be inverted to selectively create a reduced configuration, or may include equifocal segments to selectively project a 1x image. The segments are optionally of different powers (ie, dimensions) depending on the desired field of view required for a particular application.
FIG. 16 shows an embodiment of the present invention used as a jewelry display. In this case, the real image (1) is fixed inside the unit, and the real image (2) is displayed floating above the aperture of the unit.
[0027]
FIG. 17 shows a 360 ° field of view embodiment of the present invention using the entire aspheric parent optical body. The target object (1) is optionally illuminated by a lamp assembly (31) hidden outside the field of view below the baffle (7). The baffle is located on an imaginary line between the vertices of the parent optics and is located halfway between the two focal points of the system. The purpose of the baffle is to prevent direct viewing of the target object when looking into the system from the top viewing aperture. The system operates exactly as the 180-degree system shown in FIG. 11, except that the aspheric reflector is not a segment, thus creating a full 360-degree system using the entire parent optic. The depth of each curve, or "sag", limits the maximum diameter when the focal point is at the desired location. In a typical 360 degree system of two equifocal paraboloids, its maximum diameter is 2.828 times the focal length, as long as it can be made larger based on the selected curved surface. This allows the focal point of each reflector to be located at the apex of the other reflector, so that there is no interference between the edges of the two reflectors. Optionally, one or more of the mirrors also has an aperture cut therein. This is in an area that is not selectively coated with a reflective coating. The aperture is preferably of a diameter that does not significantly reduce the field of view, as long as it allows a reasonably sized image format. It has been found that the optimum is generally about 30% of the diameter of the parent optic.
[0028]
FIG. 18 shows an example of internal lighting for a 360 degree system. A light dissipating diode array "LED" (53) is used to provide focused light (54) on the target object (1). The individual diodes "LED" are high power, low voltage, white light dissipating diodes. The LED's dissipate cold light with a concentrated power of about 6 degrees. LED's are excellent for 360 degree applications because they have a rated life of 100,000 hours compared to 2000 hours for halogen bulbs. The LED's (55) are mounted on a printed circuit board (56) with a current limiting resistor (57) and are output by a 12 volt DC voltage source (58). Optionally, a rheostat is included in the power line (58) to change the light intensity. LED cold light illumination systems do not actually generate heat, thus eliminating the need for cooling within the fan or display system. Further, since the LED's have a rated life of 11 years or more, relatively little maintenance is required.
[0029]
FIG. 19 shows an example of a light path for a paraboloid with a “focus to maximum diameter” ratio of more than 2.828: 1. The paraboloid reflects collimated light (60) only within a diameter of 2.828 times the focal length (FOC). Light reflected off the outer surface of the 2.828 times FOC region is reflected as "non-collimated" light (61).
In FIG. 20, the aspherical reflector reflects light within a diameter of 2.828 times the FOC as collimating light (60), and also reflects light outside its maximum diameter as collimating light. I do.
FIG. 21 shows that an aspherical segment cut from a parent optic that is more than 2.828 times the focal length has a wider field of view than conventional parabolic systems, such as those described in the Elings and Welck patents. Show how to give.
FIG. 22 shows what happens when a paraboloid greater than 2.828 times the focal length is used in a conventional display system.
[0030]
FIG. 23 shows an example of a selective multi-station indexing input device for a real image projection system. The example shown has six independent turntables (70) mounted on a turret assembly (71). The turret assembly is driven by a motor (72) such that each turntable (70) rotates to a display position (73). To detect when the turret assembly is at the desired position (73), a sensing device such as a limit switch or microswitch (74) is incorporated. When the turntable reaches the display position (73), the turntable is lifted to a predetermined position. The device shown uses a turntable drive motor (76) mounted on a vertical slide assembly (78) and is lifted into place by a cam wheel (79) mounted on the drive motor (77). The entire device is operated and controlled using a small microprocessor programmed to perform the required operations in the sequence.
[0031]
FIG. 24 shows an optional indexer (82) mounted on a "360 degree" display (81). Six clocks (80) are placed on the six turntables. The device indexes the first turntable into position and lifts it. Thus, the target clock (1) is placed at the focus of the 360-degree display system, and an image (2) floating above the 360-degree display system is formed. The clock rotates slowly, and when it reaches the pre-programmed display time, its turntable descends, the next turntable is indexed into position, lifted to focus, and displays another clock I do.
[0032]
FIG. 25 shows a graph for calculating a standard conical rotation surface.
FIG. 26 shows a graph for calculating an aspherical rotating surface.
Therefore, it is to be understood that the embodiments of the invention described herein are merely illustrative of the application of the principles of the present invention. References made herein to details of the embodiments described herein are not intended to limit the claims, which claims are deemed to be essential to the invention. It is a statement of its features.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of one preferred embodiment of the present invention, showing a pair of opposed on-axis reflective mirrors mounted on a support frame.
FIG. 2 shows an alternative embodiment to the embodiment of FIG. 1, showing a second background video source.
FIG. 3 is another alternative embodiment to the embodiment of FIG. 1, which includes foreground and background inputs emanating from a common input source or a single monitor.
FIG. 4 is a layout of an optical line, ray trace of the present invention, showing the positioning of the reflector with respect to the focal point for the reduced configuration.
FIG. 5 shows a comparison of the optical line of the present invention to the Welck patent configuration when used in a reduced state.
FIG. 6 shows a comparison of the optical line of the present invention to the Elings patent configuration when used in a reduced state.
FIG. 7 shows an example of an aspheric parent optical element for a reduced configuration, a segment relationship with vertices and optical axis, and a focus relationship with each vertex.
FIG. 8 shows an example of an optical path corresponding to the possible optical arrangements of the present invention.
FIG. 9 illustrates one embodiment of the present invention, in which the apparatus is rotated to produce a magnified image by swapping the positions of the target and the real image.
FIG. 10 illustrates one embodiment of the present invention, in which the device is rotated to produce a magnified image by swapping the positions of the target and the real image.
FIG. 11 illustrates an optional lens element or secondary optical assembly used to change the focus of the reflector segment.
FIG. 12 shows an optional lens element or secondary optical assembly used to change the focus of the reflector segment.
FIG. 13 illustrates the change to image position achieved by repositioning two parent reflector axes that are offset from each other while maintaining parallelism with respect to each other.
FIG. 14 illustrates the change to image position achieved by repositioning two parent reflector axes that are offset from each other while maintaining parallelism with respect to each other.
FIG. 15 illustrates a 180 degree field of view embodiment of the present invention.
FIG. 16 shows the 180 degree field of view embodiment of FIG. 11 used as a gem display.
FIG. 17 shows a 360 ° field of view embodiment of the present invention using the entire parent optical body.
FIG. 18 shows a lighting system for a 360 configuration.
FIG. 19 illustrates the differences and advantages of an aspheric surface with respect to a paraboloid when a larger diameter optical body is required.
FIG. 20 illustrates the differences and advantages of an aspheric surface with respect to a paraboloid when a larger diameter optical body is required.
FIG. 21 shows how an aspheric surface can increase the field of view of a dual parabolic visual display system.
FIG. 22 shows the effect of using a paraboloid that is at least 2.828 times the focal length in a real image display system.
FIG. 23 shows an example of design details for a multi-station indexing turntable for a real image projection system.
FIG. 24 shows an example of how the indexing turntable is used in a 360 configuration.
FIG. 25 shows curves for calculating a standard conical rotation surface and an aspheric rotation surface.
FIG. 26 shows a graph for calculating a standard conical surface of revolution and an aspherical surface of revolution.
[Explanation of symbols]
1
4
9 Target object {11} Second video source
13
17,18 vertex {20} visual axis {21} target
22, 23 {optical axis {30} second optical element
Claims (59)
及び、
ｂ）円錐系の曲面を持つ少なくとも二つの曲面光学体を含んでおり、その曲面光学体のうち少なくとも一方が非球面の回転面から成り、この場合、前記曲面光学体は実質的に前記曲面光学体のうちの一方の焦点かその近くに置かれた対象物が実質的に前記曲面光学体のうちの他方の焦点かその近くに位置する実像を形成するように配置され、そして前記実像は前記視軸に沿って投射され、前記観察足場となるステーションから覗かれた時に浮いた映像として見えることを特徴とする実像投射システム。a) a station that serves as an observation scaffold that limits the space for viewing the image from an advantageous point along the visual axis,
as well as,
b) including at least two curved optics having a conical curved surface, at least one of the curved optics comprising an aspherical rotating surface, wherein the curved optic substantially comprises the curved optic. An object placed at or near one focal point of the body is arranged to form a real image substantially at or near the other focal point of the curved optical body, and the real image is the real image. A real image projection system characterized by being projected along a visual axis and appearing as a floating image when viewed from a station serving as the observation scaffold.
ａ）反射被覆
ｂ）ビームスプリッター被覆
及び
ｃ）部分的ミラー被覆
により構成されるグループから選定された一つの被覆を含んでいることを特徴とする請求項第３項に記載されている実像投射システム。At least one of the pair of curved reflector segments includes:
4. A real image projection system as claimed in claim 3, comprising a coating selected from the group consisting of: a) a reflective coating, b) a beam splitter coating, and c) a partial mirror coating. .
ａ）実際の対象物
ｂ）モニター
ｃ）投射器又は投射スクリーン
ｄ）ビデオ映像
ｅ）グラフィックレンダリング
及び
ｆ）スクリーンボーン映像
により構成されたグループから選定されていることを特徴とする請求項第１２項に記載されている実像投射システム。The object located behind the coated reflector and visible through the reflector,
13. The method according to claim 12, wherein the object is selected from the group consisting of: a) an actual object b) a monitor c) a projector or a projection screen d) a video image e) a graphic rendering and f) a screen bone image. A real image projection system described in 1.
ａ）反射被覆
ｂ）ビームスプリッター被覆
及び、
ｃ）部分的ミラー被覆
により構成されたグループから選定された一つの被覆を含むことを特徴とする請求項第２６項に記載されている実像投射システム。At least one of the pair of curved reflector segments includes:
a) a reflective coating; b) a beam splitter coating;
27. The real image projection system according to claim 26, wherein c) includes one coating selected from the group consisting of partial mirror coatings.
ａ）実像、
ｂ）モニター、
ｃ）投射器又は投射スクリーン、
ｄ）ビデオ映像、
ｅ）グラフィックレンダリング
及び
ｆ）スクリーンボーン映像
により構成されたグループから選定されていることを特徴とする請求項第２６項に記載されている実像投射システム。The object provided behind the curved reflector segment and viewed through the curved reflector segment is:
a) Real image,
b) monitor,
c) a projector or projection screen;
d) video footage,
27. The real image projection system according to claim 26, wherein the system is selected from the group consisting of e) graphic rendering and f) screen bone image.
ａ）反射被覆
ｂ）ビームスプリッター被覆
及び、
ｃ）部分的ミラー被覆
により構成されるグループから選定された一つの被覆を施されていることを特徴とする請求項第５０項に記載されている実像投射システム。The convex surface of the optical body,
a) a reflective coating; b) a beam splitter coating;
51. The real image projection system according to claim 50, wherein a coating selected from the group consisting of: c) a partial mirror coating is applied.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7379760B1 (en) | 2022-05-27 | 2023-11-14 | 京セラ株式会社 | Aerial image display device |
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| WO2024070714A1 (en) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 京セラ株式会社 | Aerial image display apparatus |
| JP7477704B2 (en) | 2022-04-13 | 2024-05-01 | 京セラ株式会社 | Aerial image display device |
-
2002
- 2002-09-26 JP JP2002280448A patent/JP2004117780A/en active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7477704B2 (en) | 2022-04-13 | 2024-05-01 | 京セラ株式会社 | Aerial image display device |
| JP7484004B2 (en) | 2022-04-13 | 2024-05-15 | 京セラ株式会社 | Aerial image display device |
| JP7379760B1 (en) | 2022-05-27 | 2023-11-14 | 京セラ株式会社 | Aerial image display device |
| WO2023228920A1 (en) * | 2022-05-27 | 2023-11-30 | 京セラ株式会社 | Aerial image display device |
| WO2024070714A1 (en) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 京セラ株式会社 | Aerial image display apparatus |
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