JP3245473B2 - 映像表示装置 - Google Patents
映像表示装置Info
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Description
特に、使用者の頭部もしくは顔面に保持して眼球に映像
を投影する頭部装着式表示装置のような小型軽量化され
た映像表示装置に関するものである。
的に大画面の映像を楽しむことを目的として、ヘルメッ
ト型、ゴーグル型の頭部もしくは顔面に保持する頭部装
着式表示装置と呼ばれる映像表示装置が開発されてい
る。
れるように、ハーフミラーを用いて光路を折り返すこと
により、良好な結像特性を保持したまま光学系を小型化
する方法がある。また、米国特許第4,269,476
号においても、同様の技術が示されている。
来技術の一例の光学系を示す。この光学系は、眼球1の
前面に斜めに配置されたハーフミラー2と、ハーフミラ
ー2を挟んで視線と平行に相互に対向して液晶表示素子
等の映像表示部3と拡大反射鏡4とからなるものであ
り、この光学系の上下方向の視野角とハーフミラー2の
大きさの関係を考えてみる。図22に示すように、視野
中央を観察するときの瞳孔E中心を通り、このときの視
線方向へ延びる直線をx軸とする。ハーフミラー2の瞳
孔E側端のx軸への投影点を座標原点とし、x軸とハー
フミラー2の交点におけるハーフミラー2の法線とx軸
とで規定される平面内で、瞳孔Eから離れるに従ってx
軸からハーフミラー2までの距離が大きくなる方向をy
軸を定義する。
瞳孔側端のx軸への投影点までの距離をd1 、x軸に投
影されたハーフミラー2の長さをd2 、瞳孔E直径をep
d 、上下方向の視野角(半画角)をθとすると、 epd/2+(d1 +d2 ) tanθ=d2 /2× tan45° ・・・(1) となる。したがって、 d2 =(epd/2+d1tanθ)/(1/2− tanθ) ・・・(2) ただし、 tanθ<1/2である。
望ましいため、 epd=8mm、d1=20mmを上式
(2)に代入すると、 d2 =(4+20 tanθ)/(1/2− tanθ) ・・・(3) ただし、 tanθ<1/2 となる。このとき、θ=10°でd2 =23.3mm、
θ=15°でd2 =40.3mm、θ=20°でd2
=82.9mmとなる。
15°にしなければならず、したがって図21の構成で
は広角化に限界がある。
3に示すように、ハーフミラーをビームスプリッタープ
リズムPで構成する方法がある。この方法を図24を用
いて示す。上記と同様にして、d2 とθの関係を求める
と、 epd/2+d1tanθ+d2tan sin-1 sinθ/n=d2 /2× tan45° ・・・(4) ここで、nはプリズムPの屈折率である。よって、 d2 =( epd/2+d1tanθ)/(1/2− tan sin-1 sinθ/n) ・・・(5) ただし、 sinθ<n・ sin tan-11/2≒0.447n
である。
20mmを上式(5)に代入すると、 d2 =(4+20tan θ)/(1/2− tan sin-1 sinθ/n)・・(6) となり、n=1.5のとき、θ=10°でd2 =19.
6mm、θ=15°でd2 =28.8mm、θ=20°
でd2 =42.4mmとなり、光学系はコンパクトにな
る。
2.4mmあり、ハーフミラー方式のθ=15°と大き
さは大差ないが、プリズムを使うことにより重量が増え
る。このため、プリズムを使用した方法の場合、さらに
コンパクトにすることが望ましい。
解決するためになされたものであり、その目的は、ハー
フミラー、ビームスプリッタープリズムを用いる場合に
おいて、さらにコンパクトな頭部装着式表示装置等の映
像表示装置を提供することである。
明の映像表示装置は、映像表示部と、表示された映像を
眼球へ拡大投影する拡大反射鏡と、光路分岐手段とから
なり、前記映像表示部から射出される光束が、前記光路
分岐手段を透過して前記拡大反射鏡で反射され、前記光
路分岐手段により反射されて眼球へ映像を投影する折り
返し光路を備えた映像表示装置において、前記光路分岐
手段と眼球の間に、以下の条件(8)を満足するように
構成された少なくとも1個の正の屈折力を持つ面を備え
たことを特徴とするものである。 0.1φ<φ1 <0.5φ ・・・(8) ただし、φ1 は前記少なくとも1個の正の屈折力を持つ
面の屈折力であり、φは光学系全体の屈折力である。
成し、拡大反射鏡と光路分岐手段の光路分岐面との間
を、少なくとも2種類の硝材で構成することがより望ま
しい。
表示部と、表示された映像を眼球へ拡大投影する拡大反
射鏡と、光路分岐手段とからなり、前記映像表示部から
射出される光束が、前記光路分岐手段により反射されて
前記拡大反射鏡で反射され、前記光路分岐手段を透過し
て眼球へ映像を投影する折り返し光路を備えた映像表示
装置において、前記光路分岐手段と眼球の間に、以下の
条件(8)を満足するように構成された少なくとも1個
の正の屈折力を持つ面を備えたことを特徴とする映像表
示装置。 0.1φ<φ1 <0.5φ ・・・(8) ただし、φ1 は前記少なくとも1個の正の屈折力を持つ
面の屈折力であり、φは光学系全体の屈折力である。
構成し、拡大反射鏡と光路分岐手段の光路分岐面との間
を、少なくとも2種類の硝材で構成することがより望ま
しい。
説明する。本発明においては、図1に概略の断面図を示
すように、眼球1の前面に斜めに配置されたハーフミラ
ー等の光路分岐手段Sと、光路分岐手段Sを挟んで視線
と平行に相互に対向して液晶表示素子等の映像表示部3
と拡大反射鏡4とからなる映像表示装置において、視野
角を広画角化し、なおかつ、光学系の大きさ、重量を大
幅に増加させないために、眼球1と光路分岐手段Sとの
間に、少なくとも1個の正の屈折力を有する面Lを持た
せるものである。
大きさを光学系の焦点距離から考えてみる。観察者に対
して、映像表示部の虚像を無限遠方(もしくは、充分な
遠方)に提示することが望ましいため、映像表示部は光
学系の前側焦点位置(もしくは、前側焦点位置の近傍で
眼球側。眼球から離れる方向を前とする。)に配置する
必要がある。
の焦点距離をf0 、映像表示部3の大きさをhとする
と、 θ=h/f0 ・・・(7) の関係がある。つまり、映像表示部3の大きさが一定で
あれば、視野角θは光学系の焦点距離f0 のみの関数と
なる。
光学系が大きくなる。の方法では、拡大反射鏡4と映
像表示部3の間隔が小さくなる(前側焦点距離が短くな
る。)こと、眼球1と拡大反射鏡4の距離を一定にした
まま視野角を大きくすると、光束erが tanθに比例し
て大きくなるため、光路分岐手段Sを大きくする必要が
あること、から光路分岐手段Sと拡大反射鏡4もしくは
映像表示部3の干渉が発生するため、限界がある。
rを小さくするには、眼球1と拡大反射鏡4(もしく
は、光路分岐手段S)の距離を小さくすればよいが、こ
の場合、映像表示装置の一部と眼球1もしくは眼球1近
辺の顔面の一部が干渉するため、限界がある。
分岐手段Sの大きさを抑えるために、図1に示すよう
に、正の屈折力を持つ要素Lを眼球1と光路分岐手段S
との間に入れればよい。このとき、図4に光路図を示す
ように、眼鏡1と光路分岐手段Sの間に入れられる光学
要素Lの焦点距離f1 と拡大反射鏡4の焦点距離f2 の
合成から、光学系全体の焦点距離fが決定され、光学系
を大幅に大きくすることなく、眼球1、光路分岐手段
S、拡大反射鏡4、映像表示部3のそれぞれの間隔を適
切に保ちながら、光学系全体の焦点距離fを小さくする
ことができ、視野角の広画角化が達成できる。
る正の屈折力を持つ面もしくは正の屈折力を持つレンズ
Lの屈折力をφ1 として、光学系全体の屈折力をφとす
ると、φ1 は、 0.1φ<φ1 <0.5φ ・・・(8) の範囲が望ましい。式(8)の範囲を外れて、φ1 <
0.1φでは、光学系を小型化する効果が小さく、φ1
>0.5φでは、拡大反射鏡4を用いたことによる収差
補正能力の効果が低減してしまうので、上式(8)が得
られる。
2に断面図を示すように、光路分岐手段のプリズムP化
があげられる。眼球1と光路分岐手段Sとの間に正の屈
折力を持つ要素Lを入れることにより、光学系をコンパ
クトにすることができるため、光路分岐手段のプリズム
P化による重量増加を抑えることができる。
用いた場合、広画角光学系においては、色収差の影響が
無視できなくなる。
ムPで構成した場合の光学系の一例の断面を示す。眼球
1側からの光線追跡(逆追跡)を行うと、瞳孔→正の屈
折力を持つレンズL→ビームスプリッタープリズムP→
拡大反射鏡4→ビームスプリッタープリズムP→プリズ
ムP端面→映像表示部3の順に進む。これを、図のよう
に、正の屈折力を持つレンズLとプリズムP端面をA
部、拡大反射鏡4側プリズムP端面と拡大反射鏡4をB
部、映像表示部3側のプリズムP端面をC部とすると、
瞳孔→A部→B部→C部→映像表示部3と簡略化でき、
図6のような光路図に表せる。
間及びB部−C部間はプリズムP硝材、C部−映像表示
部3間は空気で満たされている。このモデルで、瞳孔に
無限遠点からの光線が入射するとして、瞳孔側から逆追
跡で近軸光線追跡を以下のように行う。
線傾角 ω0 =0 A部を射出する光線の高さh1 ,光線傾角 ω1 B部を射出する光線の高さh2 ,光線傾角 ω2 C部を射出する光線の高さh3 ,光線傾角 ω3 A部の屈折力をp1(λ) 、B部の屈折力をp2(λ) 、プ
リズム硝材の屈折率をn(λ)とする。p1 、p2 、n
は波長λの関数である。また、A部→B部間の距離をd
1 、B部→C部間の距離をd2 とする。
ω3 は、 h3 =1−p1(λ) d1 /n(λ)−〔n(λ)p1(λ) +n(λ)p2(λ) −p1(λ) p2(λ) d1 〕d2 /n(λ)2 ・・・(9) ω3 =p1(λ) +p2(λ) −〔p1(λ) p2(λ) d1 〕/n(λ) ・・・(10) となる。光学系に焦点位置の色収差、焦点距離の色収差
の双方がない条件は、 dh3 /dλ≡0 ・・・(11) dω3 /dλ≡0 ・・・(12) である。
、n(λ)の1次近似を以下のように行う。
く、プリズムP端面の屈折力は、拡大反射鏡4による屈
折力に比べて無視できるため、このように近似した。
して、λで微分すると、 dω3 /dλ=a1 +(a0 b0 n1 ・d1 −a1 b0 n0 ・d1) /(n0 +n1 λ)2 ・・・(16) となり、式(16)の右辺をλに関わりなく0にするため
には、 a1 =a0 =0 ・・・(17) もしくは、 a1 =b0 =0 ・・・(18) である。条件(17)式は、A部の屈折力を0とするた
め、本発明の光学系の意図から外れる。条件(18)式
は、A部を色消しレンズで構成して、B部を平面鏡とす
るため、これも本発明の光学系の意図から外れる。
ると、光学系全体の色消しを行うことが非常に困難にな
る。
に波長依存性を持たせることが考えられる。しかし、C
部においては近軸光線高が低く、C部から映像表示部4
までの距離が近いため、全系に対する色消し効果が少な
い。このため、B部に色消し作用を持たせることが望ま
しい。
(10)に代入してλで微分すると、 dh3 /dλ=(G1 +G2 λ)/(n0 +n1 λ)3 ・・・(20) dω3 /dλ=(G3 +G4 λ+G5 λ2 )/(n0 +n1 λ)2 ・(21) となる。ここで、 G1 =−a1 n0 2d1 +a0 b0 n1 d1 −a1 n0 2 d2 −b1 n0 2 d2+a0 n0 n1 d2 +b0 n0 n1 d2 +a1 b0 n0 d1 d2 +a0 b1 n0 d1 d2 −2a0 b0 n1 d1 d2 ・・・(22) G2 =−a1 n0 n1 d1 +a0 n1 2d1 −a1 n0 n1 d2 −b1 n0 n1 d2 +a0 n1 2d2 +b0 n1 2d2 +2a1 b1 n0 d1 d2 −a1 b0 n1 d1 d2 −a0 b1 n1 d1 d2 ・・・(23) G3 =a1 n0 2+b1 n0 2−a1 b0 n0 d1 −a0 b1 n0 d1 +a0 b0 n1 d1 ・・・(24) G4 =2a1 n0 n1 +2b1 n0 n1 −2a1 b1 n0 d1 ・・・(25) G5 =a1 n1 2+b1 n1 2−a1 b1 n1 d1 ・・・(26) である。
される。
定しても、変数はa0 、a1 、b0、b1 、n0 、n1
の6個があるため、式(27)の5個の条件式を満たす
解は、一般に、無数に存在する。
せることで、光学系全体での色消しが可能となる。
0 、傾角ω0 =0で入射した波長λL 、λS (λL >λ
S )の2本の光線は、A部を通過するときに、P1
(λL ) <P1(λS ) となるように設定することで、ω1
(λL ) <ω1(λS ) となり、B部でh2(λL ) >h
2(λS ) となる。
ることで、h3(λL ) =h3(λS )を実現でき、かつ、
ω3 (λ)=ω2 (λ)・n(λ)= const. を満たす
べきP1(λ) 、P2(λ) の解が存在する。
収差過剰補正をしていることを意味する。逆に、例え
ば、A部で充分な色収差補正を行った場合には、波長の
異なる光線はプリズムPに入射・通過する際に分離する
が、これをB部で光線高と光線傾角の両方を補正するこ
とは非常に困難である。
は、光路分岐手段として使用するプリズムPの硝材の分
散を少なくするのが望ましい。具体的には、 νd >30 の範囲が望ましい。
光学系全体として正の屈折力を持っているため、大きな
分散を持つ負の屈折力を持つレンズを、具体的には、 νd <50 の範囲の硝材を使用した負の屈折力を持つレンズを拡大
反射鏡4の近辺に配置する。
凸面と硝材G2 (νd2)の凹面の接合面を用いることで
ある。ここでνd1>νd2である。
差の少なく、視野角が広く、コンパクトな映像表示装置
用光学系が実現できる。
装置の実施例1〜6について説明する。各実施例のレン
ズ断面を図7〜12に示す。各実施例のレンズデータを
以下に示すが、これらのデータは全て、瞳孔から映像表
示素子に至る逆追跡の順で示してあり、全ての実施例に
おいて、第0面は瞳孔位置を示している。また、記号
は、r0 、r1 、r2 …は瞳孔位置及び像面を含めた各
レンズ面の曲率半径、d0 、d1 、d2 …は各レンズ面
間の間隔、nd1、nd2…は、プリズムを含めた各レンズ
のd線の屈折率であり、νd1、νd2…は、各レンズのア
ッベ数である。そして、瞳孔中心を通る視線方向をx軸
方向に、x軸と直交し映像表示素子の表示面に垂直な方
向をy軸方向として、各実施例とも、ハーフミラー面は
このx軸、y軸に対して45°傾いている。また、レン
ズデータの各面間の間隔d0 、d1 、d2 …の後にその
方向を表すように、X又はYを表示してある。なお、瞳
孔位置における有効な瞳径は、全実施例においてφ8m
mである。
に、正の屈折力を持つ両凸レンズを眼球とハーフミラー
の間に配置した例であり、r3 、r6 は仮想面である。
視軸方向(垂直方向0°、水平方向0°)、(2)は画
面の垂直方向0°、水平方向11.3°、(3)は画面
の垂直方向15°、水平方向11.3°、(4)は垂直
方向15°、水平方向0°、(5)は垂直方向15°、
水平方向−11.3°、(6)は垂直方向0°、水平方
向−11.3°における水平方向及び垂直方向の値を示
すものである。
としてビームスプリッタープリズムを使用した例であ
る。プリズムの眼球側の面に正のパワーを持たせること
で広画角化と小型化を実現している。
視軸方向(垂直方向0°、水平方向0°)、(2)は画
面の垂直方向0°、水平方向13.5°、(3)は画面
の垂直方向18°、水平方向13.5°、(4)は垂直
方向18°、水平方向0°、(5)は垂直方向18°、
水平方向−13.5°、(6)は垂直方向0°、水平方
向−13.5°における水平方向及び垂直方向の値を示
すものである。
リズムの眼球側の面に設けられた正のパワーを持つ面の
代わりに、正のパワーを持つ両凸レンズをプリズムから
独立して設けて、収差を小さくしている。なお、本実施
例では、上記両凸レンズは両面が等曲率であるが、収差
の補正状況により、ベンディングを行ってもよい。
視軸方向(垂直方向0°、水平方向0°)、(2)は画
面の垂直方向0°、水平方向13.5°、(3)は画面
の垂直方向18°、水平方向13.5°、(4)は垂直
方向18°、水平方向0°、(5)は垂直方向18°、
水平方向−13.5°、(6)は垂直方向0°、水平方
向−13.5°における水平方向及び垂直方向の値を示
すものである。
ッタープリズムPの表示素子3側端面に凹面の曲率(r
6 >0)を付けることにより、主光線が表示素子3に対
して垂直に近い角度で入射するようにすることで、観察
される映像の強度ムラの低減ができ、また、表示素子3
をy軸に沿って移動させることにより、視度の調整を行
うことができる。また、図14に示すように、瞳孔Eと
プリズムP間の凸レンズを2個に分割し、それらの間隔
d2 を変化させることにより、視度の調整を行うことも
できる。
る色収差の対策を行うために、拡大反射鏡の近傍に色収
差補正のための接合レンズを設けている。
視軸方向(垂直方向0°、水平方向0°)、(2)は画
面の垂直方向0°、水平方向19°、(3)は画面の垂
直方向25°、水平方向19°、(4)は垂直方向25
°、水平方向0°、(5)は垂直方向25°、水平方向
−19°、(6)は垂直方向0°、水平方向−19°に
おける水平方向及び垂直方向の値を示すものである。
プリッタープリズムと拡大反射鏡を分離したものであ
る。
視軸方向(垂直方向0°、水平方向0°)、(2)は画
面の垂直方向0°、水平方向19°、(3)は画面の垂
直方向25°、水平方向19°、(4)は垂直方向25
°、水平方向0°、(5)は垂直方向25°、水平方向
−19°、(6)は垂直方向0°、水平方向−19°に
おける水平方向及び垂直方向の値を示すものである。
て利用したものであるが、本実施例では凹面ミラーを使
用している。
方向(垂直方向0°、水平方向0°)、(2)は画面の
垂直方向0°、水平方向19°、(3)は画面の垂直方
向25°、水平方向19°、(4)は垂直方向25°、
水平方向0°、(5)は垂直方向25°、水平方向−1
9°、(6)は垂直方向0°、水平方向−19°におけ
る水平方向及び垂直方向の値を示すものである。
反射鏡として球面ミラーを用いているが、収差補正もし
くは像歪みを補正するために、非球面ミラーを用いるこ
とは効果的である。同様に、ビームスプリッタープリズ
ム端面及びレンズの面に非球面を用いることにも同様の
効果がある。
以外に、外界を観察する機能を付加するために、光路分
岐手段の眼球と反対側に負のパワーを持つ面もしくはレ
ンズを付加し、正のパワーを持つ面もしくはレンズと光
路分岐手段と負のパワーを持つ面もしくはレンズで構成
される光学系がアフォーカル光学系となるようにし、負
のパワーを持つ面もしくはレンズの更に前面にシャッタ
ー手段を設けることにより、映像表示素子の映像を観察
すること以外に、外界を観察することが可能となる。
つかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれ
ら実施例に限定されず、種々の変形が可能である。な
お、以上の説明においては、拡大反射鏡は映像表示素子
に対向して視線に平行に視野外に配置するものとした
が、映像表示素子のみを視線に平行に視野外に配置し、
拡大反射鏡は光路分岐手段の眼球と反対側に配置するよ
うにすることもできる。この場合、映像表示素子からの
光束は、光路分岐手段で反射され、その後、拡大反射鏡
で反射され、今度は光路分岐手段を透過して眼球に達す
ることになる。
の映像表示装置によると、眼球と光路分岐手段の間に少
なくとも1個の正の屈折力を持つ面を配置したので、コ
ンパクトな構成で広い画角の映像が得られる。また、光
路分岐手段と拡大反射鏡の間を2種類以上の硝材で構成
することにより、広い画角に対して色収差を補正した映
像が得られる。
図である。
図である。
系の一例の断面図である。
す断面図である。
る。
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 映像表示部と、表示された映像を眼球へ
拡大投影する拡大反射鏡と、光路分岐手段とからなり、
前記映像表示部から射出される光束が、前記光路分岐手
段を透過して前記拡大反射鏡で反射され、前記光路分岐
手段により反射されて眼球へ映像を投影する折り返し光
路を備えた映像表示装置において、前記光路分岐手段と眼球の間に、以下の条件(8)を満
足するように構成された少なくとも1個の正の屈折力を
持つ面を備えた ことを特徴とする映像表示装置。 0.1φ<φ 1 <0.5φ ・・・(8) ただし、φ 1 は前記少なくとも1個の正の屈折力を持つ
面の屈折力であり、φは光学系全体の屈折力である。 - 【請求項2】 前記光路分岐手段がプリズムからなり、
前記拡大反射鏡と前記光路分岐手段の光路分岐面との間
が、少なくとも2種類の硝材で構成されていることを特
徴とする請求項1記載の映像表示装置。 - 【請求項3】 映像表示部と、表示された映像を眼球へ
拡大投影する拡大反射鏡と、光路分岐手段とからなり、
前記映像表示部から射出される光束が、前記光路分岐手
段により反射されて前記拡大反射鏡で反射され、前記光
路分岐手段を透過して眼球へ映像を投影する折り返し光
路を備えた映像表示装置において、前記光路分岐手段と眼球の間に、以下の条件(8)を満
足するように構成された少なくとも1個の正の屈折力を
持つ面を備えた ことを特徴とする映像表示装置。 0.1φ<φ 1 <0.5φ ・・・(8) ただし、φ 1 は前記少なくとも1個の正の屈折力を持つ
面の屈折力であり、φは光学系全体の屈折力である。 - 【請求項4】 前記光路分岐手段がプリズムからなり、
前記拡大反射鏡と前記光路分岐手段の光路分岐面との間
が、少なくとも2種類の硝材で構成されていることを特
徴とする請求項3記載の映像表示装置。 - 【請求項5】 前記光路分岐手段と眼球の間に設けられ
た少なくとも1個の正の屈折力を持つ面が、正レンズに
て構成され、前記正レンズの屈折力をφ1 として、光学
系全体の屈折力をφとするとき、以下の条件(8)を満
足するように構成されたことを特徴とする請求項2又は
4記載の映像表示装置。 0.1φ<φ1 <0.5φ ・・・(8) - 【請求項6】 前記光路分岐手段がプリズムのプリズム
面にて構成され、光学系全体の色収差を小さく抑えるよ
うに前記プリズムの硝材の分散νd が以下の条件を満足
することを特徴とする請求項1から4の何れか1項記載
の映像表示装置。 νd >30
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03521293A JP3245473B2 (ja) | 1993-02-24 | 1993-02-24 | 映像表示装置 |
US08/201,384 US5546227A (en) | 1993-02-24 | 1994-02-24 | Image display apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03521293A JP3245473B2 (ja) | 1993-02-24 | 1993-02-24 | 映像表示装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06250114A JPH06250114A (ja) | 1994-09-09 |
JP3245473B2 true JP3245473B2 (ja) | 2002-01-15 |
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ID=12435544
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP03521293A Expired - Fee Related JP3245473B2 (ja) | 1993-02-24 | 1993-02-24 | 映像表示装置 |
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---|---|
JP (1) | JP3245473B2 (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103293681A (zh) * | 2013-05-06 | 2013-09-11 | 湖北久之洋红外系统股份有限公司 | 一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置 |
Families Citing this family (5)
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