JP5385080B2 - Display device - Google Patents

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Description

本発明は、レンズ、反射鏡に代表される結像光学素子により結像された虚像を実像、または実像を虚像に変換して映像を表示する表示装置に関する。   The present invention relates to a display device that displays a video by converting a virtual image formed by an imaging optical element typified by a lens and a reflecting mirror into a real image or converting a real image into a virtual image.

リアルな3次元空中映像を実現するために、光線を細かく分割する微細加工技術に着目し、鏡に映った像鏡映像を虚像でなく実像で空中に結像させることを可能とするナノ加工技術を用いた反射型面対称結像素子が開発されている(非特許文献1参照)。   Focusing on microfabrication technology that finely divides light rays in order to realize realistic 3D aerial images, nano-processing technology that makes it possible to form image images in the mirror as real images instead of virtual images A reflection-type plane-symmetric imaging element using the above has been developed (see Non-Patent Document 1).

かかる反射型面対称結像素子の素子面には1辺100μm、深さ100μmの微小な貫通穴が多数開いている。この穴の内壁がマイクロミラーとなっており、隣接する2面のマイクロミラーによって2面コーナーリフレクターが構成されている。穴を通過する光はこのマイクロミラーに2回反射されることで鏡映像が形成される(特許文献1〜3、非特許文献1、参照)。   A large number of small through-holes each having a side of 100 μm and a depth of 100 μm are opened in the element surface of such a reflective surface-symmetric imaging element. The inner wall of this hole is a micromirror, and a two-surface corner reflector is formed by two adjacent micromirrors. The light passing through the hole is reflected twice by the micromirror, thereby forming a mirror image (see Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1).

特開2008−158114JP 2008-158114 A 特開2009−25776JP 2009-257576 特開2009−75483JP2009-75483A 空中映像を結像する「鏡」の開発に成功〜リアルな3次元空中映像の実現に向けて〜、(URL:http://www2.nict.go.jp/pub/whatsnew/press/h18/061124-2/061124-2.html)[平成20年4月28日現在]Succeeded in developing “mirror” for imaging aerial images-Realizing realistic 3D aerial images-(URL: http://www2.nict.go.jp/pub/whatsnew/press/h18/ 061124-2 / 061124-2.html) [As of April 28, 2008]

反射型面対称結像素子は、単独で使用する範囲において物体を実像として結像することが可能であり、物体と実像は等倍の関係にある。よって、物体と反射型面対称結像素子は得られる実像の大きさに比例して、大きい物体であれば大きいすなわち大面積の反射型面対称結像素子を必要とする。   The reflection-type plane-symmetric imaging element can form an object as a real image in a range where it is used alone, and the object and the real image have a 1: 1 magnification relationship. Therefore, the object and the reflection type plane symmetric imaging element are proportional to the size of the real image to be obtained, and a large object, that is, a large area reflection type plane symmetric imaging element is required.

よって、これらを表示装置に用いる場合など物体と反射型面対称結像素子の設置態様に制限されることが多いという問題点がある。   Therefore, there is a problem in that these are often limited to the installation mode of the object and the reflection-type plane-symmetric imaging element, such as when used in a display device.

そこで、本発明が解決しようとする課題には、上記の問題点が一例として挙げられ、配置自由度の高い物体と反射型面対称結像素子の設置を可能にした表示装置を提供することが本発明の目的の一つである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention includes the above-mentioned problem as an example, and it is to provide a display device that enables installation of an object having a high degree of freedom of arrangement and a reflection-type plane-symmetric imaging element. This is one of the objects of the present invention.

本発明の一態様の表示装置は、
自らの素子面に対して収束状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に発散状態で出射する一方、自らの素子面に対して発散状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に収束状態で出射する板状の反射型面対称結像素子と、
光を前記反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子と、
前記中継光学素子へ前記光を供給する発光体と、を備え、
前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して発散状態で入射し、前記素子面に対して収束状態で出射された光が実像として結像されるように、前記発光体、前記中継光学素子、及び前記反射型面対称結像素子を配置することを特徴とする。
また、本発明の別の態様の表示装置は、自らの素子面に対して収束状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に発散状態で出射する一方、自らの素子面に対して発散状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に収束状態で出射する板状の反射型面対称結像素子と、
光を前記反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子と、
前記中継光学素子へ前記光を供給する発光体と、を備え、
前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して発散状態で入射し、前記素子面に対して収束状態で出射された光が実像として結像されるように、または前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して収束状態で入射し、前記素子面に対して発散状態で出射された光が虚像として結像されるように、前記発光体、前記中継光学素子、及び前記反射型面対称結像素子を配置し、
前記反射型面対称結像素子は、第1及び第2光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された構造体で構成され、入射光を前記第1及び第2光反射面により2回反射させて鏡映像を作り出すものであり、
前記反射型面対称結像素子は、1つの光反射面を有する複数の長手部材をその光反射面が同一方向側となるように平行に配列した第1集合体及び第2集合体を、その光反射面が交差するように重ね合わせて構成されてなり、前記第1集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第1光反射面を構成しかつ前記第2集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第2光反射面を構成することを特徴とする。
A display device of one embodiment of the present invention includes:
A light beam incident on the element surface in a converged state is emitted in a divergent state symmetrically with respect to the element surface, while a light beam incident in a divergent state on the element surface is converged symmetrically with respect to the element surface. A plate-like reflective surface-symmetric imaging element that emits in a state ;
A relay optical element that enters light in a convergent or divergent state to the reflective surface-symmetric imaging element;
A light emitter for supplying the light to the relay optical element,
The light emitting body, the light emitted from the relay optical element is incident on the element surface in a divergent state, and the light emitted in a converged state on the element surface is formed as a real image; A relay optical element and the reflection-type plane-symmetric imaging element are arranged .
Further, the display device according to another aspect of the present invention emits a light beam incident on the element surface in a converged state in a divergent state symmetrically with respect to the element surface, while diverging with respect to the element surface. A plate-like reflection-type plane-symmetric imaging element that emits a light beam incident on the element plane in a convergent state symmetrically with respect to the element surface;
A relay optical element that enters light in a convergent or divergent state to the reflective surface-symmetric imaging element;
A light emitter for supplying the light to the relay optical element,
The light emitted from the relay optical element is incident on the element surface in a divergent state, and the light emitted in a converged state on the element surface is formed as a real image, or the relay optical element So that the light emitted from the light incident on the element surface in a converged state and the light emitted in a divergent state on the element surface is formed as a virtual image, the light emitter, the relay optical element, And the reflective plane-symmetric imaging element is disposed,
The reflection-type plane-symmetric imaging element is composed of a structure in which micromirror units having first and second light reflecting surfaces are arranged in a matrix, and incident light is reflected by the first and second light reflecting surfaces. It is a reflection that creates a mirror image,
The reflective surface-symmetric imaging element includes a first assembly and a second assembly in which a plurality of longitudinal members having one light reflecting surface are arranged in parallel so that the light reflecting surfaces are in the same direction. The light reflection surfaces of the first aggregate are configured so as to intersect with each other, the light reflection surface of the first aggregate constitutes the first light reflection surface of the micromirror unit, and the light reflection surface of the second aggregate Constitutes the second light reflecting surface of the micromirror unit.

上記の表示装置においては、前記発光体は、自発光体又は被照射体であることとすることができる。 In the above display device , the light emitter may be a self-light emitter or an irradiated body.

上記の表示装置においては、前記発光体、前記中継光学素子及び前記反射型面対称結像素子を含む遮光体を含むこととすることができる。   The display device may include a light blocking body including the light emitter, the relay optical element, and the reflective plane-symmetric imaging element.

上記の表示装置においては、前記遮光体の一部が前記反射型面対称結像素子からなることとすることができる。   In the display device described above, a part of the light shielding body may be formed of the reflection type plane-symmetric imaging element.

上記の表示装置においては、前記遮光体の内壁面は暗色であることとすることができる。   In said display apparatus, the inner wall face of the said light-shielding body can be made into a dark color.

前記中継光学素子は、凸レンズ、凹レンズ、凹面鏡、凸面鏡のいずれかを含む結像光学素子であることとすることができる。   The relay optical element may be an imaging optical element including any one of a convex lens, a concave lens, a concave mirror, and a convex mirror.

上記の表示装置においては、前記中継光学素子において、前記結像光学素子と前記発光体との間に、ハーフミラーが配置され、光が前記ハーフミラーで合成されることとすることができる。   In the display device, in the relay optical element, a half mirror may be disposed between the imaging optical element and the light emitter, and light may be combined by the half mirror.

本発明の実施形態の表示装置における微小ミラーユニットを概念的に説明するためのXYZ直交座標における微小ミラーユニットの斜視図である。It is a perspective view of the micro mirror unit in XYZ rectangular coordinates for conceptually explaining the micro mirror unit in the display device of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の表示装置におけるZ軸方向から眺めたXY平面上の微小ミラーユニットの平面図である。It is a top view of the micro mirror unit on XY plane seen from the Z-axis direction in the display apparatus of the embodiment of the present invention. 図2の第1及び第2光反射面のなす角の二等分線とZ軸に直角な方向から眺めた第1及び第2光反射面の側面図である。FIG. 3 is a side view of the first and second light reflecting surfaces when viewed from a direction perpendicular to the bisector of the angle formed by the first and second light reflecting surfaces of FIG. 2 and the Z axis. 本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の平面図である。It is a top view of a reflection type plane symmetry image formation element in a display of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の斜視図である。It is a perspective view of a reflection type plane symmetry image formation element in a display of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の斜視図である。It is a perspective view of a reflection type plane symmetry image formation element in a display of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の斜視図である。It is a perspective view of a reflection type plane symmetry image formation element in a display of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の斜視図である。It is a perspective view of a reflection type plane symmetry image formation element in a display of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子を構成する直方体材を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the rectangular parallelepiped material which comprises the reflection type plane-symmetric image formation element in the display apparatus of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子を形成する2つのシート部の組み合わせを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the combination of two sheet | seat parts which form the reflection type plane-symmetric image formation element in the display apparatus of embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の部分切欠斜視図である。FIG. 6 is a partially cutaway perspective view of a rectangular parallelepiped plate-shaped body having a stepped side surface on one surface for forming a reflective plane-symmetric imaging element in a display device according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の部分切欠斜視図である。FIG. 6 is a partially cutaway perspective view of a rectangular parallelepiped plate-shaped body having a stepped side surface on one surface for forming a reflective plane-symmetric imaging element in a display device according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の部分切欠斜視図である。FIG. 6 is a partially cutaway perspective view of a rectangular parallelepiped plate-shaped body having a stepped side surface on one surface for forming a reflective plane-symmetric imaging element in a display device according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の部分切欠斜視図である。FIG. 6 is a partially cutaway perspective view of a rectangular parallelepiped plate-shaped body having a stepped side surface on one surface for forming a reflective plane-symmetric imaging element in a display device according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の接着した集合体を示す部分切欠斜視図である。It is a partial notch perspective view which shows the assembly | attachment which the plate-shaped body for rectangular parallelepiped formation which has a step-shaped side surface on the surface for formation of the reflection type plane-symmetric image formation element in the display apparatus of other embodiment of this invention adhere | attached. 本発明の実施形態の表示装置における中継光学素子の凸レンズによる光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path by the convex lens of the relay optical element in the display apparatus of embodiment of this invention. 図16の中継光学素子の凸レンズと反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path in the display apparatus containing the convex lens of the relay optical element of FIG. 16, and a reflection type plane-symmetric image formation element. 本発明の他の実施形態の表示装置における中継光学素子の凸レンズによる光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path by the convex lens of the relay optical element in the display apparatus of other embodiment of this invention. 図18の中継光学素子の凸レンズと反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path in the display apparatus containing the convex lens of the relay optical element of FIG. 18, and a reflection type plane-symmetric image formation element. 本発明の他の実施形態の表示装置における中継光学素子の凹面鏡による光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path by the concave mirror of the relay optical element in the display apparatus of other embodiment of this invention. 図20の中継光学素子の凹面鏡と反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path in the display apparatus containing the concave mirror of a relay optical element of FIG. 20, and a reflection type plane-symmetric image formation element. 本発明の他の実施形態の表示装置における中継光学素子の凹面鏡による光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path by the concave mirror of the relay optical element in the display apparatus of other embodiment of this invention. 図22の中継光学素子の凹面鏡と反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path in the display apparatus containing the concave mirror of a relay optical element of FIG. 22, and a reflection type plane-symmetric image formation element. 本発明の他の実施形態の表示装置における中継光学素子の凹面鏡による光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path by the concave mirror of the relay optical element in the display apparatus of other embodiment of this invention. 図24の中継光学素子の凹面鏡と反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross-sectional view showing an optical path in a display device including the concave mirror of the relay optical element of FIG. 24 and a reflection-type plane-symmetric imaging element. ディスプレイと拡大光学系レンズと平面ミラーの組み合わせからなるプロジェクタ表示装置における光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path in the projector display apparatus which consists of a combination of a display, an expansion optical system lens, and a plane mirror. 本発明の実施例の表示装置のディスプレイと拡大光学系凸レンズと内部平面ミラーと反射型面対称結像素子の組み合わせからなるプロジェクタ表示装置における光路を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the optical path in the projector display apparatus which consists of a combination of the display of the display apparatus of the Example of this invention, an expansion optical system convex lens, an internal plane mirror, and a reflection type plane-symmetric image formation element.

1 物体
2、2b 反射型面対称結像素子
3 実像
20 直方体材
21、22 シート部
23 光反射膜
24 光吸収膜
31 板状体
32 板状体平行峰部
33 板状体主面
34 板状体集合体
41 ディスプレイ
42 凸レンズ
43 平面ハーフミラー
44 凸レンズ
45 内部平面ミラー
CvL 凸レンズ
CcM 凹面鏡
HM ハーフミラー
Mu 微小ミラーユニット
Mxz 第1光反射面
Myz 第2光反射面
T 光透過面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Object 2, 2b Reflection type plane-symmetric imaging element 3 Real image 20 Cuboid material 21, 22 Sheet part 23 Light reflection film 24 Light absorption film 31 Plate body 32 Plate body parallel peak part 33 Plate body main surface 34 Plate shape Body assembly 41 Display 42 Convex lens 43 Plane half mirror 44 Convex lens 45 Internal plane mirror CvL Convex lens CcM Concave mirror HM Half mirror Mu Micro mirror unit Mxz First light reflection surface Myz Second light reflection surface T Light transmission surface

凸レンズ、凹レンズや、凹面鏡、凸面鏡などの従来の結像光学素子は、像の拡大縮小は可能であるが、その像を観察できる位置はそれぞれの光学系の光路により制限されている。また、これら従来の結像光学素子は結ぶ像が実像になるか虚像になるかはそれぞれの光学系の種類と物体の位置関係において決められ、結像される像を実像にするか虚像にするかによって観察位置が大きく制約を受ける。   Conventional imaging optical elements such as a convex lens, a concave lens, a concave mirror, and a convex mirror can enlarge and reduce the image, but the position where the image can be observed is limited by the optical path of each optical system. In addition, in these conventional imaging optical elements, whether the image to be connected becomes a real image or a virtual image is determined by the type of each optical system and the positional relationship of the object, and the image to be formed becomes a real image or a virtual image. Depending on how, the observation position is greatly restricted.

発明者は鋭意研究し、反射型面対称結像素子では、像の拡大縮小をすることができなかったが、今回これらを組み合わせた表示装置とするとこで、虚像を実像に変換、あるいは実像を虚像に変換し、かつ拡大縮小を可能にすると同時に、結像された像を観察できる範囲を変化させることを実現した。   The inventor has intensively studied, and with the reflection-type plane-symmetric imaging element, the image could not be enlarged / reduced, but this time, a display device that combines these, converts a virtual image into a real image, or converts a real image into a real image. It was converted into a virtual image and enabled to enlarge and reduce, and at the same time, the range in which the formed image could be observed was changed.

かかる表示装置は、自らの素子面に対して収束又は発散状態で入射される光束を素子面に関して対称に発散又は収束状態で射出する板状の反射型面対称結像素子と、光を反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子(上記の従来の結像光学素子)と、中継光学素子へ光を供給する物体と、を備えている。そして、反射型面対称結像素子、中継光学素子及び物体は、物体の実像または虚像を観察できるように配置なされている。   Such a display device includes a plate-like reflection-type plane-symmetric imaging element that emits a light beam incident on the element surface in a converged or divergent state symmetrically with respect to the element surface, and a light-reflecting type. A relay optical element that is incident on the plane-symmetric imaging element in a convergent or divergent state (the conventional imaging optical element described above), and an object that supplies light to the relay optical element. The reflective surface-symmetric imaging element, the relay optical element, and the object are arranged so that a real image or a virtual image of the object can be observed.

以下に本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<反射型面対称結像素子>
反射型面対称結像素子は微小ミラーユニットの多数配列により構成されるので、1つの微小ミラーユニットから説明する。
<Reflective plane-symmetric imaging element>
Since the reflective surface-symmetric imaging element is composed of a large number of micromirror units, a single micromirror unit will be described.

図1は、微小ミラーユニットを概念的に説明するためのXYZ直交座標における微小ミラーユニットMuの斜視図である。微小ミラーユニットMuは素子面(XY平面)に直交する第1光反射面Mxz及び第2光反射面Myzからなる。   FIG. 1 is a perspective view of the minute mirror unit Mu in XYZ orthogonal coordinates for conceptually explaining the minute mirror unit. The minute mirror unit Mu includes a first light reflecting surface Mxz and a second light reflecting surface Myz that are orthogonal to the element surface (XY plane).

微小ミラーユニットMuにおいては、単位格子(1,1,1,)に或る点(黒丸)があるとすると、第1光反射面Mxzの鏡面に黒丸(1,−1,1,)が、第2光反射面Myzの鏡面に黒丸(−1,1,1,)が、それぞれ像空間に投影される。ここでXYZ直交座標値における−1は各軸方向の逆方向を意味し、各軸方向に垂直な平面に反転することを意味する。   In the micromirror unit Mu, if there is a certain point (black circle) in the unit cell (1, 1, 1,), the black circle (1, -1,1,) is on the mirror surface of the first light reflecting surface Mxz. Black circles (-1, 1, 1,) are respectively projected onto the image space on the mirror surface of the second light reflecting surface Myz. Here, −1 in the XYZ orthogonal coordinate values means the reverse direction of each axis direction, and means that the plane is inverted to a plane perpendicular to each axis direction.

それぞれ像空間における第1光反射面Mxzの鏡面と第2光反射面Myzの鏡面が、XYZ直交座標で有るために、黒丸(1,−1,1,)と黒丸(−1,1,1,)の像を単位格子(1,1,1,)の実空間の対角位置の空間に星印(−1,−1,1,)を投影する。   Since the mirror surface of the first light reflection surface Mxz and the mirror surface of the second light reflection surface Myz in the image space have XYZ orthogonal coordinates, the black circle (1, -1,1,) and the black circle (-1,1,1) )) Is projected on the space of the diagonal position of the real space of the unit cell (1,1,1,) with the star (-1, -1, -1,).

したがって、対角位置空間の星印(−1,−1,1,)と実空間の黒丸(1,1,1,)の関係は、黒丸の(1,1,1,)のXY軸方向の位置は星印(−1,−1,1,)のXY軸方向の位置と反転する関係にある。   Therefore, the relationship between the star (-1, 1, 1, 1) in the diagonal position space and the black circle (1, 1, 1,) in the real space is the XY axis direction of the black circle (1, 1, 1,). Is in a relationship reversed with the position of the asterisk (-1, -1, 1,) in the XY-axis direction.

図2は、Z軸方向から眺めたXY平面上の微小ミラーユニットMuの平面図である。ここでは、実空間を(1,1,1,)と、第1光反射面Mxzの鏡面による像空間を(1,−1,1,)と、第2光反射面Myzの鏡面による像空間を(−1,1,1,)と、第1及び第2光反射面Mxz,Myzの像空間の鏡面による像空間を(−1,−1,1,)と、表してある。実空間(1,1,1,)に線体Bがあるとすると、像空間(−1,−1,1,)ではXY軸方向で反転する虚像Bvが得られる。実空間(1,1,1,)の第2光反射面Myzの鏡面へ光線を角度θで入射すると光線は反射され、第1光反射面Mxzの鏡面に角度φで反射され、第2光反射面Myzの鏡面への入射光線と平行になって同一方向へ戻される。   FIG. 2 is a plan view of the minute mirror unit Mu on the XY plane viewed from the Z-axis direction. Here, the real space is (1, 1, 1,), the image space by the mirror surface of the first light reflecting surface Mxz is (1, -1, 1,), and the image space by the mirror surface of the second light reflecting surface Myz. (−1, 1, 1,) and the mirror image space of the image space of the first and second light reflecting surfaces Mxz, Myz is represented as (−1, −1, 1,). Assuming that the line B is in the real space (1, 1, 1,), a virtual image Bv that is inverted in the XY-axis direction is obtained in the image space (-1, -1, 1,). When a light beam is incident on the mirror surface of the second light reflecting surface Myz in the real space (1, 1, 1,) at an angle θ, the light beam is reflected and reflected by the mirror surface of the first light reflecting surface Mxz at an angle φ, and the second light. The light is returned in the same direction in parallel with the incident light beam on the mirror surface of the reflecting surface Myz.

したがって、第1光反射面Mxz及び第2光反射面Myzのそれぞれの法線方向以外の微小ミラーユニットMuへの入射光線は、XY平面のZ軸から開く第1及び第2光反射面Mxz,Myzの範囲内(90度未満)で反転した光線として同一方向へ戻るすなわち、再帰することになる。因みに、2枚の鏡を用意し、それを直角に合わせ鉛直に立て鏡の交線を覗いてみると、水平方向のいずれの位置でも自分の顔が常に真ん中にあることが観察できることからも再帰性は明らかである。   Therefore, the incident light beam to the micro mirror unit Mu other than the normal direction of each of the first light reflection surface Mxz and the second light reflection surface Myz is the first and second light reflection surfaces Mxz, which open from the Z axis of the XY plane. It returns in the same direction as a light beam reversed within the range of Myz (less than 90 degrees), that is, recursively. By the way, if you prepare two mirrors, align them at right angles and look vertically at the intersection of the mirrors, you can observe that your face is always in the middle at any position in the horizontal direction. Sex is obvious.

しかしながら、Z軸方向においては、微小ミラーユニットMuの第1及び第2光反射面Mxz,Myzによる再帰性は現れない。図3は図2の第1及び第2光反射面Mxz,Myzのなす角の二等分線とZ軸に直角な方向から眺めた第1及び第2光反射面Mxz,Myzの側面図である。ここで実空間(1,1,1,)の第2光反射面Myzの鏡面へ光線をZ軸に対して角度ψで入射すると光線は反射され、第1光反射面Mxzの鏡面で反射され、Z軸に対して角度ψで反射される。因みに、完全な再帰性を得るためには図1のXY平面に第3光反射面を更に設ければ、図1の白丸の像空間(−1,−1,−1,)による再帰性を得ることができる。この互いに直交する3枚の鏡を合わせたとき、3本の交線に向かう入射光線がいずれの入射位置でも同一入射方向に戻るコーナーキューブ、レトロリフレクタの再帰性として知られている。   However, in the Z-axis direction, the recursiveness due to the first and second light reflecting surfaces Mxz and Myz of the micromirror unit Mu does not appear. 3 is a side view of the first and second light reflecting surfaces Mxz and Myz viewed from a direction perpendicular to the bisector of the angle formed by the first and second light reflecting surfaces Mxz and Myz in FIG. 2 and the Z axis. is there. Here, when a light beam is incident on the mirror surface of the second light reflecting surface Myz in the real space (1, 1, 1,) at an angle ψ with respect to the Z axis, the light beam is reflected and reflected by the mirror surface of the first light reflecting surface Mxz. , Reflected at an angle ψ with respect to the Z axis. Incidentally, in order to obtain complete recursion, if a third light reflecting surface is further provided on the XY plane of FIG. 1, recursion by the white circle image space (−1, −1, −1,) of FIG. Can be obtained. This is known as the retroreflectivity of a corner cube or retroreflector in which incident light beams directed to three intersecting lines return to the same incident direction at any incident position when these three mirrors orthogonal to each other are combined.

実施形態の反射型面対称結像素子2においては、Z軸方向成分においては入射光線を正反射するとともにXY軸方向成分については入射光線を再帰性反射をする微小ミラーユニットMuの複数を、図4の平面図に示すように例えばXY軸方向に第1光反射面Mxz及び第2光反射面Myzが一致するようにマトリクス状に平面的に配列して構成されている。なお、反射型面対称結像素子2においてZ軸方向には光が通過(少なくとも一部は2回反射して)できるような構成されていることは云うまでもない。   In the reflection-type plane-symmetric imaging element 2 of the embodiment, a plurality of micro mirror units Mu that regularly reflect incident light in the Z-axis direction component and retroreflect incident light in the XY-axis direction component are illustrated. As shown in the plan view of FIG. 4, for example, the first light reflection surface Mxz and the second light reflection surface Myz are arranged in a matrix in a plane so as to coincide with each other in the XY axis direction. Needless to say, the reflective surface-symmetric imaging element 2 is configured to allow light to pass in the Z-axis direction (at least partially reflected twice).

図5に示すように例えば反射型面対称結像素子2のZ軸上の正側(上側)に発散光CvBを発する発光体があれば、反射型面対称結像素子2の微小ミラーユニット有効領域に拡がった全ての光線のうち、各第1及び第2光反射面Mxz,Myzで2回、反射した光線のそれぞれは、当該発光体の反射型面対称結像素子2に対する面対称位置に収束する。   As shown in FIG. 5, for example, if there is an illuminant that emits divergent light CvB on the positive side (upper side) on the Z-axis of the reflective plane-symmetric imaging element 2, the micro mirror unit of the reflective plane-symmetric imaging element 2 is effective. Of all the light rays spread in the region, each of the light rays reflected twice by each of the first and second light reflecting surfaces Mxz and Myz is in a plane-symmetrical position with respect to the reflective surface-symmetric imaging element 2 of the light emitter. Converge.

一方、図6に示すように例えば反射型面対称結像素子2のZ軸上の正側(上側)から収束光DvBを、反射型面対称結像素子2の微小ミラーユニット有効領域に入射すれば、その中の集光領域内の各第1及び第2光反射面Mxz,Myzで2回、反射した光線は、反射型面対称結像素子2から面対称に発散して発散光として拡がる。   On the other hand, as shown in FIG. 6, for example, convergent light DvB is incident on the micromirror unit effective region of the reflective surface-symmetric imaging element 2 from the positive side (upper side) on the Z-axis of the reflective surface-symmetric imaging element 2. For example, the light beam reflected twice by each of the first and second light reflecting surfaces Mxz and Myz in the condensing region therein diverges in a plane symmetry from the reflective surface-symmetric imaging element 2 and spreads as diverging light. .

このように直交する第1及び第2光反射面Mxz,Myzの法線で作るXY平面内においては光線を再帰的に反射しかつZ軸方向で正反射するので、図7に示すように、自発光体又は被照射体の物体1がZ軸上の負側(下側)に配置されるとき、当該物体1の像を実像Riで結像させることが可能となる。微小ミラーユニットに写った像の裏側からの観察となるので、三次元物体に対しては奥行きが反転する。一つの微小ミラーユニットが数10μm〜数10mm角の大きさで自由に製作することが可能であるので、かかる像の解像度は各微小ミラーユニットMuのサイズを小さくことにより、微小ミラーユニットMuを密に配列することにより像の明るさを向上できる。なお、物体1は自発光体又は被照射体でもよく、液晶ディスプレイなどの表示器の表示面を物体1として用いるがことができる。   In this way, in the XY plane formed by the normal lines of the first and second light reflecting surfaces Mxz and Myz orthogonal to each other, the light beam is recursively reflected and regularly reflected in the Z-axis direction. When the object 1 of the self-luminous body or the irradiated body is disposed on the negative side (lower side) on the Z axis, the image of the object 1 can be formed as a real image Ri. Since the observation is from the back side of the image reflected on the micromirror unit, the depth is reversed for the three-dimensional object. Since one micromirror unit can be freely manufactured with a size of several tens of μm to several tens of mm square, the resolution of such an image can be reduced by reducing the size of each micromirror unit Mu. The brightness of the image can be improved by arranging them in the array. The object 1 may be a self-luminous body or an irradiated body, and a display surface of a display such as a liquid crystal display can be used as the object 1.

このような微小ミラーユニットを平面内に並べると、点光源から発せられた光線は、あらゆる微小ミラーユニットによって反射され、必ず面対称位置を通るので、実像の結像或いは虚像の結像が可能となる。反射型面対称結像素子2は、マクロ的に見れば、板状なので、一方の主面から他方の主面へ光を透過する光屈曲透過型光学素子として動作する。   When such micromirror units are arranged in a plane, the light emitted from the point light source is reflected by every micromirror unit and always passes through a plane-symmetrical position, so that a real image or a virtual image can be formed. Become. Since the reflection-type plane-symmetric imaging element 2 is plate-like when viewed macroscopically, it operates as a light bending transmission type optical element that transmits light from one main surface to the other main surface.

図7に示すように、反射型面対称結像素子2の主面上に空中映像を浮かばせ、観察者に対して、所定方向からの観察が可能となる。   As shown in FIG. 7, an aerial image is floated on the main surface of the reflective surface-symmetric imaging element 2, and the observer can observe from a predetermined direction.

反射型面対称結像素子2の一例は、例えば、図8に示すように、各々が同数の棒状の直方体材20をその長手側面が並列に密着させることにより形成された2つのシート部(第1集合体及び第2集合体)21,22を有する。シート部21,22の互いの主面同士を接着してある。   An example of the reflection-type plane-symmetric imaging element 2 is, for example, as shown in FIG. 8, two sheet portions (first sheets) formed by sticking the same number of rod-shaped rectangular parallelepiped materials 20 in parallel at their long side surfaces. 1 aggregate and second aggregate) 21, 22. The main surfaces of the sheet portions 21 and 22 are bonded to each other.

長手方向に伸長した4面のうちの対向する2面は、図9に示すように、光の透過で使用する光透過面Tである。残る2面の一方は反射面であり鏡面処理を施されている。この鏡面処理は光を反射するという意味ではなく、非常に滑らかな状態にする処理である。残る2面の他方は光の吸収を行う面である。直方体材20はシート部21,22各々で100本〜20000本程度用いられる。例えば、直方体材20は、長手方向に垂直な方向、すなわち短手方向の四角形の断面の一辺が0.1〜10mm前後の透明なアクリルに代表されるプラスチック又はガラスの棒からなる。長さは投影する画像の大きさによって変化するが、100mm〜10m程度である。また、直方体材20の長手方向に伸長した1面(残りの1面の反対側の面)には光反射膜23が形成される。光反射膜23はアルミや銀の蒸着或いはスパッタなどによって形成される。その光反射膜23を形成した面とは反対側の面(残り1面)には光吸収膜24が形成され、それにより光吸収面とされる。光吸収膜24はつや消しの黒塗料などを用いたり、黒色の薄いシートを密着させて形成しても良い。   Of the four surfaces extending in the longitudinal direction, two opposing surfaces are light transmission surfaces T used for light transmission, as shown in FIG. One of the remaining two surfaces is a reflecting surface and is subjected to a mirror surface treatment. This mirror surface treatment does not mean that light is reflected, but is a treatment that makes a very smooth state. The other of the remaining two surfaces is a surface that absorbs light. About 100 to 20000 rectangular parallelepiped materials 20 are used for each of the sheet portions 21 and 22. For example, the rectangular parallelepiped material 20 is made of a plastic or glass rod typified by a transparent acrylic having a side of a square cross section in the direction perpendicular to the longitudinal direction, that is, in the short direction, of about 0.1 to 10 mm. The length varies depending on the size of the projected image, but is about 100 mm to 10 m. In addition, a light reflecting film 23 is formed on one surface of the rectangular parallelepiped material 20 that extends in the longitudinal direction (the surface opposite to the remaining one surface). The light reflecting film 23 is formed by vapor deposition or sputtering of aluminum or silver. A light absorbing film 24 is formed on the surface opposite to the surface on which the light reflecting film 23 is formed (the remaining one surface), thereby forming a light absorbing surface. The light absorbing film 24 may be formed by using a matte black paint or the like, or by adhering a thin black sheet.

このような複数の直方体材20について、図10に示すように、1つの直方体材20の光吸収膜面と別の直方体材20の光反射膜面を密着させてシート部21,22がそれぞれ形成される。シート部21,22は、図10に示すように、直方体材20の並列方向が交差するようにいずれか一方を90度回転させた状態で貼り合わせられ、それによって反射型面対称結像素子2が形成される。シート部21の各直方体材20とシート部22の各直方体材20とが交差する部分が微小ミラーユニットを構成し、各微小ミラーユニットのシート部21の光反射膜面が第1集合体の第1光反射面であり、シート部22の光反射膜面が第2集合体の第2光反射面である。   With respect to such a plurality of rectangular parallelepiped members 20, as shown in FIG. 10, sheet portions 21 and 22 are formed by closely adhering the light absorbing film surface of one rectangular parallelepiped material 20 and the light reflecting film surface of another rectangular parallelepiped material 20, respectively. Is done. As shown in FIG. 10, the sheet portions 21 and 22 are bonded together in a state in which one of the rectangular parallelepiped materials 20 is rotated by 90 degrees so that the parallel directions of the rectangular parallelepiped materials 20 intersect each other. Is formed. A portion where each rectangular parallelepiped material 20 of the sheet portion 21 and each rectangular parallelepiped material 20 of the sheet portion 22 intersect constitutes a micromirror unit, and the light reflecting film surface of the sheet portion 21 of each micromirror unit is the first aggregate. 1 light reflection surface, and the light reflection film surface of the sheet portion 22 is the second light reflection surface of the second aggregate.

なお、シート部21,22を形成する際に、1つの直方体材20の光吸収膜面と別の直方体材20の光反射膜面を密着させるので、光吸収膜24は光反射膜23の上に積層して形成しておいても良い。   When the sheet portions 21 and 22 are formed, the light absorbing film surface of one rectangular parallelepiped material 20 and the light reflecting film surface of another rectangular parallelepiped material 20 are brought into close contact with each other. Alternatively, they may be laminated.

更に、直方体材20はプラスチック樹脂やガラスなどによって形成されているため、約1.5程度の屈折率を持っているが、このことによって表面反射が起こる場合がある。そこで、反射型面対称結像素子2の物体(物体1)側及び実像3側の面に減反射コーティングを施すことにより鮮明な実像を空間に形成することができる。   Furthermore, since the rectangular parallelepiped material 20 is formed of plastic resin, glass, or the like, it has a refractive index of about 1.5, which may cause surface reflection. Therefore, a clear real image can be formed in the space by applying the anti-reflection coating on the object (object 1) side and the real image 3 side of the reflective surface-symmetric imaging element 2.

上記の例では、反射型面対称結像素子2の各直方体材20をアクリルやガラス等によって透明層として形成して、メンテナンスなどを容易にする構成を示したが、これらの代わりにごく薄いミラーシートを多数用いても同様の効果は得られる。構造的には平行するミラー群を2層に直交配置する構造である。   In the above example, each rectangular parallelepiped material 20 of the reflective plane-symmetric imaging element 2 is formed as a transparent layer using acrylic, glass, or the like, so that maintenance and the like are facilitated. The same effect can be obtained even if a large number of sheets are used. Structurally, it is a structure in which parallel mirror groups are orthogonally arranged in two layers.

なお、各直方体材としてガラスミラーを使用する場合には、カットの際に切断面が傾いたり表面に微小な凹凸が発生するが、これが結合像をぼけさせる大きな要因となる。そこで、表面に低粘度のエポキシ樹脂やUV硬化樹脂をコーティングすることにより、反射型面対称結像素子の表面が滑らかになり、結果として光軸ズレの少ない鮮明な実像を得ることができるようになる。コーティングする面は反射型面対称結像素子の両面が最も効果的であり、どこの面でも有効であるが、シート部の貼り合わせ面は接着層を兼ねることができる。   When a glass mirror is used as each rectangular parallelepiped material, the cut surface is inclined or minute irregularities are generated on the surface during cutting, which is a major factor that blurs the combined image. Therefore, by coating the surface with a low-viscosity epoxy resin or UV curable resin, the surface of the reflective surface-symmetric imaging element becomes smooth, and as a result, a clear real image with little optical axis deviation can be obtained. Become. As the surface to be coated, both surfaces of the reflection-type plane-symmetric imaging element are most effective, and any surface is effective. However, the bonding surface of the sheet portion can also serve as an adhesive layer.

他の反射型面対称結像素子の例としては、2シート貼り合わせ構造の他に、単一シート構造でもよい。例えば、図11に示すように、一面に階段状側面を有する直方体の階段状側面を側面として並べて接合した板状体の反射型面対称結像素子2bが挙げられる。図11は反射型面対称結像素子2bの部分斜視図である。図に示す反射型面対称結像素子2bでは階段状側面の一段を90度直交する第1及び第2光反射面の微小ミラーユニットとしている。   As another example of the reflection-type plane-symmetric imaging element, a single sheet structure may be used in addition to the two-sheet bonding structure. For example, as shown in FIG. 11, there is a reflection-type plane-symmetric imaging element 2 b having a plate-like body in which stepped side surfaces of a rectangular parallelepiped having stepped side surfaces are arranged and joined as side surfaces. FIG. 11 is a partial perspective view of the reflective surface-symmetric imaging element 2b. In the reflection-type plane-symmetric imaging element 2b shown in the figure, one step of the stepped side surface is a micromirror unit having first and second light reflecting surfaces that are orthogonal to each other by 90 degrees.

図12は図11の反射型面対称結像素子2bの形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体31の部分切欠斜視図である。直方体形成用板状体31はZ軸方向に伸長する複数の同一形状の平行峰部32を一方の主面に有する。その他方の主面は平面である。周期的に等しいピッチの平行峰部32の各々のXY平面における断面は同一形状の直角三角形(頂部)である。   FIG. 12 is a partially cutaway perspective view of a plate-shaped body 31 for forming a rectangular parallelepiped having a stepped side surface on one surface for forming the reflective surface-symmetric imaging element 2b of FIG. The rectangular parallelepiped plate-like body 31 has a plurality of parallel ridges 32 of the same shape extending in the Z-axis direction on one main surface. The other principal surface is a plane. The cross sections in the XY plane of the parallel ridge portions 32 having the same pitch periodically are right triangles (top portions) having the same shape.

図13も一面に階段状側面を有する直方体形成用板状体31の部分切欠斜視図である。この直方体形成用板状体31では、その平行峰部32側の主面33上に、光反射膜及び光吸収膜(図示せず)を順に成膜してある。光反射膜及び光吸収膜を成膜した直方体形成用板状体31の複数枚を製造しておく。直方体形成用板状体の材料は透明なアクリルに代表されるプラスチック又はガラスである。プラスチックの場合、射出成形などで平行峰部付きの金型により複数枚を製造することができる。   FIG. 13 is also a partially cutaway perspective view of a rectangular parallelepiped-forming plate 31 having stepped side surfaces on one side. In this rectangular parallelepiped-forming plate 31, a light reflecting film and a light absorbing film (not shown) are sequentially formed on the main surface 33 on the parallel ridge portion 32 side. A plurality of the rectangular parallelepiped-forming plate-like bodies 31 on which the light reflecting film and the light absorbing film are formed are manufactured. The material of the rectangular parallelepiped plate is plastic or glass typified by transparent acrylic. In the case of plastic, a plurality of sheets can be manufactured by a mold having parallel ridges by injection molding or the like.

図14は、製造された直方体形成用板状体31の平面部側に、製造された別の直方体形成用板状体31の平行峰部32側部分を透明接着剤(図示せず)で接着した貼着板状体の部分切欠斜視図である。透明接着剤は、その屈折率が直方体形成用板状体31の屈折率とほぼ等しい材料から選択することが好ましい。接着時に、直方体形成用板状体31の平行峰部に気泡が残留しないように接合することが好ましい。   FIG. 14 shows that the parallel ridge portion 32 side portion of another manufactured rectangular parallelepiped-forming plate 31 is bonded to the flat portion side of the manufactured rectangular parallelepiped-forming plate 31 with a transparent adhesive (not shown). It is a partial notch perspective view of the sticking plate-shaped object which was made. The transparent adhesive is preferably selected from materials whose refractive index is substantially equal to the refractive index of the rectangular parallelepiped plate-like body 31. It is preferable to bond so that bubbles do not remain at the parallel ridges of the rectangular parallelepiped-forming plate-like body 31 at the time of bonding.

図15は、直方体形成用板状体31の平面部側に次々と別の直方体形成用板状体31の平行峰部32側部分を透明接着剤(図示せず)で接着した集合体34の部分切欠斜視図である。   FIG. 15 shows an assembly 34 in which the parallel ridge 32 side portion of another rectangular parallelepiped-forming plate 31 is adhered to the flat portion side of the rectangular parallelepiped-forming plate 31 with a transparent adhesive (not shown). It is a partially cutaway perspective view.

接着硬化後に、XY平面(破線)に平行に等しいピッチで切断して切り分けて、切断面の研磨や、透明保護膜成膜などを施して、図11の反射型面対称結像素子2bが製造される。   After the adhesive is cured, it is cut and cut at an equal pitch parallel to the XY plane (broken line), and the cut surface is polished, a transparent protective film is formed, and the reflective surface-symmetric imaging element 2b in FIG. 11 is manufactured. Is done.

<中継光学素子及び物体との組み合わせ>
中継光学素子は、凸レンズ、凹レンズや、凹面鏡、凸面鏡などの従来の結像光学素子であり、像の拡大又は縮小を可能とする素子である。また、素子単体での使用に限らずこれらを組み合わせて使用することもでき、その像を観察できる位置はそれぞれの従来の結像光学素子による結像光学系の光路により設定できる。また、これら従来の結像光学素子は結ぶ像が実像になるか虚像になるかは、それぞれの光学系の種類と物体の位置関係において決められ、結像される像を実像にするか虚像にするかによって観察位置を変更できる。
<Combination with relay optical element and object>
The relay optical element is a conventional imaging optical element such as a convex lens, a concave lens, a concave mirror, or a convex mirror, and is an element that enables enlargement or reduction of an image. Further, not only the use of a single element but also a combination thereof can be used, and the position at which the image can be observed can be set by the optical path of the imaging optical system of each conventional imaging optical element. In addition, these conventional imaging optical elements determine whether the connected image becomes a real image or a virtual image depending on the type of each optical system and the positional relationship of the object. The observation position can be changed depending on whether or not.

中継光学素子すなわち結像光学系には主にレンズを用いる場合と、反射鏡を用いる場合とがあるが、ここでは凸レンズを用いる場合について説明する。   The relay optical element, that is, the imaging optical system, mainly uses a lens and uses a reflecting mirror. Here, a case where a convex lens is used will be described.

図16は、凸レンズCvLの焦点距離をf、凸レンズCvLと物体1との距離をaとし、aがf>a>0の場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、倍率f/(f−a)の虚像が得られる。この時、観察者Eの眼で虚像3Vの全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。   FIG. 16 shows an optical path diagram of the coupling optical system when the focal length of the convex lens CvL is f, the distance between the convex lens CvL and the object 1 is a, and a is f> a> 0. In this case, a virtual image with a magnification of f / (fa) is obtained. At this time, the range in which the entire image of the virtual image 3V can be observed with the eyes of the observer E is indicated by hatching.

図16の凸レンズCvLと物体1との関係がaがf>a>0の場合、凸レンズCvLと観察者Eの眼の間の空間に、凸レンズCvLの光軸にその法線が45度傾斜するように反射型面対称結像素子2を配置した態様が図17である。図17においては、反射型面対称結像素子2を配置することで、倍率f/(f−a)の実像3が反射型面対称結像素子2と観察者Eの眼の間の空間に得られる。反射型面対称結像素子2により凸レンズCvLで物体1からの発散光が収束光に変換されるからである。この時、観察者Eの眼で実像3の全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。   When the relationship between the convex lens CvL and the object 1 in FIG. 16 is a> f> a> 0, the normal to the optical axis of the convex lens CvL is inclined 45 degrees in the space between the convex lens CvL and the eyes of the observer E. FIG. 17 shows an aspect in which the reflection-type plane-symmetric imaging element 2 is arranged as described above. In FIG. 17, by arranging the reflective plane-symmetric imaging element 2, the real image 3 having the magnification f / (fa) is placed in the space between the reflective plane-symmetric imaging element 2 and the eyes of the observer E. can get. This is because the divergent light from the object 1 is converted into convergent light by the convex lens CvL by the reflective surface-symmetric imaging element 2. At this time, the range in which the entire image of the real image 3 can be observed with the eyes of the observer E is indicated by hatching.

aに位置に置かれた物体1から発する光は凸レンズCvLによって屈折された後、反射型面対称結像素子2の微小ミラーユニット有効領域に拡がった全ての光線のうち、各第1及び第2光反射面で2回、反射され全体として実像3を形成する。   The light emitted from the object 1 placed at a is refracted by the convex lens CvL, and then the first and second light beams out of all the light rays that have spread to the effective region of the minute mirror unit of the reflective surface-symmetric imaging element 2. Reflected twice on the light reflecting surface, the real image 3 is formed as a whole.

この例では従来の凸レンズCvLの奥に虚像3Vとして結像されていた像が実像3として形成される。実像3は結像位置にスクリーンなどを設置してその反射光を観察することもできる。また反射型面対称結像素子の手前の空間に結像しているから観察者Eの眼を実像3に最接近して観察することもできる。さらに実像の全体像を直接観察できる範囲も十分広く確保できる。   In this example, an image formed as a virtual image 3V behind the conventional convex lens CvL is formed as a real image 3. The real image 3 can be observed by reflecting a reflected light by setting a screen or the like at the image forming position. Further, since the image is formed in the space in front of the reflection-type plane-symmetric imaging element, the eye of the observer E can be observed closest to the real image 3. Furthermore, it is possible to secure a sufficiently wide range where the entire real image can be directly observed.

この反射型面対称結像素子は単独で使用した場合は物体から実像を形成する光学素子として機能するが、この反射型面対称結像素子を、他の結合光学系(従来から一般的に光学系に利用されている凸レンズや凹面鏡あるいは凹レンズや凸面鏡およびそれらの組合せで構成される、実像または虚像を形成する光学素子)と組み合わせることで、実像から虚像への変換、あるいは虚像から実像への変換を行うことが可能となる。また、反射型面対称結像素子は面対称結像系であるため像倍率が1であったが、従来の結像光学素子との組み合わせにより任意の像倍率を設定できるようになる。さらに従来の結像拡大光学系の多くが虚像表示であり、有効観察範囲が狭い範囲に限定されていたが、反射型面対称結像素子と組み合わせることによって有効観察範囲を拡大したり、像を手前の空間に結像させスクリーンに投影するなどして広範囲から像を観察できるようにすることが可能となる。   When used alone, this reflection-type surface-symmetric imaging element functions as an optical element that forms a real image from an object. However, this reflection-type plane-symmetric imaging element can be used as another coupling optical system. Conversion from a real image to a virtual image, or from a virtual image to a real image, in combination with a convex lens, concave mirror, concave lens, convex mirror, and optical elements that form a real image or virtual image) Can be performed. Further, since the reflection type plane-symmetric imaging element is a plane-symmetric imaging system, the image magnification is 1, but an arbitrary image magnification can be set by combining with a conventional imaging optical element. In addition, many of the conventional imaging magnification optical systems display virtual images, and the effective observation range is limited to a narrow range. However, the effective observation range can be expanded by combining with a reflective surface-symmetric imaging element. An image can be observed from a wide range by forming an image in a front space and projecting it on a screen.

<他の中継光学素子及び物体との組み合わせ>
図18は、凸レンズCvLの焦点距離をf、凸レンズCvLと物体1との距離をaとし、aがa>fの場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、倍率f/(a−f)の実像が得られる。この時、観察者Eの眼で実像3の全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。
<Combination with other relay optical elements and objects>
FIG. 18 shows an optical path diagram of the coupling optical system when the focal length of the convex lens CvL is f, the distance between the convex lens CvL and the object 1 is a, and a is a> f. In this case, a real image with a magnification of f / (af) is obtained. At this time, the range in which the entire image of the real image 3 can be observed with the eyes of the observer E is indicated by hatching.

図18の凸レンズCvLと物体1との関係がaがa>fの場合、凸レンズCvLと観察者Eの眼の間(凸レンズCvLと実像3の間)の空間に、凸レンズCvLの光軸にその法線が45度傾斜するように反射型面対称結像素子2を配置した図が図19である。図18で示した凸レンズCvLに対して物体1を配置した空間とは反対の空間に、反射型面対称結像素子2を配置することで、図19に示すように、凸レンズCvLと反射型面対称結像素子2の間の空間にて、倍率f/(a−f)の虚像3Vが得られる。反射型面対称結像素子2により凸レンズCvLでの物体1からの収束光が発散光に変換されるからである。   When the relation between the convex lens CvL and the object 1 in FIG. 18 is a> f, the space between the convex lens CvL and the eyes of the observer E (between the convex lens CvL and the real image 3) is aligned with the optical axis of the convex lens CvL. FIG. 19 is a diagram in which the reflection-type plane-symmetric imaging element 2 is arranged so that the normal is inclined by 45 degrees. By disposing the reflective surface-symmetric imaging element 2 in a space opposite to the space where the object 1 is disposed with respect to the convex lens CvL shown in FIG. 18, as shown in FIG. 19, the convex lens CvL and the reflective surface In the space between the symmetrical imaging elements 2, a virtual image 3V having a magnification of f / (af) is obtained. This is because convergent light from the object 1 at the convex lens CvL is converted into divergent light by the reflective plane-symmetric imaging element 2.

さらに他の例として凹面鏡を用いて虚像を結像する結像光学系に反射型面対称結像素子を加えて実像を形成する場合について説明する。   As another example, a case will be described in which a real image is formed by adding a reflective plane-symmetric imaging element to an imaging optical system that forms a virtual image using a concave mirror.

図20は、凹面鏡CcMの焦点距離をf、凹面鏡CcMと物体1との距離をaとし、aがf>a>0の場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、物体1が光を妨害しないようにハーフミラーHMを用いて凹面鏡CcMと物体1の光軸を一致させている。この場合、倍率f/(f−a)の虚像3Vが得られる。この時、観察者Eの眼で虚像3Vの全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。   FIG. 20 shows an optical path diagram of the coupling optical system when the focal length of the concave mirror CcM is f, the distance between the concave mirror CcM and the object 1 is a, and a is f> a> 0. In this case, the concave mirror CcM and the optical axis of the object 1 are made to coincide using the half mirror HM so that the object 1 does not disturb the light. In this case, a virtual image 3V having a magnification of f / (fa) is obtained. At this time, the range in which the entire image of the virtual image 3V can be observed with the eyes of the observer E is indicated by hatching.

図20の凹面鏡CcMと物体1との関係がaがf>a>0の場合、凹面鏡CcMと観察者Eの眼の間(ハーフミラーHMと観察者Eの眼の間)の空間に、物体1の光軸にその法線が45度傾斜するように反射型面対称結像素子2を配置した態様が図21である。   When the relationship between the concave mirror CcM and the object 1 in FIG. 20 is a> f> a> 0, the object is placed in the space between the concave mirror CcM and the eyes of the observer E (between the half mirror HM and the eyes of the observer E). FIG. 21 shows an aspect in which the reflection-type plane-symmetric imaging element 2 is arranged so that the normal to the optical axis 1 is inclined by 45 degrees.

図21に示すように、凹面鏡から見てハーフミラーHMの後方空間に、反射型面対称結像素子2を配置することで倍率f/(f−a)の実像3が得られる。反射型面対称結像素子2により凹面鏡CcMでの物体1からの発散光が収束光に変換されるからである。なお、図21の光学系では実像位置に光を拡散させるスクリーンScを配置し、投影された実像3を観察する場合について記載している。   As shown in FIG. 21, a real image 3 having a magnification of f / (fa) is obtained by disposing the reflective plane-symmetric imaging element 2 in the space behind the half mirror HM when viewed from the concave mirror. This is because the divergent light from the object 1 at the concave mirror CcM is converted into convergent light by the reflective surface-symmetric imaging element 2. In the optical system of FIG. 21, a case where a screen Sc for diffusing light is arranged at the real image position and the projected real image 3 is observed is described.

もう一つの他の例として凹面鏡を用いて虚像を結像する結像光学系に反射型面対称結像素子を加えて実像を形成する場合について説明する。   As another example, a case where a real image is formed by adding a reflection-type plane-symmetric imaging element to an imaging optical system that forms a virtual image using a concave mirror will be described.

図22は、凹面鏡CcMの焦点距離をf、凹面鏡CcMと物体1との距離をaとし、aがf>a>0の場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、物体1が光を妨害しないようにハーフミラーHMを物体1と凹面鏡CcMとの間に用いて凹面鏡CcMと観察者Eの眼の光軸を一致させている。この場合、ハーフミラーHMから見て凹面鏡CcMの奥側に倍率f/(f−a)の虚像3V(破線)が得られるが、ハーフミラーHMにより凹面鏡CcMからの発散光が観察者Eの眼に届くので、倍率f/(f−a)の虚像3V(実線)が得られる。この時、観察者Eの眼で虚像3Vの全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。   FIG. 22 shows an optical path diagram of the coupling optical system when the focal length of the concave mirror CcM is f, the distance between the concave mirror CcM and the object 1 is a, and a is f> a> 0. In this case, the concave mirror CcM and the optical axis of the eye of the observer E are made to coincide with each other by using the half mirror HM between the object 1 and the concave mirror CcM so that the object 1 does not disturb the light. In this case, a virtual image 3V (broken line) with a magnification of f / (fa) is obtained on the back side of the concave mirror CcM when viewed from the half mirror HM, but divergent light from the concave mirror CcM is observed by the half mirror HM. Therefore, a virtual image 3V (solid line) having a magnification f / (fa) is obtained. At this time, the range in which the entire image of the virtual image 3V can be observed with the eyes of the observer E is indicated by hatching.

図22の凹面鏡CcMと物体1との関係がaがf>a>0の場合、ハーフミラーHMと観察者Eの眼の間の空間に、物体1の光軸にその法線が45度傾斜するように反射型面対称結像素子2を配置した態様が図23である。   When the relationship between the concave mirror CcM in FIG. 22 and the object 1 is a> f> a> 0, the normal of the optical axis of the object 1 is inclined 45 degrees in the space between the half mirror HM and the eyes of the viewer E. FIG. 23 shows an aspect in which the reflection-type plane-symmetric imaging element 2 is arranged as described above.

図23に示すように、反射型面対称結像素子2を配置することで倍率f/(f−a)の実像3が得られる。反射型面対称結像素子2により凹面鏡CcMでの物体1からの発散光が収束光に変換されるからである。なお、図23の光学系では実像位置に光を拡散させるスクリーンScを配置し、投影された実像3を観察する場合について記載している。   As shown in FIG. 23, a real image 3 having a magnification of f / (f−a) is obtained by disposing the reflective surface-symmetric imaging element 2. This is because the divergent light from the object 1 at the concave mirror CcM is converted into convergent light by the reflective surface-symmetric imaging element 2. In the optical system of FIG. 23, a case is described in which a screen Sc for diffusing light is arranged at the real image position and the projected real image 3 is observed.

別の例として凹面鏡を用いて実像を結像する光学系に反射型面対称結像素子を加えて虚像を形成する場合について説明する。   As another example, a case where a virtual image is formed by adding a reflective plane-symmetric imaging element to an optical system that forms a real image using a concave mirror will be described.

図24は、凹面鏡CcMの焦点距離がf、凹面鏡CcMと物体1との距離がaであって、aが2f>a>fの条件を満たす場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、物体1が光を妨害しないようにハーフミラーHMを用いて凹面鏡CcMと物体1の光軸を一致させている。なお、図24の光学系では実像位置に光を拡散させるスクリーンScを配置し、投影された実像3を観察する場合について記載している。   FIG. 24 shows an optical path diagram of the coupling optical system when the focal length of the concave mirror CcM is f, the distance between the concave mirror CcM and the object 1 is a, and a satisfies the condition 2f> a> f. In this case, the concave mirror CcM and the optical axis of the object 1 are made to coincide using the half mirror HM so that the object 1 does not disturb the light. In the optical system of FIG. 24, a case is described in which a screen Sc that diffuses light is disposed at the real image position and the projected real image 3 is observed.

図24の凹面鏡CcMと物体1との関係が2f>a>fの場合、ハーフミラーHMとスクリーンScの間の空間に、物体1の光軸にその法線が45度傾斜するように反射型面対称結像素子2を配置した態様が図25である。   When the relationship between the concave mirror CcM in FIG. 24 and the object 1 is 2f> a> f, a reflection type is formed in the space between the half mirror HM and the screen Sc so that the normal to the optical axis of the object 1 is inclined 45 degrees. FIG. 25 shows an aspect in which the plane-symmetric imaging element 2 is arranged.

図25に示すように、凹面鏡から見てハーフミラーHMの後方空間に、反射型面対称結像素子2を配置することで倍率f/(a−f)の虚像3Vが得られる。反射型面対称結像素子2により凹面鏡CcMでの物体1からの収束光が発散光に変換されるからである。   As shown in FIG. 25, a virtual image 3V having a magnification of f / (af) can be obtained by disposing the reflective plane-symmetric imaging element 2 in the space behind the half mirror HM as viewed from the concave mirror. This is because convergent light from the object 1 at the concave mirror CcM is converted into divergent light by the reflective surface-symmetric imaging element 2.

以上のように、本発明によれば、反射型面対称結像素子と結像光学素子(中継光学素子)とを組み合わせ、虚像から実像を作る場合と同様に、実像を形成する光線束から虚像を作ることができる。以上の表示装置の構成は、凸レンズや凹レンズに代表される透過型の光学系のみならず、凹面鏡や凸面鏡を用いた反射型光学系においても同様の作用が得られる。   As described above, according to the present invention, in the same manner as when a real image is formed from a virtual image by combining a reflection-type plane-symmetric imaging element and an imaging optical element (relay optical element), a virtual image is obtained from a bundle of rays forming a real image. Can be made. The configuration of the above display device can provide the same operation not only in a transmission type optical system represented by a convex lens and a concave lens but also in a reflection type optical system using a concave mirror or a convex mirror.

さらに、いずれの実施形態においても、物体1、凸レンズCvL又は凹面鏡CcM、ハーフミラーHM及び反射型面対称結像素子2を含む筐体などの遮光体(図示せず)を含むことができる。また、筐体などの遮光体の一部が反射型面対称結像素子2からなるようにすることもできる。遮光体の内壁面は暗色とすることにより、迷光などを吸収し得られる像のコントラストを向上されることもできる。   Further, in any of the embodiments, a light-shielding body (not shown) such as a housing including the object 1, the convex lens CvL or the concave mirror CcM, the half mirror HM, and the reflective plane-symmetric imaging element 2 can be included. Further, a part of the light shielding body such as a housing may be formed of the reflection type plane-symmetric imaging element 2. By making the inner wall surface of the light shield darker, the contrast of an image that can absorb stray light or the like can be improved.

最後に、本発明の表示装置を車載用のフロントガラスプロジェクタの実施例と比較例とを説明する。車の運転席、操縦席まわりは操作装置が多く有るためフロントガラスプロジェクタの小型化が必要である。また、近年のハイビジョンディスプレイ(16:9)の画角が30度を確保することも必要である。図26はディスプレイ41と拡大光学系の凸レンズ42と平面ハーフミラー43の組み合わせからなるプロジェクタ(比較例)を示す。図27は上述の図19のa>fの場合と同等の実像虚像変換光学系(拡大光学系)を組み合わせからなるプロジェクタを示す。図27の実施例の表示装置は図26装置と同等のディスプレイ41と拡大光学系の凸レンズ44と内部平面ミラー45と反射型面対称結像素子2を配置して構成され、図26の比較例と同一サイズの投射映像(虚像)を形成している。   Finally, examples of a windshield projector mounted on a vehicle and a comparative example of the display device of the present invention will be described. Since there are many operation devices around the driver's seat and cockpit, it is necessary to reduce the size of the windshield projector. In addition, it is necessary to ensure that the angle of view of recent high-definition displays (16: 9) is 30 degrees. FIG. 26 shows a projector (comparative example) comprising a combination of a display 41, a convex lens 42 of an magnifying optical system, and a flat half mirror 43. FIG. 27 shows a projector comprising a combination of real image and virtual image conversion optical systems (enlarged optical systems) equivalent to the case of a> f in FIG. The display device of the embodiment of FIG. 27 is configured by arranging a display 41 equivalent to the device of FIG. 26, a convex lens 44 of an magnifying optical system, an internal plane mirror 45, and a reflective surface-symmetric imaging element 2, and a comparative example of FIG. The same projected image (virtual image) is formed.

実施例と比較例を比べると焦点距離がほぼ同等の凸レンズ42と凸レンズ44であるが、比較例の凸レンズ42に比べ実施例凸レンズ44の口径は約1/3に減少したものを利用できる。よって、本発明の拡大光学系と反射型面対称結像素子の組み合わせによれば、従来よりも小型化可能でかつ高倍率の表示装置が容易に構成できる効果が得られる。   Comparing the example and the comparative example, the convex lens 42 and the convex lens 44 have substantially the same focal length, but the diameter of the convex lens 44 of the example can be reduced to about 1/3 compared to the convex lens 42 of the comparative example. Therefore, according to the combination of the magnifying optical system and the reflection-type plane-symmetric imaging element of the present invention, there is an effect that a display device that can be downsized and can be easily configured as compared with the related art.

以上のように本実施形態によれば、反射型面対称結像素子と実像(または虚像)形成する従来の結像光学系とを組み合わせることによって、実像を虚像(または虚像を実像に)変換する素子として用いるので、中継光学素子すなわち従来の結像光学系(レンズあるいはミラー)によって結像状態を作り出す光線束を、反射型面対称結像素子に入射することによって、上記従来の結像光学系(レンズあるいはミラー)によって結像される虚像を実像に変換し、あるいは実像を虚像に変換し、変換された結像を取り出すことができる。   As described above, according to the present embodiment, a real image is converted into a virtual image (or a virtual image into a real image) by combining a reflection-type plane-symmetric imaging element and a conventional imaging optical system that forms a real image (or a virtual image). Since it is used as an element, a light beam that creates an imaging state by a relay optical element, that is, a conventional imaging optical system (lens or mirror) is incident on the reflection-type plane-symmetric imaging element. The virtual image formed by the (lens or mirror) can be converted into a real image, or the real image can be converted into a virtual image, and the converted image can be extracted.

なお、反射型面対称結像素子は、その光学素子面内に互いに90度直交する第1及び第2光反射面の微小ミラーユニットからなり、それらの交線が素子面に垂直になるように、微小ミラーユニットの多数が配列されて構成される。反射型面対称結像素子の個々の微小ミラーユニットでは、上記従来の結像光学系(レンズあるいはミラー)によって、結像状態を作り出す光線束は上記反射型面対称結像素子の第1及び第2光反射面によりそれぞれ1回ずつ計2回反射させる出射する。   The reflection-type plane-symmetric imaging element is composed of minute mirror units having first and second light reflecting surfaces that are orthogonal to each other by 90 degrees within the optical element surface, and the intersection line thereof is perpendicular to the element surface. A large number of micromirror units are arranged. In the individual micromirror units of the reflection type plane-symmetric imaging element, the light bundles that create the imaging state by the conventional imaging optical system (lens or mirror) are the first and the first of the reflection type plane-symmetric imaging elements. The light is reflected by the two-light reflecting surface once, and is emitted twice.

上記の表示装置は、顕微鏡、望遠鏡、双眼鏡、空間映像ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、フロントプロジェクター、リアプロジェクター、などの光学製品であって、凸レンズ、凹面鏡、凹レンズ、凸面鏡、またはそれらの組合せにより実像または虚像を結像し、その結像された像を観察できるようにした装置、またはその結像された像を観察するための技術分野に適用できる。   The display device is an optical product such as a microscope, a telescope, binoculars, a spatial image display, a head-up display, a head-mounted display, a front projector, a rear projector, and the like, and includes a convex lens, a concave mirror, a concave lens, a convex mirror, or a combination thereof. Thus, the present invention can be applied to a device that forms a real image or a virtual image and can observe the formed image, or a technical field for observing the formed image.

Claims (8)

自らの素子面に対して収束状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に発散状態で出射する一方、自らの素子面に対して発散状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に収束状態で出射する板状の反射型面対称結像素子と、
光を前記反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子と、
前記中継光学素子へ前記光を供給する発光体と、を備え、
前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して発散状態で入射し、前記素子面に対して収束状態で出射された光が実像として結像されるように、前記発光体、前記中継光学素子、及び前記反射型面対称結像素子を配置することを特徴とする表示装置。
A light beam incident on the element surface in a converged state is emitted in a divergent state symmetrically with respect to the element surface, while a light beam incident in a divergent state on the element surface is converged symmetrically with respect to the element surface. A plate-like reflective surface-symmetric imaging element that emits in a state ;
A relay optical element that enters light in a convergent or divergent state to the reflective surface-symmetric imaging element;
A light emitter for supplying the light to the relay optical element,
The light emitting body, the light emitted from the relay optical element is incident on the element surface in a divergent state, and the light emitted in a converged state on the element surface is formed as a real image; A display device comprising: a relay optical element; and the reflection-type plane-symmetric imaging element .
自らの素子面に対して収束状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に発散状態で出射する一方、自らの素子面に対して発散状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に収束状態で出射する板状の反射型面対称結像素子と、A light beam incident on the element surface in a converged state is emitted in a divergent state symmetrically with respect to the element surface, while a light beam incident in a divergent state on the element surface is converged symmetrically with respect to the element surface. A plate-like reflective surface-symmetric imaging element that emits in a state;
光を前記反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子と、A relay optical element that enters light in a convergent or divergent state to the reflective surface-symmetric imaging element;
前記中継光学素子へ前記光を供給する発光体と、を備え、A light emitter for supplying the light to the relay optical element,
前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して発散状態で入射し、前記素子面に対して収束状態で出射された光が実像として結像されるように、または前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して収束状態で入射し、前記素子面に対して発散状態で出射された光が虚像として結像されるように、前記発光体、前記中継光学素子、及び前記反射型面対称結像素子を配置し、The light emitted from the relay optical element is incident on the element surface in a divergent state, and the light emitted in a converged state on the element surface is formed as a real image, or the relay optical element So that the light emitted from the light incident on the element surface in a converged state and the light emitted in a divergent state on the element surface is formed as a virtual image, the light emitter, the relay optical element, And the reflective plane-symmetric imaging element is disposed,
前記反射型面対称結像素子は、第1及び第2光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された構造体で構成され、入射光を前記第1及び第2光反射面により2回反射させて鏡映像を作り出すものであり、The reflection-type plane-symmetric imaging element is composed of a structure in which micromirror units having first and second light reflecting surfaces are arranged in a matrix, and incident light is reflected by the first and second light reflecting surfaces. It is a reflection that creates a mirror image,
前記反射型面対称結像素子は、1つの光反射面を有する複数の長手部材をその光反射面が同一方向側となるように平行に配列した第1集合体及び第2集合体を、その光反射面が交差するように重ね合わせて構成されてなり、前記第1集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第1光反射面を構成しかつ前記第2集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第2光反射面を構成することを特徴とする表示装置。The reflective surface-symmetric imaging element includes a first assembly and a second assembly in which a plurality of longitudinal members having one light reflecting surface are arranged in parallel so that the light reflecting surfaces are in the same direction. The light reflection surfaces of the first aggregate are configured so as to intersect with each other, the light reflection surface of the first aggregate constitutes the first light reflection surface of the micromirror unit, and the light reflection surface of the second aggregate Constitutes the second light reflecting surface of the minute mirror unit.
前記発光体は、自発光体又は被照射体であることを特徴とする請求項1又は2記載の表示装置。 The display device according to claim 1 , wherein the luminous body is a self-luminous body or an irradiated body. 前記発光体、前記中継光学素子及び前記反射型面対称結像素子を含む遮光体を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の表示装置。 4. The display device according to claim 1 , further comprising a light-shielding body including the light emitter, the relay optical element, and the reflection-type plane-symmetric imaging element. 5. 前記遮光体の一部が前記反射型面対称結像素子からなることを特徴とする請求項4記載の表示装置。 The display device according to claim 4, wherein a part of the light shielding body includes the reflection-type plane-symmetric imaging element. 前記遮光体の内壁面は暗色であることを特徴とする請求項4又は5記載の表示装置。 The display device according to claim 4, wherein an inner wall surface of the light shielding body is dark. 前記中継光学素子は、凸レンズ、凹レンズ、凹面鏡、凸面鏡のいずれかを含む結像光学素子であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の表示装置。 The display device according to claim 1 , wherein the relay optical element is an imaging optical element including any one of a convex lens, a concave lens, a concave mirror, and a convex mirror. 前記中継光学素子において、前記結像光学素子と前記発光体との間に、ハーフミラーが配置され、光が前記ハーフミラーで合成されることを特徴とする請求項7記載の表示装置。 The display device according to claim 7 , wherein in the relay optical element, a half mirror is disposed between the imaging optical element and the light emitter, and light is synthesized by the half mirror.
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