JP5890898B2 - 虚像表示光学機械 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

（技術分野）
本発明はある光学機械、特に、コーティング技術を光学機械に応用し、複屈折画像を行う虚像表示装置、具体的に言えば、ある短焦点、高倍率、イメージングが明晰、整然である虚像表示光学機械に関する。

（背景技術）
いままで、虚像表示光学機械について、例えば、従来のヘッドマウント・ディスプレーHMDは、通常に光学反射及び屈折効果によって虚像投影を行い、（例、中国特許出願番号200710176478.X、公開番号CN101424787A、半反射及び屈折光学効果を組み合わせた光学応用としての虚像表示装置）虚像画像は偏光板システムで分光された後、イメージングフィルムで結像し、この時、結像フォーカス（ポラロイド（登録商標）等の結像部からイメージングフィルムまでの距離）が長く、イメージングフィルムの画像は視覚フォーカス（目からポラロイド（登録商標）等の結像部までの距離）におけるリアルとバーチャルの複画像重合から構成され、シャープネスが悪く、イメージングフィルムでの画像拡大倍率が大きくなるに伴って、画像も変形し、半円弧形を呈し、拡大倍率が大きくなればなるほど、変形もひどくなり、これは基本的な幾何光学原理、同時に、イメージングフィルムを設置しているので、このような虚像光学装置の視覚フォーカス軸が長く、ディスプレーの外観寸法を影響する。幾何光学に基づいて投影システム光学機械を設計する時、通常に投射画像の変形・弯曲を解決する方式はマルチレベル拡大を行い、画像の変形を最小限に制御するように、各層拡大にビーム全体の散乱角度を加え、このような光学機械の光路軸が長くなり、多数のレンズ組み合せも必要なので、体積寸法は大きくなる。

（発明内容）
本発明は従来の虚像表示光学機械にある結像フォーカスが長く、シャープネスが悪く、弯曲・変形が厳重、視覚フォーカス軸が長く、ディスプレーの外観寸法をひどく影響することに対して、構造が簡単、視覚フォーカス軸が短く、画像寸法が大きく、平坦度が高く、シャープネスが良好な虚像表示光学機械を提供することを目的とする。

（本発明の技術方案）
ある不等フォーカス、高倍率の虚像表示光学機械、それが画像ディスプレー、光学透明材料とリフレクターを含み、上記の光学透明材料は斜めに画像ディスプレーとリフレクターの間に設置され、光学透明材料において、画像ディスプレーの相対面に逆方向反射防止膜がメッキされ、反対面に偏光フィルムがあり、又は順番通りに偏光フィルムと正方向反射防止膜がメッキされ、リフレクター及び光学透明材料間の角度と、リフレクター及び逆方向反射防止膜の角度との合計は90度である。

本発明における画像ディスプレー、光学透明材料とリフレクターは同軸に設置される。

本発明における光学透明材料は視角同軸線に位置する。

本発明における光学透明材料は耐高温ガラスである。

本発明における凹面鏡と光学透明材料の角度は45度、逆方向反射防止膜のコーティング角度は45度。

本発明におけるリフレクターは凹面ズームリフレクター又は凹面ズームリフレクターグループである。

（本発明の有益効果）
本発明は複屈折作用虚像光学設計の光学機械構造設計について、創新・改良を施した新しい光学設計。新しい虚像屈折光学の光学応用原理により、空間虚像画像をもっと高い倍率に拡大する場合、画像がもっと大きく、明晰になり、画像平坦度も高くなり、弯曲・変形しなく、画像の視覚軸（焦点）距離がもっと短くなり、ヘッドマウント・ディスプレーHMD製品分野における市場顧客の需要に満たし、本発明の光学設計は光学機械の画像拡大倍率による画像変形を解決し、シャープネスのディストーションロスを削減し、光学機械視覚軸距が大きいので、製品外観に対して不利である難題を克服する。

本発明において、画像ディスプレーと相対する光学透明材料に逆方向反射防止膜がメッキされ、光学透明材料で結像させ、視程（偏光）軸のイメージングフォーカスが大幅に短くさせるので、外観設計の軽さ、薄さ、小ささに対して有利であるが、投影画像の投射がもっと大きく、明晰になり、整然、不変形の画像を実現し、製品の市場実用性を増加する。

本発明において、視程軸（偏光）が短くなるので、外観構造をもっと薄く、軽く、小さく設計でき、実用性も強くなる。

本発明において、画像ディスプレーと反対する光学透明材料に順番通りに偏光フィルムと正方向反射防止膜がメッキされ、光源画像が光学機械、また投影光路で生成する光干渉自然現象（例、光の散乱によるハロー及び多重像）を削除し、光源画像シャープネスの低下を避ける。空間虚像の画像を増加し、光学機械の暗室効果で投影実像に近づく真実度を呈し、シャープネスも高くなる。

本発明において、虚像表示光学機械のイメージング拡大倍率が高くなり、短縮された結像フォーカスにより、10−15%の拡大視覚感覚を増加できる。

本発明において、基礎幾何光学原理のフレームを突破し、設計応用におけるもっと多くの投影光学製品の空間及び発展を生成する。

（付図説明）
図1は本発明における構造略図。

図2は本発明における主光路の光路略図。

図3は本発明における光路略図。

図4は本発明における光学機械組み合せのシステムパラメーター図。

図5は本発明における虚像の原理略図。

その内：1、画像ディスプレー、2、光学透明材料、3、リフレクター、4、逆方向反射防止膜、5、偏光フィルム、6、正方向反射防止膜、7、第一平面、8、第二平面。

（具体実施方式）
これから、附図と実施例に合わせて本発明をさらに説明する。

図1-3の示す通り、ある虚像表示光学機械、それは画像ディスプレー、光学透明材料とリフレクターを含み、上記光学透明材料は斜めに画像ディスプレーと凹面鏡の間に設置され、光学透明材料において、画像ディスプレーの相対面（即ち、後記のガラス第一平面）に逆方向反射防止膜がメッキされ、その反対面に（即ち、後記のガラス第二平面）偏光フィルムがあり、又は順番通りに偏光フィルムと正方向反射防止膜がメッキされ、凹面鏡（リフレクター）及び光学透明材料間の角度、凹面鏡及び逆方向反射防止膜の角度との合計は90度である。

その内、画像ディスプレー：実体画像画面を表示し、また画像光線を投射する。

凹面鏡：ポラロイド（登録商標）等の結像部を貫通（透過）する画像ディスプレーからの光線を反射する。

逆方向反射防止膜の塗装方法：電子塗装機で光学透明材料に対して反射防止膜を塗装する過程で、電子塗装機のパーティクルガン電極クリップ中の正、負電荷を逆方向にさせ、逆方向で反射防止膜を施し、光学透明材料の表面において、逆方向反射防止膜を形成する。

偏光フィルムのあるガラスは偏光ガラス：図1の示す通り、片面に逆方向反射防止膜があり、反対面に順番通りに偏光フィルムと正方向反射防止膜がメッキされる場合：ポラロイド（登録商標）等の結像部における逆方向反射防止膜は半貫通半反射性を備え、画像ディスプレーに面する作用面は貫通面、貫通性があり、ポラロイド（登録商標）等の結像部に面する反作用面は反射面、反射性があり、ポラロイド（登録商標）等の結像部における正方向反射防止膜は半貫通半反射性を備え、凹面鏡に面する作用面は反射面、反射性があり、偏光フィルムに面する反作用面は貫通面、貫通性があり、画像ディスプレーが投射した光線はポラロイド（登録商標）等の結像部を貫通し、凹面鏡に届き、ポラロイドは凹面鏡が反射した光線を反射する。

ガラス：図1の示す通り、片面に逆方向反射防止膜があり、反対面に順番通りに偏光フィルムと正方向反射防止膜がメッキされる。図2の示す通り、画像ディスプレーは光線（a）を発送し、ガラスの第一平面と第二平面を貫通し、凹面鏡までに届き、凹面鏡は光線をガラスの第一平面までに反射し、正方向反射防止膜で分光が発生し、主分光線（c）はガラスの第二平面までに屈折され、逆方向反射防止膜で反射された光線（d）は正方向反射防止膜を貫通し、人の網膜イメージング区域で結像する。

図3の示す通り、（a）貫通性光、（b）屈折光（（a）の主分光線が貫通）、（c）主分光線、（e）副分光線（貫通）、（d）（e）の反射光線、（h）分光（a）の副分光線。

図5で、Fはg軸の視覚軸距〔即ち、フォーカス〕。

（具体実施時）
複屈折虚像光学設計の光学機械において、当設計光学機械のモジュールに対して、光学改良設計を施す方式は以下の示す:
1、図1の示す通り、ガラス第二平面について電子蒸発コーティングを行い、機能角度設計のある偏光フィルムをメッキし、光線には50%の貫通率及び50%の反射率特性を備える。均一に分光画像作用と明晰な二本の実（虚）分光画像を生成し、その裏面に一枚の正方向抗反射コーティングをメッキし、光線の貫通率と視覚シャープネスを増加し、外界光源の散乱による光干渉とハローの影響を防止する。

2、ガラス第一平面（即ち：画像ディスプレーと相対する光学透明材料面）について、逆方向電子蒸発法（中国特許出願番号201110069118.6、公開番号CN102122009A、光学イメージングにおける光干渉を削除できる画像の逆方向反射防止膜メッキ方法）により、逆方向作用面で反射防止膜をメッキし、逆方向作用面の反射防止膜に逆方向作用を生成させる（一、イメージングフィルムとして使用される。二、ガラス厚さによる光源散乱現象及びゴースティングを削除し、画像の光干渉を削減し、画像の明晰ロス、即ち、ディストーション問題を最小限に削減する）。

3、偏光軸、即ち視覚軸線におけるイメージングフィルム装置を取消し、イメージングフィルム機能をガラス第二平面、即ち逆方向反射防止膜のある平面に転移し、効果的に視覚フォーカスを短縮し、画像視覚効果を増加する。

4、また、眼球窓と接眼レンズ窓でレンズ装置を追加し、強度近視及び老眼、また老眼及び近視患者用度数矯正機能のあるレンズを補強し、視覚フォーカスの焦点を調整する。

光学機械の構造改良及びモジュール技術設置、新しい光学応用原理及び作用、光学作用効果に関する説明は以下の示す：
上述の1、2、3項の修正原理に関する説明：
この3つの設計改良はイメージングフィルム機能を第二平面、即ち逆方向反射防止膜のある平面に設計し、画像イメージングのフォーカスを短縮し、反射防止膜の逆方向コーティングにおいて、光源画像を生成し、45度の偏光でガラス第一平面、即ち偏光フィルムと正方向反射防止膜が挟む平面に作用し、同様な作用が凹面拡大屈折鏡までに貫通する。円弧形面の曲率屈折拡大を経て、45度偏光である第一平面に投射し、2本の屈折分光画像を生成し、1本が第二平面の抗反射作用面に投射し、90度で直接に第二平面を貫通し、もう1本の分光画像が非90度の角度で第二平面に投射し、反射防止膜の正方向作用と非90度の角度により、屈折ビームを生成し、かつ第一平面を貫通し、視覚軸線に届いてから、眼球の網膜区域に入り、画像を形成するので、網膜フォーカスの焦点が第一平面の偏光フィルムに位置し、画像のイメージング固定フォーカスの焦点を形成するが、光源画像はガラス厚度による複屈折光路延長で、焦点が網膜以外に位置する空間虚像を形成する（当虚像は眼球視覚の焦点変更動作を影響しない）。また、光源画像の結像面が偏光板第二平面（逆方向反射防止膜表面）に転移するので、元の偏正光軸パスを大幅に短縮し、目の見える画像視程はもっと近く、画像も大きくなる（元の拡大倍率より大きい）。上述内容は画像拡大を引き起こす相加効果原理に関する説明である。

偏光コーティングの後方に位置する偏光板ガラスの第一平面と、正方向反射防止膜及びガラス第二平面の逆方向反射防止膜による共同作用で、眼球に投射光路での多数屈折（反射）作用による常態性光線散乱作用（例、感光作用）及びインターフェース貫通で生成する多重像（俗称、ゴースティング）の削減を感じさせ、これら（光の干渉現象は画像シャープネスを決定する主因）は逆方向反射防止膜の作用により排除される。正面では正方向反射防止膜作用により、視覚偏正光軸における光線の貫通性作用を強化し、ハロー現象の干渉視覚効果を削減し、シャープネスの逐次加工を誘致し、光学機械内部の暗室効果をよくさせ、眼球に明晰な視覚感受度を与える。上述内容はシャープネスの増加原理に関する説明である。

この三項のモジュール改良設計組み合せ構造により、新しい投射画像拡大技術（不等フォーカスのイメージング光学応用原理）を創造する。その主な技術効果は基礎幾何光学原理に基づいて、投影拡大画像の投射フォーカスとイメージングフォーカが等しい場合、画像拡大倍率が大きくなればなるほど、イメージング面画像の変形率も相応に大きくなり、フォーカスを短縮すれば、変形量がもっと大きくなることを突破する。

本発明は人間眼球（仮想視覚感官機能）のイメージング原理を利用する。説明:目は一番精密なレベルスキャン検知装置であり、空間レベルを見分けるが、アイレンズに制限されるので、多焦点ズーム（焦点が一つだけ）が不可能である。

本技術は元設計の対等フォーカスにおけるイメージングフォーカスを短縮し、即ち、第3項のイメージングフィルムを取消し、第2項ガラスの第二平面に逆方向反射防止コーティングをメッキし、イメージング平面として使用される。反射防止膜が逆方向で作用するので,投射イメージングフォーカスを短縮し、視覚偏正光軸における視覚フォーカスも大幅にガラスまでに短縮され、目の精密なレベル感知機能と単一焦点ズームの作用により、高貫通性のあるガラス第二平面を偏正光軸における視覚フォーカスのイメージング面、即ち、網膜での固定焦点にさせる。ガラス第二平面で屈折イメージングを行う虚像は、眼球のレベル空間仮想視覚功能により、アイレンズの偏正光軸で結像し、それで、人間の目は光学機械の暗室効果で、網膜イメージング焦点を偏光ガラスの第二平面に固定する。しかしんながら、変化する虚像は眼球（アイレンズ）でレベル視覚感覚を形成し、網膜の焦点変化を影響しない。これは虚像が眼球の高頻度縮小運動を引き起こさなく、網膜の高頻度焦点ズームが目に疲れを感じさせる原理。第二平面の光源高貫通性によって、貫通して背景も見えるようになり、それでいわゆる空間虚像の眼球仮想視覚光学効果原理を形成する。

イメージングフォーカスの短縮により、拡大投影の放射状光路も短くなり、画像イメージングフォーカスの変形焦点は元偏光軸のイメージングフィルムに存在しないので、画像には変形・弯曲を表示するイメージング面がなく、光源画像のイメージングフォーカスも短くなり、凹面拡大鏡の屈折フォーカス焦点は第二平面の後方に位置し、画像のビームが屈折、交叉する第一焦点は凹面鏡の前方に位置し、画像は屈折作用によって、イメージングフォーカスの焦点間で上下逆さまになり、また、ガラス第二平面が形成する空間虚像は整然、不変形の画像、上述偏正光軸でのイメージングフォーカス短縮を加えると、目に画像拡大倍率が大きくなる視覚効果を与える。これは整然、不変形の画像を形成し、拡大倍率が大きくなる視覚作用の光学応用原理に関する説明。

本発明で触れない部分は全部従来技術と同様、又は現存技術により実現できる。

本発明における構造略図。 本発明における主光路の光路略図。 本発明における光路略図。 本発明における光学機械組み合せのシステムパラメーター図。 本発明における虚像の原理略図。

Claims (6)

1. 画像ディスプレー、光学透明材料とリフレクターを含み、上記光学透明材料は斜めに画像ディスプレーとリフレクターの間に設置され、
   上記光学透明材料において、上記画像ディスプレーの相対面に逆方向反射防止膜がメッキされ、反対面に偏光フィルムがあり、又は順番通りに偏光フィルムと正方向反射防止膜がメッキされ、
   上記逆方向反射防止膜において、上記画像ディスプレーに面する作用面は透過性を有する一方、上記光学透明材料に面する反作用面は反射性を有しており、
   上記正方向反射防止膜において、上記リフレクターに面する作用面は反射性を有する一方、上記偏光フィルムに面する反作用面は透過性を有しており、
   上記リフレクターと上記光学透明材料とのなす角度と、上記リフレクターと上記逆方向反射防止膜とのなす角度との合計が90度であることを特徴とする虚像表示光学機械。
   
2. 上記画像ディスプレー、上記光学透明材料と上記リフレクターが同軸に設置されることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示光学機械。
3. 上記光学透明材料は視角同軸線に位置することを特徴とする請求項１に記載の虚像表示光学機械。
4. 上記光学透明材料は耐高温ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示光学機械。
5. 上記リフレクター及び上記光学透明材料の角度が45度、上記リフレクター及び上記逆方向反射防止膜の角度が45度であることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示光学機械。
6. 上記リフレクターは凹面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示光学機械。

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