KR101067941B1

KR101067941B1 - 광학 시스템

Info

Publication number: KR101067941B1
Application number: KR1020097015106A
Authority: KR
Inventors: 사또시 마에까와
Original assignee: 도쿠리츠 교세이 호진 죠호 츠신 켄큐 키코
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2011-09-26
Also published as: KR20090107501A; US8498062B2; EP2105778B1; JP4734652B2; CN101563636B; EP2105778A1; JP2008158114A; CN101563636A; US20090310231A1; EP2105778A4; WO2008075700A1

Abstract

현실에는 거울이 존재하지 않는 공간에 피투영물을 거울에 비춘 경우와 마찬가지의 상을 결상시킨다고 하는, 참신한 결상 방식을 갖는 광학 시스템을, 광을 굴곡시키면서 투과시켜 면 대칭 위치로 실상의 결상 작용을 갖는 광선 굴곡면과, 이 광선 굴곡면을 향하여 배치되는 경면을 구비하는 광학 시스템으로서, 광선 굴곡면을 사이에 두고 경면과는 반대측인 관찰측에 배치한 피투영물의 상을, 피투영물로부터 발해지는 광이 광선 굴곡면을 투과하여 경면에 반사되어 다시 광선 굴곡면을 투과함으로써 경면의 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치로 이동시킨 실체가 없는 가상 거울에 비춘 위치에 결상시키도록 구성했다.

피투영물, 결상, 면 대칭 위치, 광선 굴곡면, 경면

Description

광학 시스템 {OPTICAL SYSTEM}

본 발명은, 광의 투과나 반사를 이용한 거울과 같이 기능하는 신규의 광학 시스템에 관한 것이다.

평면 거울에 상을 비출 경우, 관찰자의 눈에는 거울의 표면에 있어서의 반사광의 광선을 거울 안으로 연장된 방향으로부터 광이 온 것처럼 보이기 때문에 평면 거울에 비추어진 상(거울 영상)은 거울의 내부에 허상으로서 결상된다(예를 들어, 비특허 문헌1 참조).

<비특허 문헌1> "Virtual image (허상)"의 항, [online], WIKIPEDIA(영어판), [2006년 10월 23일 검색], 인터넷<URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_image>

평면 거울에 비추어진 거울 영상은, 경면에 대하여 물체(피투영물)와 면 대칭의 관계에 있는 거울의 내부에서 결상되어 있기 때문에, 관찰자가 손을 뻗거나 하여 상으로의 액세스를 실현하는 것은 불가능하다.

본 발명은 3차원을 포함하는 물체의 거울 영상을, 실체로서는 존재하지 않으나, 공중에 가상적으로 존재하는 거울에 비추었을 경우의 위치에 결상시키는, 새로운 광학 시스템을 제공하려고 하는 것이다.

즉 본 발명은, 광을 굴곡시키면서 투과시켜 면 대칭 위치에 실상의 결상 작용을 갖는 광선 굴곡면과, 당해 광선 굴곡면을 향하여 배치되는 경면을 구비하고, 상기 광선 굴곡면을 사이에 두고 상기 경면과는 반대측인 관찰측에 배치한 피투영물의 상을, 당해 피투영물로부터 발해지는 광이 상기 광선 굴곡면을 투과하여 상기 경면에 반사되고 또한 상기 광선 굴곡면을 투과함으로써 상기 경면의 상기 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치로 이동시킨 실체가 없는 가상 거울에 비춘 위치에 결상시키는 것을 특징으로 하는 광학 시스템이다.

즉, 도 1에 원리도[(a)는 경면(2)을 광선 굴곡면(1)에 대하여 경사지게 하여 배치한 형태를 도시하고, (b)는 경면(2)을 광선 굴곡면(1)에 대하여 평행하게 배치한 형태를 도시한다]를 도시한 바와 같이, 우선 피투영물(O)(도면에서, 점으로 나타낸다)에서 반사된 광선(피투영물로부터 발해지는 광선)은, 광선 굴곡면(1)을 투과할 때에 입사광과 면 대칭한 경로로 진행하기 때문에, 광선 굴곡면(1)을 사이에 두고 피투영물과는 면 대칭한 위치에 결상될 (I1)것이나, 경면(2)이 존재하기 때문에 실제로는 그 상(I1)과는 경면(2)에 대하여 면 대칭한 위치에 결상(I2)된다. 이 위치에 있어서의 상(I2)으로부터의 광선은, 또한 광선 굴곡면을 투과 후, 광선 굴곡면(1)에 대하여 면 대칭한 경로를 지나기 때문에 광선 굴곡면(1)에 대하여 피투영물(O)과 동일한 측에 결상되게 된다(I3). 이 상(I3)은 경면(2)을 광선 굴곡면(1)에 대하여 면 대칭 위치에 비춘 가상 거울(3)에 피투영물(O)을 비추었을 때의 상과 동일한 관계에 있다. 즉, 광선 굴곡면(1)을 경면(2)의 관찰측에 배치함으로써 경면(2)을 가상적으로 광선 굴곡면(1)에 대한 면 대칭 위치로 이동할 수 있어, 그 결과, 관찰자는 공중에 뜬 물리적 실체가 없는 가상 거울(3)에 비친 것 같이 보이는 비투영물(○)의 상(I3)을 관찰하는 것이 가능해진다.

이러한 광학 시스템의 일례로서는, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 서로 직교하는 2개의 경면 요소를 구비한 단위 광학 소자를 복수 평면적으로 형성하여 이루어지는 반사형 면 대칭 결상 소자(참고 문헌;일본 특허 출원 제2006-080009 출원 명세서)를 구비하는 것을 들 수 있다. 이 경우, 반사형 면 대칭 결상 소자는, 상기 복수의 단위 광학 소자의 광선 굴곡면의 일측으로부터 타측으로 통과하는 광을 각 단위 광학 소자에 있어서 2개의 경면 요소에서 각각 반사시킴으로써 상기 광선 굴곡면의 타측에 결상시키는 것이며, 상기 2개의 경면 요소를 지나고 또한 이들 2개의 경면 소자에 수직 혹은 그것에 가까운 각도를 이루는 면을 상기 광선 굴곡면으로 한다.

이와 같은 반사형 면 대칭 결상 소자는, 소자의 일측에 있는 피투영물의 상을 소자의 타측의 면 대칭이 되는 위치에 결상시킨다. 따라서, 피투영물로부터 발해진 광(직접광)은 반사형 면 대칭 결상 소자의 단위 광학 소자를 통과할 때에 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사된 후, 경면에서 반사되어 반사광이 되고, 또한 단위 광학 소자를 통과할 때에 2개의 경면 요소에서 1회씩 반사되어, 피투영물을 가상 거울에 비춘 위치에 결상되게 된다. 그리고 2개의 경면 요소는, 광선 굴곡면과 거의 수직으로 배치되기 때문에, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 경면(2)은 광선 굴곡면(1)에 대하여 예각을 이루도록 배치되게 된다. 여기서, 경면의 배치 위치는, 반사형 면 대칭 결상 소자를 투과하여 결상되는 피투영물의 실상의 위치와 반사형 면 대칭 결상 소자 사이에 설정되고, 경면의 배치 각도는 직접광과 반사광이 모두 2개의 경면 요소에서 1회씩 반사될 수 있는 적당한 각도로 설정된다. 또한, 상술한 바와 같이 2개의 경면 요소에 직접광 및 반사광을 반사시키기 때문에, 상의 관찰은 반사형 면 대칭 결상 소자에 대하여 비스듬하게 각도를 부여하여(광선 굴곡면에 대하여 예각, 특히 바람직하게는 광선 굴곡면의 법선에 대하여 30 내지 40°) 행하게 된다. 또한, 「수직 혹은 그것에 가까운 각도」 혹은 「거의 수직」이란, 본 발명에 있어서는 「정확히 수직, 내지 수직으로부터 어느 정도의 오차 범위 내의 각도」를 의미하는 것으로 한다.

더욱 구체적으로, 반사형 면 대칭 결상 소자는 소정의 기판을 두께 방향으로 관통시킨 복수의 구멍을 구비하고, 각 구멍의 내벽에 상기 직교하는 2개의 경면 요소로 구성되는 단위 광학 소자를 형성한 것이며, 상기 구멍을 통하여 기판의 한 쪽의 면 방향으로부터 다른 쪽의 면 방향으로 광이 투과할 때에, 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사시키는 것으로 할 수 있다. 즉, 기판면에 다수의 구멍을 형성하고, 그 각 구멍에 2개의 직교하는 경면 요소를 형성한다고 하는 비교적 간소한 구성으로 반사형 면 대칭 결상 소자를 작성할 수 있다.

혹은 반사형 면 대칭 결상 소자는, 소정의 기판을 두께 방향으로 돌출시킨 복수의 투명한 통 형상체를 구비하고, 각 통 형상체의 내벽면에 상기 직교하는 2개의 경면 요소로 구성되는 단위 광학 소자를 형성한 것이며, 상기 통 형상체를 통하여 기판의 한 쪽의 면 방향으로부터 다른 쪽의 면 방향으로 광이 투과될 때에 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사시키는 것으로 하는 것도 가능하다. 이러한 것이어도, 기판면에 다수의 통 형상체를 형성하고, 그 각 통 형상체에 2개의 직교하는 경면 요소를 형성한다고 하는 비교적 간소한 구성으로 반사형 면 대칭 결상 소자를 작성할 수 있다.

이상과 같은 반사형 면 대칭 결상 소자를 구비한 광학 시스템에서는, 이러한 단위 광학 소자를, 상기 기판에 있어서 규칙적인 격자 형상으로 형성하면 피투영물의 상의 고선명화를 도모하는 것이 가능하다.

이상과 같은 반사형 면 대칭 결상 소자를 사용하는 형태 외에, 굴절률이 부의 경로로 광을 투과시키는 물질인 메타 머티리얼(참고 문헌 ; 「광학 기술에 혁명을 일으키는 슈퍼 렌즈」, 닛케이 사이언스 2006년 10월호, 가부시키가이샤 닛케이 사이언스)을 이용함으로써도, 본 발명의 광학 시스템을 실현할 수 있다. 즉, 본 발명의 광학 시스템을, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 상기 피투영물을 배치한 공간과 접하는 면을 평면적인 상기 광선 굴곡면으로 한 메타 머티리얼 광학 소자를 구비하는 것으로 할 수 있다. 이 경우, 메타 머티리얼 광학 소자는, 적어도 상기 광선 굴곡면과 상기 경면 사이를 메타 머티리얼로 충전한 것으로 한다. 피투영물의 광선 굴곡면(메타 머티리얼의 표면)에 대한 면 대칭 위치에 실상을 결상시키는 것으로 하기 위해서는 메타 머티리얼의 굴절률을 -1로 하는 것이 바람직하다. 또한, 경면의 배치 위치는, 광선 굴곡면과 광선 굴곡면에 의한 피투영물의 실상의 결상 위치의 중간에 설정되고, 경면의 배치 각도는 입사광과 출사광이 모두 광선 굴곡면을 통과하는 범위에서 적절하게 설정할 수 있다. 즉, 도 1의 (a)(b) 어떤 구성으로 해도 좋다. 또한, 메타 머티리얼 광학 소자를 사용하는 경우에는, 관찰 각도는 특별히 제한되는 일은 없다.

이상의 것 외에도 본 발명의 광학 시스템에는, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 제1 렌즈 요소와, 제2 렌즈 요소를 동일 광학축 상에 배치한 어포컬 광학계로 하고 상기 제1 렌즈 요소를 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상으로 하는 동시에, 상기 제2 렌즈 요소를 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상으로 한 복수의 당해 어포컬 광학계를 갖는 광학부를 구비하는 어포컬 입체 광학 소자이며, 상기 어포컬 광학계는 상기 제1 렌즈 요소 및 상기 제2 렌즈 요소를, 당해 제1 렌즈 요소로부터 입사된 평행 광선을 당해 제2 렌즈 요소의 전방측 초점에 집광하는 위치에 배치한 어포컬 입체 광학 소자를 구비하는 것을 채용할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 렌즈 요소와 제2 렌즈 요소의 중간 위치에 있어서 상기 광학축으로 수직 혹은 거기에 가까운 각도를 이루는 면을 상기 광선 굴곡면으로 한다.

어포컬 광학계에 대해서는, 제1 렌즈 요소와 제2 렌즈 요소 각각의 초점 거리를 이격하여 동일 광학축 상에 배치하여 어포컬 광학계로 하고, 당해 어포컬 광학계의 입사 렌즈면 및 출사 렌즈면을 각각 어레이 형상으로 동일 평면 상으로 하여 배치한 상기 광학부로 할 수 있다. 제1 렌즈 요소 및 제2 렌즈 요소의 조합으로서는, 2개의 볼록 렌즈로 한 것, 2개의 실린드리컬 렌즈로 한 것, 2개의 광 파이버 렌즈로 한 것, 등을 채용할 수 있다(참고 문헌;일본 특허 출원 공개 제2005-10755 공보). 여기서, 어포컬 광학계란, 초점 거리가 무한대인 광학계이다. 또한, 면 대칭 위치에 결상시키기 위해서는, 제1 및 제2 렌즈의 초점 거리가 거의 동일하게 되어 있을 필요가 있다.

이러한 구성의 어포컬 입체 광학 소자는, 어포컬 광학계의 제1 렌즈 요소로부터 입사된 피투영물의 광을, 각각의 제1 렌즈 요소에 의해 요소 화상으로 하여 제2 렌즈 요소로부터 출사한다. 그리고, 어포컬 입체 광학 소자는, 제2 렌즈 요소로부터 출사된 요소 화상의 광선군 전체에 의해, 피투영물에 대한 입체 광학상을 형성하여 표시한다. 그리고, 피투영물로부터 발해진 광은, 어포컬 입체 광학 소자를 투과하여 피투영물의 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치에 입체 광학상을 형성하기 전에 경면에서 반사되어, 입사 시와는 반대 방향으로 어포컬 입체 광학 소자를 투과하여 경면의 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치에 형성되는 가상 거울에 피투영물을 비춘 위치에 당해 피투영물의 실상을 결상시킨다.

이러한 어포컬 입체 광학 소자를 사용하는 광학 시스템의 경우, 광은 각 렌즈 요소에 대하여 주로 정면 방향으로부터 투과하게 되기 때문에 직접광 및 반사광이 모두 2개의 렌즈 요소를 투과하도록 하기 위해서는, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 경면을 광선 굴곡면과 대략 평행하게 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 상의 관찰은, 광선 굴곡면에 대하여 대략 수직 방향으로부터 행하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 광을 투과하여 면 대칭 위치에 실상의 결상 작용을 갖는 광학 소자와 경면을 이용함으로써, 실체로서는 존재하지 않는 가상 거울에 비친 피투영물의 실상을 관찰할 수 있다고 하는, 새로운 결상 양식의 광학 시스템을 창출하는 것이다. 따라서, 본 발명의 광학 시스템을, 적당한 각도·거리로부터 들여다봄으로써 가상 거울에 비친 거울 영상(예를 들어 관찰자 자신의 얼굴)을 공중에 관찰할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 가상 거울에 비추는 상은, 통상의 평면 거울과는 달리 광학 시스템보다도 앞(관찰자측)에 결상된 것이므로, 본 발명은 관찰자가 손을 뻗쳐 액세스하는 (가상적으로 저촉하는) 것도 가능하기 때문에 관찰자와 상과의 참신한 커뮤닛케이이션 방법도 제공할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 광학 시스템에 의한 결상 양식을 도시하는 원리도.

도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 광학 시스템을 도시하는 개략적인 사시도.

도 3은 상기 광학 시스템에 있어서의 면 대칭 결상 소자를 도시하는 평면도.

도 4는 상기 광학 시스템에 있어서의 면 대칭 결상 소자의 일부를 확대하여 도시하는 사시도.

도 5는 상기 면 대칭 결상 소자에 의한 광의 투과 및 굴절의 상태를 도시하는 모식도.

도 6은 상기 광학 시스템에 의한 결상 양식을 도시하는 모식도.

도 7은 상기 광학 시스템에 적용되는 면 대칭 결상 소자의 다른 예를 도시하는 도면.

도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 광학 시스템 및 그 결상 양식을 도시하는 모식도.

도 9는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 광학 시스템 및 그 결상 양식을 도 시하는 모식도.

도 10은 상기 광학 시스템의 어포컬 광학계에 의한 광의 투과를 도시하는 모식도.

이하, 본 발명의 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다.

도 2에 도시하는 본 발명의 제1 실시 형태는, 광을 투과시켜 면 대칭 위치에 실상의 결상 작용을 갖는 광선 굴곡면을 갖는 반사형 면 대칭 결상 소자(10)와, 이 반사형 면 대칭 결상 소자(10)를 사이에 두고 피투영물(O)의 반대측에 배치되는 평면 거울(20)로 구성되는 광학 시스템(X1)이다. 이하, 이 광학 시스템(X1)의 각 부의 구성과 결상 양식에 대하여 설명한다.

반사형 면 대칭 결상 소자(10)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 평판 형상의 기판(11)을 구비하고, 이 기판(11)에 평평한 기판 표면에 대하여 수직으로 두께를 관통하는 구멍(12)을 다수 형성하고, 각 구멍(12)을 단위 광학 소자(13)로서 이용하기 위하여 그 내벽면에 2개의 직교하는 경면 요소(14a, 14b)를 형성한 것이다.

기판(11)은, 두께 치수가 50 내지 200㎛, 예를 들어 본 실시 형태에서는 100㎛의 박판 형상의 것이고, 본 실시 형태에서는 폭 치수 및 깊이 치수가 각각 약 5㎝의 것을 적용하고 있으나, 기판(11)의 두께나 평면 치수는 이들에 한정되지 않고 적절하게 설정할 수 있다. 도 3의 A부를 확대하여 도 4에 도시한 바와 같이, 각 단위 광학 소자(13)는 광을 투과시키기 위하여 기판(11)에 형성한 물리적·광학적 인 구멍(12)을 이용한 것이다. 본 실시 형태에서는, 단위 광학 소자(13)로서, 평면에서 보아 거의 직사각 형상(구체적으로 본 실시 형태에서는 정사각 형상)의 구멍(12)을 적용하고, 서로 직교하는 2개의 내벽면에 평활 경면 처리를 실시하여 경면 요소(14a, 14b)로 하고, 이들 경면 요소(14a, 14b)를 반사면으로서 기능시키는 동시에, 구멍(12)의 내벽면의 다른 부분에는 경면 처리를 실시하지 않아 광이 반사 불능한 면으로 하거나, 혹은 각도를 부여하거나 하여 반사광을 억제한 것이다. 각 단위 광학 소자(13)는 기판(11) 상에 있어서, 모두 동일한 방향으로 경면 요소(14a, 14b)를 형성하고 있다. 경면 요소(14a, 14b)의 형성에 있어서 본 실시 형태에서는 금속제의 금형을 우선 작성하고, 경면 요소(14a, 14b)를 형성해야 할 내벽면을 나노 스케일의 절삭 가공 처리를 함으로써 경면 형성을 행하고, 이들 면 거칠기를 10㎚ 이하로 하여 가시광 스펙트럼 영역에 대하여 균일하게 경면이 되도록 하고 있다.

구체적으로, 각 단위 광학 소자(13)는 1변이, 예를 들어 50 내지 200㎛, 바람직하게는 본 실시 형태에서는 100㎛이며, 먼저 작성한 금형을 사용한 프레스 공법을 나노 스케일에 응용한 나노인프린트 공법 또는 전기 주조 공법에 의해, 1개의 기판(11)에 소정 피치로 복수 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 각 단위 광학 소자(13)의 종횡으로 연장되는 각 변을, 기판(11)의 폭 방향 또는 깊이 방향에 대하여 45도 경사시키는 동시에, 임의의 서로 다른 2개의 단위 광학 소자(13)끼리는 서로 평행을 이루도록 하고 있다. 단, 임의의 서로 다른 2개의 단위 광학 소자(13)끼리는, 평행이 아니라 여러가지(랜덤) 각도를 부여하는 것도 생각할 수 있 다. 각도를 부여함으로써 미광이 되는 1회 반사광이 보다 확산되는 동시에, 2회 반사광의 횡방향 시야각이 넓어져 투과율의 시야각에 대한 피크가 평탄해지기 때문이다. 또한, 이웃하는 단위 광학 소자(13)끼리의 이격 치수를 가능한 한 작게 설정함으로써, 투과율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 상기 기판(11) 중 단위 광학 소자(13)를 형성한 부분 이외의 부위에, 차광 처리를 실시하여 기판(11)의 상면 및 하면에 도시하지 않은 박판 형상을 이루는 보강재를 설치하고 있다. 또한, 이 판재에 의해 각 단위 광학 소자(13)의 덮개가 봉해지지 않도록 하고 있는 것은 말할 필요도 없다. 본 실시 형태에서는, 이러한 단위 광학 소자(13)를 기판(11)에 수만 내지 수십만개 설치하고 있다.

다른 경면 요소의 형성 방법으로서, 전기 주조 공법에 의해 알루미늄이나 니켈 등의 금속에 의해 기판(11)을 형성한 경우, 경면 요소(14a, 14b)는 금형의 면 거칠기가 충분히 작으면, 그것에 의하여 자연스럽게 경면이 된다. 또한, 나노인프린트 공법을 사용하여, 기판(11)을 수지제 등으로 한 경우에는 경면 요소(14a, 14b)를 작성하기 위해서는 스퍼터링 등에 의해 경면 코팅을 실시할 필요가 있다.

이와 같이 하여 기판(11)에 형성한 단위 광학 소자(13)는 기판(11)의 표면측(또는 이면측)으로부터 구멍(12)에 들어간 광을 한 쪽의 경면 요소(14a 또는 14b)에서 반사시키고, 또한 다른 쪽의 경면 요소(14b 또는 14a)에서 반사시켜 기판(11)의 이면측(또는 표면측)으로 통과시키는 기능을 갖고, 이 광의 경로를 측방에서 보면 광의 진입 경로와 사출 경로가 기판(11)을 사이에 두고 면 대칭을 이루기 때문에, 기판(11) 상의 단위 광학 소자(13)의 집합은, 반사형 면 대칭 결상 소 자(10)를 구성한다. 즉, 이러한 반사형 면 대칭 결상 소자(10)의 광선 굴곡면[단위 광학 소자(13)의 모든 경면 요소를 지나 또한 그들 경면 요소와 직교하는 면]은, 기판(11)의 일측에 있는 물체의 실상을 타측의 면 대칭 위치에 결상시키는 광선 굴곡면(1)[도면에서, 상상선으로 나타낸다. 기판(11)의 두꺼운 중앙부를 지나 각 경면 요소와 직교하는 면을 가정]으로 된다.

한편, 평면 거울(20)은, 기판(11)을 향하는 면을 평평한 경면(2)으로 한 것이며, 경면(21)이 반사형 면 대칭 결상 소자(10)에 있어서의 광선 굴곡면(1)과 이루는 각도가 예각(도시예에서는 45°)이 되는 자세로 기판(11)의 이면측에 배치된다. 이 평면 거울(20)의 위치는, 피투영물(O)의 반사형 면 대칭 결상 소자(10)에 의한 결상 위치까지의 광의 경로상이며, 그 결상 위치보다도 기판(11) 가까이에 설정하는 것을 조건으로 한다. 또한, 평면 거울(20)의 형상이나 크기나 각도는 적절하게 설정할 수 있다. 또한 본 실시 형태의 광학 시스템(X)은, 예를 들어 기판(11)을 덮개로 하는 상자 형상의 장치로 해도 되고, 그 경우는 상자 내에 평면 거울(20)을 설치하게 된다.

여기서, 본 실시 형태의 광학 시스템(X1)을 사용한 결상 양식을, 피투영물(O)로부터 발해진 광의 경로와 함께 설명한다. 우선, 도 5에 평면적인 모식도로 도시한 바와 같이, 피투영물(O)로부터 발해지는 광(화살표 방향, 실선으로 나타낸다. 3차원적으로는 지면 앞으로부터 지면 안쪽 방향으로 진행한다)은, 반사형 면 대칭 결상 소자(10)를 투과할 때에, 한 쪽의 경면 요소(14a)(또는 14b)에서 반사되고 또한 다른 쪽의 경면 요소(14b)(또는 14a)에서 반사됨으로써(투과광의 광선을 파선으로 나타낸다), 경면(2)이 존재하지 않으면, 반사형 면 대칭 결상 소자(4)의 광선 굴곡면(1)에 대하여 피투영물(O)의 면 대칭 위치에 결상된다. 그러나, 경면(2)의 존재에 의해 투과광은 결상되기 전에 경면(2)에서 반사된다. 따라서, 도 6에 측면에서 본 모식도에 도시한 바와 같이, 피투영물(O)(굵은 화살표의 도형, 위치A]로부터 발해진 광은, 반사형 면 대칭 결상 소자(10)에 의한 상(위치B)의 경면(2)에 대한 면 대칭 위치(위치C)에 결상되게 된다. 이 위치C에 있어서의 상은, 상기와는 반대측으로부터, 즉 기판(11)의 이면측으로부터 표면측으로 반사형 면 대칭 결상 소자(10)를 투과할 때에, 2개의 경면 요소(14a, 14b)에서 1회씩 반사되어, 광선 굴곡면(1)에 대하여 면 대칭이 되는 위치(위치D)에 실상으로서 결상된다. 여기서, 반사형 면 대칭 결상 소자(10)의 광선 굴곡면(1)에 대한 경면(2)의 면 대칭 위치에, 실제로는 존재하지 않는 가상 거울(3)을 고려하면, 위치A에 있어서의 피투영물(O)과 위치D에 있어서의 상은 가상 거울(3)에 대하여 면 대칭의 관계에 있다. 즉, 본 실시 형태의 광학 시스템(X)을 이용함으로써, 아무것도 존재하지 않는 공중에 마치 거울에 비춘 것 같이 피투영물(O)의 상을 관찰할 수 있게 된다. 또한, 도 2에 도시한 화살표는 본 실시 형태의 광학 시스템(X1)에 있어서의 반사형 면 대칭 결상 소자(10)에 대하여 경사 상방으로부터의 상의 관찰 방향을 나타내고 있다.

또한, 상술한 바와 같은 반사형 면 대칭 결상 소자(10)는 구멍(12)의 내벽에 2개의 직교하는 경면 요소(14a, 14b)를 형성한 형태 대신에, 도7에 확대도를 도시한 바와 같이 기판(11)의 두께 방향으로 돌출되는 투명한 통 형상체(15)를 바둑판눈금 형상으로 다수 형성하고, 각 통 형상체(15)의 내벽면 중, 직교하는 2개를 경 면 요소(14a, 14b)로 한 형태에 의해서도 실현 가능하다. 이 경면 요소는 전반사를 이용할 수도 있고, 반사막에 의한 반사를 이용하는 것도 가능하다. 이 경우, 통 형상체(15)의 경면 요소(14a, 14b) 이외의 내벽면을 반사면으로 하지 않거나 혹은 각도를 부여함으로써 여분의 반사를 없애어 보다 선명한 상을 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 제2 실시 형태는, 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이 광학 시스템(X2)을 굴절률이 부의 물질인 메타 머티리얼로 구성되는 메타 머티리얼 광학 소자(30)와, 평면 거울(20)로 구성한 것이다. 메타 머티리얼에서는, 정의 굴절률의 매질(예를 들어 대기 중)로부터 광이 입사될 때에 입사광은 메타 머티리얼의 표면[즉 광선 굴곡면(1)]을 지나는 법선에 대하여 동일한 측으로 굴절되어 메타 머티리얼 내를 진행한다. 도시예에서는, 면 대칭 위치로의 실상의 결상을 실현하기 위해, 메타 머티리얼로서 굴절률이 -1인 물질을 적용한 형태를 도시하고 있다. 상기 도면에 도시한 광학 시스템(X2)은, 메타 머티리얼로 된 직육면체 형상을 이루는 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 내부에, 피투영물(O)을 향하는 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 표면인 광선 굴곡면(1)을 향하여 소정 각도(예를 들어 45°)로 경사지게 한 경면(2)을 갖는 평면 거울(20)을 설치한 구성을 구비하고 있다.

여기서, 본 실시 형태의 광학 시스템(X2)을 사용한 결상 양식을, 피투영물(O)로부터 발해진 광의 경로와 함께 설명한다. 이 광학 시스템(X2)에서는, 피투영물(O)(위치A)로부터 발해진 광은, 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 표면[광선 굴곡면(1)]에서 입사광과 동일 측으로 굴절되어 메타 머티리얼 광학 소자(30) 내를 진행하고, 경면(2)에서 반사되어 결상되고(위치C), 또한 그 반사광이 메타 머티리 얼 광학 소자(30)의 표면[광선 굴곡면(1)]에서 굴절되어 외부로 사출되어 위치D에 있어서 결상된다. 여기서, 전술한 제1 실시 형태의 광학 시스템(X1)과 마찬가지로, 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 표면에 대한 경면(2)의 면 대칭 위치에, 실제로는 존재하지 않는 가상 거울(3)을 고려하면, 위치A에 있어서의 피투영물(O)과 위치D'에 있어서의 상은 가상 거울(3)에 대하여 면 대칭의 관계에 있다. 즉, 본 실시 형태의 광학 시스템(X2)을 이용함으로써도, 아무것도 존재하지 않는 공중에 거울에 비춘 것 같이 피투영물(O)의 상을 관찰할 수 있게 된다.

또한, 평면 거울(20)의 배치 위치 및 그 경면(2)의 배치 각도는, 광선 굴곡면(1)을 입사광 및 출사광이 모두 투과하는 한 임의이며, 예를 들어 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 경면(2)이 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 표면[광선 굴곡면(1)]과 평행해지도록 평면 거울(20)을 배치하는 것도 가능하다. 이와 같이, 메타 머티리얼 광학 소자(30)를 사용한 광학 시스템(X2)에서는, 광선 굴곡면(1)과 경면(2) 사이에 있어서 입사광 및 출사광이 통과하는 영역이 균질한 메타 머티리얼로 충전되어 있으면 되기 때문에, 도시예와 같이 메타 머티리얼 광학 소자(30)를 직육면체 형상의 블록 형상을 이루는 것으로 하여, 광선 굴곡면(1)과 대향하는 면에 경면(2)을 밀착시키도록 평면 거울(20)을 설치한다고 하는 형태를 채용할 수 있다.

또한 본 발명의 제3 실시 형태는, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(X3)을, 어포컬 입체 광학 소자(40)와, 평면 거울(20)로 구성한 것이다. 어포컬 입체 광학 소자(40)는 하나의 어포컬 광학계인 어포컬 렌즈(41)를 복수, 어레이 형상으로 배치한 광학부(42)로서 구비하고 있다. 어포컬 렌즈(41)는 제1 렌즈 요소(411) 및 제2 렌즈 요소(412)를 동일 광축(t) 상에 배치하고, 그들의 초점 거리를 이격한 위치로 이격시켜 배치하고 있다. 이 어포컬 입체 광학 소자(40)는 어포컬 렌즈(41)의 제1 렌즈 요소(411)의 입사 렌즈면을 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상에 배치하고, 또한 제2 렌즈 요소(412)를 출사 렌즈면으로 하여 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상에 배치함으로써, 복수의 어포컬 렌즈(41)로 광학부(42)를 구성하고 있다. 또한, 어포컬 렌즈(41)의 입사면(41a) 및 출사면(41b)은 각각 동일 평면 상에 배치된 제1 렌즈 요소(411) 및 제2 렌즈 요소(412)의 초점 거리가 되는 위치에 형성되게 되어, 복수의 제1 렌즈 요소(411) 또는 제2 렌즈 요소(412)의 초점 거리가 되는 위치에 연속하여, 즉 광학부(42)의 전방측 및 후방측의 전체면에 형성된 것으로 하여 도시된다. 여기서 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 렌즈 요소를 동일 광학축(t) 상에 배치하고, 또한 제1 렌즈 요소의 후방측 초점과 제2 렌즈 요소의 전방측 초점이 일치하는 위치에 각각 배치한 것을 어포컬 광학계[어포컬 렌즈(41)]로 한다.

본 실시 형태에서는, 어포컬 렌즈(41)를 구성하는 제1 렌즈 요소(411)와 제2 렌즈 요소(412)로서 어느 것이든 볼록 렌즈를 이용한 형태를 기재한다. 도 10에 도시한 바와 같이, 어포컬 광학계를 구성하는 제1 렌즈 요소(41)와 제1, 2 렌즈 요소를 동일 광학축(t) 상의 위치(공축 위치)의 관계로 하여, 서로 초점 거리(fs, fe)를 이격시킨 상태로 배치하여 어포컬 렌즈(41)로 하고 있다. 어포컬 입체 광학 소자(40)는 각 어포컬 렌즈(41)의 광학축(t)에 있어서의 광선에 주목하면, 각 렌즈 요소에 의해 형성되는 각 요소 화상에 있어서의 광선이 모인 광선군 전체로서, 입 체 광학상을 형성하게 된다. 초점 거리(fs, fe)가 동등할 경우, 이 입체 광학상은, 피투영물의 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치에 결상되게 된다.

평면 거울(20)은, 제2 렌즈 요소(412)의 제1 렌즈 요소(411)와는 반대측에 있어서, 어포컬 입체 광학 소자(40)에 의한 입체 광학상의 결상 위치보다도 앞[제2 렌즈 요소(412)에 가까운 위치]에, 경면(2)이 제1 렌즈 요소(411) 및 제2 렌즈 요소(412)의 광학축(t)과 거의 수직이 되도록 배치된다.

여기서, 본 실시 형태의 광학 시스템(X3)을 사용한 결상 양식을, 피투영물(O)로부터 발해진 광의 경로와 함께 설명한다. 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 피투영물(O)로부터 발해지는 광(화살표 방향, 실선으로 나타낸다)은 어포컬 입체 광학 소자(40)를 투과할 때에, 우선 입사면(41a)에 입사 각도(φs)로 입사되어 각 제1 렌즈 요소(411)에서 굴절되고, 또한 제2 렌즈 요소(412)에서 굴절되어 출사면(41b)으로부터 출사 각도(φe)로 출사된다. 단, fs와 fe가 동등할 경우에는, φs와 φe는 동등한 각도로 된다. 이 출사광은, 경면(2)이 존재하지 않으면, 어포컬 입체 광학 소자(40)의 광선 굴곡면(1)에 대하여 피투영물(O)의 면 대칭 위치(위치B)에 결상되나, 경면(2)의 존재에 의해 당해 경면(2)에서 반사되어 위치B에 있어서의 상의 경면(2)에 대한 면 대칭 위치(위치C)에 결상된다. 이 위치C에 있어서의 상을 형성하는 광은, 다시 어포컬 입체 광학 소자(40)에 있어서의 출사면(41b)에 각도(φe)로 입사되고, 제2 렌즈 요소(412)에서 굴절되는 동시에 제1 렌즈 요소(411)에서 굴절되어 입사면(41a)으로부터 각도(φs)로 출사된다. 그리고, 경면(2)의 광선 굴곡면(1)에 대한 면 대칭 위치에 형성되는 가상 거울(3)에 대하여 피투영물(O)을 비춘 경우와 동일한 위치D에, 피투영물(O)의 실상(가상적인 거울상)이 결상되게 된다. 상의 관찰은, 제1 렌즈 요소(411) 및 제2 렌즈 요소(412)의 광학축 방향으로부터 제1 렌즈 요소(411)를 향하여 행한다. 즉, 본 실시 형태의 광학 시스템(X)을 이용함으로써도, 아무것도 존재하지 않는 공중에 마치 거울에 비춘 것 같이 피투영물(O)의 상을 관찰할 수 있게 된다.

또한, 본 실시 형태는, 어포컬 광학계로서 상술한 바와 같이 제1 및 제2 렌즈 요소로 볼록 렌즈와 볼록 렌즈를 이용한 것 외에도, 광파이버 렌즈와 광 파이버 렌즈를 이용한 것 등을 적용할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니다. 또한, 각 부의 구체적 구성에 대해서도 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형이 가능하다.

본 발명의 광학 시스템은, 3차원을 포함하는 물체의 거울 영상을, 실체로서는 존재하지 않으나, 공중에 가상적으로 존재하는 거울에 비춘 경우의 위치에 결상시키는 디스플레이 장치로서 이용할 수 있다.

Claims

광을 굴곡시키면서 투과시켜서 면 대칭 위치에 실상의 결상 작용을 갖는 광선 굴곡면과, 당해 광선 굴곡면을 향하여 배치되는 경면을 구비하고,

상기 광선 굴곡면을 사이에 두고 상기 경면과는 반대측인 관찰측에 배치한 피투영물의 상을, 당해 피투영물 자체가 발하는 광 또는 피투영물에서 반사된 광이 상기 광선 굴곡면을 투과하여 상기 경면에 반사되고 또한 상기 광선 굴곡면을 투과함으로써, 상기 경면을 상기 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치로 이동시켰다고 가정한 경우의 (실제로는 실체가 없는) 가상 거울에 비춘 위치에 결상시키는 것을 특징으로 하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 서로 직교하는 2개의 경면 요소를 구비한 단위 광학 소자를 복수 평면적으로 형성하여 이루어지는 반사형 면 대칭 결상 소자를 구비하고, 당해 반사형 면 대칭 결상 소자는, 상기 복수의 단위 광학 소자의 광선 굴곡면의 일측으로부터 타측으로 통과하는 광을 각 단위 광학 소자에 있어서 2개의 경면 요소에서 각각 반사시킴으로써 상기 광선 굴곡면의 타측에 결상시키는 것이며, 상기 2개의 경면 요소를 지나 또한 이들 2개의 경면 소자에 수직 혹은 그에 가까운 각도를 이루는 면을 상기 광선 굴곡면으로 하고 있는, 광학 시스템.
제2항에 있어서, 상기 반사형 면 대칭 결상 소자는, 소정의 기판을 두께 방 향으로 관통시킨 복수의 구멍을 구비하고, 각 구멍의 내벽에 상기 직교하는 2개의 경면 요소로 구성되는 단위 광학 소자를 형성한 것이며, 상기 구멍을 통하여 기판의 한 쪽의 면 방향으로부터 다른 쪽의 면 방향으로 광이 투과할 때에, 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사시키는 것인, 광학 시스템.
제2항에 있어서, 상기 반사형 면 대칭 결상 소자는, 소정의 기판을 두께 방향으로 돌출시킨 복수의 투명한 통 형상체를 구비하고, 각 통 형상체의 내벽면에 상기 직교하는 2개의 경면 요소로 구성되는 단위 광학 소자를 형성한 것이며, 상기 통 형상체를 통하여 기판의 한 쪽의 면 방향으로부터 다른 쪽의 면 방향으로 광이 투과할 때에, 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사시키는 것인, 광학 시스템.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 단위 광학 소자를, 상기 기판에 있어서 규칙적인 격자 형상으로 형성하고 있는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 상기 피투영물을 배치한 공간과 접하는 면을 평면적인 상기 광선 굴곡면으로 한 메타 머티리얼 광학 소자를 구비하고, 상기 메타 머티리얼 광학 소자는 적어도 상기 광선 굴곡면과 상기 경면 사이를 메타 머티리얼로 충전한 것으로 하고 있는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 제1 렌즈 요소와, 제2 렌즈 요소를 동일 광학축 상에 배치한 어포컬 광학계로 하고, 상기 제1 렌즈 요소를 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상으로 하는 동시에, 상기 제2 렌즈 요소를 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상으로 한 복수의 당해 어포컬 광학계를 갖는 광학부를 구비하는 어포컬 입체 광학 소자이며, 상기 어포컬 광학계는 상기 제1 렌즈 요소 및 상기 제2 렌즈 요소를 당해 제1 렌즈 요소로부터 입사된 평행 광선을 당해 제2 렌즈 요소의 전방측 초점에 집광하는 위치에 배치한 어포컬 입체 광학 소자를 구비하고, 상기 제1 렌즈 요소와 상기 제2 렌즈 요소의 중간 위치에 있어서 상기 광학축에 수직을 이루는 면을 상기 광선 굴곡면으로 하고 있는, 광학 시스템.