KR20040054675A - 비구면 온-축선 반사체를 이용하는 실상 투영 시스템 - Google Patents

비구면 온-축선 반사체를 이용하는 실상 투영 시스템 Download PDF

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KR20040054675A
KR20040054675A KR10-2004-7002516A KR20047002516A KR20040054675A KR 20040054675 A KR20040054675 A KR 20040054675A KR 20047002516 A KR20047002516 A KR 20047002516A KR 20040054675 A KR20040054675 A KR 20040054675A
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더글라스 로빈슨
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Abstract

실상 투영 시스템은 적어도 하나가 해상도 비구면을 포함하는 둘 이상의 해상도 광학면을 포함한다. 해상도 비구면은 곡면의 원추형 패밀리의 표면을 이용함으로써, 이미지화할 때 본질적인 당연한 수차를 감소시키도록 설계된다.

Description

비구면 온-축선 반사체를 이용하는 실상 투영 시스템{Real image projection system using aspheric on-axis reflector}
본 발명은 실상 투영 시스템, 특히 실제 대상물의 이미지가 공간에 형성되지만, 사실은 실제 대상물이 없을 때에 공간의 그 지점에 실제 대상물이 존재하는 것으로 착각을 부여하는 시스템에 관한 것이다. 이러한 여러 유형의 시스템은 여러 장난감 및 마술 트릭의 형태로 수년간 존재하였다. 대부분이 360(즉, 360도) 디스플레이로 공지된 동일 초점 길이의 이중 대면 포물선 미러의 형태로 존재하였으며, 이러한 미러는 상부 굴곡 미러의 정점에 실제 대상물이 존재하는 것으로 착각을 일으키지만, 실제 타겟 대상물은 실질적으로 하부 굴곡 미러의 정점에서 장치 내에 위치한다. 따라서, 실제로 대상물이 다른 위치의 장치 내에 위치할 때, 유닛 위에서 부유하는 대상물의 환영을 발생시킨다.
본원에서 참고로 합체되고 섬머(Summer)(1999) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,886,818 호에는, 본 발명의 공통된 일부 특징을 가지는 실상 투영 시스템이 기재되어 있다.
본원에서 참고로 합체되고 엘링스(Elings)(1972)에게 허여되어서 하기에서는 엘링스 특허로 언급되는 미국 특허 제 3,647,284 호는, 포물선, 구면, 타원면 미러에 대해서 공개하고 있다. 1972년의 기존 상태의 기술은 비실용적인 것으로 고려되는 비구면 미러를 제조하였다. 따라서, 엘링스 특허에 기재된 장치는 두 포물선면 미러를 사용함으로써 단지 허용가능하게 작용할 수 있다. 그러나, 오늘날의 제조 기술은 용적면에서 비구면 광학체를 제조할 수 있고 또한 현재 이용가능한 데스크탑 렌즈 설계 소프트웨어는 그러한 광학체의 설계 및 제조를 가능하게 한다. 포물선 형태는 초점에서 이미지하기 위해서는 우수하지만, 대상물의 일부가 초점에서 실질적으로 오프셋되어서 위치하는 큰 대상물을 이미지화하는 한 시도로써는 광학 수차의 효과는 크게 이미지의 품질을 저하시킨다. 두 구면에 의해서 생성된 수차 및 이미지 저하는 대상물이 이미지화될 때 거의 인식할 수 없는 이미지를 만든다. 타원형은 더욱 심각한 이미지화의 문제점을 가지고 있다. 어떤 크기의 비구면 광학체의 제조가 실용적인 선택이거나 당기술에 숙련된 기술자가 설계 및 제조를 고려하는 어떤 선택사항은 아니기 때문에, 포물선형은 1972년의 최적의 해결 방안이었다. 렌즈 제조에 있어서의 최근의 기술적 진보로 인하여 비구면 반사체를 다른 이미징의 문제점에 대한 실용적인 해결방안으로 만들 수 있다.
비구면은 구면, 포물선형, 쌍곡선 및 타원형과 같은 곡면의 다른 원추형 패밀리(conic family)와는 크게 상이한 어떤 최적화된 곡면일 수 있다. 비구면은 특히, 초점으로부터 오프 축선 또는 오프셋을 이미지화하기 위하여, 다른 곡면 패밀리의 당연한 현상일 수 있는 수차를 완화시켜서 최소로하도록 설계된 매우 비균일한 곡선 변화를 가진다.
본원에서 참고로 합체되고 웰크(Welck)(1989)에게 허여되어서 하기에서는 웰크 특허로 언급되는 미국 특허 제 4,802,750 호는 그 정점이 다른 초점과 일치하도록 각각 배치된, 동일 초점 길이의 두 대면 포물선 세그먼트에 대해서 공개한다. 광경로는 제 1 포물선형 미러 세그먼트의 초점에서 전달되어서 시준광(즉, 어떤 지점 소스에서 나오는 반사 광선은 이 반사 광선이 반사되는 곡면과는 무관하게, 동일 소스 지점으로부터 나오는 모든 다른 반사광선과 거의 평행하다)과 같은 제 1 포물선형 반사체에서 반사되고 제 2 대면 포물선형 미러에 반사되어 제 2 포물선형 미러의 초점에서 이미지를 형성한다. 두 반사체 면 사이의 시준 또는 평행 광을 유지하는 것은 포물선형 미러와 같이 굴곡 광학체의 당연한 현상인 수차의 영향을 최소화하는데 중요하다. 본 발명은 동일 초점 길이의 포물선형 세그먼트에 국한되는 웰크 특허의 시스템과 실질적으로 상이하고 오프-축선 시스템으로 규정된다. 웰크 특허는 "해상도(resolution)의 합성 곡면"을 이용한다는 점에서 엘링스 특허와 상이하다. 비록, 웰크 특허에 기재된 미러는 해상도의 합성 곡면을 가지는 것으로 규정되지만, 웰크 특허는 명확하게는 포물선형 표면으로 국한된다.
동일 초점 길이의 두 포물선형 미러를 이용하는 웰크 특허와 같은 종래 구성에서, 두 포물선형 반사체 사이의 광경로는 이미지가 "일 대 일" 비확대 상태에서투영될 때 시준된다. 상기 구성을 이용하여 축소 이미지(de-magnified image)를 생성하기 위하여, 실제 타겟 대상물은 초점 보다 다른 위치로 이동하여야 한다. 상기 방법으로써 축소의 결과는 두 포물선형 미러 사이의 광경로는 더 이상 시준되지 않거나 또는 평행하지 않으며, 수차의 영향은 더욱 명확하게 되어서, 투영 이미지의 품질 저하를 유발한다. 이미지가 초점에서 이동할 때, 이미지 품질이 실질적으로 저하된다. 이것은 오프-축선을 사용한 포물선형 시스템에서 또는 광학 요소의 초점이 아닌 다른 초점에서 이미지할 때의, 당연하고 본질적인 문제점이다. 비구면 곡선은 상기 수차를 완화하고 최소화하도록 선택될 수 있다.
화상이 개선된 축소 이미지를 투영하는데 있어서 큰 장점이 있다. 축소 이미지는 평방 25.4mm에 비례하는 큰 해상도를 가진다. 예를 들어, 640 ×480 해상도를 가지며 76.2mm(3")높이 ×101.6mm(4")폭으로 측정되는 표준 127mm(5") LCD 패널은 평방 25.4mm당 25,600 화소 또는 수평 및 수직 방향 모두에서 평방 25.4mm 당 160 화소의 해상도를 가진다. 적어도 하나의 형태가 비구면인 상이한 두 초점 길이의 미러 세그먼트를 이용하는 본 발명에 의해서 투영된 실상은 수평 및 수직 방향 모두에서 평방 25.4mm 당 200 화소의 실상 화소 밀도가 얻어지고, 그에 따라서, 평방 25.4mm당 40,000 화소의 이미지 화소 밀도가 얻어진다. 따라서, 이미지의 최종 해상도는 실제 타겟 LCD 스크린의 해상도의 156%이다. 실상의 밀도는 직접 얼마나 밀집해 있는 가에 연관되는 것이며, 그에 따라서 실상의 이미지는 눈으로 나타난다. 이것은 이미지 또는 배경 막(scene)의 이미지 "블리드-쓰루(bleed-through)"를 방지한다는 점에서 중요하다.
본 발명의 제 2 장점은 실제 타겟 대상물과 비교하여 이미지 품질이 크게 저하되는 투영 실상의 평방 25.4mm에 비례하여 명도를 증가시킨다는 것이다. 예를 들어, 평방 25.4mm 당 200 루멘(lumen)을 나타내는 LCD 패널을 사용하는 시스템은 평방 25.4mm 당 230 루멘을 나타내는 이미지를 제공한다(두 반사체가 각각 96%의 반사도를 가지며 시스템이 하나가 다른 것의 80%인 상이한 초점 길이를 가진다는 것을 가정하면). 대조적으로, 엘링스 및 웰크 특허에 기재된 것과 같은 종래 기술의 시스템은 평방 25.4mm(1")당 단지 184 루멘의 밝기를 가지는 실상을 생산한다(미러는 96%의 반사 코팅을 가지고 시스템은 상술한 바와 같이, 1X 확대 또는 동일 초점 길이의 반사체에서 사용되는 것으로 가정하면).
본 발명의 또다른 장점은 두 비구면 미러의 광학 방위가 역전될 수 있으므로, 긴 초점 길이 세그먼트의 축선은 보이는 축선과 평행하고, 그에 따라서 증가한 투영 거리에서 확대된 이미지를 생산한다. 두 다른 초점길이의 미러는 4개의 다른 방위에서 선택적으로 결합된다. 예를 들어, 254mm(10") 초점 길이의 미러와 304.8mm(12") 초점 길이의 미러를 사용하는 시스템에서, 4개의 개별 효과는 초점 길이의 조합을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 두 254mm(10") 미러는 투시 범위(field of view)가 증가한 1X 전체 크기의 이미지를 생산한다. 304.8mm(12")의 제 1 미러와 254mm(10")의 제 2 밀러는 축소 이미지를 생산하고, 254mm(10")의 제 1 미러와 304.8mm(12")의 제 2 밀러는 확대 이미지를 생산한다.
포물선형에 대한 비구면의 가장 중요한 장점은 광학체가 더 이상 초점 길이에 대한 직경의 2.828 비율 만큼 제한되지 않는다는 것이다. 포물선형에서, 초점에서 나오는 광은 항상 시준 빔 또는 정점으로부터의 물리적인 거리 한계값[71.83mm(2.828")/2*f]까지의 포물선의 비평행 표면에서 반사된다. 254mm(10")의 초점 길이의 포물선형 미러에 대해서, 시준 광을 반사하는 최대 직경은 718.3mm(28.28")이다. 상기 물리적인 직경의 포물선 표면 외측을 타격하는 광은 시준 빔에서 반사되지 않는다. 따라서, 254mm(10")의 초점 길이를 갖는 포물선은 718.3mm(28.28") 또는 2.828 배의 25.4mm(10")의 직경에 제한되지 않는다. 2.828 배의 초점 길이 보다 큰 직경을 갖는 포물선은 비틀린 이미지를 형성한다. 비구면 곡선은 2.828 배의 초점 길이 요소에 의해서 제한되지 않는다. 비구면은 718.3mm(28.28") 보다 큰 254mm(10") 초점 길이로 설계될 수 있고, 전체 표면에 걸쳐 시준된 반사 빔을 유지할 것이다. 만약, 비구면 곡선이 홀로그래픽 미러(holographic mirror)로 형성된다면, 큰 비구면 광학체의 장점은 특히 "360" 구성에 대해서 명확해진다.
여러 곡선들의 광선 추적을 연구함에 있어서, 시스템이 오프-축선 구성에서 사용될 때, 비구면 광학체를 사용하는 것은 이미지 품질을 크게 개선하는 것으로 드러났다. 따라서, 예를 들어, 웰크 특허에 나타난 구성은 이 웰크 특허에 기재된 하나 또는 양 포물선형 미러 세그먼트에 대해서 본 발명의 비구면 미러를 대체함으로써 실질적으로 개선될 수 있다. 이 동일 장점 또는 개선사항은 엘링스 특허에 도시된 구성에 적용될 수 있으며, 그에 따라서 그에 기재된 360도 장치에서 크게 개선된 이미지를 제공할 수 있다.
본 발명은 광학 디스플레이 시스템의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 하나 이상의 비구면 미러 또는 보정 비구면 광학 곡면을 이용하는 실상 투영 시스템의 개선을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 지지 프레임에 설치된 한쌍의 대면, 온-축선, 반사성 미러를 도시하는 본 발명의 양호한 실시예의 측면도.
도 2는 제 2 배경 이미지 소스를 도시하는 도 1의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 3은 공통 입력 소스 또는 단일 모니터에서 나오는 전경 및 배경 입력을 포함하는 도 1의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 4는 축소 구성을 위한 초점에 대해서 반사체의 배치 작업을 도시하는 본 발명의 빔-경로 광선-추적(beam-path ray-trace)을 도시한 설계도.
도 5와 도 6은 축소 상태에서 사용될 때, 웰크 또는 엘링스 특허의 구성에 대한 본 발명의 빔 경로를 비교한 도면.
도 7은 축소 구성에 대하여, 각 정점에 대한 초점의 관계 뿐 아니라, 정점 및 광축선에 대한 세그먼트의 관계의 보기 및 비구면 페어런트 광학체(parent optic)를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 가능한 광학체 및 대응 빔-경로의 보기를 도시한 도면.
도 9와 도 10은 타겟 및 실상 위치를 상호 교환함으로써, 확대 이미지를 제공하기 위하여 장치가 회전한 본 발명의 실시예를 도시한 도면.
도 11 및 도 12는 반사체 세그먼트의 초점을 변경하기 위해서 사용된 광학 렌즈 요소 및 보조 광학 조립체를 도시한 도면.
도 13 및 도 14는 두 축을 서로에 대해서 평행하게 유지하면서, 두 페어런트 반사체의 축을 서로로부터 오프셋하게 재배치함으로써 달성된 이미지 위치의 변경을 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 180도 관측 시야(field-of-view)의 실시예를 도시한 도면.
도 16은 보석 디스플레이로 사용된 도 11의 180도 실시예를 도시한 도면.
도 17은 완전한 페어런트 광학체를 사용하는 본 발명의 360도 관측 시야를 도시한 도면.
도 18은 360 구성을 위한 광 시스템을 도시한 도면.
도 19 및 도 20은 큰 직경의 광학체가 필요할 때, 포물선에 대한 비구면의 차이점 및 장점을 도시한 도면.
도 21은 비구면이 이중 포물선형 시각 디스플레이 시스템의 시야를 증가시킬 수 있는 방식을 도시한 도면.
도 22는 실상 디스플레이 시스템에서 2.828 배의 초점 길이 보다 큰 포물선을 이용하는 효과를 도시한 도면.
도 23은 실상 투영 시스템을 위한 멀티-스테이션 인덱스 턴테이블에 대한 상세한 설계의 보기를 도시한 도면.
도 24는 인덱스 턴테이블이 360도 구성과 함께 사용되는 방식의 보기를 도시한 도면.
도 25 및 도 26은 표준 원추면의 해상도와 비구면의 해상도를 계산하기 위한곡선 및 그래프.
간략하게 기술하면, 실상 투영 시스템은 곡면의 원추형 패밀리의 적어도 두 광학면을 포함하고, 상기 광학체 곡면의 적어도 하나는 해상도 비구면을 포함한다. 시스템은 두 해상도 광학면, 볼록측 상의 면과 오목측 상의 면을 포함하는 두 굴곡 광학체 또는 한 굴곡 광학체를 선택적으로 포함하는 어떤 초점 길이의 곡률의 조합을 포함하며, 상기 두 광학면중 하나는 비구면이다.
본 발명의 일 실시예에서, 실상 투영 시스템은 적어도 하나의 반사체 세그먼트가 해상도 비구면을 가지며, 제 1 세그먼트는 제 2 세그먼트와 비교하여 초점 길이가 긴 곡면의 원추형 패밀리의 한쌍의 굴곡 반사체 세그먼트와, 실상이 실질적으로 짧은 초점 길이의 반사체 세그먼트의 초점에 배치되도록, 실질적으로 긴 초점 길이의 반사체 세그먼트의 초점에 배치된 대상물을 포함하며, 실상은 제 1 반사체 세그먼트의 초점에 배치된 대상물로부터 연장되는 관측 축선을 따라서 제 1 반사체 세그먼트의 표면과, 제 2 반사체 세그먼트의 표면과, 제 2 반사체 세그먼트의 초점 및 뷰어(viewer)로 투영된다.
본 발명의 제 2 실시예에서, 한 광학 요소는 두 개별 곡면과, 광학체의 오목측 상의 비구면 곡선 및 광학체의 볼록측 상의 표준 원추형 곡면 패밀리의 한 곡선으로 구성된다. 포물선면, 구면 또는 다른 표준 원추형 곡률이 미러형 코팅이 도포된 볼록면 상에 제공되며, 오목면은 구면 수차를 감소시키고 다른 필연적으로 발생하는 광학 수차를 감소시키도록 보정 렌즈로 기능하는 비반사성 코팅과 비구면 곡률을 가진다.
다르게 특정하지 않는다면, 명세서 및 청구범위를 통해서 하기의 용어들이 사용된다.
비구면(Asphere)- 구면, 포물선형, 쌍곡선 또는 타원형과 같은 해상도 비구면을 포함하는 원추형 베이스라인의 곡선. 비구면 곡선은 조합하여 수차가 감소한 이미지를 제공하는 해상도면을 생성하기 위하여, 곡선에서 높은 명령 용어의 조합을 제공한다. 실제 원추형 섹션으로부터의 편차는 실행할 때, 실제 또는 가상 이미징 시스템에서 이미지를 개선하기 위하여 광학 설계자에 의해서 사용될 수 있는 특수한 설계 자유도를 허용한다. 각 상기 표준 원추형 곡선은 본원에 기재된 발명과 같은 특수한 구성에서 사용될 때, 중요한 단점을 가진다. 비구면 곡선의 편차는 시스템 광학체가 대상물 위치가 초점에서 편차가 발생할 때, 또는 월등히 양호한 오프-축선을 실행하도록 최적화될 수 있게 허용한다. 모든 광학 시스템은 당연한 물리학의 함수로써 본질적인 에러 및 수차를 가지며, 비구면에서 가능한 약간의 곡선 편차는 상기 현상을 보상한다. 본원의 모든 청구범위에서, 용어 "비구면"은 구면, 포물선형, 쌍곡선형 또는 타원형과 같은 원추형 베이스 라인의 곡선을 지칭하며, 시스템의 반사체중 적어도 하나에서의 해상도 비구면을 포함한다.
관측 시야(Field-Of-View)- 전체 실상이 관측될 수 있는 각도.
렌즈 요소- 렌즈, 렌즈 시스템 또는 이미지의 초점을 변경하는 어떤 광학체를 지칭한다. 이 용어는 일반적으로 본 발명에서 본원에서 기술된 바와 같이, 주로 두 비구면 반사체 세그먼트를 포함하는 주요 광학 시스템에 대한 보충 광학 요소를 기술하는 것으로 사용된다.
온-축선(On-Axis)- 각 페어런트 광학체의 초점 및 정점 또는 각 페어런트 광학체의 광학 중심이 공통축선 상에 모두 있거나 또는 가상 직선에 있는, 서로에 대한 광학체의 방위.
광학 수차- 모든 광학체에서 발견된 당연한 광학 현상. 완전한 이미지를 형성하는 렌즈 및 미러의 기능부족은 광학 수차로 불리우는 현상을 자연스럽게 발생시키는 것에 기인한다. 광학 시스템 내에서 발견된 본질적인 광학 수차를 허용가능한 수준으로 최소로 줄이는 것은 광학 설계자의 임무이다. 이것은 균형을 맞추고 이미지의 결점을 삭제하기 위하여, 여러 렌즈, 미러, 광학 표면 형태 및 재료를 사용함으로써, 달성될 수 있다. 비구면 설계는 광학 표면 형태를 최적화함으로써, 수차를 최소로 하는 방법이다. 공통 수차는 비점 수차(astigmatism), 색수차(chromatic aberration), 콤마, 필드 곡률, 비틀림 및 구면 수차이다. 이미지 품질에 영향을 미치는 수차는 이미지 위치가 초점과 광학체의 광축선에서 이동할 때 증가한다. 이 현상은 포물선 및 비구면의 초점 위치에서 이미지 및 타겟 대상물을 실질적으로 유지함으로써 최소로 될 수 있다.
반사체- 미러 코팅 또는 반투과성 빔스플리터 코팅 광학체와 같지만, 이에 국한되지 않는 부분 반사성 코팅을 가지는 기판에 대한 반사성 광학체. 이 코팅은 일반적으로 반사하는데 사용되는 기판의 표면에 의존하는 후면 또는 전면 코팅일수 있다.
페어런트 광학체(Parent Optic)- 세그먼트가 컷팅되거나 또는 세그먼트가 다른 방식으로 얻어지는 전체 포물선형면, 원추면 또는 비구면.
세그먼트- 용어 세그먼트는 광학 중심 및 페어런트 광학체 사이에 위치하고 페어런트 광학체에서 컷팅된 작은 광학체를 지칭한다
대상물- 실상이 형성되는 실제 대상물 또는 광원. 대상물 (또는 타겟 대상물)은 빛을 반사하고, 방출하거나 또는 투과시키는 어떤 이미지 소스로 규정되고 실제 대상물, 비디오 또는 컴퓨터 모니터 또는 투영 장치, 스크린 등과 같은, 그러나 이들에 국한되지 않는 것을 포함한다.
정점(Vertex)- 페어런트 포물선 또는 비구면의 광학 중심과 일치하는 페어런트 광학체의 반사면 상의 지점. 세그먼트의 정점은 세그먼트가 컷팅되거나 또는 다른 방식으로 얻어지는 페어런트 광학체의 광학 중심과 일치하는 반사면 상의 지점으로 규정된다.
비구면 곡선 계산
비구면 곡선을 계산하기 위하여, 하기 공식이 필요하다.
하기에 도시된, 해상도 원추형 면에 대한 공식은 본 발명의 실시예에서 베이스 곡선으로 사용된다. 본 발명의 해상도의 비구면을 계산하고 설계하기 위한 공식이 기재되어 있다.
하기 수학식 1은 해상도 원추형 면에 대한 공식이다. 고정점 "f"(초점)으로부터의 거리(y)가 고정 직선(준선;directrix)으로부터의 거리에 대한 일정 비율"e"(편심율)을 가지도록, 이동하는 도 25에 도시된 지점 "P"의 궤적(locus)은 원추형이다.
y 2 + X 2 = e 2 (d + X) 2 r = de/1- e cos)θ
만약(e = 1) "곡선 = 포물선"
만약(e ＞ 1) "곡선 = 쌍곡선"
만약(e ＜ 1) "곡선 = 타원"
하기 수학식 2는 해상도 비구면에 대한 공식이다. 해상도의 비구면은 하기 수학식 2의 방정식에 의해서 표현된다.
x = f(y,z) = (cs 2 /[1 + 1 -C 2 S 2 ]) + A 2 s 2 + A 4 s 4 +.......A i S i
여기서, "x"는 "x-축선"으로부터의 거리 "s"인 표면 상의 지점의 종좌표(횡좌표)이다. 거리 "x"는 하기 수학식 3에 의해서 좌표 "y" 및 "z"와 연관된다
s 2 = y 2 + x 2
다음 용어는 제 2, 제 4 등의 상수로써 "A 2 ", "A 4 " 등을 갖는 구면에 대한 변화량,....., 파워 변화량 용어를 나타낸다. 표면 상의 지점의 "x" 좌표는 기준 구면의 "x" 좌표의 총계 및 모든 변화량 용어의 총계이다.
도 1에 있어서, 본 발명의 비동일 초점 길이의 실시예의 보기가 도시된다. 보기의 타겟 대상물(1)은 127mm(5") LCD 패널이지만, 타겟 대상물은 선택적으로는 빛을 발산, 투과시키는 어떤 대상물이다. LCD(1)의 이미지 발생면은 상부 반사체(4)의 초점(Fp)의 평면에 배치된다. 이미지로부터의 광은 LCD(1)로부터 방출되고 두 반사체(4,3)의 긴 초점 길이를 가지는 포물선 또는 비구면 반사체(4)를 타격한다. 도시된 보기에서, 제 1 반사체(4)의 초점 길이는 381mm(15")이고 제 2 반사체(3)의 초점 길이는 304.8mm(12")이다. 적어도 하나의 반사체 세그먼트는 해상도 곡선의 비구면이고, 양호하게는, 양자 모두 비구면이다. 제 1 반사체(4)의 초점(Fp)으로부터 방출되는 LCD(1)로부터의 빛은 시준 빔에서 제 1 반사체(4)의 표면에서 반사되고, 반사된 광선은 제 1 반사체(4)에서 제 2 반사체(3)로 반사될 때, 서로 거의 평행하다는 것을 의미한다. 두 반사체(3,4)는 다른 초점 길이를 가진다. 시준 광 빔은 시준 빔 구성에서 제 2 반사체(3)를 타격하고 제 2 반사체(3)의 초점(Fp)에서 타겟 대상물(1)의 실상(2)을 형성한다. 양 타겟 대상물(1)과 실상(2)은 초점(각 Fp, Fs)에 배치되고 두 반사체(4,3) 사이에서 반사된 광선은 시준된 상태로 남아 있기 때문에 이미지는 광학 수차의 최소 영향을 나타낸다.
두 반사체 사이에서 시준 빔을 유지하는 중요성에 대한 이해를 돕기 위하여,하기 설명이 제공된다. 비구면 반사체는 수차를 최소로 줄이는 것을 제외하고는, 평행 반사체와 동일한 기본 기능을 실행한다. 그러나, 기술한 목적을 위하여, 하기 설명은 포물선형 반사체이다. 포물선형 반사체는 반사체의 초점으로부터의 광을 포획하여 시준 또는 평행 빔에서 반사하도록 설계된다. 포물선형 미러는 평행 빔의 광을 수집하여 반사체의 초점에서 모아지게 한다. 시준되지 않거나 또는 평행하지 않는 광빔은 반사체의 초점의 공통점에서 모아지지 않는다. 광학 수차의 영향은 반사된 광선이 시준 상태로부터 벗어남에 따라서 증가한다. LCD 스크린(1)의 표면 상의 공통점으로부터의 광선은 복사하여 반사체(3)의 표면의 모든 점을 타격하고, LCD(1) 상의 동일 지점으로부터 방출되는 각 광선이 포물선형 반사체에서 반사될 때, 타겟 대상물(1)이 제 1 반사체(4)의 초점(Fs)와 공통 평면에 있는 동안, LCD 패널(1) 상의 동일 지점으로부터 나오는 다른 모든 광선과 시준되거나 또는 평행하다.
도 1에 도시된 보기에서, 타겟 대상물(1)은 640 × 480 화소의 해상도를 가지는 76.2mm(3")높이 ×101.6mm(4")폭의 스크린 크기를 갖는 127mm(5") LCD 모니터이다. LCD 패널(1)은 , 예를 들어, 초점 길이 381mm(15")의 제 1 반사체(4)를 이용함으로써, 거리 381mm(15")에서 제 1 반사체(4)의 초점(Fp)으로 공통 평면에 배치된다. LCD(1)로부터의 광빔은 제 1 반사체(4)를 타격하고, 빛이 제 1 반사체(4)의 초점(Fp)과 공통 평면으로부터 나오기 때문에, 제 1 반사체로부터 반사되어서, LCD 스크린 상의 지점에서 방출되는 모든 빛은 시준 빔에서 반사되고 타겟 대상물(1) 상의 공통점으로부터 나오는 모든 광선은 제 1 반사체(4)으로부터 평행한 경로에서 반사된다. 시준된 빔은 제 2 반사체(3)를 타격하고 빔이 시준되므로, 제 2 반사체(3)는 타겟 대상물(1) 상의 공통점으로부터 방출되는 모든 빛을 제 2 반사체(3)의 초점(Fs)을 갖는 평면과 교차하는 공통점으로 지향시킨다. 도시된 보기에서, 제 2 반사체(3)의 초점 길이는 제 1 반사체(4)에 대한 초점 길이 381mm(15")와 비교할 때, 304.8mm(12")가 된다. 타겟 LCD 스크린(1)의 이미지는 제 2 반사체(3)의 초점(Fs)과 공통 평면에 형성된다. 도시된 보기에서, 타겟 대상물(1)과 비교되는 실상(2)의 확대는 예를 들어, (12/15) 또는 80%의 축소인 제 1 반사체(4)에 대한 제 2 반사체의 초점 길이의 비율 "Fs/Fp"로 계산된다.
실상(2)은 이 실상(2)의 크기가 예를 들어, 타겟 대상물(1)의 80%라는 것을 제외하고는, 타겟 LCD(1)와 동일 수의 화소를 가진다. 101.6mm(4")의 LCD 폭은 81.28mm(3.2") 또는 101.6mm(4")의 80%의 폭을 가지는 모니터의 실상으로 투영된다. 실상(2)의 수직 높이는 LCD(1)의 76.2mm(3")의 높이와 비교되는 60.96(2.4")이다. 실상(2)의 선형 25.4mm당 해상도는 LCD(1)에 대한 25.4mm당 160화소와 비교된 25.4mm당 200 화소이다. 이것은 LCD(1)에 대한 평방 25.4mm당 25,600화소(160×160)와 비교할 때, 실상(2)에 대한 평방 25.4mm당 40,000화소(200×200)의 화소 밀도가 얻어진다. 단지 저해상도 뉴스페이퍼 사진(newspaper photo)과 고해상도 매거진 사진(magazine photo) 사이의 차이점을 관찰하면, 이미지의 밀도가 높을수록, 더욱 견실하고 실제적인 이미지가 나타난다. 이것은 외부 광이 이미지를 "워시 아웃(wash out)"하는 상황 또는 배경(즉, 도 2)에 대해서 실상을 오버레이(overlay)할 때, 매우 중요하다.
동일한 장점은 이미지 명도를 계산할 때 적용된다. 단지, 확대경을 통해서 투영된 섬광(flashlight)이 명도를 증가시키는 것으로 나타날 때, 동일 원리가 제안된 실상 장치에 적용된다. 루멘 또는 명도는 작은 면적에 대해서 투영되고 따라서 실상의 평방 25.4mm당 루멘은 평방 25.4mm당의 타겟 LCD(1) 보다 크다.
도 1은 타겟 대상물(9)이, 예를 들어, 시스템의 풋프린트가 컴팩트한 구성을 필요로 할 때, 다른 위치에 배치될 수 있게 허용하기 위하여 제 1 반사체(4)의 광경로에서 선택적인 폴드 미러(fold mirror;5)를 도시한다. 양호한 베이스라인의 원추형 곡선은 포물선형이고 세그먼트의 적어도 하나는 시스템이 수차 감소 및 이미지 개선을 위하여 최적화되게 허용하도록 비구면이 되어야 한다.
도 2는 제 2 반사체(3)가 빔스플리터 코팅 또는 반투명 미러 코팅으로 코팅되는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 본 발명과 본질적으로 동일하다. 반사성 코팅은 양호하게는, 반사체의 오목면 상에 있지만, 선택적으로는 볼록면 상에 있다. 만약, 볼록면이 반사성으로 코팅되면, 그때, 오목면은 선택적으로, 예를 들어, 제 2 고스트 이미지(ghost imaging)를 감소시키기 위하여, 비반사성 코팅을 가진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 이미지 소스(11)는 제 2 반사체(10) 뒤에 위치하고 반사체(10)를 통해서 볼 수 있으므로, 제 2 이미지 소스가 뷰어에게 보여질 수 있고, 동시에 실제 투영 이미지(2)를 관측하도록 허용한다. 상기 제 2 이미지 소스는 실제 대상물, 모니터, 투영기, 투영 스크린 등 뿐 아니라 선택적으로 가상 이미지, 실상 또는 무한 이미지(infinity image)(즉, 이미지를 무한으로 투영하는 시준광)이다.
빔스플리터 코팅을 이용하는 단점은 빔스플리터 코팅이 표준 시스템에서 알루미늄 코팅에 대한 96%로 비교되는 약 60%의 반사성을 가지므로, 실상(2)의 명도가 크게 감소한다. 이것은 LCD(1)와 비교할 때 125%의 명도를 갖는 실상의 장점이 더욱 가치있게 되는 경우이다. 80% 축소의 이전 보기로써, LCD(1)로부터 방출되는 평방 25.4mm당 200 루멘이 본 발명의 평방 25.4mm당 142루멘과 비교할 때, 예를 들어, 웰크 특허에 기재된 장치와 같은, 표준 시스템에 대해서 평방 25.4mm당 114 루멘이 된다.
도 2는 예를 들어, 시스템의 풋프린트가 컴팩트한 구성을 필요로 할 때와 같이, 타겟 대상물(9)이 다른 위치에 배치될 수 있도록 허용하기 위하여 제 1 반사체(4)의 광경로의 선택 폴드 미러(fold mirror;5)를 도시한다.
도 3은 양 전경 이미지 소스(9) 및 배경 이미지 소스(12)가 공통 LCD 또는 모니터 스크린(11)에 형성되는 본 발명의 다른 보기를 도시한다. 이 접근 방식에는 상당한 장점이 있다. 양 입력 소스(9,12)는 동일 입력 모니터(11) 상에 디스플레이되므로, 단지 하나의 비디오 신호와 하나의 비디오 소스가 필요할 뿐이다. 도 2에 도시된 구성에서, 양 입력 모니터(9,11)는 개별 비디오 신호를 필요로 한다. 이것은 이중 비디오 출력 또는 두 DVD 플레이어 또는 VCR 플레이어를 갖는 컴퓨터와 두 비디오 스트림을 함께 동기화하는 방법이 필요하다. 도 3의 보기는 단지 하나의 비디오 신호와 하나의 DVD 또는 VCR만을 필요로 한다. 전경 이미지와 배경 이미지는 동일 비디오 프레임 상으로 기록되기 때문에, 두 이미지 스트림을 동기화할 필요가 없다.
도 4는 본 발명의 상이한 초점 길이의 실시예의 광빔 경로와, 서로에 대하여 부품을 배치하는 공정을 도시한다. 제 1 반사체 세그먼트(4)의 초점(Fp)에 위치한 타겟 대상물(1)로부터의 빛은 제 1 반사체 세그먼트(4)에서 반사되어 시준되고, 이것은 초점(Fp)의 평면의 단일 지점에서 방출되는 광선이 반사체 세그먼트(4)에서 반사될 때 평행하다는 것을 의미한다. 시준된 광빔은 제 2 반사체 세그먼트(3)에서 반사되어서 제 2 반사체 세그먼트(3)의 초점(Fs)에 공통되는 평면의 동일 지점에서 초점이 모아진다.
반사체 세그먼트(3,4)는 전체 미러 또는 페어런트 광학체(14,13)으로부터 각각 절삭된 섹터이다. 적어도 하나의 광학체와 선택적으로 양 광학체 모두가 비구면이다. 제 2 반사체(3)는 제 2 페어런트의 정점(광학 중심)이 제 1 반사체(4)의 초점(Fp)에 위치하도록 배치된다. 이것은 반사된 광선이 시준되고(CR) 최종 광학 수차가 최소로 되는 것을 보장한다.
도 4의 하부 부분은 관측 축선이 수평이 되도록, 회전한 상부 부분의 실시예를 도시하며, 이것은 초점(Fs)에 위치한 이미지, 반사체의 물리적 중심(15), 뷰어(viewer;16)가 공통 축선 상에 있는 것을 의미한다.
도 5는 제 1 반사체(4)의 초점(Fp)이 제 2 반사체 페어런트(14)의 정점(18)에 배치되고 제 2 반사체(3)의 초점(Fs)이 제 1 페어런트 반사체(13)의 정점(17)이 아니지만, 공통 광축선(19) 상이나 또는 정점(17) 및 제 1 페어런트(13)의 초점(Fp) 사이의 가상선에 배치되도록, 서로 대면하도록 배치된 반사체를 도시한다. 이 구성은 축소 이미지(2)를 생성한다. 타겟 대상물(1)이 제 1 반사체(4)의초점(Fp)에 위치하므로, 광 빔 또는 두 반사체(3,4) 사이의 광선이 시준된다.
도 6은 예를 들어, 축소될 때의 엘링스 또는 웰크 특허와 같은 종래 기술의 시스템의 광 빔 경로를 도시한다. 도면은 시스템이 이미지를 축소하도록 구성될 때의 두 반사체 사이의 빔 경로가 어떻게 시준되지 않는 가를 도시한다. 동일 초점 길이의 두 포물선 미러를 통합하는 종래 기술의 시스템에서, 축소를 달성하는 유일한 방법은 타겟 대상물(1)에서 제 1 페어런트 반사체(13)까지의 거리가 초점(Fp)과 제 1 페어런트 반사체(4)의 정점(17) 사이의 거리 보다 커지도록, 타겟 대상물(1)을 광축선(19)을 따라서 이동시키는 것이다. 이것이 행해질 때, 두 반사체(4,3) 사이에 반사되는 광선은 더 이상 시준되거나 또는 평행하지 않으며, 광학 수차가 발생한다. 이것은 비록 실제 타겟 대상물이 굴곡되지 않을지라도, 실상이 굴곡되는 결과가 발생한다. 포물선형 시스템이 오프-축선(off-axis)으로 작동하거나 또는 대상물이 초점이 아닌 다른 위치에 위치할 때, 광학 수차는 공통적으로 발생한다.
도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 다른 초점 길이의 반사체를 결합함으로써 축소 이미지를 생성하면 반사체 사이의 시준 빔 경로를 유지할 수 있므로, 광학 수차 및 이미지 비틀림을 감소시킨다. 해상도 비구면으로 결합될 때, 이미지 품질은 도 6에 도시된 종래 시스템에 대해서 크게 개선된다. 비구면 광학체는 시스템의 초점이 아닌 지점에서 이미지화 될 때, 특히 오프-축선 상태와 이미지 품질 저하가 감소된 상태에서 기능하도록 설계된다. 도 5와 도 6은 웰크 특허에 기재된 바와 같이, 각 시스템을 축소하는 것과 연관되는 종래 기술과 본 발명의 비교를 도시한다.
도 7은 비구면 반사체 세그먼트를 구비하고 이 세그먼트를 페어런트 광학체 내에 배치하는 본 발명의 보기를 도시한다. 보기에서, 3개의 세그먼트는 페어런트 광학체에서 절삭된다. 세그먼트의 실제 크기 및 형태는 적용 상태에 기초하여 결정된다. 세그먼트의 크기를 변경하면, 이미지가 광학 구조 전방에 투영되는 거리 뿐 아니라, 전체 실상이 보여지는 각도 또는 관측 시야에 영향을 미친다. 수직 관측 시야를 증가시키면 투영 거리를 감소시키고 이미지화될 수 있는 대상물의 크기를 감소시킨다.
도 8은 본 발명의 통상적인 구성을 도시한다. 도면은 두 세그먼트(4,3 또는 10)의 관계, 배경 모니터(11), 타겟 대상물(1), 실상(2), 뷰어(16) 및 관측 축선(20)의 배치작업을 도시한다.
도 9와 도 10은 타겟 대상물(1)와 상호 교체된 이미지 위치(2), 타겟(21)에서 긴 초점 길이(4)의 제 1 반사체까지의 광학 경로가 실질적으로 관측 축선(20)과 일치하도록, 회전한 시스템 구성을 도시한다. 그 결과, 이미지 축선이 관측 축선과 일치하게 된다. 이것은 투영 거리가 증가한 확대 이미지를 생성하고, 두 반사체 사이의 광선이 시준되어서, 두 동일 초점 길이의 포물선형 반사체로 확대할 때의 본질적인 수차를 감소시킨다. 실상(2)은 긴 초점 길이(4)의 세그먼트에 의해서 투영되고, 두 초점 길이의 비율에 기초하여 확대되며, 긴 초점 길이에 의해서 계산되고 짧은 초점 길이에 의해서 분할된다. 간략하게 서술하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 타겟 대상물(1)이 짧은 초점 길이(3)의 세그먼트의 초점에 배치되면, 확대 이미지(2)는 긴 초점 길이(4)의 세그먼트의 초점에 나타난다.
도 11 및 도 12는 하나 또는 양 반사체 세그먼트의 이미지 또는 타겟 대상물의 위치 또는 초점을 변경하는 선택적인 렌즈 요소(30)의 부가사항을 도시한다. 렌즈 요소는 선택적으로 렌즈, 렌즈들 또는 렌즈 조립체를 포함한다. 렌즈 요소는 타겟 위치 또는 이미징 위치가 각 반사체의 초점을 변경하지 않고 재배치될 수 있게 허용한다. 도 11에서, 제 2 광학 요소(30)는 제 2 반사체(3)와 뷰어(16) 사이의 빔경로에 배치되며, 이것은 시스템의 초점 길이를 변화시키고, 그에 따라서 실상(2)을 새로운 위치(12)로 이동시킨다. 도 12에는 타겟(1)과 제 1 반사체(4) 사이의 빔 경로에 배치된 제 2 광학 구조체(30)를 구비한 다른 구성이 도시되어 있다. 이것은 더욱 다양한 많은 확대력을 제공하기 때문에 매우 값어치가 있다. 예를 들어, 4개의 다른 초점 길이의 세그먼트가 6개의 다른 확대력을 달성하기 위하여 결합될 수 있으며, 렌즈 요소를 부가하면 12개에 대해서 이용가능한 확대력의 수를 증가시킬 수 있다. 이것은 가공 비용과 필요 목록을 감소시키는 큰 장점이다. 예를 들어, 여러 렌즈 요소들을 여러 초점 길이의 반사체와 결합시킴으로써, 작은 초점 길이의 반사체 및 가공으로 더욱 큰 확대 결합이 얻어진다. 렌즈 요소는 선택적으로 이미지 품질을 개선하도록 설계된다. 예를 들어, 타겟 소스 또는 모니터 전방에 배치될 때, 추가 렌즈 요소는 선택적으로 시스템 내의 당연한 수차의 영향을 감소시키도록 설계된다.
도 13과 14는 두 반사체 세그먼트(4,3)가 서로에 대한 오프셋 상태에서 배치되는 본 발명의 실시예를 도시한다. 이것은 광학 축선(22,23)이 공통 축선을 공유하지 않지만, 서로에 대해서 평행하게 유지되도록, 두 페어런트 광학체(13,14)의 광학 축선(22,23)을 오프셋시킴으로써 달성된다. 광학 중심을 오프셋시킴으로써, 이미지의 배치 거리 또는 투영 거리가 시스템의 확대를 변경하지 않고, 이동하는 방향에 따라서 증가 또는 감소된다. 이것은 실상의 배치가 확대에 영향을 주지 않고 광학 구조체에 대해서 이동하게 허용한다. 제 2 페어런트(24)의 초점(Fs)은 더 이상 제 1 페어런트(13)의 광축선(23)과 일치하지 않는다. 도 14에 도시된 바와 같이, 이것은 시스템의 확대에 영향을 미치지 않고, 오프셋과 동일한 양 만큼 투영 거리를 증가시킨다. 광축선을 오프셋시키는 것은 동일 초점 길이의 포물선형 반사체를 포함하는 시스템에서 선택적으로 사용된다.
도 15는 본 발명의 실시예의 180도 관측 시야를 도시한다. 본 발명의 이 실시예는 엘링스 특허에 기재된 종래 기술의 360도 시스템과 매우 유사하게 사용되지만, 본 발명은 확대 구성에서 비동일 초점 길이의 적어도 하나의 비구면 섹션(3,4)를 사용한다. 동일 시스템은 축소 구성을 생성하도록 선택적으로 역전되거나 또는 1X 확대 이미지를 투영하기 위하여 동일 초점 길이의 세그먼트를 선택적으로 포함한다. 세그먼트는 선택적으로는 특수한 적용에 필요한 원하는 관측 시야에 따라서, 여러 각도(즉, 크기)이다.
도 16은 실제 대상물(1)이 유닛 내부에 고정되어서 유닛의 구멍 위에 부유하는 것으로 디스플레이되는 보석류 디스플레이로 사용되는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 17은 전체 비구면 페어런트 광학체를 사용하는 본 발명의 360도 관측 시야를 도시한다. 타겟 대상물(9)은 선택적으로 램프 조립체(31)에 의해서 조명되고, 상기 램프 조립체(31)은 배플(baffle;7) 밑의 관측에서 감추어져 있다. 배플은 페어런트 광학체의 정점 사이의 가상선에 위치하고, 시스템의 두 초점 사이의 중간에 배치된다. 배플의 목적은 상단의 관측 구멍을 통해서 시스템을 관측할 때, 타겟 대상물의 직접적인 관측을 차단하는 것이다. 시스템은 비구면 반사체가 세그먼트가 아니므로, 완전한 페어런트 광학체를 사용함으로써 전체 360도 시스템을 생성하는 것을 제외하고는, 정확하게 도 11에 기재된 180도 시스템과 같이 실행된다. 각 곡선의 깊이 또는 "새그(sag)"는 초점이 원하는 위치에 배치될 때, 최대 직경을 제한한다. 두 동일 초점 길이의 포물선형의 일반 360도 시스템에서, 최대 직경은 2.828배의 초점 길이이지만, 최대 직경은 선택된 곡률 반경에 따라서 커질 수 있다. 이것은 두 반사체의 에지 사이에 틈새가 없도록, 각 반사체의 초점이 다른 반사체의 정점에 배치될 수 있게 허용한다. 선택적으로, 하나 이상의 미러는 그 내부가 절삭된 구멍을 가진다. 이것은 선택적으로 반사성 코팅으로 코팅되지 않은 영역이다. 구멍은 양호하게는, 합리적인 크기의 이미지를 허용하면서, 관측 시야를 크게 감소시키지 않는 직경이다. 최적값은 일반적으로 페어런트 광학체의 약 30%의 직경으로 확인되었다.
도 18은 360도 시스템에 대한 내부 광의 보기를 도시한다. 발광 다이오드 어레이 "LED"(53)는 타겟 대상물(1) 상에 모아진 광을 제공하기 위해서 사용된다. 개별 다이오드 "LED"는 고출력, 저전압, 백색 발광 다이오드이다. LED는 약 6 도의 포커스 출력을 갖는 콜드 라이트(cold light)를 방출한다. LED는 할로겐 전구에 대한 2000시간과 비교할 때, 100,000 시간의 레이팅 수명(rated life)을 가지므로, 360도 적용에 대해서 우수하다. LED's(55)는 전류 제한 레지스터(57)에 따라 인쇄 회로 기판(56)에 부착되어서 12 볼드 DC 전압 소스(58)에 의해서 전력이 제공된다. 선택적으로, 가감저항기(rheostat)(딤머;dimmer)는 빛의 강도를 변화시키기 위하여 전력 라인(58)에 포함된다. LED 콜드 라이트 시스템은 실질적으로 열을 발생시키지 않으므로, 디스플레이 시스템 내의 팬 또는 냉각 시스템에 대한 필요성을 제거하며, LED가 11년에 걸친 레이팅 수명을 가지므로, 상대적으로 유지비가 없다.
도 19는 "최대 직경 대 초점 길이"의 2.828 : 1 비율을 초과하는 포물선에 대한 빔 경로의 보기를 도시한다. 포물선은 2.828 배의 초점 길이(FOC)의 직경 내에서만 시준 광(60)을 반사한다. 2.828 ×FOC의 표면 외측으로부터 반사된 빛은 "비시준" 광(61)으로 반사된다.
도 20에서, 비구면 반사체는 2.828 × FOC(60)의 직경 내의 시준 광을 반사하고 최대 직경(62) 밖의 시준 광을 반사한다.
도 21은 2.828 배의 초점 길이 보다 큰 페어런트 광학체로부터 절삭된 비구면 세그먼트가 엘링스 및 웰크 특허에 기재된 것과 같은, 종래 포물선 시스템 보다 큰 관측 시야를 제공하는 방식을 도시한다.
도 22는 2.828 배의 초점 길이 보다 큰 포물선이 종래 디스플레이 시스템에서 사용될 때 발생하는 것을 도시한다.
도 23은 실상 투영 시스템에 대한 선택적인 멀티-스테이션 인덱스 입력 장치의 보기를 도시한다. 도시된 보기는 터렛 조립체(turret assembly;71) 상에 설치된 6개의 독립 턴테이블(7)을 가진다. 터렛은 각 턴테이블(70)이 디스플레이 위치(73)로 회전할 수 있도록, 구동된 모터(72)이다. 터렛이 원하는 위치(73)에 있는 때를 감지하는 리미트-스위치 또는 마이크로-스위치(74)와 같은 감지 장치가 통합된다. 턴테이블이 디스플레이 위치(73)에 있을 때, 턴테이블은 위치로 상승한다. 도시된 장치는 수직 슬라이드 조립체(78) 상에 설치된 턴테이블 구동 모터(76)를 사용하고 구동 모터(77)에 설치된 캠 휠(79)을 갖는 위치(75)로 상승한다. 전체 장치는 전력이 공급되어서 연속적으로 필요한 동작을 실행하도록 프로그램된 작은 마이크로프로세서를 사용하여 제어된다.
도 24는 360도 디스플레이 시스템(81)에 설치된 선택 인덱서(82)를 도시한다. 6개의 와치(watch;80)는 6개의 턴테이블에 배치된다. 장치는 제 1 턴테이블을 위치로 인덱스하여, 타겟 와치(1)가 360도 디스플레이의 초점에 위치하고 이미지(2)가 형성되도록, 상승시켜서 360 디스플레이 유닛 위로 부유시킨다. 와치는 느리게 선회하여, 미리프로그램된 디스플레이 시간이 도달할 때, 턴테이블이 하강하고 다음 턴테이블이 위치로 인덱스하여, 초점으로 상승하며, 다른 와치를 디스플레이한다.
도 25는 해상도의 표준 원추면을 계산하기 위한 그래프를 도시한다.
도 26은 해상도의 비구면을 계산하기 위한 그래프를 도시한다.
따라서, 본 발명의 실시예는 본 발명의 원리 및 적용을 단지 예시한 것으로 이해되어야 한다.
기술한 실시예의 상세한 설명은 본 발명의 핵심으로 간주되는 형태를 기술한청구범위의 범주를 제한하지 않는 것으로 의도된다.

Claims (59)

  1. 관측 축선을 따라 유리한 지점(vantage point)으로부터 이미지를 관측하기 위한 공간을 한정하는 시각 스테이징 스테이션(visual staging station)과;
    적어도 하나가 해상도 비구면을 포함하는 원추형 패밀리의 곡선의 둘 이상의 굴곡 광학체를 포함하며,
    상기 굴곡 광학체는 실질적으로 이 굴곡 광학체중 하나의 초점에 또는 부근에 배치된 대상물이 실질적으로 다른 상기 굴곡 광학체의 초점에 또는 부근에 배치된 실상을 형성하도록 배열되고, 상기 실상은 상기 관측 축선을 따라 투영되고 상기 시각 스테이징 스테이션으로부터 관측할 때, 플로팅 이미지(floating image)로 나타나는 실상 투영 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 굴곡 광학체는 제 1 및 제 2 굴곡 반사체의 세그먼트를 포함하고, 상기 제 1 반사체 세그먼트는 상기 제 2 반사체 세그먼트에 대해서 상대적으로 초점 길이가 긴 실상 투영 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 실상이 실질적으로 상기 제 2 반사체 세그먼트의 상기 초점에 배치되도록, 실질적으로 긴 초점 길이의 상기 제 1 반사체 세그먼트의 초점에 배치된 대상물을 포함하며, 상기 실상은 상기 대상물로부터 연장되는 상기 관측 축선을 따라서 상기 제 1 반사체 세그먼트의 표면과, 상기 제 2 반사체 세그먼트의표면과, 상기 제 2 반사체 세그먼트의 초점 및 상기 시각 스테이징 스테이션으로 투영되는 실상 투영 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 짧은 초점 길이의 반사체 세그먼트가 얻어지는 상기 제 2 반사체 세그먼트의 페어런트 광학체의 정점이 상기 긴 초점 길이의 반사체 세그먼트의 초점에 또는 초점 부근에 배치되는 실상 투영 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 반사체 세그먼트의 정점은 실질적으로 상기 제 2 반사체 세그먼트의 초점과 일치하지 않으며, 상기 제 2 반사체 세그먼트의 정점은 상기 제 1 반사체 세그먼트의 초점과 일치하는 실상 투영 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 쌍의 굴곡 반사체 세그먼트의 적어도 하나는
    반사성 코팅과;
    빔 스플리터 코팅 및;
    부분 미러 코팅으로 구성되는 그룹에서 선택된 코팅을 포함하는 실상 투영 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반사체가 볼록면 상에 반사성 표면을 가질 때, 상기 쌍의 굴곡 반사체의 적어도 하나의 오목면에 도포된 비반사성 코팅을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 대상물과 상기 긴 초점 길이의 반사체 세그먼트 사이 또는 상기 짧은 초점 길이의 반사체 세그먼트와 상기 짧은 초점 길이의 반사체 세그먼트의 상기 초점 사이에 위치한 렌즈를 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 대상물의 위치를 조정하기 위한 수단을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 짧은 초점 길이의 반사체 세그먼트가 상기 긴 초점 길이의 반사체 세그먼트의 초점에 또는 이 초점에 매우 인접하게 배치되도록, 상기 굴곡 반사체 세그먼트를 배치하기 위한 수단을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 실상에서 상기 짧은 초점 길이의 반사체 세그먼트까지의 빔 경로 거리 보다 큰 상기 대상물에서 상기 긴 초점 길이의 반사체 세그먼트까지의 빔 경로 거리를 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  12. 제 3 항에 있어서, 상기 쌍의 반사체 세그먼트중 적어도 하나는 빔스플리터 코팅 또는 부분 반사성 미러 코팅을 포함하고, 상기 코팅 반사체 뒤에 배치되어서 상기 코팅 반사체를 통해서 볼 수 있는 대상물을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 코팅 반사체 뒤에 배치되어서 상기 코팅 반사체를 통해서 볼 수 있는 대상물은
    실제 대상물과;
    모니터와;
    투영기 또는 투영 스크린과;
    비디오 이미지와;
    그래픽 랜더링(graphic rendering) 및
    스크린-본 이미지(screen borne image)로 구성되는 그룹에서 선택되는 실상 투영 시스템.
  14. 제 3 항에 있어서, 상기 시스템의 광축선에 수직하거나 또는 수평하지 않는 각도로 배치된 반사면 또는 폴드 미러(fold mirror)를 추가로 포함하고, 상기 광축선을 따르지 않는 각도에서 입력 빔-경로(input beam-path)를 배치하기 위한 수단을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  15. 제 3 항에 있어서, 상기 실상이 얻어지는 실제 타겟 대상물 보다 평방 25.4mm당 큰 해상도 또는 평방 25.4mm당 큰 화소 밀도를 가지는 축소 실상을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  16. 제 3 항에 있어서, 상기 실상이 얻어지는 실제 타겟 대상물 보다 큰 평방 25.4mm당 명도 또는 루멘을 가지는 축소 실상을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  17. 제 3 항에 있어서, 상기 반사체 세그먼트 사이의 빔 경로의 일부가 시준되고 상기 시스템은 축소 이미지를 투영하는 실상 투영 시스템.
  18. 제 3 항에 있어서, 상기 굴곡 반사체 세그먼트는 그 페어런트 광학체가 공통축선을 공유하지 않도록 배치되고, 상기 반사체 세그먼트의 축선은 서로에 대해서 평행을 유지하는 실상 투영 시스템.
  19. 제 3 항에 있어서, 비동일 초점 길이의 상기 쌍의 굴곡 반사체 세그먼트의 적어도 하나는 그 페어런트 광학체의 약 180도 이하로 절삭되는 실상 투영 시스템.
  20. 제 2 항에 있어서, 상기 실상이 실질적으로 상기 긴 초점 길이의 반사체 세그먼트의 상기 초점에 배치되도록, 실질적으로 상기 짧은 초점 길이의 반사체 세그먼트의 초점에 배치된 대상물을 포함하고, 상기 실상의 축선이 상기 관측 축선과 일치하고, 상기 실상이 상기 제 2 반사체 세그먼트의 상기 초점에 배치된 상기 대상물로부터 연장되는 관측 축선을 따라 상기 제 2 반사체 세그먼트의 표면과, 상기 제 1 반사체 세그먼트의 표면과, 상기 제 1 반사체 세그먼트의 초점 및 상기 시각스테이징 스테이션으로 투영되는 실상 투영 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 대상물과 상기 짧은 초점 길이의 반사체 세그먼트 사이 또는 상기 긴 초점 길이의 반사체 세그먼트과 상기 긴 초점 길이의 반사체 세그먼트의 상기 초점 사이에 위치하는 렌즈를 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 굴곡 반사체 세그먼트는 상기 페어런트 광학체가 공통 축선을 공유하지 않도록 배치되고, 상기 반사체 세그먼트의 축선이 서로 평행하게 유지되는 실상 투영 시스템.
  23. 제 20 항에 있어서, 같지 않은 초점 길이의 상기 쌍의 굴곡 반사체 세그먼트중 적어도 하나는 페어런트 광학체의 약 180도 이하로 절삭되는 실상 투영 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서, 같은 초점 길이의 제 1 및 제 2 굴곡 반사체 세그먼트를 포함하는 실상 투영 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 세그먼트의 초점이 상기 제 2 반사체 세그먼트가 얻어지는 상기 제 2 세그먼트의 제 2 페어런트 광학체의 정점과 실질적으로 일치하도록, 상기 제 1 및 제 2 굴곡 반사체 세그먼트들이 배치되고, 상기 제 1 페어런트 광학체의 상기 정점과, 상기 제 2 페어런트 광학체의 상기 정점과, 상기 제1 페어런트 광학체의 상기 초점 및 상기 제 2 페어런트 광학체의 상기 초점이 공통 축선 또는 가상선 상에 모두 위치하도록, 상기 제 2 제 1 세그먼트의 초점이 상기 제 1 반사체 세그먼트가 얻어지는 상기 제 1 세그먼트의 제 1 페어런트 광학체의 정점과 실질적으로 일치하는 실상 투영 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 실상이 실질적으로 상기 제 2 반사체 세그먼트의 상기 초점에 위치하도록, 실질적으로 상기 제 1 반사체 세그먼트의 초점에 배치된 대상물을 포함하고, 상기 실상은 상기 제 1 반사체 세그먼트의 상기 초점에 배치된 상기 대상물로부터 연장되는 관측 축선을 따라서, 상기 제 1 반사체 세그먼트의 표면, 상기 제 2 반사체 세그먼트의 표면, 상기 제 2 반사체 세그먼트의 초점, 상기 시각 스테이징 스테이션으로 투영되는 실상 투영 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 쌍의 굴곡 반사체 세그먼트들중 적어도 하나는
    반사성 코팅과;
    빔스플리터 코팅 및;
    부분 미러 코팅으로 구성되는 그룹에서 선택된 코팅을 포함하는 실상 투영 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반사체가 볼록면 상의 반사면을 가질 때, 상기 쌍의 굴곡 반사체들중 적어도 하나의 오목면에 도포된 비반사성 코팅을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 대상물과 상기 제 1 반사체 세그먼트 사이 또는 상기 제 2 반사체 세그먼트와 상기 제 2 반사체 세그먼트의 상기 초점 사이에 위치하는 렌즈를 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  30. 제 26 항에 있어서, 상기 대상물의 위치를 조정하기 위한 수단을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  31. 제 26 항에 있어서, 상기 제 1 반사체 세그먼트의 정점이 상기 제 2 반사체 세그먼트의 초점에 배치되거나 또는 초점에 매우 인접하게 배치되고, 상기 제 2 반사체 세그먼트의 정점이 상기 제 1 반사체 세그먼트의 초점에 또는 초점에 매우 인접하게 배치되도록, 상기 굴곡 반사체 세그먼트를 배치하기 위한 수단을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  32. 제 26 항에 있어서, 상기 쌍의 반사체 세그먼트중 적어도 하나는 빔스플리터 코팅 또는 부분 반사성 미러 코팅을 포함하고, 상기 코팅 반사체 뒤에 배치되어서 상기 코팅 반사체를 통해서 볼 수 있는 대상물을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  33. 제 26 항에 있어서, 상기 코팅 반사체 뒤에 배치되어서 상기 코팅 반사체를 통해서 볼 수 있는 대상물은
    실제 대상물과;
    모니터와;
    투영기 또는 투영 스크린과;
    비디오 이미지와;
    그래픽 랜더링(graphic rendering) 및
    스크린-본 이미지(screen borne image)로 구성되는 그룹에서 선택되는 실상 투영 시스템.
  34. 제 26 항에 있어서, 상기 시스템의 광축선에 수직하거나 또는 수평하지 않는 각도로 배치된 반사면 또는 폴드 미러를 추가로 포함하고, 상기 광축선을 따르지 않는 각도에서 입력 빔-경로를 배치하기 위한 수단을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  35. 제 26 항에 있어서, 상기 굴곡 반사체 세그먼트는 그 페어런트 광학체가 공통축선을 공유하지 않도록 배치되고, 상기 반사체 세그먼트의 축선은 서로에 대해서 평행을 유지하는 실상 투영 시스템.
  36. 제 26 항에 있어서, 동일 초점 길이의 상기 쌍의 굴곡 반사체 세그먼트의 적어도 하나는 그 페어런트 광학체의 약 180도 이하로 절삭되는 실상 투영 시스템.
  37. 제 1 항에 있어서, 같은 또는 같지 않은 초점 길이의 제 1 및 제 2 굴곡 반사체를 포함하며, 양 반사체는 계산된 직경으로 절삭된 완전한 페어런트 광학체인 실상 투영 시스템.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 반사체는 그 오목면이 실질적으로 서로 대면하도록 배열되고, 상기 각 반사체의 초점은 다른 반사체의 정점과 공통 축선에 놓여지는 실상 투영 시스템.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 반사체는 그 광학 축선이 서로 오프셋되고 서로 평행하게 유지한 상태에서 그 오목면이 실질적으로 서로 대면하도록 배열되는 실상 투영 시스템.
  40. 제 37 항에 있어서, 실질적으로 상기 제 1 반사체의 초점에 배치된 대상물을 포함하고, 상기 제 1 반사체는 상기 제 2 반사체 위에 배치되고, 상기 제 1 반사체는 그 광학 중심에 컷팅된 구멍으로 구성되는 개구를 구비하는 실상 투영 시스템.
  41. 제 37 항에 있어서, 상기 제 2 반사체는 상기 제 1 반사체 밑에 배치되고 상기 제 2 반사체에 컷팅된 구멍으로 구성되는 개구를 구비하고, 그에 의해서 조명을위한 전력 코드 및 턴테이블 모터 또는 상기 대상물에 대한 접근을 허용하는 실상 투영 시스템.
  42. 제 37 항에 있어서, 상기 반사체들중 적어도 하나의 표면 상의 광학 코팅 또는 반사성 코팅을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  43. 제 37 항에 있어서, 상기 반사체들의 초점들 사이의 약 중간에 위치한 흑색 디스크 또는 배플을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  44. 제 37 항에 있어서, 뷰어가 볼 수 있는 상기 수단 없이, 상기 대상물을 조명하기 위한 수단을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  45. 제 37 항에 있어서, 상기 조명 수단은 백색광, 고출력, 저전압, 저열, 회로 기판에 설치된 발광 다이오드를 포함하며, 투영 빛의 결합 원추형은 그로부터 상기 타겟 대상물을 향하여 지향되는 실상 투영 시스템.
  46. 제 37 항에 있어서, 상기 대상물을 상기 반사체의 상기 초점에 배치하기 위한 수단을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  47. 제 46 항에 있어서, 상기 배치 수단은 턴테이블을 포함하는 실상 투영 시스템.
  48. 제 46 항에 있어서, 상기 배치 수단은 다중 대상물을 연속으로 배치하기 위한 인덱싱 멀티-스테이션 턴테이블을 포함하는 실상 투영 시스템.
  49. 제 37 항에 있어서, 하우징을 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  50. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 상기 광학체는 그 볼록면 상의 표준 원추형 패밀리의 곡선와, 그 오목면 상의 비구면 곡선을 포함하는 실상 투영 시스템.
  51. 제 50 항에 있어서, 상기 광학체의 상기 오목면은 해상도 비구면을 포함하고, 상기 비구면 곡선은 그로부터의 반사된 이미지의 구면 수차를 보정하고 줄이도록 설계되는 실상 투영 시스템.
  52. 제 50 항에 있어서, 상기 광학체의 상기 볼록면과 상기 오목면은 해상도 비구면을 포함하는 실상 투영 시스템.
  53. 제 50 항에 있어서, 상기 광학체의 상기 볼록면은
    반사성 코팅과;
    빔스플리터 코팅 및;
    부분 미러 코팅으로 구성되는 그룹에서 선택되는 실상 투영 시스템.
  54. 제 50 항에 있어서, 상기 광학체의 상기 오목면은 비반사성 코팅을 포함하는 실상 투영 시스템.
  55. 제 1 항에 있어서, 동일 스크린 상에 배경 및 3D 이미지 소스를 모두 디스플레이하는 투영 스크린 또는 모니터를 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  56. 제 50 항에 있어서, 동일 스크린 상에 배경 및 3D 이미지 소스를 모두 디스플레이하는 투영 스크린 또는 모니터를 추가로 포함하는 실상 투영 시스템.
  57. 제 56 항에 있어서, 3D 전경 및 배경 이미지 소스는 단일 비디오 신호로부터 입력되는 실상 투영 시스템.
  58. 제 1 항에 있어서, 광학 곡선은 폴리싱, 진공 형성, 홀로그래픽 제조 및 사출 성형을 포함하는 어떤 수단에 의해서 형성되는 실상 투영 시스템.
  59. 제 50 항에 있어서, 광학 곡선은 폴리싱, 진공 형성, 홀로그래픽 및 사출 성형을 포함하는 어떤 수단에 의해서 형성되는 실상 투영 시스템.
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