JP2017142438A - 光学結像装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴースト映像を発生させることなく効率よく高明度かつ高解像度の空中映像を実現させる方法と、方法の実施に使用する単純構造の光学結像装置を提供する。【解決手段】透明な基材と、該透明な基材の表面に対して垂直にかつ互いに平行に配列された多数の光制御アレーを有する。各々の屏風状光制御アレーは互いに直角をなしつつ連接する多数の光反射板の集合体となっている。光制御アレー１Ａ・１Ｂ間に物体３からの光を入射させ、光制御アレー１Ｂを構成する光反射板１１ａで反射した光を、光反射板１１ａに直角に隣接する光反射板１１ｂで再反射させ、物体３の像４を前記光学結像装置の反対側に結像させる。視認者５に対面する光反射板で反射が起こっても対面する光反射板で再反射され放射されるためゴースト画像は発生しない。視認者５は反射に関わる両方の反射板１１ａ・１１ｂからの光を視認できるため、効率良い情報伝達が可能となる。【選択図】図５

Description

本発明は、本発明は、空中に映像を投影する光学結像装置及び該装置を使用しての光学結像方法に関する。

空中投影に関する技術としては、従来より、空中に拡散させた霧や水蒸気をスクリーンとして用いたり、視認者に専用の偏光眼鏡又は濃度差を強調する眼鏡をかけさせて映像が浮き上がっているかのように見せるものなどがあった。しかしながら、擬似的なスクリーンを準備したり、視認者に眼鏡をかけさせたりせねばならないことから、使用目的は限定されていた。

これに対して、特許文献１の光学結像装置についての発明は、上述したような擬似的な空中映像とは異なり、何もない空中に実像を結像させる画期的な技術であった。該発明に係る技術は、現在では、広視野範囲のヘッドアップディスプレイとして、観光案内所やショールームにおいて使用されている。

特許文献１の光学結像装置Ｔは、図１に示すように、透明平板Ｔ５の内部に、垂直に多数かつ帯状の平面光反射部Ｔ３、Ｔ４を並べて形成した第１及び第２の光制御パネルＴ１、Ｔ２を上下２層に配置し、該第１及び第２の光制御パネルのそれぞれの一面側を、平面光反射部Ｔ３、Ｔ４を直交させて向かい合わせる構成になっている。機能的には、図２（Ａ）に示すように、下層に位置する第１の光制御パネルＴ１に物体からの光を入射させ、平面光反射部Ｔ３で反射した光を上層の第２の光制御パネルＴ２の平面光反射部Ｔ４で再反射させる。この時、図２（Ｂ）に示すように、上下の平面光反射部Ｔ３、Ｔ４は互いに直交しているため、すべての反射においてθ１−θ４の合計は２Ｒとなり、物体３の像４を光学結像装置Ｔ１の反対側、すなわち視認者側に結像させる。

特許第４８６５０８８号公報

しかしながら、特許文献１の方式では以下の３点の問題があった。
第１の問題は、いわゆるゴースト映像発生の問題である。通常、物体からの光は物体側に位置する下層の平面光反射部で第１の反射が起こり、続けて、直交する上層の平面光反射部で第２の反射が起こり、最終的に視認者側に結像するのであるが、視認者と物体が下層の平面光反射部に対面する位置にくると、下層の平面光反射部で反射した後の光路は上層の平面光反射部の面と平行になってしまう。このため、光は第２の反射を起こさずに視認者側に返り、これがゴースト映像を発生させてしまう。

第２の問題は、視野角の狭さと光量・解像度の減少の問題である。特許文献１の装置では、第２の光制御パネルは第１の光制御パネルの上に載設され２階層となっているため、２回の反射後に細長い２階層のキューブを通り抜けることができる光の出射幅(角度)は狭くなってしまい、視認者が結像を見ることができる範囲、すなわち視野角も小さくなる。さらに、２階層では上層の１面しか出射ビームに使えていないため、装置から出射する光の明るさ及び画素密度は半減してしまう。

第３の問題は、資材の利用効率の問題である。特許文献１の装置は上下２層構造によって多数のキューブ構造を作出し、直交する上下の光平面反射板での２回の反射により光を平面的に再帰させるが、すべての光平面反射板は装置の外枠のいずれかの辺と平行又は直角に配置されているため、該平面的再帰反射が可能となる部分は限定され、資材の半分は無駄となっている。

上述の問題に鑑み、本発明においては、いわゆるゴースト映像を発生させることなく、効率よく高明度かつ高解像度の空中映像を実現させる光学結像方法と、該方法の実施に使用する単純構造の光学結像装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１記載の光学結像装置は、透明な基材と、該透明な基材の表面に対して垂直に、かつ互いに平行に配列された多数の光制御アレーとから成り、前記各々の光制御アレーは、互いに直角をなしつつ屏風状に連接する多数の両面光反射板の集合体となっている。

請求項２記載の光学結像方法は、前記光制御アレー間に物体からの光を入射させ、前記光制御アレーを構成する１の光反射板で反射した光を、前記光反射板に直角に隣接する光反射板で再度反射させ、前記物体の像を前記光学結像装置の反対側に結像させる。

各々の前記屏風状光制御アレーは互いに一定の距離を置いて平行に設置されているため、特許文献１に関して上述したように視認者５に対面する光反射板で第１の反射が起こっても、該光反射板と対面する光反射板の背側で再反射され、結像せずに放射される。このため、特許文献１の装置で生じ得るゴースト画像は発生せず、上記第１の問題は解決される。

また、特許文献１の装置の光平面反射板が２階層のキューブ構造となっているのに対して、本発明に係る装置の光制御アレーは光反射板が連接する１階層の屏風構造となっているため、物体からの光は幅広い入射角と返射角を得ることができる。このため、第２の反射を終えた光の多くは、視認者側の光制御アレーの光反射板の背面に遮られることなく、視認者側に届き結像する。さらに、１階層の屏風構造としたことにより、２面の反射による光量を得ることができるため、上層の１面しか出射ビームに使えていない特許文献１の装置に比べて明るさ及び画素密度が倍増する。これにより、上記第２の問題は解決される。

さらに、本発明に係る装置では、すべての光反射板が装置の縦辺と横辺に対して斜めに配置されているため、装置のどの場所に入射された光も結像にいたる光路をとることができる。これにより、上記第３の問題は解決される。

本発明は先に発表されたTransmissive Mirror Device;TMD の原理を踏襲しつつも、透明なガラスにミラーコートをした機材によって、接合カット研磨の工程で、より現実的に製造可能であり、かつ光制御アレーが連続して配置可能であることにより、解像度及び結像明度を上げたものである。

上記特許文献１の光学結像装置は、すべての平面光反射板を直交させて向い合わせているため、視認者の位置によっては不必要な返射が起こり、ゴースト映像を発生させるが、本発明に係る装置は光制御アレーを構成する光反射板が屏風風に連接していて必要な返射面だけとなるので、視認者側への変則的な反射に起因するゴースト映像が発生しない。

上記特許文献１の光学結像装置は２階層のキューブ構造となっているため、第２の光制御パネルの視認者側の平面光反射板の背面で光が遮られてしまうため、視野角が狭く、低明度の映像となってしまうが、本発明に係る装置は１階層の屏風構造となっているため、第２の反射で深い反射角を得ることができる。この構成により視認者側の反射板の背面で遮られる光が減り、視野角が広がり、映像の明度及び解像度が高くなる。

本発明に係る装置では、すべての光反射板が装置の縦辺と横辺に対して斜めに配置されているため、装置のどの場所に入射された光も結像にいたる光路をとることができ、資材の効率的な利用が実現する。

特許文献１の光学結像装置の構成を示す概念図である。 特許文献１の光学結像装置における結像の仕組みを示す（Ａ）概念斜視図、（Ｂ）概念平面図（拡大）である。 特許文献１の光学結像装置においてゴースト映像が生じる光路を示す概念斜視図である。 本実施形態の光学結像装置の構成を示す概念斜視図である。 本実施形態の光学結像装置における結像の仕組みを示す（Ａ）概念斜視図、（Ｂ）概念平面図（拡大）である。 本実施形態の光学結像装置においてゴースト映像が生じない事実を説明する概念斜視図である。 特許文献１の光学結像装置の使用可能部位を示す概念斜視図である。

以下に、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
まず、本実施形態の光学結像装置の構成について説明する。

図４に示すように、本実施形態の光学結像装置は、複数の透明板２の間に相互に平行に配置された多数の屏風状の光制御アレー１を有する。屏風状の光制御アレー１は、互いに直角をなしつつ屏風状に連接する多数の両面光反射板１１の集合体によって構成され、多数の光反射板１１は互いに直角をなして連接する。

光学制御アレー1、光反射版１１の材質は透明であり、例えばガラス、アクリル、ポリカーボネート等が使用可能である。また、光反射板１１のサイズは透明機材の屈折率に影響され、サイズが微細であるほど解像度を高めることができる。

次に、結像方法について図５を使用して説明する。
例えば光制御アレー１Ａ・１Ｂ間に入射した光は、光反射板１１ａで第１の反射を起こし、続けて隣接する光反射板１１ｂで第２の反射が行われ、視認者５側に出射する。ここで、図５（Ｂ）に示すように、光反射板１１aと１１ｂは直角Ｒに配置されていて、かつ、各反射面での入射角と反射角は等しいため、２枚の光反射板における入射角と反射角の合計は２Ｒとなり、平面的には再帰反射となる。このような反射が他の光制御アレーでも起こり、立体的には、物体３から出射したすべての光が視認者側に集結し、結像する。

空中映像を現出させるには、上述したような平面的再帰反射を効率よく生じさせることが不可欠であるが、このような反射を生じさせるキューブを透明なガラスの中に多数構築することは困難であったため、特許文献１の光結像装置（図１）においては、光制御パネルを上下２層として、それぞれの反射板を上下に直交する形で配列する構造とせざるを得なかった。この方法は、現在、公知技術として使用されているが、前述のような課題を残した。本願発明は、光制御アレーを屏風状に配置する方法により、これらの課題を解決したものである。以下、課題解決の具体的方法について述べる。

第１にゴースト映像発生の問題である。図３は特許文献１の装置において、ゴースト映像が発生するメカニズムを示す。該装置では、図のように、物体３を映す下層に位置する第１の光制御パネルの平面光反射部Ｔ３が視認者５に対面し、上層に位置する第２の光制御パネルの平面光反射部Ｔ４に触れずに出射したビームが視認者５に届く1回反射の場合（図３左側）と、下層の平面光反射部Ｔ３に触れずに侵入したビームが上層に位置する平面光反射部Ｔ４に1回反射して視認者５に届いた場合（図３右側）に、視野角４５度近傍にゴースト映像６として浮かび上がる。これに対して本発明の屏風状の光制御アレー１では、図６に示すように、視認者５に対面する光反射板で反射が生じても、反射光はこれと対面する光反射板で再反射されるため、結像しないで拡散してく。従って、ゴースト映像は発生しない。

次に、視野角の狭さと光量減少の問題であるが、２階層で構成される特許文献１の装置では、図２に示すように、下層の光反射板Ｔ３に反射した光が上層の光反射板Ｔ４で再反射され、最終的に視認者側で結像するが、視認者５は上層の光反射板Ｔ４で反射した光のみを視認し下層の光反射板Ｔ３は見えないため、光量及び画素密度は半減してしまう。これに対して本発明の一層構造の屏風状アレーは、図５に示すように、視認者５が同じ高さにある反射に関わる両方の反射板１１ａ、１１ｂからの光を視認できるため、特許文献１の装置に比べて２倍の解像度及び明度を実現することができ、きわめて効率良い情報伝達が可能となる。

最後に、資材の利用効率の問題である。特許文献１の装置は上下２層構造によって前述した多数のキューブ構造を作出しているが、図１に示すように、すべての光平面反射板Ｔ３及びＴ４が装置の縦辺と横辺に対して垂直又は平行に配置されている。このため、該キューブ内で平面的再帰反射が可能となる部分は図７に示す部分に限定され、資材の半分は無駄となっている。これに対して、本発明の屏風状アレーは、図４に示すように、すべての光反射板が１層構造で装置の縦辺と横辺に対して４５度の角度を成して配置されているため、光反射板に対して垂直に反射する光以外は、どの角度で入射された光も結像にいたす光路をとることができる(図５)。従って、装置のほぼすべての資材を有効に利用することが可能となる。

１ 光制御アレー（Ａ、Ｂ）
１１ 光反射板（ａ、ｂ）
２ 透明板
３ 物体
４ 結像
５ 視認者
Ｔ 特許文献１の光学結像装置
Ｔ１ 第１の光制御パネル（特許文献１）
Ｔ２ 第２の光制御パネル（特許文献１）
Ｔ３ 第１の光制御パネルの平面光反射部（特許文献１）
Ｔ４ 第２の光制御パネルの平面光反射部（特許文献１）
Ｔ５ 透明平板（特許文献１）
６ ゴースト映像

Claims (2)

1. 空中に映像を投影する光学結像装置であって、該装置は、
   透明な基材と、
   該透明な基材の表面に対して垂直に、かつ互いに平行に配列された多数の光制御アレーと、
   から成り、
   前記各々の光制御アレーは、互いに直角をなしつつ屏風状に連接する多数の両面光反射板の集合体であることを特徴とする光学結像装置。
2. 請求項１記載の光学結像装置を使用して空中に映像を投影する光学結像方法であって、
   前記光制御アレー間に物体からの光を入射させ、前記光制御アレーを構成する１の光反射板で反射した光を、前記光反射板に直角に隣接する光反射板で再度反射させ、前記物体の像を前記光学結像装置の反対側に結像させることを特徴とする光学結像方法。