JP3973724B2

JP3973724B2 - 光学結像装置

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Publication number: JP3973724B2
Application number: JP06242397A
Authority: JP
Inventors: 誠大坪
Original assignee: 誠大坪
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10239507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多数の円筒反射素子を用いて対象物からの散乱光を収斂させて、対象物の光学像を別の位置に立体的に結像させる光学結像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
対象物の表面から発する散乱光から立体像を形成する装置として、本出願人が先に特開平７−５６１１２号公報記載の立体像表示装置や、特開平６−１６０７７０号公報記載の三次元立体表示装置があり、多数の微小透光部を備えた不透光パネルと、この不透光パネルの背部に配置されて前記微小透光部に対応する多数の小画像が表示された画像表示パネルとを有して構成されている。
また、従来のレンズ等の光学手段を使用しないで、立体像を表示させる装置としては、例えば、特開昭５８−２１７０２号公報記載の微小幅両面反射帯を用いた結像素子があり、複数本の幅数ミクロンから数十ミクロンの両面反射板を隣接する反射面が互いに向かい合うように並べて構成されている。また、同様な装置としては、本出願人が先にＷＯ９７／０１１１６号公報で提案した内側が反射面となった短い円筒反射素子を平行に多数配置した反射素子集合基板を有する光学結像装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記不透光パネルと画像表示パネルの組み合わせからなる特開平７−５６１１２号公報記載の立体像表示装置や、特開平６−１６０７７０号公報記載の三次元立体表示装置は、予め多数の小画像を記録しておく必要があり、光学像を結像させるために多大の労力を必要とすると共に、特に動いている対象物の光学像を処理する場合には膨大な情報量を必要とするため、データ処理が困難になるという問題があった。
また、特開昭５８−２１７０２号公報記載の微小幅両面反射帯を用いた結像素子や、ＷＯ９７／０１１１６号公報記載の光学結像装置においては、例えば、特開昭５８−２１７０２号公報第３頁の第２図、第３図に説明されているように、対象物からの散乱光は、結像素子や光学結像装置を通過した後は、必ず一点には収束せず、一定の幅を有するので、結果として鮮明な画像を得ることが困難であるという問題があった。
そして、前記公報記載の光学結像装置等においては、円筒反射素子が大きさを有し、鮮明な画像を得ようとする場合には、円筒反射素子の直径を短くして多数の円筒反射素子を備える必要があり、その製造が極めて困難であるという問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、対象物を見る観察者側に対象物の実像を簡便に結像させることができる光学結像装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載の光学結像装置は、内側が反射面となって、一端には微小透光部が設けられた短い円筒反射素子を平行に多数配置した反射素子集合基板を、前記各円筒反射素子の軸心方向と直交する方向に高速移動させて、前記反射素子集合基板の一方側に配置された対象物から前記反射素子集合基板に向かう光を多数集め、前記各円筒反射素子の前記反射面によって一回反射させて、前記反射素子集合基板の他方側に前記対象物の光学像を結像させている。
また、請求項２記載の光学結像装置は、請求項１記載の光学結像装置において、前記反射素子集合基板は中央の軸心を中心に回転駆動されて、しかも前記各円筒反射素子の一部又は全部は、前記軸心を中心に微小間隔でその中心位置が異なる位置に配置されている。
請求項３記載の光学結像装置は、請求項１記載の光学結像装置において、前記反射素子集合基板の各円筒反射素子は均等配置されて、しかも、前記反射素子集合基板は、前記円筒反射素子のピッチの範囲内で、Ｘ及び／又はＹ方向に繰り返し移動している。
請求項４記載の光学結像装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学結像装置において、前記反射素子集合基板は、中心部分は不透明部となって、その周囲に多数の前記円筒反射素子が配置されている。
【０００５】
請求項５記載の光学結像装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学結像装置において、外側に配置された前記円筒反射素子の長さは、内側に配置された前記円筒反射素子の長さより短くなっている。
請求項６記載の光学結像装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学結像装置において、前記微小透光部は、前記円筒反射素子の軸心にそれぞれ形成されている。
そして、請求項７記載の光学結像装置は、極軸上の一方に微小入光部が、他方に微小出光部がそれぞれ形成され、しかも内面が反射面となった透明小球を、前記各極軸を平行にし、しかも前記微小入光部が表面から、前記微小出光部が裏面から光学的に露出するようにして不透光パネル内に配置している。
また、請求項８記載の光学結像装置は、請求項７記載の光学結像装置において、前記不透光パネルは中央の軸心を中心に回転駆動されて、しかも前記各透明小球はその回転軸心を中心に微小間隔でその中心位置が異なる位置に配置されている。
請求項９記載の光学結像装置は、請求項７記載の光学結像装置において、前記不透光パネルの各透明小球は均等配置されて、しかも、前記不透光パネルは、前記透明小球のピッチの範囲内で、Ｘ及び／又はＹ方向に繰り返し移動している。
【０００６】
請求項１〜６記載の光学結像装置は、内側が反射面となって、一端には微小透光部が設けられた短い円筒反射素子を平行に多数配置した反射素子集合基板を、その軸心方向と直交する方向に高速移動させているので、対象物から多数の散乱光を集めることができ、これによって鮮明な画像が得られる。
特に、請求項２記載の光学結像装置は、反射素子集合基板は中央の軸心を中心に回転駆動されて、しかも各円筒反射素子の一部又は全部は、軸心を中心に微小間隔でその中心位置が異なる位置に配置されているので、微小間隔で配置された円筒反射素子のピッチに応じて対象物からの散乱光が入射することになる。また、反射素子集合基板を回転させればよいので、その駆動が簡単となる。
請求項３記載の光学結像装置は、反射素子集合基板の各円筒反射素子は均等配置されて、しかも、反射素子集合基板は、円筒反射素子のピッチの範囲内で、Ｘ及び／又はＹ方向に繰り返し移動しているので、請求項２記載の光学結像装置と同様、対象物から発する多数の散乱光を集めることができる。
【０００７】
請求項４記載の光学結像装置においては、反射素子集合基板の中心部分が不透明部となっている。これは、反射素子集合基板の中心部分は光の入射角（＝反射角）が小さいので、長い円筒反射素子を配置する必要があるが、中央部分を不透明部としているので、長い円筒反射素子が不要となる。
請求項５記載の光学結像装置は、反射素子集合基板の光軸（対象物と光学像の軸心を結ぶ直線）を中心として、その半径方向外側に配置された円筒反射素子の長さは、内側に配置された円筒反射素子の長さより短くなっているので、効率良く円筒反射素子から光を反射させることができる。
請求項６記載の光学結像装置は、微小透光部は、円筒反射素子の軸心にそれぞれ形成されているので、均等に入射光を一回反射させることができ、明暗の差及び歪みのない像を結像できる。
そして、請求項７〜９記載の光学結像装置は、一方に微小入光部が、他方に微小出光部がそれぞれ形成され、しかも内面が反射面となった透明小球を、各極軸を平行にし、しかも微小入光部が表面から、微小出光部が裏面から光学的に露出するようにして不透光パネル内に配置しているので、微小入光部から入った光は、入射角と同じ角度で逆方向に微小出光部から出光する。これによって、不透光パネルの一方側に配置した対象物の光学像（実像）が不透光パネルの他方側に結像される。
特に、請求項８記載の光学結像装置は、不透光パネルは中央の軸心を中心に回転駆動されて、しかも各透明小球はその回転軸心を中心に微小間隔でその中心位置が異なる位置に配置されているので、対象物からの多数の散乱光を集めることができて、より鮮明な画像が得られる。
また、請求項９記載の光学結像装置は、不透光パネルの各透明小球は均等配置されて、しかも、不透光パネルは、透明小球のピッチの範囲内で、Ｘ及び／又はＹ方向に繰り返し移動しているので、対象物からの多数の散乱光を集めることができて、より鮮明な画像が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の第１の実施の形態に係る光学結像装置の側面図、図２は同正面図、図３（Ａ）、（Ｂ）は同説明図、図４は本発明の第２の実施の形態に係る光学結像装置の正面図、図５（Ａ）、（Ｂ）は同説明図、図６は本発明の第３の実施の形態に係る光学結像装置の側面図、図７は更に具体化した実施の形態に係る光学結像装置の説明図である。
【０００９】
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る光学結像装置１０は、多数の円筒反射素子１１を備える反射素子集合基板１２と、これを回転する回転駆動装置１３とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
【００１０】
前記反射素子集合基板１２には、図１に示すように、多数の円筒反射素子１１がその光軸（中心軸）を平行にして配置されている。この円筒反射素子１１は透明ガラス質の短い円柱体からなって、側周面１４に必要に応じて鏡面処理（例えば、めっき処理又は金属蒸着処理）がなされ内側が反射面となっている。なお、透明ガラス質の屈折率が大きい場合には、円柱の側周面１４の鏡面処理を省略することもできる。
円筒反射素子１１の前面１５は不透光シート１６によって被われ、その中央（軸心）に円筒反射素子の直径Ｄ（例えば、１〜２０ｍｍ）の１／５〜１／１００程度の微小透光部１７が設けられ、後面１８は開放されて何れの部分からでも光が通過するようになっている。なお、ここで、円筒反射素子１１の後面１８に不透光シートを配置し、更にその中央に微小透光部を設けることも可能であるが、光の経路が制限されて、鮮明で明るい像を結像できないという欠点がある。
【００１１】
前記円筒反射素子１１の配置は、直径Ｄの隣り合う円筒反射素子１１が隙間なく充填されるようにしてもよいが、図２に示すよう、隣り合う円筒反射素子１１の、回転中心軸心１９（反射素子集合基板１２の中央の軸心）からの距離ｒ₁、ｒ₂、・・・、ｒ_nを僅少の距離（微小間隔）（例えば、Ｄ／１００〜Ｄ／５）ずつ短くするのが好ましい。この場合、最も理想的には、特定半径位置Ｒ₀にある円筒反射素子１１を基準にして、略同一半径（即ち、半径Ｒ₀〜Ｒ₀−Ｄ）の間にｎ個の円筒反射素子１１が並ぶとした場合、隣り合う円筒反射素子１１の取付け半径位置の差をＤ／ｎとするのがよい。
多数の円筒反射素子１１は環状に配置され、円形の反射素子集合基板１２の中心部分は不透光部（不透明部）２０が設けられ、その裏面側には図示しないシャフトを介して回転駆動装置１３に連結されている。
【００１２】
回転駆動装置１３は、図示しない架台に載置され、内部に電動モータを有し、反射素子集合基板１２を３０〜１２００ｒｐｍ（より好ましくは、６０〜３００ｒｐｍ）程度の回転速度で回転駆動するようになっている。これによって、対象物２１から発するより多数の散乱光が、僅少の範囲で配置された微小透光部１７から入光することになり、より鮮明な対象物２１の実像（光学像）２２を結像することができる。
【００１３】
続いて、第１の実施の形態に係る光学結像装置１０の作用について詳細に説明すると、図１に示すように、対象物２１（ＡＢ）からの散乱光の一部は反射素子集合基板１２に照射され、各円筒反射素子１１の微小透光部１７から円筒反射素子１１内に入り込む。円筒反射素子１１の側周面１４は鏡面となっているのでその部分で反射し、円筒反射素子１１の後方に出ることになる。光の入射角と反射角は同一であるので、反射素子集合基板１２の一方側から入光し各円筒反射素子１１を通過した光は一点に集まり、結果として反射素子集合基板１２の手前側（他方側）に、対象物２１の実像２２（Ａ′Ｂ′）が形成される。
【００１４】
ここで、反射素子集合基板１２を回転しない場合でも、対象物２１の各位置から各円筒反射素子１１を通過する光は同一点に集まるので、対象物２１の実像２２は形成されるが、円筒反射素子１１の大きさは有限であるので、一定の大きさを有し、少ない光の本数しか入光しないことになって、実像２２が粗くなるという問題がある。そこで、回転駆動装置１３を駆動して反射素子集合基板１２を回転駆動すると、反射素子集合基板１２に照射される各点の散乱光を多数集めることができ、結果として実像２２の精度が向上することになる。なお、反射素子集合基板１２の回転速度は、目にちらつきを生じさせない程度の高速移動をする回転数であれば十分である。
【００１５】
ここで、円筒反射素子１１に入光する光は内部一回反射である必要がある。反射素子集合基板１２の円筒反射素子１１が設けられている部分の半径（回転中心軸心１９からの距離）が小さい場合（即ち内側）には、図３（Ａ）に示すうように、円筒反射素子１１ａの長さを長くする必要があり、円筒反射素子１１ｂ、１１ｃのように、配置されている部分の半径が大きい場合（即ち外側）には、それに応じて円筒反射素子１１ｂ、１１ｃの長さを短くするのが好ましい。
ところが、図３（Ａ）に示すように円筒反射素子１１ａ〜１１ｃのように各円筒反射素子の長さを変えて製造することは極めて困難であり、実用上、対象物は一定の大きさを有し、必ずしも光軸上にある分けではないので、円筒反射素子１１ａ〜１１ｃが回転中心軸心１９から一定の距離範囲内にあれば支承はない。そこで、図３（Ｂ）に示すように、各円筒反射素子１１を半径ｈ₁〜ｈ_nの間に配置して、同一の長さとしている。半径ｈ₁の限界値は、微小透光部１７を通過して入射した光が内部で二回反射を起こさないことであり、半径ｈ_nの限界値は微小透光部１７を通過した光が円筒反射素子１１の内部で一回反射することである。
【００１６】
次に、図４に示す本発明の第２の実施の形態に係る光学結像装置２５について説明するが、多数の円筒反射素子２６が一定間隔で均等配置された反射素子集合基板２７と、これをＸ、Ｙ方向に駆動する駆動装置２８とを有している。
前記反射素子集合基板２７はこの実施の形態では四角形となって、内部に不透光部（不透明部）２９を有し、その外側部分に円筒反射素子２６が平行に配置されている。円筒反射素子２６と、前記円筒反射素子１１とは同一の構造となって、前面側に微小透光部３０が設けられている。
【００１７】
前記駆動装置２８は、反射素子集合基板２７をＸ軸方向（水平方向）に所定距離動かすＸ軸駆動装置と、反射素子集合基板２７及び前記Ｘ軸駆動装置をＹ軸方向（垂直方向）に所定距離動かすＹ軸駆動装置とを有し、予めプログラムされた信号によって、それぞれの駆動用モータが回転して反射素子集合基板２７をＸＹ平面内で繰り返し動かすようになっている。
反射素子集合基板２７のＸＹ平面内の動作を、図５に示すが、各円筒反射素子２６の直径Ｄ（ピッチ）の範囲内で、微小透光部３０が万遍なく移動するようにすればよい。従って、各円筒反射素子２６が図５（Ａ）に示すように密に配置されている場合は、隣り合う円筒反射素子２６の微小透光部３０は正三角形の頂点になるので、形成される正三角形の内部で図５（Ａ）に矢印で示すように移動させる。
【００１８】
また、隣り合う円筒反射素子２６を図５（Ｂ）に示すように正方形配置した場合には、その正方形の中で動かせば十分であるので、例えば図５（Ｂ）の矢印に示すようになる。なお、３１は不透光シートを示し、その中央に微小透光部３０が形成されている。
以上の構成とすることによって、微小透光部３０が平面内を万遍なく移動するので、対象物からの散乱光を効率良く集めてより鮮明な画像ができる。
以上の第１、第２の実施の形態に係る光学結像装置１０、２５においては、円筒反射素子１１、２６は透明ガラス質で構成したが、内部を中空とし内壁又は外壁に反射材料が塗布された円筒で構成することも可能である。
【００１９】
続いて、図６に示す本発明の第３の実施の形態に係る光学結像装置３３について説明すると、反射素子集合基板３４は不透光パネルからなって、内部に多数の透明物質（例えば、ガラス、透明プラスチック）からなる透明小球３５が配置されている。前記反射素子集合基板３４の厚みは透明小球３５の直径と略同一となって、反射素子集合基板３４の表面側に透明小球３５の一部が微小入光部３６となって光学的に露出し、更には反射素子集合基板３４の裏面側に透明小球３５の一部が微小出光部３７となって光学的に露出するようになっている。これによって、微小入光部３６、微小出光部３７で透明小球３５の軸心（極軸）を通る光軸３８を形成し、反射素子集合基板３４に埋設された透明小球３５の各光軸３８が平行になることになる。なお、透明小球３５の微小入光部３６、微小出光部３７を除く周面には鏡面処理がなされて入射した光が反射するようになっている。
【００２０】
反射素子集合基板３４には、回転駆動装置１３が設けられて、一定の速度が回転するようになっていると共に、各透明小球３５の位置は、好ましくは第１の実施の形態に係る光学結像装置１０と同様、微小入光部３６の位置が同一半径位置にならないように、少しずつその配置位置を変えておくのが好ましい。なお、反射素子集合基板を、第２の実施の形態に示すように、透明小球を均等配置してＸＹ方向に微小範囲動かすこともできる。
一方、図６の拡大図に矢印で示すように、両端に微小入光部３６、微小出光部３７を有する透明小球３５に、微小入光部３６から入射した光は、通常は内部で一回又は２回以上の反射を行って、微小出光部３７から入射した角度と同じ角度で反射する。これによって、対象物３９（ＣＤ）が実像４０（Ｃ′Ｄ′）として反射素子集合基板３４の反対側に結像することになる。
【００２１】
前記実施の形態では、反射素子集合基板の形状を円形又は四角形で説明したが、他の形状であってもよい。
また、第３の実施の形態において、透明小球は中実材料で構成したが、中空材で構成し、内面又は外面に鏡面処理を行ってもよい。
なお、以上の光学結像装置を用いた場合には、結像された光学像が対象物に対して凹凸逆の形で表示されるので、結像された光学像を更に、別の光学結像装置に通して、対象物の凹凸状態に合わせることができ、この場合も本発明は適用される。この様子を、図７に示すが、第１の光学結像装置１０によって対象物（Ｐ₀Ｑ₀Ｒ₀）の光学像（Ｐ₁Ｑ₁Ｒ₁）が結像される。この光学像は凹凸が逆の像となっているので、、第２の光学結像装置１０′によって対象物（Ｐ₀Ｑ₀Ｒ₀）と凹凸状態の合った光学像（Ｐ₂Ｑ₂Ｒ₂）が結像される。これによって、対象物の凹凸状態にあった正しい像を観察できる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１〜６記載の光学結像装置は、反射素子集合基板を、その軸心方向と直交する方向に高速移動させているので、対象物から多数の角度の散乱光を集めることができ、これによって鮮明な画像が得られる。
そして、結像された実像は、反射素子集合基板の手前側に突出状態で形成されるので、実像を用いて種々のシミュレーションを行うことができる。
特に、請求項２、３記載の光学結像装置は、反射素子集合基板の円筒反射素子の微小透光部が多数の散乱光を効率良く集めるようにしているので、更に精度の高い実像を結像することができる。
請求項４記載の光学結像装置は、反射素子集合基板の中心部分が不透明部となっているので、反射制御が難しい光を除去してより鮮明な実像を得ることができる。
請求項５記載の光学結像装置は、中心に近い側の円筒反射素子が周辺部の円筒反射素子より長くなっているので、より効率的に円筒反射素子内で一回反射を起こさせることができ、これによってより明るくてより鮮明な実像を形成することができる。
請求項６記載の光学結像装置は、微小透光部は、円筒反射素子の軸心にそれぞれ形成されているので、製造が容易であり、更には円筒反射素子の長さが適正であれば、均等に入射光を一回反射させることができ、明暗の差及び歪みのない像を結像できる。
そして、請求項７〜９記載の光学結像装置は、一方に微小入光部が、他方に微小出光部がそれぞれ形成され、しかも内面が反射面となった透明小球を不透光パネル内に多数配置しているので、微小入光部から入った光は、入射角と同じ角度で微小出光部から出ることになり、これによって、不透光パネルの一方側に配置した対象物の実像が不透光パネルの他方側に結像される。
特に、請求項８、９記載の光学結像装置は、入光側の微小透光部が反射素子集合基板に照射する対象物からの散乱光を効率良く集めるようにしているので、より鮮明な実像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学結像装置の側面図である。
【図２】同正面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は同説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る光学結像装置の正面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は同説明図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る光学結像装置の側面図である。
【図７】具体化した本発明の実施の形態に係る光学結像装置の説明図である。
【符号の説明】
１０光学結像装置１０′ 光学結像装置
１１円筒反射素子１１ａ〜１１ｃ円筒反射素子
１２反射素子集合基板１３回転駆動装置
１４側周面１５前面
１６不透光シート１７微小透光部
１８後面１９回転中心軸心
２０不透光部２１対象物
２２実像２５光学結像装置
２６円筒反射素子２７反射素子集合基板
２８駆動装置２９不透光部
３０微小透光部３１不透光シート
３３光学結像装置３４反射素子集合基板
３５透明小球３６微小入光部
３７微小出光部３８光軸
３９対象物４０実像

Claims

内側が反射面となって、一端には微小透光部が設けられた短い円筒反射素子を平行に多数配置した反射素子集合基板を、前記各円筒反射素子の軸心方向と直交する方向に高速移動させて、前記反射素子集合基板の一方側に配置された対象物から前記反射素子集合基板に向かう光を多数集め、前記各円筒反射素子の前記反射面によって一回反射させて、前記反射素子集合基板の他方側に前記対象物の光学像を結像させることを特徴とする光学結像装置。
前記反射素子集合基板は中央の軸心を中心に回転駆動されて、しかも前記各円筒反射素子の一部又は全部は、前記軸心を中心に微小間隔でその中心位置が異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学結像装置。
前記反射素子集合基板の各円筒反射素子は均等配置されて、しかも、前記反射素子集合基板は、前記円筒反射素子のピッチの範囲内で、Ｘ及び／又はＹ方向に繰り返し移動していることを特徴とする請求項１記載の光学結像装置。
前記反射素子集合基板は、中心部分は不透明部となって、その周囲に多数の前記円筒反射素子が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学結像装置。
外側に配置された前記円筒反射素子の長さは、内側に配置された前記円筒反射素子の長さより短くなっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学結像装置。
前記微小透光部は、前記円筒反射素子の軸心にそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学結像装置。
極軸上の一方に微小入光部が、他方に微小出光部がそれぞれ形成され、しかも内面が反射面となった透明小球を、前記各極軸を平行にし、しかも前記微小入光部が表面から、前記微小出光部が裏面から光学的に露出するようにして不透光パネル内に配置したことを特徴とする光学結像装置。
前記不透光パネルは中央の軸心を中心に回転駆動されて、しかも前記各透明小球はその回転軸心を中心に微小間隔でその中心位置が異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項７記載の光学結像装置。
前記不透光パネルの各透明小球は均等配置されて、しかも、前記不透光パネルは、前記透明小球のピッチの範囲内で、Ｘ及び／又はＹ方向に繰り返し移動していることを特徴とする請求項７記載の光学結像装置。