JP5036898B2 - 光学結像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、空中に立体像を形成する光学結像装置に関する。
物体表面から発する光(散乱光)を用いて立体像を形成する光学結像装置として、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する立体像表示装置が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。また、レンズ等の光学手段を使用しない立体像表示装置として、幅が数ミクロンから数十ミクロンの複数本の両面反射帯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した結像素子が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
また、特許文献4には、相互に直交する2つの鏡面要素を備えた単位光学素子を複数平面上に形成した反射型面対称結像素子からなる光線屈曲面と、この光線屈曲面に向けて配置された鏡面とを具備し、光線屈曲面を挟んで、鏡面とは反対側にある観察側に配置した像を、被投影物から発せられる光が光線屈曲面を透過して鏡面に反射し、更に光線屈曲面を透過することによって、鏡面の光線屈曲面に対する面対称位置に移動させた実態のない仮想鏡に映した位置に結像させる光学システムが提案されている。
特開平7−56112号公報 特開平6−160770号公報 特開昭58−21702号公報 特開2008−158114号公報
しかしながら、特許文献1、2の発明には、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る。また、特許文献3の発明には、物体からの散乱光は、結像素子を通過した後は、必ずしも一点には収束しないという問題がある。
また、特許文献4記載の光学システムにおいては、反射型面対称結像素子からなる光線屈曲面の製造が極めて難しく、実用化に障害があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、比較的製造が容易で、物体を見る観察者側の空中に立体像を簡便に形成することが可能な光学結像装置を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る光学結像装置は、透明平板の内部に、該透明平板の一方側の面に垂直に多数かつ帯状の平面光反射部を一定のピッチで並べて形成した第1及び第2の光制御パネルを用い、該第1及び第2の光制御パネルのそれぞれの一面側を、前記平面光反射部を直交させて向かい合わせた光学結像装置であって、前記第1及び第2の光制御パネルは、それぞれ一方側の面から厚み方向に伸びる垂直面を有する溝が前記一定のピッチで形成された透明合成樹脂板を用いて形成され、かつ前記垂直面は該透明合成樹脂板内に斜めに入射する光を反射する前記平面光反射部となって、前記溝間に該平面光反射部から反射された反射光を通過させる光通過面が形成されている
この場合、第1の光制御パネルの細長長方形(短冊状)の平面光反射部と、第2の光制御パネルの細長長方形の平面光反射部とは、長手方向が直交する。かつ第1の光制御パネルの平面光反射部と第2の光制御パネルの平面光反射部も直交面を形成する。
本発明に係る光学結像装置において、前記第1及び第2の光制御パネルの前記平面光反射部は、金属反射面(例えば、銀又はアルミニウム等の薄板、メッキ層、蒸着層等)であることが好ましい。また、前記平面光反射部は、両面反射板であってもよい。
本発明に係る光学結像装置において、前記溝は断面直角三角形となって、該直角三角形の斜辺を形成する面には遮光処理又は散乱光処理が施されていることがより好ましい。
また、前記第1及び第2の光制御パネルは、該第1及び第2の光制御パネルの平面光反射部を直交させた状態で、密着又は一定のギャップを介して配置することができる。ここで、一定のギャップとは、例えば、隣り合う平面光反射部の間隔の0.5〜4倍程度が好ましいが、本発明はこの数値に限定されるものではない。なお、第1、第2の光制御パネルの平面光反射部のピッチを細かくして、平面光反射部の数を多くする程、鮮明な画像が得られる。
また、本発明に係る光学結像装置において、前記平面光反射部が両面反射板であって、前記第1及び第2の光制御パネル内にそれぞれ配置されている複数の前記平面光反射部の幅が、中央部から周辺部にかけて徐々に大きくなっているものであってもよい。
本発明に係る光学結像装置においては、透明平板の内部に、一方側の面に垂直に多数かつ帯状の平面光反射部を一定のピッチで並べて形成した第1及び第2の光制御パネルのそれぞれの一面側を、それぞれの平面光反射部を直交させて向かい合わせているので、この光学結像装置の一側に配置された物体から放射される光は、光学結像装置の他側に収束して結像する。
更に、この光学結像装置は、透明平板の内部に、一方側の面に垂直に多数かつ帯状の平面光反射部を一定のピッチで並べて形成した光制御パネルを2枚用いており、各光制御パネルの製造は容易であるので、安価に製造が可能である。
そして、本発明に係る光学結像装置において、第1及び第2の光制御パネルが、それぞれ一方側の面から厚み方向に伸びる垂直面を有する溝が一定のピッチで形成された透明合成樹脂板を用いて形成され、垂直面は透明合成樹脂板内に斜めに入射する光を反射する平面光反射部となって、溝間に平面光反射部から反射された反射光を通過させる光通過面が形成されているので、第1、第2の光制御パネルを金型で製造できるので、比較的安価に製造できる。
特に、前記溝が断面直角三角形となって、直角三角形の斜辺を形成する面には遮光処理又は散乱光処理が施されている場合、光の反射面が決められるので、ゴースト又はノイズが低減された状態で物体像を得ることができる。
更に、本発明に係る光学結像装置において、平面光反射部が両面反射板であって、第1及び第2の光制御パネル内にそれぞれ配置されている多数の平面光反射部の幅が、中央部から周辺部にかけて徐々に大きくなっていることによって、第1、第2の光制御パネルの周辺部に当たる光の回収も可能となり、より明るい像を得ることができる。
(A)は本発明の実施の形態に係る光学結像装置の平面図、(B)はF−F断面図、(C)はG−G断面図である。 同光学結像装置の斜視図である。 同光学結像装置の各光制御パネルの平面光反射部で反射して得られた反射光による物体像形成の説明図である。 本発明の参考例に係る光学結像装置の平面図である。 同光学結像装置の斜視図である。 同光学結像装置の各光制御パネルの平面光反射部で連続して反射して得られた反射光による物体像形成の説明図である。 本発明の他の参考例に係る光学結像装置の説明図である。
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。
図1、図2に示すように、本発明の実施の形態に係る光学結像装置10は、透明平板の一例であり、厚みが0.5〜10mmの2枚の透明合成樹脂板(例えば、アクリル樹脂板)の内部に、各透明合成樹脂板の一方側の面に垂直に多数かつ帯状の平面光反射部11、12を一定のピッチ(例えば、0.1〜1mm)で並べて形成した第1の光制御パネルA(以下、単に「光制御パネルA」という)及び第2の光制御パネルB(以下、単に「光制御パネルB」という)を用い、光制御パネルA、Bのそれぞれの一面側を、平面光反射部11、12を直交させて向かい合わせて密着させている。以下詳細に説明する。
光制御パネルA、Bには、それぞれ透明合成樹脂板の一方側の面から厚み方向に伸びる垂直面を有する断面直角三角形の溝13、14が、平面光反射部11、12のピッチと同一の所定ピッチで形成されている。なお、溝13、14の垂直面が、光制御パネルA、B内に斜めに入射する光を反射する平面光反射部11、12となっている。溝13間及び溝14間にはそれぞれ、平面光反射部11、12から反射された反射光を通過させる光通過面を構成する光透過部15、16が形成されている。なお、溝13、14の垂直面は金属(例えば、銀)めっき層又は金属蒸着層(金属反射面を構成する)が形成されていてもよい。
光制御パネルA、Bは、金型を用いるプレス成形によって製造することも可能であるが、所定形状の金型内に透明合成樹脂を注入し固化することで製造するのが好ましい。溝13、14は、予め金型にその基形状が形成されていて、光制御パネルA、Bの製造時に、この光制御パネルA、Bの一方側の面に形成される。溝13、14の斜面19、20を形成する金型部分の表面に、例えば、3〜50μmの凹凸部を形成するショットブラスト処理又は梨地処理することにより、溝13、14の斜面19、20には金型の凹凸部が転写された凸凹部が形成されて散乱光処理が施される。
なお、この実施の形態において、光制御パネルAの平面光反射部11の端部と、光制御パネルBの平面光反射部12の端部とは当接させて配置した。
ここで、図2に示すように、平面光反射部11、12の幅wは、平面光反射部11、12(溝13、14)のピッチpに対して、例えば、0.5p以上3p以下(好ましくは0.9p〜1.1p、より好ましくはp)としている。平面光反射部11、12の幅が3pを超えると、平面光反射部11、12で反射した光が斜面19、20で散乱され散乱光の一部が再び平面光反射部11、12で反射することが繰返され鮮明な像が得られない。一方、平面光反射部11、12の幅が0.5p未満の場合、平面光反射部11、12で反射される光が少なくなって鮮明な像が得られない。
続いて、この実施の形態に係る光学結像装置10について、図1〜図3を参照してその作用及び動作について説明する。なお、図3では、光学結像装置10の光制御パネルA、Bにおいて光の反射状態を明確に示すため、側面視して、物体M及び物体像M´に対して左側の光制御パネルと右側の光制御パネルでは、左側の光制御パネルA、Bに対して右側の光制御パネルA、Bを同一平面内で90度回転させた状態で示している。なお、光制御パネルAの垂直な平面光反射部11と光制御パネルBの垂直な平面光反射部12で続けて2回反射すると物体像M´が得られるので、光学結像装置の光制御パネルA、Bを側面視して左右に分割し、同一平面内で左側の光制御パネルA、Bに対して右側の光制御パネルA、Bを90度回転した状態で配置しても物体像が得られる。
光学結像装置10の光制御パネルAの他方側(平面光反射部11が形成されていない側)に配置した物体Mから放射された光が、光制御パネルAの他方側の面に斜めに入射すると、入射した光は光制御パネルA内に進入し進行する。ここで、断面直角三角形の溝13、14内(垂直面の外側領域)には空気が存在しているので、光制御パネル内(垂直面の内側領域)の光屈折率nmは、垂直面の外側領域、すなわち空気の光屈折率naより大きい。このため、光制御パネルA内を進行した光が垂直面に入射角θで入射する際に、入射角θがsinθc=nm/naの関係を満たす角度θcを超える角度で垂直面内のa点に入射する場合、垂直面内のa点で光の全反射が起こり、このとき垂直面は平面光反射部11となる。
そして、光制御パネルAの垂直面で全反射した光が光透過部15に到達すると、光制御パネルAと光制御パネルBは密着しているので、互いに当接している光通過部15、16を介して光制御パネルAの垂直面で全反射した光の一部は光制御パネルB内に進入し、残部は散乱光処理された斜面19で散乱して減衰する。光制御パネルB内に進入した光は、光制御パネルB内を進行し断面直角三角形の溝14の垂直面に到達する。そして、溝14の垂直面に到達した光のなかで全反射を起こす入射角度で垂直面内のb点に入射した光に対してのみ垂直面は平面光反射部12として作用し、全反射した光は光制御パネルB内を更に進行し、光制御パネルB内の他方側(平面光反射部12が形成されていない側)の面から外部に放出される。
なお、図1、図3に示すように、光制御パネルAの垂直面に入射角がθc未満で入射した光は垂直面で屈折して溝13内に進入し、一部の光は散乱光処理がなされた斜面19で散乱して減衰し、残部は光制御パネルBの光透過部16を通過して光制御パネルBに進入する。そして、光制御パネルBに進入した光のなかで、溝14の垂直面で全反射された光、光制御パネルB内をそのまま進行する光は、光制御パネルBの他方側まで進行し他方側の面から外部に放出される。また、光制御パネルAの溝13の垂直面に入射角がθcで入射した光は、溝13の垂直面で反射してこの垂直面に沿った光となって光制御パネルBの光透過部16から光制御パネルB内に進入する。そして光制御パネルB内に進入した光のなかで、一部は散乱光処理がなされた溝14の斜面20で散乱して減衰し、残部は光制御パネルBの他方側の面から外部に放出される。更に、光通過部15、16を介して光制御パネルAから光制御パネルB内に直接進入し、光制御パネルB内を進行して光制御パネルBの他方側の面から外部に放出される光も存在する。
ここで、平面光反射部11、12は、直交させて向かい合わせた状態で配置されているため、光制御パネルB内を進行して光制御パネルBの他方側の面から外部に放出される光のなかで、平面光反射部11に入射した入射光が平面光反射部11のa点で1回目の反射をしてその反射光が平面光反射部12のb点で2回目の反射を起こすと、2回目の反射光は、平面光反射部11に入射した入射光の入射角度と同一の角度で放射される。このため、物体Mから光学結像装置10に入射した光のなかで、平面光反射部11、12で連続して反射した反射光は、光学結像装置10を挟んで物体Mと対称位置に収束し、光学結像装置10を挟んで物体Mと対称位置に物体像M´が生成する。
一方、光制御パネルAの溝13内を通過してから光制御パネルB内に進入し光制御パネルBの他方側まで進行し他方側の面から外部に放出された光、光制御パネルAの溝13の垂直面に入射角θcで入射し、溝13の垂直面に沿った光となって光制御パネルB内に進入し光制御パネルBの他方側まで進行し他方側の面から外部に放出された光、及び光制御パネルAから光制御パネルB内に直接進入し、光制御パネルB内を進行して光制御パネルBの他方側の面から外部に放出される光は、いずれも光制御パネルAに入射する入射光とは同一角度で反射しない。このため、光制御パネルBの他方側の面から外部に放出される光は交わることがなく、像は形成されない。
図4、図5に示すように、本発明の参考例に係る光学結像装置21は、2枚の透明平板の内部に、透明平板の厚み方向に渡って垂直に多数かつ帯状で、金属反射面からなる平面光反射部22、23を一定のピッチで並べて形成した第1の光制御パネルC(以下、単に「光制御パネルC」という)及び第2の光制御パネルD(以下、単に「光制御パネルD」という)を用い、光制御パネルC、Dのそれぞれの一面側を、平面光反射部22、23を直交させて向かい合わせて密着させている。以下詳細に説明する。
光制御パネルC、Dは、金属の一例であるアルミニウム又は銀等の蒸着層(又はめっき層)からなる金属反射面(従って、両面反射板となる)が、一面側に形成された一定厚みの板状の透明合成樹脂板(例えば、アクリル樹脂板)又はガラス板を、金属反射面が一方側に配置されるように多数枚積層して積層体を作製し、この積層体から各金属反射面に対して垂直な切出し面が形成されるように切出すことにより光制御パネルC、Dを作製する。そして、透明合成樹脂板又はガラス板の厚みが平面光反射部22、23のピッチに相当し、積層体から切出す際の厚みで光制御パネルC、Dの厚みが決定される。
ここで、切出す際の厚みは、光制御パネルC、Dの強度や光制御パネルC、Dの縦寸法及び横寸法に応じて調整する必要があるが、例えば、0.5〜10mmである。ここで、平面光反射部22、23の幅は、平面光反射部22、23のピッチqに対して、例えば、0.5q以上3q以下(好ましくは0.9q〜1.1q、より好ましくはq)である。平面光反射部22、23の幅が3qを超えると、平面光反射部22、23で反射した光が隣の平面光反射部22、23で反射され、再び平面光反射部22、23で反射することが繰返され鮮明な像が得られない。一方、平面光反射部22、23の幅が0.5q未満の場合、平面光反射部22、23で反射される光が少なくなって鮮明な像が得られない。そして、光制御パネルC、Dは、それぞれの一面側同士が密着して、図示しない拘束部材(例えば、接着剤、熱シール、ねじ等)で固定されている。
続いて、参考例に係る光学結像装置21の作用について説明する。
図4〜図6に示すように、光学結像装置21の光制御パネルCの他方側(光制御パネルDとの非当接側)に配置した物体Nから放射された光が光制御パネルCの他方側の面に斜めに入射すると、入射した光は光制御パネルC内に進入し平面光反射部22のc点で反射される。そして、平面光反射部22で反射された反射光は、光制御パネルCの一方側の面から光制御パネルDの一方側(光制御パネルCとの当接側)の面を通過して光制御パネルD内に進入する。ここで、光制御パネルD内に進入した光のなかで、一部の光は光制御パネルDの平面光反射部23のd点で反射されて更に光制御パネルD内を進行し、光制御パネルD内の他方側の面から外部に放出される。また、残部の光の一部は、光制御パネルD内を進行して光制御パネルDの他方側の面から外部に放出される。
ここで、平面光反射部22、23は、直交させて向かい合わせた状態で配置されているため、光制御パネルD内を進行して光制御パネルDの他方側の面から外部に放出される光のなかで、平面光反射部22に入射した入射光が平面光反射部22のc点で1回目の反射をしてその反射光が平面光反射部23のd点で2回目の反射を起こすと、2回目の反射光は平面光反射部22に入射した入射光と平面視して平行になる(図4参照)。このため、物体Nから光学結像装置21に入射した光のなかで、平面光反射部22、23で連続して反射した反射光は、光学結像装置21を挟んで物体Nと対称位置に収束し、光学結像装置21を挟んで物体Nと対称位置に物体像N´が生成する。
一方、光制御パネルCの平面光反射部22で反射されて光制御パネルD内に進入し、光制御パネルD内を進行して他方側の面から外部に放出される光、光制御パネルCに進入し光制御パネルC内を進行して光制御パネルD内に進入し、光制御パネルD内を進行して他方側の面から外部に放出された光は、いずれも光制御パネルCに入射する入射光とは平面視して平行でない。このため、光制御パネルDの他方側の面から外部に放出される光は交わることがなく、像は形成されない。
なお、光学結像装置21では、平面光反射部22、23が金属反射面なので、平面光反射部22、23で反射する光の入射角度に制限がなく光の反射角が任意となる。このため、「物質の全反射」の原理を用いた反射面より広範囲の角度で結像できる。
図7には本発明の他の参考例に係る光学結像装置26を示すが、図に示すように、第1の光制御パネルE(以下、単に「光制御パネルE」という)と、これに当接する第2の光制御パネルF(以下、単に光制御パネルF」という)とを有する。光制御パネルEには、両面反射板からなる長尺の平面光反射部27が多数平行に設けられ、光制御パネルFは両面反射板からなる多数の長尺の平面光反射部28が平行に設けられている。そして、平面光反射部27、28は立設されている向きは同じである。従って、光制御パネルEと光制御パネルFとの当接面29に対して、各平面光反射部27、28は垂直に配置されている。
そして、平面光反射部27の長手方向と、平面光反射部28の長手方向は直交している。これらの平面光反射部27、28は、参考例に係る光学結像装置21と同様、透明樹脂(例えば、アクリル)又はガラス等の中に所定ピッチで埋設されている。
そして、光制御パネルE、Fにおける平面光反射部27、28は、高さ(幅)が、中央部から周辺部に向けて徐々に高くなって、各光制御パネルE、Fの片側断面は、円弧状となっている。
従って、光源Pから出た光(入射光)は、光制御パネルEの中央にある平面光反射部27では、一回反射で光制御パネルFの平面光反射部28に入り、結像点P’に収束する。また、光制御パネルFの周辺部で、高さの高い部分の平面光反射部27に入射した光は、内部で奇数回反射して光制御パネルFに入り、光制御パネルFで奇数回(一回)反射し、結像点P’又はその近傍に収束する。一方、光制御パネルE又は光制御パネルFで偶数回反射した光は、結像点P’には収束しない。
従って、光学結像装置10、21では、光制御パネルの周辺部の光を集めることは難しいが、この光学結像装置26によって、光制御パネルの周辺部に当たる光の一部を集めることができる。
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、本発明の一実施の形態で、平面光反射部が形成された第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が直交するように向かい合わせ密着して光学結像装置を構成したが、第1及び第2の光制御パネルの間にギャップが形成されてもよい。ここで、ギャップの幅は、例えば、帯状の平面光反射部の幅の100倍以下とすることができる。
また、参考例に係る光学結像装置においては、透明合成樹脂板の一面側に金属反射面を形成したが、透明合成樹脂板又はガラス板の両側面に金属反射面を形成してもよい。そして、両側面に金属反射面が形成された透明合成樹脂板又はガラス板を多数枚積層して積層体を作製し、この積層体から各金属反射面に対して垂直な切出し面が形成されるように切出して第1及び第2の光制御パネルを形成することもできる。
更に、以上の実施の形態及び参考例、他の参考例で、第1の光制御パネルの平面光反射部のピッチと、第2の光制御パネルの平面光反射部のピッチを同一としたが、第1の光制御パネルの平面光反射部のピッチと第2の光制御パネルの平面光反射部のピッチは異なっていてもよい。
更に、光制御パネル内の平面光反射部の間隔(ピッチ)は必ずしも同一である必要はない。
また、光制御パネルに形成される溝の斜面に遮光処理を施すこともできる。
本発明に係る光学結像装置においては、透明平板の内部に、一方側の面に垂直に多数かつ帯状の平面光反射部を一定のピッチで並べて形成した第1及び第2の光制御パネルのそれぞれの一面側を、それぞれの平面光反射部を直交させて向かい合わせているので、この光学結像装置の一側に配置された物体から放射される光は、光学結像装置の他側に収束して結像する。従って、空間内に立体像を映し出すことができ、立体表示機器、ゲーム機、遊戯機器、広告塔等に応用できる。
更に、構造も簡単であるので、安価な光学結像装置を提供できる。
10:光学結像装置、11、12:平面光反射部、13、14:溝、15、16:光透過部、19、20:斜面、21:光学結像装置、22、23:平面光反射部、26:光学結像装置、27、28:平面光反射部、29:当接面、A、C、E:第1の光制御パネル、B、D、F:第2の光制御パネル

Claims (4)

  1. 透明平板の内部に、該透明平板の一方側の面に垂直に多数かつ帯状の平面光反射部を一定のピッチで並べて形成した第1及び第2の光制御パネルを用い、該第1及び第2の光制御パネルのそれぞれの一面側を、前記平面光反射部を直交させて向かい合わせた光学結像装置であって、
    前記第1及び第2の光制御パネルは、それぞれ一方側の面から厚み方向に伸びる垂直面を有する溝が前記一定のピッチで形成された透明合成樹脂板を用いて形成され、かつ前記垂直面は該透明合成樹脂板内に斜めに入射する光を反射する前記平面光反射部となって、前記溝間に該平面光反射部から反射された反射光を通過させる光通過面が形成されていることを特徴とする光学結像装置
  2. 請求項記載の光学結像装置において、前記溝は断面直角三角形となって、該直角三角形の斜辺を形成する面には遮光処理又は散乱光処理が施されていることを特徴とする光学結像装置。
  3. 請求項1又は2記載の光学結像装置において、前記第1及び第2の光制御パネルは、該第1及び第2の光制御パネルの平面光反射部を直交させた状態で、密着又は一定のギャップを介して配置されていることを特徴とする光学結像装置。
  4. 請求項1〜のいずれか1記載の光学結像装置において、前記平面光反射部が両面反射板であって、前記第1及び第2の光制御パネル内にそれぞれ配置されている複数の前記平面光反射部の幅が、中央部から周辺部にかけて徐々に大きくなっていることを特徴とする光学結像装置。
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