JP5437436B2 - 光学結像装置 - Google Patents

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、それぞれ、一方側の面に垂直にかつ一定のピッチで並べて形成した多数の帯状の平面光反射部を有する第１及び第２の光制御パネルを用い、該第１及び第２の光制御パネルの前記平面光反射部を直交させた状態で、該第１及び第２の光制御パネルの前記一方側の面を向かい合わせて形成し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、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、この積層体から前記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形成され、前記第１及び第２の光制御パネルの各平面光反射部は前記金属反射面によって構成されている。
なお、第１及び第２の光制御パネルの一面側は向かい合わせて平行に配置するのがよい。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、めっき層、蒸着層等）である。

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。

そして、前記物体からの光は、前記第１及び第２の光制御パネルのいずれか一方又は双方の対向する前記平面光反射部を奇数回反射して、前記物体の像を結像する場合であっても本発明は適用される。

本発明に係る光学結像装置においては、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、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。

本発明に係る光学結像装置において、第１及び第２の光制御パネルの平面光反射部が金属反射面であるので、平面光反射部で反射する光の入射角度に制限がなく多くの反射光が得られ、広い範囲で結像し明るい物体像が得られる。

（Ａ）は本発明の第１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。 本発明の第２の実施の形態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。 本発明の第３の実施の形態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、本発明の第１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、第１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、本発明の第２の実施の形態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、本発明の第２の実施の形態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には本発明の第３の実施の形態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、第２の実施の形態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、この実施の形態では、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、この実施の形態においては、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、第１の実施の形態で、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、第２の実施の形態で、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、第１〜第３の実施の形態で、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Ｂ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、各実施の形態においては、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、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 (3)

1. それぞれ、一方側の面に垂直にかつ一定のピッチで並べて形成した多数の帯状の平面光反射部を有する第１及び第２の光制御パネルを用い、該第１及び第２の光制御パネルの前記平面光反射部を直交させた状態で、該第１及び第２の光制御パネルの前記一方側の面を向かい合わせて形成し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、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、この積層体から前記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形成され、前記第１及び第２の光制御パネルの各平面光反射部は前記金属反射面によって構成されてい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において、前記金属反射面は、金属めっき層又は金属蒸着層から形成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の光制御パネルと前記第２の光制御パネルの前記平面光反射部のピッチは同一であることを特徴とする光学結像装置。

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