JP7058382B2 - 結像光学系及び映像表示装置 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 第３０条第２項適用、平成２８年１０月１５日に発行されたＯｐｔｉｃｓ ＆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊａｐａｎ ２０１６ 講演予稿集

本発明は、一方の空間に配置された被投影物の実鏡映像を他方の空間に結像する結像光学系及びそれを用いた映像表示装置に関する。

ある空間を仕切る平面体の一方の面側に被投影物を配置し、他方の一面側の空間において面対称となる位置に、被投影物の鏡映像を結像させる光学素子が発案されている。この種のものとして、各々が互いに直交する２つの微小な鏡面（反射面）から成る２面コーナーリフレクタを複数、平面的に集合させた構造を有する光学素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１は、複数の２面コーナーリフレクタが一平面上に格子状に整列配置されて成る２面コーナーリフレクタアレイを有する光学素子を開示している。この光学素子では、２面コーナーリフレクタを成す各鏡面が、光学素子の素子平面に対して垂直に配置されている。そのため、素子平面の一方の面側に配置した被投影物から発せられた光は、光学素子を通過する際に２面コーナーリフレクタで２回反射されて屈曲し、被投影物がない他方の一面側の空間に実像として結像する。これにより、被投影物が、光学素子の素子平面に対して対称位置に存在するように、その実像が結像される。

特開２０１１－１９１４０４号公報

しかしながら、上記のような光学素子を用いた結像光学系では、物理的に存在する平坦な対称面を通して被投影物の面対称位置に実鏡映像が結像される。そのため、この実鏡映像が空中映像として観察されるとき、観察者から視認される物理的境界面は平坦面となり、結像光学系を用いた装置の外観設計の自由度が制限されている。ところが、物理的境界面を、例えば、曲面や球面といった非平坦面にすると、屈折の影響によって収差が発生し、実鏡映像を適切に結像させることが困難となる。

本発明は、上記課題を解決するものであり、実鏡映像が適切に結像され、且つ観察者から視認される物理的境界面を非平坦面とすることができ、外観設計上の自由度を高くすることができる結像光学系及びそれを用いた映像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、一方の空間に配置された被投影物の実鏡映像を他方の空間に結像する結像光学系であって、前記一方の空間と他方の空間とを仕切る素子平面を有し、被投影物から発せられた光を透過させて被投影物の等倍映像を結像させる結像光学部材と、前記素子平面の両側に夫々設けられた第１光学部材及び第２光学部材と、を備え、前記第１光学部材への入射光と前記第２光学部材からの出射光とが、光線の進行方向を除いてパリティ対称の関係となり、前記第２光学部材のうち観察者から視認される物理的境界面が非平坦面であることを特徴とする。

上記結像光学系において、前記第１光学部材及び前記第２光学部材は、前記素子平面に対して物理的に面対称に配置されていることが好ましい。

上記結像光学系において、前記結像光学部材は、屈折、反射又は回折光学系のいずれか又はそれらの組み合わせにより被投影物の実鏡映像を結像させる一又は複数の光学素子の組み合わせから構成されることが好ましい。

上記結像光学系において、前記結像光学部材は、互いに略垂直に配置された２つの反射面から成る２面コーナーリフレクタを複数並べた２面コーナーリフレクタアレイであることが好ましい。

上記結像光学系において、前記結像光学部材は、前記素子平面に対して垂直に配置されたスリットミラーを複数平行に並べて形成した２以上のスリットミラーアレイを、前記スリットミラーの並びが互いに直交するように向かい合わせて構成された積層スリットミラーアレイであってもよい。
成していることが好ましい。

上記結像光学系において、前記結像光学部材は、入射光を透過及び反射させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射された光を再帰反射させるレトロリフレクタと、を有するものであってもよい。

上記結像光学系において、前記結像光学部材は、前記素子平面に垂直な光軸を有するアフォーカルレンズを複数並べたアフォーカルレンズアレイであってもよい。

上記結像光学系は、映像表示装置に用いられることが好ましい。

本発明によれば、被投影物は、素子平面とは反対側の位置に集光するので、この位置で実鏡映像を結像させることができる。また、観察者から視認される物理的境界面は、球形状の第２光学部材の光出射面であり、これには任意の形状を採用できるので、外観設計上の自由度を高くすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る結像光学系を用いた映像表示装置の構成例を示す概略斜視図。 上記映像表示装置の側断面図。 上記結像光学系に用いられる結像光学部材の構成例を示す概略斜視図。 （ａ）（ｂ）は結像光学部材による結像様式を模式的に示す図。 （ａ）（ｂ）は上記結像光学部材として２面コーナーリフレクタアレイの構成例を示す斜視図。 上記結像光学部材として用いられる積層スリットミラーアレイの構成例を示す斜視図。 （ａ）（ｂ）は上記結像光学系の結像原理を説明するための側面図。 上記実施形態の変形例に係る結像光学系の構成例を概念的に示す側面図。 上記実施形態の変形例に係る結像光学系の構成例を概念的に示す側面図。 （ａ）乃至（ｃ）は上記実施形態の別の変形例に係る結像光学系の構成例及び表示原理を概念的に示す側面図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係る結像光学系の構成例を概念的に示す側面図、（ｂ）は上記結像光学系に用いられる結像光学部材としてアフォーカルレンズアレイの構成例を概略的に示す側面図。

本発明の第１の実施形態に係る結像光学系及びそれを用いた映像表示装置について、図１乃至図７を参照して説明する。図１及び図２に示すように、本実施形態の映像表示装置１０は、上面に開口部１１を有する箱体１２と、開口部１１に取り付けられた結像光学部材２と、箱体１２の内部空間に設けられた映像表示部１３と、を備える。結像光学部材２は、一方の空間（箱体１２の内部空間）と他方の空間（箱体１２の外部空間）とを仕切る素子平面２Ｓを有し、被投影物から発せられた光を透過させて被投影物の等倍映像を結像させる。また、映像表示装置１０は、結像光学部材２の素子平面２Ｓの両側に夫々設けられた第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂを備える。本実施形態の映像表示装置１０に適用される結像光学系１は、主として結像光学部材２、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂにより構成される。

結像光学部材２は、透光性を有する平面板であり、箱体１２の内部空間にある被投影物から発せられた光を透過させる際に、屈折、反射又は回折光学系のいずれか又はそれらの組み合わせにより、他方の空間に被投影物の等倍実像を結像させる。

本実施形態では、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂとして、２つの透明球体が、一素子平面２Ｓに対して面対称に設けられている。図例の第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂ、互いに同じ屈折率の材料から形成され、いずれも同形状且つ同サイズであるものとする。また、一方の第１光学部材３ａが、箱体１２内において映像表示部１３と正対する位置に設けられ、他方の第２光学部材３ｂが、第１光学部材３ａと素子平面２Ｓに対して物理的に面対称に配置されている。

映像表示部１３は、例えば、液晶ディスプレイ装置が用いられ、箱体１２内において所定の傾斜姿勢で保持されている。また、映像表示部１３には、図示したように、所定の映像（ここでは、文字「Ａ」）が上下反転した倒立姿勢で表示されている（図２では点光源ｏに相当）。箱体１２は、結像光学部材２、映像表示部１３、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂの位置関係を保持できれば、図示した構成例に限られず、また、箱形状に限らず、任意の形状が採用され得る。

図１及び図２で示した構成例では、映像表示部１３から出射された光は、第１光学部材３ａを屈折透過した後、結像光学部材２により屈曲反射され、更に第２光学部材３ｂを屈折透過して、実鏡映像を結像させる。観察者は、第２光学部材３ｂの斜め上方位置（図２では位置ｐに相当）に視点を置いて第２光学部材３ｂを覗き込んだ際に、文字「Ａ」の実鏡映像を空中映像として視認することができる。

本実施形態の結像光学系１で用いられる結像光学部材２には、図３に示すように、基盤２１に対して垂直で且つ互いに略直交した反射面（垂直面２２、２３）から成る２面コーナーリフレクタ２０を複数並べた２面コーナーリフレクタアレイ２０Ｓが好適に用いられる。２面コーナーリフレクタアレイ２０Ｓは、複数の２面コーナーリフレクタ２０が基盤２１の一平面上に格子状に整列配置されて構成されている。

２面コーナーリフレクタアレイ２０Ｓを用いた結像光学部材２は、その一方の面側に被投影物Ｏが配置されたとき、被投影物Ｏの実像（実鏡映像Ｐ）を結像光学部材２の素子平面２Ｓの他方の面側の空間に結像させる。すなわち、結像光学部材２は、その素子平面２Ｓを対称面とする面対称位置に、被投影物Ｏの実鏡映像Ｐを結像させる。素子平面２Ｓは、２面コーナーリフレクタ２０を構成する２つの垂直面２２、２３と直交する仮想的な平面である。なお、結像光学部材２の全体の大きさがｃｍ又はｍオーダーであるのに比べて、２面コーナーリフレクタ２０はμｍオーダーと微細であり、図３では、２面コーナーリフレクタ２０の集合体を、Ｖ字形状で概念的に示している。

２面コーナーリフレクタアレイ２０Ｓによる結像様式について、図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。なお、図４（ａ）では、被投影物として点光源ｏから発せられた光は、３次元的には紙面奥側から紙面手前側へ進行するものとする。点光源ｏから発せられた光（実線矢印）は、結像光学部材２（図４（ａ）では省略）を通過する際に、２面コーナーリフレクタ２０を構成する一方の鏡面（垂直面２２）で反射して、他方の鏡面（垂直面２３）で反射した後、素子平面２Ｓ（図４（ｂ）参照）を透過する。このようにして結像光学部材２から出射された光（一点鎖線矢印）は、素子平面２Ｓに対して点光源ｏの面対称位置ｐ広がりながら通過する。すなわち、点光源ｏの素子平面２Ｓに対する面対称位置ｐに、結像光学部材２の透過光が集束し、実鏡映像Ｐ（図３参照）として結像する。

２面コーナーリフレクタアレイ２０Ｓを用いた結像光学部材２としては、例えば、図５（ａ）に示すように、透明材料により形成されて一平面を成す基盤２１上に、複数の透明四角柱形状の突状部２Ａを格子状に並べて、この突状部２Ａの隣接する２つの外側面を鏡面（垂直面２２、２３）としたものが挙げられる。なお、突状部２Ａは、図例の四角柱に限られず、例えば、角錐台形形状等であってもよい。また、図５（ｂ）に示すように、基盤２１に四角い穴２Ｂを複数格子状に形成し、この穴２Ｂの隣接する２つの内側面を反射面（垂直面２２、２３）としたものであってもよい。

また、図６に示すように、結像光学部材２は、素子平面２Ｓに対して垂直に配置されたスリットミラー２４、２５を複数平行に並べて形成した２以上のスリットミラーアレイ２４Ｓ、２５Ｓを、スリットミラー２４、２５の並びが互いに直交するように向かい合わせて構成された積層スリットミラーアレイ２６であってもよい。

結像光学系１が、結像光学部材２のみである場合、上記図４（ｂ）で説明した場合と同様に、点光源ｏから発せられた光（実線矢印）は、結像光学部材２を通過する際に、２面コーナーリフレクタ２０で反射した後、素子平面２Ｓを透過し、結像光学部材２から出射された光は、素子平面２Ｓに対して点光源ｏの面対称位置ｐを広がりながら通過する。そして、点光源ｏの素子平面２Ｓに対する面対称位置ｐで集束した光によって、実鏡映像Ｐ（図３参照）が結像される。

ここで、図７（ａ）に示すように、点光源ｏの光線の進行方向に第１光学部材３ａのみを配置すると、点光源ｏから発せられた光は、第１光学部材３ａを通過する際に屈折する。図例の第１光学部材３ａの外面形状は凸状なので、第１光学部材３ａから出射される光は集光的に屈折されて結像光学部材２に入射し、結像光学部材２で反射される際には分散するので、面対称の位置ｐ’では集束しない。従って、この場合、実鏡映像は結像されない。

一方、図７（ｂ）に示すように、第２光学部材３ｂを、結像光学部材２の素子平面２Ｓを挟む第１光学部材３ａの面対称位置に設けると、第２光学部材３ｂから出射される光は集光的に屈折される。第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂは、同じ屈折率の材料から形成されており、いずれも同形状且つ同サイズなので、第１光学部材３ａへ入射する光と、第２光学部材３ｂから出射する光とは、光線の進行方向を除いてパリティ対称の関係となる。そのため、第２光学部材３ｂから出射される光は、面対称位置ｐでは集束する。その結果、点光源ｏの素子平面２Ｓに対する面対称位置ｐに実鏡映像Ｐ（図３参照）が結像される。なお、「パリティ対称」とは、いわゆる「鏡映対称」を意味するが、対称面となる鏡面を必ずしも必要としないので、ここでは鏡映対称と明示的に区別してパリティ対称と呼ぶものとする。

本実施形態の結像光学系１によれば、観察者から視認される物理的境界面は、球形状の第２光学部材３ｂの光出射面であり、これを非平坦面を含む任意の形状とすることができる。従って、従来の物理的境界面が平坦面であるものに限らず、外観設計上の自由度を高くすることができ、且つ実鏡映像を適切に結像させることができる。

実鏡映像が結像される条件は、被投影物から発せられ第１光学部材３ａへ入射する光と、結像光学部材２の透過を経て、第２光学部材３ｂから出射する光とが、光線の進行方向を除いてパリティ対称の関係となることである。上記実施形態では、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂとして、球状体の構成例を挙げたが、図７（ａ）（ｂ）に示したように、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂは、上記の関係が満たされれば、例えば、楕円形状であってもよく、上記実施形態のような球状体に限られない。また、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂの外面は凸状形状に限らず、凹状形状であってもよい。

図８に示す変形例のように、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂの外面は、例えば、凹凸が波打った形状であってもよい。本変形例においても、点光源ｏ（被投影物）から発せられた光が一方の第１光学部材３ａを透過した更に屈折されても、結像光学部材２で反射された後に、他方の第２光学部材３ｂにより再び屈折されるので、面対称位置ｐで集束し、実鏡映像Ｐ（図３参照）を結像させることができる。また、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂは、結像光学部材２の素子平面２Ｓの両側に１個づつの構成例に限られず、各々２個以上であってもよい。更に、第１光学部材３ａへの入射光と第２光学部材３ｂからの出射光とが、光線の進行方向を除いてパリティ対称の関係となれば、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂが、互いに異なる形状であっても、個数が異なっていてもよく、必ずしも素子平面２Ｓに対して物理的に面対称に配置されていなくてもよい。

また、第１光学部材３ａ（又は第２光学部材３ｂ）の一部又は全部が、物理的配置としては結像光学部材２の素子平面２Ｓに対して面対称ではないが、虚像を考慮すると面対称配置されていてもよい。具体的には、図９に示す変形例のように、被投影物（ここでは点光源ｏ）からの光が、ミラー３１で反射されて第１光学部材３ａに入射する場合、点光源ｏと光が集束する位置ｐとは面対称とはならないが、ミラー３１による点光源ｏの虚像位置ｏ’は、位置ｐと面対称となる。

このように、上記実施形態及び上記変形例の結像光学系によれば、結像光学部材２の素子平面２Ｓを挟む第１光学部材３ａの面対称位置に、第２光学部材３ｂを設けない場合には、実鏡映像が結像されず、第２光学部材３ｂを設けた場合にのみ、実鏡映像が結像される。また、第２光学部材３ｂは、第１光学部材３ａと対応するものが設けられた場合に、実鏡映像が結像される。

次に、本発明の第２の実施形態に係る結像光学系の構成例及び表示原理について、図１０を参照して説明する。本実施形態の結像光学系１では、結像光学部材２として、入射する光を透過及び反射させるビームスプリッタ２７と、ビームスプリッタ２７で反射された光を再帰反射させるレトロリフレクタ２８と、を有するものが用いられる。他の構成は、上記実施形態と同様である。

本実施形態では、点光源ｏから出射された光は、ビームスプリッタ２７で反射光と透過光に分かれる。反射光は、レトロリフレクタ２８で再帰反射し、ビームスプリッタ２７を透過した光が、ビームスプリッタ２７（本実施形態での素子平面２Ｓ）に対して点光源ｏと面対称位置ｐに結像する。なお、本実施形態でも、第１光学部材３ａのみを配置した場合、面対称の位置ｐ’では集束せず、実鏡映像は結像されない（不図示）。一方、第２光学部材３ｂを、ビームスプリッタ２７（素子平面２Ｓ）を挟む第１光学部材３ａの面対称位置に設けると、面対称位置ｐで集束するので、実鏡映像Ｐ（図３参照）が結像される。

次に、本発明の第３の実施形態に係る結像光学系の構成例について、図１１（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の結像光学系１では、結像光学部材２として、所定の素子平面２Ｓに垂直な光軸を有するアフォーカルレンズ４を複数並べたアフォーカルレンズアレイ４Ｓが用いられる。アフォーカルレンズ４は、例えば、素子平面２Ｓに対して垂直な光軸ｇを有しそれぞれの焦点距離を隔てて配置した２つのレンズ４ａ、４ｂにより構成される。アフォーカルレンズ４の具体的な構成例としては、凸レンズや、光ファイバレンズ等が採用される。素子平面２Ｓの一方側からレンズ４ａに入射した光は、それぞれ対をなす他方側のレンズ４ｂから出射して、点光源ｏとは素子平面２Ｓに対して面対称となる位置ｐに集光する。従って、上記実施形態及び変形例と同様に、点光源ｏと面対称位置ｐに実鏡映像Ｐ（図３参照）を結像させることができる。

本発明は、上記実施形態及び各種変形例に限られず、種々変形が可能である。上記実施形態及び変形例では、本発明の主たる構成である結像光学部材２、映像表示部１３及び第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂの構成例を示したが、本発明に係る結像光学系は、装置外面には、第２光学部材３ｂの光出射面のみが露出するようなケーシング（不図示）に内装されていてもよい。また、このケーシングや、上記実施形態で示した箱体１２（図１参照）は、第１光学部材３ａ及び第２光学部材３ｂを適宜に取り換え可能なように構成されていてもよい。

１ 結像光学系
１０ 映像表示装置
２ 結像光学部材
２Ｓ 素子平面
２０ ２面コーナーリフレクタ
２０Ｓ ２面コーナーリフレクタアレイ
２２、２３ 垂直面（反射面）
２４、２５ スリットミラー
２４Ｓ、２５Ｓ スリットミラーアレイ
２６ 積層スリットミラーアレイ
２７ ビームスプリッタ
２８ レトロリフレクタ
４ アフォーカルレンズ
４Ｓ アフォーカルレンズアレイ
Ｏ 被投影物
Ｐ 実鏡映像

Claims (8)

1. 一方の空間に配置された被投影物の実鏡映像を他方の空間に結像する結像光学系であって、
   前記一方の空間と他方の空間とを仕切る素子平面を有し、被投影物から発せられた光を透過させて被投影物の等倍映像を結像させる結像光学部材と、前記素子平面の両側に夫々設けられた第１光学部材及び第２光学部材と、を備え、
   前記第１光学部材への入射光と前記第２光学部材からの出射光とが、光線の進行方向を除いてパリティ対称の関係となり、
   前記第２光学部材のうち観察者から視認される物理的境界面が非平坦面であることを特徴とする結像光学系。
2. 前記第１光学部材及び前記第２光学部材は、前記素子平面に対して物理的に面対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記結像光学部材は、屈折、反射又は回折光学系のいずれか又はそれらの組み合わせにより被投影物の実鏡映像を結像させる一又は複数の光学素子の組み合わせから構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の結像光学系。
4. 前記結像光学部材は、互いに略垂直に配置された２つの反射面から成る２面コーナーリフレクタを複数並べた２面コーナーリフレクタアレイであることを特徴とする請求項３に記載の結像光学系。
5. 前記結像光学部材は、前記素子平面に対して垂直に配置されたスリットミラーを複数平行に並べて形成した２以上のスリットミラーアレイを、前記スリットミラーの並びが互いに直交するように向かい合わせて構成された積層スリットミラーアレイであることを特徴とする請求項３に記載の結像光学系。
6. 前記結像光学部材は、入射光を透過及び反射させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射された光を再帰反射させるレトロリフレクタと、を有することを特徴とする請求項３に記載の結像光学系。
7. 前記結像光学部材は、前記素子平面に垂直な光軸を有するアフォーカルレンズを複数並べたアフォーカルレンズアレイであることを特徴とする請求項３に記載の結像光学系。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の結像光学系を用いた映像表示装置。
   

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