(57)【要約】      （修正有）【課題】実像の解像度が高く、製造が簡単で低コストな光結像装置を提供すること。【解決手段】基準方向と平行な偏光軸のＰ偏光を透過し、当該基準方向と垂直な偏光軸のＳ偏光を反射する偏光子２と、Ｐ偏光又はＳ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する位相差素子３と、位相差素子を通過した光を再帰反射させるコーナーキューブ型の再帰反射板４と、で主に構成される。また、再帰反射板のコーナーキューブのピッチをＸ、再帰反射板で反射した光の実像までの経路の長さをｄ、被投影物の光の波長をλとすると、2018092133.tif 000010を満たす。【選択図】図１
2018092133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準方向と平行な偏光軸のＰ偏光を透過し、当該基準方向と垂直な偏光軸のＳ偏光を反射する偏光子と、前記Ｐ偏光又は前記Ｓ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する位相差素子と、前記位相差素子を通過した光を再帰反射させるコーナーキューブ型の再帰反射板とを有し、被投影物の実像を結像させるための光結像装置であって、
前記再帰反射板のコーナーキューブのピッチをＸ、再帰反射板で反射した光の前記実像までの経路の長さをｄ、被投影物の光の波長をλとすると、
【数１】
2018092133.tif 000009
を満たすことを特徴とする光結像装置。
【請求項２】
前記偏光子は、第１の面と第２の面を有し、第１の面側から入射する光のＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射するものであることを特徴とする請求項１記載の光結像装置。
【請求項３】
前記偏光子は、第１の面と第２の面を有し、第１の面側から入射する光のＳ偏光を透過させ、第２の面側から入射する光のＰ偏光を反射するものであることを特徴とする請求項１記載の光結像装置。
【請求項４】
前記偏光子は、第１の面と第２の面を有し、第１の面側から入射する光のＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射すると共に、第２の面側から入射する光のＳ偏光を反射するものであり、
前記位相差素子は、前記偏光子を反射したＳ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する第１の位相差素子と、前記偏光子を透過したＰ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する第２の位相差素子とからなり、
前記再帰反射板は、前記第１の位相差素子を通過した光を再帰反射させる第１の再帰反射板と、前記第２の位相差素子を通過した光を再帰反射させる第２の再帰反射板とからなることを特徴とする請求項１記載の光結像装置。
【請求項５】
再帰反射板で反射した光の前記実像までの経路の長さｄが１５ｃｍ以上３５ｃｍ以下であって、
前記再帰反射板は、コーナーキューブのピッチＸが５００μｍ以上８００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光結像装置。
【請求項６】
前記再帰反射板は、金属による反射を利用したものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光結像装置。
【請求項７】
前記再帰反射板は、前記偏光子側が凹状の曲面であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光結像装置。
【請求項８】
前記位相差素子および前記再帰反射板の組み合わせは、角度の異なる複数組が配置されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光結像装置。
【請求項９】
前記偏光子は、前記第２の面に光の反射を抑制する反射抑制手段を有することを特徴とする請求項２記載の光結像装置。
【請求項１０】
前記偏光子に光を投影する光投影手段を具備することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の光結像装置。
【請求項１１】
前記光投影手段が投影する光は線偏光であることを特徴とする請求項１０記載の光結像装置。
【請求項１２】
前記光投影手段と前記偏光子を相対的に回転し、前記偏光子が透過又は反射させる光の偏光方向を調節する偏光子角度調節手段を具備することを特徴とする請求項１１記載の光結像装置。
【請求項１３】
前記偏光子と前記位相差素子を相対的に回転させて、前記偏光子から前記位相差素子に入射させる光の偏光方向を調節する位相差素子角度調節手段を具備することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光結像装置。
【請求項１４】
前記位相差素子および前記再帰反射板は、少なくとも前記偏光子と同一以上の大きさに形成されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の光結像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中に実像を形成するための光結像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物体や映像等の被投影物を別の空間に実像として結像させる光結像装置が知られている。例えば、透明平板の内部に、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並べて形成した第１及び第２の光制御パネルを用い、第１及び第２の光制御パネルのそれぞれの一面側を、平面光反射部を直交させて向かい合わせてなる光結像装置がある。当該装置は、第１の光制御パネルの平面光反射部に物体からの光を入射させ、平面光反射部で反射した反射光を第２の光制御パネルの平面光反射部で再度反射させ、物体の実像を光結像装置の反対側に結像させるものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２７６２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の光結像装置は、実像の解像度が十分ではなかった。
【０００５】
そこで本発明は、実像の解像度が高い光結像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の光結像装置は、基準方向と平行な偏光軸のＰ偏光を透過し、当該基準方向と垂直な偏光軸のＳ偏光を反射する偏光子と、前記Ｐ偏光又は前記Ｓ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する位相差素子と、前記位相差素子を通過した光を再帰反射させるコーナーキューブ型の再帰反射板とを有し、被投影物の実像を結像させるためのものであって、前記再帰反射板のコーナーキューブのピッチをＸ、再帰反射板で反射した光の前記実像までの経路の長さをｄ、被投影物の光の波長をλとすると、
【０００７】
【数１】
2018092133.tif 000003
を満たすことを特徴とする。
【０００８】
例えば、再帰反射板で反射した光の前記実像までの経路の長さｄが１５ｃｍ以上３５ｃｍ以下である場合、前記再帰反射板は、コーナーキューブのピッチＸが５００μｍ以上８００μｍ以下であれば良い。
【０００９】
この光結像装置としては、第１の面と第２の面を有し、第１の面側から入射する光のＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射する偏光子を用いることができる。この場合、当該偏光子は、前記第２の面に光の反射を抑制する反射抑制手段を有していても良い。
【００１０】
また、別の光結像装置としては、第１の面と第２の面を有し、第１の面側から入射する光のＰ偏光を透過させ、第２の面側から入射する光のＳ偏光を反射する偏光子を用いることができる。
【００１１】
また、更に別の光結像装置としては、前記偏光子が、第１の面と第２の面を有し、第１の面側から入射する光のＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射すると共に、第２の面側から入射する光のＳ偏光を反射するものであり、前記位相差素子が、前記偏光子を反射したＳ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する第１の位相差素子と、前記偏光子を透過したＰ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する第２の位相差素子とからなり、前記再帰反射板が、前記第１の位相差素子を通過した光を再帰反射させる第１の再帰反射板と、前記第２の位相差素子を通過した光を再帰反射させる第２の再帰反射板とからなるものを用いることができる。
【００１２】
これらの結像装置において、前記再帰反射板は、金属による反射を利用したものである方が好ましい。また、前記再帰反射板は、前記偏光子側が凹状の曲面であっても良い。また、前記位相差素子および前記再帰反射板の組み合わせは、角度の異なる複数組が配置されていても良い。
【００１３】
また、本発明の光結像装置は、前記偏光子に光を投影する光投影手段を更に具備していても良い。この場合、前記光投影手段が投影する光が線偏光であるものを用いることができる。
【００１４】
また、本発明の光結像装置は、前記光投影手段と前記偏光子を相対的に回転し、前記偏光子が透過又は反射させる光の偏光方向を調節する偏光子角度調節手段を更に具備していても良い。
【００１５】
また、本発明の光結像装置は、前記偏光子と前記位相差素子を相対的に回転させて、前記偏光子から前記位相差素子に入射させる光の偏光方向を調節する位相差素子角度調節手段を更に具備していても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の光結像装置を示す平面図である。
【図２】本発明の第２の光結像装置を示す平面図である。
【図３】本発明の第３の光結像装置を示す平面図である。
【図４】本発明の偏光子を示す斜視図である。
【図５】本発明の位相差素子を示す斜視図である。
【図６】本発明の別の位相差素子を示す斜視図である。
【図７】本発明の別の位相差素子を示す斜視図である。
【図８】本発明の再帰反射板を示す（ａ）平面図および（ｂ）斜視図である。
【図９】本発明の再帰反射板の再帰反射領域と非再帰反射領域を示す平面図である。
【図１０】単位光源から出た光をガウシアンビームに近似した場合の説明図である。
【図１１】単位光源の大きさに対する距離ｄとスポットサイズＲの関係を示すグラフである。
【図１２】距離ｄと最適光源半径ｒの関係を示すグラフである。
【図１３】距離ｄと最適ピッチＸの関係を示すグラフである。
【図１４】距離ｄとスポットサイズ２Ｒの関係を示すグラフである。
【図１５】距離ｄと分解能ｄ／（２Ｒ）の関係を示すグラフである。
【図１６】全反射を利用する再帰反射板と光の偏光状態との関係を示す図である。
【図１７】金属の反射を利用する再帰反射板と光の偏光状態との関係を示す図である。
【図１８】本発明の光結像装置における偏光子と再帰反射板との角度の関係を示す平面図である。
【図１９】本発明の別の光結像装置を示す平面図である。
【図２０】本発明の別の光結像装置を示す側面図である。
【図２１】本発明の別の光結像装置を示す平面図である。
【図２２】物体の実像を本発明の光結像装置で結像する場合を示す平面図である。
【図２３】物体の実像を２つの第１の光結像装置で結像する場合を示す平面図である。
【図２４】物体の実像を２つの第３の光結像装置で結像する場合を示す平面図である。
【図２５】シミュレーション方法を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、被投影物１から発せられる光を別の空間に実像Ｖとして結像させる本発明の光結像装置について説明する。本発明の光結像装置は、図１〜図３に示すように、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光子２と、偏光子２を透過したＰ偏光および偏光子２で反射したＳ偏光のいずれか一方又は両方を円偏光又は楕円偏光に変換する位相差素子３と、位相差素子３を通過した光を再帰反射させる再帰反射板４と、で主に構成される。
【００１８】
ここで、本明細書中におけるＰ偏光とは、所定の基準方向と平行な偏光軸の直線偏光を意味し、Ｓ偏光とは当該基準方向と垂直な偏光軸の直線偏光を意味する。また、被投影物１とは、光を発するものが該当し、例えば、外部の光を受けて光を発する通常の物体やプロジェクタからの光を受けて光を発するスクリーン、あるいは、それ自体が光を発するディスプレイ等の光投影手段がある。また、光投影手段には、実像という光を発する本発明の光結像装置も含まれる。
【００１９】
本発明の光結像装置には、図１に示すように、位相差素子３および再帰反射板４が偏光子２に対して被投影物１側に配置される第１の光結像装置101と、図２に示すように、位相差素子３および再帰反射板４が偏光子２に対して被投影物１側とは反対側に配置される第２の光結像装置102と、図３に示すように、位相差素子３および再帰反射板４が偏光子２の両側に配置される第３の光結像装置103がある。
【００２０】
偏光子２は、被投影物１側の第１の面と、実像Ｖが結像する側の第２の面とを有し、Ｐ偏光を透過させ、Ｐ偏光に垂直なＳ偏光を反射するものである。偏光子２としては、ワイヤグリッドのように、従来から知られているものを用いれば良い。例えば図４に示すように、基部20の一方の表面上にラインアンドスペース状に互いに平行に形成された複数の金属線（凸部20ａ）を用いることができる。また、図示しないが、当該凸部20ａは、複数の材料によって複層構造となっていても良い。また、偏光子２は、凹凸構造のピッチが狭いほど、アスペクト比が高いほど、広い波長域、特に短波長域に亘り高い消光比が得られる点で好ましい。例えば、波長３８０〜８００ｎｍの可視域において良好な消光比が必要な場合、凹凸構造のピッチは５０ｎｍ〜３００ｎｍ、凸部20ａの幅は２５ｎｍ〜２００ｎｍ、凸部20ａのアスペクト比は１以上が好ましい。また、凹凸構造の凸部20ａに用いる材料としては、波長λの光によって電子が励起するものが好ましい。例えば、バンドギャップが小さい金属又は金属酸化物が良く、具体的には、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）等を用いることができる。
【００２１】
また、偏光子２は、金属線（凸部20ａ）同士の間（凹部20ｂ）まで基部20の誘電体が充填されたものでも良い。これにより、強度を高めたり、金属部の腐食を防止したりすることができる。
【００２２】
また、偏光子２は、図示しないが、表面を覆い凹凸構造を保護する保護部を有していても良い。これにより、使用時に偏光子２の凹凸構造が破損したり汚染されたりするのを防止又は抑制することができる。保護部の材料としては、所望の光を透過可能なものであればどのようなものでも良いが、例えば、石英、無アルカリガラス等の無機化合物を用いることができる。また、樹脂を用いても良い。保護部を有する場合、金属線（凸部20ａ）同士の間（凹部20ｂ）は中空である方が好ましい。
【００２３】
なお、偏光子２の代わりにハーフミラーを用いることも可能である。しかしながら、その場合には、光がハーフミラーに入射する際に光量が減少するため、２回の入射で４分の１以下になってしまう欠点がある。したがって、光結像装置には、ハーフミラーではなく偏光子２を用いる方が好ましい。
【００２４】
位相差素子３は、偏光子を介して入射してくるＰ偏光又はＳ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換するものである。位相差素子３としては、従来から知られているものを用いれば良い。例えば、延伸による高分子の配向によって生じる複屈折を利用したものや、図５に示すように、基部30上に形成される凸部30ａおよび凹部30ｂからなる凹凸構造によって生じる複屈折を利用したものがある。位相差素子３による変換後の楕円率は０．６以上、好ましくは０．７以上、最も好ましくは１であることが良い。ここで楕円率とは、光の軌跡を光の進行方向に垂直な面に投影した際に、その楕円の長軸の長さαと短軸の長さβの比β／αを意味する。この楕円率の絶対値が０．７以上であると、透過波は３ｄＢ以内の円偏光とみなせる。なお、位相差素子３は１つである必要はなく、複数を用いて偏光子から入射したＰ偏光又はＳ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換するものであっても構わない。
【００２５】
凹凸構造からなる位相差素子３としては、当該構造を透過した光に位相差を与えて円偏光又は楕円偏光に変換することができればどのようなものでも良いが、例えば、波長λより小さい幅の凸部30ａおよび凹部30ｂを有するラインアンドスペース状に形成することができる。
【００２６】
また、位相差素子３として凹凸構造によって生じる複屈折を利用する場合、凹凸構造の凸部30ａは、図５に示すように基部30と同一の物質で一体に形成しても良いし、図６に示すように、基部30とは異なる物質で形成しても良い。凹凸構造の凸部30ａに用いる材料としては、石英や無アルカリガラス等の無機化合物や、銀、金、アルミニウム、ニッケル、銅等の金属、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の金属酸化物を用いることができる。また、樹脂でも良い。また、当該材料としては、波長λの光によって電子が励起しないものの方が好ましく、これには、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の金属酸化物が該当する。
【００２７】
また、凹凸構造を基部30とは異なる物質で形成した場合の例として、誘電体からなる基部30上に、複数の金属構造体（凸部30ａ）からなる位相差素子３を形成した場合について説明する。位相差素子３の凹凸構造は、図６に示すように、直線状の金属構造体（凸部30ａ）を平行に複数周期配列したラインアンドスペース状のものである。当該金属構造体は、光の波長λより小さい幅を有するように形成される。また、金属構造体の断面は、直線偏光である所定波長の光をその偏光方向が金属構造体の直線方向に対して４５°の角度となるように入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が０．７以上となるものが好ましい。具体的な断面形状としては四角形や三角形、台形のものを用いることができる。
【００２８】
金属としては、例えば、銀、金、アルミニウム、ニッケル、銅等を挙げることができる。勿論、これらに限定されるものではない。
【００２９】
このように形成された金属構造体同士の間を光が通過することにより、光に位相差を与えることができる。
【００３０】
また、金属構造体同士のピッチは、直線偏光である光をその偏光方向が金属構造体の直線方向に対して４５°の角度で入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が０．７以上となるものが好ましい。
【００３１】
また、金属構造体の幅や高さも、直線偏光である光をその偏光方向が金属構造体の直線方向に対して４５°の角度で入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が０．７以上となるものが好ましい。なお、金属構造体の幅や高さによって光の透過率を調節することも可能である。
【００３２】
また、位相差素子３は、図７に示すように、金属構造体（凸部30ａ）同士の間（凹部30ｂ）まで基部30の誘電体が充填されたものでも良い。これにより、強度を高めたり、金属部の腐食を防止したりすることができる。
【００３３】
また、図示しないが、位相差素子３は、表面を覆い凹凸構造を保護する保護部を更に有していても良い。これにより、使用時に位相差素子３の凹凸構造が破損したり汚染されたりするのを防止又は抑制することができる。保護部の材料としては、所望の光を透過可能なものであればどのようなものでも良いが、例えば、石英、無アルカリガラス等の無機化合物を用いることができる。また、樹脂を用いても良い。
【００３４】
再帰反射板４は、位相差素子３を通過した光を再帰反射させるためのものである。ここで再帰反射とは、入射した光が入射方向と同一方向へ反射することを意味する。再帰反射板４としては、従来から知られているものを用いれば良い。例えば、図８（ａ）に示すように、３つの鏡面45を互いが内側を向くように直角に組み合わせたコーナーキューブ状の再帰反射単位素子40を複数配置したコーナーキューブ型の再帰反射板を用いることができる。この場合、図８（ｂ）に示すとおり、入射する光Ｌは、３つの鏡面45で順番に反射する。そして、光Ｌは最終的に入射光と平行に反射することになる。
【００３５】
なお、再帰反射単位素子40の大きさは、結像する実像Ｖの解像度に影響する。ここで、コーナーキューブ型の再帰反射板には、図９に示すように、再帰反射単位素子40の底部側の頂点46付近に位置し再帰反射に寄与する再帰反射領域40ａと、再帰反射単位素子40の表面側の（光の入射側）頂点47付近に位置し再帰反射にほとんど寄与しない非再帰反射領域40ｂとがある。そこで頂点46を中心とする再帰反射領域40ａを単位光源として考え、単位光源から出た光をガウシアンビームに近似する。この場合、図１０に示すように、単位光源の半径をｒ、単位光源から結像位置までの距離（再帰反射板で反射した光の実像までの経路の長さ）をｄ、結像位置でのビームの半径をＲとすると、ガウシアンビーム光源の距離ｄにおけるビームスポット半径Ｒは、下記式（１）で表現できる。
【００３６】
【数２】
2018092133.tif 000004
【００３７】
ここで、再帰反射領域は、最大でコーナーキューブ（再帰反射単位素子40）のピッチＸの３分の１であることから、光源の半径ｒをコーナーキューブのピッチＸの３分の１とし、光の波長を５５０ｎｍとする。すると、図１１に示すように、通常の標準的な再帰性反射板の再帰反射単位素子のピッチである２００μｍでは、再帰反射板４から結像面までの距離が１００ｍｍを超えると急激にスポットサイズが大きくなる。一方、再帰反射単位素子のピッチが５００μｍ〜８００μｍのサイズではスポットサイズの増大率は小さい。例えば、被投影物１の画面サイズがＡ４サイズである場合、これに対応する再帰反射板４から結像面までの距離は約２００ｍｍとなるが、再帰反射単位素子のピッチが２００μｍの再帰反射板よりも、５００μｍ〜８００μｍの再帰反射板の方がスポットサイズは小さく、解像度が高いことを示している。
【００３８】
そこで、単位光源から結像面までの距離がｄの時、結像面でのスポットサイズが最小になる単位光源の半径ｒを計算する。まず、光源からの距離ｄにおいて、ビームスポットの半径Ｒが最小になるｒは極小値となるので、
【００３９】
【数３】
2018092133.tif 000005
これを計算すると、光源の半径ｒは、下記式（３）を満たす。
【００４０】
【数４】
2018092133.tif 000006
図１２は、式（３）に基づいて距離ｄと半径ｒとの関係を示したものである。
【００４１】
再帰反射領域は、コーナーキューブのピッチＸの３分の１であることから、光源の半径ｒをピッチＸの３分の１とすると、ピッチＸは、式（４）で表せる。
【００４２】
【数５】
2018092133.tif 000007
したがって、コーナーキューブのピッチＸが式（４）を満たすとき、最も解像度を高くすることができる。図１３は、式（４）に基づいて距離ｄと最適ピッチＸとの関係を示したものである。また、図１４は、コーナーキューブが最適ピッチである場合の距離ｄとスポットサイズ２Ｒとの関係を示したものである。また、図１５は、コーナーキューブが最適ピッチである場合の距離ｄと分解能ｄ／２Ｒとの関係を示したものである。
【００４３】
なお、ピッチＸには、３分の１程度の誤差があっても良く、例えば、下記式（５）を満たす範囲に調節すれば良い。
2018092133.tif 000008
【００４４】
また、被投影物１から発せられる光の波長に幅がある場合には、式５の波長λの値は当該波長の幅の間で任意に設置すれば良く、例えば、その中央値を用いれば良い。具体的には、被投影物１から発せられる光が可視光の場合、λ＝５５０（ｎｍ）とすることができる。
【００４５】
また、本発明の光結像装置に使用する再帰反射板４には、全反射を利用したものと、金属による反射を利用したものがある。
【００４６】
全反射を利用した再帰反射板としては、例えば、上述したコーナーキューブの内側を屈折率の大きい媒質とし、外側を屈折率の小さい媒質として、その境界を鏡面45とした再帰反射単位素子40を複数配置したものを用いることができる。屈折率の大きい媒質のうち、光が入射する側（コーナーキューブが形成されていない側）は、一定の厚みを有していても良いが、その表面（光の入射面）は、光が乱反射しないように十分円滑な平面に形成する方が良い。具体的な再帰反射板としては、例えば、ガラス（ＳｉＯ２）からなる板の一方の面を平面、他方の面をコーナーキューブ状の再帰反射単位素子40が複数配置された凹凸構造としたものを用いることができる。これにより、ガラス板の平面側から入射した光は、再帰反射単位素子40を構成するガラスと空気の境界である鏡面45で３回全反射することにより、入射光と平行に反射される。
【００４７】
一方、金属による反射を利用したものとしては、使用する光に対して透明な材料、例えばガラス（ＳｉＯ２）によって、上述した全反射用の再帰反射板を形成し、当該凹凸構造の表面に、銀等の金属を蒸着して形成すれば良い。これにより、透明な材料側から入射した光は、ガラスと金属の境界である鏡面45で３回反射することにより、入射光と平行に反射される。
【００４８】
また、透明な材料を用いないで、銀等の金属からなる板の表面に、コーナーキューブ状の再帰反射単位素子40を複数配置された凹凸構造を直接形成しても良い。この場合も、金属板に入射した光は、再帰反射単位素子40の空気と金属の境界である鏡面45で３回反射することにより、入射光と平行に反射される。
【００４９】
なお、再帰反射板が全反射を利用するものである場合、図１６に示すように、偏光子２を通過した偏光Ａ１は、位相差素子３によって円偏光Ａ２に変換された後、鏡面45を反射するたびに、反射の境界面でグースヘンシェンシフトというわずかな位相のずれが生じ、楕円率や楕円の傾き等が変化した楕円偏光Ａ３、楕円偏光Ａ４、楕円偏光Ａ５になる。その結果、楕円偏光Ａ５は、位相差素子３を通過して楕円偏光Ａ６となって、偏光子２に入射する。このため、当該楕円偏光Ａ６のＳ偏光成分は反射光として利用できるが、Ｐ偏光成分の光は再度偏光子２を通過してしまい無駄になる。
【００５０】
一方、金属による反射を利用するものの場合、グースヘンシェンシフトは生じない。したがって、図１７に示すように、偏光子２を通過したＰ偏光Ｂ１は、位相差素子３によって円Ｓ偏光２になり、鏡面45を反射するたびに、円偏光の回転方向のみが逆回転である円Ｓ偏光３、円Ｓ偏光４、円Ｓ偏光５に変わる。すなわち、３回の反射によって円Ｓ偏光２は逆回転の円Ｓ偏光５となって再度位相差素子３に入射する。すると、円Ｓ偏光５は位相差素子３によってＳ偏光Ｂ６に変換されて偏光子２に入射する。このため、光のほとんどを反射光として利用することができる。
【００５１】
以上のことから、被投影物１の光を効率良く利用して明度を向上させることを考慮すると、再帰反射板４は、全反射を利用したものより、金属による反射を利用したものを用いる方が好ましい。
【００５２】
なお、上記説明では、偏光子２を通過したＰ偏光の偏光状態を変えて、再度偏光子２に戻った光のうち当該偏光子２で反射したＳ偏光を利用する場合について説明したが、偏光子２で反射したＳ偏光の偏光状態を変えて、再度偏光子２に戻った光のうち当該偏光子２を通過するＰ偏光を利用する場合も結果は同様である。
【００５３】
次に、図１〜図３を用いて、光結像装置の原理を、偏光子２、位相差素子３、再帰反射板４の位置関係と共に説明する。なお、図中の矢印は光Ｌの軌跡を示す。
【００５４】
本発明の第１の光結像装置101は、図１に示すように、位相差素子３や再帰反射板４が、偏光子２に対して被投影物１側に配置される。
【００５５】
第１の光結像装置101では、被投影物１から発せられる光ＬのＳ偏光が偏光子２の第１の面で反射される。位相差素子３は、偏光子２で反射されたＳ偏光を受けることができる位置に配置され、入射したＳ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する。再帰反射板４は、位相差素子３を通過した光を受けることができる位置に配置され、当該光を再帰反射させる。この際、再帰反射板４が金属による反射を利用したものである場合には、反射した円偏光（又は楕円偏光）の進行方向に対する回転方向は、反射前の円偏光（又は楕円偏光）の進行方向の回転方向とは逆回転になる。この円偏光（又は楕円偏光）が再び位相差素子３に入射すると、回転方向が逆であるため、Ｐ偏光（又はＰ偏光に近い線偏光）に変換される。当該Ｐ偏光は偏光子２を透過することができる。このようにして、被投影物１から発せられる光は、偏光子２を中心として対称な位置に結像され、空中に被投影物１の実像Ｖを形成することができる。
【００５６】
なお、第１の光結像装置101は、偏光子２の第２の面に光の反射を抑制する反射抑制手段を有していても良い。これにより、偏光子２の第２の面側から入射する光の反射を抑制することができるので、実像Ｖ以外の不要な光が観察者の目に入るのを防止することができる。
【００５７】
本発明の第２の光結像装置102は、図２に示すように、位相差素子３や再帰反射板４が、偏光子２に対して被投影物１側とは逆側に配置される。
【００５８】
第２の光結像装置102では、被投影物１から発せられる光ＬのＰ偏光が偏光子２を透過する。位相差素子３は、偏光子２を透過したＰ偏光を受けることができる位置に配置され、入射したＰ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する。再帰反射板４は、位相差素子３を通過した光を受けることができる位置に配置され、当該光を再帰反射させる。この際、再帰反射板４が金属による反射を利用したものである場合には、反射した円偏光（又は楕円偏光）の進行方向に対する回転方向は、反射前の円偏光（又は楕円偏光）の進行方向の回転方向とは逆回転になる。この円偏光（又は楕円偏光）が再び位相差素子３に入射すると、回転方向が逆であるため、Ｓ偏光（又はＳ偏光に近い線偏光）に変換される。当該Ｓ偏光は偏光子２の第２の面で反射される。このようにして、被投影物１から発せられる光は、偏光子２を中心として対称な位置に結像され、空中に実像Ｖを形成することができる。
【００５９】
第２の光結像装置102は、結像する実像Ｖ側に位相差素子３や再帰反射板４を配置する必要がある。ただし、第１の光結像装置101は、偏光子２と位相差素子３や再帰反射板４の間に被投影物１が存在すると、偏光子２で反射した光が被投影物１自身によって遮られる部分が存在するのに対し、第２の光結像装置102は、そのようなことが生じない点でメリットがある。
【００６０】
なお、第１の光結像装置101および第２の光結像装置102において、被投影物１として、通常の物体や光を投影するディスプレイ等の光投影手段を用いることができる。ここで光投影手段11が線偏光のみを投影するディスプレイである場合、第１の光結像装置101においては、光投影手段11と偏光子２のいずれか一方又は両方を回転し、光投影手段11が発する線偏光の角度と偏光子２が反射するＳ偏光の角度を合わせれば、光投影手段11から偏光子２に入射した光を総て反射させることができる。また、第２の光結像装置102においては、光投影手段11と偏光子２のいずれか一方又は両方を回転し、光投影手段11が発する線偏光の角度と偏光子２が透過するＰ偏光の角度を合わせれば、光投影手段11から偏光子２に入射した光を総て透過させることができる。その結果、光投影手段11から発せられる光を無駄なく利用することができ、結像する実像Ｖの明度を向上することができる。
【００６１】
なお、当該角度の調節には、光投影手段11と偏光子２を相対的に回転し、偏光子２が透過又は反射させる光の偏光方向を調節する偏光子角度調節手段を用いても良い。例えば、光投影手段11が発する線偏光の角度を回転させることができる投影側回転手段や、偏光子２が透過又は反射させる線偏光の角度を回転させることができる偏光子回転手段を用いれば良い。
【００６２】
本発明の第３の光結像装置103は、図３に示すように、位相差素子３や再帰反射板４が、偏光子２の両側に配置される。
【００６３】
第３の光結像装置103では、被投影物１から発せられる光のＳ偏光は偏光子２で反射される。位相差素子31は、偏光子２で反射されたＳ偏光を受けることができる位置に配置され、入射したＳ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する。再帰反射板41は、位相差素子31を通過した光を受けることができる位置に配置され、当該光を再帰反射させる。この際、再帰反射板４が金属による反射を利用したものである場合には、反射した円偏光（又は楕円偏光）の進行方向に対する回転方向は、反射前の円偏光（又は楕円偏光）の進行方向の回転方向とは逆回転になる。この円偏光（又は楕円偏光）が再び位相差素子31に入射すると、回転方向が逆であるため、Ｐ偏光（又はＰ偏光に近い線偏光）に変換される。当該Ｐ偏光は偏光子２を透過することができる。このようにして、被投影物１から発せられる光は、偏光子２を中心として対称な位置に結像され、空中に被投影物１の実像Ｖを形成することができる。一方、被投影物１から発せられる光のＰ偏光は偏光子２を透過する。位相差素子32は、偏光子２を透過したＰ偏光を受けることができる位置に配置され、入射したＰ偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する。再帰反射板42は、位相差素子32を通過した光を受けることができる位置に配置され、当該光を再帰反射させる。この際、再帰反射板４が金属による反射を利用したものである場合には、反射した円偏光（又は楕円偏光）の進行方向に対する回転方向は、反射前の円偏光（又は楕円偏光）の進行方向に対する回転方向とは逆回転になる。この円偏光（又は楕円偏光）が再び位相差素子32に入射すると、回転方向が逆であるため、Ｓ偏光（又はＳ偏光に近い線偏光）に変換される。当該Ｓ偏光は偏光子２で反射される。このようにして、被投影物１から発せられる光は、偏光子２を中心として対称な位置に結像され、空中に実像Ｖを形成することができる。
【００６４】
このように、第３の光結像装置103は、被投影物１から発せられる光のＰ偏光とＳ偏光を両方利用するため、被投影物１から発せられる光を更に無駄なく利用することができる。その結果、第１の光結像装置101や第２の光結像装置102に比べて、結像する実像Ｖの明度を更に向上することができる。また、第１の光結像装置101や第２の光結像装置102は、線偏光のみを投影する光投影手段11を用いる場合、光投影手段11から発せられる光を無駄なく利用するためには、光投影手段11と偏光子２を相対的に回転し、偏光子２が透過又は反射させる光の偏光方向を調節する必要がある。一方、第３の光結像装置103は、偏光子２を透過する光も反射する光も利用するため、そのような調節が不要であるというメリットがある。
【００６５】
なお、偏光子２と位相差素子３を相対的に回転させて、偏光子２から位相差素子３に入射させる光の偏光方向を調節する位相差素子角度調節手段を具備していても良い。これにより、位相差素子に入射する光に付与する位相差を調節することができる。
【００６６】
また、偏光子２、位相差素子３、再帰反射板４のそれぞれの面がなす角度は任意で良いが、図１８に示すように、偏光子２と再帰反射板４との角度が大きくなると、再帰反射させることができる光が減少し、結像する映像の視野角や明度が低くなる。また、視野角や明度が下がらないようにするためには、再帰反射板４を大きくする必要が生じる。したがって、偏光子２と再帰反射板４との角度は、なるべく小さい方が好ましい。例えば、45°以下、好ましくは40°以下、更に好ましくは30°以下にする方が良い。また、位相差素子３および再帰反射板４は、少なくとも偏光子２の面積と同一以上の大きさに形成される方が好ましい。
【００６７】
また、上記説明では、偏光子２の被投影物１側又は反対側に１組の位相差素子３と再帰反射板４のみを用いているが、角度の異なる複数組の位相差素子３および再帰反射板４を用いることも可能である。例えば、図１９に示すように、被投影物１の前後や、図２０に示すように被投影物１の上下に、位相差素子３および再帰反射板４の組み合わせを複数組配置すれば良い。このようにすれば、光投影手段11から発せられる前後方向や上下方向の光を無駄なく利用することができ、結像する実像Ｖの視野角や明度を更に向上することができる。また、図２１に示すように、位相差素子３や再帰反射板４を曲面状に形成して配置することも可能である。特に、再帰反射板４が光を再帰反射できる入射角に制限がある場合には、再帰反射板４を偏光子２側が凹状の曲面にすることによって、当該入射角の制限の範囲内に光を入射させることができる点で好ましい。
【００６８】
なお、上記説明では被投影物１として、線偏光のみを投影する光投影手段11を用いる場合について説明したが、被投影物１として通常の物体12を用いることも可能である。ただし、通常の物体12を用いた場合、当該物体12の実像Ｖ１は、図２２に示すように、観察者には凹凸が反転して見える。したがって、当該凹凸を再反転するためには、更に本発明の別の光結像装置で実像Ｖ１の実像Ｖ２を結像する必要がある。例えば、図２３に示すように、被投影物１の実像Ｖ１を結像する光結像装置101Ａと、実像Ｖ１の実像Ｖ２を結像する光結像装置101Ｂと、を組み合わせれば良い。また、物体12から発せられる光は、ディスプレイ等の光投影手段から発せられる光より弱い。したがって、図２４に示すように、本発明の第３の光結像装置103Ａと、光結像装置103Ｂと、を組み合わせる方が好ましい。また、本発明の光結像装置は、被投影物１から発せられる光を強くするために、被投影物１に光を照射する光照射手段を具備する方が好ましい。光照射手段としては、例えば一般的な照明器具を用いることができる。
【００６９】
次に、シミュレーションを用いて、光結像装置に対し、全反射を利用した再帰反射板と金属による反射を利用した再帰反射板を用いた場合の光の利用効率を計算した。シミュレーションには、シノプシス社（synopsys, Inc）製のソフトDiffractMODとLightToolsを用いた。
【００７０】
［シミュレーション］
まず、光結像装置としては、図２５に示すように、偏光子２に対する位相差素子３及び再帰反射板４の角度が４５度である本発明の第１の光結像装置101を用いた。偏光子２はＰ偏光を透過しＳ偏光を反射するワイヤグリッドを想定した。ワイヤグリッドは、二酸化珪素（ＳｉＯ２）の基板上に、ピッチが100ｎｍで、凸部の高さが200ｎｍ、凸部の幅が50ｎｍ、凸部の材料がアルミニウムである構成とした。位相差素子３は、通過する光に１／４波長の位相差を付与するものを想定した。再帰反射板４は、全反射を利用するもの（実施例１）と金属による反射を利用したもの（実施例２）を想定した。全反射を利用する再帰反射板としては、ガラス（ＳｉＯ２）からなる板の一方の面を平面、他方の面を図８に示すようなコーナーキューブ状の再帰反射単位素子40が複数配置された凹凸構造としたもの（実施例１）を用いた。この場合、当該ガラスと空気の境界を鏡面45とした。また、金属による反射を利用する再帰反射板としては、実施例１の再帰反射板の鏡面45に銀（Ａｇ）を蒸着したものを用いた。また、コーナーキューブは一辺を０．１ｍｍ、すなわち、直角二等辺三角形である鏡面45の直角を挟む二辺の長さを０．１ｍｍとした。光源13は、図２５に示す様に、偏光子２に対してＳ偏光の光Ｌを広がり角がプラスマイナス１０度で照射する点光源とし、０度の光Ｌが偏光子２に４５度の角度で照射するように調整した。光の波長は、550ｎｍとした。また、光源13が出射した光が結像する位置にレシーバＲを配置し、光源13が出射した光量に対するレシーバＲが受光した光量の比を計算した。
【００７１】
その結果、実施例１では、レシーバＲの受光量は10.94％であったのに対し、実施例２では、受光量は27.18％であった。このことから、結像した実像の明度を高くするには、再帰反射板４は、金属による反射を利用したものの方が明度を高くすることができる。
【００７２】
なお、本明細書中では、便宜状、水平方向、前後方向、上下方向という言葉を用いているが、これは本発明の光結像装置との相対的な向きであり、当該光結像装置の向きを変えれば、それらの方向も変わることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
１  被投影物
２  偏光子
３  位相差素子
４  再帰反射板
11  光投影手段
12  物体
13  光源
41  再帰反射板
42  再帰反射板
101  第１の光結像装置
101Ａ  第１の光結像装置
101Ｂ  第１の光結像装置
102  第２の光結像装置
103  第３の光結像装置
103Ａ  第３の光結像装置
103Ｂ  第３の光結像装置
Ｌ  光
Ｏ  観察者
Ｒ  レシーバ
Ｖ  実像
Ｖ１  実像
Ｖ２  実像
ｄ  再帰反射板で反射した光の実像までの経路長
Ｘ  コーナーキューブのピッチ
λ  被投影物の光の波長
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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