(57)【要約】【課題】簡便に作製することが可能な、被観察物の実像を空中に表示する反射型結像光学素子を提供する。【解決手段】ほぼ直角のＶ字溝形状を一定間で１方向に並べ、かつＶ字溝表面を反射面とすることにより、前述のＶ字溝における２回反射で入射光を直線上に集光させる機能を有した光学素子Ｓ１と、１方向にのみ屈折力を持ち、入射光を直線上に集光させる機能を有した光学素子Ｓ２を備える結像光学素子である。光学素子Ｓ１と光学素子Ｓ２の間が透明媒質で満たされており、かつ前記面１の集光方向と前記面２の集光方向をほぼ直行させる配置とする。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ直角のＶ字溝形状を一定間で１方向に並べ、かつＶ字溝表面を反射面とすることにより、前述のＶ字溝における２回反射で、点光源からＶ字溝に入射する光線を直線上に集光させる機能を有した面１と、１方向にのみ屈折力を持ち、入射した平行光を素子固有の焦線上に集光させる機能を有した面２を備え、前記面１の裏面を前記面２とし、それらの間が透明媒質で満たされており、かつ前記面１の集光方向と前記面２の集光方向をほぼ直交させる配置にすることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記面１における反射面は、光沢のある物質によって形成された平滑面での反射を利用するものである請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記面１における反射面は、異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界における反射もしくは全反射を利用するものである請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記面２の側から入射した拡散光が、前記面２により屈折された後、前記面１により２回反射され、それらの後に前記面２により再び屈折されて出射することにより、前記面２側の空間上に結像する機能を有する請求項１乃至請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
請求項４記載の結像原理により、前記面２の焦線距離付近に配置された被観察物の実像を、前記面２側の空間上の焦線距離付近に結像する請求項１乃至請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
請求項４及び請求項５に記載の結像原理により、被観察物の実像を、前記面１のＶ字溝の並ぶ方向には歪むことなく結像させることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項４及び請求項５に記載の結像原理により、被観察物と被観察物の実像の間に前記面１及び前記面２が配置されることなく、前記被観察物と前記被観察物の実像の間を中空にすることを可能とする、請求項１乃至請求項６に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、簡便な構成で実現できる、被観察物の空中像を結像する光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】  反射型実鏡映像結像光学素子を利用して、空中に被観察物の実像（実鏡映像）を結像させて、それを観察者が見ることができるようにした表示装置が提案されている（特許文献１及び非特許文献１、参照）。【０００３】  上述の空中像結像光学素子は、素子面の一方側に配置した被観察物から発せられる光を、各２面コーナーリフレクタを構成する各鏡面で１回ずつ、合計２回反射させつつ素子面を透過させることで、素子面の他方側における空間に被観察物の実像を等倍で歪み無く結像させることができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００７−１１６６３９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｓ．Ｍａｅｋａｗａ，Ｋ．Ｎｉｔｔａ，ａｎｄ  Ｏ．Ｍａｔｏｂａ，｀｀Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｗｉｔｈ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ａｒｒａｙ，”  ＳＰＩＥ  ６３９２，６３９２０Ｅ（２００６）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  上述の空中像結像光学素子を作製するには、各２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面を、それぞれ一辺が例えば１ｍｍ以下、望ましくは５０〜２００μｍという極めて微小なものとする必要がある上に、それら２つの鏡面同士をほぼ９０度の角度で向き合わせた状態に維持しなければならなかった。【０００６】  このような２面コーナーリフレクタアレイを作製するためには、例えば各２面コーナーリフレクタに対応した凸形状又は凹形状を多数備えた金型を用いることも考えられるが、仕上がった２面コーナーリフレクタアレイの製品を金型から脱型するには、微小な２面コーナーリフレクタと金型の微小な凸形状又は凹形状とが強固に噛み合うため、金型をその都度溶融しなければならず、非常に高コストとなることが予想される。【０００７】  また、上述の空中像結像光学素子を用いて被観察物の空中像を表示させた場合、被観察物と表示像の間に上述の空中像結像光学素子が配置されることになるため、像空間と被観察物空間の間を中空にすることはできなかった。【０００８】  そこで本発明は、２面コーナーリフレクタによる結像と屈折による結像を組み合わせることで、比較的簡易な構造となるような素子構成とし、作製コストの低減を図ると共に、反射型の空中像結像素子として働く構成とすることで、像空間と被観察物空間の間を中空にできることを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明は、ほぼ直角のＶ字溝形状を一定間で１方向に並べ、かつＶ字溝表面を反射面とすることにより、前述のＶ字溝における２回反射で、点光源からＶ字溝に入射する光線を直線上に集光させる機能を有した面１と、１方向にのみ屈折力を持ち、入射した平行光を素子固有の焦線上に集光させる機能を有した面２を備え、前記面１の裏面を前記面２とし、それらの間が透明媒質で満たされており、かつ前記面１の集光方向と前記面２の集光方向をほぼ直交させる配置にすることを特徴とする。【００１０】ここで、「ほぼ直角のＶ字溝」とはＶ字溝の溝角度が概ね９０度と見なせる前後数度の角度範囲、例えば９０度±３分のＶ字溝も含まれる趣旨である。なおＶ字溝の交叉部分がアール形状であっても構わない。【００１１】  また、「ほぼ直交」とは、９０度はもちろんのこと、概ね９０度と見なせる前後数度の角度範囲も含まれる趣旨である。【００１２】  即ち、前記面１は２面コーナーリフレクタの１次元アレイとして働くことで入射光を直線上に集光させ、前記面２は１方向のみに屈折力を持つ凸レンズと同様に働くことで入射光を直線上に集光させる。【００１３】  前記面２の側から入射した被観察物の光は前記面２により屈折され、前記面１の直角Ｖ字溝で２回反射された後、再度前記面２により屈折される。【００１４】  これにより、入射光のうち、前記面１のＶ字溝の並ぶ方向はほぼ直角のＶ字溝における２回反射により集光され、この方向と直行する方向は前記面２による屈折により集光される。【００１５】  この集光において、前記面１による集光は再帰性反射によるものであり、被観察物の像は前記面１のＶ字溝の並ぶ方向には歪むことなく結像される。【００１６】  前記面１による集光位置と前記面２による集光位置を一致させることで、前記面１及び前記面２の集光位置に被観察物の実像が結像される。
【発明の効果】
【００１７】  上述したように、本発明の光学素子は非観察物の実像を、面１のＶ字溝の並ぶ方向には歪むことなく観察者側の空間に結像することができる。【００１８】  また、本発明の光学素子の構成は比較的簡易であるため、作製コストを低減しつつ大型の素子を作製しやすい。特に、Ｖ字溝の並ぶ数を増やすことにより、面１のＶ字溝の並ぶ方向に関して容易に延長でき、面１のＶ字溝の並ぶ方向に大型の空中像を比較的容易に表示できる。【００１９】  更に、本発明の光学素子は反射型の空中像結像素子として働くため、像空間と被観察物空間の間を中空にできる
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による被観察物の空中結像を模式的に表す斜視図である。
【図２】光学素子Ｓ１におけるＶ字溝２０の１次元アレイの横断面で光学素子Ｓ１を輪切りにした時の断面図である。
【図３】光学素子Ｓ１におけるＶ字溝２０の方向に水平かつ面１０に垂直な面で光学素子Ｓ１を輪切りにした時の断面図である。
【図４】光学素子Ｓ１におけるＶ字溝２０による光線の２回反射の様子である。
【図５】光学素子Ｓ１を面１０に垂直な方向から観察した場合の、光学素子Ｓ１の面１１側から入射した光線の様子である。
【図６】光学素子Ｓ１を、面１０に水平かつＶ字溝２０のアレイ方向に垂直な方向から観察した場合の、光学素子Ｓ１の面１０側から入射した光線の様子である。
【図７】光学素子Ｓ１の面１０側から入射した光線が直線３０上に集光する様子である。
【図８】１方向にのみ屈折力を持つ光学素子Ｓ２による光線屈曲の様子である。
【図９】光学素子Ｓ２の焦線位置に配置された光源２００から放射された光が、光学素子Ｓ２直下の鏡面で反射するときの光線屈曲、及び反射の様子である。
【図１０】本発明の実施形態による被観察物の実像を空中像として表示させる様子である。
【図１１】本発明の実施形態による被観察物と空中像の間を中空空間とする際の様子である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】  以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２２】  図１はほぼ直角の複数のＶ字溝形状を一定間隔で１方向に並べ、かつ各Ｖ字溝表面を反射面とした光学素子Ｓ１と、１方向にのみ屈折力を持ち、入射光を直線上に集光させる機能を有した光学素子Ｓ２とを備えた本発明の実施形態による被観察物の空中結像を模式的に表す斜視図である。
【００２３】  まず、光学素子Ｓ１の構成および機能について述べる。
【００２４】  図２は光学素子Ｓ１におけるＶ字溝２０の１次元アレイの横断面で光学素子Ｓ１を輪切りにした時の断面図である。各Ｖ字溝２０の表面に平滑鏡面処理を施して反射面とする。複数のＶ字溝２０のピッチは例えば１００〜５００μｍ、本実施形態では１００μｍであり、本実施形態では長手方向の寸法は２０ｃｍの物を適用しているが、Ｖ字溝２０のピッチや長手方向の寸法はこれらに限られることなく適宜設定することができる。特に、光学素子Ｓ１の形状がＶ字溝２０の１次元アレイであることを考えると、原理的にはそのアレイ方向への延長には制限がない。
【００２５】  本実施形態では材質がアクリル樹脂である光学素子Ｓ１を適用し、Ｖ字溝２０における全反射を利用しているが、透明度の十分高い光学用途の素材であればこれに限られることなく適宜設定することができる。また、Ｖ字溝２０を平滑鏡面処理を施した金属で作製し、表面反射を利用することも可能である。以下、本実施形態に合わせて、Ｖ字溝２０における全反射を利用する場合を想定して説明する。
【００２６】  図３は光学素子Ｓ１におけるＶ字溝２０の方向に水平かつ面１０に垂直な面で光学素子Ｓ１を輪切りにした時の断面図である。この方向から光学素子Ｓ１を観察した場合、Ｖ字溝形状は観察されず、光学素子Ｓ１は見かけ上、平板として観察される。
【００２７】  光学素子Ｓ１において、Ｖ字溝２０はそれぞれ、マイクロ光学素子（単位光学素子）として機能しており、図４に示すように、光学素子Ｓ１の面１１側の空間に置かれた被観察物から発せられた光の一部は面１０を通過したのち、Ｖ字溝２０で２回反射し、再び面１０を通過する。
【００２８】  図５に示すように、図２と同様の方向から観察した場合、複数のＶ字溝２０における２回反射は再帰性反射として機能し、２回反射した後の光線の方向は、光源１００から放射された時の方向の逆になる。上述の反射が各Ｖ字溝で発生した結果、２回反射した後の光線は、２回反射が生じた場所から、光源１００から放射された時の方向の逆方向に、光源１００から２回反射するまでに進んだ光路長と等しい距離だけ進んだ点の付近に集光して見える。この際の集光幅はＶ字溝２０の１次元アレイのピッチに比例し、幾何光学的にはピッチの約２倍の幅を持って集光する。ただし、ピッチが小さくなるにつれてＶ字溝２０における回折の影響が大きくなり、集光幅は広がる。
【００２９】  一方、図６に示すように、図３と同様の方向から観察した場合、光源１００から放射された光線はＶ字溝２０において２回反射されるが、２回反射後の光線は平面で反射されたように見える。このとき、光線は集光して見えない。
【００３０】  以上に述べてきたＶ字溝２０における２回反射の結果生じる集光は、図７に示すように、面１０からの高さが等しい直線３０上に配置された光源１００から放射された光線の、直線３０上へのスリット状の集光と見ることができる。（以降、上述の集光を横方向の集光と記載する場合がある）。このような光線を観察した場合の像の見え方を以下に述べていく。
【００３１】  観察者の両眼を結ぶ線がＶ字溝２０のアレイ方向と水平になるような状態で観察した場合、光源１００の像が、観察者の視線と直線３０が交わる場所に存在して見える。直線３０上に物体が存在しない場合、光源１００の像は空中像として観察される。しかし、ある集光点から広がる光線と直線３０上でわずかに異なる位置の集光点から広がる光線が同時に観察者の瞳に入射するため、像はぼけて観察される。観察者の両眼を結ぶ線がＶ字溝２０のアレイ方向に対して水平でなくなるにつれ、上述の位置の異なりが大きくなり、像のぼけが大きくなる。像のぼけが大きくなると像は二重に見え、空中像として観察されなくなる。
【００３２】  また、観察者の両眼を結ぶ線がＶ字溝２０のアレイ方向と水平になるような状態を保ったまま、直線３０と平行に観察位置を移動すると、異なる位置の集光点から広がる光線を観察することになるため、像が移動して見える。即ち、観察される像には直線３０と平行な方向に対する定位感が感じられない。例えば、図７に示すように、観察位置をＶ１からＶ２に移動した場合、Ｖ１において集光位置１０１に存在すると観察された像は集光位置１０２に移動して見える。
【００３３】  従って、像のボケや二重像を軽減し、かつ観察位置移動に伴う像の移動を防ぐため、直線３０の方向に集光させる作用をもつ、即ち１方向にのみ屈折力を持つ光学素子Ｓ２を面１０の直上に設ける。以下、光学素子Ｓ２の構成および機能について述べる。
【００３４】  光学素子Ｓ２は素子面に垂直な方向から入射する平行光をスリット状に集光する。即ち平行光を焦線位置に集光し、反対に焦線上に置かれた点光源からの発散光を、屈折力を持たない方向には発散光のままで、屈折力を持つ方向には平行光とする機能を有する光学素子である。光学素子Ｓ２の一例として、シリンドリカルレンズやリニアフレネルレンズが挙げられる。本実施形態では素子全体の薄型化のためにリニアフレネルレンズを用いた。本実施形態では焦線距離が１５０ｍｍ、ピッチが０．３ｍｍ、サイズが１００ｍｍ×３００ｍｍの物を適用しているが、光学素子Ｓ２の焦線距離、ピッチ、サイズはこれらに限られることなく適宜設定することができる。
【００３５】  本実施形態では材質がアクリル樹脂である光学素子Ｓ２を適用しているが、透明度の十分高い光学用途の素材であればこれに限られることなく適宜設定することができる。
【００３６】  以下、光学素子Ｓ２をリニアフレネルレンズとして、光学素子Ｓ２による集光について説明する。
【００３７】  図８は光学素子Ｓ２の屈折力をもつ方向に平行な面、即ちフレネルパターンが施された面４０の横断面で光学素子Ｓ２を輪切りにした時の断面図である。光学素子Ｓ２の焦線上に置かれた光源２００から放射された光線は屈折力を持つ面４０を通過することで、屈折力を持つ方向には平行光が、屈折力を持たない方向には発散光が射出される。逆に、面４０に垂直な平行光が光学素子Ｓ２を通過することで、光学素子Ｓ２の焦線位置にスリット状に集光する。
【００３８】  図９は光学素子の焦線上に光源２００が配置され、かつ光学素子Ｓ２の直下に平面である鏡面５０が存在する場合の光線屈曲、及び反射の様子である。光源２００から放射された光線が面４０を通過することにより、面４０の屈折力を持つ方向に対して平行光となった光線が鏡面５０により反射され、再び面４０を通過し、光学素子Ｓ２の焦線位置にスリット状に集光する。（以降、縦方向の集光と記載する場合がある）
【００３９】  光源が焦線位置から外れた位置に存在する場合、集光位置は焦線位置から外れ、また収差の影響は受けるものの、上述の縦方向の集光は可能である。
【００４０】  鏡面５０の代わりに、面１０が面４０の側となるように光学素子Ｓ１が配置されたとき、面４０の側から光学素子Ｓ２に入射する光は光学素子Ｓ２による屈曲と光学素子Ｓ１の２回反射による集光作用を受ける。
【００４１】  光学素子Ｓ１の集光方向と光学素子Ｓ２の集光方向が直行するような配置とすることで、光源から放射された光の、横方向の集光と縦方向の集光が同時に実現される。横方向の集光位置と縦方向の集光位置がほぼ同じ位置になるとき、光は空中のほぼ同じ位置で集光する状態になる。
【００４２】  ここで「ほぼ同じ位置」とは、完全に同じ位置はもちろんのこと、概ね同じ位置とみなせる前後数ｍｍから数ｃｍの位置範囲も含まれる趣旨であり、結像された空中像が、空中の一点に集光していると観察者が感じられる限り実用上の問題はない。
【００４３】  即ち、図１において、光学素子Ｓ２の裏面に光学素子Ｓ１が配置されており、それらの間は透明媒質で満たされており、かつそれらの集光方向はほぼ直行する配置にされてあるとき、光学素子Ｓ２の焦線付近に配置された光源から放射された光線はほぼ同じ位置に集光、結像する。ただし、焦線上に光源が配置された場合、結像した空中像は光源に遮られて観察することができない。従って、空中像を観察するためには、光源を光学素子Ｓ２の焦線上から外れた位置に配置する必要がある。
【００４４】  図１０に示すように、光学素子Ｓ２の側の空間上に、光学素子Ｓ２の焦線付近でかつ焦線上ではない位置に被観察物Ｏが配置されたとき、被観察物Ｏから放射される光、あるいは被観察物Ｏの拡散反射光は光学素子Ｓ２に入射して屈曲された後、光学素子Ｓ１に入射し、Ｖ字溝２０において２回反射され、再び光学素子Ｓ２に入射して屈曲され、横方向の集光と縦方向の集光ともにほぼ同じ位置に集光することで、空中像Ｉとして観察される。この際の集光位置は、光学素子Ｓ２の焦線付近にあり、被観察物Ｏ‐光学素子Ｓ１間の距離と光学素子Ｓ１−空中像Ｉ間の距離が等しくなるような位置である。観察方向は図１０の観察者Ｖの矢印の向きである。
【００４５】  またこの場合、光学素子Ｓ２の集光により、空中像Ｉは被観察物Ｏの上下反転像となる。従って、所望の像を表示するためには、予め被観察物Ｏを上下反転させて配置する必要がある。
【００４６】  本発明による実施形態の利点として、光学素子Ｓ１はＶ字溝２０の１次元アレイ形状であるため、そのアレイ方向への延長が容易であり、横方向への表示範囲を容易に拡大できることが挙げられる。これはレンズのみを用いる空中像表示素子では実現できない。
【００４７】  また、上述してきたように、本発目による実施形態は反射型の空中像結像素子として働く機能を有している。従って、図１１に示すように、空中像Ｉと被観察物Ｏの間を中空の空間３００とすることを可能とする。これは特許文献１及び非特許文献１に記載された透過型の結像光学素子では実現できず、本発目による実施形態ならではの機能である。
【００４８】  ここまで述べてきたように、光学素子Ｓ２の面５０に光学素子Ｓ１の面１０が配置されており、それらの間は透明媒質で満たされており、かつそれらの集光方向はほぼ直行する配置にされてあるとき、本発明は空中像表示素子として機能する。従って、光学素子Ｓ１と光学素子Ｓ２を接着させるなどして一体型にせずとも、本発明における空中像表示素子を実現することは可能である。
【００４９】  しかし、実用を考えると、光学素子Ｓ１と光学素子Ｓ２の配置がずれることのないよう、一体型にすることが望ましい。そこで次に、前記光学素子Ｓ１と前記光学素子Ｓ２を備える、本発明における空中像表示素子の製造方法の一例を述べる。
【００５０】  本実施形態では光学素子Ｓ１の面１０に透明な接着剤を塗布し、その上に光学素子Ｓ２の面５０を、光学素子Ｓ１と光学素子Ｓ２の集光方向が直交する向きになるよう配置し、真空引きを施すことで光学素子Ｓ１と光学素子Ｓ２の間の気泡を除去した後に接着剤を硬化させた。また、大量生産に向いた製造方法として、１枚の透明平板の片面をＶ字溝２０の一次元アレイ形状とし、反対の面をリニアフレネルレンズのフレネルパターン面４０とすることでも、本発明における空中像表示素子実現できる。この場合のＶ字溝及びフレネルパターンの加工方法として、加工面が鏡面になる精度での切削加工や金型によるプレス成形、射出成形などが挙げられる。その他、前記光学素子Ｓ２の裏面に前記光学素子Ｓ１が配置されており、それらの間は透明媒質で満たされており、かつそれらの集光方向はほぼ直行する配置にできる製造方法であれば、上述の製造方法に限られることなく適宜設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】  本発明は、被観察物の空中像を表示するディスプレイシステムにおいて、横方向の集光に関して歪みがなく、Ｖ字溝２０のアレイ方向への延長を容易とする。従って、電光掲示板など横方向に長い表示範囲を有する情報を空中に提示する用途に利用できる。この場合、従来のモニタなど非空中像表示装置と比べて観察者の注目を集められる効果が期待され、公共施設や商業施設における文字情報の提示や広告に応用した際、利用者や消費者の注目度を向上させることが期待される。【００５２】  更に、本発明は反射型の空中像結像素子として働く機能を有しており、像空間と被観察物空間の間を中空にすることを可能とする。よって、ゴミ箱やポストなど、物を投げ入れたり投函したりする際に利用される容器の内部に本発明とモニタなどの表示装置を備えることにより、投入口上部の空中に像を表示することが可能である。これにより、投入口の場所を指し示すガイドや、物を投げ入れる際のターゲットの表示に利用できる。【００５３】  また、比較的簡便で安価に製造することが可能であるため、上述のような業務用だけでなく一般の消費者向けの価格帯で、本発明における空中像表示素子を提供することが可能である。この際の応用例として、写真や絵画、デジタルフォトフレームなどを空中に表示させることによるアート効果を付加する用途などが挙げられる。
【符号の説明】
【００５４】Ｓ１、Ｓ２  光学素子
１０  平滑面
２０  Ｖ字溝
３０  直線
４０  フレネルパターン
５０  平滑鏡面
Ｖ、Ｖ１、Ｖ２  観察者
１００、２００  光源
１０１、１０２、２０１  集光位置
１００Ａ、２００Ａ  拡散光
１００Ｂ、２００Ｂ  収束光
３００  中空空間
Ｏ  被観察物
Ｉ  空中像
【図１】
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【図２】
2015146009.tif 000004
【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】
2015146009.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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