(57)【要約】  【課題】素子上の１つの平面に対して点光源と同じ側の空間に実像を、反対側の空間に虚像をそれぞれ結像させる、２点結像光学素子を提供する。  【解決手段】２点結像光学素子１を、直交する２つの平面状の鏡面２１，２２から構成される２面コーナーリフレクタ２を、各２鏡面２１，２２の交線２３が第１平面Ｓ１上で平行となるように複数配置した構成とすることにより、第１平面Ｓ１に対して２鏡面２１，２２が向く点光源Ｏと反対側の空間に虚像Ｐ１、同じ側の空間に実像Ｐ２を結像させ、点光源Ｏと同じ側の空間における視点Ｖから虚像Ｐ１と実像とＰ２を一直線上に観察し得るものとした。  【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に直交して配置される２つの平面状の鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを複数具備するとともに、前記２鏡面の交線が全ての２面コーナーリフレクタにおいて単一の第１平面上で平行となるようにこれら２面コーナーリフレクタを配置し、前記第１平面に対して前記２鏡面が向く側の空間に配置される点光源から発せられる光が前記２面コーナーリフレクタの２鏡面で１回ずつ反射することによって結像する像を、前記第１平面に対して点光源と同じ側の空間に定められる視点から観察し得るものであって、
前記第１平面上における前記２鏡面の交線に平行且つ前記点光源と前記視点とを含む第２平面と前記第１平面との交線に対して前記点光源と線対称となる点に虚像を結像させ、
前記虚像と前記視点とを含む直線と、前記点光源を含む前記２鏡面の交線と平行な直線との交点に実像を結像させて、
これら虚像と実像とを前記視点から観察可能としていることを特徴とする２点結像光学素子。
【請求項２】
前記各２面コーナーリフレクタを、当該２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面のなす内角が前記第１平面に対して前記点光源側の空間の同一方向を向けて配置している請求項１に記載の２点結像光学素子。
【請求項３】
前記各２面コーナーリフレクタを、当該２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面のなす内角の二等分線が前記第１平面の法線と一致する姿勢で配置している請求項２に記載の２点結像光学素子。
【請求項４】
前記各２面コーナーリフレクタを、当該２面コーナーリフレクタを構成する２鏡面の交線を回転軸として当該２鏡面が前記点光源を向く範囲内で任意の回転方向に向けている請求項１又は２の何れかに記載の２点結像光学素子。
【請求項５】
前記２面コーナーリフレクタを、所定の前記視点に向けて、又は前記点光源と所定の前記視点との間に向けて配置している請求項１に記載の２点結像光学素子。
【請求項６】
前記２面コーナーリフレクタを構成する２鏡面は、平滑な鏡の反射面である請求項１乃至５の何れかに記載の２点結像光学素子。
【請求項７】
前記２面コーナーリフレクタは、頂角が直角の断面形状をなす透明物質からなるものであり、前記２鏡面は、当該頂角を構成する２つの平滑面である請求項１乃至５の何れかに記載の２点結像光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の１平面に対して点光源と同じ側の空間に実像を結像させ、反対側の空間に虚像を結像させる、２つの結像点を有する光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで本発明者は、素子面に垂直かつ互いに平行配置された多数の鏡面を利用して、実像と虚像の２つの結像を同時に行う結像光学素子を提案してきている（例えば特許文献１参照）。このものは、素子面上部にて各鏡面に対向する方向から観察したときに、素子面下部に配置された被投影物に対して、素子面に平行な視差に対しては素子面下部に虚像を与え、それとは垂直な視差に対しては素子面上部での実像を与えるという作用を有する２点結像光学素子である。
【特許文献１】特開２００６−２７１１９１出願明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような２点結像光学素子は、簡便に実像を与える光学素子として利用することができるが、素子面に対して平行な視差に対しては虚像を与えることになるため、平面上の空中に浮かぶ像という形では観察できない。この光学素子においては、実像を提示するには、例えば壁面にこの光学素子を設置し、壁面から飛び出た像として観察することになる。
【０００４】
そこでこのような課題に鑑みて、２つの結像点を有する光学素子に関して、素子面に対して平行な視差をもって観察したときに実像を与えることが可能な光学素子を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち本発明に係る２点結像光学素子は、相互に直交して配置される２つの平面状の鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを複数具備するとともに、各２鏡面の交線が全ての２面コーナーリフレクタにおいて単一の第１平面上で平行となるようにこれら２面コーナーリフレクタを配置し、前記第１平面に対して前記２鏡面が向く側の空間に配置される点光源から発せられる光が２面コーナーリフレクタの２鏡面で１回ずつ反射することによって結像する像を、第１平面に対して点光源と同じ側の空間に定められる視点から観察し得るものであって、この第１平面上における２鏡面の交線に平行且つ点光源と視点とを含む第２平面と前記第１平面との交線に対して点光源と線対称となる点に虚像を結像させ、この虚像と視点とを含む直線と、点光源を含む２鏡面の交線と平行な直線との交点に実像を結像させて、これら虚像と実像とを前記視点から観察可能としていることを特徴とするものである。ここで、前記第１平面が本発明の２点結像光学素子における素子面に相当するものである。
【０００６】
このような２点結像光学素子では、空間上のある平面（第１平面とする）の一方側の空間、すなわち２面コーナーリフレクタの２鏡面が向いている側の空間に被投影物（物体又は映像であり、２次元でも３次元でもよい）を配置すれば、被投影物上の１点（点光源）から発せられて横方向（各２面コーナーリフレクタを横断する方向）に広がった後に視点に入射する光は、各２面コーナーリフレクタにおいて２つの鏡面で１回ずつ反射することで、２面コーナーリフレクタの交線に垂直な面内に投射して考えると再帰反射しており、第１平面に対して点光源と同じ側の空間の１点に集光し、実像として結像する。すなわち、被投影物が２次元又は３次元の物体又は映像であれば、集光した点の集合が被投影物の実像となる。また、被投影物上の１点（点光源）から発せられて縦方向（２面コーナーリフレクタの２鏡面の交線方向）に広がった後に視点に入射する光に関しては、広がり方向が２面コーナーリフレクタの鏡面と平行であるため何ら変換を受けず、通常の鏡と同様の作用をすることから、第１平面を挟んで被投影物とは反対側の空間に虚像として結像する。ここで、第１平面に対して被投影物と同じ側の視点から見る場合の虚像と実像の位置について詳細に考慮すると、まず第１平面上の２鏡面の交線に平行であり且つ点光源と視点とを含む平面を第２平面と仮定した場合、これら第１平面と第２平面との交線に対して点光源と線対称となる点が虚像の結像点となる。そして、この虚像と視点とを結ぶ直線上において、点光源を含み２面コーナーリフレクタの２鏡面の交線と平行な直線との交点が実像の結像点となる。この実像は、点光源の集合である被投影物が奥行きを持った３次元の物体又は映像であれば奥行きが反転した３次元像となる。また、視点と虚像及び実像が一直線上にあるという関係は、視点の位置に依らず維持されることから、第１平面に対して被投影物と同じ側の空間において、被投影物から発せられて２面コーナーリフレクタで反射した光が見える位置である限り、視点を移動させても横方向の光線の広がりに対しては実像を、縦方向の光線の広がりに対しては虚像を、常に一直線上に観察することができる。なお、２面コーナーリフレクタにおける２鏡面の交線は、前記第１平面上に正確に位置付けられることが望ましいが、２面コーナーリフレクタの高さ程度の誤差であれば当該交線が第１平面から若干離れた位置に存在することは許容される。なお、本発明において、２面コーナーリフレクタには、２つの通常の平滑な鏡の反射面を直交させて各反射面で順次光を反射させる態様の他にも、透明物質により頂角が９０度である断面形状を有しその頂角を構成する２つの平滑面で光を全反射させる態様も含まれる。この全反射を利用する態様の場合、直角の頂角を構成する２面が２面コーナーリフレクタの２鏡面ということになる。
【０００７】
また、各２面コーナーリフレクタを、２鏡面の内角が第１平面に対して点光源側の空間の同一方向を向くように配置すれば、全ての２面コーナーリフレクタが点光源側の空間の同じ方向を向くことになる。特に、２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面のなす内角の二等分線が第１平面の法線と一致する姿勢で各２面コーナーリフレクタを配置すれば、全ての２面コーナーリフレクタを第１平面に対して垂直に配置することができる。この場合、結像作用を素子面すなわち第１平面の場所に依らずに一様とすることができ、どの場所であっても同様の像を得ることができる。
【０００８】
また、各２面コーナーリフレクタは、必ずしも全てが同じ方向を向いて整列している必要はなく、２面コーナーリフレクタを構成する２鏡面の交線を回転軸として当該２鏡面が前記点光源を向く範囲内で任意の回転方向に向けて配置することもできる。このような２面コーナーリフレクタの配置構成であっても上述した本発明の作用を確保することが可能である。
【０００９】
特に、各２面コーナーリフレクタをある特定の視点に向けて配置するか、もしくは点光源と視点の間を向けて配置することで、視点は限定されるものの、その特定の視点から観察した場合の像の明るさを上げ、さらに広範囲に渡る像を提示することも可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の２点結像光学素子によれば、素子に対して２面コーナーリフレクタの鏡面が向く被投影物と同じ側の空間に実像を結像させ、反対側の空間に虚像を結像させることができ、それらの像を被投影物と同じ側の空間から観察することができる。特に、素子面である第１平面に対して平行な視差をもって観察したときに実像を与えることが可能な光学素子を構成することができ、平面上の空中に浮かぶ像として実像を観察することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態の２点結像光学素子１の一部を斜視図で示す概観図である。この２点結像光学素子１は、鏡による反射を利用して像の観察を可能とするものであり、１つの仮想的な平面を第１平面Ｓ１として、この第１平面Ｓ１上に各々細長い２面コーナーリフレクタ２を多数平行に配置した構成を有するものである。具体的には、概略的な断面図として図２にも示すように、各２面コーナーリフレクタ２を構成する２つの直交する鏡面２１，２２の交線２３が何れも第１平面Ｓ１上に位置し、且つ全ての交線２３が平行となるように配置されている。そして、第１平面Ｓ１の一方側（図示例では上面側）の空間に置かれた被投影物Ｏ（図１では点光源として表している。以下、必要に応じて被投影物を「点光源Ｏ」と称するものとする）の像を、虚像Ｐ１及び実像Ｐ２として、それぞれ第１平面Ｓ１の被投影物Ｏの反対側（下面側）の空間と同じ側の空間（上面側）に結像させ、これらを第１平面Ｓ１の被投影物Ｏと同じ側の空間（上面側）における視点Ｖから観察できるようにしたものである。なお、２面コーナーリフレクタは実際には非常に細長いものとなり、これらの図は分かり易くするために、その大きさは強調されたものとなっている。また、第１平面Ｓ１はこの２点結像光学素子１の素子面ということができる。
【００１３】
ここで、本実施形態の２点結像光学素子１の構成について具体的に説明する。この２点結像光学素子１を構成している複数の２面コーナーリフレクタ２は、全て同等のものである。各２面コーナーリフレクタ２は、非常に細長い長方形状をなす２枚の鏡を、それらの鏡面２１，２２同士が垂直となるように構成したものである。各鏡面２１，２２のサイズは、例えば短辺（幅寸法）が１００μｍ程度、長辺（奥行き寸法）が数ｃｍ〜十数ｃｍ程度であり、両鏡面２１，２２の接合部分である交線２３が全て第１平面Ｓ１上で平行となるように、且つ全ての２面コーナーリフレクタ２において２つの鏡面２１，２２の二等分線が第１平面Ｓ１の法線Ｋと一致するように、全ての２面コーナーリフレクタ２を並列配置している。このような２点結像光学素子１は、例えば２面コーナーリフレクタ２を構成する２つの鏡面２１，２２間の筋状の溝に対応する直角の山形をなす突条を平行に並べた金属製の金型を用いたプレス工法をナノスケールに応用したナノインプリント工法又は電鋳工法により作成することができる。鏡面２１，２２となるべき面には、例えばナノスケールの切削加工処理をすることによって鏡面形成を行い、これらの面粗さを１０ｎｍとして可視光スペクトル域に対して一様に鏡面となるようにするとよい。なお、電鋳工法でアルミやニッケル等の金属板により２点結像光学素子１を形成した場合、鏡面２１，２２は、金型の面粗さが十分小さければ、それによって自然に鏡面となる。また、ナノインプリント工法を用いて、樹脂製板などにより２点結像光学素子１を形成する場合には、鏡面２１，２２を作成するには、スパッタリング等によって、鏡面コーティングを施すとよい。
【００１４】
次に、本実施形態の２点結像光学素子１の結像原理について説明する。なお、被投影物は点光源Ｏとして説明するものとする。なお、個々の２面コーナーリフレクタ２は２点結像光学素子１全体に対して微小であるため、図３では省略して示している。同図に示すように、点光源Ｏを第１平面Ｓ１の上面側の空間に配置すると、この点光源Ｏから横方向、すなわち２鏡面２１，２２の交線２３と直交する方向に広がった光（光線Ｌ２とする）は、図４（ａ）に斜視図で、同図（ｂ）に平面図でそれぞれ示すように、各２面コーナーリフレクタ２の２つの鏡面２１，２２で１回ずつ反射することで、第１平面Ｓ１に対して点光源Ｏと同じ側の空間における１点（Ｐ２）に集光する。すなわち、この集光点Ｐ２が、点光源Ｏからの光が実像として結像した点である。一方、点光源Ｏから縦方向、すなわち２鏡面２１，２２の交線２３と平行な方向に広がった光（光線Ｌ１とする）については、この２面コーナーリフレクタ２は通常の平面鏡と同様の作用をすることから、交線２３と平行な第１平面Ｓ１上において光線Ｌ１と第１平面Ｓ１との交点の集合である直線を対称軸として、点光源Ｏの線対称位置に虚像として結像する。虚像Ｐ１と実像Ｐ２とは、第１平面Ｓ１に対して点光源Ｏと同じ側の空間におけるどの視点から見ても常に同一直線上に存在することになる。
【００１５】
このような２点結像光学素子１の結像態様と虚像Ｐ１及び実像Ｐ２の位置関係を、ある視点Ｖから観察する場合について具体的に説明する。なお図５においては、２面コーナーリフレクタ２（鏡面２１，２２、交線２３）は図示を省略している。図５（ａ）に側面図で、同図（ｂ）に正面図でそれぞれ示すように、２面コーナーリフレクタ２の２鏡面２１，２２の交線２３が平行に整列する第１平面Ｓ１に対して、２面コーナーリフレクタ２が２鏡面２１，２２を向けている点光源Ｏと同じ側の空間に視点Ｖを置いた場合、まず点光源Ｏと視点Ｖを含み且つ第１平面Ｓ１上の交線２３と平行な第２平面Ｓ２を想定する。視点Ｖの方向によっては、図示例のように第１平面Ｓ１と第２平面Ｓ２とは必ずしも直交するわけではない。この第２平面Ｓ２と第１平面Ｓ１との交線Ｇを対称軸として、点光源Ｏと線対称な位置に虚像Ｐ１が結像する。一方、この虚像Ｐ１と視点Ｖとを含む直線Ｈを想定し、さらに点光源Ｏを含み２つの鏡面２１，２２の交線２３と平行な直線Ｉを想定すると、これら直線Ｈと直線Ｉの交点が実像Ｐ２の結像点となる。すなわち、視点Ｖからは虚像Ｐ１と実像Ｐ２とが一直線上に見えることになる。つまり、この２点結像光学素子１を用いて虚像Ｐ１と実像Ｐ２とを観察可能な位置に視点Ｖを設定する限り、このような視点Ｖ、虚像Ｐ１、実像Ｐ２の直線的な位置関係は常に維持される。
【００１６】
そして、２次元又は３次元の物体若しくは映像からなる被投影物が点光源Ｏの集合であることを考慮すると、実像Ｐ２は被投影物が３次元であれば奥行き形状が反転した像となる。特に実像Ｐ２は、第１平面Ｓ１に対して被投影物と同じ側の空間に実像として結像したものとなるため、観察者が実像Ｐ２に対して仮想的にアクセスすることが可能となる。
【００１７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されない。例えば、上述した例では２面コーナーリフレクタ２の２つの鏡面２１，２２が下端側の長辺において接合された構成としその接合部分を交線２３として示しているが、両鏡面２１，２２は若干離間していてもよく、その場合は両鏡面２１，２２を延長して交わる部分を交線２３とすればよい。さらに、この交線２３は、２面コーナーリフレクタ２の高さ程度であれば第１平面Ｓ１上から若干ずれて位置付けられることが許容される。また、図６に上記実施形態の一変形例として２点結像光学素子１’の正面図を示すように、２面コーナーリフレクタ２は必ずしも全てが同じ方向を向いている必要はなく、２つの鏡面２１，２２の交線２３が第１平面Ｓ１上で平行に並んでおり、且つ２つの鏡面２１，２２の内角が第１平面Ｓ１の一方側（上面側）の空間を向いている限り、交線２３を回転軸とした任意の回転方向を向けたものとすることによっても、上記実施形態と同様の作用を得ることができる。さらに、図示しないが、全ての２面コーナーリフレクタ２における２つの鏡面２１，２２の交線２３が第１平面Ｓ１上で平行な関係を保っていれば、上記実施形態のものよりも長辺が短い２面コーナーリフレクタ２をランダムに配置した態様を採用することも可能である。
【００１８】
以上のような２つの鏡における反射を利用する態様の他にも、本発明は他の実施形態として、光の全反射を利用する態様を採用することができる。図７に示す本実施形態の２点結像光学素子１０は、屈折率が１よりも大きいガラスや水晶や樹脂等の透明素材を媒質とする直角二等辺三角形の断面形状を有する三角柱を直角の頂角が下向きとなるように配置した２面コーナーリフレクタ１２０を複数備えたものである。この２面コーナーリフレクタ１２０では、直角の頂角を構成する２つの面が鏡面１２１，１２２として作用する。このような２点結像光学素子１０では、このような同一構成の複数の２面コーナーリフレクタ１２０を、２鏡面１２１，１２２の交線１２３が全て同一の平面（第１平面Ｓ１０）上で平行に並ぶように配列させている。そのため、２点結像光学素子１０の上面は平らとなっている。このような２点結像光学素子１０を利用した点光源の虚像と実像の結像原理は、上述の図３、図４、図５で示した鏡での光の反射と全反射との違いがあるのみで、虚像Ｐ１及び実像Ｐ２の結像点と視点Ｖとの位置関係は全く同じである。なお、本実施形態では、全ての２面コーナーリフレクタ１２０において２鏡面１２１，１２２の二等分線が第１平面Ｓ１０の法線Ｋ’と一致するようにしているが、図６に示した２点結像光学素子１’のように交線を回転軸として直交する２鏡面を適宜の回転方向に傾けた２面コーナーリフレクタを採用することも可能であるし、断面が直角二等辺三角形のごく小さい三角柱からなる２面コーナーリフレクタを多数、直角の頂角を含む辺が全て同一の平面（第１平面）上に平行に並べた構成として採用することも可能である。
【００１９】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態や上述した各種の変形例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る２点結像光学素子の一部を概略的に示す斜視図。
【図２】同２点結像光学素子を概略的に示す断面図。
【図３】同２点結像光学素子による結像原理を概略的に示す斜視図。
【図４】同２点結像光学素子に適用される２面コーナーリフレクタにおける光線の反射の状態を概略的に示す斜視図。
【図５】同２点結像光学素子による結像原理をより詳細に示す図。
【図６】同実施形態の一変形例に係る２点結像光学素子を概略的に示す正面図。
【図７】本発明の他の実施形態に係る２点結像光学素子を示す概略図。
【符号の説明】
【００２１】
１，１’，１’’，１０…２点結像光学素子
２，１２０…２面コーナーリフレクタ
２１，２２，１２１，１２２…鏡面
２３，１２３…２鏡面の交線
Ｇ…第１平面と第２平面との交線
Ｈ…虚像と視点を含む直線
Ｉ…２鏡面の交線と平行な直線
Ｋ，Ｋ’…法線
Ｏ…点光源
Ｐ１…虚像
Ｐ２…実像
Ｓ１，Ｓ１０…第１平面
Ｓ２…第２平面
Ｖ…視点
【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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