JP5177483B2 - 実鏡映像結像光学系 - Google Patents

Description

本発明は、被投影物となる物体や映像の鏡映像を実像として得ることができる光学系に関するものである。

これまで本発明者は、２つの直交する鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを多数備えた２面コーナーリフレクタアレイを利用して、２次元又は３次元の被投影物である物体や映像を空中に実鏡映像として観察することを可能とする実鏡映像結像結像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、素子面に対してほぼ垂直な鏡面２つを直交させて２面コーナーリフレクタとし、素子の一方面側に配置される被投影物から発せられる光を当該２面コーナーリフレクタの２つの鏡面で１回ずつ反射させて当該素子を透過させることで、素子面に対する面対称位置に被投影物の鏡映像を実像（実鏡映像）として結像させる作用を有するものである。

特開２００６−０８０００９出願明細書

このような２面コーナーリフレクタを有する実鏡映像結像素子は、２次元の被投影物は２次元の実鏡映像として、３次元の被投影物は３次元の実鏡映像として歪みのない像を得ることができ、また素子自体も小型化薄型化を図ることができる新規で有用なものであるといえる。しかしながら、斯かる実鏡映像結像素子に課題を挙げるとすれば、素子面に対して垂直な鏡面を形成する必要があるために、形成の精度を高め且つ低コストとなるような製造方法を選択しなければならないことと、視野角が狭いことである。

そこでこのような課題に鑑みて、本発明は、より製造が容易で、任意配置可能な光学素子を利用することで、被投影物の実鏡映像を得ることができる新規な光学系を提供することを主たる目的とするものである。

すなわち本発明は、ハーフミラーと、このハーフミラーからの透過光若しくは反射光を再帰反射させる位置に配置される単位再帰反射素子の集合である再帰反射素子とを具備し、前記単位再帰反射素子は、３つの隣接する鏡面から構成され、当該３つの鏡面を、当該単位再帰反射素子内での鏡面同士の角度関係を維持しつつ、個々の単位再帰反射素子では任意の方向を向けているものであり、前記ハーフミラーの裏面側に配置される被投影物から発せられる光を当該ハーフミラーを透過させ且つ表面側に配置された前記各単位再帰反射素子で再帰反射させ、さらにこのハーフミラーの表面側で反射させる第１光路、又は前記被投影物から発せられる光を当該ハーフミラーの裏面側で反射させ且つ裏面側に配置された前記各単位再帰反射素子で再帰反射させ、さらにこのハーフミラーを透過させる第２光路のうち、何れか一方又は両方の光路を経て当該ハーフミラーに対する面対称位置に前記被投影物の実鏡映像を結像させることを特徴とする実鏡映像結像光学系である。

本発明において「再帰反射」とは、反射光を入射光が入射してきた方向へ反射（逆反射）する現象をいい、入射光と反射光とは平行であり且つ逆向きとなる。単位再帰反射素子が十分に小さい場合は、入射光と反射光の経路は重なると見なすことができる。このような単位再帰反射素子の集合を本発明では再帰反射素子と称することとするが、この再帰反射素子において各単位再帰反射素子は同一面上に存在している必要はなく、各単位再帰反射素子が３次元的に散在していても構わない。また、本発明における「ハーフミラー」は、光線を透過させる機能と反射させる機能の両方を備えているものをいい、好ましくは透過率と反射率がほぼ１：１のものが理想的である。

このような本発明の実鏡映像結像光学系であれば、被投影物から発せられる光を、ハーフミラーの透過・各単位再帰反射素子での再帰反射・ハーフミラーでの反射という第１光路、ハーフミラーでの反射・各単位再帰反射素子での再帰反射・ハーフミラーの透過という第２光路の、何れの光路を通じてもハーフミラーに対する面対称位置に実鏡映像として結像させることが可能である。結像は、第１光路と第２光路の両方を利用してもよいし一方のみでもよいが、一方の光路のみの場合は両方の光路の場合と比較して実鏡映像の明るさ（透過率として規定される）はほぼ半分となる。

なお、再帰反射素子は、入射された光を逆反射させる機能を果たしているため、各単位再帰反射素子の配置は上述した第１光路又は第２光路を構成する限り任意であり、前述の通り３次元的に散在させてもよい。ただしこの場合には、様々な方向からの光を確実に再帰反射させるためには、非常に多くの単位再帰反射素子を必要とするため、再帰反射素子の製造の容易さの観点からは、各単位再帰反射素子を共通の曲面上若しくは平面上に設定することが有利となる。

ここで、本発明に適用される再帰反射素子は、単位再帰反射素子が３つの隣接する鏡面から構成されるもの（広義には「コーナーリフレクタ」と呼ぶことができる）である。この場合、各単位再帰反射素子を構成する各鏡面は、角度が付いているため、前述した２面コーナーリフレクタにおいて生じ得る垂直な鏡面を作成するという製造上の困難を回避することが可能であり、製造を低コスト化することが可能となる。例えばこのような単位再帰反射素子を構成する３つの面を電鋳又は樹脂形成により製造する場合には、３つの面が角度を持っていることから、金型からの抜け性を容易に確保することが可能であり、素子の製造を極めて容易に行うことができる。

また、各単位再帰反射素子を構成する３つの鏡面をそれぞれの単位再帰反射素子同士において同一方向を向けているため、１回反射や２回反射光による結像が現れる可能性があるが、レトロリフレクタを構成する３つの鏡面を、当該単位再帰反射素子内での鏡面同士の角度関係を維持しつつ、個々の単位再帰反射素子では任意の方向を向けることにより、これを回避することが可能となる。

特に再帰反射素子を曲面とする場合には、入出射光角度を素子の反射面に対して、どの場所であっても垂直近くにすることができるため、素子における反射率を高く維持することができる。再帰反射素子では、光線が素子の反射面に対して斜め方向から入射すると反射率が低下するという特徴があり、例えば再帰反射素子が平面の場合、素子の上部では斜め方向からの入射となるため観察される像は暗くなる。また、再帰反射素子を曲面として結像される実鏡映像を取り囲むように素子を配置することで、視野角を極めて広く確保することができる。なお、再帰反射素子を曲面としても、構成する各単位再帰反射素子が正確に再帰反射を行えるのであれば像質が特に悪化するということは無く、この曲面は自由に設計可能である。

また、ハーフミラーに対する面対称位置への被投影物の実鏡映像の結像は、上述の通り第１光路又は第２光路の少なくとも一方を利用すれば可能であることから、再帰反射素子を、ハーフミラーの表面側と裏面側の何れか一方に配置するだけでもよく、再帰反射素子をハーフミラーの表面側に配置する場合は第１光路を利用して結像させ、裏面側に配置する場合は第２光路を利用して結像させることになる。両方の光路を利用してより明瞭な実鏡映像を得る場合には、ハーフミラーの表面側と裏面側の両方に配置すればよい。さらに、ハーフミラーの表面側と裏面側の両方に再帰反射素子を配置する場合、それらは必ずしも曲面・平面を問わず同一面上に配置しなくてもよく、例えば各再帰反射素子をそれぞれ共通の平面上に単位再帰反射素子を配置した態様とする場合、両再帰反射素子はハーフミラー側に１８０度未満の角度を付けた屈曲姿勢とすることも可能である。

ハーフミラーを通して被投影物が観察者から直接視認できることを防止するには、ハーフミラーにおいて第１光路及び第２光路よりも実鏡映像に対する観察側の領域を遮光する遮光手段を設けることが好ましい。遮光手段として最も簡易な構成は、ハーフミラーの表面側に、観察者からハーフミラー越しに被投影物が直接見える位置に、光を通さない遮光板等の部材を配置することである。

同時に様々な視点から被投影物の実鏡映像を観察できるようにするには、再帰反射素子を、少なくとも前記ハーフミラーの裏面側において当該ハーフミラーと共に被投影物を３次元的に包囲するように配置することが望ましい。このように、実鏡映像結像光学系の多視点化を図る場合、上述の通り被投影物はハーフミラーとその裏面側の再帰反射素子により包囲された状態となるので、被投影物から出た光がハーフミラーで反射すれば被投影物自体で阻害されない限り必ず再帰反射素子により再帰反射し、さらにハーフミラーを透過して、ハーフミラーに対して被投影物の面対称位置に結像する。すなわち、少なくとも第２光路を利用した結像により、ハーフミラーの表面側のほぼ全方位から実鏡映像の観察が可能となる。なお、被投影物の真下の位置には、被投影物から出てハーフミラーで反射した光が届かないため、再帰反射素子を配置しないようにしてもよい。さらに、視点の位置が一部制限されることにはなるが、ハーフミラーの表面側の空間の一部分にも再帰反射素子を配置して、第１光路を経る結像を利用することで、実鏡映像の明るさを向上させるようにしてもよい。

また、上述した遮光手段の他にも、ハーフミラーを通して被投影物が直接視認できるようになることを防止するには、ハーフミラーの表面側に、特定方向の光線のみを透過・遮断若しくは拡散する光学的な視線制御手段を設け、当該視線制御手段により、ハーフミラーの表面側の空間における前記実鏡映像を観察する視点から当該ハーフミラーを通して被投影物を直接視する方向の光線を遮断するように構成するという対策が考えられる。これによって、観察者は、ハーフミラーの下側の被投影物を直接目にすることなく、空中映像である実鏡映像のみを観察することが可能となる。なお視線制御手段の具体例としては、特定方向の光線のみを拡散させる視界制御フィルム（例えば「ルミスティ（商品名、住友化学株式会社製）」）や、特定方向の光線のみを遮断する視野角調整フィルム（例えば「ライトコントロールフィルム（商品名、住友スリーエム株式会社製）」）等の光学フィルムなどを用いることができる。特に、多視点での実鏡映像の観察を可能とする上述の実鏡映像結像光学系の場合は、前述の遮光手段を適用することができないため、このような視線制御手段を用いることが適している。

より具体的に、このような単位再帰反射素子には、３つの互いに隣接して直交する鏡面から構成されるコーナーキューブを採用することができる。ここでコーナーキューブとは、立方体内面の１つの角（隅）を利用した形状であり、その角を囲む３つの面を鏡面としたものが、逆反射器（レトロリフレクタ）として機能させることができる。

さらに、コーナーキューブ以外にも、単位再帰反射素子には、３つの隣接する鏡面がなす角度のうち２つが９０度であり、且つ他の１つの角度が９０／Ｎ度（ただしＮは整数）をなすものを採用したり、３つの鏡面がなす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタを採用したりすることができる。

本発明の実鏡映像結像光学系によれば、光を透過及び反射するハーフミラーと、光を入射方向に反射させる再帰反射素子とを有効に利用することで、ハーフミラーの一方面側にある被投影物の鏡映像を当該ハーフミラーに対する面対称位置に実像として結像させ、広い視野範囲において観察可能とすることができ、再帰反射素子の配置態様によっては、ハーフミラーの表面側のほぼ全方位からの実鏡映像の観察が可能となる。また、単位再帰反射素子として３つの鏡面から構成されるもの（コーナーキューブを含む広い概念として「コーナーリフレクタ」）を本発明では利用しているため、この再帰反射素子及び実鏡映像結像光学系の作成を簡易に行うことができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１はこの実施形態における結像の原理図、図２は同実施形態における光線の反射・透過の状態を横方向から見た図で示す模式図である。同各図に示す本実施形態の実鏡映像結像光学系１Ａでは、水平方向にハーフミラー２Ａを配置し、このハーフミラー２Ａの一端側（反観察側）に１枚の再帰反射素子３Ａを鉛直姿勢で配置することで、ハーフミラー２Ａと再帰反射素子３Ａとがほぼ直交するようにしている。ハーフミラー２Ａの一方面（裏面）側には、被投影物Ｏとして２次元又は３次元の物体や映像（スクリーンに映された映像）を配置することができ、図示例では文字「Ｆ」の図形を被投影物Ｏとして配置している。なお、被投影物Ｏ自体が発光するものであれば別途に光源は必要ないが、被投影物Ｏが発光しないものであれば別途に配置される光源からの光を被投影物Ｏに照射することになる。本実施形態の実鏡映像結像光学系１Ａでは、被投影物Ｏの鏡映像が実像（実鏡映像Ｐ）としてハーフミラー２Ａに対して面対称な位置に結像し、これをハーフミラー２Ａの斜め上方から観察することができる。以下、実鏡映像結像光学系、ハーフミラー、再帰反射素子を総称する場合はそれぞれ符号１、２、３を用い、これらについて具体例を示す場合は各符号にアルファベット文字を付して示すものとする。

このような被投影物Ｏの実鏡映像Ｐは、図示例では２つの光路を経て結像するので、この結像する仕組みを、被投影物Ｏ（Ａ点）から発せられた光線の光路ごとに説明する。図１において（ａ）は第１光路Ｌ１についての結像の原理を示し、（ｂ）は第２光路Ｌ２についての結像の原理を示している。まず、第１光路Ｌ１を通る光線については、被投影物Ｏ上の１点であるＡ点から様々な方向に出た光がハーフミラー２Ａを直線的に透過し、ハーフミラー２Ａの表面側に突出している再帰反射素子３Ａで反射して同じ方向へ再帰反射し（図２では再帰反射点の１つを例としてＣ点として示している）、さらにハーフミラー２Ａで反射することによって、ハーフミラー２Ａの表面の上方空間のＢ点で再び１点に集まっている。すなわち、この集光は結像を意味する。このＢ点は、Ａ点のハーフミラー２Ａに対する面対称位置である。一方、第２光路Ｌ２を通る光線については、被投影物Ｏ上の１点であるＡ点から様々な方向に出た光がハーフミラー２Ａで反射して、ハーフミラー２Ａの裏面側に突出している再帰反射素子３Ａで同じ方向へ再帰反射し（図２では再帰反射点の１つを例としてＤ点として示している）、さらにハーフミラー２Ａを直線的に透過することによって、ハーフミラー２Ａの表面の上方空間のＢ点で結像する。すなわち、Ｌ１とＬ２のいずれの光路を通る光線も、被投影物Ｏのハーフミラー２Ａに対する面対称位置を通過するため、同じ位置に実鏡映像Ｐを結像させ、これを視点Ｖから観察することができる。ここで、実鏡映像Ｐの被投影物Ｏに対する明るさ（光線の透過率）は、光路ごとに「ハーフミラー透過率」と「ハーフミラー反射率」と「コーナーキューブ反射率」の３つを乗じることによって得られる。仮に理想的な最大値として、「ハーフミラー透過率」及び「ハーフミラー反射率」を共に０．５、「コーナーキューブ反射率」をｒとすれば、各光路Ｌ１、Ｌ２を通った実鏡映像Ｐの透過率は共に０．２５ｒとなり、両光路Ｌ１、Ｌ２を合わせると実鏡映像Ｐ全体の透過率はその合計の０．５ｒとなる。

上述した結像の仕組みは、再帰反射素子３Ａの位置やハーフミラー２Ａとの間で形成される角度に依らず共通である。すなわち、例えば図３に示す実鏡映像結像光学系１Ｂのように、１枚の再帰反射素子３Ｂをハーフミラー２Ｂ（前記ハーフミラー２Ａと同等のものである）と直交しないように傾斜させて配置した場合について説明する。第１光路Ｌ１を通る光線については、被投影物Ｏ上の１点（Ａ点）から様々な方向に出た光がハーフミラー２Ｂを直線的に透過し、ハーフミラー２Ｂの表面側において再帰反射素子３Ｂで同じ方向へ再帰反射し（同図では再帰反射点の１つを例としてＣ点として示している）、さらにハーフミラー２Ｂで反射することによって、Ａ点のハーフミラー２Ｂの面対称位置であるＢ点で結像する。また、第２光路Ｌ２を通る光線については、被投影物Ｏ上の１点（Ａ点）から様々な方向に出た光がハーフミラー２Ｂで反射して、ハーフミラー２Ｂの裏面側において再帰反射素子３Ｂで同じ方向へ再帰反射し（同図では再帰反射点の１つを例としてＤ点として示している）、さらにハーフミラー２Ｂを直線的に透過することによってＢ点で結像する。この場合、何れもＢ点に実鏡映像Ｐが結像することについては両光路について共通であるが、光路長はＬ２＞Ｌ１となる。この光学系の場合、光路長が長くなると回折や加工精度による像のボケが増えるため、第２光路Ｌ２を経た実鏡映像Ｐの方が第１光路Ｌ１を経た実鏡映像Ｐよりも低解像度となる。

また、図４に示す実鏡映像結像光学系１Ｃのように、再帰反射素子３Ｃをハーフミラー２Ｃ（前記ハーフミラー２Ａと同等のものである）の表面側と裏面側とで屈曲しているようなものとしても結像の仕組みは同様である。同図の場合、ハーフミラー２Ｃの表面側、裏面側において平面状の再帰反射素子３Ｃをそれぞれ１つずつ配置したものとみることができる。なお図示例では、ハーフミラー２Ｃの表面側、裏面側の再帰反射素子３がハーフミラー２Ｃとそれぞれなす角度が同一の場合を示している。第１光路Ｌ１を通る光線については、被投影物Ｏ上の１点（Ａ点）から様々な方向に出た光がハーフミラー２Ｃを直線的に透過し、ハーフミラー２Ｃの表面側において再帰反射素子３Ｃで同じ方向へ再帰反射し（同図では再帰反射点の１つを例としてＣ点として示している）、さらにハーフミラー２Ｃで反射することによって、Ａ点のハーフミラー２Ｃの面対称位置であるＢ点で結像する。また、第２光路Ｌ２を通る光線については、被投影物Ｏ上の１点（Ａ点）から様々な方向に出た光がハーフミラー２Ｃで反射して、ハーフミラー２Ｃの裏面側において再帰反射素子３Ｃで同じ方向へ再帰反射し（同図では再帰反射点の１つを例としてＤ点として示している）、さらにハーフミラー２Ｃを直線的に透過することによってＢ点で結像する。上述の通り、ハーフミラー２Ｃの表面側、裏面側において再帰反射素子３Ｃがハーフミラー２Ｃとなす角度が同一であるので、第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の光路長は同一であり、両光路Ｌ１、Ｌ２を経た実鏡映像Ｐの解像度も同一である。このことは、図１及び図２に示した例と同様に、ハーフミラー２Ｃの表面側と裏面側とで再帰反射素子３Ｃが面対称に配置されていれば、両光路Ｌ１、Ｌ２の光路長が等しくなり、観察される実鏡映像Ｐの解像度も同一となることを意味している。また、図１及び図２に示した例よりも、光線が再帰反射素子３Ｃに対してより垂直に近い角度で入射・反射するため、図４に示した例の方が再帰反射素子３Ｃでの反射効率は高くなり、実鏡映像Ｐは均一な明るさでより明るくなる。なお、光路Ｌ１、Ｌ２によって解像度が異なってもよければ、ハーフミラー２Ｃの表面側と裏面側とで再帰反射素子３Ｃの角度を異ならせてもよく、その場合も同様にＢ点に実鏡映像Ｐが得られる。

以上のことは、上記各図に示したように再帰反射素子３が少なくともハーフミラー２の表面側と裏面側でそれぞれ異なる平面や曲面上に形成されている場合であっても、光線を入射方向に逆反射させる再帰反射素子３を用いる限り、被投影物Ｏの実鏡映像Ｐがハーフミラー２に対する面対称位置に結像することに違いはないことを示している。さらにいえば、再帰反射素子３を構成する単位再帰反射素子が、３次元的に散在していても同様であるといえる。さらにいえば、光路Ｌ１、Ｌ２の何れか一方のみを利用した結像様式とする場合には、ハーフミラー２の表面側又は裏面側の一方のみに再帰反射素子３を配置すればよい。

上述したような本実施形態の実鏡映像結像光学系１を構成するハーフミラー２は、例えば透明樹脂やガラス等の透明薄板の一方の面に薄い反射膜をコーティングしたものを利用することができる。この透明薄板の反対側の面には、無反射処理（ＡＲコート）を施すことで、観察される実鏡映像Ｐが２重になるのを防止することができる。また、再帰反射素子３への対向位置にいる観察者からは、ハーフミラー２を通じて被投影物Ｏが直接視認できる場合が考えられる。そこで、図２に示した実鏡映像結像光学系１Ａを例として図５に示すようにハーフミラー２の観察側（視点Ｖ側）の領域に、遮光手段の一種として遮光板４を配置したり、遮光膜や遮光塗料を塗布等することにより遮光して、観察者からは被投影物Ｏがハーフミラー２越しに見えないようにしてもよい。

一方、再帰反射素子３は、表面を鏡面精度の平滑度として光線を再帰反射するものや、素材表面への再帰反射膜や再帰反射塗料のコーティングによるものなど、入射光を逆反射させるものであればあらゆる種類のものを適用することができる。例えば、図６（ａ）に正面図を示す再帰反射素子３は、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。単位再帰反射素子を構成する各コーナーキューブ３１は、３つの同形同大の二等辺三角形をなす鏡面３１ａ，３１ｂ，３１ｃを１点に集合させて正面視した場合に正三角形を形成するものであり、これら３つの鏡面３１ａ，３１ｂ，３１ｃは互いに直交している。図６（ｂ）に立体的に示すとおり、入射光が３つの鏡面で順に反射することで、光線は入射光と平行に反射してゆくことになる。また、図７（ａ）に正面図を示す再帰反射素子３も、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。単位再帰反射素子を構成する各コーナーキューブ３１’は、３つの同形同大の正方形をなす鏡面３１ａ’，３１ｂ’，３１ｃ’を１点に集合させて正面視した場合に正六角形を形成するものであり、これら３つの鏡面３１ａ，３１ｂ，３１ｃは互いに直交している。図７（ｂ）に立体的に示すとおり、入射光が３つの鏡面で順に反射することで、光線は入射光と平行に反射してゆくことになる。このように、図４、図５に示したようなコーナーキューブアレイは、例えばアルミやニッケル等の金属板の切削による鏡面仕上げや、金属板又は樹脂板への電鋳工法等によって作成することができる。これら２種類のコーナーキューブアレイの違いは、鏡面が二等辺三角形のものは比較的作成しやすいが反射率が若干低くなり、鏡面が正方形のものは二等辺三角形のものと比較して作成がやや難しい反面、反射率が高い、ということである。

上述したコーナーキューブアレイの他にも、単位再帰反射素子としては、３つの鏡面により光線を再帰反射させるもの（広義には「コーナーリフレクタ」）を採用することができる。図示しないが、例えば、単位再帰反射素子として、３つの鏡面のうち２つの鏡面同士が直交し、且つ他の１つの鏡面が他の２つの鏡面に対して９０／Ｎ度（ただしＮは整数とする）をなすものや、３つの鏡面がそれぞれ隣接する鏡面となす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタが、本実施形態に適用される再帰反射素子３として適している。その他にも、キャッツアイレトロリフレクタ等も単位再帰反射素子として利用することができる。

なお、単位再帰反射素子のサイズは、像の解像度を決定するパラメータである。幾何光学的には、点光源は単位再帰反射素子のサイズの２倍程度に広がって結像するため、より小さいものが望ましいと考えられるが、一方波動光学的にはサイズが小さくなると回折が顕著になり解像度を悪化させてしまう。そのため、これらの相反する効果を勘案して大きさを決定する必要がある。例えば像を数十ｃｍ程度の近距離から観察する場合には五十〜数百μｍ程度のサイズを持つものが好適であり、数ｍ〜数十ｍの遠距離から観察する場合には距離に応じてサイズを大きくする必要があり、数百〜数千μｍのサイズが好適となる。

また、以上の説明では、再帰反射素子として平面形状のものについて説明したが、図８に示す実鏡映像結像光学系１Ｄのように曲面形状の再帰反射素子３Ｄを適用することも可能である。同図（ａ）は横方向から、（ｂ）は上方から見た実鏡映像結像光学系１の模式図である。この図示例では、再帰反射素子３Ｄとして、内側が空洞の部分球体状のものを採用しており、内面側に単位再帰反射素子を多数形成してあり、内部空間を上下に区切るようにハーフミラー２Ｄ（前記ハーフミラー２Ａと同等のものである）を水平姿勢で設けている。このような実鏡映像結像光学系１Ｄでは、上述した平面形状の再帰反射素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃを用いた実鏡映像結像光学系１Ａ，１Ｂ，１Ｃと同様に、被投影物Ｏ（Ａ点）から出た光が２つの光路Ｌ１、Ｌ２を経ることでハーフミラー２Ｄに対する面対称位置（Ｂ）点に実鏡映像として結像するが、曲面状の再帰反射素子３Ｄの表面（反射面）に対する光線の入射角度、出射角度は、再帰反射素子３のどの位置であっても垂直に近いので、再帰反射素子３Ｄでの反射率を非常に高いものとして、視野角及び解像度を極めて高く維持することができる。

以上の他にも、再帰反射素子の配置構成を変更することで、実鏡映像結像光学系の多視点化、すなわち同時に多数の方向から被投影物Ｏの実鏡映像Ｐを観察できるようにすることも可能である。図９は、多視点化を実現する実鏡映像結像光学系１Ｅの一例を示す概略的な縦断面図である。この実鏡映像結像光学系１Ｅは、円盤状をなすハーフミラー２Ｅと、ハーフミラー２Ｅの裏面側において半球状をなす再帰反射素子３Ｅとによって、被投影物Ｏを包囲したものである。ハーフミラー２Ｅは、上述した各ハーフミラー２Ａ〜２Ｄとは形状が異なるのみで同等のものである。また、ハーフミラー２Ｅの上面には、特定方向の光線を透過し且つ別の特定方向の光線を遮断するか、あるいは特定方向の光線のみを拡散する視線制御手段として、視界制御フィルム又は視野角調整フィルム等の光学フィルム５を貼り付けて設けている。一方、再帰反射素子３Ｅは、上述の再帰反射素子３Ｄと同様に、内面側に単位再帰反射素子を多数形成した湾曲形状を有するものである。なお、被投影物Ｏの真下となる再帰反射素子３Ｅの底部は光線の再帰反射には利用されないので単位再帰反射素子を形成しないこととしているが、底部に単位再帰反射素子を形成しても特段の不都合はない。

この実鏡映像結像光学系１Ｅの場合、ハーフミラー２Ｅの表面側には再帰反射素子を配置していないので、第２光路を通じた結像による実鏡映像Ｐのみが観察される。すなわち、被投影物Ｏ上の１点であるＡ点から様々な方向に出た光がハーフミラー２Ｅで反射して、ハーフミラー２Ｅの裏面側にある再帰反射素子３Ｅで同じ方向へ再帰反射し（図９では再帰反射点の１つを例としてＤ点として示している）、さらにハーフミラー２Ｅを直線的に透過することによって、ハーフミラー２Ｅの表面の上方空間におけるＡ点の面対称位置であるＢ点で結像する。なお、被投影物Ｏから真上に向けて出てハーフミラー２Ｅで反射した光は、再び被投影物Ｏに戻るため、再帰反射素子３Ｅで再帰反射することはなく、この理由により、再帰反射素子３Ｅの底部は再帰反射には利用されないことになる。したがって、結像点Ｂの集合である実鏡映像Ｐは、被投影物Ｏの真上の空間を除き、ハーフミラー２Ｅの表面側の空間のほぼ全ての位置を視点として同時に観察することが可能となる。また、被投影物Ｏから発した光のうち、ハーフミラー２Ｅを反射せずに直接透過する光は光学フィルム５により視点には届かないため、視点Ｖから被投影物Ｏ直接観察できるようになることが防止される。

このような多視点化が可能な実鏡映像結像光学系は、上述した態様に限られず、ハーフミラーと再帰反射素子とで被投影物を包囲している限り、それらの形状等を適宜変更することができる。例えば、上述した図９の実鏡映像結像光学系１Ｅの構成に加えて、ハーフミラー２Ｅの表面側にも裏面側と同様の再帰反射素子３Ｅを配置することで、第１光路も利用して実鏡映像Ｐの明るさを向上することが可能である。ただし、表面側の再帰反射素子３Ｅは、同じ側の視点から実鏡映像Ｐの観察を行うことを考慮して、視点を十分に確保できる範囲でハーフミラー２Ｅからの突出高さを決定するとよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、またハーフミラーや再帰反射素子等の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。

本発明の一実施形態である実鏡映像結像光学系の原理図。 同実鏡映像結像光学系を横方向から見た模式図。 同実鏡映像結像光学系の一変形例を横方向から見た模式図。 同実鏡映像結像光学系の他の変形例を横方向から見た模式図。 図２の模式図において遮光板を配置した状態を示す図。 同実鏡映像結像光学系に用いられる再帰反射素子の一例を示す図。 同実鏡映像結像光学系に用いられる再帰反射素子の他の例を示す図。 同実鏡映像結像光学系のさらに他の変形例を示す模式図。 同実鏡映像結像光学系の多視点化した態様を示す模式的な断面図。

符号の説明

１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ）…実鏡映像結像光学系
２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ）…ハーフミラー
３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ）…再帰反射素子
３１、３１’…単位再帰反射素子（コーナーキューブ）
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…鏡面
３１ａ’，３１ｂ’，３１ｃ’…鏡面
４…遮光手段（遮光板）
５…視線制御手段（光学フィルム）

Claims (10)

1. ハーフミラーと、該ハーフミラーからの透過光若しくは反射光を再帰反射させる位置に配置される単位再帰反射素子の集合である再帰反射素子とを具備し、
   前記単位再帰反射素子は、３つの隣接する鏡面から構成され、当該３つの鏡面を、当該単位再帰反射素子内での鏡面同士の角度関係を維持しつつ、個々の単位再帰反射素子では任意の方向を向けているものであり、
   前記ハーフミラーの裏面側に配置される被投影物から発せられる光を当該ハーフミラーを透過させ且つ表面側に配置された前記各単位再帰反射素子で再帰反射させ、さらにこのハーフミラーの表面側で反射させる第１光路、又は前記被投影物から発せられる光を当該ハーフミラーの裏面側で反射させ且つ裏面側に配置された前記各単位再帰反射素子で再帰反射させ、さらにこのハーフミラーを透過させる第２光路のうち、何れか一方又は両方の光路を経て当該ハーフミラーに対する面対称位置に前記被投影物の実鏡映像を結像させることを特徴とする実鏡映像結像光学系。
2. 前記再帰反射素子において、各単位再帰反射素子を共通の曲面上に並べている請求項１に記載の実鏡映像結像光学系。
3. 前記再帰反射素子において、各単位再帰反射素子を共通の平面上に並べている請求項１に記載の実鏡映像結像光学系。
4. 前記再帰反射素子を、前記ハーフミラーの表面側と裏面側の何れか一方又は両方に配置している請求項１乃至３の何れかに記載の実鏡映像結像光学系。
5. 前記ハーフミラーにおいて前記第１光路及び第２光路よりも実鏡映像に対する観察側の領域を遮光する遮光手段を設けている請求項１乃至４の何れかに記載の実鏡映像結像光学系。
6. 前記再帰反射素子を、少なくとも前記ハーフミラーの裏面側において当該ハーフミラーと共に前記被投影物を３次元的に包囲するように配置している請求項１乃至４の何れかに記載の実鏡映像結像光学系。
7. 前記ハーフミラーの表面側に、特定方向の光線のみを透過・遮断若しくは拡散する光学的な視線制御手段を設け、当該視線制御手段により、前記ハーフミラーの表面側の空間における前記実鏡映像を観察する視点から当該ハーフミラーを通して前記被投影物を直接視する方向の光線を遮断するようにしている請求項１乃至６の何れかに記載の実鏡映像結像光学系。
8. 前記単位再帰反射素子は、３つの互いに直交して隣接する鏡面から構成されるコーナーキューブである請求項１乃至７の何れかに記載の実鏡映像結像光学系。
9. 前記単位再帰反射素子は、３つの隣接する鏡面がなす角度のうち２つの角度が９０度であり、且つ他の１つの角度が９０／Ｎ度（ただしＮは整数）をなすものである請求項１乃至７の何れかに記載の実鏡映像結像光学系。
10. 前記単位再帰反射素子は、３つの隣接する鏡面がなす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタである請求項１乃至７の何れかに記載の実鏡映像結像光学系。

Images