JPH095503A

JPH095503A - 光学結像装置

Info

Publication number: JPH095503A
Application number: JP18075795A
Authority: JP
Inventors: Makoto Otsubo; 誠大坪
Original assignee: Nittetsu Elex Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Texeng Co Ltd
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-01-10
Also published as: AU6138496A; WO1997001116A1

Abstract

(57)【要約】【目的】観察者が手を触れることのできる位置に、対
象物の等倍の実像を簡便に結像させることができる光学
結像装置を提供する。【構成】対象物１４からの散乱光１６を収斂させて対
象物１４の光学像１５を結像させる光学結像装置１０で
あって、不透光性又は透光性のパネル１１に、パネル１
１面に直交する反射面１３を有する反射素子１２が多数
配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は対象物からの散乱光を収
斂させて、該対象物の光学像を結像させる光学結像装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】対象物の表面から発する散乱光を反射、
屈折、遮蔽等により制御して光学像を結像させる装置と
しては、鏡等を利用して対象物からの散乱光を反射さ
せ、対象物の鏡像を得る装置、凸レンズの光学系を用
いる装置、多数のピンホールを介してパネル上の多数
の小画像からの光を収斂させ、対象物の光学像を得る装
置等が知られている。以下、これらの原理を図７に基づ
いて説明すると、鏡５０による光学系では、図７
（ａ）に示すように、鏡５０の面を対称面とする鏡面対
称の位置に対象物５１の虚像５２を見ることができる。
即ち、対象物５１からの散乱光５３は鏡面でその入射角
度に等しい反射角度で反射されるので、対象物５１に対
して鏡面対称の位置に対象物５１が存在するように見え
る。また、凸レンズ５４を利用した光学系では、図７
（ｂ）に示すように対象物５５からの散乱光５６を結像
させて、その実像５７を得ることができ、結像位置、及
び光学像の倍率は使用するレンズの焦点距離、及び対象
物とレンズ間の距離によって定まる。そして、多数の
ピンホール５８を介して予め記録された多数の小画像か
らの散乱光５９を収斂させて光学像６０を得る方法にお
いては、図７（ｃ）に示すように、観察者が実際に手を
触れることのできるピンホールパネル６１の前方位置に
実像である光学像６０を結像させることができる。即
ち、多数の小画像が記録された画像表示パネル６２を、
多数のピンホール５８が配置されたピンホールパネル６
１の背後に設置し、画像表示パネル６２の後方から光を
照射することにより、前記多数のピンホール５８を介し
て対象物の光学像６０が再生される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
鏡５０を利用して鏡像を得る装置では、出現する光学像
が虚像５２となるため、観察者が実際に光学像に手を触
れて行うようなシミュレーション操作等を行うことは不
可能である。さらに、前記凸レンズを使用する光学系
では、実像５７の歪み、及び倍率がレンズと対象物間の
距離によって変化するため、得られる光学像の歪みや大
きさが定まらず、また、対象物５５と得られる実像５７
の左右の位置関係が反転しているという問題があった。
また、前記多数のピンホール５８を用いる光学系で
は、予め多数の小画像を記録しておく必要があり、光学
像を結像させるために多大の労力を必要とすると共に、
特に動いている対象物の光学像を処理する場合には膨大
な情報量を必要とするため、データ処理が困難になると
いう問題点があった。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、観察者が手を触れることのできる位置に、対象
物の等倍の実像を簡便に結像させることができる光学結
像装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１
記載の光学結像装置は、対象物からの散乱光を収斂させ
て対象物の光学像を結像させる光学結像装置であって、
不透光性又は透光性のパネルに、該パネル面に直交する
反射面を有する反射素子が多数配置されて構成されてい
る。請求項２記載の光学結像装置は、請求項１記載の光
学結像装置において、反射素子が、透明な円柱又は円筒
からなり、その内側面の一部又は全部、もしくは外側面
の一部又は全部が前記反射面を形成して構成されてい
る。前記パネル面に直交する反射面を有する反射素子と
は、パネルの表側から入射する散乱光をその入射角度と
等しい角度でパネル面の裏側に方向を変えて反射させる
機能を有する光学素子をいう。このような光学素子に
は、光学的な反射現象を利用するものの他に、光ファイ
バー通信技術において使用されているような屈折率の変
化の勾配を利用して光の進行方向を制御するセルフォッ
クマイクロレンズ等が含まれる。

【０００６】

【作用】請求項１及び２記載の光学結像装置において
は、不透光性又は透光性のパネルに、該パネル面に直交
する反射面を有する反射素子が多数配置されているの
で、パネルの厚みの中心面を鏡面対象の基準面として、
対象物と鏡面対象の位置に対象物の実像を結像させるこ
とができる。特に、請求項２記載の光学結像装置におい
ては、反射素子が、透明な円柱又は円筒からなり、その
内側面の一部又は全部、もしくは外側面の一部又は全部
が前記反射面を形成しているので、立体光学像を結像さ
せる散乱光の集光度を高めることができ、明るくて、歪
みの少ない対象物の立体光学像が得られると共に、装置
の製作が容易である。

【０００７】

【実施例】続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明
を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供す
る。ここに図１は本発明の第１の実施例に係る光学結像
装置の斜視図、図２は同光学結像装置を側面からみた断
面図、図３は本発明の第２の実施例に係る光学結像装置
を側面からみた断面図、図４は本発明の第３の実施例に
係る光学結像装置の斜視図、図５は複数の光学結像装置
を組み合わせた光学装置の説明図、図６は光学結像装置
を適用した光学系の説明図である。

【０００８】本発明の第１の実施例に係る光学結像装置
１０は、図１及び図２に示すように、不透光性のパネル
１１に反射面１３を有する反射素子１２が多数配置され
て構成されている。前記不透光性のパネル１１は、プラ
スチック、ガラス、木質材、紙パルプ材又は金属等の不
透光性の薄板材（縦横：２００ｍｍ、厚み：０．５ｍ
ｍ）からなる。前記反射素子１２は、透明なプラスチッ
ク、又はガラス製の円柱（直径：０．３ｍｍ、高さ：
０．５ｍｍ）からなり、該円柱の内側面の全部が入射す
る散乱光を反射する反射面１３となるように、該円柱の
外側面にアルミニウム等の金属が鏡面状にコーティング
されている。そして、それら多数の反射素子１２の反射
面１３がパネル１１の面に直交するように、ほぼ等間隔
で、かつ、集積度がほぼ最大となるようにパネル１１内
に配置されている。なお、対象物の位置が固定している
場合には、前記円柱の内側面の特定範囲だけを反射面と
することにより、余分な散乱光が反射されないようにす
ることもできる。ここで、光学結像装置１０は、例えば
光ファイバー又はプラスチックからなる透明ロッドの外
側面をアルミニウム等の金属で鏡面状にコーティングす
るか、あるいは、光ファイバーをコーティングすること
なく多数束ね、かつ必要に応じて該光ファイバーの周囲
に着色したプラスチック等を充填して光ファイバーの集
合体を形成し、該集合体を光ファイバーの長さ方向に対
して直角に０．５ｍｍの厚みに薄く切断することにより
形成することもできる。

【０００９】以下、図２に基づいて光学結像装置１０の
作用を説明する。対象物１４上の１点Ｐから発する散乱
光１６は、パネル１１内に多数配置されている反射素子
１２の各反射面１３で反射されてＰ´に収斂し、対象物
１４上の各点に対応して結像するこれらの点の集合によ
り光学像１５が形成される。このとき、点ＰとＰ´とは
パネル１１の中心面１１ａを対称面とする鏡面対称の関
係にある。即ち、線分Ｐ−Ｐ´とパネル１１の中心面１
１ａとの交点をＯとするとＰＯ＝Ｐ´Ｏであり、線分Ｐ
−Ｐ´はパネル１１に直交する。従って、パネル１１に
対し、光学像１５側から光学像１５を見た場合、光学像
１５は、対称物１４の凹凸が反転した実像、即ちシュー
ドスコピック（ｐｓｅｕｄｏｓｃｏｐｉｃ）像となる。
また、光学結像装置１０においては、レンズ等の光学系
と異なり特異な屈折現象が介在しないので歪みの少ない
光学像が得られると共に、光の波長の相違による収差を
生じることがない。さらに、光学像１５は鏡による虚像
とは異なり、散乱光が収斂して形成されるので、結像位
置に実際に物を置いてシミュレーションを行う等が可能
となる。

【００１０】なお、前記反射現象を利用した反射素子１
２の代わりにセルフォックマイクロレンズを使用し、光
の屈折現象を利用した光学結像装置を作成することもで
きる。セルフォックマイクロレンズとは、集光機能を有
し、光の屈折率が中心から周縁部に向かってほぼ放物線
状に減少していく円柱等の光学素子である。そして該円
柱の寸法を特定値に設定することにより、一端側から入
射する光を該円柱の他端側に透過させ、かつその入射方
向と逆方向に反転させる機能が得られる。従って、これ
らをパネル内に多数配置することにより前記反射素子１
２と同様の効果を得ることができる。

【００１１】続いて、本発明の第２の実施例に係る光学
結像装置２０について説明する。図３に示すように、本
発明の第２の実施例に係る光学結像装置２０は、透光性
のパネル２１内に反射面２３を有する反射素子２２が多
数配置されて構成されている。前記透光性のパネル２１
は、プラスチック、ガラス等の透光性の薄板材（縦横：
２００ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ）からなっている。前記
反射素子２２は、透明なプラスチック、又はガラス製の
円柱（直径：０．３ｍｍ、高さ：０．５ｍｍ）からな
り、該円柱の内側面及び／又は外側面が散乱光の反射面
２３となるように、該円柱の外側面にアルミニウム等の
金属が鏡面状にコーティングされている。そして、それ
ら多数の反射素子２２の反射面２３がパネル２１の面に
対して直交するように、ほぼ等間隔で、かつ、反射素子
２２の集積度がほぼ最大となるようにパネル２１内に配
置されている。

【００１２】以下、図３に基づいて光学結像装置２０の
作用を説明すると、前述のように対象物２４上の１点Ｐ
から発する散乱光２６がパネル２１内に多数配置されて
いる反射素子２２の各内側面及び外側面の反射面２３で
反射されてＰ´に収斂し、対象物２４上の各点に対応し
て結像するこれらの点の集合により光学像２５が形成さ
れる。この場合、散乱光が反射素子２１の反射面２３の
外側及び内側の両面で反射されるので、対象物上のＰ点
から発する散乱光の内でＰ´点に収斂する散乱光の比率
が高くなり、より明るい光学像２５が得られる。

【００１３】また、本発明の第３の実施例に係る光学結
像装置２７は、図４に示すように縦横５ｍｍである四角
柱状のガラスロッド２８の側面部をアルミニウム等の金
属を蒸着して反射面２９を形成し、これらの四角柱を接
着剤等により接合するか、あるいは機械的に隙間無く積
み重ねてできる集合体を５ｍｍの厚さに薄く切断して製
作することもできる。従って、装置を簡単に製作するこ
とができると共に、パネル内に不透光部等の無駄な空間
が少なくなるので、収斂する散乱光の光量比率をさらに
向上させることができる。

【００１４】次に、前記の第１〜３の実施例に係る光学
結像装置を組み合わせて用いる第１の応用例を以下に説
明する。図５に示すように、２つの光学結像装置３０、
３１が互いに約９０度の角度をもって配置されており、
光学結像装置３０の手前には男性Ａが、光学結像装置３
１の手前には女性Ｂが立っている場合、両者のシュード
スコピック立体像Ａ´、Ｂ´が２つの光学結像装置３
０、３１に挟まれる空間内に結像し、さらに両者のシュ
ードスコピック立体像からの散乱光がそれぞれ反対側の
光学結像装置３１、３０を介して収斂することにより、
男性Ａの傍らに女性Ｂの立体像Ｂ″が、また女性Ｂの傍
らに男性Ａの立体像Ａ″が結像する。この場合、互いに
直接的に体に触れることなく、コミュニケーションがで
きる。また、第１、２の光学結像装置３０、３１を介し
て立体像を結像させるために、シュードスコピック立体
像Ａ´、Ｂ´がさらに反転されて、凹凸が正常で歪みの
少ない男性Ａ、女性Ｂの等身大の立体像が得られると共
に、反射されずに第１の光学結像装置３０を透過した収
斂に寄与しない散乱光が、続く第２の光学結像装置３１
を介することによって取り除かれるので、最終的に結像
する立体像Ａ″、Ｂ″の鮮明度が高くなる。また、直接
的には計測不可能な、例えば高温の対象物の形状、寸法
等を非接触で計測すること等が可能となる。

【００１５】図６は、前記第１〜３の実施例に係る光学
結像装置を複数の凸レンズと組み合わせて用いる第２の
応用例の説明図である。この光学系４０は第１、第２の
光学結像装置４１、４２、及び第１、２の凸レンズ４
３、４４とが図６に示すように配置されて構成されてお
り、対象物からの散乱光４５を第１の凸レンズ４３、第
１の光学結像装置４１、第２の凸レンズ４４、第２の光
学結像装置４２の順に透過させることにより、対象物の
立体像を第２の光学結像装置４２の後方に結像させるも
のである。ここで、長さの等しい２つの対象物Ｃ、Ｄが
光学系４０の第１の凸レンズ４３の前方に距離を隔てて
配置されている場合について更に詳細に説明する。な
お、以下の説明において後方とは散乱光４５の進行方向
をいい、前方とはその逆方向をいうものとする。

【００１６】先ず、対象物Ｃ、Ｄからの散乱光４５が第
１の凸レンズ４３を透過することにより、上下が反転
し、かつ、第１の凸レンズ４３との距離に応じた比率で
縮小された対象物Ｃ、Ｄの実像Ｃ´、Ｄ´が距離を隔て
て結像する。実像Ｃ´、Ｄ´は第１の凸レンズ４３によ
る屈折現象を利用したものであるため、必然的に屈折に
よる光学的歪みを有する光学像となる。次に、前記実像
Ｃ´、Ｄ´からの散乱光が第１の光学結像装置４１を介
して収斂し、前記実像Ｃ´、Ｄ´と鏡面対称の位置関係
にあり、光学的歪みの付加されない実像Ｃ″、Ｄ″が得
られる。即ち、実像Ｃ´、Ｄ´と実像Ｃ″、Ｄ″とは互
いに等倍であり、かつ上下の対称関係は保持されるが、
凹凸が反転した関係にあり、光学的な歪みの程度は両者
同等となる。そして、実像Ｃ″、Ｄ″を光源とし、第２
の凸レンズ４４により実像Ｃ_n、Ｄ_nを結像させ、さら
に第２の光学結像装置４２を介することにより、その後
方に立体像Ｃ_f、Ｄ_fが得られる。この光学系において
は、第１、第２の凸レンズ４３、４４及び第１、第２の
光学結像装置４１、４２の位置関係により、立体像
Ｃ_f、Ｄ_fの結像位置を任意に調整することができると
共に、凸レンズのみからなる光学系に較べて光学的歪み
が少ない立体像Ｃ_f、Ｄ_fを得ることができる。また、
第１、第２の光学結像装置４１、４２を直列に配置する
ことにより、立体像の結像に寄与しない、即ち、反射素
子により反射されずに反射素子中を透過する散乱光ある
いは反射素子の反射面で２回以上反射される散乱光が除
かれて、より鮮明な立体像Ｃ_f、Ｄ_fを得ることができ
る。

【００１７】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明はこれらの実施例に限定されるものではなく、要旨を
逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲であ
る。例えば、本実施例においては、透明な円柱の側面が
反射面であるような反射素子を使用したが、断面が三角
形、五角形あるいは六角形等の多角形となる多角柱状体
として、その側面を反射面としても同様の効果を得るこ
とができ、また、中空の多角柱を使用してもよい。な
お、多角柱状の反射素子を使用する場合、パネル内に配
置される反射素子の密度を増加させて、散乱光の利用効
率をより高めることができる。

【００１８】

【発明の効果】請求項１及び２記載の光学結像装置にお
いては、対象物からの散乱光をパネル面と直交する反射
面で反射させて対象物の光学像を結像させるので、パネ
ルの厚みの中心面を鏡面対象の基準面として、対象物の
鏡面対象となる位置に歪みの少ない対象物の実像を結像
させることができる。従って、この光学結像装置を光学
系の一部として凸レンズ等の他の光学装置と組み合わせ
たり、あるいは複数の前記光学結像装置を組み合わせて
用いる等の応用が可能であり、光学像を用いてシミュレ
ーション等を行うバーチャルリアリティ分野への適用等
が容易になる。特に、請求項２記載の光学結像装置にお
いては、反射素子が、透明な円柱又は円筒からなって、
その内側面の一部又は全部、もしくは外側面の一部又は
全部が前記反射面を形成してなるので、対象物からの散
乱光の集光度を高めることができ、その結果、より鮮明
な像を得ることができると共に、装置を簡単に製作する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光学結像装置の斜
視図である。

【図２】同光学結像装置を側面からみた断面図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係る光学結像装置を側
面からみた断面図である。

【図４】本発明の第３の実施例に係る光学結像装置の斜
視図である。

【図５】複数の光学結像装置を組み合わせた光学装置の
説明図である。

【図６】光学結像装置を適用した光学系の説明図であ
る。

【図７】従来例に係る光学装置の説明図である。

【符号の説明】

１０光学結像装置１１パネル１１ａ中心面１２反射素子１３反射面１４対象物１５光学像１６散乱光２０光学結像装置２１パネル２２反射素子２３反射面２４対象物２５光学像２６散乱光２７光学結像装置２８ガラスロッド（反射素子）２９反射面３０第１の光学結像装置３１第２の光学結像装置４０光学系４１第１の光学結像装置４２第２の光学結像装置４３第１の凸レンズ４４第２の凸レンズ４５散乱光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物からの散乱光を収斂させて対象物
の光学像を結像させる光学結像装置であって、不透光性又は透光性のパネルに、該パネル面に直交する
反射面を有する反射素子が多数配置されていることを特
徴とする光学結像装置。
【請求項２】前記反射素子が、透明な円柱又は円筒か
らなり、その内側面の一部又は全部、もしくは外側面の
一部又は全部が前記反射面を形成してなる請求項１記載
の光学結像装置。