JP2008158114A - 光学システム - Google Patents

Abstract

【課題】現実には鏡が存在しない空間に、被投影物を鏡に映した場合と同様の像を結像させるという、斬新な結像方式を有する光学システムを提供する。
【解決手段】光を屈曲させつつ透過させて面対称位置へ実像の結像作用を持つ光線屈曲面１と、この光線屈曲面に向けて配置される鏡面２とを具備する光学システムＸを構成し、光線屈曲面１を挟んで鏡面２とは反対側である観察側に配置した被投影物Ｏの像を、被投影物Ｏから発せられる光が光線屈曲面を透過して鏡面２に反射し更に光線屈曲面１を透過することによって、鏡面２の光線屈曲面１に対する面対称位置に移動させた実体のない仮想鏡３に映した位置に結像させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の透過や反射を利用した鏡のように機能する新規な光学システムに関するものである。

平面鏡に像を映す場合、観察者の目には鏡の表面における反射光の光線を鏡の中へ延長した方向から光が来たように見えるため、平面鏡に映し出された像（鏡映像）は鏡の内部に虚像として結像する（例えば、非特許文献１参照）。
"Ｖｉｒｔｕａｌ ｉｍａｇｅ（虚像）"の項、［ｏｎｌｉｎｅ］、ＷＩＫＩＰＥＤＩＡ（英語版）、［平成１８年１０月２３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｖｉｒｔｕａｌ＿ｉｍａｇｅ＞

平面鏡に映された鏡映像は、鏡面に対して物体（被投影物）と面対称の関係にある鏡の内部で結像しているため、観察者が像に手を伸ばすなどの像へのアクセスを実現することは不可能である。

本発明は、３次元を含む物体の鏡映像を、実体としては存在しないが、空中に仮想的に存在する鏡に映し出した場合の位置に結像させる、新たな光学システムを提供しようとするものである。

すなわち本発明は、光を屈曲させつつ透過させて面対称位置へ実像の結像作用を持つ光線屈曲面と、当該光線屈曲面に向けて配置される鏡面とを具備し、前記光線屈曲面を挟んで前記鏡面とは反対側である観察側に配置した被投影物の像を、当該被投影物から発せられる光が前記光線屈曲面を透過して前記鏡面に反射し更に前記光線屈曲面を透過することによって、前記鏡面の前記光線屈曲面に対する面対称位置に移動させた実体のない仮想鏡に映した位置に結像させることを特徴とする光学システムである。

すなわち、図１に原理図（（ａ）は鏡面２を光線屈曲面１に対して傾斜させて配置した態様を示し、（ｂ）は鏡面２を光線屈曲面１に対して平行に配置した態様を示す）を示すように、まず被投影物Ｏ（図中、点で示す）で反射した光線（被投影物から発せられる光線光線）は、光線屈曲面１を透過する際に入射光と面対称な経路進むため、光線屈曲面１を挟んで被投影物とは面対称な位置に結像する（Ｉ１）はずであるが、鏡面２が存在するために、実際にはその像Ｉ１とは鏡面２に対して面対称な位置に結像（Ｉ２）する。この位置における像Ｉ２からの光線は、さらに光線屈曲面を透過後、光線屈曲面１に対して面対称な経路を通るため、光線屈曲面１に対して被投影物Ｏと同じ側に結像することになる（Ｉ３）。この像Ｉ３は、鏡面２を光線屈曲面１に対して面対称位置に映した仮想鏡３に被投影物Ｏを映した際の像と同じ関係にある。すなわち、光線屈曲面１を鏡面２の観察側に配置することによって、鏡面２を仮想的に光線屈曲面１に対する面対称位置に移動することができ、その結果、観察者は、空中に浮かんだ物理的実体のない仮想鏡３に映ったように見える非投影物Ｏの像Ｉ３を観察することが可能となる。

このような光学システムの一例としては、前記光線屈曲面を備えた光学素子として、相互に直交する２つの鏡面要素を備えた単位光学素子を複数平面的に形成してなる反射型面対称結像素子（参考文献；特願２００６−０８０００９出願明細書）を具備するものが挙げられる。この場合、反射型面対称結像素子は、前記複数の単位光学素子の光線屈曲面の一方側から他方側へ通過する光を各単位光学素子において２つの鏡面要素でそれぞれ反射させることで前記光線屈曲面の他方側に結像させるものであって、前記２つの鏡面要素を通り且つこれら２つの鏡面素子に垂直もしくはそれに近い角度をなす面を前記光線屈曲面とする。

このような反射型面対称結像素子は、素子の一方側にある被投影物の像を素子の他方側の面対称となる位置に結像させる。したがって、被投影物から発せられた光（直接光）は反射型面対称結像素子の単位光学素子を通過する際に２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射した後、鏡面で反射して反射光となり、さらに単位光学素子を通過する際に２つの鏡面要素で１回ずつ反射して、被投影物を仮想鏡に映した位置に結像することになる。そして２つの鏡面要素は、光線屈曲面とほぼ垂直に配置されるため、図１（ａ）に示すとおり、鏡面２は光線屈曲面１に対して鋭角をなすように配置されることになる。ここで、鏡面の配置位置は、反射型面対称結像素子を透過して結像する被投影物の実像の位置と反射型面対称結像素子との間に設定され、鏡面の配置角度は、直接光と反射光が共に２つの鏡面要素で１回ずつ反射し得る適宜の角度に設定される。また、上述のように２つの鏡面要素に直接光及び反射光を反射させるため、像の観察は反射型面対称結像素子に対して斜めから角度をつけて（光線屈曲面に対して鋭角、特に好ましくは光線屈曲面の法線に対して３０〜４０°）行うこととなる。なお、「垂直もしくはそれに近い角度」若しくは「ほぼ垂直」とは、本発明においては「ちょうど垂直、ないし垂直から数分程度の誤差範囲内の角度」を意味するものとする。

さらに具体的に、反射型面対称結像素子は、所定の基盤を厚み方向に貫通させた複数の穴を備え、各穴の内壁に前記直交する２つの鏡面要素から構成される単位光学素子を形成したものであって、前記穴を通じて基盤の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものとすることができる。すなわち、基盤面に多数の穴を形成し、その各穴に２つの直交する鏡面要素を形成するという比較的簡素な構成で、反射型面対称結像素子を作成することができる。

或いは反射型面対称結像素子は、所定の基盤を厚み方向に突出させた複数の透明な筒状体を備え、各筒状体の内壁面に前記直交する２つの鏡面要素から構成される単位光学素子を形成したものであって、前記筒状体を通じて基盤の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものとすることも可能である。このようなものでも、基盤面に多数の筒状体を形成し、その各筒状体に２つの直交する鏡面要素を形成するという比較的簡素な構成で、反射型面対称結像素子を作成することができる。

以上のような反射型面対称結像素子を備えた光学システムでは、このような単位光学素子を、前記基盤において規則的な格子状に形成すれば、被投影物の像の高精細化を図ることが可能である。

以上のような反射型面対称結像素子を用いる態様の他、屈折率が負の経路で光を透過させる物質であるメタマテリアル（参考文献；「光学技術に革命を起こす スーパーレンズ」，日経サイエンス２００６年１０月号，株式会社日経サイエンス）を利用することによっても、本発明の光学システムを実現することができる。すなわち、本発明の光学システムを、前記光線屈曲面を備えた光学素子として、前記被投影物を配置した空間と接する面を平面的な前記光線屈曲面としたメタマテリアル光学素子を具備するものとすることができる。この場合、メタマテリアル光学素子は、少なくとも前記光線屈曲面と前記鏡面との間をメタマテリアルで充填したものとする。被投影物の光線屈曲面（メタマテリアルの表面）に対する面対称位置に実像を結像させるものとするには、メタマテリアルの屈折率を−１とすることが望ましい。また、鏡面の配置位置は、光線屈曲面と光線屈曲面による被投影物の実像の結像位置との中間に設定され、鏡面の配置角度は、入射光と出射光が共に光線屈曲面を通過する範囲で適宜設定することができる。すなわち、図１（ａ）（ｂ）何れの構成としてもよい。さらに、メタマテリアル光学素子を用いる場合は、観察角度は特に制限されることはない。

以上の他にも本発明の光学システムには、前記光線屈曲面を備えた光学素子として、第１レンズ要素と、第２レンズ要素とを同一光学軸上に配置したアフォーカル光学系とし、前記第１レンズ要素をアレー状に配列して同一平面上にするとともに、前記第２レンズ要素をアレー状に配列して同一平面上とした複数の当該アフォーカル光学系を有する光学部を備えるアフォーカル立体光学素子であって、前記アフォーカル光学系は前記第１レンズ要素及び前記第２レンズ要素を、当該第１レンズ要素から入射した平行光線を当該第２レンズ要素の前側焦点に集光する位置に配置したアフォーカル立体光学素子を具備するものを採用することができ、この場合、前記第１レンズ要素と第２レンズ要素の中間位置において前記光学軸に垂直もくしくはそれに近い角度をなす面を前記光線屈曲面とする。

アフォーカル光学系については、第１レンズ要素と第２レンズ要素のそれぞれの焦点距離を隔てて同一光学軸上に配置してアフォーカル光学系とし、当該アフォーカル光学系の入射レンズ面及び出射レンズ面をそれぞれアレー状に同一平面上として配置した前記光学部とすることができる。第１レンズ要素及び第２レンズ要素の組み合わせとしては、２つの凸レンズとしたもの、２つのシリンドリカルレンズとしたもの、２つの光ファイバレンズとしたもの、等を採用することができる（参考文献；特開２００５−１０７５５公報）。ここで、アフォーカル光学系とは、焦点距離が無限大の光学系である。また、面対称位置に結像させるには、第１および第２レンズの焦点距離がほぼ等しくなっている必要がある。

斯かる構成のアフォーカル立体光学素子は、アフォーカル光学系の第１レンズ要素から入射された被投影物の光を、それぞれの第１レンズ要素により要素画像とし、第２レンズ要素から出射する。そして、アフォーカル立体光学素子は、第２レンズ要素から出射された要素画像の光線群全体により、被投影物に対する立体光学像を形成して表示する。そして、被投影物から発せられた光は、アフォーカル立体光学素子を透過して被投影物の光線屈曲面に対する面対称位置に立体光学像を形成する前に鏡面で反射し、入射時とは反対方向にアフォーカル立体光学素子を透過し、鏡面の光線屈曲面に対する面対称位置に形成される仮想鏡に被投影物を映した位置に、当該被投影物の実像を結像させる。

このようなアフォーカル立体光学素子を用いる光学システムの場合、光は各レンズ要素に対して主に正面方向から透過することになるため、直接光及び反射光が共に２つのレンズ要素を透過するようにするためには、図１（ｂ）に示したように、鏡面を光線屈曲面とほぼ平行に配置することが望ましい。また、像の観察は、光線屈曲面に対してほぼ垂直方向から行うことが望ましい。

本発明は、光を透過し面対称位置へ実像の結像作用を持つ光学素子と鏡面を利用することで、実体としては存在しない仮想鏡に映った被投影物の実像を観察することができるという、新しい結像様式の光学システムを創出するものである。したがって、本発明の光学システムを、適度な角度・距離から覗き込むことで、仮想鏡に映った鏡映像（例えば観察者自身の顔）を空中に観察することができる。このようにして得られる仮想鏡に映る像は、通常の平面鏡とは異なり光学システムよりも手前（観察者側）に結像したものであるので、本発明は、観察者が手を伸ばしてアクセスする（仮想的に触れる）ことも可能であるため、観察者と像との斬新なコミュニケーション方法をも提供することができるものである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図２に示す本発明の第１実施形態は、光を透過させて面対称位置へ実像の結像作用を持つ光線屈曲面を有する反射型面対称結像素子１０と、この反射型面対称結像素子１０を挟んで被投影物Ｏの反対側に配置される平面鏡２０とから構成される光学システムＸ１である。以下、この光学システムＸ１の各部の構成と結像様式について説明する。

反射型面対称結像素子１０は、図２及び図３に示すように、平板状の基盤１１を備え、この基盤１１に、平らな基盤表面に対して垂直に肉厚を貫通する穴１２を多数形成し、各穴１２を単位光学素子１３として利用するためにその内壁面に２つの直交する鏡面要素１４ａ，１４ｂを形成したものである。

基盤１１は、厚み寸法が５０〜２００μｍ、例えば本実施形態では１００μｍの薄板状のものであり、本実施形態では、巾寸法及び奥行き寸法がそれぞれ約５ｃｍのものを適用しているが、基盤１１の厚さや平面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。図３のＡ部を拡大して図４に示すように、各単位光学素子１３は、光を透過させるために基盤１１に形成した物理的・光学的な穴１２を利用したものである。本実施形態では、単位光学素子１３として、平面視ほぼ矩形状（具体的に本実施形態では正方形状）の穴１２を適用し、相互に直交する２つの内壁面に平滑鏡面処理を施して鏡面要素１４ａ，１４ｂとし、これら鏡面要素１４ａ，１４ｂを反射面として機能させるとともに、穴１２の内壁面の他の部分には鏡面処理を施さず光が反射不能な面とするか、もしくは角度をつけるなどして反射光を抑制したものである。各単位光学素子１３は基盤１１上において、全て同じ向きで鏡面要素１４ａ，１４ｂを形成している。鏡面要素１４ａ，１４ｂの形成にあたって本実施形態では、金属製の金型をまず作成し、鏡面要素１４ａ，１４ｂを形成すべき内壁面を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以下とし、可視光スペクトル域に対して一様に鏡面となるようにしている。

具体的に、各単位光学素子１３は、一辺が例えば５０〜２００μｍ、好ましくは本実施形態では１００μｍであり、先に作成した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、１つの基盤１１に所定ピッチで複数形成されている。本実施形態では、各単位光学素子１３の縦横に延びる各辺を、基盤１１の巾方向又は奥行き方向に対して４５度傾斜させるとともに、任意の異なる２つの単位光学素子１３同士は相互に平行をなすようにしている。ただし、任意の異なる２つの単位光学素子１３同士は、平行ではなく様々（ランダム）な角度をつけることも考えられる。角度をつけることによって、迷光となる１回反射光がより拡散するとともに、２回反射光の横方向視野角が広がり、透過率の視野角に対するピークが平坦になるからである。なお、隣り合う単位光学素子１３同士の離間寸法を極力小さく設定することで、透過率を向上させることができる。そして、前記基盤１１のうち、単位光学素子１３を形成した部分以外の部位に、遮光処理を施し、基盤１１の上面及び下面に図示しない薄板状をなす補強材を設けている。なお、この板材によって各単位光学素子１３が蓋封されないようにしていることはいうまでもない。本実施形態では、このような単位光学素子１３を、基盤１１に数万ないし数十万個設けている。

他の鏡面要素の形成方法として、電鋳工法によりアルミやニッケル等の金属で基盤１１を形成した場合、鏡面要素１４ａ，１４ｂ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、基盤１１を樹脂製などとした場合には、鏡面要素１４ａ，１４ｂ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必要がある。

このようにして基盤１１に形成した単位光学素子１３は、基盤１１の表面側（又は裏面側）から穴１２に入った光を一方の鏡面要素（１４ａ又は１４ｂ）で反射させ、さらに他方の鏡面要素（１４ｂ又は１４ａ）で反射させて基盤１１の裏面側（又は表面側）へと通過させる機能を有し、この光の経路を側方から見れば光の進入経路と射出経路とが基盤１１を挟んで面対称をなすことから、基盤１１上の単位光学素子１３の集合は、反射型面対称結像素子１０を構成する。すなわち、斯かる反射型面対称結像素子１０の光線屈曲面（単位光学素子１３の全ての鏡面要素を通り且つそれら鏡面要素と直交する面）は、基盤１１の一方側にある物体の実像を他方側の面対称位置に結像させる光線屈曲面１（図中、想像線で示す。基盤１１の肉厚の中央部を通り各鏡面要素と直交する面を仮定）となる。

一方、平面鏡２０は、基盤１１を向く面を平らな鏡面２としたものであって、鏡面２１が反射型面対称結像素子１０における光線屈曲面１となす角度が鋭角（図示例では４５°）となる姿勢で基盤１１の裏面側に配置される。この平面鏡２０の位置は、被投影物Ｏの反射型面対称結像素子１０による結像位置までの光の経路上であって、その結像位置よりも基盤１１に近くに設定することを条件とする。なお、平面鏡２０の形状や大きさや角度は適宜設定することができる。さらに本実施形態の光学システムＸは、例えば基盤１１を蓋とするような箱状の装置としてもよく、その場合は箱内に平面鏡２０を設置することになる。

ここで、本実施形態の光学システムＸ１を用いた結像様式を、被投影物Ｏから発せられた光の経路とともに説明する。まず、図５に平面的な模式図で示すように、被投影物Ｏから発せられる光（矢印方向、実線で示す。３次元的には紙面手前から紙面奥方向へ進行する）は、反射型面対称結像素子１０を透過する際に、一方の鏡面要素１４ａ（又は１４ｂ）で反射して更に他方の鏡面要素１４ｂ（又は１４ａ）で反射することで（透過光の光線を破線で示す）、鏡面２が存在しなければ、反射型面対称結像素子４の光線屈曲面１に対して被投影物Ｏの面対称位置に結像する。しかしながら、鏡面２の存在により、透過光は結像する前に鏡面２で反射する。したがって、図６に側面から見た模式図で示すように、被投影物Ｏ（太い矢印の図形、位置Ａ）から発せられた光は、反射型面対称結像素子１０による像（位置Ｂ）の鏡面２に対する面対称位置（位置Ｃ）に結像することになる。この位置Ｃにおける像は、先ほどとは反対側から、つまり基盤１１の裏面側から表面側へ反射型面対称結像素子１０を透過する際に、２つの鏡面要素１４ａ，１４ｂで１回ずつ反射して、光線屈曲面１に対して面対称となる位置（位置Ｄ）に実像として結像する。ここで、反射型面対称結像素子１０の光線屈曲面１に対する鏡面２の面対称位置に、実際には存在しない仮想鏡３を考慮すると、位置Ａにおける被投影物Ｏと位置Ｄにおける像とは、仮想鏡３に対して面対称の関係にある。すなわち、本実施形態の光学システムＸを利用することで、何も存在しない空中にあたかも鏡に映したように被投影物Ｏの像を観察することができることとなる。

なお、上述したような反射型面対称結像素子１０は、穴１２の内壁に２つの直交する鏡面要素１４ａ，１４ｂを形成した態様に代えて、図７に拡大図を示すように、基盤１１の厚み方向に突出する透明な筒状体１５を碁盤目状に多数形成し、各筒状体１５の内壁面のうち、直交する２つを鏡面要素１４ａ，１４ｂとした態様によっても実現可能である。この鏡面要素は全反射を利用することもできるし、反射膜による反射を利用することも可能である。この場合、筒状体１５の鏡面要素１４ａ，１４ｂ以外の内壁面を反射面としないかもしくは角度をつけることにより、余分な反射をなくして、より鮮明な像を得ることができる。

また本発明の第２実施形態は、図８（ａ）に示すように、光学システムＸ２を、屈折率が負の物質であるメタマテリアルで構成されるメタマテリアル光学素子３０と、平面鏡２０とから構成したものである。メタマテリアルでは、正の屈折率の媒質（例えば大気中）から光が入る際に、入射光はメタマテリアルの表面（すなわち光線屈曲面１）を通る法線に対して同じ側に屈折してメタマテリアル中を進む。図示例では、面対称位置への実像の結像を実現するべく、メタマテリアルとして屈折率が−１の物質を適用した態様を示している。同図に示した光学システムＸ２は、メタマテリアルでできた直方体状をなすメタマテリアル光学素子３０の内部に、被投影物Ｏを向くメタマテリアル光学素子３０の表面である光線屈曲面１に向けて所定角度（例えば４５°）で傾斜させた鏡面２を有する平面鏡２０を設置した構成を備えている。

ここで、本実施形態の光学システムＸ２を用いた結像様式を、被投影物Ｏから発せられた光の経路とともに説明する。この光学システムＸ２では、被投影物Ｏ（位置Ａ）から発せられた光は、メタマテリアル光学素子３０の表面（光線屈曲面１）で入射光と同じ側に屈折してメタマテリアル光学素子３０内を進み、鏡面２で反射して結像し（位置Ｃ）、さらにその反射光がメタマテリアル光学素子３０の表面（光線屈曲面１）で屈折して外部へ射出して位置Ｄにおいて結像する。ここで、前述した第１実施形態の光学システムＸ１と同様に、メタマテリアル光学素子３０の表面に対する鏡面２の面対称位置に、実際には存在しない仮想鏡３を考慮すると、位置Ａにおける被投影物Ｏと位置Ｄ’における像とは、仮想鏡３に対して面対称の関係にある。すなわち、本実施形態の光学システムＸ２を利用することによっても、何も存在しない空中に鏡に映したように被投影物Ｏの像を観察することができることとなる。

なお、平面鏡２０の配置位置及びその鏡面２の配置角度は、光線屈曲面１を入射光及び出射光が共に透過する限りにおいて任意であり、例えば図８（ｂ）に示すように、鏡面２がメタマテリアル光学素子３０の表面（光線屈曲面１）と平行となるように平面鏡２０を配置することも可能である。このように、メタマテリアル光学素子３０を用いた光学システムＸ２では、光線屈曲面１と鏡面２との間において入射光及び出射光が通過する領域が均質なメタマテリアルで充填されていればよいため、図示例のように、メタマテリアル光学素子３０を直方体形状のブロック状をなすものとして、光線屈曲面１と対向する面に鏡面２を密着させるように平面鏡２０を設置するという態様を採用することができる。

また本発明の第３実施形態は、図９及び図１０に示すように、光学システムＸ３を、アフォーカル立体光学素子４０と、平面鏡２０とから構成したものである。アフォーカル立体光学素子４０は、１つのアフォーカル光学系であるアフォーカルレンズ４１を複数、アレー状に配置した光学部４２として備えている。アフォーカルレンズ４１は、第１レンズ要素４１１及び第２レンズ要素４１２を同一光軸ｔ上に配置して、それらの焦点距離を隔てた位置に離間させて配置している。このアフォーカル立体光学素子４０は、アフォーカルレンズ４１の第１レンズ要素４１１の入射レンズ面をアレー状に配列して同一平面上に配置し、且つ第２レンズ要素４１２を出射レンズ面としてアレー状に配列して同一平面上に配置することで、複数のアフォーカルレンズ４１から光学部４２を構成している。なお、アフォーカルレンズ４１の入射面４１ａ及び出射面４１ｂは、それぞれ同一平面上に配置された第１レンズ要素４１１及び第２レンズ要素４１２の焦点距離となる位置に形成されることになり、複数の第１レンズ要素４１１又は第２レンズ要素４１２の焦点距離となる位置に連続して、すなわち光学部４２の前側及び後側の全面に形成されたものとして示される。ここで本実施形態では、第１及び第２レンズ要素を同一光学軸ｔ上に配置し、且つ第１レンズ要素の後側焦点と第２レンズ要素の前側焦点とが一致する位置にそれぞれ配置したものをアフォーカル光学系（アフォーカルレンズ４１）とする。

本実施形態では、アフォーカルレンズ４１を構成する第１レンズ要素４１１と第２レンズ要素４１２として、何れも凸レンズを利用した態様を示す。図１０に示すように、アフォーカル光学系を構成する第１レンズ要素４１と第２レンズ要素を同一光学軸ｔ上の位置（共軸位置）の関係として、互いに焦点距離ｆｓ、ｆｅを離間させた状態で配置してアフォーカルレンズ４１としている。アフォーカル立体光学素子４０は、各アフォーカルレンズ４１の光学軸ｔにおける光線に注目すると、各レンズ要素により形成される各要素画像における光線が集まった光線群全体として、立体光学像を形成することになる。焦点距離ｆｓ、ｆｅが等しい場合、この立体光学像は、被投影物の光線屈曲面に対する面対称位置に結像することとなる。

平面鏡２０は、第２レンズ要素４１２の第１レンズ要素４１１とは反対側において、アフォーカル立体光学素子４０による立体光学像の結像位置よりも手前（第２レンズ要素４１２に近い位置）に、鏡面２が第１レンズ要素４１１及び第２レンズ要素４１２の光学軸ｔとほぼ垂直となるように配置される。

ここで、本実施形態の光学システムＸ３を用いた結像様式を、被投影物Ｏから発せられた光の経路とともに説明する。図９及び図１０に示すように、被投影物Ｏから発せられる光（矢印方向、実線で示す。）は、アフォーカル立体光学素子４０を透過する際に、まず入射面４１ａに入射角度φｓで入射して各第１レンズ要素４１１で屈折し、さらに第２レンズ要素４１２で屈折して出射面４１ｂから出射角度φｅで出射する。ただし、ｆｓとｆｅが等しい場合には、φｓとφｅは等しい角度となる。この出射光は、鏡面２が存在しなければ、アフォーカル立体光学素子４０の光線屈曲面１に対して被投影物Ｏの面対称位置（位置Ｂ）に結像するが、鏡面２の存在により、当該鏡面２で反射して、位置Ｂにおける像の鏡面２に対する面対称位置（位置Ｃ）に結像する。この位置Ｃにおける像を形成する光は、再びアフォーカル立体光学素子４０における出射面４１ｂに角度φｅで入射し、第２レンズ要素４１２で屈折するとともに第１レンズ要素４１１で屈折して入射面４１ａから角度φｓで出射する。そして、鏡面２の光線屈曲面１に対する面対称位置に形成される仮想鏡３に対して被投影物Ｏを映した場合と同じ位置Ｄに、被投影物Ｏの実像（仮想的な鏡像）が結像することとなる。像の観察は、第１レンズ要素４１１及び第２レンズ要素４１２の光学軸方向から第１レンズ要素４１１に向かって行う。すなわち、本実施形態の光学システムＸを利用することによっても、何も存在しない空中にあたかも鏡に映したように被投影物Ｏの像を観察することができることとなる。

なお、本実施形態は、アフォーカル光学系として、上述のように第１及び第２レンズ要素に凸レンズと凸レンズを利用したものの他にも、光ファイバレンズと光ファイバレンズを利用したもの等を適用することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。また、各部の具体的構成についても上記実施形態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。

本発明の光学システムによる結像様式を示す原理図。 本発明の第１実施形態に係る光学システムを示す概略的な斜視図。 同光学システムにおける面対称結像素子を示す平面図。 同光学システムにおける面対称結像素子の一部を拡大して示す斜視図。 同面対称結像素子による光の透過及び屈折の状態を示す模式図。 同光学システムによる結像様式を示す模式図。 同光学システムに適用される面対称結像素子の他の例を示す図。 本発明の第２実施形態に係る光学システム及びその結像様式を示す模式図。 本発明の第２実施形態に係る光学システム及びその結像様式を示す模式図。 同光学システムのアフォーカル光学系による光の透過を示す模式図。

符号の説明

１…光線屈曲面
２…鏡面
３…仮想鏡
１０…面対称結像素子
１１…基盤
１２…穴
１３…単位光学素子
１４ａ，１４ｂ…鏡面要素
１５…筒状体
２０…平面鏡
３０…メタマテリアル光学素子
４０…アフォーカル立体光学素子
４１…アフォーカル光学系（アフォーカル光学レンズ）
４２…光学部
４１１…第１レンズ要素
４１２…第２レンズ要素
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３…光学システム

Claims (7)

1. 光を屈曲させつつ透過させて面対称位置へ実像の結像作用を持つ光線屈曲面と、当該光線屈曲面に向けて配置される鏡面とを具備し、前記光線屈曲面を挟んで前記鏡面とは反対側である観察側に配置した被投影物の像を、当該被投影物から発せられる光が前記光線屈曲面を透過して前記鏡面に反射し更に前記光線屈曲面を透過することによって、前記鏡面の前記光線屈曲面に対する面対称位置に移動させた実体のない仮想鏡に映した位置に結像させることを特徴とする光学システム。
2. 前記光線屈曲面を備えた光学素子として、相互に直交する２つの鏡面要素を備えた単位光学素子を複数平面的に形成してなる反射型面対称結像素子を具備し、当該反射型面対称結像素子は、前記複数の単位光学素子の光線屈曲面の一方側から他方側へ通過する光を各単位光学素子において２つの鏡面要素でそれぞれ反射させることで前記光線屈曲面の他方側に結像させるものであって、前記２つの鏡面要素を通り且つこれら２つの鏡面素子に垂直もしくはそれに近い角度をなす面を前記光線屈曲面としている請求項１に記載の光学システム。
3. 前記反射型面対称結像素子は、所定の基盤を厚み方向に貫通させた複数の穴を備え、各穴の内壁に前記直交する２つの鏡面要素から構成される単位光学素子を形成したものであって、前記穴を通じて基盤の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものである請求項２に記載の光学システム。
4. 前記反射型面対称結像素子は、所定の基盤を厚み方向に突出させた複数の透明な筒状体を備え、各筒状体の内壁面に前記直交する２つの鏡面要素から構成される単位光学素子を形成したものであって、前記筒状体を通じて基盤の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものである請求項２に記載の光学システム。
5. 前記単位光学素子を、前記基盤において規則的な格子状に形成している請求項３又は４に記載の光学システム。
6. 前記光線屈曲面を備えた光学素子として、前記被投影物を配置した空間と接する面を平面的な前記光線屈曲面としたメタマテリアル光学素子を具備し、該メタマテリアル光学素子は少なくとも前記光線屈曲面と前記鏡面との間をメタマテリアルで充填したものとしている請求項１に記載の光学システム。
7. 前記光線屈曲面を備えた光学素子として、第１レンズ要素と、第２レンズ要素とを同一光学軸上に配置したアフォーカル光学系とし、前記第１レンズ要素をアレー状に配列して同一平面上にするとともに、前記第２レンズ要素をアレー状に配列して同一平面上とした複数の当該アフォーカル光学系を有する光学部を備えるアフォーカル立体光学素子であって、前記アフォーカル光学系は前記第１レンズ要素及び前記第２レンズ要素を、当該第１レンズ要素から入射した平行光線を当該第２レンズ要素の前側焦点に集光する位置に配置したアフォーカル立体光学素子を具備し、前記第１レンズ要素と前記第２レンズ要素の中間位置において前記光学軸に垂直もくしくはそれに近い角度をなす面を前記光線屈曲面としている請求項１に記載の光学システム。

Images