WO2004025380A1

WO2004025380A1 - 三次元像表示装置及び三次元像表示方法

Info

Publication number: WO2004025380A1
Application number: PCT/JP2003/011625
Authority: WO
Inventors: Tamiki Takemori; Takahiro Ikeda
Original assignee: Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2004-03-25
Also published as: CN1682159A; EP1550923A4; JP2004102075A; TWI237165B; EP1550923B1; US7312908B2; US20060033972A1; AU2003262078A1; CN100507762C; JP4119210B2; EP1550923A1; TW200405143A

Description

糸田 »

三次元像表示装置及び三次元像表示方法

技術分野

【0 0 0 1】この発明は、複数波長の照明光成分をホログラムに入射させることにより、該ホログラムから該複数波長の再生光成分を発生させ、これら再生光成分により三次元像を表示する装置及び方法に関するものである。

背景技術

【0 0 0 2】ホログラムを利用した三次元像表示装置は、照明光成分が照射されたホログラムから再生光成分を発生させ、該発生した再生光成分により三次元像を表示する。また、三次元像表示装置は、複数波長の照明光成分（例えば、赤色、緑色及び青色の 3色成分）をホログラムに入射させることで、三次元像を力ラー表示を可能にする。

【0 0 0 3】なお、第 1従来技術としては、高分解能で記録が可能な写真乾板を利用する技術が知られている。この第 1 従来技術では、ホログラム記録時に、複数波長それぞれの参照光成分及び物体光成分を写真乾板に入射させ、該写真乾板に各波長に関連した（associated) ホログラムを多重記録する。一方、再生時には、記録時と同じ複数波長の照明光成分を同一入射方位でホログラムに入射させることで、該複数波長成分の再生光成分を発生させる。これにより、これら再生光成分それぞれの像が同一位置に重ね合わされて、カラーの三次元像が得られる。

【0 0 0 4】し力しながら、この第 1従来技術では、各波長に関連したホログラムが写真乾板に多重記録されていることから、波長 λ_Βに関連したホログラムに該波長 λ₈の照明光成分が入射して該波長 X_aの再生光成分が発生するだけでなく、該波長 λ₃に関連したホログラムに他の波長 X_b (X_a≠\_b) の照明光成分も入射してしまい、該波長 X_aに関連したホログラムから波長の再生光成分も発生する。これら波長 λ₃の再生光成分及び波長 X_bの再生光成分のうち、波長 X_aの再生光成分が本来の三次元像のカラー表示に必要な光成分である。これに対して、波長 A_b の再生光成分は、本来の三次元像とは異なる位置に異なる倍率で再生される光成分であることから、本来の三次元像に対してクロストーク成分となり、三次元像表示の妨げとなる。そこで、このようなクロストークを回避するためには、記録時に、物体光成分が写真乾板に略垂直に入射する場合に、複数波長の参照光成分それぞれを互いに異なる方位から該写真乾板へ入射させることにより、再生時にクロストークとなる光成分が本来の三次元像に重ならないようにしている。

【0 0 0 5】また、第 2 従来技術として、高野邦彦、他、「白色光によるカラーホログラフィ立体テレビの検討」、 3D Image Conference 2000 講演論文集、 pp.179- 182には、ホログラムを呈示することができる 3種類の空間光変調素子を利用する技術が開示されている。すなわち、第 1空間光変調素子には赤色光に関連したホログラムが呈示され、第 2空間光変調素子には緑色光に関連したホログラムが呈示され、第 3空間光変調素子には青色光に関連したホログラムが呈示される。そして、第 1空間光変調素子に赤色の照明光成分を入射させ、第 2空間光変調素子に緑色の照明光成分を入射させ、第 3空間光変調素子に青色の照明光成分を入射させてることにより空間光変調素子それぞれから発生した再生光成分を空間的に重ね合わせ、後段に設けられたマスクにより 0次透過光を除去して、力ラーの三次元像を得る。

【0 0 0 6】さらに、第 3従来技術として、特開 2 0 0 0— 2 5 0 3 8 7号公報に記載された技術は、空間光変調素子の画素構造が離散的であることを積極的に利用する。すなわち、一般の回折格子に平行光を入射させると 0次回折波だけでなく 1次以上の高次回折波も発生する。これと同様に、離散的画素構造を有する空間光変調素子から発生する再生光成分には 0次回折波だけでなく高次回折波をも含まれる。空間光変調素子における隣接 2画素において、物体光成分と参照光成分との合成波面の位相差を π未満の範囲（折り返し成分が無い範囲）を呈示範囲として限定し、ホログラムを空間光変調素子に呈示した場合、照明光成分の入射により空間光変調素子から発生する再生光成分の高次回折波の波面は 0次回折波と一致する。しかしながら、空間光変調素子からの出射方位は次数毎に異なる。再生光成分は、空間光変調素子の後段に設けられたレンズの後焦点面において、回折波の次数毎に λ ί Ζ Ρの間隔で分離して波面変換される。ここで、 λ は照明光成分の波長であり、 ίはレンズの焦点距離であり、 Ρは空間光変調素子の画素ピッチである。したがって、所望の三次元像を得るために、レンズの後焦点面に各辺の長さが λ ί Ζ Ρの矩形形状の開口部を有するマスクを設け、この開口部により再生光成分の 0次回折波を通過させる。その一方で高次回折波をマスクにより遮断する。

【0 0 0 7】また、上記第 3従来技術では、空間光変調素子における隣接 2画素において、物体光成分と参照光成分との合成波面の位相差を π以上 2 π未満の範囲（1次の折り返し成分を含む範囲）を呈示範囲として限定し、ホログラムを空間光変調素子に呈示した場合、照明光成分の入射により空間光変調素子から発生する再生光成分の高次回折波の波面は 0次回折波と一致する。このため、 0次回折波及び全ての高次回折波は 1次の折り返し成分を含む。再生光成分のうち所望の 1次回折波のみを取り出すためには、空間光変調素子の後段に設けられたレンズの後焦点面に各辺の長さが λ fノ Ρの矩形形状の開口部を有するマスクを設けて、この開口部により再生光成分の 1次回折波を通過させる。その一方で 0次回折波及び 2次以上の高次回折波をマスクにより遮断する。

すなわち、上記第 3従来技術では、呈示範囲を特定次数の折り返し成分を含む範囲に限定してホログラムを空間光変調素子に呈示するとともに、その特定次数に対応した位置に開口部を有するマスクを用いて再生光成分のうちから特定次数の回折波を取り出す。そして、各次数に関連したホログラムの呈示と開口部の選択とを時分割又は空間合成することにより、レンズによる結像再生像の出射方位範囲（すなわち視域）を拡大することができる。

発明の開示【0 0 0 8】発明者らは、上述の第 1〜第 3従来技術それぞれについて検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、第 1従来技術は、高分解能で記録が可能な写真乾板を利用する場合には好適である。しかしながら、空間分角? 能が低い空間光変調素子を利用する場合には、該空間光変調素子への照明光成分の入射角を大きくすることができないため、再生時にクロストークとなる再生光成分が本来の三次元像に重なってしまう。また、第 3従来技術の説明の際に述べたように、離散的画素構造を有する空間光変調素子から発生した各次数の回折波の重なりが生じる。このことから、離散的画素構造を有し低分解能である空間光変調素子を上記第 1従来技術も適用することは困難である。

【0 0 0 9】第 2従来技術は、複数の空間光変調素子それぞれから発生した再生光成分を空間的に重ね合わせるが、その重ね合わせのためにハーフミラーが必要となる。このことから、当該第 2従来技術では、装置が大型となり、再生光成分の光量が低下する。また、再生光成分の光量の低下を補償するために、照明光成分として高パワーのレーザ光を出力するレーザ光源が必要となり、或いは、波長選択性を有する誘電体ミラーが必要となるため、装置自体が高価となる。

【0 0 1 0】第 3従来技術は、視域拡大を目的としており、単一波長の照明光成分を空間光変調素子へ垂直に入射させる。したがつてこの第 3従来技術は、複数波長の照明光成分を空間光変調素子へ入射させる技術では無く、また、照明光成分を空間光変調素子へ斜め入射させる技術でも無い。また、第 3 従来技術は、空間合成することに起因して装置自体が大型化してしまうという課題や、時分割するためにレンズの後焦点面に高速シャッタを設ける必要があることから装置自体が高価になるという課題がある。

【0 0 1 1】この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、低解像度の空間光変調素子を利用する場合であっても鮮明に三次元像をカラ一表示することができる小型かつ安価な三次元像表示装置及び三次元像表示方法を提供することを目的としている。【0 0 1 2】この発明に係る三次元像表示装置は、複数波長の照明光成分をホ口グラムに入射させることにより、該ホログラムから該複数波長の再生光成分を発生させ、これら再生光成分により三次元像を表示する装置である。具体的に、この発明に係る三次元像表示装置は、空間光変調素子と、照明光学系と、再生像変換光学系と、マスクを備える。上記空間光変調素子は、複数波長それぞれに関連したホログラムを呈示する離散的画素構造を有する。上記照明光学系は、複数波長の照明光成分それぞれを平行平面波とし、互いに異なる入射方位で空間光変調素子に入射させる。上記再生像変換光学系は、空間光変調素子に呈示されたホログラムから発生した複数波長の再生像それぞれを、波面変換して虚像化もしくは実像化する。上記マスクは、再生像変換光学系の焦点面に設けられた開口部を有する。特に、この発明に係る三次元像表示装置において、空間光変調素子へ入射される複数波長の照明光成分それぞれの入射方位は、複数波長の再生光成分のうち何れかの次数の回折波が再生像変換光学系により波面変換された後に開口部において互いに重なるよう、照明光学系により設定される。

【0 0 1 3】また、この発明に係る三次元像表示方法は、複数波長の照明光成分をホログラムに入射させることにより、該ホログラムから複数波長の再生光成分を発生させ、これら再生光成分により三次元像を表示する。具体的には、複数波長それぞれに関連したホログラムを呈示する離散的画素構造を有する空間光変調素子を用意し、照明光学系によって複数波長の照明光成分それぞれを平行平面波として互いに異なる入射方位で空間光変調素子に入射させ、空間光変調素子に呈示されたホログラムから発生した複数波長の再生像それぞれを再生像変換光学系により波面変換して虚像化もしくは実像化させ、再生像変換光学系の焦点面に開口部を有するマスクを設けて、そして、空間光変調素子へ入射される複数波長の照明光成分それぞれの入射方位を、複数波長の再生光成分の何れかの次数の回折波が再生像変換光学系により波面変換された後に開口部において互いに重なるよう、照明光学系により設定する。【0 0 1 4】この発明によれば、離散的画素構造を有する空間光変調素子に、複数波長それぞれに関連したホロダラムが呈示される。この空間光変調素子に対して、照明光学系により複数波長の照明光成分それぞれが平行平面波とされ互いに異なる入射方位で入射する。空間光変調素子に呈示されたホログラムから発生した複数波長の再生像それぞれは、再生像変換光学系により波面変換されて虚像ィ匕もしくは実像化される。その焦点面には、開口部を有するマスクを設けられている。そして、複数波長の再生光成分それぞれの何れかの次数の回折波が再生像変換光学系により波面変換された後に開口部において互いに重なるよう、空間光変調素子へ入射される複数波長の照明光成分それぞれの入射方位が照明光学系により設定される。

【0 0 1 5】この発明に係る三次元像表示装置又は三次元像表示方法において、照明光学系は、それぞれが出力波長の異なる複数の単色光源と、複数の単色光源それぞれに近接して設けられた複数のピンホールと、そして、複数の単色光源それぞれより出力されピンホールを通過した光をコリメ一トするコリメート光学系とを含むのが好ましい。

【0 0 1 6】この発明に係る三次元像表示装置又は三次元像表示方法において、照明光学系は、複数波長の光成分に対して同一の焦点距離を有する色収差補正レンズを含むのが好ましく、また、再生像変換光学系は、複数波長の光成分に対して同一の焦点距離を有する色収差補正レンズを含むのが好ましい。

【0 0 1 7】この発明に係る三次元像表示装置又は三次元像表示方法において、空間光変調素子へ入射される複数波長の照明光成分それぞれの入射方位は、複数波長の再生光成分それぞれの 0次回折波が再生像変換光学系により波面変換された後に開口部において互いに重なるよう、照明光学系により設定されるのがより好ましい。

【0 0 1 8】また、この発明に係る三次元像表示装置又は三次元像表示方法において、空間光変調素子へ入射される複数波長の照明光成分それぞれの入射方位は、複数波長のうち何れかの特定波長の照明光成分が空間光変調素子に垂直入射されるとともに、特定波長の再生光成分の 0次回折波と他の波長の再生光成分の高次回折波とが再生像変換光学系により波面変換された後に開口部において互いに重なるよう、照明光学系により設定されてもよい。

【0 0 1 9】この発明に係る三次元像表示装置又は三次元像表示方法において、空間光変調素子の画素ピッチを Pとし、再生像変換光学系の焦点距離を ίとし、複数波長のうち最短波長の再生光成分の回折波の次数を n iとし、他の波長の再生光成分の回折波の次数を n iとするとき、空間光変調素子へ入射される波長の照明光成分の入射角は、

【0 0 2 0】 ei sin ¹ K n Ai— Γϋλ Ζ Ρ }

なる式で表され、そして、開口部は、各辺の長さが λι ί Ζ Ρ以下の矩形形状であるのが好ましい。

【0 0 2 1】この発明に係る三次元像表示装置又は三次元像表示方法において、空間光変調素子は、照明光成分が入射する側と反対の側に再生光成分を出射する透過型構造を有するか、或いは、照明光成分が入射する側と同一の側に再生光成分を出射する反射型構造を有するのが好ましい。また、この空間光変調素子が反射型構造を有する場合、照明光学系と再生像変換光学系とは、光部品の一部を共有しているのがよい。

【0 0 2 2】この発明に係る三次元像表示装置又は三次元像表示方法において、空間光変調素子は画素毎にマイク口レンズが搭載されていてもよい。

【0 0 2 3】なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。

【0 0 2 4】また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しカゝしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の思想及び範囲における様々な変形及び改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

図面の簡単な説明

【0 0 2 5】図 1は、この発明に係る三次元像表示装置における第 1実施例の構成を示す図である；

【0 0 2 6】図 2は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の照明光学系及び空間光変調素子を説明するための図である；

【0 0 2 7】図 3は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の照明光学系を説明するための図である；

【0 0 2 8】図 4は、第 1実施例に係る三次元像表示装置において、空間光変調素子へ青色の照明光成分が垂直入射したときの三次元像の一輝点の表示動作を説明するための図である；

【0 0 2 9】図 5は、第 1実施例に係る三次元像表示装置において、空間光変調素子へ青色の照明光成分が垂直入射するときに空間光変調素子に呈示されるホログラムを説明するための図である；

【0 0 3 0】図 6は、第 1実施例に係る三次元像表示装置において、空間光変調素子へ照明光成分が斜め入射したときの三次元像の一輝点の表示動作を説明するための図である；

【0 0 3 1】図 7及び図 8は、第 1のホログラム作成方法により作成されたホログラムを説明するための図である；

【0 0 3 2】図 9は、図 7に示されたホログラムが空間光変調素子に呈示された場合であって空間光変調素子へ照明光成分が斜め入射したときの三次元像の一輝点の表示動作を説明するための図である；

【0 0 3 3】図 1 0は、第 2のホログラム作成方法を説明するための図である；【0 0 3 4】図 1 1は、理想的な場合における 3波長の点光源それぞれの配置を示す図である；【0 0 3 5】図 1 2は、理想的な場合において、マスク位置における赤色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 3 6】図 1 3は、理想的な場合において、マスク位置における緑色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 3 7】図 1 4は、理想的な場合において、マスク位置における青色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 3 8】図 1 5は、理想的な場合において、マスク位置における赤色、緑色及び青色の再生光成分それぞれの 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 3 9】図 1 6は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の照明光源部 1 0 における 3つの点光源それぞれの配置を示す図である；

【0 0 4 0】図 1 7は、第 1実施例に係る三次元像表示装置のマスク配置位置における赤色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 4 1】図 1 8は、第 1実施例に係る三次元像表示装置のマスク配置位置における緑色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；【0 0 4 2】図 1 9は、第 1実施例に係る三次元像表示装置のマスク配置位置における赤色，緑色及び青色それぞれの再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 4 3】図 2 0は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の変形例 Aであつて、の照明光源部における 3つの点光源それぞれの配置を示す図である；【0 0 4 4】図 2 1は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の変形例 Aであつて、マスク配置位置における赤色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 4 5】図 2 2は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の変形例 Aであつて、マスク配置位置における緑色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 4 6】図 2 3は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の変形例 Aであつて、マスク配置位置における赤色，緑色及び青色それぞれの再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 4 7】図 2 4は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の変形例 Bであつて、照明光源部における 3つの点光源それぞれの配置を示す図である；【0 0 4 8】図 2 5は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の変形例 Bであつて、マスク配置位置における緑色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 4 9】図 2 6は、第 1実施例に係る三次元像表示装置の変形例 Bであつて、マスク配置位置における赤色，緑色及び青色それぞれの再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 5 0】図 2 7は、この発明に係る三次元像表示装置における第 2実施例の構成を示す図である；

【0 0 5 1】図 2 8は、この発明に係る三次元像表示装置における第 3実施例の構成を示す図である；

【0 0 5 2】図 2 9は、第 3実施例に係る三次元像表示装置のマスク配置位置における赤色，緑色及び青色それぞれの再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 5 3】図 3 0は、この発明に係る三次元像表示装置における第 4実施例の構成を示す図である；

【0 0 5 4】図 3 1及び図 3 2は、第 4実施例に係る三次元像表示装置のマスク配置位置における赤色，緑色及び青色それぞれの再生光成分の各次数の回折波の波面変換領域を示す図である；

【0 0 5 5】図 3 3は、第 4実施例に係る三次元像表示装置の空間光変調素子及び波面変換光学系を説明するための図である；

【0 0 5 6】図 3 4は、第 4実施例に係る三次元像表示装置の空間光変調素子における照明光成分入射角と再生光成分出射角との関係を説明するための図である；

【0 0 5 7】図 3 5は、この発明に係る三次元像表示装置における第 5実施例の構成を示す図である；そして、

【0 0 5 8】図 3 6は、この発明に係る三次元像表示装置における第 6実施例の構成を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

【 0 0 5 9】以下、この発明に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の各実施例を、図 1 ~4図 3 6を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、説明の便宜の為、各図の座標系は、空間光変調素子に垂直な方向を z軸とする X y z直交座標系である。

(第 1実施例）

【0 0 6 0】まず、この発明に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の第 1実施例について説明する。図 1は、この発明に係る三次元像表示装置における第 1実施例の構成を示す図である。この図に示された三次元像表示装置 1は、照明光源部 1 0、レンズ 2 0、透過型の空間光変調素子 3 0、レンズ 4 0及びマスク 5 0を備えている。照明光源部 1 0及びレンズ 2 0は、 3波長の照明光成分それぞれを平行平面波とし互いに異なる入射方位で空間光変調素子 3 0に入射させる照明光学系を構成している。また、レンズ 4 0は、空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した 3波長の再生像それぞれを、波面変換して虚像化もしくは実像化する再生像変換光学系を構成している。

【0 0 6 1】照明光源部 1 0は、互いに異なる波長（赤、緑、青）の照明光成分を出力する 3つの点光源を有している。これら 3つの点光源は、 X軸に平行な直線上の互いに異なる位置に配置されている。最短波長の青色の照明光成分を出力する点光源は、照明光学系の光軸上の位置 B ( 0， 0 ) にある。赤色の照明光成分を出力する点光源は位置 R ( X r , 0 ) にある。緑色の照明光成分を出力する点光源は位置 G ( x _g, 0 ) にある。各々の点光源は、例えば発光ダイオードゃレ一ザダイオードなどを含み、単色性が優れた照明光成分を出力する。また、各々の点光源は、時系列に順次パルス点灯される。 .

【0 0 6 2】レンズ 2 0は、 z軸に平行な光軸を有しており、照明光源部 2 0 の 3つの点光源それぞれから出力された各波長の照明光成分を、コリメートして平行平面波とし、互いに異なる入射方位で空間光変調素子 3 0に入射させる。レンズ 2 0が単一の凸レンズにより構成される場合、 3つの点光源それぞれとレンズ 2 0との間の間隔は、レンズ 2 0の焦点距離に等しい。 3つの点光源が上述の位置に配置されていることから、青色の照明光成分は空間光変調素子 3 0に垂直入射し、赤色及び緑色それぞれの照明光成分は空間光変調素子 3 0に斜め入射する。レンズ 2 0は、各照明光成分の波長に対して同一の焦点距離を有する色収差補正レンズであるのが好ましい。

【0 0 6 3】空間光変調素子 3 0は、離散的画素構造を有する透過型の空間光変調素子であり、 3波長それぞれに関連したホログラムを時系列に順次呈示する。このホログラムは、振幅ホログラムであってもよいし、位相ホログラムであってもよい。そして、空間光変調素子 3 0は、レンズ 2 0より各波長の照明光成分が時系列に順次入射するのと同期して、各時点の波長に関連したホログラムを順次呈示する。これにより、各波長の再生光成分は時系列に順次出射される。すなわち、空間光変調素子 3 0には、フィールドシーケンシャル方式が採用されている。【0 0 6 4】レンズ 4 0は、空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した 3波長の再生像それぞれを、波面変換して虚像化もしくは実像化した後にマスク 5 0の面上を通過させようとする。レンズ 4 0が単一の凸レンズにより構成される場合、レンズ 4 0とマスク 5 0との間の間隔は、レンズ 4 0の焦点距離に等しい。レンズ 4 0は、各照明光成分の波長に対して同一の焦点距離を有する色収差補正レンズであるのが好ましい。

【0 0 6 5】マスク 5 0は、レンズ 4 0の焦点面に設けられており、開口部 5 1を有している。この開口部 5 1は、各辺が X軸又は y軸に概略平行な矩形形状を有し、空間光変調素子 3 0から発生する 0次の回折波のみを選別する機能と、空間光変調素子 3 0からの 0次の直接透過光を遮断する機能と、さらに空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した 0次の回折波の光成分で実像もしくは共役像を形成し二重像の問題を生じる不要な光を遮断する機能とを有する。なお、空間光変調素子 3 0からの 0次の直接透過光は、レンズ 4 0により集光されて光源の結像に寄与する光であって、再生像の背景光となりコントラストを低下させる。開口部 5 1は、 3波長の再生光成分のうち何れかの次数の回折波がレンズ 4 0により波面変換された後に互いに重なる領域に設けられている。特に、本実施例では、開口部 5 1は、 3波長の再生光成分それぞれの 0次回折波がレンズ 4 0により波面変換された後に互いに重なる領域に設けられている。このように、空間光変調素子 3 0へ入射される 3波長の照明光成分それぞれの入射方位が、照明光学系により設定されている。

【0 0 6 6】図 2は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の照明光学系及び空間光変調素子 3 0を説明するための図である。この図に示されたように、照明光源部 1 0に含まれる青色の点光源はレンズ 2 0の光軸上に配置されており、この青色の点光源から出力された照明光成分は、レンズ 2 0によりコリメートされて、平行平面波 6 O b とされ、空間光変調素子 3 0に垂直入射する。赤色の点光源はレンズ 2 0の光軸から離間した位置に配置されており、この赤色の点光源から出力された照明光成分は、レンズ 2 0によりコリメートされて、 z軸に対して傾斜した方向 6 l _rに進む平行平面波 6 0 _rとされ、空間光変調素子 3 0に斜め入射する。緑色の点光源は、赤色の点光源と同様に配置される。

【0 0 6 7】図 3は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の照明光学系を説明するための図である。この図に示されたように、照明光源部 1 0は、出力波長が互いに異なる 3つの単色光源 1 l _r、 1 l _g、 l i bと、 3つのピンホール 1 2 _r、

1 2 _g、 1 2 _bとを含む。ピンホール 1 2 _rは、赤色の光を出力する単色光源 1 l r に近接して位置 R ( Xr, 0) に設けられ、この単色光源 1 l_rから出力された光をレンズ 20へ出力する。ピンホール 1 2_gは、緑色の光を出力する単色光源 1 l_gに近接して位置 G (x_g, 0) に設けられ、この単色光源 1 l_gから出力された光をレンズ 20へ出力する。ピンホール 1 2_bは、青色の光を出力する単色光源 1 lbに近接して位置 B (0， 0) に設けられ、この単色光源 1 lbから出力された光をレンズ 20へ出力する。このように構成することにより、単色光源 1 l_r、 1 l_g, 1 lbそれぞれが点光源として扱えない場合であっても、ピンホール 1 2_r、 1 2_g、 1 2_bそれぞれから出力される照明光成分は、点光源から出射された光として扱うことができ、そして、レンズ 20により理想的な平行平面波を得ることができる。

【0068】次に、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の動作について説明する。空間光変調素子 30として振幅及び位相の双方を画素毎に変調することができる素子が適用された場合、透過光及び共役像が発生しない。しかしながら、空間光変調素子 30として振幅及び位相の何れか一方のみを画素毎に変調することができる素子が適用された場合、透過光及び共役像が発生する。以下では、後者の場合について説明する。

【0069】図 4は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1において空間光変調素子 ₃0へ青色の照明光成分が垂直入射したときの三次元像の一輝点の表示動作を説明するための図である。図 5は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1において空間光変調素子 30へ青色の照明光成分が垂直入射するときに空間光変調素子 30に呈示されるホログラムを説明するための図である。青色の照明光成分に関連するホログラム 3 lbが空間光変調素子 30に呈示されているときに、平行平面波 6 Obとされた青色の照明光成分が空間光変調素子 30に垂直入射する。青色の照明光成分に関連するホログラム 3 は、空間光変調素子 30の半平面 (yく 0の領域）に呈示される。照明光成分が空間光変調素子 30に入射することにより、三次元像の輝点の再生像 62_b及び共役像 63_bが光軸上に形成され、また、 0次透過光が発生する。輝点の再生像 6 2_bは、レンズ 40によりマスク 5 0上の領域 5 2_b (y < 0の領域）に波面変換される。一方、輝点の共役像 6 3 bは、レンズ 40によりマスク 50上の領域 5 3_b (y〉0の領域）に波面変換される。また、 0次透過光は、レンズ 40によりマスク 50上の位置（0, 0) に集光される。そして、共役像及び Q次透過光がマスク 50により遮断され、再生像のみが開口部 5 1を通過して観察され得る。

【00 70】図 6は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1において空間光変調素子 30へ照明光成分が斜め入射したときの三次元像の一輝点の表示動作を説明するための図である。このとき、空間光変調素子 30に呈示されるホログラムは、図 5に示されたホログラムと同様であるとする。この場合、平行平面波 6 0 とされた照明光成分が空間光変調素子 3 0に斜め入射し、三次元像の輝点の再生像 6 2及び共役像 6 3が平行平面波 6 0の光軸 6 1上に形成される。これは、図 4に示された再生像及び共役像の形成位置とは異なる。

【00 7 1】そこで、本実施例では、垂直入射時と斜め入射時との間の再生像の不一致を回避するため、斜め入射時に空間光変調素子 30に呈示されるホログラムは、以下に説明する 2つの方法の何れかにより作成される。

【00 7 2】第 1のホログラム作成方法は、斜め入射時のホログラムを計算する方法である。三次元像を構成する 1輝点からの物体光成分は球面波で表される。位置（xo， yo, Lo) にある輝点から発生した物体光成分 Oijは、空間光変調素子 3 0上の位置（X" yj, 0) において、以下の式（ 1 a)、（ l b) で表される。

r = ( ,. - ^χο)² + (y.i— 。 )² + 。² "· (1 b)

【007 3】ここで、 rは位置（_Xo, yo, L₀) にある輝点から空間光変調素子 3 0上の位置（X i， yj， 0)までの距離であり、 kは物体光成分の波数である。また、入射角 Θ の平行平面波である参照光成分 Rijは、空間光変調素子 30上の位置（xi yj, 0) において、以下の式（2) で表される。

R = expリた ( )— ( — x₀ ) sin θ)) "· (2)

【0074】ホログラム面上における物体光成分と参照光成分との合成を以下の式（3) で表すと、ホログラム面上の位置（xi yj 0) において、光の位相 Φϋは、以下の式（4) で表され、さらに光強度は、以下の式（5) でえ表される。

O_iJ+R_iJ =A + jB ---(3)

O.ノ + , R■* .

+ 0(, -(5)

【00 7 5】再生時に空間光変調素子 30に入射する照明光成分は参照光成分 Rと同等であるので、上記式（5) の右辺の第 3項より計算機ホログラムが作成される。

【00 7 6】計算機ホログラムの計算範囲については、ホログラムが表示される空間光変調素子 30が離散的画素構造を有していることから、ホログラムの最大空間周波数は空間光変調素子 30の画素ピッチにより制限される。このことから、計算範囲は、隣接 2画素において物体光成分と参照光成分との合成波面の位相差が π以下である範囲、すなわち、以下の式（6 a)、（6 b) で表される条件を満たす領域より決定される半平面となる。

厂 ΦΑ -(6b)

【00 7 7】図 7及び図 8それぞれは、第 1のホログラム作成方法により作成されたホログラムを説明するための図である。図 7は、点光源が位置（0, V ) にあるときの空間光変調素子 3 0におけるホログラム 3 1の呈示範囲を示す。図 8は、点光源が位置（X , 0 ) にあるときの空間光変調素子 3 0におけるホログラム 3 1の呈示範囲を示す。これらの図に示されたように、空間光変調素子 3 0 に呈示されるホログラム 3 1は、図 5に示されたホログラム 3 l bを X軸又は y 軸に平行に移動したものと類似している。

【0 0 7 8】図 9は、図 7に示されたホログラム 3 1が空間光変調素子 3 0に呈示されたときに空間光変調素子 3 0へ照明光成分が斜め入射したときの三次元像の一輝点の表示動作を説明するための図である。この図に示されたように、平行平面波 6 0とされた照明光成分が空間光変調素子 3 0に斜め入射したときに、三次元像の輝点の再生像 6 2が光軸 6 1上に形成される。これは、図 4に示された再生像の形成位置と一致する。

【0 0 7 9】第 2のホログラム作成方法は、ホログラム呈示範囲を平行移動する方法である。上述の第 1のホログラム作成方法では、参照光成分が斜め入射であることから、ホログラムの計算の際に物体光成分と参照光成分との積を計算する必要があり、参照光成分が垂直入射する場合と比較して計算時間が長い。これに対して、これから説明する第 2のホログラム作成方法では、上述したように斜め入射時と垂直入射時とでホログラムが類似していることを利用して、短時間にホ口グラムを計算することができる。

【0 0 8 0】図 1 0は、第 2のホログラム作成方法を説明するための図である。空間光変調素子 3 0に呈示されるホログラムが図 5に示されたホログラムと同様であるとすると、これにより生じる輝点 6 2 'の形成位置は、所望の輝点 6 2の形成位置より、 X軸方向に距離 Dだけ離れている。したがって、この距離 Dだけホログラムの呈示位置を平行移動すればよい。この平行移動量 Dは、以下の式（7 ) で表される。

D = L-tm 0 '·· (7)

【0 0 8 1】ここで、 Lは輝点とホログラム面との間の距離である。また、 Θ は、ホログラム面への平行平面波の入射角であり、この入射角 Θは、以下の式（8) で表される。

^ 光源と光軸との間の距離 ...（₈)

レンズ 2 0の前焦点距離

【008 2】以上に説明した第 1又は第 2のホ口グラム作成方法により、斜め入射時と垂直入射時とでズレが無い再生像が得られる。

【008 3】次に、各波長の照明光成分の入射により空間光変調素子 3 0から発生する再生光成分について説明する。

【0084】図 1 1〜図 1 5は、比較例として示された理想的な場合について説明するための図である。空間光変調素子 30としては振幅及び位相の何れか一方のみを画素毎に変調することができる素子が適用され、図 5に示されたように空間光変調素子 3 0の半平面（yく 0) にホログラムが呈示されるものとして、図 1 1に示されたように 3波長の点光源の全てが位置（0， 0) に配置されている理想的な場合を想定する。

【008 5】この場合、図 1 2に示されたように、空間光変調素子 30から発生した最長波長の赤色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、以下の式（9) で表される 4点 R 1 ~R 4で囲まれる矩形領域 5 2 _rに波面変換される。

R\{-X_rfl2P_x, 0)

R2{- _r f/2P_x , - _rf/2P_V)

χ --(9)

R3(+ _rf I2P_X , - _rf/ 2P_y )

R4(+ _rf/2P_X， 0)

【00 8 6】ここで、 λ_Γは赤色の再生光成分の波長であり、 f はレンズ 40の焦点距離であり、 P_xは空間光変調素子 3 0の X軸方向の画素ピッチであり、 P_y は空間光変調素子 30の y軸方向の画素ピッチである。なお、赤色の共役像は、レンズ 40の後焦点面上において、以下の式（1 0) で表される 4点 R 1及び R 4〜R 6で囲まれる矩形領域に波面変換される。 Rl(- _rf/2P_X, 0)

R4(+ /2P_X, 0)

,"(10)

R5(+ _rf/2P_X, + /2P

R6(- _rf/2P_X, + _rf 1

【008 7】そして、 4点 R 2， R 3, R 5及び R 6で囲まれる矩形領域を 1 単位として、 0次及び高次の再生像及び共役像がレンズ 40の後焦点面上において二次元的に周期的に形成される。

【008 8】同様に、図 1 3に示されるように、空間光変調素子 30から発生した波長 λ_εの緑色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40 の後焦点面上において、以下の式（1 1) で表される 4点 G 1〜G 4で囲まれる矩形領域 5 2_gに波面変換される。

G\{- _gfl2P_x, G)

G2(-A_gf/2P_x, - _gf/2P_y) …

G4(+A_gf/2P_X, 0)

【0 08 9】また、図 1 4に示されたように、空間光変調素子 30から発生した最短波長の青色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 4 0の後焦点面上において、以下の式（1 2) で表される 4点 B 1〜B 4で囲まれる矩形領域 5 2_bに波面変換される。

B\(- _hf/2P_X, )

B2(- /2P_x, -A /2P_y)

B3(+A_bf/2P_X, - _bf/2P_V)

B4(+ _hf/2P_X, 0)

【00 9 0】そして、図 1 5に示されたように、レンズ 40の後焦点面上における波面変換領域 5 2_r、 5 2_g及び 5 2_bを重ねて表すと、赤色の波面変換領域 5 2_Γの中に緑色の波面変換領域 5 2_eが含まれ、緑色の波面変換領域 5 2_gの中に青色の波面変換領域 5 2 _bが含まれる。したがって、マスク 5 0の開口部 5 1を青色の波面変換領域 5 2_b と同等のものとすることにより、この開口部 5 2を通過した各色の再生光成分を観察することで、フルカラーの三次元像を観察することができる。

【0 0 9 1】し力し、図 1 1に示されたような 3つの点光源が共通の位置に配置される理想的な場合は実際には有り得ない。そこで、本実施例では、 3つの点光源を互いに異なる位置に配置して、そのうちの 1波長の照明光成分を空間光変調素子 3 0に垂直入射させ、他の 2つの波長の照明光成分を空間光変調素子 3 0 に斜め入射させる。

【0 0 9 2】図 1 6〜図 1 9は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1及び三次元像表示方法について説明する図である。図 1 6は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の照明光源部 1 0における 3つの点光源それぞれの配置を示す図である。図 1 7は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1のマスク 5 0配置位置における赤色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である。図 1 8は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1のマスク 5 0配置位置における緑色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である。第 1実施例に係る三次元像表示装置 1のマスク 5 0配置位置における青色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域は、図 1 4に示された場合と同様である。図 1 9は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1のマスク 5 0配置位置における赤色，緑色及び青色それぞれの再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である。

【0 0 9 3】第 1実施例では、図 1 6に示されたように、赤色の点光源が位置 R ( x _r， 0 ) に配置され、緑色の点光源が位置 G ( x _g, 0 ) に配置され、青色の点光源が位置 B ( 0， 0 ) に配置される。ここで、 x _r及び χ _εそれぞれは、以下の式（1 3 ) で表される。 x_r-+{( /2P)-(A_hf/2P)}/M

x_g =— {( / 2 — ( Ι2Ρ)}ΙΜ -(13)

M = -f₂/f₂

【0094】ここで、 f iはレンズ 20の焦点距離であり、 f ₂はレンズ 40の焦点距離である。 Mは光学系の倍率である。

【0095】この場合、図 1 7に示されたように、空間光変調素子 30から発生した赤色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、位置 R' (X_g f / 2 P -X_b f / 2 P , 0) を基準とした矩形領域 52_rに波面変換される。また、図 18に示されたように、空間光変調素子 30から発生した緑色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、位置 G' (-X_gf /2 P+Xbf /2 P, 0) を基準とした矩形領域 52_gに波面変換される。また、図 14に示されたように、空間光変調素子 30から発生した青色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、位置 B' (0， 0) を基準とした矩形領域 52_bに波面変換される。

【0096】そして、図 1 9に示されたように、レンズ 40の後焦点面上における波面変換領域 52_r、 52 _g及び 52 _bを重ねて表すと、赤色の波面変換領域 5 2_rの中に緑色の波面変換領域 52 _gが含まれ、緑色の波面変換領域 52_gの中に青色の波面変換領域 52_bが含まれる。したがって、マスク 50の開口部 5 1を青色の波面換領域 52_bに一致させることにより、この開口部 52を通過した各色の再生光成分を観察することで、フルカラーの三次元像を観察することがでさる。

【0097】次に、第 1実施例の具体例について説明する。空間光変調素子 3 0としてソニー社製のデータプロジェクション用液晶パネル LCXO 23 AL

(画素ピッチ P= 26μπι) を用いた。レンズ 20として色収差補正された焦点距離 60 Ommのレンズを用い、レンズ 40として色収差補正された焦点距離 1 5 Ommのレンズを用いた。赤色光を出力する単色光源 1 l_rとしてシチズン電子社製の発光ダイオード C L - 2 8 0 S R - C (波長 6 5 0 n m、寸法 1.0(L)x0.5(W)x0.6(H)) を用いた。緑色光を出力する単色光源 1 1_εとして豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AG 1 A 7-02 (波長 530 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。青色光を出力する単色光源 1 1 _bとして豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AB 1A7-02 (波長 470 n m、寸法 1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。

【0098】また、赤色光を出力する単色光源 1 を位置（—0. 69 mm, 0) に配置し、緑色光を出力する単色光源 1 1_εを位置（+0. 69mm, 0) に配置した。ピンホール 1 2_r、 1 2_g、 1 2_bそれぞれの開口径を 1 5 Ομπιとした。空間光変調素子 30へ入射される赤色の照明光成分の入射角を + 0. 07° とし、空間光変調素子 30へ入射される緑色の照明光成分の入射角を一 0. 07° とした。マスク 50の開口部 5 1の寸法を 2. 7 mm(W)x 1. 3mm(H)とした。そして、空間光変調素子 30の駆動周波数を 70 H zとし、各色（波長）に関連したホログラムを空間光変調素子 30に順次呈示させるとともに、これと同期して 3つの単色光源 1 1 _Γ、 1 1_ε、 1 lbを順次発光させることにより、マスク 50 の開口部 51を介してフルカラーの三次元像を鮮明に観察することができた。

【0099】次に、第 1実施例に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の変形例 Aについて説明する。これまでの説明では 3つの点光源が X軸方向に配列されていたが、この変形例 Aでは 3つの点光源が y軸方向に配列されている。図 20〜図 23は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1及び三次元像表示方法の変形例 Aについて説明する図である。図 20は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Aの照明光源部 10における 3つの点光源それぞれの配置を示す図である。図 2 1は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Aにおいて、マスク 50配置位置における赤色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である。図 22は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Aにおいて、マスク 5 0配置位置における緑色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である。第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Aにおいて、マスク 5 0配置位置における青色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域は、図 1 4に示された場合と同様である。図 2 3は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Aにおいて、マスク 50配置位置における赤色、緑色及び青色それぞれの再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である。

【0 1 00】この変形例 Aでは、図 20に示されたように、赤色の点光源が位置 R (0， y_r) に配置され、緑色の点光源が位置 G (0， y_g) に配置され、青色の点光源が位置 B (0, 0) に配置される。ここで、 y_r及び y_gそれぞれは、以下の式（1 4) で表される。

y_g={(l_gf/2P)-( _bf/2P)}/M

【0 1 0 1】この場合、図 2 1に示されたように、空間光変調素子 3 0から発生した赤色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、位置 R' (0， λ_Γ f / 2 P -X f / 2 P , 0) を基準とした矩形領域 52_rに波面変換される。また、図 2 2に示されたように、空間光変調素子 3 0から発生した緑色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 4 0の後焦点面上において、位置 G' (0， A_g f / 2 P -A_b f / 2 P , 0) を基準とした矩形領域 5 2_gに波面変換される。また、図 1 4に示されたように、空間光変調素子 3 0から発生した青色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、位置 B' (0, 0) を基準とした矩形領域 5 2 bに波面変換される。

【0 1 0 2】そして、図 2 3に示されたように、レンズ 40の後焦点面上における波面変換領域 5 2_Γ、 5 2 _g及び 5 2 _bを重ねて表すと、赤色の波面変換領域 5 2_rの中に緑色の波面変換領域 5 2_gが含まれ、緑色の波面変換領域 5 2_gの中に青色の波面変換領域 5 2_bが含まれる。したがって、マスク 5 0の開口部 5 1を青色の波面変換領域 52_bに一致させることにより、この開口部 52を通過した各色の再生光成分を観察することで、フルカラーの三次元像を観察することがでさる。

【0 103】次に、第 1実施例の変形例 Aの具例について説明する。空間光変調素子 30とレてソニー社製のデータプロジェクシヨン用液晶パネル LCX 0 23 A L (画素ピッチ P== 26μπι) を用いた。レンズ 20として色収差補正された焦点距離 60 Ommのレンズを用い、レンズ 40として色収差補正された焦点距離 1 50 mmのレンズを用いた。赤色光を出力する単色光源 1 l_rとしてシチズン電子社製の発光ダイォード C L- 2 8 0 S R-C (波長 6 50 n m、寸法 1.0(L)x0.5(W)x0.6(H)) を用いた。緑色光を出力する単色光源 1 として豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AG 1 A 7-0 2 (波長 5 30 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。青色光を出力する単色光源 1 lbとして豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AB 1A7-02 (波長 470 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。

【0 104】また、赤色光を出力する単色光源 1 lrを位置（0, — 2. 08m m) に配置し、緑色光を出力する単色光源 1 l_gを位置（0，一 0. 69mm) に配置した。ピンホール 12 _Γ、 1 2_g 1 2_bそれぞれの開口径を 1 5 Ομπιとした。空間光変調素子 30へ入射される赤色の照明光成分の入射角を一 0. 20° とし、空間光変調素子 30へ入射される緑色の照明光成分の入射角を一 0. 07° とした。マスク 50の開口部 5 1の寸法を 2. 7 mm(W) 1. 3mm(H)とした。そして、空間光変調素子 30の駆動周波数を 70Hzとし、各色（波長）に関連したホログラムを空間光変調素子 30に順次呈示させるとともに、これと同期して 3つの単色光源 1 1 _Γ、 1 l_g、 1 lbを順次に発光させることにより、マスク 5 0の開口部 5 1を通じてフルカラーの三次元像を鮮明に観察することができた。【0 105】次に、第 1実施例に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の変形例 Bについて説明する。前述の変形例 Aでは 3つの点光源が半平面（y口 0) で y軸方向に配列されていたが、この変形例 Bでは、赤色の点光源が一方の半平面（yDO) に配置されており、緑色の点光源が他方の半平面（yDO) に配置されている。図 24〜図 26は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1及び三次元像表示方法の変形例 Bについて説明する図である。図 24は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Bにおいて、照明光源部 10における 3つの点光源それぞれの配置を示す図である。図 25は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Bにおいて、マスク 50配置位置における緑色の再生光成分の 0 次回折波の波面変換領域を示す図である。第 1実施例に係る三次元像表示装置 1 の変形例 Bにおいて、マスク 50配置位置における赤色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域は、図 2 1に示された場合と同様である。第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Bにおいて、マスク 50配置位置における青色の再生光成分の 0次回折波の波面変換領域は、図 14に示された場合と同様である。図

26は、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1の変形例 Bにおいて、マスク 50 配置位置における赤色、緑色及び青色それぞれの再生光成分の 0次回折波の波面変換領域を示す図である。

【0 106】この変形例 Bでは、図 24に示されたように、赤色の点光源が位置 R (0, y_r) に配置され、緑色の点光源が位置 G (0， y_g) に配置され、青色の点光源が位置 B (0, 0) に配置される。ここで、 y_r及び y_gそれぞれは、以下の式（1 5) で表される。

y_r ={(A_rf/2P)-(X_bf/2P)}/M

v_g =-{ fl2P)IM

【0 107】この場合、図 21に示されたように、空間光変調素子 30から発生した赤色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、位置 R' ( 0 , λ_Γ f / 2 P -A_b f / 2 Ρ , 0) を基準として下の矩形領域 52_rに波面変換される。また、図 25に示されたように、空間光変調素子 30から発生した緑色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、位置 G' (0， -X_b f / 2 P , 0) を基準として上の矩形領域 5 2_εに波面変換される。また、図 1 4に示されたように、空間光変調素子 30から発生した青色の再生光成分の 0次回折波は、レンズ 40により、レンズ 40の後焦点面上において、位置 B' (0， 0) を基準として下の矩形領域 5 2_bに波面変換される。

【0 1 08】そして、図 2 6に示されたように、レンズ 40の後焦点面上における波面変換領域 5 2_r、 5 2_g及び 5 2bを重ねて表すと、赤色の波面変換領域 5 2_rの中に緑色の波面変換領域 5 2_gが含まれ、緑色の波面変換領域 5 2_Sの中に青色の波面変換領域 5 2_bが含まれる。したがって、マスク 50の開口部 5 1を青色の波面変換領域 5 2_bに一致させることにより、この開口部 52を通過した各色の再生光成分を観察することで、フルカラーの三次元像を観察することができる。

【0 1 0 9】次に、第 1実施例の変形例 Bの具体例について説明する。空間光変調素子 30としてソニー社製のデータプロジェクシヨン用液晶パネル LCX O 2 3 AL (画素ピッチ P = 2 6μπι) を用いた。レンズ 2 0として色収差補正された焦点距離 2 0 Ommのレンズを用い、レンズ 40として色収差補正された焦点距離 1 5 Ommのレンズを用いた。赤色光を出力する単色光源 1 l_rとしてシチズン電子社製の発光ダイォード C L- 2 8 0 S R-C (波長 6 5 0 n m、寸法 1.0(L)x0.5(W)x0.6(H)) を用いた。緑色光を出力する単色光源 1 として豊田合成社製の発光ダイオード E 1 S 0 7-AG 1 A 7-0 2 (波長 5 30 nm、寸法

1.6(L)x0.6(W)xl.15(H)) を用いた。青色光を出力する単色光源 1 lbとして豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 0 7-AB 1 A 7-02 (波長 4 70 nm, 寸法 1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。

【0 1 1 0】また、赤色光を出力する単色光源 1 lrを位置（0, — 0. 6 9m m) に配置し、緑色光を出力する単色光源 1 l_gを位置（0, + 1. 3 6mm) に配置した。ピンホール 1 2_Γ, 1 2_g, 1 2_bそれぞれの開口径を 1 5 Ομπιとした。空間光変調素子 3 0へ入射される赤色の照明光成分の入射角を一 0 . 2 0 ° とし、空間光変調素子 3 0へ入射される緑色の照明光成分の入射角を + 0 . 3 9 ° とした。マスク 5 0の開口部 5 1の寸法を 2 . 7 mm(W)x 1 . 3 mm(H)とした。そして、空間光変調素子 3 0の駆動周波数を 7 0 H zとし、各色（波長）に関連したホログラムを空間光変調素子 3 0に順次呈示させるとともに、これと同期して 3つの単色光源 1 1 _Γ、 1 1 _ε、 1 l bを順次発光させることにより、マスク 5 0 の開口部 5 1を介してフルカラーの三次元像を鮮明に観察することができた。

【0 1 1 1】以上のように、第 1実施例に係る三次元像表示装置 1及び三次元像表示方法は、変形例 A及び変形例 Bをも含めて、空間光変調素子 3 0へ入射される 3波長の照明光成分それぞれの入射方位が適切に設定されていて、空間光変調素子 3 0から発生した 3波長の再生光成分それぞれの 0次回折波がレンズ 4 0 により波面変換された後に開口部 5 1において互いに重なるので、低解像度の空間光変調素子 3 0を用いた場合であっても鮮明に三次元像をカラ一表示することができる。また、従来技術 2の如く 3波長の再生光成分を重ねあわせるためのハ一フミラーが不要になり、第 3 従来技術の如く高速シャツタも不要になるので、小型かつ安価な三次元像表示装置が得られる。

(第 2実施例）

【0 1 1 2】次に、この発明に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の第 2実施例について説明する。図 2 7は、第 2実施例に係る三次元像表示装置 2 の構成を示す図である。この図に示された三次元像表示装置 2は、照明光源部 1 0、レンズ 2 0、ハーフミラー 2 5、反射型の空間光変調素子 3 0、レンズ 4 0 及びマスク 5 0を備えている。照明光源部 1 0、レンズ 2 0及びハーフミラー 2 5は、 3波長の照明光成分それぞれを平行平面波とし互いに異なる入射方位で空間光変調素子 3 0に入射させる照明光学系を構成している。ハーフフミラ一 2 5 及びレンズ 4 0は、空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した 3 波長の再生光成分それぞれを波面変換する再生像変換光学系を構成している。なお、照明光学系と再生像変換光学系とはハーフミラー 25を共有している。

【01 13】第 1実施例と比較すると、第 2実施例に係る三次元像表示装置 2 及び三次元像表示方法は、照明光源部 10、レンズ 20、レンズ 40及びマスク 50それぞれが同様であるが、空間光変調素子 30が反射型の空間光変調素子であることに起因して相互の配置が異なる。また、第 1実施例と比較すると、第 2 実施例に係る三次元像表示装置 2の動作及び三次元像表示方法は、照明光成分がレンズ 20により平行平面波とされた後にハーフミラー 25を透過して空間光変調素子 30へ入射する点、空間光変調素子 30へ照明光成分が入射する側と同一の側に再生光成分が出射する点、及び、その再生光成分がハーフミラー 25により反射された後にレンズ 40により波面変換される点、で異なる。その他の点では、第 2実施例に係る三次元像表示装置 2の動作及び三次元像表示方法は、第 1 実施例（変形例 A， Bをも含む）と原理的に同様である。

【01 14】次に、第 2実施例の具体例について説明する。空間光変調素子 3 0として Micro Display社製のマイクロモニタ用反射型液晶パネル MD 800 G 6 (画素ピッチ P= 12. 55μπι) を用いた。レンズ 20として色収差補正された焦点距離 300mmのレンズを用い、レンズ 40として色収差補正された焦点距離 6 Ommのレンズを用いた。赤色光を出力する単色光源 1 l_rとしてシチズン電子社製の発光ダイォード C L- 28 0 S R-C (波長 6 50 n m、寸法 1.0(L)x0.5(W)x0.6(H)) を用いた。緑色光を出力する単色光源 1 として豊田合成社製の発光ダイオード E 1 S 07-AG 1 A 7-02 (波長 530 nm、寸法

1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。青色光を出力する単色光源 1 1 bとして豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AB 1A7-02 (波長 470 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。

【0 1 1 5】また、赤色光を出力する単色光源 1 lrを位置（—0. 72 mm, 0) に配置し、緑色光を出力する単色光源 1 1_εを位置（+0. 72mm, 0) に配置した。ピンホール 12_Γ、 12_ε、 1 2_bそれぞれの開口径を 15 Ομπιとした。空間光変調素子 3 0へ入射される赤色の照明光成分の入射角を一 0 . 1 4 ° とし、空間光変調素子 3 0へ入射される緑色の照明光成分の入射角を + 0 . 1 4 ° とした。マスク 5 0の開口部 5 1の寸法を 2 . 2 mm(W)x 1 . l mm(H)とした。そして、空間光変調素子 3 0の駆動周波数を 9 0 H zとし、各色（波長）に関連したホログラムを空間光変調素子 3 0に順次呈示させるとともに、これと同期して 3つの単色光源 1 1 _Γ、 1 1 _ε、 1 l bを順次発光させることにより、マスク 5 0 の開口部 5 1を通じてフルカラーの三次元像を鮮明に観察することができた。 (第 3実施例）

【0 1 1 6】次に、この発明に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の第 3実施例について説明する。図 2 8は、第 3実施例に係る三次元像表示装置 3 の構成を示す図である。この図に示された三次元像表示装置 3は、照明光源部 1 0、ハーフミラー 2 5、レンズ 2 0、反射型の空間光変調素子 3 0及びマスク 5 0を備えている。照明光源部 1 0、ハーフミラー 2 5及びレンズ 2 0は、 3波長の照明光成分それぞれを平行平面波とし互いに異なる入射方位で空間光変調素子 3 0に入射させる照明光学系を構成している。レンズ 2 0及びハーフミラー 2 5 は、空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した 3波長の再生光成分それぞれを波面変換する再生像変換光学系を構成している。なお、照明光学系と再生像変換光学系とは、レンズ 2 0及びハーフミラー 2 5を共有している。【0 1 1 7】第 2実施例と比較すると、第 3実施例に係る三次元像表示装置 3 及び三次元像表示方法は、照明光源部 1 0、空間光変調素子 3 0及びマスク 5 0 それぞれが同様であるが、空間光変調素子 3 0が反射型の空間光変調素子であることに起因して相互の配置が異なる。また、第 2実施例の場合と比較すると、第 3実施例に係る三次元像表示装置 3の動作及び三次元像表示方法は、レンズ 2 0 がレンズ 4 0の作用をも兼ねている点、照明光成分がハーフミラー 2 5を透過した後にレンズ 2 0により平行平面波とされて空間光変調素子 3 0へ入射する点、空間光変調素子 3 0へ照明光成分が入射する側と同一の側に再生光成分が出射する点、及び、その再生光成分がレンズ 20を経た後にハーフミラー 25により反射されて波面変換される点、で異なる。その他の点では、第 3実施例に係る三次元像表示装置 2の動作及び三次元像表示方法は、第 2実施例と原理的に殆ど同様である。

【01 1 8】第 3実施例では、レンズ 20がレンズ 40の作用をも兼ねていることから、照明光学系及び再生像変換光学系それぞれの焦点距離が互いに等しレ、。それ故、 3つの点光源が位置 R (x_r, 0)、 G (x_g, 0)、 B (0， 0) に配置されている場合、マスク 50面における各色の波面変換領域の基準点は位置 R (― x_r， 0)、 G (- x_g, 0)、 B (0, 0) となる。そして、図 29に示されたように、マスク 50面上における各色の波面変換領域 52_Γ、 52_g、 52_bの全てが重なる領域（すなわち、マスク 50の開口部 5 1の領域）は、第 1実施例又は第 2実施例の場合より狭くなることがある。

【0 1 1 9】次に、第 3実施例の具体例について説明する。空間光変調素子 3 0として Micro Display社製のマイク口モニタ用反射型液晶パネル MD 800 G 6 (画素ピッチ P= 1 2. 55μπι) を用いた。レンズ 40の作用を兼ねるレンズ 20として色収差補正された焦点距離 6 Ommのレンズを用いた。赤色光を出力する単色光源 1 l_r としてシチズン電子社製の発光ダイォード C L-280 S R -C (波長 650 nm、寸法 1.0(L)x0.5(W)x0.6(H)) を用いた。緑色光を出力する単色光源 1 l_g として豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AG 1 A7-0 2 (波長 530 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)xl.15(H)) を用いた。青色光を出力する単色光源 1 lb として豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AB 1 A7- 02 (波長 470 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。

【0 1 20】また、赤色光を出力する単色光源 1 l_rを位置（一0. 65mm， 0) に配置し、緑色光を出力する単色光源 1 l_gを位置（+0. 65mm, 0) に配置した。ピンホール 1 2_Γ、 1 2_g、 1 2_bそれぞれの開口径を 1 5 Ομηιとした。空間光変調素子 30へ入射される赤色の照明光成分の入射角を一 0. 62° とし、空間光変調素子 30へ入射される緑色の照明光成分の入射角を + 0. 62° とした。マスク 50の開口部 5 1の寸法を 1. 5mm(W)xl. lmm(H)とした。そして、空間光変調素子 30の駆動周波数を 9 OHzとし、各色（波長）に関連したホログラムを空間光変調素子 30に順次呈示させるとともに、これと同期して 3つの単色光源 1 l_r、 1 l_g、 1 lbを順次に発光させることにより、マスク 5 0の開口部 51を介してフルカラーの三次元像を鮮明に観察することができた。 (第 4実施例）

【01 2 1】次に、この発明に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の第 4実施例について説明する。図 ³30は、第 4実施例に係る三次元像表示装置 4 の構成を示す図である。この図に示された三次元像表示装置 4は、照明光源部 1 0、レンズ 20、透過型の空間光変調素子 30、レンズ 40及びマスク 50を備えている。照明光源部 10及びレンズ 20は、 3波長の照明光成分それぞれを平行平面波とし互いに異なる入射方位で空間光変調素子 30に入射させる照明光学系を構成している。また、レンズ 40は、空間光変調素子 30に呈示されたホログラムから発生した 3波長の再生像それぞれを、波面変換して虚像化もしくは実像化する再生像変換光学系を構成している。

【0122】照明光源部 10は、互いに異なる波長（赤、緑、青）の照明光成分を出力する 3つの点光源を有している。これら 3つの点光源は、 X軸に平行な直線上の互いに異なる位置に配置されている。最短波長の青色の照明光成分を出力する点光源は、照明光学系の光軸上の位置 B (0， 0) にある。赤色の照明光成分を出力する点光源は位置 R (x_r, 0) 又は R (0， y_r) にある。緑色の照明光成分を出力する点光源は位置 G (x_g, 0) にある。各々の点光源は、例えば発光ダイォードゃレーザダイォードなどを含み、単色性が優れた照明光成分を出力する。また、各々の点光源は、時系列に順次にパルス点灯される。この照明光源部 10の構成は、図 3と同様であるのが好ましい。

【01 23】レンズ 20は、 z軸に平行な光軸を有しており、照明光源部 20 の 3つの点光源それぞれから出力された各波長の照明光成分を、コリメートして平行平面波とし、互いに異なる入射方位で空間光変調素子 3 0に入射させる。レンズ 2 0が単一の凸レンズにより構成される場合、 3つの点光源それぞれとレンズ 2 0との間の間隔は、レンズ 2 0の焦点距離に等しい。 3つの点光源が上記のように配置されていることから、青色の照明光成分は空間光変調素子 3 0に垂直入射し、赤色及び緑色それぞれの照明光成分は空間光変調素子 3 0に斜め入射する。レンズ 2 0は、各照明光成分の波長に対して同一の焦点距離を有する色収差捕正レンズであるのが好ましい。

【0 1 2 4】空間光変調素子 3 0は、離散的画素構造を有する透過型の空間光変調素子であり、 3波長それぞれに関連したホログラムを時系列に順次呈示する。このホログラムは、振幅ホログラムであってもよいし、位相ホログラムであってもよい。そして、空間光変調素子 3 0は、レンズ 2 0より各波長の照明光成分が時系列に順次入射するのと同期して、各時点の波長に関連したホログラムを順次呈示し、これにより、各波長の再生光成分を時系列に順次出射する。すなわち、この空間光変調素子 3 0には、フィールドシーケンシャル方式が採用されている。【0 1 2 5】レンズ 4 0は、空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した 3波長の再生光成分それぞれをマスク 5 0の面上に波面変換する。レンズ 4 0が単一の凸レンズにより構成される場合、レンズ 4 0とマスク 5 0との間の間隔は、レンズ 4 0の焦点距離に等しい。レンズ 4 0は、各照明光成分の波長に対して同一の焦点距離を有する色収差補正レンズであるのが好ましい。

【0 1 2 6】マスク 5 0は、レンズ 4 0の焦点面に設けられており、開口部 5 1を有している。この開口部 5 1は、各辺が X軸又は y軸に概略平行な矩形形状を有し、空間光変調素子 3 0から発生する特定の次数の回折波のみを選別する機能と、空間光変調素子 3 0の第 n次の直接透過光を遮断する機能と、さらに空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した第 n次の回折波の成分で実像もしくは共役像を形成し二重像の問題を生じる不要な光を遮断する機能とを有する。なお、空間光変調素子 30の第 n次の直接透過光がレンズ 40により集光され光源の結像に寄与する光であって再生像の背景光となりコントラストを低下させる。開口部 51は、 3波長の再生光成分のうち何れかの次数の回折波がレンズ 40により波面変換された後に互いに重なる領域に設けられている。特に、本実施例では、開口部 5 1は、最短波長の青色の再生光成分の 0次回折波と他の 2 波長の再生光成分の高次回折波とがレンズ 40により波面変換されて互いに重なる領域に設けられている。このように、空間光変調素子 30へ入射される 3波長の照明光成分それぞれの入射方位が照明光学系により設定されている。

【0 127】照明光源部 10の位置 B (0, 0) にある青色の点光源から出力された照明光成分のうち空間光変調素子 30を透過した 0次透過光は、レンズ 4 0によりマスク 50面上の位置 B' (0， 0) に集光される。照明光源部 10の位置 R (x_r， 0) 又は R (0, y_r) にある赤色の点光源から出力された照明光成分のうち空間光変調素子 30を透過した 0次透過光は、レンズ 40によりマスク 50面上の位置 R' (χ 0) 又は R' (0， y_r') に集光される。照明光源部 10 の位置 G (x_g， 0) にある青色の点光源から出力された照明光成分のうち空間光変調素子 30を透過した 0次透過光は、レンズ 40によりマスク 50面上の位置 G' (x_g'， 0) に集光される。

【0 128】しかしながら、空間光変調素子 30が離散的画素構造を有していることから、図 31又は図 32に示されたように、マスク 50面上において、青色の点光源の結像は、位置に 0次回折波の波面変換が得られるだけでなく、この位置 G iに対して X軸又は y軸の方向に関して距離（X_b f Z P )だけ離れた 8 つの位置 G2それぞれに 1次回折波の波面変換が得られ、さらに X軸又は y軸の方向に関して距離（XbfZP) ずつだけ離れた位置に更に高次の回折波の波面変換が得られる。赤色及び緑色それぞれの点光源の結像についても同様である。このことについて、図 33を用いて詳細に説明する。

【0 1 29】図 33は、第 4実施例に係る三次元像表示装置 4の空間光変調素子 30及び再生像変換光学系を説明するための図である。空間光変調素子 30の画素ピッチを Pとし、空間光変調素子 30に垂直入射する青色の照明光成分の波長を X_bとし、空間光変調素子 30から出射する青色の回折波の次数を n_bとし、空間光変調素子 30からの青色の n_b次の回折波の出射角を θ。とする。

【0 130】このとき、これらのパラメータの間に、以下の式（16) で与えられる関係が成立する。

Psme_g =n_{h h} ■·· (16)

【01 3 1】この式（1 6) から、空間光変調素子 30からの青色の n_b次の回折波の出射角 Θ。は、以下の式（1 7) で表される。

【01 32】空間光変調素子 30からの青色の n_b次の回折波は、レンズ 40 の後焦点面（マスク 50面）上において、光軸から距離 A_nだけ離れた位置に集光される。この距離 A_nは、以下の式（18) で表される。

= ' (" ノ ) } -(18)

=( lノ ) ^c。s{sin— ノ

【01 33】次数 n_bが小さいとき、この式（1 8) は、以下の式（1 9) で近似される。

A_n = n_h P -(19)

【01 34】これら式（1 8) 又は式（1 9) から分かるように、レンズ 40 の後焦点面（マスク 50面）上において、 0次及び高次の回折波それぞれの集光点は略等間隔で出現し、その各次数の回折波の集光点の出現間隔は波長により異なる。また、照明光源部 1 0における各波長の点光源が同一位置に存在する場合、レンズ 4 0の後焦点面（マスク 5 0面）上において、各波長の再生光成分の 0次回折波の集光点は同一位置に出現するが、各波長の再生光成分の高次回折波の集光点は異なる位置に出現する。

【0 1 3 5】三次元再生像を構成する回折波を取り出すためには、上記式（1 8 ) 又は式（1 9 ) で表される位置を基準とする開口部 5 1を有するマスク 5 0 を利用し、再生光成分のうち何れかの次数の回折波のみを開口部 5 1を通過させる。空間光変調素子 3 0が振幅及び位相の双方を変調することができる場合、上記式（1 8 ) 又は式（1 9 ) で表される位置を中心として、一辺の長さが f ₂Xb である矩形形状の開口部 5 1を配置することで、三次元再生像を構成する回折波を取り出すことができる。空間光変調素子 3 0が振幅及び位相のうち何れか一方のみを変調することができる場合、上記式（1 8 ) 又は式（1 9 ) で表される位置を基準とする半平面（空間光変調素子 3 0上のホログラム呈示領域に対応する領域）に、一方の辺の長さが f ₂XbZ Pであって他方の辺の長さが f 2AbZ 2 Pである矩形形状の開口部 5 1を配置することで、三次元再生像を構成する回折波を取り出すことができる。

【0 1 3 6】本実施例では、マスク 5 0の開口部 5 1は、その領域が波長毎に時分割で制御されるのではなく、波長によらず一定とされる。そこで、 3波長（λ_Γ， \_s, X_b) のうち最短波長である X_bに適合した位置と形状とを有するマスク 5 1を配置する。また、他の 2波長 (Xr , X_g) については、再生光成分のうち何れかの次数の回折波が開口部 5 1を通過するように、空間光変調素子 3 0への照明光成分の入射方位が設定される。また、空間光変調素子 3 0が振幅及び位相のうち何れか一方のみを変調することができる場合には、各波長の再生光成分のうち三次元像構成に利用される次数の再生波の集光点を一致させて、これらの集光点をマスク 5 0により遮断する。なお、レンズ 2 0、 4 0は、色収差が充分に補正され 3波長（λ_Γ， X_g, Xb) それぞれで焦点距離が互いに等しいレンズが適している。【0137】空間光変調素子 30に対して青色の照明光成分は垂直入射するが、他の赤色及び緑色の照明光成分それぞれは斜め入射する。青色の照明光成分が垂直入射したときの 0次回折波の集光点と、他の色の照明光成分が斜め入射したときの特定次数の高次回折波の集光点とは、レンズ 40の後焦点面上で一致しなければならない。以下では、そのような条件をみたす照明光成分の入射角について図 34を用いて説明する。

【0138】図 34は、第 4実施例に係る三次元像表示装置 4の空間光変調素子 30における照明光成分入射角と再生光成分出射角との関係を説明するための図である。最短波長 X_b以外の他の何れかの波長（=λ_Γ又は X_g) の平行平面波が入射角 θίで空間光変調素子 30に入射して、波長の再生光成分のうち次数 η iの回折波が回折角 θ。（青色の回折波と同じ）で空間光変調素子 30より出射するものとする。また、空間光変調素子 30の画素ピッチを Ρとする。

【0139】このとき、これらのパラメータの間に、以下の式（20) で与えられる関係が成立する。

Psin0_o - sin^. =«Λ …（20)

【0140】これを入射角 6iについての式に書き直すと、以下の式（21) で表される。

…（21 )

【0141】この式（21) は、上記式（17) を代入することで、以下の式 (22) で表される。 θ_{ = sin"¹ {{n_{b b} - " ) / P) … (22)

【0142】波長 X_bの青色の照明光成分が空間光変調素子 30に垂直入射するとともに、上記式（22) で表される入射角 6iで波長（=X_r又は λ_ε) の照明光成分が空間光変調素子 30に斜め入射すると、各波長の再生光成分の何れかの次数の回折波は、同一の回折角 θ₀で空間光変調素子 30から出射され、同一の点にレンズ 40により集光される。

【0 143】また、上記式（20) から、入射角 θίと出射角 Θ。とが互いに等しくなるのは、回折次数 niが 0次であるときであり、その 0次回折波は、レンズ 4 0の後焦点面上で、以下の式（23) で表される距離 A_niだけ光軸から離れた位置に集光される。

= fi tan sin— ¹ ((" ―", ) /尸)] …（）

= /, tan sin ^l{n_{b b}/P} 距離 A_niに関する第 1例として、青色の波長 A_bの回折波の次数 n_bが 0であつて、他の波長の回折波の次数 niが一 1であるとする。このとき、波長の照明光成分の入射角 6iは、以下の式（24) で表される。 θ =sm-¹( _i/P) ---(24)

【0 144】また、波長の 0次回折波は、レンズ 40の後焦点面上で、以下の式（25) で表される距離 A-iだけ光軸から離れた位置に集光される。

ん】 =/₂t .

= ₂tan[sin-¹(A_//R)] "- (25)

= MIP

【0 145】また、距離 A_niに関する第 2例として、青色の波長 X_bの回折波の次数 nbが 0であって、他の波長の回折波の次数が + 1であるとする。このとき、波長の照明光成分の入射角 θίは、以下の式（26) で表される。 . =sin— '(- ,./ ) •(26) 【0 146】また、波長の 0次回折波は、レンズ 40の後焦点面上で、以下の式（27) で表される距離 A₊₁だけ光軸から離れた位置に集光される。

… ）

【0 147】波長の照明光成分を平行平面波として空間光変調素子 30へ入射角 θίで入射させるには、焦点距離 f iのレンズ 20の前焦点面において、以下の式（28) で表される距離 B_niだけ光軸から離れた位置に点光源を配置すればよい。

B.=-fAm0_{i t} 、

"'(28)

【0 148】距離 B_niに関する第 1の例として、青色の波長 X_bの回折波の次数 n_bが 0であって、他の波長の回折波の次数 niがー 1であるとする。このとき、波長の点光源は、レンズ 20の前焦点面上で、以下の式（29) で表される距離だけ光軸から離れた位置に配置される。

Β_ =- ΧΆΆθ_ί

= - f、 tan[sin- ¹ [λ, / Ρ)] … _(2g)

= A—、 / M

【0 149】ここで、 Mは、（13)式で表される光学系の倍率である。

【0 1 50】また、距離 B_niに関する第 2の例として、青色の波長 λ_¾の回折波の次数 n_bが 0であって、他の波長の回折波の次数 _niが + 1であるとする。このとき、波長の点光源は、レンズ 20の前焦点面上で、以下の式（30) で表される距離 B₊₁だけ光軸から離れた位置に配置される。 B =-f, tan

=— _/ φ_η-'(- 尸)] ...₍₃₀₎

= -A_ M

【0151】図 31は、レンズ 20の前焦点面上で、赤色の点光源を位置（一 f iAr/P, 0) に配置し、緑色の点光源を位置（+f A_g/P, 0) に配置し、青色の点光源を位置（0, 0) に配置して、レンズ 40の後焦点面上で、赤色の再生光成分のうちの一 1次回折波、緑色の再生光成分のうちの + 1次回折波、及び、青色の再生光成分のうちの 0次回折波について、各々の集光点が光軸上で一致するようにした例である。図 32は、レンズ 20の前焦点面上で、赤色の点光源を位置（0, — fA_r/P) に配置し、緑色の点光源を位置（+ f ₁X_g/ ^/P， 0) に配置し、青色の点光源を位置（0， 0) に配置して、レンズ 40の後焦点面上で、赤色の再生光成分のうちの一 1次回折波、緑色の再生光成分のうちの + 1次回折波、及び、青色の再生光成分のうちの 0次回折波について、各々の集光点が光軸上で一致するようにした例である。

【0152】空間光変調素子 30に呈示される各色に関連するホログラムは、各色の照明光成分が空間光変調素子 30に垂直入射したときのホログラムであり、第 1実施例で説明したような入射角についての配慮は不要であるから、簡便かつ高速に計算することができる。

【0153】次に、第 4実施例の具体例について説明する。空間光変調素子 3 0としてソニー社製のデータプロジェクション用液晶パネル LCX 023 AL

(画素ピッチ P= 26μπα) を用いた。レンズ 20として色収差補正された焦点距離 15 Ommのレンズを用い、レンズ 40として色収差補正された焦点距離 1 5 Ommのレンズを用いた。赤色光を出力する単色光源 1 としてシチズン電子社製の発光ダイオード C L - 2 8 0 S R - C (波長 6 5 0 n m、寸法 1.0(L)x0.5(W)x0.6(H)) を用いた。緑色光を出力する単色光源 1 l_gとして豊田合成社製の発光ダイオード E 1 S 07 -AG 1 A 7-0 2 (波長 5 3 0 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)xl.15(H)) を用いた。青色光を出力する単色光源 1 1 bとして豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AB 1A7-02 (波長 470 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)xl.l5(H)) を用いた。

【01 54】また、赤色光を出力する単色光源 1 l_rを位置（_ 3. 75mm, 0) 又は位置（0， _ 3. 75mm) に配置し、緑色光を出力する単色光源 1 l_g を位置（+ 3. 06mm, 0) に配置した。ピンホーノレ 1 2_r、 1 2 _gs 1 2_bそれぞれの開口径を 1 5 Ομπιとした。空間光変調素子 30へ入射される赤色の照明光成分の入射角を + 1. 43°とし、空間光変調素子 30へ入射される緑色の照明光成分の入射角を一 1. 1 7。とした。マスク 50の開口部 5 1の寸法を 2. 7 m m(W)x 1. 3mm(H)とした。そして、空問光変調素子 30の駆動周波数を 70 Hzとし、各色（波長）に関連したホログラムを空間光変調素子 30に順次呈示させるとともに、これと同期して 3つの単色光源 1 l_r、 1 1_&、 l ibを順次発光させることにより、マスク 50の開口部 5 1を通じてフルカラーの三次元像を鮮明に観察することができた。

【01 55】なお、本実施例の如く、青色の再生光成分については 0次回折波を観察するのに対して、他の色の再生光成分については高次回折波を観察する場合、 0次回折波と比較して高次回折波の光量が小さい。そこで、開口率向上のため画素毎にマク口レンズが搭載された液晶パネルを空間光変調素子 30として利用するのが好ましい。これにより、各画素を通過した光が発散されて、高次回折波の光量を多くすることできる。このような液晶パネルとして、ソニー社製の液晶パネル L CX 023 CMT (画素ピッチ P= 26μπι) を利用することができる。この液晶パネルを利用するとともに、単色光源 1 1_Γ、 1 1_ε、 1 lbそれぞれに供給する駆動電流の大きさを調整することにより、カラー三次元像の色バランスを向上させることができた。

【0 1 56】以上のように、第 4実施例に係る三次元像表示装置 4及び三次元像表示方法は、空間光変調素子 3 0へ入射される 3波長の照明光成分それぞれの入射方位が適切に設定され、かつ、空間光変調素子 3 0から発生した 3波長の再生光成分それぞれの 0次回折波又は高次回折波がレンズ 4 0により波面変換された後に開口部 5 1において互いに重なるので、低解像度の空間光変調素子 3 0を利用した場合であっても鮮明に三次元像をカラー表示することができる。また、第 2従来技術の如く 3波長の再生光成分を重ねあわせるためのハーフミラーが不要とであり、第 3従来技術の如く高速シャツタも不要であるので、小型かつ安価な三次元像表示装置が得られる。

(第 5実施例）

【0 1 5 7】次に、この発明に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の第 5実施例について説明する。図 3 5は、第 5実施例に係る三次元像表示装置 5 の構成を示す図である。この図に示された三次元像表示装置 5は、照明光源部 1 0、レンズ 2 0、ハーフミラ一 2 5、反射型の空間光変調素子 3 0、レンズ 4 0 及びマスク 5 0を備えている。照明光源部 1 0、レンズ 2 0及びハーフミラー 2 5は、 3波長の照明光成分それぞれを平行平面波とし互いに異なる入射方位で空間光変調素子 3 0に入射させる照明光学系を構成している。ハーフミラー 2 5及びレンズ 4 0は、空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した 3波長の再生像それぞれを、波面変換して虚像化もしくは実像化する再生像変換光学系を構成している。なお、照明光学系と再生像変換光学系とはハーフミラー 2 5 を共有している。

【0 1 5 8】第 4実施例と比較すると、第 5実施例に係る三次元像表示装置 5 及び三次元像表示方法は、照明光源部 1 0、レンズ 2 0、レンズ 4 0及びマスク 5 0それぞれが同様であるが、空間光変調素子 3 0が反射型の空間光変調素子であることに起因して相互の配置が異なる。また、第 4実施例と比較すると、第 5 実施例に係る三次元像表示装置 5の動作及び三次元像表示方法は、照明光成分がレンズ 2 0により平行平面波とされた後にハーフミラー 2 5を透過して空間光変調素子 30へ入射する点、空間光変調素子 30へ照明光成分が入射する側と同一の側に再生光成分が出射する点、及び、その再生光成分がハーフミラー 25により反射された後にレンズ 40により波面変換される点、で異なる。その他の点では、第 5実施例に係る三次元像表示装置 5の動作及び三次元像表示方法は、第 4 実施例と原理的に同様である。

【0159】次に、第 5実施例の具体例について説明する。空間光変調素子 3 0として Micro Display社製のマイクロモニタ用反射型液晶パネル MD 800 G 6 (画素ピッチ P= 1 2. 55μΐΏ) を用いた。レンズ 20として色収差補正された焦点距離 12 Ommのレンズを用い、レンズ 40として色収差補正された焦点距離 6 Ommのレンズを用いた。赤色光を出力する単色光源 1 l_rとしてシチズン電子社製の発光ダイオード C L- 2 8 0 S R-C (波長 6 50 n m、寸法 1.0(L)x0.5(W)x0.6(H)) を用いた。緑色光を出力する単色光源 1 l_gとして豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AG 1 A7-02 (波長 530 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)xl.15(H)) を用いた。青色光を出力する単色光源 1 l_bとして豊田合成社製の発光ダイオード E 1 S 07-AB 1 A 7-02 (波長 470 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)xl.l5(H)) を用いた。

【0160】また、赤色光を出力する単色光源 1 lrを位置（一6. 24mm, 0) 又は位置（0， —6. 24mm) に配置し、緑色光を出力する単色光源 1 l_g を位置（+ 5. 09mm, 0) に配置した。ピンホール 12_r、 12_g、 12_bそれぞれの開口径を 1 5 Opmとした。空間光変調素子 30へ入射される赤色の照明光成分の入射角を +2. 98。とし、空間光変調素子 30へ入射される緑色の照明光成分の入射角を一 2. 43。とした。マスク 50の開口部 51の寸法を 2. 2 m m(W)x 1. lmm(H)とした。そして、空間光変調素子 30の駆動周波数を 90 Hzとし、各色（波長）に関連したホログラムを空間光変調素子 30に順次呈示させるとともに、これと同期して 3つの単色光源 1 l_r、 l l_g、 l ibを順次発光させることにより、マスク 50の開口部 51を介してフルカラーの三次元像を鮮明に観察することができた。

(第 6実施例）

【0 1 6 1】次に、この発明に係る三次元像表示装置及び三次元像表示方法の第 6実施例について説明する。図 3 6は、第 6実施例に係る三次元像表示装置 6 の構成を示す図である。この図に示された三次元像表示装置 6は、照明光源部 1 0、ハーフミラー 2 5、レンズ 2 0、反射型の空間光変調素子 3 0及びマスク 5 0を備えている。照明光源部 1 0、ハーフミラー 2 5及びレンズ 2 0は、 3波長の照明光成分それぞれを平行平面波とし互いに異なる入射方位で空間光変調素子 3 0に入射させる照明光学系を構成している。レンズ 2 0及びハーフミラー 2 5 は、空間光変調素子 3 0に呈示されたホログラムから発生した 3波長の再生像それぞれを、波面変換して虚像化もしくは実像化する再生像変換光学系を構成している。なお、照明光学系と再生像変換光学系とは、レンズ 2 0及びハーフミラー 2 5を共有している。

【0 1 6 2】第 4実施例と比較すると、第 6実施例に係る三次元像表示装置 6 及び三次元像表示方法は、照明光源部 1 0、空間光変調素子 3 0及びマスク 5 0 それぞれが同様のものであるが、空間光変調素子 3 0が反射型の空間光変調素子であることに起因して相互の配置が異なる。また、第 4実施例と比較すると、第 6実施例に係る三次元像表示装置 6の動作及び三次元像表示方法は、レンズ 2 0 がレンズ 4 0の作用をも兼ねている点、照明光成分がハーフミラー 2 5を透過した後にレンズ 2 0により平行平面波とされて空間光変調素子 3 0へ入射する点、空間光変調素子 3 0へ照明光成分が入射する側と同一の側に再生光成分が出射する点、及び、その再生光成分がレンズ ² 0を経た後にハーフミラー 2 5により反射されて波面変換される点、で異なる。その他の点では、第 6実施例に係る三次元像表示装置 6の動作及び三次元像表示方法は、第 4実施例と原理的に殆ど同様である。

【0 1 6 3】次に、第 6実施例の具体例について説明する。空間光変調素子 3 0として Micro Display社製のマイクロモニタ用反射型液晶パネル MD 800 G 6 (画素ピッチ P= 1 2. 55μπι) を用いた。レンズ 40の作用を兼ねるレンズ 20として色収差補正された焦点距離 6 Ommのレンズを用いた。赤色光を出力する単色光源 1 l_rとしてシチズン電子社製の発光ダイオード CL- 280 SR -C (波長 650 nm、寸法 1.0(L)x0.5(W)x0.6(H)) を用いた。緑色光を出力する単色光源 1 l_g として豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07 -AG 1 A 7-0 2 (波長 530 nm、寸法 1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。青色光を出力する単色光源 1 lb として豊田合成社製の発光ダイォード E 1 S 07-AB 1A7- 02 (波長 470 nm、寸法.1.6(L)x0.6(W)x 1.15(H)) を用いた。

【0164】また、赤色光を出力する単色光源 1 l_rを位置（一3. 02mm, 0) 又は位置（0，一 3. 02mm) に配置し、緑色光を出力する単色光源 1 l_g を位置（+2. 54mm, 0) に配置した。ピンホーノレ 12_Γ、 12 _ε、 12_bそれぞれの開口径を 150μπιとした。空間光変調素子 30へ入射される赤色の照明光成分の入射角を +2. 98。とし、空間光変調素子 30へ入射される緑色の照明光成分の入射角を一2. 43°とした。マスク 50の開口部 51の寸法を 2. 2 m m(W)x 1. lmm(H)とした。そして、空間光変調素子 30の駆動周波数を 90 Hzとし、各色（波長）に関連したホログラムを空間光変調素子 30に順次呈示させるとともに、これと同期して 3つの単色光源 1 1_Γ、 1 l_g、 l ibを順次発光させることにより、マスク 50の開口部 51を介してフルカラーの三次元像を鮮明に観察することができた。

【0165】以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想及び範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

産業上の利用可能性

【0166】この発明によれば、離散的画素構造を有する空間光変調素子に、複数波長それぞれに関連したホログラムが呈示される。この空間光変調素子に対して、照明光学系により複数波長の照明光成分それぞれが平行平面波とされ互いに異なる入射方位で入射する。空間光変調素子に呈示されたホログラムから発生した複数波長の再生像それぞれは、再生像変換光学系により波面変換されて虚像化もしくは実像化される。その焦点面には、開口部を有するマスクを設けられている。そして、複数波長の再生光成分それぞれの何れかの次数の回折波が再生像変換光学系により開口部において互いに重なるよう、空間光変調素子へ入射される複数波長の照明光成分それぞれの入射方位が照明光学系により設定される。このように構成されることで、低解像度の空間光変調素子が適用された場合であつても鮮明に三次元像をカラ一表示することができる、小型かつ安価な三次元像表示装置等を提供することができる。

Claims

言青求の範囲

1 . 複数波長の照明光成分をホログラムに入射させることにより、該ホログラムから該複数波長の再生光成分を発生させ、これら再生光成分により三次元像を表示する三次元像表示装置であって、

前記複数波長それぞれに関連したホログラムを呈示する離散的画素構造を有する空間光変調素子と、

前記複数波長の照明光成分それぞれを平行平面波にし、互いに異なる入射方位で前記空間光変調素子に入射させる照明光学系と、

前記空間光変調素子に呈示されたホログラムから発生した前記複数波長の再生像それぞれを、波面変換して虚像化もしくは実像化する再生像変換光学系と、そして、

前記再生像変換光学系の焦点面に設けられた開口部を有するマスクとを備え、前記複数波長の再生光成分それぞれのうち何れかの次数の回折波が前記再生像変換光学系により波面変換された後に前記開口部において互いに重なるよう、前記空間光変調素子へ入射される前記複数波長の照明光成分それぞれの入射方位が前記照明光学系により設定された三次元像表示装置。

2 . 請求項 1記載の三次元像表示装置において、

前記照明光学系は、それぞれ出力波長の異なる複数の単色光源と、前記複数の単色光源それぞれに近接して設けられた複数のピンホールと、そして、前記複数の単色光源それぞれから出力され前記ピンホールを通過した光をコリメートするコリメート光学系とを含む。

3 . 請求項 1記載の三次元像表示装置において、

前記照明光学系は、前記複数波長の光成分それぞれに対して同一の焦点距離を有する色収差補正レンズを含む。

4 . 請求項 1記載の三次元像表示装置において、

前記再生像変換光学系は、前記複数波長の光成分それぞれに対して同一の焦点距離を有する色収差補正レンズを含む。

5 . 請求項 1記載の三次元像表示装置において、

前記複数波長の再生光成分それぞれの 0次回折波が前記再生像変換光学系により波面変換された後に前記開口部において互いに重なるよう、前記空間光変調素子へ入射される前記複数波長の照明光成分それぞれの入射方位が前記照明光学系により設定されている。

6 . 請求項 1記載の三次元像表示装置において、

前記複数波長のうち何れかの特定波長の照明光成分が前記空間光変調素子に垂直入射されるとともに、前記特定波長の再生光成分の 0次回折波と他の波長の再生光成分の高次回折波とが前記再生像変換光学系により波面変換された後に前記開口部において互いに重なるよう、前記空間光変調素子へ入射される前記複数波長の照明光成分それぞれの入射方位が前記照明光学系により設定されている。

7 . 請求項 6記載の三次元像表示装置において、

前記空間光変調素子の画素ピッチを Pとし、前記再生像変換光学系の焦点距離を f とし、前記複数波長のうち最短波長の再生光成分の回折波の次数を n！とし、他の波長の再生光成分の回折波の次数をとするとき、前記空間光変調素子へ入射される波長の照明光成分の入射角 θίは、

なる式で表され、そして、

前記開口部は、各辺の長さが f / P以下の矩形形状である。

8 . 請求項 1記載の三次元像表示装置において、

前記空間光変調素子は、前記照明光成分が入射する側と反対の側にそれぞれ再生光成分を出射する透過型構造を有する。

9 . 請求項 1記載の三次元像表示装置において、

前記空間光変調素子は、前記照明光成分が入射する側と同一の側に再生光成分を出射する反射型構造を有し、そして、前記照明光学系と前記再生像変換光学系とは、光部品の一部を共有している。

1 0 . 請求項 1記載の三次元像表示装置において、

前記空間光変調素子には、画素毎にマイク口レンズが搭載されている。

1 1 . 複数波長の照明光成分をホログラムに入射させることにより、該ホログラムから該複数波長の再生光成分を発生させ、これら再生光成分により三次元像を表示する三次元像表示方法であって、

前記複数波長それぞれに関連したホログラムを呈示する離散的画素構造を有する空間光変調素子を用意し、

照明光学系によつて前記複数波長の照明光成分それぞれを平行平面波とするとともに、該照明光学系によって互いに異なる入射方位で前記空間光変調素子に入射させ、

前記空間光変調素子に呈示されたホログラムから発生した前記複数波長の再生像それぞれを、再生像変換光学系により波面変換することで虚像化もしくは実像化し、

前記再生像変換光学系の焦点面に開口部を有するマスクを配置し、そして、前記複数波長の再生光成分それぞれの何れかの次数の回折波が前記再生像変換光学系により波面変換された後に前記開口部において互いに重なるよう、前記空間光変調素子へ入射される前記複数波長の照明光成分それぞれの入射方位を前記照明光学系により設定する三次元像表示方法。

1 2 . 請求項 1 1記載の三次元像表示方法において、

前記照明光学系は、それぞれが出力波長の異なる複数の単色光源と、前記複数の単色光源それぞれに近接して設けられた複数のピンホールと、そして、前記複数の単色光源それぞれより出力され前記ピンホールを通過した光をコリメートするコリメート光学系とを含む。

1 3 . 請求項 1 1記載の三次元像表示方法において、

前記照明光学系は、前記複数波長の光成分に対して同一の焦点距離を有する色収差補正レンズを含む。

1 4 . 請求項 1 1記載の三次元像表示方法において、

前記再生像変換光学系は、前記複数波長の光成分にして同一の焦点距離を有する色収差補正レンズを含む。

1 5 . 請求項 1 1記載の三次元像表示方法において、

前記複数波長の再生光成分それぞれの 0次回折波が前記再生像変換光学系により波面変換された後に前記開口部において互いに重なるよう、前記空間光変調素子へ入射される前記複数波長の照明光成分それぞれの入射方位を前記照明光学系により設定する。

1 6 . 請求項 1 1記載の三次元像表示方法において、

前記複数波長のうち何れかの特定波長の照明光成分が前記空間光変調素子に垂直入射されるとともに、前記特定波長の再生光成分の 0次回折波と他の波長の再生光成分の高次回折波とが前記再生像変換光学系により波面変換された後に前記開口部において互いに重なるよう、前記空間光変調素子へ入射される前記複数波長の照明光成分それぞれの入射方位を前記照明光学系により設定する。

1 7 . 請求項 1 6記載の三次元像表示方法において、

前記空間光変調素子の画素ピッチを Pとし、前記再生像変換光学系の焦点距離を f とし、前記複数波長のうち最短波長の再生光成分の回折波の次数を n 1とし、他の波長の再生光成分の回折波の次数を niとするとき、前記空間光変調素子へ入射される波長の照明光成分の入射角 θίは、

なる式で表され、そして、

前記開口部は、各辺の長さが λι f P以下の矩形形状である。

1 8 . 請求項 1 1記載の三次元像表示方法において、

前記空間光変調素子は、前記照明光成分が入射する側と反対の側に再生光成分を出射する透過型構造を有する。

1 9 . 請求項 1 1記載の三次元像表示方法において、

前記空間光変調素子は、前記照明光成分が入射する側と同一の側に再生光成分を出射する反射型構造を有し、そして、

前記照明光学系と前記再生像変換光学系とは、光部品の一部を共有している。

2 0 . 請求項 1 1記載の三次元像表示方法において、