(57)【要約】【課題】低解像度の空間光変調素子を用い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小型・安価な三次元像表示装置等を提供する。【解決手段】三次元像表示装置１は、照明光源部１０、レンズ２０、透過型の空間光変調素子３０、レンズ４０およびマスク５０を備える。照明光源部１０は、互いに異なる波長（赤、緑、青）の照明光を出力する３つの点光源を有している。最短波長の青色の照明光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。赤色の照明光を出力する点光源は位置Ｒ（ｘｒ，０）にある。緑色の照明光を出力する点光源は位置Ｇ（ｘｇ，０）にある。マスク５０の開口部５１は、３波長の再生光それぞれの０次回折波がレンズ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。このようになるように、３波長の照明光それぞれの空間光変調素子３０への入射方位が照明光学系により設定されている。【選択図】　図１
2004102075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長の照明光をホログラムに入射させて、このホログラムから複数の波長の再生光を発生させ、これら複数の波長の再生光により三次元像を表示する装置であって、
前記複数の波長それぞれに応じ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、
前記複数の波長の照明光それぞれを平行平面波と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の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、
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、
前記複数の波長の再生光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て前記開口部において互いに重なるよう、前記複数の波長の照明光それぞれの前記空間光変調素子への入射方位が前記照明光学系により設定されている、
ことを特徴とする三次元像表示装置。
【請求項２】
前記照明光学系は、
出力波長が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、
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、
を含むことを特徴とする請求項１記載の三次元像表示装置。
【請求項３】
前記照明光学系は、前記複数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を含む、ことを特徴とする請求項１記載の三次元像表示装置。
【請求項４】
前記再生像変換光学系は、前記複数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を含む、ことを特徴とする請求項１記載の三次元像表示装置。
【請求項５】
前記複数の波長の再生光それぞれの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て前記開口部において互いに重なるよう、前記複数の波長の照明光それぞれの前記空間光変調素子への入射方位が前記照明光学系により設定されている、ことを特徴とする請求項１記載の三次元像表示装置。
【請求項６】
前記複数の波長のうちの何れかの特定波長の照明光が前記空間光変調素子に垂直入射し、前記特定波長の再生光の０次回折波と他の波長の再生光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て前記開口部において互いに重なるよう、前記複数の波長の照明光それぞれの前記空間光変調素子への入射方位が前記照明光学系により設定されている、ことを特徴とする請求項１記載の三次元像表示装置。
【請求項７】
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、前記複数の波長のうち最短波長λ１の再生光の回折波の次数をｎ１とし、他の波長λｉの再生光の回折波の次数をｎｉとしたとき、
波長λｉの照明光の前記空間光変調素子への入射角θｉが
θｉ＝ｓｉｎ−１｛（ｎ１λ１−ｎｉλｉ）／Ｐ｝
なる式で表され、
前記開口部の各辺の長さがλ１ｆ／Ｐ以下の矩形形状である、
ことを特徴とする請求項６記載の三次元像表示装置。
【請求項８】
前記空間光変調素子は、透過型のものであって、前記照明光が入射する側と反対の側に再生光を出射する、ことを特徴とする請求項１記載の三次元像表示装置。
【請求項９】
前記空間光変調素子は、反射型のものであって、前記照明光が入射する側と同一の側に再生光を出射し、
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、ことを特徴とする請求項１記載の三次元像表示装置。
【請求項１０】
前記空間光変調素子は画素毎にマイクロレンズが搭載されたものである、ことを特徴とする請求項１記載の三次元像表示装置。
【請求項１１】
複数の波長の照明光をホログラムに入射させて、このホログラムから複数の波長の再生光を発生させ、これら複数の波長の再生光により三次元像を表示する方法であって、
前記複数の波長それぞれに応じ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い、
照明光学系により前記複数の波長の照明光それぞれを平行平面波と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、
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の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設けて、
前記複数の波長の再生光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て前記開口部において互いに重なるよう、前記複数の波長の照明光それぞれの前記空間光変調素子への入射方位を前記照明光学系により設定する、
ことを特徴とする三次元像表示方法。
【請求項１２】
前記照明光学系は、
出力波長が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、
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、
を含むことを特徴とする請求項１１記載の三次元像表示方法。
【請求項１３】
前記照明光学系は、前記複数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を含む、ことを特徴とする請求項１１記載の三次元像表示方法。
【請求項１４】
前記再生像変換光学系は、前記複数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を含む、ことを特徴とする請求項１１記載の三次元像表示方法。
【請求項１５】
前記複数の波長の再生光それぞれの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て前記開口部において互いに重なるよう、前記複数の波長の照明光それぞれの前記空間光変調素子への入射方位を前記照明光学系により設定する、ことを特徴とする請求項１１記載の三次元像表示方法。
【請求項１６】
前記複数の波長のうちの何れかの特定波長の照明光が前記空間光変調素子に垂直入射し、前記特定波長の再生光の０次回折波と他の波長の再生光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て前記開口部において互いに重なるよう、前記複数の波長の照明光それぞれの前記空間光変調素子への入射方位を前記照明光学系により設定する、ことを特徴とする請求項１１記載の三次元像表示方法。
【請求項１７】
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、前記複数の波長のうち最短波長λ１の再生光の回折波の次数をｎ１とし、他の波長λｉの再生光の回折波の次数をｎｉとしたとき、
波長λｉの照明光の前記空間光変調素子への入射角θｉが
θｉ＝ｓｉｎ−１｛（ｎ１λ１−ｎｉλｉ）／Ｐ｝
なる式で表され、
前記開口部の各辺の長さがλ１ｆ／Ｐ以下の矩形形状である、
ことを特徴とする請求項１６記載の三次元像表示方法。
【請求項１８】
前記空間光変調素子は、透過型のものであって、前記照明光が入射する側と反対の側に再生光を出射する、ことを特徴とする請求項１１記載の三次元像表示方法。
【請求項１９】
前記空間光変調素子は、反射型のものであって、前記照明光が入射する側と同一の側に再生光を出射し、
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、
ことを特徴とする請求項１１記載の三次元像表示方法。
【請求項２０】
前記空間光変調素子は画素毎にマイクロレンズが搭載されたものである、ことを特徴とする請求項１１記載の三次元像表示方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の波長の照明光をホログラムに入射させて、このホログラムから複数の波長の再生光を発生させ、これら複数の波長の再生光により三次元像を表示する装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムを用いた三次元像表示装置は、照明光をホログラムに入射させることで、このホログラムから再生光を発生させ、この再生光により三次元像を表示する。また、三次元像表示装置は、複数の波長（例えば、赤色、緑色および青色の３波長）の照明光をホログラムに入射させることで、三次元像をカラー表示することができる。
【０００３】
高分解能で記録が可能な写真乾板を用いる従来技術（以下「従来技術１」と言う。）では、ホログラム記録時には、複数の波長それぞれの参照光および物体光を写真乾板に入射させて、該写真乾板に各波長についてのホログラムを多重記録する。再生時には、記録時と同じ複数の波長の照明光を同一入射方位でホログラムに入射させることで、複数の波長の再生光を発生させる。これにより、これら複数の波長の再生光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。
【０００４】
しかし、この従来技術１では、写真乾板に各波長についてのホログラムが多重記録されていることから、波長λａについてのホログラムに該波長λａの照明光が入射して該波長λａの所望の再生光が発生するだけでなく、波長λａについてのホログラムに他の波長λｂ（λａ≠λｂ）の照明光も入射して、波長λａについてのホログラムから波長λｂの再生光も発生する。これらのうち、前者の波長λａの所望の再生光は本来の三次元像のカラー表示の為のものである。これに対して、後者の波長λｂの再生光は、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ことから、本来の三次元像に対してクロストークとなり、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、記録時に、物体光が写真乾板に略垂直に入射する場合に、複数の波長それぞれの参照光の該写真乾板への入射方位を互いに異なるものとし、これにより、再生時にクロストークとなる再生光が本来の三次元像に重ならないようにしている。
【０００５】
下記の非特許文献１に記載された従来技術（以下「従来技術２」と言う。）では、ホログラムを呈示することができる空間光変調素子を３つ用い、第１の空間光変調素子に赤色の光についてのホログラムを呈示し、第２の空間光変調素子に緑色の光についてのホログラムを呈示し、第３の空間光変調素子に青色の光についてのホログラムを呈示する。そして、第１の空間光変調素子に赤色の照明光を入射させ、第２の空間光変調素子に緑色の照明光を入射させ、第３の空間光変調素子に青色の照明光を入射させて、各々の空間光変調素子から発生した再生光を空間的に重ね合わせ、その後段に設けたマスクにより０次透過光を除去して、カラーの三次元像を得る。
【０００６】
下記の特許文献１に開示された従来技術（以下「従来技術３」と言う。）では、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している。すなわち、一般の回折格子に平行光を入射させたときに０次回折波だけでなく１次以上の高次回折波も生じるのと同様に、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は０次回折波だけでなく高次回折波をも含む。空間光変調素子における隣接２画素において物体光と参照光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）に呈示範囲を限定してホログラムを空間光変調素子に呈示した場合、照明光の入射により空間光変調素子から発生する再生光の高次回折波の波面は０次回折波と同様であるが、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で、回折波の次数毎にλｆ／Ｐの間隔で分離して波面変換される。ここで、λは照明光の波長であり、ｆはレンズの焦点距離であり、Ｐ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λｆ／Ｐ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の０次回折波を通過させ、その一方で高次回折波をマスクにより遮断する。
【０００７】
また、従来技術３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と参照光との合成波面の位相差をπ以上２π未満の範囲（１次の折り返し成分を含む範囲）に呈示範囲を限定してホログラムを空間光変調素子に呈示した場合、照明光の入射により空間光変調素子から発生する再生光の高次回折波の波面は０次回折波と同様であり、０次回折波および全ての高次回折波は１次の折り返し成分を含む。再生光のうちから所望の１次回折波のみを取り出すために、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λｆ／Ｐ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の１次回折波を通過させ、その一方で０次回折波および２次以上の高次回折波をマスクにより遮断する。
【０００８】
すなわち、従来技術３では、特定次数の折り返し成分を含む範囲に呈示範囲を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、各次数に対応したホログラムの呈示と開口部の選択とを時分割また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。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−２５０３８７号公報
【非特許文献１】
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
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術１〜３それぞれは以下のような問題点を有している。従来技術１は、高分解能で記録が可能な写真乾板を用いる場合には好適なものである。しかし、空間分解能が低い空間光変調素子を用いて従来技術１の構成とした場合には、再生時にクロストークとなる再生光が本来の三次元像に重ならないようにするために空間光変調素子への照明光の入射角を大きくすることができない。また、従来技術３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に従来技術１を適用することは困難である。
【００１１】
従来技術２は、複数の空間光変調素子それぞれから発生した再生光を空間的に重ね合わせるものであるが、その重ね合わせのためにハーフミラーを用いる必要がある。このことから、従来技術２では、装置が大型となり、再生光の光量が低下する。また、再生光の光量の低下を補償するために、照明光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を用いることが必要となって、装置が高価となる。
【００１２】
従来技術３は、視域拡大を目的としており、単一波長の照明光を空間光変調素子へ垂直に入射させるものであって、複数波長の照明光を空間光変調素子へ入射させるものでは無く、また、照明光を空間光変調素子へ斜め入射させるものでも無い。また、従来技術３は、空間合成することに因る装置の大型化の問題点や、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高価であるという問題点を有している。
【００１３】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、低解像度の空間光変調素子を用い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小型・安価な三次元像表示装置および三次元像表示方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る三次元像表示装置は、複数の波長の照明光をホログラムに入射させて、このホログラムから複数の波長の再生光を発生させ、これら複数の波長の再生光により三次元像を表示する装置であって、複数の波長それぞれに応じ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、複数の波長の照明光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照明光学系と、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の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、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、複数の波長の再生光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て開口部において互いに重なるよう、複数の波長の照明光それぞれの空間光変調素子への入射方位が照明光学系により設定されている、ことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る三次元像表示方法は、複数の波長の照明光をホログラムに入射させて、このホログラムから複数の波長の再生光を発生させ、これら複数の波長の再生光により三次元像を表示する方法であって、複数の波長それぞれに応じ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い、照明光学系により複数の波長の照明光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、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の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、複数の波長の再生光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て開口部において互いに重なるよう、複数の波長の照明光それぞれの空間光変調素子への入射方位を照明光学系により設定する、ことを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、離散的画素構造を有する空間光変調素子に、複数の波長それぞれに応じ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の波長の照明光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の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、複数の波長の再生光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て開口部において互いに重なるよう、複数の波長の照明光それぞれの空間光変調素子への入射方位が照明光学系により設定される。
【００１７】
本発明に係る三次元像表示装置または三次元像表示方法では、照明光学系は、出力波長が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、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ートするコリメート光学系と、を含むのが好適である。
【００１８】
本発明に係る三次元像表示装置または三次元像表示方法では、照明光学系は、複数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を含むのが好適であり、また、再生像変換光学系は、複数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を含むのが好適である。
【００１９】
本発明に係る三次元像表示装置または三次元像表示方法では、複数の波長の再生光それぞれの０次回折波が再生像変換光学系により波面変換されて開口部において互いに重なるよう、複数の波長の照明光それぞれの空間光変調素子への入射方位が照明光学系により設定されているのが好適である。
【００２０】
本発明に係る三次元像表示装置または三次元像表示方法では、複数の波長のうちの何れかの特定波長の照明光が空間光変調素子に垂直入射し、特定波長の再生光の０次回折波と他の波長の再生光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て開口部において互いに重なるよう、複数の波長の照明光それぞれの空間光変調素子への入射方位が照明光学系により設定されているのが好適である。
【００２１】
本発明に係る三次元像表示装置または三次元像表示方法では、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ｆとし、複数の波長のうち最短波長λ１の再生光の回折波の次数をｎ１とし、他の波長λｉの再生光の回折波の次数をｎｉとしたとき、波長λｉの照明光の空間光変調素子への入射角θｉが
θｉ＝ｓｉｎ−１｛（ｎ１λ１−ｎｉλｉ）／Ｐ｝
なる式で表され、開口部の各辺の長さがλ１ｆ／Ｐ以下の矩形形状であるのが好適である。
【００２２】
本発明に係る三次元像表示装置または三次元像表示方法では、空間光変調素子は、透過型のものであって、照明光が入射する側と反対の側に再生光を出射するのが好適である。
【００２３】
本発明に係る三次元像表示装置または三次元像表示方法では、空間光変調素子は、反射型のものであって、照明光が入射する側と同一の側に再生光を出射し、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好適である。
【００２４】
本発明に係る三次元像表示装置または三次元像表示方法では、空間光変調素子は画素毎にマイクロレンズが搭載されたものであるのが好適である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一また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、各図において、説明の便宜の為に、空間光変調素子に垂直な方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を示す。
【００２６】
（第１実施形態）
先ず、本発明に係る三次元像表示装置および三次元像表示方法の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の構成図である。この図に示される三次元像表示装置１は、照明光源部１０、レンズ２０、透過型の空間光変調素子３０、レンズ４０およびマスク５０を備えている。これらのうち、照明光源部１０およびレンズ２０は、３波長の照明光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。
【００２７】
照明光源部１０は、互いに異なる波長（赤、緑、青）の照明光を出力する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。赤色の照明光を出力する点光源は位置Ｒ（ｘｒ，０）にある。緑色の照明光を出力する点光源は位置Ｇ（ｘｇ，０）にある。各々の点光源は、例えば発光ダイオードやレーザダイオードなどを含み、単色性が優れた照明光を出力する。また、各々の点光源は、時系列に順次にパルス点灯される。
【００２８】
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３０に入射させる。レンズ２０が単一の凸レンズにより構成される場合には、３つの点光源それぞれとレンズ２０との間の間隔は、レンズ２０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、青色の照明光は空間光変調素子３０に垂直入射し、赤色および緑色それぞれの照明光は空間光変調素子３０に斜め入射する。レンズ２０は、各照明光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適である。
【００２９】
空間光変調素子３０は、離散的画素構造を有する透過型のものであり、３波長それぞれに応じたホログラムを時系列に順次に呈示する。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３０は、レンズ２０より各波長の照明光が時系列に順次に入射するのと同期して、各時点の波長に応じたホログラムを順次に呈示し、これにより、各波長の再生光を時系列に順次に出射する。すなわち、フィールドシーケンシャル方式が用いられる。
【００３０】
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してマスク５０の面上を通過させようとする。レンズ４０が単一の凸レンズにより構成される場合には、レンズ４０とマスク５０との間の間隔は、レンズ４０の焦点距離に等しい。レンズ４０は、各照明光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適である。
【００３１】
マスク５０は、レンズ４０の焦点面に設けられており、開口部５１を有している。この開口部５１は、各辺がｘ軸またはｙ軸に概略平行な矩形形状を有し、空間光変調素子３０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３０の０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ためこれを遮断する機能と、さらに空間光変調素子３０に呈示されたホログラムから発生した０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。開口部５１は、３波長の再生光それぞれの何れかの次数の回折波がレンズ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。特に、本実施形態では、開口部５１は、３波長の再生光それぞれの０次回折波がレンズ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。このようになるように、３波長の照明光それぞれの空間光変調素子３０への入射方位が照明光学系により設定されている。
【００３２】
図２は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の照明光学系および空間光変調素子３０の説明図である。この図に示されるように、照明光源部１０に含まれる青色の点光源はレンズ２０の光軸上にあり、この青色の点光源より出力された照明光は、レンズ２０によりコリメートされて、平行平面波６０ｂとされ、空間光変調素子３０に垂直入射する。赤色の点光源はレンズ２０の光軸から離間した位置にあり、この赤色の点光源より出力された照明光は、レンズ２０によりコリメートされて、ｚ軸に対して傾斜した方向６１ｒに進む平行平面波６０ｒとされ、空間光変調素子３０に斜め入射する。緑色の点光源は、赤色の点光源と同様である。
【００３３】
図３は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の照明光学系の説明図である。この図に示されるように、照明光源部１０は、出力波長が互いに異なる３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂと、３つのピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂとを含む。ピンホール１２ｒは、赤色の光を出力する単色光源１１ｒに近接して位置Ｒ（ｘｒ，０）に設けられ、この単色光源１１ｒより出力された光をレンズ２０へ出力する。ピンホール１２ｇは、緑色の光を出力する単色光源１１ｇに近接して位置Ｇ（ｘｇ，０）に設けられ、この単色光源１１ｇより出力された光をレンズ２０へ出力する。ピンホール１２ｂは、青色の光を出力する単色光源１１ｂに近接して位置Ｂ（０，０）に設けられ、この単色光源１１ｂより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１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ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１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれから出力される照明光は、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。
【００３４】
次に、第１実施形態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として振幅および位相の双方を画素毎に変調することができるものを用いた場合には透過光および共役像が発生しないが、空間光変調素子３０として振幅およ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ものを用いた場合には透過光およ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。
【００３５】
図４は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１において空間光変調素子３０へ青色の照明光が垂直入射したときの三次元像の１輝点の表示動作の説明図である。図５は、第１実施形態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の説明図である。青色の照明光に対応するホログラム３１ｂ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６０ｂとされた青色の照明光が空間光変調素子３０に垂直入射する。青色の照明光に対応するホログラム３１ｂは、空間光変調素子３０の半平面（ｙ＜０の領域）に呈示される。照明光が空間光変調素子３０に入射することにより、三次元像の輝点の再生像６２ｂおよび共役像６３ｂ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６２ｂは、レンズ４０によりマスク５０上の領域５２ｂ（ｙ＜０の領域）に波面変換される。一方、輝点の共役像６３ｂは、レンズ４０によりマスク５０上の領域５３ｂ（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、共役像および０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５１を通過して観察され得る。
【００３６】
図６は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１において空間光変調素子３０へ照明光が斜め入射したときの三次元像の１輝点の表示動作の説明図である。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に示されたものと同様であるとする。この場合、平行平面波６０とされた照明光が空間光変調素子３０に斜め入射し、三次元像の輝点の再生像６２および共役像６３が平行平面波６０の光軸６１上に形成される。これは、図４に示された再生像および共役像の形成位置とは異なる。
【００３７】
そこで、本実施形態では、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。
【００３８】
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ものである。三次元像を構成する１輝点からの物体光は球面波で表される。位置（ｘ０，ｙ０，Ｌ０）にある輝点から発生した物体光Ｏｉ，ｊは、空間光変調素子３０上の位置（ｘｉ，ｙｊ，０）において、
【数１】
2004102075.tif 000003
なる式で表される。ここで、ｒは位置（ｘ０，ｙ０，Ｌ０）にある輝点から空間光変調素子３０上の位置（ｘｉ，ｙｊ，０）までの距離であり、ｋは物体光の波数である。また、入射角θの平行平面波である参照光Ｒｉ，ｊは、空間光変調素子３０上の位置（ｘｉ，ｙｊ，０）において、
【数２】
2004102075.tif 000004
なる式で表される。
【００３９】
ホログラム面上で物体光と参照光とが合成され、
【数３】
2004102075.tif 000005
なる式で表すと、ホログラム面上の位置（ｘｉ，ｙｊ，０）において、光の位相φｉ，ｊは、
【数４】
2004102075.tif 000006
なる式で表され、光強度は、
【数５】
2004102075.tif 000007
なる式で表される。再生時に空間光変調素子３０に入射する照明光は参照光Ｒと同等のものであるので、上記（５）式の右辺の第３項より計算機ホログラムが作成される。
【００４０】
計算機ホログラムの計算範囲については、ホログラムを表示する空間光変調素子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と参照光との合成波面の位相差がπ以下である範囲、すなわち、
【数６】
2004102075.tif 000008
なる式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。
【００４１】
図７および図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の説明図である。図７は、点光源が位置（０，ｙ）にあるときの空間光変調素子３０におけるホログラム３１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３０におけるホログラム３１の呈示範囲を示す。これらの図に示されるように、空間光変調素子３０に呈示されるホログラム３１は、図５に示されたホログラム３１ｂをｘ軸またはｙ軸に平行に移動したものと類似している。
【００４２】
図９は、図７に示されたホログラム３１が空間光変調素子３０に呈示されたときに空間光変調素子３０へ照明光が斜め入射したときの三次元像の１輝点の表示動作の説明図である。この図に示されるように、平行平面波６０とされた照明光が空間光変調素子３０に斜め入射したときに、三次元像の輝点の再生像６２が光軸６１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。
【００４３】
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ものである。上述した第１のホログラム作成方法では、参照光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と参照光との積を計算する必要があり、参照光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、短時間にホログラムを計算することができる。
【００４４】
図１０は、第２のホログラム作成方法の説明図である。空間光変調素子３０に呈示されるホログラムが図５に示されたものと同様であるとすると、これにより生じる輝点６２’の形成位置は、所望する輝点６２の形成位置より、ｘ軸方向に距離Ｄだけ離れたものとなる。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、
【数７】
2004102075.tif 000009
なる式で表される。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、
【数８】
2004102075.tif 000010
なる式で表される。
【００４５】
以上に説明した第１または第２のホロ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。
【００４６】
次に、各波長の照明光の入射により空間光変調素子３０から発生する再生光について説明する。
【００４７】
図１１〜図１５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ものである。空間光変調素子３０が振幅およ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ものとし、図５に示されるように空間光変調素子３０の半平面（ｙ＜０）にホログラムが呈示されるものとして、図１１に示されるように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。
【００４８】
この場合、図１２に示されるように、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、
【数９】
2004102075.tif 000011
で表される４点Ｒ１〜Ｒ４で囲まれる矩形領域５２ｒに波面変換される。ここで、λｒは赤色の再生光の波長であり、ｆはレンズ４０の焦点距離であり、Ｐｘは空間光変調素子３０のｘ軸方向の画素ピッチであり、Ｐｙ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、
【数１０】
2004102075.tif 000012
で表される４点Ｒ１およびＲ４〜Ｒ６で囲まれる矩形領域に波面変換される。そして、４点Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５およびＲ６で囲まれる矩形領域を１単位として、０次および高次の再生像および共役像がレンズ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。
【００４９】
同様に、図１３に示されるように、空間光変調素子３０から発生した波長λｇの緑色の再生光の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、
【数１１】
2004102075.tif 000013
で表される４点Ｇ１〜Ｇ４で囲まれる矩形領域５２ｇに波面変換される。また、図１４に示されるように、空間光変調素子３０から発生した最短波長λｂの青色の再生光の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、
【数１２】
2004102075.tif 000014
で表される４点Ｂ１〜Ｂ４で囲まれる矩形領域５２ｂに波面変換される。
【００５０】
そして、図１５に示されるように、レンズ４０の後焦点面上における波面変換領域５２ｒ，５２ｇおよび５２ｂを重ねて表すと、赤色の波面変換領域５２ｒの中に緑色の波面変換領域５２ｇが含まれ、緑色の波面変換領域５２ｇの中に青色の波面変換領域５２ｂが含まれる。したがって、マスク５０の開口部５１を青色の波面変換領域５２ｂと同等のものとすることにより、この開口部５２を通過した各色の再生光を観察することで、フルカラーの三次元像を観察することができる。
【００５１】
しかし、図１１に示されるような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、本実施形態では、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波長の照明光を空間光変調素子３０に垂直入射させ、他の２つの波長の照明光を空間光変調素子３０に斜め入射させる。
【００５２】
図１６〜図１９は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１および三次元像表示方法について説明するものである。図１６は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１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１７は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１のマスク５０配置位置における赤色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。図１８は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１のマスク５０配置位置における緑色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。第１実施形態に係る三次元像表示装置１のマスク５０配置位置における青色の再生光の０次回折波の波面変換領域は、図１４に示されたものと同様である。図１９は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１のマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【００５３】
第１実施形態では、図１６に示されるように、赤色の点光源が位置Ｒ（ｘｒ，０）に配置され、緑色の点光源が位置Ｇ（ｘｇ，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、ｘｒおよびｘｇそれぞれは、
【数１３】
2004102075.tif 000015
なる式で表される。ここで、ｆ１はレンズ２０の焦点距離であり、ｆ２はレンズ４０の焦点距離である。Ｍは光学系の倍率である。
【００５４】
この場合、図１７に示されるように、空間光変調素子３０から発生した赤色の再生光の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’（λｇｆ／２Ｐ−λｂｆ／２Ｐ，０）を基準とした矩形領域５２ｒに波面変換される。また、図１８に示されるように、空間光変調素子３０から発生した緑色の再生光の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’（−λｇｆ／２Ｐ＋λｂｆ／２Ｐ，０）を基準とした矩形領域５２ｇに波面変換される。また、図１４に示されるように、空間光変調素子３０から発生した青色の再生光の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５２ｂに波面変換される。
【００５５】
そして、図１９に示されるように、レンズ４０の後焦点面上における波面変換領域５２ｒ，５２ｇおよび５２ｂを重ねて表すと、赤色の波面変換領域５２ｒの中に緑色の波面変換領域５２ｇが含まれ、緑色の波面変換領域５２ｇの中に青色の波面変換領域５２ｂが含まれる。したがって、マスク５０の開口部５１を青色の波面変換領域５２ｂと同等のものとすることにより、この開口部５２を通過した各色の再生光を観察することで、フルカラーの三次元像を観察することができる。
【００５６】
次に、第１実施形態の具体的な実施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ョン用液晶パネルＬＣＸ０２３ＡＬ（画素ピッチＰ＝２６μｍ）を用いた。レンズ２０として色収差補正された焦点距離６００ｍｍのものを用い、レンズ４０として色収差補正された焦点距離１５０ｍｍのものを用いた。赤色光を出力する単色光源１１ｒとしてシチズン電子社製の発光ダイオードＣＬ−２８０ＳＲ−Ｃ（波長６５０ｎｍ、寸法１．０（Ｌ）×０．５（Ｗ）×０．６（Ｈ））を用いた。緑色光を出力する単色光源１１ｇとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＧ１Ａ７−０２（波長５３０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。青色光を出力する単色光源１１ｂとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＢ１Ａ７−０２（波長４７０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。
【００５７】
また、赤色光を出力する単色光源１１ｒを位置（−０．６９ｍｍ，０）に配置し、緑色光を出力する単色光源１１ｇを位置（＋０．６９ｍｍ，０）に配置した。ピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれの開口径を１５０μｍとした。空間光変調素子３０への赤色の照明光の入射角を＋０．０７°とし、空間光変調素子３０への緑色の照明光の入射角を−０．０７°とした。マスク５０の開口部５１の寸法を２．７ｍｍ（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、各色に対応したホログラムを空間光変調素子３０に順次に呈示させるとともに、これと同期して３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次に発光させることにより、マスク５０の開口部５１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。
【００５８】
次に、第１実施形態に係る三次元像表示装置およ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実施形態に係る三次元像表示装置１および三次元像表示方法の変形例Ａについて説明するものである。図２０は、第１実施形態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２１は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ａのマスク５０配置位置における赤色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。図２２は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ａのマスク５０配置位置における緑色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ａのマスク５０配置位置における青色の再生光の０次回折波の波面変換領域は、図１４に示されたものと同様である。図２３は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ａのマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【００５９】
この変形例Ａでは、図２０に示されるように、赤色の点光源が位置Ｒ（０，ｙｒ）に配置され、緑色の点光源が位置Ｇ（０，ｙｇ）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、ｙｒおよびｙｇそれぞれは、
【数１４】
2004102075.tif 000016
なる式で表される。
【００６０】
この場合、図２１に示されるように、空間光変調素子３０から発生した赤色の再生光の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，λｒｆ／２Ｐ−λｂｆ／２Ｐ，０）を基準とした矩形領域５２ｒに波面変換される。また、図２２に示されるように、空間光変調素子３０から発生した緑色の再生光の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，λｇｆ／２Ｐ−λｂｆ／２Ｐ，０）を基準とした矩形領域５２ｇに波面変換される。また、図１４に示されるように、空間光変調素子３０から発生した青色の再生光の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５２ｂに波面変換される。
【００６１】
そして、図２３に示されるように、レンズ４０の後焦点面上における波面変換領域５２ｒ，５２ｇおよび５２ｂを重ねて表すと、赤色の波面変換領域５２ｒの中に緑色の波面変換領域５２ｇが含まれ、緑色の波面変換領域５２ｇの中に青色の波面変換領域５２ｂが含まれる。したがって、マスク５０の開口部５１を青色の波面変換領域５２ｂと同等のものとすることにより、この開口部５２を通過した各色の再生光を観察することで、フルカラーの三次元像を観察することができる。
【００６２】
次に、第１実施形態の変形例Ａの具体的な実施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ョン用液晶パネルＬＣＸ０２３ＡＬ（画素ピッチＰ＝２６μｍ）を用いた。レンズ２０として色収差補正された焦点距離６００ｍｍのものを用い、レンズ４０として色収差補正された焦点距離１５０ｍｍのものを用いた。赤色光を出力する単色光源１１ｒとしてシチズン電子社製の発光ダイオードＣＬ−２８０ＳＲ−Ｃ（波長６５０ｎｍ、寸法１．０（Ｌ）×０．５（Ｗ）×０．６（Ｈ））を用いた。緑色光を出力する単色光源１１ｇとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＧ１Ａ７−０２（波長５３０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。青色光を出力する単色光源１１ｂとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＢ１Ａ７−０２（波長４７０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。
【００６３】
また、赤色光を出力する単色光源１１ｒを位置（０，−２．０８ｍｍ）に配置し、緑色光を出力する単色光源１１ｇを位置（０，−０．６９ｍｍ）に配置した。ピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれの開口径を１５０μｍとした。空間光変調素子３０への赤色の照明光の入射角を−０．２０°とし、空間光変調素子３０への緑色の照明光の入射角を−０．０７°とした。マスク５０の開口部５１の寸法を２．７ｍｍ（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、各色に対応したホログラムを空間光変調素子３０に順次に呈示させるとともに、これと同期して３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次に発光させることにより、マスク５０の開口部５１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。
【００６４】
次に、第１実施形態に係る三次元像表示装置およ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≦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（ｙ≦０）に配置されており、緑色の点光源が他方の半平面（ｙ≧０）に配置されている。図２４〜図２６は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１および三次元像表示方法の変形例Ｂについて説明するものである。図２４は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ｂ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２５は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ｂのマスク５０配置位置における緑色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ｂのマスク５０配置位置における赤色の再生光の０次回折波の波面変換領域は、図２１に示されたものと同様である。第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ｂのマスク５０配置位置における青色の再生光の０次回折波の波面変換領域は、図１４に示されたものと同様である。図２６は、第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ｂのマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【００６５】
この変形例Ｂでは、図２４に示されるように、赤色の点光源が位置Ｒ（０，ｙｒ）に配置され、緑色の点光源が位置Ｇ（０，ｙｇ）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、ｙｒおよびｙｇそれぞれは、
【数１５】
2004102075.tif 000017
なる式で表される。
【００６６】
この場合、図２１に示されるように、空間光変調素子３０から発生した赤色の再生光の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，λｒｆ／２Ｐ−λｂｆ／２Ｐ，０）を基準として下の矩形領域５２ｒに波面変換される。また、図２５に示されるように、空間光変調素子３０から発生した緑色の再生光の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，−λｂｆ／２Ｐ，０）を基準として上の矩形領域５２ｇに波面変換される。また、図１４に示されるように、空間光変調素子３０から発生した青色の再生光の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５２ｂに波面変換される。
【００６７】
そして、図２６に示されるように、レンズ４０の後焦点面上における波面変換領域５２ｒ，５２ｇおよび５２ｂを重ねて表すと、赤色の波面変換領域５２ｒの中に緑色の波面変換領域５２ｇが含まれ、緑色の波面変換領域５２ｇの中に青色の波面変換領域５２ｂが含まれる。したがって、マスク５０の開口部５１を青色の波面変換領域５２ｂと同等のものとすることにより、この開口部５２を通過した各色の再生光を観察することで、フルカラーの三次元像を観察することができる。
【００６８】
次に、第１実施形態の変形例Ｂの具体的な実施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ョン用液晶パネルＬＣＸ０２３ＡＬ（画素ピッチＰ＝２６μｍ）を用いた。レンズ２０として色収差補正された焦点距離２００ｍｍのものを用い、レンズ４０として色収差補正された焦点距離１５０ｍｍのものを用いた。赤色光を出力する単色光源１１ｒとしてシチズン電子社製の発光ダイオードＣＬ−２８０ＳＲ−Ｃ（波長６５０ｎｍ、寸法１．０（Ｌ）×０．５（Ｗ）×０．６（Ｈ））を用いた。緑色光を出力する単色光源１１ｇとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＧ１Ａ７−０２（波長５３０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。青色光を出力する単色光源１１ｂとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＢ１Ａ７−０２（波長４７０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。
【００６９】
また、赤色光を出力する単色光源１１ｒを位置（０，−０．６９ｍｍ）に配置し、緑色光を出力する単色光源１１ｇを位置（０，＋１．３６ｍｍ）に配置した。ピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれの開口径を１５０μｍとした。空間光変調素子３０への赤色の照明光の入射角を−０．２０°とし、空間光変調素子３０への緑色の照明光の入射角を＋０．３９°とした。マスク５０の開口部５１の寸法を２．７ｍｍ（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、各色に対応したホログラムを空間光変調素子３０に順次に呈示させるとともに、これと同期して３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次に発光させることにより、マスク５０の開口部５１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。
【００７０】
以上のように、第１実施形態に係る三次元像表示装置１および三次元像表示方法は、変形例Ａおよび変形例Ｂをも含めて、空間光変調素子３０への３波長の照明光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３０から発生した３波長の再生光それぞれの０次回折波がレンズ４０により波面変換されて開口部５１において互いに重なるので、低解像度の空間光変調素子３０を用い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、従来技術２の如く３波長の再生光を重ねあわせるためのハーフミラーを設ける必要がなく、従来技術３の如く高速シャッタを設ける必要もないので、三次元像表示装置１は小型・安価である。
【００７１】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る三次元像表示装置および三次元像表示方法の第２実施形態について説明する。図２７は、第２実施形態に係る三次元像表示装置２の構成図である。この図に示される三次元像表示装置２は、照明光源部１０、レンズ２０、ハーフミラー２５、反射型の空間光変調素子３０、レンズ４０およびマスク５０を備えている。これらのうち、照明光源部１０、レンズ２０およびハーフミラー２５は、３波長の照明光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、ハーフミラー２５およびレンズ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波長の再生光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。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。
【００７２】
第１実施形態の場合と比較すると、第２実施形態に係る三次元像表示装置２および三次元像表示方法は、照明光源部１０、レンズ２０、レンズ４０およびマスク５０それぞれが同様のものであるが、空間光変調素子３０が反射型のものであることに因り相互の配置が相違する。また、第１実施形態の場合と比較すると、第２実施形態に係る三次元像表示装置２の動作および三次元像表示方法は、照明光がレンズ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へ照明光が入射する側と同一の側に再生光が出射する点、および、その再生光がハーフミラー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、で相違する。その他の点では、第２実施形態に係る三次元像表示装置２の動作および三次元像表示方法は、第１実施形態（変形例Ａ，Ｂをも含む）と原理的に同様である。
【００７３】
次に、第２実施形態の具体的な実施例について説明する。空間光変調素子３０としてＭｉｃｒｏ　Ｄｉｓｐｌａｙ社製のマイクロモニタ用反射型液晶パネルＭＤ８００Ｇ６（画素ピッチＰ＝１２．５５μｍ）を用いた。レンズ２０として色収差補正された焦点距離３００ｍｍのものを用い、レンズ４０として色収差補正された焦点距離６０ｍｍのものを用いた。赤色光を出力する単色光源１１ｒとしてシチズン電子社製の発光ダイオードＣＬ−２８０ＳＲ−Ｃ（波長６５０ｎｍ、寸法１．０（Ｌ）×０．５（Ｗ）×０．６（Ｈ））を用いた。緑色光を出力する単色光源１１ｇとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＧ１Ａ７−０２（波長５３０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。青色光を出力する単色光源１１ｂとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＢ１Ａ７−０２（波長４７０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。
【００７４】
また、赤色光を出力する単色光源１１ｒを位置（−０．７２ｍｍ，０）に配置し、緑色光を出力する単色光源１１ｇを位置（＋０．７２ｍｍ，０）に配置した。ピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれの開口径を１５０μｍとした。空間光変調素子３０への赤色の照明光の入射角を−０．１４°とし、空間光変調素子３０への緑色の照明光の入射角を＋０．１４°とした。マスク５０の開口部５１の寸法を２．２ｍｍ（Ｗ）×１．１ｍｍ（Ｈ）とした。そして、空間光変調素子３０の駆動周波数を９０Ｈｚとし、各色に対応したホログラムを空間光変調素子３０に順次に呈示させるとともに、これと同期して３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次に発光させることにより、マスク５０の開口部５１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。
【００７５】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る三次元像表示装置および三次元像表示方法の第３実施形態について説明する。図２８は、第３実施形態に係る三次元像表示装置３の構成図である。この図に示される三次元像表示装置３は、照明光源部１０、ハーフミラー２５、レンズ２０、反射型の空間光変調素子３０およびマスク５０を備えている。これらのうち、照明光源部１０、ハーフミラー２５およびレンズ２０は、３波長の照明光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２０およびハーフミラー２５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波長の再生光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。照明光学系と再生像変換光学系とは、レンズ２０およびハーフミラー２５を共有している。
【００７６】
第２実施形態の場合と比較すると、第３実施形態に係る三次元像表示装置３および三次元像表示方法は、照明光源部１０、空間光変調素子３０およびマスク５０それぞれが同様のものであるが、空間光変調素子３０が反射型のものであることに因り相互の配置が相違する。また、第２実施形態の場合と比較すると、第３実施形態に係る三次元像表示装置３の動作および三次元像表示方法は、レンズ２０がレンズ４０の作用をも兼ねている点、照明光がハーフミラー２５を透過した後にレンズ２０により平行平面波とされて空間光変調素子３０へ入射する点、空間光変調素子３０へ照明光が入射する側と同一の側に再生光が出射する点、および、その再生光がレンズ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、で相違する。その他の点では、第３実施形態に係る三次元像表示装置２の動作および三次元像表示方法は、第２実施形態と原理的に殆ど同様である。
【００７７】
第３実施形態では、レンズ２０がレンズ４０の作用をも兼ねていることから、照明光学系および再生像変換光学系それぞれの焦点距離が互いに等しい。それ故、３つの点光源が位置Ｒ（ｘｒ，０），Ｇ（ｘｇ，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（−ｘｒ，０），Ｇ（−ｘｇ，０），Ｂ（０，０）となる。そして、図２９に示されるように、マスク５０面上における各色の波面変換領域５２ｒ，５２ｇ，５２ｂの全てが重なる領域（すなわち、マスク５０の開口部５１の領域）は、第１実施形態または第２実施形態の場合より狭くなることがある。
【００７８】
次に、第３実施形態の具体的な実施例について説明する。空間光変調素子３０としてＭｉｃｒｏ　Ｄｉｓｐｌａｙ社製のマイクロモニタ用反射型液晶パネルＭＤ８００Ｇ６（画素ピッチＰ＝１２．５５μｍ）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６０ｍｍのものを用いた。赤色光を出力する単色光源１１ｒとしてシチズン電子社製の発光ダイオードＣＬ−２８０ＳＲ−Ｃ（波長６５０ｎｍ、寸法１．０（Ｌ）×０．５（Ｗ）×０．６（Ｈ））を用いた。緑色光を出力する単色光源１１ｇとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＧ１Ａ７−０２（波長５３０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。青色光を出力する単色光源１１ｂとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＢ１Ａ７−０２（波長４７０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。
【００７９】
また、赤色光を出力する単色光源１１ｒを位置（−０．６５ｍｍ，０）に配置し、緑色光を出力する単色光源１１ｇを位置（＋０．６５ｍｍ，０）に配置した。ピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれの開口径を１５０μｍとした。空間光変調素子３０への赤色の照明光の入射角を−０．６２°とし、空間光変調素子３０への緑色の照明光の入射角を＋０．６２°とした。マスク５０の開口部５１の寸法を１．５ｍｍ（Ｗ）×１．１ｍｍ（Ｈ）とした。そして、空間光変調素子３０の駆動周波数を９０Ｈｚとし、各色に対応したホログラムを空間光変調素子３０に順次に呈示させるとともに、これと同期して３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次に発光させることにより、マスク５０の開口部５１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。
【００８０】
（第４実施形態）
次に、本発明に係る三次元像表示装置および三次元像表示方法の第４実施形態について説明する。図３０は、第４実施形態に係る三次元像表示装置４の構成図である。この図に示される三次元像表示装置４は、照明光源部１０、レンズ２０、透過型の空間光変調素子３０、レンズ４０およびマスク５０を備えている。これらのうち、照明光源部１０およびレンズ２０は、３波長の照明光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。
【００８１】
照明光源部１０は、互いに異なる波長（赤、緑、青）の照明光を出力する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。赤色の照明光を出力する点光源は位置Ｒ（ｘｒ，０）またはＲ（０，ｙｒ）にある。緑色の照明光を出力する点光源は位置Ｇ（ｘｇ，０）にある。各々の点光源は、例えば発光ダイオードやレーザダイオードなどを含み、単色性が優れた照明光を出力する。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に示されたものであるのが好適である。
【００８２】
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３０に入射させる。レンズ２０が単一の凸レンズにより構成される場合には、３つの点光源それぞれとレンズ２０との間の間隔は、レンズ２０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、青色の照明光は空間光変調素子３０に垂直入射し、赤色および緑色それぞれの照明光は空間光変調素子３０に斜め入射する。レンズ２０は、各照明光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適である。
【００８３】
空間光変調素子３０は、離散的画素構造を有する透過型のものであり、３波長それぞれに応じたホログラムを時系列に順次に呈示する。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３０は、レンズ２０より各波長の照明光が時系列に順次に入射するのと同期して、各時点の波長に応じたホログラムを順次に呈示し、これにより、各波長の再生光を時系列に順次に出射する。すなわち、フィールドシーケンシャル方式が用いられる。
【００８４】
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波長の再生光それぞれをマスク５０の面上に波面変換する。レンズ４０が単一の凸レンズにより構成される場合には、レンズ４０とマスク５０との間の間隔は、レンズ４０の焦点距離に等しい。レンズ４０は、各照明光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適である。
【００８５】
マスク５０は、レンズ４０の焦点面に設けられており、開口部５１を有している。この開口部５１は、各辺がｘ軸またはｙ軸に概略平行な矩形形状を有し、空間光変調素子３０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ためこれを遮断する機能と、さらに空間光変調素子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。開口部５１は、３波長の再生光それぞれの何れかの次数の回折波がレンズ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。特に、本実施形態では、開口部５１は、最短波長の青色の再生光の０次回折波と他の２波長の再生光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。このようになるように、３波長の照明光それぞれの空間光変調素子３０への入射方位が照明光学系により設定されている。
【００８６】
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Ｂ’（０，０）に集光される。照明光源部１０の位置Ｒ（ｘｒ，０）またはＲ（０，ｙｒ）にある赤色の点光源から出力された照明光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’（ｘｒ’，０）またはＲ’（０，ｙｒ’）に集光される。照明光源部１０の位置Ｇ（ｘｇ，０）にある青色の点光源から出力された照明光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’（ｘｇ’，０）に集光される。
【００８７】
しかし、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または図３２に示されるように、マスク５０面上において、青色の点光源の結像は、位置Ｇ１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Ｇ１に対してｘ軸またはｙ軸の方向に関して距離（λｂｆ／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軸またはｙ軸の方向に関して距離（λｂｆ／Ｐ）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。赤色およ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。
【００８８】
図３３は、第４実施形態に係る三次元像表示装置４の空間光変調素子３０および再生像変換光学系の説明図である。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の波長をλｂ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ｎｂとし、空間光変調素子３０からの青色のｎｂ次の回折波の出射角をθｏとする。
【００８９】
このとき、これらのパラメータの間に
【数１６】
2004102075.tif 000018
なる関係式が成り立つ。この式より、空間光変調素子３０からの青色のｎｂ次の回折波の出射角θｏは
【数１７】
2004102075.tif 000019
なる式で表される。
【００９０】
空間光変調素子３０からの青色のｎｂ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Ａｎだけ離れた位置に集光される。この距離Ａｎは
【数１８】
2004102075.tif 000020
なる式で表される。次数ｎｂが小さいときには、この（１８）式は
【数１９】
2004102075.tif 000021
なる式で近似され得る。
【００９１】
これら（１８）式または（１９）式から判るように、レンズ４０の後焦点面（マスク５０面）上において、０次およ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相違する。また、照明光源部１０において各波長の点光源が同一位置に存在する場合には、レンズ４０の後焦点面（マスク５０面）上において、各波長の再生光の０次回折波の集光点は同一位置に出現するが、各波長の再生光の高次回折波の集光点は異なる位置に出現する。
【００９２】
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（１８）式または（１９）式で表される位置を基準とする開口部５１を有するマスク５０を用いて、再生光の何れかの次数の回折波のみを開口部５１を通過させる。空間光変調素子３０が振幅および位相の双方を変調することができる場合には、上記（１８）式または（１９）式で表される位置を中心として、一辺の長さがｆ２λｂ／Ｐである矩形形状の開口部５１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３０が振幅およ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、上記（１８）式または（１９）式で表される位置を基準とする半平面（空間光変調素子３０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ｆ２λｂ／Ｐであって他方の辺の長さがｆ２λｂ／２Ｐである矩形形状の開口部５１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。
【００９３】
本実施形態では、マスク５０の開口部５１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（λｒ，λｇ，λｂ）のうち最短波長であるλｂに適合した位置と形状とを有するマスク５１を配置する。また、他の２波長（λｒ，λｇ）については、再生光の何れかの次数の回折波が開口部５１を通過するように、空間光変調素子３０への照明光の入射方位が設定される。また、空間光変調素子３０が振幅およ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、各波長の再生光のうち三次元像構成に用いら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５０により遮断する。なお、レンズ２０，４０は、色収差が充分に補正されていて３波長（λｒ，λｇ，λｂ）それぞれで焦点距離が互いに等しいものが用いられるのが好適である。
【００９４】
空間光変調素子３０に対して青色の照明光は垂直入射するが、他の赤色および緑色の照明光それぞれは斜め入射する。青色の照明光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の入射角について図３４を用いて説明する。
【００９５】
図３４は、第４実施形態に係る三次元像表示装置４の空間光変調素子３０における照明光入射角と再生光出射角との関係の説明図である。最短波長λｂ以外の他の何れかの波長λｉ（＝λｒまたはλｇ）の平行平面波が入射角θｉで空間光変調素子３０に入射して、波長λｉの再生光のうち次数ｎｉの回折波が回折角θｏ（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Ｐとする。
【００９６】
このとき、これらのパラメータの間に
【数２０】
2004102075.tif 000022
なる関係式が成り立つ。これを入射角θｉについての式に書き直すと、
【数２１】
2004102075.tif 000023
なる式で表される。この式は、（１７）式を代入することで、
【数２２】
2004102075.tif 000024
なる式で表される。
【００９７】
波長λｂの青色の照明光が空間光変調素子３０に垂直入射するとともに、上記（２２）式で表される入射角θｉで波長λｉ（＝λｒまたはλｇ）の照明光が空間光変調素子３０に斜め入射すると、各波長の再生光の何れかの次数の回折波は、同一の回折角θｏ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。
【００９８】
また、上記（２０）式より、入射角θｉと出射角θｏ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４０の後焦点面上で、
【数２３】
2004102075.tif 000025
なる式で表される距離Ａｎｉだけ光軸から離れた位置に集光される。
【００９９】
距離Ａｎｉに関する第１の例として、青色の波長λｂの回折波の次数ｎｂが０であって、他の波長λｉの回折波の次数ｎｉが−１であるとする。このとき、波長λｉの照明光の入射角θｉは
【数２４】
2004102075.tif 000026
なる式で表される。また、波長λｉの０次回折波は、レンズ４０の後焦点面上で、
【数２５】
2004102075.tif 000027
なる式で表される距離Ａ−１だけ光軸から離れた位置に集光される。
【０１００】
また、距離Ａｎｉに関する第２の例として、青色の波長λｂの回折波の次数ｎｂが０であって、他の波長λｉの回折波の次数ｎｉが＋１であるとする。このとき、波長λｉの照明光の入射角θｉは
【数２６】
2004102075.tif 000028
なる式で表される。また、波長λｉの０次回折波は、レンズ４０の後焦点面上で、
【数２７】
2004102075.tif 000029
なる式で表される距離Ａ＋１だけ光軸から離れた位置に集光される。
【０１０１】
波長λｉの照明光を平行平面波として空間光変調素子３０へ入射角θｉで入射させるには、焦点距離ｆ１のレンズ２０の前焦点面において、
【数２８】
2004102075.tif 000030
なる式で表される距離Ｂｎｉだけ光軸から離れた位置に点光源を配置すればよい。
【０１０２】
距離Ｂｎｉに関する第１の例として、青色の波長λｂの回折波の次数ｎｂが０であって、他の波長λｉの回折波の次数ｎｉが−１であるとする。このとき、波長λｉの点光源は、レンズ２０の前焦点面上で、
【数２９】
2004102075.tif 000031
なる式で表される距離Ｂ−１だけ光軸から離れた位置に配置される。ここで、Ｍは、（１３）式で表される光学系の倍率である。
【０１０３】
また、距離Ｂｎｉに関する第２の例として、青色の波長λｂの回折波の次数ｎｂが０であって、他の波長λｉの回折波の次数ｎｉが＋１であるとする。このとき、波長λｉの点光源は、レンズ２０の前焦点面上で、
【数３０】
2004102075.tif 000032
なる式で表される距離Ｂ＋１だけ光軸から離れた位置に配置される。
【０１０４】
図３１は、レンズ２０の前焦点面上で、赤色の点光源を位置（−ｆ１λｒ／Ｐ，０）に配置し、緑色の点光源を位置（＋ｆ１λｇ／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、赤色の再生光のうちの−１次回折波、緑色の再生光のうちの＋１次回折波、および、青色の再生光のうちの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を示すものである。図３２は、レンズ２０の前焦点面上で、赤色の点光源を位置（０，−ｆ１λｒ／Ｐ）に配置し、緑色の点光源を位置（＋ｆ１λｇ／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、赤色の再生光のうちの−１次回折波、緑色の再生光のうちの＋１次回折波、および、青色の再生光のうちの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を示すものである。
【０１０５】
空間光変調素子３０に呈示される各色についてのホログラムは、各色の照明光が空間光変調素子３０に垂直入射するとした場合のものであり、第１実施形態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。
【０１０６】
次に、第４実施形態の具体的な実施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ョン用液晶パネルＬＣＸ０２３ＡＬ（画素ピッチＰ＝２６μｍ）を用いた。レンズ２０として色収差補正された焦点距離１５０ｍｍのものを用い、レンズ４０として色収差補正された焦点距離１５０ｍｍのものを用いた。赤色光を出力する単色光源１１ｒとしてシチズン電子社製の発光ダイオードＣＬ−２８０ＳＲ−Ｃ（波長６５０ｎｍ、寸法１．０（Ｌ）×０．５（Ｗ）×０．６（Ｈ））を用いた。緑色光を出力する単色光源１１ｇとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＧ１Ａ７−０２（波長５３０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。青色光を出力する単色光源１１ｂとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＢ１Ａ７−０２（波長４７０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。
【０１０７】
また、赤色光を出力する単色光源１１ｒを位置（−３．７５ｍｍ，０）または位置（０，−３．７５ｍｍ）に配置し、緑色光を出力する単色光源１１ｇを位置（＋３．０６ｍｍ，０）に配置した。ピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれの開口径を１５０μｍとした。空間光変調素子３０への赤色の照明光の入射角を＋１．４３°とし、空間光変調素子３０への緑色の照明光の入射角を−１．１７°とした。マスク５０の開口部５１の寸法を２．７ｍｍ（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、各色に対応したホログラムを空間光変調素子３０に順次に呈示させるとともに、これと同期して３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次に発光させることにより、マスク５０の開口部５１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。
【０１０８】
なお、本実施形態の如く、青色の再生光については０次回折波を観察するのに対して、他の色の再生光については高次回折波を観察する場合には、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ロレンズが搭載された液晶パネルを空間光変調素子３０として用いるのが好適である。このようにすることにより、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が可能となる。このような液晶パネルとして、ソニー社製の液晶パネルＬＣＸ０２３ＣＭＴ（画素ピッチＰ＝２６μｍ）を用いることができる。この液晶パネルを用いるとともに、単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ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。
【０１０９】
以上のように、第４実施形態に係る三次元像表示装置４および三次元像表示方法は、空間光変調素子３０への３波長の照明光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３０から発生した３波長の再生光それぞれの０次回折波または高次回折波がレンズ４０により波面変換されて開口部５１において互いに重なるので、低解像度の空間光変調素子３０を用い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、従来技術２の如く３波長の再生光を重ねあわせるためのハーフミラーを設ける必要がなく、従来技術３の如く高速シャッタを設ける必要もないので、三次元像表示装置４は小型・安価である。
【０１１０】
（第５実施形態）
次に、本発明に係る三次元像表示装置および三次元像表示方法の第５実施形態について説明する。図３５は、第５実施形態に係る三次元像表示装置５の構成図である。この図に示される三次元像表示装置５は、照明光源部１０、レンズ２０、ハーフミラー２５、反射型の空間光変調素子３０、レンズ４０およびマスク５０を備えている。これらのうち、照明光源部１０、レンズ２０およびハーフミラー２５は、３波長の照明光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、ハーフミラー２５およびレンズ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。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。
【０１１１】
第４実施形態の場合と比較すると、第５実施形態に係る三次元像表示装置５および三次元像表示方法は、照明光源部１０、レンズ２０、レンズ４０およびマスク５０それぞれが同様のものであるが、空間光変調素子３０が反射型のものであることに因り相互の配置が相違する。また、第４実施形態の場合と比較すると、第５実施形態に係る三次元像表示装置５の動作および三次元像表示方法は、照明光がレンズ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へ照明光が入射する側と同一の側に再生光が出射する点、および、その再生光がハーフミラー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、で相違する。その他の点では、第５実施形態に係る三次元像表示装置５の動作および三次元像表示方法は、第４実施形態と原理的に同様である。
【０１１２】
次に、第５実施形態の具体的な実施例について説明する。空間光変調素子３０としてＭｉｃｒｏ　Ｄｉｓｐｌａｙ社製のマイクロモニタ用反射型液晶パネルＭＤ８００Ｇ６（画素ピッチＰ＝１２．５５μｍ）を用いた。レンズ２０として色収差補正された焦点距離１２０ｍｍのものを用い、レンズ４０として色収差補正された焦点距離６０ｍｍのものを用いた。赤色光を出力する単色光源１１ｒとしてシチズン電子社製の発光ダイオードＣＬ−２８０ＳＲ−Ｃ（波長６５０ｎｍ、寸法１．０（Ｌ）×０．５（Ｗ）×０．６（Ｈ））を用いた。緑色光を出力する単色光源１１ｇとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＧ１Ａ７−０２（波長５３０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。青色光を出力する単色光源１１ｂとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＢ１Ａ７−０２（波長４７０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。
【０１１３】
また、赤色光を出力する単色光源１１ｒを位置（−６．２４ｍｍ，０）または位置（０，−６．２４ｍｍ）に配置し、緑色光を出力する単色光源１１ｇを位置（＋５．０９ｍｍ，０）に配置した。ピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれの開口径を１５０μｍとした。空間光変調素子３０への赤色の照明光の入射角を＋２．９８°とし、空間光変調素子３０への緑色の照明光の入射角を−２．４３°とした。マスク５０の開口部５１の寸法を２．２ｍｍ（Ｗ）×１．１ｍｍ（Ｈ）とした。そして、空間光変調素子３０の駆動周波数を９０Ｈｚとし、各色に対応したホログラムを空間光変調素子３０に順次に呈示させるとともに、これと同期して３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次に発光させることにより、マスク５０の開口部５１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。
【０１１４】
（第６実施形態）
次に、本発明に係る三次元像表示装置および三次元像表示方法の第６実施形態について説明する。図３６は、第６実施形態に係る三次元像表示装置６の構成図である。この図に示される三次元像表示装置６は、照明光源部１０、ハーフミラー２５、レンズ２０、反射型の空間光変調素子３０およびマスク５０を備えている。これらのうち、照明光源部１０、ハーフミラー２５およびレンズ２０は、３波長の照明光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２０およびハーフミラー２５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。照明光学系と再生像変換光学系とは、レンズ２０およびハーフミラー２５を共有している。
【０１１５】
第４実施形態の場合と比較すると、第６実施形態に係る三次元像表示装置６および三次元像表示方法は、照明光源部１０、空間光変調素子３０およびマスク５０それぞれが同様のものであるが、空間光変調素子３０が反射型のものであることに因り相互の配置が相違する。また、第４実施形態の場合と比較すると、第６実施形態に係る三次元像表示装置６の動作および三次元像表示方法は、レンズ２０がレンズ４０の作用をも兼ねている点、照明光がハーフミラー２５を透過した後にレンズ２０により平行平面波とされて空間光変調素子３０へ入射する点、空間光変調素子３０へ照明光が入射する側と同一の側に再生光が出射する点、および、その再生光がレンズ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、で相違する。その他の点では、第６実施形態に係る三次元像表示装置６の動作および三次元像表示方法は、第４実施形態と原理的に殆ど同様である。
【０１１６】
次に、第６実施形態の具体的な実施例について説明する。空間光変調素子３０としてＭｉｃｒｏ　Ｄｉｓｐｌａｙ社製のマイクロモニタ用反射型液晶パネルＭＤ８００Ｇ６（画素ピッチＰ＝１２．５５μｍ）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６０ｍｍのものを用いた。赤色光を出力する単色光源１１ｒとしてシチズン電子社製の発光ダイオードＣＬ−２８０ＳＲ−Ｃ（波長６５０ｎｍ、寸法１．０（Ｌ）×０．５（Ｗ）×０．６（Ｈ））を用いた。緑色光を出力する単色光源１１ｇとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＧ１Ａ７−０２（波長５３０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。青色光を出力する単色光源１１ｂとして豊田合成社製の発光ダイオードＥ１Ｓ０７−ＡＢ１Ａ７−０２（波長４７０ｎｍ、寸法１．６（Ｌ）×０．６（Ｗ）×１．１５（Ｈ））を用いた。
【０１１７】
また、赤色光を出力する単色光源１１ｒを位置（−３．０２ｍｍ，０）または位置（０，−３．０２ｍｍ）に配置し、緑色光を出力する単色光源１１ｇを位置（＋２．５４ｍｍ，０）に配置した。ピンホール１２ｒ，１２ｇ，１２ｂそれぞれの開口径を１５０μｍとした。空間光変調素子３０への赤色の照明光の入射角を＋２．９８°とし、空間光変調素子３０への緑色の照明光の入射角を−２．４３°とした。マスク５０の開口部５１の寸法を２．２ｍｍ（Ｗ）×１．１ｍｍ（Ｈ）とした。そして、空間光変調素子３０の駆動周波数を９０Ｈｚとし、各色に対応したホログラムを空間光変調素子３０に順次に呈示させるとともに、これと同期して３つの単色光源１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを順次に発光させることにより、マスク５０の開口部５１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。
【０１１８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、離散的画素構造を有する空間光変調素子に、複数の波長それぞれに応じ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の波長の照明光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の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、複数の波長の再生光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、複数の波長の照明光それぞれの空間光変調素子へ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を用い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小型・安価な三次元像表示装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の構成図である。
【図２】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の照明光学系および空間光変調素子３０の説明図である。
【図３】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の照明光学系の説明図である。
【図４】第１実施形態に係る三次元像表示装置１において空間光変調素子３０へ青色の照明光が垂直入射したときの三次元像の１輝点の表示動作の説明図である。
【図５】第１実施形態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の説明図である。
【図６】第１実施形態に係る三次元像表示装置１において空間光変調素子３０へ照明光が斜め入射したときの三次元像の１輝点の表示動作の説明図である。
【図７】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の説明図である。
【図８】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の説明図である。
【図９】図７に示されたホログラム３１が空間光変調素子３０に呈示されたときに空間光変調素子３０へ照明光が斜め入射したときの三次元像の１輝点の表示動作の説明図である。
【図１０】第２のホログラム作成方法の説明図である。
【図１１】理想的な場合の３波長の点光源それぞれの配置を示す図である。
【図１２】理想的な場合のマスク位置における赤色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図１３】理想的な場合のマスク位置における緑色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図１４】理想的な場合のマスク位置における青色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図１５】理想的な場合のマスク位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図１６】第１実施形態に係る三次元像表示装置１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１７】第１実施形態に係る三次元像表示装置１のマスク５０配置位置における赤色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図１８】第１実施形態に係る三次元像表示装置１のマスク５０配置位置における緑色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図１９】第１実施形態に係る三次元像表示装置１のマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図２０】第１実施形態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２１】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ａのマスク５０配置位置における赤色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図２２】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ａのマスク５０配置位置における緑色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図２３】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ａのマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図２４】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ｂ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２５】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ｂのマスク５０配置位置における緑色の再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図２６】第１実施形態に係る三次元像表示装置１の変形例Ｂのマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図２７】第２実施形態に係る三次元像表示装置２の構成図である。
【図２８】第３実施形態に係る三次元像表示装置３の構成図である。
【図２９】第３実施形態に係る三次元像表示装置３のマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の０次回折波の波面変換領域を示す図である。
【図３０】第４実施形態に係る三次元像表示装置４の構成図である。
【図３１】第４実施形態に係る三次元像表示装置４のマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の各次数の回折波の波面変換領域を示す図である。
【図３２】第４実施形態に係る三次元像表示装置４のマスク５０配置位置における赤色，緑色および青色それぞれの再生光の各次数の回折波の波面変換領域を示す図である。
【図３３】第４実施形態に係る三次元像表示装置４の空間光変調素子３０および波面変換光学系の説明図である。
【図３４】第４実施形態に係る三次元像表示装置４の空間光変調素子３０における照明光入射角と再生光出射角との関係の説明図である。
【図３５】第５実施形態に係る三次元像表示装置５の構成図である。
【図３６】第６実施形態に係る三次元像表示装置６の構成図である。
【符号の説明】
１〜６…三次元像表示装置、１０…照明光源部、１１…単色光源、１２…ピンホール、２０…レンズ、３０…空間光変調素子、４０…レンズ、５０…マスク、５１…開口部。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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