(57)【要約】【課題】  簡易な構成で観察者の眼の焦点調節機能を有効に働かせて高品質の再生像を表示することができる三次元像表示装置を提供する。【解決手段】  レンズ１２の後焦点面において空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に到達する再生光のピーク位置が複数となるように、表示すべき目標再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の双方または何れか一方を設定して、この目標再生像を表示し得るホログラムを空間光変調素子１１に呈示させる。ホログラムが呈示された空間光変調素子１１に入射した照明光９０は、各画素において振幅または位相が変調される。この変調された光すなわち再生光はレンズ１２により波面変換されて、再生像が形成される。マスク１３の開口部１３Ａの付近に眼の瞳を配置した観察者は、開口部１３Ａおよびハーフミラー１５を通して、表示再生像９３を観察することができる。【選択図】  図３
2005195803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
離散的画素構造を有しホログラムを呈示する空間光変調素子と、前記ホログラムを呈示した前記空間光変調素子に照明光を入射させて再生光を発生させる照明光学系と、この再生光を波面変換して虚像化し再生像を表示する再生像変換光学系とを備え、
前記再生像変換光学系の後焦点面において前記空間光変調素子での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に到達する再生光のピーク位置が複数となるように、表示すべき目標再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の双方または何れか一方を設定して、この目標再生像を表示し得るホログラムを前記空間光変調素子に呈示させる、
ことを特徴とする三次元像表示装置。
【請求項２】
前記目標再生像を構成する各輝点の初期位相値を時間的に変化させ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３】
前記再生像変換光学系の後焦点面に設けられ、前記特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のうち該領域内に到達する再生光のピーク位置を含む部分を透過させ、前記特定次数以外の他の次数の回折による再生光を遮断するマスクを更に備え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４】
離散的画素構造を有する空間光変調素子にホログラムを呈示し、この空間光変調素子に照明光を入射させて再生光を発生させ、この再生光を再生像変換光学系により波面変換して虚像化し再生像を表示する三次元像表示方法であって、
前記再生像変換光学系の後焦点面において前記空間光変調素子での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に到達する再生光のピーク位置が複数となるように、表示すべき目標再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の双方または何れか一方を設定して、この目標再生像を表示し得るホログラムを前記空間光変調素子に呈示させる、
ことを特徴とする三次元像表示方法。
【請求項５】
前記目標再生像を構成する各輝点の初期位相値を時間的に変化させることを特徴とする請求項４記載の三次元像表示方法。
【請求項６】
前記再生像変換光学系の後焦点面に設けられ、前記特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のうち該領域内に到達する再生光のピーク位置を含む部分を透過させ、前記特定次数以外の他の次数の回折による再生光を遮断するマスクを用い、
このマスクの透過部を通過した再生光により再生像を表示する、
ことを特徴とする請求項４記載の三次元像表示方法。
【請求項７】
前記再生像変換光学系の後焦点面において前記空間光変調素子での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に到達する再生光のピーク位置の間隔が、前記再生像を観察する観察者の瞳の径より小さい、
ことを特徴とする請求項４記載の三次元像表示方法。
【請求項８】
前記照明光の波長をλとし、前記再生像変換光学系の焦点距離をｆとし、前記空間光変調素子の画素ピッチをｐとし、前記再生像を観察する観察者の瞳の径をｄとし、前記目標再生像を構成する各輝点のうち初期位相値が等しい輝点の間隔をＮｐ（Ｎは２以上の整数）としたときに、これらのパラメータの間に「ｄ／２＞λｆ／(Ｎｐ)」なる関係式が成り立つ、ことを特徴とする請求項４記載の三次元像表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラムを呈示した空間光変調素子に照明光を入射させて三次元再生像を表示する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホログラムを用いた三次元像表示装置は、ホログラムに照明光を入射させることで、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再生像を表示することができる。ホログラムは、物体光と参照光とを写真乾板上で干渉させることにより作成される他、計算によっても作成され得る。計算により作成されるホログラムは計算機ホログラムと呼ばれる。計算機ホログラムを用いた三次元像表示装置は、計算機ホログラムを空間光変調素子に呈示して、この空間光変調素子に照明光を入射させることにより、空間光変調素子から再生光を発生させて、この再生光により再生像を表示する。
【０００３】
計算機ホログラムを用いた三次元像表示技術として、特許文献１に開示されたものが知られている。この特許文献１に開示された技術では、表示すべき再生像（以下「目標再生像」という。）を複数の輝点の集合体とみなして、これら複数の輝点それぞれから発生した球面波がホログラム面上に達するものと仮定する。ホログラム面上の各画素位置において、目標再生像上の複数の輝点それぞれから該画素位置に到達する球面波と平面伝搬波とを畳み込み積分することで、計算機ホログラムを作成する。この計算機ホログラムを呈示した空間光変調素子に照明光を入射させると、この空間光変調素子の各画素において照明光の振幅および位相の双方または何れか一方が変調されて、空間光変調素子から再生光が発生する。そして、この再生光を再生像変換光学系（具体的には凸レンズ）により波面変換して虚像化または実像化し再生像を表示する。
【０００４】
また、この特許文献１では、空間光変調素子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、再生像変換光学系の後焦点面にマスクを設ける。そして、このマスクにより、０次光（空間光変調素子に入射した照明光のうち当該入射方向と同一の出射方向に出た光），不要な次数の回折波および共役波を遮断する一方で、特定次数の回折による再生光を透過させて、この透過した再生光による再生像を観察者が観察できるようにしている。
【０００５】
非特許文献１には、ランダムフェーズシフタ法について記載されている。画像を呈示した空間光変調素子に光を入射させて物体光を生成し、この物体光の光学的フーリエ変換を写真乾板上で参照光と干渉させて、これによりフーリエ変換ホログラムを記録すると、写真乾板上の１点に物体光が集中して入射することから感光材料の感光のダイナミックレンジを越えてしまい、再生像にはスペックル雑音が顕著に現れる。ランダムフェーズシフタ法は、このような問題を解決することを意図したものであり、画像を呈示する空間光変調素子において各画素の位相変調度をランダムにすることにより、写真乾板に入射する物体光の分布を広くして、写真乾板における光強度が感光材料の感光のダイナミックレンジを越えないようにする。これにより、スペックル雑音が低減された再生像を得ることができる。
【０００６】
特許文献２，３または非特許文献２には、観察者の両眼に異なった画像を表示する立体表示装置が記載されている。一般に、立体表示装置では、網膜上での画像の結像位置が固定され、両眼の視差による距離感と両眼の結像位置の間隔とが整合しないので、眼の焦点調節と輻輳との不一致に因り、観察者に大きな疲労を与える。特許文献２，３または非特許文献２に記載された技術は、このような問題を解決することを意図したものである。
【０００７】
特許文献２または非特許文献２に記載されたマクスウェル視を利用した装置は、観察者の眼の瞳の中心を通過する光のみにより網膜上に画像を結像させる。これにより、観察者の眼の焦点調節に拘わらず、観察者が観察する画像のボケは少ない。一方、特許文献３に記載された超多眼条件を満たす装置は、複数の光束からなる視差画像を観察者の眼の瞳に入射させる。これにより、観察者の眼の焦点調節が立体像付近に導かれて、両眼の視差による距離感と両眼の結像位置の間隔とが整合する。
【特許文献１】特開平９−２５８６４３号公報
【特許文献２】特開２００２−２７７８２２号公報
【特許文献３】特開２００２−２２８９７８号公報
【非特許文献１】角田義人、「ホログラフィックな高密度画像記録」、光学、第２巻、第６号、第３２９頁〜第３４６頁、１９７３年
【非特許文献２】安東孝久、他、「ホログラフィック光学素子によるマックスウェル視を用いたシースルーディスプレイ」、映像情報メディア学会誌、Vol.54、No.10、pp.1466-1473、２０００年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されたような三次元像表示技術において、計算機ホログラムを作成する際の計算量や使用メモリ量が膨大になることから、これらを低減することが望まれる。そして、計算量や使用メモリ量の低減の為に、空間光変調素子から直接的に再生される像（以下「直接再生像」という。）における各輝点位置を空間光変調素子の何れかの画素位置と光軸に垂直な面上で一致させること（以下「条件１」という。）とともに、空間光変調素子と直接再生像との間の最短距離を照明光の波長の整数倍として各輝点の初期位相を一定値とすること（以下「条件２」という。）が一般に行われる。
【０００９】
これら条件１および条件２について更に説明すると、以下のとおりである。仮に直接再生像における各輝点位置を空間光変調素子の何れかの画素位置と一致させない場合（すなわち、条件１が満たされない場合）には、ホログラム作成時の畳み込み積分の際に、直接再生像における各輝点位置と空間光変調素子の各画素位置との全ての組み合わせの場合について両者間の距離を計算する必要が生じて、計算量の爆発的増加を招くことになる。これに対して、条件１が満たされる場合には、直接再生像における各輝点位置と空間光変調素子の各画素位置との間の相対的位置関係の場合の数が少なくなるので、計算量が低減される。この条件１に加えて条件２も満たされることで、直接再生像における輝点から発生する球面波の種類の数が更に低減されて、予め計算して用意しておく球面波の計算結果を記憶するのに必要なメモリ量が低減される。
【００１０】
しかしながら、条件１および条件２の双方が満たされた場合に、他の或る条件が満たされるときには、以下のような問題が生じる。すなわち、条件１および条件２の双方が満たされる場合には、直接再生像から再生像変換光学系の後焦点面までの光学的距離が一定であるので、この後焦点面上の１点に光が集中して入射する。そして、この集光点に入射した光は０次光マスクにより遮断されるので、観察者が観察することができる再生像の光量が減少する。特に、低い空間周波数成分が支配的である再生像である場合、すなわち、輝度値の変化が少ない再生像である場合には、再生光の大部分がマスクにより遮断されるので、観察者が観察することができる再生像の光量が大幅に減少する。また、観察者の眼の瞳に到達する再生光は、拡がりが不充分で、瞳の局所にしか分布せず、それ故、観察者の眼の焦点調節機能が有効に働かず、眼の焦点調節機能から検知される距離感が不足してしまう。
【００１１】
このような問題を解決するために、特許文献１に開示されたような三次元像表示技術において、非特許文献１に記載されたランダムフェーズシフタ法を援用することが考えられる。この場合、目標再生像の各輝点の初期位相をランダム値として、ホログラム面上の各画素位置において、目標再生像上の複数の輝点それぞれから該画素位置に到達する球面波と平面伝搬波とを畳み込み積分する。しかし、計算機ホログラムを呈示する空間光変調素子では各画素における光の振幅変調または位相変調の階調数が限られていることから、畳み込み積分の際に高周波成分が互いに打ち消し合って、再生像の表示の際には高周波成分が表示されない場合が発生する。そして、高周波成分が表示されない場合がランダムに発生するので、再生像にはスペックル雑音が観察され、表示品質が著しく損なわれる。
【００１２】
特許文献１に開示されたような三次元像表示技術において、特許文献２または非特許文献２に記載されたマクスウェル視を利用すると、常にボケが少ない再生像が観察されるので、実空間におけるような眼の焦点調節が外れたときの物体までの距離に応じた自然なボケが再現されない。したがって、眼の焦点調節機能による距離感が損なわれる。
【００１３】
また、特許文献１に開示されたような三次元像表示技術において、特許文献３に記載された超多眼条件を満たす装置を適用する場合には、観察者の眼の瞳面上で分割された複数の領域それぞれに異なった視差画像を入射させる表示素子と、この表示素子からの光束を瞳面上の複数の領域それぞれに導く光学系とが必要となる。したがって、装置が複雑で大型になってしまう。
【００１４】
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、簡易な構成で観察者の眼の焦点調節機能を有効に働かせて高品質の再生像を表示することができる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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る三次元像表示装置は、離散的画素構造を有しホログラムを呈示する空間光変調素子と、ホログラムを呈示した空間光変調素子に照明光を入射させて再生光を発生させる照明光学系と、この再生光を波面変換して虚像化し再生像を表示する再生像変換光学系とを備え、再生像変換光学系の後焦点面において空間光変調素子での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に到達する再生光のピーク位置が複数となるように、表示すべき目標再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の双方または何れか一方を設定して、この目標再生像を表示し得るホログラムを空間光変調素子に呈示させることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る三次元像表示方法は、離散的画素構造を有する空間光変調素子にホログラムを呈示し、この空間光変調素子に照明光を入射させて再生光を発生させ、この再生光を再生像変換光学系により波面変換して虚像化し再生像を表示する三次元像表示方法であって、再生像変換光学系の後焦点面において空間光変調素子での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に到達する再生光のピーク位置が複数となるように、表示すべき目標再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の双方または何れか一方を設定して、この目標再生像を表示し得るホログラムを空間光変調素子に呈示させることを特徴とする。
【００１７】
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ホログラムが呈示され、この空間光変調素子に照明光が入射することで再生光が発生し、この再生光が再生像変換光学系により波面変換されて虚像化され再生像が表示される。特に、空間光変調素子にホログラムが呈示されるに際しては、表示すべき目標再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の双方または何れか一方が適切に設定される。これにより、再生像変換光学系の後焦点面において、空間光変調素子での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に、再生光の複数のピークが到達する。したがって、観察者は、これら複数の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳に同時に入射することで、眼の焦点調節機能を有効に働かせることができる。また、低い空間周波数成分が支配的である再生像をも良好に観察することができる。
【００１８】
なお、表示すべき目標再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の分布は周期的構造を有しているのが好適であり、再生像変換光学系の後焦点面における再生光のピーク位置の分布は、この周期的構造に応じたものとなる。
【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、目標再生像を構成する各輝点の初期位相値を時間的に変化させるのが好適である。この場合には、再生像に重畳される干渉縞パターンは時間的に相殺されて、干渉縞パターンの影響が低減され、より鮮明な再生像が表示され得る。
【００２０】
本発明に係る三次元像表示装置は、再生像変換光学系の後焦点面に設けられ、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のうち該領域内に到達する再生光のピーク位置を含む部分を透過させ、特定次数以外の他の次数の回折による再生光を遮断するマスクを更に備えるのが好適である。また、本発明に係る三次元像表示方法は、上記のようなマスクを用い、このマスクの透過部を通過した再生光により再生像を表示するのが好適である。この場合には、不要な光が観察者の眼の瞳に入射するのを防止できて、より鮮明な再生像を観察することができる。
【００２１】
本発明に係る三次元像表示方法は、再生像変換光学系の後焦点面において空間光変調素子での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に到達する再生光のピーク位置の間隔が、再生像を観察する観察者の瞳の径より小さいのが好適である。また、照明光の波長をλとし、再生像変換光学系の焦点距離をｆとし、空間光変調素子の画素ピッチをｐとし、再生像を観察する観察者の瞳の径をｄとし、目標再生像を構成する各輝点のうち初期位相値が等しい輝点の間隔をＮｐ（Ｎは２以上の整数）としたときに、これらのパラメータの間に「ｄ／２＞λｆ／(Ｎｐ)」なる関係式が成り立つのが好適である。これらの場合には、これら複数の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳に同時に入射することで、超多眼条件を満たすようになって、眼の焦点調節機能を有効に働かせることができる。また、低い空間周波数成分が支配的である再生像をも良好に観察することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡易な構成で、観察者の眼の焦点調節機能を有効に働かせて、高品質の再生像を表示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
或る物体を観察する観察者の眼の焦点調節機能を有効に働かせて観察者に距離感を感じさせるためには、その物体からの光が観察者の眼の瞳面に入射する必要がある。特に、物体からの光の波面が観察者の眼の瞳面の全体に入射する状態は、観察者にとって自然な状態であり、観察者の眼の焦点調節機能を有効に働かせて距離感を満足させる。観察者の眼の瞳面に到達する光の波面の広さは、瞳面の広さと同程度または同程度以上であることが望ましい。観察者の眼の瞳面に到達する光の波面が広いほど、より有効に観察者の眼の焦点調節機能は働き、より強く観察者は距離感を感じることができる。
【００２５】
逆に、観察者の眼の瞳面に到達する光の波面が狭く、瞳面の局所のみを光が通過するような場合には、レンズにおける瞳の絞りを小さくした状態と同様に、いわゆる被写体深度が深い状態となって、遠景および近景の双方で焦点が合った状態となる。このような状態では、眼の焦点調節が外れたときの物体までの距離に応じた自然なボケが再現されず、眼の焦点調節機能による距離感が損なわれる。
【００２６】
ホログラムを用いた三次元像表示技術は、ホログラムに照明光を入射させて再生光を発生させて、この再生光により再生像を表示するものであって、自然界における物体からの光を再現するものである。したがって、ホログラムから発生した再生光の波面は、再生像を観察する観察者の眼の瞳面の広い範囲に到達することが望ましい。
【００２７】
以下に説明する本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は、観察者の眼の焦点調節機能を有効に働かせることができて、以上に記したような問題を解決することができるものである。
【００２８】
図１は、三次元像表示装置１の光学系および動作を説明する図である。この図に示される三次元像表示装置１は、空間光変調素子１１、凸レンズ１２およびマスク１３を備える。なお、説明の便宜の為に、ｘｙｚ直交座標系を設定して、ｚ軸をレンズ１２の光軸と一致させ、原点をレンズ１２の後焦点位置と一致させる。
【００２９】
空間光変調素子１１は、離散的画素構造を有しており、複数の画素が一定ピッチで二次元配列されている。空間光変調素子１１は、ｘｙ平面に平行に配置され、各画素に入射した光の振幅および位相の双方または何れか一方を変調して透過させ、その変調した光を出力する。レンズ１２は、再生像変換光学系として作用するものであり、空間光変調素子１１により変調されて出力された光を入力し、この光を波面変換して虚像化し再生像を表示する。マスク１３は、レンズ１２の後焦点面に配置され、開口部１３Ａを有している。マスク１３は、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のうち該領域内に到達する再生光のピーク位置を含む部分を開口部１３Ａにより透過させ、該領域の縁に到達する光線のピーク位置を含む部分を遮断する。
【００３０】
空間光変調素子１１の各画素において光の振幅または位相の変調度が設定されることで、空間光変調素子１１にホログラムが呈示される。照明光９０は、ホログラムが呈示された空間光変調素子１１に対して、図１において左方から、平行光としてｚ軸に平行に入射する。空間光変調素子１１に入射した照明光９０は、各画素において振幅または位相が変調される。この空間光変調素子１１により画素毎に変調されて出力された光すなわち再生光は、直接再生像（空間光変調素子から直接的に再生される像）を形成する。図中において、輝点９１ａ，９１ｂは直接再生像（虚像）の輝点を表し、輝点９２ａ，９２ｂは直接再生像（実像）の輝点を表す。
【００３１】
再生光は、レンズ１２により波面変換されて虚像化され、再生像が形成される。図中において、輝点９３ａ，９３ｂは再生像の輝点を表し、輝点９４ａ，９４ｂは共役像の輝点を表す。そして、マスク１３の開口部１３Ａの付近に眼の瞳を配置した観察者は、この開口部１３Ａを通して、再生像（以下「表示再生像」という。）を観察することができる。このとき、０次光，不要な次数の回折波および共役波は、マスク１３により遮断され、観察者の眼の瞳には入射しない。
【００３２】
直接再生像の輝点の座標値を（ａｘ’，ａｙ’，ａｚ’）とし、これに対応する表示再生像の輝点の座標値を（ｂｘ’，ｂｙ’，ｂｚ’）とする。また、レンズ１２の焦点距離をｆとする。このとき、これらのパラメータの間の関係は、相似関係から下記(1)式で表され、また、レンズの結像公式から下記(2)式で表される。
【００３３】
【数１】
2005195803.tif 000003
【００３４】
【数２】
2005195803.tif 000004
【００３５】
これら(1)式および(2)式から、直接再生像の輝点のｚ座標値ａｚ'は、下記(3)式で表される。
【００３６】
【数３】
2005195803.tif 000005
【００３７】
また、空間光変調素子１１と直接再生像の輝点との間の距離ｚ１は、下記(4)式で表される。
【００３８】
【数４】
2005195803.tif 000006
【００３９】
空間光変調素子１１において複数の画素がｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれにピッチｐで二次元配列されているとする。既述した条件１（直接再生像における各輝点位置を空間光変調素子１１の何れかの画素位置とｘｙ平面上で一致させること）から、直接再生像の輝点のｘ座標値ａｘ'およびｙ座標値ａｙ'それぞれは、画素ピッチの整数倍として下記(5)式で近似される。ここで、ｍ，ｎは整数である。これらａｘ'，ａｙ'の近似値をａｘ，ａｙとする。
【００４０】
【数５】
2005195803.tif 000007
【００４１】
照明光９０の波長をλとする。記述した条件２（空間光変調素子１１と直接再生像との間の距離を照明光の波長λの整数倍として各輝点の初期位相を一定値とすること）から、直接再生像の輝点のｚ座標値ａｚ'は、下記(6)式で近似される。ここで、ｈは整数である。ｓは、一定の初期位相値を表し、簡易には値０とされる。このａｚ'の近似値をａｚとする。
【００４２】
【数６】
2005195803.tif 000008
【００４３】
これらａｘ，ａｙ，ａｚを用いると、上記(1)式および(3)式から、表示再生像の輝点の座標値ｂｘ，ｂｙ，ｂｚは、下記(7)式で表される。
【００４４】
【数７】
2005195803.tif 000009
【００４５】
図２は、三次元像表示装置１から空間光変調素子１１およびレンズ１２を除いた光学系を説明する図である。表示再生像の輝点９３ａ，９３ｂそれぞれから発した球面波は、レンズ１２の後焦点面にあるマスク１３の開口部１３Ａを通過して、この開口部１３Ａの付近に配置されている観察者の眼の瞳に入射して、これにより、観察者は表示再生像を観察することができる。位置（ｂｘ，ｂｙ，ｂｚ）にある輝点から発した球面波がレンズ１２の後焦点面に入射する方位と光軸とがなす角度θｍは、下記(8)式で表される。
【００４６】
【数８】
2005195803.tif 000010
【００４７】
ｂｚは照明光波長λの整数倍であるから、表示再生像の各輝点からレンズ１２の後焦点位置までの光学的距離が略一定となる。したがって、レンズ１２の後焦点位置において、表示再生像の各輝点から発した球面波が干渉して強め合うことになり、光強度が強くなる。また、近軸領域では、レンズ１２の後焦点面上において、λｆ／ｐのピッチで光強度が強くなる。複数の輝点で表示される三次元の表示再生像の場合、複数の輝点それぞれから発した球面波は、重なり合ってレンズ１２の後焦点面に到達する。
【００４８】
しかし、レンズ１２の後焦点面に配置されたマスク１３の作用により、０次光，不要な次数の回折波および共役波が遮断されるだけでなく、上記のような干渉の結果として光強度が強くなる部分に到達する光も遮断される。したがって、マスク１３の開口部１３Ａを通過して観察者の眼の瞳に入射する光の量は大幅に減少してしまう。特に、一様な輝度で模様がないような物体の再生像の場合、すなわち、低い空間周波数成分が支配的であるような再生像の場合、観察者が観察することができる再生像の光量が大幅に減少する。
【００４９】
そこで、本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では、レンズ１２の後焦点面において空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生像を観察し得る領域内に到達する再生光のピーク位置が複数となるように、表示すべき目標再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の双方または何れか一方を設定して、この目標再生像を表示し得るホログラムを空間光変調素子１１に呈示させる。このようにすることにより、観察者の眼の瞳に到達する再生光のピーク位置が複数となり得て、観察者の眼の焦点調節機能を有効に働かせることができ、高品質の再生像を表示することができる。また、本実施形態に係る三次元像表示装置は簡易な構成で済む。
【００５０】
直接再生像を構成する各輝点の輝点間隔および初期位相値の双方または何れか一方を設定することで、直接再生像の各輝点のうち初期位相値が等しい輝点の間隔を、空間光変調素子１１の画素ピッチｐのＮ倍（Ｎは２以上の整数）とする。このとき、近軸領域では、レンズ１２の後焦点面上において、λｆ／(Ｎｐ) のピッチで光強度が強くなる。また、観察者の眼の瞳径をｄとする。瞳径ｄは、一般に個人差があり、しかも、入射光量により異なるが、例えば３ｍｍである。このとき、観察者の眼の瞳に到達する再生光のピーク位置のピッチ（λｆ／(Ｎｐ)）が瞳半径（ｄ／２）より小さければ、観察者の眼の瞳に到達する再生光のピーク位置が複数となる。
【００５１】
また、レンズ１２の後焦点面において空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生像を観察し得る幅（λｆ／ｐ）の領域の中に観察者の瞳が存在することが望ましい。以上より、空間光変調素子１１の画素ピッチｐ、レンズ１２の焦点距離ｆ、直接再生像の各輝点のうち初期位相値が等しい輝点の間隔Ｎｐ、照明光波長λおよび観察者の眼の瞳径ｄの間に、下記(9)式の関係が成り立つのが好ましい。特に、下記(9)式のうち右側の不等式の関係が満たされることが重要である。
【００５２】
【数９】
2005195803.tif 000011
【００５３】
マスク１３の開口部１３Ａの付近に配置された観察者の眼から上記のような表示再生像を見るとき、表示再生像の複数の輝点のうちで上記(5)式中のｍの値が０である輝点を見る方位と、該ｍ値がＮである輝点を見る方位とが、最も視角が大きい。この視角θ１は下記(10)式で表される。
【００５４】
【数１０】
2005195803.tif 000012
【００５５】
一方、観察者の視力が１.０であるとすると、その観察者は、距離１０ｍだけ離れた位置にある大きさ３.０ｍｍの物体を識別することができると言われている。この場合の視角θminは下記(11)式で表される。
【００５６】
【数１１】
2005195803.tif 000013
【００５７】
上記(10)式で表される視角θ１が、上記(11)式で表される視角θminより小さければ、殆どの観察者の眼の分解能を上回る再生像が表示される。すなわち、下記(12)式が満たされるのが好ましい。
【００５８】
【数１２】
2005195803.tif 000014
【００５９】
図３は、三次元像表示装置２の光学系を説明する図である。この図に示される三次元像表示装置２は、空間光変調素子１１、凸レンズ１２、マスク１３、点光源１４およびハーフミラー１５を備える。なお、説明の便宜の為に、ｘｙｚ直交座標系を設定して、ｚ軸をレンズ１２の光軸と一致させる。
【００６０】
この三次元像表示装置２で用いられる空間光変調素子１１は反射型のものである。空間光変調素子１１は、離散的画素構造を有しており、複数の画素が一定ピッチｐで二次元配列されている。空間光変調素子１１は、ｘｙ平面に平行に配置され、各画素に入射した光の振幅および位相の双方または何れか一方を変調して反射させ、その変調した光を出力する。
【００６１】
点光源１４、ハーフミラー１５およびレンズ１２は、空間光変調素子１１に照明光を平行光として入射させる照明光学系を構成している。点光源１４からハーフミラー１５を経てレンズ１２までの光学的距離は、レンズ１２の焦点距離ｆと等しい。点光源１４から発散して出射された照明光は、ハーフミラー１５を透過してレンズ１２に入射し、このレンズ１２により平行光とされて、空間光変調素子１１に入射する。
【００６２】
レンズ１２およびハーフミラー１５は、空間光変調素子１１から発生した再生光を波面変換して虚像化し再生像を表示する再生像変換光学系を構成している。レンズ１２からハーフミラー１５を経てマスク１３までの光学的距離は、レンズ１２の焦点距離ｆと等しい。空間光変調素子１１から発生した再生光は、レンズ１２により波面変換され、ハーフミラー１５により反射され、レンズ１２の後焦点面にあるマスク１３に到達する。マスク１３の開口部１３Ａは、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のうち該領域内に到達する再生光のピーク位置を含む部分を透過させる。また、開口部１３Ａは、０次光、不要な次数の回折波および共役波を遮断する他、該領域の縁に到達する光線のピーク位置を含む部分を遮断する。
【００６３】
空間光変調素子１１が振幅および位相の双方を変調するものである場合には、共役波が発生しないので、空間光変調素子１１の全域にホログラムを呈示させることができ、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のサイズを λｆ／ｐ×λｆ／ｐ とする。一方、空間光変調素子１１が振幅および位相の何れか一方のみを変調するものである場合には、空間光変調素子１１の半平面のみにホログラムを呈示させて、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のサイズを λｆ／ｐ×λｆ／(２ｐ) とし、マスク１３により共役波を遮断する。
【００６４】
空間光変調素子１１の各画素において光の振幅または位相の変調度が設定されることで、空間光変調素子１１にホログラムが呈示される。点光源１４から出力されハーフミラー１５を透過してレンズ１２により平行光とされた照明光９０は、ホログラムが呈示された空間光変調素子１１に対してｚ軸に平行に入射する。空間光変調素子１１に入射した照明光９０は、各画素において振幅または位相が変調される。この空間光変調素子１１により画素毎に変調されて反射された光すなわち再生光は、直接再生像９１を形成する。再生光は、レンズ１２により波面変換されて虚像化され、再生像が形成される。そして、マスク１３の開口部１３Ａの付近に眼の瞳を配置した観察者は、この開口部１３Ａおよびハーフミラー１５を通して、表示再生像９３を観察することができる。このとき、０次光，不要な次数の回折波および共役波は、マスク１３により遮断され、観察者の眼の瞳には入射しない。
【００６５】
この図３に示された三次元像表示装置２は、前に図１に示された三次元像表示装置１と比較すると、空間光変調素子１１が透過型および反射型の何れであるかの点で相違し、また、これに関連してハーフミラー１５の有無の点でも相違する。しかし、これらの点で相違すると雖も、両者は実質的には同一の光学系であると言える。したがって、これまでに三次元像表示装置１（図１）について説明した事項は、三次元像表示装置２（図３）においても同様である。また、以下の説明は、三次元像表示装置１（図１）および三次元像表示装置２（図３）の双方に共通である。
【００６６】
また、以下では、空間光変調素子１１が振幅および位相の何れか一方のみを変調するものである場合について説明する。空間光変調素子１１の画素ピッチｐを８.１μｍとし、レンズ１２の焦点距離ｆを４０ｍｍとし、点光源１４をＬＥＤとし、この点光源１４から出力される照明光の波長λを６５０ｎｍとする。また、マスク１３の開口部１３Ａのサイズを、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のサイズと同じく、３.２ｍｍ×１.６ｍｍ とする。以上のような前提の下に、比較例および幾つかの実施例について以下に説明する。
【００６７】
初めに、比較例について説明する。図４は、比較例における直接再生像９１の輝点間隔を説明する図である。図５は、比較例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【００６８】
図４は、直接再生像９１の一部を光軸方向に見たときのものである。この図４において、空間光変調素子１１の各画素の位置に対応する直接再生像９１上の位置は、個々の最小単位の四角で示されている。直接再生像９１における輝度値を有する輝点７１の位置は、黒く塗り潰した四角で示されている。直接再生像９１における輝度値分布の１周期分の範囲は、太線の矩形枠で示されている。
【００６９】
図５は、レンズ１２の後焦点面に配置されたマスク１３を光軸方向に見たときのものである。この図５において、観察すべき再生光を透過させる開口部１３Ａの縁は、実線の矩形枠で示されている。開口部１３Ａに到達する再生光に対して共役な波面が到達する領域の範囲は、破線の矩形枠で示されている。０次光が到達する位置８１は、中央の黒丸で示されている。到達する再生光のピーク位置は、黒丸で示されている。
【００７０】
なお、ここで図４および図５の見方について説明した事項は、後に説明する類似の図においても同様である。
【００７１】
比較例では、空間光変調素子１１から直接的に再生される直接再生像９１において輝度値を有する輝点７１は、図４に示されるように、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて２ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの２倍）で周期的に配置されている。また、これら輝度値を有する輝点７１の初期位相値は一定である。
【００７２】
このとき、レンズ１２の後焦点面に到達する光のピークは、図５に示されるように、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて１.６ｍｍ（＝λｆ／(２ｐ)）のピッチで周期的に位置しており、マスク１３の開口部１３Ａの縁に存在するが、開口部１３Ａ内（縁を除く）には存在しない。したがって、この比較例では、開口部１３Ａの付近に眼を配置する観察者は、低い空間周波数成分が支配的である再生像を観察することが困難である。
【００７３】
次に、第１実施例について説明する。図６は、第１実施例における直接再生像９１の輝点間隔を説明する図である。図７は、第１実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【００７４】
第１実施例では、空間光変調素子１１から直接的に再生される直接再生像９１において輝度値を有する輝点７１は、図６に示されるように、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて４ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの４倍）で周期的に配置されている。また、これら輝度値を有する輝点７１の初期位相値は一定である。
【００７５】
このとき、第１実施例の場合のレンズ１２の後焦点面に到達する光のピークは、図７に示されるように、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて０.８ｍｍ（＝λｆ／(４ｐ)）のピッチで周期的に位置しており、そのうち、３点の光ピーク位置がマスク１３の開口部１３Ａ内（縁を除く）に存在する。この開口部１３Ａ内の３点の光ピーク位置それぞれは、空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生光のピーク位置であって、ｘ軸方向に配列されている。これら３点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光は、各位置に対応した視差画像成分を含んでいる。
【００７６】
したがって、この第１実施例では、開口部１３Ａの付近に眼を配置する観察者は、これら３点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳に同時に入射することで、眼の焦点調節機能を有効に働かせることができる。それ故、眼の焦点が外れている場合にはｘ軸方向に３画像がずれて、ｘ軸方向について自然なボケのある再生像を観察することができる。また、低い空間周波数成分が支配的である再生像をも良好に観察することができる。
【００７７】
次に、第２実施例について説明する。図８は、第２実施例における直接再生像９１の輝点間隔を説明する図である。図９は、第２実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【００７８】
第２実施例では、空間光変調素子１１から直接的に再生される直接再生像９１において輝度値を有する輝点７１は、図８に示されるように、ｘ軸方向について４ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの４倍）で周期的に配置されており、ｙ軸方向について６ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの６倍）で周期的に配置されている。また、これら輝度値を有する輝点７１の初期位相値は一定である。
【００７９】
このとき、第２実施例の場合のレンズ１２の後焦点面に到達する光のピークは、図９に示されるように、ｘ軸方向について０.８ｍｍ（＝λｆ／(４ｐ)）のピッチで周期的に位置し、ｙ軸方向について０.５３ｍｍ（＝λｆ／(６ｐ)）のピッチで周期的に位置しており、そのうち、６点の光ピーク位置がマスク１３の開口部１３Ａ内（縁を除く）に存在する。この開口部１３Ａ内の６点の光ピーク位置それぞれは、空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生光のピーク位置であって、ｘ軸方向に３列、ｙ軸方向に２行、配列されている。これら６点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光は、各位置に対応した視差画像成分を含んでいる。
【００８０】
したがって、この第２実施例では、開口部１３Ａの付近に眼を配置する観察者は、これら６点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳に同時に入射することで、眼の焦点調節機能を有効に働かせることができる。それ故、眼の焦点が外れている場合には、ｘ軸方向に３画像がずれ、ｙ軸方向に２画像がずれて、ｘ軸方向およびｙ軸方向の双方について自然なボケのある再生像を観察することができる。また、低い空間周波数成分が支配的である再生像をも良好に観察することができる。
【００８１】
次に、第３実施例について説明する。図１０は、第３実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【００８２】
この図１０の見方は、図４等の場合と同様である。加えて、直接再生像９１における輝度値を有する輝点７１の初期位相値が、黒く塗り潰した四角の中の数字で示されている。数字「０」は初期位相値の基準値を示し、数字「１」は初期位相値が「基準値＋π／２」であることを示し、数字「２」は初期位相値が「基準値＋π」であることを示し、また、数字「３」は初期位相値が「基準値＋３π／２」であることを示す。
【００８３】
第３実施例では、空間光変調素子１１から直接的に再生される直接再生像９１において輝度値を有する輝点７１は、比較例と同様に、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて２ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの２倍）で周期的に配置されている。また、輝度値を有する輝点７１の初期位相値は、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて４ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの４倍）で周期的に設定されている。太線の矩形枠で示されている初期位相値分布の１周期分の範囲では、輝度値を有する輝点７１の初期位相値は互いに異なる。
【００８４】
このとき、レンズ１２の後焦点面に到達する光のピークの配置の周期性は、直接再生像９１における輝点７１の配置および初期位相値の双方を総合した周期性を反映したものとなる。すなわち、第３実施例の場合のレンズ１２の後焦点面に到達する光のピークは、前述の図７に示された第１実施例の場合と同様に、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて０.８ｍｍ（＝λｆ／(４ｐ)）のピッチで周期的に位置しており、そのうち、３点の光ピーク位置がマスク１３の開口部１３Ａ内（縁を除く）に存在する。この開口部１３Ａ内の３点の光ピーク位置それぞれは、空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生光のピーク位置であって、ｘ軸方向に配列されている。これら３点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光は、各位置に対応した視差画像成分を含んでいる。
【００８５】
したがって、この第３実施例では、開口部１３Ａの付近に眼を配置する観察者は、これら３点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳に同時に入射することで、眼の焦点調節機能を有効に働かせることができる。それ故、眼の焦点が外れている場合にはｘ軸方向に３画像がずれて、ｘ軸方向について自然なボケのある再生像を観察することができる。また、低い空間周波数成分が支配的である再生像をも良好に観察することができる。
【００８６】
さらに、第１実施例の場合と比較すると、この第３実施例では、３点の光ピーク位置がマスク１３の開口部１３Ａ内（縁を除く）に存在する点で同じである一方で、直接再生像９１における輝度値を有する輝点７１の個数が４倍であるので、観察者は高解像度で明るい再生像を観察することができる。
【００８７】
次に、第４実施例について説明する。図１１は、第４実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【００８８】
この図１１の見方は、図４等の場合と同様である。加えて、直接再生像９１における輝度値を有する輝点７１の初期位相値が、黒く塗り潰した四角の中の数字で示されている。数字「０」は初期位相値の基準値を示し、数字「１」は初期位相値が「基準値＋π／３」であることを示し、数字「２」は初期位相値が「基準値＋２π／３」であることを示し、数字「３」は初期位相値が「基準値＋π」であることを示し、数字「３」は初期位相値が「基準値＋４π／３」であることを示し、また、数字「３」は初期位相値が「基準値＋５π／３」であることを示す。
【００８９】
第４実施例では、空間光変調素子１１から直接的に再生される直接再生像９１において輝度値を有する輝点７１は、比較例と同様に、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて２ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの２倍）で周期的に配置されている。また、輝度値を有する輝点７１の初期位相値は、ｘ軸方向について４ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの４倍）で周期的に設定されており、ｙ軸方向について６ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの６倍）で周期的に設定されている。太線の矩形枠で示されている初期位相値分布の１周期分の範囲では、輝度値を有する輝点７１の初期位相値は互いに異なる。
【００９０】
このとき、レンズ１２の後焦点面に到達する光のピークの配置の周期性は、直接再生像９１における輝点７１の配置および初期位相値の双方を総合した周期性を反映したものとなる。すなわち、第４実施例の場合のレンズ１２の後焦点面に到達する光のピークは、前述の図９に示された第２実施例の場合と同様に、ｘ軸方向について０.８ｍｍ（＝λｆ／(４ｐ)）のピッチで周期的に位置し、ｙ軸方向について０.５３ｍｍ（＝λｆ／(６ｐ)）のピッチで周期的に位置しており、そのうち、６点の光ピーク位置がマスク１３の開口部１３Ａ内（縁を除く）に存在する。この開口部１３Ａ内の６点の光ピーク位置それぞれは、空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生光のピーク位置であって、ｘ軸方向に３列、ｙ軸方向に２行、配列されている。これら６点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光は、各位置に対応した視差画像成分を含んでいる。
【００９１】
したがって、この第４実施例では、開口部１３Ａの付近に眼を配置する観察者は、これら６点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳に同時に入射することで、眼の焦点調節機能を有効に働かせることができる。それ故、眼の焦点が外れている場合には、ｘ軸方向に３画像がずれ、ｙ軸方向に２画像がずれて、ｘ軸方向およびｙ軸方向の双方について自然なボケのある再生像を観察することができる。また、低い空間周波数成分が支配的である再生像をも良好に観察することができる。
【００９２】
さらに、第２実施例の場合と比較すると、この第４実施例では、６点の光ピーク位置がマスク１３の開口部１３Ａ内（縁を除く）に存在する点で同じである一方で、直接再生像９１における輝度値を有する輝点７１の個数が６倍であるので、観察者は高解像度で明るい再生像を観察することができる。
【００９３】
次に、第５実施例について説明する。図１２は、第５実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。図１３は、第５実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【００９４】
この図１２の見方は、図４等の場合と同様である。加えて、直接再生像９１における輝度値を有する輝点７１の初期位相値が、黒く塗り潰した四角の中の数字で示されている。数字「０」は初期位相値の基準値を示し、数字「１」は初期位相値が「基準値＋π／２」であることを示し、数字「２」は初期位相値が「基準値＋π」であることを示し、また、数字「３」は初期位相値が「基準値＋３π／２」であることを示す。
【００９５】
第５実施例では、空間光変調素子１１から直接的に再生される直接再生像９１において輝度値を有する輝点７１は、比較例と同様に、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて２ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの２倍）で周期的に配置されている。また、輝度値を有する輝点７１の初期位相値は、ｘ軸方向について４ｐのピッチで周期的に設定されており、ｙ軸方向について８ｐのピッチで周期的に設定されており、また、ベクトル（±２ｐ，±４ｐ）の方向についても２０１／２ｐ（＝((2p)2+(4p)2)1/2）のピッチで周期的に設定されている。太線の矩形枠で示されている初期位相値分布の１周期分の範囲では、輝度値を有する輝点７１は、初期位相値が同一のものが２つずつ存在する。
【００９６】
このとき、レンズ１２の後焦点面に到達する光のピークの配置の周期性は、直接再生像９１における輝点７１の配置および初期位相値の双方を総合した周期性を反映したものとなる。すなわち、第５実施例の場合のレンズ１２の後焦点面に到達する光のピークは、図１３に示されるように、ｘ軸方向について１.６ｍｍ（＝λｆ／(４ｐ)）のピッチで周期的に位置し、ｙ軸方向について０.８ｍｍ（＝λｆ／(８ｐ)）のピッチで周期的に位置し、また、ベクトル（±２，±１）の方向についても０.８９ｍｍ（＝((0.8)2+(0.4)2)1/2）のピッチで周期的に位置する。そのうち、５点の光ピーク位置がマスク１３の開口部１３Ａ内（縁を除く）に存在する。この開口部１３Ａ内の５点の光ピーク位置それぞれは、空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生光のピーク位置であって、開口部１３Ａの中央にある光ピーク位置８２の周囲を他の４点の光ピーク位置が取り囲んでいる。これら５点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光は、各位置に対応した視差画像成分を含んでいる。
【００９７】
したがって、この第５実施例では、開口部１３Ａの付近に眼を配置する観察者は、これら５点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳に同時に入射することで、眼の焦点調節機能を有効に働かせることができる。それ故、眼の焦点が外れている場合には、ｘ軸方向およびｙ軸方向の双方について自然なボケのある再生像を観察することができる。また、低い空間周波数成分が支配的である再生像をも良好に観察することができる。また、第１実施例の場合と比較すると、直接再生像９１における輝度値を有する輝点７１の個数が４倍であるので、観察者は高解像度で明るい再生像を観察することができる。
【００９８】
次に、第６実施例について説明する。第６実施例では、目標再生像９１を構成する各輝点７１の初期位相値を時間的に変化させる。具体的には、既に図１０に示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布と、図１４に示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布とを、時間的に交互に設定する。一方の分布に対して、他方の分布はｘ軸方向に距離２ｐだけ平行移動したものに相当する。
【００９９】
或いは、図１２に示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布と、図１５に示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布と、図１６に示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布と、図１７に示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布とを、時間的に順次に繰り返して設定する。このようにすることにより、より鮮明な再生像が表示され得る。或る１つの分布に対して、他の分布は、ｘ軸方向に距離２ｐだけ平行移動したもの、ｙ軸方向に距離２ｐだけ平行移動したもの、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれに距離２ｐだけ平行移動したもの、の何れかに相当する。
【０１００】
図１０に示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布のみを設定した場合、或いは、図１２に示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布のみを設定した場合には、空間光変調素子１１に照射される照明光がコヒーレント光であることから、マスク１３の開口部１３Ａで観察される再生像には、周期構造を有する干渉縞パターンが重畳される。このことから、観察される再生像の画素数が減少する。
【０１０１】
しかし、この第６実施例では、図１０および図１４それぞれに示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布を時間的に交互に設定することにより、或いは、図１２および図１５〜図１７それぞれに示した直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値の分布を時間的に順次に繰り返して設定することにより、再生像に重畳される干渉縞パターンは、各時点での初期位相値分布に応じたものとなり、時間的に相殺される。このことから、干渉縞パターンの影響が低減されて、より鮮明な再生像が表示され得る。
【０１０２】
次に、第７実施例について説明する。第７実施例では、これまでに説明した比較例および各実施例と比較して、レンズ１２の焦点距離ｆを１２０ｍｍとする点で異なる。この場合、マスク１３の開口部１３Ａのサイズは、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域のサイズと同じく、９.６ｍｍ×４.８ｍｍ となる。観察者の眼の瞳径が３ｍｍ程度であるから、マスク１３の開口部１３Ａのサイズより観察者の眼の瞳径が小さい。このような場合にも、複数の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳に同時に入射することが必要である。
【０１０３】
そこで、第７実施例では、空間光変調素子１１から直接的に再生される直接再生像９１において輝度値を有する輝点７１は、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて４ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの４倍）で周期的に配置される。また、これら輝度値を有する輝点７１の初期位相値は、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて８ｐのピッチ（空間光変調素子１１の画素ピッチｐの８倍）で周期的に配置される。
【０１０４】
このとき、第7実施例の場合のレンズ１２の後焦点面に到達する光のピークは、図１８に示されるように、ｘ軸方向およびｙ軸方向それぞれについて１.２ｍｍ（＝λｆ／(８ｐ)）のピッチで周期的に位置しており、そのうち、２１点の光ピーク位置がマスク１３の開口部１３Ａ内（縁を除く）に存在する。この開口部１３Ａ内の２１点の光ピーク位置それぞれは、空間光変調素子１１での特定次数の回折による再生光のピーク位置であって、ｘ軸方向に７列、ｙ軸方向に３行、配列されている。これら２１点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光は、各位置に対応した視差画像成分を含んでいる。
【０１０５】
したがって、この第７実施例では、開口部１３Ａの付近に眼を配置する観察者は、上記２１点のうち５点の光ピーク位置それぞれの近傍に分布する再生光を眼の瞳（図中の破線の円）に同時に入射することで、眼の焦点調節機能を有効に働かせることができる。それ故、眼の焦点が外れている場合には、ｘ軸方向およびｙ軸方向の双方について自然なボケのある再生像を観察することができる。また、低い空間周波数成分が支配的である再生像をも良好に観察することができる。
【０１０６】
次に、第８実施例について説明する。第８実施例では、これまでに説明した各実施例と比較して、マスク１３の開口部１３Ａの形状に特徴を有している。本実施例におけるマスク１３は、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域（λｆ／ｐ，λｆ／(２ｐ)）のうち該領域内に到達する再生光のピーク位置を含む部分を透過させる一方、０次光，不要な次数の回折波および共役波を遮断するとともに、該領域の縁に到達する光線のピーク位置を含む部分を遮断するというだけでなく、該領域内に到達する特定次数以外の他の次数の回折による再生光を遮断する。
【０１０７】
例えば、既に説明した第５実施例（図１２，図１３）の如く、特定次数の回折による再生像を観察し得る領域（縁を除く）に５点の光ピーク位置が存在する場合、図１９に示されるように、それら５点それぞれを中心とする円形領域を開口部１３Ａとする。或いは、図２０に示されるように、それら５点それぞれを中心とする菱形領域（隣合う２つの菱形が互いに接していてもよい）を開口部１３Ａとする。
【０１０８】
このような開口部１３Ａの形状とすることにより、領域（λｆ／ｐ，λｆ／(２ｐ)）のうち該領域の縁に到達する光線のピーク位置の周辺の特定次数以外の他の次数の回折による再生光が遮断されて、より鮮明な再生像が観察され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】三次元像表示装置１の光学系および動作を説明する図である。
【図２】三次元像表示装置１から空間光変調素子１１およびレンズ１２を除いた光学系を説明する図である。
【図３】三次元像表示装置２の光学系を説明する図である。
【図４】比較例における直接再生像９１の輝点間隔を説明する図である。
【図５】比較例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【図６】第１実施例における直接再生像９１の輝点間隔を説明する図である。
【図７】第１実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【図８】第２実施例における直接再生像９１の輝点間隔を説明する図である。
【図９】第２実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【図１０】第３実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【図１１】第４実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【図１２】第５実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【図１３】第５実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【図１４】第６実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【図１５】第６実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【図１６】第６実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【図１７】第６実施例における直接再生像９１の輝点間隔および初期位相値を説明する図である。
【図１８】第７実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置を説明する図である。
【図１９】第８実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置およびマスク１３の開口部１３Ａの形状を説明する図である。
【図２０】第８実施例におけるレンズ１２の後焦点面に到達する光のピーク位置およびマスク１３の開口部１３Ａの形状を説明する図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１，２…三次元像表示装置、１１…空間光変調素子、１２…凸レンズ（再生像変換光学系）、１３…マスク、１３Ａ…開口部、１４…点光源、１５…ハーフミラー、７１…輝点、８１…０次光到達位置、９１…直接再生像、９３…表示再生像。
【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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