(57)【要約】【課題】本発明は、立体画像を表示することのできる光量ロスの少ない光学素子を提供することを目的とする。【解決手段】光を入射して、互いに可干渉な第１の位相を有する光（Ｌａ）と、第２の位相を有する光（Ｌｂ）との少なくとも２つの光を射出する画素（１４）を複数配置してなる光学素子（１１）であって、前記第１および前記第２の位相は、前記第１の位相を有する光（Ｌａ）と前記第２の位相を有する光（Ｌｂ）とが干渉して生じる干渉光波に、平面画像或いは、立体画像生成用の複素振幅分布が付与されるよう予め設定されていることを特徴とする。【選択図】      図２
2005338154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を入射して、互いに可干渉な第１の位相を有する光と、第２の位相を有する光との少なくとも２つの光を射出する画素を複数配置してなる光学素子であって、
前記第１および前記第２の位相は、
前記第１の位相を有する光と前記第２の位相を有する光とが干渉して生じる干渉光波に、平面画像或いは、立体画像生成用の複素振幅分布が付与されるよう予め設定されている
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、
前記画素は、
互いに高さの異なる複数の反射部材からなる
ことを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１に記載の光学素子において、
前記画素は、
互いに屈折率または、厚みの異なる複数の透過部材からなる
ことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１に記載の光学素子において、
前記画素は、
隣接配置された第１の位相を有する光を射出する第１の位相変換部と、第２の位相を有する光を射出する第２の位相変換部とで構成され、
前記位相変換部の並び方向は、
前記平面画像、あるいは立体画像を観察する観察者から見た縦方向に相当する
ことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
光を入射して、互いに可干渉な第１の位相を有する光と、第２の位相を有する光との、少なくとも２つ位相を有する光を射出する画素を複数配置してなる光学エンジンであって、
前記第１の位相と前記第２の位相とは自在に変調可能であり、
前記第１および前記第２の位相は、
前記第１の位相を有する光と前記第２の位相を有する光とが干渉して生じる干渉光波に、平面画像或いは、立体画像生成用の複素振幅分布が付与されるよう設定される
ことを特徴とする光学エンジン。
【請求項６】
請求項５に記載の光学エンジンにおいて、
前記画素は、
各々の高さが独立して可変の複数の反射鏡からなる
ことを特徴とする光学エンジン。
【請求項７】
請求項５に記載の光学エンジンにおいて、
前記画素は、
マイクロマシンの複数の素子からなる
ことを特徴とする光学エンジン。
【請求項８】
請求項５に記載の光学エンジンにおいて、
前記画素は、
透過光の位相が可変の液晶の複数の素子からなる
ことを特徴とする光学エンジン。
【請求項９】
請求項５に記載の光学エンジンにおいて、
前記画素は、
隣接配置された第１の位相を有する光を射出する第１の位相変換部と、第２の位相を有する光を射出する第２の位相変換部とで構成され、
前記位相変換部の並び方向は、
前記平面画像、あるいは立体画像を観察する観察者から見た縦方向に相当する
ことを特徴とする光学エンジン。
【請求項１０】
光を入射して、互いに可干渉な第１の位相を有する光と、第２の位相を有する光との、少なくとも２つの位相を有する光を射出する画素を複数配置してなり、前記第１の位相と前記第２の位相とは自在に変調可能な光学エンジンの制御方法であって、
前記第１の位相を有する光と前記第２の位相を有する光とが干渉して生じる干渉光波に、平面画像或いは、立体画像生成用の複素振幅分布が付与されるよう、前記第１の位相と前記第２の位相とを設定する
ことを特徴とする光学エンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、任意の光波を生成することのできる光学素子、光学エンジン、及び光学エンジンの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体画像の表示原理は次のとおりである。
図９（ａ）に示すように、コヒーレントな光により照明されている物体１０１からは、反射光が生じる。この反射光が任意平面Ｓに作る光波は、図９（ｂ）に示すように、各位置でそれぞれの複素振幅（振幅（ｒ）及び位相（θ））を持った複素振幅分布を有している。
【０００３】
よって、これと同じ、或いは似た複素振幅分布の光波を人工的に生成すれば、図９（ｂ）に示すように物体１０１が無くとも、立体画像の虚像１０１’を観察者に対し表示することができる。
このように特定の光波を人工的に生成する素子として有名なのは、ホログラム素子である（特許文献１など）。
【０００４】
一般に、ホログラム素子は、照明光を各方向に回折し、その回折光によって特定の光波を生成するものである。
【特許文献１】特開平７−２２５５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ホログラム素子で利用されるのは０次を除く回折光のみなので、照明光の殆どが無駄になる。
また、ホログラム素子を用いて立体画像を変化させようとしたならば、多数のホログラム素子と、それらを高速に切り換える機構とを要し、大がかりになる。
そこで本発明は、立体画像を表示することのできる光量ロスの少ない光学素子を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、任意の立体画像を表示することのできる光量ロスの少ない小型の光学エンジンを提供することを目的とする。
また、本発明は、任意の光波を光学エンジンに生成させることのできる光量ロスの少ない光学エンジンの制御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】
【０００７】
請求項１に記載の光学素子は、光を入射して、互いに可干渉な第１の位相を有する光と、第２の位相を有する光との少なくとも２つの光を射出する画素を複数配置してなる光学素子であって、前記第１および前記第２の位相は、前記第１の位相を有する光と前記第２の位相を有する光とが干渉して生じる干渉光波に、平面画像或いは、立体画像生成用の複素振幅分布が付与されるよう予め設定されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記画素は、互いに高さの異なる複数の反射部材からなることを特徴とする。
請求項３に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記画素は、互いに屈折率または、厚みの異なる複数の透過部材からなることを特徴とする。
請求項４に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記画素は、隣接配置された第１の位相を有する光を射出する第１の位相変換部と、第２の位相を有する光を射出する第２の位相変換部とで構成され、前記位相変換部の並び方向は、前記平面画像、あるいは立体画像を観察する観察者から見た縦方向に相当することを特徴とする。
【０００９】
請求項５に記載の光学エンジンは、光を入射して、互いに可干渉な第１の位相を有する光と、第２の位相を有する光との、少なくとも２つ位相を有する光を射出する画素を複数配置してなる光学エンジンであって、前記第１の位相と前記第２の位相とは自在に変調可能であり、前記第１および前記第２の位相は、前記第１の位相を有する光と前記第２の位相を有する光とが干渉して生じる干渉光波に、平面画像或いは、立体画像生成用の複素振幅分布が付与されるよう設定されることを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の光学エンジンは、請求項５に記載の光学エンジンにおいて、前記画素は、各々の高さが独立して可変の複数の反射鏡からなることを特徴とする。
請求項７に記載の光学エンジンは、請求項５に記載の光学エンジンにおいて、前記画素は、マイクロマシンの複数の素子からなることを特徴とする。
請求項８に記載の光学エンジンは、請求項５に記載の光学エンジンにおいて、前記画素は、透過光の位相が可変の液晶の複数の素子からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項９に記載の光学エンジンは、請求項５に記載の光学エンジンにおいて、前記画素は、隣接配置された第１の位相を有する光を射出する第１の位相変換部と、第２の位相を有する光を射出する第２の位相変換部とで構成され、前記位相変換部の並び方向は、前記平面画像、あるいは立体画像を観察する観察者から見た縦方向に相当することを特徴とする。
【００１２】
請求項１０に記載の光学エンジンの制御方法は、光を入射して、互いに可干渉な第１の位相を有する光と、第２の位相を有する光との、少なくとも２つの位相を有する光を射出する画素を複数配置してなり、前記第１の位相と前記第２の位相とは自在に変調可能な光学エンジンの制御方法であって、前記第１の位相を有する光と前記第２の位相を有する光とが干渉して生じる干渉光波に、平面画像或いは、立体画像生成用の複素振幅分布が付与されるよう、前記第１の位相と前記第２の位相とを設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、立体画像を表示することのできる光量ロスの少ない光学素子が実現する。
また、本発明によれば、任意の立体画像を表示することのできる光量ロスの少ない小型の光学エンジンが実現する。
また、本発明は、任意の光波を光学エンジンに生成させることのできる光量ロスの少ない光学エンジンの制御方法が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１実施形態］
以下、図１、図２、図３に基づき本発明の第１実施形態を説明する。
本実施形態は、反射型光学素子（請求項の光学素子に対応する。）の実施形態である。
先ず、反射型光学素子の使用形態を説明する。
図１（ａ）に示すように、反射型光学素子１１は、コヒーレントな照明光束によって照明されると、入射光束を観察眼の方向に反射する。図１（ａ）において、符号１２、１３で示すのは、光源、レンズである。
【００１５】
反射型光学素子１１の照明方法としては様々な方法が挙げられるが、図１（ａ）に示すように斜めから照明する方法の他、図１（ｂ）に示すように、正面から照明する方法もある。図１（ｂ）において、符号ＨＭで示すのは、ハーフミラーである。以下、簡単のため、正面から照明する方法（図１（ｂ））が採用された場合を説明する。
反射型光学素子１１は、図２（ａ）に示すように、反射率の等しい微小反射鏡からなる位相変換部１４ａ，１４ｂを、その反射面を表面に向けて平面基板上に二次元状に配置してなる。
【００１６】
観察者から見て縦方向（図ではＹ方向）に並ぶ１対の位相変換部１４ａ，１４ｂが、単位画素１４として用いられる。観察者から見ると画素１４は、縦方向に長い長方形となる。
よって、画素１４は、観察者から見て横方向に密に並び、観察者から見て縦方向に粗に並ぶことになる。
【００１７】
次に、反射型光学素子１１の近傍での光の振る舞いを説明する。
画素１４に照明光束が入射すると、図２（ｂ）に示すとおり、その光束は、位相変換部１４ａ，１４ｂそれぞれの反射面にて反射される。位相変換部１４ａ，１４ｂのそれぞれにおける反射光Ｌａ，Ｌｂは互いに干渉して干渉光Ｌｉとなり観察眼に向かう。
反射光Ｌａの位相は、位相変換部１４ａの反射面の高さによって決まり、反射光Ｌｂの位相は、位相変換部１４ｂの反射面の高さによって決まる。
【００１８】
次に、干渉光Ｌｉの詳細を説明する。
図３（ａ）に示すように、反射型光学素子１１から所定距離だけ離れた或る基準面Ｓ上における干渉光Ｌｉを考える。
この干渉光Ｌｉの複素振幅は、基準面Ｓにおける反射光Ｌａの位相と反射光Ｌｂの位相との関係によって決まる。よって、その複素振幅は、位相変換部１４ａの反射面の高さと位相変換部１４ｂの反射面の高さとによって決まる。以下、それを数式で示す。
【００１９】
位相変換部１４ａ，１４ｂの反射面の高さを、基準面Ｓまでの距離ｄ1，ｄ2で表すと、干渉光Ｌｉの複素振幅Ａｒは、式（１）で与えられる。
【００２０】
【数１】
2005338154.tif 000003
【００２１】
但し、
ｒ：反射光Ｌａ，Ｌｂの振幅，
ｋ：波数（照明光の波長λに対しｋ＝２π／λ）
である。なお、ここでは、反射光Ｌａ，Ｌｂの振幅を等しいとみなした。また、光路の媒質を空気としてその屈折率を１とした。
【００２２】
このような干渉光Ｌｉは、各画素１４の反射光Ｌａ，Ｌｂによりそれぞれ生じ、それらは図１（ｂ）に点線で示したように観察眼に対しそれぞれ入射する。
次に、位相変換部１４ａ，１４ｂの反射面の高さ設定を説明する。
各画素１４における位相変換部１４ａ，１４ｂの反射面の高さの組み合わせは予め選定されている。
【００２３】
その選定は、各干渉光Ｌｉからなる光波の複素振幅分布が、或る特定の立体画像を表示するための光波（例えば、図９（ｂ）に示す光波）の複素振幅分布に一致するように行われる。
よって、その選定では、その複素振幅分布のデータと式（１）とが用いられる。
次に、反射型光学素子１１の反射面の高さの設定範囲を説明する。
【００２４】
反射型光学素子１１による立体画像の再現性を最大に引き出すため、干渉光Ｌｉの振幅と位相とはそれぞれ最大範囲の各値に設定可能である必要がある。
つまり、式（１）において、振幅項が０〜２ｒの範囲の各値に設定可能であり、かつ位相項が−π〜πの範囲の各値に設定可能である必要がある。
このため、ｄ1とｄ2とは、式（１−１）及び式（１−２）を満足する各値をとる。
【００２５】
−π≦２ｋ（ｄ1−ｄ2）≦π  ・・・（１−１）
−π≦ｋ（ｄ1＋ｄ2）≦π    ・・・（１−２）
ここで、ｋ＝２π／λであるので、式（１−１），（１−２）は、式（１−３），（１−４）と変形される。
−λ／４≦ｄ1−ｄ2≦λ／４  ・・・（１−３）
−λ／２≦ｄ1＋ｄ2≦λ／２  ・・・（１−４）
よって、式（１−５），（１−６）が得られる。
【００２６】
−３λ／８≦ｄ1≦３λ／８  ・・・（１−５）
−３λ／８≦ｄ2≦３λ／８  ・・・（１−６）
つまり、ｄ1とｄ2とは、少なくとも±３λ／８の範囲の各値に設定されればよい。
なお、計算上は、ｄ1，ｄ2の設定範囲を±３λ／８としたが、図３に示すような素子では、これに一定の長さが加わっている。
【００２７】
次に、反射型光学素子１１の効果を説明する。
各画素１４における位相変換部１４ａ，１４ｂの反射面の高さの組み合わせが上述したごとく選定されているので、観察者は、立体画像（例えば、図９（ｂ）に示すような虚像１０１’）を観察することができる。
しかも、立体画像を表示するための光波として、位相変換部１４ａ，１４ｂにおける反射光Ｌａ，Ｌｂの干渉光Ｌｉを利用するので、それら位相変換部１４ａ，１４ｂの反射面の反射率さえ十分に高ければ、照明光のロスは極めて少なく抑えられる。
【００２８】
さらに、反射型光学素子１１は、位相変換部１４ａ，１４ｂを二次元的に並べただけの単一素子であるので、小型である。仮に、そのサイズを拡大した場合にも、その厚さは薄く保たれる。
また、画素１４の位相変換部１４ａ，１４ｂの面は、縦方向（図中Ｙ方向）に対して通常不連続な凹凸となるので、図３（ｂ）に示すように、回折光Ｄを生じ易い。しかしながら、本実施形態では、観察者の２眼が横方向に配置されるので、この回折光Ｄは、あまり立体視の妨げにはならない。
【００２９】
（その他）
なお、反射型光学素子１１の製造には、例えば、以下の＜１＞，＜２＞，＜３＞の手順が含まれる。
＜１＞複素振幅分布のデータと式（１）とに基づき、光源１２の波長λと共に反射型光学素子１１上の反射面の高さ分布を決定する（反射型光学素子１１の設計）。
【００３０】
＜２＞反射型光学素子１１の位相変換部１４ａ，１４ｂの部分の原型（光硬化型学樹脂など）を用意し、その原型の表面を公知の樹脂成形などの技術により、＜１＞で決定された高さ分布の凹凸に成形する。成形には、原型の材料に適した公知の手法が適用される。
＜３＞凹凸の表面にアルミ膜などの反射膜を成膜する。
また、本実施形態では、反射型光学素子１１を正面から照明する方法を採用したが、斜めから照明する場合も同様の原理に基づき位相変換部１４ａ，１４ｂの高さの組み合わせを選定すれば、同様の効果が得られる。
【００３１】
また、本実施形態では、位相変換部１４ａ，１４ｂからの反射光の振幅を等しいとしたが、反射面の面積と反射率とが等しい必要はなく、両者を掛け合わせた値が等しければよい。
また、本実施形態では、位相変換部１４ａ，１４ｂの反射面の高さの組み合わせ（高さ分布）を選定するに当たり、立体画像を表示するための光波の複素振幅分布のデータが用いられたが、そのデータは、立体のデータ（立体の形状、反射率など）から演算によって求められたものであっても、立体から実測されたものであってもよい。
【００３２】
［第２実施形態］
以下、図４、図５、図６に基づき本発明の第２実施形態を説明する。
本実施形態は、透過型光学素子（請求項の光学素子に対応する。）の実施形態である。
先ず、透過型光学素子の使用形態を説明する。
図４（ａ）に示すように、透過型光学素子２１は、コヒーレントな照明光束によって照明されると、入射光束を観察眼の方向に透過する。図４（ａ）において、符号１２、１３で示すのは、光源、レンズである。
【００３３】
透過型光学素子２１の照明方法としては様々な方法が挙げられるが、図４（ａ）に示すように裏側から照明する方法の他、図４（ｂ）に示すように、正面から照明する方法もある。図４（ｂ）において、符号ＨＭで示すのは、ハーフミラーであり、符号Ｍで示すのは、光路を折り返すミラーである。以下、簡単のため、裏側から照明する方法（図４（ａ））が採用された場合を説明する。
【００３４】
透過型光学素子２１は、図５（ａ）に示すように、屈折率の等しい微小透過部材からなる位相変換部２４ａ，２４ｂを、二次元状に配置してなる。
観察者から見て縦方向（図ではＹ方向）に並ぶ１対の位相変換部２４ａ，２４ｂが、単位画素２４として用いられる。観察者から見ると画素２４は、縦方向に長い長方形となる。
【００３５】
よって、画素２４は、観察者から見て横方向に密に並び、観察者から見て縦方向に粗に並ぶことになる。
次に、透過型光学素子２１の近傍での光の振る舞いを説明する。
画素２４に照明光束が入射すると、図５（ｂ）に示すとおり、その光束は、位相変換部２４ａ，２４ｂを透過する。位相変換部２４ａ，２４ｂの透過光Ｌａ，Ｌｂは互いに干渉して干渉光Ｌｉとなり観察眼に向かう。
【００３６】
透過光Ｌａの位相は、位相変換部２４ａの厚さによって決まり、透過光Ｌｂの位相は、位相変換部２４ｂの厚さによって決まる。
次に、干渉光Ｌｉの詳細を説明する。
図６に示すように、透過型光学素子２４から所定距離Ｌだけ離れた或る基準面Ｓ上における干渉光Ｌｉを考える。
【００３７】
この干渉光Ｌｉの複素振幅は、基準面Ｓにおける透過光Ｌａの位相と透過光Ｌｂの位相との関係によって決まる。よって、その複素振幅は、位相変換部２４ａの厚さと位相変換部２４ｂの厚さとによって決まる。以下、それを数式で示す。
位相変換部２４ａ，２４ｂの厚さをｄ3，ｄ4で表すと、干渉光Ｌｉの複素振幅Ａｔは、式（２）で与えられる。
【００３８】
【数２】
2005338154.tif 000004
【００３９】
但し、
Ｄｃ：透過光Ｌａの光学的光路長，
Ｄｄ：透過光Ｌｂの光学的光路長，
ｎ：位相変換部２４ａ，２４ｂの屈折率
ｒ’：透過光Ｌａ，Ｌｂの振幅，
ｋ：波数（照明光の波長λに対しｋ＝２π／λ），
である。なお、ここでは、透過光Ｌａ，Ｌｂの振幅を等しいとみなした。また、位相変換部２４ａ，２４ｂ以外の光路の媒質を空気としてその屈折率を１とした。
【００４０】
このような干渉光Ｌｉは、各画素２４の透過光Ｌａ，Ｌｂによりそれぞれ生じ、それらは図４（ａ）に点線で示したように観察眼に対しそれぞれ入射する。
次に、位相変換部２４ａ，２４ｂの厚さ設定を説明する。
各画素２４における位相変換部２４ａ，２４ｂの厚さの組み合わせは予め選定されている。
【００４１】
その選定は、各干渉光Ｌｉからなる光波の複素振幅分布が、或る特定の立体画像を表示するための光波（例えば、図９（ｂ）に示す光波）の複素振幅分布に一致するように行われる。
よって、その選定では、その複素振幅分布のデータと式（２）とが用いられる。
次に、透過型光学素子２１の厚さ分布の設定範囲を説明する。
【００４２】
透過型光学素子２１による立体画像の再現性を最大に引き出すため、干渉光Ｌｉの振幅と位相とはそれぞれ最大範囲の各値に設定可能である必要がある。
つまり、式（２）において、振幅項が０〜２ｒ’の範囲の各値に設定可能であり、かつ位相項が−π〜πの範囲の各値に設定可能である必要がある。
このため、ｄ3とｄ4とは、式（２−１）及び式（２−２）を満足する各値をとる。
【００４３】
−π≦ｋ（ｎ−１）（ｄ3−ｄ4）≦π  ・・・（２−１）
−π≦ｋ（ｎ−１）（ｄ3＋ｄ4）／２≦π    ・・・（２−２）
ここで、ｋ＝２π／λであるので、式（２−１），（２−２）は、式（２−３），（２−４）と変形される。
−λ／（２ｎ−２）≦ｄ3−ｄ4≦λ／（２ｎ−２）  ・・・（２−３）
−λ／（ｎ−１）≦ｄ3＋ｄ4≦λ／（ｎ−１）  ・・・（２−４）
よって、式（２−５），（２−６）が得られる。
【００４４】
−３λ／（４ｎ−４）≦ｄ3≦３λ／（４ｎ−４）  ・・・（２−５）
−３λ／（４ｎ−４）≦ｄ4≦３λ／（４ｎ−４）  ・・・（２−６）
つまり、ｄ3とｄ4とは、少なくとも±３λ／（４ｎ−４）の範囲の各値に設定されればよい。
なお、計算上は、ｄ3，ｄ4の設定範囲を±３λ／（４ｎ−４）としたが、図６に示すような素子では、これに一定の長さが加わっている。
【００４５】
次に、透過型光学素子２１の効果を説明する。
各画素２４における位相変換部２４ａ，２４ｂの厚さの組み合わせが上述したごとく選定されているので、観察者は、立体画像（例えば、図９（ｂ）に示すような虚像１０１’）を観察することができる。
しかも、立体画像を表示するための光波として、位相変換部２４ａ，２４ｂにおける透過光Ｌａ，Ｌｂの干渉光Ｌｉを利用するので、それら位相変換部２４ａ，２４ｂの透過率さえ十分に高ければ、照明光のロスは極めて少なく抑えられる。
【００４６】
さらに、透過型光学素子２１は、位相変換部２４ａ，２４ｂを二次元的に並べただけの単一素子であるので、小型である。仮に、そのサイズを拡大した場合にも、その厚さは薄く保たれる。
また、画素２４の位相変換部２４ａ，２４ｂの面は、縦方向（図中Ｙ方向）に対して通常不連続な凹凸となるので、回折光Ｄを生じ易い。しかしながら、本実施形態では、観察者の２眼が横方向に配置されるので、この回折光Ｄは、あまり立体視の妨げにはならない。
【００４７】
（その他）
なお、透過型光学素子２１の製造には、例えば、以下の＜１＞，＜２＞の手順が含まれる。
＜１＞複素振幅分布のデータと式（２）とに基づき、光源１２の波長λと共に透過型光学素子２１の厚さ分布を決定する（透過型光学素子２１の設計）。
【００４８】
＜２＞透過型光学素子２１の原型（波長λの光に対し透明な光硬化型樹脂など）を用意し、その原型の表面を公知の樹脂成形などの技術により、＜１＞で決定された厚さ分布の凹凸に成形する。成形には、原型の材料に適した公知の手法が適用される。
また、本実施形態では、透過型光学素子２１を裏側から照明する方法を採用したが、正面から照明する場合も同様の原理に基づき位相変換部２４ａ，２４ｂの厚さの組み合わせを選定すれば、同様の効果が得られる。因みに、その場合には、照明光が位相変換部２４ａ，２４ｂを往復するので、位相変換部２４ａ，２４ｂの厚さ変化に対する透過光Ｌａ，Ｌｂの位相変化の感度が２倍に増加するので、それら厚さの組み合わせを選定する際には、その点を考慮した式が用いられる。
【００４９】
また、本実施形態では、位相変換部２４ａ，２４ｂの屈折率を等しいとしたが、異なるものとしてもよい。但し、その場合、位相変換部２４ａ，２４ｂの厚さの組み合わせを選定する際に、それら屈折率の差異を考慮した式が用いられる。
また、本実施形態では、位相変換部２４ａ，２４ｂの厚さの組み合わせ（厚さ分布）を選定するに当たり、立体画像を表示するための光波の複素振幅分布のデータが用いられたが、そのデータは、立体のデータ（立体の形状、反射率など）から演算によって求められたものであっても、立体から実測されたものであってもよい。
【００５０】
［第３実施形態］
以下、図７に基づき本発明の第３実施形態を説明する。
本実施形態は、反射型光学エンジン（請求項の光学エンジンに対応する。）の実施形態である。ここでは、主に、第１実施形態の反射型光学素子１１との相違点を説明する。
反射型光学素子１１が特定の立体画像しか表示できないのに対し、反射型光学エンジンは、様々な立体画像を表示することができる。
【００５１】
先ず、反射型光学エンジンの使用形態を説明する。
反射型光学エンジンの使用形態は、第１実施形態の反射型光学素子１１の使用形態（図１（ａ），（ｂ）参照）と略同じである。図７には、正面から照明する方法が採用された使用形態を示した。以下、簡単のため、その方法が採用された場合を説明する。
反射型光学エンジン３１は、図７に示すように、コンピュータや回路などからなる制御部３２によって制御される。制御部３２には、複素振幅分布のデータが外部から入力される。この複素振幅分布のデータは、立体画像を表示するための光波（例えば、図９（ｂ）に示す光波）の複素振幅分布を示す。
【００５２】
なお、制御部３２による反射型光学エンジン３１の制御方法が、請求項の光学エンジンの制御方法に対応する。
次に、反射型光学エンジン３１の構成を説明する。
反射型光学エンジン３１は、図７の下部に拡大して示すように、反射率の等しい高さ可変の微小反射鏡からなる位相変調部３４ａ，３４ｂを、反射型光学素子１１の位相変換部１４ａ，１４ｂと同様に配置してなる。１対の位相変調部３４ａ，３４ｂが、単位画素３４として用いられる。
【００５３】
このような反射型光学エンジン３１には、例えば、反射型位相変調素子、具体的には、マイクロマシン（MEMS：Micro Electro mechanical Systems）の１つであるＧＬＶ（Grating Light Valve）が適用される（例えば、米SILICON LIGHT MACHINES社が開発したもの）。この反射型位相変調素子の単位リボンを、位相変調部３４ａ，３４ｂとして用いればよい。なお、本明細書において「マイクロマシン」とは、Ｓｉ基板上に半導体微細加工をベースとした方法で機械構造を作り込み、ワンチップ化したものを指す。
【００５４】
この反射型位相変調素子を適用した反射型光学エンジン３１は、位相変調部３４ａ，３４ｂのそれぞれの反射面の高さを電気的指令によりｎｍオーダで変位することが可能である。
次に、反射型光学エンジン３１の近傍での光の振る舞いを説明する。
この反射型光学エンジン３１の近傍での光の振る舞いは、反射型光学素子１１の近傍での光の振る舞いと同じである。つまり、各画素３４の反射光Ｌａ，Ｌｂにより干渉光Ｌｉが生じ、各画素３４の各干渉光Ｌｉが成す光波が観察眼に入射する。
【００５５】
よって、位相変調部３４ａ，３４ｂの高さの可変範囲は、それぞれ少なくとも±３λ／８の範囲であればよい。
次に、位相変調部３４ａ，３４ｂの高さ設定を説明する。
各画素３４における位相変調部３４ａ，３４ｂの反射面の高さの組み合わせは、制御部３２によって選定され、それぞれ設定される。
【００５６】
その選定は、外部から入力された複素振幅分布のデータに基づき、各画素３４からの各干渉光Ｌｉからなる光波の複素振幅分布がその入力された複素振幅分布に一致するように行われる。
次に、反射型光学エンジン３１の効果を説明する。
各画素３４における位相変調部３４ａ，３４ｂの反射面の高さの組み合わせは上述したごとく選定されている。
【００５７】
また、立体画像を表示するための光波として、位相変調部３４ａ，３４ｂにおける反射光Ｌａ，Ｌｂの干渉光Ｌｉが利用される。
また、反射型光学エンジン３１は、位相変調部３４ａ，３４ｂを二次元的に並べただけの単一素子である。
また、画素３４は、観察者から見て横方向に密に並び、観察者から見て縦方向に粗に並ぶ。
【００５８】
したがって、第１実施形態の反射型光学素子１１と同じ効果が得られる。
さらに、反射型光学エンジン３１の反射面の高さ分布は可変なので、様々な立体画像を表示することができる。
また、制御部３２が、各干渉光Ｌｉからなる光波の複素振幅分布を、外部から入力された複素振幅分布に一致させるので、ユーザは、その制御部３２への入力データを変更するだけで、光学エンジン３１に表示させる立体画像を変更することができる。
【００５９】
さらに、反射型光学エンジン３１にはマイクロマシンが適用されるので、反射面の高さ分布の変更を、高速かつ高精度に行うことができる。よって、立体動画像の表示も可能である。
（その他）
なお、本実施形態では、制御部３２に入力されるデータが複素振幅分布のデータとされたが、立体のデータ（立体の形状、反射率など）とされてもよい。その場合、制御部３２の手順には、立体のデータから、その立体の立体画像を表示するための光波の複素振幅分布を求める手順が追加される。
【００６０】
また、本実施形態では、反射型光学エンジン３１を正面から照明する方法を採用したが、斜めから照明する場合も同様の原理に基づき位相変調部３４ａ，３４ｂの高さの組み合わせが選定されれば、同様の効果が得られる。
また、本実施形態では、位相変調部３４ａ，３４ｂの反射面の反射率を等しいとしたが、異なるものとしてもよい。
【００６１】
［第４実施形態］
以下、図８に基づき本発明の第４実施形態を説明する。
本実施形態は、透過型光学エンジン（請求項の光学エンジンに対応する。）の実施形態である。ここでは、主に、第２実施形態の透過型光学素子２１との相違点を説明する。
透過型光学素子２１が特定の立体画像しか表示できないのに対し、透過型光学エンジンは、様々な立体画像を表示することができる。
【００６２】
先ず、透過型光学エンジンの使用形態を説明する。
透過型光学エンジンの使用形態は、第２実施形態の透過型光学素子２１の使用形態（図４（ａ），（ｂ）参照）と略同じである。図８には、裏側から照明する方法が採用された使用形態を示した。以下、簡単のため、その方法が採用された場合を説明する。
透過型光学エンジン４１は、図８に示すように、コンピュータや回路などからなる制御部４２によって制御される。制御部４２には、複素振幅分布のデータが外部から入力される。この複素振幅分布のデータは、立体画像を表示するための光波（例えば、図９（ｂ）に示す光波）の複素振幅分布を示す。
【００６３】
なお、制御部４２による透過型光学エンジン４１の制御方法が、請求項の光学エンジンの制御方法に対応する。
次に、透過型光学エンジン４１の構成を説明する。
透過型光学エンジン４１は、図８の下部に拡大して示すように、透過光の位相変調が自在の液晶からなる位相変調部４４ａ，４４ｂを、透過型光学素子２１の位相変換部２４ａ，２４ｂと同様に配置してなる。１対の位相変調部４４ａ，４４ｂが、単位画素４４として用いられる。
【００６４】
このような透過型光学エンジン４１には、例えば、平行配向液晶空間光変調器（Parallel-Aligned Liquid crystal Spatial Light Modulator:PAL-SLM）、或いはこれとLCDとを組み合わせたプログラマブル位相変調ユニット（Programmable Phase Modulator:PPM）が適用される。
次に、透過型光学エンジン４１の近傍での光の振る舞いを説明する。
【００６５】
この透過型光学エンジン４１の近傍での光の振る舞いは、透過型光学素子２１の近傍での光の振る舞いと略同じである。つまり、各画素４４の透過光Ｌａ，Ｌｂにより干渉光Ｌｉが生じ、各画素４４の各干渉光Ｌｉが成す光波が観察眼に入射する。
よって、位相変調部４４ａ，４４ｂの位相変調量の可変範囲は、式（２）において、干渉光Ｌｉの振幅項が０〜２ｒ’の範囲で変化し、かつ干渉光Ｌｉの位相項が−π〜πの範囲で変化できるよう設定される。
【００６６】
次に、位相変調部４４ａ，４４ｂの位相変調量の設定を説明する。
各画素４４における位相変調部４４ａ，４４ｂの位相変調量の組み合わせは、制御部４２によって選定され、それぞれ設定される。
その選定は、外部から入力された複素振幅分布のデータに基づき、各画素４４の各干渉光Ｌｉからなる光波の複素振幅分布がその入力された複素振幅分布に一致するように行われる。
【００６７】
次に、透過型光学エンジン４１の効果を説明する。
各画素４４における位相変調部４４ａ，４４ｂの位相変調量の組み合わせは上述したごとく選定されている。
また、立体画像を表示するための光波として、位相変調部４４ａ，４４ｂにおける透過光Ｌａ，Ｌｂの干渉光Ｌｉが利用される。
【００６８】
また、透過型光学エンジン４１は、位相変調部４４ａ，４４ｂを二次元的に並べただけの単一素子である。
また、画素４４は、観察者から見て横方向に密に並び、観察者から見て縦方向に粗に並ぶ。
したがって、第２実施形態の透過型光学素子２１と同じ効果が得られる。
【００６９】
さらに、透過型光学エンジン４１の位相変調量の分布は可変なので、様々な立体画像を表示することができる。
また、制御部４２が、各干渉光Ｌｉからなる光波の複素振幅分布を、外部から入力された複素振幅分布に一致させるので、ユーザは、その制御部４２への入力データを変更するだけで、透過型光学エンジン４１に表示させる立体画像を変更することができる。
【００７０】
さらに、透過型光学エンジン４１には平行配向液晶空間光変調器が適用されるので、位相変調量の分布の変更を、高速かつ高精度に行うことができる。よって、立体動画像の表示も可能である。
（その他）
なお、本実施形態では、制御部４２に入力されるデータが複素振幅分布のデータとされたが、立体のデータ（立体の形状、反射率など）とされてもよい。その場合、制御部４２の手順には、立体のデータから、その立体の立体画像を表示するための光波の複素振幅分布を求める手順が追加される。
【００７１】
また、本実施形態では、透過型光学エンジン４１を裏側から照明する方法を採用したが、正面から照明する場合も同様の原理に基づき位相変調部４４ａ，４４ｂの位相変調量の組み合わせが選定されれば、同様の効果が得られる。因みに、その場合には、照明光が位相変調部４４ａ，４４ｂを往復するので、位相変調部４４ａ，４４ｂの位相変調量に対する透過光Ｌａ，Ｌｂの位相変化の感度が２倍に増加する。
【００７２】
［その他］
上述した反射型光学素子１１、透過型光学素子２１、反射型光学エンジン３１、透過型光学エンジン４１は、立体画像の虚像を表示するように設定されても、立体画像の実像を表示するように設定されてもよい。
また、上述した反射型光学素子１１、透過型光学素子２１、反射型光学エンジン３１、透過型光学エンジン４１は、立体画像を表示するための光波を生成するよう設定されたが、任意の複素振幅分布の光波を生成するよう設定されてもよい。
【００７３】
また、実施形態では、立体画像の生成として説明したが、３次元の座標のうち１軸に関して平坦な像であれば２次元の画像となり、２軸に関して平坦な像であれば、１次元の画像となる。故に、本発明でいう立体画像には、１次元の画像と２次元の画像とが含まれる。
また、実施形態では、１対の位相変換部からなる画素を説明したが、互いに異なる位相を有する２つの光を射出するものであれば、この形態に限定されない。
【００７４】
また、上述した反射型光学エンジン３１，４１の制御部３２，４２としてコンピュータを用いる場合、制御部３２，４２の上述した手順からなるプログラムを用意し、それをコンピュータに実行させればよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の光学素子、光学エンジンの応用範囲は広く、航空機パイロットのヘッドアップディスプレイ、航空管制用のディスプレイ、アミューズメント用のディスプレイ、三次元医療画像用のディスプレイ、ＣＡＤＡＭのディスプレイ、レーザプリンタ、光通信用の交換機、電子ロックシステムなどの各分野に及ぶ。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】第１実施形態の反射型光学素子１１の使用形態を示す図である。
【図２】（ａ）は、反射型光学素子１１を観察者側から見た平面図であり、（ｂ）は、反射型光学素子１１の一部をＹＺ平面で切断した部分断面図である。
【図３】反射型光学素子１１の画素１４の拡大断面図である。（ａ）は、反射型光学素子１にて生じる正反射光（０次回折光）の様子、（ｂ）は、回折光（＋１次回折光）の様子を示している。
【図４】第２実施形態の光学素子２１の使用形態を示す図である。
【図５】（ａ）は、透過型光学素子２１を観察者側から見た平面図であり、（ｂ）は、透過型光学素子２１の一部をＹＺ平面で切断した部分断面図である。
【図６】透過型光学素子２１の画素２４の拡大断面図である。
【図７】反射型光学エンジン３１を説明する図である。
【図８】透過型光学エンジン４１を説明する図である。
【図９】立体画像の表示原理を説明する図である。
【符号の説明】
【００７７】
１１  反射型光学素子
２１  透過型光学素子
１２  光源
１３  レンズ
ＨＭ  ハーフミラー
１４，２４，３４，４４  画素
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ  位相変換部
３１  反射型光学エンジン
４１  透過型光学エンジン
３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂ  位相変調部
【図１】
2005338154.tif 000005
【図２】
2005338154.tif 000006
【図３】
2005338154.tif 000007
【図４】
2005338154.tif 000008
【図５】
2005338154.tif 000009
【図６】
2005338154.tif 000010
【図７】
2005338154.tif 000011
【図８】
2005338154.tif 000012
【図９】
2005338154.tif 000013