(57)【要約】【課題】装置全体を大型化することなく、立体画像の表示に必要な光線群を空間的に高い密度で生成・散布することができる３次元像表示装置を提供する。【解決手段】３次元像表示装置１は、光源１０；複数の画素を有する２次元画像形成装置３０；入射する光を屈折させて略一点に集光する光学パワーを有する光学素子３６が２次元マトリクス状に配列されて成り、透過する光の位相を変調する位相格子としての機能を有し、入射した２次元画像における空間周波数を、複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出する光学装置３５；２次元画像における空間周波数をフーリエ変換して、前記複数の回折次数に対応する数のフーリエ変換像を生成するフーリエ変換像形成手段４０；所望の回折次数に対応するフーリエ変換像を選択するフーリエ変換像選択手段５０；並びに、フーリエ変換像の共役像を形成する共役像形成手段６０を備えている。【選択図】  図１
2007212781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）光源、
（Ｂ）複数の画素を有し、光源からの光に基づき２次元画像を生成する２次元画像形成装置、
（Ｃ）入射する光を屈折させて略一点に集光する光学パワーを有する光学素子が２次元マトリクス状に配列されて成り、透過する光の位相を変調する位相格子としての機能を有し、入射した２次元画像における空間周波数を、複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出する光学装置、
（Ｄ）光学装置から射出された２次元画像における空間周波数をフーリエ変換して、前記複数の回折次数に対応する数のフーリエ変換像を生成するフーリエ変換像形成手段、
（Ｅ）前記複数の回折次数に対応する数だけ生成されたフーリエ変換像の内、所望の回折次数に対応するフーリエ変換像を選択するフーリエ変換像選択手段、並びに、
（Ｆ）フーリエ変換像選択手段によって選択されたフーリエ変換像の共役像を形成する共役像形成手段、
を備えていることを特徴とする３次元像表示装置。
【請求項２】
共役像形成手段には、フーリエ変換像選択手段によって選択されたフーリエ変換像を逆フーリエ変換することにより、２次元画像形成装置によって生成された２次元画像の実像を形成する逆フーリエ変換手段が含まれることを特徴とする請求項１に記載の３次元像表示装置。
【請求項３】
２次元画像形成装置は、液晶表示装置から成ることを特徴とする請求項１に記載の３次元像表示装置。
【請求項４】
２次元画像形成装置は、
（Ｂ−１）１次元画像を生成する１次元画像形成装置、及び、
（Ｂ−２）１次元画像形成装置によって生成された１次元画像を２次元的に展開して２次元画像を生成する走査光学系、
から成ることを特徴とする請求項１に記載の３次元像表示装置。
【請求項５】
フーリエ変換像形成手段はレンズから成り、
該レンズの前側焦点面に、光学装置を構成する光学素子の焦点が位置しており、
該レンズの後側焦点面にフーリエ変換像選択手段が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元像表示装置。
【請求項６】
フーリエ変換像選択手段は、前記複数の回折次数に対応する数の開閉制御可能な開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元像表示装置。
【請求項７】
フーリエ変換像選択手段は、液晶表示装置から成ることを特徴とする請求項１に記載の３次元像表示装置。
【請求項８】
フーリエ変換像選択手段においては、２次元画像形成装置による２次元画像の生成タイミングと同期して所望の開口部を開状態とすることによって、所望の回折次数に対応するフーリエ変換像を選択することを特徴とする請求項７に記載の３次元像表示装置。
【請求項９】
前記２次元画像における空間周波数は、２次元画像形成装置における画素構造の空間周波数をキャリア周波数とした画像情報に相当することを特徴とする請求項１に記載の３次元像表示装置。
【請求項１０】
（Ａ）光源、
（Ｂ）複数の画素を有し、光源からの光に基づき２次元画像を生成する２次元画像形成装置、
（Ｃ）入射する光を屈折させて略一点に集光する光学パワーを有する光学素子が、Ｘ方向及びＹ方向に沿って２次元マトリクス状にＰ×Ｑ個（但し、Ｐ及びＱは任意の正の整数）配列されて成り、透過する光の位相を変調する位相格子としての機能を有し、入射した２次元画像における空間周波数を、複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出する光学装置、
（Ｄ）その前側焦点面に光学装置を構成する光学素子の焦点が位置している第１のレンズ、
（Ｅ）第１のレンズの後側焦点面に配置され、Ｘ方向に沿ってＭ個、Ｙ方向に沿ってＮ個の、合計、Ｍ×Ｎ個の開閉制御可能な開口部を有する空間フィルタ、
（Ｆ）その前側焦点面に空間フィルタが配置されている第２のレンズ、並びに、
（Ｇ）第２のレンズの後側焦点に、その前側焦点が位置している第３のレンズ、
を備えていることを特徴とする３次元像表示装置。
【請求項１１】
２次元画像形成装置は、２次元的に配列されたＰ0×Ｑ0個（但し、Ｐ≧Ｐ0，Ｑ≧Ｑ0）の画素を有する液晶表示装置から成ることを特徴とする請求項１０に記載の３次元像表示装置。
【請求項１２】
２次元画像形成装置は、
（Ｂ−１）１次元画像を生成する１次元画像形成装置、及び、
（Ｂ−２）１次元画像形成装置によって生成された１次元画像を２次元的に展開して２次元画像を生成する走査光学系、
から成ることを特徴とする請求項１０に記載の３次元像表示装置。
【請求項１３】
１次元画像形成装置は、光源からの光を回折することによって１次元画像を生成することを特徴とする請求項１２に記載の３次元像表示装置。
【請求項１４】
第３のレンズの後方には、更に、異方性の光拡散を生じさせる部材が配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の３次元像表示装置。
【請求項１５】
空間フィルタは、Ｍ×Ｎ個の画素を有する液晶表示装置から成ることを特徴とする請求項１０に記載の３次元像表示装置。
【請求項１６】
空間フィルタにおいては、２次元画像形成装置による２次元画像の生成タイミングと同期して所望の開口部を開状態とすることを特徴とする請求項１０に記載の３次元像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体画像を表示することができる３次元像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
観察者の両目が、それぞれ、視差画像と呼ばれる異なる画像を観察することによって立体画像を得る２眼式立体画像技術や、視差画像を複数組用意することによって異なる視点からの立体画像を複数得る多眼式立体画像技術が知られており、これらに関連する技術が多く開発されている。しかしながら、２眼式立体画像技術や多眼式立体画像技術にあっては、立体画像は、立体画像として意図した空間に位置するのではなく、例えば２次元のディスプレイ面上に存在し、常に、一定の位置に位置する。従って、特に視覚系生理反応である輻輳と調節とが連動せず、これに伴う眼精疲労が問題となっている。
【０００３】
一方、実世界において、物体表面の情報は、光波を媒体として観察者の眼球まで伝搬する。そして、実世界において物理的に存在する物体表面からの光波を人工的に再現する技術として、ホログラフィ技術が知られている。ホログラフィ技術を用いた立体画像は、光の干渉に基づき生成された干渉縞を用い、この干渉縞を光で照明した際に生じる回折波面そのものを画像情報媒体として用いる。従って、観察者が実世界において物体を観察しているときと同様の輻輳、調節などの視覚系生理反応が生じ、眼精疲労の少ない画像を得ることができる。更には、物体からの光波面が再現されているということは、画像情報を伝達する方向に対して連続性が確保されていることを意味する。従って、観察者の視点が移動しても、その移動に応じた異なる角度からの適切な画像を連続的に提示することが可能であり、運動視差が連続的に提供されることとなる。
【０００４】
しかしながら、ホログラフィ技術においては、物体の３次元空間情報を２次元空間における干渉縞として記録しており、その情報量は、同じ物体を撮影した写真等の２次元空間の情報量と比較すると極めて膨大な量となる。これは、３次元空間情報を２次元空間情報に変換する際に、その情報が２次元空間上における密度に変換されていると考えることができるからである。そのために、ＣＧＨ（Computer Generated Hologram）による干渉縞を表示する表示装置に求められる空間分解能は極めて高く、また、膨大な情報量が必要であり、実時間ホログラムに基づき立体画像を実現することは、現状において、技術的に困難である。
【０００５】
ホログラフィ技術においては、連続的な情報と見做すことのできる光波を情報媒体として用い、物体からの情報を伝達する。一方、光波を離散化し、理論的にはほぼ実世界における光波から成る場と等価である状況を光線によって再現することで立体画像を生成する技術として、光線再生法（インテグラルフォトグラフィ法とも呼ばれる）が知られている。光線再生法にあっては、予め、多くの方向へ伝搬する多数の光線から構成された光線群を、光学的手段によって空間に散布する。次に、任意の位置に位置する仮想的な物体の表面から伝搬される光線をこの光線群から選択し、選択された光線の強度や位相の変調を行うことによって、光線から成る像を空間に生成する。観察者は、この像を立体画像として観察することができる。光線再生法による立体画像は、任意の点において、複数の方向からの像が多重結像されたものであり、実世界における３次元物体を見たときと同様に、任意の点について、見る位置によって見え方が異なる。
【０００６】
以上で述べた光線再生法を実現するための装置として、液晶表示装置やプラズマ表示装置等の平面型表示装置とマイクロレンズアレイやピンホールアレイとを組み合わせた装置が提案されている（例えば、以下の特許文献１〜特許文献７を参照のこと）。また、プロジェクタ・ユニットを多数並べた装置も考えられる。図２４に、プロジェクタ・ユニットを用いて光線再生法を実現する３次元像表示装置の一構成例を示す。この装置は、多数のプロジェクタ・ユニット３０１を水平方向及び垂直方向に並列的に配置し、各プロジェクタ・ユニット３０１から角度の異なる光線を出射するようにしたものである。これにより、ある断面３０２内の任意の点において多視角の像を多重再生し、立体画像を実現している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１７３１２８号公報
【特許文献２】特開２００３−１６１９１２号公報
【特許文献３】特開２００３−２９５１１４号公報
【特許文献４】特開２００３−７５７７１号公報
【特許文献５】特開２００２−７２１３５号公報
【特許文献６】特開２００１−５６４５０号公報
【特許文献７】特許第３５２３６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の光線再生法によれば、２眼式立体画像技術や多眼式立体画像では不可能であった視覚機能としての焦点調節及び両眼輻輳角調節に対して有効に働く程度の光線によって画像を生成するので、眼精疲労が極めて少ない立体画像を提供することができる。それだけでなく、仮想物体上の同一要素から複数の方向へ連続的に光線が射出されていることから、視点位置の移動に伴う画像の変化を連続的に提供することができる。
【０００９】
しかしながら、現状の光線再生法によって生成された画像は、実世界における物体と比較すると臨場感に欠ける。これは、現状の光線再生法による立体画像が、実世界の物体から観察者が得る情報量に対して非常に少量の情報、即ち、少量の光線によって生成されていることに起因していると考えられる。一般に、人間の視認限界は角度分解能で１分程度と云われており、現状の光線再生法による立体画像は、この人間の視覚に対して不十分な光線によって生成されている。従って、実世界の物体が有する高い臨場感やリアリティを有する立体画像を生成するためには、少なくとも多量の光線によって画像を生成することが課題である。
【００１０】
そして、その実現のためには、空間的に高い密度で光線群を生成することのできる技術が必要とされ、液晶表示装置等の表示装置の表示密度を高くすることが考えられる。あるいは又、図２４に示した多数のプロジェクタ・ユニット３０１を配置する装置の場合、各プロジェクタ・ユニット３０１を出来るだけ小型化し、空間的に高い密度で並べることが考えられる。しかしながら、現在の表示装置における表示密度の飛躍的な向上は、光利用効率や回折限界の問題から困難である。また、図２４に示した装置の場合、各プロジェクタ・ユニット３０１を小型化するのには限界があるため、空間的に高い密度で並べることは困難であると考えられる。いずれの場合にあっても、高密度の光線群を生成するためには、複数のデバイスが必要となり、装置全体の大型化は避けられない。
【００１１】
従って、本発明の目的は、３次元像表示装置全体を大型化することなく、立体画像の表示に必要な光線群を空間的に高い密度で生成・散布することができ、実世界の物体と同質に近い光線による立体画像を得ることを可能とする３次元像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置は、
（Ａ）光源、
（Ｂ）複数の画素を有し、光源からの光に基づき２次元画像を生成する２次元画像形成装置、
（Ｃ）入射する光を屈折させて略一点に集光する光学パワーを有する光学素子が２次元マトリクス状に配列されて成り、透過する光の位相を変調する位相格子としての機能を有し、入射した２次元画像における空間周波数を、複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出する光学装置、
（Ｄ）光学装置から射出された２次元画像における空間周波数をフーリエ変換して、前記複数の回折次数に対応する数のフーリエ変換像を生成するフーリエ変換像形成手段、
（Ｅ）前記複数の回折次数に対応する数だけ生成されたフーリエ変換像の内、所望の回折次数に対応するフーリエ変換像を選択するフーリエ変換像選択手段、並びに、
（Ｆ）フーリエ変換像選択手段によって選択されたフーリエ変換像の共役像を形成する共役像形成手段、
を備えていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置において、共役像形成手段には、フーリエ変換像選択手段によって選択されたフーリエ変換像を逆フーリエ変換することにより、２次元画像形成装置によって生成された２次元画像の実像を形成する逆フーリエ変換手段が含まれる構成とすることが好ましい。
【００１４】
上記の好ましい構成を含む本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置において、２次元画像形成装置を液晶表示装置（より具体的には、透過型若しくは反射型の液晶表示装置）から構成することが好ましい。
【００１５】
あるいは又、上記の好ましい構成を含む本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置において、２次元画像形成装置は、
（Ｂ−１）１次元画像を生成する１次元画像形成装置、及び、
（Ｂ−２）１次元画像形成装置によって生成された１次元画像を２次元的に展開して２次元画像を生成する走査光学系、
から成る形態とすることができる。
【００１６】
更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置において、フーリエ変換像形成手段はレンズから成り；該レンズの前側焦点面に、光学装置を構成する光学素子の焦点が位置しており；該レンズの後側焦点面にフーリエ変換像選択手段が配置されている構成とすることができる。
【００１７】
また、以上に説明した好ましい構成、形態を含む本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置において、フーリエ変換像選択手段は、前記複数の回折次数に対応する数の開閉制御可能な開口部を有する構成とすることができ、この場合、フーリエ変換像選択手段は液晶表示装置（より具体的には、透過型若しくは反射型の液晶表示装置）から成る形態とすることができるし、可動ミラーが２次元マトリクス状に配列された２次元型のＭＥＭＳから成る形態とすることもできる。また、フーリエ変換像選択手段においては、２次元画像形成装置による２次元画像の生成タイミングと同期して所望の開口部を開状態とすることによって、所望の回折次数に対応するフーリエ変換像を選択する構成とすることができる。
【００１８】
更には、上記の好ましい構成、形態を含む本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置において、前記２次元画像における空間周波数は、２次元画像形成装置における画素構造の空間周波数をキャリア周波数とした画像情報に相当する構成とすることができる。
【００１９】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る３次元像表示装置は、
（Ａ）光源、
（Ｂ）複数の画素を有し、光源からの光に基づき２次元画像を生成する２次元画像形成装置、
（Ｃ）入射する光を屈折させて略一点に集光する光学パワーを有する光学素子が、Ｘ方向及びＹ方向に沿って２次元マトリクス状にＰ×Ｑ個（但し、Ｐ及びＱは任意の正の整数）配列されて成り、透過する光の位相を変調する位相格子としての機能を有し、入射した２次元画像における空間周波数を、複数の回折次数（総数Ｍ×Ｎ）に対応した回折角に沿って射出する光学装置、
（Ｄ）その前側焦点面に光学装置を構成する光学素子の焦点が位置している第１のレンズ、
（Ｅ）第１のレンズの後側焦点面に配置され、Ｘ方向に沿ってＭ個、Ｙ方向に沿ってＮ個の、合計、Ｍ×Ｎ個の開閉制御可能な開口部を有する空間フィルタ、
（Ｆ）その前側焦点面に空間フィルタが配置されている第２のレンズ、並びに、
（Ｇ）第２のレンズの後側焦点に、その前側焦点が位置している第３のレンズ、
を備えていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第２の態様に係る３次元像表示装置において、２次元画像形成装置は、２次元的に配列されたＰ0×Ｑ0個（但し、Ｐ≧Ｐ0，Ｑ≧Ｑ0）の画素を有する液晶表示装置（より具体的には、透過型若しくは反射型の液晶表示装置）から成る構成とすることができる。尚、ＰとＰ0、ＱとＱ0のより具体的な関係として、１≦Ｐ／Ｐ0≦４、１≦Ｑ／Ｑ0≦４を例示することができる。
【００２１】
あるいは又、本発明の第２の態様に係る３次元像表示装置において、２次元画像形成装置は、
（Ｂ−１）１次元画像を生成する１次元画像形成装置、及び、
（Ｂ−２）１次元画像形成装置によって生成された１次元画像を２次元的に展開して２次元画像を生成する走査光学系、
から成る構成とすることができる。そして、この場合にあっては、１次元画像形成装置は、光源からの光を回折することによって１次元画像を生成する構成とすることができる。更には、第３のレンズの後方には、更に、異方性の光拡散を生じさせる部材（異方性拡散フィルタ、異方性拡散シート、あるいは、異方性拡散フィルム）が配置されている形態とすることもできる。
【００２２】
上記の好ましい構成、形態を含む本発明の第２の態様に係る３次元像表示装置においては、空間フィルタはＭ×Ｎ個の画素を有する液晶表示装置（より具体的には、透過型若しくは反射型の液晶表示装置）から成る構成とすることができるし、可動ミラーが２次元マトリクス状に配列された２次元型のＭＥＭＳから成る形態とすることもできる。また、空間フィルタにおいては、２次元画像形成装置による２次元画像の生成タイミングと同期して所望の開口部を開状態とする構成とすることができる。
【００２３】
以上に説明した種々の好ましい構成、形態を含む本発明の第１の態様及び第２の態様に係る３次元像表示装置（以下、これらを総称して、単に、本発明の３次元像表示装置と呼ぶ）において、２次元画像形成装置における各画素は、平面形状が矩形の開口を有している。そして、本発明の３次元像表示装置における光学装置の具体的な構造として、以下の構成を例示することができる。即ち、光学素子の平面形状を、対応する画素の開口の平面形状と同一の形状あるいは相似の形状とすることが好ましい。また、各光学素子は、正の光学パワーを有する凸レンズから構成されており、あるいは又、負の光学パワーを有する凹レンズから構成されており、あるいは又、正の光学パワーを有するフレネルレンズから構成されており、あるいは又、負の光学パワーを有するフレネルレンズから構成されていることが望ましい。云い換えれば、各光学素子は屈折型の格子状素子から成る。そして、光学装置は、一種のマイクロレンズアレイから構成されており、光学装置を構成する材料としてガラスやプラスチックを挙げることができ、マイクロレンズアレイを製造する周知の方法に基づき作製することができる。尚、光学装置は、２次元画像形成装置の後方に隣接して配置されている。このように、光学装置を２次元画像形成装置の後方に隣接して配置することで、２次元画像形成装置に起因した回折現象の影響を無視することができる。あるいは又、２次元画像形成装置と光学装置との間に、例えば、２枚の凸レンズを配置し、一方の凸レンズの前側焦点面に２次元画像形成装置を配置し、一方の凸レンズの後側焦点に他方の凸レンズの前側焦点を位置させ、他方の凸レンズの後側焦点面に光学装置を配置する構成とすることもできる。一般に、回折格子を２つの範疇に分類すると、入射光波の振幅（強度）を周期的に変調し、格子の光透過率分布に一致した光量分布が得られる振幅格子と、透過光量の位相を変調する、即ち、光の振幅(強度）はそのままで、位相を変調する位相格子とに分類することができるが、本発明における光学装置は、後者の位相格子として機能する。
【００２４】
光学装置においては、入射した２次元画像における空間周波数が、複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応した回折角に沿って射出されるが、ここで、Ｘ方向に沿って第ｍ次から第ｍ’次までのＭ組の（但し、ｍ及びｍ’は整数であり、Ｍは正の整数）、Ｙ方向に沿って第ｎ次から第ｎ’次までのＮ組の（但し、ｎ及びｎ’は整数であり、Ｎは正の整数）の、合計、Ｍ×Ｎ組の回折光が生成されるとしたとき、ｍ，ｍ’，Ｍの関係は、ｍ≦ｍ’であり、且つ、Ｍ＝ｍ’−ｍ＋１である。また、ｎ及びｎ’は整数であり、Ｎは正の整数であるが、ｎ，ｎ’，Ｎの関係は、ｎ≦ｎ’であり、且つ、Ｎ＝ｎ’−ｎ＋１である。また、回折次数の総数に相当するＭ，Ｎの数として、限定するものではないが、
０≦Ｍ（＝ｍ’−ｍ＋１）≦２１
好ましくは、例えば、
５≦Ｍ（＝ｍ’−ｍ＋１）≦２１
また、
０≦Ｎ（＝ｎ’−ｎ＋１）≦２１
好ましくは、例えば、
５≦Ｎ（＝ｎ’−ｎ＋１）≦２１
を例示することができる。Ｍの値とＮの値は、等しくてもよいし、異なっていてもよいし、｜ｍ’｜の値と｜ｍ｜の値は、等しくてもよいし、異なっていてもよいし、｜ｎ’｜の値と｜ｎ｜の値は、等しくてもよいし、異なっていてもよい。
【００２５】
本発明の３次元像表示装置における光源として、レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）や白色光源を挙げることができる。光源と２次元画像形成装置との間に、光源から射出された光を整形するための照明光学系を配置してもよい。
【００２６】
２次元画像形成装置を構成する液晶表示装置においては、例えば、次に述べる透明第１電極と透明第２電極の重複領域であって液晶セルを含む領域が、１画素（１ピクセル）に相当する。そして、液晶セルを一種の光シャッター（ライト・バルブ）として動作させることによって、即ち、各画素の光透過率を制御することによって、光源から射出された光の光透過率を制御し、全体として、２次元画像を得ることができる。
【００２７】
液晶表示装置は、例えば、透明第１電極を備えたフロント・パネル、透明第２電極を備えたリア・パネル、及び、フロント・パネルとリア・パネルとの間に配された液晶材料から成る。フロント・パネルは、より具体的には、例えば、ガラス基板やシリコン基板から成る第１の基板と、第１の基板の内面に設けられた透明第１電極（共通電極とも呼ばれ、例えば、ＩＴＯから成る）と、第１の基板の外面に設けられた偏光フィルムとから構成されている。更には、透明第１電極上には配向膜が形成されている。一方、リア・パネルは、より具体的には、例えば、ガラス基板やシリコン基板から成る第２の基板と、第２の基板の内面に形成されたスイッチング素子と、スイッチング素子によって導通／非導通が制御される透明第２電極（画素電極とも呼ばれ、例えば、ＩＴＯから成る）と、第２の基板の外面に設けられた偏光フィルムとから構成されている。透明第２電極を含む全面には配向膜が形成されている。これらの透過型の液晶表示装置を構成する各種の部材や液晶材料は、周知の部材、材料から構成することができる。尚、スイッチング素子として、単結晶シリコン半導体基板に形成されたＭＯＳ型ＦＥＴや薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）といった３端子素子や、ＭＩＭ素子、バリスタ素子、ダイオード等の２端子素子を例示することができる。あるいは又、複数の走査電極が第１の方向に延び、複数のデータ電極が第２の方向に延びる、所謂マトリックス電極構成を有する液晶表示装置とすることもできる。透過型の液晶表示装置にあっては、光源からの光は、第２の基板から入射し、第１の基板から射出される。一方、反射型の液晶表示装置にあっては、光源からの光は、第１の基板から入射し、例えば、第２の基板の内面に形成された第２電極（画素電極）によって反射され、再び、第１の基板から射出される。開口は、例えば、透明第２電極と配向膜との間に、光源からの光に不透明な絶縁材料層を形成し、係る絶縁材料層に開口を形成することで得ることができる。尚、反射型の液晶表示装置として、その他、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）タイプを用いることもできる。
【００２８】
また、１次元画像形成装置として、より具体的には、回折格子−光変調素子（ＧＬＶ：Grating Light Valve）が一次元的にアレイ状に配列されて成る装置（以下、回折格子−光変調装置と呼ぶ場合がある）を挙げることができる。
【００２９】
本発明の３次元像表示装置にあっては、共役像形成手段によって形成された共役像を投射する光学的手段を備えていてもよいし、あるいは第３のレンズの後方に、第３のレンズによって形成された像を投射する光学的手段を備えていてもよい。
【００３０】
本発明の３次元像表示装置において、２次元画像の画素（ピクセル）の数Ｐ0×Ｑ0を（Ｐ0，Ｑ0）で表記したとき、（Ｐ0，Ｑ0）の値として、具体的には、ＶＧＡ（６４０，４８０）、Ｓ−ＶＧＡ（８００，６００）、ＸＧＡ（１０２４，７６８）、ＡＰＲＣ（１１５２，９００）、Ｓ−ＸＧＡ（１２８０，１０２４）、Ｕ−ＸＧＡ（１６００，１２００）、ＨＤ−ＴＶ（１９２０，１０８０）、Ｑ−ＸＧＡ（２０４８，１５３６）の他、（１９２０，１０３５）、（７２０，４８０）、（１２８０，９６０）等、画像表示用解像度の幾つかを例示することができるが、これらの値に限定するものではない。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る３次元像表示装置においては、２次元画像形成装置によって２次元画像が生成され、生成された２次元画像における空間周波数が、屈折型の格子状素子から成る光学素子の集合体である光学装置によって複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出され、フーリエ変換像形成手段あるいは第１のレンズによって空間周波数をフーリエ変換して、複数の回折次数に対応する数のフーリエ変換像が生成され、フーリエ変換像選択手段あるいは空間フィルタによって、複数の回折次数に対応する数だけ生成されたフーリエ変換像の内の所望の回折次数に対応するフーリエ変換像が２次元画像の形成タイミングと同期して選択され、共役像形成手段（第２のレンズ及び第３のレンズ）によって、フーリエ変換像選択手段あるいは空間フィルタに基づき選択されたフーリエ変換像の共役像が形成され、最終的に観察者に到達するといった操作が、順次、時系列的に繰り返されることで、複数の回折次数に相当する光線群を、空間的に高い密度で、しかも、複数の方向に分布した状態で、生成・散布することができる結果、係る光線群により、従来には無い、光の回折現象を効率的に利用した光線再生法に基づき、３次元像表示装置全体を大型化することなく、実世界の物体に近い質感の立体画像を得ることができる。
【００３２】
２次元画像形成装置によって生成された２次元画像における空間周波数を、矩形の開口を有し、係る矩形の開口に基づきフラウンホーファー回折を発生させる振幅格子によって複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出させることも可能であるが、このような構成にあっては、高い開口率を有する振幅格子の作製が困難である。そして、光利用効率は開口の開口率に依存するが故に、高い光利用効率を達成することは困難である。一方、２次元画像における空間周波数をフーリエ変換してフーリエ変換像を生成するとき、複数の回折次数に対応したフーリエ変換像間のユニフォーミティ（回折次数間の光強度の均一性）は、開口が小さい程、向上する。本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る３次元像表示装置においては、振幅格子ではなく、屈折型の格子状素子から成る光学素子の集合体である光学装置を採用することで、光学素子それ自体に高い開口率を与えることができ、光利用効率の向上を実現することができるだけでなく、光学素子に入射した光は略一点に集光されるので、小さな開口を得たと等価となり、複数の回折次数に対応したフーリエ変換像間において高いユニフォーミティを達成することができる。しかも、光学装置の最適化を図ることで、高い次数の回折に対しても多くのエネルギーを分配することが可能となる。
【００３３】
尚、例えばガラス平板に多数の凹部を形成した位相格子を採用すれば、光利用効率を高めることは可能である。しかしながら、位相変調によるパターン生成の場合、特定の面内において任意のパターン生成は可能であるが、任意の面内において光線による画像を生成するシステムにあっては、任意の面内において特定のパターンを生成することは極めて困難である。本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る３次元像表示装置においては、位相格子の代わりに、屈折型の格子状素子から成る光学素子の集合体である光学装置を採用することで、このような位相格子における問題を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００３５】
実施例１は、本発明の第１の態様及び第２の態様に係る３次元像表示装置に関する。図１、図２、図３及び図４に、単色表示の実施例１の３次元像表示装置の概念図を示す。尚、図１において、光軸をｚ軸とし、ｚ軸に直交する平面内での直交座標をｘ軸、ｙ軸とし、ｘ軸と平行な方向をＸ方向、ｙ軸と平行な方向をＹ方向とする。Ｘ方向を、例えば３次元像表示装置における水平方向とし、Ｙ方向を、例えば３次元像表示装置における垂直方向とする。ここで、図１は、ｙｚ平面における実施例１の３次元像表示装置の概念図である。ｘｚ平面における実施例１の３次元像表示装置の概念図も、実質的には図１と同様である。また、図３は、実施例１の３次元像表示装置を斜めから見たときの概念図であり、図４は、実施例１の３次元像表示装置の構成要素の配置状態を模式的に示す図である。
【００３６】
従来の光線再生法による立体画像の表示では、任意の位置に存在する仮想物体表面を仮想的な原点とした複数の光線を出射することを目的として、予め、様々な角度で出射する光線を提供できる装置を備えておく必要がある。即ち、例えば、図２４に示した装置にあっては、多数（例えば、Ｍ×Ｎ個）のプロジェクタ・ユニット３０１を水平方向及び垂直方向に並列的に配置しなければならない。
【００３７】
一方、実施例１の３次元像表示装置１にあっては、図１、図２、図３及び図４に示した構成要素を備える３次元像表示装置単体で、従来の技術と比較して、空間的に密度が高く、且つ、大量の光線群を生成・形成することが可能である。実施例１の３次元像表示装置１は、１つの３次元像表示装置で、図２４に示した多数（Ｍ×Ｎ個）のプロジェクタ・ユニット３０１を水平方向及び垂直方向に並列的に配置した装置と等価の機能を有する。尚、例えばマルチユニット方式を採用する場合には、図２３に示すように、分割された３次元画像の数だけ、実施例１の３次元像表示装置１を備えればよい。図２３においては、実施例１の３次元像表示装置１を、４×４＝１６、備えた装置を例示している。
【００３８】
本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置の構成要素に沿って説明すると、実施例１の３次元像表示装置１は、
（Ａ）光源１０、
（Ｂ）複数の画素３１を有し、光源１０からの光に基づき２次元画像を生成する２次元画像形成装置３０、
（Ｃ）入射する光を屈折させて略一点に集光する光学パワーを有する光学素子３６が２次元マトリクス状に配列されて成り、透過する光の位相を変調する位相格子としての機能を有し、２次元画像形成装置３０から入射した２次元画像における空間周波数を、複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応した回折角に沿って射出する光学装置３５、
（Ｄ）光学装置３５から射出された２次元画像における空間周波数をフーリエ変換して、前記複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応する数のフーリエ変換像を生成するフーリエ変換像形成手段４０、
（Ｅ）前記複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応する数だけ生成されたフーリエ変換像の内、所望の回折次数に対応するフーリエ変換像を選択するフーリエ変換像選択手段５０、並びに、
（Ｆ）フーリエ変換像選択手段５０によって選択されたフーリエ変換像の共役像を形成する共役像形成手段６０、
を備えている。
【００３９】
更には、共役像形成手段６０には、フーリエ変換像選択手段５０によって選択されたフーリエ変換像を逆フーリエ変換することにより、２次元画像形成装置３０によって生成された２次元画像の実像を形成する逆フーリエ変換手段（具体的には、後述する第２のレンズＬ2）が備えられている。また、フーリエ変換像形成手段４０はレンズから成り、このレンズの前側焦点面に光学装置３５を構成する光学素子３６の焦点（実施例１にあっては、後側焦点）が位置しており、このレンズの後側焦点面にフーリエ変換像選択手段５０が配置されている。フーリエ変換像選択手段５０は、複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応する数の開閉制御可能な開口部５１を有する。
【００４０】
ここで、２次元画像における空間周波数は、２次元画像形成装置３０における画素構造の空間周波数をキャリア周波数とした画像情報に相当する。
【００４１】
また、本発明の第２の態様に係る３次元像表示装置の構成要素に沿って説明すると、実施例１の３次元像表示装置１は、
（Ａ）光源１０、
（Ｂ）複数（Ｐ0×Ｑ0個）の画素３１を有し、光源１０からの光に基づき２次元画像を生成する２次元画像形成装置３０、
（Ｃ）入射する光を屈折させて略一点に集光する光学パワーを有する光学素子３６が、Ｘ方向及びＹ方向に沿って２次元マトリクス状にＰ×Ｑ個（但し、Ｐ及びＱは任意の正の整数）配列されて成り、透過する光の位相を変調する位相格子としての機能を有し、入射した２次元画像における空間周波数を、複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応した回折角に沿って射出する光学装置３５、
（Ｄ）その前側焦点面に光学装置３５を構成する光学素子３６の焦点（実施例１にあっては、後側焦点）が位置している（より具体的には、実施例１にあっては凸レンズ）Ｌ1、
（Ｅ）第１のレンズＬ1の後側焦点面に配置され、Ｘ方向に沿ってＭ個、Ｙ方向に沿ってＮ個の、合計、Ｍ×Ｎ個の開閉制御可能な開口部５１を有する空間フィルタＳＦ、
（Ｆ）その前側焦点面に空間フィルタＳＦが配置されている第２のレンズ（より具体的には、実施例１にあっては凸レンズ）Ｌ2、並びに、
（Ｇ）第２のレンズＬ2の後側焦点に、その前側焦点が位置している第３のレンズ（より具体的には、実施例１にあっては凸レンズ）Ｌ3、
を備えている。
【００４２】
ここで、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３にあっては、光学装置３５において、Ｘ方向に沿って第ｍ次から第ｍ’次までのＭ組の（但し、ｍ及びｍ’は整数であり、Ｍは正の整数）、Ｙ方向に沿って第ｎ次から第ｎ’次までのＮ組の（但し、ｎ及びｎ’は整数であり、Ｎは正の整数）の、合計、Ｍ×Ｎ組の回折光が生成される。ここで、Ｐ＝Ｐ0＝１０２４、Ｑ＝Ｑ0＝７６８であり、ｍ＝−５、ｍ’＝５、Ｍ＝ｍ’−ｍ＋１＝１１、ｎ＝−５、ｎ’＝５、Ｎ＝ｎ’−ｎ＋１＝１１である。但し、これらの値に限定するものではない。また、ｚ軸（光軸に相当する）は、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３の３次元像表示装置１を構成する各構成要素の中心を通り、しかも、３次元像表示装置１を構成する各構成要素と直交する。本発明の第１の態様に係る３次元像表示装置の構成要素と本発明の第２の態様に係る３次元像表示装置の構成要素とを対比すると、フーリエ変換像形成手段４０は第１のレンズＬ1に対応し、フーリエ変換像選択手段５０は空間フィルタＳＦに対応し、逆フーリエ変換手段は第２のレンズＬ1に対応し、共役像形成手段６０は第２のレンズＬ2及び第３のレンズＬ3に対応している。それ故、便宜上、２次元画像形成装置３０、第１のレンズＬ1、空間フィルタＳＦ、第２のレンズＬ1、及び、第３のレンズＬ3という用語に基づき、以下、説明を行う。
【００４３】
光源１０と２次元画像形成装置３０との間には、光源１０から射出された光を整形するための照明光学系２０が配置されている。そして、光源１０から射出され、照明光学系２０を通過した光（照明光）によって、２次元画像形成装置３０が照明される。照明光として、例えば、空間コヒーレンスの高い光源１０からの光を照明光学系２０によって平行光に整形された光を用いる。尚、照明光の特性、及び、係る照明光を得るための具体的な構成例に関しては、後述する。
【００４４】
２次元画像形成装置３０は、２次元的に配列された複数の画素３１を有しており、各画素３１は開口を備えている。具体的には、２次元画像形成装置３０は、２次元的に配列された、即ち、Ｘ方向及びＹ方向に沿って２次元マトリクス状に配列された、Ｐ0×Ｑ0個の画素３１を有する透過型の液晶表示装置から成り、各画素３１には開口が備えられている。
【００４５】
１つの画素３１は、透明第１電極と透明第２電極の重複領域であって液晶セルを含む領域から構成されている。そして、液晶セルを一種の光シャッター（ライト・バルブ）として動作させることによって、即ち、各画素３１の光透過率を制御することによって、光源１０から射出された光の光透過率を制御し、全体として、２次元画像を得ることができる。透明第１電極と透明第２電極の重複領域には、矩形の開口が設けられており、係る開口を光源１０から射出された光が通過することで２次元画像が生成される。
【００４６】
２次元画像形成装置３０の後方に隣接して（例えば、２次元画像形成装置３０と密着して、あるいは、若干の隙間を介して）光学装置３５が配置されている。尚、光学装置３５を２次元画像形成装置３０に隣接して配置することで、２次元画像形成装置３０を構成する画素３１の開口を通過する光に起因した回折現象の影響を無視することができる。ここで、実施例１において、光学装置３５を構成する光学素子３６の平面形状は、対応する画素３１の開口の平面形状と相似形の矩形形状であり、各光学素子３６は正の光学パワーを有する屈折型の格子状素子、具体的には、凸レンズ（焦点距離ｆ0）から構成されている。そして、光学装置３５は、一種のマイクロレンズアレイから構成されており、マイクロレンズアレイを製造する周知の方法に基づき、ガラスから作製されている。
【００４７】
光学装置３５は位相格子として機能する。即ち、２次元画像形成装置３０において生成された２次元画像にあっては、各画素３１から射出された光（この光は平行光と見做すことができる）は、２次元画像形成装置３０に隣接して配置された光学装置３５における対応する光学素子３６に入射する。そして、光学素子３６に入射した光は、屈折して、焦点距離ｆ0の所で略一点に集光され、更には、その点から後方に向かって進行していく。このような状態を別の観点から眺めると、図２に概念図を示すように、光学装置３５の後方の距離ｆ0の所に、恰も、光学素子３６に対応した矩形の開口領域（一種のピンホール）３７が存在し、光学素子３６から射出された光は、係る仮想の開口領域３７を通過すると見做すことができる。その結果、フラウンホーファー回折が生じたと等価の現象が生じ、各画素３１に対応する光学素子３６において（より具体的には、光学素子３６に対応する仮想の開口領域３７において）、Ｍ×Ｎ組＝１２１組の回折光が生成される。云い換えれば、画素３１及び光学素子３６の数はＰ0×Ｑ0＝Ｐ×Ｑであるが故に、総計、（Ｐ×Ｑ×Ｍ×Ｎ）本の回折光が光学装置３５において生じると考えることもできる。そして、２次元画像における空間周波数が、各光学素子３６から生じる複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応した回折角に沿って光学装置３５から射出される。尚、２次元画像における空間周波数によっても回折角は異なる。焦点距離ｆ0の値は、本質的に任意の値とすることができるが、光学装置３５を構成する多数の光学素子３６は同一の焦点距離ｆ0を有する。光学素子３６から射出される光は、図２に示すように、光学素子３６の開口数で決まる角度で伝播するが、伝播する光は広がり、しかも、光量の損失がほぼ無い状況を得ることができる。ここで、光学素子３６の配列ピッチあるいは大きさをｄ0とすると、波長λの平行光が、大きさｄ0、焦点距離ｆ0の光学素子３６によって集光される光の幅Ｄは、
Ｄ＝２．４４λ／ｓｉｎ（ａｒｃｔａｎ（ｄ0／２ｆ0））
で表すことができる。このことから、光学素子３６を用いることによって光学的な開口率は（Ｄ2／ｄ02）で表すことができるが、開口率の低下に伴う光量損失は生じない。
【００４８】
更には、焦点距離ｆ1を有する第１のレンズＬ1の前側焦点面（光源側の焦点面）には光学装置３５を構成する光学素子３６の後側焦点（焦点距離ｆ0）が位置しており、第１のレンズＬ1の後側焦点面（観察者側の焦点面）には空間フィルタＳＦが配置されている。第１のレンズＬ1によって、複数の回折次数に対応する数であるＭ×Ｎ＝１２１個のフーリエ変換像が生成され、これらのフーリエ変換像は、空間フィルタＳＦ上に結像する。尚、図３においては、便宜上、６４個のフーリエ変換像を点状にて図示した。
【００４９】
空間フィルタＳＦは、具体的には、フーリエ変換像を、空間的、且つ、時間的にフィルタリングするための時間的な開閉制御が可能な空間フィルタである。より具体的には、空間フィルタＳＦは、複数の回折次数に対応する数（具体的には、Ｍ×Ｎ＝１２１）の開閉制御可能な開口部５１を有する。そして、空間フィルタＳＦにおいては、２次元画像形成装置３０による２次元画像の生成タイミングと同期して所望の１つの開口部５１を開状態とすることによって、所望の回折次数に対応する１つのフーリエ変換像を選択する。より具体的には、空間フィルタＳＦを、例えば、Ｍ×Ｎ個の画素を有する強誘電性液晶を用いた透過型の液晶表示装置又は反射型の液晶表示装置、あるいは、可動ミラーが２次元マトリクス状に配列された装置を含む２次元型のＭＥＭＳから構成することができる。尚、液晶表示装置から成る空間フィルタＳＦの模式的な正面図を図５に示す。図５中、数字（ｍ0，ｎ0）は、開口部５１の番号を示し、且つ、回折次数を示す。即ち、例えば、第（３，２）番目の開口部５１には、ｍ0＝３，ｎ0＝２の回折次数を有するフーリエ変換像が入射する。
【００５０】
前述したとおり、共役像形成手段６０は、具体的には、第２のレンズＬ2及び第３のレンズＬ3から構成されている。そして、焦点距離ｆ2を有する第２のレンズＬ2は、空間フィルタＳＦによってフィルタリングされたフーリエ変換像を逆フーリエ変換することにより、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像の実像ＲＩを形成する。また、焦点距離ｆ3を有する第３のレンズＬ3は、空間フィルタＳＦによってフィルタリングされたフーリエ変換像の共役像ＣＩを形成する。
【００５１】
第２のレンズＬ2は、その前側焦点面上に、空間フィルタＳＦが位置するように配置され、その後側焦点面に、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像の実像ＲＩが形成されるように配置されている。ここで得られる実像ＲＩの２次元画像形成装置３０に対する倍率は、第２のレンズＬ2の焦点距離ｆ2を任意に選択することによって変化させることができる。
【００５２】
一方、第３のレンズＬ3は、その前側焦点面が第２のレンズＬ2の後側焦点面に一致するように配置され、その後側焦点面にフーリエ変換像の共役像ＣＩが形成されるように配置されている。ここで、第３のレンズＬ3の後側焦点面は空間フィルタＳＦの共役面であることから、空間フィルタＳＦ上の１つの開口部５１に相当する部分から、２次元画像形成装置３０によって生成された２次元画像が出力されていることと等価となる。そして、最終的に生成・出力される光線の量は、画素数分（Ｐ0×Ｑ0）の光線に、光学系を透過した複数の回折次数（具体的にはＭ×Ｎ）を乗じた量で定義することができる。また、第３のレンズＬ3の後側焦点面にはフーリエ変換像の共役像ＣＩが形成されるが、第３のレンズＬ3の後側焦点面においては、光線群が２次元的に整然と配置されているとみなせる。即ち、全体としては、第３のレンズＬ3の後側焦点面に、図２４に示したプロジェクタ・ユニットが複数の回折次数分（具体的にはＭ×Ｎ個）、配置されている状態と等価である。
【００５３】
図３及び図６に模式的に示すように、光学装置３５における１つの光学素子３６によって（より具体的には、光学素子３６の後側焦点に位置する仮想の開口領域３７において）、Ｘ方向に沿って第−５次から第＋５次までの１１組の、Ｙ方向に沿って第−５次から第＋５’次までの１１組の、合計、Ｍ×Ｎ組＝１２１組の回折光が生成される。尚、図６では、０次光（ｎ0＝０）、±１次光（ｎ0＝±１）、及び、±２次光（ｎ0＝±２）の回折光のみを代表して図示しているが、実際には、更に高次の回折光が生成され、これらの回折光に基づき、最終的に立体画像が形成される。ここで、各回折次数の回折光（光束）には、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像の全画像情報（全ての画素の情報）が集約されている。２次元画像形成装置３０上の同一画素から回折によって生成される複数の光線群（１１×１１＝１２１の光線群）は、同時刻において、全て、同一の画像情報を有する。云い換えれば、Ｐ0×Ｑ0個の画素３１を有する透過型の液晶表示装置から成る２次元画像形成装置３０においては、光源１０からの光に基づき２次元画像が生成され、且つ、生成された２次元画像における空間周波数は、各光学素子３６から生じる複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応した回折角に沿って光学装置３５から射出される。即ち、２次元画像のＭ×Ｎ個の一種のコピーが２次元画像形成装置３０から、複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応した回折角に沿って射出される。
【００５４】
そして、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像の全画像情報が集約された２次元画像における空間周波数は、第１のレンズＬ1によってフーリエ変換され、複数の回折次数（総計Ｍ×Ｎ）に対応する数のフーリエ変換像が生成され、係るフーリエ変換像は空間フィルタＳＦ上に結像される。第１のレンズＬ1において、複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出された２次元画像における空間周波数のフーリエ変換像が生成されるので、空間的に高い密度にてフーリエ変換像を得ることができる。
【００５５】
ここで、光源１０から射出された光（照明光）の波長をλ（ｍｍ）、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像における空間周波数をν（ｌｐ／ｍｍ）、第１のレンズＬ1の焦点距離をｆ1（ｍｍ）とすると、第１のレンズＬ1の後側焦点面では、光軸から距離Ｙ1（ｍｍ）の位置に、空間周波数νを有する光（フーリエ変換像）が現れる。
【００５６】
Ｙ1＝ｆ1・λ・ν    （１）
【００５７】
第１のレンズＬ1における集光状態を、図７に模式的に示す。尚、図７中、「Ｙ0」は、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像のｙ軸方向の長さを示し、「Ｙ1」は、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像に基づく空間フィルタＳＦ上でのフーリエ変換像のｙ軸方向の間隔を示す。また、０次の回折光を実線で示し、第１次の回折光を点線で示し、第２次の回折光を一点鎖線で示す。各回折次数の回折光が、云い換えれば、回折次数に対応する数だけ生成されたフーリエ変換像が、第１のレンズＬ1によって空間フィルタＳＦ上の異なる開口部５１に集光される（図３も参照）。開口部５１の数は、先に説明したとおりＭ×Ｎ個＝１２１個である。空間フィルタＳＦへの集光角（空間フィルタＳＦから射出された後の発散角）θは、回折次数が同じフーリエ変換像（あるいは回折光）にあっては、Ｐ0×Ｑ0個の画素３１において同一である。空間フィルタＳＦ上において、隣接する回折次数のフーリエ変換像の間の間隔は、式（１）から求めることができる。式（１）から、第１のレンズＬ1の焦点距離ｆ1を任意に選択することによって、フーリエ変換像の位置（空間フィルタＳＦ上の結像位置）を変化させることが可能である。
【００５８】
第１のレンズＬ1において、複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出された２次元画像における空間周波数を透過させるためには、利用する回折次数に応じて第１のレンズＬ1の開口率ＮＡを選択する必要があり、焦点距離に拘わらず、第１のレンズＬ1以降の全てのレンズの開口率は、第１のレンズＬ1の開口率ＮＡ以上であることが要求される。
【００５９】
開口部５１の大きさは、式（１）におけるＹ1の値と同じ値とすればよい。一例として、照明光の波長λを５３２ｎｍ、第１のレンズＬ1の焦点距離ｆ1を５０ｍｍ、２次元画像形成装置３０における画素３１の大きさを１３μｍ〜１４μｍ程度とすると、Ｙ1の値は約２ｍｍとなる。これは、空間フィルタＳＦ上において、約２ｍｍ間隔という高い密度で各回折次数に対応したフーリエ変換像を得ることができることを意味する。云い換えれば、空間フィルタＳＦ上において、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれの方向においても、約２ｍｍ間隔で、１１×１１＝１２１個のフーリエ変換像を得ることができる。
【００６０】
ここで、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像における空間周波数νは、２次元画像がＰ0×Ｑ0個の画素３１から構成される２次元画像形成装置３０によって形成されているので、最高でも、２次元画像形成装置３０を構成する連続した２つの画素３１から成る周期を有する周波数である。
【００６１】
図８の（Ａ）に、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像における空間周波数が最も低い状態にある２次元画像形成装置３０の模式的な正面図を示す。ここで、最も空間周波数が低い状態とは、全ての画素を、黒表示、又は、白表示にした場合であり、この場合の２次元画像における空間周波数は、平面波成分のみ（ＤＣ成分）を有する。尚、図８の（Ａ）では白表示とした場合を示す。この場合における、第１のレンズＬ1によって結像されたフーリエ変換像の光強度の周波数特性を模式的に図９の（Ａ）に示すが、フーリエ変換像の光強度のピークは周波数ν1の間隔で現れる。
【００６２】
一方、図８の（Ｂ）に、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像における空間周波数が最も高い状態にある２次元画像形成装置３０の模式的な正面図を示す。ここで、最も空間周波数が高い状態とは、全ての画素が、黒表示と白表示とを交互に表示する場合である。この場合における、第１のレンズＬ1によって結像されたフーリエ変換像の光強度の周波数特性を模式的に図９の（Ｂ）に示すが、フーリエ変換像の光強度のピークは周波数ν2（＝ν1／２）の間隔で現れる。図１０の（Ａ）に、空間フィルタＳＦ上（ｘｙ平面上）におけるフーリエ変換像の分布を模式的に示し、図１０の（Ｂ）及び（Ｃ）に、図１０の（Ａ）のｘ軸（点線で表す）上におけるフーリエ変換像の光強度分布を模式的に示す。尚、図１０の（Ｂ）は最低空間周波数成分（平面波成分）を示し、図１０の（Ｃ）は最高空間周波数成分を示す。
【００６３】
空間フィルタＳＦにおける開口部５１の平面形状は、フーリエ変換像の形状に基づき決定すればよい。更には、フーリエ変換像の平面波成分のピーク位置が中心となるように、各々の回折次数に対して開口部５１を設ければよい。これによって、各開口部５１の中心位置５２に、フーリエ変換像の光強度のピークが位置する。即ち、２次元画像における空間周波数が最低空間周波数成分（平面波成分）の場合におけるフーリエ変換像の周期的なパターンを中心として、２次元画像における正負の最高空間周波数を全て通過させ得るような開口部５１とすればよい。
【００６４】
ところで、最も空間周波数が高い状態とは、図８の（Ｂ）に示したように、全ての画素が、黒表示と白表示とを交互に表示する場合である。また、２次元画像形成装置３０における画素構造の空間周波数と、２次元画像における空間周波数との関係は、以下のとおりである。即ち、開口が画素の全てを占めている（即ち、開口率１００％）と仮定したとき、２次元画像における最高空間周波数は、画素構造の空間周波数の（１／２）である。また、開口が画素の或る割合（１００％未満）を占めている場合には、２次元画像における最高空間周波数は、画素構造の空間周波数の（１／２）を下回る。それ故、空間フィルタＳＦにおいて現れる画素構造に起因した周期的なパターンの間隔の半分の位置までに、２次元画像における空間周波数は全て出現する。このことから、全ての開口部５１を、空間的に相互に干渉することなく配置することができる。即ち、例えば、第（３，２）番目の開口部５１には、ｍ0＝３，ｎ0＝２の回折次数を有するフーリエ変換像が入射する一方、ｍ0＝３，ｎ0＝２の回折次数を有するフーリエ変換像は、他の開口部５１には入射しない。これにより、フーリエ変換像毎に独立した開口部５１を有する空間フィルタＳＦ上において、１つの開口部５１に位置するフーリエ変換像内に、２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像における空間周波数が存在する一方、開口部５１の空間的な制限によって２次元画像形成装置３０によって形成された２次元画像における空間周波数が欠落することはない。尚、画素構造の空間周波数をキャリア周波数と見做すことができ、２次元画像における空間周波数は、画素構造の空間周波数をキャリア周波数とした画像情報に相当する。
【００６５】
そして、空間フィルタＳＦにおいては、Ｍ×Ｎ個のフーリエ変換像のそれぞれの通過／不通過を制御するために、開口部５１の開閉制御が行われる。空間フィルタＳＦを、例えば液晶表示装置から構成すれば、液晶セルを一種の光シャッター（ライト・バルブ）として動作させることによって開口部５１の開閉制御を行うことができる。
【００６６】
以下、空間フィルタＳＦにおける開口部５１の開閉制御のタイミングについて説明する。
【００６７】
空間フィルタＳＦにおいては、所望の回折次数に対応するフーリエ変換像を選択するために、２次元画像形成装置３０の画像出力と同期して、開口部５１の開閉制御を行う。この操作を、図１１、図１２、及び、図１３を参照して説明する。尚、図１１の最上段は、２次元画像形成装置３０における画像出力のタイミングを示しており、図１１の中段は、空間フィルタＳＦにおける第（３，２）番目の開口部５１の開閉タイミングを示し、図１１の下段は、第（３，３）番目の開口部５１の開閉タイミングを示す。
【００６８】
図１１に示すように、２次元画像形成装置３０において、例えば時間ｔ1S〜ｔ1Eの間（期間Ｔ1）に画像「Ａ」が表示され、時間ｔ2S〜ｔ2Eの間（期間Ｔ2）に画像「Ｂ」が表示されるとする。このとき、空間フィルタＳＦにおいては、図１１に示すように、期間Ｔ1にあっては第（３，２）番目の開口部５１を、期間Ｔ2にあっては第（３，３）番目の開口部５１を開状態とする。こうして、光学装置３５を構成する同じ光学素子３６において異なる回折次数として生成され、第１のレンズＬ1によって生成されるフーリエ変換像に、異なる画像情報を付加することができる。云い換えれば、期間Ｔ1にあっては、光学装置３５を構成する或る光学素子３６において得られるｍ0＝３，ｎ0＝２の回折次数を有するフーリエ変換像には、画像「Ａ」に関する画像情報が含まれている。一方、期間Ｔ2にあっては、光学装置３５を構成する同じ或る光学素子３６において得られるｍ0＝３，ｎ0＝３の回折次数を有するフーリエ変換像には、画像「Ｂ」に関する画像情報が含まれている。
【００６９】
図１２に、２次元画像形成装置３０における画像形成のタイミングと開口部５１の制御のタイミングとを模式的に示す。期間Ｔ1にあっては、２次元画像形成装置３０において画像「Ａ」が表示され、Ｍ×Ｎ個のフーリエ変換像が空間フィルタＳＦの対応する開口部５１にフーリエ変換像「α」として集光される。期間Ｔ1では、第（３，２）番目の開口部５１のみを開くので、ｍ0＝３，ｎ0＝２の回折次数を有するフーリエ変換像「α」のみが空間フィルタＳＦを通過する。次の期間Ｔ2にあっては、２次元画像形成装置３０において画像「Ｂ」が表示され、同様にＭ×Ｎ個のフーリエ変換像が空間フィルタＳＦの対応する開口部５１にフーリエ変換像「β」として集光される。期間Ｔ2では、第（３，３）番目の開口部５１のみを開くので、ｍ0＝３，ｎ0＝３の回折次数を有するフーリエ変換像「β」のみが空間フィルタＳＦを通過する。以下、順次、２次元画像形成装置３０の画像形成タイミングに同期して、空間フィルタＳＦにおける開口部５１の開閉制御を行う。尚、図１２において、開状態の開口部５１を実線で囲み、閉状態の開口部５１を点線で囲んだ。
【００７０】
このようなタイミングで２次元画像形成装置３０における画像形成と開口部５１の開閉制御とを行った場合に、この３次元像表示装置の最終出力として得られる画像を、図１３に模式的に示す。図１３において、画像「Ａ’」は、第（３，２）番目の開口部５１のみを開くので、ｍ0＝３，ｎ0＝２の回折次数を有するフーリエ変換像「α」のみが空間フィルタＳＦを通過する結果得られる画像であり、画像「Ｂ’」は、第（３，３）番目の開口部５１のみを開くので、ｍ0＝３，ｎ0＝３の回折次数を有するフーリエ変換像「β」のみが空間フィルタＳＦを通過する結果得られる画像であり、画像「Ｃ’」は、第（４，２）番目の開口部５１のみを開くので、ｍ0＝４，ｎ0＝２の回折次数を有するフーリエ変換像「γ」のみが空間フィルタＳＦを通過する結果得られる画像である。尚、図１３に示す画像は、観察者が眺める画像である。図１３においては、便宜上、画像と画像とを実線で区分したが、係る実線は仮想の実線である。また、正確には、同時刻に、図１３に示した画像が得られるわけではないが、画像の切り替え期間は非常に短時間なので、観察者の目には同時に表示されているように観察される。例えば、１フレームの表示期間内に、２次元画像形成装置３０における全ての次数分（Ｍ×Ｎ）の画像形成と、空間フィルタＳＦにおける１つの画像の選択が行われる。また、図１３では平面的に図示しているが、観察者に実際に観察されるのは立体画像である。
【００７１】
即ち、前述したように、第３のレンズＬ3の後側焦点面からは、２次元画像形成装置３０によって生成された２次元画像（例えば、時系列的に、画像「Ａ’」、画像「Ｂ’」・・・画像「Ｃ’」）が出力される。即ち、全体としては、第３のレンズＬ3の後側焦点面に、図２４に示したプロジェクタ・ユニットが複数の回折次数分（具体的にはＭ×Ｎ個）、配置されており、時系列的に、或るプロジェクタ・ユニットから画像「Ａ’」が出力され、別のプロジェクタ・ユニットから画像「Ｂ’」が出力され、更に別のプロジェクタ・ユニットから画像「Ｃ’」が出力されると等価となる。そして、例えば、或る物体を種々の位置（角度）から撮影した多数の画像（あるいは、コンピュータによって作成した画像）のデータに基づき、２次元画像形成装置３０において画像を時系列的に再生すれば、これらの画像に基づき立体画像を得ることができる。
【００７２】
尚、回折次数に依存して、得られる画像の明るさが相違する場合には、最も暗い画像を基準として、明るい画像を減光する減光フィルタを第３のレンズＬ3の後側焦点面に配置すればよい。後述する実施例２〜実施例３においても同様である。
【００７３】
また、空間フィルタＳＦに設けられた開口部５１の開閉制御を、全ての開口部５１に対して行わなくともよい。即ち、例えば、１つおきに開口部５１の開閉制御を行ってもよいし、所望の位置に位置する開口部５１だけの開閉制御を行ってもよい。後述する実施例２〜実施例３においても同様である。
【００７４】
光源及び照明光学系の構成例を、図１４の（Ａ）〜（Ｃ）、図１５の（Ａ）〜（Ｂ）に示す。ここで、光源によって射出され、照明光学系によって整形され、２次元画像形成装置３０を照明する光（照明光）の特性を、以下、空間コヒーレンスを用いて説明する。
【００７５】
空間コヒーレンスは、任意の空間における断面で生じる光の干渉性を示し、その度合いは、生成される干渉縞のコントラストで示すことができる。干渉縞の生成過程において、最もコントラストの高い干渉縞は、平面波若しくは平面波と光学的に交換可能な球面波の干渉によって生成される。このことから、空間コヒーレンスの最も高い光は、平面波（若しくは球面波）であることが分かる。１つの進行方向の成分のみを有する例えば平面波は空間コヒーレンスが最も高く、空間コヒーレンスの度合いが低くなるに従い、進行方向の成分が複数存在するようになる。また、光の進行方向成分の分布は、発光原点若しくは２次発光点の空間的な大きさを議論することと等価である。以上のことから、空間コヒーレンスは、発光原点若しくは２次発光点の空間的な大きさに基づき議論することができる。空間コヒーレンス、即ち、光源の空間的な大きさは、３次元像表示装置における画像の空間周波数特性を決定する要因となる。完全な空間コヒーレンスを有する光以外を照明光に用いると、高周波成分から順番にコントラストの低下が生じる。得られる画像の空間周波数特性は、具体的なアプリケーションによって異なる要求があることから、ここでは、具体的数値に言及せず、異なる要求に柔軟に対応するための様々な構成方法について述べる。
【００７６】
実施例１の３次元像表示装置１においては、照明光として空間コヒーレンスの高い光を用いる場合と、そうでない場合において、光源及び照明光学系の構成方法が異なる。また、光源の特性により照明光学系の構成が異なる。以下では、光源及び照明光学系における構成方法の組み合わせについて説明する。尚、光源は全ての場合において、単色若しくは単色に近い光源であることを前提としている。
【００７７】
図１４の（Ａ）は、第１構成例として、空間コヒーレンスの高い光源１０Ａにより、全体として空間コヒーレンスの高い照明光学系２０Ａを構成した例を示している。光源１０Ａは、例えばレーザから構成されている。照明光学系２０Ａは、光源側から順に、レンズ２１Ａ、円形開口板２２Ａ、及び、レンズ２４Ａから構成されている。円形開口板２２Ａには、中央に円形のアパーチャ２３Ａが設けられている。レンズ２４Ａにおける集光位置にアパーチャ２３Ａが配置されている。レンズ２４Ａは、コリメータレンズとして機能する。
【００７８】
図１４の（Ｂ）は、第２構成例として、空間コヒーレンスの高い光源１０Ｂを用いて、全体として空間コヒーレンスの高くない照明光学系２０Ｂを構成した例を示している。光源１０Ｂは、例えばレーザから構成されている。照明光学系２０Ｂは、光源側から順に、レンズ２１Ｂ、拡散板２２Ｂ、及び、レンズ２４Ｂから構成されている。拡散板２２Ｂは、可動拡散板であってもよい。
【００７９】
図１４の（Ｃ）及び図１５の（Ａ）は、第３構成例及び第４構成例として、空間コヒーレンスの高くない光源１０Ｃ，１０Ｄを用いて、全体として空間コヒーレンスの高い照明光学系２０Ｃ，２０Ｄを構成した例を示している。光源１０Ｃ，１０Ｄとしては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や白色光源を用いる。図１４の（Ｃ）の照明光学系２０Ｃは、光源側から順に、レンズ２１Ｃ、円形開口板２２Ｃ、及び、レンズ２４Ｃから構成されている。円形開口板２２Ｃには、中央に円形のアパーチャ２３Ｃが設けられている。レンズ２４Ｃにおける集光位置に、アパーチャ２３Ｃが配置されている。レンズ２４Ｃは、コリメータレンズとして機能する。一方、図１５の（Ａ）の照明光学系２０Ｄは、図１４の（Ｃ）の照明光学系２０Ｃに比べてレンズ２１Ｃが省略され、光源側から順に、円形開口板２２Ｄ、アパーチャ２３Ｄ、及び、レンズ２４Ｄから構成されている。
【００８０】
図１５の（Ｂ）は、第５構成例として、空間コヒーレンスの高くない光源１０Ｅを用いて、全体として空間コヒーレンスの高くない照明光学系２０Ｅを構成した例を示している。光源１０Ｅの他は、レンズ２４Ｅのみで構成されている。
【００８１】
各構成例において、全体として空間コヒーレンスの高い照明光学系を構築する場合には、光源に依存することなく２次発光点を小さくしている。また、全体として空間コヒーレンスの高くない照明光学系を構築する場合には、光源に依存すること無く、２次発光点を大きくしている。以上に説明した光源及び照明光学系の各構成例は、以下の実施例２〜実施例３にも適用することができる。
【００８２】
以上に説明したように、実施例１の３次元像表示装置１によれば、２次元画像形成装置３０によって生成された２次元画像における空間周波数が、複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出され、フーリエ変換像形成手段４０（第１のレンズＬ1）によってフーリエ変換されることで得られたフーリエ変換像は、フーリエ変換像選択手段５０（空間フィルタＳＦ）によって、空間的、且つ、時間的にフィルタリングされ、そのフィルタリングされたフーリエ変換像の共役像ＣＩが形成される構成を有するので、３次元像表示装置全体を大型化することなく、空間的に高い密度で、しかも、複数の方向に分布した状態で、光線群を生成・散布することができる。また、光線群の構成要素である個々の光線を、独立して、時間的及び空間的に制御することができる。これにより、実世界の物体と同質に近い光線による立体画像を得ることができる。
【００８３】
また、実施例１の３次元像表示装置１によれば、光線再生法を利用しているので、焦点調節、輻輳、運動視差などの視覚機能を満足した立体画像を提供することが可能である。更には、実施例１の３次元像表示装置１によれば、高次回折光を効率的に利用しているので、従来の画像出力手法と比較して、１つの画像出力デバイス（２次元画像形成装置３０及び光学装置３５）によって制御可能な光線（２次元画像の一種のコピー）を、複数の回折次数分だけ（即ち、Ｍ×Ｎ個）、得ることができる。しかも、実施例１の３次元像表示装置１によれば、空間的、且つ、時間的にフィルタリングを行うので、３次元像表示装置の時間的特性を、３次元像表示装置の空間的特性に変換することができる。また、拡散スクリーン等を用いること無く、立体画像を得ることができる。更には、どのような方向からの観察に対しても適切な立体画像を提供することができる。また、空間的に高い密度で光線群を生成・散布することができるので、視認限界に近い精細な空間画像を提供することができる。
【実施例２】
【００８４】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２の３次元像表示装置の概念図を図１６に示す。
【００８５】
実施例２における２次元画像形成装置１３０は、実施例１における液晶表示装置とは異なり、Ｐ0個（例えば、１９２０個）に区画された１次元画像を形成する１次元画像形成装置（具体的には、回折格子−光変調装置２０１）；及び、１次元画像形成装置（回折格子−光変調装置２０１）によって生成され、Ｐ0個に区画された１次元画像を２次元的に展開して（走査して）、Ｐ0×Ｑ0個に区画された２次元画像を形成する走査光学系（具体的には、スキャンミラー２０５）を備えている。そして、走査光学系の後方に光学装置３５が配置されている。光学装置３５によって、２次元画像の生成面に配置され、生成した２次元画像における空間周波数は、複数の回折次数（具体的には、総数Ｍ0×Ｎ0）に対応した回折角に沿って射出される。
【００８６】
ここで、１次元画像はＸ方向に延びているとする。また、走査方向はＹ方向であり、２次元画像はＸ方向及びＹ方向に沿って形成されているとする。但し、代替的に、Ｘ方向とＹ方向とを交換してもよい。尚、図１６においては、照明光学系２０の図示を省略している。
【００８７】
１次元画像形成装置（回折格子−光変調装置２０１）は、光源１０からの光を回折することによって１次元画像を生成する。より具体的には、回折格子−光変調装置２０１は、回折格子−光変調素子（ＧＬＶ）２１０が一次元的にアレイ状に配列されて成る。回折格子−光変調素子２１０は、マイクロマシン製造技術を応用して製造され、反射型の回折格子から構成されており、光スイッチング作用を有し、光のオン／オフ制御を電気的に制御することで画像を表示する。そして、２次元画像形成装置１３０にあっては、回折格子−光変調素子２１０のそれぞれから射出された光を、ガルバノミラーやポリゴンミラーから成るスキャンミラー２０５で走査して２次元画像を得る。従って、Ｐ0×Ｑ0（例えば１９２０×１０８０）の画素（ピクセル）から構成された２次元画像を表示するために、Ｐ0個（＝１９２０個）の回折格子−光変調素子２１０から回折格子−光変調装置２０１を構成すればよい。
【００８８】
スキャンミラー２０５で走査して得られた２次元画像に基づき、回折光を生成させる必要がある。そのために、光学装置３５を２次元展開された面に配置することで、回折光を生成させる。具体的には、スキャンミラー２０５で走査して得られた２次元画像は、走査用レンズ系１３１を通過し、２次元画像の生成面に配置された光学装置３５に入射し、光学装置３５において、Ｐ0×Ｑ0個に区画された２次元画像の区画毎に、Ｍ×Ｎ組の回折光が生成される。即ち、光学装置３５からは、生成した２次元画像における空間周波数が、光学装置３５の各光学素子３６から生じる複数の回折次数に対応した回折角に沿って射出される。光学装置３５の後側焦点は、焦点距離ｆ1を有する第１のレンズＬ1の前側焦点面上に配置されている。
【００８９】
１次元画像形成装置を用いる場合、形成される画像が１次元であることから、回折も１次元空間において起こる。従って、得られる回折光をＹ方向に拡散させることを目的とした光学系が必要となる。実施例２の３次元像表示装置にあっては、第３のレンズＬ3（共役像形成手段６０）よりも下流（観察者側）に、１次元方向に生じている回折光を２次元方向に拡散させる異方性の光拡散を生じさせる部材（異方性拡散フィルタ、異方性拡散フィルムあるいは異方性拡散シートとも呼ばれる）１３３が配置されている。
【００９０】
以上の点を除き、実施例２の３次元像表示装置の構成、構造は、実施例１において説明した３次元像表示装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００９１】
以下、回折格子−光変調素子２１０の構成、構造を説明する。
【００９２】
回折格子−光変調素子２１０を構成する下部電極２１２、固定電極２２１、可動電極２２２等の配置を、図１７に模式的に示す。尚、図１７においては、下部電極２１２、固定電極２２１、可動電極２２２、支持部２１４，２１５，２１７，２１８を明示するために、これらに斜線を付した。
【００９３】
この回折格子−光変調素子２１０は、下部電極２１２、帯状（リボン状）の固定電極２２１、並びに、帯状（リボン状）の可動電極２２２から成る。下部電極２１２は支持体２１１上に形成されている。また、固定電極２２１は、支持部２１４，２１５に支持され、下部電極２１２の上方に支持、張架されている。更には、可動電極２２２は、支持部２１７，２１８に支持され、下部電極２１２の上方に支持、張架されており、固定電極２２１に対して並置されている。図示した例において、１つの回折格子−光変調素子２１０は、３本の固定電極２２１と３本の可動電極２２２から構成されている。３本の可動電極２２２は纏めて制御電極に接続され、制御電極は、図示しない接続端子部に接続されている。一方、３本の固定電極２２１は纏めてバイアス電極に接続されている。バイアス電極は、複数の回折格子−光変調素子２１０において共通とされており、図示しないバイアス電極端子部を介して接地されている。下部電極２１２も、複数の回折格子−光変調素子２１０において共通とされており、図示しない下部電極端子部を介して接地されている。
【００９４】
接続端子部、制御電極を介して可動電極２２２へ電圧を印加し、且つ、下部電極２１２へ電圧を印加すると（実際には、下部電極２１２は接地状態にある）、可動電極２２２と下部電極２１２との間に静電気力（クーロン力）が発生する。そして、この静電気力によって、下部電極２１２に向かって可動電極２２２が下方に変位する。尚、可動電極２２２の変位前の状態を図１８の（Ａ）及び図１８の（Ｃ）の左側に示し、変位後の状態を図１８の（Ｂ）及び図１８の（Ｃ）の右側に示す。そして、このような可動電極２２２の変位に基づき、可動電極２２２と固定電極２２１とによって反射型の回折格子が形成される。ここで、図１８の（Ａ）は、図１７の矢印Ｂ−Ｂに沿った固定電極等の模式的な断面図、及び、図１７の矢印Ａ−Ａに沿った可動電極等の模式的な断面図（但し、回折格子−光変調素子が作動していない状態にある）であり、図１８の（Ｂ）は、図１７の矢印Ａ−Ａに沿った可動電極等の模式的な断面図であり（但し、回折格子−光変調素子が作動している状態にある）、図１８の（Ｃ）は、図１７の矢印Ｃ−Ｃに沿った固定電極、可動電極等の模式的な断面図である。
【００９５】
隣接する固定電極２２１の間の距離をｄ（図１８の（Ｃ）参照）、可動電極２２２及び固定電極２２１に入射する光（入射角：θi）の波長をλ、回折角をθmとすると、
ｄ［ｓｉｎ（θi）−ｓｉｎ（θm）］＝ｍDif・λ
で表すことができる。ここで、ｍDifは次数であり、０，±１，±２・・・の値をとる。
【００９６】
そして、可動電極２２２の頂面と固定電極２２１の頂面の高さの差Δｈ1（図１８の（Ｃ）参照）が（λ／４）のとき、回折光の光強度は最大の値となる。
【００９７】
このような、回折格子−光変調装置を含む２次元画像形成装置１３０の概念図を図１９に示す。即ち、実施例２の２次元画像形成装置１３０は、レーザを射出する光源１０、この光源１０から射出された光を集光する集光レンズ（図示せず）、集光レンズを通過した光が入射する回折格子−光変調装置２０１、回折格子−光変調装置２０１から射出された光が通過するレンズ２０３及び空間フィルタ２０４、空間フィルタ２０４を通過した１本の光束を結像させる結像レンズ（図示せず）、結像レンズを通過した１本の光束を走査するスキャンミラー２０５から構成されている。
【００９８】
このような２次元画像形成装置１３０にあっては、可動電極２２２が図１８の（Ａ）及び図１８の（Ｃ）の左側に示した状態である回折格子−光変調素子２１０の不作動時、可動電極２２２及び固定電極２２１の頂面で反射された光は空間フィルタ２０４で遮られる。一方、可動電極２２２が図１８の（Ｂ）及び図１８の（Ｃ）の右側に示した状態である回折格子−光変調素子２１０の作動時、可動電極２２２及び固定電極２２１で回折された±１次（ｍDif＝±１）の回折光は空間フィルタ２０４を通過する。このような構成にすることで、光のオン／オフ制御を制御することができる。また、可動電極２２２に印加する電圧を変化させることで、可動電極２２２の頂面と固定電極２２１の頂面の高さの差Δｈ1を変化させることができ、その結果、回折光の強度を変化させて、階調制御を行うことができる。
【実施例３】
【００９９】
実施例３は、実施例１の変形である。実施例３の３次元像表示装置の概念図を、図２０に示す。実施例１の３次元像表示装置にあっては、光透過型の２次元画像形成装置３０を用いた。一方、実施例３の３次元像表示装置にあっては、反射型の２次元画像形成装置３０Ａを用いる。反射型の２次元画像形成装置３０Ａとして、例えば、反射型の液晶表示装置を挙げることができる。
【０１００】
実施例３の３次元像表示装置にあっては、ｚ軸（光軸）上にビームスプリッタ７０が備えられている。ビームスプリッタ７０は、偏光成分の違いにより光を透過又は反射させる機能を有する。ビームスプリッタ７０は、光源１０から射出された光を反射型の２次元画像形成装置３０Ａに向けて反射する。また、２次元画像形成装置３０Ａからの反射光を透過する。この点を除き、実施例３の３次元像表示装置の構成、構造は、実施例１の３次元像表示装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【０１０１】
以上、本発明の３次元像表示装置を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。
【０１０２】
２次元画像形成装置３０と光学装置３５との間に、例えば、２枚の凸レンズを配置し、一方の凸レンズの前側焦点面に２次元画像形成装置３０を配置し、一方の凸レンズの後側焦点に他方の凸レンズの前側焦点を位置させ、他方の凸レンズの後側焦点面に光学装置３５を配置する構成とすることもできる。また、光学装置３５を構成する光学素子３６を、代替的に凹レンズから構成することもできる。この場合には、仮想の開口領域３７は、２次元画像形成装置３０の前方（光源側）に位置する。更には、光学素子３６を、通常のレンズに代えて、フレネルレンズから構成してもよい。
【０１０３】
また、実施例１〜実施例３においては、フーリエ変換像形成手段４０を構成するレンズ（第１のレンズＬ1）の前側焦点面に光学装置３５を構成する光学素子３６の焦点が位置しており、後側焦点面にフーリエ変換像選択手段が配置されている構成としたが、場合によっては、２次元画像における空間周波数にクロストークが生じる結果、最終的に得られる立体画像に劣化が生じるものの、係る劣化が許容されるならば、フーリエ変換像形成手段４０を構成するレンズ（第１のレンズＬ1）の前側焦点面からずれた位置に光学装置３５を構成する光学素子３６の焦点を位置させてもよいし、後側焦点面からずれた位置にフーリエ変換像選択手段を配置してもよい。また、第１のレンズＬ1、第２のレンズＬ2、第３のレンズＬ3は凸レンズに限定されず、適宜、適切なレンズを選択すればよい。
【０１０４】
実施例１〜実施例３においては、光源は全ての場合において単色若しくは単色に近い光源であることを前提としているが、光源は、このような構成に限定するものではない。光源１０の波長帯域が複数の帯域に及んでもよい。但し、この場合には、例えば、実施例１における３次元像表示装置を例にとり説明すると、図２１の（Ａ）に示すように、照明光学系２０と２次元画像形成装置３０との間に、波長選択を行う狭帯域フィルタ７１を配置することが好ましく、これによって、波長帯域を分別、選択し、単色光を抽出することができる。
【０１０５】
あるいは又、光源１０の波長帯域が広帯域に及んでもよい。但し、この場合には、図２１の（Ｂ）に示すように、照明光学系２０と２次元画像形成装置３０との間に、ダイクロイックプリズム７２及び波長選択を行う狭帯域フィルタ７１Ｇを配置することが好ましい。具体的には、ダイクロイックプリズム７２は、例えば赤色光、青色光を別々の方向に反射すると共に、緑色光を含む光線を透過する。ダイクロイックプリズム７２における緑色光を含む光線の出射側に、緑色光を分別・選択する狭帯域フィルタ７１Ｇが配置されている。
【０１０６】
また、図２２に示すように、ダイクロイックプリズム７２における緑色光を含む光線の出射側に緑色光を分別・選択する狭帯域フィルタ７１Ｇを配置し、赤色光を含む光線の出射側に赤色光を分別・選択する狭帯域フィルタ７１Ｒを配置し、青色光を含む光線の出射側に、青色光を分別・選択する狭帯域フィルタ７１Ｂを配置すれば、３原色を表示する３つの３次元像表示装置に対する光源を構成することができる。このような構成の３つの３次元像表示装置を用い、あるいは又、赤色光を射出する光源と３次元像表示装置、緑色光を射出する光源と３次元像表示装置、及び、青色光を射出する光源と３次元像表示装置の組合せを用い、各３次元像表示装置からの画像を、例えば光合成プリズムを用いて合成することで、カラー表示を行うことができる。尚、ダイクロイックプリズムの代わりに、ダイクロイックミラーを用いることもできる。尚、以上に説明したこれらの３次元像表示装置の変形例は実施例２〜実施例３に適用することができることは云うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】図１は、実施例１の３次元像表示装置のｙｚ平面における概念図である。
【図２】図２は、実施例１の３次元像表示装置における光学装置の動作、作用を説明するための概念図である。
【図３】図３は、実施例１の３次元像表示装置を斜めから見たときの概念図である。
【図４】図４は、実施例１の３次元像表示装置の構成要素の配置状態を模式的に示す図である。
【図５】図５は、フーリエ変換像選択手段（空間フィルタ）の１例の模式的な正面図である。
【図６】図６は、２次元画像形成装置によって、複数の回折次数の回折光が生成される状態を模式的に示す図である。
【図７】図７は、フーリエ変換像形成手段（第１のレンズＬ1）における集光状態、及び、フーリエ変換像選択手段（空間フィルタ）における結像状態を模式的に示す図である。
【図８】図８の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、２次元画像形成装置によって形成された２次元画像における空間周波数が最も低い状態、及び、最も高い状態を示す２次元画像形成装置の模式的な正面図である。
【図９】図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、２次元画像形成装置によって形成された２次元画像における空間周波数が最も低い状態、及び、最も高い状態におけるフーリエ変換像の光強度の周波数特性を模式的に示す図である。
【図１０】図１０の（Ａ）は、フーリエ変換像選択手段（空間フィルタ）のｘｙ平面上におけるフーリエ変換像の分布を示す模式図であり、図１０の（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１０の（Ａ）のｘ軸上でのフーリエ変換像の光強度分布を示す図である。
【図１１】図１１は、２次元画像形成装置における２次元画像の形成タイミングとフーリエ変換像選択手段（空間フィルタ）の開口部の開閉タイミングとを示す図であり、上段には、２次元画像形成装置における２次元画像の形成タイミングを示し、中段及び下段には、フーリエ変換像選択手段（空間フィルタ）の開口部の開閉タイミングを示す。
【図１２】図１２は、フーリエ変換像選択手段（空間フィルタ）による空間フィルタリングの概念を模式的に時系列で示す図である。
【図１３】図１３は、図１２に示した空間フィルタリングの結果得られる画像を模式的に示す図である。
【図１４】図１４の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、実施例１の３次元像表示装置における光源及び照明光学系の第１構成例、第２構成例、及び、第３構成例を示す模式図である。
【図１５】図１５の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１の３次元像表示装置における光源及び照明光学系の第４構成例、及び、第５構成例を示す模式図である。
【図１６】図１６は、実施例２の３次元像表示装置の概念図である。
【図１７】図１７は、回折格子−光変調素子を構成する下部電極、固定電極、可動電極の配置を模式的に示す図である。
【図１８】図１８の（Ａ）は、図１７の矢印Ｂ−Ｂに沿った固定電極等の模式的な断面図、及び、図１７の矢印Ａ−Ａに沿った可動電極等の模式的な断面図（但し、回折格子−光変調素子が作動していない状態にある）であり、図１８の（Ｂ）は、図１７の矢印Ａ−Ａに沿った可動電極等の模式的な断面図であり（但し、回折格子−光変調素子が作動している状態にある）、図１８の（Ｃ）は、図１７の矢印Ｃ−Ｃに沿った固定電極、可動電極等の模式的な断面図である。
【図１９】図１９は、実施例２の３次元像表示装置における２次元画像形成装置の一部分等の概念図である。
【図２０】図２０は、実施例３の３次元像表示装置の一部分のｙｚ平面における概念図である。
【図２１】図２１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の３次元像表示装置の変形例の一部分のｙｚ平面における概念図である。
【図２２】図２２は、実施例１の３次元像表示装置の変形例の別の変形例の一部分のｙｚ平面における概念図である。
【図２３】図２３は、実施例１の３次元像表示装置を複数組み合わせたマルチユニット方式の３次元像表示装置を示す構成図である。
【図２４】図２４は、従来の３次元像表示装置の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１・・・３次元像表示装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ・・・光源、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ・・・照明光学系、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ・・・レンズ、２２Ａ，２２Ｃ，２２Ｄ・・・円形開口板、２２Ｂ・・・拡散板、２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｄ・・・アパーチャ、３０，１３０・・・２次元画像形成装置、３１・・・画素、３５・・・光学装置、３６・・・光学素子、３７・・・仮想の開口領域、４０・・・フーリエ変換像形成手段、５０・・・フーリエ変換像選択手段、５１・・・開口部、５２・・・開口部中心位置、６０・・・共役像形成手段、７０・・・ビームスプリッタ、７１，７１Ｒ，７１Ｇ，７１Ｂ・・・狭帯域フィルタ、７２・・・ダイクロイックプリズム、１３１・・・走査用レンズ系、１３３・・・異方性拡散フィルタ、２０１・・・回折格子−光変調装置、２０３・・・レンズ、２０４・・・空間フィルタ、２０５・・・スキャンミラー、２１０・・・回折格子−光変調素子、２１１・・・支持体、２１２・・・下部電極、２１４，２１５，２１７，２１８・・・支持部、２２１・・・固定電極、２２２・・・可動電極、Ｌ1・・・第１のレンズ、Ｌ2・・・第２のレンズ、Ｌ3・・・第３のレンズ、ＳＦ・・・空間フィルタ、ＲＩ・・・実像（逆フーリエ変換像）、ＣＩ・・・フーリエ変換像の共役像
【図１】
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【図２】
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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３】
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