CN100462775C - 三维图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本文中所公开的是一种三维图像显示装置，它包括光源；光调制部分，用于通过像素对来自光源的光进行调制以产生二维图像，并沿与从每个像素产生的多个衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率；傅立叶变换图像形成部分，用于对从光调制部分发射的二维图像的空间频率进行傅立叶变换以产生个数与衍射级数对应的傅立叶变换图像；傅立叶变换图像选择部分，用于选择由傅立叶变换部分所产生的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的一个；共轭像形成部分，用于形成由傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

Description

三维图像显示装置

相关申请的参照

本发明包含与分别在2005年6月27日、2006年1月30日、2006年1月30日、2006年2月9日、2006年2月16日和2006年2月16日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2005-186333号、JP 2006-020588号、JP 2006-020587号、JP2006-032815号、JP 2006-039392号和JP 2006-039393号相关的主题，其全部内容通过引用而被包含于此。

技术领域

本发明涉及一种能够显示三维图像的三维显示装置。

背景技术

人们已经知道观察者的双目观察称为视差图像的不同图像来获得三维图像的双目型三维图像技术，以及准备多组视差图像来从不同的视点获得多个三维图像的多目型三维图像技术，并且已经开发出与这些图像技术相关的各种技术。但是，根据双目型三维图像技术和多目型三维图像技术，三维图像不是被定位在预期用于该三维图像的空间，而是被定位在例如二维显示屏上，并且总是被定位在固定的位置。由此，作为视觉系统生理反应的会聚和校准不是相互连锁的，由此而引起的眼疲劳成了问题。

同时，在现实世界中，物体表面的信息通过起到媒介作用的光波传播到观察者的眼球。由此，我们知道全息技术是一种人工地再生现实世界中物理存在的物体的表面所发出的光波的技术。使用全息技术所获得的三维图像利用基于光的干涉而产生的干涉条纹本身，并利用在用起到图像信息媒介作用的光来照射干涉条纹时所出现的衍射波前。由此，视觉系统就会发生诸如会聚和校准等与在观察者观察现实世界中的物体时类似的生理反应，因此，观察者几乎不会因图像而产生眼疲劳。此外，物体所发出的光的波前被再生就意味着在传输图像信息的方向上能确保连续性。由此，即使观察者的视点在移动，仍能连续地呈现从移动时的任何不同角度所看到的正确图像，并且能够连续地提供动觉视差。

但是，在全息技术中，物体的三维空间信息作为干涉条纹被记录在二维空间中，并且与通过拾取同一物体的图像而获得的照片等的二维空间的信息相比，三维空间信息的信息量非常巨大。这是因为要考虑到当三维空间信息被转换为二维空间信息时，该信息在二维空间中被转换为密度信息。因此，用于显示CGH(计算机生成的全息图)的干涉条纹的显示装置所需要的空间分辨率非常高，并且需要非常巨大的信息量。因此，在现有的环境下，要基于实时全息图来实现三维图像在技术上是很困难的。

在全息技术中，使用可被视为连续信息的光波作为信息媒介来传输来自物体的信息。同时，我们知道光线再现方法(也称为积分照相方法)是一种通过使光波离散来用光线再生理论上与从现实世界中的光波形成的视场基本相同的情况来产生三维图像的技术。在光线再现法中，由向各个方向传播的大量光线组成的光线群通过光学装置被预先散射到空间中。然后，从该光线群中选择从定位在任意位置的虚拟物体的表面传播的光线，并且对所选择的光线的强度或相位进行调制，以产生从这些光线形成的图像。观察者可将该图像作为三维图像来观察。通过光线再现方法而得到的三维图像是从多个方向的复用图像形成的，并且与观察现实世界中的三维物体的情形相类似，根据观察三维图像的位置，在任意点上所看到的三维图像有所不同。

作为一种用于实现上述光线再现方法的装置，公开了一种包括诸如液晶显示装置或等离子体显示装置等平板显示装置与微距镜阵列或针孔阵列的组合的装置。例如，在日本专利特開第2003-173128号(以下称为专利文献1)、日本专利特開第2003-161912号(以下称为专利文献2)、日本专利特開第2003-295114号(以下称为专利文献3)、日本专利特開第2003-75771号(以下称为专利文献4)、日本专利特開第2002-72135号(以下称为专利文献5)、日本专利特開第2001-56450号(以下称为专利文献6)或日本专利第3,523,605号(以下称为专利文献7)中公开了所述类型的装置。还可发明出排列大量投影机单元的装置。图36示出了使用投影机单元实现光线再现法的三维图像显示装置的配置示例。参考图36，所示的三维图像显示装置包括在水平方向和垂直方向上平行布置的大量投影机单元701，以使从投影机单元701以不同的角度发射出光线。该三维图像显示装置在某个截面702中复用再现在任意点所看到的不同视角的图像，从而实现了三维图像。

发明内容

根据上述光线再现方法，因为图像是从对双目型三维图像技术和多目型三维图像技术无法实现的如焦点调节和双目会聚角调节等视觉功能能够有效工作的光线产生的，所以所产生的三维图像几乎不会给观察者带来眼疲劳。此外，因为光线是从虚拟物体上的同一个元素朝多个方向连续发射的，所以可连续地提供由视点位置的移动所引起的图像变化。

但是，与现实世界中所存在的物体相比较，此情况中由光线再现方法产生的图像缺少存在感。要考虑到这是由于当与观察者从现实世界中的物体获得的信息量相比，此情况中通过光线再现方法得到的三维图像是从非常少量的信息，即从非常少量的光线产生的这一事实而造成的。一般而言，要考虑到人类视度的极限大约是按角分辨率计的一分，并且在此情况中通过光线再现方法得到的三维图像是从对人类的视觉而言不充足的光线形成的。由此，为了产生能提供现实世界中的物体所具有的高存在感和真实感的三维图像，就得至少从大量光线来产生图像。

为了实现此目的，就需要有能产生高空间密度的光线群的技术，此类技术中的一种可以是提高诸如液晶显示装置等显示装置的显示密度。或者，在图36中所示的排列了大量投影机单元701的装置中，可将每个投影机单元701的尺寸尽量缩小以便以高空间密度来排列投影机单元71。但是，在此情况中要迅速提高显示装置中的显示密度是很困难的，原因在于有光利用效率或衍射极限的问题。此外，在图36中所示的装置的情形中，因为投影机单元701的缩小是有极限的，所以要考虑到以高空间密度来排列投影机单元71是很困难的。在任何情形中，为了要产生高密度的光线群，都需要多个器件，因此整个装置的大规模配置将是无可避免的。

由此，本发明的一个实施例提供了一种三维图像显示装置，它能够产生并散射以高空间密度显示三维图像所需的光线群，以获得从光线形成的具有近似于现实世界中的物体的品质的三维图像，而不会增大三维图像显示装置的规模。

根据本发明的第一实施例，描述了提供一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源

(B)具有多个像素的光调制部分，用于通过这些像素来调制从光源发出的光以产生二维图像，并沿与从每个像素产生的多个衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率；

(C)傅立叶变换图像形成部分，用于对从光调制部分发射的二维图像的空间频率进行傅立叶变换，以产生个数与衍射级数对应的傅立叶变换图像；

(D)傅立叶变换图像选择部分，用于选择由所述傅立叶变换图像形成部分所产生的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的那一个；以及

(E)共轭像形成部分，用于形成由傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

根据本发明的第二实施例，描述了提供一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)具有多个像素的光调制部分，用于通过这些像素来调制从光源发出的光以产生二维图像，并沿与从每个像素产生的多个衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率；

(C)图像限制与产生部分，用于对从光调制部分发射的二维图像的空间频率进行傅立叶变换，以产生个数与从每个像素产生的衍射级数对应的若干傅立叶变换图像，仅选择这些傅立叶变换图像中预定的一个，然后对所选择的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以产生由光调制部分所产生的二维图像的共轭像；

(D)具有多个开口区的过采样滤波器，用于沿与从这些开口区产生的多个衍射级对应的衍射角发射该二维图像的共轭像的空间频率；

(E)傅立叶变换图像形成部分，用于对从过采样滤波器发射的二维图像的共轭像的空间频率进行傅立叶变换以产生个数与从每个开口区产生的衍射级数对应的傅立叶变换图像；

(F)傅立叶变换图像选择部分，用于选择由所述傅立叶变换图像形成部分产生的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的那一个；以及

(G)共轭像形成部分，用于形成由傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

根据本发明的第三实施例，描述了提供一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)具有多个像素的二维图像形成装置，用于基于从光源发出的光来产生二维图像；

(C)光学装置，用于沿与多个衍射级对应的衍射角发射从二维图像形成装置入射的二维图像的空间频率，该光学装置包括布置成二维矩阵的多个光学元件，其中每个光学元件都具有对入射到该光学元件的光进行折射以将光基本上会聚到一点上的屈光力，并且具有调制透过该光学元件的光的相位的相位光栅的功能；

(D)傅立叶变换图像形成部分，用于对从光学装置发射的二维图像的空间频率进行傅立叶变换，以产生个数与衍射级数对应的傅立叶变换图像；

(E)傅立叶变换图像选择部分，用于选择由所述傅立叶变换图像形成部分所产生的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的那一个；以及

(F)共轭像形成部分，用于形成由傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

优选的是，根据本发明第一实施例的三维图像显示装置被配置成使共轭像形成部分包括傅立叶逆变换部分，用于对由傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以形成由光调制部分所产生的二维图像的实像。

优选的是，根据本发明第二实施例的三维图像显示装置被配置成使共轭像形成部分包括傅立叶逆变换部分，用于对由傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以形成由图像限制与产生部分所产生的二维图像的共轭像。

优选的是，根据本发明第三实施例的三维图像显示装置被配置成使共轭像形成部分包括傅立叶逆变换部分，用于对由傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以形成由二维图像形成部分所产生的二维图像的实像。

优选的是，包括优选配置的根据本发明第一或第二实施例的三维图像显示装置被配置成以具有二维地排列的多个像素、并且每个像素具有一个开口的二维空间光调制器来构成光调制部分。在此情况下，优选以液晶显示装置(更具体地，透射型或反射型的液晶显示装置)、或是在二维空间光调制器的每一个开口中设置可移动镜的配置(以将可移动镜布置成二维矩阵的二维型MEMS构成的配置)来构成二维空间光调制器。优选的是，开口的平面图的形状是矩形。在开口的平面图的形状是矩形的情况下，将发生夫琅和费(Fraunhofer)衍射，并且产生M×N道衍射光。换言之，这些开口形成了振幅光栅，它周期性地调制入射光波的振幅(强度)，从而得到与光栅的光透射因数的分布一致的光量分布。

优选的是，包括上述优选配置的根据本发明第三实施例的三维图像显示装置被配置成以液晶显示装置(更具体地，透射型或反射型液晶显示装置)来构成二维图像形成部分。

优选的是，包括上述优选配置的根据本发明第一或第二实施例的三维图像显示装置被配置成使光调制部分包括，

(B-1)一维空间光调制器，用于形成一维图像，

(B-2)扫描光学系统，用于对由一维空间光调制器形成的一维图像进行二维扩展以形成二维图像，以及

(B-3)布置在二维图像的形成平面上的格型滤波器，用于沿与多个衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率。

应当注意，格型滤波器也能以振幅光栅或以调制透射光量的相位(即，在保持光的振幅(强度)不变的同时对相位进行调制)的相位光栅构成。

或者，包括上述优选配置的根据本发明第三实施例的三维图像显示装置可被配置成使二维图像形成装置包括，

(B-1)一维图像形成装置，用于形成一维图像，以及

(B-2)扫描光学系统，用于对由一维图像形成装置所形成的一维图像进行二维扩展以形成二维图像。

优选的是，包括上述优选实施例和配置的根据本发明第一实施例的三维图像显示装置被配置成以透镜来构成傅立叶变换图像形成部分，并且将光调制部分布置在该透镜的前焦面上，而将傅立叶变换图像选择部分布置在该透镜的后焦面上。

此外，包括上述优选实施例和配置的根据本发明第二实施例的三维图像显示装置被配置成使图像限制与产生部分由以下各部分构成，

(C-1)两个透镜，以及

(C-2)布置在这两个透镜之间的图像限制开口部分，用于仅允许预定的傅立叶变换图像通过。

优选的是，包括上述优选实施例和配置的根据本发明第二实施例的三维图像显示装置被配置成以衍射光产生构件，更具体地，例如格型滤波器来构成过采样滤波器。应当注意，格型滤波器能以振幅光栅或相位光栅构成。

此外，包括上述优选配置和实施例的根据本发明第二实施例的三维图像显示装置可被配置成以透镜来构成傅立叶变换图像形成部分，并且将过采样滤波器布置在透镜的前焦面上，而将傅立叶变换图像选择部分布置在透镜的后焦面上。

此外，包括优选实施例和配置的根据本发明第三实施例的三维图像显示装置可被配置成以透镜来构成傅立叶变换图像形成部分，并且组成光学装置的光学元件的焦点被放在透镜的前焦面上，而傅立叶变换图像选择部分被布置在透镜的后焦面上。

包括上述优选配置和实施例的根据本发明第一实施例的三维图像显示装置可被配置成使傅立叶变换图像选择部分具有个数与衍射级数相等的其打开和关闭可控制的开口。此外，包括上述优选配置和实施例的根据本发明第二实施例的三维图像显示装置可被配置成使傅立叶变换图像选择部分具有个数与从每个开口区产生的衍射级数相等的其打开和关闭可控制的开口。此外，包括上述优选配置和实施例的根据本发明第三实施例的三维图像显示装置可被配置成使傅立叶变换图像选择部分具有个数等于衍射级数的其打开和关闭可控制的开口。在那些情形中，傅立叶变换选择部分尤其可被配置成以液晶显示装置(更具体地，透射型或反射型液晶显示装置)构成，或被配置成以将可移动镜布置成二维矩阵的二维型MEMS构成。优选的是，傅立叶变换图像选择部分被配置成使它与二维图像形成装置产生二维图像的定时同步地将诸开口中合乎需要的那一个置为打开状态以选择与所需衍射级对应的傅立叶变换图像。

此外，包括上述优选配置和实施例的根据本发明第一实施例的三维图像显示装置可被配置成使二维图像的空间频率与载波频率是像素结构空间频率的图像信息对应。

包括上述优选配置和实施例的根据本发明第三实施例的三维图像显示装置可被配置成使二维图像的空间频率与载波频率是像素结构空间频率的图像信息对应，并且使二维图像的共轭像的空间频率对应于作为像素结构空间频率与二维图像的空间频率之差的空间频率。换言之，作为一级衍射所获得的其载波频率是平面波分量的零级衍射并且低于光调制部分的像素结构(开口结构)空间频率一半的空间频率被图像限制和产生部分所选择，或通过图像显示开口部分。下述光调制部分或二维图像形成装置上所显示的所有空间频率都被透射。

此外，包括上述优选配置和实施例的根据本发明第三实施例的三维图像显示装置可被配置成使二维图像的空间频率与其载波频率是二维图像形成装置的像素结构的空间频率的图像信息对应。

根据本发明的第四实施例，描述了提供一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)光调制部分，它具有沿X方向和Y方向布置成二维矩阵的P×Q个开口，用于通过对每个开口控制来自光源的光的通过、反射或衍射来产生二维图像，并基于该二维图像来为每个开口产生总计M×N道衍射光，包括沿X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光，以及沿Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光，其中P和Q是任意正整数，m和m′是整数而M是正整数，n和n′是整数而N是正整数；

(C)第一透镜，在其前焦面上布置了光调制部分；

(D)空间滤波器，它被布置在第一透镜的后焦面上，并且具有总计M×N个开口，包括沿X方向布置的M个开口和沿Y方向布置的N个开口，这些开口能够在打开和关闭状态之间被控制；

(E)第二透镜，其前焦面上布置了空间滤波器；以及

(F)第三透镜，其前焦点被放在第二透镜的后焦点处。

根据本发明的第五实施例，提供了一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)二维图像形成装置，它具有沿X方向和Y方向布置成二维矩阵的多个开口，用于通过对每个开口控制来自光源的光的通过、反射或衍射来产生二维图像，并基于该二维图来为每个开口产生多个衍射级的衍射光；

(C)第一透镜，其前焦面上布置了二维图像形成装置；

(D)图像限制开口部分，它被布置在第一透镜的后焦面上，用于仅允许预定衍射级的衍射光通过；

(E)第二透镜，其前焦面上布置了图像限制开口部分；

(F)过采样滤波器，它被布置在第二透镜的后焦面上，并且具有沿X方向和Y方向排列成二维矩阵的P₀×Q₀个开口区，用于基于由第二透镜所产生的二维图像的共轭像，来为每个开口区产生总计M×N道衍射光，包括沿X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光，以及沿Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光，其中P₀和Q₀是任意正整数，m和m′是整数而M是正整数，n和n′是整数而N是正整数；

(G)第三透镜，其前焦面上布置了过采样滤波器；

(H)空间滤波器，它被布置在第三透镜的后焦面上，并具有总计M×N个开口，包括沿X方向的M个开口，以及沿Y方向的N个开口，这些开口能够在打开和关闭状态之间被控制；

(I)第四透镜，其前焦面上布置了空间滤波器；以及

(J)第五透镜，其前焦点被放在第四透镜的后焦点上。

根据本发明的第六实施例，描述了提供一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)具有多个像素的二维图像形成装置，用于基于从光源发出的光来产生二维图像；

(C)光学装置，用于沿与多个衍射级对应的衍射角发射从所述二维图像形成装置入射的二维图像的空间频率，该光学装置包括沿X方向和Y方向布置成二维矩阵的P₀×Q₀个光学元件，并且每个光学元件都具有对入射到该光学元件的光进行折射以将光基本上会聚到一点的屈光力，并具有调制通过该光学元件的光的相位的相位光栅的功能，其中P₀×Q₀是任意正整数；

(D)第一透镜，其前焦面上放置了光学装置中的光学元件的焦点；

(E)空间滤波器，它被布置在第一透镜的后焦面上，并具有M×N个开口，包括沿X方向布置的M个开口以及沿Y方向布置的N个开口，并且能够在打开和关闭状态之间被控制；

(F)第二透镜，其前焦面上布置了空间滤波器；以及

(G)第三透镜，第二透镜的后焦点被放在第三透镜的前焦点上。

根据本发明第四实施例的三维图像显示装置可被配置成以具有二维地排列的P×Q个像素、且每个像素都有一个开口的液晶显示装置(更具体地，透射型或反射型的液晶显示装置)构成二维图像形成装置，或被优选地配置成在二维图像形成装置的每一个开口中设置一个可移动镜(以使该二维图像形成装置包括在排列成二维矩阵的开口中布置了可移动镜的二维型MEMS)。在此，优选开口的平面图的形状是矩形。在开口的平面图形状是矩形的情况下，会发生夫琅和费衍射，并产生M×N道衍射光。换言之，这些开口构成了振幅光栅。

根据本发明第五实施例的三维图像显示装置可被配置成以具有二维地排列的P×Q个像素、并且每个像素都有一个开口、且满足P₀>P和Q₀>Q的液晶显示装置(更具体地，透射型或反射型液晶显示装置)构成二维图像形成装置，或者使二维图像形成装置中设置了P×Q个开口，并且在每个开口中设置一个可移动镜(以使该二维图像形成装置包括在排列成二维矩阵的开口中布置了可移动镜的二维型MEMS)，此外还满足P₀>P和Q₀>Q。优选的是这些开口的平面图的形状是矩形。在开口的平面图的形状是矩形的情况下，会发生夫琅和费衍射，并产生M×N道衍射光。换言之，这些开口构成了振幅光栅。此外，可用衍射光产生构件，更具体地，例如用格型滤波器来构成过采样滤波器。应当注意，格型滤波器可用振幅光栅或是相位光栅来构成。

根据本发明第六实施例的三维图像显示装置可被配置成以具有二维地排列的P×Q个像素(其中P₀≥P且Q₀≥Q)的液晶显示装置(更具体地，透射型或反射型的液晶显示装置)构成二维图像形成装置。应当注意，P与P₀、以及Q与Q₀分别可具有1≤P₀/P≤4和1≤Q₀/Q≤4的更加具体的关系。

或者，根据本发明第六实施例的三维图像显示装置可被配置成使二维图像形成装置包括，

(B-1)一维图像形成装置，用于形成一维图像，以及

(B-2)扫描光学系统，用于对由一维图像形成装置形成的一维图像进行二维扩展以形成二维图像。

在此情况下，该三维图像显示装置可被配置成使一维图像形成装置通过衍射来自光源的光来产生一维图像。此外，该三维图像显示装置可被配置成在第三透镜后面布置用于引起发生各向异性的光漫射的构件(各向异性漫射滤波器、各向异性漫射膜或是各向异性漫射片)。

包括上述优选配置和实施例的根据本发明第四、第五或第六实施例的三维图像显示装置可被配置成使空间滤波器特别地用具有M×N个开口(像素)的液晶显示装置(透射型或反射型液晶显示装置)构成，或可具有用二维地排列了可移动镜的二维MEMS构成的配置。或者，空间滤波器可被配置成与二维图像形成装置产生二维图像的定时同步地将合乎需要的一个开口置为打开状态。

根据本发明的第七实施例，描述了提供一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)二维图像形成装置，它包括沿X方向有P个像素的用于产生一维图像的一维空间光调制器，用于对由一维空间光调制器所产生的一维图像进行二维扩展以产生二维图像的扫描光学系统，以及被布置在二维图像的产生平面上、用于为每个像素产生从m级到m′级的M道衍射光的衍射光产生部分，其中m和m′是整数而M是正整数；

(C)第一透镜，其前焦面上布置了衍射光产生部分；

(D)空间滤波器，它被布置在第一透镜的后焦面上，并且具有总计M×N个开口，包括沿X方向的M个开口以及沿Y方向的N个开口，其中N是正整数，这些开口能够在打开和关闭状态之间被控制；

(E)第二透镜，其前焦面上布置了空间滤波器；以及

(F)第三透镜，其前焦点被放在第二透镜的后焦点上。

根据本发明第七实施例的三维图像显示装置可被配置成使一维空间光调制器衍射来自光源的光以形成一维图像。

根据本发明的第八实施例，描述了提供一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)二维图像形成装置，包括用于产生一维图像的一维空间光调制器，用于对由一维空间光调制器所产生的一维图像进行二维扩展以产生二维图像的扫描光学系统，以及布置在二维图像的产生平面上、用于为每个像素产生多个衍射级的衍射光的衍射光产生部分；

(C)第一透镜，其前焦面上布置了衍射光产生部分；

(D)图像限制开口部分，它被布置在第一透镜的后焦面上，用于仅允许预定衍射级的衍射光通过；

(E)第二透镜，其前焦面上布置了图像限制开口部分；

(F)过采样滤波器，它被布置在第二透镜的后焦面上，并且具有沿X方向和Y方向排列成二维矩阵的P₀×Q₀个开口区，用于基于由第二透镜所形成的二维图像的共轭像，为每个开口区产生总计M×N道衍射光，包括沿X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光，以及沿Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光，其中P₀和Q₀是任意正整数，m和m′是整数而M是正整数，n和n′是整数而N是正整数；

(G)第三透镜，其前焦面上布置了过采样滤波器；

(H)空间滤波器，它被布置在第三透镜的后焦面上，并具有总计M×N个开口，包括沿X方向的M个开口和沿Y方向的N个开口，这些开口能够在打开和关闭状态之间被控制；

(I)第四透镜，其前焦面上布置了空间滤波器；以及

(J)第五透镜，其前焦点放在第四透镜的后焦点处。

根据本发明第八实施例的三维图像显示装置可被配置成使一维空间光调制器沿X方向有P个像素，并衍射来自光源的光以产生一维图像并满足P₀>P。该三维图像显示装置可被配置成以衍射光产生构件，更具体地，以格型滤波器构成过采样滤波器。应当注意，格型滤波器可用振幅光栅或相位光栅构成。

上述包括优选配置的根据本发明第七或第八实施例的三维图像显示装置可被配置成空间滤波器特别地以具有M×N个开口(像素)的液晶显示装置(更具体地，透射型或反射型液晶显示装置)构成，或可具有以二维地排列了可移动镜的二维MEMS构成的配置。或者，空间滤波器可被配置成与二维图像的产生定时同步地将合乎需要的一个开口置为打开状态。

包括上述优选配置的根据本发明第七实施例的三维图像显示装置可被配置成在第三透镜后面布置用于引起发生各向异性的光漫射的构件(各向异性漫射滤波器、各向异性漫射膜或是各向异性漫射片)。

在根据本发明第四、第五、第七或第八实施例的三维图像显示装置中，m和m′是整数而M是正整数，并且m、m′与M具有m≤m′且M＝m′-m+1的关系。此外，n和n′是整数而N是正整数，并且n、n′与N具有n≤n′且N＝n′-n+1的关系。此外，尽管对定义衍射级总数的数M和N没有特别限定，但是它们可以满足

0≤M(＝m′-m+1)≤21，

并且优选地满足例如，

5≤M(＝m′-m+1)≤21。

此外，可满足

0≤N(＝n′-n+1)≤21，

并且优选地满足例如，

5≤N(＝n′-n+1)≤21。

M的值与N的值可以相等或不等。|m′|的值与|m|的值可以相等或不等。此外，|n′|的值与|n|的值可以相等或不等。但是，此外在根据本发明第六实施例的三维图像显示装置的光学装置中，入射的二维图像的空间频率是沿与多个衍射级(总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射的，其中产生了总计M×N道衍射光，包括沿X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光(m和m′是整数而M是正整数)以及沿Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光(n和n′是整数而N是正整数)，其中m、m′和M以及n、n′和N可具有如以上所给出的关系。

包括上述优选配置和实施例的根据本发明第二、第五和第八实施例的三维图像显示装置可被配置成使构成过采样滤波器的格型滤波器具有例如在玻璃片上以二位矩阵形成P₀×Q₀个凹槽的结构(相位光栅型)。在此，这些凹槽对应于开口区。在开口区(凹槽)是例如矩形的情况下，会发生夫琅和费衍射，并产生M×N道衍射光。此外，尽管如上所述地优选满足P₀>P和Q₀>Q，但是更具体地，可满足1≤P₀/P≤4和1≤Q₀/Q≤4。

包括上述优选配置和实施例的根据本发明第三和第六实施例的三维图像显示装置可被配置成使二维图像形成装置的每个像素都有一个平面图形状为矩形的开口。此外，根据本发明第三和第六实施例的三维图像显示装置中的光学装置特别可具有以下结构。具体地，诸光学元件优选具有与对应像素的开口的平面图形状相同或相似的平面图形状。此外，每个光学元件优选用具有正屈光力的凸透镜或是具有负屈光力的凹透镜构成，或是用具有正屈光力的菲涅耳透镜或是具有负屈光力的菲涅耳透镜构成。换言之，每个光学元件都是用折射型的类光栅元件构成的。此外，该光学装置可用某种微距镜阵列构成，并且可以用玻璃或塑料等材料制成，因此可基于公知的微距镜阵列生产方法来生产。应当注意，该光学装置被布置在二维图像形成装置后面附近。在该光学装置以此方式被布置在二维图像形成装置后面附近的情况下，就可忽略二维图像形成装置中出现的衍射现象的影响。或者，例如，可将两个凸透镜布置在二维图像形成装置与光学装置之间，以使二维图像形成装置被布置在第一凸透镜的前焦面上，并且第二凸透镜的前焦点被放在第一凸透镜的后焦面上，而光学装置被布置在第二凸透镜的后焦面上。一般而言，衍射光栅可分为两种不同类别，即，周期性地调制入射光波的振幅(强度)并由此获得与光栅的光透射因数分布一致的光量分布的振幅光栅，以及调制透射光量的相位、即在保持光的振幅(强度)不变的同时调制光的相位的振幅光栅。根据本发明第三和第六实施例的三维图像显示装置中的光学装置起到后一种相位光栅的作用。

包括上述各种优选配置和实施例的根据本发明第一到第八实施例的三维图像显示装置(这些三维图像显示装置以下被统称为本发明的三维图像显示装置)中的光源可以是激光、发光二极管(LED)或白光源。可在光源与光调制部分或二维图像形成装置之间布置用于对从光源发射的光进行成形的照明光学系统。

在构成二维空间光调制器或二维图像形成装置的液晶显示装置中，将在以下描述的第一透明电极与第二透明电极中包括液晶单元的重叠区对应于一个像素。然后使液晶单元如某种光线快门(光阀)般工作，即，每个像素的光透射因数都受到控制，以使从光源发射的光的光透射因数受到控制以一般地获得二维图像。在根据本发明第一、第二、第四、第五、第七和第八实施例的三维图像显示装置中，在诸第一电极与诸第二电极的每一个重叠区中设置了矩形开口，并且当从光源发射的光通过开口时，每个像素都发生夫琅和费衍射，由此，产生M×N道衍射光。

液晶显示装置包括例如上面设置了诸第一透明电极的前面板、上面设置了诸第二透明电极的后面板、以及插在前面板与后面板之间的液晶材料。更具体地，前面板包括例如用玻璃基板或硅基板形成的第一基板、在第一基板的内表面上设置的第一透明电极(也称为公共电极，并由例如ITO制成)、以及在第一基板的外表面上设置的光偏振膜。此外，在第一透明电极上形成了定向膜。同时，后面板具体包括例如用玻璃基板或硅基板形成的第二基板、在第二基板的内上表面形成的开关元件、由开关元件控制以呈现导通/非导通状态的第二透明电极(也称为像素电极，并由例如ITO制成)、以及在第二基板的外表面上设置的光偏振膜。构成透射型液晶显示装置的各个构件和液晶材料每一个都能用公知的构件或公知的材料制成。应当注意，开关元件每一个都可用诸如MOS型FET或薄膜晶体管(TFT)等三端元件或是诸如MIM元件、势垒(barrister)元件或是在单晶硅半导体衬底上形成的二极管等二端元件构成。或者，液晶显示装置可具有矩阵电极的配置，其中多个扫描电极朝第一方向延伸，而多个数据电极朝第二方向延伸。在透射型的液晶显示装置中，来自光源的光从第二基板进入，并从第一基板出来。另一方面，在反射型的液晶显示装置中，来自光源的光从第一基板进入并被例如在第二基板的内表面上形成的第二电极(像素电极)反射，然后它从第一基板出来。通过在例如第二透明电极与定向膜之间形成对来自光源的光不透明的绝缘材料层，并在该绝缘材料层中形成开口来产生开口。应当注意，作为反射型液晶显示装置，可使用LCoS(硅上液晶)型液晶显示装置。

此外，一维空间光调制器(一维图像形成装置)更具体地可以是其中将衍射光栅-光调制元件(GLV：光栅光阀)布置为一维阵列的装置(以下可称为衍射光栅-光调制装置)。

根据本发明第一、第三、第四、第六和第七实施例的三维图像显示装置可被配置成还包括用于投影由共轭像形成部分所形成的共轭像的光学部分，或者还包括被布置在第三透镜后面、用于投影由第三透镜所形成的图像的光学部分。此外，根据本发明第二、第五和第八实施例的三维图像显示装置可被配置成还包括用于投影由共轭像形成部分所形成的共轭像的光学部分，或者还包括被布置在第五透镜后面、用于投影由第五透镜所形成的图像的光学部分。

在本发明的三维图像显示装置(其中二维图像的像素个数P×Q由(P，Q)表示)中，可将诸如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)以及Q-XGA(2048，1536)及(1920，1035)、(720，480)和(1280，960)等若干图像显示分辨率作为(P，Q)值来使用。但是，(P，Q)值并不局限于以上所给出的值。

在根据本发明第一、第四和第七实施例的三维图像显示装置中，由光调制部分、二维图像形成装置等产生二维图像，并由衍射光产生部分沿与从每个像素所产生的多个衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率。由傅立叶变换图像形成部分或第一透镜对该空间频率进行傅立叶变换以产生个数与衍射级数对应的傅立叶变换图像，并与二维图像的形成定时同步地从个数等于衍射级数的所产生的傅立叶变换图像之中选择与所需衍射级对应的一个傅立叶变换图像。然后，由共轭像形成部分(第二透镜和第三透镜)形成由傅立叶变换图像选择部分或空间滤波器所选择的傅立叶变换图像的共轭像，并最终被观察者观察到。所描述的这一系列操作在时间序列中被接连重复。由此，能以高空间密度、并且在朝多个方向分布的状态下产生并散射与多个衍射级对应的光线群。因此，基于该光线再现方法可获得以常规方式不能得到的与现实世界中的物体近似的高物质感的三维图像，它高效地利用光衍射现象，而无需增加整个三维图像显示装置的规模。

在根据本发明第二、第五和第八实施例的三维图像显示装置中，由光调制部分(二维图像形成装置)产生二维图像，并沿与从每个像素所产生的多个衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率，并由图像限制与产生部分(第一透镜)对该空间频率进行傅立叶变换以产生个数与衍射级数对应的傅立叶变换图像。然后，由图像限制与产生部分(图像限制开口部分)在诸傅立叶变换图像中仅选择预定的一个，并由图像限制与产生部分(第二透镜)产生该傅立叶图像的共轭像。然后，从过采样滤波器沿与从每个开口区产生的多个衍射级对应的衍射角发射该二维图像的共轭像的空间频率。由傅立叶变换图像形成部分(第三透镜)对该空间频率进行傅立叶变换以产生个数与从每个开口区产生的衍射级数对应的傅立叶变换图像。然后，由傅立叶变换图像选择部分(空间滤波器)与二维图像的形成定时同步地从个数与从每个开口区产生的衍射级数对应的若干所产生的傅立叶变换图像之中选择与合乎需要的衍射级对应的一个傅立叶变换图像。然后，由共轭像形成部分(第二透镜和第三透镜)形成由傅立叶变换图像选择部分(空间滤波器)所选择的傅立叶变换图像的共轭像，并最终被观察者观察到。所描述的这一系列操作在时间序列中被接连重复。由此，能以高空间密度、并且在朝多个方向分布的状态下产生并散射与从过采样滤波器的每个开口区产生的多个衍射级对应的光线群。因此，基于该光线再现方法可获得以常规方式不能得到的与现实世界中的物体近似的高物质感的三维图像，它高效地利用光衍射现象，而无需增加整个三维图像显示装置的规模。此外，在根据本发明第二、第五和第八实施例的三维图像显示装置中，被读出的图像(二维图像的共轭像)通过布置过采样滤波器而重新，即独立于光调制部分(二维图像形成装置)被空间采样。因此，最终所获得的图像的大小和视角范围可被相互独立地控制。由此，在所观察的三维图像的区域被扩大时，所显示的三维图像的比例(大小)可增加。

在根据本发明第三和第六实施例的三维图像显示装置中，由二维图像形成装置产生二维图像，并由光学装置沿与多个衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率，其中该光学装置是若干光学元件聚合而成，每个光学元件都是以折射型的类光栅元件构成的。然后，由傅立叶变换图像形成部分或第一透镜对该空间频率进行傅立叶变换以产生与衍射级数相等的若干傅立叶变换图像。然后，由傅立叶变换图像选择部分或空间滤波器与二维图像的形成定时同步地从个数与衍射级数对应的若干所产生的傅立叶变换图像之中选择与合乎需要的衍射级对应的一个傅立叶变换图像。然后，由共轭像形成部分(第二和第三透镜)形成由傅立叶变换图像选择部分或空间滤波器所选择的傅立叶变换图像的共轭像，并最终被观察者观察到。所描述的这一系列操作在时间序列中被接连重复。由此，能以高空间密度、并且在朝多个方向分布的状态下产生并散射与多个衍射级对应的光线群。因此，基于该光线再现方法可获得以常规方式不能得到的与现实世界中的物体近似的高物质感的三维图像，它高效地利用光衍射现象，而无需增加整个三维图像显示装置的规模。

在由具有矩形开口、并基于这些矩形开口引起发生夫琅和费衍射的振幅光栅沿与多个衍射级对应的衍射角发射由二维图像形成装置产生的二维图像的空间频率的情况下，有时要产生具有高数值孔径的振幅光栅是很困难的。此外，因为光利用效率是取决于开口的数值孔径，所以可能要达到很高的光利用效率是很困难的。另一方面，当对二维图像的空间频率进行傅立叶变换以产生傅立叶变换图像时，个数与衍射级对应的若干傅立叶变换图像中的均匀性(衍射级中光强的均匀性)随着开口侧的减少而增强。在根据本发明第三和第六实施例的三维图像显示装置中，在光学装置是每一个都不是以振幅光栅、而是以折射型的光栅类元件聚合而成的情况下，能够为光学元件本身提供很高的数值孔径。由此，可实现光利用效率的提高。此外，因为入射到光元件的光几乎被会聚到一点，所以相当于获得很小的开口，并可在与衍射级对应的傅立叶变换图像中实现高度的均匀性。此外，在实现光学装置最优化的情况下，就能将许多能量也分布到高衍射级的衍射。应当注意，例如，如果采用在平板玻璃片上形成大量凹槽的相位光栅，则就能够提高光利用效率。但是，尽管在图案产生的情形中通过相位调制在特定平面中产生任意光栅图案是可能的，但是在其中在任意平面中产生以光线形成的图像的系统中，要在任意平面中产生特定图案是非常困难的。在根据本发明第三或第六实施例的三维图像显示装置中，如果采用了由不是以相位光栅、而是以折射型的类光栅元件构成的光学元件聚合而成的光学装置，则可消除如上所述的那些相位光栅的问题。

结合附图考虑以下描述和所附权利要求书，将可明确本发明的上述及其它目的、特征和优点，附图中相似的部件或元件由相同的附图标记表示。

附图说明

图1是沿yz平面示出根据本发明第一工作示例的三维图像显示装置的概念的示意图；

图2是示出从斜向观察的图1的三维图像显示装置的概念的示意图；

图3是示出图1的三维图像显示装置的部件排列状态的示意图；

图4是作为图1的三维图像显示装置的傅立叶变换图像选择部分的示例的空间滤波器的前立面示意图；

图5是示出由作为图1的三维图像显示装置的光调制部分的示例的二维图像形成装置产生多个衍射级的衍射光的方式的示意图；

图6是示出作为图1的三维图像显示装置中的傅立叶变换图像形成部分的示例的第一透镜L₁的光会聚状态，以及作为图1的三维图像显示装置中的傅立叶变换图像选择部分的示例的空间滤波器的图像形成状态的示意图；

图7A和7B是作为光转换部分的示例的二维图像形成装置的前立面示意图，它们分别处于由作为图1的三维图像显示装置中的光调制部分的示例的二维图像形成装置所形成的二维图像的空间频率最低的状态，以及该空间频率最高的另一状态；

图8A和8B是示出傅立叶变换后的光强的频率特性的示意图，它们分别处于由作为图1的三维显示装置中的光调制部分的示例的二维图像形成装置所形成的二维图像的空间频率最低的状态，以及该空间频率最高的另一状态；

图9A是示出作为傅立叶变换图像选择部分的示例的空间滤波器傅立叶变换之后在xy平面上的分布的示意图，而图9B和9C是示出傅立叶变换之后光强在x轴上的分布的示意图；

图10是示出作为光调制部分的示例的二维图像形成装置形成二维图像的定时，以及作为傅立叶变换图像选择部分的示例的空间滤波器的开口的打开/关闭定时的示意图，并且其中作为光调制部分的示例的二维图像形成装置形成二维图像的定时图示于上段，而作为傅立叶变换图像选择部分的示例的空间滤波器的开口的打开和关闭定时图示于中段和下段；

图11是按时间序列示出作为傅立叶变换图像选择部分的示例的空间滤波器所进行的空间滤波器的概念的示意图；

图12是示出通过图11中所示的空间滤波器所获得的图像的示意图；

图13A、13B和13C分别是示出图1的三维显示装置的光源和照明光学系统的配置的第一、第二和第三示例的示意图；

图14A和14B分别是示出图1的三维显示装置的光源和照明光学系统的配置的第四和第五示例的示意图；

图15是沿yz平面示出根据本发明第二工作示例的三维图像显示装置的概念的示意图；

图16是示出从斜向观察的图15的三维图像显示装置的概念的示意图；

图17是示出图15的三维图像显示装置的部件排列的示意图；

图18是示出由作为图15的三维图像显示装置的光调制部分的示例的二维图像形成装置产生多个衍射级的衍射光的方式的示意图；

图19是示出作为图15的三维图像显示装置中的傅立叶变换图像形成部分的示例的第三透镜L₃的光会聚状态，以及作为图15的三维图像显示装置中的傅立叶变换图像选择部分的示例的空间滤波器的图像形成状态的示意图；

图20是沿yz平面示出根据本发明第三工作示例的三维图像显示装置的概念的示意图；

图21是示出图20的三维图像显示装置的光学装置的工作和动作的概念的示意图；

图22是示出从斜向观察的图20的三维图像显示装置的概念的示意图；

图23是示出图20的三维图像显示装置的部件排列状态的示意图；

图24是示出由图20的三维图像显示装置的二维图像形成装置产生多个衍射级的衍射光的方式的示意图；

图25是示出作为图20的三维图像显示装置中的傅立叶变换图像形成部分的示例的第一透镜L₁的光会聚状态，以及作为图20的三维图像显示装置中的傅立叶变换选择部分的示例的空间滤波器的图像形成状态的示意图；

图26是示出根据本发明第四工作示例的三维图像显示装置的概念的示意图；

图27是示出组成图26的三维图像显示装置中的衍射光栅-光调制元件的下电极、固定电极和可移动电极的排列的截面示意图；

图28A是沿图27的B-B线所取的固定电极等的截面示意图，并且是沿图27的A-A线所取的可移动电极等的截面示意图，其中该衍射光栅-光调制元件处于非工作状态，图28B是沿图27的A-A线所取的可移动电极等的截面示意图，其中衍射光栅-光调制元件处于工作状态，而图28C是沿图27的C-C线所取的固定电极、可移动电极等的截面示意图；

图29是示出作为图26的三维图像显示装置中的光调制部分等的示例的二维图像形成装置中的一部分的概念的示意图；

图30是示出根据本发明第五工作示例的三维图像显示装置的概念的示意图；

图31是示出根据本发明第六工作示例的三维图像显示装置的概念的示意图；

图32是沿yz平面示出根据本发明第七工作示例的三维图像显示装置中的一部分的概念的示意图；

图33A和33B是沿yz平面示出对图1的三维图像显示装置的一种修改的一部分的示意图；

图34是沿yz平面示出对图1的三维图像显示装置的另一种修改的一部分的示意图；

图35是示出以如图1中所示的三维图像显示装置的组合构成的多单元三维图像显示装置的配置的示意图；以及

图36是示出常规三维图像显示装置的配置的示意性立体图。

具体实施方式

第一工作示例

首先参考图1到3，其中示出了根据本发明第一工作示例的三维图像显示装置，它对应于本发明的第一和第四实施例。该三维图像显示装置被构造为单色显示器型的三维图像显示装置。应当注意，在以下描述中，该三维显示装置的光轴被定义为z轴，而与z轴垂直的平面中直角坐标系的坐标轴被定义为x轴和y轴。此外，与x轴平行的方向被定义为X方向，而与y轴平行的方向被定义为Y方向。X方向是例如三维图像显示装置的水平方向，而Y方向是例如三维图像显示装置的垂直方向。图1沿yz平面示出第一工作示例的三维图像显示装置。并且沿xz平面的第一工作示例的三维图像显示装置的概念视图基本上与图1相似。同时，图2示出从斜向观察第一工作示例的三维图像显示装置时的概念，而图3图示出第一工作示例的三维图像显示装置的部件的排列状态。

在根据常规光线再现方法的三维图像的显示中，为了从存在于任意位置的虚拟物体的表面上的虚拟原点发射多道光线，就必须预先准备一种能够提供各种角度的光线的装置。特别地，例如，在以上参考图36所描述的装置中，必须将大量(例如，M×N个)投影机单元701朝水平方向和垂直方向布置成并置关系。

另一方面，在第一工作示例的三维图像显示装置101中，包括图1到3中所示部件的三维图像显示装置本身可产生并形成大量光线群，它们比现有技术的装置的光线群具有更高的空间密度。第一工作示例的三维图像显示装置101本身具有与朝水平方向和垂直方向将以上参考图36所描述的大量(M×N个)投影机单元701布置成并置关系的装置等效的功能。应当注意，例如，在采用多单元配置的情况下，三维图像显示装置可包括个数与各单元的三维图像个数相等的图1的三维图像显示装置101。图35示出包括4×4＝16个第一工作示例的三维图像显示装置101的装置。由此，作为一个整体的这16个三维图像显示装置101再现一个图像。换言之，根据该多单元配置，单个三维图像显示装置101再现一个图像1/16的部分以形成一个整体。这同样也适用于下述第二到第七工作示例的三维图像显示装置。

第一工作示例的三维图像显示装置101包括：

(A)光源110；

(B)具有多个像素131的光调制部分130，用于通过这些像素131来调制从光源110发出的光以产生二维图像，并沿与从每个像素131产生的多个(总计M×N个)衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率；

(C)傅立叶变换图像形成部分140，用于对从光调制部分130发射的二维图像的空间频率进行傅立叶变换，以产生个数与衍射级数(总计M×N个)对应的傅立叶变换图像；

(D)傅立叶变换图像选择部分150，用于选择由傅立叶变换图像形成部分所产生的与衍射级数对应的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的那一个；以及

(E)共轭像形成部分160，用于形成由傅立叶变换图像选择部分150所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

共轭像形成部分160包括傅立叶逆变换部分(具体而言，下述第二透镜L₂)，用于对由傅立叶变换图像选择部分150所选择的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换以形成由光调制部分130所产生的二维图像的实像。此外，傅立叶变换图像形成部分140是用透镜构成的，并且光调制部分130被布置在该透镜的前焦面上，而傅立叶变换图像选择部分150被布置在该透镜的后焦面上。傅立叶变换图像选择部分150具有能被控制以打开和关闭的开口151，其个数与衍射级数相等。

二维图像的空间频率对应于其载波频率是像素结构空间频率的图像信息。

同时，根据本发明的第四实施例，第一工作示例的三维图像显示装置101包括：

(A)光源110；

(B)光调制部分130，它具有沿X方向和Y方向布置成二维矩阵的P×Q(P和Q·是任意正整数)个开口，用于通过对每个开口控制来自光源110的光的通过来产生二维图像，并基于这些二维图像来为每个开口产生总计M×N道衍射光，包括沿X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光(m和m′是整数而M是正整数)，以及沿Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光(n和n′是整数而N是正整数)；

(C)第一透镜L₁(更具体地，在第一工作示例中是凸透镜)，在其前焦面上布置了二维图像形成装置130；

(D)空间滤波器SF，它被布置在第一透镜L₁的后焦面上，并且具有M×N个开口151，包括沿X方向布置的M个开口151和沿Y方向布置的N个开口151，这些开口151能够在打开和关闭状态之间被控制；

(E)第二透镜L₂(更具体地，在第一工作示例中是凸透镜)，其前焦面上布置了空间滤波器SF；以及

(F)第三透镜L₃(更具体地，在第一工作示例中是凸透镜)，其前焦点被放在第二透镜L₂的后焦点处。

在第一工作示例的三维图像显示装置101以及下述第四和第七工作示例的三维图像显示装置中，P＝1,024且Q＝768，而m＝-5，m′＝5，M＝m′-m+1＝11，n＝-5，n′＝5，并且N＝n′-n+1＝11。但是，所述变量的值并不局限于以上具体给出的那些值。此外，z轴(对应于光轴)通过第一工作示例或是第二到第七工作示例中任何一个的三维图像显示装置诸部件的中心，并且垂直于三维图像显示装置的诸部件而延伸。如果将本发明第一工作示例的三维图像显示装置的部件与本发明第四实施例或第七实施例的三维图像显示装置的部件相比较，则光调制部分130对应于二维图像形成装置130；傅立叶变换图像形成部分140对应于第一透镜L₁；傅立叶变换图像选择部分150对应于空间滤波器SF；傅立叶逆变换部分对应于第二透镜L₂；而共轭像形成部分160对应于第二透镜L₂和第三透镜L₃。因此，在以下描述中使用术语二维图像形成装置130、第一透镜L₁、空间滤波器SF、第二透镜L₂和第三透镜L₃。

用于对从光源110发出的光进行成形的照明光学系统120被插在光源110与二维图像形成装置130之间。由此，二维图像形成装置130用从光源110发射、并通过照明光学系统120的光(照明光)照射。对于照明光，可使用例如从光源110发射的具有高空间相干性的、并且被照明光学系统120成形为平行光的光。应当注意，照明光的性质以及用于获得该照明光的配置的特定示例将在以下描述。

二维图像形成装置130是以二维排列、并且每个都具有一个开口的多个像素131构成的。特别地，二维图像形成装置130或二维空间光调制器是以具有二维排列(即，沿X和Y方向排列成二维矩阵)的P×Q个像素131的透射型液晶显示装置构成的，并且每个像素131都具有一个开口。

一个像素131是以第一透明电极与第二透明电极中包括液晶单元的重叠区域构成的。因此，液晶单元起到某种光线快门(光阀)的作用，即，每个像素131的光透射因数受到控制，以控制从光源110发射的光的光透射因数，从而整体地获得诸二维图像。在第一透明电极与第二透明电极的重叠区域中设置矩形开口，并且当从光源110发射的光通过开口时，会发生夫琅和费衍射。因此，每个像素131产生M×N＝121道衍射光。换言之，可以认为，因为像素131的个数是P×Q，所以总计产生个P×Q×M×N道衍射光。在二维图像形成装置130中，二维图像的空间频率是沿与从每个像素131产生的多个(总计M×N个)衍射级对应的衍射角从二维图像形成装置130发射的。应当注意，衍射角还会根据二维图像的空间频率而改变。

二维图像形成装置130被布置在焦距为f₁的第一透镜L₁的前焦面(光源一侧的焦点的平面)上，而空间滤波器SF被布置在后焦面(观察者一侧的焦点的平面)上。由第一透镜L₁产生，并在空间滤波器SF上形成个数与衍射级数相等的M×N＝121个傅立叶变换图像。应当注意，在图2中，为示意方便起见，将64个傅立叶变换图像示为圆点。

具体地，空间滤波器SF是允许在时间上对其进行打开和关闭控制，以用于对傅立叶变换图像进行空间和时间滤波的空间滤波器。更具体地，空间滤波器SF具有可被控制以打开和关闭的开口151，其个数与衍射级数(具体而言，M×N＝121)相等。然后，在空间滤波器SF中，与二维图像形成装置130产生二维图像的定时同步地将开口151中合乎需要的那一个置为打开状态，以选择对应于所需衍射级的那一个傅立叶变换图像。更具体地，空间滤波器SF可用例如以铁电液晶构成的并具有M×N个像素的透射型或反射型液晶显示装置，或是包括将可移动镜布置成二维矩阵的装置的二维型MEMS构成。应当注意，图4中示出了以液晶显示装置构成的空间滤波器SF的前立面示意图。参考图4，数值(m₀，n₀)指示开口151的编号，同时指示衍射级。具体而言，衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像到达第(3，2)个开口151。

如上所述，共轭像形成部分160具体而言是以第二透镜L₂和第三透镜L₃构成的。然后，焦距为f₂的第二透镜L₂对由空间滤波器SF滤波的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以形成由二维图像形成装置130所形成的二维图像的实像RI。此外，焦距为f₃的第二透镜L₃形成由空间滤波器SF滤波的傅立叶变换图像的共轭像CI。

第二透镜L₂被布置成使空间滤波器SF被定位在其前焦面上，并使二维图像形成装置130所形成的二维图像的实像RI形成在其后焦面上。这里关于二维图像形成装置130所获得的实像RI的放大倍数可通过任意地选择第二透镜L₂的焦距f₂来改变。

同时，第三透镜L₃被布置成使其前焦面与与第二透镜L₂的后焦面重合，并且使傅立叶变换图像的共轭像CI形成在其后焦面上。在此，因为第三透镜L₃的后焦面是空间滤波器SF的共轭面，所以二维图像形成装置130所产生的二维图像与从空间滤波器SF上与一个开口151对应的部分输出的图像相同。然后，最终所产生并输出的光线量可被定义为将与像素个数(P×Q)相等的光线数乘以已通过光学系统的衍射级数(具体而言，M×N)计算所得的量。此外，尽管是使傅立叶变换图像的共轭像CI形成在第三透镜L₃的后焦面上，但是也可考虑规则地将光线群二维地布置在第三透镜L₃的后焦面上。换言之，一般而言，个数与衍射级数(具体而言，M×N)相等的图36中所示的投影机单元被等效地布置在第三透镜L₃的后焦面上。

如图2和5中所示，二维图像形成装置130的一个像素131产生沿X方向从-5到5级的11道不同的衍射光和沿Y方向从-5到5级的11道不同的衍射光，并由此产生总计M×N道不同的衍射光。应当注意，尽管在图5中仅示出0级光(n₀＝0)、±1级光(n₀＝±1)和±2级光(n₀＝±2)作为代表性的衍射光，但是实际上还产生更高级的衍射光，并且最终从这些衍射光形成三维图像。在此，每个衍射级的衍射光(光通量)涵盖二维图像形成装置130所形成的二维图像的所有图像信息(所有像素的信息)。从二维图像形成装置130上的同一个像素的衍射而产生的一个光线群的所有光线(11×11的群＝121道光线)在同一时间点具有相同的图像信息。换言之，在以具有P×Q个像素131的透射型液晶显示装置构成的二维图像形成装置130中，来自光源110的光由像素131进行调制以产生二维图像，所产生的二维图像的空间频率沿与从每个像素131产生的多个衍射级(总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射。

然后，由二维图像形成装置130所形成的二维图像的空间频率(其中涵盖了该二维图像的所有像素信息)由第一透镜L₁进行傅立叶变换以产生个数与衍射级数(总计M×N个衍射级)对应的傅立叶变换图像。这些傅立叶变换图像形成在空间滤波器SF上。因为沿与多个衍射级对应的衍射角发射的二维图像的空间频率的傅立叶变换图像是由第一透镜L₁产生的，所以能够获得空间频率高的傅立叶变换图像。

在此，在从光源110发射的光(照明光)的波长由λ(mm)表示，由二维图像形成装置130形成的二维图像的空间频率由υ(lp/mm)表示，而第一透镜L₁的焦距由f₁(mm)表示的情况下，空间频率为υ的光(傅立叶变换图像)出现在第一透镜L₁后焦面上离光轴距离为Y₁(mm)的位置。

Y₁＝f₁·λ·υ                      (1)

图6中示出了第一透镜L₁的会聚状态。应当注意，在图6中，“Y₀”表示由二维图像形成装置130所形成的二维图像在y轴方向上的长度，而“Y₁”表示基于二维图像形成装置130所形成的二维图像，在空间滤波器SF上的傅立叶变换图像在y轴方向上的距离。此外，0级衍射光由实线表示，1级衍射光由点线表示，而2级衍射光由点划线表示。诸衍射级的衍射光，即，个数与衍射级对应的若干所产生的傅立叶变换图像，由第一透镜L₁在空间滤波器SF的不同开口151处会聚(再参考图2)。如上所述，开口151的个数是M×N＝121。空间滤波器SF上的会聚角θ(从空间滤波器SF发射之后的散射角)关于具有相同衍射级数的傅立叶变换图像(或衍射光)上的P×Q个像素131是相等的。相邻衍射级的傅立叶变换图像之间的距离可根据以上所给出的表达式(1)来确定。根据表达式(1)，可通过任意地选择第一透镜L₁的焦距f₁来改变傅立叶变换图像的位置(空间滤波器SF上的图像形成位置)。

为了使沿与多个衍射级对应的衍射角发射的二维图像的空间频率能通过第一透镜L₁，必须根据所要使用的衍射级数来选择第一透镜L₁的数值孔径NA，并且要求第一透镜L₁之后的所有透镜的孔径数都大于第一透镜L₁的数值孔径NA，而无论其焦距如何。

开口151的尺寸可被设置为与表达式(1)中的Y₁值相等。例如，在照明光的波长λ是532nm的情况下，第一透镜L₁的焦距f₁是50mm，而二维图像形成装置130的一个像素131的尺寸大约是13到14μm，Y₁的值大约是2mm。这表示能以大约2mm距离的高密度获得与衍射级对应的傅立叶变换图像。换言之，在空间滤波器SF上，可获得X和Y方向上距离均约为2mm的11×11＝121个傅立叶变换图像。

由二维图像形成装置130形成的二维图像的空间频率υ具有最高由二维图像形成装置130的两个连续像素131形成的周期，因为二维图像是由以P×Q个像素131构成的二维图像形成装置130形成的。

图7A示出二维图像形成装置130的前立面示意图，它处于由该二维图像形成装置130形成的二维图像的空间频率最低的状态。在此，空间频率最低的状态是所有像素都显示黑色或都显示白色的状态，并且此情况中的二维图像的空间频率仅具有平面波分量(DC分量)。应当注意，图7A示出所有像素都显示白色的状态。图8A中示出了此情况中由第一透镜L₁形成的傅立叶变换图像的光强的频率特性。如图8A中可见，傅立叶变换图像的光强的峰值以频率υ₁的距离出现。

同时，图7B示出二维图像形成装置130的前立面示意图，它处于由二维图像形成装置130所形成的二维图像的空间频率最高的状态。在此，空间频率最高的状态是所有像素交替地显示黑色和白色的情形。图8B中示意性地示出了由第一透镜L₁形成的傅立叶变换图像的光强的频率特性。在图8B中，傅立叶变换图像的光强的峰值以频率υ₂(＝υ₁/2)的距离出现。图9A示意性地示出傅立叶变换图像在空间滤波器SF(xy平面上)上的分布，而图9B和9C示意性地图示出傅立叶变化图像在图9A的x轴(由点线表示)上的光强分布。应当注意，图9B示出最低空间频率分量(平面波分量)，而图9C示出最高空间频率分量。

空间滤波器SF的开口151的平面图的形状可基于傅立叶变换图像的形状来确定。此外，可为每个衍射级设置每个开口151，以使傅立叶变换图像的平面波的峰值位置可以在开口151的中心。由此，傅立叶变换图像的光强的峰值被定位在每个开口151的中心位置152。特别地，每个开口151应被构成使中心在傅立叶变换图像的循环模式中二维图像的空间频率是最低空间频率分量(平面波分量)处的二维图像的所有正的和负的最高空间频率都可通过开口151。

顺便提及，空间频率最高的状态是如图7B中可见的所有像素交替显示黑色和白色的情形。此外，二维图像形成装置130的像素结构的空间频率与二维图像的空间频率具有以下关系。特别地，如果假定开口占据所有像素(即，孔径比是100％)，则二维图像的最高空间频率是像素结构空间频率的1/2。另一方面，在开口占据一定比率的像素(低于100％)的情况下，二维图像的最高空间频率低于像素结构的空间频率的1/2。因此，二维图像的所有空间频率最远在由于像素结构而产生、并显现在空间滤波器SF上的循环模式之间的距离一半的位置出现。由此，所有开口151可被布置成在空间上它们不会相互干扰。特别地，衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像到达第(3，2)开口151，并且衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像不会到达其它开口151。由此，位于具有相互独立的、对应于各个傅立叶变换图像的若干开口151的空间滤波器SF上的一个开口151中的傅立叶变换图像中存在由二维图像形成装置130所形成的二维图像的空间频率，二维图像形成装置130所形成的二维图像的空间频率由于开口151的空间限制而产生的丢失将不会发生。应当注意，像素结构的空间频率可被认为是载波频率，而在像素结构的空间频率是载波频率的情况下，二维图像的空间频率对应于图像信息。

然后，在空间滤波器SF中，对开口151执行打开/关闭控制，以控制M×N个傅立叶变换图像的通过/遮断。如果空间滤波器SF是用例如液晶显示装置构成的，则可通过使液晶单元以某种光线快门(光阀)的形式工作来执行开口151的打开/关闭控制。

现在将描述空间滤波器SF的开口151的打开/关闭控制的定时。

在空间滤波器SF中，为了选择与所需衍射级对应的傅立叶变换图像，要与二维图像形成装置130的图像输出同步地执行开口151的打开/关闭控制。将参考图10、11和12来描述该操作。应当注意，在图10的最上段，示出了二维图像形成装置130的图像输出的定时，而在图10的中段，示出了空间滤波器SF的第(3，2)开口151的打开/关闭定时。此外，在图10的最下段，示出了第(3，3)开口151的打开/关闭定时。应当注意，下述第三到第七工作示例的三维图像显示装置也以类似方式工作。

假定如图10中所见，在二维图像形成装置130上，在从时刻t_1S到时刻t_1E的时段T₁内显示了例如图像“A”，而在从时刻t_2S到时刻t_2E的另一时段T₂内显示了另一图像“B”。此时，在空间滤波器SF中，在时段T₁内第(3，2)开口151被控制为打开状态，而在时段T₂内第(3，3)开口151被控制为打开状态，如图10中可见。由此，不同的图像信息可被添加到由第一透镜L₁产生的、作为关于二维图像形成装置130的同一个像素131的不同衍射级的傅立叶变换图像。换言之，在时段T₁内，衍射级数为m₀＝3和n₀＝2、并且是关于二维图像形成装置130的某一像素131所获得的傅立叶变换图像包括与图像“A”相关的图像信息。另一方面，衍射级数为m₀＝3和n₀＝3、并且是关于二维图像形成装置130的同一像素所获得的傅立叶变换图像包括与图像“B”相关的图像信息。

图11示意性地图示出二维图像形成装置130的图像形成定时，以及开口151的控制定时。在时段T₁内，图像“A”被显示在二维图像形成装置130上，并且M×N个傅立叶变换图像在空间滤波器SF的对应开口151处会聚成傅立叶变换图像“α”。在时段T₁内，因为只有第(3，2)开口151被打开，所以只有衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像“α”通过了空间滤波器SF。在下一个时段T₂内，图像“B”被显示在二维图像形成装置130上，并且M×N个傅立叶变换图像类似地在空间滤波器SF的对应开口151处会聚成傅立叶变换图像“β”。在时段T₂内，因为只有第(3，3)开口151被打开，所以只有衍射级数为m₀＝3和n₀＝3的傅立叶变换图像“β”通过空间滤波器SF。此后，空间滤波器SF的空间151的打开/关闭控制与二维图像形成装置130的图像形成定时同步地连续执行。应当注意，在图11中，处于打开状态的开口151用实线围绕，而处于关闭状态的任何其它开口151用点线围绕。

在如上所述的定时执行了二维图像形成装置130的图像形成以及开口151的打开/关闭控制的情况下，图12中示出了作为三维图像显示装置最终输出所获得的图像。参考图12，图像“A′”仅打开第(3，2)开口151，因此，仅获得衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像“α”作为其通过空间滤波器SF的结果。同时，另一个图像“B′”仅打开第(3，3)开口151，因此，仅获得衍射级数为m₀＝3和n₀＝3的傅立叶变换图像“β”作为其通过空间滤波器SF的结果。另一个图像“C′”仅打开第(4，2)开口151，因此，仅获得衍射级数为m₀＝4和n₀＝2的傅立叶变换图像“γ”作为其通过空间滤波器SF的结果。应当注意，图12中所示的图像被观察者所观察到。在图12中，尽管不同的图像被实线分隔开来，但是这些实线是虚拟的实线。此外，尽管图12中所示的图像不是以相同的定时获得的，但是因为图像之间的转换周期是非常短的一段时间，所以观察者的眼睛观察到这些图像就好像它们本是同时被显示的一样。例如，二维图像形成装置130的所有级(M×N)图像的形成以及空间滤波器SF对图像的选择是在一帧的显示周期内执行的。此外，尽管图12中二维地示出了这些图像，但是观察者实际上观察到的是三维图像。

特别地，二维图像形成装置130所产生的二维图像(例如，在时间序列上，为图像“A′”、“B′”、……、“C′”)是从如上所述的第三透镜L₃的后焦面输出的。特别地，整体而言，个数等于衍射级数的图36中所示的若干投影机单元(具体地，M×N个投影机单元)被布置在第三透镜L₃的后焦面上，这等效于如果在时间序列上从某个投影机单元输出了图像“A′”，从另一个投影机单元输出了图像“B′”，然后从又一个投影机单元输出了图像“C′”。则例如，如果二维图像形成装置130基于从各个位置(角度)所拾取的某个物体的大量图像(或是由计算机产生的图像)在时间序列上再现图像，则可基于这些图像获得三维图像。

应当注意，在所获得的图像的亮度根据衍射级数而有所不同的情况下，可将用于以最暗图像为参考基准来暗化明亮图像的暗化滤波器布置在第三透镜L3的后焦面上。这同样适用于下述第二到第七工作示例的三维图像显示装置。

此外，空间滤波器SF上所提供的开口151的打开/关闭控制并非必需对所有开口151执行。特别地，例如，可对交替的开口151或仅对定位在所需位置的那些开口151执行开口151的打开/关闭控制。这同样适用于下述第二到第七工作示例的三维图像显示装置。

图13A到13C以及14A和14B中示出了光源和照明光学系统的示例。在此，以下将结合空间相干性来描述从光源发射，并由照明光学系统定型，以用于照射二维图像形成装置130的光(照明光)的特性。

空间相干性表示在任意空间里的截面中所发生的光的干涉，而干涉的程度可由所产生的干涉条纹的的对比度来表示。在干涉条纹的产生过程中，对比度最高的干涉条纹由平面波或是视觉上可与平面波互换的球面波的干涉产生。由此，可以认识到空间相干性最高的光是平面波(或球面波)。例如，仅具有一个前进方向的分量的平面波具有最高的空间相干性，并且随着空间相干性的程度降低，所出现的多个具有不同前进方向的分量的个数就将增加。对光的前进方向分量的分布的论证等价于对光发射原点或次级发光点的空间振幅的论证。从以上可以看出，可基于光发射原点或是次级发光点的空间振幅来论证空间相干性。空间相干性，即，光源的空间振幅，构成了确定三维图像显示装置中的图像的空间频率特性的因素。如果使用除了具有全空间相干性的光以外的其它光来作为照明光，则按序从高频分量发生对比度的下降。因为要获得图像的空间频率特性的需求根据特定应用而有所不同，所以在此没有提及具体数值，但是描述了灵活处理不同需求的各种配置方法。

在第一工作示例的三维图像显示装置101中，光源和照明光学系统的配置方法根据是否使用具有很高空间相干性的光来作为照明光而有所不同。此外，照明光学系统的配置根据光源的特性也有所不同。以下将描述光源和照明光学系统配置方法的组合。应当注意，前提是，在所有情形中，光源都是单色的光源或者是几乎单色的光源。

图13A示出以具有高空间相干性的光源110A构成一般具有高空间相干性的照明光学系统120A的示例作为第一配置示例。光源110A以激光器构成。照明光学系统120A包括按从光源一侧起的次序布置的透镜121A、圆形开口板122A和另一透镜124A。圆形开口板122A的中心设置了一个圆形孔径123A。孔径123A被布置在透镜124A的光会聚位置处。透镜124A起到准直仪透镜的作用。

图13B示出使用具有高空间相干性的光源110B构成一般具有不高的空间相干性的照明光学系统120B的示例作为第二配置示例。光源110B以例如激光器构成。照明光学系统120B包括按从光源一侧起的次序布置的透镜121B、圆形开口板122B和另一透镜124B。圆形开口板122B可以是可移动的漫射板。

图13C和图14A分别示出使用具有不高的空间相干性的光源110C或110D构成的一般具有高空间相干性的照明光学系统120C或120D的示例作为第三配置示例和第四配置示例。光源110C或110D以例如发光二极管(LED)或白光源构成。图13C的照明光学系统120包括按从光源一侧起的次序布置的透镜121C、圆形开口板122C和另一透镜124C。圆形开口板122C在其中心设置了圆形孔径123C。孔径123C被布置在透镜124C的光会聚位置处。透镜124C起到准直仪透镜的作用。同时，图14A的照明光学系统120D与图13C的照明光学系统120C有所不同，因为它不包括透镜121C，但却包括按从光源一侧起的次序布置的圆形开口板122D、孔径123D和透镜124D。

图14B示出使用具有不高的空间相干性的光源110E来构成一般具有不高的空间相干性的照明光学系统120E的示例作为第五配置示例。除光源110E之外，照明光学系统120E仅包括透镜124E。

在这些配置示例中，在要配置一般具有高空间相干性的照明光源的情况下，次级发光点被设置成很小，而无需依赖于光源。另一方面，在要配置一般具有不高的空间相干性的照明光源的情况下，次级发光点被设置成很大，而无需依赖于光源。上述光源和照明光学系统的配置示例还可同样被应用于下述第二到第七工作示例的三维图像显示装置。

如上所述，根据第一工作示例的三维图像显示装置101，由光调制部分(二维图像形成装置)130产生的二维图像的空间频率沿与衍射级对应的衍射角发射，并由傅立叶变换图像形成部分140(第一透镜)L₁进行傅立叶变换以获得傅立叶变换图像。然后，傅立叶变换图像由傅立叶变换图像选择部分150(空间滤波器SF)进行空间和时间滤波，然后形成了经滤波的傅立叶变换图像的共轭图像。因此，能以高空间密度、并且以多个方向的分布状态来产生和散射光线群，而无需增加整个三维图像显示装置的规模。此外，作为光线群的分量的各道光线在时间上和空间上可被相互独立地控制。由此，可获得以光线形成的具有近似于现实世界中的物体的品质的三维图像。

此外，根据第一工作示例的三维图像显示装置101，因为使用了光线再现方法，所以可提供满足诸如聚焦、会聚和运动视差等视觉功能的三维图像。此外，根据第一工作示例的三维图像显示装置101，因为高效地利用了高级衍射光，所以当与现有级数的图像输出级数相比时，能够获得可由单个图像输出装置(二维图像形成装置130)控制的、数量等于衍射级数(即，M×N)的光线(二维图像的一种复制)。此外，根据第一工作示例的三维图像显示装置101，因为过滤是在空间和时间上进行的，所以三维图像显示装置的时间特性可被转换为三维图像显示装置的空间特性。此外，无需使用散射屏等即可获得三维图像。此外，可提供从任何方向都能被正确观察的三维图像。此外，因为能以高空间密度产生并散射光线群，所以可提供清晰度与视觉观察极限近似的空间图像。

第二工作示例是根据本发明第二和第五实施例的三维图像显示装置。图15、16和17示出第二工作示例的三维图像显示装置的概念。第二工作示例的三维图像显示装置也被构成为单色显示器型三维图像显示装置。图15沿yz平面示出第二工作示例的三维图像显示装置的概念。第二工作示例的三维图像显示装置沿xy平面的概念视图也基本与图15相似。同时，图16示出从斜向观察的第二工作示例的三维图像显示装置的概念，而图17示出第二工作示例的三维图像显示装置的部件的排列状态。

以下描述根据本发明的第二实施例的三维图像显示装置的部件。具体地，第二工作示例的三维图像显示装置510包括：

(A)光源110；

(B)具有多个像素531的光调制部分530，用于通过这些像素531来调制从光源110发出的光以产生二维图像，并沿与从每个像素531产生的多个衍射级对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率；

(C)图像限制与产生部分532，用于对从光调制部分530发射的二维图像的空间频率进行傅立叶变换，以产生个数与从每个像素531产生的衍射级数对应的傅立叶变换图像，仅选择这些傅立叶变换图像中预定的一个(例如，与一级衍射对应的傅立叶变换图像，其中载波频率是平面波分量的零级衍射光)，然后对所选择的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以产生由光调制部分530所产生的二维图像(二维图像的实像)的共轭像；

(D)具有多个开口区534的过采样滤波器(衍射光产生构件)OSF，用于沿与从这些开口区534产生的多个衍射级对应的衍射角发射这些二维图像的共轭像的空间频率；

(E)傅立叶变换图像形成部分540，用于对从过采样滤波器OSF发射的二维图像的共轭像的空间频率进行傅立叶变换以产生个数与从每个开口区534产生的衍射级数对应的傅立叶变换图像；

(F)傅立叶变换图像选择部分550，用于选择个数与从每个开口区534产生的衍射级对应的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的那一个；以及

(G)共轭像形成部分560，用于形成由傅立叶变换图像选择部分550所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

共轭像形成部分560包括傅立叶逆变换部分(具体而言，下述第四透镜L₄)，用于对由傅立叶变换图像选择部分550所选择的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以形成由图像限制与产生部分532所产生的二维图像的共轭像(如上所述的共轭像在以下将仅被称为“二维图像的共轭像”)。此外，傅立叶变换图像形成部分540是用透镜构成的，并且过采样滤波器OSF被布置在该透镜的前焦面上，而傅立叶变换图像选择部分550被布置在该透镜的后焦面上。傅立叶变换图像选择部分550具有可被控制以打开和关闭的、个数与从开口区534产生的衍射级数相等的开口551。

二维图像的空间频率对应于其载波频率是像素结构的空间频率的图像信息。同时，二维图像的共轭像的空间频率对应于相当于从二维图像的空间频率中去掉像素结构的空间频率所得的空间频率。

同时，描述根据本发明第五实施例的三维图像显示装置的部件，第二工作示例的三维图像显示装置501包括：

(A)光源

(B)二维图像形成装置530，它具有沿X方向和Y方向将布置成二维矩阵的开口(数量：P×Q个)，用于通过对每个开口控制来自光源110的光的通过、反射或衍射来产生二维图像，并基于这些二维图来为每个开口产生多个衍射级的衍射光；

(C)第一透镜L₁，其前焦面上布置了二维图像形成装置530；

(D)图像限制开口部分533，它被布置在第一透镜L₁的后焦面上，用于允许预定衍射级的衍射光(例如，其载波频率是平面波分量的零级衍射的与一级衍射对应的傅立叶变换图像)通过；

(E)第二透镜L₂，其前焦面上布置了图像限制开口部分533；

(F)过采样滤波器(衍射光产生构件)OSF，它被布置在第二透镜L₂的后焦面上，并且具有沿X方向和Y方向排列成二维矩阵的P₀×Q₀(P₀和Q₀是任意正整数)个开口区，用于基于由第二透镜L₂所产生的二维图像的共轭像，来为每个开口区534产生总计M×N道衍射光，包括沿X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光(m和m′是整数而M是正整数)，以及沿Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光(n和n′是整数而N是正整数)；

(G)第三透镜L₃，其前焦面上布置了过采样滤波器OSF；

(H)空间滤波器SF，它被布置在第三透镜L₃的后焦面上，并具有总计M×N个开口551，包括沿X方向的M个开口551，以及沿Y方向的N个开口551，这些开口551能够在打开和关闭状态之间被控制；

(I)第四透镜L₄，其前焦面上布置了空间滤波器SF；以及

(J)第五透镜L₅，其前焦点被放在第四透镜L₄的后焦点上。

应当注意，在第二工作示例的三维图像显示装置中，具体而言，第一透镜L₁、第二透镜L₂、第三透镜L₃、第四透镜L₄和第五透镜L₅每一个都是以凸透镜构成的。此外，图像限制与产生部分532是以两个透镜(第一透镜L₁和第二透镜L₂)构成的，并且图像限制开口部分533被布置在这两个透镜(第一透镜L₁和第二透镜L₂)之间以允许预定的傅立叶变换图像(例如，其载波频率是平面波分量的零级衍射的与一级衍射对应的傅立叶变换图像)通过。此外，过采样滤波器(衍射光产生构件)OSF是用格型滤波器(衍射光栅滤波器)构成的，并且具体而言具有在玻璃片上以形成为二维矩阵的P₀×Q₀个凹槽(与开口区对应，并且平面图形状为矩形)的结构。换言之，过采样滤波器(衍射光产生构件)是以相位光栅构成的。这同样也适用于根据本发明第五或第七工作示例的三维图像显示装置。

在下述第二工作示例或是第五或第七工作示例的三维图像显示装置中，P₀＝2,048，Q₀＝1,536，P＝1,024，Q＝768，m＝-5，m′＝5，M＝m′-m+1＝11，n＝-5，n′＝5，并且N＝n′-n+1＝11。但是，应当注意，所述变量的值并不局限于以上具体给出的那些值。此外，z轴(与光轴对应)通过第二工作示例或是下述第五或第七工作示例中的任何一个的三维图像显示装置501的部件的中心，并且垂直于三维图像显示装置501的部件延伸。如果将本发明第二实施例的三维图像显示装置的部件与本发明第五实施例或第八实施例的三维图像显示装置的部件相比较，则光调制部分530对应于二维图像形成装置530；图像限制与产生部分532对应于第一透镜L₁、图像限制开口部分533和第二透镜L₂；傅立叶变换图像形成部分540对应于第三透镜L₃；傅立叶变换图像选择部分550对应于空间滤波器SF；傅立叶逆变换部分对应于第四透镜L₄；而共轭图像形成部分560对应于第四透镜L₄和第五透镜L₅。因此，为描述方便起见，在以下描述中使用术语二维图像形成装置530、第一透镜L₁、图像限制开口部分533、第二透镜L₂、第三透镜L₃、空间滤波器SF、第四透镜L₄和第五透镜L₅。

用于对来自光源110的光进行成形的照明光学系统120被插在光源110与二维图像形成装置530之间。因此，二维图像形成装置530用从光源110发射、并通过照明光学系统120的光(照明光)来照射。对于照明光，例如，可使用从具有高空间相干性的光源110发射的、并被照明光学系统120成形为平行光的光。应当注意，照明光的性质以及用于获得该照明光的配置可与上述照明光学系统120中的性质和配置相似。

二维图像形成装置530是以具有二维排列的多个像素531、并且每个像素有一个开口的二维空间光调制器构成的。特别地，二维图像形成装置530或二维空间光调制器是用二维地排列的、即沿X和Y方向排列成二维矩阵的P×Q个像素531透射型液晶显示装置构成的，并且每个像素531具有一个开口。

一个像素531是以第一透明电极与第二透明电极中包括液晶单元的重叠区域构成的。液晶单元起到某种光线快门(光阀)的作用，即，每个像素531的光透射因数受到控制，以控制从光源110发射的光的光透射因数，从而整体上获得二维图像。在第一透明电极与第二透明电极的重叠区域中提供矩形开口，并且当从光源110发射的光通过开口时，会发生夫琅和费衍射。因此，每个像素531产生M×N＝121道衍射光。换言之，可以认为，因为像素531的个数是P×Q，所以总计产生个P×Q×M×N道衍射光。在二维图像形成装置530中，二维图像的空间频率是沿与从每个像素531产生的多个(总计M×N个)衍射级对应的衍射角从二维图像形成装置530发射的。应当注意，衍射角还会根据二维图像的空间频率而改变。

二维图像形成装置530被布置在焦距为f₁的第一透镜L₁的前焦面(光源一侧的焦点的平面)上，而图像限制开口部分533被布置在第一透镜L₁的后焦面(观察者一侧的焦点的平面)上。由第一透镜L₁产生个数与衍射级数对应的傅立叶变换图像，并形成在图像限制开口部分533所定位的平面上。然后，仅有预定衍射级的衍射光(例如，其载波频率是平面波分量的零级衍射的与以及衍射对应的傅立叶变换图像)通过图像限制开口部分533。此外，图像限制开口部分533被布置在焦距为f₂的第二透镜L₂的前焦面上，而过采样滤波器OSF被布置在第二透镜L₂的后焦面上。此外，过采样滤波器被布置在焦距为f₃的第三透镜L₃的前焦面上，而空间滤波器SF被布置在第三透镜L₃的后焦面上。由第三透镜L₃产生个数与从每个开口区534产生的衍射级数相等的M×N＝121个傅立叶变换图像，并形成在空间滤波器SF上。应当注意，在图16中，为示意方便起见，将64个傅立叶变换图像示为圆点。

具体地，空间滤波器SF是允许在时间上对其进行打开和关闭控制，以用于对傅立叶变换图像进行空间和时间滤波的空间滤波器。更具体地，空间滤波器SF具有可被控制以打开和关闭的开口551，其个数与从每个开口区534产生的衍射级数(具体而言，M×N＝121)相等。然后，在空间滤波器SF中，与二维图像形成装置530产生二维图像的定时同步地将开口551中合乎需要的那一个置为打开状态，以选择对应于所需衍射级的那一个傅立叶变换图像。更具体地，空间滤波器SF可用例如以铁电液晶构成的并具有M×N个像素的透射型或反射型液晶显示装置，或是包括将可移动镜布置成二维矩阵的装置的二维型MEMS构成。应当注意，以液晶显示装置构成的空间滤波器SF的前立面示意图与图4中所示的相类似。参考图4，数值(m₀，n₀)指示开口551(图4中由附图标记151表示)的编号，并且同时指示衍射级。具体而言，衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像到达第(3，2)个开口151。

如上所述，共轭像形成部分560具体而言是以第四透镜L₄和第五透镜L₅构成的。然后，焦距为f₄的第四透镜L₄对由空间滤波器SF滤波的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以形成由第二透镜L₂所形成的二维图像的实像RI。此外，焦距为f₅的第五透镜L₅形成由空间滤波器SF滤波的傅立叶变换图像的共轭像CI。

第四透镜L₄被布置成使空间滤波器SF被定位在其前焦面上，并使第二透镜L₂所形成的二维图像的共轭像的实像RI形成在其后焦面上。这里关于第二透镜L₂所形成的实像所获得的实像RI的放大倍数可通过任意地选择第四透镜L₄的焦距f₄来改变。

同时，第五透镜L₅被布置成使其前焦面与与第四透镜L₄的后焦面重合，并且使傅立叶变换图像的共轭像CI形成在其后焦面上。在此，因为第五透镜L₅的后焦面是空间滤波器SF的共轭面，所以从与一个开口551对应的空间滤波器SF上的一部分等效地输出了二维图像的共轭像。然后，最终所产生并输出的光线量可被定义为将与像素个数(P×Q)相等的光线数乘以已通过光学系统的衍射级数(具体而言，M×N)计算所得的量。此外，尽管使傅立叶变换图像的共轭像CI形成在第五透镜L₅的后焦面上，但是也可考虑规则地将光线群二维地布置在第五透镜L₅的后焦面上。换言之，一般而言，个数与衍射级数(具体而言，M×N)相等的图36中所示的投影机单元被等效地布置在第五透镜L₅的后焦面上。

如图18中所示，从二维图像形成装置530的一个像素531产生沿X方向和沿Y方向的总计M×N道不同的衍射光。应当注意，尽管在图18中仅示出0级光(n₀＝0)、±1级光(n₀＝±1)和±2级光(n₀＝±2)作为代表性的衍射光，但是实际上还产生更高级的衍射光，并且最终从这些衍射光中的一部分形成三维图像。在此，每个衍射级的衍射光(光通量)涵盖二维图像形成装置530所形成的二维图像的所有图像信息(所有像素的信息)。从二维图像形成装置530上的同一个像素的衍射而产生的多个光线群在同一时间点具有相同的图像信息。换言之，在以具有P×Q个像素531的透射型液晶显示装置构成的二维图像形成装置530中，来自光源110的光由像素531进行调制以产生二维图像，所产生的二维图像的空间频率沿与从每个像素531产生的多个衍射级(总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射。换言之，二维图像的某种M×N个复制从二维图像形成装置530沿与多个衍射级(总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射。

然后，从二维图像形成装置530发射的二维图像的空间频率由第一透镜L₁进行傅立叶变换以产生个数与将从每个像素531产生的衍射级数对应的傅立叶变换图像。然后，这些傅立叶变换图像中仅有预定的一个(例如，其载波频率为平面波分量的零级衍射的与一级衍射对应的傅立叶变换图像)通过图像限制开口部分533。然后，所选择的傅立叶变换图像由第二透镜L₂进行傅立叶逆变换以形成由二维图像形成装置530所产生的二维图像的共轭像，并且二维图像的共轭像被形成在过采样滤波器OSF上。应当注意，二维图像的空间频率对应于其载波频率是像素结构的空间频率的图像信息，仅获得其载波频率是零级平面波的图像信息中的部分区域(即，最高达像素结构空间频率的1/2的频率的空间频率)作为其载波频率是平面波分量的零级衍射的一级衍射，而低于光调制部分的像素结构(开口结构)空间频率的一半的空间频率通过图像限制开口部分533。以此方式，在过采样滤波器OSF上形成的二维图像的共轭像不包括二维图像形成装置530的像素结构，而是包括由二维图像形成装置530所产生的二维图像的所有空间频率。

二维图像的共轭像的空间频率中涵盖了二维图像形成装置530所形成的二维图像的所有图像信息，该空间频率沿与从过采样滤波器OSF的每个开口区534产生的多个衍射级对应的衍射角发射。然后，空间频率由第三透镜L₃进行傅立叶变换，以产生个数与衍射级数(总计M×N)对应的傅立叶变换图像，并且这些傅立叶变换图像被形成在空间滤波器SF上。因为沿与衍射级数对应的衍射角发射的二维图像的共轭像的空间频率的傅立叶变换图像是由第三透镜L₃形成的，所以能以高空间密度获得傅立叶变换图像。

在此，从光源110发射的光(照明光)的波长由λ(mm)表示，由第二透镜L₂形成的二维图像的共轭像的空间频率由υ₀(lp/mm)表示，而第三透镜L₃的焦距由f₃(mm)表示的情况下，空间频率为υ₀的光(傅立叶变换图像)出现在第三透镜L3后焦面上离光轴距离为Y₁(mm)的位置，其中Y₁由以下表达式(2)给出。

Y₁＝f₃·λ·υ₀                           (2)

图19中示出了第三透镜L₃的会聚状态。应当注意，在图19中，“Y₀”表示由第二透镜L₂所形成的二维图像在y轴方向上的长度，而“Y₁”表示基于第二透镜L₂所形成的二维图像的共轭像在空间滤波器SF上的傅立叶变换图像在y轴方向上的距离。此外，0级衍射光由实线表示，1级衍射光由点线表示，而2级衍射光由点划线表示。诸衍射级的衍射光，即，个数与衍射级数对应的若干所产生的傅立叶变换图像，由第三透镜L₃在空间滤波器SF的不同开口551处会聚(再参考图16)。如上所述，开口551的个数是M×N＝121。空间滤波器SF上的会聚角θ(从空间滤波器SF发射之后的散射角，也是视场角)对于具有相同衍射级数的傅立叶变换图像(或衍射光)上的P₀×Q₀个开口区534是相等的。会聚角θ可根据以下表达式(3)来确定：

θ＝2×arctan(w/2f₃)                      (3)

其中“w”是投影在过采样滤波器OSF上的二维图像的共轭像在Y方向上的长度，并可通过选择第二透镜L₂的焦距f₂来任意改变。空间滤波器SF上相邻衍射级的傅立叶变换图像之间的距离可根据以上所给出的表达式(2)来确定。根据表达式(2)，可通过任意地选择第三透镜L₃的焦距f₃来改变傅立叶变换图像的位置(空间滤波器SF上图像形成的位置)。

为了使沿与从每个开口区534产生的多个衍射级对应的衍射角发射的二维图像的共轭像的空间频率能通过第三透镜L₃，必须根据所要使用的衍射级数来选择第三透镜L₃的数值孔径NA，并且要求第三透镜L₃之后的所有透镜的孔径数都等于或大于第三透镜L₃的数值孔径NA，而无论其焦距如何。

开口551的尺寸可被设置为与表达式(2)中的Y₁值相等。例如，在照明光的波长λ是532nm的情况下，第三透镜L₃的焦距f₃是50mm，而过采样滤波器OSF的开口区534的尺寸大约是13到14μm，Y₁的值大约是2mm。这表示能以约2mm距离的高密度获得与衍射级对应的傅立叶变换图像。换言之，在空间滤波器SF上，可获得X和Y方向上距离均约为2mm的11×11＝121个傅立叶变换图像。

二维图像的共轭像的空间频率υ₀具有最高由过采样滤波器OSF的两个连续开口区534形成的周期，因为过采样滤波器OSF是以P₀×Q₀个开口区534构成的。

处于二维图像空间频率最低状态的二维图像形成装置530具有与图7A中所示相类似的前立面。在此情况中，由第三透镜L₃所形成的傅立叶变换图像的光强具有与图8A中所示的相类似的频率特性。另一方面，处于二维图像空间频率最高状态的二维图像形成装置530具有与图7B中所示相类似的前立面。在此情况中，由第三透镜L₃所形成的傅立叶变换图像的光强具有与图8B中所示的相类似的频率特性。此外，傅立叶变换图像的空间滤波器SF(xy平面)上的分布与图9A到9C中所示的分布相类似。

空间滤波器SF的开口551的平面图形状可基于傅立叶变换图像的形状来确定。此外，可为每个衍射级设置一个开口551，以使傅立叶变换图像的平面波的峰值位置可以在开口551的中心。由此，每个傅立叶变换图像的光强的峰值被定位在一开口551的中心位置152。特别地，每个开口551应被构成使中心在傅立叶变换图像的循环模式中二维图像的空间频率是最低空间频率分量(平面波分量)处的二维图像的共轭像的所有正的和负的最高空间频率都可通过开口551。

顺便提及，空间频率最高的状态是如图7B中可见的所有像素交替显示黑色和白色的情形。此外，过采样滤波器OSF的开口区结构的空间频率与二维图像的共轭像的空间频率具有以下关系。具体地，如果假定开口区534的孔径比是100％，则二维图像的共轭像的最高空间频率是开口区结构的空间频率的1/2。另一方面，在开口区534的孔径比为某个比率(低于100％)的情况下，二维图像的共轭像的最高空间频率低于开口区结构的空间频率的1/2。因此，二维图像的共轭像的所有空间频率最远在由于开口区结构而产生、并显现在空间滤波器SF上的循环模式之间的距离一半的位置出现。由此，所有开口551可被布置成在空间上它们不会相互干扰。特别地，衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像到达第(3，2)开口551，并且衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像不会到达其它开口551。由此，位于具有相互独立的、对应于各个傅立叶变换图像的若干开口551的空间滤波器SF上的一个开口551中的傅立叶变换图像中存在二维图像的共轭像的空间频率，而二维图像的共轭像的空间频率由于开口551的空间限制而产生的丢失将不会发生。应当注意，开口区结构的空间频率可被认为是载波频率，而在开口区结构的空间频率是载波频率的情况下，二维图像的空间频率对应于图像信息。

然后，在空间滤波器SF中，对开口551执行打开/关闭控制，以控制M×N个傅立叶变换图像的通过/遮断。如果空间滤波器SF是用例如液晶显示装置构成的，则可通过使液晶单元以某种光线快门(光阀)的形式工作来执行开口551的打开/关闭控制。

假定通过从根据第二工作示例的三维图像显示装置移除了过采样滤波器OSF而构成一种三维图像显示装置。应当注意，为描述方便起见，如上所述的该三维图像显示装置以下将被称为比较三维图像显示装置。以下将把第二工作示例的三维图像显示装置与该比较三维图像显示装置相互比较来进行描述。

应当注意，从光源110发射的光(照明光)的波长由λ(mm)表示，而由二维图像形成装置530形成的二维图像的空间频率由υ(lp/mm)表示。

顺便提及，投影角(视场角)θ是重要的参量，它确定所观察到的三维图像的区域。同时，空间滤波器SF上诸傅立叶变换图像的位置及其之间的距离(Y₁)是重要的参量，它们确定运动视差的连续性以及所要显示的三维图像，以及所要显示的三维图像的比例(大小)。因此，投影角θ的值和与空间滤波器SF上诸傅立叶变换图像的位置及其之间的距离对应的Y₁值优选具有尽可能大的值。

顺便提及，根据以上所给出的表达式(2)，控制Y₁的变量是光(照明光)的波长λ和第三透镜L₃的焦距f₃，以及空间频率υ₀所基于的由二维图像形成装置530形成的二维图像的空间频率υ。在此，光(照明光)的波长λ实际上不能任意取值，因为图像的色调会出现变化。并且，可见光波长的范围是从大约400nm到大约700nm，而变化量最大是1.75倍，并且工作区域很小。此外，为了增大空间频率υ的值，就必需使二维图像形成装置530的像素间距更小，实际上要使二维图像形成装置530的像素间距变小是很困难的。由此，为了增大表达式(2)中的Y₁值，最实际的是增大第三透镜L₃的焦距f₃。但是，如果增大了焦距f₃，则根据表达式(3)，投影在过采样滤波器OSF上的二维图像的共轭像在Y方向上的长度w是固定的，即，第二透镜L₂的焦距f₂是固定的，从而投影角(视场角)θ的值减小。换言之，表达式(2)和表达式(3)之间的关系不是相互独立的，而是Y₁的值与投影角(视场角)θ的值相互具有折衷关系。

顺便提及，在第二工作示例的三维图像显示装置501中，由光调制部分或二维图像形成装置530形成二维图像，这些二维图像的空间频率υ的值随着用来构成二维图像形成装置的开口的开口结构而改变。同时，因为二维图像的共轭像的空间频率υ₀依赖于过采样滤波器OSF的开口区534的开口区结构，并且满足P₀>P和Q₀>Q，所以过采样滤波器OSF的开口区结构的空间频率(载波频率)高于二维图像形成装置530的像素结构(开口结构)的空间频率(载波频率)，并且υ₀>υ。应当注意，因为过采样滤波器OSF可通过例如直接形成玻璃片的光栅图案来产生，所以如果使光栅图案的间隔减小，就能提高过采样滤波器OSF的载波频率，由此能很方便地提高要由过采样滤波器OSF产生的二维图像的共轭像的空间频率υ₀的值。由此，可很方便地提高空间频率υ₀的值，并增大根据表达式(2)所确定的Y₁的值。应当注意，即使第三透镜L₃的焦距f₃设得更短，也可增大根据表达式(2)确定的Y₁的值。另一方面，因为可将第三透镜L₃的焦距f₃设得更短，所以可增大视场角θ的值。或者，w的值可通过合适地设置第二透镜L₂的焦距f₂来增大，由此可增大根据表达式(3)确定的视场角θ的值。

以此方式，在第二工作示例的三维图像显示装置501中，Y₁的值与投影角(视场角)θ的值可被相互独立地控制。由此，就能够在增大所观察到的三维图像的区域的同时提高所显示的三维图像的比例(大小)。并且，不需要改变从光源发出的光的波长，并且就不会因波长的变化而引起色调有任何变化。此外，实质上不需要改变第三透镜L₃的焦距f₃。

例如，假定在比较三维图像显示装置中，二维图像形成装置530的尺寸是对角宽度为0.7英寸，并且具有平面图形状为矩形的开口(P×Q＝1,024×768)。此外，在开口之间的距离是14μm的情况下，从光源110发射的光的波长λ是532nm，并且f₂＝f₃＝f₄＝f₅＝50mm，空间滤波器SF的共轭面上的诸共轭像在通过第五透镜L₅之后之间的距离是1.9mm，二维图像形成装置530的与Y方向对应的视场角θ_Y是16.1度，而二维图像形成装置530的与X方向对应的视场角θ_X是12.1度。

此外，如果比较三维图像显示装置中的第二透镜L₂的焦距f₂被设为100mm以增加由第二透镜L₂形成的二维图像的共轭像的尺寸，则视场角θ_Y变为31.5度，而视场角θ_X变为23.9度。以此方式，可增大视场角。但是，因为二维图像的共轭像的尺寸增大到两倍，所以表达式(2)中υ₀的值减小到一半，因此，空间滤波器SF的共轭面上的诸共轭像在通过第五透镜L₅之后之间的距离变为0.95mm。在此情况中，尽管产生了空间密度高于一般水平的光线群，但是因为光线群中每一道光线的产生面积减小到1/4，而所观察到的图像的尺寸变成1/4。

由此，如果所布置的过采样滤波器OSF是以具有距离(＝Y₀)为14μm的四方栅格的衍射滤波器构成的，则以与二维图像形成装置530的原始像素距离的空间频率相近的空间频率来对被增大到两倍的二维图像的共轭像进行新的空间采样。由此，视场角θ_Y变成31.5度，而视场角θ_X变成23.9度，由此可增大视场角。此外，可使空间滤波器SF的共轭面上的诸共轭像在通过第五透镜L₅之后之间的距离变为1.9mm。换言之，在此情况中，产生了空间密度高于一般水平的光线群，并且光线群中每道光线的产生面积不变，并且所观察到的图像的尺寸不变。过采样滤波器OSF仅通过在玻璃片上绘制布置成间隔为14μm的二维矩阵的格型元件就可产生。

如上所述，根据第二工作示例的三维图像显示装置501，由二维图像形成装置530产生的二维图像的空间频率沿与多个衍射级对应的衍射角发射，并且仅与预定衍射级对应的一个傅立叶变换图像被图像限制与产生部分532选择。然后，由第二透镜L₂所产生的二维图像的共轭像由傅立叶变换图像形成部分540(第三透镜L₃)进行傅立叶变换以获得傅立叶变换图像。傅立叶变换图像被进行空间和时间滤波，然后由傅立叶变换图像选择部分550(空间滤波器SF)形成经滤波器的傅立叶变换图像的共轭像CI。由此，就能以高空间密度、并且以多方向的分布状态来产生和散射光线群，而无需增大整个三维图像显示装置的规模。此外，因为提供了二维图像形成装置530和过采样滤波器OSF，所以可在扩大所观察到的三维图像的区域的同时增大所要显示的三维图像的比例(尺寸)。此外，作为光线群的分量的各道光线在时间上和空间上可被相互独立地控制。由此，就可获得以光线形成的具有近似于现实世界中的物体的品质的三维图像。

此外，根据第二工作示例的三维图像显示装置501，因为使用了光线再现方法，所以可提供满足诸如聚焦、会聚和运动视差等视觉的三维图像。此外，根据第二工作示例的三维图像显示装置501，因为有效地利用了高级衍射光，所以在与现有技术的图像输出技术相比时，过采样滤波器OSF可获得可由单个图像输出装置(二维图像形成装置530)控制的个数与衍射级数相等的若干光线(即，M×N道光线)(二维图像的某种复制)。并且，根据第二工作示例的三维图像显示装置501，因为它在空间上和时间上执行滤波，所以三维图像显示装置的时间特性可被转换为三维图像显示装置的空间特性。此外，无需使用漫射屏等即可获得三维图像。此外，可提供适合从任何方向观察的三维图像。此外，因为能以高空间密度产生并散射光线群，所以可提供接近识别极限的高清晰度的空间图像。

此外，根据工作示例2的三维图像显示装置501，空间滤波器SF的共轭面上的诸共轭像通过第五透镜之后的大小和投影角(视场角)可被相互独立地控制。由此，可在扩大所观察到的三维图像的区域的同时增加所要显示的三维图像的比例(尺寸)。

第三工作示例

第三工作示例是根据本发明第三和第六实施例的三维图像显示装置。图20、21、22和23示出第三工作示例的三维图像显示装置的概念。并且第三工作示例的三维图像显示装置被构成为单色显示器型三维图像显示装置。图20沿yz平面示出第三工作示例的三维图像显示装置的概念。第三工作示例的三维图像显示装置沿xy平面的概念视图也基本与图20相似。同时，图21示出第三工作示例的三维图像显示装置的光学装置的工作和动作的概念。此外，图22示出从斜向观察的第三工作示例的三维图像显示装置的概念，而图23示出第三工作示例的三维图像显示装置的部件的排列状态。

以下描述根据本发明的第三实施例的三维图像显示装置的部件。具体地，第三工作示例的三维图像显示装置601包括：

(A)光源；

(B)具有多个像素631的二维图像形成装置630，用于基于从光源110发出的光来产生二维图像；

(C)光学装置635，它包括布置成二维矩阵的多个光学元件636，其中每个光学元件都具有对入射到该光学元件的光进行折射以将光基本上会聚到一点上的屈光力，并且具有调制通过该光学元件的光的相位的相位光栅的功能；该光学装置635用于沿与多个衍射级(总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射从二维图像形成装置630入射的二维图像的空间频率，

(D)傅立叶变换图像形成部分640，用于对从光学装置635发射的二维图像的空间频率进行傅立叶变换，以产生个数与衍射级数(总计M×N个衍射级)对应的傅立叶变换图像；

(E)傅立叶变换图像选择部分650，用于选择由傅立叶变换图像形成部分640所产生的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的那一个；以及

(F)共轭像形成部分660，用于形成由傅立叶变换图像选择部分650所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

共轭像形成部分660包括傅立叶逆变换部分(具体而言，即下述第二透镜L₂)，用于对由傅立叶变换图像选择部分650所选择的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以形成由二维图像形成部分630所产生的二维图像的实像。此外，傅立叶变换图像形成部分640是以透镜构成的，并且组成光学装置635的光学元件636的焦点(在第三工作示例中是后焦点)被放在该透镜的前焦面上。此外，傅立叶变换图像选择部分650被布置在该透镜的后焦面上。傅立叶变换图像选择部分650具有能被控制以打开和关闭的个数与衍射级数(总计M×N个衍射级)相等的若干开口651。

二维图像的空间频率与其载波频率是二维图像形成装置630的像素结构的空间频率的图像信息对应。

同时，根据本发明的第六实施例，第三工作示例的三维图像显示装置601包括：

(A)光源110；

(B)具有多个(P×Q)像素631的二维图像形成装置630，用于基于从光源110发出的光来产生二维图像；

(C)光学装置635，它包括沿X方向和Y方向布置成二维矩阵的P₀×Q₀个光学元件(P₀×Q₀是任意正整数)，并且每个光学元件都具有对入射到该光学元件的光进行折射以将光基本上会聚到一点的屈光力，并具有调制通过该光学元件的光的相位的相位光栅的功能，该光学装置635用于沿与多个衍射级(总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射入射到该光学装置635的二维图像的空间频率，；

(D)第一透镜L₁(更具体地，在第三工作示例中是凸透镜)，组成光学装置635的光学元件636的焦点(在第三工作示例中是后焦点)被放在其前焦面上；

(E)空间滤波器SF，它被布置在第一透镜L₁的后焦面上，并具有M×N个开口651，包括沿X方向布置的M个开口651以及沿Y方向布置的N个开口651，并且被控制以打开和关闭；

(F)第二透镜L₂(更具体地，在第三工作示例中是凸透镜)，其前焦面上布置了空间滤波器SF；以及

(G)第三透镜L₃(更具体地，在第三工作示例中是凸透镜)，第二透镜L₂的后焦点被放在其前焦点上。

在此，在第三工作示例或是第六和第七工作示例中的任何一个的二维图像形成装置中，光学装置635产生总计M×N道衍射光，包括沿X方向从m级到m′级的M道衍射光(m和m′是整数而M是正整数)以及沿Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光(n和n′是整数而N是正整数)。在此，P＝P₀＝1,024，Q＝Q₀＝768，m＝-5，m′＝5，M＝m′-m+1＝11，n＝-5，n′＝5，并且N＝n′-n+1＝11。但是应当注意，上述变量的值并不局限于以上具体给出的那些值。此外，z轴(对应于光轴)通过第三工作示例或是下述第六和第七工作示例中任何一个的三维图像显示装置601诸部件的中心，并且垂直于三维图像显示装置601的诸部件延伸。如果将本发明第三实施例的三维图像显示装置的部件与第六实施例的三维图像显示装置的部件相比较，则傅立叶变换图像形成部分640对应于第一透镜L₁；傅立叶变换图像选择部分650对应于空间滤波器SF；傅立叶逆变换部分对应于第二透镜L₂；而共轭像形成部分660对应于第二透镜L₂和第三透镜L₃。因此，为描述方便起见，在以下描述中使用术语二维图像形成装置630、第一透镜L₁、空间滤波器SF、第二透镜L₂和第三透镜L₃。

用于对从光源110发出的光进行成形的照明光学系统120被插在光源110与二维图像形成装置630之间。由此，二维图像形成装置630用从光源110发射、并通过照明光学系统120的光(照明光)照射。对于照明光，可使用例如从光源110发射的具有高空间相干性的、并且被照明光学系统120成形为平行光的光。应当注意，照明光的性质以及用于获得该照明光的配置的特定示例可以和上述照明光学系统120中的性质和配置相类似。

二维图像形成装置630具有二维地排列的、并且每个都具有一个开口的多个像素631。特别地，二维图像形成装置630是以具有二维地排列(即，沿X和Y方向排列成二维矩阵)的P×Q个像素631的透射型液晶显示装置构成的，并且每个像素631都具有一个开口。

一个像素631是以第一透明电极与第二透明电极中包括液晶单元的重叠区域构成的。液晶单元起到某种光线快门(光阀)的作用，即，每个像素631的光透射因数受到控制，以控制从光源110发射的光的光透射因数，从而整体地获得诸二维图像。在第一透明电极与第二透明电极的重叠区域中设置矩形开口，并且从光源110发射的光通过这些开口以产生二维图像。

光学装置630毗邻关系(例如，紧靠二维图像形成装置630或是与其呈相隔很小距离的关系)被布置在二维图像形成装置630后面。在以与二维图像形成装置630成毗邻关系布置光学装置635的情况下，因光通过组成二维图像形成装置630的像素631的开口而产生的衍射现象的影响就可忽略。在此，第三工作示例中组成光学装置635的光学元件636的平面图的形状是与对应像素631的开口的平面图形状相类似的矩形，并且光学元件636每一个都是以具有正屈光力的反射型类栅格元件，具体而言，即用凸透镜(焦距为f₀)构成的。此外，光学装置635是以某种微距镜阵列构成的，并且是基于产生微距镜阵列的公知方法用玻璃制成的。

光学装置635起到相位光栅的作用。具体而言，从每个像素631发射、并形成由二维图像形成装置630所产生的二维图像的光进入以与二维图像形成装置630成毗邻关系布置的光学装置635中对应的一个光学元件636。然后，进入光学元件636的光由光学元件636折射，以使其基本上会聚到焦距f₀处的一点，并且从该点之后继续前进。如果从另一种观点来观察这一情况，则看起来就好像是如图21的概念视图中可见地在光学装置635后焦距f₀的位置处存在与每个光学元件636对应的矩形开口区(某种针孔)637，并且从光学元件636发射的光通过虚拟开口区637。由此，发生了与夫琅和费衍射等效的现象，并且由与每个像素631对应的光学元件636(更具体地，由与每个光学元件636对应的虚拟开口区637)产生了M×N＝121道衍射光。换言之，因为像素631和光学元件636的个数是P₀×Q₀＝P×Q，所以也可以认为光学装置635产生了总计P×Q×M×N道衍射光。然后，二维图像的空间频率沿与从每个光学元件636产生的衍射级数(总计M×N个衍射级)对应的衍射角从光学装置635发射。应当注意，衍射角还根据二维图像的空间频率而改变。尽管焦距f₀的值实质上可以是任意值，但是组成光学装置635的大量光学元件636具有相同的焦距f₀。在如图21中可见，当从每个光学装置635发射的光以与数值空间相关的角度传播时，就可获得传播光扩展，而光量所受损失很小这样一种情况。在此，在光学元件636的排列间隔或尺寸由d₀表示的情况下，当光被尺寸为d₀、焦距为f₀的光学元件636会聚时，光学波长为λ的平行光的宽度D可由下式表示：

D＝2.44λ/sin(arctan(d₀/2f₀))

由此，尽管通过使用光学元件636，光学数值孔径可由D²/d₀ ²表示，但是因数值孔径减小而引起的光量损失将不会发生。

组成光学装置635的光学元件636的后焦点(焦距f₀)被放在焦距为f₁的第一透镜L₁的前焦面(光源一侧的焦面)上，并且空间滤波器SF被布置在第一透镜L₁的后焦面(观察者一侧的焦面)上。由第一透镜L₁产生了个数与衍射级数对应的M×N＝121个傅立叶变换图像，并形成在空间滤波器SF上。应当注意，在图22中，为示意方便起见，64个傅立叶变换图像被表示为圆点。

空间滤波器SF具体而言是允许对其进行时间上的打开和关闭控制、以在空间上和时间上对傅立叶变换图像进行滤波的空间滤波器。更具体地，空间滤波器SF有个数等于衍射级数(具体而言，M×N＝121)的可被控制以打开和关闭的开口651。然后，在空间滤波器SF中，开口651中合乎需要的那一个与二维图像形成装置630形成二维图像的定时同步地置为打开状态，以选择与所需衍射级对应的那一个傅立叶变换图像。更具体地，空间滤波器SF可用例如使用铁电液晶构成的、并具有M×N个像素的透射型或反射型液晶显示装置，或是以包括将可移动镜布置成二维矩阵的装置的二维型MEMS构成。应当注意，以液晶显示装置构成的空间滤波器SF的前立面示意图与图4中所示的相类似。参考图4，数值(m₀，n₀)指示开口651(图4中由附图标记151表示)的编号，并且同时指示衍射级。具体而言，衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像到达第(3，2)个开口651。

如上所述，共轭像形成部分660具体而言是以第二透镜L₂和第三透镜L₃构成的。然后，焦距为f₂的第二透镜L₂对由空间滤波器SF滤波的傅立叶变换图像进行傅立叶逆变换，以形成由二维图像形成装置630所形成的二维图像的实像RI。此外，焦距为f₃的第三透镜L₃形成由空间滤波器SF滤波的傅立叶变换图像的共轭像CI。

第二透镜L₂被布置成使空间滤波器SF被定位在其前焦面上，并使二维图像形成装置630所形成的二维图像的实像RI形成在其后焦面上。这里关于二维图像形成装置630所获得的实像RI的放大倍数可通过任意地选择第二透镜L₂的焦距f₂来改变。

同时，第三透镜L₃被布置成使其前焦面与与第二透镜L₂的后焦面重合，并且使傅立叶变换图像的共轭像CI形成在其后焦面上。在此，因为第三透镜L₃的后焦面是空间滤波器SF的共轭面，所以从与一个开口651对应的空间滤波器SF上的一部分等效地输出了由二维图像形成装置630所产生的二维图像。然后，最终所产生并输出的光线量可被定义为将与像素个数(P×Q)相等的光线数乘以已通过光学系统的衍射级数(具体而言，M×N)计算所得的量。此外，尽管使傅立叶变换图像的共轭像CI形成在第三透镜L₃的后焦面上，但是也可考虑规则地将光线群二维地布置在第三透镜L₃的后焦面上。换言之，一般而言，个数与衍射级数(具体而言，M×N)相等的图36中所示的投影机单元被等效地布置在第三透镜L₃的后焦面上。

如图22和24中示意性地所示，由光学装置635的一个光学元件636(更具体地，由位于光学元件636的后焦点处的虚拟开口区637)产生总计M×N＝121道不同的衍射光，包括沿X方向从-5级到+5级的11道衍射光和沿Y方向从-5级到+5级的11道衍射光。应当注意，尽管在图24中仅示出0级光(n₀＝0)、±1级光(n₀＝±1)和±2级光(n₀＝±2)作为代表性的衍射光，但是实际上还产生更高级的衍射光，并且最终从这些衍射光中的一部分形成三维图像。在此，每个衍射级的衍射光(光通量)涵盖二维图像形成装置630所形成的二维图像的所有图像信息(所有像素的信息)。从二维图像形成装置630上的同一个像素的衍射而产生的多个光线群(11×11＝121个光线群)在同一时间点具有相同的图像信息。换言之，在以具有P×Q个像素631的透射型液晶显示装置构成的二维图像形成装置630中，基于来自光源110的光产生了二维图像，并且所产生的二维图像的空间频率沿与由每个光学元件636产生的多个衍射级(总计M×N个衍射级)对应的衍射角从光学装置635发射。换言之，二维图像的某种M×N个复制从二维图像形成装置630沿与多个衍射级(总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射。

然后，涵盖了由二维图像形成装置630形成的二维图像的所有图像信息的二维图像的空间频率由第一透镜L₁进行傅立叶变换以产生个数与衍射级数(总计M×N个衍射级)对应的傅立叶变换图像。然后，这些傅立叶变换图像形成在空间滤波器SF上。因为沿与衍射级数对应的衍射角发射的二维图像的空间频率的傅立叶变换图像是由第一透镜L₁产生的，所以能够以高空间密度获得傅立叶变换图像。

在此，在从光源110发射的光(照明光)的波长由λ(mm)表示，由二维图像形成装置630形成的二维图像的空间频率由υ(lp/mm)表示，而第一透镜L₁的焦距由f₁(mm)表示的情况下，根据表达式(1)，空间频率为υ的光(傅立叶变换图像)出现在第一透镜L₁后焦面上离光轴距离为Y₁(mm)的位置。

图25中示出了第一透镜L₁的会聚状态。应当注意，在图25中，“Y₀”表示由二维图像形成装置630所形成的二维图像在y轴方向上的长度，而“Y₁”表示基于二维图像形成装置630所形成的二维图像，在空间滤波器SF上的傅立叶变换图像在y轴方向上的距离。此外，0级衍射光由实线表示，1级衍射光由点线表示，而2级衍射光由点划线表示。诸衍射级的衍射光，或者说，个数与衍射级数对应的若干所产生的傅立叶变换图像，由第一透镜L₁在空间滤波器SF的不同开口651处会聚(再参考图22)。如上所述，开口651的个数是M×N＝121。空间滤波器SF上的会聚角θ(从空间滤波器SF发射之后的散射角)对于具有相同衍射级数的傅立叶变换图像(或衍射光)上的P×Q个开口区631是相等的。空间滤波器SF上相邻衍射级的傅立叶变换图像之间的距离可根据以上所给出的表达式(1)来确定。根据表达式(1)，可通过任意地选择第一透镜L₁的焦距f₁来改变傅立叶变换图像的位置(空间滤波器SF上的图像形成位置)。

为了使沿与多个衍射级对应的衍射角发射的二维图像的空间频率能通过第一透镜L₁，必须根据所要使用的衍射级数来选择第一透镜L₁的数值孔径NA，并且要求第一透镜L₁之后的所有透镜的孔径数都大于第一透镜L₁的数值孔径NA，而无论其焦距如何。

开口651的尺寸可被设置为与表达式(1)中的Y₁值相等。例如，在照明光的波长λ是532nm的情况下，第一透镜L₁的焦距f₁是50mm，而二维图像形成装置630的像素631的尺寸大约是13到14μm，Y₁的值大约是2mm。这表示能以约2mm距离的密度获得与衍射级对应的傅立叶变换图像。换言之，在空间滤波器SF上，可获得X和Y方向上距离均约为2mm的11×11＝121个傅立叶变换图像。

由二维图像形成装置630形成的二维图像的空间频率υ具有最高由二维图像形成装置630的两个连续像素631形成的周期，因为二维图像是由以包括P×Q个像素631构成的二维图像形成装置630形成的。

处于二维图像空间频率最低状态的二维图像形成装置630具有与图7A中所示相类似的前立面。此外，由第一透镜L₁所形成的傅立叶变换图像的光强具有与图8A中所示的相类似的频率特性。另一方面，处于二维图像的共轭像空间频率最高状态的二维图像形成装置630具有与图7B中所示相类似的前立面。此外，由第一透镜L₁所形成的傅立叶变换图像的光强具有与图8B中所示的相类似的频率特性。此外，傅立叶变换图像在空间滤波器SF(xy平面)上的分布与图9A到9C中所示的分布相类似。

空间滤波器SF的开口651的平面图的形状可基于傅立叶变换图像的形状来确定。此外，可为每个衍射级设置一个开口651，以使傅立叶变换图像的平面波分量的峰值位置可以在开口651的中心。由此，每个傅立叶变换图像的光强的峰值被定位在一开口651的中心位置152。特别地，每个开口651应被构成使中心在傅立叶变换图像的循环模式中二维图像的空间频率是最低空间频率分量(平面波分量)处的二维图像的所有正的和负的最高空间频率都可通过开口651。

顺便提及，空间频率最高的状态是如图7B中可见的所有像素交替显示黑色和白色的情形。此外，二维图像形成装置630的像素结构的空间频率与二维图像的空间频率具有以下关系。特别地，如果假定开口占据所有像素(即，孔径比是100％)，则二维图像的最高空间频率是像素结构的空间频率的1/2。另一方面，在开口占据某个比例的像素(低于100％)的情况下，二维图像的最高空间频率低于像素结构的空间频率的1/2。因此，二维图像的所有空间频率最远在由于开口区结构而产生、并显现在空间滤波器SF上的循环模式之间的距离一半的位置出现。由此，所有开口651可被布置成在空间上它们不会相互干扰。特别地，衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像到达第(3，2)开口651，并且衍射级数为m₀＝3和n₀＝2的傅立叶变换图像不会到达其它开口651。由此，位于具有相互独立的、对应于各个傅立叶变换图像的若干开口651的空间滤波器SF上的一个开口651中的傅立叶变换图像中存在由二维图像形成装置630所形成的二维图像的空间频率，而二维图像形成装置630所形成的二维图像的空间频率由于开口651的空间限制而产生的丢失将不会发生。应当注意，像素结构的空间频率可被认为是载波频率，而在像素结构的空间频率是载波频率的情况下，二维图像的空间频率对应于图像信息。

然后，在空间滤波器SF中，对开口651执行打开/关闭控制，以控制M×N个傅立叶变换图像的通过/遮断。如果空间滤波器SF是用例如液晶显示装置构成的，则可通过使液晶单元以某种光线快门(光阀)的形式工作来执行开口651的打开/关闭控制。

如上所述，根据第三工作示例的三维图像显示装置601，由二维图像形成装置630产生的二维图像的空间频率沿与多个衍射级对应的衍射角发射，并且通过傅立叶变换图像形成部分640(第一透镜L₁)对空间频率进行傅立叶变换所获得的傅立叶变换图像由傅立叶变换图像选择部分650(空间滤波器SF)进行空间和时间滤波。然后，形成了经滤波的傅立叶变换图像的共轭像CI。由此，就能以高空间密度、并且以多方向的分布状态来产生和散射光线群，而无需增大整个三维图像显示装置的规模。此外，作为光线群的分量的各道光线在时间上和空间上可被相互独立地控制。由此，就可获得以光线形成的具有近似于现实世界中的物体的品质的三维图像。

此外，根据第三工作示例的三维图像显示装置601，因为使用了光线再现方法，所以可提供满足诸如聚焦、会聚和运动视差等视觉的三维图像。此外，根据第三工作示例的三维图像显示装置601，因为有效地利用了高级衍射光，所以在与常规的图像输出技术相比时，可获得可由单个图像输出装置(二维图像形成装置630)控制的个数与衍射级数相等的若干光线(即，M×N道光线)(二维图像的某种复制)。并且，根据第三工作示例的三维图像显示装置601，因为它在空间上和时间上执行滤波，所以三维图像显示装置的时间特性可被转换为三维图像显示装置的空间特性。此外，无需使用漫射屏等即可获得三维图像。此外，可提供适合从任何方向观察的三维图像。此外，因为能以高空间密度产生并散射光线群，所以可提供接近识别极限的高清晰度的空间图像。

第四工作示例

第四工作示例是第一工作示例的修改，并且它是根据本发明第一和第七实施例的三维图像显示装置。图26中示出了第四工作示例的三维图像显示装置的概念视图。

参考图26，第四工作示例的三维图像显示装置包括光调制部分230，它与第一工作示例的三维图像显示装置的液晶显示装置不同。具体而言，光调制部分230包括：一维空间光调制器(具体而言，衍射光栅-光调制装置401)，用于形成被分为P(例如，1,920)个部分的一维图像；扫描光学系统(具体而言，扫描镜405)，用于对由一维空间光调制器(衍射光栅-光调制装置401)所形成的、被分成P个部分的一维图像进行二维扩展(扫描)，以形成被分成P×Q个部分的二维图像；以及格型滤波器(衍射光栅滤波器)332，它被布置在二维图像的形成平面上，用于沿与多个衍射级(具体而言，总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率。在此，格型滤波器332为由光学扫描系统(扫描镜405)所形成的、被分成P×Q个部分的二维图像的每个部分产生M×N道衍射光。应当注意，格型滤波器332另外可用振幅光栅或是相位光栅构成。

以下将描述根据本发明第七实施例的三维图像显示装置的部件。具体而言，第四工作示例的三维图像显示装置101包括：

(A)光源110；

(B)二维图像形成装置230，它包括沿X方向有P个像素的用于产生一维图像的一维空间光调制器，用于对由一维空间光调制器所产生的一维图像进行二维扩展以产生二维图像的扫描光学系统(具体而言，扫描镜405)，以及被布置在二维图像的产生平面上、用于为每个像素产生从m级到m′级的M道衍射光(m和m′是整数而M是正整数)的衍射光产生部分(具体而言，格型滤波器332)；

(C)第一透镜(具体而言，在第四工作示例中是凸透镜)L₁，其前焦面上布置了衍射光产生部分；

(D)空间滤波器SF，它被布置在第一透镜L₁的后焦面上，并且具有总计M×N个开口151，包括沿X方向的M个开口151以及沿Y方向的N个开口151(N是正整数)，这些开口151能被控制以打开和关闭；

(E)第二透镜(具体而言，在第四工作示例中是凸透镜)L₂，其前焦面上布置了空间滤波器SF；以及

(F)第三透镜(具体而言，在第四工作示例中是凸透镜)L₃，其前焦点被放在第二透镜L₂的后焦点上。

在此，假定一维图像朝X方向延伸。此外，假定扫描方向是Y方向，并且二维图像是沿X方向和Y方向形成的。但是，作为替换方案，X方向和Y方向可被互换。应当注意，在图26中，照明光学系统120被省略。这同样适用于第五和第六工作示例。

一维空间光调制器(衍射光栅-光调制装置401)对来自光源110的光进行衍射以形成一维图像。更具体地，衍射光栅-光调制装置401包括排列成一维阵列的衍射光栅-光调制元件(GLV)410。衍射光栅-光调制元件是通过应用微型机械制造技术来制造的，并且是以反射型衍射光栅构成的，从而它们具有光开关功能，并且可被电控制以实现光的开/关控制从而来显示图像。由此，在光调制部分230中，从衍射光栅-光调制元件410发射的光通过以流电镜(galvano mirror)或是多角镜构成的扫描镜405而被扫描以获得二维图像。由此，为了显示以P×Q(例如，1,920×1,080)个像素形成的二维图像，可用P(＝1,920)个衍射光栅-光调制元件410来构成衍射光栅-光调制装置401。

需要基于通过扫描镜405扫描而获得的二维图像来产生衍射光。为此，振幅型或相位型的滤波器被布置在二维扩展的平面上以产生衍射光。更具体地，通过扫描镜405扫描而获得的二维图像通过扫描透镜系统331，并进入布置在二维图像产生平面上的格型滤波器(衍射光栅滤波器)332。由此，格型滤波器332为二维图像的P×Q个部分中的每一个产生M×N道衍射光。具体而言，所产生的二维图像的空间频率沿与从格型滤波器332的这些部分(对应于像素)产生的多个衍射级对应的衍射角从格型滤波器332发射。格型滤波器332被布置在焦距为f₁的第一透镜L₁的前焦面上。

在使用一维空间光调制器的情况下，因为所要形成的图像是一维图像，所以衍射也在一维空间中发生。由此，需要用于在Y方向上漫射所得的衍射光的光学系统。在第四工作示例或是下述第六工作示例的三维图像显示装置中，有一构件(也称为各向异性漫射滤波器、各向异性漫射膜或是各向异性漫射片)被布置在对于第三透镜L₃(共轭图像形成部分160)的下游一侧(观察者一侧)，该构件用于引起发生将在一维方向上产生的衍射光向二维方向漫射的各向异性光漫射。

除以上之外，第四工作示例的三维图像显示装置在配置和结构上可以与以上结合第一工作示例所描述的三维图像显示装置相类似。因此，为免赘述，这里省略了对第四工作示例的三维图像显示装置的配置和结构的重复描述。

现在来描述衍射光栅-光调制元件410的配置和结构。

每个衍射光栅-光调制元件410包括下电极412、固定电极421、可移动电极422等，它们按图27中示意性地所示的方式排列。应当注意，在图27中，下电极412、固定电极421、可移动电极422和支撑部分414、415、417和418由斜线表示以使它们能被清楚地看到。

参考图27，衍射光栅-光调制元件410具体而言包括下电极412、带状或条状的固定电极421以及带状或条状的可移动电极422。在支撑构件411上形成了下电极412。同时，支撑部分414和415上支撑着固定电极421，它们被支撑并在下电极412上延伸。此外，支撑部分417和418上支撑着可移动电极422，它们被支撑并与固定电极421呈并置关系地在下电极412上延伸。在图27的示例中，一个衍射光栅-光调制元件410包括三个固定电极412和三个可移动电极422。三个可移动电极422被共同连接到一控制电极，该控制电极被连接到图中未示出的连接端部分。同时，三个固定电极421被共同连接到偏置电极。偏置电极是对诸衍射光栅-光调制元件410共同地设置的，并且通过图中未示出的偏置电极端部分接地。并且，下电极412是对诸衍射光栅-光调制元件410共同地设置的，并且通过图中未示出的下电极端部分接地。

如果通过连接端部分向可移动电极422施加电压，并向下电极412施加另一电压(实际上下电极412处于接地状态)，则在可移动电极422与下电极412之间产生库仑力。然后，库仑力使可移动电极422被向下移向下电极412一侧。应当注意，图28A中以及图28C的左边示出了处于移位之前的状态的可移动电极422，而图28B中以及图28C的右边示出了移位后处于另一状态的可移动电极422。基于可移动电极422的此类移位，可移动电极422和固定电极421就形成了反射型衍射光栅。在此，图28A是沿图27的B-B线所取的固定电极等的截面视图，并且是沿图27的A-A线所取的可移动电极等的截面视图(处于衍射光栅-光调制元件不在工作状态的状态)。同时，图28B是沿图27的A-A线所取的可移动电极等的示意图(但是处于衍射光栅-光调制元件在工作状态的状态)，而图28C是沿图27的C-C线所取的固定电极、可移动电极等的截面视图。

在相邻固定电极421之间的距离由d表示(参考图28C)，并且入射到可移动电极422和固定电极421的光的波长(入射角：θ₁)由λ表示，而衍射角由θ_m表示的情况下，它们具有如下式所表示的关系：

d[sin(θ_i)-sin(θ_m)]＝m_Dif·λ

其中m_Dif是级数，并取值0、±1、±2、……。

衍射光的光强在可移动电极422的顶面与固定电极421的顶面之间的高度之差Δh₁(参考图28C)是λ/4时出现最大值。

图29中示出了包括如上所述的衍射光栅-光调制装置的光调制部分(二维图像形成装置)230的概念视图。参考图29，第四工作示例的光调制部分230包括用于发射激光的光源110，用于会聚从光源110发射的光的会聚仪透镜(未示出)，通过了会聚仪透镜的光被引到该装置的衍射光栅-光调制装置410，透镜403和让从衍射光栅-光调制装置410发射的光通过的空间滤波器404，用于从已通过空间滤波器404的单个光通量形成图像的图像形成透镜(未示出)，以及用于扫描已通过图像形成透镜的光通量的扫描镜405。

在具有上述配置的光调制部分230中，当衍射光栅-光调制元件410处于非工作状态，即可移动电极422处于如图28A中及图28C左边所示的状态时，可移动电极422和固定电极421的顶面所反射的光被空间滤波器404遮断。另一方面，当衍射光栅-光调制元件410处于工作状态，即可移动电极422处于图28B中和图28C右边所示的状态时，可移动电极422和固定电极421所衍射的±1级(m_Dif＝1)衍射光通过空间滤波器404。如上所述的这一配置允许对光进行开/关控制。可移动电极422的顶面与固定电极421的顶面之间的高度之差Δh₁可通过改变对可移动电极422所施加的电压来改变。因此，可改变衍射光的强度来实现灰度控制。

第五工作示例

第五工作示例是第二工作示例的修改，并且它是根据本发明第二和第八实施例的三维图像显示装置。图30中示出了第五工作示例的三维图像显示装置的概念视图。

参考图30，第五工作示例的三维图像显示装置包括光调制部分230，它与第二工作示例的三维图像显示装置的液晶显示装置不同。具体而言，光调制部分230包括：一维空间光调制器(具体而言，衍射光栅-光调制装置401)，用于形成被分为P(例如，1,920)个部分的一维图像；扫描光学系统(具体而言，扫描镜405)，用于对由一维空间光调制器(衍射光栅-光调制装置401)所形成的、被分成P个部分的一维图像进行二维扩展(扫描)，以形成被分成P×Q个部分的二维图像；以及格型滤波器(衍射光栅滤波器)332，它被布置在二维图像的形成平面上，用于沿与多个衍射级(具体而言，总计M×N个衍射级)对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率。在此，格型滤波器332为由光学扫描系统(扫描镜405)所形成的、被分成P×Q个部分的二维图像的每个部分产生M×N道衍射光。应当注意，格型滤波器332另外可用振幅光栅或是相位光栅构成。

以下将描述根据本发明第八实施例的三维图像显示装置的部件。具体而言，第五工作示例的三维图像显示装置501包括：

(A)光源110；

(B)二维图像形成装置230，包括用于产生一维图像的一维空间光调制器(具体而言，衍射光栅-光调制装置401)，用于对由一维空间光调制器所产生的一维图像进行二维扩展以产生二维图像的扫描光学系统(具体而言，扫描镜405)，以及布置在二维图像的产生平面上、用于为每个像素产生多个衍射级的衍射光的衍射光产生部分(具体而言，格型滤波器332)；

(C)第一透镜L₁，其前焦面上布置了衍射光产生部分(格型滤波器332)；

(D)图像限制开口部分533，它被布置在第一透镜L₁的后焦面上，用于允许预定衍射级的衍射光(例如，其载波频率是平面波分量的零级衍射的与一级衍射对应的傅立叶变换图像)通过；

(E)第二透镜L₂，其前焦面上布置了图像限制开口部分533；

(F)过采样滤波器OSF，它被布置在第二透镜L₂的后焦面上，并且具有沿X方向和Y方向排列成二维矩阵的P₀×Q₀个(P₀和Q₀是任意正整数)开口，用于基于由第二透镜L₂所形成的二维图像的共轭像，为每个开口区产生总计M×N道衍射光，包括沿X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光(m和m′是整数而M是正整数)，以及沿Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光(n和n′是整数而N是正整数)；

(G)第三透镜L₃，其前焦面上布置了过采样滤波器OSF；

(H)空间滤波器SF，它被布置在第三透镜L₃的后焦面上，并具有总计M×N个开口551，包括沿X方向的M个开口551和沿Y方向的N个开口551，这些开口能够在打开和关闭状态之间被控制；

(I)第四透镜L₄，其前焦面上布置了空间滤波器SF；以及

(J)第五透镜L₅，其前焦点放在第四透镜的后焦点处。

除了前述以外，第五工作示例的三维图像显示装置在配置和结构上可以与以上结合第二工作示例所描述的三维图像显示装置相类似。应当注意，第五工作示例中的一维空间光调制器(衍射光栅-光调制装置401)、扫描透镜系统331、格型滤波器(衍射光栅滤波器)332和衍射光栅-光调制元件410可被配置成分别与第四工作示例中的一维空间光调制器(衍射光栅-光调制装置401)、扫描透镜系统331、格型滤波器(衍射光栅滤波器)332和衍射光栅-光调制元件410相类似。

第六工作示例

第六工作示例是第三工作示例的修改。图31中示出了第六工作示例的三维图像显示装置的概念视图。

参考图31，第六工作示例的三维图像显示装置包括光调制部分230，它与第三工作示例的三维图像显示装置的液晶显示装置不同。具体而言，光调制部分230包括：一维空间光调制器(具体而言，衍射光栅-光调制装置401)，用于形成被分为P(例如，1,920)个部分的一维图像；以及扫描光学系统(具体而言，扫描镜405)，用于对由一维空间光调制器(衍射光栅-光调制装置401)所形成的、被分成P个部分的一维图像进行二维扩展(扫描)，以形成被分成P×Q个部分的二维图像。此外，光学装置635被布置在扫描光学系统后面。光学装置635被布置在二维图像的产生平面上，并且沿与多个衍射级(具体而言，M×N个衍射级)对应的衍射角发射所产生的二维图像的空间频率。

除了前述以外，第六工作示例的三维图像显示装置在配置和结构上可以与以上结合第三工作示例所描述的三维图像显示装置相类似。因此，为避免赘述，在此省略对第七工作示例的配置和结构的重复描述。应当注意，第六工作示例中的一维空间光调制器(衍射光栅-光调制装置401)、扫描透镜系统331、格型滤波器(衍射光栅滤波器)332和衍射光栅-光调制元件410可被配置成分别与第四工作示例中的一维空间光调制器(衍射光栅-光调制装置401)、扫描透镜系统331、格型滤波器(衍射光栅滤波器)332和衍射光栅-光调制元件410相类似。

第七工作示例

第七工作示例是第一工作示例的修改。图32中示出了第七工作示例的三维图像显示装置的概念视图。在第一、第二或第三工作示例的三维图像显示装置中，使用了透光型二维图像形成装置130、530或630。另一方面，在第七工作示例的三维图像显示装置中，使用了反射型光调制部分(二维图像形成装置)130A、530A或630A。反射型光调制部分(二维图像形成装置)130A、530A或630A可用例如反射型液晶显示装置构成，或可具有在每个开口中设置一个可移动镜的配置(以二维地排列可移动镜的二维MEMS构成的配置)。通过可移动镜的位移/非位移可形成二维图像，并且由开口产生了夫琅和费衍射。应当注意，图32中省略了光学装置。

此外，在第七工作示例的三维图像显示装置中，在z轴(光轴)上设置了分光器170。分光器170具有根据偏振光分量之差来通过或反射光线的功能。分光器170将从光源110发射的光向反射型光调制部分(二维图像形成装置)130A、530A或630A反射。此外，分光器170使来自光调制部分(二维图像形成装置)130A、530A或630A的反射光通过。除此之外，第七工作示例的三维图像显示装置在配置和结构上可以与以上结合第一、第二或第三工作示例所描述的三维图像显示装置相类似。因此，为避免赘述，在此省略对第七工作示例的配置和结构的重复描述。

尽管以上基于优选工作示例来描述本发明的图像再现装置，但是本发明的图像再现装置并不局限于这些优选工作示例。此外，尽管以上基于优选工作示例描述了本发明的三维图像显示装置，但是三维图像显示装置并不局限于第一到第七工作示例。尽管在诸工作示例中，构成过采样滤波器的格型滤波器是用相位光栅构成的，但是它也可替换地用振幅光栅来构成。

并且，在二维图像形成装置630与光学装置635之间布置例如两个凸透镜，以使二维图像形成装置630被布置在第一凸透镜的前焦面上，第二凸透镜的前焦点被放在第一凸透镜的后焦面上，而光学装置635被布置在第二凸透镜的后焦面上也是可能的。并且替换地用凹透镜来构成形成光学装置635的每个光学元件636也是可能的。在此情况中，虚拟开口区637被定位在二维图像形成装置前方(光源一侧)。此外，光学元件636可用菲涅耳透镜取代普通透镜来构成。

在第一、第四和第七工作示例中，光调制部分(二维图像形成装置)130或130A或是衍射光产生部分被布置在构成傅立叶变换图像形成部分140的透镜(第一透镜L₁)的前焦面上，而傅立叶变换图像选择部分被布置在该透镜(第一透镜L₁)的后焦面上。但是，遇必要时，如果允许最终所获得的三维图像因为随二维图像的空间频率出现的串音而发生退化，则光调制部分(二维图像形成装置)130或130A或者衍射光产生部分可被布置在从构成傅立叶变换图像形成部分140的透镜(第一透镜L₁)的前焦面移开的位置处。此外，第一透镜L₁、第二透镜L₂和第三透镜L₃并不限于凸透镜，而是可选地可用合适的透镜来构成。此外，在第二、第五和第七工作示例中，过采样滤波器OSF被布置在构成傅立叶变换图像形成部分540(空间滤波器SF)的透镜(第三透镜L₃)的前焦面上，而傅立叶变换图像选择部分550被布置在该透镜(第三透镜L₃)的后焦面上。但是，遇必要时，如果允许最终所获得的三维图像因为随二维图像的空间频率出现的串音而发生退化，则过采样滤波器OSF可被布置在从构成傅立叶变换图像形成部分540的透镜(第三透镜L₃)移开的位置处，或者傅立叶变换图像选择部分550(空间滤波器SF)可被布置在从该透镜(第三透镜L₃)的后焦面移开的位置处。此外，第一透镜L₁、第二透镜L₂、第三透镜L₃、第四透镜L₄和第五透镜L₅中的每一个都不限于凸透镜，而是可以选择性地用合适的透镜来构成。此外，在第三、第六和第七工作示例中，构成光学装置635的光学元件636的焦点被放在构成傅立叶变换图像形成部分640的透镜(第一透镜L₁)的前焦面上，并且傅立叶变换图像选择部分被布置在该透镜(第一透镜L₁)的后焦面上。但是，遇必要时，如果允许最终所获得的三维图像因为随二维图像的空间频率出现的串音而发生退化，则构成光学装置635的光学元件636的焦点可被放在从构成傅立叶变换图像形成部分640的透镜(第一透镜L₁)的前焦面移开的位置处，或者傅立叶变换图像选择部分可被布置在从该透镜(第一透镜L₁)的后焦面移开的位置处。此外，第一透镜L₁、第二透镜L₂和第三透镜L₃中的每一个都不限于凸透镜，而是可以选择性地用合适的透镜来构成。

尽管假定在第一到第七工作示例中，所有情形中的光源都被构成为发射单色的光或几乎单色的光的光源，但是光源并不限于所描述的这一配置。光源110的波长频带可扩展到多个频带上。但是，在此示例中，例如，如果以第一工作示例的三维图像显示装置为例，则优选执行波长选择的窄带滤波器171被布置在照明光学系统120与光调制部分(二维图像形成装置)130之间，如图33A中所示。由此，可对波长频带进行分类和选择以提取单色光。

或者，光源110的波长频带可扩展到一个很宽的频带上。但是，在此情况中，优选将二向棱镜172和执行波长选择的窄带滤波器171G布置在照明光学系统120与光调制部分(二维图像形成装置)130之间，如图33B中可见。具体而言，二向棱镜172朝相互不同的方向反射红光和蓝光，并通过包括绿光的光线。用于分类和选择绿光的窄带滤波器171G被布置在二向棱镜172中包括绿光的光线出射的出射侧。

此外，如果如图34中可见，用于分类和选择绿光的窄带滤波器171G被布置在二向棱镜172中包括绿光的光线出射的出射侧，并且用于分类和选择红光的窄带滤波器171R被布置在二向棱镜172中包括红光的光线出射的出射侧，而用于分类和选择蓝光的窄带滤波器171G被布置在二向棱镜172中包括蓝光的光线出射的出射侧，则可配置能显示三原色的三维图像显示装置所使用的光源。如果使用了具有上述配置的三维图像显示装置，或是使用了发射红光的光源与三维图像显示装置的组合、发射绿光的另一光源与另一三维图像显示装置的另一组合、以及发射蓝光的又一光源与又一三维图像显示装置的组合以使用例如光线组合棱镜组合来自三维图像显示装置的图像，则可实现彩色显示。应当注意，可使用二向色镜来取代二向棱镜。此外，对三维图像显示装置如上所述的修改自然也可被应用于第二到第七工作示例。

此外，根据本发明第二或第五实施例的三维图像显示装置以及根据第三或第六实施例的三维图像显示装置可被相互组合。

尽管使用了特定术语来描述本发明的优选工作示例，但是这些描述仅仅是出于说明的目的，并且应当理解，可进行改变和变更，而不会偏离所附权利要求书的精神或范围。

Claims (8)

1.一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)具有多个像素的光调制部分，用于通过所述像素来调制来自所述光源的光以产生二维图像，并沿与从每个所述像素产生的多个衍射级对应的衍射角来发射所产生的二维图像的空间频率；

(C)傅立叶变换图像形成部分，用于对从所述光调制部分发射的二维图像的空间频率执行傅立叶变换，以产生个数与所述多个衍射级数对应的傅立叶变换图像；

(D)傅立叶变换图像选择部分，用于选择由所述傅立叶变换图像形成部分所产生的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的一个；以及

(E)共轭像形成部分，用于形成由所述傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

2.一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)具有多个像素的光调制部分，用于通过所述像素来调制来自所述光源的光以产生二维图像，并沿与从每个所述像素产生的多个衍射级对应的衍射角来发射所产生的二维图像的空间频率；

(C)图像限制与产生部分，用于对从所述光调制部分发射的二维图像的空间频率执行傅立叶变换，以产生个数与从每个所述像素产生的衍射级数对应的傅立叶变换图像，仅选择所述傅立叶变换图像中预定的一个，然后对所选择的傅立叶变换图像执行傅立叶逆变换以产生由所述光调制部分所产生的二维图像的共轭像；

(D)具有多个开口区的过采样滤波器，用于沿与从所述开口区产生的多个衍射级对应的衍射角发射所述二维图像的共轭像的空间频率；

(E)傅立叶变换图像形成部分，用于对从所述过采样滤波器发射的二维图像的共轭像的空间频率执行傅立叶变换，以产生个数与从每个所述开口区产生的衍射级数对应的傅立叶变换图像；

(F)傅立叶变换图像选择部分，用于选择由所述傅立叶变换图像形成部分所产生傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的一个；以及

(G)共轭像形成部分，用于形成由所述傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

3.一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)具有多个像素的二维图像形成装置，用于基于来自所述光源的光产生二维图像；

(C)光学装置，用于沿与多个衍射级对应的衍射角发射从所述二维图像形成装置入射的二维图像的空间频率，所述光学装置包括布置成二维矩阵的多个光学元件，每一个所述光学元件都具有对入射到所述光学元件的光进行折射以将所述光基本上会聚到一点的屈光力，并且具有用于调制透过所述光学元件的光的相位的相位光栅的功能；

(D)傅立叶变换图像形成部分，用于对从所述光学装置发射的二维图像的空间频率执行傅立叶变换，以产生个数与衍射级数对应的傅立叶变换图像；

(E)傅立叶变换图像选择部分，用于选择由所述傅立叶变换图像形成部分所产生的傅立叶变换图像中与所需衍射级对应的一个；以及

(F)共轭像形成部分，用于形成由所述傅立叶变换图像选择部分所选择的傅立叶变换图像的共轭像。

4.一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)二维图像形成装置，它具有沿X方向和Y方向布置成二维矩阵的P×Q个开口，用于通过对每个所述开口控制来自所述光源的光的通过、反射或衍射来产生二维图像，并基于所述二维图像，为每个所述开口产生总计M×N道衍射光，包括沿所述X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光，以及沿所述Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光，其中P和Q是任意正整数，m和m′是整数而M是正整数，n和n′是整数而N是正整数；

(C)第一透镜，其前焦面上布置了所述二维图像形成装置；

(D)空间滤波器，它被布置在所述第一透镜的后焦面上，并具有总计M×N个开口，包括沿所述X方向布置的M个开口，以及沿所述Y方向布置的N个开口，所述开口能够在打开与关闭状态之间被控制；

(E)第二透镜，其前焦面上布置了所述空间滤波器；以及

(F)第三透镜，其前焦点被放在所述第二透镜的后焦点上。

5.一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)二维图像形成装置，它具有沿X方向和Y方向布置成二维矩阵的多个开口，用于通过对每个所述开口控制来自所述光源的光的通过、反射或衍射来产生二维图像，并基于所述二维图像，为每个所述开口产生多个衍射级的衍射光；

(C)第一透镜，其前焦面上布置了所述二维图像形成装置；

(D)图像限制开口部分，它被布置在所述第一透镜的后焦面上，用于仅允许预定衍射级的衍射光通过所述图像限制开口部分；

(E)第二透镜，其前焦面上布置了所述图像限制开口部分；

(F)过采样滤波器，它被布置在所述第二透镜的后焦面上，并且具有沿X方向和Y方向排列成二维矩阵的P₀×Q₀个开口区，用于基于由所述第二透镜所产生的二维图像的共轭像来为每个所述开口区产生总计M×N道衍射光，包括沿所述X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光，以及沿所述Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光，其中P₀和Q₀是任意正整数，m和m′是整数而M是正整数，n和n′是整数而N是正整数；

(G)第三透镜，其前焦面上布置了所述过采样滤波器；

(H)空间滤波器，它被布置在所述第三透镜的后焦面上，并具有总计M×N个开口，包括沿所述X方向的M个开口，以及沿所述Y方向的N个开口，所述开口能够在打开与关闭状态之间被控制；

(I)第四透镜，其前焦面上布置了所述空间滤波器；以及

(J)第五透镜，其前焦点被放在所述第四透镜的后焦点上。

6.一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)具有多个像素的二维图像形成装置，用于基于来自所述光源的光来产生二维图像；

(C)光学装置，用于沿与多个衍射级对应的衍射角发射从所述二维图像形成装置入射的二维图像的空间频率，所述光学装置包括沿X方向和Y方向布置成二维矩阵的P₀×Q₀个光学元件，并且每个所述光学元件都具有对入射到所述光学元件的光进行折射以将所述光基本上会聚到一点的屈光力，并且具有用于调制透过所述光学元件的光的相位的相位光栅的功能，其中P₀×Q₀是任意正整数；

(D)第一透镜，其前焦面上放置了所述光学装置中的所述光学元件的焦点；

(E)空间滤波器，它被布置在所述第一透镜的后焦面上，并具有M×N个开口，包括沿所述X方向布置的M个开口，以及沿所述Y方向布置的N个开口，并且所述开口能够在打开和关闭状态之间被控制；

(F)第二透镜，其前焦面上布置了所述空间滤波器；以及

(G)第三透镜，其前焦点上放置了所述第二透镜的后焦点。

7.一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)二维图像形成装置，它包括沿X方向具有P个像素的一维空间光调制器，用于产生一维图像；扫描光学系统，用于对由所述一维空间光调制器所产生的一维图像进行二维扩展以产生二维图像；以及衍射光产生部分，它被布置在所述二维图像的产生平面上，用于为每个所述像素产生从m到m′级的M道衍射光，其中m和m′是整数而M是正整数；

(C)第一透镜，其前焦面上布置了所述衍射光产生部分；

(D)空间滤波器，它被布置在所述第一透镜的后焦面上，并具有总计M×N个开口，包括沿所述X方向的M个开口，以及沿所述Y方向的N个开口，其中N是正整数，所述开口能够在打开和关闭状态之间被控制；

(E)第二透镜，其前焦面上布置了所述空间滤波器；以及

(F)第三透镜，其前焦点被放在所述第二透镜的后焦点上。

8.一种三维图像显示装置，包括：

(A)光源；

(B)二维图像形成装置，它包括一维空间光调制器，用于产生一维图像；扫描光学系统，用于对由所述一维空间光调制器所产生的一维图像进行二维扩展以产生二维图像；以及衍射光产生部分，它被布置在所述二维图像的产生平面上，用于为每个像素产生多个衍射级的衍射光；

(C)第一透镜，其前焦面上布置了所述衍射光产生部分；

(D)图像限制开口部分，它被布置在所述第一透镜的后焦面上，用于仅允许预定衍射级的衍射光通过所述图像限制开口部分；

(E)第二透镜，其前焦面上布置了所述图像限制开口部分；

(F)过采样滤波器，它被布置在所述第二透镜的后焦面上，并且具有沿X方向和Y方向排列成二维矩阵的P₀×Q₀个开口区，用于基于由所述第二透镜所形成的二维图像的共轭像来为每个所述开口区产生总计M×N道衍射光，包括沿所述X方向从m级到m′级衍射光的M道衍射光，以及沿所述Y方向从n级到n′级衍射光的N道衍射光，其中P₀和Q₀是任意正整数，m和m′是整数而M是正整数，n和n′是整数而N是正整数；

(G)第三透镜，其前焦面上布置了所述过采样滤波器；

(H)空间滤波器，它被布置在所述第三透镜的后焦面上，并具有总计M×N个开口，包括沿所述X方向的M个开口，以及沿所述Y方向的N个开口，所述开口能够在打开和关闭状态之间被控制；

(I)第四透镜，其前焦面上布置了所述空间滤波器；以及

(J)第五透镜，其前焦点被放在所述第四透镜的后焦点上。

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