JP3268625B2 - ３次元画像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータで表
現、処理された３次元物体を表示する３次元画像表示装
置に関し、より詳細には、移動するスクリーン面を光ビ
ーム、或いは点照射光により走査する体積走査型の当該
表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、空間に３次元像を再現させるディ
スプレイとして、体積走査法による３次元ディスプレイ
がある。この方式の３次元ディスプレイは、立体視用の
眼鏡などの特殊な装置を必要とすることがなく、また、
自然な焦点合わせを可能とする３次元画像が表示でき
る、などといった特徴がある。図３６に、この従来の体
積走査方式による３次元画像表示装置の概略図を示す。
図３６では、説明を簡単にするために、５枚の切断面像
を表示する例を示している。３次元画像表示装置１０１
は、レーザ光源１０２、変調器１０４、ＸＹ偏向器１０
５、制御コンピュータ１０７、画像データメモリ１０
９、移動平面スクリーン１１１から基本的に構成されて
いる。まず、表示したい３次元画像データ１０８（図で
は球状物体）を用意する。図３６中の移動平面スクリー
ン１１１は、Ａの位置からＥの位置まで一定速度で移動
し、瞬時にＡの位置に戻るという動作を繰り返す。移動
平面スクリーン１１１の各位置Ａ〜Ｅに対応した３次元
画像の切断面像Ａ´〜Ｅ´を、制御コンピュータ１０７
によって変調器１０４およびＸＹ偏向器１０５を制御
し、レーザ光１０６をラスタスキャンにより移動平面ス
クリーン１１１に順次投射していく。この時、移動平面
スクリーン１１１の移動速度、及びレーザ光１０６の走
査速度が十分に高速で相互に同期がとれていれば、移動
平面スクリーン１１１の面積×移動ストロークの空間
に、目の残像現象により３次元画像１１０が表示でき
る。

【０００３】この従来例では、上述したように、スクリ
ーンをある位置まで一定速度で移動し、その後瞬時に最
初の位置まで戻すこと、すなわちスクリーンを時間に対
して鋸波状にかつ高速に移動させる方式を用いている。
他の従来例としては、図３７に示すように、回転角に比
例して高さが連続的に変化する螺旋の性質を利用したス
クリーン１１２が用いられる。つまり、このスクリーン
１１２を回転軸１１３で回転させることにより、時間に
対して鋸波状に運動する平面スクリーンと同等の働きを
させることができる。

【０００４】これらの従来の装置では、スクリーン１１
１，１１２のレーザ光の投射点からの反射・散乱光はあ
らゆる方向に向かうことから、この装置によって得られ
る３次元画像は、原理上裏側が透けて見える半透明像と
なる問題点があった。これにより、予め切断像をもつＣ
Ｔ像などの３次元表示、航空管制レーダなどの空間的な
位置関係を示すディスプレイ、などのようにその応用が
限定されるものであった。

【０００５】また、特開平６−８２６１２号公報には、
回折格子アレイを用いた立体像表示装置が開示されてい
る。これは、回折格子からなるセルを平面状の基板に複
数個配列した回折格子アレイにおいて、前記セルを分割
し、この各分割領域を各視差画像のピクセルに対応させ
ることで立体像を表示している。この方式は、視差を持
つ画像の表示ができるという特徴がある。図３９は、こ
の回折格子アレイの概略図を示すものである。回折格子
からなるセル１３１を、平面状の基板１３２に複数個配
列し、上記セルを勾配および格子間隔が近い領域で空間
的に分割し、この各分割領域を各視差画像に対応させた
回折格子アレイを得ている。この回折格子アレイ１２１
を基本デバイスとして用いて、視差を持つ立体像の表示
を可能としている。

【０００６】図３８は、回折格子アレイ１２１を用いた
立体像表示装置の概略図を示すものである。この立体像
表示装置は、回折格子アレイ１２１と、回折格子アレイ
１２１の後面に設けられた空間光変調素子である液晶表
示素子１２２と、液晶表示素子１２２の後面に設けられ
たカラーフィルタ層１２３とから構成されている。この
立体像表示装置において、微小領域について考えると、
白色の入射光に対して、カラーフィルタ層１２３により
入射光の中からある波長が選択され、液晶表示装置１２
２により光の透過／遮断が選択されて、透過した光は回
折格子アレイ１２１に到達する。ここで、回折格子アレ
イ１２１は、光透過性の樹脂板等で形成されており、到
達した光は透過時に回折される。この時、回折光の出射
方向は、この微小領域の勾配と格子間隔により回折角と
して決まる。そして、この回折角の方向から観察する
と、この微小領域が選択された波長の色で光って見え
る。

【０００７】また、従来において、２次元または３次元
の画像表示装置で隠線／隠面消去が行われているが、そ
こに用いられるものとして、Ｚバッファ法がある。これ
は、画像データメモリの各画素に対応した奥行き方向の
距離データを記録するメモリである。新たに画素データ
を画像データメモリに出力するとき、Ｚバッファのデー
タと比較して、視点から距離が近いときにだけ画像デー
タメモリとＺバッファメモリとの内容を更新する方法で
ある。

【０００８】そして、従来の体積走査方式システムによ
って得られる３次元画像は、上述したように、原理上裏
側が透けて見える半透明像となる欠点があったために、
予め切断像をもつＣＴ像などの３次元表示，航空管制レ
ーダなどの空間的な位置関係を示すディスプレイなどの
ように、応用が限定されていたので、これを解消するた
めに、隠線／隠面消去などを行うこともできたが、その
場合は、視点が一箇所に限られており、複数の人が同時
に見ることができなかった。

【０００９】また、特開平６−８２６１２号公報に開示
されているディスプレイにより得られる画像は、レンチ
キュラーステレオグラムと同じく、完全な３次元画像で
はなく、ステレオグラム画像であった。そのため、３次
元画像の表示面と表示物体の位置がずれていた。さら
に、隠線／隠面処理を行う際に、Ｚバッファ法では視点
の方向が限られていて、複数の人が同時に見ることがで
きる画像を得ることができなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来の技術における問題点に鑑みてなされたもので、その
課題は、表示される画像が半透明像とならないような表
示の条件を選択することも可能となるようにして、自然
な３次元画像を得て、その応用範囲を拡大することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、スク
リーンと、該スクリーン面上の照射位置を指定可能にす
るとともに、該指定位置の光に変調を与えることによ
り、変調光が発生されるようにした変調光発生手段と、
所定の空間を体積走査するように前記スクリーンを移動
させる手段と、３次元画像データを入力するデータ入力
手段と、前記スクリーンに前記３次元画像データに基づ
いて画像表示を行うように上記各手段を制御する制御手
段とを備える３次元画像表示装置において、前記スクリ
ーンが複数の表示画素からなり、さらに該表示画素が複
数の回折素子からなるとともに、該回折素子に照射され
る光を発生させる前記変調光発生手段における光の変調
の制御が、前記３次元画像データに基づいて該回折素子
の単位で前記制御手段によって行われるようにし、画素
を構成する各回折素子の特性を変えて作ることにより、
該回折素子ごとに表示画素に作用する光の出力光が異な
る方向を向くようにし、しかも、その出力回折光を制御
手段により制御することができるので、種々の表示内容
に対応して手段を適応させることができ、より現実に近
い表示が可能となるものである。

【００１２】請求項２の発明は、上記請求項１の発明に
おいて、前記変調光発生手段が干渉性を有する光ビーム
を発生する手段と、前記光ビームを変調する変調手段
と、該変調手段からの前記光ビームを２次元走査させる
走査手段とし、変調光発生手段の機能をそれぞれ分担す
るかかる要素手段によって構成されるようにしたもので
ある。

【００１３】請求項３の発明は、上記請求項１の発明に
おいて、前記変調光発生手段が、前記スクリーン面全体
を同時に照射し得る光発生手段と、前記スクリーンと一
体化可能にして該光発生手段からの光の透過率を空間的
に変調可能な変調手段により構成されるようにし、走査
光学系が不要でよりコンパクトとするものである。

【００１４】請求項４の発明は、上記請求項３の発明に
おいて、前記光の透過率を空間的に変調可能な変調手段
として液晶パネルを用いるようにし、走査光学系が不要
でよりコンパクトな３次元画像表示装置の具体化を可能
とするものである。

【００１５】請求項５の発明は、上記請求項１の発明に
おいて、前記変調光発生手段が前記スクリーンと一体化
可能にして各照射位置に配され各々の発光が変調可能な
複数の発光素子により構成されるようにし、走査光学系
やスクリーン面全体を照明するための光ビーム径拡大光
学系が不要でコンパクトとするものである。

【００１６】請求項６の発明は、上記請求項５の発明に
おいて、前記複数の発光素子としてレーザ発光アレイを
用いるようにし、変調を高速化し得るものである。

【００１７】請求項７の発明は、上記請求項５の発明に
おいて、前記複数の発光素子としてＬＥＤアレイを用い
るようにし、変調を高速化し、かつ安価に提供し得るも
のである。

【００１８】請求項８の発明は、上記請求項１ないし７
のいずれかの発明において、前記回折素子に入射させる
光を平行光とし、この光によってスクリーンの走査を行
う間、スクリーン上で光の作用を受ける表示面を有効に
利用することになるので、装置空間の利用効率が高く、
必要とする回折素子の作成も容易になし得るものであ
る。

【００１９】請求項９の発明は、上記請求項８の発明に
おいて、前記平行光を回折素子に斜めに入射させる光と
するようにしたものである。

【００２０】請求項１０の発明は、上記請求項９の発明
において、前記斜めに入射させる光を生じる手段を前記
回折素子と一体化可能な手段とするようにしたものであ
る。

【００２１】請求項１１の発明は、上記請求項１０の発
明において、前記回折素子と一体化可能な手段として光
ファイバ束を用いるようにしたものである。

【００２２】請求項１２の発明は、上記請求項１ないし
１１のいずれかの発明において、前記回折素子を要素ホ
ログラムとし、製作が容易で素子性能の良い当該表示画
素及び当該スクリーンをもつものとなし得る。

【００２３】請求項１３の発明は、上記請求項１ないし
１２のいずれかの発明において、前記回折素子をブレー
ズド回折格子とし、＋１次回折光以外の回折光を生じさ
せないようにしたものである。

【００２４】請求項１４の発明は、上記請求項１ないし
１３のいずれかの発明において、前記制御手段が、前記
３次元画像データに基づいて前記表示画素における複数
の回折素子から出射し得る各回折光の中で隠線／隠面に
あたる回折光の方向を決定し、その決定に従って前記表
示画素における各回折素子に照射する光の変調を制御
し、隠線／隠面消去を行うようにしたものである。

【００２５】請求項１５の発明は、上記請求項１４の発
明において、隠線／隠面にあたる前記回折光の方向は、
前記各回折素子から出射し得る光の光線追跡を用いて該
光線の３次元画像による遮断を求めることにより決定さ
れるようにしたものである。

【００２６】請求項１６の発明は、上記請求項１５の発
明において、前記光線追跡の際に前記３次元画像を複数
の領域に分割するようにしたものである。

【００２７】請求項１７の発明は、上記請求項１６の発
明において、前記３次元画像データとして画像の奥行き
情報を用いるようにしたものである。

【００２８】請求項１８の発明は、上記請求項１ないし
１７のいずれかの発明において、前記スクリーンにおけ
る複数の表示画素を２次元の表示領域を構成するように
分布させるとともに、該スクリーンを移動させる前記移
動手段を残りの１次元に移動させるようにし、２次元の
表示領域を構成するスクリーンで、しかも、集合表示画
素を有する該スクリーンにより、製作が容易でより表示
性能の良い当該３次元画像表示装置を得ようとするもの
である。

【００２９】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は、本発明の３次元画像表示
装置の実施の形態の概略図を示すものである。図１で
は、説明を簡単にするために、５枚の切断面像を表示す
る例を示している。３次元画像表示装置１は、レーザ光
源２、変調器４、ＸＹ偏向器５、制御コンピュータ７、
画像データメモリ９、移動平面スクリーン１１、及び投
射レンズ１２、画像データ作成用コンピュータ７′から
基本的に構成されている。また、図２は、移動平面スク
リーン１１に関する模式図で、同図に示すように、移動
平面スクリーン１１は、多数の画素（例えば、１００×
１００画素）から構成されており（図２（II））、その
画素は多数の回折素子（図では、５×５の回折素子）か
ら構成されている（図２（III））。なお、制御コンピ
ュータ７と画像データ作成用コンピュータ７′は、同一
のコンピュータでも良い。図１において、まず、表示し
たい３次元画像データ８（図では球状物体）を画像デー
タメモリ９に用意する。ここで用意する３次元画像デー
タ８は、従来例の３次元画像データに加えて、表示しよ
うとする画像の各点（各画像）の位置関係のデータも含
めて持っている。これにより、表示物体の裏側が透けて
見えないように表示することもできるようになる。

【００３０】移動平面図スクリーン１１は、図２（Ｉ）
に示されるようにＡの位置からＥの位置まで一定速度で
移動し、瞬時にＡの位置に戻るという動作を繰り返す。
その過程で、図１に示すように、移動平面スクリーン１
１の各位置Ａ〜Ｅに対応した３次元画像の切断面像Ａ´
〜Ｅ´が形成される。これは、制御コンピュータ７によ
って変調器４およびＸＹ偏向器５を制御し、レーザ光６
をラスタスキャンにより移動平面スクリーン１１に順次
投射していくことによる。ここで、前出の従来技術の方
式ではレーザ光のラスタスキャンによって表示される画
像の１画素は、レーザ光をあらゆる方向（スクリーンに
対して上面方向）に拡散しているのに対し、本発明では
１画素を多数の回折素子に分割し、分割された回折素子
からの各回折光が１点から放射されるビームとなるよう
に１画素から反射される光の方向を制御している。基本
的には、各点（ポリゴンデータの場合は各面）が見える
か見えないかを判断し、その画素のどの回折素子にレー
ザ光を照射するか決定し制御する。したがって、従来技
術方式では画素単位でラスタスキャンしていたものを、
必然的に本発明方式では、回折素子単位にラスタスキャ
ンすることになる。

【００３１】この時、移動平面スクリーン１１の移動速
度、及びレーザ光６の走査速度が十分に高速で相互に同
期がとれていれば、移動平面スクリーン６の面積×移動
ストロークの空間に、目の残像現象により３次元画像１
０が表示できる。なお、投射レンズ１２は、移動平面ス
クリーン１１にレーザ光６を、ほぼ垂直に入射させるた
めに設置してあるもので、この実施形態において望まし
い条件となる。ただし、移動平面スクリーンの構造によ
っては、必ずしもレーザ光を垂直入射させる必要はな
い。図４は、移動平面スクリーン１１に対し斜めにレー
ザ光を入射させた場合の３次元画像表示装置である（こ
の点に関する説明は、後述する（第５の実施の形態）の
記載参照）。

【００３２】次に、その移動平面スクリーン１１の構造
について説明する。この３次元画像表示装置１に用いら
れる移動平面スクリーン１１は、図２（II）に示すよう
に、多数の画素（例えば、１００×１００画素）Ｐｘｙ
から構成されており、その画素は多数の回折素子（図２
（III）では、５×５の回折素子）から構成されてい
る。この実施の形態では、回折素子として、微小な回折
格子としての機能を有する要素ホログラム（ホログラフ
ィック素子）ｈｘｙを用いた。各画素Ｐｘｙは、画像を
表示するレーザ光の移動平面スクリーン１１への入射角
が走査の間一定であれば、同じ画素の繰り返しとなる。
すなわち、画素Ｐｘｙを横１００画素、縦１００画素、
計１万画素並べて、移動平面スクリーン１１を構成す
る。レーザ光の入射角が画素によって異なる場合は、そ
の入射角に応じて、各画素を構成する要素ホログラムを
補正する必要がある。または、表示する３次元画像デー
タを補正してもよい。ここでは、簡単化するために、レ
ーザ光の入射角は、すべての画素に対して等しくほぼ９
０゜であるとする。この場合、同じ画素の繰り返しで移
動平面スクリーン１１を構成できる。

【００３３】それぞれの回折素子を構成する要素ホログ
ラムｈｘｙは、異なる方向にレーザ光を回折することを
可能となされるが、ここで、この画素を構成する要素ホ
ログラムｈｘｙによって、レーザ光がどの様に回折され
るかを図３を用いて説明する。図３は、図１のＭ−Ｍ´
断面において、移動平面スクリーン１１の各位置（Ａ〜
Ｅ）における、画素Ｐ_AM〜画素Ｐ_EMと画素を構成する要
素ホログラムｈｘｙ等によって回折されたレーザ光３０
等の状況を示したものである。表示する３次元画像を球
とし、Ａの位置で画素Ｐ_AMで接しているとする。画素Ｐ
_AMは、移動平面スクリーン１１より上面のあらゆる方向
から見ることができるため、画素Ｐ_AMの中の要素ホログ
ラムにはすべて、レーザ光を照射し、光をあらゆる方向
に回折させる。画素Ｐ_B1Mでは、スクリーンより上面に
ある部分で、一部隠れるため、画素の右端の要素ホログ
ラム部分Ｈ_B1にはレーザ光を照射しない。画素Ｐ_B2Mも
同様に、左端の要素ホログラム部分Ｈ_B2にはレーザ光を
照射しない。同様に、画素Ｐ_C1M、Ｐ_C2Mについては、さ
らに表示物体によって隠れる視野範囲は広くなるため、
それぞれ右端と左端の２列Ｈ_C1，Ｈ_C2の要素ホログラム
をレーザ光で照射しない。画素Ｐ_D1M，Ｐ_D2Mについて
は、画素Ｐ_C1M，Ｐ_C2Mよりさらに表示物体によって隠れ
る視野範囲は広くなるため、それぞれ右端と左端の３列
Ｈ_D1，Ｈ_D2の要素ホログラムをレーザ光で照射しない。
画素Ｐ_EMについては、表示物体の最下部であるため、外
側１列の要素ホログラムを照射する。すなわち、表示画
像自身で隠された方向Ｈ_Eには、光を反射しないよう
に、要素ホログラムの照射、非照射を選択する。実際の
３次元表示動作は、前述の図１による表示動作で明らか
にした方法で、任意に選択できる視点データと３次元画
像データに基づいて制御コンピュータは各画素における
各要素ホログラムのかかる照射、非照射を決め、変調器
４を制御し、これによって、裏側が透けて見えるような
半透明像ではなく、実際の物体と同じような３次元画像
を観察することができる。

【００３４】ここに、画像データメモリ９に蓄積されて
いる３次元画像データ８からの上記した制御を行うため
のデータの作成は、画像データ作成用コンピュータ７′
で行われる。この作成方法を以下に示す。図５及び図６
は、ｘ方向がＸmax画素（本実施例ではＸmax＝１０
０）、ｙ方向がＹmax画素（本実施例ではＹmax＝１０
０）の画像を、奥行きｚ方向がＺmax画素（本実施例で
はＺmax＝５）、要素ホログラムは、各画素Ｈmax個（本
実施例ではＨmax＝５×５）で表示するときの処理手順
を示したものである。画像表示しようとする物体の数
は、Ｏmax（本実施例ではＯmax＝１）とする。

【００３５】まず、処理Ｓ１０１ではｚ方向の座標を０
に、処理Ｓ１０２ではｙ方向の座標を０に、処理Ｓ１０
３ではｘ方向の座標を０に設定する。次に、画素のｘ，
ｙ，ｚ方向の座標ごとの処理を行う。処理Ｓ１０４で
は、画像データを元に、その座標に表示する物体がある
かを調べる。表示物体がないときは、何も表示する必要
がないので、その画素の処理は終了し、次の座標の処理
をするため、処理Ｓ１１６へ移る。何かあるときは、そ
の画素を構成するすべての要素ホログラムについて、光
を照射するかどうかを処理Ｓ１０５以降で調べる。一つ
の画素内の要素ホログラムには、あらかじめ１番から始
まる番号を付けておく。処理Ｓ１０５では、その要素ホ
ログラムの番号Ｈに１を設定する。各要素ホログラム
は、その回折方向が決まっている。その回折方向は、あ
る程度の広がりを持っており、本実施例では、その中心
方向で代表させるが、それ以外の方向で代表させても良
い。例えば、画像に上下方向の視差を持たせない場合
は、上下方向へ少しずれた方向を採用しても良い。

【００３６】回折方向は、図３では、例えば、回折レー
ザ光３０として示されている。その回折方向に沿って要
素ホログラムからの距離Ｌを設定する。処理Ｓ１０６
で、Ｌ＝０とする。表示物体には、あらかじめ１番から
始まる番号を付けておく。処理Ｓ１０７では、物体番号
Ｏ＝１とする。処理Ｓ１０８では、要素ホログラムから
距離Ｌの座標に物体番号Ｏの物体があるのか画像信号を
参照して調べ、要素ホログラムの座標からの光がそこで
遮られているときは処理Ｓ１１４へ、また、遮られてい
ないときは処理Ｓ１０９へ分岐する。処理Ｓ１０９で
は、さらに次の物体を調べるために物体番号Ｏに１を加
える。処理Ｓ１１０では、Ｏを更新しても、ＯがＯmax
以下かを調べる。Ｏmax以下の場合は、処理Ｓ１０８へ
戻り、それ以外の場合は処理Ｓ１１１へ移る。

【００３７】処理Ｓ１１１では、光線追跡で次の座標を
調べるために、Ｌを次の座標まで更新する。処理Ｓ１１
２では、Ｌを更新した結果、３次元表示装置の走査範囲
（表示範囲）を出ていないかを調べる。まだ出ていない
時は、処理Ｓ１０７へ戻る。出ている時は、その要素ホ
ログラムから出た光は何によっても遮られなかった、す
なわち表示されるべきだということがわかる。表示など
の処理を行うため、Ｓ１１３へ移る。処理Ｓ１１３で
は、実際に光を照射し回折させるか、メモリなどにその
情報を記録する。その後、処理Ｓ１１４へ移る。

【００３８】例えば、図３において、画素Ｐ_AMを構成す
る要素ホログラムで回折させたレーザ光は、何によって
も遮られない。よって、これらの要素ホログラムには、
レーザ光を照射するべきであることがわかる。また、画
素Ｐ_BIMを構成する要素ホログラムで回折されるレーザ
光のうちの、部分Ｈ_BIの要素ホログラムで回折されるレ
ーザ光は、自分自身によって遮られることがわかる。し
たがって、この部分Ｈ_BIの要素ホログラムには、レーザ
光を照射しない。処理Ｓ１１４では、次の要素ホログラ
ムを調べるために、要素ホログラム番号に１を加える。
そして、処理Ｓ１１５で新たな要素ホログラム番号がＨ
maxを越えていないか調べ、越えていないときは、次の
要素ホログラムの処理のため、処理Ｓ１０６へ戻る。越
えていた時は、次の座標を調べるために処理Ｓ１１６へ
移る。

【００３９】処理Ｓ１１６では、次の画素へ移るために
ｘへ１を加える。処理Ｓ１１７では、ｘを更新した結
果、ｘがＸmax以上になっていないかを調べる。Ｘmax以
上の場合は、処理Ｓ１１８へ移り、それ以外の場合は処
理Ｓ１０４へ戻る。処理Ｓ１１８から処理Ｓ１２１は、
ｙ，ｚ方向に対してｘ方向と同様な処理を行う。以上の
ようにすることで、要素ホログラムの照射，非照射を選
択することができる。

【００４０】この実施の形態では、物体の数Ｏmaxは１
つだったが、図７のように、３個の場合や、それ以外の
任意の個数の物体に関して本方法が使用できる。

【００４１】次に、移動平面スクリーン１１を構成する
要素ホログラムｈｘｙ、画素Ｐｘｙの作製方法について
説明する。まず、移動平面スクリーン１１を構成する画
素Ｐｘｙがすべて同じ場合について説明する。この場合
は、初めに１画素ホログラムｈｘｙを作製し、その作製
した１画素Ｐｘｙを移動平面スクリーン１１全体に１画
素づつ転写していくことで、移動平面スクリーン１１を
作製する。初めに、要素ホログラムｈｘｙの作製方法に
ついて説明する。図８、及び図９に示す配置の光学系に
より、フォトポリマーからなるホログラム用感光材料を
露光した。ホログラム感光材料としてフォトポリマーを
用いた。例えば、HRF-7000X015-20（デュポン製）が使
用できる。

【００４２】図８は、図２（III）のＭ−Ｍ´断面の要
素ホログラムｈ₁₃〜ｈ₅₃のうち、要素ホログラムｈ₁₃を
作製する場合の状況を示している。ホログラム作製部ｈ
´₂₃〜ｈ´₅₃は、まだ感光させていないホログラム材料
６５の部分を示している。図８において、レーザ装置４
１から出射したレーザ光６６はミラー４３を介してビー
ムスプリッタ４４で分割される。ビームスプリッタ４４
を透過したレーザ光は、ビームスプリッタ４５，４６，
４７，４８，４９へ向かう。まず、要素ホログラムｈ₁₃
を作製するために、シャッタ５５を開き、ビームスプリ
ッタ４５で反射したレーザ光５０のみをホログラム感光
材料６５の要素ホログラムｈ₁₃の位置に照射する。この
とき、ホログラム感光材料６５へのレーザ光５０の入射
角は、図１のレーザ光６のスクリーンへの入射角と等し
く約９０゜に設定する。一方、ビームスプリッタ４４で
反射したレーザ光６７は、ミラー６０で反射され、対物
レンズ６１、コリメートレンズ６２でビーム径を拡大
し、ミラー６３、集光レンズ６４により集光されたレー
ザ光６８として、要素ホログラムｈ₁₃の位置に照射され
る。それぞれのレーザ光が干渉し、リップマンタイプ
（体積型）の要素ホログラムｈ₁₃が作製できる。

【００４３】次に、要素ホログラムｈ₂₃を作製する場合
を図９に示す。まずホログラム感光材料６５の位置を、
レーザ光６８が、要素ホログラムｈ₂₃の位置に照射され
るように移動する。また、要素ホログラムｈ₁₃作製時と
同様に、レーザ光５１がホログラム感光材料６５に、ほ
ぼ９０゜で入射するように、ホログラム感光材料６５の
傾きも調整する。シャッタ５５を閉め、シャッタ５６を
開くとビームスプリッタ４６で反射されたレーザ光５１
がシャッタ５６を通過し、要素ホログラムｈ₂₃の位置に
照射され、要素ホログラムｈ₂₃が作製できる。同様にし
て、ホログラム感光材料６５の位置と傾きを変えなが
ら、他の要素ホログラムも作製できる。例えば、５×５
＝２５個の要素ホログラム（図２（III））を作製し
て、１画素が完成する。ここに、集光レンズ６４の開口
数は、一つの要素ホログラムｈｘｙが見える視域を決定
しており、要素ホログラムｈｘｙの数との積で１画素Ｐ
ｘｙの視域が決まる。１画素Ｐｘｙの視域はほぼ画像全
体の視域を決定する。したがって、画像全体に必要な視
域と要素ホログラムｈｘｙの数とから、集光レンズ６４
の開口数は決定される。

【００４４】次に、１画素Ｐｘｙをスクリーンとなるホ
ログラム感光材料に転写していく方法を説明する。図１
０に、その光学系の配置を示す。図１０において、レー
ザ装置８１から出射したレーザ光８２は、対物レンズ８
３、コリメートレンズ８４でビーム径を拡大し、ミラー
８５により反射され、遮光板８６を介して、移動平面ス
クリーン１１を形成するホログラム感光材料８７の１画
素分Ｐｘｙの領域に照射される。ホログラム感光材料８
７の裏側には、上記のようにして作製したホログラム感
光材料６５（画素Ｐｘｙ）が設置されている。レーザ光
８９がホログラム感光材料６５に書き込まれた回折格子
によって、レーザ光９０として回折され、ホログラム感
光材料８７へ入射する。ここで、レーザ光８８とレーザ
光９０が干渉し、ホログラム感光材料にホログラム感光
材料６５の回折格子が転写される。次に遮光板８６とホ
ログラム感光材料６５の位置を変えて同様の作業を繰り
返すことにより、移動スクリーン１１が作製できる。

【００４５】そして、図８のレーザ装置４１、および図
１０のレーザ装置８１は、図１のレーザ光源２と基本的
には同一波長のものを用いる。具体的には、半導体レー
ザ励起Ｎｄ：ＹＡＧグリーンレーザ（波長：５３２ｎ
ｍ）を用いた。従って、このレーザ光源を用いれば、緑
色のモノクロ３次元画像を表示できる。以上に述べたよ
うにして構成された３次元画像表示装置は、スクリーン
の移動速度、及びレーザの走査速度が十分に高速で相互
に同期がとれていれば、スクリーンの面積×スクリーン
の移動ストロークの空間に、目の残像現象により３次元
像が表示できる。

【００４６】カラー化する場合は、３次元画像表示装置
に、赤、緑、青の３つのレーザ光源と、赤、緑、青に対
応した要素ホログラムから構成された移動平面スクリー
ン１１を用意すればよい。赤、緑、青に対応した要素ホ
ログラムは、レーザ光源しとして、種々の波長を発振で
きる色素レーザ装置を用意し、波長６１１ｎｍ（赤）、
５４４ｎｍ（緑）、４５３ｎｍ（青）を用い、図８，図
９と同一光学系配置で露光し、作製する。また、赤、
緑、青と別々のレーザ光源を用意してホログラムを作製
してもよい。移動平面スクリーン１１も、種々の波長を
発振できる色素レーザ装置を用いて、先に作製した赤、
緑、青に対応した要素ホログラムを用いて、図１０の光
学系配置で露光し、作製する。赤、緑、青に対応した３
枚のスクリーンを重ねて、カラー用の移動平面スクリー
ン１１が完成する。この移動平面スクリーン１１は、回
折効率のピークを複数の波長域に有するとともに、該複
数の波長の光を混色させた光が実質的に中性色（白色
光）となるようにしている。カラーに対応した３次元表
示装置に使用するレーザ光源には、モノクロの場合と同
様に、移動平面スクリーン１１を作製したレーザ装置と
同じ波長の光源を使用する。

【００４７】従来例として述べた図３７に示す移動平面
スクリーンの代わりに用いた、回転角に比例して高さが
連続的に変化する螺旋の性質を利用したスクリーンを本
発明におけるスクリーンとして用いることもできる。ま
た、回折素子として、リップマンタイプの要素ホログラ
ムを用いたが、フレネルタイプの要素ホログラムや回折
格子を用いてもよい。すなわち、リップマンタイプの要
素ホログラムを用いた場合は、移動平面スクリーンは反
射型スクリーンとなるが、フレネルタイプの要素ホログ
ラムや回折格子を用いて、反射型や透過型の移動平面ス
クリーンを用いることもできる。

【００４８】（第２の実施の形態）第１の実施の形態で
は、移動平面スクリーンは、そのスクリーンに作り込ま
れる回折素子は反射型（リップマンタイプ）となってい
るので、スクリーンとしても反射型となっており、ま
た、レーザ光をスクリーン全体にわたって走査する走査
手段を必要としている。この実施の形態では、上記した
走査，変調手段に代えて、光ビームの径を拡大する手段
と、液晶パネルのように透過率を空間的に変調する手段
を変調光発生手段として用いる例を示し、それを図面を
参照して説明する。図１１は、本発明による３次元画像
表示装置の構成図である。レーザ光源２からのレーザ光
３は、ミラー１３を経て対物レンズ２０１によって発散
球面波になり、投射レンズ１２によりビーム径が広げら
れたレーザ光２０２に変換される。レーザ光２０２は、
移動平面スクリーン２１１と一体化された液晶パネル２
０３全体に照射される。

【００４９】移動平面スクリーン２１１は、第１の実施
の形態で用いた反射型（リップマンタイプ）でなく、透
過型（フレネルタイプ）である。液晶パネルは、透過す
るレーザ光の強度を液晶パネルの画素ごとに変調できる
ものである。液晶パネルの画素ピッチは、図１２に示す
ように、移動平面スクリーン２１１に作り込まれた回折
素子のピッチと同じであり、液晶パネル２０３の画素と
移動平面スクリーン２１１の回折素子が重なるように一
体化されている。また、液晶パネル２０３の開口率は大
きい方が望ましい。このような構成をしている移動平面
スクリーン２１１と液晶パネル２０３にレーザ光２０２
が照射されると、液晶パネル２０３の画素ごとに強度が
変調され、液晶パネルを制御する制御コンピュータ７に
よって指定された画素の回折素子の部分のみに所望の光
強度でレーザ光が照射される。

【００５０】このようにして、レーザ光を走査すること
なく、必要な回折素子のみに光を照射することができ、
３次元画像を表示することができる。

【００５１】（第３の実施の形態）第１の実施の形態と
第２の実施の形態では、レーザ光源からの光のビームに
よるスクリーン面上の照射位置を変えることや照射強度
を変調したが、この実施の形態では、発光ダイオードア
レイもしくは半導体レーザアレイを移動平面スクリーン
と一体化し、発光素子に流す電流値を変えて、各画素毎
に照射する光強度を直接に変調するものであり、この実
施の形態について以下に説明する。

【００５２】図１３は、本発明による３次元画像表示装
置の構成図である。移動平面スクリーン２１１は、第２
の実施の形態と同様に、透過型（フレネルタイプ）の回
折素子からなっている。移動平面スクリーン２１１は、
発光素子アレイ３０１と一体化されている。発光素子ア
レイ３０１のピッチは、移動平面スクリーン２１１の回
折素子のピッチと同じであり、発光素子アレイ３０１の
発光素子と移動平面スクリーン２１１の回折素子は、重
なるように一体化されている。また、発光素子アレイ３
０１の発光素子１つ１つには、コリメートレンズがつい
ており、発光素子アレイ３０１からの光が平行光束にな
るようにしてある。

【００５３】図１４は、一体化している移動平面スクリ
ーン２１１と発光素子アレイ３０１の断面図である。発
光素子制御手段である制御コンピュータ７によって指定
された画素２０５の回折素子２０４に対応する発光素子
に電流を流すことにより、指定された回折素子２０４の
みに所望の光強度で光を照射することができる。このよ
うにして、光を走査することなく、必要な回折素子のみ
に光を照射することができ、３次元画像を表示すること
ができる。

【００５４】（第４の実施の形態）第１の実施の形態で
は、かかる３次元画像表示装置に用いる移動平面スクリ
ーンは、反射型（リップマンタイプ）の回折素子から成
り、レーザ光による２光束の干渉縞を感光材料に露光す
る方法によって作ることができることを説明したが、こ
の移動平面スクリーンは、フレネルタイプの回折素子に
アルミ等の金属蒸着膜を付けて反射型として使用しても
よい。また、第２の実施の形態，第３の実施の形態で
は、フレネルタイプの回折素子を透過型として使用する
ことが望ましく、また、このフレネルタイプの回折素子
は量産にすぐれているので、安価で提供できるという利
点もある。

【００５５】ここで、発明において用いられるフレネル
タイプのホログラムについて添付した図面をもとに説明
する。フレネルタイプの要素ホログラムの作製は、図１
５のように可干渉性のある光ビームを２分割し、一方を
光束１の平行光束とし、他方を光束２の発散光束として
感光材料の同一領域に入射させ、その干渉縞を記録す
る。図１５では、１画素が縦３×横３の計９個の要素ホ
ログラムで構成されているとし、画素中央の要素ホログ
ラムを２光束干渉で作製している。この発散光の広がり
角が、この要素ホログラムによる再生光の視域を決定し
ている。その他の要素ホログラムは、同様に平行光と発
散光の２光束を感光材料の同じ側から入射させることで
作製されるが、光束２の入射方向が要素ホログラムごと
に異なる。例えば、左上の要素ホログラムの作製には、
手前右からの発散光をその領域に照射し、左手前の要素
ホログラムの作製には、右奥からの発散光を照射する。
このようにして、１画素を構成する９個の要素ホログラ
ムの露光が終了したら、次の画素の要素ホログラムを作
製して行き、要素ホログラムパネル（スクリーン）を作
製する。すべての要素ホログラムの露光が終了したら現
像・定着を行う。

【００５６】次に、このようにして作製されたフレネル
タイプの要素ホログラムの再生について説明する。図１
６に示すように、再生には作製した時と同じ平行光束３
を再生させたい要素ホログラムに照射する。ホログラム
再生光は、作製時の光束２の波面と同じであるので、感
光材料の光束３の入射側と反対側に発散光として再生さ
れることになる。先の説明では、光束１，３を感光材料
に対して垂直入射するように記述したが、感光材料に対
して斜めに入射させてもよい。また、この要素ホログラ
ムを反射型として用いる場合には、この要素ホログラム
の表面にアルミなどの金属膜（反射膜）を蒸着すること
で、反射タイプの回折素子として用いることも可能であ
る。

【００５７】その他の回折素子としては、計算機によっ
て計算されたホログラムを電子線やレーザ光を用いて描
画して回折素子を作製する方法やバイナリーオプティッ
クスの技術を用いて作製されるものもある。これらの回
折素子は、表面レリーフ型の回折素子とすることができ
ることから、エンボス法によって安価に大量生産するこ
とが可能である。次に、移動平面スクリーンの作成に関
し、電子線描画装置等を使って作り込むフレネルタイプ
の回折素子の格子定数と刻線の方向について説明する。

【００５８】図１７は、１つの回折素子と光線の位置関
係を示した図である。回折素子は、ｘｙｚ座標空間のｘ
ｙ平面に貼り付いており（格子面に立てた法線の単位ベ
クトルはｚ軸の正の向きと同じ向きである）、刻線の方
向は、回折素子の面内で回折格子の刻線に垂直にとった
単位ベクトルａ→で表される（ａ→はｘｙ面内であ
る）。ベクトルａ→は、ｘ軸とγの角を有するものとす
る。また、回折素子に入射・回折する光線の伝播方向
は、それぞれの平面波の法線の単位ベクトルｓ→，ｓ′
→で表す。ここで、回折光の次数をｍとすると、回折平
面波の伝播方向ｓ′→は数１で表される。

【００５９】 ｓ′→＝ｓ→＋（ｍ×λ／ｄ）ａ→ …（数１）

【００６０】次に、図１８に示すように、θとφで表さ
れる極座標で、これらのベクトルを成分で表現すると、
例えば、ｓ→＝（cosθ×sinφ，sinθ，cosθ×cos
φ）となる。ここで、ｓ→に対しては、座標変数θとφ
を、ｓ′→に対しては、θ′とφ′を用いることにす
る。同様にして、ｓ′→，ａ→をベクトルの成分で表現
したものを数１に代入してｄとγを算出すると、数２と
数３のようになる（本実施の形態では、＋１次の回折光
を用いるので、ｍ＝１とした）。

【００６１】

【数１】

【００６２】このように、ｘｙｚ座標空間のｘｙ平面に
配置された回折素子において、伝播方向がｓ→＝（cos
θ×sinφ，sinθ，cosθ×cosφ）である入射光線に対
して、回折光の伝播方向がｓ′→＝（cosθ′×sin
φ′，sinθ′，cosθ′×cosφ′）となるようにする
には、数２と数３で決まる格子定数ｄとγで表される刻
線の方向を持った回折素子であればよい。また、各回折
素子の視域を広げるために、それぞれ幅をもつθ′と
φ′の値に対応するｄとγを適当にサンプリングして、
それらの格子定数ｄと刻線の方向γである回折素子を基
板の同一領域に多重に記録した回折素子を用いることも
できる。もしくは、それぞれ幅をもつθ′とφ′の値に
対応するｄとγの値の範囲の中で、それぞれのｄとγの
値を連続的に変化させるようにして基板に溝を切って作
成した回折素子を使用することもできる。

【００６３】（第５の実施の形態）第１の実施の形態で
移動平面スクリーンにフレネルタイプの回折素子を用い
る３次元画像表示装置と、第２の実施の形態と第３の実
施の形態の３次元画像表示装置の説明では、移動平面ス
クリーンを構成している回折素子には、入射光線は回折
素子に対して垂直に入射している。回折素子による光の
回折では、図２０のように、通常＋１次の光以外にも、
０次や−１次、また、それ以上の高次の回折光が生じ
る。これらの次数の回折光は、本発明の３次元画像表示
装置においては、不要な光であるので、移動平面スクリ
ーンの表示面側で、それらの不要な光を遮るようにすれ
ば良い。また、これらの回折光は、＋１次光の回折方向
の領域を狭めている。すなわち、回折素子が作り込まれ
ている移動平面スクリーン１１に対して、図１９のよう
に、３次元座標をとり、入射角を９０°とした場合、０
次光と±１次光は、図２０の方向に出射する。そのため
に、＋１次光の回折方向は、０次光とｘ軸で挟まれる角
α＝９０°の範囲に制限される。したがって、３次元画
像表示装置としての視域角は、９０°と制限を受けてし
まう。そこで、図２１のように回折素子（移動平面スク
リーン）に対して、入射角を（９０°−α）にしてやる
ことで、＋１次光の回折方向の制限を緩和させることが
可能となり、図２２に示すように、入射光線５０１は、
移動平面スクリーン５１１を構成する回折素子５０３に
よる＋１次光を−１次光と０次光と分離しつつ、視域の
広い３次元画像表示の実現が可能となる。

【００６４】（第６の実施の形態）第５の実施の形態で
は、移動平面スクリーンに斜めに光を入射して、３次元
画像表示装置の視域を広げることを説明したが、この実
施の形態では、その具体化手段について説明する。第１
の実施の形態で移動平面スクリーンにフレネルタイプの
回折素子を用いる３次元画像表示装置と、第２の実施の
形態と第３の実施の形態の３次元画像表示装置におい
て、移動平面スクリーンに光を斜めに入射させるために
は、移動平面スクリーン１１の移動方向から逸れた方向
にあるＸＹ偏向器５と投射レンズ１２によってレーザ光
６を走査しなければならないが、移動平面スクリーン１
１が移動しているために、レーザ光６の走査領域が広く
なり、また、レーザ光走査による回折素子の選択の制御
が困難になる。

【００６５】そこで、図２３に示すように、移動平面ス
クリーン５１１の光線入射側に光線６００の伝播方向を
曲げるような光ファイバ束６０１を配置することで、移
動平面スクリーンに対して光を垂直入射しても、回折素
子５０３には、斜めから光が入射することになり、＋１
次光の出射領域が広がる。光ファイバ束６０１に入射す
る光が光ファイバの中心線に対して傾斜しているので、
その光は、光ファイバのコアークラッディング界面で繰
り返し内部反射することにより、光ファイバ内を通って
伝わる。

【００６６】また、光ファイバ束６０１は、第２の実施
の形態と第３の実施の形態の３次元画像表示装置の移動
平面スクリーンに配置することによって、それぞれ図２
４と図２５に示すようにして、＋１次光を−１次光と０
次光と分離しつつ、視域の広い３次元画像表示装置の作
成が可能となる。また、この場合、移動平面スクリーン
５１１と光ファイバ束６０１と液晶パネル２０３もしく
は発光素子アレイ３０１は一体化することが望ましい。
この実施の形態では、光を斜めに入射させる手段として
光ファイバ束を用いたが、光を曲げるものであるなら
ば、この限りではない。

【００６７】（第７の実施の形態）この実施の形態で
は、第１の実施の形態で移動平面スクリーンにフレネル
タイプの回折素子を用いる３次元画像表示装置と第２の
実施の形態と第３の実施の形態の３次元画像表示装置に
おいて、移動平面スクリーンに作り込む回折素子がブレ
ーズド回折素子であることを特徴とする３次元画像表示
装置について説明する。ブレーズド回折素子は、回折効
率を高めるために作られるものであって、回折素子表面
での光の反射方向もしくは屈折方向と回折素子による＋
１次光の伝播方向を同じにしたものである。このブレー
ズド回折素子を本発明である３次元画像表示装置の移動
平面スクリーンに作り込むことで、光の利用効率の高
い、明るい表示画像を得ることができる。

【００６８】先ず、はじめに、第１の実施の形態の移動
平面スクリーンにフレネルタイプの透過型の回折素子を
用いる３次元画像表示装置と第２の実施の形態と第３の
実施の形態の３次元画像表示装置において、移動平面ス
クリーンに作り込む回折素子が、ブレーズド回折素子で
ある場合を説明する。図２６は、ブレーズ角φであり、
格子定数ｄの回折素子に平面波が下方から垂直入射し、
回折素子によって偏向角θに曲げられている様子を表し
ている図である（この実施の形態で用いているφとθ
は、第４の実施の形態で用いている意味とは異なるもの
である）。図２７は、回折素子を構成している１つの刻
線表面での光の屈折の様子を表している図である。図２
６から回折素子による入射角と格子定数と＋１次回折角
の関係式が数４であることがわかる。 sinθ＝λ／ｄ …（数４） また、図２７から、空気の屈折率をｎ₁、回折素子の材
料の屈折率をｎ₁とした場合の屈折の法則から、数５が
わかる。 ｎ₁sinφ＝ｎ₂sin（φ＋θ） …（数５） 数４から偏向角θによって決まる格子定数ｄの式が数６
であることがわかる。 ｄ＝λ／sinθ …（数６） また、数５から偏向角θによって決まるブレーズ角φの
式が数７であることがわかる。

【００６９】

【数２】

【００７０】ここで、ブレーズ角φと偏向角θと格子定
数ｄのとり得る値には、空気と回折素子の材料の境界面
による全反射によって制限を受け、それぞれの範囲は、
空気の屈折率ｎ₁を１、回折素子の材料をガラスとして
その屈折率を１.５とし、光の波長を０.５３２μmとし
た場合には、以下の通りになる。 ０≦φ≦４１.８° ０≦θ≦４８.２° ｄ≧０.７１μm このように、偏向角θにある程度の制限がかかるが、数
６と数７で決まるブレーズド回折素子を上記制限の範囲
内での偏向角θに対応するブレーズ角φと格子定数ｄを
変えて、多数、移動平面スクリーン上に作り込むことに
よって、０次光の発生しない、光の利用効率の高い３次
元画像表示装置が実現可能となる。

【００７１】次に、第１の実施の形態で、移動平面スク
リーンにフレネルタイプの反射型の回折素子を用いる３
次元画像表示装置について説明する。図２８は、ブレー
ズ角φであり、格子定数ｄの回折素子に平面波が上方か
ら垂直入射し、回折素子によって反射し、偏向角θに曲
げられている様子を表している図である。図２９は、回
折素子を構成している１つの刻線表面での光の反射の様
子を表している図である。

【００７２】図２８から回折素子による入射角と格子定
数と＋１次回折角の関係式が数８であることがわかる。 sinθ＝λ／ｄ …（数８） また、図２９から、反射の法則により、数９がわかる。 θ／２＝φ …（数９） 数８から偏向角θによって決まる格子定数ｄの式が数１
０であることがわかる。 ｄ＝λ／sinθ …（数１０） また、数９から偏向角θによって決まるブレーズ角φの
式が数１１であることがわかる。 φ＝θ／２ …（数１１） ここで、偏向角θとブレーズ角φと格子定数ｄのとり得
る値の範囲は、以下の通りになる。 ０≦φ≦９０° ０≦θ≦４５° ｄはすべての値をとり得る このように、数１０と数１１で決まるブレーズド回折素
子を偏向角θに対応するブレーズ角φと格子定数ｄを変
えて、多数、移動平面スクリーン上に作り込むことによ
って、０次光の発生しない光の利用効率の高い視域の広
い３次元画像表示装置が実現可能となる。

【００７３】次に、これらブレーズド回折素子の作成方
法について述べる。ブレーズド回折格子は、図３０に示
すように、フォトレジスト塗布工程，露光工程，現像工
程，ブレーズ加工工程，レプリカ工程を経て作成され
る。はじめに、フォトレジスト塗布工程により、波長レ
ベルの精度で研磨されたガラス基板上に、フォトレジス
トを薄膜状に塗布し、プリベークを行う。次に、露光工
程によって、レーザ光による２光束干渉により、数６ま
たは数１０によって決まる格子定数に干渉縞の間隔が合
うように干渉光学系を組み、露光を行う。露光された基
板は現像され、半正弦波状の断面を持つグレーティング
溝パターンに変換される。次に、ブレーズ加工工程で、
基板斜め方向からイオンビームを照射し、基板に三角形
状の溝を形成させる。最後に、レプリカ工程によってネ
ガマスターが作成され、エンボスによるレプリカが作成
される。また、反射型の場合には、作成されたブレーズ
ド回折素子表面には、アルミ等の金属膜を蒸着すれば良
い。このように、レプリカ工程によって、この回折素子
の複製は容易にできるので、移動平面スクリーンの量産
は可能である。

【００７４】（第８の実施の形態）この実施の形態で
は、第１の実施の形態に伴って行われたと同様の制御デ
ータ作成において、さらに、制御データ作成方法として
光線追跡の際に、３次元画像を複数のブロックに分割す
るようにした実施の形態を説明する。図３１は、ｘ方向
がＸmax画素（この実施の形態では、Ｘmax＝１００）、
ｙ方向がＹmax画素（この実施の形態では、Ｙmax＝１０
０）の画像を、奥行きｚ方向がＺmax画素（この実施の
形態では、Ｚmax＝５）、要素ホログラムは各画素Ｈmax
個（この実施の形態では、Ｈmax＝５×５）で表示する
ときの処理手順を示したものである。表示物体は、図７
に示した物体Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３で説明する。物体の数
は、Ｏmax（この実施の形態では、Ｏmax＝３）である。
そして、表示する部分をいくつかの領域に分割する。こ
の実施の形態では、図７を図３３のような９つのボクセ
ル（図中で縦３個、横３個、奥行き方向は１個）に分割
する。説明のため、ボクセルには、Ｖ１からＶ９まで番
号を付ける。物体Ｏ１はＶ４に、物体Ｏ２はＶ８に、物
体Ｏ３はＶ６，Ｖ９に含まれている。Ｖmaxをボクセル
の個数（この実施の形態では、Ｖmax＝９）とする。

【００７５】図３１の処理Ｓ２０１では、ｚ方向の座標
を０に、処理Ｓ２０２では、ｙ方向の座標を０に、処理
Ｓ２０３では、ｘ方向の座標を０に設定する。次に、画
素のｘ，ｙ，ｚ方向の座標ごとの処理を行う。処理Ｓ２
０４では、画像データを元に、その座標に表示する物体
があるかを調べる。表示物体がないときは、何も表示す
る必要がないので、その画素の処理は終了し、次の座標
の処理をするため、処理Ｓ２１６へ移る。何かあるとき
は、その画素を構成するすべての要素ホログラムについ
て、光を照射するかどうかを処理Ｓ２０５以降で調べ
る。一つの画素内の要素ホログラムには、あらかじめ１
番から始まる番号を付けておく。

【００７６】次に、処理Ｓ２０５では、その要素ホログ
ラムの番号Ｈに１を設定する。各要素ホログラムは、そ
の回折方向が決まっている。その回折方向は、ある程度
の広がりを持っており、この実施の形態では、その中心
方向で代表させるが、それ以外の方向で代表させても良
い。例えば、画像に上下方向の視差を持たせない場合
は、上下方向へ少しずれた方向を採用しても良い。回折
方向は、図３では、例えば、回折レーザ光３０として示
されている。その回折方向に沿って要素ホログラムから
の距離Ｌを設定する。処理Ｓ２０６で、Ｌ＝０とする。
表示物体には、あらかじめ１番から始まる番号を付けて
おく。処理Ｓ２２２では、要素ホログラムから距離Ｌの
座標が含まれるボクセル番号Ｖを得る。処理Ｓ２０７で
は、物体番号Ｏ＝１とする。処理Ｓ２２３では、物体番
号Ｏの物体が、そのボクセルに含まれているかを調べ
る。含まれている場合は、そこで物体番号Ｏの物体に遮
られているか調べるため、処理Ｓ２２４へ移る。含まれ
ていないときは、その処理は省略できるので、処理Ｓ２
０９へ移る。

【００７７】処理Ｓ２２４から、以降の処理は、要素ホ
ログラムからの光が遮られているかを調べることにあ
る。ＬをＬ２に代入する。処理Ｓ２０８では、要素ホロ
グラムから距離Ｌ２の座標に物体番号Ｏの物体があるの
か、画像信号を参照して調べ、要素ホログラムの座標か
らの光がそこで遮られているときは、処理Ｓ２１４へ、
また遮られていないときは、処理Ｓ２２５へ分岐する。
処理Ｓ２２５では、光線追跡で次の座標を調べるため
に、Ｌ２を次の座標まで更新する。処理Ｓ２２６では、
Ｌ２を更新した結果、現在調べているボクセルを出てい
ないかを調べる。まだ出ていない時は、処理Ｓ２０８へ
戻る。出たときは、次の物体を調べるため、処理Ｓ２０
９へ移る。処理Ｓ２０９では、さらに次の物体を調べる
ために、物体番号Ｏに１を加える。処理Ｓ２１０では、
Ｏを更新しても、ＯがＯmax以下かを調べる。Ｏmax以下
の場合は、処理Ｓ２２３へ戻り、それ以外の場合は、処
理Ｓ２１１へ移る。

【００７８】次に、処理Ｓ２１１では、次のボクセルを
調べるためにＬを更新する。処理Ｓ２１２では、Ｌを更
新した結果、３次元表示装置の走査範囲（表示範囲）を
出ていないかを調べる。まだ出ていない時は、処理Ｓ２
２２へ戻る。出ている時は、その要素ホログラムから出
た光は、何にも遮られなかった、すなわち表示されるべ
きだということがわかる。そして、表示などの処理を行
うため、Ｓ２１３へ移る。処理Ｓ２１３では、実際に光
を照射し、回折させるか、メモリなどにその情報を記録
する。その後、処理Ｓ２１４へ移る。

【００７９】次に、処理Ｓ２１４では、次の要素ホログ
ラムを調べるために、要素ホログラム番号に１を加え
る。そして、処理Ｓ２１５で新たな要素ホログラム番号
がＨmaxを越えていないか調べ、越えていないときは、
次の要素ホログラムの処理のため、処理Ｓ２０６へ戻
る。越えていた時は、次の座標を調べるために処理Ｓ２
１６へ移る。処理Ｓ２１６では、次の画素へ移るために
ｘへ１を加える。処理Ｓ２１７では、ｘを更新した結
果、ｘがＸmax以上になっていないかを調べる。Ｘmax以
上の場合は、処理Ｓ２１８へ移り、それ以外の場合は、
処理Ｓ２０４へ戻る。処理Ｓ２１８から処理Ｓ２２１
は、ｙ，ｚ方向に対してｘ方向と同様な処理を行う。

【００８０】次いで、処理Ｓ２０６，Ｓ２２２，Ｓ２０
７，Ｓ２２３，Ｓ２２４，Ｓ２０８，Ｓ２２５，Ｓ２２
６，Ｓ２０９，Ｓ２１０，Ｓ２１１，Ｓ２１２，Ｓ２１
３，Ｓ２１４，Ｓ２１５を、図３３の実施の形態に合わ
せて説明する。ここでは、物体Ｏ１を構成する点Ｐを画
素点として構成する要素ホログラムを処理する場合で、
要素ホログラムのうち、５つ、すなわち、図３３で回折
方向をＲ１からＲ５を例に取ることとする。

【００８１】まず、Ｒ１の光線追跡をする。処理Ｓ２２
２でＲ１が最初に通過するボクセルがＶ４であるという
ことがわかる。処理Ｓ２０７で処理物体をＯ１にする。
次に、処理Ｓ２２３で物体Ｏ１がボクセルＶ４に含まれ
ていることがわかる。そして、処理Ｓ２０８，Ｓ２２
５，Ｓ２２６の繰り返しの結果、Ｒ１は物体Ｏ１には遮
られないことがわかる。処理Ｓ２０９，Ｓ２１０で物体
番号を更新し、次は物体Ｏ２について調べる。処理Ｓ２
２３において、物体Ｏ２はボクセルＶ４には含まれな
い。従って、処理Ｓ２２４，Ｓ２０８，Ｓ２２５，Ｓ２
２６は不要だから、処理Ｓ２０９へ移る。次に、物体Ｏ
３について調べるが、これもボクセルＶ４には含まれな
いので、物体Ｏ２のときと同様の処理となる。

【００８２】次に、Ｒ１はボクセルＶ１を通過する。こ
こには、物体はないので、物体Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３とも処
理Ｓ２２３における判別で処理Ｓ２０９へ移る。次に、
Ｒ１はボクセル２を通過する。ここにも物体はないの
で、ボクセルＶ１のときの処理と同様である。そして、
Ｓ２１２における判別で走査部分を出たことがわかるの
で、処理Ｓ２１３へ移る。このあと、処理Ｓ２１４へ移
り、次の要素ホログラムの処理を行う。

【００８３】Ｒ２の光線追跡では、通過するボクセルが
Ｖ４，Ｖ５，Ｖ２，Ｖ３の順になることを除けば、Ｒ１
の場合と同様である。Ｒ３の光線追跡では、Ｒ３はボク
セルＶ４をＲ１と同様に通過する。次に、Ｖ５を通過し
Ｖ６に至る。Ｖ６には、物体Ｏ１，Ｏ２は含まれない。
よって、これらに対しては、処理Ｓ２２４，Ｓ２０８，
Ｓ２２５，Ｓ２２６は不要である。次に、物体Ｏ３はボ
クセルＶ６に含まれている。処理Ｓ２０８における物体
Ｏ３に遮られていないかの判別において、Ｒ３はＯ３に
よって遮られているということがわかる。よって、この
回折方向に対応する要素ホログラムには、レーザ光を照
射しない。Ｒ４の光線追跡では、Ｒ４はボクセルＶ４を
Ｒ１と同様に通過する。次に、Ｖ５を通過しＶ８に至
る。Ｖ８には、物体Ｏ２だけが含まれる。物体Ｏ２に対
する処理Ｓ２０８，Ｓ２２５，Ｓ２２６の繰り返しによ
り、Ｒ４は物体Ｏ２には遮られないことがわかる。そし
て、次のボクセルＶ９に移る。Ｖ９には物体がないの
で、Ｒ４は走査部分を出る。よって、この回折方向に対
応する要素ホログラムには、レーザ光を照射する。

【００８４】Ｒ５の光線追跡では、Ｒ５はボクセルＶ４
をＲ１と同様に通過する。次に、Ｖ７を通過しＶ８へ至
る。Ｖ８には、物体Ｏ２だけが含まれる。物体Ｏ２に対
する処理Ｓ２０８，Ｓ２２５，Ｓ２２６の繰り返しによ
り、Ｒ４は物体Ｏ２には遮られることがわかる。よっ
て、この回折方向に対応する要素ホログラムには、レー
ザ光を照射しない。この処理をＳ２１５ですべての要素
ホログラムについて行うまで繰り返えされる。以上のよ
うにすることで、要素ホログラムの照射，非照射を選択
することができる。なお、この実施の形態では、説明を
簡単にするために、領域は２次元で分割したが、３次元
に分割した場合も全く同様である。また、物体の数は３
個で説明したが、何個（１個の場合も含む）のときにも
同様の手順で行うことが可能である。

【００８５】（第９の実施の形態）これまでに述べたと
同様の制御データ作成において、隠線／隠面消去に画像
の奥行き情報を用いた第９の実施の形態を説明する。こ
の実施の形態では、最初に複数の視点を仮定する。その
視点は、本３次元画像表示装置から同一の距離の球面上
にとり、その距離は実際に使用するときの３次元画像観
測者の平均的な観測距離とするが、この距離は任意に設
定することも可能であるし、必ずしも３次元画像表示装
置から同一距離の球面上にとる必要もない。また、視点
の個数は３次元画像装置の走査部の表面の全画素数（走
査部は１００×１００×５だから表面の画素数は１００
×１００×２＋１００×５×４＝２４０００）と同じと
するが、この個数は任意に設定しても良い。また、その
視点の位置は、ここでは装置からみたときに、全立体角
に均一に分布するようにするが、この分布も必ずしも均
一にする必要はない。そして、移動平面スクリーン１１
の走査位置ごとに、全画素を構成する全要素ホログラム
が、要素ホログラムの回折方向に基づき、それぞれどの
視点から最も良く見えるかにより、どの視点に属するか
を決めておく。これを図３４を例に用いて説明する。

【００８６】図３４は、３次元画像表示装置の走査空間
の一部と、視点方向７０，７１と、ある画素７２の３つ
の走査位置における要素ホログラムの回折方向を示した
ものである。実際の縮尺は無視して画像７２を拡大して
図示している。ここでは、要素ホログラム７５（走査位
置Ａ），要素ホログラム７６（走査位置Ｂ），要素ホロ
グラム７７（走査位置Ｃ）が視点方向７０に属してい
る。視点には、１番から順番に番号をつける。そして、
すべての視点に対して、その視点に属する要素ホログラ
ムと走査位置の組合せのリストを作成する。そのリスト
中で、その組合せは視点から近い順に並べておき、リス
トの先頭を１番として順番に番号をつける。また、奥行
き情報を記録する奥行きバッファを準備する。奥行きバ
ッファは、視点と同じ数の要素からなり、１番から番号
をつける。１つの要素には、同じ番号の視点から見える
要素ホログラムと走査位置の組合せをリスト中の番号で
記録する。

【００８７】この実施の形態では、物体の点上の要素ホ
ログラム毎に処理を行う。その座標と要素ホログラム番
号から、どの視点に属するか決まっていて、その視点の
リスト中での番号がわかる。また、その視点の奥行きバ
ッファを参照することで、記録されている要素ホログラ
ムと走査位置の組合せの番号がわかる。そして、これら
２つの番号を比較し、処理中の要素ホログラムの番号の
方が小さいとき、つまり、処理中の要素ホログラムの方
が視点から見て手前にあるときだけ、奥行きバッファを
更新することで、隠線／隠面処理を行う。すなわち、新
たな物体を表示するときは、すでに処理された物体より
手前にあるかどうかを、要素ホログラムと走査位置毎に
奥行きバッファを元に比較し、手前にある要素ホログラ
ムだけ更新する。これを、すべての物体について行う。

【００８８】この手順を、図３５を用いて詳細に説明す
る。図３５は、この実施の形態で物体を表示するときの
処理手順を示したものである。先に示した図７の物体Ｏ
１，Ｏ２，Ｏ３を表示する時を例にとり説明する。ま
ず、処理Ｓ３０１では、奥行きバッファを初期化する。
リスト中の番号より大きな値を入れる。処理Ｓ３０２で
は、処理する物体を決める。ここでは、Ｏ１，Ｏ２，Ｏ
３の順に行う。処理Ｓ３０３では、クリッピングを行
う。表示する物体がディスプレイの走査範囲からはみ出
ている部分は表示しない。表示する物体のすべての部分
が走査範囲からはみ出ている場合は、次の物体を処理す
るため、処理Ｓ３１２へ分岐する。処理Ｓ３０４では、
表示する物体上の処理する点を選ぶ。処理Ｓ３０５で
は、処理物体上の処理する要素ホログラムを選ぶ。処理
Ｓ３０６では、処理する点と処理する要素ホログラムか
ら視点を求める。処理Ｓ３０７では、奥行き情報を決定
する。視点毎のリスト中の番号で決定する。

【００８９】そして、処理Ｓ３０８では、奥行き情報の
比較をし、新しい要素ホログラムの方が手前にあるかの
判断を行う。奥行きバッファに記録されているものと、
選択した要素ホログラムに対して処理Ｓ３０７で求めた
奥行き情報を比較し、新しい奥行き情報の方が小さいか
どうかを比較することで行う。そうでない場合は、処理
Ｓ３１０へ移る。処理Ｓ３０９では、奥行きバッファを
処理Ｓ３０７で決定した値で更新する。処理Ｓ３１０で
は、全ての要素ホログラムを処理したかを判断する。処
理が終っていない場合は、処理Ｓ３０５へ戻る。終って
いる時は、処理Ｓ３１１へ移る。処理Ｓ３１１では、物
体を構成する全ての点を処理したかどうかを判断する。
処理が終っていない場合は、処理Ｓ３０４へ戻る。終っ
ているときは、処理Ｓ３１２へ移る。処理Ｓ３１２で
は、すべての物体の処理が終ったかどうかを判断する。
処理が終っていない場合は、処理Ｓ３０２へ戻る。以上
のようにすることで、すべての視点に対する走査位置と
要素ホログラムの組合せが決まる。

【００９０】そして、これを３次元画像として表示する
ときには、以下のように行う。視点毎に奥行きバッファ
の値を取り出し、その値から照射を行うべき走査位置と
要素ホログラムの組合せが得られる。これは、制御コン
ピュータ７にデータを送る前に、あらかじめ並べかえを
行い、要素ホログラムと走査位置ごとに照射，非照射を
決める。このとき、ある視点の奥行きバッファが初期値
（リスト中の番号より大きな値）のままのときは、その
視点に属する要素ホログラムと走査位置の組合せは、す
べて非照射ということである。以上のようにすること
で、要素ホログラムの照射，非照射を選択することがで
きた。これらの処理は、すべて並列に動作させ、高速化
することが可能である。ただし、処理Ｓ３０８と処理Ｓ
３０９の間に、並列動作している他の点に対する奥行き
バッファの更新が入らないようにする必要がある。

【００９１】（第１０の実施の形態）第７の実施の形態
から第９の実施の形態において、隠線／隠面は、視点か
ら一つの物体に遮られているところまで考えて、隠線／
隠面を消去するようにし、隠線／隠面に更に隠された隠
線／隠面は表示しない。しかしながら、この実施の形態
では、さらに、以下に示すような処理を使用可能とする
とよく、これによって、この装置の利用範囲を一層広げ
ることが可能となる。 ・輝度を変えた表示 隠線／隠面処理の結果、本来なら表示しないところも表
示する。その際に、輝度を表の点と平均して表示して、
半透明の表示とする。 ・間引いて表示 ワイヤーフレームで表示するときに、隠線処理の結果、
本来なら表示しないところも表示する。その際に、直線
を鎖線で表示する。鎖線の点を打つ部分の輝度は、表の
点と平均した表示にする。以上の処理を行うには、第７
の実施の形態と第８の実施の形態においては、光線追跡
を他の物体または自分自身の他の部分に２回遮られるま
で行えば良い。また、第９の実施の形態においては、奥
行きバッファを２個用意すれば良い。

【００９２】

【発明の効果】

請求項１の発明：スクリーンの表示画素を構成する回折
素子の集合体の各回折素子の出力回折光を異なるいろい
ろな方向に向けて出力することができる上に、その回折
光の制御を行うことができるので、種々の表示内容に対
応して手段を適応させること、例えば、ある視点から隠
れるはずの表示部を実現するために隠れる方向へ回折光
が出力されないように制御するといったことを行うこと
ができ、実際に物体を観察するのと同じ３次元画像を表
示することができる。したがって、多くの表示内容及び
視点に対応することが可能となり、応用範囲が広がるこ
とになる。

【００９３】請求項２の発明：上記請求項１の発明の効
果に加えて、変調光発生手段の機能を光ビーム発生手
段，光変調手段、及び２次元走査手段という各要素で分
担して構成しているので、それぞれを変更可能な部品と
して、しかも、既存の部品によっても供給できる。

【００９４】請求項３の発明：上記請求項１の発明の効
果に加えて、光の透過率を空間的に変調する透過率変調
手段と一体化した所定の空間を移動するスクリーンを有
し、前記スクリーンが複数の画素から構成され、さらに
前記画素が複数の回折素子から構成されているので、走
査光学系が不要でよりコンパクトな３次元画像表示装置
を実現できる。

【００９５】請求項４の発明：上記請求項３の発明の効
果に加えて、光の透過率を空間的に変調する手段に液晶
パネルを用いることにより、走査光学系が不要であり、
コンパクトな３次元画像表示装置の具体化を可能にす
る。

【００９６】請求項５の発明：上記請求項１の発明の効
果に加えて、当該３次元画像表示装置において、光を発
生する複数の発光素子と、画像信号に応じて、前記発光
素子の光強度を変調する発光素子制御手段と、３次元画
像を表示するために、前記発光素子と一体化した所定の
空間を移動するスクリーンを有し、前記スクリーンが複
数の画素から構成され、さらに前記画素が複数の回折素
子から構成されているので、走査光学系や光ビーム径拡
大光学系が不要であり、コンパクトな３次元画像表示装
置を実現できる。

【００９７】請求項６の発明：上記請求項５の発明の効
果に加えて、当該３次元画像表示装置によれば、複数の
発光素子がレーザ素子アレイを用いているので、走査光
学系や光ビーム径拡大光学系が不要であり、コンパクト
であり、さらにレーザ素子は高速に変調することが可能
なので、移動平面スクリーンの移動方向に対する画像の
解像度を大きくすることができる。

【００９８】請求項７の発明：上記請求項５の発明の効
果に加えて、当該３次元画像表示装置によれば、複数の
発光素子がＬＥＤアレイを用いているので、走査光学系
や光ビーム径拡大光学系が不要であり、コンパクトであ
り、さらにＬＥＤは高速に変調することが可能なので、
移動方向に対する画像の解像度を大きくすることがで
き、しかも安価となし得るものである。

【００９９】請求項８の発明：上記請求項１ないし７の
発明の効果に加えて、光ビームの平行走査を一定の範囲
で単純に繰り返すことで体積走査の全範囲でスクリーン
の表示を有効に利用することになるので、装置空間の利
用効率が高く、また、要素ホログラムの作成過程も同じ
光学的条件で行なわれることから、その作成も容易なも
のとなる。

【０１００】請求項９の発明：上記請求項８の発明の効
果に加えて、回折素子に光を斜めに入射させる手段を設
けているので、画像表示の視域を広げることができる。

【０１０１】請求項１０の発明：上記請求項９の発明の
効果に加えて、回折素子に光を斜めに入射させる手段を
回折素子に一体化させているので、画像表示の視域を広
げることができ、コンパクトな３次元画像表示装置を実
現できる。

【０１０２】請求項１１の発明：上記請求項１０の発明
の効果に加えて、回折素子に光を斜めに入射させる手段
に光ファイバ束を用いているので、移動平面スクリーン
に光を垂直入射させつつも、画像表示の視域を広げるこ
とができ、コンパクトな３次元画像表示装置を実現でき
る。

【０１０３】請求項１２の発明：上記請求項１ないし１
１の発明の効果に加えて、写真法で作成した要素ホログ
ラムを回折素子とすることによって製作時と同じ光学的
条件で特定の方向への回折ビームを出力することがで
き、製作が容易で効率の良い回折素子で装置を構成する
こととなり表示性能のより良い装置を得ることができ
る。

【０１０４】請求項１３の発明：上記請求項１ないし１
２の発明の効果に加えて、回折素子がブレーズド回折格
子を用いているので、光の利用効率の高い、非常に明る
い画像の表示が可能となる。また、＋１次回折光以外の
回折光が生じないので、視域の広い３次元画像表示装置
を実現できる。

【０１０５】請求項１４の発明：上記請求項１ないし１
３の発明の効果に加えて、視点データ及び３次元画像デ
ータに基づいて、隠線／隠面消去を行うことによって、
任意の視点から実際に物体を観察した場合の３次元画像
を表示し得ることになって、様々な分野において、より
広い応用範囲を持つことになる。

【０１０６】請求項１５の発明：上記請求項１４の発明
の効果に加えて、隠線／隠面消去の具体化を可能にす
る。

【０１０７】請求項１６の発明：上記請求項１５の発明
の効果に加えて、光線追跡の際の手順を簡単化すること
によって、実施を容易にする。

【０１０８】請求項１７の発明：上記請求項１４の発明
の効果に加えて、隠線／隠面消去を具体化する場合の手
順を簡単化することによって、実施を容易にする。

【０１０９】請求項１８の発明：上記請求項１ないし１
７の発明の効果に加えて、スクリーンが平面或いは螺旋
面といった２次元の表示領域を持っているので、残りの
１次元にスクリーンを移動（回転）させることで体積走
査が可能となり、また、２次元のスクリーンは、格別に
製作が困難ではないので、表示性能のより良い、安定し
た画像の表示装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ビーム走査による３次元画像表示装
置の実施の形態の概略図である。

【図２】本発明の３次元画像表示装置における移動平面
スクリーンの構成に関する模式図である。

【図３】本発明の３次元画像表示装置における移動平面
スクリーンの動作状態を示す図である。

【図４】図１において、移動平面スクリーン１１に対し
斜めにレーザ光を入射させた場合を示す図である。

【図５】画像データ作成の処理手順を示すフローチャー
ト（部分）である。

【図６】画像データ作成の処理手順を示すフローチャー
ト（部分）である。

【図７】画像データ化された複数の３次元物体の配置の
一例を表現する概念図である。

【図８】本発明で用いる移動平面スクリーンを構成する
要素ホログラムの製作方法を示す図である。

【図９】本発明で用いる移動平面スクリーンを構成する
要素ホログラムの製作方法で、図８の次の過程を示す図
である。

【図１０】本発明で用いる移動平面スクリーンの製作方
法を示す図である。

【図１１】本発明の光透過率変調方式の３次元画像表示
装置の実施の形態の概略図である。

【図１２】図１１の方式において液晶パネルを用いた実
施の形態の要部概略図である。

【図１３】本発明の発生変調方式の３次元画像表示装置
の実施の形態の概略図である。

【図１４】図１３の方式において発光素子アレイを用い
た実施の形態の要部概略図である。

【図１５】本発明に用いるフレネルタイプ要素ホログラ
ムの作製法を説明するための図である。

【図１６】本発明に用いるフレネルタイプ要素ホログラ
ムの再生法を説明するための図である。

【図１７】１つの回折素子と光線の位置関係を説明する
ための図である。

【図１８】極座標上の回折光のベクトル表現を説明する
ための図である。

【図１９】移動平面スクリーン１１上の座標のとり方を
説明するための図である。

【図２０】移動平面スクリーン１１への入射光線と回折
光の関係を説明するための図である。

【図２１】光線を斜めに入射させた場合の実施の形態を
示す図である。

【図２２】斜入射を本発明の回折素子スクリーンに適用
した場合の実施の形態における作用を説明するための図
である。

【図２３】光ファイバ束により斜入射を行う図２２と同
様の説明図である。

【図２４】図１２において光ファイバ束により斜入射を
行うようにした実施の形態を示す図である。

【図２５】図１３において光ファイバ束により斜入射を
行うようにした実施の形態を示す図である。

【図２６】透過型であるブレーズド回折素子の作用を説
明するための図である。

【図２７】透過型であるブレーズド回折素子の作用をよ
り詳細に説明するための図である。

【図２８】反射型であるブレーズド回折素子の作用を説
明するための図である。

【図２９】反射型であるブレーズド回折素子の作用をよ
り詳細に説明するための図である。

【図３０】ブレーズド回折素子の作成方法を過程に従っ
て示す図である。

【図３１】光線追跡法によって隠線／隠面消去を行うた
めの制御データ作成の処理手順を示すフローチャート
（部分）である。

【図３２】光線追跡法によって隠線／隠面消去を行うた
めの制御データ作成の処理手順を示すフローチャート
（部分）である。

【図３３】画像データ化された複数の３次元物体の配置
の一例を表現する概念図で、ボクセル（分割領域）がと
もに示されるものである。

【図３４】隠線／隠面消去に画像の奥行き情報を用いる
ことを説明するための図である。

【図３５】隠線／隠面消去に画像の奥行き情報を用い
て、制御データを作成する手順を示すフローチャートで
ある。

【図３６】従来の３次元画像表示装置の構成の概略を示
す図である。

【図３７】従来の３次元画像表示装置を用いる他の移動
スクリーンの構造を示す図である。

【図３８】従来の立体像表示に用いる回折格子アレイを
その作用とともに示す概略図である。

【図３９】図３８の回折素子アレイを用いた従来の立体
像表示装置の概略図である。

【符号の説明】

１，１０１，２００…３次元画像表示装置、２，１０２
…レーザ光源、３，６，５０，５１，５２，５３，５
４，６６，６７，６８，８２，８８，８９，９０，１０
３，１０６，２０２…レーザ光、４，１０４…変調器、
５，１０５…ＸＹ偏向器、７，１０７…制御コンピュー
タ、７′…画像データ作成用コンピュータ、８，１０８
…３次元画像データ、９，１０９…画像データメモリ、
１０，１１０…３次元画像、１１，１１１，２１１，５
１１…移動平面スクリーン、１２…投射レンズ、１３…
ミラー、Ｐｘｙ，Ｐ_AM，Ｐ_B1M，Ｐ_B2M，Ｐ_C1M，Ｐ_C2M，
Ｐ_D1M，Ｐ_D2M，Ｐ_EM…画素、ｈｘｙ，ｈ₁₃，ｈ₂₃，
ｈ₃₃，ｈ₄₃，ｈ₅₃…要素ホログラム、ｈ´₂₃，ｈ´₃₃，
ｈ´₄₃，ｈ´₅₃…要素ホログラム作製部、３０…回折レ
ーザ光、Ｈ_B1，Ｈ_B2，Ｈ_C1，Ｈ_C2，Ｈ_D1，Ｈ_D2，Ｈ_E…
レーザ光非照射部、４１，８１…レーザ装置、４２，５
５，５６，５７，５８，５９…シャッタ、４３，６０，
６３，８５…ミラー、４４，４５，４６，４７，４８，
４９…ビームスプリッタ、６１，８３，２０１…対物レ
ンズ、６２，８４…コリメートレンズ、６４…集光レン
ズ、６５，８８…ホログラム感光材料、８６…遮光板、
１１２…スクリーン、１１３…回転軸、１２１…回折格
子アレイ、１２２…液晶表示素子、１２３…カラーフィ
ルタ層、１３１…セル、１３２…基板、２０３…液晶パ
ネル、２０４…回折素子、２０５…画素、３０１…発光
素子アレイ、５０１…入射光線、６００…光線、６０１
…光ファイバ束、Ｓ１０１〜１２１…変調信号発生処理
ステップ、Ｓ２０１〜２２６…隠線／隠面処理ステッ
プ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/22

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スクリーンと、該スクリーン面上の照射
   位置を指定可能にするとともに、該指定位置の光に変調
   を与えることにより、変調光が発生されるようにした変
   調光発生手段と、所定の空間を体積走査するように前記
   スクリーンを移動させる手段と、３次元画像データを入
   力するデータ入力手段と、前記スクリーンに前記３次元
   画像データに基づいて画像表示を行うように上記各手段
   を制御する制御手段とを備える３次元画像表示装置にお
   いて、前記スクリーンが複数の表示画素からなり、さら
   に該表示画素が複数の回折素子からなるとともに、該回
   折素子に照射される光を発生させる前記変調光発生手段
   における光の変調の制御が、前記３次元画像データに基
   づいて該回折素子の単位で前記制御手段によって行われ
   るようにしたことを特徴とする３次元画像表示装置。
2. 【請求項２】 前記変調光発生手段が、干渉性を有する
   光ビームを発生する手段と、前記光ビームを光変調する
   光変調手段と、該光変調手段からの前記光ビームを２次
   元走査させる走査手段により構成されるようにしたこと
   を特徴とする請求項１記載の３次元画像表示装置。
3. 【請求項３】 前記変調光発生手段が、前記スクリーン
   面全体を同時に照射し得る光発生手段と、前記スクリー
   ンと一体化可能にして該光発生手段からの光の透過率を
   空間的に変調可能な変調手段により構成されるようにし
   たことを特徴とする請求項１記載の３次元画像表示装
   置。
4. 【請求項４】 前記光の透過率を空間的に変調可能な変
   調手段として液晶パネルを用いるようにしたことを特徴
   とする請求項３記載の３次元画像表示装置。
5. 【請求項５】 前記変調光発生手段が前記スクリーンと
   一体化可能にして各照射位置に配され各々の発光が変調
   可能な複数の発光素子により構成されるようにしたこと
   を特徴とする請求項１記載の３次元画像表示装置。
6. 【請求項６】 前記複数の発光素子としてレーザ発光ア
   レイを用いるようにしたことを特徴とする請求項５記載
   の３次元画像表示装置。
7. 【請求項７】 前記複数の発光素子としてＬＥＤアレイ
   を用いるようにしたことを特徴とする請求項５記載の３
   次元画像表示装置。
8. 【請求項８】 前記回折素子の各素子に入射させる光を
   平行光とするようにしたことを特徴とする請求項１ない
   し７のいずれかに記載の３次元画像表示装置。
9. 【請求項９】 前記平行光を回折素子に斜めに入射させ
   る光とするようにしたことを特徴とする請求項８記載の
   ３次元画像表示装置。
10. 【請求項１０】 前記斜めに入射させる光を生じる手段
    を前記回折素子と一体化可能な手段とするようにしたこ
    とを特徴とする請求項９記載の３次元画像表示装置。
11. 【請求項１１】 前記回折素子と一体化可能な手段とし
    て光ファイバ束を用いるようにしたことを特徴とする請
    求項１０記載の３次元画像表示装置。
12. 【請求項１２】 前記回折素子を要素ホログラムとした
    ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載
    の３次元画像表示装置。
13. 【請求項１３】 前記回折素子をブレーズド回折格子と
    するようにしたことを特徴とする請求項１ないし１２の
    いずれかに記載の３次元画像表示装置。
14. 【請求項１４】 前記制御手段が、前記３次元画像デー
    タに基づいて前記表示画素における複数の回折素子から
    出射し得る各回折光の中で隠線／隠面にあたる回折光の
    方向を決定し、その決定に従って前記表示画素における
    各回折素子に照射する光の変調を制御し、隠線／隠面消
    去を行うようにしたことを特徴とする請求項１ないし１
    ３のいずれかに記載の３次元画像表示装置。
15. 【請求項１５】 隠線／隠面にあたる前記回折光の方向
    は、前記各回折素子から出射し得る光の光線追跡を用い
    て該光線の３次元画像による遮断を求めることにより決
    定されるようにしたことを特徴とする請求項１４記載の
    ３次元画像表示装置。
16. 【請求項１６】 前記光線追跡の際に前記３次元画像を
    複数の領域に分割するようにしたことを特徴とする請求
    項１５記載の３次元画像表示装置。
17. 【請求項１７】 前記３次元画像データとして画像の奥
    行き情報を用いるようにしたことを特徴とする請求項１
    ４記載の３次元画像表示装置。
18. 【請求項１８】 前記スクリーンにおける複数の表示画
    素を２次元の表示領域を構成するように分布させるとと
    もに、該スクリーンを移動させる前記移動手段を残りの
    １次元に移動させるようにしたことを特徴とする請求項
    １ないし１７のいずれかに記載の３次元画像表示装置。