JP3886036B2 - 立体表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の情報を記録、再生する、いわゆる干渉縞（ホログラム）を利用した立体表示技術を利用した立体表示装置に係り、特に、標本化構造をもつ干渉縞表示面を利用した立体表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、干渉縞表示面を利用した立体表示装置は、真像の観視に妨害となる共役光を除去した上で視域を拡大する手法として、特開平１１−０３８３５９号公報、特開平１１−２８１９２６号公報等に提案されている。しかし、これらの手法では視域拡大の上限値は干渉縞表示面の分解能で決まる値に制限される。そのため、干渉縞表示面の分解能に依存しない視域拡大法として、高次回折光を利用する立体表示装置が特開２０００−２５０３８７公報として従来提案されている。
【０００３】
この立体表示装置は、干渉縞を表示する標本化構造を有する干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を再発生させる再生光と、この再生光により再発生させられた物体光からホログラム像を再結像させるレンズとを少なくとも備えた立体表示装置において、前記ホログラム像を再結像させるにあたっては、干渉縞から再生される真像における高次の像の結像に関与する光線を利用すると共に、本来の物体上における点の位置の真像に相当する前記干渉縞から再生される高次の真像だけを結像させるための開口を、前記レンズの像側焦平面に配置した構成としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の立体表示装置では、視域拡大の上限値については、干渉縞表示面の分解能で決まる値に制限されないように、高次回折光を利用することで、干渉縞表示面の分解能に依存しない視域拡大法を用いて立体表示できるものの、共役光の除去については示されていないため、結像される真像の観視を妨げることになってしまった。
【０００５】
本発明は、前記問題点に鑑み創案されたもので、干渉縞表示面の分解能に影響されずに、共役光を除去し、かつ、視域を拡大することができる立体表示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る立体表示装置は、前記目的を達成するため、以下に示すように構成した。すなわち、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
【０００７】
このように構成されることにより、立体表示装置は、標本化間隔から決まる範囲、つまり、高次回折光となる被写体上の各点からの物体光をレンズにより集光する際に、空間フィルタの開口を介して共役光を除去した状態で再結像を表示することができる。なお、空間フィルタは、例えば、液晶フィルタとして構成すれば、時間的に切り替えて開口位置を変化させることができ、複数フィルタを設置することなく、一平面に配置してｎ次回折光に対応することができる。また、立体表示装置は、回折格子において格子の開口部分の幅を狭くすることにより、高次回折光を相対的に強く発生させることができる原理を利用して、高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくすることができる。
【０００８】
また、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタの開口は、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の垂直方向に半分に制限して作成された干渉縞に対応した位置に配置され、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
【０００９】
このように構成されることにより、立体表示装置は、高次回折光を相対的に強く発生させることができる原理を利用して、高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくし、かつ、水平方向における高次の光を強め、全体的光量の減少を最小限に抑えることができる。
【００１０】
さらに、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタの開口は、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の垂直方向に半分に制限して作成された干渉縞に対応した位置に配置され、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
このように構成されることにより、立体表示装置において、再結像は、水平方向の視域について考慮する必要が最低限で済む。
【００１１】
また、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタは、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の水平方向で半分の一方に制限して作成された干渉縞に対する開口を備える空間フィルタと、前記水平方向で半分の他方に制限して作成された干渉縞に対する開口とを備える空間フィルタとを有し、前記両開口からの物体光を合成する合成手段を備え、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
このように構成された立体表示装置は、水平方向において共役光を除去する際に視域が半分となっても、合成手段によりその視域を回復した状態で再結像することができる。
【００１２】
そして、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタの開口は、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の垂直方向に半分に制限して作成された干渉縞に対応した位置に配置され、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
このように構成されることにより、立体表示装置は、高次回折光を相対的に強く発生させることができる原理を利用して、高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくし、かつ、水平方向における高次の光を強め、全体的光量の減少を最小限に抑えることができる。
【００１３】
さらに、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタは、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の水平方向で半分の一方に制限して作成された干渉縞に対する開口を備える空間フィルタと、前記水平方向で半分の他方に制限して作成された干渉縞に対する開口とを備える空間フィルタとを有し、前記両開口からの物体光を合成する合成手段を備え、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
【００１４】
このように構成されることにより、立体表示装置は、各レンズにより集光される物体光について、干渉縞表示面の標本化間隔から決まる複数の範囲におけるそれぞれの範囲において、各範囲のそれぞれを一方と他方に制限して形成した干渉縞に応じた位置に開口をそれぞれ有する各空間フィルタを物体光が通過する際に、各物体光の共役光が除去された状態で合成手段により合成されて再結像される。そして、立体表示装置は、水平方向において共役光を除去する際に視域が半分となっても、合成手段によりその視域を回復した状態で再結像することができる。さらに、立体表示装置は、高次回折光を相対的に強く発生させることができる原理を利用して、高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくし、かつ、水平方向における高次の光を強め、全体的光量の減少を最小限に抑えることができる。
【００１５】
なお、前記立体表示装置において、その合成手段は、各開口を通過する物体光をあらかじめ空間上で合成して表示位置に表示する構成とすることや、また、各開口を通過する物体光を時間的に交互に切り替えて合成して表示位置に表示する構成とすると都合がよい。
【００１６】
このように構成されることにより、立体表示装置は、広がりを制限して形成された干渉縞の物体光について、共役光を除去して再び再結像が視域を狭くすることなく表示できる。なお、あらかじめ空間的に合成する場合として、例えば、ハーフミラーを用いることができる。また、時間的に交互に切り替えて合成する場合として、例えば、広がりを制限して形成された干渉縞の一方と他方の物体光を交互に連続してオンオフし、液晶フィルタ等により開口位置を切り替えて使用することができる。
【００１９】
なお、物体光の広がりを２分割する際には、被写体を標本化し、標本化された各点から発生される物体光の干渉縞表示面における光分布を計算し、被写体の干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して２分割し、その２分割した一側と他側の光分布を計算し、前記各点に対して加算してその被写体に対する一方と他方の干渉縞を作成してもよい。
【００２０】
また、標本化あるいは計算しなくとも、例えば、被写体と干渉縞作成面との間において、被写体側に配置される第１の凸レンズと、干渉縞作成面に配置される第２の凸レンズとを備え、各凸レンズの光軸を合わせ、かつ第１の凸レンズの像側焦平面と、第２の凸レンズの被写体側焦平面とを一致させて同一焦平面とした光学系と、この光学系において前記同一焦平面上に配置され、その同一焦平面の光軸を境界として分割される一方の半平面について光を遮断手段により遮断することで、物体光の広がりを、干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して２分割して、一方と他方の干渉縞を作成してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る立体表示装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
なお、説明の前に、本発明の基本となる、ハーフゾーンプレート処理と高次回折光を利用した物体光の再生について説明する。
【００２２】
図１５（ａ）、（ｂ）はハーフゾーンプレート処理の干渉縞作成について模式的に示す説明図、図１６はハーフゾーンプレート処理による再生状態を示す説明図、図１７は被写体に対して折り返し成分とならない干渉縞が得られる物体光の広がる範囲を示す説明図、図１８（ａ）、（ｂ）は高次回折光による物体光の再生状態を模式的に示す説明図、図１９（ａ）、（ｂ）は高次回折光の通過領域を模式的に示す説明図である。
【００２３】
まず、ハーフゾーンプレート処理について説明する。
図１５（ａ）に示すように、通常、計算機ホログラムでは、被写体Ｗを標本化し、標本化された各点から発生される物体光の干渉縞作成面Ｓａにおける光分布を計算し、被写体Ｗ上のすべての点に対する光分布を加算して干渉縞を作成する。
図１５（ｂ）に示されるように、ハーフゾーンプレート処理を施す場合は、被写体Ｗから干渉縞作成面Ｓａに対して垂直に下ろした垂線の足Ｃを通る直線で干渉縞作成面Ｓａを２分割し、その片側の光分布のみを計算し、被写体Ｗ上のすべての点に対して加算して干渉縞を作成する。
【００２４】
図１５（ｂ）に示すように、前記した条件でハーフゾーンプレート処理が施された干渉縞を、図１６に示す干渉縞表示面Ｓに設置しホログラム像を再生すると、共役像の結像に関する光線の広がりと実像の結像に関する光線の広がりが、凸レンズ（焦点距離：ｆ）Ｌの像側焦平面（遮光板Ｂの位置）において光軸を境界として上下に分離される。
【００２５】
従って、像側焦平面に共役像の光線の広がる範囲を遮光する遮光板Ｂを設置することにより、共役像の光線を遮断することができる。これらの詳細は「O.Bryngdahl,A.Lohmann,"Single-SidebandHolography",J.Opt.Soc.Am.Vo1.58,620(1968)」、「竹森民樹，”液晶パネルを用いた３次元表示,高速計算法",映像情報メディア学会技術報告，Vo1.21,No.46,PP13-19,(Aug.1997)」などに記述されている。
【００２６】
また、ここでは詳しく説明しないが、物体光の広がりを干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して２分割して干渉縞を作成する場合は、計算せずに、第１及び第２凸レンズと、遮光手段を使用して作成することも可能である（特願２００１−２０３１６３）。
【００２７】
次に高次回折光による物体光の再生について説明する。
干渉縞（ホログラム）は、物体光と参照光を干渉させることにより生じる縞のことであり、この干渉縞に物体光の情報が記録されている。干渉縞の縞間隔は、物体光の進行方向と参照光の進行方向のなす角によって決まり、この角度が大きくなると縞の周期は小さくなる。干渉縞表示面Ｓが標本化構造をもつ場合、干渉縞表示面Ｓに表示できる縞間隔は、ナイキスト条件より標本化間隔の２倍以上となる。
【００２８】
縞間隔の最小値が決まると、干渉縞作成時の物体光と参照光のなす角の最大値が決まる。なす角が最大値を超えた場合、作成される干渉縞の縞間隔が干渉縞表示面Ｓの表示限界以下となり、この干渉縞を干渉縞表示面Ｓに表示すると、折り返し成分が生じる。
【００２９】
図１７に示すように、一例として被写体上の点を含む鉛直面内を図示したものであるが、方向による違いはなく、どの面内でも同様に考えることができる。そして、干渉縞作成面Ｓａの標本化間隔ｐ（図示せず）で決まる、干渉縞が折り返し成分とならないための物体光と参照光のなす角の最大値φmは、物体光と参照光の波長をλとすると、φm≒λ／２ｐとなる。
【００３０】
被写体Ｗ上の点から発生する物体光のうち、参照光との干渉により生成される干渉縞が干渉縞作成面Ｓａにおいて折り返し成分となる場合の、物体光と参照光の角度差の条件は次式で示される。
【００３１】
（２ｎx−１）φm＜θOx−θRx≦（２ｎx＋１）φm （１）式
（２ｎy−１）φm＜θOy−θRy≦（２ｎy＋１）φm （２）式
【００３２】
ここで、物体光および参照光の進行方向をそれぞれ水平面と垂直面に投影し、干渉縞作成面Ｓａの法線方向とのなす角をθOx、θOyとθRx、θRy（ただし、θOx、θOy、θRx、θRyは近軸条件を満たすものとする）とし、ｎx、ｎyはそれぞれ水平、垂直の折り返し成分の番号を表す。
図１８（ａ）に示すように、例として水平方向だけを考えて、（１）式においてｎx＝１、（２）式においてｎy＝０とした場合の物体光、すなわち、
【００３３】
φm＜θOx−θRx≦３φm （３）式
−φm＜θOy−θRy≦φm （４）式
【００３４】
として（３）、（４）式の条件を満たす角度θOx、θOyの物体光から、水平の第１折り返し成分を作成する様子を示している。ここで、被写体Ｗ上の点と干渉縞作成面Ｓａの距離をｄ（図１８（ａ）参照）とする。
【００３５】
図１８（ｂ）に示すように、第１折り返し成分を干渉縞表示面Ｓに表示し、照明光として参照光と同じ光を照射すると、実像は干渉縞作成面Ｓａとの距離はｄのまま、鉛直方向に２φmｄだけ離れた位置に結像する。しかし、干渉縞表示面Ｓの標本化構造により発生する高次回折光のうち、水平方向の１次回折光の光路は（３）、（４）式を満たし、このため真像に対する水平方向の１次の像が本来の被写体Ｗの位置に結像する。
【００３６】
以上より、水平方向第ｎx折り返し成分、垂直方向第ｎy折り返し成分から再生された水平ｎx、垂直ｎy次回折光が本来の物体光に相当する。
本来の物体光に相当する光だけを抜き出すため、図１８（ｂ）に示すように、レンズＬを使って実像を再結像させる。このような構成とすることでレンズＬの像側焦平面において、高次回折光の通過領域が次数ごとに重なることなく分離する。
【００３７】
例として、図１９（ａ）に示すように、干渉縞表示面Ｓ（図１８参照）が正方配列構造をもち、その画素間隔が水平ｐx、垂直ｐyとすると、図１９（ｂ）に示すように、像側焦平面において高次回折光の通過領域が等間隔に並ぶ。この通過領域の分布は干渉縞表示面Ｓの画素構造をフーリエ変換したものに相当する。
【００３８】
この間隔は、水平ｆλ／ｐx、垂直ｆλ／ｐyであり、各領域の中心に高次のキャリア像が結像する。図１９（ｂ）に示すように、水平方向の１次回折光を抜き出す場合、ハッチを施した水平１次回折光の通過領域を開口とする形状の空間フィルタを、また、水平ｎx、垂直ｎy次回折光を抜き出す場合、白抜きで示した水平ｎx、垂直ｎy次回折光の通過領域を開口とする形状の空間フィルタを焦平面に設置する。
【００３９】
これらの詳細は、特開２０００−２５０３８７、「三科，山田，岡野：”画素構造をもつ空間光変調素子の特性を利用したＣＧＨの視域拡大”，映像情報メディア学会技術報告，Vo1．24，No．47，PP．29-34，（Sep．2000）」などに記述されている。
【００４０】
以上説明した構成に基づき、図１ないし図４を参照して本発明に係る第１実施の形態における立体表示装置の説明を行なう。図１は立体表示装置による干渉縞作成の状態を模式的に示す説明図、図２は立体表示装置においてｎ次回折光の再生状態を模式的に示す平面図、図３（ａ）、（ｂ）は立体表示装置の空間フィルタにおいる開口状態を模式的に示す正面図、図４（ａ）は図２の立体表示装置においてｎ次回折光の逆の範囲における再生状態を模式的に示す平面図、（ｂ）は図２と図４（ａ）におけるｎ次回折光の視域範囲を模式的に示す平面図である。
【００４１】
本実施例では、干渉縞の折り返し成分の作成においてハーフゾーンプレート処理を適用することを特徴としている。図２に示すように、立体表示装置１は、液晶画面などの干渉縞表示面２と、この干渉縞表示面２の後段に配置された集光用のレンズ３と、このレンズ３の像側焦平面の位置に配置される空間フィルタ４とを備えている。なお、干渉縞表示面２には、図示しない位置に配置されるレーザ発振機などの再生光源により再生光が照射される。また、焦平面とは、レンズにおける光軸上の焦点の位置で、その光軸に直交する平面をいう。
【００４２】
この立体表示装置１は、一例として、水平方向の第ｎ折り返し成分（ｎx＝ｎ）、垂直方向の折り返し成分なし（ｎy＝０）の干渉縞作成において、水平方向にハーフゾーンプレート処理を適用した場合の計算領域を示している。図１では物体光の範囲を水平方向に対して（１）式の半分、すなわち、
【００４３】
２ｎφm＜θOx−θRx≦（２ｎ＋１）φm （５）式
【００４４】
とし、垂直方向に対しては、
【００４５】
−φm≦θOy−θRy≦φm （６）式
【００４６】
とした場合を示している。図１の干渉縞作成面２ａにより作成した干渉縞からの各ｎ次の像（実像、共役像、キャリア像）の再生の様子を図２に示している。再結像されたｎ次真像の光（ハッチング間隔が広い部分の範囲）とｎ次共役像の光（ｎ次共役光と呼ぶ、ハッチング間隔が狭い部分の範囲）それぞれの通過領域が、レンズ３の像側焦平面におけるｎ次回折光の通過領域内でｎ次キャリア像の結像点を中心に、互いに重ならずに分離する。
したがって、レンズ３の像側焦平面に空間フィルタ４として、図３（ａ）に示すように、ｎ次真像の光だけを通過させるような開口５ａを設置することで、ｎ次共役光を遮断することができる。
【００４７】
図１、図２及び図４（ａ）に示すように、水平方向にハーフゾーンプレート処理を適用する場合、水平方向の視域が半分になる。真像を観視する時、両眼で立体視を行なうためには、水平方向の視域をできるだけ広くする必要がある。このため、水平方向の物体光の広がりに対して（５）式と逆の範囲、すなわち、
【００４８】
（２ｎ−１）φm＜θOx−θRx≦２ｎφm （７）式
【００４９】
この（７）式の条件を満たす範囲の物体光から作成された干渉縞に対して、上記と同様の手法により図３（ｂ）、図４（ａ）に示すように、空間フィルタ４に開口５ｂを形成することにより、物体光を再生し、図２と図４（ａ）の状態の物体光を合成することで、図４（ｂ）に示すように、共役光を除去した上で水平方向の視域を元に戻すことができる。
【００５０】
なお、物体光を合成する場合は、合成手段を用いて、物体光を表示位置で合成させて立体表示させるか、あるいは、物体光をあらかじめ空間的に合成して表示位置に立体表示させている。この合成手段を用いて物体光を合成する場合について図５又は図６を参照して説明する。
【００５１】
図５（ａ）、（ｂ）は１次回折光を、空間フィルタを介して通過させた状態を模式的に示す平面図、（ｃ）、（ｄ）は０次回折光を空間フィルタを介して通過させた状態を模式的に示す平面図、（ｅ）は０次回折光及び１次回折光を合成させた状態を模式的に示す平面図である。
【００５２】
なお、立体表示装置１の空間フィルタ４は、一例として液晶フィルタを使用しており、図５（ａ）〜（ｄ）の状態に開口５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを時間的に連続して切り替えて表示位置に立体表示を行なうことで、次数の異なる折り返し成分からそれぞれ物体光に相当する高次回折光を再生し、各共役光を除去した物体光を合成している。
【００５３】
（水平方向）
図５（ａ） ２φm＜θOx−θRx≦３φm （８）式
図５（ｂ） φm＜θOx−θRx≦２φm （９）式
図５（ｃ） ０＜θOx−θRx≦φm （１０）式
図５（ｄ） −φm＜θOx−θRx≦０ （１１）式
【００５４】
なお、（垂直方向）図５（ａ）〜（ｄ）すべては、
−φm＜θOy−θRy≦φm （１２）式
【００５５】
また、各干渉縞からの再生時、レンズの焦平面に設置する開口位置は真像から開口５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを見て、図５（ａ）は、１次回折光の通過領域の右半分（図面では上半分）、（ｂ）は、１次回折光の通過領域の左半分（図面では下半分）、（ｃ）は、０次回折光の通過領域の右半分（図面では上半分）、（ｄ）は、０次回折光の通過領域の左半分（図面では下半分）である。
【００５６】
図５（ａ）〜（ｄ）各々のシステムでは共役光（ハッチを施した領域）が除去され、物体光に相当する光だけが再生される。これらの光を合成することにより、水平方向の次式で示される広がりをもった物体光を再生することができる。
【００５７】
−φm＜θOx−θRx≦３φm （１３）式
【００５８】
この（１３）式の広がりをもった物体光を再生することができ、その結果、図５（ｅ）に示すように視域が拡大される。
この立体表示装置１のようなハーフゾーンプレート処理を水平方向に適用する必要のあるホログラフイとしては、水平方向に広がる物体光のみを記録、再生する、垂直視差を放棄したホログラフイがある。また、水平方向の適用が適当と思われるホログラフイとしては、干渉縞表示面の垂直方向の画素間隔が広いために垂直方向の視域が非常に狭いホログラフイなどが考えられる。
【００５９】
図５（ｅ）に示す例では、図５（ａ）〜（ｄ）４つのシステム状態から再生された光を合成する必要がある。これは、ハーフゾーンプレー卜法を適用する方向と視域拡大の方向が同じ水平方向としているためである。
【００６０】
また、物体光をあらかじめ空間的に合成手段により合成して表示位置に立体表示させる場合としても良く、その例について図６を参照して説明する。なお、前記した構成と同じ構成は、同じ符号を付して説明を省略する。
図６は、空間フィルタを通過した物体光を合成する状態を模式的に示す平面図である。
【００６１】
図６に示すように、例えば、合成手段としてのハーフミラー６を、空間フィルタ４の後段に所定角度で配置することで、０次回折光及び１次回折光について共役光を除去した上で水平方向の視域を元に戻し、かつ、共役光を除去した状態で真像を再結像させることができる。
【００６２】
このハーフミラー６を用いる場合は、空間フィルタ４の開口５Ａは、図５（ａ）、（ｂ）で示す開口５ａ、５ｂの状態を構成できるように、液晶フィルタを用いて交互に物体光をハーフミラー６側に通過させている。また、空間フィルタ４の開口５Ｂは、図５（ｃ）、（ｄ）で示す開口５ｃ，５ｄの状態を構成できるように、液晶フィルタを用いて交互に物体光をハーフミラー６側に通過させている。
【００６３】
なお、図５及び図６では、０次回折光及び１次回折光についての合成状態について説明したが、さらに高次回折光であっても合成して立体表示するこが可能であることはもちろんであり、その一例を図７及び図８に示す。なお、前記した構成と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ０次回折光、１次回折光、−１次回折光について空間フィルタを通過させる状態を模式的に示す平面図、（ｄ）は空間フィルタを通過した物体光を合成する状態を模式的に示す平面図、図８は立体表示装置において０次回折光、１次回折光、−１次回折光をハーフミラーで合成する状態を模式的に示す平面図である。
【００６５】
図７（ａ）に示すように、立体表示装置１は、その空間フィルタ４において、物体光の第１折り返し成分（１次回折光）について開口５Ａが、図５（ａ）、（ｂ）に示す開口５ａ，５ｂと同等の役割を果たし、また、図７（ｂ）物体光の折り返し成分なし（０次回折光）について開口５Ｂが、図５（ｃ）、（ｄ）に示す開口５ｃ，５ｄと同等の役割を果たしている。さらに、図７（ｃ）に示すように、立体表示装置１は、第−１折り返し成分（−１次回折光）について、図５（ａ）、（ｂ）と同様ではあるが、対象が−１次回折光として対応させ、通過領域を一方と他方の開口に分けた状態として共役光を除去した状態の物体光を通過させるように構成されている。
【００６６】
この立体表示装置１の空間フィルタ４は、液晶フィルタを一例として用い、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、時間的に切り替えてそれぞれの開口５Ａ，５Ｂ，５Ｃから共役光を除去した状態の物体光を通過させることで、図７（ｄ）に示すように、再結像させて立体表示を行っており、視域の広い立体表示を行うことが可能となる。
【００６７】
つぎに、図８に示すように、合成手段としてハーフミラー６，６を使用することにより、立体表示装置１により立体表示を行なう場合について説明する。
図８に示すように、干渉縞表示面２、レンズ３、及び空間フィルタ４をそれぞれ、１次回折光、０次回折光、−１次回折光に対応させて配置するとともに、各空間フィルタ４，４，４から共役光を除いた物体光に対して合成できる所定位置にハーフミラー６，６を配置している。
【００６８】
そして、空間フィルタ４，４，４は、液晶フィルタを一例として用い、各回折光の通過領域（図３参照）の一方と他方の物体光を交互に通過させている。このように、立体表示装置１は、ハーフミラー６，６によりあらかじめ物体光を合成して、被写体の再結像を表示位置に表示することができる。
【００６９】
なお、以上説明した図１ないし図８の立体表示装置１の構成においては、水平方向に通過領域を制限して共役光を除去した物体光を通過させているため、人間の視域に合わせて（両目の配置が横方向）光を合成している。そのため、垂直方向に通過領域を制限する場合であれば、物体光を合成する数を半分にすることができ、その実施の形態について図９ないし図１１を参照して説明する。
【００７０】
図９は立体表示装置による干渉縞作成の状態を模式的に示す説明図、図１０は立体表示装置の空間フィルタにおいる開口状態を模式的に示す正面図、図１１は立体表示装置のｎ次回折光の再生状態を模式的に示す平面図である。
ここでは、共役光除去のためのハーフゾーンプレート処理を垂直方向に適用することにより、水平方向の視域を犠牲にしないようにしたことを特徴としている。
【００７１】
図９に示すように、本実施例の一例として、水平方向の第ｎ折り返し成分、垂直方向の折り返し成分なしの干渉縞作成に、垂直方向にハーフゾーンプレート処理を適用した場合の計算領域を示しており、垂直方向の物体光の範囲を（４）式の半分、すなわち
【００７２】
０＜θOy−θRy≦φm （１４）式
【００７３】
とし、水平方向に対しては（１）式とした場合を示している。図９で示す干渉縞作成面１２ａによる計算領域を使って作成した干渉縞から再生する場合、図２と同様の構成においてレンズの像側焦平面に図３の代わりに図１０に示すような開口を設置することで、共役光を遮光することができる。
【００７４】
ここでは、図１０及び図１１に示すように、立体表示装置１１の空間フィルタ１４の開口１５を物体光が通過することで、共役光を除去して垂直方向の視域が半分になる。図１ないし図４の説明と同様に、物体光を（１２）式と逆の範囲に制限して作成した干渉縞から再生された物体光を合成することで、共役光を除去した上で垂直方向の視域を元に戻すことができる。
【００７５】
なお、再結像を観視する時、両眼立体視を行なうためには水平方向の広い視域が必要となる。そのため、垂直方向の視域がある程度とれるホログラフイにおいては、図９ないし図１１で示す立体表示装置１１に、ハーフゾーンプレート処理（図１５ないし図１７参照）を垂直方向に適用することが望ましい。そのため、立体表示装置１１は、水平方向の視域は確保できるため、垂直方向の視域は半分になるが、元の視域に戻さなければ、（６）式の逆側に配置される範囲の物体光を再生する必要がなくなり、システムの簡略化が図れる。
【００７６】
図１１に示すように、立体表示装置１１は、垂直方向に、既に説明したハーフゾーンプレート処理を適用した次数の異なる折り返し成分から、それぞれ物体光に相当する高次回折光を再生し、各光を合成している。図１１は、一例として水平方向の、折り返し成分のない干渉縞（ｎx＝０）と第１折り返し成分からなる干渉縞（ｎx＝１）からそれぞれ再生された物体光を合成することで、視域が拡大できることを説明している。図１１（ａ）、（ｂ）において、干渉縞表示面１２に表示する干渉縞は、物体光の広がる範囲をそれぞれ以下のように制限して作成されたものである。
【００７７】
（水平方向）
図１１（ａ） φm＜θOx−θRx≦３φm （１５）式
図１１（ｂ） −φm＜θOx−θRx≦φm （１６）式
【００７８】
（垂直方向）図１１（ａ）、（ｂ）共に、
０＜θOy−θRy≦φm （１７）式
【００７９】
各干渉縞からの再生時、レンズの像側焦平面の位置に設置された遮光板（空間フィルタ）１４の開口１５Ａ，１５Ｂの位置は、実像（真像）からその開口１５Ａ，１５Ｂを見て、図１１（ａ）、（ｂ）共に１次回折光の通過領域の上半分（図１０参照）である。この開口１５Ａ，１５Ｂにより共役光が除去され、物体光に相当する光だけが再生される。これらの物体光を合成することにより、図１１（ｃ）に示すように水平方向に、
【００８０】
−φm＜θOx−θRx≦３φm （１８）式
【００８１】
の広がりをもった物体光を再生することができる。これは、図１１（ａ）、（ｂ）２つのシステム状態から再生された光を合成することで図５と同様の効果が得られることを示している。したがって、両眼立体視にあまり影響のない垂直方向の視域を犠牲にすることで、水平方向の視域拡大のために必要な光を再生するシステム状態の数を図５に示す構成の半分にすることができる。
【００８２】
なお、図１１（ａ）、（ｂ）に示されたシステム状態を、図５ないし図８で既に説明したように、それぞれ別の独立したホログラフィシステムで実現する場合と、１つのシステムで干渉縞と開口位置を時間的に切り替えて実現する場合が考えられる。前者は複数のシステムから再生された光を空間的に合成するため光軸合わせ等の調整に手間がかかるが、各光が同時に再生されるため、動画再生には適している。後者は１つのシステムから再生された光を使用するため光軸合わせ等の調整は簡単になる。なお、後者は、各状態からの光が時間的にずれて再生されるので、フリッカをなくすには状態の切替を高速で行なう必要がある。例えば、合成する光の数をｍ（次数ｍ）とすると、前者（空間上の合成手段）のｍ倍の切替速度となる（図５ないし図９で説明した構成についても同様）。
【００８３】
そして、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、立体表示装置１１は、水平方向のｎ次回折光を、既に説明した合成手段（図５ないし図８）により合成させ、かつ、垂直方向の物体光で、図１０に示す、どちらか一方のみを通過させれば、共役光を除去した物体光により再結像させることが可能となる。なお、垂直方向において半分にした一方の開口からの物体光と他方の開口からの物体光の合成をしなくても、視域は最低限確保することができる。
【００８４】
さらに、図５ないし図８、図１１では、２つの回折光（０次回折光と１次回折光）を合成することによる２倍に視域を拡大する説明をしたが、合成する回折光は２つに限られるものではなく、任意の数とすることができる。合成する回折光を次数ｍまで使用すると、視域がｍ倍に拡大される。しかし、高い次数の回折光ほど０次回折光との明暗の差が大きいため、高い次数の回折光まで使用して視域を拡大する場合、各次数の回折光の間で光強度を均一化する必要がある。そこで、図１２ないし図１４に示すようなフィルタを使用することにより光強度を均一にする一例について説明する。
【００８５】
図１２（ａ）は開口率の高い干渉縞表示面（白い部分が画素部分、ハッチを施した部分が遮光部分）を示す正面図、（ｂ）は格子状の開口群を有する光フィルタを示す正面図、（ｃ）は干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す正面図、図１３（ａ）、（ｂ）は干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す断面図、斜視図、図１４（ａ）は開口率の高い干渉縞表示面（白い部分が画素部分、ハッチを施した部分が遮光部分）を示す正面図、（ｂ）は格子状の開口群を有する光フィルタを示す正面図、（ｃ）は、干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す正面図である。
【００８６】
図１２及び図１３に示すように、ここでは、既に説明した図１ないし図１１における立体表示装置１，１１の干渉縞表示面２，１２の開口率を下げることを特徴とする。これは、回折格子は格子の開口部分の幅を狭くすることにより、高次回折光が相対的に強く発生させるという特徴を利用するものであり、干渉縞表示面２，１２の開口率を小さくすることで高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくし、すなわち、各次数の光の間で光強度を均一化するものである。
【００８７】
干渉縞表示面２，１２に設置する光フィルタ１７の開口群１７ａの開口間隔は、干渉縞表示面の画素間隔ｐx（水平）、ｐy（垂直）と一致させる。開口群１７ａの開口幅Δｐx（水平）、Δｐy（垂直）とすると水平ｎx次の回折光の光強度Ｉｎx，ｎyは、つぎの式であらわされる。
【００８８】
【数１】
【００８９】
ここで、λは光の波長、ｆはレンズの焦点距離である。したがって、０次回折光に対する高次回折光の光強度の比（Ｉｎx，ｎy／Ｉ0，0）はつぎの式で得られる。
【００９０】
【数２】
【００９１】
この（２０）式は、水平、垂直それぞれの開口率（Δｐx／ｐx）、（Δｐy／ｐy）（共に１以下）の値により、同じ次数の回折光でも光強度が異なることを示している。例えば、反射型の液晶パネルの場合、開口率（Δｐx／ｐx）、（Δｐy／ｐy）は、それぞれ９０％程度であるが、このような表示面から発生する水平の１次（ｎx＝１，ｎy＝０）及び２次（ｎx＝２，ｎy＝０）回折光の光強度は（２０）式により共に０次回折光に対して１％程度である。
【００９２】
ここで、開口率を３０％とすると０次回折光に対して１次回折光は７４％、２次回折光は２５％となる。このように開口率を下げることで、高次回折光における各次数間の光強度の差を小さくすることができる。
【００９３】
開口率を小さくすると、各次数の回折光の明暗の差は減少するが、全体の光量は（１９）式より（ΔｐxΔｐy／ｐxｐy）倍で減少することがわかる。
全体光量の減少を減らすため、垂直方向の高次回折光を使用しない場合には、図１４（ｂ）に示すような水平方向の開口率だけを下げるような開口郡を干渉縞表示面に設置する手法が考えられる。この場合、干渉縞表示面２，１２の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群２８ａを備えた光フィルタ２８を設ける構成とする。このように光フィルタ２８を設けることで、図１２（ｂ）における全体光量は（ΔｐxΔｐy／ｐxｐy）倍であるが、図１４（ｂ）では、（Δｐx／ｐx）倍となり、光量の減少を減らすことができる。
【００９４】
また、全体光量の減少を補うため、再生時に干渉縞表示面に照射する照明光に明るい光を使う手法、高次光の光強度に応じて照明光の光量を変化させるなどの照明光の適応制御や、照明光の明るさに応じてレンズの像側焦平面に設置する開口にＮＤフィルタを配置するなども考えられる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明に係る立体表示装置は、以上説明したような構成としていることから、以下に示すような優れた効果を奏することができる。
【００９６】
立体表示装置は、真像の観察に妨害となる共役光を除去し、かつ、視域を拡大することができる。従って、ホログラム面に画素間隔が粗い液晶パネルを用いた場合も、共役光による妨害のない、視域の広いホログラム像（再結像）を再生することができ、動画ホログラフイ装置などに有効な技術となる可能性が高い。
【００９７】
立体表示装置は、垂直方向に制限して作成された干渉縞に対して空間フィルタの光通過領域を半分にして物体光を通過させているため、水平方向の合成に比べて合成回数を半分にして、なおかつ視域を確保するホログラム像の立体表示を可能とする。
【００９８】
立体表示装置は、垂直方向に制限して作成された干渉縞に対して空間フィルタの光通過領域を半分にして物体光を通過させ、合成手段により通過した物体光を合成することで結像させているため、視域を確保して共役光を除去したクリアなホログラム像を表示することができる。
【００９９】
立体表示装置は、標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して形成した干渉縞の干渉縞表示面に開口群を配置し、その開口群により本来干渉縞表示面が備えている高開口率から低開口率にシフトさせることで、次数の異なる回折光の明暗の差を小さくし、光強度を均一化することができる。
【０１００】
立体表示装置は、干渉縞表示面の高開口率から低開口率にシフトする際に、縦縞状の開口群とすることで、全体の光量の減少を最小限に抑えて、かつ、次数の異なる回折光の明暗の差を小さくし、光強度を均一化することができる。
【０１０１】
立体表示装置は、複数の干渉縞表示面、レンズ、空間フィルタ等から構成して、各空間フィルタにより共役光を除去して通過した物体光を合成手段により合成することでホログラム像を表示することができる。
【０１０２】
立体表示装置は、合成手段があらかじめ空間的に合成することができる例えばハーフミラー等を用いて空間フィルタを通過した物体光の合成作業を行っているため、各物体光が同時に再生されるため、動画再生等に使用する場合に適している。
【０１０３】
立体表示装置は、合成手段が表示位置において合成する構成としていることで、一つのシステムで実現でき、調整する光軸は一つで足りるために調整作業が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る立体表示装置による干渉縞作成の状態を模式的に示す説明図である。
【図２】 本発明に係る立体表示装置においてｎ次回折光の再生状態を模式的に示す平面図である。
【図３】 （ａ）、（ｂ）は本発明に係る立体表示装置の空間フィルタにおいる開口状態を模式的に示す正面図である。
【図４】 （ａ）は本発明に係る図２の立体表示装置においてｎ次回折光の逆の範囲における再生状態を模式的に示す平面図、（ｂ）は図２と図４（ａ）におけるｎ次回折光の視域範囲を模式的に示す平面図である。
【図５】 （ａ）、（ｂ）は本発明に係る１次回折光を、空間フィルタを介して通過させた状態を模式的に示す平面図、（ｃ）、（ｄ）は０次回折光を空間フィルタを介して通過させた状態を模式的に示す平面図、（ｅ）は０次回折光及び１次回折光を合成させた状態を模式的に示す平面図である。
【図６】 本発明に係る空間フィルタを通過した物体光を合成する状態を模式的に示す平面図である。
【図７】 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係る、それぞれ０次回折光、１次回折光、−１次回折光について空間フィルタを通過させる状態を模式的に示す平面図、（ｄ）は空間フィルタを通過した物体光を合成する状態を模式的に示す平面図である。
【図８】 本発明に係る立体表示装置において、０次回折光、１次回折光、−１次回折光をハーフミラーで合成する状態を模式的に示す平面図である。
【図９】 本発明に係る立体表示装置による干渉縞作成の状態を模式的に示す説明図である。
【図１０】 本発明に係る立体表示装置の空間フィルタにおいる開口状態を模式的に示す正面図である。
【図１１】 本発明に係る立体表示装置のｎ次回折光の再生状態を模式的に示す平面図である。
【図１２】 （ａ）は本発明に係る開口率の高い干渉縞表示面（白い部分が画素部分、ハッチを施した部分が遮光部分）を示す正面図、（ｂ）は格子状の開口群を有する光フィルタを示す正面図、（ｃ）は、干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す正面図である。
【図１３】 （ａ）、（ｂ）は本発明に係る干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す断面図、斜視図である。
【図１４】 （ａ）は本発明に係る開口率の高い干渉縞表示面（白い部分が画素部分、ハッチを施した部分が遮光部分）を示す正面図、（ｂ）は格子状の開口群を有する光フィルタを示す正面図、（ｃ）は、干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す正面図である。
【図１５】（ａ）、（ｂ）は、ハーフゾーンプレート処理の干渉縞作成について模式的に示す説明図である
【図１６】ハーフゾーンプレート処理による再生状態を示す説明図である。
【図１７】干渉縞作成時の物体光の広がる範囲と干渉縞が折り返し成分となる領域の関係を模式的に示す説明図である。
【図１８】（ａ）、（ｂ）は、高次回折光による物体光の再生状態を模式的に示す説明図である。
【図１９】（ａ）、（ｂ）は、高次回折光の通過領域を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
Ｂ 遮光板
Ｌ レンズ
Ｐａ ｎ次回折の通過領域
Ｓａ 干渉縞作成面
Ｓ 干渉縞表示面
Ｗ 被写体
１ 立体表示装置
２ａ 干渉縞作成面
２ 干渉縞作成面
３ レンズ
４ 空間フィルタ
５ａ 開口
５ｂ 開口
５ｃ 開口
５ｄ 開口
６ ハーフミラー
１１ 立体表示装置
１２ａ 干渉縞作成面
１２ 干渉縞表示面
１３ レンズ
１４ 空間フィルタ
１５ａ 開口
１５ｂ 開口
１７ 光フィルタ
１７ａ 開口群
２８ 光フィルタ
２８ａ 開口群
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の情報を記録、再生する、いわゆる干渉縞（ホログラム）を利用した立体表示技術を利用した立体表示装置に係り、特に、標本化構造をもつ干渉縞表示面を利用した立体表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、干渉縞表示面を利用した立体表示装置は、真像の観視に妨害となる共役光を除去した上で視域を拡大する手法として、特開平１１−０３８３５９号公報、特開平１１−２８１９２６号公報等に提案されている。しかし、これらの手法では視域拡大の上限値は干渉縞表示面の分解能で決まる値に制限される。そのため、干渉縞表示面の分解能に依存しない視域拡大法として、高次回折光を利用する立体表示装置が特開２０００−２５０３８７公報として従来提案されている。
【０００３】
この立体表示装置は、干渉縞を表示する標本化構造を有する干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を再発生させる再生光と、この再生光により再発生させられた物体光からホログラム像を再結像させるレンズとを少なくとも備えた立体表示装置において、前記ホログラム像を再結像させるにあたっては、干渉縞から再生される真像における高次の像の結像に関与する光線を利用すると共に、本来の物体上における点の位置の真像に相当する前記干渉縞から再生される高次の真像だけを結像させるための開口を、前記レンズの像側焦平面に配置した構成としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の立体表示装置では、視域拡大の上限値については、干渉縞表示面の分解能で決まる値に制限されないように、高次回折光を利用することで、干渉縞表示面の分解能に依存しない視域拡大法を用いて立体表示できるものの、共役光の除去については示されていないため、結像される真像の観視を妨げることになってしまった。
【０００５】
本発明は、前記問題点に鑑み創案されたもので、干渉縞表示面の分解能に影響されずに、共役光を除去し、かつ、視域を拡大することができる立体表示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る立体表示装置は、前記目的を達成するため、以下に示すように構成した。すなわち、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
【０００７】
このように構成されることにより、立体表示装置は、標本化間隔から決まる範囲、つまり、高次回折光となる被写体上の各点からの物体光をレンズにより集光する際に、空間フィルタの開口を介して共役光を除去した状態で再結像を表示することができる。なお、空間フィルタは、例えば、液晶フィルタとして構成すれば、時間的に切り替えて開口位置を変化させることができ、複数フィルタを設置することなく、一平面に配置してｎ次回折光に対応することができる。また、立体表示装置は、回折格子において格子の開口部分の幅を狭くすることにより、高次回折光を相対的に強く発生させることができる原理を利用して、高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくすることができる。
【０００８】
また、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタの開口は、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の垂直方向に半分に制限して作成された干渉縞に対応した位置に配置され、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
【０００９】
このように構成されることにより、立体表示装置は、高次回折光を相対的に強く発生させることができる原理を利用して、高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくし、かつ、水平方向における高次の光を強め、全体的光量の減少を最小限に抑えることができる。
【００１０】
さらに、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタの開口は、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の垂直方向に半分に制限して作成された干渉縞に対応した位置に配置され、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
このように構成されることにより、立体表示装置において、再結像は、水平方向の視域について考慮する必要が最低限で済む。
【００１１】
また、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタは、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の水平方向で半分の一方に制限して作成された干渉縞に対する開口を備える空間フィルタと、前記水平方向で半分の他方に制限して作成された干渉縞に対する開口とを備える空間フィルタとを有し、前記両開口からの物体光を合成する合成手段を備え、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
このように構成された立体表示装置は、水平方向において共役光を除去する際に視域が半分となっても、合成手段によりその視域を回復した状態で再結像することができる。
【００１２】
そして、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタの開口は、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の垂直方向に半分に制限して作成された干渉縞に対応した位置に配置され、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
このように構成されることにより、立体表示装置は、高次回折光を相対的に強く発生させることができる原理を利用して、高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくし、かつ、水平方向における高次の光を強め、全体的光量の減少を最小限に抑えることができる。
【００１３】
さらに、立体表示装置は、被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、前記空間フィルタは、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の水平方向で半分の一方に制限して作成された干渉縞に対する開口を備える空間フィルタと、前記水平方向で半分の他方に制限して作成された干渉縞に対する開口とを備える空間フィルタとを有し、前記両開口からの物体光を合成する合成手段を備え、前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有する構成とした。
【００１４】
このように構成されることにより、立体表示装置は、各レンズにより集光される物体光について、干渉縞表示面の標本化間隔から決まる複数の範囲におけるそれぞれの範囲において、各範囲のそれぞれを一方と他方に制限して形成した干渉縞に応じた位置に開口をそれぞれ有する各空間フィルタを物体光が通過する際に、各物体光の共役光が除去された状態で合成手段により合成されて再結像される。そして、立体表示装置は、水平方向において共役光を除去する際に視域が半分となっても、合成手段によりその視域を回復した状態で再結像することができる。さらに、立体表示装置は、高次回折光を相対的に強く発生させることができる原理を利用して、高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくし、かつ、水平方向における高次の光を強め、全体的光量の減少を最小限に抑えることができる。
【００１５】
なお、前記立体表示装置において、その合成手段は、各開口を通過する物体光をあらかじめ空間上で合成して表示位置に表示する構成とすることや、また、各開口を通過する物体光を時間的に交互に切り替えて合成して表示位置に表示する構成とすると都合がよい。
【００１６】
このように構成されることにより、立体表示装置は、広がりを制限して形成された干渉縞の物体光について、共役光を除去して再び再結像が視域を狭くすることなく表示できる。なお、あらかじめ空間的に合成する場合として、例えば、ハーフミラーを用いることができる。また、時間的に交互に切り替えて合成する場合として、例えば、広がりを制限して形成された干渉縞の一方と他方の物体光を交互に連続してオンオフし、液晶フィルタ等により開口位置を切り替えて使用することができる。
【００１９】
なお、物体光の広がりを２分割する際には、被写体を標本化し、標本化された各点から発生される物体光の干渉縞表示面における光分布を計算し、被写体の干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して２分割し、その２分割した一側と他側の光分布を計算し、前記各点に対して加算してその被写体に対する一方と他方の干渉縞を作成してもよい。
【００２０】
また、標本化あるいは計算しなくとも、例えば、被写体と干渉縞作成面との間において、被写体側に配置される第１の凸レンズと、干渉縞作成面に配置される第２の凸レンズとを備え、各凸レンズの光軸を合わせ、かつ第１の凸レンズの像側焦平面と、第２の凸レンズの被写体側焦平面とを一致させて同一焦平面とした光学系と、この光学系において前記同一焦平面上に配置され、その同一焦平面の光軸を境界として分割される一方の半平面について光を遮断手段により遮断することで、物体光の広がりを、干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して２分割して、一方と他方の干渉縞を作成してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る立体表示装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
なお、説明の前に、本発明の基本となる、ハーフゾーンプレート処理と高次回折光を利用した物体光の再生について説明する。
【００２２】
図１５（ａ）、（ｂ）はハーフゾーンプレート処理の干渉縞作成について模式的に示す説明図、図１６はハーフゾーンプレート処理による再生状態を示す説明図、図１７は被写体に対して折り返し成分とならない干渉縞が得られる物体光の広がる範囲を示す説明図、図１８（ａ）、（ｂ）は高次回折光による物体光の再生状態を模式的に示す説明図、図１９（ａ）、（ｂ）は高次回折光の通過領域を模式的に示す説明図である。
【００２３】
まず、ハーフゾーンプレート処理について説明する。
図１５（ａ）に示すように、通常、計算機ホログラムでは、被写体Ｗを標本化し、標本化された各点から発生される物体光の干渉縞作成面Ｓａにおける光分布を計算し、被写体Ｗ上のすべての点に対する光分布を加算して干渉縞を作成する。
図１５（ｂ）に示されるように、ハーフゾーンプレート処理を施す場合は、被写体Ｗから干渉縞作成面Ｓａに対して垂直に下ろした垂線の足Ｃを通る直線で干渉縞作成面Ｓａを２分割し、その片側の光分布のみを計算し、被写体Ｗ上のすべての点に対して加算して干渉縞を作成する。
【００２４】
図１５（ｂ）に示すように、前記した条件でハーフゾーンプレート処理が施された干渉縞を、図１６に示す干渉縞表示面Ｓに設置しホログラム像を再生すると、共役像の結像に関する光線の広がりと実像の結像に関する光線の広がりが、凸レンズ（焦点距離：ｆ）Ｌの像側焦平面（遮光板Ｂの位置）において光軸を境界として上下に分離される。
【００２５】
従って、像側焦平面に共役像の光線の広がる範囲を遮光する遮光板Ｂを設置することにより、共役像の光線を遮断することができる。これらの詳細は「O.Bryngdahl,A.Lohmann,"Single-SidebandHolography",J.Opt.Soc.Am.Vo1.58,620(1968)」、「竹森民樹，”液晶パネルを用いた３次元表示,高速計算法",映像情報メディア学会技術報告，Vo1.21,No.46,PP13-19,(Aug.1997)」などに記述されている。
【００２６】
また、ここでは詳しく説明しないが、物体光の広がりを干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して２分割して干渉縞を作成する場合は、計算せずに、第１及び第２凸レンズと、遮光手段を使用して作成することも可能である（特願２００１−２０３１６３）。
【００２７】
次に高次回折光による物体光の再生について説明する。
干渉縞（ホログラム）は、物体光と参照光を干渉させることにより生じる縞のことであり、この干渉縞に物体光の情報が記録されている。干渉縞の縞間隔は、物体光の進行方向と参照光の進行方向のなす角によって決まり、この角度が大きくなると縞の周期は小さくなる。干渉縞表示面Ｓが標本化構造をもつ場合、干渉縞表示面Ｓに表示できる縞間隔は、ナイキスト条件より標本化間隔の２倍以上となる。
【００２８】
縞間隔の最小値が決まると、干渉縞作成時の物体光と参照光のなす角の最大値が決まる。なす角が最大値を超えた場合、作成される干渉縞の縞間隔が干渉縞表示面Ｓの表示限界以下となり、この干渉縞を干渉縞表示面Ｓに表示すると、折り返し成分が生じる。
【００２９】
図１７に示すように、一例として被写体上の点を含む鉛直面内を図示したものであるが、方向による違いはなく、どの面内でも同様に考えることができる。そして、干渉縞作成面Ｓａの標本化間隔ｐ（図示せず）で決まる、干渉縞が折り返し成分とならないための物体光と参照光のなす角の最大値φmは、物体光と参照光の波長をλとすると、φm≒λ／２ｐとなる。
【００３０】
被写体Ｗ上の点から発生する物体光のうち、参照光との干渉により生成される干渉縞が干渉縞作成面Ｓａにおいて折り返し成分となる場合の、物体光と参照光の角度差の条件は次式で示される。
【００３１】
（２ｎx−１）φm＜θOx−θRx≦（２ｎx＋１）φm （１）式
（２ｎy−１）φm＜θOy−θRy≦（２ｎy＋１）φm （２）式
【００３２】
ここで、物体光および参照光の進行方向をそれぞれ水平面と垂直面に投影し、干渉縞作成面Ｓａの法線方向とのなす角をθOx、θOyとθRx、θRy（ただし、θOx、θOy、θRx、θRyは近軸条件を満たすものとする）とし、ｎx、ｎyはそれぞれ水平、垂直の折り返し成分の番号を表す。
図１８（ａ）に示すように、例として水平方向だけを考えて、（１）式においてｎx＝１、（２）式においてｎy＝０とした場合の物体光、すなわち、
【００３３】
φm＜θOx−θRx≦３φm （３）式
−φm＜θOy−θRy≦φm （４）式
【００３４】
として（３）、（４）式の条件を満たす角度θOx、θOyの物体光から、水平の第１折り返し成分を作成する様子を示している。ここで、被写体Ｗ上の点と干渉縞作成面Ｓａの距離をｄ（図１８（ａ）参照）とする。
【００３５】
図１８（ｂ）に示すように、第１折り返し成分を干渉縞表示面Ｓに表示し、照明光として参照光と同じ光を照射すると、実像は干渉縞作成面Ｓａとの距離はｄのまま、鉛直方向に２φmｄだけ離れた位置に結像する。しかし、干渉縞表示面Ｓの標本化構造により発生する高次回折光のうち、水平方向の１次回折光の光路は（３）、（４）式を満たし、このため真像に対する水平方向の１次の像が本来の被写体Ｗの位置に結像する。
【００３６】
以上より、水平方向第ｎx折り返し成分、垂直方向第ｎy折り返し成分から再生された水平ｎx、垂直ｎy次回折光が本来の物体光に相当する。
本来の物体光に相当する光だけを抜き出すため、図１８（ｂ）に示すように、レンズＬを使って実像を再結像させる。このような構成とすることでレンズＬの像側焦平面において、高次回折光の通過領域が次数ごとに重なることなく分離する。
【００３７】
例として、図１９（ａ）に示すように、干渉縞表示面Ｓ（図１８参照）が正方配列構造をもち、その画素間隔が水平ｐx、垂直ｐyとすると、図１９（ｂ）に示すように、像側焦平面において高次回折光の通過領域が等間隔に並ぶ。この通過領域の分布は干渉縞表示面Ｓの画素構造をフーリエ変換したものに相当する。
【００３８】
この間隔は、水平ｆλ／ｐx、垂直ｆλ／ｐyであり、各領域の中心に高次のキャリア像が結像する。図１９（ｂ）に示すように、水平方向の１次回折光を抜き出す場合、ハッチを施した水平１次回折光の通過領域を開口とする形状の空間フィルタを、また、水平ｎx、垂直ｎy次回折光を抜き出す場合、白抜きで示した水平ｎx、垂直ｎy次回折光の通過領域を開口とする形状の空間フィルタを焦平面に設置する。
【００３９】
これらの詳細は、特開２０００−２５０３８７、「三科，山田，岡野：”画素構造をもつ空間光変調素子の特性を利用したＣＧＨの視域拡大”，映像情報メディア学会技術報告，Vo1．24，No．47，PP．29-34，（Sep．2000）」などに記述されている。
【００４０】
以上説明した構成に基づき、図１ないし図４を参照して本発明に係る第１実施の形態における立体表示装置の説明を行なう。図１は立体表示装置による干渉縞作成の状態を模式的に示す説明図、図２は立体表示装置においてｎ次回折光の再生状態を模式的に示す平面図、図３（ａ）、（ｂ）は立体表示装置の空間フィルタにおいる開口状態を模式的に示す正面図、図４（ａ）は図２の立体表示装置においてｎ次回折光の逆の範囲における再生状態を模式的に示す平面図、（ｂ）は図２と図４（ａ）におけるｎ次回折光の視域範囲を模式的に示す平面図である。
【００４１】
本実施例では、干渉縞の折り返し成分の作成においてハーフゾーンプレート処理を適用することを特徴としている。図２に示すように、立体表示装置１は、液晶画面などの干渉縞表示面２と、この干渉縞表示面２の後段に配置された集光用のレンズ３と、このレンズ３の像側焦平面の位置に配置される空間フィルタ４とを備えている。なお、干渉縞表示面２には、図示しない位置に配置されるレーザ発振機などの再生光源により再生光が照射される。また、焦平面とは、レンズにおける光軸上の焦点の位置で、その光軸に直交する平面をいう。
【００４２】
この立体表示装置１は、一例として、水平方向の第ｎ折り返し成分（ｎx＝ｎ）、垂直方向の折り返し成分なし（ｎy＝０）の干渉縞作成において、水平方向にハーフゾーンプレート処理を適用した場合の計算領域を示している。図１では物体光の範囲を水平方向に対して（１）式の半分、すなわち、
【００４３】
２ｎφm＜θOx−θRx≦（２ｎ＋１）φm （５）式
【００４４】
とし、垂直方向に対しては、
【００４５】
−φm≦θOy−θRy≦φm （６）式
【００４６】
とした場合を示している。図１の干渉縞作成面２ａにより作成した干渉縞からの各ｎ次の像（実像、共役像、キャリア像）の再生の様子を図２に示している。再結像されたｎ次真像の光（ハッチング間隔が広い部分の範囲）とｎ次共役像の光（ｎ次共役光と呼ぶ、ハッチング間隔が狭い部分の範囲）それぞれの通過領域が、レンズ３の像側焦平面におけるｎ次回折光の通過領域内でｎ次キャリア像の結像点を中心に、互いに重ならずに分離する。
したがって、レンズ３の像側焦平面に空間フィルタ４として、図３（ａ）に示すように、ｎ次真像の光だけを通過させるような開口５ａを設置することで、ｎ次共役光を遮断することができる。
【００４７】
図１、図２及び図４（ａ）に示すように、水平方向にハーフゾーンプレート処理を適用する場合、水平方向の視域が半分になる。真像を観視する時、両眼で立体視を行なうためには、水平方向の視域をできるだけ広くする必要がある。このため、水平方向の物体光の広がりに対して（５）式と逆の範囲、すなわち、
【００４８】
（２ｎ−１）φm＜θOx−θRx≦２ｎφm （７）式
【００４９】
この（７）式の条件を満たす範囲の物体光から作成された干渉縞に対して、上記と同様の手法により図３（ｂ）、図４（ａ）に示すように、空間フィルタ４に開口５ｂを形成することにより、物体光を再生し、図２と図４（ａ）の状態の物体光を合成することで、図４（ｂ）に示すように、共役光を除去した上で水平方向の視域を元に戻すことができる。
【００５０】
なお、物体光を合成する場合は、合成手段を用いて、物体光を表示位置で合成させて立体表示させるか、あるいは、物体光をあらかじめ空間的に合成して表示位置に立体表示させている。この合成手段を用いて物体光を合成する場合について図５又は図６を参照して説明する。
【００５１】
図５（ａ）、（ｂ）は１次回折光を、空間フィルタを介して通過させた状態を模式的に示す平面図、（ｃ）、（ｄ）は０次回折光を空間フィルタを介して通過させた状態を模式的に示す平面図、（ｅ）は０次回折光及び１次回折光を合成させた状態を模式的に示す平面図である。
【００５２】
なお、立体表示装置１の空間フィルタ４は、一例として液晶フィルタを使用しており、図５（ａ）〜（ｄ）の状態に開口５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを時間的に連続して切り替えて表示位置に立体表示を行なうことで、次数の異なる折り返し成分からそれぞれ物体光に相当する高次回折光を再生し、各共役光を除去した物体光を合成している。
【００５３】
（水平方向）
図５（ａ） ２φm＜θOx−θRx≦３φm （８）式
図５（ｂ） φm＜θOx−θRx≦２φm （９）式
図５（ｃ） ０＜θOx−θRx≦φm （１０）式
図５（ｄ） −φm＜θOx−θRx≦０ （１１）式
【００５４】
なお、（垂直方向）図５（ａ）〜（ｄ）すべては、
−φm＜θOy−θRy≦φm （１２）式
【００５５】
また、各干渉縞からの再生時、レンズの焦平面に設置する開口位置は真像から開口５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを見て、図５（ａ）は、１次回折光の通過領域の右半分（図面では上半分）、（ｂ）は、１次回折光の通過領域の左半分（図面では下半分）、（ｃ）は、０次回折光の通過領域の右半分（図面では上半分）、（ｄ）は、０次回折光の通過領域の左半分（図面では下半分）である。
【００５６】
図５（ａ）〜（ｄ）各々のシステムでは共役光（ハッチを施した領域）が除去され、物体光に相当する光だけが再生される。これらの光を合成することにより、水平方向の次式で示される広がりをもった物体光を再生することができる。
【００５７】
−φm＜θOx−θRx≦３φm （１３）式
【００５８】
この（１３）式の広がりをもった物体光を再生することができ、その結果、図５（ｅ）に示すように視域が拡大される。
この立体表示装置１のようなハーフゾーンプレート処理を水平方向に適用する必要のあるホログラフイとしては、水平方向に広がる物体光のみを記録、再生する、垂直視差を放棄したホログラフイがある。また、水平方向の適用が適当と思われるホログラフイとしては、干渉縞表示面の垂直方向の画素間隔が広いために垂直方向の視域が非常に狭いホログラフイなどが考えられる。
【００５９】
図５（ｅ）に示す例では、図５（ａ）〜（ｄ）４つのシステム状態から再生された光を合成する必要がある。これは、ハーフゾーンプレー卜法を適用する方向と視域拡大の方向が同じ水平方向としているためである。
【００６０】
また、物体光をあらかじめ空間的に合成手段により合成して表示位置に立体表示させる場合としても良く、その例について図６を参照して説明する。なお、前記した構成と同じ構成は、同じ符号を付して説明を省略する。
図６は、空間フィルタを通過した物体光を合成する状態を模式的に示す平面図である。
【００６１】
図６に示すように、例えば、合成手段としてのハーフミラー６を、空間フィルタ４の後段に所定角度で配置することで、０次回折光及び１次回折光について共役光を除去した上で水平方向の視域を元に戻し、かつ、共役光を除去した状態で真像を再結像させることができる。
【００６２】
このハーフミラー６を用いる場合は、空間フィルタ４の開口５Ａは、図５（ａ）、（ｂ）で示す開口５ａ、５ｂの状態を構成できるように、液晶フィルタを用いて交互に物体光をハーフミラー６側に通過させている。また、空間フィルタ４の開口５Ｂは、図５（ｃ）、（ｄ）で示す開口５ｃ，５ｄの状態を構成できるように、液晶フィルタを用いて交互に物体光をハーフミラー６側に通過させている。
【００６３】
なお、図５及び図６では、０次回折光及び１次回折光についての合成状態について説明したが、さらに高次回折光であっても合成して立体表示するこが可能であることはもちろんであり、その一例を図７及び図８に示す。なお、前記した構成と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ０次回折光、１次回折光、−１次回折光について空間フィルタを通過させる状態を模式的に示す平面図、（ｄ）は空間フィルタを通過した物体光を合成する状態を模式的に示す平面図、図８は立体表示装置において０次回折光、１次回折光、−１次回折光をハーフミラーで合成する状態を模式的に示す平面図である。
【００６５】
図７（ａ）に示すように、立体表示装置１は、その空間フィルタ４において、物体光の第１折り返し成分（１次回折光）について開口５Ａが、図５（ａ）、（ｂ）に示す開口５ａ，５ｂと同等の役割を果たし、また、図７（ｂ）物体光の折り返し成分なし（０次回折光）について開口５Ｂが、図５（ｃ）、（ｄ）に示す開口５ｃ，５ｄと同等の役割を果たしている。さらに、図７（ｃ）に示すように、立体表示装置１は、第−１折り返し成分（−１次回折光）について、図５（ａ）、（ｂ）と同様ではあるが、対象が−１次回折光として対応させ、通過領域を一方と他方の開口に分けた状態として共役光を除去した状態の物体光を通過させるように構成されている。
【００６６】
この立体表示装置１の空間フィルタ４は、液晶フィルタを一例として用い、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、時間的に切り替えてそれぞれの開口５Ａ，５Ｂ，５Ｃから共役光を除去した状態の物体光を通過させることで、図７（ｄ）に示すように、再結像させて立体表示を行っており、視域の広い立体表示を行うことが可能となる。
【００６７】
つぎに、図８に示すように、合成手段としてハーフミラー６，６を使用することにより、立体表示装置１により立体表示を行なう場合について説明する。
図８に示すように、干渉縞表示面２、レンズ３、及び空間フィルタ４をそれぞれ、１次回折光、０次回折光、−１次回折光に対応させて配置するとともに、各空間フィルタ４，４，４から共役光を除いた物体光に対して合成できる所定位置にハーフミラー６，６を配置している。
【００６８】
そして、空間フィルタ４，４，４は、液晶フィルタを一例として用い、各回折光の通過領域（図３参照）の一方と他方の物体光を交互に通過させている。このように、立体表示装置１は、ハーフミラー６，６によりあらかじめ物体光を合成して、被写体の再結像を表示位置に表示することができる。
【００６９】
なお、以上説明した図１ないし図８の立体表示装置１の構成においては、水平方向に通過領域を制限して共役光を除去した物体光を通過させているため、人間の視域に合わせて（両目の配置が横方向）光を合成している。そのため、垂直方向に通過領域を制限する場合であれば、物体光を合成する数を半分にすることができ、その実施の形態について図９ないし図１１を参照して説明する。
【００７０】
図９は立体表示装置による干渉縞作成の状態を模式的に示す説明図、図１０は立体表示装置の空間フィルタにおいる開口状態を模式的に示す正面図、図１１は立体表示装置のｎ次回折光の再生状態を模式的に示す平面図である。
ここでは、共役光除去のためのハーフゾーンプレート処理を垂直方向に適用することにより、水平方向の視域を犠牲にしないようにしたことを特徴としている。
【００７１】
図９に示すように、本実施例の一例として、水平方向の第ｎ折り返し成分、垂直方向の折り返し成分なしの干渉縞作成に、垂直方向にハーフゾーンプレート処理を適用した場合の計算領域を示しており、垂直方向の物体光の範囲を（４）式の半分、すなわち
【００７２】
０＜θOy−θRy≦φm （１４）式
【００７３】
とし、水平方向に対しては（１）式とした場合を示している。図９で示す干渉縞作成面１２ａによる計算領域を使って作成した干渉縞から再生する場合、図２と同様の構成においてレンズの像側焦平面に図３の代わりに図１０に示すような開口を設置することで、共役光を遮光することができる。
【００７４】
ここでは、図１０及び図１１に示すように、立体表示装置１１の空間フィルタ１４の開口１５を物体光が通過することで、共役光を除去して垂直方向の視域が半分になる。図１ないし図４の説明と同様に、物体光を（１２）式と逆の範囲に制限して作成した干渉縞から再生された物体光を合成することで、共役光を除去した上で垂直方向の視域を元に戻すことができる。
【００７５】
なお、再結像を観視する時、両眼立体視を行なうためには水平方向の広い視域が必要となる。そのため、垂直方向の視域がある程度とれるホログラフイにおいては、図９ないし図１１で示す立体表示装置１１に、ハーフゾーンプレート処理（図１５ないし図１７参照）を垂直方向に適用することが望ましい。そのため、立体表示装置１１は、水平方向の視域は確保できるため、垂直方向の視域は半分になるが、元の視域に戻さなければ、（６）式の逆側に配置される範囲の物体光を再生する必要がなくなり、システムの簡略化が図れる。
【００７６】
図１１に示すように、立体表示装置１１は、垂直方向に、既に説明したハーフゾーンプレート処理を適用した次数の異なる折り返し成分から、それぞれ物体光に相当する高次回折光を再生し、各光を合成している。図１１は、一例として水平方向の、折り返し成分のない干渉縞（ｎx＝０）と第１折り返し成分からなる干渉縞（ｎx＝１）からそれぞれ再生された物体光を合成することで、視域が拡大できることを説明している。図１１（ａ）、（ｂ）において、干渉縞表示面１２に表示する干渉縞は、物体光の広がる範囲をそれぞれ以下のように制限して作成されたものである。
【００７７】
（水平方向）
図１１（ａ） φm＜θOx−θRx≦３φm （１５）式
図１１（ｂ） −φm＜θOx−θRx≦φm （１６）式
【００７８】
（垂直方向）図１１（ａ）、（ｂ）共に、
０＜θOy−θRy≦φm （１７）式
【００７９】
各干渉縞からの再生時、レンズの像側焦平面の位置に設置された遮光板（空間フィルタ）１４の開口１５Ａ，１５Ｂの位置は、実像（真像）からその開口１５Ａ，１５Ｂを見て、図１１（ａ）、（ｂ）共に１次回折光の通過領域の上半分（図１０参照）である。この開口１５Ａ，１５Ｂにより共役光が除去され、物体光に相当する光だけが再生される。これらの物体光を合成することにより、図１１（ｃ）に示すように水平方向に、
【００８０】
−φm＜θOx−θRx≦３φm （１８）式
【００８１】
の広がりをもった物体光を再生することができる。これは、図１１（ａ）、（ｂ）２つのシステム状態から再生された光を合成することで図５と同様の効果が得られることを示している。したがって、両眼立体視にあまり影響のない垂直方向の視域を犠牲にすることで、水平方向の視域拡大のために必要な光を再生するシステム状態の数を図５に示す構成の半分にすることができる。
【００８２】
なお、図１１（ａ）、（ｂ）に示されたシステム状態を、図５ないし図８で既に説明したように、それぞれ別の独立したホログラフィシステムで実現する場合と、１つのシステムで干渉縞と開口位置を時間的に切り替えて実現する場合が考えられる。前者は複数のシステムから再生された光を空間的に合成するため光軸合わせ等の調整に手間がかかるが、各光が同時に再生されるため、動画再生には適している。後者は１つのシステムから再生された光を使用するため光軸合わせ等の調整は簡単になる。なお、後者は、各状態からの光が時間的にずれて再生されるので、フリッカをなくすには状態の切替を高速で行なう必要がある。例えば、合成する光の数をｍ（次数ｍ）とすると、前者（空間上の合成手段）のｍ倍の切替速度となる（図５ないし図９で説明した構成についても同様）。
【００８３】
そして、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、立体表示装置１１は、水平方向のｎ次回折光を、既に説明した合成手段（図５ないし図８）により合成させ、かつ、垂直方向の物体光で、図１０に示す、どちらか一方のみを通過させれば、共役光を除去した物体光により再結像させることが可能となる。なお、垂直方向において半分にした一方の開口からの物体光と他方の開口からの物体光の合成をしなくても、視域は最低限確保することができる。
【００８４】
さらに、図５ないし図８、図１１では、２つの回折光（０次回折光と１次回折光）を合成することによる２倍に視域を拡大する説明をしたが、合成する回折光は２つに限られるものではなく、任意の数とすることができる。合成する回折光を次数ｍまで使用すると、視域がｍ倍に拡大される。しかし、高い次数の回折光ほど０次回折光との明暗の差が大きいため、高い次数の回折光まで使用して視域を拡大する場合、各次数の回折光の間で光強度を均一化する必要がある。そこで、図１２ないし図１４に示すようなフィルタを使用することにより光強度を均一にする一例について説明する。
【００８５】
図１２（ａ）は開口率の高い干渉縞表示面（白い部分が画素部分、ハッチを施した部分が遮光部分）を示す正面図、（ｂ）は格子状の開口群を有する光フィルタを示す正面図、（ｃ）は干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す正面図、図１３（ａ）、（ｂ）は干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す断面図、斜視図、図１４（ａ）は開口率の高い干渉縞表示面（白い部分が画素部分、ハッチを施した部分が遮光部分）を示す正面図、（ｂ）は格子状の開口群を有する光フィルタを示す正面図、（ｃ）は、干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す正面図である。
【００８６】
図１２及び図１３に示すように、ここでは、既に説明した図１ないし図１１における立体表示装置１，１１の干渉縞表示面２，１２の開口率を下げることを特徴とする。これは、回折格子は格子の開口部分の幅を狭くすることにより、高次回折光が相対的に強く発生させるという特徴を利用するものであり、干渉縞表示面２，１２の開口率を小さくすることで高い次数の回折光と０次回折光との明暗の差を小さくし、すなわち、各次数の光の間で光強度を均一化するものである。
【００８７】
干渉縞表示面２，１２に設置する光フィルタ１７の開口群１７ａの開口間隔は、干渉縞表示面の画素間隔ｐx（水平）、ｐy（垂直）と一致させる。開口群１７ａの開口幅Δｐx（水平）、Δｐy（垂直）とすると水平ｎx次の回折光の光強度Ｉｎx，ｎyは、つぎの式であらわされる。
【００８８】
【数１】
ここで、λは光の波長、ｆはレンズの焦点距離である。したがって、０次回折光に対する高次回折光の光強度の比（Ｉｎx，ｎy／Ｉ0，0）はつぎの式で得られる。
【００９０】
【数２】
この（２０）式は、水平、垂直それぞれの開口率（Δｐx／ｐx）、（Δｐy／ｐy）（共に１以下）の値により、同じ次数の回折光でも光強度が異なることを示している。例えば、反射型の液晶パネルの場合、開口率（Δｐx／ｐx）、（Δｐy／ｐy）は、それぞれ９０％程度であるが、このような表示面から発生する水平の１次（ｎx＝１，ｎy＝０）及び２次（ｎx＝２，ｎy＝０）回折光の光強度は（２０）式により共に０次回折光に対して１％程度である。
【００９２】
ここで、開口率を３０％とすると０次回折光に対して１次回折光は７４％、２次回折光は２５％となる。このように開口率を下げることで、高次回折光における各次数間の光強度の差を小さくすることができる。
【００９３】
開口率を小さくすると、各次数の回折光の明暗の差は減少するが、全体の光量は（１９）式より（ΔｐxΔｐy／ｐxｐy）倍で減少することがわかる。
全体光量の減少を減らすため、垂直方向の高次回折光を使用しない場合には、図１４（ｂ）に示すような水平方向の開口率だけを下げるような開口郡を干渉縞表示面に設置する手法が考えられる。この場合、干渉縞表示面２，１２の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群２８ａを備えた光フィルタ２８を設ける構成とする。このように光フィルタ２８を設けることで、図１２（ｂ）における全体光量は（ΔｐxΔｐy／ｐxｐy）倍であるが、図１４（ｂ）では、（Δｐx／ｐx）倍となり、光量の減少を減らすことができる。
【００９４】
また、全体光量の減少を補うため、再生時に干渉縞表示面に照射する照明光に明るい光を使う手法、高次光の光強度に応じて照明光の光量を変化させるなどの照明光の適応制御や、照明光の明るさに応じてレンズの像側焦平面に設置する開口にＮＤフィルタを配置するなども考えられる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明に係る立体表示装置は、以上説明したような構成としていることから、以下に示すような優れた効果を奏することができる。
【００９６】
立体表示装置は、真像の観察に妨害となる共役光を除去し、かつ、視域を拡大することができる。従って、ホログラム面に画素間隔が粗い液晶パネルを用いた場合も、共役光による妨害のない、視域の広いホログラム像（再結像）を再生することができ、動画ホログラフイ装置などに有効な技術となる可能性が高い。
【００９７】
立体表示装置は、垂直方向に制限して作成された干渉縞に対して空間フィルタの光通過領域を半分にして物体光を通過させているため、水平方向の合成に比べて合成回数を半分にして、なおかつ視域を確保するホログラム像の立体表示を可能とする。
【００９８】
立体表示装置は、垂直方向に制限して作成された干渉縞に対して空間フィルタの光通過領域を半分にして物体光を通過させ、合成手段により通過した物体光を合成することで結像させているため、視域を確保して共役光を除去したクリアなホログラム像を表示することができる。
【００９９】
立体表示装置は、標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して形成した干渉縞の干渉縞表示面に開口群を配置し、その開口群により本来干渉縞表示面が備えている高開口率から低開口率にシフトさせることで、次数の異なる回折光の明暗の差を小さくし、光強度を均一化することができる。
【０１００】
立体表示装置は、干渉縞表示面の高開口率から低開口率にシフトする際に、縦縞状の開口群とすることで、全体の光量の減少を最小限に抑えて、かつ、次数の異なる回折光の明暗の差を小さくし、光強度を均一化することができる。
【０１０１】
立体表示装置は、複数の干渉縞表示面、レンズ、空間フィルタ等から構成して、各空間フィルタにより共役光を除去して通過した物体光を合成手段により合成することでホログラム像を表示することができる。
【０１０２】
立体表示装置は、合成手段があらかじめ空間的に合成することができる例えばハーフミラー等を用いて空間フィルタを通過した物体光の合成作業を行っているため、各物体光が同時に再生されるため、動画再生等に使用する場合に適している。
【０１０３】
立体表示装置は、合成手段が表示位置において合成する構成としていることで、一つのシステムで実現でき、調整する光軸は一つで足りるために調整作業が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る立体表示装置による干渉縞作成の状態を模式的に示す説明図である。
【図２】 本発明に係る立体表示装置においてｎ次回折光の再生状態を模式的に示す平面図である。
【図３】 （ａ）、（ｂ）は本発明に係る立体表示装置の空間フィルタにおいる開口状態を模式的に示す正面図である。
【図４】 （ａ）は本発明に係る図２の立体表示装置においてｎ次回折光の逆の範囲における再生状態を模式的に示す平面図、（ｂ）は図２と図４（ａ）におけるｎ次回折光の視域範囲を模式的に示す平面図である。
【図５】 （ａ）、（ｂ）は本発明に係る１次回折光を、空間フィルタを介して通過させた状態を模式的に示す平面図、（ｃ）、（ｄ）は０次回折光を空間フィルタを介して通過させた状態を模式的に示す平面図、（ｅ）は０次回折光及び１次回折光を合成させた状態を模式的に示す平面図である。
【図６】 本発明に係る空間フィルタを通過した物体光を合成する状態を模式的に示す平面図である。
【図７】 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係る、それぞれ０次回折光、１次回折光、−１次回折光について空間フィルタを通過させる状態を模式的に示す平面図、（ｄ）は空間フィルタを通過した物体光を合成する状態を模式的に示す平面図である。
【図８】 本発明に係る立体表示装置において、０次回折光、１次回折光、−１次回折光をハーフミラーで合成する状態を模式的に示す平面図である。
【図９】 本発明に係る立体表示装置による干渉縞作成の状態を模式的に示す説明図である。
【図１０】 本発明に係る立体表示装置の空間フィルタにおいる開口状態を模式的に示す正面図である。
【図１１】 本発明に係る立体表示装置のｎ次回折光の再生状態を模式的に示す平面図である。
【図１２】 （ａ）は本発明に係る開口率の高い干渉縞表示面（白い部分が画素部分、ハッチを施した部分が遮光部分）を示す正面図、（ｂ）は格子状の開口群を有する光フィルタを示す正面図、（ｃ）は、干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す正面図である。
【図１３】 （ａ）、（ｂ）は本発明に係る干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す断面図、斜視図である。
【図１４】 （ａ）は本発明に係る開口率の高い干渉縞表示面（白い部分が画素部分、ハッチを施した部分が遮光部分）を示す正面図、（ｂ）は格子状の開口群を有する光フィルタを示す正面図、（ｃ）は、干渉縞表示面に光フィルタを設置した状態を模式的に示す正面図である。
【図１５】（ａ）、（ｂ）は、ハーフゾーンプレート処理の干渉縞作成について模式的に示す説明図である
【図１６】ハーフゾーンプレート処理による再生状態を示す説明図である。
【図１７】干渉縞作成時の物体光の広がる範囲と干渉縞が折り返し成分となる領域の関係を模式的に示す説明図である。
【図１８】（ａ）、（ｂ）は、高次回折光による物体光の再生状態を模式的に示す説明図である。
【図１９】（ａ）、（ｂ）は、高次回折光の通過領域を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
Ｂ 遮光板
Ｌ レンズ
Ｐａ ｎ次回折の通過領域
Ｓａ 干渉縞作成面
Ｓ 干渉縞表示面
Ｗ 被写体
１ 立体表示装置
２ａ 干渉縞作成面
２ 干渉縞作成面
３ レンズ
４ 空間フィルタ
５ａ 開口
５ｂ 開口
５ｃ 開口
５ｄ 開口
６ ハーフミラー
１１ 立体表示装置
１２ａ 干渉縞作成面
１２ 干渉縞表示面
１３ レンズ
１４ 空間フィルタ
１５ａ 開口
１５ｂ 開口
１７ 光フィルタ
１７ａ 開口群
２８ 光フィルタ
２８ａ 開口群
Claims (8)
- 被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、
前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有することを特徴とする立体表示装置。 - 被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、
前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有することを特徴とする立体表示装置。 - 被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、
前記空間フィルタの開口は、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の垂直方向に半分に制限して作成された干渉縞に対応した位置に配置され、
前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有することを特徴とする立体表示装置。 - 被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、
前記空間フィルタは、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の水平方向で半分の一方に制限して作成された干渉縞に対する開口を備える空間フィルタと、前記水平方向で半分の他方に制限して作成された干渉縞に対する開口とを備える空間フィルタとを有し、前記両開口からの物体光を合成する合成手段を備え、
前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の標本化間隔と等しい間隔で、格子状に配列した開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有することを特徴とする立体表示装置。 - 被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、 この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、
前記空間フィルタの開口は、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の垂直方向に半分に制限して作成された干渉縞に対応した位置に配置され、
前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有することを特徴とする立体表示装置。 - 被写体についての物体光に対して参照光を干渉させた干渉縞を表示する標本化構造をもつ干渉縞表示面と、前記干渉縞から物体光を、再生光を介して再発生させる再生光源と、この再生光源により再発生させた前記物体光を、像側焦平面を越えた位置に再結像させるレンズとを有する立体表示装置において、前記像側焦平面の位置には、前記被写体における各点からの前記物体光の広がりを前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の半分に制限して作成した干渉縞に応じた位置に開口を有する空間フィルタを備え、
前記空間フィルタは、前記干渉縞表示面の標本化間隔から決まる範囲の水平方向で半分の一方に制限して作成された干渉縞に対する開口を備える空間フィルタと、前記水平方向で半分の他方に制限して作成された干渉縞に対する開口とを備える空間フィルタとを有し、前記両開口からの物体光を合成する合成手段を備え、
前記干渉縞表示面は、その干渉縞表示面の水平方向の標本化間隔と等しい間隔で、縦縞状の開口群を備え、前記開口群は、前記干渉縞表示面が備えている開口率から当該開口率を低下させる開口幅を有することを特徴とする立体表示装置。 - 前記合成手段は、各開口を通過する物体光をあらかじめ空間上で合成して表示位置に表示することを特徴とする請求項４又は請求項６に記載の立体表示装置。
- 前記合成手段は、各開口を通過する物体光を時間的に交互に切り替えて合成して表示位置に表示することを特徴とする請求項４又は請求項６に記載の立体表示装置。
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