JPH052148A - 回折格子パターンを有するデイスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、像の飛びのない立体的（３次元的）
な像を表現することを最も主要な特徴としている。 【構成】本発明は、平面状の基板の表面に、微小な回折
格子（グレーティング）をドット毎に配置することによ
り形成されるディスプレイにおいて、ドットを構成して
いる回折格子が、曲線を一定のピッチでまたは任意にピ
ッチを変化させて平行移動した複数の線の集まりにより
構成されていることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平面状の基板の表面
に、微小な回折格子（グレーティング）をドット毎に配
置することにより形成されるディスプレイに係り、特に
像の飛びのない立体的（３次元的）な像を表現すること
が可能な回折格子パターンを有するディスプレイに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、平面状の基板の表面に、回折
格子からなる複数の微小なドットを配置することによ
り、回折格子パターンが形成されたディスプレイが多く
使用されてきている。この種の回折格子パターンを有す
るディスプレイを作製する方法としては、例えば“特開
昭６０−１５６００４号公報”に開示されているような
方法がある。この方法は、２光束干渉による微小な干渉
縞（以下、回折格子とする）を、そのピッチ、方向、お
よび光強度を変化させて、感光性フィルムに次々と露光
するものである。

【０００３】一方、最近では、例えば電子ビーム露光装
置を用い、かつコンピュータ制御により、平面状の基板
が載置されたＸ−Ｙステージを移動させて、基板の表面
に回折格子からなる複数の微小なドットを配置すること
により、ある絵柄の回折格子パターンが形成されたディ
スプレイを作製する方法が、本発明者によって提案され
てきている。その方法は、１９８８年１１月２５日にフ
ァイルされた“米国特許出願シリアル番号第２７６，４
６９号”に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな作製方法によって作製されたディスプレイにおいて
は、回折格子パターンを有するディスプレイの絵柄とし
ては、イメージスキャナ等で入力した画像とか、あるい
はコンピュータ・グラフィックスにより作製された２次
元的な画像などが使用されている。このため、回折格子
パターンによって表現される絵柄は、回折格子が配置さ
れている基板上の平面に位置するために、平面的（２次
元的）な絵柄しか表現することができず、立体的（３次
元的）な絵柄を表現できないという問題がある。

【０００５】本発明は上記のような課題を解決するため
に成されたもので、ドットを構成している回折格子を、
曲線を平行移動した複数の線の集まりにより構成して光
の回折する角度を変えるようにすることにより、像の飛
びのない立体的（３次元的）な像を表現することが可能
な回折格子パターンを有するディスプレイを提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の回折格子パターンを有するディスプレイ
は、ドットを構成している回折格子を、曲線を平行移動
した複数の線の集まりにより構成している。

【０００７】ここで、特に回折格子を、曲線を一定のピ
ッチで平行移動した複数の線の集まりにより構成してい
る。

【０００８】また、回折格子の曲線の傾きの変化Ω₁ か
らΩ₂ 、および曲線の移動するピッチｄを、 ｔａｎ（Ω₁ ）＝ｓｉｎ（α₁ ）／ｓｉｎ（θ） ｔａｎ（Ω₂ ）＝ｓｉｎ（α₂ ）／ｓｉｎ（θ） ｄ＝λ／ｓｉｎ（θ） により定めることが好ましい。なお、照明光の入射角度
をθ、回折格子の観察されるべき角度（１次回折光の方
向）をα₁ からα₂ 、１次回折光の波長をλとする。

【０００９】一方、回折格子を、曲線を任意にピッチを
変化させて平行移動した複数の線の集まりにより構成し
ている。

【００１０】また、回折光をなす光の波長を複数とし、
各波長をλ₁ ，λ₂ ，…，λ_m ，…，λ_n 、各波長の強
度をＡ₁ ，Ａ₂ ，…，Ａ_m ，…，Ａ_n とし、各波長を回
折させるのに必要な回折格子の空間周波数（ピッチの逆
数）ｆ₁ ，ｆ₂ ，…，ｆ_m ，…，ｆ_n は、 ｆ₁ ＝ｓｉｎ（θ）／λ₁ ｆ₂ ＝ｓｉｎ（θ）／λ₂ ： ｆ_m ＝ｓｉｎ（θ）／λ_m ｆ_n ＝ｓｉｎ（θ）／λ_n であり、デルタ関数をδ（ｘ）とし、回折格子に

【００１１】

【数２】

【００１２】で示されるＦ（ｆｘ）の空間周波数分布を
持たせ、Ｆ（ｆｘ）を逆フーリエ変換したものをｆ
（ｘ）とし、曲線をその移動方向にｆ（ｘ）の分布を持
つように移動させるようにしている。

【００１３】一方、ドットに、回折格子の存在しない領
域を持たせている。

【００１４】ここで、特に回折格子の存在しない領域
を、回折格子の曲線の移動する方向に平行な線によって
分割している。

【００１５】

【作用】従って、本発明のディスプレイを観察すると、
右の方向から観察されたときに見えるべき平面画像は右
の方向から観察され、正面の方向から観察されたときに
見えるべき平面画像は正面の方向から観察され、左の方
向から観察されたときに見えるべき平面画像は左の方向
から観察されるため、観察者は左，正面，右で視差のあ
る画像を見ることになり、立体的（３次元的）な像を観
察することができる。

【００１６】また、本発明のようにドット状に回折格子
を形成すると、デ−タのない位置には回折格子は形成さ
れないので、不要な回折格子を作成する必要がなく、よ
って、ホログラムに比べてノイズが少なくなる。

【００１７】さらに、本発明によれば、デジタル的に理
想的な回折格子を作成できるので、従来のホログラムに
比べて明るい像を再生することができる。

【００１８】さらにまた、回折格子を、曲線を任意にピ
ッチを変化させて平行移動した複数の線の集まりにより
構成することにより、ドット毎の回折光の色を、単一波
長の色だけでなく任意の色にすることができるため、観
察者はより自然な立体像を観察することができる。

【００１９】

【実施例】以下、図１乃至図１０を参照して、本発明に
係わる回折格子パターンを有するディスプレイについて
説明する。なお、本実施例では、電子ビームを用いてデ
ィスプレイを作製している。

【００２０】まず、図１を用いて、複数枚の平面画像の
入力方法を説明する。

【００２１】立体表示したい物体８５の平面画像８０
を、テレビカメラ８１を用いて撮影する。すなわち、１
台のテレビカメラ８１を、間隔ｐで規定される複数の位
置に配置し、それぞれの位置に対応した物体８５の複数
枚の平面画像８５を撮影する。これらの平面画像８５の
データを、デジタイザー８３を用いてコンピュータ８２
に入力し、イメ−ジデ−タとして記憶させる。ところ
で、これらの平面画像８５のデータをコンピュータ８２
へ入力するには、ビデオテープに録画したデ−タを用い
ても良いし、写真や映画のデータを用いても良い。ま
た、立体表示したい物体８５は、実存する物体に限ら
ず、コンピュータ・グラフィックスであっても良い。

【００２２】次に、図２および図３を参照して、回折格
子の方向Ωと回折格子のピッチｄを決定する方法につい
て説明する。

【００２３】図２に示すように、本発明によって作製さ
れた、ドット１６を有するディスプレイ１５を、観察者
が観察すると仮定する。図２に示すように、照明光９１
の入射角度をθ、回折格子１８によって回折された１次
回折光９２の方向をα、１次回折光９２の波長をλとす
ると、図３に示すように、回折格子１８の方向Ω、およ
び回折格子１８のピッチｄ（空間周波数の逆数）は、以
下のような式で求めることができる。なお、照明光９１
はＹ−Ｚ平面上を通るとし、回折光はＸ−Ｚ平面上を通
るとする。

【００２４】 ｔａｎ（Ω）＝ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（θ） ｄ＝λ／｛ｓｉｎ² （θ）＋ｓｉｎ² （α）｝^1/2 上式を用いることにより、照明光９１を任意の方向に回
折するための、前記回折格子１８の方向Ωおよびピッチ
ｄを求めることが可能になる。すなわち、照明光９１の
入射角度θ、１次回折光９２の方向α、１次回折光９２
の波長λを与えれば、回折格子１８の方向Ω、およびピ
ッチｄを得ることができる。

【００２５】ここで、正面に回折する（α＝０）ような
回折格子のピッチｄ´を求める。 ｄ´＝λ／ｓｉｎ（θ） よって、 ｄ＝ｄ´・ｓｉｎ（θ）／｛ｓｉｎ² （θ）＋ｓｉｎ² （α）｝^1/2 ＝ｄ´・ｃｏｓ（Ω） 図４に示すように、曲線を一定のピッチで平行移動した
構成では、常に上式を満たしているため、回折光が水平
方向に移動する視点に、常に同じ色の波長を観察できる
ような回折格子の構成になっている。図４のドットで
は、ドットを構成する曲線が、傾きΩ１からΩ２まで変
化しており、その曲線が、ピッチｄ´で並んでいる。す
なわち、回折光の水平方向での回折される範囲が、グレ
ーティングの存在する面の法線に対しての角度α１から
α２である、グレーティングのドットを得るためには、 ｔａｎ（Ω₁ ）＝ｓｉｎ（α₁ ）／ｓｉｎ（θ） ｔａｎ（Ω₂ ）＝ｓｉｎ（α₂ ）／ｓｉｎ（θ） ｄ＝λ／ｓｉｎ（θ） となる。よって、傾きΩ₁ からΩ₂ まで変化する曲線
を、ピッチｄ´で平行移動したグレーティングを用いれ
ばよい。

【００２６】そこで、本発明では、回折格子イメージの
基本的な１ドットの構成を、図４に示すような構成とす
る。

【００２７】次に、このドットを図５に示すように、縦
方向に３つに分割する。そして、この３つに分割した領
域を、左からｒ₁ ，ｒ₂ ，ｒ₃ とする。すると、ｒ₁ の
部分に入射した光は、左方向に回折し、またｒ₂ の部分
に入射した光は、正面方向に回折し、さらにｒ₃ の部分
に入射した光は、右方向に回折することになる。ここ
で、もしこのドットを、左方向からのみ観察できるよう
にしたい場合には、ｒ₁ の部分のみについて、回折格子
を描画し、ｒ₂ ，ｒ₃ の部分については、何も描画しな
ければよい。その場合、観察者は、視点がｅ１の範囲に
ある時にのみ、このドットが光って見えることになる。
なお、図５の場合には、説明のため回折格子のドットを
縦方向に３つに分割したが、それ以上に分割することも
可能である。すなわち、入力したい視差画像の枚数分だ
け、回折格子のドットを分割することになる。

【００２８】ここで、説明のために、ある物体の視差画
像を、３枚撮影したとする。この物体は、例えば左から
観察すると“Ｔ”、また正面から観察すると“Ｏ”、さ
らに右から観察すると“Ｐ”に見えるとする（実際に
は、このような物体は存在しないが）。使用する視差画
像の枚数が３枚なので、ドットは縦方向に３つに分割す
る。図６に示すように、“Ｔ”はドットの左の部分、ま
た“Ｏ”はドットの中央の部分、さらに“Ｐ”はドット
の右の部分の回折格子を描画することによって、回折格
子イメージの回折格子のパターンを得ることができる。

【００２９】さて、このようにして得られた回折格子イ
メージを、図７に示すようにして、再生する。この時、
左方向では“Ｔ”、また真ん中では“Ｏ”、さらに右方
向では“Ｐ”を観察できることになる。なお、ここで
は、入力した画像は３枚としているが、もっと多くの視
差画像を用いることによって、観察者の左右の目に入る
画像を、異なったものにすることが可能である。すなわ
ち、観察者は、左右の目に別々に視差のある画像を観察
することになり、立体的な（３次元的な）画像を得るこ
とができる。また、観察者の観察位置を水平方向に移動
した場合でも、他の方向から見た視差画像が得られるた
め、自然な立体感を得ることができる。

【００３０】以下、図８および図９を用いて電子ビーム
露光装置による回折格子の描画について説明する。

【００３１】図８に示すように、電子ビーム露光装置
は、電子銃５０、アライメント５２、ブランカー５４、
コンデンサ−レンズ５６、スティグメータ５８、ディフ
レクター６０、対物レンズ６２、Ｘ−Ｙステージ２０か
らなる。Ｘ−Ｙステージ２０上には、ＥＢレジストを塗
布した乾板１４が載置されている。ブランカー５４、デ
ィフレクター６０、およびＸ−Ｙステージ２０は、コン
トロールインターフェース６４を介して、コンピュータ
６６に接続されている。電子銃５０から照射された電子
ビームは、コンピュータ６６に制御されて、乾板１４を
走査する。

【００３２】図９は、Ｘ−Ｙステージ２０上に載置され
た乾板１４を示している。電子銃５０から発射された電
子ビーム７０は、ドット１６を単位として、回折格子パ
ターン１８を描画する。Ｘ−Ｙステージ２０を移動させ
ることにより、次々とドット毎に、回折格子パターン１
８を描画する。

【００３３】以下、視差のある複数枚の原画から、実際
に３次元画像を表示するための回折格子のパターンを形
成する操作手順について、図１０を参照して説明する。

【００３４】まず、回折格子パターンを描画するための
様々なパラメータを入力する。そして、ステップａ２お
よびａ３において、この入力したパラメータを基に、他
のパラメータを求めるための計算を行なう。ここでは、
原画の枚数をＬ、Ｘ方向の描画領域の数をｎ、Ｙ方向の
描画領域の数をｍ、一つの描画領域内のＸ方向のドット
の数をＯ、Ｙ方向のドットの数をＰとする。なお、描画
領域とは、電子ビーム露光装置を用いた電子ビームの描
画エリアが、一般に数ｍｍ角であるため、それ以上の絵
柄を描画するためには、Ｘ−Ｙステージを用いて、描画
エリアを面付けする必要があり、この時の数ｍｍ角の範
囲を、描画領域と称する。

【００３５】次に、ステップａ４において、１ドット分
のデータを発生させる。基本的に、図４に示すようなパ
ターンのデータとなる。そして、これを縦方向に原画の
枚数分の数だけ分割し、記憶しておく。

【００３６】次に、描画エリア毎に、回折格子のパター
ンを発生させていく。原画の描画エリアに相当する部分
のデータを、１ドットずつチェックし、そのデータが存
在する場合は、データエリア（回折格子のパターンを示
す配列空間）内のそのドットに相当する位置に、上記で
計算した１ドット分のデータのうち、その原画の相当す
る部分（分割されたドットのどれか）をコピーする。こ
の作業を、全ての描画領域、全ての原画、全てのドット
について行なうことにより、回折格子のパターンを求め
ることができる。そして、このようにして求められた回
折格子のパターンを、１描画領域毎にファイルに落と
す。

【００３７】このようにして形成させた回折格子のパタ
−ンを有する乾板は、複製のための原版として使用され
る。複製を行なうためには、よく知られているエンボス
法が用いられる。

【００３８】上述したように、本実施例の回折格子パタ
ーンを有するディスプレイにおいては、ドットを構成し
ている回折格子（グレーティング）を、曲線を一定のピ
ッチで平行移動した複数の線の集まりにより構成して、
光の回折する角度を変えるようにしたので、観察者は、
ディスプレイの正面から観察すると、左右の目に視差の
ある画像が見える。このため、ディスプレイ上に、立体
的な像（３次元的の像）を観察することができる。ま
た、観察者が、水平方向に視点を移動した場合、それに
伴って観察される画像もスムーズに変化し、回り込んで
見たような効果が得られる。このため、自然な立体感を
得ることができる。

【００３９】また、回折格子（グレーティング）が、平
行な曲線によって構成されているので、水平方向に広が
りのある回折光を作ることができる。このため、像に飛
びがなく、しかも水平方向に視点を移動した時に色の変
化しない立体像を、再現よく観察することができる。す
なわち、従来では、回折格子（グレーティング）が、平
行な直線によって構成されているため、回折光は、ある
一定波長の光に対しては光線となり、水平方向に広がり
のある光を作り出すことができない。よって、かかるデ
ィスプレイを、離れた位置で水平方向に移動しながら観
察すると、像が見える位置と像が見えない位置とが生じ
る（像の飛び）。従って、もし左右どちらかの目に、像
が見えない状態になると、立体視を行なうことができな
くなり、また像の飛びは、観察者に不快感を与えること
になる。この点、本実施例のディスプレイでは、このよ
うな問題を全て解決することができる。

【００４０】さらに、作製されたディスプレイにおける
回折光の回折する範囲との関係から、回折格子のドット
形状を計算し、各ドットにおける回折光の回折する範囲
から、前記ドット形状で回折格子を描画しない領域を決
定することによって、ドット毎のドット形状を求めてい
る。このため、従来方法と比較して、データ量が少な
く、複雑な計算がなくなり、演算時間および作業時間を
短縮することができる。すなわち、従来では、回折光の
回折する方向と回折格子の方向との関係のみしか示され
ていない。このため、回折格子の形状を計算するために
は、全てのドットでの、全ての回折する方向から、一つ
ずつ計算する必要があったため、計算するデータ量が、
処理が莫大なものになっているが、本実施例のディスプ
レイでは、このような問題も解決することができる。

【００４１】さらにまた、本実施例のディスプレイは、
ホログラム等の立体表示よりも、明るくノイズの少ない
像を得ることができる。

【００４２】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、次のようにしても同様に実施できるものであ
る。

【００４３】上記実施例では、回折格子を、曲線を一定
のピッチで平行移動した複数の線の集まりにより構成す
る場合について説明したが、これに限らず、回折格子
を、曲線のピッチを任意に変化させて平行移動した複数
の線の集まりにより構成すると、回折光をなす光の波長
を複数とすることにより、観察者の認識する回折光の色
を任意に決定することが可能となる。

【００４４】例えば、観察者に認識させるべき回折光の
波長、およびそれぞれの波長の強度を、λ₁ ，λ₂ ，
…，λ_m ，…，λ_n 、およびＡ₁ ，Ａ₂ ，…，Ａ_m ，
…，Ａ_n とする。この時、それぞれの波長を回折させる
のに必要な回折格子の空間周波数（ピッチの逆数）
ｆ₁ ，ｆ₂ ，…，ｆ_m ，…，ｆ_n は、それぞれ次のよう
な式で求められる。

【００４５】ｆ₁ ＝ｓｉｎ（θ）／λ₁ ｆ₂ ＝ｓｉｎ（θ）／λ₂ ： ｆ_m ＝ｓｉｎ（θ）／λ_m ｆ_n ＝ｓｉｎ（θ）／λ_n そして、デルタ関数をδ（ｘ）で表わすと、上記回折格
子に、

【００４６】

【数３】

【００４７】で示されるＦ（ｆｘ）の空間周波数分布を
持たせればよい。よって、Ｆ（ｆｘ）を逆フーリエ変換
したものをｆ（ｘ）とすれば、曲線をその移動方向にｆ
（ｘ）の分布を持つように移動させるようにすればよ
い。

【００４８】以上のように、回折光を構成する曲線の移
動方向を変化させることにより、ドット毎の回折光の色
を、単一波長の色だけでなく、任意の色にすることがで
きる。これにより、観察者はより自然な立体像を観察す
ることが可能となる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ド
ットを構成している回折格子を、曲線を一定のピッチで
または任意にピッチを変化させて平行移動した複数の線
の集まりにより構成し、光の回折する角度を変えるよう
にしたので、像の飛びのない立体的（３次元的）な像を
表現することが可能な回折格子パターンを有するディス
プレイが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる原画像の撮影方法の説明図。

【図２】本発明により作成されたドットの観察方法の説
明図。

【図３】本発明にかかるドットの拡大図。

【図４】本発明にかかる回折格子イメージの基本的な１
ドットの拡大図。

【図５】本発明にかかる１ドットの分割方法の説明図。

【図６】本発明にかかるディスプレイの作製方法の説明
図。

【図７】本発明により作成されたディスプレイの観察方
法の説明図。

【図８】本発明の一実施例にかかる回折格子パターンを
有するディスプレイの作製に使用される電子ビーム露光
装置の概略図。

【図９】Ｘ−Ｙステージ上に載置されたＥＢレジスト乾
板を示す図。

【図１０】本発明の一実施例に係る作製方法のフロー
図。

【符号の説明】

１４…乾板、１６…ドット、１８…回折格子パターン、
２０…Ｘ−Ｙステージ、７０…電子ビーム、８０…平面
画像、８１…テレビカメラ、８２…コンピュータ、８３
…デジタイザー、８５…物体。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面状の基板の表面に、微小な回折格子
   （グレーティング）をドット毎に配置することにより形
   成されるディスプレイにおいて、ドットを構成している
   回折格子が、曲線を平行移動した複数の線の集まりによ
   り構成されていることを特徴とする回折格子パターンを
   有するディスプレイ。
2. 【請求項２】 前記回折格子が、曲線を一定のピッチで
   平行移動した複数の線の集まりにより構成されている請
   求項１に記載の回折格子パターンを有するディスプレ
   イ。
3. 【請求項３】 前記回折格子の曲線の傾きの変化Ω１か
   らΩ２、および曲線の移動するピッチｄは、 ｔａｎ（Ω₁ ）＝ｓｉｎ（α₁ ）／ｓｉｎ（θ） ｔａｎ（Ω₂ ）＝ｓｉｎ（α₂ ）／ｓｉｎ（θ） ｄ＝λ／ｓｉｎ（θ） であり、照明光の入射角度をθ、回折光の観察されるべ
   き角度（１次回折光の方向）をα₁ からα₂ 、１次回折
   光の波長をλとする請求項１に記載の回折格子パターン
   を有するディスプレイ。
4. 【請求項４】 前記回折格子が、曲線を任意にピッチを
   変化させて平行移動した複数の線の集まりにより構成さ
   れている請求項１に記載の回折格子パターンを有するデ
   ィスプレイ。
5. 【請求項５】 前記回折光をなす光の波長を複数とし、
   各波長をλ₁ ，λ₂ ，…，λ_m ，…，λ_n 、前記各波長
   の強度をＡ₁ ，Ａ₂ ，…，Ａ_m ，…，Ａ_n とし、前記各
   波長を回折させるのに必要な回折格子の空間周波数（ピ
   ッチの逆数）ｆ₁ ，ｆ₂ ，…，ｆ_m ，…，ｆ_n は、 ｆ₁ ＝ｓｉｎ（θ）／λ₁ ｆ₂ ＝ｓｉｎ（θ）／λ₂ ： ｆ_m ＝ｓｉｎ（θ）／λ_m ｆ_n ＝ｓｉｎ（θ）／λ_n であり、デルタ関数をδ（ｘ）とし、前記回折格子に 【数１】 で示されるＦ（ｆｘ）の空間周波数分布を持たせ、前記
   Ｆ（ｆｘ）を逆フーリエ変換したものをｆ（ｘ）とし、
   前記曲線をその移動方向に前記ｆ（ｘ）の分布を持つよ
   うに移動させるようにした請求項４に記載の回折格子パ
   ターンを有するディスプレイ。
6. 【請求項６】 前記ドットに、回折格子の存在しない領
   域を持つ請求項１に記載の回折格子パターンを有するデ
   ィスプレイ。
7. 【請求項７】 前記回折格子の存在しない領域が、回折
   格子の曲線の移動する方向に平行な線によって分割され
   ている請求項６に記載の回折格子パターンを有するディ
   スプレイ。