JPH06281804A - 回折格子アレイおよびそれを用いた立体像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、横方向のみ、または横方向・縦方向
共に視差を持つ立体像の表示が簡便にでき、光学的にも
作製が容易で、安価で大量生産可能なことを最も主要な
目的としている。 【構成】本発明は、光を発散または集光する機能を有す
る回折格子からなるセルを、平面状の基板に複数個配列
し、上記セルを、勾配、または勾配および格子間隔が近
い領域で空間的に、横方向、または横方向および縦方向
に分割し、この各分割領域を各視差画像（１方向）に対
応させた回折格子アレイとし、またこの回折格子アレイ
を基本デバイスとして備え、横方向のみに視差を持つ立
体像を表示す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、立体像を表示する回折
格子アレイおよびそれを用いた立体像表示装置に係り、
特に横方向のみに視差を持つ、または横方向・縦方向共
に視差を持つ立体像の表示が簡便にでき、かつ光学的に
も作製が容易で、しかも安価で大量生産が可能な回折格
子アレイおよびそれを用いた立体像表示装置に関するも
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、イメージスキャナ等で入力した画像、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、横方向のみに視差を持つ、または横
方向・縦方向共に視差を持つ立体像の表示が簡便にで
き、かつ光学的にも作製が容易で、しかも安価で大量生
産が可能な回折格子アレイおよびそれを用いた立体像表
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】上記の目的を達成するた
めに、まず、請求項１に記載の発明の回折格子アレイ
は、光を発散または集光する機能を有する回折格子から
なるセルを、平面状の基板に複数個配列し、セルを、格
子の勾配が近い領域で空間的に横方向に分割し、この各
分割領域を各視差画像（１方向）のピクセルに対応させ
ている。

【０００７】また、請求項３に記載の発明の立体像表示
装置は、立体像を表示する装置において、上記請求項１
に記載の回折格子アレイを基本デバイスとして備え、横
方向のみに視差を持つ立体像を表示するようにしてい
る。

【０００８】一方、請求項１１に記載の発明の回折格子
アレイは、光を発散または集光する機能を有する回折格
子からなるセルを、平面状の基板に複数個配列し、セル
を、格子の勾配および格子間隔が近い領域で空間的に横
方向および縦方向に分割し、この各分割領域を各視差画
像（２方向）のピクセルに対応させている。

【０００９】また、請求項１３に記載の発明の立体像表
示装置は、立体像を表示する装置において、上記請求項
１１に記載の回折格子アレイを基本デバイスとして備
え、横方向・縦方向共に視差を持つ立体像を表示するよ
うにしている。

【００１０】ここで、特に上記回折格子として、軸外結
像機能を有するフレネルゾーンプレートを用いる。

【００１１】また、上記セルの各分割領域において、対
応する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した
面積の回折格子のみを基板に形成している。

【００１２】さらに、上記セルの各分割領域において、
対応する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例し
た面積のみを光が透過するように、基板表面に遮光層ま
たは透光層を設けている。

【００１３】一方、上記セルの各分割領域に対応する位
置の光の入射または出射の強度を空間光変調素子によっ
て制御することにより、立体像を表示できるようにして
いる。

【００１４】また、上記セルの各分割領域に対応する位
置の光の波長を光周波数フィルターによって選択するこ
とにより、フルカラーの画像を表示できるようにしてい
る。

【００１５】すなわち、上記格子間隔を下記式により計
算し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色に対応させた格子間隔を持つ回
折格子セル３個を１組とし、対応する視差画像の対応す
るピクセルのＲの値に基づいて、Ｒ用のセルの各分割領
域に対応する位置の光の入射または出射の強度を空間光
変調素子によって制御し、Ｒの光の波長を光周波数フィ
ルターによって選択し、これをＲ，Ｇ，Ｂの各色、全視
差画像全ピクセルについて同様の操作をすることによ
り、フルカラーの立体像を表示できるようにしている。 λ＝ｄ_x （ｓｉｎβ_x −ｓｉｎθ_x ） λ＝ｄ_y （ｓｉｎβ_y −ｓｉｎθ_y ） （λ：光の波長、ｄ_x ：格子間隔のＸ成分、ｄ_y ：格子
間隔のＹ成分、θ_x ：Ｘ−Ｚ面内での入射角、θ_y ：Ｙ
−Ｚ面内での入射角、β_x ：Ｘ−Ｚ面内での回折角、β
_y ：Ｙ−Ｚ面内での回折角） また、上記セルの各分割領域において、対応する視差画
像の対応するピクセルの明るさに比例した面積を空間光
変調素子によって透過部とするようにしている。

【００１６】さらに、上記セルの各分割領域において、
対応する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例し
た透過率を空間光変調素子によって実現するようにして
いる。

【００１７】

【作用】従って、請求項１および請求項３に記載の発明
の回折格子アレイおよびそれを用いた立体像表示装置に
おいては、横方向に視差のある立体像を、縦方向に広い
視域で観察することができる。

【００１８】この場合、光を発散または集光する機能を
有する回折格子を用いることにより、視域の領域分けが
任意に行なえ、また視点移動時に滑らかな立体感を感じ
させることができる。

【００１９】また、請求項１１および請求項１３に記載
の発明の回折格子アレイおよびそれを用いた立体像表示
装置においては、横方向、縦方向共に視差のある立体像
を、縦方向、横方向に広い視域で観察することができ
る。

【００２０】この場合、光を発散または集光する機能を
有する回折格子を用いることにより、視域の領域分けが
任意に行なえ、また視点移動時に滑らかな立体感を感じ
させることができる。

【００２１】一方、セルの各分割領域に対応する位置の
光の入射または出射の強度を空間光変調素子によって制
御することにより、立体動画像を表示することができ
る。

【００２２】また、セルの各分割領域に対応する位置の
光の入射または出射の強度を空間光変調素子によって制
御し、セルの各分割領域に対応する位置の光の波長を光
周波数フィルターによって選択することにより、単色の
立体動画像を表示することができる。

【００２３】また、セルの各分割領域において、対応す
る視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した面積
のみを光が透過するように、基板表面に印刷等の方法で
遮光層または透光層を設けることにより、極めて短時間
にかつ安価にしかも簡便に立体像を表示する装置を作製
することができる。

【００２４】一方、セルの各分割領域に対応する位置の
光の波長を光周波数フィルターによって選択することに
より、フルカラーの立体像の観察ができる。

【００２５】また、セルの各分割領域において、対応す
る視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した面積
を空間光変調素子によって透過部とすることにより、空
間光変調素子が光の透過／遮断の２値制御デバイスで
も、立体像の表示を実現することができる。

【００２６】さらに、セルの各分割領域において、対応
する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した透
過率を空間光変調素子によって実現することにより、空
間光変調素子が、回折格子セルの分割領域の大きさの分
解能があれば、階調のある立体像の表示を実現すること
ができる。

【００２７】さらにまた、回折格子として、表面レリー
フ型の回折格子が利用できることにより、エンボス等の
方法による安価で簡便な生産によって、大量生産を行な
うことができる。

【００２８】

【実施例】本発明の要旨は、光を発散または集光する機
能を有する回折格子からなるセルを、平面状の基板に複
数個配列し、上記セルを、格子の勾配、または格子の勾
配および格子間隔が近い領域で空間的に、横方向、また
は横方向および縦方向に分割し、この各分割領域を各視
差画像（１方向または２方向）に対応させた回折格子ア
レイを得、またこの回折格子アレイを基本デバイスとし
て用いて、横方向のみ、または横方向・縦方向共に視差
を持つ立体像の表示を可能とする立体像表示装置を得る
点にある。

【００２９】この立体像表示装置においては、フルカラ
ー化も比較的容易であり、また液晶表示素子等の空間光
変調素子との組み合わせにより、立体動画表示もでき
る。

【００３０】一方、この回折格子アレイを用いて、横方
向のみに視差を持つ立体像表示装置を作製した場合、縦
方向に視域が広くなるという効果がある。

【００３１】また、この回折格子アレイを用いて、横方
向・縦方向共に視差を持つ立体像表示装置を作製した場
合、縦方向・横方向に視域が広くなるという効果があ
る。

【００３２】以下、上記のような考え方に基づいた本発
明の一実施例について、図面を参照して詳細に説明す
る。

【００３３】本発明による回折格子アレイは、その一例
を図１（ａ）または図１（ｂ）［望ましくは図１
（ａ）］に示すように、光を集光する機能を有する回折
格子からなる（回折格子の太さが段々細くかつ間隔が段
々狭くなるような回折格子パターンが描かれている）セ
ル１を、図２に示すように、平面状の基板２に複数個配
列し、さらにこのセル１を、図３に示すように、格子の
勾配が近い領域で空間的に横方向に分割し、この各分割
領域を各視差画像（１方向）に対応させるか、あるいは
上記セル１を、図４に示すように、格子の勾配および格
子間隔が近い領域で空間的に横方向および縦方向に分割
し、この各分割領域を各視差画像（２方向）に対応させ
ている。

【００３４】なお、図２では、図面表現の便宜上、図１
（ｂ）の回折格子セル１のパターンを上下方向を逆に
し、かつ回折格子の太さをほぼ等しく描いており、以後
の各図面における該当部分についても、それぞれ同様の
扱いとして描くことにする。

【００３５】すなわち、この場合、回折格子セル１の領
域分割数は、視差画像の数と等しく、任意の視差画像の
任意のピクセルは、回折格子アレイの同位置のセルの中
の、その視差画像に割り当てられた領域に対応してい
る。ここで、左方向から見た時の視差画像は、回折格子
セル１の右の分割領域に対応し、中央から見た時の視差
画像は、回折格子セル１の中央の分割領域に対応してい
る。

【００３６】また、同様に、縦方向にも領域を分割した
場合は、上方向から見た時の視差画像は、回折格子セル
１の下の分割領域に対応し、下方向から見た時の視差画
像は、回折格子セル１の上の分割領域に対応している。

【００３７】さらに、視差画像の各ピクセルの明るさ
は、対応する分割領域の回折格子の面積、あるいはその
領域に対応した空間光変調素子の透過面積もしくは光透
過率に比例する。

【００３８】次に、上記回折格子セル１のより詳細な構
成、およびその微小領域での回折について、図２および
図５を用いて説明する。

【００３９】図５では、Ｙ−Ｚ平面に平行な光軸を持っ
た入射光の場合を示している。この場合、図の＋１次の
回折光の回折角β_x ，β_y は、次式に従う。

【００４０】 λ＝ｄ_x （ｓｉｎβ_x ） ……（１） λ＝ｄ_y （ｓｉｎβ_y −ｓｉｎθ_y ） ……（２） 但し、λは光の波長、ｄ_x ，ｄ_y は格子間隔のＸ成分，
Ｙ成分、θ_x ，θ_y はＸ−Ｚ面内およびＹ−Ｚ面内での
入射角、β_x はＸ−Ｚ面内での回折角、β_y はＹ−Ｚ面
内での回折角を示している。なお、Ｘ−Ｙ面内での回折
格子の勾配は、Ω＝ｔａｎ^-1（ｄ_y ／ｄ_x ）である。

【００４１】これらの式から、任意の微小領域の回折格
子がどの方向に光を出射するかがわかる。従って、全回
折格子セル１において、ある１つの観察位置から観察さ
れる条件を備えた回折格子領域を使って画像を表現（そ
の領域への入射光の強度の制御、あるいは出射した回折
光の強度の制御をすることを指す）すれば、その観察位
置からのみ、その画像が観察できる。そして、これを全
観察位置について行なえば、すなわち回折格子セル１中
の全領域について処理することになり、各方向に各視差
画像を表示することができ、従って両眼視差による立体
像の観察が可能となる。

【００４２】一方、上記の回折格子セル１は、例えば図
６に示すような光学系を用いて、２光束干渉法により作
製することが可能であり、この回折格子セル１の作製を
同一乾板上で位置を変えながら行なうことにより、本実
施例の回折格子アレイ２を得ることができる。

【００４３】すなわち、図６に示すように、レーザー光
源から発生してミラーで反射したレーザービームを、ハ
ーフミラーで２つに分岐し、一方はレンズ系を通して平
行光として感光材料に入射し、またこの感光材料の同位
置に、もう一方のレーザービームを別のレンズ系を通し
て集束光として入射する。これにより、感光材料中に、
２つの光による干渉縞が記録される。そして、このよう
な操作を感光材料の位置を変えながら行なうことで、全
面に干渉縞が記録された回折格子アレイを得る。なお、
この回折格子アレイが表面レリーフ型であれば、容易に
エンボスによる複製が可能である。

【００４４】また、この場合、観察時の条件から、各回
折格子セル１毎の最適な集束位置を計算し、これに基づ
いて光学系を少しずつ変更しながら各回折格子セル１を
作製することにより、最も望ましい回折格子アレイ２が
得られる。

【００４５】さらに、一方向のみに視差を持たせる場合
には、感光材料直前の集束光を作るレンズを、シリンド
リカルレンズにしてもよい。

【００４６】なお、これに限らず、上記の回折格子と同
等の機能を有する格子を計算し、電子線描画装置等の微
細加工能力のある装置で描画して、回折格子セル１を作
製することも可能である。

【００４７】以上のように、本実施例の回折格子アレイ
２においては、縦方向、横方向に、光をある決められた
領域に広げて回折するデバイスを実現することができ
る。

【００４８】すなわち、図３に示すような回折格子セル
１からなる回折格子アレイ２の場合には、格子間隔のＸ
成分の変化によって、横方向に光が広がって回折する光
を、回折格子の横方向の領域分割によって横方向に視野
を分割し、それぞれの分割された視野に異なる視差画像
を再生し、また格子間隔のＹ成分の変化によって縦方向
に光が広がって回折されるため、横方向のみに視差のあ
る立体像を縦方向に広い視域で観察することができる。

【００４９】また、図４に示すような回折格子セル１か
らなる回折格子アレイ２の場合には、格子間隔のＹ成分
の変化によって縦方向に広がって回折する光を、回折格
子の縦方向の領域分割によって縦方向に視野を分割し、
それぞれの分割された視野に異なる視差画像を再生する
ため、横方向、縦方向共に視差のある立体像を観察する
ことができる。

【００５０】これは、各回折格子セル１を形成する格子
の一つ一つが、光を集光する機能を持っていることによ
る。すなわち、各回折格子が光を集光する機能を有する
ため、セル内の微小領域について考えると、その微小領
域からの回折光は、ある特定の方向に出射している。セ
ル内の異なる微小領域に着目すると、その回折光は異な
る特定の方向に出射している。換言すると、光を集光す
る機能を有する回折格子は、それぞれ異なる方向に光を
出射する微小な回折格子の連続的な集合体と考えること
ができる。

【００５１】この回折格子を、任意数のある程度の大き
さを持った微小領域に分割し、離れたところにあるＸ−
Ｙ面に平行な観察面を考えると、各微小領域からの回折
光は、ある程度の広がりを持っている。しかし、観察面
において、各微小領域の回折光は互いに連続でありなが
ら、重ならない。

【００５２】従って、このような回折格子からなるセル
１を並べた回折格子アレイ２で、観察面での視差方向と
同じ視差方向から得た視差画像を、対応する視差方向に
回折光を出射する回折格子領域を画素として、回折する
領域分割数に等しい数だけ表示することにより、観察面
で自然な立体感を持った立体像の観察が可能となる。ま
た、この場合、観察者が観察面内で上下左右に視点を移
動すると、立体像が滑らかに変化し、自然な視点移動感
が得られる。観察面の前後に視点を移動した場合も、か
なりの自由度で自然な立体感が得られる。さらに、観察
可能領域（視域）を外れた場合は、観察者には何も観察
されず、観察可能領域を観察者が容易に認識できる（例
えば、レンチキュラーレンズを用いた立体像ディスプレ
イ等では、設定された観察領域を外れた時、像の立体感
の反転等が起こり、しかも観察者にとってその境界の認
識は難しい）。

【００５３】以上から、本実施例の回折格子アレイ２で
は、横方向のみに視差を持つ、または横方向・縦方向共
に視差を持つ立体像を、自然な立体感を伴って表示する
ことができる。

【００５４】一方、前述した回折格子アレイ２は、表面
レリーフ型の回折格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が可能となる。このた
め、これを基本デバイスとして用いることにより、各種
の立体像表示装置（例えば、ディスプレイ、立体テレ
ビ、立体ハードコピー等）を、比較的安価に大量に実現
することができる。

【００５５】すなわち、例えば、高解像度のテレビに、
本実施例の回折格子アレイを組み合わせたような構成で
立体テレビが、またエンボス複製された本実施例の回折
格子アレイを高解像度のプリンターの紙の代わりに用い
ることで立体ハードコピーを実現することができる。

【００５６】以下に、本実施例の回折格子アレイの適用
例について、具体的に説明する。

【００５７】（ａ）図７は、本実施例の回折格子アレイ
を用いた立体像表示装置であるディスプレイの構成例を
示すもので、図７（ａ）はその分解斜視図、図７（ｂ）
は主構成部分の断面拡大図をそれぞれ示している。

【００５８】すなわち、図７に示すように、本実施例の
ディスプレイは、樹脂層（回折格子形成層）１１Ａ、そ
の表面の反射層（Ａｌ蒸着層等）１１Ｂよりなる前述し
た回折格子アレイ１１と、回折格子アレイ１１の前面に
設けられた光周波数フィルターであるカラーフィルター
層１２と、カラーフィルター層１２の前面に設けられた
遮光層（印刷層）１３とから構成している。

【００５９】かかる本実施例のディスプレイにおいて、
微小領域について考えると、白色の入射光に対して、遮
光層１３により透過／遮光が選択され、カラーフィルタ
ー層１２により入射光の中からある波長が選択され、回
折格子アレイ１１に到達して、回折格子アレイ１１の表
面に形成されている反射層１１Ｂにより、高効率で光が
回折される。この時、回折光の出射方向は、この微小領
域の格子間隔のＸ成分によりＸ方向の回折角β_x が決ま
り、格子間隔のＹ成分によりＹ方向の回折角β_y が決ま
る。そして、この回折角の方向から観察すると、前記図
２および図５で述べたように、この微小領域が光って見
える。

【００６０】なお、図７において、遮光層１３とカラー
フィルター層１２の配置関係は、図示と逆であってもよ
い。また、図７は遮光層１３を備えたものであるが、遮
光層部分を設ける代わりに、該当部分の回折格子を破壊
するようにしても、同様の効果が得られる。

【００６１】（ｂ）図８は、本実施例の回折格子アレイ
を用いた立体像表示装置である立体テレビの構成例を示
すもので、図８（ａ）はその分解斜視図、図８（ｂ）は
主構成部分の断面拡大図をそれぞれ示している。

【００６２】すなわち、図８に示すように、本実施例の
立体テレビは、前述した回折格子アレイ２１と、回折格
子アレイ２１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２２と、液晶表示素子２２の後面に設けら
れたカラーフィルター層２３とから構成している。

【００６３】かかる本実施例の立体テレビにおいて、微
小領域について考えると、白色の入射光に対して、カラ
ーフィルター層２３により入射光の中からある波長が選
択され、液晶表示素子２２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２１に到達する。
ここで、回折格子アレイ２１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、この微小領域の格子間隔の
Ｘ成分によりＸ方向の回折角β_x が決まり、格子間隔の
Ｙ成分によりＹ方向の回折角β_y が決まる。そして、こ
の回折角の方向から観察すると、前記図２および図５で
述べたように、この微小領域が選択された波長で光って
見える。

【００６４】なお、図８において、カラーフィルター層
２３、液晶表示素子２２、回折格子アレイ２１は、その
配置順序を入れ替えてもよい。

【００６５】次に、元の被写体との対応関係について、
図９および図１０を用いて説明する。

【００６６】図９において、図示上部は、縦方向にも視
差を持たせる被写体２４の撮影の様子を示している。こ
こでは、３×３のカメラ２５の配置により、立体の被写
体２４の視差画像を９枚得ている。

【００６７】また、図示左下部は、その得られた視差画
像の一例をそれぞれ示している。いま、それぞれの視差
画像の同座標の黒い四角で示されたピクセルについて考
えると、図示右下部の本実施例の立体テレビの同座標の
位置にある回折格子セルの各分割領域に相当している。
この時、それぞれの視差画像の黒い四角に当たるピクセ
ルの明るさが、回折格子セルの各分割領域に対応した空
間光変調素子（液晶表示素子２２）上の領域における透
過率に比例するように、空間光変調素子を制御する。こ
のような操作を全てのピクセルについて行ない、所定の
位置から単色光を入射すると、立体像が観察できる。

【００６８】ここで、フルカラー化の場合には、図１０
に示すように、上記操作のピクセルの明るさをピクセル
のＲの値とし、Ｒの色の光のみを透過するフィルターを
その回折格子セルに合わせて配置する。また、残りの
Ｇ，Ｂについても、この操作を繰り返せばよい。

【００６９】（ｃ）図１１は本実施例の回折格子アレイ
を用いた立体像表示装置である立体ハードコピーの作製
例を示す概要図である。

【００７０】すなわち、立体ハードコピーの作製方法と
しては、図１１に示すように、入力された視差画像３１
を基に、コンピューター３２によって遮光層のパターン
を計算し、コンピューター３２の周辺機器であるプリン
ター３３に、遮光層のパターンを出力することによっ
て、大量生産された前記回折格子アレイ３４上に遮光層
を設けることにより、立体像のハードコピー３５を得る
ことができる。

【００７１】このようにして作製された立体ハードコピ
ーは、図１２に示すように（図１２（ａ）はその分解斜
視図、図１２（ｂ）は主構成部分の断面拡大図をそれぞ
れ示している）、本実施例の立体ハードコピーは、樹脂
層（回折格子形成層）４１Ａ、その表面の反射層（Ａｌ
蒸着層等）４１Ｂよりなる前述した回折格子アレイ４１
と、回折格子アレイ４１の前面に設けられた保護層４２
と、保護層４２の前面に設けられた遮光層（印刷層）４
３とから構成している。

【００７２】かかる本実施例の立体ハードコピーにおい
て、微小領域について考えると、白色の入射光に対し
て、遮光層４３により光の透過／遮断が選択され、保護
層４２を通して回折格子アレイ４１に到達して、回折格
子アレイ４１の表面に形成されている反射層４１Ｂによ
り、高効率で光が回折される。この時、回折光の出射方
向は、この微小領域の格子間隔のＸ成分によりＸ方向の
回折角β_x が決まり、格子間隔のＹ成分によりＹ方向の
回折角β_y が決まる。そして、この回折角の方向から観
察すると、前記図２および図５で述べたように、この微
小領域が光って見える。

【００７３】上述のようにして、遮光層４３のみをその
都度形成することにより、極めて短時間に立体ハードコ
ピーを得ることができる。

【００７４】以上のように、前記（ａ）〜（ｃ）の各実
施例の立体像表示装置においては、次のような効果が得
られるものである。

【００７５】（ａ）立体動画像表示素子という観点から まず、偏向めがねや液晶シャッターめがね等を用いた２
眼式（視差画像が２枚で、各々の視差画像を左右の眼に
振り分けて立体像の観察を可能にする）の方法が一般的
である。しかし、これらの方法は、観察者が特殊なめが
ね等をかけなければならず、また２眼式であるために、
立体物を見る時に特有の視点を変えた時の像の変化は存
在しない。

【００７６】また、その他の立体の動画像を表示する技
術としては、「マルチプレックスホログラム」、「レン
チキュラー板とＴＶの組み合わせ」等がある。しかし、
前者は決められた画像の繰り返しであり、後者は視点の
位置が変わると立体感が反転したりといった難点があ
る。さらに、両者とも、立体像とは言っても横方向の視
差のみである。

【００７７】これに対して、本実施例の立体像表示装置
では、観察者に特別な器具の装着を必要とせず、比較的
広い視野で立体像の観察が可能となる。また、所定の視
域から若干外れた場合、画像が見えなくなり、立体感が
反転するようなことがないため、観察者が視域を認識し
易く、従って極めて見易い。さらに、横方向の視差に加
えて縦方向の視差もあり、立体感を得易く、立体像の観
察に適している。さらにまた、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長用の
光周波数フィルターを組み合わせ（例えば、テレビのカ
ラーフィルター）、各光周波数フィルターの構成単位に
合わせて回折格子セル１をそれぞれ配置することによっ
て、フルカラーの立体動画像を表示することが可能とな
る。

【００７８】（ｂ）立体ハードコピーという観点から 立体のハードコピーを得るための方法として、従来方法
の一つとして、例えば３Ｄプリンターが挙げられる。し
かし、これは、ホログラム上の各点について、リップマ
ンホログラムに似た撮影を行なわなければならないた
め、画素数に比例して時間がかかり、さらに撮影前に現
像処理等も必要である。

【００７９】これに対して、本実施例の立体像表示装置
では、レーザー光のような特殊な光を使う必要がなく、
またコンピュータ用のプリンター、プロッター等の精度
が十分であれば、遮光部となる部分を出力すればよく、
紙にプリントアウトする感覚で、極めて短時間で立体像
のハードコピーを得ることが可能となる。これは、コピ
ー機、印刷機の場合にも適用できる、すなわち、立体像
コピー機、立体印刷を実現することが可能となる。

【００８０】より詳細には、次のような種々の効果が得
られるものである。

【００８１】（ａ）光を集光する機能を有する回折格子
により縦方向に光が集光後、広がって回折されるため、
横方向に視差のある立体像を縦方向にも広い視域で観察
することが可能となる。

【００８２】この場合、光を集光する機能を有する回折
格子を用いているため、視域の領域分けが任意に行な
え、また視点移動時に滑らかな立体感を感じさせること
ができる。

【００８３】（ｂ）光を集光する機能を有する回折格子
により縦方向に集光後、広がって回折する光を、回折格
子の縦方向の領域分割によって縦方向に視野を分割し、
それぞれの分割された視野に異なる視差画像を再生する
ため、横方向、縦方向共に視差のある立体像を観察する
ことが可能となる。

【００８４】（ｃ）全面に回折格子セルが形成されてい
る本実施例の回折格子アレイを用意し、不要な領域にあ
る回折格子を、熱あるいは圧力で破壊することによって
回折光の方向が制御できるため、加熱，加圧等の方法に
より回折格子を部分的に破壊する場合に、極めて短時間
にかつ簡便に立体像を表示する立体像表示装置を作製す
ることが可能となる。

【００８５】（ｄ）全面に回折格子セルが形成されてい
る本実施例の回折格子アレイを用意し、不要な領域にあ
る回折格子の表面に、印刷等の方法を用いて遮光層を形
成するだけで回折光の方向が制御できるため、極めて短
時間にかつ安価にしかも簡便に立体像を表示する立体像
表示装置を作製することが可能となる。

【００８６】（ｅ）回折格子アレイと空間光変調素子と
の組み合わせにより、空間光変調素子の遮光パターンを
制御するだけで回折光の方向が制御できるため、空間光
変調素子の制御により、立体動画像を表示することが可
能となる。

【００８７】特に、立体像表示のための情報量（本発明
の場合、数枚〜数十枚視差画像のピクセルの各値のみ）
が比較的少なくて済むため、電送等によるリアルタイム
な立体像の表示や、ビデオのような立体像情報蓄積の可
能性がある。

【００８８】（ｆ）光周波数フィルターを個々の回折格
子セルに合わせて配置することで、その回折格子セルか
ら出射される光の波長を選択することができるため、フ
ルカラーの立体像の観察が可能となる。

【００８９】（ｇ）空間光変調素子の光を透過する面積
を変化させれば、回折光の強度が制御できるため、空間
光変調素子が光の透過／遮断の２値制御デバイスでも、
立体像の表示装置を実現することが可能となる。

【００９０】（ｈ）空間光変調素子の光の透過率を変化
させれば、回折光の強度が制御できるため、空間光変調
素子が、回折格子セルの分割された領域の大きさの分解
能があれば、立体像の表示装置を実現することが可能と
なる。

【００９１】（ｉ）さらにまた、回折格子として、表面
レリーフ型の回折格子が利用できることにより、エンボ
ス等の方法による安価で簡便な生産によって、大量生産
を行なうことが可能となる。また、光学的にも作成が容
易である。

【００９２】すなわち、より具体的には、回折格子アレ
イの大きさを大きくすることができる。その結果、体積
位相型の回折格子も作製可能となり、よって波長選択性
が付与されると共に、回折効率が著しく向上する。ま
た、連続階調での回折格子の表現が可能となり、よって
２値の矩形パターンと比べて画質が向上する。

【００９３】以上のように、本実施例の回折格子アレイ
を各種の立体像表示装置に適用することにより、立体像
の観察時に、縦方向、横方向共に視域の広い立体像の観
察が可能になること、回折光の出射領域が限定されてい
るため、観察者が立体像の観察可能な領域を認識し易い
こと等の効果が得られる。

【００９４】また、立体像表示装置（立体テレビ以外の
もの）の作製時には、本実施例の大量生産された回折格
子アレイを利用することにより、表面に形成する遮光層
（印刷層）のマスクパターンのみを変化させるのみで、
極めて短時間にかつ低コストにて立体像表示装置を作製
することができる。

【００９５】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。

【００９６】（ａ）上記実施例では、回折格子セルとし
て、光を集光する機能を有する回折格子からなるセルを
用いる場合について説明したが、これに限らず、回折格
子セルとして、光を発散させる機能を有する回折格子か
らなるセルを用いる場合についても、前述と同様の考え
方で実施して、同様の効果を実現できるものである。

【００９７】図１３は、光を発散する機能を有する回折
格子を、２光束干渉により作製する場合の方法の一例を
示す光学系の概要図である。図１３に示すように、レー
ザー光源から発生してミラーで反射したレーザービーム
を、ハーフミラーで２つに分岐し、一方はレンズ系を通
して平行光として感光材料に入射し、またこの感光材料
の同位置に、もう一方のレーザービームをミラーで反射
し、レンズ系を通して発散光として入射する。これによ
り、感光材料中に、２つの光による干渉縞が記録され
る。そして、このような操作を感光材料の位置を変えな
がら行なうことで、全面に干渉縞が記録された回折格子
アレイを得る。なお、この回折格子アレイが表面レリー
フ型であれば、容易にエンボスによる複製が可能であ
る。

【００９８】図１４（ａ）は光を集光する機能を有する
回折格子からなるセルの入射光と回折光との関係を示す
側面図、図１４（ｂ）は光を発散する機能を有する回折
格子からなるセルの入射光と回折光との関係を示す側面
図である。

【００９９】（ｂ）上記図７および図１２の実施例で
は、遮光層を設ける場合について説明したが、これに限
らず、透光層を設ける場合についても、前述と同様の効
果を実現できるものである。

【０１００】（ｃ）上記図７および図１２の実施例で
は、回折格子を反射型で使用する場合について説明し、
図８の実施例では、回折格子を透過型で使用する場合に
ついて説明したが、これに限らず、反射型、透過型のい
ずれで使用するようにしてもよい。

【０１０１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
を発散または集光する機能を有する回折格子からなるセ
ルを、平面状の基板に複数個配列し、上記セルを、格子
の勾配（または格子の勾配および格子間隔）が近い領域
で空間的に横方向（または横方向および縦方向）に分割
し、この各分割領域を各視差画像（１方向または２方
向）に対応させた回折格子アレイとし、またこの回折格
子アレイを基本デバイスとして備え、横方向のみに（ま
たは横方向、縦方向共に）視差を持つ立体像を表示する
ようにしたので、横方向のみに視差を持つ、または横方
向・縦方向共に視差を持つ立体像の表示が簡便にでき、
かつ光学的にも作製が容易で、しかも安価で大量生産が
可能な回折格子アレイおよびそれを用いた立体像表示装
置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】回折格子セルの一例を示す平面図。

【図２】本発明による回折格子アレイの一実施例を示す
概要図。

【図３】同実施例における回折格子セルの一例を示す平
面図。

【図４】同実施例における回折格子セルの他の例を示す
平面図。

【図５】同実施例における回折格子セルの微小領域での
解析の様子を説明するための概要図。

【図６】同実施例における光を集光する機能を有する回
折格子を２光束干渉により作製する場合の方法の一例を
示す光学系の概要図。

【図７】本発明による回折格子アレイを適用したディス
プレイの構成例を示す概要図。

【図８】本発明による回折格子アレイを適用した立体テ
レビの構成例を示す概要図。

【図９】同立体テレビにおける元の被写体との対応関係
について説明するための概要図。

【図１０】同立体テレビ（フルカラーの場合）における
元の被写体との対応関係について説明するための概要
図。

【図１１】本発明による回折格子アレイを適用した立体
ハードコピーの作製例を示す概要図。

【図１２】本発明による回折格子アレイを適用した立体
ハードコピーの構成例を示す概要図。

【図１３】本発明の他の実施例における光を発散する機
能を有する回折格子を２光束干渉により作製する場合の
方法の一例を示す光学系の概要図。

【図１４】光を集光、発散する機能を有する回折格子か
らなるセルの入射光と回折光との関係をそれぞれ示す側
面図。

【符号の説明】

１…回折格子セル、２…基板、１１…回折格子アレイ、
１１Ａ…樹脂層（回折格子形成層）、１１Ｂ…反射層、
１２…カラーフィルター層、１３…遮光層（印刷層）、
２１…回折格子アレイ、２２…液晶表示素子、２３…カ
ラーフィルター層、２４…被写体、２５…カメラ、３１
…視差画像、３２…コンピューター、３３…プリンタ
ー、３４…回折格子アレイ、３５…立体ハードコピー、
４１…回折格子アレイ、４１Ａ…樹脂層（回折格子形成
層）、４１Ｂ…反射層、４２…保護層、４３…遮光層
（インク層）。

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を発散または集光する機能を有する回
   折格子からなるセルを、平面状の基板に複数個配列し、 前記セルを、格子の勾配が近い領域で空間的に横方向に
   分割し、この各分割領域を各視差画像（１方向）のピク
   セルに対応させていることを特徴とする回折格子アレ
   イ。
2. 【請求項２】 前記回折格子として、軸外結像機能を有
   するフレネルゾーンプレートを用いるようにしたことを
   特徴とする請求項１に記載の回折格子アレイ。
3. 【請求項３】 立体像を表示する装置において、 前記請求項１に記載の回折格子アレイを基本デバイスと
   して備え、横方向のみに視差を持つ立体像を表示するよ
   うにしたことを特徴とする立体像表示装置。
4. 【請求項４】 前記セルの各分割領域において、対応す
   る視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した面積
   の回折格子のみを前記基板に形成したことを特徴とする
   請求項３に記載の立体像表示装置。
5. 【請求項５】 前記セルの各分割領域において、対応す
   る視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した面積
   のみを光が透過するように、前記基板表面に遮光層また
   は透光層を設けたことを特徴とする請求項３に記載の立
   体像表示装置。
6. 【請求項６】 前記セルの各分割領域に対応する位置の
   光の入射または出射の強度を空間光変調素子によって制
   御することにより、立体像を表示できるようにしたこと
   を特徴とする請求項３に記載の立体像表示装置。
7. 【請求項７】 前記セルの各分割領域に対応する位置の
   光の波長を光周波数フィルターによって選択することに
   より、フルカラーの画像を表示できるようにしたことを
   特徴とする請求項３に記載の立体像表示装置。
8. 【請求項８】 前記格子間隔を下記式により計算し、
   Ｒ，Ｇ，Ｂの各色に対応させた格子間隔を持つ回折格子
   セル３個を１組とし、対応する視差画像の対応するピク
   セルのＲの値に基づいて、Ｒ用のセルの前記各分割領域
   に対応する位置の光の入射または出射の強度を空間光変
   調素子によって制御し、Ｒの光の波長を光周波数フィル
   ターによって選択し、これをＲ，Ｇ，Ｂの各色、全視差
   画像全ピクセルについて同様の操作をすることにより、
   フルカラーの立体像を表示できるようにしたことを特徴
   とする請求項３に記載の立体像表示装置。 λ＝ｄ_x （ｓｉｎβ_x −ｓｉｎθ_x ） λ＝ｄ_y （ｓｉｎβ_y −ｓｉｎθ_y ） （λ：光の波長、ｄ_x ：格子間隔のＸ成分、ｄ_y ：格子
   間隔のＹ成分、θ_x ：Ｘ−Ｚ面内での入射角、θ_y ：Ｙ
   −Ｚ面内での入射角、β_x ：Ｘ−Ｚ面内での回折角、β
   _y ：Ｙ−Ｚ面内での回折角）
9. 【請求項９】 前記セルの各分割領域において、対応す
   る視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した面積
   を空間光変調素子によって透過部とするようにしたこと
   を特徴とする請求項３に記載の立体像表示装置。
10. 【請求項１０】 前記セルの各分割領域において、対応
    する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した透
    過率を空間光変調素子によって実現するようにしたこと
    を特徴とする請求項３に記載の立体像表示装置。
11. 【請求項１１】 光を発散または集光する機能を有する
    回折格子からなるセルを、平面状の基板に複数個配列
    し、 前記セルを、格子の勾配および格子間隔が近い領域で空
    間的に横方向および縦方向に分割し、この各分割領域を
    各視差画像（２方向）のピクセルに対応させていること
    を特徴とする回折格子アレイ。
12. 【請求項１２】 前記回折格子として、軸外結像機能を
    有するフレネルゾーンプレートを用いるようにしたこと
    を特徴とする請求項１１に記載の回折格子アレイ。
13. 【請求項１３】 立体像を表示する装置において、 前記請求項１１に記載の回折格子アレイを基本デバイス
    として備え、横方向・縦方向共に視差を持つ立体像を表
    示するようにしたことを特徴とする立体像表示装置。
14. 【請求項１４】 前記セルの各分割領域において、対応
    する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した面
    積の回折格子のみを前記基板に形成したことを特徴とす
    る請求項１３に記載の立体像表示装置。
15. 【請求項１５】 前記セルの各分割領域において、対応
    する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した面
    積のみを光が透過するように、前記基板表面に遮光層ま
    たは透光層を設けたことを特徴とする請求項１３に記載
    の立体像表示装置。
16. 【請求項１６】 前記セルの各分割領域に対応する位置
    の光の入射または出射の強度を空間光変調素子によって
    制御し、前記セルの各分割領域に対応する位置の光の波
    長を光周波数フィルターによって選択することにより、
    単色の立体像を表示できるようにしたことを特徴とする
    請求項１３に記載の立体像表示装置。
17. 【請求項１７】 前記セルの各分割領域に対応する位置
    の光の波長を光周波数フィルターによって選択すること
    により、フルカラーの画像を表示できるようにしたこと
    を特徴とする請求項１３に記載の立体像表示装置。
18. 【請求項１８】 前記格子間隔を下記式により計算し、
    Ｒ，Ｇ，Ｂの各色に対応させた格子間隔を持つ回折格子
    セル３個を１組とし、対応する視差画像の対応するピク
    セルのＲの値に基づいて、Ｒ用のセルの前記各分割領域
    に対応する位置の光の入射または出射の強度を空間光変
    調素子によって制御し、Ｒの光の波長を光周波数フィル
    ターによって選択し、これをＲ，Ｇ，Ｂの各色、全視差
    画像全ピクセルについて同様の操作をすることにより、
    フルカラーの立体像を表示できるようにしたことを特徴
    とする請求項１３に記載の立体像表示装置。 λ＝ｄ_x （ｓｉｎβ_x −ｓｉｎθ_x ） λ＝ｄ_y （ｓｉｎβ_y −ｓｉｎθ_y ） （λ：光の波長、ｄ_x ：格子間隔のＸ成分、ｄ_y ：格子
    間隔のＹ成分、θ_x ：Ｘ−Ｚ面内での入射角、θ_y ：Ｙ
    −Ｚ面内での入射角、β_x ：Ｘ−Ｚ面内での回折角、β
    _y ：Ｙ−Ｚ面内での回折角）
19. 【請求項１９】 前記セルの各分割領域において、対応
    する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した面
    積を空間光変調素子によって透過部とするようにしたこ
    とを特徴とする請求項１３に記載の立体像表示装置。
20. 【請求項２０】 前記セルの各分割領域において、対応
    する視差画像の対応するピクセルの明るさに比例した透
    過率を空間光変調素子によって実現するようにしたこと
    を特徴とする請求項１３に記載の立体像表示装置。