JPH09114025A - 立体表示装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回折格子集合体の平面イメージを立体イメー
ジとして観察でき、照明方位や観察方位等を変化させる
ことにより、観察される立体像の形状や奥行きを連続的
に変化させ、特殊な立体イメージを形成することができ
る立体表示装置及び方法を提供する。 【解決手段】 回折格子集合体１といずれの片目、例え
ば、右目４ｂとの間にブレーズド型の透過型回折光素子
２を介在させる。回折格子集合体１上の任意の点像３に
照明光６を照射し、回折波長に応じて第一回折光７ａを
透過型回折光素子２で屈折し、第二回折光８を形成する
ことにより点像３を奥行きをもった立体イメージの仮想
位置３′に移動させることができる。これにより、立体
像を両目４ａ，４ｂで観察できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明方位や観察方
位に応じて変化する立体イメージを再生する立体表示装
置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】感光材料面上に２つのレーザビームを重
ねて照射して干渉を起こさせ、両者の角度を変化させる
ことにより異なる干渉縞の空間周波数を有する回折格子
を画素毎に作成することができる。この回折格子（ドッ
トグレーディング）の集合体を回折格子集合体と称し、
従来より平面イメージの再生に採用している。即ち、こ
の回折格子集合体に白色光を照明することにより、それ
ぞれの画素毎にその回折格子の空間周波数に応じた回折
角度および回折波長で（＋），（−）の一次回折光が出
射される。従って、その出射光を両目で観察し、観察方
位等を変化させることにより平面イメージを視覚するこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記したように、従来
の回折格子集合体では、照明方位および観察方位に応じ
て色調等が変化するイメージを再生することができる
が、このイメージはあくまで平面的（二次元的）なもの
であり、立体イメージを再生することはできなかった。

【０００４】本発明は、以上の事情に鑑みて創案された
ものであり、回折格子集合体を用いて立体イメージの再
生を可能にし、且つ観察される立体像の形状や奥行きが
連続的に変化し、特殊な視覚的効果が得られる立体表示
装置及び方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、回折格子集合体と透過型回折光素子と
の組み合わせからなり、照明光を受けて観察者に対し立
体イメージを再生する立体表示装置であって、前記回折
格子集合体は、画素毎に回折格子を形成したドットグレ
ーティングの集合からなり、照明光を画素毎に回折し照
明方位および観察方位に応じて少なくとも回折波長が変
化する第一回折光を出射することにより平面イメージを
再生し、前記透過型回折光素子は、観察者の少なくとも
片方の瞳の前方に配置されていると共にブレーズド型の
断面形状を有し、第一回折光をその回折波長に応じて異
なる量だけ屈折する第二回折光に変換して画素毎に所定
の奥行きを付与し、前記平面イメージを立体イメージに
転換する立体表示装置を構成するものである。また、画
素毎に回折格子を形成したドットグレーティングの集合
からなる回折格子集合体を用意する手順と、該回折格子
集合体に照明光を入射して画素毎に回折し、照明方位お
よび観察方位に応じて少なくとも回折波長が変化する第
一回折光を出射して平面イメージを再生する手順と、観
察者の少なくとも片方の瞳の前方にブレーズド型の断面
形状を有する透過型回折光素子を配置する手順と、前記
透過型回折光素子により前記第一回折光を回折波長に応
じて異なる量だけ屈折する第二回折光に変換して画素毎
に所定の奥行きを付与して前記平面イメージを立体イメ
ージに転換して観察する手順とを行う立体表示方法を特
徴とするものである。

【０００６】回折格子集合体に白色光を照射するとその
画素毎に当該ドットグレーディングの空間周波数に応じ
た（＋），（−）一次回折光等が出射される。即ち、各
画素からはそのドットグレーディングの空間周波数に対
応し、所定の回折波長の第一回折光が所定の回折角度方
向に出射される。一方、ブレーズド型の断面形状を有す
る透過型回折光素子は波長選択性はないが、バンド幅の
狭い波長の入射光をその特定波長に対応した角度方向に
回折して（＋）の一次回折光のみを出射する性質を有す
る。そのため、片方の瞳の前方にのみこの透過型回折光
素子を配置すると、回折格子集合体から出射した第一回
折光がブレーズド型の透過回折光素子によりその特定波
長に対応して異なる回折角度で屈折され、片方の瞳に入
射される。一方、回折格子集合体から出射した第一回折
光はそのまま他方の瞳に入射される。従って、回折格子
集合体の各画素からの出射光を両目で観察すると、その
まま他方の瞳に入射する。第一回折光と透過型回折光素
子により屈折し片方の瞳に入射する第二回折光の交差点
の位置に画素の位置が見かけ上変化したように見える。
即ち、空間上の新しい位置に回折格子集合体の点像が観
察される。この位置は点像から出射する第一回折光の波
長により変化し、且つ照明光の照明方位や観察方位によ
って変化する。以上により回折格子集合体に対して照明
方位や観察方位を変化させると共に、回折格子集合体を
回転させることにより、変化に富んだ多様な立体イメー
ジが観察されることになる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る立体表示装置
及び方法を図面を参照して詳述する。図１に示すよう
に、本発明の立体表示装置は、回折格子集合体１と、ブ
レーズド型の透過型回折光素子２の組み合わせからな
り、回折格子集合体１の画素毎に形成された各点像３か
ら出射した第一回折光は観察者の左目４ａおよび右目４
ｂに入射される。なお、本例では右目４ｂの瞳の前に透
過型回折光素子２が配置される。但し、本発明はこれに
限られるものではなく、両目に透過型回折光素子２を配
置してもよい。

【０００８】図２に示すように、回折格子集合体１は多
数の画素５の集合体からなり、各画素には異なる格子方
向，格子ピッチの微細回折格子（ドットグレーディン
グ）が所望の立体イメージを表示すべく予め形成され
る。図３に示すように、この回折格子集合体１に白色光
の照明光６を照射すると、例えば点像Ａからはその画素
の格子ピッチに対応した回折波長の第一回折光が所定の
回折角度で範囲で出射される。また、他の点像Ｂからも
同様にその画素の格子ピッチに対応した回折波長の第一
回折光（点線で示す）が出射される。

【０００９】一方、図４に示すように、ブレーズド型の
透過型回折光素子２は鋸歯状の断面形状を有するものか
らなり、溝の表面の法線方向から入射し同じ方向に回折
される光のエネルギが同じ波長の光で他の次数に対応す
る方向に回折される光のエネルギよりもずっと大きい性
質を有するものであり、具体的には（＋）の一次回折光
のみを選択的に出射するものである。また、波長選択性
はなく、すべての波長の光を透過屈折させるが、特定の
波長の光に対して特定の角度方向に回折させる性質を有
するものである。即ち、図４に示すように、透過型回折
光素子２に第一回折光７ａが角度θ₁で入射されると、
その波長に応じて異なった回折角度θ₂，θ₂′，θ₂″
等の第二回折光８が出射される。換言すると、透過型回
折光素子２の屈折角には波長分散があり、入射光（第一
回折光７ａ）の波長（色）に応じて出射光（第二回折光
８）の屈折方向が変化する。

【００１０】図１は本発明の立体表示方法を模式的に説
明すると共に、回折格子集合体１の各点像３の奥行き等
を設計するための理論的根拠を説明するための光学図で
ある。図示のように、回折格子集合体１から左目４ａ，
右目４ｂまでの距離、即ち、観察距離をＲで表わし、右
目４ｂの前方に配置された透過型回折光素子２と右目４
ｂの瞳との間の距離をＤとする。また、左目４ａと右目
４ｂとの間の距離をＳとし、点像３の立体イメージの仮
想位置３′から回折格子集合体１までの距離を奥行き量
ｄとする。回折格子集合体１の上方から照明光６を照射
すると点像３から特定波長のバンド幅の狭い第一回折光
が角度θ₁で出射される。符号７ｂは左目にそのまま入
射される第一回折光の光路を表わしている。一方、符号
７ａは透過型回折光素子２に入射される第一回折光の光
路を表わしており、第一回折光の波長に対応した特定の
屈折方向の回折角度θ₂で第二回折光８が出射され、右
目４ｂに入射される。従って、両目で点像３を観察する
と、点像３は、左目４ａに入射された第一回折光７ｂと
右目４ｂに入射された第二回折光８の延長線上との交点
の仮想位置３′に存在するように見える。即ち、点像３
の奥行きがｄの立体的な位置にあるように観察される。
なお、図１の例では第一回折光は水平方向に沿って一定
の波長を有しているが、垂直方向には波長分散を生じて
もよい。なお、前記した各諸元Ｒ，Ｄ，Ｓ，θ₁，θ₂を
用いることによりｄの値は以下の数式により求められ
る。

【００１１】

【数１】

【００１２】この式において、ｆは透過型回折光素子の
空間周波数であり、λは回折光７ａの波長である。従っ
て、この数式においてＤ，Ｒ，Ｓ，ｆを一定とすると奥
行き量ｄはθ₁とλとの関数となる。仮にθ₁を各画素で
一定とすると第一回折光７ａの波長により奥行き量ｄが
変化することになる。第一回折光７ａの波長は点像３に
おける画素の回折格子のピッチによって変化するため、
回折格子集合体１の各画素５の格子ピッチにより、ｄの
値を画素毎に適宜設定することができる。これにより、
平面イメージを全体として所望の立体イメージに変換で
きる。なお、前記数式から明らかなように、λのみなら
ずθ₁を変化させることで画素毎に所望の奥行きを付与
できる。θ₁は格子ピッチや格子方向に依存している。

【００１３】図５，図６は以上の点像３の立体イメージ
の位置３′のｄの値の変化を例示的に説明した模式図で
ある。即ち、回折格子集合体１上の点像Ａ，Ｂ，Ｃから
それぞれの回折格子の形状に応じた波長の第一回折光７
ａが例えば、等回折角度θ₁で回折される。なお、点像
Ａ，Ｂ，Ｃからの第一回折光７ａの回折角度θ₁はそれ
ぞれ異なるものであってもよい。回折角度θ₁の第一回
折光７ａが透過型回折光素子２に入射されると、それぞ
れの第一回折光７ａの波長に対応した第二回折光８が異
なった回折角度で出射され、右目４ｂに入射される。例
えば、図示のように長波長の赤色第一回折光の場合は回
折角度が大きく、中波長の緑，短波長の青に行くに従っ
て回折角度が小さい。従って、図示のように、点像Ａ，
Ｂ，ＣはＡ′，Ｂ′，Ｃ′のように相異する立体位置に
観察される。即ち、赤色点像Ａが最も手前に見え、青色
点像Ｃが最も後ろに見え、緑色点像Ｂが両者の中間に見
える。図６は以上のことを利用して形成した立体イメー
ジの単純例を模式的に示したものである。回折格子集合
体１のある領域１０の各点像は赤色点像，緑色点像およ
び青色点像を中心から外側に向かって同心状に配列して
おり、これをブレーズド型回折光素子で見ると図示の立
体像９のように立体的にもり上った立体イメージとして
観察されることになる。

【００１４】図７に示すように、回折格子集合体１を角
度φで回転し、あるいは照明光６の照明方位を矢印のよ
うに変化させることにより、各点像から出射する回折光
の波長や回折角が連続的に変化し、両目４ａ，４ｂでは
変化に富む立体像９′を連続的に観察することができ
る。一般には、ドットグレーディングをレーザ干渉法で
作成する際、二本のレーザビームの入射角度、及び干渉
縞の傾き角度及び記録位置等を適切に設定することで所
望の立体イメージを回折格子集合体に記録できる。ま
た、特にブレーズド回折格子を用いると、直接透過光及
び（＋）一次以外の光線が殆ど回折せず、（＋）一次の
回折光のみが屈折して観察者の片目に入射するため、余
分の光線によるゴーストが生じない。観察者の両目に入
射する回折波長が連続的に変化するため、観察される回
折格子面ではスムーズな曲面の立体像が浮かんでいるよ
うに見える。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、次のような顕著な効果
を奏する。 １）少なくとも片方の目の前方にブレーズド型の透過型
回折光素子を配置する簡単な構成により、回折格子集合
体の平面画像が立体像として観察され、視覚効果の向上
が図れる。 ２）回折格子集合体の各画素に設けたドットグレーディ
ングの形態を工夫することにより、特殊な且つ変化に富
む立体イメージの再生が行われる。 ３）更に、回折格子集合体を回転させたり、照明方位や
観察方位を変化させることにより、複雑且つ変化に富む
立体像が再生される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る立体表示装置及び方法を説明する
ための原理的な説明図。

【図２】回折格子集合体の斜視図。

【図３】回折格子集合体から出射される第一回折光を示
す説明図。

【図４】ブレーズド型の透過型回折光素子の形状とその
屈折能を説明するための説明図。

【図５】本発明における立体イメージの形成原理を説明
するための説明図。

【図６】本発明により形成された立体像の一例を示す模
式的斜視図。

【図７】本発明における立体像の変化を示す模式的斜視
図。

【符号の説明】

１ 回折格子集合体 ２ 透過型回折光素子 ３ 点像 ３′ 立体イメージの仮想位置 ４ａ 左目 ４ｂ 右目 ５ 画素 ６ 照明光 ７ａ 第一回折光 ８ 第二回折光 ９ 立体像 ９′ 立体像 １０ 領域

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回折格子集合体と透過型回折光素子との
   組み合わせからなり、照明光を受けて観察者に対し立体
   イメージを再生する立体表示装置であって、前記回折格
   子集合体は、画素毎に回折格子を形成したドットグレー
   ティングの集合からなり、照明光を画素毎に回折し照明
   方位および観察方位に応じて少なくとも回折波長が変化
   する第一回折光を出射することにより平面イメージを再
   生し、前記透過型回折光素子は、観察者の少なくとも片
   方の瞳の前方に配置されていると共にブレーズド型の断
   面形状を有し、第一回折光をその回折波長に応じて異な
   る量だけ屈折する第二回折光に変換して画素毎に所定の
   奥行きを付与し、前記平面イメージを立体イメージに転
   換することを特徴とする立体表示装置。
2. 【請求項２】 画素毎に回折格子を形成したドットグレ
   ーティングの集合からなる回折格子集合体を用意する手
   順と、該回折格子集合体に照明光を入射して画素毎に回
   折し、照明方位および観察方位に応じて少なくとも回折
   波長が変化する第一回折光を出射して平面イメージを再
   生する手順と、観察者の少なくとも片方の瞳の前方にブ
   レーズド型の断面形状を有する透過型回折光素子を配置
   する手順と、前記透過型回折光素子により前記第一回折
   光を回折波長に応じて異なる量だけ屈折する第二回折光
   に変換して画素毎に所定の奥行きを付与して前記平面イ
   メージを立体イメージに転換して観察する手順とを行う
   ことを特徴とする立体表示方法。