專利名稱：三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
此發(fā)明是涉及利用使多個波長的照明光成分入射到全息圖上，從此全息圖產(chǎn)生該多個波長的再現(xiàn)光成分，用這些再現(xiàn)光成分顯示三維圖像的裝置和方法的發(fā)明。
背景技術(shù)：
利用全息圖的三維圖像顯示裝置從照明光成分照射的全息圖產(chǎn)生再現(xiàn)光成分，利用此產(chǎn)生的再現(xiàn)光成分顯示三維圖像。此外三維圖像顯示裝置通過使多個波長的照明光成分(例如紅色、綠色和藍色的3色成分)入射到全息圖上，可以顯示彩色三維圖像。
作為第一現(xiàn)有技術(shù)，利用可以以高分辨率記錄的照相底片的技術(shù)是眾所周知的。在此第一現(xiàn)有技術(shù)中，全息圖記錄時使多個波長各自的參照光成分和物體光成分入射到照相干板上，在此照相干板上多重記錄與各波長相關(guān)(associated)的全息圖。另一方面在再現(xiàn)時，在同樣的入射方位使與記錄時相同的多個波長的照明光成分入射到全息圖上，產(chǎn)生此多個波長成分的再現(xiàn)光成分。這樣這些再現(xiàn)光成分各自的圖像在同一位置重合，得到彩色的三維圖像。
可是在此第一現(xiàn)有技術(shù)中，由于與各波長相關(guān)的全息圖在照相干板上多重記錄，此波長λa照明光成分入射到與波長λa相關(guān)的全息圖上后，不僅產(chǎn)生此波長λa的再現(xiàn)光成分，其他波長λb(λa≠λb)的照明光成分也入射到與此波長λa相關(guān)的全息圖上，也會從與此波長λa相關(guān)的全息圖上產(chǎn)生波長λb的再現(xiàn)光成分。在這些波長λa的再現(xiàn)光成分和波長λb的再現(xiàn)光成分中，波長λa的再現(xiàn)光成分是原來需要顯示的三維彩色圖像的光成分。與此相反，由于波長λb的再現(xiàn)光成分是在與原來的三維圖像不同位置以不同的倍率再現(xiàn)的光成分，所以對于原來的三維圖像成為串?dāng)_的成分，成為顯示三維圖像的障礙。所以為了避免這樣的串?dāng)_，記錄時在物體光成分大體垂直入射照相干板的情況下，利用使多個波長的參照光成分分別從相互不同的方位入射此照片干板，再現(xiàn)時成為串?dāng)_的光成分不重疊在原來的三維圖像上。
此外作為第二技術(shù)，高野邦彥等在“利用白色光的彩色全息照相立體電視的研究”、3D Image Conference 2000演講論文集pp.179-182中發(fā)表了利用可以顯示全息圖的3種空間光調(diào)制元件的技術(shù)。也就是第一空間光調(diào)制元件顯示與紅色光相關(guān)的全息圖，第二空間光調(diào)制元件顯示與綠色光相關(guān)的全息圖，第三空間光調(diào)制元件顯示與藍色光相關(guān)的全息圖。利用向第一空間光調(diào)制元件入射紅色的照明光成分，向第二空間光調(diào)制元件入射綠色的照明光成分，向第三空間光調(diào)制元件入射藍色的照明光成分，從空間光調(diào)制元件分別產(chǎn)生的再現(xiàn)光成分在空間重合，利用設(shè)在后面的膜片去除0次透射光，得到彩色三維圖像。
作為第三現(xiàn)有技術(shù)，特開2000-250387號公報中所述的技術(shù)是主動應(yīng)用空間光調(diào)制元件的像素結(jié)構(gòu)是離散的。也就是把平行光入射到一般的衍射光柵的話，不僅會產(chǎn)生0次衍射波，也會產(chǎn)生1次以上的高次衍射波。與此相同，從具有離散的像素結(jié)構(gòu)的空間光調(diào)制元件產(chǎn)生的再現(xiàn)光成分中不僅含有0次衍射波，也含有高次衍射波。在空間光調(diào)制元件的相鄰2個像素中，限定物體光成分和參照光成分的合成波面的位相差顯示在小于π范圍(無折回成分范圍)，在空間光調(diào)制元件上顯示全息圖的情況下，利用入射照明光成分使從空間光調(diào)制元件產(chǎn)生的再現(xiàn)光成分的高次衍射波的波陣面與0次衍射波一致?？墒敲看螐目臻g光調(diào)制元件射出的方位不同。再現(xiàn)光成分在設(shè)在空間光調(diào)制元件后面的透鏡后焦點面上，每個衍射波次數(shù)以λf/P的間隔分離進行波陣面變換。其中λ為照明光成分的波長，f為透鏡的焦距，P為空間光調(diào)制元件的像素間距。因此為了得到所優(yōu)選的三維圖像，在透鏡的后焦點面設(shè)置具有各邊長度為λf/P的矩形開口的膜片，利用此開口部分使再現(xiàn)光的0次衍射波通過。另一方面用膜片遮擋高次衍射波。
在上述第三現(xiàn)有技術(shù)中，在空間光調(diào)制元件的相鄰2個像素中，限定物體光成分和參照光成分的合成波陣面的位相差顯示在π以上2π以下范圍(包括1次折回成分的范圍)，在空間光調(diào)制元件上顯示全息圖的情況下，利用入射照明光成分使從空間光調(diào)制元件產(chǎn)生的再現(xiàn)光成分的高次衍射波的波陣面與0次衍射波一致。因此0次衍射波和全部高次衍射波包括1次折回的成分。為了只取出再現(xiàn)光成分中所優(yōu)選的1次衍射波，在設(shè)在空間光調(diào)制元件后面的透鏡后焦點面上，設(shè)置具有各邊長度為λf/P的矩形開口的膜片，利用此開口部分使再現(xiàn)光的1次衍射波通過。另一方面用膜片遮擋0次衍射波和2次以上的高次衍射波。
也就是在上述第三現(xiàn)有技術(shù)中，把顯示范圍限定在包括特定次數(shù)的折回成分的范圍，在空間光調(diào)制元件上顯示全息圖，同時利用在對應(yīng)于特定次數(shù)的衍射波的位置具有開口部分的膜片，從再現(xiàn)光成分中取出特定次數(shù)的衍射波。然后利用把與各次數(shù)相關(guān)的全息圖的顯示和開口部分的選擇進行時間分配或空間合成，可以擴大用透鏡成像的再現(xiàn)圖像的射出范圍(也就是可視區(qū)域)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人對上述第一～第三現(xiàn)有技術(shù)分別進行研究，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)以下課題。也就是第一現(xiàn)有技術(shù)適合于使用可以以高分辨率記錄的照片干板的情況。可是在利用空間分辨率低的空間光調(diào)制元件的情況下，由于不能增加向此空間光調(diào)制元件的照明光成分的入射角，再現(xiàn)時變?yōu)榇當(dāng)_的再現(xiàn)光成分重疊在原來的三維圖像上。此外象在說明第三現(xiàn)有技術(shù)時所說的那樣，從具有離散的像素結(jié)構(gòu)的空間光調(diào)制元件產(chǎn)生的各次數(shù)的衍射波的重疊發(fā)生。因此與上述第一現(xiàn)有技術(shù)一樣，也難以使用具有離散的像素結(jié)構(gòu)、低分辨率的空間光調(diào)制元件。
第二現(xiàn)有技術(shù)將從多個空間光調(diào)制元件分別產(chǎn)生的再現(xiàn)光成分在空間疊加，由于此疊加需要半反射鏡(half mirror)。因此在這個第二現(xiàn)有技術(shù)中裝置變大，再現(xiàn)光成分的光量降低。此外為了補償再現(xiàn)光光量的降低，作為照明光成分需要輸出高功率的激光的激光光源，或具有波長選擇性的介質(zhì)鏡，裝置本身價格增加。
第三現(xiàn)有技術(shù)以擴大可視區(qū)域為目的，使單一波長照明光成分垂直入射到空間光調(diào)制元件。因此此第三現(xiàn)有技術(shù)不是向空間光調(diào)制元件入射多個波長的照明光成分的技術(shù)，此外也不是向空間光調(diào)制元件傾斜入射照明光成分的技術(shù)。此外第三現(xiàn)有技術(shù)還存在有因空間合成造成裝置本身大型化的課題以及為了時間分配由于需要在透鏡的后焦點面設(shè)置高速的快門，使裝置本身價格增加的課題。
此發(fā)明是為了解決上述課題進行的發(fā)明，其目的是為了提供即使在使用低分辨率的空間光調(diào)制元件的情況下，也能清晰顯示彩色三維圖像的小型而且價格低的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法。
此發(fā)明的三維圖像顯示裝置是利用使多個波長的照明光成分入射到全息圖上，從此全息圖產(chǎn)生此多個波長的再現(xiàn)光成分，用這些再現(xiàn)光成分顯示三維圖像的裝置。具體說此發(fā)明的三維圖像顯示裝置具有空間光調(diào)制元件、照明光學(xué)系統(tǒng)、再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)、膜片。上述空間光調(diào)制元件具有顯示分別與多個波長相關(guān)的全息圖的離散的像素結(jié)構(gòu)。上述照明光學(xué)系統(tǒng)使多個波長的照明光成分分別成為平行平面波，以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件上。上述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)是把從在空間光調(diào)制元件上顯示的全息圖產(chǎn)生的多個波長的再現(xiàn)圖像分別進行波陣面變換，進行虛像化或?qū)嵪窕?。上述膜片具有設(shè)在再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)的焦點面上的開口部分。特別是在此發(fā)明的三維圖像顯示裝置中，向空間光調(diào)制元件入射的多個波長的照明光成分各自的入射方位用照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定，以使多個波長的再現(xiàn)光成分中某些次數(shù)的衍射波利用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)在波陣面變換后在開口部分相互重疊。
此外此發(fā)明的三維圖像顯示方法利用使多個波長的照明光成分入射到全息圖上，從此全息圖中產(chǎn)生多個波長的再現(xiàn)光成分，用這些再現(xiàn)光成分顯示三維圖像。具體說準備具有顯示分別與多個波長相關(guān)聯(lián)的全息圖的離散像素結(jié)構(gòu)的空間光調(diào)制元件，使用照明光學(xué)系統(tǒng)分別使多個波長的照明光成分作為平行平面波以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件上，從在空間光調(diào)制元件顯示的全息圖產(chǎn)生的多個波長的再現(xiàn)圖像分別利用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后虛像化或?qū)嵪窕?，在再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)的焦點面上設(shè)置具有開口部分的膜片，向空間光調(diào)制元件入射的多個波長的照明光成分各自的入射方位用照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定，以使多個波長的再現(xiàn)光成分中某些次數(shù)的衍射波利用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)在波陣面變換后在開口部分相互重疊。
采用此發(fā)明的話，分別與多個波長相關(guān)聯(lián)的全息圖被顯示在具有離散像素結(jié)構(gòu)的空間光調(diào)制元件上。多個波長的照明光成分用照明光學(xué)系統(tǒng)分別成平行平面波以相互不同的入射方位對此空間光調(diào)制元件進行入射。從被顯示在空間光調(diào)制元件上的全息圖產(chǎn)生的多個波長的再現(xiàn)圖像用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)分別進行波陣面變換后被虛像化或?qū)嵪窕?。在此焦點面設(shè)置具有開口部分的膜片。然后用照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向空間光調(diào)制元件入射的多個波長的照明光成分各自的入射方位，使多個波長的再現(xiàn)光成分各自的某次數(shù)的衍射波用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后在開口部位相互重疊。
在此發(fā)明的三維圖像顯示裝置或三維圖像顯示方法中，優(yōu)選照明光學(xué)系統(tǒng)包括各自輸出波長不同的多個單色光源、分別與多個單色光源接近設(shè)置的針孔、使從多個單色光源分別輸出并通過針孔的光對準的準直光學(xué)系統(tǒng)。
在此發(fā)明的三維圖像顯示裝置或三維圖像顯示方法中，優(yōu)選照明光學(xué)系統(tǒng)包括對于多個波長的光成分具有同一焦距的色像差修正透鏡，此外還優(yōu)選再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)包括對于多個波長的光成分具有同一焦距的色像差修正透鏡。
在此發(fā)明的三維圖像顯示裝置或三維圖像顯示方法中，更優(yōu)選利用照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向空間光調(diào)制元件入射的多個波長的照明光成分各自的入射方位，使多個波長的再現(xiàn)光成分各自的0次衍射波用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后，在開口部分相互重疊。
此外在此發(fā)明的三維圖像顯示裝置或三維圖像顯示方法中，也可以利用照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向空間光調(diào)制元件入射的多個波長的照明光成分各自的入射方位，使多個波長中某特定波長的照明光成分垂直入射到空間光調(diào)制元件，同時特定波長的再現(xiàn)光成分的0次衍射波和其他波長的再現(xiàn)光成分的高次衍射波利用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后，在開口部分相互重疊。
在此發(fā)明的三維圖像顯示裝置或三維圖像顯示方法中，設(shè)空間光調(diào)制元件的像素間距為P、再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f、多個波長中最短波長λ1的再現(xiàn)光成分的衍射波次數(shù)為n1、其他波長λi的再現(xiàn)光成分的衍射波次數(shù)為ni時，向空間光調(diào)制元件入射的波長λi的照明光成分的入射角θI用公式θi＝sin-1{(n1λ1-niλi)/P}表示，優(yōu)選開口部分為各邊長度小于等于λ1f/P的矩形。
在此發(fā)明的三維圖像顯示裝置或三維圖像顯示方法中，優(yōu)選空間光調(diào)制元件具有在與照明光成分入射一側(cè)相反的一側(cè)射出再現(xiàn)光成分的透射型結(jié)構(gòu)，或具有在與照明光成分入射一側(cè)相同的一側(cè)射出再現(xiàn)光成分的反射型結(jié)構(gòu)。此外在此空間光調(diào)制元件具有反射型結(jié)構(gòu)的情況下，照明光學(xué)系統(tǒng)和再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)可以共有部分光部件。
在此發(fā)明的三維圖像顯示裝置或三維圖像顯示方法中，空間光調(diào)制元件也可以是在每個像素裝有微型透鏡。
此發(fā)明的各實施例用下面的詳細說明和附圖可以更充分地理解。這些實施例是用于簡單表示的實施例，不應(yīng)該認為是對此發(fā)明的限定。
當(dāng)然此發(fā)明的應(yīng)用范圍從以下的詳細說明可以看出。可是詳細說明和特定的事例是表示此發(fā)明適用的實施例，是僅僅用于表示的示例，從此詳細說明中本行業(yè)的從業(yè)人員自然可以明了在此發(fā)明的思想和范圍中的各種各樣的變化形式和改進。


圖1為表示此發(fā)明的三維圖像顯示裝置中的第一實施例的結(jié)構(gòu)的圖示。
圖2為用于說明第一實施例的三維圖像顯示裝置的照明光學(xué)系統(tǒng)和空間光調(diào)制元件的圖示。
圖3為用于說明第一實施例的三維圖像顯示裝置的照明光學(xué)系統(tǒng)的圖示。
圖4為在第一實施例的三維圖像顯示裝置中，用于說明藍色照明光成分向空間光調(diào)制元件垂直入射時三維圖像的一個光點(亮點)顯示動作的圖示。
圖5為在第一實施例的三維圖像顯示裝置中，用于說明向空間光調(diào)制元件垂直入射藍色照明光成分時在空間光調(diào)制元件上顯示的全息圖的圖示。
圖6為在第一實施例的三維圖像顯示裝置中，用于說明照明光成分向空間光調(diào)制元件傾斜入射時的三維圖像一個光點顯示動作的圖示。
圖7和圖8為用于說明用第一全息圖制作方法制作的全息圖的圖示。
圖9為在圖7中表示的全息圖在空間光調(diào)制元件上顯示的情況，是用于說明照明光成分向空間光調(diào)制元件傾斜入射時的三維圖像的一個光點的顯示動作的圖示。
圖10為用于說明第二全息圖制作方法的圖示。
圖11為表示理想情況下的3波長的點光源各自的配置的圖示。
圖12為表示在理想情況下位于膜片位置的紅色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖13為表示在理想情況下位于膜片位置的綠色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖14為表示在理想情況下位于膜片位置的藍色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖15為表示在理想情況下位于膜片位置的紅色、綠色、藍色的再現(xiàn)光成分各自的0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖16為表示第一實施例中的三維圖像顯示裝置的照明光源部10中的3個點光源各自的配置的圖示。
圖17為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置的膜片配置位置上的紅色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖18為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置的膜片配置位置上的綠色再現(xiàn)光成分的0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖19為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置的膜片配置位置上的紅色、綠色、藍色各自的再現(xiàn)光成分的0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖20為表示第一實施例的三維圖像顯示裝置的變化示例A的照明光源部中的3個點光源各自的配置的圖示。
圖21為第一實施例的三維圖像顯示裝置的變化示例A，是表示在膜片配置位置的紅色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖22為第一實施例的三維圖像顯示裝置的變化示例A，是表示在膜片配置位置的綠色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖23為第一實施例的三維圖像顯示裝置的變化示例A，是表示在膜片配置位置的紅色、綠色、藍色各自的再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖24為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置的變化示例B中，照明光源部中的3個點光源各自的配置的圖示。
圖25為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置的變化示例B中，在膜片配置位置的綠色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖26為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置的變化示例B中，在膜片配置位置的紅色、綠色、藍色各自再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖27為表示此發(fā)明的三維圖像顯示裝置中的第二實施例結(jié)構(gòu)的圖示。
圖28為表示此發(fā)明的三維圖像顯示裝置中的第三實施例結(jié)構(gòu)的圖示。
圖29為表示第三實施例的三維圖像顯示裝置的膜片配置位置的紅色、綠色、藍色各自再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖30為表示此發(fā)明的三維圖像顯示裝置中的第四實施例結(jié)構(gòu)的圖示。
圖31和圖32為表示第四實施例的三維圖像顯示裝置的膜片配置位置的紅色、綠色、藍色各自再現(xiàn)光成分的各次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
圖33為用于說明第四實施例的三維圖像顯示裝置的空間光調(diào)制元件和波陣面變換光學(xué)系統(tǒng)的圖示。
圖34為用于說明第四實施例的三維圖像顯示裝置的空間光調(diào)制元件中的照明光成分入射角和再現(xiàn)光成分出射角關(guān)系的圖示。
圖35為表示此發(fā)明的三維圖像顯示裝置中的第五實施例結(jié)構(gòu)的圖示。
圖36為表示此發(fā)明三維圖像顯示裝置的第六實施例結(jié)構(gòu)的圖示。
具體實施例方式
下面用圖1～4、圖36詳細說明此發(fā)明的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的各實施例。在圖的說明中相同的或同等的元件使用同一個符號，省略掉重復(fù)的說明。此外為了便于說明，各圖的坐標(biāo)系是把垂直于空間光調(diào)制元件的方向定為z軸的xyz直角坐標(biāo)系。
(第一實施例)首先對此發(fā)明的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的第一實施例進行說明。圖1為表示此發(fā)明的三維圖像顯示裝置中第一實施例的結(jié)構(gòu)的圖示。此圖表示的三維圖像顯示裝置1具有照明光源部10、透鏡20、透射型空間光調(diào)制元件30、透鏡40和膜片50。照明光源10和透鏡20構(gòu)成使3波長的照明光成分各自成平行平面波，以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件30的照明光源系統(tǒng)。此外透鏡40構(gòu)成使從在空間光調(diào)制元件30上顯示的全息圖產(chǎn)生的3波長的再現(xiàn)圖像的各個進行波陣面變換而虛像化或?qū)嵪窕脑佻F(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)。
照明光源部10具有輸出相互不同的波長(紅、綠、藍)的照明光成分的3個點光源。這3個點光源配置在與x軸平行的直線上相互不同的位置上。輸出最短波長的藍色照明光成分的點光源在照明光學(xué)系統(tǒng)光軸上的位置B(0，0)上。輸出紅色照明光成分的點光源在位置R(xr，0)上。輸出綠色照明光成分的點光源在位置G(xg，0)上。各點光源例如包括發(fā)光二極管和激光二極管，輸出單色性優(yōu)良的照明光成分。此外各點光源按時序順序點亮脈沖點亮。
透鏡20具有平行z軸的光軸，使從照明光源部20的3個點光源各自輸出的各波長的照明光成分進行平行校正，成為平行平面波，以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件30上。透鏡20由單一的凸透鏡構(gòu)成的情況下，3個點光源分別與透鏡20之間的間隔等于透鏡20的焦距。由于3個點光源配置在上述位置，藍色照明光成分垂直入射到空間光調(diào)制元件30上，紅色和綠色各自的照明光成分傾斜入射到空間光調(diào)制元件30上。優(yōu)選透鏡20是對各照明光成分的波長具有同一焦距的色像差修正透鏡。
空間光調(diào)制元件30是具有離散的像素結(jié)構(gòu)的透射型空間光調(diào)制元件，分別與3個波長相關(guān)聯(lián)的全息圖按時序順序顯示。此全息圖可以是振幅全息圖，也可以是位相全息圖。而空間光調(diào)制元件30與從透鏡20各波長的照明光成分按時序順序入射同步，與各時間點的波長相關(guān)聯(lián)的全息圖順序顯示。這樣各波長的再現(xiàn)光成分按時序順序射出。也就是在空間光調(diào)制元件30上采用場序制方式。
透鏡40使從在空間光調(diào)制元件30上顯示的全息圖產(chǎn)生的3個波長各自的再現(xiàn)圖像進行波陣面變換而虛像化或?qū)嵪窕?，通過膜片50的面上。在透鏡40用單一凸透鏡構(gòu)成的情況下，透鏡40和膜片50之間的間隔等于透鏡40的焦距。優(yōu)選透鏡40是對各照明光成分的波長具有同一焦距的色像差修正透鏡。
膜片50設(shè)置在透鏡40的焦點面上，具有開口部分51。此開口部分51具有各邊與x軸或y軸大體平行的矩形形狀，具有僅選擇從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的0次衍射波的功能、遮擋從空間光調(diào)制元件30來的0次的直接透射光的功能、還具有遮擋由從在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖產(chǎn)生的0次衍射波的光成分形成實像或共軛像而產(chǎn)生雙重像問題的不需要的光的功能。此外從空間光調(diào)制元件30來的0次的直接透射光是用透鏡40聚光后有利于光源的成像的光，成為再現(xiàn)圖像的背景光，使對比度降低。開口部分51被設(shè)置在3個波長的再現(xiàn)光成分中某次數(shù)的衍射波用透鏡40進行波陣面變換后相互重疊的區(qū)域。特別是在本實施例中，開口部分51被設(shè)置在3個波長再現(xiàn)光成分中各自的0次衍射波用透鏡40進行波陣面變換后相互重疊的區(qū)域。這樣入射到空間光調(diào)制元件30的3個波長的照明光成分各自的入射方位由照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定。
圖2為用于說明第一實施例的三維圖像顯示裝置1的照明光學(xué)系統(tǒng)和空間光調(diào)制元件30的圖示。如此圖所示，包括在照明光源部10內(nèi)的藍色點光源被配置在透鏡20的光軸上，從此藍色點光源輸出的照明光成分用透鏡20進行準直，變成平行平面波60b，垂直入射到空間光調(diào)制元件30。紅色點光源被配置在離開透鏡20的光軸的位置上，從此紅色點光源輸出的照明光成分用透鏡20進行準直，變成相對z軸在傾斜的方向61r前進的平行平面波60r，傾斜入射到空間光調(diào)制元件30。綠色點光源與紅色點光源同樣配置。
圖3為用于說明第一實施例的三維圖像顯示裝置1的照明光學(xué)系統(tǒng)的圖示。如此圖所示，照明光源部10包括輸出波長相互不同的3個單色光源11r、11g、11b和3個針孔12r、12g、12b。針孔12r被設(shè)在靠近輸出紅色光的單色光源11r的位置R(xr，0)，把從此單色光源11r輸出的光向透鏡20輸出。針孔12g被設(shè)在靠近輸出綠色光的單色光源11g的位置G(xg，0)，把從此單色光源11g輸出的光向透鏡20輸出。針孔12b被設(shè)在靠近輸出藍色光的單色光源11b的位置B(0，0)，把從此單色光源11b輸出的光向透鏡20輸出。采用這樣結(jié)構(gòu)即使是在不使用單色光源11r、11g、11b各自作為點光源的情況下，從針孔12r、12g、12b各自輸出的照明光成分也可以作為從點光源射出的光使用，而且可以用透鏡20得到理想的平行平面波。
下面對第一實施例的三維圖像顯示裝置1的動作進行說明。作為空間光調(diào)制元件30是使用可以對各像素進行振幅和位相的雙方的調(diào)制的元件的情況下，不產(chǎn)生透射光和共軛像?？墒亲鳛榭臻g光調(diào)制元件30是使用對各像素僅可以進行振幅和位相的某一方調(diào)制的元件的情況下，產(chǎn)生透射光和共軛像。下面對后者的情況進行說明。
圖4為在第一實施例的三維圖像顯示裝置1中，用于說明藍色照明光成分向空間光調(diào)制元件30垂直入射時的三維圖像的一個光點的顯示動作的圖示。圖5為在第一實施例的三維圖像顯示裝置1中，用于說明向空間光調(diào)制元件30垂直入射藍色照明光成分時在空間光調(diào)制元件30上顯示全息圖的圖示。與藍色照明光成分相關(guān)聯(lián)的全息圖31b在空間光調(diào)制元件30上顯示時，成為平行平面波60b的藍色照明光成分垂直入射到空間光調(diào)制元件30。與藍色照明光成分相關(guān)聯(lián)的全息圖31b顯示在空間光調(diào)制元件30的半平面(y＜0)的區(qū)域。通過照明光成分入射到空間光調(diào)制元件30上，在光軸上形成三維圖像的光點的再現(xiàn)像62b和共軛像63b，產(chǎn)生0次透射光。光點的再現(xiàn)像62b用透鏡40波陣面變換到膜片50上的區(qū)域52b(y＜0)的區(qū)域。另一方面光點的共軛像63b用透鏡40波陣面變換到膜片50上的區(qū)域53b(y＞0的區(qū)域)。此外0次透射光被用透鏡40聚光在膜片50上的位置(0，0)。而共軛像和0次透射光被膜片50遮擋，只有再現(xiàn)像通過開口部分51可以被觀察到。
圖6為在第一實施例的三維圖像顯示裝置1中，用于說明照明光成分向空間光調(diào)制元件30傾斜入射時的三維圖像的一個光點的顯示動作的圖示。此時在空間光調(diào)制元件30上顯示的全息圖設(shè)定與圖5所示的全息圖相同。這種情況下成為平行平面波60的照明光成分傾斜入射到空間光調(diào)制元件30，在平行平面波60的光軸61上形成三維圖像光點的再現(xiàn)像62和共軛像63。這與圖4所示的再現(xiàn)像和共軛像的形成位置不同。
所以在本實施例中為了避免垂直入射和傾斜入射時之間再現(xiàn)圖像的不一致，傾斜入射時在空間光調(diào)制元件30上顯示的全息圖用下面說明的2個方法中的某一個制成。
第一全息圖的制作方法是計算傾斜入射時的全息圖的方法。來自構(gòu)成三維圖像1個光點的物體光成分用球面波表示。從在位置(x0，y0，L0)的光點產(chǎn)生的物體光成分Oi，j在空間光調(diào)制元件30上的位置(xi，yj，0)中用以下公式(1a)、(1b)表示。
Oi,j=1rexp(jkr)---···(1a)]]>r=(xi-x0)2+(yj-y0)2+L02---···(1b)]]>其中r是從處于位置(x0，y0，L0)的光點到空間光調(diào)制元件30上位置(xi，yj，0)的距離，k為物體光成分的波數(shù)。此外入射角θ的作為平行平面波的參照光成分Ri，j在空間光調(diào)制元件30上的位置(xi，yj，0)中用下面的公式(2)表示。
Ri，j＝exp(jk(L0-(xi-x0)sinθ)) …(2)在全息觀察面上的物體光成分和參照光成分的合成用下面公式(3)表示的話，在全息觀察面上的位置(xi，yj，0)中，光的位相φi， j用下面的公式(4)表示，此外光強度用下面的公式(5)表示。
Oi，j+Ri，j＝A+jB…(3)φi，j＝tan-1(B/A) …(4)|Oi，j+Ri，j|2＝|Oi，j|2+|Ri，j|2+Oi，jRi，j*+Oi，j*Ri，j…(5)由于再現(xiàn)時入射到空間光調(diào)制元件30上的照明光成分與參照光成分R相同，用上述公式(5)右邊的第三項制作計算機全息圖。
關(guān)于計算機全息圖的計算范圍由于顯示全息圖的空間光調(diào)制元件30具有離散的像素結(jié)構(gòu)，全息圖的最大空間頻率受到空間光調(diào)制元件30的像素間距的限制。因此計算范圍為相鄰2像素中物體光成分和參照光成分的合成波陣面的位相差在π以下的范圍，也就是為由滿足用下面公式(6a)、(6b)表示的條件的區(qū)域決定的半平面。
|φi，j-φi-1，j|≤π …(6a)|φi，j-φi，j-1|≤π …(6b)圖7和圖8分別為用于說明用第一全息圖制作方法制作全息圖的圖示。圖7表示點光源在位置(0，y)時的空間光調(diào)制元件30上的全息圖31的顯示范圍。圖8表示點光源在位置(x，0)時的空間光調(diào)制元件30上的全息圖31的顯示范圍。如這些圖所示，在空間光調(diào)制元件30上顯示的全息圖31類似于把圖5所示的全息圖31b在x軸或y軸上平行移動的全息圖。
圖9為在圖7中表示的全息圖31在空間光調(diào)制元件30上顯示的情況，是用于說明照明光成分向空間光調(diào)制元件30傾斜入射時的三維圖像的一個光點的顯示動作的圖示。如此圖所示，成為平行平面波60的照明光成分在傾斜入射到空間光調(diào)制元件30時，在光軸61上形成三維圖像的光點再現(xiàn)像62。這與圖4所示的再現(xiàn)像形成位置一致。
第二全息圖制作方法是把全息圖顯示范圍平行移動的方法。在用上述第一全息圖制作方法中，由于參照光成分是傾斜入射的，全息圖的計算時，必須計算物體光成分和參照光成分的乘積，與參照光成分垂直入射的情況相比，計算時間長。與此相反，在用下面說明的第二全息圖制作方法中，利用類似上述在傾斜入射時和垂直入射時的全息圖，在短時間可以計算全息圖。
圖10為用于說明第二全息圖制作方法的圖示。使在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖與圖5所示的全息圖相同的話，由此產(chǎn)生的光點62′的形成位置從希望的光點62的形成位置，僅僅在x軸方向上偏離距離D，因此只要把全息圖平行移動此距離D就可以。此平行移動量D用下面的公式(7)表示。
D＝L·tanθ …(7)其中L為光點和全息觀察面之間的距離。此外θ為平行平面波向全息觀察面的入射角，此入射角θ用下面的公式(8)表示。
θ＝光源和光軸之間的距離/透鏡20的前焦距 …(8)用上述說明的第一和第二的全息圖制作方法，可以得到傾斜入射時和垂直入射時沒有偏離的再現(xiàn)像。
下面對利用入射各種波長的照明光成分而從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的再現(xiàn)光成分進行說明。
圖11～圖15為用于對作為對比例表示的理想情況進行說明的圖示。作為空間光調(diào)制元件30是使用對各像素僅可以進行振幅和位相的某一方調(diào)制的元件，作為如圖5所示全息圖顯示在空間光調(diào)制元件30的半平面(y＜0)上，設(shè)想3個波長的點光源全部如圖11所示配置在位置(0，0)的理想情況。
這種情況下如圖12所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的最長波長的紅色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被透鏡40波陣面變換到在透鏡40后焦點面上由用下面公式(9)表示的4點R1～R4圍成的矩形區(qū)域52r。
R1(-λrf/2Px，0)R2(-λrf/2Px，-λrf/2Py)R3(+λrf/2Px，-λrf/2Py)R4(+λrf/2Px，0) …(9)其中λr為紅色再現(xiàn)光成分的波長，f為透鏡40的焦距，Px為空間光調(diào)制元件30的x軸方向的像素間距，Py為空間光調(diào)制元件30的y軸方向的像素間距。再有紅色的共軛像被波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上由用下面公式(10)表示的4點R1和R4～R6圍成的矩形區(qū)域。
R1(-λrf/2Px，0)R4(+λrf/2Px，0)R5(+λrf/2Px，+λrf/2Py)R6(-λrf/2Px，+λrf/2Py) …(10)而且以用4點R2、R3、R5和R6圍成的矩形區(qū)域為1個單位，在透鏡40的后焦點面上二維地周期形成0次和高次再現(xiàn)像以及共軛像。
同樣如圖13所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的波長λg的綠色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40后焦點面上由用下面公式(11)表示的4點G1～G4圍成的矩形區(qū)域52g。
G1(-λgf/2Px，0)G2(-λgf/2Px，-λgf/2Py)G3(+λgf/2Px，-λgf/2Py)G4(+λgf/2Px，0) …(11)
如圖14所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的最短波長λb的藍色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40后焦點面上由用下面公式(12)表示的4點B1～B4圍成的矩形區(qū)域52b。
B1(-λbf/2Px，0)B2(-λbf/2Px，-λbf/2Py)B3(+λbf/2Px，-λbf/2Py)B4(+λbf/2Px，0) …(12)而且如圖15所示，如把在透鏡40的后焦點面上的波陣面變換區(qū)域52r、52g、52b重疊顯示，在紅色的波陣面變換區(qū)域52r中包含綠色的波陣面變換區(qū)域52g，在綠色的波陣面變換區(qū)域52g中包含藍色的波陣面變換區(qū)域52b。因此利用使膜片50的開口部分51與藍色的波陣面變換區(qū)域52b相同，觀察通過此開口部分52的各種顏色的再現(xiàn)光成分，可以觀察到全彩色三維圖像。
可是象圖11所示的3個點光源配置在共同的位置的理想情況在實際中不能存在。所以在本實施例中3個點光源配置在相互不同的位置，其中使1個波長的照明光成分垂直入射到空間光調(diào)制元件30上，使其他2個波長的照明光成分傾斜入射到空間光調(diào)制元件30上。
圖16～圖19為說明第一實施例的三維圖像顯示裝置1和三維圖像顯示方法的圖示。圖16為表示第一實施例中的三維圖像顯示裝置1的照明光源部10中的3個點光源各自配置的圖示。圖17為表示在第一實施例三維圖像顯示裝置1的膜片50配置位置上的紅色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。圖18為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的膜片50的配置位置上的綠色再現(xiàn)光成分的0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的膜片50的配置位置上的藍色再現(xiàn)光成分的0次衍射波的波陣面變換區(qū)域與圖14所示的情況相同。圖19為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的膜片50的配置位置上的紅色、綠色、藍色各自的再現(xiàn)光成分的0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
如圖16所示，在第一實施例中，紅色點光源配置在位置R(xr，0)，綠色點光源配置在位置G(xg，0)，藍色點光源配置在位置B(0，0)。其中xr、xg分別用下面公式(13)表示。
xr＝+{(λgf/2P)-(λbf/2P)}/Mxg＝-{(λgf/2P)-(λbf/2P)}/MM＝-f2/f2…(12)其中f1為透鏡20的焦距，f2為透鏡40的焦距。M為光學(xué)系統(tǒng)的倍數(shù)。
這種情況如圖17所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的紅色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上以位置R′(λgf/2P-λbf/2P，0)為基準的矩形區(qū)域52r。此外如圖18所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的綠色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上以位置G′(-λgf/2P+λbf/2P，0)為基準的矩形區(qū)域52g。此外如圖14所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的藍色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上以位置B′(0，0)為基準的矩形區(qū)域52b。
而且如圖19所示，如把在透鏡40的后焦點面上的波陣面變換區(qū)域52r、52g、52b重疊顯示，在紅色的波陣面變換區(qū)域52r中包含綠色的波陣面變換區(qū)域52g，在綠色的波陣面變換區(qū)域52g包含藍色的波陣面變換區(qū)域52b。因此利用使膜片50的開口部分51與藍色的波陣面變換區(qū)域52b相一致，觀察通過此開口部分52的各種顏色的再現(xiàn)光成分，可以觀察到全彩色三維圖像。
下面對第一實施例的具體示例進行說明。作為空間光調(diào)制元件30使用索尼公司制的數(shù)據(jù)投影用液晶板LCX023AL(像素間距P＝26μm)。作為透鏡20使用色像差修正過的焦距600mm的透鏡，作為透鏡40使用色像差修正過的焦距150mm的透鏡。作為輸出紅色光的單色光源11r使用シチズン電子公司的發(fā)光二極管CL-280SR-C(波長650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作為輸出綠色光的單色光源11g使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AG1A7-02(波長530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作為輸出藍色光的單色光源11b使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AB1A7-02(波長470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把輸出紅色光的單色光源11r配置在位置(-0.69mm，0)，把輸出綠色光的單色光源11g配置在位置(+0.69mm，0)。把針孔12r、12g、12b各自的孔徑定為150μm。把被入射到空間光調(diào)制元件30的紅色照明光成分的入射角定為+0.07°，把被入射到空間光調(diào)制元件30的綠色照明光成分的入射角定為-0.07°。把膜片50的開口部分51的尺寸定為2.7mm(W)×1.3mm(H)。把空間光調(diào)制元件30的驅(qū)動頻率定為70Hz，使與各種顏色(波長)相關(guān)聯(lián)的全息圖在空間光調(diào)制元件30上順序顯示，同時利用與其同步順序使3個單色光源11r、11g、11b發(fā)光，可以通過膜片50的開口部分51清楚地觀察到全彩色三維圖像。
下面對第一實施例的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的變化示例A進行說明。在此前的說明中3個點光源布置在x軸方向，而在此變化示例中3個點光源布置在y軸方向。圖20～圖23為說明第一實施例的三維圖像顯示裝置1和三維圖像顯示方法的變化示例A的圖示。圖20為表示第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例A的照明光源部10中的3個點光源各自的配置的圖示。圖21為在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例A中，是表示在膜片50配置位置的紅色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。圖22為在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例A，是表示在膜片50配置位置的綠色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例A中，在膜片50配置位置的藍色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域與圖14所示的情況相同。圖23為在第一實施例的三維圖像顯示裝置的變化示例A，是表示在膜片50配置位置的紅色、綠色、藍色各自再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
在此變化示例A中如圖20所示，紅色點光源配置在位置R(0，yr)上，綠色點光源配置在位置G(0，yg)上，藍色點光源配置在位置B(0，0)上。其中yr和yg分別用下面公式(14)表示。
yr＝{(λrf/2P)-(λbf/2P)}/Myg＝{(λgf/2P)-(λbf/2P)}/M …(14)這種情況如圖21所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的紅色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上以位置R′(0，λrf/2P-λbf/2P，0)為基準的矩形區(qū)域52r。此外如圖22所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的綠色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換成在透鏡40的后焦點面上以位置G′(0，λgf/2P-λbf/2P，0)為基準的矩形區(qū)域52g。此外如圖14所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的藍色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上以位置B′(0，0)為基準的矩形區(qū)域52b。
而且如圖23所示，把在透鏡40的后焦點面上的波陣面變換區(qū)域52r、52g、52b重疊顯示的話，在紅色的波陣面變換區(qū)域52r中包含綠色的波陣面變換區(qū)域52g，在綠色的波陣面變換區(qū)域52g包含藍色的波陣面變換區(qū)域52b。因此利用使膜片50的開口部分51與藍色的波陣面變換區(qū)域52b相同，觀察通過此開口部分52的各種顏色的再現(xiàn)光成分，可以觀察到全彩色三維圖像。
下面對第一實施例的變化示例A進行說明。作為空間光調(diào)制元件30使用索尼公司制的數(shù)據(jù)投影用液晶板LCX023AL(像素間距P＝26μm)。作為透鏡20使用色像差修正的焦距600mm的透鏡，作為透鏡40使用色像差修正的焦距150mm的透鏡。作為輸出紅色光的單色光源11r使用シチズン電子公司的發(fā)光二極管CL-280SR-C(波長650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作為輸出綠色光的單色光源11g使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AG1A7-02(波長530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作為輸出藍色光的單色光源11b使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AB1A7-02(波長470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把輸出紅色光的單色光源11r配置在位置(0，-2.08mm)，把輸出綠色光的單色光源11g配置在位置(0，-0.69mm)。把針孔12r、12g、12b各自的開口尺寸定為150μm。把被入射到空間光調(diào)制元件30的紅色照明光成分的入射角定為-0.20°，把被入射到空間光調(diào)制元件30的綠色照明光成分的入射角定為-0.07°。把膜片50的開口部分51的尺寸定為2.7mm(W)×1.3mm(H)。把空間光調(diào)制元件30的驅(qū)動頻率定為70Hz，使與各種顏色(波長)相關(guān)聯(lián)的全息圖在空間光調(diào)制元件30上順序顯示，同時利用與其同步順序使3個單色光源11r、11g、11b發(fā)光，可以通過膜片50的開口部分51清楚地觀察到全彩色三維圖像。
下面對第一實施例的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的變化示例B進行說明。在上述變化示例A中3個點光源在半平面(y□0)上布置在y軸方向上，而在此變化示例B中，紅色點光源配置在一方的半平面(y□0)上，綠色點光源配置在另一方的半平面(y□0)上。圖24～圖26為說明第一實施例的三維圖像顯示裝置1和三維圖像顯示方法的變化示例B的圖示。圖24為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例B中，照明光源部10中的3個點光源各自配置的圖示。圖25為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例B中，在膜片50配置位置的綠色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例B中，在膜片50配置位置的紅色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域與圖21所示的情況相同。在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例B中，在膜片50配置位置的藍色再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域與圖14所示的情況相同。圖26為表示在第一實施例的三維圖像顯示裝置1的變化示例B中，在膜片50配置位置的紅色、綠色、藍色各自再現(xiàn)光成分0次衍射波的波陣面變換區(qū)域的圖示。
在此變化示例B中如圖24所示，紅色點光源配置在位置R(0，yr)上，綠色點光源配置在位置G(0，yg)上，藍色點光源配置在位置B(0，0)上。其中yr和yg分別用下面公式(15)表示。
yr＝{(λrf/2P)-(λbf/2P)}/Myg＝-(λbf/2P)/M …(15)這種情況如圖21所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的紅色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上以位置R′(0，λrf/2P-λbf/2P，0)為基準的矩形區(qū)域52r。此外如圖25所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的綠色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上以位置G′(0，-λbf/2P，0)為基準的矩形區(qū)域52g。此外如圖14所示，從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的藍色再現(xiàn)光成分的0次衍射波被用透鏡40波陣面變換到在透鏡40的后焦點面上以位置B′(0，0)為基準的矩形區(qū)域52b。
而且如圖26所示，把在透鏡40的后焦點面上的波陣面變換區(qū)域52r、52g、52b重疊顯示的話，在紅色的波陣面變換區(qū)域52r中包含綠色的波陣面變換區(qū)域52g，在綠色的波陣面變換區(qū)域52g包含藍色的波陣面變換區(qū)域52b。因此利用使膜片50的開口部分51與藍色的波陣面變換區(qū)域52b相一致，觀察通過此開口部分52的各種顏色的再現(xiàn)光成分，可以觀察到全彩色三維圖像。
下面對第一實施例的變化示例B進行說明。作為空間光調(diào)制元件30使用索尼公司制的數(shù)據(jù)投影用液晶板LCX023AL(像素間距P＝26μm)。作為透鏡20使用色像差修正的焦距200mm的透鏡，作為透鏡40使用色像差修正的焦距150mm的透鏡。作為輸出紅色光的單色光源11r使用シチズン電子公司的發(fā)光二極管CL-280SR-C(波長650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作為輸出綠色光的單色光源11g使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AG1A7-02(波長530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作為輸出藍色光的單色光源11b使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AB1A7-02(波長470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把輸出紅色光的單色光源11r配置在位置(0，-0.69mm)，把輸出綠色光的單色光源11g配置在位置(0，+1.36mm)。把針孔12r、12g、12b各自的開口尺寸定為150μm。把被入射到空間光調(diào)制元件30的紅色照明光成分的入射角定為-0.20°，把被入射到空間光調(diào)制元件30的綠色照明光成分的入射角定為+0.39°。把膜片50的開口部分51的尺寸定為2.7mm(W)×1.3mm(H)。把空間光調(diào)制元件30的驅(qū)動頻率定為70Hz，使與各種顏色(波長)相關(guān)聯(lián)的全息圖在空間光調(diào)制元件30上順序顯示，同時利用與其同步順序使3個單色光源11r、11g、11b發(fā)光，可以通過膜片50的開口部分51清楚地觀察到全彩色三維圖像。
如上述那樣，第一實施例的三維圖像顯示裝置1和三維圖像顯示方法也包括變化示例A和變化示例B，向空間光調(diào)制元件30入射的3個波長的照明光成分各自的入射方位被適當(dāng)設(shè)定，由于從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的3個波長的再現(xiàn)光成分各自的0次衍射波用透鏡40進行波陣面變換后在開口部分51相互重疊，所以即使是在使用低分辨率的空間光調(diào)制元件30的情況下，也可以清楚地顯示彩色的三維圖像。此外由于不需要如現(xiàn)有技術(shù)2那樣用于使3個波長的再現(xiàn)光成分重疊的半反射鏡，不需要如第三現(xiàn)有技術(shù)那樣的高速快門，所以可以得到小型的而且便宜的三維圖像顯示裝置。
(第二實施例)下面對此發(fā)明的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的第二實施例進行說明。圖27為表示第二實施例的三維圖像顯示裝置2的結(jié)構(gòu)的圖示。此圖所示的三維圖像顯示裝置2具有照明光源部10、透鏡20、半反射鏡25、反射型的空間光調(diào)制元件30、透鏡40和膜片50。照明光源部10、透鏡20和半反射鏡25構(gòu)成使3個波長的照明光成分分別作為平行平面波以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件30的照明光學(xué)系統(tǒng)。半反射鏡25和透鏡40構(gòu)成把從在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖產(chǎn)生的3個波長的再現(xiàn)光成分分別進行波陣面變換的再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)。此外照明光學(xué)系統(tǒng)和再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)共用半反射鏡25。
與第一實施例相比，第二實施例的三維圖像顯示裝置2和三維圖像顯示方法是照明光源部10、透鏡20、透鏡40和膜片50分別相同，而因空間光調(diào)制元件30是反射型空間光調(diào)制元件造成相互配置不同。此外與第一實施例相比，第二實施例的三維圖像顯示裝置2的動作和三維圖像顯示方法在照明光成分用透鏡20變成平行平面波后，在透過半反射鏡25向空間光調(diào)制元件30入射的點、在與照明光成分向空間光調(diào)制元件30入射一側(cè)相同一側(cè)出射再現(xiàn)光成分的點、此再現(xiàn)光成分用半反射鏡25反射后用透鏡40進行波陣面變換的點上不同。在其他的方面第二實施例的三維圖像顯示裝置2的動作和三維圖像顯示方法與第一實施例(包括變形例A、變形例B)原理上相同。
下面對第二實施例的具體示例進行說明。作為空間光調(diào)制元件30使用Micro Display公司制的微型監(jiān)視器用反射型液晶板MD800G6(像素間距P＝12.55μm)。作為透鏡20使用色像差修正的焦距300mm的透鏡，作為透鏡40使用色像差修正的焦距60mm的透鏡。作為輸出紅色光的單色光源11r使用シチズン電子公司的發(fā)光二極管CL-280SR-C(波長650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作為輸出綠色光的單色光源11g使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AG1A7-02(波長530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作為輸出藍色光的單色光源11b使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AB1A7-02(波長470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.1 5(H))。
此外把輸出紅色光的單色光源11r配置在位置(-0.72mm，0)，把輸出綠色光的單色光源11g配置在位置(+0.72mm，0)。把針孔12r、12g、12b各自的孔徑定為150μm。把被入射到空間光調(diào)制元件30的紅色照明光成分的入射角定為-0.14°，把被入射到空間光調(diào)制元件30的綠色照明光成分的入射角定為+0.14°。把膜片50的開口部分51的尺寸定為2.2mm(W)×1.1mm(H)。把空間光調(diào)制元件30的驅(qū)動頻率定為90Hz，使與各種顏色(波長)相關(guān)聯(lián)的全息圖在空間光調(diào)制元件30上順序顯示，同時利用與其同步順序使3個單色光源11r、11g、11b發(fā)光，可以通過膜片50的開口部分51清楚地觀察到全彩色三維圖像。
(第三實施例)下面對此發(fā)明的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的第三實施例進行說明。圖28為表示第三實施例的三維圖像顯示裝置3的結(jié)構(gòu)的圖示。此圖所示的三維圖像顯示裝置3具有照明光源部10、半反射鏡25、透鏡20、反射型的空間光調(diào)制元件30和膜片50。照明光源部10、半反射鏡25和透鏡20構(gòu)成使3個波長的照明光成分分別作為平行平面波以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件30的照明光學(xué)系統(tǒng)。透鏡20和半反射鏡25構(gòu)成把從在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖產(chǎn)生的3個波長的再現(xiàn)光成分分別進行波陣面變換的再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)。此外照明光學(xué)系統(tǒng)和再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)共用透鏡20和半反射鏡25。
與第二實施例相比，第三實施例的三維圖像顯示裝置3和三維圖像顯示方法是照明光源部10、空間光調(diào)制元件30和膜片50分別相同，而因空間光調(diào)制元件30是反射型空間光調(diào)制元件造成相互配置不同。此外與第二實施例相比，第三實施例的三維圖像顯示裝置3的動作和三維圖像顯示方法在透鏡20同時透鏡40的作用方面、照明光成分透過半反射鏡25后用透鏡20變成平行平面波向空間光調(diào)制元件30入射的方面、在與照明光成分向空間光調(diào)制元件30入射一側(cè)相同的一側(cè)射出再現(xiàn)光成分的方面、此再現(xiàn)光成分經(jīng)過透鏡20后用半反射鏡25反射后進行波陣面變換的方面上不同。在其他方面第三實施例的三維圖像顯示裝置2的動作和三維圖像顯示方法與第二實施例原理上幾乎相同。
在第三實施例中由于透鏡20同時具有透鏡40的作用，所以照明光學(xué)系統(tǒng)和再現(xiàn)像變換系統(tǒng)各自的焦距相等。因此3個點光源配置在位置R(xr，0)、G(xg，0)、B(0，0)的情況下，在膜片50面上的各種顏色波陣面變換區(qū)域的基準點為位置R(-xr，0)、G(-xg，0)、B(0，0)。如圖29所示，在膜片50面上的各種顏色波陣面變換區(qū)域52r、52g、52b全部重疊的區(qū)域(也就是膜片50的開口部分51的區(qū)域)有比第一實施例或第二實施例窄的情況。
下面對第三實施例的具體示例進行說明。作為空間光調(diào)制元件30使用Micro Display公司制的微型監(jiān)視器用反射型液晶板MD800G6(像素間距P＝12.55μm)。作為兼作透鏡40用的透鏡20使用色像差修正的焦距60mm的透鏡。作為輸出紅色光的單色光源11r使用シチズン電子公司的發(fā)光二極管CL-280SR-C(波長650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作為輸出綠色光的單色光源11g使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AG1A7-02(波長530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作為輸出藍色光的單色光源11b使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AB1A7-02(波長470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把輸出紅色光的單色光源11r配置在位置(-0.65mm，0)，把輸出綠色光的單色光源11g配置在位置(+0.65mm，0)。把針孔12r、12g、12b各自的孔徑定為150μm。把入射到空間光調(diào)制元件30的紅色照明光成分的入射角定為-0.62°，把入射到空間光調(diào)制元件30的綠色照明光成分的入射角定為+0.62°。把膜片50的開口部分51的尺寸定為1.5mm(W)×1.1mm(H)。把空間光調(diào)制元件30的驅(qū)動頻率定為90Hz，使與各種顏色(波長)相關(guān)聯(lián)的全息圖在空間光調(diào)制元件30上順序顯示，同時利用與其同步順序使3個單色光源11r、11g、11b發(fā)光，可以通過膜片50的開口部分51清楚地觀察到全彩色三維圖像。
(第四實施例)下面對此發(fā)明的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的第四實施例進行說明。圖30為表示第四實施例的三維圖像顯示裝置4的結(jié)構(gòu)的圖示。此圖所示的三維圖像顯示裝置4具有照明光源部10、透鏡20、透射型的空間光調(diào)制元件30、透鏡40和膜片50。照明光源部10和透鏡20構(gòu)成使3個波長的照明光成分分別作為平行平面波以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件30的照明光學(xué)系統(tǒng)。透鏡40構(gòu)成把從在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖產(chǎn)生的3個波長的再現(xiàn)像分別進行波陣面變換而虛像化或?qū)嵪窕脑佻F(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)。
照明光源部10具有輸出相互不同波長(紅、綠、藍)的照明光成分的3個點光源。這3個點光源配置在與x軸平行的直線上的相互不同的位置上。輸出最短波長的藍色照明光成分的點光源位于照明光學(xué)系統(tǒng)的光軸上的位置B(0，0)。輸出紅色照明光成分的點光源位于位置R(xr，0)或位置R(0，yr)。輸出綠色照明光成分的點光源位于位置G(xg，0)。各點光源例如包括發(fā)光二極管或激光二極管等，輸出單色性優(yōu)良的照明光成分。此外各點光源按時序順序脈沖點亮。此照明光源10的結(jié)構(gòu)優(yōu)選與圖3相同。
透鏡20具有與z軸平行的光軸，把分別從照明光源部20的3個點光源輸出的各波長的照明光成分準直后變成平行平面波，以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件30。透鏡20由單一的凸透鏡構(gòu)成的情況下，3個點光源分別與透鏡20之間的間隔等于透鏡20的焦距。由于3個點光源按上述配置，藍色照明光成分垂直入射到空間光調(diào)制元件30，紅色和綠色各照明光成分傾斜入射到空間光調(diào)制元件30。優(yōu)選透鏡20是相對于各照明光成分波長具有相同焦距的色像差修正透鏡。
空間光調(diào)制元件30是具有離散像素結(jié)構(gòu)的透射型空間光調(diào)制元件，把與3個波長分別相關(guān)聯(lián)的全息圖按時序順序顯示。此全息圖象可以是振幅全息圖，也可以是位相全息圖。而空間光調(diào)制元件30與用透鏡20將各波長的照明光成分按時序順序入射的情況同步，順序顯示與各時刻波長相關(guān)聯(lián)的全息圖，這樣把各波長的再現(xiàn)光成分按時序順序射出。也就是在此空間光調(diào)制元件30中采用場序制方式。
透鏡40從在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖產(chǎn)生的3個波長的再現(xiàn)光成分分別在膜片50的面上進行波陣面變換。在透鏡40由單一凸透鏡構(gòu)成的情況下，透鏡40和膜片50之間的間隔等于透鏡40的焦距。優(yōu)選透鏡40是對各照明光成分的波長具有同一焦距的色像差修正透鏡。
膜片50設(shè)在透鏡40的焦點面上，具有開口部分51。此開口部分51具有各邊與x軸或y軸大體平行的矩形形狀，具有僅選擇從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的特定次數(shù)的衍射波的功能、遮擋空間光調(diào)制元件30的第n次直接透射光的功能、還具有遮擋因由從在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖產(chǎn)生的第n次衍射波的成分形成實像或共軛像而產(chǎn)生雙重像問題的不需要的光的功能。空間光調(diào)制元件30的第n次直接透射光是用透鏡40聚光后有助于光源成像的光，成為再現(xiàn)像的背景光，使對比度降低。開口部分51被設(shè)置在3個波長的再現(xiàn)光成分中某次數(shù)的衍射波用透鏡40進行波陣面變換后相互重疊的區(qū)域。特別是在本實施例中，開口51設(shè)置在最短波長的藍色再現(xiàn)光成分的0次衍射波和其他2個波長的再現(xiàn)光成分的高次衍射波用透鏡40進行波陣面變換后相互重疊的區(qū)域。這樣向空間光調(diào)制元件30入射的3個波長的照明光成分各自的入射方位用照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定。
從處于照明光源部10的位置B(0，0)的藍色點光源輸出的照明光成分中的透過空間光調(diào)制元件30的0次透射光被透鏡40聚光在膜片50面上的位置B′(0，0)。從處于照明光源部10的位置R(xr，0)或R(0，yr)的紅色點光源輸出的照明光成分中的透過空間光調(diào)制元件30的0次透射光被透鏡40聚光在膜片50面上的位置R′(xr′，0)或R′(0，yr′)。從處于照明光源部10的位置G(xg，0)的藍色點光源輸出的照明光成分中的透過空間光調(diào)制元件30的0次透射光被透鏡40聚光在膜片50面上的位置G′(xg′，0)。
可是由于空間光調(diào)制元件30具有離散的像素結(jié)構(gòu)，如圖31或圖32所示，在膜片50面上藍色點光源的成像不僅在位置G1得到0次衍射波的波陣面變換，而且分別在相對于G1在x軸或y軸方向都相距距離(λbf/P)的8個位置G2得到1次衍射波的波陣面變換，還在x軸或y軸方向每相距距離(λbf/P)得到更高次衍射波的波陣面變換。對于紅色和綠色各自的點光源的成像也一樣。關(guān)于這一點用圖33進行詳細說明。
圖33為用于說明第四實施例的三維圖像顯示裝置4的空間光調(diào)制元件30和再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)的圖示。設(shè)空間光調(diào)制元件30的像素間距為P，垂直入射空間光調(diào)制元件30的藍色照明光成分的波長為λb，從空間光調(diào)制元件30射出的藍色衍射波的次數(shù)為nb，從空間光調(diào)制元件30來的藍色的nb次衍射波的出射角為θ0。
此時在這些參數(shù)之間用下面公式(16)建立的關(guān)系成立。
Psinθ0＝nbλb…(16)從此公式(16)得到，從空間光調(diào)制元件30來的藍色nb次衍射波出射角θ0可以用下面公式(17)表示。
θ0＝sin-1(nbλb/P) …(17)從空間光調(diào)制元件30來的藍色nb次衍射波在透鏡40的后焦點面(膜片50面)上，聚光在僅距光軸距離An的位置。此距離An可以用下面公式(18)表示。
An＝F2tanθθ＝f2tan{sin-1(nbλb/P)}＝f2tsin{sin-1(nbλb/P)}/cos{sin-1(nbλb/P)}＝(f2nbλb/P)cos{sin-1(nbλb/P)} …(18)次數(shù)nb小的情況下，此公式(18)可以用下面公式(19)近似表示。
An＝f2nbλb/P…(19)從這些公式(18)或(19)可以看出，在透鏡40的后焦點面(膜片50面)上，0次和高次的衍射波的各自的聚光點大致以等間隔出現(xiàn)，其各次數(shù)的衍射波聚光點出現(xiàn)間隔因波長而不同。在照明光源部10中的各波長點光源存在于同一位置的情況下，在透鏡40的后焦點面(膜片50面)上，各波長的再現(xiàn)光成分的0次衍射波聚光點出現(xiàn)在同一位置，而各波長的再現(xiàn)光成分的高次衍射波聚光點出現(xiàn)在不同位置。
為了取出構(gòu)成三維再現(xiàn)像的衍射波，利用具有以用上述公式(18)或(19)表示的位置為基準的開口部分51的膜片50，僅使再現(xiàn)光成分中某次數(shù)的衍射波通過開口部分51。在空間光調(diào)制元件30可以調(diào)制振幅和位相雙方的情況下，以用上述公式(18)或公式(19)表示的位置為中心，利用配置一邊的長度為f2λb/P的矩形形狀的開口部分51，可以取出構(gòu)成三維再現(xiàn)像的衍射波。在空間光調(diào)制元件30僅可以調(diào)制振幅和位相中的某一個的情況下，在以用上述公式(18)或公式(19)表示的位置為基準的半平面(對應(yīng)于在空間光調(diào)制元件30上的全息圖顯示區(qū)域的區(qū)域)，利用配置一邊的長度為f2λb/P，另一邊的長度為f2λb/2P的矩形形狀的開口部分51，可以取出構(gòu)成三維再現(xiàn)像的衍射波。
在本實施例中，膜片50的開口部分51的區(qū)域不是對每個波長用時間分割進行控制，做成不根據(jù)波長而固定的。所以配置具有適合3個波長(λr、λg、λb)中最短波長λb的位置和形狀的膜片51。此外關(guān)于其他2個波長(λr、λg)，設(shè)定照明光成分向空間光調(diào)制元件30的入射方位，使再現(xiàn)光成分中某個次數(shù)的衍射波通過開口部分51。此外在空間光調(diào)制元件30僅可以調(diào)制振幅和位相中的某一個的情況下，使在各波長再現(xiàn)光成分中的三維圖像構(gòu)成中利用的次數(shù)的再現(xiàn)波的聚光點一致，用膜片50遮擋這些聚光點。再有透鏡20、40適合使用充分修正色像差、3個波長(λr、λg、λb)各自焦距分別相等的透鏡。
藍色照明光成分對空間光調(diào)制元件30垂直入射，而其他的紅色和綠色照明光成分分別傾斜入射。藍色照明光成分垂直入射時的0次衍射波聚光點和其他顏色照明光成分傾斜入射時的特定次數(shù)的高次衍射波聚光點在透鏡40的后焦點面上必須一致。下面用圖34對滿足這樣條件的照明光成分的入射角進行說明。
圖34為用于說明第四實施例的三維圖像顯示裝置4的空間光調(diào)制元件30上照明光成分入射角和再現(xiàn)光成分出射角的關(guān)系的圖示。除最短波長λb以外其他某個波長λi(＝λr或λg)的平行平面波以入射角θi入射到空間光調(diào)制元件30，使波長λi的再現(xiàn)光成分中次數(shù)ni的衍射波以衍射角θ0(與藍色的衍射波相同)從空間光調(diào)制元件30射出的。此外設(shè)空間光調(diào)制元件30的像素間距為P。
此時這些參數(shù)之間以下面公式(20)建立的關(guān)系成立。
Psinθ0-Psinθi＝niλi…(20)把它改寫成入射角θi的公式的話，可以用下面的公式(21)表示。
θi＝sin-1{(Psinθ0-niλi)/P} …(21)此公式(21)代入上述公式(17)，可以用下面公式(22)表示。
θi＝sin-1{(nbλb-niλi)/P} …(22)波長λb的藍色照明光成分垂直入射到空間光調(diào)制元件30，同時波長λi(＝λr或λg)的照明光成分以上述公式(22)表示的入射角θi傾斜入射到空間光調(diào)制元件30后，各波長的再現(xiàn)光成分的某個次數(shù)的衍射波以相同的衍射角θ0從空間光調(diào)制元件30射出，用透鏡40聚光在同一點。
此外從上述公式(20)得到入射角θi和出射角θ0相等是衍射次數(shù)ni為0次的情況，此0次衍射波在透鏡40的后焦點面上聚光在從光軸僅離開用下面公式(23)表示的距離Ani的位置。
Ani＝f2tanθi＝f2tan[sin-1{(nbλb-niλi)/P}]＝f2tan[{sin-1(nbλb/P)}＝f2(nbλb/P)/cos-1{sin(nbλb/P)} …(23)關(guān)于距離Ani的第一示例，使藍色波長λb的衍射波次數(shù)nb為0，其他波長λi的衍射波次數(shù)ni為-1。此時波長λi的照明光成分的入射角θi可以用下面公式(24)表示。
θi＝sin-1(λi/P)…(24)此外波長λi的0次衍射波在透鏡40的后焦點面上聚光在從光軸僅偏離由下面公式(25)表示的距離A-1的位置上。
A-1＝f2tanθi＝f2tan[sin-1(λi/P)]≌f2λi/P …(25)此外關(guān)于距離Ani的第二示例，使藍色波長λb的衍射波次數(shù)nb為0，其他波長λi的衍射波次數(shù)ni為+1。此時波長λi的照明光成分的入射角θi可以用下面公式(26)表示。
θi＝sin-1(-λi/P) …(26)此外波長λi的0次衍射波在透鏡40的后焦點面上聚光在從光軸僅偏離以下面公式(27)表示的距離A+1的位置上。
A-1＝f2tanθi
＝f2tan[sin-1(-λi/P)]≌-f2λi/P …(27)要使波長λi的照明光成分為平行平面波以入射角θi入射到空間光調(diào)制元件30，可以把點光源配置在焦距f1的透鏡20的前焦點面上從光軸僅偏離用下面公式(28)表示的距離Bni的位置上。
Bni＝-f1tanθi＝-f1tan[sin-1{(nbλb-n1λ1)/P}]…(28)關(guān)于距離Bni的第一示例，使藍色波長λb的衍射波次數(shù)nb為0，其他波長λi的衍射波次數(shù)ni為-1。此時波長λi的點光源被配置在透鏡20的前焦點面上從光軸僅偏離用下面公式(29)表示的距離B-1的位置上。
B-1＝-f1tanθi＝-f1tan[sin-1(λi/P)]≌-f1λi/P＝A-1/M …(29)其中M為用公式(13)表示的光學(xué)系統(tǒng)的倍數(shù)。
此外關(guān)于距離Bni的第二示例，使藍色波長λb的衍射波次數(shù)nb為0，其他波長λi的衍射波次數(shù)ni為+1。此時波長λi的點光源被配置在透鏡20的前焦點面上從光軸僅偏離用下面公式(30)表示的距離B+1的位置上。
B+1＝-f1tanθi＝-f1tan[sin-1(-λi/P)]≌f1λi/P＝-A-1/M …(30)圖31是在透鏡20前焦點面上，把紅色點光源配置在位置(-f1λr/P，0)，把綠色點光源配置在位置(+f1λg/P，0)，藍色點光源配置在位置(0，0)上，在透鏡40的后焦點面上對于紅色再現(xiàn)光成分中的-1次衍射波、綠色再現(xiàn)光成分中的+1次衍射波和藍色再現(xiàn)光成分中的0次衍射波，各個的聚光點在光軸上一致的示例。圖32是在透鏡20前焦點面上，把紅色點光源配置在位置(0，-f1λr/P)，把綠色點光源配置在位置(+f1λg/P，0)，藍色點光源配置在位置(0，0)上，在透鏡40的后焦點面上對于紅色再現(xiàn)光成分中的-1次衍射波、綠色再現(xiàn)光成分中的+1次衍射波和藍色再現(xiàn)光成分中的0次衍射波，各個的聚光點在光軸上一致的示例。
與在空間光調(diào)制元件30上顯示的各種顏色相關(guān)聯(lián)的全息圖是各種顏色的照明光成分垂直入射空間光調(diào)制元件30時的全息圖，由于無須象第一實施例中說明的那樣關(guān)注入射角，所以可以簡單而且速度快地進行計算。
下面對第四實施例的具體示例進行說明。作為空間光調(diào)制元件30使用索尼公司制的數(shù)據(jù)投影用液晶板LCX023AL(像素間距P＝26μm)。作為透鏡20使用色像差修正的焦距150mm的透鏡，作為透鏡40使用色像差修正的焦距150mm的透鏡。作為輸出紅色光的單色光源11r使用シチズン電子公司的發(fā)光二極管CL-280SR-C(波長650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作為輸出綠色光的單色光源11g使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AG1A7-02(波長530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作為輸出藍色光的單色光源11b使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AB1A7-02(波長470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把輸出紅色光的單色光源11r配置在位置(-3.75mm，0)或位置(0，-3.75mm)，把輸出綠色光的單色光源11g配置在位置(+3.06mm，0)。把針孔12r、12g、12b各自的孔徑定為150μm。把入射到空間光調(diào)制元件30的紅色照明光成分入射角定為+1.43°，把入射到空間光調(diào)制元件30的綠色照明光成分入射角定為-1.17°。把膜片50的開口部分51的尺寸定為2.7mm(W)×1.3mm(H)。把空間光調(diào)制元件30的驅(qū)動頻率定為70Hz，使與各種顏色(波長)相關(guān)聯(lián)的全息圖在空間光調(diào)制元件30上順序顯示，同時利用與其同步順序使3個單色光源11r、11g、11b發(fā)光，可以通過膜片50的開口部分5 1清楚地觀察到全彩色三維圖像。
再有如本實施例所述，相對于就藍色再現(xiàn)光成分觀察0次衍射波，在就其他顏色的再現(xiàn)光成分觀察高次衍射波的情況下，與0次衍射波相比，高次衍射波的光通量少。所以為了提高數(shù)值孔徑，優(yōu)選把在每個像素裝有微型透鏡的液晶板作為空間光調(diào)制元件30使用。這樣使通過各像素的光發(fā)散，可以使高次衍射波的光通量增加。這樣的液晶板可以使用索尼公司制的液晶板LCX023CMT(像素間距P＝26μm)。利用此液晶板的同時，通過分別調(diào)整供給單色光源11r、11g、11b的驅(qū)動電流的大小，可以提高彩色三維圖像的色彩平衡。
第四實施例的三維圖像顯示裝置4和三維圖像顯示方法象上述這樣適當(dāng)設(shè)定入射到空間光調(diào)制元件30的3個波長的照明光成分各自的入射方位，而且由于從空間光調(diào)制元件30產(chǎn)生的3個波長的再現(xiàn)光成分各自的0次衍射波或高次衍射波用透鏡40進行波陣面變換后，在開口部分51相互重疊，所以在即使利用低分辨率的空間光調(diào)制元件30的情況下也能清晰顯示彩色的三維圖像。此外無須象第二現(xiàn)有技術(shù)那樣需要用于使3個波長的再現(xiàn)光成分相互重疊的半反射鏡，也無須象第三現(xiàn)有技術(shù)那樣的高速快門，所以可以得到小型化而且價格便宜的三維圖像顯示裝置。
(第五實施例)下面對此發(fā)明的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的第五實施例進行說明。圖35為表示第五實施例中的三維圖像顯示裝置5的結(jié)構(gòu)的圖示。此圖所示的三維圖像顯示裝置5具有照明光源部10、透鏡20、半反射鏡25、反射型的空間光調(diào)制元件30、透鏡40和膜片50。照明光源部10、透鏡20和半反射鏡25構(gòu)成使3個波長的照明光成分分別作為平行平面波以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件30的照明光學(xué)系統(tǒng)。半反射鏡25和透鏡40構(gòu)成把從在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖產(chǎn)生的3個波長的再現(xiàn)像分別進行波陣面變換后虛像化或?qū)嵪窕脑佻F(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)。此外照明光學(xué)系統(tǒng)和再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)共用半反射鏡25。
與第四實施例相比，第五實施例的三維圖像顯示裝置5和三維圖像顯示方法是照明光源部10、透鏡20、透鏡40和膜片50分別相同，而因空間光調(diào)制元件30是反射型空間光調(diào)制元件造成相互配置不同。此外與第四實施例相比，第五實施例的三維圖像顯示裝置5的動作和三維圖像顯示方法在照明光成分用透鏡20變成平行平面波后透過半反射鏡25向空間光調(diào)制元件30入射的方面、在與照明光成分向空間光調(diào)制元件30入射一側(cè)相同一側(cè)射出再現(xiàn)光成分的方面、此再現(xiàn)光成分用半反射鏡25反射后用透鏡40進行波陣面變換的方面上不同。在其他的方面第五實施例的三維圖像顯示裝置5的動作和三維圖像顯示方法與第四實施例原理上相同。
下面對第五實施例的具體示例進行說明。作為空間光調(diào)制元件30使用Micro Display公司制的微型監(jiān)視器用反射型液晶板MD800G6(像素間距P＝12.55μm)。作為透鏡20使用色像差修正的焦距120mm的透鏡，作為透鏡40使用色像差修正的焦距60mm的透鏡。作為輸出紅色光的單色光源11r使用シチズン電子公司的發(fā)光二極管CL-280SR-C(波長650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作為輸出綠色光的單色光源11g使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AG1A7-02(波長530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作為輸出藍色光的單色光源11b使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AB1A7-02(波長470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把輸出紅色光的單色光源11r配置在位置(-6.24mm，0)或位置(0，-6.24mm)，把輸出綠色光的單色光源11g配置在位置(+5.09mm，0)。把針孔12r、12g、12b各自的孔徑定為150μm。把入射到空間光調(diào)制元件30的紅色照明光成分入射角定為+2.98°，把入射到空間光調(diào)制元件30的綠色照明光成分入射角定為-2.43°。把膜片50的開口部分51的尺寸定為2.2mm(W)×1.1mm(H)。把空間光調(diào)制元件30的驅(qū)動頻率定為90Hz，使與各種顏色(波長)相關(guān)聯(lián)的全息圖在空間光調(diào)制元件30上順序顯示，同時利用與其同步順序使3個單色光源11r、11g、11b發(fā)光，可以通過膜片50的開口部分51清楚地觀察到全彩色三維圖像。
(第六實施例)下面對此發(fā)明的三維圖像顯示裝置和三維圖像顯示方法的第六實施例進行說明。圖36為表示第六實施例中的三維圖像顯示裝置6的結(jié)構(gòu)的圖示。此圖所示的三維圖像顯示裝置6具有照明光源部10、半反射鏡25、透鏡20、反射型的空間光調(diào)制元件30和膜片50。照明光源部10、半反射鏡25和透鏡20構(gòu)成使3個波長的照明光成分分別作為平行平面波以相互不同的入射方位入射到空間光調(diào)制元件30的照明光學(xué)系統(tǒng)。透鏡20和半反射鏡25構(gòu)成把從在空間光調(diào)制元件30顯示的全息圖產(chǎn)生的3個波長的再現(xiàn)像分別進行波陣面變換而虛像化或?qū)嵪窕脑佻F(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)。此外照明光學(xué)系統(tǒng)和再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)共用透鏡20和半反射鏡25。
與第四實施例相比，第六實施例的三維圖像顯示裝置6和三維圖像顯示方法是照明光源部10、空間光調(diào)制元件30和膜片50分別相同，而因空間光調(diào)制元件30是反射型空間光調(diào)制元件造成相互配置不同。此外與第四實施例相比，第六實施例的三維圖像顯示裝置6的動作和三維圖像顯示方法在透鏡20同時起到透鏡40作用的方面、照明光成分透過半反射鏡25后用透鏡20變成平行平面波后，向空間光調(diào)制元件30入射的方面、在與照明光成分向空間光調(diào)制元件30入射一側(cè)相同一側(cè)射出再現(xiàn)光成分方面、此再現(xiàn)光成分經(jīng)過透鏡20后用半反射鏡25反射后進行波陣面變換的方面上不同。在其他的方面第六實施例的三維圖像顯示裝置6的動作和三維圖像顯示方法與第四實施例原理上幾乎相同。
下面對第六實施例的具體示例進行說明。作為空間光調(diào)制元件30使用Micro Display公司制的微型監(jiān)視器用反射型液晶板MD800G6(像素間距P＝12.55μm)。作為兼作透鏡40用的透鏡20使用色像差修正的焦距60mm的透鏡。作為輸出紅色光的單色光源11r使用シチズン電子公司的發(fā)光二極管CL-280SR-C(波長650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作為輸出綠色光的單色光源11g使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AG1A7-02(波長530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作為輸出藍色光的單色光源11b使用豐田合成公司的發(fā)光二極管E1S07-AB1A7-02(波長470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把輸出紅色光的單色光源11r配置在位置(-3.02mm，0)或位置(0，-3.02mm)，把輸出綠色光的單色光源11g配置在位置(+2.54mm，0)。把針孔12r、12g、12b各自的孔徑定為150μm。把入射到空間光調(diào)制元件30的紅色照明光成分入射角定為+2.98°，把入射到空間光調(diào)制元件30的綠色照明光成分入射角定為-2.43°。把膜片50的開口部分51的尺寸定為2.2mm(W)×1.1mm(H)。把空間光調(diào)制元件30的驅(qū)動頻率定為90Hz，使與各種顏色(波長)相關(guān)聯(lián)的全息圖在空間光調(diào)制元件30上順序顯示，同時利用與其同步順序使3個單色光源11r、11g、11b發(fā)光，可以通過膜片50的開口部分51清楚地觀察到全彩色三維圖像。
從以上說明可以看出本發(fā)明可以進行各種各樣的變化。這樣的變化不能認為是脫離本發(fā)明的思想和范圍，作為所有本行業(yè)的人員顯而易見的改進是包括在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中的。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性采用此發(fā)明的話，在具有離散的像素的空間光調(diào)制元件上能顯示分別與多個波長相關(guān)聯(lián)的全息圖象。用照明光學(xué)系統(tǒng)使多個波長的照明光成分分別成平行平面波，以相互不同的入射方位入射到此空間光調(diào)制元件。從空間光調(diào)制元件上顯示的全息圖產(chǎn)生的多個波長的再現(xiàn)像分別用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后虛像化或?qū)嵪窕Ｔ诖私裹c面上設(shè)置具有開口部分的膜片。而入射到空間光調(diào)制元件的多個波長的照明光成分各自的入射方位用照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定，使得多個波長的再現(xiàn)光成分各自的某次數(shù)衍射波使用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)在開口部分相互重疊。利用這樣的結(jié)構(gòu)在即使使用低分辨率的空間光調(diào)制元件的情況下，也能清晰地顯示彩色的三維圖象，可以提供小型化而且價格便宜的三維圖像顯示裝置等。
權(quán)利要求
1.一種三維圖像顯示裝置，通過使多個波長的照明光成分入射到全息圖，從此全息圖產(chǎn)生此多個波長的再現(xiàn)光成分，用這些再現(xiàn)光成分顯示三維圖像，其特征在于，該三維圖像顯示裝置包括具有顯示分別與所述多個波長相關(guān)的全息圖的離散的像素結(jié)構(gòu)的空間光調(diào)制元件；使所述多個波長的照明光成分分別成為平行平面波，以相互不同的入射方位入射到所述空間光調(diào)制元件的照明光學(xué)系統(tǒng)；把從在所述空間光調(diào)制元件上顯示的全息圖產(chǎn)生的所述多個波長的再現(xiàn)圖像分別進行波陣面變換而虛像化或?qū)嵪窕脑佻F(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)；以及具有設(shè)在所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)的焦點面上的開口部分的膜片，用所述照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向所述空間光調(diào)制元件入射的所述多個波長的照明光成分各自的入射方位，以使所述多個波長的再現(xiàn)光成分各自的某次數(shù)的衍射波利用所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)在波陣面變換后在所述開口部分相互重疊。
2.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括各自輸出波長不同的多個單色光源、分別與所述多個單色光源的各個接近設(shè)置的多個針孔、以及將從所述多個單色光源的各個輸出的、通過所述針孔的光加以平行校正的準直光學(xué)系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括對于所述多個波長的光成分的各個具有同一焦距的色像差修正透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)包括對于所述多個波長的光成分的各個具有同一焦距的色像差修正透鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，利用所述照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向所述空間光調(diào)制元件入射的所述多個波長的照明光成分各自的入射方位，使所述多個波長的再現(xiàn)光成分各自的0次衍射波用所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后，在所述開口部分相互重疊。
6.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，利用所述照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向所述空間光調(diào)制元件入射的所述多個波長的照明光成分各自的入射方位，使所述多個波長中某特定波長的照明光成分垂直入射到所述空間光調(diào)制元件，并且所述特定波長的再現(xiàn)光成分的0次衍射波和其他波長的再現(xiàn)光成分的高次衍射波利用所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后，在所述開口部分相互重疊。
7.如權(quán)利要求6所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，設(shè)所述空間光調(diào)制元件的像素間距為P、所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f、所述多個波長中最短波長λ1的再現(xiàn)光成分的衍射波次數(shù)為n1、其他波長λi的再現(xiàn)光成分的衍射波次數(shù)為ni時，向所述空間光調(diào)制元件入射的波長λi的照明光成分的入射角θi用公式θi＝sin-1{(n1λ1-niλi)/P}表示，而且，所述開口部分為各邊長度在λ1f/P以下的矩形。
8.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，所述空間光調(diào)制元件具有在與所述照明光成分入射的一側(cè)相反的一側(cè)射出各再現(xiàn)光成分的透射型結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，所述空間光調(diào)制元件具有在與所述照明光成分入射的一側(cè)相同的一側(cè)射出再現(xiàn)光成分的反射型結(jié)構(gòu)，而且，所述照明光學(xué)系統(tǒng)和所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)可以共有部分光部件。
10.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示裝置，其特征在于，所述空間光調(diào)制元件在每個像素裝有微型透鏡。
11.一種三維圖像顯示方法，通過使多個波長的照明光成分入射到全息圖，從此全息圖產(chǎn)生此多個波長的再現(xiàn)光成分，用這些再現(xiàn)光成分顯示三維圖像，其特征在于，該三維圖像顯示方法包括如下步驟準備具有顯示分別與所述多個波長相關(guān)的全息圖的離散的像素結(jié)構(gòu)的空間光調(diào)制元件；用照明光學(xué)系統(tǒng)使所述多個波長的照明光成分分別成為平行平面波，并用照明光學(xué)系統(tǒng)以相互不同的入射方位向所述空間光調(diào)制元件入射，把從在所述空間光調(diào)制元件上顯示的全息圖產(chǎn)生的所述多個波長的再現(xiàn)圖像的各個用再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換而虛像化或?qū)嵪窕?；在所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)的焦點面上配置具有開口部分的膜片，而且，用所述照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向所述空間光調(diào)制元件入射的所述多個波長的照明光成分各自的入射方位，以使所述多個波長的再現(xiàn)光成分各自的某次數(shù)的衍射波利用所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)在波陣面變換后在所述開口部分相互重疊。
12.如權(quán)利要求11所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括各自輸出波長不同的多個單色光源、分別與所述多個單色光源的各個接近設(shè)置的多個針孔、以及將從所述多個單色光源的各個輸出的、通過所述針孔的光加以平行校正的準直光學(xué)系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求11所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，所述照明光學(xué)系統(tǒng)包括對于所述多個波長的光成分具有同一焦距的色像差修正透鏡。
14.如權(quán)利要求11所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)包括對于所述多個波長的光成分具有同一焦距的色像差修正透鏡。
15.如權(quán)利要求11所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，利用所述照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向所述空間光調(diào)制元件入射的所述多個波長的照明光成分各自的入射方位，使所述多個波長的再現(xiàn)光成分各自的0次衍射波用所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后，在所述開口部分相互重疊。
16.如權(quán)利要求11所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，利用所述照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定向所述空間光調(diào)制元件入射的所述多個波長的照明光成分各自的入射方位，使所述多個波長中某特定波長的照明光成分垂直入射到所述空間光調(diào)制元件，并且所述特定波長的再現(xiàn)光成分的0次衍射波和其他波長的再現(xiàn)光成分的高次衍射波利用所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)進行波陣面變換后，在所述開口部分相互重疊。
17.如權(quán)利要求16所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，設(shè)所述空間光調(diào)制元件的像素間距為P、所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f、所述多個波長中最短波長λ1的再現(xiàn)光成分的衍射波次數(shù)為n1、其他波長λi的再現(xiàn)光成分的衍射波次數(shù)為ni時，向所述空間光調(diào)制元件入射的波長λi的照明光成分的入射角θi用公式θi＝sin-1{(n1λ1-niλi)/P}表示，而且，所述開口部分為各邊長度在λ1f/P以下的矩形。
18.如權(quán)利要求11所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，所述空間光調(diào)制元件具有在與所述照明光成分入射的一側(cè)相反的一側(cè)射出再現(xiàn)光成分的透射型結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求11所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，所述空間光調(diào)制元件具有在與所述照明光成分入射的一側(cè)相同的一側(cè)射出再現(xiàn)光成分的反射型結(jié)構(gòu)，而且所述照明光學(xué)系統(tǒng)和所述再現(xiàn)像變換光學(xué)系統(tǒng)可以共有部分光部件。
20.如權(quán)利要求11所述的三維圖像顯示方法，其特征在于，所述空間光調(diào)制元件在每個像素裝有微型透鏡。
全文摘要
此發(fā)明涉及具有即使在使用低分辨率的空間光調(diào)制元件的情況下，也能清晰顯示彩色三維圖像的結(jié)構(gòu)的小型而且價格低的三維圖像顯示裝置等。此三維圖像顯示裝置具有照明光源部、透射型的空間光調(diào)制元件、透鏡和膜片。照明光源部具有輸出相互不同波長(紅、綠、藍)的照明光成分的3個點光源。輸出最短波長的藍色照明光成分的點光源在照明光學(xué)系統(tǒng)的光軸上的位置B(0，0)處，而輸出紅色照明光成分的點光源在位置R(x
文檔編號G03H1/08GK1682159SQ0382142
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月11日
發(fā)明者竹森民樹, 池田貴裕 申請人:浜松光子學(xué)株式會社