JPH08327947A - 回折格子を用いる立体表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 複数のドットの集合毎にマスク位置をずら
せ、その複数のドットの各々についてホログラム乾板に
線光源を記録し、現像する。したがって、複数のドット
の集合の各ドット毎に異なるホログラムの回折格子が形
成される。この回折格子またはスクリーン１０の前方に
ＬＣＤパネル３２を配置し、後方から照明光３４を照射
する。応じて、観察点３６において、１つの種類のホロ
グラムからなる回折格子を通したＬＣＤパネル３２の画
像が観察される。したがって、ＬＣＤパネル３２に立体
表示用の画像を表示すれば、観察点において三次元画像
が観察できる。 【効果】 ホログラムを利用するので、簡単かつ迅速に
回折格子が製作できるため、安価な立体表示装置を得る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は回折格子を用いる立体
表示装置に関し、特にたとえば建築・土木等の設計分野
におけるＣＡＤ用立体表示装置，医療分野における三次
元画像表示装置，業務用ゲーム機の立体表示装置，家庭
用三次元テレビ等、回折格子を用いて画像を観察者に立
体的に認識させる、立体表示装置（リアルタイム三次元
ディスプレイ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の立体表示装置の一例が、たとえ
ば、平成４年１１月４日付で出願公開された特開平４−
３１１９１６号〔Ｇ０２Ｂ ２７／２２，２７／４２〕
に開示されている。この従来技術は、基板の表面に微小
な回折格子（グレーティング）をドット毎に配置して構
成されたディスプレイにおいて、そのドットを構成する
回折格子を曲線を平行移動した複数の線の集合によって
構成し、回折格子の照明光の入射側または回折光の出射
側に遮光手段を配置することによって、回折格子によっ
て視差のある画像を作り出す、立体表示装置である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術では、
回折格子を電子ビーム露光装置によって作成するので、
回折格子の製作に時間がかかる。つまり、従来技術で
は、小さい画面サイズの場合には各ドットに同じ回折格
子を用いても立体像を観察することができるが、大画面
の場合には各ドットに同じ回折格子を用いると立体像に
はならないので、大画面の場合には、それに適合するよ
うに各ドット毎に回折格子の方向Ωと回折格子のピッチ
ｄを計算し、その計算結果に従って電子ビーム装置で描
画する必要がある。したがって、従来技術では、回折格
子をつくるのに膨大な時間がかかる、という問題点があ
る。

【０００４】それゆえに、この発明の主たる目的は、回
折格子を簡単に製造する方法を提供することである。こ
の発明の他の目的は、そのような新規な回折格子を用い
る、立体表示装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、(a) 画面に
適合する大きさのホログラム乾板を準備し、(b) マスク
手段によって複数のドットの集合毎にいずれか１つのド
ットに対して選択的に光透過状態を設定し、(c) マスク
手段を用いて、参照光および点光源が線状に配置された
線光源をホログラム乾板に照射することによって線光源
をホログラム乾板に記録し、(d) 複数のドットのすべて
についてステップ(b) および(c) を繰り返し、そして
(e) ホログラム乾板を現像する、回折格子の製造方法で
ある。

【０００６】

【作用】ホログラム乾板に対するマスク位置を変更する
都度、線光源をホログラム乾板に記録する。したがっ
て、異なる位置に異なるホログラム（回折格子）が形成
される。なお、このようにして形成された回折格子と空
間光変調手段とを用いて立体表示装置を構成する。つま
り、回折格子の前面にＬＣＤパネルのような空間光変調
手段を配置し、照明光を回折格子の後方または前方から
回折格子に照射することによって、空間光変調手段の前
方の観察点で三次元画像を観察することができる。

【０００７】

【発明の効果】この発明によれば、ホログラムを用いる
ので、従来技術に比べて、極めて簡単かつ迅速に回折格
子を製作することができる。したがって、そのような回
折格子を用いる立体表示装置の実用化に貢献できる。こ
の発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点
は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から
一層明らかとなろう。

【０００８】

【実施例】図１および図２は立体表示装置に用いる回折
格子を製作するこの発明の一実施例を示す図解図であ
る。この実施例では、立体像を観察する画面の形状およ
び大きさに適合した形状および大きさを有するホログラ
ム乾板１０´を用いて、回折格子ないしは一方向指向性
スクリーン（以下、単に「スクリーン」と呼ばれること
がある。）を作る。

【０００９】ホログラム乾板１０´の前面にマスク１２
を密着させる。このマスク１２は図３に示すように、複
数の（この実施例では，上下左右の４つの）ドットの集
合毎に、その複数のドットのいずれか１つを選択的に光
透過状態にし、他のドットを遮光状態に設定することが
できる多数のアパーチャ１２ａを有する。各々のアパー
チャ１２ａは、一例では、ほぼ０．３１ｍｍ×０．３１
ｍｍの正方形である。

【００１０】マスク１２を前面に密着的に配置したホロ
グラム乾板１０´の前方に線光源１４を、光がホログラ
ム乾板１０´に向くように、配置する。線光源１４とホ
ログラム乾板１０´との間の距離が立体像を観察する視
点の画面からの距離に相関する。線光源１４の一例が図
４に示される。線光源１４はたとえばＨｅ−Ｎｅレーザ
のようなレーザビーム１６を用い、このレーザビーム１
６がシリンドリカルレンズ１８に入射される。シリンド
リカルレンズ１８の軸は水平方向にあるので、レーザビ
ーム１８は水平方向の１点において垂直方向に広がる。
そして、シリンドリカルレンズ１８を通って垂直方向に
拡散された光は、軸が垂直方向にあるガラス棒２０に入
射される。ガラス棒２０は入射した光を水平方向に拡散
する。したがって、このガラス棒２０が線光源となる。
つまり、このガラス棒２０の軸方向全長にわたって点光
源が連続的に配置される。このガラス棒２０を透過した
光を図１および図２のホログラム乾板１０´に照射する
のであるが、画面を再生するときに、視点、すなわち回
折格子作製時にガラス棒２０のあった位置において垂直
方向の視域を確保するためには、各ドットからの光は垂
直方向に拡散しなければならない。そのために、図４で
は、回折格子作製時にガラス棒２０の後方にレンチキュ
ラ板２２を配置して光を拡散するようにしている。すな
わち、ガラス棒２０を透過して水平方向に拡散された光
は、軸が水平方向にあるレンチキュラ板２２の平板面に
入射される。したがって、レンチキュラ板２２のの凸状
面からは、さらに垂直方向に拡散された光が出力され
る。

【００１１】このようにして、図４に示す線光源１４
は、垂直方向に延びた線状の光を水平方向に拡散した、
線光源となる。そして、図１および図２に示すように、
ホログラム乾板１０´の前方からそのホログラム乾板１
０´の面に対して約４５°の入射角で、参照光２４を、
線光源１４とともに照射する。ただし、参照光２４の入
射角度は、後述の照明光の角度に依存して決まるもので
あり、照明光の角度に応じて任意に変更可能である。こ
のようにして、線光源１４と参照光２４とによって、マ
スク１２を通して、ホログラム乾板１０´を露光する。
つまり、ホログラム乾板１０´に線光源１４を記録す
る。線光源１４は、空間上に配置された三次元物体にほ
かならない。このとき、マスク１２の遮光部分で覆われ
たホログラム乾板１０´の部分には線光源１４は記録さ
れない。

【００１２】ここでホログラム乾板１０´を現像して図
５および図６に示す回折格子ないしはスクリーン１０を
作る。そして、図５および図６に示すように、スクリー
ン１０の後方からこのスクリーン１０の面に対して約４
５°（この角度および方向は先に述べた参照光２４の角
度および方向によって決まる）の入射角で共役光２６を
照射したとき、上述の線光源１４の結像点２８において
スクリーン１０を眺めると、スクリーン１０の全面上に
おいて発光が観察される。これは、その結像点２８にホ
ログラムの実像が投影されるからである。そして、この
スクリーン１０の面発光を空間光変調素子、たとえば液
晶表示パネル（ＬＣＤパネル）を用いて変調することに
よって、二次元画像が表示できる。このような二次元画
像は、ホログラム乾板１０´の記録時に配置した線光源
１４の位置でのみ観察される。

【００１３】したがって、図３に示すマスク１２を使用
して、ホログラム乾板１０´への線光源１４の記録部分
と、記録する線光源１４のホログラム乾板１０´に対す
る位置とを、各露光毎に変更し、ドットの集合に含まれ
る全てのドットについて露光した後、ホログラム乾板１
０´を現像することによって、４点の観察点を有するス
クリーン１０を作ることができる。つまり、マスク１２
および線光源１４の位置をずらせてホログラム乾板１０
´を繰り返し露光し現像処理を行えば、露光回数に相当
する数の視点位置を有するスクリーン１０を得ることが
できる。

【００１４】スクリーン１０を用いて、図７に示す立体
表示装置３０を構成する。この立体表示装置３０は、透
過型ディスプレイであり、スクリーン１０の前方に空間
光変調素子の一例であるＬＣＤパネル３２を配置する。
この実施例では、ＬＣＤパネル３２のドット数はたとえ
ば６４０×４８０であり、各ドットサイズは０．３１ｍ
ｍ×０．３１ｍｍである。また、スクリーン１０には、
ＬＣＤパネル３２のドット数に対応して３０７，２００
個のホログラムを形成した。したがって、スクリーン１
０上の各ドットのサイズはＬＣＤパネル３２上の各ドッ
トのサイズと同じである。

【００１５】そして、スクリーン１０の後方にたとえば
Ｈｅ−Ｎｅレーザのような光源３２を配置し、光源３２
からスクリーン１０の後面から照明光３４を照射する。
スクリーン１０には前述のようにして多数のホログラム
が記録されているので、このスクリーン１０を透過した
光は垂直方向には分散されるが水平方向には一定方向に
のみ分散される。したがって、観察点３６には、水平方
向にのみ平行なステレオグラムが作られる。

【００１６】より詳しく説明すると、図８に示すＬＣＤ
パネル３２の第１の行において、ホログラムは（１，
１）_#1で示す位置に配置される。そして、そのホログラ
ムは光を図４の一点鎖線で示すように第１の観察点に回
折する。次のドット位置（１，２）_#1に存在するホログ
ラムもまた、透過光を第１の観察点に回折する。また、
ＬＣＤパネル３２の第１の行において、（１，１）_#2で
示すドット位置に配置されたホログラムは、透過光を第
２の観察点に回折する。次のドット位置（２，２）_#2に
存在するホログラムもまた、透過光を第２の観察点に回
折する。第１の行については、このように、添字_#1が付
されたドット位置のホログラムは第１の観察点に、添字
_#2が付されたドット位置のホログラムは第２の観察点
に、それぞれ透過光を回折する。

【００１７】ＬＣＤパネル３２の第２の行においては、
同様にして、添字_#3が付されたドット位置のホログラム
は第３の観察点に、添字_#4が付されたドット位置のホロ
グラムは第４の観察点に、それぞれ透過光を回折する。
ただし、観察できるドットの不連続によってドット間に
ギャップを生じるが、このギャップはドットが小さいの
で特に不自然な画像にはならない。

【００１８】したがって、図９に示す立体表示装置３０
において、各観察点３６_#1および３６_#2または観察点３
６_#3および３６_#4に左目および右目を位置させることに
よって、立体画像を観察することができる。たとえば、
図１０に示すような画像をＬＣＤパネル３２（図９では
図示していない）で表示することによって、各観察点３
６_#1，３６_#2，３６_#3および３６_#4には、図９に示すよ
うに、「Ａ」，「Ｂ」，「Ｃ」および「Ｄ」の画像が観
察できる。したがって、ＬＣＤパネル３２において右目
用画像および左目用画像が重畳された画像を表示すれ
ば、右目には右目用画像のみが観察されかつ左目には左
目用画像のみが観察されるので、立体画像を観察するこ
とができるのである。

【００１９】なお、図９実施例においては、４つの観察
点３６_#1，３６_#2，３６_#3および３６_#4を形成するよう
にスクリーン１０のホログラムを形成したので、解像度
は、２００×１６０×４となった。また、スクリーン１
０には、図１１に示すようにＬＣＤパネル３２の画像が
８つの観察点によって個別に観察されるように、８つの
ドットの集合の各々毎に異なるホログラムを形成するよ
うにしてもよい。この場合、ＬＣＤパネル３２を４５°
傾斜させるだけで対応できる。

【００２０】上述の実施例は、透過型の立体表示装置３
０であった。しかしながら、この発明は反射型のものに
も同様に適用可能なことは勿論である。図１２はこの発
明の他の実施例である反射型立体表示装置３０を示す図
解図である。この実施例では、回折格子ないしスクリー
ンとして反射型スクリーン１０を用いる。そして、スク
リーン１０の前方に空間光変調素子としてのＬＣＤパネ
ル３２を配置しその前方から光源３２によって共役光す
なわち照明光３４を照射する。ただし、光源３４の照射
位置および方向がスクリーン１０にホログラムを形成す
る際の参照光との関係で設定されることは、上述の実施
例と同様である。この実施例においても、回折格子ない
しスクリーン１０に形成したホログラムの作用によっ
て、観察点３６においては、ＬＣＤパネル３２の特定の
ドットの画像のみが観察できる。

【００２１】図１３および図１４は図１２実施例に用い
るスクリーン１０を製作するこの発明の他の実施例を示
す図解図である。この実施例では、ホログラム乾板１０
´の後面にマスク１２を密着させる。このマスク１２は
図３に示すように、複数のドットの集合毎に、その複数
のドットのいずれか１つを選択的に光透過状態にし、他
のドットを光遮蔽状態に設定することができる多数のア
パーチャ１２ａを有する。そして、マスク１２を後面に
密着的に配置したホログラム乾板１０´の後方に、たた
とえば図４で説明した線光源１４を、光がホログラム乾
板１０´に向くように、配置する。

【００２２】そして、図１３および図１４に示すよう
に、ホログラム乾板１０´の前方からそのホログラム乾
板１０´の面に対して約４５°の入射角で、参照光２４
を照射する。ただし、参照光２４の入射角度は任意に変
更可能である。このようにして、線光源１４と参照光２
４とによって、マスク１２を通して、ホログラム乾板１
０´を露光する。つまり、ホログラム乾板１０´に線光
源１４を記録する。

【００２３】ここでホログラム乾板１０´を現像して図
１５および図１６に示す回折格子ないしはスクリーン１
０を作る。そして、図１５および図１６に示すように、
スクリーン１０の前方からこのスクリーン１０の面に対
して参照光２４の角度および方向によって決まる入射角
で共役光２６を照射したとき、上述の線光源１４の結像
点２８においてスクリーン１０を眺めると、スクリーン
１０の全面上において発光が観察される。これは、その
結像点２８にホログラムの実像が投影されるからであ
る。そして、このスクリーン１０の面発光をたとえば上
述のＬＣＤパネル３２を用いて変調することによって、
二次元画像が表示できる。このような二次元画像は、ホ
ログラム乾板１０´の記録時に配置した線光源１４の位
置でのみ観察される。

【００２４】したがって、図３に示すマスク１２を使用
して、ホログラム乾板１０´への線光源１４の記録部分
と、記録する線光源１４のホログラム乾板１０´に対す
る位置とを、各露光毎に変更し、ドットの集合に含まれ
る全てのドットについて露光した後、ホログラム乾板１
０´を現像することによって、４点の観察点を有するス
クリーン１０を作ることができる。つまり、マスク１２
および線光源１４の位置をずらせてホログラム乾板１０
´を繰り返し露光し現像処理を行えば、露光回数に相当
する数の視点位置を有するスクリーン１０を得ることが
できる。

【００２５】なお、この実施例においても、図１１に示
す８つの観察点のためのホログラム回折格子を作ること
ができるのはいうまでもない。さらに、図１７および図
１８に示すように、マスクを介してホログラム乾板に記
録する線光源１４ａおよび１４ｂの長さを制限すること
によって、上方と下方とにおいて異なる二次元画像を観
察することができるスクリーン１０を製作することもで
きる。このようなスクリーン１０を用いることによっ
て、水平方向のみならず垂直方向にも視差がある三次元
画像を表示することができる。

【００２６】また、図１９に示すように、ＲＧＢの各ド
ット毎に前述のようなホログラムを形成するようにすれ
ば、カラーＬＣＤパネルなどによって、フルカラーの立
体画像を表示することができる。さらに、上述の実施例
では、図２０に示す観察点ＡとＢとの間に不可視領域ｄ
が存在する。したがって、この不可視領域を可及的小さ
くするために、図２０に示すように、各観察点Ａ，Ｂ，
ＣおよびＤについて、複数の観察点Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜
Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ３およびＤ１〜Ｄ３を形成する。そのた
めには、たとえば図４のマスクを用いて線光源をホログ
ラム乾板１０´に記録する際に、多重露光すればよい。
つまり、１つのマスク位置について、線光源のホログラ
ム乾板１０´に対する位置を各露光毎に変更して複数回
（この実施例では４回）露光すればよい。そうすること
によって、複数の観察点たとえばＡ１〜Ａ３において同
一の二次元画像を観察することができる。

【００２７】各観察点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤについて、複
数の観察点を形成するためには、図２１の方法が用いら
れてもよい。すなわち、この実施例では、数１を用い
て、観察点を増加させる。

【００２８】

【数１】sin ｉ＋sin ｊ＝λ／ｐ ｉ：照明光の角度 ｊ：回折光の角度 λ：光の波長 ｐ：格子間隔 数１は、同じ回折格子に対しては、入射光の角度が変化
すれば、回折光の角度も変化することを示している。し
たがって、図２１のように、角度の異なる複数の照明光
でスクリーンを再生すれば、同じ二次元画像を異なる観
察点で観察することができることを意味する。すなわ
ち、角度の異なる複数の照明光によってスクリーンを照
射再生することによって、観察点を増加できる。

【００２９】さらに、時間変化に伴って角度の異なる照
明光を用いてスクリーンを順次再生し、照明光の角度の
変更と空間光変調素子、ＬＣＤパネルの表示画像の切り
換えとを同期させることにより、たとえば４つの観察点
を持つスクリーンを用いて、ｎ×４の視差画像を観察で
きる。ただし、ｎは、たとえば１フレーム中に照明光の
角度および表示画像を同期的に変更する回数である。こ
の場合には、空間光変調素子の描画速度を通常の場合に
比べてｎ倍拘束にする必要がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】透過型スクリーンを製造するこの発明の一実施
例を示す側面図解図である。

【図２】透過型スクリーンを製造する一実施例を示す上
面図解図である。

【図３】この実施例に用いられるマスクの一例を示す図
解図である。

【図４】この実施例に用いられる線光源の一例を示す図
解図である。

【図５】図１および図２で作成したスクリーンによって
二次元画像が観察できることを示す側面図解図である。

【図６】図１および図２で作成したスクリーンによって
二次元画像が観察できることを示す上面図解図である。

【図７】図１および図２で作成したスクリーンを用いて
構成したこの発明の一実施例の透過型立体表示装置を示
す側面図解図である。

【図８】この実施例で異なる観察点で異なる二次元画像
が観察できることを示す図解図である。

【図９】この実施例で三次元画像が観察できることを示
す図解図である。

【図１０】図９のＬＣＤパネルの表示画像の一例を示す
図解図である。

【図１１】スクリーンの異なる配置を示す図解図であ
る。

【図１２】反射型スクリーンを用いて構成したこの発明
の他の実施例の反射型立体表示装置を示す側面図解図で
ある。

【図１３】反射型スクリーンを作成するこの発明の他の
実施例を示す側面図解図である。

【図１４】反射型スクリーンを作成するこの実施例を示
す上面図解図である。

【図１５】図１３および図１４で作成したスクリーンに
よって二次元画像が観察できることを示す側面図解図で
ある。

【図１６】図１３および図１４で作成したスクリーンに
よって二次元画像が観察できることを示す上面図解図で
ある。

【図１７】上下において異なる二次元画像が観察できる
スクリーンを示す側面図解図である。

【図１８】上下において異なる二次元画像が観察できる
スクリーンを示す上面図解図である。

【図１９】フルカラー表示できるスクリーンを示す図解
図である。

【図２０】複数の観察点で同一二次元画像を観察できる
ようにする方法の一例を示す図解図である。

【図２１】複数の観察点で同一二次元画像を観察できる
ようにする方法の他の例を示す図解図である。

【符号の説明】

１０ …スクリーン（回折格子） １０′…ホログラム乾板 １２ …マスク １４ …線光源 ２４ …参照光 ２６ …照明光（共役光） ２８ …結像点 ３２ …ＬＣＤパネル ３６ …観察点

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】(a) 画面に適合する大きさのホログラム乾
   板を準備し、 (b) マスク手段によって複数のドットの集合毎にいずれ
   か１つのドットに対して選択的に光透過状態を設定し、 (c) 前記マスク手段を用いて、参照光および点光源が線
   状に配置された線光源を前記ホログラム乾板に照射する
   ことによって前記線光源を前記ホログラム乾板に記録
   し、 (d) 前記複数のドットのすべてについて前記ステップ
   (b) および(c) を繰り返し、そして (e) 前記ホログラム乾板を現像する、回折格子の製造方
   法。
2. 【請求項２】請求項１記載の方法で製造された回折格
   子、および前記回折格子の透過光または反射光を変調す
   る空間光変調手段を備える、立体表示装置。
3. 【請求項３】前記回折格子の後方から前記参照光に相関
   する照明光を照射する照明光照射手段を備え、前記空間
   光変調手段は前記回折格子の前方に配置される、請求項
   ２記載の立体表示装置。
4. 【請求項４】前記回折格子の前方から前記参照光に相関
   する照明光を照射する照明光照射手段を備え、前記空間
   光変調手段は前記回折格子の前方に配置される、請求項
   ２記載の立体表示装置。
5. 【請求項５】前記照明光照射手段は異なる角度で前記照
   明光を前記回折格子に照射する、請求項３または４記載
   の立体表示装置。
6. 【請求項６】前記ステップ(c) において、1 つのドット
   に対して、前記ホログラム乾板に対して異なる角度を有
   する線光源を多重的に記録する、請求項１記載の製造方
   法。
7. 【請求項７】前記ステップ(c) において、１つのドット
   に対して、垂直方向に配置された複数の線光源を前記ホ
   ログラム乾板に記録する、請求項１または６記載の製造
   方法。
8. 【請求項８】それぞれが複数のドットの集合からなり、
   複数のドットにそれぞれ異なるホログラムを形成した回
   折格子、および前記回折格子の透過光または反射光を変
   調する空間光変調手段を備える、立体表示装置。
9. 【請求項９】前記複数のドットはＲＧＢの各ドットであ
   る、請求項８記載の立体表示装置。