利用全息图的三维图像显示装置从照明光成分照射的全息图产生 再现光成分，利用此产生的再现光成分显示三维图像。此外三维图像 显示装置通过使多个波长的照明光成分(例如红色、绿色和蓝色的3 色成分)入射到全息图上，可以显示彩色三维图像。
作为第一现有技术，利用可以以高分辨率记录的照相底片的技术 是众所周知的。在此第一现有技术中，全息图记录时使多个波长各自 的参照光成分和物体光成分入射到照相干板上，在此照相干板上多重 记录与各波长相关(associated)的全息图。另一方面在再现时，在同 样的入射方位使与记录时相同的多个波长的照明光成分入射到全息图 上，产生此多个波长成分的再现光成分。这样这些再现光成分各自的 图像在同一位置重合，得到彩色的三维图像。
可是在此第一现有技术中，由于与各波长相关的全息图在照相干 板上多重记录，此波长λa照明光成分入射到与波长λa相关的全息图 上后，不仅产生此波长λa的再现光成分，其他波长λb(λa≠λb) 的照明光成分也入射到与此波长λa相关的全息图上，也会从与此波长 λa相关的全息图上产生波长λb的再现光成分。在这些波长λa的再 现光成分和波长λb的再现光成分中，波长λa的再现光成分是原来需 要显示的三维彩色图像的光成分。与此相反，由于波长λb的再现光成 分是在与原来的三维图像不同位置以不同的倍率再现的光成分，所以 对于原来的三维图像成为串扰的成分，成为显示三维图像的障碍。所 以为了避免这样的串扰，记录时在物体光成分大体垂直入射照相干板 的情况下，利用使多个波长的参照光成分分别从相互不同的方位入射 此照片干板，再现时成为串扰的光成分不重叠在原来的三维图像上。
此外作为第二技术，高野邦彦等在“利用白色光的彩色全息照相 立体电视的研究”、3D Image Conference 2000演讲论文集pp.179-182 中发表了利用可以显示全息图的3种空间光调制元件的技术。也就是 第一空间光调制元件显示与红色光相关的全息图，第二空间光调制元 件显示与绿色光相关的全息图，第三空间光调制元件显示与蓝色光相 关的全息图。利用向第一空间光调制元件入射红色的照明光成分，向 第二空间光调制元件入射绿色的照明光成分，向第三空间光调制元件 入射蓝色的照明光成分，从空间光调制元件分别产生的再现光成分在 空间重合，利用设在后面的膜片去除0次透射光，得到彩色三维图像。
作为第三现有技术，特开2000-250387号公报中所述的技术是主 动应用空间光调制元件的像素结构是离散的。也就是把平行光入射到 一般的衍射光栅的话，不仅会产生0次衍射波，也会产生1次以上的 高次衍射波。与此相同，从具有离散的像素结构的空间光调制元件产 生的再现光成分中不仅含有0次衍射波，也含有高次衍射波。在空间 光调制元件的相邻2个像素中，限定物体光成分和参照光成分的合成 波面的位相差显示在小于π范围(无折回成分范围)，在空间光调制 元件上显示全息图的情况下，利用入射照明光成分使从空间光调制元 件产生的再现光成分的高次衍射波的波阵面与0次衍射波一致。可是 每次从空间光调制元件射出的方位不同。再现光成分在设在空间光调 制元件后面的透镜后焦点面上，每个衍射波次数以λf/P的间隔分离进 行波阵面变换。其中λ为照明光成分的波长，f为透镜的焦距，P为空 间光调制元件的像素间距。因此为了得到所优选的三维图像，在透镜 的后焦点面设置具有各边长度为λf/P的矩形开口的膜片，利用此开口 部分使再现光的0次衍射波通过。另一方面用膜片遮挡高次衍射波。
在上述第三现有技术中，在空间光调制元件的相邻2个像素中， 限定物体光成分和参照光成分的合成波阵面的位相差显示在π以上2 π以下范围(包括1次折回成分的范围)，在空间光调制元件上显示 全息图的情况下，利用入射照明光成分使从空间光调制元件产生的再 现光成分的高次衍射波的波阵面与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。为了只取出再现光成分中所 优选的1次衍射波，在设在空间光调制元件后面的透镜后焦点面上， 设置具有各边长度为λf/P的矩形开口的膜片，利用此开口部分使再现 光的1次衍射波通过。另一方面用膜片遮挡0次衍射波和2次以上的 高次衍射波。
也就是在上述第三现有技术中，把显示范围限定在包括特定次数 的折回成分的范围，在空间光调制元件上显示全息图，同时利用在对 应于特定次数的衍射波的位置具有开口部分的膜片，从再现光成分中 取出特定次数的衍射波。然后利用把与各次数相关的全息图的显示和 开口部分的选择进行时间分配或空间合成，可以扩大用透镜成像的再 现图像的射出范围(也就是可视区域)。

发明人对上述第一～第三现有技术分别进行研究，其结果发现以 下课题。也就是第一现有技术适合于使用可以以高分辨率记录的照片 干板的情况。可是在利用空间分辨率低的空间光调制元件的情况下， 由于不能增加向此空间光调制元件的照明光成分的入射角，再现时变 为串扰的再现光成分重叠在原来的三维图像上。此外象在说明第三现 有技术时所说的那样，从具有离散的像素结构的空间光调制元件产生 的各次数的衍射波的重叠发生。因此与上述第一现有技术一样，也难 以使用具有离散的像素结构、低分辨率的空间光调制元件。
第二现有技术将从多个空间光调制元件分别产生的再现光成分在 空间叠加，由于此叠加需要半反射镜(half mirror)。因此在这个第二 现有技术中装置变大，再现光成分的光量降低。此外为了补偿再现光 光量的降低，作为照明光成分需要输出高功率的激光的激光光源，或 具有波长选择性的介质镜，装置本身价格增加。
第三现有技术以扩大可视区域为目的，使单一波长照明光成分垂 直入射到空间光调制元件。因此此第三现有技术不是向空间光调制元 件入射多个波长的照明光成分的技术，此外也不是向空间光调制元件 倾斜入射照明光成分的技术。此外第三现有技术还存在有因空间合成 造成装置本身大型化的课题以及为了时间分配由于需要在透镜的后焦 点面设置高速的快门，使装置本身价格增加的课题。
此发明是为了解决上述课题进行的发明，其目的是为了提供即使 在使用低分辨率的空间光调制元件的情况下，也能清晰显示彩色三维 图像的小型而且价格低的三维图像显示装置和三维图像显示方法。
此发明的三维图像显示装置是利用使多个波长的照明光成分入射 到全息图上，从此全息图产生此多个波长的再现光成分，用这些再现 光成分显示三维图像的装置。具体说此发明的三维图像显示装置具有 空间光调制元件、照明光学系统、再现像变换光学系统、膜片。上述 空间光调制元件具有显示分别与多个波长相关的全息图的离散的像素 结构。上述照明光学系统使多个波长的照明光成分分别成为平行平面 波，以相互不同的入射方位入射到空间光调制元件上。上述再现像变 换光学系统是把从在空间光调制元件上显示的全息图产生的多个波长 的再现图像分别进行波阵面变换，进行虚像化或实像化。上述膜片具 有设在再现像变换光学系统的焦点面上的开口部分。特别是在此发明 的三维图像显示装置中，向空间光调制元件入射的多个波长的照明光 成分各自的入射方位用照明光学系统设定，以使多个波长的再现光成 分中某些次数的衍射波利用再现像变换光学系统在波阵面变换后在开 口部分相互重叠。
此外此发明的三维图像显示方法利用使多个波长的照明光成分入 射到全息图上，从此全息图中产生多个波长的再现光成分，用这些再 现光成分显示三维图像。具体说准备具有显示分别与多个波长相关联 的全息图的离散像素结构的空间光调制元件，使用照明光学系统分别 使多个波长的照明光成分作为平行平面波以相互不同的入射方位入射 到空间光调制元件上，从在空间光调制元件显示的全息图产生的多个 波长的再现图像分别利用再现像变换光学系统进行波阵面变换后虚像 化或实像化，在再现像变换光学系统的焦点面上设置具有开口部分的 膜片，向空间光调制元件入射的多个波长的照明光成分各自的入射方 位用照明光学系统设定，以使多个波长的再现光成分中某些次数的衍 射波利用再现像变换光学系统在波阵面变换后在开口部分相互重叠。
采用此发明的话，分别与多个波长相关联的全息图被显示在具有 离散像素结构的空间光调制元件上。多个波长的照明光成分用照明光 学系统分别成平行平面波以相互不同的入射方位对此空间光调制元件 进行入射。从被显示在空间光调制元件上的全息图产生的多个波长的 再现图像用再现像变换光学系统分别进行波阵面变换后被虚像化或实 像化。在此焦点面设置具有开口部分的膜片。然后用照明光学系统设 定向空间光调制元件入射的多个波长的照明光成分各自的入射方位， 使多个波长的再现光成分各自的某次数的衍射波用再现像变换光学系 统进行波阵面变换后在开口部位相互重叠。
在此发明的三维图像显示装置或三维图像显示方法中，优选照明 光学系统包括：各自输出波长不同的多个单色光源、分别与多个单色 光源接近设置的针孔、使从多个单色光源分别输出并通过针孔的光对 准的准直光学系统。
在此发明的三维图像显示装置或三维图像显示方法中，优选照明 光学系统包括对于多个波长的光成分具有同一焦距的色像差修正透 镜，此外还优选再现像变换光学系统包括对于多个波长的光成分具有 同一焦距的色像差修正透镜。
在此发明的三维图像显示装置或三维图像显示方法中，更优选利 用照明光学系统设定向空间光调制元件入射的多个波长的照明光成分 各自的入射方位，使多个波长的再现光成分各自的0次衍射波用再现 像变换光学系统进行波阵面变换后，在开口部分相互重叠。
此外在此发明的三维图像显示装置或三维图像显示方法中，也可 以利用照明光学系统设定向空间光调制元件入射的多个波长的照明光 成分各自的入射方位，使多个波长中某特定波长的照明光成分垂直入 射到空间光调制元件，同时特定波长的再现光成分的0次衍射波和其 他波长的再现光成分的高次衍射波利用再现像变换光学系统进行波阵 面变换后，在开口部分相互重叠。
在此发明的三维图像显示装置或三维图像显示方法中，设空间光 调制元件的像素间距为P、再现像变换光学系统的焦距为f、多个波长 中最短波长λ1的再现光成分的衍射波次数为n1、其他波长λi的再现 光成分的衍射波次数为ni时，向空间光调制元件入射的波长λi的照明 光成分的入射角θI用公式
θi＝sin-1{(n1λ1-niλi)/P} 表示，优选开口部分为各边长度小于等于λ1f/P的矩形。
在此发明的三维图像显示装置或三维图像显示方法中，优选空间 光调制元件具有在与照明光成分入射一侧相反的一侧射出再现光成分 的透射型结构，或具有在与照明光成分入射一侧相同的一侧射出再现 光成分的反射型结构。此外在此空间光调制元件具有反射型结构的情 况下，照明光学系统和再现像变换光学系统可以共有部分光部件。
在此发明的三维图像显示装置或三维图像显示方法中，空间光调 制元件也可以是在每个像素装有微型透镜。
此发明的各实施例用下面的详细说明和附图可以更充分地理解。 这些实施例是用于简单表示的实施例，不应该认为是对此发明的限定。
当然此发明的应用范围从以下的详细说明可以看出。可是详细说 明和特定的事例是表示此发明适用的实施例，是仅仅用于表示的示例， 从此详细说明中本行业的从业人员自然可以明了在此发明的思想和范 围中的各种各样的变化形式和改进。

图1为表示此发明的三维图像显示装置中的第一实施例的结构的 图示。
图2为用于说明第一实施例的三维图像显示装置的照明光学系统 和空间光调制元件的图示。
图3为用于说明第一实施例的三维图像显示装置的照明光学系统 的图示。
图4为在第一实施例的三维图像显示装置中，用于说明蓝色照明 光成分向空间光调制元件垂直入射时三维图像的一个光点(亮点)显 示动作的图示。
图5为在第一实施例的三维图像显示装置中，用于说明向空间光 调制元件垂直入射蓝色照明光成分时在空间光调制元件上显示的全息 图的图示。
图6为在第一实施例的三维图像显示装置中，用于说明照明光成 分向空间光调制元件倾斜入射时的三维图像一个光点显示动作的图 示。
图7和图8为用于说明用第一全息图制作方法制作的全息图的图 示。
图9为在图7中表示的全息图在空间光调制元件上显示的情况， 是用于说明照明光成分向空间光调制元件倾斜入射时的三维图像的一 个光点的显示动作的图示。
图10为用于说明第二全息图制作方法的图示。
图11为表示理想情况下的3波长的点光源各自的配置的图示。
图12为表示在理想情况下位于膜片位置的红色再现光成分0次 衍射波的波阵面变换区域的图示。
图13为表示在理想情况下位于膜片位置的绿色再现光成分0次 衍射波的波阵面变换区域的图示。
图14为表示在理想情况下位于膜片位置的蓝色再现光成分0次衍 射波的波阵面变换区域的图示。
图15为表示在理想情况下位于膜片位置的红色、绿色、蓝色的再 现光成分各自的0次衍射波的波阵面变换区域的图示。
图16为表示第一实施例中的三维图像显示装置的照明光源部10 中的3个点光源各自的配置的图示。
图17为表示在第一实施例的三维图像显示装置的膜片配置位置上 的红色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的图示。
图18为表示在第一实施例的三维图像显示装置的膜片配置位置上 的绿色再现光成分的0次衍射波的波阵面变换区域的图示。
图19为表示在第一实施例的三维图像显示装置的膜片配置位置上 的红色、绿色、蓝色各自的再现光成分的0次衍射波的波阵面变换区 域的图示。
图20为表示第一实施例的三维图像显示装置的变化示例A的照 明光源部中的3个点光源各自的配置的图示。
图21为第一实施例的三维图像显示装置的变化示例A，是表示在 膜片配置位置的红色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的图示。
图22为第一实施例的三维图像显示装置的变化示例A，是表示在 膜片配置位置的绿色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的图示。
图23为第一实施例的三维图像显示装置的变化示例A，是表示在 膜片配置位置的红色、绿色、蓝色各自的再现光成分0次衍射波的波 阵面变换区域的图示。
图24为表示在第一实施例的三维图像显示装置的变化示例B中， 照明光源部中的3个点光源各自的配置的图示。
图25为表示在第一实施例的三维图像显示装置的变化示例B中， 在膜片配置位置的绿色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的图 示。
图26为表示在第一实施例的三维图像显示装置的变化示例B中， 在膜片配置位置的红色、绿色、蓝色各自再现光成分0次衍射波的波 阵面变换区域的图示。
图27为表示此发明的三维图像显示装置中的第二实施例结构的 图示。
图28为表示此发明的三维图像显示装置中的第三实施例结构的图 示。
图29为表示第三实施例的三维图像显示装置的膜片配置位置的红 色、绿色、蓝色各自再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的图示。
图30为表示此发明的三维图像显示装置中的第四实施例结构的图 示。
图31和图32为表示第四实施例的三维图像显示装置的膜片配置 位置的红色、绿色、蓝色各自再现光成分的各次衍射波的波阵面变换 区域的图示。
图33为用于说明第四实施例的三维图像显示装置的空间光调制 元件和波阵面变换光学系统的图示。
图34为用于说明第四实施例的三维图像显示装置的空间光调制 元件中的照明光成分入射角和再现光成分出射角关系的图示。
图35为表示此发明的三维图像显示装置中的第五实施例结构的图 示。
图36为表示此发明三维图像显示装置的第六实施例结构的图示。

下面用图1～4、图36详细说明此发明的三维图像显示装置和三维 图像显示方法的各实施例。在图的说明中相同的或同等的元件使用同 一个符号，省略掉重复的说明。此外为了便于说明，各图的坐标系是 把垂直于空间光调制元件的方向定为z轴的xyz直角坐标系。
(第一实施例)
首先对此发明的三维图像显示装置和三维图像显示方法的第一实 施例进行说明。图1为表示此发明的三维图像显示装置中第一实施例 的结构的图示。此图表示的三维图像显示装置1具有照明光源部10、 透镜20、透射型空间光调制元件30、透镜40和膜片50。照明光源10 和透镜20构成使3波长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间光调制元件30的照明光源系统。此外透镜40 构成使从在空间光调制元件30上显示的全息图产生的3波长的再现图 像的各个进行波阵面变换而虚像化或实像化的再现像变换光学系统。
照明光源部10具有输出相互不同的波长(红、绿、蓝)的照明光 成分的3个点光源。这3个点光源配置在与x轴平行的直线上相互不 同的位置上。输出最短波长的蓝色照明光成分的点光源在照明光学系 统光轴上的位置B(0，0)上。输出红色照明光成分的点光源在位置R (xr，0)上。输出绿色照明光成分的点光源在位置G(xg，0)上。各 点光源例如包括发光二极管和激光二极管，输出单色性优良的照明光 成分。此外各点光源按时序顺序点亮脉冲点亮。
透镜20具有平行z轴的光轴，使从照明光源部20的3个点光源 各自输出的各波长的照明光成分进行平行校正，成为平行平面波，以 相互不同的入射方位入射到空间光调制元件30上。透镜20由单一的 凸透镜构成的情况下，3个点光源分别与透镜20之间的间隔等于透镜 20的焦距。由于3个点光源配置在上述位置，蓝色照明光成分垂直入 射到空间光调制元件30上，红色和绿色各自的照明光成分倾斜入射到 空间光调制元件30上。优选透镜20是对各照明光成分的波长具有同 一焦距的色像差修正透镜。
空间光调制元件30是具有离散的像素结构的透射型空间光调制元 件，分别与3个波长相关联的全息图按时序顺序显示。此全息图可以 是振幅全息图，也可以是位相全息图。而空间光调制元件30与从透镜 20各波长的照明光成分按时序顺序入射同步，与各时间点的波长相关 联的全息图顺序显示。这样各波长的再现光成分按时序顺序射出。也 就是在空间光调制元件30上采用场序制方式。
透镜40使从在空间光调制元件30上显示的全息图产生的3个波 长各自的再现图像进行波阵面变换而虚像化或实像化后，通过膜片50 的面上。在透镜40用单一凸透镜构成的情况下，透镜40和膜片50之 间的间隔等于透镜40的焦距。优选透镜40是对各照明光成分的波长 具有同一焦距的色像差修正透镜。
膜片50设置在透镜40的焦点面上，具有开口部分51。此开口部 分51具有各边与x轴或y轴大体平行的矩形形状，具有仅选择从空间 光调制元件30产生的0次衍射波的功能、遮挡从空间光调制元件30 来的0次的直接透射光的功能、还具有遮挡由从在空间光调制元件30 显示的全息图产生的0次衍射波的光成分形成实像或共轭像而产生双 重像问题的不需要的光的功能。此外从空间光调制元件30来的0次的 直接透射光是用透镜40聚光后有利于光源的成像的光，成为再现图像 的背景光，使对比度降低。开口部分51被设置在3个波长的再现光成 分中某次数的衍射波用透镜40进行波阵面变换后相互重叠的区域。特 别是在本实施例中，开口部分51被设置在3个波长再现光成分中各自 的0次衍射波用透镜40进行波阵面变换后相互重叠的区域。这样入射 到空间光调制元件30的3个波长的照明光成分各自的入射方位由照明 光学系统设定。
图2为用于说明第一实施例的三维图像显示装置1的照明光学系 统和空间光调制元件30的图示。如此图所示，包括在照明光源部10 内的蓝色点光源被配置在透镜20的光轴上，从此蓝色点光源输出的照 明光成分用透镜20进行准直，变成平行平面波60b，垂直入射到空间 光调制元件30。红色点光源被配置在离开透镜20的光轴的位置上，从 此红色点光源输出的照明光成分用透镜20进行准直，变成相对z轴在 倾斜的方向61r前进的平行平面波60r，倾斜入射到空间光调制元件30。 绿色点光源与红色点光源同样配置。
图3为用于说明第一实施例的三维图像显示装置1的照明光学系 统的图示。如此图所示，照明光源部10包括输出波长相互不同的3个 单色光源11r、11g、11b和3个针孔12r、12g、12b。针孔12r被设在 靠近输出红色光的单色光源11r的位置R(xr，0)，把从此单色光源 11r输出的光向透镜20输出。针孔12g被设在靠近输出绿色光的单色光 源11g的位置G(xg，0)，把从此单色光源11g输出的光向透镜20输 出。针孔12b被设在靠近输出蓝色光的单色光源11b的位置B(0，0)， 把从此单色光源11b输出的光向透镜20输出。采用这样结构即使是在 不使用单色光源11r、11g、11b各自作为点光源的情况下，从针孔12r、 12g、12b各自输出的照明光成分也可以作为从点光源射出的光使用， 而且可以用透镜20得到理想的平行平面波。
下面对第一实施例的三维图像显示装置1的动作进行说明。作为 空间光调制元件30是使用可以对各像素进行振幅和位相的双方的调制 的元件的情况下，不产生透射光和共轭像。可是作为空间光调制元件 30是使用对各像素仅可以进行振幅和位相的某一方调制的元件的情况 下，产生透射光和共轭像。下面对后者的情况进行说明。
图4为在第一实施例的三维图像显示装置1中，用于说明蓝色照 明光成分向空间光调制元件30垂直入射时的三维图像的一个光点的显 示动作的图示。图5为在第一实施例的三维图像显示装置1中，用于 说明向空间光调制元件30垂直入射蓝色照明光成分时在空间光调制元 件30上显示全息图的图示。与蓝色照明光成分相关联的全息图31b在 空间光调制元件30上显示时，成为平行平面波60b的蓝色照明光成分 垂直入射到空间光调制元件30。与蓝色照明光成分相关联的全息图31b 显示在空间光调制元件30的半平面(y＜0)的区域。通过照明光成分 入射到空间光调制元件30上，在光轴上形成三维图像的光点的再现像 62b和共轭像63b，产生0次透射光。光点的再现像62b用透镜40波阵 面变换到膜片50上的区域52b(y＜0)的区域。另一方面光点的共轭像 63b用透镜40波阵面变换到膜片50上的区域53b(y＞0的区域)。此外 0次透射光被用透镜40聚光在膜片50上的位置(0，0)。而共轭像和 0次透射光被膜片50遮挡，只有再现像通过开口部分51可以被观察到。
图6为在第一实施例的三维图像显示装置1中，用于说明照明光 成分向空间光调制元件30倾斜入射时的三维图像的一个光点的显示动 作的图示。此时在空间光调制元件30上显示的全息图设定与图5所示 的全息图相同。这种情况下成为平行平面波60的照明光成分倾斜入射 到空间光调制元件30，在平行平面波60的光轴61上形成三维图像光 点的再现像62和共轭像63。这与图4所示的再现像和共轭像的形成位 置不同。
所以在本实施例中为了避免垂直入射和倾斜入射时之间再现图像 的不一致，倾斜入射时在空间光调制元件30上显示的全息图用下面说 明的2个方法中的某一个制成。
第一全息图的制作方法是计算倾斜入射时的全息图的方法。来自 构成三维图像1个光点的物体光成分用球面波表示。从在位置(x0，y0， L0)的光点产生的物体光成分Oi，j在空间光调制元件30上的位置(xi， yj，0)中用以下公式(1a)、(1b)表示。
$O_{i,j}=\frac{1}{r}\exp \left(\mathrm{jkr}\right)---···\left(1a\right)$
$r=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_j-y_0)}^2+{L_0}^2}---···\left(1b\right)$
其中r是从处于位置(x0，y0，L0)的光点到空间光调制元件30 上位置(xi，yj，0)的距离，k为物体光成分的波数。此外入射角θ的 作为平行平面波的参照光成分Ri，j在空间光调制元件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)
在全息观察面上的物体光成分和参照光成分的合成用下面公式 (3)表示的话，在全息观察面上的位置(xi，yj，0)中，光的位相 φi， j用下面的公式(4)表示，此外光强度用下面的公式(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)
由于再现时入射到空间光调制元件30上的照明光成分与参照光成 分R相同，用上述公式(5)右边的第三项制作计算机全息图。
关于计算机全息图的计算范围由于显示全息图的空间光调制元件 30具有离散的像素结构，全息图的最大空间频率受到空间光调制元件 30的像素间距的限制。因此计算范围为相邻2像素中物体光成分和参 照光成分的合成波阵面的位相差在π以下的范围，也就是为由满足用 下面公式(6a)、(6b)表示的条件的区域决定的半平面。
|φi，j-φi-1，j|≤π       …(6a)
|φi，j-φi，j-1|≤π       …(6b)
图7和图8分别为用于说明用第一全息图制作方法制作全息图的 图示。图7表示点光源在位置(0，y)时的空间光调制元件30上的全 息图31的显示范围。图8表示点光源在位置(x，0)时的空间光调制 元件30上的全息图31的显示范围。如这些图所示，在空间光调制元 件30上显示的全息图31类似于把图5所示的全息图31b在x轴或y 轴上平行移动的全息图。
图9为在图7中表示的全息图31在空间光调制元件30上显示的 情况，是用于说明照明光成分向空间光调制元件30倾斜入射时的三维 图像的一个光点的显示动作的图示。如此图所示，成为平行平面波60 的照明光成分在倾斜入射到空间光调制元件30时，在光轴61上形成 三维图像的光点再现像62。这与图4所示的再现像形成位置一致。
第二全息图制作方法是把全息图显示范围平行移动的方法。在用 上述第一全息图制作方法中，由于参照光成分是倾斜入射的，全息图 的计算时，必须计算物体光成分和参照光成分的乘积，与参照光成分 垂直入射的情况相比，计算时间长。与此相反，在用下面说明的第二 全息图制作方法中，利用类似上述在倾斜入射时和垂直入射时的全息 图，在短时间可以计算全息图。
图10为用于说明第二全息图制作方法的图示。使在空间光调制元 件30显示的全息图与图5所示的全息图相同的话，由此产生的光点62 ′的形成位置从希望的光点62的形成位置，仅仅在x轴方向上偏离距 离D，因此只要把全息图平行移动此距离D就可以。此平行移动量D 用下面的公式(7)表示。
D＝L·tanθ             …(7)
其中L为光点和全息观察面之间的距离。此外θ为平行平面波向 全息观察面的入射角，此入射角θ用下面的公式(8)表示。
θ＝光源和光轴之间的距离/透镜20的前焦距      …(8)
用上述说明的第一和第二的全息图制作方法，可以得到倾斜入射 时和垂直入射时没有偏离的再现像。
下面对利用入射各种波长的照明光成分而从空间光调制元件30产 生的再现光成分进行说明。
图11～图15为用于对作为对比例表示的理想情况进行说明的图 示。作为空间光调制元件30是使用对各像素仅可以进行振幅和位相的 某一方调制的元件，作为如图5所示全息图显示在空间光调制元件30 的半平面(y＜0)上，设想3个波长的点光源全部如图11所示配置在 位置(0，0)的理想情况。
这种情况下如图12所示，从空间光调制元件30产生的最长波长 的红色再现光成分的0次衍射波被透镜40波阵面变换到在透镜40后 焦点面上由用下面公式(9)表示的4点R1～R4围成的矩形区域52r。
R1(-λrf/2Px，0)
R2(-λrf/2Px，-λrf/2Py)
R3(+λrf/2Px，-λrf/2Py)
R4(+λrf/2Px，0)           …(9)
其中λr为红色再现光成分的波长，f为透镜40的焦距，Px为空间 光调制元件30的x轴方向的像素间距，Py为空间光调制元件30的y 轴方向的像素间距。再有红色的共轭像被波阵面变换到在透镜40的后 焦点面上由用下面公式(10)表示的4点R1和R4～R6围成的矩形区 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点R2、R3、R5和R6围成的矩形区域为1个单位，在 透镜40的后焦点面上二维地周期形成0次和高次再现像以及共轭像。
同样如图13所示，从空间光调制元件30产生的波长λg的绿色再 现光成分的0次衍射波被用透镜40波阵面变换到在透镜40后焦点面 上由用下面公式(11)表示的4点G1～G4围成的矩形区域52g。
G1(-λgf/2Px，0)
G2(-λgf/2Px，-λgf/2Py)
G3(+λgf/2Px，-λgf/2Py)
G4(+λgf/2Px，0)         …(11)
如图14所示，从空间光调制元件30产生的最短波长λb的蓝色再 现光成分的0次衍射波被用透镜40波阵面变换到在透镜40后焦点面 上由用下面公式(12)表示的4点B1～B4围成的矩形区域52b。
B1(-λbf/2Px，0)
B2(-λbf/2Px，-λbf/2Py)
B3(+λbf/2Px，-λbf/2Py)
B4(+λbf/2Px，0)           …(12)
而且如图15所示，如把在透镜40的后焦点面上的波阵面变换区 域52r、52g、52b重叠显示，在红色的波阵面变换区域52r中包含绿色 的波阵面变换区域52g，在绿色的波阵面变换区域52g中包含蓝色的波 阵面变换区域52b。因此利用使膜片50的开口部分51与蓝色的波阵面 变换区域52b相同，观察通过此开口部分52的各种颜色的再现光成分， 可以观察到全彩色三维图像。
可是象图11所示的3个点光源配置在共同的位置的理想情况在实 际中不能存在。所以在本实施例中3个点光源配置在相互不同的位置， 其中使1个波长的照明光成分垂直入射到空间光调制元件30上，使其 他2个波长的照明光成分倾斜入射到空间光调制元件30上。
图16～图19为说明第一实施例的三维图像显示装置1和三维图像 显示方法的图示。图16为表示第一实施例中的三维图像显示装置1的 照明光源部10中的3个点光源各自配置的图示。图17为表示在第一 实施例三维图像显示装置1的膜片50配置位置上的红色再现光成分0 次衍射波的波阵面变换区域的图示。图18为表示在第一实施例的三维 图像显示装置1的膜片50的配置位置上的绿色再现光成分的0次衍射 波的波阵面变换区域的图示。在第一实施例的三维图像显示装置1的 膜片50的配置位置上的蓝色再现光成分的0次衍射波的波阵面变换区 域与图14所示的情况相同。图19为表示在第一实施例的三维图像显 示装置1的膜片50的配置位置上的红色、绿色、蓝色各自的再现光成 分的0次衍射波的波阵面变换区域的图示。
如图16所示，在第一实施例中，红色点光源配置在位置R(xr，0)， 绿色点光源配置在位置G(xg，0)，蓝色点光源配置在位置B(0，0)。 其中xr、xg分别用下面公式(13)表示。
xr＝+{(λgf/2P)-(λbf/2P)}/M
xg＝-{(λgf/2P)-(λbf/2P)}/M
M＝-f2/f2           …(12)
其中f1为透镜20的焦距，f2为透镜40的焦距。M为光学系统的 倍数。
这种情况如图17所示，从空间光调制元件30产生的红色再现光 成分的0次衍射波被用透镜40波阵面变换到在透镜40的后焦点面上 以位置R′(λgf/2P-λbf/2P，0)为基准的矩形区域52r。此外如图 18所示，从空间光调制元件30产生的绿色再现光成分的0次衍射波被 用透镜40波阵面变换到在透镜40的后焦点面上以位置 G′(-λgf/2P+λbf/2P，0)为基准的矩形区域52g。此外如图14所示，从空间 光调制元件30产生的蓝色再现光成分的0次衍射波被用透镜40波阵 面变换到在透镜40的后焦点面上以位置B′(0，0)为基准的矩形区 域52b。
而且如图19所示，如把在透镜40的后焦点面上的波阵面变换区 域52r、52g、52b重叠显示，在红色的波阵面变换区域52r中包含绿色 的波阵面变换区域52g，在绿色的波阵面变换区域52g包含蓝色的波阵 面变换区域52b。因此利用使膜片50的开口部分51与蓝色的波阵面变 换区域52b相一致，观察通过此开口部分52的各种颜色的再现光成分， 可以观察到全彩色三维图像。
下面对第一实施例的具体示例进行说明。作为空间光调制元件30 使用索尼公司制的数据投影用液晶板LCX023AL(像素间距P＝26μ m)。作为透镜20使用色像差修正过的焦距600mm的透镜，作为透镜 40使用色像差修正过的焦距150mm的透镜。作为输出红色光的单色光 源11r使用シチズン电子公司的发光二极管CL-280SR-C(波长650nm、 尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作为输出绿色光的单色光源 11g使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AG1A7-02(波长530nm、 尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作为输出蓝色光的单色光源 11b使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AB1A7-02(波长470nm、 尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把输出红色光的单色光源11r配置在位置(-0.69mm，0)， 把输出绿色光的单色光源11g配置在位置(+0.69mm，0)。把针孔12r、 12g、12b各自的孔径定为150μm。把被入射到空间光调制元件30的红 色照明光成分的入射角定为+0.07°，把被入射到空间光调制元件30 的绿色照明光成分的入射角定为-0.07°。把膜片50的开口部分51 的尺寸定为2.7mm(W)×1.3mm(H)。把空间光调制元件30的驱 动频率定为70Hz，使与各种颜色(波长)相关联的全息图在空间光调 制元件30上顺序显示，同时利用与其同步顺序使3个单色光源11r、 11g、11b发光，可以通过膜片50的开口部分51清楚地观察到全彩色三 维图像。
下面对第一实施例的三维图像显示装置和三维图像显示方法的变 化示例A进行说明。在此前的说明中3个点光源布置在x轴方向，而 在此变化示例中3个点光源布置在y轴方向。图20～图23为说明第一 实施例的三维图像显示装置1和三维图像显示方法的变化示例A的图 示。图20为表示第一实施例的三维图像显示装置1的变化示例A的照 明光源部10中的3个点光源各自的配置的图示。图21为在第一实施 例的三维图像显示装置1的变化示例A中，是表示在膜片50配置位置 的红色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的图示。图22为在第 一实施例的三维图像显示装置1的变化示例A，是表示在膜片50配置 位置的绿色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的图示。在第一 实施例的三维图像显示装置1的变化示例A中，在膜片50配置位置的 蓝色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域与图14所示的情况相 同。图23为在第一实施例的三维图像显示装置的变化示例A，是表示 在膜片50配置位置的红色、绿色、蓝色各自再现光成分0次衍射波的 波阵面变换区域的图示。
在此变化示例A中如图20所示，红色点光源配置在位置R(0， yr)上，绿色点光源配置在位置G(0，yg)上，蓝色点光源配置在位 置B(0，0)上。其中yr和yg分别用下面公式(14)表示。
yr＝{(λrf/2P)-(λbf/2P)}/M
yg＝{(λgf/2P)-(λbf/2P)}/M       …(14)
这种情况如图21所示，从空间光调制元件30产生的红色再现光 成分的0次衍射波被用透镜40波阵面变换到在透镜40的后焦点面上 以位置R′(0，λrf/2P-λbf/2P，0)为基准的矩形区域52r。此外如 图22所示，从空间光调制元件30产生的绿色再现光成分的0次衍射 波被用透镜40波阵面变换成在透镜40的后焦点面上以位置G′(0， λgf/2P-λbf/2P，0)为基准的矩形区域52g。此外如图14所示，从空 间光调制元件30产生的蓝色再现光成分的0次衍射波被用透镜40波 阵面变换到在透镜40的后焦点面上以位置B′(0，0)为基准的矩形 区域52b。
而且如图23所示，把在透镜40的后焦点面上的波阵面变换区域 52r、52g、52b重叠显示的话，在红色的波阵面变换区域52r中包含绿色 的波阵面变换区域52g，在绿色的波阵面变换区域52g包含蓝色的波阵 面变换区域52b。因此利用使膜片50的开口部分51与蓝色的波阵面变 换区域52b相同，观察通过此开口部分52的各种颜色的再现光成分， 可以观察到全彩色三维图像。
下面对第一实施例的变化示例A进行说明。作为空间光调制元件 30使用索尼公司制的数据投影用液晶板LCX023AL(像素间距P＝26 μm)。作为透镜20使用色像差修正的焦距600mm的透镜，作为透镜 40使用色像差修正的焦距150mm的透镜。作为输出红色光的单色光源 11r使用シチズン电子公司的发光二极管CL-280SR-C(波长650nm、 尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作为输出绿色光的单色光源 11g使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AG1A7-02(波长530nm、 尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作为输出蓝色光的单色光源 11b使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AB1A7-02(波长470nm、 尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把输出红色光的单色光源11r配置在位置(0，-2.08mm)， 把输出绿色光的单色光源11g配置在位置(0，-0.69mm)。把针孔12r、 12g、12b各自的开口尺寸定为150μm。把被入射到空间光调制元件30 的红色照明光成分的入射角定为-0.20°，把被入射到空间光调制元件 30的绿色照明光成分的入射角定为-0.07°。把膜片50的开口部分51 的尺寸定为2.7mm(W)×1.3mm(H)。把空间光调制元件30的驱 动频率定为70Hz，使与各种颜色(波长)相关联的全息图在空间光调 制元件30上顺序显示，同时利用与其同步顺序使3个单色光源11r、 11g、11b发光，可以通过膜片50的开口部分51清楚地观察到全彩色三 维图像。
下面对第一实施例的三维图像显示装置和三维图像显示方法的变 化示例B进行说明。在上述变化示例A中3个点光源在半平面(y□0) 上布置在y轴方向上，而在此变化示例B中，红色点光源配置在一方 的半平面(y□0)上，绿色点光源配置在另一方的半平面(y□0)上。 图24～图26为说明第一实施例的三维图像显示装置1和三维图像显示 方法的变化示例B的图示。图24为表示在第一实施例的三维图像显示 装置1的变化示例B中，照明光源部10中的3个点光源各自配置的图 示。图25为表示在第一实施例的三维图像显示装置1的变化示例B中， 在膜片50配置位置的绿色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的 图示。在第一实施例的三维图像显示装置1的变化示例B中，在膜片 50配置位置的红色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域与图21 所示的情况相同。在第一实施例的三维图像显示装置1的变化示例B 中，在膜片50配置位置的蓝色再现光成分0次衍射波的波阵面变换区 域与图14所示的情况相同。图26为表示在第一实施例的三维图像显 示装置1的变化示例B中，在膜片50配置位置的红色、绿色、蓝色各 自再现光成分0次衍射波的波阵面变换区域的图示。
在此变化示例B中如图24所示，红色点光源配置在位置R(0， yr)上，绿色点光源配置在位置G(0，yg)上，蓝色点光源配置在位 置B(0，0)上。其中yr和yg分别用下面公式(15)表示。
yr＝{(λrf/2P)-(λbf/2P)}/M
yg＝-(λbf/2P)/M          …(15)
这种情况如图21所示，从空间光调制元件30产生的红色再现光 成分的0次衍射波被用透镜40波阵面变换到在透镜40的后焦点面上 以位置R′(0，λrf/2P-λbf/2P，0)为基准的矩形区域52r。此外如 图25所示，从空间光调制元件30产生的绿色再现光成分的0次衍射 波被用透镜40波阵面变换到在透镜40的后焦点面上以位置G′(0， -λbf/2P，0)为基准的矩形区域52g。此外如图14所示，从空间光调 制元件30产生的蓝色再现光成分的0次衍射波被用透镜40波阵面变 换到在透镜40的后焦点面上以位置B′(0，0)为基准的矩形区域52b。
而且如图26所示，把在透镜40的后焦点面上的波阵面变换区域 52r、52g、52b重叠显示的话，在红色的波阵面变换区域52r中包含绿色 的波阵面变换区域52g，在绿色的波阵面变换区域52g包含蓝色的波阵 面变换区域52b。因此利用使膜片50的开口部分51与蓝色的波阵面变 换区域52b相一致，观察通过此开口部分52的各种颜色的再现光成分， 可以观察到全彩色三维图像。
下面对第一实施例的变化示例B进行说明。作为空间光调制元件 30使用索尼公司制的数据投影用液晶板LCX023AL(像素间距P＝26 μm)。作为透镜20使用色像差修正的焦距200mm的透镜，作为透镜 40使用色像差修正的焦距150mm的透镜。作为输出红色光的单色光源 11r使用シチズン电子公司的发光二极管CL-280SR-C(波长650nm、 尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作为输出绿色光的单色光源 11g使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AG1A7-02(波长530nm、 尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作为输出蓝色光的单色光源 11b使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AB1A7-02(波长470nm、 尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把输出红色光的单色光源11r配置在位置(0，-0.69mm)， 把输出绿色光的单色光源11g配置在位置(0，+1.36mm)。把针孔12r、 12g、12b各自的开口尺寸定为150μm。把被入射到空间光调制元件30 的红色照明光成分的入射角定为-0.20°，把被入射到空间光调制元件 30的绿色照明光成分的入射角定为+0.39°。把膜片50的开口部分51 的尺寸定为2.7mm(W)×1.3mm(H)。把空间光调制元件30的驱 动频率定为70Hz，使与各种颜色(波长)相关联的全息图在空间光调 制元件30上顺序显示，同时利用与其同步顺序使3个单色光源11r、 11g、11b发光，可以通过膜片50的开口部分51清楚地观察到全彩色三 维图像。
如上述那样，第一实施例的三维图像显示装置1和三维图像显示 方法也包括变化示例A和变化示例B，向空间光调制元件30入射的3 个波长的照明光成分各自的入射方位被适当设定，由于从空间光调制 元件30产生的3个波长的再现光成分各自的0次衍射波用透镜40进 行波阵面变换后在开口部分51相互重叠，所以即使是在使用低分辨率 的空间光调制元件30的情况下，也可以清楚地显示彩色的三维图像。 此外由于不需要如现有技术2那样用于使3个波长的再现光成分重叠 的半反射镜，不需要如第三现有技术那样的高速快门，所以可以得到 小型的而且便宜的三维图像显示装置。
(第二实施例)
下面对此发明的三维图像显示装置和三维图像显示方法的第二实 施例进行说明。图27为表示第二实施例的三维图像显示装置2的结构 的图示。此图所示的三维图像显示装置2具有照明光源部10、透镜20、 半反射镜25、反射型的空间光调制元件30、透镜40和膜片50。照明 光源部10、透镜20和半反射镜25构成使3个波长的照明光成分分别 作为平行平面波以相互不同的入射方位入射到空间光调制元件30的照 明光学系统。半反射镜25和透镜40构成把从在空间光调制元件30显 示的全息图产生的3个波长的再现光成分分别进行波阵面变换的再现 像变换光学系统。此外照明光学系统和再现像变换光学系统共用半反 射镜25。
与第一实施例相比，第二实施例的三维图像显示装置2和三维图 像显示方法是照明光源部10、透镜20、透镜40和膜片50分别相同， 而因空间光调制元件30是反射型空间光调制元件造成相互配置不同。 此外与第一实施例相比，第二实施例的三维图像显示装置2的动作和 三维图像显示方法在照明光成分用透镜20变成平行平面波后，在透过 半反射镜25向空间光调制元件30入射的点、在与照明光成分向空间 光调制元件30入射一侧相同一侧出射再现光成分的点、此再现光成分 用半反射镜25反射后用透镜40进行波阵面变换的点上不同。在其他 的方面第二实施例的三维图像显示装置2的动作和三维图像显示方法 与第一实施例(包括变形例A、变形例B)原理上相同。
下面对第二实施例的具体示例进行说明。作为空间光调制元件30 使用Micro Display公司制的微型监视器用反射型液晶板MD800G6(像 素间距P＝12.55μm)。作为透镜20使用色像差修正的焦距300mm的 透镜，作为透镜40使用色像差修正的焦距60mm的透镜。作为输出红 色光的单色光源11r使用シチズン电子公司的发光二极管CL-280SR-C (波长650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作为输出绿 色光的单色光源11g使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AG1A7-02 (波长530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作为输出蓝 色光的单色光源11b使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AB1A7-02 (波长470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.1 5(H))。
此外把输出红色光的单色光源11r配置在位置(-0.72mm，0)， 把输出绿色光的单色光源11g配置在位置(+0.72mm，0)。把针孔12r、 12g、12b各自的孔径定为150μm。把被入射到空间光调制元件30的红 色照明光成分的入射角定为-0.14°，把被入射到空间光调制元件30 的绿色照明光成分的入射角定为+0.14°。把膜片50的开口部分51的 尺寸定为2.2mm(W)×1.1mm(H)。把空间光调制元件30的驱动 频率定为90Hz，使与各种颜色(波长)相关联的全息图在空间光调制 元件30上顺序显示，同时利用与其同步顺序使3个单色光源11r、11g、 11b发光，可以通过膜片50的开口部分51清楚地观察到全彩色三维图 像。
(第三实施例)
下面对此发明的三维图像显示装置和三维图像显示方法的第三实 施例进行说明。图28为表示第三实施例的三维图像显示装置3的结构 的图示。此图所示的三维图像显示装置3具有照明光源部10、半反射 镜25、透镜20、反射型的空间光调制元件30和膜片50。照明光源部 10、半反射镜25和透镜20构成使3个波长的照明光成分分别作为平 行平面波以相互不同的入射方位入射到空间光调制元件30的照明光学 系统。透镜20和半反射镜25构成把从在空间光调制元件30显示的全 息图产生的3个波长的再现光成分分别进行波阵面变换的再现像变换 光学系统。此外照明光学系统和再现像变换光学系统共用透镜20和半 反射镜25。
与第二实施例相比，第三实施例的三维图像显示装置3和三维图 像显示方法是照明光源部10、空间光调制元件30和膜片50分别相同， 而因空间光调制元件30是反射型空间光调制元件造成相互配置不同。 此外与第二实施例相比，第三实施例的三维图像显示装置3的动作和 三维图像显示方法在透镜20同时透镜40的作用方面、照明光成分透 过半反射镜25后用透镜20变成平行平面波向空间光调制元件30入射 的方面、在与照明光成分向空间光调制元件30入射一侧相同的一侧射 出再现光成分的方面、此再现光成分经过透镜20后用半反射镜25反 射后进行波阵面变换的方面上不同。在其他方面第三实施例的三维图 像显示装置2的动作和三维图像显示方法与第二实施例原理上几乎相 同。
在第三实施例中由于透镜20同时具有透镜40的作用，所以照明 光学系统和再现像变换系统各自的焦距相等。因此3个点光源配置在 位置R(xr，0)、G(xg，0)、B(0，0)的情况下，在膜片50面上 的各种颜色波阵面变换区域的基准点为位置R(-xr，0)、G(-xg， 0)、B(0，0)。如图29所示，在膜片50面上的各种颜色波阵面变 换区域52r、52g、52b全部重叠的区域(也就是膜片50的开口部分51 的区域)有比第一实施例或第二实施例窄的情况。
下面对第三实施例的具体示例进行说明。作为空间光调制元件30 使用Micro Display公司制的微型监视器用反射型液晶板MD800G6(像 素间距P＝12.55μm)。作为兼作透镜40用的透镜20使用色像差修正 的焦距60mm的透镜。作为输出红色光的单色光源11r使用シチズン电 子公司的发光二极管CL-280SR-C(波长650nm、尺寸1.0(L)×0.5 (W)×0.6(H))。作为输出绿色光的单色光源11g使用丰田合成公 司的发光二极管E1S07-AG1A7-02(波长530nm、尺寸1.6(L)×0.6 (W)×1.15(H))。作为输出蓝色光的单色光源11b使用丰田合成 公司的发光二极管E1S07-AB1A7-02(波长470nm、尺寸1.6(L)×0.6 (W)×1.15(H))。
此外把输出红色光的单色光源11r配置在位置(-0.65mm，0)， 把输出绿色光的单色光源11g配置在位置(+0.65mm，0)。把针孔12r、 12g、12b各自的孔径定为150μm。把入射到空间光调制元件30的红色 照明光成分的入射角定为-0.62°，把入射到空间光调制元件30的绿 色照明光成分的入射角定为+0.62°。把膜片50的开口部分51的尺寸 定为1.5mm(W)×1.1mm(H)。把空间光调制元件30的驱动频率 定为90Hz，使与各种颜色(波长)相关联的全息图在空间光调制元件 30上顺序显示，同时利用与其同步顺序使3个单色光源11r、11g、11b 发光，可以通过膜片50的开口部分51清楚地观察到全彩色三维图像。
(第四实施例)
下面对此发明的三维图像显示装置和三维图像显示方法的第四实 施例进行说明。图30为表示第四实施例的三维图像显示装置4的结构 的图示。此图所示的三维图像显示装置4具有照明光源部10、透镜20、 透射型的空间光调制元件30、透镜40和膜片50。照明光源部10和透 镜20构成使3个波长的照明光成分分别作为平行平面波以相互不同的 入射方位入射到空间光调制元件30的照明光学系统。透镜40构成把 从在空间光调制元件30显示的全息图产生的3个波长的再现像分别进 行波阵面变换而虚像化或实像化的再现像变换光学系统。
照明光源部10具有输出相互不同波长(红、绿、蓝)的照明光成 分的3个点光源。这3个点光源配置在与x轴平行的直线上的相互不 同的位置上。输出最短波长的蓝色照明光成分的点光源位于照明光学 系统的光轴上的位置B(0，0)。输出红色照明光成分的点光源位于 位置R(xr，0)或位置R(0，yr)。输出绿色照明光成分的点光源位 于位置G(xg，0)。各点光源例如包括发光二极管或激光二极管等， 输出单色性优良的照明光成分。此外各点光源按时序顺序脉冲点亮。 此照明光源10的结构优选与图3相同。
透镜20具有与z轴平行的光轴，把分别从照明光源部20的3个 点光源输出的各波长的照明光成分准直后变成平行平面波，以相互不 同的入射方位入射到空间光调制元件30。透镜20由单一的凸透镜构成 的情况下，3个点光源分别与透镜20之间的间隔等于透镜20的焦距。 由于3个点光源按上述配置，蓝色照明光成分垂直入射到空间光调制 元件30，红色和绿色各照明光成分倾斜入射到空间光调制元件30。优 选透镜20是相对于各照明光成分波长具有相同焦距的色像差修正透 镜。
空间光调制元件30是具有离散像素结构的透射型空间光调制元 件，把与3个波长分别相关联的全息图按时序顺序显示。此全息图象 可以是振幅全息图，也可以是位相全息图。而空间光调制元件30与用 透镜20将各波长的照明光成分按时序顺序入射的情况同步，顺序显示 与各时刻波长相关联的全息图，这样把各波长的再现光成分按时序顺 序射出。也就是在此空间光调制元件30中采用场序制方式。
透镜40从在空间光调制元件30显示的全息图产生的3个波长的 再现光成分分别在膜片50的面上进行波阵面变换。在透镜40由单一 凸透镜构成的情况下，透镜40和膜片50之间的间隔等于透镜40的焦 距。优选透镜40是对各照明光成分的波长具有同一焦距的色像差修正 透镜。
膜片50设在透镜40的焦点面上，具有开口部分51。此开口部分 51具有各边与x轴或y轴大体平行的矩形形状，具有仅选择从空间光 调制元件30产生的特定次数的衍射波的功能、遮挡空间光调制元件30 的第n次直接透射光的功能、还具有遮挡因由从在空间光调制元件30 显示的全息图产生的第n次衍射波的成分形成实像或共轭像而产生双 重像问题的不需要的光的功能。空间光调制元件30的第n次直接透射 光是用透镜40聚光后有助于光源成像的光，成为再现像的背景光，使 对比度降低。开口部分51被设置在3个波长的再现光成分中某次数的 衍射波用透镜40进行波阵面变换后相互重叠的区域。特别是在本实施 例中，开口51设置在最短波长的蓝色再现光成分的0次衍射波和其他 2个波长的再现光成分的高次衍射波用透镜40进行波阵面变换后相互 重叠的区域。这样向空间光调制元件30入射的3个波长的照明光成分 各自的入射方位用照明光学系统设定。
从处于照明光源部10的位置B(0，0)的蓝色点光源输出的照明 光成分中的透过空间光调制元件30的0次透射光被透镜40聚光在膜 片50面上的位置B′(0，0)。从处于照明光源部10的位置R(xr， 0)或R(0，yr)的红色点光源输出的照明光成分中的透过空间光调制 元件30的0次透射光被透镜40聚光在膜片50面上的位置R′(xr′， 0)或R′(0，yr′)。从处于照明光源部10的位置G(xg，0)的蓝 色点光源输出的照明光成分中的透过空间光调制元件30的0次透射光 被透镜40聚光在膜片50面上的位置G′(xg′，0)。
可是由于空间光调制元件30具有离散的像素结构，如图31或图 32所示，在膜片50面上蓝色点光源的成像不仅在位置G1得到0次衍 射波的波阵面变换，而且分别在相对于G1在x轴或y轴方向都相距距 离(λbf/P)的8个位置G2得到1次衍射波的波阵面变换，还在x轴 或y轴方向每相距距离(λbf/P)得到更高次衍射波的波阵面变换。对 于红色和绿色各自的点光源的成像也一样。关于这一点用图33进行详 细说明。
图33为用于说明第四实施例的三维图像显示装置4的空间光调制 元件30和再现像变换光学系统的图示。设空间光调制元件30的像素 间距为P，垂直入射空间光调制元件30的蓝色照明光成分的波长为λb， 从空间光调制元件30射出的蓝色衍射波的次数为nb，从空间光调制元 件30来的蓝色的nb次衍射波的出射角为θ0。
此时在这些参数之间用下面公式(16)建立的关系成立。
Psinθ0＝nbλb            …(16)
从此公式(16)得到，从空间光调制元件30来的蓝色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)
从空间光调制元件30来的蓝色nb次衍射波在透镜40的后焦点面 (膜片50面)上，聚光在仅距光轴距离An的位置。此距离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)
次数nb小的情况下，此公式(18)可以用下面公式(19)近似表 示。
An＝f2nbλb/P                …(19)
从这些公式(18)或(19)可以看出，在透镜40的后焦点面(膜 片50面)上，0次和高次的衍射波的各自的聚光点大致以等间隔出现， 其各次数的衍射波聚光点出现间隔因波长而不同。在照明光源部10中 的各波长点光源存在于同一位置的情况下，在透镜40的后焦点面(膜 片50面)上，各波长的再现光成分的0次衍射波聚光点出现在同一位 置，而各波长的再现光成分的高次衍射波聚光点出现在不同位置。
为了取出构成三维再现像的衍射波，利用具有以用上述公式(18) 或(19)表示的位置为基准的开口部分51的膜片50，仅使再现光成分 中某次数的衍射波通过开口部分51。在空间光调制元件30可以调制振 幅和位相双方的情况下，以用上述公式(18)或公式(19)表示的位 置为中心，利用配置一边的长度为f2λb/P的矩形形状的开口部分51， 可以取出构成三维再现像的衍射波。在空间光调制元件30仅可以调制 振幅和位相中的某一个的情况下，在以用上述公式(18)或公式(19) 表示的位置为基准的半平面(对应于在空间光调制元件30上的全息图 显示区域的区域)，利用配置一边的长度为f2λb/P，另一边的长度为 f2λb/2P的矩形形状的开口部分51，可以取出构成三维再现像的衍射 波。
在本实施例中，膜片50的开口部分51的区域不是对每个波长用 时间分割进行控制，做成不根据波长而固定的。所以配置具有适合3 个波长(λr、λg、λb)中最短波长λb的位置和形状的膜片51。此外 关于其他2个波长(λr、λg)，设定照明光成分向空间光调制元件30 的入射方位，使再现光成分中某个次数的衍射波通过开口部分51。此 外在空间光调制元件30仅可以调制振幅和位相中的某一个的情况下， 使在各波长再现光成分中的三维图像构成中利用的次数的再现波的聚 光点一致，用膜片50遮挡这些聚光点。再有透镜20、40适合使用充 分修正色像差、3个波长(λr、λg、λb)各自焦距分别相等的透镜。
蓝色照明光成分对空间光调制元件30垂直入射，而其他的红色和 绿色照明光成分分别倾斜入射。蓝色照明光成分垂直入射时的0次衍 射波聚光点和其他颜色照明光成分倾斜入射时的特定次数的高次衍射 波聚光点在透镜40的后焦点面上必须一致。下面用图34对满足这样 条件的照明光成分的入射角进行说明。
图34为用于说明第四实施例的三维图像显示装置4的空间光调制 元件30上照明光成分入射角和再现光成分出射角的关系的图示。除最 短波长λb以外其他某个波长λi(＝λr或λg)的平行平面波以入射角 θi入射到空间光调制元件30，使波长λi的再现光成分中次数ni的衍 射波以衍射角θ0(与蓝色的衍射波相同)从空间光调制元件30射出的。 此外设空间光调制元件30的像素间距为P。
此时这些参数之间以下面公式(20)建立的关系成立。
Psinθ0-Psinθi＝niλi             …(20)
把它改写成入射角θi的公式的话，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)
波长λb的蓝色照明光成分垂直入射到空间光调制元件30，同时波 长λi(＝λr或λg)的照明光成分以上述公式(22)表示的入射角θi 倾斜入射到空间光调制元件30后，各波长的再现光成分的某个次数的 衍射波以相同的衍射角θ0从空间光调制元件30射出，用透镜40聚光 在同一点。
此外从上述公式(20)得到入射角θi和出射角θ0相等是衍射次数 ni为0次的情况，此0次衍射波在透镜40的后焦点面上聚光在从光轴 仅离开用下面公式(23)表示的距离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)
关于距离Ani的第一示例，使蓝色波长λb的衍射波次数nb为0， 其他波长λi的衍射波次数ni为-1。此时波长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)
此外波长λi的0次衍射波在透镜40的后焦点面上聚光在从光轴仅 偏离由下面公式(25)表示的距离A-1的位置上。
A-1＝f2tanθi
   ＝f2tan[sin-1(λi/P)]
   ≌f2λi/P                             …(25)
此外关于距离Ani的第二示例，使蓝色波长λb的衍射波次数nb为 0，其他波长λi的衍射波次数ni为+1。此时波长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)
此外波长λi的0次衍射波在透镜40的后焦点面上聚光在从光轴仅 偏离以下面公式(27)表示的距离A+1的位置上。
A-1＝f2tanθi
   ＝f2tan[sin-1(-λi/P)]
   ≌-f2λi/P                          …(27)
要使波长λi的照明光成分为平行平面波以入射角θi入射到空间 光调制元件30，可以把点光源配置在焦距f1的透镜20的前焦点面上从 光轴仅偏离用下面公式(28)表示的距离Bni的位置上。
Bni＝-f1tanθi
   ＝-f1tan[sin-1{(nbλb-n1λ1)/P}]    …(28)
关于距离Bni的第一示例，使蓝色波长λb的衍射波次数nb为0， 其他波长λi的衍射波次数ni为-1。此时波长λi的点光源被配置在透 镜20的前焦点面上从光轴仅偏离用下面公式(29)表示的距离B-1的 位置上。
B-1＝-f1tanθi
   ＝-f1tan[sin-1(λi/P)]
   ≌-f1λi/P
   ＝A-1/M                             …(29)
其中M为用公式(13)表示的光学系统的倍数。
此外关于距离Bni的第二示例，使蓝色波长λb的衍射波次数nb为 0，其他波长λi的衍射波次数ni为+1。此时波长λi的点光源被配置在 透镜20的前焦点面上从光轴仅偏离用下面公式(30)表示的距离B+1 的位置上。
B+1＝-f1tanθi
   ＝-f1tan[sin-1(-λi/P)]
   ≌f1λi/P
   ＝-A-1/M                             …(30)
图31是在透镜20前焦点面上，把红色点光源配置在位置(-f1 λr/P，0)，把绿色点光源配置在位置(+f1λg/P，0)，蓝色点光源配 置在位置(0，0)上，在透镜40的后焦点面上对于红色再现光成分中 的-1次衍射波、绿色再现光成分中的+1次衍射波和蓝色再现光成分 中的0次衍射波，各个的聚光点在光轴上一致的示例。图32是在透镜 20前焦点面上，把红色点光源配置在位置(0，-f1λr/P)，把绿色点 光源配置在位置(+f1λg/P，0)，蓝色点光源配置在位置(0，0)上， 在透镜40的后焦点面上对于红色再现光成分中的-1次衍射波、绿色 再现光成分中的+1次衍射波和蓝色再现光成分中的0次衍射波，各个 的聚光点在光轴上一致的示例。
与在空间光调制元件30上显示的各种颜色相关联的全息图是各种 颜色的照明光成分垂直入射空间光调制元件30时的全息图，由于无须 象第一实施例中说明的那样关注入射角，所以可以简单而且速度快地 进行计算。
下面对第四实施例的具体示例进行说明。作为空间光调制元件30 使用索尼公司制的数据投影用液晶板LCX023AL(像素间距P＝26μ m)。作为透镜20使用色像差修正的焦距150mm的透镜，作为透镜 40使用色像差修正的焦距150mm的透镜。作为输出红色光的单色光源 11r使用シチズン电子公司的发光二极管CL-280SR-C(波长650nm、 尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作为输出绿色光的单色光源 11g使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AG1A7-02(波长530nm、 尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作为输出蓝色光的单色光源 11b使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AB1A7-02(波长470nm、 尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把输出红色光的单色光源11r配置在位置(-3.75mm，0)或 位置(0，-3.75mm)，把输出绿色光的单色光源11g配置在位置 (+3.06mm，0)。把针孔12r、12g、12b各自的孔径定为150μm。把 入射到空间光调制元件30的红色照明光成分入射角定为+1.43°，把入 射到空间光调制元件30的绿色照明光成分入射角定为-1.17°。把膜 片50的开口部分51的尺寸定为2.7mm(W)×1.3mm(H)。把空间 光调制元件30的驱动频率定为70Hz，使与各种颜色(波长)相关联 的全息图在空间光调制元件30上顺序显示，同时利用与其同步顺序使 3个单色光源11r、11g、11b发光，可以通过膜片50的开口部分5 1清 楚地观察到全彩色三维图像。
再有如本实施例所述，相对于就蓝色再现光成分观察0次衍射波， 在就其他颜色的再现光成分观察高次衍射波的情况下，与0次衍射波 相比，高次衍射波的光通量少。所以为了提高数值孔径，优选把在每 个像素装有微型透镜的液晶板作为空间光调制元件30使用。这样使通 过各像素的光发散，可以使高次衍射波的光通量增加。这样的液晶板 可以使用索尼公司制的液晶板LCX023CMT(像素间距P＝26μm)。 利用此液晶板的同时，通过分别调整供给单色光源11r、11g、11b的驱 动电流的大小，可以提高彩色三维图像的色彩平衡。
第四实施例的三维图像显示装置4和三维图像显示方法象上述这 样适当设定入射到空间光调制元件30的3个波长的照明光成分各自的 入射方位，而且由于从空间光调制元件30产生的3个波长的再现光成 分各自的0次衍射波或高次衍射波用透镜40进行波阵面变换后，在开 口部分51相互重叠，所以在即使利用低分辨率的空间光调制元件30 的情况下也能清晰显示彩色的三维图像。此外无须象第二现有技术那 样需要用于使3个波长的再现光成分相互重叠的半反射镜，也无须象 第三现有技术那样的高速快门，所以可以得到小型化而且价格便宜的 三维图像显示装置。
(第五实施例)
下面对此发明的三维图像显示装置和三维图像显示方法的第五实 施例进行说明。图35为表示第五实施例中的三维图像显示装置5的结 构的图示。此图所示的三维图像显示装置5具有照明光源部10、透镜 20、半反射镜25、反射型的空间光调制元件30、透镜40和膜片50。 照明光源部10、透镜20和半反射镜25构成使3个波长的照明光成分 分别作为平行平面波以相互不同的入射方位入射到空间光调制元件30 的照明光学系统。半反射镜25和透镜40构成把从在空间光调制元件 30显示的全息图产生的3个波长的再现像分别进行波阵面变换后虚像 化或实像化的再现像变换光学系统。此外照明光学系统和再现像变换 光学系统共用半反射镜25。
与第四实施例相比，第五实施例的三维图像显示装置5和三维图 像显示方法是照明光源部10、透镜20、透镜40和膜片50分别相同， 而因空间光调制元件30是反射型空间光调制元件造成相互配置不同。 此外与第四实施例相比，第五实施例的三维图像显示装置5的动作和 三维图像显示方法在照明光成分用透镜20变成平行平面波后透过半反 射镜25向空间光调制元件30入射的方面、在与照明光成分向空间光 调制元件30入射一侧相同一侧射出再现光成分的方面、此再现光成分 用半反射镜25反射后用透镜40进行波阵面变换的方面上不同。在其 他的方面第五实施例的三维图像显示装置5的动作和三维图像显示方 法与第四实施例原理上相同。
下面对第五实施例的具体示例进行说明。作为空间光调制元件30 使用Micro Display公司制的微型监视器用反射型液晶板MD800G6(像 素间距P＝12.55μm)。作为透镜20使用色像差修正的焦距120mm的 透镜，作为透镜40使用色像差修正的焦距60mm的透镜。作为输出红 色光的单色光源11r使用シチズン电子公司的发光二极管CL-280SR-C (波长650nm、尺寸1.0(L)×0.5(W)×0.6(H))。作为输出绿 色光的单色光源11g使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AG1A7-02 (波长530nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。作为输出蓝 色光的单色光源11b使用丰田合成公司的发光二极管E1S07-AB1A7-02 (波长470nm、尺寸1.6(L)×0.6(W)×1.15(H))。
此外把输出红色光的单色光源11r配置在位置(-6.24mm，0)或 位置(0，-6.24mm)，把输出绿色光的单色光源11g配置在位置 (+5.09mm，0)。把针孔12r、12g、12b各自的孔径定为150μm。把 入射到空间光调制元件30的红色照明光成分入射角定为+2.98°，把入 射到空间光调制元件30的绿色照明光成分入射角定为-2.43°。把膜 片50的开口部分51的尺寸定为2.2mm(W)×1.1mm(H)。把空间 光调制元件30的驱动频率定为90Hz，使与各种颜色(波长)相关联 的全息图在空间光调制元件30上顺序显示，同时利用与其同步顺序使 3个单色光源11r、11g、11b发光，可以通过膜片50的开口部分51清 楚地观察到全彩色三维图像。
(第六实施例)
下面对此发明的三维图像显示装置和三维图像显示方法的第六实 施例进行说明。图36为表示第六实施例中的三维图像显示装置6的结 构的图示。此图所示的三维图像显示装置6具有照明光源部10、半反 射镜25、透镜20、反射型的空间光调制元件30和膜片50。照明光源 部10、半反射镜25和透镜20构成使3个波长的照明光成分分别作为 平行平面波以相互不同的入射方位入射到空间光调制元件30的照明光 学系统。透镜20和半反射镜25构成把从在空间光调制元件30显示的 全息图产生的3个波长的再现像分别进行波阵面变换而虚像化或实像 化的再现像变换光学系统。此外照明光学系统和再现像变换光学系统 共用透镜20和半反射镜25。
与第四实施例相比，第六实施例的三维图像显示装置6和三维图 像显示方法是照明光源部10、空间光调制元件30和膜片50分别相同， 而因空间光调制元件30是反射型空间光调制元件造成相互配置不同。 此外与第四实施例相比，第六实施例的三维图像显示装置6的动作和 三维图像显示方法在透镜20同时起到透镜40作用的方面、照明光成 分透过半反射镜25后用透镜20变成平行平面波后，向空间光调制元 件30入射的方面、在与照明光成分向空间光调制元件30入射一侧相 同一侧射出再现光成分方面、此再现光成分经过透镜20后用半反射镜 25反射后进行波阵面变换的方面上不同。在其他的方面第六实施例的 三维图像显示装置6的动作和三维图像显示方法与第四实施例原理上 几乎相同。
下面对第六实施例的具体示例进行说明。作为空间光调制元件30 使用Micro Display公司制的微型监视器用反射型液晶板MD800G6(像 素间距P＝12.55μm)。作为兼作透镜40用的透镜20使用色像差修正 的焦距60mm的透镜。作为输出红色光的单色光源11r使用シチズン电 子公司的发光二极管CL-280SR-C(波长650nm、尺寸1.0(L)×0.5 (W)×0.6(H))。作为输出绿色光的单色光源11g使用丰田合成公 司的发光二极管E1S07-AG1A7-02(波长530nm、尺寸1.6(L)×0.6 (W)×1.15(H))。作为输出蓝色光的单色光源11b使用丰田合成 公司的发光二极管E1S07-AB1A7-02(波长470nm、尺寸1.6(L)×0.6 (W)×1.15(H))。
此外把输出红色光的单色光源11r配置在位置(-3.02mm，0)或 位置(0，-3.02mm)，把输出绿色光的单色光源11g配置在位置 (+2.54mm，0)。把针孔12r、12g、12b各自的孔径定为150μm。把 入射到空间光调制元件30的红色照明光成分入射角定为+2.98°，把入 射到空间光调制元件30的绿色照明光成分入射角定为-2.43°。把膜 片50的开口部分51的尺寸定为2.2mm(W)×1.1mm(H)。把空间 光调制元件30的驱动频率定为90Hz，使与各种颜色(波长)相关联 的全息图在空间光调制元件30上顺序显示，同时利用与其同步顺序使 3个单色光源11r、11g、11b发光，可以通过膜片50的开口部分51清 楚地观察到全彩色三维图像。
从以上说明可以看出本发明可以进行各种各样的变化。这样的变 化不能认为是脱离本发明的思想和范围，作为所有本行业的人员显而 易见的改进是包括在本发明的权利要求范围中的。
产业上利用的可能性
采用此发明的话，在具有离散的像素的空间光调制元件上能显示 分别与多个波长相关联的全息图象。用照明光学系统使多个波长的照 明光成分分别成平行平面波，以相互不同的入射方位入射到此空间光 调制元件。从空间光调制元件上显示的全息图产生的多个波长的再现 像分别用再现像变换光学系统进行波阵面变换后虚像化或实像化。在 此焦点面上设置具有开口部分的膜片。而入射到空间光调制元件的多 个波长的照明光成分各自的入射方位用照明光学系统设定，使得多个 波长的再现光成分各自的某次数衍射波使用再现像变换光学系统在开 口部分相互重叠。利用这样的结构在即使使用低分辨率的空间光调制 元件的情况下，也能清晰地显示彩色的三维图象，可以提供小型化而 且价格便宜的三维图像显示装置等。