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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024137223
(43)【公開日】2024-10-07
(54)【発明の名称】立体表示装置及び立体表示方法
(51)【国際特許分類】
G02B 30/50 20200101AFI20240927BHJP
G02B 26/10 20060101ALI20240927BHJP
H04N 13/398 20180101ALI20240927BHJP
H04N 13/388 20180101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
G02B30/50
G02B26/10 C
H04N13/398
H04N13/388
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023048666
(22)【出願日】2023-03-24
(71)【出願人】
【識別番号】308036402
【氏名又は名称】株式会社ＪＶＣケンウッド
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100114937
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 裕幸
(74)【代理人】
【識別番号】100162868
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 英輔
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 文彦
【テーマコード（参考）】
2H045
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H045AA01
2H045AB01
2H045BA13
2H045BA15
2H045BA20
2H199BA22
2H199BB02
2H199BB45
2H199BB60
(57)【要約】
【課題】立体像の画像品質を向上させる。
【解決手段】立体表示装置は、レーザー光を出射するレーザー光源と、出射されたレーザー光を所定の径のコリメート光に変換する変換部と、前記コリメート光の波面を変化させることにより、前記コリメート光をゼロ次光と、１次光以上の高次光とに分離する分離部と、レーザー光が照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質が含まれる描画空間を走査対象範囲として、前記ゼロ次光と前記高次光とを含んだ収束光が出射される光軸方向と、前記ゼロ次光が収束する焦点距離とを変化させることにより、前記収束光の集光位置を三次元走査する走査部と、前記描画空間内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、前記集光位置における強度を制御する強度制御部と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】立体表示装置は、レーザー光を出射するレーザー光源と、出射されたレーザー光を所定の径のコリメート光に変換する変換部と、前記コリメート光の波面を変化させることにより、前記コリメート光をゼロ次光と、１次光以上の高次光とに分離する分離部と、レーザー光が照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質が含まれる描画空間を走査対象範囲として、前記ゼロ次光と前記高次光とを含んだ収束光が出射される光軸方向と、前記ゼロ次光が収束する焦点距離とを変化させることにより、前記収束光の集光位置を三次元走査する走査部と、前記描画空間内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、前記集光位置における強度を制御する強度制御部と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザー光を出射するレーザー光源と、
出射されたレーザー光を所定の径のコリメート光に変換する変換部と、
前記コリメート光の波面を変化させることにより、前記コリメート光をゼロ次光と、１次光以上の高次光とに分離する分離部と、
レーザー光が照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質が含まれる描画空間を走査対象範囲として、前記ゼロ次光と前記高次光とを含んだ収束光が出射される光軸方向と、前記ゼロ次光が収束する焦点距離とを変化させることにより、前記収束光の集光位置を三次元走査する走査部と、
前記描画空間内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、前記集光位置における強度を制御する強度制御部と、
を備える立体表示装置。
出射されたレーザー光を所定の径のコリメート光に変換する変換部と、
前記コリメート光の波面を変化させることにより、前記コリメート光をゼロ次光と、１次光以上の高次光とに分離する分離部と、
レーザー光が照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質が含まれる描画空間を走査対象範囲として、前記ゼロ次光と前記高次光とを含んだ収束光が出射される光軸方向と、前記ゼロ次光が収束する焦点距離とを変化させることにより、前記収束光の集光位置を三次元走査する走査部と、
前記描画空間内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、前記集光位置における強度を制御する強度制御部と、
を備える立体表示装置。
【請求項2】
前記分離部は、空間位相変調器であり、前記集光位置において、前記ゼロ次光の焦点位置と前記高次光の焦点位置とを、前記光軸方向に互いに離れた位置に分布させる
請求項１に記載の立体表示装置。
請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項3】
前記分離部は、二次元回折格子であり、前記集光位置において、前記ゼロ次光の焦点位置と前記高次光の焦点位置とを、前記収束光の径方向に互いに離れた位置に分布させる
請求項１に記載の立体表示装置。
請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項4】
レーザー光を出射することと、
出射されたレーザー光を所定の径のコリメート光に変換することと、
前記コリメート光の波面を変化させることにより、前記コリメート光をゼロ次光と、１次光以上の高次光とに分離することと、
レーザー光が照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質が含まれる描画空間を走査対象範囲として、前記ゼロ次光と前記高次光とを含んだ収束光が出射される光軸方向と、前記ゼロ次光が収束する焦点距離とを変化させることにより、前記収束光の集光位置を三次元走査すること、
前記描画空間内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、前記集光位置における強度を制御することと、
を有する立体表示方法。
出射されたレーザー光を所定の径のコリメート光に変換することと、
前記コリメート光の波面を変化させることにより、前記コリメート光をゼロ次光と、１次光以上の高次光とに分離することと、
レーザー光が照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質が含まれる描画空間を走査対象範囲として、前記ゼロ次光と前記高次光とを含んだ収束光が出射される光軸方向と、前記ゼロ次光が収束する焦点距離とを変化させることにより、前記収束光の集光位置を三次元走査すること、
前記描画空間内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、前記集光位置における強度を制御することと、
を有する立体表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、立体表示装置及び立体表示方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、空中に映像を表示する立体表示装置について、様々な方法が提案されている。このような従来の立体表示装置の例として、レーザーを集光してプラズマを発生させることでvoxel（空間的な画素）を形成し、空中に映像を表示する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００７－２０６５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述のような立体表示装置においては、蛍光物質にレーザー光を励起光として入射させて輝点を生じさせることにより、十分な明るさの立体像を描くことが可能である。一方で、蛍光物質の特性と、励起光であるレーザー光の強さとの対応関係によっては、所望の位置に輝点を描くことが困難である場合があった。このような場合、立体像の画像品質が低下してしまうという課題があった。
【0005】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、立体像の画像品質を向上させることができる立体表示装置及び立体表示方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
［１］本発明の一態様は、レーザー光を出射するレーザー光源と、出射されたレーザー光を所定の径のコリメート光に変換する変換部と、前記コリメート光の波面を変化させることにより、前記コリメート光をゼロ次光と、１次光以上の高次光とに分離する分離部と、レーザー光が照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質が含まれる描画空間を走査対象範囲として、前記ゼロ次光と前記高次光とを含んだ収束光が出射される光軸方向と、前記ゼロ次光が収束する焦点距離とを変化させることにより、前記収束光の集光位置を三次元走査する走査部と、前記描画空間内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、前記集光位置における強度を制御する強度制御部と、を備える立体表示装置である。
【0007】
［２］また、本発明の一態様は、上記［１］に記載の立体表示装置において、前記分離部は、空間位相変調器であり、前記集光位置において、前記ゼロ次光の焦点位置と前記高次光の焦点位置とを、前記光軸方向に互いに離れた位置に分布させる。
【0008】
［３］また、本発明の一態様は、上記［１］に記載の立体表示装置において、前記分離部は、二次元回折格子であり、前記集光位置において、前記ゼロ次光の焦点位置と前記高次光の焦点位置とを、前記収束光の径方向に互いに離れた位置に分布させる。
【0009】
［４］本発明の一態様は、レーザー光を出射することと、出射されたレーザー光を所定の径のコリメート光に変換することと、前記コリメート光の波面を変化させることにより、前記コリメート光をゼロ次光と、１次光以上の高次光とに分離することと、レーザー光が照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質が含まれる描画空間を走査対象範囲として、前記ゼロ次光と前記高次光とを含んだ収束光が出射される光軸方向と、前記ゼロ次光が収束する焦点距離とを変化させることにより、前記収束光の集光位置を三次元走査すること、前記描画空間内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、前記集光位置における強度を制御することと、を有する立体表示方法である。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、立体像の状態を観察される状況に応じて制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本実施形態の立体表示装置の構成の一例を示す図である。
【図2】本実施形態の立体表示装置の動作の流れの一例を示す図である。
【図3】本実施形態の集光位置における集光状態の一例を示す図である。
【図4】本実施形態の集光位置における収束光の入射エネルギーの計算モデルの一例を示す図である。
【図5】分離部が存在しない場合の蛍光物質の発光量の一例を示す図である。
【図6】第１実施形態の分離部による収束光の光路の一例を示す図である。
【図7】本実施形態の集光位置を拡大した光路の一例を示す図である。
【図8】本実施形態の集光位置における収束光の断面の一例を示す図である。
【図9】本実施形態の蛍光物質の発光量の一例を示す図である。
【図10】本実施形態の他の濃度に最適化した場合の集光位置を拡大した光路の一例を示す図である。
【図11】本実施形態の他の濃度に最適化した場合の集光位置における収束光の断面の一例を示す図である。
【図12】本実施形態の蛍光物質の発光量の一例を示す図である。
【図13】第２実施形態の分離部による収束光の光路の一例を示す図である。
【図14】本実施形態の集光位置を拡大した光路の一例を示す図である。
【図15】本実施形態の集光位置における収束光の断面の一例を示す図である。
【図16】本実施形態の集光位置を拡大した光路の他の一例を示す図である。
【図17】本実施形態の集光位置における収束光の断面の他の一例を示す図である。
【図18】本実施形態の蛍光物質の発光量の一例を示す図である。
【図19】本実施形態の蛍光物質の発光量の一例を示す図である。
【図20】本実施形態の変形例における集光位置付近の光路の一例を示す図である。
【図21】本実施形態の変形例における収束光の断面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の態様に係る立体表示装置について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施形態は、以下の実施形態に限られない。また、本願でいう「ＸＸに基づいて」とは、「少なくともＸＸに基づく」ことを意味し、ＸＸに加えて別の要素に基づく場合も含む。また、「ＸＸに基づいて」とは、ＸＸを直接に用いる場合に限定されず、ＸＸに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含む。「ＸＸ」は、任意の要素（例えば、任意の情報）である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、各構造における縮尺および数等を、実際の構造における縮尺および数等と異ならせる場合がある。
以下、図を参照しながら、実施形態について説明する。
以下、図を参照しながら、実施形態について説明する。
【0013】
［立体表示装置１の機能構成］
図１は、本実施形態の立体表示装置１の構成の一例を示す図である。立体表示装置１は、蛍光物質２１が含まれる描画空間２を走査対象範囲としてレーザー光Ｌを走査することにより、描画空間２に立体像を表示する装置である。
描画空間２とは、内部に蛍光物質２１を保持することができる空間である。一例として、描画空間２とは、内部に粉末状の蛍光物質２１が封入された、円筒形状の透明な壁を有する円筒容器の内部空間である。この場合、描画空間２は、中空の領域である。他の一例として、描画空間２とは、蛍光物質２１が練りこまれた透明樹脂で形成された物体である。この場合、描画空間２は、中実の領域である。
つまり、描画空間２の「空間」とは、三次元に広がる領域であればよく、中空であるか忠実であるかを問わない。また、描画空間２は、気体、液体、固体のいずれで構成されていてもよい。
図１は、本実施形態の立体表示装置１の構成の一例を示す図である。立体表示装置１は、蛍光物質２１が含まれる描画空間２を走査対象範囲としてレーザー光Ｌを走査することにより、描画空間２に立体像を表示する装置である。
描画空間２とは、内部に蛍光物質２１を保持することができる空間である。一例として、描画空間２とは、内部に粉末状の蛍光物質２１が封入された、円筒形状の透明な壁を有する円筒容器の内部空間である。この場合、描画空間２は、中空の領域である。他の一例として、描画空間２とは、蛍光物質２１が練りこまれた透明樹脂で形成された物体である。この場合、描画空間２は、中実の領域である。
つまり、描画空間２の「空間」とは、三次元に広がる領域であればよく、中空であるか忠実であるかを問わない。また、描画空間２は、気体、液体、固体のいずれで構成されていてもよい。
【0014】
蛍光物質２１とは、フォトルミネッセンス効果のある材料であり、本実施形態の一例においては量子ドット（ＱＤ；Quantum Dot）分散体である。ＱＤ分散体とは、量子ドットを有機溶媒（例えば、トルエン）中、気体中、あるいは固体中に、所定の体積濃度で散在させたものである。
例えば、蛍光物質２１は、希土類元素を含む蛍光体を透明な樹脂中に分散（散在）させて固化したものであってもよい。
例えば、蛍光物質２１は、希土類元素を含む蛍光体を透明な樹脂中に分散（散在）させて固化したものであってもよい。
【0015】
立体表示装置１は、光源部１０と、出射部２０と、記憶部３０と、制御部６０とを備える。
【0016】
光源部１０は、レーザー光源１１０と、変換部１２０とを備える。
レーザー光源１１０は、レーザー光Ｌを出射する。レーザー光源１１０は、一例として、紫外線レーザーや、波長４０５ｎｍの小型レーザーダイオードなどであってもよい。以下の説明において、レーザー光源１１０が出射するレーザー光Ｌのことを光源光Ｌ１ともいう。
レーザー光源１１０は、レーザー光Ｌを出射する。レーザー光源１１０は、一例として、紫外線レーザーや、波長４０５ｎｍの小型レーザーダイオードなどであってもよい。以下の説明において、レーザー光源１１０が出射するレーザー光Ｌのことを光源光Ｌ１ともいう。
【0017】
レーザー光源１１０から出射される光源光Ｌ１は、平行光ではなく、レーザー光源１１０を頂点にした円錐状に広がって進む性質を有している。
レーザー光源１１０から出射された直後の光源光Ｌ１は、径が十分に小さい。一方、レーザー光源１１０から離れた位置の光源光Ｌ１は、出射された直後の光源光Ｌ１に比べて拡径している。このため、レーザー光源１１０から出射された直後の光源光Ｌ１は、径方向の単位面積当たりのエネルギーが比較的高い。また、レーザー光源１１０から離れた位置の光源光Ｌ１は、径方向の単位面積（つまり、光束の断面積）当たりのエネルギーが比較的低い。
レーザー光源１１０から出射された直後の光源光Ｌ１は、径が十分に小さい。一方、レーザー光源１１０から離れた位置の光源光Ｌ１は、出射された直後の光源光Ｌ１に比べて拡径している。このため、レーザー光源１１０から出射された直後の光源光Ｌ１は、径方向の単位面積当たりのエネルギーが比較的高い。また、レーザー光源１１０から離れた位置の光源光Ｌ１は、径方向の単位面積（つまり、光束の断面積）当たりのエネルギーが比較的低い。
【0018】
変換部１２０は、コリメートレンズ１２１を備えている。コリメートレンズ１２１は、円錐状に広がって進む光源光Ｌ１を、所定の径の平行光に変換する。以下の説明において、コリメートレンズ１２１によって平行光に変換されたレーザー光Ｌのことを、コリメート光Ｌ２ともいう。すなわち、変換部１２０は、出射された光源光Ｌ１を所定の径のコリメート光Ｌ２に変換する。
コリメート光Ｌ２は、上述したように、径方向の単位面積当たりのエネルギーが比較的低い状態の光源光Ｌ１を平行光に変換した光である。したがって、コリメート光Ｌ２は、径方向の単位面積当たりのエネルギーが比較的低い。
コリメート光Ｌ２は、上述したように、径方向の単位面積当たりのエネルギーが比較的低い状態の光源光Ｌ１を平行光に変換した光である。したがって、コリメート光Ｌ２は、径方向の単位面積当たりのエネルギーが比較的低い。
【0019】
出射部２０は、光源部１０から入射するコリメート光Ｌ２を収束させて、収束させたコリメート光Ｌ２を描画空間２の内部の集光位置２３に導光する。以下の説明において、出射部２０が収束させたコリメート光Ｌ２のことを収束光Ｌ３ともいう。出射部２０が出射する収束光Ｌ３の進行方向を光軸ＡＸともいう。
【0020】
上述したように、収束光Ｌ３は、コリメート光Ｌ２を収束（つまり、縮径）させた光である。したがって、収束光Ｌ３は、コリメート光Ｌ２に比べ、径方向の単位面積当たりのエネルギーが比較的高い。収束光Ｌ３の径方向の単位面積当たりのエネルギーは、最も収束（縮径）した位置において、最も高くなる。
つまり、蛍光物質２１に入射する収束光Ｌ３のエネルギーは、最も収束（縮径）した位置において最も高い。
つまり、蛍光物質２１に入射する収束光Ｌ３のエネルギーは、最も収束（縮径）した位置において最も高い。
【0021】
出射部２０は、分離部２１０と、収束部２３０と、走査部２４０とを備える。
分離部２１０は、空間位相変調器２１１や回折格子２１２（二次元回折格子）を備えており、コリメート光Ｌ２の波面を変化させることにより、コリメート光Ｌ２をゼロ次光と、高次光とに分離する。以下の説明において、分離部２１０が分離したコリメート光Ｌ２のうち、ゼロ次光をゼロ次コリメート光Ｌ２１０ともいう。また、分離部２１０が分離したコリメート光Ｌ２のうち、±１次光を＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２ともいう。
すなわち、分離部２１０は、コリメート光Ｌ２の波面を変化させることにより、コリメート光Ｌ２をゼロ次コリメート光Ｌ２１０（ゼロ次光）と、１次光以上の高次光（例えば、＋１次コリメート光Ｌ２１１、－１次コリメート光Ｌ２１２）とに分離する。
分離部２１０は、空間位相変調器２１１や回折格子２１２（二次元回折格子）を備えており、コリメート光Ｌ２の波面を変化させることにより、コリメート光Ｌ２をゼロ次光と、高次光とに分離する。以下の説明において、分離部２１０が分離したコリメート光Ｌ２のうち、ゼロ次光をゼロ次コリメート光Ｌ２１０ともいう。また、分離部２１０が分離したコリメート光Ｌ２のうち、±１次光を＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２ともいう。
すなわち、分離部２１０は、コリメート光Ｌ２の波面を変化させることにより、コリメート光Ｌ２をゼロ次コリメート光Ｌ２１０（ゼロ次光）と、１次光以上の高次光（例えば、＋１次コリメート光Ｌ２１１、－１次コリメート光Ｌ２１２）とに分離する。
【0022】
収束部２３０は、収束レンズ２３１を備えている。収束レンズ２３１は、透過するレーザー光Ｌが収束する位置（つまり、焦点距離）を、制御部６０の制御に基づいて変更することができる。収束部２３０を透過するレーザー光Ｌは、上述した分離部２１０によって分離されたゼロ次光と、高次光とによって構成されている。
【0023】
走査部２４０は、走査鏡２４１（例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラーなど）を備えており、収束部２３０が収束させるレーザー光Ｌの出射方向を変化させる。
ここで、走査部２４０が描画空間２を走査する方向について、ＸＹＺの三次元直交座標系を用いて説明する。
三次元直交座標系のＸ軸およびＹ軸は、出射部２０から描画空間２を見込んだ場合の画角を表す。Ｘ軸は、描画空間２の水平方向（図１の左右方向）を示す。Ｙ軸は、描画空間２の奥行き方向（図１の奥行き方向）を示す。走査部２４０は走査鏡２４１の方向を変化させることによって、描画空間２のＸＹ平面内の任意の位置に向けて、収束光Ｌ３を出射することができる。つまり、走査部２４０は、収束光Ｌ３をＸＹ平面において二次元走査する二次元走査部である、ともいえる。
三次元直交座標系のＺ軸は、出射部２０から描画空間２を見込んだ場合の奥行を表す。上述した収束部２３０は、収束光Ｌ３の収束位置（収束レンズ２３１の焦点距離）を変化させることにより、収束光Ｌ３の集光位置２３を、Ｚ軸方向に変化させることができる。
つまり、収束部２３０と、走査部２４０とを合わせて、収束光Ｌ３をＸＹＺ空間において三次元走査する三次元走査部である、ともいえる。以下の説明において、収束部２３０と走査部２４０とを合わせた三次元走査部のことを単に走査部ともいう。
なお、本実施形態の一例では、描画空間２は円筒形状である。走査部２４０は、描画空間２の円筒の底面から、収束光Ｌ３を描画空間２に入射させる。この一例では、ＸＹ平面は、描画空間２の底面に平行な面を表す。また、Ｚ軸は、描画空間２の円筒の高さを表す。
ここで、走査部２４０が描画空間２を走査する方向について、ＸＹＺの三次元直交座標系を用いて説明する。
三次元直交座標系のＸ軸およびＹ軸は、出射部２０から描画空間２を見込んだ場合の画角を表す。Ｘ軸は、描画空間２の水平方向（図１の左右方向）を示す。Ｙ軸は、描画空間２の奥行き方向（図１の奥行き方向）を示す。走査部２４０は走査鏡２４１の方向を変化させることによって、描画空間２のＸＹ平面内の任意の位置に向けて、収束光Ｌ３を出射することができる。つまり、走査部２４０は、収束光Ｌ３をＸＹ平面において二次元走査する二次元走査部である、ともいえる。
三次元直交座標系のＺ軸は、出射部２０から描画空間２を見込んだ場合の奥行を表す。上述した収束部２３０は、収束光Ｌ３の収束位置（収束レンズ２３１の焦点距離）を変化させることにより、収束光Ｌ３の集光位置２３を、Ｚ軸方向に変化させることができる。
つまり、収束部２３０と、走査部２４０とを合わせて、収束光Ｌ３をＸＹＺ空間において三次元走査する三次元走査部である、ともいえる。以下の説明において、収束部２３０と走査部２４０とを合わせた三次元走査部のことを単に走査部ともいう。
なお、本実施形態の一例では、描画空間２は円筒形状である。走査部２４０は、描画空間２の円筒の底面から、収束光Ｌ３を描画空間２に入射させる。この一例では、ＸＹ平面は、描画空間２の底面に平行な面を表す。また、Ｚ軸は、描画空間２の円筒の高さを表す。
【0024】
走査部２４０は、レーザー光Ｌが照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質２１が含まれる描画空間２を走査対象範囲として、収束光Ｌ３が収束する焦点距離と、収束光Ｌ３が出射される光軸ＡＸの方向とを変化させることにより、レーザー光Ｌの集光位置２３を三次元走査する。
上述したように、走査部２４０から出射されるレーザー光Ｌ（つまり、収束光Ｌ３）は、上述した分離部２１０によって分離されたゼロ次光と、高次光とによって構成されている。
上述したように、走査部２４０から出射されるレーザー光Ｌ（つまり、収束光Ｌ３）は、上述した分離部２１０によって分離されたゼロ次光と、高次光とによって構成されている。
【0025】
すなわち、走査部２４０は、レーザー光Ｌが照射されることにより励起されて自発光する蛍光物質２１が含まれる描画空間２を走査対象範囲として、ゼロ次収束光Ｌ３１０（ゼロ次光）と高次光（例えば、＋１次コリメート光Ｌ２１１、－１次コリメート光Ｌ２１２）とを含んだ収束光Ｌ３（レーザー光Ｌ）が出射される光軸ＡＸの方向（光軸方向）と、ゼロ次収束光Ｌ３１０（ゼロ次光）が収束する焦点距離とを変化させることにより、収束光Ｌ３の集光位置２３を三次元走査する。
【0026】
なお、本実施形態において、走査部２４０は、レーザー光Ｌ（コリメート光Ｌ２または収束光Ｌ３）の出射光量を調整する光量調整部（例えば、絞り）や、レーザー光Ｌの出射を遮る遮断部（例えば、シャッター）を備えていてもよい（いずれも不図示）。これら光量調整部や遮断部は、収束部２３０および走査部２４０と同期制御されることにより、描画空間２内の任意の位置に収束光Ｌ３の集光位置２３を制御する。
【0027】
収束光Ｌ３は、描画空間２内の集光位置２３において、蛍光物質２１を励起する励起光として利用される。蛍光物質２１の発光強度は、励起光の強度（つまり、集光位置２３において収束した収束光Ｌ３の強度）に比例する。収束光Ｌ３は、集光位置２３において収束することにより単位体積当たりのエネルギー（つまり、体積エネルギー密度）が高まる。このため、蛍光物質２１は、集光位置２３において強く発光する。
以下の説明において、集光位置２３のうち、収束光Ｌ３が最も収束する位置を、集光点ともいう。
以下の説明において、集光位置２３のうち、収束光Ｌ３が最も収束する位置を、集光点ともいう。
【0028】
出射部２０は、収束部２３０および走査部２４０（つまり、三次元走査部）によって、描画空間２内の各位置を集光位置２３にするようにして走査することにより、描画空間２内に立体像２２を描く。
なお、出射部２０は、描画空間２内において、いわゆるベクタースキャンによる走査を行ってもよいし、いわゆるラスタースキャンによる走査を行ってもよい。
なお、出射部２０は、描画空間２内において、いわゆるベクタースキャンによる走査を行ってもよいし、いわゆるラスタースキャンによる走査を行ってもよい。
【0029】
記憶部３０は、例えば、半導体記憶装置や磁気記憶装置などによる既知の記憶機能を備えており、制御部６０が利用する種々の情報を記憶する。
【0030】
制御部６０は、例えば、コンピュータ装置であり、記憶部３０に記憶されているプログラムおよびデータに基づいて、所定の機能を提供する。制御部６０は、その機能部として、強度制御部６２０を備える。
【0031】
強度制御部６２０は、記憶部３０に記憶されている描画データに基づいて、出射部２０が出射するレーザー光Ｌの強度を制御する。描画データとは、描画空間２内の三次元位置ごとの像の明るさを示す情報である。つまり、描画データは、立体像２２を表示するための情報である。
すなわち、強度制御部６２０は、描画空間２内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、走査部２４０が走査する収束光Ｌ３（レーザー光Ｌ）の集光位置２３における強度を制御する。
すなわち、強度制御部６２０は、描画空間２内の位置ごとの発光強度を示す描画データに基づいて、走査部２４０が走査する収束光Ｌ３（レーザー光Ｌ）の集光位置２３における強度を制御する。
【0032】
［立体表示装置１の動作］
次に、図２を参照して、立体表示装置１の動作の流れの一例について説明する。
図２は、本実施形態の立体表示装置１の動作の流れの一例を示す図である。
（ステップＳ１０）制御部６０は、記憶部３０から描画データを取得する。上述したように、描画データとは、立体像２２を表示するための情報である。
（ステップＳ２０）制御部６０は、レーザー光源１１０を制御することにより、レーザー光Ｌの出射強度を制御する。
次に、図２を参照して、立体表示装置１の動作の流れの一例について説明する。
図２は、本実施形態の立体表示装置１の動作の流れの一例を示す図である。
（ステップＳ１０）制御部６０は、記憶部３０から描画データを取得する。上述したように、描画データとは、立体像２２を表示するための情報である。
（ステップＳ２０）制御部６０は、レーザー光源１１０を制御することにより、レーザー光Ｌの出射強度を制御する。
【0033】
（ステップＳ３０）制御部６０は、収束部２３０の収束レンズ２３１及び走査部２４０の走査鏡２４１を制御する（つまり、走査部を駆動する）ことにより、収束光Ｌ３の集光位置２３を制御する。
（ステップＳ４０）制御部６０は、描画データが示す三次元位置の走査が終了すると、次の描画データがあるか否かを判定する。制御部６０は、次の描画データがある（ステップＳ４０；ＹＥＳ）と判定した場合には、処理をステップＳ１０に戻して、処理を継続する。制御部６０は、次の描画データがない（ステップＳ４０；ＮＯ）と判定した場合には、処理を終了する。
（ステップＳ４０）制御部６０は、描画データが示す三次元位置の走査が終了すると、次の描画データがあるか否かを判定する。制御部６０は、次の描画データがある（ステップＳ４０；ＹＥＳ）と判定した場合には、処理をステップＳ１０に戻して、処理を継続する。制御部６０は、次の描画データがない（ステップＳ４０；ＮＯ）と判定した場合には、処理を終了する。
【0034】
[励起光（レーザー光Ｌ）の強度と蛍光物質の発光状態との関係について]
図３を参照して、本実施形態の集光位置２３における集光状態の一例について説明する。同図は、レーザー光源１１０、変換部１２０、走査部２４０の記載を省略して、分離部２１０および収束部２３０と、集光位置２３との間の光路の幾何学的な関係を模式的に表している。
分離部２１０には、コリメート光Ｌ２が入射する。分離部２１０は、コリメート光Ｌ２をゼロ次光と、高次光とに分離する。
収束部２３０は、収束レンズ２３１を備えており、ゼロ次光と、高次光とに分離されたコリメート光Ｌ２を収束させて収束光Ｌ３とする。収束部２３０は、収束光Ｌ３を描画空間２内の集光位置２３に集光させる。
図３を参照して、本実施形態の集光位置２３における集光状態の一例について説明する。同図は、レーザー光源１１０、変換部１２０、走査部２４０の記載を省略して、分離部２１０および収束部２３０と、集光位置２３との間の光路の幾何学的な関係を模式的に表している。
分離部２１０には、コリメート光Ｌ２が入射する。分離部２１０は、コリメート光Ｌ２をゼロ次光と、高次光とに分離する。
収束部２３０は、収束レンズ２３１を備えており、ゼロ次光と、高次光とに分離されたコリメート光Ｌ２を収束させて収束光Ｌ３とする。収束部２３０は、収束光Ｌ３を描画空間２内の集光位置２３に集光させる。
【0035】
なお、同図の一例では、分離部２１０が空間位相変調器２１１や回折格子２１２に代わる回折部材としての回折レンズを備え、収束部２３０が収束レンズ２３１を備える場合において、以下の条件に基づくシミュレーション結果を示している。
＜出射部２０＞
・コリメート光Ｌ２のビーム径：φ１２～２０ｍｍ
・集光点距離（描画空間２の入射位置から集光位置２３までの距離）：３０ｍｍ
・開口数（ＮＡ）：０．２
・収束光Ｌ３の集光位置２３におけるスポットサイズ：φ５～１５μｍ
・入射光量：１．３ｍＷ
・量子効率：８０％
＜分離部２１０（回折レンズ）＞
・材質：ＢＫ７（ボロシリケートクラウンガラス）
・厚さ（光軸（Ｚ軸）方向の長さ）：２ｍｍ
・形状：両面平面、後面に回折構造を有する
・２次の係数：２５．２３６
・空気間隔：厚さ２ｍｍ
＜収束レンズ２３１（集光レンズ）＞
・材質：ＢＫ７（ボロシリケートクラウンガラス）
・厚さ（光軸（Ｚ軸）方向の長さ）：７．２４ｍｍ
・形状：前面：Ｒ２５．８４ｍｍ、非球面係数 ４次 ２．３８×１０Ｅ－６、 ６次 １．３３×１０Ｅ－９、後面：平面
・空気間隔：厚さ２０ｍｍ
＜描画空間２＞
・蛍光物質２１の屈折率：１．５０
・厚さ（光軸（Ｚ軸）方向の長さ）：５０ｍｍ
＜出射部２０＞
・コリメート光Ｌ２のビーム径：φ１２～２０ｍｍ
・集光点距離（描画空間２の入射位置から集光位置２３までの距離）：３０ｍｍ
・開口数（ＮＡ）：０．２
・収束光Ｌ３の集光位置２３におけるスポットサイズ：φ５～１５μｍ
・入射光量：１．３ｍＷ
・量子効率：８０％
＜分離部２１０（回折レンズ）＞
・材質：ＢＫ７（ボロシリケートクラウンガラス）
・厚さ（光軸（Ｚ軸）方向の長さ）：２ｍｍ
・形状：両面平面、後面に回折構造を有する
・２次の係数：２５．２３６
・空気間隔：厚さ２ｍｍ
＜収束レンズ２３１（集光レンズ）＞
・材質：ＢＫ７（ボロシリケートクラウンガラス）
・厚さ（光軸（Ｚ軸）方向の長さ）：７．２４ｍｍ
・形状：前面：Ｒ２５．８４ｍｍ、非球面係数 ４次 ２．３８×１０Ｅ－６、 ６次 １．３３×１０Ｅ－９、後面：平面
・空気間隔：厚さ２０ｍｍ
＜描画空間２＞
・蛍光物質２１の屈折率：１．５０
・厚さ（光軸（Ｚ軸）方向の長さ）：５０ｍｍ
【0036】
同図に示すように、平行光であるコリメート光Ｌ２は、分離部２１０および収束部２３０を介して、描画空間２内の集光位置２３において収束する。
ここで、集光位置２３における収束光Ｌ３の入射エネルギーの計算モデルについて図４を参照して説明する。
ここで、集光位置２３における収束光Ｌ３の入射エネルギーの計算モデルについて図４を参照して説明する。
【0037】
図４は、本実施形態の集光位置２３における収束光Ｌ３の入射エネルギーの計算モデルの一例を示す図である。出射部２０から出射された収束光Ｌ３は、光軸ＡＸを中心とし、集光位置２３の集光点を頂点とする円錐形状を有している。同図において、光軸ＡＸの方向はＺ軸の方向に一致している。角度θは円錐の頂角の半分の角度（すなわち、光軸ＡＸと円錐の母線とがなす角度）である。面積Ｓは、集光位置２３の集光点から－Ｚ方向（つまり、出射部２０の方向）に距離ｚだけ離れた位置での、光軸ＡＸに直交し半径Ｒである仮想円盤（円錐の断面）の面積である。長さｄｚは、仮想円盤の厚み（Ｚ軸方向の微小長さ）である。
この仮想円盤の面積Ｓは、集光点からの距離ｚと角度θの関数で表すことができ、集光点に近いほど小さい。
したがって、描画空間２内に蛍光物質２１が一様に分布している場合、仮想円盤の体積（Ｓ×ｄｚ）内に含まれる蛍光物質２１の粒子数は、集光点に近いほど少なくなる。つまり、仮想円盤の体積（Ｓ×ｄｚ）内に含まれる蛍光物質２１の粒子数は、集光点を極小値として、集光点からＺ軸方向に離れるほど増加する。
また、描画空間２に入射した収束光Ｌ３は、描画空間２内の光路上の蛍光物質２１を発行させつつ進行する。このため、収束光Ｌ３は、蛍光物質２１内を進む距離に応じた、蛍光物質２１の存在数×量子効率分ずつエネルギーが減衰する。
上述した仮想円盤への収束光Ｌ３の入射エネルギーを仮想円盤の面積Ｓで割れば、断面ごとのエネルギー密度が算出される。このエネルギー密度は、面積Ｓが比較的小さくなる集光位置２３の集光点付近で急激に高くなる。
蛍光物質２１の発光量は、励起光（すなわち、収束光Ｌ３）のエネルギー密度に比例する。このため、蛍光物質２１の発光量は、集光位置２３の集光点付近で急激に高くなる。
この仮想円盤の面積Ｓは、集光点からの距離ｚと角度θの関数で表すことができ、集光点に近いほど小さい。
したがって、描画空間２内に蛍光物質２１が一様に分布している場合、仮想円盤の体積（Ｓ×ｄｚ）内に含まれる蛍光物質２１の粒子数は、集光点に近いほど少なくなる。つまり、仮想円盤の体積（Ｓ×ｄｚ）内に含まれる蛍光物質２１の粒子数は、集光点を極小値として、集光点からＺ軸方向に離れるほど増加する。
また、描画空間２に入射した収束光Ｌ３は、描画空間２内の光路上の蛍光物質２１を発行させつつ進行する。このため、収束光Ｌ３は、蛍光物質２１内を進む距離に応じた、蛍光物質２１の存在数×量子効率分ずつエネルギーが減衰する。
上述した仮想円盤への収束光Ｌ３の入射エネルギーを仮想円盤の面積Ｓで割れば、断面ごとのエネルギー密度が算出される。このエネルギー密度は、面積Ｓが比較的小さくなる集光位置２３の集光点付近で急激に高くなる。
蛍光物質２１の発光量は、励起光（すなわち、収束光Ｌ３）のエネルギー密度に比例する。このため、蛍光物質２１の発光量は、集光位置２３の集光点付近で急激に高くなる。
【0038】
図５は、分離部２１０が存在しない場合の蛍光物質２１の発光量の一例を示す図である。同図の横軸は、集光点からのＺ軸方向の距離を示し、縦軸は蛍光物質２１の発光量を示す。同図は、光軸ＡＸ上での上述した仮想円盤の微小体積（図４に示したｄｚ×ｄｙ×Ｒ）に含まれる蛍光物質２１の粒子数に基づく、単位面積当たりの発光量の変化特性を、蛍光物質２１の濃度別に示したものである。
同図において、集光点（距離０．０ｍｍ）を基準にしてＺ軸方向（光軸ＡＸ方向）に離れた位置（例えば、距離±２．０ｍｍ）から、集光点に近づくと発光量が増加することを示す。一方、集光点の近傍（例えば、距離±０．５ｍｍ付近）では、発光量の増加が頭打ちになっていることを示す。さらに、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲では、急激に発光量が減少していることを示す。
このように、集光点の近傍で蛍光物質２１の発光量が頭打ちになるのは、蛍光物質２１の励起エネルギーの吸収量に限度があることを示している。
また、集光点の直近で蛍光物質２１の発光量が急減するのは、収束光Ｌ３の径（スポット径）が小さくなりすぎて、収束光Ｌ３に励起される蛍光物質２１の粒子数が減少するためである。
同図に示すように、集光点（距離０．０ｍｍ）において発光量が極小値をとり、集光点の近傍（例えば、距離±０．５ｍｍ付近）において発光量が極大値をとる特性を有していると、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じることになる。このような２か所に輝点が生じると、本来は集光位置に輝点を生じさせて描こうとしている立体像２２の画像品質が低下してしまう。
そこで、本実施形態の立体表示装置１は、集光点における収束光Ｌ３の励起エネルギーを空間的に分散させることにより、立体像２２の画像品質を向上させる。以下、立体表示装置１の具体的な実施形態について説明する。
同図において、集光点（距離０．０ｍｍ）を基準にしてＺ軸方向（光軸ＡＸ方向）に離れた位置（例えば、距離±２．０ｍｍ）から、集光点に近づくと発光量が増加することを示す。一方、集光点の近傍（例えば、距離±０．５ｍｍ付近）では、発光量の増加が頭打ちになっていることを示す。さらに、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲では、急激に発光量が減少していることを示す。
このように、集光点の近傍で蛍光物質２１の発光量が頭打ちになるのは、蛍光物質２１の励起エネルギーの吸収量に限度があることを示している。
また、集光点の直近で蛍光物質２１の発光量が急減するのは、収束光Ｌ３の径（スポット径）が小さくなりすぎて、収束光Ｌ３に励起される蛍光物質２１の粒子数が減少するためである。
同図に示すように、集光点（距離０．０ｍｍ）において発光量が極小値をとり、集光点の近傍（例えば、距離±０．５ｍｍ付近）において発光量が極大値をとる特性を有していると、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じることになる。このような２か所に輝点が生じると、本来は集光位置に輝点を生じさせて描こうとしている立体像２２の画像品質が低下してしまう。
そこで、本実施形態の立体表示装置１は、集光点における収束光Ｌ３の励起エネルギーを空間的に分散させることにより、立体像２２の画像品質を向上させる。以下、立体表示装置１の具体的な実施形態について説明する。
【0039】
［実施形態１：アキシャル複数スポット]
図６は、第１実施形態の分離部２１０による収束光Ｌ３の光路の一例を示す図である。本実施形態において、分離部２１０は、例えば、空間位相変調器２１１を備えている。分離部２１０は、空間位相変調器２１１によって、コリメート光Ｌ２を、ゼロ次コリメート光Ｌ２１０と、＋１次コリメート光Ｌ２１１と、－１次コリメート光Ｌ２１２とに分離する。分離部２１０は、分離したゼロ次コリメート光Ｌ２１０、＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２を、収束部２３０に入射させる。
収束部２３０は、収束レンズ２３１によって、ゼロ次コリメート光Ｌ２１０、＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２をそれぞれ集光位置２３の集光点に収束させる。ここで、収束レンズ２３１が収束させるゼロ次光および±１次光を、ゼロ次収束光Ｌ３１０、＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２という。
ここで、集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０（ゼロ次光）の焦点位置と高次光（＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２）の焦点位置は、光軸ＡＸの方向（光軸方向）に分布している。
図６は、第１実施形態の分離部２１０による収束光Ｌ３の光路の一例を示す図である。本実施形態において、分離部２１０は、例えば、空間位相変調器２１１を備えている。分離部２１０は、空間位相変調器２１１によって、コリメート光Ｌ２を、ゼロ次コリメート光Ｌ２１０と、＋１次コリメート光Ｌ２１１と、－１次コリメート光Ｌ２１２とに分離する。分離部２１０は、分離したゼロ次コリメート光Ｌ２１０、＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２を、収束部２３０に入射させる。
収束部２３０は、収束レンズ２３１によって、ゼロ次コリメート光Ｌ２１０、＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２をそれぞれ集光位置２３の集光点に収束させる。ここで、収束レンズ２３１が収束させるゼロ次光および±１次光を、ゼロ次収束光Ｌ３１０、＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２という。
ここで、集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０（ゼロ次光）の焦点位置と高次光（＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２）の焦点位置は、光軸ＡＸの方向（光軸方向）に分布している。
【0040】
つまり、分離部２１０は、集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０（ゼロ次光）の焦点位置と、高次光（＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２）の焦点位置とを、光軸ＡＸの方向（光軸方向）に互いに離れた位置に分布させる。
【0041】
図７は、本実施形態の集光位置２３を拡大した光路の一例を示す図である。集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０どうしが収束する集光点を基準に、光軸ＡＸ軸方向に離れた位置（例えば、±１０４μｍ離れた位置）に、＋１次収束光Ｌ３１１どうしが収束する集光点、および－１次収束光Ｌ３１２どうしが収束する集光点が分布する。すなわち、本実施形態の分離部２１０は、収束光Ｌ３の焦点位置を、光軸ＡＸの方向（光軸方向）に互いに離れた位置に分布させる。
【0042】
図８は、本実施形態の集光位置２３における収束光Ｌ３の断面の一例を示す図である。同図（Ａ）は、上述した－１次収束光Ｌ３１２が収束する集光点（例えば、－１０４μｍ離れた位置）における収束光Ｌ３の径（例えば、８４μｍ）を示す。同図（Ｂ）は、上述したゼロ次収束光Ｌ３１０どうしが収束する集光点における収束光Ｌ３の径（例えば、４０ｍ）を示す。同図（Ｃ）は、上述した＋１次収束光Ｌ３１１どうしが収束する集光点（例えば、＋１０４μｍ離れた位置）における収束光Ｌ３の径（例えば、８４μｍ）を示す。
これは、集光位置２３において、収束光Ｌ３の径が十分に拡径されて、単位体積あたりの収束光Ｌ３のエネルギー密度が、拡径される前に比べて低下していることを示す。
これは、集光位置２３において、収束光Ｌ３の径が十分に拡径されて、単位体積あたりの収束光Ｌ３のエネルギー密度が、拡径される前に比べて低下していることを示す。
【0043】
図９は、本実施形態の蛍光物質２１の発光量の一例を示す図である。同図の横軸および縦軸は、上述した図５と同様である。
同図に示すように、本実施形態の分離部２１０によって、集光位置２３における励起光のエネルギー密度を低下させた結果、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が、上述した図５の場合（つまり、従来例）に比べて緩和されている。
特に、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が７［μｇ／ｍＬ］（同図凡例の”７”のプロット）である場合、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が極めて小さくなり、光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象が抑制されている。すなわち、本実施形態の一例では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が７［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化されているといえる。
このように、本実施形態の分離部２１０を備える立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
同図に示すように、本実施形態の分離部２１０によって、集光位置２３における励起光のエネルギー密度を低下させた結果、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が、上述した図５の場合（つまり、従来例）に比べて緩和されている。
特に、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が７［μｇ／ｍＬ］（同図凡例の”７”のプロット）である場合、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が極めて小さくなり、光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象が抑制されている。すなわち、本実施形態の一例では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が７［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化されているといえる。
このように、本実施形態の分離部２１０を備える立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
【0044】
［他の濃度に最適化した場合の例］
図１０は、本実施形態の他の濃度に最適化した場合の集光位置２３を拡大した光路の一例を示す図である。本実施形態では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化される。
図１０は、本実施形態の他の濃度に最適化した場合の集光位置２３を拡大した光路の一例を示す図である。本実施形態では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化される。
【0045】
より具体的には、集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０どうしが収束する集光点を基準に、光軸ＡＸ軸方向に離れた位置（例えば、±２０８μｍ離れた位置）に、＋１次収束光Ｌ３１１どうしが収束する集光点、および－１次収束光Ｌ３１２どうしが収束する集光点が分布する。すなわち、本実施形態の分離部２１０は、収束光Ｌ３の焦点位置を、光軸ＡＸの方向（光軸方向）に互いに離れた位置に分布させる。
【0046】
図１１は、本実施形態の他の濃度に最適化した場合の集光位置２３における収束光Ｌ３の断面の一例を示す図である。同図（Ａ）は、上述した－１次収束光Ｌ３１２が収束する集光点（例えば、－２０８μｍ離れた位置）における収束光Ｌ３の径（例えば、１６６μｍ）を示す。同図（Ｂ）は、上述したゼロ次収束光Ｌ３１０どうしが収束する集光点における収束光Ｌ３の径（例えば、８０ｍ）を示す。同図（Ｃ）は、上述した＋１次収束光Ｌ３１１どうしが収束する集光点（例えば、＋２０８μｍ離れた位置）における収束光Ｌ３の径（例えば、１６６μｍ）を示す。
これは、集光位置２３において、収束光Ｌ３の径が十分に拡径されて、単位体積あたりの収束光Ｌ３のエネルギー密度が、拡径される前に比べて低下していることを示す。
これは、集光位置２３において、収束光Ｌ３の径が十分に拡径されて、単位体積あたりの収束光Ｌ３のエネルギー密度が、拡径される前に比べて低下していることを示す。
【0047】
図１２は、本実施形態の蛍光物質２１の発光量の一例を示す図である。同図の横軸および縦軸は、上述した図５および図９と同様である。
同図に示すように、本実施形態の分離部２１０によって、集光位置２３における励起光のエネルギー密度を低下させた結果、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が、上述した図５の場合（つまり、従来例）に比べて緩和されている。
特に、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］（同図凡例の”５”のプロット）である場合、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が極めて小さくなり、光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象が抑制されている。すなわち、本実施形態の一例では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化されているといえる。
このように、本実施形態の分離部２１０を備える立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
同図に示すように、本実施形態の分離部２１０によって、集光位置２３における励起光のエネルギー密度を低下させた結果、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が、上述した図５の場合（つまり、従来例）に比べて緩和されている。
特に、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］（同図凡例の”５”のプロット）である場合、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が極めて小さくなり、光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象が抑制されている。すなわち、本実施形態の一例では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化されているといえる。
このように、本実施形態の分離部２１０を備える立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
【0048】
［実施形態２：パラレル複数スポット]
図１３は、第２実施形態の分離部２１０による収束光Ｌ３の光路の一例を示す図である。本実施形態において、分離部２１０は、例えば、回折格子２１２を備えている。分離部２１０は、回折格子２１２によって、コリメート光Ｌ２を、ゼロ次コリメート光Ｌ２１０と、＋１次コリメート光Ｌ２１１と、－１次コリメート光Ｌ２１２とに分離する。分離部２１０は、分離したゼロ次コリメート光Ｌ２１０、＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２を、収束部２３０に入射させる。収束部２３０は、収束レンズ２３１によって、ゼロ次コリメート光Ｌ２１０、＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２をそれぞれ集光位置２３の集光点に収束させる。ここで、収束レンズ２３１が収束させるゼロ次光および±１次光を、ゼロ次収束光Ｌ３１０、＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２という。
ここで、集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０（ゼロ次光）の焦点位置と高次光（＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２）の焦点位置は、収束光Ｌ３の径方向（光軸ＡＸに直交する方向）に分布している。
図１３は、第２実施形態の分離部２１０による収束光Ｌ３の光路の一例を示す図である。本実施形態において、分離部２１０は、例えば、回折格子２１２を備えている。分離部２１０は、回折格子２１２によって、コリメート光Ｌ２を、ゼロ次コリメート光Ｌ２１０と、＋１次コリメート光Ｌ２１１と、－１次コリメート光Ｌ２１２とに分離する。分離部２１０は、分離したゼロ次コリメート光Ｌ２１０、＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２を、収束部２３０に入射させる。収束部２３０は、収束レンズ２３１によって、ゼロ次コリメート光Ｌ２１０、＋１次コリメート光Ｌ２１１および－１次コリメート光Ｌ２１２をそれぞれ集光位置２３の集光点に収束させる。ここで、収束レンズ２３１が収束させるゼロ次光および±１次光を、ゼロ次収束光Ｌ３１０、＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２という。
ここで、集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０（ゼロ次光）の焦点位置と高次光（＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２）の焦点位置は、収束光Ｌ３の径方向（光軸ＡＸに直交する方向）に分布している。
【0049】
つまり、分離部２１０は、集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０（ゼロ次光）の焦点位置と高次光（＋１次収束光Ｌ３１１および－１次収束光Ｌ３１２）の焦点位置とを、収束光Ｌ３の径方向に互いに離れた位置に分布させる。
【0050】
図１４は、本実施形態の集光位置２３を拡大した光路の一例を示す図である。集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０どうしが収束する集光点を基準に、収束光Ｌ３の径方向に離れた位置に、＋１次収束光Ｌ３１１どうしが収束する集光点、および－１次収束光Ｌ３１２どうしが収束する集光点が分布する。なお、同図の一例では、光束Ｌ３Ａのゼロ次光と高次光、光束Ｌ３Ｂのゼロ次光と高次光、光束Ｌ３Ｃのゼロ次光と高次光の光路をそれぞれ模式的に図示している。
すなわち、本実施形態の分離部２１０は、収束光Ｌ３の焦点位置を、収束光Ｌ３の径方向に互いに離れた位置に分布させる。
すなわち、本実施形態の分離部２１０は、収束光Ｌ３の焦点位置を、収束光Ｌ３の径方向に互いに離れた位置に分布させる。
【0051】
図１５は、本実施形態の集光位置２３における収束光Ｌ３の断面の一例を示す図である。レーザー光Ｌが、分離部２１０の回折格子２１２によって回折されることにより、収束光Ｌ３は、同図に示す断面Ａ１－Ａ２において所定の径（例えば、４０μｍ）の範囲に分布する。
これは、集光位置２３において、収束光Ｌ３の径が十分に拡径されて、単位体積あたりのエネルギー密度が、拡径される前に比べて低下していることを示す。
これは、集光位置２３において、収束光Ｌ３の径が十分に拡径されて、単位体積あたりのエネルギー密度が、拡径される前に比べて低下していることを示す。
【0052】
図１６は、本実施形態の集光位置２３を拡大した光路の他の一例を示す図である。同図には、光束Ｌ３Ａ２に、ゼロ次光、±１次光に加え、±２次光が含まれる場合を一例として示している。集光位置２３において、ゼロ次収束光Ｌ３１０どうしが収束する集光点を基準に、収束光Ｌ３の径方向に離れた位置に、＋１次収束光Ｌ３１１どうしが収束する集光点、および－１次収束光Ｌ３１２どうしが収束する集光点、＋２次収束光Ｌ３１３どうしが収束する集光点、および－２次収束光Ｌ３１４どうしが収束する集光点、が分布する。このように、高次光には、±１次光に加え、±２次光や、さらに高次の光が含まれていてもよい。
すなわち、本実施形態の分離部２１０は、収束光Ｌ３の焦点位置を、収束光Ｌ３の径方向に互いに離れた位置に分布させる。
すなわち、本実施形態の分離部２１０は、収束光Ｌ３の焦点位置を、収束光Ｌ３の径方向に互いに離れた位置に分布させる。
【0053】
図１７は、本実施形態の集光位置２３における収束光Ｌ３の断面の他の一例を示す図である。レーザー光Ｌが、分離部２１０の回折格子２１２によって回折されることにより、収束光Ｌ３はゼロ次光、±１次光に加え、±２次光を含み、同図に示す断面Ａ１－Ａ２において、所定の径（例えば、８０μｍ）の範囲に分布する。
これは、集光位置２３において、収束光Ｌ３の径が十分に拡径されて、単位体積あたりの収束光Ｌ３のエネルギー密度が、拡径される前に比べて低下していることを示す。
これは、集光位置２３において、収束光Ｌ３の径が十分に拡径されて、単位体積あたりの収束光Ｌ３のエネルギー密度が、拡径される前に比べて低下していることを示す。
【0054】
図１８は、本実施形態の蛍光物質２１の発光量の一例を示す図である。同図の横軸および縦軸は、上述した図５、図９および図１２と同様である。
同図に示すように、本実施形態の分離部２１０によって、集光位置２３における励起光のエネルギー密度を低下させた結果、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が、上述した図５の場合（つまり、従来例）に比べて緩和されている。
特に、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が７［μｇ／ｍＬ］（同図凡例の”７”のプロット）である場合、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が極めて小さくなり、光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象が抑制されている。すなわち、本実施形態の一例では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が７［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化されているといえる。
このように、本実施形態の分離部２１０を備える立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
同図に示すように、本実施形態の分離部２１０によって、集光位置２３における励起光のエネルギー密度を低下させた結果、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が、上述した図５の場合（つまり、従来例）に比べて緩和されている。
特に、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が７［μｇ／ｍＬ］（同図凡例の”７”のプロット）である場合、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が極めて小さくなり、光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象が抑制されている。すなわち、本実施形態の一例では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が７［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化されているといえる。
このように、本実施形態の分離部２１０を備える立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
【0055】
図１９は、本実施形態の蛍光物質２１の発光量の一例を示す図である。同図の横軸および縦軸は、上述した図５、図９、図１２および図１８と同様である。
同図に示すように、本実施形態の分離部２１０によって、集光位置２３における励起光のエネルギー密度を低下させた結果、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が、上述した図５の場合（つまり、従来例）に比べて緩和されている。
特に、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］（同図凡例の”５”のプロット）である場合、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が極めて小さくなり、光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象が抑制されている。すなわち、本実施形態の一例では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化されているといえる。
このように、本実施形態の分離部２１０を備える立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
同図に示すように、本実施形態の分離部２１０によって、集光位置２３における励起光のエネルギー密度を低下させた結果、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が、上述した図５の場合（つまり、従来例）に比べて緩和されている。
特に、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］（同図凡例の”５”のプロット）である場合、集光点の直近（例えば、距離±０．４ｍｍ以下）の範囲のおける発光量の減少が極めて小さくなり、光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象が抑制されている。すなわち、本実施形態の一例では、描画空間２内の蛍光物質２１の濃度が５［μｇ／ｍＬ］である場合に、画像品質が最適化されているといえる。
このように、本実施形態の分離部２１０を備える立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
【0056】
［変形例］
図２０は、本実施形態の変形例における集光位置２３付近の光路の一例を示す図である。この変形例においては、回折格子２１２に代えて球面収差を利用した拡径を行っている。例えば、収束部２３０の収束レンズ２３１が球面レンズである場合には、収束レンズ２３１の径方向の位置ごとに焦点距離が異なる、すなわち球面収差を有している。このため、収束レンズ２３１に入射したコリメート光Ｌ２は、入射位置ごとに異なる焦点距離をもつ収束光Ｌ３として、収束部２３０から出射される。
図２０は、本実施形態の変形例における集光位置２３付近の光路の一例を示す図である。この変形例においては、回折格子２１２に代えて球面収差を利用した拡径を行っている。例えば、収束部２３０の収束レンズ２３１が球面レンズである場合には、収束レンズ２３１の径方向の位置ごとに焦点距離が異なる、すなわち球面収差を有している。このため、収束レンズ２３１に入射したコリメート光Ｌ２は、入射位置ごとに異なる焦点距離をもつ収束光Ｌ３として、収束部２３０から出射される。
【0057】
図２１は、本実施形態の変形例における収束光Ｌ３の断面の一例を示す図である。同図（Ａ）は、図２０に示した断面Ａ１－Ａ２における収束光Ｌ３の断面を示す。同図（Ｂ）は、図２０に示した断面Ｂ１－Ｂ２における収束光Ｌ３の断面を示す。同図（Ｃ）は、図２０に示した断面Ｃ１－Ｃ２における収束光Ｌ３の断面を示す。
このように構成された立体表示装置１によっても、集光位置２３における収束光Ｌ３の径を十分に拡径することができる。したがって、この変形例による立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
このように構成された立体表示装置１によっても、集光位置２３における収束光Ｌ３の径を十分に拡径することができる。したがって、この変形例による立体表示装置１によれば、集光点近傍の光軸ＡＸ方向の２か所に輝点が生じる現象を抑制でき、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
【0058】
なお、分離部２１０に空間位相変調器２１１などの、レーザー光Ｌの位相を制御可能な機能を有している場合には、制御部６０は、蛍光物質２１の材質や描画空間２内での分散濃度、集光位置２３における輝点の発生の状態（例えば、光軸ＡＸ上の輝点の個数）などに基づいて、収束光Ｌ３の位相をフィードフォワード制御またはフィードバック制御してもよい。
【0059】
以上説明したように、本実施形態の立体表示装置１によれば、収束光Ｌ３の強度を光軸ＡＸ方向あるいは収束光Ｌ３の径方向に分散させることができる。このため、立体表示装置１によれば、光軸ＡＸ上の蛍光物質２１に入射する収束光Ｌ３の強度を、分散させない場合に比べて緩和させることができる。したがって、立体表示装置１によれば、蛍光物質２１に入射する収束光Ｌ３の強度が強すぎることによって光軸ＡＸ上に複数の輝点が生じる現象を抑制することができる。つまり、本実施形態の立体表示装置１によれば、立体像２２の画像品質を向上させることができる。
【0060】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。また、上述した各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0061】
１…立体表示装置、２…描画空間、１０…光源部、２０…出射部、２１…蛍光物質、２２…立体像、２３…集光位置、３０…記憶部、６０…制御部、１１０…レーザー光源、１２０…変換部、２１０…分離部、２３０…収束部、２４０…走査部、６２０…強度制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】