HOPTECH について -波面印刷技術から投影型ホログラフ
ィック 3D 映像技術までHOPTECH–fromwavefront
printing
projection-type holographic display-technologyto涌波光喜 1)
Koki Wakunami1)
国立研究開発法人 情報通信研究機構 1)
National Institute of Information and Communications Technology1)
E-mail: k.wakunami@nict.go.jp
Overview of holographic printing technology (HOPTECH), which is a research project in NICT,
is introduced. An arbitrary designed wavefront can be recorded as a hologram by wavefront
printing technique that is a core technology of this project. In this paper, some applications relatedwith HOPTECH such as 3D data visualization, fabrication of digitally designed holographic
optical elements (DDHOE) and projection-type holographic 3D display are briefly introduced.の一部を紹介する．
２．波面印刷技術の原理
図 1 に NICT における波面プリンタの光学系を示す．予め記録したい任意の波面の複素振幅分布を求め，ホログラムデータに変換する．このホログ
ラムデータの解像度が SLM の有効解像度より大きい場合は，適宜サブホログラムデータとして分割する．SLM には 1 枚のサブホログラムが表示され，入射する平行光は SLM に表示されたサブホログラムデータの干渉縞によって回折する．その後，シングルサイドバンドフィルタによって非回折光や高次回折光，共役光がカットされ，意図した波面のみがその後のレンズ群を介してホログラム記録材料上に物体光として縮小結像される．一方，参照光はホログラム記録材料に対して反対側から平行光として入射することにより，反射型ホログラムが形成される．ホログラム記録材料は自動 X-Yステージに固定されており，2 次元平面上で記録位置を移動しながらサブホログラムデータを切り替えてホログラムを記録することによって，SLM の解像度以上のホログラムデータを記録することができる．
PBS

HWP

M

レーザー光源
波長532nm
SSBF
SF

SLM

１．はじめにホログラフィは，光の干渉と回折現象を利用して対象物体から伝搬する“物体光”の複素振幅分布を記録・再生できる技術である．ホログラムから再生される光は元の物体光を再現するため，ホログラフィは 3 次元情報の可視化技術として広く認知されている．電子ホログラフィは，本来ホログラムに記録される干渉縞を計算機で計算し，空間光変調器(以下，SLM)に表示することで，ホログラム映像を動的に再生する技術である．究極の 3次元映像表示技術として，様々な研究機関が研究開発を行っている[1-7]．しかし，干渉縞を表示する SLM には高い空間-時間解像度が要求されるのに対して，現状の SLM ではこれを満足しないため，実用レベルの画面サイズや回折角を同時に満たす技術の提案はなされていない．NICT では，電子ホログラフィの研究と並行して，2013 年から波面印刷技術に基づく波面プリンタの研究開発を開始した[8-10]．波面プリンタは，電子ホログラフィで再生される物体光を縮小結像し，ホログラム記録材料上で 2 次元的にスキャンしながら体積型ホログラムとして記録する．これによって広回折角かつ大画面のホログラム記録・再生を実現することができる．NICT では，この波面プリンタで記録・再生される波面の精度評価を始め， 3 次元データの高精細な出力，特殊な光学素子 DDHOE(Digitallydesigned holographic optical element)の製造，波面プリンタに入力する数千億画素のホログラムデータの計算技術，波面印刷の特性を考慮したホログラム複製技術などの研究開発を行っている．著者らは波面印刷およびその周辺技術をHOPTECH(Holographic printing technology)と総称している．ここでは，HOPTECH の研究内容

MPBS

X-Y stages
ホログラム記録材料

SLM: 空間光変調器
HWP: 半波長板
SF: 空間フィルタ

PBS: 偏光ビームスプリッタ
SSBF: シングルサイドバンドフィルタ
M: ミラー

Fig.1 Optical setup of wavefront printerTable 1. Specifications of wavefront printer
仕様項目値

液晶パネルの有効解像度

3,600 × 1,800画素

液晶パネルの画素間隔

3.5μm

縮小倍率

0.10

光源の波長532nm

種類

記録再生される情報

HSプリンタ[X-Z]

光線情報
3Dデータの可視化(光線群，ライトフィールド)波面プリンタ[X-Z] 波面情報
(複素振幅分布)利用例

3Dデータの可視化
光学素子の製造

３．3 次元データの記録例
波面プリンタは，3D データの高精細な記録再生が可能である．図 2 に波面プリンタによる 3D データの出力例を示す．記録する対象物体は，実物体から取得した 3D データでもコンピュータグラフ
ィックスで作成されたコンテンツでも良い．また，

ケース 1: 実物体の3Dデータの場合

ケース 2: コンピュータグラフィックス(CG)の場合...

多視点画像の撮影

3Dコンテンツの作成

http://www.gsic.titech.ac.jp/tsubame

TSUBAME2.5
東京工業大学3Dデータの生成

スーパーコンピュータでホログラムデータを計算

波面プリンタで印刷Ｆ記録されたホログラムに再生光となる平行光を入射させると，物体光として記録された任意の波面が再生される．表 1 に波面プリンタの主な仕様を示す．
波面プリンタと類似する技術として，ホログラフィックステレオグラム(HS)に基づく HS プリンタがある．HS プリンタはすでに記録技術が成熟しており，3D データのホログラムプリントサービスを事業として行う企業も複数存在する[11, 12]．ここでは HS プリンタと波面プリンタの違いを考える(表 2)．HS プリンタは，空間方向，角度方向に高密度にサンプリングされた光線情報(光線の位置と伝搬方向，強度)をホログラムとして記録することで立体像を再生する．そのため再生される像の画質は，光線の幅を上限とし，またホログラム面から離れるほど回折の影響で光線が広がるため劣化する[13]．一般的に HS プリンタの場合，再生される光線の幅は記録時のサブホログラム(Hogel と呼ばれることも多い)の大きさと等しい．一方，波面プリンタの場合は，予め用意した任意の波面の複素振幅分布を光学的に再現し，ホログラムとして記録する．厳密にはサブホログラム間の位相の整合性の問題や理想的な再生光による照明が難しいといった課題はあるが，特定の記録条件や再生条件を満たすことで HS プリンタによる像再生を上回る画質を実現できる可能性がある．また，計算機で設計した位相分布を物体光として記録することができるため，3D データの可視化だけでなく，入力光に対して任意の位相変調を実現するホログ
ラフィック光学素子(HOE)の製造技術としての可能性も持つと考えている．
Table 2. Difference between HS printer andwavefront printer

波面プリンタの入力に必要なホログラムデータは，
計 算 機 合 成 ホ ロ グ ラ ム (CGH:Computer
generated hologram)と呼ばれる手法で計算する．
CGH の計算法は，点光源法やポリゴン光源法[14]，光線ベースの手法[15]など種々提案されているが，基本的にはどの計算法を用いても良い．

ホログラム出力結果

Fig.2. Examples of 3D data printing [8]
著者らの開発した波面プリンタは，SLM の画素サイズがホログラム記録時に 0.36um 程度に縮小されるため，例えば記録サイズが 10×10cm2 の場合，約 775 億画素のホログラムデータが必要となる．
そのため著者らは東京工業大学のスーパーコンピ
ュータ TSUBAME2.5[16]上で，約 300 並列の計算処理環境を利用してホログラムデータを計算している．
４．光学素子の製造技術としての利用応用
波面プリンタは，デジタルに設計した HOE を製造することができる．通常の HOE の製造では，所望の回折特性を実現するためには，種々の光学素子を用いて同じ回折光を物体光として形成する必要がある．そのため HOE の大型化には大型の光学素子が必要となりコストがかかる，複雑な回折特性の実現が難しいといった課題がある．これに対して，波面プリンタで製造する HOE は，記録する物体光の位相は SLM に表示するホログラムデータで制御するため，所望の回折光を形成する光学素子を必要とせずに複雑な回折特性の実現が可能である．またサブホログラムずつ 2 次元的に走査しながら記録するため大型化のハードルも低い．
特に通常の HOE 製造技術では物体光をアナログに形成するのに対して，波面プリンタの場合はデジタルに設計した物体光を記録することから，波面 プ リ ン タ で 作 製 し た HOE を 著 者 ら はDDHOE(Digitally designend holographic opticalelement)と呼んでいる．NICT では，これまでに

100Transmission [%]それぞれの凹面ミラーが固有の仕様(直径や焦点距離)を持つ凹面ミラーアレイやステレオ立体視に基づく 3D プロジェクタ用の HOE スクリーンの作成等を行ってきた．次章では，DDHOE の別の作成
例として，NICT で開発した投影型シースルーホロ
グラフィック 3D 映像技術に用いる光学スクリーンについて紹介する．

806040200400500

凹面ミラーアレイ
左目付近に集光

キャリブレーション用
マスクパターン

右目付近に集光プロジェクタ(b) ステレオ視用HOE(左目に集光)(c) ステレオ視用HOE(右目に集光)Fig. 3. Examples of DDHOE fabrication [17]５．投影型ホログラフィック 3D 映像技術
第一章で述べたように，電子ホログラフィは現状の SLM の解像度が不充分であることに加えて，画面サイズ W と回折角 θDIF が以下の式に基づいてトレードオフであることから，両パラメータを同時に実用レベルで実現することが難しい．
(1)
W = p×M
θDIF = sin-1 (λ/2p)(2)
ここで p，M と λ はそれぞれ SLM の画素サイズ，画素数，再生光の波長を表す．そこで，著者らは電子ホログラフィで再生されるホログラム映像を投影レンズで拡大投影し，波面プリンタで作成した DDHOE スクリーンによって特定の観察位置に投影光を集光する技術を開発した．これにより，観察位置は限定されるが，これまでトレードオフの関係にあった画面サイズと画面全体を見るときに成す視野角(図 4 参照)を独立に設計することができる．また，図 5 にあるように DDHOE スクリーンが可視光域に対してほぼ透明であることから，提案技術はシースルーなスクリーン越しにホログラム映像を提示することが可能となった．本技術
は，例えば車載ヘッドアップディスプレイやスマートグラス，ヘッドマウントディスプレイといったシースルーかつ観察者の眼の位置とスクリーンとの関係がある程度固定されるような映像分野への展開が期待できる．
DDHOEスクリーン

ホログラフィックプロジェクタ

θM

視野角θVIS
投影レンズ
画面サイズW

700

Fig. 5. Transmission curve of DDHOE screen [9]HOE(a) 凹面ミラーアレイの例

600Wavelength [nm]電子ホログラフィの再生像

Fig. 4. Concept of projection-type see-throughholographic3D display [9, 10]

表 3 に今回作製した DDHOE スクリーンの主な仕様を示す．想定する観測位置すなわちホログラ
ム映像の集光点の座標は，スクリーンの中心を原点とする座標系で(x, y, z) = (0, 59, 200mm)とした．
この時，観測位置での水平視野角は約 20 度であり，これは後述するホログラフィックプロジェクタ内の SLM を用いた通常の電子ホログラフィ装置と比べて約 6 倍にあたる．図 6 に，作製した DDHOE
スクリーンにホログラフィックプロジェクタからの投影光を模したレーザー光を照射した時の反射光の振る舞いを示す．想定する観測点に反射光が集光していることがわかる．
Table 3. Specifications of the fabricated
DDHOE screen
仕様項目値

スクリーンサイズ

73.6 × 41.4mm2

観測位置での水平視野角20.8度

ホログラム記録材料

コベストロ社 Bayfol HX102

DDHOEスクリーン

レーザー光源(0, 0, 1000) [mm]

想定する観測点(0, 59, 200) [mm]サイドビュー

矩形開口Fig. 5. Reflection of DDHOE screen in artificial
fog [9]
図 6 にホログラフィックプロジェクタの光学系を示す．NICT で以前開発した電子ホログラフィ装置[18]を用いており，再生されたホログラム映像を投影レンズによって DDHOE スクリーンに拡大投影する．表 4 にホログラフィックプロジェクタの主な仕様を示す．今回の実験では，投影倍率を 2.0とした．これによって，最終的な画面サイズは 73× 41mm2 であった．

レーザー光源

532nm

SLM: 空間フィルタ
PBS: 偏光ビームスプリッタ
SSBF: シングルサイドバンドフィルタ
ホログラム映像

SSBF
SLM
PBS
ホログラムデータを表示

投影レンズ

投影面(=DDHOEスクリーン)特長を発揮するためにはサブホログラム間の位相の整合性やサブホログラムに記録される波面自体の精度，再生時に照射する再生光の設計など検討すべき課題も多い．NICT では，図 8 にあるように解像度チャートの記録による奥行きと解像度の評価および記録時のパラメータの検討を行っている[X]．また，波面プリンタのフルカラー化および作製されたホログラムの複製技術に関する研究開発も並行して進めている．

Fig. 6. Optical setup of holographic projector
Table 4. Specifications of holographic projector
仕様項目値

液晶パネルの解像度

7,680 × 4,320画素

液晶パネルの画素間隔

4.8μm

投影倍率

2.0

投影レンズの焦点距離500mm

図 7 に本技術で再生された映像を示す．a は，2次元のチェッカーパターンを表示して観測位置から見た図である．DDHOE スクリーンの光学特性によって，画面全面の光が観測位置に反射されていることがわかる．b, c, d は DDHOE スクリーンの後方 1cm と 5cm の位置に球体を配置した 3D 映像を表示した例である．c と d はそれぞれの球体にカメラの焦点を合わせており，それぞれの焦点付近に配置された球体のみがインフォーカスされていることから，ホログラムによる 3D 映像が表示されていることがわかる．
(a)abcdFig. 7. Reconstructed images of proposed system[9]５．まとめと今後の取り組み
これまで波面印刷に基づく波面プリンタおよびその応用例をいくつか紹介した．波面プリンタは，デジタルに設計した複素振幅分布を出力することで，3D データの高精細な可視化や任意のホログラフィック光学素子製造の可能性を開く一方，そのFig. 8. Comparison of spatial resolutions bydifferent recording parameters [19]
今後は再生される波面が設計通りの特性を有するかといった精度の検証や補正技術の開発を進める．
謝辞
本 研 究 の 一 部 は JSPS 科 研 費 (26790064 ，16H01742)の助成と総務省 SCOPE(162103005)，文部科学省 COI STREAM の委託を受けたものです．
文献
1) Hilaire, P. S. t. et al., Proc. SPIE 1667, 73–84(1992).
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16) http://www.gsic.titech.ac.jp/
17) 大井隆太朗，他，Hodic circular, Vol.36, No.4
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