文献情報： HODIC 学生シンポジウム 2023 論文集，9-12 (2023.2.22, オンライン)

タイリング転写による
積層 CGVH 方式フルカラーCGH の作製
Fabrication of full-color stacked CGVHby tiling contact-copy
藤木 駿介
Shunsuke Fujiki

西 寛仁

Hirohito Nishi

松島恭治
Kyoji Matsushima

関西大学 システム理工学部 電気電子情報工学科〒564-8680 大阪府吹田市山手町 3-3-35
Department of Electrical, Electronic and Information Engineering, Kansai University
Yamate-cho 3-3-35, Suita, Osaka 564-8680, Japan
E-mail: k524366@kansai-u.ac.jp (S. Fujiki)
Abstract
Stacked CGVHs (Computer-generated volume holograms) have capabilities to reconstruct
brighter and less noisy full-color 3D images when comparing another technique. However, it is difficult tofabricate a large CGVH over 10 cm square by using low power lasers. To fabricate large-size CGVHs, thetiling contact-copy method is presented in this paper. Furthermore, problems at the current stage andimprovement plan are proposed to fabricate large-size full-color stacked CGVHs by the tilling contact-copy.
1. はじめに
近年のコンピュータの性能向上に伴い，大型の全方向視差計算機合成ホログラム (FPCGH)を計算・作製することが可能となった．
しかし，フリンジプリンタ等で描画されたCGH は一般に薄いホログラムであり，単色照明光により単色で再生する．CGH をフルカラー再生する手法として，RGB カラーフィルタ
方 式 と [1] ， 積 層 CGVH(Computer-generatedvolume hologram)方式が提案されている[2]．いずれの方式も白色 LED 照明で再生可能である
が，RGB カラーフィルタ方式ではフィルタの帯域が広いため，高品質な再生像を得るには，RGB レーザー照明が必要である[3]．しかし，RGB レーザー光源は高価であり，スペックルノイズが生じる問題もある．一方，積層 CGVH方式では，CGVH の高い波長選択性によって白色 LED 光源による照明でも高品質な再生像を得ることができる．しかし，この方式では低出力レーザーを用いた大型化が難しいため，ビームスキャン法による大型化手法が提案されているが，高品質な再生像は得られていな
い[4]．これは，スキャン時のステージによる振動や，ガラス基板の歪み，ビームの重なりによる劣化等が原因と考えられる．
そこで，このような問題を解消する方法として，タイリング転写法による積層 CGVH の大型化手法を提案している[5]．本稿では，タイリング転写法による大型積層 CGVH フル
カラーCGH の作製方法について述べ，現状の問題点について報告する．
2. タイリング転写法による CGVH 作製2.1. コンタクトコピーによる転写
CGVH 作製では，まずレーザーリソグラフ
ィを用いて原版となる CGH を描画する．レー
ザーリソグラフィによる干渉縞パターンはクローム膜で描かれるため反射再生が可能である，そこで，Fig.1(a)に示すように，原版 CGHの計算に用いた参照光と同じ光を転写光として用い，原版 CGH とフォトポリマーを密着さPhotopolymer

Original CGH

Reference light

Reconstructedlight(a)

せた状態でフォトポリマーを透して原版CGH に転写光を照射する．これにより，原版
CGH の反射回折により生じた再生光と転写光の干渉縞がフォトポリマーに記録される．
このとき，転写光と再生光は互いに対向してフォトポリマーに入射するため体積ホログラムが形成され，Fig.1(b)に示すように，白色照明でも単色再生像が得られる CGVH が作製できる．

(b)

Fig.1 (a) The principle of the contact-copy, and (b)the example of optical reconstruction of a
CGVH illuminated by a white LED.

Original CGH
Photopolymer
Collimator lensShutter

Spatial filter

Fig.2 Contact-copy by the beam-scan method.
Originaｌ CGH
Photopolymer
Collimator lensShutter

Aperture
Spatial filter

Fig.3 Contact-copy by the proposed tiling
method (this work).
105

90

105

Units: mm

Hologram
Fig.4 The 3D scene used to create the fullcolor stacked CGVH.

2.2. タイリング転写法
原版 CGH の面積が大きい場合，転写光ビームを広げる必要があるため，低出力レーザー
では光強度が低下して CGVH の作製が困難になる．そこで，先行研究では，Fig.2 に示すビームスキャン法が提案されている[4]．この方式では，平行光のガウスビームを転写光として用い，ステージを連続的に動作させて原版
CGH 全体をスキャンする．そのため，ステー
ジの振動やガウスビーム周辺部の多重露光が像品質を劣化させる原因になると考えられる．
そこで，本研究では，Fig.3 に示すタイリン
グ転写法を試みている．この手法では，矩形開口を通過した平行光で静止した状態の原版CGH の一部のみを露光し転写する．露光後にステージで移動させて隣接したタイルを転写する．これを繰り返すことで原版 CGH 全体をCGVH にコンタクトコピーする．
この方式であれば，ステージの振動による問題は生じないが，タイルの境界で多重露光や隙間が発生する可能性がある．また，球面波参照光源で設計した原版 CGH に対して，平行光でコンタクトコピーを行う場合の問題点は解消されない[5]．
2.3. フルカラーCGH の作製
本研究で使用している原版 CGH の 3D シーンを Fig.4 に，そのパラメータを Table 1 に示す．この原版 CGH は球面波でコーディングを行っており，厚さ 3mm のガラス基板の収差補正計算を行っている[2]．CGVH の作製に用いた光学系を Fig.5 に示し，タイリング転写によって作製した積層 CGVH 方式フルカラーCGHを白色ピグテイル LED で照明した光学再生像を Fig.6 に示す．虹状のノイズが発生していることがわかる．なお，この虹状ノイズは RGBの個々の CGVH 全てで発生している．

3. 転写光学系の改善
3.1. 虹状ノイズの原因
以前の報告では，ノイズの原因は球面波参照光で計算した原版 CGH を平行光でコンタクトコピーすることによる原理的な問題である可能性を指摘していた[5]．しかし，タイルごとにノイズが発生していることから，Fig.7に示すように光学系を簡略化して転写し，別の可能性を検討した．この光学系を用い，平行光で転写をした赤色 CGVH の光学再生像の例を Fig.8(a)に，またこの光学系からビームエキスパンダーを取り除いた場合の結果を(b)に示す．このとき，原版 CGH には，ガラスの厚みの補正以外のパラメータを全て 1/2 に縮小したものを使用している．
Fig.8(a)では虹状ノイズが発生しているが，(b)では発生していないことがわかる．これは他の波長でも同じであった．このことから，虹状ノイズの原因は，ビームエキスパンダーとコリメートレンズ間で生じた多重反射であることがわかった．
3.2. 開口での回折と多重反射の軽減
タイル境界に生じるギャップや多重露光を減らすには高精度の開口が必要であるため，レーザーリソグラフィを用いてクローム膜で開口パターンを描画している．しかしクローム膜では強い反射が生じるため，開口との間の多重反射も考えられる．そこで，開口に反射防止塗装を施した．また開口による回折の影響を減らすため，開口とフォトポリマーの間隙が最小限になるように開口の設置方法を改良した．
3.3. 単一タイルの転写による確認
以上の改良をすれば実際に像品質が向上するかどうかを確認するため，ビームエキスパンダーを取り除いた Fig.9 に示す光学系を用いて単一タイルの転写を試みた．転写パラメータを Table 2 に示し，光学再生像を Fig.10 に示す．全色で問題なく転写できており，ノイズも確認できないことから，ビームエキスパンダーが虹状ノイズの原因であり，また開口による反射や回折の軽減が有効であると考えられる．

Table 1 Parameters of the original printed CGHs.
Number of pixels
Pixel pitches [μm]Wavelength [nm](R, G, B)
Number of polygons

131,072 × 131,072
0.8 × 0.8(640 , 532 , 473)
22,166

DM: Dichroic mirror
Substrate
LasersAperture Shutter
640[nm]DM
Spatial filter
473[nm]Collimator lensDM

Photopolymer
Original CGH

532[nm]MirrorBeam expanders

Fig.5 Optical setup for the tiling contact-copy.

(a)

(b)

Fig.6 Photographs of optical reconstruction,
focused on (a) the 3D scene and (b)hologram surface of a full-color stacked
CGVH fabricated by the tiling contactcopy.

Substrate

Shutter

Laser

Spatial filter

Beam expander
Collimator lensPhotopolymer
Original CGH
Fig.7 Optical setup for single color contactcopy using a collimated beam.

4. まとめ
タイリング転写方式の光学系の構成上，多重反射の影響を受けたことがノイズの原因であることが判明した．また，対策を施した単一タイルの転写で問題が解消されることがわかった．今後は改良した光学系を用いてタイリング転写を行い，高品質な大型積層CGVH 方式フルカラーCGH の作製を試みる
予定である．
謝辞
本研究は，日本学術振興会科研費 22H03712の助成を受けたものである．
文献(a) With beam expander

Fig.8 Comparison of optical reconstructions (a)with and (b) without the beam expander.

[1] Y. Tsuchiyama and K. Matsushima, “Full-color
large-scaled computer-generated holograms using
RGB color filters,” Opt. Express 25, 2016-2030(2017).
[2] O. Kunieda and K. Matsushima, “High-quality
full-parallax full-color three-dimensional image
reconstructed by stacking large-scale computergenerated volume holograms,” Appl. Opt. 58,
G104-G111(2019).
[3] K. Matsushima, S. Nakahara: Extremely highdeﬁnition full-parallax computer-generated
hologram created by the polygon-based method,
Appl. Opt. 48, H54-H63 (2009).
[4] 國枝織絵, 松島恭治: ビームスキャンによる転写を用いたフルカラー積層体積型 CGH の大型化, 3 次元画像コンファレンス 2019 講演
論文集, P-3 (2019).
[5] 藤木駿介, 松島恭治: タイリング転写による積層 CGVH 方式フルカラーCGH の大型化, 3次元画像コンファレンス 2022 講演論文集,
P-4 (2022).

(a) Red(b) Without beam expander

Substrate
DM: Dichroic mirror
Aperture Shutter
DMDM

Spatial filter

457[nm]Collimator lens Mirror
Photopolymer
Original CGH

Fig.9Lasers
640[nm]532[nm]MirrorOptical setup for contact-copy at RGB
wavelengths without tiling.

Table 2 Parameters of tiling contact-copy.
Wavelength [nm]Exposure [mJ/cm2 ]Exposure time [s]Tile size [mm]Photopolymer(b) Green

Red
640
6.0
15GreenBlue
532
457
5.1
1.6
10
30
26.2 × 26.2
Bayfol🄬HX200(c) Blue

Fig.10 Photographs of optical reconstruction of individual CGVHs transferred without tiling. A white
pigtail LED is used for illumination.