Optics & Photonics Japan 2016, 筑波大学東京キャンパス, 1pP26 (2016.11.1).

フルカラーデジタイズドホログラフィによる CG モデルと実在物のハイブリッドシーンの再生
Reconstruction of Hybrid Scenes of CG-model and PhysicalObjects by Full-Color Digitized Holography○園部徳晃，土山泰裕，松島恭治○

Noriaki Sonobe, Yasuhiro Tsuchiyama, and Kyoji Matsushima
関西大学システム理工学部電気電子情報工学科
Department of Electrical and Electronic Engineering, Kansai University
E-mail: sonobe@laser.ee.kansai-u.ac.jp
Recently, full-color reconstruction of high-definition CGHs has been reported for virtual objects.
Capturing the wave field of physical objects with three wavelengths is also attempted by digitalholography for its optical reconstruction in full-color. This technique is called full-color digitized
holography. However, a 3D scene including only the physical objects was reconstructed so far. In thispaper, we report full-color reconstruction of a hybrid scene including both virtual and physical objects.
１．はじめに近年，単色での再生に限られていた高解像度計算機合成ホログラム(以下，CGH)を，ダイクロイックミラー方式[1]やカラーフィルタ方式[2]によってフルカラー再生させることに成功している．また，2 次元画像や CG モデルの仮想物体だけではなく，デジタルホログラフィ(以下，DH)によって記録した実在物体の光波を高解像度 CGH として 3次元的に再生することも可能である．この技術をデジタイズドホログラフィと呼んでいる[3]．そこで，これらの技術を統合し，3 つの波長を用いて物体光波を記録し，カラーフィルタ方式によってフルカラー再生するカラーデジタイズ
ドホログラフィを試みている[4]．
しかしながら，これまでの試みでは実在物体のみで構成された 3D シーンを再生しており，デジタイズドホログラ
フィの特長である実在物体と CG モデルの仮想物体が混在したシーンの再生は行っていない．そこで，本研究では実在物体と仮想物体が混在したシーンを作成し，フルカラー再生を試みた．
２．カラー物体光波の記録方法
物体光波を CGH によってフルカラー再生させるためには，大面積かつ高密度の物体光波を 3 波長分記録する必要がある．そこで，本研究では 3 つの波長を用いたレンズレスフーリエ型合成開口 DH[5]によって物体光波を記録した．Fig.1 に用いた実験光学系を示す．この実験ではミラーM6 に取り付けたピエゾ素子を用いて位相シフトを行っており，共役像と非回折光を除去している．しかし，解像度が高いモノクロイメージセンサーを用いているため，記録時はシャッターを用いて波長ごとに物体光波の記録をおこなった．イメージセンサは精密ステージに取り付けており，合成開口法によって大面積の光波を取得している．この時，ステージの移動量にはセンサピッチ以上の誤差が発生するため，隣り合った複素振幅像の相関関数を求めて正確に干渉縞を繋ぎ合わせている．
Table 1 のパラメータで記録した光波を逆フーリエ変換して求まる振幅像を Fig.2 に示す．これから分かるように，波長ごとに記録範囲が異なる．これは，この記録方法ではサンプリング間隔が波長に依存しており，かつ全ての波長でサンプリング数が同一のためである．しかし，CGH を作成するためには同じサンプリング間隔でなければならないため，ここでは 1µm となるようにバイキュービッ
He-Ne laser
NDF1 BS2 BS3 BS4633nm
ク法によって補間している．
M2
Table 1 Parameters used for capturing object fields.
Wavelength [nm]488, 532, 633

Number of samplings used fornumerical calculation

32,768 × 32,768

Number of sensor pixels

3,000 × 2,208Sensor pitches [μm]3.5 × 3.5

Number of segments

12 × 16Distance between reference
point source and sensor [mm]250

Shutter 1

SF1

1/2RP1

Image Senser ys

1/2RP4DPSS laser
NDF2488nm

Object
BS1xs

Shutter 2 1/2RP2
DPSS laser
NDF3532nm

Shutter 3

1/2RP3

BS5

SF3

SF2
M1
M5

M3

StageM4M6 with Piezo phase shifterFig.1 Experimental setup for capturing large-scaled wavefields by using lensless-Fourier synthetic apertureDH.３．仮想物体と実在物体が混在したシーンの作成
Fig.3 に作成した 3D シーンを示す．背景の壁紙は 2 次元画像，2 つのイスとテーブルはポリゴンモデルの仮想物体であり，テーブル上部に配置したポットとカップは DH によって記録した実在物体である．
背景は，画像の位相を乱数化して形成し，イスとテーブルの光波はポリゴン法で発生し，スイッチバック法によって隠面消去を行っている[6]．これらの光波に，実在物体のシルエットマスクを乗算し，Fig.2 に示した実在物体光波を加算した．この時，実在物体光波の光強度レベルを合わせるため，仮想物体光波を減衰している．この合成光波をホログラム面まで伝搬して参照光と数値的に干渉し，レーザーリソグラフィで作製できるように 2 値の振幅干渉縞パターンを生成した．これを 3 波長全てでおこない，3 波長分の干渉縞パターンを生成している．
生成した干渉縞からダイクロイックミラーによる再生を想定したシミュレーション再生を行った．用いたパラメータをTable 2 に示し，異なった視点から CGH を観察した際のシミュレーション再生像を Fig.4 に示す．
４．まとめ
光の三原色に相当する 3 つの波長を用いて記録した大面積・高密度の物体光波と CG モデルの仮想物体が混在したハイブリットフルカラーCGH の干渉縞パターンを求めた．また，ダイクロイックミラーを想定したシミュレーションによってフルカラー再生像が得られることを確認した．実際の CGH はカラーフィルタを用いて作製する予定である．
５．謝辞
本研究は，JSPS 科研費 15K00512，および文部科学省私立大学戦略基盤研究形成支援事業(平成 25 年～平成 29 年)の助成を受けたものである．
６．参考文献[1] T. Miyaoka, K. Matsushima, S. Nakahara: SPIE Proc.
9386, 93860N (2015).
[2] 土山，松島，中原，坂本: 3 次元画像コンファレンス
2016, 2-1(2016).

32mm

32mm

32mm

488nm

532nm

633nm

Fig.2 Captured object fields with three wavelengthsy6565xz
120[3] K. Matsushima, Y. Arima, and S. Nakahara, Appl.
Opt. 50, H278-H284 (2011).
[4] 園部，土山，松島: 3 次元画像コンファレンス
2016, 2-2(2016).
[5] T. Nakatsuji and K. Matsushima: Appl. Opt.
47, D136-D143 (2008).
[6] K. Matsushima, M. Nakamura, S. Nakahara :Opt. Express 22, 24450-24465(2014).

Physicalobject

170

Units : mm

Fig.3 3D scene of the full-color CGH.

Table 2 Parameters used for creating the full-color CGH
Number of pixels

65,536 × 65,536

Pixel pitches [μm]1.0 × 1.0

Size of a CGH [mm]65.5 × 65.5

Wavelength [nm]488, 532, 633(b)Center(a)Left(c)Right
Fig.4 Full-color simulated reconstruction of the captured fields using dichroic mirrors.