令和2年11月27日
NICT電磁波研究所シンポジウム2020

デジタルホログラム光学素子の応用と未来
国立研究開発法人情報通信研究機構
電磁波研究所 電磁波応用総合研究室
大井隆太朗

デジタルホログラム光学素子って何？
～ 回折現象を利用して高性能 ・ 非熟練者でも簡単に製作 ～回折型
ホログラム１枚で光学機能を実現
光学素子

デジタルホログラム光学素子
jp.misumi-ec.com

www.chuo.co.jp/☜ この１枚で大口径の屈折屈折型
17世紀からガラスが主体＝物理的に大きく ・ 重い

凹面鏡と同じ機能を実現

NICTにて内製
共存
８Ｋレンズ (FUJINON)
and-fujifilm.jp/8k

進化・発展
”手作り”

アナログの世界

スマートグラス

ガリレオ式望遠鏡(博物館)
www.astroarts.co.jp

www.konicaminolta.jp

望遠レンズ (400mm)
store.canon.jp/online

POSのバーコードスキャナ
www.zebra.com/jp

戦闘機のホログラム照準minkara.carview.co.jp/userid/1363752

（現在） できの良い3Dモデルをネットで入手可
3DプリンタPhysical空間
実物

3Dプリンターで” 物”が出来る

sketchfab.com/3d-models

Cyber空間3

（現在） 光学素子の製造は手作業が多い～ 生産要素に占める人手の割合が高く、属人的な”暗黙知”が多い ～製造技術
切削・ 研磨・ 蒸着・ 金型（レンズなど）

thorlabs.co.jp

6群7枚 色消しレンズ

プラスチック用金型(例)www.miyakotec.co.jp/products

NIKON 単焦点50mmレンズ
Optical cage system
Deformable mirror

www.edmundoptics.jp

imaging.nikon.com

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（将来） できの良い3Dモデルをネットで入手 ?
ユーザは、パーツの組合せ，微修正だけで、高品質で、ばらつきの無い光学素子を入手できるホログラムプリンタ

ホログラムプリンター
で” 物”が出来る※ 図はハメこみ合成：イメージ図

Cyber空間

Digital Hologram Printer©2013-2020 NICT

Physical空間
7.3cm
4.1cm

実物（光学部品）

DDHOE

2Dプロジェクタ

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ホログラムプリンターって何？
• 計算によって、人工的に任意の振幅と位相を持つ光の波（波面）を発生させ、記録材料（フォトポリマー）に光学素子を記録するプリンター。 ＮＩＣＴ独自開発の技術です。
[2016] Nature Communications

従来法

本手法

涌波 ほか

[2018] Optical Engineering
大井 ほか[2018] Optics Letters
ジャキン ほか

Full Paper ほか多数

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世界のホログラムプリントサービス～ NICT のホログラムプリント技術 との違いは何なのか？ ～先行例 って無いの？

ソニー・ディスクアンドデジタルソリューション
ズ 2010リトアニア「GEOLA」

PIONEER R&D 2014

https://jpn.pioneer/ja/manufacturing/crdl/rd/

アメリカ「ZEBRA IMAGING」

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ホログラムプリンターの種類と特長
分類

反射型のホ 波長選択性 再生像の奥 備考
ログラムの有無
行再現範囲（体積記録） （白色再生） の広さ

波面プリン
ター

YES

YES

フリンジプリ
ンター

ステレオグ
ラムプリン
ター

YES

光の波面を任意に再現

YES

YES

YES

※ 特に波長選択性と、高い回折効率（光の利用効率）を持つ、リップマンタイプのホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）をプリントできることが特徴

8波面プリンターの研究開発
２０１２年～• T. Yamaguchi, O. Miyamoto, and H. Yoshikawa, “Volume hologram
printer to record the wavefront of three-dimensional objects,” Opt. Eng.
51(7), 075802 (2012).
• W. Nishi and K. Matsushima, “A wavefront printer using phase-only
spatial light modulator for producing computer-generated volumeholograms,” Proc. SPIE 9006, 90061F (2014).
• Y. Kim et al., “Seamless full color holographic printing method based on
spatial partitioning of SLM,” Opt. Express 23(1), 172 (2015).
・・・・・・・

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ホログラムプリンターの しくみ• 微小な 要素ホログラム に分けて記録する（セル分割記録）• 物体光発生は 電子ホログラフィ技術 を利用

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ＮＩＣＴ技術の特徴• デジタルホログラムプリントの長所① 回折現象を使うので、ガラス（屈折型）素子と比べ非常にコンパクトな光学素子が得られる② 回折現象による波長選択性が有るので、従来のガラス＋カラーフィルタ、誘電体コートと同様に光学フィルタリング特性が得られる③ 微小なセルをタイリングして光学素子を作るので、大口径の素子でも歪みなく作ることができる• 克服すべき課題(主なもの)• 精度に関する問題• 回折効率に関する問題
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モビリティ応用◼ 飛行機、自動車、その他乗り物向け（用途） • スピードメーターなどをフロントガラスに直接表示 (HUD)(※車載向けヘッドアップディスプレイなどの半透過型光学素子)（課題） • 自動車のフロントガラスの”カーブ”に合った光学補正が必要
出典: continental-automotive.com

100mm

500mm

1000mmドライバーの調節・応答が効く範囲

HOE screen on glass plate

距離 0m

距離 1.5m

ユーザーが視線・ピントを移動することなく情報を得られる

100mm

500mm

1,000mm

産業応用のための基礎検討の様子

12AR/VRディスプレイ応用◼ グラス(眼鏡)タイプ（用途）• 個人向け
• グラスを小型化するため短焦点の（課題） 光導波路HOEを使用する• 非球面の複雑な光学特性が要る→デジタルホログラム光学素子◼ 透過ARスクリーンタイプ（用途）• 多人数向け• 中型～大型ARの透過表示にHOEを利用する（課題）• プロジェクタの球面波を補正する機能が要る→デジタルホログラム光学素子

SIGGRAPH2019
試作HOEの表示例

円柱透過型スクリーン
出典：www.sony.co.jp/SonyI
nfo/News/Press/2019
07/19-071/

倉庫内での活用シーン (fraunhofer.de)

スカウター型のグラス例
出典: www.konicaminolta.jp

微小ミラーを使うグラス
出典: letinar.com

視野角 47°でフルカラー透過表示13光学素子の評価・補償◼ 素子の精密測定および設計データに対する誤差のデジタル・光学補償• マイケルソン干渉計により、試作した素子の波面精度を評価(※誤差量をフィードバックする)

光学素子の評価・補償

光学素子の応用開拓
プリントした光学素子を利用したアプリ
ケーション開発

素子の精密測定および設計データに対する誤差のデジタル・光学補償

波長未満の平面度
ホログラム印刷技術で作成された素子の位相評価
光学素子
特許6607491号, 特許6614636号, ほか出願中3件

特許6245551号,特許6308594号

14デジタルホログラム光学素子の応用と未来～ 多様な産業で利用できる「回折光学素子」の開発で世界を牽引 ～デジタル光学技術

ホログラム顕微鏡
系の倍率：80
対物レンズのNA：0.95

RGB-BPFレンズ

偏光子レンズ 偏光子ミラー

LCoS-SLMデジタルホログラムプリント技術

光学素子の応用
車載HUDなどで実用化される

イメージセンサ

深さ方向

300 mm
0mm

2.4mm

倒立型
白色/蛍光顕微鏡

物流、建築、交通、医療など多数の分野に応用が広がる

透明で動くものを3次元で可視化

6.1mm

例1：動くミジンコ（撮影後に焦点距離を変えられる。）

時間

モビリティ・AR/VR・通信 …

例2：透明なガスが噴出する様
スピンオフ
子の可視化

精密光学測定技術

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まとめ～デジタルホログラム光学素子～• 既存技術との共存で、我が国の光学技術の競争力強化へ• 光学素子の新しい時代に向けての取組み• NICTの光学素子• 回折現象を利用、 素子自体に複雑な光学特性• デジタル技術、（データがあれば）素人でも作成できる• 既存の光学素子• ガラスなどの屈折現象を利用、 素子自体は単純な特性• アナログ技術、 17世紀から続く歴史
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