ライトフィールド3Dディスプレイ用
ホログラムスクリーンの作製

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
主任研究員 涌波 光喜
2019年7月18日
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概要• コンピュータで設計した光の波面をホログラムとして記録するホログラムプ
リント技術により、高い設計自由度を持つホログラフィック光学素子の作製が可能となる。
• 作製したホログラフィック光学素子を光学スクリーンとして用いた投影型かつシースルーなライトフィールド3Dディスプレイ技術を紹介する。
ホログラムプリンタ技術

ライトフィールドディスプレイ応用

完成した光学素子(HOE)

プロジェクタHOEスクリーン

ホログラムプリンタ

データ
光学素子のデジタル設計再生される光線群（=ライトフィールド）2

背景(1/2)• ディスプレイ用途の多様化
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•
•
•

AR/VR
スマートグラス
ヘッドマウントディスプレイ
車載ヘッドアップディスプレイ
デジタルサイネージ etc.

3背景(2/2)• 求められる機能••
•
•
•

3D
シースルー
投影型
空中結像
コンパクト etc.

パリティイノベーションズ
http://www.piq.co.jp/gallery.html

JDI

https://www.j-display.com/news/2018/20180517.html

ソニー

https://www.sony.jp/video-projector/
products/MP-CD1/

凸版印刷

https://www.toppan.co.jp/news/2017/03/newsrelease170306_1.html

4目指しているディスプレイ
「シースルー」で「投影型」の「ライトフィールド」ディスプレイ

デジタルサイネージでの利用例• 想定される用途例•デジタルサイネージで多言語の指向性表示•ウインドウディスプレイで3D表示による集客力UP•ヘッドアップディスプレイでのAR/VR表示 など
5ライトフィールドディスプレイ
ライトフィールドディスプレイ＝光線の強度と向きを制御• ライトフィールドディスプレイの背景[1]• Plenoptic Function[2]• f(x, y, z, θ, Φ, λ, t)• 座標、方向、波長、時間で光の場を定義• 4次元ライトフィールド[3]• uv面-st面を通過する光線を定義[1]小池崇文, “ライトフィールドディスプレイの研究動向” 電子ディスプレイの人間工学シンポジウム2018[2] Adelson, E.H., Bergen, J.R. (1991). "The Plenoptic Function and the Elements of Early Vision", In Computation Models ofVisual Processing, M. Landy and J.A. Movshon, eds., MIT Press, Cambridge, 1991, pp. 3–20.
[3] Levoy, M., Hanrahan, P. (1996). "Light Field Rendering", Proc. ACM SIGGRAPH, ACM Press, pp. 31–42.

6従来技術とその問題点(1/2)• ライトフィールドディスプレイの種類[1]•レンズアレイベース• インテグラルフォトグラフィ• 液晶パネル＋レンズアレイなど• 複数(スタック)ディスプレイベース•テンソルディスプレイ
•スタック状に複数のパネルを配置

レンズアレイ
液晶パネル【問題点】• 両手法とも背面に液晶パネルが必要• シースルーによるAR表示が困難[1]小池崇文, “ライトフィールドディスプレイの研究動向” 電子ディスプレイの人間工学シンポジウム2018

液晶パネル

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従来技術とその問題点(2/2)• HOEを用いたライトフィールド3Dディスプレイ
レンズアレイ→

ホログラフィック光学素子(HOE)
レンズアレイを反射型HOEとして記録

東京工業大学[4]ソウル大学[5]【特長】• 投影型• 背面に液晶パネルを必要としない• シースルー• HOEの波長選択性により高い透過性と映像の明るさを両立可能【問題点】• コリメーション系が必要• 光学系が大掛かりになりやすい[4]T. Nakamura, M.Yamaguchi, Proc. Vol.10711, Biomedical Imaging and Sensing Conference; 107110H (2018)[5]C.Jang, et al., Applied Optics, Vol.55, No.3, (2016)8新技術の特徴• ホログラムプリンタによる多機能なHOEスクリーンの作製• レンズアレイ(凹面ミラーアレイ)機能、コリメーション機能、チルト機能などを一枚で実現＋＋＝コリメーション系を必要とせず、よりシンプルかつ自由度の高いディスプレイ設計が可能
9一般的なHOEの作製方法
物体光レンズアレイ• レンズアレイで変調された光を記録• 存在する光学素子のレプリカ

記録材料

HOEの仕様が既存の光学素子の機能、性能に制限される
参照光10

ホログラムプリンタによるHOE作製①複数の機能を合波した
光波を計算

電子ホログラフィ装置

記録材料

参照光

②計算した光波を光学的に再生③参照光との干渉縞を記録材料に記録
オリジナルの光学素子を必要としない多機能なHOEを作製可能[6][6] K.Wakunami, et al., Nature Communications, Vol.7, No.12954 (2016)11

ホログラムプリンタの原理
ホログラム記録材料

PC

記録される物体光

ホログラム面SLM

縮小光学系・フーリエ光学系
PBS

SSBF

• 電子ホログラフィで再生された波面が縮小光学系/フーリエ変換光学系を経て縮小されることで回折角が拡大され、物体光としてホログラム記録材料に入射する• XZステージを用いてタイル状に記録することで大画面の出力が可能• 記録材料にフォトポリマを使用
12作製したHOEスクリーンの機能[7,8]
補正前
補正後

チルト機能
＋＋＝

• プロジェクタからの投影光の鏡面反射方向と回折光を分離
プロジェクタ

レンズアレイコリメーション機能(フィールドレンズ)• 半円状(縦方向の密度2倍)• 各レンズアレイから反射する主光線の発散をキャンセル

各機能の位相分布を合成したデータを計算しホ
ログラムプリンタでHOEとして作製

プロジェクタ[7] R. Oi, et al., Optical Engineering, Vol.57, No.6, (2018)[8] Jackin, B. J. et al. Digitally designed holographic optical element for light field displays. Opt. Lett. 43, (2018).

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設計仕様 [7,8]• ディスプレイ
HOEスクリーンサイズ：20 cm (H) x 10 cm (V)
投影距離：576 mm観察距離：1,000 mm
投影画角：約20度• HOEスクリーン
対応波長：フルカラー(473nm, 532nm, 660nm)
レンズ数：200 x 200
焦点距離：2,15 mm
レンズの大きさ：0.5 mm (H) x 1.0 mm (V)Y方向のチルト：最大5.15度
コリメーションレンズ機能の焦点距離：56.7 mm[7] R. Oi, et al., Optical Engineering, Vol.57, No.6, (2018)[8] Jackin, B. J. et al. Digitally designed holographic optical element for light field displays. Opt. Lett. 43, (2018).

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再生例

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実用化に向けた課題• ディスプレイの画質・性能の評価・改善• 作製したHOEスクリーンの機能の測定、補正• 色バランスの調整、角度依存の色ムラの補正 など

カラーチャートによる評価例

ホワイトバランスの調整例• システムの小型化・キャリブレーション技術の構築• 小型プロジェクタの利用、マルチプロジェクション化• キャリブレーション技術の高速化・自動化(現状は20分程度) など
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企業への期待• 用途に応じたディスプレイ仕様の検討• 想定される用途に応じたディスプレイ設計やHOEスクリーンのパラメータの最適化といった検討• マルチプロジェクションシステムの開発• 複数の小型プロジェクタによる高解像度化・自動キャリブレーション化
によるシステムの実用化• ホログラムプリンタで作製するHOEの他用途への応用• 凹/凸面鏡、マイクロレンズ/ミラーアレイといったホログラムプリンタで作製できるHOEの他用途のご提案など

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本技術に関する知的財産権
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発明の名称
出願番号
出願人
発明者

：ホログラムスクリーン及びその製造方法：特願2015-095298：国立研究開発法人情報通信研究機構：涌波光喜、他• 関連する特許• 特願2015-210488 ホログラムデータ生成装置及びそのプログラム• 特開2018-180201 ホログラム記録装置およびホログラム製造方法18

お問い合わせ先
国立研究開発法人情報通信研究機構
イノベーション推進部門 知財活用推進室
技術移転コーディネータ 宇梶 純良
電話 042-327-6950
Fax 042-327-6659
E-mail: ippo@ml.nict.go.jp

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