3 次元画像コンファレンス 2018 講演論文集, P-10 (2018.7.6, 北海道大学)

コンタクトコピーを用いたカラーフィルタ方式 CGH の画質向上
Improvement of image quality by contact copy of color CGHs
using RGB color filters
五十嵐勇祐
松島恭治
Yusuke Igarashi
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 UniversityABSTRACT
High-definition computer-generated holograms (CGH) using RGB color filters make it possible to reconstruct fullcolor 3D images. However, the image quality is still low because of wideband spectral property of the color filter. Inaddition, there is no effective method for mass-production of the full-color CGHs. In this paper, a technique to improve
the image quality is proposed using contact copy of the original color CGH to a volume hologram made of photopolymer.
Optical reconstruction of the transferred CGH is demonstrated to verify the validity of the proposed technique.
Keywords: 計算機合成ホログラム, CGH, フルカラーCGH, 体積ホログラム, 大量生産

1.

はじめに
近年，大規模コンピュータホログラフィの進歩により，従来問題であった非回折光が全く見えないほ雑である問題，さらに，(3)RGB カラーフィルタの広帯域スペクトル特性のため再生像にボケが生じて低画質になる問題がある．

どの高解像度計算機合成ホログラム(以下 CGH)が作

そこで，(1)の干渉縞の欠損の問題と(3)のフィルタ製できるようになってきた[1]．しかし，レーザーリの広帯域特性の問題を低減する方法として積層体積ソグラフィ装置等で二次元画像として干渉縞パター型フルカラーCGH の手法が提案されている[4]．このンを描画して作製されたホログラムは「薄い」ホロ手法では，デニシューク型ホログラムの撮影手法とグラムとなり，波長選択性を持たない．そのため，類似の手法を用いて RGB 三枚の原版 CGH をそれぞ白色光源で再生できず，フルカラー像を再生するこれコンタクトコピーし，作製した三枚の RGB 体積ともできない[2]．

ホログラムを重ね合わせる．しかし，この手法にもこの問題の解決策として，RGB カラーフィルタを記録材料の経年劣化により色ずれが生じる可能性や用いて，再生する波長を光の三原色のみに限定する

三枚の転写 CGH の位置合わせに時間がかかるといカラーフィルタ方式 CGH が提案されている[3]．しった問題がある．

かし，この手法では，(1)RGB の干渉縞を短冊状に分そこで，光の三原色に相当する三波長のレーザー断して組み合わせているため再生像が劣化する問題，光を同軸に重ね，それを用いてカラーフィルタ方式(2)干渉縞と RGB カラーフィルタの位置合わせが煩CGH を一枚の記録材料に体積ホログラムとして転写することにより，(2)のカラーフィルタの位置合わ

五十嵐勇祐<igarashi@laser.ee.kansai-u.ac.jp>
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
TEL 06-6368-1121(内線 5722)

せが必要なく，(3)の広帯域フィルタ特性の問題を大幅に緩和できるフルカラー転写 CGH の作製を試みている[5]．しかし，球面波を用いた場合，RGB カラーフィルタに光が斜入射することが原因で再生効率

3 次元画像コンファレンス 2018 講演論文集, P-10 (2018.7.6, 北海道大学)が低いことが分かった．そのため，本研究では，平行光を用いてカラーフィルタ方式 CGH に光を垂直Interference fringes
made of metal film

White lightに照射することによって，この問題の解決を試みた．
2.

カラーフィルタ方式 CGH の原理
カラーフィルタ方式 CGH の原理を Fig.1 に示す．

ここで用いる RGB カラーフィルタはカラー液晶パネルに用いられる物と同種の物であり，光の三原色である RGB の透過型フィルタとなっている．この手法では，RGB カラーフィルタをフォトマスクとしFull-color reconstructed image

Fig. 1

Principle of full-color reconstruction of highdefinition CGHs using RGB color filters [3].て描画した金属膜干渉縞に重ね，各色のフィルタに1.2重なる部分の干渉縞をその色に対応する波長で計算

1B

ると RGB カラーフィルタを透過する波長帯のみで像が再生されそれが混合してフルカラー再生が実現される．

Intensity[a.c.]

しておく．これにより，白色光でこの CGH を照明す

0.40.23.1. フォトポリマーによる波長選択性

0350

Fig.2 にマルチチップ白色 LED を光源として RGB
カラーフィルタに透過した時のホログラム照明光の1.2ォトポリマーBayfol®HX に形成した体積ホログラ

1て R が 2 分の 1，G が 3.5 分の 1，B が 2 分の 1 ほど狭帯域であることが確認できる．また，Fig.4 の光学

Reflectance[a.c.]

クトルは，Fig.4 に示す二光束干渉光学系を用いてフると RGB カラーフィルタの実効スペクトルに対し450 500 550 600
Wavelength[nm]

650

700

457
B532G640R

450 500 550 600
Wavelength[nm]6500.80.60.4

系を用いて RGB 各色のレーザーで作製した体積ホ0.2

ログラムの回折効率を測定したところ B の波長で0350

3.9%，G で 5.0%，R で 7.9%という結果が得られた．
3.2. 原版 CGH

400

Effective illumination spectrum in fullcolor CGHs using RGB filters.

Fig. 2

実効スペクトルを示す．一方，Fig.3 に示す反射スペムの反射スペクトルである．Fig.2 と Fig.3 を比較す

R0.6

体積型への転写による画質向上

3.

G

0.8400700

Fig. 3 Spectral reflectance of volume hologram
recorded on photopolymer Bayfol®HX.

本研究では原版 CGH として Fig.5 に示す構造を持つカラーフィルタ方式 CGH を用いた．この CGH で

M1M2

は，レーザーリソグラフィ装置を用いてレジスト層

Collimator lens
SFの厚さ変化として二値の位相干渉縞パターンを形成

Glass plate
Photopolymer

している．また，レジスト層の下には金属膜を形成

Collimator lens

しており，入射光をすべて反射する構造となってい45°る．したがって，この CGH では，照明光が通過する位置によって反射光が通過するレジスト層の厚さが変化して位相変調が生じ，その回折で像が再生される．二値の位相変調であるためホログラムの性質とBSSF

Fig. 4 Recording of volume hologram using twobeam interferometry.

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しては振幅変調とほとんど変わらないが，ほぼ全ての変調光が反射されるため振幅変調 CGH と比較して像が明るくなる特徴がある．
3.3. 転写の方法

RGB color filter
Photo resist
Metal film
Substrate

本研究で用いたコンタクトコピーによる転写の原

Fig. 5 Structure of the original CGH.

理を Fig.6 に示す．この手法では，反射再生するカラーフィルタ方式 CGH の再生照明光入射側に記録材

RGB color filer
Metal film

料を密着させる．この時，RGB カラーフィルタは80µm 幅のストライプ構造であるため，RGB カラー
Pinhole

フィルタに対して光を斜入射すると，Fig.7 に示すようにフィルタのエッジでは反射光が入射光とは異なったフィルタを通過してしまい，それによって光波Objective lensが遮光され再生像の明るさが低下してしまう問題がある．

Collimator lens

一方，今回実験に用いたフォトポリマーによる体Reconstructed
imagePhotoresist
Photopolymer

Fig. 6 Contact copy of the original CGH.

積ホログラムでは角度選択性があまり働かず，平行RGB color filer
Metal film

光で撮影したホログラムを球面波で再生することが可能であった．そこで，本研究では，Fig.6 に示すように，平行光を用いて原版 CGH をコンタクトコピ

Pinholeーした．RGB カラーフィルタを装着した原版 CGH
で反射再生された光波が記録材料の背面から記録材Objective lens

料に入射する一方，再生照明光が前面側から入射する．これにより，記録材料内で両者の干渉が生じ，

Photoresist

原版 CGH の再生光を記録材料に記録することがでFig. 7 Problem caused by oblique incidence.

きる．
4.

フルカラー体積型転写 CGH の作製本研究では記録材料として銀塩感材に比べて取り扱 い が容 易な コ ベス トロ 社 製の フォ ト ポリ マー

Shutter1
DPSS LASER L1
f=50mmλ=457nm

Bayfol®HX を用いた．
本研究の原版 CGH の転写に用いた光学系を Fig.8に示す．光の三原色に相当する波長の光源として用Shutter2

いたのは，いずれも狭帯域化した DPSS レーザーでDPSS LASER
λ=532nmある．この光学系では一つのミラーと二つのダイク

L2
f=80mmSF

Photopolymer
DM2 Original CGH

Shutter3重ねている．そして，同軸に重ねたレーザー光を空Fig. 8 Experimental setup for transferring the

間フィルタとコリメータレンズを用いて平行光としoriginal CGH.ている．青色レーザーの光路上にある二つのレンズパンダーである．

DM1Mirror

ロイックミラーを用いて三つのレーザー光を同軸には青色レーザーのビーム径を拡大するビームエキス

Collimator lens

DPSS LASER
λ=640nm5.

転写結果
本実験で用いた原版 CGH の 3D シーンを Fig.9 に示し，そのパラメータを Table 1 に示す．また，転写

3 次元画像コンファレンス 2018 講演論文集, P-10 (2018.7.6, 北海道大学)
y70

5010052xz50
Units : mm52Fig. 9 3D scene of the original CGH.
Table 1 Parameters of the original CGH.
Number of pixels

65,536 × 65,536

Pixel pitch [µm]0.8 × 0.8

Size [mm]52 × 52

Design wavelength [nm] (R,G,B)(a)Transferred CGH

640, 532, 457

したホログラムの再生像と原版 CGH の再生像をそれぞれ Fig.10(a)と(b)に，転写時のパラメータを Table
2 に示す．このとき，どちらのホログラムも白色 LEDを用いて再生している．なお，転写は三波長を順次露光ではなく，同時露光で行っている．実験結果より，再生像のボケは軽減されたが，像の内側がハレ(b)Original CGH
Fig. 10 Optical reconstruction.

ーションを起こしていることが確認できた．これは，照射した平行光の強度分布に偏りがあることが原因であると考えられる．

Table 2 Parameters used for transfer.
Color

RG

B

体積ホログラムの波長選択性によるホログラムのWavelength [nm]640532457

画質向上とフルカラーCGH の生産性向上のため，カIntensity [mW/cm2]

0.450.200.25

ラーフィルタ方式 CGH のフルカラー転写を行った．

Exposure [mJ/cm2]

9.0

4.0

5.0

6.

まとめ

その結果，再生像の画質自体は原版 CGH と比較して向上することが確認できた．しかし，再生像の明るさは原版 CGH には及ばず，再生像の内側と外側で若干の差が確認できた．このことから，転写時に用いる平行光の光強度分布を均一化してフォトポリマーを露光し，再生像の内側と外側が同等な明るさになるよう転写する必要があると考えられる．
7.

謝辞
本研究は，日本学術振興会科研費 18H03349，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)，および科学技術振興機構産学連携バリュープログラム VP29117941340 の助成を受けたものである．

参考文献[1] 松島恭治, 斎藤智崇, 五十嵐勇祐, 國枝織絵, 橋村直柔, 小西涼太: 関大デジタルホロスタジオ
における大規模 CGH 描画・作成技術, HODIC
Circular 38, No. 1, 2-9 (2018).
[2] K.Matsushima, S.Nakahara: Extremely highdefinition
full-parallax
computer-generated
hologram created by the polygon-based method,
Appl. Opt. 48, H54-H63(2009).
[3] Y.Tsuchiyama, K.Matsushima: Full-color largescaled computer-generated holograms using RGB
color filters, Opt. Express 25, 2016-2030 (2017).
[4] 中尾弘希, 松島恭治: フルカラー高解像度体積型 CGH の作成, 3 次元画像コンファレンス 2017,P-10, (2017).
[5] 五十嵐 勇祐, 松島恭治: カラーフィルタを用いたフルカラー体積型転写 CGH の作製, HODIC
Circular 37, No. 3, 10-13 (2017).