3 次元画像コンファレンス 2021 講演論文集, 5-3 (2021.7.1, オンライン)

スペクトル狭帯域化 HOE による RGB
カラーフィルタ方式 CGH の再生像品質向上
Improvement of image quality of RGB color filters CGHusing HOE for narrowing illumination spectrum
山崎光誠
Kosei Yamasaki

橋本侑樹
Yuki Hashimoto

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
Department of Electrical, Electronic and Information Engineering, Kansai UniversityABSTRACT
The reconstructed full-color image of CGHs using RGB color filters blurs unless a laser light source is used. This isbecause chromatic aberration occurs due to broad transmission spectrum of the RGB color filters. However, laser lightsources are not only expensive but also problematic from aspects of visual damage and speckle noises. In this study, threeholographic optical element (HOE) for spectrum narrowing are fabricated at three wavelength corresponding to red, green,
and blue colors. These HOEs are stacked and used to improve the reconstructed image of CGHs with RGB color filters,
illuminated by a broadband high-brightness white LED with phosphor.
Keywords: CGH, HOE, 照明光源
1.

はじめに

ルチチップ白色 LED では十分にボケの軽減ができ

全方向視差の高解像度計算機合成ホログラム(以ず，またレーザー光源は高価で大型なだけではなく，下 CGH)は，水平方向視差 CGH や他の 3D 技術とは視覚への危険性やスペックルノイズの問題がある．

違い，3D 感覚が無矛盾で奥行きの深い映像が再生で一方，我々は体積型ホログラフィック光学素子（以きる究極の 3D 映像技術である[1]．しかし，一般に下 HOE）を用いて赤色と緑色の単色再生 CGH の照CGH は薄いホログラムであるため，体積型のアナロ明光を狭帯域化する手法を提案している[5]．

グホログラムと違って，フルカラー再生が困難であ

そこで，本研究では青色のスペクトル狭帯域化る。CGH をフルカラー再生する手法の 1 つに積層ホHOE を追加作製し，それを赤色，緑色の HOE と積ログラムに転写する積層体積方式があるが[2]，現在層して 3 波長で狭帯域化し，蛍光体方式の高輝度白のところ大型化が困難である．一方，大型化が容易

色 LED 光源で照明した RGB カラーフィルタ方式

な手法としては RGB カラーフィルタ方式がある[3]．

CGH の再生像品質の向上を試みた．本論文では，ス

この方式では一般にカラーフィルタの透過スペクトペクトル狭帯域化積層 HOE の作製とそれを用いたル帯域が広いため，照明光源として狭帯域なマルチ照明ユニット，また，それを用いた 10cm 角の大型チップ白色 LED[3]やレーザー光源[4]を用いることフルカラーCGH の再生像を報告する.

で，色収差によるボケを軽減している．しかし，マ2.

スペクトル狭帯域化照明光源

2.1. 構造
山崎光誠<yamasaki@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)

Fig.1 に示すように，個別に製作した 3 波長の HOEを重ね合わせ，白色 LED 光源の出力をこの積層 HOEに入射してスペクトルを狭帯域化し，RGB カラーフ
ィルタ方式 CGH を照明する．各波長の HOE には高3 次元画像コンファレンス 2021 講演論文集, 5-3 (2021.7.1, オンライン)
い回折効率と波長選択性が求められるだけでなく，Stacked HOE

積層することによる位置ずれの補償も必要である．

GBRLED

また，再生像のホワイトバランスの点から，積層する順番は非常に重要である．本研究で HOE 作製に

View point

用いたレーザーと白色 LED 光源の組み合わせで最も良いホワイトバランスを得るために，積層する順

Illuminating light

番を LED 光源側から青→赤→緑とした．
2.2. HOE の特性
HOE は体積ホログラムの一種であり，参照光と物体光波を記録材料に対して反対側から入射すること

CGH fringe

Fig. 1

RGB color filter

Narrowing spectrum of an LED light source
using the stacked HOE.

により作製する．その波長選択性と回折効率は，入射角度等に依存して変化する．そこで，Fig.2 に示す

Output light

二光束干渉法を用いてサイズ約 30mm の HOE を作
製 し ， 記 録 材 料 で あ る COVESTRO 社 製

150°Bayfol®HX200 フォトポリマーの回折効率と波長選択性を測定した．用いたパラメータを Table 1 に示す．
いま L1 側のビームを HOE の入力光，L2 を出力光として，入力光と出力光の角度を 150°に固定し，入射角 θ を変化した時の回折効率の測定結果を Fig.3

L 1(f=50[mm])

SF 2

θ

L 2(f=80[mm])Glass substrate
Photopolymer

SF 1
Input lightFig. 2

Setup for two-beam interference to fabricate
volume HOEs and measure the properties. L,
lens; SF, spatial filter.に示す．ここで，エラーバーは最大最小を示し，回折効率は入射光と HOE 反射光の比として定義している．この結果より，赤色では θ＝45°のとき回折効率が最大となっているが，その変動は測定範囲内で7%以下であり，測定範囲では明確な入射角依存性は検出されなかった．一方，緑色と青色は θ が小さい

Table 1 Parameters used for HOE fabrication.
ColorRedGreenBlue

Wavelength [nm]640532488

Exposure [mJ/cm2]

152025ほど回折効率が高くなっていることがわかる．作製

Ratio of input to output
intensity

した HOE に白色 LED 光を入射した時の反射光スペ

Exposure time [s]クトルの半値全幅を Fig.4 に示す．この結果より，いNumber of trials

1:1243ずれの波長でも入射角 θ が 40°以上の場合には反射スペクトル線幅が 5～6 nm となることがわかる．
ラーバランスの整った擬白色照明光を得るためには各色の HOE の回折効率が近いほうが望ましい．そこで，最も回折効率の低い青色を基準に考えると，Fig.3 より，入射角 θ は 40°以下が望ましい．一方，Fig.4 より 40°以上ではいずれの HOE でも高い波長選択性が得られるため，本研究では，入射角 θ を 40°と決定した．
2.3. HOE の製作とその出力スペクトル

100

Diffraction efficiency [%]これらの結果から，最適な入射角を決定した．カ80

RedGreenBlue60402030354045

505560

Angle of incidence θ [°]Fig. 3

Diffraction efficiency for the incident angle
in Bayfol® HX 200 photopolymer.

3 次元画像コンファレンス 2021 講演論文集, 5-3 (2021.7.1, オンライン)
本研究で用いる白色 LED 光源はピグテイル型で8る．HOE のサイズを 30mm として HOE の設計をした結果が Fig.5 である．この HOE を Fig.6 の光学系を用いて製作した．ここで，各 HOE はガラス基板上に形成しており，積層すると基板の厚さだけ位置がLinewidth [nm]あり，ファイバ端面からの光の発散角は約 45°であずれるため，積層する順序を考慮して各 HOE の位6RedBlueGreen54置を微調整した．なお，HOE の製作に用いたパラメータは Table 1 と同じである．

73035404550Fig. 4

本研究で光源に用いる蛍光体方式白色 LED の出

60

Wavelength selectivity for the incident anglein Bayfol® HX200 photopolymer.

力を作製した各色の HOE に入射した時の反射スペ

Center of virtualillumination

クトルを Fig. 7(c)に示し，LED 光源自体の発光スペクトルを(b)に示す．また，比較のため，マルチチッHOE(B→R→G)

プ白色 LED のスペクトルを(a)に示す．本研究で製150°作した積層 HOE を用いると，蛍光体方式 LED でもLED light 40°
sourceマルチチップ LED 以上に狭帯域化した照明光が得られることがわかる．
3.

55

Angle of incidence θ [°]照明光源ユニットの作製と CGH の光学再生作製した HOE を最も効果的に使用するため，照50mm25mm明ユニットの作製を行った．その構造を Fig.8 に示

Fig. 5

す．このユニットはピグテイル LED 光源のファイ

Design of the stacked HOE.

バ・パッチケーブルのフェルールを挿入することで，狭帯域光を放出する．製作した照明ユニットの写真

Output lightを Fig.9 に示す．製作した照明ユニットを用いて，実際に CGH の光学再生を行った．
Input light

光学再生実験で用いた約 10cm 角サイズの RGB カ
ラーフィルタ方式 CGH の 3D シーンを Fig.10 に示す．また，そのパラメータを Table 2 に示す．積層SF 1

HOE を用いずに白色 LED 光源で直接再生したときた場合の再生像の比較を Fig.11 に示す．本研究で作製した積層 HOE を使用することによって，再生像がシャープになり，像品質が大幅に向上していることを確認できる．
4.

まとめ
3 波長の狭帯域化 HOE を作製し，積層することで白色光源を狭帯域化する HOE を作製した．その積層 HOE を用いることで，蛍光体方式高輝度白色 LEDを用いた光学再生で生じる RGB カラーフィルタ方式 CGH のボケを大きく軽減できることを確認した．

40°

Fig. 6

Glass substrate

Photopolymer
25mmの再生像と，スペクトル狭帯域化積層 HOE を用い

SF 2

150°

50mm

Setup for fabricating HOEs. L, lens; SF,spatial filter.

謝辞
本研究は，日本学術振興会科研費 18H03349 の助成を受けたものである．
参考文献[1] K. Matsushima, Introduction to computer holography,
Chap.1, (Springer, 2019).
[2] O. Kunieda and K. Matsushima, “High-quality fullparallax full-color three-dimensional image
reconstructed by stacking large-scale computergenerated volume holograms,” Appl. Opt. 58, G104-

3 次元画像コンファレンス 2021 講演論文集, 5-3 (2021.7.1, オンライン)

Intensity [a.u.]

G111(2019).
[3] Y. Tsuchiyama, K. Matsushima, “Full-color largescaled computer-generated holograms using RGB
color filters,” Opt. Express 25, 2016-2030 (2017).
[4] K. Matsushima, Introduction to Computer
Holography, Sec. 15.6.4, (Springer, 2020).
[5] 山 崎 光 誠 , 五 十 嵐 勇 祐 , 松 島 恭 治 , 高 解 像 度
CGH 照明用スペクトル狭帯域化ホログラフィ
ック光学素子の作製, 3 次元画コンファレンス
2020，6-3 (2020).

HOE(G→R→B)
Optical fiber
Sample CGH

Fig. 9500

400600

Wavelength [nm]

700

800

104

(a) Multi-chip white LED.
Intensity [a.u.]

𝑦500

600

700

Wavelength [nm]

800𝑧
104

Intensity [a.u.](b) White LED with phospher.
BGR

8370

150

Units: mmTable 2 Parameters of the sample CGHs.
500

600

700800(c) Refraction spectrum of the stacked CGH.

Comparison of illumination spectra.

HOE(G→R→B)

Fig. 8𝑥Fig. 10 The 3D scene of the sample full-color CGH
with RGB filters.

Wavelength [nm]

Fig.7

104

104

400400

Exhibition of a CGH using the fabricatedillumination unit.

ColorRedGreenBlue

Number of pixels

131,072 × 262,144

Pixel pitch [µm]0.8 × 0.4

Size [mm2 ]104 × 104

Wavelength [nm]635517443

Viewing angle [°]231916

Optical fiber ferrule

The structure of the fabricated illumination
unit.

(a) Without HOE(b) With HOE

Fig. 11 Optical reconstruction of the sample CGH (a)without and (b) with the stacked HOE.