3 次元画像コンファレンス 2017 講演論文集, P-4, (2017.7.7, 千葉大学)

光源スイッチング方式ホログラフィックディスプレイ
における偏光マスクの改良と拡張
Improvement and Extension of Polarizer Mask
in Light-Source Switching Holographic Display
土岡智旭
西川 凌
松島恭治
Tomoaki Tsuchioka
Ryo Nishikawa
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
A novel time-division multiplexing holographic display based on light-source switching has been proposed to erase theproblem of the space-band product of currently available spatial light modulators. However, this technique has sufferedfrom degradation of the reconstructed images because of higher diffraction images. To overcome the problem, we haveproposed the technique using a polarizer mask. However, the technique did not work well because of low quality of thepolarizer mask made of a resin. This paper reports the improvement of the polarizer mask and extension of the numberof multiplexing by using the improved polarizer mask. Optical reconstruction is presented for verifying the technique.
Keywords: 空間光変調器，計算機合成ホログラム，時分割再生
1. はじめにが必要となるためコストが高くなりがちである．

3次元立体動画を再生することができる電子ホログラ

一方，時分割多重化は単一のSLMを用いて再生像を空

フィは，輻輳調節矛盾が生じないことから究極の3次元デ間的に走査して多重化する手法である．この手法は単一ィスプレイ技術として注目されている．しかし空間光変のSLMのみを使用し，額縁の処理が不必要なため相対的調器(Spatial Light Modulator，以下SLM)の解像度の低さがにコストが低い．この手法では，例えばMEMS型SLMとボトルネックとなり，十分な空間バンド積を得られない

ガルバノミラーを用いたホログラフィックディスプレイ問題がある．空間バンド積とは，ホログラムにおいてスが提案されている[2]．一方，我々はガルバノミラーのよクリーンサイズと視域角の積に相当する量であり，ディうな機械的な機構を用いずに時分割多重化する手法としプレイのピクセル数に比例する．したがって，同じ解像て光源を高速でスイッチングする方式(Light-source

度であればスクリーンサイズは視域角とトレードオフにswitching，以下LSS)を提案している[3]．この方式では，可なる．そのため，単一のSLMを用いて広視域で大きな再動部がないこと以外に，光源としてレーザーダイオード生像を得ることは困難である．この問題を解決するためを用いることにより高速にスイッチングが可能という利には多重化が必要となる．

点があり，拡張性に優れていると考えられる．

複数のSLMを並べることにより多重化を行うのが空間

しかし，この方式には高次回折像により再生像が劣化分割多重化である．しかし，この手法ではSLMの変調領してしまうという重大な問題点があった．高次回折像と域を隙間なく並べるために非変調領域を処理する複雑なは本来の再生像である１次回折像の周囲に出現する不要光学系が必要となる[1]．また多重化数と同じ個数のSLMな像である．そこで我々は過去に高速液晶シャッターを用いてこの高次回折像による再生像の劣化を軽減する手法を試みた[1, 4]．しかし，高速液晶シャッターにもSLM

土岡 智旭と同様にシャッター部の周囲に額縁があり，それによっ<tsuchioka@laser.ee.kansai-u.ac.jp>て再生像が一部遮られてしまう問題があった．また多重関西大学システム理工学部電気電子情報工学科

化数と同じ数の高価な高速シャッターが必要となるため，〒564-8680 大阪府吹田市山手町3-3-35

高コストとなってしまっていた．

TEL 06-6368-1121(内線 5722)

3 次元画像コンファレンス 2017 講演論文集, P-4, (2017.7.7, 千葉大学)
そこで，高次回折像の影響を軽減する新たな手法とし

x て，光源の偏光特性を利用し，偏光マスクにより高次回

f cpx, y 

f c

(1)

py

折像を大きく軽減する手法を提案している[5, 6]．しかし，で与えられる[3]．ここで， p x と p y はSLMの x 方向と y

従来の樹脂製の偏光マスクは製作精度が低く，大きな光方向のピクセル間隔，λ は光源の波長である．多重化数を軸の倒れが発生していたため，高次回折像除去が不完全

M  N とすると，タイリングされたフーリエ変換像全体であった．の大きさはMwx  Nw y

そこで本研究では，高精度なガラス偏光マスクを開発(2)することでこの問題を改善し，さらに従来の多重化数がと表せる．ここで，wx  wy はLDを一つだけ点灯させたと3 2 であったのに対して， 4  2 までの多重化数拡大をきの1タイル分のフーリエ変換像の大きさであり，試みた．

wx  w y 

2. 光源スイッチング方式時分割電子ホログラフィ

pxf1(3)pyで与えられる． f1 はフーリエレンズの焦点距離である．

原理[3]

2.1.

f1

多重化数 M  N  41 とした場合を例として，Fig.1にこれにより画面サイズを M  N 倍に拡大した再生像を本方式の原理を示す．本研究ではスイッチング可能な点得ることができる．本研究では，画面サイズより視域角光源としてピグテール型レーザーダイオード(以下LD)を拡大を優先したため，焦点距離 f 2 の二つ目のフーリエレ用いている．LDにカップリングされた光ファイバの出力ンズを用いて M  N 倍に視域角を拡大している．

端面から出射される球面波を焦点距離 f c のコリメータ

2.2.

高次回折像による再生像の劣化レンズで平行光にしてSLMに照射する．SLM照明光のキ

本方式でフーリエ面に生じるフーリエ変換像の例を

ャリア周波数は点灯するLDの位置によって変化するた

Fig.2に示す．ここでは本来再生したい再生像である1次回め，SLMで変調された光を光学的フーリエ変換したとき折像を‘ 1 ’と表している．例えばLD1が点灯したとするに，フーリエ面上ではフーリエ変換像は異なる位置に現と，フーリエ面の#1の位置に1次回折像が生じる．しかし，れる．これらの像が隙間なく並ぶように光源間隔を設計

実際には1次回折像の他にも‘ 1 ’や‘ 1 ’で示した不要なしているため，LDをスイッチングして順次点灯し，SLM高次回折像が同時に現れ，LD2を点灯した際には#1の位の表示を同期して切り替えると，フーリエ面でタイリン置に 1 次回折像が現れる．LDをスイッチングして順次グされ全体として一つのフーリエ変換像となる．

点灯させたときは，残像効果によりこれらがすべて重畳

このように隙間なくフーリエ変換像を並べるために必されたものが再生像として現れるため，再生像が劣化し要な点光源の間隔は，コリメータレンズの焦点距離に依てしまう．これが本方式の抱えている重大な問題点であ存し，った．

#1

#2

#3

#4

LD1+1+2+3+4LD2

1+1+2+3LD3

2

1+1+2LD4

3

2

1+1

#1

#2

#3

#4

Fourier transformed images
Collimatorlens𝑦Fourierlens1

Fourier
lens2

DMD

LD1
LD2

#2
#1

LD3
LD4

#3

#4𝑧𝑥
Fourier plane
𝑓𝑐

𝑓𝑐

𝑓1

𝑓1

𝑓2

𝑓2

Fig.1 Principle of the LSS time-division multiplexing holographic display().

Superimposed
diffraction
imagesFig.2 Diffraction images in theFourier plane.

3 次元画像コンファレンス 2017 講演論文集, P-4, (2017.7.7, 千葉大学)

mask

LD1

SLM

LD2
LD4

#6

LD3𝑥LD8

LD7Polarizer

Fourier lens1

Collimator lens𝑦Fourier lens2

#8#7𝑧

#5
LD5
LD6

#3

#4

#2
#1
Fourier plane
𝑓𝑐

𝑓𝑐

𝑓1

𝑓1

𝑓2

𝑓2

Fig.3 Masked diffraction images in the Fourier plane.
め，光は透過する．一方，その周囲に現れる2次回折像や3. 偏光マスクを用いた高次回折像の軽減
高次回折像の影響を軽減する手法の原理をFig.3に示す．

共役像，0次回折光の偏光方向と偏光板の偏光方向は直交するため透過しない．

ここでは多重化数を 4  2 としている．直線偏光光源を用どのLDが点灯した場合も，この偏光マスクは1次回折い，隣り合った光源の偏光面が互いに直交するように光像を透過するが，それと隣り合った高次回折像等を遮蔽源を設置する．偏波保持ファイバを用いるかファイバ出する．従って各LDに対してフーリエ面に表れる像はFig.4

力端に偏光板を取り付けることによりこれは容易に実現のようになり，これらが重畳して再生される．この図でできる．
あるLDで再生されるすべての回折像はLDと同じは，回折像と偏光マスクの偏光方向が直交する場合は黒偏光面を有する．そこで図中のフーリエ面に各LDの1次く塗りつぶしてある．

回折像を透過するように偏光板を貼り付けて作成した偏この手法では3次や 2 次など，さらに高次の回折像は光マスクを設置する．例えば偏光方向が垂直のLD1が点透過されてしまうが，次数が増えるしたがって光強度は灯した場合，フーリエ面の#1の位置にも偏光方向が垂直下がるため，これらの再生像による劣化は1次近傍の像にの1次回折像が現れる．偏光板の偏光方向も垂直であるたよる劣化に比べて小さくなる．このような偏光マスクには，液晶シャッターの額縁のような問題が無く，その製作も簡単であるため，拡張性に優れていると考えられる．

#5 #6 #7 #8
LD5LD6LD7LD8Fourier
plane+1 +2+3+41+1+2+32

1+1232

1+14. 偏光マスクにおける光軸の倒れ
従来，樹脂偏光板をガラス板に接着したものを偏光マ

Polarizationof polarizer
mask

スクとして使用していた．しかしこの偏光マスクでは高次回折像の除去が不完全となる問題があった．これは，偏光マスクの製作精度が低かったためと考えられる．実際，この偏光マスクを通して物体を見ると，視点を振っ#5 #6 #7 #8

Polarizationof LD#1 #2 #3 #4

た際に物体が2重に見える部分があった．これは，Fig.5に示すように，樹脂偏光板自体の面平行度が低く，またガラスに樹脂偏光板を接着する際の浮きにより光軸が倒れているためであることが分かった．そこで樹脂偏光板に

LD1LD2LD3LD4+1+2+3+41+1+2+321+12321+1#1 #2 #3 #4
Fig.4 Masked diffraction images in the Fourier plane.

Complete polarizer mask

Defective polarizer mask

Fig.5 A problem in production of the polarizer mask．

3 次元画像コンファレンス 2017 講演論文集, P-4, (2017.7.7, 千葉大学)
代えてガラス偏光板を用い，接着時に接着面に対して平行な圧力を加えることで偏光板の浮きを防ぎ，光軸の倒ンファレンス2014講演論文集, 2-3 (2014).
[3]

松田篤史, 松島恭治: “LD光源スイッチング方式時れを抑えた新たな偏光マスクを作成した．

分割ホログラフィックディスプレイ”, 電子情報通5. 高次回折像軽減効果の確認

信学会論文誌D, J96-D, 381-388 (2013).

光学再生実験に用いた3Dシーンとパラメータをそれ[4]

東野好伸, 上月拓弥, 松島恭治: “高フレームレート

ぞれFig.6とTable 1に示す．光源には波長 637 [nm] の偏波

SLMを用いた光源スイッチング方式時分割電子ホ保持ファイバカップリング半導体レーザーを用いている．

ログラフィ”, 3Dコンファレンス2015講演論文集, 3-

光源間隔 x  y  11 .3 [mm ] で配置した 4  2 個のファ2 (2015).

イバ光源の出力を焦点距離 f c  250 [mm ] のコリメータ[5]レンズで平行光としてSLMに入射した．本研究では，
SLM と し て ピ ク セ ル ピ ッ チ 10.3 [μm] で 解 像 度

1920 1080 ，最大表示フレームレート10752HzのTexas

東野好伸, 土岡智旭, 松島恭治: 3次元画像コンファ
レンス2016, 6-1 (2016).

[6]

Y. Higashino, T. Tsuchioka, K. Matsushima: OSA
DH2016, Heidelberg, DM4E.1 (2016).

Instruments社製DLP® DiscoveryTM 4100を用いた．
フーリエレンズの焦点距離を f1  f 2  200 [mm] とした時の再生像をFig.7に示す．従来の樹脂偏光マスクを用いた(a)の再生像に比べて，今回改良したガラス偏光マス
クを用いて高次回折像の軽減を行った再生像(b)では像が改善され，再生像をはっきり観察することができる．
6. まとめ
光源スイッチング方式ホログラフィックディスプレイに新開発の高精度ガラス偏光マスクを導入し，高次像除去効果を確認し，あわせて従来よりも多重化数を向上した．
謝辞

Table 1 Parameters used for optical reconstruction.
Display system
No. of pixels of DMD
Pixel pitches of DMD
Wavelength
Focal distance ( f c )Focal distance ( f1 , f 2 )1920 × 1080
10.8 μm × 10.8 μm
637 nm
250 mm
200 mmReconstructed field
No. of pixels in image plane
Sampling interval in image plane
Size of image plane

7680 × 1080
2.7 μm × 5.4 μm
20.7 × 11.7 mm2

本研究は，日本学術振興会の科研費(15K00512)，および文部科学省私立大学戦略基板研究形成支援事業(平成25𝑦20mm
15mm年～平成29年)の助成を受けたものである．

15mm

Imageplane

参考文献[1]𝑥T. Senoh, K. Wakunami, Y. Ichihashi, H. Sasaki, R. Oi, K.
Yamamoto: “Viewing-zone-angle expansion of tiled color
electronic holography reconstruction system,” SPIE Proc.
9006, 90060Z (2014).

[2]

70mm

藤井啓介, 高木康博: “MEMS空間光変調器を用いた視域走査型ホログラフィックディスプレイ,” 3Dコ(a) Resin-made polarizer mask

Fig.7𝑧50mm

Fig.6 The 3D scene used for optical reconstruction.

(b) Glass-made polarizer mask
(This work)

Reconstructed images using the polarizer mask made of resin (a) and glass (b).