第22回関西大学先端科学技術シンポジウム講演集, 237-240 (2018.1.19, 関西大学)

計算機合成ホログラム作成・表示技術の進展
松島恭治

関西大学 システム理工学部 電気電子情報工学科

概要：戦略基盤プロジェクト開始以降の計算機合成ホログラム作成・表示技術の進展を概観している．主に静止画と動画に分け，静止画については，カラーフィルタ方式のフルカ
ラー計算機合成ホログラム製作技術について述べる．また，その改良を目的とした体積ホログラム転写技術，レーザーリソグラフィによる描画技術自体の改良，マルチレベル位相変調の導入や，端面入射型照明光源の導入について述べ，動画表示技術として光源スイッチング方式時分割多重化技術について報告する．

1．はじめに2013 年に文科省戦略基盤形成支援事業のプロジェクト(以下，戦略基盤プロジェクト)として，「コンピュータホログラフィ技術を中心とした超大規模CGH があったとすると，これを画素ピッチ 0.1 mmで作成し再生すると，画面サイズは 200 mm  200mm となるが視域角はわずか 0.36 度となる．画素ピッチを 0.8 m にすると，上述のとおり視域角 45 度

データ処理指向コミュニケーション」という長い名前のプロジェクトを開始して以来ほぼ 5 年間が経過した．単にコンピュータホログラフィだけでなく，音響，通信，さらには最終的な応用形態の模索までを見据えてスタートしたプロジェクトであったが，その中核になるのは計算機合成ホログラム(Computer-Generated Hologram: CGH)を作成・表示するコンピュータホログラフィの技術である．

が得られるが，画面サイズはわずか 1.6  1.6 mm2 となってしまう．従って，視域角 45 度で数センチ角程度の CGH を作成するために必要な画素数は，数10 億画素以上になってしまう．こちらは，主としてCGH の計算やデータハンドリング上の大きな問題点となる．
これらの問題点を乗り越えて，マサチューセッツ工科大学(MIT)ミュージアムで CGH を展示できた
ことが 2-3)，やはり大きな契機となって戦略基盤プロジェクトにつながったことは否めない．本稿では，プロジェクトスタート以降に開発した作成・表示技術や，現在開発中の技術を述べる．

この作成・表示技術における最大の問題点は，視点を変 えて 立 体像 を観 察でき る範 囲 ( 視域 角 ) がCGH の干渉縞画像の物理的な画素ピッチによって決まることである．実際，コンピュータホログラフ
ィでは視域角は 2sin 1[ / (2 p)] で与えられる．は波長で p は画素ピッチである．ここから計算すると例
えば，赤色の波長で視域角 45 度を得るために必要な画素ピッチは約 0.8 m となる．これが CGH の製作・表示の上で大きな問題となる．
これとよく似ているが，もう一つの大きな問題点は空間バンド積の問題と呼ばれている 1)．これは，簡単に言えば，画面サイズと視域角の積が画像のピクセル数に概ね比例するという問題である．つまり，大きな画面サイズと広視域を両立するためには，どうしても大きな画素数(計算においてはサンプリング数)が必要となる．例えば，2,000  2,000 画素の2．静止画技術
本プロジェクトでは，静止画描画サービスをこの分野の研究者に提供する関大デジタルホロスタジ
オを設立し運営している 1)．関大デジタルホロスタ
ジオでは，サブミクロンの画素ピッチで CGH を作成できるレーザーリソグラフィ装置を備えており，静止画の作成ではこの装置が中心的な役割を果たしている．

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干渉縞パ
ターン

RGBカラーフィルタ
5.2cm
フルカラー再生像

白色LED

白色照明光

非回折光

(a)

(b)

図 1 カラーフィルタ方式フルカラー高解像度 CGH4)．(a)原理，(b)再生像の例．

2.1 カラーフィルタ方式フルカラーCGHぼけが生じることや，カラーフィルタの位置合わせ静止画での大きなトピックは，手軽にフルカラーCGH を作成できるようになったことであろう．従来，レーザーリソグラフィ装置で作成される高解像度 CGH ではモノクロの再生像しか得られなかったが，図 1(a)に示す通り，液晶パネルで用いられるRGB カラーフィルタをレーザーリソグラフィで描画した CGH 干渉縞パターンに貼り合わせることで，カラー再生が可能となった 4)．図 1(b)にこの技術でが難しく，量産性に欠けるといった問題点がある．
2.2 フルカラー転写 CGH
カラーフィルタ方式 CGH の問題点を解消するた
めに，RGB カラーフィルタより狭帯域な波長選択性を有する体積ホログラムにレーザーリソグラフ
ィで作製した高解像度 CGH の像を転写する研究を進めている 6-7)．図 2 にその原理を示す．(a)では，レーザーリソグラフィで作製した 3 枚の原版 CGH作成したカラーCGH の例を示す．
この技術で作成される CGH は，像合成に大きな光学系が必要なダイクロイックミラー方式フルカ
ラーCGH とは異なり 5)，従来のモノクロ CGH とほぼ同様に展示可能である．しかし，RGB カラーフィ
ルタのフィルタ特性が広帯域であるため，再生像にを 3 枚の体積ホログラムに転写してそれを積層することによりフルカラー再生を行う．この手法は，カラーフィルタ方式のように干渉縞を分断しないため，再生像品質が大きく向上する．一方 (b)では，通常のカラーフィルタ方式 CGH を原版としてそれを体積ホログラムに転写することにより，ボケの改原版
CGH

R

Rレーザ
転写

原版
CGH

GGレーザ
転写

原版
CGH

原版
CGH

B

Bレーザ
転写

RGBレーザ
転写

体積型
ホログラム

体積型
ホログラム

体積型
ホログラム

体積型
ホログラム

RGB

RGBR

白色照明光

白色照明光
(a)

(b)

図 2 フルカラー転写 CGH の原理．(a)積層型カラー転写 CGH，(b)フィルタ型カラー転写 CGH．

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ガラス基板
Cr膜干渉縞パターン
CrO保護膜非回折光

θ厚膜レジストによる位相干渉縞パターン
Cr反射膜

θ再生光

再生光

θ
照明光

θ
高反射

低反射(a)

ガラス基板

善と同時に量産性を向上させることを目的としている．
2.3 レーザーリソグラフィ装置の高度化
関大デジタルホロスタジオで運用しているレーザーリソグラフィ装置では，仕様上の最小描画画素ピッチは 0.6 mであるが，実際には 0.6 m 以下で描画しても十分に高い解析効率が得られることが分かった．これは，このレーザーリソグラフィ装置の本来の使用目的が超微細加工用のフォトマスク作成であるのに対して，我々はフォトマスクほどの正確さが必要でない CGH 干渉縞を描画しているためと考えられる．
また，従来のレーザーリソグラフィ装置ではクロム膜による振幅バイナリの干渉縞を描画していたが，描画レーザーの強度を 8 ビット(256 レベル)で変高反射(b)

図 3 (a)クロム膜によるバイナリ振幅変調 CGH，(b)レジストによる表面レリーフ型位相変調 CGH．

調することにより，厚膜レジストを用いて表面レリーフを形成するオプショCGH

ホログラフィック
光学素子

ガラス
CGH
拡大図

再生光

再生光

ン改修を行っている．図 3 に示す通り， 照明光源
照明光源
この表面レリーフにより，原理的には(a)(b)
8 ビットのマルチレベル位相変調 CGH
図 4 (a)従来の照明光源，(b)端面入射型照明光源．
が作製可能となる．
従来の振幅変調では，CGH の光学再えられる．
生像に共役像と呼ばれる不要像が発生することを
3. 動画再生技術原理的に防ぐことができない．共役像による像劣化
液晶パネルなどの電子表示デバイスを用いればを避けるには，再生できる 3D シーンに制約を設けCGH を動画として再生することができる．これはる必要があった．特に，再生像が CGH の手前側に飛び出すフローティング型 CGH の作成が難しかったが，マルチレベル位相変調により，このタイプのCGH が製作可能になることが期待されている．
2.4 端面入射型コヒーレント照明光源
高解像度 CGH の応用としては，サイネージ，室内装飾，ロゴ，アート等が考えられるが，実際の応用にあたって一つの問題点となるのが再生照明光源である．反射型 CGH の場合，図 4(a)に示す通り，CGH の手前に 25～30 cm の位置に光源を配置する必要がある．そのため，CGH を展示する場所が著しく制約を受ける．また光源自体も像の観察を阻害している．
そこで，エガリム社と共同で，図 4(b)に示す端面
入射型照明光源による CGH 展示の研究を行っている．これにより光源が像観察を阻害しなくなり，壁掛けなど，様々な新しい展示方法が可能になると考電子ホログラフィやホログラフィックディスプレ
イと呼ばれ，人の視覚の様々な奥行き感覚を無矛盾で正確に満たすことができるため，究極のディスプレイと言われている．しかし，1 節で述べた空間バンド積の問題のため，従来の数百～数千倍の解像度のディスプレイデバイスが必要となり，現時点では単一のデバイスでそれを実現することは不可能である．そこで，一つのディスプレイデバイスを時分割多重化して用いる研究を行っている．
図 5 に，本プロジェクトで開発を進めている光源スイッチング方式時分割多重化ホログラフィックディスプレイの概念図を示す 8)．この方式では，高フレームレートディスプレイデバイスとしてDigital Mirror Device (DMD)を用い，照明光源として高速スイッチング可能なレーザーダイオード(LD)をアレイ化して用いている．この LD アレイのうち

第22回関西大学先端科学技術シンポジウム講演集, 237-240 (2018.1.19, 関西大学)#4#3#2フーリエレンズ1コリメータ
レンズ1y
#1

DMD

#13x
#14#15#16

フーリエ面#13#14#15

#16

フーリエ
レンズ2z
#1#1#2#3#4

図 5 光源スイッチング方式時分割多重化ホログラフィックディスプレイの原理(16 倍多重化)11)．

同時に点灯しているものは一つだけであり，図に示すように，点灯している LD の位置によってフーリエ面上の異なった位置に像が再生される．そこで，点灯する LD と同期して DMD に表示する CGH を変えるとフーリエ面で像をタイリングすることができる．したがって，この方式による多重化数は LD光源の数と等しくなる．この方式では高次回折像による劣化が生じるが，偏光特性によってそれを軽減(4) Y. Tsuchiyama, K. Matsushima, Full-color largescaled computer-generated holograms using RGBcolor filters, Opt. Express 25, 2016-2030 (2017).
(5) T. Miyaoka, K. Matsushima, S. Nakahara,
Optimization of design-wavelength for unobtrusive
chromatic aberration in high- definition color
computer holography, SPIE Proc. 9386, 93860N(2015).

する手法を考案している 9,10)．
現時点では，4  4 の配列で 16 倍に多重化する装(6) 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,置を試作している 11)．
3. まとめ戦略基盤プロジェクトの開始以降の計算機合成
ホログラムの作成技術と表示技術を概説した．プロ
ジェクトの方は 2017 年度末で終了するが，これらの技術には，まだまだ開発中の物が多い．特に高解像度の静止画 CGH については，企業との連携も始まっており，関大ホロスタジオにも海外からの問い

P-10 (2017).
(7) 五十嵐勇祐, 松島恭冶, 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).
(8) 松田篤史, 松島恭治, 光源スイッチング方式時
分割ホログラフィックディスプレイ,信学論 D
J96-D, 381-388 (2013).
(9) Y. Higashino, T. Tsuchioka, K. Matsushima: Light-合わせが入り始めている．今後とも弛まず新技術の開発を続けていくつもりである．
謝辞
本研究は，JSPS 科研費 15K00512，および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)の助成を受けたものである．
参考文献(1) 松島恭治, 中原住雄, コンピュータホログラフ

source switching time-division multiplexing
holographic display and reduction of degradation byhigher order diffraction images, OSA Imaging andApplied Optics 2016 (DH2016), DM4E.1 (2016).
(10) 松島恭治, 東野好伸, ホログラフィ表示装置,特願 2016-121830.
(11) 西川凌, 土岡智旭, 松島恭治, 光源スイッチン
グによる時分割多重化ホログラフィックディ

ィの研究を支援する関大デジタルホロスタジ
オ, 第 19 回関西大学先端科学技術シンポジウ
ム，155-158 (2015).
(2) 松島恭治, コンピュータホログラム「Brothers」
制作記―MIT ミュージアムでの CGH 展示を目指して―, HODIC Circular 32, No.2, 31-40 (2012).
(3) K. Matsushima, S. Nakahara, Stepping closer to theperfect 3D digital image, SPIE Newsroom, (6 Nov.
2012). DOI:10.1117/2.1201210.004526

スプレイ, Optic & Photonics Japan 2017, 31aP14(2017).