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

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

五十嵐 勇祐 松島 恭冶

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 E-mail: igarashi@ kansai-u.ac.jp

あらまし 現在提案されているカラーフィルタ方式 CGH では，カラーフィルタを高精度に位置合わせする必要 があるため大量に作製することが難しく，またカラーフィルタが広帯域であるため再生像にボケが生じるといった 問題がある．そこで本研究では，これらの問題を緩和するため，コンタクトコピー技術によりカラーフィルタ方式 CGH を体積ホログラムとしてフォトポリマーに転写し，白色光再生可能なフルカラーホログラムの作製を試みた．

キーワード 計算機合成ホログラム，フルカラーホログラム，フォトポリマー，カラーフィルタ

Full-color transferred volume CGH using RGB color filters

Yusuke IGARASHI Kyoji MATSUSHIMA

Department of Electrical and Electronic Engineering, Kansai University Yamate-cho 3-3-35, Suita, Osaka 564-8680, Japan

E-mail: igarashi@kansai-u.ac.jp

Abstract Full-color CGHs using RGB color filters is not suitable for mass production, because it is necessary to align the

color filters with the fringe pattern with high precision. Furthermore, the problem of blur occurs in the reconstructed image because of the wideband properties of the color filters ． To reduce the problems and create full-color CGHs capable of reconstruction by white light, an original full-color CGH is transferred to photopolymer as the volume hologram using a contact copy technique.

Keyword Computer-generated hologram, full-color hologram, photopolymer, color filter

1. は じ め に

近 年 ， 大 規 模 コ ン ピ ュ ー タ ホ ロ グ ラ フ ィ 技 術 の 進 歩 に よ り ，数10～ 数100億 ピ ク セ ル の 高 解 像 度 計 算 機 合 成 ホ ロ グ ラ ム(以 下CGH)が 発 展 し ， 光 学 ホ ロ グ ラ フ ィ に 匹 敵 す る ほ ど の 再 生 像 が 得 ら れ る よ う に な っ て き た ． こ の よ う な 高 解 像 度 CGH を 作 成 す る 一 つ の 手 法 は ， 計 算 機 で 数 値 的 に 合 成 し た 干 渉 縞 パ タ ー ン を レ ー ザ ー リ ソ グ ラ フ ィ に よ り ク ロ ム 等 の 金 属 膜 の 2値 振 幅 画 像 と し て 描 画 す る こ と で あ る[1]．

し か し な が ら ， レ ー ザ ー リ ソ グ ラ フ ィ を 含 め て ， 干 渉 縞 パ タ ー ン を2次 元 画 像 と し て 描 画 す る 作 製 方 法 で は ， 作 成 さ れ る ホ ロ グ ラ ム が い わ ゆ る 「 薄 い 」 ホ ロ グ ラ ム と な っ て し ま う ．そ の た め ，こ の よ う なCGHは ， リ ッ プ マ ン や デ ニ シ ュ ー ク 型 の 光 学 ホ ロ グ ラ ム が 有 す る よ う な 波 長 選 択 性 を 持 た ず ， 白 色 光 源 で 再 生 す る と 著 し い 色 に じ み が 生 じ ， ま た フ ル カ ラ ー 像 を 再 生 す る

こ と も で き な い ． こ の 問 題 の 解 決 策 と し て ， ダ イ ク ロ イ ッ ク ミ ラ ー を 用 い る 手 法 や[2]，RGBカ ラ ー フ ィ ル タ を 用 い る 手 法 を 報 告 し て い る[3,4]． し か し ， 前 者 の 手 法 で は CGH と 同 等 以 上 の 大 き さ を 持 つ ダ イ ク ロ イ ッ ク ミ ラ ー を 用 い て 像 を 重 ね 合 わ せ る た め ， 光 学 系 の 規 模 が 大 き く な っ て し ま い 展 示 に 向 か な い 問 題 が あ る ． ま た ，後 者 の 手 法 で は ，RGBカ ラ ー フ ィ ル タ の 広 帯 域 特 性 の た め ，再 生 像 に ボ ケ が 生 じ る と い う 問 題 や ，RGB カ ラ ー フ ィ ル タ と 干 渉 縞 の 正 確 な 位 置 合 わ せ に 非 常 に 手 間 が か か る 問 題 が あ る ．

こ の 様 な 薄 い CGH の フ ル カ ラ ー 再 生 の 問 題 を 解 決 す る た め ， レ ー ザ ー リ ソ グ ラ フ ィ で 描 画 し た 金 属 膜 干 渉 縞 が 反 射 再 生 可 能 な こ と を 利 用 し て ， デ ニ シ ュ ー ク 型 ホ ロ グ ラ ム の 撮 影 方 法 と 類 似 の 手 法 を 用 い て 3枚 の 原 版 CGHを コ ン タ ク ト コ ピ ー し て3枚 のRGB体 積 ホ ロ グ ラ ム を 作 成 し ， そ れ を 重 ね 合 わ せ る 積 層 型 フ ル カ 文献情報： HODIC Circular Vol. 37, No. 3, pp.10-13 (東京工業大学大岡山キャンパス, 2017.9.15).

映像情報メディア学会技術報告AIT2017-161/3DIT2017-24

ラ ーCGHが 提 案 さ れ て い る[5,6]．し か し ，こ の 手 法 で は ，3枚 の 転 写 CGHを 位 置 合 わ せ す る 必 要 が あ る こ と や ， 転 写 CGH が そ れ ぞ れ ガ ラ ス 基 板 を 有 す る た め ， ガ ラ ス の 屈 折 に よ る 収 差 の 補 正 が 難 し い 問 題 ， ま た 当 初 位 置 合 わ せ が 正 確 で あ っ て も 経 年 変 化 で 記 録 材 料 が 収 縮 す る と 色 ず れ が 生 じ て し ま う 可 能 性 が あ る と い っ た 問 題 が あ る.

そ こ で 本 研 究 で は ， 個 別 に 転 写 し た 3 枚 の RGB 体 積 ホ ロ グ ラ ム を 積 層 す る の で は な く ， 三 波 長 で カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 CGH の コ ン タ ク ト コ ピ ー を 行 い ， 体 積 ホ ロ グ ラ ム の 波 長 選 択 性 に よ り フ ル カ ラ ー 再 生 が 可 能 な 転 写 ホ ロ グ ラ ム の 作 製 を 試 み た ． こ れ に よ り カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 CGH で は 困 難 な フ ル カ ラ ーCGH の 大 量 生 産 も 可 能 に な る と 考 え た ．

2. カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 フ ル カ ラ ー CGH

カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 CGHの 原 理 を Fig.1に 示 す[3]．

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 ，RGBの3原 色 の 透 過 型 フ ィ ル タ と な っ て い る ．こ の RGBカ ラ ー フ ィ ル タ を1枚 の 金 属 膜 干 渉 縞 に 重 ね ， フ ィ ル タ に 重 な る 干 渉 縞 を そ の 色 に 対 応 す る 波 長 で 計 算 し て お く こ と に よ っ て フ ル カ ラ ー 再 生 が 実 現 さ れ る ．こ れ は ，こ の CGH を 白 色 光 で 照 明 す る と RGB カ ラ ー フ ィ ル タ を 透 過 す る 波 長 帯 の み の 光 に よ り 像 が 再 生 さ れ て そ れ が 混 合 し て 見 え る た め で あ る ．

し か し な が ら ，Fig.2 に 示 す よ う に ，RGB カ ラ ー フ

ィ ル タ の 透 過 ス ペ ク ト ル は 広 い 透 過 帯 域 を 持 つ ． こ の フ ィ ル タ 特 性 に よ り ，こ の 手 法 に よ る フ ル カ ラ ーCGH で は 再 生 像 に ボ ケ や 色 に じ み が 生 じ て し ま う 問 題 点 が あ る ． ま た ， カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 CGH で は ， 本 来 連 続 し た 干 渉 縞 を 空 間 的 に 分 割 し ， 3分 の1ず つ 抜 き 取 っ て 1枚 の 干 渉 縞 に 合 成 す る た め ， 一 つ の 波 長 で 見 る と 分 断 さ れ た 干 渉 縞 と な っ て し ま っ て お り ， こ れ に よ り 再 生 像 が 劣 化 し て し ま う と い う 問 題 点 も あ る ． 3. 転 写 の 原 理

本 研 究 で は ， 金 属 膜 干 渉 縞 が 反 射 再 生 で き る 特 徴 を 活 か し ， コ ン タ ク ト コ ピ ー に よ り 転 写 を 行 っ た ． そ の 原 理 を Fig.3に 示 す ． こ の 手 法 で は ，RGBカ ラ ー フ ィ ル タ を 装 着 し た カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 CGH を 反 射 再 生 す る こ と を 前 提 に ， 再 生 照 明 光 の 入 射 側 に 記 録 材 料 を 密 着 さ せ る ． こ の CGH で は 予 め 球 面 波 を 参 照 光 と し て 干 渉 縞 を 計 算 し て あ る た め ， コ ヒ ー レ ン ト 光 源 と 空 間 フ ィ ル タ に よ っ て 球 面 波 を 発 生 し ，そ の 中 心(空 間 フ ィ ル タ の ピ ン ホ ー ル)を 計 算 上 の 球 面 波 参 照 光 の 位 置 と 一 致 さ せ て 記 録 材 料 を 貼 り 付 け た 側 の 面 に 入 射 す る ． こ れ に よ り ， 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 料 に 入 射 す る 一 方 ，再 生 照 明 光 が 前 面 側 か ら 入 射 す る た め ， 記 録 材 料 内 で 両 者 の 干 渉 が 生 じ ， 原 版 CGH の 再 生 光 を 記 録 材 料 に 記 録 す る こ と が で き る ．

こ の 手 法 で は 原 版 CGH と 記 録 材 料 を 密 着 さ せ る コ ン タ ク ト コ ピ ー と な る た め ， 光 学 ホ ロ グ ラ フ ィ の 記 録 に 比 べ て 極 め て 振 動 に 強 い ． さ ら に ， 記 録 材 料 に 対 し て 参 照 光(原 版 CGH の 再 生 照 明 光)と 物 体 光(原 版 CGH の 再 生 光)が 逆 方 向 か ら 入 射 す る た め ，転 写 ホ ロ グ ラ ム は 波 長 選 択 性 を 持 つ 体 積 ホ ロ グ ラ ム と な る ．そ の 結 果 ， 転 写 ホ ロ グ ラ ム は カ ラ ー フ ィ ル タ に よ る フ ル カ ラ ー 再 生 像 よ り も ボ ケ の 少 な い 像 を 再 生 す る こ と が 期 待 で き る ． そ の 反 面 ， 参 照 光 と 再 生 光 の 強 度 比 を 任 意 に 調 整 で き な い た め ， 最 適 な 露 光 条 件 を 見 出 す こ と が 難 し く な る ．

Fig.2 カ ラ ー フ ィ ル タ の 透 過 特 性

Red

Green Blue

0 20 40 60 80 100

400 450 500 550 600 650 700 750

透過率[%]

波長 [nm]

Fig.1 カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 CGH の 原 理 [3]

Fringe pattern

in metal film Color filter

Full-color 3D image

White illumination light

カラーフィルタ

フルカラー再生像

白色光 金属膜干渉縞

Fig.3 カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 の 原 版 CGH の 転 写 方 法

原版CGH フォトポリマー

対物レンズ

RGBカラーフィルタ

y

z

原版CGHの再生像 ピンホール

4. フ ル カ ラ ー 体 積 型 転 写 CGH の 作 製 4.1. 原 版 CGH

本 研 究 で 転 写 元 と し て 用 い た 原 版 CGHの3Dシ ー ン をFig.4に 示 し ， そ の パ ラ メ ー タ をTable 1 に 示 す ．

こ の 原 版 CGHは ，我 々 の 従 来 の 高 解 像 度CGHと は 異 な り ， ガ ラ ス 基 板 上 の ク ロ ム 膜 で 干 渉 縞 パ タ ー ン を 形 成 し た も の で は な い ． こ の CGH で は ， レ ー ザ ー 直 接 描 画 装 置 で レ ジ ス ト 層 に 干 渉 縞 パ タ ー ン を 描 画 し ， 現 像 処 理 に よ っ て ，Fig.5に 示 す 通 り ，レ ジ ス ト 層 の 厚 さ 変 化 と し て 干 渉 縞 パ タ ー ン を 形 成 し て い る ． す な わ ち こ の CGH で は ， 照 明 光 が 通 過 す る 位 置 の レ ジ ス ト 層 の 厚 さ に よ っ て 光 波 の 位 相 が 変 化 す る 位 相 変 調 で 像 を 再 生 し て い る ． 2値 の 位 相 変 調 で あ る た め ，ホ ロ グ ラ ム の 性 質 と し て は 振 幅 変 調 と ほ と ん ど 変 わ ら な い が ， レ ジ ス ト 層 の 下 に 均 一 な ク ロ ム 膜 が あ り ， 変 調 光 は す べ て ク ロ ム 膜 で 反 射 さ れ る ． そ の た め こ の 描 画 方 法 で は 像 が 明 る く な る 特 徴 が あ る ．

原 版CGHは こ の 位 相 干 渉 縞 に RGBカ ラ ー フ ィ ル タ を 装 着 し た も の で あ る ．

4.2. 記 録 材 料

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 フ ォ ト ポ リ マ ー を 用 い て い る ． 本 研 究 で 用 い た フ ォ ト ポ リ マ ー は エ ガ リ ム 社 製 の FIGURA_RGBで あ る ．赤 橙 色 に 対 す る 感 度 が 低 い た め 暗 室 内 で も 赤 橙 色 の 照 明 を つ け た 状 態 で 作 業 を 行 う こ と が で き ，理 想 的 な 場 合 の 回 折 効 率 は RGBそ れ ぞ れ 加 熱 処 理 前 で 35%と さ れ て い る ．

4.3. 三 波 長 同 軸 転 写 光 学 系

本 研 究 で は カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 CGH の フ ル カ ラ ー 転 写 を 行 う た め ， 光 の 三 原 色 に 相 当 す る 波 長 457[nm]

の 青 色 レ ー ザ ー ， 波 長 532[nm]の 緑 色 レ ー ザ ー ， 波 長 640[nm]の 赤 色 レ ー ザ ー を 用 い た ．い ず れ の レ ー ザ ー も 狭 帯 域 化 し た DPSSレ ー ザ ー で あ る ．

本 研 究 の 実 験 で 用 い た 光 学 系 を Fig.6 に 示 す ． こ の 光 学 系 で は 1つ の ミ ラ ー と2つ の ダ イ ク ロ イ ッ ク ミ ラ ー を 用 い て 三 つ の レ ー ザ ー 光 を 同 軸 に 重 ね て い る ． そ し て ， そ の 同 軸 に な っ た レ ー ザ ー 光 を 空 間 フ ィ ル タ に 入 射 さ せ 球 面 波 を 発 生 し て い る ． 青 色 レ ー ザ ー の 光 路 上 に あ る 2つ の レ ン ズ は 青 色 レ ー ザ ー の ビ ー ム 径 を 拡 大 す る ビ ー ム エ キ ス パ ン ダ ー で あ る ．

5. 転 写 結 果

5.1. 単 一 波 長 で の 転 写

本 研 究 で は ， 三 波 長 で 転 写 を 行 う 前 に ま ず 予 備 実 験 と し て RGB そ れ ぞ れ の モ ノ ク ロ ホ ロ グ ラ ム を 転 写 で き る こ と を 確 認 し た ．す な わ ち ，RGBそ れ ぞ れ の 単 一 波 長 で の 転 写 実 験 を 行 っ た ．こ の 結 果 をFig.7に 示 し ， 実 験 パ ラ メ ー タ を Table 2に 示 す ．こ の 結 果 よ り ，RGB そ れ ぞ れ の 波 長 で 転 写 で き て い る こ と が 確 認 で き る ．

5.2. フ ル カ ラ ー 転 写

三 波 長 同 軸 転 写 光 学 系 を 用 い て 転 写 し た ホ ロ グ ラ ム の 再 生 像 を Fig.8(a)に 示 し ，原 版 CGH自 体 の 再 生 像 を Fig.8(b)に 示 す ． い ず れ も 再 生 光 源 は レ ー ザ ー で あ る ． な お ， 転 写 は 三 波 長 同 時 で は な く ， 波 長 を 順 次 切 り 換 え て 行 っ て い る ． 転 写 パ ラ メ ー タ を Table 3 に 示 す ． こ の 結 果 よ り ， 色 合 い に 若 干 の 違 い は あ る が フ ル カ ラ ー 転 写 が で き て い る こ と を 確 認 で き る ．

Fig.6 三 波 長 同 軸 転 写 光 学 系

シャッター３

空間フィルタ ダイクロイック

ミラー２ 赤色レーザー

波長：640nm

シャッター１

シャッター２

ミラー 緑色レーザー

波長：532nm

ダイクロイック ミラー１ 青色レーザー

波長：457nm

フォトポリマー

原版ＣＧＨ レンズ1

f=50mm

レンズ2 f=80mm

Fig.4 原 版 CGH の 3D シ ー ン 110

70

52 52

Units : mm y

z x

Table 1 原 版 CGH の パ ラ メ ー タ

干 渉 縞 画 素 数 65,536 × 65,536 干 渉 縞 画 素 ピ ッ チ 0.8 µm × 0.8 µm

サ イ ズ 5.2 × 5.2 cm²

設 計 波 長 (R, G, B) 630, 520, 460 nm フ ィ ル タ ス ト ラ イ プ 幅 80 µm

ガ ー ド ギ ャ ッ プ 幅 20 µm

Fig.5 位 相 変 調 型 CGH カラーフィルタ

レジスト膜による干渉縞 クロム膜 ガラス基板

し か し ， 転 写 ホ ロ グ ラ ム の 再 生 像 に 色 む ら が 生 じ て し ま っ て い る ． こ れ は ， 転 写 光 学 系 に お い て 三 つ の レ ー ザ ー 光 が 完 全 に 同 軸 に な っ て い な か っ た 事 が 原 因 で あ る と 考 え ら れ る ． ま た ， 両 者 を 比 べ る と 明 ら か な よ う に ， 転 写 ホ ロ グ ラ ム の 再 生 像 の 方 が 原 版 CGH の 再 生 像 よ り 暗 い こ と が わ か る ． こ れ は ， お そ ら く カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 原 版 CGH の 再 生 像 が 暗 い こ と か ら ， 転 写 で 参 照 光 強 度 に 対 し て 物 体 光 強 度 の 値 が 低 す ぎ る こ と が 原 因 で は な い か と 考 え ら れ る ．

6. ま と め

体 積 ホ ロ グ ラ ム の 波 長 選 択 性 に よ る 再 生 像 品 質 の 向 上 と フ ル カ ラ ーCGHの 生 産 性 向 上 の た め ，フ ォ ト ポ リ マ ー 記 録 材 料 と 三 波 長 同 軸 転 写 光 学 系 を 用 い て フ ル カ ラ ー 転 写 CGH の 作 成 を 行 っ た ． 残 念 な が ら ， 現 時 点 で は 原 版 CGH と の 若 干 の 色 ず れ や む ら 生 じ る 結 果 と な っ た ． 今 後 は ， 再 生 光 源 の 波 長 ス ペ ク ト ル 特 性 と フ ォ ト ポ リ マ ー の 感 度 特 性 か ら よ り 適 切 な 露 光 強 度 で 均 一 な 露 光 を 行 う 必 要 が あ る ．

7. 謝 辞

本 研 究 は ，JSPS 科 研 費 15 K00512， 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 ．

文 献

[1] K.Matsushima, S.Nakahara: “Extremely high- definition full-parallax computer-generated hologram creat ed b y the polygon-based method”, Appl. Opt. 48, H54-H63(2009).

[2] T. Miyaoka, K. Matsushima, S. Nakahara :

“Optimization of design-wavelength for unobtrusive chromatic ab erration in high-definition color computer holography”, SPIE Proc. 9386, 9386N (2015).

[3] Y. Tsuchiyama, K. Matsushima : “Full-color large-scaled comput er-generat ed holograms using RGB color filters ”, Optics Express 25, 2016-2030 (2017).

[4] 土 山 泰 裕,松 島 恭 治:“カ ラ ー フ ィ ル タ 方 式 フ ル カ ラ ー 高 解 像 度 CGH と そ の 光 学 再 生 像”, HODIC Circular 36, No. 3, pp.11 -14 (2016).

[5] 中 尾 弘 希,松 島 恭 治: “反 射 型 高 解 像 度 Ｃ Ｇ Ｈ の コ ン タ ク ト コ ピ ー に よ る フ ル カ ラ ー 体 積 型 転 写 Ｃ Ｇ Ｈ の 作 成”, HODIC Circular 36, No. 3, pp.19-22 (2016).

[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講 演 論 文 集, P-10, (2017).

(a)転 写 ホ ロ グ ラ ム (b)原 版CGH

Fig.8 三 波 長 で の 転 写 結 果 Table 3 三 波 長 転 写 の パ ラ メ ー タ 波 長

[nm]

露 光 強 度 [mW/cm²]

露 光 時 間 [s]

露 光 量 [mJ/cm²]

640 2.0 300 600

532 0.31 50 15.5

457 0.52 300 156

Fig.7 単 一 波 長 で の 転 写 結 果

(a)640nm (b)532nm

(c)457nm

Table 2 単 一 波 長 転 写 の パ ラ メ ー タ 波 長

[nm]

露 光 強 度 [mW/cm²]

露 光 時 間 [s]

露 光 量 [mJ/cm²]

640 2.2 270 594

532 0.5 150 75

457 0.34 480 163