2016 Fiscal Year Research-status Report
コンピュータホログラフィによるフルカラー3次元画像の作成
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15K00512
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
松島 恭治 関西大学, システム理工学部, 教授 (70229475)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 3次元ディスプレイ / コンピュータホログラフィ / 計算機合成ホログラム / カラー立体画像 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
3次元映像技術は，映画館やテーマパーク等では一定の実用化が進んでいるが，テレビや情報機器ではまだまだ普及が進んでいるとは言えない．これは，人が奥行きを知覚する際に用いる生理的機能のうち，両眼視差と輻輳しか正確に刺激しないため知覚距離に矛盾が生じ，強い違和感があるためであると考えられている
ホログラフィでは，このような知覚矛盾が生じない完全な3次元画像が得られる．しかし，光学ホログラフィは実在する物体を撮影する写真技術であり，非実在物体の像をデジタル的に形成することができなかった．それに対して，コンピュータホログラフィでは，実在しない物体の光波を再生する計算機合成ホログラム(CGH)を作成することができるため，実在，非実在を問わず感覚矛盾のない完全な3次元映像を再生することができる．
研究代表者らは，近年，コンピュータホログラフィにより数100億画素を超える超高解像度のCGHの作成に成功している．これらのCGHでは，深い奥行き感のある3D映像が無矛盾で再生できる．しかし従来，このような高解像度CGHでは単色の再生像しか得られない問題があった．そこで本研究では，カラーフィルタ方式により高解像度CGHをカラー再生する技術を開発し，実際に展示可能な高解像度CGHをすでに完成している．
また別の方式として，波長を選択的に再生する性質を有する体積型ホログラムに従来のCGHを転写し，カラー再生を実現する方式を開発している．この方式では，三原色の波長で再生する3枚の体積型ホログラムを積層してフルカラー再生する．さらにやや異なった方式として，カラーフィルタ方式のフルカラーCGHを1枚の体積型ホログラムに3波長で転写する方式を開発している．これは，主として，再生波長の狭帯域化による像品質の向上と，転写(複写)によるカラーホログラムの大量生産を目指した方式である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の方式では，1枚のホログラム干渉縞を空間的に領域分割し，それぞれにRGBの三原色に相当する波長で計算した干渉縞を形成する．さらに，これらの領域にその設計波長に応じたカラーフィルタを貼り合わせることにより，設計波長に対応する波長での再生像を形成し，それらが重畳してフルカラー3次元像を再生する．
本研究では，カラーフィルタの位置合わせ誤差の許容度を上げるためのガードギャップと呼ぶ保護エリアを設ける技術．さらに，広帯域で再生像にボケが生じるカラーフィルタの問題を緩和するため，3波長のLEDを一つの素子に集積したマルチチップ白色LEDを照明光源として用いて不完全なフィルタ特性を補う方法を提案している．
本研究では， CGHに適したカラーフィルタを作成するために，フィルタの透過・反射率や金属膜の反射率に基づいた物理シミュレーション技術を開発した．このシミュレーションによりカラーフィルタを設計し，カラーレジストと微細加工技術により実際のカラーフィルタを作成した．その結果，このカラーフィルタを装着した高解像度ホログラムで良好な光学再生像が得られることを確認している．この技術により，物理解像度が0.8μm×0.8μmで約40億画素(64K×64K，ただし1K=1024)，あるいは約160画素(128K×128K)を実際に作製することに成功している．
さらに，カラーフィルタを用いずに3枚の原版CGHを3枚の体積型ホログラムに転写して積層する方式の実験を行い，この方式によりフルカラー再生像が得られることを確認している．また，同系統の別の方式として，カラーフィルタを用い，1枚の体積型ホログラムの三つの波長で転写する方式を試みている．しかし，この方式では，転写に必要な3波長のレーザー光源のうち青色レーザーの波長がカラーフィルタの透過帯域と整合せず，適切な転写ができない問題が生じている．
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| Strategy for Future Research Activity |
カラーフィルタを用いたフルカラーCGHの再生が予定通り確認できたことから，今後は次の研究項目を実施していく予定である．
＜積層体積型フルカラーホログラム＞ カラーフィルタを用いる方式では干渉縞が分断されるため，それが再生像品質劣化の一つの原因であると考えられる．干渉縞を分割しないためには，カラーフィルタを用いずに3枚のCGHを3枚の体積型ホログラムに転写し，これを積層するタイプのフルカラーホログラム製作技術が必要である．この基礎実験にはすでに成功している．しかし，材料として用いている銀塩感材では，干渉縞の収縮による再生色の変化，さらにそれによる色ずれなどが生じる．そこで，収縮の少ないフォトポリマーに材料を変え，さらに実験を進める予定である．
＜体積型フルカラーホログラム転写技術＞ 高解像度のCGHの計算時間や作製時間は数時間から数日に及ぶため，そのままでは量産には向かない．また，その再生には一定の要件を満たした再生光源が必要である．体積型ホログラムでは，再生光源の要件が大幅に緩和されるため，カラーフィルタ方式のフルカラーCGH，あるいは上記の積層体積型フルカラーホログラムを原版として，それを体積型ホログラムに転写する技術を開発する．転写は短時間で終わる見込みであるので，これにより量産への道も開かれる．
＜再生像の品質向上＞ 現在のカラーフィルタ方式カラーCGHは奥行きが深く美しいものであるが，物体の奥行きを深くとると，主として色収差によるものと思われるボケが大きくなる．そこで，このようなボケを軽減する設計波長の最適化技術に取り組む．また，従来の0.8μmピッチより画素の細かい０.6μmピッチの金属膜干渉縞では，視野角は大きくなるが像が暗くなってしまう問題がある．この原因の究明，また，それに応じたカラーフィルタパターンの最適化等を進める．
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| Causes of Carryover |
計画当初，カラーフィルタの製作にはライトジェットカラーリバーサルフィルム出力を用いる予定であり，その他の経費として，このリバーサル出力の費用を計上していた．しかし，研究の進展に伴って，カラーリバーサルフィルム出力よりフォトレジストによるカラーフィルタ製作の方が優れていることがわかり，フォトレジストによる特注カラーフィルタに切り替えた．その結果，物品費が超過し，また全体的に製作費が安くつく結果となった．さらに，外国旅費については，平成28年は他の外部資金による出張が必要であったため，本研究費による出張を見送らざるを得ず，次年度使用額が生じる結果となった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は，主として物品費として使用する予定である．この物品費としては，体積型あるは積層体積型転写ホログラムの材料の一つであるホログラムガラス乾板やフォトポリマーの費用，さらに特性を改善したカラーフィルタの製作費が挙げられる．
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