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ホログラフィックレーザー描画で描き出される泡の立体像宇都宮大学オプティクス教育研究センター 熊谷 幸汰

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 ボリュームディスプレイは,3次元的な画素(ボクセル)を生成し,空間に直接立体映像を描画するディスプレイである。このディスプレイは3次元ディスプレイとして広く知られる両眼視差を用いたものに比べ,観測者に視野制限や生理的不快感を与えない立体映像を表示できる。実現手法の中でわれわれが着目したのは,映像が広い視野角を有する,レーザー光の集光照射によりボクセルを生成し,映像を描く「レーザー描画」である。従来のレーザー描画手法は,1点のボクセルを高速走査することによって実現を試みられたが,走査速度の制約により映像を描くための十分なボクセル数を得られない。そこでわれわれはこの課題を解決すべく,計算機ホログラム(CGH: Computer-generated hologram)により集光点の数や形状を任意にデザインする「ホログラフィックレーザー描画」を提案した。そしてこれまでに,スクリーン材料の特徴を活かしたボリュームディスプレイシステムの提示を目的として,個体1),気体2),本技術である液体中への立体映像描画に取り組んできた。
 本技術は,バブルをボクセルとして用いたボリュームディスプレイ,「Volumetric bubble display」3)である。バブルはフェムト秒レーザーを液体中に集光した際に生じる多光子吸収励起により,集光点近傍に生成される。バブルの生成位置は,ガルバノスキャナーと可変焦点距離レンズにより,液体スクリーン内の3次元的な任意の位置に決定される。われわれはスクリーンに粘度の高い液体(グリセリン)を用いることにより,バブルの浮上速度を落とし,結果としてバブルによる映像描画を可能にした(図1)。さらに,2次元断面像を積層していくことで,図2に示すような立体映像の描画も実現した。バブルにより描かれた映像は,液体を流すことで映像の描きかえが可能であり,異なる色の照明光を用いることでカラー化も実現できる(図3)。また,ホログラフィックレーザー描画手法によりバブルボクセルを多点同時に生成し,その生成数によってボクセルの光散乱強度(映像の明るさ)をコントロールすることも可能である。
 Volumetric bubble displayは,描きかえ可能なフルカラー立体映像を表現できる,ボリュームディスプレイシステムへの展開が期待される。

参考文献
1)K. Kumagai, D. Suzuki, S. Hasegawa, and Y. Hayasaki, “Volumetric display with holographic parallel optical access and multilayer fluorescent screen,” Opt. Lett. 40, 3356–3359(2015)
2)Y. Ochiai, K. Kumagai, T. Hoshi, J. Rekimoto, S. Hasegawa, and Y. Hayasaki, “Fairy lights in femtoseconds: aerial and volumetric graphics rendered by focused femtosecond laser combined with computational holographic fields,” ACM Trans. Graph. 35, 1–14(2016)
3)K. Kumagai, S. Hasegawa, and Y. Hayasaki, “Volumetric bubble display,” Optica 4, 298–302(2017)

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