空中に浮かび上がる３次元(3D)映像

February 13, 2006

2006年2月7日　発表

■空中に浮かび上がる３次元(3D)映像

−プラズマの発光を用いて“リアルな３次元(3D)映像”の空間描画に成功−

● ポイント

レーザービームを空間中にフォーカスし、空気をプラズマ化して発光させる技術
発生するプラズマの輝度・コントラスト・生成距離を制御する技術を開発
空気以外何も存在しない空間に“リアルな３次元(3D)映像”を世界で初めて表示することに成功

概要

独立行政法人産業技術総合研究所【理事長吉川弘之】（以下「産総研」という）光技術研究部門【部門長渡辺正信】は、慶應義塾大学【塾長安西　祐一郎】（以下「慶應大」という）理工学部システムデザイン工学科　内山太郎研究室、株式会社バートン【代表取締役　木村秀尉】（以下「（株）バートン」という）と共同で、空気以外なにも存在しない空間にドットアレイからなる“リアルな３次元(3D)映像”を表示する装置の試作に成功した。これまでに報告されている多くの３次元ディスプレイ技術は、人間の両眼視差を利用する３次元表示方法であり、視野制限や虚像の誤認識による生理的不快感などがあった。本装置は集光レーザー光で焦点近傍の空気をプラズマ化し発光させるものであり、レーザー光の焦点位置を３次元空間中に自由に制御することで空中（３次元空間）に実像としてのドットアレイからなる３次元映像の表示を実現したものである。

図1 ３次元像空間描画装置を用いて表示した３次元画像（露光時間３秒　Ｆ＝４．５）

研究の背景

我々は３次元(3D)空間に住んでおり、誰もが画像情報の理解促進のために３次元で画像情報を描写してもらいたいと考える。この要望を受けて、３次元的に立体視できる映像技術の開発が盛んに進められている。しかし、ほとんどの方法は人間の視差（図２参照）のみを利用した擬似的な３次元表示技術を使っており、視野制限、疑似感覚による生理的不快感などの問題があるため、長時間の鑑賞には適していなかった。大空間に描かれた３次元映像を、多くの人が映画のように同時に鑑賞できれば、従来の３次元映像が抱える問題を全て解決できる。このような要望から、直接３次元空間に映像を描画できる技術の実現が求められていた。

図2 立体視の生理的要因

研究の経緯

空気中の３次元空間に輝点を作る技術として、レーザー光を空間中の１点に強く集光させ焦点近傍の空気をプラズマ化して発光させる技術がある。慶應大と（株）バートンは、この技術を使って、ドットアレイからなる空気中の２次元像表示にも成功している。（株）バートンは、更にこの技術を発展させるため「川崎市産学共同研究開発プロジェクト助成事業」の支援の下、３次元で表示できる立体広告灯の実現を目指し、産総研および慶應大と共同研究を進めてきた。これまでの空気中の２次元像描画技術は、レーザー光源とガルバノミラーを組み合わせることで実現しているが、３次元映像を描画するには焦点の位置も３次元的に正確に制御しなければならず、レーザーの品質および焦点可変方法などに大幅な改良が必要であり実現できないでいた。

研究の内容

今回、産総研、慶應大、（株）バートンは共同で、従来の２次元描画装置を改良し、焦点位置を制御するリニアモーターシステムと、高品質・高輝度赤外パルスレーザーを組み合わせて、ドットアレイではあるが“リアルな三次元（３D）映像”の空間表示に成功した。

開発した装置は、レーザー光の焦点位置を焦点位置調整用レンズ位置によって自在に、かつ正確に制御し、従来の２次元位置を制御するガルバノミラーに、この焦点位置調整用レンズを高速で位置制御できるリニアシステムを開発することで３次元映像描画に成功した（図３参照）。

使用したレーザー光源には、高品質・高輝度の赤外パルスレーザー（パルス繰り返し周波数〜100Ｈｚ、パルス発光時間はナノ秒（10億分の１秒）オーダー、）を用い、プラズマ生成をより高精度に制御することに成功した。また、高輝度・高コントラストな描画を行うために、１ドットにつき２パルスを用いて人間の目に強く残像を残す方法を採用した。さらには、描画装置から描画ポイントまでの距離も数メーターと大幅に延ばすことに成功し、３次元広告用装置としても使用できるようになった（図４参照）。

図３　三次元空間描画装置の概略図

図4 本装置で描画した各種２Ｄ,３Ｄオブジェクト

今後の予定

今回開発した装置は次世代の広告媒体として業界より注目されており、早期に製品化を予定している。また、今回の３次元画像描画は、レーザー装置の限界により100ドット／秒の表示であるが、更にドット数を増やして滑らかな映像を描画させたい。

用語の解説

◆レーザーレーザー (Laser)とは、光を増幅し、コヒーレントな光を発生させる装置（レーザー装置）またはその光（レーザー光）をさす。レーザーは大別すると連続的に光を発生する連続発振レーザーと瞬間的に光を発生するパルスレーザーに分かれる。連続発振レーザーはコンパクトディスクのピックアップ光源やレーザーポインタなどで使われている。パルスレーザーはある瞬間にしか光を発生しないが、瞬時光強度が大きく（一般にはパルス発光時間が短いほど高強度である）、プラズマ発生に適している。[戻る]◆プラズマ正の電荷をもつ粒子（イオン）と負の電荷をもつ電子が電離状態で同程度存在し、全体としてほぼ中性である気体状の粒子集団のこと。一般に気体中で放電することによって生成される。身近な例としては、点灯している蛍光灯の内部も水銀ガスがプラズマになったものである。レーザー光を強く集光すると、その焦点近傍で気体が瞬間的にプラズマ化し、それに伴う発光が観測される。[戻る]

◆視差人間が立体を認識するには、両眼視差の存在が重要であるが、それ以外にも両眼のふくそう角、焦点調節、単眼運動視差など複数の要因が重なっている。・両眼視差：右目と左目の網膜に写った像の違いを脳内で処理して奥行きを知覚すると考えられている。近距離において奥行き知覚の最も重要な要因となる。・両眼のふくそう角：物を見つめるときは、像が網膜の中央に来るように眼球を回転させる。この角度（輻輳角）は物体までの距離によって変化するので、眼球の回転角から奥行きを知覚できる。・焦点調節（水晶体の調節）：眼球のレンズである水晶体の厚みを変えることで焦点を合わせる。水晶体の厚みを変える筋肉（毛様体筋）の弛緩から奥行きを知覚する。・単眼の運動視差：物体と観察者の相対運動により網膜像の大きさや形状が変化する。これにより奥行きを知覚する。[戻る]◆ガルバノミラー軸に固定された自由に回転できるミラーで、光路を連続的に変化させるデバイス。光スキャナなどでよく用いられる。[戻る]

◆リニアモーターリニアモーターとは、一般的なモーター（電動機）が回転運動をするのに対して、平面上を直線的に動くモーターのことをいう。動作原理により、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニア直流モータがある。回転部分がないので、駆動系をコンパクトにすることができ、回転モータを置くだけのスペースが確保できない場合などに使われる。工作機械など、応用範囲は幅広く、とくに大規模なものがリニアモーターカーに使われている。[戻る]

問い合わせ

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