プレスリリース | シースルーなプロジェクション型ホログラフィック3D映像技術を開発

国立研究開発法人情報通信研究機構

ポイント

NICTが開発したホログラムプリンタで特殊な光学スクリーンを作製
透明な光学スクリーン上にホログラフィック3D映像を表示可能
ヘッドアップディスプレイやスマートグラス、デジタルサイネージ等への応用に期待

NICT 電磁波研究所電磁波応用総合研究室は、独自に開発したホログラムプリンタにより作製した特殊な光学スクリーンと、今回新たに開発したホログラム映像を投影する技術を組み合わせることで、透明なスクリーンにホログラム映像が浮かぶプロジェクション型ホログラフィック3D映像技術を開発しました。

電子ホログラフィと呼ばれるこれまでのホログラフィック3Dディスプレイは、空間光変調器（SLM）の解像度不足から、実用的な画面面積と視野角を両立することが困難でした。また、ディスプレイ後方に大掛かりな光学系の装置が必要で、これらが実用化に対する大きな障壁となっていました。

今回開発した技術は、SLMの解像度に依存せず、特定の観察位置に対して画面面積と視野角を自在に設計することができ、さらに、ホログラム映像をほとんど透明なスクリーンを介してユーザーに提示できることから、先述の障壁を緩和し、車載ヘッドアップディスプレイやスマートグラスのホログラム映像化、デジタル3Dサイネージの実現といった実用的な応用が期待できます。

この成果は、10月3日（月）に、Nature Communicationsに掲載されました。

なお、本研究の一部は、JSPS科研費（26790064、16H01742）の助成と総務省SCOPE（162103005）、文部科学省COI STREAMの委託を受けたものです。

背景

図１. 今回開発したホログラフィック3D映像技術
透明な光学スクリーンに投影されたホログラム映像

計算機の処理能力や通信技術の向上により、膨大な情報のやりとりが可能になってきました。それに伴い、情報を最終的にユーザーに提示するディスプレイの重要性も増しています。特に、近年は、3Dプリンタや3Dスキャン技術の台頭を受けて、立体映像表示を可能とする”3Dディスプレイ”への需要が高まっています。

NICTは、電子ホログラフィと呼ばれるホログラフィック3Dディスプレイの開発を行ってきました。しかし、実用的な画面面積と視野角を持つホログラフィック3Dディスプレイの実現には、空間光変調器（SLM）の更なる高解像度化が必要でした。

今回の成果

今回、NICTは、SLMの解像度に依存することなく、画面面積と視野角の両方を自在に設計できる、プロジェクション型の新しいホログラフィック3D映像技術を開発しました。

当研究室では、2014年から、特殊なホログラム印刷技術及びその複製技術によって、様々な応用が可能な光技術の実現を目指したHOPTECH（Holographic Printing Technology）という研究プロジェクトを開始しました。その研究の一環として、コンピュータで設計した光の波面をホログラムとして記録できるホログラムプリンタを開発してきました。ホログラムプリンタは、3Dデータの可視化といった応用（補足資料図8参照）や、任意の反射分布特性を持つ光学素子DDHOE（Digitally designed holographic optical element）を作製することができます。

今回開発したプロジェクション型ホログラフィック3D映像技術は、ホログラム映像を拡大投影する技術と、投影されたホログラム映像の光を特定の観測位置に集光する特殊な光学スクリーンをホログラムプリンタで作製することで、実現しました。ユーザーは、自在に拡大されたホログラム映像を自由な視野角で見ることができます。これまでにも、レンズや凹面ミラーといった光学素子を用いて、ホログラフィック3Dディスプレイの視野角を拡大する技術は提案されていましたが、今回開発した技術は、ホログラムプリンタで作製した薄い光学スクリーン1枚で、従来の光学素子以上の設計自由度を実現することができます。

さらに、この光学スクリーンはほぼ透明（補足資料図6参照）であることから、ディスプレイの使い方に応じて柔軟なシステム設計が可能となり、例えば、3D情報を提示する車載ヘッドアップディスプレイやホログラム映像を提示するスマートグラスの実現、デジタルサイネージのホログラム映像化等への応用が期待できます（図2参照）。

図2 プロジェクション型ホログラフィック3D映像技術とその応用例

今後の展望

今後は、ディスプレイのフルカラー化を進めるとともに、実用化を目指したシステムの簡素化、複数の観測者に映像を提示できるシステムの検討や観測位置を自由に走査できるシステムの開発などを進めます。

論文情報

掲載誌：Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms12954

URL：http://www.nature.com/ncomms/2016/161003/ncomms12954/full/ncomms12954.html

掲載論文名：Projection-type see-through holographic three-dimensional display

著者名：K. Wakunami, P-Y. Hsieh, R. Oi, T. Senoh, H. Sasaki, Y. Ichihashi, M. Okui, Y-P. Huang & Kenji Yamamoto

補足資料

従来のホログラフィック3Dディスプレイの課題

図3 従来のホログラフィック3Dディスプレイの課題

電子ホログラフィと呼ばれているホログラフィック3Dディスプレイは、空間光変調器（SLM）に表示する干渉縞によって入力光を自在に回折させることで、3D映像を再生します。これまでは、SLMの解像度不足により、実用的なディスプレイの画面面積と視野角の両立が困難でした（図3参照）。これは、視野角を決定する光の最大回折角θ_Mを大きく設定するためには、SLMの画素の大きさを光の波長程度まで小さくする必要があるためです。

例えば、解像度8K（7,680×4,320画素）、画素の大きさpが4.8µmのSLMを用いて波長532 nmの緑色の光で再生した場合、画面面積は3.6cm×2.0 cm、θ_Mは6.3度となり、この小さなホログラム映像全体を見るために、32cm程度離れて見る必要があります。画面面積を大きくするためにpを大きく設定すると、θ_Mは小さくなり、ユーザーは更に離れなければ画面全体を見ることができません。このように、画面面積と視野角との間にはトレード・オフの関係があるため、両者を同時に拡大したり、自由に設計することができませんでした。

また、ディスプレイ後方に複雑な光学系を必要とする場合が多く、これらの課題がホログラフィック3Dディスプレイの実用化における大きな障壁となっていました。

今回開発したプロジェクション型ホログラフィック3D映像技術の特長

図4 今回開発した技術の概要

今回開発した技術の概要を図4に示します。本技術は、ホログラフィックプロジェクタとホログラムプリンタで作製した光学スクリーンで構成されます。ホログラフィックプロジェクタは、NICTが2010年に開発したホログラフィック3Dディスプレイと投影レンズを組み合わせることで、ホログラム映像を自由に拡大投影できるよう新たに開発しました。

一方、ホログラム映像を投影するスクリーンは、同じくNICTが開発したホログラムプリンタで作製しました。通常のプロジェクタに使われる拡散スクリーンでは、光の角度指向性が失われるため3D映像を表示することができません。

今回作製した光学スクリーンは、ホログラフィックプロジェクタとユーザーが観察する位置関係から計算した適切な反射分布特性を持つように作製しました（図5参照）。

また、図6に示すように、再生に用いる緑色の光（波長532nm付近）以外の光をほぼ透過する特徴があります。

図5 光学スクリーンの反射特性

図6 光学スクリーンの透過率分布

この光学スクリーンによって、SLMの解像度に依存することなく、3D情報を保ったままホログラム映像の光を自在にユーザーの観察位置に集められるようになり、従来技術より大きな視野角とより近い距離でホログラム映像を観察できるようになりました（図7参照）。今回の実験では、画面面積は7.3cm×4.1cm、水平視野角は約20度を達成しましたが、これらは自在に設計可能です。

図7 再生されたホログラム映像を所定の観察位置から見た写真

ホログラムプリンタについて

当研究室では、コンピュータで設計した光の波面（振幅分布と位相分布）を自在に記録する”波面印刷”が可能なホログラムプリンタの開発を行ってきました。ホログラムプリンタは、コンピュータグラフィックス（CG）で作成した3Dデータや実物体の3Dスキャンデータをホログラムとして透明なフィルムに印刷することができます（図8参照）。記録する光の情報は、コンピュータで計算され、ホログラムプリンタ内で光学的にホログラム再生されます。再生された光をホログラム記録用フィルムに小領域ずつ順次記録していくことでホログラム全体を出力することができます。

ホログラムプリンタは、図8に示すように、3D情報の可視化技術としての利用だけでなく、今回のようにコンピュータで設計した光学機能を持つホログラフィック光学素子DDHOEを作製する製造技術としての利用も期待できます。DDHOEは、従来のホログラフィック光学素子（HOE）と比べて、より自由度の大きい光学特性や大型な光学素子を製造することが可能です。また、軽量なフィルム1枚で、非球面やフリーフォームな反射特性を実現できることから、DDHOEは様々な光産業分野への応用が期待できると考えています。