現在最先端のものよりも、3桁も優れたリアルな3Dホログラム投影を実現する新しい方法が開発された。
これまでにも、ホログラムの解像度を向上させようとする試みはあったが、どれも3つの基本的な障害にぶつかっていた。しかし、今回提示された新しい超高密度化手法では、そのうちの2つが解決され、ホログラム投影の全体的な品質、解像度、外観が劇的に改善されている。
中国科学技術大学の研究チームを率いるLei Gong氏は、ホログラムの細かい深度制御を妨げて、3Dディスプレイの品質を制限する、現在のデジタルホログラフィック技術の長年存在する2つのボトルネック（低い軸分解能と高い面間クロストーク）を克服したとしている。
ホログラム生成のための現在の方法の限界
現在の技術では、実際の3次元物体をリアルに再現するホログラムを作るには、あらかじめ決められた数の層を非常に接近させて、目的の画像を投影する必要がある。画像の密度は、私たちの目や脳が物体の「現実」を判断するための奥行きの手がかりとなるため、近ければ近いほど良いのだ。
しかし、このようなリアルなホログラムを作るには、光ビームの強度と位相を変調させる専用の装置である空間光変調器（SLM）が必要だ。それでも、どんなに優れたSLMを使っても、別々の層に、しかも低解像度の画像しか投影できないため、最高のホログラムの品質には限界がある。
この方程式を変えるべく、研究者たちは従来のSLMとディフューザーと呼ばれるものを組み合わせた。この画期的なアプローチを発表したプレスリリースによると、「SLMの特性に制約されることなく、複数の画像面をより小さく分離することができる」そうだ。
さらに研究者らは、層間の画像データの「クロストーク」（にじみ）を抑え、光散乱と波面整形を利用することで、よりデータ密度が高く、見た目もリアルな超高密度ホログラムを作成できる可能性があると推測している。
研究チームは、ディフューザーを使用することで、レイヤー間の距離をより小さくした3D構造物を作成できるかどうか、シミュレーションソフトで検証を行った。発表によると、「研究チームは、1,000×1,000ピクセルのホログラム1枚に、0.96mmの深さ間隔で125枚の連続した画像面を持つ3Dロケットモデルを投影することができたが、これは、ランダムベクターベースのコンピューター生成ホログラフィーとして知られる別の最先端技術を用いた場合の32枚の画像面と比較して、深さ間隔3.75mmである」という。研究者らは、この新しいプロセスを3次元散乱支援型ダイナミックホログラフィー（3D-SDH）と呼んでいる。
次に、この方法を実際の実験で検証することにした。シミュレーションの設計通りに3D-SDHプロジェクターを新たに試作し、「3DフレネルCGホログラフィー」という別の最先端手法と直接比較したのだ。
ホログラムを並べて比較すると、3D-SDHは従来のものと比べて「3桁以上」の軸方向の解像度を実現していた。解像度で直接比較するわけではないが、テレビの解像度が3桁向上するということは、20世紀の標準画質テレビから720pハイビジョン、1080pハイビジョンを経て、そのまま4Kにジャンプすることに相当します。これは大きな進歩だ。
リアルなホログラムを実現するための次の一手
この新しい方法は、専門誌「Optica」に掲載されたが、研究者は、実験で示したホログラムはすべて点群画像であり、彼らが「立体」と呼ぶ3Dオブジェクトを提示することはできず、単に現在よりもはるかに密度の高いホログラム投影であることを指摘した。しかし、研究者たちは、1つの物体だけでなく、リアルな3Dオブジェクトの集合体を投影できるようになるまで、この方法を改善し、改良していきたいと言っている。そして、リアルな3Dホログラムを投影できるようになれば、バーチャルリアリティと実世界の両方の用途で利用できるようになるだろうと、研究者は述べている。
「3Dホログラムは、連続的で微細な特徴を持つリアルな3Dシーンを提示できます。バーチャルリアリティの場合、我々の方法をヘッドセット型ホログラフィックディスプレイに使用することで、視野角を大幅に改善し、3D視聴体験を向上させることができます。また、ヘッドセットを必要とせずに、より優れた3Dビジュアルを提供することができるのです」と、Gong氏は述べている。
論文
参考文献
- ScienceDaily: Technology advance paves way to more realistic 3D holograms for virtual reality and more
- Interesting Engineering: New method for producing realistic holograms could enhance virtual reality
研究の要旨
コンピュータグラフィーは、3次元映像ディスプレイの実現に有望な手段である。リアルな3Dディスプレイを実現するためには、高密度な多面投影と奥行き制御を可能にする3Dホログラムを作成することが重要な課題となっています。しかし、現在のデジタルホログラフィック技術では、低い軸分解能と高い面間クロストークという2つの長年の課題があり、微細な奥行き制御ができないため、究極の品質には限界があります。本論文では、3次元散乱体支援ダイナミックホログラフィー（3D-SDH）により、最新手法の深さ制御の限界をさらに突破することを報告する。本手法は、軸方向の解像度を桁違いに向上させ、クロストークを大幅に抑制することで、超高密度な3次元ホログラフィック投影を可能にします。さらに、3D-SDHは、位相のみのホログラムによる動的な3次元ベクトル投影を可能にする。このコンセプトは、シミュレーションと実験によって検証され、高密度連続平面への3D点群オブジェクトの動的投影が実証されました。本研究は、超微細な深度制御、動的投影、偏光多重化機能を持つ3Dホログラフィック技術への展望を開くものである。
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