ホログラフィック光場3Dディスプレイ：AR向けクリアで歪みのない視覚体験

私たちは主にキーボードと2Dタッチパネルを通じてデジタルコンテンツと対話しています。しかし、仮想現実（VR）や拡張現実（AR）のような技術が、これらの制約からの更なる自由を約束しています。

VR/ARデバイスには独自の欠点があります。たとえば、ステレオスコピーベースの設計により、眼精疲労、めまい、乗り物酔いを誘発する傾向があります。これらのデバイスを長時間使用すると、吐き気や歪みの感覚が増大し、VR酔いとしても知られています。

これらの制限を克服するため、ベルギーと日本の研究者たちがホログラフィーと光場技術の組み合わせを探求し始めました。これには追加機器が必要ですが、商業的成功を達成できるようサイズとコストを抑えるよう努めています。

物体の特性（サイズ、色、質感、高さ、距離など）は、それらがさまざまな方向に異なる強度で散乱する光によって定義されます。人間の目はこれらの変調された光線を見て、脳に信号を送り、そこでそれらの特徴が再現されます。

ホログラフィーや光場ディスプレイデバイスのような真の3Dディスプレイは、実際の物体がなくても同じ変調光線を生成できます。しかし、物体のすべての特徴を正確に再構成するのは高コストなプロセスです。

そのため研究者たちはまず必要な変調を計算し、LCDを用いてデータを光信号に変換しました。これらの信号は、ビームコンバイナー、ミラー、レンズなどの他の光学機器へさらに供給されます。

薄い感光性素子層を持つホログラフィック光学素子を開発し、複数の光学モジュールの役割を複製できるようにしました。これは主にガラスでできており、ディスプレイの品質と性能を決定します。

実際のコンポーネントを物理的に配置せずに、異なる光学コンポーネントのすべての特徴を記録できるDDHOE（Digitally Designed Holographic Optical Element：デジタル設計ホログラフィック光学素子）と呼ばれる手法を開発しました。

出典: The Optical Society

基本的に、すべてのコンポーネントの特徴のホログラムを測定し、レーザーとLCDを用いてそれらを光学的に一緒に再現することが目的です。最終的な光学信号は、すべての実際のコンポーネントによって一緒に変調されたのと同じ光に類似します。記録されたホログラムは最終的に感光性材料の薄いシートに投影されます。

(a) DDHOEレンズアレイ, (c) コンピュータ生成3Dシーン, (d) 最終3D画像 | Credit: Boaz Jessie Jackin

チームはすでにこの技術をヘッドアップ光場3Dディスプレイでテストしています。これは3D画像/動画を出力するシースルーシステムであるため、ARへの多様な応用が期待できます。

ガラス（マイクロレンズアレイフィルム）にマルチビュー画像を表示するため、システムは従来の2Dプロジェクタを使用します。この薄いフィルムがプロジェクタからの光を変調し、空間に3D像を再現します。

従来技術では、プロジェクタからの光がマイクロレンズアレイに到達する前に散乱します。これにより空間内の最終3D画像が歪みます。これを修正するには、プロジェクタ光を平行ビームへコリメートする必要があります。

しかし、より大きなディスプレイを望む場合、コリメートレンズのサイズを増やさなければならず、コンポーネントコストが上昇します。これがこれらの技術が商業的成功を収めていない主な理由です。

一方、新手法ではDDHOEでマイクロレンズアレイ自体にコリメーション機能を組み込むことで製造します。これにより、重いコリメーション光学系の必要性が排除されます。研究者たちは、この技術がかさばる光学コンポーネントを使用する既存モデルにまもなく取って代わると考えています。

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