SF映画でよく見る「虚空に浮かぶ立体動画」が、粒子系とそれを走査するレーザーで実現した。この技術で映し出された物体は、あらゆる角度から見ることができ、実空間の固体物体と共存することができる。
虚空に浮かぶ立体動画
Daniel Smalleyらは、体積型ディスプレイ（volumetric display）というアプローチから、SF映画に登場する3Dディスプレイを実現した。この技術では、粒子1個をレーザー光線で捉えて制御し、そこにさまざまな色のレーザーを照射することで、空間に色のついた動画を描くことができる。
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Smalley Holography Group
ブリガムヤング大学（米国ユタ州プロボ）の物理学者Daniel Smalleyは、長年、多くのSF映画でスパイスとなっている3Dホログラムのようなものを作りたいと夢見ていた。
しかし、2008年の映画『アイアンマン』で、発明家のトニー・スタークが空中に投影した3Dパワードスーツに腕を通すシーンを見たときに、現在のハイテク3Dディスプレイの標準となっているホログラフィーを使って同じことをするのは不可能であると悟ってしまった。
スタークの手が、ホログラムの光源からの光を遮ってしまうからだ。Smalleyは当時を振り返って「もどかしかったですね」と言う。彼は早速、この欠点を回避する方法の研究に着手した。
Smalleyのチームは、ホログラフィーとは異なる「体積型ディスプレイ（volumetric display）」というアプローチから、どの角度からも見ることができる、動く立体映像を作り出した。1977年の映画『スター・ウォーズ』には、助けを求めるレイア姫の立体映像が登場する。
Smalleyらの技術は、他のどの技術よりも映画の立体映像に近いと、一部の物理学者は言う。グラスゴー大学（英国）の光物理学者Miles Padgettは、「この技術は、ホログラムでは絶対にできないことを可能にしています。ホログラムでないからこそ、レイア姫の映像をあらゆる角度から見ることのできる、表示様式が可能なのです」と言う。
2018年1月24日にNatureに発表された論文によると、この技術は高速の「Etch a Sketch（上下方向と左右方向に線を引ける2つのダイヤルをうまく回して絵を描く、子供用のお絵描きボード）」に似た仕組みで映像を作り出している。
彼らのシステムでは、目にはほとんど見えないレーザー光線の力でセルロースという植物繊維の粒子を1個捉え、不均一に加熱することで、粒子を押したり引いたりすることができる。空間内を動く粒子が特定の位置を通るときに、別のレーザーが赤、緑、青の光で照らす。
人間は1秒間に表示されるフレーム数が10以上になると個別の画像として認識することができなくなる。つまり、粒子を十分速く動かすことができれば、暗闇の中で花火を素早く動かすと光の線が見えるように、その軌跡を「1本のつながった線」として見せることができる。
さらに、十分速く画像を切り替えることができれば、動いているように見せることもできる。この技術で映し出された映像は、現実の固体物体に重ねることができ、映像を見る人は、現実の空間内で映像の周りを歩くことができる。
研究チームがこれまでに作った画像は非常に小さく、わずか数mm四方である。その上、画像が動いているように見せるのに必要な速度では、単純な線画しか作れない。
今回は、らせんの動画とチョウの輪郭の静止画を作るのが精一杯であった。描写力は高く、精密でサイズの大きな画像も作ることはできるのだが、分子の速度が遅すぎるため、それを像として認識するためには、カメラの長時間露光が必要となる。
ハーバード大学（米国マサチューセッツ州ケンブリッジ）のナノテクノロジー研究者William Wilsonは、この技術はもっと練り上げていく必要があるが、仕組みが単純なので改良の余地は大いにあると評価する。「これは技術の勝利です、残念ながら私個人のではなく」とPadgettは笑う。
体積型ディスプレイのアプローチには、従来の3Dディスプレイ技術に比べて多くの利点がある。ホログラム技術では、回折格子が刻まれた平面スクリーンに光を通すことで立体映像を作っている。この格子が光線の経路を変化させ、干渉により映像の奥行きを知覚させる。
最新のホログラムにはフルカラーで等身大のものもあるが、2次元表面に光を通して映像を作ることには変わりがないため、映像を見ることのできる角度は制限される。また、回折格子を高速で変化させるのは難しいため、ホログラムの映像は普通は静止画だ。
一方、体積型ディスプレイは、その名が示唆するとおり、映像は物理的に3次元空間内に再生される。既存のシステムのほとんどは、高速で回転する平面スクリーン上に画像を投影している。
より洗練されたシステム（Smalleyの研究にヒントを与えた慶應義塾大学の研究チームが製作したディスプレイなど）では、3次元空間内の空気の分子を加熱してプラズマ発光させた点列で絵を描いているが、現時点では単色の映像しか作れない。
その他のアプローチでは、マイクロソフト社のHoloLensなどの拡張現実ハードウェアを利用して、現実世界の立体映像の「錯覚」を作り出している。けれどもそれには専用のヘッドギアが必要で、膨大な量のデータが必要になるとSmalleyは言う。
物理学者はレーザーを利用して空気中の粒子を動かし、色をつけて、「宙に浮かぶ」立体映像を作り出した。粒子を十分速く動かすことができれば、1本のつながった線で描かれた映像が宙に浮かんでいるように知覚させることができる。 | 拡大する
最新のシステムはすでに、1インチ当たりのドット数が1600と、従来のコンピュータースクリーンより高い解像度の映像を作ることができる。しかし、より現実的な、複雑な動きをする大きい映像を作るには、粒子の動きをもっと速くし、複数の粒子を一度に制御する方法を見つけなければならない。
Smalleyは、どちらの課題についても解決方法のアイデアを持っていると言う。彼は、「今後4年間の研究に、これまでの4年間と同じだけの進展があれば、実用的な大きさのディスプレイを作れると思います」と自信をのぞかせる。
幽霊のような残像
アリゾナ大学（米国トゥーソン）の光物理学者Nasser Peyghambarianは、この技術の1つの欠点は、投影した映像が、どうしても幽霊のように半透明な質感になってしまうことだろうと言う。見る人の目には、粒子が映像の「前」にあるときの光だけでなく「後ろ」にあるときの光も届いてしまうからだ。
最後の問題は、粒子を制御するのに用いる力が小さすぎるために系が不安定なことだ。この欠点は、軍事目的への応用（兵士の訓練で3D戦闘シーンのシミュレーションを利用することなど）の妨げになるだろう。強い風が吹くたびに粒子が軌道から外れてしまうからだ。
Smalleyはこの問題に対し、一時的にしか現れない粒子の霧に光を散乱させるようなシステムにすればそれを避けられるだろうと言う。「ハリケーンの中で立体映像を作れるようにはならないでしょう。しかし、屋外での使用は可能になると思います」。
Nature ダイジェスト Vol. 15 No. 4 | : 10.1038/ndigest.2018.180402
原文：Nature (2018-01-24) | : 10.1038/d41586-018-01125-y |
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