フェムト秒レーザーで作る、触れられる3D空中プラズマディスプレイ（2015年）
(spectrum.ieee.org)- 空気分子をイオン化して光る点を作るレーザー誘導プラズマディスプレイが、フェムト秒レーザーを使うことで、手で触れられるほど安全な3D空中映像として実演された
- 従来方式は赤外線レーザーの焦点で生じた**ボクセル（voxel）**を毎秒数万〜数十万回スキャンするが、ナノ秒規模のプラズマバーストは皮膚を焼けるほどエネルギーが大きい
- University of Tsukuba、Utsunomiya University、Nagoya Institute of Technology、University of Tokyoの研究チームによるFairy Lightsは、数十フェムト秒単位のパルスで皮膚損傷リスクを下げる
- 同じ地点に1ミリ秒ごとに1回ずつ2,000ミリ秒にわたって照射しない限り、目立った皮膚損傷はないと判断され、ユーザーがボクセルに触れると17ms以内にプラズマを消すよう設計されている
- 実演空間は**8㎣**と非常に小さいが、最大毎秒200,000ボクセルの時空間解像度を示し、他の光学装置を使えばより大きなディスプレイへ拡張できると見られている
空中に実際のピクセルを作る仕組み
- 空中3Dディスプレイは古くからSFに登場してきたが、従来のホログラフィック技術の多くは、視野角などの制約を光学的錯視で回避する方式に近い
- レーザー誘導プラズマディスプレイは空気分子をイオン化して実空間に光る点を作るため、空中に浮かぶ本物のピクセルに近い
- 既存技術の例として、日本企業Aerial Burtonのディスプレイが紹介されている
- 明るく光るボクセルは、赤外線レーザーの焦点でイオン化された空気分子が余分なエネルギーを青白い光子として放出した結果である
- プラズマは長く持続しないため、レーザーが空中の体積を高速に走査し、短時間だけ存在するボクセルを連続生成する
ナノ秒プラズマの安全限界
- 従来のレーザー誘導プラズマディスプレイは毎秒数万〜数十万回レーザーを発射し、ナノ秒規模のボクセルを作ることができる
- ナノ秒規模のプラズマバーストもかなりのエネルギーを持つため、人がディスプレイの中を通ると火傷を負う可能性がある
- 視覚的には空中映像を作れるが、ユーザーが手で直接インタラクションしにくい理由はここにある
Fairy Lightsのフェムト秒レーザー方式
- University of Tsukuba、Utsunomiya University、Nagoya Institute of Technology、University of Tokyoの研究チームは、Fairy Lightsシステムでフェムト秒レーザーを使用している
- 各ボクセルは数十フェムト秒のあいだパルスするレーザーで生成される
- 1フェムト秒は1秒の1000兆分の1である
- このように非常に短いパルス持続時間では、同じ地点に1ミリ秒ごとに1回ずつ2,000ミリ秒にわたって照射しない限り、明確な皮膚損傷は生じないと判断している
- Fairy Lightsは露光時間をこの閾値より十分低く保っている
タッチと触覚フィードバック
- Fairy Lightsの差別化ポイントは、生成されたプラズマに触れられることにある
- 指がプラズマに触れると光がより明るくなり、この変化は接触の有無を知らせる信号として利用できる
- ユーザーがボクセルに触れると、安全のためそのプラズマボクセルを1フレーム内で消す
- 1フレームは17ms、つまり1/60秒である
- これは有害な露光時間として示された2,000msより十分短い
- プラズマボクセルに触れると衝撃波が発生し、指には光が物理的実体を持つかのようなインパルスが感じられる可能性がある
- 論文は、精密な時空間制御によるプラズマ触覚の詳細な特性調査を範囲外としている
小さな実演空間と拡張可能性
- 写真や映像に見えるディスプレイは非常に小さく、作業空間は**8㎣**しかない
- 時空間解像度は比較的高く、最大毎秒200,000ボクセルに達する
- 画像のフレームレートは、表示しようとする画像に必要なボクセル数によって変わる
- コンシューマー製品として有用になるには、ディスプレイをさらに大きくする必要がある
- 他の光学装置を使えば拡張は可能だと見られている
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
安全限界を少し超える レーザー作業 のせいで片目に軽い損傷が生じ、それに気づいたのは数年後だった
だから空気をイオン化するほど強力な 遮蔽なしレーザー の近くには絶対に行きたくない
規制の緩い安価なコピー品プロジェクターが路上で顔に向けて撃つ3D広告のせいで、失明しないために 溶接用ゴーグル を着けて歩かなければならない状況を想像するだけでも恐ろしい
焦点の中心のすぐ近くの小さな領域が見えにくいような妙な感覚があり、以前 白色LED を扱ったあと、数日間目に妙な感覚が残っていた記憶がある
洗浄や切断のような 産業プロセス だったのか、それとも物理・工学の実験ベンチでレーザーを撃つような作業だったのか聞いてみたい
研究者の説明どおりなら、パルス時間が非常に短くても、同じ地点に 1ミリ秒ごとに1回、2秒間 照射すれば皮膚損傷が起こり得るという意味なので、設定が十分に悪ければ人を溶かせるかもしれないと思えてくる
スポットサイズが小さく、材料除去速度も低いので面白いことにはならないだろうが、指を吹き飛ばすほどではないはずだ
2秒ごとに1msパルス という意味なのかと混乱する
この技術が最近会話に出てきたので今どうなったのか調べてみたが、2015年夏ごろの記事しかなく、それ以降の実質的な情報が見つからない
いろいろな状況で実用的でない理由は多そうだが、技術そのものは有望に見えた
これがなぜ消えたように見えるのか、誇大宣伝 だったのか本当に非実用的だったのか、詳しく読んでみたい
中核になるのは約 25万ドル のファイバーレーザーだが、普通はそこにさらに多くの装置が付く
医療用フェムト秒レーザーは約 40万ドル で、https://crstoday.com/articles/2014-sep/pricing-the-laser-cat... のような価格帯が広く普及しにくい理由の一つかもしれない
US Navy が2018年にジェット機搭載用のプラズマデコイプロジェクターの特許を出しており、見つかっていない応用もずっと多い気がする
空気分子をイオン化して光る点を作るレーザー誘起プラズマディスプレイという説明を見て、昔 New Scientist の後ろのほうにあった Daedalus コラムを思い出した
たいてい実用的ではない奇妙でクールな発明を扱っていたが、その一つに、通りの両側から紫外線レーザーのペアを撃って空中で交差させる街灯のアイデアがあった
2本のレーザーの周波数を少しだけ変えて交差点に低周波のうなりを生じさせ、その周波数を酸素のような分子の励起エネルギーに合わせれば酸素が光る、という話だった
もう一つ覚えている発明は、植物ホルモンで木材の成長を制御して安楽椅子やテーブル、さらには家まで育てるというもので、接着剤もノコギリも不要だという内容だった
Wheel of Time の tree singing も例になるだろう
二酸化炭素隔離の観点ではかなり魅力的だが、成長中に木材へ適切な応力がかからなければ、そうして作った家具や住宅は壊れやすくなる可能性が高い
Minecraft の木のように決まった寸法で育つ遺伝子工学の樹木も想像できる
数年前、米軍が 悲鳴を上げるプラズマ球 で人を怖がらせる技術を研究しているという話を思い出す
そのせいで、CIA がこの技術で宗教的過激派に神が語りかけているように見せようとしている、という冗談も出ていた
https://newstarget.com/2018-04-24-u-s-military-creating-non-...
こういう装置は空中でプラズマ球が次々に発生するので、耳が破れそうなくらいうるさい と記憶している
昔のデモがそんな感じだった
背景騒音は 55.7dB で、http://arxiv.org/pdf/1506.06668v1 の9ページにある
動作中のディスプレイ全体に頭を近づけるのは気持ちのいいものではなさそうで、特に騒音が解像度や輝度に応じて増えるならなおさらだ
距離ごとに騒音がどれくらい速く減衰するのか見ると面白そうだ
その程度の音量なら家庭用オーディオ、掃除機、高速道路の交通騒音の中間くらいなので耐えられはするが、楽しくはない
2007年ごろの IO2 Heliodisplay を覚えている
今はサイトが死んでいるようだ
「このホログラフィック風ディスプレイは微細な水滴の雲に2D画像を投影して動作する」と説明されていた
https://www.techpowerup.com/forums/threads/io2-launches-%E2%...
当初は、水滴スクリーンへの投影にすぎないと思われるのを避けるため、水蒸気の使用 をかなり隠していて、何か指向性レーザー技術があるかのような雰囲気を出していた
それでも水は必要だった
なぜ勢いに乗れなかったのか推測するなら、コストを抑えられなかったか、十分な明るさを出せなかったのだと思うが、あくまで推測だ
これを安全に実装するのはかなり難しい
赤外線 フェムト秒レーザー で空気の絶縁破壊を起こすには、かなりのエネルギー密度が必要だ
おそらくガルバノスキャナーでビームをxy方向に動かしていたのだろうが、必要な強度を得るには焦点面も一緒に動かさなければならない
車から離れた距離に投射するなら開口数が低くなり、かなりの出力が必要になるので、1kHzで動かしていた可能性が高い
2015年の技術なら、おそらく80fsのチタンサファイアレーザー、ガルバノ、Optotuneレンズの組み合わせだったのだろう
これが広く使われていない理由は、目に安全なものにするのが非常に難しいから だ
約15年前にYouTubeに上がっていた Laser Induced Plasma Channel という謎の動画で使われていた技術も、ずっと同じように気になっていた
フェムト秒レーザーで廊下の向こうまで電気アークを誘導する接近阻止兵器のように見え、メートル級の異様にまっすぐなTaser放電のようだった
動画には説明がなく、コメントにも返答がなく、最近アップローダーが削除したが、9年前のDailyMotion再投稿が残っているようだ
[1] https://www.dailymotion.com/video/x31ovvi
このプロジェクトに興味があるなら、Voxon Photonics の同じくらいクールなプロジェクトも見る価値がある
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[0]: https://voxon.co/