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我ら“クレイジーエンジニア”主義 vol.16 世界初!空中にリアルな3次元映像を浮かばせたレーザー研究者・内山太郎
プラズマ発光を用いて、空気中にリアルな3次元映像を表示する装置の試作に成功した内山太郎氏。この世界で初めてのレーザー装置は、民間企業のバートン、産業技術総合研究所との共同研究で進められた。次世代の広告媒体としても期待される、そのレーザー研究者の技術者魂とは。
(取材・文/上阪徹 総研スタッフ/宮みゆき 撮影/栗原克己)作成日:06.11.08
クレイジー☆エンジニア
慶應義塾大学理工学部 助教授
システムデザイン工学科
内山太郎氏
 2006年夏、「SIGGRAPH」(インターフェース技術とコンピュータグラフィックスの国際会議)で行われたエキシビションは、アメリカ人たちの度肝を抜いた。頭上5mほどの空気中に、50cmほどの大きさの立体の映像が浮かんでいるのだ。例えばティーポット。白い光のドットで形づくられたティーポットは、くるくると回転すると、カップへとティーを注ぎ始める。紛れもなく3次元の映像が、ごく普通の空気中にあって、動いているのだ。映画の都・ハリウッドの関係者にも衝撃を与えたらしい。世界最大級の、あのテーマパークからも、実演してほしいとの依頼が共同研究している会社に届いたという。さらにラスベガスからも……。この「空に浮かぶ3次元映像」を実現させたのが、内山氏だ。
空気が壊れた状態のガス=プラズマで描画する
 原理はそんなに難しいものじゃないんですよ。使われているのは、レーザーの技術です。レーザーには、連続動作するレーザーのほかに、瞬間的に出るパルスレーザーがあります。レーザーは平均すると出力はそれほど高くないんですが、パルスレーザーは瞬間的にすごいレーザー光が出る。そのパルスレーザーをレンズで絞り、空中に密度の高いレーザー光を作ると、その部分の空気が壊れるんです。

 空気そのものは、主に酸素と窒素からできていますが、これは分子です。例えば窒素の原子が2つくっついて、2つの周りを電子がぐるぐる回っている状態です。この分子に密度の高いレーザーを当てると、原子同士を結びつけている電子が外れてしまう。これが、壊れてしまうという意味。この壊れた状態のガスをプラズマと言います。そして一般にプラズマというのは、発光するんです。

 実はこういう現象は世の中にたくさんあります。例えば、蛍光灯も一種のプラズマです。ガスが壊れて光っているんですね。ネオンサインもそう。また、自然界でいうと雷の稲妻もプラズマです。雷は明るいでしょう。あれは、雲間で放電を起こして長いプラズマが発生しているのです。

 この考え方で、空気中にプラズマを使って自由な図を書いてしまおうというのが、「3次元像空間描画装置」です。空気中に人為的に発光するドットを打ち出し、それで絵を描くということ。どのくらいの間隔でプラズマを作るかで、解像度が決まります。原理は、ただそれだけ。ただし、問われるのは、どうやって空気中の好きな一点にプラズマのドットを作り出せるか、ということなんです。
やり方はひとつではない。できないとはいえない
 私は1960年代からずっとレーザー研究に取り組んできました。レーザーを絞ればプラズマができるというのは、かなり早くから知られていたこと。ただ、これを使って映像を空気中に映そうという発想は、研究者はあまりしなかった。今回の開発のきっかけも、共同研究をしている(株)バートンが、そうしたレーザーの仕組みを知って、プラズマで空中に文字を書くことができないか、と発想されたこと。それで4年前、慶應義塾大学にいらっしゃって、何人かの研究者に相談を持ちかけた。そのうちの一人が、私だったわけです。

 実は「そんなことはできない」と言い切った先生もいらっしゃったそうです。というのも、(株)バートンがまず最初にイメージを伝えたのが、非常用の情報源だったから。例えば、海の上に「SOS」や「TSUNAMI」と書く。ちょうど、津波の大きな被害が出た後で、こういう技術があれば、とお考えになったんでしょう。ただ、海上の上空に書くとなると、相当巨大な文字が必要。それだけ巨大なレーザーが必要になってくる、という先入観をまず研究者はもちます。そんな巨大なレーザーを作ることはできない、と。私もそう思ったんですが、研究の世界では、やり方はひとつではない、とも感じましてね。だから、できないとはいえないのではないか、と。それで共同研究をお引き受けすることにしたんです。

 非常用の情報源としての文字のイメージがあったこともあって、最初に取り組んだのは、2次元の文字や図を空気中に描くこと。実際には、方法はすぐに浮かびました。課題は特になかったです(笑)。私の中では、ある程度の解決法はわかっていましたから。そこで、どのくらい絞ればプラズマができるか、基礎実験から始めました。レーザー光を動かしたりする既存の装置があるので、そういうものを利用して実験を進めて、比較的にすぐにできました。その期間は1年くらいでした。
開発に2年。苦労したのは、リニアモーターくらい
 このときの2次元像空間描画装置は、珍しいものはできたけど、大したことではないと思っていました。ところが、予想以上の反響がありまして。テレビのニュースで取り上げられたり、新聞の取材が次々に来たり。スクリーンのないところに字を書くなんて、今までにない技術だ、と。ですが、そのときは次の技術に挑む必要がありましてね。というのも、正直に言いますが、この装置の開発は、行政の助成を受けていたから。毎年、新しい挑戦をやらないと、予算は出ないんですよ(笑)。それで私がアイデアを出した。3次元映像をやってみよう、と。こちらも、世の中にないものでしたからね。

 3次元でも原理は同じです。ただし、次元が3つですから、ソフトがちょっと複雑になる。奥行きという概念です。2次元映像では、レーザー光源とミラーを組み合わせることで焦点の位置を制御していました。しかし、3次元では、焦点の位置を3次元的に制御しなければならない。平面の2次元のミラーを組み合わせて動かすものは世の中にたくさんあるんですが、レーザーの焦点の奥行きも加えて可変できるものは、そんなにない。可変焦点ミラーや可変焦点レンズはあるものの、高価だし、耐久性にも課題があった。だから、高速の直線移動モーターを利用して、独自で精密な焦点位置を調整し、制御できるレンズシステムを作る必要があったんです。そこで使ったのが、リニアモーターでした。これなら、連続で好きなところに高速で動かすことができる。この方法はすぐに浮かんだんですが、モーターがうまく動いてくれなくて。

 今はいいモーターが出ていますが、当時はモーターが動く反動で台が動いてしまいましてね。そのために、どんどん台を重くしないといけなくて。土台が動かないようにしないと、コンピュータで書いたとおりの場所に動いてくれないわけです。でも、苦労したのは、これくらい(笑)。2年くらいで、思うとおりにできましたから。
ピラミッド
 
「3次元像空間描画装置」を使って表示した3次元画像のピラミッド。レーザー光を空間中に一点に強く集光、焦点近傍の空気をプラズマ化して発光させる技術を応用している。一つひとつのドットが、プラズマである。まず、2次元の装置を完成。その後、川崎市産学共同研究開発プロジェクト助成事業の支援のもと、3次元の表示に取り組んできた。
概念図? 他の図柄?
 
「3次元像空間描画装置」は、2次元描画装置を改良して生まれている。ドットの焦点位置を制御していくリニアモーターシステムと、プラズマを使ってドットを作る高品質・高輝度赤外パルスレーザーを組み合わせることによって、リアルな3次元映像の空間表示に成功。また、「3次元像空間描画装置」から、実際に描画する空気中のポイントまでの距離を、数メーターと大幅に伸ばすことにも成功した。
 
最も難しいのは、プラズマを打つ焦点位置を定めること。2次元描画装置では、ガルバノミラーと呼ばれる鏡を用いて、2次元平面上(X軸、Y軸)でプラズマ生成の位置制御を行っていた。ガルバノミラーのひとつが1軸方面の焦点の移動を担うため、2枚1組のミラーを用いて、それぞれの鏡の向きを独立に制御、2次元平面上でのレーザー焦点の移動を行った。
3次元では、垂直(Z軸)方向でも、プラズマが発光する点の位置制御をしなければならないため、「レーザー焦点位置調整用レンズ」を新たに導入した。レンズは高速かつ正確に位置を制御する必要があるため、精密な制御を行うことができるリニアモーターの上にこのレンズを設置したシステムを新たに開発、描画装置内に組み込んだ。
 共同研究を行っている産業技術総合研究所が、「3次元像空間描画装置」によってプラズマ発光を用いた「リアルな3D映像」の空間描画に成功、というタイトルでプレスリリースを出したのは、2006年2月7日だった。その後、わずか20日ばかりで日本語版、英語版合わせ、アクセスはなんと17万件を超えたという。テレビ、新聞、雑誌の取材が次々に押し寄せた。多方面で話題になったことをご存じの方も多いかもしれない。日本のみならず世界中のインターネットサイトやマスコミが、大々的に取り上げたのは言うまでもない。「3次元ディスプレイ」に対する注目度は、世界的に相当大きかったということを、改めて証明する出来事となった。しかし、開発の当事者の一人である内山氏は、いたって冷静そのものなのである。「大したことはないです。できるはずだと思って、そのとおりにやり続けてきただけですから」。そんな彼の研究者としてのルーツとは。
 
たまたま入った研究室がレーザーをやっていた
 レーザーの研究を始めたのは、たまたまなんです。学部生のときに入った研究室が、レーザーの研究室だった。それだけで(笑)。レーザーが研究されて、まだ10年もたっていない頃。まだ世の中にそれほど普及していなかった。測定器に使われることはわかっていましたけど、レーザー加工みたいなものは、まだなかった。新しい技術でしたから、応用を考えるのが研究目的でした。ちょうど学部の卒論が、レーザー距離計。今は測量などにも用いられているレーザー距離計ですが、当時はレーザーを使って距離を測る十分なものはなかった。そんな時代だったんです。

 ドクターまで進みましたが、実のところ、大学に残るつもりはなかったんです。ところが、指導いただいている先生が2人いらっしゃって、残らないか、と。一人の先生には抵抗を試みたんですが、もう一人は大手電機メーカー出身の偉い先生で、「就職するよりも大学に残ったほうがいいよ」とズバっとひと言。これはズシリときました。それで、大学に残る決断をしました。

 どちらが結果的によかったのかは、わからないですね。ちなみにもし企業に入っていたら、レーザーはやらなかったと思います。電気工学科でしたから、電気関係で何かやりたかった。
こういう学者もありなのか、と憧れた先生
 以後、一貫してレーザーの研究をしてきました。まだまだ進歩すると思っていましたから。基礎的なレーザーを研究し、後にドイツにも留学しました。このときは、ドイツでの生活のほうが楽しくてしょうがなかったんですけど(笑)。研究のやり方は学べましたけど、転機になるような出来事はなかったですね。遊んでばかりいましたから(笑)。

 戻ってからは、化学反応でレーザーを出す研究を始めました。今も継続している研究テーマです。私の研究の方針は、流行にとらわれないことなんです。ほかの人がやらないこと、自分しかやっていないことをやろう、と。そうじゃないと、研究の意味がないですから。

 実は研究者として憧れたのは、まったく学者っぽくない先生でした。自分の宣伝みたいなことを一切しない。自分の好きに生きておられる方だった。こういう学者もありなのか、と思いました。相当、影響を受けましたね。もちろん、研究者は完全には自分の好きなようにはやっていけない部分もある。でも、その先生は、思うとおりに生きているように見えた。周りの状況や評価に左右されない。一喜一憂しない。自分を貫く。かっこいいと思いました。

 そんな先生への憧れがあったからでしょうか、日の当たらない研究をしていたとしても、まったく気にならなかったんです。周りに関係なく、自分のやるべきことをやる。やりたいことをやる。それが大事だと思っていました。
 それが結果的に日の当たる研究になったとしても、同じなんですよ。変わらないし、変わる必要もない。やるべきことをやり、やっていく。やりたいことを、やり抜いていく。
 3次元像空間描画装置は大きな反響をいただいたわけですが、実際のところは、すごいことをやったなんて、今でもあんまり思ってないんです(笑)。こんなものかな、くらいなもので(笑)。
目の前の課題にとにかく全力でぶつかること
 画期的な研究はどうすれば生まれるか、ですか? 偶然みたいなものも、かなり大きいんじゃないでしょうか。ひとつ言えるとすれば、自分を信じることだと思います。これまでやってきた蓄積があって、それが自信になっている。そういう状態になっていれば、自分を信じることができる。逆に自分を信じられないとすれば、それだけのことをやってこなかったということになる。

 そしてとにかく、目の前に直面した課題に全力でぶつかることです。2次元で空気中に絵を描く。これはできるはずだと思ったから、淡々と開発に取り組んだ。3次元化は、奥行きを動かす道具がうまく動いてくれるかな、という心配はあったけれど、やればできると思っていた。細かいことでうまくいかないことが出てくるのは、当たり前のこと。もちろんいろんなことが起きましたけど、私の研究室の学生は喜んでやっていました。

 細かなスケジュールも立てなかったですね。およそ2年くらいでできるだろう、くらいの見当はありましたが、あとは予定なんか立てない。新しいものを作るのに、あれこれ考えても仕方がないですから。できることからどんどんやっていく。それこそ方向は決まっているわけですからね。

 世の中になかった3次元映像を映す機械はできました。でも、まだやらないといけないことがある。まずは映像の大型化です。今のまま映像を大きくする方法もありますが、新しい技術を作る道もある。そしてカラー化です。実はこれがけっこう難しい。ブレイクスルーがないと、カラー化は難しいかもしれない。さらに、ドットを打つスピードをもっと上げないといけない。かなり瞬間に近くなりましたが、まだまだ。解像度も上げないといけない。広告媒体としての実用化は、一足先に進むかもしれないですが、研究としてのテーマは数多くある。

 研究者やエンジニアは考え続けることが必要だと私は思っています。常に考え続けることを習慣にしてしまうことで、いろんなヒントを見つけられると思う。技術は今、どんどん発展して、人間の意識ではなかなかコントロールできないところまできています。発展の方向にしかいけないということです。となれば、求められるのは、やはり良識です。でも、良識さえあれば、あっと驚くような技術革新が、この10年ほどで見られると私は思っています。
?
 
内山氏が1980年代から取り組み、今も研究を続けているのが、化学反応でレーザーを出す研究。空気中にある酸素、特に普通の酸素よりもエネルギーが多い励起酸素を取り出して、光に変えていく。「化学反応だけで光を作れるわけですから、それを可能にする燃料さえあればいくらでもパワーを強くできます。ものすごく大量のレーザーエネルギーを作り出すことができるんです」。実はアメリカでは軍事用にも研究が行われており、レーザーミサイルとして、あるいは迎撃ミサイルとしても実験が行われていたという。
いろんな画像
いろんな画像
 
どこでもドットを作ることができるため、基本的には、どんな絵でも立体的な映像を描き出すことができる。赤外パルスレーザーは、パルス繰り返し周波数?100Hz、パルス発光時間は100ナノ秒(1000万分の1)オーダー。
アメリカで行われた「SIGGRAPH」のエキシビションでの実演。空気中に突然現れた3次元のさまざまな映像は、多くの人を足を止めた。3次元の映像が空気中に映し出される、といえばハリウッド映画が思い浮かぶが、まさに夢の技術の実現へと近づいた実演は、多くの人を驚かせることになった。将来的には、空をメディアとした広告、映画やエンターテインメント施設など、さまざまな用途が考えられる。アメリカでは映画産業やエンターテインメント施設からの反響が大きかったが、日本では次世代広告媒体として、業界からも多くの問い合わせが寄せられているという。
profile
内山太郎(うちやま・たろう)
慶應義塾大学理工学部助教授
システムデザイン工学科
総合システム工学専修/総合デザイン工学専攻
工学博士

1944年、東京都生まれ。68年、慶應義塾大学工学部電子工学科卒。同大学大学院工学研究科電気工学専攻修士課程修了。博士課程を経て、74年、工学博士。慶應義塾大学工学部助手、工学部専任講師を経て、理工学部助教授(システムデザイン工学科兼電気工学科)。79年〜84年に3度、旧西ドイツのマックスプランク量子光学研究所客員研究員として勤務。電気学会、レーザー学会などに所属。
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  宮みゆき(総研スタッフ)からのメッセージ  
宮みゆき(総研スタッフ)からのメッセージ
「そもそもレーザーって、何ですか?」なんていうかなり基本的なところから、ご丁寧に基礎からご説明してくださった内山先生。学生時代の理科の授業を思い出し、大変懐かしくなりました。空中に浮かぶ3D広告なんて、SF映画の世界だけだと思っていたけど、子どもの頃に夢見た未来の21世紀が近づいてきたようで、わくわくします。世界に先駆け、ぜひ日本の技術で実現してほしいなと思います!

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