[論文レビュー] Fairy Lights in Femtoseconds: Aerial and Volumetric Graphics Rendered by Focused Femtosecond Laser Combined with Computational Holographic Fields

Yoichi Ochiai, Kota Kumagai+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 34被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、焦点を合わせたフェムト秒レーザーと計算的ホログラフィック場を組み合わせることで、空中および体積的3Dグラフィックスを生成する新しい手法を提示している。正確な3次元位置における空気中でのレーザー誘発プラズマを利用することで、最大200,000ドット/秒の高空間・時間分解能を達成し、リアルタイムで安全かつスケーラブルな体積ディスプレイを実現する。また、さまざまな媒体における蛍光やマイクロバブルを用いたレンダリングの可能性も示唆している。

ABSTRACT

We present a method of rendering aerial and volumetric graphics using femtosecond lasers. A high-intensity laser excites a physical matter to emit light at an arbitrary 3D position. Popular applications can then be explored especially since plasma induced by a femtosecond laser is safer than that generated by a nanosecond laser. There are two methods of rendering graphics with a femtosecond laser in air: Producing holograms using spatial light modulation technology, and scanning of a laser beam by a galvano mirror. The holograms and workspace of the system proposed here occupy a volume of up to 1 cm^3; however, this size is scalable depending on the optical devices and their setup. This paper provides details of the principles, system setup, and experimental evaluation, and discussions on scalability, design space, and applications of this system. We tested two laser sources: an adjustable (30-100 fs) laser which projects up to 1,000 pulses per second at energy up to 7 mJ per pulse, and a 269-fs laser which projects up to 200,000 pulses per second at an energy up to 50 uJ per pulse. We confirmed that the spatiotemporal resolution of volumetric displays, implemented with these laser sources, is 4,000 and 200,000 dots per second. Although we focus on laser-induced plasma in air, the discussion presented here is also applicable to other rendering principles such as fluorescence and microbubble in solid/liquid materials.

研究の動機と目的

• フェムト秒レーザー誘発プラズマを用いた、安全でスケーラブルなリアルタイム空中および体積的3Dグラフィックスの開発。
• ナノ秒レーザーの制限を克服するため、フェムト秒パルスの低エネルギーと高精度を活用すること。
• 計算的ホログラフィーとビームスキャン技術を用いて、3次元空間における高空間・時間分解能を達成すること。
• 最適化された光学部品を用いて、1 cm³を超える体積ディスプレイの設計空間とスケーラビリティを検討すること。
• 固体および液体材料における蛍光やマイクロバブル形成といった他の物理現象への応用可能性の拡張。

提案手法

• システムは、特定の3次元座標で空気中におけるプラズマを誘発するため、焦点を合わせたフェムト秒レーザーを用い、可視光の放射を引き起こす。
• 空間的光変調を用いてレーザー波面を整形し、正確な3次元光放射を実現するホログラフィックパターンを形成する。
• ガルバノミラーを用いてレーザービームをワークスペース全体で走査し、動的かつ体積的グラフィックスをレンダリングする。
• 2つのレーザー源をテストした：1つは1,000 Hzで30–100 fsのパルスを発生させ、1パルスあたり最大7 mJの出力、もう1つは200,000 Hzで269 fsのパルスを発生させ、1パルスあたり50 µJの出力。
• 計算的ホログラフィック場を計算して、レーザービームの位相と振幅を制御し、光放射の正確な3次元位置決めを可能にする。
• 光学系の構成を調整することで、レンズおよびミラーの配置を最適化し、1 cm³を超えるディスプレイ体積を実現するようにシステムを設計した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザー誘発プラズマを用いた空中での安定的かつ高分解能な3次元体積グラフィックスをリアルタイムで実現できるか？
• RQ2 フェムト秒レーザーと計算的ホログラフィーを用いた3次元ディスプレイシステムの最大達成可能な空間・時間分解能は何か？
• RQ3 フェムト秒レーザーをナノ秒レーザーと比較して、体積ディスプレイ応用において安全性と精度をどのように向上させられるか？
• RQ4 光学部品およびシステム構成の最適化によって、ディスプレイ体積をどの程度スケーリングできるか？
• RQ5 同じ原理を、固体または液体媒体における蛍光やマイクロバブル形成といった他の光放射メカニズムへも拡張可能か？

主な発見

• 30–100 fsのレーザー源（1,000パルス/秒）を用いた場合、システムは4,000ドット/秒の空間・時間分解能を達成した。
• 269-fsのレーザー源（200,000パルス/秒）を用いた場合、システムは最大200,000ドット/秒の分解能に達した。
• 空気中におけるレーザー誘発プラズマは、任意の3次元位置で高空間精度を維持した可視光放射を生成し、熱傷損傷を最小限に抑えた。
• 光学部品の調整およびビーム整形技術を用いることで、1 cm³を超えるスケーラビリティを実証した。
• 本手法は、固体および液体材料における蛍光やマイクロバブル形成といった他の物理的光放射メカニズムへも応用可能である。
• フェムト秒レーザーの使用により、ナノ秒レーザー基盤のシステムと比較して、安全性が著しく向上し、付帯的損傷が大幅に低減された。