【共同研究成果情報 vol.2】

動くホログラムの新時代　～太陽の光で3Dをそのまま記録！～

Natural-light full-color motion-picture holography

自然光フルカラー動画ホログラフィ

April 17 2025

Tatsuki Tahara(1),　Tomoyoshi Shimobaba(2),　Yuichi Kozawa(3),　Mohamad Ammar Alsherfawi Aljazaerly(4),　Tomoya Nakamura(4)

(1)National Institute of Information and Communications Technology　(2)Chiba Univ.　 (3)Tohoku Univ.　(4)SANKEN, The Univ. of Osaka

Advanced Photonics Nexus, Vol. 4, Issue 3, 036006 (April 2025).

Natural-light full-color motion-picture holography

ホログラムより観察される画像は、見る角度を変えると立体的に見え、奥行きがあり、実物がそこに“浮かんでいる”ように見えるという不思議な特徴を持ちます。ホログラム（立体像情報を含んだ媒体）をつくるための技術や方法がホログラフィです。ホログラフィは、普通のカメラのように光の明るさと色だけを記録する技術でなく、「その光がどの方向から来たか（＝光の波の形）」まで記録できる「光の立体コピー技術」です。ただし、ホログラフィは、光の波同士が重なってできる「しま模様」を記録して立体を再現する技術なので光の波を綺麗に重ねなくてはいけません。今までのホログラフィの技術では、揺れに弱く、ほんの少しの振動でもホログラム作成に失敗していました。また、しま模様を作るのが極めて難しい自然光で、建物等の瞬間のフルカラーホログラムを取得するのは難しいと考えられていました。しかしなんと、情報通信研究機構の田原樹主任研究員、千葉大学大学院工学研究院の下馬場朋禄教授、東北大学多元物質科学研究所の小澤祐市教授、大阪大学情報イノベーション機構のMohamad Ammar Alsherfawi Aljazaerly特任研究員、大阪大学大学院基礎工学研究所の中村友哉准教授の共同研究チームは、「普通の机に置くだけで撮影できる技術」、しかも「シャッターを1回切るだけで太陽光照明下のフルカラー3Dが撮れる技術」を開発しました。

1.創造性と画期性（この研究は何がすごいのか）

🌸1-1．「レーザー必要」と言う常識を「太陽光でも撮影可能」に

• 従来のホログラフィでは、特殊な光源（レーザー）が必要で、屋外や自然光下での撮影は不可能でした。本研究は、「自然光」と呼ばれる太陽光や、LED照明を使って、対象物の3次元情報をフルカラーで記録することに成功しました。

🌸1-2．「写真」ではなく「動画（4D）」を記録

• 静止画だけでなく、動いている物体を「3次元の立体動画（3D空間＋時間＝4D）」として記録できます。これにより、まるでその場にいるかのようなリアリティのある再生が可能になります。

🌸1-3．「どこでも置ける」ポータブル化の実現

• ホログラム撮影の天敵は「振動」です。通常は数トンの除振台が必要ですが、本研究では振動に強い光学系を開発し、普通の可動式テーブルに乗るサイズの「ポータブル・ホログラフィックカメラ」を実現しました。

🌸1-4．1cmから10mまで、あらゆるものを3D撮影

• 小さな物体から、建物や人物のような大きなもの（10m級）まで、サイズを問わずワンショットで撮影できるシステムを構築しました。スキャンが不要なため一瞬の動きも逃しません。

2.新しい研究手法の開発（どうやって実現したか）

🌈2-1．自然光の“乱れ”を逆に利用する設計

• 自然光はレーザーと違ってバラバラに広がるため、ホログラフィには不向きとされてきました。研究チームは、光の自己干渉を利用する光学系、フルカラー偏光イメージセンサー、最新のノイズ除去アルゴリズムを組み合わせ、自然光でも安定してフルカラーホログラムを瞬時取得できる仕組みを作り上げました。レーザーを用いると自己干渉光学系でスペックルノイズが大きな問題になるのに対して、自然光では波の乱れによりスペックルが発生しなくなるため、乱れを逆に利用する形で高画質化を達成しました。

🌈2-2．シンプルな光学構成で“持ち運べるホログラフィカメラ”を実現

• 複雑なレーザー装置を使わず、水晶レンズ、水晶板、液晶素子、偏光フィルタ、フルカラー偏光イメージセンサーなどのシンプルな構成で、ポータブル化に成功しました。理論だけでなく実機を開発して実証した点も重要です。

【図】　研究チームが開発したホログラフィカメラを用いて行った物体の実験設定の一例です。これ以外にも、屋外、散乱した太陽光など様々な条件下でホログラフィカメラの機能を実証しました。

3.将来的な学術的インパクト（何に役立つか）

💡3-1．ホログラフィの大衆化・フィールドワーク化

• この研究の成果を社会展開すると、屋外フィールドワークや日常空間で誰でも3Dホログラムが撮れる時代になります。動くものを立体で連続撮影できるので、人間や動物の動作、植物の成長の記録が行えるようになります。

💡3-2．「記録」の概念を変える次世代アーカイブ

• 文化財のデジタル保存、手術の3D記録、セキュリティ、そして究極のVR/ARコンテンツ作成など、「現実世界をありのまま（立体・カラー・動き）保存する」技術として、映像・計測分野に革命を起こす可能性が大いにあります。

💡3-3．全ての物体にピントの合った計測機器を提供

• ホログラム取得時にピントが全く合ってない物体に対して計算機でピントを合わせられるため、高分解能な顕微鏡や、接写時、オートフォーカスでピントを合わせ辛い条件でも、全体にピントの合った結果を得られる様になります。先端4D顕微鏡、3D変位・変形・距離測定機器への展開が期待されます。

4.本研究が切り拓いた新境地　（まとめ）

この研究は、「ホログラフィ＝特殊な実験室の技術」から「誰でも屋外で使える3D動画技術」へという社会の情報基盤を変えうる技術革新を実現したといえます。自然光で、動く3Dを撮れる、そのシンプルさと応用範囲の広さが、この研究の至高の価値です。レーザー不要＝普及コストが劇的に下がるということで、ホログラフィが専門技術から一般技術へ移行することに期待が高まります。

研究者からのコメント

（情報通信研究機構　田原樹 主任研究員）

太陽光ホログラフィ研究は、JSTさきがけ研究より10年間掛けてここまで達成できる様になりました。私一人では困難だった結果を、共著者を始めとする、たくさんの方々の御力添えにより実現できました。私がひよっこ研究者の頃より御時間掛けて御面倒見て下さった数多くの研究者、支えて下さった皆様に心より御礼申し上げます。今後、情報科学、メタ光学素子含めた材料科学をより一層融合して計測性能を向上させ、顕微鏡、測距、天体等のパッシブ計測、自発光体計測に役立つ様に技術を磨き上げます。

（千葉大学大学院工学研究院　下馬場朋禄 教授）

田原先生のポータブルな自然光ホログラフィカメラは特殊な光源や除振装置を必要とせず、自然光下でフルカラーの3D動画を撮影でき、ホログラフィ技術を研究室から実世界へと連れ出す真に革新的な成果だと確信しております。初めてこの成果を見せていただいたときにたいへん驚いた記憶があります。田原先生の情熱と卓越した知見による成果であり、今後の更なるご研究の進展を心より応援しております。

（東北大学多元物質科学研究所　小澤祐市 教授）

今回、本共同研究拠点制度を通じて田原先生のご研究が大きく飛躍されたことを大変嬉しく思います。太陽光のような自然の光がホログラフィに使えるだけでなく動画記録まで実証できたことは素晴らしい成果だと思います。このような研究に携われたのも本事業があってこそだと改めて感じました。

（大阪大学情報イノベーション機構　Mohamad Ammar Alsherfawi Aljazaerly 特任研究員）

This portable natural-light holographic camera records full-color 4D scenes in a single shot by reconstructing RGB depth planes. As with traditional cameras, denoising is essential for suppressing both random noise and holography-specific artifacts. The 4D structure helps enforce consistency across depth and time. Developing better denoising strategies for this unique imaging modality remains an active area of research.

（大阪大学大学院基礎工学研究所　中村友哉 准教授）

本制度を通じて共同研究を支援頂き、大変感謝いたします。本成果がホログラフィックカメラ技術の実用化に向けた一助となれば幸いです。

【連絡先】

情報通信研究機構　主任研究員　田原樹　tahara@nict.go.jp

千葉大学大学院工学研究院　教授　下馬場朋禄　shimobaba@faculty.chiba-u.jp

東北大学多元物質科学研究所　教授　小澤祐市　y.kozawa@tohoku.ac.jp

大阪大学情報イノベーション機構　特任研究員（常勤）　Mohamad Ammar Alsherfawi Aljazaerly　ammar.alsherfawi.3h5@osaka-u.ac.jp

大阪大学大学院基礎工学研究所　准教授　中村友哉　t.nakamura.opt@osaka-u.ac.jp

リサーチハイライトもご覧ください。