第5章

第 5 章 空間立体ユーザインタフェース
第 1 節 レーザーと超音波による空間触覚提示
筑波大学

落合 陽一

1．はじめに
本稿では空中触覚提示のためのレーザーと超音波による空間触覚刺激提示手法について述べる。大枠の実装・実験等については，著者の過去の研究から 6）と 26）を参照した。
データを空間表示し，視覚・触覚・聴覚・嗅覚・味覚などの人の感覚器を用いて対象物を認識しようとすることを目的とした研究は，過去 50 年間にわたって大きな注目を集めてきた。写真やレンズを用いたメガネ型の機器による表示手法は 19 世紀にいくつかの原型を持ち，その後計算機処理された三次元物体をメガネ型の機器を用いて視覚的に表示する研究は Ivan Sutherland がヘッドマウントディスプレイを用いて行っ1）

たのを皮切りに 3D ディスプレイを探求するための絶え間ない努力がなされている。これを達成するためにメガネを使用する技術は，アナグリフ，時分割，および偏光などに基づき，導光板や光変調などを用いた多くの手法が提案されている。
一方，メガネに頼らない技術は，パララックスバリアやレンチキュラーレンズやレンズアレイやメタマテ
リアルミラーなどに基づいたものが多い 。これらの方法は効果的な 3D 画像を提供することができるが，2）

それらは複数の視点に対する正確な画像の計算および生成を必要とし，そしてユーザーは限られた視野角内に留まらなければならない。
他にも 3D ディスプレイを実現するための別のアプローチは，平面の代わりに物理的な 3D 空間を使用して 3D 空間に「ボクセル」を配置することにより，ユーザーに表示された画像を任意の角度から見ることができるようにすることである。この手法で構成されたボリュメトリックディスプレイは，時にユーザーが物体表面に触れられたり，その物体から音が出たりすることによって三次元空間をより物質的に構成する。それらはボクセルの特性が自発光型か反射光型かによって 2 つのカテゴリーに分けられる。例えば光を放射する
ボクセルは，LED ，光ファイバの端点 ，またはレーザー誘起プラズマ
3）4）などがある。また投影された光5,6）を反射するものはフォグを用いたもの ，水滴を用いたもの ，シャボン膜を用いたもの
7）

粒子を浮遊させる

8）

あるいは小さな9,10）などがある。

11）

図 1 レーザーと超音波を組み合わせた空中触覚提示。（左から）AR 表示と組み合わせた例，レー
ザーのみ，超音波をドライアイスで可視化した図，超音波をドライアイスで可視化しながらレー
ザープラズマを写した図（拡大），超音波をドライアイスで可視化しながらレーザープラズマを写した図（カラー図は口絵参照）

248

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 248

2019/03/22 20:33

第1節

15）

図2

空力，音響，光学，電気，磁気，高周波，および超伝導の空間伝達力

こういった 3 次元的な視覚表示の系譜を含め，空間情報により実在感をもたらすような触覚情報をもたらすものとして，空中触覚フィードバックは盛んに研究されている。現実世界指向のインタラクション，拡張現実感（AR），そしてバーチャルリアリティ（VR）などの目的のためにエアジェット
気の渦

，超音波

12）

，および空

13）

などの様々な方法が提案されている。上記に挙げた視覚的ディスプレイとしては，2019 年現在，

14）

仮想没入型コンテンツおよび深度カメラを用いたヘッドセットである Hololens2
販売されており，メガネに依らない技術でも Looking Glass

注3

や ASKA3D

注4

注1

や Oculus GO

注2

などが

などが販売されている。しかし，空中触覚フィードバックの実用化の観点では，主だったところでは Ultrahaptics

注5による空中触覚用

フェーズドアレイ技術が開発者用製品として出回っているのみであり，未だ研究領域での探求が盛んに行われている。
接触型でない空中触覚ディスプレイにはいくつかの利点がある。物理的に接触していないため，空中触覚を与える上で高い「プログラム可能性」を有する。言い換えれば，皮膚に接触する物理的なアクチュエータを必要としないため，それは 3D 内の任意の位置に設定することができる。またサイズは実空間のサイズに対応するため正確な体積表現を行うことができる。したがって，この技術は空間的なユーザーインタラク
ションへの親和性が高い。
非接触の空間伝達力に関する研究としては，過去 Brandt によって議論された（図 2） 。彼は物体の浮上
15）に焦点を当てて，空間伝達力に関して議論を行ったが，その分類は空間に対する非接触触覚ディスプレイにも適用可能である。Brandt が議論した非接触力は，空力，音響，光学，電気，磁気，高周波，および超伝導の 7 種類であった。その中でも，空力，音響，そして光技術は空間に対する触覚ディスプレイとして潜在的に利用可能である。近年，それらの非接触力を用いたいくつかの研究は計算機による処理に焦点を当てている。そういった研究は三次元空間に触覚情報を描画するホログラフィックアプローチで超音波による音響
エネルギーやレーザー を処理し，人間の触覚知覚につなげるものである。また単一の物理量に対する

16）

6）

研究がいくつか行われてきたが，相乗効果の探求も行われてきた。本稿ではその中でレーザーと超音波を用いた視触覚ディスプレイについて述べる。

注1
注2
注3
注4
注5

Hololens2 : https://www.microsoft.com/ja-jp/hololens
Oculus GO : https://www.oculus.com/go/
Looking Glass : https://lookingglassfactory.com
ASKA3D : https://aska3d.com/ja/
Ultrahaptics : https://www.ultrahaptics.com

249

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 249

2019/03/22 20:33

第5章

2．関連する研究アプローチ
本節では，空中触覚に関する従来の研究について概説する。例えば 17）では，仮想物体の空中触覚はノズ
ルからのエアジェットによって表現された。同じように空中に渦輪や空気砲による触覚表示を与える手法が研究されている。他にも超音波による触覚フィードバック

14,18）

超音波や 22）のような磁力を使った手法

19-21）がある。これはユーザーの指に小さな磁石を付けることで空中の磁力線を感じられるようにする手法である。レーザー光を用いてユーザーが手を触ったときに手に感覚を与えるための手法も検討されているにも例えばナノ秒レーザーが肌に触れると触感が現れるものなども検討されている

。他

23）

。電気，ラジオ周波24,25）

数，超伝導力もこれまでのところ空中触覚フィードバックに適用されている。またプラズマを触ったときの触覚については 6）で議論されている。これは空中像をレンダリングするためにレーザープラズマを使用し，その空中像の触覚について報告したものである。
本稿では著者の過去の研究をもとに，レーザーと超音波という二つの異なる分野を使うことで，重ね26）

合わせだけでなく，同時に相乗効果についても論ずる。近年，静電触覚や磁性流体を用いた触覚の組み合わ
せや渦輪と超音波を組み合わせた触覚の組み合わせ

27）など設計時に複数のフィールドを組み合わせる相28）

互作用が研究されている。以下に，空中触覚に関する問題を解決することを目的としてレーザーと超音波の組み合わせについて解説する。

3．レーザーと超音波を用いる理由
超音波触覚フィードバックは比較的高い空間を有する他の空中触覚フィードバックと比較した場合，解像度が波長によって制限される（40 kHz の場合例えば 8.5 mm の超音波波長）。また空気中での吸収損失のために，より短い波長を持つより高い周波数の超音波は触覚フィードバックには適していない。もう 1 つの制限
は刺激の弱さである。例えば本研究で用いている 18 × 18 のアレイ配列によって生成される最大の力は，16 mN と低いため，これを得るにはより大きなアレイが必要である。知覚的により大きい力を探求するた

20）

め，我々は，レーザープラズマがその知覚を補償することができる可能性を考慮して本研究に着手した。超音波触覚フィードバックの欠点と考えられる上記二つの効果は，それぞれ物理的に独立しているレーザーなどの他の力を用いることで補完的にシステムに組み込むことができる。物理的にそれらの二つの触覚フィー
ドバックは同じ場所に適用することができる。その解像感と相互作用について以下では論ずる（図 3）。
また後述するが，それぞれ超音波暴露とレーザーによる侵襲には細心の注意を払う必要がある。超音波の音圧レベルは触覚を感じるほど強い音響放射圧を生成している。強力な超音波を用いた実験を行う際は鼓膜の保護に関する安全対策を行う必要がある。また，触覚を与える程度のレーザープラズマへの接触は皮膚の角質に微小ではあるものの損傷を与える 。またレーザーを眼球に直接照射すれば網膜にダメージを当てる
6）

可能性がある。そのため，実験にはエネルギーのコントロールおよび安全対策が不可避である。

図3

レーザーと超音波による触覚フィードバックの概念図

250

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 250

2019/03/22 20:33

第1節

4．触覚像の定義
音響フェーズドアレイとレーザーを用いた触覚像は以下の Hi によって与えられる。

26）

触覚画像 Hi は焦点の時系列の和，すなわち，後述する光のホログラムと焦点移動によって得られる積分値
Hl と音響ホログラムと焦点移動によって得られる積分値 Ha の和である。物理的に独立な二つの現象における知覚的な相互作用を検討するため，後ろの調整項を置く。この相互作用の決定に関わる実験は後述する。
4.1

計算機ホログラム計算機生成ホログラム（CGH）Ur からの再構成の複素振幅（CA）は，設計された CGH パターン Uh のフーリ
エ変換によって与えられる。

ここで，ah と φh は，SLM に表示されるホログラム面の振幅と位相をそれぞれ表す 。実験では，CGH への6）

光照射は均一な強度分布を持つ平面波と考えられるため，ah は一定である。φh は ORA アルゴリズムを使用して得られる。ar と φr はそれぞれ再構成平面の振幅と位相である。再構成の空間強度分布は，実際には

29）|Ur| =a として観察される。CGH は，平面方向（X および Y）方向に沿って焦点位置を制御するために，いく22r

つかの blazed grating の CA の重ね合わせに基づいて設計される。再構成された面が N 個の集束スポットを有する場合，CGH は N 個の blazed grating を含む。焦点位置を軸（Z）方向に沿って制御するために，焦点距離 fを有する位相フレネルレンズパターンが φh に加えられる。

ここで k=2π/λ となる波数である。この場合，SLM の空間分解能が最小焦点距離を決定する。
4.2

レーザーによる触覚像

レーザーによる触覚像 Hl は，SLM 画像とガルバノミラーと可変焦点レンズの組み合わせによって与えられる。

G（x,y）
はガルバノミラーによる移動平面方向の移動，V（z）
は軸方向の移動をそれぞれの焦点を中心としたホll
ログラム像の積分値になる。このときの 1 フレームあたりのドット数（dpf）について考える。
dpf は，レーザーによる立体ディスプレイで評価する必要があるパラメータである。視覚ディスプレイの場合はドットは視認点として考えるが，触覚の場合は最小の触覚提示エネルギーを与えるドットとして定義する。したがって，各ドットに必要な最小エネルギーはレーザーブレークダウンしきい値 Elbd より高くなる。
これがどれだけ大きくなるかは後述する被験者実験で明らかにする。総出力エネルギー Etot は，SLM によってドット間で分割される。レーザーパルスあたりのドット数 Ndot は，として表される。1 フレームあたりのドット数は，Ndot，レーザーパルスの繰り返し周波数 Frep，および人間の触覚の持続性に基づいて決定されるフレーム時間 Tf によって決まる。したがって，

251

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 251

2019/03/22 20:33

第5章である。例えば，Ndot=100，Frep=1 kHz，Tf =100 ms の場合，10 fps で 10,000 dpf のアニメーションが再生される。実際には，フレームあたりのドット数は時間応答のボトルネックによって決まることに注意が必要である。
4.3

超音波による触覚像

超音波による空中触覚フィードバックは音響放射圧に基づいている。これは皮膚に長時間適用することができるが，比較的弱い（10 〜 20 mN）力を与えることしかできない。皮膚で触る感覚は狭い領域内の層流空気流に似ている。図 4 は，285 個の超音波トランスデューサを備え，それらを適切な時間（または位相）遅延
で個別に制御する超音波フェーズドアレイの概要を示している。
例えば点が 1 つの場合，（i,j）番目の変換器に対する時間遅延 Δtij は次式で与えられる。

ここで，l00 および lij は焦点から（（0,0）番目（基準）までの距離であり，（i,j）番目の振動子。c は空気中の音速である。焦点は，次の座標の時間遅延を再計算して設定することで移動させることができる。1 点の場合は，上の位相フレネルパターンと同様になる。正方形のトランスデューサアレイから発生する超音波の空間分布
は，ほぼ sinc 関数の形状をしていることが理論的および実験的に示されている。また触覚像はレーザーの20）場合と同様に U（x,y）
を求めることによって計算できる。フェーズドアレイに平行なメインローブの幅 w は，h

波長 λ，焦点距離 R，D は正方形配列の辺の長さを表す。この式は，レーザーホログラムが空間分解能とSLM の解像度の間でトレードオフがあることを示しているように，超音波ホログラムも，空間分解能とア
レイサイズの間にトレードオフがあることを意味する。

5．実験システム
この節では，我々の光学および音響システムの実装について説明する。まず，SLM とガルバノミラーを備えたフェムト秒レーザーの光学系を紹介したのち，次に，超音波フェーズドアレイを用いた超音波音響シ
ステムについて説明する。最後に，それらを統括する制御システムについて説明する。
5.1

レーザーハプティックス

レーザーハプティックスはフェムト秒レーザーのアブレーション効果に基づいており，フェムト秒レー
ザーは皮膚表面をわずかに削り，皮膚に衝撃波を発生させる。これは超短パルスレーザー（本稿では 40 fs のものを使用）の非熱的効果であり，ナノ秒レーザーの熱弾性効果とは異なる。皮膚の損傷を防ぐため，

24,25）

照射時間は 1 秒以下に制限している 。その感覚はザラザラとしており，場合によっては少し痛みのような
6）

感覚を覚える。例えるなら静電気による電気刺激や粗い紙やすりに似ている。図 4 にフェムト秒レーザーの概要を示す。次に SLM とガルバノミラーについて記述する。
5.1.1

光学系

ここでは，スキャンシステムについて詳しく説明する。ガルバノミラーを使用して横方向（X および Y）の方向をスキャンするが，バリフォーカルレンズはその焦点をビームの軸（Z）方向に変更するために用いる。
SLM を用いることでホログラムを再生する。一般に，SLM には，レーザービームの強度，位相，またはその両方を変調する一連のコンピューター制御ピクセルがある。この研究では，ネマチック液晶層を含む液晶
252

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 252

2019/03/22 20:33

第1節

図 4（a）光学系と超音波系の俯瞰図（b）刺激エリアの拡大図（超音波系と対物レンズの周囲）

SLM（LCSLM）を使用した。この層内の分子方向は電極（すなわち画素）によって制御され，各画素によって反射された光線の位相は液晶分子の方向に従って変調される。言い換えれば，この装置は光学フェーズドア
レイとして機能する。光の空間位相制御は，集束位置を横方向（X および Y）および軸方向（Z）の両方に沿って制御することを可能にする。可変焦点レンズとして Optotune EL-10-30 を使用し，USB のシリアル通信制
御で PC から制御する。これらのデバイスは C ++ を使用して作成されたプログラムによって操作している。
ワークスペースは 2 × 2 × 2 cm であり，対物レンズの直径に応じて大きくなる。
3

5.1.2

ハードウェア仕様

フェムト秒レーザー光源を含む設定を以下に説明する。このフェムト秒レーザー源（コヒーレント社）は，
800 nm の中心波長，1 kHz の繰り返し周波数，および 1 から 2 mJ の範囲のパルスエネルギーを有する。ガル
バノミラーは，横方向に沿って発光ドットを走査し（X および Y 走査），バリフォーカルレンズはその焦点を軸方向に変化させることができる（Z走査）。フーリエCGHは並列光アクセスに使用する。最適回転角（ORA）
法で設計された CGH は，解像度 768 × 768 ピクセル，ピクセルサイズ 20 × 20 μm の LCOS-SLM に表示さ
6）

2

れる。
5.2

音場生成

40 kHz の共振周波数を持つ超音波フェーズドアレイ（図 4）を利用した。焦点の位置は，波長の 1/16 の分解能（40 kHz の超音波の場合は約 0.5 mm）でデジタル制御され，1 kHz で更新可能である。40 kHz フェーズ
ドアレイは，170 × 170 mm の面積に配置された 285 個の変換器（直径 10 mm，T4010A1，日本セラミック株
式会社）からなる。焦点距離 R=200 mm のとき，焦点のピークでの音圧は 2585 Pa RMS（測定値）である。単一フェーズドアレイのサイズと重量は，それぞれ 19 × 19 × 5 cm と 0.6 kg である。2 つの回路基板で構成さ3れている。1 つは超音波トランスデューサのアレイ基板，もう 1 つは FPGA とプッシュプルアンプ IC を含む駆動基板である。これらのボードはピンコネクタで互いに接続されている。フェーズドアレイは，USB を介して単一の PC によって制御されている。制御アプリケーションは，Windows 上の C ++ で開発されている。
PC は焦点の座標および出力を含むデータを駆動ボードに送る。ドライビングボードはデータを受信し，式に基づいて各トランスデューサの適切な時間遅延を計算する。（1），（3）を駆動して駆動信号を生成する。
ワークスペースは 30 × 30 × 30 cm と光学的触覚スペースに比べて大きく，フェーズドアレイのサイズに合3

わせて拡大される。これらのレーザーと超音波ハプティックスの作業空間の重なり面積は 2 × 2 × 2 cm で3あり，これはレーザーハプティックスによって制限される。ガルバノミラーのより広い角度範囲を可能にするためにより大きなレンズまたはレンズアレイシートを使用することによって，将来拡大することができる。
253

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 253

2019/03/22 20:33

第5章

後送？

図5

5.3

制御システムここでは，我々のシステムを用いて空中で触覚像をレンダリングするためのパイプラインについて説明する。図 5 にシステム図を示す。システムは Windows PC を使用して制御され，すべてのプログラムは C ++ でコーディングした。制御システムは，音響フェーズドアレイ，SLM，ガルバノミラー，および可変焦点レンズを動作させる。ユーザーとのインタラクションを撮影するために，USB カメラがシステムに接続されている。フェーズドアレイ，ガルバノミラー，バリフォーカルレンズは異なるスレッドに沿って走り，新しい描画パターンが入力されると同期する。ユーザー入力はカメラ側で 60 Hz でキャプチャされている。SLM
は外部ディスプレイとしてコンピューターに接続されている。レーザー側の操作（座標の設定と駆動ミラー，レンズ，SLM の制御と計算）は，PC からの制御信号によって実行される。超音波フェーズドアレイには，焦点の座標や出力の力などのデータを PC から受信する FPGA が含まれている。データを受信すると，FPGA
は式（1）に基づいて各トランスデューサに対して適切な時間遅延を計算する。（1），（3）を駆動して駆動信号を生成する。駆動信号は増幅器を介して振動子に送られる。位相変化を修正すると，音響ポテンシャル場の分布が変化する。また各振動子のパルス幅変調（PWM）制御によって出力が変化する。

6．ユーザー研究と結果
このセクションでは，前節に挙げた光と音場の相互作用を評価するためのユーザー実験について説明する。最初に個々の分野の評価について説明し，次にそれらの間の相乗効果について説明する。言うなれば前節に挙げた触覚像の定数を求めるための実験にあたる。
6.1

レーザーの知覚しきい値

我々は，皮膚上に生じるレーザープラズマの衝撃波に対する知覚的しきい値を評価するために，このユーザー調査を実施した。7 人の被験者がこのユーザースタディに参加した（平均 22.5 歳，女性 5 人，男性 2 人）。
被験者は，右手の人差し指にレーザー触覚刺激を与えた。蒸発効果を力（N）として測定することは困難であり，我々はそれをレーザー出力パワー（W）によって測定した。レーザー出力パワーは，0.05，0.10，0.13，
および 0.16 W に設定した。最低パワーは仕様によって制限され，最高パワーは予備試験によって決定した。
各電力条件は 2 回（2 試行）適用され，試行回数は被験者あたり 8 であった。試験の順序はランダム提示された。各試行で，被験者は最大 10 回レーザーを当て，人差し指で何かを感じたかどうかを尋ねた。視覚情報
は目隠しで遮断し，聴覚情報は白色雑音のあるヘッドフォンで遮断した（図 6）。このヘッドフォンと目隠しは前述した安全対策の観点からも網膜と鼓膜を保護する目的で重要である。結果を図 7（a）に示す。知覚率
は，各レーザー出力の試行回数に対する，被験者が刺激を感じた試行回数の比率である。90％しきい値は，
254

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 254

2019/03/22 20:33

第1節

0.03-0.04 W の間であるように思われる。被験者は，0.16 W では自信を持って（すなわち 90％を超える）刺激を感じると回答した。
6.2

集束超音波の知覚しきい値

集束超音波によって誘発された音響放射圧の知覚しきい値を評価するために，このユーザー調査を実施した。私達が知る限り超音波非接触触覚フィードバックの知覚的しきい値に関する報告は少ない

。被験者

26）

は前のセクションと同じである。超音波の直流出力は知覚するには弱すぎるので，振動触覚刺激（200 およ

図6

被験者実験の様子

び 50 Hz の矩形波によって変調）が人差し指に加えられた。これらの変調周波数は，PC（Pacinian corpuscles）と RA（Meissner corpuscles）の異なるチャネルをよく刺激するように選択した。超音波焦点の直径（20 mm）は人差し指の幅より大きく，人差し指に作用する力は制御システムによって設定された出力よりいくらか小さいことには注意が必要である。出力は，予備実験によって推定されたしきい値を中心にして14 の値のうちの 1 つに設定された。各パターンは 1 回適用され（1 試行），試行数は被験者あたり 14 であった。
試験の順序は無作為化された。各試験で，被験者は超音波に自由に触れ，自分の人差し指で何かを感じたかどうかを尋ねた。視覚情報は目隠しによって遮断され，聴覚情報は白色雑音を有するヘッドフォンによって遮断された。
結果を図 7（b）に示す。知覚率は，被験者が刺激を感じた試行回数と各超音波出力の試行回数との比である。200 Hz と 50 Hz の刺激に対する 50％のしきい値は，それぞれ約 1.1 mN と 1.6 mN であった。被験者は，それぞれ約 1.6 mN および 2.4 mN で 200 および 50 Hz の刺激を自信を持って（すなわち 90％）感じた。触覚の感度が約 200 Hz の刺激に対して高いことは触覚学の研究分野ではよく知られており，我々の結果はこの知識と一致する。

80
60
40
100

20
0
0

0.04
0.08
0.12
Laser output power［W］

0.16

Perception rate［％］

100
80

200 Hz60

50 Hz

Perception rate［％］Perception rate［％］

100

80
60
40
20
0
0

Laseronly
50 Hz
200 Hz
0.04
0.08
0.12
Laser output power
［W］

0.16

40
20
0

0

0.5
1
1.5
2
2.5
Ultrasonic output force
［mN］

3

図7

6.3

描画パターンの知覚

レーザープラズマで描画された空間パターンを識別する能力をテストするために，このユーザー調査を実施した。図 8 は，レーザープラズマの反復ガルバノスキャンによってレンダリングされた例を示す。この実
255

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 255

2019/03/22 20:33

第5章

図8

レーザープラズマの反復ガルバノスキャンによるレンダリング例

験では，2 つの空間パターン（点と線）を使用した。被験者は前のセクションと同じである。各パターンは
4 回適用され（4 試行），試行数は被験者あたり 8 であった。試験の順序はランダム化された。各試行で，被験者は最大 10 回レーザーに触れ，自分の人差し指にどのパターンを感じたかを尋ねた。前の実験のように視覚情報は目隠しによって遮断され，聴覚情報は白色雑音を有するヘッドフォンによって遮断された。結果を図 7（c）に示す。結果は人々が 2 つのパターンを区別することができるが逆に答える傾向があることを示した。一度パターンを認識すると，正答率は上昇する。被験者の中には 2 つのパターンを非常によく区別することができる（「逆」群）が，他の者は全く識別できないことに留意されたい。さらに，2 つのタイプの傾向がみられた。1 つは「あいまいな」グループであり，もう 1 つは逆にバイアスがかかったグループである。ここにはまださらなる調査の余地があるだろう。
6.4

相互作用に関する実験

我々は，知覚的しきい値より弱い超音波振動触覚刺激の負荷の下でレーザープラズマの衝撃波に対する知覚的しきい値を評価するためにこのユーザー研究を行った。レーザー触覚に対する超音波の 2 つの影響が考えられる。1 つはレーザープラズマの知覚しきい値を上げるマスキング効果で，もう 1 つは確率的なものである。
9 人の被験者がこの被験者実験に参加した（平均 21.6 歳，女性 4 人，男性 5 人）。被験者には，右手の人差
し指にレーザー触覚刺激を与えた。レーザー出力は，0.05，0.10 および 0.15 W に設定した。超音波の変調周
波数は，前述の PC チャネルおよび RA チャネルを刺激するためにそれぞれ 200 Hz および 50 Hz とした。各電力および周波数条件は 4 回適用され（4 試行），試行数は被験者あたり 24 であった。試験の順序はランダム化された。各試行で，被験者は最大 10 回レーザーを当て，自分の人差し指で何かを感じたかどうかを尋ねた。
超音波刺激は，各周波数および対象について知覚できる力のすぐ下になるように調整された。前述の実験と同様の理由で視覚情報は目隠しによって遮断され，聴覚情報は白色雑音を有するヘッドフォンによって遮断された。図 9 は，レーザーおよび超音波触覚刺激からの可聴音を示す。結果を図 7（d）に示す。ここで，「レーザーのみ」は図 7（a）と同一である。知覚しきい値より弱い超音波がレーザー衝撃波の知覚に影響を与えることは興味深い。知覚できない超音波の負荷（図 7（d）の 200 Hz と 50 Hz の線）があるレーザーハプ
ティックスの 50％知覚しきい値は，「レーザーのみ」（Laseronly の線）の約 5 倍である。この結果はマスキン
グ効果を支持する。これは，超音波負荷がレーザー触覚をある程度を少なくすることを意味する。それによりレーザー触覚による痛覚が軽減するという報告もあった。このマスキング効果のメカニズムの調査は今後の研究課題になるだろう。

256

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 256

2019/03/22 20:33

第1節

図9

レーザーおよび超音波触覚刺激からの可聴音

7．応用例
本節では提案手法の応用例について述べる。まず，この手法の特徴について説明し，それから，可能性のある用途，すなわち複数の領域にまたがる空中触覚提示に基づく触覚インタラクションの手法を説明する。
我々の用いた 40 kHz の超音波フェーズドアレイはおおよそ（空間分解能は 16 mm，波長の 2 倍）触覚像を生成することができるが，それは広い領域（約 30 cm）と放射圧をカバーすることができ，その放射圧はレー
ザー触覚に対して十分に強い（16 mN）。一方フェムト秒レーザーによるレーザー触覚提示のシステムは，触覚像を正確に生成することができる（空間分解能 1 μm）が，小さな領域（2 cm まで）しかカバーすることができない。
上記のレーザーと超音波の相互作用に基づいた知覚的しきい値に関する実験において見出されるように，
超音波による触覚提示は，レーザープラズマによる触覚提示に対する感受性を抑制する。本稿では，音響場による大まかな触覚像の提示とレーザー触覚による細かな提示の組み合わせによる例を提案する。大まかな
位置や広範囲の提示に関しては超音波ホログラムによる触覚像を用い，詳細な触覚像には光学的なアプロー
チによる提示を使用する。これは超音波による物体表面（大まかな形）および／またはレーザーによる内部構
造（詳細）の提示などに用いることができるだろう。それを示すためにレーザーと超音波による点字ディス
プレイ，ならびにレーザーによって超音波触覚の拡張を表現する AR／VR 用途のための触覚像を実装した（図 10，11）。

図 10

257

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 257

2019/03/22 20:33

第5章

図 11

8．考察
この節では，被験者実験と応用事例の設計に基づく拡張性およびスケーラビリティ，知覚や安全性について議論する。
8.1

スケーラビリティ

単一フェーズドアレイから放射される超音波の力は，1 つあたりの振動子が同消費電力駆動の場合，振動子の数に応じて増加する。1 つの振動子から得られる音響放射圧には限界があるためより多くの振動子を用いることは，より強力な音響放射圧を生成することを可能にする。また振動子の数を増やすことは他の利点をもたらす。例えば利点の 1 つとして，焦点のサイズを維持しながら焦点の可動範囲を大きくすることである。もう 1 つは，振動子の位相遅延特性の影響を減らすことであり，それは音場のより正確な生成および制御をもたらす。これは触覚像の解像度に影響をもたらす。
またレーザーのパルス幅は，レーザー触覚において重要な要素である。より短いパルス幅は，同じ時間平
均エネルギーでより高いピークエネルギーを与える。これはよりプラズマしきい値を超えやすくなることと同義であり，照射エネルギーを減らしながらプラズマを作りやすくすることができる。また，より短いパル
ス幅は，より高い繰り返し周波数のレーザーパルスを生成可能にする。
これらの知見から，超音波のワークスペースに関しては振動子の数を増やすことがスケールの拡大につながり，パルス幅の短く積算エネルギーの小さいレーザーを用いることが侵襲がより少なくより高解像度の触覚像を提示することにつながる。
8.2

相互作用

上記に挙げたレーザーと超音波に関する被験者実験の結果から，音響放射圧はレーザー触覚フィードバッ
クの感覚を一部マスクできることがわかった。この一連の研究では，光と音響の両方の物理量に関しての触覚しきい値を調査した。また相互作用を用いた触覚像の 3D 形状と三次元位置に関する空間的要素の技術を中心に調査したが，これらが時間領域でどのような要因をもたらすかについては調査していない。これは，遠隔伝達力を用いた空中触覚研究の次のトピックになるだろう。
8.3

安全性

23）では，ブタの皮膚を用いてフェムト秒レーザーによる皮膚へのレーザー損傷の危険性を実験し報告している。パルスエネルギーが 21 mJ 未満の 44 fs パルスレーザーによる損傷は，暴露後 24 時間で消失したと報告されている。私達の現在のシステムの最大パルスエネルギーは 2 mJ までである。それ故に我々のレー
258

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 258

2019/03/22 20:33

第1節

ザー触覚提示手法による皮膚損傷はユーザーインターフェース設計において許容可能であると考えている。
しかしながら日常生活に私達の技術を適用するとき，網膜の損傷の危険性は十分に考慮されるべきである。
レーザーシステムは，ユーザーの目を直接撮影しないように慎重に設計する必要がある。私達は赤外線レーザー（波長 800 nm）を採用したが，この波長をカットするフィルターを周囲に設置することは網膜を確保するための効率的な方法の 1 つである。他にも VR ゴーグル着用時に触覚提示を行うなど，網膜への安全性を担保しながら触覚提示を考慮することは大切な観点である。また超音波暴露についても同様であり，例えば
ヘッドフォンでの音提示と組み合わせて触覚提示することは耳をヘッドフォンによって保護するという意味
でより強力な超音波を提示した際にも超音波暴露の安全性をより向上させる。そのように，要素技術の検討と安全性ガイドラインの検討は応用事例への組み込みとともに模索されるべきだろう。

9．おわりに
本稿では空中触覚提示のためのレーザーと超音波による手法について述べた。大まかな触覚像のための音
響場による提示とレーザー触覚による細かな提示の組み合わせによる例を提案し，被験者実験を含め相互作用や応用例，安全性について述べた。先に述べたように 2019 年現在，視覚ディスプレイに関しては多く商用ハードウェアやコンテンツが普及しつつあるが，空中触覚用フェーズドアレイ技術は開発者用製品として出回っているのみであり，未だ研究領域での探求が盛んに行われている。そのため要素技術と安全性ガイド
ラインの検討は応用事例への組み込みとともに模索されるべきだろう，その具体例と実用のための例を本稿では述べた。

参 考 文 献1） Ivan E. Sutherland. 1968. A head-mounted three dimensional display. In Proceedings of the December 9-11, 1968, Fall
Joint Computer Conference, Part I（ AFIPS’68（Fall, part I））. ACM, New York, NY, 757-764. DOI:http://dx.doi.
org/10.1145/1476589.1476686
2） Belen Masia, Gordon Wetzstein, Piotr Didyk, and Diego Gutierrez. 2013. A survey on computational displays: Pushing
the boundaries of optics, computation, and perception. Computers & Graphics 37, 8（2013）, 1012-1038. DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.cag.2013.10.003
3） Clarence P. Cain, William P. Roach, David J. Stolarski, Gary D. Noojin, Semih S. Kumru, Kevin L. Stockton, Justin J.
Zohner, and Benjamin A. Rockwell. 2007. Infrared laser damage thresholds for skin at wavelengths from 0.810 to 1.54
microns for femto-to-microsecond pulse durations. In Proceedings of SPIE, Vol. 6435. 64350W-64350W-12. DOI:http://dx.doi.org/10.1117/12.715199
4） Karl Willis, Eric Brockmeyer, Scott Hudson, and Ivan Poupyrev. 2012. Printed optics: 3D printing of embedded opticalelements for interactive devices. In Proceedings of the 25th Annual ACM Symposium on User Interface Software andTechnology（UIST’12）. ACM, New York, NY, 589-598. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2380116.2380190
5） Hidei Kimura, Akira Asano, Issei Fujishiro, Ayaka Nakatani, and HayatoWatanabe. 2011. True 3D display. In ACM SIGGRAPH 2011 Emerging Technologies（SIGGRAPH’11）. ACM, New York, NY, Article 20, 1 page. DOI:http://dx.doi.
org/10.1145/2048259.2048279
6） Yoichi Ochiai, Kota Kumagai, Takayuki Hoshi, Jun Rekimoto, Satoshi Hasegawa, and Yoshio Hayasaki. 2016. Fairy
Lights in Femtoseconds: Aerial and Volumetric Graphics Rendered by Focused Femtosecond Laser Combined with
Computational Holographic Fields. ACM Trans. Graph.35, 2, Article 17（February 2016）, 14 pages. DOI: http://dx.doi.
org/10.1145/2850414
7） Ismo Rakkolainen, Stephen DiVerdi, Alex Olwal, Nicola Candussi, Tobias Hüllerer, Markku Laitinen, Mika Piirto, andKarri Palovuori. 2005a. The interactive fogscreen. In ACM SIGGRAPH 2005 Emerging Technologies（SIGGRAPH’05）.
ACM, New York, NY, Article 8. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/1187297.1187306
8） Peter C. Barnum, Srinivasa G. Narasimhan, and Takeo Kanade. 2010. A Multi-layered display with water drops. ACM
Trans. Graph. 29, 4（July 2010）, Article 76, 7 pages. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/1778765.1778813

259

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 259

2019/03/22 20:33

第5章

9） Yoichi Ochiai, Alexis Oyama, and Keisuke Toyoshima. 2012. A colloidal display: membrane screen that combines transparency, BRDF and 3D volume. In ACM SIGGRAPH 2012 Posters（SIGGRAPH’12）. ACM, New York, NY, USA, Article
9, 1 pages. DOI: https://doi.org/10.1145/2342896.2342907
10）Y. Ochiai, T. Hoshi, A. Oyama, and J. Rekimoto. 2013. Poppable display: A display that enables popping, breaking, andtearing interactions with people. In Proceedings of the 2013 IEEE 2nd Global Conference on Consumer Electronics（GCCE’13）. 124-128. DOI:http://dx.doi.org/10.1109/GCCE.2013.6664771
11）Yoichi Ochiai, Takayuki Hoshi, and Jun Rekimoto. 2014. Pixie dust: Graphics generated by levitated and animatedobjects in computa969 tional acoustic-potential field. ACM Transactions on Graphics 33,4（July 2014）, Article 85, 13
pages. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2601097.2601118
12）BENGTSSON, J. 1994. Kinoform design with an optimal-rotationangle method. Appl. Opt. 33, 29（Oct）, 6879.6884.
13）BOLANOWSKI, S. J. Jr., GESCHEIDER, G. A., VERRILLO, R.T., AND CHECKOSKY, C. M. 1968. Four channels mediate the mechanical aspects of touch. The Journal of the Acoustical Society of America. 84, 5, 1680.94.
14）GUPTA, S., MORRIS, D., PATEL, S. N., AND TAN, D. 2013. Airwave: Non-contact haptic feedback using air vortex
rings. In Proceedings of the 2013 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing, ACM,
New York, NY, USA, UbiComp’13, 419.428.
15）BRANDT, E. H. 1989. Levitation in physics. Science 243, 4889, 349.55.
16）CARTER, T., SEAH, S. A., LONG, B., DRINKWATER, B., AND SUBRAMANIAN, S. 2013. Ultrahaptics: Multi-point midair haptic feedback for touch surfaces. In Proceedings of the 26th Annual ACM Symposium on User Interface Software
and Technology, ACM, New York, NY, USA, UIST ’13, 505.514.
17）IWAKI, S., MORIMASA, H., NORITSUGU, T., AND KOBAYASHI, M. 2011. Contactless manipulation of an object on aplane surface using multiple air jets. In ICRA, IEEE, 3257.3262.
18）SODHI, R., POUPYREV, I., GLISSON, M., AND ISRAR, A. 2013. Aireal: Interactive tactile experiences in free air. ACM
Trans. Graph. 32, 4（July）, 134:1.134:10.
19）BOLANOWSKI, S. J. Jr., GESCHEIDER, G. A., VERRILLO, R.T., AND CHECKOSKY, C. M. 1968. Four channels mediate the mechanical aspects of touch. The Journal of the Acoustical Society of America. 84, 5, 1680.94.
20）HOSHI, T., TAKAHASHI, M., IWAMOTO, T., AND SHINODA, H. 2010. Noncontact tactile display based on radiationpressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3, 3, 155.165.
21）INOUE, S., KOBAYASHI-KIRSCHVINK, K. J., MONNAI, Y., HASEGAWA, K., MAKINO, Y., AND SHINODA, H. 2014.
Horn: The hapt-optic reconstruction. In ACM SIGGRAPH 2014 Emerging Technologies, ACM, New York, NY, USA,SIGGRAPH’14, 11:1.11:1.
22）SAGA, S. 2014. Fingerflux: Near-surface haptic feedback on tabletops. In Proceedings of AsiaHaptics 2014, AsiaHaptics
2014.
23）CAIN, C. P., ROACH, W. P., STOLARSKI, D. J., NOOJIN, G. D., KUMRU, S. S., STOCKTON, K. L., ZOHNER, J. J.,
AND ROCKWELL, B. A. 2007. Infrared laser damage thresholds for skin at wavelengths from 0.810 to 1.54 microns forfemto-tomicrosecond pulse durations. In Proc. SPIE. Vol. 6435. 64350W.64350W.12.
24）JUN, J. H, PARK, J. R., KIM, S. P., MIN, B. Y., PARK J. Y., KIM H. S., CHOI, S., JUNG, S. J., HWA P. S., YEOM D. I.,
JUNG, G. I., KIM J. S., AND CHUNG, S. C. 2015. Laser-induced thermoelastic effects can evoke tactile sensations. Scientific Reports 5, 11016.
25）LEE, H., KIM, J. S., CHOI, S., JUN, J. H., PARK, J. R., KIM, A. H., OH, H. B., KIM, H. S, AND CHUNG, S. C., 2015.
Mid-air tactile stimulation using laserinduced thermoelastic effects: The first study for indirect radiation. In World Haptics Conference（WHC）, 2015, 374.380.
26）Yoichi Ochiai, Kota Kumagai, Takayuki Hoshi, Satoshi Hasegawa, and Yoshio Hayasaki. 2016. Cross-Field Aerial Haptics: Rendering Haptic Feedback in Air with Light and Acoustic Fields. In Proceedings of the 2016 CHI Conference on
Human Factors in Computing Systems（CHI’16）. ACM, New York, NY, USA, 3238-3247. DOI: https://doi.
org/10.1145/2858036.2858489
27）S. Hashizume, K. Takazawa, A. Koike and Y. Ochiai, "Cross-field haptics: Multiple direction haptics combined withmagnetic and electrostatic fields," 2017 IEEE World Haptics Conference（WHC）, Munich, 2017, pp. 370-375. doi:
10.1109/WHC.2017.7989930
28）Satoshi Hashizume, Amy Koike, Takayuki Hoshi, and Yoichi Ochiai. 2017. Sonovortex: rendering multi-resolution aerial
haptics by aerodynamic vortex and focused ultrasound. In ACM SIGGRAPH 2017 Posters（SIGGRAPH’17）. ACM, New

260

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 260

2019/03/22 20:33

第1節

York, NY, USA, Article 57, 2 pages. DOI: https://doi.org/10.1145/3102163.3102178
29）Jörgen Bengtsson. 1994. Kinoform design with an optimal-rotation-angle method. Appl.Opt. 33, 29（Oct. 1994）, 68796884. DOI:http://dx.doi.org/10.1364/AO.33.006879

261

248_261_05_01_25_空間立体_初_Z01.indd 261

2019/03/22 20:33