TVRSJ Vol.12 No.2, 2007

基礎論文

X’tal Visor：頭部搭載型小型プロジェクタの設計と評価
山崎

潤*1 ，園田哲理*2 ，吉田

匠*1 ，川上直樹*1 ，舘 暲*1

X’tal Visor:Design and Evaluation of a Compact Head-Mounted Projector
Jun Yamazaki*1 , Tetsuri Sonoda*2 , Takumi Yoshida*1 , Naoki Kawakami*1 and Susumu Tachi*1
Abstract– In this paper, we propose the system replacing half-mirror in the RPT(Retro-reﬂective Projection Technology) system by micro full-reﬂection mirror. This system enables to project wide-ﬁeld image without covering user’s eyes. Conventionally,
several Head-Mounted Displays are developed as AR (Augmented Reality) display. However, most of these displays cover an user’s eyes, and consequently generate low realistic
sensation. We present novel head-mounted projector “X’tal Visor” based on this system,
and conduct series of performance evaluation tests.

Keywords : Head-Mounted Projector, Retro-reﬂective Projection Technology, Augumented Reality

1

はじめに

バーチャル空間と実空間とをシームレスに融合するAR（Augmented Reality）の分野において用いられる視覚ディスプレイでは，実空間に提示画像を自然に重畳することが重要な課題となる．違和感のない重畳を実現するためには，実物体との遮蔽関係の維持，輝度，コントラストの一致，焦点深度の一致等が要求される．
バーチャル空間を提示する視覚ディスプレイとしては，IPT（Immersive Projection Technology）[1][2] と(4106˳8+'9

HMD（Head-Mounted Display）[3][4] の２分野において主に開発が進んでいる．AR ディスプレイとして5+&'˳8+'9

図 1 X’tal Visor の全体図
Fig. 1 Overall view of X’tal Visor

は，光学透過型 HMD，ビデオシースルー HMD[5] が開発されているが，遮蔽関係，画質等について問題がある．

フミラーの範囲に制限され，さらに，ハーフミラーを視

そこで，上記の要求を満たす AR ディスプレイとし

界前方に配置する必要があるため，観察者の顔が大きて，再帰性投影技術（Retro-reﬂective Projection Tech-

く覆われ，開放感が損なわれる．また，ハーフミラー

nology:RPT）を利用した頭部搭載型プロジェクタが開発されてきた [6][7][8]．これらのプロジェクタは，指を用いることによる輝度の低下，映り込みによる画質

向性の高い反射特性を持つ再帰性反射材をスクリーン

環境内における作業者の臨場感を低下させる原因となとして用いることで，実物体との遮蔽関係を維持しなり得る．

がら，高輝度・高コントラストの映像を提示することができる．また，絞りを設けることにより，焦点深度

Hua ら [9] は，再帰性投影技術を利用した頭部搭載
プロジェクタに偏光ビームスプリッター (PBS) と 1/4を深くし，スクリーンの位置によらず鮮明な映像を提

波長板を導入することによる高輝度化を提案している

示することができる．

が，それ以外の問題は解決されていない．

しかし，これらのプロジェクタは，投影画角がハーの低下といった問題も生じている．以上の問題は，AR

そこで，我々は本研究において，再帰性投影技術を利用した新たな光学系を提案し，その光学系に基づき，*1 東京大学大学院 情報理工学系研究科*2 (株) キヤノン

*1 Graduate School of Information Science and Technology,
Univ. of Tokyo*2 Canon Inc.

頭部搭載型プロジェクタ “X’tal Visor”（図 1）を作成した．X’tal Visor では，これまでの頭部搭載型プ
ロジェクタにおいて用いられていたハーフミラーを小日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.12, No.2, 2007

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Fig. 3 Reﬂective characteristics of retroreﬂector
図 2 X’tal Visor の光学系
Fig. 2 Optical system of X’tal Visor2
2.1

型の全反射ミラーに置き換えることにより，眼前を大きなハーフミラーで覆われることなく，開放感を保ちながら広視野角を達成することが可能となる．また，ハーフミラーを用いることによる輝度の低下，映り込みによる画質の低下も生じないため，鮮明な画像を提示できると考えられる．
このような特徴を持つ再帰性投影技術の利用が考えられる分野として，遠隔作業において，複雑化・巨大化したマニピュレータ等，視覚的に作業の邪魔となる部
分に再帰性反射材を塗布し，映像を投影することにより，より臨場感のある効率的な作業を行うことが考えられる．この場合，スクリーンの位置・形状によらない画像提示が可能だという特徴により，複雑な機構の
位置姿勢の計算等の煩雑な情報処理が不必要となる．
また，本提案手法による頭部搭載型プロジェクタは眼の周囲を覆わないため，表情を伴うコミュニケーショ
ンの可能性も広がると考えられる．この場合，眼が他者からはっきり見えることがコミュニケーションにおいて重要であると考えられるため，ミラーの位置を眼の中心からずらし，装着者の眼が光点に見えないようにする工夫が設計の際に必要となる．
本論文では，従来の RPT 光学系の代わりに提案光学系を用いることで，輝度，コントラスト，解像度が向上し，クロストークは立体視を可能にする程度に小さいことを性能評価実験により明らかにし，従来の RPT
光学系に対する提案光学系の優位性を実証する．

X’tal Visor の光学系

提案光学系

再帰性投影技術（RPT）を用いた従来の光学系を,頭部搭載型ディスプレイに応用したとき問題となるのは，ハーフミラーの存在である．

RPT 光学系において，投影機構の絞りと観察点を共役な位置に配置することで高輝度・高コントラストの映像提示が可能となる．投影機構と観察点を物理的に同一の位置に配置することは不可能であるため，従来の RPT 光学系では，ハーフミラーを用いて光線の方向を変える必要があった．しかし，ハーフミラーにおける，光線の方向を変える反射とスクリーンから観察点に達するときの通過により投影画像の輝度は 25[％]に低下すると考えられる．また，視野中心付近の現実
画像の輝度も，ハーフミラーを通過することにより50[％] に低下することになり，画像の鮮明さが失われることとなる．また，眼の周りを覆われるため，開放感が損なわれる．その問題を解決するため，ハーフミ
ラーを小型化すると，投影画角が狭められるという，更なる問題が発生した．
これらの問題は投影画角の大きさが，ハーフミラーの大きさに制限されることによる．そこで，従来のRPT 光学系におけるハーフミラーの代わりに，小型の全反射ミラーを用いた図 2 の光学系を提案する．提示画像を一点に集束させることにより，大きなミラーを用いずに，広視野角を実現することが可能となる．
ミラーが観察の邪魔になるのではないかという点について，以下に述べる．小型の全反射ミラーを観察点のごく近くに配置することにより，観察者はこのミラーに焦点を合わせることができない．また，X’tal Visorを使用する場合は両眼による観察を想定しているため，片眼からある対象物を見たときに位置がミラーと山崎・園田・吉田・川上・舘 : X’tal Visor：頭部搭載型小型プロジェクタの設計と評価重なって見えたとしても，もう片方の眼からは問題なく観察することができる．以上の点と合わせ，眼鏡装着者がこの全反射ミラーとほぼ同サイズの眼鏡のふちを日常生活において意識しないことから考えると，ミラーをある程度視野の中心からずれた位置に配置すれ
ば，画像の観察に支障は生じないと考えられる．
この光学系の詳細は以下の通りである．メタルハ
ライド光源（HAYASHI LuminarAce LA-18）から光ファイバで導かれた光束は２つのボールレンズ（径10[mm]）により集約され，絞り（開口径 [2mm]）を経ることにより，点光源となる．点光源を出た光束はコ
リメータレンズ（径 25[mm]，焦点距離 35[mm]）で平行化され，透過型液晶（0.7 型 800 × 600 ドット）に入射する．液晶を通った光は投影レンズ（径 25[mm]，焦点距離 30[mm]）で一点に集束し，集束点に置かれた
小型の全反射ミラー（45°ロッドミラー 外径 2[mm]）によって向きが変えられ，再帰性反射材のスクリーン（レフライト ＃ 9000）に投射される．投射された光はスクリーン上で再帰性反射し，大部分が観察者の眼に到達する．
このとき，再帰性反射した光が集まる点はミラー上

図 4 実装した X’tal Visor
Fig. 4 Implemented X’tal Visorに存在するので，観察者の視点位置との多少のずれが生じる．図 3 は今回スクリーンとして用いた再帰性反射材の反射特性を，入射光と反射光のなす角度が 0[°]ンまでの距離を 1000[mm] とし，そこでピントがあうのときの反射率を 1 に正規化して表したグラフであように，投影レンズから 31[mm] の位置に液晶を配置

る．このグラフより，実際に用いる再帰性反射材は，した．

光の入射方向とわずかにずれた方向にも光を反射する

このとき，ミラーの径，または点光源を作る絞りのと考えられるため，十分な輝度を持つ画像を観察でき

径の小さい方を ∅[mm] とし，距離 w[mm] の位置にあると予想される．

2.2

X’tal Visor の実装

る再帰性反射スクリーンに対し，半径 e[mm] の許容
錯乱円の鮮明さで画像を投影する場合，焦点深度 d は前項で提案した光学系に基づき，頭部搭載型プロd=

ジェクタ “X’tal Visor”を実装した（図 4）．図における径とは全て直径を表す．装着すると，再帰性反射ス
クリーンに図 5 のように画像が提示される．中央上寄りに見える影は小型ミラーのものである．小型ミラー
は眼の近傍に配置されるため，小型ミラーに焦点が合うことはなく，実際に投影画像を注視している場合に邪魔となることはほとんどない．

X’tal Visor は，提案光学系を２つ並列して設置したものであり, 左右眼に対する投影機構を分離することなく，左右別々の映像を投影し観察することが可能となる．これは，理想的な再帰性反射特性を持つスク

2ew
∅

(1)

で表される．スクリーンを w=1000[mm] 離れたところに設置した場合，液晶の解像度（800 × 600）を維持する許容錯乱円の半径は e=0.5926[mm] となり，焦点深度は d=592.6[mm] となる．
また，実装した X’tal Visor において，片眼の投影画
角は水平 26[deg]，垂直 21[deg]，対角 32[deg] である．
次章において，従来の RPT 光学系と比べて，優れた性能を持つことを示すため，性能評価実験を行う．

3

性能評価実験

リーンを用いれば, 片方の眼の側から投影された光線がもう片方の眼に到達することがないからである．

AR の分野において用いられるディスプレイには，透過型液晶は，点光源と凸レンズにより理想的な平装着したときに十分な臨場感を体験させることが求め

行光線が生じるのならば，理論的には２つの凸レンズられる．そのために，特に視覚ディスプレイにおいて間の任意の位置に配置できる．実際は平行光線以外

は，提示画像の鮮明さ，現実空間と提示画像の自然なの光線も液晶を透過すると考えられるため，スクリー

重畳，立体視の実現等が重要な課題となる．

日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.12, No.2, 2007

15[mm]
Micro mirror
Half mirror

図6
図 5 投影画像の様子
Fig. 5 Projected image

そこで，本章では X’tal Visor の性能評価のため, 提実験装置：（左）小型ミラーを用いた提案
光学系，（右）ハーフミラーを用いた従来の RPT 光学系
Fig. 6 The experimental setup:(left)The proposed optical system with a micro
mirror,(right)The conventional opticalsystem with a half mirror

示画像について，輝度，コントラスト，解像度，左右画像のクロストークの４項目に関する評価実験を行い，従来のハーフミラーを用いた RPT 光学系に対して性能が優れていることを実証する．
本実験では，図 6 左に示す小型全反射ミラーを用いた提案光学系と，図 6 右のように小型全反射ミラーを結果は図 7 のようになり，ほぼ予想を裏付ける結果となった．
ここで，X’tal Visor を装着すると，図 8 のように，投影画像の中心部が明るく，周辺になるにつれて暗くなって見える．

取り外し，ハーフミラーを配置したものを性能評価実この理由は以下のように考えられる．画面周辺部を験により比較する．このようにミラー部分以外の光学見る場合，小型ミラーからスクリーンに向かう光線と系には同等の構造を用いることにより，提案手法で小スクリーンから観察点に向かう光線のなす角度 θ が大型全反射ミラーを使用したことによる効果を示すこときくなる．これは小型ミラーの位置と共役点の位置のができると考えられる．床部からの反射光の影響を減間にずれがあることに起因する．

らすため，ミラー直下の床部には黒フェルトを貼り付なす角度が大きくなるほど，反射率は低下し，輝度が

けた．

3.1

図 3 のグラフに示されるように，入射光と反射光の輝度

ハーフミラーを用いた従来の RPT 光学系において，低下する．これにより，画面周辺部の輝度が低下すると考えられる．

光源を出て液晶を透過した光線は，ハーフミラーで方

また，スクリーン位置が遠くなるにつれて輝度ムラ向が変わるときに輝度が 1/2 に低下し，スクリーンが減少する傾向が見られた．これもスクリーン位置がで反射して観察点に到達するときにハーフミラーを通遠くなるにつれて，上記の角度 θ が小さくなるためだ

過し，さらに輝度が 1/2 に低下する．つまり，光線がと考えられる．

ハーフミラーを通過する必要のない提案光学系と比べると，輝度は 1/4 に低下していると予想される．

以上のような輝度ムラにより，画面周辺部で輝度が低下するだけでなく，コントラストや解像度も低下し，この予想を確かめるため，両光学系において，スク画質低下を引き起こすことが考えられる．これを解決

リーンとの距離を変えて全白画像を投影し，画面中心するためには，小型ミラーをさらに観察点に近づける

部の輝度を測定した．

ことが有効である．こうすることにより，上記の角度

9000），輝度計（TOPCON BM-8, 測定角 1[°]）を用

θ を常に小さい値にすることができ，再帰性反射材の反射特性による輝度の低下を抑えることができる．今いる．

回の実装では，小型ミラーを固定するため L 字型の実験は，X’tal Visor，スクリーン（レフライト ＃輝度計は，ミラーから 15[mm] 離れた位置に設置し金具を用いているが，透明な板に穴を開けて取り付けた．この位置が，X’tal Visor を装着したときの観察点る等の工夫をすれば，小型ミラーと観察点の間の距離（眼の位置）に相当する．

を現状の 15mm からさらに短くすることが可能であ

また，他の光源の影響を可能な限り少なくするため，実験は暗室で行った．これは，他の実験についても同
様である．

ろう．

山崎・園田・吉田・川上・舘 : X’tal Visor：頭部搭載型小型プロジェクタの設計と評価

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図 7 輝度とスクリーンの距離との関係
Fig. 7 Relationship between luminance anddistance from the screen㪏㪇㪇㪈㪇㪇㪇 㪈㪉㪇㪇〒㔌㪲㫄㫄㪴

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図 9 コントラスト比とスクリーンの距離との関係
Fig. 9 Relationship between contrast ratio
and distance from the screen

を変えて観察点にカメラを置き，画面中心付近を撮影した．
ここで，空間周波数は c/d(cycle per degrees) で表
す．結果は図 10，図 11 のようになった．
提案手法の場合，投影画像を実際に眼で見た場合，空間周波数 7.69[c/d]（縞の幅が 1[pixel]）の場合でもス
クリーンの位置によらず，縞模様が目視で確認された．
よって，800 × 600 の解像度まで提示可能であるといえる．これは，視力に換算すると 0.25 相当となる．
一方従来手法の場合は，図 11 の写真ではつぶれて
図 8 全白画像投影時の様子
Fig. 8 Projected white image

3.2

コントラスト

全白画像と全黒画像を投影したときの画面中央部と画面周辺部の輝度をそれぞれ計測し，比を求めた．ス
クリーンと小型ミラー間の距離を変えて計測を行い，結果は図 9 のようになった．
結果より，スクリーンの距離によらず，提案手法のコントラスト比が従来手法の 2 倍程度であることが分かる．従来手法の RPT 光学系では，輝度の項で述べたハーフミラーを通過・反射する際の輝度低下だけでなく，ハーフミラー表面の細かな傷・汚れ等により，透過する光線の一部が散乱し，コントラストが低下していると考えられる．
以上より，提示画像のコントラストについて提案手法が優れていることが示された．

3.3

解像度

本実験ではアナログ画像の評価にも用いられる，限界解像度を用いて解像度を評価することとする ([10])．
これは映像画面上において，肉眼で検知しうる縞模様の細かさの限界値で解像度を表すものである．縞の本数（空間周波数）を変えて白黒縞模様の画像を投影し，どのような画像が観察されるか，スクリーンとの距離

しまって見辛いが，目視でも縞模様が細かい場合は黒色部と白色部を見分けることができず，空間周波数

0.96[c/d]（縞の幅が 8[pixel]）でやっと縞模様を認識することができる．これは輝度が低いことにより，細かい縞模様が見えにくくなるためであると考えられる．
以上より，解像度について，提案手法が従来手法より優れていると示され，スクリーンの位置によらずほぼ一定の解像度が保たれることが示された．

3.4

クロストーク

前述の通り，X’tal Visor は左眼用投影系と右眼用投影系を並べて配置したものであり, 左右眼に対する投影機構を分離することなく，左右別々の映像を投影し，観察することが可能である．
しかし，実際のスクリーンは完全な再帰性反射を実現することはないため，入射方向からずれた方向にも反射光が存在し，これが左右画像のクロストークを引き起こすと考えられる．
そこで左右画像のクロストークについて，以下の評
価実験を行った．
眼間距離に相当する 70[mm] の距離をおいて，提案
光学系を２つ平行に配置した．この実験装置の右眼側の観測点に輝度計を設置し，左眼側から全白画像，全黒画像を投影したときの輝度差と，右眼側から全白画
像，全黒画像を投影したときの輝度差の比を取る．こ

600

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1000

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1400

䉴䉪䊥䊷䊮䈱〒㔌[mm]日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.12, No.2, 2007

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600

図 12 クロストークとスクリーンの距離の関係
Fig. 12 Relationship between crosstalk anddistance from the screen

1000

X’tal Visor
Retro-reflective
Screen1400

䉴䉪䊥䊷䊮䈱〒㔌[mm]

図 10 提案手法により投影された縞画像の様子
Fig. 10 Projected stripe pattern using a micro mirror

Viewerⓨ㑆๟ᵄᢙ 7.69[c/d] 3.85[c/d] 1.92[c/d] 0.96[c/d]䋨❋䈱᏷䋩(1[pixel]) (2[pixel]) (4[pixel]) (8[pixel])
図 13 X’tal Visor を使用している様子
Fig. 13 Viewer with X’tal Visor

図 11 従来手法により投影された縞画像の様子
Fig. 11 Projected stripe pattern using a half
mirrorているため，クロストークは人間には認識できない程の値が小さいほど，片方の眼の側から画像を投影した度であるといえる．

ときの，もう片方の眼への影響が大きいことになり，
すなわち，クロストークが大きいことになる．

4

左眼位置からスクリーンに投射され，右眼位置に達する光線を考える．スクリーンへの入射光と反射光のなす角度 θlr [°] は，眼間距離 70[mm] とスクリーンへの距離 L[mm] を用いて，





まとめ

本論文では，視界が遮られる等の問題点を持つ従来の RPT 光学系に対し, 小型ミラーを用いた新しいRPT 光学系を提案した．提案光学系に基づいて, 観
察者の視界を覆わない頭部搭載型プロジェクタ “X’tal(2)Visor”を実装し，実験により輝度，コントラスト，解像度，クロストークの性能評価を行った．

と近似できる．この θlr と図 3 のグラフから，クロス

実験結果から，提案手法は輝度，コントラスト，解トークの近似値を求めることができる．この近似値と像度については，従来の RPT 光学系に勝る性能を示

実測値を縦軸に，スクリーンとの距離を横軸にとったし，クロストークは立体視を実現するに十分な性能をグラフを図 12 に示す．これより，実測値は近似値と持つことが示された．

θlr = arctan

70
L

比較してほぼ妥当な値をとっていることが分かる．

図 13 は，実際に X’tal Visor を使用している様子で明るさの弁別閾を表すウェーバー比は約 0.79（約ある．X’tal Visor を用いたアプリケーションとして

22[dB]）といわれる ([11])．実験結果の dB 値は，ス
クリーンの距離によらず常にこのウェーバー比を超えブロボットのコクピット [13] への応用が提案されては，現在テレイグジスタンス [12] や，マスタースレー

山崎・園田・吉田・川上・舘 : X’tal Visor：頭部搭載型小型プロジェクタの設計と評価いる．

山崎 潤 （学生会員）

今後は，今回の評価実験をもとに得られた知見を元に，用途に適したスペックをもつ頭部搭載型プロジェ
クタを設計，製作していく予定である．

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No.1, pp. 31-36, 2006.6(2006 年 12 月 25 日受付)

［著 者 紹 介］

2006 年，東京大学工学部計数工学科卒
業．同年同大学大学院情報理工学系研究科システム情報学専攻修士課程進学，現在に至る．拡張現実感のための視覚提示システムに関する研究に従事．

園田 哲理 （正会員）
2001 年、東京工業大学工学部卒業．
2003 年、同大学大学院理工学研究科修士課程終了．2006 年東京大学大学院工学系研究科博士課程単位取得中退．同年、キヤノン株式会社入社。MixedReality の研究に従事．

吉田 匠 （学生会員）
2006 年，東京大学工学部計数工学科卒
業．同年同大学大学院情報理工学系研究科システム情報学専攻修士課程進学，現在に至る．拡張現実感のための視覚提示システムに関する研究に従事．

川上 直樹 （正会員）
平 8 東工大・理工・電気電子修士課程終了．平 11 東大・工・先端学際工学博士
課程終了．工博．同年同大大学院・工・
計数工助手．平 14 同大大学院・工・計数工講師．バーチャルリアリティの研究に従事．日本バーチャルリアリティ学会会員．

舘 暲 （正会員）
昭 43 東大・工・計数卒．昭 48 同大学
院博士課程了．工博．同年同大助手．昭50 通産省工技院機械技研研究員，マサチューセッツ工科大学客員研究員を減て
平 1 東大先端科学技術センター助教授，
平 4 同センター教授．平 6 同大大学院・情報理工・システム情学先行教授．テレイグジスタンス，人工現実感の研究に従事．IEEE/EMBS 学会賞，通産大臣賞，
国際計測連合 (IMECO) 特別勲功賞など受賞．IMEKO ロボティクス会議議長，
SICE フェロー，日本バーチャルリアリ
ティ学会初代会長．