[論文レビュー] Air Mounted Eyepiece: Design Methods for Aerial Optical Functions of Near-Eye and See-Through Display using Transmissive Mirror Device

Yoichi Ochiai, Kazuki Otao+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、透過ミラー素子（TMD）を用いて、眼の前にヘッドマウントディスプレイ（HMD）レンズの実際の空中像を投影する、新しい近眼型透過型ディスプレイ「エアマウントドアイピース（AME）」を提案する。これにより、物理的な眼鏡を装着せずに広視野角を実現する。TMDに搭載されたマイクロ二重角コーンリフレクタアレイ（MDCRA）を活用することで、歪みのない広視野角の光学的透過型イメージングを実現し、自動車や医療分野の応用において、より優れたエゴノミクスと安全性を提供する拡張現実（AR）およびミックスドリアリティ（MR）体験を向上させる。

ABSTRACT

We propose a novel method to implement an optical see-through head mounted display which renders real aerial images with a wide viewing angle, called an Air Mounted Eyepiece (AME). To achieve the AMD design, we employ an off-the-shelf head mounted display and Transmissive Mirror Device (TMD) which is usually used in aerial real imaging systems. In the proposed method, we replicate the function of the head mounted display (HMD) itself, which is used in the air by using the TMD and presenting a real image of eyepiece in front of the eye. Moreover, it can realize a wide viewing angle 3D display by placing a virtual lens in front of the eye without wearing an HMD. In addition to enhancing the experience of mixed reality and augmented reality, our proposed method can be used as a 3D imaging method for use in other applications such as in automobiles and desktop work. We aim to contribute to the field of human-computer interaction and the research on eyepiece interfaces by discussing the advantages and the limitations of this near-eye optical system.

研究の動機と目的

• 物理的装着物のない、広視野角の透過型拡張現実ディスプレイを開発すること。
• 従来の半透過ミラーおよび波ガイドに起因する光学的透過型HMDの限界（狭視野角、像の歪み）を克服すること。
• TMDを用いてHMDレンズの実際の空中像を空中に投影することで、装着不要の没入型近眼型ディスプレイ体験を実現すること。
• TMD（一般的には航空撮影に用いられる）を近眼型ディスプレイ応用に活用する可能性を検討すること。
• 安全性と視界の確保が重要な自動車や医療分野での応用を支援すること。

提案手法

• マイクロ二重角コーンリフレクタアレイ（MDCRA）を備えた透過ミラー素子（TMD）を用いて、単一レンズVRディスプレイの実際の空中像を眼の前に形成する。
• HMDをTMDに対してレンズが焦点を合わせるように配置することで、眼の位置に画像を空中に投影する光学系を構築する。
• TMDシステムが形成する上下および左右反転の画像を補正するため、デジタル画像の反転処理を適用する。
• TMDと眼の距離を最小限にすることで、従来の半透過ミラーや凸面ミラーの制約を回避し、広視野角を実現する。
• 市販のHMDおよびTMDを活用することで、迅速なプロトタイピングと既存のディスプレイ仕様との互換性を実現する。
• 偏光フィルターを用いて二次反射を抑制し、視野の狭小化を防ぐ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TMDを用いてHMDレンズの実際の歪みのない空中像を眼の前に投影し、装着不要のHMDを模倣できるか？
• RQ2 提案されたAME手法は、従来の半透過ミラーまたは凸面ミラーを用いた透過型HMDよりも広い視野角を実現できるか？
• RQ3 AMEシステムは、完全な透過機能を維持しながら、像の品質を保ち、歪みを回避できるか？
• RQ4 AMEシステムの解像度および視野角は、TMDのミラーピッチとHMD仕様にどのように依存するか？
• RQ5 AMEは、自動車や医療分野など、安全性が求められる非装着型環境に効果的に応用可能か？

主な発見

• AMEシステムは、眼の前にVRディスプレイレンズの実際の空中像を効果的に投影し、物理的装着物なしでHMD体験を再現した。
• 市販のOculus DK2 HMDを用いて、最大110°の視野角（FOV）を達成し、従来の半透過ミラー系に比べて顕著に広い視野角を実現した。
• TMDが実像の光場を保持できるため、凸面ミラーまたは半透過ミラーとは異なり、透過視認時における像の歪みを回避した。
• 偏光フィルターの使用により、二次反射が効果的に抑制され、広く明確な視野が維持された。
• 空中像の解像度はTMDのミラーピッチに依存し、より細かいピッチが高解像度のイメージングを可能にした。
• 本手法は、既存のHMDおよびTMDと互換性があり、実世界の応用に向けた迅速なプロトタイピングとスケーラビリティを実現した。