东京大学研究生院信息理工学系研究科系统信息学专业工学部计数工学科筱田裕之研究室，开发出了可给手以直接触摸到三维影像般感觉的“触摸全息”系统。并在2009年8月举行的计算机图形（CG）技术国际学会“SIGGRAPH 2009”上进行了发布。

　　该技术有望为AR（Augmented Reality，扩增实境）的发展做出贡献。以前的AR在用手操作按钮等虚拟影像时，即使按钮发挥作用，也无法再现触摸到影像的感觉。而此次凭借被称为“触觉反馈”、能够对触摸物体的感觉进行弥补的技术，可更真实地让人感觉到虚拟影像的存在。

通过相位差控制使超音波聚焦

　　该系统的核心是被称为“触觉显示器”的、将18×18个超音波发送器呈阵列状排列的装置（图1）。通过控制各发送器发出的超声波的相位差，能够与透镜的焦点一样，形成所有发送器发出的超声波的相位一致的点。而且，这个焦点的位置还可每1/30秒改变一次。

图1：利用超声波发送器阵列制作“触觉显示器”
东京大学筱田研究室开发的超声波发送器阵列。
发送器的个数为18×18个（324个）。
以30Hz帧频来控制各个发送器发出的超声波的相对相位差。

　　此次利用的超声波发送器由日本尼赛拉（NICERA）制造，使用了压电元件。可发出峰值频率为40kHz的超声波。超声波的波长约为8.1mm，原理上可构成同等程度尺寸的焦点。不过，目前将可选择的相位点控制在了16个，因此焦点为直径2cm的圆点。

追踪手的行踪，用声波予以撞击

　此次开发的可触摸全息系统将该触觉显示器设置在系统的上方，检测手部位置并在此聚焦（图2）。手部位置通过红外线传感器感知戴在手指上的反射片来检测。检测到的手部位置信息被发送到三维（3D）显示器，根据手的动作，使雨滴等3D影像随之运动。通过在3D影像与手部的位置重叠的瞬间由触觉显示器输出超声波，给手部以轻微撞击，实现如同触摸到该影像物体的感觉。

 
图2：“触摸”影像和超声波聚焦筱田研究室在SIGGRAPH上
现场演示的“触摸全息”演示用系统。在3D显示器跟前移动手
部时，测距传感器就会进行追踪，将位置信息传递给触觉显示器
和3D显示器。雨滴的影像落到手部所在的地方时，超声波就
会同时向此处聚焦，实现如同触摸到雨滴般的感觉。

　　触觉显示器的焦点位置在各种方向和距离上移动。目前控制在显示器中心轴起约30度的范围内。在原理上，距离也可设定得更远，不过“40kHz超声波的振幅在40cm内会衰减10％”（东京大学的筱田）。声音的能量与振幅的二次方成比例，距离超过2m的话，冲击就会变弱，从而无法使用。“但是在房顶的天花板上设置触觉显示器，在下面使用的话不会有问题”（筱田）。筱田等在2008年的SIGGRAPH上也曾发表过触觉显示器，不过当时只是在显示器的中心轴上移动焦点位置。

问题在于能够听到声音

　　该系统还存在多个课题。比如，目前手部受到的冲击较小，“也有人感觉不到”（筱田），另外，尽管是超声波，但在感觉到冲击的同时还能听到声音。

　　聚焦的超声波给手部带来的冲击为“声辐射压力”（图3）。不过，人手对连续压力的感觉迟钝，因此通过用200Hz的方波来调制超声波的输出功率，以便使手感觉到压力的变化。但这种超声波同时也会变成200Hz的弱蜂鸣音，传入耳部。

　　如何才能进一步加强手部感觉，同时又不会发出声音呢？对此可采取以下对策：①提高相位控制精度及超声波频率，构成更为锐利的焦点，②微量移动焦点位置而不是调制，使压力的变动传递给手部，③与防止发出声音相比，更好的做法的是，通过调制，使得蜂鸣听起来更像音乐等。（记者：野泽 哲生）

 
图3：手指有触感并能听到声音（a）是在不调制的情况下
使超声波在纸片上聚焦的示例。为了让手指有
清晰触感，需要用200Hz方波对超音波进行调制（b）。
该调制会产生能够听见的声音。