高画質を実現するにはピクセルを積み重ねるしかないのでしょうか？

仕事をするにしても、サボるにしても、現代の「働く人」にとって、目の前に光り輝くスクリーンがないとやっていけないと言っても過言ではない。しかし、使ってみると画面上の「小さな点」が気になったことはありませんか？

これらの「小さな点」は実際にはピクセルであり、画面イメージングは完全にこれらに依存します。

ピクセルセルのサイズは10ミクロン（0.01 mm）です。画像出典：参考文献[1]

最近、MIT の博士課程の学生チームが、上に示すような新しいピクセルユニットを開発しました。このピクセル単位はそれ自体がカラフルであり、カラーピクセルを形成するために複数のモノクロサブピクセルを使用する必要はありません。それだけでなく、垂直に積み重ねることでピクセルのサイズを小さくすることもできます。この成果は、個々のピクセルがより小さく鮮明なディスプレイを開発するためのソリューションを提供します。

小さな画面

何種類の光が放射されるのでしょうか？

拡大鏡や顕微鏡を使用すると、次のようにコンピューターや携帯電話のディスプレイの詳細を観察できます。

地図: 海の塩漬け魚

上の写真のように、携帯電話やパソコン、テレビの画面は、赤、緑、青の「小さな光のビーズ」が多数集まってできています。そこで疑問になるのが、目の前にある携帯電話の画面から発せられる光は 3 色しかないのに、なぜ私たちが見ている画面にはこれほど多くの色を表示できるのかということです。下の写真のように、3 色よりもはるかに多くの色が含まれているように見えます。

地図: 海の塩漬け魚

この質問に対する答えは、人間の視覚は主観的な感覚である、ということです。色は、目が受ける光刺激に反応して人間の脳が作り出す主観的な感覚です。

赤、緑、青からカラフルまで

その間に何が起こったのですか?

まず可視光についてお話しましょう。可視光線は人間の目で知覚できる電磁波です。人々は、波長特性に基づいて電磁放射を詳細に分類してきました。可視光とは、波長が 400 ～ 700 ナノメートルの電磁波を指します。この範囲は一般的な定義です。若い人は、目がより広範囲の電磁放射線を感知することができます。

可視スペクトルの図。各色の下に電磁放射の対応する波長が示されています。画像出典: wikipedia

人間の目が色を区別できるのは、網膜に L 細胞、M 細胞、S 細胞の 3 種類の錐体細胞があるためです。光の波長によって感度が異なります。 S 細胞は、約 450 ナノメートルの波長の光に最も敏感です。 M 細胞は 540 ナノメートルの波長の光に最も敏感です。 L 細胞は 570 ナノメートルの波長の光に最も敏感です。

目が受け取る光の成分がいかに複雑であっても、目が最終的に脳に出力するものは、刺激の度合いに基づいて 3 種類の錐体細胞によって生成される電気信号です。これらの電気信号は「三刺激値」と呼ばれます。脳は3つの刺激値の大きさに基づいて色覚を形成します。これら 3 つの刺激値の組み合わせによって、人間が区別できる色の数が決まります。人間は約1000万種類の色を区別することができます。対照的に、犬には2種類の錐体しかなく、青と黄色しか感知できません。犬の世界には黄色、灰色、青しかありません。

私たちの目がこんなに強力だとは思わなかったでしょう！

人間が色をどのように認識するかを理解することで、それを活用することができます。色の知覚は、錐体細胞によって生成される 3 つの刺激値に基づいています。異なる成分の光の場合、 3つの刺激値が同じであれば、人間の目にはその色は同じになります。

光の構成は異なりますが、人間の目には同じ色に見えます。地図: 海の塩漬け魚

異なる波長を持つ 2 つの光源は、それぞれの光度を調整することで、誘発する三刺激値を変更できます。これにより、人間の脳は多くの色を認識できるようになります。 2 つの波長の光源は異なる色彩感覚を生み出すことができますが、それだけでは十分ではありません。 3 つの波長の光源を組み合わせることで、人間の目が認識できるすべての色をカバーするのに十分な色感覚を生み出すことができます。

光源の組み合わせ自体の色を三原色と呼びます。画面の三原色は赤、緑、青です。これは人間の視覚細胞の反応特性によって決まります。人間の目の錐体細胞は、これら 3 つの色に対してより敏感です。これら 3 色を使用すると、低消費電力で高輝度の表示を実現できます (他の 3 色の組み合わせも使用でき、画面分野では赤、緑、青の組み合わせがよく使用されます)。

光源のサイズは重要

量的変化は質的変化につながる

実際には、3 つの波長の光源を組み合わせるだけでは十分ではありません。人間の目に色が絶えず変化して見えるようにするためには、もう 1 つの非常に重要なパラメーター、サイズがあります。

テレビを例に挙げてみましょう。テレビを見るとき、人間の目はテレビ画面から約3メートル離れており、画像は非常に鮮明です。しかし、テレビ画面を間近で観察すると、画面を構成する色鮮やかなピクセルを観察することができます。

ショッピングモールの大型スクリーンもこれに似ています。よく見ると、スクリーンは大豆大のカラフルな（赤、緑、青）LEDランプビーズで構成されていることがわかります。このタイプの画面を遠くから観察すると、通常の表示内容が見えます。画面の一部を近距離から見ると、多数の小さな光のビーズで構成されたカラフルなドットマトリックスが見えます。

なぜこのようなことが起こるのでしょうか?これは、人間の目が物体を区別する能力が限られていることに関係しています。

光源が人間の目に形成する角度は、人間の目の最小分解能角度よりも小さくなります。人間の最小分解能角度は約0.0167度です。さまざまな観察距離における、人間の目の最小横方向解像度距離を下の図に示します。スクリーンが人間の目から遠く離れている場合、人間の目は異なる色の個々のランプビーズを区別することができません。 3 色のランプビーズは人間の目には 1 つのカラフルな明るい点として見え、明るい点の色は 3 色のランプビーズの明るさによって決まります。

地図: 海の塩漬け魚

たとえば、携帯電話に記載されている解像度が 2400×1080 の場合、携帯電話の長辺には 2400 個のピクセル (各ピクセルは、赤、緑、青の 3 つの発光サブピクセルで構成されています) があり、短辺には 1080 個のピクセルがあることを意味します。より良い表示効果を実現するには、ピクセルサイズ自体を人間の目の最小水平解像度距離よりも小さくする必要があります。

地図: 海の塩漬け魚

上記のスクリーン顕微鏡写真では、1 つのピクセルが 4 つのサブピクセルで構成されています。各サブピクセルの光の強度は個別に制御できます。ピクセルのサイズによって、画面に表示されるコンテンツの詳細レベルが決まります。

ピクセルが小さい

より詳細な仮想世界

画面のピクセルが小さいほど、表示できる画像の詳細がより鮮明になります。ピクセルサイズが不一致な画面に同じ形状が表示されます。ピクセルサイズの小さい画面では、パターンがより繊細に表示され、視聴体験が向上します。

画像を表示する場合、ピクセルサイズが小さいほど (左の画像)、画像のエッジが鮮明になります。地図: 海の塩漬け魚

VR グラスの登場により、人々は仮想世界に没入できるようになりました。 VR は 3 次元コンテンツを表示でき、視聴体験は現実世界に非常に近くなります。 1968年、最初のVRディスプレイが研究室で誕生しました。しかし、当時の技術的条件では、VR表示機器は非常に大きくて高価であり、大規模に使用することができませんでした。

Google のエンジニアが、携帯電話を置くだけで VR ディスプレイを体験できるシンプルなデバイスである Cardboard をリリースしたのは 2014 年になってからでした。多くの人がこの小さなボックスを通じて VR ディスプレイ技術の大きな利点を体験しました。現在、スクリーン製造技術の急速な進歩により、優れた表示効果を持つ VR モニターをわずか 3,000 元で購入できます。 3年前、同等の性能を持つVRモニターは数万元もした。

画像出典: wikipedia

VR ディスプレイの画面構造は、目の近くにある 2 つの小さなディスプレイといくつかの光学レンズで構成されています。ディスプレイが人間の目に近ければ近いほど、直面する課題は大きくなります。前述したように、目に近いほど、より微細な構造を観察できます。 Cardboard を使用すると、仮想世界を臨場感たっぷりに体験できますが、携帯電話のピクセルが大きすぎるという欠点も露呈します。観察される風景は立体的であるものの、繊細さはなく、まるで電卓の画面を見ているかのようなざらつき感がある。

画面表示技術は数十年にわたって発展し、ピクセルサイズはますます小さくなってきています。しかし、VR ディスプレイデバイスのトレンドにおいて、既存の技術は依然として限界に達しており、近い将来に人々の要求を満たすことは困難になると思われます。幸いなことに、科学者たちは新しいアイデアを思いつきました。サブピクセルをフルカラーで表示できれば、各サブピクセルは独立したピクセル単位となり、ピクセルサイズは即座に半分以下に縮小されるでしょう。

垂直に積み重ねられたディスプレイ画面の断面の顕微鏡画像。画像出典：参考文献[1]

1 ピクセルでフルカラー表示を実現する鍵はスタッキングです。赤、緑、青の 3 つのピクセルを重ねると、水平方向のサイズが大幅に縮小されます。この方法を使用して、チームは AR\VR デバイスの厳しい要件を満たすパフォーマンスパラメータを備えた、記録的な高ピクセル密度ディスプレイを制作しました。

言うのは簡単ですが、行うのは難しいです。ディスプレイ技術のあらゆる反復には、莫大な資本投資と数多くの技術的課題が伴います。人間は外部情報の最大80パーセントを目で受け取ります。ディスプレイの登場により、家を離れずに世界中の物や風景を見ることができるようになりました。現代人は起きている時間のほとんどを、さまざまな画面を見つめ、赤、緑、青が点滅する広い領域を見つめて過ごしています。

この記事を読んだ後、画面の前にいるあなたは、この小さな画面の中にたくさんの知識が隠されていることがわかるはずです。

参考文献

[1] 2D材料ベースの層転写による垂直フルカラーマイクロLED[J]。自然。

[2] ダブソン・ヒュー1972年。眼の生理学。バーリントン：エルゼビアサイエンス。

[3] 于道銀、譚衡英。工学光学基礎コース[M]機械産業出版、2007年。

[4] グロスH.光学システムハンドブック。 Wiley-VCH、2008年。

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_reality#

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Google_Cardboard

企画・制作

中国科学普及協会制作

制作：Salted Fish in the Sea 中国科学院長春光学精密機械研究所光学修士

プロデューサー丨中国科学博覧会