4Kプロジェクター
「4K500ST」の
開発秘話

「4K500ST」は、美しい映像投写とコンパクトボディーを両立した4Kプロジェクター。設置優位性の高い小型のボディーから、4Kデジタルシネマを上回る高解像度の映像が5,000 lm(ルーメン)の明るさで投写されます。両立が困難なこの難題に、開発チームはどのように立ち向かったのでしょうか?
※本製品は2016年11月15日に販売を終了しております。
現在販売されている製品については、公式サイト「パワープロジェクター商品一覧」ページをご覧ください。

POINT 1

圧倒的な臨場感を生み出す
キヤノンの光学技術

建物に彫られた精緻な彫刻、広大な草原に咲く色鮮やかな花々、ゆったりとゴンドラが行き交う運河沿いの街並み。目の前の大型スクリーンには一つひとつの彫刻や花のディテールまでがはっきりと映し出され、まるで自分がその場所にいるかのような臨場感と没入感をもたらす―――。
「4K500ST」は、高輝度の美しい映像投写と小型軽量の両立をめざし、フラッグシップ機として開発された4Kプロジェクターである。
高画質のカギを握るのが、キヤノン独自の光学システム「AISYS(エイシス)」(Aspectual Illumination System)と、新開発の4K専用ワイドズームレンズ。キヤノンが蓄積してきたノウハウと技術者の粘りが、最高水準の映像投写として結実した。

小山 剛広(こやま たけひろ)

担当:メカ設計

4K500STのデモンストレーションを先ほど体験したのですが、大型スクリーンの隅々までフォーカスの合った4K映像には圧倒的な臨場感がありました。運河をゴンドラで下る映像では、本当に自分がゴンドラに乗っているように感じたほどです。
また驚かされたのが、シャープな映像と5,000 lmという明るさを実現していながら、非常に小型軽量でコンパクトに収まっているということ。今まで業務用の4Kプロジェクターといえば、大きくて重そうというイメージでしたから。
このような4K500STの製品コンセプトはどうやって決まっていったのでしょうか?

小山剛広
従来の4Kプロジェクターは大きく分けて、デジタルシネマや大ホールのイベントなどで使われる業務用製品と、ホームシアター用の一般向け製品の2種類がありました。ところが、イベントのプロモーションや美術館、博物館での展示といった用途で使える、明るくて小型軽量の製品というのがなかったんです。

こういう市場はまだニッチですが、今後着実に拡大していくと私たちは予測しており、キヤノンの技術を活用して競争力のある製品を投入しようと考えました。

4K解像度以上5,000 lmクラスの映写性能を持った製品に比べると、4K500STの重量・サイズは圧倒的に軽量・コンパクトで、世界最小・最軽量を実現しています。そのための技術的なハードルはかなり高かったのではないですか?

※ 2016年1月12日現在(キヤノン調べ)

小山
キヤノンには、独自の「AISYS」という照明光学系システムの技術があります。AISYSは明るさと小型軽量の両立に優れており、これに合わせてメカなどを作り込んでいくことで、キヤノンのプロジェクターは他社との差別化を図ってきました。もちろん、4Kで5,000 lm、かつ小型軽量というハードルを越えるのは大変だという認識は開発チームのメンバーも持っていましたが、キヤノンが得意とする方向性ではありました。

市村 純也(いちむら じゅんや)

担当:光学設計

AISYSの特徴を詳しく教えていただけますか?

市村純也
ハイエンドのプロジェクターで採用されている方式の一つとして、LCOS(エルコス:Liquid Crystal on Silicon)パネルを用いた方式があります。一般的なLCOS方式では、ランプから出た光は三原色である赤(R)、緑(G)、青(B)の3つの経路に分かれますが、キヤノンのLCOS方式は、赤+青(R+B)と緑(G)の2つの経路に分ける構造のため、光学ユニットの面積を大幅に小さくすることができます。

ただ、赤+青と緑の2経路の場合は、3経路の時に比べて光の特性をかなり精密にコントロールしないと、明るさとコントラストが両立しないんです。

これを実現し、LCOSのポテンシャルを最大限に引き出すキヤノン独自の照明光学系システムが、AISYSです。こういった小型で高性能な照明光学系は、キヤノンが長年にわたって蓄積してきたノウハウです。今回の4K500STでもこのノウハウを活用し、4Kプロジェクターでありながら高輝度と小型化の両立を実現しました。

一般的なLCOS方式
キヤノン独自のAISYSを採用したLCOS方式
 

光学システムの原理(光を2つの経路に分ける構造)を動画でご覧いただけます。

大きなスクリーンに投写したときも、周辺の隅々までフォーカスがぴったり合っていましたが、これはレンズの性能によるものなのでしょうか?

市村
はい。4K500STはフラッグシップ機にふさわしい解像力をめざして開発しました。4Kになった影響を一番受けたのがレンズです。 画素数がWUXGAの4倍になるため、これまでのレンズをそのまま使っても十分な性能を出すことはできません。 極端にいえば、レンズの解像力を2倍にしなければならないわけです。さらに製造の難易度も一気に跳ね上がります。

レンズユニットの基本性能を向上させるとともに、組み立て時の調整でも精度を上げています。今回新しいレンズの開発にあたっては、レンズユニットの材料や構造についても徹底的に見直しを行いました。これまでプロジェクターにはあまり使われていなかった特殊な硝材(ガラスの材料)も積極的に活用しています。

レンズユニットは12群16枚からなる新開発の短焦点ズームレンズで、それぞれの群が異なる軌道を動いてズームやフォーカスの調整を行います。一般的なプロジェクター用レンズに比べて広角寄りの設計で、F値2.6と被写界深度も深いため、スクリーンの周辺部でもフォーカスがぴったり合いますし、画面上の情報量が多いシミュレーション用途での表示にも適しています。こういった性能はカタログでは表現しきれないところなので、 投写された映像をぜひ実際に見てほしいと思います。

この4K500STを製造するキヤノンの国内工場は、開発部門のある光学技術研究所のすぐ隣にありますが、デジタル一眼レフカメラの交換レンズからテレビ放送用のレンズまで高性能レンズの製造を手がけているそうですね。

市村
4K500STもその高い生産技術のお世話になりました。4K500STのレンズユニットのうち、前玉(前面のレンズ)の2枚は研削非球面レンズを採用しています。一般的な非球面レンズは型でガラスをプレスして作るのですが、研削非球面では文字通りガラスを削って非球面を作り出します。これによって外径79㎜という大口径のレンズを高精度に作ることができますが、高度な製造技術をもつキヤノンの国内工場だから実現できたと思います。

4K500STのレンズユニットの外周は赤いラインで縁取られています。レッドラインは、高画質の証であるとお聞きしました。

レンズユニットに施された「レッドライン」

市村
はい、レッドラインは高級レンズシリーズ「Lレンズ」をはじめ、キヤノンの入出力機器の中でも最高峰だけに許された証です。

4K500STの企画段階では今までにない最高性能のプロジェクターレンズを作ることになっていましたが、こうしてレッドラインが施された初めてのプロジェクターになったわけですから、格別の喜びですね。

レッドラインが施されたキヤノンの入出力機器

デモンストレーションで驚いたことの1つは、曲面や凹凸があるスクリーンに投写する場合にも、きちんとフォーカスを合わせられることでした。

周辺フォーカス補正

市村
本来、プロジェクターは平面に投写することを前提にしているんですが、4K500STに関してはドーム型スクリーンなどの曲面にも投写したいという要望がありました。従来は多少の曲面や凹凸でも被写界深度の深さで対応できていたのですが、高精細な4K映像では、スクリーンのわずかなずれでもすぐにピントがボケてしまいます。そこで、今回はズームや通常のフォーカス用のレンズ群とは別に、周辺フォーカスを補正する専用レンズ群を追加しています。これにより、ドーム型スクリーンなどの曲面に画像を補正するのではなく、光学的にピントを合わせることができます。

POINT 2

静音化と小型化を両立させた
メカ設計の妙技

高輝度の投写システムをコンパクトなボディーに収めるためには、熱をもつ部品の冷却設計が極めて重要になる。メカ設計や電気回路の担当者は、時に衝突しながらも、試行錯誤を重ねて最適な設計を探っていった。

5,000 lmで4K映像を投写すると聞いて、冷却用のファンの音がうるさいだろうと予想していたのですが、実際はかなり静かで、会議室で使うようなプロジェクターとも遜色ないレベルでした。

小山
内部機構をぎっしり詰めすぎると冷却が難しくなりますし、冷却を優先するとサイズが大きくなってしまう。静音化と小型化の両立は、ものすごく難しい課題です。

プロジェクターの前面から取り込んだ空気を背面から排気するまでに、どれだけ有効に活用して各部を冷却するかを考え、ファンやダクトを配置していくわけですが、この解析や検証にはものすごく時間がかかります。

コンピューター上で空気の流れをシミュレーションする流体解析ソフトウエアも使いますが、計算結果をそのままうのみにすることはできません。3Dプリンターでダクトの模型を作って実験し、シミュレーションの結果と照合するといった作業を繰り返していきました。冷却しなければいけない箇所は多いですから、それらについて全部検証を行うのが一番苦労したところです。

設計を大幅に変更しなければならないといったトラブルはありませんでしたか?

小山
開発途中での仕様変更によって、ある素子の発熱量が想定よりも多くなったりということはもちろんあります。冷却の見直しをする際にメカの配置は最適化されていますから、大幅な変更に対応するのはかなり難しいですね。

ですから、最初の検討段階における見積もりが非常に重要になってきます。性能の8割はこの段階で決まるといってもいいでしょう。

特に今回は4K映像を処理するために、従来のプロジェクターよりも何倍も高速な素子が必要だったため、素子からの発熱もかなり大きくなることが当初から予想されました。

倉富 和之(くらとみ かずゆき)

担当:電気設計

倉富和之
素子がどれくらい発熱するのか事前に正確な情報を出すのは大仕事でした。別の開発部門にも協力してもらって何度もシミュレーションを行い、そうして得られた情報を元にメカ担当と検討を繰り返しました。素子を基板に配置する時も、同じ風路(冷却用の風の通り道)上に発熱する素子が並ばないようにしたり、かなり初期の段階で詰めています。

「こんな狭いところに、基板を入れるのは厳しいよ!」「もう少しスペースを広げるから、なんとか入れてよ!」

何をどこに配置するのかについて、メカ担当とはケンカと言ったら言い過ぎですが(笑)、そのくらいお互いが納得できるまで議論しました。部品の配置や基板のサイズを決めるのに何カ月もかかったことがありましたね。

ほかの担当者と仲が悪くなったりしませんでしたか?

倉富
意見をぶつけ合うことで、絆はよりいっそう深まりました。最初の段階で徹底的に議論したことで、最適な部品配置が見つかり、冷却もうまくいきました。お互いに世の中にない小型で高性能な4Kプロジェクターをつくるという目的はしっかり共有していますから、やはりものづくりでは、議論が本当に大切です。

POINT 3

飽くなき挑戦が可能にした
滑らかでクリアな映像投写

高解像度の4K映像を60P(毎秒60フレーム)で滑らかに表示するには、LCOSパネルの精密な制御や、映像エンジンによる処理が欠かせない。4K500STでは、パネルの駆動方式や映像エンジンについても新機軸が導入されている。

阿部 雅之(あべ まさゆき)

担当:液晶表示デバイス

4K映像を60Pで滑らかに表示するためには、LCOSパネルの制御も重要になってきますが、これに関して苦労した点はありますか?

阿部雅之
高解像度と小型化を両立した今回のLCOSパネルは技術レベルが高く、苦労しました。高解像度を実現するための画素数に関しては、従来のWUXGA(1,920×1,200)の約230万画素と比べて、4K(4,096×2,400)はおよそ4倍の約980万画素になります。同時に、小型化を実現するために4K500STのLCOSパネルはWUXGAと同じインチサイズで製作しており、1画素の面積で比較すると、4KはWUXGAの1/4になります。これだけの多くの画素数と小さな画素になると、パネルの制御が格段に難しくなってきます。例えば、電圧の関係で本来光ってほしい画素が暗くなってしまったりすることがありました。これは、LCOSパネルにおいて、ある画像の組み合わせの場合に画素の境界付近で表示が暗くなる原理的な問題が生じます。今回のLCOSパネルの画素は高精細で非常に小さいために、境界での暗くなってしまう表示領域が割合として多くなり、目立つようになってしまうのです。

これに対しては、いろいろと試行錯誤を繰り返し、最終的にはチーム一丸となってキヤノン独自の新しい駆動方式を生み出すことで、この暗くなる画素を明るくして映像を滑らかに見せることに成功しました。

石渡 裕一(いしわた ゆういち)

担当:画質設計

鮮やかな発色の映像投写を実現するためには、映像エンジンも大きな役割を果たしていると思いますが?

石渡裕一
今回は4K映像に対応するために、2つのエンジンを並列で動かして、画面の右側と左側の処理を行っています。

4K500STでは、動画の視認性を高めるために「モーションブラーリダクション」という機能が搭載されていますが、これはどのようなものでしょうか?

石渡
通常液晶パネルは、次のフレームに切り替わるまで前のフレームの映像を保持し続けます。このため映像によっては、人間の視覚特性により、残像を感じてしまうことがあります。この残像感を減らすのがモーションブラーリダクションです。従来のキヤノンのプロジェクターにもモーションブラーリダクションは搭載されていましたが、4K500STでは新方式を採用し、小さな文字などもはっきり読み取れるようになりました。シミュレーションなど、動きが速く、なおかつ細かな情報を表示する用途で特に力を発揮すると思います。

このほかの映像エンジンの機能としては、「シェープトレース」があります。これは、2Kの映像を4K解像度に高画質にアップスケーリングする際の高画質化機能です。従来、補間画素を生成する際、単純に隣接した画素の情報を使う補間バイキュービック法が使われてきました。しかし、バイキュービック法のみだと斜め線などがギザギザになるジャギーが発生してしまい、これを抑制する処理を行うと逆に画像がぼやけてしまいます。

4K500STでは、シェープトレースにより映像の中の建物にあるような斜め線を検出し、その情報も利用して補間画素生成を行うことで高解像度パネルの解像感を生かしつつ、ジャギーを少なくすることが可能になりました。

モーションブラーリダクション OFF時/ON時
シェープトレース バイキュービック/シェープトレース

POINT 4

小型4Kプロジェクターから
生まれる新たな映像市場

高精細な4K映像、さらに複数台を連携させれば8K映像の投写も可能な4K500ST。小型軽量と高画質を両立させたことで、これまでにはなかった映像市場が生まれようとしている。

4K映像をコンパクトなプロジェクターで投写できるとなると、応用範囲はすごく広がっていきますね。

小山
4K500STでは縦方向の画素が2,400ピクセルと、一般的な4Kディスプレイやプロジェクターよりも多くしてあります。そのおかげで、4台の4K500STを同時に使って8K映像を投写する時も、つなぎ目が目立たず、真の8K映像を見ていただけます。

高精細な4Kや8Kの映像をいろいろな場所で使えるようになりますから、プロジェクションマッピングやデジタルサイネージ、アトラクション、シミュレーションなど、今まで以上に創造性の高いコンテンツが生み出されていくでしょう。

開発を終えて2016年4月に無事発売を迎えたわけですが、みなさんにとって、ものづくりの魅力とは何でしょう?

小山
今回、開発のハードルはものすごく高かったです。従来の技術やノウハウの積み重ねはありましたが、それだけでは足りませんから、いろいろと失敗し試行錯誤しました。その繰り返しを続けるうちに、何かが自分にも見えてくる。それが製品開発の面白いところだと思っています。

阿部
今回の4K500STに搭載されているLCOSパネルは小型かつ高精細ということで技術レベルが高く、満足できる画質を得るためにはいろいろな苦労がありましたが、製品完成後に確認した4K映像の迫力や没入感に非常に感動することができました。自分たちで作り上げたという達成感と感動は仕事の醍醐味だと思います。

石渡
今回の4K500STの開発では当初、画質評価用の4K映像を再生すること自体のハードルが予想していた以上に高かったり、4Kコンテンツが不足して撮影にいくこともありました。4Kパネルを生かす画質設計も、これまでのWUXGAパネルの機種と同じようにいかないことも多く、苦労の連続でした。こうした経験やノウハウを積み重ねていくうちに、次にめざしたいことが出てきて、またチャレンジできること、それがものづくりの楽しみだと思います。苦労して製品に搭載した機能に対して、お客さまのコメントを頂けると次もまた頑張ろうという気持ちになります。

最後に、このような開発ストーリーは、技術者をめざす学生にとっても興味深いと思いますが、そのような学生に向けてメッセージをお願いします。

倉富
4K500STが映し出す4K、8Kの映像は、私たち開発者が最初に見るわけですが、ものすごく感動しました。大量のデータを高速に転送し、内部の冷却効果も高める、そういう設計をするためにかなり苦労しましたから。エンジニアをめざす学生さんには、苦労を乗り越えた先にあるモノをつくる感動を味わってほしいです。

市村
こういうチャレンジングなプロジェクトの中に入ると、思っていた以上にいろいろな刺激があり楽しかったです。 高い目標をめざして設計している間はひたすらつらかったですが(笑)、性能が出せたときの喜びは何物にも代えがたいものがあると思います。

光学分野はまだまだ発展の余地が残されていますから、ぜひ一緒に仕事しましょう。

テレビやプロジェクター、スマホ、カメラなど、4K映像を扱う機器の市場は、急拡大している。4Kテレビは日本国内における薄型テレビ全体の約5割を超えるまでになり、アメリカの調査会社MarketsandMarketsによれば、世界全体で2014年に181億ドルだった4K市場は、2020年には1,021億ドルにまで拡大するという。コンテンツについても、CS放送やケーブルテレビ、動画配信サービスが相次いで4Kに対応。スマホのカメラも4K撮影が当たり前になりつつある。

WUXGAに比べて4Kでは映像を構成する点(画素)の数が4倍になっているが、それは単に高解像の「きれいな映像」が表示されるというだけではない。

これだけの画素の「量」が増えると「質」的な転換が起こり、得られる臨場感や情報量が桁違いになるのだ。気象や都市計画などのシミュレーション、リアルなドライビングシミュレーター、さらに小型軽量な4K500STであれば、移動式のミュージアムやテーマパークなど、アイデア次第でこれまでになかったコンテンツやビジネスも生まれてくるだろう。

今後数年間で、私たちの映像体験はまったく違ったものになる。プロジェクター4K500STは、そのムーブメントの牽引役となりそうだ。

※ 2016年4月金額ベース(JEITA調べ)

インタビュアー・構成
山路 達也(やまじ たつや)
1970年生まれ。雑誌編集者を経て、フリーのライター/エディターとして独立。IT、科学、環境分野で精力的に取材・執筆活動を行っている。
著書に『アップル、グーグルが神になる日』(共著)、『新しい超伝導入門』、『Googleの72時間』(共著)、『弾言』(共著)など。

今回の「語る」開発者

小山 剛広(こやま たけひろ)

担当:メカ設計

市村 純也(いちむら じゅんや)

担当:光学設計

倉富 和之(くらとみ かずゆき)

担当:電気設計

阿部 雅之(あべ まさゆき)

担当:液晶表示デバイス

石渡 裕一(いしわた ゆういち)

担当:画質設計

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