| Project/Area Number |
23K22811
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| Project/Area Number (Other) |
22H01541 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
高木 康博 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50236189)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
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| Keywords | コンタクトレンズ / ホログラム / AR / ディスプレイ |
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| Outline of Research at the Start |
ホログラムを用いたコンタクトレンズディスプレイは、コンタクトレンズ内のディスプレイにホログラムパターンを表示して、眼から離れた位置に画像を立体表示することで、画像への眼のピント合わせを可能にする。本研究では、眼がもつ視野全体に対して画像の表示を可能にするため、角膜を覆う球面形状のホログラムについて研究する。また、ホログラムを球面化するとホログラム計算の局所性が高まること、網膜の解像度は中心部で高く周辺部で低いことを利用して、ホログラムを分割して位置によって解像度を変えて並列計算するfoveated並列ホログラム計算について研究する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
1)球面ホログラム計算法の開発：ホログラムコンタクトレンズの広画角化のためには、ホログラムの球面化が必要である。そこで、球面ホログラムの計算法の開発に取り組んだ。開発した計算法に基づきも実際にホログラムを作製し、実験的にその有効性を示した。
2)高速ホログラム計算法の開発：角膜の光学部の直径は8 mmであるので、画素ピッチを3 μmとするとホログラムの解像度は最大で約2,700×2,700になる。そこで、ホログラムを3×3、5×5、7×7個に分割して、並列化による計算時間の短縮化の効果を調べた。つぎに、網膜の解像度に合わせて周辺部のホログラムの解像度を下げるfoveated化について検討した。将来のホログラムコンタクトレンズの実現においては、スマートフォンと連携して、スマートフォンでホログラム計算を行う形態が考えられる。この場合のスマートフォンなどのモバイルプロセッサに求められる性能について検討した。また、本研究では、透明なホログラムとして、光を吸収しない位相型ホログラムを用いる。位相型ホログラムは、ある位置で光の位相分布を変調すると、光の回折現象により離れた位置に強度分布を生じることを原理とする。本研究では、位相型ホログラムの計算に、Gerchberg-Saxtonアルゴリズムを適用した。
3)模型眼を用いた網膜像評価システムの作製：本研究の提案法で発生できる網膜像の画質評価のために、人間の眼を用いる代わりに、模型眼を用いる評価システムを作製した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1)球面ホログラムは球面波で照明することになるが、この場合、球面波の集光点を焦点とするレンズによる虚像結像形を考えると、ホログラム計算が簡単になることを理論的に示した。また、実験により、その有効性を示した。球面化することで、視野角が約15度に拡大できることを実験的に示した。
2)位相型ホログラムの計算に、Gerchberg-Saxtonアルゴリズムを用いるホログラム計算法を開発した。ただし、球面ホログラムでは、球面波により視野角を拡大するため、網膜上で高次回折光によるクロストークとして発生し画質が劣化する問題が生じた。そこで、Gerchberg-Saxtonアルゴリズムを高次回折像を抑える拘束条件を与えるように修正することで、高次回折像の発生を抑制した。ホログラム計算のフーリエ変換部を並列化するプログラムを開発し、２~３倍の高速化を行なった。また、Gerchberg-Saxtonアルゴリズムに、再生像の解像度を中心部と周辺部で変える拘束条件を導入することでfoveated化を可能にした。
3)模型眼を用いた網膜像評価システムの作製：人間の眼球結像系の構成および網膜の特性をもとに、模型眼の設計を行い、試作した。作製した模型眼は、今後の実験で利用する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
1)球面レーザーバックライトの実現法：本研究の提案法の実現には、球面波を発生する厚さ0.1 mm程度の球面レーザーバックライトが必要になるので、その実現法について研究する。球面導波路を用いて、その内部を全反射によりレーザー光を伝搬させる。球面導波路の外側球面に取り付けた薄膜回折格子により球面と垂直方向に光を取り出す。薄膜回折格子の光結合効率をレーザー入射位置から遠ざかるほど大きくして、球面波の光強度の均一化を図る。薄膜回折格子としては、ナノ構造の回折格子やホログラム光学素子(HOE)が利用できる。光源には直線偏光した半導体レーザーを用いる。ソフトコンタクトレンズの材料であるシリコンハイドロゲルの屈折率（1.35~1.42）をもとに、球面導波路を設計する。本研究では、薄膜回折格子にHOEを用い、HOEはフォトポリマーを導波光と球面波の干渉光で露光することで作製する。レーザ入射位置から変化する光結合効率を実現するために、導波光だけで事前露光する方法などを試みる。
2)画質評価：球面ホログラム作製装置を用いて球面ホログラムを作製し、球面レーザーバックライトで照明して、網膜像評価システムを用いて得られる網膜像の画質を評価する。評価結果をもとに、ホログラム計算法やレーザーバックライトの改良を行う。
3)全体のまとめ：これまでの研究成果をまとめ、関連するデバイスの研究者と議論を行い、ホログラムコンタクトレンズの実現に向けた研究予算の申請を行う。
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