AR/VR
次世代レンズで拡張現実を強化する
世界最大級のオンラインデザインスクールであるInteraction Design Foundationは、拡張現実を「デザイナーがコンピュータ生成の入力でユーザーの物理的世界の一部を強化する体験」と定義しています。常に画期的な技術の新形態を紹介してきた先駆的企業の一つであるIBMは、ARを「デジタル情報をユーザーの環境にリアルタイムで統合すること」として見て研究しています「リアルタイムでデジタル情報をユーザーの環境に統合する」
これらの定義は、拡張現実が技術が提供できる可能性に対する高度に想像的な認識と、それらの認識を現実にするために精巧に構築されたソリューションを伴う、まさに根本的な飛躍であることを示しています。
拡張現実を実用的かつ効率的に実現するには、多くの要素がうまく機能する必要があります。デジタルと物理の世界が結びつく際には、バグや遅延がなくシームレスであることが求められます。インタラクションはリアルタイムで行われ、三次元インターフェースにおける仮想物体と実物体の識別は正確でなければなりません。
長年にわたり、研究者や革新的な技術プロジェクトチームは、これらの要素の完璧化に向けて絶え間なく取り組んできました。新たな研究はこの分野に大きな期待を呼び起こしています。科学者たちは、エキシトンを利用した地球上で最も薄いレンズを作り出し、将来のARグラスに応用できる可能性を示しました。以下のセクションで、この研究をさらに掘り下げます。
エキシトン対応レンズ：地球上で最も薄いレンズ
研究者グループは、アムステルダム大学とカリフォルニア州スタンフォード大学から構成され、単層の二硫化タングステン（WS2）を利用して、幅0.5ミリメートル、厚さ0.0000006ミリメートル（0.6ナノメートル）の平坦レンズを開発しました。これらのパラメータにより、このレンズは地球上で最も薄いレンズとなります。
レンズ構築に極めて珍しい材料を使用しただけでなく、動作原理も例外的です。通常のレンズは曲面形状で光を屈折・集光しますが、この3原子厚の平坦レンズは量子効果を利用しています。
従来のレンズとは異なり、これらのレンズは屈折ではなく回折現象を利用します。WS2の同心円状リングとその間の隙間で光を回折させて焦点を合わせます。リング間の距離とサイズがレンズの焦点距離を決定します。
焦点合わせの効率を高めるため、これらのレンズはWS2内部の量子効果に依存しています。West Texas A&M大学の物理学准教授Christopher S. Bairdは、量子効果を「古典物理学では正しく予測できず、量子理論で正しく予測できる効果」と定義しています。古典物理学は「物質」を小さな固体粒子の集合と見なします。
「したがって、物質の粒子が波のように振る舞うとき、私たちは量子効果を示していることになる」
– Professor Baird
例えば超伝導は巨視的な量子効果です。この場合、量子効果は材料が特定波長の光を効率的に吸収・再放出できるように働きます。その結果、レンズはこれらの波長での性能が向上する内蔵機能を持ちます。
量子効果の役割をより深く理解すると、WS2が光を吸収し電子を高エネルギー準位へと送ることで増幅されます。負の電荷を持つ電子が欠如すると、原子格子内に正の電荷を持つホールが残ります。このホールは電子と静電的引力で結合します。この電子・ホール・引力の組み合わせが「エキシトン」と呼ばれます。エキシトンが放出する特定波長の光に対して、これらのレンズは効率のピークを示します。
論文の著者の一人であるJorik van de Groepは、これらのレンズがARのさらなる進歩に役立つ理由を次のように説明しています。
「レンズは視界を乱さずに、光の一部を情報取得のために利用できるアプリケーションに使用できます。これは拡張現実用のウェアラブルグラスに最適です」
研究者は、より複雑で多機能な光学コーティングを試すことで、ソリューションの効率を向上させようとしています。これらのソリューションでは、機能を電気的に調整できる可能性があります。エキシトンを利用する利点の一つは、エキシトンが材料の電荷密度（特定領域における電荷の蓄積を示す指標）に非常に敏感であるため、電圧を加えることで材料の屈折率を変化させることができる点です。
総合的に見て、この実験とその結果はARとARデバイスにおけるレンズの使用に革命的な影響を与える可能性があります。科学者は、現実を超える空間と相互作用するための重要なインタラクティブツールであるARレンズの品質向上に初めから取り組んできました。数年前、同様の画期的な実験が最初のARベースのスマートコンタクトレンズの実地テストにつながりました。
AR/VRのフロンティアを再定義するマーベリック企業のリストはこちらをご覧ください。
史上初のARベーススマートコンタクトレンズ
2022年、マイクロLED技術の未来をリードする先駆者と自称するMojo Visionは、世界初の拡張現実コンタクトレンズであるMojo Lensの発売を発表しました。これは、2020年に最初に発表された同社の完全自立型Mojo Lensプロトタイプのアップグレード版です。
このプロトタイプは、直径0.5mm超の14,000ピクセル/インチのマイクロLEDディスプレイを搭載し、ピクセルピッチは1.8マイクロメートルでした。当時、これは動的コンテンツに対応する世界最小・最密のディスプレイと評価されました。さらに、カスタム構成の加速度計、ジャイロスコープ、磁力計を備え、連続的な眼球運動追跡を可能にしました。しかし、レンズはユーザーが首にARMプロセッサを装着する必要があり、これにより情報の無線リレーがレンズと眼球追跡コンピュータ間で行われました。
2022年から2024年にかけて、Mojo Lensは技術と製品を革新し続け、28,000ピクセル/インチに達する動的ディスプレイを提供しました。現在のコア技術はサブマイクロメートルスケールの効率的な青色マイクロLEDデバイスと高効率量子ドットインクを使用し、ディスプレイシステムは最適化されたCMOSバックプレーン、ウェハ間ボンディング、カスタムマイクロレンズ光学という柱に基づいています。
ピクセルピッチに合わせた直径のMojoマイクロレンズを、はるかに小さいuLEDエミッタの上に配置することで、従来のディスプレイと比較して典型的なARウェーブガイドの入口瞳孔に最大5倍の光フラックスを供給できます。
Mojo Lensソリューションがトレンドセッターである一方で、大手テック企業は高性能で最先端のAR視覚ソリューションの構築に多額の研究とリソースを投資しています。
#1. 3M
AR/VRデバイス向けの高度な光学ソリューションを開発してきたグローバル企業の一つが3Mです。同社の光学ソリューションはヘッドセットに最適な品質の没入型ビジュアルを提供し、仮想と物理の世界をシームレスに融合させます。
3Mが最先端レンズの多くで採用している技術的奇跡は、折りたたみ光学（パンケーキ光学）という概念です。この概念では、光路を折りたたむことで、広い視野角（FOV）と薄型デバイスを実現します。
2022年のSociety of Display Component of the Yearを受賞した3M HARPレンズは、複屈折偏光子を統合し、折りたたみ光学レンズ構成を用いたヘッドマウントディスプレイ向けにコンパクトで中FOVのアイピースと広FOV光学系を実現しました。
3MはこのHARPレンズをPegatronのプロトタイプヘッドセットに使用し、Fresnelレンズモジュールを使用したヘッドセットと比較してレンズモジュールを50％薄くし、全体のヘッドセットを40％薄くしました。
このレンズによりディスプレイとユーザーの目との距離が短縮され、プラスチック使用量と重量が減少しました。
MTF（変調伝達関数）は、レンズシステムが画像化時に対象のコントラストを維持できる能力を測定します。3M HARPレンズは9マイクロメートルまでのピクセルに対して許容できるMTFを示しました。3Mはさまざまな用途と産業向けのARソリューションに取り組んでいると主張しています。
(MMM )
2023会計年度の3Mの年間売上高は32.68億ドルで、2022年の34.23億ドルから増加しました。
#2. Corning
もう一つの世界的リーダーであるCorningは、「ガラス科学、セラミックス科学、光学物理学における比類なき専門知識と深い製造・エンジニアリング能力」を持ち、拡張/混合現実（AR/MR）デバイス向けの最先端ガラスベースソリューションの開発で名を馳せています。
Corningは初めて超平坦で高屈折率ガラスウェハを提供し、主要なAR/MRデバイスメーカーに採用されています。ソリューションの開発において、Corningはウェーブガイドベースの設計を活用しました。
ウェーブガイドベースの設計の利点は、ARデバイスをよりスリムで軽量に構築できる点です。これらのウェーブガイドは、超平坦で高屈折率のガラスを利用し、画像品質を最適化し、大きなアイボックスを提供することで、没入感の向上につながります。ソリューションに加えて、CorningはAR/MRデバイスの大量生産に関心のある顧客向けに製造技術も提供しています。Corningは、Corning Tropelの最高クラスの平坦度測定機器と、Corning Laser Technologiesの高度に正確な自動レーザーガラス切断機を提供しています。
(GLW )
2023年度通期の売上高はGAAPで126億ドルで、11％減少しました。
AR対応光学ソリューションの未来
拡張現実は、視覚と見え方を劇的に向上させる可能性を秘めています。スマートコンタクトレンズの市場は拡大しており、Samsung、Sony、Googleなどの企業が重要な研究開発リソースを投資しています。
Samsungがスマートコンタクトレンズの製造に関与していることは、2016年に同社がスマートコンタクトレンズの特許を出願したことから議論されています。その特許は、画像を装着者の目に投影できるスマートコンタクトレンズ技術のために出願されたとされています。韓国の科学者が開発したこの出願は、AR互換性を中心に、レンズに小型ディスプレイ、カメラ、アンテナを搭載し、実世界にコンピュータ生成画像を重ね合わせることができるとされています。センサーはまばたきで制御でき、ウィンクで写真を撮ることができると報告されています。
ARの成功、すなわち感度と没入感の向上は、光学機能の革新に大きく依存します。
将来的には、ユーザーが快適に視野に情報を重ね合わせられるレンズが登場します。情報はナビゲーション情報から翻訳された外国語、リアルタイムの更新まで多岐にわたります。ARコンタクトレンズのもう一つの重要な利点は、視覚障害者に対する変革的なソリューションを提供できる点です。
しかし、これらのサービスを最も効率的に提供するには、レンズが物体認識、顔認識、音声キューの提供においてさらに改善が必要です。
次世代ARコンタクトレンズは、利便性と携帯性の分野で明確な勝者となり、ヘッドセットを軽量化し、装着感を向上させます。次世代レンズが成功するもう一つの要因は、視覚強化を超えて多数のモニタリング機能を組み込む点です。
これらのモニタリング対象（バイオマーカーを含む）は、ARが医療・診断分野で花開くのに寄与します。
ただし、開発者はソリューション開発時にいくつかの重要な点に留意する必要があります。レンズはプライバシー問題に積極的かつ適切に対処し、重要情報のリスクや誤用の可能性を最小限に抑えるべきです。そうすればARは日常生活の一部となるでしょう。
