拡張現実(AR)が注目される

October, 10, 2024, Hangzhou--中国浙江大学の科学者たちは、拡張現実ディスプレイを眼鏡に組み込む方法を示したと報告している（ACS Photonics, doi: 10.1021/acsphotonics.4c00989)。
研究チームのシステムは、従来のレンズと非常に微細なパタンのメタサーフェスを組み合わせ、ニューラルネットワークを使用して投影された画像から歪みをフィルタリングする。

メタサーフェスによる小型化
拡張現実(AR)は、ユーザが見る実際の画像の上にデジタル画像を重ね合わせることで、建築やナビゲーションから緊急対応や医療まで、あらゆる分野で応用できる可能性がある。しかし、すでに自動車のヘッドアップディスプレイ(HUD)に使用されているが、現状は、サイズの制約により、この技術は標準的なメガネにはあまり適していない。これは、妥当な視野を得るために複数のレンズが必要となり、デバイスの長さが長くなるためである。

いくつかの研究グループは、メタサーフェス(光の位相、振幅、偏光を変調するサブ波長スケールの構造の非常に薄くて軽量なアレイ)を利用して、拡張現実システムの縮小を試みている。しかし、可視光の波長が小さいため、このような表面を十分な精度で作製するのが難しく、解像度と視野が制限される(単一メタサーフェスで3°未満)。

最新の研究では、浙江大学のYaoguang Maのチームは、広い視野と最小限の歪みを維持しながら、そのようなシステムのサイズを縮小する方法を示した。チームの秘訣は、非球面位相プロファイルを持つメタサーフェスと非球面レンズを組み合わせ、AIを使用して投影された画像を元の画像により近づけるように改良すること。

研究チームは、microLEDからの緑色光を窒化ケイ素(SiN)メタサーフェスに照射し、次に合成ポリマから作られた両面非球面レンズを介して照射するデバイスを作成した。メタサーフェスの直径は3.2mmで、特徴サイズは100nmと小さく、デバイス全体の長さは8mm弱である。

ハイブリッドレンズのテスト
その結果、30°の視野で収差や歪みを最小限に抑えながら、優れた解像を実現できることを確認した。

チームの「メタ/屈折ハイブリッドレンズ」をそのペースに乗せるために、Maのチームは、それが生成した画像を白いスクリーンに投影し、点像分布関数を分析した。その結果、30°の視野で収差や歪みを最小限に抑えながら、優れた解像を実現できることを確認した。また、メタサーフェスレンズと非球面レンズの両方の分散特性を慎重に設計することで、有限の帯域幅の光にさらされているにもかかわらず、システムが単色光を供給されているかのように機能できることも示した。

次に、研究チームは、導波路を兼ねる接眼レンズの結合領域に出力を向けることにより、デバイスがメガネのアームの1つの内側に収納されているかのようにデバイスをテストした。これにより、28mm×17mmの画像が得られ、例えば大学のロゴの形で、人間の手のような物体を背景にして見えた。

しかし、研究者が指摘しているように、メタ/屈折ハイブリッドレンズは、メタサーフェスと非球面レンズの製造における欠陥、およびデバイスの様々なコンポーネント間のミスアライメントによってもたらされる残留収差を常に示す。この収差の影響を最小限に抑えるために、チームはニューラルネットワークを使用して元の画像と劣化した画像を比較した。チームは、両方のタイプの画像の多数の例をネットワークに供給することでネットワークを訓練し、画像を適切に前処理することでデバイスから投影された画像の品質を部分的に復元できるようにした。

Maのチームは、アライグマの画像を比較することで、この前処理の長所を実証した。その結果、補正された画像は、補正されていない画像よりもピークのSNRが有意に高く、また、元の画像により近似していたこと(「構造的類似性指数測定」が70.3%から74.3%に増加した)も発見された。また、アライグマのヒゲなどの詳細がより目立つようになった。