隐形眼镜中嵌入SLM的日子！

通过波前再生型全息摄影研究理想的立体显示方法

高木教授自学生时代以来一直从事光学关系研究。从当时通过计算机计算全息图图案产生的“计算机合成全息图”的研究开始，现在主要致力于研究人性化的立体显示器(超多目显示器、光场显示器)、作为立体相机的数字全息术、全息隐形眼镜显示器等立体显示器的研究。

对于立体显示，有两种方法：“光线再生型”和“波前再生型”。光线再生型是一种通过在高清晰度显示器上组合透镜阵列来控制光线的方法，并且与物体发出的光线相同的光线被再现并且看起来像立体图像。

另一方面，将光视为波是“波前再生型”全息术。波前再生型是再生物体发出的光的波面的技术，通过控制相位改变波的前进状况，可以显示理想的立体影像。

根据干涉条纹记录方式的不同，全息摄影大致分为光学方式和电子方式。
光学方式是通过在胶片上记录光的干涉条纹来再现立体图像，而电子方式是通过电子显示装置来表现干涉条纹。但是，由于全息图中的干涉条纹间距必须与光的波长相匹配，因此以电子方式回放立体图像需要非常高的分辨率，大约是8K显示器分辨率的100x100倍。因此，我们正在研究使用具有比普通显示器更高的帧速率的“空间光调制器 (SLM：Spatial Light Modulator) ”通过时分方法覆盖缺失的分辨率。

为什么高木研究室采用santec的SLM，理由是什么？

最初，高木教授介绍了将德国制造商的SLM用于研究，但在使用过程中遇到了一些问题。虽然分辨率很好，但光的相位调制的线性也存在问题并且难以处理，并且校正很麻烦。

“那时，我碰巧对光学相干断层扫描的OCT (Optical Coherence Tomography) 感兴趣，该光学相干断层扫描利用光的相干性在另一个研究主题中拍摄样本的内部结构，并且当我正在研究可变波长激光器时，我了解到开发SLM的santec公司。因此，我购买了相位调制型空间光调制器“SLM-100”，这是我关系的开始。随后，我们导入了性能更高的SLM-200。” 高木教授回顾10年前。

该“SLM-200”使用反射型LCOS (Liquid Crystal on Silicon) 液晶作为核心器件，分辨率为1920×1200点阵、10位 (1024个灰阶)，且具有0.001π rad的极佳相位稳定性。

“采用santec公司SLM的好处在于相位调制的线性也得到了很好的保证。当我让学生检查相位特征时，我很惊讶它变成了一条直线。还有，发生什么的时候，因为是日本国内厂家，所以能迅速应对这一点也很好。如果是海外产品，无论如何都要花几个月的时间进行交流，在此期间研究中断是个难点。”，并评估了santec产品的性能和支持系统。

这不是SF的世界！实现人体扩展
的全息隐形眼镜显示器

回到原来的话题，高木研究室目前正在使用这个SLM-200进行2项代表性研究。一项研究是通过在SLM上显示由计算机计算的全息图的模式来创建立体图像，这在开始时是提及的。为了创建立体图像，SLM用于调整相位，但不调整振幅，因此有一个很大的特点，即光线可以明亮地显示而不会衰减。

• 

  全息隐形眼镜显示器原理的确认实验。隐形眼镜配有光聚合物制成的全息膜。

• 

  使用SLM-200的全息隐形眼镜原理确认实验。它显示前方0.5米处的立体图像。红色字母排成一列。

• 

  左边是目标图像。右边是用计算机制作的全息图图案。当此模式显示在SLM上时，将显示目标图像。

高木教授正在利用这项技术开发一种新的“全息隐形眼镜显示器”，并引起了各方的关注。他试图通过在隐形眼镜上安装SLM来使其成为AR的显示设备。至于AR设备，您可以想象头戴式显示器 (HMD)，如“Microsoft HoloLens 2” ^*1或“Google Glass” ^*2，全息隐形眼镜显示器的结构完全不同。(左图)

“在用于AR的传统HMD中，显示器位于眼睛旁边，并且图像通过半镜或光束组合器与外部景观合成并显示。全息隐形眼镜显示器在镜头内部集成了SLM，您可以通过SLM查看数字图像和外部景观。但是，如果只是在隐形眼镜中嵌入SLM，眼睛的焦点就不会对准立体影像。因此，全息图图案显示在SLM上，并将其显示在聚焦位置作为立体图像。由于它是三维显示，例如，在导航时，您可以显示多个交叉点的深度。” (高木教授) (右图)

*1 Microsoft HoloLens 2是Microsoft公司的注册商标。

*2 Google Glass是Google公司的注册商标。

此外，由于SLM具有与液晶显示器相同的显示原理，因此它几乎不消耗功率。据认为，可以安装小型全固态电池，夜间充电，白天无需供电即可运行。
在任何情况下，通过使其成为隐形眼镜类型，不会像传统AR设备那样佩戴在头部或设备本身限制视野。

如果您使用全息隐形眼镜显示器覆盖整个角膜，您将能够在整个视野中显示图像。此外，在未来，它将有助于实现结合物理空间和网络空间的超级智能社会，因为它可以连接到计算机并在现实世界中叠加和显示各种数字信息。最终，人类的视力可能能够获得像半机器人这样的能力。

我们致力于将全息电视的能效提升至可能的最高水平！

高木研究室的另一项研究是通过使用相位调制型SLM制作能效（衍射效率）尽可能接近最高水平的全息电视。通过这样做，高木教授认为它将解决由于能源消耗引起的环境问题。

“对于全息电视，需要使用两个SLM。波前再生具有两个自由度，即振幅和相位，但如果仅使用一个相位分布，则很难控制，因为只有一个自由度。因此，我们正在进行研究，通过使用两个SLM的相位分布，很好地控制计算机和算法。” (高木教授)

虽然仍存在挑战，但对家用无眼镜立体电视的期望很高，全息电视是一项非常梦幻的技术。我们正在进行研究，认为当未来立体电视普及时，减少整个社会的能源消耗会更好。