半導体レーザー技術を使い視覚支援用アイウェアを開発

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クリーンデバイス社会実装推進事業
課題解決型福祉用具実用化開発支援事業

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半導体レーザー技術を使い視覚支援用アイウェアを開発

株式会社QDレーザ 取材:October 2017

ロービジョンの人々のQOL向上のために

白内障や極度の屈折異常など、目の疾患により視機能が極めて弱く、メガネやコンタクトレンズでは視力矯正が困難な“ロービジョン(社会的弱視)”と呼ばれる人たちは、国内だけでも150万人を数えます。量子ドットレーザーのトップ企業である株式会社QDレーザは、NEDOプロジェクト「クリーンデバイス社会実装推進事業」(2015~2016年度)及び「課題解決型福祉用具実用化開発支援事業」(2015年度)にて、同社の先進的半導体レーザー技術を応用し、網膜に直接画像を映し出す画期的なアイウェア「RETISSA(レティッサ)」を開発しました。「RETISSA(レティッサ)」を装着すると、ロービジョンで見えにくかった世界が、くっきりと見えるようになる可能性があります。また、今までにない視機能検査器としての応用展開も期待されています。

 


ロービジョン者は国内に150万人、全世界で2.5億人も

近視や遠視、乱視などがあっても、ある程度であればメガネやコンタクトレンズで視力を矯正でき日常生活は送れます。ところが、著しく視機能が低下している“ロービジョン(社会的弱視)”の状態になると、メガネ等を使った視力矯正は難しくなります。

ロービジョンの原因は、強度の近視や遠視、乱視などの屈折異常、水晶体が混濁する白内障、網膜疾患の加齢黄斑変性や緑内障など様々です。屈折異常のように遠くや近くが見えないこともあれば、視界の一部がぼやける、見えない、徐々に視野が狭まってくるといったように、疾患によって見え方も様々です(図1)。

図1 目の構造と各部位に生じる眼疾患(資料提供:QDレーザ 出典:National Eye Institute, National Institutes of Health)

ロービジョンの人は、国内で150万人、全世界で2.5億人にものぼるといわれており(日本眼科学会調べ、WHO統計など)、高齢化が進むに従って、ロービジョンの人の数はさらに増えていくと考えられます。

ロービジョンの人たちに対しては、ルーペや拡大読書器、スマホアプリなどの視覚支援ツールが開発されています(写真1)。しかし、器具を使って文字は読めたとしても、目の前の人の顔や表情までは見えない、映画館で映画が見られない、一人で外出ができない、というように日常生活において数々の不便を強いられています。


写真1 ロービジョンのための視覚補助具(ルーペ、拡大読書器、単眼鏡)(画像提供:QDレーザ)

レーザー光を網膜に直接投影するアイウェア

人間の視覚は、外から入ってきた光が角膜を通り、水晶体というレンズの厚みを変えることでピントを調節し、網膜で像を結びます。そうして映し出された像が、視神経を通じて脳へと送られます。

ところが、角膜や水晶体といった前眼部に病変や屈折異常があると、網膜でうまく像を結ぶことができません。「RETISSA(レティッサ)」(写真2)は、目の中にレーザー光を入れ、網膜に直接映像を映し出します。この方法ならば角膜や水晶体に異常があっても”見る”ことが可能です。

写真2 メガネのような外観の網膜走査型レーザアイウェア「RETISSA(レティッサ)」

今回、「網膜走査型レーザアイウェア」の開発を行ったQDレーザ社は、量子ドット(QD:Quantum Dot)レーザーの研究開発からスタートした企業です。創業者であり同社代表取締役社長の菅原充さんは、もともと株式会社富士通研究所に勤務しており、その頃から半導体レーザーの開発に携わってきました。そして、量子ドットレーザー技術を実用化するためのスピンオフベンチャー企業として、2006年に同社を設立しました。

設立直後から現在まで、複数のNEDOプロジェクトにて研究開発を進め、世界で初めて通信用量子ドットレーザーの開発と量産にも成功しました。

半導体レーザーの研究開発から領域を広げ、医療・福祉分野へ

同社のコア技術ともいえる量子ドットレーザーは、半導体に電流を流してレーザー発振させる半導体レーザーの一種で、ナノメートルサイズの半導体粒子「量子ドット」をN型半導体とP型半導体の層で挟み発光させるものです。

従来の半導体レーザーの弱点である温度依存性が少なく、200℃でも安定して動作するほか、従来のレーザーの1/10という低消費電力での高速通信が可能です。そのため光通信デバイスの小型化、省電力化、高密度実装を可能にするだけでなく、低コストで大量生産も実現できるものとして注目されています。

さらに同社では、あらゆる波長に対応できるレーザーの精密波長制御技術を確立し、様々なアプリケーションへと発展させていきました。それによって、量子ドットレーザーだけでなく、さらにそこから発展した光通信・シリコンフォトニクス、情報処理デバイス・材料の高精細加工技術や、これまでにない緑・黄緑・橙の光を発する半導体レーザーによるバイオ系検査装置なども手がけました。このようなレーザーによる応用領域のひとつとして、ロービジョンの人のためのアイウェアの開発があると、菅原さんは話します。

「当社は、通信用インフラであった半導体デバイスをもっと身近なものとして、様々なアプリケーションに適応することを目指してきた会社です。設立以来、半導体レーザーのチップや素子を製品としてメーカーに卸し、メーカーが加工装置や検査装置、通信装置に組み込む形で事業を続けてきました。当社のコアは半導体レーザーの材料技術と光学設計技術、及びそれらを下支えするナノテクノロジーと基礎理論です。さらに、数年前から、それを基盤として自社の最終製品を開発し、自ら積極的に新しい市場を作ることに乗り出しました。それが結実したものがアイウェアです」(菅原さん)

同社が参画したNEDOの「クリーンデバイス社会実装推進事業」は、省エネルギー化を実現するデバイスを、従来利用を想定してきた機器などだけではなく、様々な製品・サービスの新規用途に拡大し、省エネルギー効果を最大限に活用することを目的とした事業です。同社は2015年度から本事業に参画し、実用化・標準化に向けたレーザー方式ヘッドマウントディスプレイの優位性の評価と要求機能の明確化を実施しました。

そうした中で、NEDOの福祉関連の支援事業の存在も知り、もともと同社で開発を進めていた可視光半導体レーザーを活用したアイウェアの開発を本格的に行うタイミングで、NEDOの「課題解決型福祉用具実用化開発支援事業」に採択され、ロービジョンの方が実際にアイウェアを日常的に使用できるよう、小型化、高画質化に取り組みました。


高度な光学設計を駆使し、歪のない高精細映像投影に成功

網膜走査型レーザアイウェア「RETISSA(レティッサ)」のフレーム内側には、超小型のレーザープロジェクターが取りつけられています。そこから照射された赤、緑、青の微弱な光(RGBレーザービーム)が、高速で振動するMEMS (機械部品と電子回路を融合し微細部品を形成した微小電子機械部品)ミラーと半球状の反射ミラーによる2段階の反射を経て、瞳の中へ入っていきます。その光で映像が網膜に直接投影される仕組みです(図2、写真3)。

図2 赤緑青(RGB)の3原色のレーザー光に変換された映像は、MEMSミラーと反射ミラーを経て瞳孔を通り、網膜に直接投影される(資料提供:QDレーザ)

菅原さんは、「眼球の奥にある半球状の網膜というスクリーンに、映像を映し出すプラネタリウムのようなものだ、と言うとわかりやすいかもしれませんね」と、その原理を説明します。

網膜の視神経には、赤、緑、青に反応する3種類の錐体細胞があり、片眼の網膜上に合計で約600万個並んでいます。この錐体細胞が赤、緑、青のレーザーの刺激を受けると、光の強さの比率に応じて色を感じるという仕組みで、原理としてはブラウン管ディスプレイと同様です。

網膜に映す画像がより鮮明に見えるようにするためには、光の強さではなく、解像度が高いことが重要でした。レーザーの光点が小さく緻密な点描を行うほど、高精細な画像を映し出すことができるからです。最新の「RETISSA(レティッサ)」が投影する画像は、1秒あたり60フレームで、横・約1,000点、縦・約600点の点描です。さらにドットを細かくしていけば、技術的にはいわゆる8Kテレビ相当の高画質を実現することも可能です。しかし、この性能を実現させるためには、いくつかの技術的課題のクリアが必要でした。

まず、「RETISSA(レティッサ)」は既存の可視光レーザーを利用していますが、赤、緑、青の3色のレーザーを束ねて網膜にきれいに映すことは想像していたよりも困難でした。そこで、何もせずに斜めから光を入れると描画領域の形が歪んで台形になってしまうので、それを補正する方法を開発しました。

また、照射する光は目の中の瞳孔で収束させて、網膜でちょうどピントが合うように調整する必要があるのですが、レーザー光が太くなってしまうという問題にも直面しました。

「この部分の光学設計はかなり複雑で、最初のうちは焦点を合わせるにも時間がかかりました。目そのものがレンズの機能を持っているので、目を通すことで光が収束してしまうのです。最終的にどの状態が一番良いかは、普通のメガネと同様に、かけた人が『見える』と感じる、その感覚を重視して調整していきました」(菅原さん)


写真3 3色のレーザー光を複数のミラーを経て、瞳孔に入れる光学系。それらが全てメガネの片目部分に収まるよう設計されている

レーザービームの太さは、網膜上で最適になるように光学設計をする必要があります。しかし、ただ細ければよいのではありません。細くしすぎると光の回折現象により広がってしまうため、ある程度の太さを持たせることが重要でした(写真4)。

写真4 極めて小さなミラーだが、高速で横・約1,000点×縦・約600点という高精細な画像を描画することが可能

メガネとして日常的にかけられるよう小型化

「網膜走査型アイウェア」については、アイデア自体はかなり以前からありました。1990年代初めにアメリカのワシントン大学で開発されたものが最初です。また、レーザーによる網膜スキャンは、それより古く1980年代半ばに、レーザーで網膜をスキャンして撮影するSLO(Scanning Laser Ophthalmoscope)技術による眼底観察方法が開発されています。

しかし、その後製品化されたアイウェアは、メガネ内側の液晶パネルなどの映像を見せるタイプが主流でした。これに対して「RETISSA(レティッサ)」は、直接目の中にレーザー光を入れます。そのため、当然ながら使用する光は安全でなければなりません。

QDレーザでは、レーザーの安全に関する国際/国内規格(IEC60825-1/JIS C 6802)及び米国食品医薬品局(FDA)の基準をともにクリアすることを確認の上、より厳しいFDAの基準に合わせてレーザーを設計しました。光の強さとしては室内の照明に使われているものよりも弱く、安全基準の中でも厳しい数値に合わせて設定しています。

「当初予定していたよりも弱い光を使うことにはなりましたが、網膜走査による画像認識には、弱い光でも問題ないことがわかりました。弱い光を使うことによって、安全性が高まることに加え、省エネ化・小型化を進めやすくなりました」(菅原さん)

2000年代に入って製品化されたレーザアイウェアの中には、QDレーザのアイウェア同様の網膜投影型のものもありましたが、ヘルメットをかぶるような大型なデバイスであったため、普及しませんでした。そこで菅原さんとそのチームは、メガネの中に収まるような光学系を発明。MEMSミラー、反射ミラー、前面を撮影するカメラといった光学系部品が収まるようにしました(写真5)。

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