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空間を飛び回るミリメートルサイズのLED光源を実現 ~手で触れる空中ディスプレイ向けの発光画素への応用に期待~

 東京大学,慶應義塾大学と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は共同で1月9日,東京大学の川原 圭博 准教授らと慶應義塾大学の筧 康明 准教授らの研究グループが,手で触れる空中ディスプレイ向けに3次元空間を飛び回るLEDを内蔵したmmサイズ発光体を作製したと発表した.本研究は,JSTの戦略的創造研究推進事業「ERATO川原万有情報網プロジェクト」の一環で行われた.本成果は,米国計算機学会のProceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies にオンライン掲載された(注).

 空中に3次元映像を投影する空中ディスプレイは,ディスプレイの究極の姿として近年さまざまな方式の研究開発が進められている.これまでは鏡を利用した光学方式が主流で,3次元映像を手で触れない点が,視聴者がリアルな体験をする上での課題だった.

 そこで本研究グループは,3次元空間中を自由に移動でき,自ら発光し,手で触れるという3つの要件を備えたmmサイズの極小発光素子を開発し,蛍のように光ることからゲンジボタルの学名より「Luciola(ルシオラ)」と名付けた.ルシオラを実現するために,超音波集束ビームを用いた物体の空中浮遊・移動技術と,無線給電を用いた浮遊LEDへのエネルギー供給技術を新規に開発した.

 超音波(40 kHz)スピーカーを2次元格子状に17個×17個並べた17cm四方の超音波アレーを2台,上下に20cm離して対向設置し,超音波スピーカー駆動信号の位相を制御して2台の超音波アレーの間の1点に超音波ビームの焦点を作り,焦点に物体を差し入れると,物体は空中浮遊する.さらに,超音波スピーカーの位相を制御して超音波ビームの焦点を動かせば,物体をmm単位の精度で空中を移動させることができる.

 超音波で浮遊させる物体は,小型かつ軽量である必要がある.今回,無線給電により電池を不要とし,LED点灯に必要な電子回路の専用IC(1mm角)を開発し,直径4mmの半球形状で,重さ16mgの空中移動する発光体を作製した.エネルギー供給は,発光体の近くに設置した直径31mmの給電用コイルから,発光体に内蔵された受電用コイルに対して,12.3MHzの磁界共振結合型の無線給電で行った.手で触れる空中ディスプレイの実現に向けた発光画素のデモとして,空中に英語の"L"の文字を20秒で描画したほか,空中を移動するマイクロ読書灯への適用例を示している.

 今後は,空中ディスプレイの表現力を高めるために,発光画素の多点化に取り組む.さらに,空中移動する小型電子物体に対してセンサー,アクチュエーター,無線通信機能などを追加して,空中移動可能な小型のセンサーノードとしてIoT分野へ展開する,としている.

(注)Y. Uno, H. Qiu, T. Sai, S. Iguchi, Y. Mizutani, T. Hoshi, Y. Kawahara, Y. Kakehi, M. Takamiya, "Luciola: A Millimeter-Scale Light-Emitting Particle Moving in Mid-Air Based On Acoustic Levitation and Wireless Powering", Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, Vol. 1, No. 4, Article No. 166, doi: 10.1145/3161182; Publication Date 2018-01-08