シースルーフォトアレイを使用した透明カメラ

光に敏感なピクセルとそれが可能にするカメラは、現代の生活を一変させました。 カメラは普及しています。 多くの場合、街路、店舗、企業、さらには自宅に至るまで、スマートフォンが複数のスマートフォンで埋め尽くされています。 人間は、家を出るたびに、そしてしばしば家の中にいる間も、これらのデバイスによって常に自分のことが記録されているという考えに慣れてきました。

しかし、カメラの普及には限界があり、そのうちの 1 つは視線追跡です。 眼球の位置と角度を追跡する機能は、仮想現実デバイスから広告追跡、ドライバー安全システムなどに至るまで、幅広い用途に利用できます。

問題は、カメラを目の前に置くと視界が遮られる傾向にあることです。 さらに、それらを遠くに取り付けると、余分なデータ処理が必要になるため、精度が低下し、かさばり、多くの場合電力消費量が多くなります。 このため、多くの状況での有用性が制限されています。

隠されたセンサー

アイトラッカーに必要なのは、光に敏感なピクセルを目に見える場所に隠す方法です。

スペインのバルセロナ科学技術大学のガブリエル・メルシエとその同僚たちは、カメラを多かれ少なかれ目に見えなくすることができる透明な光検出器を開発しました。 彼らはデバイスをテストし、眼鏡レンズ、コンピュータモニター、窓などの通常の物体に組み込まれた新世代の視線追跡デバイスを可能にする可能性があることを示しました。 「透明なイメージセンサーの動作と外観は、これらのデバイスを目に見える場所に隠すことができるため、カメラとイメージングに対する私たちの考え方に根本的な変化をもたらします」と彼らは言います。

感光ピクセルを透明にする技術は、グラフェンベースの量子ドットで作られた光検出器です。 これらのデバイスは、硫化鉛のドットで覆われたグラフェンの層（「チキンワイヤー」構造の炭素原子の 2 次元シート）で構成されています。 光子が当たると、ドットは電子を放出し、この電子がグラフェン シートを横切って流れて電流を生成します。

ほとんどの光はグラフェンを通過し、ドットは小さすぎて見えないため、デバイス全体は本質的に透明です。 接続電子機器をほぼ透明にすることもできるため、光検出器アレイ全体が、そこに当たる光の最大 95 パーセントを透過します。

グラフェン ピクセルのもう 1 つの利点は、比較的大きな電流を生成できることです。 これは、信号を増幅する必要がある前に、比較的長距離にわたって信号を送信できることを意味します。

光に敏感な他の有機導体は、すぐに増幅する必要がある小さな信号を生成します。 したがって、透明ではない増幅電子機器はピクセルの近くになければなりません。 これにより、光子の検出に使用されるスペースが占有され、アレイの透明性も低下します。

透明なピクセル配列がまだうまく機能していないのはこのためです。

対照的に、メルシエ氏らは、増幅電子機器は邪魔にならないところに安全に収納できると述べている。 つまり、視界を妨げることなく、目のすぐ前にある眼鏡レンズにアレイを印刷できるということです。

デバイスをテストするために、Mercier 氏と共同研究者はグレースケール パターンをアレイに投影し、その出力を従来のイメージ センサーからの出力と比較しました。

彼らは有望な結果を発見した。 アイトラッキングの場合、センサーには少なくとも 200Hz のリフレッシュ レートが必要で、チームはデバイスがこのレートの 2 倍以上で動作し、信頼性の高い画像を生成していることを記録しました。 「ほとんどのパターンが画像化装置によって再構築できることがはっきりとわかります」と彼らは言います。

彼らはさらに、アレイ上に黒い点を投影し、その出力を使用してそれを追跡することで視線追跡をシミュレートしました。

アイトラッキング

これは潜在的に強力なアプリケーションを使った興味深い取り組みです。 「アイトラッキングには、統合失調症の検出、テキストの理解度や運転経験の測定など、幅広い用途があるほか、記憶や商業上の選択についての理解を深めることができます」とメルシエ氏らは言う。 「アイトラッキングは、自動車インフォテインメント システムのタッチやジェスチャレス制御を可能にするヒューマン コンピューター インターフェイスを提供します。また、遍在する仮想現実と拡張現実を実現する重要なテクノロジーとしても注目されています。」

もちろん、この先には課題があります。 これらのアレイにはレンズがないため、投影された画像に依存します。 これは、特にアレイが赤外線に敏感であり、着用者が気付かないうちに目に投影される可能性があるため、目に非常に近いところで機能する可能性があります。

別の方法は、単一の光検出器に入射するランダム化された光から画像を形成する単一ピクセル画像化技術を使用することです。 これには、高解像度の画像に対して高いリフレッシュ レートが必要です。 しかし、メルシエ氏らは、理論上、彼らのデバイスは毎秒20,000フレームのリフレッシュレートで動作する可能性があると述べている。 単一ピクセルのイメージングにもかなりの計算能力が必要ですが、これは視野からかなり離れた場所で実行できます。

いずれにしても、透明カメラには大きな可能性があります。 そう遠くない将来に、それらが見られるかどうかは別として、期待してください。

参考：視線追跡アプリケーション用の半透明イメージセンサー： arxiv.org/abs/2403.08297