Je leest:

Beeldscherm op je oog

Beeldscherm op je oog

Auteur: | 25 november 2011

Niet For your eyes only, zoals de twaalfde James Bond film heet, maar For your eye only. Onderzoeker Babak Parviz ontwikkelt een contactlens waarmee alleen jouw oog bepaalde informatie te zien krijgt. De contactlens is namelijk een beeldscherm.

Nu zit je waarschijnlijk een halve meter van je beeldscherm af, of twintig centimeter als je dit leest op je mobieltje. Niets mis mee, maar je buurman kan vrij gemakkelijk meelezen. En tijdens de les op Facebook kijken zit er ook niet in, want een telefoon is zo gespot. Nee, dan de nieuwe vinding van onderzoekers uit Amerika en Finland. Zij werken aan een contactlens die fungeert als beeldscherm.

Méér zien

Deze week verscheen een nieuwe publicatie van de University of Washington (VS) en Aalto University (Finland). Een van de onderzoekers, Babak A. Parviz, introduceerde in 2009 het idee voor een contactlens met geïntegreerd beeldscherm. In het artikel For your eye only vertelde hij destijds: “De basis is een laag polymeren, zoals bij een gewone contactlens. Daar maken we een functioneel systeem van door elektronische en opto-elektronische componenten in te bouwen.” Klinkt ingewikkeld, en dat is het ook, maar als het systeem er eenmaal is, kun je er leuke en praktische dingen mee doen.

Deze scène uit de sciencefiction film Terminator 2: Judgement Day toont hoe je informatie uit de omgeving direct op je oog zou kunnen zien.

In de trein kun je bijvoorbeeld een boek lezen zonder een boek vast te houden en tijdens het autorijden kun je navigatieaanwijzingen op de lens bekijken. Dat laatste is een vorm van augmented reality (AR): op de lens zie je extra informatie over de omgeving. Misschien ken je dit al van de app Layar , maar dat is op je mobiele telefoon. Met de contactlens zou je de informatie zien zonder een extra apparaat in je handen.

Eerste generatie

De beeldschermcontactlens bestaat uit een aantal onderdelen, zoals een geïntegreerde schakeling (chip) om het systeem aan te sturen en LEDs om een beeld te creëren. De onderdelen zijn echter niet het probleem. Grote struikelblokken zijn de fabricage, de stroomvoorziening, het samenvoegen van de componenten en de immens kleine schaal waarop alles moet gebeuren.

Deze componenten moet een beeldschermlens globaal gezien bevatten.
Babak A. Parviz in het artikel “‘For your eye only’”

In 2009 heeft het team op alle fronten een eerste stap gezet. “We hebben verschillende onderdelen op de juiste schaal gemaakt, evenals de verbindingen daartussen”, aldus Parviz. Stroom komt van buitenaf: een ingebouwde antenne vangt radiogolven op (bijvoorbeeld van een apparaatje in je broekzak) en een chip zet die signalen om in stroom.

Biologisch inert wil zeggen niet-giftig materiaal dat niet wordt afgestoten door het lichaam. Dat betekent dat je de lens zonder problemen in je lichaam (en dus in je oog) zou kunnen gebruiken.

De onderdelen hebben ze in het laboratorium al op een dunne, flexibele en transparante ondergrond met elkaar gecombineerd. Ze waren in staat een contactlens met een lichtje te maken: een ingebouwde led kreeg draadloos stroom via de antenne en radio chip. Parviz: “En om te laten zien dat zo’n lens veilig is, hebben we het systeem verwerkt in biologisch inert materiaal en succesvol uitgetest bij levende konijnen.” De konijnen werden hierbij onder verdoving gebracht en met oogdruppels werd voorkomen dat de ogen uitdroogden.

Hier zie je de lens in het oog van een konijn. Het diertje heeft er geen last van ondervonden.
Babak A. Parviz in het artikel “‘For your eye only’”

Eigen bouwproces

Inmiddels is het twee jaar later en de lens die ze nu presenteren is in concept hetzelfde, maar op verschillende vlakken is vooruitgang geboekt. De onderdelen zijn bijvoorbeeld verder verkleind en de stroomvoorziening is verbeterd. Het systeem is nu in staat om radiogolven van verder af op te pikken en om te zetten in stroom.

Ook hebben ze hard gewerkt aan de fabricagemethode. Parviz: “De manieren waarop je elk onderdeel normaal gesproken maakt, passen niet bij elkaar en niet bij het fragiele materiaal van de lens. Zo moeten silicium circuits (de chip) en leds onder hoge temperatuur en met corrosieve chemicaliën gemaakt worden; dat kan niet in combinatie met een lens.” Parviz en zijn team hebben daarom voor alle onderdelen en het samenvoegen daarvan, een eigen fabricagemethode ontwikkeld.

Eerste maken ze een lens template, de basislens. Op deze template creëren ze alvast de (metalen) verbindingen en de antenne. Dat is een ring aan de buitenzijde, zodat je een zo lang mogelijke (en dus efficiënte) antenne kunt maken die het zicht niet belemmert. Daarnaast maken ze zogeheten binding sites op de template, plekjes op de lens waar componenten moeten komen, zoals een led of chip. Deze onderdelen wordt apart gemaakt en vervolgens op de template aangebracht. Ze schikken zich vanzelf op de juiste manier in de binding sites, dat heet self-assembly. Vervolgens wordt de template verhit om alles vast te smelten.

Links zie je een close-up van de template met daarop de verbindingen en binding sites die zijn aangebracht. Tijdens de self-assembly schikken de leds zich op de geprepareerde locaties, dat zie je rechts.
Saeedi et al., 2007

Dan resten nog een paar stappen. De template (nu met alle componenten) wordt op een holle mal gelegd en verhit, waarna het materiaal voorzichtig ingedrukt wordt. Zo ontstaat een bolling. Wanneer de lens is afgekoeld, komt er nog een laag biologisch inert materiaal overheen en wordt de lens gesteriliseerd.

Beeld met pixels

Natuurlijk is een lens met een lichtje nog geen beeldscherm. Daarom hebben de onderzoekers vast nagedacht over de volgende stap, het creëren van meerdere beeldpunten (pixels). Parviz en zijn team onderzoeken twee manieren om die pixels te maken.

“Bij de actieve manier maak je een raster van leds die elk een pixel vormen; bij de passieve methode zijn de pixels ‘kanaaltjes’ waar licht van buitenaf doorheen komt. Dat is vergelijkbaar met een LCD-televisie: de kristallen in de pixel-kanaaltjes kunnen licht wel of niet doorlaten en zo ontstaat beeld.”

Bij LCD-televisies zorgen gedraaide vloeibare kristallen ervoor dat een pixel licht doorlaat; deze staat dan aan. Om de pixel donker te maken (uit te zetten), wordt er spanning op de kristallen gezet, zodat ze ‘ontdraaien’ en er dus geen licht doorgelaten wordt.

Hoewel de passieve manier energiezuiniger is, zijn actieve pixels gemakkelijker te bevestigen aan een lens. Het team maakte hiermee een raster van zevenhonderdvijftig μm2 met maximaal acht led-pixels per rij. Andere wetenschappers hebben echter al laten zien dat led-rasters met tussenruimtes van twintig nanometer mogelijk zijn. In dat geval passen er wel honderden pixels op vijfhonderd μm2 (de maximale grootte op de ideale beeldschermcontactlens).

Scherp zien

Maar zelfs als je meerdere pixels hebt zie je nog weinig op de lens: de leds zitten te dicht bij het oog om beeld te zien. Ga maar na, als je je mobiel heel dicht bij je oog houdt, zie je dan nog wat er op het scherm staat? “Het menselijk oog kan objecten die minder dan tien centimeter van je oog afstaan, niet scherp waarnemen. De leds zorgen dus alleen voor een vage vlek”, zegt Parviz.

Het team onderzoekt of je met microlenzen het beeld scherp kunt krijgen. Een Fresnellens is bijvoorbeeld een relatief platte lens die het licht dat door een pixel valt (of dat een pixel uitzendt) goed kan bundelen, zodat een scherp beeld ontstaat.

Hier zie je een illustratie van de lens. Bovenin zit het ‘beeldscherm’: de pixels die het beeld maken. Onder elke pixel is een Fresnellens aangebracht om het licht te bundelen. Dat zijn de rondjes met kringen erin.

De onderzoekers hebben dit uitgetest voor drie rijen met vijf led-pixels. Met een speciale microscoop en camera werd vastgesteld dat de lenzen het inkomend licht inderdaad bundelen. Daarnaast toonden de onderzoekers aan dat ook deze lenzen in het oog van (onder verdoving gebrachte) konijnen geen problemen geven.

Volgende opdracht

Het gepresenteerde systeem is een zogeheten proof of concept: het bewijs dat dit idee echt zou kunnen werken. De onderzoekers gaan nu verder met verbeteren. Met name de stroomvoorziening kan beter, want het bleek dat de afstand tussen lens en stroombron slechts een paar centimeter mag zijn als de lens eenmaal op het oog zit. Het oogvocht blijkt onder andere van invloed. Daarnaast heeft het team nu rode en blauwe leds gemaakt die geschikt zijn voor de lens; voor een compleet kleurenbeeld zijn ook groene leds nodig.

Voordat alle hindernissen zijn genomen en we echt ‘Terminator vision’ hebben, zijn we wel een paar jaar verder. Het onderzoekteam benadrukt echter dat ook tussenproducten al nuttig zijn. Zo hebben ze een lens gemaakt die met een sensor de bloedsuikerspiegel kan meten. Via een draadloze verbinding kan een arts of de patiënt de data direct uitlezen, zonder bloed te hoeven prikken. Een contactlens met één lampje is ook voldoende om bijvoorbeeld doven of slechthorenden te waarschuwen voor obstakels. Of om je tijdens een computerspel te vertellen dat er een vijand in de buurt is.

Bronnen

  • Lingley et al., ‘A single-pixel wireless contact lens display’, Journal of Micromech. Microeng., volume 21, issue 12, nov. 2011, doi:10.1088/0960-1317/21/12/125014
  • Parviz, ‘For your eye only’, Spectrum IEEE, vol.46, no.9, pp.36-41, Sept. 2009, doi:10.1109/MSPEC.2009.5210042
  • Saeedi et al., ‘Self-assembled inorganic micro-display on plastic’, IEEE 20th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp.755-758, jan. 2007, doi:10.1109/MEMSYS.2007.4433172
  • Pandey et al., ‘A Fully Integrated RF-Powered Contact Lens With a Single Element Display’, IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems,vol.4, no.6, pp.454-461, dec. 2010, doi:10.1109/TBCAS.2010.2081989

Lees meer over beeldschermtechniek op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/beeldscherm/lcd/display/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 november 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.