AR/VRで全体像を把握する

高屈折率導波路を使用したディスプレイは、より大きな視野を提供し、より没入感のあるユーザー体験を提供します。

 

2024年2月7日Coherent

AR and VR

大きさも持ちやすさもレンガのようだった最初の携帯電話を覚えていますか？今では、携帯電話は、誰もが何も考えずにポケットやバッグに入れてしまい、それなしでは生きていけない、洗練された強力な驚異となっています。 

拡張現実（AR）ゴーグルは、従来の眼鏡のように快適で簡単に装着できることを目標に、同様の変化を遂げようとしています。マイクロプロセッサー、センサー、接続性の進歩がすでに組み合わされて、この進化を支えています。 

しかし、ARデバイスに残された最も大きな技術的課題の1つは、ディスプレイそのものです。具体的には、小型軽量でありながら、人間の視覚システムに要求される厳しい性能を満たすディスプレイを作ることが問題となります。そしてもちろん、経済的に生産できるものであることです。 

 

ARヘッドセットの設計目標

このすべてを達成するためには、ARディスプレイの設計者は、いくつかの異なる目標を一度に達成する必要があります。まず、ARゴーグルの全体的な大きさ、重さ、重心は、長時間装着しても十分に快適なものでなければなりません。 

次に、ディスプレイの視覚特性にはいくつかの重要な要件があります。「鮮明さ」とひとくくりにされることもあるこうした特性には、角度分解能やフィルファクター（画素間の空白）などが含まれます。色域と色精度も考慮すべき点です。 

さらに、ディスプレイの立体視という側面もあります。つまり、ヘッドセットによって表示される物体の見かけの大きさ、距離、位置が、現実世界の直接の視界と正しく一致する必要があります。また、ディスプレイは装着者や外部の物体の動きに合わせて十分な速度で更新される必要があります。 

また、立体画像（ディスプレイによって左右の目に別々に表示されることによって脳内で作られる）の融合が容易であることも重要です。なぜなら、この問題は大半の人にとって、ほぼ即座に眼精疲労や不快感を引き起こすからです。これが信じられないなら、3D映像についてどう思うか聞いてみてください。 

「没入感」という概念には、他にもいくつかの重要な考慮点があります。具体的には、ディスプレイが装着者の視野の多くをカバーするほど、没入感は高まります。専門的には、これはディスプレイの視野角（FOV）と呼ばれます。また、コンシューマー向けのARゴーグルは、さまざまな頭のサイズと眼球間隔（瞳孔間距離またはIPDと呼ばれます）を持つ人々のために、これらの要件をすべて満たす必要があることも重要です。 

 

期待される導波路

AR技術に関する以前の投稿で詳しく説明したように、ARヘッドセットの特別な課題は、ディスプレイが装着者の目の前に直接設置されないことです。一方、VRヘッドセットでは、装着者はディスプレイを直視するほか、ディスプレイをより遠く、より大きく見せるために光学部品が使用されています。しかし、光学的に言えば、これは比較的簡単な作業です。

ARヘッドセットの光学部品は、「光学コンバイナー」と呼ばれる透明な部品を使用しなければなりません。この部品は、外部から光を伝達し、ユーザーが現実世界を直接見ることができるようにするものです。さらに、ディスプレイエンジンの出力をコンバイナーの端から中央へ流し、装着者の目線に向けなければなりません。これは、CG映像が現実の風景に重なって見えるようにするためです。これはVRヘッドセットの光学系が行うよりもはるかに複雑な作業です。 

そのために、非常に巧妙なさまざまな光学システムが開発されており、平面導波路は現在使用されている最も有望な技術のひとつです。平面導波路は、ディスプレイエンジンから装着者の目に光を導く小さな透明な伝送路のようなものです。導波路は、光ファイバーで使われているのと同じ原理である「全反射」（TIR）という現象を利用して、光を導波路内に封じ込めます。

TIRは、光が密度の高い物質（ガラスなど）から密度の低い媒体（空気など）に向かうときに発生します。このとき、光線は屈折し、方向を変えます。屈折はレンズの機能です。 

しかし、光線が2つの材料の境界に十分な角度でぶつかると、光線は完全に反射され、材料からまったく出なくなります。光が材料から出られない角度は「臨界角」と呼ばれます。

 

Figure 1

物質から空気中に出た光線は屈折します（方向を変えます）。しかし、より大きな入射角では、完全に反射して材料の中に戻ってしまい、まったく逃げません。材料の屈折率が高ければ高いほど、この効果が起こり始める角度は小さくなります。

 

 

この現象をARゴーグルに利用するには、「インカプラー」によって、ディスプレイエンジンからの光が臨界角以上の角度で導波路に導入されると想像すればよいでしょう。そして、光はこのガラスの中を進み、TIRによって封じ込められます。コンバイナーの中央で、光は「アウトカプラー」にぶつかります。これにより、光は取り出され、装着者の目に向けられます。 

 

Figure 2

導波路ベースのARヘッドセットでは、ディスプレイからの光はインカプラーを使って導波路の端近くに導入されます。その後、TIRを使って導波路を通り、装着者の目の前のポイントに到達すると結合されます。

 

このような導波管を実際に機能させるには、途方もない技術と高度な技術が必要です。しかし、実際に機能する導波管がすでに使用されています。 

導波路の利点は、普通のメガネのように見えるヘッドセットができることです。これにより、消費者に広く受け入れられるよう、十分に小型・軽量で使いやすい製品を作るという目標が見えてきました。 

 

革新的な導波管材料

導波管が機能するのはTIRのおかげですが、それについて知っておくべき重要なことが1つあります。すなわち、材料の屈折率が高くなると、表面に当たる光線の角度が小さくなり、TIRが発生します。つまり、より広い角度範囲で反射されるということです。

これは、導波路に高屈折率材料を使用することで、より広い視野を実現できるということです。そして、FOVは、ARシステム設計者が達成しようとしているような没入感を生み出すための鍵となります。 

 

Figure 3

屈折率の高い材料から作られた導波管は、より大きな視野を装着者に届けることができて、没入感を高めます。

 

問題は、従来の光学ガラスの屈折率が、今述べたような導波路で達成可能なFOVを著しく制限していることです。ガラスメーカーは、より高い屈折率の材料を開発することで対応してきました。その仕事は素晴らしいものでした。しかし、材料の根本的な限界を克服することはできていません。現在、ガラスで達成可能な最高屈折率は約2.0です。  

しかし、ガラス以外にも可視光を透過する材料はあります。その中には、より高い屈折率と、その他の望ましい物理的特性を併せ持つものもあります。そのうちの2つは結晶性材料で、屈折率2.3のニオブ酸リチウム（LiNbO₃）と、屈折率2.7の炭化ケイ素（SiC）です。 

導波路の屈折率とディスプレイFOVの理論的関係をグラフに示します。SiCは、屈折率が最高のガラスを使った場合でも、ディスプレイのFOVを実質的に2倍にします。これはARゴーグルの設計者にとって画期的なことです。 

 

Figure 4

導波路材料の屈折率とARディスプレイの最大FOVの理論的関係を示します。LiNbO₃とSiCはどちらも、ガラス材料よりも大きな利点をもたらします。

 

高屈折率材料の利点は、FOVが大きいこと以外にもあります。現在の導波管設計では、多くの場合、2つまたは3つの別々のガラスが使用されています。特に、SiCのより高い屈折率により、3つの色チャンネル（赤、緑、青）すべてを単一の導波路に組み合わせることが可能になります。これにより、ヘッドセットのサイズ、重量、コストが大幅に改善されます。さらに、SiCは非常に丈夫で軽量な材料です。

LiNbO₃とSiCはどちらも、高屈折率ガラスよりも実用的で性能的に優れていますが、コストも高くなります。その一方で、これらを使用することで、全体的なシステムや製造の複雑さを軽減し、製造コストを下げることができます。 

Coherentは、これらの材料で、消費者にとって魅力的な費用対効果を持つ新世代のARデバイスを実現できると考えています。当社はすでに、結晶成長から基板製造まで、両材料の垂直統合型メーカーです。また、回折カプラーや光学コーティングなど、他の導波路部品も作ることができます。さらに、当社の製造工程はすべて、大判サイズや大量生産にも対応可能です。ARシステム設計者とパートナーシップを組み、これらの材料をベースとした導波路ディスプレイを開発し、量産を確実にサポートする準備が整っています。 

CoherentのLiNbO₃とSiCの詳細情報をご覧ください。  

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