前回の記事「AR 回折導波路とは?」では、回折導波路の基本原理を説明し、表面レリーフ格子導波路と体積ホログラフィック格子導波路の違いを強調しました。本日は、回折導波路の中核機能と最適化の方向性をさらに深く掘り下げ、なぜ表面レリーフ格子に基づく回折導波路がARグラスの主流のディスプレイ技術として台頭しつつあるのかについて議論します。
01 回折導波路のコア機能
1. 画像アイソメトリック転送
以前の記事から、回折導波路がマイクロプロジェクション システム (光学エンジン) から放射された光を人間の目に導くためには、カップリング インおよびカップリング アウト プロセスを経る必要があることがわかりました。具体的には、光学エンジンによって発せられた光は、結合回折格子を通ってフラット導波路に入り、全反射によって内部を伝播し、最終的に結合出力回折格子によって目に伝達されます。
このプロセスの最も重要な側面は全反射です。しかし、全内部反射とは正確には何でしょうか?
全内部反射は、光が屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質に移動し、入射角が臨界角以上になるときに発生します。全内部反射の条件が満たされると、光は外に透過されることなく反射によって平面導波路内を継続的に伝播し、それによって光の方向を変えることができます。全反射によって生じるよく知られた自然現象は蜃気楼です。
通常、AR グラスは光学エンジンを使用して画像を出力します。しかしながら、光学エンジンをレンズ上に直接配置すると、ユーザーの視界が妨げられ、見た目の魅力が損なわれてしまいます。さらに、光学エンジンのみに依存すると、仮想画像と実画像を融合するという望ましい効果は得られません。
全反射の原理を利用して、回折導波路は光学エンジンによって投影された画像の等尺性転送を実行できるため、光学エンジンをガラスの上部または側面に配置できます。このアプローチは、ユーザーの視線の妨げを避けるだけでなく、高い光透過率と回折導波路の薄いプロファイルにより、AR メガネの外観を通常のアイウェアに近づけながら、バーチャルとリアルの統合という望ましい効果を達成します。
回折導波路は画像を目に転送することのみを担当し、画像自体の内容には影響を与えないことに注意することが重要です。つまり、画像サイズを拡大または縮小する機能はありません。
2. 二次元の瞳孔拡大
標準的な光学ディスプレイ ソリューションには通常、瞳孔拡大機能が欠けており、観察者は光学エンジンの射出瞳サイズの範囲 (つまり、目の動きの範囲) 内でのみ画像を見ることができます。例えば、光学エンジンの射出瞳がφ5mmの場合、ユーザーはφ5mmの範囲しか画像を見ることができません。これはのぞき穴を通して世界を見ることに似ており、没入感や視覚体験が大幅に低下します。
この問題に対処するために、回折導波路は二次元の瞳孔拡張を実現し、コンパクトなサイズと広い視野を維持しながら射出瞳を拡大します。これにより、両方向の目の動きの範囲が効果的に広がり、没入感が高まり、視覚体験が向上すると同時に、異なる瞳孔間距離にも対応します。これは回折導波路の 2 番目のコア機能を表します。
二次元の瞳孔拡大を実装するには、一般に 2 つのアプローチがあります。 1 つ目は、3 つの 1 次元回折格子 (つまり、結合回折格子、曲げ回折格子、および結合出力回折格子) を使用することです。 2 番目のアプローチでは、1 つの 1 次元格子 (結合格子) と 1 つの 2 次元格子 (結合格子) を使用します。
最初のアプローチでは、光学エンジンから放射された光は、結合回折格子を介して導波路に結合されます。次に、光は内部全反射を受けて屈曲回折格子に当たり、そこで光の一部は結合出力回折格子に向けられますが、残りの光は反射によって前方に伝播し続けます。この光は再び屈曲回折格子に当たり、別の部分は結合出力回折格子にリダイレクトされます。このプロセスが繰り返されて、一次元の瞳孔拡大が達成されます。
最後に、結合出力格子に到達した光の一部は目に回折されますが、残りの光は反射によって前方に伝播し続け、再び結合出力格子と相互作用します。このプロセスにより、別の方向の一次元瞳孔拡大がもたらされます。これら 2 つの 1 次元の拡張を組み合わせると、2 次元の瞳孔の拡張が作成されます。
2 番目のアプローチでも、結合回折格子を使用して光学エンジンから放射された光を導波路に結合することからプロセスが始まります。次に、光は内部全反射を受け、二次元結合出力回折格子に当たります。この時点で、光の一部は回折して目に入る一方、残りの光は分割され、水平方向と垂直方向の両方で反射によって前方に伝播し続けます。
その後、光は再びカップリングアウトグレーティングと相互作用し、そこで別の部分が回折されて目に入ることになります。このプロセスが繰り返され、効果的に二次元の瞳孔拡大が達成されます。
上記は、二次元瞳孔拡大スキームの物理的プロセスを説明したものである。比較すると、最初の方式は回折導波路の設計と製造の点で比較的単純ですが、レンズ面積全体の占有面積が大きくなります。一方、2 番目の方式では、設計と製造がより複雑な 2 次元格子の使用が必要となり、実装がより困難になります。ただし、このアプローチにより全体の構造がよりコンパクトになり、レンズ面積の縮小が可能になります。
2次元の瞳孔拡大を採用することで、目の動きの範囲が広がり、ユーザーの没入感が高まるだけでなく、光学エンジンの重量と寸法が水平方向と垂直方向の両方で削減され、ARグラスがより軽量で適応性が高くなります。
2 次元の瞳孔拡大では画像が複数回複製されますが、実際には複数の画像ではなく 1 つの画像だけを認識することに注意することが重要です。これは、カップリングアウトグレーティングによって伝達される像が実像ではなく仮想像であるためである。さらに、人間の脳は、目にした光線の延長された視線をたどることで自分自身を欺く傾向があります。瞳孔の拡大によって生成される光線は、同じ虚像のさまざまな角度に対応するため、目が知覚する拡大された光線の異なる位置の数に関係なく、延長された視線に基づいて同じ画像にたどり着きます。
たとえば、平面鏡を通してろうそくを観察するのと似ています。ろうそくの光が鏡で反射して目に入り、目は光線の延長線上に虚像を求めます。図に示されている 3 つの光線は、回折導波路内の 3 つの異なる位置で拡張された光線として理解できます。図に示すように、これら 3 つの光線を同時に見ると、それらはすべて同じ像を指します。
さらに、回折導波路のエネルギー効率が低いという一般的な誤解があります。実際には、この認識は、回折導波路が光エネルギーを多くの部分に分割し、各射出瞳位置に均等に分配する必要がある、二次元の瞳孔拡大を達成するプロセス中に発生します。その結果、単位面積当たりのエネルギーは当然減少します。しかし、回折導波路からの光線をすべて眼内に集めると、そのエネルギー効率は実際には低くないことがわかります。
したがって、回折導波路のエネルギー効率が低いと認識される主な理由は瞳孔の拡大です。ただし、拡張は回折導波路の重要な特徴であり、前述したように、拡張には多くの利点があります。したがって、一定レベルの瞳孔拡大を維持しながらエネルギー効率を最大化することが不可欠です。
02 回折導波路の 3 つの主要な最適化の方向性
1. 光の回折効率の最適化
前述したように、回折導波路はエネルギー効率が低いと多くの人が認識しています。この問題を解決するには、一定の瞳拡大を維持しながら光の回折効率を最適化し、エネルギー効率を向上させる必要があります。
ナノスケール格子の特徴サイズは光の波長に匹敵するため、伝播中に光を通常の光線ではなく電磁波として扱うことが不可欠です。光が回折格子に当たると、光はいくつかの異なる方向 (回折次数) に分割され、必然的に光エネルギーの一部がその過程で失われます。
光エネルギーの大部分が回折導波路に確実に結合されるようにするために、通常、回折導波路の動作次数として特定の非ゼロ回折次数（全反射条件を満たす）を選択します。格子周期、デューティサイクル、溝の深さ、側壁の角度などのパラメータを正確に制御することで、光の回折効率を最適化し、光エネルギーのほとんどをこの動作次数に集中させることができます。これにより、エネルギー効率が向上し、画像の明るさが向上します。
2. 異なる入射角に対する回折効率の最適化
回折格子を最適化する際に考慮すべきもう 1 つの重要な要素は、回折効率に対する光の入射角の影響です。
光学エンジンによって投影された画像は光面を形成するため、この面上のさまざまな位置からの光はさまざまな角度で回折導波路に入ります。回折導波路の場合、入射角が異なると回折効率も異なり、画像全体の明るさが不均一になります。
したがって、均一な明るさを確保するには、特定の回折次数の回折効率を最適化することに加えて、さまざまな入射角の光の回折効率を最適化することも重要です。
3. 異なる波長に対する回折効率の最適化
光の色が異なれば波長も異なり、それが回折効率に影響します。さらに、波長が異なると回折角も異なります。これは、瞳孔拡大プロセス中に、異なる色の光と結合出力回折格子との相互作用周波数も変化することを意味します。これら 2 つの要因により、各色の光が等しいエネルギー比率で目に入ることが難しくなり、色の均一性に問題が生じます。したがって、単層回折導波路を使用して画像の良好な色の均一性を達成することは困難です。
異なる波長の光が等しいエネルギー比率で出射されるようにするために、通常、回折導波路の多層（2 層以上）の積層が使用されます。回折導波路の各層は、層間のクロストークを抑制しながら、特定の波長範囲のエネルギーを制御および強化するように最適化されています。このアプローチにより、異なる波長の光が最終的に同じエネルギー比率で目に入るようになり、色の均一性が向上し、通常の鮮やかな画像が表示されます。
03 まとめ
一方で、回折導波路には、画像等尺性転送と二次元瞳孔拡張という 2 つの中心的な機能があります。これらの機能により、ARグラスの軽量・薄型化を実現し、より幅広いユーザーに対応し、高い没入感と優れた視覚体験を提供します。さらに、半導体プロセスの統合により回折導波路の製造性が向上し、AR グラスが消費者市場に参入するための強固な基盤が築かれます。
一方で、AR グラスの主流のディスプレイ技術として、回折導波路は大きな可能性を秘めていますが、非常に複雑でもあります。回折効率の最適化は、回折次数、入射角、波長などの複数の側面から考慮する必要があります。
テクノロジーの継続的な進歩とさらなるパフォーマンスの最適化により、AR 回折導波路は AR グラスを家庭に導入する準備が整い、メタバースの時代に明るく輝きます。
