回折導波路は、AR グラス用の主流の光学ディスプレイ ソリューションです。多くの AR デバイスがこの技術を採用しています。なぜ大手 AR ハードウェア メーカーは回折導波路をこれほど好むのでしょうか?回折導波路とは正確には何ですか?
01 回折導波路の定義
より深く理解するには、「回折導波路」という用語を回折と導波路の 2 つの部分に分解します。
通常、光は直線伝播、反射、屈折という 3 つの方法で伝播することがわかっています。たとえば、赤外線照準器、潜望鏡、水の中にストローを入れたときに曲がって見える様子などは、すべてこの 3 つの原則に基づいています。一方、回折は光が伝播する 4 番目の方法です。
17 世紀、イタリアの数学教授フランチェスコ グリマルディは「回折」という用語を発見し、造語しました。この用語は、「粉々に砕ける」という意味のラテン語「ディフリンゲレ」に由来しています。これは、波の伝播の元の方向が「砕け」、さまざまな方向に曲がることを指します。
実験では、彼は暗い部屋で 2 つの小さな開口部から光線をスクリーンに当て、投影の端にある明暗の縞模様のパターンを観察しました。したがって、回折とは、障害物やスリットに遭遇したときに波の伝播方向が変化する物理現象を指します。
顕著な回折効果は、障害物の大きさやスリットの幅が波の波長と同程度かそれより小さい場合にのみ観察されるため、日常生活では光の回折を見ることが難しいことがよくあります。しかし、ある特殊な条件下では観測することができます。たとえば、空に見られる「栄光」現象は、影の周りにカラフルなハローとして現れますが、これは太陽光が雲の中の小さな水滴や氷の結晶を通して回折した結果です。
回折について説明しましたが、導波路とは正確には何でしょうか?
私たちの世界には、光波、音波、電磁波など、さまざまな波が存在します。
導波管は、これらの波をある場所から別の場所に送信するデバイスです。したがって、光導波路は、光波が伝播するときに光波を導く媒体またはデバイスです。
回折と導波路の両方を理解すると、回折導波路を定義できます。簡単に言えば、それは光の回折を利用して光波が進行する際に導く媒体です。
回折導波路
さらに説明すると、回折導波路は、格子の回折特性を利用して「光路」を作成するように設計されており、光が所定のルートに沿って伝播することを可能にし、マイクロプロジェクションシステムから発せられた光を人間の目に導くことができます。
回折格子は周期構造を持つ光学素子であり、回折導波路の核となるコンポーネントです。使用される格子の種類に基づいて、回折導波路は、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 2 つのタイプに分類できます。
02 表面レリーフグレーティング導波路
表面レリーフ格子は、フォトリソグラフィーやエッチングなどのプロセスを通じて、材料の表面に高い山と低い谷を「彫刻」することによって作成されます。この作製技術により、要求される光学性能を満たす周期構造が実現されます。
これらの回折格子は相互作用する光を操作し、効果的な回折と導波路内での光の誘導を可能にします。表面レリーフ回折格子は、製造が簡単であり、さまざまな光学システムに統合できるため、広く使用されています。
表面レリーフ格子のSEM画像
表面レリーフ格子導波路は、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、光はカップリング インおよびカップリング アウトのプロセスを通過する必要があります。具体的には、光学エンジンから発せられた光は、入力回折格子を通って導波路に入り、平面導波路内で全反射によって伝播し、最終的に出力回折格子によって人間の目に伝達されます。ここで使用される入出力回折格子は表面レリーフ回折格子です。
回折格子のナノスケールの特徴は光の波長に匹敵するため、光は通常の光線として考えられるのではなく、電磁波として扱われる必要があります。光が格子に当たると、多次回折が起こります。
たとえば、光学エンジンが単色光 (緑色光など) を放射する場合、この光は入力回折格子に当たると、異なる方向 (回折次数) に進むいくつかのビームに分割されます。これらの非ゼロ回折次数の 1 つ (たとえば、+1 次) は平坦導波路の全内部反射条件を満たし、全内部反射を介して導波路に入って伝播することができます。この特定の回折次数は、回折導波路の動作次数と呼ばれます。周期、デューティサイクル、溝の深さ、回折格子の側壁角度などのパラメータを正確に制御することにより、光エネルギーの大部分を回折導波路の動作次数に集中させ、光エネルギーの大部分を効果的に導波路に結合することができます。このプロセスは、回折導波路の結合プロセスとして知られています。
同様に、回折導波路内を全反射して伝播する光が出力回折格子に遭遇すると、いくつかの回折次数も生成されます。これらの非ゼロ次数の 1 つが回折導波路から特定の方向に出て、その後人間の目に入ります。これは、回折導波路のカップリングアウトプロセスとして知られています。
光学エンジンがカラー光を発する場合、前述のプロセスに加えて、他の複雑な処理が必要になります。光の色の波長が異なるため、回折効率も異なります。その結果、伝播中に光の各色のエネルギーがさまざまな程度で失われ、その結果分散が生じる可能性があります。さまざまな格子パラメータを最適化することで、格子はさまざまな波長の光のエネルギーを正確に制御できるため、分散の問題が最小限に抑えられ、最終的には正確な色で画像を見ることができるようになります。
格子回折の複雑な問題に対処するために、同社は、格子に関連する回折問題を迅速かつ正確に計算できるフーリエ モーダル法 (FMM) に基づいて、さまざまな種類の格子に対応する包括的な計算ソフトウェア スイートを開発しました。
さらに、同社は設備の整ったグレーティングマスター加工センターと回折導波路の完全な量産システムを保有しており、設計と製造の緊密な連携を実現しています。グレーティングを設計する際には、マスターの処理能力と生産技術を考慮することができ、問題が発生した場合にタイムリーな調整と最適化が可能になり、その結果、製品の反復サイクルが迅速化されます。
回折導波路は、大手 AR ハードウェア メーカーに非常に好まれており、特に表面レリーフ格子導波路を指します。スリムなデザイン、広い視野、広い眼球運動範囲、低量産コストなどの利点があり、AR 業界のディスプレイ技術の主流ルートとして広く認識されています。
03 体積ホログラフィック回折格子導波路
体積ホログラフィック格子導波路における光の伝播プロセスは、表面レリーフ格子導波路における光の伝播プロセスと基本的に類似しています。
主な違いは、体積ホログラフィック格子の作成方法にあります。体積ホログラフィック回折格子は、「彫刻」されるのではなく、基板上のフォトレジスト膜を 2 本のコヒーレントな光線によって生成される干渉パターンに露光することによって形成されます。このプロセスにより、分子レベルで屈折率が変化する周期的な空間分布が生成されます。体積ホログラフィック格子は通常、ブラッグ回折条件下で動作します。
ブラッグ回折条件とは何ですか?
1912 年、ドイツの科学者マックス フォン ラウエは結晶における X 線回折現象を発見し、X 線回折物理学の研究の基礎を築きました。同年、ローレンス・ブラッグは、キャベンディッシュ研究所での研究を重ね、この現象は波の回折効果の一種であると結論付けました。
1913 年、ローレンス ブラッグと彼の父ヘンリー ブラッグは共同でブラッグ形式の X 線回折 (ブラッグ回折として知られています) を提案しました。彼らは、素粒子波が結晶に入射するとき、粒子波の波長が結晶内の原子間の距離に近い場合、粒子波は鏡のように原子によって散乱されることを発見しました。この散乱は、ブラッグの法則に従って強め合う干渉をもたらし、波の集中したピーク (ブラッグ ピークとして知られる) を形成します。ブラッグ条件は、建設的な干渉が発生するために満たさなければならない基準です。
ブラッグ回折の模式図
ブラッグ回折の原理に基づいて、光波がブラッグ条件を満たす場合、体積ホログラフィック格子は非常に高い回折効率を達成できます。ただし、ブラッグ条件では、入射光の角度と波長に厳しい要件が課されます。これらの条件が満たされない場合、回折効率が急激に低下する可能性があります。その結果、体積ホログラフィック回折格子導波路は良好な色の均一性を達成するのに苦労し、市場の需要を満たすことができません。
現在、体積ホログラフィック格子導波路は、表示性能、製品の商品化、産業上のサポートの点で、表面レリーフ格子導波路と比較して大きなギャップを示しています。
04 まとめ
AR 回折導波路は、回折格子の回折特性を利用して「光路」を設計し、マイクロプロジェクション システムから放射された光を人間の目に向けることができます。使用される回折格子の種類に基づいて、回折導波路は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に分類できます。
表面レリーフ格子導波路には、軽量、広い視野、広い眼球運動範囲、低量産コストなどの利点があります。その結果、AR 業界では主流の表示技術として広く認識されています。体積ホログラフィックグレーティング導波路は非常に高い回折効率を示しますが、厳しいブラッグ回折条件により色の均一性に問題があり、まだ技術開発の初期段階にあり、ブレークスルーを達成するには大幅な進歩が必要です。
継続的な技術の進歩と処理の改善により、表面レリーフ格子に基づく AR 回折導波路が消費者市場に参入し始めています。将来的には、より多くの AR ハードウェア メーカーに優れた AR ディスプレイ エクスペリエンスを提供すると考えられています。
