拡張現実（AR）光学とは何か？

拡張現実（AR）を実現するには、光学システムがデジタル画像をユーザーの目の前に配置された透明なディスプレイに投影し、仮想情報を現実環境に重ね合わせます。これは、ヘッドマウントディスプレイ（HMD）、タブレットのようなハンドヘルドデバイス、またはフロントガラスのような車載ディスプレイなど、さまざまな種類のディスプレイを通じて実現可能です。

ARヘッドセットとマウント型ディスプレイ

一般的なAR光学システムは、主に3つのコンポーネントで構成されています。

• 光源：有機EL（OLED）や液晶ディスプレイ（LCD）などのマイクロディスプレイが、拡張画像を生成します。双眼HMDは、各眼に1つずつ、2つのディスプレイを使用してステレオスコピーによる3D効果を生み出します。ホログラフィックHMDは、空間光変調器（SLM）を使用して、高度な画像投影のために変調されたコヒーレント光を生成します。
• 受光部：ユーザーの目は、現実世界と拡張された画像の両方を受け取ります。
• 光学素子：レンズとコンバイナーは、マイクロディスプレイからの光と現実環境からの光を混合し、合成された画像をユーザーの目に投影します。例えば、ARメガネでは、マイクロディスプレイの画像は、ビーム整形レンズ、プリズム、度付きレンズなど一連の光学コンポーネントを通過した後、現実のシーンと合成されて視聴者に届けられます。

図1. 度付きARの模式図：

(a) AR光路を示す側面図。度付きレンズは、視力矯正とAR画像の導波路として機能します。ビーム整形レンズは、マイクロディスプレイからの光線を屈折させ、インカップリングプリズムを介して度付きレンズに入射させ、レンズから一定距離に拡大された仮想画像を生成します。

(b) 度付きARシステムにおける幾何学的パラメータ。

(c) 光学コンポーネントの3D図。

許可を得て転載。© The Optical Society.

光学的な収差は、他の光学システムと同様に、AR HMDの画質に影響を与える可能性があります。色収差、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差などの収差は、投影された画像のぼけや歪みを引き起こす可能性があります。これらの収差を最小限に抑え、視覚的な鮮明度を向上させるためには、慎重な設計と最適化が不可欠です。

AR光学系の設計には、専門的なソフトウェアツールと複数の工学分野の専門知識の組み合わせが必要です。光学エンジニアは、ソフトウェアを使用してイメージングシステムを作成および最適化し、迷光を解析し、回折光学素子を設計します。機械エンジニアは、システムをレイアウトし、熱解析および構造解析を実行するためにCADツールを必要とします。電気エンジニアも、アイトラッキングを実装し、光学システムに送信される信号を管理するために携わる場合があります。

ワークフロー

光学システム:

• ヘッドマウントディスプレイに示されているように、CODE V光学設計ソフトウェアを使用して光学システムを介して光線を追跡し、収差を低減し、歪みを減少させ、解像度を向上させるようにシステムを最適化できます。また、CODE Vでモデル化された自動車用ヘッドアップディスプレイ（HUD）用の拡張現実光学系も使用できます（次項参照）。その後、ジオメトリをLightToolsにエクスポートします。
• LightTools照明設計ソフトウェアは、照明、迷光、ゴースト画像をモデル化できます。また、LightToolsを使用して照明均一性を最適化することも可能です。

フォトニック設計ソフトウェアを使用した回折格子の設計:

回折格子は、光を導波路プレートに結合し、プレートから目へと光を結合します。光学システムが良好な画像を生成するように、回折格子は適切に設計されなければなりません。回折格子の設計と最適化では、回折角や任意の次数または次数の組み合わせの効率などに基づいて回折格子を最適化できます。

• RSoft DiffractMOD RCWAは、横方向に周期的なデバイスの回折特性を厳密に計算するための非常に効率的なツールです。
• RSoft FullWAVE FDTDは、必要に応じて横方向に周期的なデバイスの回折特性を厳密に計算するための、もう1つの強力なツールです。
• RSoft CAD環境におけるRSoft MOST最適化は、RSoft FullWAVEまたはRSoft DiffractMODのいずれかを使用して回折格子を最適化するための便利な方法を提供します。

回折格子を構築したら、双方向散乱分布関数（BSDF）情報とレイアウトファイルをLightToolsに直接エクスポートして、表面特性を定義できます。すべての回折特性はRSoft BSDFファイルに含まれており、これには薄膜やパターンなどの表面がどのように光を散乱させるかに関する情報が含まれています。

ヘッドアップディスプレイ（HUD）は、ディスプレイからの画像でドライバーの視野を拡張します。フロントガラスを通過する光線をモデル化し、投影された画像の品質を評価するためのソフトウェアが必要です。

CODE Vは、HUD設計分野において強力なアプリケーション機能を備えており、広範な光メカニカルシステム設計の課題に対処します。エンジニアは、この光学設計ソフトウェアをCAD可視化および光線追跡に使用できます。CODE Vは新しい自由曲面をサポートしており、コンパクトなフロントガラスコンバイナーシステムに対してより大きな設計の自由度を提供します。これらの表面は、視聴者の目におけるディスプレイ解像度が向上し（高密度ディスプレイピクセル）、フォームファクターが縮小するにつれて、収差制御を改善します。

設計完了後、最終的なシステム性能を公称基準に対して、また実際のシステム構築後の性能について確認することが重要です。このため、LightToolsは視聴者シミュレーションの論理的な次のステップとなります。LightToolsでディスプレイ画像を表すスペクトルカラーオブジェクトからの逆光線追跡は、視聴者向けの投影されたHUD画像（モデルシーン上）を示します。LightToolsシミュレーションは、システム内の迷光画像や反射による予期せぬ問題を発見するのにも役立ちます。また、エンジニアはLightToolsのCADインポートおよび測定ツールを使用して、以下を決定できます:

• アイボックスからフロントガラスまでの距離
• フロントガラスへの入射角の近似値
• フロントガラスからダッシュボードまでの距離

LightToolsによる実世界光学システム性能のシミュレーションは、キーサイトの設計エンジニアリング製品ユーザーにとって、その業務における優れた資産となります。

拡張現実 (AR) と仮想現実 (VR) の光学系の主な違いは、現実環境との相互作用の仕方です。VR光学系は視覚環境全体をシミュレートし、ユーザーを完全に仮想世界に没入させます。対照的に、AR光学系は現実環境を捉え、その上にデジタル情報を重ね合わせることで、視覚ディスプレイを通じてシミュレートされた要素と現実の要素を融合させます。

ARでは、ディスプレイは通常シースルーであり、ユーザーは現実世界とデジタル拡張の両方を同時に見ることができます。一方、VRディスプレイはシミュレートされた環境のみを表示し、現実世界を遮断します。

ARとVRの光学系の主な違いは以下の通りです。

• ディスプレイ要件: ARは、屋外や手術室のような明るい環境での視認性を確保するために、高輝度ディスプレイを必要とします。
• 光学精度: シースルーARヘッドマウントディスプレイ (HMD) では、最適な鮮明さを得るために、角度位置合わせ誤差 (現実と仮想の画像の角度の差) を1～3分角未満に抑える必要があります。
• 設計上の考慮事項: AR HMDは、コンパクトなフォームファクターを維持しながら広い視野 (FOV) を実現するために、しばしば折り畳み式光学設計を採用します。これらのデバイスは、仮想シーンからの反射光と現実世界からの透過光を融合させる光学コンバイナーを統合する必要があります。設計者はプロトタイピングにビームスプリッターを一般的に使用しますが、ホログラフィック光学素子 (HOE) は、特定の波長に対してより薄く、よりフラットなソリューションを提供します。

これらの例は、拡張現実光学系が状況認識を高め、意思決定を改善し、よりインタラクティブな体験を創出することによって、いかに幅広い産業を変革しているかを示しています。

• 運転用ヘッドアップディスプレイ (HUD): フロントガラスにリアルタイム情報を提供し、ドライバーを支援します。
• 外科手術支援: 医療手術中に、手順指示と役立つデータを重ね合わせます。
• 戦闘支援: 軍事要員向けに、強化された状況認識とターゲティング情報を提供します。