バーチャルリアリティ光学とは何か？

仮想現実光学系の定義

仮想現実 (VR) 光学系は、ユーザーに没入型の視覚体験を創出するVRシステム内の特殊なコンポーネントで構成されます。例としては以下が挙げられます。

• シーンシミュレーション用の生データをキャプチャするカメラ
• データの送受信のために手袋や衣類に使用される光ファイバー
• 3D知覚を生成するヘッドマウントディスプレイ (HMD)
• 没入型および半没入型プロジェクションディスプレイ
• ユーザーとその目の動きを追跡するセンサー。

現在、最も注目されているバーチャルリアリティ光学系は、ニアアイディスプレイとも呼ばれるヘッドマウントディスプレイ（HMD）です。

バーチャルリアリティが機能するためには、目の前のディスプレイに画像を投影するHMD内の光学システムが必要です。

この光学システムでは、HMDには光源（ディスプレイ）、受光器（目）、および光学素子（レンズ）が含まれます。

• HMDの光源は、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です。双眼HMDは通常、各目に別々の画像を提供し、ステレオスコピーによって3D知覚を生成する2つのディスプレイを備えています。ホログラフィックHMDでは、光源は空間光変調器（SLM）からの変調されたコヒーレント光です。
• HMDの受光器はユーザーの目です。
• 光学素子は光源から光を集め、3D仮想世界のレンダリングを生成します。理想的なVR HMDは、広い視野（FOV）内で高解像度画像を提供できるとともに、3D知覚のための調節キューをサポートし、コンパクトなフォームファクタで大きなアイボックス（射出瞳）を備えている必要があります[2]。

図1. VR HMDの構造。出典: https://news.skhynix.com/the-world-shaped-by-semiconductors-virtual-reality-in-glasses/. [3]

HMDの最も重要な要件の1つは、優れた人間工学に基づいた設計であり、長時間の使用でもヘッドセットが快適に装着でき、視認できることを意味します。快適に装着できるように、ヘッドセットはコンパクトで軽量であるべきです。理想的には、重さとサイズは眼鏡のペアを超えないようにすべきです。快適に視認できるように、ヘッドセットはユーザーの頭の位置と視線に基づいて適切な視点を提供すべきです。ヘッドセットはまた、適切なアイクリアランス、自然な目の動きを可能にするのに十分な瞳孔サイズ、適切な瞳孔間距離（IPD）、および低いダイバージェンスとディップバージェンスを備えているべきです。

HMDの主要な光学設計制約は、瞳孔（アイボックス）サイズ、アイクリアランス、ダイバージェンス、ディップバージェンス、およびIPDです（図2を参照）。

視野 (FOV) は重要

VR HMDの重要な設計目標は、人間の視覚系の画像特性に合わせることです。人間の眼のFOVは、眼球の回転と頭部の動きを考慮すると、垂直方向に約120度、水平方向にほぼ360度です。両眼で物体が見える両眼視野（binocular FOV）は約114度です[5]。

図3. 視野図。出典: https://www.electrooptics.com/analysis-opinion/meeting-optical-design-challenges-mixed-reality. [6]

設計における収差の考慮

HMDにおける収差が画質に与える影響は、他の光学システムにおける影響と同様です。軸上色収差、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲などの収差は、ぼけを引き起こします。歪曲収差、コマ収差、倍率色収差などの収差は、歪みを誘発します。VR HMD光学系の設計において、収差制御は重要です。

HMD設計におけるその他の要因

HMD設計の進歩は、非球面、回折光学素子 (DOE)、ホログラフィック光学素子 (HOE)、チューナブルレンズ、およびプラスチック光学系を活用しています。

• 非球面は、レンズ収差の制御と素子数の削減に役立ちます。
• DOEは、正レンズにおいて負の色分散を持つ興味深い分散特性を提供します。
• HOEは小型フォームファクタを持ち、ビームスプリッターのように機能できます。
• チューナブルレンズは深度範囲を拡張できます。
• プラスチック部品は低コストで軽量です。

これらの先進技術を使用することでVRデバイスのアイボックスサイズとFOVを改善できますが、フォームファクタが犠牲になることが多いです。この問題を軽減するために、開発の新しい方向性には、アイトラッキング統合型HMD、マルチ/バリフォーカルディスプレイ、オクルージョンディスプレイ、ホログラフィックディスプレイ、およびライトフィールドディスプレイが含まれます。

光学設計ソフトウェアは、VR光学系を設計するための重要なツールです。高品質なVR光学システム設計には、複数の種類のソフトウェアが必要です。

• 光学エンジニアは、イメージングシステムを作成および最適化し、光路内の迷光を解析し、回折光学素子を設計するためのソフトウェアを必要とします。
• 機械エンジニアは、システムレイアウトを描画し、熱解析と構造解析を実行するためのCADパッケージを必要とします。
• 電気エンジニアは、眼球の動きを追跡し、光学システムに信号を送信するためのソフトウェアを必要とする場合があります。

キーサイトは、AR/VRデバイスをシミュレートするための包括的なツールセットを提供します。

光学設計ソフトウェアを使用した光学システム設計のワークフローを以下に示します。

• CODE V光学設計ソフトウェアは、光学システム内の光線を追跡し、収差を低減し、歪みを減少させ、解像度を向上させるためにシステムを最適化できます。
• LightTools照明設計ソフトウェアは、照明、迷光、ゴーストイメージをモデル化できます。LightToolsは照明均一性の最適化も可能です。迷光は画像のアーティファクトや明るい斑点を引き起こす可能性があります。

回折格子は、導波路プレートに光を結合させ、プレートから光を眼に結合させます。光学システムが良い画像を生成するように、格子を適切に設計する必要があります。回折角、効率などに基づいて、任意の次数または次数の組み合わせで格子を設計および最適化できます。

格子を設計するには、キーサイト RSoft Photonic Designツールを使用できます。

• 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。
• FullWAVE FDTD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もう1つの強力なツールです。
• RSoft CAD EnvironmentにおけるMOST最適化は、FullWAVEまたはDiffractMODのいずれかを使用して格子を最適化するための便利な方法を提供します。

格子が構築されたら、表面特性を定義するために、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できます。RSoft BSDFファイルには、表面（薄膜、パターンなど）が光をどのように散乱させるかに関する情報が、すべての回折特性を含めて含まれています。

VRでは、ディスプレイはシミュレートされた環境を出力するだけで済みます。拡張現実 (AR)では、ディスプレイは多くの場合シースルーであり、シミュレートされた環境と現実の環境を組み合わせます。

VRとARの光学系にはいくつかの違いがあります。

• まず、ARは高輝度ディスプレイを必要とします。特に屋外や手術室のような明るい環境では重要です。
• 次に、AR用のシースルーHMDの場合、ディップバージェンスは1～3分角未満である必要があります。
• 最後に、シースルーHMDは、広いFOVとコンパクトなフォームファクタを実現するために、しばしば折り畳み設計を採用します。シースルーHMDは、仮想シーンからの反射光と現実世界の物体からの透過光を結合するために、光学コンバイナーを統合する必要があります。プロトタイピングでは、コンバイナーとしてビームスプリッターがよく使用されます。HOEは薄くて平坦であり、特定の波長に対してビームスプリッターのように機能できるため、コンバイナーのフォームファクタを縮小できます。

• 教育とトレーニング: 軍事飛行シミュレーションや戦場戦闘訓練、手術や緊急シナリオのための医療トレーニング、および患者教育は、個人が手順を体験し、何を期待すべきかを理解するのに役立つVRを取り入れています。VRはまた、教室環境や歴史的シーンを再現することで遠隔学習をサポートし、博物館で没入型体験を提供します。
• エンジニアリング: VRは3D設計と仮想プロトタイピングを支援し、エンジニアが物理的な開発の前に製品を視覚化し、改良することを可能にします。

• ソーシャルインタラクションとコマース: VRは、同僚や顧客との仮想的なインタラクションを可能にし、オンラインショッピングのための展示室を提供し、不動産ツアーに3D体験を提供します。
• エンターテインメント: VRは、ユーザーをインタラクティブな環境に没入させることで、ゲーム体験と観光を向上させます。
• 医療リハビリテーションと遠隔手術: VRは、心理的曝露療法、アルツハイマー病のような症状に対するリハビリテーション、および遠隔手術をサポートします。