ここ数年、仮想現実（VR）と拡張現実（AR）は多くのメディアで話題となっています。これらは、ゲーム、医療、トレーニング、エンジニアリング、建築、インテリアデザイン、旅行、防衛、さらには製品マーケティングに至るまで、多様な用途でメリットをもたらすことが期待されています。しかし、現時点では、VR/ARはまだ多くの人々の生活に大きな影響を与えていません。
その主な理由は、VR/ARヘッドセットの品質とコストの2点です。具体的には、画像の明るさ、解像度、視野角といった要素や、処理速度や消費電力などの電子的特性も品質に含まれます。さらに、ヘッドセットのサイズ、重量、バッテリー駆動時間といった実用面での考慮事項も重要です。コストとは、ほとんどの消費者が手に入れられるよう、ヘッドセットの価格を十分に引き下げることを意味します。
ARの課題
これらすべての分野で改善を推進するには、克服しなければならない数多くの技術的なハードルがあります。これらの課題は、一般的にVRヘッドセットよりもARの方が大きくなります。その理由を理解するために、まず用語が具体的に何を意味するのかを確認しましょう。定義については、表にまとめています。
ヘッドセットの種類 |
機能 |
ヘッドセットの特性 |
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ユーザーの視界を完全に遮り、仮想的な視界を提供する完全没入型ディスプレイです。実際の周囲の環境は一切見えません。 |
ディスプレイは通常、液晶ディスプレイまたは有機EL技術に基づいています。 ディスプレイはユーザーの目の前に直接あり、レンズを通してユーザーに表示されます。 ディスプレイの輝度要件は、ユーザーが暗い環境で閲覧するため、ある程度緩和されます。 |
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ユーザーの視界を完全に覆い隠しつつ、実際の周囲のライブ映像も取り込む、完全没入型ディスプレイです。ユーザーの視界では、仮想要素と現実の要素が融合します。 |
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周囲の環境を直接見ることができる半透過型ディスプレイです。コンピューターで生成された画像は、現実世界の物体と並んで、あるいはその上に重ねて表示されます。 |
ディスプレイは、マイクロディスプレイまたはレーザービームスキャン技術に基づいています。これらは、ヘッドセットの光学系において、ユーザーの目の同じ側に配置されています。 導波管や半透明のミラーなどの光学コンバイナーを用いて、仮想と現実の景色を融合させます。 周囲の明るさに合わせて、ディスプレイの輝度を高くする必要があります。 |
VRヘッドセットやMRヘッドセットの大きな特徴は、ディスプレイを直接見る、つまり目の前に置いて見るという点です。そのため、顕微鏡や双眼鏡、レンジファインダーなど、比較的シンプルで一般的な表示光学系を使用することができます。ただし、VR用光学系はサイズがかなり小型化されています。
一方、ARゴーグルのディスプレイはユーザーの視野に入らないため、光をユーザーの目に向けるための高度な光学系が必要です。ディスプレイの出力は、仮想オブジェクトを現実世界にあるかのように見せるために、装着者が直視している環境と組み合わされる必要があります。これを実現するための光学コンポーネント（通常はビームスプリッターや導波管）は、VRヘッドセットのレンズよりもはるかに複雑で洗練されています。
さらに、コンピューターで生成された画像が、現実世界の景色の中で正しい位置、距離、向きで表示される必要があります。そのためには、ヘッドセットがユーザーの頭や体の動きを常に追跡し、現実環境におけるオブジェクトの大きさ、位置、向きを特定する必要があります。多くのVRヘッドセットでは頭や体の動きの追跡機能も搭載されていますが、ARでは一般的にその要件がより厳しくなります。
CoherentはARの未来を見据えています
Coherentはすでに、ARシステムが抱えるこれらの課題に対し、フォトニクスベースのソリューションの開発に積極的に取り組んでいます。当社は、ARヘッドセットの3つの機能要素、すなわちディスプレイプロジェクター（またはライトエンジン）、光学コンバイナー、光学センサーに主に注力しています。
ディスプレイエンジン
多くのARヘッドセットは、MicroLEDやレーザービームを走査する光エンジンを採用しています。Coherent社は、MicroLED製造のための主要技術を提供することで定評があります。具体的には、Coherent社の装置を用いてレーザーリフトオフ（LLO）を行い、サファイアウェハーからMicroLEDを分離・成長させます。LLOの後にLIFT（Laser-Induced Forward Transfer：レーザー誘起前方転写法）を行う場合もありますが、これは当社のUVtransfer（LLOに加え、画素修復やトリミングも行う）で行うことができます。
また、Coherent社は、ディスプレイプロジェクターに使用される小型光学コンポーネントの製造に関する幅広い専門知識を有しています。その中でも特に注目すべきは、コリメーション用の「メタサーフェス」マイクロレンズアレイです。
メタサーフェスレンズは、ナノ構造を利用して入射光の波面を変化させます。この機能は高精度で製造され、MicroLEDアレイの上に厳しい公差で配置することができ、個々のエミッタからの光をコリメートすることができます。メタレンズは平らで非常に薄いため、ディスプレイエンジンのパッケージにシームレスに組み込むことができます。
さらに、メタレンズはリソグラフィーやその他のウェハスケール技術を用いて製造できるという利点があります。つまり、経済的に大量生産が可能です。したがって、この技術はARゴーグルに求められる要件に理想的に適合します。
Coherent社は、光エンジン用のその他の光学部品も提供しています。これには、レーザービームスキャナー（LBS）用のRGBコンバイナーやLCOSディスプレイ用の薄膜偏光板など、さまざまな種類のガラスに塗布したり、ほぼすべての光学素子の光学スタックに組み込んだりできる光学コーティングが含まれます。
光コンバイナー
ディスプレイの出力を収集し、装着者が直接目にする周囲の景色と重なるように再出力することは、おそらくARヘッドセットの設計において、フォトニクス分野における最大の課題と言えるでしょう。これを実現するため、現在、さまざまな研究グループによって、数多くの極めて革新的な設計コンセプトが追求されています。Coherent社もまた、こうしたデバイスの一部を製造するための技術や、実際のデバイスコンポーネントそのものを提供しています。
多くのヘッドセットでは、ゴーグルのレンズが導波管の役割を果たしています。これらは、ディスプレイ（フレーム内に配置）からの光をユーザーの目へと導きます。導波管には、ディスプレイエンジンの近くに入力カプラーがあり、レンズの中央に出力カプラーがあります。これらの出力カプラーは、表面レリーフグレーティング（SLG）またはホログラフィック光学素子（HOE）として実装されています。
HOEはレーザーを用いてフォトポリマーに記録されます。具体的には、赤、緑、青の3つのレーザーを使用して実現されます。他の形式のホログラフィと同様に、このためのレーザー光源には、単一波長であること、長いコヒーレンス長を持つこと、高い安定性で動作すること、そして好ましくは高出力（露光時間を最小限に抑えるため）であることが求められます。CoherentのGenesisレーザーおよびVerdiレーザーは、これらの特徴をすべて備えており、HOEの記録に最適な選択肢です。
また、Coherent社は、レンズ材料そのものを含め、複数の異なるビームコンバイナー部品を製造することができます。一部の主要AR企業は、ガラスに代わってレンズに光学結晶を使用することを検討しています。結晶材料は、2.3以上の屈折率を持つことができます。これにより視野が拡大し、ガラスを使用する場合に2～3層必要だった3色のチャネリングを、1つの導波管で実現することが可能になります。また、ARゴーグルを軽量化することで、ユーザー体験の没入感を高めることができます。
光センサー
Coherentは、レーザーベースの深度センサーや3Dセンサーのコンポーネントおよびモジュールの製造において、すでにトップメーカーです。具体的には、当社の高出力VCSEL光源（シングルエミッタおよびアレイの両方）は、一般的なスマートフォンに広く採用されています。これらの光源には、飛行時間型（TOF）または構造化光深度センシングモジュール用のアレイが含まれます。さらに、VCSELアレイを回折素子やメタサーフェス素子と組み合わせることで、均一なフラッド照明やドットパターンを生成することも可能です。また、レーザドライバICの設計・製造も行っており、これらすべてのコンポーネントを超小型モジュールに組み込むことができます。当社のフォトニクス専門家は、ARアプリケーションにおける3Dセンシングにおいて、小型フォームファクタと低消費電力が重要な指標であることを理解しています。
ARヘッドセットとVRヘッドセットは、次世代の主要な家電製品やインターネット家電になると考えられています。Coherent社は、ARゴーグルの製造に応用可能なフォトニクス技術を最も包括的に保有しています。これにより、普及に必要な超小型・低消費電力・高性能なデバイスを実現するための製造ツールやコンポーネントを提供することで、この分野のイノベーションを支える独自の地位を確立しています。
CoherentがAR向けに提供しているサービスの詳細については、こちらをご覧ください。
