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 ジャパンディスプレイ(JDI)は2022年5月に米国で開催されたディスプレー技術の国際学会・展示会「SID Display Week 2022」で、VRゴーグル向けのレンズ代わりとなる「ホログラフィック光学系」を開発し、論文発表した。VRゴーグルを着用した際の、目とディスプレーの距離を大きく縮めることができ、ゴーグルの薄型化や軽量化、消費電力の低減にもつながるという。ホログラフィック光学系は、米Meta Platforms(メタ・プラットフォームズ)が最新のVRゴーグルの試作品「Holocake 2」に採用したことを明らかにするなど、今後のVRゴーグルの主流技術の1つになる可能性がある。

 このホログラフィック光学系は、光の干渉縞を樹脂フィルムに記録したホログラム(Holographic Optical Elements:HOE)を高精度な回折格子の一種として用いることで、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の特定の波長の光の屈折や反射を高効率に実現する技術である(図1)。

図1 JDIが開発したホログラム(HOE)
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図1 JDIが開発したホログラム(HOE)
ほぼ無色透明だが、角度によっては緑色や赤色に見える(写真:日経クロステック)

 これまでVRゴーグルの多くは、ディスプレーの映像を目に届けるための光学系の占有体積が大きく、顔のほとんどを覆う大きくて重い“箱”を装着する格好になっていた(図2)。

 ゴーグルの薄型化、軽量化が進みだしたのはごく最近だ。学会では「パンケーキ光学系」と呼ばれる新しい光学系が発表されるようになった(図2(b))。これは、従来型レンズの代わりにハーフミラーや反射型偏光子を組み合わせたものを使い、2つの素子間で光を2度反射させて光路長をかせぐことで、ディスプレーと目の間の距離を大きく縮める技術である。2021年5月のSID Display Week 2021で米Facebook(現メタ)が発表した技術もこのパンケーキ光学系だった。

図2 VRゴーグルの光学系は急速にコンパクトに
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図2 VRゴーグルの光学系は急速にコンパクトに
VRゴーグルの光学系技術の変遷とJDI開発のホログラム(HOE)を利用した場合の光学系を示した。従来は、分厚く、しかも焦点距離が長いレンズを使っていたために、光学系全体が大きく分厚くなっていた(a)。ここ数年の最新型VRゴーグルで採用されはじめたパンケーキ光学系では、ハーフミラーと反射型偏光子を使って反射望遠鏡のように光を2回反射させて、光路長をかせぐことで光学系を薄くした(b)。2回目の反射時、ハーフミラーは凹面鏡になる。ただし、光がハーフミラーを通過または反射するたびに光の1/2が失われるため、目に届く光は当初の25%以下になってしまう。また光学系が湾曲していることで厚みも必要になってしまう。反射型偏光子は特定の向きの直線偏光は反射するが、それに直交する直線偏光は透過させる。ハーフミラーと反射型偏光子との間にある1/4波長板が、この直線偏光の向きを円偏光を介して切り替える役割を果たしている。JDIはハーフミラーの代わりにHOEを採用。ディスプレーの光を高い効率で目に届けると同時に、光学系を非常に薄くした(c)。JDIの試作例では(a)の厚みが41mmだったのに対し、(c)は液晶ディスプレー(LCD)表面から反射型偏光子までの厚みが16mmだったとする(写真:JDIの展示パネルを日経クロステックが撮影し、加筆)

 ただこれには大きく2つ課題があった。1つは、ハーフミラーを使うことでそこを光が透過、または反射するごとに光の1/2が失われる点。パンケーキ光学系の一般的な設計ではディスプレーから出た光が目に届くまでに25%以下の光量になってしまう。これは消費電力の増大につながる。もう1つは、ハーフミラーや反射型偏光子にレンズや反射鏡の役割を持たせるため、それらを湾曲させる必要があり、光学系の厚み低減の壁になっていた点だ。

 JDIは今回の学会で、HOEをハーフミラーの代わりに使うことで光の利用効率が大きく向上し、しかも光学系の厚みを大幅に低減できたと発表した(図2(c))。JDIの試作例では、従来型の光学系の厚みが41mmだったのに対し、今回の技術では同16mmまで薄くできたという。