AR用の導波路ディスプレイは、画像光を薄い透明基板へ導き、目の前で取り出して仮想像を見せる構造です。基本機能は画像生成、入射結合、内部伝搬、瞳拡張と出射結合です。すべてが同一の回折格子や屈折率を使うわけではありません。
1．画像源と投影光学系
画像源からの光を、光学系が必要な角度と波面へ整えます。導波路は通常、その光を運ぶ受動光学部品であり、それ自体が全画素を発光する画面ではありません。
画像源の画素数だけで目に見える解像度は決まりません。投影系、収差、色の位置合わせと目の位置も評価します。光学透過型では外界の明るさもコントラストに影響します。
2．基板内への入射結合
プリズムや回折格子などで光を導波可能な方向へ変えます。回折型と幾何光学的な反射型は異なる構造です。全製品に300～500 nmピッチの格子が必要とは限りません。
回折は波長、入射角と構造に依存します。RGBを扱う場合、各色の効率、方向と偏光を確認します。一つの結合器の効率を、光源から目までの全体効率として読まないでください。
3．全反射による内部伝搬
単純な透明媒質の境界でn1 > n2、法線からの入射角が臨界角を超えると全反射が可能です。θc = arcsin(n2/n1)で表します。
外側を空気のn = 1とすると、基板n = 1.5で約41.8°、1.8で約33.7°、2.0で30°です。高屈折率基板にも共通の41°を適用する説明は誤りです。接着層やクラッドがある場合はその屈折率を用います。
理想全反射そのものに、反射のたび15～30%の損失が必ず発生するわけではありません。実際の吸収、散乱、意図した出射と結合損失を分けて計算します。全反射と回折は別の現象です。
4．瞳拡張とアイボックス
出射瞳を複数位置へ分配して、目を置ける領域であるアイボックスを形成します。一方向か二方向かなどの拡張方式は構造によります。
例えばLumusはプリズムと二つの反射面配列による入射、拡張と出射を説明しています。一社の構造や効率をすべての導波路へ一般化しません。
同じ入力光量を広い領域へ配る場合、明るさと均一性の設計が重要です。FoVは画像の角度範囲、アイボックスは目の位置の許容領域であり、同じ量ではありません。
5．目の方向へ光を取り出す
出射構造が光量と角度を制御します。位置ごとの輝度、色の均一性、ゴーストと外部へ漏れる光を併せて評価します。
視線追跡は入力や描画制御に使えますが、それだけで光学焦点やディオプターが変化するわけではありません。可変焦点には対応する光学・制御構成が必要です。
パンケーキ光学系と金属導波管
パンケーキ光学系は折り返した光路と偏光などを利用する別の構造です。内部反射するという理由だけで、すべてのAR導波路をパンケーキレンズと呼びません。
マイクロ波金属導波管も電磁波を導きますが、材料、周波数、境界条件と結合方式は異なります。WR-90の寸法やフランジ条件をARガラスへ直接転用できません。
資料で比較する項目
| 指標 | 必要な条件 |
|---|---|
| FoV | 水平・垂直・対角の定義。 |
| アイボックス | アイレリーフと許容位置。 |
| 輝度・効率 | 入力基準、色と測定位置。 |
| 画質 | 角度解像度、均一性とゴースト。 |
| 透過・形状 | 外界の見え方と全積層厚。 |
参考：光導波路、全反射と臨界角、Lumusの反射型構造。特定製品の性能値を方式全体の共通保証にしないことが重要です。
