メタサーフェス、AR画像の鮮明さと明るさを向上

November, 27, 2025, New York--ロチェスター大学の研究チームは、拡張現実(AR)メガネの明るさと画質を大幅に向上させる可能性のある新しい光学部品を設計・実証した。この進歩により、ARメガネは現代のスマートフォンと同じくらい一般的で有用なものになる一歩を踏み出したことになる。

「今日の多くのARヘッドセットはかさばり、バッテリー寿命が短く、ディスプレイは暗くて特に屋外では見えにくい。ディスプレイの入力ポートを大幅に効率的にすることで、われわれの研究はARメガネをより明るく省電力にし、単なるニッチなガジェットから普通の眼鏡のように軽く快適なものへと変える助けになる」と、研究チームリーダー、Nickolas Vamivakasは話している。同氏はロチェスター大学光学研究所のMarie C. Wilson and Joseph C. Wilson光学物理学教授。

Optical Materials Express誌では、研究チームは単一の導波路インカプラー(画像がガラスに入る入力ポート)を、それぞれメタサーフェス材料で作られた3つの特殊ゾーンを備えたものに置き換え、性能向上を実現した方法を説明している。

「この複雑でマルチゾーンの設計が現実世界で機能するという初の実験的証明を報告する。われわれの焦点はARにあるが、この高効率で角度選択型の光結合技術は、自動車や航空宇宙用途のヘッドアップディスプレイ、あるいは高度な光学センサなど、他のコンパクトな光学システムにも応用できる可能性がある」(Vamivakas)。

メタサーフェス搭載AR
拡張現実(AR)メガネでは、導波路インカプラがマイクロディスプレイからレンズに画像を注入し、仮想コンテンツが現実世界と重なって見えるようにする。しかし、現在のARメガネに使われているインカプラーは、画像の明るさや鮮明さを下げる傾向がある。

これらの問題を克服するために、研究チームはメタサーフェス技術を用いて、3つの特殊ゾーンを持つインカップラーを作成した。メタサーフェスは、人間の髪の毛の何千倍もの小ささの特徴を持つ超薄い素材であり、従来のレンズではできない光を曲げたり、集束したり、フィルタリングしたりすることができる。

「メタサーフェスは従来の光学系よりも設計と製造の柔軟性が高い。光損失の主な原因であるインカップラーの改良を目的としたこの研究は、メタサーフェスを用いて入力ポート、出力ポート、そして光を導くすべての光学系を含む全導波システムを設計する大規模なプロジェクトの一部である」(Vamivakas)。

新しいインカップラーでは、研究チームは入射光を効率的に捉え、光の漏れを劇的に減らすメタサーフェスパターンを設計した。メタサーフェスは入射光の形状も保持し、高い画質を維持するために不可欠である。

この研究は、マルチゾーンインカプラーが最良の効率と画像品質を提供するという研究チームの理論的研究に基づいている。Vamivakasによると、メタサーフェス格子の進歩により、設計の柔軟性が可能となり、電子ビームリソグラフィや原子層堆積などの最先端の製造技術が複雑で高アスペクト比のナノ構造を構築するために必要な精度を提供した。

「この論文は、理想化された理論から実践的な現実世界の要素へと初めて橋渡しをしたものである。また、理論だけでは考慮できなかった材料損失や非理想的効率和といった現実的な要因を考慮した最適化プロセスも開発した」とVamivakasは、コメントしている。

3ゾーン性能テスト
新しいインカップラーを実証するために、研究チームはカスタムの光学装置を用いて3つのメタサーフェスゾーンそれぞれを個別に製作・試験した。その後、同様のセットアップを用いて、完全に組み立てられた3ゾーン装置を完全なシステムとしてテストし、-10°～10°までの水平視野全体にわたる結合効率を測定した。

これらの測定値は、視野の大部分でシミュレーション結果と強く一致していることを示した。フィールド全体の平均効率は30%で、シミュレーション平均の31%とほぼ一致していた。唯一の例外は視野の端、-10°の位置で、測定された効率は17%で、シミュレーション時の25.3%に対しては差がない。研究チームはこれを、設計の正確な角度での高い角度感度と、細かな製造上の欠陥の可能性に起因すると考えている。

研究チームは現在、新しいメタサーフェス設計と最適化フレームワークを導波路の他のコンポーネントに適用し、完全で高効率なメタサーフェスベースのシステムを実証しようとしている。これが完了したら、設計を単色(緑)からフルカラー(RGB)動作に拡大し、製造許容範囲を改善し視野の端での効率低下を最小限に抑えるために設計を洗練させる計画である。

研究チームは、この技術が実用的に商業化されるためには、インカプラーと実際のマイクロディスプレイエンジン、それにアウトカプラーを組み合わせた完全統合型プロトタイプを実証する必要があると指摘している。複雑なナノ構造を低コストで再現するためには、堅牢で高スループットの製造プロセスも開発する必要がある。