今日のVRヘッドセット、丸みを帯びた遮光ゴーグルの中には、2つの要素が入っています。それは、あなたが見ている仮想世界を表示するスクリーンと、そのスクリーンの前にあるレンズです。ディスプレイ部分、つまり多くの技術愛好家にとって馴染みのある技術には、多くの注目が集まっています。解像度は？リフレッシュレートは？コントラスト比は？などなど。しかし、スクリーンの前にあるレンズも同様に重要です。
では、なぜレンズは VR ヘッドセットにとってそれほど重要なコンポーネントなのでしょうか。また、レンズは VR 体験の質にどのような影響を与えるのでしょうか。
レンズの基礎
レンズは数千年も前から存在しており、その基本原理は簡単に理解できます。普通のガラス片を手に取ってみてください。そのガラスを通して見たものが歪んでいることに気づくでしょう。ガラス（または水、あるいは半透明の素材）は、そこを通過する光を曲げます。与えられた素材で、光を思い通りに曲げる形を作れば、レンズが完成します。
スネルの法則は、これらすべての背後にある物理学を説明しています。長々とした公式を示す代わりに、レンズの特性について何を見ているのかを理解していただくために、方程式の関連用語を以下に示します。
最初の特性は屈折率と呼ばれ、これは特定の物質が入射光をどの程度曲げられるかを示します。この効果は、光が物質に入射すると速度が低下し、速度が低下するほど光は大きく曲げられるために発生します。一般的な例としては、わずかに屈折する空気と、（屈折率が増加するにつれて）水、プラスチック、ガラスが挙げられます。
その他の特性は、材料の角度と光が当たる角度です。つまり、光は、1) 光の入射位置とレンズの形状、2) レンズに入ってから出射するまでの時間、つまりレンズの厚さ、3) 光の波長 (色) に応じて曲がります。
最後の要因は、レンズに不要なアーティファクト、つまり収差が存在することです。プリズムは、上記からお分かりいただけると思いますが、レンズの一種です。そしてプリズムと同様に、レンズは光が曲がるにつれて色を分離します。これは色収差として知られています。
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他にも考慮すべき収差があります。球面収差は、画像の様々な部分がそれぞれ異なる点に焦点を合わせる現象です。つまり、画像の中心をシャープでクリアにしたい場合、周辺部は徐々にぼやけていきます。目（またはカメラ）の中心はF a、b、またはcにあるので、どの部分に焦点を合わせるかを選択します。
最後に、樽型歪曲収差と糸巻き型歪曲収差があります。これは、レンズが上記の2つの歪曲収差を補正しようとしたり、広い視野角を実現しようとしたりする際によく発生します。これらの歪曲収差により、例えば直線のグリッドが最終的に引き伸ばされたり、縮んだりする画像になります。
レンズとVR
レンズとVR HMDへの影響について考える際、まず考慮すべき点はディスプレイのサイズです。VRヘッドセットのディスプレイが大きいほど、視界の多くを占め、視野が広くなります。しかし、ディスプレイが大きすぎると、重くなりすぎて扱いにくくなる可能性があります。この点から考えると、ディスプレイは小さいほど良いと言えます。
重量とサイズの問題に対するもう一つの解決策は、画面を目の近くに配置することです。これには2つの利点があります。まず、視野を広くするためにディスプレイを大きくする必要がなくなります。次に、アルキメデスのてこの法則により、ディスプレイが顔に近づくほど、重さに関わらず、画面にかかる力は小さくなります。残念ながら、人間の目は近すぎるものに焦点を合わせることができず、HMDのディスプレイを配置できる距離には制限があります。
これは問題を引き起こします。私たちが通常、世界を見る視野は180度に広がります。参考までに、最新のHMDの画面は対角線で約7インチ（18cm）あり、快適に感じられる範囲で近づけたとしても、この画面が視界を占める範囲は比較的狭いです。その結果、仮想世界を見るのに非常に狭い視野しか使えなくなり、まるで目隠しをして現実世界を移動しようとするかのようになってしまいます。
この問題の一部を解決するには、顔とディスプレイの間にレンズ、あるいは複数のレンズを配置する方法があります。目的は、光を屈折させ、いわば虫眼鏡のようなレンズを使って裸眼よりも広い視野を確保することです。画面を目から少し離すと不快な距離にまで近づけることもできますが、適切なレンズを使用すれば、全く違和感なく快適に見ることができます。
しかし、レンズを導入して狭い視野を広くしようとすると、前述の収差という新たな問題が発生します。カメラレンズは、複雑なレンズ群を積み重ねることでこの問題を解決し、それぞれの歪曲収差を合成することで、少なくともすべての収差を打ち消し、歪みのないきれいな写真を実現しようとします。しかし残念ながら、これらのレンズはすべて、写真家なら誰でも知っているように、重量、長さ、そしてかなりのコストを増加させます。
現時点での解決策は、HTC Vive、Oculus Rift、その他のHMDで使用されているフレネルレンズを使用することです。フレネルレンズは滑らかな形状ではなく、比較的薄く、同心円状のリングが刻まれており、光線がレンズのどの部分に当たるかによって光線の屈折方向が異なるように設計されています。適切に設計されていれば、単一のレンズ（HMDの場合は2つのレンズ）を使用する場合に発生する収差を克服できます。そのため、カメラのようにレンズを複数枚重ねて使用する必要はありません。
残念ながら、これもすべての問題を解決するわけではありません。フレネルレンズは広い視野を提供し、単レンズで色収差をほとんど発生させませんが、樽型歪曲収差や糸巻き型歪曲収差の問題は解消されません。
現代のHMDでは、現在使用されている解決策はソフトウェアによるトリックです。レンズが生み出す歪みの逆方向に画像を事前に歪ませることで、（ほぼ）正しい画像を表示できます。例えば、糸巻き型歪み効果を得たい場合は、樽型歪みで画像を事前に歪ませる必要がありますし、その逆も同様です。
そして、あなたの顔の前に置かれた非常に小さなスクリーンから、レンズを通して映し出された画像と、それと同じような正しい画像が、広い視野で表示されます。
近い将来とさらに先の未来
レンズとVR HMDに関する現在のソリューションは、巧妙ではあるものの、まだ不十分です。では、将来のソリューションはどうなるのでしょうか？具体的にどの時間軸で考えるかによって答えはいくつかありますが、近い将来における一つの答えは、やはり「残念ながら」という言葉に集約されます。
残念ながら、前述の通り、フレネルレンズはすべての問題を解決できるわけではありません。事前にワープされた画像が必要なため、仮想視界の中央部分の解像度が高くなり、周辺部分の解像度が低くなります。これは、VRの解像度がすでに低すぎる世界では問題です。さらに、フレネルレンズ自体は完全に焦点が合った画像を生成するわけではありません。そのため、カメラは単一のフレネルレンズではなく、高価なレンズスタックを使用しています。今日の低解像度VRヘッドセットでさえ、フレネルレンズによって画像がぼやけてしまいます。高解像度では、さらに状況は悪化します。
幸いなことに、様々な企業が様々なレンズ設計を開発し、この最後の問題（およびその他の問題）の解決を目指しています。Valveをはじめとする企業からは、改良されたVRフレネルレンズ設計が登場しており、いずれもフォーカスの向上による実効解像度の向上、そして倍率の向上などを実現しています。これによりヘッドセット設計者はディスプレイを装着者の目にさらに近づけることができ、レンズの小型化、薄型化、軽量化を実現できます。
そして、その先の未来はどうでしょうか？そう遠くない将来、従来のレンズは「メタマテリアル」と呼ばれる新しい種類の材料に完全に置き換えられるだろうと期待されています。メタマテリアルとは、自然界には存在しない人工的な特性を持つ材料を指す一般的な用語です。メタマテリアルの最も一般的な用途の一つは、光を非常に厳密に制御された方法で曲げることです。
光メタマテリアルの背後にある考え方は、曲げる波長よりも小さい規則的な構造を用いて光を曲げることです。これらの小さな柱は、光が「測定」されていない（何かに直接当たったり相互作用したりしていない）ときに波のように振舞うという量子力学的特性を利用して、波を目的の方向に導きます。
その結果、理論上は、単一のメタマテリアルレンズで収差がほとんどないか全くなく、必要なシャープネスを実現でき、しかも非常に薄くて軽いパッケージで実現できる可能性があります。しかし残念ながら、これを実現する技術もまた非常に複雑です。光の波長はナノメートルスケールであるため、メタマテリアル「レンズ」の有効素子もナノメートルサイズに小さくする必要があるからです。
幸いなことに（ついにこの言葉が登場したのは嬉しいことですが）、ナノメートルスケールの微細構造を構築するエンジニアリングの経験が現在かなり蓄積されています。つまり、これらの大幅に改良されたレンズが、近いうちに消費者市場に登場することになるかもしれません。
