ハーバード大学の研究チームが色収差ゼロの極薄のフラットレンズを発表

東洋経済ONLINE に、薄い平面レンズだけで光を結像させる「アクロマティック・メタサーフェス」に関する記事が掲載されています。

「極薄フラットレンズ」が作るカメラの新常識

  • レンズというものは、ある程度の厚みがあってカーブした表面を持っている。ところが、同研究チームが発表したレンズは極めて薄く、実質的にフラットで、さらに色収差も生じない。
  • この極薄フラットレンズは、ガラスの基盤にシリコンのアンテナがついたもので、光はそこを通過するときに瞬間的に曲げられる。屈折率はアルゴリズムを使って決定でき、さまざまな用途に合わせたものが設計できるという。
  • 色収差の補正には、従来とはまったく異なる方法で、新しい極薄フラットレンズでは、レンズ表面のシリコンアンテナを使うことで、さまざまな波長の光を同じ角度に曲げることができる。それによって、厚みのある複数のレンズを通過させる必要がなくなり、レンズは圧倒的に薄くできる。
  • 現時点でこの「アクロマティック・メタサーフェス」は光の3要素である赤、緑、青の3つの波長の光を同じ角度で屈折させ、同じ距離に合焦させることができるようになっている。
  • 実現したとしたら、光学の世界には大変革が起こるだろう。プロカメラマンのレンズは軽くてペラペラなもので十分になるかもしれない。

 

まだ研究段階の技術のようですが、もしこの技術が実用化されればこれまでのレンズの常識が覆るような製品が登場するかもしれませんね。将来、この極薄フラットレンズの写真用レンズが実現すれば、レンズが驚くほど小型化されることになりそうです。
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情報を教えてくださった方、ありがとうございました。

2015年3月 7日 | コメント(55)

コメント(55)

シリコンのアンテナという表現から思うに、素人には理解できそうもない光屈折の仕組みなんですね。レンズ豆に全く似ていないのにこれをレンズと呼べるのか?という疑問さえ出てきますね。しかし、これが実用化されたらとてもレンズが軽量化されるのでしょう、楽しみです。

これだけの情報だと「分解能が伴えば」って感じかなあ。

すごいですね、夢のような技術です。レンズがレンズあるがゆえの収差は無くなりますね。
50年も前に自由にガラスの屈折率を変えられたら、単焦点もズーム無くなるというような夢想をして人から笑われましたが、夢よりも現実の方が進んだ感じがします。
実用化にむけて是非日本メーカ全体で取り組んで貰いたいものです。

元記事を興味深く拝見しました。
まだまだ、開発途上でしょうが、面白い技術だと思います。
ただ、ザイデルの5収差。これらを積極的に補正していかなければ、まともなカメラレンズはできませんから、カメラレンズがペラペラになる???筆者の力量でしょうが、カメラレンズナメんな(笑)
と思わずツッコみたくなりましたヨ・・

大口径レンズにも適用できるなら(正直なところ、こちらも期待は現時点では薄いでしょうが)、記載にある通り、シンプルな天体望遠鏡の対物レンズは可能になりそう。
その他の収差補正は、結局、レンズ系で補うしかないでしょうから、レデューサ、フラットナーレンズは従来通り必要でしょう。

でも、この技術が発展して、カメラレンズにも使用されてくると、回折レンズや蛍石に置き換わるものになると思えます。
つまり、収差補正があるので、ペラペラには絶対にならないけれど、軽量化には大きく貢献されるんじゃないかな。

いずれにしても、ナノテクを応用した面白い技術ですし、今後の発展に期待したいと思います。

これまでとは次元の違う製品が出てきそうで楽しみです。

早く試作品を作ってほしい
とても気になる技術です

いやー、大変興味深いお話ですね~。でも、広角、望遠などはどのように処理するのでしょうか??? 軽いレンズに軽いカメラ、いいことだと思います。技術の完成を楽しみにしています。

もし実用化されたら、今のレンズ技術は無用のものになるのでしょうか。
そうなると、日本のカメラ産業は大打撃です。日本潰しにならないようお願いしたいですね。

>ザイデルの5収差。これらを積極的に補正していかなければ、まともなカメラレンズはできませんから

球面レンズじゃないんだから、ザイデル収差自体が存在しないのでは? 一点に像を結ぶようにアンテナとやらを調整すればいいのでは?

ゆーとさん、これ実現したらレンズは1枚で済みすそうだから、ペラペラって言う表現はあながち間違ってないかと。

フォーカスや倍率も変えないといけないだろうから
1枚って事はないでしょうが今までに無いレンズが
出来るようになるなら楽しみですね!

残念ですが、プロ用のレンズがペラペラになることは無いと思われます。
恐らく、今まで収差補正に用いていたレンズ群が、これに置き換わるくらいの話でしょう。
それでもかなりの軽量化が予測出来るので、充分に有り難い話なのですが。。。

収差・解像度・コーティングなど、これ一枚でどうにかなる話ではないので、
光学系の革命は言い過ぎかもしれませんので、その第一歩というのが率直な感想です。

フレネルレンズのようで面白い。
フレネルレンズの溝をシリコンアンテナに置き換えたようにも見える。
今後のこの技術が発展すれば視力矯正用も含め新しい可能性が広がりそう。

BBC7さん、
あ、そうか、非球面レンズの様に調整すれば・・?
でも、元記事のλ1、λ2、λ3の光線写真。赤だけすげー、太くなってますよね。あれって収差のせいだと思うんですが、どうなんでしょうね・・。
デジタルディスプレイが何を指すのか、判断難しいですが、個人的には、カメラレンズへの応用は、ライター側の勝手な思い込みな気がしてしまいます。

回折格子との差が良くわかりませぬ…。

感性的な話で申し訳ありませんが、ライカレンズの味は収差を少し残す事にあると聞いた事があります。もし正確だけど写りすぎて味気ない画像になるのなら、進歩とは何だったのだろうと思うでしょうし、枚数の少ないペラペラのレンズになるのなら、ずっしり分厚いガラスの感触が好きなレンズマニアにとっては、嫌な時代になるのでしょうか? 

強度が必要だからレンズには、ある程度の厚みは必要だそうですよ。
収差がなくなると所謂「味」というヤツも無くなっちゃいますね。
写真用レンズ以外の所で使われる用になるんじゃないかなぁ。

私の解釈が間違っていなければ、これは回折格子の構造周期を上手く調整して可視光中で3回干渉条件を満たすようにした、と聞こえます。とすれば、赤・青・緑と規定した3つの波長以外では発散してしまうということになるのではないでしょうか。

この構造ではどんなに頑張っても実環境のような広いスペクトル幅には対応できないことになりますし、工業用ならばまだしもカメラレンズになることはないと思われます。

それに、以前より効率を上げたとは言ってもまだまだ干渉縞と思われるフレアが強く残っていますね。

「これはほとんどのデジタルディスプレイに使えることを意味する。」とか、わけのわからない訳がありますが、元記事のソースを見ると、ライターの誤訳ですね。
http://www.seas.harvard.edu/news/2015/02/perfect-colors-captured-with-one-ultra-thin-lens

該当部分は、「A flat lens can thus create a color image—focusing for example red, green, and blue, the primary colors used in most digital displays. 」です。
前段のくだりは省略しましたが、誤訳があるんでそこも含めて訳してみると、

「回折格子と異なり、全く同じ方向に3波長を偏向し、同じ位置にフォーカスできることから、“フラットレンズは、ほとんどのデジタルディスプレイで用いられる原色である、赤色、緑色および青色などを集束させてカラー画像を作ることができる。”」
って感じですか。

偏光方向をコントロールしない波長はどうなるのかな?という疑問もありますが、理論的にはコントロールできるのは3波長に限られるわけではないんでしょうし(たぶん)、いろいろと研究が進むと面白そうですね。

色収差の補正が容易になるからといってペラペラになるって事はないですよね。
焦点距離に合わせて湾曲率を変化させられるセンサーが誕生したとしても
レンズがペラペラ、は無理。
でもこの二つが揃えばシステムサイズは半分くらいですみそうなので
特に広角・望遠ズームメインの方にはすごい恩恵がありますね。
すぐ壊れそうだけど。

昔話に合った液晶を使ってフレネル化した平面レンズとは違うんですね
要するにものすごく分解能を上げたフレネルレンズなのでしょうか
液晶と違って屈折率分布を変化させて単一レンズで動的な光学特性を得られないけど液晶より高精細な感がありますね
これ前のレンズより高性能なものができるとは現段階では思えませんが分解能を要求しないデバイスにはいいかもしれませんね

素人考えで申し訳ありませんが、
この技術のレンズができたとしても、PLフィルター使えないのでは? 虹とか撮影できないのでは?
とか思いましたが、そういう心配はないのかな?

個人的には、逆プリズム効果的なイメージを連想しましたが、根本的に道のすごい技術なんでしょうね。

読んでみましたが、
ガラス表面にナノ化したシリコンを溝状にコーティングした
レンズと解釈しました。

中心部は光りの屈折が弱いですが、
周辺部は大きくなりますから、大口径レンズの場合は
屈折率を上げる為にコーティングにかなり無理が出る
様な気がします。
周辺に行くに従って暗くなるような気がしますが
どうなんでしょうか?

今のレンズでも周辺減光はあるので、
ひょっとするとそんなに変わらないかも!?

 一般に実験室レベルで成功した技術が、庶民に行きわたる様になるまで20~30年くらいかかるのが普通らしいですから、下手したら私はこの世にいないかも~。

メタマテリアルの一種かな?

ゆーとさん
鋭いです。元記事の画像はRGB毎に集光はできてますが、結像には程遠い状態です。特にRとGは散乱もしていて、このままではコントラストが低く、しかも像はかなりぼやけた状態と思われます。

シリコンアンテナが、電気的に可変なら焦点距離やフォーカスもコントロールできるるかも知れませんが色収差補正に複数枚のレンズを使っていたのが薄い一枚にできる、ということでしょうか?
全郡繰り出しのトリプレットならペラペラ一枚のレンズができるかも知れませんが、
ズーム、フォーカス、近距離補正など群の移動が必要なレンズはペラ一にはならない?

しかし夢のあるお話です!

いわゆる実現化されればパラダイムシフトですね
もちろん面白い事ですので数年後を楽しみにしています。

コンピューターのおかげでレンズの性能は平準化。 これからは微細レベルが競争の舞台・・・ガラス材を選ぶ時代からガラス材の特性自体を設計する時代になるのでしょうか。 しかし次から次へと大変だなぁ。

折よくデジカメWatch に ニコンの新型 300mm PF のインタビュー記事が掲載されていたので、余計にそう感じます。

アマチュア無線をやっていた程度の文系でよく分かりませんが、光も電磁波なので波長に合ったシリコンアンテナで同一点に収束させるようなことなのでしょうか?
光の屈折は空気とガラスの密度の違いから出来るのですが、それとは別のとらえ方で光を一点に集めるのでしょう…。

球面所以の屈折を使わなくても曲げることが可能なのであれば、集光は平面で可能とも読める記事でしたが...とはいえ集光と結像の最低2枚は必要なのかと想像しました。無収差であればたった2枚で像を結ぶのかと思うだけでブレイクスルー来た!と思い.....たいです。

夢のある話ですね。
この手の話の多くは、“○○年に実用化を目指す” というところまできて初めて現実味を帯びるので、まだ課題も多いのかもしれません。
LED然り、技術課題のブレイクスルーは突然やってくることもあるので続報を気長に楽しみに待ちたいですね。

元記事を見てないので間違ってるかもしれませんが、光学レンズはアナログの世界ですので、デシタルのRGBの3色だけの屈折率を合致させてもニュートンがプリズムに白色光を通すことで発見した全てのスペクトルの屈折率を合致させられなければ光学レンズへの適用は難しいのではないでしょうか。現在、音楽CDのハイレゾ化が進展しつつあるようですが光学レンズはLPレコードやマスターテープとおなじアナログですからね。但し、シリコンアンテナで全てのスペクトルで屈折率合致が可能になるのなら低分散レンズや特殊低分散レンズの代わりにはなるのでしょうかね。

30年前に地方のとある飲み屋で
光学屋さんと同席して盛り上がったことがあった。

可視光線は帯域が確定しているんだから
反射電磁波を取り込むんだったら
レンズではなくて電磁ラッパみたいのでいいんじゃないと
冗談めかしに言ったら考え込んでしまったようだった

次の日に偶然同じ酒場で遭遇したら
あれから夜中にホテルで考えましたけど
今の技術では解像度が難しいと思いますと言ったのを憶えている

真面目な人だなぁとの印象が強かった。
また、今は素材が進化したんだなぁとの感慨がある。

素材、発想とも光学系のものではないので
パラダイムシフトだと面白い
研磨から一発形成、そしてアンテナですか(笑

世の中楽しませてくれますね

元記事の図を見る限り、レンズ1枚で色収差なしに焦点を結ぶことができるということですよね。それが実用化されたら画期的ですね。
問題は光の透過率かな?と思うのですが、そのあたりはどうなのでしょうか?

元になった論文は以下のURLで公開されていますので、興味のある方はお読みください。
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1411/1411.3966.pdf

波長よりも小さな構造でおこる光の波の共振を利用して波の進行方向を曲げているのですが、構造が一種類の場合は、この曲がり方は波長に依存します。論文は、複数の構造を組み合わせることで、幾つかの波長の光をほぼ同じように曲げることが出来たとの報告です。要は、アクロマートと言えなくもない程度の色消しの方法が開発された段階で、現在のレンズ光学系の方がよほど高性能です。

なお、図中にRGBで表された光も、本当の波長は1300, 1550, 1800 nmの赤外光です。

数年後に8Kフォトにこのレンズを付ける時代がくるのかな?

ちょっとつまらないかも…^_^;

シリコンの寿命がレンズの寿命になってきそうですね。
スマホなど厚みを抑える分野かラインセンサーや光学ドライブのピッカーなど大量生産が必要な部分で試されまずは活用されるのかな?
カメラと言っても色々あるし、耐用年数に疑問が残るなら回転の早い分野で先ずはってなるんじゃないでしょうか。
それにしても面白そうだし、興味深い。

応用光学の分野で、夢のある久々に面白い論文です。
ただ、回折光学系の場合、色収差を補正するだけでは、実際の写真用光学系として使うのはそう簡単ではなさそうです。
なかなか面白いブログがありますので載せておきます。

http://zoneplate.exblog.jp/

光も電波の一種ですからアンテナで収束させるとか
そんな感じなのでしょうかね

使われるなら回転の速い薄型情報端末向けに利用されそうな気がします。ところでもしカメラレンズとして使うなら絞りを何処に? 前? 後? どうでしょう?

一刻も早く実用化されて欲しいですね。
レンズは小型軽量化されたほうがユーザーもメーカーも恩恵を受ける人は多そうです。もちろん性能は維持されたままで。

メタマテリアルレンズですね

勘違いしてる人が多いですね
微小回路(LC共振回路)に電磁波をあてることで屈折率を制御する技術で
今までは材料によって屈折率が決まっており、レンズが重くなっていましたが
この技術によって材料の縛りが無くなり屈折率が制御でき紙のように薄いレンズを作成することができます。

メタマテリアルだとすると、透過率が悪そうな気がします。

なんかよくかんがえたら、
同様のことをコーティングで実現できそうな気も。
素人考えで申し訳ありませんが。

これって、光源を3原色に絞って、「投影」するためのレンズじゃないでしょうか?なので、ディジタルディスプレィ用かと。
カメラのレンズのように、全部の波長(自然光)に対して機能するとは思えないのですが・・・。

元論文:
http://www.sciencemag.org/content/early/2015/02/18/science.aaa2494
http://arxiv.org/pdf/1411.3966.pdf

アプローチは面白いですが、元論文(arxiv)の図4,5,6からも明らかな通り特定の3波長でfocusされているだけで、色収差がない"achromatic"とは全く異なる技術です。元論文のタイトルにあるachromaticという言葉が一人歩きしてしまっている状態と言わざるを得ません。また、さらに多数の波長でfocusするように設計することは可能ですが、その分だけレンズの集光効率が落ちるため、真の意味での色収差がないレンズを作ることはこの方法では不可能です。

皆さん詳しいですねw
チンプンカンプンですが素人考えだと、フラットなレンズならもはや丸じゃなくてもと考えてしまいます

メタマテリアルは普通レンズのように三原色全てを屈折させるのでは無く特定波長のみ屈折します。
波長ごとに焦点を合わせれば色収差は発生しません。

回路自体は非常薄いので積層すれば広範囲の波長に対応可能です。

追記ですが
ミラーレスデジカメでしたらRGBの3波長のみあれば問題ありません。

>タラさん
元論文を斜め読みした感じだと屈折させる波長についてはかなりスペクトルが狭く、自然光下では、センサー側のRGB原色フィルタの透過スペクトルに対してヌケが多すぎるため、画にならない(少なくともレンズ交換式でグラスレンズと併用はできなさそう)かと思います
光量も長波長側並に確保出来たとしても、各色1/10以下になってしまいます

rgbで集光できたら、白色光源には対応できるじゃないですか。
問題なのは単色光であって、普通の山なりのスペクトルには十分だと思います。
あとは演算でカバーですね。

キヤノンのDOレンズとどう違うのかな。

回折を起こす微細構造の形状が違うから特許に引っかからないとかそういう話なのかなぁ。


これだとピークの前後20nm近辺で回折率がほぼ0になるので対応した3波長の三原色による光源でない限り、白色光には対応できないかと思います
被写体のピーク周波数がどこにあるかで上下幅が大きすぎるので


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このページは、2015年3月 7日 に公開されたブログ記事です。

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