理化学研究所が焦点距離可変のメタレンズを開発

理化学研究所が、光の偏光を変えるだけでズームが可能な焦点距離可変メタレンズを開発しています。

･焦点距離を変えられるメタレンズを開発

  • 理化学研究所光量子光学研究センター フォトン操作機能研究チームの田中 拓男 チームリーダーらの国際共同研究グループは、光の偏光で焦点距離を制御できるメタレンズを開発した。本研究成果は、超小型のデジタルカメラや光学顕微鏡、光学センサーなど小型で高性能な光学機器の創出に貢献すると期待される。

riken_zoom_metalens_001.jpg

  • 今回、国際共同研究グループは、入射する光の偏光方向を変えるだけで焦点距離が変化するメタレンズの開発に成功した。メタレンズとは光の波長よりも細かなナノメートルスケールの人工構造によって構成されるレンズで、わずか750ナノメートルの厚みしかない極薄のレンズ。このメタレンズを構成するナノ構造を特定の光の偏波（偏光）にのみ応答するように設計し、光の偏光方向を変化させることでレンズの焦点距離を自在に変化させることに成功した。
  • 焦点距離を変化させることが可能なレンズは、これまでは複数枚のレンズで光学系を構成し、レンズ間の距離を機械的に変化させて実効的な焦点距離を定める手法が主流で、光学システムそのものが複雑化、大型化するといった課題があった。そこで、国際共同研究グループは、特定の光の偏光にのみ応答するナノ構造を利用して、光の偏光を変えるだけで焦点距離を変えられる、新しい焦点距離可変メタレンズを開発した。
  • この焦点距離可変メタレンズでは、特定の方向の偏波を持つ光（偏光）にのみ応答する異方的な特性を有するナノ構造が鍵となる。このナノ構造は直方体の窒化ガリウム（GaN）で構成され、横幅（W）や奥行き（L）などのサイズを変化させると、光波が照射された際にその光波に与える位相を変えることができる（図1a）。さらにWとLが異なる非対称な構造を特定の方位に配列させることで、ある方向の偏光のみに位相ずれを与えることができる。

riken_zoom_metalens_002.jpg

Canon EXPO 2023の展示で話題になっていた超薄型のメタレンズですが、理化学研究所が、このメタレンズの超薄型を維持したままズームレンズにする技術を開発しました。この技術を利用したメタレンズが製品化されれば、スマートフォンのカメラが飛躍的な進化を遂げるかもしれませんね。この技術で、どの程度の画質が実現できるのかも気になるところです。