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ハーバード大学、可視光線の全領域を一点に集束できるメタレンズを開発

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本記事は、A New Type of Lens That Could Revolutionize Virtual Reality | Metalens
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約2分29秒

●  ハーバード大学の研究者はすべての可視光スペクトラムを特定の1点に高解像度で集束できるメタレンズを開発

●  すべての波長の光を均等に集束させる二酸化チタンナノフィンを使用し、色収差を排除

●  メタレンズはリソグラフィー、顕微鏡額、内視鏡検査、仮想現実、複合現実を含む新しい可能性を開く

 

メタレンズは、ナノ構造を使用して光を集束させる平面レンズです。既存の厚く湾曲したレンズに代わる可能性をすべて秘めていますが、正確に焦点を合わせることができる光スペクトラムに制限がありました。

 

ハーバード大学のジョンA.ポールソン工学部および応用科学部の研究者は、すべての可視光スペクトラムを特定の場所で高解像度で集束させるのに十分な能力を備えた新しいメタレンズを開発しました。これまでは複数の往来のレンズを積み重ねることでのみ可能でした。

 

これにより、研究者たちはカメラ、拡張現実、仮想現実などの通常の光学デバイスだけでなく、高度な光学デバイスにも薄いレンズを組み込むことができるようになりました。ハーバード大学の研究者たちがどのようにこの工程を達成したか詳しく見てみましょう。

障害

主に、各波長はさまざまな速度で素材を通過するため、可視スペクトルの全領域(白色光を含む)を一点に集束させることは非常に困難です。例えば、青い光は赤い光よりもゆっくり通過するため、2つの色は特定の点に異なる時間で到達し、異なる焦点を結び画像に歪みが生じます。この歪みは色収差と呼ばれます。

 

これらの収差を調整するために、すべての光学デバイスは異なる厚さの複数の湾曲レンズを使用し、機器に厚さを加えます。

メタレンズと設計

メタレンズには往来のレンズに比べていくつかの利点があります。製造が容易で、薄く、費用効果が高いことです。研究チームは可視光全体にわたってこれらの利点を活用しています。

 

新しいメタレンズは、すべての波長の光を均等に集束させる二酸化チタンナノフィンを使用して、色収差を排除します。これを行うために、研究者たちは、ナノフィンの幅、高さ、距離、形状を微調整することによって、異なる波長を特定の点に焦点を合わせることができることを実証する過去の研究からくつかのアイデアを取り入れました。

新しいデザインでは、ペアのナノフィンが異なる波長の速度とメタレンズの表面の屈折率を同時にコントロールします。これにより、異なるフィンを通過する波長に可変の時間遅延を生じさせ、すべての光は焦点に同時に到達します。

 

ナノ構造材料の光速は、2つのナノフィンを1つの要素にマージすることで調整できます。アクロマチックレンズと比較して、厚さが大幅に減少し、複雑さも軽減します。

 

具体的には、研究チームは470~760ナノメートルの回析限界のアクロマティック集束と画像化を実証しました。新しいメタレンズには、波長のオーダーの厚さのナノ構造の単層のみでできており、空間的な多重化やカスケードは含まれません。

 

同じ設計の原理を電磁スペクトルの他の領域にも適用することができます。より大きな直径とより大きな開口数を持つアクロマティックメタレンズを実現するには、異なる寸法のナノフィンの複数の組み合わせによってサポートされる、より広い範囲の群遅延が必要です。これは、さまざまな分散技術によって、または単純にナノフィンの高さを上げることによって実現可能です。

この研究では、二酸化チタンのナノ構造が約4.5マイクロメートルの高さで実証されており、これは約37フェムト秒(1015 秒)の郡遅延に対応します。

 

メタレンズのカスケード層は群遅延をさらに増加させる可能性があり、これにより広い視野内で単色収差を補正するための追加の自由度が導入されます。かつては、収差補正器として機能するメタレンズを屈折球面レンズと組み合わせることができます。

 

より大きなレンズ口径と小さな色焦点距離シフトの利点を活用しながら、球面レンズの色収差と単色収差を同時に補正できるため、有望に見えます。

 

今後

ハーバード大学は商用レベルで開発を開始するための技術を既に取得しており、プロジェクトの知的財産を保護しています。

 

研究は現在、レンズの直径を1cmに拡大することを目指しています。これにより、リソグラフィー、内視鏡検査、仮想現実、複合現実などの幅広い用途に活用できる可能性があります。

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