軽量フレキシブルホログラフィックレンズが次世代宇宙望遠鏡への道を開く

巨大宇宙望遠鏡で系外惑星を発見するというコンセプトに着想を得て、研究者チームはホログラフィックレンズの開発を進めています。これは可視光と赤外線の星光を、焦点を結んだ画像またはスペクトルのいずれかに変換します。この実験的手法により、直径数十メートルもの軽量フレキシブルレンズを作製でき、打ち上げ時には巻き取り、宇宙で展開可能です。

2つの球面波を用いてホログラムを生成し、フィルムに記録される回折格子と、それが光に与える効果（超高感度で光を分離、または高分解能で集光）を精密に制御します。研究者たちはこのモデルが、系外惑星の分析など、極めて高い分光分解能を必要とする応用に有用だと考えています。

宇宙に打ち上げる望遠鏡（地球大気の影響を受けない視界を得るため）は、光を集光するガラスミラーの重量と嵩張りによって制限されます。これらのミラーは現実的にせいぜい数メートル径が限界です。対照的に、光を集光する軽量フレキシブルホログラフィックレンズ、より正確には「ホログラフィック光学素子」は、数十メートル幅にもできます。このような装置なら系外惑星を直接観測でき、それらが公転する恒星からの光への影響に基づいて検出する現在の手法から大きく飛躍します。

「地球2.0を見つけるには、直接撮像で系外惑星を見る必要があります。恒星を見て、恒星から分離した惑星を見る必要があります。そのためには高分解能と、本当に大きな望遠鏡が必要です」とヘイディ・ジョ・ニューバーグ教授は語ります。

ホログラフィック光学素子は、平面上に同心円状のプリズムを配列して曲面レンズの集光能力を模倣し、嵩張りをなくしたフレネルレンズの一種、の洗練版です。フレネルレンズの概念は灯台用として開発された19世紀に遡り、現代ではガラスやプラスチック製のフレネルレンズが自動車ランプ、マイクロオプティクス、カメラスクリーンなどに見られます。

しかし、感光性プラスチックフィルムを互いに異なる距離にある2つの光源に露光して作られるフレネルホログラフィック光学素子自体は珍しくありませんが、既存手法では光を集光するだけで、構成色に分離するレンズには限定されてきました。

新手法では、設計者は光を一点に集光するか、構成色に分散させて純色のスペクトルを生成するかを選べます。この手法は、互いに非常に近い位置にある2つの光源を用い、フィルムに向かって進行する同心円状の光波を生成します。それらは進行中に互いに強め合ったり打ち消し合ったりします。この収束・干渉パターンは、客員教授の謝美莉氏が開発した公式に基づいて調整可能です。それはフィルム上にホログラフィック画像として「記録」され、画像の構造に応じて、ホログラフィック光学素子を通過する光は集光されるか、または引き伸ばされます。

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