ハーバード大学の平面メタレンズが色収差を除去し、仮想現実に革命をもたらす

• ハーバード大学の研究者は、すべての可視光スペクトルを高解像度で特定の 1 点に集中できるメタレンズを開発しました。
• 光のすべての波長を均等に集束させ、色収差を排除する二酸化チタン ナノフィンを使用しています。
• Metalens は、リソグラフィー、顕微鏡法、内視鏡法、仮想現実、複合現実などのアプリケーションを含む、新たな可能性を広げます。

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を置き換えるあらゆる可能性を秘めています。ただし、正確に焦点を合わせることができる光のスペクトルには限界がありました。

ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院の研究者らは、すべての可視光スペクトルを高解像度で特定の場所に集中させるのに十分な機能を備えた新しいメタレンズを開発した。これまでのところ、これは 2 つ以上の従来のレンズを積み重ねることによってのみ可能でした。

これにより研究者は、カメラ、拡張現実、仮想現実デバイス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型レンズを組み込むことに一歩近づきました。ハーバード大学の研究者たちがどのようにしてこのマイルストーンを達成することができたのか、詳しく見てみましょう。

ハードル

光の可視スペクトル全体 (白色を含む) を 1 点に集中させることは非常に困難です。これは主に、異なる波長が異なる速度で物質を通過するためです。たとえば、青色の光は赤色の光よりも遅く進むため、これら 2 つの色は異なる時間に特定の点に到達し、焦点が異なり、画像が歪みます。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 2 つ以上の曲面レンズを使用しており、機器がかさばります。

メタレンズとデザイン

メタレンズには、製造が容易で、薄く、コスト効率が高いなど、従来のレンズに比べていくつかの利点があります。研究チームは、光の可視スペクトル全体にわたってこれらの利点を活用しました。

新しいメタレンズは、光のすべての波長を均等に集束させ、色収差を排除する二酸化チタンのナノフィンを使用しています。これを行うために、研究者らは、ナノフィンの幅、高さ、距離、形状を微調整することで、異なる波長を特定の点に集中させることができることを実証した以前の研究からいくつかのアイデアを取り入れました。

メタレンズの側面図を示す電子顕微鏡、スケールバー – 200 nm | Capasso Lab/ハーバード SEAS

新しい設計では、ペアになったナノフィンが、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制御します。これにより、すべての光が同時に焦点に到達するように、異なるフィンを通過する波長に可変の時間遅延が与えられます。

ナノ構造材料内の光速度は、2 つのナノフィンを 1 つの要素に統合することによって調整できます。色消しレンズと比較して、厚みが大幅に軽減され、設計の複雑さも大幅に軽減されます。

具体的には、チームは470ナノメートルから760ナノメートルまでの回折限界の色消し集束とイメージングを実証した。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一層のみが含まれており、空間多重化やカスケードは含まれていません。

同じ設計原理は、電磁スペクトルの他の領域にも適用できます。より大きな直径とより大きな開口数を備えた色消し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、または単にナノフィンの高さを増やすことで実現できます。

フラットメタレンズ |画像クレジット:Jared Sisler/ハーバード SEAS

この研究では、約 37 フェムト秒 (10-15 秒) の群遅延に相当する高さ約 4.5 マイクロメートルの二酸化チタンのナノ構造が実証されました。

参照:ネイチャー ナノテクノロジー | 土井:10.1038/s41565-017-0034-6 | ハーバード SEAS

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自由度がさらに高まります。 Once は、収差補正器として機能するメタレンズと屈折球面レンズを結合することもできます。

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。

次は何ですか?

ハーバード大学はすでにこのテクノロジーを商業レベルで開発するために新興企業にライセンス供与しており、プロジェクトの知的財産を保護しています。

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研究では現在、レンズの直径を 1 センチメートルまで拡大することを目指しており、これにより、リソグラフィー、顕微鏡検査、内視鏡検査、仮想現実および複合現実での応用を含む、新たな可能性が広がる可能性があります。