ナノ構造で作られた平面レンズが小型カメラとプロジェクターを変革

メタレンズがついに消費者の手に渡ります

走査型電子顕微鏡で撮影したメタレンズのこの画像は、光を操作するために使用されるナノピラーのサイズとレイアウトの変化を示しています。

今日のコンピューター、電話、その他のモバイル デバイスの内部では、ますます多くのセンサー、プロセッサー、その他の電子機器がスペースを争っています。 この貴重な資産の大部分を占めるのはカメラです。ほぼすべてのガジェットには 1 つ、または 2 つ、3 つ、またはそれ以上のカメラが必要です。 そして、カメラの中で最もスペースを占めるのはレンズです。

通常、モバイル デバイスのレンズは、透明な素材 (通常はプラスチック) の曲線を使用して光線を曲げ、屈折によって入射光を集めて方向付けます。 したがって、これらのレンズは、すでにある以上に縮小することはできません。カメラを小さくするには、レンズの焦点距離を短くする必要があります。 しかし、焦点距離が短くなるほど曲率が大きくなり、したがって中心の厚さが厚くなります。 これらの高度に湾曲したレンズにはあらゆる種類の収差も発生するため、カメラ モジュール メーカーはそれを補正するために複数のレンズを使用し、カメラが大型化します。

現在のレンズでは、カメラのサイズと画質が異なる方向に向かっています。 レンズをより小さく、より優れたものにする唯一の方法は、屈折レンズを別の技術に置き換えることです。

その技術は存在します。 それは、ハーバード大学で開発され、私がアプリケーション エンジニアを務める Metalenz で商品化されたデバイス、metalens です。 当社は、平らな表面上にナノ構造を構築する従来の半導体処理技術を使用してこれらのデバイスを作成します。 これらのナノ構造は、メタ表面光学と呼ばれる現象を使用して、光を方向付けて焦点を合わせます。 これらのレンズは非常に薄く、厚さは数百マイクロメートル、人間の髪の毛の約 2 倍です。 また、複数の曲面レンズの機能を 1 つのデバイスに統合できるため、スペース不足にさらに対処し、モバイル デバイスでのカメラの新しい用途の可能性が広がります。

メタレンズがどのように進化し、どのように機能するかを説明する前に、従来の曲面レンズを置き換えるためのこれまでの取り組みをいくつか考えてみましょう。

概念的には、光を操作するデバイスは、その 3 つの基本特性 (位相、偏光、強度) を変更することによって操作します。 あらゆる波または波動場をこれらの特性にまで分解できるという考えは、1678 年にクリスティアン・ホイヘンスによって提案され、すべての光学における指針となっています。

この単一のメタレンズ（ピンセットの間）では、柱の直径は 500 ナノメートル未満です。 拡大図の左下の黒いボックスは 2.5 マイクロメートルを表します。 メタレンズ

18 世紀初頭、世界で最も強力な経済諸国は、海運利益を保護するために、より大型で強力な投影レンズを備えた灯台の建設を非常に重視していました。 しかし、これらの投影レンズが大型化するにつれて、重量も増加しました。 その結果、灯台の頂上まで持ち上げて構造的に支えることができるレンズの物理的なサイズにより、灯台が生成できるビームのパワーに制限が課されました。

フランスの物理学者オーギュスタン・ジャン・フレネルは、レンズをファセットに切断すると、レンズの中心の厚さの大部分を除去しても、同じ光学パワーを維持できることに気づきました。 フレネル レンズは光学技術の大幅な進歩を表し、現在では自動車のヘッドライトやブレーキ ライト、オーバーヘッド プロジェクター、さらには灯台の投影レンズなど、多くの用途に使用されています。 ただし、フレネル レンズには制限があります。 1 つは、ファセットの平らなエッジが迷光の光源になることです。 もう 1 つは、ファセット面は、連続的に湾曲した面よりも製造や研磨を正確に行うのが難しいためです。 良好な画像を生成するために必要な表面精度の要件により、カメラのレンズには使用できません。

現在 3D センシングやマシン ビジョンで広く使用されている別のアプローチは、そのルーツを現代物理学の最も有名な実験の 1 つである、トーマス ヤングによる 1802 年の回折の実証に遡ります。 この実験は、光が波のように振る舞い、波が出会うと、波が伝わった距離に応じて、光が互いに増幅したり打ち消し合ったりすることを示しました。 この現象に基づくいわゆる回折光学素子 (DOE) は、光の波状特性を利用して干渉パターン、つまり、ドット、グリッド、またはその他の配列の形で、暗い部分と明るい部分が交互に現れる領域を作成します。形状の数。 現在、多くのモバイル デバイスは DOE を使用してレーザー ビームを「構造化光」に変換しています。 この光のパターンは投影され、イメージ センサーによってキャプチャされ、アルゴリズムによって使用されてシーンの 3D マップが作成されます。 これらの小さな DOE は小さなガジェットにうまく収まりますが、詳細な画像の作成には使用できません。 したがって、やはりアプリケーションは制限されます。

メタレンズに入ります。 フェデリコ・カパッソ教授、当時大学院生のロブ・デブリン、研究員のレザ・ホラーサニネジャド、ウェイ・ティン・チェンらが率いるチームによってハーバード大学で開発されたメタレンズは、これらの他のアプローチとは根本的に異なる方法で機能します。

メタレンズは、その上に半導体層を備えた平らなガラス表面です。 半導体には、高さ数百ナノメートルの柱の配列がエッチングされています。 これらのナノピラーは、従来の屈折レンズでは不可能な程度の制御で光波を操作できます。

海草で満たされた浅い沼地が水中に立っているところを想像してください。 波が押し寄せると海草が前後に揺れ、花粉が空中に飛び散ります。 入ってくる波を光エネルギー、ナノピラーを海草の茎と考えると、高さ、厚さ、他のナノピラーと隣り合う位置などのナノピラーの特性が、出現する光の分布をどのように変化させるかを想像できます。レンズから。

12 インチのウェハには、単一の半導体層を使用して作成されたメタレンズを最大 10,000 個保持できます。

メタレンズの機能を利用して、さまざまな方法で光の向きを変えたり変更したりできます。 光を赤外線ドットのフィールドとして散乱させ、投影することができます。 目には見えないこれらのドットは、距離を測定したり、部屋や顔をマッピングしたりするために多くのスマート デバイスで使用されています。 光をその偏光によって分類できます (これについては後ほど詳しく説明します)。 しかし、おそらく、これらのメタサーフェスをレンズとしてどのように使用しているかを説明する最良の方法は、最もよく知られたレンズのアプリケーション、つまり画像のキャプチャを検討することです。

このプロセスは、単色光源 (レーザー) でシーンを照らすことから始まります。 (メタレンズを使用してフルカラー画像をキャプチャすることは概念的には可能ですが、それはまだ実験室での実験であり、商品化にはほど遠いです。) シーン内のオブジェクトは、あらゆる場所で光を反射します。 この光の一部は、シーンに向かって尖った柱状のメタレンズに向かって戻ってきます。 これらの戻ってきた光子は柱の上部に衝突し、そのエネルギーを振動に変換します。 プラズモンと呼ばれる振動は柱を伝わります。 そのエネルギーが柱の底に到達すると、光子として放出され、画像センサーで捕捉できます。 これらの光子は、柱に入った光子と同じ特性を持つ必要はありません。 これらのプロパティは、柱を設計および配置する方法によって変更できます。

世界中の研究者が数十年にわたってメタレンズの概念を研究してきました。

1968 年に「ソ連の物理学ウスペキ」誌に発表された論文の中で、ロシアの物理学者ヴィクトル・ヴェセラゴはメタマテリアルのアイデアを地図上に載せ、負の屈折率を示す物質の存在を妨げるものは何もないという仮説を立てました。 このような材料は、通常の材料とは非常に異なる方法で光と相互作用します。 光は通常、反射の形でマテリアルで反射しますが、このタイプのメタマテリアルでは、水が流れの中の岩の周りを流れるように、光は周囲を通過します。

メタマテリアルの理論が研究室で実装されるまでには 2000 年までかかりました。 その年、カリフォルニア大学サンディエゴ校のリチャード・A・シェルビーらは、マイクロ波領域における負の屈折率メタマテリアルを実証した。 彼らはこの発見を 2001 年に『サイエンス』誌に発表し、人々が透明マントを想像する中で物議を醸しました。 (深く考えてみるのは興味深いですが、そのようなデバイスを作成するには、何千ものメタサーフェスを正確に製造して組み立てる必要があります。)

可視光で高品質の画像を作成する最初のメタレンズは、ハーバード大学のフェデリコ・カパッソの研究室から生まれました。 2016 年に実証され、研究の説明が Science 誌に掲載されると、この技術はすぐにスマートフォン メーカーの関心を集めました。 その後、ハーバード大学はその基礎的な知的財産をメタレンズに独占的にライセンス供与し、現在では商業化されています。

単一のメタレンズ [右] で従来のレンズのスタック [左] を置き換えることができるため、製造が簡素化され、レンズ パッケージのサイズが大幅に縮小されます。

それ以来、コロンビア大学、カリフォルニア工科大学、ワシントン大学の研究者らも、北京の清華大学と協力してこの技術を実証しました。

Metalenz が行う開発作業の多くには、デバイスの設計方法の微調整が含まれます。 解像度などの画像の特徴をナノスケールのパターンに変換するために、光波が材料と相互作用する方法を計算するのに役立つツールを開発しました。 次に、それらの計算を標準の半導体処理装置で使用できる設計ファイルに変換します。

モバイルイメージングシステムに導入された光学メタサーフェスの最初の波は、わずか数ミリメートル四方の単一の平面上に1,000万個のシリコン柱を持ち、各柱は光の正しい位相を受け入れるように正確に調整されており、骨の折れるプロセスです。たとえ高度なソフトウェアの助けを借りても。 メタレンズの将来の世代では、必ずしも柱の数が増えるわけではありませんが、傾斜したエッジや非対称の形状など、より洗練された形状になる可能性があります。

Metalenzは2021年にステルスモードから抜け出し、デバイスの生産を拡大する準備を進めていると発表した。 同社は集積回路の製造に使用するのと同じ材料、リソグラフィー、エッチングプロセスを使用してメタサーフェスを製造しているため、製造は設計ほど大きな課題ではありませんでした。

実際、メタレンズは、マイクロプロセッサが必要とする数十のリソグラフィ マスクとは対照的に、必要なリソグラフィ マスクは 1 つだけであるため、非常に単純なマイクロチップよりも製造の要求が低くなります。 そのため、欠陥が発生しにくくなり、価格も安くなります。 さらに、光学メタ表面上のフィーチャーのサイズは数百ナノメートル単位で測定されますが、ファウンドリは 10 ナノメートル未満のフィーチャーを備えたチップの製造に慣れています。

また、プラスチックレンズとは異なり、メタレンズはスマートフォン向けの他のチップを製造するのと同じ鋳造工場で製造できます。 これは、別の場所に輸送する必要がなく、現場で CMOS カメラ チップと直接統合できることを意味し、コストがさらに削減されます。

単一のメタオプティックをレーザーエミッターのアレイと組み合わせて使用​​すると、3D センシングで使用される高コントラストの近赤外ドットまたはライン パターンを作成できます。 メタレンズ

2022 年、ST マイクロエレクトロニクスは、Metalenz のメタサーフェス テクノロジーを FlightSense モジュールに統合することを発表しました。 前世代の FlightSense は、距離を検出するためにスマートフォン、ドローン、ロボット、車両の 150 以上のモデルで使用されてきました。 Metalenzテクノロジーを内蔵したこのような製品はすでに消費者の手に渡っているが、STマイクロエレクトロニクスは詳細を明らかにしていない。

実際、距離センシングは、近赤外線の波長で動作する現世代のメタレンズ技術にとって最適な機能です。 このアプリケーションでは、多くの家庭用電化製品会社が飛行時間型システムを使用しています。このシステムには、光を送信するコンポーネントと光を受信するコンポーネントの 2 つの光学コンポーネントがあります。 送信光学系はさらに複雑です。 これらには、レーザーからの光を収集し、それを平行光波、つまり光学技術者が呼ぶところの平行ビームに変換する複数のレンズが含まれます。 これらには、コリメートされたビームをドットのフィールドに変える回折格子も必要です。 単一のメタレンズですべての送受信光学系を置き換えることができるため、デバイス内のスペースが節約され、コストも削減されます。

また、メタレンズは、従来のレンズよりも少ない電力で広い範囲を照らし、より多くの光を必要な場所に向けることができるため、困難な照明条件でも点のフィールドの仕事をより適切に実行します。

従来のイメージング システムは、せいぜい、物体の空間的位置とその色と明るさに関する情報のみを収集します。しかし、光は別の種類の情報、つまり空間を伝わる光波の方向、つまり偏光を運びます。 将来のメタレンズのアプリケーションでは、偏光を検出するテクノロジーの機能が活用されるでしょう。

物体から反射する光の偏光は、表面の質感、表面素材の種類、センサーに反射する前に光が素材をどの程度深く貫通するかなど、その物体に関するあらゆる種類の情報を伝えます。 メタレンズが開発される前は、マシン ビジョン システムでは偏光情報を収集するために複雑な光学機械サブシステムが必要でした。 これらは通常、センサーの前で特定の角度に向けられた波のみが通過できるようにフェンスのような構造になっている偏光子を回転させます。 次に、回転角度がセンサーに当たる光の量にどのような影響を与えるかを監視します。

メタサーフェス光学系は、光から偏光情報を捕捉し、材料の特性を明らかにし、深さ情報を提供することができます。

対照的に、メタレンズにはフェンスは必要ありません。 入ってくる光はすべて通過します。 その後、単一の光学素子を使用して、偏光状態に基づいてイメージ センサーの特定の領域に光をリダイレクトできます。 たとえば、光が X 軸に沿って偏光している場合、メタ表面のナノ構造が光をイメージ センサーの 1 つのセクションに向けます。 ただし、X 軸に対して 45 度で偏光されている場合、光は別のセクションに向けられます。 その後、ソフトウェアはすべての偏光状態に関する情報を使用して画像を再構成できます。

この技術を使用すると、これまで大型で高価だった実験装置を、スマートフォン、自動車、さらには拡張現実グラスに組み込まれた小型の偏光解析デバイスに置き換えることができます。 スマートフォンベースの旋光計を使えば、リングの石がダイヤモンドかガラスか、コンクリートが硬化しているかもっと時間が必要か、高価なホッケースティックが買う価値があるか、それとも微細な亀裂が入っているかなどを判断できるようになるかもしれない。 小型偏光計を使用すれば、橋の支持梁が破損する危険があるかどうか、道路上の一部が黒氷なのか濡れているだけなのか、あるいは緑の一部が実際には藪なのか、それとも道路を隠すために使用されている塗装面なのかを判断することができます。タンク。 これらのデバイスは、人物の 2D 写真では 3D の顔とは異なる角度で光が反射し、皮膚からの反射とは異なる反射がシリコーンマスクから反射されるため、なりすまし防止の顔識別を可能にする可能性もあります。 ハンドヘルド偏光子は、遠隔医療診断を改善する可能性があります。たとえば、偏光は腫瘍学で組織の変化を検査するために使用されます。

しかし、スマートフォン自体と同様に、メタレンズが私たちをどこへ連れて行ってくれるのかを予測するのは困難です。 Apple が 2008 年に iPhone を発表したとき、それが Uber のような企業を生み出すとは誰も予想できませんでした。 同様に、メタレンズの最もエキサイティングな用途は、おそらく私たちがまだ想像すらできないものです。