新しい研究では、レンズ内の光学素子間のスペースをなくし、レンズを大幅に縮小する方法を提案している。ミニチュアレンズの研究はまだ初期段階だが、長望遠のモンスターレンズから数十億台の次世代スマートフォンに組み込まれたレンズエレメントウェーハに至るまで、あらゆるものに影響を与える可能性がある。
オタワ大学の研究者は、新しいタイプの次世代レンズを提案する論文を執筆した。これは、倍率、シャープネス、さらにはボケを増加させるのではなく、内部空間をよりコンパクトな固体層に置き換えることによってレンズを小型化するように設計されたもの。彼らはこれらの層を「スペースプレート」と呼んでいる。
ミニチュアレンズの現実性
スペースプレートは、カメラレンズの一般的な屈折要素とは異なる。これは、定義上、屈折によって光線が進む角度が変わるためだ。一方、スペースプレートは、入射光が反対側を出るときにその位置を大幅に変更するだけでなく、その光の軌道を変更しないようにすることを目的としている。
スペースプレートを出る光は、それが入るのと同じ角度で出る。ただし予想されるのとは異なる場所から出てくる。以下の図aを参照いただきたい。
これが意味するのは、スペースプレートが光を操作できるため、特定の軌道で実際よりも長い距離を移動したように見えるということだ。光線の角度は変わらないため、スペースプレートはレンズのフランジバックや倍率レベルに影響を与えない。光はレンズの後部からを出て、期待どおりにセンサーに当たるが、唯一の違いは、レンズから合焦点までの距離だ。
メタレンズ
研究者たちは、厚い領域を固体のスペースプレートの薄い領域に変えることによってレンズを小型化するという彼らのアイデアが、現代の光学における別のアイデアであるメタレンズとうまく調和しているという事実についてコメントしている。
メタレンズは基本的に、ガラスの小さなディテール（つまり、影響を与える光の波長よりも小さいディテール）を使用して、マテリアルの屈折率だけの場合よりも強力に光線をリードする。このようなレンズは非常に薄く、多くの場合フラットまたは実質的にフラットであるため、スマートフォンのカメラなどのアプリケーション向けに光学素子を非常に薄く積み重ねることができる。
しかしスマートフォンのカメラには、光線が収束するためのスペースを確保するためだけに、まだかなりのスペースがある。湾曲したレンズを超薄型ウエハーに小型化できるメタレンズと、大きな空きスペースをより超薄型ウエハーに小型化できるスペースプレートを組み合わせることで、小さく、完全に光学的に機能するレンズが期待できる。
現在の問題点
現在の問題の1つは、チームが意味のある強度のスペースプレートを作成するために必要な材料を模索中であること。チームは、光を曲げて少量のスペースを引き出すように設計されたシリコンとシリカの層を提案しているが、スペースプレートを実際のカメラレンズに統合するには、空のスペースの大部分を置き換えることができなければならない。空のスペースは軽く、複雑な材料はしばしば重い。
研究者たちはまた、スペースプレートの導入が本質的な欠点を伴う可能性があるかどうかわからないと述べている。おそらく、このタイプの屈折は、シャープネスや明るさに悪影響を及ぼし、色にバイアスをかけるだろう。しかし、それを探求するには、スペースプレートとメタレンズ-スペースプレート複合体の両方の研究を続ける必要がある。
ミニチュアレンズの革命
ソニーは最近、非常に小さなレンズのトリオを導入することで大きな波を起こした。スマートフォンは常に光学ズームや長い焦点距離に苦労しており、メタレンズとスペースプレートの複合体はその事実を変える可能性がある。
カメラ解像度、フレームレート、ビットレートなどはほぼ限界に近づいている今、多くの映像クリエーターが優先しているのは、サイズや重量などだ。
Link: nature communications
