自然の法則を曲げることで、携帯電話のカメラはデジタル一眼レフカメラと同じくらい鮮明になる可能性がある

砂粒ほどの大きさの新しいレンズが、いつの日か、あの巨大な DSLR レンズと競い合い、鮮明な写真を撮ることができるようになるかもしれません。

ハーバード大学の科学者グループは先週、サイエンス誌で新しい「メタレンズ」を発表し、写真撮影から顕微鏡や望遠鏡などの光学機器まで、あらゆる画像処理に応用できることを期待している。これらのレンズは直径わずか2ミリと小型であるだけでなく、現在業界で使用されているレンズよりもはるかに安価になる可能性がある。

「かさばる光学系を置き換えたかったのです」と、この研究の筆頭著者であるモハマドレザ・コラサニネジャド氏はポピュラーサイエンス誌に語った。 「コストを2桁か3桁下げることができます。」

これにより、最高級レンズの価格が 1 レンズあたり 5,000 ドルから 5 ドルに下がる可能性があります。

DSLR カメラの分厚いレンズ (および顕微鏡や望遠鏡などのレンズ群) が非常に大きいのは、空飛ぶ円盤のような形をした湾曲したガラスの破片で作られているからです。ガラスは通過する光線の形を変え、光線を曲げて焦点で合わせます。しかし、ガラスの端を通過する光は焦点を通り過ぎてしまうため、画像がぼやけてしまいます。そこでレンズメーカーは、いわゆる球面収差を補正するために、さらにレンズを追加します。

メタレンズでは球面収差は問題にならない。メタレンズは、曲面ガラスを、二酸化チタンでできた小さなドミノのような構造の配列で裏打ちされた平らな石英片で置き換える。この材料は、日焼け止めや塗料などの家庭用品によく使われている。

ドミノ構造は特定のパターンで構成されており、それぞれがレンズを通過する入射光線を曲げます。すべてのドミノの複合効果により、入射光線がすべて誘導され、焦点が合わせられます。

欠点もいくつかある。研究グループは特定の色を対象とする 3 つのメタレンズをテストした。レンズは 405、532、660 ナノメートルの波長の光を屈折するように作られており、これらの波長は青紫、緑黄、赤に対応する。他の色の光では画像がぼやけてしまうため、ホラサニネジャドと研究グループは次に、こうした「色収差」、つまり色収差に取り組んでいる。

メタレンズは、ごく小さなディテールを解像する点で従来のレンズを上回り、最も重要なのは、効率がほぼ同等であることだ。レンズを通過する光のすべてがカメラに入るわけではない。2011年に行われた最初のテストでは、メタレンズを通過した光はわずか1%だったと、コラサニネジャド氏は述べた。サイエンス誌に掲載された論文によると、メタレンズの1つが効率で従来のレンズを上回り、テストされた他の2つのレンズもそれに近い結果だった。

しかし、いつになったら iPhone にメタレンズが採用されるようになるかはわかりません。カメラのレンズから実際に光を受け取るセンサーのサイズも、鮮明な画像を作る上で重要な要素であり、センサーが大きいほど一般的には写真の質が高くなります。さらに、レンズが 1 色の光にしか対応していない限り、現時点ではレーザーを使用するのが最適です。しかし、Khorasaninejad 氏はインパクトを与えることに興奮しています。

「これは応用のための科学であり、コストを削減し、既存のシステムの質を高めることができる新しいものを作るための科学です」と彼は語った。