小さなメタマテリアル レンズが特大の画像をスナップ

「透明マント」を可能にする一種の光ワーピング物理学を利用して、科学者たちは、体積が 100 倍を超える市販のデジタル カメラと同等以上の写真を撮影できる小型軽量カメラを開発しました。スマートフォンやその他のポータブルデバイスが影響を受けていることが、新しい研究で判明した。

最近のカメラには通常、高品質の画像を撮影できるように複数のレンズが搭載されていますが、カメラが大きく重くなります。 このかさによって、ハイエンドのカメラがスマートフォン、ドローン、ビデオ機器などのモバイル デバイスに簡単に統合されることが妨げられます。

新しい一眼デバイスは、ソニーの光学系の 1 パーセント未満の体積で、プログレードのソニーのカメラと同等の解像度の画像を撮影しました。

カメラを小型化するために、科学者はメタ構造で作られた平面光学系の研究をますます進めています。メタ構造は、その構造が操作するように設計されているものの固有の波長よりも小さいスケールで繰り返しパターンを含む材料です。 電磁放射を操作するために作られた光学メタ構造は、予期せぬ方法で光を曲げることができ、その結果、ナノスケールの不可視マントやその他のデバイスが生成されます。

カメラの小型化を支援するもう 1 つの戦略は、ソフトウェアを使用して光学コンポーネントの欠点を修正するコンピュテーショナル イメージングです。 これまでの研究では、メタマテリアルで作られた光学系（メタ光学としても知られている）とコンピュテーショナルイメージングによって強化された光学系を組み合わせることで、わずかマイクロメートルの厚さの光学系を使用して高品質の画像が得られる可能性があることが示唆されています。

メタオプティクスの設計に関する大きな問題は、光とすべての光学コンポーネントの間の複雑な相互作用を計算機でモデル化する際に研究者が直面する並外れた困難にあります。 これは、メタ光学には理論的には大きな可能性があるにもかかわらず、科学者が最終的に製造するメタ光学材料は、従来の光学的方法よりも画質が著しく劣ることが多いことを意味する、と研究共著者であるフィンランドのタンペレ大学のカレン・エギアザリアン氏は述べている。

新しい研究では、研究者らは、これらのコンポーネントがどのように動作するかをコンピューターでモデル化するのではなく、実際のレンズとセンサーを使用して実験を実行する「ハードウェア・イン・ザ・ループ」戦略を検討しました。 これにより、メタオプティクスの開発に必要な処理要求が少なくとも 100 倍、メモリ必要量が少なくとも 10 分の 1 に劇的に軽減されたと研究者らは指摘しています。

結果として得られたハイブリッドメタオプティクスは、高さ 700 ナノメートルの正方形の窒化ケイ素柱でコーティングされた厚さ 500 μm の石英メタオプティックフィルムで覆われた厚さ 4.5 ミリメートルの標準屈折レンズで構成されていました。 実験では、科学者らはハイブリッドメタオプティクスとコンピュテーショナルイメージング技術を使用して、0.5～1.8メートル離れた画像の写真を撮影した。

新しい一眼デバイスは、Sony SEL85F18複合レンズを備えた市販のSony Alpha 1 IIIミラーレスカメラで撮影したものと同等かそれ以上の品質のフルカラー写真を撮影した、と研究者らは述べている。

「このハードウェアインザループ手法は、最先端のものと比較してより優れた光学系を生み出すことができます」と、研究共著者で同じくタンペレ大学のウラジミール・カトコヴニク氏は言う。

同時に、新しいデバイスはソニーのシステムの体積の 1% 未満でした。

「現時点で最も影響力のあるアプリケーションは、スマートフォン用にカスタマイズされた新世代のカメラの設計だと思います」と、英国ハーウェルの科学技術施設評議会で研究主著者のサミュエル・ピニラ氏は語る。 「私たちは生物医学への応用にも興味を持っています。」 将来の研究では、ハイパースペクトルイメージングや画像分類などのメタオプティクスへの応用も探求される可能性があるとエギアザリアン氏は言う。

新しいデバイスのハイブリッドメタオプティクスの幅はわずか 5 mm でした。 研究者らは、将来的には、より多くの光を集めて画質を向上させる、さらに広範なメタ光学を開発できる可能性があると示唆している。 しかし、そのような光学系の製造は「まだ発展途上の分野であり、所定の設計をうまく実装するには、さらなるブレークスルーが必要です」と、研究の共著者であるタンペレのイーゴリ・シェフクノフ氏は言う。

科学者らは、5 月 26 日に科学誌 Science Advances にオンラインで研究結果を詳しく発表しました。