【光学】メタレンズ

概要

メタレンズ（Metalens）とは、メタサーフェス技術を用いて作られた、超薄型の平面レンズです。
従来のレンズはガラスやプラスチックを曲面状に加工して光を屈折させていましたが、メタレンズはナノメートルサイズの微細構造を平面上に配置することで光を集光・制御します。

その結果、

• レンズの劇的な薄型化
• 光学系の軽量化・小型化
• 新しい光制御機能の実現

が可能となり、スマートフォン、AR/VR、センサー、医療機器など幅広い分野で注目されています。

特徴（長所・短所・他の手法との違い）

メタレンズの長所

メタレンズには、従来レンズにはない多くの利点があります。

• 超薄型・軽量
  厚みは波長以下で、光学系を大幅に小型化できます。
• 高い設計自由度
  ナノ構造の形状や配置を変えることで、位相・偏光・強度を精密に制御できます。
• 収差補正が可能
  球面収差や色収差を平面構造で補正できます。
• 多機能化
  集光、分光、偏光制御などを1枚で実現できます。

メタレンズの短所

一方で、現時点での課題も存在します。

• 波長帯域の制限
  単色光や狭帯域向けが中心で、広帯域化が課題です。
• 効率の問題
  ナノ構造による散乱や吸収で効率が下がる場合があります。
• 量産性とコスト
  ナノ加工が必要なため、大量生産には技術的工夫が求められます。

従来レンズとの違い

原理（数式を交えて）

位相分布による集光

メタレンズは、レンズ全体に理想的な位相分布を与えることで光を一点に集めます。

焦点距離 ( f ) の理想レンズが与える位相分布 ( Φ(r) ) は、

$$ \phi(r) = -\frac{2\pi}{\lambda} \left(\sqrt{r^2 + f^2} – f\right) $$

ここで、

• r：レンズ中心からの距離
• λ：波長

です。

メタレンズでは、この位相分布をナノ構造1つ1つに割り当てることで、平面上でレンズ機能を実現します。

ナノ構造による位相制御

位相制御の方法には、

• 共振位相（構造共振）
• 幾何学的位相（パンチャラトナム・ベリー位相）

があります。

特に幾何学的位相では、ナノ構造の回転角だけで位相 ( 2θ ) を与えられるため、設計の自由度が高くなります。

歴史

メタレンズの発展は、メタサーフェス研究の進展と密接に関係しています。

• 2000年代初頭：メタマテリアル研究が活発化
• 2010年前後：2次元メタサーフェスの提案
• 2012年頃：可視光メタレンズの実証
• 近年：商用製品への搭載が始まる

特にナノ加工技術の進歩が、メタレンズ実用化の鍵となりました。

応用例（具体例）

1. スマートフォン・小型カメラ

• カメラモジュールの薄型化
• 高性能化と省スペース化

により、次世代の撮像技術として期待されています。

2. AR/VR・ヘッドマウントディスプレイ

• 軽量
• 高解像度
• 低歪み

という特性は、装着型デバイスに最適です。

3. センサー・LiDAR

• 光の集光・整形
• 高精度な距離計測

にメタレンズが利用されています。

4. 医療・バイオイメージング

• 内視鏡の小型化
• 高解像度観察

など、医療分野でも応用が進んでいます。

今後の展望

今後のメタレンズ研究では、

• 広帯域・白色光対応
• 高効率化
• 大量生産技術の確立

が重要な課題です。

また、

• 電気・熱・光で焦点距離を変えられる可変メタレンズ
• AIによる逆設計

など、新しい技術との融合も進んでいます。

将来的には、従来レンズを置き換えるだけでなく、
これまで不可能だった光学システムを実現する可能性を秘めています。

まとめ

メタレンズは、

• 平面構造でレンズ機能を実現する革新的技術
• 超薄型・軽量・高機能が魅力
• 次世代光学デバイスの中核技術

です。

まだ発展途上の技術ではありますが、その可能性は非常に大きく、
カメラ、AR/VR、センサー、医療など、さまざまな分野での活躍が期待されています。