これまでの“レンズ”の多くが過去の遺物として葬り去られるかもしれない。それほど破壊的なイノベーションをアメリカ・ハーバード大学の工学・応用科学学部（SEAS）のチームが研究している。

極薄のフラットなレンズで色収差ゼロが可能になるというのだ。

従来のレンズは色収差が出る

先に色収差について説明しておこう。レンズは光を屈折させて像を拡大したり縮小したりする器具だ。ところが光は色によってレンズで屈折する角度が微妙に異なる。波長が違うためだ。単純な1つのレンズで大きく光を屈折させようと思うと、色によって焦点距離が大きく変わってくるため、像がぼやけてしまう。これが色収差だ。

そこで、クリアな像を得るためには、形状が異なる複数のレンズを組み合わせるなどして色収差を補正してやらないといけない。プロカメラマンが使っている撮影用レンズには長くて重いものが多いが、その理由のひとつはこの色収差を補正するためにいくつものレンズを組み合わせているからだ。

そもそもレンズというものは、ある程度の厚みがあってカーブした表面を持っている。そのカーブで光を屈折させるので当然のことだ。フラットなガラスはただの“窓”である。

ところが、同研究チームが発表したレンズは極めて薄く、実質的にフラットなのだ。そして、さらに色収差も生じないというのだ。

この極薄フラットレンズは、ガラスの基盤にシリコンのアンテナがついたものだ。光はそこを通過するときに瞬間的に曲げられる。屈折率はアルゴリズムを使って決定でき、様々な用途に合わせたものが設計できるという。そして色収差の補正には、従来とはまったく異なる方法をとる。

従来のレンズの場合、複数の形状の異なるレンズで、光の屈折する角度を補正してあげるのだが、この新しい極薄フラットレンズでは、レンズ表面のシリコンアンテナを使うことで、さまざまな波長の光を同じ角度に曲げることができるのだ。それによって、厚みのある複数のレンズを通過させる必要がなくなり、レンズは圧倒的に薄くできる。

ナノ光子技術の応用

『アクロマティック・メタサーフェス』と名づけられたこのレンズは、ナノ光子技術（nanophotonic technology）の応用だという。光の波長よりも短い間隔で設置された金属や誘電体のナノアンテナのなかでは、光が通常とは異なる振る舞いをするという原理を活用したものだ。

この研究チームが2012年に試作したレンズでは、金属素材のナノアンテナを使っていた。それは一定の色補正を実現したものの、焦点に集められる光はひとつの波長だけであり、しかもレンズとしての効率も低いというものだった。それを今回は誘電体のナノアンテナにし、設計も変更することで、効率を改善し、幅広い波長の光にも適用できるようになった。

現時点でこの『アクロマティック・メタサーフェス』は光の3要素である赤、緑、青の3つの波長の光を同じ角度で屈折させ、同じ距離に合焦させることができるようになっている。これはほとんどのデジタルディスプレイに使えることを意味する。

さらに、研究チームのコンピューターシミュレーションによれば、この機構の応用でもっと幅広い波長の光に適用できることも期待されているという。

実際のところ、まだ完成には至っていないようだし、耐久性や温度に対する特性など不明な点も多い。しかし、実現したとしたら、光学の世界には大変革が起こるだろう。

わかりやすいところでいえば、プロカメラマンのレンズは軽くてペラペラなもので十分になるかもしれない。また、大型の天体望遠鏡が反射式ではなく屈折式でも実現するかもしれない。光を使う様々な機器で設計が変わるのではないだろうか。

もっともレンズが軽くなる分、カメラマンは今より手ブレに気をつけなくてはいけなくなるだろうけど。

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【参考・画像】

※ Perfect colors, captured with one ultra-thin lens – Harvard Harvard School of Engineering and Applied Sciences

※ Collaborative “metasurfaces” grant to merge classical and quantum physics – Harvard Harvard School of Engineering and Applied Sciences

※Flat lens offers a perfect image -Harvard Harvard School of Engineering and Applied Sciences