人工眼球はここまで進化した！使いやすいメタレンズ

・メタレンズは、ピント合わせ、イメージシフト、乱視による収差の抑制を同時に行うことができます。

・水晶体と筋肉を合わせた厚さは30ミクロンです。

・メタレンの形状を電気信号で制御し、必要な光波面を形成します。

 

ハーバード大学の研究者は、写真のピントがボケる原因であるフォーカス、乱視、イメージシフトの3つを制御する適応型メタレンズを作りました。この電子制御眼は、フラットでメタレンズ技術の進歩と人工筋肉技術を融合させたものです。

 

この人工眼球は、3つの重要な要素を同時に制御することができ、リアルタイムに焦点を変更するように設定することができます。通常の人間の目と同じように使えますが、将来的にはさらに改良を加え、人間の目ではできない、像のずれや乱視を動的に補正することも可能になります。

 

また、この技術は、眼鏡や光学顕微鏡からスマートフォンやVR/AR機器に至るまで、いくつかのアプリケーションでオートフォーカスや光学ズームの内蔵の実現可能性を示しています。

 

どのように開発されたのか?

通常、メタレンズは、光の波長よりも小さなナノ構造パターンを密に配置することで、光を集め球面収差の低減を実現しています。小さすぎるため、1枚のレンズの情報密度が非常に高くなります。人工眼球を作るには、まずメタレンを拡大することが必要です。しかし、そうすると設計図だけでファイルサイズがテラバイトに達してしまいます。

 

この問題に対処するため、ファイルサイズを大幅に圧縮するアルゴリズムを開発し、メタレンズを集積回路の製造に使われる技術と互換性を持たせました。メタレンズは直径数センチに拡大しました。

 

下の画像でわかるように、メタレン（シリコン製）の中のカラフルな虹色の光は、膨大な数のナノ構造によって生み出されています。

シリコンメタレンズを透明なポリマーシートに貼り付けたもの | 画像元: ハーバード大学SEAS

 

次に、メタレンの光の集束能力に影響を与えないように、メタレンを人工筋肉につけました。人間の目のレンズは、繊毛筋という平滑筋の輪で囲まれており、レンズの形を変えることで、さまざまな距離のものを見るための調節機能をコントロールしています。

 

このレンズには、光の散乱が少ない、薄くて透明な誘電体エラストマーを選びました。そして、レンズを柔らかい表面に転写・接着するために、まったく新しいプラットフォームを構築しました。もちろん、これが人工眼球開発における最大の難関であったことは言うまでもありません。

 

光線をイメージセンサーに集光するメトレンズ| 画像元: Capasso Lab / ハーバード大学 SEAS

 

上の画像は、メタレンの形状を電気信号で制御して、必要な光波面（赤色）を形成しています。

 

電圧を変化させることでエラストマーを調整します。エラストマーが伸びると、レンズ表面上のナノピラーの位置が移動します。柱と柱の位置関係や、構造体の総変位量から、メタレンズを構成することができます。

 

レンズと筋を合わせると厚さは30ミクロンになります。ピント合わせ、イメージシフト、乱視による収差のコントロールなどを同時に行うことができます。

 

評価テスト

2.5kVの振幅で2～100ヘルツの正弦波電圧を加え、信頼性を確認しました。1,000回を過ぎても全く故障せず、画質も劣化していないように見えます。

 

しかし、電流を流すと、3.5kV付近で絶縁破壊が起き、機器にダメージを与えました。これは局所的な焼きつきに伴う「ソフト」な絶縁破壊でした。同じ機器は、電源を再投入すると動作を再開することができました。

 

応用例

望遠鏡、顕微鏡、カメラなど、複数のモジュールを持つ光学機器のほとんどは、モジュールにほとんど機械的なストレスやズレがありません。これは通常、モジュールがどのように作られたか、またその周囲の環境がわずかな収差を引き起こすことが原因です。

 

これらの誤差は、適応型光学部品を使って補正することができます。ここで紹介するメタレンズは平らであるため、誤差を補正するために使用することができ、光の多くの機能を1つの制御された平面に統合することができます。

 

当面の目標は、メタレンズの機能をさらに高め、動作に必要な電圧を下げることです。