動かさなくても焦点を変える新しい「メタレンズ」

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(New “metalens” shifts focus without tilting or moving)

2021/2/22 アメリカ合衆国・マサチューセッツ工科大学(MIT)

figure1

・ MIT が、位置や形状を変えずに多様な深度に焦点を調整できる、収差フリーの結像プラットフォームの「メタレンズ」を開発。
・ 嵩張る機械部品を不要とし、異なる深度の配置で重なり合う物体の結像が可能な新レンズは、ドローン用のヒートスコープ、携帯電話用の赤外線カメラや暗視ゴーグル等の俊敏に動く小型の光学デバイスに利用できる(現時点では赤外バンドに対応)。
・ 同レンズは、書き換え可能な CD や DVD に使用される相変化材料の GST(ゲルマニウム、アンチモンおよびテルル合金)にセレンを加えた GSST で作製。GST は、レーザーパルス光の熱で原子構造を再構築し、CD データの書き込み、消去、再書き込みのメカニズムで透過性の切り替えを可能にする。
・ 熱が加わることで非結晶構造から規則的な結晶構造に原子構造を切り替える GSST の位相変化は、透過性への影響を抑えながら材料の屈折力も変化させる。
・ このような切り替え機能を位相に応じた特定のポイントへの集光に利用できれば、焦点を変化させる付属機械部品が不要な能動レンズの開発に役立つと考え、光を多様に屈折させる様々な形状の微細構造を GSST の 1 ミクロンの薄膜にエッチングすることで、特殊な光の屈折・反射を促す「メタ表面」を作製した。
・ 多様な機能の切り替えを可能にするメタ表面の作製には、高度なプロセスに加え、使用する形状やパターンの慎重なエンジニアリングが不可欠。材料の挙動を理解することで、非結晶構造でのあるポイントから、結晶構造での別のポイントに焦点をあわせる特定のパターンを設計した。
・ 新メタレンズを xyz 軸移動ステージに設置し、赤外光レーザービームを照射する試験において、レンズから特定の距離に配置した分解能テストターゲットの透明な物体の結像を異なる深度で実証。非結晶構造では 1 番目のパターンの鮮明な画像を、加熱後の結晶構造では離れた位置にある 2 番目のパターンの鮮明な画像をそれぞれ結像した。
・ ミリ秒の短パルスで急速加熱するマイクロヒーターを統合した新メタンレンズ作製の可能性を見込む。加熱条件を変えることで、非結晶と結晶の中間の相を含む継続的または任意の焦点距離の調整が可能となる。
URL: https://news.mit.edu/2021/metalens-shifts-focus-0222

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature Communications 掲載論文(フルテキスト)
Reconfigurable all-dielectric metalens with diffraction-limited performance
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-021-21440-9

Abstract

Active metasurfaces, whose optical properties can be modulated post-fabrication, have emerged as an intensively explored field in recent years. The efforts to date, however, still face major performance limitations in tuning range, optical quality, and efficiency, especially for non-mechanical actuation mechanisms. In this paper, we introduce an active metasurface platform combining phase tuning in the full 2π range and diffraction-limited performance using an all-dielectric, low-loss architecture based on optical phase change materials (O-PCMs). We present a generic design principle enabling binary switching of metasurfaces between arbitrary phase profiles and propose a new figure-of-merit (FOM) tailored for reconfigurable meta-optics. We implement the approach to realize a high-performance varifocal metalens operating at 5.2 μm wavelength. The reconfigurable metalens features a record large switching contrast ratio of 29.5 dB. We further validate aberration-free and multi-depth imaging using the metalens, which represents a key experimental demonstration of a non-mechanical tunable metalens with diffraction-limited performance.

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