塩粒サイズの超小型カメラが開発される

0.5ミリの塩粒サイズの超小型カメラを開発された...... Credit:Ethan Tseng,Nature Communications(2021)

＜幅わずか0.5ミリの塩粒サイズの超小型カメラが開発された＞

米プリンストン大学とワシントン大学の研究チームは、幅わずか0.5ミリの塩粒サイズの超小型カメラを開発し、2021年11月29日、オープンアクセスジャーナル「ネイチャーコミュニケーションズ」でその研究成果を発表した。

従来のカメラはガラスやプラスチック製の曲面レンズを使って光線を曲げ、ピントを合わせる仕組みとなっている。一方、このカメラは約100ナノメートルの円柱160万本からなる「メタサーフェス」と呼ばれる技術を採用し、50万倍もの体積を持つ従来のカメラ用レンズと同等に、鮮明なフルカラーの画像を撮影できるのが特徴だ。光波面全体を正確にとらえられるよう、円柱はそれぞれ異なる形状をなし、光アンテナのように機能する。

約100ナノメートルの円柱160万本からなる「メタサーフェス」を採用Credit:Ethan Tseng,Nature Communications

従来のカメラ用レンズで撮影した画像と画質は同等

このカメラの開発において画期的なのは、その光学面と画像を生成する信号処理アルゴリズムを統合的に設計した点だ。従来、メタサーフェスを採用したカメラが高画質で撮影するためには、実験室などの特殊な環境下でレーザー光を必要とする。

そこで、研究チームは、自然光下での性能を高めるべく、独自に開発した計算機シミュレーターを用いて、メタサーフェスが十分な精度で効率的に画像を生成するような円柱のモデルを作成した。このカメラが撮影した画像と屈折レンズ6枚を組み合わせた従来のカメラ用レンズで撮影した画像を比較したところ、画面の端がややぼやける点を除き、画質は同等であった。

これまでのマイクロカメラの画像（左）と開発された小型カメラによる画像（右）Credit:Princeton University,Researchers shrink camera to the size of a salt grain(2021)

このカメラのメタサーフェスは、標準的な半導体の製造方法と互換性のある窒化ケイ素をベースに作製されており、従来のカメラ用レンズよりも低コストで大量生産しやすいのも利点だ。

医療用ロボットを用いた内視鏡検査などに

このカメラは、疾病を診断・治療する医療用ロボットを用いた内視鏡検査、大きさや重量に制約のあるロボットのイメージングの向上などへの活用が期待されている。また、これをスマートフォンの背面に並べ、背面全体を巨大なカメラに仕立てることも可能だ。

研究チームでは、今後、このカメラに計算能力を加え、物体の検出をはじめとするセンサー機能を追加できるようにする方針だ。

Neural Nano-Optics for High-Quality Thin Lens Imaging