記事公開日
最終更新日
メタレンズとは｜解析ツールと設計のワークフローを解説
メタレンズとは｜解析ツールと設計のワークフローを解説
近年、次世代の超薄型光学素子として注目を集めている「メタレンズ」。従来のレンズに代わる可能性を秘めた革新的な光学技術です。本記事では、メタレンズの仕組みや用途、さらに設計に欠かせない解析ツールや設計ワークフローまで、わかりやすくご紹介します。
目次
メタレンズとは？
メタレンズとは、サブ波長スケールのナノ構造（メタサーフェス）を用いて光の波面を制御する、新しいタイプの超薄型レンズです。従来の曲面ガラスレンズと異なり、ナノレベルで形成された微細構造が光を屈折・回折させ、目的の集光や画像形成を実現します。
メタレンズの仕組み
メタレンズは、表面に設けられた人工的な構造体（ナノアンテナ）が、それぞれ異なる位相シフトを与えることで光波を制御します。これにより、厚みがほとんどないにもかかわらず、自由な波面操作が可能になります。
さまざまなレンズ
光を制御する手法にはいくつかの種類があります。それぞれの特徴を簡単に整理してみましょう。
屈折レンズ
伝統的なレンズで、ガラスや樹脂などの材料の屈折率を利用して光を曲げることで、像を結びます。厚みと曲率が必要です。
回折レンズ（DOE）
表面に周期構造を持つことで、光を回折させることで焦点を結ぶタイプのレンズ。軽量・薄型化が可能ですが、波長依存性が課題となります。
メタレンズ
メタマテリアル技術を利用して、ナノスケールの構造で光の位相・偏光を自在に操ります。従来の回折レンズよりも自由度が高く、波長の制御や多機能化も可能です。
メタレンズの用途例
メタレンズは、以下のような先端分野での応用が進んでいます。
-
スマートフォンカメラ：薄型化・高性能化のための新世代レンズ
-
医療用イメージング：内視鏡や顕微鏡などでの小型・高解像度化
-
AR/VRデバイス：軽量でコンパクトな光学系の構築
-
宇宙・航空：超軽量で高機能なセンサーレンズとして期待
メタレンズ設計に有用な解析ツール
メタレンズの設計には、電磁場解析と光学設計の双方のアプローチが必要です。ここでは代表的な解析ツールをご紹介します。
フォトニクス解析ソフトウェア「Ansys Lumerical」
Lumericalは、ナノフォトニクス構造の設計・シミュレーションに最適なツールです。FDTD法やRCWA法を用いた詳細な電磁界解析が可能で、メタレンズのナノ構造の最適化に欠かせません。
Lumerical製品ラインナップ
-
FDTD Solutions：光の電磁場解析（主力製品）
-
MODE Solutions：導波路・共振器の解析に最適
-
DEVICE：電子・光・熱の連成解析に対応
光学設計ソフトウェア「Ansys Zemax」
Zemaxは、レンズ設計の業界標準とも言える光学設計ソフト。メタレンズ単体での解析だけでなく、複雑な光学システム全体での性能評価・最適化に活用できます。
Zemax製品ラインナップ
-
OpticStudio：レンズ設計からシステム全体のトレースまで対応
-
ZOS-API：PythonやMATLABと連携した自動化設計も可能
メタレンズ設計のワークフロー
メタレンズの設計は、通常のレンズ設計と異なり複数の解析・シミュレーション工程を必要とします。以下のようなステップで設計が行われます。
位相マスクの計算
まず、目標とする光学特性（集光位置、波面、偏光状態など）に応じた**位相マップ（マスク）**を設計します。
ユニットセルの位相・透過率・電場分布の算出
Lumericalなどの電磁場解析ソフトで、ナノ構造の1ユニット（ピクセル）がどのような光学応答を持つかを精密にシミュレーションします。
フルレンズシミュレーション
作成したユニットセルを敷き詰めた全体レンズを再現し、光の挙動をシミュレートします。
ダイレクト・シミュレーション
FDTDなどでフルレンズを直接計算。ただし、計算コストが高くなるため、用途は限定されます。
フルフィールドの再構築
全体の場を合成することで、短時間で光の伝播結果を推定する手法です。
光学系全体の伝搬システムを最適化
Zemaxなどを用いて、メタレンズを含む光学システム全体の性能最適化を行います。
GDSエクスポート
最終的に設計されたナノ構造を、GDSファイル形式でエクスポート。フォトリソグラフィ等の製造工程に使用されます。
ビーム電子工業について
私たちビーム電子工業株式会社は、光学フィルムやレンズ設計・製造を通じて、多様な産業分野の「見せる」「魅せる」を支援してきました。近年はメタサーフェス技術の研究にも取り組んでおり、透明スクリーンやチェンジングディスプレイなどの新技術も多数展開しております。
今後も当社技術コラムでは、光学・フォトニクス分野の最新トピックをわかりやすくお届けしてまいります。
ご質問や資料請求などがございましたら、お気軽にお問い合わせください。
レンズの基礎について、さらに詳しく知りたい方はこちらをご覧ください。
光学レンズの技術は、見えないところで私たちの暮らしを支えてくれています。
今後も、よりクリアで高精細な世界を実現するために、レンズの進化は止まりません。
登録が必要になります。
自社製品の透明スクリーン「BeamScope」についてお知らせ
【メディア紹介】透明スクリーン「BeamScope」が日テレ『博士は今日も嫉妬する』で紹介されました！
▶製品詳細ページへ
▶ ご提案：記憶に残る演出」は、できていますか？
気になった方はぜひ体験を！
現在、「BeamScope」を実際にご体験いただけるデモ会を好評受付中です！
ご興味のある方はぜひ、お気軽にお問い合わせください。
👇 製品詳細・お問い合わせはこちら
▶ 透明スクリーン「BeamScope」製品ページ
お問い合わせ・資料請求はこちら ➤
ビーム電子工業株式会社 小松
Cellphone: +81 70-1362-7296
Mail： m.komatsu@beam-matsumoto.co.jp
ぜひ、お気軽にご連絡ください。
