高度なメタオプティクスに先鞭をつける

March, 21, 2024, Cambridge--マサチューセッツ大学アマースト校(UMass Amherst)と業界パートナーのEMAは、スマートグラスから医用画像、自動運転車まで、様々な用途で、州における重要な新興メタレンス技術の開発と採用を加速させている。

仮想現実と拡張現実(AR/VR)のスマートグラス、自動車のLiDAR、携帯電話のカメラレンズ、暗視、地形マッピング、顔認識の共通点は何か?これらはすべて、超極薄光学構造メタレンズにより劇的に改善される。つまり、従来の大型曲面光学系の複数の機能を超小型パッケージに組み合わせた超薄型光学構造メタレンズによって劇的に改善された技術である。

2019年、世界経済フォーラムは、メタレンスを消費者、ヘルスケア、航空宇宙、防衛市場における幅広い次世代製品を実現するための鍵となる新興技術トップ10の1つとして認めた。マサチューセッツ州は、州の高等教育機関と産業界の両方での仕事を通じて、長い間、光学の研究と製造のリーダーであり続けてきた。現在、同州では、合計3,000人以上の従業員を擁する40社以上の企業が、高度な光学分野で積極的に活動している。

現在、マサチューセッツ州では、2023年10月に発表されたMassachusetts Technology Collaborative(MassTech)からの500万ドルの助成金により、これらの技術の開発と採用が大幅に加速する態勢が整っている。この助成金により、UMass Amherstは、州内の業界パートナーや研究者が利用できる独自のリソース、オープンアクセスのAdvanced Optics Fabrication and Characterization Facilityをキャンパス内に設立することができる。また、MassTechの助成金は、業界パートナーであるElectro Magnetic Applications Inc.(EMA)の試験および特性評価機能を大幅に拡張し、実際の過酷な環境でこれらの新しい設計を評価するための資金にも充てられる。

光学革命
湾曲してかさばる従来のレンズは、何百年も前から使用されている。過去10年ほどの間に、科学者たちは超薄型メタレンズ(平面レンズ)を開発してきた。人間の髪の毛の約1/100の厚さで、これらの新しいレンズは、高度な機能と優れた性能を提供することができる。以前は従来の4〜6枚のレンズの大きな光学「トレイン」でしか達成できなかったことを実現できるのである。

「はるかに小さなパッケージで、はるかに高い性能を発揮する」とポリマ科学&工学教授、James Watkinsは言う。1つのメタレンズは、個々の光学素子のサイズ、形状、および配置によって決定される複数の機能を実行できる。

「個々のレンズや光学部品を置き換えるだけでなく、メタレンズは斬新な機能を提供し、カメラ、顕微鏡、分光計、LiDARなどの小型オンチップ光学システムを可能にする」と、プロジェクトの共同主任研究者、UMass Amherst電気/コンピュータ工学助教授Amir Arbabiは説明している。同氏はメタオプティクス分野のパイオニアであり、過去10年間に多くのメタオプティクスデバイスとシステムを発明、実証し、この分野で40以上の特許を保有している。「このような完全に統合された光学系は、アライメントと組立関連コストがかからないため、メタオプティクス技術を使用して低コストで製造できる。」

従来、メタレンズは半導体ファウンドリで製造されてきたが、半導体ファウンドリはサブトラクティブ製造プロセス(基本的には材料の層にパターンを彫り出す)の構築と使用に費用がかかった。

マサチューセッツ大学(UMass)の新しい光学製造・特性評価施設は、Watkinsの研究グループで研究された積層造形プロセスを利用している。同氏が説明しているように、アディティブ・マニュファクチャリング（AM）は、従来のサブトラクティブ・アプローチよりもコスト、材料、エネルギー使用量の点ではるかに効率的であり、より小規模で安価な施設で行うことができる。

「われわれのグループは、小さすぎて目に見えない構造を持ちながらも、大きなインパクトを与える新しいレベルの性能を持つ高度なデバイスを提供する材料の作成に取り組んでいる」（Watkins）。

このグループの研究は、エネルギー生成とエネルギー貯蔵(非常に高速で充電され、デバイスや車両の構造に直接組み込むことができるバッテリーを含む)、および次世代の光学系に及ぶ。

「われわれの光学研究は、軽量で装着しやすい真に没入感のあるスマートグラスにつながる可能性がある。より安全な自動運転車を可能にする地形マッピング。暗い場所でデバイスを開く顔認識。そして医用画像を改善した」（Watkins）。

事業化までの道のり
UMass Amherstのナノマニュファクチャリングにおける強みは、最終的な商業化に向けて有利な立場にある部品の設計と製造に特に重点を置いていることである。

「われわれの研究室では、スケーラビリティに適した経路に焦点を当てる傾向がある。つまり、進歩や新しいものを1つ作るのではなく、最終的には製造に転用して多くのものを作ることができる道を選びたい。そうすれば、ラボでの進歩が人々が使える製品になる」（Watkins）。
2021年、Watkinsは、研究者が画期的な技術の開発を加速するのを支援することを目的とした全米科学財団の「Partnerships for Innovation」助成金を受けた。この支援により、チームは、メタレンズと導波路の積層造形を行うMyrias Optics, Inc.というスタートアップ企業を立ち上げた。同社は、AR/VRの「スマート」グラス、LIDAR、地形マッピング、顔認識、超小型光学部品などの関連技術に取り組んでいる。2023年12月、MyriasはAsia Optical Inc.が主導する300万ドルのシード投資を確保したと発表した。

Watkinsによると、チームの最終目標は、マサチューセッツ州にメタオプティクス鋳造所を設立することである。
（詳細は、https://www.umass.edu）