ソウル大学、VR/ARに最適化された超小型カメラ技術を開発

December, 4, 2024, Seoul--ソウル大学電気情報工学科 光工学・量子エレクトロニクス研究室の研究者、Youngjin Kim とTaewon Choiは、電気・コンピュータ工学科を劇的に削減する光学設計技術を開発した。開発技術は、次世代のナノ光学デバイス「MetaSurfaces」を活用した折り畳みレンズ方式によりカメラの体積を著しく減らす。

ガラス基板上にメタサーフェスを配置し、光がガラス基板内で反射して折り畳まれて移動できるようにすることで、既存の屈折レンズシステムよりもはるかに薄い厚さ0.7mmのレンズシステムを実現した。この研究は、Samsung Future Technology Development ProgramとInstitute of Information & Communications Technology Planning & Evaluation(IITP)の支援を受け、10月30日に国際学術誌「Science Advances」に掲載された。

従来のカメラは、画像をキャプチャする際に光を屈折させるために複数のガラスレンズを積み重ねるように設計されている。この構造により、優れた高画質な画像が得られる一方で、各レンズの厚みやレンズ間の間隔が広くなったことで、カメラ全体のかさばりが大きくなり、VR-AR(仮想現実・拡張現実)デバイス、スマートフォン、内視鏡、ドローンなど、超小型カメラを必要とするデバイスへの適用が困難だった。

この制限に対処するために、研究者たちは、メタサーフェスを組み込んだ新しいレンズモジュール設計を使用して、従来のレンズシステムの半分以下に厚さを減らす超薄型カメラシステムを開発した。次世代のナノ光学デバイスとして喧伝されているメタサーフェスは、光の3つの特性である強度、位相、偏光をピクセル単位で精密に制御する能力を持っている。これは、メタサーフェスを構成するナノ構造が、光の波長よりも短い数百ナノメートル(nm)の周期で配置されているためである。チームによると、特定の波長(852nm)に最適化されたメタサーフェスを設計し、ガラス基板上に複数のシートを水平に並べることで、光を基板内で複数回反射させることができ、光路を折り畳み状に空間効率よく確保できる。チームは、光のパスを調整する薄く折りたたまれたレンズモジュールのシステムで画像をキャプチャする小型化されたカメラ構造を提示した。

このシステムは、従来の厚いレンズモジュールの物理的な制限を克服するだけでなく、優れた画質を提供する。これは、厚さ0.7mmの非常に小さなシステムフットプリントで10°の視野を提供し、f/4の開口部と852nmの波長で回折限界に近い高解像度の画像を提供するからである。これらの強力な競争優位性により、研究チームが開発した小型カメラ技術は、VR-ARデバイス、スマートフォン、医療用内視鏡、小型ドローンなど、様々な先端光学デバイス産業に広く適用されることが期待されている。