メタレンズとは何か、どのように機能するか

メタレンズ（およびより一般的なメタサーフェス）は、複雑なイメージングおよび照明デバイスでシステムのサイズと重量を削減しながら、システムパフォーマンスを向上させるための実行可能なソリューションとしてますます注目されています。これは、単一のメタレンズを使用して、デバイス内で「従来の」光学コンポーネントを複数必要とするのと同じパフォーマンスを達成できることが多いためです。

しかし、システム要件を満たし、大規模に製造できるメタレンズを設計することは依然として大きな課題です。これは、メタレンズがイメージセンサーや内視鏡などのコンパクトなデバイスに導入されている場合は直径が数百ミクロン、携帯電話のカメラや拡張現実（AR）ヘッドセットなどのシステムで、より厚い屈折率のコンポーネントを置き換えるために使用される場合はセンチメートル（またはそれ以上）の範囲になるためです。

堅牢なメタレンズ設計には、この幅広い開口部におけるレンズパフォーマンスと、より大きな光学システム内のメタレンズのパフォーマンスの両方を正確に評価できるマルチスケールのマルチフィジックスシミュレーションが必要です。 

メタレンズとは

メタレンズは、誘電体表面にサブ波長の「メタ原子」パターンを採用して入射光を操作します。具体的には、メタ原子パターンは入射光線の位相プロファイルを修正し、ビームが曲がった（リダイレクトされた）原因となります。メタ原子は、さまざまな形状や大きさを持つ小さなナノスケール構造であり、レンズを横切る位置は任意であり、光の相互作用を制御するように設計されています。メタレンズの「レンズ」は、これらのコンポーネントが従来のレンズのように光を集束するために使用されることを意味しますが、この用語は位相操作が可能な幅広い機能に対応するように業界で採用されています。

この位相操作を実現するためには、メタ原子の屈折率と周囲の材料の屈折率との間に大きな差が必要です。メタレンズに使用される材料は、対象となる用途のターゲット波長範囲に依存します。材料の吸収が最小限であり、製造技術がフィーチャーサイズの要求を満たすことができます。たとえば、シリコンは一般的にライダーセンサーのような近赤外線（IR）用途に考慮され、二酸化チタン、窒化ガリウム、窒化ケイ素は可視波長範囲のカメラ用途に考慮されています。

メタレンズはどのように製造されるか

製造方法により、メタレンズの設計に使用できる可能性のあるメタ原子パターンが決まります。現在の製造方法には次のものがあります。

• 電子ビームリソグラフィーは、電子の集束ビームを使用して基板上にナノスケールのパターンを作成し、ナノ精密化において卓越した精度と汎用性を提供します。この方法は、メタレンズの大量生産には適していないため、主に研究用途に使用されます。
• DUVリソグラフィーは、深部紫外線（DUV）光を利用して、感光性材料に複雑なパターンを転写します。このため、高分解能パターンの半導体製造において重要な技術となっています。
• ナノインプリントリソグラフィーは、あらかじめナノ構造を持つ金型を基板上に押し付けます。これにより、ナノスケールパターンを高精度で複製するための費用対効果と拡張性に優れた方法が提供されます。

上記のすべての方法は、サーフェスのXY平面におけるメタ原子パターンの柔軟な定義をサポートしていますが、Z方向の変化をサポートする能力は限られています。そのため、現在のメタレンズの設計の多くは二元形状に基づいており、メタ原子パターンはZでは一様ですがXY平面では任意になります。

製造方法は、メタレンズの材料の選択にも影響を与えます。たとえば、リソグラフィー製造は、半導体製造ですでに頻繁に使用されているシリコンなどの材料の使用に適しています。ナノインプリントリソグラフィーは、異なる種類のUVまたは熱硬化エポキシを使用します。

全体として、メタレンズは小さいフィーチャーサイズ（位相操作用）と大きなフットプリント（開口数／ビームサイズ用）を組み合わせているため、低コストで大規模に製造するための課題があります。まだメタレンズの製造の初期段階にあり、一部の材料システムや製造プロセスが、半導体やフォトニック集積回路（PIC）業界が享受する規模の経済性を提供するかどうかは明らかではありません。しかし、一部の応用分野では、医療用内視鏡のような高度な技術のシステムコストと比較した場合、従来の光学系よりも薄型メタレンズを使用する利点の方がコストを上回る可能性があります。

メタレンズの利点

メタレンズは、従来のかさばるレンズや光学システムの他のコンポーネントを置き換えることができる、フラットで軽量なオプションです。単一の薄型メタレンズは、複雑なシステムで複数の光学コンポーネントの機能を組み合わせることができます。たとえば、従来のドットプロジェクターで使用されていたマスクとレンズシステムを置き換えることができます。メタレンズは、偏光操作や分割などの追加機能を実現するためにも使用できます。実際、ARやコンピューテーショナルフォトグラフィーのような用途では、3Dセンシングのドットプロジェクターやディフューザーなどのソースの機能を組み合わせるために偏光が利用されています。

メタレンズの用途

メタレンズは、システム内の光学系のサイズと重量を減らすことが重要な場合に使用できます。自動運転車や顔認識システムの3Dセンシングのためのライダー、内視鏡や顕微鏡などの医療機器、IRやマシンビジョンカメラなどの監視システム、携帯電話カメラ、CMOSイメージセンサー、AR/VRヘッドセットなどのディスプレイやイメージングシステム、ホログラフィーなどがあります。

メタレンズ技術の未来

チップ製造業界では、設計者が特定の製造プロセス内で集積回路を作成するために使用する必要不可欠なツール、ライブラリ、およびデータのコレクションが、一般にプロセス設計キット（PDK）として知られるものにまとめられています。メタレンズの製造が成熟していく中で、半導体やPIC業界と同様にPDKも登場することが予想されます。PDKを使用すると、メタレンズの設計者はファウンドリが提供する独自の検証済みメタ原子構造を使用できるため、設計者はサブ波長設計ではなくアプリケーションに集中できます。そのため、ファウンドリはメタレンズのエコシステムにおいて重要な役割を果たしており、メタレンズの製造会社や工場を持たない設計会社も含まれています。このエコシステム内のパートナーシップは、設計者が複雑なメタレンズを簡単に設計するために使用できるメタ原子のライブラリを探し始める際に非常に重要になります。

このように、PDKはメタレンズ設計の「ブラックボックス」構成要素を表します。ただし、歩留まり解析と公差を通じて製造可能性を探索する設計およびシミュレーションツールを使用する必要があります。各製造工程には費用と時間の両面でコストがかかるため、これらの解析は十分に堅牢な設計を開発して工程数を削減するには不可欠です。

メタレンズ設計におけるシミュレーションの役割

メタレンズは複雑な光学コンポーネントであり、システムパフォーマンスへの影響はシミュレーションなしでは評価できません。シミュレーションにより、設計の最適化、公差、歩留まり解析をサポートすることで、迅速な設計決定が可能になります。しかし、ナノメートルサイズのメタ原子を含むセンチメートルサイズのメタレンズの効率的なシミュレーションと、それに続く数十センチメートル、数百センチメートル、数千センチメートルの光学システム内のメタレンズのシミュレーションは、小規模な技巧ではありません。シミュレーションツールは、高速、正確、堅牢である必要があります。また、本質的にマルチスケールおよびマルチフィジックスが必要です。

メタレンズ内では、レンズに入射した光の焦点位置によって、メタ原子の大きさや形状が滑らかに変化します。この滑らかな変化により、厳密結合波解析（RCWA: Rigorous Coupled Wave Analysis）のような効率的なアルゴリズムを使用してメタレンズをシミュレーションすることができます。メタレンズのRCWAモデリングの結果は、フーリエ伝播または幾何光学光線追跡を使用して、光学システム全体のシミュレーションのためのツール内で直接使用することができます。

メタレンズモデルを完全なシステムシミュレーションに統合することは、設計プロセスにとって重要です。そうすることによってのみ、設計者はメタレンズがシステム内でどのように機能するか、およびこのコンポーネントによってシステムが目的のサイズと重量で必要なパフォーマンスを達成できるかどうかを理解できます。メタレンズが完全なシステムに統合されるにつれて、機械的応力と熱荷重がメタレンズと完全な光学システムの両方のパフォーマンスに与える影響をモデル化することもますます重要になってきています。

メタレンズ拡張光学システムの設計ワークフローは、Ansys Opticsツール間の合理化されたデータ交換インターフェースによってサポートされるいくつかのステップに従います。小規模メタレンズと大規模メタレンズについては、このワークフローの詳細をお読みください。 大規模メタレンズの場合、システムには数百億のメタ原子が含まれる可能性があるため、ワークフローの重要な部分は、メタレンズ構造を製造のためにGDS形式に効率的にエクスポートすることです。

メタレンズは、幅広い用途や業界の光学設計を変革する可能性を秘めた、先進的で革新的な技術です。それらの設計と製造は複雑で困難です。さらに難しいのは、メタレンズが可能にする光学システムの内部でどのように振る舞うかを理解することです。製造方法が進化するにつれて、シミュレーションはそれに追いつく必要があります。したがって、堅牢なマルチスケールおよびマルチフィジックスシミュレーションアーキテクチャは、現在および将来のメタレンズの設計に不可欠です。

シミュレーションには、この先進技術を何年にもわたって活用できるようにする優れた能力があります。