2007年に発売された初代iPhoneのカメラは、わずか2メガピクセルでした。しかも背面カメラのみで、前面のセルフィーカメラさえありませんでした。今では、スマートフォンの前面と背面に複数のカメラが搭載されており、中にはサムスンのGalaxy S21 Ultraに搭載されている最大カメラのように、1億8メガピクセルものセンサーを搭載したものもあります。
しかし、過去 10 年間でスマートフォン カメラのセンサー サイズとメガピクセル数が大幅に増加し、計算写真ソフトウェアも向上したにもかかわらず、写真を撮影するのに役立つレンズは基本的に変わっていません。
本日ステルスモードから脱却した新会社Metalenzは、光学メタサーフェスと呼ばれる技術を活用した単一の平面レンズシステムで、スマートフォンカメラに革命を起こそうとしています。この新しいレンズ技術をベースに開発されたカメラは、従来のレンズと同等、あるいはそれ以上の画質を実現し、より多くの光を集めてより明るい写真を撮ることができるだけでなく、スマートフォンに新たなセンサー機能を搭載することも可能です。しかも、その全てを省スペースで実現できます。
フラットレンズ
どのように機能するのでしょうか？まず、現代のスマートフォンのカメラレンズの仕組みを理解することが重要です。スマートフォンの背面にある画像撮影システムには複数のカメラが搭載されている場合があります（最新のiPhone 12 Proには背面に3つのカメラが搭載されています）。しかし、それぞれのカメラには複数のレンズ、つまりレンズ要素が重ね合わされています。前述のiPhone 12 Proのメインカメラセンサーは7つのレンズ要素を使用しています。iPhoneのような複数レンズ設計は、単一レンズ構成よりも優れています。光が各レンズを通過するにつれて、画像はより鮮明になります。
Metalenz を搭載したカメラモジュールの配列。
写真：ジャスティン・ナイト「最近のスマートフォンの光学系は通常、4枚から7枚のレンズで構成されています」と、高品質レンズで知られる光学機器メーカー、ツァイスのイノベーションマネージャー、オリバー・シンデルベック氏は語る。「レンズが1枚だけだと、物理的に考えて、画像に歪みや分散といった収差が生じてしまいます。」
レンズの数を増やすことで、メーカーは色収差（画像の周辺に色が現れる現象）やレンズ歪み（写真では直線が曲がって見える現象）といった不規則性を補正できるようになります。しかし、複数のレンズ要素を重ね合わせると、カメラモジュール内の垂直方向のスペースが大きくなります。これが、スマートフォンのカメラの「突起」が年々大きくなっている多くの理由の一つです。
「カメラに詰め込むレンズ要素の数が増えれば増えるほど、必要なスペースも増えます」とシンデルベック氏は言う。サイズが大きくなる他の理由としては、イメージセンサーの大型化や、ズームレンズ搭載カメラの増加による余分なスペースの確保が挙げられる。
Apple などの携帯電話メーカーは、時間の経過とともにレンズ要素の数を増やしてきました。Samsung など一部のメーカーは、より高いズーム機能を実現するために光学系を折り畳んで「ペリスコープ」レンズを作成していますが、一般的に各社は実績のある積層レンズ要素システムに固執しています。
「光学系はより洗練され、レンズ要素が追加され、強力な非球面要素が作られて必要なスペースの削減が達成されましたが、この分野では過去10年間に革命は起こりませんでした」とシンデルベック氏は言う。
ここでMetalenzの出番です。Metalenzの設計では、イメージセンサーの上にプラスチックやガラスのレンズ要素を積み重ねるのではなく、1×1～3×3ミリメートルのガラスウエハー上に形成された単一のレンズを使用します。顕微鏡でよく見ると、人間の髪の毛の1000分の1の幅のナノ構造が見えます。これらのナノ構造は光線を曲げることで、単眼カメラシステムの多くの欠点を補います。
コア技術は、共同創業者兼CEOのロバート・デブリンが、著名な物理学者でありMetalenzの共同創業者であるフェデリコ・カパッソと共にハーバード大学で博士号取得を目指していた10年間の研究を通じて構築されました。同社は2017年に研究グループからスピンアウトしました。
光は、これらのパターン化されたナノ構造を通過します。これらの構造は、微視的なレベルでは直径の異なる無数の円のように見えます。「曲面レンズが光を加速したり減速したりして曲げるのと同じように、これらのナノ構造のそれぞれで同じことが可能になります。つまり、円の直径を変えるだけで光を曲げたり形作ったりできるのです」とデブリン氏は言います。
写真：ジャスティン・ナイト
得られる画質は、マルチレンズシステムと同等の鮮明さを誇り、ナノ構造は従来のカメラによく見られる画質劣化の原因となる多くの収差を軽減または除去します。そして、この設計は単にスペースを節約するだけではありません。デブリン氏によると、Metalenzカメラはより多くの光をイメージセンサーに取り戻すことができるため、従来のレンズ要素よりも明るく鮮明な画像を実現できるとのことです。
もう一つのメリットは？同社は半導体大手2社（現在、1日あたり100万個のMetalenz「チップ」を生産可能）と提携しており、これにより光学部品は消費者向けおよび産業用デバイスを製造する同じファウンドリで製造されるようになり、サプライチェーンの簡素化に向けた重要な一歩を踏み出した。
新しい形のセンシング
メタレンズは年末に向けて量産開始予定で、最初の用途はスマートフォンの3Dセンサーのレンズシステムとなる。（同社はスマートフォンメーカー名を明かしていない。）
デブリン氏によると、AppleのFace ID用TrueDepthカメラのような現在の3Dセンサーは、レーザーで被写体を積極的に照らして顔をスキャンするが、これはスマートフォンのバッテリーを消耗させる可能性があるという。Metalenzはイメージセンサーにより多くの光を取り込むことができるため、消費電力の節約につながると彼は主張する。
他にも良いニュースがある。顔認証用の3Dセンサーをスマートフォンの前面に搭載する場合、デブリン氏によると、Metalenzシステムにより、現行のiPhoneのように画面に突き出た大きなカメラノッチが不要になるという。従来のレンズ要素を省くことで節約できるスペースにより、より多くのスマートフォンメーカーがデバイスのガラスディスプレイの下にセンサーやカメラを搭載できるようになるだろう。これは今年、さらに増えるだろう。
デブリン氏によると、Metalenzの応用範囲はスマートフォンだけにとどまらない。この技術は、医療機器から拡張現実（AR）・仮想現実（VR）カメラ、自動車用カメラまで、あらゆるものに活用できるという。
分光法を例に挙げましょう。分光計は光の異なる波長を細かく検出するために使用され、血液中の特定の分子を特定するための医療検査で広く用いられています。メタサーフェスは「光学部品のテーブルトップを一枚の面にまとめる」ことを可能にするため、デブリン氏は、Metalenzを搭載したスマートフォンに適切なセンサーを搭載することで、同様の作業が可能になると主張しています。
「分光計を使えば、果物の化学的特徴を実際に観察して、熟しているかどうかを見分けることができます」とデブリン氏は言う。「もはや単なる画像ではなく、様々な感覚にアクセスし、世界を見て、それと関わり、全く新しい情報を携帯電話に取り込んでいるのです。」
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