メタレンズは、波長以下の微細構造（メタサーフェス）で光の位相を制御し、薄型・軽量なレンズ機能を実現する光学素子です。従来の屈折レンズとは設計思想や評価指標が異なり、用途・材料・製造プロセスも含めて理解すると全体像が掴みやすくなります。

本記事では、メタレンズの定義と特徴から、位相制御の仕組み、従来レンズとの違い、代表的な用途、までを一連の流れで整理します。

メタレンズとは（定義と特徴）

メタレンズを一言で言うと「フラットな面上の微細構造で光波面を設計するレンズ」です。まずは従来の“厚みで曲げるレンズ”との違いが生まれる背景を、定義と特徴として押さえます。

メタレンズは、ガラスを曲面加工して屈折で光を集めるのではなく、平面上に並んだサブ波長サイズの構造で光の波面を作り替えて、集光や像形成を行うレンズです。見た目は薄い板に近い一方で、機能はレンズとして振る舞います。

本質は「形状の曲率」ではなく「面内の位相分布」を設計することにあります。レンズが本来行っているのは、入射した平面波を焦点へ向かう球面波に変換することですが、メタレンズはそれを微細構造の配置で実現します。

薄型・軽量化や、機能統合（集光しながら偏光も制御する等）が狙えるのが強みです。一方で、波長や入射角、偏光に対する振る舞いが変わりやすく、従来レンズと同じ感覚でそのまま置き換えると期待性能に届かないことがあるため、用途要件と評価指標をセットで考える必要があります。

メタレンズの仕組み

メタレンズは、面内に配置されたサブ波長構造が局所的な位相遅れを与えることで、狙った波面（例：球面波）を合成し集光・整形します。ここでは設計の最小単位と、性能評価の観点を分けて理解します。

メタレンズは、レンズ面を小さな格子に分割し、それぞれの場所で「この場所の光の位相をどれだけ遅らせるか」を決める設計です。各格子に対応する微細構造が、入射光に対して位相と振幅（透過率）を同時に変えます。

理想的には、レンズ全面で0から2πまでの位相を連続的に与え、かつ高い透過率を保つことが望まれます。しかし現実には、材料の吸収、構造の散乱、製造可能な形状の制約により、位相範囲や効率に限界が出ます。

また、メタレンズは波長が変わると同じ構造でも位相遅れが変わるため、単色で高性能に振る舞っても、広帯域では色収差が顕在化しやすい傾向があります。そのため、仕組みの理解は位相だけでなく、効率、分散、偏光依存性まで含めて押さえるのが重要です。

ユニットセルと位相制御の考え方

メタレンズの最小単位はユニットセル（メタ原子）で、代表例はナノピラー（微小な柱）です。ピラーの直径、形状、周期、高さ、材料屈折率などを変えると、透過光が受ける位相シフトが変化します。

位相を作る代表的な考え方には、構造内を通過する間に位相が進む伝搬位相、共振を利用して位相を回す方法、偏光と回転角で位相を与えるPB位相などがあります。どれを採用するかで、効率が出やすい条件や偏光要件、広帯域性の傾向が変わります。

設計ではまず、レンズ面上の各位置で必要なターゲット位相を決め、その位相に近いユニットセルをライブラリから割り当てます。材料の屈折率差が大きいほど、薄い構造でも0から2πの位相範囲を確保しやすく、効率も出しやすい一方、製造の難度や表面粗さ起因の散乱が問題になりやすいなど、材料選定とプロセス制約が位相設計そのものを左右します。

透過率・効率・色収差など性能指標

メタレンズの性能は「焦点ができるか」だけでは決まりません。まず重要なのが透過率と回折効率で、入射した光のうち、狙った次数や狙った波面にどれだけの光が配分されるかが実効的な明るさを支配します。

像形成用途では、NA（開口数）、PSF（点像分布）、MTF（空間周波数応答）、波面誤差、散乱損失、ゴーストなどが画質を決めます。特にメタレンズは微細構造由来の散乱や、設計位相の量子化誤差がPSFの裾を持ち上げ、コントラストを落とす要因になりやすいため、ピークだけでなく背景も見ます。

さらに重要なのが色収差と角度依存性です。単色設計は高性能に寄せやすい一方、波長が変わると位相特性が崩れやすく、広帯域では効率低下と焦点ずれが同時に起きます。色収差を抑える設計は可能ですが、構造自由度や厚み、偏光条件、効率とのトレードオフになりやすい点を前提に評価設計を組み立てます。

従来レンズとの違い（さまざまなレンズ）

屈折レンズ、回折光学素子（DOE）、ホログラフィック素子など既存の“光を曲げる/分ける”デバイスと比較すると、メタレンズの強みと課題が明確になります。置き換え可能な領域と、難しい領域を整理します。

屈折レンズは材料の厚みと曲率で波面を作るため、広帯域でも比較的素直に設計でき、角度や偏光の影響も扱いやすいのが強みです。その代わり、収差補正のために複数枚が必要になり、厚みと重量、部品点数が増えやすいという課題があります。

回折光学素子（DOE）は平面上の位相段差で波面を作る点でメタレンズに近いですが、メタレンズはサブ波長構造を使うことで位相と透過率をより細かく制御し、偏光機能や局所的な波面操作を統合しやすいのが特徴です。一方で、どちらも分散が強く、色収差の扱いが設計難度を左右します。

ホログラフィック素子は光の干渉パターンを用いて波面を再構成しますが、用途によっては回折効率や角度帯域、製造の再現性が課題になります。メタレンズは半導体プロセスとの親和性が高く、同一パターンの複製や機能集積に強みがある一方、大口径化と量産歩留まり、そしてシステムに組み込んだときの公差設計が現実的な壁になりやすい点が差分です。

メタレンズの用途例

薄型化・軽量化、機能統合（集光＋偏光制御など）、半導体プロセスとの親和性といった特性から、メタレンズは幅広い分野で検討されています。代表的な応用をカテゴリ別に見ます。

メタレンズが検討される場面は、光学性能だけでなく「機構として薄くしたい」「部品点数を減らしたい」「特定波長だけでよい」「機能を1枚にまとめたい」といった制約が強いところです。光学単体の最高性能を競うというより、システム全体の成立性を上げるために選ばれるケースが多いのが実務的な見立てです。

特に、近赤外のように波長が長くなる領域では、相対的に微細構造の要求が緩くなり、設計と製造の難度が下がる傾向があります。そのため、用途の波長帯と要求画質の厳しさが、採用可否を大きく左右します。

一方で可視の撮像系のように、広帯域で高MTF、低色収差、低ゴーストが同時に求められると難度が跳ね上がります。ここではメタレンズ単体の優劣というより、計算写真やセンサー側補正も含めたシステム設計として成立させる発想が重要になります。

スマホ・カメラ・AR/VR

スマホカメラでは、モジュール厚の制約が厳しく、薄型化できる可能性がメタレンズの最大の魅力です。ただし可視域での画質要求は非常に高く、色収差、入射角依存性（画角端での性能劣化）、偏光依存などの課題が表に出やすいため、単純な置き換えよりも「特定機能の統合」や「限定的な光路での採用」から現実味が増します。

AR/VRでは、重量と厚みが装着性に直結します。メタレンズは波面整形と偏光制御などを同一面で扱えるため、表示系や撮像系の小型化、部品点数削減に寄与し得ます。

一方で量産性と再現性は重要論点です。微細形状のばらつきがMTFや色ずれとしてユーザー体験に直結するため、設計段階から製造公差と検査方法を織り込んだ仕様作りが欠かせません。

LiDAR・センシング・医療/顕微

LiDARや3Dセンシングでは、近赤外（例として940nmや1550nmなど）でビーム整形や受光光学に使う検討が進みやすい領域です。単色に近い条件で設計できることが多く、効率と指向性の最適化が主題になりやすいため、メタレンズの設計自由度が活きます。

医療や顕微、内視鏡では、先端部の小型化が価値に直結します。限られた直径の中で集光や像形成を成立させたい場合、薄型の光学素子として有効な選択肢になります。

ただし医療用途では環境耐性や規格要求が厳しく、材料の生体適合性、滅菌プロセスへの耐性、長期安定性などが採用条件になります。光学性能だけでなく、パッケージングと信頼性評価まで含めて設計を組み立てる必要があります。

メタレンズ設計のワークフロー

設計は「要求仕様→目標位相→ユニットセル設計→フルレンズ評価→システム最適化→製造データ化」という流れで進みます。各工程での入出力と、つまずきやすいポイントを押さえます。

メタレンズ設計で重要なのは、最初に要求仕様を具体的にしておくことです。焦点距離や開口、作動波長だけでなく、許容できる色収差、視野角、偏光条件、入射角分布、実装スペースなどが曖昧だと、後工程で成立しない設計になります。

次に、目標位相を作り、その位相を実現できるユニットセルライブラリを作って割り当てます。このとき「位相が合うか」だけでなく「効率が保てるか」「製造できるか」「公差で崩れないか」を同時に確認するのが、開発を前に進めるコツです。

最後に、製造データ化まで含めてワークフローを閉じることが量産には不可欠です。設計が良くてもGDS出力や検証、近接効果やデータ量の壁で詰まると、試作が回らず学習サイクルが止まります。

位相マスクの計算

位相マスクは、焦点距離、開口径、NA、作動波長、入射条件から「レンズ面上で必要な位相分布」を定義したものです。最も基本は、ある焦点へ収束する球面波を作るための位相で、位置ごとに光路長差を位相に変換して求めます。

単色で軸上焦点だけを狙うのか、多波長で焦点位置を揃えたいのか、あるいはオフ軸やフラットフィールドなど像面条件を満たしたいのかで、目標位相は変わります。要件が増えるほど、単純な解析式では足りず、最適化問題として解く比重が増えます。

実務では、位相が急峻に変化する外周部ほど微細構造の割り当て誤差が効きやすく、MTF低下や散乱の原因になります。位相マスクは理想式で終わらせず、実装上の制約を見越して滑らかさや量子化の影響も含めて設計します。

ユニットセルの位相・透過率・電場分布の算出

ユニットセル設計は、候補材料と製造プロセス制約を先に置き、その範囲でパラメータスイープして位相と透過率の特性をマップ化します。最小線幅、高さ、アスペクト比、形状の角の丸まりなど、製造で起きる現象を最初から織り込むほど、後戻りが減ります。

位相が0から2π取れても、透過率が低い区間が多いとレンズとして暗くなります。そのため、位相の範囲と同時に、高透過率領域をどれだけ広く確保できるかがライブラリ品質になります。

さらに、偏光依存や入射角依存、材料分散があると、ユニットセルの応答が条件で変わります。ライブラリは単一条件の表ではなく、用途に必要な次元で管理し、配置時は最近傍補間や量子化ルールを決めて、誤差が像質にどう現れるかまで追える形にしておくことが重要です。

フルレンズシミュレーション

フルレンズシミュレーションでは、ユニットセルを割り当てたメタレンズ全体としてPSFやMTF、効率、散乱やゴーストの傾向を確認します。ユニットセル単体の良さが、レンズ全体で維持されるとは限らないため、この工程が品質の分岐点になります。

大開口になるほど厳密電磁界解析で全体を解くのは難しいため、局所周期近似、フーリエ伝搬、等価面モデルなどの近似が使われます。重要なのは、近似を使うこと自体ではなく、どの条件で誤差が出るかを把握し、必要箇所だけ厳密解析でクロスチェックして設計判断の確度を上げることです。

特に、外周部の大きな入射角、位相勾配が急な領域、偏光が混ざる条件では近似が破綻しやすいので注意が必要です。評価は中心視野だけでなく、周辺視野やスペクトル端まで見て、システム要件に対して余裕度を確認します。

光学系全体の伝搬システムを最適化

メタレンズ単体の最適化で終わらせず、光源、絞り、センサー、筐体まで含めたシステムで最適化します。像質だけでなく、SNR、迷光、許容公差、組立誤差、温度変化や応力による変形の影響まで含めて、要求仕様を満たすかを判断します。

ここではトレードオフが必ず発生します。例えば、効率を上げようとすると構造が単純化して色収差が増える、NAを上げると外周の微細化が進んで製造限界に近づく、といった関係です。どれを優先し、どこを許容するかをシステム目線で回すことが成功の鍵です。

また、コンピュテーショナルな補正と組み合わせる戦略も現実的です。光学側で完全を目指すより、光学で取り切れない誤差をセンサー特性と画像処理で吸収する設計にすると、メタレンズの強みである薄型化や機能統合を活かしやすくなります。

まとめ

メタレンズは、サブ波長構造による位相制御で薄型光学を実現し、用途によっては従来レンズの枚数削減や機能統合に寄与します。最後に、理解と設計の要点を短く振り返ります。

メタレンズとは、平面上に並べたサブ波長構造で位相分布を作り、狙った波面に変換することで集光や像形成を実現する光学素子です。厚みで曲げる屈折レンズとはアプローチが異なり、薄型化と機能統合に強みがあります。

仕組みの中心は、ユニットセルが与える位相と透過率をライブラリ化し、ターゲット位相に合わせて面内に割り当てることです。評価は透過率や回折効率、MTF、偏光・角度依存、そして色収差まで含めて行う必要があります。

設計は、要求仕様の明確化から始まり、位相マスク計算、ユニットセル解析、フルレンズ評価、システム最適化、GDS出力へとつながります。ナノ解析とシステム評価をつなぐワークフローを作ることが、メタレンズを実製品で成立させる最短ルートです。