何世紀もの間、私たちが宇宙を見通すには、光を曲げることに頼ってきた。ガリレオは曲面レンズでこれを実現し、以前は想像もできなかった方法で宇宙を切り開いた。その後の天文学者たちは、曲面鏡を使った巨大な望遠鏡を開発し、より大きな観測装置を可能にしたが、かさばる曲面で光を形づくるという基本的な依存は変わらなかった。このような伝統的な光学系は、より大きな倍率を求めれば求めるほど、ますます重く扱いにくくなり、非常に遠くの暗い天体を観測する大規模天文学や、航空機や宇宙を利用した撮像のようなスペースと重量が重要なアプリケーションにとって、重大な課題となっている。打ち上げコストが高く、1グラム1グラムが重要な宇宙プラットフォームにとって、軽量化は不可欠である。現在、フラットレンズという有望な代替案が登場している。
このほど、ユタ大学ジョン・アンド・マーシャ・プライス工学部の研究者らが、400～800nmの波長域に最適化された直径100mm、厚さ2.4μm、焦点距離200mmのマルチレベル回折レンズ（MDL）を実証した。このレンズは、宇宙ベースのイメージングに軽量で費用対効果の高いソリューションを提供し、宇宙を観測する方法を変える可能性がある。
日常のカメラや裏庭の望遠鏡では、レンズの厚さは大きな問題ではない。しかし、望遠鏡が何百万光年も離れた銀河からの光を集光しなければならない場合、レンズの厚さは実用的ではなくなってしまう。そのため、天文台や宇宙を拠点とする望遠鏡は、同じように光を曲げる効果を得るために、代わりに巨大な曲面ミラーに頼っている。鏡は薄くて軽い反面、像の歪みを引き起こす可能性がある。しかし、フレネルゾーンプレート（FZP）のような初期の平面設計は、厚い曲面ではなく同心円状の稜線を使って集光するため、色収差に悩まされる。これは、稜線がさまざまな角度で可視光の異なる波長を回折させるために発生し、真のカラーイメージングを妨げる。
これに対して、この新しいマルチレベル回折レンズ（MDL）は、アクロマティック・フォーカシングのための革新的な設計を採用しており、すべての波長が1点に収束するため、虹のようなフリンジのない正確で忠実なカラー画像が得られます。このレンズの製造には、逆設計とグレースケール・リソグラフィが活用されている。インバースデザインプロセスは、ガラス基板上の構造化フォトレジストにエッチングされた1万個の精密に制御された同心円状の複雑な微細構造を最適化し、グレースケール・リソグラフィはリングの高さを細かく制御することができる。製造は、Heidelberg Instruments「高精度で汎用性の高いDWL 66+レーザーリソグラフィツール」を使用して行われ、必要な精度が確保された。
ユタ大学光学ナノテクノロジー研究所所長のラジェッシュ・メノン教授率いる研究チームは、このレンズを広範囲にテストし、月、太陽、地上のシーンの詳細な画像を撮影した。このレンズは、月の地質学的特徴や太陽の黒点などの微細なディテールを解像し、天体写真撮影を大きく前進させる可能性を示した。
このMDLのようなフラットレンズは、望遠鏡の光学系の重量とサイズを軽減することで、よりシンプルでコスト効率の高い空中および宇宙ベースの天文台を実現し、より鮮明な宇宙観への道を開くとともに、他の分野にも影響を与える可能性がある。
