レンズ不要で3D顕微級へ

はじめに

センサー側と計算で「光学の限界」を崩す動きが、また一段ギアを上げました。

今回の核は、
UConn（コネチカット大学）のGuoan Zheng研究室が発表した、MASI（Multiscale Aperture Synthesis Imager） と、その論文です。

UConn Todayはこの研究を

「レンズなしで光学スーパーレゾリューション（超解像）を達成し、3Dの微細形状も再構成できる新しい画像センサー／撮像方式」

と紹介しています。 (UConn Today)

論文（Nature Communications, 2025年11月25日公開）では、複数の独立したセンサーが撮った回折パターンを、ソフトウェア側で位相同期・合成して仮想的に大きな開口を作ることで、単一センサーの回折限界を超えることを示します。 (Nature)
（同内容はarXivにもプレプリントとして公開されています） (arXiv)

何が新しいのか

ポイントは2つです。

1) 光学合成の最難所だった「厳密な同期」を、計算で後から合わせにいく

電波天文学の超巨大望遠鏡（イベントホライズンテレスコープ）で使われる合成開口の発想を、可視光の世界に持ち込もうとすると、波長が短すぎて物理的な同期や位置合わせがほぼ不可能級になります。UConnの説明ではMASIは、そこを「物理で合わせる」のではなく 各センサーは独立に測り、計算で位相を最適化して同期させる設計に変えた、としています。 (UConn Today)

2) レンズではなく、回折情報＋位相情報を復元して像と3D形状を出す

MASIはレンズで像を結ぶ代わりに、対象から来る回折パターンをセンサーアレイで取得し、計算で波面（振幅と位相）を復元して合成します。論文中でも、センサー配列と位相補償・合成の流れ、そして反射構成での高解像検証などが説明されています。 (Nature)

なぜトレンド級か

これは単なる顕微鏡の小型化ではなく、

カメラの定義を変える方向の流れ

と解釈できます。

• レンズ中心主義から、計算中心主義へ
  レンズレスや計算撮像は、Opticaのレビューでも大きな潮流として整理されています。 (オプティカ出版グループ)
• 1枚の高級レンズではなく、安価な複数センサー＋アルゴリズムで性能を稼ぐ
  センサーや計算資源が強くなるほど有利な設計です。
• 3D化が自然に付いてくる
  波面を復元できると、焦点位置探索や形状推定など、2Dの写真を超えた情報が取りやすくなります（論文も3D形状再構成に触れています）。 (Nature)

期待される効果

用途を「顕微鏡」に閉じず、計測インフラとして見ると効き方が見えてきます。

医療・バイオ

• 低コスト化とスケール
  レンズの制約を減らし、広い範囲を一括で撮って解析する方向に相性が良い。UConnの過去のレンズレス顕微技術の発表でも、臨床・遠隔医療などの適用可能性が語られています。 (UConn Today)
• レンズレス顕微の研究蓄積が厚い領域
  近年のレビューでも、レンズレス蛍光顕微などの課題と進展が整理されています。 (MDPI)

産業検査・計測

• 小型・組み込み化の余地
  レンズや精密アライメントがボトルネックだった現場で、装置設計の自由度が上がる可能性。
• 複数センサー合成による、広い範囲と高解像の両立
  まさに従来トレードオフになりがちな点を、合成開口で破りにいく設計です。 (Nature)

課題とハードル

期待が大きいほど、実装の壁もはっきりしています。

1) 計算コストとレイテンシ

レンズの代わりに逆問題を解くので、計算量が増えます。リアルタイム用途では、専用ハードや推論最適化が要件になりがちです（計算撮像の一般論としてもここがボトルネックになりやすい）。 (オプティカ出版グループ)

2) ノイズ・照明条件・現場耐性

回折パターンから位相まで復元する系は、SNRや振動、照明ムラに敏感になり得ます。論文では位相同期や補償の工夫が核ですが、現場条件での再現性が普及の鍵になります。 (Nature)

3) キャリブレーションと量産

センサー配列・アクチュエータ・符号化表面など、製造ばらつきをどう吸収するかが製品化の山です（論文はプロトタイプとモデル化・同期手順を詳細化しています）。 (Nature)

同様の動きは他にもあるか

あります。ただし「MASIと同じ方式」ではなく、同じ方向性（レンズの役割をセンサー＋計算に移す）で多系統が並走しています。

• レンズレス3D撮像の代表例としてDiffuserCam系
  レンズなしで単一画像から3D再構成を狙う流れが以前からあり、科学ニュースでも紹介されています。 (ScienceDaily)
• 超薄型化の別ルートとして金属レンズ（メタレンズ）やメタ光学
  小型高性能を光学素子側で攻める潮流も継続しています。 (Phys.org)
• レンズレス＋回折＋計算の応用拡張（内視鏡など）
  レンズレスのまま高解像を狙う研究が各所で進んでいます。 (Nature)

まとめ：カメラは「レンズ」から「計算資本」へ

今回のポイントは、レンズを外すことそのものよりも、
「高価で重い光学部品・精密アライメント」を、センサーの配列設計と計算で置き換えていく設計思想が、実験室デモを超えて論文として形になり続けていることです。 (UConn Today)

スマホ・ウェアラブル・工場検査のどれも、次の勝負はレンズ単体の競争というより、
センサー設計、計算復元、量産性、そして現場での頑健性の競争になっていきます。

参照情報（URL）

https://today.uconn.edu/2025/12/new-image-sensor-breaks-optical-limits/
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65661-8
https://arxiv.org/abs/2511.06075
https://interestingengineering.com/innovation/lensless-imager-breaks-optical-resolution-limits
https://opg.optica.org/abstract.cfm?uri=optica-9-1-1
https://www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171221101329.htm
https://www.nature.com/subjects/imaging-and-sensing/ncomms
https://www.nature.com/articles/s41377-024-01510-5
https://www.mdpi.com/2304-6732/11/6/575

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