JP2010128468A - メタマテリアルプリズムを用いた観察装置及び観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負の屈折率を有するメタマテリアルの性質を利用して、新規で有用な観察装置及び方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るメタマテリアルプリズムを用いた観察装置は、負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成された多面体であり、前記多面体の一面を構成する第１の面２１から入射される光を内部で結像させるメタマテリアルプリズム１と、前記第１の面２１に対して０°を除く所定のプリズム角θを有する第２の面２２から出射される光による結像Ｂ2を視認可能にする視認化手段２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、観察装置及び観察方法に関し、特に負の屈折率を有するメタマテリアルを利用するものに関する。

近年、負の屈折率を有するメタマテリアルが開発され、その特性を利用した技術開発が進められている。メタマテリアルは、光・電磁波の波長より十分に小さい人工的な要素素子をマトリクス状に配置することにより、通常の物質では起こり得ない電磁応答を生じさせ、その結果として特異な光の屈折現象等を生ずるものである。

図６は、正の屈折率を有する通常の物質における光の屈折を示している。同図が示すように、媒質１（屈折率ｎ₁＝１）から媒質２（屈折率ｎ₂＝２）に入射される光は、スネルの法則に従い、入射角θ₁と屈折角θ₂とが、この例ではｓｉｎθ₁＝２ｓｉｎθ₂となるように、両媒質の界面で屈折し伝播する。

これに対し、図７は、負の屈折率を有するメタマテリアルにおける光の屈折を示している。同図が示すように、媒質１から、メタマテリアルからなる媒質２（屈折率ｎ₂＝−１）に入射される光は、この光の媒質２への到達点において、界面に垂直な線ａに対し反射するような光跡となる（この例では、ｓｉｎθ₁＝−ｓｉｎθ₂（θ₂は負値），｜θ₁｜＝｜θ₂｜となる）。

また、図６及び図７の両例を比較してみると、波面の進行に関して次のような相違点があることがわかる。図６に示す通常の物質の場合では、入射光が媒質１から媒質２に入る時の波面の進行は、・・→−２→−１→０→＋１→＋２→・・となる。一方、図７に示すメタマテリアルの場合では、波面の進行は、・・→＋２→＋１→０→−１→−２→・・と逆になる。

メタマテリアルは、上記のような性質を有するため、これをレンズとして用いた場合にも特殊な効果を奏する。図８は、正の屈折率を有する通常の媒質から形成されたレンズにおける結像の状態を示している。このような通常のレンズにおいては、結像Ｂが実像Ａに対して上下左右が反転したものになる。一方、図９は、負の屈折率を有する平板のメタマテリアルをレンズとして用いた場合の結像の状態を示している。この場合、メタマテリアルの内部で、実像Ａに対して上下反転した結像Ｂ1が生成され、その後メタマテリアルを透過した光により、実像Ａと同一の対称性をもった結像Ｂ2（結像Ｂ1の上下反転写像）が生成される。このような、平行平板状のメタマテリアルに関する結像現象等については、下記非特許文献１に開示されている。

このように、メタマテリアルを利用したレンズにおいては、その内部において像を結ぶことができる。また、従来のレンズにおいては、回折限界によって、光の波長より小さい対象の画像を得ることができないという理論的な限界が存在したが、メタマテリアルを利用することにより、このような限界を超えたスーパーレンズを作製することができるとされている。
Physics Reports vol.444 (2007) P-101-202, "Periodic nanostructures for photonics"

上記のように、メタマテリアルは、天然の素材にはない特異な光の屈折現象を示すものであり、このような性質を利用して、様々な技術開発に貢献できる可能性を秘めたものである。

そこで、本発明は、メタマテリアルの性質を利用して、新規で有用な観察装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的の達成を図る本発明は、負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成された多面体であり、前記多面体の一面を構成する第１の面から入射される光を内部で結像させるメタマテリアルプリズムと、前記第１の面に対して０°を除く所定のプリズム角を有する第２の面から出射される光による結像を視認可能にする視認化手段とを備えるメタマテリアルプリズムを用いた観察装置である。

上記構成を備える本発明によれば、被写体から放射された光は、前記第１の面から前記メタマテリアルプリズム内に入射し、前記メタマテリアルプリズム内で結像する。その後、前記メタマテリアルプリズム内の光は、前記第１の面に対して所定の前記プリズム角を有して形成された前記第２の面から出射し、前記メタマテリアルプリズム外で再び結像する。尚、本発明においては、前記プリズム角が０°ではない、即ち前記第１及び第２の面は互いに平行ではないことが、特徴の１つとなっている。このプリズム角と、前記メタマテリアルの屈折率とに基づいて、前記第２の面から出射された光による結像が、どのような映像になるかが決定される。即ち、前記プリズム角と前記屈折率とを設定することにより、前記第１の面に対峙した前記被写体の映像（実像）を、任意の角度から観察することが可能となる。

例えば、前記屈折率を−１、前記プリズム角を４５°とすることにより、前記第２の面から出射される光による結像は、前記第１の面に対峙する被写体（実像）を、９０°回転させた映像となる。これにより、観察者は、前記被写体に向けた視点を正面とする時、この正面に視点を向けたまま、前記被写体を側面から見た映像を観察することが可能となる。また、例えば前記屈折率を−１、前記プリズム角を９０°とすることにより、前記第２の面から出射される光による結像は、前記第１の面に対峙する被写体を、１８０°回転させた映像となる。これにより、観察者は、前記被写体の正面に視点を向けたまま、この被写体を背面から見た映像を観察すること可能となる。

また、前記第２の面から出射される光による結像を拡大する拡大化手段を更に備えてもよい。これにより、上述のような作用効果を有する顕微鏡等の拡大観察装置を提供することが可能となる。

また、本発明は、負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成された多面体であり、前記多面体の一面を構成する第１の面から入射される光を内部で結像させるメタマテリアルプリズムを用いた観察方法であって、前記第１の面に対して０°を除く所定のプリズム角を有する第２の面から射出される光による結像を視認可能にするステップを有するものである。

この観察方法による作用効果は、上記観察装置によるものと同様であるため、その説明を省略する。

本発明によれば、観察者が向けている視点からは通常視認することができない被写体の部分を、視認することができるようになる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。尚、異なる実施の形態において、同一又は同様の作用効果を奏する箇所については、同一の符号を付してその説明を省略する。

発明の実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る観察装置の構成を概略的に示している。この観察装置は、メタマテリアルプリズム１、及び視認化手段２を備えている。

前記メタマテリアルプリズム１は、メタマテリアルを材料として形成された多面体である。前記メタマテリアルは、誘電率及び透磁率が共に負となり、その結果負の屈折率を有するものである。前記メタマテリアルは、例えば金属、誘電体、磁性体等から構成され大きさが光・電磁波の波長より十分小さい要素素子を、この波長より十分小さいピッチで並列配置することにより構成される。

図２は、前記要素素子１０の一例を示している。この要素素子１０は、Ｕ字パターン１１、誘電スペーサ１２、Ｉ字パターン１３を備えている。前記Ｕ字パターン１１は、Ａｕ等からなり、幅及び長さが５０ｎｍ、厚さが２０ｎｍ程度の大きさを持つ。このＵ字パターン１１により、前記メタマテリアルの透磁率が負になるように作用する。前記誘電スペーサ１２は、ＳｉＯ₂等からなり、前記Ｕ字パターン１１と前記Ｉ字パターン１３とにより挟持される。前記Ｉ字パターン１３は、Ａｕ等からなり、５０ｎｍ程度の長さを持つ。このＩ字パターン１３により、前記メタマテリアルの誘電率が負になるように作用する。このような構成の要素素子１０を、１００ｎｍ程度のピッチをもって３次元的にマトリクス配置することにより、可視光領域で負の屈折率を有するメタマテリアルを作製することができる。尚、前記メタマテリアルの性質は、上記のような要素素子の形状、材質、及びそれらの配置により、様々に変化するものである。本発明は、前記メタマテリアルの具体的構成に限定されるものではない。

前記メタマテリアルプリズム１は、上記のようなメタマテリアルから形成された多面体であり、第１の面２１及び第２の面２２を備えている。本実施の形態においては、前記第１の面２１と前記第２の面２２とのなす角度、即ちプリズム角θが４５°となっており、又その屈折率ｎは−１である。

このような構成の前記メタマテリアルプリズム１（図１）においては、ある被写体の実像Ａから放射された光は、光跡Ｃ1，Ｃ2のように進行する。前記実像Ａから放射された光は、前記第１の面２１から入射し、前記メタマテリアルプリズム１の内部において、結像Ｂ1を形成する。この結像Ｂ1は、前記実像Ａに対して図中上下に反転した像となる。そして、前記メタマテリアルプリズム１内部の光は、前記第２の面２２から出射し、前記メタマテリアルプリズム１外部で再び結像Ｂ2を形成する。この結像Ｂ2は、前記実像Ａを９０°回転させた映像となる。これにより、観察者Ｏは、前記被写体に向けた視点を正面とする時、この正面に視点を向けたまま、前記被写体を側面から見た映像を観察することが可能となる。また、前記結像Ｂ2は、前記実像Ａと同一の対称性を有するものとなる。

前記視認化手段２は、前記メタマテリアルプリズム１の第２の面２２から出射された光により形成される結像Ｂ2を、前記観測者Ｏにより視認可能にするものである。この映像処理装置２は、レンズ機構等の周知の光学デバイスを用いて構成されてもよいし、又ＣＣＤ(Charge Coupled Device)、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のイメージセンサ、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ディスプレイ、映像処理用プログラム等の協働により構成されてもよい。

上記のように、本実施の形態に係る観察装置によれば、観察者Ｏは前記被写体のある一面に視点を向けながら、その側面を観察することが可能となる。

発明の実施の形態２．
図３は、本実施の形態に係る観察装置の構成を概略的に示している。この観察装置は、上記実施の形態１に係る観察装置を基に構成されたものであり、微生物４０等を拡大観察するための装置である。本実施の形態に係る観察装置は、前記メタマテリアルプリズム１及び前記視認化手段２に加え、レンズ機構３からなる拡大化手段を備えている。

前記レンズ機構３は、光を屈折させて拡散、集束等を行うものであり、周知のものであってよい。このレンズ機構３は、前記メタマテリアルプリズム１の第２の面２２から出射した光による結像Ｂ2を拡大する。

このような構成により、例えば線虫等の細長い形状をした微生物４０の微細な縞模様４１等を、この微生物４０の頭部への視点から、この微生物４０を移動させることなく観察することができる。このように、前記レンズ機構３を組み込むことにより、利便性の高い顕微鏡等の装置を提供することが可能となる。また、このようなレンズ機構３と同様の作用効果を有する機能を、前記視認化手段２自体に、所定の制御プログラム等の電子的手段により組み込んでもよい。

発明の実施の形態３．
図４は、本実施の形態に係る観察装置の構成を概略的に示している。この観察装置は、メタマテリアルプリズム５１、及び前記映像処理装置２を備えている。

前記メタマテリアルプリズム５１は、前記第１の面５２と前記第２の面５３とのなす角度、即ちプリズム角θが９０°であり、又その屈折率ｎが−１である。

前記メタマテリアルプリズム５１において、前記実像Ａから放射された光は、前記第１の面５２から入射し、前記メタマテリアルプリズム５１の内部において結像Ｂ1を形成する。この結像Ｂ1は、前記実像Ａに対して図中上下に反転した像となる。そして、前記メタマテリアルプリズム５１内部の光は、前記第２の面５３から出射し、前記メタマテリアルプリズム５１外部で再び結像Ｂ2を形成する。この結像Ｂ2は、前記実像Ａを１８０°回転させた映像となる。これにより、観察者Ｏは、前記被写体の正面に視点を向けたまま、この被写体を背面から見た映像を観察すること可能となる。

発明の実施の形態４．
図５は、本実施の形態に係る観察装置の構成を概略的に示している。この観察装置は、上記実施の形態３に係る観察装置を基に構成されたものであり、飛行機６０等の移動体の一部に設けられた識別情報６１等を確認するための装置である。

この例では、前記飛行機６０の尾翼部分に前記識別情報６１が設けられており、前記飛行機６０は、観察者Ｏに向かって進行しているものとする。通常、このような状況では、前記観察者Ｏの視点からでは、前記識別番号６１を視認することはできない。そこで、本実施の形態に係る観測装置おいては、前記メタマテリアルプリズム５１を、前記飛行機６０の飛行経路の下方に配置することにより、飛行中の前記飛行機６０の前記識別情報６１が、前記メタマテリアルプリズム５１の第１の面５２の上空を通過するようになされている。これにより、前記識別情報６１が設けられた実像Ａから放射され前記第１の面５２から入射した光、若しくは電磁波により前記メタマテリアルプリズム５１内に形成される結像Ｂ1、及び前記第２の面５３から出射された光による結像Ｂ2が得られる。この結像Ｂ2は、上記実施の形態３と同様に、前記実像Ａを１８０°回転させた映像となる。これにより、観察者Ｏは、前記飛行機６０の正面に視点を向けたまま、前記飛行機６０の後端部分に設けられた前記識別情報６１を視認することが可能となる。

本発明によれば、プリズム形状のメタマテリアルを利用して、利便性の高い観察装置を提供することができる。例えば、本発明は、微生物を様々な角度から観察可能な顕微鏡、飛行機等の移動体を監視するためのレーダー装置等に応用することができる。

本発明の実施の形態１に係る観察装置の構成を概略的に示す図である。 メタマテリアルの要素素子の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る観察装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態３に係る観察装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態４に係る観察装置の構成を概略的に示す図である。 正の屈折率を有する物質における光の屈折現象を示す図である。 負の屈折率を有する物質における光の屈折現象を示す図である。 通常のレンズにおける結像状態を示す図である。 メタマテリアルを用いたレンズにおける結像状態を示す図である。

符号の説明

１，５１ メタマテリアルプリズム
２ 映像処理装置
２１，５２ 第１の面
２２，５３ 第２の面
Ａ 実像
Ｂ1，Ｂ2 結像
Ｏ 観察者
θ プリズム角

Claims (5)

1. 負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成された多面体であり、前記多面体の一面を構成する第１の面から入射される光を内部で結像させるメタマテリアルプリズムと、
   前記第１の面に対して０°を除く所定のプリズム角を有する第２の面から出射される光による結像を視認可能にする視認化手段と、
   を備えるメタマテリアルプリズムを用いた観察装置。
2. 前記メタマテリアルプリズムは、
   観察者の視点が被写体の正面に向いている際に、前記被写体を側面から見た像を視認できるように、前記屈折率と前記プリズム角とが設定されている、
   請求項１記載のメタマテリアルプリズムを用いた観察装置。
3. 前記メタマテリアルプリズムは、
   観察者の視点が被写体の正面に向いている際に、前記被写体を背面から見た像を視認できるように、前記屈折率と前記プリズム角とが設定されている、
   請求項１記載のメタマテリアルプリズムを用いた観察装置。
4. 前記第２の面から射出される光による結像を拡大する拡大化手段、
   を更に備える請求項１〜３のいずれか１つに記載のメタマテリアルプリズムを用いた観察装置。
5. 負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成された多面体であり、前記多面体の一面を構成する第１の面から入射される光を内部で結像させるメタマテリアルプリズムを用いた観察方法であって、
   前記第１の面に対して０°を除く所定のプリズム角を有する第２の面から射出される光による結像を視認可能にするステップ、
   を有するメタマテリアルプリズムを用いた観察方法。

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