JP2011158665A - メタマテリアル部材の製造方法及びメタマテリアル部材 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な用途の撮像装置に適用可能な例えばレンズ等の光学素子を、より低コストで且つ容易に製造する。
【解決手段】本発明のメタマテリアル部材１０の製造方法では、まず、所定形状の共振器１を有する複数の共振素子１２を作製する（ステップＳ１）。次いで、内部に一つの共振器１を含む球状の複数のマイクロカプセル２０を作製する（ステップＳ２）。次いで、複数のマイクロカプセル２０を所定の液状誘電体材料１５とともに所定形状の型枠３３に充填する（ステップＳ４）。そして、液状誘電体材料１５を硬化させてメタマテリアル部材１０を成形する（ステップＳ６）。
【選択図】図４

Description

本発明は、メタマテリアル部材の製造方法及びメタマテリアル部材に関する。

従来、赤外線を検出する画素を備えた赤外線センサ等を用いて撮像対象の物体を撮像し、該物体の温度を測定する赤外線撮像装置（例えばサーモグラフィ等）が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このような赤外線撮像装置は、一般に、レンズ系と、撮像素子とを備えるが、これらはともに非常に高価である。

赤外線撮像装置で用いられるレンズ系は、赤外線波長領域において良好な透過率を有する、例えばＧｅ（ゲルマニュウム）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、Ｓｉ（シリコン）等の高価な材料で形成されたレンズを複数枚用いて構成する。

例えば、Ｇｅレンズに使用されるＧｅ（ゲルマニュウム）は希少金属であるので、市場での流動量が非常に少なく、現在、材料単価が５〜１８万円／ｋｇであり、非常に高価である。そのため、Ｇｅレンズは一枚当たり１〜５万円程度の価格になる。そして、赤外線撮像装置のレンズ系では、Ｇｅレンズを２〜５枚で１組にして用いる。それゆえ、装置の必要解像度にもよるが、レンズ系だけで２万円〜２５万円程度の価格になってします。

Ｇｅの代替材料として浮上した材料がＺｎＳ（硫化亜鉛）である。ＺｎＳの材料単価はＧｅに比べて安価であるが、その加工生産性が悪い。それゆえ、現状では、ＺｎＳレンズの価格は、Ｇｅレンズとほぼ同じ価格になってしまう。また、Ｓｉレンズは、Ｇｅレンズよりは廉価であるものの、遠赤外領域（８〜１４μｍ）での透過率が落ちるため、サーモグラフィには不向きである。

一方、赤外線撮像装置で用いられる撮像素子は、一般に、ＶＯｘ（酸化バナジウム）からなる画素を個別に空中で支持する中空構造、いわゆるマイクロボロメータ構造と呼ばれる構造を有する。なお、撮像素子を中空構造とする理由は、次の通りである。ＶＯｘからなる画素を中空構造にせずに熱型の赤外線センサに用いると、回路系の自己発熱等のノイズによりＳ／Ｎが悪くなる。そのため、回路系との熱絶縁を図るためにＶＯｘからなる画素を中空構造にしている。

また、赤外線撮像装置で用いられる撮像素子では、ＶＯｘが希少金属であり、さらにその中空構造を形成するためのプロセス工程数も多くなるので、製造コストが増大する。それゆえ、マイクロボロメータ構造の撮像素子の生産性は非常に悪く、非常に高価なデバイスとなってしまう。

特開昭６２−３０２０８号公報

上述のように、サーモグラフィ等の赤外線撮像装置は、高コスト構造であり、例えば、低画素品の装置で６０万円、高画素品の装置で９００万円程度の価格になる。また、遠赤外線サーモグラフィ等以外のテラヘルツ波を用いる撮像装置（以下、テラヘルツ波撮像装置という）も同様に、非常に高価な装置になっている。

そのため、今のところ、このような赤外線撮像装置は、業務用の市場向けに生産されているのみであり、民生用として市場を拡大するまでには至っていない。例えば、遠赤外線サーモグラフィの用途としては、産業用の設備温度管理、防衛/保安上の物体温度検出、高級車用の夜間人体検出用ナイトビジョン、医療用の体温検出程度に限られており、その年間出荷量は、全世界で１万台〜２万台程度にとどまっている。また、遠赤外線サーモグラフィ等以外のテラヘルツ波撮像装置に至っては、殆ど生産されていないのが実情である。

また、上述した赤外線撮像装置に用いるレンズの形成材料に関する様々な問題から、希少金属を使わずに、低コストで且つ透過率の低下を抑制できる赤外線撮像装置用のレンズの開発は実現していない。すなわち、今のところ、遠赤外線サーモグラフィを代表としたテラヘルツ波撮像装置全般に渡って、安価なレンズの構成及び製造方法についての提案はなされていない。

本発明は、上記状況を鑑みなされたものであり、本発明の目的は、例えば赤外線撮像装置やテラヘルツ波撮像装置等に限らず、様々な用途の撮像装置に適用可能な例えばレンズ等の光学素子を、より低コストで且つ容易に製造することである。

上記課題を解決するために、本発明のメタマテリアル部材の製造方法は、次の手順で行う。まず、所定形状の共振器を有する複数の共振素子を作製する。次いで、内部に共振器を含む球状の複数のマイクロカプセルを作製する。次いで、複数のマイクロカプセルを所定の液状誘電体材料とともに所定形状の型枠に充填する。そして、液状誘電体材料を硬化してメタマテリアル部材を成形する。

上述のように、本発明のメタマテリアル部材の製造方法では、内部に共振器を含む球状のマイクロカプセルを複数作製し、その複数のマイクロカプセルを液状誘電体材料とともに、所定形状の型枠に充填してメタマテリアル部材を成形する。この手法では、より容易に且つ低コストで所望の光学特性等を有するメタマテリアル部材を製造することができる。

また、本発明のメタマテリアル部材は、誘電体材料からなる基材と、基材中に分散して配置された複数の共振器と、共振器の配向を制御するために、複数の共振器にそれぞれ設けられた複数の配向制御素子とを備える構成とする。

上述のように、本発明のメタマテリアル部材の製造方法では、より容易に且つ低コストで所望の光学特性等を有するメタマテリアル部材を製造することができる。それゆえ、本発明によれば、例えば赤外線撮像装置、テラヘルツ波撮像装置等に限らず、様々な用途の撮像装置に適用可能な例えばレンズ等の光学素子を、より低コストで且つ容易に製造することができる。

本発明の一実施形態に係るメタマテリアルレンズの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るメタマテリアルレンズで用いる共振素子の概略構成図である。 メタマテリアルレンズの動作例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタマテリアルレンズの製造方法の手順を示すフローチャートである。 共振素子入りのマイクロカプセルの概略構成図である。 図４中のステップＳ３のマイクロカプセルの選別工程の様子を示す図である。 図４中のステップＳ４のマイクロカプセルの型枠への充填工程の様子を示す図である。 図４中のステップＳ５の主共振器の配向制御工程の様子を示す図である。 図４中のステップＳ６の液状媒質の硬化工程を示す図である。 メタマテリアルレンズの成形部材の概略構成図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子の作製工程（図４中のステップＳ１）を説明するための図である。 共振素子入りのマイクロカプセルの作製工程（図４中のステップＳ２）を説明するための図である。 共振素子入りのマイクロカプセルの作製工程（図４中のステップＳ２）を説明するための図である。 共振素子入りのマイクロカプセルの作製工程（図４中のステップＳ２）を説明するための図である。 共振素子入りのマイクロカプセルの作製工程（図４中のステップＳ２）を説明するための図である。 共振素子入りのマイクロカプセルの作製工程（図４中のステップＳ２）を説明するための図である。 変形例１−１のマイクロカプセルの概略構成図である。 変形例１−１のマイクロカプセルを用いたメタマテリアルレンズの概略上面図である。 変形例１−２のマイクロカプセルの概略構成図である。 変形例１−３のマイクロカプセルの概略構成図である。 変形例１−４のマイクロカプセルの概略構成図である。 変形例２のメタマテリアルレンズの概略断面図である。 変形例３−１のメタマテリアルレンズの概略構成図である。 変形例３−１のメタマテリアルレンズを成形する際に用いる型枠の概略断面図である。 変形例３−２のメタマテリアルレンズの概略断面図である。

以下に、本発明の実施形態に係るメタマテリアル部材及びその製造方法の一構成例を、図面を参照しながら下記の順で説明する。なお、以下の説明では、メタマテリアル部材がレンズ（以下、メタマテリアルレンズという）である例を説明するが、本発明はこれに限定されない。
１．メタマテリアルレンズの基本構成例
２．各種変形例

＜１．メタマテリアルレンズの基本構成例＞
本発明では、例えばレンズ等の光学部材を、メタマテリアルと呼ばれる人工物質を用いて作製する。メタマテリアルとは、例えば光等の電磁波に対して、自然界の物質にはない振る舞いをする人工物質である。

メタマテリアルからなる光学部材は、例えば、電磁波の波長より十分小さなサイズを有し且つ内部に共振器を有する単位格子を誘電体中に配列して構成される。なお、メタマテリアルの単位格子（共振器）の間隔は、用いる電磁波の波長の約１／１０程度あるいはそれ以下、または、約１／５程度あるいはそれ以下に設定される。このような構成にすることにより、光学部材の誘電率ε及び／または透磁率μを人工的に制御することが可能になり、光学部材の屈折率ｎ（＝±［ε・μ］^１／２）を人工的に制御することができる。特に、メタマテリアル部材では、共振器の例えば形状、寸法等を適宜調整することにより、所望の波長の電磁波に対して、屈折率を負の値にすることもできる。

ところで、メタマテリアルの研究は、１９９９年ぐらいから盛んに行われているが、現段階では、まだ研究の域を脱していない。また、メタマテリアルの製造方法の開発においては、更に障壁は高く、メタマテリアルを安価に製造することのできる技術は今のところ発表されていない。

メタマテリアル部材を偏光方向が一定でない一般撮像系レンズに適用する場合には、共振器の形状を立体（３次元）構造にする、または、平面（２次元）構造の共振器を複数用意し、それらを９０度回転させて連続的に積層する必要がある。

３次元構造体の製法としては、従来、例えば特開２００７−２５３３５４号公報等に、レーザー走査技術を用いた手法が提案されている。しかしながら、この手法を用いてメタマテリアル部材内の共振器を作製した場合、レンズ一個当たりに数億個以上の共振器を形成する必要があるので、その製造時間が膨大となり、実用的ではない。

また、２次元構造の共振器の層を複数用いる手法としては、例えばＩＣパターンの作製時に用いるフォトリソグラフィ技術で共振器の層を必要な層数だけ重ねて作製する手法が従来多く提案されている。しかしながら、この手法では、入射光の全ての偏光方向に対応するために、層毎に共振器の配置を変化させる必要があり、マスクやプロセスの数が増大し、コストがさらに増大する。

そこで、本実施形態では、上述のような問題を解消し、安価で且つ容易に作製することにできるメタマテリアルレンズ及びその製造方法の一例を説明する。

［メタマテリアルレンズの構成］
図１（ａ）及び（ｂ）に、本発明の一実施形態に係るメタマテリアルレンズの概略構成を示す。図１（ａ）は、メタマテリアルレンズの光入射側から見た概略上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。なお、本実施形態では、メタマテリアルレンズに入射される光を例えば単波長光やカラーフィルタ等を通過した後の光等の波長領域の非常に狭い光とし、その波長領域において屈折率が負の値に調整されているメタマテリアルレンズの例について説明する。

メタマテリアルレンズ１０は、基材１１と、基材１１の内部に略等間隔で３次元状に配列された複数の共振素子１２とを備える。本実施形態では、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、メタマテリアルレンズ１０の光入射面１０ａと平行な同一面に略等間隔で配置された複数の共振素子１２からなる素子群を、基材１１を介してメタマテリアルレンズ１０の厚さ方向に積層した構成となる。

また、本実施形態では、後述するように、略同じ径の共振素子１２入りのマイクロカプセルを３次元に配列して共振素子１２を配置する。それゆえ、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、厚さ方向に隣り合う素子群間では、共振素子１２が互いに１／２ピッチずれした状態で配置される。なお、本発明はこれに限定されず、厚さ方向に隣り合う素子群間において、厚さ方向に共振素子１２が重なる（ピッチずれ＝０）ように配置してもよい。

基材１１は、その光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂが円形であり、厚さが一定の光学部材である。また、基材１１は、用いる電磁波（光）の波長において透過率の高い誘電体材料で形成される。例えば光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、二液性硬化樹脂、熱可塑性樹脂等の樹脂材料で形成される。

より具体的には、メタマテリアルレンズ１０に入射する光が可視光であれば、基材１１は、例えば、アクリル系、ポリカーボネート系、ウレタン系等の誘電体材料（樹脂材料）で形成される。また、入射光が遠赤外線領域の光であれば、基材１１は、例えば、高密度ポリエチレン、フッ素系樹脂、フッ化バリウム、Ｓｉ等の材料で形成される。

なお、基材１１の形成材料としては、例えばアモルファスフッ素樹脂等のように常温で特殊フッ素系溶媒に溶解可能な材料、または、常温で液体である材料を用いることが特に好ましい。その理由は、次の通りである。後述するように、本実施形態では、共振素子１２を内部に含む樹脂製マイクロカプセルを作製し、そのマイクロカプセルが基材１１の一部を構成する。そして、共振素子１２入りのマイクロカプセルを作製する際、マイクロカプセルの液状物質を乳化分散溶液中で分散させてカプセル化する。しかしながら、マイクロカプセルを例えば熱可塑性樹脂等で形成すると、過熱しながら熱可塑性樹脂の液状物質をカプセル化する必要がある。それに対して、上述のような常温で液体状態にできる材料でマイクロカプセルを形成すると、マイクロカプセル作製時の温度調整が不要となり、製造方法がより一層容易になる。

共振素子１２は、メタマテリアルレンズ１０の屈折率ｎ（＝±［ε・μ］^１／２）を人工的に制御するために基材１１内に埋め込まれる。なお、共振素子１２の間隔は、上述のように、メタマテリアルレンズ１０に入射される光１００の波長の約１／１０以下または約１／５以下程度に設定される。例えば、入射光１００が遠赤外線領域（波長＝８〜１４μｍ程度）の波長を有する場合には、共振素子１２の間隔は約１μｍ程度となる。なお、基材１１の内部に埋め込まれる共振素子１２の数は、例えば、必要とする屈折率ｎ、入射光１００の波長、メタマテリアルレンズ１０のサイズ等を考慮して適宜設定される。

ここで、共振素子１２の構成を、図２（ａ）及び（ｂ）を参照しながらより詳細に説明する。なお、図２（ａ）は、共振素子１２の上面図であり、図２（ｂ）は、側面図である。本実施形態では、共振素子１２を、主共振器１（共振器）と、副共振器２（配向制御素子）とで構成する。

主共振器１は、所定方向に延在した直方体状（ワイヤー型）の導電性部材で構成される。主共振器１は、入射される電磁波（入射光１００）に対して磁気応答や誘電応答し、電磁波に対するメタマテリアルレンズ１０の光学特性（例えば誘電率、透磁率、屈折率等）を変化させる。

主共振器１は、例えば、銀、金、銅、アルミニウム等の導電性材料で形成される。なお、本実施形態では、主共振器１の寸法（例えば幅、厚さ、長さ等）は、入射光１００の波長領域において、メタマテリアルレンズ１０の屈折率が負の値になるように調整される。

ただし、本発明はこれに限定されず、主共振器１の寸法は、例えば入射光１００の波長、必要とする光学特性等に応じて適宜設定される。より具体的に説明すると、入射光１００の波長における屈折率や透過率等に影響を与えるパラメータは、例えば、主共振器１の形状、大きさ、厚さ、幅、材質等や、主共振器１の周囲の誘電体である基材１１の誘電率、透磁率等である。特に、主共振器１の形状には、透磁率を効果的に制御できる形状（例えばＳＲＲ（Split Ring Resonator）型等）や誘電率を効果的に制御できる形状（例えばワイヤー型等）が存在する。それゆえ、対象となる入射光１００の波長に合わせて、上述した種々のパラメータの組み合わせを適宜設定することにより、入射光１００の波長において所望の例えば屈折率、透過率等の光学特性を得ることができる。

副共振器２は、円盤状の第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂで構成される。第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂは、ともに、主共振器１の一方の短辺側付近に形成され、主共振器１の厚さ方向において、主共振器１を挟み込むように対向して配置される。また、本実施形態では、第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂの径を、主共振器１の幅より若干広くする。このように構成することにより、第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂの作製工程において、第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂの外周端部の一部が主共振器１の側部に付着し、第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂが主共振器１から剥がれ難くなる。

副共振器２は、後述するメタマテリアルレンズ１０の製造工程において、主共振器１の延在方向を所定方向に向けるための部材、すなわち、主共振器１の配向を制御するための部材である。本実施形態では、後述するように、磁界を印加して、複数の主共振器１の配向を制御するので、第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂは、ともに例えば鉄等の磁性材料で形成する。

なお、主共振器１の配向制御は、後述するように電界を用いて行うことも可能である。その場合には、副共振器２を設けず、主共振器１またはその周囲の誘電体材料（後述するマイクロカプセルのカプセル本体）を帯電させることにより配向制御を行う。また、別の手法としては、副共振器２を強誘電体材料で形成することにより、主共振器１の配向を電界制御することもできる。

また、本実施形態では、副共振器２を第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂで構成する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、第１副共振器２ａ及び第２副共振器２ｂの少なくとも一方を備える構成にしてもよい。また、本実施形態では、副共振器２を主共振器１の一部に設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されず、主共振器１の全体に渡って副共振器２を設けてもよい。

なお、本実施形態では、共振素子１２を基材１１中に略等間隔に配列する際、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、主共振器１の延在方向が光１００の入射方向と一致するように、配向制御を行う。なお、本発明はこれに限定されず、主共振器１の配向は、例えば、入射光１００の偏光方向、必要とする光学特性等に応じて適宜設定される。また、全ての主共振器１の配向を一方向に揃えなくてもよい。例えば、光入射面１０ａと平行な同一面に配置された複数の共振素子１２からなる素子群毎に配向を変えてもよい。この場合、ランダムな偏光方向の入射光に対しても対応することができる。

ここで、図３に、上述した構成のメタマテリアルレンズ１０の動作例を示す。上述のようにして予め配向制御された複数の主共振器１により所定の負の屈折率ｎに調整されたメタマテリアルレンズ１０に光１００が入射されると、光１００はメタマテリアルレンズ１０の光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂで屈折し、所定の焦点距離で集光される。

［メタマテリアルレンズの作製方法］
次に、図１（ａ）及び（ｂ）に示すメタマテリアルレンズ１０の作製手法について説明する。ここでは、メタマテリアルレンズ１０の作製手順の全体的な流れを、図４を参照しながら説明する。なお、図４は、メタマテリアルレンズ１０の作製手順の全体的な流れを示すフローチャートである。

まず、本実施形態では、図２（ａ）及び（ｂ）に示す共振素子１２を複数作製する（ステップＳ１）。なお、共振素子１２は、例えば半導体デバイス等で適用されているフォトリソグラフィ技術を用いて作製することができる。ステップＳ１における共振素子１２の作製手法の一例は、後で図面を参照しながら詳細に説明する。なお、共振素子１２の作製手法は、フォトリソグラフィ技術に限定されず、例えばナノ粒子製造プロセス等を用いて共振素子１２を作製することもできる。

次いで、ステップＳ１で作製した共振素子１２を、誘電体材料からなる球状のカプセル本体に封入したマイクロカプセル（共振素子１２入りのマイクロカプセル）を作製する（ステップＳ２）。ただし、この際、各マイクロカプセルには１つの共振素子１２を封入する。

図５に、ステップＳ２で作製されるマイクロカプセルの構成例を示す。ステップＳ２で作製されるマイクロカプセル２０は、上記基材１１を構成する誘電体材料からなるカプセル本体２１と、その内部の中心に封入された共振素子１２とで構成される。なお、図５に示す共振素子１２が封入されたマイクロカプセル２０の作製手法の一例は、後で図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本実施形態では、ステップＳ２において、共振素子１２の周囲の誘電体材料が固化した状態のマイクロカプセル２０を作製する例を説明する。

次いで、ステップＳ２で作製した複数のマイクロカプセル２０のサイズ（外径）が不均一である場合には、ステップＳ２で作製した複数のマイクロカプセル２０から、所定サイズのマイクロカプセル２０を選別する（ステップＳ３）。

ステップＳ３において、所定サイズのマイクロカプセル２０を選別する理由は次の通りである。上述のように、本実施形態のメタマテリアルレンズ１０では、所定の屈折率ｎを得るために、共振素子１２（主共振器１）を略等間隔で配置する。これを実現するために、本実施形態では、後述するように、共振素子１２入りの複数のマイクロカプセル２０を３次元に密に接して並べることにより、共振素子１２を略等間隔で配置する。それゆえ、マイクロカプセル２０のサイズが揃っていないと、共振素子１２を略等間隔に配置することが困難になる。それゆえ、本実施形態では、ステップＳ３において、複数のマイクロカプセル２０から、所定サイズのマイクロカプセル２０を選別する。なお、ステップＳ２において、ある程度サイズの揃った複数のマイクロカプセル２０が作製できる場合には、上記ステップＳ３を省略してもよい。

ここで、図６に、マイクロカプセル２０の選別工程の様子を示す。本実施形態では、互いに径の異なる複数のマイクロ流路２６〜２８が形成された選別装置２５を用いる。なお、図６には、マイクロカプセル２０の選別の様子をより明確にするため、選別装置２５の下半分の部分のみを示すが、実際には、選別装置２５内には、円筒状の複数のマイクロ流路２６〜２８が形成されている。

図６に示す選別装置２５では、所望の径を有するマイクロ流路２６だけでなく、それより径の大きなマイクロ流路２７及び径の小さなマイクロ流路２８を装置内部に形成する。このような選別装置２５では、マイクロ流路の一方の開口部が形成された側の表面から、ステップＳ２で作製された複数のマイクロカプセル２０を流し込むことにより所望の径のマイクロカプセル２０を容易に且つ効率よく選別することができる。

次いで、ステップＳ３で選別された所定の径を有するマイクロカプセル２０を、レンズ成形装置のレンズ成形用の型枠に充填する（ステップＳ４）。

図７に、ステップＳ４におけるマイクロカプセル２０の充填工程の様子を示す。本実施形態では、基台３１と、基台３１上に設けられた複数のスプリング３２と、スプリング３２上に設けられたレンズ成形用の型枠３３とを備えるレンズ成形装置３０を用いる。また、図７には示さないが、レンズ成形装置３０は、さらに、主共振器１の配向制御を行うための磁界発生器及び加振機と、型枠３３内に充填する液状媒質１５を硬化するための光源を備える。なお、型枠３３の開口部はメタマテリアルレンズ１０の光入射面１０ａの形状と同じ形状（円形）及び寸法を有する。

ステップＳ４では、所定の径を有する複数のマイクロカプセル２０を型枠３３に充填する。この際、マイクロカプセル２０と一緒に、カプセル本体２１の形成材料と同じ材料、または、入射光に対して誘電率ε及び透磁率μがカプセル本体２１の形成材料と略同一の材料からなる液状媒質１５（液状誘電体材料）を型枠３３に充填する。

次いで、型枠３３を、加振機（不図示）とスプリング３２により、上下左右に振動させながらマイクロカプセル２０を型枠３３に充填する。また、この際、磁界発生器により所定方向に磁界を印加して、型枠３３内の全ての主共振器１の配向を所定方向に揃える（ステップＳ５）。

図８に、ステップＳ５における主共振器１の配向制御工程の様子を示す。型枠３３を、上下左右に振動させることにより、隣り合うマイクロカプセル２０同士が互いに接するように型枠３３に密に充填され、マイクロカプセル２０内の共振素子１２を略等間隔に配列することができる。この際、マイクロカプセル２０間の空間には液状媒質１５が満たされる。また、この際、図８に示す例では、型枠３３の底部から開口部に向かって磁界３５を印加することにより、副共振器２が型枠３３の底部に引き付けられる。この結果、型枠３３内の全ての主共振器１の配向を型枠３３の厚さ方向（磁界３５の印加方向）に精度良く揃えることができる。

なお、本実施形態では、共振素子１２に磁界を印加して、主共振器１の配向を制御する方式を用いるが、本発明はこれに限定されない。例えば、主共振器１の配向制御を、電界を用いて行うことも可能である。この場合には、主共振器１またはその周囲の誘電体材料（カプセル本体２１）を帯電させた状態で電界を所定方向に印加し、主共振器１の配向を制御する。なお、主共振器１を帯電させる際には、その一部または全体に渡って電荷を持たせ、カプセル本体２１を帯電させる際には、その一部または全体に渡って電荷を持たせる。また、主共振器１の配向制御を、電界を用いて行う場合、上記手法とは異なる手法として、副共振器２を強誘電体で形成する手法を用いてもよい。

電界により主共振器１の配向を制御する手法では、荷電コロイド粒子の表面電荷をコントロールすることにより、主共振器１間のピッチを精度良く配置することもできる。それゆえ、この手法を用いる場合には、外径が所望のサイズのマイクロカプセル２０だけでなく、それより小さなサイズのマイクロカプセル２０も用いることができるので、マイクロカプセル２０の製造歩留まりを大幅に改善することができる。

次いで、型枠３３内の全ての主共振器１の配向が揃った状態で、硬化用の光源を用いて型枠３３内の液状媒質１５を硬化する（ステップＳ６）。すなわち、このステップＳ６で、液状媒質１５を硬化し、メタマテリアルレンズ１０の成形部材を作製する。

図９に、ステップＳ６における液状の硬化工程の様子を示す。型枠３３の開口部上に配置された光源３６から型枠３３に光を照射し、型枠３３内の液状媒質１５を硬化する。なお、この際、液状媒質１５がＵＶ樹脂からなる場合には、光源３６から紫外線を照射し、液状媒質１５が光硬化樹脂からなる場合には、光源３６から可視光を照射する。

また、本実施形態では、光照射により液状媒質１５を硬化させる例を説明したが、本発明はこれに限定されず、用いる誘電体材料に応じて、硬化手法を変えることができる。例えば、液状媒質１５が熱硬化樹脂からなる場合には、加熱手段を用いて液状媒質１５を加熱すればよい。さらに、液状媒質１５が２液性硬化樹脂からなる場合には、硬化剤の滴下手段を用いて、型枠３３内に硬化剤を滴下すればよい。

そして、型枠３３内の液状媒質１５を硬化させた後、その成形部材を型枠３３から取り外す。図１０（ａ）及び（ｂ）に、型枠３３から取り外した成形部材４０の概略構成を示す。なお、図１０（ａ）は、成形部材４０の上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。成形部材４０は、複数の球状のマイクロカプセル２０が誘電体材１６を介して密に３次元状に配列された構成となる。

この後、カプセル本体２１の誘電率ε及び透磁率μと、その周囲の誘電体材１６のそれらとが若干異なる場合には、マイクロカプセル２０とその周囲の誘電体材１６とを馴染ませて、マイクロカプセル２０の表面反射による透過率低下を抑制する（ステップＳ７）。例えば、主共振器１の配向制御用の磁界または電界を印加した状態で加熱処理等して、マイクロカプセル２０の界面付近の誘電体の均一性を促進して馴染ませる。

なお、カプセル本体２１の形成材料と、その周囲の誘電体材１６とが同じ材料で有る場合には、ステップＳ７の処理を省略してもよい。ただし、そのような場合であっても、例えばアニール処理等で成形部材４０内の誘電体（基材１１）の均一性をさらに向上させてもよい。

本実施形態では、上述のようにして、図１（ａ）及び（ｂ）に示すようなメタマテリアルレンズ１０を作製する。なお、本実施形態では、外径が略同一のマイクロカプセルを充填する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、用途、必要とする光学特性等に応じて、外径の異なる複数種のマイクロカプセルを混ぜて成形し、所望の光学特性を得るようにしてもよい。

［共振素子の作製手法］
次に、共振素子１２の作製手法の一例を、図１１（ａ）及び（ｂ）〜図２４（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。なお、各図（ａ）は、各工程（ステップＳ１−１〜Ｓ１−１４）後の形成部材の上面図であり、各図（ｂ）は各図（ａ）中のＣ−Ｃ断面図である。ただし、共振素子１２の作製手法は以下に説明する手法に限定されない。

まず、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、板状の基盤５０を用意する（ステップＳ１−１）。なお、本実施形態では、基盤５０上に、共振素子１２を作製する。基盤５０としては、例えば半導体のフォトリソプロセス等で用いる基盤であれば任意の材料を用いることができる。例えば、基盤５０を例えばＳｉで形成することができる。

次いで、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、基盤５０上に、犠牲層５１を形成する（ステップＳ１−２）。なお、犠牲層５１は、例えばＳｉＯ_２、ポリイミド等のエッチング除去できる材料で形成し、その厚さは、第１副共振器２ａの厚さ以上とする。また、犠牲層５１の成膜手法としては、例えばスパッタ法、蒸着法、気相成長法等を用いることができ、犠牲層５１の形成材料に応じて好適な成膜手法を適宜選択する。

次いで、第１副共振器２ａの形成領域に対応する犠牲層５１の領域をエッチングして除去する（ステップＳ１−３）。なお、この工程におけるエッチング処理は、基盤５０の表面が露出するまで行う。本実施形態では、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１副共振器２ａの表面を円形とする。それゆえ、ステップＳ１−３では、図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、犠牲層５１の所定位置に円形状の開口領域５１ａを形成し、その開口領域５１ａには、基盤５０の表面が露出した状態となる。

次いで、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、犠牲層５１上に、例えばスパッタ法、蒸着法等の手法により、第１副共振器２ａの形成材料（磁性材料）からなる磁性膜５２を形成する（ステップＳ１−４）。この際、犠牲層５１の開口領域５１ａには基盤５０上に直接、磁性膜５２が形成され、これにより、基盤５０上に第１副共振器２ａが形成される。

次いで、犠牲層５１をエッチングし、犠牲層５１とともに犠牲層５１上に形成された磁性膜５２を除去する（ステップＳ１−５）。なお、エッチング手法としては、例えばリフトオフ法等の手法を用いることができる。このステップＳ１−５により、基盤５０上には、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１副共振器２ａのみが残される。

次いで、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、基盤５０及び第１副共振器２ａ上に、例えばスパッタ法、蒸着法、気相成長法等の手法により、犠牲層５３を形成する（ステップＳ１−６）。この際、犠牲層５３の厚さは、第１副共振器２ａの厚さと主共振器１の厚さとを総和した厚さ以上とする。

次いで、主共振器１の形成領域に対応する犠牲層５３の領域をエッチングして除去する（ステップＳ１−７）。本実施形態では、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、主共振器１の表面を略矩形とする。それゆえ、ステップＳ１−６では、図１７（ａ）及び（ｂ）に示すように、犠牲層５３の所定位置に略矩形状の開口領域５３ａを形成する。なお、この際、略矩形状の開口領域５３ａの一方の短辺側の領域が、第１副共振器２ａの形成領域と重なるように開口領域５３ａを形成する。また、この工程におけるエッチング処理は、第１副共振器２ａの表面が露出するまで行う。

次いで、図１８（ａ）及び（ｂ）に示すように、犠牲層５３上に、例えばスパッタ法、蒸着法等の手法により、主共振器１の形成材料からなる金属膜５４を形成する（ステップＳ１−８）。この際、犠牲層５３の開口領域５３ａでは、第１副共振器２ａ上に直接、金属膜５４が形成され、これにより、主共振器１が形成される。

次いで、例えばリフトオフ法等のエッチング手法により、犠牲層５３をエッチングし、犠牲層５３とともに、開口領域５３ａ領域以外に形成された金属膜５４を除去する（ステップＳ１−９）。これにより、基盤５０上には、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１副共振器２ａと、第１副共振器２ａ上に形成された主共振器１とが残される。

次いで、図２０（ａ）及び（ｂ）に示すように、主共振器１上に、例えばスパッタ法、蒸着法、気相成長法等の手法により、犠牲層５５を形成する（ステップＳ１−１０）。この際、主共振器１上の領域の犠牲層５５の厚さが第２副共振器２ｂの厚さ以上となるように、犠牲層５５を形成する。

次いで、第２副共振器２ｂの形成領域に対応する犠牲層５５の領域をエッチングして除去する（ステップＳ１−１１）。本実施形態では、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２副共振器２ｂの表面を円形であり、第２副共振器２ｂを、主共振器１を挟んで第１副共振器２ａと対向する位置に配置する。それゆえ、ステップＳ１−１１では、図２１（ａ）及び（ｂ）に示すように、主共振器１を挟んで、第１副共振器２ａと対向する犠牲層５５の領域に円形状の開口領域５５ａを形成する。また、この工程におけるエッチング処理は、主共振器１の表面が露出するまで行う。

次いで、図２２（ａ）及び（ｂ）に示すように、犠牲層５５上に、例えばスパッタ法、蒸着法等の手法により、第２副共振器２ｂの形成材料（磁性材料）からなる磁性膜５６を形成する（ステップＳ１−１２）。この際、犠牲層５５の開口領域５５ａには、主共振器１上に直接、磁性膜５６が形成され、これにより、第２副共振器２ｂが形成される。

次いで、例えばリフトオフ法等のエッチング手法により、犠牲層５５をエッチングし、犠牲層５５とともに、開口領域５５ａ領域以外に形成された磁性膜５６を除去する（ステップＳ１−１３）。これにより、基盤５０上には、図２３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１副共振器２ａ、第１副共振器２ａ上に形成されて主共振器１、及び、主共振器１上に形成された第２副共振器２ｂ、すなわち、共振素子１２が残される。

そして、最後に、例えばエッチング等の手法により、共振素子１２を基盤５０から剥離する（ステップＳ１−１４）。この結果、図２４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の共振素子１２が得られる。

なお、本実施形態では、基盤５０上に直接、共振素子１２を形成する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、共振素子１２と基盤５０との間に、例えばレジスト等からなる剥離層を設けてもよい。この場合には、ステップＳ１−１４において、より容易に共振素子１２を基盤５０から剥離することができる。

本実施形態では、上述のようにして、共振素子１２を作製する。なお、共振素子１２の上記作製例では、説明を簡略化するため、一つの共振素子１２を作製する例を説明したが、実際には、一枚のウエハー（基板）上に、複数の共振素子１２を同時に作製する。例えば、直径が３００ｍｍのウエハーを用いた場合には、一回のプロセスで約１兆個程度の共振素子１２を同時に作製することができる。すなわち、本実施形態の共振素子１２の作製手法では、上述した例えば特開２００７−２５３３５４号公報等で提案されているレーザー走査技術を用いた３次元金属微細構造体の作製手法に比べて、より容易に所望の構成の共振素子１２を量産することができる。それゆえ、上述した本実施形態の共振素子１２の作製手法では、コストをより一層低減することができる。

［マイクロカプセルの作製手法］
次に、内部に共振素子１２を含むマイクロカプセル２０の作製手法の一例を、図２５〜２７を参照しながら説明する。なお、図２５〜２７は、マイクロカプセル２０の各工程（ステップＳ２−１〜Ｓ２−３）時の様子を示す図である。ただし、マイクロカプセル２０の作製手法は以下に説明する手法に限定されない。

まず、乳化安定性を有する分散媒６１（分散液）の入った容器６０を用意する。また、マイクロカプセル２０のカプセル本体２１の形成材料を液状化し、その液状材料に共振素子１２を拡散混合した液状物質６３を用意する。

そして、図２５に示すように、攪拌棒６２で分散媒６１を攪拌しながら、液状物質６３を分散媒６１に滴状で分散させる（ステップＳ２−１）。

その後、分散媒６１に滴下された液状物質６３は、図２６に示すように、徐々に、共振素子１２を核として粒状物質６３ａに変化する（ステップＳ２−２）。さらに時間が経過すると、図２７に示すように、共振素子１２を核とする粒状物質６３ａの数が増え、分散媒６１中により多くの粒状物質６３ａが分散した状態になる（ステップＳ２−３）。なお、上記ステップＳ２−２及びＳ２−３は、攪拌棒６２で分散媒６１を攪拌しながら行う。

なお、粒状物質６３ａ（マイクロカプセル２０）の外径は、例えば攪拌制御や荷電コロイド粒子の表面電荷のコントロールを行うことにより、調整することができる。また、粒状物質６３ａの外径は、粒状物質６３ａの形成材料と、分散媒６１の材料との組み合わせを変えることによっても調整可能である。なお、粒状物質６３ａを硬化してマイクロカプセル２０を作製する際、その外径は収縮するので、粒状物質６３ａの外径はその収縮度を考慮して適宜選定される。

次いで、分散媒６１中に複数の粒状物質６３ａが分散した状態で粒状物質６３ａを固化する。粒状物質６３ａの固化処理は、粒状物質６３ａの形成材料により異なる。例えば、粒状物質６３ａがＵＶ樹脂からなる場合には紫外線を粒状物質６３ａに照射して硬化し、粒状物質６３ａが光硬化樹脂からなる場合には可視光を粒状物質６３ａに照射して硬化する。また、粒状物質６３ａが熱硬化性樹脂からなる場合には容器６０を加熱して、粒状物質６３ａを硬化させ、粒状物質６３ａが熱可塑性樹脂からなる場合には容器６０を冷却して粒状物質６３ａを硬化させる。

上述のようにして、粒状物質６３ａを固化させた後、粒状物質６３ａを容器６０から取り出す。本実施形態では、このようにして共振素子１２を内部に含有したマイクロカプセル２０を作製する。なお、この例では、マイクロカプセル２０の略中心に共振素子１２が配置される。

また、マイクロカプセル２０の作製手法は上述した本実施形態の例に限定されない。例えば、粒状物質６３ａの表面に皮膜（以下、カプセル膜という）を形成して粒状物質６３ａをカプセル化してもよい。その場合、上記ステップＳ２−３の後、さらに分散媒６１を攪拌しながら、例えば下記（１）〜（３）の手法等を用いて、図２８に示すように粒状物質６３ａの表面にカプセル膜６３ｂを形成する（ステップＳ２−４）。
（１）分散媒６１中で生成された膜物質を粒状物質６３ａの表面に吸着させることによりカプセル膜６３ｂを形成する。
（２）分散媒６１及び粒状物質６３ａの両方に予め所定の添加剤を含有させておき、その添加剤を分散媒６１及び粒状物質６３ａの界面で化学反応させてカプセル膜６３ｂを形成する。
（３）粒状物質６３ａ内で生成された膜物質を粒状物質６３ａの表面に集合させることによりカプセル膜６３ｂを形成する。
ただし、粒状物質６３ａ自身が、時間経過や加熱等により表面が固化してカプセル膜６３ｂが形成される場合には、上記カプセル膜の形成工程を行う必要はない。

次いで、図２９に示すように、別途用意した、硬化剤６４を分散媒６１に加えて、カプセル膜６３ｂを安定化させる（ステップＳ２−５）。なお、カプセル膜６３ｂを安定化させる液体として、例えば反応剤等を用いてもよい。

上述のようにして、カプセル膜６３ｂを安定化させた後、分散媒６１中で複数の粒状物質６３ａを上述した処理等で固化し、固化した粒状物質６３ａを容器６０から取り出す。なお、粒状物質６３ａとカプセル膜６３ｂとが異なる光学特性（誘電率、透磁率が異なる）を有する場合には、カプセル化された粒状物質６３ａを容器６０から取り出した後、カプセル膜６３ｂを所定の溶媒で除去する。

なお、後述する変形例２のように、メタマテリアルレンズ内において、内部が液状のマイクロカプセルを用いる場合には、粒状物質６３ａを固化せずに容器６０から取り出してもよい。

以上説明したように、本実施形態では、粉体を扱う要領で、基材１１内に複数の主共振器１を精度よく略等間隔で配置し、且つ、その配向を制御することができる。それゆえ、本実施形態の主共振器１の配列制御のプロセスでは、従来のようにフォトリソプロセスを複数回繰り返して行う必要が無くなり、コストの増大を抑制することができる。

また、本実施形態では、主共振器１の配向を、レンズの厚さ方向または面内方向に限らず、あらゆる方向に自在にコントロールすることができる。

なお、メタマテリアルレンズ１０では、制御すべき波長に応じて主共振器１のピッチを適宜制御する必要がある（例えば波長の約１／１０等）。しかしながら、本実施形態では、マイクロカプセル２０の外径選別及び／またはカプセル化時の攪拌制御によるマイクロカプセル２０の外径制御、または、荷電コロイド粒子の表面電荷のコントロール等により主共振器１間のピッチを調整することができる。それゆえ、本実施形態のメタマテリアルレンズ１０の製造手法では、様々な波長の光（電磁波）に対して、大幅にその製造工程を変更することなく対応することができる。

本実施形態では、上述のように、所望の光学特性を有するメタマテリアルレンズ１０を容易に精度よく作製することができる。それゆえ、本実施形態によれば、種々の撮像装置において、例えばレンズ等の光学素子を、より低コストで且つ容易に製造することができる。

特に、本実施形態のメタマテリアルレンズ１０の製造手法では、上述した従来非常に高価であった赤外線撮像装置（サーモグラフィ等）やテラヘルツ波撮像装置等で用いるレンズのコストを劇的に下げることができる。それゆえ、本実施形態によれば、それらの撮像装置の使用用途を、現状の限定的な研究及び産業から民生用の様々なアプリケーションに普及させることができる。すなわち、本実施形態のメタマテリアルレンズ１０及びその製造手法を用いることにより、民生用途において、従来にない新たなアプリケーションを提案することが可能になる。

＜２．各種変形例＞
本発明のメタマテリアルレンズは、上記実施形態の構成に限定されず、例えば用途、必要とする光学特性等に応じて、様々な形態に変更することができる。以下では、上記実施形態の種々の変形例について説明する。

［変形例１］
上記実施形態では、ワイヤー型の主共振器１を備える共振素子１２を説明したが、本発明はこれに限定されない。主共振器の形状は、例えば用途、必要とする光学特性等に応じて、適宜設定される。変形例１では、主共振器の種々の形状例について説明する。

（１）変形例１−１
図３０に、変形例１−１の共振素子の概略構成を示す。なお、図３０には、この例の共振素子７２を内部に含むマイクロカプセルの概略構成を示す。この例のマイクロカプセル７０は、誘電体材料からなるカプセル本体７１と、その内部に封入された共振素子７２とで構成される。

この例では、共振素子７２を、略十字状の主共振器７２ａと、主共振器７２ａの一つの端部付近の設けられた副共振器７２ｂとで構成する。なお、カプセル本体７１、主共振器７２ａ及び副共振器７２ｂは、それぞれ上記実施形態（図５）のカプセル本体２１、主共振器１及び副共振器２と同様の形成材料で形成することができる。

図３１に、この例のマイクロカプセル７０を上記実施形態で用いたレンズ成形装置３０（図７）の型枠３３に充填して作製したメタマテリアルレンズの成形部材７３の上面図を示す。この例のマイクロカプセル７０を用いてメタマテリアルレンズを作製する際には、主共振器７２ａの十字状の表面が光入射面と平行になるように、主共振器７２ａの配向方向を制御する。さらに、この際、主共振器７２ａに対する副共振器７２ｂの相対位置が全てのマイクロカプセル７０で同じ位置になるように磁界の印加方向を調整する。

主共振器７２ａの配向を上述のように制御したメタマテリアルレンズでは、入射光側からみて、延在方向が互いに直交する２つのワイヤー型の共振器を重ねて配置した構成と同等の構成になる。それゆえ、この例のメタマテリアルレンズでは、ランダムな偏光方向を有する入射光（電磁波）に対しても適用することができる。

（２）変形例１−２
図３２に、変形例１−２の共振素子の概略構成を示す。なお、図３２には、この例の共振素子を内部に含むマイクロカプセルの概略構成を示す。この例のマイクロカプセル７５は、誘電体材料からなるカプセル本体７６と、その内部に封入された共振器７７とで構成される。なお、カプセル本体７６及び共振器７７は、それぞれ上記実施形態（図５）のカプセル本体２１及び主共振器１と同様の形成材料で形成することができる。

この例では、共振器７７に分割リング共振器（ＳＲＲ）と呼ばれる共振器を用いる。この例では、共振素子を共振器７７のみで構成し、副共振器は設けない。なお、本発明はこれに限定されず、上記実施形態と同様に、共振器７７の配向を制御するための副共振器を共振器７７の一部に設けてもよい。

上述のように、この例では、副共振器は設けないので、共振器７７の配向を制御する際には電界を用いる。ただし、この際、メタマテリアル部材（光学素子）に入射される電磁波の電界成分の方向と、共振器のリング状表面の面内方向とが平行になるように、共振器７７の配向を制御する。

（３）変形例１−３
図３３に、変形例１−３の共振素子の概略構成を示す。なお、図３３には、この例の共振素子を内部に含むマイクロカプセルの概略構成を示す。この例のマイクロカプセル８０は、誘電体材料からなるカプセル本体８１と、その内部に封入された共振器８２とで構成される。なお、カプセル本体８１及び共振器８２は、それぞれ上記実施形態（図５）のカプセル本体２１及び主共振器１と同様の形成材料で形成することができる。

この例では、共振器８２に円盤状の共振器を用いる。また、この例では、変形例１−２と同様に、共振素子を共振器８２のみで構成し、副共振器は設けない。なお、本発明はこれに限定されず、共振器８２の配向を制御するための副共振器を共振器８２の一部に設けてもよい。

上述のように、この例においても、副共振器は設けないので、共振器８２の配向を制御する際には電界を用いる。ただし、この際、メタマテリアル部材（光学素子）に入射される電磁波の伝播方向が、共振器８２の円形表面に対して垂直方向となるように、共振器８２の配向を制御する。この場合、ランダムな偏光方向を有する入射光（電磁波）に対しても適用することができる。

（４）変形例１−４
図３４に、変形例１−４の共振素子の概略構成を示す。なお、図３４には、この例の共振素子を内部に含むマイクロカプセルの概略構成を示す。この例のマイクロカプセル８５は、誘電体材料からなるカプセル本体８６と、その内部に封入された共振器８７とで構成される。なお、カプセル本体８６及び共振器８７は、それぞれ上記実施形態（図５）のカプセル本体２１及び主共振器１と同様の形成材料で形成することができる。

この例では、共振器８７に球状の共振器を用いる。なお、この例の共振器は球状であるのでその配向を制御する必要がない。それゆえ、この例では、副共振器を設ける必要がなく、メタマテリアル部材の製造方法がより簡易になる。また、この例の共振器８７は球状であるので、変形例１−３と同様に、ランダムな偏光方向を有する入射光（電磁波）に対して適用することができとともに、電磁波の波数ベクトル方向（進行方向）における変化にも対応することができる。

［変形例２］
上記実施形態では、マイクロカプセル２０内部を固化した状態のメタマテリアルレンズ１０を説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、マイクロカプセル２０の内部が液状状態であってもよい。その一例（変形例２）を、図３５に示す。なお、図３５は、変形例２のメタマテリアルレンズの概略構成図である。

図３５に示す例では、マイクロカプセル９１の周囲の誘電体材９２は固化した状態であるが、マイクロカプセル９１の内部は液状状態である。それゆえ、マイクロカプセル９１内の主共振器９３の配向方向はランダムになる。

このような構成のメタマテリアルレンズ９０では、マイクロカプセル９１内部の誘電体材料を例えばオイル等の液体で構成することができる。また、このようなマイクロカプセル９１は、例えば、図２８及び２９で説明したマイクロカプセルの作製手法等により作製することができる。ただし、この例では、マイクロカプセル９１の表面での反射をできる限り抑制するために、マイクロカプセル９１の皮膜材料及び内部の液状の誘電体材料の屈折率と周囲の誘電体材９２の屈折率とをできる限り近づけることが望ましい。

この例の構成のメタマテリアルレンズ９０では、様々な用途やユーザの要望等に対応することができる。例えば、この例の構成では、出荷先のユーザが、ユーザ自身にとって都合のよい所望の方向に主共振器９３を配向制御することができる。また、光学装置内に、この例のメタマテリアルレンズ９０とともに主共振器９３の配向制御用の磁界発生器や電界発生器を設けてもよい。この場合には、電磁波の入射方向が変化しても、その変化に応じて適宜磁界または電界の印加方向を変えることにより、主共振器９３の配向方向を最適な方向に調整することができる。

［変形例３］
上記実施形態では、メタマテリアルレンズ１０の屈折率が負の値を有する例について説明した。しかしながら、上記実施形態のメタマテリアルレンズ１０に比較的広い波長領域の成分を含む光を入射すると、負の屈折率となる波長領域は非常に狭いので、それ以外の波長領域の光成分に対しては屈折率が正の値となる。この場合、入射光を集光することが困難になる。

このような場合には、共振素子の構成（例えば形状、寸法、形成材料等）を適宜変更して、入射光の広い波長領域に渡って屈折率が略一定であり且つ正の値となるようなメタマテリアルレンズを構成する。変形例３では、広い波長領域を有する入射光に対応可能なメタマテリアルレンズの構成について説明する。

（１）変形例３−１
図３６（ａ）及び（ｂ）に、変形例３−１のメタマテリアルレンズの概略構成を示す。なお、図３６（ａ）は、メタマテリアルレンズ内の屈折率分布図であり、図３６（ｂ）は、メタマテリアルレンズの概略断面図である。

この例のメタマテリアルレンズ１１０は、基材１１１と、基材１１１の内部に略等間隔で３次元状に配列された複数の共振素子１１２とを備える。この例では、メタマテリアルレンズ１１０の厚さを、上記実施形態と同様に、一定とし、複数の共振素子１１２の配列構成も上記実施形態（図１（ｂ））と同様とする。また、共振素子１１２も、上記実施形態と同様に、主共振器と副共振器とで構成する。

この例のメタマテリアルレンズ１１０では、メタマテリアルレンズ１１０の光軸ＡＸからの位置（半径）に応じて、共振素子１１２の構成を適宜変更し、図３６（ａ）に示すように、レンズ面内に所定の屈折率分布を生成する。すなわち、この例では、メタマテリアルレンズ１１０を、屈折率分布レンズ（ＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズ）で構成する。

具体的には、この例では、光軸ＡＸの領域で最も屈折率が高くなり、光軸ＡＸからの位置が遠くなるほど屈折率が小さくなるような屈折率分布をレンズ面内に形成する。なお、この例では、入射光２００の全波長領域に渡って屈折率が略一定で且つ正の値となるように、共振素子１１２（主共振器）の構成（例えば寸法、形成材料等）が設定される。

上記構成のメタマテリアルレンズ１１０では、光入射面１１０ａ及び光出射面１１０ｂにおおける光の屈折動作は従来のＧＲＩＮレンズと同様である。それゆえ、この例のメタマテリアルレンズ１１０では、広い波長領域の成分を有する光２００が入射されても、図３６（ｂ）に示すように、入射光２００を所望の焦点距離で集光することができる。

上述のような構成のメタマテリアルレンズ１１０は、例えば、共振素子１１２の主共振器の例えばサイズ、形状、形成材料等を、レンズ面内方向における光軸ＡＸからの距離に応じて変えることにより作製することができる。

ここで、一例として、共振素子１１２の主共振器のサイズを変えることにより、レンズ面内に図３６（ａ）に示すような屈折率分布を形成する手法を簡単に説明する。なお、主共振器のサイズの変える場合には、主共振器のサイズが大きくなるほど屈折率は大きくなる。

まず、主共振器のサイズが互いに異なる共振素子１１２を含むマイクロカプセルを複数種作製する。次いで、レンズ成形装置の型枠の中心から主共振器のサイズの大きい順にマイクロカプセルを充填して成形する。この際に用いる型枠の一例を図３７に示す。

図３７は、この例のメタマテリアルレンズ１１０を成形する際に用いるレンズ成形装置の型枠１２０の概略断面図である。型枠１２０は、型枠本体１２１と、その内部設けられた複数の仕切り枠１２２ａ、１２２ｂ…とで構成される。複数の仕切り枠１２２ａ、１２２ｂ…は、型枠本体１２１に対して着脱可能に取り付けられる。また、複数の仕切り枠１２２ａ、１２２ｂ…は、互いに径が異なり、型枠本体１２１の中心軸（図３７中の一点鎖線）に対して同軸状に配置される。

図３７に示す型枠１２０を用いてメタマテリアルレンズ１１０を成形する場合、まず、最内の仕切り枠１２２ａ内に最もサイズの大きな主共振器を含むマイクロカプセルを充填して固化する。次いで、最内の仕切り枠１２２ａを取り外す。次に、最内に位置する仕切り枠１２２ｂの内に２番目にサイズの大きな主共振器を含むマイクロカプセルを充填して固化する。次いで、仕切り枠１２２ｂを取り外す。その後、上記工程を、主共振器のサイズの大きい順に繰り返す。

上述のようにして、メタマテリアルレンズ１１０を成形することにより、光軸ＡＸの領域で最も屈折率が高くなり、光軸ＡＸから離れるに従って屈折率が小さくなるような屈折率分布を有するメタマテリアルレンズ１１０を作製することができる。なお、図３６（ｂ）に示す例では、メタマテリアルレンズ１１０内の屈折率を３段階（大、中、小）で分布させているが、本発明はこれに限定されず、屈折率の段数をより多くして、屈折率分布をできる限り連続的に変化させることが好ましい。

なお、共振素子１１２の主共振器の形成材料を変える場合も、上記作製例と同様にして、図３６（ａ）に示すような屈折率分布を有するメタマテリアルレンズ１１０を作製することができる。具体的には、図３７に示す型枠１２０を用いて、その中心から屈折率を大きくする主共振器の形成材料の順に、上述したマイクロカプセルの充填及び固化の工程を繰り返せばよい。

（２）変形例３−２
図３８に、変形例３−２のメタマテリアルレンズの概略構成を示す。なお、図３８は、この例のメタマテリアルレンズの概略断面図である。

この例のメタマテリアルレンズ１３０は、基材１３１と、基材１３１の内部に略等間隔で３次元状に配列された複数の共振素子１３２とを備える。この例では、共振素子１３２の構成（例えば寸法、形成材料等）を全て同じとし、レンズ面内の屈折率分布は一定とする。また、この例では、入射光２００の全波長領域に渡って屈折率が略一定で且つ正の値となるように、共振素子１３２（主共振器）の構成（例えば寸法、形成材料等）が設定される。

そして、この例では、図３８に示すように、メタマテリアルレンズ１３０の光入射面１３０ａ及び光出射面１３０ｂの形状を、凸状の曲面とする。すなわち、この例では、メタマテリアルレンズ１３０の光入射面１３０ａ及び光出射面１３０ｂの形状を凸レンズ形状とする。なお、本発明は、これに限定されず、光入射面１３０ａ及び光出射面１３０ｂの少なくとも一方が平坦面であってもよいし、光入射面１３０ａ及び光出射面１３０ｂの両方を凹状の曲面で構成してもよい。さらに、光入射面１３０ａ及び光出射面１３０ｂの少なくとも一方を平坦面で構成し、他方を凹状の曲面で構成してもよい。

上記構成のメタマテリアルレンズ１３０の光入射面１３０ａ及び光出射面１３０ｂにおける光の屈折動作は従来の例えばガラスレンズ等の動作と同様になる。それゆえ、この例のメタマテリアルレンズ１３０においても、広い波長領域の成分を有する光２００が入射されても、図３８に示すように、入射光２００を所望の焦点距離で集光することができる。

また、メタマテリアルレンズ１３０では、共振素子１３２の構成を適宜調整することにより、屈折率を高くすることができる。それゆえ、この例のメタマテリアルレンズ１３０では、光入射面１３０ａ及び光出射面１３０ｂの曲率をより緩やかにする（曲率半径を大きくする）ことができ、且つ、レンズ厚さをより薄くすることができる。

なお、この例のメタマテリアルレンズ１３０は、レンズ形状に対応する型枠を用意することにより成形することができる。また、上記実施形態と同様に、厚さ一定のメタマテリアルレンズを成形し、その成形部材から、所定形状のメタマテリアルレンズを削りだしてもよい。

［応用例］
上記本実施形態及び各種変形例では、メタマテリアル部材としてレンズを例に挙げ説明したが、本発明はこれに限定されず、電磁波が入射される様々な素子（光学部材）に本発明は適用可能である。例えばアンテナ等を、メタマテリアルを用いて作製する場合にも、上述した本発明のメタマテリアル部材の製造方法を適用することができ、同様の効果が得られる。なお、上記本実施形態及び各種変形例で説明したメタマテリアル部材をアンテナとして用いた場合には、電磁波の放射時及び受信時の指向性を調整することができる。

また、上述した本発明のメタマテリアルレンズは、あらゆる波長の撮像装置に適用可能である。例えば、本発明のメタマテリアルレンズは、ミリ波撮像カメラ（波長約１０ｍｍ以下）、テラヘルツ波撮像カメラ、サーモグラフィカメラ、ガス検知カメラ、可視光カメラ及びＸ線カメラ等の撮像装置に適用可能である。それゆえ、本発明のメタマテリアルレンズを用いた撮像装置は、例えば、ユーザインターフェース入力装置、夜間走行視野補助装置（ナイトビジョン）、セキュリティ装置、健康管理装置、温度差暗号伝送装置等の様々な装置に応用することができる。

１…主共振器、２…副共振器、１０…メタマテリアルレンズ、１１…基材、１２…共振素子、１５…液状媒質、１６…誘電体材、２０…マイクロカプセル、２１…カプセル本体

Claims (14)

1. 所定形状の共振器を有する複数の共振素子を作製するステップと、
   内部に一つの前記共振器を含む球状の複数のマイクロカプセルを作製するステップと、
   前記複数のマイクロカプセルを所定の液状誘電体材料とともに所定形状の型枠に充填するステップと、
   前記液状誘電体材料を硬化させてメタマテリアル部材を成形するステップと
   を含むメタマテリアル部材の製造方法。
2. 前記液状誘電体材料を硬化させてメタマテリアル部材を成形するステップが、
   前記型枠を振動させながら前記共振器の配向を調整するステップを含む
   請求項１に記載のメタマテリアル部材の製造方法。
3. 前記共振素子を作製するステップが、
   前記共振器に、その配向を制御するための磁性材料からなる配向制御素子を設けるステップを含み、
   前記共振器に対して所定方向に磁界を印加することにより、前記共振器の配向を調整する
   請求項２に記載のメタマテリアル部材の製造方法。
4. 前記共振器に対して所定方向に電界を印加することにより、前記共振器の配向を調整する
   請求項２に記載のメタマテリアル部材の製造方法。
5. 前記共振素子を作製するステップが、
   前記共振器に、その配向を制御するための強誘電体材料からなる配向制御素子を設けるステップを含む
   請求項４に記載のメタマテリアル部材の製造方法。
6. 前記マイクロカプセルを作製するステップが、
   前記マイクロカプセルの形成材料を液状化した液状物質に、前記複数の共振素子を拡散混合するステップと、
   前記複数の共振素子を含む前記液状物質を所定の分散液中に投入して、前記共振素子を核とする粒状物質を生成するステップと、
   前記粒状物質を硬化するステップとを含む
   請求項１に記載のメタマテリアル部材の製造方法。
7. 誘電体材料からなる基材と、
   前記基材中に分散して配置された複数の共振器と、
   前記共振器の配向を制御するために、前記複数の共振器にそれぞれ設けられた複数の配向制御素子と
   を備えるメタマテリアル部材。
8. 前記複数の共振器が等間隔で前記基材中に配置されている
   請求項７に記載のメタマテリアル部材。
9. 前記配向制御素子が、磁性材料で形成されている
   請求項７に記載のメタマテリアル部材。
10. 前記配向制御素子が、強誘電体材料で形成されている
    請求項７に記載のメタマテリアル部材。
11. 前記複数の共振器のそれぞれが、誘電体材料からなるマイクロカプセルに封入された状態で、前記基材中に配置され、前記マイクロカプセル内部が液状状態である
    請求項７に記載のメタマテリアル部材。
12. 入射される電磁波の波長領域において、屈折率が負の値になるように前記共振器が構成されている
    請求項７に記載のメタマテリアル部材。
13. 前記基材の一つの表面内において、その中心位置の屈折率が最も高く、該中心位置から遠ざかるほど、屈折率が小さくなる
    請求項７に記載のメタマテリアル部材。
14. 前記基材の対向する一対の表面のうち、少なくとも一方が曲面である
    請求項７に記載のメタマテリアル部材。

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