JP2013505479A - 勾配付き屈折率を有する平面的な光学的メタマテリアル - Google Patents

Abstract

装置は、第1導電層と、第2導電層と、第1導電層と第2導電層との間に配置された誘電層とを含むメタマテリアルを備える。各導電層は、たとえば上記メタマテリアルを貫通して形成された複数の孔の配列などの、自身を貫通して形成された複数の孔を有する。孔は、メタマテリアルが動作波長にて勾配付き屈折率を有するように構成される。動作波長はIRもしくは可視の波長であり得る。装置は光学素子であり得ると共に、たとえば、屈折率勾配によりレンズもしくはプリズムの機能性を有し得る。界面は、平行で平面的な界面である。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、メタマテリアル、特に、勾配付き屈折率を有するメタマテリアル(gradient index metamaterial)に関する。

メタマテリアルは、人工的な複合材料である。均一なメタマテリアルは、反復された単位セル構造(unit cell structure)として形成され得、単位セルの各寸法は典型的に、動作波長よりも幾分か小さい。たとえば動作波長は、単位セル・パラメータの少なくとも３倍とされ得ると共に、単位セル・パラメータの少なくとも５倍ともされ得る。メタマテリアルの誘電率、透磁率および屈折率の如き電磁的特性は、有効媒体理論を用いて算出され得る。

メタマテリアルの興味深い側面は、自然に生ずる材料においては実現し得ない電磁的特性が獲得され得ることである。特に、たとえば負の屈折率を有する負屈折率材料が作成され得る。

レーダ用途に対し、単位セルは、習用のプリント回路基盤技術を用いて作製された金属箔パターンを備え得る。しかし、リソグラフィに関する制限によれば、レーダの如き長い波長の用途に対する斯かる回路基盤式の手法の使用は制約される。メタマテリアルの最も早期の用途は、レーダ用途であった。

しかし、優れた光学的構成要素に対する強い要望が在る。

本発明の実施形態としては、光学的周波数において作用可能なメタマテリアルが挙げられ、その場合にこの語句は、可視およびIR(赤外線）の波長を指すべく使用される。上記メタマテリアルは勾配付き屈折率を有し、該屈折率はメタマテリアル上の空間的位置の位置として変化する。“勾配付き屈折率メタマテリアル”という語句は、空間的に変化する屈折率を有するメタマテリアルを記述すべく使用される。

実施形態のメタマテリアルは、当該導電層内に配設された複数の孔[hole](もしくは開孔[aperture])から成る(配列の如き)パターンを有する少なくとも一対の導電層を含む多重層構造を備える。上記各導電層は、概略的に平行であり、且つ、誘電層により分離される。各孔は、導電層および誘電層を貫通して連続的に延在し得るか、または、各導電層においてのみ形成され得る。メタマテリアルは、漁網構造を有する複数の導電層を含み得る。漁網構造は、複数の孔(もしくは開孔)の上記パターンを画成すべく、交差パターンとされた複数本の導電ストライプから成るものと見做され得る。多重層とは、交互配置的な導電層および誘電層を備えることで、たとえばレンズの光学的深度を増大し得る。

幾つかの実施形態において、上記各孔は規則的配列上で中心合わせされ、たとえば、各孔は矩形状もしくは正方形状の格子上に配置された中心点を有している。但し、各孔のひとつ以上のサイズ・パラメータは、位置により変化しても良い。幾つかの実施形態において、各孔は概略的に矩形状であり得ると共に、各孔はひとつ以上の方向に沿い変化する側辺長を有し得る。各孔の断面積(孔面積)は、ひとつ以上の方向における位置の関数として変化し得る。

他の実施形態において、各孔は配列として配置されるが、該配列は、孔間隔がメタマテリアルの全体にわたり変化するという点において、規則的配列ではない。換言すると、各孔中心点間の距離は、ひとつ以上の所定方向に沿う位置の関数である。これらの実施形態において、各孔はメタマテリアルの全体にわたり同様のサイズを有し得ると共に、孔間隔における変化は屈折率勾配を提供する。

光学素子の如き実施形態の装置は、第1導電層と、第2導電層と、上記第1導電層と上記第2導電層との間に配置された誘電層と、を含むメタマテリアルを備え、各導電層は、自身を貫通して形成された複数の孔を有する。上記各孔は、上記メタマテリアルが動作波長にて勾配付き屈折率を有するように構成される。上記動作波長は、IRもしくは可視の波長であり得る。各孔は、上記メタマテリアルを貫通延在する孔の配列として形成され得る。

上記各孔は、たとえば導電層の平面内における方向などの、上記メタマテリアルを通る少なくともひとつの方向に沿う位置の関数として変化するサイズ・パラメータを有し得る。上記サイズ・パラメータは、(正方形、長方形もしくは他の多角形の如き)多角形の側辺長、(たとえば、円形孔、または、楕円の長径もしくは短径などの)孔径、または、孔の面積もしくは形態に相関する他の測定値とされ得る。各孔は規則的配列にて形成され得ると共に、サイズ・パラメータは該配列の主方向に沿い変化し得る。

代替的に、または、付加的に、上記各孔は、上記メタマテリアルを通る少なくともひとつの方向に沿う位置の関数として変化するサイズ・パラメータを有し得る。幾つかの実施形態において、上記孔間隔は、所定方向に沿う孔中心点間の距離として測定され得る。各孔は、(間隔などの)配列パラメータが位置の関数として変化するという不規則的な配列で配設されても良い。

上記勾配付き屈折率は、勾配付きの正の屈折率であり得る。

メタマテリアルは、複数の交互配置的な導電層および誘電層を備え得る。付加的に、界面における反射損失を低減すべく、屈折率マッチング層が導入され得る。特定の位置において、上記屈折率マッチング層は、メタマテリアルの最も近い部分の屈折率と、空気の如き外部媒体の屈折率との間の屈折率を有し得る。

実施形態の装置としてはメタマテリアル・レンズが挙げられ、放射線はメタマテリアル構造内の勾配付き屈折率により屈折される。屈折率勾配は、線形状、二次的、放物線状、または、たとえばレンズ中心もしくはレンズ縁部からの距離の関数などの他の位置の関数とされ得る。本発明の実施形態としては、斯かる光学素子を用いるカメラの如き撮像デバイスも挙げられる。本発明の実施形態としては、ビーム方向変換デバイス、投影デバイス、光学的ルータの如きビーム操作デバイスなども挙げられる。

上記メタマテリアルは、反復された単位セルを備える構造を有し得ると共に、上記単位セルは、約100ナノメータ〜約1,000ナノメータの縁部長さを有する。

複数の孔から成る配列が自身を貫通して形成された多重層を備える実施形態のメタマテリアルを示す図である。 ２つの金属層間に挟持された誘電層を含む多重層を更に示す図である。 単位セルの平面図であり、単位セルの各方向を示している。 上記構造の平面図であり、孔パターンを更に示している。 水平ストライプ幅の関数として屈折率を示す図である。 ストライプ幅に対する屈折率を示す図である。 周期性(孔間隔)の関数として屈折率を示す図である。 固定された孔サイズに対する周期性による屈折率の変化を示す図である。 ストライプ幅の関数として、光学的周波数に対する屈折率を示す図である。 勾配付きのメタマテリアル要素として使用された多重層構造の平面図である。 メタマテリアル・ナノプリズムからの電磁的応答を示す図である。 メタマテリアル・ナノプリズムからの電磁的応答を示す図である。 メタマテリアル・ナノプリズムからの電磁的応答を示す図である。 CSTシミュレーションから得られたメタマテリアルのSパラメータ、および、Sパラメータから導かれた屈折率値を示す図である。 撮像レンズの形態の光学素子を示す図である。

実施形態のメタマテリアルは、複数の孔から成る配列を含む多重層構造を備える。各孔は、正方形、長方形もしくは他の多角形の側辺長、直径、または、他の空間的広がりの測定値の如き、サイズ・パラメータを有している。

上記サイズ・パラメータは、たとえば、屈折率もしくは他の電磁的パラメータに関して空間的に変化する値を付与するために、たとえば所定方向に沿うなどの、上記メタマテリアル内の位置の関数として変化し得る。上記サイズ・パラメータは光学的波長よりも幾分か短くされ得、たとえば、長方形の孔の側辺長は、メタマテリアルが動作する光学的波長の１／３より小さく、より詳細には１／５より小さくされ得る。

実施形態のメタマテリアルは、光学的な様式で作用可能であり得る。これに関連し、光学的な様式は、赤外および可視の波長の両方を含み得る。幾つかの実施形態において、メタマテリアルの動作波長は、たとえば350nm〜750nmの波長などの可視波長とされ得る。幾つかの実施形態において、上記動作波長は、たとえば350nm〜5ミクロン、より詳細には400nm〜3ミクロンの波長などの、可視もしくは近IRの波長とされ得る。

上記多重層は、少なくとも一対の、隣接する誘電層および導電層を含み得る。たとえば、２枚の誘電層間に１枚の導電層が挟持され得るか、逆も同様である。多重層は、電気的絶縁体および導電体の交互配置的な複数の層を備え得る。

実施形態は、多重層式の金属(または他の導電層)／誘電体厚板を含む。上記構造の孔パターンによれば、メタマテリアルは漁網構造として記述され得る。上記漁網構造において、磁気的応答は、ワイヤ対により支援される逆平行電流に由来し得る。故に、メタマテリアルは、誘電層により分離されて離間された一対の導電層を含み得る。上記導電漁網層の各孔は整列され得ると共に、各孔は単一もしくは複数の誘電層も貫通して延在し得る。

導電層は、金属、半導体、導電ポリマ、または、他の導電体から成り得る。

上記誘電層は、無機酸化物、他の非導電体、ガラス、絶縁ポリマなどの如き電気的絶縁体から成り得る。上記多重層構造は、該多重層構造の幾つかもしくは全ての層を貫通して形成された開孔である、複数の孔を含む。たとえば、各孔は、少なくともひとつの導電層に形成され得る。各孔は多重層を完全に貫通して延在して空気充填され得るか、または、他の実施形態において、各孔は導電層に形成され且つ部分的にもしくは全体的に誘電物質により充填されても良い。

図１Ａは、複数の孔から成る配列が自身を貫通して形成された多重層12を備える実施形態のメタマテリアル10を示している。この実施形態において各孔は、水平位置の関数として変化する垂直側辺長を有する長方形状である。たとえば、左縁部の近傍の孔14は、右縁部の近傍の孔16よりも大きな垂直側辺長を有している。この実施形態において、各孔は規則的配列として形成される、と言うのも、各孔中心点が規則的配列で配置されるからである。

これに関連して、“垂直”、“水平”、“左”および“右”などの語句は図示内容に関して使用されており、限定的なものではない。

図１Ｂは、図１Ａに示された構造の単位セルを示している。均一なメタマテリアルにおいて、上記構造は、水平方向および垂直方向において同一の単位セルを反復することにより形成される。対照的に、この実施形態の勾配付きメタマテリアルにおいて、単位セルのパラメータは少なくともひとつの方向において変化する。この代表的な実施形態において、wyにより表される水平ストライプの幅は、水平方向に沿う位置Xの関数として変化する。

図１Ｂは、２つの金属層22および26間に挟持された誘電層24を含むものとして上記多重層を示している。単位セルは、たとえば孔部分28などの、４個の周囲孔の各々の１／４を含むべく選択される。

図１Ｃは単位セルの平面図であり、垂直方向および水平方向の夫々における単位セル寸法AおよびBを示している。幾つかの実施形態においてはA＝Bであり、且つ、記号Aのみが使用される。該図は、垂直方向および水平方向の夫々におけるストライプ幅wxおよびwyも示している。垂直および水平という語句は、図示内容を指しており、限定的なものではない。

この平面図は、概略的にプラス記号(＋)の形状とされた金属導体を示しており、単位セルの各角隅部は28の如く、孔の一部である。

図１Ｄは孔パターンを更に示す上記構造の平面図であり、多重層12における孔14および16を示している。図１Ｃに示された如き規則的な正方形の配列に対し、AはBに等しく、すなわち単位セルの各側辺長は等しい。図１Ｃに示された単位セルを反復することにより形成される均一なメタマテリアルに対し、各孔は、C＝A−wyおよびD＝B−wxとして、C×Dと表される寸法の高さ×幅を有する。故に、図１Ａに示された如く左から右にかけて水平ストライプ幅が増大するにつれ、垂直孔寸法は減少する。この実施形態において、単位セルの各寸法AおよびBは一定であり、且つ、孔の各寸法は位置の関数として変化する。更に、単位セルの各寸法(周期性)Aは、その方向に沿う孔中心点の間隔と同様である。

この実施形態において、各孔は、図１Ａに示された如く垂直ストライプが左から右にかけて交差するにつれてストライプ幅wyが段階的様式で段増するように、概略的に長方形状である。

図１Ａから図１Ｄは、上記構造が、多重層内の各孔の配列に関して記述され得るか、または代替的に、交差する垂直ストライプおよび水平ストライプから形成された構造として記述され得ることを示している。図１Ａの実施形態において、各垂直ストライプは、左から右にかけて一定の幅を有している。しかし、各水平ストライプは、左におけるよりも右における方が広幅である。このようにして、各孔の垂直側辺長は位置の関数として変化し、孔14は、孔16よりも大きな垂直側辺長を有する。図１Ａは、上記構造を通して下方に延在する20と参照番号が付された垂直ストライプと、水平に延在して右におけるよりも左における方が相当に狭幅である水平ストライプ18とを示している。幾つかの実施形態において、垂直ストライプおよび水平ストライプは両方とも、位置の関数として変化し得る。ストライプ幅における変化は、連続的、または、段階的様式とされ得る。

他の実施形態のメタマテリアルにおいて、各ストライプ幅は、メタマテリアルの広がりの全体にわたり一定であるという厚みを有し得る。勾配付き屈折率は、全体的にもしくは主として、単位セルの各サイズ・パラメータにおける変化から生じ得る。

図２は、水平ストライプ幅wyの関数として屈折率を示している。669ナノメータの波長に対する屈折率曲線40が示される。該曲線は、シミュレーションを用いて獲得される。差込み図42、44および46は、水平ストライプ幅の変化と共に単位セルの外観が如何に変わるかの例示内容である。理解され得る如く、42において水平ストライプは狭幅であるが、46において水平ストライプは比較的に広幅である。この実施形態において、垂直ストライプ幅wxは一定である。シミュレーション・パラメータは、誘電層厚みs＝17ナノメータ、金属層厚みt＝10ナノメータ、垂直ストライプ厚みwx＝102ナノメータ、および、単位セル寸法A＝300ナノメータであった。この実施形態において、単位セル間隔は水平方向および垂直方向において同一であり、すなわち、通常的な正方形配列とされた。

屈折率曲線40は、ストライプ厚みの全範囲にわたり正である。本発明のマテリアルの実施形態としては、可視もしくは他の光学的波長において少なくとも部分的に正の屈折率であるという屈折率勾配を有するメタマテリアルが挙げられると共に、幾つかの実施形態において屈折率はメタマテリアル全体にわたり正である。

もしメタマテリアルの全体にわたり単一の単位セル構成が反復されるなら、その結果は、その構成に対して計算された屈折率を有する均一なメタマテリアルであろう。空間的位置の関数としてサイズ・パラメータを変化させることにより、屈折率勾配が獲得され得る。

図１を参照すると、この図示内容は必ずしも縮尺通りではない。メタマテリアルの広がりの全体にわたり多くの更なる単位セルが在り得ると共に、サイズ・パラメータにおける勾配は、図示されたよりも、単位セル間にて更に漸進的であり得る。屈折率勾配は概略的に、波長距離のスケールにては連続的であり、且つ、単位セルの更に小さい距離のスケールにて段階的であり得る。

屈折率勾配は、所望に応じて線形状もしくは曲線状とされ得る。図２に示された屈折率曲線は、サイズ・パラメータにおける必要な変化を決定することで、屈折率における所望の空間的変化を獲得するために使用され得る。

図３は、２つの波長、すなわち698ナノメータ(曲線50)および750ナノメータ(曲線52)に対し、wyに対する屈折率の曲線を示している。此処でも、54の如き差込み図は、座標軸に沿う水平ストライプ厚みの変化に対応する単位セル幾何学形状の変化を示している。

750ナノメータの曲線は、約20ナノメータと35ナノメータの間のwyに対し、wyに起因する変動が殆ど無いことを示している。上記曲線のこの領域は、差込み図内の拡大部分において示される。

このシミュレーションに対して上記金属層は銀である、と言うのも、この金属は光学的周波数において低損失だからである。選択された誘電物質はフッ化物とされたが、他の多くの等価的な誘電物質が使用され得る。単位セルの格子定数は、A＝175ナノメータ、wx＝102ナノメータ、t＝40ナノメータ、および、s＝17ナノメータであった。

図４は、格子定数とも称され得ると共に孔間隔と密接に相関し得るという周期性Aの関数として、屈折率を示している。該図は、612ナノメータ(曲線70)および570ナノメータ(曲線72)における曲線を示している。差込み図74、76および78は単位セル幾何学形状における変化を示している。このシミュレーションにおいて、wx＝102ナノメータであり且つwy＝68ナノメータである。これらの値は一定に維持される。屈折率は、周期性Aの関数である。

図５は、固定された孔サイズに対する、周期性Aによる屈折率の変化を示している。該図は、698ナノメータに対する曲線80および667ナノメータに対する曲線82を示している。差込み図84、86および88は、単位セルの描写を示している。孔サイズは、232ナノメータの垂直側辺長および198ナノメータの幅を以て固定される。この実施形態において、屈折率変化は、単位セルの側辺長であって、格子定数もしくは周期性とも称され得るという側辺長の変化により提供される。

図６は、図３に関して論じられた幾何学形状に対し、wyの関数として、光学的周波数に対する屈折率を示している。或る構造に対し、屈折率はひとつ以上の転換点を通過することで共振寸前の非常に複雑な挙動を与える。但し、上記幾何学形状は、所望の動作領域に対し、周波数(分散)に対する均一な勾配の屈折率を与えるべく選択され得る。多くの実施形態において、共振から十分に離間してメタマテリアルを動作させて損失を低減することが有用であり得る。従前のメタマテリアルは多くの場合、負の屈折率を獲得するために共振寸前で動作されてきた。しかし、負の屈折率の可能的な利点よりも、共振寸前の損失の問題の方が重要であり得る。故に、本発明の各実施形態においては、所望の動作周波数において正の屈折率を与えるメタマテリアルが実現され得る。

図７は、勾配付きのメタマテリアル要素として使用される図１Ａに示された如き構造10の平面図である。シミュレーションにおいて図示された如く、要素10は下方から入力放射線ビーム100を受ける。出力ビームは、要素10内の屈折率変化特性の結果として、偏向される。観察を導くために、ライン104が提供される。但し、出力ビーム102の波面は、メタマテリアル要素10に関し、且つ、入力ビーム100の波面に関しても角度付けされることは明確に理解され得る。

上記平面図は、２つの金属層間に挟持された誘電層を備えるメタマテリアル10を示しており、これは図１Ａおよび図１Ｂに関連して上記で更に詳細に論じられている。上記構造は、該構造を貫通する各孔を有する。図示された如く、孔間隔および孔幅は均一である。他の側辺長は、上記メタマテリアルの全体にわたり位置の関数として変化する。この概観を図１Ｃと比較すると、wxはメタマテリアルの全体にわたり均一であり且つ上記平面図はY方向に沿い下向きである。故に、wyにおける変化は、この概観においては視認できない。但し、これらの変化は、屈折率変化を提供する。

均一な厚板における同様の勾配の孔パターンのシミュレーションも実施された。この比較対照試験において、入力ビームの偏向は観察されなかった。更に、メタマテリアルの全体にわたり孔寸法の変化なしで、シミュレーションが行われた。均一なメタマテリアル厚板の実施形態において、再び、入力ビームの偏向は観察されなかった。

図７に示された如きメタマテリアル10の電磁的特性は、誘電体楔の電磁的特性を擬態している。

図８Ａは、メタマテリアル・ナノプリズム116からの同様な電磁的応答を示している。図８Ａは、出力ビーム112において近似方向114に偏向された入力ビーム110を示している。図８Ｂは、メタマテリアル・ナノプリズムの平面図であり、均一な孔分布を示している。

図８Ｃは金属層厚み112における勾配を示す上記ナノプリズムの側面図であり、誘電層122および第2の金属層124は一定の厚みのままである。但し、図８Ｃに示されたデバイスの作製は、実用的な困難性を呈し得る。図１Ａにおいて例示された如き本発明に係るメタマテリアルによれば、ナノプリズムの挙動は、孔パラメータにおける変化のみにより実現され得る。

シミュレーションは、CST Microwave Studioを用いて実施された。これは、各メタマテリアルのSパラメータを検出すべく使用された。上記Sパラメータからインピーダンスおよび屈折率を抽出すべく、Matlabコードが使用された。

図９は、CSTシミュレーションから獲得された各Sパラメータ(曲線140および142)と、Matlabアルゴリズムを用いて該Sパラメータから獲得された屈折率の実部および虚部の屈折率値(夫々、曲線144および146)とを示している。

上記CSTシミュレーションは、有限要素(HFSS)シミュレーションよりも効率的であることが見出された。上記CSTシミュレーションは、透過係数および反射係数を与えると共に、図７および図８Ａに示された２次元の電界マッピングも許容した。

上記の各実施形態においては、垂直方向および水平方向において周期性Aが同一であるという正方形配列が使用された。但し、これは必ず使用されるものでなく、格子定数は垂直方向および水平方向において異なり得る。

図１０は、撮像レンズ150の形態の光学素子を示している。該図は、上記レンズが、勾配付き屈折率を有する多重層式メタマテリアル152と、各面に隣接した夫々のマッチング層154と、保護層156と、縁部シール158とを備えることを示している。該レンズは、軸心方向の放射線(破線A)および軸心外の放射線(破線B)を撮像デバイス160上に焦点合わせして示される。上記メタマテリアル・レンズは、湾曲表面を有さず、且つ、習用のガラス・レンズよりも相当に薄寸とされ得る。上記光学的な保護層は、ポリマ、セラミックもしくはガラス層の如き誘電層とされ得ると共に、薄寸の耐擦過層とされ得る。各屈折率マッチング層は、軸心方向ビーム(A)の伝搬の方向に沿い勾配付き屈折率を導入することで、上記メタマテリアルからの界面反射を低減する。各屈折率マッチング層は、上記勾配付き屈折率メタマテリアルと同一様式で作製され得ると共に、同一の単一的な構造の一部分とされても良い。上記保護層は、マッチング層構造の外側層とされ得る。縁部シール158は、ポリマ、セラミック、または、他の材料とされ得る。上記図示内容は断面であり、光学素子150は、円形、正方形、長方形、または、他の形状とされ得る。たとえば、上記レンズは円形とされ得、屈折率変化特性はレンズ中心点からの径方向距離の関数として設計され得、且つ、上記縁部シールは、上記メタマテリアルの縁部に対して結合された概略的にリング形状の構造とされ得ると共に、上記レンズ構造を密封シールすべく使用され得る。

作製：
光学的メタマテリアルは、約50ナノメータ〜1,000ナノメータの波長未満のスケールにて作製され得る。実施形態の作製手法としては、多重層式の金属／誘電体積層体を製造すべく使用され得る電子ビーム気化が挙げられる。幾つかの実施形態においては、多重層の形態でメタマテリアルを作製すべく集束イオンビーム・システムが使用されることで、数ナノメータ以上のオーダーのスポットサイズを表面削りし得る。

上記構造の単位セル・サイズは、100ナノメータ〜1,000ナノメータの範囲内とされることで、可視およびIRの周波数範囲での動作を許容し得る。勾配付き屈折率メタマテリアルを設計すべく、最適化設計サイクルが使用され得る。

各孔は、概略的に正方形もしくは長方形とされ得るが、作製されたサンプルにおいて各孔は作製方法の結果として丸形の角隅部を有することもあり、たとえば、角隅部の半径はイオンビームのスポット・サイズに関連付けられ得る。

本発明の各実施形態は、嵩張る単位セルを必要としない平面的設計態様を包含する。上記構造は、多くの技術により作製され得る比較的に単純な断面を有する。記述された構造の作成に使用すべく、任意の習用の半導体もしくはセラミック製造方法が適合化され得る。

上記多重層材料に対しては、たとえばウェハ・ボンディング方法により、縁部保護層が結合され得る。光学素子は、たとえば密封シール容器内の乾燥積層体として、外側の誘電体もしくはセラミックの保護層により封入され得る。

高品質の金属表面および少ない損失を実現するために、金属薄膜の析出速度の減少が使用され得る。実験的に作製されたデバイスの孔サイズを決定すべく、電界放出型走査電子顕微鏡法が使用され得る。

各デバイスは、各々が動作波長よりも短いという、誘電層および導電層の厚み、および、孔のサイズ・パラメータを以て作製され得る。たとえば、誘電層厚みは、1nm〜500nm、より詳細には2nm〜100nmの範囲内とされ得、導電層厚みは1nm〜500nm、より詳細には2nm〜50nmの範囲内とされ得、且つ、単位セル寸法は30nm〜3,000nm、より詳細には50nm〜1,000nmの範囲内とされ得る。

導電層は、(金、銀、白金、アルミニウムなどの如き)金属、導電ポリマ、導電有機材料、または、他の材料とされ得る。上記誘電層は、(酸化物、フッ化物、窒化物、炭化物などの如き)無機誘電体、非導電ポリマ、セラミック、ガラス、空気、窒素、不活性気体、または、他の材料から成り得る。

用途
本発明の例としては、赤外および可視の光線を偏向させ得る勾配付き屈折率を有する平面的なメタマテリアルが挙げられる。種々の公知のナノファブリケーション技術が使用され得る。用途としては、勾配付き屈折率レンズが挙げられる。該レンズは、平面的な勾配付き屈折率を有し得る。

例としては更に、負の屈折率のメタマテリアルが挙げられる。但し、上述の実施形態は、正の屈折率の勾配を提供している。用途としては更に、ゼロ屈折率材料、逆ドップラ効果、スーパー・レンズ、光学的トンネル・デバイス、小型共振器、動的に調節可能なメタマテリアル、クローキング・デバイス(cloaking device)および、高度に指向性の線源が挙げられる。

例としては更に、たとえば自動車用システムにおいて使用されるIRおよび／または可視の画像化が挙げられる。例示的な装置は、IR周波数にて作用可能である勾配付きの平面的なメタマテリアル・レンズを含むIRビジョンシステムである。用途の例としては、歩行者検出および他の障害検出システムの如き自動車用画像化用途、飛行時間検知システム、および、ナイトビジョン・システムが挙げられる。

勾配付き屈折率を有する平面的なメタマテリアルの設計態様は、光線を偏向させるべく使用され得る。そのデバイスの機能は、メタマテリアル・ナノプリズムのそれに匹敵するが、湾曲表面に対する必要性の無い平面的構造の如き、幾つかの利点を呈する。

屈折率勾配は、所定方向に沿う距離の如き距離パラメータに対し、線形の、放物線状の、多項式的な、あるいは、他の依存性を有し得る。屈折率勾配としては、収差を減少すべく選択された補正関数により合計された一般的な放物線(または他の)形態が挙げられる。幾つかの例において、光学素子は、異なる屈折率勾配の形態の複数の領域と、中間の融合領域とを有することで、たとえば、遠焦点領域および近焦点領域と、それらの間の勾配領域とを有するなどの勾配付きの二重焦点レンズを実現し得る。幾つかの例において、屈折率勾配は、たとえば２つの放物線状依存性などの、２つ以上の関数を含み得る。光学素子の機能は、レンズ上への放射線方向、または、視野内における放射線の原点の関数として変化し得る。

撮像デバイスは、異方的な孔構成により導入される任意の異方性により良好に作用すべく構成され得る。

例示的なデバイスとしては、光学的投影機などの投影デバイス、レーザ・システム、光ファイバ送信式の光学機器なども挙げられる。

連続的な勾配付きの屈折率を有する構造は、均一もしくは段階的な屈折率変化特性を備える習用のメタマテリアルと比較して利点を有する。幾つかの例において、勾配付きの負の屈折率を有するメタマテリアルを用いて、完全なレンズが実現され得る。勾配および屈折率は、メタマテリアル要素のひとつ以上のパラメータを連続的に調節することにより導入され得る。

本発明は、上述の例示的な実施形態に限られない。上述の実施形態は、本発明の有効範囲を制限することを意図していない。当業者であれば、その変更、各要素の他の組み合わせ、および、他の用法が想起されよう。本発明の有効範囲は、各請求項の有効範囲により定義される。

Claims (17)

1. 第1導電層と、第2導電層と、前記第1導電層と前記第2導電層との間に配置された誘電層とを含むメタマテリアルを備える装置であって、
   各導電層は、自身を貫通して形成された複数の孔を有し、
   前記孔は、前記メタマテリアルが動作波長にて勾配付き屈折率を有するように構成され、
   前記動作波長はIRもしくは可視の波長である、装置。
2. 前記孔は、前記メタマテリアルを通る少なくともひとつの方向に沿う位置の関数として変化するサイズ・パラメータを有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記サイズ・パラメータは、前記孔の側辺長もしくは直径である、請求項２に記載の装置。
4. 前記孔は、前記メタマテリアルを通る少なくともひとつの方向に沿う位置の関数として変化する孔間隔を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記孔は、前記メタマテリアルを貫通延在する孔の配列として形成される、請求項１に記載の装置。
6. 前記動作波長はIR波長である、請求項１に記載の装置。
7. 前記動作波長は可視波長である、請求項１に記載の装置。
8. 前記勾配付き屈折率は、勾配付きの正の屈折率である、請求項７に記載の装置。
9. 当該装置は、交互配置的な導電層および誘電層を備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記メタマテリアルはレンズとして機能し、放射線は勾配付き屈折率により屈折される、請求項１に記載の装置。
11. 当該装置は光学的撮像装置である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記メタマテリアルは、反復された単位セルを備える構造を有し、
    前記単位セルは、約100ナノメータ〜約1,000ナノメータの周期性を有する、請求項１に記載の装置。
13. 第1導電層と、第2導電層と、前記第1導電層と前記第2導電層との間に配置された誘電層とを含むメタマテリアルを備える装置であって、
    前記メタマテリアルは、該メタマテリアルを貫通して形成された複数の孔の規則的配列を有し、
    前記孔は前記メタマテリアル上の位置の関数として変化するサイズ・パラメータを有することから、前記メタマテリアルは動作波長において勾配付き屈折率を有し、
    前記動作波長はIRもしくは可視の波長である、装置。
14. 前記動作波長は近IRまたは可視の波長である、請求項１３に記載の装置。
15. 前記メタマテリアル構造は、反復された単位セル構造を備え、
    前記単位セルは、100ナノメータ〜1,000ナノメータの範囲内の縁部長さを有する、請求項１３に記載の装置。
16. 第1導電層と、第2導電層と、前記第1導電層と前記第2導電層との間に配置された誘電層とを含むメタマテリアルを備える装置であって、
    前記メタマテリアルは、該メタマテリアルを貫通して形成された複数の孔の配列を有し、
    前記孔は前記メタマテリアル上の位置の関数として変化する孔間隔を有することから、前記メタマテリアルは動作波長において勾配付き屈折率を有し、
    前記動作波長はIRもしくは可視の波長である、装置。
17. 前記動作波長は近IRまたは可視の波長である、請求項１６に記載の装置。

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