JP2015200745A - メタマテリアル光学部材、光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置 - Google Patents

メタマテリアル光学部材、光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2015200745A
JP2015200745A JP2014078820A JP2014078820A JP2015200745A JP 2015200745 A JP2015200745 A JP 2015200745A JP 2014078820 A JP2014078820 A JP 2014078820A JP 2014078820 A JP2014078820 A JP 2014078820A JP 2015200745 A JP2015200745 A JP 2015200745A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
optical member
metamaterial
metamaterial optical
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014078820A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6307328B2 (ja
JP2015200745A5 (ja
Inventor
佳朗 野本
Yoshiaki Nomoto
佳朗 野本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to JP2014078820A priority Critical patent/JP6307328B2/ja
Priority to US15/301,764 priority patent/US10161857B2/en
Priority to DE112015001707.0T priority patent/DE112015001707B4/de
Priority to GBGB1617381.7A priority patent/GB201617381D0/en
Priority to PCT/JP2015/060651 priority patent/WO2015156231A1/ja
Publication of JP2015200745A publication Critical patent/JP2015200745A/ja
Publication of JP2015200745A5 publication Critical patent/JP2015200745A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6307328B2 publication Critical patent/JP6307328B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/113—Anti-reflection coatings using inorganic layer materials only
    • G02B1/115—Multilayers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/06113—Coherent sources; lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

【課題】 外部との光の授受が可能なメタマテリアル光学部材と、これを用いた光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 このメタマテリアル光学部材１００は、光入射面ＩＮ１と光出射面ＯＵＴ１とを有し集光機能を有する集光光学部材１と、集光光学部材１の光出射面ＯＵＴ１に設けられた反射防止膜２とを備え、反射防止膜２は、光進行方向に沿って徐々に屈折率が低くなる第１メタマテリアル構造を有している。メタマテリアル光学部材１００は、メタマテリアル構造を有する反射防止膜２を備えることで、外部に光を取り出すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタマテリアル光学部材と、これを用いた光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置に関する。
従来のメタマテリアル光学部材は、例えば、特許文献１に記載されている。同文献では、低屈折率の第１領域と、高屈折率の第２領域を備えた屈折率分布型レンズを開示しており、当該レンズの屈折率分布構造は、メタマテリアルを積層して構成されている。
メタマテリアルを用いた場合、自然界には存在しない屈折率（(誘電率μ×透磁率ε)の平方根：（εμ）１／２）を有する光学部材を、人工的に製造することができる。すなわち、メタマテリアルは、例えば、非特許文献１に示すように、微小金属片を有している。このメタマテリアルは、銀層とゲルマニウム層を積層し、積層方向に垂直な方向に延びた光導波路を構成しており、銀層の厚みは４ｎｍ、ゲルマニウム層の厚みは６ｎｍである。このようなナノスケールの構造体を用いることにより、３５以上の屈折率が実現されている。
メタマテリアルは、光(電磁波)の磁界成分に応答する構造体を入射波長の1/6以下のサイズで形成することによって、所望の透磁率を得たり、前記非特許文献のように光(電磁波)の電界成分に応答する構造体を形成することによって所望の誘電率を得たりと、屈折率を定義している誘電率と透磁率を個別に設計出来る。そのため、自然界には存在しない屈折率材料を実現することができる。メタマテリアルを用いた場合には、通常のレンズでは不可能な集光等も可能となるため、種々の分野における応用が期待される。
特表２０１３−５０６８８４号公報
Yingran He、Sailing He、Jie Gao、XiaodongYang、「Nanoscale metamaterial optical waveguides with ultrahigh refractive indices」、Journal of theOptical Society of America, Ｂ, Ｖｏｌ．２９、Ｎｏ．９、ｐ．２５５９−２５６６、２０１２年８月２９日
しかしながら、高屈折率のメタマテリアル光学部材を利用する場合、外部との光の授受をすることが非常に難しい。なぜならば、高屈折率の部材内領域と、低屈折率の外部空間（空気）との界面において、屈折率値の不一致が原因で光が反射されるため、光を外部空間側に取り出すことができないからである。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、外部との光の授受が可能なメタマテリアル光学部材と、これを用いた光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、第１のメタマテリアル光学部材は、光入射面と光出射面とを有し集光機能を有する集光光学部材と、前記集光光学部材の光出射面に設けられた反射防止膜と、を備え、前記反射防止膜は、光進行方向に沿って徐々に屈折率が低くなる第１メタマテリアル構造を有していることを特徴とする。
集光光学部材によって光が集められる領域の屈折率は、その周辺領域よりも高く設定される。したがって、集光光学部材の光出射面に集光された光が、光出射面で反射されずに、外部に取り出させるように、第１メタマテリアル構造の反射防止膜を設けることとした。メタマテリアル構造を用いることにより、自然界には存在しない高屈折率から低屈折率までの屈折率変化を形成することができるため、従来では外部に取り出せなかった光を外部に取り出すことができる。
また、第２のメタマテリアル光学部材においては、前記集光光学部材は、前記光入射面から前記光出射面に向かうに従って徐々に屈折率が高くなる第２メタマテリアル構造を有していることを特徴とする。
この場合、集光光学部材が、第２メタマテリアル構造を有しているため、自然界には存在しない屈折率変化を形成することができるため、従来の幾何形状を利用したオプティクスでは実現できなかった集光特性を実行できる。このような特殊な状態の集光を行っても、第1メタマテリアル構造の反射防止膜を有しているため、光出射面に集光された光を外部に取り出すことができる。
第３のメタマテリアル光学部材においては、前記光出射面は、凹面を含むことを特徴とする。
この場合、集光光学部材による集光位置が、凹面の内側に位置するように設定することにより、集光した光を凹部の内側空間内において利用することができる。
第４のメタマテリアル光学部材においては、前記光出射面は、前記凹面の一部に連続し、前記凹面の開口サイズよりも、小さな開口サイズを有する第２の凹面を含むことを特徴とする。
集光位置が、凹面よりも集光光学部材の深部に位置する場合、集光位置が内部に位置する第２の凹面を部分的に設ける。第２凹面は、開口サイズが小さいので、集光光学部材の多くの部分を加工しなくても、これを形成することができる。
第５のメタマテリアル光学部材においては、前記光出射面は、平坦面を含むことを特徴とする。この場合、光出射面に凹面を形成する加工をする必要がないという利点がある。
上述のメタマテリアル光学部材を用いると、種々の装置を構成することができる。
すなわち、第１の光検出装置は、上述の凹面を有する第３又は第４のメタマテリアル光学部材と、前記メタマテリアル光学部材の凹面の内部に配置された光検出器とを備えることを特徴とする。
被検出光が、集光光学部材の光入射面に入射すると、集光され、反射防止膜を介して、凹面の内部に配置された光検出器に入射する。したがって、光検出器によって、被検出光を検出することができる。光検出器としては、光電子増倍管、フォトダイオード或いは固体撮像素子等を用いることができる。
また、第１のレーザ励起光源は、上述の凹面を有する第３又は第４のメタマテリアル光学部材と、前記メタマテリアル光学部材の凹面の内部に配置されたレーザ媒質とを備えることを特徴とする。
レーザ媒質の励起光が、集光光学部材の光入射面に入射すると、集光され、反射防止膜を介して、凹面の内部に配置されたレーザ媒質に入射する。したがって、励起光によって、レーザ媒質を励起することができる。レーザ媒質としては、Ｅｒ、Ｙｂ又はＮｄ等の希土類元素を添加した光ファイバ等を用いることができる。
また、第１の計測装置は、上述の凹面を有する第３又は第４のメタマテリアル光学部材と、前記メタマテリアル光学部材の凹面の内部に配置された媒体流路と、前記媒体流路からの光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする。
媒体流路内には、様々な被検査対象の物質を流すことができる。例えば、特定の波長の光を吸収すると、蛍光を発生する標識物質を媒体流路内に流した場合には、当該物質から発生した光を光検出器が検出することができ、検出した光に基づいて、物質の分析等を行うことができる。また、媒体として不透明な液体を流した場合には、媒体の透過光の光量を検出することにより、媒体の透明度を検査することも可能である。
また、第２の光検出装置は、上述の平坦面を有する第５のメタマテリアル光学部材と、前記メタマテリアル光学部材の前記平坦面に対向配置された光検出器とを備えることを特徴とする。
被検出光が、集光光学部材の光入射面に入射すると、集光され、平坦面に設けられた反射防止膜を介して、光検出器に入射する。したがって、光検出器によって、被検出光を検出することができる。光検出器としては、光電子増倍管、フォトダイオード或いは固体撮像素子等を用いることができる。特に、平坦面の平坦性を利用すると、固体撮像素子が対向配置しやすいという利点がある。
第２のレーザ励起光源は、上述の平坦面を有する第５のメタマテリアル光学部材と、前記メタマテリアル光学部材の前記平坦面に対向配置されたレーザ媒質とを備えることを特徴とする。
レーザ媒質の励起光が、集光光学部材の光入射面に入射すると、集光され、平坦面に設けられた反射防止膜を介して、これに対向配置されたレーザ媒質に入射する。したがって、励起光によって、レーザ媒質を励起することができる。レーザ媒質としては、Ｅｒ、Ｙｂ又はＮｄ等の希土類元素を添加した光ファイバの他、対向面が平坦なプレート形状のものを用いることができる。
第２の計測装置は、第５のメタマテリアル光学部材と、前記メタマテリアル光学部材の前記平坦面に対向配置された媒体流路と、前記媒体流路からの光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする。
媒体流路内には、上述の被検査対象の物質を流すことができる。媒体流路内の物質から発生した光を光検出器が検出することができ、検出した光に基づいて、物質の分析等を行うことができる。また、媒体として不透明な液体を流した場合には、媒体の透過光の光量を検出することにより、媒体の透明度を検査することも可能である。
また、レーザ媒質や媒体流路などからの発光を検出する場合には、上述の（第１の）メタマテリアル光学部材と組み合わせて用いられる（第２の）メタマテリアル光学部材を用いることができる。このような光を受ける側の（第２の）メタマテリアル光学部材は、光入射面と光出射面とを有する光伝達部材と、前記光伝達部材の前記光入射面に設けられた反射防止膜と、を備え、前記光伝達部材は、前記光入射面から前記光出射面に向かうに従って徐々に屈折率が低くなるメタマテリアル構造を有していることを特徴とする。なお、この（第２の）メタマテリアル光学部材と(第1の）メタマテリアル光学部材とは、同じ構造のメタマテリアル光学部材でもよい。
（第２の）メタマテリアル光学部材の光入射面側の領域は、屈折率が高いため、外部から光を入射させることが難しい。そのため、外部から光伝達部材の光入射面へ光を入射させる場合には、反射防止膜が機能して、光の伝達損失が抑制される。メタマテリアル構造は、自然界に存在しない屈折率を形成することができるため、（第２の）メタマテリアル光学部材は、上述の（第1の）メタマテリアル光学部材と対称な光の伝達を行うこともでき、したがって、屈折率分布の設計を共通化するなど、設計が簡略化される。
このように、受光タイプのメタマテリアル光学部材の場合、前記光入射面は、凹面を含み、前記凹面内に配置される媒体流路又はレーザ媒質からの光を受光することを特徴とする。光伝達部材が、入射光を伝達して、光出射面から出力することができる。
本発明のメタマテリアル光学部材によれば、外部との光の授受が可能となり、これは光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置に適用することができる。
計測装置の検出部を分解して示す斜視図である。 複数の媒体流路を備えた媒体導入系の斜視図である。 複数の検出部を備えた測定部の斜視図である。 計測装置のブロック図である。 メタマテリアル光学部材における反射防止膜の平面図である。 距離ｒと実効屈折率ｎeffとの関係を示すグラフである。 反射防止膜における位置Ｌ（μｍ）と実効屈折率ｎeffとの関係を示すグラフである。 反射防止膜における積層構造を示す斜視図である。 積層構造における長さ方向の寸法Ｌｘと実効屈折率neffとの関係を示すグラフである。 積層構造において銀とゲルマニウムの体積比が0.4：0.6の場合に、有効媒質理論から求めた誘電率テンソルの主値の波長分散値を示すグラフである。 反射防止膜が無い場合における入射光の波長λと反射率Ｒｐ（％）との関係を示すグラフである。 反射防止膜が有る場合における入射光の波長λと反射率Ｒｐ（％）との関係を示すグラフである。 メタマテリアル光学部材の平面図である。 入力側のメタマテリアル光学部材内を進行する光の経路を示す図である。 出力側のメタマテリアル光学部材の平面図である。 計測装置の検出部を通過する光の経路を説明するための図である。 入力側のメタマテリアル光学部材（改良例）の平面図である。 入力側のメタマテリアル光学部材（変形例）の平面図である。 図１８の構造の場合における光の進行を説明するための図である。 共振型のメタマテリアル構造の平面図である。 共振型のメタマテリアル構造の等価回路図である。 共振型のメタマテリアル構造における入射光の角周波数ωと透磁率μの関係を示す。 ロッドペアアレイを含むメタマテリアル構造の斜視図である。 ロッドペアアレイにおいて発生する電流を示す図である。 網目状のメタマテリアル構造の斜視図である。 実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 光出射面が平坦なタイプのメタマテリアル光学部材の平面図である。 メタマテリアル光学部材と対象物との関係を示す図である。 実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 実施装置の斜視図である。 光検出装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 光検出装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 レーザ励起光源において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。 入力側のメタマテリアル光学部材内を進行する光の経路を示す図である。 入力側のメタマテリアル光学部材内を進行する光の経路を示す図である。 入力側のメタマテリアル光学部材内を進行する光の経路を示す図である。 Ｚｈｕｋｏｖｓｋｉ変換について説明するための図である。 変換前後の光線群（フック屈折率分布）について説明する図である。 透明マント近傍の光線群について説明する図である。 変換前後の光線群（ケプラー屈折率分布）について説明する図である。 透明マント近傍の光線群について説明する図である。 透明マント近傍の光線群について説明する図である。
以下、実施の形態に係るメタマテリアル光学部材、及びこれを用いた光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置ついて説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
まず、一対のメタマテリアル光学部材を備えた計測装置について説明する。
図１は、計測装置の検出部を分解して示す斜視図である。なお、以下の説明では、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定する。
第１のメタマテリアル光学部材１００は、集光光学部材１と、集光光学部材１の光出射面に設けられた反射防止膜２とを備えている。集光光学部材１は、入射光Ｌ１が入射する光入射面ＩＮ１（ＸＺ面）と、光入射面ＩＮ１に対向し、出射光Ｌ１０が出射する光出射面ＯＵＴ１とを備えており、光出射面ＯＵＴ１には反射防止膜２が設けられている。図１に示す集光光学部材では、光出射面ＯＵＴ１は、Ｚ軸を中心軸とする半円筒形の凹面である。なお、この凹面の中心軸回りの円弧の開角度は、１８０度ではなくてもよい。また、反射防止膜２は、図１では、この凹面のみに設けられているが、凹面内に加えて光出射側のＸＺ面の全面に設けることとしてもよい。また、光入射面ＩＮ１上に反射防止膜を設けることとしてもよい。
第２のメタマテリアル光学部材２００は、光伝達部材１Ａと、光伝達部材１Ａの入射面に設けられた反射防止膜２Ａとを備えている。光伝達部材１Ａの構造は、内部の屈折率分布も含めて集光光学部材１と同一である。光伝達部材１Ａは、凹面の光入射面ＩＮ２から入射した光を、光出射面ＯＵＴ２に向けて拡散する機能を有する点が、集光光学部材１とは異なる。
一対のメタマテリアル光学部材１００，２００間には、対象物Ｐが配置されている。図１に示す装置が、計測装置の場合、対象物Ｐは媒体流路を構成するチューブである。チューブ内の様々な種類の媒体ＦＤが流れる。第１のメタマテリアル光学部材１００の光入射面ＩＮ１から入射した光Ｌ１は、集光光学部材１によって、凹面方向に集光され、光出射面ＯＵＴ１から、反射防止膜２を介して、外部に出射される。この出射光Ｌ１０は、対象物Ｐに入射し、これを透過し、光Ｌ２０は、反射防止膜２Ａを介して、第２のメタマテリアル光学部材２００の光入射面ＩＮ２から内部に入射し、光伝達部材１Ａ内を拡散しながら進行し、光出射面ＯＵＴ２から出射光Ｌ２として外部に出射される。なお、光Ｌ２０としては、透過光や散乱光、蛍光など挙げられる。
同図では、対象物Ｐ内の媒体ＦＤは、Ｚ軸方向に流れている。媒体ＦＤの流れる方向は、鉛直方向に沿っている場合もあるが、水平方向に沿っている場合もある。
図２は、複数の媒体流路を備えた媒体導入系の斜視図である。
計測装置は、図２に示すような媒体導入系を備えることができる。媒体導入系は、基板３００上に、測定の対象物Ｐとなる複数の媒体流路（チューブ）が配置されており、各チューブには、チューブ内に媒体を導入するための入力用のチューブ３０１，３０２と、不要な媒体の一部を出力する媒体出力用のチューブ３０３とを備えている。例えば、チューブ３０１には測定対象となる媒体が導入され、チューブ３０２には希釈液が導入される。
導入される媒体としては、超微粒子の環境ホルモン（外因性内分泌攪乱物質／外因性内分泌攪乱化学物質）、生体から採取された血液又は唾液、或いは、細菌やウイルスなどが挙げられる。検査対象となる物質の大きさや特性に応じて、特定の試薬との反応を生じさせることもできるし、蛍光ラベルなどの標識試薬を付けることもできる。この装置では、媒体を透過した光を検出することによって、媒体流路内を流れる液体に含まれるインフルエンザウイルス、Ｏ１５７、サルモレラ菌、ダイオキシン、ストレスマーカーなどの量の測定や有無を判定することができる。血糖値や脂質量の検査は、メタボリック・シンドロームの検査に利用することもできる。
チューブ内に導入された媒体は、希釈液や必要な液体と混合された後、試薬導入部３０４から導入される標識試薬や反応試薬と混合され、媒体流路内を流れ、検出部ＭＰに至る。検出部ＭＰでは、チューブを透過した光が検出される。試薬の種類は、複数の媒体流路毎に異ならせることができる。検出部ＭＰを通過した媒体が流れるチューブの終端には、チューブ内を流れてきた媒体を吸引又は外部に排出するための排出部３０５が設けられている。なお、媒体として気体を用いた検査も可能である。
図３は、複数の検出部ＭＰを備えた測定部の斜視図である。
個々の検出部ＭＰの構造は、図１に示した通りであるが、１対のメタマテリアル光学部材を有しているものであれば、図１以外の構造も適用可能である。複数の検出部ＭＰがＸ軸方向に沿って整列しており、各検出部ＭＰの入力側のメタマテリアル光学部材１００の光入射面には、光Ｌ１が入射し、対象物Ｐ内を透過して、出力側のメタマテリアル光学部材２００の光出射面から、Ｙ軸方向に沿って、光Ｌ２が出射する。出射光Ｌ２は、メタマテリアル光学部材２００の光出射面に対向配置された光検出器Ｄによって検出される。光検出器Ｄとしては、ＣＣＤイメージセンサ又はＭＯＳ型イメージセンサからなる固体撮像素子を用いることができるが、各検出部ＭＰから出力される光Ｌ２をそれぞれ検出する複数のフォトダイオード又は光電子増倍管を用いることも可能である。
対象物Ｐは、媒体流路であるため、この中を媒体ＦＤが流れており、検出器Ｄからは、それぞれの媒体流路を流れる媒体ＦＤの特性に応じた信号が出力される。なお、媒体ＦＤが蛍光標識された血液中の特定成分であって、入射光Ｌ１が蛍光標識を発光させるものである場合には、その成分量に応じて、光Ｌ２が蛍光及び励起光を含むことになる。そのため、第２のメタマテリアル光学部材２００を蛍光波長に合わせて設計することにより、第２のメタマテリアル光学部材２００により、励起光をカットできるので、第２のメタマテリアル光学部材２００の光出射面ＯＵＴ２から出射される光Ｌ２は、蛍光成分のみとすることができる。なお、光検出器Ｄの表面に、蛍光成分を選択的に透過させる光学フィルタを配置することとしてもよい。
また、媒体ＦＤが、液体中に粒子を含む場合には、透過光Ｌ２の光量が、粒子量に応じて減少するので、光検出器Ｄからは、それぞれの媒体流路を流れる媒体ＦＤの特性（粒子量）に応じた信号が出力される。
図４は、計測装置のブロック図である。
上述のように、一対のメタマテリアル光学部材１００，２００の間には、対象物Ｐが配置されており、これを透過した光Ｌ２が光検出器Ｄに入射する。光検出器Ｄの出力信号は、制御装置４０３に入力され、その内部の記憶装置内に記憶される。制御装置４０３は、コンピュータであり、駆動回路４０１に制御信号を出力し、駆動回路４０１から発光素子３００に駆動電流を供給させる。発光素子４００からは、検出部ＭＰのメタマテリアル光学部材１００への入射光Ｌ１が出力される。発光素子４００は、レーザダイオードであるが、発光ダイオード等を用いることも可能である。
図５は、入力側のメタマテリアル光学部材１００における反射防止膜２の平面図である。
反射防止膜２は、ＸＹ平面内においては、円弧形状を有しており、全体としては、Ｚ軸を中心軸とする半円筒形状を有している。反射防止膜２の内側の凹面は、半円筒面を構成しているが、ＸＹ平面内の円弧の開き角は１８０度でなくてもよい。この円弧の中心軸はＺ軸であり、ＸＹ平面内においては、中心軸の位置を原点Ｏとする。原点Ｏから円弧の径方向に沿って距離ｒを規定すると、原点Ｏからの距離ｒに沿った屈折率分布は、図６に示すようになる。
図６は、距離ｒと実効屈折率ｎeffとの関係を示すグラフである。
反射防止膜２は、図５に示すように、内側から屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５の層を積層してなる。なお、便宜上、各層ｎ１〜ｎ５の符号は屈折率と同一符号を用いることとする。図６に示すように、外部の気体（本例では空気）の屈折率をｎ０とすると、距離ｒが大きくなるに従って、反射防止膜２内の屈折率は、段階的に増加する（ｎ０＜ｎ１＜ｎ２＜ｎ３＜ｎ４＜ｎ５）。なお、本例の反射防止膜２は、５段階の屈折率分布を有することとしたが、これは多段階に変化する屈折率分布を有するものであれば、５段階に限定されるものではない。
なお、図６では、距離ｒ１の位置が反射防止膜２の内面の位置を示しており、距離ｒ２が反射防止膜２の外面の位置を示している。距離ｒ１の位置を０とし、距離ｒ１から距離ｒ２に向かう方向を正として、この反射防止膜２の厚み方向の位置Ｌ（μｍ）に沿って、屈折率は多段階に変化することができる。
図７は、反射防止膜２における厚み方向の位置Ｌ（μｍ）と、実効屈折率ｎeffとの関係を示すグラフである。
同図では、Ｌ＝０〜１μｍの間において、実効屈折率が変化している様子が示されている。この屈折率変化は、段階的に変化してもよいし、同図の曲線で示すように、滑らかに連続的に変化することとしてもよい。
なお、上述の反射防止膜２の屈折率分布は、上述のように進行方向に向かって階段状或いは連続的に徐々に低下するものであるが、メタマテリアル光学部材１００の光出射面ＯＵＴ１からの距離ｔにおける屈折率ｎは、例えば、以下の式：ｎ＝ｎ０＋（ｎｓ−ｎ０）（１０ｔ３−１５ｔ４＋６ｔ５）に従って設計することもできる。但し、ｎ０は外側の媒質（空気）の屈折率、ｎｓは光出射面ＯＵＴ１におけるメタマテリアル光学部材１００の屈折率である。メタマテリアル光学部材１００及び反射防止膜２における屈折率は、いずれも０〜４０を用いることができる。
次に、所望の屈折率を有する部材を形成する手法について説明する。
例えば、図５に示した反射防止膜２の一番内側の層の領域Ａの部分は、ｎ１の屈折率を有している。屈折率ｎ１を有する層は、領域Ａを反射防止膜の厚み方向に垂直な方向に並べたものである。同様に、任意の屈折率を有する層は、所望の屈折率を有する領域を、厚み方向に垂直な方向に並べることにより、構成することができる。
任意の屈折率を有する領域は、次のようにして構成することができる。
図８は、反射防止膜２における特定の層を構成する部分領域の積層構造を示す斜視図であるが、説明の便宜上、この部分領域は、上述の領域Ａが代表して示しているものとする。図５の領域Ａにおいては、層ｎ１の厚み方向をＹ軸とし、これに垂直な方向をＺ軸及びＸ軸としており、概ねＹ軸方向に入射光が進行することが可能である。
領域Ａに入射光Ｌ１が入射して、出射光Ｌ１０が出力されるとする。この積層構造は、異なる材料からなる層を交互に積層してなる。本例では、金属層（Ａｇ）と半導体層（Ｇｅ）とを交互に積層してなる。１つの金属層Ｍの厚みは４ｎｍ、１つの半導体層Ｓの厚みは６ｎｍである。これらの材料からなる積層構造の実効屈折率は、方向（Ｚ軸、Ｙ軸）方の寸法に依存するが、実効的な屈折率は各座標方向の平均値ｎｅｆｆ＝（ｎｘ ２＋ｎｙ ２＋ｎｚ ２）１／２になる。すなわち、領域Ａに形成する構造体の縦横の寸法を変更することにより、屈折率を調整することができる。
なお、同図では、積層構造を有する領域Ａと同一の構造を有する領域Ａ’が、領域Ａに隣接して並んでいる状態を示している。
図９は、図８の積層構造における長さ方向（Ｚ軸方向）の寸法ＬＺと実効屈折率neffとの関係を示すグラフである。なお、本例では、高さ方向（Ｙ軸方向）の寸法ＬＹ＝ＬＺであるとする。すなわち、光入射面の形状は正方形である。例えば、ＬＺ＝ＬＹ＝３０ｎｍの場合、実効屈折率ｎeff＝３５．７とすることができる。このような屈折率及び誘電率の設計手法は、例えば、「J.Opt.Soc.Am.B, Vol.29, No.9, 2559(2012))」に記載されている。
図１０は、積層構造において銀とゲルマニウムの体積比が0.4：0.6の場合に、有効媒質理論から求めた誘電率テンソルの主値の波長分散値を示すグラフであり、積層構造に入射する光の波長λ（ｎｍ）と実効誘電率εeffとの関係を示している。ＡｇとＧｅの体積比率を４：６とした場合、波長λ＝１μｍ（＝１０００ｎｍ）の場合においては、Ｚ方向及びＸ方向の実効誘電率εＺ、εＸの実部は共に−９．８、Ｙ方向の実効誘電率εＹの実部は３４．２を得ることとができる。なお、ＬＺ＝ＬＹ＝１００ｎｍとする。
次に、反射防止膜２の効果について、説明する。
まず、集光光学部材１に、反射防止膜２を設けない場合について説明する。
図１１は、反射防止膜２が無い場合における入射光の波長λと反射率Ｒｐ（％）との関係を示すグラフである。同図では、入射光の入射角は０度、１５度、３０度とし、入射するレーザ光に含まれるｐ偏光成分とｓ偏光成分の反射率を示す。このグラフは、集光光学部材の光出射面における屈折率を３５とし、外部の気体を空気（屈折率＝１）とした場合におけるこれらの界面における反射率を示している。構成媒質は均質で、屈折率の波長分散はないものとする。入射角が０度においては、反射率は約８９％となり、ｐ偏光においても、少なくとも８７％以上の光が反射される。
次に、集光光学部材１に、反射防止膜２を設けた場合について説明する。
図１２は、反射防止膜が有る場合における入射光の波長λと反射率Ｒｐ（％）との関係を示すグラフである。同図では、入射光の入射角は０度、１５度、３０度とし、入射するレーザ光に含まれるｐ偏光成分とｓ偏光成分の反射率を示す。集光光学部材の光出射面における屈折率は３５であり、外部の気体は空気（屈折率＝１）である。このグラフの計算手法は、上記と同様である。
入射角が０度においては、反射率は偏光状態に拘らず、波長λが少なくとも９２５ｎｍ〜１０７５ｎｍの範囲内において、１％以下であり、好適には０．５％以下となる。なお、この反射防止膜は６層の構造からなり、第1層の屈折率＝１．２９（厚み：１６２ｎｍ）、第２層の屈折率＝４．５２（厚み：５３．０ｎｍ）、第３層の屈折率＝１４．８（厚み：１１６ｎｍ）、第４層の屈折率＝２１．２（厚み：５８．４ｎｍ）、第５層の屈折率＝２７．０（厚み：１８．３ｎｍ）、第６層の屈折率＝２９．５（厚み：８．４５ｎｍ）とした場合を示している。
図１３は、メタマテリアル光学部材１００の平面図である。ＸＹ平面内において、光入射面ＩＮ１から、光出射面ＯＵＴ１に近づくに従って、屈折率が高くなるように設定されている。すなわち、反射防止膜２の設けられた凹部Ｄ１の周囲には、高屈折率の領域ｎ５０が存在しており、その周囲に領域ｎ４０、これらを囲むように領域ｎ３０、ｎ２０、ｎ１０が内側から順番に位置している。なお、屈折率は、ｎ５０＞ｎ４０＞ｎ３０＞ｎ２０＞ｎ１０の関係を満たしている、また、これらの屈折率は、各領域内の平均屈折率を示しており、それぞれの領域内において、凹部Ｄ１に近づくほど高く設定されている。
所望の屈折率は、上述の図８に示したメタマテリアル構造を用いて実現することができるが、他の構造を採用することも可能である。なお、図１３に示した屈折率分布をフックの屈折率分布と呼ぶこととする。
図１４は、図１３に示した入力側のメタマテリアル光学部材１００内を進行する光の経路を示す図であり、メタマテリアル光学部材の位置にグラフを重ねて示している。同図は、光の入射角度が４５°である場合の光の伝播経路を示している。なお、縦軸と横軸には寸法が表示されており、寸法の単位は、例えば、ミリメートルである。ただし、寸法単位は、ミリメートルに限らず、センチメートル、マイクロメートルなどであってもよい。なお、反射防止膜の表示は省略してある。
入射光は、図面の右方向に進行した後、左側に屈曲しながら集光され、最も屈折率の高い領域ｎ５０を通って、凹部Ｄ１の内面に集光する。集光位置には図示しない反射防止膜が設けられるので、集光した光は、界面で反射されることなく、外部に出力される。
図１５は、出力側のメタマテリアル光学部材２００の平面図である。
出力側のメタマテリアル光学部材２００の構造は、入力側のメタマテリアル光学部材１００の構造と同一であるが、図１に示した対象物Ｐの軸に対して、対称な位置に配置される。したがって、メタマテリアル光学部材２００は、凹部Ｄ１の周囲の屈折率が高いが、最も高い屈折率の領域は、図面の左側に位置することになる。また、凹部Ｄ１の内面となる光入射面ＩＮ２には、反射防止膜２Ａが設けられている。
図１６は、計測装置の検出部ＭＰを通過する光の経路を説明するための図である。
入射光Ｌ１は、第1のメタマテリアル光学部材１００を介して、対象物Ｐに入射し、これを透過した光は、第２のメタマテリアル光学部材２００を介して、出射光Ｌ２として、外部に出力される。同図では、第１のメタマテリアル光学部材１００と第２のメタマテリアル光学部材２００との間に僅かな隙間が設けられているが、これらは接触していてもよい。この場合には、外部からの光が対象物Ｐに入射しにくくなる。
図１７は、入力側のメタマテリアル光学部材１００（改良例）の平面図である。
このメタマテリアル光学部材１００は、光入射面ＩＮ１上にも反射防止膜３を形成している点のみが、図１３に示したものと異なる。この場合、メタマテリアル光学部材１００への入射光の光入射面における界面反射を抑制することができる。
なお、上述の反射防止膜３は、大きな屈折率変化が生じない箇所に設けられるものであるため、通常の反射防止膜の材料でもよい。例えば、反射防止膜３の構造としては、酸化シリコン膜、酸化チタン膜、酸化タンタル膜、酸化ニオブ膜、酸化ハフニウム膜、酸化アルミニウム膜、又は、フッ化マグネシウム膜等から選択されるいずれか２種を交互に形成した積層構造などを採用することができる。
図１８は、入力側のメタマテリアル光学部材１００（変形例）の平面図である。
このメタマテリアル光学部材１００は、凹部Ｄ１の内面に、更に、小さな曲率半径の凹部Ｄ２を形成した点のみが、図１３に示したものと異なる。凹部Ｄ２は、Ｚ軸を中心軸とする半円筒面を有しており、ＸＹ平面内における円弧の開き角は１８０度であるが、開き角は１８０度に限定されるものではない。
図１９は、図１８の構造の場合における光の進行を説明するための図である。
なお、反射防止膜の記載は省略してある。光入射面ＩＮ１から集光光学部材１の内部に入射した光は、凹部Ｄ１の方向に向かって集光される。特に、凹部Ｄ１の内面に位置する凹部Ｄ２に向けて集光される。集光位置よりも僅かに手前の領域まで、集光光学部材１の凹部Ｄ１の一部を除去して、凹部Ｄ２を作製することができる。凹部Ｄ１の凹面は、ＸＹ平面内においては、円の一部を構成する円弧であるが、凹部Ｄ２の凹面も、ＸＹ平面内においては、円の一部を構成する円弧である。集光された光は、凹部Ｄ２を介して、出射光Ｌ１０として、凹部Ｄ１内に出射される。反射防止膜は、少なくとも光出射に関わる凹部Ｄ２の内面に形成されていればよいが、凹部Ｄ１の内面や光入射面ＩＮ１に対向する面全体に形成されていてもよい。
以上のように、光出射面ＯＵＴ１は、凹部Ｄ１を構成する凹面の一部に連続し、この凹面の開口サイズよりも、小さな開口サイズを有する凹部Ｄ２の凹面（第２の凹面）を含んでいる。開口サイズは、ＸＹ平面内においては、円弧の両端を結ぶ線分の長さで規定される。
集光位置が、凹部Ｄ１の凹面よりも集光光学部材１の深部に位置する場合、集光位置が内部に位置する第２の凹面を部分的に設けているが、第２の凹面は、開口サイズが小さいので、集光光学部材１の多くの部分を加工しなくても、これを形成することができる。
次に、集光光学部材１に採用可能なその他のメタマテリアル構造をについて説明する。なお、反射防止膜２においても以下のメタマテリアル構造は採用することが可能である。
図２０は、共振型のメタマテリアル構造の平面図であり、集光光学部材１の一部の領域の様子を示す。
光がＹ軸方向に進行しているものとし、光の進行方向を波数ベクトルｋで示すと、これに垂直な方向に、電場と磁場が発生しているものとする。電場ベクトルＥと磁場ベクトルＨは互いに直交しており、いずれも波数ベクトルｋに対して垂直である。なお、光の進行に伴って、これらのベクトルの向きは変わるので、集光光学部材１は、その点を考慮して、屈折率の設計を行う。なお、同図では、波数ベクトルｋがＹ軸に一致し、磁場ベクトルＨがＺ軸に一致し、電場ベクトルＥがＸ軸と平行な場合を示している。
集光光学部材１は、ＸＹ平面に平行な絶縁層からなる絶縁体１Ｘと、絶縁体１Ｘ上に形成されたリングＭ１，Ｍ２とを有している。絶縁体１Ｘは、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の無機絶縁体から構成することもできるが、樹脂などの有機材料を用いることもできる。リングＭ１，Ｍ２は導電体からなり、好適には金属からなる。同図では、一対のリングＭ１，Ｍ２は一部分が切れており、切れた部分に、ギャップＧ１，Ｇ２が形成されている。磁場ベクトルＨがＺ軸方向の正方向を向いている場合、この磁場を打ち消す向き（Ｚ軸の負方向）に反抗磁場Ｈ＊が発生する（レンツの法則）。導電体からなるリングＭ１，Ｍ２には、それぞれ電流Ｊ１、Ｊ２が流れて、各リングＭ１，Ｍ２の両端には、それぞれ正負の電荷が蓄積し、それぞれのギャップＧ１，Ｇ２にキャパシタが形成される。また、外側と内側のリングＭ１，Ｍ２間にもキャパシタは構成されている。
図２１は、共振型のメタマテリアル構造の等価回路図である。
図２０に示したメタマテリアル構造は、図２１の透過回路によって表現することができる。容量がＣ０／２のキャパシタが２つと、インダクタンスＬのコイル、抵抗値ＲのコイルからなるＬＣ共振回路が構成されている。コイルは、リングＭ１．Ｍ２によって構成されておいる。
図２２は、共振型のメタマテリアル構造における入射光の角周波数ωと実効透磁率μｅｆｆの関係を示す。光速ｃ、角周波数ωとすると、光の波長λ＝２πｃ／ωであるから、波長λ或いは角周波数ωに応じて、実効透磁率μｅｆｆが変化する。換言すれば、特定の帯域の波長λの光が入射した場合には、共振が生じて、透磁率が大きく変化する。実線は、ある角周波数ωの場合の透磁率の実数部μＲｅ（ω）を示しており、点線は透磁率の虚数部μＩｍ（ω）を示している。共振角周波数ω０において、透磁率μの虚部は最大になり、実部は０となる。光の角周波数が、共振角周波数ω０よりも高く、ωｍｐよりも小さい場合には、透磁率の実部は負、虚部は正となり、全体の透磁率μ＜０となる。光の角周波数が、共振角周波数ω０よりも小さいか、又は、ωｍｐよりも大きい場合には、透磁率の実部は正、虚部も正となり、全体の透磁率μ＞０となる。
本発明では、正の透磁率（正の屈折率）を用いるため、光の角周波数ωは、共振角周波数ω０よりも小さい領域で使用し、共振角周波数ω０を与える波長よりも長い波長の入射光を用いることが好ましい。共振角周波数ω０は、ＬＣ共振回路におけるインダクタンスＬとキャパシタの容量を小さくすると、高くなる。逆に言えば、共振周波数ω０を制御することにより、同一の波長λの光に対して、異なる透磁率（屈折率∝透磁率の平方根）の材料として機能することができる。以上のようにして、所望の屈折率を有するメタマテリアル構造を作製することが可能となる。
なお、メタマテリアル構造の導電体を構成する材料としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、又はＡｌなどの金属や、ＴｉＮ，ＴａＮ，ＨｆＮ，ＺｒＮなどの窒化物、またはＩＴＯ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｇａなどの透明導電膜を好適に用いることができる。
図２０に示したメタマテリアル構造は、スプリットリング型の共振器を構成していたが、その他、ロッドペアアレイを含むメタマテリアル構造も採用することができる。
図２３は、ロッドペアアレイを含むメタマテリアル構造の斜視図であり、集光光学部材１の一部の領域の様子を示す。
この構造は、集光光学部材１内において、上述のスプリットリング型のリング形状を、対向する一対のロッドＭ１１，Ｍ１２に変更し、ロッドペアを複数配置したものである。各ロッドＭ１１、Ｍ１２は導電体からなり、その形状は板状であるが、円柱や多角柱の形状であってもよい。ロッドＭ１１、Ｍ１２は絶縁体１Ｘ内に埋め込まれている。
入射光Ｌ１の進行方向をＹ軸として、波数ベクトルｋに沿って光が進行し、磁場ベクトルＨと電場ベクトルＥは、光の進行方向に直交している。光の進行に伴って、これらのベクトルの向きは変わるので、集光光学部材１は、その点を考慮して、屈折率の設計を行う。なお、同図では、波数ベクトルｋがＹ軸に一致し、磁場ベクトルＨがＺ軸に一致し、電場ベクトルＥがＸ軸と平行な場合を示している。
各ロッドＭ１１、Ｍ１２は、Ｘ軸方向（電場ベクトルＥ方向）に沿って延びており、ＸＺ平面内において、ロッドペアは二次元状に配置されている。また、Ｙ軸方向に沿ってもロッドペアは並んでいるが、図示は省略している。入射光Ｌ１は、ロッドペアによって屈折され、出射光Ｌ１０として出射する。
図２４は、ロッドペアアレイにおいて発生する電流を示す図である。
ロッドＭ１１とロッドＭ１２との間には、絶縁体１Ｘが介在している。光が波数ベクトルｋに沿って進行する場合、これに垂直な方向に電場ベクトルＥと磁場ベクトルＨが発生している。磁場ベクトルＨの方向の磁場を打ち消すように反抗磁場が発生し、矢印の向きに変位電流Ｊが流れる。この構造の等価回路は、ＬＣ共振器を構成することができるため、スプリットリング型の共振器と同様に、屈折率を制御することが可能となる。
図２５は、網目状のメタマテリアル構造の斜視図である。
このメタマテリアル構造は、図２４に示したロッドペアアレイをＺ方向（Ｈ方向に対応）へ伸ばし縦方向に伸びたロッドペアアレイ（ロッドＭ３１，Ｍ３２）に加えて、Ｘ方向（Ｅ方向に対応）に伸ばし横方向にも伸びるロッドペアアレイ（ロッドＭ２１．Ｍ２２）が存在する形状とみることもできる。横方向に伸びた一対のロッドＭ２１，Ｍ２２間、及び、縦方向に伸びた一対のロッドＭ３１，Ｍ３２間には、絶縁体１Ｘが介在している。なお、図２５においては、ロッドＭ２１とＭ３１、或いは、ロッドＭ２２とＭ３２は、説明の便宜上、別部材として記載しているが、これらは一体化されていてもよい。この場合、網目状の導電体間に絶縁体１Ｘが配置されている。
縦方向に伸びたロッドペアアレイは、前述のスプリットリング型共振器のようにＬＣ共振器を構成する事ができるため、磁界に応答する構造であり、よって透磁率を制御できる。また、横方向に伸びたロッドペアアレイは、前述の図8のように電界に応答する構造であり、誘電率を制御できる。よって、図２５は、電界と磁界の両方に応答する構造といえる。図２５の構造を１つの「単位セル」ととらえると、これを縦横に並べることにより広い領域(面積)で動作する構造体を作製できる。この構造は、その形状からフィッシュネット構造として知られている(Nature, vol.455,p376(2008))。これらの構造体は、単位セルが入射波長の約１／６以下の非常に小さいサイズで構成されているため、入射光に対して、原子や分子として働く。そのため光を透過し、屈折させることが出来る。光の進行方向は、波数ベクトルｋで表され、電場ベクトルＥ及び磁場ベクトルＨの双方に垂直である。
次に、出力側のメタマテリアル光学部材を有しないタイプの装置について説明する。
出力側のメタマテリアル光学部材を用いない装置は、対象物Ｐに集光した光が入射することで、光学的な役割が終了する。対象物Ｐとして光検出器を用いた場合には、入力側のメタマテリアル光学部材を通過した光を検出するための光検出装置として機能させることができる。対象物Ｐとしてレーザ媒質を用いた場合には、入力側のメタマテリアル光学部材を通過した励起光を集光してレーザ媒質を励起させ、レーザ発光させるレーザ励起光源として機能させることができる。なお、レーザ媒質の両端にはミラー及びハーフミラーを設置して共振器を構成することができる。
図２６は、実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
対象物Ｐは、上述の凹部内に配置可能な柱状の形状を有している。この装置は、対象物Ｐが光検出器である場合は光検出装置として機能し、レーザ媒質である場合にはレーザ励起光源として機能する。メタマテリアル光学部材１００への入射光Ｌ１は、最初は右斜め４５度方向に進行するが、途中から左側に向きを変えて進行し、集光されて凹部内を脱出して対象物Ｐに到達する。
上記と同様に、入射光Ｌ１が光検出器に入射した場合には、入射光量に応じた電気信号が光検出器から出力され、レーザ媒質である場合には、入射したレーザ光によりレーザ媒質が励起される。
図２７は、実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
この構造は、図２６に示した実施装置において、メタマテリアル光学部材１００を２つＺ軸方向に沿って積み重ねたものである。この構造の場合、対象物ＰのＺ軸方向の寸法が大きくなった場合にも、入射光Ｌ１を対象物Ｐに入射させることができる。この装置の作用は、図２６に示したものと同一である。メタマテリアル光学部材１００が縦方向に並んでいるので、光検出器としてはラインセンサを用いることができ、レーザ媒質として複数種類の要素を積み上げて、多波長励起光源としても用いることができる。
図２８は、実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
この構造は、図２６に示した実施装置において、メタマテリアル光学部材１００を２つＸ軸方向に沿って並べたものである。この構造の場合、対象物Ｐの数が２つの場合においても、入射光Ｌ１をそれぞれの対象物Ｐに入射させることができる。この装置の作用は、図２６に示したものと同一である。複数の対象物Ｐとして、複数のラインセンサなどを用いることもできる。
図２９は、実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
この構造は、図２６に示した実施装置において、メタマテリアル光学部材１００を２つＹ軸方向に沿って並べ、これらで対象物Ｐを挟み、対象物Ｐ内に異なる方向から入射光Ｌ１を入射させる構成としたものである。この構造の場合、より高密度の入射光Ｌ１を対象物Ｐに入力することができる。この装置の作用は、図２６に示したものと同一である。
図３０は、光出射面が平坦なタイプのメタマテリアル光学部材の平面図である。
このメタマテリアル光学部材１００と図１３に示したものとの相違点は、メタマテリアル光学部材１００に凹部が設けられておらず、光出射面ＯＵＴ１が平坦面である点と、反射防止膜２が、光出射面ＯＵＴ１を含む面に設けられている点であり、残りの構成は同一である。光出射面に平坦面を用いたので、図１３において凹部の存在していた領域に、高屈折率の領域ｎ６が設けられている。領域ｎ６は、領域ｎ５の内側に位置しており、その屈折率はｎ５＜ｎ６を満たしている。なお、説明の便宜上、各領域と屈折率は同じ符号を用いている。
領域ｎ６は、メタマテリアル光学部材１００の中においては、最も屈折率が高いので、光入射面ＩＮ１から入射した光は、メタマテリアル光学部材１００内部を通って、領域ｎ６の光出射面ＯＵＴに光が集光される。光出射面ＯＵＴ１に集光された光は、Ｙ軸方向の正方向に沿って徐々に屈折率が小さくなる反射防止膜を通過して、外部に出射する。外部には、気体（空気）が存在している。なお、領域ｎ６は、一定の高屈折率の領域であってもよいが、集光方向に向けて徐々に屈折率が高くなる屈折率分布を有していてもよい。
なお、光出射面ＯＵＴ１の構造であっても、凹部を有する構造の場合と同様の組み合わせを採用することができる。すなわち、光入射面側にも反射防止膜を設けたり、各種の装置に適用したり、複数のメタマテリアル光学部材１００を組み合わせることができる。
図３１は、メタマテリアル光学部材と対象物との関係を示す図である。
メタマテリアル光学部材１００の光入射面ＩＮ１から入射した光Ｌ１は、内部を通過して光出射面ＯＵＴから出射し、メタマテリアル光学部材１００を透過した光Ｌ１０は、対象物Ｐに至る。メタマテリアル光学部材１００と対象物とは、密着していてもよいが、離間していてもよい。対象物Ｐの形状としては、上述の凹部内に配置可能な柱状のものの他、平坦面に容易に対向できる板状のものを用いることができる。対象物Ｐは、物理的に一体の固体であってもよいし、分離された複数の素子であってもよい。
対象物Ｐが板状の光検出器である場合、光検出器としてはＣＣＤイメージセンサやＭＯＳ型のイメージセンサなどの固体撮像素子を用いることができる。固体撮像素子として、二次元イメージセンサの他、ラインセンサを用いてもよい。
図３２は、実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
対象物Ｐは、板状の形状を有しており、メタマテリアル光学部材１００の光出射面ＯＵＴ１が平坦面である場合には、メタマテリアル光学部材１００に対して対象物Ｐを容易に配置することができる。この装置は、対象物Ｐが光検出器である場合は光検出装置として機能し、レーザ媒質である場合にはレーザ励起光源として機能する。メタマテリアル光学部材１００への入射光Ｌ１は、最初は右斜め４５度方向に進行するが、途中から左側に向きを変えて進行し、集光されて凹部内を脱出して対象物Ｐに到達する。
上記と同様に、入射光Ｌ１が光検出器に入射した場合には、入射光量に応じた電気信号が光検出器から出力され、レーザ媒質である場合には、入射したレーザ光によりレーザ媒質が励起される。
図３３は、実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
この構造は、図３２に示した実施装置において、メタマテリアル光学部材１００を２つＺ軸方向に沿って積み重ねたものである。この構造の場合、対象物ＰのＺ軸方向の寸法が大きくなった場合にも、入射光Ｌ１を対象物Ｐに入射させることができる。この装置の作用は、図３２に示したものと同一である。メタマテリアル光学部材１００が縦方向に並んでいるので、光検出器としてはラインセンサを用いることができ、レーザ媒質として複数種類の要素を積み上げて、多波長励起光源としても用いることができる。
図３４は、実施装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
この構造は、図３２に示した実施装置において、メタマテリアル光学部材１００を２つＸ軸方向に沿って並べたものである。この構造の場合、対象物ＰのＸ軸方向の寸法が大きくなったり、数が２以上に増加した場合においても、入射光Ｌ１を対象物Ｐに入射させることができる。この装置の作用は、図３２に示したものと同一である。対象物ＰとしてはＸ軸方向に延びたラインセンサなどを用いることが好適である。
図３５は、実施装置の斜視図である。
この構造は、図３２に示した実施装置において、複数のメタマテリアル光学部材１００をＸ軸方向に沿って並べ、また、対象物ＰのＹ軸方向の両端を挟むように並べ、対象物Ｐ内に異なる方向から入射光Ｌ１を入射させる構成としたものである。この構造の場合、より高密度の入射光Ｌ１を対象物Ｐに入力することができる。この装置の作用は、図３２に示したものと同一である。対象物Ｐがレーザ媒質である場合、レーザ媒質の形状は、Ｘ軸方向に延びた直方体であり、対向する２つのＸＺ面に近接して、メタマテリアル光学部材１００が配置されている。この構造からなるレーザ励起光源を、レーザ核融合用のドライバとして用いることもできる。この場合、入射光Ｌ１として励起用レーザ（波長８０４ｎｍ）を用い、レーザ媒質としてＨＡＰ４（Ｎｄ添加リン酸ガラス）を用いることができる。
図３６は、光検出装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
この光検出装置では、複数のメタマテリアル光学部材１００が、対象物Ｐに対向させて一列に並べられている。本例では、対象物Ｐはラインセンサである。この場合、個々のメタマテリアル光学部材１００に入射した光Ｌ１の光量に応じて、集光された光Ｌ１０がメタマテリアル光学部材１００から出射し、ラインセンサに入射する。ラインセンサからは、一次元に分布した光像の信号が出力される。
図３７は、光検出装置において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
この光検出装置では、複数のメタマテリアル光学部材１００が、複数の対象物Ｐにそれぞれ対向させて一列に並べられている。本例では、個々の対象物Ｐは、フォトダイオード又は光電子増倍管である。この場合、個々のメタマテリアル光学部材１００に入射した光Ｌ１の光量に応じて、集光された光Ｌ１０がメタマテリアル光学部材１００から出射し、ラインセンサに入射する。ラインセンサからは、一次元に分布した光像の信号が出力される。
図３８は、レーザ励起光源において対象物に入射する光の経路を説明するための図である。
本例では、対象物Ｐの横からではなく、長手方向の一端から光を入射させる構成としてある。入射光Ｌ１は、光入射面ＩＮ１を介してメタマテリアル光学部材１００内に入射し、内部で集光されて出射光Ｌ１０として光出射面ＯＵＴ１から出射され、対象物Ｐの端面に入射する。対象物Ｐは、レーザ媒質であり、光ファイバなどの光導波路でもある。ここで、光ファイバに光を集中させるために、光入射面ＩＮ１に対して多方向から励起光用のレーザ光を入射させることができる。メタマテリアル光学部材１００は、複数の方向から入射した光を、概ね同一の位置に集光させることができ、１つの光ファイバへの複数励起光の結合器として機能させることができる。
なお、上述の実施形態では、メタマテリアル光学部材の光入射面に、入射角４５度で光が入射した例について説明したが、光の入射角度は、これに限られるものではなく、様々な方向法から入射することができる。
図３９は、入力側のメタマテリアル光学部材内を進行する光の経路を示す図であり、メタマテリアル光学部材の位置にグラフを重ねて示している。なお、縦軸と横軸には寸法が表示されており、寸法の単位は例えば、ミリメートルである。
入射光が０度で光入射面に入射した状態を示している。光入射面に入射した光は、凹部Ｄ１に向けて集光している。集光位置には図示しない反射防止膜が設けられるので、集光した光は、界面で反射されることなく、外部に出力される。
図４０は、入力側のメタマテリアル光学部材内を進行する光の経路を示す図であり、メタマテリアル光学部材の位置にグラフを重ねて示している。なお、縦軸と横軸には寸法が表示されており、寸法の単位は例えば、ミリメートルである。
入射光が図１４の場合とは逆方向の４５度で、光入射面に入射した状態を示している。光入射面に入射した光は、凹部Ｄ１に向けて集光している。入射光は、図面の左方向に進行した後、右側に屈曲しながら集光され、領域ｎ４０を通って、凹部Ｄ１の内面に集光する。集光位置には図示しない反射防止膜が設けられるので、集光した光は、界面で反射されることなく、外部に出力される。
なお、上述の図１４、図３９、図４０は、メタマテリアル光学部材の内部の屈折率が、フックの屈折率分布に起因する場合について説明したが、これは他の分布であってよい。
図４１は、メタマテリアル光学部材の屈折率分布が、ケプラーの屈折率分布に起因する場合における光の経路を示す図であり、メタマテリアル光学部材の位置にグラフを重ねて示している。図４１（ａ）は入射角度が０度の場合、図４１（ｂ）は入射角度が４５度の場合、図４１（ｃ）は入射角度が−４５度の場合を示している。いずれの方向から入射した場合においても、入射光は、図４１の凹部Ｄ１に向けて集光される。図４１の凹部Ｄ１は、上述の図１３等に示した凹部Ｄ１（点線で示す位置）の代わりに、この凹部に隣接する位置に存在し、この凹部よりも小さな半径を有している。凹部Ｄ１の内面は光出射面であり、この内面（半円筒状の凹面）の表面には図示しない反射防止膜２が設けられている。反射防止膜２を通過した入射光は凹部の内面から外部に向けて出射される。ＸＹ平面内において、凹部Ｄ１の内面を構成する円弧の開き角は１８０度であるが、これ以外の角度であってもよい。
なお、図４１（ｄ）、図４１（ｅ）、図４１（ｆ）は、それぞれ入射角度が０度の場合、４５度の場合、−４５度において、上記凹部を設けることなく、光出射面を平坦面とし、この平坦面上に反射防止膜２を形成したものである。平坦面から出射された光は、反射防止膜２を介して外部に向けて出射される。反射防止膜２の構造は、図３０に示したものと同じである。
次に、メタマテリアル光学部材における光線経路の設計手法について説明する。上述のメタマテリアル光学部材では、入射光の向きに拘らず、入射光を特定の領域に集光している。特定の領域に光が入射出来ないようにするデバイスとしては、クローキングデバイス（透明マント）が知られている。本発明では、クローキングデバイスにおけるクローキング領域の近傍に反射防止膜を配置して、外部（クローキング領域の外側）から光(電磁波)に取り出している。１つの例では、クローキング領域の近傍に凹部を設けて凹部内に反射防止膜を配置し、別の例ではクローキング領域の近傍が平坦面となるようにして反射防止膜を配置した例について説明した。
したがって、メタマテリアル光学部材における集光用の光線経路は、クローキングデバイス（透明マント）の光線分布の一部を採用することができる。メタマテリアル光学部材における透明マントの光線経路が設計できれば、その通りに光線を導くように屈折率分布を設計すればよい。なお、屈折率勾配がある場合の光線経路の計算手法として、例えば、「New.J.Phys, vol.8, 118(2006)」が知られている。
光線経路の設計においては、光学的等角写像法と座標変換法が知られている(例えば、「Science, vol.312, 1777(2006)」と「Science,vol.312, 1780(2006)」)。等角写像法は、波動方程式を複素平面中のヘルムホルツ方程式で近似的に解くことにより光線軌跡を求める手法である。これは、現実の空間を物理空間(ｚ平面)とし、設計を容易にするために使用する仮の空間を仮想空間(ｗ平面)とすることで、その両空間を等角写像によって結合する方法である。等角写像の方法としては、例えば、ジューコフスキー変換を用いることができる。ジューコフスキー変換は、物理空間における設計を容易に行うために、仮想空間において設計を行う際に利用する。ジューコフスキー変換は、物理空間（ｚ平面）を、仮想空間（ｗ平面）に変換する等角写像である。光学的等角写像法を用いた設計は、等方性媒質を用いたメタマテリアル光学部材の設計を行う場合に有用であり、異方性媒質を用いたメタマテリアル光学部材の設計には座標変換法を用いる場合に有用である。
図４２は、ジューコフスキー変換について説明するための図である。
図４２（ａ）は、物理空間（ｚ平面：ｚ＝ｘ＋ｊｙ）を示しており、図４２（ｂ）、（ｃ）は、物理空間をジューコフスキー変換した後の仮想空間（ｗ平面：ｗ＝ｗ＝ｕ＋ｊｖ）を示している（ｊは虚数単位）。これらの平面は、複素平面であるため、横軸には実軸、縦軸は虚軸に設定されている。
図４２は（ａ）には、ｚ平面内において半径ａの円ｚＢが描かれているが、ジューコフスキー変換（ｗ＝ｚ＋ａ２／ｚ）により、円ｚＢは図４２（ｂ）又は図４２（ｃ）の線分ｗＢに変換される。なお、図４２（ｂ）又は図４２（ｃ）の線分ｗＢは、逆変換（ｚ＝（ｗ±（ｗ２−４ａ２）１／２）／２により、ほぼ円ｚＢに変換される。
図４２（ａ）における半径ａの円ｚＢの外側の領域Ｃは、変換後に、図４２（ｂ）における線分ｗＢの周囲を埋める領域Ｃとなる（図４２（ｂ））。図４２（ａ）における半径ａの円ｚＢの内側の上部領域Ｂは、変換後に、図４２（ｃ）における線分ｚＢの下部領域Ｂになる。図４２（ａ）における半径ａの円ｚＢの内側の下部領域Ａは、変換後に、図４２（ｃ）における線分ｚＢの上部領域Ａになる。
ｗ平面上の１点に対応する点は、ｚ平面上には２点存在するので、仮想空間の関数は多価関数であり、これは、線分ｗＢを共有した仮想空間のｗ面（図４２（ｂ）、図４２（ｃ））を重ねて、リーマン面として表示することもできる。
なお、物理空間を示す図４２（ａ）における原点位置は、変換後の仮想空間では無限大に発散するので、仮想空間における限られた空間内において、光が進行する状態というのは、実際の物理空間においては、原点を通らない光線となる。
また、上述の例では、フック屈折率分布（フックの調和振動プロファイル法による屈折率分布）とケプラー屈折率分布（ケプラーのプロファイル法による屈折率分布）を仮想空間中で示したが、フック屈折率分布とは、以下の式に従う屈折率分布である。半径ｒ０の領域を、上述の中空領域である円ｚ１に対応させることができる。
ｎ’２＝１−｜ｗ−ｗ１｜／ｒ０
但し、ｎ’は仮想空間中の下側のリーマンシート中の屈折率、ｒ０はクローキング領域を規定する際に使用する半径の値、ｗは仮想空間中の下側のリーマンシート上の1点、ｗ１は仮想空間中の分岐点の値である。
なお、ケプラー屈折率分布は、以下の式に従う屈折率分布である。
ｎ’２＝ｒ０／｜ｗ−ｗ１｜−１
但し、ｎ’は仮想空間中の下側のリーマンシート中の屈折率、ｒ０はクローキング領域を規定する際に使用する半径の値、ｗは仮想空間中の下側のリーマンシート上の1点、ｗ１は仮想空間中の分岐点の値である。
図４３は、変換前後の光線群（フック屈折率分布）について説明する図である。
図４３（ａ）は、物理空間におけるクローキングデバイス中の光線軌跡群と、本発明を設計するために必要な線群を示す図であり、縦軸と横軸に目盛が降ってある。縦軸の単位と横軸の単位は例えば、ミリメートルである。図面の下側から入射角４５度でメタマテリアル光学材に光が入射した場合、これがクローキングデバイスであれば、原点近傍の円ｚ１の内側には光が入射せず、円ｚ１近傍において光が屈曲して、出射光線として外部に出力される。円ｚ１の僅かに外側には、点線で円ｚ２が描かれており、円ｚ１の中心を通る水平線Ｈ１に沿ってメタマテリアル光学部材を切断して上部を除去し、更に、円ｚ２の位置まで除去する加工を行えば、入射光は、円ｚ１近傍において屈曲される前に、集光位置近傍で外部に露出する。円ｚ２の近傍の光線経路の拡大図を図４４に示す。この集光位置に反射防止膜を設けることにより、集光した光を外部に取り出すことができる。なお、図４３（ａ）においては、上述の半径ａの円ｚＢが示されている。
図４３（ｂ）は、仮想空間における光線経路を示す図であり、縦軸と横軸に目盛が降ってある。縦軸の単位と横軸の単位は例えば、ミリメートルである。図４３（ａ）の円ｚＢは、ジューコフスキー変換によって、図４３（ｂ）の線分ｗＢに変換される。円ｚＢの内側に位置する円ｚ１、ｚ２は、それぞれ、仮想空間における円ｗ１，ｗ２に変換される。物理空間における円ｚＢの外側の光線経路ｚ４、内側の光線経路ｚ３は、それぞれ、仮想空間においては、平行光線群ｗ４、環状光線群ｗ３に変換される。
図４５は、変換前後の光線群（ケプラー屈折率分布）について説明する図である。
図４５（ａ）は、物理空間における光線経路を示す図であり、縦軸と横軸に目盛が降ってある。縦軸の単位と横軸の単位は例えば、ミリメートルである。図面の下側から入射角４５度でメタマテリアル光学材に光が入射した場合、これがクローキングデバイスであれば、原点近傍の円ｚ１の内側には光が入射せず、円ｚ１近傍において光が屈曲して、出射光線として外部に出力される。円ｚ１を横切る水平線Ｈ１上の特定位置近傍において入射光が集光している。この円ｚ１の中心を通る水平線Ｈ１に沿ってメタマテリアル光学部材を切断し、上部を除去する加工を行えば、入射光は、円ｚ１近傍において屈曲される前に、集光位置近傍で外部に露出する。円ｚ１の近傍の光線経路の拡大図を図４６に示す。この集光位置に反射防止膜を設けることにより、集光した光を外部に取り出すことができる。なお、図４６に示すように、集光位置近傍を含む領域を囲む円ｚ２の領域を除去する加工を行い、除去された位置に反射防止膜を設けることもできる。また、なお、図４５（ａ）においては、上述の半径ａの円ｚＢが示されている。
図４５（ｂ）は、仮想空間における光線経路を示す図であり、縦軸と横軸に目盛が降ってある。縦軸の単位と横軸の単位は例えば、ミリメートルである。円ｚＢは、ジューコフスキー変換によって、図４５（ｂ）の線分ｗＢに変換される。円ｚＢの内側に位置する円ｚ１と、円ｚ２（図４５（ａ）には示さず、図４６に図示）は、仮想空間における円ｗ１と、ｗ２にそれぞれ変換される。物理空間における円ｚＢの外側の光線経路ｚ４、内側の光線経路ｚ３は、それぞれ、仮想空間においては、平行光線群ｗ４、環状光線群ｗ３に変換される。
なお、上述の光線経路は、入射角が４５度の場合を示したが、図４７は、入射角が３０度（図４７（ａ））と、入射角が０度（図４７（ｂ））の場合における円ｚ１の近傍の光線経路を示す（ケプラー屈折率分布）。上記と同様に、円ｚ１によって光線ｚ３は反射されるので、円を通る水平線で上部領域を切断するか、又は、更に円ｚ２で示される領域を除去する加工を行い、露出した集光位置近傍に反射防止膜を設けることにより、集光した光を外部に取り出すことができる。
以上の原理のもと、本実施形態においては、メタマテリアル光学部材における光線経路は、物理空間と仮想空間との間のジューコフスキー変換と、逆変換を用いて設計する。すなわち、光学的等角写像法を用いたクローキングデバイスの光線軌跡群の中から、必要な部分を得るために、クローキング領域を逐次計算により修正したものである。
以上、説明したように、上述の実施形態に係るメタマテリアル光学部材とこれを用いた装置は、以下の構成と特徴を有している。
上述の実施形態に係る第１のメタマテリアル光学部材１００は、光入射面ＩＮ１と光出射面ＯＵＴ１とを有し集光機能を有する集光光学部材１と、集光光学部材１の光出射面ＯＵＴ１に設けられた反射防止膜２とを備え、反射防止膜２は、光進行方向に沿って徐々に屈折率が低くなる（図６、図７参照）第１メタマテリアル構造を有している。集光光学部材１によって光が集められる領域の屈折率は、その周辺領域よりも高く設定される。したがって、集光光学部材１の光出射面ＯＵＴ１に集光された光が、光出射面ＯＵＴ１で反射されずに、外部に取り出させるように、第１メタマテリアル構造の反射防止膜２を設けた。メタマテリアル構造を用いることにより、自然界には存在しない高屈折率から低屈折率までの屈折率変化を形成することができるため、従来では外部に取り出せなかった光を外部に取り出すことができる。
上述の実施形態に係る第２のメタマテリアル光学部材１００においては、集光光学部材１は、光入射面ＩＮ１から光出射面ＯＵＴ１に向かうに従って徐々に屈折率が高くなる（図１３参照）第２メタマテリアル構造を有している。この場合、集光光学部材１が、第２メタマテリアル構造を有しているため、自然界には存在しない屈折率変化を形成することができるため、従来では実現できなかった形状や径を有する集光を行うことができる。このような特殊な状態の集光を行っても、第1メタマテリアル構造の反射防止膜２を有しているため、光出射面ＯＵＴ１に集光された光を外部に取り出すことができる。
上述の実施形態に係る第３のメタマテリアル光学部材１００においては、光出射面ＯＵＴ１は、凹面（凹部Ｄ１）を含む（図１）。この場合、集光光学部材１による集光位置が、凹面の内側に位置するように設定することにより、集光した光を凹部Ｄ１の内側空間内において利用することができる。
上述の実施形態に係る第４のメタマテリアル光学部材１００においては、光出射面ＯＵＴ１は、凹面の一部に連続し、凹面の開口サイズよりも、小さな開口サイズを有する第２の凹面（凹部Ｄ２）を含む（図１８）。集光位置が、凹部Ｄ１の凹面よりも集光光学部材の深部に位置する場合、集光位置が内部に位置する第２の凹面を部分的に設ける。第２の凹面は、開口サイズが小さいので、集光光学部材１の多くの部分を加工しなくても、これを形成することができる。
上述の実施形態に係る第５のメタマテリアル光学部材１００においては、光出射面ＯＵＴ１は、平坦面を含んでいる（図３０）。この場合、光出射面ＯＵＴ１に凹面を形成する加工をする必要がないという利点がある。
上述の実施形態に係るメタマテリアル光学部材を用いた第１の光検出装置は、上述の凹面を有する第３又は第４のメタマテリアル光学部材１００と、メタマテリアル光学部材の凹面の内部に配置された光検出器とを備えている。被検出光が、集光光学部材１の光入射面ＩＮ１に入射すると、集光され、反射防止膜２を介して、凹面の内部に配置された光検出器に入射する。したがって、光検出器によって、被検出光を検出することができる。光検出器としては、光電子増倍管、フォトダイオード或いは固体撮像素子等を用いることができる。
上述の実施形態に係る第１のレーザ励起光源は、上述の凹面を有する第３又は第４のメタマテリアル光学部材１００と、メタマテリアル光学部材１００の凹面の内部に配置されたレーザ媒質とを備えている。レーザ媒質の励起光が、集光光学部材１の光入射面ＩＮ１に入射すると、集光され、反射防止膜２を介して、凹面の内部に配置されたレーザ媒質に入射する。したがって、励起光によって、レーザ媒質を励起することができる。レーザ媒質としては、Ｅｒ、Ｙｂ又はＮｄ等の希土類元素を添加した光ファイバ等を用いることができる。
上述の実施形態に係る第１の計測装置は、上述の凹面を有する第３又は第４のメタマテリアル光学部材１００と、メタマテリアル光学部材１００の凹面の内部に配置された媒体流路と、媒体流路からの光を検出する光検出器とを備えている（図１）。媒体流路内には、様々な被検査対象の物質を流すことができる。例えば、特定の波長の光を吸収すると、蛍光を発生する標識物質を媒体流路内に流した場合には、当該物質から発生した光を光検出器が検出することができ、検出した光に基づいて、物質の分析等を行うことができる。また、媒体として不透明な液体を流した場合には、媒体の透過光の光量を検出することにより、媒体の透明度を検査することも可能である。
上述の実施形態に係る第２の光検出装置は、上述の平坦面を有する第５のメタマテリアル光学部材１００と、メタマテリアル光学部材１００の平坦面に対向配置された光検出器とを備えている。被検出光が、集光光学部材１の光入射面ＩＮ１に入射すると、集光され、平坦面に設けられた反射防止膜２を介して、光検出器に入射する。したがって、光検出器によって、被検出光を検出することができる。光検出器としては、光電子増倍管、フォトダイオード或いは固体撮像素子等を用いることができる。特に、平坦面の平坦性を利用すると、固体撮像素子が対向配置しやすいという利点がある。
上述の実施形態に係る第２のレーザ励起光源は、上述の平坦面を有する第５のメタマテリアル光学部材１００と、メタマテリアル光学部材１００の平坦面に対向配置されたレーザ媒質とを備えている。レーザ媒質の励起光が、集光光学部材１の光入射面ＩＮ１に入射すると、集光され、平坦面に設けられた反射防止膜２を介して、これに対向配置されたレーザ媒質に入射する。したがって、励起光によって、レーザ媒質を励起することができる。レーザ媒質としては、Ｅｒ、Ｙｂ又はＮｄ等の希土類元素を添加した光ファイバの他、対向面が平坦なプレート形状のものを用いることができる。
上述の実施形態に係る第２の計測装置は、第５のメタマテリアル光学部材１００と、メタマテリアル光学部材１００の平坦面に対向配置された媒体流路と、媒体流路からの光を検出する光検出器とを備えている。媒体流路内には、上述の被検査対象の物質を流すことができる。媒体流路内の物質から発生した光を光検出器が検出することができ、検出した光に基づいて、物質の分析等を行うことができる。また、媒体として不透明な液体を流した場合には、媒体の透過光の光量を検出することにより、媒体の透明度を検査することも可能である。
レーザ媒質や媒体流路などからの発光を検出する場合には、第１のメタマテリアル光学部材１００と組み合わせて用いられる第２のメタマテリアル光学部材２００を用いることができる（図１）。このような光を受ける側の第２のメタマテリアル光学部材２００は、光入射面ＩＮ２と光出射面ＯＵＴ２とを有する光伝達部材１Ａと、光伝達部材１Ａの光入射面ＩＮ２に設けられた反射防止膜２Ａとを備え、光伝達部材１Ａは、光入射面ＩＮ２から光出射面ＯＵＴ２に向かうに従って徐々に屈折率が低くなる。光入射面ＩＮ２側の領域は、屈折率が高いため、外部から容易に光が入射することができる。外部から光伝達部材１Ａの光入射面ＩＮ２へ光を入射させる場合には、反射防止膜２Ａが機能して、光の伝達損失が抑制される。メタマテリアル構造は、自然界に存在しない屈折率を形成することができるため、第２のメタマテリアル光学部材２００は、第1のメタマテリアル光学部材１００と対称な光の伝達を行うこともでき、したがって、屈折率分布の設計を共通化するなど、設計が簡略化される。
このように、受光タイプのメタマテリアル光学部材２００の場合、光入射面ＩＮ２は、凹面を含み、凹面内に配置される媒体流路又はレーザ媒質からの光を受光し、光伝達部材１Ａが、入射光を伝達して、光出射面から出力することができる。なお、メタマテリアル光学部材２００は、凹部内に配置された対象物Ｐからの光を光出射面ＯＵＴ２に向けて伝達することができるが、メタマテリアル光学部材１００は、様々な方向から光入射面ＩＮ１を介して内部に入射した光を、凹部の内部に向けて集光することができる。
１００…第１のメタマテリアル光学部材、１…集光光学部材、２…反射防止膜、１Ａ…光伝達部材、２Ａ…反射防止膜、Ｐ…対象物、２００…第２のメタマテリアル光学部材。

Claims (13)

  1. 光入射面と光出射面とを有し集光機能を有する集光光学部材と、
    前記集光光学部材の光出射面に設けられた反射防止膜と、
    を備え、
    前記反射防止膜は、
    光進行方向に沿って徐々に屈折率が低くなる第１メタマテリアル構造を有している、
    ことを特徴とするメタマテリアル光学部材。
  2. 前記集光光学部材は、前記光入射面から前記光出射面に向かうに従って徐々に屈折率が高くなる第２メタマテリアル構造を有している、
    ことを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル光学部材。
  3. 前記光出射面は、凹面を含む、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のメタマテリアル光学部材。
  4. 前記光出射面は、前記凹面の一部に連続し、前記凹面の開口サイズよりも、小さな開口サイズを有する第２の凹面を含む、
    ことを特徴とする請求項３に記載のメタマテリアル光学部材。
  5. 前記光出射面は、平坦面を含む、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のメタマテリアル光学部材。
  6. 請求項３又は４に記載のメタマテリアル光学部材と、
    前記メタマテリアル光学部材の凹面の内部に配置された光検出器と、
    を備えることを特徴とする光検出装置。
  7. 請求項３又は４に記載のメタマテリアル光学部材と、
    前記メタマテリアル光学部材の凹面の内部に配置されたレーザ媒質と、
    を備えることを特徴とするレーザ励起光源。
  8. 請求項３又は４に記載のメタマテリアル光学部材と、
    前記メタマテリアル光学部材の凹面の内部に配置された媒体流路と、
    前記媒体流路からの光を検出する光検出器と、
    を備えることを特徴とする計測装置。
  9. 請求項５に記載のメタマテリアル光学部材と、
    前記メタマテリアル光学部材の前記平坦面に対向配置された光検出器と、
    を備えることを特徴とする光検出装置。
  10. 請求項５に記載のメタマテリアル光学部材と、
    前記メタマテリアル光学部材の前記平坦面に対向配置されたレーザ媒質と、
    を備えることを特徴とするレーザ励起光源。
  11. 請求項５に記載のメタマテリアル光学部材と、
    前記メタマテリアル光学部材の前記平坦面に対向配置された媒体流路と、
    前記媒体流路からの光を検出する光検出器と、
    を備えることを特徴とする計測装置。
  12. 光入射面と光出射面とを有する光伝達部材と、
    前記光伝達部材の前記光入射面に設けられた反射防止膜と、
    を備え、
    前記光伝達部材は、前記光入射面から前記光出射面に向かうに従って徐々に屈折率が低くなるメタマテリアル構造を有している、
    ことを特徴とするメタマテリアル光学部材。
  13. 前記光入射面は、凹面を含み、前記凹面内に配置される媒体流路又はレーザ媒質からの光を受光する、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のメタマテリアル光学部材。
JP2014078820A 2014-04-07 2014-04-07 メタマテリアル光学部材、光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置 Expired - Fee Related JP6307328B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014078820A JP6307328B2 (ja) 2014-04-07 2014-04-07 メタマテリアル光学部材、光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置
US15/301,764 US10161857B2 (en) 2014-04-07 2015-04-03 Metamaterial optical member, light detection device, laser excitation light source, and measuring device
DE112015001707.0T DE112015001707B4 (de) 2014-04-07 2015-04-03 Optisches Metamaterial-Element, Lichterfassungsvorrichtung, Laseranregungslichtquelle und Messvorrichtung
GBGB1617381.7A GB201617381D0 (en) 2014-04-07 2015-04-03 Metamaterial optical member, light detection device, laser excitation light source, and measuring device
PCT/JP2015/060651 WO2015156231A1 (ja) 2014-04-07 2015-04-03 メタマテリアル光学部材、光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014078820A JP6307328B2 (ja) 2014-04-07 2014-04-07 メタマテリアル光学部材、光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2015200745A true JP2015200745A (ja) 2015-11-12
JP2015200745A5 JP2015200745A5 (ja) 2017-06-15
JP6307328B2 JP6307328B2 (ja) 2018-04-04

Family

ID=54287807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014078820A Expired - Fee Related JP6307328B2 (ja) 2014-04-07 2014-04-07 メタマテリアル光学部材、光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10161857B2 (ja)
JP (1) JP6307328B2 (ja)
DE (1) DE112015001707B4 (ja)
GB (1) GB201617381D0 (ja)
WO (1) WO2015156231A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12203860B2 (en) 2021-10-05 2025-01-21 Electronics And Telecommunications Research Institute Biosensor device

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11988600B2 (en) * 2016-12-09 2024-05-21 National University Of Singapore Gas sensor MEMS structures and methods of fabrication thereof
DE102017211431B4 (de) * 2017-07-05 2024-04-25 Robert Bosch Gmbh Küvette zum Aufnehmen eines Fluids, Vorrichtung zum Analysieren des Fluids sowie Herstellungsverfahren
CN108493567B (zh) * 2018-02-13 2020-03-20 浙江大学 基于超结构的可调太赫兹谐振腔及其用于物质分析的方法
KR102094192B1 (ko) 2018-09-07 2020-04-23 고려대학교 산학협력단 무반사막 및 그 형성 방법
US11506586B2 (en) 2020-08-17 2022-11-22 Carrier Corporation Photoelectric smoke sensor tube
GB202113796D0 (en) * 2021-09-27 2021-11-10 Ams Ag Minaturized particulate matter sensor

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07204158A (ja) * 1994-01-24 1995-08-08 Toshiba Corp 内視鏡
JPH08234254A (ja) * 1995-02-23 1996-09-13 Asahi Glass Co Ltd 高調波発生装置
JP2005533262A (ja) * 2002-07-17 2005-11-04 パーティクル サイジング システムズ インコーポレイテッド 高感度で光学的に粒子を計数し、粒径判定するためのセンサ及び方法
JP2005331784A (ja) * 2004-05-20 2005-12-02 Fuji Xerox Co Ltd 光学レンズ系およびこれを用いた位置計測システム
JP2009250825A (ja) * 2008-04-08 2009-10-29 Nippon Sheet Glass Co Ltd 吸光度測定用プローブ及び吸光光度計
US20100110559A1 (en) * 2008-10-06 2010-05-06 Wenshan Cai System, method and apparatus for cloaking
US20110160542A1 (en) * 2009-12-30 2011-06-30 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Waveguide
JP2011158665A (ja) * 2010-01-29 2011-08-18 Sony Corp 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
WO2013171969A1 (ja) * 2012-05-16 2013-11-21 ソニー株式会社 撮像光学系、撮像装置
JP2014036152A (ja) * 2012-08-09 2014-02-24 Nikon Corp ファイバレーザ、このファイバレーザを備えたレーザ装置、露光装置及び検査装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4541439A (en) * 1982-04-23 1985-09-17 American Home Products Corporation (Del.) Monitoring of capillary blood flow
US8837031B2 (en) 2007-11-09 2014-09-16 Duke University Finite-embedded coordinate designed transformation-optical devices
KR101785589B1 (ko) 2009-10-06 2017-10-16 듀크 유니버서티 굴절률 분포형 렌즈 및 구면 수차가 없는 방법
JP5617642B2 (ja) * 2011-01-06 2014-11-05 ソニー株式会社 赤外線光学系、赤外線撮像装置
JP5651088B2 (ja) 2011-08-31 2015-01-07 富士フイルム株式会社 レンズ装置
WO2015138329A1 (en) * 2014-03-13 2015-09-17 General Electric Company Curved digital x-ray detector for weld inspection

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07204158A (ja) * 1994-01-24 1995-08-08 Toshiba Corp 内視鏡
JPH08234254A (ja) * 1995-02-23 1996-09-13 Asahi Glass Co Ltd 高調波発生装置
JP2005533262A (ja) * 2002-07-17 2005-11-04 パーティクル サイジング システムズ インコーポレイテッド 高感度で光学的に粒子を計数し、粒径判定するためのセンサ及び方法
JP2005331784A (ja) * 2004-05-20 2005-12-02 Fuji Xerox Co Ltd 光学レンズ系およびこれを用いた位置計測システム
JP2009250825A (ja) * 2008-04-08 2009-10-29 Nippon Sheet Glass Co Ltd 吸光度測定用プローブ及び吸光光度計
US20100110559A1 (en) * 2008-10-06 2010-05-06 Wenshan Cai System, method and apparatus for cloaking
US20110160542A1 (en) * 2009-12-30 2011-06-30 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Waveguide
JP2011158665A (ja) * 2010-01-29 2011-08-18 Sony Corp 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
WO2013171969A1 (ja) * 2012-05-16 2013-11-21 ソニー株式会社 撮像光学系、撮像装置
JP2014036152A (ja) * 2012-08-09 2014-02-24 Nikon Corp ファイバレーザ、このファイバレーザを備えたレーザ装置、露光装置及び検査装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12203860B2 (en) 2021-10-05 2025-01-21 Electronics And Telecommunications Research Institute Biosensor device

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015156231A1 (ja) 2015-10-15
US20170023466A1 (en) 2017-01-26
JP6307328B2 (ja) 2018-04-04
GB2538930A (en) 2016-11-30
US10161857B2 (en) 2018-12-25
GB201617381D0 (en) 2016-11-30
DE112015001707B4 (de) 2024-10-31
DE112015001707T5 (de) 2016-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6307328B2 (ja) メタマテリアル光学部材、光検出装置、レーザ励起光源及び計測装置
Merrill et al. Demonstration of integrated microscale optics in surface-electrode ion traps
Ulbricht et al. Applications for microwave kinetic induction detectors in advanced instrumentation
Patimisco et al. Low-loss hollow waveguide fibers for mid-infrared quantum cascade laser sensing applications
US20140166904A1 (en) Efficient Fluorescence Detection In Solid State Spin Systems
EP2854142B1 (en) Magnetic field coils for magneto-optical trap
Böhm et al. On-chip integration of single solid-state quantum emitters with a SiO2 photonic platform
JP2010524020A (ja) サブ波長分解能で画像を検出するためのコンセプト
Shi et al. Nonvolatile, reconfigurable and narrowband mid-infrared filter based on surface lattice resonance in phase-change ge2sb2te5
Digeronimo et al. Integration of single-photon sources and detectors on GaAs
Rosch et al. First set of gated X-ray imaging diagnostics for the Laser Megajoule facility
Stocker et al. Ultra-narrow SPP generation from Ag grating
González et al. A multichannel superconductor-based photonic crystal optical filter tunable in the visible and telecom windows at cryogenic temperature
Belhadj et al. Design and optimization of one-dimensional TiO2/GO photonic crystal structures for enhanced thermophotovoltaics
Tryus et al. TERESA Target Area at ELI Beamlines
Iwanaga Perfect light absorbers made of tungsten-ceramic membranes
Shramkova et al. Optical efficiency enhancement of nanojet-based dielectric double-material color splitters for image sensor applications
Nemykin et al. Light scattering by a subwavelength plasmonic array: Anisotropic model
Tien et al. Design and fabrication of a cost-effective optical notch filter for improving visual quality
Bardalen et al. Black silicon as anti-reflective structure for infrared imaging applications
Poborchii et al. High near-ultraviolet Raman efficiency of silicon nanowires with small cross sections
Kwon Plasmonic waveguide coupled ring cavity for a non-resonant type refractive index sensor
Tarasov et al. Arrays of Sub-Terahertz Cryogenic Metamaterial
Ma et al. Aligning superconducting transition-edge sensors by reflected wave intensity measurement
Rahbany et al. Plasmon–emitter interaction using integrated ring grating–nanoantenna structures

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170404

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170428

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180220

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180312

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6307328

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees