JP2016133530A - 光学素子、光学素子製造方法及び光学素子製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】任意の形状に固定することができる光学素子及び光学素子製造装置を提供すること。
【解決手段】光学素子１００は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折するためのアレイ配置された導電体１０１と、導電体１０１の形状の少なくとも一部の表面に接し、当該構造を固定する固定部１０２と、を備え、前記固定部１０２は熱可塑性物質である。また、本発明の光学素子製造方法は、電磁波に対して負の屈折率となる形状を有し、入射光を屈折させて出射する導電体１０１に対し、当該構造を固定する表面に熱可塑性物質１０２を塗布する塗布工程と、記塗布工程後に、熱可塑性物質１０２を冷却する冷却工程と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】光学素子１００は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折するためのアレイ配置された導電体１０１と、導電体１０１の形状の少なくとも一部の表面に接し、当該構造を固定する固定部１０２と、を備え、前記固定部１０２は熱可塑性物質である。また、本発明の光学素子製造方法は、電磁波に対して負の屈折率となる形状を有し、入射光を屈折させて出射する導電体１０１に対し、当該構造を固定する表面に熱可塑性物質１０２を塗布する塗布工程と、記塗布工程後に、熱可塑性物質１０２を冷却する冷却工程と、を備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、光学素子、光学素子製造方法及び光学素子製造装置に関する。
近年、光を含む電磁波に対して任意の屈折率を有する物質であるメタマテリアルが研究されている。
このようなメタマテリアルとして、電磁波の波長より小さい形状、且つ電磁波に対して光学応答する形状の物質が知られている。
このメタマテリアルは電磁波の磁場と相互作用することにより電磁波を屈折させる。
この作用を利用した応用例として、特許文献１には、可視光波長より小さなインダクタを互いに結線で結び、これらを一面に複数個、配置した光学特性可変素子（メタマテリアル）が記載されている。
このメタマテリアルの形状を変化させることで、光の屈折率を所望の値に調整することができるので、形状を固定する必要がある。また、メタマテリアルの加工において、所望の形状に変形させた場合、復元力により加工前の形状に戻ってしまうこともあるので、同じく形状を固定する必要がある。
しかしながら、従来技術では、メタマテリアルを任意の形状に固定するための技術が存在しなかった。
本発明では、このような問題を解決するためになされたものであり、任意の形状に固定することができる光学素子、光学素子製造方法及び光学素子製造装置を提供することを目的とするものである。
本発明にかかる光学素子は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、前記導電体の前記形状の少なくとも一部の表面に接し、当該構造を固定する固定部と、を備え、前記固定部は熱可塑性物質である。
本発明にかかる光学素子は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、前記導電体の前記形状の少なくとも一部の表面に接し、当該構造を固定する固定部と、を備え、前記固定部は紫外線硬化物質である。
また、前記導電体は、電磁波に対して共振する形状であることが好ましい。
また、前記導電体は、部位により剛性が異なることが好ましい。
また、前記導電体は、バイメタルであることが好ましい。
また、前記導電体は、部位により剛性が異なることが好ましい。
また、前記導電体は、バイメタルであることが好ましい。
本発明にかかる光学素子製造方法は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイに対し、当該構造を固定する表面に熱可塑性物質を塗布する塗布工程と、前記塗布工程後に、前記熱可塑性物質を冷却する冷却工程と、を備える。
また、前記塗布工程後に、前記導電体に力を加えて、所望の形状に変形する変形工程を備え、前記変形工程後に、前記冷却工程を実行することが好ましい。
また、前記塗布工程後に、前記熱可塑性物質を加熱する加熱工程を備え、前記加熱工程後に、前記変形工程を実行することが好ましい。
また、前記変形行程は、圧力バッファを介して前記流体を送出し、前記光学素子に圧力を加えることが好ましい。
本発明にかかる光学素子製造方法は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイの少なくとも一部分の表面に、紫外線硬化物質を塗布する塗布工程と、前記塗布工程後に、前記紫外線硬化物質を硬化する硬化工程と、を備える。
本発明にかかる光学素子製造方法は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、前記導電体の少なくとも一部分の表面に接する熱可塑性物質と、を備える光学素子に対して、前記導電体に力を加えて、所望の形状に変形する変形工程と、前記変形工程後に、前記熱可塑性物質を冷却する冷却工程と、を備える。
本発明にかかる光学素子製造装置は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、前記導電体の少なくとも一部分の表面に接する熱可塑性物質と、を備える光学素子に対して、前記光学素子の一面に力を加える加力部と、前記熱可塑性物質の温度を変化させる温度制御部とを備え、前記温度制御部は、前記熱可塑性物質をガラス転移温度以上に加熱し、前記加力部は、前記熱可塑性物質をガラス転移温度以上に加熱した状態で、前記光学素子の一面に力を加えて前記光学素子を変形させ、前記温度制御部は、前記光学素子が変形した状態で前記熱可塑性物質をガラス転移温度未満に冷却する。
本発明にかかる光学素子製造装置は、電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、前記導電体の少なくとも一部分の表面に接する紫外線硬化物質と、を備える光学素子に対して、前記光学素子の一面に力を加える加力部と、前記紫外線硬化物質に紫外線を照射する照射部とを備え、前記加力部は、前記光学素子の一面に力を加えて前記光学素子を変形させ、前記照射部は、前記光学素子が変形した状態で前記紫外線硬化物質に紫外線を照射する。
本発明により、任意の形状に固定することができる光学素子及び光学素子製造方法を提供することができる。
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる光学素子の構成を示す模式図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる光学素子の構成を示す模式図である。
図１において、光学素子１００は、導電体１０１と、熱可塑性物質１０２と、基板１０３とから構成される。
導電体１０１は、メタマテリアルを構成するものである。具体的には、導電体１０１は、移動可能な電荷を含み、電気を通す性質をもつ物質から構成される。前記導電帯１０１の構造の寸法形状を調整したものをアレイ化することで、光を含む電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する形状を有する。例えば、導電体１０１は、光を含む電磁波に対して、共振する構造を有する。具体的には、導電体１０１は、図１に示す三次元の渦巻き形状であり、光を含む電磁波に共振することができる。
熱可塑性物質１０２は、導電体１０１の少なくとも一部分の表面に接し、導電体１０１の形状を固定する。例えば、図１に示すように熱可塑性物質１０２は、導電体１０１の一表面に層を形成し、導電体１０１の形状を固定する。特に導電体１０１が応力により変形した形状を保つ必要がある場合、熱可塑性物質１０２の剛性は、導電体１０１の弾性力に起因する復元力より大きいことが望ましい。
また、熱可塑性物質１０２は、例えば、パリレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂を含むことが好適である。また、熱可塑性物質１０２は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＣ等の熱可塑性を有する無機物質を含んでも良い。また、有機物と無機物とが複合した熱可塑性コンポジット材料でも良い。熱可塑性物質１０２の材料選択の基準は、熱可塑性物質１０２のガラス転移温度Ｔｇが、少なくとも光学素子１００の使用温度より高いことである。
なお図１は略図として記載しているものであり、導電体１０１の層の厚みと、熱可塑性物質１０２の層の厚みとは、図１の比率と限るものではなく、求められる共振周波数、剛性により決定されるものである。
基板１０３は、導電体１０１を収容する形状の孔を有し、導電体１０１の一端と接続する。基板１０３は、導電体１０１と同じ材料で構成されても良いし、別の材料で構成されても良い。また、基板１０３と導電体１０１とを同じ材料で構成する場合には、一体で形成されたものでも良い。
次に、実施の形態１の光学素子の固定方法について説明する。図２は、実施の形態１にかかる光学素子の製造装置の一例を示す略図である。また図３及び４は、実施の形態１にかかる光学素子の固定方法を示す略図である。ここでは、導電体１０１と基板１０３とが一体の同じ材料である例で説明する。
図２において、光学素子製造装置２００は、オーブン２０１と、ボンベ２０２と、バルブ２０３と、圧力調整器２０４と、固定台２０５と、コントローラ２０６とを備える。
オーブン２０１は、コントローラ２０６の指示する温度でオーブン内を加熱する装置である。
ボンベ２０２は、流体を貯蔵する容器である。バルブ２０３は、ボンベ２０２からオーブン２０１への流路の間に設けられ、流体の通路を開閉する。圧力調整器２０４は、ボンベ２０２から供給される流体の圧力を、一定にしてオーブン２０１内に供給する。例えば、ボンベ２０２は、空気、窒素またはアルゴンを大気圧以上の圧力で貯蔵する高圧ガスボンベが好適である。
固定台２０５は、光学素子１００の基板１０３を固定する台であり、オーブン２０１内に設けられている。例えば、固定台２０５は、アルミニウム等の金属材料からなり、一面に開口を有する箱形状を有し、箱の端部が光学素子１００の基板１０３と対応する位置にあり、箱の開口が光学素子１００の導電体１０１と対応する位置にあるサイズで形成されていることが望ましい。
そして、固定台２０５は、箱形状の内部にある圧力バッファ空間２０７が、ボンベ２０２からの配管と連通している。また、固定台２０５は、基板１０３を把持する構成と、ボンベ２０２からの圧力を導電体１０１に伝える圧力バッファ空間２０７を備える。
なお、固定台２０５は、、導電体１０１に加える圧力の変動を抑えるために十分な容積で圧力バッファ空間２０７を形成するサイズであることが望ましい。
コントローラ２０６は、オーブン２０１の温度、バルブ２０３の開閉、圧力調整器２０４の圧力を制御する。例えば、コントローラ２０６は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェースを備えるマイクロコントローラやコンピュータが好適である。
次に、光学素子製造装置２００に設置する光学素子について説明する。導電性物質の平板に対して形状加工を行い、導電体１０１の平面形状と、基板１０３の孔形状を形成する。例えば、図３に示すように、金薄膜を上面に備えるシリコンの平板に対してエッチングを行い、渦巻き形状の導電体１０１を形成する。また、渦巻き形状の一端は、基板１０３の孔の一部位に接続する形状で形成される。
例えば、光学素子１００がテラヘルツ波を対象とする場合、厚さ４５ｎｍの金薄膜を上面に備える厚さ３００ｎｍのシリコンの平面基板に、最大直径１５０μｍ、５回巻、ピッチ間隔１８０μｍ、幅８μｍの渦巻き形状を形成することが好適である。なお、渦巻き形状の最大直径、巻き数、ピッチ間隔、幅は、所望のキャパシタンス及びインダクタンスをに合わせて任意に決定できる。例えば、巻き数を７回巻や８回巻に変更しても良く、巻き数の増加に合わせて幅を減少させることもできる。
次に、導電体１０１の一面に熱可塑性物質１０２の層を形成する。具体的には、熱可塑性物質１０２を融点以上に加熱することにより溶融し、溶融した熱可塑性物質を導電体１０１の表面に一様に塗布または吹き付ける。例えば、熱可塑性物質１０２として、パリレンを１μｍの厚さの層を導電体１０１上に形成することが好適である。
なお、熱可塑性物質１０２が熱可塑性樹脂である場合には、上述の溶融及び塗布が好適であるが、熱可塑性物質１０２がＳｉＯ２やＳｉＣ等の融点が高い無機物質である場合には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相蒸着）等の半導体の膜形成技術を用いるのが好適である。
また、導電体１０１の平面構造を形成する工程と、熱可塑性物質１０２を導電体１０１上に形成する工程とは、順序を逆にしても良い。例えば、熱可塑性物質１０２を導電体１０１上に形成した後に、導電体１０１と熱可塑性物質１０２の両方をエッチングしても良い。
次に、図２の光学素子製造装置２００を用いて導電体１０１に力を加え、導電体１０１を、光を含む電磁波に対して共振する構造に変形する工程について説明する。
まず、熱可塑性物質１０２を導電体１０１上に形成した光学素子１００に対して、少なくとも熱可塑性物質１０２をガラス転移温度Ｔｇ以上の温度にする。例えば、熱可塑性物質１０２がすでにガラス転移温度Ｔｇ未満に冷却されている場合には、光学素子１００をオーブン等の加熱装置に入れ、加熱を行う。また、例えば、溶融した熱可塑性物質１０２を塗布した直後である場合には、自然放冷により温度を下げる。
熱可塑性物質１０２をガラス転移温度Ｔｇ以上融点以下の温度とすることにより、熱可塑性物質１０２の剛性が低下する。
そして、この状態で導電体１０１に力を加えることにより、導電体１０１は変形することができる。例えば、基板１０３を固定した状態で、導電体１０１の一面に流体の圧力を加えることにより、導電体１０１が変形する。図４は、導電体１０１が変形した光学素子１００の例を示す図である。図４に示すように、導電体１０１は一面に流体からの圧力を受けて変形することにより、三次元の渦巻き形状となる。
そして、流体の圧力を調整することにより、導電体１０１を所望の共振周波数を得られる三次元の渦巻き形状に変形させる。
次に、導電体１０１を固定する工程について説明する。
固定する工程では、導電体１０１に加える圧力を一定にした状態で、熱可塑性物質１０２の温度をガラス転移温度Ｔｇ未満とする。具体的には、流体が熱可塑性物質１０２の熱を奪うことによる自然放冷が好適である。
固定する工程では、導電体１０１に加える圧力を一定にした状態で、熱可塑性物質１０２の温度をガラス転移温度Ｔｇ未満とする。具体的には、流体が熱可塑性物質１０２の熱を奪うことによる自然放冷が好適である。
熱可塑性物質１０２の温度をガラス転移温度Ｔｇ未満とすることにより、熱可塑性物質１０２が固体状態に変化して剛性が高くなる。この結果、導電体１０１は、熱可塑性物質１０２の剛性により、変形した形状を保つことができる。すなわち、光学素子１００は、図１に示す変形後の形状を維持することができる。
このように、実施の形態１の光学素子製造方法によれば、導電体に力を加えて変形させた後に、熱可塑性物質を冷却して固体状態とすることにより、熱可塑性物質の剛性が高まり導電体の復元力を抑えることができ、光学素子を固定することができる。
なお、上述の製造方法は、光学素子１００の製造工程において適用しても良いし、すでに製造した光学素子１００を再度変形及び固定する例に適用しても良い。言い換えれば光学素子製造装置２００は、光学素子１００の製造装置として提供しても良いし、すでに製造した光学素子１００を再度変形及び固定する装置に適用しても良い。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、図１では、熱可塑性物質１０２が導電体１０１の一表面に層を形成しているが、熱可塑性物質１０２が導電体１０１と接する部位は、少なくとも導電体１０１を固定するための部位を含んでいれば良い。例えば、熱可塑性物質１０２は、導電体１０１全体を覆う様にしても良いし、導電体１０１に加えて基板１０３とも接する、または覆う様にしても良い。
また、熱可塑性物質１０２を導電体１０１の上面、下面または側面のいずれか、または複数の面に層を形成しても良い。
また、熱可塑性物質１０２が形成する層の厚さは、部位により変化させてもよい。この場合、３Ｄプリンタにより熱可塑性物質１０２を導電体１０１上に立体的に形成することにより、熱可塑性物質１０２の層の厚さを変化させることができる。
熱可塑性物質１０２が導電体１０１と接する部位が、導電体１０１を固定するための部位のみとした場合、熱可塑性物質１０２の使用量を最低限の量とすることができるので、光学素子１００の材料消費量を削減することができる。また、導電体１０１を固定する部位と、導電体１０１が変形する部位とを区別して形成することができる。
また、熱可塑性物質１０２が、導電体１０１全体を覆う、または導電体１０１に加えて基板１０３も覆う場合、一様に塗布することにより、光学素子１００をシンプルな作業で作成することができる。
また、導電体１０１に圧力を加える流体は、シリコーンまたはデキストリン等のゲル、空気、窒素またはアルゴン等の気体、または液体のいずれでも良い。例えば、熱可塑性物質１０２が酸素と反応しやすい物質である場合には、窒素またはアルゴン等の不活性ガスが好適である。一方、熱可塑性物質１０２が酸素と反応しにくい物質である場合には、空気を用いることもできる。空気を用いた場合はコンプレッサ等により供給するので、窒素やアルゴンのようにボンベが不要となり、製造装置の簡略化、製造コストの低減ができる。
また、導電体１０１に圧力を加える流体は、ポリエチレングリコールの様に、室温では固体である物質を加熱して用いても良い。
また、導電体１０１に圧力を加える流体が窒素である場合には、ボンベの代わりにＰＳＡ装置（Pressure Swing Adsorption：圧力変動吸着装置）を用いることもできる。
また、図１の光学素子１００では、導電体１０１の三次元渦巻き形状において、渦巻きの幅が一定である例を示しているが、基板１０３との接続元と先端とで異なる幅としても良い。
図５及び図６は、実施の形態１に係る光学素子の一例を示す上面図である。図５に示すように、導電体１０１は、基板１０３との接続元の幅が狭く、先端の幅が広い。したがって、図５の導電体１０１は、基板１０３との接続元の剛性が高いことになる。また、図６に示すように、導電体１０１は、基板１０３との接続元の幅が狭く、先端の幅が広い。したがって、図６の導電体１０１は、基板１０３との接続元の剛性が低いことになる。
すなわち、導電体１０１の幅を変化させる形状とすることにより、導電体１０１の剛性が部位により異なるので、均一な力による変形で、部位による変形の違いを実現することができる。この結果、導電体１０１の基板１０３の面からの立ち上がり方を制御することができる。
また、導電体１０１の厚みを部位により変化させることでも、同様に導電体１０１の剛性を部位により変化させることができる。
また、オーブン２０１は、冷却するための手段を更に備えても良い。例えば、液体を冷媒として熱交換器を用いる装置、蒸気圧縮冷凍サイクルを用いた装置、ペルチェ素子等様々な冷却手段が適用可能である。
（実施の形態２）
実施の形態２では、導電体を固定する構成として紫外線硬化物質を用いる例について説明する。すなわち、実施の形態１の熱可塑性物質１０２に代えて紫外線硬化物質を用いる。具体的には、紫外線硬化物質として、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート等の紫外線硬化樹脂が好適である。
実施の形態２では、導電体を固定する構成として紫外線硬化物質を用いる例について説明する。すなわち、実施の形態１の熱可塑性物質１０２に代えて紫外線硬化物質を用いる。具体的には、紫外線硬化物質として、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート等の紫外線硬化樹脂が好適である。
実施の形態２では、紫外線硬化物質を用いて導電体を固定するので、温度制御に代えて紫外線照射を行う。図７は、実施の形態２に係る光学素子の製造装置の一例を示す略図である。図７において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
図７において、光学素子製造装置３００は、紫外線光源３０１と、暗箱３０２と、ボンベ２０２と、バルブ２０３と、圧力調整器２０４と、固定台２０５と、コントローラ２０６とを備える。また図７において、光学素子３０３は、実施の形態１の熱可塑性物質１０２に代えて紫外線硬化物質を導電体に塗布した光学素子である。
紫外線光源３０１は、紫外線波長の光を発する構成である。例えば、紫外線光源３０１は、ＵＶ−ＬＥＤ（Ultraviole-Light Emitting Diode）が好適である。紫外線光源３０１の配置は、導電体に塗布する紫外線硬化物質の位置により決定される。例えば、導電体の上面に紫外線硬化物質を塗布する場合には、光学素子の上面より紫外線を照射する配置とする。同様に導電体の側面に紫外線硬化物質を塗布する場合には、光学素子の側面より紫外線を照射する配置とする。
暗箱３０２は、外部からの紫外線を遮断して、暗箱内に配置した光学素子３０３が不要な紫外線に晒されるのを防ぐ。例えば、暗箱３０２は、黒色の材料または黒色に塗装された材料が好適である。また暗箱３０２は、少なくとも紫外線を遮断できれば良いので、ＵＶカットガラスで構成しても良い。
次に、光学素子製造装置３００を用いた光学素子の固定方法について説明する。導電体１０１の加工については、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。
まず、導電体１０１の一面に紫外線硬化物質の層を形成する。具体的には、液体状態の紫外線硬化物質を導電体１０１の表面に一様に塗布または吹き付ける、
次に、導電体１０１に力を加えて、導電体１０１を所望の形状に変形する。力を加える方法については実施の形態１と同様である。
そして、導電体１０１に加える圧力を一定にした状態で、紫外線硬化物質に紫外線を照射する。
紫外線硬化物質に紫外線を照射することにより、紫外線硬化物質が重合して硬化するので、紫外線硬化物質の剛性が高くなる。この結果、導電体１０１は変形した形状を保つことができ、光学素子３０３は変形後の形状を維持することができる。
このように、実施の形態２の光学素子製造方法によれば、導電体に力を加えて変形させた後に、紫外線硬化物質に紫外線を照射することにより、熱可塑性物質の剛性が高まり導電体の復元力を抑えることができ、光学素子を固定することができる。
（実施の形態３）
実施の形態３では、光学素子の導電体を変形させる力として、静電場を適用する例について説明する。図８は、実施の形態３に係る製造装置の一例を示す略図である。図８において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
実施の形態３では、光学素子の導電体を変形させる力として、静電場を適用する例について説明する。図８は、実施の形態３に係る製造装置の一例を示す略図である。図８において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
図８において、光学素子製造装置４００は、電源４０１と、スイッチ４０２と、電極４０３と、コントローラ４０４と、オーブン２０１と、固定台２０５と、を備える。
電源４０１は、直流の電圧を供給する電源である。電源４０１は、スイッチ４０２を介して光学素子１００の導電体１０１と、電極４０３との間に電位差を発生させる。
スイッチ４０２は、電源４０１と、光学素子１００の導電体１０１との電気的接続に対して、接続または遮断する。
電極４０３は、導電体で構成され、電源４０１の電圧印加により、導電体１０１との間に静電場を形成する。例えば、電極４０３は、金属の平板で構成され、光学素子１００の基板１０３と平行な位置に配置される。
コントローラ４０４は、オーブン２０１の温度、スイッチ４０２の接続、遮断を制御する。例えば、コントローラ４０４は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェースを備えるマイクロコントローラやコンピュータが好適である。
次に、光学素子製造装置４００を用いて光学素子を固定する方法について説明する。導電体１０１の形状加工及び熱可塑性物質の塗布については、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。
導電体１０１の形状を加工し、熱可塑性物質１０２を導電体１０１上に形成した光学素子１００に対して、少なくとも熱可塑性物質１０２をガラス転移温度Ｔｇ以上融点以下の温度にする。熱可塑性物質１０２をガラス転移温度Ｔｇ以上の温度とすることにより、熱可塑性物質１０２の剛性が低下する。
そして、この状態で導電体１０１に力を加えることにより、導電体１０１は変形することができる。具体的には、スイッチ４０２を接続側として、導電体１０１と電極４０３との間に静電場を形成することにより、静電力により導電体１０１が変形する。
図９は、導電体１０１が変形した光学素子１００の例を示す図である。図９に示すように、導電体１０１は一面に静電力を受けて変形することにより、三次元の渦巻き形状となる。
次に、導電体１０１を固定する工程について説明する。
固定する工程では、導電体１０１に加える静電力を一定にした状態で、熱可塑性物質１０２の温度をガラス転移温度Ｔｇ未満とする。
固定する工程では、導電体１０１に加える静電力を一定にした状態で、熱可塑性物質１０２の温度をガラス転移温度Ｔｇ未満とする。
この結果、導電体１０１は、熱可塑性物質１０２の剛性により、変形した形状を保つことができる。すなわち、光学素子１００は、図１に示す変形後の形状を維持することができる。
このように、実施の形態３の光学素子固定方法によれば、静電力により導電体に力を加えて変形させた後に、熱可塑性物質を冷却して固体状態とすることにより、熱可塑性物質の剛性が高まり導電体の復元力を抑えることができ、光学素子を固定することができる。
（実施の形態４）
実施の形態４では、光学素子の導電体を変形させる力として、磁力を適用する例について説明する。図１０は、実施の形態４に係る製造装置の一例を示す略図である。図１０において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
実施の形態４では、光学素子の導電体を変形させる力として、磁力を適用する例について説明する。図１０は、実施の形態４に係る製造装置の一例を示す略図である。図１０において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
図１０において、製造装置５００は、電源５０１と、スイッチ５０２と、電磁石５０３と、コントローラ５０４と、オーブン２０１と、固定台２０５と、を備える。
電源５０１は、直流の電圧を供給する電源である。電源５０１は、スイッチ５０２を介して電磁石５０３に電力を供給する。
スイッチ５０２は、電源５０１と、電磁石５０３との電気的接続に対して、接続または遮断する。
電磁石５０３は、通電することによって一時的に磁力を発生させる磁石で構成される。例えば、電磁石５０３は、磁性体からなる芯の周りに導線を巻いた構成である。
コントローラ５０４は、オーブン２０１の温度、スイッチ５０２の接続、遮断を制御する。例えば、コントローラ５０４は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェースを備えるマイクロコントローラやコンピュータが好適である。
次に、製造装置５００を用いて光学素子を固定する方法について説明する。実施の形態４では、磁力により導電体１０１を変形するので、導電体１０１自身が強磁性体である、または導電体１０１に強磁性体を固着することが好適である。なお、導電体１０１の形状加工及び熱可塑性物質の塗布については、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。
導電体１０１の形状を加工し、熱可塑性物質１０２を導電体１０１上に形成した光学素子１００に対して、少なくとも熱可塑性物質１０２をガラス転移温度Ｔｇ以上融点以下の温度にする。熱可塑性物質１０２をガラス転移温度Ｔｇ以上の温度とすることにより、熱可塑性物質１０２の剛性が低下する。
そして、この状態で導電体１０１に力を加えることにより、導電体１０１は変形することができる。具体的には、スイッチ５０２を接続側として、電磁石５０３により磁場を発生させることにより、導電体１０１が変形する。
次に、導電体１０１を固定する工程について説明する。固定する工程では、導電体１０１に加える静電力を一定にした状態で、熱可塑性物質１０２の温度をガラス転移温度Ｔｇ未満とする。
この結果、導電体１０１は、熱可塑性物質１０２の剛性により、変形した形状を保つことができる。すなわち、光学素子１００は、図１に示す変形後の形状を維持することができる。
このように、実施の形態３の光学素子固定方法によれば、磁力力により導電体に力を加えて変形させた後に、熱可塑性物質を冷却して固体状態とすることにより、熱可塑性物質の剛性が高まり導電体の復元力を抑えることができ、光学素子を固定することができる。
なお、上記説明では電磁石を用いた例について説明しているが、永久磁石を用いて導電体を変形しても良い。この場合、永久磁石の位置を移動することにより、導電体に磁力を作用させることができる。
（実施の形態５）
実施の形態５では、光学素子の導電体を変形させる力として、バイメタルによる熱膨張を適用する例について説明する。図１１は、実施の形態５に係る製造装置の一例を示す略図である。図１１において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
実施の形態５では、光学素子の導電体を変形させる力として、バイメタルによる熱膨張を適用する例について説明する。図１１は、実施の形態５に係る製造装置の一例を示す略図である。図１１において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
図１１において、導電体１０１は、熱膨張率が異なる２種類の金属を貼り合わせたバイメタルで構成されている。また、図１１において、製造装置６００は、電源６０１と、スイッチ６０２と、コントローラ６０３と、オーブン２０１と、固定台２０５と、を備える。
電源６０１は、直流の電圧を供給する電源である。電源６０１は、スイッチ６０２を介して導電体１０１に電力を供給する。具体的には、電源６０１は、スイッチ６０２を介して、熱膨張率が異なる２枚の金属のそれぞれに接続し、２種類の金属間に電気を通す。
スイッチ６０２は、電源６０１と、導電体１０１との電気的接続に対して、接続または遮断する。
コントローラ６０３は、オーブン２０１の温度、スイッチ６０２の接続、遮断を制御する。例えば、コントローラ６０３は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェースを備えるマイクロコントローラやコンピュータが好適である。
次に、製造装置６００を用いて光学素子を固定する方法について説明する。なお、導電体１０１の形状加工及び熱可塑性物質の塗布については、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。
導電体１０１の形状を加工し、熱可塑性物質１０２を導電体１０１上に形成した光学素子１００に対して、少なくとも熱可塑性物質１０２をガラス転移温度Ｔｇ以上融点以下の温度にする。熱可塑性物質１０２をガラス転移温度Ｔｇ以上の温度とすることにより、熱可塑性物質１０２の剛性が低下する。
そして、この状態でバイメタルからなる導電体１０１に通電し、発熱させる。このバイメタルの２種類の金属の熱膨張率の違いにより、導電体１０１は変形することができる。
次に、導電体１０１を固定する工程について説明する。固定する工程では、導電体１０１に加える静電力を一定にした状態で、熱可塑性物質１０２の温度をガラス転移温度Ｔｇ未満とする。
この結果、導電体１０１は、熱可塑性物質１０２の剛性により、変形した形状を保つことができる。すなわち、光学素子１００は、図１に示す変形後の形状を維持することができる。
このように、実施の形態３の光学素子固定方法によれば、バイメタルの熱膨張により導電体に力を加えて変形させた後に、熱可塑性物質を冷却して固体状態とすることにより、熱可塑性物質の剛性が高まり導電体の復元力を抑えることができ、光学素子を固定することができる。
（実施の形態６）
実施の形態６では、光学素子が複数の導電体を備える例について説明する。図１２は、実施の形態６に係る光学素子の一例を示す略図である。図５に示すように、光学素子１００は、基板１０３上に複数の導電体１０１を備えている。図５の例では、複数の導電体１０１は、基板１０３上に直交する二次元座標で配列して配置されているが、配列は特に限定されない
実施の形態６では、光学素子が複数の導電体を備える例について説明する。図１２は、実施の形態６に係る光学素子の一例を示す略図である。図５に示すように、光学素子１００は、基板１０３上に複数の導電体１０１を備えている。図５の例では、複数の導電体１０１は、基板１０３上に直交する二次元座標で配列して配置されているが、配列は特に限定されない
また、図５に示すように導電体１０１と基板１０３が接続する部位は、導電体１０１毎に９０°ずつ回転して配置しても良い。この配置により、複屈折が排除され、電磁波の入射方向が複数想定される場合にも対応することができる。
また、複数の導電体１０１は、同じ大きさの力で変形させることにより、均一な変形としても良いが、互いに異なる大きさの力で変形させることにより、異なる変形としても良い。図１３は、実施の形態６に係る光学素子製造装置の一例を示す略図である。
図１３において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。図１３において、製造装置７００は、オーブン２０１と、ボンベ２０２と、バルブ２０３と、圧力調整器２０４−１〜２０４−ｎと、固定台７０１と、コントローラ２０６とを備える。
固定台７０１は、複数の連通孔７０２−１〜７０２−ｎを有する。複数の連通孔７０２−１〜７０２−ｎは、それぞれ圧力調整器２０４−１〜２０４−ｎと連通している。また、複数の連通孔７０２−１〜７０２−ｎは、複数の導電体１０１にそれぞれ対応する位置に設けられている。
圧力調整器２０４−１〜２０４−ｎは、図１の圧力調整器２０４と同様であり、個々に圧力を設定可能な圧力調整器である。
圧力調整器２０４−１〜２０４−ｎが互いに異なる圧力を設定することができるので、複数の連通孔７０２−１〜７０２−ｎは互いに異なる圧力で、各々の導電体１０１に力を加えることができる。
例えば、力の加え方としては、複数の導電体１０１が配置された平面に対して、同心円状単位で異なる力を加える、列単位で異なる力を加える、導電体１０１個々で異なる力を加える、所定の領域（群）単位で異なる力を加える、平面上に対する二次元直交座標に対応して周期的に異なる力を加える、平面上に対する二次元直交座標に対応して疑似ランダム関数で得られる力を加える、それぞれの方法が適用できる。
この結果、複数の導電体１０１の変形の度合いを変化させることにより、光学素子は、レンズ、プリズム等様々な光学素子に適用することができる。
このように、実施の形態６の光学素子によれば、複数の導電体１０１を備え、個々の導電体１０１に異なる力を加えた後に、固定することにより、所望の光学特性を有することができる。
なお、実施の形態６では、個々の導電体１０１に異なる力を加えることにより、複数の導電体１０１の変形の度合いを変化させているが、複数の導電体１０１に均一な力を加え、個々の導電体１０１の強度を異ならせることにより、複数の導電体１０１の変形の度合いを変化させてもよい。
例えば、強度の変化のさせ方としては、複数の導電体１０１が配置された平面に対して、同心円状単位で異なる強度とする、列単位で異なる強度とする、導電体１０１個々で異なる強度とする、所定の領域（群）単位で異なる強度とする、平面上に対する二次元直交座標に対応して周期的に異なる強度とする、平面上に対する二次元直交座標に対応して疑似ランダム関数で得られる異なる強度とする、それぞれの方法が適用できる。
導電体１０１は、導電体１０１毎に導電体の幅または厚み、あるいは幅及び厚みを変化させることにより、導電体１０１毎に異なる強度を実現することができる。
（実施の形態７）
実施の形態７では、光学素子製造装置が加熱時と冷却時に異なる流体を送出する例について説明する。図１４は、実施の形態７に係る製造装置の一例を示す略図である。図１４において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
実施の形態７では、光学素子製造装置が加熱時と冷却時に異なる流体を送出する例について説明する。図１４は、実施の形態７に係る製造装置の一例を示す略図である。図１４において、図２と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。
図１４において、光学素子製造装置８００は、オーブン２０１と、ボンベ２０２−１と、ボンベ２０２−２と、バルブ２０３−１と、バルブ２０３−２と、圧力調整器２０４−１と、圧力調整器２０４−１と、固定台２０５と、コントローラ２０６とを備える。
ボンベ２０２−１と、ボンベ２０２−２とは、それぞれ図２のボンベ２０２と同様の構成を有する。同様に、バルブ２０３−１と、バルブ２０３−２と、とは、それぞれ図２のバルブ２０３と同様の構成を有する。さらに圧力調整器２０４−１と、圧力調整器２０４−１とは、それぞれ図２の圧力調整器２０４と同様の構成を有する。
そして、ボンベ２０２−１は、熱可塑性物質１０２を加熱する場合に送出する流体を貯蔵する。また、ボンベ２０２−１は、熱可塑性物質１０２を冷却する場合に送出する流体を貯蔵する。
例えば、熱可塑性物質１０２を加熱する場合に送出する流体は、熱可塑性物質１０２を冷却する場合に送出する流体よりも粘度が低い、熱容量が小さい、または温度が高い。
このように、熱可塑性物質１０２を加熱する場合と、熱可塑性物質１０２を冷却するする場合で、異なる性質の流体を用いることにより、熱可塑性物質１０２の加熱及び冷却、導電体１０１の変形に適した流体を用いることができ、短時間で光学素子を固定することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施の形態では、平面構造から三次元構造に変形した導電体を固定しているが、三次元構造から別の三次元構造に変形した導電体を固定しても良い。
また、本発明の光学素子は、テラヘルツ波、遠赤外線、近赤外線、可視光のいずれの光に対しても適用することができる。すなわち対象となる光に対して屈折率を有する、例えば光の波長に対して共振する構造とすることにより、いずれの光に対しても適用することができる。
また、上述の渦巻き形状は、左巻き、右巻きのいずれでも良い。また複数の導電体を備える場合には、一様に左巻きとする、一様に右巻きとする、左巻きと右巻きを混合する、のいずれも適用できる。
また、上記複数の実施の形態を組み合わせて適用しても良い。例えば、実施の形態６または７における複数の導電体の変形を実施の形態１−５に組み合わせても良い。
１００、３０３ 光学素子
１０１ 導電体
１０２ 熱可塑性物質
１０３ 基板
２００、３００、４００、５００、６００、７００ 光学素子製造装置
２０１ オーブン
２０２ ボンベ
２０３ バルブ
２０４ 圧力調整器
２０５、７０１ 固定台
２０６、４０４、５０４、６０３ コントローラ
２０７ 圧力バッファ空間
３０１ 紫外線光源
３０２ 暗箱
４０１、５０１、６０１ 電源
４０２、５０２、６０２ スイッチ
４０３ 電極
５０３ 電磁石
７０２ 連通孔
１０１ 導電体
１０２ 熱可塑性物質
１０３ 基板
２００、３００、４００、５００、６００、７００ 光学素子製造装置
２０１ オーブン
２０２ ボンベ
２０３ バルブ
２０４ 圧力調整器
２０５、７０１ 固定台
２０６、４０４、５０４、６０３ コントローラ
２０７ 圧力バッファ空間
３０１ 紫外線光源
３０２ 暗箱
４０１、５０１、６０１ 電源
４０２、５０２、６０２ スイッチ
４０３ 電極
５０３ 電磁石
７０２ 連通孔
Claims (13)
- 電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、
前記導電体の前記形状の少なくとも一部の表面に接し、当該構造を固定する固定部と、を備え、
前記固定部は熱可塑性物質である光学素子。 - 電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、
前記導電体の前記形状の少なくとも一部の表面に接し、当該構造を固定する固定部と、を備え、
前記固定部は紫外線硬化物質である光学素子。 - 前記導電体は、電磁波に対して共振する形状である請求項１または２に記載の光学素子。
- 前記導電体は、部位により剛性が異なる請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
- 前記導電体は、バイメタルである請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
- 電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイに対し、当該構造を固定する表面に熱可塑性物質を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程後に、前記熱可塑性物質を冷却する冷却工程と、
を備える光学素子製造方法。 - 前記塗布工程後に、前記導電体に力を加えて、所望の形状に変形する変形工程を備え、
前記変形工程後に、前記冷却工程を実行する、
請求項６に記載の光学素子製造方法。 - 前記塗布工程後に、前記熱可塑性物質を加熱する加熱工程を備え、
前記加熱工程後に、前記変形工程を実行する
請求項７に記載の光学素子製造方法。 - 前記変形行程は、圧力バッファまたは圧力調整機構を介して前記流体を送出し、前記光学素子に圧力を加える請求項７または８に記載の光学素子製造方法。
- 電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイ少なくとも一部分の表面に、紫外線硬化物質を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程後に、前記紫外線硬化物質を冷却する冷却工程と、
を備える光学素子製造方法。 - 電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、前記導電体の少なくとも一部分の表面に接する熱可塑性物質と、を備える光学素子に対して、前記導電体に力を加えて、所望の形状に変形する変形工程と、
前記変形工程後に、前記熱可塑性物質を冷却する冷却工程と、
を備える光学素子固定方法。 - 電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、前記導電体の少なくとも一部分の表面に接する熱可塑性物質と、を備える光学素子に対して、前記光学素子の一面に力を加える加力部と、
前記熱可塑性物質の温度を変化させる温度制御部とを備え、
前記温度制御部は、前記熱可塑性物質をガラス転移温度以上に加熱し、
前記加力部は、前記熱可塑性物質をガラス転移温度以上に加熱した状態で、前記光学素子の一面に力を加えて前記光学素子を変形させ、
前記温度制御部は、前記光学素子が変形した状態で前記熱可塑性物質をガラス転移温度未満に冷却する、
光学素子製造装置。 - 電磁波に対して位相変調を及ぼし、入射光を屈折する導電体アレイと、前記導電体の少なくとも一部分の表面に接する紫外線硬化物質と、を備える光学素子に対して、前記光学素子の一面に力を加える加力部と、
前記紫外線硬化物質に紫外線を照射する照射部とを備え、
前記加力部は、前記光学素子の一面に力を加えて前記光学素子を変形させ、
前記照射部は、前記光学素子が変形した状態で前記紫外線硬化物質に紫外線を照射する、
光学素子製造装置。
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