JP2022544213A - 超広視野フラットオプティクス - Google Patents

Abstract

広角光学機能は、イメージングおよびイメージ投影デバイスに有益である。従来、広角動作は、光学素子の複雑なアセンブリによって実現されていた。最近の進歩により、メタ表面レンズまたはメタレンズが生まれた。これらは、光の位相、振幅、および／または偏光を制御するナノアンテナを備える超薄型平面レンズである。ここでは、前例のない１７０°を超える視野角（ＦＯＶ）全体にわたって、回折限界集束およびイメージングが可能なメタレンズを紹介する。レンズは、一体型の平面基材上に一体化され、一方の面上に開口部、他方の面上に単一のメタ表面を備える。メタ表面は、コマ収差、非点収差、および像面湾曲を含む、三次ザイデル収差を補正する。メタレンズには平面焦点面があり、イメージングおよび投影のためのシステム構成を大幅に簡素化できる。メタレンズの設計は一般的であり、様々な用途の要求を満たすために、その設計を様々なメタ原子の形状および波長範囲に容易に適合させることができる。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１９年９月９日に出願された米国特許出願第６２／８９７，４５２号および２０１９年８月８日に出願された同第６２／８８４，６４５号の優先権を主張し、当該出願の全内容はここに引用することにより組み込まれる。

政府の支援
本発明は、国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）により授与された助成金第ＨＲ００１１－１－７２－００２９号に基づく政府支援を受けて行われた。政府は、本発明において特定の権利を有する。

広角光学システムは、高性能のイメージング、検出、およびイメージまたはビームの投影に不可欠である。広角光学システムの最も初期の例の一つは、１８５８年にＴｈｏｍａｓ Ｓｕｔｔｏｎにより発明されたパノラマカメラである。このパノラマカメラには、反応性乳剤で覆われた湾曲したガラスプレート上にイメージを生成する単一の水で満たされた球面レンズを備えていた。湾曲したプレートの製造および取り扱いが明らかに困難なため、この方法はすぐに廃止されたが、広視野イメージングを実現するための基本的な課題を概説する。それ以来、パノラマ写真は、大きな視野角での光学収差を低減するために、一般的に魚眼レンズとして知られる複合レンズアセンブリに依存しながら、平面検出器平面の道に沿って進化してきた。しかし、このようなマルチレンズ構造は、光学システムのサイズ、重量、およびアセンブリの複雑さを増大させる。

メタ表面レンズ、またはメタレンズは、サブ波長構造のアレイを使用して、伝搬する光の位相、振幅、および／または偏光を制御できるデバイスである。メタレンズは、平坦なコンパクトな個々の光学部品を可能にする有望なソリューションを提供する。メタレンズの設計は、いくつかのタイプの収差、特に球面収差と色収差を軽減するように実現されている。しかし、角度依存コマ収差、像面湾曲、非点収差の影響を受けないメタレンズを設計することは依然として困難である。これらの収差は、単一要素のメタレンズの有用性を制限する。

単一要素のメタレンズを設計するための一般的な方法は、双曲線位相プロファイルを利用して球面波面を実現する。

式中、λは入射光の波長であり、ｘおよびｙはメタ原子の座標、ｆはメタレンズの焦点距離である。この位相プロファイルは、法線入射の平面波面の焦点面でゼロ球面収差を生成するが、斜め入射ビームには最適化されていない。ビームが斜め入射角（θ_ｉｎ＿ｘ，θ_ｉｎ＿ｙ）でメタ表面に当たる場合、所望の位相プロファイルは、以下のようになる。

異なる入射角（ＡＯＩ）における二つの分布間の偏差は、三次（ザイデル）収差、例えば、コマ収差、非点収差、および像面湾曲をもたらす。これらの収差は、メタレンズの視野を制限する。例として、５．２μｍの波長で動作する直径１ｍｍ、焦点距離２ｍｍのベースラインメタレンズ設計を仮定すると、従来の双曲線位相プロファイルは球面収差を効果的に抑制し、法線入射でストレール比が１の回折限界集束を実現する。しかし、ＡＯＩが約７°より大きい場合、コマ収差が優勢となり、ストレール比は０．８未満に低下し、回折限界からメタレンズの性能が急速に低下する。視野角が小さいため、イメージングおよびイメージ投影用途での単一メタレンズの使用が大幅に制限される。

コマ収差を抑制し、回折限界ＦＯＶを拡大するために、いくつかのメタレンズ設計がすでに実装されている。一つの方法では、球面上にメタ表面を形成することを含むが、これは困難である。別の方法では、従来のバルク光学システム設計原理に基づいて、複数のメタ表面をカスケードすることを含む。このようなダブレットメタレンズの設計では、フォーカシング機能は主にダブレットのメタ表面のうちの一つによって実行され、他のメタ表面は軸外収差を補正するように機能する。このタイプのダブレットは、最大約５６°の回折限界ＦＯＶを達成することができる。比較すると、従来の単層メタレンズのＦＯＶは通常約３０°に制限されており、ケラレによる回折限界のスポットサイズが大きく、光学効率が６～２０％と低く、アセンブリのミスアライメントに対する感度が高い。従来の屈折力に匹敵する広角性能を備えるメタレンズは、これまで実現されていなかった。

ここでは、１２０°、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°、１７０°、または１８０°に近い、非常に広い視野（ＷＦＯＶ）全体にわたって、回折限界イメージングまたはビーム／イメージ投影を実行できるメタレンズを紹介する。一例のメタレンズは、一体型の平面基材上にモノリシックに一体化され、一方の面に開口部、他方の面に単一のメタ表面を備える。メタ表面は、コマ収差、非点収差、像面湾曲を含む、一つまたは複数の三次ザイデル収差を補正する。メタレンズはさらに平面焦点面を特徴としており、これによりシステム構造を大幅に簡略化することができる。このメタレンズは、イメージング、イメージング／パターン投影、ディスプレイ、拡張現実（ＡＲ）、仮想現実（ＶＲ）、三次元（３Ｄ）センシング、ホログラフィー、ＬＩＤＡＲ、フーリエ変換光学等で使用できる。メタレンズは、様々なサブ波長構造および回折光学素子（ＤＯＥ）、ならびに様々な用途の要求を満たす波長範囲に容易に適合されることができる。

本発明のメタレンズ上のメタ表面は、位相、振幅、および／または入射光波面の偏光を任意に制御することができる、光学的に薄い（例えば、０．１波長から１０波長の厚さ）、サブ波長アレイナノアンテナ（メタ原子とも呼ばれる）のアレイを備えることができる。イメージング用途の場合、オンデマンドの波面操作方法により、レンズおよびその他の光学素子を大幅に減らしてイメージの収差をなくすことができる。その結果、本発明のメタレンズに基づく光学システムは、従来の光学部品で作られたシステムに比べて、サイズ、重量、性能、およびコスト（ＳＷａＰ－Ｃ）において大きな利点を有する可能性がある。

本発明の光学部品は、（透明な）基材、基材の第一の面上の不透明な層、および第一の面の反対側の基材の第二の面上のメタ表面を備えることができる。不透明層は、少なくとも１２０°（例えば、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°、１７０°、またはそれより大きい）の視野の全体にわたって光を透過するための開口部を画成する。そして、メタ表面は、開口部により基材を通して透過させた光を集束させる。

基材は、厚さｔ_ｓｕｂおよび光の波長での屈折率ｎ_ｓｕｂを有する平面状であるまたは湾曲していることができる。開口部はＤ_ｉｎの直径を有してもよく、その場合、メタ表面は直径Ｄ_ｍｅｔａ＝Ｄ_ｉｎ＋ｔ_ｓｕｂｔａｎ［ｓｉｎ^－１（１／ｎ_ｓｕｂ）］を有する。

メタ表面は、全ての視野全体にわたって入射する光を、基材の第二の面に平行な焦点面に集束させるように構成されることができる。この場合、光学部品はまた、焦点面に検出器アレイを備え、メタ表面によって集束された光または焦点面の光源アレイを検出することができ、その場合、メタ表面は光源アレイによって放射されるビームをコリメートするまたは集束することができる。開口部は、このコリメートされたビームまたは集束されたビームを放射するように構成されることができる。

メタ表面は、少なくとも８０％のストレール比で、全ての視野全体にわたって入射する光を収束させることができる。それは、少なくとも１０００×１０００のメタ原子のアレイを備える場合がある。それは、様々な入射角で入力ビームを捕捉するように構成される、異なるが連続的な部分を有することができる。そして、それは少なくとも一つの三次ザイデル収差を補正することができる。

光学部品はまた、開口部によって透過される光をフィルタリングまたは変調するために、開口部の少なくとも一部に配置される第二のメタ表面を備えることできる。例えば、第二のメタ表面は、開口部によって透過される光をフィルタリングするように、または開口部によって透過される光の位相、振幅、偏光、および／もしくは波長を変調するように構成されることができる。第二のメタ表面は、２Ｄまたは３Ｄの光学パターン、イメージ、ドットアレイ、ホログラム等を生成するように構成されることができる。第二のメタ表面によって与えられる変調は、入射ビームの特性（例えば、角度、空間、偏光、スペクトル特性等）に依存する場合がある。第二のメタ表面はまた、例えば、非線形効果を使用して、開口部によって透過される光の偏光または開口部によって透過される光の波長を変化させるように構成されることができる。カスタマイズ可能または再構成可能な空間、角度、偏光、および／またはスペクトル特性を備える照射パターンを、このようなモダリティに関連付けられるオブジェクト再構成アルゴリズムと組み合わせて、場面の特性を効率的に得ることができる。

本発明のメタレンズは、センサーや他のデバイスで使用されることができる。例えば、本発明のセンサーは、基材、基材の第一の部分によって支持される光源アレイ、第一のメタレンズ、第二のメタレンズ、および基材の第二の部分によって支持される検出器アレイを備えることができる。第一および第二のメタレンズは、それぞれの平面基材（または同じ平面基材のそれぞれの部分）を備える。各メタレンズは、対応するメタ表面をその平面基材（部分）の第一の面上に有し、対応する開口部をオブジェクトに面するその平面基材（部分）の第二の面上に有する。動作中、光源アレイは、少なくとも約１２０°（例えば、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°、１７０°、またはそれ以上）の視野の全体にわたって第一のメタレンズによってオブジェクトに向かって投影される光を放出する。第二のメタレンズは、少なくとも約１２０°（例えば、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°、１７０°、またはそれ以上）の視野の全体にわたって、オブジェクトによって散乱および／または反射される光を収集する。そして、検出器アレイは、第二のメタレンズによって収集される光を検出する。

前述の概念および以下でより詳細に説明される別の概念の全ての組み合わせは（このような概念が相互に矛盾しないという条件で）、本明細書において開示される本発明の主題の一部である。特に、本開示の最後にある特許請求の範囲に記載にされた主題の全ての組み合わせは、本明細書において開示される本発明の主題の一部である。参照により組み込まれる任意の開示にも現れる可能性のある本明細書で使用される用語は、本明細書に開示の特定の概念と最も一致する意味を与えられるべきである。

当業者は、図面が主に例示の目的であり、本明細書に記載の本発明の主題の範囲を限定することを意図していないことを理解するであろう。図面は必ずしも正確な縮尺通りではない。場合によっては、本明細書に開示の本発明の主題の様々な態様は、様々な特徴の理解を容易にするために、図面で誇張または拡大されて示される場合がある。図面において、同様の参照文字は、概ね同様の特徴（例えば、機能的および／または構造的に類似する要素）を指す。

図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、ＷＦＯＶメタレンズの透視図および側面図である。 図２Ａは、ＷＦＯＶメタレンズの長方形のメタ原子の斜視図である。 図２Ｂは、ＷＦＯＶメタレンズのＨ形メタ原子の斜視図である。 図２Ｃは、それぞれが６５０ｎｍの厚さ、ｘおよびｙ軸の両方に沿って２．５μｍの格子定数Ｐを有する８つの異なるＰｂＴｅメタ原子で作られているＷＦＯＶメタレンズの法線入射での透過率および位相シフトのプロットである（メタ原子をプロットの下に示す。）。 図２Ｄは、メタ原子によって与えられる角度依存性の位相遅延のプロットであり、メタ原子は、入射角に対してほとんど影響を受けないように設計されている。４５．６°の角度は、空気とフッ化カルシウムとの界面における全反射の角度と一致する。入射光はＴＭ偏光されている。 図２Ｅは、メタレンズの位相分布のプロットであり、プロットの中央の黒い破線の円は、基材の反対側の開口部の位置を示している。 図２Ｆは、ＷＦＯＶメタレンズ、およびシミュレートされたＷＦＯＶメタレンズと同じ開口数（ＮＡ）の完全なレンズによって形成される焦点について、様々な入射角（ＡＯＩ）での焦点のシミュレートされた断面強度分布のプロットである。 図３は、ｙ＝０におけるＷＦＯＶメタレンズの位相プロファイルのプロットである。２Ｄ位相マップは回転対称である。 図４は、ＷＦＯＶメタ表面の中央の直径１ｍｍの領域の角度に依存する位相プロファイルのプロットである。 図５Ａは、直線偏光された光がｙ－ｚ平面に沿って入射するＨ形メタ原子である。 図５Ｂは、直線偏光された光が４５°平面に沿って入射するＨ形メタ原子である。 図５Ｃは、直線偏光された光がｘ－ｚ平面に沿って入射する（ＴＭ偏光）Ｈ形メタ原子である。 図５Ｄ～５Ｆは、図５Ａ～５Ｃの異なる直線偏光に対するメタ原子の角度応答である。 図６Ａは、９４０ｎｍの波長を操作するように設計されたＷＦＯＶメタレンズのプロファイルである。挿入図はメタ原子の配置を示す。 図６Ｂは、図６ＡのＷＦＯＶメタレンズからの入射角の関数としてのシミュレートされたストレール比（右軸）および集束効率（左軸）である。 図６Ｃは、図６ＡのＷＦＯＶメタレンズについて、および同じＮＡの完全なレンズについて様々なＡＯＩにおいてシミュレートされた変調伝達関数（ＭＴＦ）である。 図６Ｄは、様々なＡＯＩにおける図６ＡのＷＦＯＶメタレンズの焦点である。 図７Ａは、ＷＦＯＶメタレンズから無限の距離離れて配置されたソースイメージを用いたイメージングシミュレーション装置である（正確な縮尺率ではない）。 図７Ｂは、図７Ａのイメージングシミュレーション装置のための１８０°水平ＦＯＶをカバーする単色のソースイメージである。 図７Ｃは、図７Ａのイメージングシミュレーション装置においてＷＦＯＶメタレンズによって形成されるシミュレートされたパノラマイメージである。 図８は、作製されたメタレンズ試料の写真（左下）および走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）イメージ（左上および右）である。 図９Ａは、様々な入射角でＷＦＯＶメタレンズによって生成された焦点をイメージングするための実験装置の概略図である。 図９Ｂ～９Ｇは、図９Ａの装置において０°（９Ｂ）、１０°（９Ｃ）、３０°（９Ｄ）、５０°（９Ｅ）、７０°（９Ｆ）、および８５°（９Ｇ）で、ＦＰＡカメラによって捉えられたＷＦＯＶメタレンズの焦点強度イメージである。 図９Ｈは、ＷＦＯＶメタレンズのストレール比対入射角のプロットである。挿入図は、同じＮＡの収差のないレンズの測定データ（実線）および理論結果（破線）の０°、７０°、８５°の入射角における焦点断面図である。 図９Ｉは、測定されたＷＦＯＶメタレンズの集束効率対入射角のプロットである。 図１０Ａは、オブジェクトがレーザービームによって照射される、ＷＦＯＶメタレンズのイメージング装置の概略図である。光路内の片面研磨シリコンウェーハのペアは、照射空間のコヒーレンスを低減し、それによってスペックルを低減する。オブジェクトによって散乱された光は、メタレンズによって集光され、複合レンズが取り付けられたＦＰＡカメラへ向きを変えられる。 図１０Ｂは、図１０Ａの装置で測定された、異なる角度において線幅が１５．６μｍである１９５１ＵＳＡＦ解像度テストターゲットの投影イメージである。 図１１Ａおよび１１Ｂは、ＷＦＯＶメタレンズを使用した構造化光に基づく３Ｄセンシングである。 図１２は、ＷＦＯＶの超コンパクトなメタディスプレイである。 図１３Ａおよび１３Ｂは、開口部の少なくとも一部に、または開口部の少なくとも一部を画成する第二のメタ表面を有するＷＦＯＶメタレンズの側面図である。

本発明の広視野（ＷＦＯＶ）メタレンズは、単一のメタ表面層、および単一の薄い基材の対向面上に一体化された開口部を備える、単純で製造が容易な構成を有する。それは、１７０°を超える回折限界ＦＯＶおよび平面焦点面を有することができるため、関連する検出器（イメージングおよび検出用）または発光体（イメージ／ビーム投影、ディスプレイ用等）のアレイ設計を大幅に簡略化することができる。それは、メタ表面ならびに基材およびメタ表面の材料の設計に応じて、広範囲の波長（例えば、可視から赤外線（ＩＲ）まで）で動作することができる。メタ表面は、電磁スペクトルのマイクロ波から紫外線（ＵＶ）領域までの任意の波長で動作するように設計されることができ、帯域幅は最大１オクターブに及ぶ。

さらに、本明細書で開示されているＷＦＯＶメタレンズの設計原理は一般的であり、様々な用途の要求を満たすために任意のメタ原子構成および波長範囲に適用できる。適切なメタ表面があれば、メタレンズはブロードバンド動作と偏光の多様性を備えるパノラマメタレンズになることができる。別の例として、ナノロッドまたはナノピラーを偏光に影響されない設計に使用することができる。所望の波長範囲のために、例えば、ＰｂＴｅおよびＣａＦ_２、ならびにａ－ＳｉおよびＡｌ_２Ｏ_３を含む様々なメタ表面材料システムを選択することができる。

ＷＦＯＶメタレンズは、超薄型メタ原子プロファイルを備えるホイヘンスメタ表面を使用して実装されることができる。ホイヘンスのメタ表面は容易に作製されることができるが、波長および偏光に対する反応を制限する可能性がある。いずれにしても、本明細書に記載のＷＦＯＶ設計は、一般的であり、任意のメタ原子構成に適用可能である。メタ原子の適切な選択により、メタレンズは、偏光の多様性を備えるブロードバンド上でパノラマイメージ（例えば、１７０°を超えるＦＯＶ）を実行することができる。

その極めて高いＷＦＯＶ、平面表面、および平坦な焦点面のおかげで、本発明のメタレンズは、センシング、イメージ投影、ライダー、イメージング、光学投影、拡張現実／仮想現実、ビームステアリング、および３Ｄセンシング用途に特に好適である。例えば、本発明のデバイスのビーム投影機能は、発光体が個別に変調されるか、オンとオフが切り替えられて、広角照射用に出力ビームを操作する、切り替える、または調整する場合、ＬＩＤＡＲシステムに使用されることができる。同じＷＦＯＶメタレンズは広角信号収集の検出モジュールで使用されることができる。

広視野（ＷＦＯＶ）メタレンズ
図１Ａおよび１Ｂはそれぞれ、例示的なＷＦＯＶメタレンズ１００の透視図および側面図を示す。メタレンズ１００は、一方の表面１１２上に位置する入力開口部１３０と、他方の表面１１４上に位置するメタ表面１２０とを有する単一の基材１１０を備える。基材１１０は、ｎ_ｓｕｂの屈折率およびｔ_ｓｕｂの厚さを有する。Ｄ_ｉｎの直径を有し、様々な入射角θ_ｉｎで入力開口部１３０に入射する光ビームは、Ｄ_ｍｅｔａの総直径を有する裏面メタ表面１２０に屈折され、平面焦点面１４１に集束される。

基材１１０は、メタレンズの動作波長で光を透過させる任意の好適な材料で作製されてもよい。基材１１０は、硬質である、柔軟性がある、または伸縮性があってもよい。それは、図１Ａおよび１Ｂに示すように、用途に応じて、両面が平坦な／平面的、または反っている、湾曲している、または曲がっていてもよい。好適な基材材料としては、ハロゲン化結晶、サファイアおよび他の酸化物結晶、石英、カルコゲナイド結晶、ガラス（例えば、酸化物、カルコゲナイド、および他のタイプのガラス）、プラスチック、または半導体材料が挙げられるが、これらに限定されない。

メタ表面１２０は、入射波面の振幅、位相、および／または偏光を変更するサブ波長光構造（メタ原子としても知られ、以下に記載および示される）のアレイを備える。これらのメタ原子は、同一または異なる形状、サイズ、および配向を有することができる。例えば、それらは、長方形、円筒形、Ｈ形状、またはＬ形状であってもよい。それらは、メタレンズ１００の動作波長以下のピッチの格子上に配列される。格子は、任意の好適な周期および形状（例えば、正方形、長方形、または六角形）であってもよい。格子はまた、例えば、隣接するメタ原子間のギャップ、例えば一定のギャップ距離によって画成される間隔で、またはランダムに配置されたメタ原子で、非周期的であってもよく、これは、メタ表面１２０全体にわたって所望の位相プロファイルを提供するようにパターン化される。

メタ原子は、透明材料（例えば、基材１１０と同じ材料であり、基材１１０の一方の面をパターン形成することによって形成されるメタ原子を有する）で作製される。メタ原子の形状、サイズ、およびレイアウトは、メタ表面のスペクトル応答がＡＯＩで変化しないように選択することができ、変化するＡＯＩを有するメタ原子によって与えられる光学位相／振幅変化は、それらの設計において自動的に考慮される。メタ表面１２０はまた、回転非対称の集束（例えば、一部のＡＯＩでは集束するが、その他のＡＯＩでは集束しない）のために設計されてもよい。

（あるいは、メタ表面１２０は、同一または類似の有効位相プロファイルを提供する、メタ材料、多層メタ表面、または回折光学素子（ＤＯＥ）によって置き換えられる場合がある。例えば、ＤＯＥは、レンズの動作波長よりも大きい形状を有するバイナリまたはマルチレベルのグレースケールＤＯＥとして実装される場合がある。同様に、全体的なレンズ構造は回折光学レンズとして機能する。）

開口絞り部１３０は、基材１１０の上面１１２上の不透明な（例えば、吸収性または反射性）材料の層１３２によって画成される。上面１１２はまた、入射光の強度および／もしくは位相を変調して効果的な開口絞り部を形成するメタ表面（図示せず）を画成してもよく、またはメタ表面で部分的にまたは完全に覆われてもよい。（あるいは、このメタ表面は、メタ材料、多層メタ表面、またはＤＯＥによって置き換えられてもよい。）開口絞り部１３０は、次の式で得られる直径を有する円形とすることができる。
Ｄ_ｉｎ＝Ｄ_ｍｅｔａ－２ｔ_ｓｕｂｔａｎ［ｓｉｎ^－１（１／ｎ_ｓｕｂ）］
この直径は、ミクロンからミリメートルの範囲であってもよく、開口数（ＮＡ）は０から１の範囲である。メタレンズがオイルまたは他の高屈折率材料に浸漬される場合、開口数はより高く（例えば、１．５）なることができる。

開口部はまた、正方形、楕円形、六角形、長方形、または任意の他の好適な形状であってもよい。あるいは、開口部は、入力光をスペクトル、位相、振幅、偏光等で変調またはエンコードするように構成される一つまたは複数のサブ領域、パッチ、またはアレイを備えてもよい。例えば、開口部１３０の少なくとも一部は、開口部１３０を通過する光をフィルタリングする別のメタ表面１３４でパターン化されてもよい。必要に応じて、開口絞り部１３０の縁を、例えば、ガウスアポディゼーションまたはスーパーガウスアポディゼーションでアポダイズして、有害なエッジ効果を低減させることができる。

メタ表面１２０と開口絞り部１３０と同じ基材上に配置しながらそれらを空間的に分離することにより、メタレンズ１００は、メタ表面１２０の様々であるが連続的な部分で様々な入射角（ＡＯＩ）で入力ビームを捕捉することができ、例えば、複数のＡＯＩで集束品質を説明する性能指数に対して最適化することによって、位相プロファイルの局所的な最適化を促進する。メタ表面位相プロファイルは、入力開口部上の理想的な球面波面からの二乗平均平方根（ＲＭＳ）波面誤差が常に０．０７４５波長よりも小さいように設計される。これにより、メタレンズ１００は、確実にその視野全体にわたって８０％を超えるストレール比を有し、それは平坦な基材については１２０°、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°、１７０°、１７５°、１７９°、またはほぼ１８０°とすることができ、それによって様々な光照射条件で回折限界性能を達成することができる。湾曲した、曲がった、または反った基材を用いるメタレンズの場合、視野は１８０°よりさらに大きくなる可能性がある。平面の場合と同様に、入射光は、入力開口部から裏面メタ表面へ屈折される（またはメタ表面を使用して回折される）。従来の魚眼レンズは、大部分が湾曲したフロントレンズを使用してＦＯＶ＞１８０°を達成する。

メタレンズ１００は、その寸法、メタ表面設計、および基材材料に応じて、様々な波長のいずれかで動作することができる。例えば、５．２μｍの波長で動作するように設計されたメタレンズ１００は、１ｍｍ直径の円形開口部１３０および５．２ｍｍ×５．２ｍｍのメタ表面１２０を有する、２ｍｍ厚さのフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）平面基材１１０（５．２μｍでｎ_ｓｕｂ＝１．４）を有することができる。このメタ表面１２０は、２．５μｍの正方格子定数を有するＰｂＴｅで作製される２，０００×２，０００のホイヘンスメタ原子のアレイを備えてもよい。メタ表面１２０は、０．２４の有効開口数（ＮＡ）に対応する、２ｍｍの一定の焦点距離を有することができる。ほぼ９０°の入射角で、基材内部の光伝搬の最大角度は４５．７°である。以下に示すように、メタ表面１２０を構成するメタ原子の位相応答は、メタレンズのＷＦＯＶ内でのビーム入射角にわずかに依存する。

メタレンズ１００は、分離された角度チャネルで設計されるメタレンズとは異なる動作をし、そこではメタ表面上の重なり合わない領域は、異なるＡＯＩのビーム専用である。メタレンズは専用の重なり合わない領域があるため、角度チャネルが分離されたメタレンズは、離散的な入射角のセットに対してのみ高品質の集束を達成することができる。本発明のメタレンズ１００では、適正に設計されたメタ表面位相プロファイルおよびメタレンズ構造により、基材１１０のメタ表面側１１４上で、入射角が連続的に変化し、およびビームプロファイル相互に重なり合うビームの回折限界集束が可能になる。したがって、メタレンズ１００は、収差のないビームを集束またはビームをコリメーとさせ、したがって、あらゆる光の方向に対して、フロント半球面上のあらゆる点からまたはあらゆる点へのイメージを投影することができる。

収差、例えばコマ収差および非点収差を補正することに加えて、メタレンズ１００は、ＦＯＶ全体にわたって平面焦点面１４１を用いる。ペッツバール像面湾曲をなくすことは、標準的な平面検出器またはエミッターアレイの一体化を容易にすることにより、イメージングおよびイメージ投影を含む幅広い用途で有益である。例えば、図１Ｂは、メタレンズと異なる角度でコリメートされたビームを投影するための焦点面１４１の光源１４０のアレイを示す。アレイ内の光源１４０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、または任意の他の（開口部を備える）光源であってもよい。光源１４０アレイのアレイは、様々な波長で放射する様々な光源を備えることができる。光源１４０はまた、用途に応じて、広帯域または波長可変光源を備えてもよい。（イメージング用途については、光源１４０は、焦点面１４１内の平面検出器アレイ、例えばＣＭＯＳまたはＣＣＤアレイに置き換えることができる。）

メタレンズメタ表面設計およびモデリング
メタレンズは、全波シミュレーション（例えば、有限要素法（ＦＥＭ）、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法、および有限積分法（ＦＩＴ））とキルヒホッフ回折積分との階層的組み合わせを利用して設計されることができる。サブ波長スケールでは、全波シミュレーションを使用して、所望の光学応答のために、メタ表面のメタ原子を設計およびモデル化することができる。巨視的システムレベルでは、全波シミュレーション結果を組み込んだ回折積分法により、メタレンズ全体の集束特性を計算効率よく検証することができ、それを用いてメタ表面の位相プロファイルを最適化することができる。

図２Ａ～２Ｆは、５．２μｍの波長で動作するメタレンズの一方の面上のメタ表面のホイヘンスメタ原子の設計およびモデリングを例示する。各ホイヘンスメタ原子は、それぞれ図２Ａおよび２Ｂに例示するように、ＣａＦ_２基材上にあるＰｂＴｅで構成される長方形またはＨ型のブロックのいずれかを構成する。ＰｂＴｅとＣａＦ_２との組み合わせは、これらの材料の低い光損失および中赤外スペクトル範囲における巨大な屈折コントラストを利用するように選択され、電気双極子（ＥＤ）および磁気双極子（ＭＤ）共鳴の両方をサポートしながら透過モードでメタ表面動作を可能にする。それらの形状は、動作波長でスペクトル的に重なり合うＥＤおよびＭＤ共鳴するように設計されており、カーカー効果を利用するほぼ単一の透過率で３６０°（２π）の完全な位相範囲をもたらす。メタ原子ライブラリーは、５．２μｍ波長の直線ＴＭ偏光に対して４５°の不連続のステップで、３６０°の位相空間をカバーする８つの異なるメタ原子を含む。

図２Ｃは、法線入射においてメタ原子ライブラリー内の８つのメタ原子のそれぞれのシミュレートされた振幅および位相応答を示す。メタ原子は、図２Ｃにおいてプロットの下に示され、三つのＨ型メタ原子および５つの長方形原子を含む。メタ原子寸法は（下の）表１に記載されている。

図２Ｄは、斜めＡＯＩ（基材内部）での各メタ原子のシミュレートされた位相シフトを示す。入射光はＴＭ偏光されている。結果は、メタ原子が入射角にほとんど影響されないように設計されているため、メタ原子の応答は入射角にわずかに依存するだけであることを示している。４５．６°の角度は、空気とフッ化カルシウムとの界面における全反射の角度と一致する。この全誘電体ホイヘンスメタ表面プラットフォームは、ＷＦＯＶメタレンズの高性能の基礎となる。

図２Ｅは、メタ表面の２０００×２０００メタ原子アレイを有するメタレンズの位相分布を示す。プロットの中央の黒い破線の円は、メタ表面の反対側の基材の面上の開口部の位置を示す。

図２Ｆは、様々ＡＯＩの下での焦点および同じＮＡの完全なレンズによって形成される焦点のシミュレーションされた断面強度分布を示す。強度分布は、斜めＡＯＩによって非対称である。ピーク振幅はＡＯＩの増加とともに減少し、サイドローブにより多くの光が現れる。全てのＡＯＩ値（式２）での理想的な位相プロファイルと比較したＲＭＳ位相誤差は、一貫して０．０７４５波長未満であり、ストレール比は確実に０．８よりも優れている。結果として、同じＮＡと焦点距離を持つ完全なレンズと比較した場合、メタレンズの設計は、ＦＯＶ全体にわたって回折限界集束とイメージング性能を達成する。図６のシミュレートされた焦点の変調伝達関数（ＭＴＦ）はさらにこの結論を支持する。

図２Ａ～２Ｆに例示されるメタ原子シミュレーションは、商用ソフトウェアパッケージＣＳＴ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏの周波数領域ソルバーを使用して実行された。各メタ原子について、ユニットセルの境界条件は、負および正の両方のｘ方向およびｙ方向で使用され、開境界条件はｚ軸に沿って設定された。各メタ原子は、正のｚ方向に向くｘ偏光平面波で基材側から照射された。図２Ｃに示す結果は、各メタ原子の上部と下部に配置される二つの開いたポート間で導出された複素透過係数の位相および振幅である。

ＷＦＯＶメタレンズの収束およびイメージング動作は、ホイヘンス－フレネルの原理の物理的に厳密な形式であるキルヒホッフ回折積分に従ってモデル化された。モデルは、光学システムのホイヘンスの点像分布関数を計算することから始まる。これは、メタ表面で角度に依存する位相プロファイルを組み込み、各メタ原子から放射される波面を、対応する振幅および位相で、その複素振幅が導出されるイメージ平面に伝搬する。空間を通る波面の回折は、ホイヘンス源からの波面の干渉またはコヒーレントな合計によって与えられる。イメージ平面上の各点における強度は、結果として得られる複素振幅の合計の二乗である。

メタレンズの初期光学構造および位相プロファイルは、ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（登録商標）（Ｚｅｍａｘ、ＬＬＣ）を使用して設計できる。その後、キルヒホッフ回折積分に基づく分析モデルを利用して、様々なＡＯＩでの完全なメタ表面性能を分析できる。分析モデルは、全波シミュレーションから得られた様々なＡＯＩの下での個々のメタ原子応答の後に角度依存位相マスクを組み込んでいる（例えば、図５Ａ～５Ｆで、以下で説明するように）。位相プロファイルの最適化プロセスには、ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（登録商標）とキルヒホッフ回折積分モデルとの間で、焦点の品質、つまり、様々なＡＯＩでのストレール比（ＳＲ_{ＡＯＩ（ｉ）}）に関する反復評価が含まれる。次のメリット関数（性能指数、ＦＯＭ）は、数値最適化を使用して最大化される。

式中、ｗ_{ＡＯＩ（ｉ）}は様々なＡＯＩでの重み付け係数である。この形式のＦＯＭは、ＦＯＶ全体にわたって複数のビームを同時に検査する。例示的な設計では、隣接するビーム間のΔＡＯＩ＝５°の初期角度間隔は、ＦＯＶ全体を連続的にサンプリングするのに十分である。最適化されたメタレンズ位相プロファイルが２Ｅに示されている。理想的な位相プロファイルと比較して、設計された位相プロファイルは、全てのＡＯＩ値で０．８よりも優れたストレール比をもたらす。結果として、同じＮＡと焦点距離を有する完全なレンズと比較した場合、メタレンズは、図２Ｆに示されるように、ＦＯＶ全体にわたって回折限界集束およびイメージング性能を達成する。

市販の光学設計ソフトウェアＺｅｍａｘ ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏを使用して、理想的な条件下でメタ表面の初期位相プロファイルを取得できる。回転対称の位相プロファイルは、多項式形式で表される。

式中、φ（ρ）は

の特定のメタ原子の望ましい位相応答であり、ａ_ｎは非球面係数、Ｒは正規化半径である。表１および２（下）は、正規化半径および非球面係数を示し、例えば、それぞれ中赤外および近赤外のＷＦＯＶメタレンズである。

最適化は、初期入力としての小さなＡＯＩ範囲にわたって、光学システムの仕様（例えば、焦点距離およびｆ／＃）と一致する標準の双曲線位相プロファイルから始まる。最初の最適化サイクルが開始ＡＯＩ範囲に収束すると、その結果は、拡張されたＡＯＩ範囲を有する次の最適化繰り返しサイクルの入力値として使用される。プロセスは、最終結果が目的のＡＯＩ範囲（例えば、±９０°）にわたって収束するまで続く。

より具体的には、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ－Ｍａｒｑｕａｒｄｔアルゴリズム（減衰最小二乗法とも呼ばれる）を使用した数値最適化は、各最適化サイクルでメリット関数（例えば、上記に定義したＦＯＭ）を最大化するために実装される。キルヒホッフ回折積分を用いて、ＦＯＭだけでなく、各視野角におけるストレール比を数値的に計算することができる。各メタ原子の角度依存応答も組み込まれ、初期位相プロファイルの空間および位相離散化／マッピング後に角度依存位相マスクを生成する。各最適化サイクルでは、範囲全体で全てのＡＯＩに等しい重みを有するＦＯＭが最初に使用され、最大化される。この等しい重みのＦＯＭを最大化すると、一部の視野角でストレール比が０．８未満になることがある。この場合、目標範囲内の全てのＡＯＩでストレール比が０．８を超えるまで、調整された重み付け係数を使用して最適化が繰り返される。手順で得られた、図３に示される最終的な位相プロファイルは、最大±９０°の連続的に変化する入射角に対して回折限界集束性能を達成する。位相プロファイルの設計係数を表１にまとめる。図４は、メタ表面の中央の直径１ｍｍの領域の個々のメタ原子の位相シフトに基づく角度に依存する位相プロファイルを示す。

図５Ａ～５Ｆは、斜め入射における様々な直線偏光に対するメタ原子の角度応答を示す。図５Ａ～５Ｃは、Ｈ形メタ原子に関する様々な直線偏光の向きを示し、図５Ａはｙ－ｚ偏光を示し、図５Ｂはｙ－ｚとｘ－ｚとの間で４５°回転した偏光を示し、図５Ｃはｘ－ｚ（ＴＭ）偏光を示す。電界のｙ成分はゼロに等しい。図５Ｄ～５Ｆは、これらの偏光状態の各々の角度入射の関数として、メタ原子の角度応答を示す。

図６Ａ～６Ｄは、９４０ｎｍの波長で機能するよう設計されるＷＦＯＶメタレンズ６００およびその性能を例示する。ＷＦＯＶメタレンズ６００は、一方の面に１ｍｍの直径の円形開口部６３０、他方の面にメタ表面６２０を備える厚さ３．９ｍｍの平面サファイア基材を備える。メタ表面６２０は、メタ原子として非晶質シリコンポスト６２２のアレイを備え、メタ表面６２０から２．５ｍｍに位置する平面焦点面に光を集束させる。

図６Ｂは、ＷＦＯＶメタレンズ６００のオブジェクトの半角の関数として、シミュレートされたストレール比（右軸）および集束効率（左軸）を示す。ストレール比は、一貫して０．８を超えており、約１８０°であるＦＯＶ全体にわたって回折限界集束を示す。図６Ｃは、様々なＡＯＩおよび様々な入射面におけるＷＦＯＶメタレンズ６００のシミュレーション変調伝達関数（ＭＴＦ）、および同じＮＡを有する回折限界レンズのＭＴＦを示す。ＭＴＦは、ＷＦＯＶメタレンズ６００が、様々なＡＯＩにおいて回折限界焦点を有することを示す。

図７Ａ～７Ｃは、ＷＦＯＶメタレンズを用いたシミュレートされたパノラマイメージングを例示する。図７Ａは、メタレンズから無限の距離離れて配置されたソースイメージを用いたイメージングシミュレーション装置を示す（正確な縮尺率ではない）。図７Ｂは、１８０°の水平ＦＯＶをカバーする単色のソースイメージ、ここではパリのスカイラインを示す。図７Ｃは、収差および回折効果を詳細に説明する超広角ＦＯＶメタレンズによって形成されたシミュレートされたパノラマイメージを示す。イメージセンサーをマイクロディスプレイに置き換えて使用する場合、同じメタ光学装置を簡単に使用して、超広角ＦＯＶで遠方界にイメージを投影することができる。

ＷＦＯＶメタレンズの作製
図８は、二重抵抗層リフトオフ法によって厚さ２ｍｍのＣａＦ_２平面基材上に電子ビームリソグラフィーを使用して製造されたＷＦＯＶメタレンズを示す。左上に示されるこのＷＦＯＶメタレンズのメタ原子は、熱蒸着されたナノ結晶ＰｂＴｅでできており、６５０ｎｍの均一な厚さを有している。前面の開口部は、標準のＵＶリソグラフィーを使用した金属スズ層によって画成された。

より具体的には、図８のメタレンズは、直径１５ｍｍおよび厚さ２ｍｍの円形ＣａＦ_２基材（Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ）上に作製された。メタ表面レイアウトの対称性を考えると、ＷＦＯＶのパフォーマンスを検証するためにわずか２ｍｍ×３．６ｍｍ部分のメタ表面だけが必要であり、作製された。製造前に、基材表面をアセトンおよびイソプロパノールアルコール（ＩＰＡ）の超音波処理槽で順次それぞれ３分間連続して洗浄した。その後、試料を１９０℃で５分間ベークして、溶媒および表面上の吸着水分を完全に蒸発させた。そして、基材を、酸素プラズマ（１５０Ｗ、１分、圧力０．８Ｔｏｒｒ）で処理して、有機残渣汚染物質を除去した。

試料の片面は、ＰＭＧＩ（厚さ８００ｎｍ）およびＺＥＰ５２０Ａ（厚さ４００ｎｍ）で構成される２層フォトレジストで覆われていた。ＰＭＧＩ層を、２４００回転／分（ｒｐｍ）で１分間スピンコートし、そして１９０℃で３分間ベークした。ベーク工程は、ＰＭＧＩ層の機械的安定性を保証するために重要である。ＺＥＰ層を、４０００ｒｐｍで１分間スピンコーティングし、１９０℃で２分間ベークした。電子ビーム（ｅビーム）リソグラフィーを実行する間、帯電効果を防止するために、試料を水溶性導電性ポリマー（ＥＳｐａｃｅｒ ３００Ｚ，Ｓｈｏｗａ Ｄｅｎｋｏ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．）で覆い、導電性クランプを基材の上に配置した。

メタ表面パターン（図８、右）は、１２５ｋＶの電圧、電流１０μＡ、および３８０μＣ／ｃｍ^２のベースドーズ量を使用した近接効果補正（ＰＥＣ）でｅビームリソグラフィーシステム（Ｅｌｉｏｎｉｘ ＥＬＳ Ｆ－１２５）を使用して書き込まれた。試料を水、ＺＥＤＮ５０、およびＩＰＡ中にそれぞれ１分間浸漬することによってＺＥＰ層を現像した。その後、ＰＭＧＩ層を、水で１：１の比率で希釈したＲＤ６現像液で部分的に溶解した。この部分的な溶解は、パターンをつぶすことなくアンダーカットを達成するために注意深く行われるべきである。

フォトレジスト現像後、６５０ｎｍ厚のＰｂＴｅ膜を、１７Å／ｓの速度および１０^－６Ｔｏｒｒのベース圧力で熱蒸発（カスタム設計システム、ＰＶＤ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．）により堆積させた。堆積前に、試料を酸素プラズマで予め洗浄して、膜の接着性を向上させた。その後、メタ表面パターンは、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）に一晩浸漬することにより、フォトレジストのトップ上の材料をリフトオフすることによって転写された。

試料の反対側に、直径１ｍｍの円形の開口部がパターン形成された。ＰｂＴｅのメタ表面がパターン形成された面は、開口部の作製中にドライフィルムフォトレジスト（ＤｕＰｏｎｔ ＭＸ５０００シリーズ）によって保護された。開口部を作製するために、基材を酸素プラズマで洗浄し、ネガ型フォトレジストＮＲ１０００ＰＹ（Ｆｕｔｕｒｒｅｘ、Ｉｎｃ．）を１５００ｒｐｍで１分間スピンコーティングした。そして、試料を１１５°Ｃでソフトベークし、マスクを通してＵＶ光で４０秒間露光し、１５５°Ｃでハードベイクした。その後露光されたフォトレジストをＲＤ６中で１０秒間現像し、その後水ですすいだ。次に、２００ｎｍのスズの層を熱蒸着によって堆積させ、アセトンでフォトレジストを除去することによってリフトオフした。最後に、メタ表面側を覆っているドライフィルムフォトレジストを一晩のＮＭＰ処理によって除去した。

ＷＦＯＶメタレンズのキャラクタリゼーション
図９Ａ～９Ｉは、図７のＷＦＯＶメタレンズ７００の様々なＡＯＩにおける焦点品質の実験的キャラクタリゼーションを例示する。図９Ａは、測定装置９００を示しており、ＷＦＯＶメタレンズ７００は、５．２μｍ波長のレーザー９１０からコリメートされ、直線偏光されたレーザービームによって開口部面から照射される。レーザー９１０は、円形レール９１２上に取り付けられ、０°～８５°の様々なＡＯＩを可能にした。８５°の最大ＡＯＩは、レンズの性能ではなく、実験装置９００の幾何学的制約によって制限された。焦点イメージは、１２０±３の較正された倍率で一対の中赤外レンズ９２０を使用して拡大され、液体窒素で冷却されたＩｎＳｂ焦点面アレイ（ＦＰＡ）カメラ９３０上に投影された。

図９Ｂ～９Ｇは、ＦＰＡカメラ９３０で測定された焦点イメージの例を示している。図９Ｈの挿入図は、比較のために、同じＮＡを有する収差のないレンズからのシミュレートされた理想的な焦点プロファイルとともに、０°、７０°、および８５°の入射角における焦点の断面光学強度プロファイルを示す。図９Ｈはまた、測定されたストレール比を示す。全ての入射角で、ストレール比は０．８より高く維持され、メタレンズ７００からの回折限界集束性能を示す。

図９Ｉは、直線偏光に対するメタレンズ対ＡＯＩの集束効率のプロットである。集束効率は、焦点に閉じ込められたパワーとメタレンズのメタ表面に入射するパワーとの比率として定義される。図９Ｉのデータは、ＡＯＩへの比較的弱い依存性を示し、ＡＯＩが０°から８５°に変化するにつれて、集束効率は４５％から３２％まで変化する。この比較的平坦な角度応答は、メタレンズによって形成されるイメージ全体にわたってほぼ均一に照射するのに役立つ機能である。

メタレンズによって集束されるパワーＰ_{ｍｓ，ｆｏｃ}（θ_ｉ）は、前面の開口部（例えば、１ｍｍの円形開口部）を透過する総入射パワーＰ_０、メタレンズの集束効率ｆ（θ_ｉ）、および空気と基材（ＣａＦ_２など）との間の界面における反射損失を説明するフレネル透過率係数Ｔ_ｐ（θ_ｉ）で表すことができる。
Ｐ_{ｍｓ，ｆｏｃ}（θ_ｉ）＝Ｐ_０・Ｔ_ｐ（θ_ｉ）ｆ（θ_ｉ） （３）
総入射パワーＰ_０は、さらにＰ_０＝Ｐ_０（０）・ｃｏｓ（θ_ｉ）と書くことができ、式中、Ｐ_０（０）は、法線入射（θ_ｉ＝０°）において開口部を通過する総入射パワーである。（開口サイズよりもはるかに大きいビーム径を有する）同じコリメートされたレーザービームがメタレンズに斜めに入射する場合、幾何学的な投影によりパワー密度がｃｏｓ（θ_ｉ）の係数で低下するため、正弦係数が発生する。

図９Ａ～９Ｉにおいて、測定値は、η（θ_ｉ）すなわちメタレンズによる総透過パワーに集束した割合と、Ｐ_{ｍｓ，ｔｒａｎｓ}（θ_ｉ）すなわちメタレンズによって透過したパワーと、Ｐ_ｒｅｆ（θ_ｉ）すなわち参考試料（厚さが同じで開口部が１ｍｍであるものの、裏面がメタ表面ではないＣａＦ_２基材）を通って透過したパワーとである。これらの定義によれば以下のとおりである。
η（θ_ｉ）＝Ｐ_{ｍｓ，ｆｏｃ}（θ_ｉ）／Ｐ_{ｍｓ，ｔｒａｎｓ}（θ_ｉ） （４）
Ｐ_ｒｅｆ（θ_ｉ）＝Ｐ_０Ｔ_ｐ ^２（θ_ｉ）＝Ｐ_０（０）ｃｏｓ（θ_ｉ）Ｔ_ｐ ^２（θ_ｉ） （５）

式（５）において、透過率が同じ二つのＣａＦ_２－空気界面があるため、Ｔ_ｐ（θ_ｉ）係数は二乗される。最後に、集束効率ｆ（θ_ｉ）の値は次の式で与えられる。

Ｐ_０、Ｐ_{ｍｓ，ｔｒａｎｓ}（θ_ｉ）、およびＰ_ｒｅｆ（θ_ｉ）は、透過したパワーの全てを取り込むように大面積検出器を使用して測定された。次に、Ｔ_ｐ（θ_ｉ）は、式（５）に従ってＰ_０およびＰ_ｒｅｆ（θ_ｉ）から計算された。Ｐ_{ｍｓ，ｆｏｃ}（θ_ｉ）は、直径２００μｍのピンホールと一体化された検出器上に入射する透過したパワーＰ_ｈｏｌｅ（θ_ｉ）を測定することによって定量化された。ＦＰＡカメラは、直径２００μｍの領域全体にわたって焦点の周りに焦点面をイメージ化した。ＦＰＡカメラからの光強度値をピクセルごとに積分することにより、ピンホールを透過した総パワーに対する焦点に集中するパワーの割合、つまりＰ_{ｍｓ，ｆｏｃ}（θ_ｉ）／Ｐ_ｈｏｌｅ（θ_ｉ）が得られた。Ｐ_{ｍｓ，ｆｏｃ}（θ_ｉ）は、Ｐ_ｈｏｌｅ（θ_ｉ）×Ｐ_{ｍｓ，ｆｏｃ}（θ_ｉ）／Ｐ_ｈｏｌｅ（θ_ｉ）によって得られた。（残念ながら、ＦＰＡカメラは光強度の測定値を提供せず、代わりに相対的な光学強度をカウントで明示するだけである。）

ＷＦＯＶメタレンズによるイメージング
図１０Ａおよび１０Ｂは、ＷＦＯＶメタレンズ７００の広角イメージング能力を例示する。図１０Ａは、レーザー１０１０がディフューザー１０１２を通ってオブジェクト１０１４を照射する測定装置１０００を示す。メタレンズ７００は、オブジェクト１０１４によって散乱された光を集光し、それを中赤外レンズ１０２０を通してＩｎＳｂ ＦＰＡカメラ１０３０上に投影する。実験では、オブジェクト１０１４とメタレンズ７００との間の距離は、レンズ焦点面の平面形状と一致するように２ｍｍに固定されている。中赤外レンズ１０２０およびカメラ１０３０は、それらが、メタレンズ７００を通りかつメタレンズ７００の光軸に垂直な軸の周りを回転できるように、半円形のレール１０３２上に取り付けられる。オブジェクト１０１４は、ＵＳＡＦ解像度テストチャートを再現する金属スズパターンを備える。選択された試験ターゲットパターン（グループ５、要素１）は、レンズの理想的な回折限界解像度（１３．２μｍ）に近い、それぞれ幅１５．６μｍの三つのストライプを備えている。

図１０Ｂは、図１０Ａの実験装置１０００の全角度範囲で記録されたパターンの明確に分解されたイメージを示す。この角度範囲は０°～８２°であり、実験装置１０００の幾何学的制約によって制限される。図１０Ｂのイメージにより、非常に広い角度範囲にわたるメタレンズの回折限界イメージング性能が確認される。

ビーム／イメージ投影
発光体アレイが焦点面に配置される場合、ＷＦＯＶメタレンズシステムを使用して、大きな投影角度でビームまたはイメージ投影することができる。図１Ｂにおいて、例えば、光源１４０（例えば、マイクロＬＥＤディスプレイ）のアレイ内の各光源（ピクセル）から放射される光は、基材１１０の一方の面上のメタ表面１２０によってコリメートされ、基材１１０の他方の面上に配置される開口部１３０に向けられ、様々な方向に向けられるか投影される。出力ビームまたはイメージは、別の媒体、例えば自由空間、または他の光学素子もしくは導波路構造に結合される。メタ表面の位相プロファイルは、回折限界集束またはコリメーション性能は、空気中でほぼ１８０°のＦＯＶにわたって達成することができ、これは、動作波長で１．５の屈折率を有する基材１１０内で約、例えば約４２°の最大屈折角に対応する。これは、複数のメタ表面を使用して大きな入射角でイメージング品質を維持する既存のメタ光学システムとはまったく対照的である。

ＷＦＯＶメタレンズ１００を使用して、３Ｄセンシング、検出、測距、通信等の用途のために、エミッターアレイ１４０から生成されるビームのアレイを広範囲の角度に向けて投影することができる。ＷＦＯＶメタレンズ１００を使用して、用途、例えばディスプレイ、ホログラフィー、ＡＲ／ＶＲ等のために、エミッターアレイ１４０（例えば、マイクロディスプレイ）から生成されるイメージを広範囲の角度に向けて投影することもできる。いくつかの例を以下に説明する。

ＷＦＯＶメタレンズを使用する３Ｄセンシング
構造化光（ＳＬ）、飛行時間（ＴＯＦ）、またはアクティブな立体視技術に基づく既存の３Ｄ深度センサーは、小さなＦＯＶ（通常は７０°未満）によって制約され、解像度は通常約１，０００×１，０００の解像可能なスポットまたは角度に制限される。別のさらに関連する技術は、ビジョンベースの自己位置推定と環境地図作成を同時に行う技術（Ｖ－ＳＬＡＭ）である。ＩｎｔｅｌのＲｅａｌＳｅｎｓｅ（登録商標）トラッキングカメラＴ２６５は、Ｖ－ＳＬＡＭを使用して最大１６３°の印象的なステッチＦＯＶを提供するが、二つの魚眼イメージングユニットを有し、特に大きな視野角における標準のカメラ光学系と比較して、魚眼レンズのイメージング品質が低いため解像度が低くなる。

図１１Ａおよび１１Ｂは、二つのＷＦＯＶメタレンズ１１１２および１１２２を備える３Ｄセンサー１１００を示す。この３Ｄセンサー１１００は、超広角ＦＯＶ、回折限界性能、平面焦点面、および３Ｄセンシング用途、例えばオプティカルタッチインターフェイス、ジェスチャコントロール、顔認識、オブジェクト検出／追跡、３Ｄスキャン、ナビゲーション等用のＷＦＯＶメタレンズ１１１２および１１２２の簡略性を利用している。

３Ｄセンサー１１００は、第一のＷＦＯＶメタレンズ１１１２および発光体アレイ１１１４（例えば、マイクロＬＥＤまたは垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイ）、ならびに第二のＷＦＯＶメタレンズ１１２２および光検出器アレイ１１２４を備えるカメラモジュール１１２０を備えるパターン投影モジュール１１１０を備える。（立体視センシングの場合、発光体アレイ１１１４を、第二の光検出器アレイと置き換え、パターン投影モジュール１１１０を別のカメラモジュールに変えることができる。）パターン投影モジュール１１１０およびカメラモジュール１１２０は、プラスチック、ガラス、または他の好適な材料の可撓性または剛性の部品であってもよい基材１１０２に取り付けられる。センサー１１００全体は、７ｍｍ未満の厚さ（例えば、３ｍｍ以下）であってもよく、市販の発光体および光検出器アレイで作製されることができる。

パターン投影モジュール１１１０は、パターン、例えばドットまたはストライプのアレイを、広い角度範囲１１１１（例えば、１２０°、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°、１７０°、またはそれより大きい）を有する自由空間に、およびオブジェクト１１０１（例えば、手または指先）に投影する。パターン投影機１１１０によって照射されたオブジェクト１１０１のイメージは、カメラモジュール１１２０によって、等しく広く重なり合うＦＯＶ１１２１全体にわたって取り込まれる。パターン投影モジュール１１１０およびカメラモジュール１１２０に結合されるプロセッサー（図示せず）は、カメラモジュール１１２０によって取り込まれたイメージを分析して、オブジェクト１１０１に関する３Ｄ情報を生成する。

超広角ビーム投影ならびに検出角度１１１１および１１２１により、広い空間および角度範囲にわたって３Ｄセンシングが可能である。メタレンズ１１１２および１１２２の回折限界性能により、高品質のパターン生成および高解像度のイメージングが可能になる。単純な光モジュール構成により、モバイルデバイス、例えばスマートフォンおよびタブレットへの高い集積化が可能となり、ならびにアセンブリのミスアライメントへの許容度が向上する。構造化光の投影およびイメージングの視野は１８０°に近く、回折限界の空間分解能で、正確な表面近傍の３Ｄセンシング／イメージングを提供する。

例えば、図６Ａに示される近赤外メタレンズ６００を使用するセンサー１１００（開口サイズ１ｍｍで９４０ｎｍで動作）は、回折限界集束／コリメーションにより、１８０°ＦＯＶ全体にわたって平均角度分解能０．１°で動作できる。したがって、センサー光学系は約１，８００×１，８００の解像度をサポートでき、最先端の３Ｄセンサーと比較して大幅な改善がみられ、開口サイズを大きくするだけで性能をさらに向上させることができる。

図１１Ａおよび１１Ｂのセンサー１１００は、厚さが７ｍｍ未満の超小型で薄型であり、マイクロＬＥＤアレイ（現在、メタレンズの２．９μｍの回折限界空間分解能に見合った、３μｍ未満のピッチで利用可能である）およびイメージャーセンサーの集積化と互換性がある。このセンサー１１００は、ソースアレイ１１１４上の各ユニットピクセルを遠方場の一点に届けるが、第一のＷＦＯＶメタレンズ１１１２の前面開口部は、放射されたビームパターン（例えば、位相、振幅、偏光）、ならびに波長に、偏光に、および／または角度に依存する応答をさらに修正するように設計される別のメタ表面（例えば、図１Ａの任意のメタ表面１３４）と集積化されることができる。この別のメタ表面は、基材の透明部分の開口部もしくは別の部分に、またはその上にあってもよく、メタレンズ１１１２の機能をさらに向上させ、１８０°ＦＯＶを超える投影パターンの複雑さおよび情報密度を高めることができる。第二のメタ表面は、開口部によって透過される光の偏光をフィルタリングまたは変化させるように構成されることができる。あるいは、第二のメタ表面は、例えば、メタ表面で誘発される非線形効果によって、開口部によって透過される光の波長を変化させるように構成されることができる。

メタレンズ１１１２の開口部面のメタ表面はまた、その位相、振幅、スペクトル、および／または偏光応答の分布を変調して有効な開口部を形成することによって、開口部を「備える」ことができる。例えば、この開口部面のメタ表面は、入射光の位相分布を変調できるため、有効な開口部領域内の光は透過されるか、さらに変調されて、裏面のメタ表面に向かって伝搬するが、開口部の外側の入射光は、ＷＦＯＶイメージングまたはセンシングのために領域から離れる方向に散乱または偏向される。有効開口部の外側のメタ表面領域はまた、（例えば、メタ表面の反射または吸収特性を設計することによって）最小透過パワーを有するように設計されることができる。有効開口部の外側のメタ表面領域はまた、特定の波長または偏光を有する光を遮断するスペクトルまたは偏光フィルタリング特性を有するように設計されることができる。

最先端の３Ｄセンシングと比較して、ＷＦＯＶメタレンズを使用する３Ｄセンシングには、多くの利点、（１）ＳＬ、ＴＯＦ、およびアクティブ立体視３Ｄ深度センシングに広く適用できる、（２）照射および光受信（カメラ）光学系に関連するＦＯＶの制限を同時に解決する、（３）メタ表面光学系の回折限界イメージングおよびイメージ投影能力により、収差のない、ＦＯＶ全体にわたる微細な空間分解能が可能になる、（４）光学系は、（例えば、ＶＣＳＥＬ照射のための）単一の近赤外波長で、または（例えば、マイクロＬＥＤアレイ照射のための）狭帯域全体にわたって動作するように設計されているため、非常に高い（例えば、ほぼ単一の）光学効率が達成できる、（５）超コンパクト型および最小要素数、ならびに（６）メタ表面の様々な部分は様々なＡＯＩにおける光と相互作用するため、メタ原子は動作波長外の周囲光を除くように局所的に構成されることができる、がある。通過帯域がＡＯＩでスペクトル的にシフトするため、広い角度範囲で使用できない従来の光学フィルターとは異なり、メタ表面の独自の超広角光学フィルター能力は、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）およびダイナミックレンジを大幅に増加させることができる。

図１１Ａおよび１１Ｂの高解像度のパノラマ３Ｄセンサー１１００は、家庭用電化製品、ロボット工学、拡張／統合現実、自動車および無人航空機（ＵＡＶ）等に及ぶ用途がある。例えば、ワイドセンシングＦＯＶは、現在の３Ｄセンシング法では不可能な、シングルポイントセンサーを使用して表面近傍の手のジェスチャー認識および制御を可能にする。拡張現実および仮想現実では、微細なセンサー解像度および（人間の視覚のそれと合致する）大きなＦＯＶにより、没入型ユーザー体験を作り出すために、周囲の環境の迅速かつ正確な再構成が可能となる。

拡張現実（ＡＲ）および仮想現実（ＶＲ）用のＷＦＯＶメタレンズ
拡張現実および仮想現実用途用のマイクロディスプレイは、次世代ディスプレイテクノロジーの幅広い実装空間のために、最近は、重要な研究開発努力を集めている。光学的構成から、ＡＲ／ＶＲディスプレイは、バルク光学ベースのシステムと導波路ベースのシステムの二つの主要なグループに分類されることができる。導波路ベースのシステムは、そのコンパクトなフォームファクターならびに眼鏡および他のデバイスとの一体化のしやすさのために、近年関心が高まっている。最先端の導波路ベースのディスプレイは、解像度およびＦＯＶが依然として制限されている。例えば、既存の商用導波路ＡＲ／ＶＲシステムのＦＯＶは、通常４５°×４５°未満であり、人間の視覚の範囲よりもはるかに小さい。表示品質を改善するために、従来の光学エンジンは、システムのサイズおよび重量を増加させる、複雑で多要素の光学システムを使用する。

図１２は、マイクロＬＥＤアレイ１２１２および高解像度のＷＦＯＶ投影メタレンズ１２１４から構成される光学エンジン１２１０を備えるＡＲ／ＶＲシステム１２００を示している。ＷＦＯＶ投影メタレンズ１２１４は、光結合構造１２２０、例えば３Ｄ自由形状結合構造（図１２のような）、サブ波長光学構造、または回折光学素子によって導波路１２３０に結合される。導波路１２２２はまた、導波路アウトカップリング構造１２２４、例えば別の３Ｄ自由形状結合構造、サブ波長光学構造、または回折光学素子に結合されるか、またはそれらを備える。マイクロディスプレイ１２１２は光ビームを放射し、光ビームはＷＦＯＶメタ表面投影光学系１２１４によってコリメートされ、続いて、光結合構造１２２０によって導波路１２３０に結合される。導波路１２２２は、光を導波路アウトカップリング構造１２２４に向け、イメージを大きなＦＯＶ（例えば、１８０度に近い）で面外に直接目（複数可）１２０１に投影される。

開口サイズを２ｍｍとすると、その収差のないイメージング性能により、ＷＦＯＶメタ表面投影光学系１２１４の角度分解能は波長５５０ｎｍで０．３４ｍＲａｄであり、人間の眼の分解能（例えば、約０．３ｍＲａｄ）に非常に近くなる。１８０°ＦＯＶとすれば、これにより、各ＲＧＢ波長で９０００×９０００を超える分解可能なスポットの解像度、およびマイクロディスプレイ上で約９ｍｍ×９ｍｍＦＯＶが得られる。メタ光学系の総厚は、わずか数ミリメートルである。

メタ表面開口部を備えるメタレンズ
図１３Ａおよび１３Ｂはそれぞれ、発光体アレイ１３４０内のエミッター（例えば、ＬＥＤまたはＶＣＳＥＬ）１３４２ａ～１３４２ｃによって投影されるビームを変調するメタレンズ１３００および１３０２を示す。図１３Ａにおいて、発光体アレイ１３４０は、メタレンズ１３００の平面焦点面にあり、これは、一方の面上に第一のメタ表面１３２０を有し、他方の面に第二のメタ表面１３３４を有する透明基材１３１０を備える。第一のメタ表面１３２０は、１２０°以上のＦＯＶに及ぶことができる発光体１３４２によって放射されたビームをコリメートする。コリメートされたビームは、基材１３１０を通って第二のメタ表面１３３４に伝搬し、第二のメタ表面１３３４は、第一のメタ表面１３１０の領域よりも小さい領域に広がる。第二のメタ表面１３３４は、コリメートされたビームの位相、振幅、偏光、および／またはスペクトル特性を変調して、２Ｄまたは３Ｄ光学パターン、ドットアレイ／クラウド、イメージ、ホログラム、もしくは異なる偏光を有するパターン、および／またはスペクトル特性を生成する。第一のメタ表面１３２０はまた、入射ビームの入射角、波長、偏光等に基づいて変化する２Ｄまたは３Ｄパターンを生成するように構成することができる。

図１３Ｂは、類似のメタレンズ１３０２を示す。違いは、第二のメタ表面１３３６が、入射角の関数として変化するパターンを生成するように構成されていることである。この場合、エミッター１３４２ａからの光は正方形格子上にドットのアレイを生成するが、エミッター１３４２ｂと１３４２ｃからの光は異なる疎なドットのアレイを生成する。第二のメタ表面１３３６はまた、空間、偏光、および／またはスペクトル特性を含む他のビーム特性に応じて入射ビームを変調するように構成されることができる。例えば、第二のメタ表面１３３６はまた、波長または偏光に依存するパターンを生成するように構成されることができ、その結果、発光体アレイ１３４０から様々な波長または偏光特性を有する放射された光は、カスタマイズ可能なパターンを生成する。第一および第二のメタ表面１３２０および１３３６の入射ビーム特性に依存する応答は、組み合わせた方法で利用されることができる。あるいは、ＤＯＥは、第二のメタ表面１３３４／１３３６の代わりに、またはそれらとの組み合わせによって使用できる。カスタマイズ可能または再構成可能な空間、角度、偏光、および／またはスペクトル特性を備える照射パターンを、このようなモダリティに関連付けられるオブジェクト再構成アルゴリズムと組み合わせて、場面の特性を効率的に得ることができる。

結び
様々な発明の実施形態が本明細書で説明および例示されてきたが、当業者は、機能を実行するため、ならびに／または結果および／もしくは本明細書に記載の利点のうちの一つまたは複数を得るための様々な他の手段ならびに／または構造を容易に想定するであろう。またこのような変形および／または修正のそれぞれは、本明細書に記載の本発明の実施形態の範囲内であると見なされる。より広くは、当業者は、本明細書に記載の全てのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示的なものであり、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される特定の用途に依存することを容易に理解するであろう。当業者は、日常的な実験のみを使用して、本明細書に記載の特定の本発明の実施形態と等価の多くの物を認識するか、または確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は例としてのみ提示され、添付の特許請求の範囲およびそれに相当する範囲内で、本発明の実施形態は、具体的に記載および請求される以外の方法で実施される場合があることを理解されたい。本開示の発明の実施形態は、本明細書に記載の個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法のそれぞれを対象としている。さらに、二つ以上のこのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が互いに矛盾していない場合、本開示の本発明の範囲内に含まれる。

また、様々な発明の概念は、一つまたは複数の方法として具体化されてもよく、その実施例が提供されている。方法の一部として実行される工程は、任意の好適な方法で命令されることができる。したがって、実施形態は、例示とは異なる順序で工程が実行されるように構成されてもよく、例示的な実施形態において連続的な工程として示されていても、いくつかの工程を同時に実行することを含んでもよい。

本明細書で定義および使用される全ての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれる文書内の定義、および／または定義された用語の通常の意味を制御するものと理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲において使用する不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、明確に反対の指示がない限り、「少なくとも一つ」を意味すると理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲において使用する句「および／または」は、そのように結合される要素、すなわち、ある場合には結合的に存在し、他の場合には分離的に存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味すると理解されるべきである。「および／または」とともに列挙された複数の要素は、同じ様式で、すなわち、そのように結合される要素の「一つまたは複数」と解釈されるべきである。「および／または」節によって具体的に識別される要素以外の他の要素は、具体的に識別されるそれらの要素と関連しているか関連していないかに関わらず、任意に存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」とは、「含む」などのオープンエンドの言語と組み合わせて使用される場合、一実施形態ではＡのみ（場合によりＢ以外の要素を含む）、別の実施形態ではＢのみ（場合によりＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（場合により他の要素を含む）、等を指すことができる。

本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、「または」は、上記で定義された「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を区切る場合、「または」または「および／または」は包括的である、すなわち、いくつかのまたはリストされた要素の、および場合によって別のリストされていないアイテムのうちの少なくとも一つを含むが、それらのうちの複数も含むと解釈されるものとする。反対に明確に示される用語、例えば「のうちの一つのみ」もしくは「のうちの一つだけ」、または特許請求の範囲で使用される場合の「からなる」、のみが、いくつかのまたはリストの要素のうちの正確に一つの要素を含むことを指す。一般的に、本明細書で使用される用語「または」は、排他性の用語、例えば「いずれか」、「のうちの一つ」、「のうちの一つのみ」、「のうちの一つだけ」が前に付いている場合、排他的な選択肢（すなわち、「一方または他方であるが両方ではない」）を示すものとしてのみ解釈されるものとする。「本質的になる」は、特許請求の範囲において使用する場合、特許法の分野で使用される通常の意味を持つものとする。

本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、一つまたは複数の要素に関連する句「少なくとも一つ」は、要素のリスト内の要素のうちのいずれか一つまたは複数から選択される少なくとも一つの要素を意味すると理解されるべきであるが、要素のリスト内に具体的に列挙された全ての要素のうちの少なくとも一つを必ずしも含む必要はなく、要素のリスト内の要素のいかなる組み合わせを除外するわけではない。この定義はまた、句「少なくとも一つ」が言及する要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素が、具体的に特定された要素に関連するかどうかにかかわらず、必要に応じて存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも一つ」（または同等に「ＡまたはＢのうちの少なくとも一つ」、または同等に「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも一つ」）は、一実施形態では、少なくとも一つの、必要に応じて二つ以上のＡを含み、Ｂが存在しない（および必要に応じてＢ以外の要素を含む）ことを指し、別の実施形態では、少なくとも一つの、必要に応じて二つ以上のＢを含み、Ａが存在しない（および必要に応じてＡ以外の要素を含む）ことを指し、さらに別の実施形態では、少なくとも一つの、必要に応じて二つ以上のＡを含み、ならびに少なくとも一つの、必要に応じて二つ以上のＢを含む（および必要に応じて他の要素を含む）、等を指すことができる。

特許請求の範囲および上記の明細書において、全ての移行句、例えば、「備える」、「含む」、「保有する」、「有する」、「包含する」、「関わる」、「保持する」、「構成される」等は、オープンエンドであること、すなわち、含むがこれに限定されないことを意味すると理解されるべきである。米国特許庁審査手続マニュアル第２１１１．０３条に定める通り、それぞれ、移行句「～からなる」および「本質的に～からなる」のみが、排他的または準排他的な移行句であるとする。

Claims (23)

1. 基材と、
   前記基材の第一の面にあり、少なくとも１２０°の視野にわたって光が透過するように開口部が形成された不透明な層と、
   前記基材の前記第一の面と反対側の第二の面にあり、前記開口部により前記基材を透過した前記光を集束させるメタ表面と
   を備える光学部品。
2. 前記基材は平面状である、請求項１に記載の光学部品。
3. 前記基材は湾曲している、請求項１に記載の光学部品。
4. 前記基材は、厚さｔ_ｓｕｂおよび前記光の波長における屈折率ｎ_ｓｕｂを有し、前記開口部は直径Ｄ_ｉｎを有し、前記メタ表面は直径Ｄ_ｍｅｔａ＝Ｄ_ｉｎ＋ｔ_ｓｕｂｔａｎ［ｓｉｎ^－１（１／ｎ_ｓｕｂ）］を有する、請求項１に記載の光学部品。
5. 前記メタ表面は、前記視野全体にわたって入射する前記光を、前記基材の前記第二の面に平行な焦点面に集束させるように構成される、請求項１に記載の光学部品。
6. 前記メタ表面によって集束される前記光を検出するための、前記焦点面に検出器アレイをさらに備える、請求項５に記載の光学部品。
7. 前記焦点面における光源アレイをさらに備え、
   前記メタ表面は、前記光源アレイによって放射されるビームをコリメートするように構成され、前記開口部は、前記ビームを放射するように構成される、請求項５に記載の光学部品。
8. 前記メタ表面および／または前記開口部は、前記光源アレイによって放射される前記ビームを変調するようにさらに構成される、請求項７に記載の光学部品。
9. 前記メタ表面は、少なくとも８０％のストレール比で前記視野全体にわたって入射光を集束させるように構成される、請求項１に記載の光学部品。
10. 前記メタ表面は、少なくとも１０００×１０００メタ原子のアレイを備える、請求項１に記載の光学部品。
11. 前記メタ表面は、様々な入射角で入力ビームを取り込むように構成される、様々であるが連続的な部分を有する、請求項１に記載の光学部品。
12. 前記メタ表面は、少なくとも一つの三次ザイデル収差を補正するように構成される、請求項１に記載の光学部品。
13. 前記メタ表面は、第一のメタ表面であり、ならびに、
    前記開口部によって透過される前記光を変調および／またはフィルタリングするために、前記開口部の少なくとも一部に配置される第二のメタ表面をさらに備える、請求項１に記載の光学部品。
14. 前記第二のメタ表面は、前記開口部によって透過される前記光の入射角に依存する空間変調パターンで、前記開口部によって透過される前記光を変調するように構成される、請求項１３に記載の光学部品。
15. 基材の第一の面上に形成された開口部を通して少なくとも１２０°の視野にわたって光を透過させることと、
    前記基材の前記第一の面と反対側の第二の面上のメタ表面により前記光を集束させることと
    を含む方法。
16. 前記光を収束させることは、前記視野全体にわたって入射する前記光を、前記基材の前記第二の面に平行な焦点面に集束させることを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記メタ表面によって集束される前記光を、前記焦点面の検出器アレイを用いて検出することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記焦点面の前記光源アレイによって放射されるビームを、前記メタ表面を用いてコリメートすることと、
    前記開口部を通して前記ビームを放射することと、をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記光を集束させることは、少なくとも８０％のストレール比で前記視野全体にわたって前記入射光を集束させることを含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記光を集束させることは、少なくとも一つの三次ザイデル収差を補正することを含む、請求項１５に記載の方法。
21. 前記開口部によって透過される前記光の入射角に基づいて、前記開口部の少なくとも一部に配置される別のメタ表面を用いて、前記開口部によって透過される前記光の少なくとも位相、振幅、偏光、または波長を変調することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
22. 前記開口部の少なくとも一部に配置される別のメタ表面を用いて、前記開口部によって透過される前記光をフィルタリングすることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
23. 基材と、
    前記基材の第一の部分によって支持され、光を放射する光源アレイと、
    前記光源アレイと光学的に通じており、前記光源アレイから放射された前記光を少なくとも約１２０°の視野にわたってオブジェクトに向けて投影する第一のメタレンズであって、前記第一のメタレンズは、前記光源アレイに面する第一の面上にある第一のメタ表面と、第二の面上に第一の開口部を有する第一の平面基材とを備える、第一のメタレンズと、
    前記オブジェクトと光学的に通じており、少なくとも約１２０°の視野にわたって前記オブジェクトによって散乱および／または反射された前記光を集める第二のメタレンズであって、前記第二のメタレンズは、前記オブジェクトに面する第一の面上にある第二の開口部と、第二の面上に第二のメタ表面を有する第二の平面基材とを備える、第二のメタレンズと、
    前記基材の第二の部分によって支持され、前記第二のメタレンズと光学的に通じており、前記第二のメタレンズにより集められた前記光を検出する検出器アレイと
    を備えるセンサー。

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