JP2023523765A - 反射光学メタ表面フィルム - Google Patents

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Abstract

光学メタ表面フィルムは、第１の主表面を有する可撓性ポリマーフィルムと、可撓性ポリマーフィルムの第１の主表面に近接する第１の表面を有し、第１の表面の反対側に第２のナノ構造表面を有するパターン化ポリマー層と、ナノ構造境界面を有するナノ構造二重層を形成するパターン化ポリマー層のナノ構造表面に隣接する屈折率コントラスト材料を含む屈折率コントラスト層と、を含む。ナノ構造二重層は、可撓性ポリマーフィルム上に配置された複数のナノ構造を含む。ナノ構造二重層は、可撓性ポリマーフィルム上のナノ構造二重層の位置の関数として変化する光相シフトを付与する。ナノ構造二重層の光相シフトは、光学メタ表面フィルムの所定の動作位相プロファイルを定義する。光反射層は、ナノ構造二重層と光学的に連通する。

Description

メタ材料は、少なくとも１つの表面上にナノスケールの特徴を有する合成複合材料である。少なくとも１つの寸法が表面に衝突する光の波長よりも短くなるように、ナノスケールの特徴が選択されると、メタ材料は、従来の材料及び技術では容易に得られない特性を示し得る。メタ材料は、単一又は少数のパターン化層などの単純な表面構造を有する場合もあれば、スタックされたパターン化層などのより複雑な表面構造を有する場合もあり、多くの場合、個々のナノスケールの特徴が、その設計に従って衝突放射線と電磁的に相互作用するように、互いに位置合わせされている。単一又は少数のパターン化層を有するメタ材料は、メタ表面と呼ばれる。ナノスケールの表面特徴を有するメタ表面は、最近、光学、バイオセンシング、半導体、及び他の電子デバイスでの用途を見出した。
メタ表面は、例えば、電子ビームリソグラフィ及び原子層堆積を使用して、剛性表面に形成されている。これらの材料は、限定された表面積を有する基材上に形成されている。これらの材料は、直径３００ｍｍ以下のウェーハ基材上に形成されている。
光学メタ表面ポリマーフィルムについて記載されている。これらの光学メタ表面ポリマーフィルムは、可撓性基材上に形成され、多層光学フィルムなどの光反射層を含み得る。可撓性基材は、例えば、横方向寸法が３００ｍｍ超である大型基材であり得る。これらの光学メタ表面ポリマーフィルムは、忠実度の高いロールツーロール処理を利用して形成され得る。
光学メタ表面フィルムは、第１の主表面を有する可撓性ポリマーフィルムと、可撓性ポリマーフィルムの第１の主表面に近接する第１の表面を有し、第１の表面の反対側に第２のナノ構造表面を有するパターン化ポリマー層と、ナノ構造境界面を有するナノ構造二重層を形成するパターン化ポリマー層のナノ構造表面に隣接する屈折率コントラスト材料を含む屈折率コントラスト層と、を含む。ナノ構造二重層は、可撓性ポリマーフィルム上に配置された複数のナノ構造を含む。ナノ構造二重層は、光の振幅、位相、若しくは偏光、又はそれらの組み合わせに局所的に作用し、可撓性ポリマーフィルム上のナノ構造二重層の位置の関数として変化する光相シフトを付与する。ナノ構造二重層の光相シフトは、光学メタ表面フィルムの所定の動作位相プロファイルを定義する。光反射層は、ナノ構造二重層と光学的に連通する。
光反射層は、可撓性ポリマーフィルムをナノ構造二重層から分離し得る。ナノ構造二重層は、光反射層を可撓性ポリマーフィルムから分離し得る。
光学メタ表面フィルムは、第２の光反射層を更に含み得る。ナノ構造二重層は、光反射層を第２の光反射層から分離し得る。
光反射層から反射された光は、ナノ構造二重層によって変更され得る。反射された光は、３８０～１６００ｎｍ、又は２８０～７５０ｎｍ、又は７５０～１６００ｎｍの範囲の波長値を有する。
光反射層を透過した光は、ナノ構造二重層によって変更され得る。透過した光は、３８０～１６００ｎｍ、又は２８０～７５０ｎｍ、又は７５０～１６００ｎｍの範囲の波長値を有する。
光反射層は、多層光学フィルムを含み得る。光反射層は、ポリマー多層光学フィルムを含み得る。光反射層は、偏光子を備え得る。
ナノ構造二重層は、光の振幅に局所的に作用し得る。ナノ構造二重層は、光の位相に局所的に作用し得る。ナノ構造二重層は、光の偏光に局所的に作用し得る。
ナノ構造二重層は、中実材料（solid material）によって画定され得る。ナノ構造二重層は、中実材料で形成され得る。ナノ構造二重層は、ポリマー材料で形成され得る。
ナノ構造二重層は、パターン化ポリマー層を可撓性ポリマーフィルムの第１の主表面から分離するエッチング停止層を更に含み得る。
屈折率コントラスト材料は、第１の屈折率値を有し得、パターン化ポリマー層は、第１の屈折率値とは少なくとも０．２５異なる、又は０．５異なる、又は０．７５異なる、又は１．０異なる、又は１．４異なる第２の屈折率値を有する。
ナノ構造二重層は、屈折率コントラスト層に埋め込まれた複数のナノ構造によって画定され得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、少なくとも約１：１、２：１、５：１、１０：１、又は１５：１のアスペクト比を有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、好ましくは、約２：１～約２０：１、又は約４：１～約１５：１の範囲のアスペクト比を有し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、約１～１０度、２～１０度、３～１０度、４～１０度、１～６度、２～６度、又は３～６度、又は２～４度の範囲の角度を有する先細の側壁を画定し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、約０～１０度、０～６度、０～３度、０～２度、０～１度の範囲、又は０度の角度を有する先細の側壁を画定し得る。
屈折率コントラスト材料は、金属酸化物又は金属窒化物を含み得る。屈折率コントラスト材料は、チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウム；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの酸化物；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの窒化物；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの硫化物；又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。
パターン化ポリマー層は、フルオロポリマー、（メタ）アクリレート（コ）ポリマー、又はシリカ含有ポリマーを含み得る。パターン化ポリマー層は、フルオロアクリレートを含み得、屈折率コントラスト材料は、二酸化チタンを含み得る。パターン化ポリマー層は、（メタ）アクリレートを含み得、屈折率コントラスト材料は、二酸化チタンを含み得る。
可撓性ポリマーフィルムは、約５マイクロメートル～約３００マイクロメートルの範囲の公称厚さを有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、５マイクロメートル以下、又は約１００ナノメートル～約３０００ナノメートル、若しくは約５００ナノメートル～約１５００ナノメートルの範囲の高さを有し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、呼掛け（interrogating）電磁放射線に含まれる最短波長に対してサブ波長である公称ピッチ（隣接するナノ構造間の中心間距離）を有する。可視スペクトル範囲で動作する光学メタ表面の場合、ナノ構造表面を形成するナノ構造は、６００ナノメートル以下、又は５００ナノメートル以下、又は４００ナノメートル以下の公称ピッチを有し得る。可視スペクトル範囲で動作する光学メタ表面の場合、ナノ構造表面を形成するナノ構造は、好ましくは、５０ナノメートル～６００ナノメートル、又は１００ナノメートル～５００ナノメートル、又は２００ナノメートル～４００ナノメートルの公称ピッチを有し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、各々、サブ波長の横方向距離だけ互いに（端から端まで）分離されている。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、各々、４００マイクロメートル以下、若しくは約２０ナノメートル～約４００ナノメートル、又は約５０ナノメートル～約３００ナノメートルの範囲で互いに分離され得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、サブ波長であるナノ構造特徴の高さに直交する横方向寸法を有する。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、約６００ナノメートル以下の、又は約１０ナノメートル～約４００ナノメートル、若しくは約５０ナノメートル～約３５０ナノメートルの範囲のナノ構造特徴の高さに直交する横方向寸法を有し得る。
光相シフトは、可視光波長範囲内で生じ得る。光相シフトは、近赤外線波長範囲内で生じ得る。光学メタ表面フィルムは、可視光又は近赤外光を透過し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化する配向を有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化する空間配置を有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化を有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化するアスペクト比を有し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、平面方向において幾何学的に異方性であり得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、平面方向において幾何学的に等方性であり得る。
例示的な光学メタ表面フィルムの断面概略図である。 別の例示的な光学メタ表面フィルムの断面概略図である。 光パネル上の別の例示的な光学メタ表面フィルムの断面概略図である。 別の例示的な光学メタ表面フィルムの断面概略図である。 別の例示的な光学メタ表面フィルムの断面概略図である。 ４つの代表的な光学メタ表面フィルムの上面概略図を示す。 例示的な光学メタ表面フィルムを形成する例示的な方法の断面概略図を示す。 反射動作モード及び偏光子動作モードを示す、図４の例示的な光学メタ表面フィルム構造の断面概略図である。 反射動作モード及び偏光子動作モードを示す、図４の例示的な光学メタ表面フィルム構造の断面概略図である。 偏光子動作モード及びコリメート動作モードを示す、図３の例示的な光学メタ表面フィルム構造の断面概略図である。 偏光子動作モード及びコリメート動作モードを示す、図３の例示的な光学メタ表面フィルム構造の断面概略図である。 実施例２の１０層ＭＯＦスタックの層厚プロファイルのグラフである。 実施例２の１０層ＭＯＦスタックの入射角の関数としての光透過率のグラフである。 実施例２の図３の例示的な光学メタ表面フィルム構造の入射角の関数としての光透過率のグラフである。 実施例２の図４の例示的な光学メタ表面フィルム構造の入射角の関数としての光透過率のグラフである。
概略図は、必ずしも縮尺どおりではなく、限定ではなく例示を目的として提示される。図面は、本開示に記載される１つ以上の態様を示す。しかしながら、図面に示されていない他の態様は、本開示の範囲及び精神に含まれることが理解されるであろう。
光学メタ表面ポリマーフィルムについて記載されている。これらの光学メタ表面ポリマーフィルムは、可撓性基材上に形成され、多層光学フィルムなどの光反射層を含み得る。可撓性基材は、例えば、横方向寸法が３００ｍｍ超である大型基材であり得る。これらの光学メタ表面ポリマーフィルムは、忠実度の高いロールツーロール処理を利用して形成され得る。
パーセンテージとして報告される全ての値は、総重量に基づく重量パーセントであると推定される。
本明細書で使用される全ての科学用語及び技術用語は、別途明記しない限り、当該技術分野で通常使用される意味を有する。本明細書で提供される定義は、本明細書で頻繁に使用される特定の用語の理解を容易にするためのものである。
本明細書で用いる場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、内容が明確に別段の規定をしない限り、複数の指示対象を有する実施形態を包含する。
本明細書で用いる場合、「又は」は、内容が明確に別段の規定をしない限り、概して「及び／又は」を含む意味で用いられている。用語「及び／又は」は、列挙された要素のうちの１つ若しくは全て、又は列挙された要素のうちの任意の２つ以上の組み合わせを意味する。
本明細書で用いる場合、「有する（have）」、「有する（having）」、「含む（include）」、「含む（including）」、「含む（comprise）」、「含む（comprising）」などは、オープンエンドの意味で用いられ、通常、「含むが、これらに限定されない」という意味である。「から本質的になる（consisting essentially of）」、「からなる（consisting of）」などは、「含む（comprising）」などに包含されることが理解されるであろう。
用語「メタ表面」は、１つ以上の光学機能を実行する、フォトニック共振器又は短縮型導波管の２次元サブ波長間隔又はアレイを指す。各アレイは、光の１つ以上の物理的特性、特に、振幅、位相、又は偏光に局所的に作用する。フォトニック共振器又は短縮型導波管のナノ特徴形状としては、長方形、三角形、台形のプリズム；フィン、円筒形及び円錐台形の柱などが含まれるが、これらに限定されない。特徴は、用途の機能及び決定された物品の設計に応じて、規則的、決定論的、又はランダム化されたピッチ、配向、及び形状で定置され得る。
用語「ナノ構造」は、１マイクロメートル未満の少なくとも１つの寸法を有する特徴を指す。
用語「アスペクト比」は、特徴の高さ対特徴の幅の比を指す。
用語「屈折率」とは、材料の絶対屈折率を指し、自由空間中の電磁放射線の速度とその材料中の電磁放射線の速度の比であると理解され、放射線は、波長が約５３２ナノメートル（ｎｍ）の緑色光である。屈折率は、公知の方法を使用して測定することができ、一般に、アッベ屈折計を使用して測定される。
用語「可撓性ポリマーフィルム」は、５２ｍｍ以下の曲率半径まで弾性的に湾曲することができるポリマーフィルムを指す。
用語「多層光学フィルム」又は「ＭＯＦ」は、望ましい透過特性又は反射特性を提供するために異なる屈折率を有するミクロ層のポリマー又は誘電スタックを指す。
用語「動作位相プロファイル」は、入射電磁放射線上のメタ表面によって付与される位相プロファイルを指す。それは、特定の光学機能を実行するように設計される。
語句「ランド領域の厚さ」は、構造化された表面層の底面と表面特徴の底面によって定義された平面との間の高さを指す。残留層又は残留領域とも呼ばれる。
用語「精密ランド」は、決定論的で制御されたランドの厚さを有する構造化された表面層を指す。２つの例は、後続のエッチングステップを可能にする最小化されたランド、及び最終フィルムにおける特徴の高さを定義するランドである。理想的には、構造化された表面が後続のエッチングステップを可能にする場合、残留層厚の厚さは特徴の高さよりも小さくなる。ランド厚が最終フィルムにおける特徴の高さを定義する場合、ランド層厚は、理想的には、層厚の＜２５％、より好ましくは＜１０％、最も好ましくは＜５％の変動性を有する。
用語「非制御ランド」は、任意のランド厚を有する構造化された表面層を指す。層厚変動性は、＞２５％であり得る。
別段の指示がある場合を除き、本明細書及び添付の特許請求の範囲の目的のために、量、分量、パーセンテージなどを表す全ての数字は、全ての場合において用語「約」によって修飾されていると理解されるべきである。また、全ての範囲は、開示された最大点及び最小点を含み、その中の任意の中間範囲を含み、それらは本明細書に具体的に列挙されていてもされていなくてもよい。したがって、本文脈中、数Ａは、ＡのＡ±２％として理解される。本文脈内で、数Ａは、数Ａが変更する特性の測定の一般的な標準誤差内にある数値を含むと見なすことができる。場合によっては、添付の特許請求の範囲で使用される数Ａは、Ａが逸脱する量が特許請求される発明の基本的かつ新規な特徴（単数又は複数）に実質的に影響を及ぼさない限り、上に列挙したパーセンテージだけ逸脱してもよい。また、全ての範囲は、開示された最大点及び最小点を含み、その中の任意の中間範囲を含み、それらは本明細書に具体的に列挙されていてもされていなくてもよい。
反射層は、多層光学フィルム又は金属層のうちの１つ以上であり得る。反射金属層は、銀、アルミニウム、金、銅、クロム、チタン、又はジルコニウムなどの任意の有用な金属で形成され得る。反射金属層は、光を反射するのに有用な任意の厚さを有し得る。反射金属層は、１０ナノメートル～１０マイクロメートル、又は１０ナノメートル～１マイクロメートル、又は２０ナノメートル～５００ナノメートル、又は２０ナノメートル～１００ナノメートルの範囲の厚さを有し得る。
光反射層は、多層光学フィルムであり得る。多層光学フィルムは、有機層又は無機層で形成され得る。多層光学フィルムは、無機層で形成され得る。無機多層光学フィルムは、０．５～２マイクロメートル、又は０．５～１マイクロメートルの範囲の厚さを有し得る。無機光反射層は、２０層未満、又は４～１４層を有し得、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折コントラストは、１以上である。
多層光学フィルムは、有機層又はポリマー層で形成され得る。ポリマー多層光学フィルムは、５～１５０マイクロメートル、又は２０～１００マイクロメートルの範囲の合計厚を有し得る。ポリマー多層光学フィルムは、２０～１０００層を有し得、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折コントラストは、０．１以上、又は０．０１以上である。
多層光学フィルムは、交互ポリマー層を共押し出しすることによって実証された。例えば、米国特許第３，６１０，７２９号（Ｒｏｇｅｒｓ）、同第４，４４６，３０５号（Ｒｏｇｅｒｓら）、同第４，５４０，６２３号（Ｉｍら）、同第５，４４８，４０４号（Ｓｃｈｒｅｎｋら）、及び同第５，８８２，７７４号（Ｊｏｎｚａら）を参照されたい。これらのポリマー多層光学フィルムにおいて、個々の層の作製には、ほとんど又は専ら、ポリマー材料が使用される。これらは、熱可塑性多層光学フィルムと呼ばれることがある。そのようなフィルムは、大量生産プロセスと適合性があり、大型のシート及びロール物品として作製され得る。下記の説明及び実施例は、熱可塑性多層光学フィルムに関する。
多層光学フィルムは、異なる屈折率特質を有する個々のミクロ層を含み得、それにより、一部の光は、隣接するミクロ層間の境界面で反射される。ミクロ層は十分に薄いため、複数の境界面で反射された光は強め合う干渉又は弱め合う干渉を受けて、多層光学フィルムに所望の反射特性又は透過特性を与える。紫外線波長、可視波長、又は近赤外線波長の光を反射するように設計された多層光学フィルムでは、各ミクロ層は、一般に、約１μｍ未満の光学的厚さ（物理的厚さに屈折率を乗じたもの）を有する。層は一般に、最も薄いものから最も厚いものへと配置することができる。いくつかの実施形態において、光学層を交互にする配置は、層数の関数として実質的に線形に変化することがある。これらの層プロファイルは、線形の層プロファイルと呼ばれることがある。多層光学フィルムの外側表面のスキン層、又は、多層光学フィルム内に配置され、ミクロ層のひとまとまりの群（本明細書においては「パケット」と呼ぶ）を分離する保護境界層（protective boundary layer、ＰＢＬ）などの、より厚い層を含めることもできる。場合によっては、保護境界層は、多層光学フィルムの交互層のうちの少なくとも１つと同じ材料であってもよい。他の場合では、保護境界層は、物理的特性又はレオロジー特性のために選択される、異なる材料であってよい。保護境界層は、光学パケットの片側又は両側にあってもよい。単一パケットの多層光学フィルムの場合、保護境界層は、多層光学フィルムの外側表面の一方又は両方にあってよい。
スキン層が加えられることがあり、これはフィードブロックの後方であるが、溶融物がフィルムダイを出る手前で行われる。多層溶融物は次いで、ポリエステルフィルムに関する従来の方式でフィルムダイを介してチルロール上にキャスティングされ、その際に急冷される。次いで、キャストウェブが異なる方法で延伸されて、光学層のうちの少なくとも１つにおいて複屈折性を達成し、多くの場合、例えば、米国特許出願公開第２００７／０４７０８０（Ａ１）号、米国特許出願公開第２０１１／０１０２８９１（Ａ１）号、及び米国特許第７，１０４，７７６号（Ｍｅｒｒｉｌｌら）に記載されているように、反射型偏光子又はミラーフィルムのいずれかが製造される。複屈折性を有するフィルムは、熱可塑性複屈折多層光学フィルムと呼ばれることがある。
これらのフィルムは、フィルムが他のフィルム構造（例えば、吸収性偏光子、ポリカーボネート、又はポリエステルシート）及び／又は物品（例えば、ＬＣＤディスプレイ）にラミネート（laminate）される様々な用途を有する。各製造プロセスのある時点で、通常、ＭＯＦ又はラミネートされたＭＯＦが任意の様々なプロセス、例えば、剪断、回転ダイ、ダイプレス、レーザーなどによって切断される変換ステップがある。メタ表面特徴は、多層光学フィルムの上又は中に直接形成され得る。メタ表面特徴は、多層光学フィルムのスキン層の上又は中に直接形成され得る。
メタ表面ポリマーフィルムは、任意の有用なナノ複製技術によって形成され得る。ナノ複製は、円筒形ツールと、熱可塑性（熱）又はＵＶ硬化樹脂（光化学）層を有するポリマー支持フィルムのロールと、を使用して、ナノ構造表面層を作成するための連続的な熱又は光化学プロセスを指す。１つの例示的なナノ複製技術は、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）である。
ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）は、は、高精密かつ低コストでポリマーナノ構造をパターニングするためのハイスループット技術である。レジスト層の光子ビーム又は電子ビームの曝露によってレジストの化学的特性及び物理的特性を変更することによってパターン定義を達成する従来のリソグラフィ手法とは異なり、ＮＩＬは、レジスト材料の直接的な機械的変形におけるスタンプの使用に依存する。スタンプはマスターウェーハから作製され、元のパターンの多くのコピーを生成するために迅速なプロセスで再利用され得る。
直視型電子ディスプレイ（特に高解像度フルカラーディスプレイ用のディスプレイ光制御フィルム）の光学用途は、例えば、基材の透明性、低リターダンス、高い光学効率、及び単位面積当たりの低コストを利用する。標準的なウェーハ基材（通常、ＮＩＬで利用される）はサイズが制限されていること、及びユニットコストが高いことから、光増強素子、ディフューザ、偏光子などの直視型消費者向けディスプレイでの使用には一般的に不適切である。ウェーハレベル光学系は、通常、マイクロレンズアレイ、回折格子、及び導波管光学系など、寸法が制限されたマイクロ光学部品に委ねられる。
ディスプレイ裏面の作製には、大きな寸法（＞１ｍ×１ｍ）のディスプレイガラスパネルが使用されるが、パターニング技術及び機器（通常、光学リソグラフィステッパ）は解像度が限定されており、ナノ構造の特徴を作製するために使用することはできない。工学加工された（engineered）ナノ構造表面を有するポリマーフィルム基材を使用すると、実際には直径３００ｍｍ以下に制限される、半導体ウェーハの寸法を超える寸法を有するナノパターン化部品を可能にする。ナノパターン化ポリマーフィルムは、幅１ｍ×長さ１ｋｍ程度、又は不定の長さの寸法を有し得る。ポリマーフィルムは、多くの用途に必要な可視スペクトル及び近赤外スペクトルにわたって透明性を提供し得る。
光学メタ表面ポリマーフィルムは、サブ波長構造及び周囲の媒体の境界面に急激な位相シフトを付与するサブ波長構造又は特徴の設計を利用する。これらのサブ波長構造又は特徴をポリマーフィルム上に配置することにより、光学メタ表面フィルムの動作位相プロファイルが提供する。したがって、光学メタ表面フィルムの所定の動作位相プロファイルをモデル化して、これらのサブ波長構造又は特徴のポリマーフィルム上の配置を決定することができる。
光学メタ表面ポリマーフィルムについて記載されている。これらの光学メタ表面ポリマーフィルムは、可撓性基材上に形成され得る。可撓性基材は、例えば、横方向寸法が３００ｍｍ超、又は約４００ｍｍ超、又は約５００ｍｍ超である大型基材であり得る。可撓性基材は、不定の長さのウェブを形成し得る。これらの光学メタ表面ポリマーフィルムは、忠実度の高いロールツーロール処理を利用して形成され得る。
メタ表面は、境界面に急激な位相シフトを付与することができるサブ波長構造の設計を利用し得る。特に、境界面
Figure 2023523765000002
 上のパスに沿った位相勾配（ｄφ／ｄｘ）は、一般化されたスネルの屈折の法則につながる。
ｎｔｓｉｎ（θｔ）－ｎｉｓｉｎ（θｉ）＝（λ０／２π）（ｄφ／ｄｘ），
ここで、ｎｉ及びｎｔは、それぞれ、入射光及び透過光の屈折率、θｉ及び θｔは、入射角及び屈折角、λ０は、真空中の入射波長である（Ｙｕら，「Ｆｌａｔ Ｏｐｔｉｃｓ ｗｉｔｈ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ Ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ」Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．１３，２０１４年２月，頁１３９～１５０を参照）。したがって、このような位相の不連続性を境界面に実装すると、異常屈折の作製を可能にする。
機能的なメタ表面に位相の不連続性を付与することができる要素を設計する方法は多くあるが、ここでは、メタ表面を設計するための例として、Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ－Ｂｅｒｒｙ位相（又は幾何学的位相）アプローチを利用する。これにより、異なる配向角度を有する単一の要素を使用することができ、最適化パラメータの数が大幅に低減される。更に、生成された位相は主に基本的なナノ構造の回転角度に依存するため、回転角度は通常、構造寸法と比較して作製において適切に制御されたパラメータであるため、このアプローチは作製エラーに対して非常に堅牢である。
Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ－Ｂｅｒｒｙ位相メタ表面を実現するために、幅（Ｗ）、長さ（Ｌ）、及び高さ（Ｈ）が異なる長方形のＴｉＯ２ナノフィンがモデル化される。通常、Ｈは、メタ表面全体にわたって一定であり、これにより、作製が容易になる。しかしながら、これは必須条件ではない。
光がナノフィンを介して＋ｚ方向に伝搬すると、Ｗ方向及びＬ方向に沿ってそれぞれ異なる実効屈折率を経験する。特定のＷ及びＬサイズでは、ナノフィンは半波長板（ＨＷＰ）として機能し、すなわち、一方の主軸に沿って伝搬する直線偏光は、他方の主軸に沿って伝搬する直線偏光に対して位相シフトを経験する。
したがって、ナノフィンは、右円偏光（ＲＣＰ）（相対＋π／２位相差を有する２つの直交直線偏光状態に分解できる）を左円偏光（ＬＣＰ）（相対－π／２位相差を有する２つの直交直線偏光状態に分解できる）に、及び左円偏光を右円偏光に変換する。ナノフィン寸法がそれを半波長板にする理想的なパラメータから逸脱した場合、円偏光は、部分的にのみ左右反対に変換される。
このメタ表面を実現するために、効率的なＨＷＰの構造寸法を見つけるために、ＴｉＯ２ナノフィン寸法のパラメータスイープが実行され得る。スイープは、ナノフィンが空気又は様々な埋め込みポリマー又は材料のいずれかに取り囲まれている様々な誘電環境に対して実行され得る。垂直側壁を有するナノフィンに加えて、変化する側壁ドラフト角度（テーパー角度）を有するナノフィンを利用して、直接複製作製ルートによって決定される作製上の制約を反映することができる。
Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ Ｉｎｃ．による市販の有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）ソルバーを利用して、ナノフィンの特性をシミュレート及び分析し、作製上の制約を満たし、ＨＷＰとして作用する最適なナノフィン形状を決定することができる。ＦＤＴＤソルバーは、ユーザが指定した境界条件を使用して、マクスウェルの方程式の時間ステップの解を提供する。結果は、時間領域の解をフーリエ変換した後、周波数領域で分析され得る。
測定は、５３２ｎｍの波長で実行され得、これは、可視スペクトルのほぼ中心にあり、広く利用可能な緑色レーザーを使用したその後の測定を容易にする。
シミュレーションメッシュのサイズ（マクスウェルの方程式が時間ステップごとに解かれる離散位置間の間隔）は、ｘ次元、ｙ次元、及びｚ次元で１０ｎｍに設定されて、ＦＤＴＤ法で使用されるデカルト格子によって導入される階段効果を最小限に抑えることができる。記載されたシミュレーション設定は、可視スペクトルで動作するＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍ－Ｂｅｒｒｙ位相ＴｉＯ２ナノフィンメタ表面を実証し得る。
様々な埋め込み材料において最適なナノフィン寸法を見つけるために、様々なナノフィン寸法及び側壁のテーパー角度のパラメータスイープが実行され得る。ナノフィンは、光学樹脂に埋め込まれていると想定される。入射光は、基材側から来るように設定され得、ＲＣＰ偏光で、ナノフィンに向かって伝搬する。透過光の電場データ及び磁場データは、ナノフィンの上部から約１波長離れて収集され得る。次いで、遠視野変換により、透過光の振幅及び偏光情報が得られる。遠視野での透過光のｘ偏光及びｙ偏光の相対位相及び振幅を、ナノフィンのない石英基材のみを含む参照形状と比較することにより、各ナノフィンのＲＣＰからＬＣＰへの変換効率及びその透過振幅が測定され得る。埋め込み材料及び側壁のテーパー角度の組み合わせごとに、ＨＷＰの挙動を最も厳密に生成し、したがって、円偏光の変換効率が最も高くなるナノフィン寸法が決定され得る。
図示された図及び要素の相対寸法は、縮尺どおりではない場合があり、容易にするため又は例示のために相対的に等しいサイズで示されている。図１～図４及び図４Ａは、例示的な光学メタ表面フィルム１００、２００、３００、４００の断面概略図である。図５は、４つの代表的な光学メタ表面フィルムの上面概略図を示す。光学メタ表面フィルムは、図５に示される代表的な光学メタ表面フィルムの１つ以上の態様を含み得る。図５に示される光学メタ表面フィルムは、非限定的な例示的なナノ構造トポグラフィである。
光学メタ表面フィルム１００、２００、３００、４００、５００は、光反射層１０２に隣接するナノ構造二重層１０６によって画定されるメタ表面特徴を含む。光反射層１０２は、ナノ構造二重層１０６と光学的に連通する。メタ表面特徴は、光反射層１０２の１つ以上の光学特性を変更、強化、又は改善し得る。
ナノ構造二重層１０６は、約５０～５０００ナノメートル、又は１００～３０００ナノメートルの範囲の公称高さ又は公称厚さを有し得る。光反射層（例えば、ＭＯＦ）１０２は、１～１５０マイクロメートル、又は５～１５０マイクロメートル、又は２０～１００マイクロメートルの厚さを有し得る。したがって、光学メタ表面フィルム１００、２００、３００、４００は、１～１５５マイクロメートル、又は１～１０５マイクロメートルの厚さを有し得る。したがって、光学メタ表面フィルム５００は、１～３１０マイクロメートル、又は１０～２１０マイクロメートルの厚さを有し得る。
光学メタ表面フィルムは、第１の主表面を有する可撓性ポリマーフィルム１０１と、可撓性ポリマーフィルム１０１の第１の主表面に近接する第１の表面を有し、第１の表面の反対側に第２のナノ構造表面を有するパターン化ポリマー層１０４と、を含む。屈折率コントラスト材料を含む屈折率コントラスト層１０５は、ナノ構造境界面１０７を有するナノ構造二重層１０６を形成するパターン化ポリマー層１０４のナノ構造表面に隣接する。ナノ構造二重層１０６は、可撓性ポリマーフィルム１０１上に配置された複数のナノ構造を含む。ナノ構造二重層１０６は、光の振幅、位相、若しくは偏光、又はそれらの組み合わせに局所的に作用し、可撓性ポリマーフィルム１０１上のナノ構造二重層１０６の位置の関数として変化する光相シフトを付与し、ナノ構造二重層１０６の光相シフトは、光学メタ表面フィルムの所定の動作位相プロファイルを定義する。光反射層１０２は、ナノ構造二重層１０６と光学的に連通する。
光反射層１０２は、可撓性ポリマーフィルム１０１を含み得る。可撓性ポリマーフィルム１０１は、光反射層１０２をナノ構造二重層１０６から分離し得る。
ナノ構造二重層１０６は、パターン化ポリマー層１０４を可撓性ポリマーフィルム１０１の第１の主表面から分離するエッチング停止層１０３を更に含み得る。エッチング停止層は、湿式エッチングプロセス又は乾式エッチングプロセス中に共通のエッチング深さを画定するために使用される耐エッチング層であり得る。エッチング停止層は、２ｎｍ超、及び最大約２５ｎｍの厚さを有し得る。エッチング停止層は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｃｅ、及びそれらの混合物の酸化物又は窒化物を含む、金属並びにそれらの酸化物及び窒化物で形成され得る。
図１の例示的な光学メタ表面フィルム１００は、可撓性ポリマーフィルム１０１をナノ構造二重層１０６から分離する光反射層１０２を含む。
図２の例示的な光学メタ表面フィルム２００は、光反射層１０２を可撓性ポリマーフィルム１０１から分離するナノ構造二重層１０６を含む。
図３の例示的な光学メタ表面フィルム３００は、光パネル１２０をナノ構造二重層１０６から分離する光反射層１０２を含む。
図４の例示的な光学メタ表面フィルム４００は、第２のナノ構造二重層１０６を更に含む。光反射層１０２は、第１のナノ構造二重層１０６を第２のナノ構造二重層１０６から分離する。
図４Ａの例示的な光学メタ表面フィルム５００は、第２の光反射層１０２を更に含む。ナノ構造二重層１０６は、第１の光反射層１０２を第２の光反射層１０２から分離する。
光反射層から反射された光は、ナノ構造二重層によって変更され得る。光反射層を透過した光は、ナノ構造二重層によって変更され得る。
ナノ構造二重層によって反射及び変更された光は、約３８０～約１６００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって反射及び変更された光は、約３８０～約７５０ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって反射及び変更された光は、約７５０～約１６００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって反射及び変更された光は、約１６００～約３０００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって反射及び変更された光は、約３０００～約８０００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって反射及び変更された光は、約８０００～１５０００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって反射及び変更された光は、約１５～１０００マイクロメートルの波長範囲であり得る。
ナノ構造二重層によって透過及び変更された光は、約３８０～約１６００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって透過及び変更された光は、約７５０～約１６００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって透過及び変更された光は、約１６００～約３０００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって透過及び変更された光は、約３０００～約８０００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって透過及び変更された光は、約８０００～１５０００ｎｍの波長範囲であり得る。ナノ構造二重層によって透過及び変更された光は、約１５～１０００マイクロメートルの波長範囲であり得る。
光反射層は、ミラー素子として動作し得る。光反射層は、偏光素子として動作し得る。光反射層は、反射偏光素子として動作し得る。
光反射層は、多層光学フィルムを含み得る。光反射層は、ポリマー多層光学フィルムを含み得る。ポリマー多層光学フィルムは、ミラー素子として動作し得る。ポリマー多層光学フィルムは、偏光素子として動作し得る。ポリマー多層光学フィルムは、反射偏光素子として動作し得る。ポリマー多層光学フィルムは、スペクトルフィルタとして動作し得る。
ナノ構造二重層は、光の振幅に局所的に作用し得る。ナノ構造二重層は、光の位相に局所的に作用し得る。ナノ構造二重層は、光の偏光に局所的に作用し得る。ナノ構造二重層は、光の振幅及び光の位相の両方に局所的に作用し得る。ナノ構造二重層は、光の振幅及び光の偏光の両方に局所的に作用し得る。ナノ構造二重層は、光の位相及び光の偏光の両方に局所的に作用し得る。
可撓性ポリマーフィルムは、熱可塑性材料で形成され得る。可撓性ポリマーフィルムは、ポリエステル、コポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリシクロオレフィン、好ましいポリエステル及びポリカーボネートで形成され得る。可撓性ポリマーフィルムは、均一の厚さを有し得る。可撓性ポリマーフィルムは、約５マイクロメートル～約３００マイクロメートルの範囲の公称厚さを有し得る。可撓性ポリマーフィルムは、１０マイクロメートル～２５０マイクロメートル、又は２５マイクロメートル～１２５マイクロメートルの範囲の均一の厚さを有し得る。可撓性フィルムは、光学リターダンスを呈し得る。
ナノ構造二重層は、中実材料によって画定され得る。ナノ構造二重層は、中実材料で形成され得る。ナノ構造二重層は、ポリマー材料で形成され得る。
パターン化ポリマー層は、熱可塑性材料で形成され得る。パターン化ポリマー層は、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミドで形成され得る。パターン化ポリマー層は、アクリレート成分又はメタクリレート成分を含む重合性組成物で形成され得る。パターン化ポリマー層は、フルオロポリマー、（メタ）アクリレート（コ）ポリマー、又はシリカ含有ポリマーを含み得る。
屈折率コントラスト材料は、第１の屈折率値を有し得、パターン化ポリマー層は、第１の屈折率値とは少なくとも０．２５異なる、又は０．５異なる、又は０．７５異なる、又は１．０異なる、又は１．４異なる第２の屈折率値を有する。
屈折率コントラスト材料は、１．７～２．５の範囲の第１の屈折率値を有し得る。パターン化ポリマー層は、１．２～１．７の範囲の第２の屈折率値を有する。
屈折率コントラスト材料は、金属酸化物又は金属窒化物を含み得る。屈折率コントラスト材料は、チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウム；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの酸化物；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの窒化物；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの硫化物；又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。
パターン化ポリマー層は、フルオロアクリレートを含み得、屈折率コントラスト材料は、二酸化チタンを含み得る。パターン化ポリマー層は、（メタ）アクリレートを含み得、屈折率コントラスト材料は、二酸化チタンを含み得る。
ナノ構造二重層は、屈折率コントラスト層に埋め込まれた複数のナノ構造によって画定され得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、少なくとも約１：１、２：１、５：１、１０：１、又は１５：１のアスペクト比を有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、好ましくは、約２：１～約２０：１、又は約４：１～約１５：１の範囲のアスペクト比を有し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、約１～１０度、２～１０度、３～１０度、４～１０度、１～６度、２～６度、又は３～６度、又は２～４度の範囲の角度を有する先細の側壁を画定し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、約０～１０度、０～６度、０～３度、０～２度、０～１度の範囲、又は０度の角度を有する先細の側壁を画定し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、５マイクロメートル以下、又は約５０～約５０００ナノメートル、若しくは約１００ナノメートル～約３０００ナノメートル、若しくは約５００ナノメートル～約１５００ナノメートルの範囲の高さを有し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、呼掛け電磁放射線に含まれる最短波長に対してサブ波長である公称ピッチ（隣接するナノ構造間の中心間距離）を有する。
可視スペクトル範囲で動作する光学メタ表面の場合、ナノ構造表面を形成するナノ構造は、６００ナノメートル以下、又は５００ナノメートル以下、又は４００ナノメートル以下の公称ピッチ（中心間）を有し得る。可視スペクトル範囲で動作する光学メタ表面の場合、ナノ構造表面を形成するナノ構造は、好ましくは、５０ナノメートル～６００ナノメートル、又は１００ナノメートル～５００ナノメートル、又は２００ナノメートル～４００ナノメートルの公称ピッチを有し得る。
赤外線スペクトル範囲で動作する光学メタ表面の場合、ナノ構造表面を形成するナノ構造は、１２００ナノメートル以下、又は１０００ナノメートル以下、若しくは８００ナノメートル以下の公称ピッチ（中心間）を有し得る。赤外線スペクトル範囲で動作する光学メタ表面の場合、ナノ構造表面を形成するナノ構造は、好ましくは、１００ナノメートル～１２００ナノメートル、又は２００ナノメートル～１０００ナノメートル、又は４００ナノメートル～８００ナノメートルの公称ピッチを有し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、各々、サブ波長の横方向距離だけ互いに（端から端まで）分離されている。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、各々、４００マイクロメートル以下、若しくは約２０ナノメートル～約４００ナノメートルで、又は約５０ナノメートル～約３００ナノメートルの範囲で互いに分離されている。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、サブ波長であるナノ構造特徴の高さに直交する横方向寸法を有する。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、約６００ナノメートル以下の、又は約１０ナノメートル～約４００ナノメートル、若しくは約５０ナノメートル～約３５０ナノメートルの範囲のナノ構造特徴の高さに直交する横方向寸法を有し得る。
光相シフトは、可視光波長範囲内で生じ得る。光相シフトは、近赤外線波長範囲内で生じ得る。光学メタ表面フィルムは、可視光又は近赤外光を透過し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化する配向を有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化する空間配置を有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化する形状を有し得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化するアスペクト比を有し得る。
ナノ構造表面を形成するナノ構造は、平面方向において幾何学的に異方性であり得る。ナノ構造表面を形成するナノ構造は、平面方向において幾何学的に等方性であり得る。
図６は、例示的な光学メタ表面フィルムを形成する例示的な方法の断面概略図を示す。
この作製ルートは、第２のエッチング停止層としても機能するハードマスク層を利用する。ハードマスク層を含めることには、４つの有益な効果がある。第１に、薄いハードマスク層のエッチングは、高アスペクト比のレジスト特徴を必要としないため、ほぼゼロのランドレジスト複製プロセスに対する要件を低減又は排除する。第２に、ナノ複製されたレジスト材料は、シリコンリッチハイブリッド材料ではなく、アクリル樹脂配合物であり得る。第３に、ハードマスクエッチングプロセスにより、（光学メタ表面用途にとって重要である）垂直側壁を有する深いビアの形成を可能にする。最後に、ハードマスク層の蒸着ステップにより、ナノ複製された樹脂層に対して良好な湿潤性を有する良好な接着層無機層が形成されるため、構造は低屈折率のパターン転写層（例えば、フルオロアクリレート）の使用を可能にする。
これは、ポリマー支持フィルム、及びエッチング停止層、精密パターン転写層、及びハードマスク層を含むナノ複製プロセス用の入力ロールを利用する。第１のプロセスステップでほぼゼロのランド構造のエッチングレジスト層を形成するには、ロールツーロールナノインプリントリソグラフィ（Ｒ２Ｒ ＮＩＬ）などのプロセスが必要であるが、ランド制御を緩和することができる。構造はパターン転写層の厚さ全体にわたってエッチングされるため、層厚は、最終的に最終製品の特徴高さを画定する。プロセスは、最終製品の表面特徴の特徴の高さの均一性及び絶対特徴高さの両方が重要であり（例えば、光学メタ表面用途の場合）、低屈折率有機層及び高屈折率金属酸化物バックフィル層を有する埋め込み光学素子である場合、有用である。
パターン転写層に使用される材料は、埋め込み光学素子内の低屈折率材料又は高屈折率材料のいずれかとして利用することができる。
ポリマー支持フィルム、エッチング停止層、精密パターン転写層、及びハードマスク層４１０を含むフィルムは、Ｒ２Ｒ ＮＩＬ又は連続鋳造及び硬化（プロセス４Ａ、「Ｒ２Ｒ ＮＩＬ」）の入力ロールとして利用される。ナノ複製されたフィルム４２０は、ハードマスク層の上面が露出するまで反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスでエッチングされ（プロセス４Ｂ、「ブレイクスルーエッチング」）、中間体４３０を生成する。このステップの後にいくらかの樹脂残留物が残る場合があり、任意の追加のＲＩＥステップ（プロセス４Ｃ）で除去することができる。ハードマスクでパターン化された中間体４４０は、パターン転写層がエッチング停止層までエッチングされるまで、第２のエッチング化学物質を使用する第２のＲＩＥプロセスで更にエッチングされる（プロセス４Ｄ）。ハードマスク残留物４５０を有するエッチングされたナノパターン化フィルムは、高屈折率バックフィルで平坦化されて、埋め込みナノパターン化光学フィルム４６０を形成する（プロセス４Ｅ）ことができるか、あるいは異なるエッチング条件に供されて、ハードマスク残留物を除去して、非充填のナノパターン化光学フィルム４７０を形成する（プロセス４Ｆ）ことができる。最後に、非充填のナノパターン化光学フィルム４７０を高屈折率バックフィルで平坦化して、埋め込みナノパターン化光学フィルム３７０を形成することができる。
偏光状態（偏光子）に基づく光のフィルタリングは、ＬＣＤなどの多くの光学デバイスで広く使用される。一方、マイクロルーバーを使用してプライバシー用途向けに高い軸上透過率及び低い軸外透過率を実現するなど、光の角度選択も実現されてきた。しかしながら、コンパクトな平面フィルムで偏光選択性及び角度選択性の両方を組み合わせることが望まれる。
図７Ａ及び図７Ｂは、反射動作モード及び偏光子動作モードを示す、図４の例示的な光学メタ表面フィルム構造の断面概略図である。図７Ａ及び図７Ｂは、その偏光状態及び伝播角度に同時に基づいて、光をフィルタリングできるようにする光学フィルムの設計である。フィルムの物理的原理は、（１）多層光学フィルム（ＭＯＦ）内の光のブリュースター角（θＢ）と、（２）例えば、空気などの低屈折率環境からの光をブリュースター角に結合する平面光学メタ表面に依存する。メタ表面が必要なのは、ほとんどの誘電体材料では、ブリュースター角が全反射の臨界角を超えている（θＢ＞θｃｒ）ため、空気からアクセスできず、屈折率が一致した環境が必要になるためである（Ｓｈｅｎ，Ｙ．ら，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ａｎｇｕｌａｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，３４３（６１７８），１４９９～１５０１，米国特許第１０，０７３，１９１号を参照）。比較すると、図４のフィルムは、両側が空気中で動作することができる（２つのメタ表面が各側に１つずつある）、又は片側で発光パネルにラミネートすることができる（１つのメタ表面が、空気に面する側にある、図３）。空気中のブリュースター角効果を利用する能力は、提案されたアプローチの実用性を大幅に広げる。
空気中で動作する場合、提案されたフィルムは、２つのモードで角度選択性及び偏光選択性を実現し得る。第１に、図７Ａに示すように、このフィルムは、ｐ偏光がメタ表面によってＭＯＦのブリュースター角に結合される１つの例外角度（θｅ）を除いて全ての入射角で、ｓ偏光及びｐ偏光の両方を（鏡のように）反射する。この特殊な角度では、ｐ偏光は、ほぼ１００％透過し得、ｓ偏光は、反射される。したがって、フィルムは、θｅで偏光子のように挙動する。第２の動作モードが、図７Ｂに示される。第１のケースとは異なり、このモードでは、フィルムは、例外角度θｅを除いて全ての角度で、ｓ偏光が透過され、ｐ偏光が反射される典型的な反射偏光子として動作する。θｅでは、ｓ偏光及びｐ偏光の両方が透過し、フィルムは透明材料のように挙動する。
フィルムの第３の動作モードは、フィルムが発光パネルにラミネートされる場合である（図８Ａ及び図８Ｂ）。この構成では、フィルムは、偏光のリサイクル（典型的な反射偏光子と同様）及び光のコリメーションの両方を実現し得る。ブリュースター角θＢを除いて、ｓ偏光及びｐ偏光の両方の光がＭＯＦによってパネルに向けて反射され、キャビティ効果によるリサイクルを実現する。θＢでは、ｐ偏光は、ＭＯＦを透過し、メタ表面によって空気中への例外角度θｅに結合される。このようにして、一般的な非偏光ランバート光源から効率的な偏光及びコリメート光源を作製した。
ここで強調する最後のポイントは、メタ表面及びＭＯＦの設計を微調整することで、例外角度θｅの値を自由に変更できることである。近法線から斜入射までの広い角度範囲は、メタ表面及びＭＯＦ設計のファミリーでカバーされ得る。このようにして、様々な用途に合わせて柔軟なプラットフォームを作製することができる。
本発明は、特許請求の範囲で定義される。しかしながら、以下に、非限定的な実施形態の非網羅的なリストを提供する。これらの実施形態の任意の１つ以上の特徴は、本明細書に記載の別の実施形態、実施例、又は態様の任意の１つ以上の特徴と組み合わせることができる。
実施形態１．光学メタ表面フィルムであって、第１の主表面を有する可撓性ポリマーフィルムと、可撓性ポリマーフィルムの第１の主表面に近接する第１の表面を有し、第１の表面の反対側に第２のナノ構造表面を有する、パターン化ポリマー層と、ナノ構造境界面を有するナノ構造二重層を形成するパターン化ポリマー層のナノ構造表面に隣接する屈折率コントラスト材料を含む屈折率コントラスト層であって、ナノ構造二重層は、可撓性ポリマーフィルム上に配置された複数のナノ構造を含み、ナノ構造二重層は、光の振幅、位相、若しくは偏光、又はそれらの組み合わせに局所的に作用し、可撓性ポリマーフィルム上のナノ構造二重層の位置の関数として変化する光相シフトを付与し、ナノ構造二重層の光相シフトは、光学メタ表面フィルムの所定の動作位相プロファイルを定義する、屈折率コントラスト層と、ナノ構造二重層と光学的に連通する光反射層と、を備える、光学メタ表面フィルム。
実施形態２．光反射層が、可撓性ポリマーフィルムをナノ構造二重層から分離する、実施形態１に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３．ナノ構造二重層が、光反射層を可撓性ポリマーフィルムから分離する、実施形態１に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態４．第２の光反射層を更に備え、ナノ構造二重層は、光反射層を第２の光反射層から分離する、実施形態１に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態５．第２のナノ構造二重層を更に備え、光反射層は、ナノ構造二重層を第２のナノ構造二重層から分離する、実施形態１に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態６．光反射層から反射された光が、ナノ構造二重層によって変更される、実施形態１～５のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態７．光反射層を透過した光が、ナノ構造二重層によって変更される、実施形態１～６のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態８．反射された光が、３８０～１６００ｎｍ、又は２８０～７５０ｎｍ、又は７５０～１６００ｎｍの範囲の波長値を有する、実施形態６に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態９．透過した光が、３８０～１６００ｎｍ、又は２８０～７５０ｎｍ、又は７５０～１６００ｎｍの範囲の波長値を有する、実施形態７に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１０．光反射層が、多層光学フィルムを含む、実施形態１～９のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１１．光反射層が、ポリマー多層光学フィルムを含む、実施形態１～１０のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１２．光反射層が、偏光子を備える、実施形態１～１１のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１３．ナノ構造二重層が、中実材料によって画定される、実施形態１～１２のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１４．屈折率コントラスト材料が、第１の屈折率値を有し、パターン化ポリマー層が、第１の屈折率値とは少なくとも０．２５異なる、又は０．５異なる、又は０．７５異なる、又は１．０異なる、又は１．４異なる第２の屈折率値を有する、実施形態１～１３のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１５．ナノ構造二重層が、屈折率コントラスト層に埋め込まれた複数のナノ構造によって画定される、実施形態１～１４のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１６．屈折率コントラスト材料が、金属酸化物又は金属窒化物を含む、実施形態１～１５のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１７．屈折率コントラスト材料が、チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウム；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの酸化物；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの窒化物；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの硫化物；又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、実施形態１～１６のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１８．パターン化ポリマー層が、フルオロポリマー、（メタ）アクリレート（コ）ポリマー、又はシリカ含有ポリマーを含む、実施形態１～１７のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態１９．パターン化ポリマー層が、フルオロアクリレートを含み、屈折率コントラスト材料が、二酸化チタンを含む、実施形態１～１８のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２０．パターン化ポリマー層が、（メタ）アクリレートを含み、屈折率コントラスト材料が、二酸化チタンを含む、実施形態１～１９のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２１．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、少なくとも約１：１、２：１、５：１、１０：１、又は１５：１のアスペクト比を有する、実施形態１～２０のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２２．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、約１～１０度、２～１０度、３～１０度、４～１０度、１～６度、２～６度、又は３～６度の範囲の角度を有する先細の側壁を画定する、実施形態１～２１のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２３．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、約０～１０度、０～６度、０～３度、０～２度、０～１度の範囲、又は０度の角度を有する先細の側壁を画定する、実施形態１～２２のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２４．可撓性ポリマーフィルムが、約５マイクロメートル～約３００マイクロメートルの範囲の公称厚さを有する、実施形態１～２３のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２５．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、５マイクロメートル以下、又は約１００ナノメートル～約３０００ナノメートル、若しくは約５００ナノメートル～約１５００ナノメートルの範囲の高さを有する、実施形態１～２４のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２６．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、６００ナノメートル以下、又は５００ナノメートル以下、又は４００ナノメートル以下の公称ピッチを有する、実施形態１～２５のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２７．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、各々、４００マイクロメートル以下、若しくは約２０ナノメートル～約４００ナノメートルで、又は約５０ナノメートル～約３００ナノメートルの範囲で互いに分離されている、実施形態１～２６のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２８．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、約６００ナノメートル以下の、又は約１０ナノメートル～約４００ナノメートル、若しくは約５０ナノメートル～約３５０ナノメートルの範囲のナノ構造特徴の高さに直交する横方向寸法を有する、実施形態１～２７のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態２９．光相シフトが、可視光波長範囲内で生じる、実施形態１～２８のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３０．光相シフトが、近赤外線波長範囲内で生じる、実施形態１～２９のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３１．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化する配向を有する、実施形態１～３０のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３２．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化する空間配置を有する、実施形態１～３１のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３３．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化する形状を有する、実施形態１～３２のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３４．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、可撓性ポリマーフィルム上の個々のナノ構造の場所に依存する変化するアスペクト比を有する、実施形態１～３３のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３５．光学メタ表面フィルムが、可視光又は近赤外光を透過する、実施形態１～３４のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３６．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、平面方向において幾何学的に異方性である、実施形態１～３５のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３７．ナノ構造表面を形成するナノ構造が、平面方向において幾何学的に等方性である、実施形態１～３６のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３８．光学メタ表面フィルムが、約３００ｍｍ超、又は約４００ｍｍ超、又は約５００ｍｍ超である少なくとも１つの横方向寸法を有する、実施形態１～３７のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態３９．光反射層が、２０層未満を有する多層光学フィルムを含み、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折コントラストが、１以上である、実施形態１～３８のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態４０．光反射層が、０．５～２マイクロメートルの範囲の公称厚さを有する、実施形態３９に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態４１．光反射層が、２０～１０００層を有するポリマー多層光学フィルムを含み、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折コントラストが、０．１以上、又は０．０１以上である、実施形態１～４０のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態４２．光反射層が、５～１００マイクロメートルの範囲の公称厚さを有する、実施形態４１に記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態４３．特定の偏光状態及び伝播角度を有する光のみが透過し、ナノ構造二重層と相互作用するように、光反射層が、偏光及び角度選択フィルタとして作用する、実施形態１～４２のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
実施形態４４．光反射層が、１０～１０００ナノメートル、又は１０～５００ナノメートル、又は１０～１００ナノメートルの範囲の公称厚さを有する金属層を含む、実施形態１～４３のいずれか１つに記載の光学メタ表面フィルム。
Figure 2023523765000003
実施例１．ＭＯＦ上に転写残留物の少ない４層法によって作製される機能性メタ表面
全ての濃度は重量パーセントである
ステップａ：ナノ特徴テンプレートフィルムの複製
化合物０１を０．５％ＡＥＢＰとブレンドして混合物を形成した。混合物をローラーミキサーで、約５０℃で１２時間ブレンドした。この混合物を、蠕動ポンプを通してダイに供給し、１２５マイクロメートルのポリカーボネートフィルム上に供給した。樹脂でコーティングされたフィルムを、ナノスケールのパターンが溶接された、６０℃に制御された円形ニッケルスリーブに挟んだ。特徴は、一辺が１００ｎｍ～３５０ｎｍの範囲で、高さが２００ｎｍであった。名目上、垂直方向のドラフトはゼロである。ニッケルスリーブと接触させながら、樹脂でコーティングされたフィルムを、１４２Ｗ／ｃｍで動作する２つのフュージョンランプからの放射線に曝露する。次いで、ナノ構造フィルムを円形ニッケルスリーブから剥離した。プロセスを、７．５ｍ／分で３００ｍ超にわたって連続して実行する。
ステップｂ：ナノ特徴テンプレートフィルムのリリース処理
ステップ（ａ）からのツーリングフィルムを、ＰＥＣＶＤを使用してリリース処理した。最初に、９ｍ／分で２０００Ｗのプラズマ電力で１４．２ｍ３／分でチャンバにＯ２を流すことによってフィルムをプライム処理した。次いで、フィルムをＨＭＤＳＯで１０００ワット、９ｍ／分で処理した。
ステップｃ：テンプレートフィルムへのアクリレートのコーティング
リリース処理されたツーリングフィルム（ｂ）を、１３％の化合物２、１％の化合物０５、４３％のＭＥＫ、及び４３％のＤｏｗａｎｏｌ ＰＭの溶液で３ｍ／分でダイコーティングした。コーティングを、コーティング後３０秒以内に０．２Ａで実行されるＵＶ－ＬＥＤシステムで予備硬化する。非常に薄い残留層が望まれていたため、残留層厚を、事前計量コーティング法を使用してジグの精度でゼロから５００ｎｍの間に制御し得る。このコーティング法は、少なくとも５０％の溶媒である溶液を使用する。
ステップｄ：ツーリングフィルム上でのアクリレートの乾燥
フィルム（ｃ）から１２ｍのフリースパンで溶媒を蒸発させることを可能にした。湿潤フィルムの乱れを防止するために、熱又は対流を使用せずに溶媒を乾燥させた。
ステップｅ：（アクリレートコーティングされたテンプレートフィルムにラミネートする）３層フィルムの作製
このフィルムは最終構造の一部であるため、その光学的「反射」特性に起因して、複数層からなるフィルムを選択する。このフィルムを以下の手順で形成する。
多層光学薄フィルムスタックのロールツーロールコーティングを、ＡＣスパッタリングプロセスによって行い、高屈折率（約ｎ４．０）の材料と低屈折率（約ｎ１．５）の材料との交互層を、それぞれが所定の厚さ目標に精密に制御し、移動フィルム基材上に堆積させる。Ｉｎ－ｓｉｔｕの光学分光計を処理中に使用して、層ごとの堆積順序を監視するため。
本出願では、１０層の光学設計を使用し、次の表に示す。
Figure 2023523765000004
高屈折率材料については、屈折率が４．０に近く、可視波長域での吸収率が低いシリコンが好ましい。低屈折率材料については、屈折率が１．５に近く、可視波長範囲での吸収率が低い二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が好ましい。また、より高い処理速度及び精密なプロセス制御のために、中周波数（２０～７０ｋＨｚ）ＡＣスパッタリング法をそれぞれに使用する。
ロールツーロール真空コータのレイアウト、特に利用可能なスパッタリング源の数に応じて、コーティング順序は変化し得る。本実施例では、コータには、［１～２＝シリコン、３～４＝ＳｉＯ２、５～６＝シリコン、７～８＝ＳｉＯ２］の順序で４つのスパッタリングターゲット対があり、各々、ＡＣスパッタリング技術によって電力供給される。これにより、スパッタリング源の表面を帯電させずに絶縁材料をスパッタリングすることができる。また、２つの材料の処理速度の「速度マッチング」により、このマシンレイアウトの例では、マシンパス１で層１～４、マシンパス２で層５～７、及びマシンパス３で層８～１０をコーティングすることができる。
まず、フィルムロールをコーティングチャンバに取り付け、フィルム（ウェブ）パスを通してねじ込み、その後、チャンバを大気圧から高真空圧力領域（通常＜／＝１０－５Ｔｏｒｒ）まで真空排気する。アルゴンを主要なスパッタリングガスとして使用して、スパッタリング装置へ流量制御して、３ｍＴｏｒｒの圧力領域で定常状態の圧力を生成する。フィルムの移動を開始し、スパッタリング電力を４０ｋＨｚのＡＣ周波数でスパッタリングターゲット対１、２に適用し、その後、所定の電力密度（Ｗ／ｃｍ２）までゆっくりと増加させ、これは、シリコンスパッタリング源に熱応力を誘発することなく、又はコーティングされるフィルムの過度のスパッタリングプラズマ加熱を引き起こすことなく、使用可能なスパッタリング速度を生成するのに十分である。所定の予備スパッタリング期間及び定常状態条件の達成後、層１（シリコン）の目標厚さ、この例では５７．３８ｎｍを精密にコーティングするために、フィルム速度を調整する。
続いて、同様のプロセス順序を使用して、層２、ＳｉＯ２のスパッタ源対（３．４）を開始し、１つの追加の態様では、スパッタリング圧力に対するアルゴンの流量制御、並びに定常状態のスパッタリング電力の開始及び確立に続いて、追加の「分圧」を追加するために酸素を流量制御し、ＡＣ電力を所定の設定に調整し、ＡＣ電源、反応性一次スパッタリングガス圧力、及び堆積時間（フィルム速度）の相互作用により、透明なＳｉＯ２層を所望の厚さ（この例では、１４７．６７ｎｍ）で生成する。
シリコン（層１）用のスパッタリングターゲット対１、２、及びＳｉＯ２（層２）用のスパッタリングターゲット対３、４と同様に、シリコン（層３）用のスパッタリングターゲット対５、６及びＳｉＯ２（層４）用のスパッタリングターゲット対７、８も同様に開始し、定常状態の処理条件になる。これにより、層１～４をマシンパス１でコーティングすることができる。
スパッタリング条件（スパッタリング電力、主ガス及び反応性ガスの圧力、並びにフィルム処理速度（フィート／分、又はスパッタリング時間））は事前決定されているが、インライン光学分光計を使用して、追加のプロセス制御精度を適用する。これらを、各スパッタリング対の後に置き、スペクトル透過率及び反射率の両方を測定し、色座標Ｌ＊、ａ＊、及びｂ＊の時間値に変換する。光学設計によると、「仕様内」の色座標値の最小値及び最大値は、層ごとに事前に確立されており、製造プロセス管理チャートと同様に、プロセス全体を制限限界内に維持するためにスパッタリング条件を調整することができる。
マシンパス１及び層１～４が完成すると、フィルムロールを、マシンパス２及び層５～７のために逆にする。ただし、ここでは、ＡＣスパッタ対７、８（ＳｉＯ２）がオフにされ、次に、層５（スパッタリングターゲット対５、６－シリコン）をコーティングし、続いて、層６（スパッタリングターゲット対３、４－ＳｉＯ２）及び層７（スパッタリングターゲット対１、２－シリコン）をコーティングする。マシンパス１と同様に、プロセス制御限界を維持するためにインライン光学分光法を使用する。
マシンパス２及び層５～７が完成すると、フィルムロールを、マシンパス３のために再び逆にする。ただし、ここでは、スパッタリングターゲット対１、２（シリコン）がオフにされ、スパッタリングターゲット対７、８（ＳｉＯ２）を再開して、層８～１０を完成させる。マシンパス１及び２と同様に、プロセス制御限界を維持するためにインライン光学分光法を使用する。
層１０が完成すると、スパッタリング源を遮断し、スパッタリングガスを取り除き、フィルムロールを最後まで巻き取る。真空チャンバのポンピングを閉じ、窒素又は空気のチャンバ通気を適用し、チャンバ圧力を大気圧まで上昇させ、フィルムロールを除去する。
多層光学フィルム（ＭＯＦ）を、共押出（米国特許第６，６６７，０９５号）によるポリマー材料から、又は（上記のような）堆積技術による無機材料から作製し得る。ポリマーＭＯＦは通常、屈折率コントラスト（Δｎ）が小さいため、同じレベルの反射率を達成するには、無機ＭＯＦよりも多くの層が必要になる。しかしながら、ポリマーＭＯＦは、堆積によって作製された無機ＭＯＦよりも費用対効果の高い大規模なポリマープロセスによって作製することができる。ここでは、ポリマーＭＯＦ及び無機ＭＯＦの両方を、基材としてメタ表面フィルムと統合することができる。ポリマーＭＯＦか無機ＭＯＦかの選択は、特定の用途に基づいて行われる。
ステップｆ：（低ランドのパターン化アクリレートへの３層サンドイッチの接着を促進するための）ＳｉＡｌＯｘ上の接着促進剤
７．５ｎｍの化合物０６を、ＳｉＡｌＯｘ上にＭＥＫから６ｍ／分でダイコーティングした。溶媒を蒸発させ、フィルムを９３℃で１．５分間アニールした。次いで、化合物０６を、フュージョンＥバルブを使用して硬化させた。
ステップｇ：ラミネーション
コーティングされたツーリングフィルムを、９０デュロメータニップ及び７７℃で３ｍ／分に設定された水加熱ロールを使用して、ＳｉＡｌＯｘ＋化合物０６フィルムにラミネートした。次いで、フィルムを６００ＷのフュージョンＨバルブで硬化させた。
ステップｈ：剥離
構造化されたアクリレートを、水加熱ロールの直後に構造化されたＨＭＤＳＯフィルムからＳｉＡｌＯｘフィルム上に剥離した（歪みを低減するためにウェブのねじれは最小限に抑えられた）。全てのフィルムを約１８ｋｇ／ｍで引っ張り、依然として３ｍ／分で実行した。
ステップｉ及びｊ：エッチング残留層及びブレイクスルーＳｉＡｌＯｘマスク
これらのステップは、酸素エッチングとそれに続くフッ素エッチングのように別々に行う、又は単一のフッ素エッチング中に行うことができる。ここでは後者のパスを選択した。この場合、反応性イオンエッチングを、７５００ワット、３．７５ｍ／分、圧力０．４Ｐａで１００ｓｃｃｍのＮＦ３を使用して実行した。
ステップｋ：ブレイクスルーエッチング
０．０４Ｐａのベース圧力、７５００ワット、４．５ｍ／分、圧力０．７Ｐａで７００ｓｃｃｍのＯ２を使用した第２の反応性イオンエッチングにより、マスクが除去された部分の転写層を除去した。
ステップｌ：高屈折率バックフィル
エッチングされた高アスペクト比の特徴を、空間ロータリーＡＬＤマシンで処理した。ＴｉＯ２を、１３３ＰａのＮ２及び４０ＰａのＯ２の環境で、６５℃に加熱されたチタンテトライソプロポキシド（ＴＴＩＰ）（受動的送達）、及びＤＣプラズマ放電（３５０ｍＡ）を使用して堆積させた。チャンバ及び基材を８０℃に加熱した。基材を３０ＲＰＭで回転するプラテンに固定し、１回転あたり１つの前駆体及びプラズマに暴露し、合計４６８８ＡＬＤサイクルで厚さ２１７ｎｍ、波長６３２ｎｍで測定した屈折率２．３３を有するＴｉＯ２層を生成した。
実施例２：シミュレーション結果（図９～図１２）
原理を検証するために、ＭＯＦ及びメタ表面の両方で構成される光学フィルムの数値シミュレーションを実行した。メタ表面設計は、光を高伝搬角度に回折させてＭＯＦのブリュースター角に結合させることを可能にする、Ｓｈｉら（Ｔ．Ｓｈｉら，「Ａｌｌ－Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｋｉｓｓｉｎｇ－Ｄｉｍｅｒ Ｍｅｔａｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｈｉｇｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ」Ａｄｖ．Ｏｐｔ．Ｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．１９０１３８９，頁１９０１３８９，２０１９）によって公開された研究から採用される。
Ｓｉ（ｎ約４）及びＳｉＯ２（ｎ約１．５）の１０層が交互に配置された例示的な無機ＭＯＦは、ブリュースター角効果を示すように設計される。この具体例は無機材料で作製されているが、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート、ｎ＝１．６５、非配向）及びＰＭＭＡ（ポリ（メチルメタクリレート）、ｎ＝１．４９）などの低屈折率コントラスト材料対の数百層のポリマーＭＯＦと同様の挙動が予想される。ポリマーＭＯＦの更なる例は、米国特許第６，６６７，０９５号に見出すことができる。一般に、ポリマー材料対を有する多層光学フィルムは、同じ層数の場合、屈折率のコントラストが小さいため、反射率が低くなる。したがって、ポリマーＭＯＦが無機対応物と同じレベルの反射率を達成するには、より多くの層が必要である。更に、屈折率のコントラストが低いと、ブリュースター角が小さくなり（約５０°対約７０°）、角度透過ウィンドウが別の場所にシフトする。しかしながら、ＭＯＦが無機材料対で作製されているか、又はポリマー材料対で作製されているかにかかわらず、ＭＯＦがメタ表面と相互作用する方法及び結果として生じる光学機能の一般原理は変化しないままである。層数の少ない無機ＭＯＦを使用することで、計算時間が低減され、ポリマーＭＯＦに拡張することができる同様の結果を得る。
１０層ＭＯＦの設計を図９及び図１０に示す。図９は、１０層ＭＯＦスタックの層厚プロファイルを示す。屈折率は、低屈折率材料及び高屈折率材料でそれぞれ１．５及び４である。図１０は、透過率をＭＯＦの入射角の関数として示す。入射媒体は、低屈折率材料と同じ屈折率を有する（１．５）。ＭＯＦのブリュースター角は６９°であり、ブリュースターウィンドウの角度幅は１８．４°である。この挙動は、低屈折率コントラストの層が多いポリマーＭＯＦと同等である。
メタ表面とＭＯＦとの間の結合を実証するために、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）を使用して構造と光との相互作用をシミュレートした。シミュレーションはオープンソースのＲＣＷＡパッケージＳ４（Ｖ．Ｌｉｕ及びＳ．Ｆａｎ，「Ｓ４：Ａ ｆｒｅｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｏｌｖｅｒ ｆｏｒ ｌａｙｅｒｅｄ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」Ｃｏｍｐｕｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｍｍｕｎ．，ｖｏｌ．１８３，ｎｏ．１０，頁２２３３～２２４４，２０１２）を使用して実行され、結果はまた商用のＦＤＴＤパッケージ（Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ）を使用して検証される。表１に要約されている図８及び図７に対応する２つのケースについて研究する。
Figure 2023523765000005
ケース１では、メタ表面及びＭＯＦフィルムは、ＭＯＦの低屈折率材料の屈折率が一致する光ガイド上にラミネートされる（図８）。６３５ｎｍで発光する光源は、シミュレーションドメイン内の光ガイド領域に埋め込まれる。入射角の関数としての透過率を図１１に示す。予想どおり、フィルムはブリュースター角（この場合、約６９°）に近いｐ偏光のみを透過し、全ての角度でｓ偏光を反射する。有意な電磁エネルギーは、ｐ偏光のブリュースター角付近でのみフィルムを透過し、提案された動作原理を検証する。
ケース２では、ＭＯＦの両側に２つの同一のメタ表面層を含む図７の構造が研究される。この構造により、空気からの光入射による動作が可能である。入射角の関数としての透過率を図１２に示す。この構造は、約２６°でｐ偏光のみを透過し、全ての他の角度の光を反射する。
本明細書に提示されるシミュレーションは、同じ原理を使用して実現できる幅広い例のサブセットである。透過角（ＭＯＦのブリュースター角）、動作波長、及びスペクトル帯域幅を、用途の特定の要件に応じて変更及び最適化することができる。

Claims (44)

  1. 光学メタ表面フィルムであって、
    第１の主表面を有する可撓性ポリマーフィルムと、
    前記可撓性ポリマーフィルムの前記第１の主表面に近接する第１の表面を有し、前記第１の表面の反対側に第２のナノ構造表面を有する、パターン化ポリマー層と、
    ナノ構造境界面を有するナノ構造二重層を形成する前記パターン化ポリマー層の前記ナノ構造表面に隣接する屈折率コントラスト材料を含む屈折率コントラスト層であって、前記ナノ構造二重層は、前記可撓性ポリマーフィルム上に配置された複数のナノ構造を含み、前記ナノ構造二重層は、光の振幅、位相、若しくは偏光、又はそれらの組み合わせに局所的に作用し、前記可撓性ポリマーフィルム上の前記ナノ構造二重層の位置の関数として変化する光相シフトを付与し、前記ナノ構造二重層の前記光相シフトは、前記光学メタ表面フィルムの所定の動作位相プロファイルを定義する、屈折率コントラスト層と、
    前記ナノ構造二重層と光学的に連通する光反射層と、
    を備える、光学メタ表面フィルム。
  2. 前記光反射層が、前記可撓性ポリマーフィルムを前記ナノ構造二重層から分離する、請求項１に記載の光学メタ表面フィルム。
  3. 前記ナノ構造二重層が、前記光反射層を前記可撓性ポリマーフィルムから分離する、請求項１に記載の光学メタ表面フィルム。
  4. 第２の光反射層を更に備え、前記ナノ構造二重層は、前記光反射層を前記第２の光反射層から分離する、請求項１に記載の光学メタ表面フィルム。
  5. 第２のナノ構造二重層を更に備え、前記光反射層は、前記ナノ構造二重層を前記第２のナノ構造二重層から分離する、請求項１に記載の光学メタ表面フィルム。
  6. 前記光反射層から反射された光が、前記ナノ構造二重層によって変更される、請求項１～５のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  7. 前記光反射層を透過した光が、前記ナノ構造二重層によって変更される、請求項１～６のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  8. 反射された前記光が、３８０～１６００ｎｍ、又は２８０～７５０ｎｍ、又は７５０～１６００ｎｍの範囲の波長値を有する、請求項６に記載の光学メタ表面フィルム。
  9. 透過した前記光が、３８０～１６００ｎｍ、又は２８０～７５０ｎｍ、又は７５０～１６００ｎｍの範囲の波長値を有する、請求項７に記載の光学メタ表面フィルム。
  10. 前記光反射層が、多層光学フィルムを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  11. 前記光反射層が、ポリマー多層光学フィルムを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  12. 前記光反射層が、偏光子を備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  13. 前記ナノ構造二重層が、中実材料によって画定される、請求項１～１２のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  14. 前記屈折率コントラスト材料が、第１の屈折率値を有し、前記パターン化ポリマー層が、前記第１の屈折率値とは少なくとも０．２５異なる、又は０．５異なる、又は０．７５異なる、又は１．０異なる、又は１．４異なる第２の屈折率値を有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  15. 前記ナノ構造二重層が、前記屈折率コントラスト層に埋め込まれた複数のナノ構造によって画定される、請求項１～１４のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  16. 前記屈折率コントラスト材料が、金属酸化物又は金属窒化物を含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  17. 前記屈折率コントラスト材料が、チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウム；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの酸化物；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの窒化物；チタン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、亜鉛、若しくはセリウムの硫化物；又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１～１６のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  18. 前記パターン化ポリマー層が、フルオロポリマー、（メタ）アクリレート（コ）ポリマー、又はシリカ含有ポリマーを含む、請求項１～１７のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  19. 前記パターン化ポリマー層が、フルオロアクリレートを含み、前記屈折率コントラスト材料が、二酸化チタンを含む、請求項１～１８のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  20. 前記パターン化ポリマー層が、（メタ）アクリレートを含み、前記屈折率コントラスト材料が、二酸化チタンを含む、請求項１～１９のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  21. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、少なくとも約１：１、２：１、５：１、１０：１、又は１５：１のアスペクト比を有する、請求項１～２０のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  22. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、約１～１０度、２～１０度、３～１０度、４～１０度、１～６度、２～６度、又は３～６度の範囲の角度を有する先細の側壁を画定する、請求項１～２１のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  23. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、約０～１０度、０～６度、０～３度、０～２度、０～１度の範囲、又は０度の角度を有する先細の側壁を画定する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  24. 前記可撓性ポリマーフィルムが、約５マイクロメートル～約３００マイクロメートルの範囲の公称厚さを有する、請求項１～２３のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  25. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、５マイクロメートル以下、又は約１００ナノメートル～約３０００ナノメートル、若しくは約５００ナノメートル～約１５００ナノメートルの範囲の高さを有する、請求項１～２４のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  26. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、６００ナノメートル以下、又は５００ナノメートル以下、又は４００ナノメートル以下の公称ピッチを有する、請求項１～２５のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  27. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、各々、４００マイクロメートル以下、若しくは約２０ナノメートル～約４００ナノメートルで、又は約５０ナノメートル～約３００ナノメートルの範囲で互いに分離されている、請求項１～２６のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  28. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、約６００ナノメートル以下の、又は約１０ナノメートル～約４００ナノメートル、若しくは約５０ナノメートル～約３５０ナノメートルの範囲のナノ構造特徴の高さに直交する横方向寸法を有する、請求項１～２７のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  29. 前記光相シフトが、可視光波長範囲内で生じる、請求項１～２８のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  30. 前記光相シフトが、近赤外線波長範囲内で生じる、請求項１～２９のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  31. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、前記可撓性ポリマーフィルム上の前記個々のナノ構造の場所に依存する変化する配向を有する、請求項１～３０のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  32. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、前記可撓性ポリマーフィルム上の前記個々のナノ構造の場所に依存する変化する空間配置を有する、請求項１～３１のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  33. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、前記可撓性ポリマーフィルム上の前記個々のナノ構造の場所に依存する変化する形状を有する、請求項１～３２のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  34. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、前記可撓性ポリマーフィルム上の前記個々のナノ構造の場所に依存する変化するアスペクト比を有する、請求項１～３３のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  35. 前記光学メタ表面フィルムが、可視光又は近赤外光を透過する、請求項１～３４のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  36. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、平面方向において幾何学的に異方性である、請求項１～３５のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  37. 前記ナノ構造表面を形成するナノ構造が、平面方向において幾何学的に等方性である、請求項１～３６のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  38. 前記光学メタ表面フィルムが、約３００ｍｍ超、又は約４００ｍｍ超、又は約５００ｍｍ超である少なくとも１つの横方向寸法を有する、請求項１～３７のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  39. 前記光反射層が、２０層未満、好ましくは４～１４層を有する多層光学フィルムを含み、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折コントラストが、１以上である、請求項１～３８のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  40. 前記光反射層が、０．５～２マイクロメートルの範囲の公称厚さを有する、請求項３９に記載の光学メタ表面フィルム。
  41. 前記光反射層が、２０～１０００層を有するポリマー多層光学フィルムを含み、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折コントラストが、０．１以上、又は０．０１以上である、請求項１～４０のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  42. 前記光反射層が、５～１００マイクロメートルの範囲の公称厚さを有する、請求項４１に記載の光学メタ表面フィルム。
  43. 特定の偏光状態及び伝播角度を有する光のみが透過し、前記ナノ構造二重層と相互作用するように、前記光反射層が、偏光及び角度選択フィルタとして作用する、請求項１～４２のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
  44. 前記光反射層が、１０～１０００ナノメートル、又は１０～５００ナノメートル、又は１０～１００ナノメートルの範囲の公称厚さを有する金属層を含む、請求項１～４３のいずれか一項に記載の光学メタ表面フィルム。
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