JP2024045435A - 透過型メタサーフェスレンズ統合 - Google Patents

Abstract

【課題】透過型メタサーフェスレンズ統合の提供。【解決手段】メタサーフェス素子、かかるメタサーフェス素子を光源および／または検出器と統合している統合システム、ならびにかかる光学配置および統合システムの製造および操作方法が提供される。透過型メタサーフェスを他の半導体デバイスまたは追加のメタサーフェス素子と統合するためのシステムおよび方法、より詳細には、かかるメタサーフェスの基板、照明源およびセンサーとの統合も提供される。提供されるメタサーフェス素子は、照明源からの出力光を成形するか、または場面から反射された光を収集し、偏光を使用して２つの固有のパターンを形成するために使用され得る。かかる実施形態では、成形された発光および集光は、単一のコデザインされたプローブおよび検出光学系に統合され得る。【選択図】なし

Description

本開示は、メタサーフェス素子（ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）の光学配
置、光源および／または検出器をかかるメタサーフェス素子と統合している統合システム
、ならびにかかる光学配置および統合システムの製造方法に関する。

メタサーフェス素子は、個々の導波路素子がサブ波長間隔を有していて、平面形状を有
している回折光学系である。メタサーフェス素子は、ＵＶ－ＩＲバンド（３００～１０，
０００ｎｍ）における用途に対して最近、開発された。従来型の屈折光学系と比較して、
メタサーフェス素子は位相シフトを明視野に突然に導入する。これは、メタサーフェス素
子が、動作するように設計されている光の波長のオーダーの厚さを有するのを可能にし、
他方、従来型の屈折面は、それらが動作するように設計されている光の波長よりも１０～
１００倍（またはそれ以上）大きい厚さを有する。追加として、メタサーフェス素子は、
構成要素における厚さのばらつきがなく、従って、屈折光学系に対して要求されるような
、屈曲なしで光を形成することができる。従来型の回折光学素子（ＤＯＥ）、例えば、バ
イナリ回折光学系、と比較して、メタサーフェス素子は、ある範囲の位相シフトを入射光
場に与える能力があり、最小でもメタサーフェス素子は、その範囲からの少なくとも５つ
の異なる値をもつ０～２πの間の位相シフトを有することができ、他方、バイナリＤＯＥ
は２つの異なる値の位相シフトを与えることができるだけであり、多くの場合、０または
１πのいずれかの位相シフトに限定される。マルチレベルＤＯＥと比較して、メタサーフ
ェス素子は、その構成要素の光軸に沿った高さの変動を必要とせず、メタサーフェス素子
特徴の面内幾何形状だけが変動する。

本出願は、メタサーフェス素子の光学配置、光源および／または検出器をかかるメタサ
ーフェス素子と統合している統合システム、ならびにかかる光学配置および統合システム
の製造方法に関する。

多くの実施形態は、１つ以上のメタサーフェス素子またはシステムを製作するための方
法に関し、
ハードマスク材料層を基板の少なくとも片面上に蒸着させることであって、基板は、指
定された動作帯域幅にわたって透光性を有すること、
パターン材料層をハードマスク材料層上に蒸着させること、
配列パターンをハードマスク層の上に形成するようにパターン材料をパターン化するこ
とであって、配列パターンは、メタサーフェス特徴配列の正または負の複製のいずれか１
つを含み、メタサーフェス特徴配列は、指定された動作帯域幅内の光の波長よりも小さい
特徴サイズを有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の平面
内の衝突光に位相シフトを課すように構成されていること、
ハードマスク内の配列パターンに対応する複数の窪みおよび隆起した特徴を形成するた
めに、異方性エッチングプロセスを使用してハードマスク層をエッチングすること、およ
び
任意の残余のパターン材料をハードマスク層の上から除去すること
を含む。

多くの他の実施形態では、基板は、溶融石英、サファイア、ホウケイ酸ガラスおよび希
土類酸化物ガラスから成る群から選択された材料から形成される。

さらに多くの他の実施形態では、ハードマスク材料層は、ケイ素、様々なストイキオメ
トリの窒化ケイ素、二酸化ケイ素、二酸化チタン、アルミナから成る群から選択された材
料から形成され、スパッタリング、化学蒸着、および原子層蒸着から成る群から選択され
た蒸着プロセスを使用して配置される。

さらに多くの他の実施形態では、パターン材料層は、リソグラフィプロセスを使用する
フォトレジストパターン化、またはナノインプリント法を使用する高分子パターン化のい
ずれか１つから形成される。

さらに多くの他の実施形態では、配列パターンは、ＳＦ₆、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、Ｃ₄Ｆ₈ま
たはその任意の静的もしくは多重混合物から成る群から選択された反応性イオンエッチン
グ法を使用してエッチングされる。

さらになお多くの他の実施形態では、残余のパターン材料は、化学溶剤、化学エッチン
グ液、およびプラズマエッチング液から成る群から選択されたプロセスを使用して除去さ
れる。

さらになお多くの他の実施形態では、パターン化ハードマスク材料は誘電体であり、メ
タサーフェス素子のメタサーフェス特徴を形成する。

さらになお多くの他の実施形態では、本方法はさらに、
メタサーフェス材料層がハードマスク材料層内の窪みを充填してハードマスク材料層の
隆起した特徴の上に広がるように誘電メタサーフェス材料層をパターン化ハードマスク材
料層上に蒸着させてメタサーフェス材料の蒸着層をハードマスク層の上に形成すること、
ならびに
メタサーフェス材料層およびハードマスク層が基板の上に均一な高さで終わるように蒸
着層を平坦化すること
を含む。

さらになお多くの他の実施形態では、メタサーフェス材料層は、ケイ素、様々なストイ
キオメトリの窒化ケイ素、二酸化ケイ素、二酸化チタン、アルミナから選択された材料か
ら形成されて、化学蒸着、および原子層蒸着から成る群から選択されたコンフォーマルプ
ロセスを使用して蒸着される。

さらになお多くの他の実施形態では、平坦化は、ウェットエッチングおよびプラズマエ
ッチングから成る群から選択されたエッチングプロセス、または化学的機械的平坦化技術
から選択されたプロセスを使用する。

さらになお多くの他の実施形態では、窪み内に置かれたメタサーフェス材料は、メタサ
ーフェス素子のメタサーフェス特徴を形成し、かつハードマスク材料は、指定された動作
帯域幅においてメタサーフェス材料よりも低い屈折率を有する包埋材料として構成される
。

さらになお多くの他の実施形態では、ハードマスク材料は、指定された動作帯域幅にわ
たってごくわずかな吸収を有し、指定された動作帯域幅において約１～約２．４の間の屈
折率を有する。

さらになお多くの他の実施形態では、本方法はさらに、パターン化ハードマスクの窪み
内に置かれたメタサーフェス材料層が、ハードマスク材料層の除去後に基板の表面上に残
り、複数の空隙によって分けられた複数の分離したメタサーフェス特徴を形成するように
、選択的なエッチングを使用してハードマスク材料層を除去することを含む。

さらになお多くの他の実施形態では、本方法はさらに、特徴間の空隙が充填されるよう
に包埋材料層を分離したメタサーフェス特徴上に蒸着させ、それにより包埋材料層がメタ
サーフェス材料層の表面上に広がるようにすることを含み、包埋材料層は、指定された動
作帯域幅においてメタサーフェス材料よりも低い屈折率を有する。

さらになお多くの他の実施形態では、包埋材料は、ポリ（メチルメタクリレート）、Ｓ
Ｕ８、およびベンゾシクロブテンから成る群から選択されたポリマーである。

さらになお多くの他の実施形態では、包埋材料は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、
二酸化チタン、窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化亜鉛、およびスピンオンガラスから成
る群から選択された固体フィルムである。

さらになお多くの他の実施形態では、本方法はさらに、メタサーフェス材料層および包
埋材料層が基板の上に均一な高さで終わるように包埋材料層を平坦化することを含む。

さらになお多くの他の実施形態では、本方法はさらに、包埋材料層およびメタサーフェ
ス素子の反対側に配置された基板の面の一方または両方の上に反射防止コーティングを蒸
着させることを含む。

さらになお多くの他の実施形態では、反射防止コーティングは、二酸化ケイ素、二酸化
チタン、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、およびアモルファスシリコ
ンから成る群から選択された材料の任意の組合せが交互に重なった層から構成され、交互
に重なった層の各々は、動作帯域幅内の光の波長を下回る厚さを有する。

さらになお多くの他の実施形態では、基板は、照明器もしくはセンサーの上に配置され
ているか、またはそれ自体が照明器もしくはセンサーであるかのいずれかである。

さらになお多くの他の実施形態では、基板は、対象の光学系との使用に不適切な基板厚
さを有していて、かつ次：
研削または化学エッチングの一方または両方を通して基板の裏側の少なくとも一部を
除去すること、および
メタサーフェス素子の基板に追加の基板を位置合せして融着させること
の少なくとも１つをさらに含む。

さらになお多くの他の実施形態では、追加の基板自体は、その片面上に配置されたメタ
サーフェス素子を有し、かつ基板および追加の基板は、関連メタサーフェス素子がその上
に配置されている表面の反対側の表面に沿って融着される。

さらになお多くの他の実施形態では、融着方法は、６００℃を下回るサーマルバジェッ
トを有する接合プロセスを使用する。

さらになお多くの他の実施形態では、接合プロセスは、光エポキシ、ベンゾシクロブテ
ン、ＵＶ硬化ポリマー、ＳＵ８、およびプラズマ活性化二酸化ケイ素フィルムの群から選
択された接着剤を使用するウエハ接合プロセスである。

さらになお多くの他の実施形態では、本方法はさらに、融着前に、基板の一方または両
方の裏側の少なくとも一部を除去することを含む。

さらになお多くの他の実施形態では、本方法はさらに、少なくとも第１のメタサーフェ
ス素子を第１の基板の第１の面上に形成すること、および少なくとも第２のメタサーフェ
ス素子を第２の基板の第１の面上に形成すること、ならびに第１および第２の基板を、６
００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記基板の第１の
面の反対側の面に沿って一緒に融着することを含む。

さらになお多くの他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は不均一である。

さらになお多くの他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は、メタサーフェス特
徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱する。

さらになお多くの他の実施形態では、メタサーフェス素子は包埋および平坦化されてい
て、指定された動作帯域幅内の光の波長より小さいか、または同じオーダーの距離だけ相
互にオフセットされたメタサーフェス特徴の２つの層を含み、それによりメタサーフェス
特徴の２つの層が連動して動作して衝突光に位相シフトを課す。

さらになお多くの他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は不均一であり、メタ
サーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱し、理想の
形状は正方形であり、理想的な正方形は、メタサーフェス特徴が円形として形成される２
００ｎｍよりも小さい側面寸法を有しており、理想的な正方形は、メタサーフェス特徴が
丸くされた縁部を有する正方形として形成される３００ｎｍよりも小さい側面寸法を有す
る。

さらになお多くの他の実施形態では、本方法はさらに、
複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子を形成すること、
平面配列に配置された複数の同一または固有の照明源を提供して、複数の第１のメタサ
ーフェス素子の少なくとも１つを配列内の複数の照明源の各々と統合し、そのために前記
複数の照明源の各々からの光が第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを通過し、そ
れにより角偏向がかけられるようにすること、
第１のスペーサ層を照明源の平面配列と第１のメタサーフェス素子との間に配置するこ
とであって、第１のスペーサ層は、それぞれ第１のメタサーフェス素子に衝突する前に、
平面配列の照明源の各々から放出された光に発散を引き起こすように構成されていること
、
第２のメタサーフェス素子を、複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置
することであって、第２のメタサーフェス素子は、複数の照明源の全部の発光によって形
成された明視野に遠視野照射パターンをインプリントするように構成されていること、お
よび
第２のスペーサ層を第１と第２のメタサーフェス素子の間に配置し、そのためにオフセ
ット距離がその間に形成されるようにすること
を含む。

様々な実施形態は、少なくとも第１のメタサーフェス素子を第１の基板の第１の面上に
形成すること、および少なくとも第２のメタサーフェス素子を第２の基板の第１の面上に
形成すること、ならびに第１および第２の基板を、６００℃を下回るサーマルバジェット
を有する接合プロセスを使用して、前記基板の第１の面の反対側の面に沿って一緒に融着
することを含む、マルチメタサーフェス素子を形成する方法に関する。

様々な他の実施形態では、接合プロセスは、光エポキシ、ベンゾシクロブテン、ＵＶ硬
化ポリマー、ＳＵ８、およびプラズマ活性化二酸化ケイ素フィルムの群から選択された接
着剤を使用するウエハ接合プロセスである。

さらに様々な他の実施形態では、本方法はさらに、融着前に、基板の一方または両方の
裏側の少なくとも一部を除去することを含む。

さらに様々な他の実施形態では、本方法はさらに、
第１および第２のメタサーフェス素子の少なくとも１つを包埋および平坦化すること、
少なくとも第３のメタサーフェス素子を第３の基板の第１の面上に形成すること、なら
びに
第１の面の反対側の第３の基板の面を、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する
接合プロセスを使用して、平坦化された第１または第２のメタサーフェスに融着すること
を含む。

さらになお様々な他の実施形態では、平坦化はさらに、第１および第２のメタサーフェ
ス素子の少なくとも１つをポリマーまたは固体接合剤のいずれか１つに包埋することを含
む。

さらになお様々な他の実施形態では、本方法はさらに、形成、包埋、および融着を行う
ステップを反復して、４つ以上のメタサーフェス素子の層状スタックを形成することを含
む。

さらになお様々な他の実施形態では、層状スタックの一方の端部における層の少なくと
も１つは、照明器またはセンサーのいずれか１つである。

さらになお様々な他の実施形態では、本方法はさらに、
スペーサ基板を、メタサーフェス素子の反対側の第１および第２の基板の面の間に挿入
することであって、スペーサ基板は、それを通して配置された少なくとも１つの開口を有
すること、ならびに
６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、スペーサ基板
を第１および第２の基板に融着し、そのために少なくとも１つの開口が第１および第２の
基板の間に空隙を形成するようになること
を含む。

さらになお様々な他の実施形態では、スペーサ基板は、ポリマー、ＳｉＯ_２、およびガ
ラスの群から選択された低屈折率材料で形成される。

さらになお様々な他の実施形態では、スペーサ材料はブラッククロムでコーティングさ
れる。

さらになお様々な他の実施形態では、本方法はさらに、形成、挿入、および融着を行う
ステップを反復して、３つ以上のメタサーフェス素子の層状スタックを形成することを含
む。

さらになお様々な他の実施形態では、層状スタックの一方の端部における層の少なくと
も１つは照明器またはセンサーのいずれか１つである。

さらになお様々な他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は不均一である。

さらになお様々な他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は、メタサーフェス特
徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱する。

さらなる実施形態は、メタサーフェス特徴の２つの層を基板上に形成することを含み、
その２つの層は、指定された動作帯域幅内の光の波長より小さいか、または同じオーダー
の距離だけ相互にオフセットされ、それによりメタサーフェス特徴の２つの層が連動して
動作して衝突光に位相シフトを課す、複合メタサーフェス素子を形成する方法に関する。

追加の実施形態は、
複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子を形成すること、
平面配列に配置された複数の同一または固有の照明源を提供して、複数の第１のメタサ
ーフェス素子の少なくとも１つを配列内の複数の照明源の各々と統合し、そのために前記
複数の照明源の各々からの光が第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを通過し、そ
れにより角偏向がかけられるようにすること、
第１のスペーサ層を照明源の平面配列と第１のメタサーフェス素子との間に配置するこ
とであって、第１のスペーサ層は、それぞれ第１のメタサーフェス素子に衝突する前に、
平面配列の照明源の各々から放出された光に発散を引き起こすように構成されていること
、
第２のメタサーフェス素子を、複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置
することであって、第２のメタサーフェス素子は、複数の照明源の全部の発光によって形
成された明視野に遠視野照射パターンをインプリントするように構成されていること、お
よび
第２のスペーサ層を第１と第２のメタサーフェス素子の間に配置し、そのためにオフセ
ット距離がその間に形成されるようにすること
を含む、メタサーフェス素子を形成する方法に関する。

追加の他の実施形態では、少なくとも第１のスペーサ層は、固体材料を含む。

追加の他の実施形態では、少なくとも第２のスペーサ層は、空隙を含む。

さらに追加の他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は不均一である。

さらに追加の他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は、メタサーフェス特徴の
寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱する。

さらになお追加の他の実施形態では、本方法はさらに、
複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子を形成すること、
平面配列に配置された複数の同一または固有のセンサー素子を提供して、複数の第１の
メタサーフェス素子の少なくとも１つを配列内の複数のセンサー素子の各々と統合し、そ
のために前記複数のセンサー素子の各々に衝突する光が第１のメタサーフェス素子の少な
くとも１つを通過し、それにより角偏向がかけられるようにすること、
第１のスペーサ層をセンサー素子の平面配列と第１のメタサーフェス素子との間に配置
することであって、第１のスペーサ層は、平面配列のそれぞれのセンサー素子に衝突する
前に、第１のメタサーフェス素子の各々に衝突する光に発散を引き起こすように構成され
ていること、
第２のメタサーフェス素子を、複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置
することであって、第２のメタサーフェス素子は、遠視野照射パターンを衝突する明視野
にインプリントするように構成されていること、および
第２のスペーサ層を第１と第２のメタサーフェス素子の間に配置し、そのためにオフセ
ット距離がその間に形成されるようにすること
を含む。

多数の他の実施形態は、
複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子を形成すること、
平面配列に配置された複数の同一または固有のセンサー素子を提供して、複数の第１の
メタサーフェス素子の少なくとも１つを配列内の複数のセンサー素子の各々と統合し、そ
のために前記複数のセンサー素子の各々に衝突する光が第１のメタサーフェス素子の少な
くとも１つを通過し、それにより角偏向がかけられるようにすること、
第１のスペーサ層をセンサー素子の平面配列と第１のメタサーフェス素子との間に配置
することであって、第１のスペーサ層は、平面配列のそれぞれのセンサー素子に衝突する
前に、第１のメタサーフェス素子の各々に衝突する光に発散を引き起こすように構成され
ていること、
第２のメタサーフェス素子を、複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置
することであって、第２のメタサーフェス素子は、遠視野照射パターンを衝突する明視野
にインプリントするように構成されていること、および
第２のスペーサ層を第１と第２のメタサーフェス素子の間に配置し、そのためにオフセ
ット距離がその間に形成されるようにすること
を含む、メタサーフェス素子を形成する方法に関する。

いくつかの実施形態は、
指定された動作帯域幅にわたって透光性を有する基板上に配置されたメタサーフェス特
徴の配列であって、配列は、指定された動作帯域幅内の光の波長よりも小さい特徴サイズ
を有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の平面内の衝突光
に位相シフトを課すように構成されている、メタサーフェス特徴の配列を含み、
複数のメタサーフェス特徴は不均一であり、メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前
に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱している、
メタサーフェス素子に関する。

いくつかの他の実施形態では、理想の形状は正方形であり、理想的な正方形は、メタサ
ーフェス特徴が円形として形成される２００ｎｍよりも小さい側面寸法を有しており、理
想的な正方形は、メタサーフェス特徴が丸くされた縁部を有する正方形として形成される
３００ｎｍよりも小さい側面寸法を有する。

多くの実施形態は、
平面配列に配置された、複数の同一または固有の照明源またはセンサー素子、
照明源の平面配列の上に配置されて、平面配列の照明源の各々から放出された光に発散
を、またはセンサー素子の各々に衝突する光に収束を引き起こすように構成されている、
第１のスペーサ層、
第１のスペーサ層の上に配置された複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子
であって、複数の照明源の各々から放出されたか、または前記複数のセンサー素子の各々
に衝突する光が第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを通過し、それにより角偏向
がかけられるように、複数の第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つは、配列内の複
数の照明源またはセンサー素子の各々と関連付けられている、複数の同一または固有の第
１のメタサーフェス素子、
複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置された第２のメタサーフェス素
子であって、第２のメタサーフェス素子は、遠視野照射パターンを衝突する明視野にイン
プリントするように構成されている、第２のメタサーフェス素子、および
オフセット距離がその間に形成されるように、第１と第２のメタサーフェス素子との間
の第２のスペーサ層
を含む、メタサーフェス対応の照明またはセンサーの配列に関する。

多くの他の実施形態では、メタサーフェス素子の各々上の複数のメタサーフェス特徴は
不均一であり、メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状
から逸脱している。

さらに多くの他の実施形態では、少なくとも第１または第２のメタサーフェス素子上の
複数のメタサーフェス特徴は、非対称断面を有するように構成され、少なくとも２つの異
なる回転角度で配置されて、そのためにメタサーフェス素子は、直交偏光を有していて相
互に直線的にオフセットされている少なくとも２つのパターンを照明源にインプリントす
るか、またはセンサー素子の照射前に、衝突光からのかかるパターンを検出するように構
成されていて、配列は、３次元情報が配列により単一ショットで場面（ｓｃｅｎｅ）から
取得されるように構成されている。

さらに多くの他の実施形態では、照明源は、偏光されるか、または偏光されず、ＶＣＳ
ＥＬ、固体レーザー、量子カスケードレーザー、ＬＥＤ、およびスーパールミネッセント
ＬＥＤから成る群から選択される。

さらになお多くの他の実施形態では、２つのパターンは固有である。

さらになお多くの他の実施形態では、２つのパターンは、少なくとも５０，０００の接
合ポイントを有する。

さらになお多くの他の実施形態では、少なくとも第１のパターンは、場面のフォアグラ
ウンドの測定を取得するように構成され、かつ少なくとも第２のパターンは、場面のバッ
クグラウンドの測定を取得するように構成される。

さらになお多くの他の実施形態では、２つのパターンは、レーザー偏光に対して対角線
的に偏光される。

さらになお多くの他の実施形態では、３つ以上の異なる偏光を有する３つ以上のパター
ンが使用される。

様々な実施形態は、
少なくとも１つのセンサー素子、
少なくとも１つのセンサー素子上にオフセット距離を置いて配置された少なくとも１つ
の第１の、および少なくとも１つの第２のメタサーフェス素子であって、それらの間に配
置された第１の間隔層を有する、少なくとも１つの第１および第２のメタサーフェス素子
を含み、
少なくとも１つの第１および第２のメタサーフェス素子の各々は、指定された動作帯域
幅にわたって透光性を有する少なくとも１つの基板上に配置されたメタサーフェス特徴の
配列を含み、配列は、指定された動作帯域幅内の光の波長よりも小さい特徴サイズを有す
る複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の平面内の衝突光に位相
シフトを課すように構成されていて、
少なくとも１つの第１および第２のメタサーフェス素子の各々上のメタサーフェス特徴
の配列は、指定された視野にわたって指定された動作帯域幅の光を収集し、入射光をシフ
トさせて、それがゼロ度またはゼロ度に近いクリティカル光線角度（ｃｒｉｔｉｃａｌ
ｒａｙ ａｎｇｌｅ）でセンサー素子に衝突するように構成される、
メタサーフェス素子対応センサーに関する。

様々な他の実施形態では、第１の間隔層は、固体スペーサ材料または空隙のいずれか１
つである。

さらに様々な他の実施形態では、視野は±４４度である。

さらに様々な他の実施形態では、センサーはさらに、メタサーフェス素子とセンサー素
子との間に配置された狭帯域光学フィルタを含む。

さらになお様々な他の実施形態では、狭帯域光学フィルタは、二酸化ケイ素、二酸化チ
タン、アモルファスシリコン、窒化ケイ素および酸化アルミニウムから成る群から選択さ
れた、低屈折率および高屈折率をもつ交互に重なった層から構成される。

さらになお様々な他の実施形態では、センサーはさらに、メタサーフェス素子とセンサ
ー素子との間に配置された複数の同一のマイクロレンズを含む。

さらになお様々な他の実施形態では、少なくとも１つの第１のメタサーフェス素子およ
び少なくとも１つの第２のメタサーフェス素子は、同じ基板の反対側に配置されて、基板
は第１の間隔層を含む。

さらになお様々な他の実施形態では、基板の両側上の２つのメタサーフェス素子は同じ
高さを有する。

さらになお様々な他の実施形態では、２つのメタサーフェス素子は、圧力化学蒸着およ
び原子層蒸着の群から選択されたコンフォーマル蒸着プロセスを使用して、同じ基板の前
面および背面上に同時に蒸着されたフィルムから形成される。

さらになお様々な他の実施形態では、少なくとも１つの第１のメタサーフェス素子およ
び少なくとも１つの第２のメタサーフェス素子は、空隙によって分離された別々の基板上
に互いの方へ内側に向けて配置される。

さらになお様々な他の実施形態では、センサーはさらに、少なくとも１つの第２のメタ
サーフェスの基板の外側に向いた面に組み込まれた光学帯域通過フィルタを含む。

さらになお様々な他の実施形態では、センサーはさらに、第１および第２のメタサーフ
ェス素子とＣＭＯＳセンサーとの間に配置されて、入射光の経路を角度的に分岐し、その
ためＣＭＯＳセンサー上に衝突する光が非ゼロの主光線角度を有するように構成された、
少なくとも第３のメタサーフェス素子を含む。

さらになお様々な他の実施形態では、少なくとも３つのメタサーフェスは、指定された
視野にわたって格子歪みを５％未満に最小限にするように構成される。

さらになお様々な他の実施形態では、センサー素子はＣＭＯＳセンサーである。

さらなる実施形態は、
少なくとも１つのセンサー素子および少なくとも１つの照明源、
少なくとも１つのセンサー素子および少なくとも１つの照明源の各々の上にオフセット
距離を置いて配置されて、それぞれ各々と関連付けられた少なくとも１つの間隔層を有す
る、少なくとも１つの別個のメタサーフェス素子
を含み、
メタサーフェス素子の各々は、指定された動作帯域幅にわたって透光性を有する基板上
に配置されたメタサーフェス特徴の配列を含み、配列は、指定された動作帯域幅内の光の
波長よりも小さい特徴サイズを有する複数のメタサーフェス特徴を含み、照明源と関連付
けられて配置された少なくとも１つの照明メタサーフェス素子は、複数のメタサーフェス
特徴の平面内でそれから放出された明視野に放射パターンを課すように構成され、少なく
とも１つのセンサー素子と関連付けられて配置された少なくとも１つのセンサーメタサー
フェス素子は、場面の照射後に、明視野の放射パターンを検出するように構成されている
、
メタサーフェス素子対応の単一プラットフォームイメージング／検出システムに関する。

なおさらなる実施形態では、本システムはさらに、照明源およびセンサー素子の各々と
関連付けられた複数の別個のメタサーフェス素子およびスペーサ層を含む。

なおさらなる実施形態では、照明源と関連付けられたメタサーフェス素子は、２つの直
交偏光を明視野にインプリントして、直交偏光を有していて相互に直線的にオフセットさ
れている少なくとも２つのパターンを明視野上に生成して場面を照射し、かつセンサー素
子と関連付けられたメタサーフェス素子は、場面に関する３次元情報が収集できるように
少なくとも２つのパターンを検出するように構成される。

多数の実施形態は、
照明源遠視野を計算すること、
対象の遠視野を計算することであって、対象はメタサーフェス素子であること、
対象の遠視野に対する最小二乗適合を計算して擬似遠視野を取得し、それにより擬似遠
視野および照明源遠視野のコンボリューションで対象の遠視野をもたらすこと、
初期のメタサーフェス特徴配列格子および位相を初期状態に設定すること、
１つ以上の目標費用関数を決定して、メタサーフェス素子の複数のピクセルの各々に対
する１つ以上の費用関数の各々に対して勾配関数を計算すること、
１つ以上の費用関数および勾配関数からの結果を最適化アルゴリズムに入力すること、
メタサーフェス素子の複数のピクセルの各々に対する位相を更新し、目標費用関数が収
束するまで勾配計算および最適化を繰り返すこと、ならびに
計算されたメタサーフェス素子位相プロファイルを出力すること
を含む、所望の遠視野強度を照明源にインプリントするためのメタサーフェス素子を製作
するための方法に関する。

多数の他の実施形態では、費用関数は、対象からの平方距離、最近隣距離、照射下のメ
タサーフェス素子の遠視野投影の平方誤差、および計算された遠視野の平滑度から成る群
から選択される。

さらに多数の他の実施形態では、最適化アルゴリズムは、共役勾配またはＬ－Ｂｒｏｙ
ｄｅｎ－Ｆｌｅｔｃｈｅｒ－Ｇｏｌｄｆａｒｂ－Ｓｈａｎｎｏｎのいずれか１つである。

いくつかの実施形態は、指定された動作帯域幅内の光の波長よりも小さい特徴サイズを
有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の平面内の衝突光に
位相シフトを課すように構成されている基板上にメタサーフェス素子を形成する方法にも
関し、基板は、対象の光学系との使用に不適切な基板厚さを有していて、かつ次：
研削または化学エッチングの一方または両方を通して基板の裏側の少なくとも一部を
除去すること、および
メタサーフェス素子の基板に追加の基板を位置合せして融着させること
の少なくとも１つをさらに含む。

いくつかの他の実施形態では、追加の基板自体は、その片面上に配置されたメタサーフ
ェス素子を有し、かつ基板および追加の基板は、関連メタサーフェス素子がその上に配置
されている表面の反対側の表面に沿って融着される。

さらにいくつかの他の実施形態では、融着方法は、６００℃を下回るサーマルバジェッ
トを有する接合プロセスを使用する。

さらにいくつかの他の実施形態では、接合プロセスは、光エポキシ、ベンゾシクロブテ
ン、ＵＶ硬化ポリマー、ＳＵ８、およびプラズマ活性化二酸化ケイ素フィルムの群から選
択された接着剤を使用するウエハ接合プロセスである。

さらになおいくつかの他の実施形態では、本方法はさらに、融着前に、基板の一方また
は両方の裏側の少なくとも一部を除去することを含む。

さらになおいくつかの他の実施形態では、本方法はさらに、少なくとも第１のメタサー
フェス素子を第１の基板の第１の面上に形成すること、および少なくとも第２のメタサー
フェス素子を第２の基板の第１の面上に形成すること、ならびに第１および第２の基板を
、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記基板の第
１の面の反対側の面に沿って一緒に融着することを含む。

さらになおいくつかの他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は不均一である。

さらになおいくつかの他の実施形態では、複数のメタサーフェス特徴は、メタサーフェ
ス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱する。

さらになおいくつかの他の実施形態では、本方法はさらに、
第１および第２のメタサーフェス素子の少なくとも１つを包埋および平坦化すること、
少なくとも第３のメタサーフェス素子を第３の基板の第１の面上に形成すること、なら
びに
第１の面の反対側の第３の基板の面を、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する
接合プロセスを使用して、平坦化された第１または第２のメタサーフェスに融着すること
を含む。

さらになおいくつかの他の実施形態では、平坦化はさらに、第１および第２のメタサー
フェス素子の少なくとも１つをポリマーまたは固体接合剤のいずれか１つに包埋すること
を含む。

さらになおいくつかの他の実施形態では、形成、包埋、および融着を行うステップを反
復して、４つ以上のメタサーフェス素子の層状スタックを形成することを含む。

さらになおいくつかの他の実施形態では、層状スタックの一方の端部における層の少な
くとも１つは、照明器またはセンサーのいずれか１つである。

さらになおいくつかの他の実施形態では、本方法はさらに、
スペーサ基板を、メタサーフェス素子の反対側の第１および第２の基板の面の間に挿入
することであって、スペーサ基板は、それを通して配置された少なくとも１つの開口を有
すること、ならびに
６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、スペーサ基板
を第１および第２の基板に融着し、そのために少なくとも１つの開口が第１および第２の
基板の間に空隙を形成するようになること
を含む。

多数の他の実施形態は、
指定された動作帯域幅にわたって透光性を有する基板上に配置されたメタサーフェス特
徴の配列であって、配列は、指定された動作帯域幅内の光の波長よりも小さい特徴サイズ
を有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の平面内の衝突光
に位相シフトを課すように構成されていて、複数のメタサーフェス特徴は、
ＳｉＯ_２内に包埋されて、５００～１０００ｎｍのピラー高さおよび１００～３００
ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
ＳｉＯ_２内に包埋されて、６００ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラ
ー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
間に配置された空隙を有し、１～５００ｎｍのピラー高さおよび１００～３５０ｎｍ
のピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
間に配置された空隙を有し、４８０ｎｍからのピラー高さおよび１００～２８０ｎｍ
のピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
間に配置された空隙を有し、３００～１０００ｎｍのピラー高さおよび１００～３５
０ｎｍのピラー直径を有するＴｉＯ_２メタサーフェス特徴、
間に配置された空隙を有し、９７５ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピ
ラー直径を有するＴｉＯ_２メタサーフェス特徴、
ベンゾシクロブタン内に包埋されて、５９０ｎｍのピラー高さおよび１００～３００
ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
ＳｉＯ_２内に包埋されて、６００ｎｍのピラー高さおよび１００～２７５ｎｍのピラ
ー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
ＳＵ８内に包埋されて、６７５ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラー
直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、ならびに
４５０ｎｍの素子間隔で、６００ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラ
ー直径を有する、空気中のアモルファスＳｉメタサーフェス特徴
から成る群の１つから形成されている、メタサーフェス特徴の配列を含む、
メタサーフェス素子に関する。

アモルファスＳｉが選択の材料である多数の他の実施形態では、アモルファスＳｉは水
素化されて、水素が構造に存在していないアモルファスシリコンと比較すると高い光透過
となり得る。

追加の実施形態および特徴は、一部は以下に続く記述で説明され、一部は、本明細書を
検討すると当業者に明らかになるか、または本開示の実施によって習得され得る。本開示
の特質および利点のさらなる理解は、本明細書の残りの部分および、本開示の一部を形成
する、図面を参照することによって実現され得る。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
１つ以上のメタサーフェス素子またはシステムを製作するための方法であって、
ハードマスク材料層を基板の少なくとも片面上に蒸着させることであって、前記基板は、指定された動作帯域幅にわたって透光性を有することと、
パターン材料層を前記ハードマスク材料層上に蒸着させることと、
配列パターンを前記ハードマスク層の上に形成するために前記パターン材料をパターン化することであって、前記配列パターンは、メタサーフェス特徴配列の正または負の複製のいずれか１つを含み、前記メタサーフェス特徴配列は、前記指定された動作帯域幅内の光の波長よりも小さい特徴サイズを有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の平面内の衝突光に位相シフトを課すように構成されていることと、
前記ハードマスク内の前記配列パターンに対応する複数の窪みおよび隆起した特徴を形成するために、異方性エッチングプロセスを使用して前記ハードマスク層をエッチングすることと、
任意の残余のパターン材料を前記ハードマスク層の上から除去することと
を含む、方法。
（項目２）
前記基板は、溶融石英、サファイア、ホウケイ酸ガラスおよび希土類酸化物ガラスから成る群から選択された材料から形成され、
前記ハードマスク材料層は、ケイ素、様々なストイキオメトリの窒化ケイ素、二酸化ケイ素、二酸化チタン、アルミナから成る群から選択された材料から形成され、スパッタリング、化学蒸着、および原子層蒸着から成る群から選択された蒸着プロセスを使用して配置され、
前記パターン材料層は、リソグラフィプロセスを使用するフォトレジストパターン化、またはナノインプリント法を使用する高分子パターン化のいずれか１つから形成され、
前記配列パターンは、ＳＦ₆、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、Ｃ₄Ｆ₈またはその任意の静的もしくは
多重混合物から成る群から選択された反応性イオンエッチング法を使用してエッチングされ、
前記残余のパターン材料は、化学溶剤、化学エッチング液、およびプラズマエッチング液から成る群から選択されたプロセスを使用して除去される、
項目１に記載の方法。
（項目３）
前記パターン化ハードマスク材料は誘電体であり、前記メタサーフェス素子の前記メタサーフェス特徴を形成する、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記メタサーフェス材料層が前記ハードマスク材料層内の前記窪みを充填し、前記ハードマスク材料層の前記隆起した特徴の上に広がるように誘電メタサーフェス材料層を前記パターン化ハードマスク材料層上に蒸着させてメタサーフェス材料の蒸着層を前記ハードマスク層の上に形成することと、
前記メタサーフェス材料層および前記ハードマスク層が前記基板の上に均一な高さで終わるように前記蒸着層を平坦化することと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記メタサーフェス材料層は、ケイ素、様々なストイキオメトリの窒化ケイ素、二酸化ケイ素、二酸化チタン、アルミナから選択された材料から形成されて、化学蒸着、および原子層蒸着から成る群から選択されたコンフォーマルプロセスを使用して蒸着され、
前記平坦化は、ウェットエッチングおよびプラズマエッチングから成る群から選択されたエッチングプロセス、または化学的機械的平坦化技術から選択されたプロセスを使用する
項目４に記載の方法。
（項目６）
前記窪み内に置かれた前記メタサーフェス材料は、前記メタサーフェス素子の前記メタサーフェス特徴を形成し、かつ前記ハードマスク材料は、前記指定された動作帯域幅において前記メタサーフェス材料よりも低い屈折率を有する包埋材料として構成される、項目４に記載の方法。
（項目７）
前記ハードマスク材料は、前記指定された動作帯域幅にわたってごくわずかな吸収を有し、前記指定された動作帯域幅において約１～約２．４の間の屈折率を有する、項目６に記載の方法。
（項目８）
前記パターン化ハードマスクの前記窪み内に置かれた前記メタサーフェス材料層が、前記ハードマスク材料層の除去後に前記基板の前記表面上に残り、複数の空隙によって分けられた複数の分離したメタサーフェス特徴を形成するように、選択的なエッチングを使用して前記ハードマスク材料層を除去すること
をさらに含む、項目４に記載の方法。
（項目９）
前記特徴間の前記空隙が充填されるように包埋材料層を前記分離したメタサーフェス特徴上に蒸着させ、それにより前記包埋材料層が前記メタサーフェス材料層の前記表面上に広がるようにすることをさらに含み、前記包埋材料層は、前記指定された動作帯域幅において前記メタサーフェス材料よりも低い屈折率を有する、項目８に記載の方法。
（項目１０）
前記包埋材料は、ポリ（メチルメタクリレート）、ＳＵ８、およびベンゾシクロブテンから成る群から選択されたポリマーである、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記包埋材料は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化亜鉛、およびスピンオンガラスから成る群から選択された固体フィルムである、項目９に記載の方法。
（項目１２）
前記メタサーフェス材料層および前記包埋材料層が前記基板の上に均一な高さで終わるように前記包埋材料層を平坦化することをさらに含む、項目９に記載の方法。
（項目１３）
前記包埋材料層および前記メタサーフェス素子の反対側に配置された前記基板の面の一方または両方の上に反射防止コーティングを蒸着させることをさらに含む、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記反射防止コーティングは、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、およびアモルファスシリコンから成る群から選択された材料の任意の組合せが交互に重なった層から構成され、前記交互に重なった層の各々は、前記動作帯域幅内の光の前記波長を下回る厚さを有する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記基板は、照明器もしくはセンサーの上に配置されているか、またはそれ自体が照明器もしくはセンサーであるかのいずれかである、項目１に記載の方法。
（項目１６）
前記基板は、対象の光学系との使用に不適切な基板厚さを有していて、かつ次：
研削または化学エッチングの一方または両方を通して前記基板の裏側の少なくとも一部を除去すること、および
前記メタサーフェス素子の前記基板に追加の基板を位置合せして融着させること
の少なくとも１つをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１７）
前記追加の基板自体は、その片面上に配置されたメタサーフェス素子を有し、かつ前記基板および追加の基板は、前記関連メタサーフェス素子がその上に配置されている前記表面の反対側の表面に沿って融着される、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
融着の前記方法は、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用する、項目１６に記載の方法。
（項目１９）
接合プロセスは、光エポキシ、ベンゾシクロブテン、ＵＶ硬化ポリマー、ＳＵ８、およびプラズマ活性化二酸化ケイ素フィルムの群から選択された接着剤を使用するウエハ接合プロセスである、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
融着前に、前記基板の一方または両方の裏側の少なくとも一部を除去することをさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
少なくとも第１のメタサーフェス素子を第１の基板の第１の面上に形成することと、少なくとも第２のメタサーフェス素子を第２の基板の第１の面上に形成することと、前記第１および第２の基板を、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記基板の前記第１の面の反対側の面に沿って一緒に融着することとをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目２２）
前記複数のメタサーフェス特徴は不均一である、項目１に記載の方法。
（項目２３）
前記複数のメタサーフェス特徴は、前記メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱する、項目１に記載の方法。
（項目２４）
少なくとも第１のメタサーフェス素子を第１の基板の第１の面上に形成することと、少なくとも第２のメタサーフェス素子を第２の基板の第１の面上に形成することと、前記第１および第２の基板を、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記基板の前記第１の面の反対側の面に沿って一緒に融着することとを含む、マルチメタサーフェス素子を形成する方法。
（項目２５）
前記接合プロセスは、光エポキシ、ベンゾシクロブテン、ＵＶ硬化ポリマー、ＳＵ８、およびプラズマ活性化二酸化ケイ素フィルムの群から選択された接着剤を使用するウエハ接合プロセスである、項目２４に記載の方法。
（項目２６）
融着前に、前記基板の一方または両方の裏側の少なくとも一部を除去することをさらに含む、項目２４に記載の方法。
（項目２７）
前記第１および第２のメタサーフェス素子の少なくとも１つを包埋および平坦化することと、
少なくとも第３のメタサーフェス素子を第３の基板の第１の面上に形成することと、
前記第１の面の反対側の前記第３の基板の前記面を、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記平坦化された第１または第２のメタサーフェスに融着することと
をさらに含む、項目２４に記載の方法。
（項目２８）
前記平坦化は、前記第１および第２のメタサーフェス素子の少なくとも１つをポリマーまたは固体接合剤のいずれか１つに包埋することをさらに含む、項目２７に記載の方法。（項目２９）
形成、包埋、および融着を行うステップを反復して、４つ以上のメタサーフェス素子の層状スタックを形成することを含む、項目２７に記載の方法。
（項目３０）
前記層状スタックの一方の端部における層の少なくとも１つは、照明器またはセンサーのいずれか１つである、項目２９に記載の方法。
（項目３１）
スペーサ基板を、前記メタサーフェス素子の反対側の前記第１および第２の基板の前記面の間に挿入することであって、前記スペーサ基板は、それを通して配置された少なくとも１つの開口を有することと、
６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記スペーサ基板を前記第１および第２の基板に融着し、そのために前記少なくとも１つの開口が前記第１および第２の基板の間に空隙を形成するようになることと
をさらに含む、項目２４に記載の方法。
（項目３２）
前記スペーサ基板は、ポリマー、ＳｉＯ_２、およびガラスの群から選択された低屈折率材料で形成される、項目３１に記載の方法。
（項目３３）
前記スペーサ材料はブラッククロムでコーティングされる、項目３２に記載の方法。
（項目３４）
形成、挿入、および融着を行うステップを反復して、３つ以上のメタサーフェス素子の層状スタックを形成することをさらに含む、項目３１に記載の方法。
（項目３５）
前記層状スタックの一方の端部における層の少なくとも１つは照明器またはセンサーのいずれか１つである、項目２４に記載の方法。
（項目３６）
前記複数のメタサーフェス特徴は不均一である、項目２４に記載の方法。
（項目３７）
前記複数のメタサーフェス特徴は、前記メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱する、項目２４に記載の方法。
（項目３８）
前記メタサーフェス素子は包埋および平坦化されていて、前記指定された動作帯域幅内の光の前記波長より小さいか、または同じオーダーの距離だけ相互にオフセットされたメタサーフェス特徴の２つの層を含み、それによりメタサーフェス特徴の前記２つの層が連動して動作して衝突光に位相シフトを課す、項目１に記載の方法。
（項目３９）
メタサーフェス特徴の２つの層を基板上に形成することを含み、前記２つの層は、前記指定された動作帯域幅内の光の前記波長より小さいか、または同じオーダーの距離だけ相互にオフセットされ、それによりメタサーフェス特徴の２つの層が連動して動作して衝突光に位相シフトを課す、複合メタサーフェス素子を形成する方法。
（項目４０）
前記複数のメタサーフェス特徴は不均一であり、前記メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱し、前記理想の形状は正方形であり、前記理想的な正方形は、前記メタサーフェス特徴が円形として形成される２００ｎｍよりも小さい側面寸法を有しており、かつ前記理想的な正方形は、前記メタサーフェス特徴が丸くされた縁部を有する正方形として形成される３００ｎｍよりも小さい側面寸法を有する、項目１に記載の方法。
（項目４１）
複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子を形成することと、
平面配列に配置された複数の同一または固有の照明源を提供して、前記複数の第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを前記配列内の前記複数の照明源の各々と統合し、そのために前記複数の照明源の各々からの光が前記第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを通過し、それにより角偏向がかけられるようにすることと、
前記第１のスペーサ層を照明源の前記平面配列と前記第１のメタサーフェス素子との間に配置することであって、前記第１のスペーサ層は、前記それぞれ第１のメタサーフェス素子に衝突する前に、前記平面配列の前記照明源の各々から放出された光に発散を引き起こすように構成されていることと、
前記第２のメタサーフェス素子を、前記複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置することであって、前記第２のメタサーフェス素子は、前記複数の照明源の全部の発光によって形成された明視野に遠視野照射パターンをインプリントするように構成されていることと、
第２のスペーサ層を前記第１と第２のメタサーフェス素子の間に配置し、そのためにオフセット距離がその間に形成されるようにすることと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目４２）
複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子を形成することと、
平面配列に配置された複数の同一または固有の照明源を提供して、前記複数の第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを前記配列内の前記複数の照明源の各々と統合し、そのために前記複数の照明源の各々からの光が前記第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを通過し、それにより角偏向がかけられるようにすることと、
前記第１のスペーサ層を照明源の前記平面配列と前記第１のメタサーフェス素子との間に配置することであって、前記第１のスペーサ層は、前記それぞれ第１のメタサーフェス素子に衝突する前に、前記平面配列の前記照明源の各々から放出された光に発散を引き起こすように構成されていることと、
前記第２のメタサーフェス素子を、前記複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置することであって、前記第２のメタサーフェス素子は、前記複数の照明源の全部の発光によって形成された明視野に遠視野照射パターンをインプリントするように構成されていることと、
第２のスペーサ層を前記第１と第２のメタサーフェス素子の間に配置し、そのためにオフセット距離がその間に形成されるようにすることと
を含む、メタサーフェス素子を形成する方法。
（項目４３）
少なくとも前記第１のスペーサ層は、固体材料を含む、項目４２に記載の方法。
（項目４４）
少なくとも前記第２のスペーサ層は、空隙を含む、項目４２に記載の方法。
（項目４５）
前記複数のメタサーフェス特徴は不均一である、項目４２に記載の方法。
（項目４６）
前記複数のメタサーフェス特徴は、前記メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱する、項目４２に記載の方法。
（項目４７）
複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子を形成することと、
平面配列に配置された複数の同一または固有のセンサー素子を提供して、前記複数の第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを前記配列内の前記複数のセンサー素子の各々と統合し、そのために前記複数のセンサー素子の各々に衝突する光が前記第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを通過し、それにより角偏向がかけられるようにすることと、
第１のスペーサ層をセンサー素子の前記平面配列と前記第１のメタサーフェス素子との間に配置することであって、前記第１のスペーサ層は、前記平面配列の前記それぞれのセンサー素子に衝突する前に、前記第１のメタサーフェス素子の各々に衝突する光に発散を引き起こすように構成されていることと、
第２のメタサーフェス素子を、前記複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置することであって、前記第２のメタサーフェス素子は、遠視野照射パターンを衝突する明視野にインプリントするように構成されていることと、
第２のスペーサ層を前記第１と第２のメタサーフェス素子の間に配置し、そのためにオフセット距離がその間に形成されるようにすることと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目４８）
複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子を形成することと、
平面配列に配置された複数の同一または固有のセンサー素子を提供して、前記複数の第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを前記配列内の前記複数のセンサー素子の各々と統合し、そのために前記複数のセンサー素子の各々に衝突する光が前記第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを通過し、それにより角偏向がかけられるようにすることと、
第１のスペーサ層をセンサー素子の前記平面配列と前記第１のメタサーフェス素子との間に配置することであって、前記第１のスペーサ層は、前記平面配列の前記それぞれのセンサー素子に衝突する前に、前記第１のメタサーフェス素子の各々に衝突する光に発散を引き起こすように構成されていることと、
第２のメタサーフェス素子を、前記複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置することであって、前記第２のメタサーフェス素子は、遠視野照射パターンを衝突する明視野にインプリントするように構成されていることと、
第２のスペーサ層を前記第１と第２のメタサーフェス素子の間に配置し、そのためにオフセット距離がその間に形成されるようにすることと
を含む、メタサーフェス素子を形成する方法。
（項目４９）
指定された動作帯域幅にわたって透光性を有する基板上に配置されたメタサーフェス特徴の配列であって、前記配列は、前記指定された動作帯域幅内の光の前記波長よりも小さい特徴サイズを有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の前記平面内の衝突光に位相シフトを課すように構成されている、メタサーフェス特徴の配列を含み、
前記複数のメタサーフェス特徴は不均一であり、前記メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱している、
メタサーフェス素子。
（項目５０）
前記理想の形状は正方形であり、前記理想的な正方形は、前記メタサーフェス特徴が円形として形成される２００ｎｍよりも小さい側面寸法を有しており、かつ前記理想的な正方形は、前記メタサーフェス特徴が丸くされた縁部を有する正方形として形成される３００ｎｍよりも小さい側面寸法を有している、項目４９に記載の方法。
（項目５１）
平面配列に配置された、複数の同一または固有の照明源またはセンサー素子と、
照明源の前記平面配列の上に配置されて、前記平面配列の前記照明源の各々から放出された光に発散を、または前記センサー素子の各々に衝突する光に収束を引き起こすように構成されている、第１のスペーサ層と、
前記第１のスペーサ層の上に配置された複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子であって、前記複数の第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つは、前記配列内の前記複数の照明源またはセンサー素子の各々と関連付けられていて、そのために前記複数の照明源の各々から放出されたか、または前記複数のセンサー素子の各々に衝突する光が前記第１のメタサーフェス素子の少なくとも１つを通過し、それにより角偏向がかけられる、複数の同一または固有の第１のメタサーフェス素子と、
前記複数の第１のメタサーフェス素子から距離を置いて配置された第２のメタサーフェス素子であって、前記第２のメタサーフェス素子は、遠視野照射パターンを衝突する明視野にインプリントするように構成されている、第２のメタサーフェス素子と、
オフセット距離がその間に形成されるように、前記第１と第２のメタサーフェス素子の間の第２のスペーサ層と
を含む、メタサーフェス対応の照明またはセンサーの配列。
（項目５２）
前記メタサーフェス素子の各々上の前記複数のメタサーフェス特徴は不均一であり、前記メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱している、項目５１に記載の照明またはセンサーの配列。
（項目５３）
少なくとも前記第１または第２のメタサーフェス素子上の前記複数のメタサーフェス特徴は、非対称断面を有するように構成され、少なくとも２つの異なる回転角度で配置されて、そのために前記メタサーフェス素子は、直交偏光を有していて相互に直線的にオフセットされている少なくとも２つのパターンを前記照明源にインプリントするか、または前記センサー素子の照射前に、前記衝突光からのかかるパターンを検出するように構成されていて、前記配列は、３次元情報が前記配列により単一ショットで場面から取得されるように構成されている、項目５１に記載の照明またはセンサーの配列。
（項目５４）
前記照明源は、偏光されるか、または偏光されず、ＶＣＳＥＬ、固体レーザー、量子カスケードレーザー、ＬＥＤ、およびスーパールミネッセントＬＥＤから成る群から選択される、項目５３に記載の照明またはセンサーの配列。
（項目５５）
前記２つのパターンは固有である、項目５３に記載の照明またはセンサーの配列。
（項目５６）
前記２つのパターンは、少なくとも５０，０００の接合ポイントを有する、項目５３に記載の照明またはセンサーの配列。
（項目５７）
少なくとも第１のパターンは、前記場面のフォアグラウンドの測定を取得するように構成され、かつ少なくとも第２のパターンは、前記場面のバックグラウンドの測定を取得するように構成される、項目５３に記載の照明またはセンサーの配列。
（項目５８）
前記２つのパターンは、前記レーザー偏光に対して対角線的に偏光される、項目５３に記載の照明またはセンサーの配列。
（項目５９）
３つ以上の異なる偏光を有する３つ以上のパターンが使用される、項目５３に記載の照明またはセンサーの配列。
（項目６０）
少なくとも１つのセンサー素子と、
前記少なくとも１つのセンサー素子上にオフセット距離を置いて配置された少なくとも１つの第１の、および少なくとも１つの第２のメタサーフェス素子であって、その間に配置された第１の間隔層を有する、少なくとも１つの第１および少なくとも１つの第２のメタサーフェス素子
を含み、
前記少なくとも１つの第１および第２のメタサーフェス素子の各々は、指定された動作帯域幅にわたって透光性を有する少なくとも１つの基板上に配置されたメタサーフェス特徴の配列を含み、前記配列は、前記指定された動作帯域幅内の光の前記波長よりも小さい特徴サイズを有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の前記平面内の衝突光に位相シフトを課すように構成されていて、
前記少なくとも１つの第１および第２のメタサーフェス素子の各々上のメタサーフェス特徴の前記配列は、指定された視野にわたって指定された動作帯域幅の光を収集し、前記入射光をシフトさせて、それがゼロ度またはゼロ度に近い主光線角度で前記センサー素子に衝突するように構成される、
メタサーフェス素子対応センサー。
（項目６１）
前記第１の間隔層は、固体スペーサ材料または空隙のいずれか１つである、項目６０に記載のセンサー。
（項目６２）
前記視野は±４４度である、項目６０に記載のセンサー。
（項目６３）
前記メタサーフェス素子と前記センサー素子との間に配置された狭帯域光学フィルタをさらに含む、項目６０に記載のセンサー。
（項目６４）
前記狭帯域光学フィルタは、二酸化ケイ素、二酸化チタン、アモルファスシリコン、窒化ケイ素および酸化アルミニウムから成る群から選択された、低屈折率および高屈折率をもつ交互に重なった層から構成される、項目６０に記載のセンサー。
（項目６５）
前記メタサーフェス素子と前記センサー素子との間に配置された複数の同一のマイクロレンズをさらに含む、項目６０に記載のセンサー。
（項目６６）
前記少なくとも１つの第１のメタサーフェス素子および少なくとも１つの第２のメタサーフェス素子は、同じ基板の反対側に配置されて、前記基板は前記第１の間隔層を含む、項目６０に記載のセンサー。
（項目６７）
前記基板の両側上の前記２つのメタサーフェス素子は同じ高さを有する、項目６０に記載のセンサー。
（項目６８）
前記２つのメタサーフェス素子は、圧力化学蒸着および原子層蒸着の群から選択されたコンフォーマル蒸着プロセスを使用して、前記同じ基板の前面および背面上に同時に蒸着されたフィルムから形成される、項目６０に記載のセンサー。
（項目６９）
前記少なくとも１つの第１のメタサーフェス素子および少なくとも１つの第２のメタサーフェス素子は、空隙によって分離された別々の基板上に互いの方へ内側に向けて配置される、項目６０に記載のセンサー。
（項目７０）
前記少なくとも１つの第２のメタサーフェスの前記基板の外側に向いた面に組み込まれた光学帯域通過フィルタをさらに含む、項目６９に記載のセンサー。
（項目７１）
前記第１および第２のメタサーフェス素子とＣＭＯＳセンサーとの間に配置されて、前記入射光の経路を角度的に分岐し、そのために前記ＣＭＯＳセンサー上に衝突する前記光が非ゼロの主光線角度を有するように構成された、少なくとも第３のメタサーフェス素子をさらに含む、項目６０に記載のセンサー。
（項目７２）
前記少なくとも３つのメタサーフェスは、を前記指定された視野にわたって格子歪み５％未満に最小限にするように構成される、項目７２に記載のセンサー。
（項目７３）
前記センサー素子はＣＭＯＳセンサーである、項目６０に記載のセンサー。
（項目７４）
少なくとも１つのセンサー素子および少なくとも１つの照明源と、
前記少なくとも１つのセンサー素子および少なくとも１つの照明源の各々の上にオフセット距離を置いて配置されて、それぞれ各々と関連付けられた少なくとも１つの間隔層を有する、少なくとも１つの別個のメタサーフェス素子と
を含み、
前記メタサーフェス素子の各々は、指定された動作帯域幅にわたって透光性を有する基板上に配置されたメタサーフェス特徴の配列を含み、前記配列は、前記指定された動作帯域幅内の光の前記波長よりも小さい特徴サイズを有する複数のメタサーフェス特徴を含み、前記照明源と関連付けられて配置された前記少なくとも１つの照明メタサーフェス素子は、複数のメタサーフェス特徴の前記平面内でそれから放出された明視野に放射パターンを課すように構成され、前記少なくとも１つのセンサー素子と関連付けられて配置された前記少なくとも１つのセンサーメタサーフェス素子は、場面の前記照射後に、前記明視野の前記放射パターンを検出するように構成されている、
メタサーフェス素子対応の単一プラットフォームイメージング／検出システム。
（項目７５）
前記照明源および前記センサー素子の各々と関連付けられた複数の別個のメタサーフェス素子およびスペーサ層をさらに含む、項目７４に記載のシステム。
（項目７６）
前記照明源と関連付けられたメタサーフェス素子は、２つの直交偏光を前記明視野にインプリントして、直交偏光を有していて相互に直線的にオフセットされている少なくとも２つのパターンを前記明視野上に生成して前記場面を照射し、かつ前記センサー素子と関連付けられた前記メタサーフェス素子は、前記場面に関する３次元情報が収集できるように前記少なくとも２つのパターンを検出するように構成される、項目７４に記載のシステム。
（項目７７）
照明源遠視野を計算することと、
対象遠視野を計算することであって、前記対象はメタサーフェス素子であることと、
前記対象遠視野に対する最小二乗適合を計算して擬似遠視野を取得し、それにより前記擬似遠視野および前記照明源遠視野のコンボリューションで前記対象遠視野をもたらすことと、
初期のメタサーフェス特徴配列格子および位相を初期状態に設定することと、
１つ以上の目標費用関数を決定して、前記メタサーフェス素子の複数のピクセルの各々に対する前記１つ以上の費用関数の各々に対して勾配関数を計算することと、
前記１つ以上の費用関数および前記勾配関数からの結果を最適化アルゴリズムに入力することと、
前記メタサーフェス素子の前記複数のピクセルの各々に対する前記位相を更新し、前記目標費用関数が収束するまで勾配計算および最適化を繰り返すことと、
計算されたメタサーフェス素子位相プロファイルを出力することと
を含む、所望の遠視野強度を照明源にインプリントするためのメタサーフェス素子を製作するための方法。
（項目７８）
前記費用関数は、対象からの平方距離、最近隣距離、照射下の前記メタサーフェス素子の前記遠視野投影の平方誤差、および計算された遠視野の平滑度から成る群から選択される、項目７７に記載の方法。
（項目７９）
前記最適化アルゴリズムは、共役勾配またはＬ－Ｂｒｏｙｄｅｎ－Ｆｌｅｔｃｈｅｒ－Ｇｏｌｄｆａｒｂ－Ｓｈａｎｎｏｎのいずれか１つである、項目７７に記載の方法。
（項目８０）
前記指定された動作帯域幅内の光の前記波長よりも小さい特徴サイズを有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の前記平面内の衝突光に位相シフトを課すように構成されている基板上にメタサーフェス素子を形成する方法であって、前記基板は、対象の光学系との使用に不適切な基板厚さを有していて、かつ次：
研削または化学エッチングの一方または両方を通して前記基板の裏側の少なくとも一部を除去すること、および
前記メタサーフェス素子の前記基板に追加の基板を位置合せして融着させること
の少なくとも１つをさらに含む、方法。
（項目８１）
前記追加の基板自体は、その片面上に配置されたメタサーフェス素子を有し、かつ前記基板および追加の基板は、前記関連メタサーフェス素子がその上に配置されている前記表面の反対側の表面に沿って融着される、項目８０に記載の方法。
（項目８２）
融着の前記方法は、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用する、項目８０に記載の方法。
（項目８３）
前記接合プロセスは、光エポキシ、ベンゾシクロブテン、ＵＶ硬化ポリマー、ＳＵ８、およびプラズマ活性化二酸化ケイ素フィルムの群から選択された接着剤を使用するウエハ接合プロセスである、項目８２に記載の方法。
（項目８４）
融着前に、前記基板の一方または両方の裏側の少なくとも一部を除去することをさらに含む、項目８２に記載の方法。
（項目８５）
少なくとも第１のメタサーフェス素子を第１の基板の第１の面上に形成することと、少なくとも第２のメタサーフェス素子を第２の基板の第１の面上に形成することと、前記第１および第２の基板を、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記基板の前記第１の面の反対側の面に沿って一緒に融着することとをさらに含む、項目８０に記載の方法。
（項目８６）
前記複数のメタサーフェス特徴は不均一である、項目８０に記載の方法。
（項目８７）
前記複数のメタサーフェス特徴は、前記メタサーフェス特徴の寸法に基づいて事前に判断可能な量だけ理想の形状から逸脱する、項目８０に記載の方法。
（項目８８）
前記第１および第２のメタサーフェス素子の少なくとも１つを包埋および平坦化することと、
少なくとも第３のメタサーフェス素子を第３の基板の第１の面上に形成することと、
前記第１の面の反対側の前記第３の基板の前記面を、６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記平坦化された第１または第２のメタサーフェスに融着することと
をさらに含む、項目８５に記載の方法。
（項目８９）
前記平坦化は、前記第１および第２のメタサーフェス素子の少なくとも１つをポリマーまたは固体接合剤のいずれか１つに包埋することをさらに含む、項目８８に記載の方法。（項目９０）
形成、包埋、および融着を行うステップを反復して、４つ以上のメタサーフェス素子の層状スタックを形成することを含む、項目８８に記載の方法。
（項目９１）
前記層状スタックの一方の端部における層の少なくとも１つは照明器またはセンサーのいずれか１つである、項目９０に記載の方法。
（項目９２）
スペーサ基板を、前記メタサーフェス素子の反対側の前記第１および第２の基板の前記面の間に挿入することであって、前記スペーサ基板は、それを通して配置された少なくとも１つの開口を有することと、
６００℃を下回るサーマルバジェットを有する接合プロセスを使用して、前記スペーサ基板を前記第１および第２の基板に融着し、そのために前記少なくとも１つの開口が前記第１および第２の基板の間に空隙を形成するようになることと
をさらに含む、項目８８に記載の方法。
（項目９３）
指定された動作帯域幅にわたって透光性を有する基板上に配置されたメタサーフェス特徴の配列であって、前記配列は、前記指定された動作帯域幅内の光の前記波長よりも小さい特徴サイズを有する複数のメタサーフェス特徴を含み、複数のメタサーフェス特徴の前記平面内の衝突光に位相シフトを課すように構成されていて、かつ前記複数のメタサーフェス特徴は、
ＳｉＯ_２内に包埋されて、５００～１０００ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
ＳｉＯ_２内に包埋されて、６００ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
間に配置された空隙を有し、１～５００ｎｍのピラー高さおよび１００～３５０ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
間に配置された空隙を有し、４８０ｎｍからのピラー高さおよび１００～２８０ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
間に配置された空隙を有し、３００～１０００ｎｍのピラー高さおよび１００～３５０ｎｍのピラー直径を有するＴｉＯ_２メタサーフェス特徴、
間に配置された空隙を有し、９７５ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラー直径を有するＴｉＯ_２メタサーフェス特徴、
ベンゾシクロブタン内に包埋されて、５９０ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
ＳｉＯ_２内に包埋されて、６００ｎｍのピラー高さおよび１００～２７５ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、
ＳＵ８内に包埋されて、６７５ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラー直径を有するアモルファスＳｉメタサーフェス特徴、ならびに
４５０ｎｍの素子間隔で、６００ｎｍのピラー高さおよび１００～３００ｎｍのピラー直径を有する、空気中のアモルファスＳｉメタサーフェス特徴
から成る群の１つから形成される、メタサーフェス特徴の配列を含む、
メタサーフェス素子。
（項目９４）
前記アモルファスＳｉは水素化される、項目９３に記載のメタサーフェス素子。

説明は、以下の図面を参照すると、より完全に理解され、図面は、本発明の例示的な実
施形態として提示されており、本発明の範囲の完全な列挙として解釈されるべきではない
。

図１Ａ～図１Ｇ。本発明の実施形態に従ったメタサーフェス素子のための製作プロセスを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従って反射防止コーティングを備えた包埋されたメタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従って反射防止コーティングを備えた平坦化されて包埋されたメタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従ってメタサーフェス素子を製作するためのプロセスを図解する概略流れ図を提供する。 図４Ａ～図４Ｃ。本発明の実施形態に従って様々な断面の特徴を有するメタサーフェス素子の概略図を提供する。 本発明の実施形態に従ったメタサーフェス素子を有する複数の基板の組合せを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従った多重メタサーフェス素子を有する複数の基板の組合せを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、空隙を組み込んでいる多重メタサーフェス素子を有する複数の基板の組合せを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、センサー／照明器構成要素と統合されたスペーサを組み込んでいるメタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従ってスペーサを組み込んでいるメタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従った多重メタサーフェス素子基板を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ配列から任意放射パターンを生成するためにメタサーフェス素子を使用するための流れ図を提供する。 本発明の実施形態に従い、図１０Ａのプロセスを使用して取得された位相（１０Ｂ）および強度（１０Ｃ）の図を提供する。 本発明の実施形態に従い、図１０Ａのプロセスを使用して取得された位相（１０Ｂ）および強度（１０Ｃ）の図を提供する。 本発明の実施形態に従い、第２のメタサーフェス素子と共に統合型パッケージに接合された、ピクセル化されたセンサー素子または照明源のセットと接合された配列メタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 図１２Ａ～図１２Ｃ。本発明の実施形態に従い、メタサーフェス素子を分割してＶＣＳＥＬ配列から２つの固有の放射パターンを生成する偏光を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、フォーカスされた光の主光線角度がフィルタ平面に関して０度である場合に、カットフィルタなどの第２の素子と接合された２メタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、各メタサーフェス素子が固有の基板上に形成される場合の、２つのメタサーフェス素子システムを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、複数の単色収差を補正するように設計された３メタサーフェス素子システムを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従った図１５のメタサーフェス素子システムに対してイメージセンサー面における主光線角度を像の高さの関数として図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従った図１５のメタサーフェス素子システムからの格子歪みの一例を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、照明器および検出器上にメタサーフェス素子をもつ統合システムを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、偏光が追加の自由度を提供する場合に、照明器および検出器上にメタサーフェス素子をもつ統合システムを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、ＳｉＯ_２内に包埋されたアモルファスシリコンから成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を示すデータグラフを提供する。 本発明の実施形態に従い、空気中のアモルファスシリコンから成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答を示すデータグラフを提供する。 本発明の実施形態に従い、空気中のアモルファスＴｉＯ_２から成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答を示すデータグラフを提供する。 本発明の実施形態に従い、８５０ｎｍの波長に対する、ポリマー内にカプセル化されたアモルファスシリコンから成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答を示すデータグラフを提供する。 本発明の実施形態に従い、８５０ｎｍの波長に対する、ＳｉＯ_２内にカプセル化されたＳｉから成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答を示すデータグラフを提供する。

ここで図面を参照すると、メタサーフェス素子、かかるメタサーフェス素子を光源およ
び／または検出器と統合している統合システム、ならびにかかる光学配置および統合シス
テムの製造および操作方法が提供される。多くの実施形態は、透過型メタサーフェス素子
を他の半導体デバイスまたは追加のメタサーフェス素子と統合するためのシステムおよび
方法に関し、より詳細には、かかるメタサーフェスの基板、照明源およびセンサーとの統
合に関する。いくつかの実施形態では、メタサーフェス素子は、照明源からの出力光を成
形するか、または場面から反射された光を収集し、偏光を使用して２つの固有のパターン
を形成するために使用され得る。かかる実施形態では、成形された発光および集光は、単
一のコデザインされたプローブおよび検出光学系に統合され得る。

多くの実施形態では、メタサーフェス素子は、２つ以上のメタサーフェス光学素子の組
合せを含む多層メタサーフェス素子を統合し得る。様々なかかる実施形態では、多層メタ
サーフェス素子は、自立式（すなわち、特定の照明器またはセンサーと共にシステムに直
接統合されない）である。いくつかのかかる実施形態では、光学系は、そのいずれかの面
上に配置されたメタサーフェス素子を有する単一の物理的構成要素または基板から構成さ
れ得る。いくつかの実施形態では、多重メタサーフェス素子を有する複数の基板が組み合
わされて、より複雑なシステムが作られ得る。かかる実施形態では、基板の厚さは、光学
系の要件、製造制約および２つのメタサーフェスの特定の設計によって決定され得る。様
々な実施形態では、多層メタサーフェス素子は、各個々のメタサーフェス素子を固有の基
板上にパターン化し、その後、基板を、適切な技術、例えば、ウエハ接合、光学接着剤、
を通して一緒に融着させることによって形成され得る。しかし、一般に、実施形態によれ
ば、任意の数のメタサーフェス素子が、ＣＭＯＳまたは関連プロセスを使用する任意の数
のステップを通して接合され得る。

多くの実施形態では、メタサーフェス素子は、自立式であり得るか、または別の材料内
部に包埋され得る。様々なかかる実施形態では、包埋材料の選択は、屈折率および吸光特
性の適切な選択を含む。多くのかかる実施形態では、包埋材料は、機械的安定性および保
護ならびにメタサーフェスが所望の光学機能を実行するのを可能にする追加の設計自由度
を提供し得る。

様々な実施形態では、メタサーフェス素子は、ＬＥＤ、ＶＣＳＥＬファセットまたは配
列内のＶＣＳＥＬの各ファセット上に直接装填または製作されて、デバイス厚さを最小限
にしてメタサーフェス－照明器／センサーアラインメントを最適化し得る。いくつかのか
かる実施形態では、結果として生じるシステムは、自然のＬａｍｂｅｒｔｉａｎまたは何
らかの任意の光分散を、例えば、いわゆるシルクハット、いわゆるコウモリの翼のような
プロファイル、もしくは任意の他の所望の構造化光パターン、を含む、広範囲で本質的に
任意の光分散に変換するために使用できる。

いくつかの実施形態では、定義された厚さ（例えば、作動距離）の間隔層が、ＣＭＯＳ
イメージセンサー、ＬＥＤ、ＶＣＳＥＬなどの上に蒸着されて、所望のカメラ設計、照明
設計または最適なシステム性能に適した光学距離を実装し得る。様々なかかる実施形態で
は、間隔層材料は、有機または無機であり得、メタサーフェスを含む誘電体素子よりも低
い屈折率を有し得る。いくつかのかかる実施形態では、間隔層の厚さは特定の光学系に対
して適切な光学的間隔を提供するように変更され得る。

様々な実施形態は、メタサーフェス素子を製作する方法にも関する。いくつかのかかる
実施形態では、方法は、センサーまたは照明器などの、他のデバイスを統合しているウエ
ハ上でのメタサーフェス素子の製造にも関し、それにより、いくつかの実施形態では、例
えば、小寸法素子の機械的組立、または光学系のセンサーとの能動的アラインメントなど
の、費用のかかる製造プロセスを回避する。いくつかのかかる実施形態では、メタサーフ
ェス素子は、半導体製造工場において一連の作業でセンサー（または照明器）と統合され
得る。多くのかかる実施形態では、シーケンスは、（ｉ）センサーまたは照明器、（ｉｉ
）任意選択のマイクロレンズアレイ／コリメータ、任意選択のフィルタ、任意選択の間隔
層、任意選択のメタサーフェス素子（複数可）、任意選択の追加の間隔層、任意選択のメ
タサーフェス素子（複数可）、任意選択の反射防止（ＡＲ）層、任意選択の保護層、を含
み得る。多くのかかる実施形態では、素子のシーケンスは、（ｉ）センサーまたは照明器
、（ｉｉ）任意選択のマイクロレンズアレイ／コリメータ、任意選択のフィルタ、任意選
択の間隔層、任意選択のメタサーフェス素子（複数可）、任意選択の追加の間隔層、任意
選択のメタサーフェス素子（複数可）、任意選択の反射防止（ＡＲ）層、任意選択の保護
層、を含み得る。

メタサーフェス素子を製造するための実施形態

現在、メタサーフェス素子の製造は、大量製造と互換性のない特殊プロセスおよびシス
テムの使用を必要として、かかるメタサーフェス素子のＣＭＯＳデバイス内での実装およ
び採用を制限している。メタサーフェス素子を形成するための従来型のプロセスの例示的
な説明は、例えば、米国特許第８，８４８，２７３号に見られ、その開示は、参照により
本明細書に組み込まれる。標準的な半導体プロセスを用いてメタサーフェスを製造する能
力は、メタサーフェス光学系の機能素子、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直共振
器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセン
サー、微小電気機械（ＭＥＭ）デバイスなど、との直接統合を可能にし得、直接統合は、
機能ＣＭＯＳ素子を作製するために使用されるものと同一または類似のユニットプロセス
を使用した、メタサーフェス素子およびセンサー／照明器の接合を意味する。

それに応じて、多くの実施形態は、メタサーフェス素子およびシステムの製作の方法に
関し、より詳細には、従来型の半導体製造工場内で実装可能な方法に関する。様々な実施
形態では、メタサーフェス素子の製造に適している従来型のプロセスは、とりわけ、フォ
トリソグラフィ、ナノインプリント、様々な化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ）
および物理蒸着（ＰＶＤ）物質移動プロセス、ならびに化学およびプラズマエッチング（
およびＣＭＳ）を含み得る。図面を参照すると、メタサーフェス素子の実施形態の様々な
態様の製造のために調整された製作プロセスの例示的なセットが図１Ａ～図１Ｇの概略図
に提示されている。

メタサーフェス光学素子は、数１０ナノメートル～ミクロン規模、またはメタサーフェ
スが使用されている光の波長よりも一般に小さい特徴サイズをもつ誘電体から構成される
。図１Ａ～図１Ｃを参照すると、多くの実施形態では、メタサーフェス素子を製造するた
めの最初のステップは、メタサーフェス特徴の配列のパターニングおよび形成を含む。多
くのかかる実施形態では、図１Ａに示されるように、このメタサーフェス特徴形成プロセ
スは、それ自体が適切な基板（１０）上に配置される厚さｔ（ｔはフィルムの厚さおよび
最終的なメタサーフェスの高さである）の適切なハードマスク材料（１２）の上にパター
ニング材料（１４）を蒸着させることによって達成される。任意の適切な蒸着技術は、こ
れらの層を形成するために使用され得、例えば、スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）ま
たは原子層蒸着（ＡＬＤ）を含む。

本開示全体にわたって、例示的な材料が特定の実施形態に関して説明されるが、パター
ニング材料、ハードマスク材料、および基板の任意の適切な組合せがこれらの目的のため
に使用され得ることが理解されよう。例えば、様々な実施形態では、基板材料は、適切な
構造支持を提供するため、および所望の帯域幅にわたって透光性を有するように選択され
る。実施形態で説明されるプロセスを使用して成功裏に実装されている例示的な基板材料
は、例えば、溶融石英、サファイア、ホウケイ酸ガラスおよび希土類酸化物ガラスを含む
。同様に、ハードマスク材料は、半導体製造工場での使用に適した任意の容易に入手でき
る材料から選択され得る。例示的なハードマスク材料は、例えば、ケイ素、様々なストイ
キオメトリの窒化ケイ素、二酸化ケイ素、二酸化チタン、アルミナなど、を含む。例えば
、ハードマスク材料が包埋材料（以下でさらに詳細に説明するような）を形成する場合な
どの、様々な実施形態では、ハードマスク材料は、光の特定の波長において低い（例えば
、１～２．４）屈折率を有するように選択され得る。最後に、実施形態に従ったパターニ
ング材料は、任意の適切なフォトレジスト、例えば、所望のサイズのメタサーフェス特徴
を形成可能なリソグラフィ波長に対して調整されたフォトレジストなど、から形成され得
る。例示的なリソグラフィプロセスは、例えば、紫外線および深紫外線（ＤＵＶ）リソグ
ラフィを含む。他の実施形態では、パターニング層は、ナノインプリントリソグラフィで
の使用に適したポリマー材料であり得る。使用される特定の材料とは無関係に、パターニ
ング材料は、数１０ナノメートル～ミクロン規模の所望のパターンの特徴を再現できる必
要があり、後続のステップで選択領域内の基礎となるハードマスクフィルムを適切に保護
する必要がある。

具体的には、図１Ｂに示されるように、一旦、基板（１０）、ハードマスク（１２）お
よびパターニング材料（１４）層が適切にされると、パターニング材料は、最終的な意図
したメタサーフェス特徴配列構造の負または正の複製のいずれかに対応する特徴（１６）
の配列を再現するためにパターン化される。この特徴配列パターンを作成するプロセスは
、所望の特徴サイズを作成するのに適した任意の形をとることができる。例えば、可視ま
たは近赤外線用途での使用のためのメタサーフェス素子の実施形態では、ＵＶリソグラフ
ィ（例えば、ＵＶリソグラフィステップの操作の波長が１９３ｎｍを下回る場合）が使用
され得る。さらに他の実施形態では、パターンは、ナノインプリントリソグラフィプロセ
スにおいてマスタースタンプによって物理的にインプリントされ得る。

図１Ｃに示されるように、一旦、所望の特徴配列パターン（１６）が適切にされると、
所望の特徴パターンをハードマスク層（１２）内に移動させるために異方性エッチングプ
ロセスが使用される。実施形態に従った使用のための例示的な異方性エッチングプロセス
は、反応性イオンエッチングプロセスである。反応性イオンエッチングプロセスでは、例
えば、ＳＦ_６ガス、Ｃｌ_２ガス、ＢＣｌ_３ガス、Ｃ_４Ｆ_８またはこれらのガスの任意の混
合物を含む、いくつかの可能なケミストリが使用され得ることが理解されよう。さらに、
ガス混合物は、静的であり得るか、または１つ以上のガスが導入され、その後、何らかの
設定された期間の後に、第２の固有のセットの１つ以上のガスが続く多重化方式で、時間
を限定され得る。使用される特定の異方性エッチングプロセスにかかわらず、一旦、パタ
ーンがハードコーティング層にエッチングされると、残りのフォトレジストが任意の適切
な方法（例えば、化学溶剤、化学エッチング液、プラズマエッチング液など）を使用して
除去され得る。様々な実施形態では、ハードマスク材料（１４）内に形成された特徴配列
（１６）を最終的なメタサーフェス素子として使用することが望ましくあり得ることに留
意されたい。かかる実施形態では、プロセスはここで停止するか、または例えば、図１Ｇ
で説明するように、適切なＡＲコーティングもしくは機械的保護包埋層の蒸着と組み合わ
せることができる。

図１Ｄに示されるように、特定のメタサーフェス材料が最終メタサーフェス素子で使用
される場合、エッチングされたハードマスク（１２）内に形成された特徴パターン（１６
）（図１Ｃで前述したとおり）は、最終メタサーフェス構造のためのテンプレートとして
機能できる。かかる実施形態では、別個のメタサーフェス材料（１８）が、適切なコンフ
ォーマルコーティング方法、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ）など、
を使用して蒸着されて、マスクネガを充填してメタサーフェス素子を作製する。図のよう
に、メタサーフェス材料（１８）は、ハードマスク（１２）にエッチングされた特徴パタ
ーン（１６）によって形成された空間を過充填して、窪みを完全に充填する。窪み（２０
）を充填することに加えて、このプロセスは、残りのハードマスクの上にメタサーフェス
材料の蒸着層を残す。再度、特定のメタサーフェス材料が全体にわたって説明されるが、
実施形態に従ったメタサーフェス材料は、所望の屈折率を有し、かつ半導体製造工場での
使用に適した任意の容易に入手可能な誘電材料から選択され得ることが理解されよう。例
示的なメタサーフェス材料は、例えば、ケイ素、様々なストイキオメトリの窒化ケイ素、
二酸化ケイ素、二酸化チタン、アルミナなど、を含む。

図１Ｅを参照すると、一旦、メタサーフェス材料（１８）の過充填が蒸着されると、エ
ッチングまたは化学的機械的平坦化が実施形態に従って実行されて過充填層を除去して、
パターン化ハードマスク（１２）およびメタサーフェス材料（１２）に均一の高さをもた
らし得る。包埋されたメタサーフェスが望ましい実施形態、および包埋材料（前述のとお
り）として機能するために適切なハードコーティング材料が選択されている実施形態では
、プロセスは停止され得、結果として得られたハードコーティング材料構造内に包埋され
たメタサーフェス材料は最終的なメタサーフェス素子として使用される。このメタサーフ
ェス素子は次いで、任意選択として、以下で説明されるように、適切なＡＲコーティング
層または機械的保護層でコーティングされ得る。

様々な実施形態では、図１Ｅに示されるように、ハードマスク材料（１２）が除去され
て、自立式メタサーフェス素子（２０）が残る。かかる実施形態では、ハードマスクは、
ハードマスク材料（１２）をメタサーフェス材料（１８）よりも遥かに高速に（例えば、
１００：１または１０００：１またはそれ以上）エッチングする選択的エッチング化学を
使用して除去され得る。当業者には理解されるように、かかるプロセスは、メタサーフェ
ス材料およびハードマスク材料の特定の選択に依存する。例えば、ハードマスクがケイ素
でメタサーフェスがＴｉＯ_２である実施形態では、ＸｅＦ_２エッチング化学は選択的にケ
イ素を除去するが、メタサーフェス材料は本質的に不変のままにする。メタサーフェス素
子が自立する、すなわち、メタサーフェス素子特徴が空隙（２２）だけで分離されて基板
の端部から突き出ている、ように設計される実施形態では、プロセスはこのステップで完
了することに留意されたい。

最後に、前述のように、メタサーフェスがＡＲコーティングまたは機械的保護層を有す
るのが望ましいある実施形態では、最終メタサーフェス素子を完成させるために追加のス
テップが必要とされる。図１Ｇを参照すると、様々な実施形態では、ＡＲコーティングま
たは機械的保護もしくは平坦化層（２４）もメタサーフェス特徴（２０）の間の窪み（２
２）を充填するために蒸着されて、メタサーフェス材料層（１８）の表面の上に延在し得
る。特定の光学系設計に適した光学特性、例えば、所望の波長におけるか、または対象の
帯域幅にわたる適切な屈折率および最小光吸収など（平坦化層は、複雑な光学系に対して
複数レベルのメタサーフェス素子を可能にする）、を有する任意の材料がこのプロセスで
使用され得ることが理解されよう。前述のとおり、メタサーフェスを保護して改善された
機能性を提供するために、メタサーフェス構成要素および基板面は多くの実施形態では、
１つ以上の材料または材料の層でコーティングされる。図２Ａを参照すると、包埋された
メタサーフェスの概略図が示されている。図示されているように、メタサーフェス特徴（
２０）は、前述のように所望の光学特性をもつ任意の材料にでき、典型的には低屈折率を
有する包埋媒体（２４）に包埋される。例示的な包埋材料は、例えば、ポリ（メチルメタ
クリレート）、ＳＵ８、ベンゾシクロブテン、および／または固体フィルム、例えば、二
酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化亜鉛
、もしくはスピンオンガラスなど、を含む。低指数包埋媒体は、メタサーフェス特徴をカ
プセル化して、メタサーフェス特徴の上に幾分かの厚みを広げ得る。かかる実施形態では
、低指数媒体はメタサーフェス素子に対する保護バリアとして機能し得る（すなわち、機
械的安定性をもたらす）。包埋材料は、例えば、メタサーフェスの全体的な透過性または
効率性を改善するために、ある特性を最適化するのを可能にするシステムに対する追加の
設計自由度も提供し得、いくつかの場合には、別個のＡＲコーティングに対する必要性を
除去し得る。ここでは、包埋されたメタサーフェスは基板上に製作されているが、以下で
詳細に説明されるように、メタサーフェスはセンサー／照明器からも延出できることが示
されている。接合された素子（メタサーフェス、包埋媒体および基板）は、メタサーフェ
ス（２６´）を含んでいる基板の面上および／または基板（２６）の裏面上の適切な反射
防止コーティングでも覆われ得る。多くの実施形態では、ＡＲコーティングは、二酸化ケ
イ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、またはアモル
ファスシリコンの任意の組合せが交互に重なった層から構成され得、各々は、メタサーフ
ェスの動作帯域幅内の光の波長を下回る厚さを有する。それに応じて、前述のように、包
埋媒体自体が潜在的に、反射防止コーティングとして使用できる。

ある包埋されたメタサーフェス実施形態が前述されているが、様々な他の実施形態では
、メタサーフェスは、図２Ｂに示されるように、包埋および平坦化できる。かかる実施形
態では、メタサーフェス素子は、適切な低指数材料（前述のとおり）に包埋され得、追加
のステップでは、包埋媒体（２４）は次いで、その高さがメタサーフェス素子（２０）と
等しくなるようにエッチングまたは平坦化される。任意選択の反射防止コーティングも、
ベア基板表面（２６）上またはパターン化メタサーフェス面（図示せず）上のいずれかに
含まれ得る。

メタサーフェス素子の従来型基板上での製造のための実施形態

前述は、従来のＣＭＯＳ製作技術を使用して、様々な自立式または包埋されたメタサー
フェス素子を形成可能な製造プロセスを詳細に説明しているが、実際には、半導体製造工
場内に前から存在する設備を使用してメタサーフェス素子の経済的生産を可能にするため
に、従来型のメタサーフェス素子を適合させることは可能でない可能性がある。例えば、
メタサーフェス素子の光学特性を調整するために従来の方式で使用される設計基準の１つ
は基板の厚さである。この基板の厚さを変化させることは、所望の光学特性を得る際に、
メタサーフェス素子設計者に別の自由度をもたらす。しかし、ほとんどの半導体製造工場
内の前から存在する設備は、メタサーフェス素子がその上に製作される基板に関する特定
の機械的要件となる制約を有する。半導体製造工場内の標準的な基板直径、例えば、２０
０ｍｍおよび３００ｍｍの場合、基板の厚さは、それぞれ、７２５ミクロンおよび７７５
ミクロンに制限される。これらの一定の基板の厚さは、その結果として、基板上に形成さ
れるメタサーフェスまたはかかる基板上に形成される複数のメタサーフェスのシステム（
大量生産では、単一のダイ上に形成された、例えば、５，０００のメタサーフェス、また
はそれ以上があり得る）の、光学機能、および従って設計に特定の要件を課す。

それに応じて、多くの実施形態は、メタサーフェス素子またはシステムの製作を、メタ
サーフェスまたはメタサーフェスシステムがその上に製造されている特定の基板の厚さに
合わせるためのプロセスに関する。例えば、様々な実施形態では、特定の機能を光学構成
要素（複数可）全体に与えるためにメタサーフェス素子によって与えられる必要がある位
相シフトは、素子がその上に形成される基板の厚さに特有であろう。それに応じて、いく
つかの実施形態では、メタサーフェス素子を設計および製作するための手順は、（１）メ
タサーフェス素子のデバイス仕様を考慮すること、（２）メタサーフェスがその上に形成
されている基板の厚さおよび光学特性（屈折および吸収率）を考慮すること、（３）基板
の特性に対して所望の仕様を取得するためにメタサーフェスの位相プロファイルを最適化
すること、ならびに（４）位相プロファイルを再現するために必要なメタサーフェス素子
の厚さおよび面内寸法を判断すること、を含む。

図３を参照すると、標準的な基板の厚さを使用したメタサーフェスの製造に従った例示
的なプロセスが提供されている。図に示されるように、メタサーフェス材料の蒸着および
リソグラフィパターニングおよびエッチング（図１Ａ～図１Ｇで前述のとおり）に続いて
、メタサーフェス層が標準的な基板厚さに対して設計される場合、さらなるバックエンド
処理のために送られる前に、追加の保護層またはＡＲコーティングがメタサーフェス層上
に配置され得る。多くのかかる実施形態では、バックエンド処理は、ダイシングプロセス
を使用して、基板にわたって形成された数千ものメタサーフェスを個片化する（ｓｉｎｇ
ｕｌａｔｅ）ことを含み得る。さらに、前述した標準的な厚さとは異なる最終的な基板厚
さを有するメタサーフェスを製造することが望ましい実施形態では、基礎となる基板の厚
さを変更するための追加のステップが実行され得る。かかる実施形態では、メタサーフェ
スは当初は、再度、業界標準と一致する、標準的な基板直径（２００または３００ｍｍ）
で、半導体プロセスにおける標準的な厚さ（それぞれ、７２５または７７５ミクロン）に
関して形成される。標準的な厚さの基板上でメタサーフェスを最初に定義した後、後続の
バックエンド処理が基板の厚さを変更するために実行される。実施形態に従って基板の厚
さを変更するための適切な方法は、基板材料を徐々に除去するために、例えば、研削また
は研削と化学処理の組合せを含む。かかる実施形態では、メタサーフェスがその上に形成
されている最終的な基板の厚さは、開始の標準的な厚さよりも小さい任意の値にできる。
代替として、もっと厚い基板が必要な場合、各々が任意の数のメタサーフェス（１，００
０～１０，０００の個々のメタサーフェス）を含む２つの独立したウエハが実施形態に従
って接合されてウエハ接合プロセスで所望の厚さを達成でき、そのために最終的なモノリ
シックユニットは、両面上にメタサーフェスのセットを備えて、最終設計によって要求さ
れるとおりの全体厚さを有する。かかる実施形態に従ったプロセスは、要求される最終的
な厚さが標準的な厚さの２倍である場合、標準的な厚さの２つの基板に対して実行され得
るか、または薄くされている２つの基板に対して実行して接合されたユニットの最終的な
厚さが任意の所望の厚さを有するようにできる。かかる実施形態では、「バックエンド処
理」は、個々の基板の各々が接合される前に相互に位置合わせできる追加のウエハ接合ス
テップを含み得る。

非理想的な特徴をもつメタサーフェス素子を製造するための実施形態

メタサーフェスを設計するための従来型のプロセスでは、設計されたメタサーフェスか
ら製造されたものに対する形状適合度は、多くの場合、１対１対応または幾分の誤差範囲
内に維持されるかのいずれかであると想定される。このアプローチは、メタサーフェス配
列がしばしば、形状のセットの１つの特徴が変化する形状の単一セットから構成される、
例えば、メタサーフェスにわたって変化する直径をもつ円、となる結果となる。しかし、
メタサーフェスの潜在的な大量生産のために使用される製造技術、例えば、前述のような
ＵＶリソグラフィは、一般に、ある幾何形状の忠実な再現を実行することができない。そ
のため、多くの実施形態は、メタサーフェスの機能が非理想的かつ不均一な形状を使用し
て再現されるメタサーフェス素子およびメタサーフェス製造プロセスに関する。

例えば、図４Ａは、形状の不均一なセットがメタサーフェスにわたって分布されるメタ
サーフェスの例示的な断面の断面概略図を提供する。この特定の実施形態では、正方形の
ピラーが望ましい。しかし、製造後、所与のメタサーフェス内で実際に形成されるものは
、辺長（例えば、ｓ_１）が変化する正方形、変化する半径ｒ_ｅの丸い角の正方形、および
変化する半径ｒ_１またはｒ_２をもつ円の配列である。具体的には、より大きな特徴はここ
では、正方形または丸い角の正方形となるように設計されるが、正方形の辺長が幾分最小
辺長を下回って縮小されると、正方形は円になる。実施形態に従ったプロセスでは、製造
限界は各所望のメタサーフェス特徴形状に関してシミュレートされ、これらの非理想的で
あるか、または不均一な特徴の素子が次いで、最終的なメタサーフェス素子配列構造を決
定するために使用される。

例えば、図４Ｂおよび図４Ｃは、メタサーフェス素子マスクレチクルからの印刷および
設計されたパターンの変異を例示する図を提供する。図に示されるように、辺２００ｎｍ
および４５０ｎｍの周期の設計された正方形特徴に対する実施形態では、印刷された製造
技術は実際には直径２００ｎｍの円（図４Ｂ）を複製する。それに対して、辺２９６ｎｍ
および４５０ｎｍの間隔の正方形特徴に対して、製造された特徴は丸い角の正方形（図４
Ｃ）である。その結果、正方形のメタサーフェス特徴が設計されるメタサーフェス素子の
多くの実施形態は、約３００ｎｍを下回る丸みを帯びた正方形および約２００ｎｍを下回
る円で置換されて、業界標準のＣＭＯＳ再現技術の使用を可能にし得る。

多重メタサーフェス素子を製造するための実施形態

前述のとおり、様々な実施形態は、２つの基板をウエハ接合してメタサーフェス素子を
一緒に統合するための方法に関する。かかる実施形態は、例えば、ダブレットおよびトリ
プレットなどの、多重メタサーフェス素子（例えば、２または３つの別個のメタサーフェ
ス特徴配列を含むメタサーフェス素子）の簡易製造を可能にするために変更され得る。具
体的には、多くのウエハ接合プロセスが存在するが、各々は特定のサーマルバジェットを
接合されている基板に課す。メタサーフェス素子の多くの実施形態は、アモルファスＳｉ
をメタサーフェス材料として使用するので、基板の過加熱はＳｉの結晶化という結果とな
り得る。それに応じて、低温で２つ以上のメタサーフェス素子のウエハ接合を可能にする
ために、低温プロセスを使用して、例えば、ＵＶ硬化ポリマー（ベンゾシクロブタン（Ｂ
ＣＢ）または同様のものなど）、またはプラズマ活性化ＳｉＯ_２を使用してなど、メタサ
ーフェスダブレットおよびトリプレットの形成を可能にする、実施形態が提示される。

図５を参照すると、実施形態に従ってメタサーフェスダブレットを形成するための概略
図が示されている。図示されているように、多くのかかる実施形態では、複数の固有のメ
タサーフェス素子（３０＆３２）が２つの別個の基板（３４＆３６）上に作製される。メ
タサーフェス素子は次いで、各固有の基板の底面（例えば、メタサーフェス素子のない基
板の面の部分）を融着することにより接合システムにされる。前述のとおり、基板は、ウ
エハ接合技術、光エポキシ、または使用されるメタサーフェス材料の許容サーマルバジェ
ット内で２つの固有の素子を単一素子に接合するための任意の適切な方法によって融着さ
れ得る。多くの実施形態における接合材料（３８）は、ベンゾシクロブテン、硬化ポリマ
ーＳＵ８、またはガラス接合を容易にする二酸化ケイ素フィルムなどの、接着剤であり得
る。メタサーフェス材料のサーマルバジェットが低い（６００℃未満）事例では、二酸化
ケイ素結合は、低温プラズマ活性化ＳｉＯ_２接合であり得る。追加として、図示されてい
ないが、メタサーフェスは、図２Ａおよび図２Ｂに例示された実施形態で説明されるよう
に包埋され得る。加えて、図３を参照して説明されるように、最終的にメタサーフェス間
の空間の総厚を構成する、２つの基板の厚さが、接合システムのある特性を最適化するた
めにさらに変更され得る。

本開示は今まで２つのメタサーフェス素子だけを組み込む実施形態を詳述してきたが、
本プロセスは任意の数のメタサーフェス素子に一般化され得る。例えば、ある用途では、
３つ以上のメタサーフェスをモノリシックユニットに接合することを要求し得る。かかる
場合、別個のメタサーフェス素子を含む２つの基板が、当初の接合されていないユニット
を形成し得る。かかるプロセスの例示的な実施形態の図解が図６に提供されている。図に
示されるように、多くのかかる実施形態では、メタサーフェス基板（４０）の少なくとも
１つは、メタサーフェス素子（４２）でパターン化された一面だけを有しているが、他方
、基板の反対側は完全に無パターンにできるか、または対象の特定の波長に対する帯域通
過フィルタ（４４）も含み得る。かかる実施形態では、フィルタは、1つ以上の適切な材
料から形成され得、例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、アモルファスシリコン、窒化
ケイ素、および酸化アルミニウムなどの、低屈折率および高屈折率材料の交互に重なった
層を含む。少なくとも第２のメタサーフェス基板（４６）は、基板の各面上に２つの固有
のメタサーフェス素子（４８＆５０）を有する（この第２のメタサーフェス基板は、図５
に関連して前述したように、それ自身の中間接合ステップを通して形成されている可能性
もある）。メタサーフェス基板（４０＆４６）は次いで、各固有の基板の底面を（例えば
、メタサーフェス素子のない第１の基板（４０）の面の部分を２つのメタサーフェス素子
（４８＆５０）の１つを含む第２の基板（４６）の面の部分と）融着することにより接合
システムにされる。前述のとおり、基板は、ウエハ接合技術、光エポキシ、または使用さ
れるメタサーフェス材料の許容サーマルバジェット内で２つの固有の素子を単一素子に接
合するための任意の適切な方法によって融着され得る。多くの実施形態における接合材料
は、ベンゾシクロブテン、硬化ポリマーＳＵ８またはガラス接合を容易にする二酸化ケイ
素フィルムなどの、接着剤であり得る。メタサーフェス材料のサーマルバジェットが低い
（６００℃未満）事例では、二酸化ケイ素結合は、低温プラズマ活性化ＳｉＯ_２接合であ
り得る。この接合材料は、接合される２つの基板の面上または面の間に配置される。ある
実施態様では、様々なメタサーフェス素子は前述したように、任意選択としてカプセル化
できる（５２＆５４）。しかし、接合プロセスを容易にするための多くの実施形態では、
少なくとも接合されたトリプレットデバイス内でベア基板面または帯域通過フィルタ（４
４）のいずれかの近位にあるメタサーフェス素子（４８）はポリマーおよび／または固体
接合剤（５６）内に包埋される。

メタサーフェス素子を接合する前述の事例では各メタサーフェス素子は固体基板によっ
て分離されているが、いくつかの実施形態では、各メタサーフェス素子は代わりに、空隙
によって分離され得る。図７を参照すると、空隙を含むメタサーフェスダブレットの概略
図が示されている。図に示されるように、多くのかかる実施形態では、２つ以上のメタサ
ーフェス素子（６０＆６２）は、図５に関連して前述された方法などの、適切な方法を使
用して、固有の基板（６４＆６６）上に形成される。固有のメタサーフェス素子は次いで
、エッチングされた１つ以上の開口（７０）を含む第３の基板またはスペーサ基板（６８
）と接合されてモノリシックユニットを作り、この場合、メタサーフェス間の開口内の空
間は充填されていない（すなわち、そのために空隙がメタサーフェス素子（６０＆６２）
間に形成される）。メタサーフェス間の空間はシステムレベルの最適化のための追加の設
計ツールを提供する。例えば、多くの実施形態では、スペーサウエハの厚さを調整するこ
とにより、様々な異なる設計を実装できる。加えて、様々な実施形態では、図７にも示さ
れるように、照明器および／またはセンサー（７４）などの、他のシステム要素を組み込
むために追加のスペーサ基板（７２）を追加することが可能である。

かかるスペーサ基板を組み込んでいる実施形態では、任意の適切な基板材料が使用され
得る。例えば、多くの実施形態では、スペーサ基板は、例えば、ポリマー、ＳｉＯ_２、ガ
ラスなどの、任意の低指数材料であり得る。加えて、他の実施形態では、スペーサ材料は
ブラッククロムでコーティングされ得る。メタサーフェス素子は任意の材料からも形成さ
れ得、それは、例えば、ケイ素、ＴｉＯ_２、アルミナ、金属など、特定の帯域幅に対して
最適化されている。メタサーフェス素子は、図１Ａ～図１Ｇで説明したようなかかる方法
を使用して、または半導体製造プロセス一般を使用しても、製作され得る。

前述の実施形態では２および３のメタサーフェスを接合するためのプロセスを説明した
が、しかし、かかる実施形態は単に２または３のメタサーフェスを超えて拡張され得る。
例えば、図５～図７に関連して前述したステップを反復することにより、実施形態は、任
意の数のメタサーフェス素子の積み重ねを可能にする。図８Ａを参照すると、様々な実施
形態では、メタサーフェス（８０、８２、８４など）およびスペーサ層（８６、８８など
）のセットが、照明器またはセンサーと直接統合され得る。かかる実施形態では、任意選
択のスペーサ層（９０）がまず、例えば、図１Ａ～図１Ｇに関連して前述したとおり、適
切な蒸着プロセスを通してセンサー／照明器（９２）上に形成される。スペーサ層（９０
）に続いて、任意の数のメタサーフェス素子（８０～メタサーフェスｎ＋１）が、所望の
機能を実行するための必要に応じて製作され得る。各後続のメタサーフェスもスペーサ層
（８６～スペーサｎ＋１）によって分離され得、各間隔層の厚さは、光学設計によって必
要とされるとおり変更され得る。前述のように、スペーサ層はかかる実施形態では、任意
の低指数材料、例えば、ポリマー、ＳｉＯ_２、ガラス、であり得る。同様に前述のとおり
、メタサーフェス素子はかかる実施形態では任意の材料でもあり得、それは、例えば、ケ
イ素、ＴｉＯ_２、アルミナ、金属など、特定の帯域幅に対して最適化されている。メタサ
ーフェス素子は、図１Ａ～図１Ｇで説明したようなかかる方法を使用して、または他の適
切な半導体製造プロセス一般を使用して、製作され得る。

前述はセンサーまたは照明器（９２）との統合を想定しているが、メタサーフェス素子
およびスペーサ層のセットは、図８Ｂに示されるように、基板（９０）上にも反復して製
作できる。図に示されるように、かかる実施形態では、プロセスは図８Ａに関連して説明
されるとおりであるが、メタサーフェス／スペーサのスタックをセンサー／照明器（９２
）上に統合するのではなく、スタックがスタンドアロンの基板（９０）上に作製される。
かかる実施形態に従って接合された基板とスタックは次いで、光学系に組み込まれるか、
またはスタンドアロンの光学構成要素として使用され得る。

多層メタサーフェス素子およびそれらの製造の実施形態

上で詳述された実施形態では、各メタサーフェス素子は、より大規模な光学系において
固有の光学機能を実行するように設計されて、メタサーフェス素子は典型的には巨視的な
距離（１０以上の波長の距離）だけ分離されるが、様々な実施形態では、複数の２層のパ
ターン化材料が相互に微視的な距離を置いて（例えば、相互に光の波長よりも小さいかま
たは同じオーダーの距離を置いて）提供され得、そのため、層は一緒に単一のメタサーフ
ェス素子を形成して単一の光学機能を実行する。これは、非常に複雑なメタサーフェス特
徴を必要とする光学機能が求められる場合に特に好都合であり得る。かかる複雑な特徴は
、製造するための標準的なＣＭＯＳ製造技術の能力を超え得る。かかる場合、実施形態に
従い微視的な距離で配置された単純な特徴の組合せが使用されて、複雑な特徴形状の光学
機能が再現され得る。図９を参照すると、距離ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}だけ分離されたパターン化
材料の２つの層を含むメタサーフェス素子の実施形態の概略図が提供される。２層システ
ムに対する概略図だけが示されているが、距離ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}が複数の層の光学機能の組
合せを可能にするために十分に小さい限り、任意の数のかかる層が提供され得ることが理
解されよう。これらの特徴層は、上で、図１～図８に関連して説明した製造ステップの任
意の適切な組合せを使用して、形成および接合され得る。

メタサーフェス素子をＶＣＳＥＬと統合するための実施形態

実施形態に従ってメタサーフェス素子を製作する技術およびプロセスは、照明源とのそ
れらの統合も直接可能にする。特に興味深いのは、メタサーフェス素子のＶＣＳＥＬおよ
びＶＣＳＥＬ配列との組合せである。一般に、透過型メタサーフェス素子は、任意位相プ
ロファイルを電磁波上にインプリントして、任意の放射パターンを遠視野に生成できる。
実施形態に従ったメタサーフェス素子のための製造技術は、ＶＣＳＥＬ、固体レーザー、
量子カスケードレーザー、ＬＥＤ、スーパールミネッセントＬＥＤまたは任意の固体光源
との直接統合を可能にする。

ＶＣＳＥＬは、レーザー光のほぼ平行なビームを単一波長で生成する単一（または２、
３の）モードのレーザーとして概念化できる。多くの場合、十分な出力または空間広がり
を生成するために、デバイスは１つのＶＣＳＥＬではなく、ＶＣＳＥＬの２次元配列を含
む。この光は実空間および角度空間において分布（または照射）を有する。メタサーフェ
スは、適切にコデザインされてＶＣＳＥＬ配列と統合される場合、ＶＣＳＥＬまたはＶＣ
ＳＥＬ配列のいずれかの実空間および角度空間分布の両方を変換する能力を有する。具体
的には、メタサーフェス素子をＶＣＳＥＬと組み合わせると、メタサーフェス素子が任意
放射パターンを源上にインプリントするのを可能にする（例えば、コウモリの翼、シルク
ハット、スーパーガウス、または当技術分野で既知の他のパターン）。

図１０Ａは、実施形態に従い、任意の所望の遠視野強度をＶＣＳＥＬ配列から作成する
ためにメタサーフェスを製作するための、プロセスの流れ図を提示する。実空間内で照射
を取得するために、ＶＣＳＥＬは、実施形態に従い、遠視野領域内で動作すると想定され
る。ＶＣＳＥＬの特徴的な遠視野（ＶＣＳＥＬ－ＦＦ）は、実験データから、照射下の表
面に伝搬され、それはこの場合、上で定義されたとおりメタサーフェス素子である。ＶＣ
ＳＥＬ配列の場合、（ＶＣＳＥＬ－ＦＦ）を介した多くのＶＣＳＥＬからの出力は、非干
渉性の仮定の下で、表面で合計されて照射を生成する。この表面照射は次いで、メタサー
フェス素子（Ｉ－ＭＳ）において強度分布を与える。この照射された表面のあらゆるポイ
ントは、ＶＣＳＥＬ遠視野角度分布から得られた、その上への入射光の角度の分布も有す
る。単純化する事例では、実施形態に従い、照射された全てのポイントがこの同じＶＣＳ
ＥＬ遠視野角度分布を有する場合を考慮することが可能であるが、とはいえ、各ポイント
はわずかに異なる角度分布を有する。

設計内のメタサーフェス素子において角度の分布を考慮に入れるメタサーフェス素子を
生成するために、対象の遠視野分布（ＴＡＲＧＥＴ＿ＦＦ）から本プロセスの実施形態は
、特性を有する擬似遠視野（ＰＳＥＵＤＯ－ＦＦ）を構成し、そのコンボリューションは
、
（（ＰＳＥＵＤＯ－ＦＦ）＊（ＶＣＳＥＬ－ＦＦ））（ｘ，ｙ）＝（ＴＡＲＧＥＴ－ＦＦ
）（ｘ，ｙ） （式１）
すなわち、実施形態に従い、ＶＣＳＥＬ遠視野でコンボリューションされた擬似遠視野は
、対象の遠視野を再現する。かかる実施形態では、擬似遠視野は、曲線を対象関数に適合
させることによって計算される。次いで（ＰＳＥＵＤＯ－ＦＦ）が、本プロセスの残りに
おいて対象（または目標関数）として使用される。

様々な実施形態では、本プロセスは、メタサーフェス格子を離散化し、位相を何らかの
初期状態に設定することによって初期化することにより開始する。多くの実施形態では、
費用関数が決定される。様々な実施形態では、これは、（ＰＳＥＵＤＯ－ＦＦ）に対する
ＶＣＳＥＬ照射下でメタサーフェスの遠視野投影の平方誤差となるように選択される。い
くつかの実施形態では、計算された遠視野における結果の平滑度などの、他の目標も任意
選択として設定できる。各目標に関して、対応する勾配関数も導出される。この勾配関数
および費用関数の計算結果は次いで、実施形態で、実施形態に従い、図１０Ａに要約され
るように、最適化アルゴリズムへの入力として使用される。最適化アルゴリズムは、実施
形態に従って、ピクセル位相の結果を更新し、目標関数が何らかの基準（例えば、収束）
を満足するまで継続する。費用関数が収束すると、必要なメタサーフェス位相プロファイ
ルが出力され、メタサーフェス素子設計が波長および所望の材料（例えば、以下で詳細に
説明されるとおり）に応じて選択されて、メタサーフェス素子に対する物理的設計が作成
され得る。

例示的なデータプロットは、実施形態に従い、例示的な事例に関して前述されたアルゴ
リズムを採用した後、位相（１０Ｂ）および強度（１０Ｃ）に関する本プロセスの出力を
示す。図に示されるように、かかる実施形態では、位相はメタサーフェス素子によって符
号化され、右側の強度プロファイルはレーザー源がメタサーフェス素子を通過した後に生
成されて、遠視野に投影される。それに応じて、かかるプロセスを使用すると、所望の動
作条件下で提案されたメタサーフェス素子に対する予測性能データを取得し、例えば、素
子のサイズ、高さおよび間隔などの、メタサーフェス素子設計の態様を変更することによ
りその性能を最適化する方法を図解することが可能である。

メタサーフェス素子を照明配列と統合するための実施形態

前述のプロセスはメタサーフェス素子を、例えば、図７および図８Ａで示されるような
、単一の照明源と統合することにフォーカスしてきたが、メタサーフェス素子はピクセル
化されて分布された照明源のセットとも統合できる。図１１に図解されるように、様々な
実施形態は、場面（１１０）を照射するように設計された照明源のセット、ｐ_１、ｐ_２、
・・・ｐ_ｎ（これは１Ｄで示されているが、本システムは２Ｄ配列に拡張でき、一般に、
配列は周期的に間隔を置かれる必要がないことが理解されよう）を含み得る。各照明器は
同一であり得るが、多くの実施形態では、各照明器の特質は一般に固有であり得る。例え
ば、各照明器は、異なる波長、帯域幅を有し得うるか、または独自に駆動された光波形さ
え出力し得る。特定の用途では、図１１における配列は、ＶＣＳＥＬの配列であり得る。
他の用途では、配列内でその後、周期的に反復される３つの色（例えば、赤、緑および青
）があり得る。配列を含む各照明器は固有の特性を有し得るので、各々が独自に設計され
た特性を備えた、メタサーフェス素子の配列を有することも好都合であり得る。かかる実
施形態では、メタサーフェス配列（１００）は、スペーサ（１０４）（図７または図８Ｂ
と同様）によって照明器配列（１０２）からオフセットされ得る。前述のとおり、スペー
サ層（１０４）の厚さは特定の設計によって決まるが、多くの実施形態では、厚さは、照
明源からの光が、メタサーフェス配列（１００）と接触する前に、十分に発散するのを可
能にするように構成される。再度、配列内の各メタサーフェス素子の機能は一般に固有で
あり得るが、ある実施形態では、各メタサーフェス素子は、基礎となる照明器ピクセルの
視準を提供し得るか、または各メタサーフェス素子は各基礎となる照明器ピクセルをさら
に混合するように機能し得る。

第１のメタサーフェス配列（１００）に加えて、様々な実施形態は、第２のメタサーフ
ェス素子（１０６）を組み込んで照明器配列（１０２）からの放射光をさらに成形し得る
。様々な実施形態では、第２のメタサーフェス素子（１０６）は第２のスペーサ層（１０
８）によってもオフセットされる。この第２のスペーサ層（１０８）は図１１では空隙ス
ペーサとして示されているが、このスペーサは、前述した他の実施形態におけるように、
固体材料にもできることが理解されよう。多くの実施形態では、第１のメタサーフェス配
列（１００）は、追加の角度発散を照明器配列（１０２）に導入するように構成され、他
方、第２のメタサーフェス素子（１０６）は特定の遠視野放射パターンを明視野上にイン
プリントする。他の実施形態では、第２のメタサーフェス素子（１０６）は、各々が固有
の機能性を備えた、メタサーフェス素子の配列からも形成され得る。すべてのかかる実施
形態では、メタサーフェス素子、および特に、システム内の第２のメタサーフェス素子は
、図１０Ａで説明されるアルゴリズムの実施形態を使用して設計され得る。この特定の事
例では、本システムは、場面（１１０）を照射するためにメタサーフェス配列／素子によ
って成形されたピクセル化照明器（１０２）の配列として説明されているが、本システム
は、逆に考えることもできる。例えば、ピクセル化照明源は代わりに、ＣＭＯＳイメージ
センサーのピクセルであり得、場面に投影されている光の代わりに、本システムは、場面
（１０）から光を収集してその光の焦点をピクセルに合わせるように構成され得る。

照明源がＶＣＳＥＬである全ての実施形態では、本開示は、ＶＣＳＥＬの配列（ＶＣＳ
ＥＬ配列）にも適用できることが理解される。かかるＶＣＳＥＬ配列では、設計可能な特
性を備えた多くの個々の開口ＶＣＳＥＬが単一チップ上に接合される。かかるＶＣＳＥＬ
配列は、照明源の総出力を増大させるために使用される。配列は、個々のＶＣＳＥＬの１
次元行または個々のＶＣＳＥＬの２Ｄ格子から構成され得、各事例では、ＶＣＳＥＬの特
定の特性（例えば、出力、波長、開口直径、ビーム発散など）および個々のＶＣＳＥＬの
配置（例えば、中心間距離、周期的または非周期的間隔など）は全て、自由に選択できる
。

メタサーフェス素子統合の文脈では、一般に（しかし、必ずしもではなく）固有に設計
された特性を備えたメタサーフェス素子の実施形態は、本明細書で概説する技術のいずれ
かを使用して、配列内の各個々のＶＣＳＥＬの上にパターン化できる。例えば、メタサー
フェスは、配列内の各個々のＶＣＳＥＬのファセット上に直接製作され得るか、または適
切な誘電体スペーサがＶＣＳＥＬ上に蒸着され、続いて接合された誘電体層とＶＣＳＥＬ
の上にメタサーフェスが統合され得る。かかる実施形態では、メタサーフェスは各ＶＣＳ
ＥＬに対して特定の放射パターンを提供し得、システム全体（ＶＣＳＥＬ特性、幾何的パ
ラメータおよびメタサーフェス対応放射パターン）は性能パラメータの特定セットに対し
て反復して最適化できる。

様々な他の実施形態では、構成するＶＣＳＥＬ材料の屈折率よりも低い屈折率をもつ、
誘電材料は、単一のメタサーフェスが誘電材料の上にパターン化できるように、蒸着され
て平坦化され得る。これは、配列内の各ＶＣＳＥＬがそのファセット上にパターン化され
た固有のメタサーフェスを有する実施形態とは対照的である。再度、かかる実施形態では
、接合されたシステムは、所望の性能を達成するように最適化され得る。最後に、前述の
実施形態の全てでは、メタサーフェスのＶＣＳＥＬ配列との統合は、ウエハレベル光学プ
ロセスを使用して達成され得る。かかる実施形態では、スペーサ層は、図７に示されるデ
バイスと同様に、固体誘電体ではなく、空気であり得る。

メタサーフェス素子を３Ｄ用途に統合するための実施形態

ある３Ｄ構造化光用途では、擬似ランダムバイナリ配列（ＰＳＢＡ）が場面上に投影さ
れる。典型的なＰＳＢＡは、例えば、正方格子内に、２Ｄ空間を離散化することによって
構築される。ｘ－ｙ平面内の各格子点が、固有のインデックス（ｉ，ｊ）によって特性化
でき、ここでｉおよびｊは整数である。各点（ｉ，ｊ）において、格子点がドットを有し
ている（２進値の１を表す）か、または有していない（２進値の０を表す）かを判断する
ために擬似ランダムアルゴリズムが使用される。

典型的には、入射レーザー光を、例えば、ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ配列から単一の
ドットパターンに変換するために回折光学素子（ＤＯＥ）が使用される。かかる変換方式
は、投影された領域における２つの強度値（ドットまたはドットではない）だけに依存す
る。しかし、一般に、複数のパターンを単一の場面に与え、複数パターンの各々に対して
分離可能な情報チャネルに存在すること（すなわち、単一の素子から場面上に投影された
２つのパターンを有すること、および各パターンをセンサー平面において固有に識別する
ための方法を有すること）が望ましい。３Ｄイメージングのいくつかの方式では、複数の
パターンが異なるタイムスライスにおいて場面に投影される（時間的変化）。これらの方
式は、複数の別個の照射パターン、または投影されるパターンを異なる時点において変更
するように静電的に調整できる、空間光変調器などの、何らかの能動素子のいずれかを使
用する。しかし、これらの方式は、シングルショット取得（ｓｉｎｇｌｅ－ｓｈｏｔ ａ
ｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）を許可せず、複雑さ、および従ってシステムの費用が増大して、
統合されたレーザー／ＤＯＥよりも実質的に大きくなる傾向がある。それに応じて、多く
の実施形態は、３Ｄ構造化光用途に対してシングルショット取得を提供するように構成さ
れたメタサーフェス素子に関する。

図１２Ａ～図１２Ｃを参照すると、２つの直交偏光をもつ２つの固有なドットパターン
を照明源（１２４）にインプリント可能である、非対称断面（例えば、長方形または楕円
形）、固定の高さ、および回転軸をもつ複数のメタサーフェス特徴（１２２）から成るメ
タサーフェス素子（１２０）の例示的な実施形態が提供される。この例示的な実施形態は
、固定偏光のレーザーに関して説明されるが、実施形態は、非偏光源（例えば、発光ダイ
オード（ＬＥＤ））に関して動作するようにも構成され得、その場合、メタサーフェス素
子の機能は非偏光を２つの別個の偏光に分割して（図１２Ｂに概略的に示されるように）
、所望の任意パターンを投影光にインプリントすることであろう。照明源が何であれ、様
々な他の実施形態では、メタサーフェス素子は、本開示で説明される実施形態に従って、
照明源（例えば、ＬＥＤ、ＶＣＳＥＬ、ＶＣＳＥＬ配列など）と統合できる。例えば、図
１２Ａを参照すると、メタサーフェス素子（１２０）は、所望の厚さの基板（１２６）上
に製作され、次いで、後に照明源（１２４）に接合されるスペーサ層と接合されるか、照
明源に直接接合されるか、またはメタサーフェス素子がその上に形成される基板がその後
、個々のユニットにダイスカットされ、バックエンドパッケージングを通してレーザー源
と接合できる。３Ｄイメージングシステムの様々な実施形態に関して、照明源は近赤外（
ＮＩＲ）（例えば、８５０または９４０ｎｍの波長）であり得る。

使用されるメタサーフェス素子の特定の構成および製造にかかわらず、かかる実施形態
では、メタサーフェス素子は、強度だけではなく、照明源から放出された光の偏光も成形
することによって動作する。具体的には、強度の変動に加えて、光は偏光として知られる
ベクトル量も有する。偏光照明源を所与として、照明偏光を２つの直交偏光またはチャネ
ルの基底に分解することが可能である。これらの偏光基底の直交性に起因して、これらの
異なる偏光チャネル上にインプリントされた任意のパターンは、これらの偏光チャネルを
分離するように構成された適切な検出器を通して独立して検知もできる。

特定の例として、次の事例を検討されたい。水平偏光

で光を放出する照明源（この例では、レーザーなどの偏光照明源）に関して、出力を、式
：

に従い、２つの偏光に分解することが可能であり、式中、

および

はこの例では、対角および非対角の直線偏光である（しかし、任意のセットの偏光が実施
形態に従って使用され得ることが理解されよう）。かかる場合、図１２Ｃに示されるよう
に、照明源（１２４）の上に配置されたメタサーフェス素子（１２０）のメタサーフェス
特徴（１２２）のパターンは、それが別個のドットパターン（図１２Ｂに示されるとおり
）をこれら２つの偏光の各々上にインプリントするように構成される。実施形態に従い、
これらのドットパターンは、図１２Ｂの例示的な概略図に示されるとおり、明確にするた
めに各偏光に対して固有であり得るか、または一部、重複し得る。しかし、ドットの特定
の構成にかかわらず、実施形態では、これらのパターンは、空間の同じ領域に投影される
（すなわち、それらの格子は同一の空間的原点を有する）。様々な実施形態では、全ての
点に関して、パターン１でドットがあり、パターン２でドットがないか、その逆も同じで
あるように、相補的なドットパターンが使用され得るが、これは本質的ではない。かかる
相補的なドットパターン構成は、場面の単一のドット（例えば、領域）が捕捉中に失われ
た場合、それを捕捉し得る別個の偏光の補足的なドットがあり、従ってある程度の冗長性
を提供するという利点を有する。加えて、正方格子上のドットの２つのパターンはこの特
定の例示的な実施形態に関連して説明されるが、投影されるパターンは任意の適切な幾何
形状および外形を有する任意の構成であり得ることを理解すべきである。同様に、特定の
照明偏光およびその照明偏光が分解された偏光数が説明されているが、任意の偏光および
任意の数の異なる偏光が実施形態に従って使用され得ることが理解されよう。

前述のように、実施形態は、各パターンがその上にインプリントされる偏光チャネルの
直交性の結果として動作する。この直交性のため、所与の場面からの反射光は、適切な検
出器によって分離され、図１２Ｂに示されるように、同じ場面の複数の像、パターン１に
対応する偏光１をもつもの、およびパターン２に対応する偏光２をもつもの、を作成でき
る。最終結果は、かかるシステムの実施形態は、時分割多重化を必要とすることなく、場
面から反射された歪んだパターンの２つの名目上独立した測定をもたらすことである。そ
れに応じて、かかるシステムの実施形態は、３Ｄイメージングシステムにおいてシングル
ショット、複数測定を提供するために使用でき、従って曖昧さを減らして精度を向上させ
る。

モバイルデバイスで使用される典型的なパターン投影システムは、例えば、場面上に投
影できる総ポイント数に制限がある。この制限は、ＶＣＳＥＬ配列内の構成ＶＣＳＥＬの
数（それはパターンを生成する光学系の動作によって変更可能でない）および構造化光パ
ターンを生成する光学系がＶＣＳＥＬ配列を含む各ＶＣＳＥＬの複数の複製を作成する能
力の組合せに起因する。実用的な実施態様では、これはパターン内の投影ポイント数を特
定の数Ｎ（典型的には、およそ３０，０００）に制限する。前述した偏光依存のメタサー
フェスシステムの実施形態によれば、単一のメタサーフェス素子は、各直交偏光に対して
複数の完全に固有のパターンを作成する能力を有するので、前述の制限内でさえ、所与の
パターン内のドットの総数を２倍（例えば、２Ｎ）にでき、典型的なシステムにおいて、
単一の投影パターンにおいて６０，０００ポイントもの数にまで至る。この倍加は、パタ
ーンの特質を調べることによって理解できる。概念上は、典型的な投影パターンは何らか
の周期（ｐｅｒｉｏｄ）ｐによって分離された格子点のセットを有する。プロジェクタか
ら少し離れて、パターンは、垂直および水平距離、ＨおよびＹによって与えられる視野に
広がる。従来型のプロジェクタに関して、最大で３０，０００の格子点がその視野を満た
し、そのために積

となる。メタサーフェス偏光ベースのソリューションの実施形態では、光学系は、周期ｐ
をもつ１つのパターン、および同様に周期ｐであるが、ｐ＋ｐ／２の線形オフセットをも
つ、第２のパターンを投影し、そのために新しい格子点が各半分の周期で投影される。最
終結果は、同じ視野、ＨおよびＹ内で、格子点の密度は、実施形態に従ったメタサーフェ
ス対応の３Ｄシステムを使用して、２倍にできることである。

最後に、２つの固有で区別可能なパターンが、実施形態に従ったシステムから生成でき
るので、かかるシステムは、短距離（＜１ｍ）および長距離（＞１ｍ）の３Ｄイメージン
グの両方に対して最適化することもできる。例えば、あるパターンは、デバイスから短距
離の物体を区別するように構成でき、他方、異なるパターンは、デバイスから遥かに離れ
ているパターンを区別するように構成され得る。かかる実施形態では、単一のデバイスを
使用して、例えば、シングルショットにおいて、短距離測定のための偏光１をもつパター
ン１および長距離測定のための偏光２をもつパターン２、を作成することが可能であろう
。

メタサーフェス素子をイメージングシステムに統合するための実施形態

いくつかの実施形態では、図７および図８で説明されるような方法を使用して、複数の
メタサーフェス素子（例えば、２つ以上）を統合すると、接合されたシステムが実際のＣ
ＭＯＳカメライメージングに必要な機能性を達成するのを可能にする。具体的には、ＣＭ
ＯＳカメラ（可視光場面の像を収集するために、携帯電話、コンピュータ、タブレットな
どで、または生体認証のために赤外線で、使用されるものなど）は、イメージングシステ
ムが、増大した視野（ＦＯＶ）、ＣＭＯＳイメージセンサーにおける視野高の関数として
の主光線角度（ＣＲＡ）の独立制御、および撮像されている場面の最小の光学的歪みを有
することを必要とする。これらの用語は、当業者にとって通常の意味を有すると理解され
る。屈折レンズから構成される、従来型のイメージングシステムに関して、この機能を実
行するために、５または６もの数の固有のレンズを接合する必要がある。その上、かかる
イメージングシステム内に１つのメタサーフェス素子を実装することは、これらのパラメ
ータ（ＣＲＡ、ＦＯＶおよび歪みの最小化）を適切に制御するための十分な自由度を提供
しない。しかし、各々が固有で独立した位相プロファイルを備えた、複数のメタサーフェ
スを接合することにより、広いＦＯＶ、制御可能な歪みおよび制御可能なＣＲＡを備えた
イメージングシステムが実施形態に従って実現できる。

図１３を参照すると、実施形態に従い単一の基板（１３４）上に接合された２つのメタ
サーフェス素子（１３０＆１３２）をもつシステムの例示的な実施形態による光線追跡図
が提供されている。様々なかかる実施形態では、基板の両面上のメタサーフェス素子は、
同じ高さを有するように形成される（本明細書では詳細に説明されていないが、これらの
メタサーフェス素子は、前述の図のいずれかで説明されたような方法を使用して製作され
、例えば、図５で説明されたプロセスのようなプロセスを使用して接合できることが理解
されよう。多くのかかる実施形態では、メタサーフェス素子は、例えば、低圧化学蒸着ま
たは原子層蒸着などの、適切なコンフォーマル蒸着プロセスを使用して、基板の両面上に
同時に蒸着されたフィルムから形成され得る）。この例示的な実施形態では、２つのメタ
サーフェス素子は、接合されて、広いＦＯＶ（この例では±４４度、しかし、これは制限
する事例ではないことが理解されよう）にわたって良好な像を形成することが可能になる
ように構成されている。図に示されるように、かかる２メタサーフェスシステムの実施形
態は、驚くべきことに、フィルタの平面において、およびテレセントリックな（すなわち
、０度のＣＲＡを有する）像平面において、自然に焦点の合った光線を生成することが分
かっている。手短に言えば、従来型の屈折設計では、かかるテレセントリック設計を実現
するために複雑な、多素子システムを必要とするが、実施形態によれば、同様のテレセン
トリック性を達成するために２つのメタサーフェス素子しか必要としない。このテレセン
トリック性はその結果として、改善された光学特性をもたらす。具体的には、低さ（例え
ば、ゼロまたはほぼゼロ度のＣＲＡ）は、狭帯域用途のために光学フィルタ（１３６）の
帯域幅を狭めるのを可能にする。従来型の屈折設計では、特に小型のモバイル用途に対し
て、ＣＲＡは典型的には、１５度～３０度のオーダーである。これらのより大きなＣＲＡ
は、その結果としてフィルタ帯域幅を著しく増大させる必要があり、さらなる周囲光が検
出器に入るのを認める。狭帯域用途（例えば、近赤外ＶＣＳＥＬ配列）では、かかる周囲
光は持続性雑音源であり得る。従って、図１３に示されるような接合されたメタサーフェ
ス／フィルタシステムの実施形態は、より良い周囲光性能を可能にする。

かかるテレセントリック設計の実施形態の追加の特質は、メタサーフェスシステムはイ
メージセンサーにおいてより均一な照射（当業者によって「相対照度（ｒｅｌａｔｉｖｅ
ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）」と呼ばれる）を提供することである。メタサーフェスシ
ステムの実施形態は、従来型の屈折レンズ系に関して追加の設計変更も提供する。典型的
なＣＭＯＳイメージセンサー（ＣＩＳ）ではマイクロレンズを各ピクセルと関連付けるこ
とを必要とする。屈折光学系に固有である所与のセンサー平面にわたってＣＲＡにおける
大きな変動があるので、ＣＩＳ上のマイクロレンズ配列も複雑なＣＲＡ仕様を必要とする
。しかし、本明細書で説明するようなメタサーフェスシステムの実施形態では、マイクロ
レンズ配列のＣＲＡはＣＩＳにわたって一定の０度となるように構成されて、マイクロレ
ンズ配列の設計および製造においてより高い簡潔さを可能にし得る。代替として、ある実
施態様では、マイクロレンズ配列はＣＩＳから完全に除去されて、ＣＩＳ製造における工
程段階を節約し得る。

ＣＭＯＳセンサーとの使用のためのメタサーフェスシステムの実施形態は今まで、単一
基板の両面上の２つのメタサーフェス素子を用いて示されているが、様々な他の実施形態
では、２つのメタサーフェス素子は別個の基板上に配置され得る。かかるシステムの例示
的な実施形態が図１４に図解されている。図に示されるように、多くのかかる実施形態で
は、メタサーフェス素子は、２つの素子の間に空隙（１４２）を配置して、２つの別個の
基板（１３８＆１４０）上に配置される。空隙を組み込んでいるかかる実施形態の１つの
利点は、光線が短い距離ｄにわたって、ガラス基板中におけるよりも空気中においてさら
に曲がることができ、メタサーフェス素子間のより短い分離で照射ゾーンのさらなる拡大
を可能にし、従って、メタサーフェス光学系の全体的な形状因子における縮小を可能にす
ることである。図１４に示されるように、様々な実施形態では、メタサーフェス素子は、
基板（１３８＆１４０）の表面を向いている空隙（１４２）上に配置される。かかる実施
態様は、メタサーフェス素子を環境汚染から保護するのを可能にする。追加として、かか
る実施形態は、イメージャ側の基板（１４０）の外面を無パターンのままにするのを認め
て、光学フィルタ（１４４）を基板上に直接統合するのを可能にする。図１４に示される
実施形態では、メタサーフェス素子はそれらの間の空隙に関して内側に向くように配置さ
れているが、それらは２つの基板のいずれの表面上にも配置され得ることが理解されよう
。図１５に示されるメタサーフェスシステムの製造は、例えば、図７と関連付けられたプ
ロセスなど、前述のプロセスに従い得る。

前述は、テレセントリック光学特性を提供するように構成されたメタサーフェスシステ
ムを説明しているが、いくつかの場合（例えば、歪み補正が必要とされる場合）、非ゼロ
ＣＲＡを導入する必要がある。それに応じて、実施形態は、ＦＯＶ、歪みおよびＣＲＡを
同時に制御可能な少なくとも３つのメタサーフェスを含むメタサーフェスシステムにも関
する。固有の位相プロファイルを有する３つのメタサーフェス素子を含むメタサーフェス
システムの例示的な実施形態の光線追跡図が図１５に示されている。各々が別個の任意位
相プロファイルの実現を可能にする、追加のメタサーフェス素子または複数の素子を導入
すると、相当数の屈折素子から構成された典型的なシステムと比較して、光線の経路を制
御するさらなる自由度をもたらす。例えば、実施形態に従った、３つのメタサーフェスか
ら成るシステムの光学機能を２倍にするために、従来型システムにおいて６～７の屈折光
学素子を必要とし得る。そのため比較のメタサーフェスシステムは、同等またはさらに改
善された性能を達成しながら、かかるイメージングシステムの全体的な厚さを少なくとも
５０％削減し得る。

図１５に示されるように、メタサーフェスシステム自体を見ると、かかるイメージング
システムは、２つ以上の基板（１５６＆１５８）上に配置された３つ以上のメタサーフェ
ス素子（１５０、１５２＆１５４）を含み得る。前述のとおり、これらのメタサーフェス
素子は、任意の適切な誘電材料、特に、対象の波長において最小の吸収を有する誘電材料
、から構成できる。図に示されるように、様々な実施形態では、第１の２つのメタサーフ
ェス素子（１５０＆１５２）は、入射光にテレセントリック光学性を付与し得、他方、第
３のメタサーフェス（１５４）（例えば、フィルタ（１５６）に最も近いもの）およびイ
メージャはさらなる発散または曲がりを光に付与し、従ってイメージャに衝突する光に非
ゼロＣＲＡを与え得る。メタサーフェス素子および基板の特定の配置が図１５に図解され
ているシステムに示されているが、かかる略図は、一例として役立つことを意図しており
、本開示をこの通りのシステム応答に制限するものでない。素子の特定の配置にかかわら
ず、かかるメタサーフェス素子の製造は、例えば、図６に関連して図示および説明したプ
ロセスなど、前述のプロセスに従い得る。

実施形態に従ったかかる３メタサーフェス素子システムを使用すると、ＣＲＡを制御す
ること、従って、ＣＭＯＳイメージセンサーにおける格子歪みを最小限にすることが可能
である。例えば、図１６は、図１５に示される実施形態に基づくイメージングシステムに
対して、結果として生じるＣＲＡの制御をＣＭＯＳイメージセンサーにおける視野高の関
数として示しているデータプロットを提供する。これは例示的な事例であり、視野高の関
数としてのＣＲＡの制御は、以下に示される線形事例ではなく、他の関数形式を取ること
ができる。同様に、図１７は、図１５に示される実施形態に基づくイメージングシステム
に対して、格子歪みプロットを提供する。図に示されるように、かかるイメージングシス
テムの実施形態は、格子歪みをイメージングシステムの全ＦＯＶにわたって５％未満まで
最小限にすることが可能である。

メタサーフェス素子をイメージング／検出システムに組み込むための実施形態

実施形態に従ったメタサーフェス素子の検出光学系および投影光学系の両方上での使用
の説明された利点を所与として、様々な実施形態は、接合された照明－検出モジュールで
の使用のために構成されたメタサーフェスシステムに関する。図１８を参照すると、実施
形態に従って統合された照明器およびセンサーシステムの概略図が提供されている。図に
示されるように、かかる実施形態では、複数のスペーサ（１６２＆１６２´）およびメタ
サーフェス素子（１６４＆１６４´）を、単独で、または特定の放射パターンを提供する
ためにそれと共に構成された屈折素子と一緒に、有する照明器が、何らかの物体または場
面（１６６）を照射するために使用される。対応するメタサーフェスシステムを備えたセ
ンサー（１６８）（例えば、ＣＭＯＳイメージセンサー）が、放射を検出するか、または
場面の像を形成するために使用される。かかる実施形態では、システム全体―メタサーフ
ェス素子（１６２＆１６２´）、センサー（１６８）、照明器（１６０）―は、何らかの
特定の帯域幅にわたって、または対象の特定の波長において動作するように構成され得、
単一のプラットフォーム（１７０）上に接合され得る。照明器およびセンサーメタサーフ
ェス素子（１６２＆１６２´）は、電場の任意の偏光に影響を及ぼすように構成され得る
。かかる接合されたシステムの実施形態は、コンピュータ、携帯電話、テレビモニター、
壁掛け式ユニット、クレジットカード、タブレット、ミラーなど、上で使用され得る。

図１２Ａ～図１２Ｃに関連して前述したように、メタサーフェスは固有の機能性が２つ
の直交偏光上にインプリントされるのも可能にする。従って、メタサーフェス照明器－検
出システムの様々な実施形態はコデザインもされて偏光を追加の最適化変数と見なすこと
ができる。図１９を参照すると、放射場の偏光にも作用する統合された照明システムの概
略図が提供されている。図に示されるように、１つのかかる例示的な実施形態では、１つ
以上のメタサーフェス素子（１７４＆１７４´）を適切なスペーサ（１７６＆１７６´）
任意選択の屈折素子と共にもつ照明器（１７２）が、場面または物体（１７８）を照射す
るために使用される。かかる実施形態におけるメタサーフェス素子は、光の任意の２つの
直交偏光に対して、２つの固有で独立した放射パターンが生成できるように設計されてい
る。メタサーフェス素子の対応するセットを備えたセンサー（１８０）は、場面から反射
した光を収集するために使用される。図に示されるように、照明器およびセンサーメタサ
ーフェス素子は、放射パターンを生成するために使用される２つの直交偏光が２つの固有
の像をセンサー上に形成するように協調して働くように構成されている。システム―メタ
サーフェス（１７４＆１７４´）、センサー（１８０）、照明器（１７２）―は、実施形
態に従い、何らかの特定の帯域幅にわたって、または対象の特定の波長において動作する
ように最適化され得、単一のプラットフォーム（１８２）上に接合され得る。実施形態に
従った照明器およびセンサーメタサーフェス素子は、電場の任意の偏光に影響を及ぼすよ
うに構成され得ることが理解されよう。実施形態に従った接合されたシステムは、コンピ
ュータ、携帯電話、テレビモニター、壁掛け式ユニット、クレジットカード、タブレット
、ミラーなど、上で使用され得る。

メタサーフェス素子材料系の実施形態

前述のとおり、任意の光学系内の各個々のメタサーフェス素子は、本系を含む１つ以上
のメタサーフェス素子があるかどうかにかかわらず、何らかの特定の２Ｄ位相および、そ
れが実行する透過関数

およびｔ（ｘ，ｙ）を有する。一般に、各メタサーフェス素子は、位相および透過の固有
の分布を有し得るが、同じ材料内に包埋された任意のメタサーフェス素子を含むナノ構造
特徴は、同じベース構成で、および特定の波長において同一である。ほとんどの実際の単
一波長用途では、透過は、最大限（１に近い）で、メタサーフェスにわたって均一である
ことが望まれ、他方、位相は０～２πの間の値をとる必要があるだけである。要約すれば
、対象の何らかの波長、材料系（メタサーフェス材料および包埋材料）、固定の厚さおよ
び素子間隔に対して、０～２πの位相遅延が入射光場にインプリントできるようにナノ構
造特徴を含む面内寸法のセットを見つける必要があるだけである。従って、一定の材料お
よび波長条件におけるメタサーフェス素子設計の様々な実施形態に対して、設計ごとの唯
一の変数は、メタサーフェス素子にわたるそれらのナノ構造特徴の分布である。それに応
じて、特定の光学機能を所望の波長範囲にわたって実行するのに適したメタサーフェス素
子材料条件の様々な実施形態が説明される。以下の説明は、メタサーフェス素子およびシ
ステム、ならびにかかるメタサーフェス素子およびシステムを製造するためのプロセスの
実施形態を記載するが。以下の実施形態は例示目的のみで提供されており、制限すること
を意図していないことが理解されよう。

図２０を参照すると、ＳｉＯ_２内に包埋されたシリコンピラーを含むメタサーフェス素
子の実施形態に対する位相および透過マップが提供されている。左上の図は、透過のヒー
トマップをピラーの直径および高さ、右側に示されたカラースケールの関数として提供す
る。右上の図は、位相マップをピラーの直径および高さの関数として提供する。左下は、
透過のラインスキャンの図を６００ｎｍの固定の高さにおけるピラー直径の関数として提
供する。右下は、相対位相のラインスキャンの図を６００ｎｍの固定の高さに対するピラ
ー直径の関数として提供する。これらの図を使用すると、実施形態に従った全ての適切な
波長にわたる特定の透過および位相に対して特定セットのピラー直径および高さを、なら
びに６００ｎｍの高さに対する特定の直径も、判断できることが理解されよう。多くの実
施形態では、ピラー高さは５００～１０００ｎｍまで、またピラー直径は１００～３００
ｎｍまで変動し得る。様々な他の実施形態では、ピラー直径は１００～２００ｎｍまで、
またピラー高さは５００～８００ｎｍまで変動し得る。様々な他の実施形態では、６００
ｎｍのピラー高さにおいて、ピラー直径は１００～３００ｎｍまで変動し得る。特定の高
さおよび直径は、素子の透過に対する局所最適を表すが、実施形態では、特定の光学系の
設計によって要求されるとおり、他のピラー高さが使用され得る。

図２１を参照すると、空気中のシリコンピラーを含むメタサーフェス素子の実施形態に
対する位相および透過マップが提供されている。左上の図は、透過のヒートマップをピラ
ーの直径および高さ、右側に示されたカラースケールの関数として提供する。右上の図は
、位相マップをピラーの直径および高さの関数として提供する。左下は、透過のラインス
キャンを４８０ｎｍの固定の高さにおけるピラー直径の関数として提供する。右下は、相
対位相のラインスキャンを４８０ｎｍの固定の高さに対するピラー直径の関数として提供
する。これらの図を使用すると、実施形態に従った全ての適切な波長にわたる特定の透過
および位相に対して特定セットのピラー直径および高さを、ならびに４８０ｎｍの高さに
対する特定の直径も、判断できることが理解されよう。多くの実施形態では、ピラー高さ
は約１～５００ｎｍまで、またピラー直径は１００～３５０ｎｍまで変動し得る。様々な
他の実施形態では、ピラー直径は１００～２５０ｎｍまで、またピラー高さは１５０～５
００ｎｍまで変動し得る。様々な他の実施形態では、４８０ｎｍのピラー高さにおいて、
ピラー直径は１００～２８０ｎｍまで変動し得る。特定の高さおよび直径は、素子の透過
に対する局所最適を表すが、実施形態では、特定の光学系の設計によって要求されるとお
り、他のピラー高さが使用され得る。

図２２を参照すると、空気中のＴｉＯ_２ピラーを含むメタサーフェス素子の実施形態に
対する位相および透過マップが提供されている。左上の図は、透過のヒートマップをピラ
ーの直径および高さ、右側に示されたカラースケールの関数として提供する。右上の図は
、位相マップをピラーの直径および高さの関数として提供する。左下の図は、透過のライ
ンスキャンを９７５ｎｍの固定の高さにおけるピラー直径の関数として提供する。右下は
、相対位相のラインスキャンを９７５ｎｍの固定の高さに対するピラー直径の関数として
提供する。これらの図を使用すると、実施形態に従った全ての適切な波長にわたる特定の
透過および位相に対して特定セットのピラー直径および高さを、ならびに９７５ｎｍの高
さに対する特定の直径も、判断できることが理解されよう。多くの実施形態では、ピラー
高さは３００～１０００ｎｍまで、またピラー直径は１００～３５０ｎｍまで変動し得る
。様々な他の実施形態では、ピラー直径は１００～３００ｎｍまで、またピラー高さは３
００～４００ｎｍおよび／または７００～１０００ｎｍまで変動し得る。様々な他の実施
形態では、９７５ｎｍのピラー高さにおいて、ピラー直径は１００～３００ｎｍまで変動
し得る。特定の高さおよび直径は、素子の透過に対する局所最適を表すが、実施形態では
、特定の光学系の設計によって要求されるとおり、他のピラー高さが使用され得る。

図２３を参照すると、ベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）ポリマー内に包埋されたアモルフ
ァスシリコンピラーを含むメタサーフェス素子の実施形態に対する位相および透過マップ
が提供されている。上の図は、透過のラインスキャンを５９０ｎｍの固定の高さおよび４
００ｎｍの素子周期におけるピラー直径の関数として提供する。下の図は、位相のライン
スキャンを５９０ｎｍの固定の高さおよび４００ｎｍの素子周期におけるピラー直径の関
数として提供する。これらの図を使用すると、実施形態に従った全ての適切な波長にわた
る特定の透過および位相に対して特定セットのピラー直径および高さを、ならびに５９０
ｎｍの高さに対する特定の直径も、判断できることが理解されよう。多くの実施形態では
、９７５ｎｍのピラー高さにおいて、ピラー直径は１００～３００ｎｍまで変動し得る。
様々な他の実施形態では、ピラー直径は１００～２２５ｎｍまで変動し得る。特定の高さ
は、素子の透過に対する局所最適を表すが、特定の光学系の設計によって要求されるとお
り、他のピラー高さが使用され得る。

図２４を参照すると、二酸化ケイ素内に包埋されたアモルファスシリコンピラーを含む
メタサーフェス素子の実施形態に対する位相および透過マップが提供されている。上の図
は、透過のラインスキャンを６００ｎｍの固定の高さおよび３５０ｎｍの素子周期におけ
るピラー直径の関数として提供する。下の図は、位相のラインスキャンを６００ｎｍの固
定の高さおよび３５０ｎｍの素子周期におけるピラー直径の関数として提供する。これら
の図を使用すると、実施形態に従った全ての適切な波長にわたる特定の透過および位相に
対して特定セットのピラー直径および高さを、ならびに６００ｎｍの高さに対する特定の
直径も、判断できることが理解されよう。多くの実施形態では、６００ｎｍのピラー高さ
において、ピラー直径は１００～２７５ｎｍまで変動し得る。様々な他の実施形態では、
ピラー直径は１００～１７５ｎｍまで変動し得る。特定の高さは、素子の透過に対する局
所最適を表すが、特定の光学系の設計によって要求されるとおり、他のピラー高さが使用
され得る。

他の実施形態では、ＳＵ８内に包埋されたアモルファスＳｉメタサーフェス特徴に関し
て試験を実施して、６７５ｎｍのピラー高さおよび１００～３００のピラー直径を有する
かかる表面が使用に適していることが分かった。加えて、４５０ｎｍの素子間隔で６００
ｎｍのピラー高さおよび１００～３００のピラー直径を有する空気中のアモルファスＳｉ
メタサーフェス特徴は、様々な実施形態に従って適切であり得る。

メタ材料および包埋材料の特定の組合せが前述されているが、メタサーフェス特徴、透
過率および位相の同様のマップが本発明の実施形態に従って作成され得ることが理解され
よう。

均等の原則
結果的に、本発明は、ある特定の態様において説明されているが、多くの追加の修正お
よび変形が当業者には明らかであろう。それ故、本発明は、具体的に説明されるもの以外
で実施され得ることが理解される。従って、本発明の実施形態は、あらゆる点において、
制限ではなく、例示として解釈されるべきである。

図１Ａ～図１Ｇは、本発明の実施形態に従ったメタサーフェス素子のた めの製作プロセスを図解する概略図を提供する。 図１Ａ～図１Ｇは、本発明の実施形態に従ったメタサーフェス素子のた めの製作プロセスを図解する概略図を提供する。 図１Ａ～図１Ｇは、本発明の実施形態に従ったメタサーフェス素子のた めの製作プロセスを図解する概略図を提供する。 図１Ａ～図１Ｇは、本発明の実施形態に従ったメタサーフェス素子のた めの製作プロセスを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従って反射防止コーティングを備えた包埋されたメタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従って反射防止コーティングを備えた平坦化されて包埋されたメタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従ってメタサーフェス素子を製作するためのプロセスを図解する概略流れ図を提供する。 図４Ａ～図４Ｃは、本発明の実施形態に従って様々な断面の特徴を有す るメタサーフェス素子の概略図を提供する。 図４Ａ～図４Ｃは、本発明の実施形態に従って様々な断面の特徴を有す るメタサーフェス素子の概略図を提供する。 本発明の実施形態に従ったメタサーフェス素子を有する複数の基板の組合せを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従った多重メタサーフェス素子を有する複数の基板の組合せを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、空隙を組み込んでいる多重メタサーフェス素子を有する複数の基板の組合せを図解する概略図を提供する。 図８Ａは、本発明の実施形態に従い、センサー／照明器構成要素と統合され たスペーサを組み込んでいるメタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。図８Ｂは、本発明の実施形態に従ってスペーサを組み込んでいるメタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従った多重メタサーフェス素子基板を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ配列から任意放射パターンを生成するためにメタサーフェス素子を使用するための流れ図を提供する。 本発明の実施形態に従い、図１０Ａのプロセスを使用して取得された位相（１０Ｂ）および強度（１０Ｃ）の図を提供する。 本発明の実施形態に従い、図１０Ａのプロセスを使用して取得された位相（１０Ｂ）および強度（１０Ｃ）の図を提供する。 本発明の実施形態に従い、第２のメタサーフェス素子と共に統合型パッケージに接合された、ピクセル化されたセンサー素子または照明源のセットと接合された配列メタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 図１２Ａ～図１２Ｃ。本発明の実施形態に従い、メタサーフェス素子を分割してＶＣＳＥＬ配列から２つの固有の放射パターンを生成する偏光を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、フォーカスされた光の主光線角度がフィルタ平面に関して０度である場合に、カットフィルタなどの第２の素子と接合された２メタサーフェス素子を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、各メタサーフェス素子が固有の基板上に形成される場合の、２つのメタサーフェス素子システムを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、複数の単色収差を補正するように設計された３メタサーフェス素子システムを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従った図１５のメタサーフェス素子システムに対してイメージセンサー面における主光線角度を像の高さの関数として図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従った図１５のメタサーフェス素子システムからの格子歪みの一例を図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、照明器および検出器上にメタサーフェス素子をもつ統合システムを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、偏光が追加の自由度を提供する場合に、照明器および検出器上にメタサーフェス素子をもつ統合システムを図解する概略図を提供する。 本発明の実施形態に従い、ＳｉＯ_２内に包埋されたアモルファスシリコンから成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を示すデータグラフを提供する。 本発明の実施形態に従い、空気中のアモルファスシリコンから成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答を示すデータグラフを提供する。 本発明の実施形態に従い、空気中のアモルファスＴｉＯ_２から成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答を示すデータグラフを提供する。 本発明の実施形態に従い、８５０ｎｍの波長に対する、ポリマー内にカプセル化されたアモルファスシリコンから成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答を示すデータグラフを提供する。 本発明の実施形態に従い、８５０ｎｍの波長に対する、ＳｉＯ_２内にカプセル化されたＳｉから成る円柱状ピラーを含むメタサーフェス特徴の位相および透過応答を示すデータグラフを提供する。

Claims (29)

1. 照明デバイスであって、前記照明デバイスは、
   垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイと、
   平面アレイにおいて配置された複数のメタサーフェス素子であって、これにより、前記ＶＣＳＥＬアレイから放出された光は、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過する、複数のメタサーフェス素子と
   を備え、
   前記複数のメタサーフェス素子は、基板上に配置され、
   前記複数のメタサーフェス素子、前記ＶＣＳＥＬアレイ、および前記基板は、統合型構造を形成し、前記ＶＣＳＥＬアレイは、前記複数のメタサーフェス素子から前記基板の反対側にあり、
   前記メタサーフェス素子の平面アレイは、前記ＶＣＳＥＬアレイからの光をコリメートし、遠視野において前記ＶＣＳＥＬアレイからの前記光を増幅させる、照明デバイス。
2. 前記メタサーフェス素子の平面アレイの焦点距離は、前記ＶＣＳＥＬアレイの最上部から前記メタサーフェス素子の平面アレイまでの距離に等しい、請求項１に記載の照明デバイス。
3. 前記メタサーフェス素子は、アモルファスシリコンを含み、前記ＶＣＳＥＬアレイは、９４０ｎｍの波長で動作する、請求項１に記載の照明デバイス。
4. レンズからのコリメートされた光は、前記メタサーフェス素子の平面アレイにわたってテレセントリックである、請求項１に記載の照明デバイス。
5. 照明デバイスであって、前記照明デバイスは、
   第１の偏光および第２の偏光を備える光を放出する垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイと、
   平面アレイにおいて配置された複数のメタサーフェス素子であって、これにより、前記ＶＣＳＥＬアレイから放出された光は、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過する、複数のメタサーフェス素子と
   を備え、
   前記複数のメタサーフェス素子は、基板上に配置され、
   前記第１の偏光を有する、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記ＶＣＳＥＬからの前記光は、第１のドットパターンを生成し、
   前記第２の偏光を有する、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記ＶＣＳＥＬからの前記光は、第２のドットパターンを生成し、
   前記第１のドットパターンは、前記遠視野において前記第２のドットパターンより密度が高く、
   前記メタサーフェス素子の平面アレイは、前記ＶＣＳＥＬアレイからの光をコリメートし、前記第１のドットパターンと前記第２のドットパターンとについて、焦点距離が、等しい、照明デバイス。
6. 前記メタサーフェス素子の平面アレイの前記焦点距離は、前記ＶＣＳＥＬアレイの最上部から前記メタサーフェス素子の平面アレイまでの距離に等しい、請求項５に記載の照明デバイス。
7. 前記メタサーフェス素子は、アモルファスシリコンを含み、前記ＶＣＳＥＬアレイは、９４０ｎｍの波長で動作する、請求項５に記載の照明デバイス。
8. 前記メタサーフェス素子の平面アレイからの前記コリメートされた光は、前記メタサーフェス素子の平面アレイにわたってテレセントリックである、請求項５に記載の照明デバイス。
9. 前記第１のドットパターンは、ランダムに分布し、前記第２のドットパターンは、等しい格子上に間隔を置かれる、請求項５に記載の照明デバイス。
10. 照明デバイスであって、前記照明デバイスは、
    第１の偏光および第２の偏光を備える光を放出する垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイと、
    平面アレイにおいて配置された複数のメタサーフェス素子であって、これにより、前記ＶＣＳＥＬアレイから放出された光は、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過する、複数のメタサーフェス素子と
    を備え、
    前記複数のメタサーフェス素子は、基板上に配置され、
    前記第１の偏光を有する、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記ＶＣＳＥＬからの前記光は、第１のドットパターンを生成し、
    前記第２の偏光を有する、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記ＶＣＳＥＬからの前記光は、第２のドットパターンを生成し、
    前記第１のドットパターンは、前記第２のドットパターンより狭い照明の視野を有する、照明デバイス。
11. 前記第１のドットパターンおよび前記第２のドットパターンにおいて、前記照明の視野は、前記第１のドットパターンおよび前記第２のドットパターンにおけるドットの数によって制御されるが、前記コリメーションの機能性は、実質的に同一である、請求項１０に記載の照明デバイス。
12. 前記第１のドットパターンは、ランダムに分布し、前記第２のドットパターンは、等しい格子上に間隔を置かれる、請求項１０に記載の照明デバイス。
13. 前記メタサーフェス素子の平面アレイの焦点距離は、前記ＶＣＳＥＬアレイの最上部から前記メタサーフェス素子の平面アレイまでの距離に等しい、請求項１０に記載の照明デバイス。
14. 前記メタサーフェス素子は、アモルファスシリコンを含み、前記ＶＣＳＥＬアレイは、９４０ｎｍの波長で動作する、請求項１０に記載の照明デバイス。
15. 前記メタサーフェス素子の平面アレイからの前記コリメートされた光は、前記メタサーフェス素子の平面アレイにわたってテレセントリックである、請求項１０に記載の照明デバイス。
16. 前記第２のドットパターンは、前記第１のドットパターンに対するあるオフセットにおいて同等のドットパターンを有し、これにより、前記照明される視野における前記第１のドットパターンおよび前記第２のドットパターンの隣り合うドットは、直交する偏光を有する、請求項１０に記載の照明デバイス。
17. 照明デバイスであって、前記照明デバイスは、
    第１の偏光および第２の偏光を備える光を放出する垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイと、
    平面アレイにおいて配置された複数のメタサーフェス素子であって、これにより、前記ＶＣＳＥＬアレイから放出された光は、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過する、複数のメタサーフェス素子と
    を備え、
    前記複数のメタサーフェス素子は、基板上に配置され、
    前記第１の偏光を有する、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記ＶＣＳＥＬからの前記光は、遠視野においてドットパターンを生成し、
    前記第２の偏光を有する、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記ＶＣＳＥＬからの前記光は、遠視野において角度依存する強度を伴う任意の放射パターンを生成し、
    前記メタサーフェス素子の平面アレイは、光をコリメートし、前記第１のドットパターンと前記第２のドットパターンとの両方について、焦点距離が、等しい、照明デバイス。
18. 前記メタサーフェス素子の平面アレイの前記焦点距離は、前記ＶＣＳＥＬアレイの最上部から前記メタサーフェス素子の平面アレイまでの距離に等しい、請求項１７に記載の照明デバイス。
19. 前記メタサーフェス素子は、アモルファスシリコンを含み、前記ＶＣＳＥＬアレイは、９４０ｎｍの波長で動作する、請求項１７に記載の照明デバイス。
20. 前記メタサーフェス素子の平面アレイからの前記コリメートされた光は、前記メタサーフェス素子の平面アレイにわたってテレセントリックである、請求項１７に記載の照明デバイス。
21. 前記任意の放射パターンは、バットウィングパターン、トップハットパターン、またはスーパーガウシアンパターンを有する、請求項１７に記載の照明デバイス。
22. 前記ＶＣＳＥＬアレイからの前記光は、第１の偏光および第２の偏光を備え、前記第１の偏光は、前記第２の偏光に直交している、請求項１に記載の照明デバイス。
23. 前記第１の偏光は、前記第２の偏光に直交している、請求項５に記載の照明デバイス。
24. 前記第１の偏光は、前記第２の偏光に直交している、請求項１０に記載の照明デバイス。
25. 前記第１の偏光は、前記第２の偏光に直交している、請求項１７に記載の照明デバイス。
26. 前記メタサーフェス素子の平面アレイは、長方形または楕円形の断面を伴うメタサーフェス素子を含み、前記メタサーフェス素子の平面アレイは、前記ＶＣＳＥＬアレイからの前記光から、前記遠視野において２つの同時に重なるドットパターンを生成する、請求項１に記載の照明デバイス。
27. 前記メタサーフェス素子の平面アレイは、長方形または楕円形の断面を伴うメタサーフェス素子を含み、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記光は、前記第１のドットパターンおよび前記第２のドットパターンを同時に生成する、請求項５に記載の照明デバイス。
28. 前記メタサーフェス素子の平面アレイは、長方形または楕円形の断面を伴うメタサーフェス素子を含み、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記光は、前記第１のドットパターンおよび前記第２のドットパターンを同時に生成する、請求項１０に記載の照明デバイス。
29. 前記メタサーフェス素子の平面アレイは、長方形または楕円形の断面を伴うメタサーフェス素子を含み、前記メタサーフェス素子の平面アレイを通過した前記光は、前記ドットパターンおよび前記任意の放射パターンを同時に生成する、請求項１７に記載の照明デバイス。