JP5904490B2 - 人工誘電体レンズ - Google Patents

Description

この発明は、テラヘルツ波帯の電磁波を集光することのできる人工誘電体レンズに関する。

テラヘルツ電磁波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波とされており、波長が遠赤外〜ミリ波領域とほぼ一致する。テラヘルツ電磁波は、「光」と「ミリ波」に挟まれた周波数領域に存在しているため、テラヘルツ電磁波は、光と同様に高い空間分解能でものを見分ける能力と、ミリ波と同様の物質を透過する能力を併せ持っている。テラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かした時間領域分光、イメージング及びトモグラフィーによる材料のキャラクタリゼーションへの応用などが検討されてきている。テラヘルツ電磁波の発生は、物質透過性と直進性を兼ね備えるためＸ線に替わる安全かつ革新的なイメージングや数100Gbps級の超高速無線通信が可能となる。

テラヘルツ波帯では、光源や検出器とともに、光学素子が発展途中であり、充実が求められている。所望の屈折率nを自然界の材質で任意に実現や設計することは容易ではないことから、素材そのものをレンズに加工して用いる場合、材質の持つ特性により光学特性が決定される。代表的なテラヘルツ波帯のレンズとしては、屈折率n=1.52の高密度ポリマーレンズ、n=1.56のTsurupica（登録商標）レンズ、n=3.41のシリコンレンズなどがあげられる。マイクロ波帯では電磁メタマテリアル構造を用いたレンズが提案されている（非特許文献１参照）。このレンズでは、３次元格子の構造で導電要素を配列して構成されており、マイクロ波やマイクロ波より波長の長い電磁波を集束することができる。

また、レンズなどを作成するのに用いることができるメタマテリアルが提案されている（特許文献１参照）。このメタマテリアルは、一部が残りとは異なる透過率を有する複数の単位セルから構成され、単位セルは、１つの軸に沿って勾配屈折率を有するメタマテリアルを提供するように配置されている。このメタマテリアルにより作成されたレンズは,マイクロ波帯からテラヘルツ帯において負の屈折率を持つことができ、他に回折光学素子や勾配屈折率光学素子に適用することができる。

W. E. Kock, "Metallic delay lens," Bell Syst. Tech. J., Vol. 27, pp. 58-82, 1948.

特開２０１１−２５４４８２号公報 特許第４１８３５４６号公報

テラヘルツ波発生源の前にレンズを配置するようにして、放射されたテラヘルツ電磁波を集光するようにしている。この際に、テラヘルツ波発生源から発生したテラヘルツ電磁波の光軸上に位置合わせしてレンズを配置しないと、テラヘルツ電磁波を効率的に集光することができない。しかし、テラヘルツ電磁波は不可視光線であって、レンズが可視光線に対して透明とは限らないことから、可視光線を観察することによりレンズをテラヘルツ電磁波の光軸上に配置することは困難である。そこで、光学部品を透明素材で作成すると共に、可視光がテラヘルツ電磁波の光軸上に乗るようにした可視光源を備え、この可視光源からの可視光を観察することによりテラヘルツ電磁波の光軸上に光学部品を配置する構成が特許文献２に開示されている。この構成によれば、可視光が光学部品を透過することからテラヘルツ電磁波の光軸上に光学部品を容易に位置合わせして配置することができる。しかしながら、透明素材としてポリエチレンを用いたレンズ等の光学部品では、周波数が高くなるにつれて透過特性が急峻に劣化するようになってしまう。また、Tsurupica（登録商標）レンズにおいては透過特性は改善されているが、その誘電率は物質固有の誘電率であり、レンズの屈折率は固定とされて所望の屈折率を得ることはできない。ここで、物質固有の特性に頼らず、レンズの構造により屈折率を制御することができれば、レンズ設計の自由度の増大と価格の面での意義が大きい。

そこで、本発明は、位置合わせを容易に行えると共に所望の屈折率を得ることができるテラヘルツ帯の人工誘電体レンズを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズは、光軸をｚ軸とし、ｚ軸に直交する軸をｘ軸およびｙ軸とした際に、ｘ軸方向に複数本の溝部が形成され、外形形状が、下縁から中央および中央から上縁に至るまでのｙ軸に沿った所定の間隔毎におけるレンズのｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている複数枚の導電板片を、前記所定の間隔を隔ててｘ−ｚ面に平行になるよう積層することにより形成されており、前記溝部の本数と幅と深さとに応じた屈折率が得られることを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、複数枚の導電板片を、所定の間隔を隔てて互いに平行になるよう積層することにより形成されていることから、可視光はテラヘルツ帯の人工誘電体レンズを透過するようになる。これにより、テラヘルツ帯の人工誘電体レンズの位置合わせは可視光を観察することにより行えることから、位置合わせを容易に行うことができるようになる。また、導電板片に形成した溝部の本数と幅と深さとに応じた屈折率が得られることから、所望の屈折率のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズを得ることができる。

本発明のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズの第１実施例である金属製誘電体レンズの構成を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図である。 本発明の第１実施例にかかる金属製誘電体レンズを構成する一の金属板片の構成を示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図である。 本発明の第１実施例にかかる金属製誘電体レンズを構成する他の金属板片の構成を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。 本発明の第１実施例にかかる金属製誘電体レンズの一部の構成を拡大して示す図であり、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は寸法を示す図表である。 本発明の第１実施例にかかる金属製誘電体レンズによる集光の様子をシミュレーションした図である。 本発明の第１実施例にかかる金属製誘電体レンズによる集光の様子をシミュレーションした他の図である。 本発明の第１実施例にかかる金属製誘電体レンズの寸法を変更した際の集光の様子をシミュレーションした図である。 本発明の第１実施例にかかる金属製誘電体レンズの寸法を変更した際の集光の様子をシミュレーションした他の図である。 本発明の第１実施例の変形例にかかる金属製誘電体レンズを構成する一の金属板片の構成を示す図であり、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は側面図である。 本発明の第１実施例の変形例にかかる金属製誘電体レンズを構成する他の金属板片の構成を示す図であり、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は側面図である。 本発明の第１実施例の変形例にかかる金属製誘電体レンズの一部の構成を拡大して示す図であり、図１１（ａ）は側面図、図１１（ｂ）は寸法を示す図表である。 本発明の第１実施例の変形例にかかる金属製誘電体レンズによる集光の様子をシミュレーションした図である。 本発明の第１実施例の変形例にかかる金属製誘電体レンズによる集光の様子をシミュレーションした他の図である。 本発明のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズの第２実施例である金属製誘電体レンズの構成を示す図であり、図１４（ａ）は斜視図、図１４（ｂ）は正面図、図１４（ｃ）は側面図である。 本発明のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズの第３実施例である金属製誘電体レンズの構成を示す図であり、図１５（ａ）は斜視図、図１５（ｂ）は正面図、図１５（ｃ）は側面図である。 本発明の第３実施例にかかる金属製誘電体レンズを構成する一の金属板片の構成を示す図であり、図１６（ａ）は平面図、図１６（ｂ）は側面図である。 本発明の第３実施例にかかる金属製誘電体レンズを構成する他の金属板片の構成を示す図であり、図１７（ａ）は平面図、図１７（ｂ）は側面図である。平面図及び側面図である。 テラヘルツ帯の人工誘電体レンズの他の例である金属製誘電体レンズの構成を示す図であり、図１８（ａ）は斜視図、図１８（ｂ）は正面図、図１８（ｃ）は側面図である。 他の例である金属製誘電体レンズの一部の構成を拡大して示す側面図である。 他の例である金属製誘電体レンズによる集光の様子をシミュレーションした図である。 他の例である金属製誘電体レンズによる集光の様子をシミュレーションした他の図である。

本発明のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズの第１実施例である金属製誘電体レンズの構成を示す斜視図を図１（ａ）に、その正面図を図１（ｂ）に、その側面図を図１（ｃ）に示す。
これらの図に示す本発明にかかる金属製誘電体レンズ１は、図示するように一側面が平面状、他側面が球面状とされた円形のレンズとされている。そして、金属製誘電体レンズ１の光軸をｚ軸とし、ｚ軸に直交する軸をｘ軸およびｙ軸とした際に、複数枚の金属板片１０の外形形状が、下縁から中央および中央から上縁に至るまでのｙ軸に沿った所定の間隔毎におけるレンズのｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている。この複数枚の金属板片１０をｙ軸に沿って所定の間隔を持ってｘ−ｚ面に平行になるよう積層することにより、金属製誘電体レンズ１が形成されている。複数枚の金属板片１０におけるそれぞれの表面と裏面とには、溝部が複数本ずつ形成されて、コルゲーション構造とされている。この溝部はｘ軸に平行に形成されている。

金属製誘電体レンズ１のほぼ中央部に配列されている金属板片１０ａの構成を拡大して示す平面図を図２（ａ）に、その側面図を図２（ｂ）に示し、金属製誘電体レンズ１の外縁より若干内側に配列されている金属板片１０ｎの構成を拡大して示す平面図を図３（ａ）に、その側面図を図３（ｂ）に示す。
これらの図に示すように、金属板片１０ａは、約１００μｍ前後の厚さの極薄い金属板を一側面が直線、他側面が円弧状とされた三日月状の外形形状になるよう加工して、その表面と裏面とに、断面が矩形状とされている例えば８本ずつの溝部１１ａを所定間隔毎に形成して構成されている。金属板片１０ａの外形形状は、図２（ａ）に示すようにレンズのほぼ中央部のｘ−ｚ面に平行な断面とされる三日月形状とされている。また、金属板片１０ｎは、約１００μｍ前後の厚さの極薄い金属板を一側面が直線、他側面が円弧状とされた三日月状の外形形状になるよう加工して、その表面と裏面とに、断面が矩形状とされている例えば３本ずつの溝部１１ｎを所定間隔毎に形成して構成されている。金属板片１０ｎの外形形状は、図３（ａ）に示すようにレンズの外縁より若干内側のｘ−ｚ面に平行な断面とされる小さな三日月形状とされている。

金属製誘電体レンズ１の下縁から中央および中央から上縁に至るまでの所定の間隔毎におけるｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている複数枚の金属板片１０が用意され、図２（ａ）（ｂ）に示す金属板片１０ａをｘ−ｚ面に平行に配置して、この面に直交するｙ軸に沿って下側方向と上側方向に図３（ａ）（ｂ）に示す金属板片１０ｎを含む金属板片１０ａより次第に小さくした外形形状の複数枚の金属板片１０を所定間隔をもって積層していく。これにより、本発明にかかる金属製誘電体レンズ１が形成される。図示するように、金属製誘電体レンズ１における金属板片１０間には間隙があることから、金属製誘電体レンズ１を可視光が透過するようになる。そこで、テラヘルツ電磁波の光軸上に可視光が乗るようにした可視光源を備えることにより、光軸上に金属製誘電体レンズ１を容易に位置合わせすることができるようになる。

本発明にかかる金属製誘電体レンズ１の寸法の一例を図４に示す。図４（ａ）は金属製誘電体レンズ１の一部の構成を拡大して示す側面図であり、図４（ｂ）はその寸法の一例を示す図表である。
金属製誘電体レンズ１を構成している金属板片１０ａと、この金属板片１０ａに隣接する金属板片１０ｂとの構成が拡大されて図４（ａ）に示されている。金属板片１０ａの断面が矩形状の溝部１１ａの底部と隣接する金属板片１０ｂの断面が矩形状の溝部１１ｂの底部との間隔をｄ、金属板片１０ｂの溝部１１ｂにおける幅をｔ、金属板片１０ａの溝部１１ａを形成する周期をｐ、溝部１１ａの深さをｃ１、溝部１１ａ間の間隔をｃ２とする。ただし、寸法ｄ，ｃ１，ｃ２，ｐ，ｔは全ての金属板片１０において同寸法とされている。金属製誘電体レンズ１の設計周波数を０．５ＴＨｚ（波長λは約６００ｍｍ）とした際の金属製誘電体レンズ１の具体的な寸法の例を図４（ｂ）に示している。すなわち、０．５ＴＨｚのテラヘルツ電磁波を集光させる場合は、隣接する金属板片１０の溝部１１の底部間の間隔ｄが約７０μｍ（約０．１２λ）、溝部１１の深さｃ１が約２０μｍ（約０．０３３λ）、溝部１１間の間隔ｃ２が約４０μｍ（約０．０６７λ）、溝部１１を形成する周期ｐが約８０μｍ（約０．１３λ）、金属板片１０の溝部１１における幅ｔが約３０μｍとなる金属製誘電体レンズ１とする。

設計周波数を０．５ＴＨｚとして上記寸法とした金属製誘電体レンズ１の集光効果を解析した図を図５，図６に示す。図５は光軸をｚ軸方向とした金属製誘電体レンズ１のｙ−ｚ面の解析結果を示す図であり、図６は光軸をｚ軸方向とした金属製誘電体レンズ１のｘ−ｚ面の解析結果を示す図である。解析には有限要素法シミュレータAnsys社HFSS Ver. 13を用いた。解析領域を減らすためイメージの定理により１／４モデルを解析している。図５，図６において、テラヘルツ電磁波は紙面の左側から金属製誘電体レンズ１に入射されて右側に進行している。図５，図６を参照すると、金属製誘電体レンズ１を通過したテラヘルツ電磁波には、有効な集光効果が得られていることがわかる。集光する原理について説明する。金属製誘電体レンズ１において、金属板片１０をコルゲーション構造とすると、金属板片１０の表面と裏面とに所定周期で複数本の溝部１１が形成されている面をテラヘルツ電磁波が伝播する際に位相が遅れ、遅波されるようになる。複数枚の金属板片１０の光軸方向の長さは中央部の金属板片１０が一番長くされ、外縁に向かって次第に短くされていることから、金属製誘電体レンズ１の中央部を透過したテラヘルツ電磁波の位相遅れが大きくなり、外縁に向かうに従って金属製誘電体レンズ１を透過したテラヘルツ電磁波の位相遅れは小さくなる。これにより、テラヘルツ電磁波が集光されるものと考えられる。この場合、金属製誘電体レンズ１の焦点距離は金属製誘電体レンズ１の曲面の曲率により決定される。

なお、誘電体の作用を微視的に見ると、物質を構成している分子や原子が電磁波に対して電気双極子(ダイポール)として働き、電気双極子の作用により電磁波の位相が遅波する。この原理により、誘電体をレンズ形状にすることで電磁波を集光することができる。このように、コルゲーション構造の金属製誘電体レンズ１ではコルゲーションにより電磁波が遅波されて集光されることができることから、コルゲーション構造が誘電体として振る舞っているものと考えられる。なお、溝部１１の幅（ｐ−ｃ２）が使用波長の約１／１０程度とされていると、コルゲーションが誘電体として有効に振る舞うようになり、電磁波が遅波されるようになる。すなわち、コルゲーション構造の金属板片１０を所定間隔を持って積層するとメタマテリアルとして機能する。また、金属製誘電体レンズ１では金属板片１０に形成する溝部１１の本数、溝部１１の幅や深さのパラメータに応じて電磁波の位相が遅波することから、上記溝部のパラメータに応じた屈折率が得られるようになる。

設計周波数を０．５ＴＨｚとして溝部１１ａの深さｃ１を約３０μｍ（約０．０５０λ）、溝部１１における幅ｔを約２０μｍ（約０．０３３λ）に変更し、他の寸法は上記寸法とした金属製誘電体レンズ１の集光効果を図５，図６の解析手法で解析した図を図７に示す。図７を参照すると、寸法を変更しても金属製誘電体レンズ１を通過したテラヘルツ電磁波には、有効な集光効果が得られていることがわかる。そして、金属製誘電体レンズ１を通過した入力に対する強度の最大値は、金属製誘電体レンズ１の平面部分からａ１で示す約３．０２ｍｍ（約５．０λ）の点となり、強度は約２．５倍が得られている。
また、設計周波数を０．５ＴＨｚとして溝部１１ａの深さｃ１を約２０μｍ（約０．０３３λ）、溝部１１における幅ｔを約４０μｍ（約０．０６７λ）に変更し、他の寸法は上記寸法とした金属製誘電体レンズ１の集光効果を図５，図６の解析手法で解析した図を図８に示す。図８を参照すると、寸法を変更しても金属製誘電体レンズ１を通過したテラヘルツ電磁波には、有効な集光効果が得られていることがわかる。そして、金属製誘電体レンズ１を通過した入力に対する強度の最大値は、金属製誘電体レンズ１の平面部分からａ２で示す約４．５９ｍｍ（約７．７λ）の点となり、強度は約１．８倍が得られている。
上記したように、溝部１１の深さｃ１を深くすると金属製誘電体レンズ１を通過したテラヘルツ電磁波がより集光されて、入力に対する強度の最大値が大きくなると共に、最大値が得られる距離が短くなることが分かる。

ここで、コルゲーション構造により電磁波が遅波されて集光されることを説明するために、コルゲーション構造を有していない金属製誘電体レンズの集光効果を解析した。コルゲーション構造を有していない金属製誘電体レンズ１００の構成を示す斜視図を図１８（ａ）に、その正面図を図１８（ｂ）に、その側面図を図１８（ｃ）に示す。
これらの図に示すコルゲーション構造を有していない金属製誘電体レンズ１００は、
金属製誘電体レンズ１００の光軸をｚ軸とし、ｚ軸に直交する軸をｘ軸およびｙ軸とした際に、複数枚の金属板片１１０の外形形状が、下縁から中央および中央から上縁に至るまでのｙ軸に沿った所定の間隔毎におけるレンズのｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている。この複数枚の金属板片１１０をｙ軸に沿って所定の間隔を持ってｘ−ｚ面に平行になるよう積層することにより、金属製誘電体レンズ１００が形成されている。複数枚の金属板片１１０におけるそれぞれの表面と裏面とに溝部は形成されておらず平滑な平面とされている。

図１９は金属製誘電体レンズ１００の一部の構成を拡大して示す側面図であり、金属製誘電体レンズ１００を構成している金属板片１１０ａと、この金属板片１１０ａに隣接する金属板片１１０ｂとの構成が拡大されて示されている。金属板片１１０ａと隣接する金属板片１１０ｂとの間隔をｄ１００、金属板片１１０ｂの幅をｔ１００とする。ただし、寸法ｄ１００，ｔ１００は全ての金属板片１１０において同寸法とされている。金属製誘電体レンズ１００の設計周波数を０．５ＴＨｚ（波長λは約６００ｍｍ）とした際は、隣接する金属板片１１０間の間隔ｄ１００が約７０μｍ（約０．１２λ）、金属板片１０ｂの溝部１１ｂにおける幅ｔ１００が約３０μｍとなる金属製誘電体レンズ１００とする。

設計周波数を０．５ＴＨｚとして上記寸法とした金属製誘電体レンズ１００の集光効果を解析した図を図２０，図２１に示す。図２０は金属製誘電体レンズ１００のｙ−ｚ面の解析結果を示す図であり、図２１は金属製誘電体レンズ１００のｘ−ｚ面の解析結果を示す図である。解析には有限要素法シミュレータAnsys社HFSS Ver. 13を用いた。解析領域を減らすためイメージの定理により１／４モデルを解析している。図２０，図２１を参照すると集光されていないことがわかる。すなわち、コルゲーション構造を有していない金属製誘電体レンズ１００では、電磁波が金属製誘電体レンズ１００を透過する際に遅波されず集光されないことがわかる。
このように、本発明にかかる金属製誘電体レンズ１では、金属板片１０をコルゲーション構造とすることにより電磁波が遅波されて、集光されることが分かる。

次に、本発明の第１実施例における変形例の金属製誘電体レンズ２について説明する。本発明の変形例の金属製誘電体レンズ２は、断面が矩形状の溝部１１に替えて断面が半円状の溝部２１を金属板片に設けるようにしており、他の構成は金属製誘電体レンズ１と同様とされている。そこで、本発明の第１実施例における変形例の金属製誘電体レンズ２のほぼ中央部に配列されている金属板片２０ａの構成を拡大して示す平面図を図９（ａ）に、その側面図を図９（ｂ）に示し、変形例の金属製誘電体レンズ２の外縁より若干内側に配列されている金属板片２０ｂの構成を拡大して示す平面図を図１０（ａ）に、その側面図を図１０（ｂ）に示す。

これらの図に示すように、金属板片２０ａは、約１００μｍ前後の厚さの極薄い金属板を三日月状の外形形状になるよう加工して、その表面と裏面とに、断面が半円状とされている例えば８本ずつの溝部２１ａを所定間隔毎に形成して構成されている。金属板片２０ａの外形形状は、レンズのほぼ中央部のｘ−ｚ面に平行な断面の三日月形状とされている。また、金属板片２０ｎは、約１００μｍ前後の厚さの極薄い金属板を三日月状の外形形状になるよう加工して、その表面と裏面とに、断面が半円状とされている例えば３本ずつの溝部２１ｎを所定間隔毎に形成して構成されている。金属板片２０ｎの外形形状は、金属板片２０ａより小さい三日月形状とされており、金属製誘電体レンズ２の外縁より若干内側のｘ−ｚ面に平行な断面の形状とされている。

金属製誘電体レンズ２の下縁から中央および中央から上縁に至るまでの所定の間隔毎におけるｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている複数枚の金属板片２０が用意され、図９（ａ）（ｂ）に示す金属板片２０ａをｘ−ｚ面に平行に配置して、この面に直交するｙ軸に沿って下側方向と上側方向に図１０（ａ）（ｂ）に示す金属板片２０ｎを含む金属板片２０ａより次第に小さくした三日月形状の外形の複数枚の金属板片２０を所定間隔で積層していく。これにより、本発明にかかる変形例の金属製誘電体レンズ２が形成される。図示するように、金属製誘電体レンズ２における金属板片２０間には間隙があることから、金属製誘電体レンズ２を可視光が透過するようになる。そこで、テラヘルツ電磁波の光軸上に可視光が乗るようにした可視光源を備えることにより、光軸上に金属製誘電体レンズ２を容易に位置合わせすることができるようになる。

本発明にかかる変形例の金属製誘電体レンズ２の寸法の一例を図１１に示す。図１１（ａ）は金属製誘電体レンズ２の一部の構成を拡大して示す側面図であり、図１１（ｂ）はその寸法の一例を示す図表である。
変形例の金属製誘電体レンズ２を構成している金属板片２０ａと、この金属板片２０ａに隣接する金属板片２０ｂとの構成が拡大されて図１１（ａ）に示されている。金属板片２０ａの溝部２１ａは断面が半円状とされており、その底部と隣接する金属板片２０ｂの断面が半円状の溝部２１ｂの底部との間隔をｄ、金属板片２０ｂの溝部２１ｂの底部の幅をｔ、金属板片２０ａの溝部２１ａを形成する周期をｐ、断面が半円状の溝部２１ａの深さをｃ１、断面が半円状の溝部２１ａの半径をｒ、溝部２１ｂ間の間隔をｃ２とする。ただし、寸法ｄ，ｃ１，ｃ２，ｐ，ｔ，ｒは全ての金属板片２０において同寸法とされている。変形例の金属製誘電体レンズ２の設計周波数を０．５ＴＨｚ（波長λは約６００ｍｍ）とした際の金属製誘電体レンズ２の具体的な寸法の例を図１１（ｂ）に示している。すなわち、０．５ＴＨｚのテラヘルツ電磁波を集光させる場合は、隣接する金属板片２０の溝部２１の底部間の間隔ｄが約７０μｍ（約０．１２λ）、溝部２１の深さｃ１および半径ｒが約２０μｍ（約０．０３３λ）、溝部２１間の間隔ｃ２が約４０μｍ（約０．０６７λ）、溝部２１を形成する周期ｐが約８０μｍ（約０．１３λ）、金属板片２０の溝部２１における幅ｔが約３０μｍとなる金属製誘電体レンズ２とする。

設計周波数を０．５ＴＨｚとして上記寸法とした変形例の金属製誘電体レンズ２の集光効果を解析した図を図１２，図１３に示す。図１２は金属製誘電体レンズ２のｙ−ｚ面の解析結果を示す図であり、図１３は金属製誘電体レンズ２のｘ−ｚ面の解析結果を示す図である。解析には有限要素法シミュレータAnsys社HFSS Ver. 13を用いた。解析領域を減らすためイメージの定理により１／４モデルを解析している。図１２，図１３を参照すると有効な集光効果が得られていることがわかる。このことから、変形例の金属製誘電体レンズ２において、金属板片２０に形成している溝部２１の断面形状を半円形状としても、溝部２１をテラヘルツ電磁波が伝播する際に位相が遅れ、テラヘルツ電磁波が集光されることがわかる。
なお、溝部２１の半径ｒが使用波長の約１／１０程度とされていると、コルゲーションが誘電体として効果的に振る舞うようになり、電磁波が遅波されるようになる。また、変形例の金属製誘電体レンズ２においては、溝部２１の断面形状が半円状とされていることから、微細な直径とされているドリル等を用いて金属板片２０に溝部２１を形成することができることから、容易に金属製誘電体レンズ２を作成することができる。

次に、本発明のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズの第２実施例である金属製誘電体レンズ３の構成を示す斜視図を図１４（ａ）に、その正面図を図１４（ｂ）に、その側面図を図１４（ｃ）に示す。
これらの図に示す本発明にかかる第２実施例の金属製誘電体レンズ３は、図示するように一側面が平面状、他側面が球面状とされた円形のレンズとされている。そして、金属製誘電体レンズ３の光軸をｚ軸とし、ｚ軸に直交する軸をｘ軸およびｙ軸とした際に、複数枚の金属板片３０の外形形状が、下縁から中央および中央から上縁に至るまでのｙ軸に沿った所定の間隔毎におけるレンズのｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている。この複数枚の金属板片３０をｙ軸に沿って所定の間隔を持ってｘ−ｚ面に平行になるよう積層することにより、金属製誘電体レンズ３が形成されている。複数枚の金属板片３０におけるそれぞれの表面と裏面とには、溝部が複数本ずつ形成されて、コルゲーション構造とされている。この溝部はｘ軸に平行に形成されている。

第２実施例の金属製誘電体レンズ３における金属板片３０は、第１実施例の金属製誘電体レンズ１における図２，３に示す金属板片１０とほぼ同様の形状とされているが、端縁はステップ状に加工されている。すなわち、第１実施例の金属製誘電体レンズ１においては、複数枚の金属板片１０の端縁をつなげた形状は図１（ａ）〜（ｃ）に示すように滑らかな形状とされているが、第２実施例の金属製誘電体レンズ３においては、複数枚の金属板片３０の端縁をつなげた形状はステップ状とされている。これにより、複数枚の金属板片３０を作成する加工を容易に行えるようになる。また、第２実施例の金属製誘電体レンズ３は、第１実施例の金属製誘電体レンズ１と同様に可視光が透過すると共に、テラヘルツ電磁波を効率的に集光することができる。さらに、複数枚の金属板片３０のそれぞれに形成されている溝部の断面形状を矩形あるいは半円形とすることができる。

次に、本発明のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズの第３実施例である金属製誘電体レンズ４の構成を示す斜視図を図１５（ａ）に、その正面図を図１５（ｂ）に、その側面図を図１５（ｃ）に示す。
これらの図に示す本発明にかかる第３実施例の金属製誘電体レンズ４は、図示するように一側面が平面状、他側面が球面状とされたシリンダー状のレンズとされている。そして、金属製誘電体レンズ４の光軸をｚ軸とし、ｚ軸に直交する軸をｘ軸およびｙ軸とした際に、複数枚の金属板片４０の外形形状が、下縁から中央および中央から上縁に至るまでのｙ軸に沿った所定の間隔毎におけるレンズのｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている。この複数枚の金属板片４０をｙ軸に沿って所定の間隔を持ってｘ−ｚ面に平行になるよう積層することにより、金属製誘電体レンズ４が形成されている。複数枚の金属板片４０におけるそれぞれの表面と裏面とには、溝部が複数本ずつ形成されて、コルゲーション構造とされている。この溝部はｘ軸に平行に形成されている。

第３実施例の金属製誘電体レンズ４のほぼ中央部に配列されている金属板片４０ａの構成を拡大して示す平面図を図１６（ａ）に、その側面図を図１６（ｂ）に示し、金属製誘電体レンズ４の外縁より若干内側に配列されている金属板片４０ｎの構成を拡大して示す平面図を図１７（ａ）に、その側面図を図１７（ｂ）に示す。
これらの図に示すように、金属板片４０ａは、約１００μｍ前後の厚さの極薄い金属板を矩形の外形形状になるよう加工して、その表面と裏面とに、断面が矩形状とされている例えば８本ずつの溝部４１ａを所定間隔毎に形成して構成されている。金属板片４０ａの外形形状は、図１６（ａ）に示すようにレンズのほぼ中央部のｘ−ｚ面に平行な断面とされる矩形状とされている。また、金属板片４０ｎは、約１００μｍ前後の厚さの極薄い金属板を矩形の外形形状になるよう加工して、その表面と裏面とに、断面が矩形状とされている例えば３本ずつの溝部４１ｎを所定間隔毎に形成して構成されている。金属板片４０ｎの外形形状は、図１７（ａ）に示すようにレンズの外縁より若干内側のｘ−ｚ面に平行な断面とされる細長い矩形状とされている。

第３実施例の金属製誘電体レンズ４の下縁から中央および中央から上縁に至るまでの所定の間隔毎におけるｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている複数枚の金属板片４０が用意され、図１６（ａ）（ｂ）に示す金属板片４０ａをｘ−ｚ面に平行に配置して、この面に直交するｙ軸に沿って下側方向と上側方向に図１７（ａ）（ｂ）に示す金属板片１０ｎを含む金属板片４０ａより次第に小さくした外形形状の複数枚の金属板片４０を所定間隔をもって積層していく。これにより、第３実施例の金属製誘電体レンズ４が形成される。このような第３実施例の金属製誘電体レンズ４は、第１実施例の金属製誘電体レンズ１と同様に可視光が透過すると共に、テラヘルツ電磁波を効率的に集光することができる。さらに、複数枚の金属板片３０のそれぞれに形成されている溝部の断面形状を矩形あるいは半円形とすることができる。さらに、第３実施例の金属製誘電体レンズ４においては、複数枚の金属板片４０が矩形状とされていることから、複数枚の金属板片４０を作成する加工を容易に行えるようになる。

以上説明した本発明のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズにおいて、導電板を金属板としたが、これに限るものではなく絶縁フィルムの表面および裏面に導電体を貼着や蒸着した導電体を用いるようにしても良い。また、本発明の各実施例の金属製誘電体レンズにおける上記した寸法は一例であって、この寸法に限ることはない。そして、各実施例にかかる金属製誘電体レンズにおける金属板片に形成する溝部の本数、溝部の幅や深さは一例であって、これらのパラメータを変えることにより、金属製誘電体レンズ１の等価的な誘電率を制御することができる。すなわち、本発明のテラヘルツ帯の人工電体レンズにおいては所望の屈折率を得ることができるようになる。
また、本発明の実施例の金属製誘電体レンズ１の正面から見た形状は円形あるいは矩形としたが、これに限ることはなく三角形や多角形とすることができる。さらに、実施例における金属板片に形成した溝部の断面形状は矩形あるいは半円状としたが、これに限ることはなく、楕円や多角形の断面形状とすることができる。
さらに、以上説明した本発明の実施例の金属製誘電体レンズでは、一側面が平面状、他側面が球面状とされていたが、一側面および他側面とも球面状としても良い。さらにまた、本発明の実施例の金属製誘電体レンズでは、金属板片の表面と裏面とに形成する溝部を位置を合わせて形成するようにしたが、これに限ることはなく、表面と裏面とに形成する溝部の位置をずらせて形成するようにしてもよく、また、表面と裏面とのいずれかの一面だけに溝部を形成するようにしても良い。

１〜４ 金属製誘電体レンズ、１０ 金属板片、１０ａ 金属板片、１０ｂ 金属板片、１０ｎ 金属板片、１１ 溝部、１１ａ 溝部、１１ｂ 溝部、１１ｎ 溝部、２０ 金属板片、２０ａ 金属板片、２０ｂ 金属板片、２０ｎ 金属板片、２１ 溝部、２１ａ 溝部、２１ｂ 溝部、２１ｎ 溝部、３０ 金属板片、４０ 金属板片、４０ａ 金属板片、４０ｎ 金属板片、４１ａ 溝部、４１ｎ 溝部、１００ 金属製誘電体レンズ、１１０ 金属板片、１１０ａ 金属板片、１１０ｂ 金属板片

Claims (3)

1. 光軸をｚ軸とし、ｚ軸に直交する軸をｘ軸およびｙ軸とした際に、ｘ軸方向に複数本の溝部が形成され、外形形状が、下縁から中央および中央から上縁に至るまでのｙ軸に沿った所定の間隔毎におけるレンズのｘ−ｚ面に平行な各断面の形状とされている複数枚の導電板片を、前記所定の間隔を隔ててｘ−ｚ面に平行になるよう積層することにより形成されており、前記溝部の本数と幅と深さとに応じた屈折率が得られることを特徴とするテラヘルツ帯の人工誘電体レンズ。
2. 前記溝部が、前記導電板片の表面と裏面とに複数本ずつ形成されていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズ。
3. 設計周波数の波長をλとした際に、前記溝部の幅が約λ／１０以下とされていることを特徴とする請求項１または２記載のテラヘルツ帯の人工誘電体レンズ。