JP5958853B2

JP5958853B2 - 導電チップからなる人工誘電体レンズ

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Publication number: JP5958853B2
Application number: JP2012031588A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　健仁; 健仁鈴木
Original assignee: Ibaraki University NUC
Current assignee: Ibaraki University NUC
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: JP2013168844A

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導電チップからな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。さらに、非特許文献１記載のレンズは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レンズであり、テラヘルツ電磁波は波長が３０μｍ〜３０００μｍと非常に短いことから、上記レンズの作成手法を用いてもテラヘルツ電磁波用の微少なレンズを作成することができないという問題点があった。さらにまた、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導電チップからなるテラヘルツ波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、本発明の導電チップからなるテラヘルツ波帯の人工誘電体レンズは、光軸をｚ軸方向とし、ｚ軸に直交する軸をｘ軸およびｙ軸とした際に、ｚ軸を中心とすると共にｚ軸に沿って所定間隔で配置されたｘ−ｙ面に平行な複数枚の面のそれぞれに、複数個の導電方形チップを互いに間隙を持って格子状に配置し、前記複数枚の面の形状がｚ軸方向に沿って次第に小さくされてレンズの球面が形成され、前記導電方形チップを備える前記複数枚の面の枚数は、前記光軸から外縁に行くに従って前記複数枚の面の枚数が次第に少なくされており、前記導電方形チップが配置される前記複数枚の面の数、および、前記導電方形チップを格子状に配列する前記間隙や前記複数枚の面を配置する前記所定間隔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、ｚ軸を中心とすると共にｚ軸に沿って所定間隔で配置されたｘ−ｙ面に平行な複数枚の面のそれぞれに、複数個の導電方形チップを互いに間隙を持って格子状に配置することにより形成されていることから、可視光は導電方形チップからなるテラヘルツ波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、導電チップからなるテラヘルツ波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、前記導電方形チップが配置される前記複数枚の面の数、および、前記導電方形チップを格子状に配列する前記間隙や前記複数枚の面を配置する前記所定間隔に応じた屈折率が得られることから、所望の屈折率の導電チップからなるテラヘルツ波帯の人工誘電体レンズを得ることができる。

本発明の導電チップからなるテラヘルツ波帯の人工誘電体レンズの実施例である金属製誘電体レンズの構成を示す斜視図、正面図及び側面図である。本発明の実施例にかかる金属製誘電体レンズを構成するｘ−ｙ面に平行な一の面および他の面の構成を示す平面図及び側面図である。本発明の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斜視図及び寸法を示す図表である。本発明の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。本発明の実施例にかかる金属製誘電体レンズにおける金属方形チップを周期的に配置する寸法を説明する図である。

本発明の導電チップからなるテラヘルツ波帯の人工誘電体レンズの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、ｚ軸を中心とすると共にｚ軸に沿って所定間隔で配置されたｘ−ｙ面に平行な複数枚の面のそれぞれに、複数個の金属方形チップ１０を互いに間隙を持って格子状に配置し、複数枚の面の形状がｚ軸方向に沿って次第に小さくされて球面が形成されている。

金属製誘電体レンズ１のｘ−ｙ面に平行な最も後面の最後面配列１ａの構成を示す平面図を図２（ａ）に、金属製誘電体レンズ１のｘ−ｙ面に平行な最も前面の最前面配列１ｎの構成を示す平面図を図２（ｂ）に示す。
これらの図に示す最後面配列１ａでは、多数の金属方形チップ１０が格子状に配列されて構成されている。最後面配列１ａの形状はほぼ円形とされており、外縁に配置された金属方形チップ１０は円形を近似するように一部が切り取られている。また、最前面配列１ｎにおいても、複数の金属方形チップ１０が格子状に配列されて構成されており、その大きさは最後面配列１ａの十数分の１とされている。最前面配列１ｎの形状もほぼ円形とされており、外縁に配置された金属方形チップ１０は円形を近似するように一部が切り取られている。このように、本発明にかかる金属製誘電体レンズ１では、それぞれ複数の金属方形チップ１０が格子状に配列されている最後面配列１ａないし最前面配列１ｎのｘ−ｙ面に平行なｎ枚の面がｚ軸に沿って所定間隔をもって配列されている。

図示するように、金属製誘電体レンズ１における金属方形チップ１０は格子状に配列される際に、隣接する金属方形チップ１０と所定の間隙を持って配列されることから、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３に示す。図３（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斜視図であり、図３（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方形チップ１０ａ、１０ｃおよび金属方形チップ１０ｂ、１０ｄはそれぞれ隣接するｘ−ｙ面に平行な面に格子状に配列されている。金属方形チップ１０ａの厚さをｔ、金属方形チップ１０ａと金属方形チップ１０ｃとの間隙をｄ１、金属方形チップ１０ｂの幅をｂ、高さをａ、金属方形チップ１０ｃと金属方形チップ１０ｄ間の間隔をｄ２とする。ただし、寸法ａ，ｂ，ｄ１，ｄ２，ｔは全ての金属方形チップ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３（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、金属方形チップ１０ａの厚さｔが約２０μｍ（約０．０３３λ）、金属方形チップ１０ａと金属方形チップ１０ｃとの間隙ｄ１が約４０μｍ（約０．０６７λ）、金属方形チップ１０ｂの幅ｂが約１２０μｍ（約０．２０λ）、高さａが約１２０μｍ（約０．２０λ）、金属方形チップ１０ｃと金属方形チップ１０ｄ間の間隔ｄ２が約５０μｍ（約０．０８３λ）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４，図５に示す。図４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５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４，図５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。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、格子状に配列された金属方形チップ１０を備えるｘ−ｙ面に平行な複数枚の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。テラヘルツ電磁波が透過する金属方形チップ１０を備えるｘ−ｙ面に平行な複数枚の面の枚数は、金属製誘電体レンズ１の光軸（ｚ軸）における枚数が一番多くされ、金属製誘電体レンズ１の外縁に行くに従って次第に少な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、波長に比べて幅や高さの寸法が小さくされた金属方形チップ１０の間を電磁波が伝播していく際に、電磁波が遅波されて集光されることから、格子状に配列された金属方形チップ１０の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、金属方形チップ１０間の間隙ｄ１や間隔ｄ２が使用波長の約１／１０程度とされていると、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、金属方形チップ１０を格子状に配列したｘ−ｙ面に平行な面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では金属方形チップ１０を格子状に配列したｘ−ｙ面に平行な面の枚数、金属方形チップ１０間の間隙ｄ１や間隔ｄ２や単位面積あたりに形成される金属方形チップ１０の数など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、上記パラメータに応じた屈折率が得られるようになる。

次に、本発明にかかる金属製誘電体レンズ１においては、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように金属方形チップ１０が横方向と縦方向と前後方向に周期的に配置されるが、周期的に配置する寸法の実施態様を説明する。金属方形チップ１０を周期的に配置する寸法を説明する図を図６に示す。
金属製誘電体レンズ１は、多数の金属方形チップ１０はｘ−ｙ面に平行な面に格子状に配列されており、配列されている最後面配列１ａないし最前列配列１ｎの面がｚ軸方向に配列されている。図６において、金属方形チップ１０ａは金属製誘電体レンズ１を構成している多数の金属方形チップ１０の代表例として示されている。この金属方形チップ１０ａの高さをａ、幅をｂ、厚さをｔとする。また、金属方形チップ１０ａを周期的に配置する周期を破線の枠で示しており、破線の枠で示す周期の横方向の周期をｐ_x、縦方向の周期をｐ_y、前後方向の周期をｐ_zとする。
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の第１実施態様の寸法は、金属方形チップ１０ａの高さａと幅ｂとが約１２０μｍ（約０．２０λ）、厚さｔが約２０μｍ（０．０３３λ）、横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとが約１６０μｍ（約０．２７λ）、前後方向の周期ｐ_zが約７０μｍ（約０．１２λ）とされている。第１実施態様では、金属製誘電体レンズ１のテラヘルツ電磁波の入射面からの焦点距離が約２．７２ｍｍとなり、焦点におけるE-field Magnitudeとして約３．５［Ｖ／ｍ］が得られている。解析には有限要素法シミュレータAnsys社HFSS Ver. 13が用いられており、以下に説明する他の実施態様においても、当該シミュレータが用いられている。

また、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の第２実施態様の寸法は、金属方形チップ１０ａの高さａと幅ｂとが約１２０μｍ（約０．２０λ）、厚さｔが約２０μｍ（０．０３３λ）、横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとが約２００μｍ（約０．３３λ）、前後方向の周期ｐ_zが約７０μｍ（約０．１２λ）とされている。第２実施態様では、金属製誘電体レンズ１のテラヘルツ電磁波の入射面からの焦点距離が約３．４８ｍｍとなり、焦点におけるE-field Magnitudeとして約３．０［Ｖ／ｍ］が得られる。
さらに、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の第３実施態様の寸法は、金属方形チップ１０ａの高さａと幅ｂとが約１２０μｍ（約０．２０λ）、厚さｔが約２０μｍ（０．０３３λ）、横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとが約２４０μｍ（約０．４λ）、前後方向の周期ｐ_zが約７０μｍ（約０．１２λ）とされている。第３実施態様では、金属製誘電体レンズ１のテラヘルツ電磁波の入射面からの焦点距離が約３．８５ｍｍとなり、焦点におけるE-field Magnitudeとして約２．５［Ｖ／ｍ］が得られる。
上記したように、金属方形チップ１０を周期的に配置する際の横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとを大きくしていくと、焦点距離が長くなっていくが焦点のE-field Magnitudeレベルは次第に低下していく傾向を示すことが分かる。

次に、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の第４実施態様の寸法は、金属方形チップ１０ａの高さａと幅ｂとが約１２０μｍ（約０．２０λ）、厚さｔが約２０μｍ（０．０３３λ）、横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとが約１６０μｍ（約０．２７λ）、前後方向の周期ｐ_zが約３０μｍ（約０．０５λ）とされている。第４実施態様では、金属製誘電体レンズ１のテラヘルツ電磁波の入射面からの焦点距離が約３．０９ｍｍとなり、焦点におけるE-field Magnitudeとして約３．０［Ｖ／ｍ］が得られる。
さらに、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の第５実施態様の寸法は、金属方形チップ１０ａの高さａと幅ｂとが約１２０μｍ（約０．２０λ）、厚さｔが約２０μｍ（０．０３３λ）、横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとが約１６０μｍ（約０．２７λ）、前後方向の周期ｐ_zが約１１０μｍ（約０．１８λ）とされている。第５実施態様では、金属製誘電体レンズ１のテラヘルツ電磁波の入射面からの焦点距離が約３．１ｍｍとなり、焦点におけるE-field Magnitudeとして約３．４［Ｖ／ｍ］が得られる。
上記したように、金属方形チップ１０を周期的に配置する際の前後方向の周期ｐ_zを大きくしていくと、焦点距離が短くなりさらに長くしていくと今度は次第に長く傾向を示すが、焦点のE-field Magnitudeレベルは若干変化するだけであることが分かる。

次に、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の第６実施態様の寸法は、金属方形チップ１０ａの高さａと幅ｂとが約８０μｍ（約０．１３λ）、厚さｔが約２０μｍ（０．０３３λ）、横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとが約１２０μｍ（約０．２０λ）、前後方向の周期ｐ_zが約７０μｍ（約０．１２λ）とされている。第６実施態様では、金属製誘電体レンズ１のテラヘルツ電磁波の入射面からの焦点距離が約３．４８ｍｍとなり、焦点におけるE-field Magnitudeとして約３．０［Ｖ／ｍ］が得られる。
さらに、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の第７実施態様の寸法は、金属方形チップ１０ａの高さａと幅ｂとが約１６０μｍ（約０．２７λ）、厚さｔが約２０μｍ（０．０３３λ）、横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとが約２００μｍ（約０．３３λ）、前後方向の周期ｐ_zが約７０μｍ（約０．１２λ）とされている。第７実施態様では、金属製誘電体レンズ１のテラヘルツ電磁波の入射面からの焦点距離が約２．１８ｍｍとなり、焦点におけるE-field Magnitudeとして約４．０［Ｖ／ｍ］が得られる。
上記したように、金属方形チップ１０の高さａと幅ｂとを大きくしていくと共に、横方向の周期ｐ_xと縦方向の周期ｐ_yとを大きくしていくと、焦点距離が短くなっていくが焦点のE-field Magnitudeレベルは次第に向上していく傾向を示すことが分かる。

以上説明した本発明の導電チップからなるテラヘルツ波帯の人工誘電体レンズにおいて、ｘ−ｙ面に平行な面に金属方形チップ１０を格子状に配列したが、透明の絶縁フィルムの一面に導電方形チップを貼着や蒸着により形成して、格子状に導電方形チップを配列するようにしても良い。また、透明の絶縁フィルムの一面に形成されている金属層をエッチングすることにより導電方形チップを形成して、格子状に導電方形チップを配列するようにしても良い。さらに、透明の絶縁フィルムの一面に形成されている金属層をレーザー加工することにより導電方形チップを形成して、格子状に導電方形チップを配列するようにしても良い。
なお、本発明の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。また、金属製誘電体レンズ１の正面から見た形状は円形としたが、これに限ることはなく三角形、四角形、多角形とすることができる。

１金属製誘電体レンズ、１ａ最後面配列、１ｎ最前面配列、１０金属方形チップ、１０ａ金属方形チップ、１０ｂ金属方形チップ、１０ｃ金属方形チップ、１０ｄ金属方形チップ

Claims

光軸をｚ軸方向とし、ｚ軸に直交する軸をｘ軸およびｙ軸とした際に、ｚ軸を中心とすると共にｚ軸に沿って所定間隔で配置されたｘ−ｙ面に平行な複数枚の面のそれぞれに、複数個の導電方形チップを互いに間隙を持って格子状に配置し、前記複数枚の面の形状がｚ軸方向に沿って次第に小さくされてレンズの球面が形成され、前記導電方形チップを備える前記複数枚の面の枚数は、前記光軸から外縁に行くに従って次第に少なくされており、前記導電方形チップが配置される前記複数枚の面の数、および、前記導電方形チップを格子状に配列する前記間隙や前記複数枚の面を配置する前記所定間隔に応じた屈折率が得られることを特徴とする導電チップからなるテラヘルツ波帯の人工誘電体レンズ。
前記導電方形チップを格子状に配置した、前記導電方形チップの間の間隙を可視光が透過することを特徴とする請求項１に記載の導電チップからなるテラヘルツ波帯の人工誘電体レンズ。
格子状に配置される前記導電方形チップ間の間隔が、使用波長の約１／１０程度とされて前記導電方形チップが格子状に配列された構造が誘電体として振る舞い、前記導電方形チップが格子状に配列されたｘ−ｙ面に平行な複数枚の面をテラヘルツ電磁波が伝播する際に位相が遅れて遅波されることを特徴とする請求項１または２に記載の導電チップからなるテラヘルツ波帯の人工誘電体レンズ。