JP7216428B2 - 新規の中空軽量レンズ構造 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年６月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／５２１，０９８号の優先権を主張し、その明細書はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、中空３Ｄレンズ構造の設計および製造に関し、より詳細には、部分的に金属化された薄膜、ストリング、スレッド、ファイバまたはワイヤベースのメタマテリアルを使用した中空軽量ルネベルグレンズ構造の設計および製造に関する。

ルネベルグレンズは、高利得性、広帯域動作性を有し、複数のビームを形成できるため、複数のビームトラッキングに適した屈折率分散型機器である。ルネベルグレンズの表面のすべての点は、反対側から入射する平面波の焦点である。ルネベルグレンズの誘電率分布は次の式で与えられ、

式中、ε_ｒは誘電率、Ｒはレンズの半径、ｒはその位置からレンズの中心までの距離である。現在の技術では、３次元（「３Ｄ」）印刷ルネベルグレンズ構造は、レンズを構成するポリマーと空気との間の充填率を制御することにより構築されている。レンズ構造の大部分は、通常、ポリマーで作製されており、したがって、レンズのサイズが大きくなると、重量は大幅に増加する。さらに、現在の技術に関連する製造コストは、通常、レンズサイズが大きいと高い。本発明は、部分的に金属化された薄膜、ストリング、スレッド、ファイバまたはワイヤベースのメタマテリアルを使用した中空軽量、低コストおよび高性能の３Ｄルネベルグレンズ構造を特徴とする。

本文脈、本明細書、および当業者の知識から明らかなように、本明細書に記載される特徴または特徴の組み合わせは、それらの組み合わせに含まれる特徴が相互に矛盾しない限り、本発明の範囲内に含まれる。本発明のさらなる利点および態様は、以下の詳細な説明および特許請求の範囲において明らかである。

本発明は、ＲＦ周波数範囲で動作可能な中空軽量３Ｄレンズ構造を製造する方法を特徴とする。いくつかの実施形態では、レンズ構造の連続的に変化する比誘電率プロファイル特性を実装するために、部分的に金属化された薄膜またはワイヤが使用されている。別の実施形態では、比誘電率プロファイルを実装するために、ワイヤベースの誘電体が利用されている。

本発明の固有かつ進歩的な技術的特徴の１つは、従来の３Ｄルネベルグレンズと比較して、本３Ｄルネベルグレンズ構造の体積を含む自由空間の量を増加させる有効媒質アプローチの使用である。本発明をいかなる理論または機構にも限定することを望まないが、本発明の技術的特徴は、中空軽量レンズ構造と、必要な材料がより少ないことによるより高い製造速度とを有利に提供すると考えられる。現在知られている従来の参考文献または研究のいずれも、本発明に固有の進歩的な技術的特徴を有していない。

本発明の特徴および利点は、添付の図面に関連して提示される以下の詳細な説明の考察から明らかになるであろう。

中空構造レンズの原理の図である。 仮想セルの金属化と、セルの接合位置に応じた金属化の程度の図である。 中空軽量ルネベルグレンズ構造の中央断面の写真である。 本発明の中空軽量ルネベルグレンズ構造の写真である。 ユニットセルサイズが５ｍｍの部分的に金属化されたワイヤベースの中空軽量ルネベルグレンズ構造のユニットセル構造の図を示す。 ユニットセルサイズが１０ｍｍの部分的に金属化されたストリングベースの中空軽量ルネベルグレンズ構造のユニットセル構造の図を示す。銅コーティングが施された誘電体ワイヤは、直径が０．５ｍｍ、誘電率が２．８である。金属トレースには、３つの軸（Ｘ、Ｙ、およびＺ）がすべて含まれる。 ユニットセルサイズが５ｍｍの部分的に金属化されたストリングベースの中空軽量ルネベルグレンズ構造のユニットセル構造の代替実施形態の図を示す。誘電体ワイヤの厚さは０．１４ｍｍ、誘電率は２．５である。金属トレースの導電率は１×１０^－５Ｓ／ｍで、焼結前に導電性インクをエミュレートする。３つの軸（Ｘ、Ｙ、およびＺ）すべてを含む金属トレース。 図２Ａに詳述したユニットセル構造を複数有する、２５層の部分的に金属化されたストリングベースの中空軽量ルネベルグレンズ構造の例を示す。 図２Ｂに詳述したユニットセル構造を複数有する、２５層の部分的に金属化されたストリングベースの中空軽量ルネベルグレンズ構造の例を示す。 図２Ｃに詳述したユニットセル構造を複数有する、２５層の部分的に金属化されたストリングベースの中空軽量ルネベルグレンズ構造の例を示す。 図２Ｂのユニットセルの層０の金属長さ分布の例を示す。 図２Ａのユニットセル構造のユニットセルシミュレーションおよび実効誘電率を示す。 図２Ｂのユニットセル構造のユニットセルシミュレーションおよび実効誘電率を示す。 図２Ｃのユニットセル構造のユニットセルシミュレーションおよび実効誘電率を示す。 図５Ａに詳述されるように、金属長さと実効誘電率との間の関係をシミュレートしたグラフを示す。 図５Ｂで詳述されるように、金属長さと実効誘電率との間の関係をシミュレートしたグラフを示す。 図５Ｃに詳述されるように、金属長さと実効誘電率との間の関係をシミュレートしたグラフを示す。 図１Ｂの軽量ルネベルグレンズの磁場ベクトルを含む面（「Ｈ面」）の放射パターンの測定を示す。 図１Ｂの軽量ルネベルグレンズの８～１２ＧＨｚの異なる周波数での利得およびＨ面ビーム半値幅（「ＨＰＢＷ」）を示す。 図１Ｂの軽量ルネベルグレンズの電場ベクトルを含む面（「Ｅ面」）の放射パターンの測定を示す。 図１Ｂの軽量ルネベルグレンズの８～１２ＧＨｚの異なる周波数での利得およびＥ面ＨＰＢＷを示す。 部分的に金属化されたプレートベースの中空軽量ルネベルグレンズ構造を構築するための２つの追加のアプローチを示す。

広範な実施形態において、本発明は、半径Ｒ（１０２）の中空構造レンズ（１００）であって、
ａ）複数の接合部（１１０）を有する３次元足場（１０４）であって、レンズ内部の各接合部がある程度まで少なくとも部分的に金属化されている（１７０）、（１８０）３次元足場と、
ｂ）３次元足場（１０４）によって形成された中空構造レンズ（１００）の中心点（１２０）と、
ｃ）３次元足場（１０４）によって形成された中空構造レンズ（１００）の外縁（１３０）とを備え、
３次元足場（１０４）は、レンズ内部に接合部（１１０）を形成し、
接合部（１１０）は、レンズの最も内側である中心点（１２０）または中心点（１２０）の近くから、レンズの最も外側であるレンズ（１００）の縁（１３０）またはレンズ（１００）の縁（１３０）の近くに向かって配置され、
各接合部（１１０）は、仮想ユニットセル（１４０）内に存在し、各仮想ユニットセルは、各仮想ユニットセル（１４０）内にある少なくとも部分的に金属化された接合部（１７０）の程度まで少なくとも部分的に金属化されており、
部分的に金属化された接合部（１８０）は、中心点（１２０）から離れるほど、仮想セル（１４０）の金属化の程度がより小さい、中空構造レンズ（１００）を特徴とする。

いくつかの実施形態では、仮想セルの金属化の程度を全波有限要素シミュレーションソフトウェアによって計算し、仮想セルの誘電率ε_ｒを得ることができ、

であり、式中、ｒは接合部から中心点（１２０）までの距離である。

いくつかの実施形態では、少なくとも部分的に金属化された接合部は、少なくとも部分的に金属化された薄膜（１８０）、スレッド、ファイバ、ワイヤまたはストリング（１９０）から構築されている。

いくつかの実施形態では、金属エッチングまたはインクジェット印刷を使用して、メタマテリアル基板を金属化して部分的に金属化された接合部（１８０）、（１９０）を作製することができる。

いくつかの実施形態では、足場（１０４）が、各層が互いに交差して中空構造レンズ（１００）を生成するように、少なくとも部分的に金属化された薄膜、ワイヤ、スレッド、ファイバまたはストリングの層を積み重ねることによって構築されている。

いくつかの実施形態では、交差層は支持フレーム（２００）に固定されている。

いくつかの実施形態では、支持フレームが３Ｄ印刷されている。

いくつかの実施形態では、足場および部分的に金属化された接合部は、少なくとも部分的に金属化された薄膜プレート（２１０）、（２２０）を連結することにより構築されており、連結とは、少なくとも２つのプレートが互いに交差し、接合部（１１０）を形成することを意味し、少なくとも部分的に金属化されたプレートが、連結するときに、少なくとも部分的に金属化された接合部を形成する。

いくつかの実施形態では、空間の大部分は、３Ｄ足場構造による自由空間である。

いくつかの実施形態では、中空構造レンズ（１００）は、ルネベルグレンズである。

広範な実施形態において、本発明は、部分的に金属化されたメタマテリアル薄膜、ワイヤ、スレッド、ファイバまたはストリングの有効媒質近似法を利用することによる、無線周波数（ＲＦ）で動作する中空軽量レンズ構造の製造方法であって、
ａ）導電性インクを備えた誘電体基板の一連の層に、軽量レンズ構造の連続的に変化する比誘電率特性を描写する一連のパターンをエッチングすることと、
ｂ）支持フレームを提供することと、
ｃ）誘電体基板の一連の層を積み重ねて軽量レンズ構造を組み立てることと、
ｄ）上記積層層を一組の支持フレームと固定することと
を含む製造方法を特徴とする。

広範な実施形態において、本発明は、レンズがルネベルグレンズであることを特徴とする。

広範な実施形態において、本発明は、ルネベルグレンズ構造の屈折率分布要件を実現するために、部分的に金属化された誘電体薄膜、ワイヤ、ストリング、スレッドまたはファイバの有効媒質近似法を利用した、ＲＦ周波数で動作する中空軽量ルネベルグレンズ構造であって、複数の部分的に金属化されたストリングを用いて、軽量ルネベルグレンズ構造の連続的に変化する比誘電率特性を表す一組の設計パターンを構築することを含み、部分的に金属化された各ストリングが、メタマテリアルに施された金属コーティングを含む、製造方法を特徴とする。

ここで図１Ａ～図１１を参照すると、本発明は、ＲＦ周波数範囲で動作可能な中空軽量ルネベルグレンズ構造を製造する方法を特徴とする。（従来のルネベルグレンズ構造と比較して）軽量のレンズ構造は、部分的に金属化された誘電体薄膜、ワイヤまたはストリングの有効媒質近似法を利用して、軽量ルネベルグレンズ構造の体積を含む自由空間の量を増加させることで実現される。いくつかの実施形態では、本方法は、軽量ルネベルグレンズ構造の連続的に変化する比誘電率特性を描写する一連のパターンを、導電性インクを備えた誘電体基板の一連の層にエッチングすることを含む。さらなる実施形態において、ポリマーから構成される一組の支持フレームは、３Ｄプリンターによって印刷される。軽量ルネベルグレンズ構造は、誘電体基板の一連の層を積み重ね、この積層層を一組の支持フレームに固定することにより組み立てることができる。

本軽量ルネベルグレンズ構造と同じ寸法の従来の３Ｄ印刷ルネベルグレンズ構造の重量が５００ｇであるのに対し、軽量ルネベルグレンズ構造の重量は、（一組の支持フレームを除外して）２０ｇ未満である。さらに、軽量ルネベルグレンズ構造の重量の大部分は、一組の支持フレームの重量（約１８０ｇ）によるものである。フレームを他のより軽い材料（たとえば、発泡体）に置き換えることにより、軽量ルネベルグレンズ構造の重量をさらに減らすことができる。

別の実施形態では、軽量ルネベルグレンズ構造の連続的に変化する比誘電率特性は、複数の部分的に金属化されたストリングを使用することにより実現される。部分的に金属化された各ストリングは、誘電体基板上に施された金属コーティングを含んでいてもよい。誘電体基板を金属でコーティングする方法の例には、導電性インク印刷、銅塗装、および電子めっきが含まれるが、これらに限定されない。

図２Ａ～図２Ｃは、部分的に金属化されたストリングまたは薄膜ベースの中空軽量ルネベルグレンズ構造の様々なサイズのユニットセル構造の例を示す。ユニットセルの実効誘電率は、全波有限要素シミュレーションソフトウェアＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳによってシミュレートした。暗い部分は金属コーティングを表し、明るい部分は誘電体を表している。図４は、図２Ｂのユニットセルの層０の金属長さ分布を示す。レンズは対称である。したがって、層１と層－１の分布は同じであり、層２と層－２以降の分布も同様である。図７は、図１Ｂの軽量ルネベルグレンズのＨ面放射の測定を示す。１０ＧＨｚで測定された利得は、１８．５ｄＢである。１０ＧＨｚで測定された利得は、図１Ｄの３Ｄ印刷ルネベルグレンズよりも０．５ｄＢ低い。サイドローブは、３Ｄ印刷ルネベルグレンズより５ｄＢ高い。低利得および高サイドローブは、レンズの取り付けに使用される外側フレームが原因である可能性がある。

図９は、図１Ｂの軽量ルネベルグレンズのＨ面放射の測定を示す。１０ＧＨｚで測定された利得は、１８．３ｄＢである。Ｅ面のサイドローブは、特に１２ＧＨｚで、Ｈ面のサイドローブよりもさらに高い。フレームを取り除くと、さらに改善される可能性がある。

本明細書で使用される場合、「約」という用語は、参照された数のプラスまたはマイナス１０％を指す。

本明細書に記載された実施形態に加えて、本発明の様々な変更形態が、前述の説明から当業者には明らかであろう。そのような変更形態も、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。本出願において引用される各参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の好ましい実施形態を示して説明したが、添付の特許請求の範囲を逸脱しない変更がなされ得ることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ制限される。特許請求の範囲に記載されている参照番号は例示であり、特許庁による審査を容易にするためだけのものであり、決して限定するものではない。いくつかの実施形態では、本特許出願で提示される図は、角度、寸法の比率などを含む、一定の縮尺で描かれている。いくつかの実施形態では、図は代表的なものにすぎず、特許請求の範囲は図の寸法によって制限されない。いくつかの実施形態では、「含む」という語句を使用して本明細書で記載される発明の説明には、「からなる」と記載することができる実施形態が含まれるため、「からなる」という語句を使用して本発明の１つまたは複数の実施形態を主張するための明細書要件を満たす。

以下の特許請求の範囲に記載されている参照番号は、この特許出願の審査を容易にするためだけのものであり、例示であり、特許請求の範囲を、図面中の対応する参照番号を有する特定の特徴に限定することを決して意図していない。

Claims (12)

1. 半径Ｒの中空構造レンズであって、
   ｅ）複数の接合部を有する３次元足場であって、前記レンズ内部の各接合部がある程度まで少なくとも部分的に金属化されている３次元足場と、
   ｆ）前記３次元足場によって形成された前記中空構造レンズの中心点と、
   ｇ）前記３次元足場によって形成された前記中空構造レンズの外縁とを備え、
   前記３次元足場は、前記レンズ内部に前記接合部を形成し、
   前記接合部は、前記レンズの最も内側である前記中心点または前記中心点の近くから、前記レンズの最も外側である前記レンズの外縁または前記レンズの外縁の近くに向かって配置され、
   前記接合部はそれぞれ、仮想ユニットセル内に存在し、
   前記仮想ユニットセルはそれぞれ、前記仮想ユニットセル内にある少なくとも部分的に金属化された前記接合部の程度まで少なくとも部分的に金属化されており、
   部分的に金属化された前記接合部は、前記中心点から離れるほど、前記仮想ユニットセルの金属化の程度がより小さく、
   前記接合部が、金属エッチングまたはインクジェット印刷により誘電体基板を金属化した接合部である、
   中空構造レンズ。
2. 前記仮想ユニットセルの金属化の程度を全波有限要素シミュレーションソフトウェアによって計算し、前記仮想ユニットセルの誘電率ε_ｒを得ることができ、
   

   

   であり、式中、ｒは前記接合部から前記中心点までの距離である、請求項１に記載の中空構造レンズ。
3. 少なくとも部分的に金属化された前記接合部が、少なくとも部分的に金属化された薄膜、スレッド、ファイバ、ワイヤまたはストリングから構築されている、請求項１に記載の中空構造レンズ。
4. 前記３次元足場が、各層が互いに交差して前記中空構造レンズを生成するように、少なくとも部分的に金属化された前記薄膜、ワイヤ、またはストリングの層を積み重ねることによって構築されている、請求項１に記載の中空構造レンズ。
5. 前記交差層が支持フレームに固定されている、請求項１に記載の中空構造レンズ。
6. 前記支持フレームが３Ｄ印刷されている、請求項１に記載の中空構造レンズ。
7. 前記３次元足場および部分的に金属化された前記接合部が、少なくとも部分的に金属化された薄膜プレートを連結することにより構築されており、連結とは、少なくとも２つのプレートが互いに交差し、前記接合部を形成することを意味し、少なくとも部分的に金属化された前記プレートが、連結するときに、少なくとも部分的に金属化された前記接合部を形成する、請求項１に記載の中空構造レンズ。
8. 空間の大部分が、３Ｄ足場構造によって自由空間である、請求項１に記載の中空構造レンズ。
9. 前記中空構造レンズがルネベルグレンズである、請求項１に記載の中空構造レンズ。
10. 部分的に金属化された誘電体薄膜、ワイヤ、スレッド、ファイバまたはストリングの有効媒質近似法を利用することによる、無線周波数（ＲＦ）で動作する中空構造レンズの製造方法であって、
    ａ）導電性インクを備えた誘電体基板の一連の層に、中空構造レンズの連続的に変化する比誘電率特性を描写する一連のパターンをエッチングすることと、
    ｂ）支持フレームを提供することと、
    ｃ）前記誘電体基板の前記一連の層を積み重ねて前記中空構造レンズを組み立てることと、
    ｄ）前記積層層を一組の前記支持フレームと固定することと
    を含む、請求項１～９のいずれか１項に記載の中空構造レンズの製造方法。
11. 前記中空構造レンズがルネベルグレンズである、請求項１０に記載の中空構造レンズの製造方法。
12. ルネベルグレンズ構造の屈折率分布要件を実現するために、部分的に金属化された誘電体薄膜、ワイヤ、ストリング、スレッドまたはファイバの有効媒質近似法を利用した、ＲＦ周波数で動作する中空構造レンズの製造方法であって、前記中空構造レンズがルネベルグレンズであり、複数の部分的に金属化されたストリングを用いて、前記中空構造レンズの連続的に変化する比誘電率特性を表す一組の設計パターンを構築することを含み、部分的に金属化された前記各ストリングが、誘電体材料に施された金属コーティングを含む、請求項１～９のいずれか１項に記載の中空構造レンズの製造方法。

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