JP7402463B2 - 光学迷彩装置 - Google Patents
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Description
従来の光学迷彩装置は、隠したい対象物の周りに、メタマテリアルを設置したメタマテリアルフィルムを同心円状に構成している。
メタマテリアルが設置されたメタマテリアルフィルムを、隠したい対象物の周りに同心円状に配置すれば、隠したい対象物の周囲に複数のメタマテリアルを配置できる。
光学迷彩を行う場合、メタマテリアル103は、メタマテリアル103の一方端103aから他方端103bに偏光による電場Eを通す必要がある。
なお、メタマテリアル103の内部のHは、偏光の周波数の電場Eで発生する誘導磁界である。
しかし、メタマテリアル103の一方端103aから他方端103bへの電場Eが通らない場合には、メタマテリアル103がRLC回路として動作しない。
そのため、例えば、ある偏光では、メタマテリアル103がRLC回路として動作するが、電場Eの方向がある偏光と90度異なる他の偏光には、メタマテリアル103がRLC回路として動作しない。
本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、同じ周波数のあらゆる方向の偏光に対して光学迷彩が可能な光学迷彩装置の提供を目的とする。
前記ベース体に設置される第1メタマテリアルと、前記ベース体に前記第1メタマテリアルに重なる位置に間をおいて設置される第2メタマテリアルとを備え、前記第1メタマテリアルおよび前記第2メタマテリアルは、前記光により電場が通るRLC回路として動作し、前記第1メタマテリアルと前記第2メタマテリアルとは、光学迷彩の対象物の周囲に3次元で配置され、前記第1メタマテリアルおよび前記第2メタマテリアルは、前記対象物に垂直な方向の磁界により2層1対の共振器が形成され、かつ、同じ周波数の直交する方向の第1偏光と第2偏光とで光学迷彩が実現するように、それぞれ、誘電率と透磁率が設定されている。
図1は、光学迷彩が実現している場合の模式側面図である。
光学迷彩を実現するには、隠したい物9の後ろ(図1の左側)にある光が人の目e(図1の右側)に届くようにすればよい。
そのためには、隠したい物の周りにある屈折率nを制御すればよい。
屈折率nは、下式(5)で表される。
式(5)から、屈折率nを変更するには、誘電率εと、透磁率μを変えればよい。
図2Aは、高周波の電場Eでの分極を示す模式図であり、図2Bは、高周波の磁場Hでの磁化を示す模式図である。
誘電率εは物質の固有の値であり、金属の電子振動によっても変わる。また、誘電率εは金属の構造体を空間におくことで変えられる。
可視光のとき、空間での透磁率μ=1であり、誘電率εはε=2.25である。したがって、可視光のときの空間での屈折率n=1.5である
光学迷彩を実現するためには、誘電率εと、透磁率μを変える必要があるが、通常、透磁率μは変えることができない。
メタマテリアルは、金属の微細構造を変えることで、所望の誘電率εと透磁率μを得ることができる。つまり、ある周波数で共振を起こす形状の金属片(メタマテリアル)を用いることで、所望の誘電率εと透磁率μが得られる。
<メタマテリアル構造体1>
図3は、本発明の第1実施形態のメタマテリアル構造体1を示す模式的斜視図である。
同じ周波数であり、直交する方向の偏光pol.1と偏光pol.2とで光学迷彩が実現すれば、3次元の全ての方向の偏光は、偏光pol.1と偏光pol.2とのベクトル和で表せる。そのため、その周波数での全ての方向の偏光に光学迷彩が可能となる。
メタマテリアル構造体1は、偏光に対してRLC回路となる1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4との2層構造としている。
透明フィルム2は、第1実施形態ではポリイミドを用いている。
1層目金属ストライプ3は、金属で形成されている。1層目金属ストライプ3は、RLC回路として動作する。
2層目MIMストライプ4は、金属4s1、誘電体4s2、金属4s3の3層構造である。2層目MIMストライプ4は、RLC回路として動作する。
メタマテリアル構造体1はある位置での光学定数の誘電率εと透磁率μをほぼ独立に制御できる特徴がある。
誘電率εは、z軸方向、θ軸方向、r軸方向の各誘電率をそれぞれεz、εθ、εrと表す。透磁率μは、z軸方向、θ軸方向、r軸方向の各透磁率をそれぞれμz、μθ、μrと表す。
第1実施形態での一例のメタマテリアル構造体1は、略くの字形状の1層目金属ストライプ3と、略くの字形状の2層目MIMストライプ4とを採用している。
1層目金属ストライプ3は、膜厚t1、幅w1をもつl1の長さの略くの字状の2つのバー3a、3bを有する構造である。2つのバー3a、3bは直交し、同じ長さl1をもつ。
2層目MIMストライプ4は、幅w2をもつl2の長さの略くの字状の2つのバー4a、4bを有する構造である。2つのバー4a、4bは直交し、同じ長さl2をもつ。
z軸方向の誘電率εzは、図4に示す1層目金属ストライプ3のバー3aに、光学迷彩を実現する偏光の周波数のZ方向の電場Eを加えて、Mie共振を生じさせる。そして、1層目金属ストライプ3のバー3aのz軸方向のl1の長さ、幅w1、膜厚t1を変えることで、光学迷彩を実現する誘電率εzを得ることができる。
r軸方向の誘電率εrは、固定とする。r軸方向の誘電率εrは、1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4とが設置された透明フィルム2で構成されるメタマテリアル構造体1の全体で決定される誘電率である。誘電率εrは、透明フィルム2の誘電率が支配的である。
図5は、2層目MIMストライプ4のバー4aに磁界Hを付与した際の現象を示す模式図である。
こうして、2層目MIMストライプ4のバー4aのz軸方向のl2の長さ、幅w2、2層目MIMストライプ4の層構造(バー4aの金属4s1、誘電体4s2、金属4s4の各膜厚等)を変えることで、所望の透磁率μzを得ることができる。
r軸方向の透磁率μrは、図4に示す1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4とをr軸方向に貫く磁界Hrに対する透磁率である。
図6は、第1実施形態のメタマテリアル構造体1の1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4とをr軸方向に見た図である。
光学迷彩を実現する周波数のr軸方向の磁界Hrを加えて、1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4とで形成されるRLC回路でLC共振させる。1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4とで囲まれる領域1rを増減させるとともに、1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4との距離hを変えることで、r軸方向の透磁率μrが得られる。
図7は、第1実施形態の偏波無依存型光学迷彩装置10の模式的斜視図である。
方向が異なる偏光pol.1と偏光pol.2の光学迷彩を実現するためには、隠したい対象物9の周囲の空間の屈折率n(誘電率εと透磁率μ)を制御する必要がある。
こうして、偏波無依存型光学迷彩装置10は、メタマテリアルフィルム2Fを巻きつけた領域を対象波長の周波数をもつ偏光に対して透明化を実現している。
90度方向が異なる偏光pol.1と、偏光pol.2に対して、光学迷彩を実現する条件について説明する。
90度方向が異なる偏光pol.1と偏光pol.2に対して、偏光pol.1で光学迷彩を実現する完全条件として、式(1)が知られている。
ここで、aは図8に示す隠したい対象物9の半径を示し、bは図8に示す1層目金属ストライプ3および2層目MIMストライプ4とを分散配置した透明フィルム2であるメタマテリアルフィルム2Fを隠したい対象物9に何回か巻きつけた半径を示す。
したがって、隠したい対象物9に対して、90度方向が異なる偏光pol.1と、偏光pol.2に対して、光学迷彩を実現するには、疑似条件の式(3)、(4)が成立するz軸方向、θ軸方向、r軸方向の各誘電率εz、εθ、εrと各透磁率μz、μθ、μrを求められばよい。
第1ステップ:式(4-1)を満たすようにする。
式(4-1)を用いて、z軸方向の透磁率μzと、r軸方向の誘電率εrを求める。
誘電率εrは、透明フィルム2の誘電率である。
式(4-1)から、a、b、r、εrが明らかなので、z軸方向の透磁率μzが求められる。
第2ステップ:式(4-2)を満たすようにする。
a、b、μzが明らかなので、式(4-2)からεθが求められる。εθをもつように1層目金属ストライプ3の構造分布を決定する。
このとき、1層目金属ストライプ3の2つのバー3a、3bが直交して同じ長さ、同じ幅、同じ厚さをもつ場合、εz は εθと同じ値になる。
第1、第2ステップで、εz、μθが求められており、自動的に満たされる。
第4ステップ:式(3-1)を満たすようにする。
εz、a、b、rが明らかなので、式(3-1)からμrが求められる。
μrは、前記したようにして決定できる
まず、透明フィルム2に1層目金属ストライプ3および2層目MIMストライプ4とを配置する方法について説明する。
図9Aに示すように、常温で、Si(シリコーン)板11上に有機溶剤を含んだポリイミド12aを滴下する。その後、高温にして、滴下したポリイミド12aから有機溶剤をとばし、常温に戻す。ポリイミド12aは透明フィルム2を形成する。
続いて、図9Bに示すように、ポリイミド12a上にアクリル樹脂13aを滴下してコートする。そして、1層目金属ストライプ3のパターン3pを電子線描画装置Sで描画する。
続いて、図9Dに示すように、1層目金属ストライプ3が実装されたポリイミド12aの上に、常温で、有機溶剤を含んだポリイミド12bを滴下する。その後、高温で滴下したポリイミド12bから有機溶剤をとばして、常温に戻す。
続いて、図9Eに示すように、形成したポリイミド12bにアクリル樹脂13bを滴下しコートする。そして、2層目MIMストライプ4のパターン4pを電子線描画装置Sで描画する。そして、パターン4pに金属、誘電体、金属の順に蒸着して2層目MIMストライプ4を形成する。そして、2層目MIMストライプ4以外の箇所のアクリル樹脂13bを剥離液で除去する。
その後、1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4が実装された透明フィルム2であるメタマテリアルフィルム2Fを、ウェットエッチングによりSi板11から剥離する。
図10、図7に示すように、偏波無依存型光学迷彩装置10は、1層目金属ストライプ3および2層目MIMストライプ4とを分散配置した透明フィルム2のメタマテリアルフィルム2Fを、隠したい対象物9に何回か巻きつけて構成される。これにより、隠したい対象物9の周囲の空間に、光学迷彩を実現する所定の誘電率εと透磁率μとを有するメタマテリアル構造体1が配置される。すなわち、隠したい対象物9の中心Cから距離rのある1層目金属ストライプ3および2層目MIMストライプ4は、光学迷彩を実現する所定の誘電率εと透磁率μをもつ。
そのため、隠したい対象物9の中心Cから距離rの3次元の位置にある1層目金属ストライプ3および2層目MIMストライプ4が、光学迷彩を実現する式(4-1)、(4-2)、(3-2) 、(3-1)(第1ステップ~第4ステップ)を満たす所定の誘電率εと透磁率μをもつようにする。
2層型のメタマテリアル(3、4)を有するフィルムを巻くことで、3次元的に光を迂回させる“偏波無依存型光学迷彩”が実現可能となる。
2つの偏波方向(基本ベクトル)の合成である全ての偏波方向に対して光迷彩を実現できる。
図11は、第2実施形態のメタマテリアル構造体21の寸法関係を示す模式的斜視図である。図11では、3次元空間を互いに直交するz軸、θ軸、r軸で示す。
第2実施形態のメタマテリアル構造体21は、第1実施形態の略くの字形状の1層目金属ストライプ3および2層目MIMストライプ4に代えて、略十字形状の1層目金属ストライプ23および2層目MIMストライプ24としたものである。その他の構成は、第1実施形態と同様である。
1層目は1層目金属ストライプ23であり、2層目は2層目MIM(金属/誘電体/金属)ストライプ24である。
1層目金属ストライプ23は、金属である。
2層目MIMストライプ24は、金属24s1、誘電体24s2、金属24s3の3層構造である。
1層目金属ストライプ23は、幅w21をもつ長さl21の略十字形状の2つのバー23a、23bを有する構造である。2つのバー23a、23bは直交し、同じ長さをもつ。2つのバー23a、23bは中間位置で直交している。
1層目は金属ストライプ23の2つのバー23a、23bの長さは、それぞれl21とし、幅はw21とする。
メタマテリアル構造体21は、各方向の光学定数、z軸方向、θ軸方向、r軸方向の各誘電率εz、εθ、εrと各透磁率μz、μθ、μrをほぼ独立に設定できる。
z軸方向の誘電率εzは、図11に示す1層目金属ストライプ23のバー23bに、光学迷彩を実現する偏光の周波数のZ方向の電場Eを加えて、Mie共振を生じさせる。そして、1層目金属ストライプ23のバー23bのz軸方向のl21の長さ、幅w21、膜厚t21を変えることで、光学迷彩に必要な誘電率εzを得ることができる。
r軸方向の誘電率εrは、固定とする。r軸方向の誘電率εrは、1層目金属ストライプ23と2層目MIMストライプ24とが設置された透明フィルム22を有するメタマテリアル構造体21の全体で決定される誘電率である。誘電率εrは、透明フィルム22の屈折率(誘電率)が支配的である。
図5と同様に、2層目MIMストライプ24のバー24aにz軸方向の磁界Hを与えると、誘電体24s2をz軸方向の磁界Hが貫く。すると、バー24aの金属24s1、誘電体24s2、金属24s3を通過する誘導電流Iが生じ、誘電体24s2に誘導磁界が生じる。こうして、2層目MIMストライプ24のバー24aのz軸方向のl22の長さ、幅w22、2層目MIMストライプ24の層構造(バー24aの金属24s1、誘電体24s2、金属24s4の各膜厚等)を変えることで、光学迷彩を実現する透磁率μzを得ることができる。
2層目MIMストライプ24のバー24bにθ軸方向の磁界Hを与えると、誘電体24s2をθ軸方向の磁界Hが貫く。そして、2層目MIMストライプ24のバー24bの金属24s1、誘電体24s2、金属24s3を通過する誘導電流Iを生じさせる。
そして、2層目MIMストライプ24のバー24bのθ軸方向のl22の長さ、幅w22、2層目MIMストライプ24の層構造(バー24bの金属24s1、誘電体24s2、金属24s4の各膜厚等)を変えることで、光学迷彩を実現する透磁率μzを得ることができる。
1層目金属ストライプ23と2層目MIMストライプ24とは、r軸方向の磁界Hr(図11に示す磁界Hr)により、2層1対の共振器が形成される。
1層目金属ストライプ23と2層目MIMストライプ24とで囲まれる領域21r(図12のハッチングで示す)をr軸方向の磁界Hrが貫くことで、1層目金属ストライプ23と2層目MIMストライプ24とでRLC回路が形成される。光学迷彩を実現する周波数のr軸方向(図11参照)の磁界Hrを加え、1層目金属ストライプ23と2層目MIMストライプ24とで形成されるRLC回路でLC共振させて、光学迷彩に必要なr軸方向の透磁率μrを得る。
この際、1層目金属ストライプ23と2層目MIMストライプ24とは既定の部材を用いることができるので、既定の光学定数とは独立して、つまり、既定の光学定数に影響を与えることなく、必要なr軸方向の透磁率μrを得ることができる。
1層目金属ストライプ23の2つのバー23a、23bが直交して同じ長さ、同じ幅、同じ厚さをもつ場合、εz は εθと同じ値になる。εz 、 εθは、l21の長さ、幅w21、膜厚t21で決定される。
εrは、透明フィルム22の屈折率(誘電率)が支配的である。
第2実施形態によれば、90度方向が異なる偏光pol.1と、偏光pol.2に対して、光学迷彩を実現することができる。
1.第1実施形態では、略くの字形状の1層目金属ストライプ3および略くの字形状の2層目MIMストライプ4の例を示し、第2実施形態では、略十字形状の1層目金属ストライプ23および略十字形状の2層目MIMストライプ24の例を示したが、1層目金属ストライプ3および2層目MIMストライプ4は、単体でRLC回路として作用し、1層目金属ストライプ3と2層目MIMストライプ4とを間をおいて重ねてRLC回路として動作すれば、1層目金属ストライプ3の構成および2層目MIMストライプ4の構成は、例示した略くの字形状や略十字形状以外の形状でもよい。例えば、図13に示す略コの字形状でもよい。
7.本発明は上記した第1実施形態、第2実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。特許請求の範囲内で様々な形態が可能である。
3 1層目金属ストライプ(第1メタマテリアル)
4 2層目MIMストライプ(第2メタマテリアル)
4s1 金属
4s2 誘電体
4s3 金属
9 隠したい対象物(対象物)
10 偏波無依存型光学迷彩装置(光学迷彩装置)
E 電場
pol.1 偏光(第1の偏光)
pol.2 偏光(第2の偏光)
Claims (4)
- 光を透過するベース体と、
前記ベース体に設置される第1メタマテリアルと、
前記ベース体に前記第1メタマテリアルに重なる位置に間をおいて設置される第2メタマテリアルとを備え、
前記第1メタマテリアルおよび前記第2メタマテリアルは、前記光により電場が通るRLC回路として動作し、
前記第1メタマテリアルと前記第2メタマテリアルとは、
光学迷彩の対象物の周囲に3次元で配置され、
前記第1メタマテリアルおよび前記第2メタマテリアルは、前記対象物に垂直な方向の磁界により2層1対の共振器が形成され、かつ、同じ周波数の直交する方向の第1偏光と第2偏光とで光学迷彩が実現するように、それぞれ、誘電率と透磁率が設定されている
ことを特徴とする光学迷彩装置。 - 請求項1に記載の光学迷彩装置において、
前記ベース体は、前記光学迷彩の対象物を周回して設けられるか、または、前記光学迷彩の対象物の周囲に巻き付けて構成されている
ことを特徴とする光学迷彩装置。 - 請求項1に記載の光学迷彩装置において、
前記第1メタマテリアルまたは前記第2メタマテリアルは、金属、誘電体、金属が層状に形成されている
ことを特徴とする光学迷彩装置。 - 請求項1に記載の光学迷彩装置において、
前記光は、可視光、近赤外線、中赤外線、遠赤外線、またはマイクロ波である
ことを特徴とする光学迷彩装置。
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