JP7455569B2 - テラヘルツ波用レンズ及びテラヘルツ波用レンズの製造方法 - Google Patents
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Description
図1、図2、及び図3に示されるように、一実施形態のテラヘルツ波用レンズ1は、テラヘルツ帯の電磁波(以下「テラヘルツ波」)に対して利用可能なテラヘルツ波用光学素子である。具体的には、テラヘルツ波用レンズ1は、所定周波数のテラヘルツ波を偏光方向に依存することなく透過させて、集光又はコリメートするレンズである。テラヘルツ波用レンズ1は、微細な誘電体凹凸構造配列を利用した平坦な光学素子(いわゆるメタレンズ)として構成されている。本実施形態では一例として、上記所定周波数は2.4THz(波長125μm)であり、テラヘルツ波用レンズ1の焦点距離は40mmである。
Gn=p-dn …(2)
Gn+1=p-dn+1 …(3)
Gm=p-(dn/2+dn+1/2) …(4)
次に、図12~図16を参照して、凹凸構造の変形例(凹凸構造3A)について説明する。凹凸構造3Aは、複数のピラー31の代わりに、複数のホール32(凹凸構成部)を有している点で、凹凸構造3と相違している。凹凸構造3Aの上記以外の構成は、凹凸構造3と同様である。すなわち、凹凸構造3Aは、凹凸構造3と同様に、複数の繰り返し単位RUと、各繰り返し単位RUに含まれる複数の領域A1~A9と、を有している。また、凹凸構造3Aにおける各領域A1~A9の位相分布設計は、上述した凹凸構造3の位相分布設計と同様である。すなわち、凹凸構造3Aは、基板2の表面にピラー(凸部)の代わりにホール(凹部)を設けることで、上述した凹凸構造3と同様の位相分布を実現するものである。
・λ:動作対象のテラヘルツ波の波長
・p:ホール32の周期(隣り合うホール32の中心間の距離)
・r1:領域A1のホール半径(ホール32の半径)
・ri:領域Ai(i≧2)のホール半径
・h1:領域A1の高さ(領域A1に含まれるホール32の高さ)
・hi:領域Aiの高さ(領域Aiに含まれるホール32の高さ)
・nAir:空気層の屈折率
・nsub:基板2の材料(高抵抗シリコン)で充填された部分(すなわち、基板2において凹凸構造3A(ホール32)が形成されていない部分)の屈折率
・neff1:領域A1の実効屈折率
・neffi:領域Aiの実効屈折率
以上説明したテラヘルツ波用レンズ1では、凹凸構造3,3Aを構成する凹凸構成部(凹凸構造3の場合にはピラー31、凹凸構造3Aの場合にはホール32)の高さh及び直径dが領域A1~A9毎に異なっている。これにより、基板2を透過するテラヘルツ波に対して領域A1~A9毎に異なる位相差をつけることができる。また、表面に凹凸構造3,3Aが形成された基板2を用いることにより、球面レンズ等と比較してレンズの厚みを低減できるため、レンズの小型化を図ることができる。さらに、厚さ方向Dにおける凹凸構造3,3Aの外側端部3aの高さ位置が揃っていることにより、収差の発生を抑制することができる。
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。例えば、各構成の材料及び形状は、上述した例に限られない。
Claims (10)
- テラヘルツ波を集光又はコリメートするテラヘルツ波用レンズであって、
テラヘルツ波の位相を変化させる凹凸構造が形成された表面を有する基板を備え、
前記凹凸構造は、周期的に配置された凸部又は周期的に配置された凹部からなる複数の凹凸構成部を有し、
前記凹凸構造は、周期的に配置された複数の前記凹凸構成部をそれぞれ含む複数の領域を有し、
前記凹凸構成部の前記基板の厚さ方向の高さ及び前記厚さ方向に直交する方向の幅は、前記領域毎に異なっており、
互いに隣接する前記凹凸構成部の中心間の距離は一定であり、
前記厚さ方向における前記凹凸構造の外側端部は、同一平面上に位置しており、
前記複数の領域は、所定方向に沿って配列された第1領域~第N領域のN個(Nは2以上の整数)の領域からなり、
前記複数の領域の各々の実効屈折率は、前記第1領域から前記第N領域に向かうにつれて段階的に小さくなっており、
前記凹凸構造は、それぞれ前記複数の領域を1セット含む複数の繰り返し単位を有し、
前記複数の繰り返し単位は、前記所定方向に沿って配列されており、
前記複数の繰り返し単位のうち少なくとも一つは、前記所定方向に沿って2πよりも大きい位相差をつけることが可能な位相分布となるように構成されており、
前記複数の領域は、互いに隣接する前記領域間の位相差が第1位相差となるように設定された第1位相差領域と、互いに隣接する前記領域間の位相差が前記第1位相差よりも小さい第2位相差となるように設定された第2位相差領域と、を有し、
前記凹凸構成部が前記凸部である場合には、前記凹凸構造のうち前記凹凸構成部の前記幅が予め定められた第1閾値以上である前記領域が、前記第2位相差領域とされており、前記凹凸構造のうち前記凹凸構成部の前記幅が前記第1閾値未満である前記領域が、前記第1位相差領域とされており、
前記凹凸構成部が前記凹部である場合には、前記凹凸構造のうち前記凹凸構成部の前記幅が予め定められた第2閾値以下である前記領域が、前記第2位相差領域とされており、前記凹凸構造のうち前記凹凸構成部の前記幅が前記第2閾値より大きい前記領域が、前記第1位相差領域とされている、テラヘルツ波用レンズ。 - 前記凹凸構成部は前記凸部であり、
前記凹凸構成部の前記幅が大きいほど、前記凹凸構成部の前記高さが低い、請求項1に記載のテラヘルツ波用レンズ。 - 前記凹凸構成部は前記凹部であり、
前記凹凸構成部の前記幅が大きいほど、前記凹凸構成部の前記高さが高い、請求項1に記載のテラヘルツ波用レンズ。 - 前記第1領域から前記第N領域に向かうにつれて、各前記領域に属する前記凹凸構成部の高さが高くなっている、請求項1~3のいずれか一項に記載のテラヘルツ波用レンズ。
- 前記凹凸構成部は前記凸部であり、
第n領域(nは1からN-1までの任意の整数)と第n+1領域との境界近傍には、前記第n領域に対応する前記凹凸構成部の高さと前記第n+1領域に対応する前記凹凸構成部の高さとの間の高さを有する前記凹凸構成部が形成されている、請求項4に記載のテラヘルツ波用レンズ。 - 少なくとも前記第1領域が前記第2位相差領域を構成している、請求項1~5のいずれか一項に記載のテラヘルツ波用レンズ。
- 前記複数の領域の各々に対応する前記凹凸構成部の前記高さ及び前記幅は、前記凹凸構造と空気との界面におけるテラヘルツ波の反射を抑制可能な寸法とされている、請求項1~6のいずれか一項に記載のテラヘルツ波用レンズ。
- テラヘルツ波を集光又はコリメートするテラヘルツ波用レンズの製造方法であって、
テラヘルツ波の位相を変化させる凹凸構造のパターンを決定する第1工程と、
平坦な基板の表面に、前記パターンに応じたエッチングマスクを形成する第2工程と、
前記基板の表面に前記エッチングマスクが形成された状態で、前記基板に対する異方性エッチングを行うことにより、周期的に配置された凸部又は周期的に配置された凹部からなる複数の凹凸構成部を有する前記凹凸構造を前記基板の前記表面に形成する第3工程と、
前記エッチングマスクを前記基板の表面から除去する第4工程と、を含み、
前記凹凸構造は、周期的に配置された複数の前記凹凸構成部をそれぞれ含む複数の領域を有し、
前記凹凸構成部の前記基板の厚さ方向の高さ及び前記厚さ方向に直交する方向の幅は、前記領域毎に異なっており、
互いに隣接する前記凹凸構成部の中心間の距離は一定であり、
前記第1工程において、前記凹凸構造のパターンを、
前記複数の領域が、所定方向に沿って配列された第1領域~第N領域のN個(Nは2以上の整数)の領域からなり、
前記複数の領域の各々の単位領域当たりのエッチング量が、前記第1領域から前記第N領域に向かうにつれて段階的に大きくなるように、決定し、
前記第1工程において、
前記凹凸構造が、それぞれ前記複数の領域を1セット含む複数の繰り返し単位を有し、
前記複数の繰り返し単位が、前記所定方向に沿って配列され、
前記複数の繰り返し単位のうち少なくとも一つが、前記所定方向に沿って2πよりも大きい位相差をつけることが可能な位相分布となるように、
各前記領域に配置される前記凹凸構成部の前記幅を決定し、
前記第1工程は、
前記凹凸構成部の前記幅とエッチング深さとの関係を示す情報を取得する工程と、
前記関係を示す情報と予め定められた位相分布の設計値とに基づいて、各前記領域に配置される前記凹凸構成部の前記幅を決定する工程と、を含み、
前記第1工程において、前記複数の領域が第1位相差領域と第2位相差領域とを有するように、各前記領域に配置される前記凹凸構成部の前記幅を決定し、
前記第1位相差領域は、互いに隣接する前記領域間の位相差が第1位相差となるように設定された領域であり、
前記第2位相差領域は、互いに隣接する前記領域間の位相差が前記第1位相差よりも小さい第2位相差となるように設定された領域であり、
前記凹凸構成部が前記凸部である場合には、前記第1工程において、前記凹凸構造のうち前記凹凸構成部の前記幅が予め定められた第1閾値以上である前記領域が前記第2位相差領域となり、且つ、前記凹凸構造のうち前記凹凸構成部の前記幅が前記第1閾値未満である前記領域が前記第1位相差領域となるように、各前記領域に配置される前記凹凸構成部の前記幅を決定し、
前記凹凸構成部が前記凹部である場合には、前記第1工程において、前記凹凸構造のうち前記凹凸構成部の前記幅が予め定められた第2閾値以下である前記領域が前記第2位相差領域となり、且つ、前記凹凸構造のうち前記凹凸構成部の前記幅が前記第2閾値より大きい前記領域が前記第1位相差領域となるように、各前記領域に配置される前記凹凸構成部の前記幅を決定する、テラヘルツ波用レンズの製造方法。 - 前記第1工程において、少なくとも前記第1領域が前記第2位相差領域を構成するように、各前記領域に配置される前記凹凸構成部の前記幅を決定する、請求項8に記載のテラヘルツ波用レンズの製造方法。
- 前記第1工程において、前記複数の領域の各々に対応する前記凹凸構成部の前記高さ及び前記幅が前記凹凸構造と空気との界面におけるテラヘルツ波の反射を抑制可能な寸法となるように、各前記領域に配置される前記凹凸構成部の前記幅を決定する、請求項8又は9に記載のテラヘルツ波用レンズの製造方法。
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