WO2023032975A1 - 光学部材 - Google Patents

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WO2023032975A1
WO2023032975A1 PCT/JP2022/032573 JP2022032573W WO2023032975A1 WO 2023032975 A1 WO2023032975 A1 WO 2023032975A1 JP 2022032573 W JP2022032573 W JP 2022032573W WO 2023032975 A1 WO2023032975 A1 WO 2023032975A1
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WO
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optical member
correction layer
phase correction
liquid crystal
phase
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PCT/JP2022/032573
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英紀 安田
雄二郎 矢内
之人 齊藤
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富士フイルム株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical member using a metasurface structure.
  • Metasurface structures can impart desired phase characteristics to transmitted waves and reflected waves by arrayed microstructures, and can bend electromagnetic waves including visible light in desired directions. Therefore, metasurface structures are expected to be applied to various optical members such as condenser lenses, collimating lenses, and diffraction gratings.
  • the metasurface structure refracts the electromagnetic wave by imparting a phase characteristic to the electromagnetic wave by means of the arrayed microstructures.
  • An optical member using such a metasurface structure has a flat plate shape, does not require the thickness of a normal optical refraction lens, and has a steep groove structure like a diffraction lens (Fresnel lens). It is not necessary to form unevenness or the like having a
  • metasurface structures by using a metasurface structure, a very thin flat optical member can be realized. Therefore, various proposals have been made regarding metasurface structures.
  • Patent Document 1 a plurality of microresonators that resonate with electromagnetic waves of a specific wavelength of 400 to 2000 nm transmit electromagnetic waves of 400 to 2000 nm and have a thickness of 50 ⁇ m or less.
  • Films with metasurface structures arranged in the plane of the film are described. This film allows the metasurface structure to be easily mounted even on objects having curved and uneven surfaces, and enables the metasurface structure to be used for substances of various shapes.
  • metasurface structures are typically composed of arrays of microstructures.
  • the metasurface structure is formed by arranging resonators, which are microstructures made of metal or dielectric, on a plane, and is formed by the resonator and the space around the resonator. consists of an array of unit cells That is, the metasurface structure has a two-dimensionally discrete structure.
  • the metasurface structure has wavefront aberration, and the wavefront of the transmitted or reflected electromagnetic wave has a spatially discrete phase distribution, deviating from the ideal continuous phase distribution.
  • the wavefront of the transmitted or reflected electromagnetic wave has a spatially discrete phase distribution, deviating from the ideal continuous phase distribution.
  • the phase distribution deviates from the design value, and the wavefront is Instead of the ideal curved surface indicated by the dashed line, the curved surface has turbulence.
  • a condensing lens using a metasurface structure problems such as the position of the focal point F shifting, the focal point F expanding, and the light being condensed at a position other than the focal point F occur.
  • collimating lenses using a metasurface structure have problems such as reduced parallelism of transmitted beams.
  • a diffraction grating using a metasurface structure suffers from problems such as a decrease in diffraction efficiency. That is, there is a problem that the optical member using the conventional metasurface structure does not have sufficient light utilization efficiency.
  • An object of the present invention is to solve the problems of the prior art, and to provide an optical member that uses a metasurface structure and has high light utilization efficiency.
  • the present invention has the following configurations.
  • a substrate A plurality of regions having different phase modulation amounts when a region X is defined as a region having one or more microstructures and is formed on at least one surface of a substrate and is composed of a plurality of arrayed microstructures.
  • a metasurface structure having a plurality of regions A composed of X; a phase correction layer formed on at least one surface of the substrate for correcting wavefront aberration of the metasurface structure;
  • the region X that constitutes the region A has a phase modulation amount that decreases stepwise in one direction
  • the optical member, wherein the phase correction layer has a region corresponding to the region A, in which the amount of phase modulation changes.
  • phase correction layer has a region corresponding to region A, in which the amount of phase modulation decreases.
  • phase correction layer has regions in which the phase modulation amount changes corresponding to two or less regions X.
  • phase correction layer has a region corresponding to each region X and having a variable phase modulation amount.
  • phase correction layer is a layer formed using a liquid crystal compound.
  • phase correction layer has a plurality of regions containing liquid crystal compounds with different alignment directions.
  • an optical member that uses a metasurface structure and has high light (electromagnetic waves including visible light) utilization efficiency is provided.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing an example of the optical member of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining an example of the configuration of the optical member of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram conceptually showing an example of phase characteristics of a metasurface structure.
  • FIG. 4 is a diagram conceptually showing an example of a metasurface structure.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the outline of the optical member of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining an example of the optical member of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining another example of the optical member of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram conceptually showing another example of the optical member of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram conceptually showing another example of the optical member of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram conceptually showing another example of the optical member of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram conceptually showing another example of the optical member of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram conceptually showing another example of the optical member of the present invention.
  • FIG. 13 is a conceptual diagram for explaining the unit cell of the example.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram for explaining an embodiment of the invention.
  • FIG. 15 is a conceptual diagram for explaining an embodiment of the invention.
  • FIG. 16 is a conceptual diagram for explaining an embodiment of the invention.
  • FIG. 17 is a conceptual diagram for explaining an embodiment of the invention.
  • FIG. 18 is a conceptual diagram for explaining an embodiment of the invention.
  • FIG. 19 is a conceptual diagram for explaining an embodiment of the invention.
  • FIG. 20 is a conceptual diagram for explaining an embodiment of the invention.
  • FIG. 21 is a conceptual diagram for explaining the metasurface structure.
  • optical member of the present invention will be described in detail below based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
  • a numerical range represented by “to” means a range including the numerical values before and after “to” as lower and upper limits.
  • the term “identical” includes the margin of error generally accepted in the technical field.
  • FIG. 1 conceptually shows an example of the optical member of the present invention.
  • the optical member 10 shown in FIG. 1 has a substrate 12 , a metasurface structure 14 formed on one surface of the substrate 12 , and a phase correction layer 16 formed on the other surface of the substrate 12 .
  • the optical member 10 is, for example, a transmissive condenser lens (meta condenser lens) using a metasurface structure 14 .
  • the metasurface structure 14 is formed by arranging resonators 20 as fine structures on the surface of the substrate 12 .
  • the metasurface structure 14 performs phase modulation using the resonance of the resonator 20 by arranging unit cells consisting of one resonator 20 and a space around the resonator 20, and performs phase modulation according to Huygens' principle. , bends electromagnetic waves, including visible light. In the following description, for convenience, electromagnetic waves of various wavelengths including visible light are collectively referred to simply as "light”.
  • the optical member 10 is a transmissive condensing lens
  • the metasurface structure 14 refracts and condenses the transmitted light by phase modulation.
  • the phase correction layer 16 corrects wavefront aberration of the metasurface structure 14 .
  • the phase correction layer 16 adjusts the phase of the light transmitted through the metasurface structure 14 to obtain a proper phase distribution and a proper curved wavefront (spherical wave) of the light.
  • the optical member of the present invention is of a reflective type as shown in FIG. Again, the phase of the light transmitted through the substrate 12 and the metasurface structure 14 is adjusted to obtain a proper phase distribution, and the wavefront of the light is formed into a proper curved surface (spherical wave).
  • the substrate 12 supports the metasurface structure 14 and the phase correction layer 16 .
  • the substrate 12 supports the metasurface structure 14 and the reflective layer 38.
  • the substrate 12 is not limited, and is known as long as it can support the metasurface structure 14 and the phase correction layer 16 and transmit light of the wavelength targeted by the optical member 10 (metasurface structure 14).
  • Various sheet-like materials films, plate-like materials are available.
  • the substrate 12 examples include a metal substrate having an oxide insulating layer such as a silicon substrate having silicon oxide, a substrate made of an oxide such as silicon oxide, a semiconductor substrate such as a germanium substrate and a chalcogenide glass substrate, and polymethyl methacrylate.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the cycloolefin polymer film include JSR's product name "Arton” and Nippon Zeon's product name "Zeonor".
  • the thickness of the substrate 12 is not limited, it can support the metasurface structure 14 and the phase correction layer 16, it can provide sufficient transparency to the light targeted by the optical member 10, and the thickness of the optical member 10 is The thickness that can obtain sufficient strength according to the application or the like may be appropriately set according to the forming material of the substrate 12 .
  • a metasurface structure 14 is formed on one surface of the substrate 12 .
  • the metasurface structure 14 is formed by two-dimensionally arranging the resonators 20, which are microstructures, on a plane at intervals. , and the space around the resonator 20 .
  • the metasurface structure is basically a known metasurface structure (metamaterial). Therefore, there are no restrictions on the shape and material of the resonators 20, the arrangement of the resonators 20, the interval (pitch) between the resonators 20, and the like. Also, the metasurface structure 14 may be designed by a known method according to the intended optical properties. As an example, the amplitude and phase of the wave transmitted through the resonator 20 used are calculated using commercially available simulation software, and the arrangement of the resonators 20 is set so as to achieve the desired phase modulation amount (refractive index) distribution. do it.
  • the illustrated optical member 10, that is, the metasurface structure 14 is, for example, a transmissive condensing lens (transmissive lens). Therefore, the metasurface structure 14 modulates the phase of transmitted light using the resonance of the resonator 20 by arranging the unit cells, refracts the light according to the Huygens principle by the phase modulation, and collects the light. shine.
  • the optical member of the present invention, that is, the metasurface structure constituting the optical member of the present invention is not limited to a transmissive condenser lens as shown in the drawings.
  • the optical member of the present invention that is, the metasurface structure constituting the optical member of the present invention may be a transmissive diffraction grating, a reflective lens, a reflective diffraction grating (reflect array), or the like.
  • FIG. 2 conceptually shows phase modulation characteristics in the optical member 10 .
  • the metasurface structure 14, as conceptually shown in the upper part of FIG. have a configuration.
  • Region X has one resonator 20 . Therefore, this region X corresponds to one unit cell in the metasurface structure 14.
  • FIG. In the optical member of the present invention one region X, that is, one unit cell basically has one resonator 20, but the present invention is not limited to this. That is, in the optical member of the present invention, depending on the desired optical characteristics, the size, material and shape of the resonator 20, the size of the region X, etc., one region X may A plurality of resonators 20 may be provided.
  • the height of region X indicates the amount of phase modulation of transmitted light.
  • the amount of phase modulation of the transmitted light in FIG. 2 is the amount of delay in the phase of the transmitted light.
  • the maximum value of the phase modulation amount of transmitted light in the region X is 360°.
  • the horizontal direction is the surface direction of the substrate 12.
  • the area A has, as an example, four areas X1 to X4 with different phase modulation amounts.
  • the regions X (unit cells) are arranged in the order of region X1, region X2, region X3 and region X4 so that the modulation amount decreases sequentially in one direction.
  • the optical member 10 or metasurface structure 14 shown in FIG. 1 is a condenser lens. Therefore, as an example, in region A, regions X (unit cells) are arranged so that the phase modulation amount gradually decreases outward from the center. Furthermore, the size of the area A in the surface direction gradually decreases from the center toward the outside. Therefore, on a straight line passing through the center of the condenser lens, the direction in which the area X gradually decreases in the area A and the direction in which the area A gradually decreases are opposite on both sides of the center. Further, when the optical member is, for example, a concave lens, in the area A, the area X is arranged so that the phase modulation amount gradually increases from the center toward the outside.
  • the same regions A and X are arranged in one direction in accordance with the direction in which the same regions A and X gradually decrease in accordance with the direction of diffraction of light.
  • the arrangement of the resonators 20, the intervals between the resonators 20, and the like, the focal length, etc., of the metasurface structure 14 serving as a condensing lens can be obtained. Properties can be set accordingly.
  • FIG. 3 conceptually shows an example of phase modulation characteristics of the metasurface structure 14 .
  • the height (vertical axis) indicates the phase modulation amount (delay amount) of the transmitted light
  • the horizontal axis indicates the plane direction of the substrate 12 .
  • the maximum phase modulation amount is 360°.
  • the dashed-dotted line indicates the optical axis of the optical member 10 (metasurface structure 14), that is, the condenser lens.
  • this metasurface structure 14 has a region A in which four regions X are arranged such that the phase modulation amount (phase delay amount) gradually decreases from the center toward the periphery.
  • the size in the planar direction gradually decreases from the center toward the periphery so that the phase modulation amount gradually decreases from the center toward the periphery.
  • FIG. 4 conceptually shows an example of the configuration of the metasurface structure 14 that acts as a condensing lens.
  • This metasurface structure 14 is obtained by arranging rectangular parallelepiped resonators 20 on the surface of a substrate 12 .
  • the resonators 20 are arranged so that the direction of the longest side of the rectangular parallelepiped is aligned.
  • Metasurface structure 14 shown in FIG. 4 mainly corresponds to linearly polarized light in the direction of the longest side of the rectangular parallelepiped of resonator 20 .
  • By arranging such resonators 20 at intervals and arranging the unit cells (area A), light is refracted and condensed according to the Huygens principle of phase modulation.
  • the material for forming the resonator 20 constituting the metasurface structure 14 is not limited, and materials used as resonators in known metasurface structures are used. , various, are available.
  • materials forming the resonator 20 of the metasurface structure 14 include metals and dielectrics. In the case of metals, copper, gold, and silver are preferably exemplified in terms of low optical loss.
  • dielectrics silicon, titanium oxide, and germanium are preferably exemplified in that they have a large refractive index and are capable of large phase modulation.
  • the shape of the resonator 20 forming the metasurface structure 14 is not limited, and various shapes used as resonators in known metasurface structures can be used.
  • a rectangular parallelepiped shape as described above a cylindrical shape as shown in Example 1 (see FIG. 13) described later, a square plate shape as shown in Example 3 described later, and Japanese Patent Laid-Open No. 2018-46395.
  • a solid having a substantially C-shaped bottom surface such as a C channel.
  • a solid having a V-shaped bottom and a solid having a cross-shaped bottom can be used in various shapes by adjusting the angle formed by the two rectangular parallelepipeds. It is possible.
  • solids with a bottom shape as shown in Figure.5 of "Appl. Sci. 2018, 8(9), 1689; https://doi.org/10.3390/app8091689" are also available. is.
  • only one resonator 20 having these shapes may be used, or a plurality of resonators 20 may be used together. Further, the orientation of the same resonator 20 may be the same as shown in FIG. 4, or may be different.
  • the wavelength of light targeted by the metasurface structure 14 is not limited, and electromagnetic waves of various wavelengths including visible light can be targeted.
  • light with a wavelength of 10 ⁇ m to 1 cm is preferably exemplified because optical members such as lenses and diffraction gratings manufactured by conventional techniques have low light utilization efficiency.
  • the optical member of the present invention is not limited to the transmission type condenser lens as described above, and known optical members (Optical members) are available in various types. Furthermore, as will be described later, a reflective lens, a reflective diffraction grating, or the like may be formed by combining with a reflector. How the optical member, that is, the metasurface structure of the present invention acts as an optical member depends on the shape and material of the resonators 20, the arrangement of the resonators 20, the intervals between the resonators 20, and the like. It can be set by selecting and combining. Furthermore, the characteristics of the optical member, such as the diffraction angle of light by the diffraction grating, can be adjusted by appropriately combining these elements, similarly to the condenser lens.
  • a phase correction layer 16 is provided on the surface of the substrate 12 opposite to the metasurface structure 14 .
  • the phase correction layer 16 is a layer that corrects wavefront aberration of the metasurface structure 14 . That is, the phase correction layer 16 adjusts the phase of the light transmitted through the metasurface structure 14 to obtain a proper phase distribution and a proper curved wavefront (spherical wave).
  • Such a phase correction layer 16 has regions with different phase modulation amounts corresponding to the regions A of the metasurface structure 14 .
  • the metasurface structure 14 is configured by arranging unit cells each composed of the resonator 20 and the space around the resonator 20 by arranging the resonator 20, which is a microstructure. . Therefore, the metasurface structure 14 has a two-dimensionally discrete structure. Such a metasurface structure 14 has wavefront aberration. Therefore, as conceptually shown in FIGS. 21 and 5 described above, when the plane wave fw is incident on the metasurface structure 14 and is transmitted therethrough, the wavefront of the light condensed by the Huygens principle due to phase modulation is represented by the dashed line It does not become an ideal curved surface (spherical wave) indicated by , but becomes a turbulent curved surface whose phase distribution is different from the design value.
  • the optical member 10 of the present invention has a phase correction layer 16 in addition to the metasurface structure 14 .
  • the phase correction layer 16 has regions with different phase modulation amounts corresponding to the regions A of the metasurface structure 14 .
  • the phase correction layer 16 has regions with different phase modulation amounts corresponding to the regions A of the metasurface structure 14. modulates the phase of light transmitted through the metasurface structure 14 in the opposite direction.
  • the phase correction layer 16 corrects the wavefront aberration of the metasurface structure 14, and as conceptually shown in FIG. , the wavefront is assumed to be a proper curved surface.
  • phase modulation by the phase correction layer 16 An example of characteristics of phase modulation by the phase correction layer 16 is conceptually shown in FIG.
  • the height of the phase correction layer 16 indicates the amount of phase modulation by the phase correction layer 16.
  • This phase modulation amount is the amount of phase delay given to the transmitted light by the phase correction layer 16 .
  • the horizontal direction is the surface direction of the substrate 12 as in the case of the metasurface structure 14 .
  • the phase correction layer 16 has a region where the phase modulation amount decreases corresponding to the phase modulation amount in the region A of the metasurface structure 14 .
  • the phase correction layer 16 has a region where the phase modulation amount decreases according to the arrangement of the regions X in the region A of the metasurface structure 14, ie, the phase modulation amount decreases in one direction.
  • the phase correction layer 16 adjusts the phase of the light transmitted through the metasurface structure 14 and condensed in the direction opposite to the deviation due to the wavefront aberration, thereby achieving an appropriate phase distribution and correcting the wavefront. light that is a curved surface.
  • the phase correction layer 16 shown in the lower part has, as a preferred embodiment, one region corresponding to the two regions X, in which the phase modulation amount gradually decreases.
  • the phase correction layer 16 shown in the upper part has, as a more preferable embodiment, one region corresponding to each region X, in which the phase modulation amount gradually decreases.
  • the phase correction layer 16 is not limited to this.
  • the phase correction layer may have one region corresponding to the region A where the phase modulation amount gradually decreases.
  • the metasurface structure 14 has a wavefront aberration because, as described above, the metasurface structure 14 is a discrete unit cell formed by arranging unit cells each composed of the resonator 20 and the surrounding space. This is because it has a configuration. That is, the reason why the metasurface structure 14 has wavefront aberration is that the metasurface structure 14 is composed of unit cells, that is, an array of regions X having a constant phase modulation amount. Considering this point, it is preferable that the regions in which the phase modulation amount gradually decreases in the phase correction layer 16 correspond to two or less regions X, as in the phase correction layer 16 shown in the lower part of FIG. It is more preferable to correspond to individual regions X like the phase correction layer 16 shown in the upper part of .
  • the phase correction layer 16 shown in FIG. 2 preferably has a phase modulation amount that gradually decreases in one direction in one region
  • the present invention is not limited to this.
  • the phase disturbance caused by the metasurface structure 14 may be accentuated, and the state of the phase disturbance may vary from immediately after transmission through the metasurface structure 14 to after passing through the metasurface structure 14. It may be different when incident on the correction layer 16 .
  • the disturbance of the phase of light when entering the phase correction layer 16 changes according to various factors.
  • the phase correction layer 16 of the optical member 10 of the present invention may have a region in which the phase modulation amount is uniform in one direction in one region. It may have an increasing area, or it may have both.
  • the phase modulation amount gradually decreases (changes) continuously in the phase correction layer 16, but the present invention is not limited to this. That is, in the optical member of the present invention, the phase modulation amount in the phase correction layer 16 may be gradually decreased corresponding to one region X, or may correspond to a plurality of regions X. It may be gradually decreased. In addition, as described above, there may be an area in which the phase modulation amount is uniform in one direction and an area in which the phase modulation amount increases in one direction.
  • the amount of phase modulation in the phase correction layer 16 is not limited.
  • the maximum amount of phase modulation by the metasurface structure 14 is 360°. Considering this point, the maximum amount of phase modulation in the phase correction layer 16 is preferably 180°.
  • the thickness of the phase correction layer 16 is not limited, and may be appropriately set according to the material for forming the phase correction layer 16, the desired amount of phase modulation, and the like. The thickness of the phase correction layer 16 is preferably 1 to 10000 ⁇ m, more preferably 10 to 5000 ⁇ m, even more preferably 100 to 2000 ⁇ m.
  • phase correction layer 16 there are no restrictions on the phase correction layer 16, and various layers that can modulate the phase of transmitted light can be used.
  • a layer formed using a liquid crystal compound is exemplified as a preferable phase correction layer 16 .
  • FIG. 1 shows a phase correction layer 16 formed using this liquid crystal compound.
  • the phase correction layer 16 is exemplified by the phase correction layer 16 made of a liquid crystal orientation pattern layer in which regions with different phase modulation amounts are provided in the plane by adjusting the orientation direction of the liquid crystal compound.
  • the phase correction layer 16 has regions having liquid crystal compounds with different alignment directions corresponding to two of the regions X (unit cells), more preferably one, and the regions are aligned. are exemplified.
  • FIG. 6 conceptually shows a combination of the metasurface structure 14 and the phase correction layer 16 in the case of using the metasurface structure 14 acting as a condensing lens having the phase modulation characteristics shown in FIG. 3 described above.
  • the phase correction layer 16 has one region a corresponding to one region X (unit cell) indicated by the dashed line c.
  • the unit cell is composed of a rectangular parallelepiped resonator 20 as shown in FIG. is the direction of the edge.
  • the phase correction layer 16 shown in FIG. 6 uses a rod-shaped liquid crystal compound, and has rod-shaped liquid crystal compounds with different alignment directions in the region a.
  • a rod-shaped liquid crystal compound has a large amount of phase modulation, ie, a large refractive index, when horizontally aligned, that is, aligned in the plane direction.
  • the case where the rod-like liquid crystal compound is horizontally aligned is the case indicated by the longest circle in the region a.
  • the closer to the vertical orientation the smaller the phase modulation amount, that is, the smaller the refractive index.
  • the phase modulation amount is minimized, that is, the refractive index is minimized.
  • the phase modulation amount is minimized, that is, the refractive index is minimized.
  • the case where the rod-like liquid crystal compound is vertically aligned is the case indicated by the circle in the region a. Accordingly, as shown in FIG. 6, the rod-like liquid crystal compound is added so that the refractive index gradually decreases in the direction of decreasing the amount of phase modulation, ie, the arrangement of the regions X in the region A of the metasurface structure 14.
  • the oriented regions a are arranged corresponding to the regions X of the metasurface structure 14 .
  • the phase modulation characteristic of the optical member 10 becomes a continuous phase modulation distribution shown in the lower part of FIG.
  • the wavefront aberration of the metasurface structure 14 can be corrected, and the wavefront of condensed light can be appropriately curved.
  • FIG. 7 conceptually shows an example of a liquid crystal orientation pattern corresponding to the metasurface structure 14 shown in FIG.
  • the phase correction layer 16 as shown on the left side of FIG. , the regions in which the rod-like liquid crystal compounds are oriented are arranged so as to gradually increase in size.
  • the direction of the longest side of the rectangular parallelepiped of the resonator 20 is also the polarization direction of the target light. Therefore, as shown in the center of FIG. 7, rod-like liquid crystal compounds having the same alignment direction are arranged in a direction r2 orthogonal to this direction r1.
  • the rod-shaped liquid crystal compound has two types of orientation directions in the plane direction, or the rod-shaped liquid crystal compound has various orientation directions in the plane direction.
  • the rod-like liquid crystal compounds are arranged like random horizontal domains where .
  • the liquid crystal compound in the phase correction layer 16 using a liquid crystal compound is not limited, and therefore, a rod-like liquid crystal compound as shown in FIGS. or a discotic liquid crystal compound.
  • Rod-shaped liquid crystal compounds include azomethines, azoxys, cyanobiphenyls, cyanophenyl esters, benzoic acid esters, cyclohexanecarboxylic acid phenyl esters, cyanophenylcyclohexanes, cyano-substituted phenylpyrimidines, alkoxy-substituted phenylpyrimidines, Phenyldioxanes, tolanes and alkenylcyclohexylbenzonitriles are preferably used.
  • the rod-like liquid crystal compound not only low-molecular-weight liquid-crystalline molecules as described above but also high-molecular-weight liquid-crystalline molecules can be used.
  • the phase correction layer 16 it is more preferable to fix the orientation by polymerizing the rod-like liquid crystal compound.
  • the polymerizable rod-like liquid crystal compound Makromol. Chem. , 190, 2255 (1989), Advanced Materials 5, 107 (1993), Advanced Photonics 2, 036002 (2020), U.S. Pat. Specification, International Publication Nos. 95/22586, 95/24455, 97/00600, 98/23580, 98/52905, JP-A-1-272551, 6-16616 , No. 7-110469, No. 11-80081, and Japanese Patent Application No. 2001-64627.
  • the rod-like liquid crystal compound for example, those described in JP-A-11-513019 and JP-A-2007-279688 can also be preferably used.
  • discotic Liquid Crystal Compounds for example, those described in JP-A-2007-108732 and JP-A-2010-244038 can be preferably used.
  • the phase correction layer 16 in which the liquid crystal compound is oriented as described above, that is, the liquid crystal orientation pattern layer, is a composition containing a liquid crystal compound on an orientation film having a desired orientation pattern, similar to a known liquid crystal orientation pattern layer in which a liquid crystal compound is oriented. It can be formed by applying an object, drying it, and optionally polymerizing a liquid crystal compound.
  • the phase correction layer 16 may have a support with an alignment film formed thereon, an alignment film, and a liquid crystal alignment pattern layer. It may have an alignment film and a liquid crystal alignment pattern layer, or the alignment film is peeled off from the liquid crystal alignment pattern layer and only the liquid crystal alignment pattern layer is attached to the substrate 12 as the phase correction layer 16. It's okay.
  • ⁇ Alignment layer ⁇ In the optical member 10 of the present invention, various known alignment films can be used for forming the liquid crystal alignment pattern layer constituting the phase correction layer 16 .
  • Alignment films include, for example, rubbed films made of organic compounds such as polymers, oblique deposition films of inorganic compounds, films with microgrooves, and films made of ⁇ -tricosanoic acid, dioctadecylmethylammonium chloride, methyl stearate, and the like.
  • a film obtained by accumulating LB (Langmuir-Blodgett) films by the Langmuir-Blodgett method of an organic compound is exemplified.
  • the alignment film by rubbing treatment can be formed by rubbing the surface of the polymer layer with paper or cloth several times in one direction.
  • Materials used for the alignment film include polyimide, polyvinyl alcohol, polymers having a polymerizable group described in JP-A-9-152509, JP-A-2005-97377, JP-A-2005-99228, and Materials used for forming an alignment film, etc., described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-128503 are preferably exemplified.
  • a so-called photo-alignment film obtained by irradiating a photo-orientation material with polarized or non-polarized light to form an alignment film is preferably used as the alignment film. That is, in the optical member of the present invention, a photo-alignment film formed by coating a support with a photo-alignment material is preferably used as the alignment film. Irradiation with polarized light can be performed in a direction perpendicular to or oblique to the photo-alignment film, and irradiation with non-polarized light can be performed in a direction oblique to the photo-alignment film.
  • Examples of the photo-alignment material used in the photo-alignment film that can be used in the present invention include, for example, JP-A-2006-285197, JP-A-2007-76839, JP-A-2007-138138, and JP-A-2007-94071. Publications, JP 2007-121721, JP 2007-140465, JP 2007-156439, JP 2007-133184, JP 2009-109831, Patent No. 3883848 and Patent No.
  • JP-A Preferred examples include photodimerizable compounds, particularly cinnamate compounds, chalcone compounds and coumarin compounds, described in JP-A-2013-177561 and JP-A-2014-12823.
  • azo compounds, photocrosslinkable polyimides, photocrosslinkable polyamides, photocrosslinkable esters, cinnamate compounds, and chalcone compounds are preferably used.
  • the thickness of the alignment film is not limited, and the thickness may be appropriately set according to the material for forming the alignment film so that the required alignment function can be obtained.
  • the thickness of the alignment film is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
  • the method for forming the alignment film is not limited, and various known methods can be used depending on the material for forming the alignment film.
  • a composition containing an alignment film is applied to the surface of a support, dried, and then the alignment film is exposed to laser light to form an alignment pattern. are exemplified.
  • a mask having a slit-shaped opening is used, and the photo-alignment material is passed through a polarizer such as a mask and a wire grid polarizer.
  • a method of forming an alignment film by irradiating linearly polarized light can also be used. Specifically, after irradiating the photo-alignment material with linearly polarized light through a slit and a polarizer, the slit is moved in the width direction by a predetermined amount, and the direction (angle) of the transmission axis of the polarizer is adjusted. , again, irradiating the photo-alignment agent material with linearly polarized light through the slit and the polarizer. Thereby, a photo-alignment film corresponding to a diffraction grating having a striped alignment pattern can be formed.
  • the optical member 10 of the present invention described above has the phase correction layer 16 using a liquid crystal compound.
  • the optical member of the present invention is not limited to this, and the phase correction layer may be composed of a member whose height changes according to the phase modulation amount.
  • optical member 30 shown in FIG. 8 has the same substrate 12 and metasurface structure 14 as the optical member 10 described above, the same members are denoted by the same reference numerals, and the following description mainly focuses on different points. conduct. Further, in the following description, for convenience, the optical member 10 described above is also referred to as the first aspect of the present invention, and the optical member 30 shown in FIG. 8 is referred to as the second aspect of the present invention.
  • An optical member 30 shown in FIG. 8 has a metasurface structure 14 on one surface of a substrate 12 and a dielectric pattern layer having a dielectric uneven pattern as a phase correction layer 32 on the other surface.
  • this phase correction layer 32 one convex portion corresponds to one region in the phase correction layer described above.
  • phase correction layer 32 ie, a dielectric pattern layer
  • the higher the height of the dielectric the greater the amount of phase modulation, that is, the higher the refractive index.
  • the phase correction layer 32 also has the refractive index are arranged corresponding to the region X of the metasurface structure 14 so that the height gradually decreases in the same direction.
  • the discrete phase modulation distribution of the metasurface structure 14 and the phase modulation corresponding to the region X of the metasurface structure 14 by the phase correction layer 32 In combination with the distribution, the phase modulation characteristic of the optical member 10 becomes a continuous phase modulation distribution. As a result, the wavefront aberration of the metasurface structure 14 can be corrected, and the wavefront of condensed light can be appropriately curved.
  • the phase correction layer 32 in the optical member 30 of the second aspect of the present invention is basically the phase correction layer in the optical member 10 of the first aspect of the present invention for the same metasurface structure 14. 16 and the same phase modulation distribution. Therefore, the optical member 10 of the first aspect of the invention shown in FIG. 6 becomes the optical member 30 of the second aspect of the invention by changing the phase correction layer 16 to the phase compensation layer 32 .
  • the dielectric pattern layer that becomes the phase correction layer 32 has unevenness.
  • the thickness of the phase correction layer 32 is less than " ⁇ /[2 ⁇ (n ⁇ 1.0)]" and less than half that of the diffraction lens (Fresnel lens). Therefore, the phase correction layer 32 does not need to be processed to form steep grooves in the plane.
  • ⁇ is the wavelength of the target light
  • n is the refractive index of the material forming the phase correction layer.
  • the material for forming the dielectric pattern layer that becomes the phase correction layer 32 is not limited, and various known dielectrics can be used.
  • examples include polyacrylic resins such as polymethyl methacrylate, cellulose resins such as cellulose triacetate, cycloolefin polymer resins, polyethylene terephthalate (PET) resins, polycarbonate resins and polyvinyl chloride resins, and glass. exemplified.
  • the method of forming the phase correction layer 32 that is, the dielectric pattern layer is not limited, and may be formed by a known method according to the forming material. Examples include methods such as micro 3D printing, press molding, extrusion molding, injection molding, vacuum molding, blow molding, and cutting methods.
  • the method of designing the phase correction layers is not limited, and various methods can be used.
  • the phase correction layer is such that a plane wave transmitted through the metasurface structure 14, the substrate 12 and the phase correction layer is ideal for lens focusing purposes.
  • the phase modulation amount may be designed using computer simulation.
  • the phase modulation amount (phase modulation distribution) in the phase correction layer can be adjusted by the orientation and arrangement of the liquid crystal compound in the phase correction layer 16 using a liquid crystal compound.
  • the correction layer 32 can be adjusted by adjusting the height and arrangement of the unevenness of the dielectric pattern layer.
  • All of the optical members described above have the metasurface structure 14 on one side of the substrate 12 and the phase correction layer on the other side, but the present invention is not limited to this.
  • Various configurations are available.
  • a metasurface structure 14 is provided on one surface of the substrate 12, and the metasurface structure 14 is provided on one surface of the substrate 12 as conceptually shown in FIG. is embedded in the filling layer 36 and the phase correction layer 16 is provided on the surface of the filling layer 36 .
  • the filling layer 36 is not limited as long as it transmits light of a wavelength targeted by the metasurface structure 14.
  • layers made of various resin materials are exemplified.
  • the optical member of the present invention has the metasurface structure 14 on one side of the first substrate 12a and the phase correction layer 16 on one side of the second substrate 12b, as conceptually shown in FIG. , and the metasurface structure 14 and the phase correction layer 16 are arranged to face each other.
  • the optical member of the present invention has a first metasurface structure 14a on one surface of a first substrate 12a, a second metasurface structure 14b on the other surface, The phase correction layer 16 may be provided on one surface of the second substrate 12b, and the one metasurface structure and the phase correction layer 16 may be arranged to face each other.
  • the optical member of the present invention may be a reflective optical member instead of a transmissive optical member.
  • a reflective optical member such as a diffraction grating may be used.
  • light enters from the phase correction layer 16 side passes through the phase correction layer 16, the metasurface structure 14 and the substrate 12, and is reflected by the reflective layer .
  • Light reflected by reflective layer 38 passes through substrate 12, metasurface structure 14, and phase correction layer 16 and exits as diffracted reflected light.
  • the metasurface structure 14 is embedded in the filling layer 36 and the phase correction layer 16 is provided thereon, but the present invention is not limited to this.
  • the phase correction layer 16 is provided on the surface of a sheet-like support made of the same material as the substrate 12, and this laminate is directly laminated on the metasurface structure 14.
  • the phase correction layer 16 is formed using a liquid crystal compound, a liquid crystal alignment pattern layer that functions as the phase correction layer 16 is formed on the alignment film. Therefore, in this case, the phase correction layer 16 having the support, the alignment film and the liquid crystal alignment pattern layer may be laminated directly to the metasurface structure 14 as described above.
  • the support is peeled off from the laminate having the support, the alignment film and the liquid crystal alignment pattern layer, and the phase correction layer 16 having the alignment film and the liquid crystal alignment pattern layer is directly laminated on the metasurface structure 14.
  • the alignment film may be peeled off from the laminate having the support, the alignment film and the liquid crystal alignment pattern layer, and the phase correction layer 16 composed only of the liquid crystal alignment pattern layer may be directly laminated on the metasurface structure 14. good.
  • the reflective layer 38 is not limited, and various known reflective layers such as a metal mirror, a metal film such as a copper film, and a dielectric multilayer reflective film can be used as long as they can reflect the light of the target wavelength. (reflective member) is available. Also, the thickness of the reflective layer 38 is not limited, and the thickness may be appropriately set according to the material forming the reflective layer 38 so as to obtain the required reflectance.
  • optical member of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above examples, and various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention. is.
  • a 250 mm thick silicon substrate having a 50 ⁇ m thick insulating layer (SiO 2 ) was prepared.
  • a metasurface structure was fabricated by arranging cylindrical resonators made of silicon with a height of 500 ⁇ m and a diameter of L ⁇ m on the surface of this silicon substrate.
  • one unit cell (region X) is a square of 400 ⁇ 400 ⁇ m, and a resonator is arranged at the center of the unit cell.
  • the height of the resonator is shown low in order to simplify the drawing.
  • the resonators are arranged to form a unit cell so that the distribution of the amount of phase modulation is as shown in FIG. made.
  • the right side of FIG. 14 shows the state of arrangement of the resonators in the condenser lens with six resonators.
  • the set frequency was 300 GHz (wavelength 1000 ⁇ m).
  • Such a metasurface structure can be manufactured by a general silicon semiconductor manufacturing process.
  • an SOI (Silicon-On-Insulator) wafer having a device layer (Si) with a thickness of 500 ⁇ m, an insulating layer (SiO 2 ) with a thickness of 50 ⁇ m, and a substrate with a thickness of 250 ⁇ m is used.
  • a photoresist as a mask, dry etching is performed by an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus to form a columnar shape on the device layer to fabricate a metasurface structure.
  • ICP Inductively Coupled Plasma
  • Example 1A By simulation, the phase modulation shown in FIG. A phase correction layer (liquid crystal orientation pattern layer) using a liquid crystal compound having a distribution was formed to produce an optical member that would serve as a condenser lens.
  • the liquid crystal compound aligned in the horizontal direction has a relatively large phase modulation amount, that is, the refractive index
  • the liquid crystal compound aligned in the vertical direction has a relatively phase modulation amount, that is, the refractive index. become smaller. Therefore, as described above, a desired phase modulation amount can be obtained by controlling the alignment direction of the liquid crystal.
  • phase correction layer liquid crystal layer
  • Example 1B By simulation, a dielectric pattern layer having a phase modulation distribution shown in FIG. An optical member to be a condensing lens was produced. Since the PMMA layer has a higher refractive index than air, the high-structure portion has a large phase modulation amount or refractive index, and the low-structure portion has a low phase modulation amount or refractive index. Therefore, as described above, a desired phase modulation amount can be obtained by controlling the height of the dielectric pattern layer.
  • the phase modulation amount of the phase correction layer (dielectric pattern layer) is determined by a computer so that the plane wave that has passed through the metasurface structure, substrate, and phase correction layer has an ideal phase modulation amount for the purpose of condensing light with the lens. It was designed using simulation.
  • Comparative Example 1 was an optical member to be a condensing lens having only the substrate and the metasurface structure 1 without forming the phase correction layer.
  • Condensing efficiencies of the optical members (condensing lenses) of Example 1A, Example 1B and Comparative Example 1 were investigated using numerical simulations based on the fast Fourier transform beam propagation method (FFT-BPM). Condensing efficiency is defined as the light beam passing through a circular optical member with a diameter of 25.6 mm, and passing through an aperture with a radius three times the half-value width of the focused spot on a focal plane 12 mm away from the optical member. defined as the fraction of light rays
  • Example 1A The collection efficiency of Example 1A is 0.81
  • the collection efficiency of Example 1B is 0.84
  • the light collection efficiency of Comparative Example 1 was 0.74. From the above results, it was shown that the condensing lens made of the optical member of the present invention has high condensing efficiency, that is, high light utilization efficiency.
  • the condensing lens also acts as a collimating lens by receiving diffused light emitted from one point. That is, the optical member of the present invention has high light utilization efficiency even as a collimating lens.
  • a liquid crystal alignment pattern layer that serves as a phase correction layer can be produced, for example, by forming an alignment film having an intended alignment pattern and forming a liquid crystal layer thereon, as follows.
  • the obtained coating film was irradiated with linearly polarized ultraviolet rays (irradiance: 4.5 mW/cm 2 , cumulative irradiation amount: 300 mJ/cm 2 ) using a polarized ultraviolet exposure apparatus, and photo-alignment was performed with horizontal alignment control force.
  • a film P-1 is produced.
  • the obtained photo-alignment film P-1 is irradiated with non-polarized ultraviolet rays (illuminance of 4.5 mW/cm 2 , integrated irradiation dose of 2000 mJ) through a grayscale photomask from a direction perpendicular to the film surface.
  • a pattern-exposed photo-alignment film is produced.
  • composition A-1 Liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass Polymerization initiator (manufactured by BASF, Irgacure OXE01) 1.00 parts by mass Leveling agent T-1 0.08 parts by mass Methyl ethyl ketone 1050.00 parts by mass ⁇ ⁇
  • ⁇ Liquid crystal alignment pattern layer> First, for the first layer, the following composition A-1 was applied on the photo-alignment film P-1, the coating film was heated on a hot plate to 80 ° C., and then a high-pressure mercury lamp was used in a nitrogen atmosphere. The orientation of the liquid crystal compound was fixed by irradiating the coating film with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm at an irradiation dose of 300 mJ/cm 2 . The second and subsequent layers were overcoated on the liquid crystal fixing layer, heated under the same conditions as above, and then UV-cured to prepare a liquid crystal fixing layer.
  • the liquid crystal layer includes a region in which the horizontally aligned liquid crystal compound is fixed, a region in which the vertically aligned liquid crystal compound is fixed, and a liquid crystal compound that is gradually aligned from the horizontal alignment to the vertical alignment between the two regions. There is a region where the orientation direction of is changed and immobilized.
  • the liquid crystal alignment pattern layer formed from the composition A-1 has a refractive index of 1.7 during horizontal alignment and a refractive index of 1.55 during vertical alignment. A phase difference can be provided.
  • the dielectric pattern layer that serves as the phase correction layer may be produced, for example, by producing the uneven pattern of the dielectric pattern layer as described above and using a micro 3D printer.
  • a metasurface structure 2 shown below was produced by optical simulation.
  • a silicon oxide substrate having a thickness of 300 ⁇ m was used as the substrate of the metasurface structure 2 .
  • one unit cell (region X) is the above No. 1 to 8 resonators were used, and the resonator was arranged at the center of a square of 400 ⁇ 400 ⁇ m as shown in FIG.
  • Unit cells were formed by arranging resonators so that the distribution of the phase modulation amount as shown on the left side of FIG.
  • the design frequency was 300 GHz (1000 ⁇ m).
  • FIG. It has a repeating structure of blocks of 0.4 ⁇ 3.2 mm with an array of unit cells using 1 to 8 resonators in sequence.
  • phase modulation shown in FIG. 1 A phase correction layer (liquid crystal alignment pattern layer) using a liquid crystal compound having a distribution was formed to produce an optical member to serve as a transmission diffraction grating.
  • Liquid crystal compounds aligned horizontally with respect to the polarization direction p shown in FIG. Become. Therefore, as described above, a desired phase modulation amount can be obtained by controlling the alignment direction of the liquid crystal.
  • the amount of phase modulation of the phase correction layer (liquid crystal layer) was determined using a computer simulation so that the plane wave transmitted through the metasurface structure, substrate, and phase correction layer would have the ideal amount of phase modulation required for the diffraction grating. designed.
  • Comparative Example 1 was an optical member to be a transmissive diffraction grating having only the substrate and the metasurface structure 2 without forming the phase correction layer.
  • Example 2 The diffraction efficiency of Example 2 is 0.95, The diffraction efficiency of Comparative Example 2 was 0.88. From the above results, it was shown that the diffraction grating made of the optical member of the present invention has high diffraction efficiency, that is, high light utilization efficiency.
  • a COP film was produced by the method described in Japanese Patent No. 4991170.
  • the thickness of the COP film was 40 ⁇ m.
  • the prepared COP film was cut into squares of 4 ⁇ 4 cm.
  • the surface of the cut-out COP film was ultrasonically cleaned (45 kHz), it was placed at a film-forming position inside the sputtering film-forming apparatus.
  • argon gas was introduced, and sputtering was performed using Cu as a target to form a copper layer having a thickness of 200 ⁇ m on the surface of the COP film.
  • the formation of the copper layer was sequentially performed on each side of the COP film to form a copper layer having a thickness of 200 nm on both sides.
  • a photosensitive transfer member (negative type transfer material 1) disclosed in JP-A-2020-204757 was unwound, and one cover film was peeled off from the photosensitive transfer member.
  • the photosensitive transfer member and one surface (copper layer) of the formed COP film having the copper layers formed on both sides were placed so that the photosensitive resin layer exposed by peeling the cover film and the copper layer were in contact with each other. to obtain a laminate.
  • This bonding step was performed under conditions of a roll temperature of 100° C., a linear pressure of 1.0 MPa, and a linear velocity of 4.0 m/min.
  • the resulting laminate was irradiated with 100 mJ/cm 2 of an ultra-high pressure mercury lamp (main exposure wavelength: 365 nm) from the cover film side of the photosensitive transfer member through a photomask 42 shown in FIG.
  • the flexible resin layer was exposed.
  • square sections each having a side length of P1 (1041 ⁇ m) are two-dimensionally set in a square lattice shape in the orthogonal X and Y directions.
  • the X and Y directions correspond to the X and Y directions of a reflective metasurface diffraction grating (metasurface structure), which will be described later.
  • each square section is a square opening 46 with a side length of W1 (400 ⁇ m), a square opening 48 with a side length of W2 (820 ⁇ m), and a side length of W3 (820 ⁇ m). 935 ⁇ m) square openings 50 are formed.
  • openings 46, 48 and 50 are repeatedly formed in this order in the X direction.
  • the same openings are arranged in the Y direction. That is, the photomask 42 has a repeating row of openings 46, 48, 50, 46, 48, 50, 46, 48, . Facing columns are arranged in the Y direction.
  • the photomask 42 was removed and the cover film was peeled off from the photosensitive transfer member. After that, shower development was performed for 30 seconds using a 1.0% by mass sodium carbonate aqueous solution at a liquid temperature of 25° C. to form a resist pattern of a photosensitive transfer member on the copper layer.
  • the laminated body on which the resist pattern was formed was subjected to copper etching using a copper etchant (manufactured by Kanto Kagaku Co., Ltd., Cu-02) at 23° C. for 30 seconds. After that, the resist pattern was peeled off using propylene glycol monomethyl ether acetate to form a metasurface structure and fabricate a reflective metasurface diffraction grating 1 .
  • a copper etchant manufactured by Kanto Kagaku Co., Ltd., Cu-02
  • this reflective metasurface diffraction grating 1 has a COP base material with a thickness of 40 ⁇ m, and on one surface, A square section with a side length of P1 (1041 ⁇ m) is set in the X direction and the Y direction in a square grid shape.
  • a square plate-shaped resonator with a thickness of W1 (400 ⁇ m), a square plate-shaped resonator with a thickness of 200 nm and a side length of W2 (820 ⁇ m), and a square plate-shaped resonator with a thickness of 200 nm and a side length of W2 (820 ⁇ m) W3 (935 ⁇ m) square plate-shaped resonators are repeatedly arranged in this order, and a metasurface structure in which the same resonators are arranged in the Y direction, It has a copper layer as a reflective layer on one side of a base material made of COP.
  • a unit cell is a square section having one resonator and a side length P1 of 1041 ⁇ m.
  • the "square plate-shaped resonator” is also referred to as the "square resonator”.
  • the reflective metasurface diffraction grating 2 is arranged two-dimensionally in the shape of a square lattice and has a square section with a side length P1 of 1041 ⁇ m, and a square section having a thickness of 200 nm and a side length of 200 nm in the X direction.
  • a square resonator with a length W1 of 590 ⁇ m, a square resonator with a thickness of 200 nm and a side length of W2 of 900 ⁇ m, and a square with a thickness of 200 nm and a side length of W3 of 925 ⁇ m. are repeatedly arranged in this order, and a metasurface structure in which the same resonators are arranged in the Y direction.
  • Both of the manufactured reflective metasurface diffraction gratings 1 and 2 have a polar angle of 73.7° when light with a frequency of 100 GHz is incident from the normal direction. It is designed to diffract and reflect incident light. That is, both the reflective metasurface diffraction grating 1 and the reflective metasurface diffraction grating 2 are 73.7° in the +1 direction, 0° in the 0th order direction (regular reflection), and -73.7° in the -1st order direction. is a reflective diffraction grating. In the reflective metasurface diffraction grating, since the reflection efficiency of the resonator differs between the example with the phase correction layer and the comparative example without the phase correction layer, the size of the resonator is adjusted to match the reflection angle.
  • Example 3 ⁇ Formation of photo-alignment film> A photo-alignment film P-1 having alignment control force in the horizontal direction was produced by the method described above. The thickness of the photo-alignment film P-1 was set to 60 nm. A float glass having a size of 4 ⁇ 4 cm and a thickness of 1 mm was used as a support for forming the photo-alignment film P-1.
  • a striped mask was prepared in which a transmission portion with a width of 347 ⁇ m and a light shielding portion with a width of 2776 ⁇ m were alternately formed.
  • the stripe arrangement direction corresponds to the X direction of the reflective metasurface diffraction grating (metasurface structure), and the stripe arrangement direction corresponds to the Y direction.
  • the photo-alignment film P is formed by a mask so that the end of the transmissive portion in the width direction coincides with one side of the photo-alignment film P-1 and the transmissive portion is positioned in the plane of the photo-alignment film P-1. Covered -1.
  • the ultraviolet rays had an illuminance of 4.5 mW/cm 2 and an integrated dose of 300 mJ/cm 2 .
  • the angle of the absorption axis is the angle with respect to the width direction of the stripe, and the clockwise direction is positive. That is, when the angle of the absorption axis is 0°, the angle of the absorption axis matches the width direction (X direction) of the stripe. That is, when the angle of the absorption axis is 90°, the angle of the absorption axis coincides with the longitudinal direction (Y direction) of the stripe.
  • the angle of the absorption axis of the wire grid polarizer is ⁇ 1 is 0°, ⁇ 2 is 16°, ⁇ 3 is 86°, ⁇ 4 is 86°, ⁇ 5 is 0°, ⁇ 6 is 6°, ⁇ 7 is 68°, ⁇ 8 is 29°, ⁇ 9 is 4°, and
  • phase correction layer After forming a liquid crystal alignment pattern layer with a thickness of 500 ⁇ m by the method described above using the composition A-1 described above on the photo-alignment film thus prepared, the liquid crystal alignment pattern layer is peeled off from the photo-alignment film. to obtain a phase correction layer.
  • the angle of the absorption axis of the wire grid polarizer when forming the photo-alignment film is as described above. Therefore, the formed phase correction layer (liquid crystal alignment pattern layer) has a stripe shape with a width of 347 ⁇ m, and the angles of the optical axes of the liquid crystal compounds in the stripes are ⁇ 1 (0°) and ⁇ 2 (16°) in the arrangement direction of the stripes.
  • phase correction layer is laminated on the reflective metasurface diffraction grating 1 with the liquid crystal orientation pattern facing the metasurface structure and the four sides aligned to form an optical member serving as a reflective diffraction grating. was made.
  • the retardation layer was laminated so that the width direction of the stripes in the liquid crystal alignment pattern coincided with the X direction in the metasurface structure, and the longitudinal direction of the stripes coincided with the Y direction in the metasurface structure.
  • a unit cell is a square section having a side length of 1041 ⁇ m and having one resonator.
  • the metasurface structure includes, in the X direction, a square resonator having a side length of W1 (400 ⁇ m), a square resonator having a side length of W2 (820 ⁇ m), and 1 Square resonators with a side length of W3 (935 ⁇ m) are repeatedly arranged in this order.
  • the same resonators are arranged in the Y direction.
  • the width W4 of the stripes in the liquid crystal alignment pattern is 347 ⁇ m.
  • the length of one side of the square resonator constituting the metasurface structure W1 is 400 ⁇ m
  • W2 is 820 ⁇ m
  • W3 is 935 ⁇ m
  • the thickness T1 is 200 nm.
  • the length P1 of the square section that forms one unit cell is 1041 ⁇ m. Therefore, the total length P2 of three unit cells formed repeatedly is 3123 ⁇ m.
  • the substrate is a COP film
  • the thickness T2 is 40 ⁇ m.
  • the reflective layer is a copper layer with a thickness T3 of 200 nm.
  • the phase correction layer has a liquid crystal alignment pattern layer with a thickness T4 of 500 ⁇ m, a liquid crystal alignment pattern layer extending in the Y direction and having a striped liquid crystal alignment pattern aligned in the X direction, and the stripe width W4 is 347 ⁇ m.
  • the reflective metasurface diffraction grating 2 was used as an optical member serving as a reflective diffraction grating.
  • the reflection efficiency of the manufactured optical member was measured by the following method. Diffraction reflection to the designed angle (73.7°) when light is incident from the normal direction and reflected by the optical member manufactured using Impatt Diode (manufactured by Terasense) with a center wavelength of 100 GHz as a light source. was photographed using a two-dimensional Sub-THz imaging camera (Terasense, Tera-1024). The integrated value of the brightness of all pixels of the imaging camera was taken as the reflection intensity in that direction.
  • Reflection intensities in the ⁇ 1st order ( ⁇ 73.7°), 0th order (specular reflection, 0°) and +1st order (73.7°) directions were measured and designated as P ⁇ 1, P0 and P1, respectively.
  • the ratio of reflection (P1/(P ⁇ 1+P0+P1)) to the designed direction (+1st order, 73.7°) was defined as the reflection efficiency.
  • Example 3 The reflection efficiency of Example 3 is 0.61
  • the reflection efficiency of Comparative Example 3 was 0.41. From the above results, it was shown that the reflective diffraction grating using the optical member of the present invention has high diffraction efficiency, that is, high light utilization efficiency. From the above results, the effect of the present invention is clear.
  • Reference Signs List 10 30 optical member 12 substrate 12a first substrate 12b second substrate 14 metasurface structure 14a first metasurface structure 14b second metasurface structure 16, 32 phase correction layer 20 resonator 36 filling layer 38 reflection layer 100 Lens (metalens) fw plane wave F focus

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Abstract

メタサーフェス構造体を用いる、光の利用効率が高い光学部材の提供を課題とする。基板と、配列した複数の微細構造体から構成され、位相変調量が互いに異なる複数の領域Ｘから構成される領域Ａを、複数、有する、メタサーフェス構造体と、メタサーフェス構造体の波面収差を補正する位相補正層と、を有し、メタサーフェス構造体の領域Ｘは、位相変調量が、一方向に、段階的に減少するものであり、位相補正層は、領域Ａに対応して、位相変調量が変化する領域を有することにより、課題を解決する。

Description

光学部材
　本発明は、メタサーフェス構造体を用いる光学部材に関する。
　メタサーフェス構造体は、配列した微細構造体によって、透過波および反射波に所望の位相特性を付与して、可視光を含む電磁波を所望の方向に曲げることができる。そのため、メタサーフェス構造体は、集光レンズ、コリメートレンズ、および、回折格子などの様々な光学部材への応用が期待される。
　ここで、メタサーフェス構造体は、上述のように、配列した微細構造体によって電磁波に位相特性を付与することで、電磁波を例えば屈折させる。
　このようなメタサーフェス構造体を用いる光学部材は、平板状であり、通常の光学的な屈折レンズのような厚さは不要であり、また、回折レンズ（フレネルレンズ）のような急峻な溝構造を有する凹凸等の形成も不要である。
　すなわち、メタサーフェス構造体を用いることにより、非常に薄い平板状の光学部材を実現できる。
　そのため、メタサーフェス構造体に関して、様々な提案がされている。
　例えば、特許文献１には、波長４００～２０００ｎｍの特定の波長の電磁波に対して共振する複数の微細共振器が、波長４００～２０００ｎｍの電磁波を透過し、かつ、厚さが５０μｍ以下である樹脂フィルムの面方向に配置されているメタサーフェス構造体を有するフィルム（メタマテリアルフィルム）が記載されている。
　このフィルムは、曲面および凹凸面を有する対象物にも、メタサーフェス構造体を簡便に実装することができ、メタサーフェス構造体を様々な形状の物質に利用することを可能にしている。
特開２０１７－１７５２０１号公報
　上述のように、メタサーフェス構造体は、通常、配列した微細構造体で構成される。
　具体的には、メタサーフェス構造体は、金属製または誘電体製の微細構造体である共振器を平面上に配列してなるものであり、共振器と、共振器の回りの空間とで形成されるユニットセルの配列で構成される。
　すなわち、メタサーフェス構造体は、二次元的に離散的な構造を有する。
　そのため、メタサーフェス構造体は波面収差を有し、透過または反射された電磁波の波面は、空間的に離散的な位相分布となり、理想的な連続的な位相分布から外れる。
　例えば、図２１に概念的に示すように、平面波ｆｗがメタサーフェス構造体を用いるレンズ（メタレンズ）１００を透過して集光された場合には、位相分布が設計値からズレて、波面は、破線で示す理想的な曲面ではなく、乱れを有する曲面となる。
　その結果、メタサーフェス構造体を利用する集光レンズでは、焦点Ｆの位置がズレる、焦点Ｆが広がる、焦点Ｆ以外の位置に集光される、等の不都合が生じる。
　また、メタサーフェス構造体を利用するコリメートレンズでは、透過したビームの平行度が低下する等の不都合が生じる。さらに、メタサーフェス構造体を利用する回折格子では、回折効率が低下する等の不都合が生じる。
　すなわち、従来のメタサーフェス構造体を利用する光学部材は、光の利用効率が十分ではないという問題がある。
　本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、メタサーフェス構造体を用いる、光の利用効率が高い光学部材を提供することにある。
　この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
　［１］　基板と、
　基板の少なくとも一方の面に形成された、配列した複数の微細構造体から構成され、１つまたは複数の微細構造体を有する領域を領域Ｘとした際に、位相変調量が互いに異なる複数の領域Ｘから構成される領域Ａを、複数、有する、メタサーフェス構造体と、
　基板の少なくとも一方の面に形成された、メタサーフェス構造体の波面収差を補正する位相補正層と、を有し、
　メタサーフェス構造体において、領域Ａを構成する領域Ｘは、位相変調量が、一方向に、段階的に減少するものであり、
　位相補正層は、領域Ａに対応して、位相変調量が変化する領域を有する、光学部材。
　［２］　位相補正層は、領域Ａに対応して、位相変調量が減少する領域を有する、［１］に記載の光学部材。
　［３］　位相補正層は、２つ以下の領域Ｘに対応して、位相変調量が変化する領域を有する、［１］または［２］に記載の光学部材。
　［４］　位相補正層は、領域Ｘの個々に対応して、位相変調量が変化する領域を有する、［３］に記載の光学部材。
　［５］　位相補正層は、液晶化合物を用いて形成された層である、［１］～［４］のいずれかに記載の光学部材。
　［６］　位相補正層は、配向方向が異なる液晶化合物を含む領域を、複数、有する［５］に記載の光学部材。
　［７］　配向方向が異なる液晶化合物を含む領域において、液晶化合物の配向方向が連続的に変化している、［６］に記載の光学部材。
　［８］　位相補正層は、位相変調量に対応して高さが変化している部材から構成される、［１］～［４］のいずれかに記載の光学部材。
　［９］　位相変調量に対応して高さが変化している部材において、部材の高さが連続的に変化している、［８］に記載の光学部材。
　［１０］　　透過型レンズ、透過型回折格子、反射型レンズ、および、反射型回折格子のいずれかである、［１］～［９］のいずれかに記載の光学部材。
　［１１］　メタサーフェス構造体が対象とする光の波長が、１０μｍ～１ｃｍである、［１］～［１０］のいずれかに記載の光学部材。
　本発明によれば、メタサーフェス構造体を用いる、光（可視光を含む電磁波）の利用効率が高い光学部材が提供される。
図１は、本発明の光学部材の一例を概念的に示す図である。 図２は、本発明の光学部材の構成の一例を説明するための概念図である。 図３は、メタサーフェス構造体の位相特性の一例を概念的に示す図である。 図４は、メタサーフェス構造体の一例を概念的に示す図である。 図５は、本発明の光学部材の概要を説明するための概念図である。 図６は、本発明の光学部材の一例を説明するための概念図である。 図７は、本発明の光学部材の別の例を説明するための概念図である。 図８は、本発明の光学部材の別の例を概念的に示す図である。 図９は、本発明の光学部材の別の例を概念的に示す図である。 図１０は、本発明の光学部材の別の例を概念的に示す図である。 図１１は、本発明の光学部材の別の例を概念的に示す図である。 図１２は、本発明の光学部材の別の例を概念的に示す図である。 図１３は、実施例のユニットセルを説明するための概念図である。 図１４は、本発明の実施例を説明するための概念図である。 図１５は、本発明の実施例を説明するための概念図である。 図１６は、本発明の実施例を説明するための概念図である。 図１７は、本発明の実施例を説明するための概念図である。 図１８は、本発明の実施例を説明するための概念図である。 図１９は、本発明の実施例を説明するための概念図である。 図２０は、本発明の実施例を説明するための概念図である。 図２１は、メタサーフェス構造体を説明するための概念図である。
　以下、本発明の光学部材について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
　本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
　本明細書において、「同一」は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。
　以下に示す図は、いずれも、本発明の光学部材を説明するために概念的な図である。従って、各部材の形状、大きさ、厚さ、および、位置関係等は、必ずしも、実際のものとは一致しない。
　図１に、本発明の光学部材の一例を概念的に示す。
　図１に示す光学部材１０は、基板１２と、基板１２の一方の表面に形成されたメタサーフェス構造体１４と、基板１２の他方の面に形成された位相補正層１６とを有する。
　図示例において、光学部材１０は、一例として、メタサーフェス構造体１４を用いる透過型の集光レンズ（メタ集光レンズ）である。
　メタサーフェス構造体１４は、基板１２の表面に、微細構造体である共振器２０を配列してなるものである。メタサーフェス構造体１４は、１つの共振器２０と、共振器２０の周辺の空間とからなるユニットセルの配列によって、共振器２０の共鳴を利用して位相変調を行い、ホイヘンスの原理に応じて、可視光を含む電磁波を曲げる。
　以下の説明では、便宜的に、可視光を含む様々な波長の電磁波をまとめて、単に『光』ともいう。
　上述のように、光学部材１０は、透過型の集光レンズであるので、メタサーフェス構造体１４は、透過した光を位相変調によって屈折させて、集光する。
　位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４の波面収差を補正するものである。
　すなわち、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４を透過した光の位相を調節して、適正な位相分布とし、光の波面を適正な曲面（球面波）とするものである。
　また、本発明の光学部材が、後述する図１２に示すような反射型である場合には、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４および基板１２を透過し、反射層３８で反射され、再度、基板１２およびメタサーフェス構造体１４を透過した光の位相を調節して、適正な位相分布とし、光の波面を適正な曲面（球面波）とするものである。
　図示例の光学部材１０において、基板１２は、メタサーフェス構造体１４および位相補正層１６を支持するものである。また、本発明の光学部材が後述する図１２に示すような反射型である場合には、基板１２は、メタサーフェス構造体１４および反射層３８を支持するものである。
　基板１２には制限はなく、メタサーフェス構造体１４および位相補正層１６を支持可能で、かつ、光学部材１０（メタサーフェス構造体１４）が対象とする波長の光が透過可能であれば、公知の各種のシート状物（フィルム、板状物）が利用可能である。
　基板１２としては、一例として、酸化シリコンを有するシリコン基板などの酸化物絶縁層を有する金属基板、酸化シリコンなどの酸化物からなる基板、ゲルマニウム基板およびカルコゲナイドガラス基板などの半導体基板、ポリメチルメタクリレートなどのポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリカーボネートフィルムおよびポリ塩化ビニルフィルムなどの樹脂フィルム、ならびに、ガラス板等が例示される。シクロオレフィンポリマー系フィルムとしては、一例として、ＪＳＲ社製の商品名「アートン」、および、日本ゼオン社製の商品名「ゼオノア」等が例示される。
　基板１２の厚さにも制限はなく、メタサーフェス構造体１４および位相補正層１６を支持でき、光学部材１０が対象とする光に対して十分な透過性が得られ、さらに、光学部材１０の用途等に応じて十分な強度が得られ厚さを、基板１２の形成材料に応じて、適宜、設定すればよい。
　基板１２の一方の表面には、メタサーフェス構造体１４が形成される。
　上述のように、メタサーフェス構造体１４は、微細構造体である共振器２０を、離間して、平面上に二次元的に配列してなるものであり、基本的に１個の共振器２０と、共振器２０の周囲の空間とで形成されるユニットセルの配列によって構成される。
　本発明の光学部材において、メタサーフェス構造体は、基本的に、公知のメタサーフェス構造体（メタマテリアル）である。
　従って、共振器２０の形状および形成材料、共振器２０の配列、ならびに、共振器２０の間隔（ピッチ）等にも、制限はない。
　また、メタサーフェス構造体１４は、目的とする光学特性に応じて、公知の方法で設計すればよい。一例として、用いる共振器２０を透過する波の振幅および位相を市販のシミュレーションソフトを用いて算出し、目的とする位相変調量（屈折率）の分布となるように、共振器２０の配列を設定すればよい。
　図示例の光学部材１０、すなわちメタサーフェス構造体１４は、一例として、透過型の集光レンズ（透過型レンズ）である。従って、メタサーフェス構造体１４は、ユニットセルの配列によって、共振器２０による共鳴を利用して透過する光の位相を変調して、位相変調によるホイヘンスの原理に応じて光を屈折して、集光する。
　なお、本発明の光学部材すなわち本発明の光学部材を構成するメタサーフェス構造体は、図示例のような透過型の集光レンズに制限はされない。すなわち、本発明の光学部材すなわち本発明の光学部材を構成するメタサーフェス構造体は、透過型回折格子、反射型レンズおよび反射型回折格子（リフレクトアレイ）等であってもよい。
　図２に、光学部材１０における位相変調特性を概念的に示す。
　メタサーフェス構造体１４は、図２の上段に概念的に示すように、透過する光の位相変調量が互いに異なる領域Ｘを、複数、有する領域Ａを、基板１２の面方向に配列してなる構成を有する。領域Ｘは、１個の共振器２０を有する。従って、この領域Ｘが、メタサーフェス構造体１４における１つのユニットセルに対応する。
　なお、本発明の光学部材において、１つの領域Ｘすなわち１つのユニットセルが有する共振器２０の数は、基本的に１つであるが、本発明は、これに制限はされない。すなわち、本発明の光学部材では、目的とする光学特性、共振器２０の大きさ、形成材料および形状、ならびに、領域Ｘの大きさ等に応じて、必要に応じて、１つの領域Ｘが、複数の共振器２０を有してもよい。ただし、１つの領域Ｘが、複数の共振器２０を有する場合には、基本的に、領域Ｘの各共振器が存在する空間における位相変調量は等しい。
　図２において、領域Ｘの高さは、透過光の位相変調量を示す。図２における透過光の位相変調量は、透過光の位相の遅れ量である。領域Ｘにおける透過光の位相変調量の最大値は３６０°である。
　また、図２において、横方向は基板１２の面方向である。
　図示例において領域Ａは、一例として、互いに位相変調量が異なる４つの領域Ｘ１～Ｘ４を有する。１つの領域Ａにおいて、領域Ｘ（ユニットセル）は、変調量が、一方向に向かって、順次、減少するように、領域Ｘ１、領域Ｘ２、領域Ｘ３および領域Ｘ４の順番で配列される。
　上述のように、図１に示す光学部材１０すなわちメタサーフェス構造体１４は、集光レンズである。
　従って、一例として、領域Ａでは、中心から外方向に向かって、位相変調量が、漸次、小さくなるように、領域Ｘ（ユニットセル）を配列する。さらに、面方向の領域Ａの大きさは、中心から外方向に向かって、漸次、小さくなる。従って、集光レンズの中心を通る直線上において、中心の両側では、領域Ａにおいて領域Ｘが、漸次、小さくなる方向、および、領域Ａが、漸次、小さくなる方向が、逆になる。
　また、光学部材が、例えば凹レンズである場合には、領域Ａでは、中心から外方向に向かって、位相変調量が、漸次、大きくなるように、領域Ｘを配列する。
　さらに、光学部材が、例えば回折格子である場合には、光の回折方向に応じて、同じ領域Ａが、領域Ｘが、漸次、小さくなる方向を一致して、一方向に配列される。
　共振器２０の形状および形成材料、共振器２０の配列、ならびに、共振器２０の間隔等を、適宜、選択して組み合わせることで、焦点距離など、集光レンズとなるメタサーフェス構造体１４の光学特性を、適宜、設定できる。
　図３に、メタサーフェス構造体１４の位相変調特性の一例を概念的に示す。
　図２と同様、図３においては、高さ（縦軸）は透過光の位相変調量（遅れ量）を示し、横軸は基板１２の面方向を示す。位相変調量は、最大、３６０°である。なお、一点鎖線は、光学部材１０（メタサーフェス構造体１４）すなわち集光レンズの光軸を示す。
　上述のように、このメタサーフェス構造体１４は、中心から周辺に向かって、位相変調量（位相の遅れ量）が、漸次、小さくなるように、４つの領域Ｘを配列した領域Ａを有する。また、領域Ａも、中心から周辺に向かって、位相変調量が、漸次、小さくなるように、面方向の大きさが中心から周辺に向かって、漸次、小さくなる。メタサーフェス構造体１４は、このような位相変調特性を有することにより、ホイヘンスの原理によって、入射して透過する光を集光する。
　図４に、集光レンズとして作用するメタサーフェス構造体１４の構成の一例を概念的に示す。
　このメタサーフェス構造体１４は、基板１２の表面に、直方体状の共振器２０を配列したものである。図示例において、共振器２０は、直方体の最長辺の方向を一致して配列されている。
　また、図４に示すメタサーフェス構造体１４は、主に、共振器２０の直方体の最長辺の方向の直線偏光に対応するものである。
　このような共振器２０を、間隔を調節して配置して、ユニットセル（領域Ａ）を配列することにより、位相変調によるホイヘンスの原理によって光を屈折し、集光する。
　上述のように、本発明の光学部材１０において、メタサーフェス構造体１４を構成する共振器２０の形成材料には、制限はなく、公知のメタサーフェス構造体において共振器として用いられているものが、各種、利用可能である。
　メタサーフェス構造体１４の共振器２０を形成する材料としては、金属および誘電体が例示される。金属の場合、光学損失が少ない等の点で、銅、金、および、銀が好ましく例示される。他方、誘電体の場合、屈折率が大きく大きな位相変調が可能である等の点で、シリコン、酸化チタン、および、ゲルマニウムが好ましく例示される。
　同様に、メタサーフェス構造体１４を構成する共振器２０の形状にも、制限はなく、公知のメタサーフェス構造体において共振器として用いられている形状が、各種、利用可能である。
　一例として、上述のような直方体状、後述する実施例１（図１３参照）に示すような円柱形状、後述する実施例３に示すような正方形の板状、特開２０１８－４６３９５号公報に示されるような直方体を端部で接続したようなＶ字状の底面を有する立体、直方体を交差させたような十字状の底面を有する立体、Ｈ鋼のような略Ｈ字状の底面を有する立体、および、Ｃチャンネルのような略Ｃ字状の底面を有する立体、等が例示される。
　また、特開２０１８－４６３９５号公報に示されるように、Ｖ字状の底面を有する立体、および、十字状の底面を有する立体は、２つの直方体が成す角度を調節した、様々な形状が利用可能である。
　これ以外にも、『Appl. Sci. 2018, 8(9), 1689; https://doi.org/10.3390/app8091689』のFigure.5に示されるような底面形状を有する立体等も、利用可能である。
　メタサーフェス構造体１４において、これらの形状の共振器２０は、１つのみを用いてもよく、あるいは、複数を併用してもよい。
　また、同じ共振器２０の向きは、図４に示すように同じでも、異なっても、同じ向きのものと異なる向きのものとが混在してもよい。
　本発明の光学部材１０において、メタサーフェス構造体１４が対象とする光の波長には、制限はなく、可視光を含む各種の波長の電磁波を対象にできる。
　中でも、従来の技術で作製したレンズおよび回折格子などの光学部材では、光の利用効率が低い等の点で、波長１０μｍ～１ｃｍの光は、好適に例示される。
　本発明の光学部材は、上述のよう透過型の集光レンズに制限はされず、コリメートレンズ、凹レンズ（拡散レンズ）、および、回折格子等、メタサーフェス構造体によって実現可能な公知の光学部材（光学部材）が、各種、利用可能である。さらに、後述するように、反射板と組み合わせることで、反射型レンズおよび反射型回折格子等としてもよい。
　本発明の光学部材すなわちメタサーフェス構造体が、どのような光学部材として作用するかは、共振器２０の形状および形成材料、共振器２０の配列、ならびに、共振器２０の間隔等を、適宜、選択して組み合わせることで、設定できる。さらに、回折格子による光の回折角等の光学部材の特性も、集光レンズと同様、これらの要素を、適宜、組み合わせることで、調節できる。
　光学部材１０において、基板１２のメタサーフェス構造体１４とは逆側の面には、位相補正層１６が設けられる。
　上述のように、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４の波面収差を補正する層である。すなわち、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４を透過した光の位相を調節して、適正な位相分布とし、波面を適正な曲面（球面波）とするものである。
　このような位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４の領域Ａに対応して、位相変調量が異なる領域を有する。
　上述のように、メタサーフェス構造体１４は、微細構造体である共振器２０を配列することで、共振器２０と共振器２０の周辺の空間で構成されるユニットセルを配列して構成される。そのため、メタサーフェス構造体１４は、二次元的に離散的な構造を有する。
　このようなメタサーフェス構造体１４は波面収差を有する。
　そのため、上述した図２１および図５に概念的に示すように、メタサーフェス構造体１４に平面波ｆｗが入射して、透過すると、位相変調によってホイヘンスの原理で集光される光の波面は、破線で示す理想的な曲面（球面波）とはならず、位相分布が設計値とは異なる乱れた曲面となる。
　これに対して、本発明の光学部材１０は、メタサーフェス構造体１４に加え、位相補正層１６を有する。
　上述のように、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４の領域Ａに対応して、位相変調量が異なる領域を有する。具体的には、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４の領域Ａに対応して、位相変調量が異なる領域を有するものであり、メタサーフェス構造体１４を透過した光の位相のズレとは逆の方向に、メタサーフェス構造体１４を透過した光の位相を調節する。
　その結果、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４が有する波面収差を補正して、図５に概念的に示すように、メタサーフェス構造体１４によって集光された光を、適正な位相分布として、波面が適正な曲面である光とする。
　位相補正層１６による位相変調の特性の一例を、図２に概念的に併記する。
　図２において、位相補正層１６の高さは、位相補正層１６による位相変調量を示す。この位相変調量は、位相補正層１６が透過光に与える位相の遅れ量である。また、横方向は、メタサーフェス構造体１４と同様、基板１２の面方向である。
　図２に示すように、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４の領域Ａにおける位相変調量に対応して、位相変調量が減少する領域を有する。具体的には、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４の領域Ａにおける領域Ｘの配列すなわち一方向への位相変調量の減少に応じて、位相変調量が減少する領域を有する。
　これにより、位相補正層１６は、メタサーフェス構造体１４を透過して集光された光の位相を、波面収差によるズレとは逆の方向に調節して、適正な位相分布として、波面が適正な曲面である光とすることができる。
　図２に示される例では、下段に示す位相補正層１６は、好ましい態様として、２つの領域Ｘに対応して、位相変調量が漸減する１つの領域を有する。また、図２に示される例では、上段に示す位相補正層１６は、より好ましい態様として、個々の領域Ｘに対応して、位相変調量が漸減する１つの領域を有する。
　しかしながら、本発明の光学部材１０において、位相補正層１６は、これに制限はされない。例えば、位相補正層は、領域Ａに対応して、位相変調量が漸減する領域を、１つ、有するものであってもよい。
　ここで、メタサーフェス構造体１４が波面収差を有するのは、上述のように、メタサーフェス構造体１４が、共振器２０と周囲の空間とで構成されるユニットセルを配列してなる離散的な構成を有するためである。
　すなわち、メタサーフェス構造体１４が波面収差を有するのは、メタサーフェス構造体１４が、ユニットセルすなわち位相変調量が一定である領域Ｘの配列で構成される点に起因する。
　この点を考慮すると、位相補正層１６において、位相変調量が漸減する領域は、図２の下段に示す位相補正層１６のように、２つ以下の領域Ｘに対応するのが好ましく、図２の上段に示す位相補正層１６のように、個々の領域Ｘに対応するのがより好ましい。
　また、図２に示す位相補正層１６は、好ましい態様として、１つの領域では、位相変調量が一方向に漸減しているが、本発明は、これに制限はされない。
　例えば、メタサーフェス構造体１４と位相補正層１６との距離によっては、メタサーフェス構造体１４による位相の乱れが訛って、位相の乱れの状態が、メタサーフェス構造体１４を透過した直後と、位相補正層１６に入射する際とで、異なる場合がある。すなわち、本発明の光学部材１０において、位相補正層１６に入射する際における光の位相の乱れは、様々な要因に応じて、変化する。
　これに対応して、本発明の光学部材１０の位相補正層１６は、１つの領域において、位相変調量が一方向に均等な領域を有してもよく、また、一方向に位相変調量が増加する領域を有してもよく、また、両者を有してもよい。
　さらに、図２に示される例では、位相補正層１６において、位相変調量は連続的に漸減（変化）しているが、本発明は、これに制限はされない。
　すなわち、本発明の光学部材におて、位相補正層１６における位相変調量は、例えば、１つの領域Ｘに対応して段階的に漸減してもよく、あるいは、複数の領域Ｘに対応して段階的に漸減してもよい。また、この途中に、位相変調量が一方向に均等な領域、および、一方向に位相変調量が増加する領域を有してもよいのは、上述のとおりである。
　位相補正層１６における位相の変調量には、制限はない。
　ここで、メタサーフェス構造体１４による位相変調量は、最大で３６０°である。この点を考慮すると、位相補正層１６における位相の変調量は、最大で１８０°とするのが好ましい。
　位相補正層１６における位相の変調量を１８０°以下とすることにより、メタサーフェス構造体１４の透過光の位相の乱れを過補正することを抑制して、より適正な波面を有する光を得ることができる。
　また、位相補正層１６の厚さにも制限はなく、位相補正層１６の形成材料、および、目的とする位相の変調量等に応じて、適宜、設定すればよい。位相補正層１６の厚さは、１～１００００μｍが好ましく、１０～５０００μｍがより好ましく、１００～２０００μｍがさらに好ましい。
　位相補正層１６には、制限はなく、透過する光の位相を変調できるものが、各種、利用可能である。
　好ましい位相補正層１６として、液晶化合物を用いて形成された層が例示される。図１は、この液晶化合物を用いて形成した位相補正層１６を示している。
　具体的には、液晶化合物の配向方向を調節することで、面内に、位相変調量が異なる領域を設けてなる、液晶配向パターン層からなる位相補正層１６が例示される。
　好ましくは、上述のように、領域Ｘ（ユニットセル）の２つ、より好ましくは１つに対応して、配向方向が異なる液晶化合物を有する領域を有し、この領域を配列した位相補正層１６が例示される。
　上述した図３に示す位相変調特性を有する、集光レンズとして作用するメタサーフェス構造体１４を用いた場合における、メタサーフェス構造体１４と位相補正層１６との組み合わせを図６に概念的に示す。
　図６に示す例では、より好ましい態様として、破線ｃで示す１個の領域Ｘ（ユニットセル）に対応して、位相補正層１６が１つの領域ａを有する。
　また、図６に示す例では、ユニットセルは、図４に示すような直方体状の共振器２０によって構成され、対象とする光の偏光方向ｐは、先と同様、共振器２０の直方体の最長辺の方向である。
　図６に示す位相補正層１６は、一例として、棒状液晶化合物を用いるものであり、領域ａにおいて、配向方向が異なる棒状液晶化合物を有する。
　棒状液晶化合物は、水平配向すなわち面方向に配向された場合には、位相変調量が大きく、すなわち屈折率が大きい。棒状液晶化合物が水平配向された場合とは、領域ａに最長円で示す場合である。
　また、垂直配向に近くなるほど位相変調量が小さくなって、すなわち屈折率が小さくなり、垂直配向すなわち厚さ方向に配向された状態で、位相変調量が最小になって、すなわち屈折率が最小になる。棒状液晶化合物が垂直配向された場合とは、領域ａに円で示す場合である。
　これに応じて、図６に示すように、メタサーフェス構造体１４の領域Ａにおける領域Ｘの配列すなわち位相変調量の減少方向に向かって、屈折率が、漸次、小さくなるように棒状液晶化合物を配向した領域ａを、メタサーフェス構造体１４の領域Ｘに対応して配列する。
　これにより、図６の上段に示すメタサーフェス構造体１４の離散的な位相変調分布と、図６の中段に示す位相補正層１６によるメタサーフェス構造体１４の領域Ｘに対応する位相変調分布との組み合わせによって、光学部材１０の位相変調特性は、図６の下段に示す、連続的な位相変調分布となる。
　その結果、メタサーフェス構造体１４が有する波面収差を補正して、集光する光の波面を、適正な曲面状とすることができる。
　図７に、上述した図４に示すメタサーフェス構造体１４に対応する液晶の配向パターンの一例を概念的に示す。
　図７に示す例において、位相補正層１６は、図７の左側に示すように、共振器２０の直方体の最長辺の方向ｒ１に、中心から周辺方向に向かって、屈折率すなわち位相変調量が、漸次、大きくなるように、棒状液晶化合物を配向した領域を配列する。なお、上述のように、共振器２０の直方体の最長辺の方向は、対象とする光の偏光方向でもある。
　従って、図７の中央に示すように、この方向ｒ１と直交する方向ｒ２には、配向方向が同じ棒状液晶化合物が配列される。
　さらに、両者の中間の方向ｒ３では、図７の右側に示すように、棒状液晶化合物の面方向の配向方向が２種のマルチドメイン、または、棒状液晶化合物の面方向の配向方向が様々な方向であるランダム水平ドメインのように、棒状液晶化合物が配列される。
　本発明の光学部材１０において、液晶化合物を用いる位相補正層１６、すなわち液晶配向パターン層において、液晶化合物には、制限はなく、従って、図６および図７に示したような棒状液晶化合物であってもよく、円盤状液晶化合物であってもよい。
―棒状液晶化合物―
　棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。
　棒状液晶化合物としては、以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
　位相補正層１６においては、棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましい。
　重合性棒状液晶化合物としては、Ｍａｋｒｏｍｏｌ．　Ｃｈｅｍ．，　１９０巻、２２５５頁（１９８９年）、Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　５巻、１０７頁（１９９３年）、Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　２巻、０３６００２項（２０２０年）、米国特許４６８３３２７号明細書、同５６２２６４８号明細書、同５７７０１０７号明細書、国際公開第９５／２２５８６号、同９５／２４４５５号、同９７／００６００号、同９８／２３５８０号、同９８／５２９０５号、特開平１－２７２５５１号公報、同６－１６６１６号公報、同７－１１０４６９号公報、同１１－８００８１号公報、および、特願２００１－６４６２７号公報などに記載の化合物を用いることができる。
　さらに棒状液晶化合物としては、例えば、特表平１１－５１３０１９号公報および特開２００７－２７９６８８号公報に記載のものも好ましく用いることができる。
―円盤状液晶化合物―
　円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７－１０８７３２号公報および特開２０１０－２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
　上述のように液晶化合物を配向した位相補正層１６すなわち液晶配向パターン層は、液晶化合物を配向した公知の液晶配向パターン層と同様、所望の配向パターンを有する配向膜の上に液晶化合物を含む組成物を塗布して、乾燥し、必要に応じて、液晶化合物を重合することで、形成できる。
　なお、本発明の光学部材１０において、位相補正層１６は、配向膜を形成した支持体と、配向膜と、液晶配向パターン層とを有するものであってもよく、あるいは、支持体を剥離して配向膜と液晶配向パターン層とを有するものであってもよく、あるいは、液晶配向パターン層から配向膜を剥離して、液晶配向パターン層のみを位相補正層１６として基板１２に貼着したものでもよい。
―配向膜―
　本発明の光学部材１０において、位相補正層１６を構成する液晶配向パターン層を形成するための配向膜は、公知の各種のものが利用可能である。
　配向膜としては、例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω－トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるＬＢ（Langmuir-Blodgett：ラングミュア・ブロジェット）膜を累積させた膜、等が例示される。
　ラビング処理による配向膜は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。
　配向膜に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平９－１５２５０９号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開２００５－９７３７７号公報、特開２００５－９９２２８号公報、および、特開２００５－１２８５０３号公報記載の配向膜等の形成に用いられる材料が好ましく例示される。
　本発明の光学部材において、配向膜は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、本発明の光学部材においては、配向膜として、支持体上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
　偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
　本発明に利用可能な光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開２００６－２８５１９７号公報、特開２００７－７６８３９号公報、特開２００７－１３８１３８号公報、特開２００７－９４０７１号公報、特開２００７－１２１７２１号公報、特開２００７－１４０４６５号公報、特開２００７－１５６４３９号公報、特開２００７－１３３１８４号公報、特開２００９－１０９８３１号公報、特許第３８８３８４８号公報および特許第４１５１７４６号公報に記載のアゾ化合物、特開２００２－２２９０３９号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開２００２－２６５５４１号公報および特開２００２－３１７０１３号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび／またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第４２０５１９５号および特許第４２０５１９８号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表２００３－５２０８７８号公報、特表２００４－５２９２２０号公報および特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性エステル、ならびに、特開平９－１１８７１７号公報、特表平１０－５０６４２０号公報、特表２００３－５０５５６１号公報、国際公開第２０１０／１５０７４８号、特開２０１３－１７７５６１号公報および特開２０１４－１２８２３号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
　中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性エステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
　配向膜の厚さには制限はなく、配向膜の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
　配向膜の厚さは、０．０１～５μｍが好ましく、０．０５～２μｍがより好ましい。
　配向膜の形成方法には、制限はなく、配向膜の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。
　一例として、光配向材料を用いる配向膜であれば、配向膜を含む組成物を支持体の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。
　また、光配向材料を用いて、回折格子に対応する配向膜を形成する場合には、スリット状の開口を有するマスクを用い、マスクおよびワイヤーグリッド偏光子等の偏光子を介して光配向材料に直線偏光を照射することにより配向膜を形成する方法も利用可能である。具体的には、スリットおよび偏光子を介して光配向材料に直線偏光を照射した後、スリットを幅方向に所定量、移動し、かつ、偏光子の透過軸の方向（角度）を調節して、再度、スリットおよび偏光子を介して光配向剤材料に直線偏光を照射することを、繰り返し行う。これにより、ストライプ状の配向パターンを有する、回折格子に対応する光配向膜を形成できる。
　以上、説明した本発明の光学部材１０は、液晶化合物を用いた位相補正層１６を有するものである。
　しかしながら、本発明の光学部材は、これに制限はされず、位相補正層が、位相変調量に対応して高さが変化している部材から構成されるものであってもよい。
　図８に、その一例を示す。
　なお、図８に示す光学部材３０は、上述した光学部材１０と同じ基板１２およびメタサーフェス構造体１４を有するので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる点を主に行う。
　また、以下の説明では、便宜的に、上述した光学部材１０を本発明の第１の態様、図８に示す光学部材３０を本発明の第２の態様ともいう。
　図８に示す光学部材３０は、基板１２の一方の面にメタサーフェス構造体１４を有し、他方の面に、誘電体による凹凸パターンを有する誘電体パターン層を位相補正層３２として有する。
　この位相補正層３２においては、１つの凸部が、上述した位相補正層における１つの領域に対応する。
　このような位相補正層３２すなわち誘電体パターン層は、誘電体の高さが高いほど、位相変調量が大きくなり、すなわち、屈折率が高くなる。
　これに応じて、上述した位相補正層１６と同様、位相補正層３２も、メタサーフェス構造体１４の領域Ａにおける領域Ｘの配列、すなわち領域Ａにおける位相変調量の減少方向に向かって、屈折率が、漸次、小さくなるように、高さが同方向に、連続的に低くなる凸部を、メタサーフェス構造体１４の領域Ｘに対応して配列する。
　これにより、図６に示す第１の態様の光学部材１０と同様、メタサーフェス構造体１４の離散的な位相変調分布と、位相補正層３２によるメタサーフェス構造体１４の領域Ｘに対応する位相変調分布との組み合わせによって、光学部材１０の位相変調特性は連続的な位相変調分布となる。
　その結果、メタサーフェス構造体１４が有する波面収差を補正して、集光する光の波面を、適正な曲面状とすることができる。
　すなわち、本発明の第２の態様の光学部材３０における位相補正層３２は、同じメタサーフェス構造体１４に対しては、基本的に、本発明の第１の態様の光学部材１０における位相補正層１６と、同様の位相変調分布とすればよい。
　従って、図６に示す本発明の第１の態様の光学部材１０は、位相補正層１６を位相補正層３２に変更することで、本発明の第２の態様の光学部材３０となる。
　また、本発明の第２の態様の光学部材３０において、位相補正層３２となる誘電体パターン層は、凹凸を有する。
　しかしながら、この位相補正層３２の厚さは、『λ／[２×（ｎ－１．０）]』以下で、回折レンズ（フレネルレンズ）の半分以下である。従って、位相補正層３２は、面内での急峻な溝形状の加工等は不要である。なお、この式において、λは対象とする光の波長、ｎは位相補正層の形成材料の屈折率である。
　本発明の第２の態様の光学部材３０において、位相補正層３２となる誘電体パターン層の形成材料には、制限はなく、公知の誘電体が、各種、利用可能である。
　一例として、ポリメチルメタクリレートなどのポリアクリル系樹脂、セルローストリアセテートなどのセルロース系樹脂、シクロオレフィンポリマー系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリカーボネート樹脂およびポリ塩化ビニル樹脂などの樹脂、ならびに、ガラス等が例示される。
　また、位相補正層３２すなわち誘電体パターン層の形成方法にも、制限はなく、形成材料に応じて、公知の方法で形成すればよい。一例として、マイクロ３Ｄプリンターによる形成、プレス成型、押出成形、射出成形、真空成型、ブロー成形、および、切削法等の方法が例示ざれる。
　本発明の光学部材において、位相補正層（位相補正層１６および位相補正層３２）の設計方法には、制限はなく、各種の方法が利用可能である。
　一例として、図示例のような集光レンズの場合には、位相補正層は、メタサーフェス構造体１４、基板１２および位相補正層を透過した平面波が、レンズ集光の目的に対して理想的な位相変調量となるように、計算機シミュレーションを用いて設計すればよい。
　位相補正層における位相変調量（位相変調分布）は、上述のように、液晶化合物を用いる位相補正層１６では、液晶化合物の配向および配列で調節可能であり、また、誘電体パターン層を有する位相補正層３２では、誘電体パターン層の凹凸の高さおよび配列で調節可能である。
　上述した光学部材は、いずれも、基板１２の一方の面にメタサーフェス構造体１４を有し、他方の面に位相補正層を有するものであるが、本発明は、これに制限はされず、各種の構成が利用可能である。
　一例として、液晶化合物を用いる位相補正層１６を用いる光学部材で例示する図９に概念的に示すように、基板１２の一方の面にメタサーフェス構造体１４を有し、このメタサーフェス構造体１４を充填層３６に包埋し、充填層３６の表面に位相補正層１６を設けた構成が例示される。
　充填層３６は、メタサーフェス構造体１４が対象とする波長の光を透過するものであれば、制限はなく、例えば、各種の樹脂材料からなる層が例示される。
　あるいは、本発明の光学部材は、図１０に概念的に示すように、第１基板１２ａの一方の面にメタサーフェス構造体１４を有し、第２基板１２ｂの一方の面に位相補正層１６を有し、メタサーフェス構造体１４と位相補正層１６とを対面して配置した構成であってもよい。
　また、本発明の光学部材は、図１１に概念的に示すように、第１基板１２ａの一方の面に第１メタサーフェス構造体１４ａを、他方の面に第２メタサーフェス構造体１４ｂを、それぞれ有し、第２基板１２ｂの一方の面に位相補正層１６を有し、一方のメタサーフェス構造体と位相補正層１６とを対面して配置した構成であってもよい。
　さらに、本発明の光学部材は、透過型ではなく、反射型の光学部材であってもよい。
　例えば、図１２に概念的に示すように、図９に示す光学部材において、基板１２のメタサーフェス構造体１４の形成面と逆側の面に、反射層３８を設け、反射型レンズおよび反射型回折格子などの反射型の光学部材としてもよい。
　図１２に示す反射型の光学素子において、光は、位相補正層１６側から入射して、位相補正層１６，メタサーフェス構造体１４および基板１２を透過して、反射層３８によって反射される。反射層３８によって反射された光は、基板１２、メタサーフェス構造体１４および位相補正層１６透過して、回折された反射光として出射する。
　図１２に示す例では、メタサーフェス構造体１４を充填層３６に包埋し、その上に位相補正層１６を設けているが、本発明は、これに制限はされない。例えば、後述する実施例３のように、基板１２と同様の材料から構成されるシート状の支持体の表面に位相補正層１６を設け、この積層体を、直接、メタサーフェス構造体１４に積層してもよい。
　また、上述のように、位相補正層１６を液晶化合物を用いて形成する場合には、配向膜の上に位相補正層１６としての機能を発現する液晶配向パターン層を形成する。従って、この際には、上述のように、支持体、配向膜および液晶配向パターン層を有する位相補正層１６を、直接、メタサーフェス構造体１４に積層してもよい。あるいは、支持体、配向膜および液晶配向パターン層を有する積層体から、支持体を剥離して、配向膜および液晶配向パターン層を有する位相補正層１６を、直接、メタサーフェス構造体１４に積層してもよい。あるいは、支持体、配向膜および液晶配向パターン層を有する積層体から、配向膜を剥離して、液晶配向パターン層のみからなる位相補正層１６を、直接、メタサーフェス構造体１４に積層してもよい。
　反射層３８には、制限はなく、金属ミラー、銅膜などの金属膜、および、誘電体多層反射膜等、対象とする波長の光を反射可能なものであれば、公知の各種の反射層（反射部材）が利用可能である。
　また、反射層３８の厚さにも、制限はなく、反射層３８の形成材料に応じて、必要な反射率を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
　以上、本発明の光学部材について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
　以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。
　なお、以下に示す実施例は、本発明の一例を示すものである。従って、本発明の、以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
　[メタサーフェス構造体１の作製]
　光学シミュレーションによって、以下に示す、集光レンズとなるメタサーフェス構造体１を作製した。
　厚さ５０μｍの絶縁層（ＳｉＯ2）を有する、厚さ２５０ｍｍのシリコン基板を用意した。
　このシリコン基板の表面に、シリコン製で、高さが５００μｍ、直径がＬμｍの円柱形状の共振器を配列して、メタサーフェス構造体を作製した。なお、メタサーフェス構造体は、図１３に概念的に示すように、１個のユニットセル（領域Ｘ）を４００×４００μｍの正方形状とし、ユニットセルの中心に共振器を配置した。なお、図１３においては、図面を簡潔にするため、共振器の高さを低く示している。
　共振器は、下記の表に示す、直径Ｌが５０～３０５μｍの８種とした。
　なお、シリコン製で、円柱形状の共振器を透過する波の振幅および位相変調量［°］は、ＣＯＭＳＯＬ社の有限要素法シミュレーションソフト『COMSOL Multiphysics』によって算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記表に示すＮｏ．１～８の共振器を用いて、図１４に示すような位相変調量の分布となるように、共振器を配置してユニットセルを形成、配列して、焦点距離が１２ｍｍの集光レンズを作製した。なお、図１４の右側では、６個の共振器によって、集光レンズにおける共振器の配列状態を示している。
　設定周波数は３００ＧＨｚ（波長１０００μｍ）とした。
　なお、このようなメタサーフェス構造体は、一般的なシリコンの半導体製造プロセスによって作製することができる。
　本実施例の場合、一例として、厚さ５００μｍのデバイス層（Ｓｉ）、厚さ５０μｍの絶縁層（ＳｉＯ2）、および、厚さ２５０μｍの基板を有するＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウエハーを用い、フォトレジストをマスクとして、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング装置によるドライエッチングによって、デバイス層に円柱形状を形成し、メタサーフェス構造体を作製すればよい。
　[実施例１Ａ]
　シミュレーションによって、メタサーフェス構造体１を形成したシリコン基板の、メタサーフェス構造体とは逆側の面に、配向方向が異なる領域を、複数、有する、厚さが１３００μｍで、図１５に示す位相変調分布を有する、液晶化合物を用いる位相補正層（液晶配向パターン層）を形成して、集光レンズとなる光学部材を作製した。
　図１５に示した偏光方向ｐに対して、水平方向に配列した液晶化合物は相対的に位相変調量すなわち屈折率が大きく、垂直配向に配列した液晶化合物は相対的に位相変調量すなわち屈折率が小さくなる。そのため上述のように、液晶の配列方向を制御することで、所望の位相変調量を得ることができる。
　位相補正層（液晶層）の位相変調量は、メタサーフェス構造体、基板および位相補正層を透過した平面波が、レンズ集光の目的に対し理想的な位相変調量となるように、計算機シミュレーションを用いて設計した。
　[実施例１Ｂ]
　シミュレーションによって、メタサーフェス構造体１を形成したシリコン基板の、メタサーフェス構造体とは逆側の面に、位相補正層として、図１６に示す位相変調分布を有する誘電体パターン層を、ＰＭＭＡを用いて形成して、集光レンズとなる光学部材を作製した。
　ＰＭＭＡ層の屈折率は空気よりも大きいため、構造が高い部分は位相変調量すなわち屈折率が大きくなり、構造が低い部分は位相変調量すなわち屈折率が小さくなる。そのため上述のように、誘電体パターン層の高さ制御することで、所望の位相変調量を得ることができる。
　位相補正層（誘電体パターン層）の位相変調量は、メタサーフェス構造体、基板および位相補正層を透過した平面波が、レンズ集光の目的に対し理想的な位相変調量となるように、計算機シミュレーションを用いて設計した。
　[比較例１]
　位相補正層を形成しない、基板およびメタサーフェス構造体１のみを有する、集光レンズとなる光学部材を、比較例１とした。
　[評価１]
　実施例１Ａ、実施例１Ｂおよび比較例１の光学部材（集光レンズ）の集光効率について、高速フーリエ変換ビーム伝搬法（ＦＦＴ－ＢＰＭ）による数値シミュレーションを用いて、集光効率を検討した。
　なお、集光効率は、直径２５．６ｍｍの円形の光学部材を透過した光線のうち、光学部材から１２ｍｍ離れた焦点面において、集光スポットの半値幅の３倍の半径のアパチャーの内側を透過した光線の割合として定義した。
　その結果、
　実施例１Ａの集光効率は０．８１、
　実施例１Ｂの集光効率は０．８４、
　比較例１の集光効率は０．７４、であった。
　以上の結果より、本発明の光学部材による集光レンズは、集光効率が高く、すなわち、光の利用効率が高いことが示された。
　なお、集光レンズは、１点から発光する拡散光を入射することにより、コリメートレンズとしても作用する。すなわち、本発明の光学部材は、コリメートレンズとしても、高い光の利用効率を有する。
　位相補正層となる液晶配向パターン層は、一例として、以下のようにして、目的とする配向パターンを有する配向膜を形成し、その上に液晶層を形成することで、作製できる。
＜光配向膜の形成＞
　下記構造の光配向材料Ｅ－１の１質量部に、ブトキシエタノール４１．６質量部、ジプロピレングリコールモノメチル４１．６質量部、および、純水１５．８質量部を加え、得られた溶液を０．４５μｍメンブレンフィルターで加圧ろ過することで光配向膜用塗布液を調製する。
　次いで、得られた光配向膜用塗布液を、支持体上に塗布し、６０℃で１分間乾燥する。その後、得られた塗布膜に、偏光紫外線露光装置を用いて直線偏光紫外線（照度４．５ｍＷ／ｃｍ2、積算照射量３００ｍＪ／ｃｍ2）を照射し、水平方向に配向規制力を持つ光配向膜Ｐ－１を作製する。
　次いで、得られた光配向膜Ｐ－１に対し、フィルム面に対して垂直方向からグレースケールのフォトマスクを介し、非偏光紫外線（照度４．５ｍＷ／ｃｍ2、積算照射量２０００ｍJ）を照射することにより、パターン露光された光配向膜フィルムを作製する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
＜液晶組成物＞
　液晶層（位相補正層）を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ－１を調製する。
　　組成物Ａ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――
　液晶化合物Ｌ－１　　　　　　　　　　　　　　１００．００質量部
　重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ　ＯＸＥ０１）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１．００質量部
　レベリング剤Ｔ－１　　　　　　　　　　　　　　　０．０８質量部
　メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　１０５０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――
　　液晶化合物Ｌ－１
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
　　レベリング剤Ｔ－１
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
＜液晶配向パターン層＞
　先ず、１層目は、光配向膜Ｐ－１上に下記の組成物Ａ－１を塗布して、塗膜をホットプレート上で８０℃に加熱し、その後窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／ｃｍ2の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。
　２層目以降は、この液晶固定化層に重ね塗りして、上と同じ条件で加熱後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し、液晶配向パターン層を形成して、位相補正層となる液晶層を作製した。液晶層には、水平配向した液晶化合物が固定化された領域と、垂直配向した液晶化物が固定化された領域と、両領域の間の、水平配向から垂直配向に向けて、漸次、液晶化合物の配向方向が変化して固定化された領域が存在する。
　組成物Ａ－１より形成させる液晶配向パターン層は、水平配向時の屈折率が１．７、垂直配向時の屈折率が１．５５であり、水平配向時と垂直配向時の屈折率差により位相差を与えることができる。
　また、位相補正層となる誘電体パターン層は、一例として、上述のように誘電体パターン層の凹凸パターンを作製して、マイクロ３Ｄプリンターによって作製すればよい。
　[メタサーフェス構造体２の作製]
　光学シミュレーションによって、以下に示すメタサーフェス構造体２を作製した。
　メタサーフェス構造体２は、基板として厚さ３００μｍの酸化シリコン基板を用いた。また、１個のユニットセル（領域Ｘ）は、上述したＮｏ．１～８の共振器を用いて、メタサーフェス構造体１と同様に、図１３に示すように４００×４００μｍの正方形の中心に共振器を配置した構成とした。
　図１７の左側に示すような位相変調量の分布となるように、共振器を配置してユニットセルを形成、配列して、透過型回折格子となるメタサーフェス構造体２を作製した。設計周波数は３００ＧＨｚ（１０００μｍ）とした。
　なお、メタサーフェス構造体２は、図１７に示すように、Ｎｏ．１～８の共振器を、順次、用いたユニットセルの配列を有する、０．４×３．２ｍｍのブロックの繰り返し構造となっている。
　[実施例２]
　シミュレーションによって、メタサーフェス構造体２を形成したシリコン基板の、メタサーフェス構造体とは逆側の面に、配向方向が異なる領域を、複数、有する、厚さが４００μｍで、図１８に示す位相変調分布を有する、液晶化合物を用いる位相補正層（液晶配向パターン層）を形成して、透過型回折格子となる光学部材を作製した。
　図１８に示した偏光方向ｐに対し、水平方向に配列した液晶化合物は相対的に位相変調量すなわち屈折率が大きく、垂直配向に配列した液晶化合物は相対的に位相変調量すなわち屈折率が小さくなる。そのため、上述のように、液晶の配列方向を制御することで、所望の位相変調量を得ることができる。
　位相補正層（液晶層）の位相変調量は、メタサーフェス構造体、基板および位相補正層を透過した平面波が、回折格子に必要な理想的な位相変調量となるように、計算機シミュレーションを用いて設計した。
　[比較例２]
　位相補正層を形成しない、基板およびメタサーフェス構造体２のみを有する、透過型回折格子となる光学部材を、比較例１とした。
　[評価２]
　実施例２および比較例２の光学部材（回折格子）の回折効率について、高速フーリエ変換ビーム伝搬法（ＦＦＴ－ＢＰＭ）による数値シミュレーションを用いて、回折効率を検討した。
　なお、回折効率は、入射した平面波のうち、＋１次の回折方向へ回折される光線の割合として定義した。
　その結果、
　実施例２の回折効率は０．９５、
　比較例２の回折効率は０．８８、であった。
　以上の結果より、本発明の光学部材による回折格子は、回折効率が高く、すなわち、光の利用効率が高いことが示された。
　[反射型メタサーフェス回折格子１の作製（実施例）]
　以下に示す、反射型メタサーフェス回折格子１を作製した。
　特許第４９９１１７０号公報に記載される方法で、ＣＯＰフィルムを作製した。ＣＯＰフィルムの厚さは４０μｍであった。
　次に、作製したＣＯＰフィルムを４×４ｃｍの正方形状に切り出した。切り出したＣＯＰフィルムの表面を超音波洗浄（４５ｋＨｚ）した後、スパッタリング成膜装置内部の被成膜位置に載置した。装置内部を減圧した後にアルゴンガスを導入し、ターゲットにＣｕを用いてスパッタリングを行い、ＣＯＰフィルムの表面に厚さ２００μｍの銅層を形成した。
　この銅層の形成をＣＯＰフィルムの片面ずつ順に行うことで、両面に厚さ２００ｎｍの銅層を形成した。
　次に、特開２０２０－２０４７５７号公報に示される感光性転写部材（ネガ型転写材料１）を巻き出し、感光性転写部材から一方のカバーフィルムを剥離した。
　次いで、感光性転写部材と、両面に銅層が形成された形成ＣＯＰフィルムの一方の表面（銅層）とを、カバーフィルムの剥離により露出した感光性樹脂層と銅層とが互いに接触するように貼り合わせて、積層体を得た。この貼り合わせ工程は、ロール温度１００℃、線圧１．０ＭＰａ、および、線速度４．０ｍ／ｍｉｎの条件で行った。
　得られた積層体に対して、感光性転写部材のカバーフィルム側から、図１９に示すフォトマスク４２を介して、超高圧水銀灯（露光主波長：３６５ｎｍ）を１００ｍＪ／ｃｍ2照射して、感光性樹脂層を露光した。
　図１９に示すフォトマスク４２には、１辺の長さがＰ１（１０４１μｍ）の正方形区間が、直交するＸ方向およびＹ方向に正方格子状に二次元的に設定されている。このＸ方向およびＹ方向は、後述する反射型メタサーフェス回折格子（メタサーフェス構造体）のＸ方向およびＹ方向に対応する。
　各正方形区間の中心には、１辺の長さがＷ１（４００μｍ）の正方形の開口４６、１辺の長さがＷ２（８２０μｍ）の正方形の開口４８、および、１辺の長さがＷ３（９３５μｍ）の正方形の開口５０の、いずれか１つが形成されている。
　フォトマスク４２において、Ｘ方向には、図１９に示すように、開口４６、開口４８および開口５０が、この順番で繰り返し形成されている。また、Ｙ方向には、同じ開口が配列される。すなわち、このフォトマスク４２は、Ｘ方向には、開口４６、開口４８、開口５０、開口４６、開口４８、開口５０、開口４６、開口４８……の繰り返しの列を有し、このＸ方向に向かう列が、Ｙ方向に配列されている。
　感光性転写部材の露光を行った後、フォトマスク４２を外して、感光性転写部材からカバーフィルムを剥離した。
　その後、液温２５℃の１．０質量％の炭酸ナトリウム水溶液を用いて３０秒間のシャワー現像を行い、銅層上に感光性転写部材からなるレジストパターンを形成した。
　レジストパターンを形成した積層体に対して、銅エッチング液（関東化学社製、Ｃｕ－０２）を用いて、２３℃で３０秒、銅のエッチングを行った。
　その後、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを用いてレジストパターンを剥離することで、メタサーフェス構造体を形成して、反射型メタサーフェス回折格子１を作製した。
　すなわち、この反射型メタサーフェス回折格子１は、厚さが４０μｍのＣＯＰ製の基材の一方の面に、
　１辺の長さがＰ１（１０４１μｍ）の正方形区間がＸ方向およびＹ方向に正方格子状に設定され、この正方形区間の中心に、Ｘ方向には、厚さが２００ｎｍで１辺の長さがＷ１（４００μｍ）の正方形の板状の共振器、厚さが２００ｎｍで１辺の長さがＷ２（８２０μｍ）の正方形の板状の共振器、および、厚さが２００ｎｍで１辺の長さがＷ３（９３５μｍ）の正方形の板状の共振器が、この順で繰り返し配列され、Ｙ方向には、同じ共振器が配列されたメタサーフェス構造体を有し、
　ＣＯＰ製の基材の一方の面に、反射層となる銅層を有するものである。
　従って、このメタサーフェス構造体では、１個の共振器を有する１辺の長さＰ１が１０４１μｍの正方形区間がユニットセルとなる。
　なお、以下の説明では、『正方形の板状の共振器』を『正方形の共振器』ともいう。
　[反射型メタサーフェス回折格子２の作製（比較例）]
　反射型メタサーフェス回折格子１の作製において、感光性転写部材の露光に用いるフォトマスクを、開口４６の１辺の長さＷ１が５９０μｍ、開口４８の１辺の長さＷ２が９００μｍ、開口５０の１辺の長さＷ３が９２５μｍ、のものに変更した以外は、反射型メタサーフェス回折格子１と同様に反射型メタサーフェス回折格子２を作製した。
　すなわち、この反射型メタサーフェス回折格子２は、正方格子状に二次元的に設定された１辺の長さＰ１が１０４１μｍの正方形区間の中心に、Ｘ方向には、厚さが２００ｎｍで１辺の長さＷ１が５９０μｍの正方形状の共振器、厚さが２００ｎｍで１辺の長さＷ２が９００μｍの正方形状の共振器、および、厚さが２００ｎｍで１辺の長さＷ３が９２５μｍの正方形の共振器が、この順で繰り返し配列され、Ｙ方向には、同じ共振器が配列されたメタサーフェス構造体を有する。
　作製した反射型メタサーフェス回折格子１および反射型メタサーフェス回折格子２のメタサーフェス構造体は、いずれも、法線方向から周波数１００ＧＨｚの光を入射した際に、極角で７３．７°の方向に入射光を回折反射するように設計されたものである。
　すなわち、反射型メタサーフェス回折格子１および反射型メタサーフェス回折格子２は、共に、＋１方向が７３．７°、０次方向が０°（正反射）、－１次方向が－７３．７°の反射型回折格子である。
　反射型メタサーフェス回折格子では、位相補正層を有する実施例と有さない比較例とで共振器の反射効率が異なるので、反射角を一致させるために、共振器のサイズを調節している。
　［実施例３］
＜光配向膜の形成＞
　上述した方法によって、水平方向に配向規制力を有する光配向膜Ｐ－１を作製した。光配向膜Ｐ－１の厚さは、６０ｎｍとした。
　なお、光配向膜Ｐ－１を形成する支持体は、サイズが４×４ｃｍで、厚さ１ｍｍのフロートガラスを用いた。
　幅３４７μｍの透過部と、幅２７７６μｍの遮光部とが交互に形成されたストライプ状のマスクを用意した。このマスクでは、ストライプの配列方向が反射型メタサーフェス回折格子（メタサーフェス構造体）のＸ方向に、ストライプの配列方向が同Ｙ方向に、それぞれ対応する。
　透過部の幅方向の端部が光配向膜Ｐ－１の一方の端辺と一致し、かつ、透過部が光配向膜Ｐ－１の面内に位置するように、マスクによって光配向膜Ｐ－１を覆った。
　次いで、紫外線露光装置を用い、吸収軸の角度がΦ１（＝０°）となるように設置したワイヤーグリッド偏光子（Ｍｏｘｔｅｋ社製、ＰｒｏＦｌｕｘ　ＰＰＬ０２）によって直線偏光とした紫外線を光配向膜Ｐ－１に照射した。紫外線は、照度を４．５ｍＷ／ｃｍ2、積算照射量を３００ｍＪ／ｃｍ2とした。
　なお、吸収軸の角度とは、ストライプの幅方向に対する角度で、時計回りを正とする。すなわち、吸収軸の角度が０°とは、吸収軸の角度が、ストライプの幅方向（Ｘ方向）と一致している状態である。すなわち、吸収軸の角度が９０°とは、吸収軸の角度が、ストライプの長手方向（Ｙ方向）と一致している状態である。
　次いで、マスクをストライプの幅方向に３４７μｍ移動させて、ワイヤーグリッド偏光子を吸収軸の角度がΦ２（＝１６°）となるように回転させて、同様に、直線偏光紫外線を光配向膜Ｐ－１に照射した。
　次いで、マスクをストライプの幅方向に３４７μｍ移動させて、ワイヤーグリッド偏光子を吸収軸の角度がΦ３（＝８６°）となるように回転させて、同様に、直線偏光紫外線を光配向膜Ｐ－１に照射した。
　このようなマスクの移動および光配向膜Ｐ－１への紫外線照射を、ワイヤーグリッド偏光子を吸収軸の角度をΦ４、Φ５…Φ９に偏光するまで行った。
　これにより、幅３４７μｍのストライプ状の配向パターンを有し、かつ、配向方向の角度Φ１～Φ９が繰り返される光配向膜を作製した。
　なお、ワイヤーグリッド偏光子の吸収軸の角度は、
　Φ１が０°、Φ２が１６°、Φ３が８６°、
　Φ４が８６°、Φ５が０°、Φ６が６°、
　Φ７が６８°、Φ８が２９°、Φ９が４°、
とした。
＜位相補正層の作製＞
　このようにして作製した光配向膜に、上述した組成物Ａ－１を用いて、上述した方法によって、厚さ５００μｍの液晶配向パターン層を形成した後、光配向膜から液晶配向パターン層を剥がしとり、位相補正層を得た。
　光配向膜を形成した際におけるワイヤーグリッド偏光子の吸収軸の角度は、上述のとおりである。
　従って、形成した位相補正層（液晶配向パターン層）は、幅３４７μｍのストライプ状で、ストライプにおける液晶化合物の光学軸の角度が、ストライプの配列方向に、Φ１（０°）、Φ２（１６°）、Φ３（８６°）Φ４（８６°）、Φ５（０°）、Φ６（６°）、Φ７（６８°）、Φ８（２９°）、および、Φ９（４°）であることを繰り返す液晶配向パターンを有する。
　また、ＡｘｏＳｃａｎ（アクソメトリクス社製）を用いて、ストライプにおける液晶化合物の光学軸（遅相軸）の方向が、上記の角度になっていることを確認した。
＜光学部材の作製＞
　このようにして作製した位相補正層を、液晶配向パターンをメタサーフェス構造体に対面して、４辺を一致して反射型メタサーフェス回折格子１に積層して、反射型回折格子となる光学部材を作製した。
　なお、位相差層は、液晶配向パターンにおけるストライプの幅方向が、メタサーフェス構造体におけるＸ方向と一致し、ストライプの長手方向がメタサーフェス構造体におけるＹ方向と一致するように積層した。
　上述のように、メタサーフェス構造体では、１個の共振器を有する１辺の長さが１０４１μｍの正方形区間がユニットセルとなる。また、メタサーフェス構造体は、Ｘ方向には、１辺の長さがＷ１（４００μｍ）の正方形状の共振器、１辺の長さがＷ２（８２０μｍ）の正方形状の共振器、および、１辺の長さがＷ３（９３５μｍ）の正方形の共振器が、この順で繰り返し配列される。他方、Ｙ方向には、同じ共振器が配列される。
　さらに、液晶配向パターンにおけるストライプの幅Ｗ４は、３４７μｍである。
　従って、この光学部材においては、図２０に概念的に示すように、
　１辺の長さがＷ１の共振器を有するユニットセルには、位相補正層１６における液晶化合物の光学軸の角度がΦ１、Φ２およびΦ３の領域が位置し、
　１辺の長さがＷ２の共振器を有するユニットセルには、位相補正層１６における液晶化合物の光学軸の角度がΦ４、Φ５およびΦ６の領域が位置し、
　１辺の長さがＷ３の共振器を有するユニットセルには、位相補正層１６における液晶化合物の光学軸の角度がΦ７、Φ８およびΦ９の領域が位置する。
　なお、図２０において、Ｙ方向は紙面と直交する方向である。
　上述のように、図２０に示す光学部材において、メタサーフェス構造体を構成する正方形状の共振器の１辺の長さＷ１は４００μｍ、Ｗ２は８２０μｍ、Ｗ３は９３５μｍであり、厚さＴ１は２００ｎｍである。また、１つのユニットセルとなる正方形区間の長さＰ１は１０４１μｍである。従って、繰り返し形成される３つのユニットセルの合計の長さＰ２は３１２３μｍである。
　基材はＣＯＰフィルムで、厚さＴ２は４０μｍである。
　反射層は銅層で、厚さＴ３は２００ｎｍである。
　さらに、位相補正層は、厚さＴ４が５００μｍで、Ｙ方向に延在し、Ｘ方向に配列されるストライプ状の液晶配向パターンを有する液晶配向パターン層を有するものであり、ストライプの幅Ｗ４は３４７μｍである。
　［比較例３］
　反射型メタサーフェス回折格子２を、反射型回折格子となる光学部材とした。
　［評価］
　以下の方法によって、作製した光学部材（反射型回折格子）の反射効率を測定した。
　中心波長が１００ＧＨｚのＩｍｐａｔｔ　Ｄｉｏｄｅ（Terasense社製）を光源として、作製した光学部材で、法線方向から光を入射して反射させた際の、設計した角度（７３．７°）への回折反射を、２次元Ｓｕｂ－ＴＨｚイメージングカメラ（Terasense社製、Ｔｅｒａ－１０２４）を使用して撮影した。
　イメージングカメラの全画素の輝度の積分値を、その方向への反射強度とした。
　－１次（－７３．７°）、０次（正反射、０°）および＋１次（７３．７°）方向への反射強度をそれぞれ測定して、Ｐ－１、Ｐ０およびＰ１とした。設計した方向（＋１次、７３．７°）への反射の比率（Ｐ１／（Ｐ－１＋Ｐ０＋Ｐ１）を、反射効率として定義した。
　その結果、
　実施例３の反射効率は０．６１、
　比較例３の反射効率は０．４１、であった。
　以上の結果より、本発明の光学部材による反射型回折格子は、回折効率が高く、すなわち、光の利用効率が高いことが示された。
　以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
　波長選択フィルター、および、光学センサーなどに、好適に利用可能である。
　１０，３０　光学部材
　１２　基板
　１２ａ　第１基板
　１２ｂ　第２基板
　１４　メタサーフェス構造体
　１４ａ　第１メタサーフェス構造体
　１４ｂ　第２メタサーフェス構造体
　１６，３２　位相補正層
　２０　共振器
　３６　充填層
　３８　反射層
　１００　レンズ（メタレンズ）
　ｆｗ　平面波
　Ｆ　焦点

Claims (11)

  1. 　基板と、
    　前記基板の少なくとも一方の面に形成された、配列した複数の微細構造体から構成され、１つまたは複数の前記微細構造体を有する領域を領域Ｘとした際に、位相変調量が互いに異なる複数の前記領域Ｘから構成される領域Ａを、複数、有する、メタサーフェス構造体と、
    　前記基板の少なくとも一方の面に形成された、前記メタサーフェス構造体の波面収差を補正する位相補正層と、を有し、
    　前記メタサーフェス構造体において、前記領域Ａを構成する前記領域Ｘは、位相変調量が、一方向に、段階的に減少するものであり、
    　前記位相補正層は、前記領域Ａに対応して、位相変調量が変化する領域を有する、光学部材。
  2. 　前記位相補正層は、前記領域Ａに対応して、位相変調量が減少する領域を有する、請求項１に記載の光学部材。
  3. 　前記位相補正層は、２つ以下の前記領域Ｘに対応して、位相変調量が変化する領域を有する、請求項１または２に記載の光学部材。
  4. 　前記位相補正層は、前記領域Ｘの個々に対応して、位相変調量が変化する領域を有する、請求項３に記載の光学部材。
  5. 　前記位相補正層は、液晶化合物を用いて形成された層である、請求項１または２に記載の光学部材。
  6. 　前記位相補正層は、配向方向が異なる前記液晶化合物を含む領域を、複数、有する、請求項５に記載の光学部材。
  7. 　前記配向方向が異なる前記液晶化合物を含む領域において、前記液晶化合物の配向方向が連続的に変化している、請求項６に記載の光学部材。
  8. 　前記位相補正層は、位相変調量に対応して高さが変化している部材から構成される、請求項１または２に記載の光学部材。
  9. 　前記位相変調量に対応して高さが変化している部材において、前記部材の高さが連続的に変化している、請求項８に記載の光学部材。
  10. 　透過型レンズ、透過型回折格子、反射型レンズ、および、反射型回折格子のいずれかである、請求項１または２に記載の光学部材。
  11. 　前記メタサーフェス構造体が対象とする光の波長が、１０μｍ～１ｃｍである、請求項１または２に記載の光学部材。
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