WO2023188771A1 - 光学レンズ - Google Patents

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WO2023188771A1
WO2023188771A1 PCT/JP2023/002790 JP2023002790W WO2023188771A1 WO 2023188771 A1 WO2023188771 A1 WO 2023188771A1 JP 2023002790 W JP2023002790 W JP 2023002790W WO 2023188771 A1 WO2023188771 A1 WO 2023188771A1
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WO
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optical lens
lens according
substrate
light
microstructures
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Application number
PCT/JP2023/002790
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English (en)
French (fr)
Inventor
英治 武田
圭吾 増田
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • 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
    • G02B5/20—Filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements

Definitions

  • the present disclosure relates to optical lenses.
  • a metasurface is a surface with a metamaterial structure that achieves optical functions that do not exist in nature.
  • a metalens can achieve the same optical function as a conventional combination of multiple optical lenses with a single thin plate-like structure. Therefore, the metalens can contribute to reducing the size and weight of devices including lenses, such as cameras, LiDAR sensors, projectors, and AR (Augmented Reality) displays. Examples of metalens and devices using metalens are disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2.
  • Patent Document 1 discloses a metalens that includes a substrate and a plurality of nanostructures arranged on the substrate.
  • each of the plurality of nanostructures provides an optical phase shift that varies depending on its position, and the optical phase shift due to each nanostructure defines the phase profile of the metalens.
  • the optical phase shift of each nanostructure depends on the position of the nanostructure and the size or orientation of the nanostructure.
  • Nanofins and nanopillars are exemplified as examples of nanostructures.
  • Patent Document 1 describes that a desired phase shift can be achieved by adjusting the angle of arrangement of each nanofin or adjusting the size of each nanopillar.
  • Patent Document 2 discloses a miniaturized lens assembly including a metalens and an electronic device including the same.
  • the metalens disclosed in Patent Document 2 includes a nanostructure array and is configured to form the same phase delay profile with respect to at least two different wavelengths of light included in incident light.
  • the width of each of the plurality of internal pillars included in the nanostructure array is appropriately determined according to the required amount of phase retardation.
  • the present disclosure provides an optical lens that can easily reproduce a desired phase profile.
  • An optical lens according to one aspect of the present disclosure is used for light in a predetermined target wavelength range, and includes a substrate and a plurality of fine structures provided on the surface of the substrate.
  • the plurality of fine structures are arranged at intervals shorter than the shortest wavelength in the target wavelength range. The spacing varies depending on the position on the surface depending on the magnitude of the change in the phase profile of the optical lens.
  • the general or specific aspects of the present disclosure may be implemented in a system, apparatus, method, integrated circuit, computer program or recording medium such as a computer readable recording disk, and the system, apparatus, method, integrated circuit, It may be realized by any combination of a computer program and a recording medium.
  • the computer-readable recording medium may include a non-volatile recording medium such as a CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory).
  • a device may be composed of one or more devices. When the device is composed of two or more devices, the two or more devices may be arranged within one device, or may be arranged separately into two or more separate devices.
  • the term "device" may refer not only to one device, but also to a system of multiple devices.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of a metalens.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of the structure of one unit cell.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the function of a metalens.
  • FIG. 4A is a graph showing an example of an ideal phase profile.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of a phase profile realized by a conventional periodic arrangement.
  • FIG. 4C is a diagram illustrating an example of a phase profile achieved by an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining conditions regarding the interval between unit cells for producing a metalens that achieves a desired phase profile.
  • FIG. 6A is a diagram showing an example of an ideal phase profile.
  • the term "light” is used not only for visible light (with a wavelength of about 400 nm to about 700 nm) but also for non-visible light.
  • Invisible light means electromagnetic waves included in the wavelength range of ultraviolet rays (wavelengths of about 10 nm to about 400 nm), infrared rays (wavelengths of about 700 nm to about 1 mm), or radio waves (wavelengths of about 1 mm to about 1 m).
  • the optical lens in the present disclosure can be used not only for visible light but also for non-visible light such as ultraviolet rays, infrared rays, or radio waves.
  • the optical lens is also referred to as a "metalens".
  • a metalens is an optical element that has a plurality of fine structures on its surface that are smaller than the wavelength of incident light, and achieves a lens function by phase shift caused by these fine structures.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of a metalens.
  • the metalens 100 shown in FIG. 1 includes a substrate 110 and a plurality of microstructures 120 provided on the surface of the substrate 110.
  • Each of the microstructures 120 in this example is a columnar body (also referred to as a "pillar") having a shape similar to a cylinder.
  • a unit element including one microstructure 120 in the metalens 100 is referred to as a "unit cell.”
  • the metalens 100 is an aggregate of a plurality of unit cells.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of the structure of one unit cell.
  • One unit cell includes a part of the substrate 110 and one microstructure 120 protruding from the part of the substrate 110. Each unit cell causes a phase shift in the incident light according to the structure of the microstructure 120.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the functions of the metalens 100.
  • arrows indicate examples of light rays.
  • the metalens 100 in this example has the function of condensing incident light like a conventional convex lens.
  • incident light that enters from the substrate side of the metalens 100 undergoes different phase changes depending on the position by the array of microstructures 120, and is focused.
  • the shape, width, height, orientation, etc. of each microstructure 120 are appropriately determined in order to achieve desired light condensing characteristics.
  • the structure of each fine structure 120 can be appropriately determined, for example, based on data indicating the phase profile to be realized and the results of electromagnetic field simulation.
  • Each of the fine structures 120 has a size (for example, width and height) of a subwavelength shorter than the wavelength of light incident on the metalens 100, and may be arranged at intervals or periods of a subwavelength.
  • the “gap” between the microstructures 120 is the distance between the centers of two adjacent microstructures 120 when viewed in a direction perpendicular to the surface of the substrate 110.
  • the metalens 100 can be designed to achieve desired optical characteristics for light in a predetermined target wavelength range.
  • the target wavelength range is, for example, a wavelength range defined in specifications. If the lower limit of the target wavelength range is, for example, 1 ⁇ m, the size and interval of the fine structures 120 may be set to values shorter than 1 ⁇ m. Such fine structures with a nanoscale size smaller than 1 ⁇ m are sometimes called "submicron structures" or “nanostructures.” When the target wavelength range is an infrared wavelength range, the size and interval of the microstructures 120 may be larger than 1 ⁇ m.
  • the number of microstructures 120 provided on the surface of the metalens 100 is determined to be an appropriate number depending on the lens characteristics to be achieved.
  • the number of microstructures 120 is, for example, in the range of 100 to 10,000, and may be less than 100 or more than 10,000 depending on the case.
  • Patent Document 2 As a conventional metalens design method, for example, there is a method disclosed in Patent Document 2.
  • a plurality of columnar fine structures are arranged at regular intervals from the center of the lens toward the outer circumference.
  • the width of the fine structure at each position is determined to be an optimal value so as to realize a desired amount of phase delay. This achieves a phase profile in which the phase decreases from the center of the metalens toward the outer circumference.
  • the number of microstructures i.e., the number of samples
  • the number of samplings is the minimum near the edges. easy. If there is only a minimum number of samplings near the edge where the phase change is steep, the phase reproducibility will be low near the edge, making it difficult to achieve desired light focusing characteristics. Furthermore, if the period of the microstructure is made sufficiently small in order to improve the phase reproducibility near the edges of the lens, the number of samples near the center becomes excessive. If the period of the fine structure is small and the number of samples is excessive, the following problems may occur, for example.
  • the present inventors found the above problem and studied the configuration of an optical lens to solve the above problem. As a result, the inventors came up with the idea that the above-mentioned problems could be solved by changing the spacing between the microstructures depending on the position according to the ideal phase profile to be achieved.
  • the configuration of an optical lens according to an embodiment of the present disclosure will be described below.
  • Optical lenses according to exemplary embodiments of the present disclosure are used for light in a predetermined target wavelength range.
  • the optical lens includes a substrate and a plurality of fine structures provided on the surface of the substrate.
  • the plurality of fine structures are arranged at intervals shorter than the shortest wavelength in the target wavelength range. The distance is determined differently depending on the position on the surface, depending on the phase profile that the optical lens is to realize.
  • the target wavelength range is the wavelength range of light in which the optical lens is expected to be used, and can be determined based on the specifications of the optical lens or the specifications of the equipment in which the optical lens is mounted.
  • the target wavelength range may include, for example, at least a portion of the wavelength range of visible light (about 400 nm to about 700 nm).
  • the target wavelength range may include at least a portion of the ultraviolet wavelength range (wavelength from about 10 nm to about 400 nm).
  • the target wavelength range may include at least a portion of the infrared wavelength range (about 700 nm to about 1 mm).
  • the target wavelength range may include at least a part of the radio wave wavelength range (wavelength from about 1 mm to about 1 m).
  • the wavelength range of interest may include at least a portion of the infrared wavelength range from 2.5 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the wavelength range from 2.5 ⁇ m to 25 ⁇ m can be suitably used for sensing devices that utilize infrared rays, such as LiDAR sensors or infrared cameras.
  • the term "wavelength" in this disclosure means a wavelength in free space unless otherwise specified.
  • the substrate and each microstructure may be made of a material that is transparent to light in the target wavelength range.
  • “having translucency” means having a property of transmitting incident light with a transmittance higher than 50%.
  • the substrate 110 and each microstructure 120 may be made of a material that transmits light in the target wavelength range with a transmittance of 80% or more.
  • the “distance” between microstructures means the distance between the centers of two adjacent microstructures when viewed from a direction perpendicular to the surface of the substrate (hereinafter also referred to as “lens surface").
  • the shortest wavelength in the target wavelength range is, for example, 2.5 ⁇ m
  • the distance between the centers of any two adjacent fine structures among the plurality of fine structures is shorter than 2.5 ⁇ m.
  • the width of the fine structures is smaller than the interval between the fine structures, the width of the fine structures is also shorter than the shortest wavelength in the target wavelength range.
  • the spacing between the fine structures is determined depending on the phase profile that the optical lens should achieve.
  • the phase profile represents the distribution within the lens plane of the shift amount of the phase of the outgoing light (hereinafter sometimes simply referred to as "phase") with respect to the phase of the incident light of the optical lens.
  • the phase profile can be expressed, for example, by a function of phase with respect to position within the lens plane or distance from the optical axis.
  • the phase indicated by the phase profile differs depending on the position within the lens plane.
  • the intervals between the microstructures are determined to differ depending on the position on the lens surface (for example, the distance from the optical axis), depending on the phase profile to be realized.
  • the spacing between the fine structures varies depending on the differential value with respect to the phase position indicated by the phase profile. For example, if the absolute value of the differential value with respect to the position of the phase indicated by the phase profile at a first position on the surface of the substrate is larger than the absolute value of the differential value at a second position on the surface, the first The spacing between the microstructures at the position may be determined to be smaller than the spacing between the microstructures at the second location. In this way, a plurality of fine structures can be arranged such that the larger the absolute value of the differential value with respect to the phase position indicated by the phase profile, the smaller the interval between the fine structures.
  • the fine structures are arranged more densely at locations where the phase change in the phase profile to be realized is steep than at locations where the phase change is gradual.
  • Such a configuration makes it possible to more accurately reproduce an ideal phase profile at a location where the phase changes are steep. Further, it is possible to suppress excessive placement of fine structures at a location where the phase change is gradual (for example, the central portion). As a result, problems such as a decrease in processing accuracy of the microstructure, a decrease in the durability of the microstructure, and an increase in process variations during manufacturing can be avoided.
  • FIG. 4A is a graph showing an example of an ideal phase profile.
  • This phase profile represents a function of the relative phase ⁇ with respect to the distance r from the optical axis (for example, the central axis of the optical lens) on the lens surface.
  • the phase ⁇ monotonically decreases as the distance r increases.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of a phase profile realized by a conventional periodic arrangement.
  • a plurality of fine structures 120 are arranged periodically. With this configuration, as shown in FIG. 4B, an ideal phase change cannot be reproduced near the end of the lens where the phase change is steep.
  • FIG. 4C is a diagram illustrating an example of a phase profile achieved by an embodiment of the present disclosure.
  • the microstructures 120 are arranged such that the interval between the microstructures 120 becomes smaller in a region where the distance r from the optical axis is large. This improves the reproducibility of the phase profile especially near the end where the distance r is large.
  • the interval between the microstructures 120 is appropriately determined according to the rate of change with respect to the phase position indicated by the ideal phase profile.
  • the microstructures 120 are arranged so that the spacing between the microstructures is small at locations where the phase change is steep. Thereby, an ideal phase profile can be more accurately reproduced, and the performance of the lens can be improved.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining conditions regarding the interval between unit cells for producing a metalens that achieves a desired phase profile.
  • the upper diagram (a) in FIG. 5 schematically shows how light incident on the metalens 100 changes its course on the lens surface.
  • the lower diagram (b) of FIG. 5 is a schematic enlarged view of the area surrounded by the broken line circle in the upper diagram (a).
  • the ideal phase profile of the metalens 100 that realizes the lens function is expressed, for example, by the following function ⁇ (r).
  • r is the distance from the optical axis
  • a i is a predetermined coefficient.
  • light with a wave number k i enters the metalens 100 with a refractive index n s at an incident angle ⁇ i from a medium (for example, air) with a refractive index n .
  • the metalens 100 can be used in combination with an image sensor, for example in an imaging device. Metalens 100 may also be used in telescopes, microscopes, or scanning optics. Let the wave number k i be the wave number corresponding to the shortest wavelength ⁇ in the target wavelength range, and let the incident angle ⁇ i be the maximum half angle of view of the metalens 100 (that is, the maximum incident angle of light that can be used in a device including the metalens 100).
  • the maximum incident angle of light here may be, for example, the maximum viewing angle of a device such as an imaging device, a telescope, or a microscope that includes the metalens 100, or the maximum scanning angle of a scanning optical device that includes the metalens 100. Note that the metalens 100 is not limited to these uses.
  • the plurality of fine structures 120 are formed so as to give the incident light a wave number component (ie, a spatial frequency component) of K 0 or less at maximum.
  • the minimum sampling interval P required to provide the maximum spatial frequency component K 0 in a unit cell is determined based on the sampling theorem.
  • the sampling theorem is a theorem that states that the original signal can be restored by sampling at a frequency that is more than twice the maximum frequency included in the continuous signal. According to the sampling theorem, the interval P can be determined to satisfy the following inequality (4).
  • the interval P(r) between the fine structures 120 at a position at a distance r from the optical axis can be determined to satisfy the following inequality.
  • each fine structure 120 By determining the position of each fine structure 120 so as to satisfy this inequality, each fine structure 120 can be appropriately arranged according to the steepness of the phase. Thereby, the characteristics in the region where the phase change is steep can be improved, and the light collection efficiency can be improved. Furthermore, in locations where the rate of change in phase is small, the spacing between the microstructures 120 can be relatively large. Therefore, effects such as improved processing accuracy during manufacturing, reduced processing time, and improved durability can also be obtained.
  • FIG. 6A shows an example of an ideal phase profile.
  • FIG. 6B shows a phase profile wrapped in a phase range of ⁇ to ⁇ .
  • FIG. 6C shows an example of sampling to achieve an ideal phase profile.
  • the black dots in FIG. 6C indicate examples of the positions of the microstructures 120 (ie, sampling points).
  • an appropriate number of fine structures 120 are arranged for each of a plurality of sections wrapped between - ⁇ and ⁇ . From the sampling theorem, two or more fine structures 120 are arranged in one continuous section from ⁇ to ⁇ .
  • the steepness of the phase that is, the differential value
  • the phase that is, the differential value
  • the rate of change in the phase ⁇ relative to the change in position r is greater near the edges than near the center. Therefore, the interval P2 between the fine structures 120 near the ends is smaller than the interval P1 between the fine structures 120 near the center.
  • the reproducibility of the phase profile improves as the number of microstructures 120 included in one continuous section from - ⁇ to ⁇ , that is, the number of samples, increases. For example, by arranging three or more or four or more fine structures 120 in each section, the reproducibility of the phase profile can be further improved.
  • equation (4) is extended to the following equation (6).
  • the interval P(r) between the fine structures 120 at a position at a distance r from the optical axis is determined so as to satisfy the following equation (7).
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the relationship between the number of samplings N and diffraction efficiency.
  • Practical diffraction efficiency is, for example, 80% or more. From FIG. 7, if N ⁇ 4, the diffraction efficiency becomes 80% or more. Therefore, N may be set to an integer of 4 or more, for example.
  • the interval P(r) between the fine structures 120 satisfies the following equation (8).
  • each fine structure 120 By arranging each fine structure 120 so as to satisfy formula (8), it is possible to further suppress a decrease in light collection performance near the edge where the phase change is steep.
  • a lower limit may be set for the interval P(r) between the fine structures 120.
  • the interval P(r) between the fine structures 120 satisfies the following equation (9).
  • each microstructure 120 By arranging each microstructure 120 so as to satisfy formula (9), problems such as a decrease in processing accuracy, a decrease in durability, or an increase in process variations during manufacturing can be effectively suppressed.
  • the interval P(r) between the fine structures 120 may be determined so as to satisfy both equations (8) and (9). According to such a configuration, it is possible to achieve both an ideal phase profile near the end of the lens and manufacturing advantages.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing an example of the metalens 100.
  • the substrate 110 and the plurality of microstructures 120 are made of the same material.
  • the substrate 110 and each microstructure 120 are made of a material whose main component is silicon with a (100) crystal plane orientation. Note that the crystal plane orientation of silicon may be (110) or (111). Also, a material different from silicon may be used.
  • the thickness of the substrate 110 of the metalens 100 is 500 ⁇ m.
  • the shape of the substrate 110 is square, as shown in FIG. 1, and its size is 8 mm x 8 mm.
  • a plurality of microstructures 120 are arranged within a circular area with a diameter of 8 mm on the surface of the substrate 110.
  • FIG. 8 schematically shows a cross section of a certain portion of the metalens 100.
  • Each of the microstructures 120 shown in FIG. 8 is a cylindrical pillar.
  • the target wavelength is 10.6 ⁇ m.
  • the width D of each fine structure 120 is determined within the range of 1 ⁇ m to 3 ⁇ m depending on the target value of the phase at that position.
  • the height of each microstructure 120 is 7 ⁇ m.
  • the maximum angle of view of the metalens 100 is ⁇ 30° (that is, the maximum half angle of view is 30°).
  • the fine structures 120 are two-dimensionally arranged as shown in FIG.
  • the fine structures 120 are periodically arranged from the center toward the ends at intervals that satisfy the above equation (5). Note that these numerical values are just examples, and can be adjusted as appropriate depending on the use or purpose of the metalens 100.
  • Metalens 100 can be manufactured using common semiconductor manufacturing techniques such as lithography, for example.
  • the metalens 100 can be produced by the following method. First, as the substrate 110, a silicon substrate whose main surface has a (100) crystal plane orientation is prepared. Next, a positive resist is applied to the main surface of the silicon substrate by a method such as a spin coating method. Subsequently, desired locations are irradiated with light or electron beams, and then development processing is performed. As a result, the resist at the portions irradiated with light or electron beams is removed.
  • This silicon substrate is etched using a reactive ion etching technique using an etching gas such as SF 6 gas.
  • the main surface of the silicon substrate where the resist has been removed is etched. Thereafter, the resist remaining on the main surface of the silicon substrate is removed by a wet process using a resist stripper or the like or a dry process using O2 ashing or the like. Through these steps, the metalens 100 including the substrate 110 and each fine structure 120 can be manufactured.
  • FIG. 9A is a diagram showing an ideal phase profile in this example.
  • FIG. 9B is a diagram showing the distribution of differential values of the phase profile shown in FIG. 9A.
  • FIG. 9C is a diagram showing the distribution of the upper limit value of the spacing between the microstructures 120.
  • the upper figure shows the two-dimensional distribution of each value within the lens plane, and the lower figure shows the dependence on the coordinate r indicating the distance from the optical axis within the lens plane.
  • FIG. 9B shows a distribution of values obtained by inverting the sign of the absolute value of the value obtained by differentiating the ideal phase profile ⁇ (r) with respect to the coordinate r. As shown in FIG. 9B, the phase change becomes steeper as one approaches the edge of the lens.
  • the distance between the fine structures 120 is set to a smaller value as it approaches the edge of the lens.
  • the spacing between the microstructures 120 is determined to be smaller than 11 ⁇ m near the center of the lens, and smaller than 4 ⁇ m near the edges of the lens. In this way, the fine structures 120 are arranged more densely at a location where the phase change is steeper. With such a structure, characteristics close to an ideal phase profile can be achieved.
  • each fine structure 120 is a convex body having a cylindrical shape, but each fine structure 120 may have a shape other than a cylinder.
  • each fine structure 120 may be a columnar body having the shape of an elliptical cylinder or a polygonal cylinder other than a cylinder.
  • each fine structure 120 may be a cone having an elliptical cone (including a cone) or a polygonal pyramid shape.
  • each fine structure 120 is not limited to a convex body, but may be a concave body.
  • the convex or concave bodies constituting the microstructure 120 may have any structure, such as a columnar body having the shape of an elliptical cylinder or a polygonal cylinder, or a cone body having the shape of an elliptical cone or a polygonal pyramid.
  • the substrate 110 and each of the plurality of microstructures 120 are made of the same material, but they may be made of different materials.
  • the difference between the refractive index of the substrate 110 and the refractive index of each of the plurality of microstructures 120 is For example, it may be 10% or less, 5% or less, or 3% or less of the minimum refractive index among the refractive index of 110 and the refractive index of each of the plurality of microstructures.
  • the substrate 110 and each of the plurality of microstructures 120 are made of, for example, silicon, germanium, chalcogenide, chalcohalide, zinc sulfide, zinc selenide, a fluoride compound, thallium halide, sodium chloride, potassium chloride, potassium bromide, or iodide. It may be made of a material whose main component is at least one selected from the group consisting of cesium and plastic (polyethylene, etc.). Here, the term "main component" refers to the component that is present in the largest proportion in terms of mole percent in the material. When the substrate 110 and each microstructure 120 are made of the materials described above, the transmittance of infrared rays from 2.5 ⁇ m to 25 ⁇ m can be increased, for example.
  • an AR (Anti-Reflection) functional film may be additionally formed.
  • the metalens 100 may be provided with various light modulation layers having a light modulation function in addition to the AR function film.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of a metalens 100 including a light modulation layer 130.
  • the metalens 100 in this example includes a light modulation layer 130 having a light modulation function on the surface of the substrate 110 opposite to the surface on which the microstructure 120 is provided.
  • the light modulation layer 130 may have an antireflection function for incident light, or may have other functions.
  • the light modulation layer 130 may have the function of a high-pass filter, a low-pass filter, or a band-pass filter that transmits only light in the target wavelength range.
  • the light modulation layer 130 may be a polarizing filter having a function of transmitting only a specific polarized light of the incident light.
  • the light modulation layer 130 may be a filter having a function of attenuating or amplifying the transmitted intensity of incident light in a specific wavelength range.
  • the light modulation layer 130 may be an ND (Neutral Density) filter.
  • the light modulation layer 130 may have a function of refracting incident light at a specific angle.
  • the light modulation layer 130 may be composed of a single layer or multiple layers depending on the desired light modulation function. Further, the light modulation layer 130 can be created using a film forming method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a metalens 100 in which the light modulation layer 130 includes a plurality of other fine structures 140 different from the fine structure 120.
  • one surface of substrate 110 is provided with an array of microstructures 120 and the opposite surface of substrate 110 is provided with another array of microstructures 140.
  • Each of the other microstructures 140 may be a convex body or a concave body.
  • the convex or concave body may be, for example, a cone having the shape of an elliptical cone or a polygonal pyramid, or a columnar body having the shape of an elliptic cylinder or a polygonal prism.
  • microstructures 140 may be different from the shape, size, and arrangement of microstructures 120.
  • Other microstructures 140 can be fabricated using the same method as the fabrication process of each microstructure 120 described in the above embodiments.
  • optical lens of the present disclosure is widely applicable to devices that utilize lenses, such as cameras, LiDAR sensors, projectors, AR displays, telescopes, microscopes, or scanning optical devices.

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Abstract

光学レンズは、所定の対象波長域の光に対して用いられる。前記光学レンズは、基板と、前記基板の表面に設けられた複数の微細構造体と、を備える。前記複数の微細構造体は、前記対象波長域における最短波長よりも短い間隔で配列されている。前記間隔は、前記光学レンズの位相プロファイルの変化の大きさに応じて、前記表面上の位置によって異なる。

Description

光学レンズ
　本開示は、光学レンズに関する。
　近年、メタサーフェスと呼ばれる微細な表面構造を有するメタレンズの研究および開発が進められている。メタサーフェスは、自然界には存在しない光学的機能を実現するメタマテリアルの構造をもつ表面である。メタレンズは、従来の複数の光学レンズの組み合わせと同等の光学的機能を、１枚の薄い平板状の構造で実現することができる。このため、メタレンズは、例えばカメラ、ＬｉＤＡＲセンサ、プロジェクタ、およびＡＲ（Augmented Reality）ディスプレイなどの、レンズを備えた機器の小型化および軽量化に寄与することができる。メタレンズおよびメタレンズを用いた装置の例が、例えば特許文献１および２に開示されている。
　特許文献１は、基板と、基板上に配置された複数のナノ構造体とを備えるメタレンズを開示している。このメタレンズでは、複数のナノ構造体の各々が、その位置に依存して変化する光位相シフトをもたらし、各ナノ構造体による光位相シフトがメタレンズの位相プロファイルを規定する。各ナノ構造体の光位相シフトは、当該ナノ構造体の位置と、当該ナノ構造体のサイズまたは向きとに依存する。ナノ構造体の例として、ナノフィンとナノピラーとが例示されている。各ナノフィンの配置の角度を調整したり、各ナノピラーのサイズを調整したりすることにより、所望の位相シフトを実現することが特許文献１には記載されている。
　特許文献２は、メタレンズを含む小型化されたレンズアセンブリー、およびそれを含む電子装置を開示している。特許文献２に開示されたメタレンズは、ナノ構造物アレイを含み、入射光に含まれる互いに異なる少なくとも２つの波長の光に対して同一の位相遅延プロファイルを形成するように構成されている。このメタレンズでは、所望の位相遅延プロファイルを実現するために、ナノ構造物アレイに含まれる複数の内部柱のそれぞれの幅が、必要な位相遅延量に応じて適切に決定される。
特表２０１９－５１６１２８号公報 特開２０２１－７１７２７号公報
　メタレンズの設計にあたっては、実現すべき理想的な位相プロファイルを可能な限り正確に再現することが求められる。しかしながら、従来のメタレンズでは、理想的な位相プロファイルを正確に再現することが難しかった。特に、位相プロファイルの変化が急峻な箇所において、理想的な位相プロファイルを再現することが難しかった。
　本開示は、所望の位相プロファイルを再現することが容易な光学レンズを提供する。
　本開示の一態様に係る光学レンズは、所定の対象波長域の光に対して用いられ、基板と、前記基板の表面に設けられた複数の微細構造体とを備える。前記複数の微細構造体は、前記対象波長域における最短波長よりも短い間隔で配列されている。前記間隔は、前記光学レンズの位相プロファイルの変化の大きさに応じて、前記表面上の位置によって異なっている。
　本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録ディスク等の記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意の組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc‐Read Only Memory）等の不揮発性の記録媒体を含み得る。装置は、１つ以上の装置で構成され得る。装置が２つ以上の装置で構成される場合、当該２つ以上の装置は、１つの機器内に配置されてもよいし、分離した２つ以上の機器内に分かれて配置されてもよい。本明細書および特許請求の範囲において、「装置」とは、１つの装置を意味し得るだけでなく、複数の装置からなるシステムも意味し得る。
　本開示の一態様によれば、所望の位相プロファイルを再現することが容易な光学レンズを実現することができる。
図１は、メタレンズの一例を模式的に示す斜視図である。 図２は、１つのユニットセルの構造の例を模式的に示す斜視図である。 図３は、メタレンズの機能を模式的に示す図である。 図４Ａは、理想的な位相プロファイルの一例を示すグラフである。 図４Ｂは、従来の周期的な配列によって実現される位相プロファイルの例を示す図である。 図４Ｃは、本開示の実施形態によって実現される位相プロファイルの例を示す図である。 図５は、所望の位相プロファイルを実現するメタレンズを作製するためのユニットセルの間隔に関する条件を説明するための図である。 図６Ａは、理想的な位相プロファイルの例を示す図である。 図６Ｂは、－πからπの位相の範囲でラッピングされた位相プロファイルを示す図である。 図６Ｃは、理想的な位相プロファイルを実現するためのサンプリングの例を示す図である。 図７は、サンプリング数Ｎと、回折効率との関係の例を示す図である。 図８は、メタレンズの実施例を模式的に示す図である。 図９Ａは、実施例における理想的な位相プロファイルを示す図である。 図９Ｂは、図９Ａに示す位相プロファイルの微分値の分布を示す図である。 図９Ｃは、微細構造体の間隔の上限値の分布を示す図である。 図１０は、光変調層を備えるメタレンズの例を示す模式断面図である。 図１１は、光変調層が他の複数の微細構造体を含むメタレンズの例を示す図である。
　以下、本開示の例示的な実施形態を説明する。以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、同一または類似の構成要素に対して同一の符号が付されている。重複する説明は省略または簡略化される場合がある。
　本開示において「光」の用語は、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）に限らず、非可視光に対しても用いられる。非可視光は、紫外線（波長が約１０ｎｍから約４００ｎｍ）、赤外線（波長が約７００ｎｍから約１ｍｍ）、または電波（波長が約１ｍｍから約１ｍ）の波長域に含まれる電磁波を意味する。本開示における光学レンズは、可視光に限らず、紫外線、赤外線、または電波などの非可視光に対しても使用され得る。
　（本開示の基礎となった知見）
　まず、本開示における光学レンズの基本的な構成の例と、本発明者らによって見出された知見を説明する。
　以下の説明において、光学レンズを「メタレンズ」とも称する。メタレンズは、入射光の波長よりも小さい複数の微細構造体を表面に有し、それらの微細構造体による位相シフトによってレンズ機能を実現する光学素子である。各微細構造体の形状、大きさ、向き、および配置を適切に設計することにより、入射光の位相、振幅、または偏光などの光学特性を調整することが可能である。
　図１は、メタレンズの一例を模式的に示す斜視図である。図１に示すメタレンズ１００は、基板１１０と、基板１１０の表面に設けられた複数の微細構造体１２０とを備える。この例における微細構造体１２０の各々は、円柱に類似する形状を有する柱状体（「ピラー」とも呼ぶ。）である。メタレンズ１００における１つの微細構造体１２０を含む単位要素を「ユニットセル」と称する。メタレンズ１００は、複数のユニットセルの集合体である。
　図２は、１つのユニットセルの構造の例を模式的に示す斜視図である。１つのユニットセルは、基板１１０の一部と、当該基板１１０の一部から突出する１つの微細構造体１２０とを含む。各ユニットセルは、入射光に対して、微細構造体１２０の構造に応じた位相シフトを生じさせる。
　図３は、メタレンズ１００の機能を模式的に示す図である。図３において、矢印は光線の例を示している。この例におけるメタレンズ１００は、従来の凸レンズと同様、入射光を集光する機能を有する。図３の例において、メタレンズ１００の基板側から入射した入射光は、微細構造体１２０のアレイによって位置に応じて異なる位相変化を受け、集光される。所望の集光特性を実現するために、各微細構造体１２０の形状、幅、高さ、または向き等が適切に決定される。各微細構造体１２０の構造は、例えば実現すべき位相プロファイルを示すデータと、電磁場シミュレーションの結果とに基づいて適切に決定され得る。
　微細構造体１２０の各々は、メタレンズ１００の入射光の波長よりも短いサブ波長のサイズ（例えば、幅および高さ）を有し、サブ波長の間隔または周期で配置され得る。微細構造体１２０の「間隔」は、基板１１０の表面に垂直な方向から見たときの隣接する２つの微細構造体１２０の中心間の距離である。
　メタレンズ１００は、所定の対象波長域の光に対して所望の光学特性を実現するように設計され得る。対象波長域は、例えば仕様で定められた波長域である。対象波長域の下限が例えば１μｍである場合、微細構造体１２０のサイズおよび間隔は、１μｍよりも短い値に設定され得る。このような１μｍよりも小さいナノスケールのサイズの微細構造体は、「サブミクロン構造体」または「ナノ構造体」と呼ばれることがある。対象波長域が赤外領域の波長域である場合、微細構造体１２０のサイズおよび間隔は、１μｍよりも大きくてもよい。
　メタレンズ１００の表面に設けられる微細構造体１２０の個数は、実現すべきレンズ特性に応じて適切な数に決定される。微細構造体１２０の個数は、例えば１００から１万の範囲内であり、場合によっては１００未満、または１万よりも多くてもよい。
　ここで、従来のメタレンズの設計方法の例を簡単に説明する。従来のメタレンズの設計方法として、例えば特許文献２に開示されている方法がある。特許文献２に開示された方法では、複数の柱状の微細構造体がレンズの中心から外周方向に向かって一定の周期で配列される。各位置における微細構造体の幅が、所望の位相遅延量を実現するように最適な値に決定される。これにより、メタレンズの中心から外周方向に位相が減少する位相プロファイルが実現される。
　しかしながら、本発明者らの検討によれば、周期を固定して各微細構造体の幅を変化させる上記の方法では、理想的な位相プロファイルを再現できない場合があることがわかった。特に、理想的な位相プロファイルにおいて位相の変化が急峻な箇所では、理想的な位相シフトを実現することが難しく、改善が必要であることがわかった。
　この課題は、全ての微細構造体を一定の周期で配列した場合には、レンズの端付近で微細構造体の数が不足し、十分な位相シフトが得られないことに起因していると考えられる。メタレンズにおけるユニットセルの周期（すなわち間隔）をΔｘ、入射光の自由空間での波長をλ、開口数をＮＡとすると、サンプリング定理から、周期Δｘは以下の不等式（１）を満たすように決定される。
　この条件を満たす一定の周期Δｘで微細構造体を配列した場合、レンズの中心付近では微細構造体の個数（すなわちサンプリング数）が過剰になり易い一方で、端付近では最低限のサンプリング数になり易い。位相変化が急峻な端付近で最低限のサンプリング数しかない場合、端付近で位相再現度が低くなるため、所望の集光特性を実現することが難しい。また、レンズの端付近の位相再現度を向上させるために微細構造体の周期を十分に小さくすると、中心付近のサンプリング数が過剰になる。微細構造体の周期が小さく、サンプリング数が過剰になると、例えば以下の問題が生じ得る。
　－加工精度の低下
　－微細構造体の耐久性の低減（例えばピラーの倒壊など）
　－マイクロローディング効果の増加によるプロセスばらつきの増加
　特に、大面積のレンズまたは回転非対称なレンズを作製する場合に上記の問題が顕著になり得る。
　本発明者らは、上記の課題を見出し、上記の課題を解決するための光学レンズの構成を検討した。その結果、実現すべき理想的な位相プロファイルに応じて微細構造体の間隔を位置によって変化させることにより、上記の課題を解決できることに想到した。以下、本開示の実施形態による光学レンズの構成を説明する。
　（実施形態）
　本開示の例示的な実施形態による光学レンズは、所定の対象波長域の光に対して用いられる。光学レンズは、基板と、当該基板の表面に設けられた複数の微細構造体とを備える。複数の微細構造体は、対象波長域における最短波長よりも短い間隔で配列される。当該間隔は、光学レンズが実現すべき位相プロファイルに応じて、上記表面上の位置によって異なるように決定される。
　ここで「対象波長域」は、当該光学レンズの使用が想定されている光の波長域であり、当該光学レンズの仕様、または当該光学レンズを搭載する機器の仕様に基づいて決定され得る。対象波長域は、例えば、可視光の波長域（約４００ｎｍから約７００ｎｍ）の少なくとも一部を含んでいてもよい。あるいは、対象波長域は、紫外線の波長域（波長が約１０ｎｍから約４００ｎｍ）の少なくとも一部を含んでいてもよい。あるいは、対象波長域は、赤外線の波長域（約７００ｎｍから約１ｍｍ）の少なくとも一部を含んでいてもよい。あるいは、対象波長域は、電波の波長域（波長が約１ｍｍから約１ｍ）の少なくとも一部を含んでいてもよい。ある例において、対象波長域は、２．５μｍから２５μｍの赤外線の波長域の少なくとも一部を含み得る。２．５μｍから２５μｍの波長域は、例えばＬｉＤＡＲセンサまたは赤外線カメラなどの赤外線を利用するセンシング装置に好適に利用され得る。なお、本開示における「波長」の用語は、特に断らない限り、自由空間における波長を意味する。
　基板および各微細構造体は、対象波長域の光に対して透光性を有する材料で構成され得る。ここで「透光性を有する」とは、入射光を５０％よりも高い透過率で透過させる特性を有することを意味する。ある実施形態において、基板１１０および各微細構造体１２０は、対象波長域の光を８０％以上の透過率で透過させる材料で構成されてもよい。
　微細構造体の「間隔」は、基板の表面（以下、「レンズ面」とも称する。）に垂直な方向から見た場合における隣接する２つの微細構造体の中心間の距離を意味する。対象波長域における最短波長が例えば２．５μｍである場合、複数の微細構造体のうちの任意の２つの隣り合う微細構造体の中心間の距離は、２．５μｍよりも短い。なお、微細構造体の幅は微細構造体の間隔よりも小さいので、微細構造体の幅も対象波長域における最短波長よりも短い。
　微細構造体の間隔は、当該光学レンズが実現すべき位相プロファイルに応じて決定される。位相プロファイルは、当該光学レンズの入射光の位相に対する出射光の位相のシフト量（以下、単に「位相」と称することがある。）のレンズ面内での分布を表す。位相プロファイルは、例えば、レンズ面内の位置あるいは光軸からの距離に対する位相の関数によって表現され得る。位相プロファイルが示す位相は、レンズ面内の位置によって異なる。本実施形態では、実現すべき位相プロファイルに応じて、微細構造体の間隔が、レンズ面上の位置（例えば光軸からの距離）に応じて異なるように決定される。
　微細構造体の間隔は、位相プロファイルが示す位相の位置に関する微分値に応じて異なる。例えば、基板の表面上の第１の位置における位相プロファイルが示す位相の位置に関する微分値の絶対値が、当該表面上の第２の位置における当該微分値の絶対値よりも大きい場合、第１の位置における微細構造体の間隔は、第２の位置における前記微細構造体の前記間隔よりも小さい値に決定され得る。このように、位相プロファイルが示す位相の位置に関する微分値の絶対値が大きいほど、微細構造体の間隔が小さくなるように複数の微細構造体が配置され得る。
　上記の構成によれば、実現すべき位相プロファイルにおける位相の変化が急峻な箇所では、位相の変化が緩やかな箇所よりも微細構造体が密に配置される。このような構成により、位相の変化が急峻な箇所において、理想的な位相プロファイルをより正確に再現することが可能になる。また、位相の変化が緩やかな箇所（例えば中央部）において微細構造体を過剰に配置してしまうことを抑制できる。結果として、微細構造体の加工精度の低下、微細構造体の耐久性の低減、および製造時のプロセスばらつきの増加などの問題を回避することができる。
　ここで、図４Ａから図４Ｃを参照しながら、上記の効果をより詳細に説明する。
　図４Ａは、理想的な位相プロファイルの一例を示すグラフである。この位相プロファイルは、レンズ面における光軸（例えば光学レンズの中心軸）からの距離ｒに対する相対的な位相Φの関数を表している。この位相プロファイルにおいては、距離ｒの増加に対して位相Φが単調に減少する。
　図４Ｂは、従来の周期的な配列によって実現される位相プロファイルの例を示す図である。この例では、複数の微細構造体１２０が周期的に配列されている。この構成では、図４Ｂに示すように、位相の変化が急峻なレンズの端付近において理想的な位相変化を再現できていない。
　図４Ｃは、本開示の実施形態によって実現される位相プロファイルの例を示す図である。図４Ｃに示す例では、微細構造体１２０の間隔が、光軸からの距離ｒが大きい領域において小さくなるように各微細構造体１２０が配置されている。これにより、特に距離ｒが大きい端付近における位相プロファイルの再現性が向上する。
　このように、本実施形態の光学レンズによれば、理想的な位相プロファイルが示す位相の位置に対する変化率に応じて微細構造体１２０の間隔が適切に決定される。特に、位相変化が急峻な箇所における微細構造体の間隔が小さくなるように各微細構造体１２０が配置される。これにより、理想的な位相プロファイルをより正確に再現することができ、レンズの性能を向上させることができる。
　次に、位相プロファイルに応じて微細構造体１２０の間隔を決定する方法のより具体的な例を説明する。
　図５は、所望の位相プロファイルを実現するメタレンズを作製するためのユニットセルの間隔に関する条件を説明するための図である。図５の上の図（ａ）は、メタレンズ１００に入射する光がレンズ面で進路を変化させる様子を模式的に示している。図５の下の図（ｂ）は、上の図（ａ）における破線の円で囲まれた領域の模式拡大図である。
　レンズ機能を実現するメタレンズ１００の理想的な位相プロファイルは、例えば以下の関数Φ（ｒ）で表される。
ここでｒは光軸からの距離であり、ａｉは所定の係数である。
　図５の例では、屈折率ｎｓのメタレンズ１００に、屈折率ｎの媒質（例えば空気）から入射角θｉで波数ｋｉの光が入射する。メタレンズ１００は、例えば撮像装置において、イメージセンサと組み合わせて使用され得る。メタレンズ１００はまた、望遠鏡、顕微鏡、または走査光学装置においても使用され得る。波数ｋｉを対象波長域における最短波長λに対応する波数とし、入射角θｉをメタレンズ１００の最大半画角（すなわちメタレンズ１００を含む装置で利用され得る光の最大入射角度）とする。ここでいう光の最大入射角度とは、例えば、メタレンズ１００を含む撮像装置、望遠鏡、もしくは顕微鏡などの装置の最大視野角、または、メタレンズ１００を含む走査光学装置の最大走査角などであり得る。なお、メタレンズ１００は、これらの用途のみに限定されるものではない。複数の微細構造体１２０は、最大で以下のＫ０の波数成分（すなわち空間周波数成分）を入射光に与えるように形成される。
　ユニットセルで最大空間周波数成分Ｋ０を付与するために最低限必要なサンプリング間隔Ｐは、サンプリング定理に基づいて決定される。サンプリング定理は、連続信号に含まれる最大周波数の２倍を超える周波数でサンプリングすれば元の信号を復元できるという定理である。サンプリング定理より、間隔Ｐは、以下の不等式（４）を満たすように決定され得る。
　したがって、光軸からの距離ｒの位置における微細構造体１２０の間隔Ｐ（ｒ）は、以下の不等式を満たすように決定され得る。
　この不等式を満たすように各微細構造体１２０の位置を決定することにより、位相の急峻さに応じて各微細構造体１２０を適切に配置することができる。これにより、位相の変化が急峻な領域における特性を改善し、集光効率を改善することができる。また、位相の変化率が小さい箇所においては、微細構造体１２０の間隔を比較的大きくできる。このため、製造時の加工精度の向上、加工時間の低減、および耐久性の向上などの効果も得ることができる。
　ここで、図６Ａから図６Ｃを参照しながら、微細構造体１２０のより好ましい配置について説明する。
　図６Ａは、理想的な位相プロファイルの例を示している。図６Ｂは、－πからπの位相の範囲でラッピングされた位相プロファイルを示している。図６Ｃは、理想的な位相プロファイルを実現するためのサンプリングの例を示している。図６Ｃにおける黒い点は、微細構造体１２０の位置（すなわちサンプリング点）の例を示している。これらの図に示すように、－πからπの間でラッピングされた複数の区間のそれぞれについて、適切な個数の微細構造体１２０が配置される。サンプリング定理から、－πからπまでの１つの連続する区間につき、２つ以上の微細構造体１２０が配置される。この例では、レンズの中央付近と端付近とで位相の急峻さ（すなわち微分値）が異なる。中央付近よりも端付近の方が位置ｒの変化に対する位相Φの変化率が大きい。このため、中央付近の微細構造体１２０の間隔Ｐ１よりも、端付近の微細構造体１２０の間隔Ｐ２の方が小さい。このような微細構造体１２０の配置により、理想の位相プロファイルをより正確に再現することができる。
　－πからπまでの連続する１つの区間に含まれる微細構造体１２０の個数すなわちサンプリング数を多くするほど、位相プロファイルの再現性が向上する。例えば、区間ごとに、３以上または４以上の微細構造体１２０を配置することにより、位相プロファイルの再現性をさらに向上させることができる。
　上記の不等式（４）で左辺と右辺との差が小さい場合、ラッピング位相が２点で再現されるため、再現性が低い場合がある。そこで、Ｎを２以上の整数として、式（４）を次の式（６）に拡張する。
　この場合、光軸からの距離ｒの位置における微細構造体１２０の間隔Ｐ（ｒ）は、以下の式（７）を満たすように決定される。
　図７は、サンプリング数Ｎと、回折効率との関係の例を示す図である。サンプリング数Ｎと回折効率ηとの関係として、η＝ｓｉｎｃ２（１／Ｎ）の関係式が知られている。実用的な回折効率は、例えば８０％以上である。図７から、Ｎ≧４であれば、回折効率が８０％以上になる。よって、Ｎは、例えば４以上の整数に設定されてもよい。一例として、Ｎ＝４の場合、微細構造体１２０の間隔Ｐ（ｒ）は、以下の式（８）を満足する。
　式（８）を満足するように各微細構造体１２０を配置することにより、位相の変化が急峻な端付近における集光性能の低下をさらに抑制することができる。
　なお、サンプリング数Ｎが大きすぎると、前述のように、加工精度の低下、耐久性の低減、または製造時のプロセスばらつきの増加などの好ましくない問題が生じる可能性がある。このため、微細構造体１２０の間隔Ｐ（ｒ）に下限を設けてもよい。例えば、Ｎ＝８またはＮ＝１０などの場合における式（７）の右辺の値をＰ（ｒ）の下限値としてもよい。一例として、Ｎ＝８の場合の値を下限とする場合、微細構造体１２０の間隔Ｐ（ｒ）は、以下の式（９）を満足する。
　式（９）を満足するように各微細構造体１２０を配置することにより、加工精度の低下、耐久性の低減、または製造時のプロセスばらつきの増加などの問題を効果的に抑えることができる。
　式（８）および式（９）の両方を満足するように微細構造体１２０の間隔Ｐ（ｒ）が決定されてもよい。そのような構成によれば、レンズの端付近での理想的な位相プロファイルの実現と、製造上の利点との両立を図ることができる。
　（実施例）
　次に、メタレンズ１００の実施例を説明する。
　図８は、メタレンズ１００の実施例を模式的に示す図である。この実施例では、基板１１０と複数の微細構造体１２０とが同一の材料で構成されている。基板１１０および各微細構造体１２０は、結晶面方位が（１００）のシリコンを主成分とする材料から構成されている。なお、シリコンの結晶面方位は（１１０）または（１１１）であってもよい。また、シリコンとは異なる材料が用いられてもよい。
　メタレンズ１００の基板１１０の厚さは、５００μｍである。基板１１０の形状は、図１に示すように正方形状であり、そのサイズは８ｍｍ×８ｍｍである。基板１１０の表面における直径８ｍｍの円形の領域内に、複数の微細構造体１２０が配列されている。図８は、メタレンズ１００のある部分の断面を模式的に表している。
　図８に示す微細構造体１２０の各々は、円柱状のピラーである。対象波長は、１０．６μｍである。各微細構造体１２０の幅Ｄは、１μｍから３μｍの範囲内で、その位置での位相の目標値に応じて決定されている。各微細構造体１２０の高さは、７μｍである。メタレンズ１００の最大画角は、±３０°（すなわち最大半画角が３０°）である。微細構造体１２０は、図１に示すように２次元的に配置されている。微細構造体１２０は、中心から端に向かって、上記の式（５）を満たす間隔で周期的に配置されている。なお、これらの数値は一例であり、メタレンズ１００の用途または目的に応じて適宜調整され得る。
　メタレンズ１００は、例えばリソグラフィなどの一般的な半導体製造技術を利用して作製され得る。例えば、以下の方法でメタレンズ１００が作製され得る。まず、基板１１０として、主面の結晶面の面方位が（１００）面であるシリコン基板を準備する。次に、スピンコート法等の方法により、シリコン基板の主面にポジ型のレジストを塗布する。続いて所望の箇所に光または電子線を照射し、その後、現像処理を行う。これにより、光または電子線が照射された箇所のレジストが除去される。このシリコン基板を、ＳＦ６ガス等のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング技術等を用いてエッチングする。これにより、レジストが除去された箇所のシリコン基板の主面がエッチングされる。その後、レジスト剥離液等を用いたウェットプロセス、またはО２アッシング等を用いたドライプロセスにより、シリコン基板の主面に残渣しているレジストを除去する。これらの工程を経て、基板１１０と各微細構造体１２０を有するメタレンズ１００を作製することができる。
　図９Ａは、本実施例における理想的な位相プロファイルを示す図である。図９Ｂは、図９Ａに示す位相プロファイルの微分値の分布を示す図である。図９Ｃは、微細構造体１２０の間隔の上限値の分布を示す図である。これらの各図において、上の図はレンズ面内でのそれぞれの値の２次元分布を示し、下の図はレンズ面内における光軸からの距離を示す座標ｒに対する依存性を示している。図９Ｂは、理想的な位相プロファイルΦ（ｒ）を座標ｒで微分した値の絶対値の符号を反転させた値の分布を示している。図９Ｂに示すように、レンズの端に近付くにつれて、位相の変化が急峻になる。このため、図９Ｃに示すように、微細構造体１２０の間隔は、レンズの端に近付くにつれて小さい値に設定される。図９Ｃに示す例において、微細構造体１２０の間隔は、レンズの中心付近においては１１μｍよりも小さい値に決定され、レンズの端付近においては４μｍよりも小さい値に決定される。このように、位相変化が急峻な箇所ほど微細構造体１２０が密に配置される。このような構造により、理想的な位相プロファイルに近い特性を実現することができる。
　（変形例）
　次に、メタレンズ１００の変形例を説明する。
　上記の実施例では、各微細構造体１２０は円柱形状を有する凸状体であるが、各微細構造体１２０は、円柱以外の形状を有していてもよい。例えば、各微細構造体１２０は、円柱以外の楕円柱もしくは多角柱の形状を有する柱状体であってもよい。あるいは、各微細構造体１２０は、楕円錐（円錐を含む）もしくは多角錐の形状を有する錐状体であってもよい。さらに、各微細構造体１２０は、凸状体に限らず凹状体であってもよい。微細構造体１２０を構成する凸状体または凹状体は、楕円柱もしくは多角柱の形状を有する柱状体、または楕円錐もしくは多角錐の形状を有する錐状体などの任意の構造を有し得る。
　上記の実施例では、基板１１０および複数の微細構造体１２０の各々は同一の材料で構成されているが、これらが異なる材料で構成されていてもよい。基板１１０と複数の微細構造体１２０のアレイとの間の不要な反射または屈折を抑制するために、基板１１０の屈折率と、複数の微細構造体１２０の各々の屈折率との差は、基板１１０の屈折率および複数の微細構造体の各々の屈折率のうちの最小の屈折率の例えば１０％以下、５％以下、または３％以下であってもよい。
　基板１１０および複数の微細構造体１２０の各々は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、カルコゲナイド、カルコハライド、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、フッ化化合物、タリウムハライド、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化セシウム、およびプラスチック（ポリエチレン等）からなる群から選択される少なくとも１つを主成分とする材料から構成されていてもよい。ここで「主成分」とは、モルパーセントで表した含有の割合が材料中で最も多い成分をいう。基板１１０および各微細構造体１２０が上記のような材料から構成されている場合、例えば２．５μｍから２５μｍの赤外線の透過率を高くすることができる。
　透過率を向上させるために、ＡＲ（Anti-Reflection）機能膜が追加で形成されてもよい。ＡＲ機能膜に限らず、光変調機能を有する種々の光変調層がメタレンズ１００に設けられていてもよい。
　図１０は、光変調層１３０を備えるメタレンズ１００の例を示す模式断面図である。この例におけるメタレンズ１００は、基板１１０における微細構造体１２０が設けられた表面とは反対側の表面に、光変調機能を有する光変調層１３０を備える。光変調層１３０は、入射光に対する反射防止機能を有していてもよいし、他の機能を有していてもよい。例えば、光変調層１３０は、対象波長域の光のみを透過させるハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、またはバンドパスフィルタのいずれかの機能を有していてもよい。あるいは、光変調層１３０は、入射光のうちの特定の偏光のみを透過させる機能を有する偏光フィルタであってもよい。また、光変調層１３０は、特定の波長域の入射光の透過強度を減衰または増幅させる機能を有するフィルタであってもよい。光変調層１３０は、ＮＤ（Neutral Density）フィルタであってもよい。光変調層１３０は、入射光を特定の角度に屈折させる機能を有していてもよい。光変調層１３０は、所望の光変調機能に応じて単層または複数層で構成され得る。また、光変調層１３０は、真空蒸着法またはスパッタリング法などの成膜手法を用いて作成することができる。
　図１１は、光変調層１３０が、微細構造体１２０とは異なる他の複数の微細構造体１４０を含むメタレンズ１００の例を示す図である。この例では、基板１１０の一方の表面に微細構造体１２０のアレイが設けられ、基板１１０の反対側の表面に他の微細構造体１４０のアレイが設けられている。他の微細構造体１４０の各々は、凸状体または凹状体であり得る。凸状体または凹状体は、例えば、楕円錐もしくは多角錐の形状を有する錐状体、または楕円柱もしくは多角柱の形状を有する柱状体であり得る。他の微細構造体１４０の形状、サイズ、および配置は、微細構造体１２０における形状、サイズ、および配置と異なっていてもよい。他の微細構造体１４０は、上記の実施例で記載した各微細構造体１２０の作製プロセスと同様の手法により作製することができる。この例のように、基板１１０の両側に微細構造体のアレイ（すなわちメタサーフェス）を設けることにより、片面だけでは実現が難しいレンズ機能を実現することが容易になる。
　本開示の光学レンズは、例えばカメラ、ＬｉＤＡＲセンサ、プロジェクタ、ＡＲディスプレイ、望遠鏡、顕微鏡、または走査光学装置などの、レンズを利用する機器に広く適用可能である。
　１００　メタレンズ
　１１０　基板
　１２０　微細構造体
　１３０　光変調層
　１４０　微細構造体

Claims (20)

  1. 　所定の対象波長域の光に対して用いられる光学レンズであって、
    　基板と、
    　前記基板の表面に設けられた複数の微細構造体と、
    を備え、
    　前記複数の微細構造体は、前記対象波長域における最短波長よりも短い間隔で配列され、
    　前記間隔は、前記光学レンズの位相プロファイルの変化の大きさに応じて、前記表面上の位置によって異なる、
    　光学レンズ。
  2. 　前記間隔は、前記位相プロファイルが示す位相の位置に関する微分値に応じて異なる、請求項１に記載の光学レンズ。
  3. 　前記表面上の第１の位置における前記位相プロファイルが示す前記位相の前記微分値の絶対値が、前記表面上の第２の位置における前記微分値の絶対値よりも大きい場合、前記第１の位置における前記微細構造体の前記間隔は、前記第２の位置における前記微細構造体の前記間隔よりも小さい、請求項２に記載の光学レンズ。
  4. 　前記表面における光軸からの距離をｒ、前記位相プロファイルが示す前記位相の距離ｒに対する関数をΦ（ｒ）、前記対象波長域における最短波長をλ、前記光学レンズの周囲の媒質の屈折率をｎ、前記光学レンズの最大画角を±θｉとするとき、距離ｒの位置における前記微細構造体の前記間隔Ｐ（ｒ）は、
    を満足する、請求項１から３のいずれかに記載の光学レンズ。
  5. 　前記間隔Ｐ（ｒ）は、
    を満足する、請求項４に記載の光学レンズ。
  6. 　前記間隔Ｐ（ｒ）は、
    を満足する、請求項４または５に記載の光学レンズ。
  7. 　前記複数の微細構造体の各々は、凸状体または凹状体であり、前記凸状体または凹状体は、楕円錐もしくは多角錐の形状を有する錐状体、または楕円柱もしくは多角柱の形状を有する柱状体である、請求項１から６のいずれかに記載の光学レンズ。
  8. 　前記基板および前記複数の微細構造体の各々は、前記対象波長域の光に対して透光性を有する、請求項１から７のいずれかに記載の光学レンズ。
  9. 　前記基板の屈折率と、前記複数の微細構造体の各々の屈折率との差は、前記基板の屈折率および前記複数の微細構造体の各々の屈折率のうちの最小の屈折率の１０％以下である、請求項１から８のいずれかに記載の光学レンズ。
  10. 　前記基板および前記複数の微細構造体の各々は、同一の材料で構成されている、請求項１から９のいずれかに記載の光学レンズ。
  11. 　前記対象波長域は、２．５μｍから２５μｍの赤外線の波長域の少なくとも一部を含む、請求項１から１０のいずれかに記載の光学レンズ。
  12. 　前記基板および前記複数の微細構造体の各々は、シリコン、ゲルマニウム、カルコゲナイド、カルコハライド、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、フッ化化合物、タリウムハライド、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化セシウム、およびプラスチックからなる群から選択される少なくとも１つを主成分とする材料から構成されている、請求項１から１１のいずれかに記載の光学レンズ。
  13. 　前記光学レンズは、シリコンを主成分とする材料から構成され、前記シリコンの結晶面方位は（１００）、（１１０）、または（１１１）である、請求項１から１２のいずれかに記載の光学レンズ。
  14. 　前記基板の前記表面とは反対側の表面に、光変調機能を有する光変調層をさらに備える、請求項１から１３のいずれかに記載の光学レンズ。
  15. 　前記光変調層は、他の複数の微細構造体を含み、
    　前記他の複数の微細構造体の各々は、凸状体または凹状体であり、前記凸状体または凹状体は、楕円錐もしくは多角錐の形状を有する錐状体、または楕円柱もしくは多角柱の形状を有する柱状体である、請求項１から１４のいずれかに記載の光学レンズ。
  16. 　前記光変調層は、入射光に対する反射防止機能を有する、請求項１４または１５に記載の光学レンズ。
  17. 　前記光変調層は、前記対象波長域の光のみを透過させるハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、またはバンドパスフィルタのいずれかの機能を有する、請求項１４から１６のいずれかに記載の光学レンズ。
  18. 　前記光変調層は、入射光のうちの特定の偏光のみを透過させる機能を有する、請求項１４から１７のいずれかに記載の光学レンズ。
  19. 　前記光変調層は、特定の波長域の入射光の透過強度を減衰または増幅させる機能を有する、請求項１４から１８のいずれかに記載の光学レンズ。
  20. 　前記光変調層は、入射光を特定の角度に屈折させる機能を有する、請求項１４から１９のいずれかに記載の光学レンズ。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015087431A (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 株式会社東芝 光学装置及び固体撮像装置
JP2019516128A (ja) * 2016-04-05 2019-06-13 プレジデント・アンド・フェロウズ・オブ・ハーバード・カレッジ サブ波長解像度イメージング用のメタレンズ

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