特許 7094358 少なくとも２つの光学機能を提供可能な光学デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-23

(45)【発行日】2022-07-01

(54)【発明の名称】少なくとも２つの光学機能を提供可能な光学デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/00 20060101AFI20220624BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20220624BHJP

   G02B 3/08 20060101ALN20220624BHJP

【ＦＩ】

G02B5/00 Z

G02B27/02 Z

G02B3/08

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020511921

(86)(22)【出願日】2018-08-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-11-05

(86)【国際出願番号】 EP2018073156

(87)【国際公開番号】W WO2019043016

(87)【国際公開日】2019-03-07

【審査請求日】2021-08-23

(31)【優先権主張番号】17306136.7

(32)【優先日】2017-09-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】518341334

【氏名又は名称】インターディジタル・シーイー・パテント・ホールディングス・ソシエテ・パ・アクシオンス・シンプリフィエ

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100107319

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100170379

【弁理士】

【氏名又は名称】徳本 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100180231

【弁理士】

【氏名又は名称】水島 亜希子

(74)【代理人】

【識別番号】100096769

【弁理士】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】ボリスキン，アルチョム

(72)【発明者】

【氏名】シュラムコワ，オクサナ

【審査官】酒井 康博

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３０６０７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／１６１１７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２６８３７１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／００

Ｇ０２Ｂ ２７／０２

Ｇ０２Ｂ ３／０８

Ｓｃｏｐｕｓ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのユニットセル（ＵＣ；ＵＣ１、ＵＣ２）を備え、入射電磁波から出射電磁波を生じさせる光学デバイスであって、
前記ユニットセルは、
少なくとも２つのサブ波長光学要素（１、２、．．．、Ｎ）であって、前記サブ波長光学要素の各々は、異なるサブ波長光学要素の組（ＭＳ１、ＭＳ２、．．．、ＭＳｎ）に属し、サブ波長光学要素の組は入射電磁波に対する光応答のタイプによって特徴付けられる、少なくとも２つのサブ波長光学要素と、
前記ユニットセルに入射した電磁波（２０）に応じて、所与の組に属する全てのサブ波長光学要素の選択的な励起を可能とするナノジェットマイクロレンズ（２１）と
を備え、
前記サブ波長光学要素は前記ナノジェットマイクロレンズの焦平面にある、
光学デバイス。

【請求項2】

光応答のタイプが、
前記入射電磁波に加えられる位相シフトと、
前記入射電磁波のスペクトルの少なくとも一部の振幅変化と
を含む群に属する、請求項１に記載の光学デバイス。

【請求項3】

前記サブ波長光学要素（ＮＰ）は、
金属粒子と、
誘電体粒子と、
半導体粒子と、
光共振器と、
光アンテナと
を含む群に属する、請求項１又は２に記載の光学デバイス。

【請求項4】

前記サブ波長光学要素は、誘電体基板（１０）上又はその内部に組み付けられている、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学デバイス。

【請求項5】

前記ナノジェットマイクロレンズは、前記基板に組み込まれ、前記基板の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体材料から作製されたナノジェットマイクロレンズである、請求項４に記載の光学デバイス。

【請求項6】

前記ナノジェットマイクロレンズは、前記サブ波長光学要素が組み付けられている前記基板の表面から下方に間隔を置いて配置されている、請求項５に記載の光学デバイス。

【請求項7】

前記基板は、前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有する媒体で充填された少なくとも１つのキャビティを備え、
前記ナノジェットマイクロレンズは、前記基板と同じ材料で形成され、前記キャビティのエッジによって誘発される屈折率によるステップによって可能となる合焦機能を有する、請求項４に記載の光学デバイス。

【請求項8】

前記ナノジェットマイクロレンズは、前記サブ波長光学要素が組み付けられている前記基板の表面とは反対側の前記基板の表面に取り付けられ、
前記光学デバイスは、前記ナノジェットマイクロレンズを取り囲み、前記ナノジェットマイクロレンズの屈折率よりも低い屈折率を有するホスト媒体を備えている、請求項４に記載の光学デバイス。

【請求項9】

前記ナノジェットマイクロレンズが前記基板を構成し、前記基板の表面に前記サブ波長光学要素が組み付けられている、請求項４に記載の光学デバイス。

【請求項10】

１次元のユニットセルアレイ又は２次元のユニットセルアレイを備える請求項１～９のいずれか１項に記載の光学デバイス。

【請求項11】

前記ユニットセルアレイのユニットセルは、同じサブ波長光学要素の組に属するものの同一ではない複数のサブ波長光学要素を備える、請求項１０に記載の光学デバイス。

【請求項12】

前記光学デバイスがアイウェア光学デバイス又はディスプレイデバイスに属する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の光学デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示内容は、光学及びフォトニクスの分野に関し、より具体的には、メタ表面（メタサーフェス）デバイスとも呼ばれる、極めて薄い光学界面に基づく平面光学デバイスに関する。本開示内容は、規格に準拠したウェアラブル光学機器（すなわち、ＡＲ（拡張現実）メガネ、ＶＲ（仮想現実）メガネ）の分野、並びに、ディスプレイ及び／又は軽量の撮像システムを含む他の様々な消費者向け電子製品に用途を見出すことができる。

【背景技術】

【0002】

本節は、様々な技術態様を紹介することを目的とする。これらの技術態様は、以下で説明及び／又は特許請求される本発明の様々な態様に関係し得るものである。本節の内容は、本発明の様々な態様のより良い理解を容易にする背景となる情報を提供するために役立つものと考えられる。したがって、これらの記載は、そのような観点で読むべきものであり、従来技術を承認するものとして読むべきものでないことを理解されたい。

【0003】

ＡＲメガネ、ＶＲメガネは、次世代のヒューマン・マシン・インタフェースと考えられており、したがって、消費者向け電子機器及びモバイルデバイスの領域における主要な産業プレイヤの大きな関心を引き起こしている。

【0004】

ＡＲメガネ、ＶＲメガネ（より一般的には、アイウェア電子デバイス）の開発は、そのようなデバイスのサイズ及び重量の削減、並びに、真の没入型ユーザエクスペリエンスを可能にするほど十分にリアル感のあるべき（コントラスト、視野、色深度等に関する）画質の改善を含む多くの難題を伴っている。

【0005】

画質と光学要素の物理サイズとの間のトレードオフは、ＡＲメガネ、ＶＲメガネ等のより複雑な光学システムの構成単位として用いることができる超小型（好ましくは、サブ波長サイズ）の光学要素の研究の動機となっている。

【0006】

屈折マイクロレンズ及び回折マイクロレンズ並びに自由形状の光コンバイナ等の、従来の体積のある測定光学要素はかさばり、したがって、アイウェアデバイスのニーズを十分に満たすものではない。

【0007】

所望の性能をもたらすには、別の物理原理に基づく代替的な解決策が必要である。

【0008】

従来の光学要素に特有の限界を克服するために、複数のサブ波長スケールの光共振器を備える光学界面に基づく、極めて薄い光学デバイスの新たな系統が近年提案されている。この系統のデバイスは、「フラット光学」デバイス及び「メタ表面（メタサーフェス）」デバイスとも呼ばれる。

【0009】

メタ表面は、通常は金属（例えば、金）製又は高屈折率誘電体材料（例えば、シリコン）製の個々の微粒子から形成される、サブ波長間隔で配置されたサブ波長サイズの光学要素の、光学的に薄い（すなわち、入射電磁波の波長よりもはるかに薄い）アレイとして定めることができる。これらの光学要素は、共振器、光アンテナ等として機能することができる。メタ表面は、水平次元においてサブ波長スケールのパターンを用いて構造化される場合もあれば、そうではない場合もある。

【0010】

メタ表面は、その寸法及び周期が動作波長に比べて小さい散乱要素の周期的なアレイとして定めることもできる。

【0011】

動作波長と比較してメタ表面の厚さを無視できることによって、メタ表面（ユニットセル要素の準共振（near resonance））は、衝突光の振幅及び位相の双方における突然の変化をもたらす不連続な界面とみなすことができる。したがって、メタ表面の最も重要な用途の１つは、局所的な勾配位相シフトを到来波に与えることにより電磁波の波面を制御することである。メタ表面は、入射電磁波（例えば、可視光）の位相、振幅、及び／又は偏向の突然の変化を実際に提供することができる。

【0012】

その上、メタ表面デバイスの光応答は、個々の微粒子の形状及びサイズ、及び／又は、それらの微粒子間の間隔を調節することによって適合させることができる。

【0013】

このような光共振器は、誘電体プレート上又はその内部に組み付けられて、合焦、ビーム偏向、及び偏波変換等の、一般に関心が持たれている多くの光学デバイスに必要な集合的応答（collective response）を提供することができる。メタ表面デバイスの幾つかの例が、非特許文献１に見られ、図１にも示す。

【0014】

光領域において動作する、これまでに報告されている全てのメタ表面デバイスは、非常に魅力的なフォームファクタ（極めて薄くフラットな形状）を有するものの、角度性能（angular performance）が不十分であることを含めて、幾つかの限界がある。同時に、到来波の種々の入射角に対してメタ表面デバイスの光応答を調節できることが、ＡＲメガネ、ＶＲメガネを含む多くの用途において問題となり得る。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0015】

【文献】P. Genevet、F. Capasso他、「Recent advances in planar optics: from plasmonic to dielectric metasurfaces」、Optica 4(1), 139-152, 2017

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

したがって、従来技術の改良をもたらす、メタ表面の使用に依拠した光学デバイスを提供することが求められている。また、少なくとも２つの異なる照射条件（特に、到来電磁波の少なくとも２つの異なる入射角）について、少なくとも２つの異なる光学機能を提供可能な、そのような光学デバイスを提供することも求められている。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本明細書において「１つの実施形態」、「一実施形態」、「一例の実施形態」等と言う場合、これは、説明される実施形態が特定の特徴、構造、又は特性を含むことができるが、あらゆる実施形態がその特定の特徴、構造、又は特性を必ずしも含んでいるとは限らない場合があることを示す。その上、そのような語句は、必ずしも同じ実施形態を指しているとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、又は特性が一実施形態に関して説明される場合、明示的に説明されているか否かを問わず、そのような特徴、構造、又は特性を他の実施形態に関して実施することが当業者の知識の範囲内にあることを述べておく。

【0018】

本開示の一実施形態によれば、入射電磁波から出射電磁波を形成する光学デバイスは、少なくとも１つのユニットセルを備える。このユニットセルは、
少なくとも２つのサブ波長光学要素であって、このサブ波長光学要素の各々は、異なるサブ波長光学要素の組に属し、サブ波長光学要素の組は入射電磁波に対する光応答のタイプによって特徴付けられる、少なくとも２つのサブ波長光学要素と、
上記ユニットセルに入射した電磁波に応じて、所与の組に属する全てのサブ波長光学要素の選択的励起を可能にする手段と
を備える。

【0019】

したがって、本開示は、メタ表面デバイスの使用に依拠した光学デバイスの新規かつ進歩性のある手法に依拠している。

【0020】

実際に、ほとんどの従来技術の場合、メタ表面（metasurface，ＭＳ）デバイスは、誘電体基板上又はその内部に組み付けられるサブ波長サイズのナノ粒子（nanoparticle，ＮＰ）に基づいている。これらの粒子は、入射光の波長よりも短い周期を有する規則的な１次元アレイ又は２次元アレイの形態で組み付けられる。従来技術のＭＳデバイスの光応答は、個々のナノ粒子のサイズ、形状及び向きを変更することによって調節される。任意の入射角について、従来技術のＭＳデバイスの光応答は、全てのＮＰの累積的な応答によって定められる。

【0021】

ＭＳデバイスの光応答の調節において追加の自由度を提供するために、本開示は、２つ以上の異なる組に属する要素の選択的励起を可能にする手段を有する複合メタ表面（少なくとも２つのメタ表面に対応する少なくとも２つの要素の組を備え、各ＭＳは他のＭＳと異なる光応答を生成する）を構築することを提案する。

【0022】

換言すれば、本開示の実施形態による光学デバイスのユニットセル（unit cell：単位セル）は、そのサイズ及び間隔が入射電磁波の波長よりも小さい（例えば、λ／２よりも小さい）、サブ波長光学要素とも呼ばれる少なくとも２つの光学要素を備える。これらのサブ波長光学要素は、異なるサブ波長光学要素の組に属する。同じ組の全てのサブ波長光学要素は、ユニットセルに対して所与の入射角を有する入射電磁波に対するデバイスの光応答に寄与する。

【0023】

さらに、かかるユニットセルは、所与の組のサブ波長光学要素を選択的に励起する手段を備える。したがって、そのような手段は、到来する光の異なる入射角について光学デバイスの少なくとも２つの異なる光応答を可能にする。例えば、到来する電磁波の第１の入射角について、励起され、したがって、光学デバイスの光応答を生成するのは第１の組のサブ波長光学要素であり、到来する電磁波の第２の入射角について、励起され、したがって、光学デバイスの異なる光応答を生成するのは第２の組のサブ波長光学要素である。例えば、１つの実施形態では、２つの異なる光応答は、入射波の２つの異なる傾き（入射波の伝播方向に対する２つの異なる偏角）を含むことができる。

【0024】

したがって、所与の組の全ての要素は、所与の入射角について照射され、同時に、所与の照射条件下でデバイスの光応答に寄与するので、入射電磁波に対する光学デバイスの光応答は、組の全てのサブ波長光学要素の部分的な寄与によって影響される。

【0025】

したがって、本開示の実施形態による光学デバイスは、少なくとも２つの異なる照射条件について少なくとも２つの異なる光学機能を提供することが可能な角度選択性メタ表面デバイスに依拠する。光は、光学デバイスを通って伝播するが、入射波の波面は、（同じ組に属する異なるサブ波長要素との相互作用によって引き起こされる入射波の振幅及び／又は位相の局所的な変化により）再形成される。その結果、出射電磁波は、入射電磁波と比較して、その伝播方向を変更することができ、及び／又は、焦点に収束することができる。

【0026】

本開示の一実施形態によれば、光応答のタイプは、
入射電磁波に加えられる位相シフトと、
入射電磁波のスペクトルの少なくとも一部の振幅変化と、
を含む群に属する。

【0027】

したがって、同じ組に属する全てのサブ波長光学要素は、光学デバイスの同じ質的な光応答に寄与する。ただし、それらの寄与は、量的には異なる場合がある。

【0028】

それらのサブ波長光学要素は、例えば、全てが、異なる規模で位相遅延を入射電磁波に適用することに寄与することができ、そのため、入射波面に沿った位相遅延変動を、入射平面波を傾斜又は合焦させるのに用いることができる。

【0029】

所与のサブ波長光学要素の組も、入射電磁波の位相遅延及び振幅の双方に作用することができる。

【0030】

本開示の一実施形態によれば、所与の組に属する全てのサブ波長光学要素の選択的励起を可能にする手段は、導光要素（ＬＧＥ：light guiding element）であり、サブ波長光学要素は、この導光要素の焦平面に配置される対象とされる。

【0031】

そのような導光要素は、合焦機能を保証し、或る組のサブ波長光学要素上又は別の組のサブ波長光学要素上のいずれかに光を合焦させることができ、したがって、光学デバイスによって提供される光学機能を選択することができる。

【0032】

本開示の一実施形態によれば、導光要素はナノジェットマイクロレンズである。このレンズは、もちろん、他の任意のタイプの回折レンズ又は屈折レンズとすることもできる。しかし、ナノジェットマイクロレンズを導光要素として用いることによって、非常に小さなサイズのユニットセルを実現することが可能になる。

【0033】

そのようなナノジェット（ＮＪ：nanojet）マイクロレンズは、国際出願ＰＣＴ／ＥＰ１７／０５７１３０号及び同ＰＣＴ／ＥＰ１７／０５７１３１号に最初に提示されているが、これらの国際出願は、本特許出願の出願時にはまだ公開されていなかった。それらのＮＪマイクロレンズは、近距離ゾーンにおいて集光された光ビーム（いわゆるナノジェットビーム）を生成することができる。その長さ及び電力半値ビーム幅（ＢＷＨＰ）は、レンズの材料、形状、及びサイズを変えることによって調節することができる。ＮＪビーム形成を補完するものとして、ＮＪマイクロレンズは、クワイエットゾーンも生成することができる。このクワイエットゾーンは、入射波の電界強度値をはるかに下回る非常に低い電界強度値によって特徴付けられるゾーンである。その結果、ナノジェットビームが到達したユニットセルのサブ波長光学要素は励起され、それらの光応答を提供する一方、クワイエットゾーンにあるユニットセルのサブ波長光学要素は励起されず、光学デバイスの光応答に寄与しない。

【0034】

そのようなナノジェットマイクロレンズは、種々の形状を有することができ、任意の断面を有する柱体、角柱体、錐体等を対象とすることができる。

【0035】

本開示の一実施形態によれば、サブ波長光学要素は、
金属粒子と、
誘電体粒子と、
半導体粒子と、
光共振器と、
光アンテナと
を含む群に属する。

【0036】

本開示の一実施形態によれば、サブ波長光学要素は、誘電体基板上又はその内部に組み付けられる。

【0037】

本開示の第１の特定の実施形態によれば、ナノジェットマイクロレンズは、基板に組み込まれ、基板の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体材料から作製されたナノジェットマイクロレンズである。

【0038】

一実施形態では、ナノジェットマイクロレンズは、サブ波長光学要素が組み付けられる基板の表面の下方に、Ｈ＋Ｔ＝Ｆとなるような間隔を置いて配置される。ただし、ＨはＮＪマイクロレンズの高さであり、ＴはＮＪマイクロレンズの上部から表面までの距離であり、Ｆはマイクロレンズの焦点距離である。

【0039】

本開示の第２の特定の実施形態によれば、基板は、基板の屈折率よりも低い屈折率を有する媒体で充填された少なくとも１つのキャビティを備え、ナノジェットマイクロレンズは、基板と同じ材料で形成され、（複数の）キャビティのエッジによって誘発される屈折率によるステップによって可能となる合焦機能を有する。

【0040】

本開示の第３の特定の実施形態によれば、ナノジェットマイクロレンズは、サブ波長光学要素が組み付けられる基板の表面とは反対側の基板の表面に取り付けられ、光学デバイスは、ナノジェットマイクロレンズを取り囲み、ナノジェットマイクロレンズの屈折率よりも低い屈折率を有するホスト媒体を備える。

【0041】

本開示の第４の特定の実施形態によれば、ナノジェットマイクロレンズは基板を形成し、その基板の表面にサブ波長光学要素が組み付けられる。

【0042】

更なる実施形態によれば、光学デバイスは、１次元ユニットセルアレイ又は２次元ユニットセルアレイを備える。

【0043】

したがって、そのような光学デバイスは、同じ誘電体基板上又はその内側に組み付けられる少なくとも２つのサブ波長光学要素アレイを備える複合メタ表面（compound metasurface, ＣＭＳ）を備える。それらのサブ波長光学要素は、アレイの平面において交互に配置される。これらのサブ波長光学要素アレイは、１次元（１Ｄ）又は２次元（２Ｄ）とすることができ、したがって、１つ又は２つの平面において周期性を有する。

【0044】

更に別の実施形態によれば、ユニットセルアレイのユニットセルは、同じサブ波長光学要素の組に属するものの、同一ではないサブ波長光学要素を備える。

【0045】

実際に、各サブ波長光学要素アレイの要素は、それらの要素が、その光応答のタイプによって特徴付けられる同じサブ波長光学要素の組に属する限り、明らかに同一でないものとすることができる。例えば、サブ波長光学要素は、異なる形状及び向きを有する金属ストリップとすることもできるし、可変のサイズ及び／又は方位を有する円形断面又は方形断面を有するサブ波長誘電柱体とすることもできる。それらの要素は、１Ｄアレイを形成するストリップの形態を有することもできる。

【0046】

更なる実施形態によれば、そのような光学デバイスは、アイウェア光学デバイス又はディスプレイデバイスに属する。

【0047】

実際に、複合メタ表面は、次世代のアイウェア光学デバイスに求められる、より高性能な角度選択性の光応答を可能にすることができる。

【0048】

本開示内容は、保護範囲を限定するものではなく例として与えられる以下の説明及び図面を参照することによって、より良く理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0049】

【図1】従来技術によるメタ表面デバイスの例を示す図である。

【図2A】図１に示した従来技術のメタ表面デバイスの側面図である。

【図2B】２つのナノ粒子アレイを備える複合メタ表面を示す図である。

【図2C】本開示の一実施形態による光学デバイスの説明図である。

【図3】図２Ｃに示した光学デバイスの最も単純な形態の説明図である。

【図4】下方から入射する単位振幅の直線偏波平面波

【数1】

によって照射される柱状ＮＪマイクロレンズの近距離ゾーンにおける電力密度を示す図である。

【図5】同一でない複数のユニットセルから作製された、本開示による光学デバイスの代替の実施形態を示す図である。

【図6】本開示による、光学デバイスのユニットセルの幾つかの例示的な実施形態を示す図である。

【図7】本開示の１つの実施形態による、光学デバイスの動作を制御するために用いることができるデバイスの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0050】

図における要素は、必ずしも一律の縮尺ではなく、代わりに、本発明の原理を示すことに重点がおかれている。以下の説明全体を通して、同じ符号は同じ要素を示すために用いられる。

【0051】

本開示内容の全体的な原理は、少なくとも２つの異なる照射条件について少なくとも２つの異なる光学機能を提供可能な角度選択性メタ表面デバイスに依拠する。

【0052】

本開示の実施形態の説明の前置きとして、図１に、従来技術のメタ表面デバイスを用いて波面制御に対処するために提案されている種々の解決策の例を示す。図１の（ａ）～（ｃ）からなる上段では、ナノ構造物の光応答が、メタ表面を形成する各個々の共振器の形状を変化させることによって調整される。（ｄ）～（ｇ）からなる図１の中段では、パンチャラトナム・ベリー（Pancharatnam-Berry, ＰＢ）位相に基づくメタ表面が、反射及び透過の双方において非常に高い散乱効率を示している。（ｈ）～（ｋ）からなる図１の下段は、共振同調及びＰＢ位相同調の双方を用いることによって機能するハイブリッドメタ表面を示している。

【0053】

これらの例では、サブ波長光学要素は、形状及び向きが異なる複数の金属ストリップからなるものとすることもできるし（図１（ａ）、（ｄ）及び（ｈ））、サイズ及び／又は向きが可変の、円形断面又は方形断面を有するサブ波長の誘電柱体からなるものとすることもできるし（図１（ｂ）、（ｅ）～（ｇ））、あるいは１Ｄアレイを形成するストリップの形態を取ることもできる（図１（ｃ）、（ｋ））。

【0054】

図２Ａは、サブ波長光学要素の規則的なアレイを備えた、そのような従来技術のメタ表面デバイスの側面図であり、全ての要素が同じ組に属している。図２Ａの説明図では、全てのサブ波長光学要素が同一であることに留意しなければならない。他方、図１の従前の例では、要素は同一ではない（入射波の位相を局所的に変化させるためにサイズ、形状、向き等が変わる）が、同じ要素の組に属する。

【0055】

メタ表面ＭＳ１は、サブ波長光学要素１の規則的なアレイから形成され、屈折率ｎ_１を有する基板１０の表面に組み付けられる。サブ波長光学要素１は、屈折率ｎ_２を有するホスト媒体１１内に浸漬される。

【0056】

図２Ａ及び図２Ｂのメタ表面デバイスは、伝播方向が矢印２０によって示される入射ＥＭ波によって照射される。

【0057】

図２Ｂに、２つのサブ波長光学要素アレイＭＳ１及びＭＳ２を備える複合メタ表面を示す。各サブ波長光学要素アレイは、同じタイプの、すなわち同じ組に属する複数のサブ波長光学要素を備える。したがって、複合メタ表面は、２つの異なる組に属するそれぞれ符号１及び２で参照されるサブ波長光学要素を備える。所与の組（符号１又は２）の中で、サブ波長光学要素は、同一である場合もあるし、同一でない場合もある。サブ波長光学要素１、２は、屈折率ｎ_１を有する基板１０の表面に組み付けられる。それらのサブ波長光学要素は、屈折率ｎ_２を有するホスト媒体１１に浸漬される。サブ波長光学要素１及び２は、基板１０の表面に交互に配置される。そのため、サブ波長光学要素のうちの第１のタイプの各サブ波長光学要素１は、サブ波長光学要素のうちの第２のタイプの２つのサブ波長光学要素２によって直接囲まれ、また、その逆も同様である。

【0058】

図２Ｃは、本開示の一実施形態による光学デバイスの説明図である。

【0059】

図２Ｃの例示的な図面には、２つのユニットセルＵＣ１及びＵＣ２が示されている。光学デバイスは、ユニットセルＵＣ_ｉのアレイを備えることができる。このアレイは、（図２Ｃの側面図に示すように）１次元とすることもできるし、ＸＹ平面上の２次元とすることもできる。各ユニットセルＵＣ１、ＵＣ２は、種々の入射角を有する入射電磁波２０を受ける導光要素２１を備えている。

【0060】

かかるＬＧＥ２１は、よく知られている屈折レンズ又は回折レンズ等の任意のタイプの合焦デバイスとすることもできるし、以下でより詳細に説明する特殊な実施形態では、ナノジェットマイクロレンズとすることもできる。ナノジェットレンズを用いて最小サイズのユニットセルを得ることが実際には有利であり得る。

【0061】

かかるＬＧＥ２１は、屈折率ｎ_１を有する基板１０の底面の下側に配置される。基板１０の上面は、符号１～Ｎで示されるサブ波長光学要素を保持する。

【0062】

各ユニットセルＵＣ１、ＵＣ２は、Ｎ個のサブ波長光学要素からなるアレイを備えている。各サブ波長光学要素は、異なるサブ波長光学要素の組ＭＳｉ（ｉは１～Ｎの範囲を有する）に属する。各組ＭＳｉは、入射波に対して特有の光応答によって特徴付けられる。例えば、各組ＭＳｉは、当該組のサブ波長光学要素が選択的に照射されたときに、入射ＥＭ波の伝播方向に対して定められる、光学デバイスにおける入射電磁波の異なる偏向角度を誘発することができる。

【0063】

このように、図２Ｃの例では、各ユニットセルＵＣ_ｉは、Ｎ個のサブ波長光学要素１～Ｎを備え、これらの要素は、Ｎ個の異なるサブ波長光学要素の組ＭＳ１～ＭＳＮに属する。これらの要素はＬＧＥ２１の焦平面（焦点面、focal plane）に配置される。

【0064】

ＬＧＥ２１は、到来入射波２０に応じて光ビーム２２を生成する合焦要素として機能する。光ビーム２２は、所与の組ＭＳｉのサブ波長光学要素を選択的に励起する。ＬＧＥ２１は、全てのユニットセルについて同一であるため、光学デバイスの全てのユニットセルにおいて、同じ組のサブ波長光学要素が同時に励起される。

【0065】

したがって、図２Ｃの例では、このような光学デバイスは、Ｎ個の異なるサブ波長光学要素の組のＮ個の光応答に対応するＮ個の異なる光学機能を実行することができる。

【0066】

より単純な実施形態では、ユニットセルＵＣｉにおけるサブ波長光学要素の組の数を２つ、すなわち、サブ波長光学要素１を有するＭＳ１と、サブ波長光学要素２を有するＭＳ２とに限定することができる。光学デバイスは、１つのユニットセルＵＣのみを備えることができる。これを図３に示す。ＬＧＥ２１に対する電磁波２０の入射角に応じて、ＬＧＥ２１は、メタ表面ＭＳ１に属するサブ波長光学要素１を選択的に励起する光ビーム２２_１の光、又は、メタ表面ＭＳ２に属するサブ波長光学要素２を選択的に励起する光ビーム２２_２の光を合焦させる。

【0067】

図５に示す別の実施形態では、光学デバイスは幾つかのユニットセルを備え、各ユニットセルは、同じサブ波長光学要素の組に属するサブ波長光学要素を備えるが、同一ではないものとすることができる。

【0068】

より正確には、各ユニットセルＵＣ１及びＵＣ２は、符号１及び２で示す２つのサブ波長光学要素を備え、各要素は、異なるサブ波長光学要素の組ＭＳ１及びＭＳ２に属する。しかし、各アレイＭＳ１及びＭＳ２の要素は、（同じサブ波長光学要素の組に属するが）両セルを通じて同一ではないので、ユニットセルＵＣ１及びＵＣ２は同一ではない。図５の単純な例では、サブ波長光学要素は、一方のユニットセルと他方のユニットセルとでサイズが異なる。すなわち、組ＭＳ１に属するナノ粒子１は、ユニットセルＵＣ１の方がユニットセルＵＣ２よりも大きい一方で、組ＭＳ２に属するナノ粒子２は、ユニットセルＵＣ１の方がユニットセルＵＣ２よりも小さい。所与の組ＭＳ１又はＭＳ２のナノ粒子の光応答は、タイプ（例えば、位相遅延）が同じままであるが、大きさが異なる場合があり、したがって、出射波の波面の形状は異なることになる。

【0069】

好ましい実施形態では、ＬＧＥによる、サブ波長サイズのナノ粒子又はサブ波長光学要素の所望の選択的励起を可能にするために、ＬＧＥ２１はナノジェットマイクロレンズである。かかるナノジェットマイクロレンズは、本特許出願の出願時には公開されていなかった国際出願ＰＣＴ／ＥＰ１７／０５７１３０号及び同ＰＣＴ／ＥＰ１７／０５７１３１号に最初に提示されていることに注意されたい。

【0070】

本開示の複合メタ表面の実施にとって重要なＮＪマイクロレンズの重要な特徴を挙げると、以下のとおりである。
－ＮＪマイクロレンズは、ホスト媒体の屈折率よりも高い屈折率を有する均質な誘電体から作製することができる。別の方法として、ＮＪマイクロレンズは、国際出願ＰＣＴ／ＥＰ１７／０５７１３０号に記載されているような中空リング又は国際出願ＰＣＴ／ＥＰ１７／０５７１３１号に記載されているような一組の任意形状のキャビティの形態で作製することができる。
－ＮＪマイクロレンズは、任意の断面を有する誘電柱体（又は錐体若しくは角柱体）の形態を有することができる。
－ＮＪマイクロレンズの直径（すなわち、入射波伝播方向に直交する平面における断面寸法）及び高さ（すなわち、入射波伝播方向に沿った柱体のサイズ）は、約１／２波長と少数波長との間で変えることができる。
－ＮＪマイクロレンズは、近距離ゾーンにおいて集光された光ビーム（いわゆるナノジェットビーム）を生成することができる。その長さ及び電力半値ビーム幅（half power beam width, ＢＷＨＰ）は、レンズの材料、形状、及びサイズを変えることによって調節することができる。より具体的には、ＮＪビームの形状は、基部のエッジラインの形状及び曲率と、柱体（角柱体、錐体）の底角とに依存する。レンズのトポロジに応じて、ＮＪビームの軸は、欧州特許出願第１６３０６３８７．８号（本特許出願の出願時にはまだ公開されていなかった）に記載されているように、レンズ軸及び入射光の伝播方向と一致する場合もあるし、一致しない場合もある。
－ＮＪビーム形成を補完するものとして、ＮＪマイクロレンズは、クワイエットゾーン（quiet zone）も生成することができる。このクワイエットゾーンは、欧州特許出願第１６３０６３８６．０号（本特許出願の出願時にはまだ公開されていなかった）に記載されているように、入射波の電界強度値をはるかに下回る非常に低い電界強度値によって特徴付けられるゾーンである。
－柱体のＮＪマイクロレンズの電力半値におけるＮＪビーム幅の通常の値は、入射波長の約１／２である。
－ＮＪビームの長さは、数波長（例えば、１０波長以上）にわたって変えることができる。
－到来した光に傾きが発生している（すなわち、伝播方向が柱体の光軸と一致せず、及び／又は、柱体の基面に垂直でない）場合、ＮＪビームも、到来する光の入射角に従って傾斜させることができる。同じ動作は、クワイエットゾーンについても見られる。この動作を図４Ｃに示す。

【0071】

図４に、下方から入射する単位振幅の直線偏波平面波

【数2】

によって照射される柱体ＮＪマイクロレンズ２１の近距離ゾーンにおける電力密度を実際に示す。ただし、
ｎ_２＝１は、ＮＪマイクロレンズ２１を取り囲むホスト媒体の屈折率であり、
ｎ_３＝１．５は、ＮＪマイクロレンズ２１の屈折率であり、
Ｒ＝５００ｎｍは、柱状ＮＪマイクロレンズ２１の半径であり、
Ｈ＝５００ｎｍは、柱状ＮＪマイクロレンズ２１の高さである。

【0072】

より正確には、図４Ａに、ＮＪマイクロレンズ２１に用いられるトポロジ及び表記を示し、図４Ｂに、ｚ＝ｚ０における焦平面内のｘ軸に沿った電力密度プロファイルを示し、図４Ｃに、平面波の種々の入射角のｘｚ平面における電力密度分布を示す。

【0073】

図４Ａ～図４Ｃからわかるように、柱状ＮＪマイクロレンズ２１の例示的な実施形態の場合、ＮＪビームの形状及びそのピーク強度は、直線偏波平面波の入射角γが少なくとも３０度まで異なっても良好に維持される。図４Ｃの種々の図は、左から右に向かってそれぞれγ＝０度、γ＝１０度、γ＝２０度及びγ＝３０度の直線偏波平面波の入射角に対応する。

【0074】

複合メタ表面デバイスにおける２つの近傍のサブ波長光学要素の選択的な励起を可能とするには、電界強度に関する差の少なくとも２倍（a factor of two）が、照射されるサブ波長光学要素及び照射されないサブ波長光学要素について推奨される。図４Ｂにおいて確認することができるように、選択された例示のＮＪマイクロレンズ２１について、この条件は、例えば、γ＝０度及びγ＝２０度の場合に満たされる。また、この条件は、γ＝－１０度、γ＝１０度及びγ＝３０度の場合も満たされる。

【0075】

言い換えれば、このようなナノジェットマイクロレンズ２１を用いると、γ＝０度の入射角でＮＪマイクロレンズ２１に到達する電磁波により第１の組ＭＳ１のサブ波長光学要素１を選択的に励起することが可能であり、γ＝２０度の入射角でＮＪマイクロレンズ２１に到達する電磁波により第２の組ＭＳ２のサブ波長光学要素２を選択的に励起することが可能である。したがって、到来する光の２つの異なる入射角について２つの異なる光学機能を提供することが可能な角度選択性メタ表面デバイスを構成することが可能である。

【0076】

また、このようなナノジェットマイクロレンズ２１を用いると、γ＝－１０度の入射角でＮＪマイクロレンズ２１に到達する電磁波により第１の組ＭＳ１のサブ波長光学要素１を選択的に励起することが可能であり、γ＝１０度の入射角でＮＪマイクロレンズ２１に到達する電磁波により第２の組ＭＳ２のサブ波長光学要素２を選択的に励起することが可能であり、γ＝３０度の入射角でＮＪマイクロレンズ２１に到達する電磁波により第２の組ＭＳ３のサブ波長光学要素３を選択的に励起することが可能である。したがって、到来する光の３つの異なる入射角について３つの異なる光学機能を提供することが可能な角度選択性メタ表面デバイスを構成することが可能である。図示していないが、第４の組に属する第４のサブ波長光学要素も追加し、－３０度（対称性に従う）の入射角について選択的に励起することができ、したがって、４つの異なる光学機能を提供することが可能な光学デバイスを実現することが可能になる。

【0077】

図６に、本開示による光学デバイスのユニットセルの幾つかの例示的な実施形態を示す。これらの例では、ユニットセルごとに任意の数のサブ波長光学要素が示されている（すなわち、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃでは７つ、図６Ｄでは５つ）。ただし、最も単純な場合には、ユニットセルは、２つの異なるサブ波長光学要素の組に属する２つのサブ波長光学要素のみを備えることに留意されたい。

【0078】

図６Ａの実施形態におけるユニットセルＵＣは、屈折率ｎ_１を有する誘電体基板１０の表面に組み付けられた高屈折率（ｎ_４）の誘電体材料から作製された一組のサブ波長光学要素ＮＰを備える。これらのサブ波長光学要素ＮＰは、屈折率ｎ_２＜ｎ_４を有するホスト媒体１１によって囲まれている。基板１０は、この基板の屈折率ｎ_１よりも高い屈折率ｎ_３を有する誘電体材料から作製された柱状ＮＪマイクロレンズの形態のＬＧＥ２１を備える。ＬＧＥ２１は、ユニットセルＵＣの中央に、サブ波長光学要素ＮＰが組み付けられた基板１０の表面から下方に間隔を置いて配置されている。

【0079】

図示していないが、この場合も、当業者であれば、ＮＪマイクロレンズ２１を従来の屈折レンズ又は回折レンズと置き換えることもできる。

【0080】

図６Ｂの実施形態におけるユニットセルＵＣは、ＬＧＥ２１に関係した部分を除いて、図６ＡのユニットセルＵＣと同様である。この実施形態では、ＬＧＥ２１は、屈折率ｎ_３＝ｎ_１を有する基板１０と同じ材料から作製され、ＬＧＥ２１の合焦機能は、（国際出願ＰＣＴ／ＥＰ１７／０５７１３０号にあるように）１つのキャビティ６０又は（国際出願ＰＣＴ／ＥＰ１７／０５７１３１号にあるように）幾つかのキャビティ６０を作製することによって有効となる。（複数の）キャビティ６０は、屈折率ｎ＜ｎ_３を有する媒体で充填される。高屈折率（ｎ_４）の誘電体材料から作製される一組のサブ波長光学要素ＮＰは、誘電体基板１０の表面に組み付けられている。サブ波長光学要素ＮＰは、屈折率ｎ_２＜ｎ_４を有するホスト媒体１１によって囲まれている。この場合も、ＮＪマイクロレンズ２１を、任意のタイプの屈折レンズ又は回折レンズと置き換えることができる。

【0081】

図６Ｃの実施形態におけるユニットセルＵＣは、ＬＧＥ２１の位置を除いて、図６ＡのユニットセルＵＣと同様である。この実施形態では、ＮＪマイクロレンズ２１は、屈折率ｎ_１を有する薄い基板１０に取り付けられている。この基板の反対側の表面は、ＮＰのアレイを支持している。レンズ材料の屈折率は、ホスト媒体１１の屈折率ｎ_２よりも高いものであれば、任意に選択することができる。１つの実施形態では、この屈折率は、基板と同じ値、すなわちｎ_１を有することができる。この場合も、ＮＪマイクロレンズ２１は、任意のタイプの屈折レンズ又は回折レンズと置き換えることができる。

【0082】

図６Ｄの実施形態におけるユニットセルＵＣは、図６Ａ～図６Ｃと同じタイプのサブ波長光学要素ＮＰを備えることができるが、その要素ＮＰは、柱体の形態を有するＮＪレンズ２１の上面に直接組み付けられている。このレンズの高さは、柱体２１の上面にホットスポットが直接形成される値まで（他の実施形態と比較して）増加している。ナノジェットマイクロレンズ２１は、屈折率ｎ_１を有する基板１０の上面に取り付けることができる。１つの実施形態では、ナノジェットマイクロレンズ２１は、基板１０と同じ材料から作製することができる。

【0083】

上述した全ての実施形態において、サブ波長光学要素ＮＰは、そのレイアウトが照射条件及び所望の光応答に対して最適化されることになる１Ｄアレイ又は２Ｄアレイに配列することができる。

【0084】

更に別の実施形態（不図示）では、本開示による光学デバイスは、２Ｄのサブ波長要素及び／又は２Ｄのナノジェットマイクロレンズとして機能する異なる幅、高さ、形状を有するバー又は溝がその表面に形成された誘電体基板を備える複合メタ表面を備えることができる。

【0085】

複合メタ表面の特定の照射条件及び／又はレイアウトに適合したＮＪマイクロレンズのより複雑な形状を、例えば、欧州特許出願第１６３０６３８７．８号に記載されているような、例えば、Ｎ次ギア（N-order gears）、フラワ（flowers）、又は曲線の形態で用いることもできる。

【0086】

本開示の実施形態による光学デバイスの複合メタ表面は、ＵＶ／ＤＵＶ／Ｅビームリソグラフィ等の確立されたナノ加工法を用いて加工することができる。

【0087】

図７に、本開示の１つの実施形態による光学デバイスの動作を制御するために用いることができるデバイスの一例を示す。

【0088】

符号７００で示すそのようなデバイスは、符号７０１で示す計算ユニット（例えば、「Central Processing Unit（中央処理装置）」を表すＣＰＵ）と、符号７０２で示す１つ以上のメモリユニット（例えば、コンピュータプログラムの命令の実行中に中間結果を一時的に記憶することができるＲＡＭ（「Random Access Memory（ランダムアクセスメモリ）」を表す）ブロック、又は、とりわけコンピュータプログラムが記憶されるＲＯＭブロック、若しくは、ＥＥＰＲＯＭ（「Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory（電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ）」）ブロック若しくはフラッシュブロック）とを備える。コンピュータプログラムは、計算ユニットが実行することができる命令から構成される。そのようなデバイス７００は、デバイス７００が他のデバイスと通信することを可能にする入出力インタフェースを構成する、符号７０３で示す専用ユニットも備えることができる。特に、この専用ユニット７０３は、（非接触による通信を行うために）アンテナと接続することもできるし、光源／受信ユニット（例えば、フォトダイオード、光ファイバ、検出器、例えば、フォトダイオード等）と接続することもできるし、シリアルポート（「接触」通信を行う）と接続することもできる。図７における矢印は、連結されたユニットが、例えば、バスを通じて、互いに、データを交換することができること示していることに留意されたい。

【0089】

代替の実施形態では、本開示の１つの実施形態によるデバイスの動作の制御は、プログラマブルＦＰＧＡ（「Field Programmable Gate Array（フィールドプログラマブルゲートアレイ）」）要素又はＡＳＩＣ（「Application-Specific Integrated Circuit（特定用途向け集積回路）」）要素においてハードウェアで実施することができる。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】