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特表2023-532519大口径色収差補正メタレンズ、メタレンズシステム及び光学システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-28
(54)【発明の名称】大口径色収差補正メタレンズ、メタレンズシステム及び光学システム
(51)【国際特許分類】
G02B 3/00 20060101AFI20230721BHJP
G02B 13/00 20060101ALI20230721BHJP
【ＦＩ】
G02B3/00 Z
G02B13/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022581020
(86)(22)【出願日】2021-07-05
(85)【翻訳文提出日】2023-01-23
(86)【国際出願番号】 CN2021104460
(87)【国際公開番号】W WO2022007738
(87)【国際公開日】2022-01-13
(31)【優先権主張番号】202010647972.5
(32)【優先日】2020-07-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522502679
【氏名又は名称】シェンチェン メタレンクス テクノロジー カンパニー リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＳＨＥＮＺＨＥＮ ＭＥＴＡＬＥＮＸ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．
(74)【代理人】
【識別番号】100125254
【弁理士】
【氏名又は名称】別役 重尚
(74)【代理人】
【識別番号】100118278
【弁理士】
【氏名又は名称】村松 聡
(72)【発明者】
【氏名】ハオ チェンロン
(72)【発明者】
【氏名】タン フェンゼ
(72)【発明者】
【氏名】チュー ジェン
【テーマコード（参考）】
2H087
【Ｆターム（参考）】
2H087NA03
2H087NA14
2H087PA01
2H087PA02
2H087PA17
2H087PB01
2H087PB02
2H087RA00
2H087UA02
(57)【要約】
本発明は大口径色収差補正メタレンズ、メタレンズシステム和光学システムを開示する。前記メタレンズは、可視光及び赤外光を含む異なる波長帯の光を透過可能である基板と、前記基板の一面に設けられる複数のスーパーストラクチャーユニットであって、前記スーパーストラクチャーユニットはアレイ状に配列され、各スーパーストラクチャーユニットの中心位置、又は各スーパーストラクチャーユニットの中心位置及び頂点位置にはナノ構造がそれぞれ設けられるスーパーストラクチャーユニットとを含み、複数のスーパーストラクチャーユニットの前記基板の一面はメタレンズ表面を形成し、前記メタレンズ表面は半径方向に沿って複数の同心円環領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環領域に色収差無しの集束を形成でき、当該ナノ構造を有するメタレンズは入射光の偏光に対してセンシティブではなく、従来の普通レンズより、メタレンズの厚さが小さく、重量が軽く、伝統的なメタレンズの収差を補正でき、より鮮明な画質を取得できる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
大口径色収差補正メタレンズであって、異なる波長帯の光を透過可能な基板と、
前記基板の一面に設けられる複数のスーパーストラクチャーユニットであって、前記複数のスーパーストラクチャーユニットはアレイ状に配列され、各スーパーストラクチャーユニットの中心位置、又は各スーパーストラクチャーユニットの中心位置及び頂点位置にはナノ構造がそれぞれ設けられるスーパーストラクチャーユニットと、を含み、
前記ナノ構造は第１軸及び第２軸に沿ってそれぞれ軸対称であり、前記第１軸及び前記第２軸に沿って前記ナノ構造を分割することで複数の同様なナノ構造ユニットを取得し、前記第１軸と前記第２軸とは垂直に配置されるとともに、前記ナノ構造の高さ方向にそれぞれ垂直であり、
前記複数のスーパーストラクチャーユニットの前記基板の一面はメタレンズ表面を形成し、前記メタレンズ表面は半径方向に沿って複数の同心円環領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環領域に色収差無しの集束を形成できることを特徴とする大口径色収差補正メタレンズ。
【請求項2】
前記異なる波長帯の光は可視光及び赤外光を含むことを特徴とする請求項１に記載の大口径色収差補正メタレンズ。
【請求項3】
前記ナノ構造はナノピラー構造であり、前記ナノピラー構造は正ナノコラム、負ナノコラム、中空ナノピラー構造、角型ナノピラー構造及びトポロジナノピラー構造のうちの１つ又は複数を含み、好ましくは、負角型ナノピラー構造、負中空角型ナノピラー構造又は中空角型ナノピラー構造のうちの１つ又は複数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の大口径色収差補正メタレンズ。
【請求項4】
前記ナノピラー構造の光学位相は、前記ナノピラー構造の高さ、断面の形状及び前記ナノピラー構造の材質に関連し、前記断面は前記基板に平行であり、
前記ナノ構造の材質はフォトレジスト、石英ガラス、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、結晶質及び非晶質シリコン、窒化ガリウム、結晶質ゲルマニウム、硫化セレン、硫化亜鉛、カルコゲナイドガラスのうちのいずれか１つ又は２つ以上であることを特徴とする請求項３に記載の大口径色収差補正メタレンズ。
【請求項5】
前記メタレンズ表面の複数の円環領域は全体的に、前記メタレンズの焦点面で入射光の中心波長及び２つのエッジ波長に対して干渉増強を行い、好ましくは、前記メタレンズ表面の円環は、メタレンズの、半径方向に沿う等価屈折率に従って周期的に配列され、等価屈折率はナノ構造材料の屈折率と空気の屈折率との間にあり、
好ましくは、前記メタレンズ表面の円環は、メタレンズの、半径方向に沿う群遅延に従って周期的に配列され、ナノ構造ベースにおける最大群遅延から最小群遅延を減算して群遅延周期を取得し、好ましくは、前記入射広域スペクトラム光はＮ個の特徴波長に離散し、メタレンズ表面の、半径方向ｒ０に沿う箇所のナノ構造のＮ個の特徴波長での位相と理論位相の絶対値との和が最小であり、下記の式に従って最適化を行って、以下を取得し、
【数13】
【数14】
【数15】
【請求項6】
前記メタレンズ表面には、ナノ構造に対応する反射防止膜がめっきされ、基板の他の表面には、基板材料に対応する反射防止膜がめっきされることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の大口径色収差補正メタレンズ。
【請求項7】
色収差球面収差補正メタレンズシステムであって、鏡筒と、
前記鏡筒内に装着され、異なる波長での光学位相が異なる請求項１～６のいずれか１項に記載のメタレンズと、を含むことを特徴とする色収差球面収差補正メタレンズシステム。
【請求項8】
光学システムであって、鏡筒と、
同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットにおけるナノ構造が異なる少なくとも２枚の請求項１～６いずれか１項に記載のメタレンズと、を含み、
前記少なくとも２枚のメタレンズは同軸で、前記鏡筒内に装着され、前記メタレンズの異なる波長での光学位相が異なり、前記メタレンズのうちの少なくとも１つは、他のメタレンズの、対応する波長での収差を補正するためのものであることを特徴とする光学システム。
【請求項9】
そのうちの１つの前記メタレンズは、他のメタレンズの収差を補正するように配置され、前記収差は球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差、位置色収差及び倍率色収差のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項８に記載の光学システム。
【請求項10】
前記メタレンズは第１メタレンズ及び第２メタレンズを含み、入射光は前記第１メタレンズ及び前記第２メタレンズを順に経て、
前記第１メタレンズは前記第２メタレンズの全ての収差を補正するためのものであることを特徴とする請求項８に記載の光学システム。
【請求項11】
前記メタレンズの基板の他の表面には第１可視光波長帯反射防止膜がめっきされ、前記メタレンズ表面には第２可視光波長帯反射防止膜がめっきされることを特徴とする請求項１０に記載の光学システム。
【請求項12】
前記メタレンズの基板の材質は石英ガラスであり、及び／又は前記メタレンズのナノ構造の材質は窒化ケイ素、酸化チタン、窒化ガリウム、酸化アルミニウム及びシリカのうちのいずれか１つ又は２つ以上であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光学システム。
【請求項13】
前記第１可視光波長帯反射防止膜は石英ガラスにマッチングし、及び／又は前記第２可視光波長帯反射防止膜は前記ナノ構造の等価屈折率にマッチングすることを特徴とする請求項１１に記載の光学システム。
【請求項14】
前記メタレンズの基板の他の表面には第１赤外波長帯反射防止膜がめっきされ、前記メタレンズ表面には第２赤外波長帯反射防止膜がめっきされ、前記第１赤外波長帯反射防止膜及び前記第２赤外波長帯反射防止膜は何れも結晶シリコンにマッチングすることを特徴とする請求項１１～１３のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項15】
前記メタレンズの基板及びナノ構造の材質は結晶シリコン、結晶質ゲルマニウム、硫化セレン、硫化亜鉛、カルコゲナイドガラスのうちの１つ又は２つ以上であることを特徴とする請求項８～１４いずれか１項に記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はレンズ分野に関し、特に、大口径色収差補正メタレンズ、色収差球面収差補正メタレンズシステム及び光学システムに関する。
【背景技術】
【0002】
結像、精密測定及び光通信などの科学、工業分野において、基本的な部品として、光学レンズは重要な作用を有する。伝統的な光学レンズは材料切断、表面研磨、仕上げ研磨及びコーティングなどの一連の複雑なプロセスを介して製造される。複数の伝統的な光学レンズからマルチレンズ群光学システムを構成する際、このようなシステムは一般的に多枚の屈折レンズ又はミラーレンズから構成され、１つの特定の応用結像、例えば無限イメージング、映像投影及び顕微結像などを完成させる。ところが、一般的に、伝統的な屈折ミラーレンズからなるレンズ群は、体積が大きく、且つ重量が重いなどという欠陥を有する。近年、メタレンズは小型光学レンズの新興技術になって、伝統的なレンズの体積が大きく、かつ重量が重いという欠陥を解决した。ところが、メタレンズには、偏光にセンシティブであり、広域スペクトラムの透過率が低く、大口径と色収差補正とを両立できないなどのいくつかの問題がある。
【0003】
また、本発明の理解を容易にするために、本発明の用語を以下のように解説する。群遅延（ｇｒｏｕｐ ｄｅｌａｙ）は、デバイス又は伝送媒体による全位相シフトの、角周波数に対する変化率、即ち、ｄφ／ｄωであり、φは全位相シフトであり、ωは角周波数であり、２πｆに等しく、ｆは周波数である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記技術問題に対して、本発明の実施例は大口径色収差補正メタレンズ、色収差球面収差補正メタレンズシステム及び光学システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の実施例の第１態様は大口径色収差補正メタレンズを提供し、大口径色収差補正メタレンズは、
可視光及び赤外光を含む異なる波長帯の光を透過可能である基板と、
前記基板の一面に設けられる複数のスーパーストラクチャーユニットであって、複数の前記スーパーストラクチャーユニットはアレイ状に配列され、各スーパーストラクチャーユニットの中心位置、又は各スーパーストラクチャーユニットの中心位置及び頂点位置にはナノ構造がそれぞれ設けられる複数のスーパーストラクチャーユニットと、を含み、
前記ナノ構造は第１軸及び第２軸に沿ってそれぞれ軸対称であり、前記第１軸及び前記第２軸に沿って前記ナノ構造を分割することで得られた複数のナノ構造ユニットは同様であり、前記第１軸と前記第２軸は垂直に配置されるとともに、前記ナノ構造の高さ方向にそれぞれ垂直であり、
前記複数のスーパーストラクチャーユニットの前記基板の一面はメタレンズ表面を形成し、前記メタレンズ表面は半径方向に沿って複数の同心円環領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環領域に色収差無しの集束を形成できる。
可視光及び赤外光を含む異なる波長帯の光を透過可能である基板と、
前記基板の一面に設けられる複数のスーパーストラクチャーユニットであって、複数の前記スーパーストラクチャーユニットはアレイ状に配列され、各スーパーストラクチャーユニットの中心位置、又は各スーパーストラクチャーユニットの中心位置及び頂点位置にはナノ構造がそれぞれ設けられる複数のスーパーストラクチャーユニットと、を含み、
前記ナノ構造は第１軸及び第２軸に沿ってそれぞれ軸対称であり、前記第１軸及び前記第２軸に沿って前記ナノ構造を分割することで得られた複数のナノ構造ユニットは同様であり、前記第１軸と前記第２軸は垂直に配置されるとともに、前記ナノ構造の高さ方向にそれぞれ垂直であり、
前記複数のスーパーストラクチャーユニットの前記基板の一面はメタレンズ表面を形成し、前記メタレンズ表面は半径方向に沿って複数の同心円環領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環領域に色収差無しの集束を形成できる。
【0006】
好ましく、前記ナノ構造はナノピラー構造であり、前記ナノピラー構造は正ナノコラム、負ナノコラム、中空ナノピラー構造、角型ナノピラー構造及びトポロジナノピラー構造のうちの１つを含み、好ましくは、負角型ナノピラー構造、負中空角型ナノピラー構造又は中空角型ナノピラー構造である。
【0007】
好ましく、前記ナノピラー構造の光学位相は、前記ナノピラー構造の高さ、断面の形状及び前記ナノピラー構造の材質に関連し、
前記断面は前記基板に平行であり、
前記ナノ構造の材質はフォトレジスト、石英ガラス、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム（サファイア）、結晶質及び非晶質シリコン、窒化ガリウム、結晶質ゲルマニウム、硫化セレン、硫化亜鉛、カルコゲナイドガラスのうちのいずれか１つ又は２つ以上である。
前記断面は前記基板に平行であり、
前記ナノ構造の材質はフォトレジスト、石英ガラス、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム（サファイア）、結晶質及び非晶質シリコン、窒化ガリウム、結晶質ゲルマニウム、硫化セレン、硫化亜鉛、カルコゲナイドガラスのうちのいずれか１つ又は２つ以上である。
【0008】
好ましく、前記メタレンズ表面の複数の円環領域の間は、前記メタレンズの焦点面で入射光の中心波長及び２つのエッジ波長に対して干渉増強を行い、
好ましくは、前記メタレンズ表面の円環は、メタレンズの、半径方向に沿う等価屈折率に従って周期的に配列され、等価屈折率はナノ構造材料の屈折率と空気の屈折率との間にあり、
好ましくは、前記メタレンズ表面の円環は、メタレンズの、半径方向に沿う群遅延に従って周期的に配列され、ナノ構造ベースにおける最大群遅延から最小群遅延を減算して前記群遅延周期を取得し、好ましくは、前記入射広域スペクトラム光はＮ個の特徴波長に離散し、メタレンズ表面の、半径方向ｒ０に沿う箇所のナノ構造のＮ個の特徴波長での位相と理論位相の絶対値との和が最小であり、下記の式に従って最適化を行って、以下を取得し、
はメタレンズ表面の半径方向ｒ０に沿う箇所のナノ構造の特徴波長λｉでの位相であり、ｉ＝１，２，…，Ｎであり、
はメタレンズ表面の、半径方向ｒ０に沿う箇所の特徴波長λｉの理論位相である。
好ましくは、前記メタレンズ表面の円環は、メタレンズの、半径方向に沿う等価屈折率に従って周期的に配列され、等価屈折率はナノ構造材料の屈折率と空気の屈折率との間にあり、
好ましくは、前記メタレンズ表面の円環は、メタレンズの、半径方向に沿う群遅延に従って周期的に配列され、ナノ構造ベースにおける最大群遅延から最小群遅延を減算して前記群遅延周期を取得し、好ましくは、前記入射広域スペクトラム光はＮ個の特徴波長に離散し、メタレンズ表面の、半径方向ｒ０に沿う箇所のナノ構造のＮ個の特徴波長での位相と理論位相の絶対値との和が最小であり、下記の式に従って最適化を行って、以下を取得し、
【数1】
【数2】
【数3】
【0009】
好ましく、前記メタレンズ表面及び基板の他の表面には、ナノ構造材料及び基板材料に対応する反射防止膜がそれぞれめっきされる。ここに言及された対応関係について、本出願人のＣＮ２０２０２２０１０４３２．４（遠赤外線ケイ素ベースのメタレンズ反射防止膜及びメタレンズ）を参照すればよく、これに関して、ＣＮ２０２０２２０１０４３２．４の全ての内容は本明細書に援用される。
【0010】
本発明の実施例の第２態様は色収差球面収差補正メタレンズシステムを提供し、色収差球面収差補正メタレンズシステムは、
鏡筒と、
前記鏡筒内に装着され、異なる波長での光学位相が異なる上記のいずれか１つに記載のメタレンズと、を含む。
鏡筒と、
前記鏡筒内に装着され、異なる波長での光学位相が異なる上記のいずれか１つに記載のメタレンズと、を含む。
【0011】
本発明の実施例の第３態様は光学システムを提供し、光学システムは、
鏡筒と、
同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットにおけるナノ構造が異なる少なくとも２枚の請求項１～５のいずれか１項に記載のメタレンズと、を含み、
前記少なくとも２枚の前記メタレンズは同軸で、前記鏡筒内に装着され、前記メタレンズの異なる波長での光学位相が異なり、前記メタレンズのうちの一方は、他のメタレンズの、対応する波長での収差を補正するためのものである。
鏡筒と、
同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットにおけるナノ構造が異なる少なくとも２枚の請求項１～５のいずれか１項に記載のメタレンズと、を含み、
前記少なくとも２枚の前記メタレンズは同軸で、前記鏡筒内に装着され、前記メタレンズの異なる波長での光学位相が異なり、前記メタレンズのうちの一方は、他のメタレンズの、対応する波長での収差を補正するためのものである。
【0012】
好ましく、そのうちの１つの前記メタレンズは、他のメタレンズの収差を補正するように配置され、前記収差は球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差、位置色収差及び倍率色収差のうちの少なくとも１つを含む。
【0013】
好ましく、前記メタレンズは第１メタレンズ及び第２メタレンズを含み、
入射光は前記第１メタレンズ及び前記第２メタレンズを順に経て、
前記第１メタレンズは前記第２メタレンズの全ての収差を補正するためのものである。
入射光は前記第１メタレンズ及び前記第２メタレンズを順に経て、
前記第１メタレンズは前記第２メタレンズの全ての収差を補正するためのものである。
【0014】
好ましく、前記メタレンズの基板の他の表面には第１可視光波長帯反射防止膜がめっきされ、前記メタレンズ表面には第２可視光波長帯反射防止膜がめっきされ、前記メタレンズの基板の材質は石英ガラスであり、及び／又は
前記メタレンズのナノ構造の材質は窒化ケイ素、酸化チタン、窒化ガリウム、酸化アルミニウム及びシリカのうちのいずれか１つ又は２つ以上である。
前記メタレンズのナノ構造の材質は窒化ケイ素、酸化チタン、窒化ガリウム、酸化アルミニウム及びシリカのうちのいずれか１つ又は２つ以上である。
【0015】
好ましく、前記第１可視光波長帯反射防止膜は石英ガラスにマッチングし、及び／又は
前記第２可視光波長帯反射防止膜は前記ナノ構造の屈折率にマッチングし、
又は、前記メタレンズの基板の他の表面には第１赤外波長帯反射防止膜がめっきされ、前記メタレンズ表面には第２赤外波長帯反射防止膜がめっきされ、前記第１赤外波長帯反射防止膜及び前記第２赤外波長帯反射防止膜は何れも結晶シリコンにマッチングする。
前記第２可視光波長帯反射防止膜は前記ナノ構造の屈折率にマッチングし、
又は、前記メタレンズの基板の他の表面には第１赤外波長帯反射防止膜がめっきされ、前記メタレンズ表面には第２赤外波長帯反射防止膜がめっきされ、前記第１赤外波長帯反射防止膜及び前記第２赤外波長帯反射防止膜は何れも結晶シリコンにマッチングする。
【0016】
好ましく、前記メタレンズの基板及びナノ構造の材質は結晶シリコン、結晶質ゲルマニウム、硫化セレン、硫化亜鉛、カルコゲナイドガラスのうちの１つ又は２つ以上である。
【発明の効果】
【0017】
以上の本発明の実施例が提供する技術的解決策によれば、第１軸及び第２軸に沿って本発明のメタレンズのナノ構造を分割することで得られた複数のナノ構造ユニットは同様であるため、メタレンズは入射光の偏光に対してセンシティブではなく、従来の普通レンズより、メタレンズの厚さが小さく、重量が軽く、また、本発明のメタレンズ表面は半径方向に沿って複数の同心円環領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環領域に色収差無しの集束を形成でき、各特徴波長は何れも同一焦点に集束し、当該メタレンズは、従来の色収差補正メタレンズナノ構造のエネルギー効率の屈折率／群遅延の制限を解決し、従来の色収差補正メタレンズより、当該メタレンズは色収差を補正するとともに、センチメートルレベルの大口径を備え、伝統的なメタレンズの収差を補正し、より鮮明な画質を取得できる。
【0018】
また、本発明のメタレンズシステムは、鏡筒に装着される本発明のメタレンズを有し、メタレンズの異なる波長での光学位相が異なり、本発明の光学システムは、同軸で鏡筒に装着される多枚の本発明のメタレンズを有し、本発明のメタレンズ光学システムは広域スペクトラムセグメント広角結像の能力を有し、従来のメタレンズ光学システムより、本発明の光学システムは、メタレンズの、体積が小さく、重量が軽いという利点を維持するとともに、全ての収差を補正し、ハイビジョン、広角且つ広域スペクトラムに結像を行うことができる。
【0019】
ここで、以上の一般的な記載及び以下の詳細に対する記載は本発明を限定せず、ただ例示的及び解説的なものである。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の１つの実施例におけるメタレンズの集束模式図及び一部の表面構造図面である。
【図2A】本発明の１つの実施例におけるメタレンズ表面の正六角形配列図である。
【図2B】本発明の１つの実施例におけるメタレンズ表面の正方形配列図である。
【図3A】本発明の１つの実施例における正ナノピラー構造の模式図である。
【図3B】本発明の１つの実施例における負ナノピラー構造の模式図である。
【図3C】本発明の１つの実施例における中空ナノピラー構造の模式図である。
【図3D】本発明の１つの実施例における負中空ナノピラー構造の模式図である。
【図3E】本発明の１つの実施例における角型ナノピラー構造の模式図である。
【図3F】本発明の１つの実施例における負角型ナノピラー構造の模式図である。
【図3G】本発明の１つの実施例における中空角型ナノピラー構造の模式図である。
【図3H】本発明の１つの実施例における負中空角型ナノピラー構造の模式図である。
【図3I】本発明の１つの実施例におけるトポロジナノピラー構造の模式図である。
【図4A】本発明の１つの実施例におけるケイ素ベースのナノ構造等価屈折率と１０μｍ光学位相との関係図（動作波長８～１２μｍ）である。
【図4B】本発明の１つの実施例におけるケイ素ベースのナノ構造の１０μｍでの群遅延と１０μｍ光学位相との関係図（動作波長８～１２μｍ）である。
【図5A】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズ周期等価屈折率（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図である。
【図5B】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、８μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図である。
【図5C】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、１０μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（等価屈折率法）である。
【図5D】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、１２μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（等価屈折率法）である。
【図5E】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズ周期群遅延（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（群遅延法）である。
【図5F】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、８μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（群遅延法）である。
【図5G】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、１０μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（群遅延法）である。
【図5H】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、１２μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（群遅延法）である。
【図5I】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、８μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（グローバル検索法）である。
【図5J】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、１０μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（グローバル検索法）である。
【図5K】本発明の１つの実施例における、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの、１２μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図（グローバル検索法）である。
【図6A】等価屈折率法によって設計される、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの焦点付近のｘ－ｚ平面光強度分布図である。
【図6B】群遅延法によって設計される、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの焦点付近のｘ－ｚ平面光強度分布図である。
【図6C】グローバル検索法によって設計される、焦点距離が２５ｍｍであり、口径が１９ｍｍであるメタレンズの焦点付近のｘ－ｚ平面光強度分布図である。
【図7】本発明の別の実施例における、動作波長が８～１２μｍである二重メタレンズの光学システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
ここで、例示的な実施例を詳しく説明し、その例示は図面に示される。以下の記載は図面に関する場合、特に言及しない限り、異なる図面における同じ符号は、同様又は相当の要素を示す。以下、例示的な実施例に記載の実施形態は、本発明と一致する全ての実施形態を示していない。その逆に、特許請求の範囲において詳しく記載された、本発明のいくつかの態様と一致する装置、及び方法は一例に過ぎない。
【0022】
本発明において用いられる用語は本発明を限定することを意図せず、ただ、特定の実施例を記載することを目的とする。明細書において他の意味を明らかに表現していない限り、本発明及び特許請求の範囲において用いられる単数形式の「１種」、「前記」及び「当該」は多数の場合も含む。また、ここで、本明細書において用いられる用語「及び／又は」とは、１つ又は複数の関連項目の任意、又は全ての可能な組み合わせを含む。
【0023】
ここで、本発明において第１、第２、第３などの用語を使用して各種の情報を記載する場合があるが、これらの情報はこれらの用語に限定されない。これらの用語はただ同一種の情報を互いに区別する。例えば、本発明の範囲から逸脱しない場合、第１情報は第２情報とも呼ばれてもよく、同様に、第２情報は第１情報と呼ばれてもよい。状況によって、ここで使用した「仮に」という語句は、「……の場合」或「……の時」或いは「……応じて決定する」として解説されてもよい。矛盾しない場合、以下の実施例及び実施形態における技術的特徴を互いに組み合わせてもよい。
【0024】
複数の伝統的なレンズからなる光学システムには、組立アライメントの要求が高く、多数枚のレンズによって収差補正の光エネルギーの使用率が低減し、体積及び重量が大きく、且つシステム全体が複雑であるなどの複数の欠陥がある。平面回折レンズはある程度、体積及び重量を低減させることができるが、波長スケールの断面構造によって、正確な位相分布が困難になるため、高解像度という要求を達成できない。
【0025】
光学メタサーフェスは急速に台頭して、小型化、平面化光学を実現するための主流の方式になっている。光学メタサーフェスは、メタサーフェスによるアキシコンレンズ、ブレーズド回折格子、偏光子、ホログラム乾板及び平面レンズを実現する。連続的な２π位相で変化するメタサーフェスによって、単層球面収差除去メタレンズが可能となる。また、２層メタサーフェスメタレンズは、全ての単色収差を補正する。ところが、加工技術の極限による制限のため、従来の色収差補正メタレンズは、大口径及びより大きな数値の孔径を両立しにくく、メタレンズの結像光線システムへの適用が大幅に制限されている。
【0026】
本発明の実施例はナノ構造を提供し、第１軸及び第２軸に沿ってそれぞれ軸対称であり、前記第１軸及び前記第２軸に沿って前記ナノ構造を分割することで得られた複数のナノ構造ユニットは同様であり、前記第１軸と前記第２軸とは垂直に配置されるとともに、前記ナノ構造の高さ方向にそれぞれ垂直であり、異なる位置の前記ナノ構造の、異なる波長での光学位相が異なり、これにより、メタレンズの異なる波長での光学位相分布を限定する。
【0027】
本発明の実施例はメタレンズをさらに提供し、当該メタレンズは、可視光及び赤外光を含む異なる波長帯の光を透過可能である基板と、前記基板の同一表面に設けられる複数のスーパーストラクチャーユニットとを含み、複数の前記スーパーストラクチャーユニットはアレイ状に配列され、好ましくは、前記スーパーストラクチャーユニットは正六角形及び／又は正方形であってもよく、各スーパーストラクチャーユニットの中心位置、又は各スーパーストラクチャーユニットの中心位置及び頂点位置には１つのナノ構造がそれぞれ設けられ、前記ナノ構造は第１軸及び第２軸に沿ってそれぞれ軸対称であり、前記第１軸及び前記第２軸に沿って前記ナノ構造を分割することで得られた複数のナノ構造ユニットは同様であり、前記第１軸と前記第２軸とは垂直であり、且つ前記ナノ構造の高さ方向にそれぞれ垂直である。異なる位置での前記ナノ構造の、異なる波長での光学位相が異なることで、メタレンズの、異なる波長での光学位相分布を限定する。前記複数のスーパーストラクチャーユニットの前記基板の一面はメタレンズ表面を形成し、前記メタレンズ表面は半径方向に沿って複数の同心円環領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環領域に色収差無しの集束を形成できる。本発明のメタレンズの、異なる波長での光学位相は異なる。メタレンズ表面は半径方向に沿って複数の同心円環領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環に色収差無しの集束を形成し、各円環の間はメタレンズの焦点面で、入射光の中心波長及び２つのエッジ波長に対して干渉増強を行うことで、色収差補正メタレンズに対して大口径と大数値の孔径とを両立させるという問題を解决した。
【0028】
本発明の実施例は色収差球面収差補正メタレンズシステムをさらに提供し、前記メタレンズシステムは、鏡筒と、レンズと、本発明の第１態様に記載の少なくとも１つのメタレンズとを含み、前記メタレンズは前記鏡筒内に装着され、前記メタレンズの異なる波長での光学位相が異なり、これにより、色収差無し、且つ球面収差無しの集束／発散を達成し、前記基板側の一面から形成されたメタレンズ表面、及び基板の他の表面には、ナノ構造材料、及び基板材料に対応する反射防止膜がそれぞれめっきされる。
【0029】
本発明の実施例は光学システムをさらに提供し、前記光学システムは、鏡筒と、本発明の第１態様に記載の少なくとも２枚のメタレンズとを含み、前記少なくとも２枚の前記メタレンズの、同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットにおけるナノ構造が異なり、例示的に、２枚の前記メタレンズのうち、１枚のメタレンズの、同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットでのナノ構造はナノコラム構造であってもよく、他方では角型ナノピラー構造であって、他のいくつかの実施例において、前記光学システムは多くの前記メタレンズを含む場合、各メタレンズの、同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットでのナノ構造は、部分的に同様である可能性があり、少なくとも２つの前記メタレンズは間隔を空けて配置され、前記メタレンズは同軸で前記鏡筒内に装着され、前記メタレンズの異なる波長での光学位相が異なり、前記メタレンズのうちの一つは、他のメタレンズの、対応する波長での収差を補正する。前記光学システムの１つの前記メタレンズは、他のメタレンズの収差を補正するように配置され、前記収差は球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差、位置色収差及び倍率色収差のうちの少なくとも１つを含む。本発明の色収差補正メタレンズ及びその光学システムは、全収差補正広域スペクトラムセグメント広角結像の能力を有し、従来のメタレンズ光学システムより、本発明の光学システムは、体積が小さく、重量が軽く、集積しやすいという利点を維持するとともに、全ての収差を補正し、ハイビジョン、広角且つ広域スペクトラムに結像を行うことができる。
【0030】
以下、例示的な実施例を詳しく説明し、その例示は図面に示される。
【0031】
実施例１：
本発明の実施例はナノ構造２１を提供し、前記ナノ構造２１は第１軸及び第２軸に沿ってそれぞれ軸対称であり、前記第１軸及び前記第２軸に沿って前記ナノ構造２１を分割することで得られた複数のナノ構造ユニットは同様であり、前記第１軸と前記第２軸とは垂直に配置されるとともに、前記ナノ構造２１の高さ方向にそれぞれ垂直であり、異なる位置での前記ナノ構造２１の、異なる波長での光学位相が異なることで、メタレンズ２００の、異なる波長での光学位相分布を制限しており、前記ナノ構造２１はナノピラー構造である。
本発明の実施例はナノ構造２１を提供し、前記ナノ構造２１は第１軸及び第２軸に沿ってそれぞれ軸対称であり、前記第１軸及び前記第２軸に沿って前記ナノ構造２１を分割することで得られた複数のナノ構造ユニットは同様であり、前記第１軸と前記第２軸とは垂直に配置されるとともに、前記ナノ構造２１の高さ方向にそれぞれ垂直であり、異なる位置での前記ナノ構造２１の、異なる波長での光学位相が異なることで、メタレンズ２００の、異なる波長での光学位相分布を制限しており、前記ナノ構造２１はナノピラー構造である。
【0032】
ナノ構造２１はナノピラー構造であってもよいし、水平軸及び垂直軸に沿ってそれぞれ軸対称である他のナノ構造であってもよい。以下、ナノ構造２１がナノピラー構造である例を説明するが、ここで、ナノ構造２１は他の構造である場合、以下の実施例におけるナノピラー構造を、対応する構造に置き換えてもよい。
【0033】
ナノピラー構造は正ナノコラム、負ナノコラム、正ナノピラー構造、負ナノピラー構造、中空ナノピラー構造、負中空ナノピラー構造、角型ナノピラー構造、負角型ナノピラー構造、中空角型ナノピラー構造、負中空角型ナノピラー構造及びトポロジナノピラー構造のうちの１つを含む。例示的に、同一メタレンズにおいて、ナノピラー構造は正ナノピラー構造、負ナノピラー構造、中空ナノピラー構造、負中空ナノピラー構造、角型ナノピラー構造、負角型ナノピラー構造、中空角型ナノピラー構造、負中空角型ナノピラー構造及びトポロジナノピラー構造のうちの１つであり、加工が行い易い。
【0034】
本出願の実施例において、ナノ構造２１の光学位相は、ナノピラー構造の高さ、断面の形状及びナノピラー構造の材質に関連する。ナノピラー構造の断面は基板１に平行である。ここで、第１軸、第２軸はナノ構造２１の中心を通るとともに、水平面に平行である。
【0035】
【0036】
複数のナノ構造２１から形成された構造全体は可視光を透過しようとすると、ナノピラー構造の高さＨは３００ｎｍ以上、且つ１５００ｎｍ以下であり、隣接するナノピラー構造の間のピッチ（即ち、隣接する２つのナノピラー構造の中心の間のピッチ）は３００ｎｍ以上、且つ６５０ｎｍ以下であり、ナノ構造の最小サイズ（直径、辺の長さ及び／又は隣接する２つのナノピラー構造の間の最小ピッチなど）は４０ｎｍであってもよい。例示的に、ナノピラー構造の高さＨは３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１０００ｎｍ、１１００ｎｍ、１２００ｎｍ、１３００ｎｍ、１４００ｎｍ又は１５００ｎｍなどである。例示的に、隣接するナノピラー構造の間のピッチは３００ｎｍ、３５０ｎｍ、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍ、又は６５０ｎｍ、或いは範囲内の他の任意値である。
【0037】
複数のナノ構造２１から形成された構造全体は８～１２ｕｍの波長帯の赤外光を透過しようとすると、ナノピラー構造の高さＨは５μｍ以上、且つ５０μｍ以下であり、隣接するナノピラー構造の間のピッチは１．５μｍ以上、且つ５μｍ以下であり、ナノ構造の最小サイズ（直径、辺の長さ及び／又は隣接する２つのナノピラー構造の間の最小ピッチなど）は４０ｎｍであってもよい。例示的に、ナノピラー構造の高さＨは５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍ又は５０μｍなどである。例示的に、隣接するナノピラー構造の間のピッチは１．５μｍ、２μｍ、２．５μｍ、３μｍ、３．５μｍ、４μｍ、４．５μｍ又は５μｍ、或いは範囲内の他の任意値である。
【0038】
図３Ａを参照する際、正ナノピラー構造２１１は第１円柱体を含み、当該第１円柱体は中実構造である。正ナノピラー構造２１１はｘ－ｙ平面において範囲が４０ｎｍ～４００ｎｍの間にある断面直径ｄを有し、例えば、ｄは４０ｎｍ、５０ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２３０ｎｍ、３００ｎｍ、３５０ｎｍ、４００ｎｍ又は範囲内の任意の数値に設定されてもよい。
【0039】
図３Ｂを参照する際、負ナノピラー構造２１２は第１柱体２１２１を含み、第１柱体２１２１の断面の形状は、スーパーストラクチャーユニット２の形状と同様であり、例示的に、スーパーストラクチャーユニット２が六角形である場合、第１柱体２１２１の断面の形状も六角形であり、スーパーストラクチャーユニット２が正方形である場合、第１柱体２１２１の断面の形状も正方形である。本実施例において、第１柱体２１２１の断面の大きさはスーパーストラクチャーユニット２の大きさと同様である。第１柱体２１２１には、その天井部から底部まで延在する円柱状の第１中空部２１２２が設けられ、第１柱体２１２１と第１中空部２１２２とは同軸に配置される。負ナノピラー構造２１２はｘ－ｙ平面（即ち、断面）において範囲が４０ｎｍ～４００ｎｍの間にある断面直径ｄを有し、例えば、ｄは４０ｎｍ、５０ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２３０ｎｍ、３００ｎｍ、３５０ｎｍ、４００ｎｍ又は範囲内の任意の数値に設定されてもよい。
【0040】
図３Ｃを参照する際、中空ナノピラー構造２１３は第２円柱体２１３１を含み、第２円柱体２１３１には、その天井部から底部まで延在する円柱状の第２中空部２１３２が設けられ、第２円柱体２１３１と第２中空部２１３２とは同軸に配置される。中空ナノピラー構造２１３はｘ－ｙ平面において、断面外直径ｄ１及び内直径ｄ２を有し、ｄ１－ｄ２の範囲が４０ｎｍ～４００ｎｍの間にあり、例えば、ｄ１－ｄ２は４０ｎｍ、５０ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２３０ｎｍ、３００ｎｍ、３５０ｎｍ、４００ｎｍ又は範囲内の任意の数値に設定される。
【0041】
図３Ｄを参照する際、負中空ナノピラー構造２１４は第２柱体２１４１を含み、第２柱体２１４１の断面の形状は、スーパーストラクチャーユニット２の形状と同様であり、例示的に、スーパーストラクチャーユニット２が六角形である場合、第２柱体２１４１の断面の形状も六角形であり、スーパーストラクチャーユニット２が正方形である場合、第２柱体２１４１の断面の形状も正方形である。本実施例において、第２柱体２１４１の断面の大きさはスーパーストラクチャーユニット２の大きさと同様である。さらに、第２柱体２１４１には、その天井部から底部まで延在する円柱状の第３中空部２１４２が設けられる。さらに、第３中空部２１４２の内部には、中実構造である第３円柱体２１４３が設けられる。第２柱体２１４１、第３中空部２１４２及び第３円柱体２１４３は同軸に配置され、第２柱体２１４１は、第３円柱体２１４３の高さに等しく、第３円柱体２１４３の底部は基板１に貼り付けられる。
【0042】
図３Ｅを参照する際、角型ナノピラー構造２１５は、中実構造である第３柱体を含み、第３柱体の断面の形状は正方形である。
【0043】
図３Ｆを参照する際、負角型ナノピラー構造２１６は第４柱体２１６１を含み、第４柱体２１６１の断面の形状は、スーパーストラクチャーユニット２の形状と同様であり、例示的に、スーパーストラクチャーユニット２が六角形である場合、第４柱体２１６１の断面の形状も六角形であり、スーパーストラクチャーユニット２が正方形である場合、第４柱体２１６１の断面の形状も正方形である。本実施例において、第４柱体２１６１の断面の大きさはスーパーストラクチャーユニット２の大きさと同様である。さらに、第４柱体２１６１には、その天井部から底部まで延在する第４中空部２１６２が設けられ、第４中空部２１６２の断面の形状は正方形であり、第４柱体２１６１及び第４中空部２１６２は同軸に配置される。
【0044】
図３Ｇを参照する際、中空角型ナノピラー構造２１７は第５柱体２１７１を含み、第５柱体２１７１の断面の形状は正方形である。さらに、第５柱体２１７１には、その天井部から底部まで延在する第５中空部２１７２が設けられ、第５中空部２１７２の断面の形状は正方形である。第５柱体２１７１及び第５中空部２１７２は同軸に配置される。同一断面において、第５柱体２１７１に対応する正方形と第５中空部２１７２に対応する正方形の対応的な対角線は同一線上に配置される。
【0045】
図３Ｈを参照する際、負中空角型ナノピラー構造２１８は第６柱体２１８１を含み、第６柱体２１８１の横断面の形状は、スーパーストラクチャーユニット２の形状と同様であり、例示的に、スーパーストラクチャーユニット２が六角形である場合、第６柱体２１８１の断面の形状も六角形であり、スーパーストラクチャーユニット２が正方形である場合、第６柱体２１８１の断面の形状も正方形である。本実施例において、第６柱体２１８１の断面の大きさはスーパーストラクチャーユニット２の大きさと同様である。さらに、第６柱体２１８１には、その天井部から底部まで延在する第６中空部２１８２が設けられ、第６中空部２１８２の断面の形状は正方形である。第６中空部２１８２の内部には、中実構造である第７柱体２１８３が設けられ、第７柱体２１８３の断面の形状は正方形である。実施例において、第６柱体２１８１、第６中空部２１８２及び第７柱体２１８３は同軸に配置される。同一断面で、第７柱体２１８３に対応する正方形と第６中空部２１８２に対応する正方形の対応的な対角線は同一線上に配置される。
【0046】
図３Ｉを参照する際、トポロジナノピラー構造２１９は、中実構造である第８柱体を含む。第８柱体の断面の形状は多角形であり、多角形の辺は弧状である。
【0047】
実施例２：
本発明の実施例はメタレンズ２００を提供し、図１～図２Ｂを参照する際、当該メタレンズは基板１、及び基板１の同一表面に設けられる複数のスーパーストラクチャーユニット２を含む。基板１は異なる波長帯の光を透過でき、本発明の実施例において、異なる波長帯の光は可視光及び赤外光を含んでもよいし、他を含んでもよい。例示的に、基板１から透過した可視光の波長は４００ｎｍ以上、且つ７００ｎｍ以下でもよい。例示的に、基板１から透過した赤外光の波長は８μｍ以上、且つ１２μｍ以下でもよい。メタレンズ２００の表面は半径方向に沿って複数の同心円環２３０領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環２３０に色収差無しの集束を形成し、各円環２３０の間はメタレンズの焦点面で、入射光の中心波長及び２つのエッジ波長に対して干渉増強を行い、又は、メタレンズ表面ナノ構造２１が、数千から数万個を含む偏光不明のナノ構造ベースから、最適に選択（図１のメタレンズ表面の一部の図面）されることにより、各特徴波長は何れも同一焦点に集束し、色収差補正メタレンズに対して大口径と大数値の孔径とを両立させるという問題を解決する。
本発明の実施例はメタレンズ２００を提供し、図１～図２Ｂを参照する際、当該メタレンズは基板１、及び基板１の同一表面に設けられる複数のスーパーストラクチャーユニット２を含む。基板１は異なる波長帯の光を透過でき、本発明の実施例において、異なる波長帯の光は可視光及び赤外光を含んでもよいし、他を含んでもよい。例示的に、基板１から透過した可視光の波長は４００ｎｍ以上、且つ７００ｎｍ以下でもよい。例示的に、基板１から透過した赤外光の波長は８μｍ以上、且つ１２μｍ以下でもよい。メタレンズ２００の表面は半径方向に沿って複数の同心円環２３０領域に分けられ、入射広域スペクトラム光は各円環２３０に色収差無しの集束を形成し、各円環２３０の間はメタレンズの焦点面で、入射光の中心波長及び２つのエッジ波長に対して干渉増強を行い、又は、メタレンズ表面ナノ構造２１が、数千から数万個を含む偏光不明のナノ構造ベースから、最適に選択（図１のメタレンズ表面の一部の図面）されることにより、各特徴波長は何れも同一焦点に集束し、色収差補正メタレンズに対して大口径と大数値の孔径とを両立させるという問題を解決する。
【0048】
複数のスーパーストラクチャーユニット２はアレイ状に配列され、スーパーストラクチャーユニット２は正六角形及び／又は正方形であり、例示的に、図２Ｂを参照する際、各スーパーストラクチャーユニット２の中心位置には１つのナノ構造２１がそれぞれ設けられ、このようなアレイ配列によって形成されたメタレンズ２００のナノ構造２１の数量は最も少ないとともに、形成されたメタレンズ２００の性能もニーズに合っている。或いは、例示的に、図２Ａを参照する際、各スーパーストラクチャーユニット２の頂点位置及び各スーパーストラクチャーユニット２の中心位置には１つのナノ構造２１がそれぞれ設けられてもよい。ここで、１つのナノ構造２１は、ナノ構造の全体化で認定され、ある場合、前記ナノ構造２１は複数のサブナノ構造であってもよく、複数のナノ構造として認められる。
【0049】
例示的に、いくつかの実施例において、図２Ａを参照する際、全てのスーパーストラクチャーユニット２は何れも正六角形であり、他のいくつかの実施例において、図２Ｂを参照する際、全てのスーパーストラクチャーユニット２は何れも正方形であり、他のいくつかの実施例において、複数のスーパーストラクチャーユニット２は正六角形のアレイユニット及び正方形スーパーストラクチャーユニットを含む。ここで、他の実施例において、スーパーストラクチャーユニット２は他の正多角形に設計されてもよい。
【0050】
本実施例において、異なる位置のナノ構造２１の異なる波長での光学位相が異なることで、メタレンズの異なる波長での光学位相分布を限定して、広域スペクトラムセグメントメタレンズを形成する。ここで、本出願の実施例の複数のナノ構造２１から形成された構造全体は、可視光又は赤外光を同時に透過してもよいし、異なる波長帯の光を同時に透過してもよい。
【0051】
例示的に、基板１の厚さは０．１ｍｍ以上であり、２ｍｍより小さく、例えば、基板１の厚さは０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ又は範囲内の任意の数値に設定されてもいい。
【0052】
本実施例の複数のナノ構造２１から形成された構造全体の厚さはミクロンレベルであるため、基板１のナノ構造２１は平面構造に近似する。好ましくは、複数のナノ構造２１から形成された構造全体の厚さは５０μｍ以下、例えば、１．５μｍ、５μｍ、１０μｍ、１．５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍ、５０μｍなどである。好ましくは、複数のナノ構造２１から形成された構造全体の厚さと、メタレンズシステムの動作波長の大きさとは同一オーダーである。また、ここで、本発明の実施例において、メタレンズの厚さは、複数のナノ構造２１から形成された構造全体の厚さと基板の厚さとの和である。ここで、基板１は複数のナノ構造２１を支持する支持構造のみであり、基板１の材質とナノ構造２１の材質とは同様であってもよいし、異なってもよい。
【0053】
例示的に、基板１の材質は石英ガラス又は結晶シリコンであってもよく、ここで、基板１の材質は他の材質であってもよい。
【0054】
例示的に、ナノ構造２１の材質は、フォトレジスト、石英ガラス、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム（サファイア）、結晶シリコン（結晶質及び非晶質シリコンを含む）、窒化ガリウム、結晶質ゲルマニウム、硫化セレン、硫化亜鉛、カルコゲナイドガラスのうちの１つ又は２つ以上であり、ここで、ナノ構造２１の材質は他の材質であってもよい。また、本発明の実施例において、メタレンズ２００の形状は基板の形状によって決定され、基板１は円形、方形、正多角形などの規則的な形状であってもよいし、不規則的な形状であってもよい。例示的に、基板１は円形であると、メタレンズ２００の形状は円形であり、例示的に、基板１は正方形であると、メタレンズ２００の形状は正方形である。
【0055】
ナノピラー構造は、大口径高速レーザー直接書き込み加工方式、フォトエッチング加工方式及びナノインプリント加工方式のうちの１つで、基板１に加工されるが、加工方式はこれらの加工方式に限定されない。
【0056】
例示的に、いくつかの実施例において、メタレンズ２００表面の円環２３０は、メタレンズの、半径方向に沿う等価屈折率に従って周期的に配列される。メタレンズ２００の等価屈折率は式（１）に示される。
式（１）において、
はメタレンズ表面の半径ｒであり、波長はλの位相であり、ωは光の円周波数であり、ｃは光速であり、Ｈはナノピラー構造の高さであり、ｒはメタレンズ２００表面の半径、即ち、各ナノ構造２１から基板１の中心までの距離である。図４Ａのブロックに示すように、ナノ構造２１の等価屈折率データベースにおける等価屈折率区間は、中心位相が２π全体にできるだけ亘ることを保証することを前提として、最大等価屈折率から最小等価屈折率を減算して
となる。
【数4】
【数5】
【数6】
【0057】
式（１）における等価屈折率がナノ構造等価屈折率データベースにおける等価屈折率区間に対して余剰を取ることで、式（２）に示すように、周期等価屈折率を取得する。
例示的に、いくつかの実施例において、メタレンズ２００表面の円環２３０はメタレンズの、半径方向に沿う群遅延に従って周期的に配列される。メタレンズ２００の表面径方向の群遅延は式（３）に示される。
図４Ｂのブロックに示すように、ナノ構造群遅延データベースにおける群遅延区間は、中心位相が２π全体になるべくわたることを保証することを前提として、最大群遅延から最小群遅延を減算してΔＧＤとなる。
【数7】
【数8】
【0058】
式（３）における群遅延がナノ構造群遅延データベースにおける群遅延区間に対して余剰を取ることで、式（４）に示すように、周期群遅延を取得する。
式（４）において、ＧＤＰ（ｒ）はメタレンズの半径ｒでの群遅延である。
【数9】
【0059】
例示的に、いくつかの実施例において、入射広域スペクトラム光はＮ個の特徴波長に離散し、式（５）に示すように、メタレンズ表面の半径方向ｒ０に沿う箇所のナノ構造のＮ個の特徴波長での位相と理論位相の絶対値との和が最小である。
式（５）において、
はメタレンズ表面の半径方向ｒ０に沿う箇所のナノ構造の特徴波長λｉでの位相であり、ｉ＝１，２，…，Ｎであり、
はメタレンズ表面の半径方向ｒ０に沿う箇所の特徴波長λｉの理論位相であり、ｃｉはｉ番目の特徴波長に対応する最適化重みである。網羅的な方法で式（５）を解いて、ナノ構造データベースにおける全ての構造に亘り、最適な解を取得する。
【数10】
【数11】
【数12】
【0060】
実施例３：
本発明の実施例は色収差球面収差補正メタレンズシステムをさらに提供し、当該システムは鏡筒（図示せず）及びメタレンズ２００を含む。メタレンズ２００は鏡筒内に装着され、メタレンズの異なる波長での光学位相が異なることで、色収差無し、且つ球面収差無しの集束／発散を達成する。
本発明の実施例は色収差球面収差補正メタレンズシステムをさらに提供し、当該システムは鏡筒（図示せず）及びメタレンズ２００を含む。メタレンズ２００は鏡筒内に装着され、メタレンズの異なる波長での光学位相が異なることで、色収差無し、且つ球面収差無しの集束／発散を達成する。
【0061】
例示的に、当該メタレンズ２００の動作波長帯は８～１２μｍであり、口径は１９ｍｍであり、焦点距離は２５ｍｍである。当該メタレンズ２００のメタレンズ周期等価屈折率（理論／実際）とメタレンズ半径との関係について、図５Ａを参照すればよく、実線は理論上必要な等価屈折率であり、星印はナノ構造ベースにおける、実現可能な等価屈折率である。図５Ｂ～図５Ｄは、当該メタレンズ２００の、８μｍ、１０μｍ、１２μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図を示す。周期等価屈折率法によって設計されたメタレンズの焦点付近のｘ－ｚ平面光強度分布図については、図６Ａを参照すればよい。
【0062】
例示的に、当該メタレンズ２００の動作波長帯は８～１２μｍであり、口径は１９ｍｍであり、焦点距離は２５ｍｍである。当該メタレンズ２００のメタレンズ周期群遅延（理論／実際）と、メタレンズ半径との関係については、図５Ｅを参照すればよく、実線は理論上必要な群遅延であり、星印はナノ構造ベースにおける、実現可能な群遅延である。図５Ｆ～図５Ｈは、当該メタレンズ２００の、８μｍ、１０μｍ、１２μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図を示す。周期群遅延法によって設計されたメタレンズの焦点付近のｘ－ｚ平面光強度分布図については、図６Ｂを参照すればよい。
【0063】
例示的に、当該メタレンズ的動作波長帯は８～１２μｍであり、口径は１９ｍｍであり、焦点距離は２５ｍｍである。図５Ｉ～図５Ｋは、当該メタレンズの、８μｍ、１０μｍ、１２μｍ位相（理論／実際）とメタレンズ半径との関係図を示す。グローバル検索法によって設計されたメタレンズの焦点付近のｘ－ｚ平面光強度分布図については、図６Ｃを参照すればよい。
【0064】
例示的に、色収差球面収差補正メタレンズシステムの動作波長は遠赤外線波長帯にあるため、当該色収差球面収差補正メタレンズシステムの、遠赤外線波長帯での透過率を向上させるために、例示的に、メタレンズ２００では、基板１の他の表面、即ち、ナノ構造が設けられていない一面には、第１赤外波長帯反射防止膜がめっきされ、基板の一面から形成されたメタレンズ表面には第２赤外波長帯反射防止膜がめっきされ、基板１及びナノ構造２１の材質は何れも結晶シリコンであり、第１赤外波長帯反射防止膜及び第２赤外波長帯反射防止膜は何れも結晶シリコンにマッチングし、第１赤外波長帯反射防止膜は、第２赤外波長帯反射防止膜の材質と同様であってもよいし、異なってもよい。
【0065】
無論、好ましくは、メタレンズの基板１の他の表面には、第１可視光波長帯反射防止膜がめっきされてもよく、メタレンズ表面には第２可視光波長帯反射防止膜がめっきされてもよく、この場合、メタレンズの基板の材質は石英ガラスであってもよく、第１可視光波長帯反射防止膜は石英ガラスにマッチングし、メタレンズのナノ構造２１の材質は窒化ケイ素、酸化チタン、窒化ガリウム、酸化アルミニウム及びシリカのうちのいずれか１つ又は２つ以上であり、第２可視光波長帯反射防止膜は上記ナノ構造の材料の屈折率にマッチングする。
【0066】
実施例４：
本発明の実施例は光学システムをさらに提供し、当該光学システムは鏡筒（図示せず）と、それぞれ第１メタレンズ２１０、第２メタレンズ２２０である２枚のメタレンズとを含み、第１メタレンズ２１０及び第２メタレンズ２２０の、同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットにおけるナノ構造が異なり、例示的に、２枚の前記メタレンズのうちの１枚のメタレンズの、同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットにおけるナノ構造は中空ナノピラー構造であり、他枚は負角型ナノピラー構造である。入射光は第１メタレンズ２１０及び第２メタレンズ２２０を順に経て、第１メタレンズ２１０は第２メタレンズ２２０の全ての収差を補正する。
本発明の実施例は光学システムをさらに提供し、当該光学システムは鏡筒（図示せず）と、それぞれ第１メタレンズ２１０、第２メタレンズ２２０である２枚のメタレンズとを含み、第１メタレンズ２１０及び第２メタレンズ２２０の、同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットにおけるナノ構造が異なり、例示的に、２枚の前記メタレンズのうちの１枚のメタレンズの、同じ半径でのメタレンズ表面のスーパーストラクチャーユニットにおけるナノ構造は中空ナノピラー構造であり、他枚は負角型ナノピラー構造である。入射光は第１メタレンズ２１０及び第２メタレンズ２２０を順に経て、第１メタレンズ２１０は第２メタレンズ２２０の全ての収差を補正する。
【0067】
例示的に、当該メタレンズシステムの動作波長帯は８～１２μｍであり、入射瞳口径は７ｍｍであり、焦点距離は７ｍｍであり、全画角は５０°×３８．５°である。当該光学システムの第１メタレンズ２１０、第２メタレンズ２２０の周期等価屈折率（理論／実際）と、メタレンズ２００の半径との関係については、図８Ａ及び図８Ｂをそれぞれ参照すればよく、実線は理論上必要な等価屈折率であり、星印はナノ構造ベースにおける、実現可能な等価屈折率である。
【0068】
【0069】
以上の実施例は本発明の技術的解決策を限定しておらず、単に説明するためのものである。上記の実施例を参照して本発明を詳しく説明したが、当業者であれば理解できるように、依然として上記各実施例に記載の技術的解決策を修正し、又はその一部の技術特徴に対して等価的に置き換えを行ってもよく、これらの修正又は置き換えによって、相応的な技術的解決策の本質は本発明の各実施例の技術的解決策の精神及び範囲から離脱することがない。
【符号の説明】
【0070】
１・・・基板
２・・・スーパーストラクチャーユニット
２１・・・ナノ構造
２１１・・・正ナノピラー構造
２１２・・・負ナノピラー構造
２１２１・・・第１柱体
２１２２・・・第１中空部
２１３・・・中空ナノピラー構造
２１３１・・・第２円柱体
２１３２・・・第２中空部
２１４・・・負中空ナノピラー構造
２１４１・・・第２柱体
２４１２・・・第３中空部
２１４３・・・第３円柱体
２１５・・・角型ナノピラー構造
２１６・・・負角型ナノピラー構造
２１６１・・・第４柱体
２１６２・・・第４中空部
２１７・・・中空角型ナノピラー構造
２１７１・・・第５柱体
２１７２・・・第５中空部
２１８・・・負中空角型ナノピラー構造
２１８１・・・第６柱体
２１８２・・・第６中空部
２１８３・・・第７柱体
２１９・・・トポロジナノピラー構造
２００・・・メタレンズ
２１０・・・第１メタレンズ
２２０・・・第２メタレンズ
２３０・・・円環
２・・・スーパーストラクチャーユニット
２１・・・ナノ構造
２１１・・・正ナノピラー構造
２１２・・・負ナノピラー構造
２１２１・・・第１柱体
２１２２・・・第１中空部
２１３・・・中空ナノピラー構造
２１３１・・・第２円柱体
２１３２・・・第２中空部
２１４・・・負中空ナノピラー構造
２１４１・・・第２柱体
２４１２・・・第３中空部
２１４３・・・第３円柱体
２１５・・・角型ナノピラー構造
２１６・・・負角型ナノピラー構造
２１６１・・・第４柱体
２１６２・・・第４中空部
２１７・・・中空角型ナノピラー構造
２１７１・・・第５柱体
２１７２・・・第５中空部
２１８・・・負中空角型ナノピラー構造
２１８１・・・第６柱体
２１８２・・・第６中空部
２１８３・・・第７柱体
２１９・・・トポロジナノピラー構造
２００・・・メタレンズ
２１０・・・第１メタレンズ
２２０・・・第２メタレンズ
２３０・・・円環
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図3H】
【図3I】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図5I】
【図5J】
【図5K】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【国際調査報告】