フラットレンズ

フラットレンズは、その平坦な形状により、歪みのない画像を提供し、潜在的に任意の大きさの開口部を持つレンズである。^[1]この用語は、負の屈折率を提供する他のレンズを指す場合にも使用される。^[2]フラットレンズには、広い角度範囲にわたって -1 に近い屈折率が必要である。^{[3] [4]}近年、メタサーフェスに基づくフラットレンズも実証された。^[5]

ロシアの数学者ヴィクトル・ヴェセラゴは、負の電気分極応答と磁気分極応答を同時に示す物質は、負の屈折率（等方屈折率−1）をもたらし、光が逆位相とエネルギー速度で伝播する「左利き」の媒体になると予測した。^[3]

最初の近赤外線平面レンズは、ナノ構造アンテナを使用して2012年に発表されました。^[2]続いて2013年に、バイメタルサンドイッチを使用した紫外線平面レンズが発表されました。^[3]

2014年に、複合メタマテリアルと変換光学系を組み合わせた平面レンズが発表されました。このレンズは広い周波数範囲で機能します。^[6]

従来の湾曲したガラスレンズは、さまざまな角度から来る光を曲げて、写真フィルムや電子センサー上の同じ焦点に集めることができます。湾曲したガラスレンズの端で捉えられた光は、残りの光と正しく一列に並ばないため、フレームの端にぼやけた画像が作成されます。（ペッツバール像面湾曲やその他の収差）。これを補正するために、レンズは余分なガラス片を使用し、かさばり、複雑さ、質量が増加します。^[2]

フラットレンズはメタマテリアル、つまり波長以下のスケールで設計された電磁気構造を採用しており、カスタマイズされた偏光応答を引き出します。^[3]

左手系の応答は、通常、誘導容量共振器と導電線を含む単位セルの周期的配列で構成された共鳴メタマテリアルを使用して実装されます。マイクロ波周波数で2次元および3次元で等方性である負の屈折率は、センチメートルスケールの特徴を持つ共鳴メタマテリアルで達成されています。^[3]

メタマテリアルは赤外線、可視光線、そして最近では紫外線の波長を画像化することができる。^[3]

マイクロおよびナノ加工技術の進歩により、通信、センサー、データ ストレージなどの用途では、従来の光学レンズの継続的な小型化が求められています。具体的には、可視光線および近赤外線の用途では、サブ波長光学または小さな構造のナノ光学に、より小型で薄いマイクロ レンズが必要です。光通信の距離スケールが縮小するにつれて、マイクロ レンズに求められる機能サイズも縮小します。

酸化グラフェンは、平面集束デバイスを進化させるソリューションを提供します。直接レーザー書き込み(DLW) 法を使用して酸素含有量を操作することで、酸化グラフェン (GO) と還元酸化グラフェン (rGO) 間の屈折率の巨大な変更 (最大 10^-1、または以前の材料より 1 桁大きい) が実証されました。レンズ全体の厚さは、潜在的に 10 倍以上削減できます。また、GO の還元が深くなるにつれて GO の線形光吸収が増加し、GO と rGO 間の透過コントラストが生じ、振幅変調メカニズムが提供されます。さらに、屈折率と光吸収はどちらも、可視から近赤外までの波長範囲で無分散です。GO フィルムは、マスクレス DLW 法を使用して柔軟なパターン形成機能を提供し、製造の複雑さを軽減します。

GO 薄膜上の新しい超薄平面レンズは DLW 法を使用しました。^[7]その利点は、位相変調と振幅変調を同時に達成できることです。これは、それぞれ GO の縮小プロセス中の巨大な屈折率変調と可変線形光吸収に起因します。強化された波面成形能力により、レンズの厚さはサブ波長スケール (約 200 nm) であり、誘電体レンズ (約 μm スケール) よりも薄くなっています。集光強度と焦点距離は、それぞれレーザー出力とレンズサイズを変えることで効果的に制御できます。DLW プロセス中に油浸高開口数(NA) 対物レンズを使用することで、GO フィルム上に 300 nm の製造フィーチャ サイズが実現され、最小レンズ サイズは直径 4.6 μm に達し、最小の平面マイクロ レンズになりました。これは、FIB によるメタサーフェスでのみ実現できます。^{[説明が必要]}その後、焦点距離を 0.8 μm まで小さくすることができ、NA と集光解像度が向上する可能性があります。

650 nm の入力ビームを使用した最小焦点スポットでの半値全幅 (FWHM) は 320 nm であることが実験的に実証されており、これは有効 NA 1.24 (n=1.5) に相当します。さらに、この平面レンズでは 500 nm から 2 μm までの超広帯域フォーカス機能が実現されています。

最初の平面レンズは、写真画像を生成するために、厚さ 60 ナノメートルのシリコンの薄いウェハーに V 字型の金ナノアンテナの同心円状のリングをコーティングしたものだった。アンテナは光を屈折させて、すべての光が単一の焦点面に到達するようにする。これはいわゆる人工屈折プロセスである。アンテナは、アンテナに当たらない光をすべて反射する不透明な銀/チタンのマスクで囲まれていた。アームの長さと角度を変えることで、必要な範囲の振幅と位相が得られた。リングの分布によって焦点距離が制御される。^{[4] [8]}

屈折角はアンテナの形状、大きさ、向きによって制御され、中央よりも端のほうが屈折角が大きくなります。近赤外線^[8]の波長のみを集中させることができます。^[2]

ナノアンテナは位相不連続性の放射状分布を導入し、それによってそれぞれ球面波面と非回折ベッセルビームを生成します。シミュレーションでは、このような収差のない設計は、平面顕微鏡対物レンズなどの高開口数レンズに適用できることが示されています。^[4]

2015年に改良されたバージョンでは、金属ではなく誘電体材料を使用して、異なる波長の光を同じ点に集光する無彩色メタサーフェスが使用されました。これにより効率が向上し、赤、青、緑の波長を同じ点に集光して瞬時に色補正を行い、カラー画像を生成することで一貫した効果を生み出すことができます。このレンズは、屈折レンズを悩ませる色収差や色フリンジの影響を受けません。そのため、この色分散を補正するために従来使用されていた追加のレンズ要素は必要ありません。^[9]

バイメタルフラットレンズは、銀と二酸化チタンのナノメートル厚の層を交互に重ねたサンドイッチ構造で、後方波を維持する強力に結合したプラズモニック導波路のスタックで構成されています。入射光の移動角度に関係なく、負の屈折率を示します。導波路は、横方向の磁気分極に対して全方向の左利き応答を生成します。メタマテリアルを通過する透過は、高周波光をスイッチとして使用してオン/オフにすることができ、レンズは可動部品のないシャッターとして機能します。^[10]

膜光学系はガラスの代わりにプラスチックを使用して、光を屈折または反射するのではなく回折させます。プラスチックに刻まれた同心円状の微細溝が回折を実現します。^[11]

ガラスは90%の効率で光を透過しますが、膜の効率は30～55%の範囲です。膜の厚さはプラスチックラップの厚さと同程度です。^[11]

ホログラフィックレンズは、従来のレンズのホログラムから作られています。^[12]ホログラフィックレンズは平らで、元のレンズの欠点（収差）に加えて、ホログラムの欠点（回折）も備えています。

数学レンズのホログラム^{[説明が必要]}は平坦であり、数学レンズの特性を備えていますが、ホログラムの欠点 (回折) も備えています。

幾何位相レンズは偏光指向性フラットレンズとも呼ばれ、液晶 ポリマーをパターン状に堆積させて「ホログラフィックに記録された波面プロファイル」を作成することによって作られます。一方向の円偏光に対しては正の焦点距離を示し、一方向の円偏光に対しては負の焦点距離を示します。^{[13] [14]}

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• プラズモニックメタサーフェスに基づく通信波長における収差のない超薄型フラットレンズとアキシコン（全文）