(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルム状の誘電体基板と、
該誘電体基板の一面に形成された第１ワイヤーアレーと、
前記誘電体基板の他面に形成された第２ワイヤーアレーとを備え、
前記第１ワイヤーアレーは、間隔ｇを空けて前記誘電体基板のｙ軸方向に、間隔ｓを空けてｙ軸と直交するｘ軸方向に並べられて配列された所定長ｌの細長い金属製の第１カットワイヤーにより構成され、前記第２ワイヤーアレーは、前記第１カットワイヤーと同形状で前記第１カットワイヤーに重なるように配列された金属製の第２カットワイヤーにより構成されており、
前記誘電体基板の厚さｄが約２３μｍ〜約５０μｍであり、
設計周波数はテラヘルツ波帯のいずれかであって、
前記第１カットワイヤーおよび前記第２カットワイヤーの長さｌは、前記設計周波数に対応する前記誘電体基板内の波長の半分であるシート型メタマテリアル。
【請求項２】
設計周波数を０．３ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚとした時に、前記間隔ｓを約１６０μｍとし、厚さｄを約５０μｍから約２３μｍと薄くすることにより、より高い屈折率を得ることができることを特徴とする請求項１に記載のシート型メタマテリアル。
【請求項３】
設計周波数を１．０ＴＨｚ〜３．０ＴＨｚとした時に、前記間隔ｓを周波数が高くなるにつれて約４６μｍから約５μｍに短くしていき、厚さｄを約５０μｍから約２３μｍと薄くすることにより、より高い屈折率を得ることができることを特徴とする請求項１に記載のシート型メタマテリアル。
【請求項４】
多数の単位セルが整列してフィルム状の誘電体基板に形成されているシート型レンズであって、
前記単位セルは、該誘電体基板の一面に形成された所定長ｌの細長い金属製の第１カットワイヤーと、前記第１カットワイヤーと同形状で前記第１カットワイヤーに重なるように前記誘電体基板の他面に形成された金属製の第２カットワイヤーとにより構成され、
前記誘電体基板の一面には、前記単位セルの前記第１カットワイヤーがｘ軸方向に間隔ｇを空けると共に、ｘ軸方向に直交するｙ軸方向に間隔ｓを空けて配列され、
前記誘電体基板の他面には、前記単位セルの前記第２カットワイヤーがｘ軸方向に間隔ｇを空けると共に、ｘ軸方向に直交するｙ軸方向に間隔ｓを空けて配列され、
前記第１カットワイヤーおよび前記第２カットワイヤーの長軸がｘ軸方向にほぼ平行に配列されており、前記誘電体基板の領域が、中央部から外縁までのｎ領域に分割され、最も内側の領域と最も外側の領域を除く各領域は、内側の領域を囲むと共に外側の領域に囲まれており、内側の領域から外側の領域に向かうに従って屈折率が小さくされていることを特徴とするシート型レンズ。
【請求項５】
内側の領域から外側の領域に向かうに従って前記間隔ｇが大きくされることにより、内側の領域から外側の領域に向かうに従って屈折率が小さくされていることを特徴とする請求項４に記載のシート型レンズ。
【請求項６】
前記誘電体基板の厚さｄが約５０μｍ、前記第１カットワイヤーおよび前記第２カットワイヤーの長さｌが設計周波数においてほぼ共振する長さとされていることを特徴とする請求項５に記載のシート型レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属性のカットワイヤーを誘電体基板の両面に装荷したメタマテリアルとして機能するシート型メタマテリアル、および、シート型メタマテリアルを応用したシート型レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電率・透磁率がともに負の媒質に光が入射すると、負の屈折が起こることがベセラゴにより示され、透磁率および誘電率が負になる人工的な構造が提案された。この透磁率および誘電率が負になる人工的な構造は、原子より十分大きく光波長のスケールより小さい構造物の集合体からなり、メタマテリアルといわれている。負屈折媒質であるメタマテリアルを用いると、平面構造とされた完全レンズを作成することができる。完全レンズでは、回折限界を超えた微細なものまで観察することが可能であり、近接場（エバネッセント波）まで忠実に再現することができる。
【０００３】
メタマテリアルは、最近注目されているテラヘルツ電磁波用のレンズに適用することができる。テラヘルツ電磁波は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波とされており、波長が遠赤外〜ミリ波領域とほぼ一致し、「光」と「ミリ波」に挟まれた周波数領域に存在している。このため、テラヘルツ電磁波は、光と同様に高い空間分解能でものを見分ける能力と、ミリ波と同様の物質を透過する能力を併せ持っている。テラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かした時間領域分光、イメージング及びトモグラフィーによる材料のキャラクタリゼーションへの応用などが検討されてきている。テラヘルツ電磁波の発生は、物質透過性と直進性を兼ね備えるためＸ線に替わる安全かつ革新的なイメージングや、数100Gbps級の超高速無線通信を可能とすることができる。
【０００４】
特に、テラヘルツイメージングは、Ｘ線に代わる安全、安心かつ高精度な可視化技術の１つとして大きな魅力を有している。回折限界を突破した近接場によるテラヘルツナノイメージングや、１．４ＴＨｚで分解能４００ｎｍ（１波長／５４０）が得られることが報告されている。また、共鳴トンネルダイオードを用いた０．３ＴＨｚでのイメージングも報告されている。メタマテリアルは負の屈折率ｎ＝−１に設計することができ、エバネッセント成分となる近接場光を離れた場所で復元し、回折限界を超えた平板完全レンズを実現できる可能性がある。
【０００５】
従来、図８９（ａ）に示すシートタイプメタマテリアル１００が提案されている(非特許文献１参照)。このシートタイプメタマテリアル１００は、多数の単位セル１０１を縦横に周期的に並べて配置することにより、平板型に構成されている。単位セル１０１は、図８９（ｂ）の一部拡大図に示すようにｘ−ｙ平面に置かれた誘電体基板１１０の表面に細長い矩形の表面金属ストリップ１１１がｘ軸方向に形成され、裏面に細長い矩形の裏面金属ストリップ１１２が表面金属ストリップ１１１に重なるように形成されている。このシートタイプメタマテリアル１００にｘ軸方向に偏波した平面波を入射させたとき誘電体基板１１０における両面に形成された表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２との間に磁束が鎖交して周回する電流が流れ、磁性体粒子として働くようになる。特に、表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２の共振周波数以上では等価透磁率が負を呈するようになる。また、電界Ｅに対しては分極が起こり誘電体粒子として働くようになる。特に、ある周波数ではｘ軸方向に並んだ粒子間で共振が起こり、この周波数以下で大きな正の等価誘電率を呈する。これらの二つの共振周波数の間ではシングルネガティブ領域ができるようになり、入射波は減衰するようになる。表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２の寸法や位置を選び二つの共振周波数を調整することである範囲の阻止周波数帯域を得ることができる。例えば、単位セル１０１において、誘電体基板１１０の比誘電率εｒを１０．２とした際に、単位セル１０１の横幅ａを１５．２ｍｍ、高さｂを１２．７ｍｍ、厚さｃを１．６ｍｍとし、表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２との長さｈを１２．１ｍｍ、幅ｗを０．６ｍｍの寸法とすると、約４．５ＧＨｚ〜約５．５ＧＨｚの阻止周波数帯域を得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】２０１１年電子情報通信学会総合大会  エレクトロニクス講演論文集１  Ｃ−２−７６  大山陽平外３名著  「向かい合った金属パターンで構成される平板型人工媒質のＴＭ波に対する阻止特性」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
共鳴トンネルダイオードなどに応用する場合には、テラヘルツ波帯において高い屈折率や鋭い指向特性の平面状のレンズを提供できるメタマテリアルが必要とされる。しかしながら、このようなメタマテリアルは未だ開発されていなかった。
本発明は、従来は実現されていなかったテラヘルツ波帯において３００を超えるＦＯＭ（Figure of merit）を呈するフィルム構造のシート型メタマテリアル、および、シート型メタマテリアルを応用した平面状のシート型レンズを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のシート型メタマテリアルは、フィルム状の誘電体基板と、該誘電体基板の一面に形成された第１ワイヤーアレーと、前記誘電体基板の他面に形成された第２ワイヤーアレーとを備え、前記第１ワイヤーアレーは、間隔ｇを空けて前記誘電体基板のｙ軸方向に、間隔ｓを空けてｙ軸と直交するｘ軸方向に並べられて配列された所定長ｌの細長い金属製の第１カットワイヤーにより構成され、前記第２ワイヤーアレーは、前記第１カットワイヤーと同形状で前記第１カットワイヤーに重なるように配列された金属製の第２カットワイヤーにより構成されており、前記誘電体基板の厚さｄが約２３μｍ〜約５０μｍ、前記第１カットワイヤーおよび前記第２カットワイヤーの長さｌが使用周波数においてほぼ共振する長さとされていることを最も主要な特徴としている。
【０００９】
また、本発明のシート型メタマテリアルにおいて、設計周波数を０．３ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚとした時に、前記間隔ｓを約１６０μｍとし、厚さｄを約５０μｍから約２３μｍと薄くすることにより、より高い屈折率を得ることができる。
【００１０】
また、本発明のシート型メタマテリアルにおいて、設計周波数を１．０ＴＨｚ〜３．０ＴＨｚとした時に、前記間隔ｓを周波数が高くなるにつれて約４６μｍから約５μｍに短くしていき、厚さｄを約５０μｍから約２３μｍと薄くすることにより、より高い屈折率を得ることができる。
【００１１】
本発明のシート型レンズは、多数の単位セルが整列してフィルム状の誘電体基板に形成されているシート型レンズであって、前記単位セルは、該誘電体基板の一面に形成された所定長ｌの細長い金属製の第１カットワイヤーと、前記第１カットワイヤーと同形状で前記第１カットワイヤーに重なるように前記誘電体基板の他面に形成された金属製の第２カットワイヤーとにより構成され、前記誘電体基板の一面には、前記単位セルの前記第１カットワイヤーがｘ軸方向に間隔ｇを空けると共に、ｘ軸方向に直交するｙ軸方向に間隔ｓを空けて配列され、前記誘電体基板の他面には、前記単位セルの前記第２カットワイヤーがｘ軸方向に間隔ｇを空けると共に、ｘ軸方向に直交するｙ軸方向に間隔ｓを空けて配列され、前記第１カットワイヤーおよび前記第２カットワイヤーの長軸がｘ軸方向にほぼ平行に配列されており、前記誘電体基板の領域が、中央部から外縁までのｎ領域に分割され、最も内側の領域と最も外側の領域を除く各領域は、内側の領域を囲むと共に外側の領域に囲まれており、内側の領域から外側の領域に向かうに従って屈折率が小さくされていることを最も主要な特徴としている。
【００１２】
また、本発明のシート型レンズにおいて、内側の領域から外側の領域に向かうに従って前記間隔ｇが大きくされることにより、内側の領域から外側の領域に向かうに従って屈折率が小さくされているようにしてもよい。
また、前記誘電体基板の厚さｄが約５０μｍ、前記第１カットワイヤーおよび前記第２カットワイヤーの長さｌが設計周波数においてほぼ共振する長さとされていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来は実現されていなかったテラヘルツ波帯において３００を超えるＦＯＭを呈するフィルム構造のシート型メタマテリアルを提供することができる。また、本発明のシート型メタマテリアルを応用したシート型レンズは、鋭い指向特性の平面状のレンズとして機能する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例のシート型メタマテリアルの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例のシート型メタマテリアルの周期境界壁を示した単位セルの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例のシート型メタマテリアルの単位セルの構成を示す斜視図および側面図である。
【図４】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の一例を示す図表である。
【図５】本発明にかかるシート型メタマテリアルにおける透過電力と反射電力の周波数特性を示すグラフである。
【図６】本発明にかかるシート型メタマテリアルにおける屈折率の周波数特性を示すグラフである。
【図７】本発明にかかるシート型メタマテリアルにおける誘電率の周波数特性を示すグラフである。
【図８】本発明にかかるシート型メタマテリアルにおける透磁率の周波数特性を示すグラフである。
【図９】本発明にかかるシート型メタマテリアルにおけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。
【図１０】本発明にかかるシート型メタマテリアルにおける位相の周波数特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図１２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける透過電力および反射電力の周波数特性を示す図である。
【図１３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける屈折率の周波数特性を示す図である。
【図１４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける誘電率の周波数特性を示す図である。
【図１５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける透磁率の周波数特性を示す図である。
【図１６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおけるインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図１７】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図１８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３１ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図１９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３１ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図２０】本発明にかかるシート型メタマテリアルにおける屈折率およびＦＯＭの周波数特性を示すグラフである。
【図２１】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図２２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図２３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図２４】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図２５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３ＴＨｚにおける幅ｗと間隔ｓのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図２６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３ＴＨｚにおける幅ｗと間隔ｓのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図２７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．４ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図２８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．４ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図２９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．５ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図３０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．５ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図３１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．６ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図３２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．６ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図３３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．７ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図３４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．７ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図３５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．８ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図３６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．８ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図３７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．９ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図３８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．９ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図３９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの１．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図４０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの１．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図４１】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図４２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの１．５ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図４３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの１．５ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図４４】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図４５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの２．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図４６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの２．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図４７】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図４８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの３．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図４９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの３．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図５０】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図５１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図５２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図５３】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図５４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３ＴＨｚにおける間隔ｓと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図５５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．３ＴＨｚにおける間隔ｓと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図５６】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図５７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．４ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図５８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．４ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図５９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．５ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図６０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．５ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図６１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．６ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図６２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．６ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図６３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．７ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図６４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．７ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図６５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．８ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図６６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．８ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図６７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．９ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図６８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの０．９ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図６９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの１．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図７０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの１．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図７１】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図７２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの１．５ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図７３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの１．５ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図７４】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図７５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの２．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図７６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの２．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図７７】本発明の実施例のシート型メタマテリアルにおける単位セルの寸法の他の例を示す図表である。
【図７８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの３．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図７９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルの３．０ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図８０】本発明の実施例のシート型レンズの構成を示す斜視図、一部拡大図である。
【図８１】本発明の実施例のシート型レンズにおける寸法の一例を示す図表である。
【図８２】本発明の実施例のシート型レンズの周期境界壁を示した単位セルの構成を示す斜視図、その寸法の一例を示す図表である。
【図８３】本発明にかかるシート型レンズの単位セルの０．３ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する屈折率の等高線図である。
【図８４】本発明にかかるシート型レンズの単位セルの０．３ＴＨｚにおける間隔ｇと長さｌのパラメータに対する透過電力の等高線図である。
【図８５】本発明の実施例のシート型レンズのＥ面およびＨ面の電界強度の分布を示す図である。
【図８６】本発明の実施例のシート型レンズの光軸上の電界強度を示す図である。
【図８７】本発明の実施例のシート型レンズの光軸に直交する面上の電界強度の分布を示す図である。
【図８８】本発明の実施例のシート型レンズの光軸に直交する面における光軸から直交する面上の距離に対する電界強度を示す図である。
【図８９】従来のシートタイプメタマテリアルの構成を示す斜視図、一部を拡大して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施例のシート型メタマテリアル１の構成を示す斜視図を図１に、本発明の実施例のシート型メタマテリアル１の１周期分の構成である周期境界壁を示した単位セル１３の構成を示す斜視図を図２に、その単位セル１３の詳細構成を示す斜視図を図３（ａ）に、その側面図を図３（ｂ）に示す。
これらの図に示す本発明の実施例にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において動作する。このシート型メタマテリアル１は、図１および図２、図３（ａ）（ｂ）に示すようにｘ−ｙ平面に置かれた柔軟なフィルムからなる矩形の誘電体基板１２の表面に細長い矩形の第１カットワイヤー１０ａが所定間隔でｙ軸方向およびｘ軸方向に多数本並べて形成され、裏面に第１カットワイヤー１０ａと同形状の細長い矩形の第２カットワイヤー１１ａが第１カットワイヤー１０ａにそれぞれ重なるように多数本並べて形成されている。この場合、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａは、長手方向がｙ軸に平行とされ、互いに平行に縦横に配列されている。
【００１６】
ｙ軸方向に細長い矩形状の長さｌの第１カットワイヤー１０ａを、その中心軸が一致するようｙ軸方向にｇの間隔を空けると共に、互いに平行になるようｓの間隔を空けてｘ軸方向に多数本並べて、誘電体基板１２の表面に配設されるように形成されている。この第１カットワイヤー１０ａを、縦横に上記所定間隔ｇ，ｓで誘電体基板１２の表面に複数本形成することにより第１ワイヤーアレー１０が構成されている。また、細長い矩形状の長さｌの第２カットワイヤー１１ａを、その中心軸が一致するようｙ軸方向にｇの間隔を空けると共に、互いに平行になるようｓの間隔を空けてｘ軸方向に多数本並べて、第１カットワイヤー１０ａに重なるように誘電体基板１２の裏面に形成されている。この第２カットワイヤー１１ａを、縦横に上記所定間隔ｇ，ｓで誘電体基板１２の裏面に複数本形成することにより第２ワイヤーアレー１１が構成されている。このように、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長軸はｙ軸方向にほぼ平行に配列されている。誘電体基板１２は、例えばシクロオレフィンポリマーフィルムからなり、その比誘電率は約２．３４、ｔａｎδは約０．００１６の低損失とされる。誘電体基板１２は、他の低損失の誘電体フィルムとしても良い。
【００１７】
上記した構成の本発明にかかるシート型メタマテリアル１は、図２、図３（ａ）（ｂ）に示す単位セル１３を縦横に所定間隔で多数配列した構造と等価となる。図２、図３（ａ）（ｂ）に示すように、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅はｗ、長さはｌとされる。また、単位セル１３における矩形の誘電体基板１２の横幅は、幅ｗに間隔ｓを加えた寸法とされ、その縦の長さは、長さｌに間隔ｇを加えた寸法とされ、その厚さはｄとされる。第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａは、誘電体基板１２上に厚さｔで形成した金属膜を、エッチング加工すること等により形成されている。
【００１８】
この単位セル１３はｘ−ｙ平面に配置され、その周囲が図２に示すように周期境界壁１４で囲われており、ｙ軸方向に偏波されたテラヘルツ波帯の入射波Ｉｎが入射される。入射波Ｉｎにおいて反射された成分は反射波Ｒｅとなり、透過した成分は透過波Ｔｒとなる。入射波Ｉｎは、その電界成分Ｅがｙ軸方向となり、その磁界成分Ｈがｘ軸方向とされて、進行方向ｋはｚ軸方向となる。すると、鎖交する磁界により誘電体基板１２の第１カットワイヤー１０ａと第２カットワイヤー１１ａとの間に逆方向に電流が流れ磁性体粒子として働くようになる。特に、第１カットワイヤー１０ａと第２カットワイヤー１１ａの長さｌに基づく共振周波数以上では等価透磁率が負を呈する周波数帯域が生じるようになる。また、ｙ軸方向の電界Ｅにより第１カットワイヤー１０ａと第２カットワイヤー１１ａ上で分極が起こり、誘電体粒子としても働くようになる。特に、第１カットワイヤー１０ａと第２カットワイヤー１１ａの長さｌに基づく共振周波数以上では等価誘電率が負を呈する周波数帯域が生じるようになる。
図２に示す単位セル１３のように、誘電体基板１２の表裏面の第１カットワイヤー１０ａと第２カットワイヤー１１ａとが重なっている構造においては、磁性を示す共振の周波数よりも誘電性を示す共振の周波数の方が高いことが知られている。しかしながら、本発明にかかるシート型メタマテリアル１では、後述するように磁性の共振周波数が上がり、誘電性の共振周波数とほぼ同じ共振周波数とすることができる。これは、誘電体基板１２を介して互いに対面する第１カットワイヤー１０ａと第２カットワイヤー１１ａとの間の容量が増えるため、誘電性の共振周波数が下がることも原因の一つと考えられる。第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａを形成する金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等の良好な導電率を示す金属が用いられる。
【００１９】
設計周波数を０．３１ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の一例を図４に示す。図４に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇが約８５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約５０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌが約３１３μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約４６μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約１６４μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍとされている。なお、本発明にかかるシート型メタマテリアル１においては、単位セル１３の各部の寸法は調整されており、誘電体基板１２の厚さｄを含む寸法が、実用の範囲の寸法とされている。この場合、フレキシブルなシクロオレフィンポリマーフィルムとされた誘電体基板１２の比誘電率は約２．３４、ｔａｎδは約０．００１６となっており、誘電体基板１２における波長短縮率は約０．６５４となる。このため、設計周波数の０．３１ＴＨｚの周波数の１波長（λ）は約９６７．７μｍであるが、誘電体基板１２上においては約６３３μｍに短縮され、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌは約λ／２の共振する長さとされていることが分かる。
【００２０】
本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図４に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果および実験結果を図５ないし図１０に示す。図５ないし図１０では、実験結果を実線で解析結果を破線で示している。なお、解析は高周波３次元電磁界シミュレータHFSSにより行い、解析においては第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａは完全導体で構成されているものとしている。図４に示す寸法とした単位セル１３の解析では、０．３１ＴＨｚにおける屈折率ｎeffとして約６．６の高屈折率が得られ、この周波数における透過電力として約９２．０％が得られている。また、反射波Ｒｅの反射電力は約１．４６％となる。
図５は、０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における透過電力と反射電力の周波数特性を示している。図５を参照すると、透過電力｜Ｓ21｜2は０．２ＴＨｚにおいて約６２％となり、周波数の上昇に伴いやや低下してその後急激に上昇し約０．３１ＴＨｚにおいて最大の約９２％まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に低下して約０．３３ＴＨｚにおいてほぼ０％となる。その後周波数の上昇に伴い緩やかに上昇するが、その後は下降して、０．５ＴＨｚにおいて約２％を呈する実験結果が得られている。解析結果は、約０．３２ＴＨｚまでは実験結果にほぼ一致しており、その周波数を超えると実験結果よりやや大きな値となっている。
また、図５を参照すると、反射電力｜Ｓ11｜2は０．２ＴＨｚにおいて約３３％となり、周波数の上昇に伴いやや上昇してその後急激に低下し約０．３１ＴＨｚにおいて最小の約１．４６％まで低下する。その後、周波数が上昇すると急激に上昇して約０．３３ＴＨｚにおいて約８６％となる。その後周波数の上昇に伴い緩やかに上昇し、０．５ＴＨｚにおいて約９５％を呈する実験結果が得られている。解析結果は、実験結果とほぼ同様となっている。
【００２１】
図６は、０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における複素屈折率の周波数特性を示している。図６を参照すると、複素屈折率の実数部Ｒｅ（ｎ）は０．２ＴＨｚにおいて約３．５となり、周波数の上昇に伴い上昇し約０．３１ＴＨｚにおいて最大の約８．８まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に低下して約０．３５ＴＨｚにおいて約０．６となる。その後周波数の上昇に伴い上昇していき、０．５ＴＨｚにおいて約６．０を呈する実験結果が得られている。解析結果は、約０．３２ＴＨｚまでは実験結果にほぼ一致しており、その周波数を超えると実験結果よりやや小さな値となっている。
また、図６を参照すると、複素屈折率の虚数部Ｉｍ（ｎ）は０．２〜０．３１ＴＨｚにおいて約０．１となり、０．３１ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．３２ＴＨｚにおいて最大の約９．５まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して約０．３９ＴＨｚにおいて約０．４まで下降する。その後約０．４５ＴＨｚまではその値を維持するが、周波数の上昇に伴い上昇し、０．５ＴＨｚにおいて約３．７を呈する実験結果が得られている。解析結果は、実験結果とほぼ同様となっている。
図５，図６を参照すると、本発明にかかる単位セル１３は約０．３１ＴＨｚの周波数において、約６．６の高屈折率および約９２．０％の高透過電力が得られることが分かる。
【００２２】
図７は、単位セル１３の０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における複素誘電率（Permittivity）εの周波数特性を示している。図７を参照すると、複素誘電率εの実数部Ｒｅ（ε）は、０．２〜約０．３ＴＨｚにおいて約９．５となり、周波数が上昇すると一旦下降するが、その後急激に上昇し約０．３２５ＴＨｚにおいて最大の約２５まで上昇する。その後、周波数が上昇すると約１７まで低下するが、約０．３７５ＴＨｚを超えると上昇していき約０．４３ＴＨｚにおいて４０を超える実験結果が得られている。解析結果は、約０．２ＴＨｚ〜約０．３７５ＴＨｚまでは実験結果にほぼ一致しており、その上側の周波数を超えると実験結果よりやや小さな値となっている。
また、図７を参照すると複素誘電率εの虚数部Ｉｍ（ε）は、０．２〜約０．３２ＴＨｚまではほぼ０となり、約０．３２ＴＨｚより周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３２５ＴＨｚにおいて最小の約−１５まで低下する。その後周波数が上昇すると急激に上昇し約０．３３ＴＨｚにおいてほぼ０となる実験結果が得られている。解析結果は、約０．２ＴＨｚ〜約０．４２５ＴＨｚまでは実験結果にほぼ一致している。
【００２３】
図８は、単位セル１３の０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における複素透磁率（Permeability）μの周波数特性を示している。図８を参照すると、複素透磁率μの実数部Ｒｅ（μ）は、０．２ＴＨｚにおいて約３となり、周波数の上昇に伴い緩やかに上昇するが、約０．３ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．３１ＴＨｚにおいて最大の約１７まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３７５ＴＨｚにおいて約−８となる。その後は、周波数が上昇するにつれて上昇していき約０．３６ＴＨｚにおいてほぼ０となり、０．５ＴＨｚまでほぼ０となる実験結果が得られている。解析結果は、実験結果にほぼ一致している。
また、図８を参照すると複素透磁率μの虚数部Ｉｍ（μ）は、０．２〜約０．３ＴＨｚまではほぼ０となり、約０．３ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．３１ＴＨｚにおいて最大の約１５まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３３５ＴＨｚにおいてほぼ０となる。その後は、周波数が上昇してもほぼ０となり、０．５ＴＨｚまでほぼ０となる実験結果が得られている。解析結果は、実験結果にほぼ一致している。
【００２４】
図９は、単位セル１３の０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における複素インピーダンス（Impedance）ｚの周波数特性を示している。図９を参照すると、複素インピーダンスｚの実数部Ｒｅ（ｚ）は、０．２ＴＨｚにおいて約０．４となり、周波数の上昇に伴い緩やかに上昇するが、約０．３ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．３１ＴＨｚにおいて最大の約１．５まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３２ＴＨｚにおいてほぼ０となる。その後は、周波数が上昇するにつれて若干上下するが、０．５ＴＨｚまでほぼ０となる実験結果が得られている。解析結果は、実験結果にほぼ一致している。
また、図９を参照すると複素インピーダンスｚの虚数部Ｉｍ（ｚ）は、０．２〜約０．３ＴＨｚまではほぼ０となり、約０．３ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．３１ＴＨｚにおいて最大の約１．６まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３６ＴＨｚにおいてほぼ０となる。その後は、周波数が上昇してもほぼ０となり、０．５ＴＨｚまでほぼ０となる実験結果が得られている。解析結果は、実験結果にほぼ一致している。
【００２５】
図１０は、単位セル１３の０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における位相（Phase）の周波数特性を示している。図１０を参照すると、位相は、０．２ＴＨｚにおいて約１４０°（degree）となり、周波数の上昇に伴い緩やかに上昇して約０．２９５ＴＨｚにおいて約１８０°になるが、この周波数において反転し約−１８０°となる。約０．２９５ＴＨｚ〜約０．３０５ＴＨｚまではほぼ−１８０°を示すが、約０．３０５ＴＨｚにおいて再び反転して約１８０°になる。周波数が約０．３０５ＴＨｚを超えると急激に下降し約９０°になるが、その後、上昇していき約０．４１ＴＨｚにおいて約１８０°に達し、その周波数においてさらに反転して−１８０°となる。その後は、周波数が上昇するにつれて緩やかに上昇し、０．５ＴＨｚにおいて約−１６０°となる実験結果が得られている。解析結果は、実験結果にほぼ一致している。
図５ないし図１０に示す単位セル１３の電気的特性の解析結果および実験結果から、図４に示す寸法の単位セル１３は、０．３ＴＨｚ近傍において共振していることが分かる。
【００２６】
設計周波数を０．３ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図１１に示す。図１１に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇが約８０μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約５０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌが約３２０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約５０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約１６０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍとされている。なお、本発明にかかるシート型メタマテリアル１においては、単位セル１３の各部の寸法は調整されており、誘電体基板１２の厚さｄを含む寸法が、実用の範囲の寸法とされている。この場合、フレキシブルなシクロオレフィンポリマーフィルムとされた誘電体基板１２の比誘電率は約２．３４、ｔａｎδは約０．００１６となっており、誘電体基板１２における波長短縮率は約０．６５４となる。このため、設計周波数の０．３ＴＨｚの周波数の１波長（λ）は約１０００μｍであるが、誘電体基板１２上においては約６５４μｍに短縮され、上記長さｌは約λ／２の共振する長さとされていることが分かる。
【００２７】
本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図１１に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図１２ないし図１６に示す。なお、解析は高周波３次元電磁界シミュレータHFSSにより行い、解析においては第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａは完全導体で構成されているものとしている。図１１に示す寸法とした単位セル１３の解析では、０．３０ＴＨｚにおける屈折率ｎeffとして約７．１４の高屈折率が得られ、この周波数における透過電力として約９８．５％が得られている。
図１２は、０．２ＴＨｚ〜０．６ＴＨｚの周波数帯域における透過電力と反射電力の周波数特性を示している。図１２を参照すると、透過電力｜Ｓ21｜2は０．２ＴＨｚにおいて約５９％となり、周波数の上昇に伴いやや低下してその後急激に上昇し約０．３０ＴＨｚにおいて最大の約９８．５％まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に低下して約０．３１５ＴＨｚにおいてほぼ０％となる。その後周波数の上昇に伴い緩やかに上昇するが、その後は下降して、０．６ＴＨｚにおいて約３％を呈する解析結果が得られている。
また、図１２を参照すると、反射電力｜Ｓ11｜2は０．２ＴＨｚにおいて約４１％となり、周波数の上昇に伴いやや上昇してその後急激に低下し約０．３０ＴＨｚにおいて最小の約１．５％まで低下する。その後、周波数が上昇すると急激に上昇して約０．３１５ＴＨｚにおいてほぼ１００％となる。その後周波数の上昇に伴い緩やかに下降して上昇し、０．６ＴＨｚにおいて約９７％を呈する解析結果が得られている。
【００２８】
図１３は、０．２ＴＨｚ〜０．６ＴＨｚの周波数帯域における複素屈折率ｎの周波数特性を示している。図１３を参照すると、複素屈折率の実数部Ｒｅ（ｎ）は０．２ＴＨｚにおいて約３となり、周波数の上昇に伴い上昇し約０．３０ＴＨｚにおいて最大の約１０まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に低下して約０．３１ＴＨｚにおいてほぼ０となる。その後周波数が約０．３７５ＴＨｚを超えると次第に上昇し約０．４８〜約０．５４ＴＨｚにおいて約７となり、約０．５４ＴＨｚにおいてほぼ０まで下降し、０．６ＴＨｚまでほぼ０を呈する解析結果が得られている。
また、図１３を参照すると、複素屈折率の虚数部Ｉｍ（ｎ）は０．２〜０．３ＴＨｚにおいてほぼ０となり、０．３ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．３１ＴＨｚにおいて最大の約１５まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して約０．３７５ＴＨｚにおいてほぼ０まで下降する。その後約０．４８ＴＨｚまではほぼ０を維持するが、周波数の上昇に伴い上昇し、０．５４ＴＨｚにおいて約１３まで上昇し、その後急激に下降して０．６ＴＨｚにおいて約２．５を呈する解析結果が得られている。
図１２，図１３を参照すると、図１１に示す寸法とした本発明にかかる単位セル１３は約０．３０ＴＨｚの周波数において、約７．１４の高屈折率および約９８．５％の高透過電力が得られることが分かる。すなわち、本発明のシート型メタマテリアル１により、テラヘルツ波帯で使用可能なフレキシブルで平らな薄いレンズを提供することができる。
【００２９】
図１４は、単位セル１３の０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における複素誘電率（Permittivity）εの周波数特性を示している。図１４を参照すると、複素誘電率εの実数部Ｒｅ（ε）は、０．２〜約０．２９ＴＨｚにおいて約１０となり、約０．２９ＴＨｚを超えると急激に下降し約０．３ＴＨｚにおいてほぼ０となるが、その後急激に上昇して約０．３２ＴＨｚにおいて約３４まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して約１７まで低下するが、約０．３５ＴＨｚを超えると上昇していき約０．４６ＴＨｚにおいて４０を超える解析結果が得られている。
また、図１４を参照すると複素誘電率εの虚数部Ｉｍ（ε）は、０．２〜約０．３０ＴＨｚまではほぼ０となり、約０．３０ＴＨｚより周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３２ＴＨｚにおいて最小の約−２０まで低下する。その後周波数が上昇すると急激に上昇し約０．３２ＴＨｚを僅か超えた周波数でほぼ０となる解析結果が得られている。
【００３０】
図１５は、単位セル１３の０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における複素透磁率（Permeability）μの周波数特性を示している。図１５を参照すると、複素透磁率μの実数部Ｒｅ（μ）は、０．２〜約０．２９ＴＨｚにおいて約１となり、約０．２９ＴＨｚを超えると急激に上昇し、約０．３ＴＨｚを僅か超えた周波数で最大の約２０まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３１ＴＨｚにおいて約−３となり、約０．３２ＴＨｚにおいて約−６となる。その後は、周波数が上昇するにつれて上昇していき約０．３６ＴＨｚにおいてほぼ０となり、０．５ＴＨｚまでほぼ０となる解析結果が得られている。
また、図１５を参照すると複素透磁率μの虚数部Ｉｍ（μ）は、０．２〜約０．３ＴＨｚまではほぼ０となり、約０．３ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．３ＴＨｚを僅か超えた周波数において最大の約４２まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３２ＴＨｚにおいてほぼ０となる。その後は、周波数が上昇してもほぼ０となり、０．５ＴＨｚまでほぼ０となる解析結果が得られている。
【００３１】
図１６は、単位セル１３の０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における複素インピーダンス（Impedance）ｚの周波数特性を示している。図１６を参照すると、複素インピーダンスｚの実数部Ｒｅ（ｚ）は、０．２〜約０．２９ＴＨｚにおいて約０．４となり、約０．２９ＴＨｚを超えると急激に上昇して約０．３ＴＨｚを僅か超えた周波数において最大の約２．５まで上昇する。その後、僅か周波数が上昇しただけでほぼ０まで急激に下降する。その後は、周波数が上昇するにつれて若干上下するが、０．５ＴＨｚまでほぼ０となる解析結果が得られている。
また、図１６を参照すると複素インピーダンスｚの虚数部Ｉｍ（ｚ）は、０．２〜約０．３ＴＨｚまではほぼ０となり、約０．３ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．３ＴＨｚを僅か超えた周波数において最大の約４．４まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に下降して、約０．３７５ＴＨｚにおいてほぼ０となり、０．５ＴＨｚまでほぼ０となる解析結果が得られている。
【００３２】
設計周波数を０．３１ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図１７に示す。図１７に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約４６μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約１６２μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約５０μｍとされている。なお、誘電体基板１２の比誘電率（約２．３４）およびｔａｎδ（約０．００１６）は上記した通りであり、以降の説明では特に断らない限り、この値とされている。
本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図１７に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図１８ないし図２０に示す。なお、以降の説明では特に断らない限り解析は高周波３次元電磁界シミュレータHFSSにより行い、解析においては第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａは完全導体で構成されているものとしている。
【００３３】
図１８は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２００μｍ〜４００μｍの範囲とした時の０．３１ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図１８を参照すると、長さｌを２００μｍから約３４０μｍまで長くしていくに従い屈折率が３から９まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを３２０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図１９は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２００μｍ〜４００μｍの範囲とした時の０．３１ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図１９を参照すると、長さｌを約２９０μｍ〜約３１０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００３４】
図２０は、図１７に示す寸法とした単位セル１３の０．２ＴＨｚ〜０．４ＴＨｚの周波数帯域における複素屈折率ｎeffとそのＦＯＭ（Figure of merit）の周波数特性を示している。図２０を参照すると、複素屈折率ｎeffの実数部Ｒｅ（ｎ）および複素屈折率の虚数部Ｉｍ（ｎ）は、上記説明した図６と同様の特性を示しているので、その説明は省略する。屈折率のＦＯＭは、０．２ＴＨｚにおいて約２０となり、周波数の上昇に伴い上下に変動しながら次第に上昇し約０．２９ＴＨｚにおいて最大の約３１４まで上昇する。その後、周波数が上昇すると低下して約０．３１ＴＨｚにおいて約６０．１となる。その後周波数の上昇に伴い低下していき、約０．３ＴＨｚにおいて約０．２まで低下するが、その後上昇していき０．４ＴＨｚにおいて約１２を呈する実験結果が得られている。解析結果は、約０．２７５ＴＨｚ〜約０．３２５ＴＨｚまでは実験結果にほぼ一致しており、その周波数を超えると実験結果よりやや小さな値となっている。このことから、本発明のシート型メタマテリアル１を応用すると、テラヘルツ波帯で使用可能なフレキシブルで平らな薄いレンズを提供することができる。
【００３５】
設計周波数を０．３ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図２１に示す。図２１に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約５０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約１６０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約５０μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図２１に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図２２および図２３に示す。
【００３６】
図２２は、図２１に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜４００μｍの範囲とし、０．３ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図２２を参照すると、長さｌを１００μｍから約３４０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から９まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを３２０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図２３は、図２１に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜４００μｍの範囲とし、０．３ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図２３を参照すると、長さｌを約３００μｍ〜約３２０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００３７】
設計周波数を０．３ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図２４に示す。図２４に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌが約３２０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇが約８０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約５０μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図２４に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図２５および図２６に示す。
図２５は、図２４に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗ（Width）を１０μｍ〜１５０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓ（Space）を２０μｍ〜３００μｍの範囲とし、０．３ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図２５を参照すると、間隔ｓが３００μｍから２０μｍまで短くなるほど、かつ、幅ｗが１０μｍから１５０μｍまで長くなるほど屈折率が９まで高くなる傾向となることが分かる。
図２６は、図２４に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗ（Width）を１０μｍ〜１５０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓ（Space）を２０μｍ〜３００μｍの範囲とし、０．３ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図２６を参照すると、幅ｗが約７０μｍ前後とされた時に、間隔ｓが長くなるに従い高い透過電力が得られる傾向とされていることが分かる。特に、幅ｗを約６０μｍ〜約８０μｍとした時に、間隔ｓが約１４０μｍ〜３００μｍの範囲において約９０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００３８】
次に、本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図１７に示す寸法とすると、０．４ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯に適用することができ、図１７に示す寸法とした単位セル１３の０．４ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯における電気的特性の解析結果を図２７ないし図４０に示す。
図２７は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜４００μｍの範囲とした時の０．４ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図２７を参照すると、長さｌを１００μｍから約２５０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から７まで上昇する傾向を示している。また、長さｌを約２６０μｍから約３６０μｍまで長くしていくに従い屈折率が１から６まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを２４０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図２８は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜４００μｍの範囲とした時の０．４ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図２８を参照すると、長さｌを約２２０μｍ〜約２３０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００３９】
図２９は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１５０μｍ〜２５０μｍの範囲とした時の０．４ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図２９を参照すると、長さｌを１５０μｍから約２００μｍまで長くしていくに従い屈折率が３から５まで上昇する傾向を示している。また、長さｌを約１９０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図３０は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１５０μｍ〜２５０μｍの範囲とした時の０．５ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図２８を参照すると、長さｌを約１６５μｍ〜約１７５μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４０】
図３１は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜２００μｍの範囲とした時の０．６ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図３１を参照すると、長さｌを１００μｍから約１６０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から４まで上昇する傾向を示している。また、長さｌを約１５５μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図３２は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜２００μｍの範囲とした時の０．６ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図３２を参照すると、長さｌを約１３０μｍ〜約１４０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４１】
図３３は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜２００μｍの範囲とした時の０．７ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図３１を参照すると、長さｌを１００μｍから約１４０μｍまで長くしていくに従い屈折率が３から４まで上昇する傾向を示している。また、長さｌを約１３０μｍ近辺とすることで、約３０μｍ〜１４０μｍの間隔ｇの範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図３４は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜２００μｍの範囲とした時の０．７ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図３４を参照すると、長さｌを１００μｍ〜約１１５μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４２】
図３５は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とした時の０．８ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図３５を参照すると、長さｌを５０μｍから約１１０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から３まで上昇する傾向を示している。また、長さｌを約１１０μｍ近辺とすることで、約４０μｍ〜１４０μｍの間隔ｇの範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図３６は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とした時の０．８ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図３６を参照すると、長さｌを５０μｍ〜約１０５μｍとした時に、約４０μｍ〜１４０μｍの間隔ｇの範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４３】
図３７は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とした時の０．９ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図３７を参照すると、長さｌを５０μｍから約９０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から３まで上昇する傾向を示している。また、長さｌを約８５μｍ近辺とすることで、約５０μｍ〜１４０μｍの間隔ｇの範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図３８は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とした時の０．９ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図３６を参照すると、長さｌを５０μｍ〜約９０μｍとした時に、間隔ｇの上記した全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４４】
図３９は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とした時の１．０ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図３９を参照すると、長さｌを５０μｍから約８０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２まで上昇する傾向を示している。また、長さｌを約７５μｍ近辺とすることで、約７０μｍ〜１４０μｍの間隔ｇの範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図４０は、図１７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とした時の１．０ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図４０を参照すると、長さｌを５０μｍ〜約８０μｍとした時に、約４０μｍ〜１４０μｍの間隔ｇの範囲において約８０％以上の透過電力が得られ、長さｌを１０５μｍ〜約１５０μｍとした時に、約４０μｍ〜１４０μｍの間隔ｇの範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４５】
設計周波数を１．５ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図４１に示す。図４１に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約１０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約３２μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約５０μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図４１に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図４２および図４３に示す。
図４２は、図４１に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の１．５ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図４２を参照すると、長さｌを２０μｍ〜約５５μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において１．５の屈折率が得られることがわかる。
図４３は、図４１に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の１．５ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図４３を参照すると、長さｌを２０μｍ〜約４０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４６】
設計周波数を２．０ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図４４に示す。図４４に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約７．５μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約２４μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約５０μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図４４に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図４５および図４６に示す。
図４５は、図４４に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の２．０ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図４５を参照すると、長さｌを約８０μｍ〜約９０μｍとした時に、間隔ｇを約２０μｍ〜約３５μｍとした範囲、長さｌを約７０μｍ〜約８０μｍとした時に、間隔ｇを約３０μｍ〜約４０μｍとした範囲、長さｌを約６０μｍとした時に、間隔ｇを約５０μｍ〜約６０μｍとした範囲において１．０の屈折率が得られ、長さｌを２０μｍ〜約５０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において−１．０の屈折率が得られることがわかる。
図４６は、図４４に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の２．０ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図４６を参照すると、長さｌを２０μｍ〜約２５μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４７】
設計周波数を３．０ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図４７に示す。図４７に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約５μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約１６μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約５０μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図４７に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図４８および図４９に示す。
図４８は、図４７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の３．０ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図４８を参照すると、長さｌを約３５μｍ〜約４５μｍとした時に、間隔ｇを約２０μｍ〜約３０μｍとした範囲において０．５の屈折率が得られ、長さｌを２０μｍ〜約３０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において屈折率が０となっていることがわかる。
図４９は、図４７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の３．０ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図４９を参照すると、長さｌを２０μｍ〜約２５μｍとした時に、間隔ｇを２０μｍ〜約６５μｍとした範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００４８】
設計周波数を０．３ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図５０に示す。図５０に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約５０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約１６０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約２３μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図５０に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図５１および図５２に示す。
【００４９】
図５１は、図５０に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２５０μｍ〜３５０μｍの範囲とし、０．３ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図５１を参照すると、長さｌを２５０μｍから約３４０μｍまで長くしていくに従い屈折率が４から１６まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを３３０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図５２は、図５０に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２５０μｍ〜３５０μｍの範囲とし、０．３ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図５２を参照すると、長さｌを２５０μｍ〜約３２５μｍとした時に、間隔ｇを約１００μｍ〜１４０μｍとした範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５０】
設計周波数を０．３ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図５３に示す。図５３に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約５０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇが約８０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約２３μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図５３に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図５４および図５５に示す。
図５４は、図５３に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓ（Space）を５０μｍ〜３００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２５０μｍ〜３５０μｍの範囲とし、０．３ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図５４を参照すると、長さｌを２５０μｍから約３３５μｍまで長くしていくに従い屈折率が４から１６まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを３３０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図５５は、図５３に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓ（Space）を５０μｍ〜３００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２５０μｍ〜３５０μｍの範囲とし、０．３ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図５５を参照すると、間隔ｓが長い方が高い透過電力が得られる傾向とされていることが分かる。特に、長さｌを約３１５μｍ前後とした時に、間隔ｓが５０μｍ〜２５０μｍの範囲、長さｌを２５０μｍとした時に、間隔ｓが約１１５μｍ〜３００μｍの範囲、長さｌを２９０μｍとした時に、間隔ｓが約２３０μｍ〜３００μｍの範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５１】
設計周波数を０．４ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図５６に示す。図５６に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約５０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約１６０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約２３μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図５６に示す寸法とした単位セル１３の０．４ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯における電気的特性の解析結果を図５７ないし図７０に示す。
図５７は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２００μｍ〜３００μｍの範囲とし、０．４ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図５７を参照すると、長さｌを２００μｍから約２５０μｍまで長くしていくに従い屈折率が４から１２まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを２５０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図５８は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２００μｍ〜３００μｍの範囲とし、０．４ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図５８を参照すると、長さｌを２００μｍ〜約２４０μｍの範囲とした時に、間隔ｇが長い方が高い透過電力が得られる傾向とされていることが分かる。特に、長さｌを２００μｍ〜約２４０μｍの範囲とした時に、間隔ｇが約７５μｍ〜１４０μｍの範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５２】
図５９は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２００μｍ〜３００μｍの範囲とし、０．５ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図５９を参照すると、長さｌを１５０μｍから約２００μｍまで長くしていくに従い屈折率が４から８まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを１９５μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図６０は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１５０μｍ〜２５０μｍの範囲とし、０．５ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図６０を参照すると、長さｌを１５０μｍ〜約１９０μｍの範囲とした時に、間隔ｇが長い方が高い透過電力が得られる傾向とされていることが分かる。特に、長さｌを１５０μｍ〜約１９０μｍの範囲とした時に、間隔ｇが約６０μｍ〜１４０μｍの範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５３】
図６１は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜２００μｍの範囲とし、０．６ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図６１を参照すると、長さｌを１００μｍから約１５０μｍまで長くしていくに従い屈折率が４から８まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを１６０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図６２は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜２００μｍの範囲とし、０．６ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図６２を参照すると、長さｌを１００μｍ〜約１６０μｍの範囲とした時に、間隔ｇが約５０μｍ〜１４０μｍの範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５４】
図６３は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜２００μｍの範囲とし、０．７ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図６３を参照すると、長さｌを１００μｍから約１３５μｍまで長くしていくに従い屈折率が４から８まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを１３０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図６４は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を１００μｍ〜２００μｍの範囲とし、０．７ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図６４を参照すると、長さｌを１００μｍ〜約１３５μｍの範囲とした時に、間隔ｇが約５０μｍ〜１４０μｍの範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５５】
図６５は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とし、０．８ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図６５を参照すると、長さｌを５０μｍから約１２０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から６まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを１２０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図６６は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とし、０．８ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図６６を参照すると、長さｌを５０μｍ〜約１１５μｍの範囲とした時に、間隔ｇが約５０μｍ〜１４０μｍの範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５６】
図６７は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とし、０．９ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図６７を参照すると、長さｌを５０μｍから約１１０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から６まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを１０５μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図６８は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とし、０．９ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図６８を参照すると、長さｌを５０μｍ〜約１００μｍの範囲とした時に、間隔ｇが約５０μｍ〜１４０μｍの範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５７】
図６９は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とし、１．０ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図６９を参照すると、長さｌを５０μｍから約９０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から４まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを９０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図７０は、図５６に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１４０μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を５０μｍ〜１５０μｍの範囲とし、１．０ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図７０を参照すると、長さｌを５０μｍ〜約９０μｍの範囲とした時に、間隔ｇが約６０μｍ〜約１４０μｍの範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５８】
設計周波数を１．５ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図７１に示す。図７１に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約１０μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約３２μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約２３μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図７１に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図７２および図７３に示す。
図７２は、図７１に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の１．５ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図４２を参照すると、長さｌを２０μｍから約６０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から４まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを約６０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において４．０の屈折率が得られることがわかる。
図７３は、図７１に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の１．５ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図７３を参照すると、長さｌを２０μｍ〜約５５μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００５９】
設計周波数を２．０ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図７４に示す。図７４に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約７．５μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約２４μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約２３μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図７４に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図７５および図７６に示す。
図７５は、図４４に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の２．０ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図７５を参照すると、長さｌを２０μｍから約５０μｍまで長くしていくに従い屈折率が２から３まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを５０μｍ近辺とすることで、間隔ｇを約２０μｍ〜約３０μｍとした範囲において３．０の屈折率が得られることがわかる。
図７６は、図７４に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の２．０ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図７６を参照すると、長さｌを２０μｍ〜約３５μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約６０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００６０】
設計周波数を３．０ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の他の例を図７７に示す。図４７に示す寸法の例では、単位セル１３は、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの幅ｗが約５μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｘ軸方向の間隔ｓが約１６μｍ、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板１２の厚さｄが約２３μｍとされている。本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図７７に示す寸法とした単位セル１３の電気的特性の解析結果を図７８および図７９に示す。
図７８は、図７７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の３．０ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図７８を参照すると、長さｌを約６０μｍ近辺とした時に、間隔ｇを２０μｍ〜約３０μｍとした範囲、長さｌを約３０μｍ近辺とした時に、間隔ｇを２０μｍ〜約４０μｍおよび約７０μｍ〜約８５μｍとした範囲において２の屈折率が得られることがわかる。
図７９は、図７７に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇ（Gap）を２０μｍ〜１００μｍとし、第１カットワイヤー１０ａおよび第２カットワイヤー１１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２０μｍ〜１００μｍの範囲とした時の３．０ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図７９を参照すると、長さｌを約８５μｍ〜約１０５μｍとした時に、間隔ｇを４０μｍ〜約６０μｍとした範囲等において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００６１】
次に、本発明にかかるシート型メタマテリアルを応用した本発明の実施例のシート型レンズ５の構成を示す斜視図を図８０（ａ）に、その１／４モデルの拡大図を図８０（ｂ）に、本発明のシート型レンズ５における寸法の一例を示す図表を図８１（ａ）（ｂ）に、本発明のシート型レンズ５の１周期分の構成である周期境界壁を示した単位セルの構成を示す斜視図を図８２に示す。
これらの図に示す本発明のシート型レンズ５は、図１に示すようにｘ−ｙ平面に置かれた柔軟なフィルムからなる矩形の誘電体基板５２の表面に細長い矩形の第１カットワイヤー５０ａが所定間隔でｙ軸方向およびｘ軸方向に多数本並べて形成され、裏面に第１カットワイヤー５０ａと同形状の細長い矩形の第２カットワイヤー５１ａが第１カットワイヤー５０ａにそれぞれ重なるように多数本並べて形成されている。この場合、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａは、長手方向がｘ軸に平行とされ、互いに平行に縦横に配列されている。
【００６２】
ｘ軸方向に細長い矩形状の長さｌの第１カットワイヤー５０ａを、その中心軸が一致するようｘ軸方向にｇの間隔を空けると共に、互いに平行になるようｓの間隔を空けてｙ軸方向に多数本並べて、誘電体基板５２の表面に配設されるように形成されている。また、細長い矩形状の長さｌの第２カットワイヤー５１ａを、その中心軸が一致するようｘ軸方向にｇの間隔を空けると共に、互いに平行になるようｓの間隔を空けてｙ軸方向に多数本並べて、第１カットワイヤー５０ａに重なるように誘電体基板５２の裏面に形成されている。矩形の誘電体基板５２は、横幅がａ、高さがｂとされ、例えばシクロオレフィンポリマーフィルムからなり、その比誘電率は約２．３４、ｔａｎδは約０．００１６の低損失とされる。誘電体基板５２は、他の低損失の誘電体フィルムとしても良い。
【００６３】
上記した構成の本発明にかかるシート型レンズ５は、図８２に示す単位セル５３を縦横に所定間隔で多数配列した構造と等価となる。図８２に示すように、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａの幅はｗ、長さはｌとされる。また、単位セル５３における矩形の誘電体基板５２の横幅は、幅ｗに間隔ｓを加えた寸法とされ、その縦の長さは、長さｌに間隔ｇを加えた寸法とされ、その厚さはｄとされる。第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａは、誘電体基板５２上に厚さｔで形成した金属膜を、エッチング加工すること等により形成されている。
【００６４】
この単位セル５３はｘ−ｙ平面に配置され、その周囲が図８２に示すように周期境界壁５４で囲われており、ｙ軸方向に偏波されたテラヘルツ波帯の入射波Ｉｎが入射される。入射波Ｉｎにおいて反射された成分は反射波Ｒｅとなり、透過した成分は透過波Ｔｒとなる。入射波Ｉｎは、その電界成分Ｅがｙ軸方向となり、その磁界成分Ｈがｘ軸方向とされて、進行方向ｋはｚ軸方向となる。これにより、図１に示すシート型メタマテリアル１で説明したように、第１カットワイヤー５０ａと第２カットワイヤー５１ａの長さｌに基づく共振周波数以上では等価透磁率が負を呈する周波数帯域が生じるようになる。また、第１カットワイヤー５０ａと第２カットワイヤー５１ａの長さｌに基づく共振周波数以上では等価誘電率が負を呈する周波数帯域が生じるようになる。そして、単位セル５３は、高い屈折率を呈するようになる。第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａを形成する金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等の良好な導電率を示す金属が用いられる。
【００６５】
設計周波数を０．３１ＴＨｚとした時の単位セル５３の寸法の一例を図８１（ａ）に示す。この図に示す寸法の例では、単位セル５３は、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａの幅ｗが約５０μｍ、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａのｙ軸方向の間隔ｓが約１６０μｍ、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａの厚さｔが約０．５μｍ、誘電体基板５２の厚さｄが約５０μｍとされている。
【００６６】
本発明にかかるシート型レンズ５において、上記した寸法とした単位セル５３の電気的特性の解析結果を図８３および図８４に示す。
図８３は、図８１（ｂ）に示す寸法とした単位セル１３５おいて、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａのｘ軸方向の間隔ｇ（Gap）を７０μｍ〜４７０μｍとし、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２９０μｍ〜３４０μｍの範囲とした時の０．３ＴＨｚの周波数における屈折率の等高線図である。図８３を参照すると、長さｌを２９０μｍから約３４０μｍまで長くしていくに従い屈折率が３から９まで上昇する傾向を示している。特に、長さｌを３３０μｍ近辺とすることで、間隔ｇの上記の全範囲において高い屈折率が得られることがわかる。
図８４は、図８１（ｂ）に示す寸法とした単位セル１３において、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａのｘ軸方向の間隔ｇ（Gap）を７０μｍ〜４７０μｍとし、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａの長さｌ（Length of cut wire ）を２９０μｍ〜３４０μｍの範囲とした時の０．３ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図８４を参照すると、長さｌを約３１０μｍ〜約３２０μｍとした時に、間隔ｇの上記の全範囲において約８０％以上の透過電力が得られることがわかる。
【００６７】
図８３，図８４の解析結果を参照すると、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａの長さｌが、設計周波数である０．３ＴＨｚに共振する長さの前後において高い屈折率と高い透過電力が得られている。そして、共振する長さと異ならせることにより屈折率が低下するが、共振する長さより短くしていくとゆっくりと屈折率が低下することが分かる。本発明のシート型レンズ５においては、誘電体基板５２に形成している多数の単位セル５３の屈折率を中央から周辺に向かうにつれて小さくしていくことにより、レンズを実現している。すなわち、第１領域Ｒ１ないし第４領域Ｒ４の誘電体基板５２の表裏に形成されている第１カットワイヤー５０ａと第２カットワイヤー５１ａからなる単位セル５３の屈折率は、第１領域Ｒ１の単位セル５３の屈折率が一番大きくされ、次いで、第２領域Ｒ２の単位セル５３の屈折率、次いで、第３領域Ｒ３の単位セル５３の屈折率とされ、一番小さい屈折利が第４領域Ｒ４の単位セル５３の屈折率とされている。以下に詳細に説明する。
【００６８】
図８０（ａ）に示すように、誘電体基板５２は、誘電体基板５２の中央部の横長の第１領域Ｒ１と、第１領域Ｒ１の外側を囲む矩形のリング状の第２領域Ｒ２と、第２領域の外側を囲む矩形のリング状の第３領域Ｒ３と、第３領域Ｒ３の外側を囲む矩形のリング状の第４領域Ｒ４とに分割されている。図８０（ｂ）に示す１／４モデルの拡大図に示すように、第１領域Ｒ１の単位セル５３の屈折率がｎ１、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａの長さがｌ１、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａのｘ軸方向の間隔がｇ１とされている。第２領域Ｒ２では、屈折率がｎ２、長さがｌ２、間隔がｇ２とされ、第３領域Ｒ３では、屈折率がｎ３、長さがｌ３、間隔がｇ３とされ、第４領域Ｒ４では、屈折率がｎ４、長さがｌ４、間隔がｇ４とされている。シート型レンズ５の焦点距離が１０ｍｍになるよう設計した際の屈折率ｎ１〜ｎ４、長さｌ１〜ｌ４、間隔ｇ１〜ｇ４の数値の一例を図８１（ａ）に示す。なお、図８１（ａ）においてＰ１は第１領域Ｒ１の単位セル５３の透過電力であり、以下同様に、Ｐ２〜Ｐ４は第２領域Ｒ２〜第４領域Ｒ４の透過電力である。
上記したように、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａの長さｌ１〜ｌ４と、第１カットワイヤー５０ａおよび第２カットワイヤー５１ａのｘ軸方向の間隔ｇ１〜ｇ４を図８１（ａ）に示す寸法とすることにより、図８３で示されるように必要とする屈折率ｎ１〜ｎ４を実現することができる。
【００６９】
図８１（ａ）（ｂ）に示す数値および寸法とした際の、本発明のシート型レンズ５のＥ面（E-plane）およびＨ面（H-plane）における電界強度の分布を図８５（ａ）（ｂ）に示す。
図８５（ａ）のＥ面（E-plane）の電界強度の分布を参照すると、シート型レンズ５（lens）からの光軸（ｚ軸）上の位置（Position）が横軸とされ、シート型レンズ５からの位置が約４ｍｍを超えたＥ面の位置の電界強度が最大とされていることが分かる。また、図８５（ｂ）のＨ面（H-plane）の電界強度の分布を参照すると、シート型レンズ５（lens）からの光軸上の位置（Position）が横軸とされ、シート型レンズ５からの位置が約４ｍｍを超えたＨ面の位置の電界強度が最大とされていることが分かる。
【００７０】
図８１（ａ）（ｂ）に示す数値および寸法とした際の、本発明のシート型レンズ５の光軸（z-axis）上の電界強度を図８６に示す。
図８６を参照すると、シート型レンズ５（lens）からの光軸（z-axis）上の距離が横軸とされ、縦軸が電界強度とされており、最大値は正規化（０ｄＢ）されている。シート型レンズ５からの距離が約１．５ｍｍを超えると電界強度が−１０ｄＢを超えて急激に上昇し、約４．５ｍｍの位置で電界強度が最大（０ｄＢ）となる。距離が約４．５ｍｍを超えると、距離に応じてゆっくりと電界強度が低下していくことが分かる。距離が１４ｍｍの位置では約−７．８ｄＢとなる。
【００７１】
図８１（ａ）（ｂ）に示す数値および寸法とした際の、本発明のシート型レンズ５の光軸（ｚ軸）を中心とする面における電界強度の分布を図８７に、本発明のシート型レンズ５の光軸を中心とする面における中心からの距離に対する電界強度を図８８に示す。
図８７にはシート型レンズ５（lens）からの光軸（ｚ軸）上の位置が４．６ｍｍとされた位置において光軸を中心とする面における電界強度の分布が示されており、図８７を参照すると、縦軸の垂直位置が中心位置である０ｍｍの位置、横軸の水平位置が中心位置である０ｍｍの位置の電界強度が最大とされていることが分かる。
また、図８８には、シート型レンズ５（lens）からの光軸（ｚ軸）上の位置が４．６ｍｍとされた位置において光軸を中心とする面におけるＥ面（E-plane）およびＨ面（H-plane）の電界強度の分布が示されており、中心位置である０ｍｍの位置（Position）で正規化（０ｄＢ）されている。図８８を参照すると、実線で示すＥ面（E-plane）の電界強度は、位置（Position）が中心位置である０ｍｍの位置に置いて最大（０ｄＢ）となり、０ｍｍの位置から離れるにつれて電界強度は低下していき、約±０．６ｍｍの位置で約−３ｄＢ低下し、約±１．７ｍｍの位置で−１０ｄＢに低下する。また、破線で示すＨ面（H-plane）の電界強度は、位置（Position）が中心位置である０ｍｍの位置に置いて最大（０ｄＢ）となり、０ｍｍの位置から離れるにつれて電界強度は低下していき、約±０．５５ｍｍの位置で約−３ｄＢ低下し、約±１．１ｍｍの位置で−１０ｄＢに低下する。
【００７２】
以上説明した本発明のシート型レンズ５の焦点深度は約６．３ｍｍとなり、シート型レンズ５（lens）からの光軸（ｚ軸）上の位置が４．６ｍｍとされた位置におけるテラヘルツ波の光束の半値幅はＥ面で１．２ｍｍ、Ｈ面で１．１ｍｍとなる。
また、図８０に示す本発明のシート型レンズ５では、領域Ｒ１ないし領域Ｒ４の４つの領域に分割したが、これに限ることはなくｎ領域に分割しても良い。この場合、最も内側の領域と最も外側の領域を除く各領域は、内側の領域を囲むと共に外側の領域に囲まれており、内側の領域から外側の領域に向かうに従って屈折率が小さくされている。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上説明した本発明のシート型メタマテリアルでは、第１カットワイヤーおよび第２カットワイヤーの長さｌを設計周波数においてほぼ共振する長さとすることにより、設計周波数の帯域において高い屈折率および良好な透過電力を得ることができる。例えば、０．３ＴＨｚでは誘電体基板上の１／２波長は約３２７μｍとなり、０．５ＴＨｚでは誘電体基板上の１／２波長は約１９６μｍとなり、誘電体基板の厚さを薄くすると８以上の屈折率および８０％以上の透過電力を得ることができる。
本発明にかかるシート型メタマテリアルにおいては、誘電体基板は低損失であれば良くシクロオレフィンポリマーフィルムに限られるものではない。誘電体基板の比誘電率が変わると、誘電体基板における波長短縮率が変わるため、第１カットワイヤーおよび第２カットワイヤーの長さｌは波長短縮率に応じた長さとする。なお、誘電体基板としてシクロオレフィンポリマーフィルムを使用した場合は、比誘電率が約２．３４であることから、その波長短縮率は約０．６５４となる。また、第１カットワイヤーおよび第２カットワイヤーを形成する金属材は、金、銀、銅、アルミニウムに限られるものではないが、抵抗損の少ない金属材が好適とされる。
【００７４】
本発明のシート型メタマテリアルは、所定長ｌの細長い金属製の第１カットワイヤーを、厚さｄの誘電体基板の表面においてｙ軸方向に、間隔ｓを空けてｙ軸と直交するｘ軸方向に並べて配列し、第１カットワイヤーと同形状の第２カットワイヤーを、誘電体基板の裏面において、第１カットワイヤーに重なるように配列して構成されている。
使用周波数を０．３ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚとし、第１カットワイヤーおよび第２カットワイヤーの幅wを約４６μｍ〜約５０μｍ、間隔ｓを約１６０μｍ〜約１６２μｍ、厚さｄを約５０μｍとすると、５以上の屈折率を得ることができる。この時、厚さｄを約２３μｍとし他の寸法はそのままとすると、約８以上の屈折率を得ることができ、厚さｄを薄くすることにより高い屈折率を得ることができる。
また、使用周波数を０．６ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚとし、第１カットワイヤーおよび第２カットワイヤーの幅wを約４６μｍ、間隔ｓを約１６２μｍ、厚さｄを約５０μｍとすると、３以上の屈折率を得ることができる。この時、厚さｄを約２３μｍとし他の寸法をそのままとすると、約６以上の屈折率を得ることができ、厚さｄを薄くすることにより高い屈折率を得ることができる。
さらに、使用周波数を１．０ＴＨｚ〜３．０ＴＨｚとし、第１カットワイヤーおよび第２カットワイヤーの幅wを周波数が高くなるにつれて短く（約５μｍ〜約４６μｍ）し、間隔ｓを周波数が高くなるにつれて短く（約１６μｍ〜約１６２μｍ）し、厚さｄを約５０μｍとすると、０．５以上の屈折率を得ることができる。この時、厚さｄを約２３μｍとし他の寸法をそのままとすると、約２以上の屈折率を得ることができ、厚さｄを薄くすることにより高い屈折率を得ることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１  シート型メタマテリアル
５  シート型レンズ
１０  第１ワイヤーアレー
１０ａ  第１カットワイヤー
１１  第２ワイヤーアレー
１１ａ  第２カットワイヤー
１２  誘電体基板
１３  単位セル
１４  周期境界壁
５０ａ  第１カットワイヤー
５１ａ  第２カットワイヤー
５２  誘電体基板
５３  単位セル
５４  周期境界壁
１００  シートタイプメタマテリアル
１０１  単位セル
１１１  表面金属ストリップ
１１２  裏面金属ストリップ
１３５  単位セル
Ｉｎ  入射波
Ｒｅ  反射波
Ｔｒ  透過波
Ｒ１  第１領域
Ｒ２  第２領域
Ｒ３  第３領域
Ｒ４  第４領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１９】
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【図２０】
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