(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波帯において低屈折率を有するシート型メタマテリアルであって、
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対称配置されて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、
設計周波数を０．５１ＴＨｚとしたときに、前記誘電体基板の厚さｄを約５０μｍ、前記間隔ｓを約３６１μｍ、前記間隔ｇを約１０６μｍ、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を使用周波数においてほぼ共振する長さとすることを特徴とするシート型メタマテリアル。
【請求項２】
前記誘電体基板は、低損失の誘電体フィルムであり、
前記第１ワイヤーアレー及び第２ワイヤーアレーは、導電率金属から形成されてい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】
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ｙ軸方向に間隔ｇを空けると共に、ｙ軸方向に直交するｘ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ｙ軸方向に間隔ｇを空けると共に、ｙ軸方向に直交するｘ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ｙ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、最も内側の第１領域Ｒ１の屈折率が正、最も外側の第ｎ領域Ｒｎの屈折率が負とされ、前記第１領域Ｒ１と前記第ｎ領域Ｒｎとの間の所定の領域Ｒｋの屈折率がゼロとされて、前記第１領域Ｒ１から前記第ｎ領域Ｒｎに向かうに従って屈折率が次第に小さくされ、
前記第１領域Ｒ１ないし前記領域Ｒｋまでの領域においては、前記第１カットワイヤーと前記第２カットワイヤーとが重なるよう対称配置され、前記領域Ｒｋの次の領域Ｒ（ｋ＋１）から前記第ｎ領域Ｒｎまでの領域においては、前記第１カットワイヤーと前記第２カットワイヤーとがｙ軸方向にずらせて重なるよう非対称配置されていることを特徴とするシート型レンズ。
【請求項４】
所定の屈折率を得るために、前記第１カットワイヤーおよび前記第２カットワイヤーにおける幅ｗ、前記所定長ｌ、前記間隔ｓ、前記間隔ｇの寸法が、前記第１領域ないし前記第ｎ領域において、調整されていることを特徴とする請求項３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が誘電体基板の両面に装荷され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波用のレンズに適用することができる。テラヘルツ波は、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】
本出願人は、特願２０１５−１６１１６号の出願でテラヘルツ波帯において低損失で負の屈折率が得られるシート型メタマテリアルを提案していると共に、特願２０１５−１５４９４３号の出願でテラヘルツ波帯において低損失で高屈折率が得られるシート型メタマテリアルを提案している。
また、ゼロの屈折率を得られるメタマテリアルが提案されている(非特許文献１参照)。このゼロの屈折率が得られる従来のメタマテリアル１００の概念図を図２１に示す。図２１に示すメタマテリアル１００は、金属１１０と誘電体１１１とを周期的に積層した周期構造とされている。このメタマテリアルでは、特定の周波数（臨界状態）の場合には、実効屈折率がゼロになる。ゼロ屈折率の物質では、位相の前進はなくなる、つまり光は図示するように空間を進む一連の山と谷、動く波として振る舞わない。代わりにゼロ屈折率の物質は定常相、全てが山か全てが谷となり、無限に長い波長になる。その山と谷は、空間ではなく、時間の変数としてのみ振動する。この均一な位相により、光はエネルギーを失うことなく、伸びたり縮んだり、捻れたり曲がったりする。このため、図示するように光がメタマテリアル１００に対して上面から進入した場合、メタマテリアル１００中においては位相は変化することなく一定の位相で伝搬していく（位相速度無限大）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】国立研究開発法人 物質・材料研究機構  「光メタマテリアルが屈折率ゼロの特殊な性質を持つことを理論的に解明」［online］, ［平成２８年  ２月１４日検索］，インターネット<http://www.nims.go.jp/news/press/2015/12/201512160.html>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
屈折率が負のマテリアル中において伝搬するテラヘルツ波の位相は進行方向とは逆に進行し、上記したように屈折率がゼロのマテリアル中において伝搬するテラヘルツ波の位相は一定となり、屈折率が正のマテリアル中において伝搬するテラヘルツ波の位相は進行方向に進行する。これにより、屈折率が負、ゼロ、正のマテリアルを組み合わせることにより、自然界の材料では不可能な拡張された位相制御がテラヘルツ波において可能となる。また、屈折率が負、ゼロ、正のマテリアルを組み合わせることにより、分布屈折率のメタマテリアルレンズを実現することができる。
しかしながら、上記した従来の屈折率がゼロのメタマテリアルは金属１１０と誘電体１１１とを周期的に積層した周期構造とされていることから、周期構造内でテラヘルツ波が減衰し易く、良好な透過電力特性を得ることが困難になるという問題点があった。また、上記した従来の屈折率がゼロのメタマテリアルでは、屈折率が負および正に設定されていないことから、分布屈折率のテラヘルツ波帯のレンズを提供できないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、金属性のカットワイヤーが誘電体基板の両面に装荷された構造とされたテラヘルツ波帯において屈折率がゼロとなるシート型メタマテリアルを提供すること、および、金属性のカットワイヤーが誘電体基板の両面に装荷された構造とされたテラヘルツ波帯における分布屈折率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】
【０００９】
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対称配置されて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、設計周波数を０．５１ＴＨｚとした時に、前記誘電体基板の厚さｄを約５０μｍ、前記間隔ｓを約３６１μｍ、前記間隔ｇを約１０６μｍ、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を使用周波数においてほぼ共振する長さとすることを最も主要な特徴としている。
【００１０】
また、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ｙ軸方向に間隔ｇを空けると共に、ｙ軸方向に直交するｘ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ｙ軸方向に間隔ｇを空けると共に、ｙ軸方向に直交するｘ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ｙ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、最も内側の第１領域Ｒ１の屈折率が正、最も外側の第ｎ領域Ｒｎの屈折率が負とされ、前記第１領域Ｒ１と前記第ｎ領域Ｒｎとの間の所定の領域Ｒｋの屈折率がゼロとされて、前記第１領域Ｒ１から前記第ｎ領域Ｒｎに向かうに従って屈折率が次第に小さくされていることを最も主要な特徴としている。
また、本発明のシート型レンズにおいて、前記第１領域Ｒ１ないし前記領域Ｒｋまでの領域においては、前記第１カットワイヤーと前記第２カットワイヤーとが重なるよう対称配置され、前記領域Ｒｋの次の領域Ｒ（ｋ＋１）から前記第ｎ領域Ｒｎまでの領域においては、前記第１カットワイヤーと前記第２カットワイヤーとがｙ軸方向にずらせて重なるよう非対称配置されている。さらに、本発明のシート型レンズにおいて、所定の屈折率を得るために、前記第１カットワイヤーおよび前記第２カットワイヤーにおける幅ｗ、前記所定長ｌ、前記間隔ｓ、前記間隔ｇの寸法が、前記第１領域ないし前記第ｎ領域において調整されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属性のカットワイヤーが誘電体基板の両面に装荷された構造とされ、設計周波数を０．５１ＴＨｚとした時に、誘電体基板の厚さｄを約５０μｍ、間隔ｓを約３６１μｍ、間隔ｇを約１０６μｍ、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を使用周波数においてほぼ共振する長さとすることにより、テラヘルツ波帯において屈折率がほぼゼロとなるシート型メタマテリアルを得ることができる。また、フィルム状の誘電体基板上に最も内側の第１領域から最外側の第ｎ領域に向かって屈折率が正からゼロ、ゼロから負になるよう単位セルを形成することにより、一枚のフィルム状とされた分布屈折率のテラヘルツ波帯のシート型レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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における単位セルの寸法の一例を示す図表である。
【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ＦＯＭと屈折率の周波数特性を示すグラフである。
【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比インピーダンス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比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比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実部の等高線図である。
【図１０】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虚部の等高線図である。
【図１１】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１２】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反射電力の等高線図である。
【図１３】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１４】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１５】本本発明の実施例のシート型レンズにおける周期境界壁を示した屈折率が負の単位セルの構成を示す斜視図である。
【図１６】本本発明の実施例のシート型レンズにおける屈折率が負の単位セルの構成を示す側面図、単位セルの寸法の一例を示す図表である。
【図１７】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１８】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１９】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２０】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２１】従来のゼロの屈折率を得られるメタマテリアルの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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屈折率がほぼゼロのシート型メタマテリアルとして動作する。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対称配置されて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。
【００１４】
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に重なるよう対称配置されて誘電体基板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。
【００１５】
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。
【００１６】
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の近傍では等価透磁率がほぼゼロ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の近傍では等価誘電率がほぼゼロ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。
【００１７】
設計周波数を０．５１ＴＨｚとした時の単位セル１３の寸法の一例を図３に示す。図３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２０２．２μｍ、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１０６μｍ、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１２０．２μｍ、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３６０．７μｍ、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、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０．５１ＴＨｚの周波数の１波長（λ）は約５８８．２μｍであるが、誘電体基板１２上においては約３８４．７μｍ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。
【００１８】
本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図３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４ないし図９に示す。図４ないし図９では、実験結果を黒丸で解析結果を実線で示している。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３に示す寸法とした単位セル１３の解析では、０．５１ＴＨｚにおける実効屈折率ｎeffとして０．０７６＋ｊ０．０２２のほぼゼロの屈折率が得られ、この周波数における透過電力として約９７．７％の良好な透過電力特性が得られている。また、反射波Ｒｅの反射電力は約０．０５８％の僅かな反射電力となる。
【００１９】
図４は、０．４５ＴＨｚ〜０．５５ＴＨｚの周波数帯域における性能指数ＦＯＭ（Figure of Merit）および複素屈折率の周波数特性の解析結果および実験結果を示している。図４を参照すると、複素屈折率の実部Ｒｅ（ｎeff）の解析結果は０．４７５ＴＨｚにおいて約−１．５となり、周波数の上昇に伴い上昇し約０．５０４ＴＨｚにおいてほぼゼロとなる。周波数の上昇に伴いさらに上昇して０．５５ＴＨｚにおいて約０．７５となる。複素屈折率の実部Ｒｅ（ｎeff）の実験結果はほぼ解析結果と同様となる。また、複素屈折率の虚部Ｉｍ（ｎeff）の解析結果は０．４５ＴＨｚにおいて約０．１８となり、周波数の上昇に伴い緩やかに下降し約０．５５ＴＨｚにおいてほぼゼロとなる。虚部Ｉｍ（ｎeff）の実験結果は０．４５ＴＨｚにおいて約１．２５となるが、約０．４５７ＴＨｚにおいて約０．１７に下降し周波数が上昇するにつれ約０．２６まで上昇するが、約０．４７５ＴＨｚ〜約０．４９ＴＨｚまでは解析結果とほぼ同様となる。０．５ＴＨｚを超えると約０．２１〜約０．２５の間のほぼ一定の値となる。
【００２０】
図４に示す性能指数ＦＯＭの解析結果は、０．４５ＴＨｚにおいて約３２となり、周波数の上昇に伴い下降し約０．５ＴＨｚにおいてゼロを横切り、約０．５０４ＴＨｚにおいて最小の約０．５まで小さくなる。その後、周波数が上昇すると上昇して約０．５０６ＴＨｚでゼロを横切ってさらに上昇し、０．５５ＴＨｚにおいて約９０となる。ＦＯＭの実験結果は、約０．４９ＴＨｚまでは解析結果の上下の値を取るが、０．５ＴＨｚを超えると約０．３から約２．５まで上昇する解析結果より小さな値となる。
設計周波数０．５１ＴＨｚにおいて、解析結果では、実効屈折率ｎeffが約０．０７６＋ｊ０．０２２でＦＯＭが約３．４２得られており、実験結果では、実効屈折率ｎeffが約０．１１＋ｊ０．２６でＦＯＭが約０．４２得られている。このように、図３に示す寸法とすることにより、設計周波数０．５１ＴＨｚにおいてほぼゼロの屈折率を呈するシート型メタマテリアル１とすることができる。
【００２１】
図５は、０．４５ＴＨｚ〜０．５５ＴＨｚの周波数帯域における透過電力Ｔｒと反射電力Ｒｅの周波数特性の解析結果および実験結果を示している。図５を参照すると、透過電力の解析結果では０．４５ＴＨｚにおいて約７５％となり、周波数の上昇に伴い下降して約０．４６ＴＨｚにおいて約６０％まで低下するが、その後に上昇し約０．５０６ＴＨｚにおいて最大の約９７．７％まで上昇する。その後、周波数が上昇すると緩やかに下降して０．５５ＴＨｚにおいてほぼ８８％となる。実験結果では、約０．４９ＴＨｚまでは解析結果を超え約０．５０６ＴＨｚにおいて最大の約９９％の透過電力が得られており、０．５ＴＨｚを超える周波数においては解析結果にほぼ一致しているが、高域においては低下しており、０．５５ＴＨｚにおいて約７８％となる。
また、図５を参照すると、反射電力の解析結果では０．４５ＴＨｚにおいて約８％となり、周波数の上昇に伴い上昇して約０．４６ＴＨｚにおいて約３１％まで上昇するが、その後に下降し約０．５０６ＴＨｚにおいて最小の約０％まで下降する。その後、周波数が上昇すると緩やかに上昇して０．５５ＴＨｚにおいて約１３％となる。実験結果では、０．４５ＴＨｚにおいて約２５％となり、周波数の上昇に伴い下降して約０．４８ＴＨｚにおいて約０％まで低下する。０．５ＴＨｚを超えると緩やかに上昇して０．５５ＴＨｚにおいて約２２％となる。
設計周波数０．５１ＴＨｚにおいて、解析結果では、約９７．７％の透過電力と約６．７％の反射電力が得られており、実験結果では、約１００．５％の透過電力と約０．０５８％の反射電力が得られている。このように、図３に示す寸法とすることにより、設計周波数０．５１ＴＨｚにおいてほぼゼロの屈折率を呈すると共に良好な透過電力特性のシート型メタマテリアル１とすることができる。
【００２２】
図６は、単位セル１３の０．４５ＴＨｚ〜０．５５ＴＨｚの周波数帯域における複素比インピーダンスＺｒの周波数特性の解析結果および実験結果を示している。図６を参照すると、複素比インピーダンスＺｒの実部Ｒｅ（Zr）の解析結果では、約０．４５ＴＨｚにおいて約０．５１となり、周波数の上昇に伴い僅かに下降し約０．４７５ＴＨｚにおいて約０．５となり約０．４９ＴＨｚまで維持される。０．５ＴＨｚを超えると急激に上昇していき約０．５０５ＴＨｚにおいて最大の約０．９となり、その後急激に下降して０．５１３ＴＨｚにおいて約０．５になり０．５５ＴＨｚまで約０．５となる。実験結果では、約０．４６ＴＨｚにおいて約０．９５となり、周波数の上昇に伴い僅かに下降し０．４８ＴＨｚにおいて約０．６１となる。０．５ＴＨｚを超えると約０．０７から上昇して約０．５３１ＴＨｚにおいて約０．３９となり、０．５５ＴＨｚまで維持される。
また、図６を参照すると複素比インピーダンスＺｒの虚部Ｉｍ（Zr）の解析結果では、約０．４５ＴＨｚにおいて約−０．０４となり、周波数の上昇に伴い僅かに上昇し約０．４７５ＴＨｚにおいてほぼゼロとなり約０．４９ＴＨｚまで維持される。０．５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．５０４ＴＨｚにおいて約−０．２８となり、その後急激に上昇して０．５０３ＴＨｚにおいて約０．０４となり、周波数の上昇に伴い僅かに下降し０．５１３ＴＨｚにおいてほぼゼロとなって、約０．５５ＴＨｚまで維持される。虚部Ｉｍ（Zr）の実験結果では、約０．４６ＴＨｚにおいて約０．３６となり、周波数の上昇に伴い緩やかに下降し０．４８ＴＨｚにおいて約０．１７となる。０．５ＴＨｚを超えると約０．５２から下降して約０．５２５ＴＨｚにおいて約０．２４となり、０．５５ＴＨｚでは約０．２１となる。
設計周波数０．５１ＴＨｚにおいて、解析結果では、０．５８+ｊ０．０５５の比インピーダンスＺｒが得られており、実験結果では、０．０７２＋ｊ０．５１の比インピーダンスＺｒが得られている。
【００２３】
図７は、単位セル１３の０．４５ＴＨｚ〜０．５５ＴＨｚの周波数帯域における比誘電率εｒの周波数特性の解析結果および実験結果を示している。図７を参照すると、比誘電率εｒの実部Ｒｅ（εr）の解析結果では、約０．４７ＴＨｚにおいて約−４となり、周波数の上昇に伴い上昇していき約０．４９ＴＨｚにおいて約−１．３４となる。０．５ＴＨｚを超えても上昇していき約０．５０６ＴＨｚにおいてほぼゼロとなり、０．５５ＴＨｚにおいて約１．４６となる。実験結果では、約０．４６ＴＨｚにおいて約−３．６となり、周波数の上昇に伴い上昇し０．４８ＴＨｚにおいて約−１．４７となる。０．５ＴＨｚを超えると約０．４から上昇して０．５５ＴＨｚにおいて約１．７となる。この実験結果は解析結果にほぼ一致している。
また、図７を参照すると比誘電率εｒの虚部Ｉｍ（εr）の解析結果では、約０．４５ＴＨｚにおいて約−０．３となり、周波数の上昇に伴い僅かに上昇し約０．４６ＴＨｚにおいてほぼゼロとなり約０．５５ＴＨｚまでほぼゼロが維持される。虚部Ｉｍ（εr）の実験結果では、０．４６ＴＨｚにおいて約１．６となり、周波数の上昇に伴い下降し０．４８ＴＨｚにおいて約０．１となる。０．５ＴＨｚを超えると約−０．１５から若干下降して約０．５５ＴＨｚにおいて約−０．２５となる。
設計周波数０．５１ＴＨｚにおいて、解析結果では、０．１３−ｊ０．０２６の比誘電率εｒが得られており、実験結果では、０．５３−ｊ０．１４１の比誘電率εｒが得られている。
【００２４】
図８は、単位セル１３の０．４５ＴＨｚ〜０．５５ＴＨｚの周波数帯域における比透磁率μｒの周波数特性の解析結果および実験結果を示している。図８を参照すると、比透磁率μｒの実部Ｒｅ（μr）の解析結果では、０．４５ＴＨｚにおいて約−３となり、周波数の上昇に伴い上昇していき約０．５ＴＨｚにおいてほぼゼロとなる。０．５ＴＨｚを超えると若干上昇していき０．５５ＴＨｚにおいて約０．３４となる。実験結果では、約０．４６ＴＨｚにおいて約−４となり、周波数の上昇に伴い上昇し約０．５ＴＨｚにおいてほぼゼロとなる。０．５ＴＨｚを超えると若干上昇して０．５５ＴＨｚにおいて約０．２７となる。
また、図８を参照すると比透磁率μｒの虚部Ｉｍ（μr）の解析結果では、約０．４５ＴＨｚにおいて約０．２７となり、周波数の上昇に伴い僅かに下降し約０．４９ＴＨｚにおいてほぼゼロとなり約０．５５ＴＨｚまで維持される。虚部Ｉｍ（μr）の実験結果では、０．４５６ＴＨｚにおいて約−４となり、周波数の上昇に伴い上昇し０．４８ＴＨｚにおいて約−０．１となる。０．５ＴＨｚを超えると約０．１から若干上昇して約０．５５ＴＨｚにおいて約０．２７となる。
設計周波数０．５１ＴＨｚにおいて、解析結果では、０．０４３＋ｊ０．０１７の比透磁率μｒが得られており、実験結果では、−０．１３＋ｊ０．０７５の比透磁率μｒが得られている。
屈折率ｎは、√εｒ・μｒで表され、上記したように単位セル１３の比誘電率εｒおよび比透磁率μｒが小数点以下の小さな値となることから、設計周波数０．５１ＴＨｚにおいてシート型メタマテリアル１の屈折率がほぼゼロになることが分かる。
【００２５】
本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、図３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９ないし図１２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９は、図３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およ第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇを１００μｍ〜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の長さｌを１９０μｍ〜２２５μｍの範囲とした時の０．５０ＴＨｚの周波数における実効屈折率ｎeffの実部Ｒｅ（ｎeff）の等高線図である。図９を参照すると、長さｌを１９０μｍから約２２５μｍまで長くしていくに従い屈折率が−１から０．５まで上昇する傾向を示している。長さｌを約２０５μｍ、間隔ｇを約１０５μｍとした時に、実効屈折率ｎeffの実部Ｒｅ（ｎeff）はほぼゼロに近い約０．０００８のほぼゼロとみなせるごく小さな屈折率が得られる。
図１０は、図３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を１００μｍ〜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の長さｌを１９０μｍ〜２２５μｍの範囲とした時の０．５０ＴＨｚの周波数における実効屈折率ｎeffの虚部Ｉｍ（ｎeff）の等高線図である。図１０を参照すると、長さｌを２００μｍ〜約２２５μｍの範囲において間隔ｇを１００μｍから１５０μｍまで長くしていくに従い実効屈折率ｎeffの虚部Ｉｍ（ｎeff）が約０．１から約１まで上昇する傾向を示している。長さｌを約２０５μｍ、間隔ｇを約１０５μｍとした時に、実効屈折率ｎeffの虚部Ｉｍ（ｎeff）はほぼゼロに近い約０．０６のごく小さな屈折率が得られる。
【００２６】
図１１は、図３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およ第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇを１００μｍ〜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の長さｌを１９０μｍ〜２２５μｍの範囲とした時の０．５０ＴＨｚの周波数における透過電力の等高線図である。図１１を参照すると、長さｌを１９５μｍ〜約２２５μｍの範囲において間隔ｇを１５０μｍから１００μｍまで短くしていくに従い約９３％以上の透過電力が得られることがわかる。長さｌを約２０５μｍ、間隔ｇを約１０５μｍとした時に、約９７．６％の良好な透過電力が得られる。
図１２は、図３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およ第２カットワイヤー１１ａのｙ軸方向の間隔ｇを１００μｍ〜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の長さｌを１９０μｍ〜２２５μｍの範囲とした時の０．５０ＴＨｚの周波数における反射電力の等高線図である。図１２を参照すると、間隔ｇが約１３７μｍ〜１５０μｍの範囲を除く長さｌの全範囲において約１％以下の良好な反射電力が得られることがわかる。長さｌを約２０５μｍ、間隔ｇを約１０５μｍとした時に、約０．０８％の良好な反射電力が得られる。
図９〜図１２に示すように、図３に示す寸法とすることにより、周波数０．５０ＴＨｚにおいてほぼゼロの屈折率を呈すると共に良好な透過電力特性のシート型メタマテリアル１とすることができる。
【００２７】
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２の構成を示す斜視図を図１３に、本発明のシート型レンズ２における寸法の一例を示す図表を図１４に示す。
図１３に示す本発明のシート型レンズ２は、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２２に半径ｒとされた円形を近似する多角形（以下、「ほぼ円形」という）とされたシート型メタマテリアル２１が形成されて構成されている。このシート型メタマテリアル２１は、ほぼ円形を同心の複数の領域に分割されて、中央部のほぼ円形の領域Ｒ１、これを囲むほぼ円形のリング状の複数の領域Ｒ２〜Ｒｎまでのｎ領域に分割されている。この領域のピッチ（領域の半径方向の高さ）は一部拡大図で示すようにｐとされる。そして、中央の領域Ｒ１に最も大きい正の屈折率が設定され、各領域Ｒ１〜Ｒｎの屈折率は中央から外側に向かって次第に小さくなるよう設定されて、中途のｋ番目の領域Ｒｋ（１＜ｋ＜ｎ）の屈折率がゼロに設定される。ｋ番目の領域Ｒｋの外側の領域Ｒ（ｋ＋１）〜Ｒｎまでの領域の屈折率は次第に小さくなる負の屈折率に設定される。このように、本発明にかかるシート型レンズ２は、分布屈折率のシート型レンズ２とされる。
【００２８】
設計周波数を１ＴＨｚ、焦点距離を５．０ｍｍとした時の本発明にかかる分布屈折率のシート型レンズ２の寸法および屈折率の一例が図１４に示されており、図１４を参照するとシート型レンズ２の半径ｒが約２．４１ｍｍ、各領域Ｒ１〜Ｒｎのピッチｐが約２０μｍとされて領域数が１２１とされている。そして、中央の領域Ｒ１の屈折率ｎ１が約５．００、８１番目の領域Ｒ８１の屈折率ｎ８１がほぼ０、最外側の領域Ｒ１２１の屈折率ｎ１２１が約−５．９２に設定されている。この場合は、領域数が１２１とされているが、本発明にかかるシート型レンズ２は、この領域数に限るものではない。
領域Ｒ１はほぼ円形とされ領域Ｒ２〜〜Ｒｎはほぼ円形のリング状の形状とされており、各領域Ｒ１〜Ｒｎに単位セルが領域の円周方向および半径方向に多数並べられて形成されており、単位セルの屈折率がその領域に必要な屈折率に設定されている。この場合、単位セルは領域の接線方向および半径方向に所定間隔で並んで互いに平行になるよう形成されている。領域内に形成される単位セルの構造は、屈折率が正ないしゼロの領域Ｒ１〜Ｒｋと、屈折率が負の領域Ｒ（ｋ＋１）〜Ｒｎとで異なっており、屈折率が正ないしゼロの領域Ｒ１〜Ｒｋに形成される単位セルの構造は図２に示す単位セル１３の構成とされ、屈折率が負の領域Ｒ（ｋ＋１）〜Ｒｎに形成される単位セルの構造は図１５，図１６（ａ）に示す単位セル３３の構成とされる。
【００２９】
領域Ｒ１〜Ｒｋに形成される単位セル１３においては、使用周波数を０．３ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚとした時に、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ｗを約４６μｍ〜約５０μｍ、間隔ｓを約１６０μｍ〜約１６２μｍ、厚さｄを約５０μｍ、長さｌを使用周波数においてほぼ共振する長さとすると、５以上の屈折率を得ることができる。この時、誘電体基板２２の厚さ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とした時に、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ｗを約４６μｍ、間隔ｓを約１６２μｍ、厚さｄを約５０μｍ、長さｌを使用周波数においてほぼ共振する長さととすると、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、領域Ｒ１〜Ｒｋの単位セル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の長さｌを約２０５±１０μｍ、幅ｗを約１２０μｍ、間隔ｇを１００〜１５０μｍ、間隔ｓを約３６０μｍとすることにより、ほぼゼロの屈折率を得ることができる。
このように、領域Ｒ１〜Ｒｋに形成される単位セル１３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の長さｌ、幅ｗの寸法および間隔ｇ，ｓの寸法を設計周波数および得ようとする屈折率に応じて調整することにより、その領域に必要な屈折率、例えば０〜５．００の屈折率を得ることができる。
【００３０】
図１５，図１６（ａ）に示す単位セル３３の構成は、屈折率が負に設定される領域Ｒ（ｋ＋１）〜Ｒｎに形成される単位セルの構造とされる。
これらの図に示す単位セル３３は、ｘ−ｙ平面に置かれた誘電体基板２２の表面に細長い矩形の第１カットワイヤー３１がｙ方向に形成され、裏面に細長い矩形の第２カットワイヤー３２が、第１カットワイヤー３１にｙ軸方向に約１／２だけずらせて重なるよう非対称配置されて形成されている。この場合、第１カットワイヤー３１および第２カットワイヤー３２はｙ軸（長軸）方向に間隔ｇを空けると共に、互いに平行になるようｘ軸（短軸）方向に間隔ｓを空けて形成されている。これにより、単位セル３３が領域Ｒ（ｋ＋１）〜Ｒｎの円周方向および半径方向に多数並べられて平行に形成された際に、第１カットワイヤー３１の長軸方向の間隔がｇとされると共に、短軸方向の間隔がｓとされる。誘電体基板２２は、例えばシクロオレフィンポリマーフィルムとされ、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２２は、他の低損失の誘電体フィルムとしても良い。第１カットワイヤー３１および第２カットワイヤー３２は、誘電体基板２２上に厚さｔで形成した金属膜をエッチング加工したり、金属インクを印刷等することにより形成されている。
【００３１】
この単位セル３３をｘ−ｙ平面に配置して、その周囲が図１５に示すように周期境界壁３５で囲われており、ｙ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は、その電界成分Ｅがｙ方向となり、その磁界成分Ｈがｘ方向となって、進行方向ｋはｚ方向となる。すると、鎖交する磁界により誘電体基板２２の第１カットワイヤー３１と第２カットワイヤー３２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３１と第２カットワイヤー３２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方向の電界Ｅにより第１カットワイヤー３１と第２カットワイヤー３２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３１と第２カットワイヤー３２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。この場合、図１５に示す単位セル３３では、第１カットワイヤー３１と第２カットワイヤー３２とが長さｌの約１／２だけずらされて重なりが短くされていることから、磁性の共振周波数が上がるようになる。また、上下方向に配置された第１カットワイヤー３１と第２カットワイヤー３２間の容量だけでなく、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３１と第２カットワイヤー３２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ようになる。これによって、誘電性の共振周波数よりも磁性の共振周波数が高くなり、誘電率が負となる帯域内で磁性の共振が起こるようになる。このため、単位セル３３においては、誘電率および透磁率が共に負となる所定範囲の周波数領域が得られ、この周波数領域において負の屈折率を得ることができるようになる。第１カットワイヤー３１および第２カットワイヤー３２を形成する金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等を用いることができる。
【００３２】
領域Ｒ（ｋ＋１）〜Ｒｎの単位セル３３においては、誘電体基板２２の厚さｄが約５０μｍ、間隔ｓが約１７８μｍ、間隔ｇが約１０μｍ〜約１００μｍ、第１カットワイヤー３１と第２カットワイヤー３２の長さｌが約９０μｍ〜約３６０μｍ、幅ｗが約３２μｍとされて、約０．３ＴＨｚ〜約０．９ＴＨｚにおいて負の屈折率を得ることができる。
このように、領域Ｒ（ｋ＋１）〜Ｒｎの単位セル３３においては、第１カットワイヤー３１および第２カットワイヤー３２の長さｌ、幅ｗの寸法および間隔ｇ，ｓの寸法を設計周波数および得ようとする屈折率に応じて調整することにより、その領域に必要な屈折率、例えば０〜−５．９２の負の屈折率を得ることができる。なお、単位セル１３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長さｌを約１９５μｍ〜約２０５μｍ、間隔ｇを約１００μｍ〜約１２０μｍとすることにより０〜−０．６程度の負の屈折率を得ることができることから、領域領域Ｒ（ｋ＋１）から所定数の領域においては、単位セル１３を用いるようにしても良い。
【００３３】
図１４に示す寸法、領域数、屈折率とし、本発明にかかるシート型レンズ２に周波数が１ＴＨｚのテラヘルツ波を入射した時の、Ｅ面（E-plane）およびＨ面（H-plane）における電界強度の分布を図１７（ａ）（ｂ）に示す。
図１７（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２（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２からの位置が約４．５４ｍｍ付近の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１７（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２（lens）からの光軸上の位置（Position）が横軸とされ、シート型レンズ２からの位置が約４．５４ｍｍの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。
【００３４】
図１４に示す寸法、領域数、屈折率とし、本発明にかかるシート型レンズ２に周波数が１ＴＨｚのテラヘルツ波を入射した時の、本発明のシート型レンズ２の光軸（z-axis）上の電界強度を図１８に示す。
図１８を参照すると、シート型レンズ２（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いる。シート型レンズ２からの距離が約２．６ｍｍを超えると電界強度が急激に上昇し、約４．５ｍｍの位置で電界強度が最大（約１１［Ｖ／ｍ］）となる。距離が約４．５ｍｍを超えると、距離に応じて電界強度が低下していくことが分かる。距離が１０ｍｍの位置では約０．９［Ｖ／ｍ］の電界強度となる。
【００３５】
図１４に示す寸法、領域数、屈折率とし、本発明にかかるシート型レンズ２に周波数が１ＴＨｚのテラヘルツ波を入射した時の、本発明のシート型レンズ２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１９に、本発明のシート型レンズ２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２０に示す。
図１９にはシート型レンズ２（lens）からの光軸（ｚ軸）上の位置が４．５４ｍｍ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１９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２０には、シート型レンズ２（lens）からの光軸（ｚ軸）上の位置が４．５４ｍｍ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いる。図２０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（約１１［Ｖ／ｍ］）となり、０ｍｍの位置から離れるにつれて電界強度は急激に低下していき、約±０．６ｍｍの位置で約１．４［Ｖ／ｍ］まで低下し、約±０．８ｍｍを超える位置で１［Ｖ／ｍ］以下に低下する。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（約１１［Ｖ／ｍ］）となり、０ｍｍの位置から離れるにつれて電界強度は急激に低下していき、約±０．６ｍｍの位置で約０．９［Ｖ／ｍ］の電界強度まで低下して上下に振動を繰り返し、約±０．８ｍｍを超える位置で１［Ｖ／ｍ］以下の電界強度に低下する。
以上説明した本発明のシート型レンズ２では、シート型レンズ２（lens）からの光軸（ｚ軸）上の約４．５４ｍｍの位置が焦点となり、テラヘルツ波帯において良好に機能するレンズになることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上説明した本発明のシート型メタマテリアルおよびシート型レンズでは、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。
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対称配置されて構成されている。
また、本発明のシート型レンズは、一枚の薄い誘電体基板上にシート型メタマテリアルを形成することにより構成されており、シート型メタマテリアルは同心のほぼ円形とされた複数の領域に分割されて、中央部のほぼ円形の領域、これを囲むほぼ円形のリング状の複数の領域から構成されている。そして、中央部の領域の屈折率は正の大きな屈折率とされ、外側の領域に向かって次第に屈折率が低くされ、中途の領域においては屈折率がほぼゼロとされる。さらに、屈折率がほぼゼロの領域の外側の領域の屈折率は、次第に小さくなる負の屈折率とされる。これにより、一枚の薄い誘電体基板で、テラヘルツ波帯において良好に機能する分布屈折率のシート型レンズとすることができる。また、本発明のシート型レンズにおいては、領域数を１２１として、８１番目の領域の屈折率をゼロとしたが、これに限ることはなく領域数はレンズとして機能する任意の数とすることができ、また、屈折率ゼロの領域は中央の領域から最外側までの領域の中の任意の領域とすることができる。さらに、本発明のシート型レンズにおいては、誘電体基板を矩形として、誘電体基板に形成されるシート型メタマテリアルを円形としたが、誘電体基板を円形あるいは多角形としてもよく、シート型メタマテリアルも円形や矩形としてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１  シート型メタマテリアル
２  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
２１  シート型メタマテリアル
２２  誘電体基板
３１  第１カットワイヤー
３２  第２カットワイヤー
３３  単位セル
３５  周期境界壁
１００  メタマテリアル
１１０  金属
１１１  誘電体
【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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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