(57)【要約】【課題】所定の波長帯域の光を入射角とは異なる角度で選択的に反射させることが可能な反射角度制御可透明材を提供する。【解決手段】所定の波長で光共振を生じるアレイ状に配列された筒形状の複数の共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備え、共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、２以上の所定数の共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを含む単位ユニットを一周期として、所定の方向に周期的に配置され、単位ユニットに含まれるそれぞれの共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、互いに異なる光共振特性を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長で光共振を生じるアレイ状に配列された筒形状の複数の共振器を備え、
前記共振器は、２以上の所定数の前記共振器を含む単位ユニットを一周期として、所定の方向に周期的に配置され、
前記単位ユニットに含まれるそれぞれの前記共振器は、互いに異なる光共振特性を有する、反射角度制御可透明材。
【請求項２】
前記光共振特性は、共振の強度である、請求項１に記載の反射角度制御可透明材。
【請求項３】
前記共振器は、導電性材料を含む、請求項１または２に記載の反射角度制御可透明材。
【請求項４】
前記共振器は、前記導電性材料が円筒形状である、請求項３に記載の反射角度制御可透明材。
【請求項５】
前記単位ユニットは、隣接する他の単位ユニットとの反射光の位相差が略２πとなるように配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の反射角度制御可透明材。
【請求項６】
前記共振器の外形寸法は、可視光の波長よりも小さい、請求項１から５のいずれか一項に記載の反射角度制御可透明材。
【請求項７】
前記単位ユニットの前記所定の方向の前記一周期のピッチｄは、
前記所定の波長をλ、前記アレイ状に配列された前記共振器が形成する面に対する前記所定の波長の光の入射角をθｉｎ、反射角をθｏｕｔ、整数で表される次数をｍとしたときに、下記式
ｄ＝ｍλ／（ｓｉｎθｏｕｔ−ｓｉｎθｉｎ）
を満たす、請求項１から６のいずれか一項に記載の反射角度制御可透明材。
【請求項８】
所定の波長で光共振を生じるアレイ状に配列された複数の共振器を備え、
前記共振器は、２以上の所定数の前記共振器を含む単位ユニットを一周期として、所定の方向に周期的に配置され、
前記単位ユニットに含まれるそれぞれの前記共振器は、互いに異なる光共振特性を有し、
前記共振器は、前記所定の方向において、誘電体を導電性材料で挟んだ構造を有する、反射角度制御可透明材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の波長帯域の光を入射角とは異なる角度で選択的に反射させることが可能な反射角度制御可透明材に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を制御する代表的な素子としてレンズおよびミラーが挙げられる。これらは、光をそれぞれ屈折、反射させることで光の進む方向を制御している。そして波の進む方向は、界面における波源から放射状に発生する素元波が集合的に形成する波面の向きである。反射という光が曲がる現象は、隣接する各波源との間に位相差が生じて、波面の向きが界面への入射前後で変化する現象と言うことができる。
【０００３】
光の進む方向を制御する技術の使用例として、移動体のフロントウィンドシールドに虚像を表示するヘッドアップディスプレイが知られている。例えば、特許文献１には、縦方向の拡大率を横方向の拡大率より小さくした凹面鏡を用いてフロントウィンドシールドに虚像を表示することで、虚像を拡大することができる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−００３９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、フロントウィンドシールドに対してヘッドアップディスプレイから投射される光の入射角と反射角とは等しくなるので（つまり、正反射するので）、運転者が視認できる範囲が限られてしまう。そこで、フロントウィンドシールドのより広い範囲に虚像を表示させながらも、運転者が視認可能であるような技術が求められていた。また、車両用のヘッドアップディスプレイに限らず、光学部材への光の入射角に対する反射角を制御できれば、光学機器の分野で種々の応用が期待できる。
【０００６】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、所定の波長帯域の光を入射角とは異なる角度で選択的に反射させることが可能な反射角度制御可透明材を提供することにある。以下において所定の波長帯域に含まれ、共振波長として選択された光を「所定の波長の光」という。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態に係る反射角度制御可透明材は、所定の波長で光共振を生じるアレイ状に配列された筒形状の複数の共振器を備え、前記共振器は、２以上の所定数の前記共振器を含む単位ユニットを一周期として、所定の方向に周期的に配置され、前記単位ユニットに含まれるそれぞれの前記共振器は、互いに異なる光共振特性を有する。
【０００８】
本発明の実施形態に係る反射角度制御可透明材は、所定の波長で光共振を生じるアレイ状に配列された複数の共振器を備え、前記共振器は、２以上の所定数の前記共振器を含む単位ユニットを一周期として、所定の方向に周期的に配置され、前記単位ユニットに含まれるそれぞれの前記共振器は、互いに異なる光共振特性を有し、前記共振器は、前記所定の方向において、誘電体を導電性材料で挟んだ構造を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態に係る反射角度制御可透明材によれば、所定の波長帯域の光を入射角とは異なる角度で選択的に反射させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（Ａ）および（Ｂ）は反射角度制御を説明する図である。
【図２】一実施形態に係る反射角度制御可透明材で反射する光の波面を例示する図である。
【図３】一実施形態に係る反射角度制御可透明材の共振器の配置を説明する斜視図である。
【図４】光の入射角度と反射角度について説明する図である。
【図５】図５（Ａ）は筒形状の共振器、図５（Ｂ）は誘電体を導電性材料で挟んだ構造の共振器を例示する図である。
【図６】共振器の光入射方向の高さと共振波長との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
（反射角度制御）
最初に、本実施形態の目的とする反射角度制御について説明する。まず、図１（Ａ）は、一般的なガラス平板１００にＲＧＢ３色の光が入射している様子を示す。図１（Ａ）のように、一般的なガラス平板１００のような透明材料では、ＲＧＢ３色ともにその大半が透過し、数％は正反射する。
【００１３】
図１（Ｂ）は本実施形態に係る反射角度制御可透明材（以下、反射制御材１とする）にＲＧＢ３色の光が入射している様子の一例を示す。反射制御材１の反射面は、反射光の位相を制御できるメタサーフェスである。また、反射制御材１は、所定の波長帯域の光（例えばＲＧＢのうちのＧ）を制御の対象とする。図１（Ｂ）に示されるように、反射制御材１は、ＲおよびＢの光線を透過させて、Ｇの光を所望の角度へ反射させることができる。図１（Ｂ）の例では、Ｇの光のほとんどは正反射せずに、反射制御材１の反射面に対して垂直に反射している。そして、反射制御材１は、Ｇの光についてもある程度は透過させるため、透明な光学素子という特性も備えている。つまり、反射制御材１は、所定の波長帯域の光を入射角とは異なる角度で選択的に反射させることが可能な透明性を有する光学素子である。
【００１４】
ここで、反射制御材１は、反射光の位相を制御する対象である光の波長帯域が狭ければ透明性を高めることができる。なぜならば、このような光の波長帯域が狭ければ、その他の広い波長帯域の光は透過するので、反射制御材１は実質的に透明になるからである。本実施形態に係る反射制御材１は、後述するように、特定の波長の光に対して共振する共振器を用いることによって、反射光を制御する光の狭帯域化を図っている。
【００１５】
（反射制御材の概略構成）
図２に例示されるように、反射制御材１は、可視光に対して透明な平板状の基材１０に、導電性材料を含む共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを並べた構成である。基材１０は誘電体であって、例えば可視光に対して透明な樹脂であってもよいし、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等から形成されるガラスであってもよい。共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、プラズモン共鳴を利用した共振器であり、設計自由度（例えば形状の選択の幅等）が比較的高い。また、共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃのサイズは可視光の波長よりも小さいため、可視光に対して実質的に透明である。以下において共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを特に区別しない場合には、任意の一つであるとして共振器２０と呼ぶ。
【００１６】
図２の例では、ｘ軸とｙ軸とを含む平面に平行に基材１０が配置され、基材１０の一方の面の面上（ｚ軸の負方向）に共振器２０が設けられている。共振器２０は、基材１０の面上の一方向（図２の例ではｘ方向）の所定の長さ（ピッチｄ）の範囲に所定の間隔で配列された一組の共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを単位ユニット３０とし、この単位ユニット３０が基材１０上のｘ方向（所定の方向）およびｙ方向にアレイ状に配置されている。すなわち、ｘ方向にはピッチｄの周期で異なる共振器２０が、単位ユニット３０を一周期として繰り返し周期的に配置され、ｙ方向には、同じ光共振特性の共振器２０が繰り返し配置される。
【００１７】
ここで、反射制御材１の共振器２０の配置について説明する。図３では見やすさのため、共振器２０Ｃについては図示を省略している。図３に示されるように、基材１０の上に筒形状の共振器２０Ａ，２０Ｂが設けられている。また、図３の単位ユニット３０は、基材１０のｘ方向およびｙ方向にアレイ状に配置されている。つまり、単位ユニット３０が基材１０に二次元的に繰り返し配置されている。ここで、単位ユニット３０のｘ方向の長さがピッチｄである。
【００１８】
再び図２を参照する。図２の破線は所定の波長の入射光の波面であって、この例では、入射光はｚ軸の負から正の方向（矢印５１の方向）に進む。そして、共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃで反射して反射光が生じるが、共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃはそれぞれ異なる光共振特性を有している。光共振特性の一つを具体的に挙げるとＱ値である。ここで、Ｑ値は共振の強度、つまり光の閉じ込めの強さを表す値である。光共振が生じると光の波長よりも小さな空間に光が閉じ込められるが、共振器２０のＱ値が大きいほど強く閉じ込められるので反射光の位相遅れが大きくなる。図２の例では、共振器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの順にＱ値が大きくなり、反射光の位相が遅れる。そのため、反射光の波面は図２の実線のようになり、反射光は矢印５２の方向に進む。つまり、反射光は入射光の正反射ではなく（ｚ軸の正から負の方向ではなく）、ｘ方向に傾いた方向に反射する。ここで、共振器２０のＱ値、ピッチｄ、および隣接する共振器２０の間隔の少なくとも１つを変更することによって、反射光の進む方向を変化させることが可能である。このように、反射制御材１は、光共振特性の異なる共振器２０を配置することによって、光を入射角とは異なる所望の角度で反射させることが可能である。
【００１９】
また、共振器２０が光共振によって光閉じ込め効果を生じるのは、所定の波長帯域の光だけである。この共振波長は、導電性材料の種別および導電性材料の電界方向の大きさ等により決まる。その共振波長を中心とする波長帯域に含まれない光は反射制御材１を透過するので、反射制御材１は、所定の波長帯域の光だけを選択的に反射させる透明な光学素子となる。
【００２０】
また、反射制御材１は、単位ユニット３０が基材１０に二次元的に繰り返し配置されている。反射制御材１は、単位ユニット３０のｘ方向（ピッチｄ）で略２πの位相差を有するので、ｘ方向に隣接する単位ユニット３０と反射光の波面を揃えることができる。言い換えると、１つの単位ユニット３０の１つの共振器２０が、ｘ方向に隣接する他の単位ユニットの１つの共振器２０と略２πの位相差を有するので、反射光の波面を揃えることができ、反射制御材１は回折格子として機能する。ここで、位相差が略２πであるとは、厳密に位相差が２πでなくても波面が揃って反射光が得られるならば位相差のずれが許容されることを意味する。
【００２１】
単位ユニット３０のｘ方向のピッチｄに並べられる共振器２０の数は特に限定されないが、共振器２０の共振の強さ（Ｑ値）が徐々に大きくなる、または小さくなるように配置される必要がある。
【００２２】
（ピッチ）
ここで、ピッチｄは以下のように求めることができる。図４のように、入射光の入射角θｉｎ、反射光の反射角θｏｕｔを反射制御材１のアレイ状に配列された共振器２０が形成する反射面に垂直な直線に対する角度で定める。図４の左側の反射制御材１に向かう矢印が入射光であり、図４の右側の反射制御材１から離れる矢印が反射光である。そして、反射制御材１の制御対象である光の波長λ（所定の波長）を用いて、ピッチｄは下記の式によって決められる。整数ｍは利用する回折光の次数である。
【００２３】
ｄ＝ｍλ／（ｓｉｎθｏｕｔ−ｓｉｎθｉｎ）
【００２４】
例えば、光の波長λを５３２［ｎｍ］とし、入射角θｉｎが３０°、−１次回折光を利用して、反射制御材１に対して垂直に反射させたい場合、ピッチｄは１．０６［ｕｍ］となる。また、例えば、光の波長λを５３２［ｎｍ］とし、入射角θｉｎが４５°、１次回折光を利用して、入射した方向に戻るようとしたい場合は、ピッチｄは０．３８［ｕｍ］となる。このとき、３８０［ｎｍ］のピッチｄの中に複数の共振器を配置することになるので、共振器２０が円筒形状の場合には外径は数１０［ｎｍ］〜数１００［ｎｍ］程度の大きさとなる。反射制御材１の単位ユニット３０は、上記の式で得られるピッチｄをｘ方向の幅とする。
【００２５】
（共振器の概略構成）
図５（Ａ）は本実施形態で用いられる共振器２０を示す。共振器２０は円筒状の導電性材料２１と円柱状の誘電体２２とを含む。そして、図５（Ａ）の下図のように、共振器２０は基材１０と接する面（ｘ軸とｙ軸とを含む平面に平行な面で切った断面、以下、第１の断面とする）において（円）環状である。つまり、第１の断面において、誘電体２２は中実円であり導電性材料２１は、誘電体２２の周りに形成された誘電体２２と同心の円環である。共振器２０は第１の断面において軸対称な形状である。そのため、どのような方向の偏波の入力に対しても反応特性が変わらない。本実施形態において共振器２０の外形寸法は、導電性材料２１の外径であるが、共振器２０の第１の断面が円でない場合には第１の断面の最も長い径または辺で定められる。
【００２６】
図５（Ａ）の上図は、共振器２０はｘ軸とｚ軸とを含む平面に平行な面で切った断面（以下、第２の断面とする）を示す。共振器２０は、ｘ方向においてＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）構造を形成する。つまり、共振器２０は、第２の断面において、誘電体２２がｘ軸の正および負の方向から導電性材料２１に挟まれた構成を有する。ここで、導電性材料２１は、各種の金属であってもよいが、金属固有のプラズマ周波数を考慮すると金、銀、またはアルミニウムであることが好ましい。また、誘電体２２は、各種の絶縁体を用いてもよいが、本実施形態では空気であって、誘電体２２は円筒状の空洞になっている。また、図５（Ａ）において、２点鎖線によりプラズマ振動の定在波の分布を示している。（以下の図５（Ｂ）および図６においても同様。）
【００２７】
ここで、共振器２０は、ＭＩＭ構造を有するため、金属表面を伝わり共振性が強い伝播型プラズモンを利用しやすいと考えられる。図５（Ａ）および図６に示されるように、Ｉ部（Ｍ部に挟まれた空洞部分）に定在波状の電場モードが励起されると共振が発生する。ここで、図６の２つの共振器２０のように、ｚ方向の高さに応じて定在波状の電場モードの波長が異なる。そのため、ｚ方向の高さを変えることで共振器２０が共振する光の波長を調整できる。例えば、共振器２０のｚ方向の高さを大きくすると、共振波長が長くなる。一方、共振器２０のＩ部およびＭ部の径を変更することによって共振器２０の光共振特性が変化する。この変更により、共振の強さ（Ｑ値）等を調整することができる。共振の強さ（Ｑ値）を調整することによって、共振器２０による反射光の位相を調整することができる。空洞内部にある定在波の腹の数は０でもよいし（図５（Ａ）参照）、１つまたは複数個あってもよく、特に限定されるものではない。また、共振器２０のｚ方向の高さおよびＩ部の径の変更は、伝播型プラズモンだけではなく局在型プラズモンのふるまいにも影響を与えると考えられる。
【００２８】
本実施形態で、共振器２０を円筒状の導電性材料２１と円柱状の誘電体２２とを含むものとしたが、共振器２０は、導電性材料２１を筒状とする他の構成とすることも可能である。例えば、誘電体２２を角柱状とし、導電性材料２１を誘電体２２の周りに設けた角筒形状としても良い。
【００２９】
ここで、共振器２０は、導電性材料２１の円柱が誘電体２２の円筒を覆っている構造でなくてもＭＩＭ構造を有することができる。例えば図５（Ｂ）の下図のように、共振器２０は、第１の断面（基材１０と接する面）において平行平板の導電性材料２１で誘電体２２を挟んだ構造であってもよい。このとき、導電性材料２１で挟まれる誘電体２２の幅（ｘ方向の長さ）が互いに異なる所定数の共振器２０がｘ方向に並んだ単位ユニット３０が構成される。そして、単位ユニット３０を一周期として、ｘ方向、ｙ方向にアレイ状に配置される。光の入射方向は同じくｚ方向である。この場合にも、共振器２０は、第２の断面において、誘電体２２がｘ軸の正および負の方向から導電性材料２１に挟まれた構成（ＭＩＭ構造）を有し、伝播型プラズモンを利用しやすいと考えられる。
【００３０】
また、本実施形態では、共振器２０のＩ部（Ｍ部に挟まれた部分）は空洞であり、Ｍ部の周囲と同じ誘電体（空気）を備える。しかし、共振器２０のＩ部を、Ｍ部の周囲の誘電体（空気）よりも高い屈折率を有する誘電体で満たしてもよい。この場合、Ｍ部の周囲に電界が広がり、金属の吸収を避けやすくなる効果が生じるため、共振性がより高くなると考えられる。
【００３１】
（共振器及び共振器アレイの製造方法）
本実施形態に係る共振器２０および共振器アレイは、直方体、楕円柱などの比較的簡易な構造の導体で形成される。よって、一般的なＥＢ（Electron Beam）リソグラフィを用いて作製できる。ＥＢリソグラフィとは、蒸着、スパッタリング、エッチング等を用いたプロセスである。
【００３２】
以上に説明したように、本実施形態の反射制御材１は、所定の波長帯域の光を入射角とは異なる角度で反射させることが可能である。ここで、従来から知られる一般的な回折格子も光の反射角度を正反射から変化させることに用いられる。しかし、従来の一般的な回折格子は、波面を強めあう条件を満たす任意の波長に対して作用を発揮するため、各波長の光が波長に応じた異なる角度で回折される。このため、所定の波長帯域の光のみを選択的に回折させることはできなかった。本実施形態の反射制御材１は、異なる光共振特性を有する共振器２０を用いることで、所定の波長帯域の光の反射角度を正反射から変化させることができる。
【００３３】
また、本実施形態の反射制御材１は、共振の強度（Ｑ値）が異なる共振器を適切な間隔で並べることによって反射光の方向を制御できる。
【００３４】
また、本実施形態の反射制御材１では、共振器２０が導電性材料２１を含む。導電性材料２１としては例えば金属を選択できるが、金属固有のプラズマ周波数に基づいて金属の種類を選択することで、必要な波長の光の反射を制御することができる。
【００３５】
また、本実施形態の反射制御材１は、共振器２０に円筒形状の導電性材料２１を用いることができる。このとき、円筒の径を変更することで共振器２０の共振の強さ（Ｑ値）等を調整可能である。
【００３６】
また、本実施形態の反射制御材１は、単位ユニット３０と、隣接する単位ユニット３０との反射光の位相差が略２πとなるように配置される。このとき、反射波の波面を揃えることができるので、所定の波長帯域の光を選択的に反射させることが可能な回折格子を実現することができる。
【００３７】
また、本実施形態の反射制御材１は、共振器２０の外形寸法が可視光の波長よりも小さい。そのため、反射制御材１は透明性を有する。
【００３８】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の部材などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【００３９】
ここで、本実施形態においては、ｚ軸の負から正の方向（図２の矢印５１の方向）に進む入射光を例示し、共振器２０は、基材１０の入射光に対向する面の上に設けられていた。しかし、入射光は反対の方向（ｚ軸の正から負の方向）に進んでもよい。また、共振器２０は、基材１０の入射光に対向する面とは別の面の上に設けられてもよい。また、共振器２０は、一部または全てが基材１０の内部に埋め込まれるように設けられてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  反射制御材（反射角度制御可透明材）
１０  基材
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  共振器
２１  導電性材料
２２  誘電体
３０  単位ユニット
１００  ガラス平板
【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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