(57)【要約】  メタ表面を基礎とする回折平坦コンポーネントを備えた光学素子への置換をもたらす技術が提供される。一例では、少なくとも１つの波長及び第１位相を有する入射電磁放射を、第２位相を有する出射電磁放射へと集束させるための実質的に平坦な光学コンポーネントが提供される。
2020522009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの波長及び第１位相を有する入射電磁放射を、第２位相を有する出射電磁放射へと集束させるための実質的に平坦な光学コンポーネントであって、
基板と、
少なくとも前記第１位相を前記第２位相に変化させる複数の光学メタユニットを含む、前記基板に結合された少なくとも１つのメタ表面と、を有し、
前記複数の光学メタユニットの各光学メタユニットは、少なくとも１つの異なる光学メタユニットから前記波長よりも短い距離に位置決めされており、
前記平坦な光学コンポーネントは、色収差及び単色収差の両方を波長にわたって補正するように適合されている、光学コンポーネント。
【請求項２】
前記複数のメタユニットの各々は、前記電磁放射を回折散乱させる形状を有するメタユニットを含んでいる、請求項１記載の光学コンポーネント。
【請求項３】
前記形状は、１つ以上の可変の幾何学パラメータを有する原形形状を含んでいる、請求項２記載の光学コンポーネント。
【請求項４】
前記複数のメタユニットの各々は、広帯域アクロマティックメタ表面レンズに、所定の範囲の光学位相オフセット及び位相分散を提供するように構成されている、請求項２記載の光学コンポーネント。
【請求項５】
前記複数のメタユニットの各々は、広帯域アクロマティックメタ表面レンズに、所定の範囲の散乱振幅を提供するように構成されている、請求項２記載の光学コンポーネント。
【請求項６】
前記複数のメタユニットの各々は、誘電性材料を含んでいる、請求項１記載の光学コンポーネント。
【請求項７】
前記誘電性材料は、ケイ素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、及び二酸化チタンから成るグループから選択されている、請求項６記載の光学コンポーネント。
【請求項８】
前記少なくとも１つのメタ表面は、２つ以上のメタ表面を含んでいる、請求項１記載の光学コンポーネント。
【請求項９】
前記２つ以上のメタ表面は、単色収差を補正するように適合されている、請求項８記載の光学コンポーネント。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのメタ表面は、第１層及び第２層を有している、請求項１記載の光学コンポーネント。
【請求項１１】
前記第１層は、第１幾何学形状及び第１材料を有しており、前記第２層は、第２幾何学形状及び／又は第２材料を有している、請求項１０記載の光学コンポーネント。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのメタ表面は、可変の厚さによって特徴づけられている、請求項１記載の光学コンポーネント。
【請求項１３】
少なくとも１つの波長及び第１位相を有する入射電磁放射を、第２位相を有する出射電磁放射へと集束させるための実質的に平坦な光学コンポーネントを製造する方法であって、
基板を位置決めするステップと、
少なくとも前記第１位相を前記第２位相に変化させる複数の光学メタユニットを含む少なくとも１つのメタ表面を前記基板に形成するステップと、を含み、
前記複数の光学メタユニットの各光学メタユニットは、少なくとも１つの異なる光学メタユニットから前記波長よりも短い距離に位置決めされ、
前記平坦な光学コンポーネントは、色収差及び単色収差の両方を波長にわたって補正するように適合される、方法。
【請求項１４】
前記形成するステップは、基板層と、該基板層の上において１００〜１００，０００ｎｍの厚さを有するパターニングされたフィルム層と、を形成するステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記パターニングは、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ、深紫外線リソグラフィ、及びインプリントリソグラフィの使用から成るグループから選択される、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記形成するステップは、２つの以上のパターニングされたフィルム層を積層するステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記メタユニットは、ケイ素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、及び二酸化チタンから成るグループから選択される、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
前記形成するステップは、さらに、前記基板に前記メタユニットを部分的に埋め込むステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
前記メタユニットは、少なくとも高さ方向に沿って様々な形状を有するメタユニットを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２０】
前記メタユニットは、高さが変化する、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、参照によりその内容全体が本願に組み込まれる、２０１７年５月２４日に出願された、米国仮出願特許第６２／５１０６７０号の優先権を主張するものである。
【０００２】
政府支援の通知
本発明は、アメリカ国防高等研究計画局によって助成された契約番号ＨＲ００１１−１７−２−００１７及びアメリカ空軍科学研究局学際大学研究所（the Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary
University Research Institute）によって助成された契約番号ＦＡ９５５０−１４−１−０３８９の下で政府の支援により成されたものである。政府は、本発明について一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
バルク光学素子を回折平面コンポーネントに置換することで、光学デバイスの特定の重量及びサイズについての制約を解消することができる。特定の光学デバイスは、レンズ分散によって惹起される大きな色収差の影響を受ける。メタ表面は、光学波面を制御することができ、したがって、平坦なメタ表面レンズを実現するために使用することができる。そのようなレンズは、特定の撮像システムのサイズ及び複雑性を低減することができ、また新たな撮像モダリティを実現することができる。メタ表面製造技術は進歩しているにもかかわらず、複数のメタ表面レンズから成る特定の光学デバイスは、多波長又は選択波長でしか動作しない。
【０００４】
１つの課題は、広範な波長範囲にわたり同一の焦点距離をもたらすアクロマティックメタレンズを形成することであると考えられる。２つ目の課題は、いずれか任意の偏光状態を有する入射光波に関する伝搬モードで動作する広帯域アクロマティックメタレンズを形成することであると考えられる。別の課題は、撮像品質の低下を惹起する単色収差を補正することができるメタレンズを形成することであると考えられる。色収差及び単色収差の両方を広範な波長範囲にわたり補正することができ、任意の偏光状態を有する光を制御することができ、また反射モード又は伝搬モードのいずれかで動作することができるメタ表面レンズに関する改善された技術及びシステムが依然として必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
概要
開示される主題は、バルク光学素子の、メタ表面を基礎とする平坦コンポーネントへの置換をもたらす技術を提供する。
【０００６】
特定の実施形態では、少なくとも１つの波長及び第１位相プロファイルを有する入射電磁放射を、第２位相プロファイルを有する出射電磁放射へと集束させるための（for lensing）実質的に平坦な光学コンポーネントが提供される。特定の実施例では、光学コンポーネントが、基板と、少なくとも一つのメタ表面とから成る。特定の実施例では、光学コンポーネントが、幾つかの基板と、幾つかのメタ表面とから成る。メタ表面は、複数のメタユニットから成るものであってよい。各メタユニットは、少なくとも１つの異なる光学メタユニットから（from at least a different optical meta-unit）波長よりも短い距離に位置決めすることができる。
【０００７】
開示される主題の一部の実施形態によれば、複数のメタユニットは、それぞれ、電磁放射を回折散乱させるために、特定の形状を有することができる。複数のメタユニットは、広帯域のアクロマティックメタ表面レンズに所定の範囲の光学位相及び位相分散を提供するように構成することができる。
【０００８】
特定の実施形態では、複数のメタユニットが、誘電性材料から成るものであってよい。この誘電性材料は、例えば、ケイ素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、又は二酸化チタンであってよい。特定の実施形態では、複数のメタユニットが、金属材料から成るものであってよい。この金属材料は、例えば、アルミニウム、銅、銀、又は金であってよい。
【０００９】
開示される主題の別の実施形態によれば、メタ表面は、パターニングされたフィルム層から成る。フィルム層の厚さは、１００ｎｍ〜１０，０００又は１００，０００ｎｍであってよい。メタ表面は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）製造能力と互換性のある技術及び機械装置でもって作製することができる。
【００１０】
開示される主題の実施形態によれば、メタユニットは、部分的に又は完全に基板に埋め込むことができる。メタユニットの高さは、可変であってよい。メタユニットの形状は、高さ方向に沿って変化してよい（例えば、キノコ型に変化してよい）。
【００１１】
開示される主題は、上述の技術を実現する製造方法も提供する。少なくとも１つの波長及び第１位相プロファイルを有する入射電磁放射を、第２位相プロファイルを有する出射電磁放射に集束させるための実質的に平坦な光学コンポーネントを製造するための例示的な方法は、基板を位置決めすることと、基板に少なくとも１つのメタ表面を形成することとを含む。実質的に平坦な光学コンポーネントを製造するための別の例示的な方法は、幾つかの基板に幾つかのメタ表面をパターニングすることと、それらをスタックに組み合わせることとを含む。
【００１２】
一部の実施形態では、製造方法が、基板層を形成し、その基板層の上に、１００〜１０，０００ｎｍの厚さを有するパターニングされたフィルム層を形成することを含むことができる。パターニングは、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ、深紫外線リソグラフィ、又はインプリントリソグラフィを使用することができる。製造方法は、基板にメタユニットを部分的又は完全に埋め込むことを含むこともできる。
【００１３】
本開示のさらなる特徴及び利点は、本開示の例示的な実施形態を示す添付の図面と関連させた以下の詳細な説明より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】収束レンズに必要とされる位相のプロット示す。
【図１Ｂ】図１（ａ）に示した４つの位置における、必要とされる位相対波長のプロットを示す。
【図１Ｃ】４つの誘電性メタユニットの、典型的な位相対波長応答のプロットを示す。
【図２】アクロマティックメタ表面レンズを形成するために必要とされる位相分散プロファイルのプロットである。
【図３】１００μｍの焦点距離、５０μｍの半径、及び０．９μｍ〜１．６μｍの動作波長範囲を有する、クロマティックメタ表面をもたらすための位相オフセット及び位相分散を示すプロットである。
【図４Ａ】３つの例示的なメタユニットライブラリと、それらがカバーすることができる各位相オフセット分散空間を示す。
【図５Ａ】サンプルメタユニットの角位相応答対波長を示す全波シミュレーションの図である。
【図５Ｂ】サンプルメタユニットの角位相応答対波長を示す全波シミュレーションの図である。
【図５Ｃ】サンプルメタユニットの角位相応答対波長を示す全波シミュレーションの図である。
【図５Ｄ】サンプルメタユニットの角位相応答対波長を示す全波シミュレーションの図である。
【図６Ａ】１００μｍの直径及び０．２４の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す、縦断面における光強度分布対波長のプロットである。
【図６Ｂ】１００μｍの直径及び０．２４の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す、焦平面における光強度分布対波長のプロットである。
【図７Ａ】２００μｍの直径及び０．１２の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す、縦断面における光強度分布対波長のプロットである。
【図７Ｂ】２００μｍの直径及び０．１２の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す、焦平面における光強度分布対波長のプロットである。
【図８Ａ】１００μｍの直径及び０．８５の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す、縦断面における光強度分布対波長のプロットである。
【図８Ｂ】１００μｍの直径及び０．８５の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す、焦平面における光強度分布対波長のプロットである。
【図９Ａ】１，４００ｎｍの高さのメタユニットを基礎とした、１００μｍの直径、１００μｍの焦点距離、及び０．４４の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズのシミュレートされたファーフィールド強度分布を示し、上部のパネルは、焦平面における光強度分布対波長のプロットであり、下部のパネルは、縦断面における光強度分布対波長のプロットである。
【図９Ｂ】１，４００ｎｍの高さのメタユニットを基礎とした、１００μｍの直径、１００μｍの焦点距離、及び０．４４の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズのシミュレートされたファーフィールド強度分布を示し、またメタ表面レンズの軸線に沿った光強度分布対波長のラインスキャンを示す。
【図１０Ａ】１，４００ｎｍの高さのメタユニットを基礎とした、１００μｍの直径、２０μｍの焦点距離、及び０．９３の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズのシミュレートされたファーフィールド強度分布を示し、上部のパネルは、焦平面における光強度分布対波長のプロットであり、下部のパネルは、縦断面における光強度分布対波長のプロットである。
【図１０Ｂ】１，４００ｎｍの高さのメタユニットを基礎とした、１００μｍの直径、１００μｍの焦点距離、及び０．９３の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズのシミュレートされたファーフィールド強度分布を示し、またメタ表面レンズの軸線に沿った光強度分布対波長のラインスキャンを示す。
【図１１Ａ】１００μｍの直径、５０μｍの焦点距離、及び０．７の開口数（ＮＡ）を備えた発散メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す、縦断面における光強度分布対波長のプロットである。
【図１１Ｂ】１００μｍの直径、５０μｍの焦点距離、及び０．７の開口数（ＮＡ）を備えた発散メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す、焦平面における光強度分布対波長のプロットである。
【図１２Ａ】選択波長での、１００μｍの直径及びＮＡ＝０．２４を備えたメタ表面レンズの焦平面強度分布（スケールバー：５μｍ）を示す。
【図１２Ｂ】理想的なエアリースポット（破線の曲線）と比較した、図１２（ａ）における、対応する測定された焦点にわたる水平方向横断面及び垂直方向横断面（実線の曲線）を示す。
【図１３】実験で証明された４つのメタ表面レンズに関する波長の関数としての焦点距離を示す。
【図１４】実験で証明された３つのメタレンズの測定された集光効率を示す。
【図１５Ａ】実験で証明された４つのメタ表面レンズに関する焦点の抽出された半値全幅（ＦＷＨＭ）を示す。
【図１５Ｂ】実験で証明された３つのメタ表面レンズに関する計算されたストレール比を示す。
【図１６Ａ】近赤外線で動作する例示的に製造されたメタ表面レンズの光学画像を示す。
【図１６Ｂ】近赤外線で動作する例示的に製造されたメタ表面レンズのＳＥＭ画像を示す。
【図１６Ｃ】近赤外線で動作する例示的に製造されたメタ表面レンズのＳＥＭ画像を示す。
【図１６Ｄ】近赤外線で動作する例示的に製造されたメタ表面レンズのＳＥＭ画像を示す。
【図１７】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図１８】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図１９】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図２０】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図２１】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図２２】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図２３】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図２４】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図２５】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図２６】近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの小さい領域のＳＥＭ画像である。
【図２７】石英基板上にパターニングされた、複数のアモルファスシリコン近赤外線メタ表面レンズを備えた例示的なチップの光学顕微鏡画像である。
【図２８】石英基板上にパターニングされた、例示的な近赤外線メタ表面レンズの光学顕微鏡画像である。
【図２９Ａ】３つの別個のメタレンズから成るメタレンズトリプレットにおける色収差及び単色収差を補正するための例示的な技術を示す。
【図２９Ｂ】例示的なメタレンズトリプレットを示す。
【図３０Ａ】図２９におけるメタレンズトリプレットが色収差及び単色収差の両方を補正することができることを表すレイトレーシング結果を示す。
【図３０Ｂ】図２９におけるメタレンズトリプレットが色収差及び単色収差の両方を補正することができることを表すレイトレーシング結果を示す。
【図３０Ｃ】図２９におけるメタレンズトリプレットが色収差及び単色収差の両方を補正することができることを表すレイトレーシング結果を示す。
【図３１Ａ】例示的なメタレンズトリプレットの素子の光学画像である。
【図３１Ｂ】例示的なメタレンズトリプレットの素子の光学画像である。
【図３１Ｃ】例示的なメタレンズトリプレットの素子の光学画像である。
【図３２】撮像に使用された、例示的に組み合わされたメタレンズトリプレットである。
【図３３Ａ】図３２に示したメタレンズトリプレットの測定されたファーフィールド強度分布を示し、焦平面における光強度分布対波長のプロットである。
【図３３Ｂ】図３２に示したメタレンズトリプレットの測定されたファーフィールド強度分布を示し、縦断面における光強度分布対波長のプロットである。
【図３４】図３２に示したメタレンズトリプレットに関する僅かな入射角度及び種々の波長での、焦平面における測定された強度分布を示す。
【図３５】回折限界点（破線の曲線）と比較した、図３４に示した測定された強度分布のラインスキャン（実線の曲線）を示す。
【図３６Ａ】例示的なメタレンズトリプレットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す。
【図３６Ｂ】例示的なメタレンズトリプレットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す。
【図３６Ｃ】例示的なメタレンズトリプレットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す。
【図３６Ｄ】例示的なメタレンズトリプレットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す。
【図３６Ｅ】例示的なメタレンズトリプレットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す。
【図３７Ａ】異なる帯域幅を有する照明源の下での例示的なメタレンズトリプレットを使用したＵＳＡＦ分解能ターゲットの撮像を示す。
【図３７Ｂ】異なる帯域幅を有する照明源の下での例示的なメタレンズトリプレットを使用したＵＳＡＦ分解能ターゲットの撮像を示す。
【図３７Ｃ】異なる帯域幅を有する照明源の下での例示的なメタレンズトリプレットを使用したＵＳＡＦ分解能ターゲットの撮像を示す。
【図３８Ａ】例示的なメタレンズトリプレットを用いた、ジーメンススター及び同心円リングの撮像を示す。
【図３８Ｂ】例示的なメタレンズトリプレットを用いた、ジーメンススター及び同心円リングの撮像を示す。
【図３９Ａ】例示的なメタレンズトリプレットを使用する、広帯域ハロゲンランプで照明された反射型対象物の撮像を示す。
【図３９Ｂ】例示的なメタレンズトリプレットを使用する、広帯域ハロゲンランプで照明された反射型対象物の撮像を示す。
【図３９Ｃ】例示的なメタレンズトリプレットを使用する、広帯域ハロゲンランプで照明された反射型対象物の撮像を示す。
【図４０】アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）メタ表面レンズの例示的な製造フローを示す。
【図４１】電子ビームレジストＰＭＭＡに半分埋め込まれたＴｉＯ２メタユニットの例示的な製造フローを示す。
【図４２】メタ表面レンズに関するキノコ型のメタユニットの例示的な製造フローである。
【図４３】単一リソグラフィプロセスでの、可変の高さを有するＴｉＯ２メタユニットの例示的な製造フローである。
【図４４】電子ビーム感応性のＴｉＯ２ゾルゲルを使用する、ＴｉＯ２メタユニットの例示的な製造フローである。
【図４５】ＴｉＯ２ゾルゲルの直接的な電子ビーム書込みを基礎とする、例示的に製造されたＴｉＯ２メタユニットのＳＥＭ画像である。
【図４６】ＴｉＯ２ゾルゲルの直接的な電子ビーム書込みを基礎とする、例示的に製造されたＴｉＯ２メタユニットのＳＥＭ画像である。
【図４７】ＴｉＯ２ゾルゲルの直接的な電子ビーム書込みを基礎とする、例示的に製造されたＴｉＯ２メタユニットのＳＥＭ画像である。
【図４８】例示的な光学セットアップを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明はいずれも例示的なものであり、開示される主題のさらなる説明を提供することが意図されていると解されるべきである。
【００１６】
詳細な説明
本明細書において説明するシステム及び方法は、連続的で広範な波長範囲にわたり色収差がなく、かつ光の入射角度の特定の範囲にわたり単色収差がないレンズの機能を実行するための平坦光学コンポーネントを提供する。開示される主題は、メタ表面デバイスを含むことができる。一部の実施形態では、開示される主題が、サブ波長距離の間隔をあけた、光学ナノ散乱体（「メタユニット」）から成る、薄い表面、すなわち動作波長に近いか、又は動作波長よりも小さい厚さを有している表面を有することができる。特定の実施形態では、入射光を所望の出力に回折散乱させるように、開示される主題の形状及び配置を設計することができる。
【００１７】
開示される主題は、出射光波の位相を変化させることができる。例えば、位相の空間プロファイルは、特定の機能を実行するように設計することができ、またメタ表面は、その機能に必要とされる位相を提供するように設計することができる。メタユニットは、大きい屈折率を有することができるが、しかしながら光学損失が０であるか、又は光学損失が少ない、ケイ素及び二酸化チタンなどの誘電性材料から製造することができる。
【００１８】
図１（ａ）には、収束レンズに必要とされる位相が、レンズの中心から遠ざかる半径方向距離の関数としてプロットされている。３つの波長、すなわち最も短い波長１０１（上）、中間の波長１０２（中央）、及び最も長い波長１０３（下）が、記載の式によって与えられる自由パラメータＣ（λ）に関してプロットされている。ｒ０において必要とされる位相は、すべての波長に関して０であってよい。図１（ｂ）には、レンズの半径に沿った（図１（ａ）に示した）４つの位置における、必要とされる位相対波長がプロットされている。一番上の曲線１０４は、最大の位相分散を有しており、上から二番目の曲線１０５は、二番目に大きい位相分散を有しており、上から三番目の曲線１０６は、三番目に大きい位相分散を有しており、また一番下の曲線１０７は、一番小さい位相分散を有している。自由パラメータＣ（λ）がこのように選択された、位置＃１〜＃３に関する分散プロファイルは、メタユニットによって提供される位相プロファイルと一致させることができる、増大する波長の関数として低減させることができる（図１（ｃ）を参照されたい）。一番上の曲線１０８は、最大の位相分散を有しており、上から二番目の曲線１０９は、二番目に大きい位相分散を有しており、上から三番目の曲線１１０は、三番目に大きい位相分散を有しており、また一番下の曲線１１１は、一番小さい位相分散を有している。広帯域メタ表面レンズに必要とされる位相プロファイルは、次式によって与えられる
【数１】
2020522009.tif 000003
但し
【数２】
2020522009.tif 000004
【００１９】
一部の実施形態では、メタ表面レンズ（その光学位相プロファイル）に関する支配方程式内での自由度Ｃ（λ）を修正して、その支配方程式に従う、必要とされる位相分散を、メタユニットによって自然に達成することができる位相分散と一致させることができる。一部の実施形態では、メタユニットの選択及び支配方程式の選択の両方を含む誤差最小化を実行して、理想的なメタ表面レンズと達成可能なメタ表面レンズの振幅及び位相の両方についての不一致を低減することができる。例えば、達成可能なメタユニットと選択されたメタ表面レンズ支配方程式の誤差を、メタユニット及び支配方程式の両方の可変の選択を可能にすることによって低減又は最小化することができる。
【００２０】
図２は、例示的なアクロマティックメタ表面レンズの半径に沿った４つの位置における、位相分散プロファイル２００のプロットを示す。一番上の曲線２０１は、最大の位相分散を有しており、上から二番目の曲線２０２は、二番目に大きい位相分散を有しており、上から三番目の曲線２０３は、三番目に大きい位相分散を有しており、また一番下の曲線２０４は、一番小さい位相分散を有している。線形プロファイルは、位相オフセット項（Φ０）と、位相分散項を表す傾き（ｄφ／ｄω）とによってパラメータ化することができる。
【００２１】
図３には、例示を目的として限定を意図せずに、開口数（ＮＡ）が０．４４であって、１００μｍの焦点距離及び５０μｍの半径を有するメタ表面レンズに関する、（点によって覆われた領域によって表された）位相オフセット／分散要求空間（phase offset‐dispersion requirement space）がプロットされている。位相オフセットを０〜２πの区間にわたり囲むことができる。自由パラメータＣ（ω）は、ｒ０＝５０μｍで所定の式によって与えられている。
【数３】
2020522009.tif 000005
但し
【数４】
2020522009.tif 000006
但し
【数５】
2020522009.tif 000007
【００２２】
図４（ａ）は、３つのメタユニットライブラリ及びそれらがカバーすることができる位相オフセット分散空間を示す。各ライブラリは、少数のメタユニット原形を含み、それぞれが原形の基本形状から成るメタユニットのサブクラスを表しているが、しかしながら面内幾何学的パラメータは変化する。メタユニットは、アモルファスシリコンから成り、石英基板上にパターニングされるものとする。位相オフセット分散空間において、ｘ軸は、一番低い周波数（又は一番長い波長、λ＝１．６μｍ）の位相であり、ｙ軸は、選択された帯域幅Δω（すなわち、λ＝１．２〜１．６μｍ）に関する位相分散、ΔΦ＝ｄφ／ｄω×Δωである。メタユニットライブラリ１は、単一の柱、環状の柱、及び同心円状の輪を含む。メタユニットの高さは、８００ｎｍである。単一の柱の従来の選択を使用するに過ぎない場合に比べて、位相分散空間のカバレッジの広がりが大きくなっていることに留意されたい。メタユニットライブラリ２も、メタユニットライブラリ１と同じ３つのメタユニット原形を有しているが、しかしながらメタユニットの高さは、１，４００ｎｍまで増大している。達成される分散の範囲は、ほぼ２倍である。メタユニットライブラリ３の高さは、メタユニットライブラリ２と同じに維持されているが、しかしながら回転対称の代わりに４回対称を有する原形に切り替えられている。この切り替えは、十字型を含むように、また十字が内接する型を含むように、原形の数を拡張する。位相分散空間のカバレッジがさらに改善されている。図４（ｂ）は、非常に異なる光学位相分散を有する５つの例示的なメタユニットを示す。各メタユニットは、効果的に切頭された導波路である。図４（ｂ）の第１列に（in the first row）示した第１メタユニットは、最も分散的なタイプのメタユニットである。つまり、短い波長は、中間の半径を有するロッドであるメタユニットと非常に良好に重畳し、これに対し、最も長い波長は、良好に重畳しない（does not have as good an overlap）。これは、非常に分散的な位相応答をもたらす。図４（ｂ）の第５列に示した最後のメタユニットは、最も分散的でないタイプのメタユニットである。つまり、すべての波長は、小さい環状リングであるメタユニット横断面と類似の形式で重畳する。
【００２３】
開示される主題は、新規のメタユニット構造の範囲を導入することができ、またブロードバンド機能に必要とされる位相分散を提供するためにそれらを利用することができる。一部の実施形態では、メタユニットは、メタ表面レンズの中心から遠位とすることができ、また大きな角度で焦点に寄与することができる。
【００２４】
図５は、少数の例示的なメタユニットの角度位相応答を示す。メタユニットは、基板の表面に対して垂直の方向における平面波によって励起させることができる。前方散乱光の位相は、メタユニットの中心の半円において監視することができ、また円の半径は、波長の倍数とすることができる（ファーフィールド領域）。異なる観察角度は、θで示すことができる。各角度応答図は、メタユニットによって散乱された光の波面の形状が球状ではないことを示す。つまり、基板法線方向（θ＝０）に沿った位相応答は、θ＝４５°の方向に沿った位相応答とは異なっていると考えられる。メタユニットは、メタ表面レンズ上での位置及び角度位相応答に従って選択することができる。
【００２５】
開示される主題は、マルチアングルメタ表面を含むことができる。マルチアングルメタ表面は、異なる入射角度に対して異なるメタ表面応答を有することができる。一部の実施形態では、開示される主題は、焦平面収差を除去するため、太陽光を一箇所に集中させるため、又は小さいフットプリントのオンチップ検出器のすべての入射角度を捕捉するために利用することができる。
【００２６】
図６は、例示を目的として限定を意図していない、１００μｍの直径及び０．２４の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す。図６（ａ）は、波長の広範囲にわたるアクロマティック集光を示す、縦断面における測定された光強度分布である。図６（ｂ）は、回折限界焦点が波長の広範囲にわたり得られることを示す、焦平面における測定された光強度分布である。
【００２７】
図７は、２００μｍの直径及び０．１２の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す。図７（ａ）は、波長の広範囲にわたるアクロマティック集光を示す、縦断面における測定された光強度分布である。図７（ｂ）は、回折限界焦点が波長の広範囲にわたり得られることを示す、焦平面における測定された光強度分布である。
【００２８】
図８は、１００μｍの直径及び０．８５の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す。図８（ａ）は、λ＝１，２００〜１，４００の波長範囲にわたるアクロマティック集光を示す、縦断面における測定された光強度分布である。図８（ｂ）は、回折限界焦点がλ＝１，２００〜１，４００の波長範囲にわたり得られることを示す、焦平面における測定された光強度分布である。
【００２９】
図９は、１，４００ｎｍの高さのメタユニットを基礎とする、１００μｍの直径、１００μｍの焦点距離及び０．４４の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズのシミュレートされたファーフィールド強度分布を示す。シミュレーションは、有限差分時間領域技術を用いて行われる。図９（ａ）の上部のパネルは、回折限界焦点が波長の広範囲にわたり得られることを示す、焦平面におけるシミュレートされた光強度分布である。図９（ａ）の下部のパネルは、波長の広範囲にわたるアクロマティック集光を示す、縦断面におけるシミュレートされた光強度分布である。図９（ｂ）は、波長の広範囲にわたるアクロマティック集光を示す、メタ表面レンズの軸線に沿った光強度のラインスキャンである。
【００３０】
図１０は、１，４００ｎｍの高さのメタユニットを基礎とする、１００μｍの直径、２０μｍの焦点距離及び０．９３の開口数（ＮＡ）を備えた集光メタ表面レンズのシミュレートされたファーフィールド強度分布を示す。図１０（ａ）の上部のパネルは、回折限界焦点が波長の広範囲にわたり得られることを示す、焦平面におけるシミュレートされた光強度分布である。図１０（ａ）の下部のパネルは、波長の広範囲にわたるアクロマティック集光を示す、縦断面におけるシミュレートされた光強度分布である。図１０（ｂ）は、波長の広範囲にわたるアクロマティック集光を示す、メタ表面レンズの軸線に沿った光強度のラインスキャンである。
【００３１】
図１１は、１００μｍの直径、５０μｍの焦点距離及び０．７の開口数（ＮＡ）を備えた発散メタ表面レンズの測定されたファーフィールド強度分布を示す。測定された焦点は、波面の起点となるメタ表面の裏にある仮想の点である。図１１（ａ）は、波長の広範囲にわたるアクロマティック性能を示す、縦断面における測定された光強度分布である。図１１（ｂ）は、回折限界仮想焦点が波長の広範囲にわたり得られることを示す、焦平面における測定された光強度分布である。
【００３２】
図１２（ａ）は、選択波長での、１００μｍの直径及びＮＡ＝０．２４を備えたメタ表面レンズの測定された焦平面強度分布を示す。図１２（ｂ）は、焦点が回折限界であることを示す、理想的なエアリースポットと比較した、図１２（ａ）における測定された焦点の水平方向横断面及び垂直方向横断面である。
【００３３】
図１３は、平均焦点距離からの最大シフトが全体の設計帯域幅の２％〜５％に限定されることを示し、またメタ表面レンズが色収差を補正できることを示す、実験で証明された４つのメタ表面レンズに関する波長の関数としての測定された焦点距離である。第１プロット１３０１は、最大のＺ値を有しており、第２プロット１３０２は、二番目に大きいＺ値を有しており、第３プロット１３０３は、三番目に大きいＺ値を有しており、また第４プロット１３０４は、一番小さいＺ値を有している。
【００３４】
図１４は、実験で証明された３つのメタレンズの測定された集光効率を示す。第１プロット１４０１は、最大の集光効率を有しており、第２プロット１４０２は、二番目に大きいピーク集光効率を有しており、また第３プロット１４０３は、一番低いピーク集光効率を有している。一部の実施形態では、伝搬効率及び集光効率を定量化することができる。メタ表面レンズの伝搬効率は、以下のように定義することができる：
伝搬＝メタ表面レンズ開口を介して伝搬されるパワー／メタ表面レンズ開口へ入射するパワー      （８）
【００３５】
したがって、伝搬効率を決定することは、メタ表面レンズの領域（すなわち、シリコンメタ表面構造によって覆われた石英基板）を通って伝搬される光パワー及びメタ表面レンズと同一の領域の石英基板のみを通って伝搬される光パワーの測定を含む。
【００３６】
一部の実施形態では、メタ表面レンズの集光効率は、以下のように定義することができる：
集光効率＝焦点の３ＦＷＨＭまでの半径を有する領域にわたり積分されたパワー／メタ表面レンズ開口へ入射するパワー      （９）
【００３７】
したがって、集光効率を決定することは、焦点のＦＷＨＭの約３倍の直径を有する焦平面における円形の開口に集中された光パワーの測定及びメタ表面レンズの領域を通って伝搬される光パワーの測定を含む。
【００３８】
図１５（ａ）は、実験で証明された４つのメタ表面レンズに関する焦点の抽出された半値全幅（ＦＷＨＭ）である。直線は、理論上のＦＷＨＭを表す。図１５（ａ）は、３つのプロットを含む。第１プロット１５０１は、最大のＦＷＨＭ値を有しており、第２プロット１５０２は、二番目に大きいＦＷＨＭ値を有しており、また第３プロット１５０３は、三番目に大きいＦＷＨＭ値を有している。図１５（ｂ）は、３つのプロットを含む。第１プロット１５０４は、最大のストレール比を有しており、第２プロット１５０５は、二番目に大きいストレール比を有しており、また第３プロット１５０６は、三番目に大きいストレール比を有している。図１５（ｂ）は、実験で証明された３つのメタ表面レンズに関する計算されたストレール比である。値は、すべての波長に関して０．８付近であるか、又は０．８を上回り、回折限界焦点に関する条件を満たす。
【００３９】
図１６（ａ）は、近赤外線で動作する例示的に製造されたメタ表面レンズの光学画像である。図１６（ｂ）から図１６（ｄ）は、近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの領域の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図１７は、近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの領域のＳＥＭ画像である。図１８から図２１は、近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの領域のＳＥＭ画像である。図２２及び図２３は、近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの領域のＳＥＭ画像である。図２４から図２６は、近赤外線で動作する例示的なメタ表面レンズの領域のＳＥＭ画像である。これらすべての例示的なメタ表面レンズは、石英基板上にパターニングされたアモルファスシリコンから成る。
【００４０】
図２７は、石英基板上にパターニングされた、複数のアモルファスシリコン近赤外線メタ表面レンズを備えた例示的なチップの光学顕微鏡画像を提供する。レンズの直径は、いずれも３００μｍである。図２８は、石英基板上にパターニングされた、アモルファスシリコン近赤外線メタ表面レンズの光学顕微鏡画像を提供する。
【００４１】
図２９（ａ）は、３つの別個のメタレンズから成るメタレンズトリプレットにおける色収差及び単色収差の両方を補正するための最適化スキームを示す。レイトレーシング法が、メタレンズトリプレットを最適化するために使用される。最適化の目標は、様々な入射角度及び波長で焦平面における光スポットサイズを最小にすることである。各メタ表面の位相プロファイルは、５個のパラメータを用いる偶数次多項式によって規定される。つまり、全部で１５個のパラメータが最適化に使用される。次式は、位相プロファイルを表す：
【数６】
2020522009.tif 000008
【００４２】
図２９（ｂ）は、メタレンズトリプレットの１つの特定の実現形態に関する３つのメタ表面の位相プロファイルを示す。第１位相プロファイルは、大きいＵ字状の曲線２９０１によって与えられており、第２位相プロファイルは、小さい反転されたＵ字状の曲線２９０２によって与えられており、また第３位相プロファイルは、大きい反転されたＵ字状の曲線２９０３によって与えられている。この特定の実現形態に関するパラメータは、図の下に列挙されている。
【００４３】
図３０は、３つの例示的な入射角度及び３つの動作波長でのメタレンズトリプレットの良好な性能を示すレイトレーシング結果である。１．２μｍの動作波長を用いる一番上側のグラフ図３０Ａは、３つの例示的な入射角度を含んでいる。一番上３００１は、２５度であり、中央３００２は、０度であり、また一番下３００３は、１８度である。１．４μｍの動作波長を用いる中央のグラフ図３０Ｂは、３つの例示的な入射角度を含んでいる。一番上３００４は、２５度であり、中央３００５は、０度であり、また一番下３００６は、１８度である。１．６μｍの動作波長を用いる一番下のグラフ図３０Ｃは、３つの例示的な入射角度を含んでいる。一番上３００７は、２５度であり、中央３００８は、０度であり、また一番下３００９は、１８度である。図３１（ａ）から図３１（ｃ）は、電子ビームリソグラフィを使用して製造されたメタ表面トリプレットの３つの素子の光学画像であり、また図３２は、組み合わされたトリプレットの光学画像である。
【００４４】
図３３は、図３２に示したメタレンズトリプレットの測定されたファーフィールド強度分布を示す。波長の広範囲にわたり焦点が回折限界であることを示し、また焦平面における測定された光強度分布が上部のパネルに示されている。焦点距離がλ＝１．３〜１．６μｍの波長にわたり約５ｍｍであることを示し、また縦断面における測定された光強度分布が下部のパネルに示されている。図３４は、図３２に示したメタレンズトリプレットに関する僅かな入射角度及び種々の波長での、焦平面における測定された強度分布である。結果として分かったことは、２０°までの入射角度では、焦点は歪みが小さいことであり、このことは、単色収差が良好に抑制されていることを示す。入射角度が２５度まで大きくなると、焦点は、最も短い波長に関して歪みを示し始める。図３５に示した焦点のラインスキャンは、同じ状況（story）を示す。メタレンズトリプレットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を、測定された焦点のフーリエ変換の実行によって計算することができ、また結果は図３６に示されている。図３６（ａ）から図３６（ｄ）は、４つの波長において計算されたＭＴＦである。図３６（ｅ）は、様々な入射角度において、１．３〜１．６μｍの波長範囲にわたり積分されたＭＴＦである。ＭＴＦ曲線は、入射角度が増大したときの回折限界ケースのＭＴＦと比較して顕著に減少せず、このことは、単色収差が抑制されていることを示す。
【００４５】
図３７（ａ）及び図３７（ｂ）は、メタレンズトリプレットを使用した、ＵＳＡＦ分解能ターゲットの撮像結果を示す。図３７（ａ）は、λ＝１，５５０ｎｍ付近の非常に狭い線幅を有するダイオードレーザでもって照明されたターゲットを撮影した画像である。図３７（ｂ）は、λ＝７００ｎｍ〜１，７００ｎｍの広帯域近赤外線放射を放出する広帯域ハロゲンランプでもって照明されたターゲットを撮影した画像である。２つの画像を比較すると、ダイオードレーザで撮影された画像はよりシャープであるが、しかしながらハロゲンランプが使用されたときの劣化は顕著ではない。このことは、メタレンズトリプレットが色収差を補正できることを示す。図３７（ｃ）は、実験用のセットアップの概略図である。セットアップは、ファイバカプラ３７０１、結果として得られた画像３７０２、トリプレット３７０３、後焦平面３７０４、１０ｘ対物レンズ３７０５、及び近赤外線で動作するカメラ３７０６を含む。
【００４６】
図３８は、メタレンズトリプレットを使用する、ジーメンススター及び同心円リングの撮像の結果を示す。図３８（ａ）は、λ＝１，５５０ｎｍで放射を行うダイオードレーザでもって照射された対象を撮影した画像である。図３８（ｂ）は、広帯域ハロゲンランプでもって照射された対象を撮影した画像である。ハロゲンランプが使用された場合の画像の劣化は顕著ではなく、これは、メタレンズトリプレットが色収差を補正できることを示す。図３９（ａ）及び図３９（ｂ）は、メタレンズトリプレットを使用する、広帯域ハロゲンランプでもって照明された反射型対象物の撮像の結果を示す。図３９（ａ）は、Ａ４用紙に印刷されたＣｏｌｕｍｂｉａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇのロゴの画像である。視野は、約±１５°である。図３９（ｂ）は、Ａ４用紙に印刷されたＵＳＡＦ解像度ターゲットの画像である。視野は、ここでもまた約±１５度である。画像の鮮明な特徴は、単色収差が抑制されていることを示している。図３９（ｃ）は、実験用のセットアップの概略図である。セットアップは、結果として得られた画像３９０１、ファイバカプラ３９０２、トリプレット３９０３、後焦平面３９０４、１０ｘ対物レンズ３９０５、及び近赤外線で動作するカメラ３９０６を含む。
【００４７】
図４０は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を基礎とし、近赤外線で動作するメタ表面レンズ４０００に関する例示的な製造フローを示す。製造は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）製造能力と互換性のあるプロセスでもって行うことができる。使用される材料は、所望の帯域幅内で動作する、任意のＣＭＯＳ互換性低損失誘電性材料を含むことができる。これによって、二酸化ケイ素基板上に載置されるａ−Ｓｉナノ構造を選択することができる。４００１では、化学気相成長でもって、二酸化ケイ素基板上にａ−Ｓｉ膜を１００〜１０，０００ｎｍの高さまで成長させることができる。４００２では、電子ビームリソグラフィ（光リソグラフィ、遠紫外線リソグラフィ、又はナノインプリントリソグラフィに一般化することができる）を使用してパターニングを行い、標準的なスピン堆積技術によってａ−Ｓｉ層の上面に堆積させることができるレジスト層（ポリ（メチルメタクリレート）、又はＰＭＭＡ）に、設計されたメタ表面パターンを形成することができる。４００３では、１分〜３分の期間にわたり、０℃〜１０℃の温度で、イソプロピルアルコール及び蒸留水から成る現像液（３：１〜６：４の比率）に浸漬させることによって、パターンを現像することができる。４００４では、物理気相成長によって、アルミナ又はシリカなどのエッチングマスク材料を、１０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さまで堆積させることができる。４００５では、１時間〜１２時間の期間にわたり、２５℃〜９０℃の温度で、アセトン又はＮ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶剤において、残存するレジスト層を溶解することによって、パターンをリフトオフすることができる。４００６では、ａ−Ｓｉ層上に残存する材料が、電子ビームリソグラフィによって決定されたエッチングマスクであってよい。このパターンを、反応性イオンエッチングによって、ａ−Ｓｉ層に転写することができ、これは、湿式化学プロセスによってエッチングマスク層を除去するためのオプションのプロセスの後に、二酸化ケイ素基板上にシリコンメタ表面から成る最終的なデバイスをもたらす。
【００４８】
一部の実施形態では、メタユニットの製造が開示されている。図４１は、メタ表面レンズに関するＴｉＯ２メタユニット（紫）の例示的な製造フローを提供する。４１０１では、電子ビームレジストの層、例えばＰＭＭＡ９５０ｋが、スピンコーティングされる。続く４１０２では、電子ビーム露光が適用され、メタ表面レンズパターンが画定される。４１０３では、原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して、ＴｉＯ２が堆積される。４１０４では、エッチングが行われて、デバイスの表面が平坦化される。４１０５では、部分的な酸素プラズマエッチングが行われて、ＰＭＭＡの層が除去される。このスキームでは、機械的な安定性のためにＰＭＭＡレジスト層に部分的に埋め込まれていることに起因して、より高いアスペクト比のＴｉＯ２メタユニットを実現することができる。空気に晒されるメタユニットの部分は、大きい屈折率コントラストを有することができ、これは、ＰＭＭＡレジストに純粋に埋め込まれているメタユニットと比較して、位相オフセット分散空間における大きいカバレッジをもたらす。部分的に埋め込まれたメタユニットを有することによって、全体的により高い構造を実現することができ、これは、レジストを完全に除去するよりも、位相オフセット分散空間における大きいカバレッジをもたらす。
【００４９】
図４２は、メタ表面レンズに関するキノコ型のＴｉＯ２メタユニット（紫）４２００の例示的な製造フローを提供する。単一の電子ビーム書込みプロシージャは、直交現像化学（orthogonal developing chemistries）を提供する２つの電子ビームレジスト層と共に使用することができる。４２０１では、ＰＭＭＡ９５０ｋ及びＺＥＰから成る電子ビームレジストのデュアル層が、スピンコーティングされる。４２０２では、異なるドーズを用いる、異なるサイズの２つの領域にわたり、バイナリ電子ビーム露光が適用される。４２０３では、電子ビームレジストの一部が、ＭＩＢＫ及びＩＰＡを使用して除去される。４２０４では、ＴｉＯ２が堆積され、デバイスの表面が平坦化される。４２０５では、ＺＥＰが化学的に除去される。一部の実施形態では、ＭＩＢＫ／ＩＰＡの現像液比が１：３であってよく、この場合、上部層（ＺＥＰ）は、下部層（ＰＭＭＡ）に必要とされるものよりも低いドーズ量で現像することができる。これによって、（上部層の横断面が下部層の横断面よりも大きいという制約で）各層における可変の横断面を有する、製造すべき３Ｄ形状を単一のリソグラフィプロセスで実現することができる。
【００５０】
図４３は、単一のリソグラフィ手順での、可変の高さを有するＴｉＯ２メタユニットの例示的な製造フローを示す。４３０１では、石英基板が提供される。４３０２では、電子ビームレジストＰＭＭＡの単一の層が、スピンコーティングされ、層が焼成される。４３０３では、メタ表面レンズパターンの電子ビーム露光を用いる手順が使用される。４３０４では、ＩＰＡ／脱イオン水における現像プロセスが使用されて、露光された電子レジストが除去される。４３０５では、原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して、ＴｉＯ２の層が堆積される。４３０６では、ＴｉＯ２の堆積及びデバイスの表面の平坦化を継続した結果が示されている。「グレースケール」リソグラフィ法を適用して、可変の深さを有するレジスト（このケースではＰＭＭＡ）のモールドを達成することができる。これによって、図４２に示したキノコ型のメタユニットに類似するやり方で、垂直方向の自由度を実現することができる。
【００５１】
図４４は、電子ビーム感応性のＴｉＯ２ゾルゲルを使用する、ＴｉＯ２メタユニットの例示的な製造フローを提供する。４４０１では、石英基板が提供される。続く４４０２では、ＴｉＯ２ゾルゲルの単一の層が、スピンコーティングされて焼成される。４４０３では、メタ表面レンズの電子ビーム露光を用いる手順が使用される。４４０４では、アセトン／ＩＰＡにおける現像プロセスが使用される。４４０５では、デバイスがアニーリングされて、有機成分が除去される。ゾルゲルは、アセトンにおいて不溶性になる電子ビーム露光領域を有するネガティブレジストのような挙動を示すことができる。現像後アニーリングによって、ＴｉＯ２ナノ構造を形成することができる。アニーリングプロセスによって、有機化学物質の蒸発に起因するナノ構造の収縮をもたらすことができる。この製造プロセスに関しては、蒸着又はエッチングを回避することができる。
【００５２】
一部の実施形態では、室温及び低湿度の環境で、エタノール溶剤において、等モル比の金属アルコキシド前駆体チタニウム（ＩＶ）ｎブトキシドＴｉ（ＯＢｕｎ）４をβジケトン１ベンゾイルアセトンと混合することによって、電子ビーム感応性のＴｉＯ２ゾルゲルを合成することができる。ＢｚＡｃは、その加水分解反応を低減させるＴｉ（ＯＢｕｎ）４を安定化させることができ、またそれとのキセート環を形成する。キレート環が電子ビームの露光に起因して破壊されると、ゾルゲルをアセトンのような有機溶剤に対して不溶性にすることができる。結果として得られたゾルゲルナノ構造を、３００℃〜５００℃の温度範囲でのアニーリングによって、純ＴｉＯ２に変換することができる。他の合成方法は、エージングプロセス中の沈殿を防止するために、先行の溶剤に氷酢酸（glacial acetic）を添加することを含むことができる。
【００５３】
図４５は、ＴｉＯ２ゾルゲルの直接的な電子ビーム書込みを基礎とする、例示的に製造されたＴｉＯ２メタユニットのＳＥＭ画像を提供する。２μｍのアーム及び２μｍの周期を有する十字型の構造が、シリコン基板上に製造された。この画像は、以下の値、すなわち、ＨＶ＝１０．００ｋＶ；点＝２，０；ｄｅｔ＝ＴＬＤ；モード＝ＳＥ；ｍａｇ＝２０，０００ｘ；６．３５μｍ；ＷＤ＝５．１ｍｍ、を使用して、２０１７年４月３０日の午後２時５９分１７秒に撮影された。
【００５４】
図４６は、ＴｉＯ２ゾルゲルの直接的な電子ビーム書込みを基礎とする、製造されたＴｉＯ２メタユニットのＳＥＭ画像を提供する。３０°の角度で見た、シリコン基板上に製造された、２μｍのアーム及び２μｍの周期を有する十字型の構造が示されている。この画像は、以下の値、すなわち、ＨＶ＝１０．００ｋＶ；点＝２，０；ｄｅｔ＝ＴＬＤ；モード＝ＳＥ；ｍａｇ＝２０，０００ｘ；６．３５μｍ；ＷＤ＝５．３ｍｍ、を使用して、２０１７年４月３０日の午後３時２０分１３秒に撮影された。
【００５５】
図４７は、ＴｉＯ２ゾルゲルの直接的な電子ビーム書込みを基礎とする、製造されたＴｉＯ２メタユニットのＳＥＭ画像を提供する。各メタユニットは、我々のメタユニットライブラリの別個の素子である。この画像は、以下の値、すなわち、ＥＨＴ＝１５．００ｋＶ；ＳｉｇｎａｌＡ＝ＩｎＬｅｎｓ；ＷＤ＝３．１ｍｍ；Ｍａｇ＝２０．０１Ｋ  Ｘ；Ｖａｃ  Ｓｔａｔｕｓ＝Ｒｅａｄｙ；Ｇｕｎ  Ｖａｃｕｕｍ＝７．５３ｅ−０１０ｍｂａｒ；及びＳｙｓｔｅｍ  Ｖａｃｕｕｍ＝３．１４ｅ−００６ｍｂａｒ、を用いて、２０１７年５月１１日の午後７時２分３６秒に撮影された。
【００５６】
開示される主題の例示的な実施形態では、光学的なセットアップを示すための概略図が提供される。図４８を参照すると、例示を目的として限定を意図せずに、セットアップ４８００は、ＮＩＲカメラ４８０１、アイリス４８０２、チューブレンズ４８０３、フリップミラー４８０４、レンズ４８０５、及びパワーメータ４８０６を含むことができ、それらはいずれも、電動ステージ４８０７に取り付けられている。メタレンズ４８０８及びファイバカプラ４８０９も含めることができる。一部の実施形態では、ＮＩＲカメラ４８０１は、最初にファイバカプラ４８０９、続けてメタレンズ４８０８、続けてチューブレンズ４８０３、また最後にアイリス４８０２を通過しなければならない光を受け取る。一部の実施形態では、効率測定のために、フリップミラー４８０４によって、光をレンズ４８０５からパワーメータ４８０６へと通過させることができる。
【００５７】
本明細書における説明は単に、開示される主題の原理を示しているに過ぎない。記載された実施形態に対する様々な修正及び変更は、本明細書における教示に鑑みて当業者には明らかになるであろう。したがって、本明細書における開示は、開示される主題の範囲の例示を意図したものであって、限定を意図したものではない。
【図１Ａ】
2020522009.tif 000009
【図１Ｂ】
2020522009.tif 000010
【図１Ｃ】
2020522009.tif 000011
【図２】
2020522009.tif 000012
【図３】
2020522009.tif 000013
【図４Ａ】
2020522009.tif 000014
【図４Ｂ】
2020522009.tif 000015
【図５Ａ】
2020522009.tif 000016
【図５Ｂ】
2020522009.tif 000017
【図５Ｃ】
2020522009.tif 000018
【図５Ｄ】
2020522009.tif 000019
【図６】
2020522009.tif 000020
【図７】
2020522009.tif 000021
【図８】
2020522009.tif 000022
【図９Ａ】
2020522009.tif 000023
【図９Ｂ】
2020522009.tif 000024
【図１０Ａ】
2020522009.tif 000025
【図１０Ｂ】
2020522009.tif 000026
【図１１】
2020522009.tif 000027
【図１２Ａ】
2020522009.tif 000028
【図１２Ｂ】
2020522009.tif 000029
【図１３】
2020522009.tif 000030
【図１４】
2020522009.tif 000031
【図１５Ａ】
2020522009.tif 000032
【図１５Ｂ】
2020522009.tif 000033
【図１６】
2020522009.tif 000034
【図１７】
2020522009.tif 000035
【図１８】
2020522009.tif 000036
【図１９】
2020522009.tif 000037
【図２０】
2020522009.tif 000038
【図２１】
2020522009.tif 000039
【図２２】
2020522009.tif 000040
【図２３】
2020522009.tif 000041
【図２４】
2020522009.tif 000042
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３６Ｃ】
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【図３６Ｄ】
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【図３６Ｅ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３７Ｃ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９Ａ−３９Ｂ】
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【図３９Ｃ】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【国際調査報告】
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