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公開番号2025084617
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-03
出願番号2023198669
出願日2023-11-22
発明の名称メタレンズ、その製造方法および照明装置
出願人株式会社タムロン,国立大学法人東京農工大学
代理人弁理士法人 HARAKENZO WORLD PATENT & TRADEMARK
主分類F21V 5/00 20180101AFI20250527BHJP(照明)
要約【課題】基板の一方の主面のみのナノ構造によってガウシアン分布からトップハット分布へのビームプロファイルを変換可能なメタレンズを提供する。
【解決手段】メタレンズ(1)は、光透過性の基板(2)の一主面に複数のナノサイズのピラー(3)が配置されて構成されている。光学中心からの距離rよりも内側に位置するピラー(3)は、典型的には、その断面の変化が特定の三つの条件を満たす関数により表されるように配置されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
光透過性を有する基板と、前記基板の一方の主面に配置されている、光透過性を有する複数のナノサイズのピラーと、によって構成されているメタレンズであって、
前記メタレンズの光学中心を原点としたときに、前記光学中心からの距離がｒである点に位置する前記ピラーのそれぞれの面積Ｓが、下記の三つの条件を満たす関数Ｓ（ｒ）により表されるメタレンズ、
（１）－ｒ０≦ｒ≦ｒ０（ｒ０＞０）において連続である、
（２）ｒ＝０において極小値を取る、
（３）ｒ＝±ｒ１（０＜ｒ１＜ｒ０）において極大値を取る。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
光透過性を有する基板と、前記基板の一方の主面に配置されている、光透過性を有する複数のナノサイズのピラーと、によって構成されているメタレンズであって、
前記メタレンズの光学中心を原点としたときに、前記光学中心からの距離がｒである点における前記ピラーの面積占有率Σが、下記の三つの条件を満たす関数Σ（ｒ）により表されるメタレンズ、
（１）－ｒ０≦ｒ≦＋ｒ０（ｒ０＞０）において連続である、
（２）ｒ＝０において極小値を取る、
（３）ｒ＝±ｒ１（０＜ｒ１＜ｒ０）において極大値を取る。
【請求項３】
前記主面に規則的に設定されている単位区画のそれぞれに前記ピラーのそれぞれが配置されており、
前記ピラーは、同じ形状および同じ高さを有し、かつ前記光学中心からの前記単位区画の位置に応じて異なる断面積を有する、請求項１または２に記載のメタレンズ。
【請求項４】
ガウシアンビームを出射する光源と、前記光源からの出射光の光路に配置される請求項１または２に記載のメタレンズと、を有する照明装置。
【請求項５】
前記光源がレーザーを含む、請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
メタレンズを透過した光の位相分布が、特定のガウシアンビームをコリメート光に変換するレンズの第一位相分布と、前記特定のガウシアンビームをトップハット型に変換するメタサーフェスの第二位相分布とを足し合わせた位相分布になるように、光透過性を有する基板の一方の主面に、光透過性を有するピラーを配置する、メタレンズの製造方法。
【請求項７】
前記第一位相分布は下記式（１）により表される、請求項６に記載のメタレンズの製造方法、
JPEG
2025084617000006.jpg
15
169
式（１）中、ｘは前記レンズの光軸に直交するｘ軸における前記光軸からの距離、ｙは前記光軸および前記ｘ軸の両方に直交するｙ軸における前記光軸からの距離、そしてｆは前記レンズの焦点距離、をそれぞれ表す。
【請求項８】
前記第二位相分布は下記式（２）により表される、請求項６に記載のメタレンズの製造方法、
JPEG
2025084617000007.jpg
18
169
式（２）中、ｒは前記メタサーフェスの光軸からの距離、λは前記特定のガウシアンビームの波長、Ｄは前記メタサーフェスの直径、ｗ１は前記特定のガウシアンビームのビームウエスト直径、ｗ２は実質的に均一な強度分布を有するビームの直径、ｌは伝搬距離、そしてξはメタサーフェスの原点からの径方向距離、をそれぞれ表す。
【請求項９】
前記ピラーの形状、および前記主面における前記ピラーの配置が特定されているときの前記ピラーのサイズに関する情報と位相シフト量との相関関係に基づいて、前記ピラーのサイズに関する情報を決定し、決定された情報のサイズを有する前記ピラーを前記主面に配置する、請求項６に記載のメタレンズの製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタレンズ、その製造方法および照明装置に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
病理診断などの照明では、一般に、照明範囲が広く、強度分布が高くかつ均一であることが求められている。また、当該照明の光源には、レーザーまたは発光ダイオードが使用される。このような光源からの出射光は、通常、ガウス分布の放射強度を有するガウシアンビームである。そのため、上記の照明では、光源からの出射光のビームプロファイルを、ガウシアン分布から実質的に均一な放射強度の分布を有するトップハットプロファイルへ変換することが求められる。
【０００３】
ガウシアン分布からトップハットプロファイルへのビームプロファイルの変換は、非球面レンズを含む光学系によって実現可能である。しかしながら、内視鏡のような小型の装置における照明装置では、上記のビームプロファイルを変換する、より小型の光学系が求められる。
【０００４】
このような小型の光学系でビームプロファイルを変換する技術には、入射側と出射側の両主面にピラーを有する両面メタレンズを光源からの出射光の光路中に配置する技術が知られている。当該技術では、入射側のナノ構造によって光源からの出射光をコリメートし、出射側のナノ構造によって出射光の放射角度を制御する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
米国特許出願公開第２０２３／０２５６３１６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような従来技術では、出射光の制御のために、基板の両主面のそれぞれに機能の異なるナノ構造を構成する必要がある。基板の一方の主面のみにナノ構造を構成してビームプロファイルを制御する観点から検討の余地が残されている。
【０００７】
本発明の一態様は、基板の一方の主面のみのナノ構造によってガウシアン分布からトップハット分布へのビームプロファイルを変換可能なメタレンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るメタレンズは、光透過性を有する基板と、前記基板の一方の主面に配置されている、光透過性を有する複数のナノサイズのピラーと、によって構成されているメタレンズであって、前記メタレンズの光学中心を原点としたときに、前記光学中心からの距離がｒである点に位置する前記ピラーのそれぞれの面積Ｓが、下記の三つの条件を満たす関数Ｓ（ｒ）により表されるメタレンズである。
（１）－ｒ０≦ｒ≦ｒ０（ｒ０＞０）において連続である。
（２）ｒ＝０において極小値を取る。
（３）ｒ＝±ｒ１（０＜ｒ１＜ｒ０）において極大値を取る。
【０００９】
または、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るメタレンズは、光透過性を有する基板と、前記基板の一方の主面に配置されている、光透過性を有する複数のナノサイズのピラーと、によって構成されているメタレンズであって、前記メタレンズの光学中心を原点としたときに、前記光学中心からの距離がｒである点における前記ピラーの面積占有率Σが、下記の三つの条件を満たす関数Σ（ｒ）により表されるメタレンズである。
（１）－ｒ０≦ｒ≦＋ｒ０（ｒ０＞０）において連続である。
（２）ｒ＝０において極小値を取る。
（３）ｒ＝±ｒ１（０＜ｒ１＜ｒ０）において極大値を取る。
【００１０】
また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る照明装置は、ガウシアンビームを出射する光源と、前記光源からの出射光の光路に配置される上記のメタレンズと、を有する。
（【００１１】以降は省略されています）

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