超鏡面レンズ（メタレンズ）の紹介丨設計原理、応用、加工方法など
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スーパーレンズとは？
メタルレンズは、超共役レンズとも呼ばれる。超表面（サブ波長の厚みを持つ平面2次元（2D）レンズ）からなる2次元平面レンズ構造である。 メタマテリアル)を、光を集束させる光学素子で構成したもの。2019年の新興技術トップ10の1つとして注目されている。
薄型化、軽量化、低コスト化、優れた画像処理、容易な組み込みなどの利点を持つスーパーレンズは、コンパクトで統合された光学システムのための潜在的なソリューションとなる。構造体の形状、回転方向、高さなどのパラメータを調整することで、光の偏光、位相、振幅特性を調整することができます。
スーパーレンズの設計原理と位相変調について
ハイパーレンズの設計原理は、超曲面の2つの特殊な特徴に基づくものである。超表面相分布の選択とナノスケール構造体の幾何学的設計.光波特性（位相、振幅、偏光など）の制御は、幾何学的構造の設計と製造によって達成することができ、サブ波長構造のプロファイル、位置、角度を調整して、スーパーレンズの焦点とイメージング特性を制御します。
スーパーレンズの位相変調方式は、基本的に3種類あります。
共振位相変調、伝搬位相変調、幾何学的位相変調（PB位相変調とも呼ばれる）。
- 共振位相制御これは、ナノスケール構造の形状によって制御される共振周波数を変化させることで、位相を急激に変化させるものです。しかし、共振位相超表面は通常、金、銀、アルミニウムなどの金属材料で作られているため、必然的にオーミックロスが発生し、高効率な光電界変調を実現することが困難であった。この問題は、低損失の誘電体材料で作られた超表面レンズによって効果的に解決することができます。
- プロパゲーションフェーズこれは、電磁波が伝搬中に光学的距離差を生じることに起因しており、この性質を利用して位相変調を実現することができる。位相変調（φ）は光学的距離差によって調節され、波長をλ、媒質の実効屈折率をn、電磁波が均質な媒質中を距離d（構造物の高さ）にわたって伝播し、k0＝2π／λを自由空間の波動ベクトルとすると、電磁波の累積伝搬位相は、次のように表すことができる。
マイクロ・ナノ構造が高度に固定されている場合、マイクロ・ナノ構造の形状、サイズ、構造単位周期によって調整することができます。 伝搬位相原理に基づいて設計されたスーパーレンズは、通常、対称性の高い等方性のマイクロ・ナノ構造で構成されています。つまり、マイクロ・ナノ構造の位相応答は、入射光の偏光タイプに依存せず、ほとんどの用途に適しています。
- 幾何学的位相は、同一寸法のマイクロ・ナノ構造の回転角度を調整することで位相勾配や分布を人工的に制御し、光波の位相を急激に変化させる方法であり、超表面の設計や加工の複雑さを大幅に軽減する。幾何学的位相変調の利点は、材料分散、構造サイズ、構造共振の影響を受けないことである。
すべての光線が同じ焦点に到達する集光レンズ機能を実現するためには、平面スーパーレンズの位相が満足する必要があります。
ここで，λは波長，fは焦点距離，xとyはハイパーレンズの中心からの相対的な空間座標である．各位置に対応する位相が計算でき、超鏡面を通してこのような位相分布を実現することでスーパーレンズを設計することができる。
セル回転角θは、以下の式を満たす必要があります。
超構造表面のための3つの基本的な位相変調原理のそれぞれについて、これまで説明してきましたが、どの位相変調も単独ではアクロマティックイメージングやフルカラーイメージングを実現できません。実際の応用では、スーパーレンズを作る際に、2つ以上の原理の混合で位相変調を実現することが多い。
スーパーレンズの研究現状と応用
高開口数(NA)スーパーレンズ
スーパーレンズの集光効率は、イメージングやセンシングのアプリケーションにおいて重要である。スーパーレンズの集光効率は、1）波長スケールの構造による散乱、2）インピーダンス不整合による反射、3）材料損失による材料吸収を抑制することで改善することができる。集光性能の向上には、共振、幾何学、伝搬位相のメカニズムを利用することができる。
アクロマートスーパーレンズ（AML）
回折光学素子であるスーパーレンズは、他の回折レンズと同様、色収差が大きいという欠点がある。このレンズは、広い波長域で使用することができますが、色収差の存在により、光学的な集束やイメージングへの利用が大きく制限されます。特に、光学的超解像平面型超変換レンズでは、超解像点光拡散を実現しながら、平面型超変換レンズの色収差を除去することに多くの課題がある。
- 低損失結合型矩形誘電体共振器による多波長アクロマチックスーパーレンズ
- 広帯域アクロマチックスーパーレンズ：構成要素と異なるスーパーレンズの強度分布
- 狭帯域アクロマチックスーパーレンズ
多焦点スーパーレンズ
多焦点レンズは重要な光学素子である。マルチスペクトルカメラでは、複数の焦点位置を得るために複数のレンズを使用することは、装置の大型化、重量化、高コスト化につながります。スーパーサーフェスは、光学系の構造を簡略化し、薄型化、小型化、高集積化を特徴とする特殊な設計により、この問題を効果的に解決します。
スーパーレンズの加工方法
フォトリソグラフィーに基づく
フォトリソグラフィーは、露光とエッチングを組み合わせたプロセスである。フォトレジストが塗布された基板上に、デザインを施したマスクを配置します。特定の光源の照射により、フォトレジストを化学変化させる。現像、エッチングを経て、基板上にミクロン、ナノスケールのグラフィック層が形成されます。フォトリソグラフィーの工程は、通常、基板処理、基板コーティング、回転式フォトレジストコーティング、ソフト乾燥、露光、現像、ハード乾燥、エッチング、テストなどを含みます。
フォトリソグラフィーは、高い解像度を持ち、得られるパターンの形状や大きさを精密に制御することができます。半導体やマイクロエレクトロニクスの製造、光学、生物学、メタマテリアルなど、幅広い分野で応用されています。しかし、装置が高価であること、使用環境が厳しいこと、適切な材料が限られていることなどから、その応用は限られています。
電子ビーム描画装置（EBL: Electron Beam Lithography）
電子ビームを使い、レジストの溶解度を変化させることで、レジストで覆われた表面に直接デザインを書き込むことができます。電子ビームリソグラフィは、リソグラフィ技術としては最も高解像度であり、その解像度は10nm以下にも達する。超高解像度、リソグラフィーマスクプレートが不要という利点がある反面、1、高精度のアライメントレジスターが必要、2、効率が悪く大量生産が難しい、3、露光速度が遅いという欠点がある。そのため、この技術は主に光投影リソグラフィーテンプレートの製造、新しいリソグラフィー技術の設計検証、実験研究、プロトタイプ検証などに使用されています。
フェムト秒レーザー直接描画リソグラフィー
フェムト秒レーザー直描リソグラフィーは、2光子リソグラフィーや2光子重合（TPP）とも呼ばれ、フェムト秒レーザー光を感光材料内部に集光し、光開始剤を介して重合反応を引き起こし、レーザー焦点の動きを制御することでマイクロ/ナノ構造を形成するプロセスである。フェムト秒レーザーの特徴高精度、高柔軟性と真の3Dマシニングこれらの特性により、光学マスクを必要とせず、任意の形状の精密な3次元微細構造を作製することができ、現在、最小のフィーチャーサイズは10nmに達しています。
TPP技術で作られたスーパーレンズ
ナノインプリント技術(深い知識)
ナノインプリントリソグラフィー（NIL）は、ナノスケールのパターンを作成するためのマイクロ・ナノプロセスである。ナノスケールのパターンを持つテンプレートを何らかの方法でポリマー基板に塗布し、パターンを均等に複製するマイクロ・ナノプロセスである。
ナノインプリントは、高分子構造体の加工方法として最も一般的なものです。を持つ低コスト、短工期、高出力、高解像度。などのメリットがあります。
成熟し、一般的に使用されている主なナノインプリント技術プロセスは以下の通りです。ナノサーマルインプリント（T-NIL）技術、紫外線硬化型インプリント（UV-NIL）技術、マイクロコンタクトプリンティング（μCP）技術。
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