JP2015185874A - 電磁波伝搬媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】屈折率が３．５以上である高屈折率の電磁波伝搬媒体を提供すること。【解決手段】到来電磁波に応答して電気双極子若しくは磁気双極子が受動的に誘起される構造体が集合化することによって正の屈折率を与える電磁応答要素１を含む正屈折率層と、負の屈折率を与える電磁応答要素２を含む負屈折率層とを交互に積層して成る電磁波伝搬媒体であって、到来電磁波が電磁波伝搬媒体の厚さ方向一端面に入射して正屈折率層と負屈折率層を経て電磁波伝搬媒体の厚さ方向他端面に到達する場合において、電磁波伝搬媒体における一端面上の入射点と他端面上の到達点とを結ぶ直線（短絡近似経路）が入射軸と成す屈折角θeと、到来電磁波の入射角θ0に基づいてスネルの法則から算出される有効屈折率ｎeの絶対値が、電磁応答要素１を含む正屈折率層の屈折率ｎ1および電磁応答要素２を含む負屈折率層の屈折率ｎ2の絶対値より大きい値を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、人工的な電気双極子、磁気双極子またはこれ等の複合体（以下、電磁応答要素と称する）の集合体である左手系伝播媒体（メタマテリアル）と通常の右手系伝搬媒体とが複合した電磁波伝搬媒体に係り、特に、その屈折率の絶対値が構成要素である左手系および右手系の各伝播媒体の屈折率よりも大きい値を呈する電磁波伝搬媒体に関するものである。

人工的な電磁応答要素を配列して負屈折率媒体、左手系伝播媒体あるいはメタマテリアルと称される電磁波伝搬媒体を構成することに関しては、分割リング型共振器を所望の周波数帯域において共振させることによりその周波数帯域近傍で負屈折率を呈することを可能とした構成が特許文献１に開示されている。また、特許文献２の図１３および図１４には、フォトニック結晶を用いた負屈折率媒体が開示されている。

そして、特許文献２の図２および図４には、複数の負屈折率媒体層と通常の正屈折率媒体（右手系電磁波伝搬媒体）層が交互に積層された構造体が開示されている。

しかし、特許文献２に記載の積層構造体は、結像効果を得ることを目的としているため、高い屈折率を得ることについては課題として認識されておらず、従って正と負の屈折率を複合的に作用させて積層構造全体として高い屈折率を得る可能性について示唆も開示もされていない。

また、特許文献３および特許文献４にはメタマテリアル（左手系電磁波伝搬媒体）層と通常の物質（右手系電磁波伝搬媒体）層の２層構造が開示されており、更に両層の組み合わせ方が２層構造に限られるものではなく、複数層の交互積層あるいは電磁応答要素の密度が徐々に変化して明確な層境界を形成しない傾斜組成型の複合構造体でもよい旨が言及されている。

しかし、特許文献３に記載の積層構造体は、干渉効果を得ることを目的としているため、積層構造全体の厚さが伝播電磁波における１／２波長の整数倍に限定されているのみであり、各層の厚さについて何ら規定されていない。また、特許文献３に記載の電磁波伝搬媒体は、界面反射に起因する干渉の強さを広い周波数帯域に亘って一定以上に保つことを課題としており、特許文献３には、電磁波が左手系電磁波伝搬媒体層を通過する距離と右手系電磁波伝搬媒体層を通過する距離が加算されて成る伝播距離がある幅を持った周波数帯域に対し一定に保たれ、その周波数帯域において入射波と反射波の干渉強度も一定に確保されることが記載されているに過ぎず、高い屈折率を得ることについて課題として認識されておらず、従って正と負の屈折率を複合的に作用させて高い屈折率を得る可能性について示唆も開示もされていない。

また、特許文献４に記載の電磁波伝搬媒体も、界面反射に起因する干渉の強さを広い周波数帯域に亘って一定以上に保つことを課題とし、特許文献４には、電磁波が左手系電磁波伝搬媒体層を通過する距離と右手系電磁波伝搬媒体層を通過する距離が加算されて成る伝播距離がある幅を持った周波数帯域に対し一定に保たれ、その周波数帯域において入射波と反射波の干渉強度も一定に確保されることが記載されている。加えて、特許文献４では、反射波の反射方向を入射方向に近い狭角度に制限することを課題とし、左手系電磁波伝搬媒体層と金属反射体界面における負方向反射を利用してこれを解決することが記載されている。すなわち、特許文献４においても、高い屈折率を得ることについては課題として認識されておらず、従って正と負の屈折率を複合的に作用させて高い屈折率を得る可能性についても示唆も開示もされていない。

ところで、人工的に電磁応答性を高める構造体としては、人工誘電体若しくは擬似誘電体と呼ばれるものが知られている。通常の誘電物質がイオンの僅かな変位（例えば０．１ｎｍ以下）による微小な電気双極子の集合であるのに対し、人工誘電体は、例えば長さが１０００ｎｍ以上の金属線のように大きな分極が可能な電気双極子を多数配設し、高い誘電率を得ることができる。磁気的な応答は特に増強されず、高い透磁率を得ることはできないので屈折率の変化の程度は限定的である。また、通常は上記人工誘電体若しくは擬似誘電体は右手系電磁波伝搬媒体となる。

そして、高い屈折率の物質を用いてレンズを製造すれば、小さな曲率で大きな開口数を得ることができる。このため、広い角度範囲からの集光を必要とする用途や、広い角度範囲への光拡散を必要とする用途において、薄く軽量なレンズを提供することが可能となる。このような目的に好適な可視光波長若しくはその近傍波長の電磁波に対して透過性を持ち、かつ、屈折率ｎが高い物質としては、ダイアモンド（屈折率ｎ＝２．４２）、ルチル（屈折率ｎ＝２．６２〜２．９０）、ゲルマニウム（屈折率ｎ＝３．０７）、セレン化ヒ素：Ａｓ₂Ｓｅ₃（屈折率ｎ＝３．１５）等が一般的に知られている。しかし、屈折率が３．５を上回る高屈折率物質は見出されていない。

特開２０１１−２５４４８２号公報 特願２００６−２１５５４４号公報 特開２０１２−０８９７８５号公報 特願２０１２−０９０２２５号公報

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、屈折率が３．５以上である高屈折率の電磁波伝搬媒体を提供することにある。

すなわち、請求項１に係る発明は、
到来電磁波に応答して電気双極子若しくは磁気双極子が受動的に誘起される構造体（以下、「電磁応答要素」と称する）が集合化することによって正の屈折率を与える電磁応答要素１を含む正屈折率層と、上記電磁応答要素が集合化することによって負の屈折率を与える電磁応答要素２を含む負屈折率層とを交互に積層して成る電磁波伝搬媒体であって、上記到来電磁波が電磁波伝搬媒体の厚さ方向一端面に入射して少なくとも１層の正屈折率層と少なくとも一層の負屈折率層を経て電磁波伝搬媒体の厚さ方向他端面に到達する場合において、電磁波伝搬媒体における上記一端面上の入射点と他端面上の到達点とを結ぶ直線（短絡近似経路）が入射軸と成す屈折角（有効屈折角）θeと、到来電磁波の入射角θ0に基づいてスネルの法則から算出される屈折率（有効屈折率）ｎeの絶対値が、上記電磁応答要素１を含む正屈折率層の屈折率ｎ1および電磁応答要素２を含む負屈折率層の屈折率ｎ2の絶対値より大きい値を有することを特徴とし、
請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の電磁波伝搬媒体において、
上記屈折率（有効屈折率）ｎeの絶対値が３．５以上であることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の電磁波伝搬媒体において、
上記正屈折率層が、ルチルの微細粉末を樹脂中に分散した薄層により構成され、負屈折率層が、分割リング状の微細金属パターンを表面に形成した樹脂片を樹脂中に分散した薄層により構成されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３に記載の電磁波伝搬媒体において、
上記正屈折率層における電磁応答要素１または負屈折率層における電磁応答要素２の密度が厚さ方向に亘って交番的に変化することを特徴とし、
請求項５に係る発明は、
請求項１、２または３に記載の電磁波伝搬媒体において、
上記正屈折率層における電磁応答要素１または負屈折率層における電磁応答要素２の密度が厚さ方向に亘って交番的かつ連続的に変化することを特徴とし、
請求項６に係る発明は、
請求項１、２または３に記載の電磁波伝搬媒体において、
上記正屈折率層と負屈折率層の各々の厚さが、伝播電磁波における１／４波長よりも小さいことを特徴とする。

次に、請求項７に係る発明は、
請求項１、２、３、４または５に記載の電磁波伝搬媒体において、
交番的に密度が変化する正屈折率層における電磁応答要素１または負屈折率層における電磁応答要素２の分布中心位置と、隣接する他の負屈折率層における電磁応答要素２または正屈折率層における電磁応答要素１の分布中心位置との距離が、上記伝播電磁波における１／４波長よりも小さいことを特徴とし、
請求項８に係る発明は、
請求項１、２、３、４、５または６に記載の電磁波伝搬媒体において、
上記正屈折率層の厚さと負屈折率層の厚さが、積層構造の全体を通じて等しくないことを特徴とし、
請求項９に係る発明は、
請求項１、２、３、４、５または７に記載の電磁波伝搬媒体において、
交番的に密度が変化する正屈折率層における電磁応答要素１または負屈折率層における電磁応答要素２の分布中心位置と、隣接する他の負屈折率層における電磁応答要素２または正屈折率層における電磁応答要素１の分布中心位置との距離が、積層構造の全体を通じて等しくないことを特徴とするものである。

本発明に係る電磁波伝播媒体によれば、
電磁波伝搬媒体における一端面上の入射点と他端面上の到達点とを結ぶ直線（短絡近似経路）が入射軸と成す屈折角（有効屈折角）θeと、到来電磁波の入射角θ0に基づいてスネルの法則から算出される屈折率（有効屈折率）ｎeの絶対値が、電磁応答要素１を含む正屈折率層の屈折率ｎ1および電磁応答要素２を含む負屈折率層の屈折率ｎ2の絶対値より大きい値を有している。

従って、高屈折率を呈する電磁波伝搬媒体として用いることが可能となる効果を有している。

従来の分割リング型共振器の構造を模式的に示した概略斜視図。 正屈折率層と負屈折率層を交互に積層して成る本発明に係る電磁波伝播媒体中における電磁波の伝播経路を模式的に示した説明図。 正屈折率層と負屈折率層を交互に積層して成る本発明に係る電磁波伝播媒体について、その断面における屈折率の分布により模式的に示した説明図。 図３に示す本発明に係る電磁波伝播媒体について、その正屈折率層における屈折率ｎ1の値と電磁波伝播媒体の有効屈折率ｎeの値との関係を示したグラフ図。 正屈折率層と負屈折率層を交互に積層して成る実施例１に係る電磁波伝播媒体について、その断面における屈折率の分布により模式的に示した説明図。 実施例１に係る電磁波伝播媒体について、その正屈折率層における屈折率ｎ1の値と電磁波伝播媒体の有効屈折率ｎeの値との関係を示したグラフ図。 正屈折率層（真空）と負屈折率層を交互に積層して成る実施例２に係る電磁波伝播媒体について、その断面における屈折率の分布により模式的に示した説明図。 正屈折率層（真空）と負屈折率層を交互に積層して成る実施例２に係る電磁波伝播媒体について、その負屈折率層における屈折率ｎ2の値と電磁波伝播媒体の有効屈折率ｎeの値との関係を示したグラフ図。 正屈折率層と負屈折率層を交互に積層して成る実施例３に係る電磁波伝播媒体について、その断面における屈折率の分布により模式的に示した説明図。 正屈折率層と負屈折率層を交互に積層して成る実施例４に係る電磁波伝播媒体について、その断面における電磁応答要素１および２の密度分布により模式的に示した説明図。 高屈折率を呈する電磁波伝搬媒体による平板レンズの応用例を模式的に示した説明図。

以下、本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。

１．本発明に係る電磁波伝搬媒体の構成
本発明に係る電磁波伝搬媒体は、「正屈折率層」と「負屈折率層」を交互に積層して構成されている。

上記「正屈折率層」は、到来電磁波に応答して電気双極子若しくは磁気双極子が受動的に誘起される構造体（以下、「電磁応答要素」と称する）が集合化することによって正の屈折率を与える電磁応答要素１を含み、「負屈折率層」は、上記電磁応答要素が集合化することによって負の屈折率を与える電磁応答要素２を含んでいる。

また、上記「正屈折率層」と「負屈折率層」の各々の厚さは、伝播電磁波における１／４波長よりも小さく設定され、より望ましくは、伝播電磁波における１／１０波長よりも小さく設定される。

「正屈折率層」と「負屈折率層」の各々の厚さが伝播電磁波における１／４波長よりも大きいと、各層の界面における多重反射が相互に干渉し合い、入射電磁波に対する電磁波伝搬媒体全体としての反射率が大きくなると同時に透過率が大きく低下し、広い角度から集光された電磁波の透過が阻害されて利用率が低下する可能性が生じるためである。但し、電磁波伝搬媒体全体としての反射が支配的になっても、後述する閉じ込め効果によって集光した電磁波の離脱を部分的に防止することは可能である。

「正屈折率層」と「負屈折率層」の各々の厚さが伝播電磁波における１／４波長よりも小さいと、各層の界面における多重反射間の位相が接近するため相互に強い干渉を起こすことがなくなり、入射電磁波に対する電磁波伝搬媒体全体としての透過率が大きく低下することを回避することが可能となる。

更に、「正屈折率層」と「負屈折率層」の各々の厚さが伝播電磁波における１／１０波長よりも小さいと、各層の界面における多重反射間の位相が更に接近するため相互に顕著な干渉を起こすことがなくなり、各層の特性が合成された実質的に連続な媒質としての作用が支配的となり、界面反射による透過率の低下も更に抑制される。

各層の界面における多重反射を抑制するもう一つの手法としては、集合化することによって正の屈折率を与える電磁応答要素１と、集合化することによって負の屈折率を与える電磁応答要素２の濃度が徐々に変化して明確な層境界を形成しない傾斜組成型の積層構造とすることである。

更に、各層の界面における多重反射に起因する弊害を低減するもう一つの手法は、多層構造の各層の厚さを不等とすることである。

「負屈折率層」については、例えば特許文献１に開示されている分割リング共振器（すなわち、分割リング状の微細金属パターンを表面に形成した樹脂片）を集積しかつ樹脂中に分散させた薄層により形成することができる。図１は、分割リング共振器の形態を模式的に表したものであり、図１に示すように立体的に多重に配列することによって現実の伝播媒体として用いることが可能となる。構成要素である分割リングのサイズは、伝播電磁波の波長よりも十分に小さい（一般に１／１０以下）ことが望ましい。

「正屈折率層」については、例えば、ルチルの微細粉末を樹脂中に分散させた薄層により形成することができる。

２．本発明に係る電磁波伝搬媒体の作用
以下、電磁応答要素が集合化することによって正の屈折率を与える電磁応答要素１を含む「正屈折率層」と上記電磁応答要素が集合化することによって負の屈折率を与える電磁応答要素２を含む「負屈折率層」を交互に積層して成る本発明に係る電磁波伝播媒体の作用について、図２に示した一例に基づいて具体的に説明する。

図および説明の簡単化のため、図２では最上層と最下層が共に電磁応答要素１からなる場合を示しているが、以下の説明はこの層構成に限定されるものではなく、一般性は維持されている。

大気中から到来した電磁波が、図２に示すように本発明に係る電磁波伝搬媒体の厚さ方向一端面（最上層）上の点（入射点Ｏ）に入射し、かつ、各層境界での屈折を経て厚さ方向他端面（最下層）上の点（到達点Ｐ）に到達した場合、電磁波伝搬媒体中の細かな折れ線（図２において実線で示す）となる伝播経路は、入射点Ｏと到達点Ｐを結ぶ破線で示す短絡近似経路ＯＰで近似することができる。また、短絡近似経路ＯＰが入射軸（入射端面に垂直）と成す角を有効屈折角θeとして定義することができる。

大気中および電磁波伝搬媒体中の伝播経路を含む平面内で、入射点が原点Ｏ（０，０）であり、入射端面内にｘ軸がある座標系を考える。到来電磁波は、第１象限を伝播してくるものとして、第３または第４象限にある到達点Ｐの座標（Ｐｘ，Ｐｙ）は、以下の数式（１）と数式（２）のようになる。

Ｐｘ ＝ -（ｔ1’・tanθ1 ＋ ｔ2’・tanθ2） （１）
Ｐｙ ＝ -（ｔ1’+ ｔ2’) （２）

但し、電磁応答要素１を含む「正屈折率層」から電磁応答要素２を含む「負屈折率層」に入射した電磁波の屈折角をθ2（以後、θの符号は、入射した層内の入射点を通る垂直軸に対して時計回りを正、反時計回りを負とする）とし、
電磁応答要素２を含む「負屈折率層」から電磁応答要素１を含む「正屈折率層」に入射した電磁波の屈折角をθ1とし、
電磁応答要素１を含む「正屈折率層」の厚さの総和をｔ1’とし、
電磁応答要素２を含む「負屈折率層」の厚さの総和をｔ2’とした。

そして、短絡近似経路ＯＰが入射軸（入射端面に垂直）と成す有効屈折角θeは、
θe = tan^-1(Ｐｘ / -Ｐｙ) （３）
となり、
これを用いて「スネルの法則」から算出される電磁波伝搬媒体の有効屈折率ｎeは、
ｎe / ｎ0 ＝ sinθ0 / sinθe （４）
となる。

但し、大気の屈折率をｎ0、入射点Ｏにおける到来電磁波の入射角をθ0とした。

θe →０、すなわち、数式（３）によりＰｘ →０で、ｎe → ∞となる。

電磁応答要素１を含む「正屈折率層」の正の屈折率をｎ1とし、
電磁応答要素２を含む「負屈折率層」の負の屈折率をｎ2とすると、
上記数式（４）と数式（３）から、
ｎe ＝ ｎ0・sinθ0 / sinθe
＝ sinθ0 / sin｛tan^-1(Ｐｘ / -Ｐｙ)｝ （５）

また、数式（５）に数式（１）と数式（２）を代入することにより、
ｎe＝ｎ0・sinθ0/sin｛tan^-1(Ｐｘ/-Ｐｙ)｝
＝ｎ0・sinθ0/sin｛tan^-1［-(ｔ1’・tanθ1＋ｔ2’・tanθ2)
/(ｔ1’+ｔ2’)］｝ （６）

そして、「スネルの法則」から、
ｎ0・sinθ0 ＝ ｎ1・sinθ1 ＝ ｎ2・sinθ2なので、
θ1 ＝ sin^-1（ｎ0・sinθ0 / ｎ1 ) （７）
θ2 ＝ sin^-1（ｎ0・sinθ0 / ｎ2 ) （８）

すなわち、数式（６）に数式（７）と数式（８）を代入することにより、
ｎe ＝ ｎ0・sinθ0 / sin｛tan^-1［-(ｔ1’・tan(sin^-1(ｎ0・sinθ0 / ｎ1 ))
＋ｔ2’・tan(sin^-1(ｎ0・sinθ0 / ｎ2))/(t1’ + t2’)］｝ （９）
と表される。

一例として、「正屈折率層」（各層の厚さｔ1＝１μｍ、屈折率ｎ1）と「負屈折率層」（各層の厚さｔ2＝１μｍ、屈折率ｎ2＝-１．７）を交互に積層した本発明の電磁波伝播媒体について、その断面における屈折率の分布により上記電磁波伝播媒体を図３の説明図に模式的に示す。

そして、図２に示す入射点Ｏにおける到来電磁波の入射角θ0＝４５°(π/4 rad）の入射光に対し、「負屈折率層」の屈折率ｎ2＝-１．７の場合、数式（９）に入射角θ0と屈折率ｎ2を代入して、「正屈折率層」における屈折率ｎ1の変化に対する電磁波伝播媒体の有効屈折率ｎeの変化を図４のグラフ図に示した。

図示された屈折率ｎ1のほとんどの値に対し、電磁波伝播媒体の有効屈折率ｎeの絶対値は３．５を上回る値が得られており、特に、「正屈折率層」における屈折率ｎ1と「負屈折率層」における屈折率ｎ2の絶対値が近接する領域では、発散的挙動により有効屈折率ｎeの絶対値は１０以上の極めて大きな値を示す。例えば、ｎ1 ＝ １．８では、ｎe ＝ ４６．８と極めて大きな値が得られている。

尚、「正屈折率層」と「負屈折率層」における各層の厚さが伝播電磁波の波長に比して非常に小さく、近似的に均質な媒質と見なせる場合、上述および図２に示された幾何光学的な考察はその妥当性を欠くことになる。但し、この場合にも、各層の厚さが小さくなるに従い、ｎeが数式（９）で与えられる値から離れてはゆくものの、少なくとも完全に均質媒質と見なせる状態となるまでの間は有限の屈折率増強効果を期待することができる。

３．本発明に係る電磁波伝搬媒体の効果
高い屈折率の物質を用いてレンズを製造すれば、小さな曲率で大きな開口数を得ることができるので、広い角度範囲からの集光を必要とする用途や、広い角度範囲への光拡散を必要とする用途においても、薄く軽量なレンズを提供することが可能となる。特に、屈折率が実質的に無限大と見なせる場合には、曲率がゼロ、すなわち、曲面形成の必要のない平板なレンズを用いながら、入射角が０度からほぼ９０度までの広い角度範囲の入射光をレンズ面と垂直に伝搬するように伝搬方向を揃えて集光することができる（図１１参照）。この場合の集光作用は、平板レンズ上のどの位置でも入射光に対して同等に働くので、例えば、この平板レンズで太陽電池セルのような大面積の受光素子を覆えば、太陽電池セルの受光面全体に周囲からの入射光を導くことが可能となる。通常のレンズが入射光を焦点位置近傍の狭い領域に集光するのと異なり、大面積の受光面に対して均一な集光を実現することができるので、局所的な過熱や熱歪の発生を回避して受光素子の変換効率や耐用年数を良好に保つことが可能となる。

また、一旦集光された光が、例えば、乱雑な形状の受光素子面で乱反射してレンズ側に戻ったとしても、レンズ／大気界面に角度を持って到達した光は全反射を受け外部へ出射することができない。すなわち、屈折率が無限大の平板レンズは、優れた光閉じ込め作用も有している。

例えば、極めて狭い角度範囲に限定されたレーザー素子からの発光をレンズ／大気界面に垂直に導けば、全反射条件を回避して大気中に放出される光は、出射角が０度からほぼ９０度に達するまでの広い角度範囲に拡散することとなる。すなわち、屈折率が無限大の平板レンズは、レーザー光線のような高エネルギーで直進性の高い光線を広い角度範囲に均一に拡散する手段としても優れている。これを表示光や照明光の効率的な拡散に利用できるばかりでなく、装飾および意匠上の演出効果としても利用することができる。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

［実施例１］
図５は、正屈折率層と負屈折率層を交互に積層して成る実施例１に係る電磁波伝播媒体についてその断面における屈折率の分布により模式的に示した説明図である。

波長５μｍの電磁波に対する屈折率を「-１．７」に調整した電磁応答要素２を含む「負屈折率層」と、電磁応答要素１を含む「正屈折率層」を交互に積層して実施例１に係る電磁波伝播媒体は構成されている。

「正屈折率層」の厚さｔ1を１μｍ、「負屈折率層」の厚さｔ2を１．５μｍとし、波長５μｍの電磁波に対する「正屈折率層」の屈折率ｎ1を「１」から「２．５」に設定したとき、図６に示すように電磁波伝播媒体の有効屈折率ｎeは「２．５以上」の大きな絶対値を示し、特にｎ1＝１．３の場合、ｎe＝４６．７と大きな値が得られる。

尚、電磁応答要素２を含む「負屈折率層」は、例えば、分割リング状の微細金属パターンを表面に形成した樹脂片を樹脂中に適宜分散して形成することができる。また、電磁応答要素１を含む「正屈折率層」は、例えば、ルチルの微細粉末を樹脂中に適宜分散して形成することができる。

［実施例２］
図７は、正屈折率層（真空層）と負屈折率層を交互に積層して成る実施例２に係る電磁波伝播媒体についてその断面における屈折率の分布により模式的に示した説明図である。

すなわち、一定の間隔（１．０μｍ）を介し、電磁応答要素２を含む厚さ１．０μｍの「負屈折率層」を真空中に配置して、厚さ１．０μｍで屈折率ｎ1が「１」である「正屈折率層」（真空層）と厚さ１．０μｍの「負屈折率層」を交互に積層して実施例２に係る電磁波伝播媒体は構成されている。

そして、波長１０μｍの電磁波に対する「負屈折率層」の屈折率ｎ2を、「−１」から「−２．５」に設定したとき、図８に示すように電磁波伝播媒体の有効屈折率ｎeは「−２以下」の大きな絶対値を示し、特にｎ2＝−１．１の場合、ｎe＝−８．８と大きな絶対値が得られる。

尚、電磁応答要素２を含む「負屈折率層」は、例えば、分割リング状の微細金属パターンを表面に形成した樹脂片を樹脂中に適宜分散して形成することができる。

［実施例３］
図９は、正屈折率層と負屈折率層を交互に積層して成る実施例３に係る電磁波伝播媒体についてその断面における屈折率の分布により模式的に示した説明図である。

但し、実施例１と異なり、上記「正屈折率層」における電磁応答要素１の密度と「負屈折率層」における電磁応答要素２の密度を厚さ方向に亘って交番的に変化させ、「正屈折率層」と「負屈折率層」の境界近傍において屈折率の絶対値を傾斜的に変化させて界面を不明確化しているので、実施例１と比較し界面反射を抑制することができる。

尚、電磁応答要素２を含む「負屈折率層」は、例えば、分割リング状の微細金属パターンを表面に形成した樹脂片を樹脂中に適宜分散して形成することができ、電磁応答要素１を含む「正屈折率層」は、例えば、ルチルの微細粉末を樹脂中に適宜分散して形成することができる。

［実施例４］
図１０は、正屈折率層と負屈折率層を交互に積層して成る実施例４に係る電磁波伝播媒体について、その断面における電磁応答要素１および２の密度分布により模式的に示した説明図。

すなわち、主として電磁応答要素１からなる「正屈折率層」の領域と主として電磁応答要素２からなる「負屈折率層」の領域とを交互に積層しているが、各領域の端部近傍で電磁応答要素１と電磁応答要素２を混合させて界面が不明確となっているため、実施例３と同様、界面反射を抑制することができる。

尚、電磁応答要素２を含む「負屈折率層」は、例えば、分割リング状の微細金属パターンを表面に形成した樹脂片を樹脂中に適宜分散して形成でき、電磁応答要素１を含む「正屈折率層」は、例えば、ルチルの微細粉末を樹脂中に適宜分散して形成することができ、これ等の界面が不明確となるよう「負屈折率層」を構成する塗液と「正屈折率層」を構成する塗液が混ざり合うように塗布されている。

本発明に係る電磁波伝搬媒体は、高屈折率を呈する電磁波伝搬媒体として用いることが可能なため、広角度な集光並びに拡散が可能なレンズに適用される産業上の利用可能性を有している。

Claims (9)

1. 到来電磁波に応答して電気双極子若しくは磁気双極子が受動的に誘起される構造体（以下、「電磁応答要素」と称する）が集合化することによって正の屈折率を与える電磁応答要素１を含む正屈折率層と、上記電磁応答要素が集合化することによって負の屈折率を与える電磁応答要素２を含む負屈折率層とを交互に積層して成る電磁波伝搬媒体であって、上記到来電磁波が電磁波伝搬媒体の厚さ方向一端面に入射して少なくとも１層の正屈折率層と少なくとも一層の負屈折率層を経て電磁波伝搬媒体の厚さ方向他端面に到達する場合において、電磁波伝搬媒体における上記一端面上の入射点と他端面上の到達点とを結ぶ直線（短絡近似経路）が入射軸と成す屈折角（有効屈折角）θeと、到来電磁波の入射角θ0に基づいてスネルの法則から算出される屈折率（有効屈折率）ｎeの絶対値が、上記電磁応答要素１を含む正屈折率層の屈折率ｎ1および電磁応答要素２を含む負屈折率層の屈折率ｎ2の絶対値より大きい値を有することを特徴とする電磁波伝搬媒体。
2. 上記屈折率（有効屈折率）ｎeの絶対値が３．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波伝搬媒体。
3. 上記正屈折率層が、ルチルの微細粉末を樹脂中に分散した薄層により構成され、負屈折率層が、分割リング状の微細金属パターンを表面に形成した樹脂片を樹脂中に分散した薄層により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波伝搬媒体。
4. 上記正屈折率層における電磁応答要素１または負屈折率層における電磁応答要素２の密度が厚さ方向に亘って交番的に変化することを特徴とする請求項１、２または３に記載の電磁波伝搬媒体。
5. 上記正屈折率層における電磁応答要素１または負屈折率層における電磁応答要素２の密度が厚さ方向に亘って交番的かつ連続的に変化することを特徴とする請求項１、２または３に記載の電磁波伝搬媒体。
6. 上記正屈折率層と負屈折率層の各々の厚さが、伝播電磁波における１／４波長よりも小さいことを特徴とする請求項１、２または３に記載の電磁波伝搬媒体。
7. 交番的に密度が変化する正屈折率層における電磁応答要素１または負屈折率層における電磁応答要素２の分布中心位置と、隣接する他の負屈折率層における電磁応答要素２または正屈折率層における電磁応答要素１の分布中心位置との距離が、上記伝播電磁波における１／４波長よりも小さいことを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の電磁波伝搬媒体。
8. 上記正屈折率層の厚さと負屈折率層の厚さが、積層構造の全体を通じて等しくないことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６に記載の電磁波伝搬媒体。
9. 交番的に密度が変化する正屈折率層における電磁応答要素１または負屈折率層における電磁応答要素２の分布中心位置と、隣接する他の負屈折率層における電磁応答要素２または正屈折率層における電磁応答要素１の分布中心位置との距離が、積層構造の全体を通じて等しくないことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または７に記載の電磁波伝搬媒体。