JP7499231B2 - 電磁波を異なる波長を有する複数の波に分割する方法 - Google Patents
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Description
・図2-1の3D散乱構造体(201)は、公知のリソグラフィプロセスによって製造されてもよい。
・図2-1の3D散乱構造体(201)は、赤外線又は中赤外線等の任意のスペクトル帯に対するスペクトルスプリッタとして機能するように設計されてもよい。言い換えれば、ハイパースペクトルイメージングに加えて、熱イメージングが本開示の教示の別の応用となり得る。
・スペクトル分割機能は、偏光分割等の他の所望の機能と組み合わせられてもよい。
・本開示による実施形態は、エッジ検出のためにガボールフィルタリング等の光学画像処理を実行するように設計されてもよい。
Maxwell方程式はスケール不変性を有することが知られており、これは波長及び次元が共通の因子によってスケールされる場合の任意の物理系の挙動が保存されることを意味する。この事実を用いて、マイクロ波周波数で動作する大規模類似物を用いた制約設計を示した。言い換えると、cmスケールの寸法でKa帯(26~40GHz)において動作する散乱デバイスが本開示の教示に従って実装されてもよい。
(最急降下法)
図2-2~図3-3に戻って、上述したように、3次元誘電構造体は、ターゲット光の散乱関数を実行するように最適化されて、本開示の教示に従って設計される。図2-2~図3-3に示す例示的な実施形態の場合、このようなターゲット散乱関数は、入射平面波を周波数と偏光に応じて異なる位置に集束させることからなる。例示的な3次元(3D)散乱構造体(21、31)は、立方体の設計領域内の空間依存性屈折率分布
によって規定される。これは、幅広い複雑な光学多機能性を表現する能力を備えた広範なデザイン空間を表している。しかしながら、所与のターゲット関数に対する最適な屈折率分布を特定することは、特に強散乱デバイスに対して困難な逆設計問題として残されている。
は、平面波で上方から照射された場合の立方体内の電場であり、ステップ(72)、
は、下方から照射された場合の立方体内の電場であり、ステップ(73)、ターゲット位置に点源がある。点源の位相及び振幅は、前進シミュレーションにおけるターゲット位置での電場によって与えられる。感度は、可視スペクトルにわたる複数の入射波長及び偏光に対して計算されてもよく、各スペクトル帯を異なる象限、赤(600nm~700nm)、緑(500nm~600nm)、及び青(400nm~500nm)に割り当てる。次に、スペクトル的に平均化された感度は、以下の式(2)を用いて、デバイスの屈折率を更新するために使用される、ステップ(74)。
(A.バイナリインデックス)
最適化プロセスの間、製造プロセスによって要求される屈折率分布に対する一連の制約が強制されてもよい。本開示の実施形態によれば、高コントラストの3D散乱要素が2つの材料から構成されてもよい。上述した最急降下アルゴリズムは、屈折率勾配を有する最適化されたデバイスを生成するが、バイナリ条件が[0,1]の範囲の補助密度
を導入することによって強制されてもよい。図8は、そのような概念に基づいて、本開示の更なる実施形態による、勾配ベースのアルゴリズムの様々な実装ステップを示す例示的なフローチャートを示す。
が初期化される。この密度は、下記の式(3)のS字投影フィルタを介して、屈折率分布に関連する(ステップ82、83)。
は、密度に関して記述され得る。式(2)に関して説明したものと同様に、感度は、ステップ87)に示すように、所望のスペクトル範囲にわたる平均化に基づいて計算されてもよい。最適化の間、ステップ(84)において、設計は、密度
及びβを用いてパラメータ化され、フィルタの強度を徐々に増加させる。βが小さい反復プロセスの初期段階ではこれはフィルタリングされていない場合と同等である。時間の経過と共に反復の回数が増え強度が増加することにつれて、密度は連続したままであっても、最適化された屈折率分布は徐々にバイナリ設計に近づく。ステップ(88)において、密度は算出された感度を用いて更新される。次に、ステップ(88)において、収束基準がチェックされる。この基準が満たされない場合、ステップ(89)において、パラメータβを増加することにより密度を更新し、アルゴリズムは次の反復に進む。現在の反復で収束基準が満たされる場合、ステップ(850)によって示されるように最適化された設計が達成される。
上述した材料の制約に加えて、製造プロセスによって課される解像度限界に適合する本開示による更なる実施形態が想定されてもよい。例えば、回折及び近接ドーズ効果は、電子線リソグラフィを約10nmの特徴に制限する。デバイス設計のためのこの最小の特徴的サイズは、各点の近傍Ω内の最大密度
を表す「拡張」密度
を導入することによって強制されてもよい。
図2-2~図3-3に示す実施形態に関して説明したように、デバイス素子設計の一部は、多層2Dリソグラフィによる加工を意図してもよく、垂直方向に不変であるいくつかのパターン化されたスラブからなる。このような場合には、各層内の垂直方向に計算された感度を平均化することによって、最適化が制限されてもよい。実際、各層内のボクセルが共有2Dプロファイルによって支配される。
Claims (19)
- 電磁波を異なる波長を有する複数の波に分割する方法であって、
前記方法は、
多層3次元(3D)散乱構造体を提供するステップであって、
前記多層3D散乱構造体は、
互いの上に積み重ねられた複数の層であって、各層は、第1の誘電体を含むピラーを備え、前記ピラーは、1つ以上のターゲット関数に従って配置される、設定された2次元(2D)パターンで配置される、前記複数の層と、
第2の誘電体で満たされる前記複数の層間の格子間空間であって、各格子間空間は、その後に続く層のための平坦な基板を形成し、前記第2の誘電体の屈折率は、前記第1の誘電体の屈折率よりも低い、前記格子間空間と、
を備える、ステップと、
第1の側面で、前記複数の層及び前記格子間空間を通じて、前記多層3D散乱構造体に前記電磁波を適用するステップと、
前記電磁波を散乱させることにより、異なる波長を有する複数の電磁波を発生させるステップであって、前記複数の電磁波は、出力の第2の側面で前記多層3D散乱構造体から出るステップと、
勾配ベースアルゴリズムを用いて前記設定された2次元パターンを最適化するステップと、
を含み、
前記勾配ベースアルゴリズムのターゲット関数は、前記多層3D散乱構造体の外側に配置された焦点面内のターゲット位置における前記電磁波の電磁強度と、前記ターゲット位置での前記電磁波のソートとに基づいて規定され、
前記多層3D散乱構造体内の点における屈折率に関する前記ターゲット関数の感度は、前記屈折率の関数である補助密度に関して計算され、前記関数は、S字投影フィルタの規定に基づいて規定される、方法。 - 前記ソートは、1)1つ以上の波長、2)1つ以上の偏光、3)前記電磁波の入射角、4)空間分布、又はそれらの組み合わせに従って実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記1つ以上の波長は、赤色、緑色、及び青色に対応する波長を含み、
前記1つ以上の偏光は、1つ以上の偏光方位を含む、請求項2に記載の方法。 - 前記1つ以上のターゲット領域は、1つ以上のピクセルを含み、
前記多層3D散乱構造体は、イメージセンサに含まれる、請求項3に記載の方法。 - 前記1つ以上のターゲット領域は、赤色に対応する第1のサブピクセルと、青色に対応する第2のサブピクセルと、第1の偏光方位を有する緑色に対応する第3のサブピクセルと、第2の偏光方位を有する緑色に対応する第4のサブピクセルと、を含み、前記第1、第2、第3、及び第4のサブピクセルは、隣接するサブピクセルであり、
前記多層3D散乱構造体は、イメージセンサに含まれる、請求項3に記載の方法。 - 複数の前記イメージセンサが、カメラに含まれる、請求項4に記載の方法。
- 前記複数の層の各層は、400nmの厚さを有する2μm×2μmである、請求項1に記載の方法。
- 前記多層3D散乱構造体は、400nm~700nmの波長範囲内で動作する、請求項2に記載の方法。
- 前記第1の誘電体はTiO2を含み、前記第2の誘電体はSiO2を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記各層は、シリカマトリックスに埋め込まれた多孔質ポリマーの立方体又はシリコン粒子のクラスターを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記多層3D散乱構造体は、可視周波数で透明な材料で形成される、請求項1に記載の方法。
- 前記多層3D散乱構造体はマイクロ波フィルタに含まれ、前記マイクロ波フィルタは、前記多層3D散乱構造体の側面に金属境界を含む、請求項1に記載の方法。
- 電磁波を異なる波長を有する複数の波に分割する方法であって、
前記方法は、
多層3次元(3D)散乱構造体を提供するステップであって、前記多層3D散乱構造体は、
互いの上に積み重ねられた複数の層であって、各層は、第1の誘電体を含むピラーを備え、前記ピラーは、設定された2次元(2D)パターンで配置される、前記複数の層と、
第2の誘電体で満たされる前記複数の層間の格子間空間であって、各格子間空間は、その後に続く層のための平坦な基板を形成し、前記第2の誘電体の屈折率は前記第1の誘電体の屈折率よりも低い、前記格子間空間と、
を備える、ステップと、
第1の側面で、前記複数の層及び前記格子間空間を通じて、前記多層3D散乱構造体に前記電磁波を適用するステップと、
前記電磁波を散乱させることにより異なる波長を有する複数の電磁波を発生させるステップであって、前記複数の電磁波は、出力の第2の側面で前記多層3D散乱構造体から出るステップと、
勾配ベースアルゴリズムを用いて前記設定された2次元パターンを最適化するステップと、
を含み、
前記勾配ベースアルゴリズムのターゲット関数は、前記多層3D散乱構造体の外側に配置された焦点面内のターゲット位置における前記電磁波の電磁強度に基づいて規定され、
多層3D散乱構造体内の点における屈折率に関する前記ターゲット関数の感度は、
前記第1の側面に印加された第1のシミュレーションされた電磁波に対応する第1のセットの電界と、
前記第2の側面に印加された第2のシミュレーションされた電磁波に対応する第2のセットの電界と、
に基づいて計算され、
前記第2のシミュレーションされた電磁波は、前記焦点面において点源を介して生成され、
前記感度は、前記屈折率の関数である補助密度に関して計算され、前記関数は、S字投影フィルタの規定に基づいて規定される、方法。 - 前記多層3D散乱構造体の外側の対応するターゲット領域で、前記複数の電磁波の各波を収集するステップを更に含む、請求項13に記載の方法。
- 前記適用するステップの前に、
レーザーを液状ポリマーに集束させることによって、前記液状ポリマーをレーザー焦点で架橋及び硬化させるステップと、
前記勾配ベースアルゴリズムの目的関数に従って前記レーザーの焦点を移動させるステップと、
によって前記多層3D構造体を構築するステップを更に含む、請求項13に記載の方法。 - 請求項13に記載の方法を実行するステップを含むイメージング方法であって、前記イメージング方法は、ハイパースペクトル、熱、又は光学イメージング方法から選択される、イメージング方法。
- 前記複数の層は少なくとも5層である、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の層は、20枚のパターン化されたポリプロピレンシートを備える、請求項12に記載の方法。
- 前記マイクロ波フィルタは、35mm×35mmのフットプリントを占有する、請求項12に記載の方法。
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