JP2021071727A - メタレンズ、レンズアセンブリー及びそれを含む電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メタレンズを含み、小型化されたレンズアセンブリー、及びそれを含む電子装置を提供する。【解決手段】レンズアセンブリー１１００は、被写体側Ｏから入射する入射光に対して正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の屈折力を有し、被写体側に向かう面が膨らんでいる第１レンズ１１１０と、第１レンズを通過した入射光に対して負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）の色収差を有するメタレンズ１１２０ａを含む第２レンズ１１２０と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、メタレンズ、メタレンズを含むレンズアセンブリー及びそれを含む電子装置に関する。

イメージや動画撮影のための光学装置として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のようなイメージセンサを有するデジタルカメラ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃａｍｅｒａ）やビデオカメラ（Ｖｉｄｅｏ Ｃａｍｅｒａ）が使用されている。高品質のイメージ及び／または動画を獲得するために、光学装置に複数のレンズの組合わせからなるレンズアセンブリーが使用されうる。このようなレンズアセンブリーは、ほとんどデジタルカメラのように撮影に特化された装置に使用されてきたが、携帯用無線端末などの小型化された電子装置にも搭載されている。

本発明が解決しようとする課題は、複数の光学レンズを組み合わせるために要求される空間を縮小する方法を提供する。

また、本発明は、メタレンズを含み、小型化されたレンズアセンブリーを提供する。

また、本発明は、小型化されたレンズアセンブリーを含む電子装置を提供する。

一実施例のレンズアセンブリーは、被写体側から入射する入射光に対して正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の屈折力を有し、被写体側に向かう面が膨らんでいる第１レンズと、第１レンズを通過した入射光に対して負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）の色収差を有するメタレンズを含む第２レンズと、を含んでもよい。

一実施例の電子装置は、被写体（Ｏｂｊｅｃｔ）側から像（Ｉｍａｇｅ）側に複数のレンズが配置されたレンズアセンブリー；レンズを順次に通過した入射光から被写体のイメージを検出するイメージセンサ；及びイメージを保存または出力するイメージ信号プロセッサを含み、レンズアセンブリーは、被写体側から入射する入射光に対して正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の屈折力を有し、被写体側に向かう面が膨らんでいる第１レンズと、第１レンズを通過した入射光に対して負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）の色収差を有するメタレンズを含む第２レンズと、を含んでもよい。

一実施例のメタレンズは、入射光と反応して入射光の位相を変化させる第１位相変換層、及び第１位相変換層を通過した入射光の位相を変化させる第２位相変換層を含むナノ構造物を含み、ナノ構造物は、入射光に含まれた互いに異なる少なくとも２つの波長に対して同一位相遅延プロファイルを形成することができる。

他の実施例の電子装置は、被写体（Ｏｂｊｅｃｔ）側から像（Ｉｍａｇｅ）側に複数のレンズが配置されたレンズアセンブリー；レンズを順次に通過した入射光から被写体のイメージを検出するイメージセンサ；及びイメージを保存または出力するイメージ信号プロセッサを含み、レンズアセンブリーは、被写体側から入射する入射光に対して正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の屈折力を有し、被写体側に向かう面が膨らんでいる第１レンズと、第１レンズを通過した入射光に対して負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）の色収差を有するメタレンズを含む第２レンズと、を含み、レンズアセンブリーは、正規入射光に対して１２０ｃｙｌｅｓ／ｍｍ以下で０．５以上のＭＴＦを有し、ＴＴＬ／ＩＳＳ＜０．６５を満足することができる。

本発明によれば、屈折レンズとメタレンズとを組み合わせたレンズアセンブリーを構成することで、レンズアセンブリーの厚さを減少させ、収差問題を改善することができる。

一実施例によるメタレンズを含むレンズアセンブリーの断面図である。 同一位相遅延プロファイルを有する３個波長光の位相遅延プロファイルを例示的に示す図面である。 非球面レンズの構造を説明するための図面である。 図１のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図１のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図１のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図１のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 他の実施例によるメタレンズを含むレンズアセンブリーの断面図である。 図５のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図５のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図５のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図５のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 さらに他の実施例によるメタレンズを含むレンズアセンブリーの断面図である。 図７のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図７のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図７のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 図７のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。 一実施例によるメタレンズの概略的な構造を示す平面図である。 図９のメタレンズで具現しようとする位相遅延プロファイルを示す図面である。 図９のメタレンズの断面図である。 図１１の第３フレネルゾーンに配置された第１ナノ構造物の断面を示す図面である。 図１２Ａの第１ナノ構造物の第１位相変換層及び第２位相変換層の断面図である。 図１２Ａの第１ナノ構造物の第１位相変換層及び第２位相変換層の断面図である。 スペーサ層をさらに含む第１ナノ構造物の断面図である。 図１２Ａの第１ナノ構造物による位相遅延と第１及び第２内部柱の幅の関係を示す図面である。 図１２Ａの第１ナノ構造物の広域位相整合性を示す図面である。 図１１の第３フレネルゾーンに配列されたナノ構造物の断面図である。 他の実施例による第１ナノ構造物の断面を示す図面である。 図１６Ａの第１ナノ構造物の第１位相変換層及び第２位相変換層の断面図である。 図１６Ａの第１ナノ構造物の第１位相変換層及び第２位相変換層の断面図である。 図１６Ａの第１ナノ構造物の幅、第１内部柱の幅、第２内部柱の外周面の幅、及び第２内部柱の内周面の幅を変化させつつ測定した相対的な位相遅延量を示す図面である。 図１６Ａの第１ナノ構造物による広域位相整合性を示す図面である。 図１１の第３フレネルゾーンに配列されたナノ構造物の他の実施例の断面図である。 ナノ構造物のさらに他の実施例の断面図である。 ナノ構造物のさらに他の実施例の断面図である。 ナノ構造物のさらに他の実施例の断面図である。 共通経路干渉計を示す図面である。 ネットワーク環境内の電子装置のブロック図である。 図２２のカメラをさらに具体化したブロック図である。

以下、多様な実施例が添付された図面に基づいて記載される。実施例及びそこで使用された用語は、説明しようとする内容を特定の実施形態によって限定しようとするものではなく、実施例の多様な変更、均等物、及び／または代替物は、説明する内容に含まれると理解されねばならない。図面の説明と係わって、類似した構成要素に対しては、類似した参照符号が使用されうる。単数表現は、文脈上、明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含みうる。実施例において、「ＡまたはＢ」あるいは「Ａ及び／またはＢ」などの表現は、共に挙げられた項目の全ての可能な組合わせを含む。「第１、」「第２、」「最初」または「二番目」などの表現は、当該構成要素を、順序または重要度に関係なく、修飾することができ、一構成要素を他の構成要素と区分するために使用されるのみ、当該構成要素を限定しない。ある（第１）構成要素が他の（第２）構成要素に「（機能的にまたは通信的に）連結されて」いるか、「接続されて」いると言及された場合には、ある構成要素が他の構成要素に直接連結されるか、他の構成要素（第３構成要素）を通じて連結されてもよい。

実施例において、「〜するように構成された（または設定された）（Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ）」は、状況に応じて、ハードウェア的に、またはソフトウェア的に「〜に適した、」「〜する能力を有する、」「〜するように変更された、」「〜するように作られた、」「〜が可能な、」または「〜するように設計された」と互換的に（Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅａｂｌｙ）使用されうる。ある状況では、「〜するように構成された装置」という表現は、その装置が他の装置または部品と共に「〜することができる」ということを意味する。例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣを行うように構成された（または設定された）プロセッサ」という記載は、当該動作を遂行するための専用プロセッサ（エンベデッドプロセッサなど）または、メモリ装置に保存された１つ以上のソフトウェアプログラムを行うことで、当該動作を遂行することができる汎用プロセッサ（ＣＰＵ、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒなど）を意味することができる。

レンズの曲率半径（Ｒａｄｉｕｓ）、厚さ、ＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｒａｃｋ Ｌｅｎｇｔｈ）、焦点距離（Ｆｏｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ）などは、特に言及がない限り、いずれもｍｍ単位を有する。また、レンズの厚さ、レンズ間の間隔、ＴＴＬは、レンズの光軸を基準に測定された距離でもある。併せて、レンズの形状に係わる説明において一面が凸状という意味は、当該面の光軸部分が膨らんでいるという意味で、一面が凹状という意味は、当該面の光軸部分が凹んでいるという意味でもある。したがって、レンズの一面（当該面の光軸部分）が凸状であると説明されていても、レンズの縁部（当該面の光軸部分から所定距離離隔された部分）は、凹状でもある。同様に、レンズの一面（当該面の光軸部分）が凹状と説明されていても、レンズの縁部（当該面の光軸部分から所定距離離隔された部分）は、凸状でもある。また、像側に向かう面が凸状という意味は、像側に向かって凸状（突出状）を意味し、被写体側に向かう面が凸状という意味は、被写体側に向かって凸状（突出状）であることを意味する。

実施例による電子装置は、スマトーフォン、タブレットＰＣ、移動電話機、映像電話機、電子ブックリーダ、デスクトップＰＣ、ラップトップＰＣ、ネットブックコンピュータ、ワークステーション、サーバ、ＰＤＡ、ＰＭＰ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒ）、ＭＰ３プレーヤ、医療機器、カメラ、及び／またはウェアラブル装置を含んでもよい。ウェアラブル装置は、アクセサリー型（時計、指輪、腕輪、アンクレット、ネックレス、めがね、コンタクトレンズ、頭着用型装置（Ｈｅａｄ−Ｍｏｕｎｔｅｄ−Ｄｅｖｉｃｅ（ＨＭＤ）など）、織物または衣類一体型（電子衣服など）、身体付着型（スキンパッド、タトゥーなど）、及び／または生体移植型回路を含んでもよい。ある実施例において、電子装置は、テレビ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｄｉｓｋ）プレーヤ、オーディオ、冷蔵庫、エアコン、掃除機、オーブン、電子レンジ、洗濯機、エアクリーナー、セットトップボックス、ホームオートメーションコントロールパネル、保安コントロールパネル、メディアボックス（三星 ＨｏｍｅＳｙｎｃ（登録商標）、アップルＴＶ（登録商標）、またはＧｏｏｇｌｅＴＶ（登録商標）など）、ゲームコンソール（Ｘｂｏｘ（登録商標）， ＰｌａｙＳｔａｔｉｏｎ（登録商標）など）、電子辞書、電子キー、カムコーダ、及び／または電子額縁を含んでもよい。

また、電子装置は、各種医療機器（各種携帯用医療測定機器（血糖測定器、心拍測定器、血圧測定器、または体温測定器など）、ＭＲＡ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ａｎｇｉｏｇｒａｐｈｙ），ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ），ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、撮影機、超音波機など）、ナビゲーション装置、衛星航法システム（ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）），ＥＤＲ（Ｅｖｅｎｔ Ｄａｔａ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ），ＦＤＲ（Ｆｌｉｇｈｔ Ｄａｔａ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ）、自動車インフォテインメント装置、船舶用電子装備（船舶用航法装置、ジャイロコンパスなど）、航空電子機器（Ａｖｉｏｎｉｃｓ）、保安機器、車両用ヘッドユニット（Ｈｅａｄ Ｕｎｉｔ）、産業用または家庭用ロボット、ドローン（Ｄｒｏｎｅ）、金融機関のＡＴＭ、商店のＰＯＳ（Ｐｏｉｎｔ Ｏｆ Ｓａｌｅｓ）、及び／または事物インターネット装置（電球、各種センサ、スプリングクラー装置、火災報知機、温度調節機、街灯、トースタ、運動器具、温水タンク、ヒータ、ボイラーなど）を含んでもよい。また、電子装置は、家具、建物／構造物または自動車の一部、電子ボード（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂｏａｒｄ）、電子サイン受信装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）、プロジェクタ、及び／または各種計測機器（水道、電気、ガス、または電波計測機器など）を含んでもよい。電子装置は、フレキシブルであるか、または前述した多様な装置のうち、２以上を組み合わせたものでもある。ユーザという用語は、電子装置を使用する者、または電子装置を使用する装置（人工知能電子装置など）を指称する。電子装置の代表例として、光学装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ）（カメラなど）が含まれ、下記説明は、レンズアセンブリーが光学装置に搭載される実施例を前提として記載する。

実施例を説明するに当たって、一部数値などが提示されるが、このような数値は、請求範囲に記載されていない限り、権利範囲を限定しない。

図１は、一実施例によるメタレンズを含むレンズアセンブリー及びイメージセンサの断面図であり、図２は、図１に図示されたメタレンズによって同一位相遅延プロファイルを有する３個波長の光を例示的に示す図面であり、図３は、非球面レンズを説明するための図面であり、図４Ａないし図４Ｄは、図１のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。

図１を参照すれば、レンズアセンブリー１１００は、プラスティック、ガラスなどからなる屈折レンズと誘電体ナノ構造物などからなるメタレンズとを含み、例えば、光軸（Ｏ−Ｉ）方向（図１の被写体側（Ｏ）から像側（Ｉ）に向かう方向）に順次に配列された複数のレンズ１１１０、１１２０、１１３０、１１４０、１１５０、１１６０、１１７０を含んでもよい。

イメージセンサ１２００は、回路基板（図示せず）などに装着されてレンズアセンブリー１１００の光軸（Ｏ−Ｉ）に整列された状態に配置されるセンサであって、光に反応しうる。イメージセンサ１２００は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ、Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）または電荷結合素子（ＣＣＤ、Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）のようなセンサでもあり、被写体イメージを電気的な映像信号に変換することができる。イメージセンサ１２００は、複数のレンズ１１１０、１１２０、１１３０、１１４０、１１５０、１１６０、１１７０を通過した光から被写体についての明暗情報、階調比情報、色相情報などを検出して被写体イメージを獲得することができる。

レンズアセンブリー１１００は、被写体（または外部客体）側（Ｏ、Ｏｂｊｅｃｔ Ｓｉｄｅ）から像側（Ｉ、Ｉｍａｇｅ Ｓｉｄｅ）に光軸（Ｏ−Ｉ）を有することができる。各レンズの構成を説明するに当たって、被写体側（Ｏ）は、被写体がある方向を示し、像側（Ｉ）は、像（Ｉｍａｇｅ）が結像されるイメージセンサ１２００の結像面１２００ａがある方向を示す。また、レンズの被写体側（Ｏ）に向かう面は、光軸（Ｏ−Ｉ）を基準に被写体がある側の面であって、図面上レンズの左側表面（または、前面）を意味し、像側（Ｉ）に向かう面は、光軸（Ｏ−Ｉ）を基準として結像面１２００ａ側の面に図面上レンズの右側表面（または背面）を示すことができる。ここで、結像面１２００ａ（Ｉｍａｇｉｎｇ Ｐｌａｎｅ）は、撮像素子または、イメージセンサ１２００が配置されて像が結像される部分でもある。

レンズを説明するに当たって、各レンズの光軸（Ｏ−Ｉ）に近い部分を中心部（Ｃｈｉｅｆ Ｐｏｒｔｉｏｎ）と称し、光軸（Ｏ−Ｉ）と遠い部分（または、レンズの縁部）を周辺部（Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｏｒｔｉｏｎ）とも称する。中心部（Ｃｈｉｅｆ Ｐｏｒｔｉｏｎ）は、第１レンズ１１１０において光軸（Ｏ−Ｉ）と交差する部分でもあり、周辺部（Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｏｒｔｉｏｎ）は、第１レンズ１１１０で光軸から所定距離離隔された部分、例えば、レンズの光軸（Ｏ−Ｉ）から最も遠く離れたレンズの端部（Ｅｎｄ Ｐｏｒｔｉｏｎ）を含んでもよい。

第１レンズ１１１０、第２レンズ１１２０、第４レンズ１１４０、及び第５レンズ１１５０は、正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の屈折力を有し、第３レンズ１１３０、第６レンズ１１６０及び第７レンズ１１７０は、負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）の屈折力を有することができる。正の屈折力を有するレンズは、正の焦点距離を有する凸レンズの原理に基づいたレンズであって、光軸（Ｏ−Ｉ）と平行に入射する光を通過させて集光することができる。一方、負の屈折力を有するレンズは、凹レンズの原理に基づいたレンズであって、平行に入射する光を通過させて分散させうる。

第１レンズ１１１０は、被写体側（Ｏ）に向かう面が凸状に形成され、第１レンズ１１１０の像側（Ｉ）に向かう面は、凹状に形成されうる。像側（Ｉ）に向かう面が凹状に形成されるメニスカス（Ｍｅｎｉｓｃｕｓ）レンズは、レンズの周辺部（Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｏｒｔｉｏｎ）を通過した光が鮮明な像を結ばなくなる現象であるコマ収差及び非点収差を改善することができる。第１レンズ１１１０は、後述する第２及び第３レンズ１１２０、１１３０よりも被写体側（Ｏ）に向かう面の有効半径が大きな大径レンズでもある。焦点距離が短い大径の第１レンズ１１１０は、光学装置及び／または電子装置が要求する空間的制約を満足させることができ、強い正の屈折力も提供することで、レンズアセンブリーが短い全長を有する。第１レンズ１１１０は、それを通じて周辺部（Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｏｒｔｉｏｎ）を通過した光線によって結像（Ｉｍａｇｉｎｇ）されるイメージや動画の解像度を増加させ、光の移動経路を縮小させうる。

第２レンズ１１２０は、被写体側（Ｏ）面にメタレンズ１１２０ａが結合されたレンズでもある。メタレンズ１１２０ａは、入射する光の波長の位相、偏光、及び／または振幅を変調するナノ構造物を含んでもよい。ナノ構造物は、メタレンズ１１２０ａを透過した光の波面を入射する光の波面と異なって変化させうる。このようなナノ構造物を用いて第１レンズ１１１０など屈折レンズで発生する幾何収差、色収差などの光学収差を補正可能なようにメタレンズ１１２０ａを設計することができる。

メタレンズ１１２０ａは、正の屈折力を有し、通過する互いに異なる波長の光に対して同一位相遅延プロファイルを提供することができる。図２は、第１波長（５８８ｎｍ）の光、第２波長（４８６ｎｍ）及び第３波長（６５６ｎｍ）の光が同一位相遅延プロファイルを有する例を示す。第１ないし第３波長光は、同一位相遅延プロファイルを有するので、位相遅延プロファイルの間隔は、互いに異なる位置（Ｒ）でも一定に保持される

それぞれ異なる波長が同一位相遅延プロファイルを有する場合、波長と焦点距離は、反比例関係になり、メタレンズ１１２０ａは、音の色収差を有することができる。メタレンズ１１２０ａによる焦点距離と波長との関係は、下記数式１のようである。

ｆ_Ｍｎ（ｎは、自然数）は、波長がλ_ｎ（ｎは、自然数）である光に対するメタレンズ１１２０ａの焦点距離である。

第１レンズ１１１０は、強い正の屈折力を提供する代わりに、正の色収差を発生させる。この色収差では、短波長光に比べて長波長光の焦点距離が長くなる。しかし、メタレンズ１１２０ａは、負の色収差を有するので、第１レンズ１１１０によって発生した色収差の一部または全部を補正することができる。一般に、色収差を補正するために、フリント（Ｆｌｉｎｔ）レンズのように負の屈折力を有するレンズが使用されるが、これによる屈折力損失及びレンズアセンブリーの厚さ増加問題がメタレンズ１１２０ａを適用することで改善されうる。第２レンズ１１２０の像側（Ｉ）に向かう面は、中心部が膨らんでいるレンズで構成されうる。

メタレンズ１１２０ａを設計するとき、下記数式２及び数式３が参照される。数式３で互いに異なる波長について同一位相遅延プロファイルを提供するメタレンズのアッベ数（Ａｂｂｅ Ｎｕｍｂｅｒ）は、−３．３〜−３．５の値を有し、数式３は、メタレンズ１１２０ａのアッベ数が−３．４５である例を示す。

第３レンズ１１３０の像側（Ｉ）に向かう面と、第４レンズ１１４０の被写体側（Ｏ）に向かう面は、凹状に形成されうる。言い換えれば、第２レンズ１１２０の後方に互いに凹面に対面している２枚のレンズ１１３０、１１４０が配置されうる。第３レンズ１１３０は、負の屈折力を提供することで、大径で構成された第１レンズ１１１０による球面収差を補償することができる。

第５レンズ１１５０及び第６レンズ１１６０の被写体側（Ｏ）に向かう面は、凹状になり、像側（Ｉ）に向かう面は、凸状にもなる。第６レンズ１１６０は、適切な負の屈折力を提供し、レンズの周辺部（Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｏｒｔｉｏｎ）を通過する光線を結像面１２００ａに良好に結像させうる。また、第６レンズ１１６０が有する負の屈折力は、他のレンズによって発生する色収差（Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）及び像面湾曲収差（Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ）を補正することができる。第６レンズ１１６０の被写体側（Ｏ）に向かう面及び／または像側（Ｉ）に向かう面は、非球面（Ａｓｐｈｅｒｉｃ）でもあり、このような非球面（Ａｓｐｈｅｒｉｃ）は、光線がレンズの周辺部（Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｏｒｔｉｏｎ）を通過するとき、歪曲される現象を緩和させうる。

第６レンズ１１６０の面のみならず、第１レンズ１１１０ないし第５レンズ１１５０の面のうち、１つ、または複数の面も非球面（Ａｓｐｈｅｒｉｃ）に形成されうる。第１レンズ１１１０が発生させる球面収差は、第１レンズ１１１０ないし第６レンズ１１６０の面のうち、１つまたは複数の面に具現される非球面（Ａｓｐｈｅｒｉｃ）が補正されうる。

第７レンズ１１７０は、光学フィルタでもあり、光学装置のフィルムやイメージセンサで検出される光、例えば、赤外線（ＩＲ）を遮断することができる。光学フィルタは、低域通過フィルタ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）及び／またはカバーガラスを含み、可視光線は透過するが、赤外線は遮断し、赤外線がイメージセンサの結像面１２００ａに伝達されることを防止することができる。他の例として、光学フィルタは、入射する光の一部の波長のみを選択的に透過してイメージセンサ１２００を通じて検出、撮影されるイメージなどの色感を所望の色感に近接可能にさせうる。

レンズ１１１０、１１２０、１１３０、１１４０、１１５０、１１６０、１１７０の間隔は、レンズアセンブリー１１００に要求される光学特性（収差特性、広角特性及び／または輝度特性）によって多様に設計されうる。光学装置及び／または電子装置を小型化しようとする場合、レンズ間の間隔を縮めてレンズアセンブリー１１００の全長（光軸方向にレンズアセンブリーの全長）を縮めることが有利である。但し、適切な望遠比を保持しつつ、レンズアセンブリー１１００の全長を減らすことは、物理的限界にもなる。

レンズアセンブリー１１００は、絞り（図示せず）をさらに含んでもよい。絞りは、多様な位置に配置され、複数個が備えられてもよい。例えば、絞りは、第１レンズ１１１０の像側（Ｉ）に向かう面の前に配置され、イメージセンサ１２００の結像面１２００ａに到逹する光の量を調節することができる。

第１レンズ１１１０ないし第７レンズ１１７０のうち、１つまたは複数のレンズは、変曲点（Ｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｉｎｔ）を有する面を含んでもよい。変曲点は、曲率半径の符号が（＋）から（−）に変わるか、（−）から（＋）に変わる点でもある。例えば、変曲点は、レンズの形状が凸状（Ｃｏｎｖｅｘ）から凹状（Ｃｏｎｃａｖｅ）に変わるか、凹状から凸状に変わる点を示す。曲率半径（Ｒａｄｉｕｓ Ｏｆ Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）は、曲面や曲線に位置した各点での湾曲の程度を表示する値を示す。曲率半径の符号は、被写体側（Ｏ）に向かって凸状の場合と、像側（Ｉ）に向かって凹状の場合に（＋）、被写体側（Ｏ）に向かって凹状の場合と像側（Ｉ）に向かって凸状の場合に（−）と定義することができる。

レンズアセンブリー１１００は、次の数式４ないし数式７を満足させる光学特性を有することができる。

Ｆ１は、５８８ｎｍ波長光に対する第１レンズ１１１０の焦点距離であり、Ｆ０は、５８８ｎｍ波長光に対するレンズアセンブリー１１００の合成焦点距離である。

ＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｒａｃｋ Ｌｅｎｇｔｈ）は、レンズアセンブリー１１００の全長（第１レンズ１１１０の被写体側（Ｏ）面から結像面１２００ａまでの距離）である。Ｆ０は、６．５ｍｍ〜７．５ｍｍの値を有する。

ＤＬ１は、第１レンズ１１１０の被写体側（Ｏ）に向かう面の有効半径であり、１．８６ｍｍより大きく、１．９２ｍｍより小さくもある。ＤＬ２は、第２レンズ１１２０の被写体側（Ｏ）に向かう面、すなわち、メタレンズ１１２０ａの被写体側（Ｏ）に向かう面の有効半径であり、１．７８ｍｍより大きく、１．８４ｍｍより小さくもある。第１レンズ１１１０は、第２レンズ１１２０に比べて、被写体側（Ｏ）面の有効半径が大きくもある。有効半径は、イメージセンサ１２００に入射する光が通るレンズの領域において、光軸から最も遠く離れた部分と光軸との最短距離でもある。

ＩＳＳ（Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｉｚｅ）は、イメージセンサの対角線長である。

下記表１は、レンズアセンブリー１１００の各種レンズデータを記載したものであって、各レンズの右側に記載された「（Ｏ）」は、レンズの被写体側に向かう面、「（Ｉ）」は、像側に向かう面を意味する。Ｒａｄｉｕｓは、各レンズ表面の曲率半径を、「（Ｏ）」行に記載されたＴｈｉｃｋｎｅｓｓは、レンズの厚さ、「（Ｉ）」行に記載されたＴｈｉｃｋｎｅｓｓは、レンズ間、またはレンズとイメージセンサとの間隔を、ＥＦＬ（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｆｏｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ）は、レンズの焦点距離を、ｎｄは、レンズの屈折率、ｖｄは、レンズのアッベ数（Ａｂｂｅ Ｎｕｍｂｅｒ）を意味する。下記表１に提示されたレンズアセンブリー１１００は、全長（ＴＴＬ）が７．２ｍｍ、有効焦点距離（Ｆ０）が７．０ｍｍ、メタレンズ１１２０ａの焦点距離が５２．７ｍｍ、イメージセンサ１２００の対角線長（ＩＳＳ）が１２ｍｍである例を示し、上述した数式４ないし数式７の条件のうち、１つまたは複数個を満足することができる。

下記表２ないし表３は、複数のレンズ１１１０、１１２０、１１３０、１１４０、１１５０、１１６０、１１７０の非球面係数を記載したものであって、非球面係数は、次の数式８を通じて算出されうる。

図３を参照すれば、数式８の「ｘ」は、レンズの頂点（ｐ）からレンズ面の一点までの光軸（Ｏ−Ｉ）方向の距離を示し、「ｙ」は、レンズ面の一点から光軸に垂直である方向に光軸までの距離を示すことができる。数式８の「ｃ」は、レンズの基本曲率を、「Ｋ」は、コニック（Ｃｏｎｉｃ）定数を、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」、「Ｅ」、「Ｆ」、「Ｇ」は、非球面係数をそれぞれ意味する。

図４Ａは、図１のレンズアセンブリー１１００の球面収差（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を示すグラフである。球面収差は、レンズの互いに異なる部分、例えば、中心部（Ｃｈｉｅｆ Ｐｏｒｔｉｏｎ）と周辺部（Ｍａｒｇｉｎａｌ Ｐｏｒｔｉｏｎ）を通過する光が焦点を結ぶ位置が異なる程度を示す。

図４Ａにおいて、横軸は、縦方向球面収差（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）の程度を示し、縦軸は、光軸の中心からの距離を規格化（Ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）して示したものであって、光波長による縦方向球面収差の変化が図示されうる。図４Ａは、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍである光に対する球面収差を示す。レンズアセンブリー１１００の縦方向球面収差は、−０．５０ｍｍ〜＋０．５０ｍｍ、−０．３０ｍｍ〜＋０．４０ｍｍ、または、−０．１０ｍｍ〜＋０．３５ｍｍでもある。図４Ａによれば、縦方向球面収差が−０．１０ｍｍ〜＋０．３５ｍｍに制限され、安定した光学特性を示すことを確認することができる。

図４Ｂは、図１のレンズアセンブリー１１００の非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）を示すグラフである。非点収差は、レンズの子午像面（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ＰｌａｎｅまたはＭｅｒｉｄｉａｎ Ｐｌａｎｅ）と球欠像面（Ｓａｇｉｔｔａｌ Ｐｌａｎｅ）が互いに異なる半径を有するとき、垂直線方向と水平線方向を通過する光の焦点が互いにずれる程度を示す。

図４Ｂにおいて、横軸は、非点収差の程度を示し、縦軸は、光の入射角度を示したものであって、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの光に対する非点収差の変化を示す。実線は、タンジェンシャル（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）方向の非点収差を示し、点線は、矢状（Ｓａｇｇｉｔａｌ）方向の非点収差を意味する。図４Ｂを通じて確認可能なように、レンズアセンブリー１１００の非点収差は、−０．５０ｍｍ〜＋０．５０ｍｍ、さらに具体的には、−０．３０ｍｍ〜＋０．４０ｍｍに制限され、安定した光学特性を示すことを確認することができる。

図４Ｃは、図１のレンズアセンブリー１１００の歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を示すグラフである。歪曲収差は、光軸（Ｏ−Ｉ）から距離によって光学倍率が異なって発生するものであって、理論的な結像面に結ばれる像に比べて、実際結像面１２００ａに結ばれる像が大きく、または小さく見える程度を示す。

図４Ｃにおいて、横軸は、歪曲収差の程度を示し、縦軸は、光の入射角度を示したものであって、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍ波長の光に対する歪曲収差を示し、歪曲率が５％未満または４．２％未満でもあり、図４Ｃを参照すれば、４．２％未満であって、レンズアセンブリー１１００が良好な光学特性を示すことを確認することができる。

図４Ｄは、図１のレンズアセンブリー１１００のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示すグラフである。ＭＴＦは、レンズの解像力、すなわち、一点で出発した光線がレンズを通過して他の一地点に如何に小さく集まるのかを測定する指標に活用されうる。図４Ｄの横軸は、「ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ」を示し、例えば、１２０ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍとは、１ｍｍ内に１２０個の黒帯、１２０個の白帯が交差されているパターンを意味する。図４Ｄの縦軸は、ＭＴＦを示し、ＭＴＦが０．５以上であるとき、黒帯と白帯との区別が可能な解像力を有すると見られる。レンズアセンブリー１１００は、タンジェンシャル（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）方向のパターンの正規入射（０．０ Ｆｉｅｌｄ）光に対して、１２０ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍで０．５以上、具体的には、０．７以上のＭＴＦを示すことが分かる。

図１のレンズアセンブリー１１００は、１枚のメタレンズを含む構成を例示するが、レンズアセンブリーは、２枚以上のメタレンズを含んでもよい。また、図１は、メタレンズが第２レンズ１１２０の被写体面側に配置されたことを例示するが、屈折レンズと結合せず、メタレンズが独立して配置されるか、その位置が変更されてもよい。例えば、メタレンズは、第１レンズ１１１０または第２レンズ１１２０の上面側に配置されてもよい。

図５は、他の実施例によるメタレンズを含むレンズアセンブリーの断面図であり、図６Ａないし図６Ｄは、図５のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。図５のレンズアセンブリーを説明するに当たって、前記実施例と重複する内容は、省略する。

図５を参照すれば、レンズアセンブリー１３００は、複数のレンズとイメージセンサ１２００を含んでもよい。例えば、光軸（Ｏ−Ｉ）方向に順次に配列された第１レンズないし第７レンズ１３１０、１３２０、１３３０、１３４０、１３５０、１３６０、１３７０を含んでもよい。図１のレンズアセンブリー１１００と比較すれば、レンズアセンブリー１３００は、２枚のメタレンズ、すなわち、第１メタレンズ１３２０ａ及び第２メタレンズ１３７０ａを含む。第１メタレンズ１３２０ａは、図１のメタレンズ１１２０ａと構造、配置、及び機能において類似している。第２メタレンズ１３７０ａは、イメージセンサ１２００の結像面１２００ａに入射する光が光軸（Ｏ−Ｉ）に対して小さな傾度を有するようにし、また横方向（光軸と直交する方向）色収差を補正するように設計されうる。第２メタレンズ１３７０ａを介してイメージセンサ１２００周辺部の光量が確保されて低い照度でも良好な輝度の被写体イメージが獲得されうる。

下記表４は、図５のレンズアセンブリー１３００の各種レンズデータを示す。表５ないし表６は、複数のレンズの非球面係数をそれぞれ記載したものである。レンズアセンブリー１３００は、全長（ＴＴＬ）が７．２ｍｍ、有効焦点距離が７．０ｍｍ、第１メタレンズ１３２０ａの焦点距離が５２．７ｍｍ、イメージセンサ対角線長（ＩＳＳ）は、１２ｍｍである例を示す。

図６Ａは、図５のレンズアセンブリー１３００の球面収差（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を示すグラフであり、図６Ｂは、レンズアセンブリー１３００の非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）を示すグラフであり、図６Ｃは、レンズアセンブリー１３００の歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を示すグラフであり、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍ波長の光から得られた結果である。図６Ｄは、レンズアセンブリー１３００のＭＴＦを示す図面である。

図６Ａを参照すれば、レンズアセンブリー１３００の縦方向球面収差は、−０．５０ｍｍ〜＋０．５０ｍｍ、−０．３０ｍｍ〜＋０．４０ｍｍ、または、−０．１０ｍｍ〜＋０．３ｍｍでもある。図６Ａによれば、縦方向球面収差が−０．０５ｍｍ〜＋０．２５ｍｍに制限されて安定した光学特性を示すことを確認することができる。

図６Ｂを参照すれば、レンズアセンブリー１３００の非点収差は、−０．５０ｍｍ〜＋０．５０ｍｍ、−０．３０ｍｍ〜＋０．４０ｍｍ、または、−０．２０ｍｍ〜＋０．３０ｍｍでもある。図６Ｂによれば、縦方向球面収差が−０．１５ｍｍ〜＋０．２５ｍｍに制限されて安定した光学特性を示すことを確認することができる。

図６Ｃを参照すれば、レンズアセンブリー１３００の歪曲率は、５％未満でもあり、図６Ｃを参照すれば、５％未満であって、レンズアセンブリー１３００が良好な光学特性を示すことを確認することができる。

図６Ｄを参照すれば、レンズアセンブリー１３００は、タンジェンシャル（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）方向のパターンの正規入射（０．０ Ｆｉｅｌｄ）光に対して１２０ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍで０．５以上、具体的には、０．７以上のＭＴＦを示す。図６Ｄを参照すれば、ＭＴＦが０．７以上であって、レンズアセンブリー１３００が良好な光学特性を示すことを確認することができる。

図７は、さらに他の実施例によるメタレンズを含むレンズアセンブリーの断面図であり、図８Ａないし図８Ｄは、図７のレンズアセンブリーの光学的特性を示す図面である。図７のレンズアセンブリーを説明するに当たって、前記実施例と重複する内容は省略する。

図７を参照すれば、レンズアセンブリー１５００は、複数のレンズを含んでもよい。例えば、レンズアセンブリー１５００は、光軸（Ｏ−Ｉ）方向に順次に配列された第１レンズないし第８レンズ１５１０、１５２０、１５３０、１５４０、１５５０、１５６０、１５７０、１５８０を含んでもよい。図５のレンズアセンブリー１３００と比較すれば、レンズアセンブリー１５００は、第６レンズ１５６０をさらに含む構成でもある。

下記表７は、図７のレンズアセンブリー１５００の各種レンズデータを示す。表８及び表９は、複数のレンズの非球面係数をそれぞれ記載したものである。レンズアセンブリー１５００は、全長（ＴＴＬ）が７．２ｍｍ、有効焦点距離が７．０ｍｍ、第１メタレンズ１５２０ａの焦点距離が９０ｍｍ、イメージセンサ対角線長（ＩＳＳ）が１２ｍｍである例を示す。

図８Ａは、図７のレンズアセンブリー１５００の球面収差（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を示すグラフであり、図８Ｂは、レンズアセンブリー１５００の非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）を示すグラフであり、図８Ｃは、レンズアセンブリー１５００の歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を示すグラフであり、４８６ｎｍ、５８８ｎｍ、６５６ｎｍの波長から得られた結果である。図８Ｄは、レンズアセンブリー１５００のＭＴＦを示す図面である。

図８Ａを参照すれば、レンズアセンブリー１５００の縦方向球面収差は、−０．５０ｍｍ〜＋０．５０ｍｍ、−０．３０ｍｍ〜＋０．４０ｍｍ、または−０．１０ｍｍ〜＋０．３５ｍｍでもある。図８Ａによれば、縦方向球面収差が−０．０５ｍｍ〜＋０．３５ｍｍに制限されて安定した光学特性を示すことを確認することができる。

図８Ｂを参照すれば、レンズアセンブリー１５００の非点収差は、−０．５０ｍｍ〜＋０．５０ｍｍ、−０．３０ｍｍ〜＋０．４０ｍｍ、または−０．２０ｍｍ〜＋０．３５ｍｍでもある。図８Ｂによれば、縦方向球面収差が−０．１５ｍｍ〜＋０．３５ｍｍに制限されて安定した光学特性を示すことを確認することができる。

図８Ｃを参照すれば、レンズアセンブリー１５００の歪曲率は、８％未満または６％未満でもあり、図８Ｃを参照すれば、６％未満であって、レンズアセンブリー１５００が良好な光学特性を示すことを確認することができる。

図８Ｄを参照すれば、レンズアセンブリー１５００は、タンジェンシャル（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）方向のパターンの正規入射（０．０ Ｆｉｅｌｄ）光に対して１２０ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍで０．５以上、具体的には、０．７以上のＭＴＦを示す。図８Ｄを参照すれば、ＭＴＦが０．７以上であって、レンズアセンブリー１５００が良好な光学特性を示すことを確認することができる。

以下、図９ないし図２０に基づいて、互いに異なる波長について同一位相遅延プロファイルを提供するメタレンズの構造及び設計方法について説明する。図１、図５、及び図７のメタレンズ１１２０ａ、１３２０ａ、１３７０ａ、１５２０ａ、１５８０ａは、後述する方式によって設計されうる。

図９は、一実施例によるメタレンズの概略的な構造を示す平面図である。図１０は、図９のメタレンズで具現しようとする位相遅延プロファイルをＸ−Ｘ’線に沿って示す図面であり、図１１は、図９のメタレンズをＸ−Ｘ’線に沿って切り取った垂直断面図である。

図９は、同心円状に配列された３個のフレネルゾーンｒ_１，ｒ_２，ｒ_３を有するナノ構造物アレイ３００を含むメタレンズ１００を例示的に図示する。フレネルゾーンの数、ナノ構造物の数、ナノ構造物の配置は、メタレンズの大きさ、具現しようとする屈折力及び位相遅延プロファイルによって異なりうる。

図１０は、図９のＸ−Ｘ’線に沿って図示したメタレンズ１００の位相アンラッピング（Ｐｈａｓｅ Ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）されたプロファイルを示す。位相アンラッピングは、位相遅延量から２πの整数倍を減じて０〜２π間の相対位相遅延に該当する位相成分を残すことを意味する。ナノ構造物の高さ、幅などを調節して具現することができる位相遅延には限界があるので、位相アンラッピングを通じてフレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）レンズと類似した原理で０〜２πの相対位相遅延を具現する構造を繰り返して配置する方法で同心円状のフレネルゾーンｒ_１，ｒ_２，ｒ_３を形成することができる。

図９のメタレンズ１００は、凸レンズとして機能するように、レンズの中心から外周方向（Ｒ方向）に減少する位相遅延プロファイルを有し、作動波長帯域の入射光に対して同一位相遅延プロファイルを提供することができる。すなわち、メタレンズ１００に入射する光と出射する光の位相差を示す位相遅延プロファイルが多様な波長に対して同一でもあり、例えば、メタレンズ１００を通過した第１波長（５８８ｎｍ）光、第２波長（４８６ｎｍ）及び第３波長（６５６ｎｍ）光の位相遅延プロファイルが同一でもある。したがって、第１波長（５８８ｎｍ）光の位相遅延量がＲ方向に沿って２πほど変化するとき、第２波長（４８６ｎｍ）及び第３波長（６５６ｎｍ）光も２πほどの位相遅延変化を示すので、メタレンズの設計が容易になり、性能が改善されうる。位相遅延の変化が同一であるということは、完全に同一であることを意味するものではなく、作動波長帯域で波長による位相遅延の変化量の差が１０％誤差内に入るという意味である。図９のメタレンズ１００が設計された機能を発揮することができる作動波長帯域は、可視光帯域でもある。

図１１は、図９のＸ−Ｘ’線に沿って切ったメタレンズ１００の垂直断面図である。図１１は、メタレンズ１００の中心からＲ方向に配列された３個のフレネルゾーンｒ_１，ｒ_２，ｒ_３に１９個のナノ構造物が配置された構造を例示的に示す。

図１２Ａは、図１１の第３フレネルゾーンｒ_３に配置されたナノ構造物のうち、第１ナノ構造物３１０の断面をさらに詳細に示す図面であり、図１２Ｂ及び図１２Ｃはそれぞれ図１２ＡのＹ１−Ｙ１’線及びＹ２−Ｙ２’線に沿って切った水平断面図である。

第１ナノ構造物３１０は、第１位相変換層３１１、第２位相変換層３１５及び支持層３７０を含んでもよい。第１位相変換層３１１は、第１ナノ構造物３１０に入射する光と反応して位相を変化させうる。このように位相変化された光が第２位相変換層３１５に入射することができ、第２位相変換層３１５は、光の位相をさらに変化させうる。結果として、入射光は、順次に第１位相変換層３１１及び第２位相変換層３１５と相互作用して、位相が変化された形態に出光されうる。図１１及び図１２Ａは、第１位相変換層３１１と第２位相変換層３１５とを支持する支持層３７０を示しているが、支持層３７０が存在しなくてもよい。

第１位相変換層３１１及び第２位相変換層３１５それぞれは、屈折率が互いに異なる物質が組合わされた形態でもある。図１１と図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃが示す実施例によれば、第１位相変換層３１１及び第２位相変換層３１５は、それぞれ１つの物質が異なる物質を取り囲んでいる形態でもある。例えば、第１位相変換層３１１及び第２位相変換層３１５は、それぞれ内部柱と、内部柱を取り囲む構造体を含んでもよい。具体的に、第１位相変換層３１１は、内部が空いている構造体の形態であって、すなわち、空気柱３１１ａを構造体が取り囲む形態でもある。それとは異なり、第２位相変換層３１５は、内部が満たされた構造体の形態であって、すなわち、柱状の内部物質を他の物質の構造体が取り囲む形態でもある。内部物質を取り囲む第１位相変換層３１１及び第２位相変換層３１５の構造体は同一物質でもあり、例えば、誘電体（ＳｉＯ_２など）、ガラス（Ｆｕｓｅｄ Ｓｉｌｉｃａ，ＢＫ７など）、Ｑｕａｒｔｚ，Ｐｏｌｙｍｅｒ（ＰＭＭＡ，ＳＵ−８など）、プラスティック、及び／または半導体物質からなりうる。内部柱の物質は、結晶質シリコン（Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ；ｃ−Ｓｉ）、多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）、非晶質シリコン（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉ）、Ｓｉ_３Ｎ_４，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＴｉＯｘ，ＡｌＳｂ，ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＢＰ、及び／またはＺｎＧｅＰ_２物質を含んでもよい。例えば、第２位相変換層３１５の内部柱は、ＴｉＯ_２からなりうる。

第１及び第２位相変換層３１１、３１５の断面形状、大きさ及び高さと第１及び第２内部柱３１１ａ、３１５ａの断面形状、大きさ及び高さは、選択された物質の特徴を考慮して適切に設計されうる。例えば、第１及び第２位相変換層３１１、３１５の断面は、全体として正方形、長方形、平行四辺形、正六角形などの形状を有することができる。例えば、図１２Ｂ及び図１２Ｃは、第１位相変換層３１１と第２位相変換層３１５が正方形である例を示す。第１及び第２位相変換層３１１、３１５の幅ｗ３１０は、入射光の波長より小さい。可視光の位相を変化させるように設計された第１及び第２位相変換層３１１、３１５の幅ｗ３１０は、４００ｎｍ、または３００ｎｍより小さくもあり、例えば、２５０ｎｍでもある。

第１及び第２内部柱３１１ａ、３１５ａの断面は、正方形、円形、長方形、中空円形、中空の方形などにもなり、図１２Ｂ及び図１２Ｃは、正方形である例を示す。第１及び第２内部柱３１１ａ、３１５ａは、内部での光共振を避けるために、高さｈ３１１、ｈ３１５が幅ｗ３１１ａ、ｗ３１５ａより２倍以上大きいことが望ましい。第１及び第２内部柱３１１ａ、３１５ａの高さｈ３１１、ｈ３１５は、物質の特性及び製造工程を考慮した反復的なシミュレーションを通じて最適化されうる。図１２Ａでは、同一に表示されたが、第１及び第２内部柱３１１ａ、３１５ａの高さは、第１及び第２位相変換層３１１、３１５の高さと異なりうる。例えば、第１及び第２内部柱３１１ａ、３１５ａの高さは、第１及び第２位相変換層３１１、３１５の高さより小さくもある。可視光と相互作用するように設計された第１位相変換層３１１及び第１内部柱３１１ａの高さｈ３１１は、例えば、３０００ｎｍ、第２位相変換層３１５、及び第２内部柱３１５ａの高さｈ３１５は、例えば、１５００ｎｍでもある。本例によれば、入射光と先に相互作用する第１位相変換層３１１の高さが第２位相変換層３１５の高さより大きくなる。第１及び第２位相変換層３１１、３１５の間、及び／または第１及び第２内部柱３１１ａ、３１５ａの間にスペーサ層がさらに含まれうる。図１２Ｄは、第１及び第２位相変換層３１１、３１５の間にスペーサ層３９０が含まれた例を図示する。

支持層３７０は、第１及び第２位相変換層３１１、３１５を支持し、誘電体（ＳｉＯ_２など）、ガラス（Ｆｕｓｅｄ Ｓｉｌｉｃａ，ＢＫ７など）、Ｑｕａｒｔｚ，Ｐｏｌｙｍｅｒ（ＰＭＭＡ，ＳＵ−８など）、プラスティック、及び／または半導体物質からなりうる。支持層３７０は、０．１〜１．０ｍｍの厚さを有することができる。

第１及び第２位相変換層３１１、３１５の第１及び第２内部柱３１１ａ、３１５ａを取り囲む構造体と支持層３７０は、同一物質、例えば、ＳｉＯ_２からなりうる。支持層３７０は、第１及び第２位相変換層３１１、３１５の構造体と異なる物質からなり、前述したように省略されうる。

図１３は、図１２Ａの第１ナノ構造物による相対位相遅延と内部柱の幅との関係を示す図面であり、これに基づいて入射光の互いに異なる波長に対して同一位相遅延プロファイルを提供するメタレンズを設計する方法について説明する。

まず、ナノ構造物の相対位相遅延の基準になる基準構造物を決定する。メタレンズの大きさ、ナノ構造物の物質、内部柱の形状などによって基準構造物の幅、断面形状などが異なり、基準構造物は、設計されたメタレンズでフレネルゾーンの中心部に位置すること、またはフレネルゾーン内に含まれるナノ構造物の平均位相遅延値を有することと決定しうる。図１３は、断面の幅ｗ３１１ａが１３０ｎｍである正方形の第１内部柱と断面の幅ｗ３１５ａが９８ｎｍである正方形の第２内部柱を有するナノ構造物を基準構造物にした。基準構造物は、ナノ構造物の相対的な位相遅延量を比べるためのものであり、設計済のメタレンズに含まれたナノ構造物のうちいずれか１つである必要がない、仮想の構造物でもある。基準構造物の設定は、フレネルゾーン中心部に位置するナノ構造物のスペックを決定するものであって、数回のシミュレーション過程を通じて最適化されうる。

基準構造物が設定された後、第１内部柱の幅ｗ３１１ａと、第２内部柱の幅ｗ３１５ａを変更しつつ、互いに異なる波長に対して基準構造物と同一位相遅延差を提供する組合わせを見出すことができる。このような過程の反復遂行を通じて図１３のように、基準構造物に比べて、位相遅延量が−πないしπ（Ｒａｄ．）であるナノ構造物の第１内部柱の幅ｗ３１１ａと、第２内部柱の幅ｗ３１５ａとのグラフが得られる。図１３を参照すれば、例えば、基準構造物に比べて位相遅延がπ／３Ｒａｄ．ほど小さいナノ構造物の第１内部柱の幅ｗ３１１ａは、１４７ｎｍであり、第２内部柱の幅ｗ３５１ａは、１０１ｎｍにもなる。言い換えれば、第１内部柱の幅ｗ３１１ａが１４７ｎｍであり、第２内部柱の幅ｗ３５１ａが１０１ｎｍであるナノ構造物を通過した第１波長（５８８ｎｍ）光、第２波長（４８６ｎｍ）光、及び第３波長（６５６ｎｍ）光は、基準構造物を通過した第１波長（５８８ｎｍ）光、第２波長（４８６ｎｍ）光、及び第３波長（６５６ｎｍ）光よりも位相遅延量がπ／３Ｒａｄ．ほど小さい。図１３のようなグラフが得られれば、所望の位相遅延プロファイルを具現するようにナノ構造物を配置してメタレンズを設計することができる。

図１４は、図１２Ａの第１ナノ構造物の広域位相整合性（η）を示す図面である。広域位相整合性が高いほど理想的な薄膜レンズ（Ｔｈｉｎ Ｌｅｎｓ）の透過位相と、設計されたメタレンズの透過位相の類似度が高いと言える。広域位相整合性は、下記数式９のように表現されうる。

図１４を参照すれば、図１３について説明した方式で設計されたメタレンズの広域位相整合性は、０．８以上でもあり、より具体的には、０．９以上でもある。

図１５は、図１１の第３フレネルゾーンｒ_３に配置されたナノ構造物をより詳細に図示する断面図であり、図１５を参照して隣接したナノ構造物の有効屈折率、分散及び内部柱幅の関係を説明する。有効屈折率ｎ_ｅｆｆ及び分散Ｄは、それぞれ下記数式１０、及び数式１１のように表現されうる。

図１５を参照すれば、第１ナノ構造物３１０、第２ナノ構造物３３０、及び第３ナノ構造物３５０がメタレンズの外周方向（Ｒ方向）に配列されている。図１０を参照すれば、第３フレネルゾーンｒ_３の位相遅延は、Ｒ方向に減少するプロファイルを有し、作動波長帯域の光に同一位相遅延プロファイルを提供するようにナノ構造物３１０、３３０、３５０が設計される。前記数式１０を参照すれば、位相遅延は、有効屈折率に比例するので、Ｒ方向にナノ構造物３１０、３３０、３５０の有効屈折率が減少するように設計され、このために第１内部柱３１１ａ、３３１ａ、３５１ａは、Ｒ方向に幅が増加する。第１内部柱３１１ａ、３３１ａ、３５１ａは、空気であり、第１内部柱３１１ａ、３３１ａ、３５１ａを取り囲む構造体の物質がＳｉＯ_２の場合を例として説明すれば、空気の屈折率がＳｉＯ_２の屈折率より小さいので、空気柱の幅が大きくなるほど、第１位相変換層３１１、３３１、３５１の有効屈折率は徐々に減少する。ほとんどの光学材料は有効屈折率が小さくなるほど分散の大きさが小さくなるので、第１位相変換層３１１、３３１、３５１の分散もＲ方向に減少する。しかし、有効屈折率の減少率と分散の減少率が異なるので、第１位相変換層３１１、３３１、３５１だけで他の波長の光に対して同一位相遅延プロファイルを提供し難い。このような有効屈折率変化と分散変化との差を、図１５の第２位相変換層３１５、３３５、３５５が補正することができる。

第２内部柱３１５ａ、３３５ａ、３５５ａは、Ｒ方向に幅が増加するように設計されうる。第２内部柱３１５ａ、３３５ａ、３５５ａがＴｉＯ_２であり、取り囲む構造体がＳｉＯ_２である場合を例として説明すれば、ＴｉＯ_２の屈折率がＳｉＯ_２の屈折率より高いので、第２位相変換層３１５、３３５、３５５の有効屈折率は、Ｒ方向に増加する。第２位相変換層３１５、３３５、３５５の有効屈折率増加量を、第１位相変換層３１１、３３１、３５１の有効屈折率減少量より小さくなるように設計して、ナノ構造物３１０、３３０、３５０の有効屈折率と位相遅延プロファイルとがＲ方向に減少するようにもしうる。同時に、第１位相変換層３１１、３３１、３５１の屈折率減少率に対する分散減少率の比よりも、第２内部柱３１５ａ、３３５ａ、３５５ａの屈折率増加率に対する分散増加率の比が、大きく設計されうる。言い換えれば、第１位相変換層３１１、３３１、３５１の分散がＲ方向に減少するときに、各波長での位相遅延が異なることを防止するために、第２位相変換層３１５、３３５、３５５の分散は、それを補正できるほどＲ方向に増加する。この際、第２位相変換層３１５、３３５、３５５の屈折率は、第１位相変換層３１１、３３１、３５１の屈折率減少分を全て相殺するほどに増加する必要はないので、第２位相変換層３１５、３３５、３５５の屈折率増加率に対する分散増加率の比が、第１位相変換層３１１、３３１、３５１の屈折率減少率に対する分散減少率の比よりも大きく設計される。

屈折率の大きい物質は、有効屈折率の変化率に比べて分散の変化率が大きい。第２内部柱３１５ａ、３３５ａ、３５５ａの物質として、第１内部柱３１１ａ、３３１ａ、３５１ａより屈折率が大きい物質が使用されうる。また、第１及び第２内部柱３１１ａ、３３１ａ、３５１ａ、３１５ａ、３３５ａ、３５５ａのうち、高さの低い内部柱が屈折率の大きな物質で構成されうる。第１位相変換層３１１、３３１、３５１と第２位相変換層３１５、３３５、３５５の有効屈折率、及び分散の関係は、下記数式１２ないし数式１４を満足することができる。

Ｎ１１は、第１ナノ構造物３１０の第１位相変換層３１１の有効屈折率、Ｎ１２は、第１ナノ構造物３１０の第２位相変換層３１５の有効屈折率、Ｎ２１は、第２ナノ構造物３３０の第１位相変換層３３１の有効屈折率、Ｎ２２は、第２ナノ構造物３３０の第２位相変換層３３５の有効屈折率、Ｄ１１は、第１ナノ構造物３１０の第１位相変換層３１１の分散、Ｄ１２は、第１ナノ構造物３１０の第２位相変換層３１５の分散、Ｄ２１は、第２ナノ構造物３３０の第１位相変換層３３１の分散、Ｄ２２は、第２ナノ構造物３３０の第２位相変換層３３５の分散である。

図１６Ａは、他の実施例による第１ナノ構造物の断面を示す図面であり、図１６Ｂ及び図１６Ｃは、図１６ＡのＹ３−Ｙ３’線、及びＹ４−Ｙ４’線に沿って切った水平断面図である。前記実施例と重複する説明は、省略する。

図１２Ａの第１ナノ構造物３１０と比較すれば、第１ナノ構造物４１０は、第１位相変換層４１１の高さｈ４１１が第２位相変換層４１５の高さｈ４１５より小さく、第２ナノ柱４１５ａは、断面が中空の方形であり、第２ナノ柱４１５ａの内部空間は、構造体によって満たされている。

図１６Ａの第１位相変換層４１１は、断面が正方形、高さｈ４１１が１４５０ｎｍ、第１内部柱４１１ａは、断面が正方形、物質は、ＴｉＯ_２であることを例として説明し、第２位相変換層４１５は、断面が正方形、高さｈ４１５は、２４８０ｎｍ、第２内部柱４１５ａは外周面及び内周面の断面が正方形であり、物質は、Ｓｉ_３Ｎ_４であることを例として説明する。内部柱４１１ａ、４１５ａの高さは、各位相変換層の高さと同一でもあり、第１及び第２位相変換層４１１、４１５の構造体は、ＳｉＯ_２でもある。

図１７は、図１６Ａの第１ナノ構造物４１０の幅ｗ４１０、第１内部柱４１１ａの幅ｗ４１１ａ、第２内部柱４１５ａの外周面の幅ｗ４１５ａ、及び第２内部柱４１５ａの内周面の幅ｗｉ４１５ａと第１ナノ構造物４１０による相対位相遅延量の関係を示す図面であり、図１８は、図１６Ａの第１ナノ構造物４１０による広域位相整合性を示す図面である。

図１７を参照すれば、図１６Ａの第１ナノ構造物の幅ｗ４１０及び第１内部柱４１１ａの幅ｗ４１１ａは、位相遅延が大きくなる方向に減少するプロファイルを示し、第２内部柱４１５ａの外周面の幅ｗ４１５ａは、位相遅延が大きくなる方向に増加するプロファイルを示し、内周面の幅ｗｉ４１５ａは、位相遅延が大きくなる方向に大体増加していて、位相遅延がπに近付くとく、小幅減少するプロファイルを示す。

図１８を参照すれば、図１６Ａのナノ構造物４１０は、０〜６０°に入射する入射光に対して０．８以上、より具体的には、０．９以上の広域位相整合性を示す。

図１９は、図１１の第３フレネルゾーンｒ_３にナノ構造物が配列された他の実施例を説明するための図面であり、図１０に図示されたように、Ｒ方向に減少する位相遅延プロファイルを有するように設計されたナノ構造物４１０、４３０、４５０の断面図である。

図１９を参照すれば、第１ナノ構造物４１０、第２ナノ構造物４３０、及び第３ナノ構造物４５０順にＲ方向に配列されており、互いに異なる波長の入射光に対して同一位相遅延プロファイルを提供するように設計されうる。

図１５の第２位相変換層３１５、３３５、３５５が第１位相変換層３１１、３３１、３５１の屈折率変化率と分散変化率との差を補正した方式と類似して、図１９の第１位相変換層４１１、４３１、４５１が第２位相変換層４１５、４３５、４５５の屈折率変化率と分散変化率との差を補正することができる。位相遅延プロファイルを具現するために、第２位相変換層４１５、４３５、４５５は、Ｒ方向に有効屈折率が減少するように設計され、第１位相変換層４１１、４３１、４５１は、有効屈折率が第２位相変換層４１５、４３５、４５５の有効屈折率減少率より小さい増加率でＲ方向に増加しつつ、第２位相変換層４１５、４３５、４５５の分散変化量を補正するように設計されうる。

図２０Ａないし図２０Ｃは、第１及び第２内部柱５１１ａ、５１５ａの断面が円形である実施例を例示するための図面である。図２０Ａは、第１内部柱５１１ａがＳｉＯ_２円柱であり、第２内部柱５１５ａがＴｉＯ_２円柱であるナノ構造物５１０の断面図であり、図２０Ｂは、図２０Ａの第１位相変換層５１１の水平断面図であり、図２０Ｃは、図２０Ａの第２位相変換層５１５の水平断面図である。

図２０Ａの実施例では、第１内部柱５１１ａと第２内部柱５１５ａの断面が同一形状（円形）であると例示しているが、第１内部柱５１１ａと第２内部柱５１５ａの断面は、異なる形状でもあり、例えば、第１内部柱５１１ａの断面は、円形であり、第２内部柱５１５ａの断面は、方形でもある。

図２１は、共通経路（Ｃｏｍｍｏｎ Ｐａｔｈ）方式の干渉計を図示し、これを参照して、位相遅延プロファイルを測定する方法について説明する。

図２１の干渉計６００は、レーザ光源６１０からの出射光を、レンズ６２０を用いてコリメーション（Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）させ、測定しようとするサンプル６３０、例えば、前記メタレンズを通過させた後、グレイティング６４０などでビームを複製して分ける。干渉計６００は、複製されたビームのうち、１つをピンホール６５０を通過させて平行波にし、分けられた２ビームを再び合わせてイメージセンサ６６０で測定すれば、干渉縞６７０が得られる。干渉縞６７０をフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）変換した後、適切にフィルタリング６８０し、逆フーリエ（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ）変換を行えば、位相遅延プロファイルを示す位相マップ６９０が得られる。位相遅延と有効屈折率との関係は、前記数式１０と同一であり、有効屈折率と分散の関係は、前記数式１１と同一なので、測定された位相遅延プロファイルから有効屈折率プロファイル及び分散が分かる。

前述したレンズアセンブリー１１００、１３００、１５００は、電子装置（光学装置など）に搭載されて使用されうる。電子装置は、イメージセンサ１２００以外にも、アプリケーションプロセッサ（ＡＰ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）をさらに含み、アプリケーションプロセッサ（ＡＰ）を通じて運用体制または応用プログラムを駆動してアプリケーションプロセッサ（ＡＰ）に連結された多数のハードウェアまたはソフトウェア構成要素を制御することができ、各種データ処理及び演算を遂行することができる。アプリケーションプロセッサ（ＡＰ）は、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及び／またはイメージ信号プロセッサ（Ｉｍａｇｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）をさらに含んでもよい。アプリケーションプロセッサ（ＡＰ）にイメージ信号プロセッサが含まれる場合、イメージセンサ１２００によって獲得されたイメージ（または映像）をアプリケーションプロセッサ（ＡＰ）を用いて保存及び／または出力することができる。

図２２は、ネットワーク環境２２００内の電子装置２２０１の一例を示すブロック図である。図２２を参照すれば、ネットワーク環境２２００で電子装置２２０１は、第１ネットワーク２２９８（近距離無線通信ネットワークなど）を通じて他の電子装置２２０２と通信するか、または、第２ネットワーク２２９９（遠距離無線通信ネットワークなど）を通じてさらに他の電子装置２２０４及び／またはサーバ２２０８と通信することができる。電子装置２２０１は、サーバ２２０８を通じて電子装置２２０４と通信することができる。電子装置２２０１は、プロセッサ２２２０、メモリ２２３０、入力装置２２５０、音響出力装置２２５５、表示装置２２６０、オーディオ装置２２７０、センサ２２７６、インターフェース２２７７、ハプティック装置２２７９、カメラ２２８０、電力管理装置２２８８、バッテリ２２８９、通信装置２２９０、加入者識別装置２２９６、及び／またはアンテナ装置２２９７を含んでもよい。電子装置２２０１には、それら構成要素のうち、一部（表示装置２２６０など）が省略されるか、他の構成要素が追加されうる。それら構成要素のうち、一部は、１つの統合された回路として具現されうる。例えば、センサ２２７６（指紋センサ、虹彩センサ、照度センサなど）は、表示装置２２６０（ディスプレイなど）にエンベデッドされて具現されうる。

プロセッサ２２２０は、ソフトウェア（プログラム２２４０など）を行ってプロセッサ２２２０に連結された電子装置２２０１のうち１つ、または複数個の他の構成要素（ハードウェア、ソフトウェア構成要素など）を制御することができ、多様なデータ処理または演算を行うことができる。データ処理または演算の一部として、プロセッサ２２２０は、他の構成要素（センサモジュール２２７６、通信モジュール２２９０など）から受信された命令及び／またはデータを揮発性メモリ２２３２にロードし、揮発性メモリ２２３２に保存された命令及び／またはデータを処理し、結果データを不揮発性メモリ２２３４に保存することができる。プロセッサ２２２０は、メインプロセッサ２２２１（中央処理装置、アプリケーションプロセッサなど）及びそれと独立して、または共に運用可能な補助プロセッサ２２２３（グラフィック処理装置、イメージシグナルプロセッサ、センサハブプロセッサ、コミュニケーションプロセッサなど）を含んでもよい。補助プロセッサ２２２３は、メインプロセッサ２２２１より電力を小さく使用し、特化された機能を遂行することができる。

補助プロセッサ２２２３は、メインプロセッサ２２２１がインアクティブ状態（スリープ状態）にある間、メインプロセッサ２２２１の代わりに、またはメインプロセッサ２２２１がアクティブ状態（アプリケーション実行状態）にある間、メインプロセッサ２２２１と共に、電子装置２２０１の構成要素のうち、一部構成要素（表示装置２２６０、センサモジュール２２７６、通信モジュール２２９０など）に係わる機能及び／または状態を制御することができる。補助プロセッサ２２２３（イメージシグナルプロセッサ、コミュニケーションプロセッサなど）は、機能的に関連した他の構成要素（カメラ２２８０、通信装置２２９０など）の一部としても具現される。

メモリ２２３０は、電子装置２２０１の構成要素（プロセッサ２２２０、センサモジュール２２７６など）が必要とする多様なデータを保存することができる。データは、例えば、ソフトウェア（プログラム２２４０など）、及びそれと係わる命令に対する入力データ及び／または出力データを含んでもよい。メモリ２２３０は、揮発性メモリ２２３２及び／または不揮発性メモリ２２３４を含んでもよい。

プログラム２２４０は、メモリ２２３０にソフトウェアとして保存され、運用体制２２４２、ミドルウェア２２４４及び／またはアプリケーション２２４６を含んでもよい。

入力装置２２５０は、電子装置２２０１の構成要素（プロセッサ２２２０など）に使用される命令及び／またはデータを電子装置２２０１の外部（ユーザなど）から受信可能である。入力装置２２５０は、マイク、マウス、キーボード、及び／またはデジタルペン（スタイラスペンなど）を含んでもよい。

音響出力装置２２５５は、音響信号を電子装置２２０１の外部に出力することができる。音響出力装置２２５５は、スピーカ及び／またはレシーバを含んでもよい。スピーカは、マルチメディア再生または録音再生のように一般的な用途として使用され、レシーバは、着信電話を受信するために使用されうる。レシーバは、スピーカの一部に結合されているか、または独立した別途の装置として具現されうる。

表示装置２２６０は、電子装置２２０１の外部に情報を視覚的に提供することができる。表示装置２２６０は、ディスプレイ、ホログラム装置、またはプロジェクタ及び当該装置を制御するための制御回路を含んでもよい。表示装置２２６０は、タッチを感知するように設定されたタッチ回路（Ｔｏｕｃｈ Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）、及び／またはタッチによって発生する力の強度を測定するように設定されたセンサ回路（圧力センサなど）を含んでもよい。

オーディオ装置２２７０は、音を電気信号に変換させるか、逆に電気信号を音に変換させうる。オーディオ装置２２７０は、入力装置２２５０を通じて音を獲得するか、音響出力装置２２５５、及び／または電子装置２２０１と直接または無線で連結された他の電子装置（電子装置２１０２など）のスピーカ及び／またはヘッドホーンを通じて音を出力することができる。

センサ２２７６は、電子装置２２０１の作動状態（電力、温度など）、または外部の環境状態（ユーザ状態など）を感知し、感知された状態に対応する電気信号及び／またはデータ値を生成することができる。センサ２２７６は、ジェスチャーセンサ、ジャイロセンサ、気圧センサ、マグネチックセンサ、加速度センサ、グリップセンサ、近接センサ、カラーセンサ、ＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ）センサ、生体センサ、温度センサ、湿度センサ、及び／または照度センサを含んでもよい。

インターフェース２２７７は、電子装置２２０１が他の電子装置（電子装置２１０２など）と直接または無線で連結されるために使用される１つ以上の指定されたプロトコルを支援することができる。インターフェース２２７７は、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ），ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）インターフェース、ＳＤカードインターフェース、及び／またはオーディオインターフェースを含んでもよい。

連結端子２２７８は、電子装置２２０１が他の電子装置（電子装置２１０２など）と物理的に連結されるコネクタを含んでもよい。連結端子２２７８は、ＨＤＭＩコネクタ、ＵＳＢコネクタ、ＳＤカードコネクタ、及び／またはオーディオコネクタ（ヘッドホーンコネクターなど）を含んでもよい。

ハプティック装置２２７９は、電気的信号を、ユーザが触覚または運動感覚を通じて認知可能な機械的な刺激（振動、動きなど）、または電気的な刺激に変換することができる。ハプティック装置２２７９は、モータ、圧電素子、及び／または電気刺激装置を含んでもよい。

カメラ２２８０は、静止映像及び動画を撮影することができる。カメラ２２８０は、１つ以上のレンズを含むレンズアセンブリー、イメージセンサ、イメージシグナルプロセッサ、及び／またはフラッシュを含んでもよい。カメラ２２８０に含まれたレンズアセンブリーは、イメージ撮影の対象である被写体から放出される光を収集することができ、図１、図５及び図７で説明したレンズアセンブリー１１００、１３００、１５００のうち、いずれか１つでもある。

電力管理装置２２８８は、電子装置２２０１に供給される電力を管理することができる。電力管理装置３８８は、ＰＭＩＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の一部として具現されうる。

バッテリ２２８９は、電子装置２２０１の構成要素に電力を供給することができる。バッテリ２２８９は、再充電不可能な１次電池、再充電可能な２次電池及び／または燃料電池を含んでもよい。

通信装置２２９０は、電子装置２２０１と、他の電子装置（電子装置２１０２、電子装置２１０４、サーバ２１０８など）との直接（有線）通信チャネル及び／または無線通信チャネルの樹立、及び樹立された通信チャネルを介した通信遂行を支援することができる。通信装置２２９０は、プロセッサ２２２０（アプリケーションプロセッサなど）と独立して運用され、直接通信及び／または無線通信を支援する１つ以上のコミュニケーションプロセッサを含んでもよい。通信装置２２９０は、無線通信装置２２９２（セルラー通信装置、近距離無線通信装置、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍなど）通信装置）及び／または有線通信装置２２９４（ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信装置、電力線通信装置など）を含んでもよい。それら通信装置のうち、該当する通信装置は、第１ネットワーク２２９８（ブルートゥース（登録商標）、ＷｉＦｉ ＤｉｒｅｃｔまたはＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄａｔａ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）のような近距離通信ネットワーク）、または第２ネットワーク２２９９（セルラーネットワーク、インターネット、またはコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、ＷＡＮなど）のような遠距離通信ネットワーク）を通じて他の電子装置と通信することができる。そのような複数種の通信装置は、１つの構成要素（単一チップなど）によって統合されるか、または互いに異なる複数の構成要素（複数チップ）によって具現されうる。無線通信装置２２９２は、加入者識別装置２２９６に保存された加入者情報（国際モバイル加入者識別子（ＩＭＳＩ）など）を用いて第１ネットワーク２２９８及び／または第２ネットワーク２２９９のような通信ネットワーク内で電子装置２２０１を確認及び認証することができる。

アンテナ装置２２９７は、信号及び／または電力を外部（他の電子装置など）に送信するか、外部から受信することができる。アンテナは、基板（ＰＣＢなど）上に形成された導電性パターンからなる放射体を含んでもよい。アンテナ装置２２９７は、１つまたは複数のアンテナを含んでもよい。複数のアンテナが含まれた場合、通信装置２２９０によって複数のアンテナのうち、第１ネットワーク２２９８及び／または第２ネットワーク２２９９のような通信ネットワークで使用される通信方式に適したアンテナが選択されうる。選択されたアンテナを通じて通信装置２２９０と他の電子装置との間に信号、及び／または電力が送信または受信される。アンテナ以外に他の部品（ＲＦＩＣなど）がアンテナ装置２２９７の一部として含まれうる。

構成要素の一部は、周辺機器間通信方式（バス、ＧＰＩＯ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｏｕｔｐｕｔ）， ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）， ＭＩＰＩ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）など）を通じて互いに連結され、信号（命令、データなど）を相互交換することができる。

命令またはデータは、第２ネットワーク２２９９に連結されたサーバ２１０８を通じて電子装置２２０１と外部の電子装置２２０４との間に送信または受信される。他の電子装置２２０２、２２０４は、電子装置２２０１と同一であるか、または他の種類の装置でもある。電子装置２２０１で実行される動作の全部または一部は、他の電子装置２２０２、２２０４、２２０８のうち、１つ以上の装置で実行されうる。例えば、電子装置２２０１がある機能やサービスを遂行せねばならないとき、機能またはサービスを自体的に実行させる代りに、１つ以上の他の電子装置にその機能またはそのサービスの一部または全部に対する遂行を要請することができる。要請を受信した１つ以上の他の電子装置は、要請に係わる追加機能またはサービスを行い、その実行の結果を、電子装置２２０１に伝達することができる。そのために、クラウドコンピュータ、分散コンピュータ、及び／またはクライアント−サーバコンピューティング技術が用いられる。

図２３は、図２２のカメラ２２８０を例示するブロック図である。図２３を参照すれば、カメラ２２８０は、レンズアセンブリー２３１０、フラッシュ２３２０、イメージセンサ２３３０（図１のイメージセンサ１２００など）、イメージスタビライザー２３４０、メモリ２３５０（バッファメモリなど）、及び／またはイメージシグナルプロセッサ２３６０を含んでもよい。レンズアセンブリー２３１０は、イメージ撮影の対象である被写体から放出される光を収集することができ、図１、図５及び図７で説明したレンズアセンブリー１１００、１３００、１５００のうち、いずれか１つでもある。カメラ２２８０は、複数のレンズアセンブリー２３１０を含むこともでき、このような場合、カメラ２２８０は、デュアルカメラ、３６０°カメラ、または球形カメラ（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｃａｍｅｒａ）にもなる。複数のレンズアセンブリー２３１０の一部は、同じレンズ属性（画角、焦点距離、自動焦点、Ｆナンバー（Ｆ Ｎｕｍｂｅｒ）、光学ズームなど）を有するか、または他のレンズ属性を有することができる。レンズアセンブリー２３１０は、広角レンズまたは望遠レンズを含んでもよい。

フラッシュ２３２０は、被写体から放出または反射される光を強化するために使用される光を放出することができる。フラッシュ２３２０は、１つ以上の発光ダイオード（ＲＧＢ（Ｒｅｄ−Ｇｒｅｅｎ−Ｂｌｕｅ） ＬＥＤ， Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ， Ｉｎｆｒａｒｅｄ ＬＥＤ， Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ＬＥＤなど）、及び／またはＸｅｎｏｎ Ｌａｍｐを含んでもよい。イメージセンサ２３３０は、図１、図５、及び図７で説明したイメージセンサ１２００でもあり、被写体から放出または反射されてレンズアセンブリー２３１０を通じて伝達された光を電気信号に変換することで、被写体に対応するイメージを獲得することができる。イメージセンサ２３３０は、ＲＧＢセンサ、ＢＷ（Ｂｌａｃｋ ａｎｄ Ｗｈｉｔｅ）センサ、ＩＲセンサ、またはＵＶセンサのように属性が異なるイメージセンサのうち、選択された１つまたは複数のセンサを含んでもよい。イメージセンサ２３３０に含まれたそれぞれのセンサは、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサ、及び／またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサによっても具現される。

イメージスタビライザー２３４０は、カメラ２２８０またはそれを含む電子装置２３０１の動きに反応して、レンズアセンブリー２３１０に含まれた１つまたは複数個のレンズまたはイメージセンサ２３３０を特定の方向に動くか、イメージセンサ２３３０の動作特性を制御（リードアウト（Ｒｅａｄ−Ｏｕｔ）タイミングの調整など）して動きによる否定的な影響を補償することができる。イメージスタビライザー２３４０は、カメラ２２８０の内部または外部に配置されたジャイロセンサ（図示せず）または加速度センサ（図示せず）を用いてカメラ２２８０または電子装置２３０１の動きを感知することができる。イメージスタビライザー２３４０は、光学式によって具現されうる。

メモリ２３５０は、イメージセンサ２３３０を通じて獲得されたイメージの一部または全体データが、次のイメージ処理作業のために保存することができる。例えば、複数のイメージが高速で獲得される場合、獲得された原本データ（Ｂａｙｅｒ−Ｐａｔｔｅｒｎｅｄデータ、高解像度データなど）は、メモリ２３５０に保存し、低解像度イメージのみをディスプレイした後、選択された（ユーザ選択など）イメージの原本データをイメージシグナルプロセッサ２３６０に伝達するのに使用されうる。メモリ２３５０は、電子装置２２０１のメモリ２２３０に統合されているか、または独立して運用される別途のメモリで構成されうる。

イメージシグナルプロセッサ２３６０は、イメージセンサ２３３０を通じて獲得されたイメージ、またはメモリ２３５０に保存されたイメージデータに対して１つ以上のイメージ処理を遂行することができる。１つ以上のイメージ処理は、デプスマップ（Ｄｅｐｔｈ Ｍａｐ）生成、３次元モデリング、パノラマ生成、特徴点抽出、イメージ合成、及び／またはイメージ補償（ノイズ減少、解像度調整、輝度調整、ブラーリング（Ｂｌｕｒｒｉｎｇ）、シャープニング（Ｓｈａｒｐｅｎｉｎｇ）、ソフトニング（Ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ）など）を含んでもよい。イメージシグナルプロセッサ２３６０は、カメラ２２８０に含まれた構成要素（イメージセンサ２３３０など）に対する制御（露出時間制御、またはリードアウトタイミング制御など）を行うことができる。イメージシグナルプロセッサ２３６０によって処理されたイメージは、追加処理のために、メモリ２３５０に再び保存されるか、カメラ２２８０の外部構成要素（メモリ２２３０、表示装置２２６０、電子装置２２０２、電子装置２２０４、サーバ２２０８など）に提供されうる。イメージシグナルプロセッサ２３６０は、プロセッサ２２２０に統合されるか、プロセッサ２２２０と独立して運用される別途のプロセッサで構成されうる。イメージシグナルプロセッサ２３６０がプロセッサ２２２０と別途のプロセッサで構成された場合、イメージシグナルプロセッサ２３６０によって処理されたイメージは、プロセッサ２２２０によって追加のイメージ処理を経た後、表示装置２２６０を通じて表示されうる。

電子装置２２０１は、それぞれ異なる属性または機能を有する複数のカメラ２２８０を含んでもよい。そのような場合、複数のカメラ２２８０のうち、１つは、広角カメラであり、他の１つは、望遠カメラでもある。同様に、複数のカメラ２２８０のうち、１つは、前面カメラであり、他の１つは、背面カメラでもある。

以上、本文書では、具体的な実施例について説明したが、本文書の要旨から外れない限度内で、様々な変形が可能であるということは、当該分野で通常の知識を有する者にとって自明なものである。例えば、実施例で開示した複数のレンズの寸法は、実際に作製されるレンズアセンブリーまたはそのようなレンズアセンブリーが搭載される電子装置の構造と要求仕様、実際使用環境などによって適切に設定されうる。

１１００ レンズアセンブリー
１１１０、１１２０、１１３０、１１４０、１１５０、１１６０、１１７０ レンズ
１２００ イメージセンサ
１２００ａ 結像面
Ｏ 被写体側
Ｉ 像側

Claims (15)

1. 被写体側から入射する入射光に対して正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の屈折力を有し、前記被写体側に向かう面が膨らんでいる第１レンズと、
   前記第１レンズを通過した前記入射光に対して負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）の色収差を有するメタレンズを含む第２レンズと、を含むレンズアセンブリー。
2. 前記メタレンズは、ナノ構造物アレイを含み、前記入射光に含まれた互いに異なる少なくとも２つの波長に対して同一位相遅延プロファイルを形成するように構成された、請求項１に記載のレンズアセンブリー。
3. 前記入射光は、可視光である、請求項１または２に記載のレンズアセンブリー。
4. 前記レンズアセンブリーは、総５枚以上のレンズを含む、請求項１〜３のいずれかに記載のレンズアセンブリー。
5. 前記メタレンズは、下記数式を満足する、請求項１〜４のいずれかに記載のレンズアセンブリー；
   

   

   
   （ｆ_Ｍ１は、前記入射光に含まれた第１波長（λ_１）光に対する前記メタレンズの焦点距離、ｆ_Ｍ２は、前記入射光に含まれた第２波長（λ_２）光に対する前記メタレンズの焦点距離、ｆ_Ｍ３は、前記入射光に含まれた第３波長（λ_３）光に対する前記メタレンズの焦点距離）。
6. 前記第２レンズは、前記メタレンズを通過した前記入射光に対して正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の屈折力を有し、前記被写体側に向かう面が前記メタレンズと接触する屈折レンズをさらに含む、請求項１〜５のいずれかに記載のレンズアセンブリー。
7. 前記レンズアセンブリーは、下記数式を満足する、請求項１〜６のいずれかに記載のレンズアセンブリー；
   

   

   
   （Ｆ１は、前記第１レンズの焦点距離、Ｆ０は、前記レンズアセンブリーの合成焦点距離）。
8. 前記レンズアセンブリーは、下記数式を満足する、請求項１〜７のいずれかに記載のレンズアセンブリー；
   

   

   
   （ＴＴＬは、前記レンズアセンブリーの全長（Ｔｏｔａｌ ＴｒａｃｋＬｅｎｇｔｈ）、Ｆ０は、前記レンズアセンブリーの合成焦点距離）。
9. 前記第１レンズの前記被写体側に向かう面の有効半径は、前記第２レンズの前記被写体側に向かう面の有効半径より大きい、請求項１〜８のいずれかに記載のレンズアセンブリー。
10. 前記ナノ構造物アレイは、複数のナノ構造物を含み、
    前記複数のナノ構造物は、前記第１レンズを通過した入射光と反応して位相を変化させるように構成された第１位相変換層、及び前記第１位相変換層を通過した入射光の位相を変化させるように構成された第２位相変換層を含み、
    前記ナノ構造物のうち、いずれか１つの第１ナノ構造物及び前記第１ナノ構造物と隣接した第２ナノ構造物は、下記数式を満足する、請求項２に記載のレンズアセンブリー；
    

    

    
    （Ｎ１１は、前記第１ナノ構造物の前記第１位相変換層の有効屈折率、
    Ｎ１２は、前記第１ナノ構造物の前記第２位相変換層の有効屈折率、
    Ｎ２１は、前記第２ナノ構造物の前記第１位相変換層の有効屈折率、
    Ｎ２２は、前記第２ナノ構造物の前記第２位相変換層の有効屈折率）。
11. 前記ナノ構造物アレイは、複数のナノ構造物を含み、
    前記複数のナノ構造物は、前記第１レンズを通過した入射光と反応して位相を変化させるように構成された第１位相変換層、及び前記第１位相変換層を通過した入射光の位相を変化させるように構成された第２位相変換層を含み、
    前記ナノ構造物のうち、いずれか１つの第１ナノ構造物及び前記第１ナノ構造物と隣接した第２ナノ構造物は、下記数式を満足する、請求項２に記載のレンズアセンブリー；
    

    

    
    （Ｎ１１は、前記第１ナノ構造物の前記第１位相変換層の有効屈折率、
    Ｎ１２は、前記第１ナノ構造物の前記第２位相変換層の有効屈折率、
    Ｎ２１は、前記第２ナノ構造物の前記第１位相変換層の有効屈折率、
    Ｎ２２は、前記第２ナノ構造物の前記第２位相変換層の有効屈折率、
    Ｄ１１は、前記第１ナノ構造物の前記第１位相変換層の分散、
    Ｄ１２は、前記第１ナノ構造物の前記第２位相変換層の分散、
    Ｄ２１は、前記第２ナノ構造物の前記第１位相変換層の分散、
    Ｄ２２は、前記第２ナノ構造物の前記第２位相変換層の分散）。
12. 前記ナノ構造物アレイは、複数のナノ構造物を含み、
    前記複数のナノ構造物は、前記第１レンズを通過した入射光と反応して位相を変化させる第１位相変換層、及び前記第１位相変換層を通過した入射光の位相を変化させる第２位相変換層を含み、
    前記第１位相変換層は、第１内部柱及び前記第１内部柱を取り囲む第１構造体を含み、
    前記第２位相変換層は、第２内部柱及び前記第２内部柱を取り囲む第２構造体を含み、
    前記第１内部柱と前記第１構造体は、屈折率の異なる物質からなり、前記第２内部柱と前記第２構造体は、屈折率の異なる物質からなる、請求項２に記載のレンズアセンブリー。
13. 前記第１内部柱は、空気柱である、請求項１２に記載のレンズアセンブリー。
14. 被写体（Ｏｂｊｅｃｔ）側から像（Ｉｍａｇｅ）側に複数のレンズが配置されたレンズアセンブリーと、
    前記レンズを順次に通過した入射光から前記被写体のイメージを検出するイメージセンサと、
    イメージを保存または出力するイメージ信号プロセッサと、を含み、
    前記レンズアセンブリーは、請求項１〜１３のいずれかに記載のレンズアセンブリーである、電子装置。
15. 入射光と反応して前記入射光の位相を変化させる第１位相変換層と、
    前記第１位相変換層を通過した前記入射光の位相を変化させる第２位相変換層を含むナノ構造物と、を含み、
    前記ナノ構造物は、前記入射光に含まれた互いに異なる少なくとも２つの波長に対して同一位相遅延プロファイルを形成するように構成されたメタレンズ。

Images