JP7153482B2 - メタプロジェクタ、及びそれを含む電子装置 - Google Patents

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Description

本発明は、メタプロジェクタ、及びそれを含む電子装置に関する。
レーザプロジェクタは、最近、多様な電子機器との結合のために、小型化に対する要求が漸次増大している。
例えば、モバイル（ｍｏｂｉｌｅ）機器及びウェアラブル（Ｗｅａｒａｂｌｅ）機器で具現されるＡＲ（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）、ＶＲ（ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ）、ＭＲ（ｍｉｘｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）などのために、超小型プロジェクタが使用され、また、人間やその他事物などの客体認識において、精密な三次元形状認識に使用される深度センサ（ｄｅｐｔｈ ｓｅｎｓｏｒ）においても、構造光（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）を形成するために、レーザプロジェクタが使用される。
一般的に、レーザプロジェクションのための照明部品は、マイクロ光学（ｍｉｃｒｏ－ｏｐｔｉｃ）技術を使用して製作されるが、所望の性能具現のために、いくつもの光学部品が必要である。かような光学部品が占める体積は、設計精度及び製作要件に影響を与える要因になる。
米国特許出願公開第２０１５／０２７７１３７号明細書
本発明が解決しようとする課題は、超小型で、所望の性能の光を出射するメタプロジェクタを提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、また、該メタプロジェクタを含む電子機器を提供することである。
一類型によれば、基板と、前記基板上に配置され、前記基板と平行な上面と前記上面に対して傾いた側面とを含み、前記側面から光を出射する側面発光素子（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）と、前記上面と離隔されるように配置され、前記側面発光素子から出射される光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物を含むメタ構造層と、前記側面発光素子から出射された光の経路を、前記メタ構造層に向かう方向に変換する経路変換部材と、を含むメタプロジェクタが提供される。
前記基板、前記メタ構造層及び前記経路変換部材を固定するハウジングをさらに含み、一体化されたモジュール（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｏｄｕｌｅ）に形成されてもよい。
前記メタ構造層は、前記複数のナノ構造物を支持する支持層をさらに含み、前記複数のナノ構造物は、前記支持層の両面に形成されてもよい。
前記支持層の両面のうち、前記側面発光素子からの光が最初に到達する面に形成された前記複数のナノ構造物は、入射光の発散角を広げる透過位相分布を有するように、形状分布が定められてもよい。
前記経路変換部材は、前記側面発光素子からの光の経路を所定角度に曲げる反射面を含んでもよい。
前記反射面は、前記側面発光素子からの光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物を含むメタ表面を含んでもよい。
一類型によれば、基板と、前記基板上に配置され、前記基板と平行な上面と前記上面に対して傾いた側面とを含み、前記側面から光を出射する側面発光素子と、前記側面発光素子から出射された光の経路を変換するものであり、前記側面発光素子から出射される光の経路を所定角度に曲げる反射面を含む経路変換部材と、を含み、前記反射面は、前記側面発光素子から出射される光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物を含むメタ表面を含むメタプロジェクタが提供される。
前記メタ表面を形成する前記複数のナノ構造物の形状分布は、入射光の発散角を調節するように定められてもよい。
前記反射面は、入射光の発散角を調節することができる曲面を含んでもよい。
一類型によれば、基板と、前記基板上に配置され、前記基板と平行な上面と前記上面に対して傾いた側面とを含み、前記側面から光を出射する側面発光素子と、前記側面発光素子から出射された光を受信し、受信された光に基づいて構造光を形成するものであり、前記側面発光素子から出射される光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物と、を含むメタプロジェクタが提供される。
前記基板は、前記側面発光素子に具備される２つの電極にそれぞれ連結されるカソード及びアノード、並びに前記カソード及びアノードを電気的に分離する絶縁層を含んでもよい。
前記複数のナノ構造物は、前記複数のナノ構造物と隣接した周辺物質の屈折率より高い屈折率を有する物質からなってもよい。
前記複数のナノ構造物は、伝導性物質からなってもよい。
前記複数のナノ構造物の形状分布は、所望の構造光（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）のパターンを形成するように、規則的に、またはランダムに定められる。
前記複数のナノ構造物の形状分布は、前記構造光を所定方向に偏向させて出射するように定められる。
前記複数のナノ構造物の形状分布は、入射光の偏光に依存し、互いに異なる透過位相分布を形成するように定められる。
前記複数のナノ構造物は、厚み方向に垂直である断面の形状が、非対称性を有する形状であってもよい。
前記複数のナノ構造物の配列ピッチは、前記側面発光素子からの光の波長の半分以下であってもよい。
文字キーのセットが配列されたキーボード映像、または１つ以上のアイコン映像の構造光を形成するように、前記複数のナノ構造物の形状分布が定められてもよい。
一類型によれば、キーボード映像またはアイコン映像の構造光を形成するように、複数のナノ構造物の形状分布が定められた前述のメタプロジェクタと、前記メタプロジェクタによって形成された映像を撮影する撮像素子と、を含むユーザインターフェース機器が提供される。
一類型によれば、前述のユーザインターフェース機器と、１つ以上の実行モジュールが保存されたメモリと、前記撮像素子によって撮影された映像からユーザの入力信号を抽出し、前記入力信号により、前記１つ以上の実行モジュールのうちいずれか一つを実行するプロセッサと、を含む電子機器が提供される。
一類型によれば、被写体に構造光を照射する前述のいずれか１つのメタプロジェクタと、前記被写体から反射された構造光を受光するセンサと、前記メタプロジェクタで照射した構造光と、前記センサで受光した構造光とのパターン変化を比較し、前記被写体の深さ位置を演算する演算部と、を含む深さ認識装置が提供される。
前述のメタプロジェクタは、サブ波長のナノ構造物からなるメタ構造層を使用し、側面発光素子からの光から多様なパターンの構造光を形成することができる。
前述のメタプロジェクタは、一体型モジュールで超小型に具現されやすい。
前述のメタプロジェクタは、多様な電子機器に採用され、深さ認識装置に採用され、精密なモーションセンシング、三次元形状センシングに利用される。
一実施形態によるメタプロジェクタの概略的な構成を示す断面図である。 図１のメタプロジェクタに具備される側面発光素子（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）の例示的な構成を示す断面図である。 図１のメタプロジェクタに採用されるメタ構造層の例示的な構成を示す斜視図である。 図１のメタプロジェクタに採用されるメタ構造層の他の例示的な構成を示す斜視図である。 図１のメタプロジェクタに採用されるメタ構造層に具備されるナノ構造物の例示的な形状を示す斜視図である。 図１のメタプロジェクタに採用されるメタ構造層に具備されるナノ構造物の例示的な形状を示す斜視図である。 図１のメタプロジェクタに採用されるメタ構造層に具備されるナノ構造物の例示的な形状を示す斜視図である。 図１のメタプロジェクタに採用されるメタ構造層に具備されるナノ構造物の例示的な形状を示す斜視図である。 図１のメタプロジェクタに採用されるメタ構造層のさらに他の例示的な構成を示す斜視図である。 他の実施形態によるメタプロジェクタの概略的な構成を示す断面図である。 さらに他の実施形態によるメタプロジェクタの概略的な構成を示す断面図である。 図１１のメタプロジェクタに具備されたメタ表面の例示的な構成を示す断面図である。 さらに他の実施形態によるメタプロジェクタの概略的な構成を示す断面図である。 一実施形態によるユーザインターフェース機器、及びそれを含む電子機器の概略的な構成を示すブロック図である。 一実施形態による深さ認識装置の概略的な構成を示すブロック図である。
以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜性のために、誇張されてもいる。なお、以下で説明される実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、かような実施形態から多様な変形が可能である。
以下、「上部」や「上」と記載されたものは、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含んでもよい。
単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」するとするとき、それは、特別に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。
また、明細書に記載された「…部」、「モジュール」のような用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、それは、ハードウェアまたはソフトウェアによって具現されてもよいし、あるいはハードウェアとソフトウェアとの結合によって具現されてもよい。
図１は、一実施形態によるメタプロジェクタ１００の概略的な構成を示す断面図であり、図２は、図１のメタプロジェクタ１００に具備される側面発光素子（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）１２０の例示的な構成を示す断面図であり、図３は、図１のメタプロジェクタ１００に採用されるメタ構造層ＭＳの例示的な構成を示す斜視図である。
メタプロジェクタ１００は、側面発光素子１２０と、側面発光素子１２０と離隔配置され、側面発光素子１２０からの光を所定のパターンの構造光（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）に変えて出射するメタ構造層ＭＳと、を含む。
メタ構造層ＭＳは、側面発光素子１２０で生成された光がメタ構造層ＭＳに入射すると、空間上に進む光線（ｒａｙ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）の分布を形成する。かような光線は、所定角度の空間にビームスポットを形成し、かような光線は、メタ構造層ＭＳに適用された細部的な条件によって決められる多様な分布を有することになる。かような光線を、構造光ＳＬという。
メタ構造層ＭＳで生成される構造光ＳＬは、明暗の点が、それぞれの角度方向の位置座標を固有に指定するように数学的にコードされた（ｃｏｄｅｄ）パターンを含んでもよい。かようなパターンは、三次元形状の物体によって形態が変化し、かような変化をカメラのような撮像素子によってイメージングし、それらのパターンを比較し、座標別にパターンの形態の変化の程度を追跡することにより、三次元形状の物体の深さ情報が抽出される。
側面発光素子１２０は、基板１１０上に配置され、基板１１０と平行な上面１２０ａと、上面１２０ａに対して傾いた側面１２０ｂと、を具備する。側面１２０ｂが光出射面になる。
メタ構造層ＭＳは、側面発光素子１２０の上部に配置され、側面発光素子１２０からの光は、側面１２０ｂから出射されるため、側面発光素子１２０とメタ構造層ＭＳとの間には、側面発光素子１２０から出射された光の経路を、メタ構造層ＭＳに向かう方向に変換する経路変換部材１４０がさらに具備される。経路変換部材１４０は、側面発光素子１２０から出射される光の進路を所定角度に曲げる反射面１４０ａを具備することができる。反射面１４０ａは、ミラーコーティングされてもよい。反射面１４０ａの傾斜角度は、側面発光素子１２０の光出射面である側面１２０ｂに対するメタ構造層ＭＳの相対的な位置を考慮し、光軸を所定角度に曲げることができるように定められる。例えば、該光軸を垂直に折ったり、左側に３０°ほど傾いた方向に光が進むようにする。
図２を参照し、側面発光素子１２０の例示的な構成について説明する。
側面発光素子１２０は、離隔配置された下部クラッド層１２１と上部クラッド層１２５とを含む。下部クラッド層１２１と上部クラッド層１２５との間には、利得領域１２３が設けられる。利得領域１２３の両側には、第１ミラー領域１２２と第２ミラー領域１２４とが配置される。第１ミラー領域１２２、利得領域１２３、第２ミラー領域１２４は、レーザキャビティＬＣ（ｌａｓｅｒ ｃａｖｉｔｙ）を形成する。
利得領域１２３は、第１電極１２７、第２電極１２８から電子、正孔が注入されると、所定の波長帯域の光を生成する物質からなってもよい。III－Ｖ族化合物半導体、III－Ｖ族化合物半導体基盤の量子ウェル構造または量子点（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）などが利得領域１２３に使用される。
下部クラッド層１２１と上部クラッド層１２５は、利得領域１２３のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する半導体物質によって形成されてもよい。例えば、下部クラッド層１２１と上部クラッド層１２５は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｌＰを含んでもよい。
利得領域１２３への電流注入のために、下部クラッド層１２１の下面には、第１電極１２７が設けられ、上部クラッド層１２５の上面には、第２電極１２８が設けられる。また、下部クラッド層１２１と第１電極１２７との間、及び上部クラッド層１２５と第２電極１２８との間には、コンタクト層（図示せず）がさらに具備される。該コンタクト層は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓを含んでもよい。該コンタクト層には、利得領域１２３への電流注入を容易にするために、所定の不純物がドーピングされる。
第１ミラー領域１２２、利得領域１２３、第２ミラー領域１２４は、水平方向に沿って、すなわち、図面において、Ｘ方向に沿って配置される。第１ミラー領域１２２と第２ミラー領域１２４は、利得領域１２３で生成された光を反射させ、所定の共振条件を満足する光を増幅させて出射する役割を担う。
第１ミラー領域１２２と第２ミラー領域１２４は、光を反射させることができるグレーティングパターンを具備することができる。該グレーティングパターンが反復される方向は、水平方向（Ｘ方向）である。該グレーティングパターンの形状や反復周期により、反射率が調節される。また、第１ミラー領域１２２、第２ミラー領域１２４の反射率を異なるように調節し、光が出射される方向を調節することができる。例えば、第１ミラー領域１２２は、約９０％以上の反射率を有するように形成され、第２ミラー領域１２４は、第１ミラー領域１２２より低い反射率を有するように形成され、それにより、光が第２ミラー領域１２４を通過し、側面１２０ｂに出射される。ただし、それに限定されるものではない。第１ミラー領域１２２及び第２ミラー領域１２４には、グレーティングパターン以外にも、利得領域１２３と共に共振器を構成するように反射機能を実現することができる多様な構造が採用される。
側面発光素子１２０には、レーザキャビティＬＣで共振されて増幅され、出射された光をさらに増幅することができる半導体光増幅器がさらに具備され、光を所望の位置に伝達する導波路構造がさらに形成されてもよい。
前述のところは、側面発光素子１２０の基本的な構成を概略的に説明したものであり、それらに限定されるものではない。側面発光素子１２０は、Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ方式あるいはＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ）方式のレーザダイオードで構成されてもよい。それら以外にも、側面から光を出射することができる多様な構造が採用される。
基板１１０は、側面発光素子１２０に具備される２つの電極にそれぞれ連結されるカソード１１４及びアノード１１２と、カソード１１４とアノード１１２とを電気的に分離する絶縁層１１６と、を含む。カソード１１４は、側面発光素子１２０の下面に設けられた電極に直接に、またはボンディングを介してコンタクトされ、アノード１１２は、側面発光素子１２０の上面に設けられた電極に、ワイヤ１３０で連結される。
基板１１０は、また、側面発光素子１２０からの熱を放出するヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）の機能を実現することができる。すなわち、金属物質からなるカソード１１４を介して、側面発光素子１２０からの熱が外部に放出される。
メタプロジェクタ１００は、一体化されたモジュール（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｏｄｕｌｅ）に形成されてもよい。すなわち、基板１１０、メタ構造層ＭＳ、経路変換部材１４０は、一体化されたモジュールに形成されてもよい。メタプロジェクタ１００は、基板１１０、メタ構造層ＭＳ及び経路変換部材１４０を固定するハウジング１６０をさらに含んでもよい。
メタ構造層ＭＳは、側面発光素子１２０から出る光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物を具備する。
図３を参照し、メタ構造層ＭＳの詳細な構成について説明する。
メタ構造層ＭＳに具備された複数のナノ構造物ＮＳは、側面発光素子１２０から出る光の波長λより短いサブ波長の形状寸法を有する。ここで、「形状寸法」は、ナノ構造物ＮＳの形状を定義する数値、例えば、厚み、断面の幅を意味する。
ナノ構造物ＮＳの厚み（ｔ）は、側面発光素子１２０から出射される光の波長λより小さい値を有する。また、複数のナノ構造物ＮＳの配列ピッチＰも、波長λより小さい値を有する。
ナノ構造物ＮＳの形状寸法と、複数のナノ構造物ＮＳの配列ピッチＰは、側面発光素子１２０から出射される光の波長の半分以下であってもよい。ナノ構造物ＮＳは、メタ構造を形成する強い散乱ユニット（単位）として動作することができ、配列ピッチが波長より小さくなるほど、高次回折なしに、入射光を所望の形態に制御することができる。
ナノ構造物ＮＳの形状は、円柱形状に図示されているが、それに限定されるものではない。ナノ構造物ＮＳは、厚み方向に垂直である断面形状、すなわち、ＸＹ平面と平行な断面の形状として、多角形、十字形、星形、非対称形状など多様な形状を有することができる。また、ナノ構造物ＮＳの形状がいずれも同一であるように図示されているが、それに限定されず、多様な形状のナノ構造物ＮＳが、メタ構造層ＭＳに使用される。
メタ構造層ＭＳは、また、複数のナノ構造物ＮＳを支持する支持層ＳＵをさらに含んでもよい。支持層ＳＵは、誘電体物質からなってもよい。例えば、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＳ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）のようなポリマー材質や、ＳｉＯ２などが支持層ＳＵの材質として使用されてもよい。
ナノ構造物ＮＳは、誘電体物質からなってもよい。ナノ構造物ＮＳは、隣接した周辺物質の屈折率より高い屈折率を有する物質からなってもよい。ナノ構造物ＮＳは、支持層ＳＵの屈折率より高い屈折率を有する材質からなってもよい。例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ Ｓｉ）、非晶質シリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉ）、Ｓｉ３Ｎ４、ＧａＰ、ＴｉＯ２、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＢＰ、ＺｎＧｅＰ２のうちいずれか一つがナノ構造物ＮＳの材質として使用されてもよい。
または、複数のナノ構造物ＮＳは、伝導性物質からなってもよい。該伝導性物質としては、表面プラズモン励起（ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）を起こしうる導電性が高い金属物質が採用される。例えば、複数のナノ構造物ＮＳは、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｔｉ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、のうちから選択された少なくともいずれか一つからなってもよいし、それらのうちいずれか一つを含む合金からなってもよい。また、グラフェンのように、伝導性にすぐれる二次元物質、または、伝導性酸化物が採用されてもよい。
または、ナノ構造物ＮＳのうち一部は、高屈折率の誘電体物質からなり、一部は、伝導性物質からなることも可能である。すなわち、ナノ構造物ＮＳのうち一部は、基板の屈折率より高い屈折率を有する誘電体物質からなり、ナノ構造物ＮＳのうち他の一部は、伝導性物質からなってもよい。
前述のナノ構造物ＮＳは、それぞれの材質、形状により、固有の値の透過強度及び透過位相を有することができる。それらの形状分布を調節し、メタ構造層ＭＳを透過する光の位相や強度の分布を調節することができる。以下、「形状分布」は、複数のナノ構造物ＮＳの形状、複数のナノ構造物ＮＳの大きさ、複数のナノ構造物ＮＳの大きさ分布、複数のナノ構造物ＮＳの配列ピッチ、複数のナノ構造物ＮＳの配列ピッチの分布のうち少なくともいずれか一つを意味する。
図示されているナノ構造物ＮＳは、いずれも同じ形状、大きさ、高さに図示されているが、それは、例示的なものであり、それらに限定されるものではない。例えば、位置により、水平方向または垂直方向の大きさや、構成物質を調節し、所望の透過強度分布や透過位相分布を形成することができる。所望の透過強度分布や透過位相分布を形成するために、複数のナノ構造物ＮＳからなる所定のグループに対して、位置に応じたナノ構造物ＮＳの形状分布が定められる。また、そのように形成されたナノ構造物ＮＳのグループは、所定周期で反復配列される。複数のナノ構造物ＮＳの形状分布は、規則的、周期的、類似周期的であってもよいが、それらに限定されるものではなく、ランダムであってもよい。
メタ構造層ＭＳは、既存のマイクロ光学部品に比べ、非常に小さいピッチ、及び薄厚に形成されうるため、広い角度の範囲に対して高次回折がない任意のパターンを形成することができる。従って、メタプロジェクタ１００は、超小型サイズを有することができる。例えば、メタプロジェクタ１００の厚みＨは、約４ｍｍ以下であってもよい。
図４は、図１のメタプロジェクタ１００に採用されるメタ構造層ＭＳ１の他の例示的な構成を示す斜視図である。
メタ構造層ＭＳ１に具備される複数のナノ構造物ＮＳは、所望する所定の構造光パターンを形成するために、ランダム形状分布を有することができる。図４においては、ナノ構造物ＮＳの幅が位置ごとに変化することを例示しているが、それに限定されるものではなく、配列された位置や形状は、位置により、規則性なしにランダムに定められてもよい。
図５ないし図８は、図１のメタプロジェクタ１００に採用されるメタ構造層ＭＳに具備されるナノ構造物ＮＳの例示的な形状を示す斜視図である。
図５を参照すれば、ナノ構造物ＮＳは、厚みがｔである四角柱形状を有することもできる。断面の四角形の形状は、一辺の長さがＤである正四角形であってもよいが、それに限定されるものではなく、長方形であってもよい。ナノ構造物ＮＳは、他の多角柱形状に変形されてもよい。
図６を参照すれば、ナノ構造物ＮＳは、断面形状が十字形状であってもよい。ナノ構造物ＮＳは、対称的な形状に図示されているが、それは、例示的なものであり、非対称的な形状に変形されてもよい。
ナノ構造物ＮＳの非対称形状は、入射光の偏光に依存し、互いに異なる透過位相分布を形成するために採用されてもよい。
図７を参照すれば、ナノ構造物ＮＳは、非対称性を有する形状であり、楕円柱形状であってもよい。ナノ構造物ＮＳに、長軸長ＤＬと短軸長ＤＳとが異なる楕円形状を導入し、長軸方向と平行な偏光、短軸方向と平行な偏光に対して、互いに異なる透過位相分布を示すことができる。すなわち、長軸方向と平行な偏光、短軸方向と平行な偏光の光に対し、互いに異なる光学作用を示すことができる。
図８を参照すれば、ナノ構造物ＮＳは、非対称性を有する形状であり、縦長Ｄｘと横長Ｄｙとが長方形の断面を有する直方体形状であってもよい。かような形状も、図７の場合と類似して、入射光の偏光に依存し、互いに異なる透過位相分布を形成するために適用される。例えば、入射光の偏光により、互いに異なる光学作用を示すことができる。
図５ないし図８で例示された形状のナノ構造物ＮＳ、それらの組み合わせ、変形された形態は、図３のような規則的な配列、図４のようなランダム配列の形態で、図１のメタプロジェクタ１００のメタ構造層ＭＳに適用されてもよい。メタ構造層ＭＳは、ナノ構造物ＮＳの形状、大きさ及び配列の規則を適切に調節し、側面発光素子１２０から出射される光を、所定のパターンの構造光に変換することができる。さらに、出射光のビーム径、収斂／発散形態、方向などの光学性能が調節されるように、形状分布が決められる。
非対称性を有するナノ構造物ＮＳ形状が採用される場合、非対称性によって区別される特定の方向別の偏光に対して、前述の光学作用が実現される。例えば、非対称性を有するナノ構造物ＮＳの配列の規則を、前記偏光方向に沿って、異なるように定めることにより、互いに異なる偏光により、互いに異なる構造光の形態が生成される。
図９は、図１のメタプロジェクタ１００に採用されるメタ構造層ＭＳ３のさらに他の例示的な構成を示す斜視図である。
メタ構造層ＭＳ３に具備される複数のナノ構造物ＮＳは、支持層ＳＵの両面に形成されてもよい。図示されているように、支持層ＳＵ下面ＳＵａに、所定の形状分布で、複数のナノ構造物ＮＳ１が配置され、支持層ＳＵ上面ＳＵｂに、所定のさらに他の形状分布で、複数のナノ構造物ＮＳ２が配置される。
支持層ＳＵ下面ＳＵａは、側面発光素子１２０に向かう面であってもよく、すなわち、側面発光素子１２０からの光が最初に到達する面であってもよい。その場合、支持層ＳＵ下面ＳＵａに配置される複数のナノ構造物ＮＳ１の形状分布は、入射光の発散角を広げるように定められる。例えば、複数のナノ構造物ＮＳ１の形状及び透過位相分布が凹レンズのような機能を実現するように定められる。そのために、複数のナノ構造物ＮＳ１は、所定の基準位置から半径方向に行くほど幅が漸次的に大きくなるように、複数のナノ構造物ＮＳ１の形状分布が定められる。例示された規則は、半径方向に反復され、反復される周期は、一定ではなくてもよい。また、かようなナノ構造物ＮＳ１の形状及び透過位相分布は、シリンダ面（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ）のような形態、あるいは楕円体面（ｅｌｌｉｐｓｏｉｄａｌ ｓｕｒｆａｃｅ）のような形態の凹レンズのような機能を実現するように定められる。
支持層ＳＵ上面ＳＵｂに形成される複数のナノ構造物ＮＳ２は、複数のナノ構造物ＮＳ１によって発散角が広くなった光を、所定のパターンの構造光に変換することができる形状分布を有することができる。
ナノ構造物ＮＳ１，ＮＳ２の形状には、図５ないし図８に例示された形状、それらの組み合わせ、変形された形態が適用される。
図１０は、他の実施形態によるメタプロジェクタ１０１の概略的な構成を示す断面図である。
本実施形態のメタプロジェクタ１０１は、経路変換部材１４１の形状において、図１のメタプロジェクタ１００と違いがある。経路変換部材１４１は、光の進路を所定角度に曲げる反射面１４１ａを具備し、反射面１４１ａは、また、入射光の発散角を調節することができる曲面を含む形状であってもよい。反射面１４１ａは、ミラーコーティングされてもよい。反射面１４１ａに含まれる曲面は、球面または非球面であってもよく、図示されているように、凸形状を有し、入射光の発散角を広げることができる。
反射面１４１ａの形状は、例示的なものであり、それに限定されるものではない。例えば、場合によっては、反射面１４１ａの形状は、入射光の発散角を狭める凹形状であってもよく、発散方向を、位置によって異なるように調節する曲面形状であってもよい。
図１１は、さらに他の実施形態によるメタプロジェクタ１０２の概略的な構成を示す断面図であり、図１２は、図１１のメタプロジェクタ１０２に具備されたメタ表面１４２ａの例示的な構成を示した断面図である。
本実施形態のメタプロジェクタ１０２は、経路変換部材１４２の反射面がメタ表面１４２ａからなる点において、図１のメタプロジェクタ１００と違いがある。
メタ表面１４２ａは、メタ構造層ＭＳと類似して、側面発光素子１２０からの光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物を含む。すなわち、図３ないし図９で説明したようなナノ構造物ＮＳ形状及び形状分布が、メタ表面１４２ａに適用されてもよい。
メタ表面１４２ａをなす複数のナノ構造物の形状分布は、入射光の発散角を調節するように定められる。例えば、図１２に図示されているように、複数のナノ構造物ＮＳの形状分布が凸面鏡のような機能を実現するように定められる。複数のナノ構造物ＮＳは、所定の基準位置から半径方向に行くほど幅が漸次的に狭くなる形状のナノ構造物ＮＳが配置されるように、形状分布が定められる。例示された規則は、半径方向に反復され、反復される周期は、一定ではなくてもよい。また、かようなナノ構造物ＮＳの形状及び透過位相分布は、シリンダ面のような形態、あるいは楕円体面のような形態の凸面鏡のような機能を実現するように定められる。
一部の実施形態において、該メタプロジェクタは、構造光ＳＬを形成するメタ表面１４２ａを含んでもよい。該メタプロジェクタは、図１１に図示されている、多数のナノ構造物ＮＳを含むメタ構造層ＭＳの代わりに、メタ表面１４２ａによって生成された構造光ＳＬを屈折させる層を含んでもよい。メタ表面１４２ａに含まれた多数のナノ構造物ＮＳは、本明細書に含まれた任意の例示的な実施形態で記述されたような構成を有することができる。一部の実施形態において、メタ表面１４２ａで生成された構造光を屈折させる層は、省略されてもよい。すなわち、該メタプロジェクタは、側面発光素子１２０から入射される光に基づいて、メタ表面１４２ａが生成した構造光ＳＬのパターンを出射する。メタ表面１４２ａの複数のナノ構造物ＮＳの形状分布は、文字キーセットが配列されたキーボードイメージを提供する構造光ＳＬを形成してもよいし、あるいは少なくとも１つのアイコンを含むイメージを形成するように構成されてもよい。
少なくとも一部の実施形態において、基板１１０及び側面発光素子１２０を含むメタプロジェクタは、側面発光素子１２０からの光を受信し、受信された光に基づいて、構造光ＳＬのパターンを形成するように構成された複数のナノ構造物ＮＳをさらに含んでもよい。複数のナノ構造物ＮＳは、側面発光素子１２０から出射される光の波長より短い、サブ波長形態の寸法を有し、本明細書に記載されているようなメタ構造層ＭＳ、メタ表面１４２ａの少なくとも１つの要素を含んでもよい。
図１３は、さらに他の実施形態によるメタプロジェクタ１０３の概略的な構成を示す断面図である。
本実施形態のメタプロジェクタ１０３は、メタ構造層ＭＳ４によって形成された構造光が、所定の任意形状を再現するように、メタ構造層ＭＳ４の細部事項が決まる。例えば、図示されているように、メタ構造層ＭＳ４によって形成された構造光映像Ｉ＿ＳＬは、文字キーのセットが配列されたキーボード映像であってもよい。メタ構造層ＭＳ４は、かような構造光パターンを具現することができる形状分布を有する複数のナノ構造物を含んでもよい。
図示されている構造光映像Ｉ＿ＳＬは、例示的なものであり、構造光映像Ｉ＿ＳＬは、１つ以上のアイコンまたはポインタが配列された形態の映像であってもよい。すなわち、ユーザインターフェースとして、ユーザに入力手段を提供することができる多様な映像が、構造光映像Ｉ＿ＳＬとして再現されるように、メタ構造層ＭＳ４に具備される複数のナノ構造物ＮＳの形状分布が定められる。
前述のメタプロジェクタは、サブ波長の形状寸法のナノ構造物の形状分布を利用するメタ構造層を具備し、超小型プロジェクタとして具現されてもよく、モバイル（ｍｏｂｉｌｅ）機器及びウェアラブル（Ｗｅａｒａｂｌｅ）機器など多様な電子機器に適用されてもよい。例えば、ＡＲ（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）、ＶＲ（ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ）、ＭＲ（ｍｉｘｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）などを具現するための超小型プロジェクタとして、前述のメタプロジェクタが適用される。また、精密な三次元形状認識に使用される深度センサ（ｄｅｐｔｈ ｓｅｎｓｏｒ）において、構造光を形成するために光源として使用されてもよい。
図１４は、一実施形態によるユーザインターフェース機器、及びそれを含む電子機器１０００の概略的な構成を示すブロック図である。
電子機器１０００は、ユーザインターフェース機器１２００、プロセッサ１３００、メモリ１４００を含む。
ユーザインターフェース機器１２００は、所定の構造光映像Ｉ＿ＳＬを再現するメタプロジェクタ１２１０と、メタプロジェクタ１２１０によって形成された構造光映像Ｉ＿ＳＬを撮影する撮像素子１２３０と、を含む。
メタプロジェクタ１２１０によって再現される構造光映像Ｉ＿ＳＬは、図示されているように、文字キーのセットが配列されたキーボード映像であってもよいが、それに限定されるものではなく、例えば、１つ以上のアイコンまたはポインタが配列された映像であってもよい。
ユーザは、構造光映像Ｉ＿ＳＬに示された文字キーを使用して入力する情報を表現することができる。すなわち、ユーザは、構造光映像Ｉ＿ＳＬのキーボードに示された文字キーを指でタッチすることにより、所望の入力を行うことができる。
撮像素子１２３０は、構造光映像Ｉ＿ＳＬを撮影するように配置される。撮像素子１２３０によって撮像された映像は、ユーザの入力信号が抽出されるように、プロセッサ１３００に伝達される。
プロセッサ１３００は、電子機器１０００全体の処理及び制御を統括する。また、プロセッサ１３００は、撮像素子１２３０によって撮影された映像から、ユーザの入力信号を抽出し、抽出された入力信号により、メモリ１４００に具備された実行モジュールのうちいずれか一つを実行することができる。
メモリ１４００には、プロセッサ１３００によって実行される１つ以上の実行モジュール１４１０，１４２０が保存され、実行モジュール１４１０，１４２０の実行に必要なデータが、メモリ１４００に保存されてもよい。
メモリ１４００には、また、電子機器１０００が実行する多様なアプリケーションのためのモジュールが保存され、電子機器１０００に具備された装置を駆動するためのプログラムとして、通信モジュール、カメラモジュール、動画再生モジュール、オーディオ再生モジュールなどがさらに保存される。
メモリ１４００は、フラッシュメモリタイプ（ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ ｔｙｐｅ）、ハードディスクタイプ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ）、マルチメディアカードマイクロタイプ（ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃａｒｄ ｍｉｃｒｏ ｔｙｐｅ）、カードタイプのメモリ（例えば、ＳＤメモリまたはＸＤメモリなど）、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＲＯＭ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、磁気メモリ、磁気ディスク、光ディスクのうち少なくとも１つのタイプの記録媒体を含んでもよい。
電子機器１０００は、例えば、携帯用移動通信機器、スマートフォン（ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ）、スマートウォッチ（ｓｍａｒｔ ｗａｔｃｈ）、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ラップトップ（ｌａｐｔｏｐ）、ＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、及びその他のモバイルまたは非モバイルのコンピューティング装置であってもよいが、それらに制限されるものではない。
電子機器１０００では、メタプロジェクタ１２１０を具備するユーザインターフェース機器１２００により、構造光映像Ｉ＿ＳＬが入力手段として提供されるため、例えば、別途の実物のキーボードは、電子機器１０００に具備されないこともある。または、実物のキーボードが、電子機器１０００に具備され、ユーザの選択によって、構造光映像Ｉ＿ＳＬのキーボードまたは実物キーボードが使用されてもよい。
図１５は、一実施形態による深さ認識装置２０００の概略的な構成を示すブロック図である。
深さ認識装置２０００は、被写体ＯＢＪに構造光ＳＬｉを照射するメタプロジェクタ２２００、被写体ＯＢＪから反射された構造光ＳＬｒを受光するセンサ２４００、メタプロジェクタ２２００から照射した構造光ＳＬｉと、センサ２４００で受光した構造光ＳＬｒとのパターン変化を比較し、被写体ＯＢＪの深さ位置を演算する演算部２６００を含む。
メタプロジェクタ２２００は、側面発光素子からの光を、所定の構造光パターンに変換して出射する。メタプロジェクタ２２００は、前述の実施形態によるメタプロジェクタ１００，１０１，１０２のうちいずれか一つ、またはそれらが組み合わされた形態を有することができる。
センサ２４００は、被写体ＯＢＪによって反射された構造光ＳＬｒをセンシングする。センサ２４００は、光検出要素のアレイを含んでもよい。センサ２４００は、被写体ＯＢＪから反射された光を波長別に分析するための分光素子をさらに含んでもよい。
演算部２６００は、被写体ＯＢＪに照射された構造光ＳＬｉと、被写体ＯＢＪから反射された構造光ＳＬｒとを比較し、被写体ＯＢＪに対する深さ情報を獲得し、そこから、三次元形状、位置、動きなどを分析することができる。メタプロジェクタ２２００で生成される構造光ＳＬｉは、明暗点が各角度方向の位置座標を固有に指定するように、数学的にコードされた（ｃｏｄｅｄ）パターンを含む。かようなパターンが、三次元形状の被写体ＯＢＪに当たって反射されるとき、反射された構造光ＳＬｒのパターンは、照射された構造光ＳＬｉのパターンから変化された形態を有する。演算部２６００は、それらのパターンを比較し、座標別にパターンを追跡し、被写体ＯＢＪの深さ情報を抽出することができ、そこから被写体ＯＢＪの形状、動きと係わる三次元情報を抽出することができる。
メタプロジェクタ２２００と被写体ＯＢＪとの間には、メタプロジェクタ２２００からの構造光ＳＬｉが被写体ＯＢＪに向かうように方向を調節するか、あるいは構造光ＳＬｉをさらに変調するための光学素子がさらに配置されてもよい。
また、深さ認識装置２０００は、メタプロジェクタ２２００に具備された光源の駆動やセンサ２４００の動作などを全般的に制御する制御部をさらに含み、演算部２６００で実行される三次元情報抽出のための演算プログラムが保存されるメモリなどをさらに含んでもよい。
演算部２６００での演算結果、すなわち、被写体ＯＢＪの形状、位置に係わる情報は、他のユニットに伝送されてもよい。例えば、深さ認識装置２０００が採用された電子機器の制御部に、前述の情報が伝送される。結果が伝送される他のユニットは、結果を出力するディスプレイ装置やプリンタであってもよい。結果が伝送される他のユニットは、それら以外にも、スマートフォン、携帯電話、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ラップトップ、ＰＣ、多様なウェアラブル機器、及びその他モバイルまたは非モバイルのコンピューティング装置であってもよいが、それらに制限されない。
深さ認識装置２０００は、前方客体に係わる三次元情報を精密に獲得するセンサに活用されてもよく、多様な電子機器に採用されてもよい。かような電子機器は、例えば、無人自動車、自律走行車、ロボット、ドローンのような自律駆動機器、それ以外にも、移動通信機器または事物インターネット機器であってもよい。
本実施形態で説明する特定の実行は、例示であり、いかなる方法によっても、技術的範囲を限定するものではない。明細書の簡潔さのために、従来の電子的な構成、制御システム、ソフトウェア、前記システムの他の機能的な側面の記載は、省略される。また、図面に図示されている構成要素間の線連結または連結部材は、機能的な連結、及び／または物理的または回路的な連結を例示的に示したものであり、実際の装置においては、代替可能であったり、追加されたりする多様な機能的な連結、物理的な連結または回路連結としても示される。
以上、本発明の理解の一助とするために、例示的な実施形態が説明され、添付された図面に図示されている。しかし、かような実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点が理解されなければならない。そして、本発明は図示されて説明された説明に限られるものではないという点が理解されなければならない。それは、多様な他の変形が、本技術分野で当業者に可能であるためである。
本発明の、メタプロジェクタ、及びそれを含む電子装置は、例えば、光学機器関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１００，１０１，１０２ メタプロジェクタ
１１０ 基板
１１２ アノード
１１４ カソード
１１６ 絶縁層
１２０ 側面発光素子
１２１ 下部クラッド層
１２２ 第１ミラー領域
１２３ 利得領域
１２４ 第２ミラー領域
１２５ 上部クラッド層
１２７ 第１電極
１２８ 第２電極
１４０，１４１，１４２ 経路変換部材
ＮＳ ナノ構造物
ＭＳ，ＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３，ＭＳ４ メタ構造層

Claims (19)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置され、前記基板と平行な上面と前記上面に対して傾いた側面とを含み、前記側面から光を出射する側面発光素子と、
    前記上面と離隔されるように配置され、前記側面発光素子から出射される光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物を含むメタ構造層と、
    前記側面発光素子から出射された光の経路を、前記メタ構造層に向かう方向に変換する経路変換部材と、を含み、
    前記メタ構造層は、前記複数のナノ構造物を支持する支持層をさらに含み、
    前記複数のナノ構造物は、前記支持層の両面に形成され、
    前記支持層の両面のうち、前記側面発光素子からの光が最初に到達する面に形成された前記複数のナノ構造物は、入射光の発散角を広げる透過位相分布を有するように、形状分布が定められる、メタプロジェクタ。
  2. 前記基板、前記メタ構造層及び前記経路変換部材を固定するハウジングをさらに含み、一体化されたモジュールに形成されることを特徴とする請求項１に記載のメタプロジェクタ。
  3. 前記経路変換部材は、前記側面発光素子からの光の経路を所定角度に曲げる反射面を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のメタプロジェクタ。
  4. 前記反射面は、前記側面発光素子からの光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物を含むメタ表面を含むことを特徴とする請求項３に記載のメタプロジェクタ。
  5. 基板と、
    前記基板上に配置され、前記基板と平行な上面と前記上面に対して傾いた側面とを含み、前記側面から光を出射する側面発光素子と、
    前記側面発光素子から出射された光の経路を変換するものであり、前記側面発光素子から出射される光の経路を所定角度に曲げる反射面を含む経路変換部材と、を含み、
    前記反射面は、前記側面発光素子から出射される光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物を含むメタ表面を含み、
    前記メタ表面を形成する前記複数のナノ構造物の形状分布は、入射光の発散角を調節するように定められる、メタプロジェクタ。
  6. 前記反射面は、入射光の発散角を調節することができる曲面を含むことを特徴とする請求項３～５のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  7. 基板と、
    前記基板上に配置され、前記基板と平行な上面と前記上面に対して傾いた側面とを含み、前記側面から光を出射する側面発光素子と、
    前記側面発光素子から出射された光を受信し、受信された光に基づいて構造光を形成するものであり、前記側面発光素子から出射される光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有する複数のナノ構造物と、を含み、
    前記複数のナノ構造物を支持する支持層をさらに含み、
    前記複数のナノ構造物は、前記支持層の両面に形成され、
    前記支持層の両面のうち、前記側面発光素子からの光が最初に到達する面に形成された前記複数のナノ構造物は、入射光の発散角を広げる透過位相分布を有するように、形状分布が定められる、メタプロジェクタ。
  8. 前記基板は、
    前記側面発光素子に具備される２つの電極にそれぞれ連結されるカソード及びアノードと、
    前記カソード及びアノードを電気的に分離する絶縁層と、を含むことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  9. 前記複数のナノ構造物は、前記複数のナノ構造物と隣接した周辺物質の屈折率より高い屈折率を有する物質からなることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  10. 前記複数のナノ構造物は、伝導性物質からなることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  11. 前記複数のナノ構造物の形状分布は、所望の構造光のパターンを形成するように、規則的に、またはランダムに定められることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  12. 前記複数のナノ構造物の形状分布は、前記構造光を所定方向に偏向させて出射するように定められることを特徴とする請求項１１に記載のメタプロジェクタ。
  13. 前記複数のナノ構造物の形状分布は、入射光の偏光に依存し、互いに異なる透過位相分布を形成するように定められることを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  14. 前記複数のナノ構造物は、厚み方向に垂直である断面の形状が、非対称性を有する形状であることを特徴とする請求項１～１３のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  15. 前記複数のナノ構造物の配列ピッチは、前記側面発光素子からの光の波長の半分以下であることを特徴とする請求項１～１４のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  16. 文字キーのセットが配列されたキーボード映像、または１つ以上のアイコン映像の構造光を形成するように、前記複数のナノ構造物の形状分布が定められることを特徴とする請求項１～１５のいずれか一項に記載のメタプロジェクタ。
  17. 請求項１６に記載のメタプロジェクタと、
    前記メタプロジェクタによって形成された映像を撮影する撮像素子と、を含むユーザインターフェース機器。
  18. 請求項１７に記載のユーザインターフェース機器と、
    １つ以上の実行モジュールが保存されたメモリと、
    前記撮像素子によって撮影された映像からユーザの入力信号を抽出し、前記入力信号により、前記１つ以上の実行モジュールのうちいずれか一つを実行するプロセッサと、を含む電子機器。
  19. 被写体に構造光を照射する請求項１～１６のいずれか一項に記載のメタプロジェクタと、
    前記被写体から反射された構造光を受光するセンサと、
    前記メタプロジェクタで照射した構造光と前記センサで受光した構造光とのパターン変化を比較し、前記被写体の深さ位置を演算する演算部と、を含む深さ認識装置。
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