KR102599324B1 - 적응형 라이팅을 위한 메타렌즈를 갖는 led 어레이 - Google Patents
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Abstract
적응형 라이팅 시스템(adaptive lighting system)은 독립적으로 제어가능한 LED들의 어레이, 및 LED들의 어레이에 의해 방출된 광을 시준, 포커싱, 또는 다른 방식으로 재지향시키도록 포지셔닝된 메타렌즈(metalens)를 포함한다. 적응형 라이팅 시스템은 LED들의 어레이와 메타렌즈 사이의 광학 경로에 포지셔닝된 사전 시준기(pre-collimator)를 선택적으로 포함할 수 있다.
Description
본 출원은 Venkata Ananth Tamma, Toni Lopez, Nicola Bettina Pfeffer, 및 Marcel Rene Bohmer의 이름으로 2020년 11월 12일자로 출원되고 발명의 명칭이 "LED array with metalens for adaptive lighting"인 미국 정규 출원(U.S. non-provisional App.) 제17/096,013호의 우선권을 주장한다. 상기 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 개시내용은, 예를 들어 카메라 플래시, 가상 현실(virtual reality, VR), 또는 증강 현실(augmented reality, AR) 시스템들을 위한, 적응형 광원들을 제공하기 위해 메타렌즈(metalens)와 조합하여 발광 다이오드들(LED들)을 사용하는 적응형 조명(adaptive illumination)에 관한 것이다.
본 설명에서 사용되는 "발광 다이오드(light emitting diode)"라는 용어는 레이저가 아닌 발광 다이오드들뿐만 아니라 레이저 다이오드들(예를 들어, VCSEL들(vertical cavity surface emitting lasers))을 포함하도록 의도된다. 종래의 필라멘트 전구들 및 형광등들에 비해 LED들의 높은 효율은 물론 개선된 제조 능력으로 인해 광범위한 라이팅 응용들에서 그들의 사용이 크게 증가하였다. LED들의 콤팩트한 성질, 저전력, 및 제어가능성은 마찬가지로 카메라들 및 스마트폰들과 같은 다양한 전자 디바이스들에서 광원들로서의 그들의 사용으로 이어졌다.
적응형 라이팅 시스템(adaptive lighting system)은 독립적으로 제어가능한 LED들의 어레이, 및 LED들의 어레이에 의해 방출된 광을 시준, 포커싱, 또는 다른 방식으로 재지향시키도록 포지셔닝된 메타렌즈를 포함한다. 적응형 라이팅 시스템은 LED들의 어레이와 메타렌즈 사이의 광학 경로에 포지셔닝된 사전 시준기(pre-collimator)를 선택적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 실시예들, 특징들 및 장점들은 먼저 간략하게 설명되는 첨부 도면들과 함께 이하의 본 발명의 보다 상세한 설명을 참조하여 취해질 때 본 기술분야의 통상의 기술자에게 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 LED 어레이 및 메타렌즈를 포함하는 예시적인 적응형 라이팅 시스템의 단면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 예시적인 적응형 라이팅 시스템에서의 LED 어레이의 상면도를 도시한다.
도 3은, 예를 들어, 도 1의 예시적인 적응형 라이팅 시스템의 메타렌즈와 같은, 메타렌즈에서 메타표면 내의 나노안테나들의 어레이에서의 필러(pillar)들(나노-실린더들)의 가능한 배열의 예를 도시한다.
도 4는 LED 어레이, 사전 시준기, 및 메타렌즈를 포함하는 예시적인 적응형 라이팅 시스템의 단면도를 도시한다.
도 5는 LED 어레이, 사전 시준기, 및 메타렌즈를 포함하는 또 다른 예시적인 적응형 라이팅 시스템의 단면도를 도시한다.
도 6은 예시적인 메타렌즈에 대한 계산된 투과율(transmission) 대 입사각의 플롯을 도시한다.
도 7은 도 6의 예시적인 메타렌즈에 대한 계산된 투과율 대 입사각의 또 다른 플롯을 도시한다.
도 8은 도 6의 예시적인 메타렌즈에 대한 입사각의 함수로서의 반사율(reflectance)의 플롯을 도시한다.
도 9는 적응형 조명 시스템을 포함하는 예시적인 카메라 플래시 시스템을 개략적으로 예시한다.
도 10은 적응형 조명 시스템을 포함하는 예시적인 AR/VR 시스템을 개략적으로 예시한다.
도 2는 도 1의 예시적인 적응형 라이팅 시스템에서의 LED 어레이의 상면도를 도시한다.
도 3은, 예를 들어, 도 1의 예시적인 적응형 라이팅 시스템의 메타렌즈와 같은, 메타렌즈에서 메타표면 내의 나노안테나들의 어레이에서의 필러(pillar)들(나노-실린더들)의 가능한 배열의 예를 도시한다.
도 4는 LED 어레이, 사전 시준기, 및 메타렌즈를 포함하는 예시적인 적응형 라이팅 시스템의 단면도를 도시한다.
도 5는 LED 어레이, 사전 시준기, 및 메타렌즈를 포함하는 또 다른 예시적인 적응형 라이팅 시스템의 단면도를 도시한다.
도 6은 예시적인 메타렌즈에 대한 계산된 투과율(transmission) 대 입사각의 플롯을 도시한다.
도 7은 도 6의 예시적인 메타렌즈에 대한 계산된 투과율 대 입사각의 또 다른 플롯을 도시한다.
도 8은 도 6의 예시적인 메타렌즈에 대한 입사각의 함수로서의 반사율(reflectance)의 플롯을 도시한다.
도 9는 적응형 조명 시스템을 포함하는 예시적인 카메라 플래시 시스템을 개략적으로 예시한다.
도 10은 적응형 조명 시스템을 포함하는 예시적인 AR/VR 시스템을 개략적으로 예시한다.
이하의 상세한 설명은 도면들을 참조하여 읽어야 하며, 상이한 도면들 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호들은 같은 요소들을 지칭한다. 반드시 축척대로 그려진 것은 아닌 도면들은, 선택적 실시예들을 묘사하고, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지는 않는다. 상세한 설명은 제한이 아니라 예로서, 본 발명의 원리들을 예시한다.
독립적으로 동작가능한 LED들의 어레이는 적응형 조명, 즉, 예를 들어, 조명될 객체들 또는 장면의 특성들에 의존하여 강도, 컬러, 방향, 및/또는 공간적 위치가 달라질 수 있는 조명을 제공하기 위해 렌즈, 렌즈 시스템, 또는 다른 광학 시스템과 조합하여 사용될 수 있다. 그러한 적응형 조명은 자동차, 모바일 디바이스 카메라, VR, 및 AR 애플리케이션들에서 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 애플리케이션들에서, 치수들, 특히 광원 및 연관된 광학계들(optics)(예를 들어, 렌즈들)의 높이는, 중요한 설계 파라미터일 수 있다.
스마트폰들 또는 태블릿들과 같은 모바일 디바이스들에서, 카메라들이, 예를 들어 스마트폰에 대해, 40°와 120° 사이에서 달라지는 상이한 시야들을 제공하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 시야에 매칭되는 적응형 조명 유닛은 제한된 체적에 맞추면서 광 스루풋(light throughput)을 최적화해야 한다. 그러한 조명에 사용되는 렌즈는 해상도 사양들이 이미징 애플리케이션들에 대해 요구되는 것만큼 높지 않기 때문에 완벽한 이미징 속성들을 가질 필요가 없다. 변조 전달 함수(modulation transfer function)들에 기초한 것들과 같은 전통적인 이미징 품질 특성 성능 파라미터들보다 효율성이 선호된다.
본 개시내용은 메타렌즈와 조합하여 LED 어레이를 포함하는 적응형 라이팅 시스템들을 설명한다. 아래에 추가로 설명된 바와 같이, 메타렌즈는 렌즈-유사(lens-like) 기능을 수행하도록(예를 들어, 수렴 렌즈(converging lens)로서 작용하도록) 설계된 나노구조화된(nanostructured) 표면(메타표면(metasurface)) 또는 나노구조화된 구조(메타구조(metastructure))를 포함한다. 유리하게는, 메타렌즈는, 콤팩트한 디바이스 설계를 용이하게 하는, 얇고 평평한 기하구조(geometry)를 가질 수 있다. LED 어레이는 어레이로서 배열된 독립적으로 동작가능한 개별 LED들을 포함할 수 있다. 대안적으로, LED 어레이는, 세그먼트들이 LED들로서 독립적으로 동작가능할 수 있는 하나 이상의 세그먼트화된 모놀리식 LED(segmented monolithic LED)를 포함할 수 있다. "세그먼트화된 모놀리식 LED"에 의해 본 개시내용은, 반도체 다이오드 구조를 완전히 통과하지 않고 부분적으로 통과하는 트렌치들이 전기적으로 고립된 세그먼트들을 정의하는 모놀리식 반도체 다이오드 구조를 지칭한다. 전기적으로 고립된 세그먼트들은 반도체 구조의 부분들에 의해 서로 물리적으로 접속된 채로 유지된다.
도 1은 하우징(120) 내에 배치된 LED 어레이(110)를 포함하는 예시적인 적응형 라이팅 시스템(100)의 단면도를 도시한다. 예시된 예에서, LED 어레이(110)는 독립적으로 동작가능한 LED 세그먼트들(S11, S12, S13, S14, 및 S15)을 포함하는 모놀리식 LED 디바이스이다. 하우징(120)에 부착된 메타렌즈(130)는 LED 어레이에 의해 방출된 광선들(115)을 재지향(예를 들어, 시준 또는 포커싱)시킨다. 적응형 라이팅 시스템(100)은, 예를 들어, 약 40°에서 약 80°까지, 또는 약 120°까지의 시야에 걸쳐 조명을 제공할 수 있다.
도 2는, 이 예에서 정사각형 5 x 5 어레이로 배열되고 S11에서 S55까지 이어지는 S(행, 열)로서 행 및 열에 의해 어레이에서의 그들의 위치에 의해 식별되는 25개의 독립적으로 동작가능한 LED 세그먼트를 포함하는 LED 어레이(110)의 평면도를 도시한다. 더 일반적으로, LED 어레이(110)는, 예를 들어, 직사각형 어레이일 수 있거나 비-직사각형(예를 들어, 원형 또는 타원형) 형상에 근사할 수 있다. 임의의 적합한 크기의 어레이, 예를 들어, 3 x 3 어레이, 5 x 5 어레이(도시된 바와 같음), 7 x 7 어레이, 또는 15 x 21 어레이가 사용될 수 있다. 어레이 내의 LED 세그먼트들은 동일한 크기, 또는 상이한 크기들일 수 있다. 예를 들어, 중심 세그먼트는 주변 세그먼트들보다 더 크게 선택될 수 있다. 어레이는 어레이의 평면에서, 예를 들어, 약 1.5 mm x 1.5 mm 내지 약 3 mm x 3 mm의 치수들을 가질 수 있다.
어레이(110) 내의 LED 세그먼트들은 어레이의 평면에서, 예를 들어, 약 5 미크론(micron) 내지 약 500 미크론의 치수들을 가질 수 있다. 세그먼트들은 그들의 가장 가까운 이웃들로부터, 예를 들어, 5 미크론 이상 분리될 수 있다. 세그먼트들은 실질적으로 균일한 시각적 외관을 제시하고 실질적으로 균일한 광 빔을 제공하기에 충분한 서로의 거리 내에 포지셔닝될 수 있다. 이 거리는 세그먼트들이 광원으로부터의 정상 거리에서 사용자에 대해 계산된 레일리 한계 거리(Rayleigh limit distance)이하만큼 분리되도록 선택될 수 있다.
LED 어레이(130) 내의 각각의 세그먼트는 단일 컬러일 수 있고, 상이한 세그먼트들은 상이한 컬러들을 방출한다(예를 들어, 일부 세그먼트들은 백색 광을 방출하고 다른 세그먼트들은 적색 광을 방출함). 상이한 컬러 세그먼트들이 인터리빙(interleave)될 수 있다. 동일한 컬러의 세그먼트들이 그룹화될 수 있다. 세그먼트의 하나의 컬러의 그룹들은 다른 컬러들의 그룹들과 인터리빙될 수 있다. 세그먼트들의 독립적인 동작은 어레이에 의해 방출된 광의 컬러가 튜닝(tune)되는 것을 허용한다.
각각의 세그먼트는 반도체 발광 다이오드, 및 선택적으로 반도체 발광 다이오드에 의해 방출된 광을 흡수하고 더 긴 파장의 광을 방출하는 파장 변환 구조(wavelength converting structure)를 포함한다. 반도체 발광 다이오드들은, 예를 들어, II-VI, III-V, 또는 다른 반도체 물질 시스템들로 형성될 수 있고, 예를 들어, 애플리케이션에 따라 자외선, 가시광, 또는 적외선 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
파장 변환 구조들은, 예를 들어, 종래의 인광체(phosphor)들, 세라믹 인광체들, 유기 인광체들, 양자점(quantum dot)들, 유기 반도체들, II-VI 또는 III-V 반도체들, II-VI 또는 III-V 반도체 양자점들 또는 나노결정들, 염료들, 폴리머들, 또는 발광하는 다른 물질들일 수 있는 하나 이상의 파장 변환 물질들을 포함한다. 인광체 또는 다른 파장 변환 물질들은, 예를 들어, 파장 변환 구조를 형성하기 위해, 실리콘과 같은 바인더 물질(binder material)에 발광 입자들로서 분산될 수 있다. 파장 변환 구조는, 예를 들어, TiO2와 같은 광 산란 또는 광 확산 요소들을 포함할 수 있다. 파장 변환 구조들은 어레이 내의 다수의 또는 모든 반도체 발광 다이오드를 커버하는 모놀리식 요소일 수 있거나, 대응하는 반도체 발광 다이오드에 각각 부착된 별도의 세그먼트들로 구조화될 수 있다. 파장 변환 구조의 이들 개별 세그먼트들 사이의 갭들은, 각각의 세그먼트로부터의 광 방출을 이 세그먼트로만 한정하기 위해 광학적으로 반사성 물질로 채워질 수 있다.
적응형 라이팅 시스템(100)의 동작에서, LED 어레이(110) 내의 개별 세그먼트들은 특정한 목적을 위해 적응된 조명을 제공하도록 동작될 수 있다. 예를 들어, 적응형 라이팅 시스템(100)은 조명된 장면 또는 객체에 걸쳐 컬러 및/또는 강도에 의해 달라지고/지거나 원하는 방향으로 조준되는 조명을 제공할 수 있다. 제어기는 장면 내 객체들 또는 사람들의 위치들 및 컬러 특성들을 표시하는 데이터를 수신하고, 그 정보에 기초하여 LED 어레이(110)를 제어하여 장면에 적응된 조명을 제공하도록 구성될 수 있다. 그러한 데이터는, 예를 들어, 이미지 센서, 또는 광학(예를 들어, 레이저 스캐닝) 또는 비-광학(예를 들어, 밀리미터 레이더) 센서들에 의해 제공될 수 있다.
예를 들어, 플래시와 같은 애플리케이션에 대해, LED들의 총 방출된 광학 전력(optical power)은, 예를 들어, 약 0.1 W 내지 약 10 W일 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 메타렌즈(130)는, 도시된 바와 같이, 평면일 수 있고, LED 어레이의 평면에 평행한 평면에서 측정되는 바와 같이 LED 어레이의 치수들보다 상당히 더 큰 치수들을 가질 수 있다. 예를 들어, 메타렌즈(130)는 LED 어레이의 크기의 2 내지 3배일 수 있다. LED 어레이 내의 특정 LED 세그먼트로부터 방출된 모든 광이 원거리 필드 내의 미리 정의된 영역에 도달하도록 메타렌즈가 설계된다.
적응형 라이팅 시스템(100)에 의해 조명되는 시야는 조명을 제공하도록 동작되는 어레이(110) 내의 LED들의 수 및 위치를 선택함으로써 제어될 수 있다. 작은 시야, 예를 들어, 40°가 필요한 경우, 중심 LED 세그먼트들만이 필요할 수 있는 반면, 큰 시야(예를 들어, 120°)의 경우, 모든 LED 세그먼트들이 스위치 온될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 메타렌즈(130)는, 메타렌즈(130)가 렌즈로서 기능하도록, 예를 들어, 메타렌즈는 LED 어레이로부터 그것에 입사하는 광선들을 포커싱, 시준, 또는 다른 방식으로 재지향시키도록, 배열된 하나 이상의 메타표면 또는 메타구조이거나 이를 포함한다. 메타렌즈(130)는, 예를 들어, 수렴 렌즈로서 기능할 수 있다. 메타표면들은 물리적 구조 및/또는 화학적 조성이 전형적으로 미크론 미만인 길이 스케일에서 달라지는 표면들이고, 즉, 그들은 나노구조화된다. 유사하게, 메타구조들은, 물리적 구조 및/또는 화학적 조성이 전형적으로 미크론 미만의 길이 스케일에서 달라지는 구조들이다. 메타표면들 및 메타구조들은 특정한 광학 기능들 및 효과들을 제공하도록 설계될 수 있다.
메타렌즈(130)는, 예를 들어, LED 어레이의 평면에 평행한 평면에서 메타표면으로서 배열된 나노 스케일 안테나들(나노안테나들)의 제1 어레이를 적어도 포함한다. 각각의 나노안테나는 전형적으로 어레이의 평면에서 LED 어레이에 의해 방출되는 광의 자유 공간 파장(free space wavelength) 이하의 치수들을 갖는다. 나노안테나들은 나노안테나들의 공간적 위치에 따라 달라지는 구조적, 화학적, 및/또는 광학적 속성들을 가져서, LED 어레이에 의해 방출된 광을 포커싱, 시준, 또는 다른 방식으로 재지향시키는 공간적으로 달라지는 방식으로, LED 어레이에 의해 메타렌즈를 통해 방출된 위상 및 진폭에 영향을 미친다.
예를 들어, 나노안테나들은 메타렌즈의 중심 광학 축(central optical axis) 주위의 동심 링(concentric ring)들에 나노 격자들을 형성하도록 배열될 수 있다. 메타렌즈의 평면에서 각각의 동심 링의 폭은 중심 광학 축으로부터 반경방향 거리(radial distance)의 함수로 감소한다. 메타렌즈의 외측 에지를 향하는, 각각의 링의 폭은, 예를 들어 700 nm - 1000 nm의 범위에 있을 수 있는 반면, 메타렌즈의 중심을 향하는, 폭은, 예를 들어 1500 nm - 5000 nm일 수 있다. 나노안테나들 사이의 간격은 또한, 예를 들어, 220 nm - 250 nm의 피치(pitch)로 배열된 에지들을 향하는 나노안테나들 및 250 nm에 더 가까운 피치로 배열된 중심을 향하는 나노안테나들을 갖는 반경방향 포지션(radial position)의 함수로서 변한다. 즉, 피치는 중심 축으로부터의 반경방향 거리가 증가함에 따라 감소할 수 있다.
나노안테나들은, 예를 들어, 필러(나노-실린더) 형상들을 갖는 구조들일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메타렌즈(130)는, 예를 들어 약 80nm와 약 250nm 사이의 직경들 및 예를 들어 약 400nm와 800nm 사이 또는 약 400nm와 1 미크론 사이의 높이들을 갖는 필러들의 하나 이상의 주기적 어레이를 포함할 수 있다. 높이는 시스템 성능, 색수차(chromatic aberration) 및 효율을 최적화하기 위한 설계 파라미터로서 선택된다. 막대(rod)들 사이의 피치(중심과 중심 간격)는, 예를 들어 220 nm와 280 nm 사이일 수 있고, 이는 필러들 사이에 30nm의 최소 갭을 남긴다. 그러한 나노필러(nanopillar)들은, 위에서 설명된 바와 같이, 메타렌즈의 중심 광학 축 주위의 동심 링들에 나노 격자들을 형성하도록 배열될 수 있고, 필러들의 장축들은 어레이의 평면에 수직으로 배열된다.
대안적으로, 나노안테나들은, 예를 들어, 핀(fin) 형상들을 갖는 구조들일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 그러한 핀 형상의 나노안테나들(나노핀(nanofins)들)은, 예를 들어 위에서 설명된 바와 같은 필러들과 형상이 유사하지만, 그들의 장축들에 수직인 평탄화(flattened)된 단면들을 가질 수 있다. 그러한 나노핀들은 위에서 설명된 나노필러들의 배열들과 유사하게 배열될 수 있다. 나노핀들을 포함하는 메타렌즈는 편광되도록, 즉, 특정한 선형 편광의 광을 우선적으로 투과하도록 설계될 수 있다.
메타렌즈의 높이는 나노안테나들(예를 들어, 나노필라들 또는 나노핀들)의 높이로 감소될 수 있다. 이는 전형적으로 1 mm 이상의 두께를 갖는 종래의 이미징 광학계들보다 실질적으로 더 얇다. 카메라-플래시 렌즈와 같은 이미징 광학계에 대해, LED 어레이로부터 이격되는 기판 상에 주기적 어레이가 배치될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 카메라 플래시 렌즈에 대해 변조 전달 함수는 메타렌즈들을 적합한 선택으로 만드는 조도보다 덜 중요할 수 있다. 또한, 카메라 플래시 렌즈에 대해 색수차에 대한 요구는 실제 이미징 애플리케이션에 대한 것보다 덜 엄격할 것이다. 그러나, 효율성은 가능한 개구수(numerical aperture, NA)가 가장 높은 큰 광학계로 이어지는 중요한 파라미터일 것이다.
도 3은 메타렌즈에서 메타표면(155) 내의 나노안테나들의 어레이에서의 필러들(150)의 가능한 배열의 예를 도시한다. 나노핀들은 유사하게 배열될 수 있다. 메타표면(155)은, 각각의 단위 셀(예를 들어, 155A, 155B)이 하나 이상의 필러를 포함하는 단위 셀들의 주기적인 배열로 구성된다. 가장 간단한 경우에, 단위 셀은 단일 개별 필러로 구성된다. 그러나, 컬러 균일성을 개선하고 컬러 수차를 보정하기 위해, 단위 셀은 하나보다 많은 필러로 구성될 수 있다. 예를 들어, 단위 셀은 삼각형 격자로 배치된 3개의 나노실린더로 구성될 수 있다. 단위 셀 내의 필러들은, 예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형인 단면들을 가질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 예시된 예에서 메타렌즈(130)는, LED 어레이로부터 멀어지는 방향을 향하는 평면 최상부 표면(130T) 및 LED 어레이를 향하는 바닥 표면(130B)을 갖는 투명 기판(130S)(예를 들어, 사파이어)을 포함한다. 원하는 렌즈 기능을 제공하기 위해 표면 130T 상에, 표면 130B 상에, 또는 표면 130T 상에 그리고 표면 130B 상에 나노안테나들의 어레이가 메타표면으로서 배열될 수 있다.
기판의 양 측면들 상에 나노안테나들의 어레이들의 배치는 메타렌즈 설계의 다수의 양태들: 1) 입사 광을 사전 시준함으로써 효율성을 개선하고, 그에 의해 렌즈의 NA를 감소시킴으로써 시스템의 효율성을 개선하는 것, 및 2) 수차 및 컬러 균일성을 보정하기 위한 방안들을 제공함으로써 이미징 시스템 성능을 개선하는 것에 도움이 될 수 있다. 빔을 큰 각도들로 구부리는 것은 종종 더 낮은 각도들로 구부리는 것보다 덜 효율적이다. 기판의 양 측면들 상에 나노안테나들의 어레이들을 갖는 것은, 특히 큰 편향의 각도들이 필요한 에지들에 대해, 효율성을 개선할 수 있다.
일 변형예에서, 메타렌즈(130)는 큰 편향 각도들이 필요한 메타렌즈의 에지들 근처의 기판의 양 측면들(130T 및 130B) 상의 나노안테나들의 어레이들, 및 빔 편향이 중간인 메타렌즈의 중심 영역에서 기판의 단지 일 측면(130T 또는 130B) 상의 나노안테나들의 어레이를 포함한다.
효율성을 최대화하기 위해서, 메타구조들이 존재하지 않는 기판(130)의 표면들 상에 반사방지 코팅이 퇴적될 수 있다. 예를 들어, 다공성 낮은 지수 층(porous low index layer) 또는 다층 스택(multi-layer stack)이 광의 인커플링(incoupling)을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 다른 잠재적인 수정들은 모듈의 기계적 강건성을 개선하기 위해 필러들 사이에 낮은 지수 물질을 퇴적하는 것을 포함한다. 순수 이미징 광학계의 경우, 광의 재순환(recirculation)이 회피되어야 한다. 그러나 플래시 렌즈를 위한 일부 재순환은 효율을 증가시키는 데 유리할 수 있다. 이를 위해 추가적인 산란 코팅들이 도포될 수 있다.
이제 도 4에 도시된 예시적인 적응형 라이팅 시스템(400)을 참조하면, 효율을 더 최대화하기 위해, 도 1에 도시된 적응형 라이팅 시스템에 사전 시준기(160)가 추가될 수 있다. 사전 시준기(160)는 메타렌즈(130)가 최적화되고 가장 효과적으로 동작할 수 있도록 LED 어레이 광원의 각도 방출(angular emission)을 좁힌다. 이것은, 결국, 전력 효율 및 광 조향 제어 둘 다에서의 개선들뿐만 아니라, 렌즈의 면적에서의 25%까지의 감소를 제공해야 한다. 사전 시준기(160)는, 예를 들어, LED 어레이로부터 멀어지는 방향을 향하는 평면 최상부 표면(160T) 및 LED 어레이를 향하는 바닥 표면(160B)을 갖는 투명 기판(160S)(예를 들어, 사파이어)을 포함할 수 있다. 나노안테나들(예를 들어, 위에서 설명된 바와 같은 필러들 또는 핀들)의 어레이는, 원하는 사전 시준 기능을 제공하기 위해 표면 160T 상에, 표면 160B 상에, 또는 표면 160T 상에 그리고 표면 130B 상에 메타표면으로서 배열될 수 있다. 시준기가 없는 타깃 초점 거리(target focal length distance)가 사전 시준기의 기판 두께보다 크다면(메타표면 두께를 무시함, 즉 <=1um), 적응형 라이팅 시스템(400)의 전체 두께는 도 1의 적응형 라이팅 시스템(100)의 전체 두께보다 클 필요가 없다는 것에 유의해야한다.
높은 효율, 낮은 손실 메타렌즈들 및 사전 시준기들을 획득하는데 있어서 중요한 인자는 나노안테나들을 위한 물질들의 선택 및 물질들이 준비되는 방식이다. 높은 굴절률 및 낮은 흡수 손실을 갖는 물질들을 사용하는 것은 성능을 개선한다. 굴절률 및 흡수 손실은 물질이 준비되는 방식에 의존할 수 있다. 나노안테나들에 적합한 물질들은 니오븀 오산화물, 갈륨 질화물, 실리콘 질화물, 티타늄 이산화물, 또는 하프늄 산화물을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
본 명세서에 설명된 바와 같은 메타렌즈들은 나노안테나 물질의 균질한 층을 형성하기 위해 바람직하게는 스퍼터링(sputtering)(물리적 증착) 또는 화학적 증착을 사용하여 준비된다. 갈륨 질화물(GaN), 니오븀 오산화물(Nb2O5), 및 실리콘 질화물은 이 접근법에서 사용될 적합한 물질들이다. 이러한 물질들에 대해, 이머전(immersion) DUV, 또는 대안적으로 나노임프린팅(nanoimprinting) 패터닝 기법들이 후속하여 사용되어, 층을 패터닝하여 나노안테나 어레이들을 형성한 다음, 하드 마스크를 사용하는, 정의된 에칭 스톱(etch stop)을 갖는 이방성(anisotropic) 에칭으로 이어지고, 잘 정의된(well-defined) 층 두께(예를 들어, 필러 또는 핀 높이)로 이어진다.
덜 바람직한 접근법은 e-빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용하여 패턴을 e-빔 레지스트(e-beam resist)에 기입한 다음, 후속하여 원자 층 퇴적(atomic layer deposition, ALD)을 사용하여 니오븀 오산화물로 패턴을 채우는 것이다. 레지스트의 성질로 인해, ALD는 저온에서만 수행될 수 있고, 이는 물질의 굴절률에 영향을 미친다. ALD에 의해 준비되는 니오븀 오산화물은 550 nm에서 2.2 미만의 굴절률을 갖는 반면, 벌크 니오븀 오산화물은 2.36의 굴절률을 갖는 것으로 알려져 있다. 대조적으로, 물리적 또는 화학적 증착에 의해 형성된 니오븀 오산화물은 벌크 값에 매우 가까운 2.34의 굴절률을 가질 수 있다. 이것은 스퍼터링 접근법을 바람직하게 한다.
또한, 흡수에 의한 손실들과 관련하여 저온 ALD 성장 접근법은 최적이 아니다. 80℃에서 성장된 티타늄 산화물(TiO2)은 약 0.004의 흡수율(k) 및 2.37의 굴절률을 갖는다. 스퍼터-코팅된 니오븀 오산화물에 대해, 굴절률은 위에서 언급된 바와 같이 2.34이고, 흡수율(k)는 티타늄 오산화물보다 10배 이상 낮은 0.0002인 반면, 굴절률은 유사하다. 또한, 티타늄 산화물은 광촉매성(photocatalytic)일 수 있고, 그러한 이유로 바람직하지 않을 수 있다. 또한, ALD 접근법의 경우, 과잉 물질(excess material)이 에칭 제거되어야만 하고, 정지 층(stop layer)이 없고, 얼마나 많이 에칭되는지는 단지 시간에만 의존하며, 이는 나노안테나(예를 들어, 필러 또는 핀) 높이에 대한 더 열악한 제어로 이어진다.
도 5는 LED 어레이(110), 사전 시준기(160), 및 메타렌즈(130)을 포함하는 예시적인 적응형 라이팅 시스템(500)의 단면도를 도시한다. 메타렌즈(130)는 기판(130S)의 최상부 표면 상에 배치된 메타표면(505T) 및 기판(130S)의 바닥 표면 상에 배치된 메타표면(505B)을 포함한다. LED 어레이(110)는 측면 반사기들(520) 및 사전 시준기(160)에 의해 정의된 캐비티(515) 내에서 기판(510) 상에 배치된다. 측면 반사기들(520)은, 예를 들어, 실리콘 내에 분산된 티타늄 산화물 입자들과 같은 체적 반사성 물질로 형성될 수 있다. 측면 반사기들(520)은 광 재활용(light recycling)이 추구되지 않는 경우, 선택적으로 흡수성 물질로 대체될 수 있다. 캐비티는 충전 물질로서 공기 또는 다른 투명 매체, 예를 들어, 낮은 지수 실리콘 또는 나노다공성(nanoporous) 물질로 충전될 수 있다. 메타렌즈(130)는, 흡수성일 수 있는 측벽들(530)에 의해 사전 시준기(160)로부터 이격된다.
메타렌즈 메타표면들(505T 및 505B)은, 위에서 설명된 바와 같이, 나노안테나들(예를 들어, 필러들 또는 핀들)의 동심 링들을 포함할 수 있고, 나노안테나들은 또한 위에서 설명된 바와 같이 니오븀 오산화물로 형성된다. 사전 시준기는, 예를 들어, 반경 58 nm, 높이 250 nm, 및 주기(피치) 180 nm의, 예를 들어 니오븀 오산화물 필러들을 포함하는, 메타렌즈와 유사한 구조를 가질 수 있다. 사전 시준기는 대안적으로 다층 박막 코팅/광자 결정(photonic crystal), 또는 예를 들어, 니오븀 오산화물 및/또는 갈륨 질화물로 형성된 나노 막대(nano-rod)들 및 나노 원뿔(nano-cone)들로 이루어진 광자 결정으로서 구현될 수 있다.
도 6 및 도 7은, 위에서 설명된 바와 같이 니오븀 오산화물 필러들로 형성된 메타렌즈를 갖는 도 5에서와 같은 시스템 내의 메타렌즈에 대한, 450 nm의 파장을 갖는 광에 대한 계산된 투과율 대 입사각의 플롯들을 도시한다. 도 8은 유사하게 450 nm의 파장을 갖는 광에 대한, 메타렌즈에 대한 반사율 대 입사각을 도시한다.
도 9는 위에서 설명된 시스템들과 유사하거나 동일할 수 있는 LED 어레이 및 메타렌즈 적응형 조명 시스템(902)을 포함하는 예시적인 카메라 플래시 시스템(900)을 개략적으로 예시한다. 플래시 시스템(900)은 또한, 마이크로프로세서와 같은 제어기(904)에 의해 제어되는 LED 드라이버(906)를 포함한다. 제어기(904)는 또한 카메라(907) 및 센서들(908)에 결합될 수 있고, 메모리(910) 내에 저장된 명령어들 및 프로파일들에 따라 동작할 수 있다. 카메라(907) 및 적응형 조명 시스템(902)은 그들의 시야를 매칭하도록 제어기(904)에 의해 제어될 수 있다.
센서들(908)은, 예를 들어, 시스템(900)의 포지션, 속도 및 배향을 결정하기 위해 사용될 수 있는 포지션 센서들(예: 자이로스코프 및/또는 가속도계) 및/또는 다른 센서들을 포함할 수 있다. 센서들(908)로부터의 신호들은 제어기(904)에 공급되어 제어기(904)의 적절한 작용의 과정(예를 들어, 어느 LED들이 현재 타깃을 조명하고 있는지 그리고 어느 LED들이 미리 결정된 시간량 후에 타깃을 조명할 것인지)을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
동작 시에, 902에서의 LED 어레이의 픽셀들의 일부 또는 전부로부터의 조명은 조정- 비활성화되거나, 전체 강도에서 동작되거나, 중간 강도에서 동작됨 -될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 902에서의 LED 어레이에 의해 방출되는 광의 빔 초점 또는 조향은 픽셀들의 하나 이상의 서브세트를 활성화함으로써 전자적으로 수행될 수 있어, 광학계들을 이동시키거나 라이팅 장치 내의 렌즈의 초점을 변경하지 않고 빔 형상의 동적 조정을 허용한다.
본 명세서에 설명된 바와 같은 적응형 발광 매트릭스 픽셀 어레이들 및 렌즈 시스템들은 광 분포의 미세한 입도 강도, 공간적, 및 시간적 제어로부터 이익을 얻는 다양한 다른 빔 조향 또는 다른 애플리케이션들을 지원할 수 있다. 이러한 애플리케이션들은 픽셀 블록들 또는 개별 픽셀들로부터 방출된 광의 정밀한 공간 패터닝을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 애플리케이션에 따라, 방출된 광은 스펙트럼적으로 구별(spectrally distinct)되고, 시간 경과에 따라 적응적이고(adaptive over time) 및/또는 환경적으로 반응적(environmentally responsive)이다. 발광 픽셀 어레이들은 다양한 강도, 공간적, 또는 시간적 패턴들의 미리 프로그래밍된 광 분포를 제공할 수 있다. 연관된 광학계들은 픽셀, 픽셀 블록, 또는 디바이스 레벨에서 구별될 수 있다. 예시적인 발광 픽셀 어레이는 연관된 공통 광학계를 갖는 고강도 픽셀들의 공통적으로 제어되는 중심 블록을 갖는 디바이스를 포함할 수 있는 반면, 에지 픽셀들은 개별 광학계들을 가질 수 있다. 플래시라이트들에 더하여, 발광 픽셀 어레이들에 의해 지원되는 일반적인 애플리케이션들은 비디오 라이팅, 자동차 헤드라이트들, 건축 및 지역 조명, 및 가로등을 포함한다.
설명된 적응형 발광 픽셀 어레이들에 의해 지원되는 애플리케이션들은 증강(AR) 또는 가상 현실(VR) 헤드셋들, 안경들, 또는 프로젝터들을 포함한다. 예를 들어, 도 10은 적응형 발광 어레이(1010), AR 또는 VR 디스플레이(1020), 발광 어레이 제어기(1030), 센서 시스템(1040), 및 시스템 제어기(1050)를 포함하는 예시적인 AR/VR 시스템(1000)을 개략적으로 예시한다. 제어 입력은 센서 시스템(1040)에 제공되는 반면, 전력 및 사용자 데이터 입력은 시스템 제어기(1050)에 제공된다. 이해되는 바와 같이, 일부 실시예들에서, AR/VR 시스템(1000)에 포함된 모듈들은 단일 구조로 콤팩트하게 배열되거나, 하나 이상의 요소가 개별적으로 장착되고 무선 또는 유선 통신을 통해 접속될 수 있다. 예를 들어, 발광 어레이(1010), AR 또는 VR 디스플레이(1020), 및 센서 시스템(1040)은 헤드셋 또는 안경 상에 장착될 수 있고, 발광 제어기 및/또는 시스템 제어기(1050)는 개별적으로 장착된다.
일 실시예에서, 발광 어레이(1010)는, 예를 들어 위에서 설명된 바와 같이, AR/VR 시스템들을 지원할 수 있는 그래픽 또는 객체 패턴들 내로 광을 투사하기 위해 사용될 수 있는, 하나 이상의 적응형 발광 어레이를 포함한다. 일부 실시예들에서, microLED들(μLED들 또는 uLED들)의 어레이들이 사용될 수 있다. microLED들은 100 ㎛ x 100 ㎛ 미만의 측방향 치수를 갖는 고밀도 픽셀들을 지원할 수 있다. 일부 실시예들에서, 약 50 ㎛ 이하인 직경 또는 폭의 치수들을 갖는 microLED들이 사용될 수 있다. 그러한 microLED들은 적색, 청색 및 녹색 파장들을 포함하는 microLED들을 근접하게 정렬함으로써 컬러 디스플레이들의 제조를 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, microLED들은 모놀리식 GaN 또는 다른 반도체 기판 상에 정의되거나, 부분적으로 세그먼트화되거나, 완전히 분할된 반도체 기판 상에 형성되거나, 또는 개별적으로 형성되거나 microLED들의 그룹들로서 패널 조립될 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광 어레이(1010)는 센티미터 스케일 면적 이상인 기판들 상에 포지셔닝된 적은 수의 microLED들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광 어레이(1010)는 센티미터 스케일 면적 이하인 기판들 상에 함께 포지셔닝된 수백, 수천, 또는 수백만 개의 발광 LED들을 갖는 microLED 픽셀 어레이들을 지원할 수 있다. 일부 실시예들에서, microLED들은 30 미크론과 500 미크론 사이 크기의 발광 다이오드들을 포함할 수 있다. 발광 어레이(들)(1010)는 단색, RGB, 또는 다른 원하는 색도일 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀들은 정사각형, 직사각형, 육각형일 수 있거나, 곡선 둘레를 가질 수 있다. 픽셀들은 크기가 같거나, 크기가 다르거나, 크기가 비슷하고 그룹화되어 더 큰 유효 픽셀 크기를 제시할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 이미지들을 제공하기 위해 별도의 발광 어레이들이 사용될 수 있으며, 구별되는 별도의 마이크로-LED 어레이에 의해 AR 특징들이 제공된다. 일부 실시예들에서, 선택된 픽셀 그룹은 사용자에게 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용될 수 있는 반면 추적 픽셀(tracking pixel)들은 눈 추적에 사용되는 추적 광을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 콘텐츠 디스플레이 픽셀들은 가시 대역(visible band)의 적어도 일부 부분(대략 400nm 내지 750nm)을 갖는 가시 광을 방출하도록 설계된다. 대조적으로, 추적 픽셀들은 가시 대역 또는 IR 대역(대략 750 nm 내지 2,200 nm), 또는 이들의 일부 조합에서 광을 방출할 수 있다. 대안적인 예로서, 추적 픽셀들은 800 내지 1000 나노미터 범위에서 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 추적 픽셀들은 콘텐츠 픽셀들이 턴 오프(turned off)되고 사용자에게 콘텐츠를 디스플레이하고 있지 않은 기간 동안 추적 광을 방출할 수 있다.
이해되는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 발광 픽셀들 및 발광 어레이(1010)를 지원하는 회로는 패키징될 수 있고, 전력을 공급하고 반도체 LED들에 의한 광 생성을 제어하기 위해 접속된 서브마운트(submount) 또는 인쇄 회로 보드를 선택적으로 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 발광 어레이(1010)를 지지하는 인쇄 회로 보드는 또한 전기적 비아(via)들, 히트 싱크(heat sink)들, 접지 평면들, 전기적 트레이스(electrical trace)들, 및 플립 칩(flip chip) 또는 다른 장착 시스템들을 포함할 수 있다. 서브마운트 또는 인쇄 회로 보드는, 세라믹, 실리콘, 알루미늄 등과 같은 임의의 적합한 물질로 형성될 수 있다. 서브마운트 물질이 전도성인 경우, 기판 물질 위에 절연 층이 형성되고, 절연 층 위에 금속 전극 패턴이 형성된다. 서브마운트는 기계적 지지체로서 작용하여, 발광 어레이(1010) 상의 전극들과 전원 사이에 전기적 인터페이스를 제공하고, 또한 히트 싱크 기능성을 제공할 수 있다.
AR/VR 시스템(1000)은, 예를 들어 적응형 발광 어레이(1010)에 의해 방출된 광을 AR/VR 디스플레이(1020)에 결합하기 위해, 적응형 발광 어레이(1010) 및/또는 AR/VR 디스플레이(1020)에서 광범위한 광학계들을 통합할 수 있다. 그러한 광학 요소들은, 예를 들어, 메타렌즈들 및 예를 들어, 전술한 바와 같은 사전 시준기들을 포함할 수 있다. AR/VR 애플리케이션들을 위해, 메타렌즈들 및 사전 시준기들은 위에서 설명된 바와 같은 나노핀들을 포함할 수 있고, 그들이 투과하는 광을 편광시키도록 설계될 수 있다. 광학 요소들은 또한 또는 대안적으로 개구(aperture)들, 필터들, 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 또는 발광 어레이(1010)로부터 투사된 광에 영향을 미치는 임의의 다른 적합한 광학 요소를 포함할 수 있다. 추가적으로, 광학 요소들 중 하나 이상은 UV 차단 또는 반사 방지 코팅을 포함하는 하나 이상의 코팅을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학계는 핀쿠션 왜곡(pincushion distortion), 배럴 왜곡(barrel distortion), 종방향 색수차(longitudinal chromatic aberration), 구면 수차(spherical aberration), 색수차(chromatic aberration), 필드 곡률(field curvature), 비점수차(astigmatism), 또는 임의의 다른 타입의 광학 오차를 포함하는 2 또는 3차원 광학 오차들을 보정하거나 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 요소들은 이미지들을 확대 및/또는 보정하기 위해 사용될 수 있다. 유리하게는, 일부 실시예들에서 디스플레이 이미지들의 배율(magnification)은 발광 어레이(1010)가, 더 큰 디스플레이보다 물리적으로 더 작고, 무게가 더 적고, 더 적은 전력을 요구하도록 허용한다. 추가적으로, 배율은 디스플레이 프레젠테이션이 사용자의 정상 시야와 동일하도록 디스플레이된 콘텐츠의 시야를 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 발광 어레이 제어기(1030)는 발광 어레이(1010)에 대한 전력 및 실시간 제어를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 발광 어레이 제어기(1030)는 진폭 및 듀티 사이클의 픽셀 또는 그룹 픽셀 레벨 제어를 구현할 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광 어레이 제어기(1030)는, 발광 어레이(1010)에 공급될 수 있는 생성되거나 프로세싱된 이미지들을 유지하기 위한 프레임 버퍼(frame buffer)를 추가로 포함한다. 다른 지원되는 모듈들은, 필요한 이미지 데이터, 제어 데이터 또는 명령어들을 송신하도록 구성되는 I2C(Inter-Integrated Circuit) 직렬 버스, SPI(Serial Peripheral Interface), USB-C, HDMI, 디스플레이 포트, 또는 다른 적합한 이미지 또는 제어 모듈들과 같은, 디지털 제어 인터페이스들을 포함할 수 있다.
동작 시에, 이미지들 내의 픽셀들은 대응하는 발광 어레이(1010)의 응답을 정의하기 위해 사용될 수 있으며, LED 픽셀들의 강도 및 공간 변조는 이미지(들)에 기초한다. 데이터 레이트 문제들을 감소시키기 위해, 일부 실시예들에서 픽셀들의 그룹들(예를 들어, 5×5 블록들)이 단일 블록들로서 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고속 및 높은 데이터 레이트 동작이 지원되고, 연속 이미지들로부터의 픽셀 값들은 30Hz와 100Hz 사이의 레이트에서 이미지 시퀀스 내의 연속 프레임들로서 로딩될 수 있으며, 60Hz가 전형적이다. 펄스 폭 변조는 이미지에 적어도 부분적으로 의존하는 강도로 패턴에서 광을 방출하도록 각각의 픽셀을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서 시스템(1040)은 환경을 모니터링하는 카메라들, 깊이 센서들, 또는 오디오 센서들과 같은 외부 센서들, 및 AR/VR 헤드셋 포지션을 모니터링하는 가속도계들 또는 2축 또는 3축 자이로스코프들과 같은 내부 센서들을 포함할 수 있다. 다른 센서들은 공기압, 응력 센서들, 온도 센서들, 또는 로컬 또는 원격 환경 모니터링에 필요한 임의의 다른 적합한 센서들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 제어 입력은 감지된 터치 또는 탭들, 제스처 입력, 또는 헤드셋이나 디스플레이 포지션에 기초하는 제어를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 병진 또는 회전 이동을 측정하는 하나 이상의 자이로스코프 또는 포지션 센서로부터의 하나 이상의 측정 신호에 기초하여, 초기 포지션에 대한 AR/VR 시스템(1000)의 추정된 포지션이 결정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어기(1050)는 센서 시스템(1040)으로부터의 데이터를 사용하여 시간 경과에 따라 가속도계들로부터 수신된 측정 신호들을 적분하여 속도 벡터를 추정하고, 시간 경과에 따라 속도 벡터를 적분하여 AR/VR 시스템(1000)에 대한 기준 포인트의 추정된 포지션을 결정한다. 다른 실시예들에서, AR/VR 시스템(1000)의 포지션을 설명하기 위해 사용되는 기준 포인트는 깊이 센서, 카메라 포지셔닝 뷰(positioning view)들, 또는 광학 필드 흐름(optical field flow)에 기초할 수 있다.
AR/VR 시스템(1000)의 포지션, 배향, 또는 움직임의 변화들에 기초하여, 시스템 제어기(1050)는 발광 어레이 제어기(1030)에 이미지들 또는 명령어들을 전송할 수 있다. 이미지들 또는 명령어들에 대한 변경들 또는 수정들은 또한 필요에 따라 사용자 데이터 입력, 또는 자동화된 데이터 입력에 의해 이루어질 수 있다. 사용자 데이터 입력은 오디오 명령들, 햅틱 피드백, 눈 또는 동공 포지셔닝, 또는 접속된 키보드, 마우스, 또는 게임 제어기에 의해 제공되는 것을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
본 개시내용은 예시적인 것이고 제한적이지 않다. 추가의 수정들이 본 개시내용에 비추어서 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것이고 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하도록 의도된다.
Claims (27)
- 적응형 조명 시스템(adaptive illumination system)으로서,
독립적으로 제어가능한 LED들의 어레이;
상기 LED들에 의해 방출된 광을 부분적으로 시준하도록 배열된 사전 시준기(pre-collimator); 및
상기 LED들로부터 상기 사전 시준기의 대향하는 측면 상에 포지셔닝되고, 상기 광을 추가로 시준하기 위해 상기 사전 시준기에 의해 부분적으로 시준된 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이를 적어도 포함하는 메타렌즈(metalens)를 포함하고,
상기 메타렌즈는 상기 어레이의 상이한 LED들로부터 방출된 광이 대응하는 상이한 미리 정의된 원거리 필드 영역들로 지향되도록 포지셔닝되고 구조적으로 배열되는, 적응형 조명 시스템. - 제1항에 있어서, 각각의 LED는 모놀리식 구조(monolithic structure)의 세그먼트인, 적응형 조명 시스템.
- 제2항에 있어서, 각각의 LED는 상기 어레이의 평면에서 500 미크론 이하의 치수들을 갖는, 적응형 조명 시스템.
- 제3항에 있어서, 각각의 LED는 상기 어레이의 평면에서 100 미크론 이하의 치수들을 갖는, 적응형 조명 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 사전 시준기는 상기 광을 부분적으로 시준하기 위해 상기 LED들에 의해 방출된 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 배열된 나노안테나들의 어레이를 포함하는, 적응형 조명 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 사전 시준기 내의 상기 나노안테나들은 니오븀 오산화물, 갈륨 질화물, 실리콘 질화물, 티타늄 이산화물, 또는 하프늄 산화물로 형성되는, 적응형 조명 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 사전 시준기 내의 상기 나노안테나들은 니오븀 오산화물로 형성되는, 적응형 조명 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 메타렌즈는 기판을 포함하고, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이는 상기 기판의 제1 표면 상에 배열되는, 적응형 조명 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 광을 추가로 시준하기 위해 상기 사전 시준기에 의해 부분적으로 시준된 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 배열되는 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이를 포함하고, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이는 상기 기판의 상기 제1 표면에 대향하는 상기 기판의 제2 표면 상에 배열되는, 적응형 조명 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들은 실린더 형상들을 갖고 그들의 장축들이 상기 메타렌즈의 평면에 수직으로 배열되는, 적응형 조명 시스템.
- 제1항에 있어서, 각각의 LED는 모놀리식 구조의 세그먼트이고, 상기 메타렌즈는 기판을 포함하고, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이는 상기 기판의 제1 표면 상에 배열되며, 상기 적응형 조명 시스템은 상기 광을 추가로 시준하기 위해 상기 사전 시준기에 의해 부분적으로 시준된 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이를 포함하고, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이는 상기 기판의 상기 제1 표면에 대향하는 상기 기판의 제2 표면 상에 배열되는, 적응형 조명 시스템.
- 적응형 조명 시스템으로서,
독립적으로 제어가능한 LED들의 어레이; 및
상기 LED들의 어레이로부터 이격된 메타렌즈를 포함하고, 상기 메타렌즈는:
기판;
상기 LED들에 의해 방출된 광을 부분적으로 시준하기 위해 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 상기 기판의 제1 표면 상에 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이; 및
상기 LED들에 의해 방출된 광을 추가로 시준하기 위해 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 상기 제1 표면에 대향하는 상기 기판의 제2 표면 상에 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이를 포함하고,
상기 메타렌즈는, 상기 어레이의 상이한 LED들로부터 방출된 광이 대응하는 상이한 미리 정의된 원거리 필드 영역들로 지향되도록 포지셔닝되고 구조적으로 배열되는, 적응형 조명 시스템. - 적응형 조명 시스템으로서,
독립적으로 제어가능한 LED들의 어레이; 및
상기 LED들의 어레이로부터 이격된 메타렌즈를 포함하고, 상기 메타렌즈는:
기판;
상기 LED들에 의해 방출된 광을 부분적으로 시준하기 위해 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 상기 기판의 제1 표면 상에 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이; 및
상기 LED들에 의해 방출된 광을 추가로 시준하기 위해 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 상기 제1 표면에 대향하는 상기 기판의 제2 표면 상에 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이를 포함하고,
상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 및 제2 어레이 둘 다는 상기 메타렌즈의 외부 부분들로 연장되고;
상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이는 상기 메타렌즈의 광학 축 주위의 상기 메타렌즈의 중심 영역들을 커버하고;
상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이는 상기 메타렌즈의 상기 중심 영역을 커버하지 않고,
상기 메타렌즈는, 상기 어레이의 상이한 LED들로부터 방출된 광이 대응하는 상이한 미리 정의된 원거리 필드 영역들로 지향되도록 포지셔닝되고 구조적으로 배열되는, 적응형 조명 시스템. - 제13항에 있어서, 각각의 LED는 모놀리식 구조의 세그먼트인, 적응형 조명 시스템.
- 제14항에 있어서, 각각의 LED는 상기 어레이의 평면에서 500 미크론 이하의 치수들을 갖는, 적응형 조명 시스템.
- 제15항에 있어서, 각각의 LED는 상기 어레이의 평면에서 100 미크론 이하의 치수들을 갖는, 적응형 조명 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들은 실린더 형상들을 갖고 그들의 장축들이 상기 메타렌즈의 평면에 수직으로 배열되는, 적응형 조명 시스템.
- 모바일 디바이스로서,
카메라; 및
플래시 조명 시스템을 포함하고, 상기 플래시 조명 시스템은:
독립적으로 제어가능한 LED들의 모놀리식 어레이;
상기 LED들의 어레이로부터 이격되고 광을 적어도 부분적으로 시준하기 위해 상기 LED들에 의해 방출된 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이를 적어도 포함하는 메타렌즈- 상기 메타렌즈는 상기 어레이의 상이한 LED들로부터 방출된 광이 대응하는 상이한 미리 정의된 원거리 필드 영역들로 지향되도록 포지셔닝되고 구조적으로 배열됨-; 및
상기 플래시 조명 시스템의 시야를 상기 카메라의 시야에 매칭하기 위해 상기 LED들을 동작시키도록 구성되는 제어기를 포함하는, 모바일 디바이스. - 제18항에 있어서, 각각의 LED는 상기 어레이의 평면에서 500 미크론 이하의 치수들을 갖는, 모바일 디바이스.
- 제18항에 있어서, 상기 메타렌즈는 기판을 포함하고, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이는 상기 기판의 제1 표면 상에 배열되는, 모바일 디바이스.
- 제20항에 있어서, 상기 광을 적어도 부분적으로 시준하기 위해 상기 LED들에 의해 방출된 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이를 포함하고, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이는 상기 기판의 상기 제1 표면에 대향하는 상기 기판의 제2 표면 상에 배열되는, 모바일 디바이스.
- 제18항에 있어서, 상기 LED들의 어레이에 의해 방출된 광의 광학 경로에서 상기 LED 어레이와 상기 메타렌즈 사이에 포지셔닝된 사전 시준기를 포함하는, 모바일 디바이스.
- 디스플레이 시스템으로서,
디스플레이;
독립적으로 제어가능한 LED들의 모놀리식 어레이; 및
상기 LED들의 어레이로부터 이격되고 상기 LED들의 어레이로부터의 광을 상기 디스플레이로 결합하도록 배열된 메타렌즈를 포함하고, 상기 메타렌즈는 상기 광을 적어도 부분적으로 시준하기 위해 상기 LED들에 의해 방출된 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이를 적어도 포함하고, 상기 메타렌즈는 상기 어레이의 상이한 LED들로부터 방출된 광이 대응하는 상이한 미리 정의된 원거리 필드 영역들로 지향되도록 포지셔닝되고 구조적으로 배열되는, 디스플레이 시스템. - 제23항에 있어서, 각각의 LED는 상기 어레이의 평면에서 100 미크론 이하의 치수들을 갖는, 디스플레이 시스템.
- 제23항에 있어서, 상기 메타렌즈는 기판을 포함하고, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제1 어레이는 상기 기판의 제1 표면 상에 배열되는, 디스플레이 시스템.
- 제25항에 있어서, 상기 광을 적어도 부분적으로 시준하기 위해 상기 LED들에 의해 방출된 상기 광의 위상 및 진폭에 영향을 미치도록 배열된 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이를 포함하고, 상기 니오븀 오산화물 나노안테나들의 제2 어레이는 상기 기판의 상기 제1 표면에 대향하는 상기 기판의 제2 표면 상에 배열되는, 디스플레이 시스템.
- 제23항에 있어서, 상기 LED들의 어레이에 의해 방출된 광의 광학 경로에서 상기 LED 어레이와 상기 메타렌즈 사이에 포지셔닝된 사전 시준기를 포함하는, 디스플레이 시스템.
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