KR102628692B1 - 각도 다중화 메타렌즈 - Google Patents

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Abstract

본원은, 거울대칭성이 깨진 나노구조체를 이용한, 입사각에 따라 다른 렌즈로 보이는 각도 다중화 메타렌즈에 관한 것이다.

Description

각도 다중화 메타렌즈{ANGLE MULTIPLEXED METALENS}
본원은, 거울대칭성이 깨진 나노구조체를 이용한, 입사각에 따라 다른 렌즈로 보이는 각도 다중화 메타렌즈에 관한 것이다.
메타표면은 파장보다 작은 금속 또는 유전체 구조의 배열로, 입사빔과 상호작용하여 투과 또는 반사되는 빛의 진폭, 위상, 편광을 제어할 수 있는 준2차원 구조체이다. 나노구조체의 배열로 임의의 위상구배를 만들 수 있고, 이를 통해 기존 회절광학 기반 광소재에서는 어려웠던 광성능을 구현할 수 있다는 점에서 렌즈, 빔 제어, 홀로그램, 광컴퓨팅 등 여러 응용분야에 활발히 연구되고 있다. 또한, 파장 스케일의 두께를 가져 광소자의 소형화가 가능하고 기존 광학 시스템에 통합되기 쉬워, 현재 상용 광학 소재 및 소자를 대체하여 기존 소재가 가지고 있던 광성능 및 광효율 문제를 근본적으로 해결할 수 있을 것으로 예상된다.
기존 메타표면 연구에서는 입사하는 빛의 파장 및 편광에 따라 광특성 제어를 구현하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 대부분의 연구에서는 입사각은 고려하지 않거나 입사각에 따라 광성능이 달라지지 않는다. 메타표면을 이용한 렌즈 연구에서도 수직 입사빔으로 개구수(Numerical Aperture, NA)가 1에 가깝게 설계하여 고분해능 이미징을 구현했지만, 렌즈의 직경이 파장 대비 104배 정도로 렌즈 배열로서 활용 시 초점 간의 거리를 크게 하여 집적도를 낮추게 된다. 상용 렌즈 및 메타렌즈 선행기술 모두 고해상도 이미징을 위해서는 렌즈의 직경이 필연적으로 커질 수밖에 없고, 이는 근본적으로 집적도-분해능 간의 상충 관계를 가진다.
대한민국 공개특허공보 제10-2020-0099832호
본원은 상기 문제를 해결하기 위해, 공간적으로 다른 입사각에 따라 다른 투과 위상을 가지도록 설계되어 큰 직경을 가지는 렌즈가 공간적으로 겹쳐진 효과를 구현하고, 이를 통해 집적도-분해능 간의 상충 관계를 해결하여 집적도가 높으면서도 고해상도 이미징을 구현할 수 있는 각도 다중화 메타렌즈를 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 서로 이격 배열되고 기울어진 형태의 복수의 나노구조체 및 상기 복수의 나노구조체 사이에 위치한 유전체 물질을 포함하는 메타물질층을 포함하고, 입사각에 따라 서로 상이한 굴절률을 갖는, 각도 다중화 메타렌즈를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 복수의 광원, 및 제 1 측면에 따른 각도 다중화 메타렌즈를 포함하는, 광학 디바이스를 제공한다.
본원의 구현예들에 따른 각도 다중화 메타렌즈는, 입사각에 따라 다른 렌즈로 보이는 나노구조체를 활용하여 공간적으로 다른 입사각의 분포에서 각 입사각에 따라 다른 투과 위상을 가지도록 설계함으로써 마치 복수의 렌즈가 서로 겹쳐진 것과 같은 효과를 발휘할 수 있으며, 이에 의해 렌즈의 유효 직경은 키워서 분해능을 높이면서도 복수의 렌즈를 조밀하게 배치할 수 있어서 분해능과 집적도 사이의 근원적인 상충관계를 극복할 수 있는 특징이 있다.
본원의 구현예들에 따른 각도 다중화 메타렌즈는, 높은 각도감도 및 높은 효율을 가지는 메타물질층을 포함함으로써, 작은 입사각 차이를 가지는 빛에 대해 80% 이상의 높은 효율로 광제어가 가능한 특징이 있다.
본원의 구현예들에 따른 각도 다중화 메타렌즈는, 전자빔 리소그래피, 나노임프린팅 및 건식 식각 등 기존 나노구조체 제작을 위한 공정을 그대로 적용하여 제작 가능하기 때문에 공정 난이도가 크지 않은 장점이 있다.
도 1은, 복수의 광원이 존재하는 경우에서 종래의 마이크로 렌즈(a)와 본원의 일 구현예에 따른 각도 다중화 메타렌즈(b)의 작용을 비교하는 개략도이다.
도 2는, 종래기술의 수직 대칭 구조의 나노구조체와 본원의 각도 다중화 메타렌즈를 구성하는 나노구조체의 모양의 비교(a) 및 이들의 성능 비교를 위해 두개의 광원으로부터 상이한 각도로 입사하는 입사광이 존재하는 경우에서의 투과광을 확인한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프(b 내지 f)이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 나노구조체 간의 모양이 상이하고 주기가 상이한 비대칭 나노구조체의 모양(a)과 두개의 광원으로부터 상이한 각도로 입사하는 입사광이 존재하는 경우에서의 투과광이 서로 다른 방향으로 굴절되는 것을 확인한 결과를 나타낸 그래프(b 내지 f)이다.
도 4는, 도 1의 b에서 나타낸 메타렌즈를 이용해 입사각과 굴절각을 공간에 따라 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다 (kx = 2π/λ·sinθ, λ = 532 nm).
도 5는, 도 1의 b에서 나타낸 메타렌즈를 이용해 이미징 영역에서의 빛의 세기의 계산 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은, 도 4 및 5에서 사용된 메타렌즈에서 나노구조체의 폭/주기 비율을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 종래기술의 수직 대칭 구조의 나노구조체와 본원의 각도 다중화 메타렌즈를 구성하는 나노구조체의 모양을 나타내는 그림과 각 구조체를 구성하는 물질 내부에서 x와 z 방향의 파수를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서 서브 나노구조체층이 복수로 적층된 형태의 나노구조체의 배열을 나타낸 모식도이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "전도체"의 기재는, 본 발명의 기술분야에서 일반화된 전도성이 우수한 물질뿐만 아니라, 유전체에 비해 상대적으로 전도성이 큰 물질까지 포함하는 것을 의미할 수 있다. 즉, "전도체"의 기재는 전도성이 매우 우수한 금속 등에 한정되어 해석되지 않을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 서로 이격 배열되고 기울어진 형태의 복수의 나노구조체 및 상기 복수의 나노구조체 사이에 위치한 유전체 물질을 포함하는 메타물질층을 포함하고, 입사각에 따라 서로 상이한 굴절률을 갖는, 각도 다중화 메타렌즈를 제공한다.
본원의 각도 다중화 메타렌즈는 입사각에 따라 다른 렌즈로 보이는 나노구조체를 활용하기 때문에 분해능을 높이면서도 접적도를 높일 수 있다. 구체적으로 설명하면, 현재 상용 렌즈 어레이 제품은 기하광학의 원리에 기반을 두고 있어서 렌즈들을 평면 상에서 서로 겹치게 배열할 수 없다. 고분해능을 구현하기 위해 렌즈의 직경이 커져야 하는데, 집적도를 높이기 위해서는 렌즈들이 조밀하게 배치되어야 하므로 렌즈의 직경이 작아져야 하는 문제가 있어서 분해능과 집적도 사이에 근원적인 상충관계가 존재한다. 그러나 본원의 각도 다중화 메타렌즈는 입사각에 따라 다른 렌즈로 보이는 나노 구조체를 활용하기 때문에 마치 렌즈가 서로 겹쳐진 것과 같은 효과를 발휘할 수 있으며, 이에 의해 렌즈의 유효 직경은 키워서 분해능을 높이면서도, 렌즈들을 조밀하게 배치할 수 있어서 그러한 상충관계를 극복할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질층을 통과한 투과광은 입사광의 입사각에 따라 상이한 위상구배 및/또는 투과각을 나타내는 것일 수 있다. 구체적으로, 기존의 메타렌즈 연구에서는 기존 상용 렌즈 대비 얇은 두께 및 향상된 광성능을 가지지만 대부분 입사각이 공간적으로 균일한 경우만 가정하여 설계되어 근본적으로 기존 소재가 가지고 있었던 집적도-분해능 간의 상충 관계는 해결하지 못하였다. 그러나, 본원에 따른 각도 다중화 메타렌즈는 공간적으로 다른 입사각의 분포를 가정하며, 각 입사각에 따라 다른 투과 위상, 투과각을 가지도록 설계되어 분해능 및 집적도를 크게 향상시킬 수 있는 특징이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 입사각(θ)은 0 < θ < π의 범위를 갖는 것일 수 있다. 구체적으로, 본원의 각도 다중화 메타렌즈는 공간적으로 넓은 범위의 입사각을 수용할 수 있다. 또한, 미세한 차이가 존재하는 두 입사각에 대해서도 높은 각도감도를 가지는 특징이 있다. 구체적으로, 기존의 연구에서 입사각에 따라 빛의 위상을 제어하는 나노구조체가 제안되고 있으나, 각도감도가 낮거나 또는 효율이 낮게 나타나는 문제가 있다(<10%). 반면, 본원에서는 높은 각도감도 및 높은 효율을 가지는 나노구조체를 설계하여, 작은 입사각 차이를 가지는 빛에 대해 80% 이상의 높은 효율로 광제어가 가능함을 나타낸다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 나노구조체는 x-y평면에 대해 거울대칭성이 깨진 구조인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 나노구조체는 x-y평면에 대해 거울대칭성이 깨진 구조로서 비대칭 구조를 사용하여 임의의 입사각 및 굴절각을 제어할 수 있어 렌즈 응용에 국한되지 않고 입사각 민감도를 이용하는 여러 기술에 범용적 적용이 가능하다. 이러한 특징은 x-y평면에 거울대칭인 수직으로 세워져 있는 구조만 가정하여 입사각에 따라 대칭인 투과 특성을 가지며 복잡한 광특성 제어에 매우 제한적일 수밖에 없었던 선행 연구를 해결한 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질층을 통과한 투과광은 하기 식 1의 함수로 초점을 형성하는 것일 수 있다:
[식 1]
;
여기서, FoM은 목적함수, xtgt1 및 xtgt2 각각은 위치 x, 초점거리 f에서의 목표 빔 직경, E1 및 E2는 (x,f) 에서의 전기장을 의미함.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질층을 통과한 투과광은 하기 식 2의 함수로 위상이 조절되는 것일 수 있다:
[식 2]
;
상기 r은 공간상 위치이고, 상기 f는 초점거리임.
여기에서, 초점 거리 f가 정해지고 공간상 위치 r=(x,y)에 따라 위상 Φ(r)가 달라질 수 있다. 이에 따라, 목적 함수 FoM = - |Φtarget - Φcurrnet|로 나타낼 수 있다.
도 1을 참조하여 종래의 마이크로 렌즈와 본원의 각도 다중화 메타렌즈의 차이를 확인할 수 있다. 종래의 유리/폴리머 소재의 마이크로 렌즈 배열 또는 메타렌즈 배열은 국소 영역에서 보면 단일 입사각 성분이 렌즈 표면에 도달하고 단일 투과각을 갖는다 (도 1의 a). 이와 대조적으로, 본원의 각도 다중화 메타렌즈는 인접한 두 개의 다른 광원에서 입사광이 메타표면에 도달했을 때 국소 영역에서는 두 개의 다른 입사각이 도달하게 되고, 서로 다른 입사각에 대해 각각 다른 위상구배를 가지도록 하여 다른 투과각으로 굴절되도록 한다(도 1의 b). 이를 통해 전체적으로 마치 기존 소재 렌즈가 물리적으로 겹쳐진 효과를 구현할 수 있어, 이미징 공간의 낭비없이 고해상도 이미지 형성이 가능하다. 본원의 각도 다중화 메타렌즈는 0 내지 2π의 투과 위상을 가지는 N개의 나노구조체를 포함하고, 각 구조체는 x-y평면에 거울대칭이 깨진 기울어진 구조를 가져 비대칭 투과를 포함하는 임의의 입사각 및 굴절각을 제어할 수 있다. 또한 각 구조체는 각도의 차이가 작은 두 입사각에 대해서도 큰 차이를 가지는 위상구배를 만들 수 있어 고효율의 이미징이 가능하다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 구조를 통해 집적도/분해능이 향상된 고효율의 이미징을 구현할 수 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본원의 각도 다중화 메타렌즈는 비대칭의 나노구조체를 사용함으로써 광소자의 목적에 맞는 임의의 위상구배를 만들 수 있다. 구체적으로, 고효율의 이미징 구현을 위해서는 메타렌즈가 각도감도가 높은 나노구조체로 이루어져 있어야 한다. 종래의 연구에서는 x-y평면에 거울대칭인 수직으로 세워져 있는 구조만 가정하였지만, 이는 0도 근처의 입사각에 대해 각도감도가 매우 낮고 복잡한 광특성 제어에 매우 제한적이다. 반면, 본원에서는 비대칭 구조를 사용하여 0도 근처의 입사각에 대해서도 높은 각도 감도를 가지며 임의의 위상구배를 가지도록 제어할 수 있어 고효율 이미징을 가능하게 한다. 수직 및 경사 구조에 대해 가능한 모든 투과 위상의 조합을 비교한 결과, 같은 높이를 가지는 구조체에 대해 비대칭 구조가 0도 근처 입사각에 대해 더 많은 투과 위상 조합을 가짐을 알 수 있다 (도 2). 구체적으로, 도 2의 b 내지 f를 살펴보면, 두 입사각에 대해, 메타물질층을 투과했을 때의 투과 위상을 확인할 수 있다. 이때 각각의 점들은 다른 주기, 다른 폭을 가지는 구조에 대한 결과로 주기를 100 nm 내지 300 nm, 폭/주기(주기 대비 너비 비율)를 0.1 내지 0.9로 조절하였다 (θ1 = 0°로 고정). 두 투과위상의 차이가 작을 수록 대각선 근처에 점이 그려진다. 두 입사각에 대해 투과위상을 독립제어 하기 위해서는 위상맵의 전체를 채우는 것이 중요하다. 이때 θ1 = 0°로 동일하며 θ2 = 10°또는 θ2 = 30°를 사용하였다. Vertical 구조(도 2의 c 내지 f)의 경우, 구조 높이가 높고, 각도의 차이가 큰 경우 (θ2 = 30°)에만 거의 채워진 위상맵을 얻을 수 있었다 (도 2의 f). 이는 여러 응용에서 제약이 될 수 있다. Slanted 구조(도 2의 b)의 경우 구조 높이가 낮고, 각도 차이가 작아도(θ2 = 10°) 거의 채워진 위상맵을 얻을 수 있었다. 따라서, 비대칭 나노구조체는 더 많은 자유도를 가지고 구조체 조합을 통해 광소자의 목적에 맞는 임의의 위상구배를 만들 수 있음을 알 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 나노구조체에서 나노구조체 각각은 서로 상이한 배열주기 및/또는 폭을 갖는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 상이한 배열주기, 폭을 통해 국소 영역에서 각각 다른 입사각에 대해 다른 투과 위상이 구현될 수 있다. 구체적으로, 상기 비대칭 형태의 나노구조체를 사용하되 주기가 동일하도록 배열하여 투과광이 서로 상이한 위상구배를 갖도록 조절할 수 있다. 또한, 상기 비대칭 형태의 나노구조체를 사용하되 배열주기 및/또는 폭을 조절함으로써 투과광이 서로 상이한 위상구배 및 투과각을 갖도록 조절할 수 있다.
도 3을 참조하면, 여러 개의 서로 다른 나노구조체로 구성된 메타표면에서 독립적인 위상제어를 달성하기 위해, 각 나노구조체는 두 개의 서로 다른 입사각에 대해 다양한 투과 위상의 조합을 가져야 하며, 0도 근처의 ±θ 입사각에 대해 각각 다른 굴절각을 가지는 메타표면을 설계할 수 있음을 확인할 수 있다. 도2에서 보인 구조체를 이용하되 서로 다른 위상과 투과각을 가지도록 나노구조체의 주기를 상이하게 조절한 배열(조합)을 이용하여 공간에 따라 다른 위상을 가지는 디바이스를 구현하였다 (도 3의 a). 도 3은 총 12개의 다른 구조체로 이루어져 있고, 사용한 구조범위는 하기와 같다 (p=264 nm).
[표 1]
θ1 = 5°, θ2 = -5°의 입사각에 대해 θout,1 = 39.2°, θout,2 = -7.3° 굴절되도록 설계하였고, 이는 메타물질층에 의해 얻어지는 위상 기울기 (phase gradient, dφ/dx)가 각각 8π/Λ, 0임을 의미한다. 이때, Λ는 전체 주기이다 (도3의 b, c의 x범위). 이를 통해, 작은 각도 차이를 가진 입사각으로도 크게 다른 광학성능을 가질 수 있음이 확인되었다 (비대칭 위상기울기). 도 3의 b, c는 빛이 나아가는 파면(Ex field의 real part)을 그린 것으로, 이를 통해 서로 약간의 입사각 차이가 있는 것이나, 굴절 이후에는 진행 방향에서 아주 큰 차이가 나타남이 확인되었다. 또한 도 3의 d는 굴절된 빛의 각도 및 상대 세기를 나타낸 것으로 점선은 입사각을 의미하며 실선은 굴절각을 의미하며 입사각의 차이에 비해 굴절각에서 현저히 큰 차이를 나타낼 수 있음이 확인되었다. 도 3의 e, f는 input, output 그리고 각도 다중화 메타렌즈를 통해 얻어지는 공간에 따른 위상을 나타낸 것이다 (도 3의 e: θ1 = 5°, 도 3의 f: θ2 = -5°). 상기 확인되는 특성은 특정 입사각 또는 굴절각에 한정되지 않고, 임의의 입사각 및 굴절각에 대해 구현 가능한 것이며 각도 다중화 메타렌즈는 전체 구조를 구성하는 구조체의 개수나 모양에 한정되지 않고, x-y평면에 거울대칭이 깨진 구조의 배열을 통해 구현 가능하다. 따라서, 두 입사각의 차이가 크지 않지만, 각 입사각이 메타표면을 통과할 때 생기는 위상구배는 크게 차이나게 설계될 수 있음이 확인되었으며, 비대칭 나노구조체 배열을 통해 임의의 위상구배를 만들 수 있기 때문에 렌즈 응용에 국한되지 않고 입사각 민감도를 이용하는 여러 기술에 범용적 적용이 가능하다.
도 4 및 5를 참조하여 설명하면, 도 3에서와 같이 N개의 나노구조체의 조합을 통해 국소 영역에서 각각 다른 입사각에 대해 다른 투과 위상을 갖도록 하여 종래의 렌즈가 겹쳐진 효과를 구현할 수 있다. 총 261개의 다른 구조체로 구성되며 사용된 구조범위는 도 6과 같다 (주기 p= 250nm). 도 4의 a는 인접한 두 광원에 대해 공간적으로 다른 투과각(kx = k0sin(θ))을 가지도록 설계됨을 확인할 수 있다. 이는 이론적으로 계산된 기존 렌즈가 가질 수 있는 성능 한계를 뛰어넘을 수 있고 기존의 렌즈보다 2배에 가까운 집적도/분해능을 구현할 수 있다 (도 5). 이를 통해 렌즈 배열을 사용하는 이미지 센서, 리소그래피 등 광응용 소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하여 설명하면, 도 2에서 살펴본 바와 같이 종래기술의 수직 대칭 구조의 나노구조체와 본원의 나노구조체를 각각 구성하는 물질 내부에서의 x와 z 방향의 파수 거동을 확인함으로써 입사각에 대한 광특성이 달라질 수 있음을 확인할 수 있다. 구체적으로, 입사각과 kx는 kx = 2π/λ·sinθ의 상관관계를 가지는데, 이때 kz는 빛의 진행방향의 파수이기 때문에 서로 다른 kx에 따라 kz의 차이가 많이 날수록 두 입사각에 대한 투과 위상 차이가 많이 발생하게 된다. 주로 실제 응용에서는 0도 근처의 입사 빛을 많이 사용하는데, 종래기술의 수직 대칭 구조의 나노구조체에서는 kx = 0에서의 기울기가 0이고 본원의 각도 다중화 메타렌즈에서는 0이 아닌 값이 나타남이 확인되었다. 이를 통해 기울어진 구조가 0도 근처 입사각에 대해서도 투과위상의 차이를 크게(각도 민감도가 크게) 할 수 있음을 확인할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 나노구조체의 단면의 형상은 원형, 타원형 및 다각형 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 나노구조체는 복수의 서브 나노구조체를 포함하는 서브 나노구조체층이 복수로 적층된 형태인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노구조체는 하나의 구조체로 이루어지거나 복수의 서브 나노구조체가 적층된 형태일 수 있으며, 서브 나노구조체가 적층되어 기울어진 형태, x-y평면에 대해 거울대칭성이 깨진 구조를 형성하는 것이라면 적층되는 형태는 제한이 없다 (비제한적 예로서, 도 8에 도시함). 또한, 상기 서브 나노구조체층 사이에는 스페이서층이 위치할 수 있으며, 스페이서층은 입사 파장의 절반 이하의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 이웃한 상기 서브 나노구조체층 각각에서의 상기 복수의 서브 나노구조체는 서로 x-y평면에 대해 거울대칭성이 깨진 구조인 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 서로 상이한 광원에서 입사한 복수의 입사광이 상기 메타물질층을 통과하여 서로 상이한 투과 위상구배 및/또는 투과각을 나타내는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체는 상기 유전체 물질에 비해 상대적 굴절률이 큰 물질을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노구조체는 산화물, 질화물 또는 가시광선보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 산화물은 TiO2, SiO2, Al2O3, ZnO2 및 Si3N4 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 질화물은 Si3N4 또는 전이금속의 질화물들을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 가시광선보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체는 AlGaN 등을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유전체 물질은 상기 나노구조체에 비해 굴절률이 낮은 물질로서, SiO2; 또는 PMMA, PDMS 및 SU8 중에서 선택되는 하나 이상의 폴리머를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 복수의 광원, 및 제 1 측면에 따른 각도 다중화 메타렌즈를 포함하는, 광학 디바이스를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광학 디바이스는 이미지센서, 3차원 디스플레이, LiDAR, AR기기 또는 태양전지를 포함하는 것일 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 서로 이격 배열되고 기울어진 형태의 복수의 나노구조체 및 상기 복수의 나노구조체 사이에 위치한 유전체 물질을 포함하는 메타물질층을 포함하고,
    입사각에 따라 서로 상이한 굴절률을 갖는,
    각도 다중화 메타렌즈로서,
    상기 메타물질층을 통과한 투과광은 입사광의 입사각에 따라 상이한 위상구배 및/또는 투과각을 나타내는 것인, 각도 다중화 메타렌즈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조체는 x-y평면에 대해 거울대칭성이 깨진 구조인 것인, 각도 다중화 메타렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타물질층을 통과한 투과광은 하기 식 1의 함수로 초점을 형성하는 것인, 각도 다중화 메타렌즈:
    [식 1]
    ;
    여기서, FoM은 목적함수,
    xtgt1 및 xtgt2 각각은 위치 x, 초점거리 f에서의 목표 빔 직경,
    E1 및 E2는 (x,f) 에서의 전기장을 의미함.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조체에서 나노구조체 각각은 서로 상이한 배열주기 및/또는 폭을 갖는 것인, 각도 다중화 메타렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조체는 복수의 서브 나노구조체를 포함하는 서브 나노구조체층이 복수로 적층된 형태인 것인, 각도 다중화 메타렌즈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    이웃한 상기 서브 나노구조체층 각각에서의 상기 복수의 서브 나노구조체는 서로 x-y평면에 대해 거울대칭성이 깨진 구조인 것인, 각도 다중화 메타렌즈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    서로 상이한 광원에서 입사한 복수의 입사광이 상기 메타물질층을 통과하여 서로 상이한 투과 위상구배 및/또는 투과각을 나타내는 것인, 각도 다중화 메타렌즈.
  9. 복수의 광원, 및
    제 1 항에 따른 각도 다중화 메타렌즈를 포함하는, 광학 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광학 디바이스는 이미지센서, 3차원 디스플레이, LiDAR, AR기기 또는 태양전지를 포함하는 것인, 광학 디바이스.
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