KR20190095855A - 메타 조명장치 - Google Patents

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Abstract

메타 조명장치에 관해 개시되어 있다. 일 실시예에 의한 메타 조명장치는 패턴광을 방출하는 제1 광 방출부와, 비패턴광을 방출하는 제2 광 방출부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 광 방출부는 단일체를 이룬다. 상기 제1 및 제2 광 방출부는 각각 서로 다른 메타 표면을 포함하고, 상기 서로 다른 메타 표면은 하나의 물질층에 형성된 것일 수 있다.

Description

메타 조명장치{meta illuminator}
일 실시예는 조명장치에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 레이저 다이오드 기반의 메타표면을 이용한 복합 조명장치(이하, 메타 조명장치)에 관한 것이다.
조명은 어두운 곳을 밝히는 단순한 용도외에도 다양한 분야에 사용될 수 있다. 또한, 조명은 광의 대역에 따라 그 용도가 다를 수 있다. 모바일 폰과 같은 휴대기기에서 적외선 대역의 광은 근접센서와 같은 광학센서에 사용될 수 있고, 얼굴인식용 이차원(2D) 및 3D 조명으로도 사용될 수 있다. 이러한 조명은 비간섭성 광이나 간섭성 광을 포함할 수 있고, 그러한 광은 특정 광원이나 조명장치로부터 발생될 수 있다. 따라서 광이 사용되는 전자장치는 원하는 조명을 얻기 위해 다양한 조명장치를 포함할 수 있다.
일 실시예는 적용되는 기기에서 차지하는 면적을 줄일 수 있고, 정렬의 단순화를 이룰 수 있는 메타 조명장치를 제공한다.
일 실시예에 의한 메타 조명장치는 패턴광을 방출하는 제1 광 방출부와, 비패턴광을 방출하는 제2 광 방출부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 광 방출부는 단일체를 이룬다.
이러한 메타 조명장치에서, 상기 제1 및 제2 광 방출부는 각각 서로 다른 메타 표면을 포함하고, 상기 서로 다른 메타 표면은 하나의 물질층에 형성된 것일 수 있다.
상기 제1 광 방출부는 입사광의 일부만 통과시키는 패턴영역을 포함하고,
상기 제2 광 방출부는 상기 패턴영역을 포함하지 않을 수 있다.
상기 제1 및 제2 광 방출부는 각각 순차적으로 적층된 광원, 투명기판 및 메타 물질층을 포함하고, 상기 투명기판과 상기 메타 물질층은 각각 단일층일 수 있다.
상기 광원과 상기 투명기판 사이에 단일층 마스크를 더 포함할 수 있다.
상기 광원은 상기 투명기판에 수직한 방향으로 광을 방출하는 것으로, 상기 제1 광 방출부에 속하는 제1 광원과, 상기 제2 광 방출부에 속하는 제2 광원을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 상기 광원은 상기 투명기판에 평행한 방향으로 광을 방출하는 것으로, 상기 제1 광 방출부에 속하는 제1 광원과, 상기 제2 광 방출부에 속하는 제2 광원을 포함할 수 있다.
상기 메타 물질층은 상기 제1 광 방출부에 속하는 제1 메타표면과, 상기 제2 광 방출부에 속하는 제2 메타표면을 포함하고, 상기 제1 및 제2 메타표면은 서로 다른 광 방출특성을 갖도록 마련된 복수의 나노 포스트(nano post)를 포함할 수 있다.
상기 마스크는 상기 제1 광 방출부에 속하는 패턴영역과 상기 제2 광 방출부에 속하는 관통홀을 포함할 수 있다. 일 예에서 상기 패턴영역은 구조화된 패턴광을 생성하는 영역으로 메타 표면을 포함할 수 있다.
상기 광원으로부터 방출된 광의 진행방향을 바꾸는 수단을 더 포함할 수 있다. 일 예로 상기 수단은 거울 또는 프리즘일 수 있다.
상기 제1 메타 표면은 구조화된 패턴광을 방출하기 위해 마련된 것일 수 있다. 상기 제1 메타 표면은 구조화된 패턴광을 방출하기 위해 마련된 메타 회절광학요소(DOE)일 수 있다.
상기 제2 메타 표면은 균일한 조명을 방출하기 위해 배열된 마이크로 메타 렌즈 어레이일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제2 메타 표면은 균일한 조명을 방출하기 위해 마련된 메타 회절광학요소일 수 있다.
상기 제1 및 제2 광원은 VCSEL일 수 있다.
상기 제1 및 제2 광원은 에지 방출 레이저 다이오드일 수 있다.
일 실시예에 의한 메타 조명장치는 하나의 단일층에 서로 다른 특성의 조명을 방출하는 조명장치가 형성된 것으로 단일체(monolithic) 조명장치로 볼 수 있다. 기존의 모바일 폰의 경우, 2개의 이상의 조명을 요구하는데, 예를 들면 모바일 폰의 전면부에 3개의 조명(예컨대, 근접센서용, 얼굴인식용 2D 및 3D용 조명)이 요구될 수 있다. 이러한 경우, 기존의 모바일 폰은 3개의 조명을 위해 3개의 조명장치가 필요하고, 상기 3개의 조명장치는 각각 독립적으로 장착되기 때문에, 기존의 모바일 폰의 경우, 3개의 조명장치를 위해 3개의 독립된 장착 공간이 마련되어야 한다. 현재 모바일 폰의 추세는 모바일 폰의 전면부에서 디스플레이 면적이 증가하는 추세이다. 그런데, 기존의 모바일 폰의 경우, 복수의 조명장치 혹은 조명부품들을 각각 개별적으로 사용하므로, 모바일 폰의 전면부에서 전체 조명장치가 차지하는 면적을 줄이기 어렵다. 더욱이 기존의 모바일 폰의 경우, 요구되는 조명장치가 증가할 수록 모바일 폰의 전면부에서 전체 조명장치가 차지하는 면적은 증가하게 된다. 결국, 기존의 모바일 폰의 경우, 형태인자(form-factor)가 커지고, 개별 조명장치를 하나하나 별개로 장착해야 하므로, 제조비용을 증가시키는 요인이 될 수도 있고, 제조과정에서의 정렬(alignment)도 한 개의 조명장치를 장착하는 경우에 비해 복잡할 수 있다.
반면, 개시된 일 실시예에 의한 메타 조명장치들의 경우, 레이저 다이오드를 기반으로 하여 메타 표면을 이용하는 복합 조명장치로써, 한 개의 조명장치에서 서로 다른 종류의 조명이 방출된다. 따라서 일 실시예에 의한 메타 조명장치를 이용할 경우, 단지 한 개의 조명장치를 장착하면 되므로, 기존의 모바일 폰에서 나타나는 상기 제한사항들이 대부분 해소될 수 있다.
일 실시예에 의한 메타 조명장치 혹은 그 개념은 스마트 폰과 같은 모바일 폰에만 적용되는 것이 아니라 다양한 기기에 응용될 수 있는데, 예를 들면, 시계, 망원경이나 현미경(glass) 등 휴대용 소형 장치의 조명부로 활용될 수도 있고, 깊이 센서(Depth sensor)용 구조화된 광 조명 프로젝터(structured light (SL) illumination projector)나 콤팩트 레이저광 스캐너(Compact laser light scanner)에 적용될 수도 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 제1 메타 조명장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 제1 메타 조명장치의 제1 부분에 포함된 제1 광원, 마스크의 패턴영역 및 제1 메타표면의 각각에 대한 평면도이다.
도 3은 도 2의 제1 메타표면의 제1 영역에 포함된 나노 포스트 어레이에 대한 입체 이미지 사진이다.
도 4는 도 1의 제1 메타 조명장치의 제2 부분에 포함된 제2 광원, 마스크의 관통홀 및 제2 메타표면의 각각에 대한 평면도이다.
도 5는 도 1의 제1 메타 조명장치의 메타 물질층의 평면도이다.
도 6은 일 실시예에 의한 제2 메타 조명장치의 단면도이다.
도 7은 도 6의 제2 메타 조명장치에서 제1 메타표면의 제1 영역을 확대한 단면도이다.
도 8은 도 6의 제2 메타 조명장치의 제2 메타표면의 제2 영역을 확대한 단면도이다.
도 9는 도 6의 제2 메타 조명장치의 메타 물질층의 평면도이다.
도 10은 도 9의 제1 메타영역의 제3 영역에 실제 형성된 복수의 나노 포스트 어레이를 보여주는 입체 이미지 사진이다.
도 11은 일 실시예에 의한 제3 메타 조명장치의 측면도이다.
도 12는 도 11의 메타 조명장치에서 기판의 상부면 상에 메타 표면을 이루는 복수의 나노 포스트만 존재하는 경우를 나타낸 평면도이다.
도 13은 도 11의 제3 메타 조명장치에서 광 반사대와 광원 거치대에 대한 평면도이다.
도 14는 일 실시예에 의한 제4 메타 조명장치를 나타낸 측면도이다.
이하, 일 실시예에 의한 라이다 시스템 및 그 동작방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 본 개시에서 사용되는 용어는 실시예들에서 구성요소들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 실시예에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 의한 메타 표면을 이용한 복합 조명장치(100)(제1 메타 조명장치)를 보여준다.
도 1을 참조하면, 제1 메타 조명장치(100)는 광원 거치대(10)와 기판(16)과 제1 및 제2 광원(12, 14)과 마스크(18)와 메타 물질층(20)을 포함한다. 거치대(10)와 기판(16)은 순차적으로 적층되어 있다. 거치대(10)와 기판(16)은 이격되어 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은 거치대(10)의 일면, 예컨대 상부면 상에 배치되어 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은 서로 주어진 간격으로 이격되어 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은 서로 동일하거나 다른 광원일 수 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은 레이저광을 방출하는 광원일 수 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은 거치대(10)의 상부면에 수직한 방향으로 기판(16)을 향해 광을 방출하는 광원일 수 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은, 예를 들면 수직 캐버티 표면 광방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)일 수 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)에 의해 기판(16)에 직접 광이 조사될 수 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은, 예를 들면 적외선 영역의 광을 방출하는 광원일 수 있으나, 이것으로 제한되지 않을 수도 있다. 기판(16)은 광에 대해 투명한 기판일 수 있다. 기판(16)은, 예를 들면 실리콘 기판일 수 있다. 기판(16)의 상부면 상에 메타 물질층(20)이 존재한다. 여기서 메타 물질층(20)은 메타 표면을 이루는 복수의 나노 포스트를 포함하는 물질층을 의미한다. 메타 물질층(20)은 나노 포스트 대신에 나노 그레이팅(nano grating), 나노 홀(nano hole), 또는 나노 슬릿(nano slit)을 포함할 수도 있다. 또한, 메타 물질층(20)은 나노 포스트, 상기 나노 그레이팅, 상기 나노 홀 및 상기 나노 슬릿 중 적어도 하나를 포함하거나 둘 이상을 조합한 형태로 포함할 수도 있다. 메타 물질층(20)은 제1 메타표면(20A)과 제2 메타표면(20B)을 포함한다. 제1 메타표면(20A)은 제1 광원(12)에 대응하고, 제1 광원(12) 위쪽에 배치될 수 있다. 제2 메타 표면(20B)은 제2 광원(14)에 대응하고, 제2 광원(14) 위쪽에 배치될 수 있다. 제1 메타표면(20A)은 마스크(18)의 패턴영역(18A)에 의해 생성되는 구조화된 패턴광(structured pattern light)을 원하는 위치에 투사(projection)하는 메타 렌즈일 수 있다. 따라서 제1 메타 표면(20A)을 이루는 복수의 제1 나노 포스트(nano post)(P1) 각각의 제원(폭, 높이 등)과 복수의 제1 나노 포스트(P1)의 배열은 제1 메타 표면(20A)의 상기 역할을 고려하여 디자인 될 수 있다. 복수의 제1 나노 포스트(P1)는 높이가 동일할 수 있고, 피치도 서로 동일할 수 있고, 각 나노 포스트(P1)의 폭 혹은 직경은 서로 다를 수 있으나, 이러한 조건은 한정적인 것이 아니다. 각 나노 포스트(P1)는 입사광의 파장보다 작은 크기를 가질 수 있다. 각 나노 포스트(P1)에 입사되는 광의 투과 특성들, 예컨대 광의 위상 및/또는 세기는 각 나노 포스트(P1)의 크기와 형태 조절을 통해서 조절할 수 있다. 따라서 각 나노 포스트(P1)에 대한 광 투과특성을 각 나노 포스트(P1)의 위치별로 설계할 수 있고, 이에 따라 복수의 나노 포스트(P1)를 적절히 배치하여 입사광의 파면(wavefront)을 임의의 형상으로 변형시킬 수 있다. 곧, 메타 표면을 이용해서 입사광을 집속하거나 발산시키는 렌즈를 구현할 수 있다.
제2 메타 표면(20B)은 2차원(2D)이나 3차원(3D) 영상을 위한 광을 제공하기 위한 것일 수 있다. 제2 메타 표면(20B)으로 인해 기판(16)을 거쳐서 제2 광원(14)으로부터 제2 메타 표면(20B)에 입사되는 광은 광이 조사되는 영역 전체에서 세기가 균일한 광이 될 수 있다. 다시 말하면, 제2 메타 표면(20B)은 광이 조사되는 영역 전체에서 광의 세기가 균일한 조명을 얻기 위한 것이다. 제2 메타 표면(20B)은 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)를 포함한다. 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1) 각각은 수 마이크로미터(㎛)~수백 마이크미터(㎛)의 사이즈를 가질 수 있다. 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)의 형태와 사이즈는 동일할 수 있다. 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)는 주어진 형태로 배열될 수 있다. 일 예로 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)는 도 5에 도시한 바와 같이 가로 및 세로방향으로 배열된 어레이(이하, 마이크로 메타 렌즈 어레이)를 이룰 수 있다.
제2 메타 표면(20B)을 이루는 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1) 각각은 입사광을 발산시키는 역할을 한다. 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1) 각각은 동일하므로, 제2 메타 표면(20B) 전체로 보았을 때, 제2 메타 표면(20B)으로부터 균일한 세기의 광이 방출된다.
제2 메타 표면(20B)을 이루는 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1) 각각은 상기 마이크로 메타 렌즈 어레이를 구성하는 단위 마이크로 메타 렌즈라 할 수 있다. 상기 단위 마이크로 메타 렌즈는 제1 메타 표면(20A)처럼 복수의 나노 포스트(미도시)를 포함할 수 있는데, 상기 복수의 나노 포스트 각각의 제원과 복수의 나노 포스트의 배열은 상기 단위 마이크로 메타 렌즈의 역할을 고려하여 디자인될 수 있다. 제2 메타 표면(20B)을 이루는 상기 마이크로 메타 렌즈 어레이에서 단위 마이크로 메타 렌즈는 사이즈와 역할이 동일할 수 있으므로, 상기 단위 마이크로 메타 렌즈에 포함된 상기 복수의 나노 포스트의 높이는 동일할 수 있고, 피치 혹은 간격도 동일할 수 있다.
제1 메타 표면(20A)의 제1 나노 포스트(P1)의 제원(높이, 간격, 폭 등)과 제2 메타 표면(20B)을 이루는 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)에 포함된 나노 포스트의 제원은 요구되는 역할에 따라 제조과정에서 조절될 수 있다. 곧, 제1 나노 포스트(P1)와 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)에 포함된 나노 포스트의 광 투과특성 혹은 광 전달특성은 제조과정에서 조절될 수 있으므로, 제1 및 제2 메타표면(20A, 20B)은 원하는 광학작용을 하는 광학요소(예, 렌즈, 회절광학요소 등)로 설계될 수 있다.
제1 나노 포스트(P1)와 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)에 포함된 나노 포스트의 굴절률은 주변 물질의 굴절률보다 1이상 클 수 있다. 예를 들어, 기판(16)의 굴절률이 2라고 한다면, 제1 나노 포스트(P1)와 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)에 포함된 나노 포스트는 굴절률이 3이상인 물질일 수 있다.
마스크(18)는 기판(16)과 제1 및 제2 광원(12, 14) 사이에 배치되어 있다. 일 예에서 마스크(18)는 기판(16)의 밑면에 부착되어 있다. 마스크(18)는 기판(16)의 밑면에 직접 접촉되어 있다. 다른 실시예에서 마스크(18)와 기판(16) 사이에 다른 투명 부재가 배치될 수도 있다. 마스크(18)는 금속 마스크일 수 있다. 마스크(18)는 패턴영역(18A)과 관통홀(18h)을 포함한다. 패턴영역(18A)은 제1 광원(12) 및 제1 메타표면(20A)에 대응된다. 관통홀(18h)은 제2 광원(14)과 제2 메타표면(20B)에 대응된다. 패턴영역(18A)은 관통홀 내에 서로 이격된 복수의 패턴(18A1)이 형성된 영역일 수 있다. 패턴영역(18A)의 복수의 패턴(18A1)은 금속 패턴이므로, 패턴영역(18A)에 입사되는 광에서 복수의 패턴(18A1)에 입사된 광은 반사되고, 패턴(18A1) 사이로 입사된 광은 기판(16)에 입사되어 제1 메타표면(20A)에 입사된다. 패턴영역(18A)에 의해 구조화된 패턴광이 생성되고, 복수의 패턴(18A1)은 상기 구조화된 패턴광이 생성될 수 있도록 디자인될 수 있다.
패턴영역(18A)의 복수의 패턴(18A1)의 높이는 모두 동일할 수 있다. 복수의 패턴(18A1)의 간격도 동일할 수 있고, 각 패턴(18A1)의 폭은 다를 수 있으나, 이러한 조건은 한정적이지 않으며, 마스크(18)에 요구되는 역할에 따라 다를 수 있다. 관통홀(18h)의 직경은 적어도 제2 광원(14)의 최대 사이즈보다 클 수 있다. 관통홀(18h)은 제2 광원(14)으로부터 방출되는 광이 제2 메타표면(20B)의 전체영역에 입사되는 것을 방해하지 않도록 배치될 수 있다. 곧, 관통홀(18h)은 제2 광원(14)으로부터 방출된 광이 제2 메타표면(20B) 전체에 입사되는 것은 허용하면서 제2 광원(14)으로부터 방출된 광이 제1 메타 표면(20A)으로 입사되는 것은 방지할 수 있는 사이즈를 가질 수 있다.
일 예에서 마스크(18)의 패턴영역(18A)은 복수의 나노 포스트를 포함하는 메타 표면일 수 있다. 이 경우, 복수의 나노 포스트의 배열과 복수의 나노 포스트 각각은 상기 구조화된 패턴광을 생성하도록 디자인될 수 있다. 일 예로, 패턴영역(18A)이 메타 표면인 경우, 메타 표면의 복수의 나노 포스트의 높이, 폭, 피치 등은 제조과정에서 구조화된 패턴광을 생성하도록 결정될 수 있다.
다른 예에서 마스크(18) 전체가 메타 표면일 수도 있다. 이때, 마스크(18)의 패턴 영역(18A)은 구조화된 패턴광을 생성하도록 디자인되고, 나머지 부분은 입사광을 반사하도록 디자인될 수 있다.제1 메타 조명장치(100)는 구조화된 패턴광을 형성하는 제1 부분(100A)과 광이 조사되는 영역 전체에 균일한 세기의 광을 조사하는 제2 부분(100B)으로 구분할 수 있다. 곧, 제1 메타 조명장치(100)는 구조화된 패턴광을 방출하는 제1 부분(100A)과 광이 조사되는 영역 전체에 균일한 세기의 광을 비추는 제2 부분(100B)을 포함한다. 제1 메타 조명장치(100)의 이러한 구분은 이후에 설명되는 제2 내지 제4 메타 조명장치에도 적용될 수 있다.
상술한 바에 따르면, 제1 메타 조명장치(100)의 제1 부분(100A)은 제1 광원(12), 마스크(18)의 패턴영역(18A), 기판(16) 및 제1 메타 표면(20A)을 포함하는 부분일 수 있고, 제2 부분(100B)은 제2 광원(14), 마스크(18)의 관통홀(18h), 기판(16) 및 제2 메타 표면(20B)을 포함하는 부분일 수 있다. 제1 부분(100A)에서 발생되는 조명과 제2 부분(100B)에서 발생되는 조명이 서로 다른 바, 제1 메타 조명장치(100)는 복합 조명장치라 할 수 있고, 같은 이유로 후술되는 제2 내지 제4 메타 조명장치도 복합 조명장치라 할 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 제1 메타 조명장치(100)는 제1 및 제2 광원(12, 14)의 구동을 위한 구동부를 포함할 수도 있다. 상기 구동부에 의해 제1 및 제2 광원(12, 14)은 시분할적으로 동작될 수 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은 동시에 동작될 수도 있다.
도 2는 도 1의 제1 메타 조명장치(100)의 제1 부분(100A)에 포함된 제1 광원(12), 마스크(18)의 패턴영역(18A) 및 제1 메타표면(20A)에 대한 평면도를 함께 보여준다.
도 2에서 참조번호 40은 광축을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 제1 광원(12)은 어레이(array)를 이루는 복수의 단위 광원(12A)을 포함한다. 도 2에서는 편의 상, 제1 광원(12)이 4개의 단위 광원(12A)만 포함하는 것으로 도시하였으나, 제1 메타표면(20A)에 충분한 광을 공급하기 위해 4개 이상의 단위 광원들이 제1 광원(12)에 포함되어 어레이를 이룰 수 있다. 단위 광원(12A)은 VCSEL일 수 있다. 마스크(18)의 패턴영역(18A)은 마스크(18)를 관통하는 홀(18Ah)과 홀(18Ah) 내에 분포하는 복수의 패턴들(18A1)을 포함하는 것을 볼 수 있다. 패턴들(18A1) 각각은 나노 포스트일 수 있다. 패턴들(18A1)의 폭은 서로 다를 수 있지만, 서로 동일할 수도 있다. 패턴들(18A1)은 대칭이나 비대칭을 이루도록 배치될 수 있다. 또한, 패턴들(18A1)은 반복되는 패턴들로 이루어질 수도 있다. 또한, 패턴들(18A1)은 각 패턴(18A1)이 무작위적으로 랜덤하게 분포할 수도 있다. 곧, 패턴들(18A1)은 임의의 형태로 분포할 수 있고, 패턴들(18A1) 각각은 임의의 형태를 가질 수 있다. 패턴영역(18A)의 홀(18Ah)의 형태는 사각형이지만, 원형이나 다른 형태일 수도 있다. 제1 메타 표면(20A)의 외형은 원형이지만, 원형으로 제한되지 않으며, 사각형이나 다른 형태일 수도 있다. 제1 메타 표면(20A)은 마스크(18)의 패턴영역(18A)을 거쳐서 입사되는 광을 모두 수용할 수 있는 넓이 혹은 직경을 가질 수 있다.
도 3은 도 2의 제1 메타 표면(20A)의 제1 영역(20A1)에 포함된 나노 포스트 어레이에 대한 입체 이미지 사진을 보여준다. 도 3의 나노 포스트 어레이에서 임의의 나노 포스트는 도 1의 제1 메타 표면(20A)의 제1 나노 포스트(P1)에 해당될 수 있다.
도 4는 도 1의 제1 메타 조명장치(100)의 제2 부분(100B)에 포함된 제2 광원(14), 마스크(18)의 관통홀(18h) 및 제2 메타 표면(20B)에 대한 평면도이다.
도 4에서 참조번호 50은 광축을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 제2 광원(14)은 어레이를 이루는 복수의 단위광원(14A)을 포함할 수 있다. 제2 광원(14)은 4개의 단위 광원(14A)을 포함하는 것으로 도시하였지만, 이는 편의 상 그렇게 한 것이며, 제2 메타 표면(20B)에 충분한 광을 공급하기 위해 제2 광원(14)은 4개 이상의 단위 광원을 포함하여 어레이를 이룰 수 있다. 마스크(18)에 형성된 관통홀(18h)의 넓이와 직경은 제2 광원(14)보다 넓고 크다. 관통홀(18h) 내에는 광의 진행을 방해하는 어떠한 패턴도 존재하지 않는다. 따라서 제2 광원(14)으로부터 방출된 광은 바로 기판(16)에 입사되어 제2 메타 표면(20B)에 입사될 수 있다. 제2 메타 표면(20B)은 물질층(20)에 형성된 관통홀(20h) 내에 배치된 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)를 포함한다. 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1)는 어레이를 이룰 수 있다. 복수의 마이크로 메타 렌즈(ML1) 각각의 형태는 원형일 수 있으나, 이것으로 한정되지 않으며, 사각형이나 다른 형태를 가질 수도 있다.
도 5는 도 1의 제1 메타 조명장치(100)의 메타 물질층(20)의 평면도이다.
도 5를 참조하면, 제1 메타 표면(20A)의 외형은 도 2에서 설명한 바와 같이 원형이다. 제1 메타 표면(20A)에는 편의 상 복수의 나노 포스트는 도시하지 않았다. 제2 메타 표면(20B)의 전체 외형은 사각형 형태이지만, 사각형으로 한정되지 않으며, 원형이 될 수도 있다. 제1 메타 표면(20A)과 제2 메타 표면(20B)은 서로 이격되어 있다.
도 6은 일 실시예에 의한 메타 표면을 이용하는 복합 조명장치(이하, 제2 메타 조명장치)의 단면도이다. 제1 메타 조명장치와 다른 부분에 대해서만 설명한다.
도 6을 참조하면, 제2 메타 조명장치(200)는 제1 및 제2 광원(12, 14)과 투명한 기판(16)과 메타 물질층(30)을 포함한다. 제1 및 제2 광원(12, 14)은 거치대(10) 상에 장착되어 있다. 제1 및 제2 광원(12, 14)에서 방출된 광은 기판(16)에 직접 입사된다. 곧, 기판(16)과 제1 및 제2 광원(12, 14) 사이에는 다른 부재가 존재하지 않는다. 기판(16)의 상부면 상에 메타 물질층(30)이 배치되어 있다. 메타 물질층(30)은 기판(16)의 상부면과 직접 접촉될 수 있다. 메타 물질층(30)은 제1 메타 표면(32)과 제2 메타 표면(34)을 포함한다. 제1 메타 표면(32)은 제1 광원(12)에 대응된다. 제2 메타 표면(34)은 제2 광원(14)에 대응된다. 메타 물질층(30)에서 제1 및 제2 메타 표면(32, 34)은 서로 이격되어 있다. 제1 메타 표면(32)과 제2 메타 표면(34)은 복수의 나노 포스트를 포함할 수 있다. 제1 메타 표면(32)과 제2 메타 표면(34)은 회절광학요소로 작용한다. 제1 메타 표면(32)에 포함된 복수의 나노 포스트는 입사광을 회절시켜 구조화된 패턴광이 형성되도록 그 배열과 각 나노 포스트의 형태가 설계될 수 있다. 제2 메타 표면(34)에 포함된 복수의 나노 포스트는 입사광을 회절시켜 광이 조사되는 전 영역에서 세기가 균일한 광을 방출하도록 설계될 수 있다. 이에 따라 제1 메타 표면(32)과 제2 메타 표면(34)은 메타 회절광학요소(DOE) 역할을 한다.
도 7은 도 6의 제2 메타 조명장치(200)에서 제1 메타 표면(32)의 제1 영역(A1)을 확대한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 제1 영역(A1)은 기판(16) 상에 형성된 제1 내지 제3 나노 포스트(32A-32C)를 포함한다. 제1 내지 제3 나노 포스트(32A-32C)의 높이는 동일하나 각각의 폭은 서로 다를 수 있다. 도 7에 도시한 제1 내지 제3 나노 포스트(32A-32C)의 형태와 배열은 임의적인 것이다. 제1 메타 표면(32)의 복수의 나노 포스트의 배열과 구성은 요구되는 구조화된 패턴광 형태에 따라 조금씩 다르게 디자인할 수 있다.
도 8은 도 6의 제2 메타 조명장치(200)의 제2 메타 표면(34)의 제2 영역(A2)을 확대한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 기판(16) 상에 제1 내지 제3 나노 포스트(34A-34C)가 형성되어 있다. 제1 내지 제3 나노 포스트(34A-34C) 각각의 높이는 동일할 수 있다. 제1 내지 제3 나노 포스트(34A-34C) 각각의 폭은 서로 다를 수 있다. 기판(16) 상의 제1 내지 제3 나노 포스트(34A-34C)의 배열과 형태는 임의적인 것이다. 제2 메타 표면(34)을 이루는 복수의 나노 포스트의 배열과 구성은 플러드 조명(flood illumination)의 요구되는 형태에 따라 다를 수 있다.
도 9는 도 6의 제2 메타 조명장치(200)의 메타 물질층(30)에 대한 평면도이다.
도 9를 참조하면, 메타 물질층(30)은 서로 이격된 제1 및 제2 메타 표면(32, 34)을 포함한다. 제1 및 제2 메타 표면(32, 34)의 외형은 사각형이지만, 이것으로 제한되지 않는다. 예컨대, 제1 메타 표면(32)의 경우, 외형은 원형이 될 수도 있다.
도 10은 도 9의 제1 메타 영역(32)의 제3 영역(A3)에 실제 형성된 복수의 나노 포스트 어레이를 입체적으로 보여주는 이미지 사진이다.
도 10을 참조하면, 복수의 나노 포스트 어레이에서 제1 나노 포스트(60)는 도 7의 제1 메타 표면(32)에 형성된 제1 내지 제3 나노 포스트(32A-32C) 중 하나에 해당할 수 있고, 제2 나노 포스트(62)는 도 7의 제1 메타 표면(32)에 형성된 제1 내지 제3 나노 포스트(32A-32C) 중 다른 하나에 대응될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 의한 메타 표면을 이용한 복합 조명장치(이하, 제3 메타 조명장치)를 보여준다.
도 11을 참조하면, 제3 메타 조명장치(300)는 광원(72)으로부터 방출된 광(L1)이 기판(78)에 직접 조사되는 직접 광조사 방식이 아니라 광원(72)으로부터 방출된 광(L1)이 광 반사대(76)에 의해 반사된 다음, 기판(78)에 입사되는 간접 광 조사 방식이다. 제3 메타 조명장치(300)에서 광원(72)은 기판(78)에 평행하게, 곧 수평방향으로 광(L1)을 방출한다. 광원(72)은 에지방출(edge emitting) 레이저 다이오드이거나 에지 방출 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 이러한 광원(72)을 이용하므로, 제3 메타 조명장치(300)의 두께는 상대적으로 얇아질 수 있다. 광원(72)은 거치대(mount)(70) 상에 장착되어 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 거치대(70) 상에 서브 거치대가 배치될 수도 있고, 광원(72)은 상기 서브 거치대 상에 배치될 수도 있다. 광 반사대(76)는 광원(72)의 광 방출면 앞에 배치될 수 있다. 이에 따라 광원(72)으로부터 방출된 광(L1)은 광 반사대(76)에 먼저 입사된다. 광 반사대(76)는 광(L1)의 진행 방향을 바꾸는 수단의 한 예이므로, 광 반사대(76)는 도 11에 예시된 것으로 한정되지 않는다. 일 예에서 광 반사대(76)는 도 11에 도시한 바와 같이 입사광을 입사방향과 다른 방향으로 반사시키는 거울역할을 할 수 있다. 다른 예에서 광 반사대(76)는 입사광을 다른 방향으로 굴절시키는 굴절수단으로 대체될 수도 있는데, 예를 들면, 광 반사대(76)는 프리즘으로 대체될 수도 있다.
도 11을 참조하면, 광 반사대(76)는 거울면(S1)을 갖고 있다. 거울면(S1)은 광 반사대(76)의 밑면에 대해 주어진 각(예컨대, 45도)으로 경사진 면이다. 거울면(S1)이 상기 주어진 경사각을 가짐으로써, 광원(72)으로부터 거울면(S1)에 입사되는 광(L1)은 거울면(S1)에서 반사되어 기판(78)의 밑면에 수직한 방향으로 기판(78)에 입사될 수 있다. 거울면(S1)은 광원(72)의 광 방출면 혹은 광이 방출되는 부분의 정면에 배치될 수 있다. 기판(78)은 광 반사대(76) 및 광원(72) 위쪽에 배치되어 있다. 기판(78)은 광 반사대(76)의 거울면(S1)을 중심으로 광 반사대(76)와 광원(72)을 덮도록 배치되어 있다. 광원(72)은 거치대(70)에 배치되어 있으므로, 거치대(70)의 적어도 일부도 기판(78)에 덮일 수 있다. 기판(78)은 광원(72)과 평행하게 배치될 수 있다. 기판(78)의 상부면 상에 물질층(80)이 존재한다. 물질층(80)은 제1 메타 표면(80A)을 포함한다. 제1 메타 표면(80A)은 메타 렌즈 역할을 할 수 있다. 물질층(80)에 대한 평면도는 도 5에 도시한 물질층(20)의 평면도와 동일할 수 있다. 제1 메타 표면(80A)의 패턴들의 배치는 도 5의 제1 메타 표면(20A)을 이루는 패턴들의 배치와 동일할 수 있다. 물질층(80)은 도 5의 제2 메타 표면(20B)과 동일한 제2 메타 표면을 포함할 수 있다. 곧, 제3 메타 조명장치(300)에서 메타 표면을 포함하는 물질층(80)은 도 5에 도시한 물질층(20)과 물질 및 메타 표면 구성에서 동일할 수 있다. 다른 예에서 물질층(80)에서 메타 표면을 둘러싼 부분은 제거될 수 있다. 곧, 기판(78)의 상부면 상에는 메타 표면(80A)만 존재할 수도 있다. 이 경우, 기판(78)의 상부면 상에는 도 5의 제1 메타 표면(20A)에 대응하는 제1 메타 표면(80A)과 제2 메타 표면(20B)에 대응하는 다른 메타 표면만이 존재할 수 있다. 예를 들면, 도 12에 도시한 바와 같이, 기판(78)의 상부면 상에는 제1 메타 표면(80A)를 이루는 제1 나노 포스트들(80A1)과 제2 메타 표면(80B)을 이루는 복수의 마이크로 메타 렌즈(80B1)만 존재할 수 있다.
다시 도 11을 참조하면, 기판(78)의 밑면에 마스크(82)가 배치되어 있다. 마스크(82)는 기판(78)의 밑면과 직접 혹은 간접적으로 접촉될 수 있다. 마스크(82)는 금속 마스크일 수 있다. 마스크(82)는 광원(72) 및 광 반사대(76)와 이격되어 있다. 도 11에서는 마스크(82)의 측면만 보이지만, 마스크(82)의 전체 구성은 제1 메타 조명장치(100)에서 설명한 마스크(18)와 동일할 수 있다. 곧, 마스크(82)는 제1 메타 표면(80A)에 대응하는 영역에 패턴영역(82A)을 포함한다. 패턴영역(82A)은 마스크(82)의 관통홀(82h) 내에 형성된 복수의 패턴들(82p)을 포함한다. 복수의 패턴들(82p)은 서로 이격되어 있고, 각각은 금속 포스트일 수 있다. 이러한 패턴영역(82A)에 광(L1)이 입사되면, 복수의 패턴들(82p)에 입사된 광은 반사되고, 복수의 패턴들(82p) 사이로 입사된 광은 기판(78)에 입사되고, 기판(78)을 통과해서 기판(78) 상부면 상에 있는 메타 렌즈인 제1 메타 표면(80A)에 입사된다. 패턴영역(82A)의 복수의 패턴들(82p)은 구조화된 패턴광을 생성하도록 디자인 될 수 있다. 패턴영역(82A)에서 생성된 구조화된 패턴광은 제1 메타 표면(80A)에 의해 기판(78)의 상부면 앞에 투사될 수 있다.
마스크(82)는 제1 메타 조명장치(100)의 마스크(18)와 마찬가지로 메타 표면으로 대체될 수 있다.
도 13은 도 11의 제3 메타 조명장치(300)에서 광 반사대(76)와 광원 거치대(70)에 대한 평면도이다.
도 13을 참조하면, 거치대(70) 상에 제1 및 제2 광원(72, 74)이 나란히 평행하게 배치되어 있다. 제1 및 제2 광원(72, 74)은 서로 이격되어 있다. 제1 광원(72)은 제1 메타 표면(80A)에 광을 조사하여 구조화된 패턴 광을 형성하기 위한 것이다. 제2 광원(74)은 제2 메타 표면(80B)에 광을 조사하여 2D/3D 영상을 위한 균일한 조명을 형성하기 위한 것이다. 제1 및 제2 광원(72, 74)의 광 방출면 앞쪽에 광 반사대(76)가 배치되어 있다. 도 13에서 광 반사대(76)를 향하는 화살표는 제1 및 제2 광원(72, 74)에서 방출되는 레이저 광을 나타낸다. 광 반사대(76)의 거울면(S1)은 제1 및 제2 광원(72, 74)과 마주한다. 거울면(S1)은 제1 및 제2 광원(72, 74)에 수직한 방향으로 주어진 길이를 갖는다. 거울면(S1)은 거치대(70)의 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 거치대(70)를 따라 거치대(70)와 나란히 배치되어 있다. 이에 따라 제1 및 제2 광원(72, 74)으로부터 광이 동시에 방출되는 경우에도 제1 및 제2 광원(72, 74)에서 방출된 광은 광 반사대(76)에 의해 제1 및 제2 메타 표면(80A, 80B)으로 반사될 수 있다. 도 13에서 광 반사대(76)는 광 굴절요소로 대체될 수 있다. 상기 광 굴절요소는 굴절작용으로 입사광을 제1 및 제2 메타 표면(80A, 80B)으로 전달할 수 있도록 배치될 수 있다. 상기 광 굴절요소는 예를 들면 프리즘일 수 있다.
도 14는 일 실시예에 의한 메타 표면을 이용한 복합 조명장치(이하, 제4 메타 조명장치)를 나타낸 측면도이다. 제3 메타 조명장치(300)와 다른 부분에 대해서만 설명한다.
도 14를 참조하면, 기판(78)의 상부면 상에 메타 물질층(90)이 존재한다. 메타 물질층(90)은 기판(78)의 상부면과 직접 접촉될 수 있다. 물질층(90)은 제1 메타 표면(90A)을 포함한다. 제1 메타 표면(90A)은 복수의 나노 포스트(90A1)을 포함한다. 복수의 나노 포스트(90A1)는 제1 메타 표면(90A)이 회절광학요소(이하, 제1 메타 회절광학요소) 역할을 수행하도록 배치되거나 디자인될 수 있다. 복수의 나노 포스트(90A1) 각각의 높이는 대체로 동일할 수 있다. 복수의 나노 포스트(90A1) 사이의 피치도 동일하거나 대체로 동일할 수 있다. 그러나 복수의 나노 포스트(90A1) 각각의 폭은 서로 다를 수 있다. 물질층(90)의 평면 구성은 도 9에 도시한 메타 물질층(30)과 동일할 수 있다. 곧, 물질층(90)은 제1 메타 표면(90A)을 포함할 수 있고, 도 9의 제2 메타표면(34)에 대응되는 다른 메타 표면을 포함할 수 있다. 상기 다른 메타 표면도 제1 메타 표면(90A)과 마찬가지로 복수의 나노 포스트를 포함할 수 있다. 상기 다른 메타 표면에 포함된 상기 복수의 나노 포스트는 회절광학요소(이하, 제2 메타 회절광학요소) 역할을 수행하도록 배치되거나 디자인될 수 있다. 제1 광원(72)에서 방출된 광은 상기 제1 메타 회절광학요소에 의해 구조화된 패턴 광으로 나타날 수 있다. 제2 광원(74)에서 방출된 광은 상기 제2 메타 회절광학요소에 의해 광이 조사되는 영역 전체에서 세기가 균일한 조명으로 나타날 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10:광원 거치대 12, 14:제1 및 제2 광원
16:기판 18:마스크
18A:패턴영역 18A1:패턴
18h:관통홀 20, 30:메타 물질층
20A, 32:제1 메타표면 20B, 34:제2 메타표면
40, 50:광축 32A-32C:제1 내지 제3 나노 포스트
34A-34C: 제1 내지 제3 나노 포스트
60, 62:제1 및 제2 나노 포스트
70:광원 거치대 72, 74:제1 및 제2 광원
76:광 반사대 78:기판
80:메타 물질층 80A, 80B:제1 및 제2 메타 표면
82:마스크 82A:패턴영역
82p:패턴 82h:관통홀
80A1:제1 나노 포스트 80B1:제2 나노 포스트
90:메타 물질층 90A:제1 메타표면
90A1:나노 포스트 100,200,300,400:제1 내지 제4 메타 조명장치
100A:메타 조명장치의 제1 부분(구조화된 패턴광 방출부)
100B:메타 조명장치의 제2 부분(비패턴광 방출부)
L1:광원에서 방출된 광 ML1:복수의 마이크로 메타 렌즈
P1:제1 나노 포스트 S1:거울면

Claims (18)

  1. 패턴광을 방출하는 제1 광 방출부;
    비패턴광을 방출하는 제2 광 방출부;
    상기 제1 및 제2 광 방출부는 단일체를 이루는 메타 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광 방출부는 각각 서로 다른 메타 표면을 포함하고,
    상기 서로 다른 메타 표면은 하나의 물질층에 형성된 메타 조명장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광 방출부는 입사광의 일부만 통과시키는 패턴영역을 포함하고,
    상기 제2 광 방출부는 상기 패턴영역을 포함하지 않는 메타 조명장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광 방출부는 각각 순차적으로 적층된 광원, 투명기판 및 메타 물질층을 포함하고,
    상기 투명기판과 상기 메타 물질층은 각각 단일층인 메타 조명장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 투명기판 사이에 단일층 마스크를 더 포함하는 메타 조명장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 투명기판에 수직한 방향으로 광을 방출하는 것으로,
    상기 제1 광 방출부에 속하는 제1 광원; 및
    상기 제2 광 방출부에 속하는 제2 광원;을 포함하는 메타 조명장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 투명기판에 평행한 방향으로 광을 방출하는 것으로,
    상기 제1 광 방출부에 속하는 제1 광원; 및
    상기 제2 광 방출부에 속하는 제2 광원;을 포함하는 메타 조명장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 메타 물질층은,
    상기 제1 광 방출부에 속하는 제1 메타표면; 및
    상기 제2 광 방출부에 속하는 제2 메타표면;을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 메타표면은 서로 다른 광 방출특성을 갖도록 마련된 복수의 나노 포스트(nano post)를 포함하는 메타 조명장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 제1 광 방출부에 속하는 패턴영역과 상기 제2 광 방출부에 속하는 관통홀을 포함하는 메타 조명장치.
  10. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 방출된 광의 진행방향을 바꾸는 수단을 더 포함하는 메타 조명장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 메타표면은 구조화된 패턴광을 방출하기 위해 마련된 메타 렌즈인 메타 조명장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 메타표면은 구조화된 패턴광을 방출하기 위해 마련된 메타 회절광학요소(DOE)인 메타 조명장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 메타표면은 균일한 조명을 방출하기 위해 배열된 마이크로 메타 렌즈 어레이인 메타 조명장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 메타표면은 균일한 조명을 방출하기 위해 마련된 메타 회절광학요소인 메타 조명장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 수단은 거울 또는 프리즘인 메타 조명장치.
  16. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광원은 VCSEL인 메타 조명장치.
  17. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광원은 에지 방출 레이저 다이오드인 메타 조명장치.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 패턴영역은 구조화된 패턴광을 생성하는 영역으로 메타 표면을 포함하는 메타 조명장치.
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