KR20200067074A - 메타 렌즈 및 이를 포함하는 광학 장치 - Google Patents

메타 렌즈 및 이를 포함하는 광학 장치 Download PDF

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KR20200067074A
KR20200067074A KR1020190046940A KR20190046940A KR20200067074A KR 20200067074 A KR20200067074 A KR 20200067074A KR 1020190046940 A KR1020190046940 A KR 1020190046940A KR 20190046940 A KR20190046940 A KR 20190046940A KR 20200067074 A KR20200067074 A KR 20200067074A
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한승훈
이수연
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삼성전자주식회사
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses

Abstract

메타 렌즈는 원주 방향 및 반경 방향을 따라 2차원 배열되는 복수의 제1 나노구조물을 포함하는 제1영역; 상기 제1영역을 둘러싸는 복수의 영역으로, 원주 방향 및 반경 방향을 따라 2차원 배열되는 복수의 제2 나노구조물을 포함하는 제2영역;을 포함한다. 상기 복수의 제1 나노구조물과 상기 복수의 제2 나노구조물은 서로 다른 규칙에 따라 분포되며, 상기 메타 렌즈는 넓은 파장 대역의 광을 집광할 수 있다.

Description

메타 렌즈 및 이를 포함하는 광학 장치{Meta-lens and optical apparatus including the same}
개시된 실시예들은 메타 렌즈 및 이를 포함하는 광학 장치에 대한 것이다.
반도체 기반 센서 배열을 이용하는 광학 센서들은 모바일 기기 및 웨어러블 기기 사물 인터넷 등에 점점 더 많이 사용되고 있다.
이러한 기기 들의 소형화가 요구되고 있지만, 기기들에 포함되는 광학 렌즈의 두께를 줄이는데 어려움이 있다. 곡률을 이용하여 광학 성능을 조절하는 렌즈는 곡률 반경이 작을수록 굴절력이 커지는데, 곡률 반경이 작아질수록 광축 방향으로 렌즈가 차지하는 두께는 커지기 때문이다.
이에 따라, 메타 표면 기반으로 평탄하고 두께가 얇은 렌즈를 구현하기 위한 시도가 있다. 그러나, 고차 회절 노이즈가 발생하거나, 또는, 원하는 파장 대역폭에 대해 굴절력의 구현, 색수차 제어 등에 여전히 어려움이 있다.
넓은 파장 대역폭에서 향상된 광학 성능을 나타낼 수 있는 메타 렌즈가 제공된다.
일 유형에 따르면, 원주 방향 및 반경 방향을 따라 2차원 배열되는 복수의 제1 나노구조물을 포함하며, 상기 복수의 제1 나노구조물이 제1규칙에 따라 분포되는 제1영역; 및 상기 제1영역을 둘러싸는 복수의 영역으로, 원주 방향 및 반경 방향을 따라 2차원 배열되는 복수의 제2 나노구조물을 포함하며, 복수의 제2 나노구조물은 각 영역에서 상기 제1규칙과 다른 복수의 제2규칙에 따라 분포되는 제2영역;을 포함하는, 메타 렌즈가 제공된다.
상기 제1영역은 원 형상이고, 상기 복수의 제2영역은 동심의 링 형상일 수 있다.
상기 메타 렌즈가 소정 파장 대역의 입사광에 대해 굴절력을 나타내도록, 상기 제2영역의 개수, 상기 제1규칙 및 상기 제2규칙이 설정될 수 있다.
상기 소정 파장 대역은 가시광선 파장 대역일 수 있다.
상기 메타 렌즈가 음의 아베수를 가지도록, 상기 제2영역의 개수, 상기 제1규칙 및 상기 제2규칙이 설정될 수 있다.
상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물 중에서 서로 인접하는 나노구조물 간의 간격은 상기 소정 파장 대역의 중심 파장을 λ라고 할 때, λ 보다 작을 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물 중 서로 인접하는 두 나노구조물의 위치를 각각 극좌표 (r1, φ1), (r2, φ2)로 표시할 때, 상기 두 나노구조물 간의 |r1-r2|, |φ1-φ2|는 상기 제1영역 및 상기 복수의 제2영역 중 적어도 두 영역에서 서로 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물은 전체적으로 극 대칭성(polar symmetry)을 갖도록 배열될 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물은 상기 제1영역, 상기 복수의 제2영역 각각 내에서 극 대칭성(polar symmetry)을 갖도록 배열될 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물 중 반경 방향으로 서로 인접하는 두 나노구조물의 위치를 각각 극좌표 (r1, φ1), (r2, φ1)로 표시할 때, 상기 두 나노구조물의 반경 방향 폭(WR)은 다음 조건을 만족하는, 메타 렌즈.
WR ≤ (3|r1-r2|)/4,
상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물 중 원주 방향으로 서로 인접하는 두 나노구조물의 위치를 각각 극좌표 (r1, φ1), (r1, φ2)로 표시할 때, 상기 두 나노구조물의 원주 방향 폭(WC)은 다음 조건을 만족하는, 메타 렌즈.
WC ≤ (3r1|φ1-φ2|)/4
상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물은 나선형 대칭성(spiral symmetry)을 갖도록 배열될 수 있다.
상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물은 원기둥 또는 다각기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 메타 렌즈는 상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물의 높이(H)는 상기 소정 파장 대역의 중심 파장을 λ라고 할 때 다음 조건을 만족할 수 있다.
λ/2 ≤ H ≤ 6λ
상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물의 높이는 상기 제1영역, 상기 복수의 제2영역 중 적어도 두 영역에서 서로 다를 수 있다.
상기 복수의 제2영역의 반경 방향 폭은 상기 제1영역의 반경보다 작을 수 있다.
상기 복수의 제2영역의 반경 방향 폭은 상기 제1영역에서 멀어질수록 작아질 수 있다.
상기 메타 렌즈는 기판을 더 포함하며, 상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물은 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률의 재질로 이루어질 수 있다.
상기 기판의 굴절률과 상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물의 굴절률 간의 차이는 0.5 이상일 수 있다.
상기 메타 렌즈는 상기 기판 및 상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물을 덮는 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층의 굴절률과 상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물의 굴절률 간의 차이는 0.5 이상일 수 있다.
일 유형에 따르면, 상술한 어느 하나의 메타 렌즈: 및 광입사면과 광출사면을 가지며 상기 광입사면과 광출사면 중 적어도 하나가 곡면인 하나 이상의 굴절렌즈;를 포함하는 촬상 렌즈가 제공된다.
상기 메타 렌즈는 상기 굴절 렌즈에 의한 색수차를 보상할 수 있는 아베수를 가지도록, 상기 제2영역의 개수, 상기 제1규칙 및 상기 제2규칙이 설정될 수 있다.
상기 메타 렌즈가 음의 아베수를 가지도록, 상기 제2영역의 개수, 상기 제1규칙 및 상기 제2규칙이 설정될 수 있다.
상기 메타 렌즈의 초점 거리, fm과 상기 하나 이상의 굴절렌즈에 의한 초점 거리(f1)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
|fm| > |f1|
일 유형에 따르면, 상기 촬상 렌즈; 및 상기 촬상 렌즈에 의해 형성된 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치가 제공된다.
상술한 메타 렌즈는 나노구조물을 이용하여 박형의 렌즈를 구현할 수 있으며, 복수층으로 나노구조물을 배열함으로써 넓은 파장 대역폭에 대해 같은 초점 거리를 구현할 수 있다.
상술한 메타 렌즈는 다양한 수차의 제어가 보다 용이하여 촬상 렌즈에 적용될 수 있고, 이미지 센서, 촬상 장치 등의 다양한 광학 장치에 채용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 2는 실시예에 따른 메타 렌즈의 영역이 복수의 영역으로 구획된 것을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 3은 도 2의 AA' 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 메타 렌즈의 제k영역을 예시하여, 인접한 나노구조물 간의 간격, 폭의 관계를 설명하는 개념도이다.
도 5는 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 예시적인 형상을 보인다.
도 6은 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 다른 예시적인 형상을 보이는 사시도이다.
도 7은 실시예에 따른 메타 렌즈가 구현하고자 하는 설계데이터로서, 이상적인 위상 분포를 보인 그래프이다.
도 8은 실 제작된 실시예에 따른 메타 렌즈가 나타내는 위상 분포를 보인 그래프이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 메타 렌즈의 복수의 영역 배치를 보인 평면도이다.
도 10은 실시예에 따른 촬상 렌즈의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
도 11은 다른 실시예에 따른 촬상 렌즈의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
도 12는 비교예에 따른 촬상 렌즈의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
도 13은 실시예에 따른 촬상 장치의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
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.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 평면도이고, 도 2는 실시예에 따른 메타 렌즈의 영역이 복수의 영역으로 구획된 것을 예시적으로 보이는 평면도이며, 도 3은 도 2의 AA' 단면도이다.
메타 렌즈(100)는 복수의 나노구조물(NS)을 포함하며, 복수의 나노구조물(NS)은 반경 방향 및 원주 방향을 따라 2차원 배열될 수 있다. 이하에서, 반경 방향 및 원주 방향을 정의하는 원의 중심은 메타 렌즈(100)의 중심이다. 메타 렌즈(100)는 복수의 나노구조물(NS)을 지지하는 기판(110)을 더 포함할 수 있다. 복수의 나노구조물(NS)은 기판(110) 상에 배치되며, 서브 파장의 형상 치수를 가질 수 있다. 여기서, 서브 파장은 복수의 나노구조물(NS)이 소정 파장 대역의 광에 대해 원하는 광학 기능을 하도록 배열될 때, 상기 소정 파장 대역의 중심 파장(λ)보다 작은 형상 치수를 의미한다. 실시예에서 복수의 나노구조물(NS)의 배열은 상기 소정 파장 대역의 광에 대해 원하는 광학 기능을 하도록 나노구조물(NS)을 배치할 때, 상기 소정 파장 대역의 폭을 원하는 정도로 넓히면서도, 또한, 의도하지 않는 고차 또는 0차의 회절 노이즈가 발생하는 것을 효과적으로 방지하기 위한 것이다. 예를 들어, 가시광의 넓은 파장 대역의 광에 대해 굴절력을 나타내는 렌즈 역할을 하도록 나노구조물(NS)을 배열할 때 직교 좌표 기반의 배열에서는 수차 제어 등에 한계가 있다. 본 실시예의 메타 렌즈(100)는 나노구조물(NS)의 위치에 따른 크기나 형상을 정함에 있어, 극좌표(polar coordinate) 기반의 규칙을 적용하여, 넓은 파장 대역의 광에 대해, 원하는 성능을 구현하며, 또한, 가능한 단층의 나노구조물(NS) 배열로 이러한 성능 구현을 도모하고 있다.
복수의 나노구조물(NS)의 각 위치는 복수의 나노구조물(NS) 배열의 중심부, 즉, 메타 렌즈(100)의 중심을 원점으로 하며 메타 렌즈(100)와 나란한 평면상에서 상기 원점으로부터 멀어지는 반경 방향의 거리, r, 상기 평면상의 기준선으로부터 상기 원점에서 상기 평면에 대한 법선을 회전축으로 하는 회전각, φ을 나타낸 (r, φ)의 좌표로 표현될 수 있다. 도면에서 상기 법선 방향은 Z 방향, 상기 기준선의 방향은 X 방향이다. (r, φ) 위치의 나노구조물(NS)의 형상 치수가 r, φ 의 관계에서 정해질 수 있으며, 예를 들어, r 및/또는 φ의 함수로 표현될 수도 있다.
메타 렌즈(100) 중심부의 영역 A1을 확대한 부분에서 나타나듯이, 복수의 나노구조물(NS)은 반경이 다른 복수의 링(ring)을 따라 배열될 수 있다. 인접한 링(ring) 간의 간격은 서브 파장, 즉, 상기 소정 파장 대역의 중심 파장을 λ라고 할 때 이보다 작을 수 있다. 이 간격은 도시된 영역에서는 일정하게 나타나고 있으나 이는 예시적이며 이에 한정되지 않는다. 메타 렌즈(100)의 다른 영역에서는 인접하는 링 간의 간격이 이와 다를 수 있다. 나노구조물(NS)의 크기도 이 영역에서는 일정하게 나타나고 있으나 이는 예시적이며 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 메타 렌즈(100)의 다른 영역에 위치한 나노구조물(NS)이 이와 다른 크기를 가질 수 있다.
메타 렌즈(100) 주변부의 영역 A2를 확대한 부분을 참조하면, 나노구조물(NS)은 메타 렌즈(100)의 중심을 동심으로 하는 다수의 원의 원주 방향을 따라 배열되고 있다. 또한, 나노구조물(NS)들의 크기는 일정하지 않고, 위치에 따라 다른 크기를 가지고 있다. 다만, 도시된 크기 변화는 예시적이며 이에 한정되지 않는다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 메타 렌즈(100)는 제1영역(120_1), 제2영역(120_2), 내지 제N영역(120_N)을 포함할 수 있다. 제1영역(120_1)은 중심부의 영역으로 원 형상을 가질 수 있고, 제2영역(120_2) 내지 제N영역(120_N)은 제1영역((120_1)을 둘러싸는 링 형상을 가질 수 있다. N은 3이상의 자연수일 수 있다. 이러한 복수의 영역은 각 영역에 배치되는 나노구조물(NS)의 형상, 간격, 배열 규칙등을 영역별로 구별하여 조절할 수 있도록 구비되고 있으며, 영역의 개수, 영역의 크기 등이 메타 렌즈(100)가 구현하고자 하는 광학 기능, 성능을 고려하여 정해질 수 있다.
제1영역(120_1)은 반경 방향 및 원주 방향을 따라 이차원 배열되는 복수의 제1 나노구조물(NS1)을 포함한다. 복수의 제1 나노구조물(NS1)은 제1규칙에 따라 분포한다. 여기서, 규칙(rule)은 나노구조물(NS)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 이들 파라미터는 같은 영역 내에서 일정하거나, 또는 위치의 함수로 나타날 수 있다.
제2영역(120_2)은 반경 방향 및 원주 방향을 따라 이차원 배열되는 복수의 제2 나노구조물(NS2)을 포함한다. 복수의 제2 나노구조물(NS2)은 제2규칙(rule)에 따라 분포한다.
제N영역(120_N)은 반경 방향 및 원주 방향을 따라 이차원 배열되는 복수의 제N 나노구조물(NSN)을 포함한다. 복수의 제N 나노구조물(NSN)은 제N규칙(rule)에 따라 분포한다.
각 영역에 구비된 나노구조물(NSk)(1≤k≤N)의 형상, 폭, 높이, 배치 간격 등은 일정하게 도시되었으나 이는 편의상의 예시이며, 제k영역(120_k)에 구비되는 제k 나노구조물(NSk)은 제k규칙에 따라 설정될 수 있다. 제k규칙은 제k영역(120_k)에 구비되는 제k 나노구조물(NSk)에 적용되는 것임을 설명하는 것일 뿐, 여기서 제1 내지 제N규칙이 모두 다른 것은 아니다. 이들 중 일부 혹은 모두가 서로 동일할 수도 있다.
기판(110)과 나노구조물(NSk)은 각각 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 기판(110)의 굴절률과 나노구조물(NSk)의 굴절률 차이는 0. 5이상일 수 있다. 나노구조물(NSk)의 굴절률이 기판(110)의 굴절률 보다 높을 수 있고, 다만, 이에 한정되지 않으며, 나노구조물(NSk)의 굴절률이 기판(110)보다 낮을 수도 있다.
보호층(130)은 복수의 나노구조물(NSk)을 전체적으로 덮어 보호하는 층으로 나노구조물(NSk)의 굴절률과 다른 굴절률의 재질로 이루어질 수 있다. 보호층(130)과 나노구조물(NSk)과의 굴절률 차이는 0.5 이상일 수 있다. 보호층(130)은 나노구조물(NSk)보다 낮은 굴절률의 재질로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 보호층(130)은 생략될 수도 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 보호층(130)의 굴절률이 나노구조물(NSk)보다 높을 수도 있다.
기판(110)은 글래스(fused silica, BK7, 등), Quartz, polymer(PMMA, SU-8 등) 및 플라스틱 중의 재질 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 반도체 기판일수도 있다. 나노구조물(NSk), 은 c-Si, p-Si, a-Si 및 III-V 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보호층(130)은 SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, 혹은 SiO2와 같은 저굴절 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노구조물(NSk)은 나노구조물(NSk)을 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노구조물(NSk)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노구조물(NSk)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다. 복수의 나노구조물(NSk) 각각에서 일어나는 위상 지연 정도를 적절히 설정하여 다양한 광학 기능을 달성할 수 있다.
상기 복수의 영역의 개수 및 이에 적용되는 규칙은 메타 렌즈(100)가 소정 파장 대역의 광에 대해 굴절력(refractive power)을 나타내도록 배열될 수 있다. 상기 소정 파장 대역은 가시광선 파장 대역일 수 있다. 굴절력은 볼록 렌즈와 같은 양의 굴절력 또는 오목 렌즈와 같은 음의 굴절력일 수 있다. 굴절력의 절대값은 영역의 개수를 증가시킴으로써 크게 할 수 있다. 굴절력의 부호는 각 영역내에서의 크기 분포 추이에 따라 정해지며, 양, 음의 굴절력의 경우 상기 추이는 서로 반대일 수 있다. 예를 들어, 각 영역에서 반경 방향을 따라 나노구조물(NSk)의 크기가 감소하는 배치에서 양의 굴절력이, 반경 방향을 따라 나노구조물(NSk)의 크기가 증가하는 배치에서는 음의 굴절력이 구현될 수 있다.
상기 복수의 영역의 개수 및 이에 적용되는 규칙은 메타 렌즈(100)가 음의 아베수를 가지도록 설정될 수 있다. 일반적인 굴절렌즈, 즉, 광의 입사면 또는 출사면에 곡면 형상을 구비하여 굴절력을 나타내는 굴절 렌즈는 양의 아베수를 가지므로 원하는 정도로 분산(dispersion)을 제어하는데 한계가 있다.
아베수는 메타 렌즈(100)가 나타내는 색분산(dispersion)과 관련된다. 색분산은 일반적인 매질이 서로 다른 파장에 대해 다른 굴절률을 나타내는 성질에 의한 것이며 아베수(Vd)는 다음과 같이 정의된다.
Vd=(nd-1)/(nF-nC)
nd, nF, nC는 각각 d선(587.5618 nm), C선(656.2816 nm), F선(486.1327 nm)의 광에 대한 굴절률을 나타낸다.
파장에 따른 굴절률 차이에 의한 색분산이 크면, 입사광의 컬러에 따라 입사광에 작용하는 굴절력이 달라져 색수차가 발생한다. 이러한 색수차를 보상하기 위해, 일반적으로 촬상 렌즈를 구성할 때, 아베수의 차이가 큰 두 렌즈를 함께 사용하는 방식이 사용된다. 실시예의 메타 렌즈(100)는 음의 아베수를 가질 수 있으므로 촬상 렌즈에 채용되어 다른 렌즈에서 발생한 색수차를 효과적으로 보상할 수 있다. 여기서, 음의 아베수는 예시적이며, 이에 한정되지 않는다. 색수차 보상에 적절한 정도로, 메타 렌즈(100)가 원하는 값의 아베수를 갖도록 상기 복수의 영역의 개수 및 이에 적용되는 규칙이 설정될 수 있다.
상기 복수의 영역의 폭은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 원형의 제1영역(120_1)의 반경은 링 형상인 제2영역(120_2)의 반경 방향 폭보다 클 수 있다. 또한, 제3영역(120_3)에서 제N영역(120_N)으로 갈수록 링 형상의 폭이 점차적으로 작아질 수 있다. 다만, 이는 예시적이며 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 제1 나노구조물(NS1), 복수의 제2 나노구조물(NS2), ? 제N 나노구조물(NSN)은 전체적으로 극 대칭성(polar symmetry)을 갖도록 배열될 수 있다. 즉, 복수의 나노구조물(NSk,1≤k≤N)은 Z축을 회전축으로 하는 소정 각도의 회전 대칭성을 갖도록 배열될 수 있다. 이 경우, 각 위치의 나노구조물(NSk)의 형상이나 서로 인접하는 나노구조물(NSk)과의 간격 등은 φ와는 무관하고 r의 함수로만 표현될 수 있다.
또는, 제1 나노구조물(NS1), 복수의 제2 나노구조물(NS2), ? 제N 나노구조물(NSN)은 각 나노구조물(NSk)이 속한 제k영역(120_k) 내에서 극 대칭성(polar symmetry)을 갖도록 배열될 수 있다. 다시 말하면, 제1영역(120_1)에 배치된 제1 나노구조물(NS1)들은 소정 각도(Δφ1)의 회전 대칭성을 갖도록 배열될 수 있으며, 제2영역(120_2)에 배치된 제2 나노구조물(NS2)들은 상기 소정 각도와 다른 각도(Δφ2)의 회전 대칭성을 가질 수 있다. 회전 대칭성의 각도(Δφk)는 k가 커질수록, 즉, 메타 렌즈(100)의 중심에서 먼 영역일수록 작아질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 모든 영역에서 이러한 회전 대칭 각도가 서로 다른 것은 아니며, 적어도 두 영역에서 서로 다를 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 메타 렌즈의 제k영역을 예시하여, 인접한 나노구조물 간의 간격, 폭의 관계를 설명하는 개념도이고, 도 5는 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 예시적인 형상을 보인다.
도 4를 참조하면, 제k영역(120_k)에 구비된 제k나노구조물(NSk)은 극 대칭성(polar symmetry)을 갖도록 배열될 수 있다. 다시 말하면, 복수의 제k 나노구조물(NSk)들은 배열은 Z축을 회전축으로 하는 회전각 Δφk의 회전 대칭성을 가지도록 배열될 수 있다. 제k 나노구조물(NSk)은 반경 방향 및 원주 방향을 따라 배열되며, 원주 방향의 각도 간격은 Δφk, 로 같은 영역 내에서 일정하다.
제k 나노구조물(NSk)의 반경 방향 간격 Δrk, 은 일정할 수 있고, 또는 위치에 따라 다른 값을 가질 수도 있다. 예를 들어, 제k영역(120_k)에 적용되는 제k규칙에 따라, Δrk, 는 상기 영역내에서 r이 커질수록 점차적으로 증가하거나 또는 감소할 수 있다. 여기서, 모든 영역의 Δrk 가 서로 다른 것은 아니며, 적어도 두 영역에서 서로 다를 수 있다.
나노구조물(NS)의 두 폭, 즉, 반경 방향 폭(wrk)과 원주 방향 폭(wck)은 서브 파장의 치수로서, 또한, 인접하는 나노구조물(NSk)간의 원주 방향 간격 및 반경 방향 간격과의 관계에서 정해질 수 있다. 나노구조물(NSk)간의 원주 방향 간격 및 반경 방향 간격에서 '간격'은 인접하는 나노구조물(NSk)의 중심 간의 거리를 의미하고 있다.
극좌표 (r1, φ1)의 위치에 위치하는 나노구조물(NSk)의 반경 방향 폭(WRk)은 반경 방향으로 인접하는 극좌표 (r2, φ1) 위치의 나노구조물(NSk) 간의 간격(Δr)의 3/4 이하로 정해질 수 있다.
즉, 나노구조물(NSk)의 반경 방향 폭(WRk)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
WRk ≤ 3(Δr)/4 = (3|r1-r2|)/4 (1)
극좌표 (r1, φ1)의 위치에 위치하는 나노구조물(NSk)의 원주 방향 폭(WCk)은 원주 방향으로 인접하는 극좌표 (r1, φ2) 위치의 나노구조물 간의 간격(r1Δφk)의 3/4 이하로 정해질 수 있다.
즉, 원주 방향 폭(WCk)은 다음 조건을 만족할 수 있다.
WCk ≤ 3(r1)*(Δφk)/4 = (3r1*|φ1-φ2|)/4 (2)
도 5에 도시된 바와 같이, 나노구조물(NSk)은 두 폭이 각각 WRk WCk 이며 높이가 Hk인 직사각기둥 형상을 가질 수 있다. 직사각기둥의 직사각형 단면의 두 폭이 각각 원주 방향, 반경 방향이 되도록 기판 상에 배치될 수 있다. 나노구조물(NSk)의 높이 Hk는 상기 소정 파장 대역의 중심 파장을 λ라고 할 때 다음 조건을 만족할 수 있다.
λ/2 ≤ Hk ≤ 6λ (3)
나노구조물(NSk)은 이외에도 다각 기둥 등의 형상을 가질 수 있다.
나노구조물(NSk)의 형상 치수는 높이와 수직인 단면 폭만이 서브 파장을 가지며 높이는 파장 이상의 값을 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 높이도 서브 파장을 갖도록 설정될 수도 있다.
파장 이상의 높이를 사용할수록 보다 다양한 빛에 대한 반응을 나노구조물(NSk)로부터 얻을 수 있어서, 보다 넓은 파장 대역의 빛을 제어하는 렌즈를 만들 수 있다
서브 파장의 폭 및 파장 이상의 높이를 가지는 형태로서 종횡비가 1보다 큰 형상의 경우 종횡비가 커질수록 나노구조물(NSk)의 제조는 어려워질 수 있다. 따라서, 이러한 종횡비와 관련된 광학 성능을 고려하여 (3) 또는 (4)의 범위가 설정될 수 있을 것이다.
도 6은 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 다른 예시적인 형상을 보이는 사시도이다.
나노구조물((NSk))은 직경 Dk, 높이 Hk인 원기둥 형상일 수 있다. 이러한 형상에서, Dk 가 상기 (1)(2) 식을 만족할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 메타 렌즈가 구현하고자 하는 설계데이터로서, 이상적인 위상 분포를 보인 그래프이고, 도 8은 실 제작된 실시예에 따른 메타 렌즈가 나타내는 위상 분포를 보인 그래프이다.
전술한 바와 같이, 메타 렌즈(100)가 구현하는 광학적 기능은 메타 렌즈(100)를 이루는 복수의 나노구조물(NS)에 의해 위치에 따라 입사광의 위상이 변조되는 성질에 기인한다. 메타 렌즈(100)의 위치별 위상 분포는 설계데이터와 매우 유사한 수준으로 구현되고 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 메타 렌즈의 복수의 영역 배치를 보인 평면도이다.
메타 렌즈(101는 기판(111) 상에 배치된 복수의 나노구조물(미도시)들로 이루어진 복수의 영역(121_k)을 포함한다. 본 실시예의 메타 렌즈(101)는 복수의 나노구조물이 나선형 대칭성(spiral symmetry)을 갖도록 배열된 점에서 도 2의 메타 렌즈(100)와 차이가 있다. 복수의 나노구조물(NS)의 배열에 적용되는 같은 규칙에 따르는 궤적은 나선형을 이룬다. 이러한 나선형의 각 영역(121_k) 내에서 나노구조물(NS)들은 일정하게 또는 해당 영역 내에 적용되는 위치의 함수로 그 형상, 크기, 간격, 높이 등이 설정될 수 있다.
도 2 및 도 9에 도시한 영역 구분 외에도, 다양한 영역 구분이 다양한 광학 기능의 구현을 위해 다른 실시예의 메타 렌즈에 적용될 수 있다. 예를 들어, 입사빔을 특정 형상으로 성형(shaping) 하거나, 또는, 입사빔의 광축 방향을 특정 방향으로 굴절시키면서 입사빔을 포커싱하도록 상기 영역 구분 및 영역 내의 규칙 등이 설정될 수 있다.
상술한 메타 렌즈(100)(101)는 소형화에 유리한 박형 구조 및 광학 성능을 조절하는 높은 자유도를 가지므로, 다양한 광학 장치에 채용될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 촬상 렌즈의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
촬상 렌즈(1000)는 복수의 렌즈(e1, e2, ?, en)를 포함한다. 복수의 렌즈(e1, e2, ?, en)는 상면(IMG)에 피사체(OBJ)의 상을 포커싱하도록, 또한, 원하는 수차 보정등을 고려하여 다양한 개수로 구성될 수 있다. 또한, 복수의 렌즈(e1, e2, ?, en)와 함께 적절한 위치에, 광량 조절을 위한 조리개(aperture stop)가 배치될 수 있다.
복수의 렌즈(e1, e2, ?, en) 중 일부는 상술한 바와 같은 실시예에 따른 메타 렌즈일 수 있고, 나머지 일부는 광입사면(S1), 광출사면(S2) 중의 적어도 하나가 곡면으로 된 일반적인 굴절 렌즈일 수 있다. 메타 렌즈와 굴절 렌즈의 개수, 위치 및 각 형상은 촬상 렌즈(1000)가 구현하고자 하는 초점 거리, 화각등을 고려하여 정해질 수 있다. 또한, 복수의 렌즈(e1, e2, ?, en) 중 적어도 하나 이상을 광축(OA)을 따라 움직일 수 있도록 하여 망원단 내지 광각단의 범위로 초점 거리가 조절되는 줌렌즈로 구현될 수도 있다. 또한, 복수의 렌즈(e1, e2, ?, en) 중 적어도 하나 이상은 손떨림 보정을 위해 광축에 수직인 방향으로 움직이도록 구성될 수도 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 촬상 렌즈의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
촬상 렌즈(2000)는 피사체(OBJ) 측으로부터 순서대로 배치된, 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40) 및 제5렌즈(ML)를 포함한다. 제1 내지 제4렌즈(10)(20)(30)(40)는 광입사면 및/또는 광출사면에 곡면이 적용된 일반적인 굴절렌즈이며, 제5렌즈(ML)는 평판형의 메타렌즈이다. 제5렌즈(ML)로는 전술한 메타 렌즈(100)(101) 또는 변형예의 메타 렌즈가 채용될 수 있다.
메타 렌즈(ML)는 제1 내지 제4렌즈(10)(20)(30)(40)에 의해 발생한 색수차를 보상할 수 있는 아베수를 가질 수 있다. 메타 렌즈(ML)는 효과적인 색수차 보상을 위해 음의 아베수를 가질 수 있다.
메타 렌즈(ML)는 색수차 보상을 주된 역할로 하며 굴절력을 거의 갖지 않도록 설정될 수도 있다. 예를 들어, 메타 렌즈(ML)는 매우 약한, 0에 가까운, 양의 굴절력 또는 음의 굴절력을 가질 수 있으며, 이에 따라 매우 긴 초점 거리를 나타낼 수 있다.
메타 렌즈(ML)의 초점 거리, fm과 나머지 제1 내지 제4렌즈(10)(20)(30)(40)에 의한 초점 거리(f1)는 다음 조건을 만족할 수 있다.
|fm| > |f1| (5)
또한, 메타 렌즈(ML)의 초점 거리, fm 는 제1 내지 제4렌즈(10)(20)(30)(40) 중 가장 긴 초점 거리를 나타내는 렌즈의 초점 거리(|f|보다 길 수 있다. 즉, 촬상 렌즈(2000)를 구성하는 렌즈 중, 가장 약한 굴절력을 갖도록 메타 렌즈(ML)가 구성될 수도 있다.
이와 같이 메타 렌즈(ML)를 설정하는 것은 기존의 일반적인 굴절 렌즈들 만으로 이루어진 촬상 렌즈의 나머지 성능에는 영향을 거의 주지 않으며 색수차만을 보정하는 용도로 추가될 수 있는 점에서, 설계상의 이점이 있을 수 있다.
도 12는 비교예에 따른 촬상 렌즈의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
촬상 렌즈(90)는 피사체(OBJ) 측으로부터 순서대로 배치된, 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40) 및 제5렌즈(50)를 포함한다. 제1 내지 제5렌즈(10)(20)(30)(40)(50)은 모두, 입사면 및/또는 출사면에 곡면이 적용된 일반적인 굴절 렌즈이다.
비교예의 촬상 렌즈(90)는 일부 성능에 있어서는 도 11의 촬상 렌즈(2000)와 동일 내지 유사한 성능을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 촬상 렌즈(90)는 도 11의 촬상 렌즈(2000)와 동일한 초점거리, 화각을 나타낼 수 있다. 그러나, 비교예의 촬상 렌즈(90)는 제5렌즈(50)의 두께 및 아베수 한계 등으로, 전장이 길어 소형화에 불리하며, 또한, 수차 보정 성능에서도 불리하다.
다시 말하면, 실시예에 따른 도 11의 촬상 렌즈(2000)는 전장, 즉, 제1렌즈(10)의 입사면에서 상면(IMG)까지의 길이가 비교예의 촬상 렌즈(90)에 비해 효과적으로 짧아질 수 있고, 또한, 음의 아베수 등 원하는 다양한 아베수를 가질 수 있는 메타 렌즈(100)가 구비되므로 수차 보정 성능이 높다.
도 11 및 도 12의 설명에서, 메타 렌즈(ML)가 색수차를 보상하는 성능을 위주로 설명하였으나 이는 예시적인 것이며, 메타 렌즈(ML)는 다른 수차, 예를 들어, 구면 수차나 코마 수차 보상에 적절하도록 설정될 수도 있다.
도 13은 실시예에 따른 촬상 장치의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
촬상 장치(3000)는 촬상 렌즈(3100)와, 촬상 렌즈(3100)에 의해 형성된 피사체(OBJ)의 광학 상(optical image)을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서(3500)를 포함한다. 촬상 렌즈(3100)와 이미지 센서(3500) 사이에는 커버 글래스(3200)가 배치될 수 있고, 커버 글래스(3200)에는 적외선 차단 필터가 코팅될 수 있다.
이미지 센서(3500)는 촬상 렌즈(3100)에 의해 피사체(OBJ)의 광학 상(optical image)이 형성되는 상면 위치에 배치된다. 이미지 센서(3500)는 광을 센싱하여 전기 신호를 발생시키는 CCD, CMOS, 포토다이오드(photodiode) 등의 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 센서(3500)는 이에 한정되는 것은 아니다.
촬상 렌즈(3100)는 하나 이상의 메타 렌즈를 포함할 수 있다. 도 10, 도 11에서 예시한 바와 같이 메타 렌즈가 구비된 임의의 구성을 가질 수도 있다. 촬상 렌즈(3100)에 구비되는 메타 렌즈로는 전술한 메타 렌즈(100)(101) 또는 이의 변형예가 채용될 수 있다. 메타 렌즈는 가시광선 대역의, 넓은 파장 대역에 작용하면서도 효과적인 수차 보정이 가능한 성능을 가질 수 있어, 촬상 장치(3000)의 성능이 향상될 수 있다.
상술한 메타 렌즈 및 이를 포함하는 광학 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 101, ML .. 메타 렌즈
110, 111..기판
120_k, 121_k .. 제k영역
NS, NS1, NS2, NSk, NSN.. 나노구조물
130.. 보호층

Claims (26)

  1. 원주 방향 및 반경 방향을 따라 2차원 배열되는 복수의 제1 나노구조물을 포함하며, 상기 복수의 제1 나노구조물이 제1규칙에 따라 분포되는 제1영역; 및
    상기 제1영역을 둘러싸는 복수의 영역으로, 원주 방향 및 반경 방향을 따라 2차원 배열되는 복수의 제2 나노구조물을 포함하며, 복수의 제2 나노구조물은 각 영역에서 상기 제1규칙과 다른 복수의 제2규칙에 따라 분포되는 제2영역;을 포함하는, 메타 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1영역은 원 형상이고, 상기 복수의 제2영역은 동심의 링 형상인, 메타 렌즈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메타 렌즈가 소정 파장 대역의 입사광에 대해 굴절력을 나타내도록, 상기 제2영역의 개수, 상기 제1규칙 및 상기 제2규칙이 설정되는, 메타 렌즈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소정 파장 대역은 가시광선 파장 대역인, 메타 렌즈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메타 렌즈가 음의 아베수를 가지도록, 상기 제2영역의 개수, 상기 제1규칙 및 상기 제2규칙이 설정되는, 메타 렌즈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물 중에서 서로 인접하는 나노구조물 간의 간격은 상기 소정 파장 대역의 중심 파장을 λ라고 할 때, λ 보다 작은, 메타 렌즈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물 중 서로 인접하는 두 나노구조물의 위치를 각각 극좌표 (r1, φ1), (r2, φ2)로 표시할 때,
    상기 두 나노구조물 간의 |r1-r2|, |φ1-φ2|는 상기 제1영역 및 상기 복수의 제2영역 중 적어도 두 영역에서 서로 다른, 메타 렌즈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물은 전체적으로 극 대칭성(polar symmetry)을 갖도록 배열되는, 메타 렌즈.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물은 상기 제1영역, 상기 복수의 제2영역 각각 내에서 극 대칭성(polar symmetry)을 갖도록 배열되는, 메타 렌즈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물 중 반경 방향으로 서로 인접하는 두 나노구조물의 위치를 각각 극좌표 (r1, φ1), (r2, φ1)으로 표시할 때,
    상기 두 나노구조물의 반경 방향 폭(WR)은 다음 조건을 만족하는, 메타 렌즈.
    WR ≤ (3|r1-r2|)/4,
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물 중 원주 방향으로 서로 인접하는 두 나노구조물의 위치를 각각 극좌표 (r1, φ1), (r1, φ2)로 표시할 때,
    상기 두 나노구조물의 원주 방향 폭(WC)은 다음 조건을 만족하는, 메타 렌즈.
    WC ≤ (3r1|φ1-φ2|)/4
  12. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물은 나선형 대칭성(spiral symmetry)을 갖도록 배열되는, 메타 렌즈.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물은 원기둥 또는 다각기둥 형상을 가지는, 메타 렌즈.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물의 높이(H)는 상기 소정 파장 대역의 중심 파장을 λ라고 할 때 다음 조건을 만족하는, 메타 렌즈.
    λ/2 ≤ H ≤ 6λ
  15. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물의 높이는 상기 제1영역, 상기 복수의 제2영역 중 적어도 두 영역에서 서로 다른, 메타 렌즈.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제2영역의 반경 방향 폭은 상기 제1영역의 반경보다 작은, 메타 렌즈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 제2영역의 반경 방향 폭은 상기 제1영역에서 멀어질수록 작아지는, 메타 렌즈.
  18. 제3항에 있어서,
    기판을 더 포함하며,
    상기 복수의 제1 나노구조물, 상기 복수의 제2 나노구조물은 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률의 재질로 이루어지는, 메타 렌즈.
  19. 제21항에 있어서,
    상기 기판의 굴절률과 상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물의 굴절률 간의 차이는 0.5 이상인, 메타 렌즈.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물을 덮는 보호층을 더 포함하는, 메타 렌즈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 보호층의 굴절률과 상기 복수의 제1 및 제2 나노구조물의 굴절률 간의 차이는 0.5 이상인, 메타 렌즈.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 하나의 메타 렌즈: 및
    광입사면과 광출사면을 가지며 상기 광입사면과 광출사면 중 적어도 하나가 곡면인 하나 이상의 굴절렌즈;를 포함하는 촬상 렌즈.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 메타 렌즈는 상기 굴절 렌즈에 의한 색수차를 보상할 수 있는 아베수를 가지도록, 상기 제2영역의 개수, 상기 제1규칙 및 상기 제2규칙이 설정되는, 촬상 렌즈.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 메타 렌즈가 음의 아베수를 가지도록, 상기 제2영역의 개수, 상기 제1규칙 및 상기 제2규칙이 설정되는, 촬상 렌즈.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 메타 렌즈의 초점 거리, fm과 상기 하나 이상의 굴절렌즈에 의한 초점 거리(f1)은 다음 조건을 만족하는, 촬상 렌즈.
    |fm| > |f1|
  26. 제23항의 촬상 렌즈; 및
    상기 촬상 렌즈에 의해 형성된 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치.
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