KR20200126374A - 메타 표면들과 풀-컬러 이미징을 위한 시스템들 및 이미징 방법들 - Google Patents

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Abstract

메타 표면들(metasurfaces)과 이미징을 위해 메타 표면들을 포함하는 시스템들 및 이미징 방법들이 기술된다. 이러한 메타 표면들은 복수의 포스트들(posts)로부터 기판 상에 형성될 수 있다. 메타 표면들은 파장 범위에 걸쳐 광학적으로 활성화되도록(optically active) 구성되고, 특정 실시예들에서 렌즈들(lenses)을 형성하도록 구성된다. 특히, 여기에 기술된 메타 표면들은 확장된 초점 심도(depth of focus)에서 메타 표면을 통과한 광을 포커싱하도록 구성될 수 있다. 따라서, 개시된 메타 표면들은 일반적으로, 예를 들어 계산적 재구성(computational reconstruction)과 함께, 최소한의 색수차들(chromatic aberrations)이 없는 또는 최소한의 색수차들을 갖는 컬러를 생성하기에 적합하다.

Description

메타 표면들과 풀-컬러 이미징을 위한 시스템들 및 이미징 방법들
본원은 2018년 1월 29일에 출원된 미국 특허 출원 제62/623,170호의 이익을 주장하며, 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.
최신 카메라들은 최소한의 수차들을 갖는 이미징을 위한 캐스케이드되고(cascaded) 부피가 큰(bulky) 유리 광학의 시스템들을 포함한다. 이러한 시스템들은 고품질 이미지들을 제공하지만, 향상된 기능에는 증가된 크기와 무게에 대한 대가가 따르며, 소형의 이미지 센서들이 선호될 수 있는 다양한 어플리케이션들에 대한 사용을 제한한다. 시스템의 복잡성을 줄이는 한 가지 방법은, 광학 하드웨어의 수차 보정 및 기능의 대부분이 소프트웨어 영역에서의 후처리(post-processing)로 전환되어, 훨씬 단순한 광학으로 고품질 이미지들을 구현하는 계산적 이미징(computational imaging)을 이용하는 것이다. 대안적으로, 설계자가 보다 소형의 폼 팩터(form factor)의 굴절 시스템들의 기능을 모방하는 회절 광학 요소들(diffractive optical elements; DOEs)로 대체함으로써, 광학 장치들을 소형화할 수 있다. 메타 표면들(metasurfaces)은 이러한 DOEs의 극단적인 예로서, 공진 서브 파장 광학 안테나들의 준주기적인(quasiperiodic) 어레이들이 파면 상에 공간적으로 변하는 변화들을 전달한다. 이러한 요소들은 파장-스케일 두께로, 매우 소형의 시스템들을 가능하게 하는 한편, 서브 파장 공진기들을 설계하는 데 있어서 많은 수의 자유도들이 렌즈들(lenses), 홀로그램 플레이트들(holographic plates), 블레이즈 격자들(blazed gratings) 및 편광 광학(polarization optics)의 전례없는 기능들과 평면 구현들(flat implementations)을 가능하게 한다.
광대역 조명 하에서의 이미징을 위한 무색의(achromatic) 메타 표면 렌즈들을 설계하는 것은 메타 표면 커뮤니티(community)에서 중요한 문제로 남아 있다. 메타 표면들의 강한 색수차들(chromatic abeerations)은 서브 파장 광학 산란기들(scatterers)의 국부적 공진 동작뿐 아니라 산란기들의 공간적 배열로 인해 발생하는 위상 래핑(phase wrapping) 불연속성들 모두에서 발생한다. 렌즈들의 경우, 이 색도(chromaticity)는 이미지들에서 파장에 따른 블러(wavelength-dependent blur)로 나타나며, 이는 메타 표면 기반 이미징을 협대역 작동으로 제한한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방대한 양의 작업이 있지만, 지금까지 제시된 솔루션들은 이산 파장들 또는 좁은 대역폭들에서 작동한다.
이를 위해, 본 개시는 풀-컬러(full-color) 이미징을 실현하고, 예를 들어 전체 가시 영역(whole visible regime)에 걸친 백색 광 조명 하에서 고품질 이미지들을 생성하기 위해, 메타 표면들, 메타 표면들을 포함하는 시스템들, 및 메타 표면들을 이용하여 이미지들을 생성하는 방법들을 제공한다.
따라서, 일 양태에서, 본 개시는 파장 범위에 걸쳐 광학 활성(optical activity)을 갖는 메타 표면을 제공하고, 메타 표면은, 제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들(posts); 및 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질(interstitial substance)을 포함하는, 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들(interstices)을 포함하고, 복수의 포스트들의 포스트들의 직경은 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로(rotationally asymmetrically) 변한다.
계산적 이미징과 메타 표면들은 모두 개별적으로 광학 시스템들을 단순화하는 유망한 길들(promising avenues)이지만, 이러한 필드들의 시너지 조합은, 예를 들어 메타 표면들을 풀(full) 가시 스펙트럼 이미징에 사용하기 위해, 시스템 성능을 더욱 향상시키고 진보된 역량들을 촉진할 수 있다. 따라서, 다른 양태에서, 본 개시는 이미징 시스템을 제공하고, 시스템은, 파장 범위에 걸쳐 광학 활성을 갖는 메타 표면 - 메타 표면은, 제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들, 및 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질을 포함하는, 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들을 포함하고, 복수의 포스트들의 포스트들의 직경은 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로 변함 -; 메타 표면을 통과한 광을 흡수하도록 위치되고, 흡수된 광에 기초하여 신호를 생성하도록 구성되는 광 검출기; 및 광 검출기에 작동 가능하게(operatively) 결합된 제어기를 포함하고, 제어기는, 제어기에 의해 실행될 때, 디바이스가 메타 표면을 통과한 파장 범위 내의 광에 기초하여, 광 검출기에 의해, 복수의 신호들을 생성하는 동작; 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 제공하기 위해 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 동작; 및 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 이용하여, 광 검출기에 의해 흡수된 광에 기초하여 이미지를 생성하는 동작을 포함하는 동작들을 수행하게 하는 로직(logic)을 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 개시는 이미지를 생성하는 방법을 제공하며, 방법은, 메타 표면을 통과한 광에 기초하여, 광 검출기에 의해 복수의 신호들을 생성하는 단계 - 메타 표면은, 제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들, 및 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질을 포함하는, 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들을 포함하고, 복수의 포스트들의 포스트들의 직경은 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로 변함 -; 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 제공하기 위해 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 단계; 및 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 이용하여, 광 검출기에 의해 흡수된 광에 기초하여 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.
이러한 과제의 해결 수단은 후술되는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서의 단순화된 형태의 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이러한 과제의 해결 수단은 청구된 주제의 주요 특징들을 식별하기 위한 것이 아니며, 청구된 주제의 범위를 결정하는 데 도움을 주기 위한 것도 아니다.
청구된 주제의 전술된 양태들 및 수반되는 많은 이점들이 첨부된 도면들과 관련하여 취해질 때 후술되는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 참조함으로써 동일하게 더 잘 이해되고 더 쉽게 인식될 것이다.
도 1a 내지 도 1g: 이미징 메타 표면들의 설계, 시뮬레이션 및 제조. (a) 메타 표면들은 질화규소(silicon nitride) 나노 포스트들(nanoposts)로 구성되며, 여기서 두께 T, 격자 상수(lattice constant) p, 및 직경 d가 설계 파라미터들임. (b) 나노 포스트들의 어레이를 포함하는 메타 표면의 개략도. (c) 엄격한 결합-파 분석(coupled-wave analysis)을 통한 나노 포스트의 투과(transmission) 진폭 및 위상에 대한 시뮬레이션. 싱글렛(singlet) 메타 표면 렌즈 (d) 및 확장된 초점 심도 메타 표면 (e)의 광축을 따라 시뮬레이션된 강도. 여기서, 각 패널의 위에서 아래로, 400 nm, 550 nm 및 700 nm 파장들이 이용됨. 점선들은 센서가 배치될 바람직한 초점면(focal plane)을 나타냄. 싱글렛 메타 표면 렌즈 (f) 및 확장된 초점 심도 디바이스 (g)의 광학 이미지들. 축척 막대들(scale bars)은 25 μm임.
도 2a 내지 도 2h: 이미징 메타 표면들의 특성 해석(characterization). 싱글렛 메타 렌즈(상단 행) 및 확장된 초점 심도 렌즈(하단 행)의 점 확산 함수들(point spread functions; PSFs)이 파란색 (a 및 e), 녹색 (b 및 f) 및 빨간색 (c 및 g) 조명 조건들 하에서 측정됨. 축척 막대들의 길이는 25 μm임. 변조 전달 함수들(modulation transfer functions; MTFs)도 두 설계들 (d 및 h)에 대해 계산됨. d 및 h 모두에서, 정규화된 주파수 1은 동일한 컷오프(cutoff) 주파수 579 cycles/mm에 해당함.
도 3a 내지 도 3h: 이산 파장들에서의 이미징. 이미징을 위해 사용되는 적절하게 잘린 오리지널 객체 패턴들이 (a)와 (b)에 보여짐. 이미지들은 1951년 공군(Air Force) 해상도 차트(resolution chart)에서, 싱글렛 메타 렌즈 (c), 디컨볼루션(deconvolution)이 없이 확장된 초점 심도(extended depth of focus; EDOF) 렌즈 (d) 및 디컨볼루션을 갖고 확장된 초점 심도 렌즈 (e)를 사용하여 캡처됨. 또한, 이미지들은 바이너리 모나리자 패턴에서, 싱글렛 금속 렌즈 (f), 디컨볼루션 없는 EDOF 디바이스 (g) 및 디컨볼루션을 갖는 EDOF 디바이스 (h)를 사용하여 촬영됨. 축적 막대들의 길이는 20 μm임.
도 4a 내지 도 4d: 백색 광을 사용한 이미징. 이미지들은 백색 조명 하에서, 컬러로 인쇄된 RGB (a)와 ROYGBIV (b) 텍스트, 컬러 무지개 패턴 (c) 및 파란색 하늘, 녹색 잎들 및 멀티컬러 꽃들이 있는 풍경의 사진 (d)에 대해 촬영됨. 이미징을 위해 사용되는 적절하게 잘린 오리지널 객체 패턴들이 좌측 열에 보여짐. 축척 막대들의 길이는 20 μm임.
도 5. 직경에 따른 나노 포스트들의 투과 진폭 및 위상. 400 nm(파란색), 550 nm(녹색) 및 700 nm(빨간색)에 대한 투과 계수들(transmission coefficients)은 고정된 두께 633 nm 및 격자 상수 400 nm의 포스트 직경에 따라 파장들을 입력함. 점선들은 위상이고, 실선은 대응하는 진폭임.
도 6a 및 도 6b: 격자 상수 및 직경에 따른 나노 포스트들의 투과 진폭 및 위상. 550 nm 파장을 갖는 포스트 직경 및 격자 상수에 따른 투과 진폭 (a) 및 위상 (b). 점선은 설계된 메타 표면들에 사용된 격자 상수를 나타냄.
도 7a 및 도 7b: 제조된 메타 표면들의 주사 전자 현미경 사진들(scanning electron micrographs). (a) 제조된 메타 표면 렌즈에 대한 뷰(view)(축척 막대는 20 μm임). (b) 개별 나노 포스트들을 보여주는 렌즈의 고배율 뷰(축척 막대는 2 μm임).
도 8: 본 개시의 일 실시예에 따른 시스템. 광섬유-결합(fiber-coupled) LED(Thorlabs M455F1, M530F2 및 M625F2)는 40x 대물 렌즈(objective)(Nikon Plan Fluor, NA = 0.75, WD = 0.66 mm)의 작동 거리에 위치되는 평면으로 광을 포커싱하는 테스트 중에 메타 표면 렌즈를 조명함. 튜브 렌즈(Thorlabs ITL200)는 카메라(AmScope MU300) 상에 이미지를 확대하여 투사함.
도 9: 본 개시의 일 실시예에 따른 시스템. 광섬유-결합 LED(Thorlabs M455F1, M530F2, M625F2, and MCWHF2)는 표준 8.5" x 11" 프린터 페이퍼 상의 객체 패턴을 조명함. 입사된 LED 광은 패턴에서 산란되고, 메타 표면 렌즈에 의해 수집되고 포커싱되어, 40x 대물 렌즈(Nikon Plan Fluor, NA = 0.75, WD = 0.66 mm)의 작동 거리에서 이미지를 생성함. 그리고, 튜브 렌즈(Thorlabs ITL200)는 이미지를 확대하고 카메라(AmScope MU300)에 투사하여, 그 결과를 저장한 다음 소프트웨어에서 디컨볼루션함.
도 10a 및 도10b: 상이한 입방체 위상 강도(cubic phase strength)의 시스템들로 캡처된 이미지들. (a) 상이한 입방체 위상 강도들 α을 갖는 렌즈들을 사용하여 캡처 및 처리된 이미지들. 높은 α에서 감소된 신호 대 잡음비(SNR)를 나타내지만 감소된 컬렁 링잉(color ringing) 및 색채 블러(chromatic blur)도 나타냄. (b) 상이한 입방체 위상 강도들을 갖는 디바이스들의 녹색 광에 대한 MTF들. 높은 α 에 대해 SNR의 감소를 나타냄.
도 11a 내지 도 11d: 상이한 디컨볼루션 방법들에 대한 이미지 품질 비교. 103 (a), 5 X 103 (b) 및 104 (c)의 λ를 사용하는 파란색, 녹색 및 빨간색 총-변동-정규화된(total-variation-regularized) 디컨볼루션된 이미지들. (d) 위너 필터(Wiener filter)를 사용하여 디컨볼루션된 동일한 세트의 이미지들. 여기서, 이미지들은 α = 55π EDOF 메타 표면 렌즈들을 사용하여 캡처됨.
도 12: 0 이외의(nonzero) 소스 대역폭을 갖는 이론적 및 실험적 MTF들의 비교. MTF들은 싱글렛 렌즈의 분석 회절-제한 솔루션(analytical diffraction-limited solution)(Diff), 0 nm("0 nm") 및 30 nm("30 nm") 대역폭 소스들로 조명된 시뮬레이션된 위상 마스크(mask), 및 ~30 nm 대역폭의 녹색 LED(Thorlabs M530F2)로 조명되고 이 파장에서 포커싱되도록 위치된 측정된 제조된 싱글렛("측정된 렌즈") 및 EDOF("측정된 EDOF") 메타 렌즈들에 대해 보여줌.
도13a 내지 도 13f: 싱글렛 및 EDOF 메타 렌즈들의 시뮬레이션된 축외(off-axis) 성능. 싱글렛(EDOF) 메타 렌즈의 광축을 따라 시뮬레이션된 강도 단면들이 좌(우)측에 표시됨. 0° (a 및 b), 5° (c 및 d) 및 10° (e 및 f)의 입사 각도들이 표시됨. 각 도면에서, 400 nm, 550 nm 및 700　nm의 시뮬레이션 파장들이 위에서 아래로 이용됨.
도 14. 싱글렛 및 EDOF 메타 렌즈들의 효율들. 싱글렛 및 EDOF 메타 렌즈들의 효율들은 이미징 실험들에 사용된 세 가지 파장들의 LED들에 대해 표시됨. 효율들은 초점면(focal plane)에서 입사 빔의 광학 파워(optical power) 비율로 정의됨. 에러 막대들은 95% 신뢰 구간을 나타내며, 세 가지 측정들의 표준 편차를 전파하여 확인됨. 이론적 효율들은 레일리-좀메르펠트(Rayleigh-Sommerfeld) 회절 적분을 통해 계산됨. 측정된 효율들은 이론적으로 계산된 효율들 보다 낮으며, 이는 제조 결함들로 인한 것임. 또한, 제조된 구조들의 치수들에서의 불일치들이 짧은 파장들에 대해 더 해롭기 때문에, 파장으로 측정된 효율을 증가시키는 것은 제조 결함들로 인한 것임.
여기에서, 메타 표면들 및 메타 표면들을 포함하는 시스템들이 개시된다. 이러한 메타 표면들은 복수의 포스트들로부터 기판 상에 형성될 수 있다. 메타 표면들은 파장 범위에 걸쳐 광학적으로 활성화되도록(optically active) 구성되고, 특정 실시예에서 렌즈들(lenses)을 형성하도록 구성된다. 특히, 여기에 기술되는 메타 표면들은 확장된 초점 심도(depth of focus)에서 메타 표면을 통과한 광을 포커싱하도록 구성된다. 따라서, 개시된 메타 표면들은 일반적으로, 예를 들어 계산적 재구성(computational reconstruction)과 같은 후처리와 함께, 최소한의 색수차들(chromatic aberrations)이 없는 또는 최소한의 색수차들을 갖는 컬러를 생성하기에 적합하다.
메타 표면들
일 양태에서, 본 개시는 광학 활성(optical activity)을 갖는 메타 표면을 제공한다. 일 실시예에서, 메타 표면은 제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들; 및 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질(interstitial substance)을 포함하는, 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들(interstices)을 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 포스트들의 포스트들의 직경은, 도 7a 및 도 7b와 관련하여 추가로 기술되는 바와 같이, 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로(rotationally asymmetrically) 변한다.
전술한 바와 같이, 여기에 기술되는 메타 표면들은 파장 범위에 걸쳐 광학 활성을 갖는다. 광학 활성은, 파장 범위의 광이 메타 표면에 충돌할 때, 발생한다. 일 실시예에서, 예시들로 개시되는 바와 같이, 메타 표면은, 광이 기판에 수직한 메타 표면에 충돌할 때, 원하는 광학 활성을 제공하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 수직하지 않은 충돌 각도들도 광학 활성을 발생시킨다. 수직하지 않은 충돌을 위해 설계된 메타 표면들은 입사 각도를 설명하기 위해 상이한 위상 프로파일을 갖는다. 동일한 포스트 직경(들) 및 두께(들)가 사용될 수 있으며, 그들의 방향만이 변경된다.
일 실시예에서, 광학 활성은 회절과 반사로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 여기에 사용되는 바와 같이, 용어 "광학 활성"은, 광이 주로 메타 표면을 통과하고 복수의 포스트들에 의해 영향을 받는 것과 같이, 광의 회절을 설명하는 데 사용된다. 그러나, 다른 실시예에서, 광학 활성은 충돌하는 광을 회절시키는 대신에 반사시키도록 구성되는 메타 표면들에 기초한 반사이다. 특히 두께와 주기성(periodicity)을 변경시킴으로써 선택된 파라미터들에 기초하여, 메타 표면은 광을 회절시키는 대신에 반사시키도록 제조될 수 있다.
대표적인 메타 표면이 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있으며, 정사각형 패턴으로 기판 상에 제1 재료로 형성되는 복수의 원통형 포스트들을 포함한다. 기판은 복수의 포스트들을 지지하기에 충분하고 메타 표면의 광학 효과들에 악영향을 미치지 않는 어떤 재료일 수 있다. 유리(glass)가 기판의 일 예이다. 일 실시예에서, 기판은 실질적으로 편평하다(flat). 다른 실시예에서, 기판은 만곡된다(curved). 메타 표면들의 특성과 그들의 패터닝의 용이성에 의해, 편평하고 만곡된 표면들이 모두 메타 표면으로 패터닝될 수 있다.
포스트들의 각각은 직경(도 1a에서의 "d"), 두께(도 1a에서의 "t"; 포스트의 높이라고도 함), 및 주기성(도 1a에서의 "p"; 인접 포스트들 사이의 기판의 평면에서 중심 간 거리(center-to-center distance)에 의해 정의됨)에 의해 정의된다.
전술한 바와 같이, 메타 표면은 파장 범위에 걸쳐 광학 활성을 갖는다. 이러한 파장 범위는, 예를 들어 가시 광선, 적외선, 자외선 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 파장 범위는 약 400 nm 내지 약 700 nm의 범위의 광을 포함한다.
일 실시예에서, 복수의 포스트들의 주기성은 파장 범위에서 가장 작은 파장 보다 작다. 예를 들어, 파장 범위가 가시 광선을 포함하고 파장 범위에서 가장 작은 파장이 400 nm일 때, 복수의 포스트들의 주기성은 400 nm 보다 작다.
일 실시예에서, 복수의 포스트들의 직경은 파장 범위에서 가장 작은 파장의 약 25%와 파장 범위에서 가장 작은 파장의 약 90%의 범위에 있다. 일 실시예에서, 복수의 포스트들의 직경은 파장 범위에서 가장 작은 파장의 약 35%와 파장 범위에서 가장 작은 파장의 약 85%의 범위에 있다.
일 실시예에서, 복수의 포스트들의 두께는 파장 범위의 평균 파장의 약 0.75 배와 파장 범위의 평균 파장의 약 1.5 배의 범위에 있다. 일 실시예에서, 복수의 포스트들의 두께는 파장 범위의 평균 파장의 약 0.8 배와 파장 범위의 평균 파장의 약 1.2 배의 범위에 있다.
전술한 바와 같이, 메타 표면의 제1 재료는 개재성 물질의 굴절률과 다른 제1 굴절률을 갖는다. 일 실시예에서, 제1 재료의 굴절률과 개재성 물질의 굴절률 사이의 차이는 적어도 약 0.5이다. 일 실시예에서, 제1 재료의 굴절률과 개재성 물질의 굴절률 사이의 차이는 약 0.5 내지 약 1.7의 범위에 있다.
일 실시예에서, 제1 재료의 굴절률은 약 1.5 내지 약 2.8의 범위에 있다. 일 실시예에서, 제1 재료의 굴절률은 약 1.8 내지 약 2.7의 범위에 있다.
제1 재료는, 예를 들어 개재성 물질에 대한 굴절률, 복수의 포스트들을 제조하기 위한 적합성(suitability) 등과 같은 굴절률에 기초하여 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 재료는 질화규소(silicon nitride)를 포함한다. 일 실시예에서, 제1 재료는 폴리머(polymer)를 포함한다.
일 실시예에서, 개재성 물질은 공기 또는 다른 가스이다. 일 실시예에서, 개재성 물질은 폴리머이다.
포스트들이 도시되고 기술되지만, 도파관들(waveguides)의 주기성이 파장 범위에서 가장 작은 파장의 파장 미만인 경우와 같이, 기판으로부터 돌출된 다른 도파관들이 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 이러한 추가적인 도파관 구조들의 예들은, 예를 들어 핀들(fins), V들 등을 포함할 수 있다. 여기에 기술된 설계 파라미터들과 재료들은 이러한 추가적인 도파관 구조들에 적용된다.
일 실시예에서, 메타 표면의 광학 활성은 렌징(lesing)을 포함한다. 일 실시예에서, 메타 표면은 메타 표면을 통과한 파장 범위의 광에 렌즈 효과(lens effect)를 생성하기 위한 형상의 렌즈를 정의한다. 일 실시예에서, 이러한 렌징 효과는 부분적으로 메타 표면의 길이에 따른 포스트 직경 구배(post diameter gradient)에 기인한다. 예를 들어, 도 7b에서 보여지는 바와 같이, 포스트들의 직경들은 포스트-직경 구배를 정의하기 위해 도시된 선을 따라 다르다. 이러한 포스트 직경의 차이들은 메타 표면을 통과한 광의 위상을 변경하고 렌징 효과에 기여하도록 구성된다.
일 실시예에서, 여기에 기술된 메타 표면들은 확장된 초점 심도에서 메타 표면을 통과한 파장 범위의 광을 포커싱하도록 구성된다. 여기에 사용되는 바와 같이, 확장된 초점 심도는 이미징되는 객체가 초점을 유지하도록 센서 위치가 이동될 수 있는 거리를 나타낸다. 렌즈의 초점 심도는 일반적으로 4
Figure pct00001
N2이며, 여기서
Figure pct00002
는 파장이고, N은 f-수(f-number)이다. 확장된 초점 심도는, 초점 심도가 이 식을 벗어나고 더 긴 것이다. 예시들과 관련하여 여기에 추가로 기술되는 바와 같이, 확장된 초점 심도는 파장에 걸쳐 실질적으로 스펙트럼으로(spectrally) 변하지 않는다. 또한, 본 개시의 메타 표면들은 메타 표면을 통과한 파장 범위의 광의 파면(wavefront)을 코딩하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 확장된 초점 심도에서 광을 수신하는 광 검출기(photodetector)에 의해 생성된 신호들은 이러한 신호들을 디지털 방식으로 필터링하고 디컨볼루션하는 것과 같이 후처리될 수 있으며, 확장된 초점 심도가 없는 메타 표면 보다 적은 색수차들을 갖는 포인트 소스(point source)의 이미지를 생성한다.
일 실시예에서, 본 개시의 메타 표면들은 회전 비대칭적으로 변하는 직경들을 갖는 복수의 포스트들을 정의한다. 도 7a 및 도 7b에서 보여지는 바와 같이, 포스트 직경들이 변하는 일련의 동심(concentric) 링들(rings)을 정의하기 위해, 포스트들의 직경들은 중심 부분(여기서, 십자선으로 표시됨)을 중심으로 변한다. 추가로 보여지는 바와 같이, 중심 부분과 동축(coaxial)이 아닌 복수의 동심 링들(십자선으로도 표시됨)을 정의하기 위해, 포스트들의 직경들은 더 변한다. 도시된 실시예에서, 메타 표면은 중심 부분을 중심으로 그리고 반대 쌍들로 배치되는 이러한 비-동축(non-coaxial) 동심 원들을 정의하지만, 다른 구성들도 가능하다.
일 실시예에서, 포스트 직경의 비대칭 변화는 삼차 함수(cubic function)를 따른다. 이와 관련하여, 메타 표면은 복수의 포스트들과 그들의 직경들을 패터닝하는 것에 의해 정의되는 입방체 위상판(cubic phase plate)일 수 있다. 일 실시예에서, 메타 표면을 통과한 광의 위상 프로파일은 아래의 수학식으로 주어진다.
Figure pct00003
여기서,
f는 메타 표면의 초점 거리(focal length)이고,
x 및 y는 기판의 평면 내에서의 메타 표면의 좌표들이고,
z는 메타 표면의 전파 방향이고,
λ는 메타 표면의 작동 파장이고,
L은 메타 표면의 개구 너비(aperture width)의 절반(half)이고,
α는 메타 표면의 입방체 위상 강도(cubic phase strength)이다.
예시들과 도 10a 및 도 10b와 관련하여 여기에 추가로 기술되는 바와 같이, α를 0에서 증가시키는 것과 같이 삼차 함수의 입방체 위상 강도를 변경하면, 메타 표면에 의해 생성된 이미지의 색수차들이 완화될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, α는 약 0π 내지 약 200π의 범위에 있다. 일 실시예에서, α는 약 20π 내지 약 80π의 범위에 있다. 일 실시예에서, α는 약 55π이다. 예를 들어, 도 10a에서 보여지는 바와 같이, α를 0을 초과하도록 증가시키는 것과 같이 α을 변경하는 것에 의해, 색수차들을 감소시키는 것과 같이, 이미지 품질이 개선될 수 있다.
시스템들
다른 양태에서, 본 개시는 이미지를 생성하기 위한 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 시스템은, 도 8 및 도 9에서 보여지는 바와 같이, 메타 표면 및 제어기(controller)를 포함한다. 일 실시예에서, 메타 표면은, 여기에 기술된 바와 같은 어떤 메타 표면이다. 일 실시예에서, 시스템은, 파장 범위에 걸쳐 광학 활성을 갖는 메타 표면; 메타 표면을 통과한 광을 흡수하도록 위치되고, 흡수된 광에 기초하여 신호를 생성하도록 구성되는 광 검출기; 및 광 검출기에 작동 가능하게 결합된 제어기를 포함한다.
전술된 바와 같이, 일 실시예에서, 이러한 메타 표면은, 제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들; 및 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질을 포함하는, 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들을 포함하고, 복수의 포스트들의 포스트들의 직경은 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로 변한다. 일 실시예에서, 메타 표면은 확장된 초점 심도에서 메타 표면을 통과한 파장 범위의 광을 포커싱하도록 구성되며, 예를 들어 확장된 초점 심도는 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 스펙트럼으로 변하지 않는다.
일 실시예에서, 광 검출기는 확장된 초점 심도에서 포커싱된 파장 범위 내로부터 광을 흡수하도록 위치된다. 이와 관련하여, 광 검출기는 메타 표면을 통과하고 메타 표면에 의해 영향을 받은(예컨대, 포커싱된) 파장 범위의 광에 기초하여, 하나 이상의 전기적 신호들과 같은 하나 이상의 신호들을 생성하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 제어기는, 도 8 및 도 9에서 보여지는 바와 같이, 광 검출기에 작동 가능하게 결합된다. 일 실시예에서, 제어기는 파장 범위 내의 흡수된 광에 기초한 신호들과 같이 광 검출기에 의해 생성된 하나 이상의 신호들을 수신하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광 검출기에 작동 가능하게 결합된 제어기는, 제어기에 의해 실행될 때, 디바이스가 동작들을 수행하게 하는 로직(logic)을 포함한다. 예를 들어, 이러한 동작들은, 신호들을 계산적으로 재구성하도록 광 검출기에 의해 생성된 신호들을 처리하는 동작들을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 제어기는, 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 이용하여, 광 검출기에 의해 흡수된 광에 기초하여 이미지를 생성하는 동작을 포함하는 동작들을 수행하기 위한 로직을 더 포함할 수 있다. 여기에 기술된 메타 표면들이 메타 표면들을 통과한 광의 색수차들을 감소시키거나 완화시키도록 구성되지만, 이러한 영향들은, 예를 들어 확장된 초점 심도에 걸쳐 광을 포커싱하도록 구성되지 않은 메타 표면에 비해, 신호 대 잡음비들의 증가를 수반할 수도 있다. 따라서, 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 제공하기 위해 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 동작을 포함하는 동작들은, 광 검출기에 의해 흡수된 광에 기초한 이미지들이 더 선명하도록, 신호 대 잡음비들을 계산적으로 감소시키는 데 적합할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 동작은 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 동작을 포함한다. 이러한 디지털 필터링은, 도 11a 내지 도 11d와 관련하여 여기에 추가로 보여지고 기술되는 바와 같이, 광 검출기로부터의 신호들로부터 생성된 이미지의 품질을 향상시키는 데 적합할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 동작은 위너 필터(Wiener filter)를 이용하여, 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 동작을 포함한다. 예를 들어, 도 11d를 참조한다. 일 실시예에서, 위너 필터를 이용하는 것은, 예를 들어 파장 범위의 평균 파장과 같이, 측정된 파장 범위 내의 한 파장에서 측정된 점 확산 함수(point spread function)에 의해 결정되는 함수를 이미지와 동등한 주파수 (푸리에(Fourier)) 도메인에 곱하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 위너 필터를 이용하는 것은, 시스템의 신호 대 잡음 비를 추정하는 것을 포함한다. 이와 관련하여, 캡처된 이미지는 푸리에 변환을 통해 주파수 도메인으로 변환된다. 이러한 변환된 이미지는 위너 필터 함수(점 확산 함수와 신호 대 잡음비로부터 결정됨)로 곱해진 다음, 재구성된 이미지를 제공하기 위해, 푸리에 도메인으로 다시 변환된다.
일 실시예에서, 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 동작은 총 변동(total variation) 정규화기(regularizer)를 이용하여, 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 동작을 포함한다. 예를 들어, 도 11a 내지 도 11c를 참조한다. 총 변동 정규화기들은 이미지의 노이즈 제거(de-noising)와 블러 제거(de-blurring)의 균형을 맞추는 데 적합할 수 있다. 이 기술은, 여기에 추가로 기술되는 바와 같이, 더 높은 품질의 이미지들을 생성할 수 있지만, 일반적으로 더 많은 계산 시간을 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 동작은 메타 표면의 이상적인 렌징(ideal lensing)으로부터의 메타 표면의 포커싱 행동의 편차에 대해 설명하고 대응하기 위해, 복수의 신호들을 디컨볼루션하는 동작을 포함한다. 일 실시예에서, 디컨볼루션은, 메타 표면은 파장 범위에 걸쳐 동일하게 광에 영향을 미치기 때문에, 파장 범위의 각 파장에 대해 균일하게 복수의 신호들의 디컨볼루션을 포함한다. 디컨볼루션은 여기에 기술된 메타 표면들의 색수차들 및/또는 다른 수차들을 보상하는 데 적합할 수 있다. 계산 및/또는 처리 파워는 일반적으로 쉽게 획득되고, 예를 들어 여기에 기술된 메타 표면들을 포함하는 시스템들로 통합되기에 적합한 비교적 작은 폼 팩터에 있을 수 있다. 여기에 추가로 기술되는 바와 같이, 본 개시의 메타 표면들과 여기에 기술되는 디컨볼루션 방법들의 조합은, 부피가 큰 기존의 굴절 요소들을 대체하는 데 적합할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 메타 표면을 통해 광을 방출하도록 구성된 광원을 포함한다. 일 실시예에서, 광원은 파장 범위의 광을 포함하는 광을 방출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원은 가시광선, 적외선, 자외선 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광원은 상이한 파장 범위들의 광을 각각 방출하도록 구성되는 복수의 광원들을 포함한다.
일 실시예에서, 광원은, 예를 들어 도 8에서 보여지는 바와 같이 기판의 평면에 직교하는 것과 같이, 메타 표면의 광축에 평행한 광을 방출하도록 위치된다. 일 실시예에서, 광원은, 예를 들어 도 9에서 보여지는 바와 같이 메타 표면의 광축에 평행하지 않은 각도로 광을 방출하도록 위치된다.
일 실시예에서, 시스템은 유일한 광학 요소로서, 메타 표면을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템은 단일 메타 표면을 포함한다.
일 실시예에서, 시스템은 메타 표면에 더하여, 하나 이상의 광학 요소들을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템은 여기에 기술되는 메타 표면과 같은, 제2 메타 표면을 포함한다. 여기에 기술되는 설계 원리들과 재료들은 제2 메타 표면에 적용될 수 있다.
두 개의 메타 표면들은 앨버레즈(Alverez) 렌즈의 특성들을 생성하도록 설계 및 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 앨버레즈 렌즈는 가변 초점 길이 레이저에 통합된다. 일 실시예에서, 앨버레즈 렌즈는 카메라에 통합된다. 추가적인 실시예에서, 카메라는 휴대-폰(mobile-phone) 카메라이다. 일 실시예에서, 앨버레즈 렌즈는 시력-개선 렌즈(예컨대, 안경)에 통합된다.
이러한 제2 메타 표면은, 예를 들어 초점의 비선형 변화를 제공하기 위해 메타 표면의 중심 광축에 대해 이동하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어기는, 결합된 광학 요소들의 광학 파워를 변화시키기 위해, 메타 표면과 제2 메타 표면을, 이동 소스와 같은 것을 이용하여, 이동시키도록 구성된다.
일 실시예에서, 시스템은 굴절 렌즈를 포함한다. 일 실시예에서, 굴절 렌즈의 광축은 메타 표면의 광축과 동축으로 위치된다. 도 9와 관련하여 여기에 추가로 기술되는 바와 같이, 어안 렌즈(fisheye lens)와 같은 굴절 렌즈는, 광원의 중심축이 메타 표면의 광축과 동일 선 상에 있지 않은 축외 이미징과 관련된 이미지 품질 감소를 줄이는 데 적합할 수 있다.
방법들
다른 양태에서, 본 개시는 메타 표면과 광 검출기를 이용하여, 이미지를 생성하는 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 메타 표면은 여기에 기술되는 어떤 메타 표면이다. 일 실시예에서, 메타 표면은 여기에 기술되는 시스템의 일부이다. 예시들로 기술되는 바와 같이, 확장된 초점 심도에서 광을 포커싱하는 것과 같은, 본 개시의 메타 표면들로 생성된 이미지들은, 예를 들어 더 좁은 초점(focal point)으로 광을 포커싱하는 메타 표면 보다 더 적은 색수차들을 갖는 이미지를 생성하는 데 적합하다. 따라서, 일 실시예에서, 본 개시의 방법들에서의 사용을 위해 적합한 메타 표면들은, 제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들; 및 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질을 포함하는, 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들을 포함하고, 복수의 포스트들의 포스트들의 직경은 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로 변한다.
일 실시예에서, 방법은, 메타 표면을 통과한 광에 기초하여, 광 검출기에 의해 복수의 신호들을 생성하는 단계; 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 제공하기 위해 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 단계; 및 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 이용하여, 광 검출기에 의해 흡수된 광에 기초하여 이미지를 생성하는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 단계는, 위너 필터를 이용하여, 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 단계는 총 변동 정규화기를 이용하여, 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 방법은, 메타 표면의 이상적인 렌징으로부터의 메타 표면의 포커싱 행동의 편차에 대해 설명하고 대응하기 위해, 복수의 신호들을 디컨볼루션하는 단계를 포함한다.
예시들
예시 1
본 예시는 단일 메타 표면 및 전체 가시 영역에 걸친 광대역 백색 광 조명 하에서 고품질 이미지들을 생성할 수 있는 계산적으로 저렴한(computationally inexpensive) 디지털 필터를 포함하는 풀-컬러 이미징 시스템을 구현하기 위해 계산적인 후처리와 함께 사용되는 광학 하드웨어를 기술한다.
결과
선형 시프트-불변(shift-invariant) 광학 시스템의 3D 점 확산 함수(PSF)는 그 동작을 완전히 특성화한다. 광학 시스템의 이미지 평면에서, 2D PSF는 시스템의 지오메트리(geometry) 및 수차들과 관련된 사이즈 및 형상을 갖는 포인트 소스(point source)의 이미지에 해당한다. 파장이 변함에 따라, 이미지 평면이 색수차들로 인해 이동하여, 이미지 센서의 고정된 위치로 인해 캡처된 이미지들에서의 컬러에 따른 블러를 유도한다. 메타 표면 광학의 경우, 이러한 초점 이동은 광학 파장에 반비례하여, 다색(polychromatic) 이미지들을 심하게 블러링되게 한다. 전체 가시 영역에 걸쳐 변하지 않는 PSF로 메타 표면을 엔지니어링함으로써, 이러한 블러가 완화된다. 이것은, 확장된 초점 심도(EDOF)를 제공하기 위해, 위상 마스크를 이용하여 광학 파면을 코딩함으로써, 달성되었다. 이 EDOF는, 번진 초점 심도에 걸친 공간 주파수 정보의 보존으로 인해, 시스템이 초점 이동들에 대해 내성을 갖게 한다. 이것은, 감소된 신호 대 잡음비(SNR)와 입사광이 더 큰 볼륨으로 퍼질 때 캡처된 이미지의 블러링의 트레이드오프(tradeoff)와 함께 제공된다; 그러나, 파장에 따른 블러를 갖는 단순한 렌즈와 달리, EDOF 시스템은 넓은 주파수 대역에 걸쳐 스펙트럼으로 변하지 않는 블러를 가질 수 있고, 그 대역폭은 초점 심도에 따라 증가한다. 유도된 블러의 스펙트럼 불변성은 단일 파장-독립적 필터를 이용한 후처리가 고품질 이미지를 끌어낼 수 있게 한다.
파면 코딩을 위한 2차 위상 마스크의 요구 사항은 시스템의 사이즈와 복잡성을 증가시킨다. 또한, 이러한 위상 마스크들은 종종 본질적으로 자유 형태(freeform)(즉, 회전 비대칭 또는 고차 다항식들로 특징 지어짐)이며, 회절 요소들을 만들기 위한 다이아몬드 선삭(diamond turning) 및 다단계 리소그래피(multi-stage lithography)와 같은 기존의 수단들로 제조하기가 어렵다. 그러나, 메타 표면-기반 시스템들의 플랫 특성(flat nature)으로 인해, 단일 리소그래피 단계를 사용하여, 자유 형태의 요소를 작고 균일한 두께의 디바이스로 변환할 수 있다. 또한, 이러한 설계 자유는 렌징과 파면 코딩 기능들을 단일 요소로 결합할 수 있게 한다. 다양한 파면 코딩 마스크들은 EDOF를 생성할 수 있다. 일반적으로, 이러한 마스크들은 넓은 범위에 걸쳐 비-회절 빔들을 생성하고, 렌즈와 함께, 긴 초점을 생성할 수 있다. 삼차 함수들은 그들의 단순성(simplicity)과 직각 분리성(rectrangular separability) 때문에, 일반적인 선택이다. 또한, 광 전달 함수를 나타내는 모호성 함수(ambiguity function)에 적용된 고정(stationary) 위상 방법을 통해, 단항인 위상 마스크의 경우, 변조 전달 함수가, 마스크 함수가 삼차인 경우에만, 오-포커싱에 민감하지 않다는 것을 보여준다. 이 파장 둔감성(insensitivity)과 확장된 초점 심도 시스템들에서 넓게 사용됨으로 인해, 이 작업에서도 삼차 위상 항을 사용하기로 선택되었다. 여기서, 동시에 광 포커싱과 파면 코딩을 수행할 수 있는 단일 요소를 설계하여, 아래의 수학식의 위상을 이용하여 초점 심도를 증가시킨다.
Figure pct00004
여기서, x 및 y는 평면 내 좌표들이고, λ는 작동 파장이고, f는 공칭 초점 거리이고, L은 개구 너비이며, α는 입방체 위상의 범위를 나타낸다. 두 개의 메타 표면들을 설계했다: 하나는 α = 0인 단순 렌즈이고, 하나는 α = 55π이고, EDOF를 갖는다. 두 디바이스들 모두 550 nm에서 200 μm의 공칭 초점 거리를 갖는다. 이 디바이스들은 400 nm 주기의 정사각형 격자 상에 위치된 이산화규소(silicon dioxide) 기판의 상면 상에 633 nm 두께의 원통형 질화규소(silicon nitride) 나노 포스트들로 구성된다. 나노 핀들 또는 V-형상 안테나들과 달리, 나노 포스트들의 선택은 편광-독립적인 동작을 가능하게 하는 한편, 질화 규소의 높은 밴드갭(bandgap)은 가시 대역에서 투명한 작동과 높은 효율성을 가능하게 한다. 각 나노 포스트는 낮은 품질 계수 공명들을 유도하는 낮은 반사율의 상단 및 하단 인터페이스들을 갖는 잘린 도파관(truncated waveguide)을 모방한다. 입사광은 나노 포스트들에 의해 지원되는 모드들로 결합되며, 그런 다음 투과된 자유-공간 모드로 광이 결합되기 전에, 광의 위상이 이동된다. 직경을 조정함으로써, 나노 포스트에 의해 지원되는 모달 구조(modal structure)가 달라질 수 있고, 모드들의 앙상블 동작이 변경되고, 상이한 위상 이동들이 유도된다. 광대역 가시 영역 작동(400-700 nm)에 대한 관심으로 인해, 나노 포스트들에 대한 550 nm의 중심 공칭 설계 파장(central nominal design wavelength)이 선택되었다. 엄격한 결합-파 분석(rigorous coupled-wave analysis; RCWA)을 통해 포스트 직경의 함수로서 투과 계수가 시뮬레이션되었다(도 1c). 투과 계수는 2π 이상의 위상 변화와 넓은 범위에 걸쳐 균일한 진폭을 나타낸다. 메타 표면들을 설계하는 데 있어서, 0과 2π 사이의 10 가지 위상 단계들의 세트가 사용되었고, 공명 딥들(resonance dips)에서 직경을 선택함으로써 진폭 감소가 방지되었다. 파장의 함수로서 성능을 분석하기 위해 두 메타 표면들이 시뮬레이션되었다. 도 1d 및 도 1e는 α = 0 및 α = 55π 설계들 각각에 대한 색채 초점 이동을 보여주며, 여기서 검은 색의 점선들은 원하는 초점면을 나타낸다. α = 0에 대해 녹색 광(550 nm)만이 포커싱되어 있지만, 모든 시뮬레이션된 파장들이 α = 55π에 대해 EDOF의 일부로 원하는 평면에 충돌한다. 전자 빔 리소그래피 및 건식 에칭을 사용하여 메타 표면들이 제조되었다. 도 1f 및 도 1g는 최종 디바이스들의 광학 이미지들을 보여준다. 제조된 α = 0 및 α = 55π 렌즈들은, 기존의 가시 파장 메타 렌즈들과 비교하여, 테스트된 파장들에 대해 각각 63% 및 57%의 평균 측정 초점 효율들을 보여준다. 이하에서는, α = 0 메타 표면을 싱글렛 메타 렌즈로서 표현하고, α = 55π 메타 표면을 EDOF 메타 렌즈로서 표현한다.
우리의 계산적 이미징 시스템은 행렬 식 f = Kx + n의 문제를 제기하며, 여기서 원하는 이미지 x가 시스템 커널 K에 의해 블러링되고 노이즈 n에 의해 손상되어, 캡처된 이미지 f가 생성된다. 선형 위너 필터 또는 정규화된 최적화-기반 접근 방식들과 같은 다양한 방법들이 x를 추정하기 위해 사용될 수 있다. 이 작업에서, 계산 복잡성이 낮기 때문에, 위너 필터가 선택되었다. 또한, 재구성된 이미지 품질은 보다 진보된 디컨볼루션 방법들에서와 비슷하다. 보정(calibration) PSF 측정에 의해, 이미지를 필터링하기 위해 필요한 커널 K가 획득된다. PSF들이 측정되고, 빨간색(625 nm), 녹색(530 nm) 및 파란색(455 nm) LED 조명(도 2a 내지 도 2h)에 대한 싱글렛 및EDOF 메타 렌즈들 모두에 대한 변조 전달 함수들(MTFs)이 계산되었다. 싱글렛의 경우, 녹색 조명으로 타이트하게 포커싱된 지점은 빨간색 및 파란색 조명 하에서의 큰 블러와 크게 다르며, 이러한 조명 조건들 하에서 MTF들의 강한 구별을 의미한다. 이러한 설계에서, 빨간색 및 파란색 파장들에 대한 MTF들의 0들은 공간 주파수 정보의 복구 불가능한 손실을 초래하고 계산적 재구성을 배제한다. 그러나, EDOF 메타 표면들의 경우, MTF들 파장이 변하지 않을 뿐 아니라, 컷오프(cutoff) 공간 주파수까지 0이 없다. 이 공간 주파수 콘텐트의 보존은 원하는 이미지 x를 끌어내기 위한 계산적 재구성을 가능하게 한다.
시스템의 이미징 기능을 입증하기 위해, 우리는 몇 센티미터 정도의, 초점 길이 보다 훨씬 큰 객체 거리들(object distances)에서 표준 프린터 페이퍼에 패턴들을 조명했다. 그리고, 메타 표면들은 산란된 빛을 아래로 포커싱함으로써 이미지들을 형성한다. 먼저, 우리는 LED들을 이용하여, 별도의 빨간색(625 nm), 녹색(530 nm) 및 파란색(455 nm) 조명 하에서, 협대역(~30 nm 대역폭) 이미징 성능을 조사했다. 도 3c 내지 도 3e는 1951년 공군 해상도 차트(도 3a)의 일부로 싱글렛 렌즈에 의해 캡처된 이미지들과 디컨볼루션을 갖는 EDOF 렌즈 및 디컨볼루션이 없는 EDOF 렌즈에 의해 캡처된 이미지들을 비교한다. 패턴이 녹색 광에 대해 포커싱되지만, 파란색 또는 빨간색 조명으로 전환되면, 싱글렛을 통해 캡처된 이미지들은 심각한 왜곡을 겪는다. 디컨볼루션이 없는 EDOF 렌즈의 경우, 이미지는 모든 파장들에서 흐릿하지만(blurry), 블러는 파장들에서 균일하게 나타난다. 그러나, 캡처 후 디컨볼루션을 사용하면, 결과 이미지들은 모든 파장들에 대해 포커싱되어, 싱글렛에 비해 크게 감소된 색수차들을 갖는 현저한 성능 향상을 제공한다. 공군 패턴 이미지들의 구조적 유사성(structural similarity; SSIM)의 측면에서 이러한 성능 향상이 정량화되었다. 디컨볼루션된 EDOF 시스템의 이미지들은 α = 0 시스템의 이미지들과 비교하여, SSIM 0.209 더 높았다. 또한, 우리는 흑백 바이너리 모나리자 패턴(도 3b 및 도 3f 내지 도 3h)을 포함하는 더 복잡한 패턴들을 이미징했고, EDOF 렌즈를 사용하여 색수차들의 완화를 관찰했다. 디컨볼루션된 이미지들의 SNR은 싱글렛 메타 렌즈를 사용하는 포커싱된 녹색 이미지들의 SNR에 비해 낮지만, 시스템은 넓은 파장 범위에 걸쳐 포커싱된 이미지들을 보여준다. 실험 설정과 비슷한 저조도 이미징 시나리오들에 대해 최적화된 계산 알고리즘들로 인해, 이미징 성능이 더욱 향상될 수 있다.
마지막으로, 우리는 백색 광원을 사용하여, 광대역 조명 하에서 시스템을 테스트했다(도 4a 및 도 4b). 이러한 조건 하에서, 싱글렛 렌즈는 컬러 인쇄된 RGB 텍스트를 심하게 블러링했으며(도 4a), 렌즈가 녹색 광에 대해 포커싱하도록 위치되었기 때문에 녹색 문자 G에 대해 눈에 띄게 나은 이미지 품질을 갖는다. 또한, 도 4a는 EDOF 렌즈를 사용하여 동일한 객체 패턴을 캡처함으로써 형성된 RGB 텍스트의 스펙트럼으로 균일한 블러링을 보여준다. 디컨볼루션 후에, 각 개별 문자가 명확하게 파악될 수 있지만, 파란색 B는 흐릿하고, 빨간색 R은 싱글렛 렌즈를 사용하여 직접적으로 캡처된 이미지에서 확인될 수 없다. 디컨볼루션된 이미지들은 PSF의 비대칭 형상에서 발생하는 잘못된 수평 및 수직선들을 나타내며, 이는 방향성 아티팩트들(artifacts)을 생성할 수 있지만, 이들은 회전 대칭 PSF를 사용하는 것뿐 아니라 보다 진보된 디컨볼루션을 사용하여 수정될 수 있다. 도 4b는 ROYGBIV 텍스트에 대한 유사한 이미지 품질 개선을 보여주며, 여기서 문자들은 싱글렛 메타 렌즈에 의해 실질적으로 블러링되지만, EDOF 디바이스 및 디컨볼루션을 사용하여 캡처한 후에 포커싱된다. 무지개 패턴의 경우에(도 4c), 싱글렛에 의해 유도된 색채 블러는 개별 컬러 밴드들(bands)을 흐리게 하고, 녹색 스트라이프(stripe)는 거의 분명하지 않은 반면, 컨볼루션된 EDOF 이미지는 별도의 밴드들과 엣지들(edges)을 명확하게 보여준다. 멀티컬러 꽃들과 잎들이 있는 풍경 이미지의 경우에(도 4d), 싱글렛에 의해 심하게 블러링된 줄기와 잎 구조들이 포커싱되고 꽃들 내의 컬러 링잉 아티팩트들이 디컨볼루션된 EDOF 이미지에서 감소된다.
논의
무색의 대역폭이 좁거나 이산 파장 이미지들이 컬러 이미지를 생성하기 위해 중첩되는 메타 표면 설계들과 비교하여, 우리가 아는 한, 우리는 백색 광을 직접 사용하여 포커싱된 풀 가시 스펙트럼 이미징을 실증한 최초이다. 도 4a 내지 도 4d에서 이러한 동작이 확인되며, 여기서 단일 이미지가 캡처될 때, 디컨볼루션 후 빨간색, 녹색 및 파란색 광뿐 아니라 노란색, 주황색 및 보라색과 같은 중간 색상들도 포커싱된다. 또한, 우리의 메타 렌즈들은 다양한 지오메트리들과 재료들을 사용하도록 확장될 수 있는 단순한 투과형 산란기들(scatters)에 의존하는 반면, 기존의 광대역 무색 메타 렌즈들은 주의 깊게 설계된 분산 특성들 갖는 산란기들을 필요로 한다. 그러나, 우리의 시스템을 사용하여, 우리의 수정된 위상 마스크와 함께 디지털 필터를 사용하여 광대역 컬러 이미징을 가능하게 하지만, 필요한 후처리는 시스템을 복잡하게 하고, 캡처된 이미지를 디컨볼루션하는 데 지연 시간을 도입한다. 많은 사진 및 비디오 어플리케이션들의 경우, 캡처된 프레임들이 저장된 다음 오프라인으로 디컨볼루션될 수 있으므로 문제가 되지 않는다. 실시간 이미징의 경우, 우리의 필터가 FPGA들 또는 GPU들을 통해 가속화될 수 있는
Figure pct00005
고속 푸리에 변환 알고리즘에 의존하는 것과 같이 우리의 시스템도 작동한다. 이러한 하드웨어 가속 기술들은 추가 회로를 필요로 하고 시스템 복잡성을 증가시켜, 설계자가 주어진 어플리케이션에 대한 시스템 요구 사항들과 비용들의 균형을 맞출 필요가 있다. 우리의 구현된 시스템도 작은(200 μm) 초점 길이와 개구 너비로부터 발생하는 제한된 공간 대역폭 제품으로 인해 어려움을 겪는다. 일반적으로, 광학 시스템의 공간 대역폭 제품은 시스템 치수들이 축소됨에 따라 감소하여, 정보 용량과 이미지에서 분해 가능한 포인트들의 수를 줄인다. 또한, 우리의 메타 렌즈들의 작은 개구는 집광을 제한하고, 이는 SNR을 줄이고 더 높은 입사 파워 또는 증가된 노출 시간을 필요로 하게 만든다. 그러나, 이러한 제한들은 하이브리드 광학 디지털 시스템에 내재된 것이 아니라, 짧은 초점 길이로부터 발생하며 동일한 길이 규모의 모든 구현에서 나타난다.
보고된 시스템은 최소의 색수차들을 갖는 풀 가시 스펙트럼 객체 패턴들을 이미징하기 위해 NA ~ 0.45의 계산적 이미징과 EDOF 메타 표면들을 결합하여, 우리의 디바이스들을 현미경, 초분광 이미징 및 초박형 카메라들에 적합하게 만든다. 우리가 아는 한, 우리는 이전의 가장 짧은 값에 비해 초점 길이가 2.4 배 이상 감소된 현재까지 가장 짧은 초점 길이 메타 표면으로 이미징되었다. 이 시스템은 지오메트릭 수차들로 경쟁해야 하지만, 이들은 광학 요소의 추가적인 공동 최적화(예컨대, 메타 표면들 적층) 및 후처리 알고리즘들에 의해 우회될 수 있다. 광학 메타 표면들과 계산적 이미징을 결합하는 데 있어서, 이 작업은 광학 하드웨어와 소프트웨어가 함께 고품질 이미지를 생성하면서 시스템 사이즈와 복잡성을 최소화하는 하이브리드 시스템들을 설계하기 위한 모델을 제공한다.
입방체 위상 강도 A가 이미지 품질에 미치는 영향
우리는 초점 심도와 결과 이미지들의 신호 대 잡음비(SNR) 사이의 트레이드오프가 있기 때문에, 이미지 품질에 대한 α 파라미터의 영향을 분석했다. 우리는 광범위한 α 값들을 갖는 EDOF 메타 표면들의 세트를 제조했다. 도 10a는 상이한 α 값들을 갖는 네 개의 렌즈 설계들을 사용하여 캡처되고 디컨볼루션된 백색 광 이미지들의 세트를 보여준다. α = 0 설계는 튤립 이미지에서의 뚜렷한 컬러 링잉, RGB와 ROYGBIV 텍스트들에서의 왜곡, 무지개 패턴에서의 엣지 블러링을 갖지만, 이러한 아티팩트들은 0 이외의 α로 이미징 및 디컨볼루션할 때 완화된다. α = 20π의 경우, 가장 높은 강도의 포커싱된 이미지들을 보지만, 노란색이어야 하지만 녹색으로 보이는 긴 줄기 구조들을 갖는 튤립 이미지에는 여전히 약간의 색수차들이 있다. 더 높은 α로 전환하면, 링잉 아티팩트들의 일부가 감소되고 튤립 줄기들이 균일하게 노란색으로 보일지라도, 강도가 눈에 띄게 저하된다. 도 10b는 세 개의 상이한 α 값들의 렌즈들에 대한 녹색 광 변조 전달 함수들(MTFs)을 비교하여, 주어진 파장에 대한 SNR의 감소를 보여준다. SNR의 감소는 높은 α에서의 MTF의 낮은 값에서 뚜렷이 드러난다. MTF는 공간 주파수 정보가 객체에서 이미지로 얼마나 효율적으로 전달될 수 있는 지와 관련이 있으므로, 낮은 MTF는 낮는 SNR로 변환된다. 여기서, α = 0 렌즈는 녹색 광에 대해 포커싱되도록 위치되어, 넓은 MTF를 제공하지만, 이 설계 파장에서 멀리 떨어진 파장으로 조명되면, 도 2d에서와 같이 스펙트럼에 0들이 있는 상당히 좁아진 MTF를 볼 것이다.
상이한 디컨볼루션 방법들에 대한 이미지 비교
위너 디컨볼루션을 사용하는 것에 더하여, 총 변동(TV) 정규화기를 사용한 최적화와 같은 우리의 시스템을 위한 보다 진보된 후처리 알고리즘들도 테스트했다. 최적화 문제는 아래의 수학식과 같다.
Figure pct00006
여기서, TV는 총 변동 정규화기를 나타내고, K는 측정된 커널이고, f는 수정되지 않은 캡처된 이미지이고, λ는 노이즈 감소와 디컨볼루션 사이의 균형을 제어하는 파라미터이고, x는 잠상 이미지(latent image)이다. 스플리트 브레그만 방법(split Bregman method)을 사용하여 문제를 해결하는 오픈 소스 코드를 이용하여 최적화를 수행했다. 우리의 이미지들은 일반적으로 대략 20회 반복 후에 솔루션으로 수렴되며, 단일 이미지에 대해 평균 55.5 초가 소요되었다. 그러나, 위너 필터를 사용하면, 이미지 품질이 비슷했고 이미지 당 평균 0.56 초가 걸렸으며, 이는 2 배의 속도 향상을 나타낸다. 도 11a 내지 도 11d는 TV-정규화된 방법에 대한 노이즈와 이미지 선명도(sharpness)에 대해 λ 파라미터의 효과를 보여주는 두 방법들을 사용하여 디컨볼루션된 이미지들을 보여준다. 낮은 λ로 인해, 디컨볼루션된 이미지들은 적은 노이즈를 가졌지만, 덜 선명한 엣지들을 가졌다. λ를 증가시키면, 엣지들은 더 뚜렷해졌지만, 노이즈도 더 두드러졌다. TV-정규화된 접근 방식은 괜찮은 품질 이미지들을 생성했고 노이즈 및 평활도(smoothness)의 미세-조정되는 제어를 제공하는 한편, 비교 가능한 이미지 품질과 함께 선형 위너 필터의 단순성과 상대적 속도가 그 사용을 정당화한다는 것이 확인되었다.
이미지들의 구조적 유사성에 의한 색채 불일치 평가
상이한 조명 파장들 하에서 우리의 설계된 풀-컬러 시스템을 사용하여 캡처된 이미지들 사이의 불일치 수준을 평가하기 위해, 우리는 비교를 위한 정량화 가능한 메트릭(quantifiable metric)이 필요했다. 참조 "퍼펙트(perfect)" 이미지와 관련하여 테스트 이미지를 평가하는, 이미지 품질을 평가하기 위한 표준 기술은 구조적 유사성(structural similarity; SSIM)이다. 이 메트릭은 이미지의
Figure pct00007
및
Figure pct00008
방향들에서의 평균, 분산 및 공분산(
Figure pct00009
)의 계산들을 기반으로 루마(luma), 콘트라스트(contrast) 및 구조 콤포넌트(structure component)의 가중치 조합을 사용한다. 우리의 계산을 위해 사용되는 식은 아래와 같다.
Figure pct00010
여기서, c1=(k1L)2이고, c2=(k2L)2이고, L은 픽셀 값들의 동적 범위이고, k1=0.01 및 k2=0.03이다. 0의 SSIM은 0 유사성을 의미하는 반면, 1의 SSIM은 테스트 이미지가 참조와 정확히 일치함을 의미한다. 우리는 도 3a, 도 3c, 도 3d 및 도 3e의 공군 테스트 차트 이미지의 경우에 대해 SSIM을 계산했다. 여기서, 색수차의 개념(notion)을 포착하기 위해, 우리는 멀리 분리된 파장들에 의해 조명될 때 비슷한 이미지들이 어떻게 나타나는 지 살펴보는 데 관심을 두었다. 이를 테스트하기 위해, 우리는 α = 0 렌즈(도 3a)로 캡처된 파란색 광 이미지를 캡처된 빨간색 광 이미지와 비교하여, 빨간색 광 이미지를 참조로 취급하였다. 이 계산은 0.748의 SSIM을 산출했다. 우리는 도 3c의 이미지들에 대한 이 계산을 반복하여, EDOF-캡처 및 디컨볼루션된 파란색 광 이미지를 빨간색 기준 이미지와 비교했다. 이 사례는 0.956의 SSIM, SSIM에서의 실질적인 0.209 개선을 제공하여, EODF 렌즈 및 디컨볼루션을 사용하면, 우리가 싱글렛 메타 표면 시스템에 비해 훨씬 감소된 색수차를 나타내는 이미지들을 얻을 수 있음을 나타낸다.
0 이외의 소스 대역폭을 이용한 이론적 및 실험적 MTF들의 비교
우리는 우리의 PSF들을 측정했고, LED 소스들에 의해 생성된 비간섭성(incoherent) 광을 사용하여 이미징했다. 그러나, LED들은 시스템의 MTF의 공간 컷오프 주파수를 감소시키는 무시할 수 없는 대역폭을 가지고 있다. 우리의 시스템의 성능을 더 잘 이해하기 위해, 우리는 우리의 싱글렛 및 EDOF 렌즈들에 대해 측정된 MTF들을 530 nm 파장(우리의 측정을 위해 사용된 녹색 LED의 중심 파장)을 사용하는 동일한 초점 길이 및 개구 너비의 회절-제한 싱글렛 렌즈의 MTF들과 비교했다. 이 MTF에 대한 분석 솔루션이 존재하며, 편의를 위해 아래에 제공된다.
Figure pct00011
여기서,
Figure pct00012
이고, r은 개구 반경(aperture radius)이고, λ는 파장이며, zi는 이미지 거리(image distance)이다. 이 MTF는 시스템 해상도에 대한 소스 대역폭의 영향을 이해하기 위해 시뮬레이션된 싱글렛 렌즈 MTF들뿐 아니라 여기의 다른 곳에서 확인된 우리의 메타 렌즈들에 대한 측정된 MTF들에 더하여, 도 12에 플롯팅된다(plotted). MTF들을 시뮬레이션하기 위해, 우리는 이전과 동일한 각도 스펙트럼 전파기(propagator)를 사용하여 레일리-좀메르펠트(Rayleigh-Sommerfeld) 회절 적분을 푼 다음, 결과 초점 지점으로부터 MTF를 계산했다. 0 nm 소스 대역폭에 의해, 우리의 시뮬레이션된 MTF는 분석 회절 제한 솔루션과 거의 일치한다. 그러나, 30 nm(우리의 실험들에 사용된 녹색 LED의 대역폭과 비슷함)의 FWHM을 갖는 소스의 경우, 컷오프 주파수는 거의 900 cycles/mm로 크게 감소한다. 녹색 광 조명에 대해 측정된 MTF들(도 2a 내지 도 2h로부터 재현된 데이터)은 이 이상적인 30 nm 시뮬레이션 보다 낮은 컷오프 주파수들을 갖고, 이에 대해 우리는 우리의 위상 프로파일의 이산 공간 샘플링, 즉 우리의 산란기(scatters) 설계들을 사용하여 우리가 갖는 0 내지 2π 범위에서 10 개의 이산(연속이 아닌) 위상 단계들, 우리의 초점 지점을 측정할 때의 오-포커싱 오류, 및 제조 결함들에 기인한다고 본다.
축외 메타 렌즈 성능
노멀(normal) 입사 하에서 우리의 디바이스들의 성능을 분석하는 것에 더하여, 우리는 축외로 조명될 때의 성능도 조사했다. 이러한 시뮬레이션들을 위해, 우리는 레일리-좀메르펠트 회절 적분을 풀기 위해 이전과 동일한 각도 스펙트럼 전파기를 사용했지만, 대신 트랜스버스 콤포넌트(transverse component)를 갖는 파동 벡터(wavevector)를 사용하여 평면파로 요소를 여기했다. 도 13a 내지 도 13f는 0°, 5° 및 10°의 조명 각도들에 대해 싱글렛 및 EDOF 메타 렌즈들 모두에 대한 시뮬레이션된 강도 단면들을 보여준다. 이러한 시뮬레이션들로부터, 우리는 초점 지점의 확장이 축외 조명에서도 발생한다는 것을 확인한다. 그러나, 일반적으로, EDOF 메타 렌즈가 축외에서 이미징할 수 있지만, 캡처된 이미지 품질을 저하시키는 색수차들의 대상이 된다. 우리의 설계는 색수차들을 감소시키는 데 초점을 맞추고 있기 때문에, 축외 이미징에 최적화되어 있지 않다. 어안 렌즈와 함께 적층되는 설계를 사용하는 것과 같이, 우리의 방법을 지오메트릭 수차들을 감소시키기 위한 기술들과 함께 결합하면, 이미지 품질 저하를 완화시킬 수 있다.
방법들
설계 및 시뮬레이션
나노 포스트들은 포스트들의 직경이 변함에 따라, 전차 가시 영역(400-700 nm)에 걸쳐 있는 파장들에 대해 0 내지 2π 위상을 제공하도록 설계되었다. 도 5는 엄격한 결합-파 분석(rigorous coupled-wave analysis; RCWA) 시뮬레이션을 통해 계산된 400 nm, 550 nm 및 700 nm에서 세 개의 대표 파장들에 대한 투과 진폭 및 위상을 보여 준다. 질화규소 포스트들과 이산화규소 기판 모두를 위해 사용된 굴절률들이 분산을 설명했다. 나노 포스트 설계가 위상 프로파일들을 구현하는 데 있어서 단위 셀 근사(unit cell approximation)의 사용을 허용하는 약하게 결합된 포스트들을 제공하도록 보장하기 위해, 직경의 함수로서 투과 진폭(도 6a) 및 위상(도 6b)이 격자 상수가 넓은 범위의 격자 상수들에 걸쳐 위상에서 최소의 변화를 보여주기 위해 스윕됨에 따라 시뮬레이션되었다. 명목상으로 550 nm에 대한 메타 표면들을 설계하기 위해, RCWA 데이터는 주어진 위치의 위상을 원하는 위상을 가장 정확하게 제공하는 포스트 직경에 매핑하기 위한 룩업 테이블로서 역할을 했다. 우리의 설계들의 넓은 공간 범위로 인해, 메모리 요구 사항들은 우리의 디바이스들의 FDTD(full finite-difference time-domain) 시뮬레이션을 수행하기 위해 사용 가능한 계산 리소스들을 초과했다. 따라서, RCWA-계산된 투과 계수들이 사용되었고, 메타 표면들이 복잡한 진폭 마스크들로 모델링되었으며, 그들의 성능은 각도 스펙트럼 전파기를 사용하여 레일리-좀메르펠트 회절 적분을 평가함으로써 시뮬레이션되었다.
제조
일 실시예에서, 먼저, 633 nm의 질화규소 필름이 플라즈마-강화(plasma-enhanced) 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)을 통해 융합된(fused) 실리카 웨이퍼 기판 상에 증착되었다. 웨이퍼는 보호 포토레지스트 레이어(protective photoresist layer)와 함께 일시적으로 코팅되고, 아세톤(acetone) 및 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol) 내에서 초음파 처리로 세척하기 전에, 더 작은 조각들로 절단되었다. 이 후, 샘플은 ZEP-520A로 스핀 코팅된 후, 8 nm의 Au/Pd를 전하 분산층으로 스퍼터링했다. 샘플은 JEOL JBX6300FS 전자빔 리소그래피 시스템을 사용하여 노출되었고, 전하 분산층은 TFA 골드 에천트(gold etchant)로 제거되었다. 아밀 아세테이트(amyl acetate)에서 현상한(developing) 후, 알루미늄의 레이어는 샘플 상으로 증발되었고, 리프트-오프(lift-off)을 수행한 후, 알루미늄 하드 마스크가 후속 에칭을 위해 질화규소 레이어 상에 남겨졌다. 샘플은 CHF3 및 O2 화학적 작용과 함께 유도 결합 플라즈마 에칭기(etcher)를 사용하여 에칭되었고, 남아 있는 알루미늄은 AD-10 포토레지스트 현상액(developer)에 담겨짐으로써 제거되었다. 제조된 디바이스들의 주사 전자 현미경 사진들이 도 7a 및 도 7b에 제시되어 있다.
디바이스 특성 해석
제조된 메타 표면들의 초점면들은 도 8에 제시된 실험 설정을 통해 특성화되었다. 광섬유-결합 LED로부터의 광은 테스트 중에 메타 표면을 조명하고, 전환 가능한 스테이지, 대물렌즈, 튜브 렌즈 및 카메라로 조립된 맞춤형 현미경이 디바이스의 초점면의 스냅샷들을 찍는다. 효율(도 14)을 측정하기 위해, 동일한 설정이 플립 미러(flip mirror), 핀홀(pinhole) 및 광 검출기(Newport 818-SL)의 추가와 함께 사용되었다. 효율성은 초점면에서의 파워와 입사 빔의 파워의 비율을 취함으로써 계산되었다. 입사 빔 파워는 메타 렌즈의 폭과 동일한 영역을 이미징하도록 핀홀 개구 설정을 갖는 유리 조각을 통해 파워를 측정함으로써 확인되었다. 카메라는 렌즈 캡을 씌운 상태에서 한 시퀀스의 보정(calibration) 이미지들을 촬영함으로써 다크 노이즈(dark noise)를 보정했다. 렌즈들의 변조 전달 함수들(MTFs)은 푸리에 변환에 의해 결정된 다음, 측정된 초점 지점의 크기를 취했다.
이미징
이미지들은 도 9에 도시된 설정을 사용하여 캡처되었다. 광섬유-결합 LED로부터의 광은 표준 8.5"　x　11" 페이퍼 상에 인쇄된 패턴 상에 축외로 입사된다. 메타 표면은 인쇄된 패턴에서 산란된 광을 포커싱함으로써 초점면 근처에 이미지를 생성하고, 대물 렌즈, 튜브 렌즈 및 카메라로 구성되는 전환 가능한 현미경이 이 이미지를 캡처한다. 이미지를 캡처하기 전에, 카메라의 다크 노이즈가 렌즈 캡을 씌운 상태로 한 시퀀스의 사진들을 촬영한 후에 제거된다.
본 개시의 목적들을 위해, "상부", "하부", "수직", "수평", "내부", "외부", "내측", "외측", "전면", "후면" 등과 같은 용어가 청구된 주제의 범위를 제한하지 않고 설명적인 것으로 해석되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 또한, 여기에서 "구성된다", "포함한다" 또는 "갖다" 및 이의 변형들의 사용 이후에 나열된 항목들 및 그 등가물들뿐 아니라 추가 항목들을 포괄하는 것을 의미한다. 달리 제한되지 않는 한, 여기에서 용어들 "연결된다", "결합된다" 및 "장착된다" 및 이의 변형들은 광범위하게 사용되며 직접 및 간접 연결들, 결합들 및 장착들을 포괄한다. 용어 "약"은 명시된 값의 플러스 또는 마이너스 5%를 의미한다.
본 개시의 원리들, 대표 실시예들 및 작동 모드들이 전술된 설명에서 기술되었다. 그러나, 보호하고자 하는 본 개시의 양태들은 개시된 특정 실시예로 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 여기에 기술된 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 본 개시의 사상을 벗어나지 않고 다른 사람들 및 사용된 균등물들에 의해 변형들 및 변경들이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 그러한 모든 변형들, 변경들 및 균등물들은 청구된 바와 같이 본 개시의 사상 및 범위 내에 속하는 것으로 명백히 의도된다.
예시적인 실시예들이 도시되고 기술되었지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경들이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (24)

  1. 파장 범위에 걸쳐 광학 활성(optical activity)을 갖는 메타 표면(metasurface)에 있어서,
    제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들(posts); 및
    상기 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질(interstitial substance)을 포함하는, 상기 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들(interstices)
    을 포함하고,
    상기 복수의 포스트들의 상기 포스트들의 직경은,
    상기 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로(rotationally asymmetrically) 변하는,
    메타 표면.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 메타 표면은,
    확장된 초점 심도(depth of focus)에서 상기 메타 표면을 통과한 상기 파장 범위의 광을 포커싱하도록 구성되는,
    메타 표면.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 확장된 초점 심도는,
    상기 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 스펙트럼으로(spectrally) 변하지 않는,
    메타 표면.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 메타 표면은,
    상기 메타 표면을 통과한 상기 파장 범위의 광의 파면(wavefront)을 코딩하도록 구성되는,
    메타 표면.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 메타 표면의 적어도 일부는,
    상기 메타 표면의 길이에 따른 포스트-직경 구배(post-diameter gradient)에 기초하여 렌즈 효과(lens effect)를 생성하기 위한 형상의 렌즈를 정의하는,
    메타 표면.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 메타 표면은,
    패터닝(patterning) 및 상기 메타 표면의 부분들 사이의 회절 차이에 의해 정의되는 입방체 위상판(cubic phase plate)인,
    메타 표면.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 메타 표면을 통과한 광의 위상 프로파일은,
    아래의 수학식으로 주어지고,
    Figure pct00013

    여기서,
    f는 상기 메타 표면의 초점 거리(focal length)이고,
    x 및 y는 상기 기판의 평면 내에서의 상기 메타 표면의 좌표들이고,
    z는 상기 메타 표면의 전파 방향이고,
    λ는 상기 메타 표면의 작동 파장이고,
    L은 상기 메타 표면의 개구 너비(aperture width)의 절반(half)이고,
    α 는 상기 메타 표면의 입방체 위상 강도(cubic phase strength)인,
    메타 표면.
  8. 제7 항에 있어서,
    α 는,
    약 0π 내지 약 200π의 범위에 있는,
    메타 표면.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 파장 범위는,
    약 400　nm 내지 약 700　nm의 범위의 광을 포함하는,
    메타 표면.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 재료는,
    질화규소(silicon nitride)인,
    메타 표면.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 개재성 물질은,
    공기 또는 폴리머(polymer)인,
    메타 표면.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 포스트들의 주기성(periodicity)은,
    상기 파장 범위에서 가장 작은 파장 보다 작고,
    상기 복수의 포스트들의 직경은,
    상기 파장 범위에서 상기 가장 작은 파장의 약 25%와 상기 파장 범위에서 상기 가장 작은 파장의 약 90%의 범위에 있고,
    상기 복수의 포스트들의 두께는,
    상기 파장 범위의 평균 파장의 약 0.75배와 상기 파장 범위의 상기 평균 파장의 약 1.5배의 범위에 있는,
    메타 표면.
  13. 이미징 시스템에 있어서,
    파장 범위에 걸쳐 광학 활성을 갖는 메타 표면 -
    상기 메타 표면은,
    제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들, 및
    상기 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질을 포함하는, 상기 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들
    을 포함하고,
    상기 복수의 포스트들의 상기 포스트들의 직경은,
    상기 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로 변함 -;
    상기 메타 표면을 통과한 광을 흡수하도록 위치되고, 상기 흡수된 광에 기초하여 신호를 생성하도록 구성되는 광 검출기; 및
    상기 광 검출기에 작동 가능하게(operatively) 결합된 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 제어기에 의해 실행될 때, 디바이스가
    상기 메타 표면을 통과한 상기 파장 범위 내의 광에 기초하여, 상기 광 검출기에 의해, 복수의 신호들을 생성하는 동작;
    복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 제공하기 위해 상기 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 동작; 및
    상기 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 이용하여, 상기 광 검출기에 의해 흡수된 광에 기초하여 이미지를 생성하는 동작
    을 포함하는 동작들을 수행하게 하는 로직을 포함하는,
    시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 메타 표면은,
    확장된 초점 심도에서 상기 메타 표면을 통과한 상기 파장 범위의 광을 포커싱하도록 구성되는,
    시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 확장된 초점 심도는,
    상기 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 스펙트럼으로 변하지 않는,
    시스템.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 동작은,
    상기 복수의 신호들을 디지털 방식으로(digitally) 필터링하는 동작
    을 포함하는,
    시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 동작은,
    위너 필터(Wiener filter)를 이용하여, 상기 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 동작
    을 포함하는,
    시스템.
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제어기에 의해 실행될 때, 상기 디바이스가
    상기 메타 표면의 이상적인 렌징(ideal lensing)으로부터의 상기 메타 표면의 포커싱 행동의 편차에 대해 설명하고 대응하기 위해, 상기 복수의 신호들을 디컨볼루션하는(deconvoluting) 동작
    을 포함하는 동작들을 수행하게 하는 로직을 더 포함하는,
    시스템.
  19. 제13 항에 있어서,
    제2 메타 표면
    을 더 포함하고,
    상기 메타 표면과 상기 제2 메타 표면은,
    상기 메타 표면의 상기 광축에 대한 상기 제2 메타 표면의 변위가 비선형의 초점 변화를 제공하도록 구성되는,
    시스템.
  20. 제13 항에 있어서,
    상기 메타 표면의 상기 광축과 동축으로 위치된 광축을 갖는 굴절 렌즈
    를 더 포함하는,
    시스템.
  21. 이미지를 생성하는 방법에 있어서,
    메타 표면을 통과한 광에 기초하여, 광 검출기에 의해 복수의 신호들을 생성하는 단계 -
    상기 메타 표면은,
    제1 굴절률을 갖는 제1 재료를 포함하고, 정사각형 패턴으로 기판 상에 배치되는 복수의 포스트들, 및
    상기 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 개재성 물질을 포함하는, 상기 복수의 포스트들의 개별 포스트들 사이의 간극들
    을 포함하고,
    상기 복수의 포스트들의 상기 포스트들의 직경은,
    상기 메타 표면의 광축을 중심으로 회전 비대칭적으로 변함 -;
    복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 제공하기 위해 상기 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 단계; 및
    상기 복수의 계산적으로 재구성된 신호들을 이용하여, 상기 광 검출기에 의해 흡수된 광에 기초하여 이미지를 생성하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 복수의 신호들을 계산적으로 재구성하는 단계는,
    상기 복수의 신호들을 디지털 방식으로 필터링하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  23. 제21 항에 있어서,
    상기 메타 표면은,
    확장된 초점 심도에서 상기 메타 표면을 통과한 상기 파장 범위의 광을 포커싱하도록 구성되는,
    방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 메타 표면의 이상적인 렌징으로부터의 상기 메타 표면의 포커싱 행동의 편차에 대해 설명하고 대응하기 위해, 상기 복수의 신호들을 디컨볼루션하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116205111A (zh) * 2023-03-09 2023-06-02 北京理工大学 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115047548A (zh) 2017-05-24 2022-09-13 纽约市哥伦比亚大学理事会 色散工程化介电超表面的宽带消色差平坦光学部件
EP3676973A4 (en) 2017-08-31 2021-05-05 Metalenz, Inc. INTEGRATION OF LENS WITH PERMEABLE METAL SURFACE
WO2021021671A1 (en) 2019-07-26 2021-02-04 Metalenz, Inc. Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems
CN112630868A (zh) * 2019-10-08 2021-04-09 三星电子株式会社 超透镜和包括超透镜的光学装置
WO2021201965A1 (en) * 2020-04-01 2021-10-07 Massachusetts Institute Of Technology Meta-optics-based systems and methods for ocular applications
US11303827B2 (en) 2020-04-27 2022-04-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical device for a thermal sensor and a hybrid thermal sensor
CN117120884A (zh) * 2021-02-05 2023-11-24 华盛顿大学 用于高质量薄透镜成像的神经纳米光学器件
US20230095994A1 (en) * 2021-09-29 2023-03-30 Visera Technologies Company Limited Meta optical device, optical system, and method for aberration correction
CN114371348B (zh) * 2021-12-21 2023-07-21 中国科学院光电技术研究所 一种超表面测试装置、测试方法及pb相位测试方法
CN114265132B (zh) * 2021-12-24 2023-03-14 中国科学技术大学 一种单片混合式透镜及其制备方法
CN114460726B (zh) * 2022-01-30 2022-12-02 华中科技大学 一种基于双层介质超表面的消色差光学变焦系统
CN114624878B (zh) * 2022-03-24 2024-03-22 深圳迈塔兰斯科技有限公司 光学系统设计的方法及装置
US11927769B2 (en) 2022-03-31 2024-03-12 Metalenz, Inc. Polarization sorting metasurface microlens array device
CN114839771B (zh) * 2022-04-24 2023-04-21 北京理工大学 一种基于超颖表面的微型大视场局部放大光学系统
WO2024015012A1 (en) * 2022-07-12 2024-01-18 Agency For Science, Technology And Research Optical system and method of forming the same, method of forming a multi-color image

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014230239A (ja) * 2013-05-27 2014-12-08 株式会社リコー 画像処理システム、撮像装置およびプログラム
WO2017044637A1 (en) * 2015-09-08 2017-03-16 University Of Washington Low contrast silicon nitride-based metasurfaces

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103635850A (zh) * 2011-06-30 2014-03-12 惠普发展公司，有限责任合伙企业 具有谐振子波长透镜层的用于多个观众的无需眼镜的3d显示器
TWI467226B (zh) * 2011-11-15 2015-01-01 Ind Tech Res Inst 相位物體顯微系統
JP2013162369A (ja) * 2012-02-07 2013-08-19 Sharp Corp 撮像装置
WO2015181818A1 (en) * 2014-05-27 2015-12-03 Technion Research & Development Foundation Limited. Near-field imaging devices
US9995859B2 (en) * 2015-04-14 2018-06-12 California Institute Of Technology Conformal optical metasurfaces
WO2016171962A1 (en) * 2015-04-23 2016-10-27 California Institute Of Technology Conformal optical metasurfaces
JP6748197B2 (ja) * 2015-09-23 2020-08-26 オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＯｓｒａｍ Ｏｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨ コリメート・メタレンズ及びこれを組み込む技術
CN106681026B (zh) * 2017-02-10 2019-03-22 北京理工大学 基于超颖表面-相变材料的任意偏振动态调控器件及方法
CN107065490B (zh) * 2017-05-23 2019-01-25 北京理工大学 基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014230239A (ja) * 2013-05-27 2014-12-08 株式会社リコー 画像処理システム、撮像装置およびプログラム
WO2017044637A1 (en) * 2015-09-08 2017-03-16 University Of Washington Low contrast silicon nitride-based metasurfaces

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116205111A (zh) * 2023-03-09 2023-06-02 北京理工大学 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法
CN116205111B (zh) * 2023-03-09 2024-01-16 北京理工大学 基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法

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