KR20210052177A - 렌즈 어셈블리 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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KR20210052177A
KR20210052177A KR1020200078756A KR20200078756A KR20210052177A KR 20210052177 A KR20210052177 A KR 20210052177A KR 1020200078756 A KR1020200078756 A KR 1020200078756A KR 20200078756 A KR20200078756 A KR 20200078756A KR 20210052177 A KR20210052177 A KR 20210052177A
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lens
nanostructure
incident light
phase
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박현성
박현수
한승훈
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삼성전자주식회사
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Abstract

메타렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리가 기재된다. 렌즈 어셈블리는 피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1 렌즈; 및 제1 렌즈를 통과한 입사광에 대해 음(Negative)의 색수차를 가지는 메타렌즈를 포함하는 제2 렌즈를 포함할 수 있다.

Description

렌즈 어셈블리 및 이를 포함하는 전자 장치{LENS ASSEMBLY AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
메타렌즈를 포함한 렌즈 어셈블리 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
이미지나 동영상 촬영을 위한 광학 장치로서 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등과 같은 이미지 센서를 가진 디지털 카메라(Digital Camera)나 비디오 카메라(Video Camera)가 사용되고 있다. 높은 품질의 이미지 및/또는 동영상을 획득하기 위해, 광학 장치에 복수의 렌즈들의 조합으로 이루어진 렌즈 어셈블리가 사용될 수 있다. 이런 렌즈 어셈블리는 대체로 디지털 카메라와 같이 촬영에 특화된 장치에 사용되어 왔으나, 휴대용 무선 단말 등의 소형화된 전자 장치에도 탑재되고 있다.
복수의 광학 렌즈를 조합하기 위해 요구되는 공간을 축소하는 방법을 제시한다.
메타렌즈를 포함하여 소형화된 렌즈 어셈블리를 제공한다.
소형화된 렌즈 어셈블리를 포함한 전자 장치를 제공한다.
일 실시예의 렌즈 어셈블리는 피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1 렌즈; 및 제1 렌즈를 통과한 입사광에 대해 음(Negative)의 색수차를 가지는 메타렌즈를 포함하는 제2 렌즈;를 포함할 수 있다.
일 실시예의 전자 장치는 피사체(Object) 측으로부터 상(Image) 측으로 복수의 렌즈들이 배치된 렌즈 어셈블리; 렌즈들을 순차적으로 통과한 입사광으로부터 피사체의 이미지를 검출하는 이미지 센서; 및 이미지를 저장 또는 출력하는 이미지 신호 프로세서를 포함하고, 렌즈 어셈블리는, 피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1 렌즈; 및 제1 렌즈를 통과한 입사광에 대해 음(Negative)의 색수차를 가지는 메타렌즈를 포함하는 제2 렌즈;를 포함할 수 있다.
일 실시시예의 메타렌즈는 입사광과 반응하여 입사광의 위상을 변화시키는 제1 위상변환층, 및 제1 위상변환층을 통과한 입사광의 위상을 변화시키는 제2 위상변환층을 포함하는 나노구조물들을 포함하고, 나노구조물들은 입사광에 포함된 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 형성할 수 있다.
다른 실시예의 전자 장치는 피사체(Object) 측으로부터 상(Image) 측으로 복수의 렌즈들이 배치된 렌즈 어셈블리; 렌즈들을 순차적으로 통과한 입사광으로부터 피사체의 이미지를 검출하는 이미지 센서; 및 이미지를 저장 또는 출력하는 이미지 신호 프로세서를 포함하고, 렌즈 어셈블리는, 피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1 렌즈; 및 제1 렌즈를 통과한 입사광에 대해 음(Negative)의 색수차를 가지는 메타렌즈를 포함하는 제2 렌즈;를 포함하고, 렌즈 어셈블리는 정규 입사 광에 대해 120 cyles/mm 이하에서 0.5 이상의 MTF를 가지며, TTL/ISS < 0.65 를 만족할 수 있다.
굴절렌즈와 메타렌즈를 조합한 렌즈 어셈블리를 구성함으로써, 렌즈 어셈블리의 두께를 감소시키고, 수차 문제를 개선할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 메타렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리의 단면도이다.
도 2는 동일한 위상지연 프로파일을 가지는 3개 파장 광의 위상지연 프로파일을 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 비구면 렌즈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1의 렌즈 어셈블리의 광학적 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 메타렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리의 단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5의 렌즈 어셈블리의 광학적 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 메타렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리의 단면도이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 7의 렌즈 어셈블리의 광학적 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 메타렌즈의 개략적인 구조를 보인 평면도이다.
도 10은 도 9의 메타렌즈로 구현하고자 하는 위상지연 프로파일을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 9의 메타렌즈의 단면도이다.
도 12a는 도 11의 제3 프레넬 존에 배치된 제1 나노구조물의 단면을 도시하는 도면이고, 도 12b 및 도 12c는 도 12a의 제1 나노구조물의 제1 위상변환층 및 제2 위상변환층의 단면도이고, 도 12d는 스페이서 층을 더 포함하는 제1 나노구조물의 단면도이다.
도 13은 도 12a의 제1 나노구조물에 의한 위상지연과 제1 및 제2 내부기둥의 폭의 관계를 도시하는 도면이다.
도 14는 도 12a의 제1 나노구조물의 광대역 위상 정합성을 보여주는 도면이다.
도 15는 도 11의 제3 프레넬 존에 배열된 나노구조물들의 단면도이다.
도 16a는 다른 실시예에 따른 제1 나노구조물의 단면을 도시하는 도면이고, 도 16b 및 도 16c는 도 16a의 제1 나노구조물의 제1 위상변환층 및 제2 위상변환층의 단면도이다.
도 17은 도 16a의 제1 나노구조물의 폭, 제1 내부기둥의 폭, 제2 내부기둥의 외주면의 폭, 및 제2 내부기둥의 내주면의 폭을 변화시키면서 측정한 상대적인 위상지연량을 도시하는 도면이다.
도 18은 도 16a의 제1 나노구조물에 의한 광대역 위상 정합성을 보여주는 도면이다.
도 19는 도 11의 제3 프레넬 존에 배열된 나노구조물들의 다른 실시예의 단면도이다.
도 20a 내지 도 20c는 나노구조물의 또 다른 실시예의 단면도들이다.
도 21은 공통 경로 방식의 간섭계를 도시하는 도면이다.
도 22는 네트워크 환경 내의 전자 장치의 블럭도이다.
도 23은 도 22의 카메라 모듈을 보다 구체화한 블럭도이다.
이하, 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 설명하려는 내용을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물들은 설명하는 내용에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명확하게 구별해 놓지 않는다면 복수의 표현을 포함할 수 있다. 실시예들에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(제1) 구성요소가 다른(제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
실시예들에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(Configured to)"은 상황에 따라, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(Interchangeably) 사용될 수 있다. 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(임베디드 프로세서 등) 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(CPU, Application Processor 등)를 의미할 수 있다.
렌즈의 곡률 반지름(Radius), 두께, TTL(Total Track Length), 초점거리(Focal Length) 등은 특별한 언급이 없는 한 모두 ㎜ 단위를 가질 수 있다. 또한, 렌즈의 두께, 렌즈들 간의 간격, TTL은 렌즈의 광축을 기준으로 측정된 거리일 수 있다. 아울러, 렌즈의 형상에 대한 설명에서 일면이 볼록한 형상이라는 의미는 해당 면의 광축 부분이 볼록하다는 의미이고, 일면이 오목한 형상이라는 의미는 해당 면의 광축 부분이 오목하다는 의미일 수 있다. 따라서, 렌즈의 일면(해당 면의 광축 부분)이 볼록한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분(해당 면의 광축 부분으로부터 소정거리 이격된 부분)은 오목할 수 있다. 마찬가지로, 렌즈의 일면(해당 면의 광축 부분이)이 오목한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분(해당 면의 광축 부분으로부터 소정거리 이격된 부분)은 볼록할 수 있다. 또한 상 측을 향하는 면이 볼록한 형상이라는 의미는 상 측을 향해 볼록(돌출)한 형상임을 의미하고, 피사체 측을 향하는 면이 볼록한 형상이라는 의미는 피사체 측을 향해 볼록(돌출)한 형상임을 의미한다.
실시예들에 따른 전자 장치는, 스마트폰, 태블릿 PC, 이동 전화기, 영상 전화기, 전자책 리더기, 데스크탑 PC, 랩탑 PC, 넷북 컴퓨터, 워크스테이션, 서버, PDA, PMP(Portable Multimedia Player), MP3 플레이어, 의료기기, 카메라, 및/또는 웨어러블 장치를 포함할 수 있다. 웨어러블 장치는 액세서리형(시계, 반지, 팔찌, 발찌, 목걸이, 안경, 콘택트 렌즈, 머리 착용형 장치(Head-Mounted-Device(HMD) 등), 직물 또는 의류 일체형(전자 의복 등), 신체 부착형(스킨 패드, 문신 등), 및/또는 생체 이식형 회로를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 전자 장치는, 텔레비전, DVD(Digital Video Disk) 플레이어, 오디오, 냉장고, 에어컨, 청소기, 오븐, 전자레인지, 세탁기, 공기 청정기, 셋톱 박스, 홈 오토매이션 컨트롤 패널, 보안 컨트롤 패널, 미디어 박스(삼성 HomeSyncTM, 애플TVTM, 또는 구글 TVTM 등), 게임 콘솔(XboxTM, PlayStationTM 등), 전자 사전, 전자 키, 캠코더, 및/또는 전자 액자를 포함할 수 있다.
또한, 전자 장치는, 각종 의료기기(각종 휴대용 의료측정기기(혈당 측정기, 심박 측정기, 혈압 측정기, 또는 체온 측정기 등), MRA(Magnetic Resonance Angiography), MRI(Magnetic Resonance Imaging), CT(Computed Tomography), 촬영기, 초음파기 등), 네비게이션 장치, 위성 항법 시스템(GNSS(Global Navigation Satellite System)), EDR(Event Data Recorder), FDR(Flight Data Recorder), 자동차 인포테인먼트 장치, 선박용 전자 장비(선박용 항법 장치, 자이로 콤파스 등), 항공 전자기기(Avionics), 보안 기기, 차량용 헤드 유닛(Head Unit), 산업용 또는 가정용 로봇, 드론(Drone), 금융 기관의 ATM, 상점의 POS(Point Of Sales), 및/또는 사물 인터넷 장치(전구, 각종 센서, 스프링클러 장치, 화재 경보기, 온도조절기, 가로등, 토스터, 운동기구, 온수탱크, 히터, 보일러 등)를 포함할 수 있다. 또한 전자 장치는 가구, 건물/구조물 또는 자동차의 일부, 전자 보드(Electronic Board), 전자 사인 수신 장치(Electronic Signature Receiving Device), 프로젝터, 및/또는 각종 계측 기기(수도, 전기, 가스, 또는 전파 계측 기기 등)를 포함할 수 있다. 전자 장치는 플렉서블하거나, 또는 전술한 다양한 장치들 중 둘 이상을 조합한 것일 수 있다. 사용자라는 용어는 전자 장치를 사용하는 사람 또는 전자 장치를 사용하는 장치(인공지능 전자 장치 등)를 지칭할 수 있다. 전자 장치의 대표적인 예로서 광학 장치(Optical Device)(카메라 등)가 포함될 수 있으며, 아래의 설명은 렌즈 어셈블리가 광학 장치에 탑재되는 실시예를 전제로 기재한다.
실시예들을 설명함에 있어, 일부 수치 등이 제시될 수 있으나, 이러한 수치는 청구범위에 기재되어 있지 않은 한 권리범위를 한정하지는 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 메타렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리 및 이미지센서의 단면도이고, 도 2는 동일한 위상지연 프로파일을 가지는 3개 파장의 광을 예시적으로 도시하는 도면이고, 도 3은 비구면 렌즈를 설명하기 위한 도면이고, 도 4a 내지 도 4d는 도 1의 렌즈 어셈블리의 광학적 특성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 렌즈 어셈블리(1100)는, 플라스틱, 유리 등으로 이루어진 굴절 렌즈와 유전체 나노구조물 등으로 이루어진 메타렌즈를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 광축(O-I) 방향(도 1의 피사체 측(O)에서 상 측(I)으로 향하는 방향)으로 순차적으로 배열된 복수의 렌즈들(1110, 1120, 1130, 1140, 1150, 1160, 1170)을 포함할 수 있다.
이미지 센서(1200)는 회로 기판(미도시) 등에 장착되어 렌즈 어셈블리(1100)의 광축(O-I)에 정렬된 상태로 배치되는 센서로서, 광에 반응할 수 있다. 이미지 센서(1200)는 예를 들어, 씨모스 이미지 센서(CMOS, Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 또는 전하 결합 소자(CCD, Charge Coupled Device)와 같은 센서일 수 있으며, 피사체 이미지를 전기적인 영상신호로 변환할 수 있다. 이미지 센서(1200)는 복수의 렌즈들(1110, 1120, 1130, 1140, 1150, 1160, 1170)을 통과한 광으로부터 피사체에 대한 명암 정보, 계조비 정보, 색상 정보 등을 검출하여 피사체 이미지를 획득할 수 있다.
렌즈 어셈블리(1100)는, 피사체(또는 외부 객체) 측(O, Object Side)으로부터 상 측(I, Image Side)으로 광축(O-I)을 가질 수 있다. 각 렌즈의 구성을 설명함에 있어, 피사체 측(O)은 피사체가 있는 방향을 나타낼 수 있고, 상 측(I)은 상(Image)이 맺히는 이미지 센서(1200)의 결상면(1200a)이 있는 방향을 나타낼 수 있다. 또한, 렌즈의 피사체 측(O)을 향하는 면은, 광축(O-I)을 기준으로 피사체가 있는 쪽의 면으로서 도면상 렌즈의 좌측 표면(또는 전면)을 의미하며, 상 측(I)을 향하는 면은 광축(O-I)을 기준으로 하여 결상면(1200a)이 있는 쪽의 면으로 도면상 렌즈의 우측 표면(또는 후면)을 나타낼 수 있다. 여기서 결상면(1200a, Imaging Plane)은 촬상 소자 또는 이미지 센서(1200)가 배치되어 상이 맺히는 부분일 수 있다.
렌즈들을 설명함에 있어서, 각 렌즈의 광축(O-I)과 가까운 쪽을 중심부(Chief Portion)라 할 수 있으며, 광축(O-I)과 먼 쪽(또는 렌즈의 가장자리 부근)을 주변부(Marginal Portion)라 할 수 있다. 중심부(Chief Portion)는, 제1 렌즈(1110)에서 광축(O-I)과 교차하는 부분일 수 있고, 주변부(Marginal Portion)는, 제1 렌즈(1110)에서 광축으로부터 소정 거리 이격된 부분, 예를 들면, 렌즈의 광축(O-I)으로부터 가장 멀리 떨어진 렌즈의 단부(End Portion)를 포함할 수 있다.
제1 렌즈(1110), 제2 렌즈(1120), 제4 렌즈(1140), 및 제5 렌즈(1150)는 정(Positive)의 굴절력을 가질 수 있고, 제3 렌즈(1130), 제6 렌즈(1160) 및 제7 렌즈(1170)는 부(Negative)의 굴절력을 가질 수 있다. 정의 굴절력을 가지는 렌즈는 양의 초점거리를 가지는 볼록 렌즈의 원리에 기반한 렌즈로서 광축(O-I)과 평행하게 입사하는 빛을 통과시켜 집광할 수 있다. 반면에, 부의 굴절력을 가지는 렌즈는 오목 렌즈의 원리에 기반한 렌즈로서, 평행하게 입사하는 빛을 통과시켜 분산시킬 수 있다.
제1 렌즈(1110)는 피사체 측(O)을 향하는 면이 볼록하게 형성될 수 있고, 제1 렌즈(1110)의 상 측(I)을 향하는 면은 오목하게 형성될 수 있다. 상 측(I)을 향하는 면이 오목하게 형성되는 메니스커스(Meniscus) 렌즈는 렌즈의 주변부(Marginal Portion)를 통과한 빛이 뚜렷한 상을 맺지 못하게 되는 현상인 코마수차 및 비점수차를 개선할 수 있다. 제1 렌즈(1110)는 후술하는 제2 내지 제3 렌즈(1120, 1130) 보다 피사체 측(O)을 향하는 면의 유효 반경이 큰 대구경 렌즈일 수 있다. 초점거리가 짧은 대구경의 제1 렌즈(1110)는 광학 장치 및/또는 전자 장치가 요구하는 공간적 제약을 만족시킬 수 있고 강한 정의 굴절력 또한 제공함으로써 렌즈 어셈블리가 짧은 전장을 갖도록 할 수 있다. 제1 렌즈(1110)는 이를 통해 주변부(Marginal Portion)를 통과한 광선에 의해 결상(Imaging)되는 이미지나 동영상의 해상도를 증가시킬 수 있으며, 광의 이동 경로를 축소시킬 수 있다.
제2 렌즈(1120)는 피사체 측(O)면에 메타렌즈(1120a)가 결합된 렌즈일 수 있다. 메타렌즈(1120a)는 입사하는 광의 파장의 위상, 편광, 및/또는 진폭을 변조하는 나노구조물을 포함할 수 있다. 나노구조물은 메타렌즈(1120a)를 투과한 광의 파면을 입사하는 광의 파면과 다르게 변화시킬 수 있다. 이러한 나노구조물을 이용하여 제1 렌즈(1110) 등 굴절렌즈에서 발생하는 기하수차, 색수차 등의 광학수차를 보정할 수 있도록 메타렌즈(1120a)를 설계할 수 있다.
메타렌즈(1120a)는 정의 굴절력을 가지며, 통과하는 서로 다른 파장의 광에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 제공할 수 있다. 도 2는, 제1 파장(588 nm) 광, 제2 파장(486 nm), 및 제3 파장(656 nm) 광이 동일한 위상 지연 프로파일을 가지는 예를 보여준다. 제1 내지 제3 파장 광은 동일한 위상지연 프로파일을 갖기에, 위상지연 프로파일들의 간격은 서로 다른 위치(R)에서도 일정하게 유지된다(
Figure pat00001
Figure pat00002
). 서로 다른 파장이 동일한 위상지연 프로파일을 가지는 경우, 파장과 초점거리는 반비례 관계가 되며, 메타렌즈(1120a)는 음의 색수차를 가질 수 있다. 메타렌즈(1120a)에 의한 초점거리와 파장의 관계는 아래 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00003
fMn(n은 자연수)은 파장이 λn(n은 자연수)인 광에 대한 메타렌즈(1120a)의 초점거리이다.
제1 렌즈(1110)는 강한 정의 굴절력을 제공하는 대신 장파장 광이 단파장 광 대비 초점거리가 긴 양의 색수차를 발생시키는데, 메타렌즈(1120a)는 음의 색수차를 가지므로, 제1 렌즈(1110)에 의해 발생한 색수차의 일부 또는 전체를 보정할 수 있다. 일반적으로 색수차를 보정하기 위해서 플린트(Flint) 렌즈와 같이 부의 굴절력을 가지는 렌즈가 사용되는데, 이로 인한 굴절력 손실 및 렌즈 어셈블리의 두께 증가 문제가 메타렌즈(1120a)를 적용함으로서 개선될 수 있다. 제2 렌즈(1110)의 상 측(I)을 향하는 면은 중심부가 볼록한 렌즈로 구성될 수 있다.
메타렌즈(1120a)를 설계할 때 아래 [수학식 2] 및 [수학식 3]이 참고될 수 있다. [수학식 3]에서 서로 다른 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 제공하는 메타렌즈의 아베수(Abbe Number)는 -3.3 ~ -3.5의 값을 가질 수 있으며, [수학식 3]은 메타렌즈(1120a)의 아베수가 -3.45인 예를 나타낸다.
[수학식 2]
Figure pat00004
[수학식 3]
Figure pat00005
여기서 φi는 i번째 굴절 렌즈의 굴절력(초점 거리의 역수)(Optical Power)이고, Vi는 i번째 굴절 렌즈의 아베수(Abbe Number)이다. φmeta는 메타렌즈의 굴절력이다.
제3 렌즈(1130)의 상 측(I)을 향하는 면과, 제4 렌즈(1140)의 피사체 측(O)을 향하는 면은 오목하게 형성될 수 있다. 다시 말해, 제2 렌즈(1120)의 후방에 서로 오목한 면을 마주보고 있는 두 개의 렌즈(1130, 1140)가 배치될 수 있다. 제3 렌즈(1130)는 부의 굴절력을 제공함으로써 대구경으로 구성된 제1 렌즈(1110)에 의한 구면 수차를 보상할 수 있다.
제5 렌즈(1150) 및 제6 렌즈(1160)의 피사체 측(O)을 향하는 면은 오목하고, 상 측(I)을 향하는 면은 볼록하게 형성될 수 있다. 제6 렌즈(1160)는 적절한 부의 굴절력을 제공할 수 있으며, 렌즈의 주변부(Marginal Portion)를 통과하는 광선을 결상면(1200a)에 양호하게 결상시킬 수 있다. 또한, 제6 렌즈(1160)가 가지는 부의 굴절력은 다른 렌즈들에 의해 발생하는 색수차(Chromatic Aberration) 및 상면만곡수차(Curvature Of Field)를 보정할 수 있다. 제6 렌즈(1160)의 피사체 측(O)을 향한 면 및/또는 상 측(I)을 향한 면은 비구면(Aspheric)일 수 있으며, 이러한 비구면(Aspheric)은 광선이 렌즈의 주변부(Marginal Portion)를 통과할 때 왜곡되는 현상을 완화시킬 수 있다.
제6 렌즈(1160)의 면만 아니라, 제1 렌즈(1110) 내지 제5 렌즈(1150)의 면들 중 하나 또는 복수의 면들 또한 비구면(Aspheric)으로 형성될 수 있다. 제1 렌즈(1110)가 발생시키는 구면 수차는, 제1 렌즈(1110) 내지 제6 렌즈(1160)의 면들 중 하나 또는 복수의 면들에 구현되는 비구면(Aspheric)이 보정할 수 있다.
제7 렌즈(1170)는 광학 필터일 수 있으며, 광학 장치의 필름이나 이미지 센서에서 검출되는 빛, 예컨대, 적외선(IR)을 차단할 수 있다. 광학 필터는 저역 통과 필터(Low Pass Filter) 및/또는 커버 글라스를 포함할 수 있으며, 가시광선은 투과하지만 적외선은 차단하여 적외선이 이미지 센서의 결상면(1200a)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 다른 예로, 광학 필터는 입사하는 광의 일부의 파장만을 선택적으로 투과하여 이미지 센서(1200)를 통해 검출, 촬영되는 이미지 등의 색감을 원하는 색감에 근접하게 만들 수도 있다.
렌즈들(1110, 1120, 1130, 1140, 1150, 1160, 1170)의 간격은 렌즈 어셈블리(1100)에 요구되는 광학 특성(수차 특성, 광각 특성 및/또는 밝기 특성)에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 광학 장치 및/또는 전자 장치를 작은 크기로 만들고자 하는 경우, 렌즈들 사이의 간격을 좁혀 렌즈 어셈블리(1100)의 전장(광축 방향으로 렌즈 어셈블리의 전체 길이)을 줄이는 것이 유리하다. 다만, 적절한 망원비를 유지하면서 렌즈 어셈블리(1100)의 전장을 줄이는 것은 물리적 한계를 가질 수 있다.
렌즈 어셈블리(1100)는, 조리개(미도시)를 더 포함할 수 있다. 조리개는 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 복수개가 구비될 수도 있다. 예를 들면, 조리개는 제1 렌즈(1110)의 상 측(I)을 향하는 면 앞에 배치되어 이미지 센서(1200)의 결상면(1200a)에 도달하는 빛의 양을 조절할 수 있다.
제1 렌즈(1110) 내지 제7 렌즈(1170) 중 하나 또는 복수의 렌즈들은, 변곡점(Inflection Point)을 가지는 면을 포함할 수 있다. 변곡점은, 곡률 반경의 부호가 (+)에서 (-)로 변하거나 (-)에서 (+)로 변하는 점, 다른 말로 표현하면, 렌즈의 형상이 볼록(Convex)에서 오목(Concave)으로 변하거나 오목에서 볼록으로 변하는 점을 나타낼 수 있다. 곡률 반경(Radius Of Curvature)은, 곡면이나 곡선에 위치한 각 점에서의 만곡의 정도를 표시하는 값을 나타낼 수 있다. 곡률 반경의 부호는 피사체 측(O)을 향해 볼록한 형상의 경우와 상 측(I)을 향해 오목한 형상의 경우에 (+), 피사체 측(O)을 향해 오목한 형상의 경우와 상 측(I)을 향해 볼록한 형상의 경우에 (-)로 정의할 수 있다.
렌즈 어셈블리(1100)는, 다음의 [수학식 4] 내지 [수학식 7]을 만족시키는 광학 특성을 가질 수 있다.
[수학식 4]
0.8*F0 < F1 < 1.2*F0
F1은 588 nm 파장 광에 대한 제1 렌즈(1110)의 초점거리이고, F0은 588 nm 파장 광에 대한 렌즈 어셈블리(1100)의 합성 초점거리이다.
[수학식 5]
0.85*F0 < TTL < 1.2*F0
TTL(Total Track Length)은 렌즈 어셈블리(1100)의 전장(제1 렌즈(1110)의 피사체 측(O) 면으로부터 결상면(1200a)까지의 거리)이다. F0은 6.5 mm 내지 7.5 mm의 값을 가질 수 있다.
[수학식 6]
DL1 > DL2
DL1은 제1 렌즈(1110)의 피사체 측(O)을 향하는 면의 유효 반경이며, 1.86 mm 보다 크고 1.92 mm 보다 작을 수 있다. DL2는 제2 렌즈(1120)의 피사체 측(O)을 향하는 면, 즉, 메타렌즈(1120a)의 피사체 측(O)을 향하는 면의 유효 반경이며, 1.78 mm 보다 크고 1.84 mm 보다 작을 수 있다. 제1 렌즈(1110)는 제2 렌즈(1120)에 비해 피사체 측(O) 면의 유효 반경이 클 수 있다. 유효 반경은 이미지 센서(1200)로 입사하는 광이 지나가는 렌즈의 영역 중, 광축에서 가장 멀리 떨어진 부분과 광축 사이의 최단 거리일 수 있다.
[수학식 7]
TTL/ISS < 0.65
ISS(Image Sensor Size)는 이미지센서의 대각선 길이이다.
아래 [표 1]은 렌즈 어셈블리(1100)의 각종 렌즈 데이터를 기재한 것으로서, 각 렌즈의 우측에 기재된 '(O)'는 렌즈의 피사체 측을 향하는 면, '(I)'는 상 측을 향하는 면을 의미한다. Radius는 각 렌즈 표면의 곡률 반경을, '(O)' 행에 기재된 Thickness은 렌즈의 두께, '(I)' 행에 기재된 Thickness는 렌즈 사이 또는 렌즈와 이미지센서 사이의 간격을, EFL(Effective Focal Length)은 렌즈의 초점거리를, nd는 렌즈의 굴절률, vd는 렌즈의 아베수(Abbe Number)를 의미한다. 아래 [표 1]에 제시된 렌즈 어셈블리(1100)는 전장(TTL)이 7.2 mm, 유효초점거리(F0)가 7.0 mm, 메타렌즈(1120a)의 초점거리가 52.7 mm, 이미지센서(1200)의 대각선 길이(ISS)가 12 mm 인 예를 보여주며, 상술한 [수학식 4] 내지 [수학식 7]의 조건들 중 하나 또는 복수개를 만족할 수 있다.
Surface Radius Thickness 유효 반경 EFL nd vd
제1 렌즈(1110)(O) 3.60E+00 8.86E-01 1.89E+00 6.3 1.54 54
제1 렌즈(1110)(I) 9.32E+00 1.94E-01 1.81E+00
제2 렌즈(1120)(O) Infinity 3.97E-01 1.81E+00 9.5
제2 렌즈(1120)(I) -7.97E+00 6.78E-03 1.75E+00 1.65 21.7
제3 렌즈(1130)(O) -5.42E+01 4.00E-01 1.65E+00 -9.5 1.54 54
제3 렌즈(1130)(I) 1.96E+01 1.02E+00 1.50E+00
제4 렌즈(1140)(O) -1.79E+01 4.38E-01 1.80E+00 291 1.54 54
제4 렌즈(1140)(I) -9.39E+00 5.93E-01 2.10E+00
제5 렌즈(1150)(O) -1.70E+01 5.18E-01 2.40E+00 12 1.54 54
제5 렌즈(1150)(I) -1.70E+01 1.40E+00 3.05E+00
제6 렌즈(1160)(O) -3.42E+00 2.80E-01 4.18E+00 -5.1 1.54 54
제6 렌즈(1160)(I) -2.98E+01 1.87E-02 4.80E+00
제7 렌즈(1170)(O) Infinity 2.00E-01 5.60E+00 - 1.52 64.2
제7 렌즈(1170)(I) Infinity 8.50E-01 5.31E+00
이미지센서(1200) - - - -
아래 [표 2] 내지 [표 3]은 복수의 렌즈들(1110, 1120, 1130, 1140, 1150, 1160, 1170)의 비구면 계수를 기재한 것으로서, 비구면 계수는 다음의 [수학식 8]을 통해 산출될 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00006
+ ...
도 3을 참조하면, [수학식 8]의 'x'는 렌즈의 정점(p)으로부터 렌즈면의 한 점까지의 광축(O-I) 방향의 거리를 나타내고, 'y'는 렌즈면의 한 점으로부터 광축에 수직인 방향으로 광축까지의 거리를 나타낼 수 있다. [수학식 8]의 'c'는 렌즈의 기본 곡률을, 'K'는 코닉(Conic) 상수를, 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G'는 비구면 계수를 각각 의미할 수 있다.
Surface K A B C
제1 렌즈(1110)(O) 5.18E-02 6.94E-02 4.62E-02 -1.26E-03
제1 렌즈(1110)(I) 8.81E-01 3.85E-02 -8.75E-03 -6.14E-03
제2 렌즈(1120)(O) 0.00E+00 -1.01E+02 2.71E+00 1.96E+01
제2 렌즈(1120)(I) -3.36E+01 -3.06E-03 1.11E-02 8.94E-02
제3 렌즈(1130)(O) 9.64E+01 -5.52E-02 9.65E-02 2.71E-01
제3 렌즈(1130)(I) -3.02E+03 2.51E-03 8.56E-02 -1.13E-01
제4 렌즈(1140)(O) 6.70E+01 -1.13E-02 -1.01E-01 -1.01E-02
제4 렌즈(1140)(I) 1.74E+01 1.21E-02 -1.51E-01 1.28E-01
제5 렌즈(1150)(O) 2.47E+01 1.33E-02 -6.90E-02 -2.18E-02
제5 렌즈(1150)(I) 1.26E+01 -6.73E-02 2.65E-02 -2.61E-02
제6 렌즈(1160)(O) -4.89E+00 -5.17E-02 1.39E-02 2.23E-04
제6 렌즈(1160)(I) -2.64E+01 7.77E-03 -2.56E-03 -7.44E-04
제7 렌즈(1170)(O) - - - -
제7 렌즈(1170)(I) - - - -
Surface D E F G
제1 렌즈(1110)(O) -1.08E-01 8.52E-01 -1.06E+00 -7.45E+00
제1 렌즈(1110)(I) -3.10E-01 1.20E+00 -3.05E+00 4.54E+00
제2 렌즈(1120)(O) -8.97E+00 1.19E+00 3.73E-01 -1.31E-01
제2 렌즈(1120)(I) -1.32E-01 1.78E-01 -1.76E-01 1.13E-01
제3 렌즈(1130)(O) 1.65E-01 -1.75E+00 2.95E+00 -1.28E+00
제3 렌즈(1130)(I) 1.48E-01 1.71E-01 7.94E-04 -1.62E-01
제4 렌즈(1140)(O) 2.58E-01 -9.27E-01 1.32E+00 -8.25E-01
제4 렌즈(1140)(I) -2.37E-01 2.31E-01 -2.89E-02 -1.63E-01
제5 렌즈(1150)(O) 6.38E-03 -1.31E-02 5.38E-03 3.01E-03
제5 렌즈(1150)(I) 5.82E-03 1.09E-03 -4.78E-04 -1.69E-04
제6 렌즈(1160)(O) -1.11E-04 -9.85E-06 2.46E-07 1.11E-07
제6 렌즈(1160)(I) 1.10E-05 3.95E-06 -1.43E-07 -9.89E-09
제7 렌즈(1170)(O) - - - -
제7 렌즈(1170)(I) - - - -
도 4a는 도 1의 렌즈 어셈블리(1100)의 구면수차(Spherical Aberration)를 나타내는 그래프이다. 구면 수차는 렌즈의 서로 다른 부분들, 예를 들어 중심부(Chief Portion)와 주변부(Marginal Portion)를 통과하는 광들이 초점을 맺는 위치가 달라지는 정도를 나타낸다.
도 4a에서, 가로축은 종방향 구면수차(Longitudinal Spherical Aberration)의 정도를 나타내고, 세로축은 광축의 중심으로부터의 거리를 규격화(Normalization)하여 나타낸 것으로서, 빛의 파장에 따른 종방향 구면수차의 변화가 도시될 수 있다. 도 4a는 486 nm, 588 nm, 656 nm인 광에 대한 구면수차를 보여준다. 렌즈 어셈블리(1100)의 종방향 구면수차는 - 0.50 mm 내지 + 0.50 mm, - 0.30 mm 내지 + 0.40 mm, 또는 - 0.10 mm 내지 + 0.35 mm 일 수 있다. 도 4a에 따르면, 종방향 구면수차가 - 0.10 mm 내지 + 0.35 mm로 제한되어 안정적인 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 4b는 도 1의 렌즈 어셈블리(1100)의 비점수차(Astigmatism)를 나타내는 그래프이다. 비점수차는 렌즈의 자오상면(Tangential Plane 또는 Meridian Plane)과 구결상면(Sagittal Plane)이 서로 다른 반경을 가질 때, 수직선 방향과 수평선 방향을 통과하는 광의 초점이 서로 어긋나는 정도를 나타낸다.
도 4b에서, 가로축은 비점수차의 정도를 나타내고, 세로축은 광의 입사각도를 나타낸 것으로서, 486 nm, 588 nm, 656 nm의 광에 대한 비점수차의 변화를 보여준다. 실선은 탄젠셜(Tangential) 방향의 비점수차를 나타내고, 점선은 시상(Saggital) 방향의 비점수차를 의미한다. 도 4b를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 렌즈 어셈블리(1100)의 비점수차는 - 0.50 mm 내지 + 0.50 mm, 더 구체적으로는 - 0.30 mm 내지 + 0.40 mm 로 제한되어 안정적인 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 4c는 도 1의 렌즈 어셈블리(1100)의 왜곡수차(Distortion)를 나타내는 그래프이다. 왜곡수차는 광축(O-I)으로부터 거리에 따라 광학배율이 달라지게 되기 때문에 발생하는 것으로서, 이론적인 결상면에 맺히는 상에 비해, 실제 결상면(1200a)에 맺히는 상이 크거나 작게 보이는 정도를 나타낸다.
도 4c에서 가로축은 왜곡수차의 정도를 나타내고, 세로축은 광의 입사각도를 나타낸 것으로서, 486 nm, 588 nm, 656 nm 파장의 광에 대한 왜곡수차를 보여주며, 왜곡율이 5% 미만 또는 4.2% 미만일 수 있으며, 도 4c를 참조하면, 4.2% 미만으로 렌즈 어셈블리(1100)가 양호한 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 4d는 도 1의 렌즈 어셈블리(1100)의 MTF(Modulation Transfer Function)를 나타내는 그래프이다. MTF는 렌즈의 해상력, 즉, 한점에서 출발한 광선들이 렌즈를 통과하여 다른 한 지점으로 얼마나 작게 모이는지를 측정하는 지표로 활용될 수 있다. 도 4d의 가로축은 'cycles/mm'를 나타내며, 예를 들어, 120 cycles/mm란, 1 mm 안에 120개의 검은색, 120개의 흰색 띠가 교차되어 있는 패턴을 의미할 수 있다. 도 4d의 세로축은 MTF를 나타내며, MTF가 0.5 이상일 때, 검은색 띠와 흰색 띠가 구별이 가능한 해상력을 가지는 것으로 볼 수 있다. 렌즈 어셈블리(1100)는 탄젠셜(Tangential) 방향의 패턴의 정규입사(0.0 Field) 광에 대해 120 cycles/mm에서 0.5 이상, 구체적으로는 0.7 이상의 MTF를 보임을 알 수 있다.
도 1의 렌즈 어셈블리(1100)는 1개의 메타렌즈를 포함하는 구성을 예시하지만, 렌즈 어셈블리는 2개 이상의 메타렌즈를 포함할 수도 있다. 또한 도 1은 메타렌즈가 제2 렌즈(1120)의 피사체 면 측에 배치된 것을 예시하지만, 굴절렌즈와 결합하지 않고 메타렌즈가 독립적으로 배치되거나, 그 위치가 변경될 수도 있다. 예를 들면, 메타렌즈는 제1 렌즈(1110) 또는 제2 렌즈(1120)의 상 면 측에 배치될 수도 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 메타렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리의 단면도이고, 도 6a 내지 도 6d는 도 5의 렌즈 어셈블리의 광학적 특성을 나타내는 도면이다. 도 5의 렌즈 어셈블리를 설명함에 있어서, 앞선 실시예와 중복되는 내용은 생략한다.
도 5를 참조하면, 렌즈 어셈블리(1300)는, 복수의 렌즈들과 이미지 센서(1200)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 광축(O-I) 방향으로 순차적으로 배열된 제1 렌즈 내지 제7 렌즈(1310, 1320, 1330, 1340, 1350, 1360, 1370)를 포함할 수 있다. 도 1의 렌즈 어셈블리(1100)와 비교하면, 렌즈 어셈블리(1300)는 두 개의 메타렌즈, 즉, 제1 메타렌즈(1320a) 및 제2 메타렌즈 (1370a)를 포함한다. 제1 메타렌즈(1320a)는 도 1의 메타렌즈(1120a)와 구조, 배치 및 기능이 유사하다. 제2 메타렌즈(1370a)는 이미지 센서(1200)의 결상면(1200a)으로 입사하는 광이 광축(O-I)에 대해 작은 기울기를 갖도록 하고, 또한 횡방향(광 축과 직교하는 방향) 색수차를 보정하도록 설계될 수 있다. 제2 메타렌즈(1370a)를 통해 이미지 센서(1200) 주변부의 광량이 확보되어 낮은 조도에서도 양호한 밝기의 피사체 이미지가 획득될 수 있다.
아래 [표 4]는 도 5의 렌즈 어셈블리(1300)의 각종 렌즈 데이터를 나타낸다. [표 5] 내지 [표 6]은 복수의 렌즈들의 비구면 계수를 각각 기재한 것이다. 렌즈 어셈블리(1300)는 전장(TTL)이 7.2 mm, 유효초점거리가 7.0 mm, 제1 메타렌즈(1320a)의 초점거리가 52.7 mm, 이미지센서 대각선 길이(ISS)는 12 mm 인 예를 보여준다.
Surface Radius Thickness 유효 반경 EFL nd vd
제1 렌즈(1310)(O) 3.61E+00 8.86E-01 1.85E+00 7.17 1.54 54
제1 렌즈(1310)(I) 9.28E+00 1.94E-01 1.81E+00
제2 렌즈(1320)(O) Infinity 3.97E-01 1.81E+00 9.6
제2 렌즈(1320)(I) -7.77E+00 6.78E-03 1.77E+00 1.65 21.7
제3 렌즈(1330)(O) -5.39E+01 4.00E-01 1.65E+00 -9.93 1.54 54
제3 렌즈(1330)(I) 1.60E+01 1.02E+00 1.50E+00
제4 렌즈(1340)(O) -1.85E+01 4.38E-01 1.80E+00 631 1.54 54
제4 렌즈(1340)(I) -9.27E+00 5.93E-01 2.10E+00
제5 렌즈(1350)(O) -1.65E+01 5.18E-01 2.40E+00 11.5 1.54 54
제5 렌즈(1350)(I) -1.76E+01 1.40E+00 3.05E+00
제6 렌즈(1360)(O) -3.52E+00 2.80E-01 4.40E+00 -4.91 1.54 54
제6 렌즈(1360)(I) -3.24E+01 1.87E-02 4.55E+00
제7 렌즈(1370)(O) Infinity 2.00E-01 5.60E+00 -333
제7 렌즈(1370)(I) Infinity 8.50E-01 5.25E+00 1.52 64.2
이미지센서(1200) - - - -
Surface K A B C
제1 렌즈(1310)(O) 5.18E-02 6.94E-02 4.79E-02 -1.05E-03
제1 렌즈(1310)(I) 8.81E-01 3.85E-02 -8.86E-03 -5.85E-03
제2 렌즈(1320)(O) 0.00E+00 -1.01E+02 2.71E+00 1.97E+01
제2 렌즈(1320)(I) -3.36E+01 -3.02E-03 1.12E-02 8.95E-02
제3 렌즈(1330)(O) 9.64E+01 -5.50E-02 9.68E-02 2.71E-01
제3 렌즈(1330)(I) -3.02E+03 2.28E-03 8.49E-02 -1.14E-01
제4 렌즈(1340)(O) 6.70E+01 -1.15E-02 -1.01E-01 -1.04E-02
제4 렌즈(1340)(I) 1.74E+01 1.29E-02 -1.49E-01 1.29E-01
제5 렌즈(1350)(O) 2.47E+01 1.29E-02 -6.75E-02 -2.30E-02
제5 렌즈(1350)(I) 1.26E+01 -6.64E-02 2.59E-02 -2.58E-02
제6 렌즈(1360)(O) -4.89E+00 -4.96E-02 1.42E-02 2.71E-04
제6 렌즈(1360)(I) -2.64E+01 8.22E-03 -2.19E-03 -7.06E-04
제7 렌즈(1370)(O) 0.00E+00 1.61E+01 7.37E-01 -2.35E-01
제7 렌즈(1370)(I) - - - -
Surface D E F G
제1 렌즈(1310)(O) -1.09E-01 8.49E-01 -1.06E+00 -7.46E+00
제1 렌즈(1310)(I) -3.10E-01 1.20E+00 -3.05E+00 4.53E+00
제2 렌즈(1320)(O) -8.96E+00 1.18E+00 3.73E-01 -1.31E-01
제2 렌즈(1320)(I) -1.32E-01 1.78E-01 -1.76E-01 1.13E-01
제3 렌즈(1330)(O) 1.66E-01 -1.74E+00 2.95E+00 -1.27E+00
제3 렌즈(1330)(I) 1.49E-01 1.72E-01 4.01E-03 -1.56E-01
제4 렌즈(1340)(O) 2.59E-01 -9.26E-01 1.32E+00 -8.26E-01
제4 렌즈(1340)(I) -2.38E-01 2.31E-01 -2.88E-02 -1.63E-01
제5 렌즈(1350)(O) 5.69E-03 -1.33E-02 5.30E-03 2.95E-03
제5 렌즈(1350)(I) 5.71E-03 1.06E-03 -4.52E-04 -1.45E-04
제6 렌즈(1360)(O) -1.01E-04 -7.85E-06 5.09E-07 1.32E-07
제6 렌즈(1360)(I) 1.30E-05 4.04E-06 -1.39E-07 -9.40E-09
제7 렌즈(1370)(O) 1.18E-02 -1.82E-04 9.15E-06 -5.49E-07
제7 렌즈(1370)(I) - - - -
도 6a는 도 5의 렌즈 어셈블리(1300)의 구면수차(Spherical Aberration)를 나타내는 그래프이고, 도 6b는 렌즈 어셈블리(1300)의 비점수차(Astigmatism)를 나타내는 그래프이고, 도 6c는 렌즈 어셈블리(1300)의 왜곡수차(Distortion)를 나타내는 그래프이며, 486 nm, 588 nm, 656 nm 파장의 광에서 얻어진 결과이다. 도 6d는 렌즈 어셈블리(1300)의 MTF를 도시하는 도면이다.
도 6a를 참조하면, 렌즈 어셈블리(1300)의 종방향 구면수차는 - 0.50 mm 내지 + 0.50 mm, - 0.30 mm 내지 + 0.40 mm, 또는 - 0.10 mm 내지 + 0.3 mm 일 수 있다. 도 6a에 따르면, 종방향 구면수차가 - 0.05 mm 내지 + 0.25 mm로 제한되어 안정적인 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 렌즈 어셈블리(1300)의 비점수차는 - 0.50 mm 내지 + 0.50 mm, - 0.30 mm 내지 + 0.40 mm, 또는 - 0.20 mm 내지 + 0.30 mm 일 수 있다. 도 6b에 따르면, 종방향 구면수차가 - 0.15 mm 내지 + 0.25 mm로 제한되어 안정적인 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 렌즈 어셈블리(1300)의 왜곡률은 5% 미만 일 수 있으며, 도 6c를 참조하면, 5% 미만으로 렌즈 어셈블리(1300)가 양호한 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 6d를 참조하면 렌즈 어셈블리(1300)는 탄젠셜(Tangential) 방향의 패턴의 정규입사(0.0 Field) 광에 대해 120 cycles/mm에서 0.5 이상, 구체적으로는 0.7 이상의 MTF를 보일 수 있다. 도 6d를 참조하면, MTF가 0.7 이상으로 렌즈 어셈블리(1300)가 양호한 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 메타렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리의 단면도이고, 도 8a 내지 도 8d는 도 7의 렌즈 어셈블리의 광학적 특성을 나타내는 도면이다. 도 7의 렌즈 어셈블리를 설명함에 있어서, 앞선 실시예와 중복되는 내용은 생략한다.
도 7을 참조하면, 렌즈 어셈블리(1500)는, 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 렌즈 어셈블리(1500)는 광축(O-I) 방향으로 순차적으로 배열된 제1 렌즈 내지 제8 렌즈(1510, 1520, 1530, 1540, 1550, 1560, 1570, 1580)를 포함할 수 있다. 도 5의 렌즈 어셈블리(1300)와 비교하면, 렌즈 어셈블리(1500)는 제6 렌즈(1560)를 추가로 포함하는 구성일 수 있다.
아래 [표 7]은 도 7의 렌즈 어셈블리(1500)의 각종 렌즈 데이터를 나타낸다. [표 8] 내지 [표 9]는 복수의 렌즈들의 비구면 계수를 각각 기재한 것이다. 렌즈 어셈블리(1500)는 전장(TTL)이 7.2 mm, 유효초점거리가 7.0 mm, 제1 메타렌즈(1520a)의 초점거리가 90 mm, 이미지센서 대각선 길이(ISS)가 12 mm 인 예를 보여준다.
Surface Radius Thickness 유효 반경 EFL nd vd
제1 렌즈(1510)(O) 4.00E+00 9.45E-01 1.87E+00 6.14 1.54 54
제1 렌즈(1510)(I) 1.59E+01 1.34E-01 1.93E+00
제2 렌즈(1520)(O) Infinity 4.68E-01 1.80E+00 97.4
제2 렌즈(1520)(I) -1.17E+01 4.28E-03 1.81E+00 1.65 21.7
제3 렌즈(1530)(O) 3.48E+01 3.16E-01 1.65E+00 -18.2 1.54 54
제3 렌즈(1530)(I) 1.42E+01 6.49E-01 1.50E+00
제4 렌즈(1540)(O) -1.97E+01 6.34E-01 1.55E+00 18.1 1.54 54
제4 렌즈(1540)(I) -7.66E+00 1.06E+00 1.78E+00
제5 렌즈(1550)(O) -2.44E+01 3.01E-01 2.30E+00 21.4 1.54 54
제5 렌즈(1550)(I) -2.60E+01 1.67E-03 3.00E+00
제6 렌즈(1560)(O) 6.05E+01 3.83E-01 3.53E+00 46.3 1.54 54
제6 렌즈(1560)(I) -2.17E+02 9.23E-01 3.73E+00
제7 렌즈(1570)(O) -3.07E+00 2.79E-01 4.09E+00 -4.4 1.54 54
제7 렌즈(1570)(I) -1.21E+02 1.79E-01 4.60E+00
제8 렌즈(1580)(O) Infinity 2.00E-01 5.38E+00 161.5 1.52 64.2
제8 렌즈(1580)(I) Infinity 7.52E-01 5.47E+00
이미지센서 - - - -
Surface K A B C
제1 렌즈(1510)(O) 5.18E-02 6.94E-02 2.45E-02 -2.38E-02
제1 렌즈(1510)(I) 8.81E-01 2.01E-02 -5.68E-02 1.40E-02
제2 렌즈(1520)(O) 0.00E+00 -6.46E+01 -8.74E-01 1.22E+01
제2 렌즈(1520)(I) -3.36E+01 4.40E-02 1.17E-03 7.84E-02
제3 렌즈(1530)(O) 9.64E+01 3.09E-03 -1.86E-02 2.99E-01
제3 렌즈(1530)(I) -3.02E+03 3.30E-02 6.97E-02 -1.89E-01
제4 렌즈(1540)(O) 6.70E+01 -2.51E-02 -8.91E-02 -6.14E-02
제4 렌즈(1540)(I) 1.74E+01 -3.36E-02 -9.52E-02 4.37E-02
제5 렌즈(1550)(O) 2.47E+01 5.58E-04 -5.47E-02 -4.45E-02
제5 렌즈(1550)(I) 1.26E+01 -4.34E-02 1.80E-02 -2.59E-02
제6 렌즈(1560)(O) 0.00E+00 4.51E-03 -2.58E+01 -2.84E+03
제6 렌즈(1560)(I) 0.00E+00 -4.81E-03 -1.44E+01 1.47E+03
제7 렌즈(1570)(O) -4.89E+00 -5.05E-02 -3.92E-03 8.04E-03
제7 렌즈(1570)(I) -2.64E+01 -1.43E-03 -5.23E-03 -4.00E-04
제8 렌즈(1580)(O) 0.00E+00 -3.31E+01 1.02E+01 -1.19E+00
제8 렌즈(1580)(I) 0.00E+00 - - -
Surface D E F G
제1 렌즈(1510)(O) -6.61E-02 6.00E-01 -1.08E+00 -6.75E+00
제1 렌즈(1510)(I) -2.30E-01 1.22E+00 -2.99E+00 4.25E+00
제2 렌즈(1520)(O) -7.68E+00 2.80E+00 -2.85E-01 -1.22E-01
제2 렌즈(1520)(I) -1.37E-01 1.92E-01 -1.92E-01 1.24E-01
제3 렌즈(1530)(O) 1.67E-01 -1.58E+00 2.98E+00 -1.54E+00
제3 렌즈(1530)(I) 4.15E-01 -7.36E-02 -3.31E-01 1.42E-02
제4 렌즈(1540)(O) 2.27E-01 -8.54E-01 1.26E+00 -9.25E-01
제4 렌즈(1540)(I) -1.30E-01 -8.35E-03 6.16E-01 -1.14E+00
제5 렌즈(1550)(O) -9.30E-03 8.64E-03 -3.48E-03 2.71E-05
제5 렌즈(1550)(I) -4.30E-03 2.08E-02 -8.84E-03 -2.84E-04
제6 렌즈(1560)(O) 6.48E+06 1.50E+09 -2.85E+12 0.00E+00
제6 렌즈(1560)(I) -1.15E+06 -4.62E+08 7.23E+11 0.00E+00
제7 렌즈(1570)(O) -1.36E-03 4.50E-05 5.52E-06 -1.39E-07
제7 렌즈(1570)(I) -1.25E-05 2.62E-06 2.23E-07 4.03E-09
제8 렌즈(1580)(O) 8.11E-02 -3.41E-03 8.81E-05 -1.44E-06
제8 렌즈(1580)(I) - - - -
도 8a는 도 7의 렌즈 어셈블리(1500)의 구면수차(Spherical Aberration)를 나타내는 그래프이고, 도 8b는 렌즈 어셈블리(1500)의 비점수차(Astigmatism)를 나타내는 그래프이고, 도 8c는 렌즈 어셈블리(1500)의 왜곡수차(Distortion)를 나타내는 그래프이며, 486 nm, 588 nm, 656 nm의 파장에서 얻어진 결과이다. 도 8d는 렌즈 어셈블리(1500)의 MTF를 도시하는 도면이다.
도 8a를 참조하면, 렌즈 어셈블리(1500)의 종방향 구면수차는 - 0.50 mm 내지 + 0.50 mm, - 0.30 mm 내지 + 0.40 mm, 또는 - 0.10 mm 내지 + 0.35 mm 일 수 있다. 도 8a에 따르면, 종방향 구면수차가 - 0.05 mm 내지 + 0.35 mm로 제한되어 안정적인 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 렌즈 어셈블리(1500)의 비점수차는 - 0.50 mm 내지 + 0.50 mm, - 0.30 mm 내지 + 0.40 mm, 또는 - 0.20 mm 내지 + 0.35 mm 일 수 있다. 도 8b에 따르면, 종방향 구면수차가 - 0.15 mm 내지 + 0.35 mm로 제한되어 안정적인 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 렌즈 어셈블리(1500)의 왜곡률은 8% 미만 또는 6% 미만일 수 있으며, 도 8c를 참조하면, 6% 미만으로 렌즈 어셈블리(1500)가 양호한 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 8d를 참조하면, 렌즈 어셈블리(1500)는 탄젠셜(Tangential) 방향의 패턴의 정규입사(0.0 Field) 광에 대해 120 cycles/mm에서 0.5 이상, 구체적으로는 0.7 이상의 MTF를 보일 수 있다. 도 8d를 참조하면, MTF가 0.7 이상으로 렌즈 어셈블리(1500)가 양호한 광학 특성을 보임을 확인할 수 있다.
이하에서는, 도 9 내지 도 20을 참고하여, 서로 다른 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 제공하는 메타렌즈의 구조 및 설계방법에 대해 설명한다. 도 1, 도 5, 및 도 7의 메타렌즈들(1120a, 1320a, 1370a, 1520a, 1580a)은 아래에서 설명하는 방식으로 설계될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 메타렌즈의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다. 도 10은 도 9의 메타렌즈로 구현하고자 하는 위상지연 프로파일을 X-X'선을 따라 보여주는 도면이고, 도 11은 도 9의 메타렌즈를 X-X' 선을 따라 자른 수직 단면도이다.
도 9는 동심원 형태로 배열된 3개의 프레넬 존(r1, r2, r3)을 갖는 나노구조물 어레이(300)를 포함하는 메타렌즈(100)를 예시적으로 도시한다. 프레넬 존의 수, 나노구조물의 수, 나노구조물의 배치는 메타렌즈의 크기, 구현하고자 하는 굴절력 및 위상지연 프로파일에 따라 다를 수 있다.
도 10은 도 9의 X-X'라인에 따라 도시한 메타렌즈(100)의 위상 언래핑(Phase Unwrapping)된 프로파일을 보인다. 위상 언래핑은, 위상 지연량에서 2ð의 정수배를 감하여 0 에서 2ð 사이의 상대 위상 지연에 해당하는 위상 성분을 남기는 것을 의미한다. 나노구조물의 높이, 폭 등을 조절하여 구현할 수 있는 위상 지연에는 한계가 있기 때문에, 위상 언래핑을 통해 프레넬(Fresnel) 렌즈와 유사한 원리로 0 ~ 2ð의 상대 위상 지연을 구현하는 구조를 반복 배치하는 방법으로 동심원 형태의 프레넬 존(r1, r2, r3)을 형성할 수 있다.
도 9의 메타렌즈(100)는 볼록렌즈로 기능할 수 있도록 렌즈의 중심에서 외주방향(R 방향)으로 감소하는 위상지연 프로파일을 가지며, 작동 파장 대역의 입사광에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 제공할 수 있다. 다시 말해, 메타렌즈(100)로 입사하는 광과 출사하는 광의 위상 차이를 보여주는 위상지연 프로파일이 다양한 파장에 대해 동일할 수 있으며, 예를 들면, 메타렌즈(100)를 통과한 제1 파장(588 nm) 광, 제2 파장(486 nm) 및 제3 파장(656 nm) 광의 위상지연 프로파일이 동일할 수 있다. 따라서 제1 파장(588 nm) 광의 위상 지연량이 R 방향을 따라 2ð만큼 변화할 때, 제2 파장(486 nm) 및 제3 파장(656 nm) 광도 2ð만큼의 위상지연 변화를 보이므로 메타렌즈의 설계가 용이해지고, 성능이 개선될 수 있다. 위상지연의 변화가 동일하다는 것은 완전히 동일함을 의미하지 않으며, 작동 파장 대역에서 파장에 따른 위상 지연의 변화량의 차이가 10% 오차 내에 들어온다는 의미이다. 도 9의 메타렌즈(100)가 설계된 기능을 발휘할 수 있는 작동 파장 대역은 가시광 대역일 수 있다.
도 11은 도 9의 X-X'선을 따라 자른 메타렌즈(100)의 수직 단면도이다. 도 11은 메타렌즈(100)의 중심에서 R 방향으로 배열된 3개의 프레넬 존(r1, r2, r3)에 19개의 나노구조물들이 배치된 구조를 예시적으로 보여준다.
도 12a는 도 11의 제3 프레넬 존(r3)에 배치된 나노구조물들 중에서 제1 나노구조물(310)의 단면을 보다 상세하게 도시하는 도면이고, 도 12b 및 도 12c는 각각 도 12a의 Y1-Y1'선 및 Y2-Y2'선을 따라 자른 수평 단면도이다.
제1 나노구조물(310)은 제1 위상변환층(311), 제2 위상변환층(315) 및 지지층(370)을 포함할 수 있다. 제1 위상변환층(311)은 제1 나노구조물(310)로 입사하는 광과 반응하여 위상을 변화시킬 수 있다. 이렇게 위상이 변화된 광이 제2 위상변환층(315)에 입사할 수 있으며, 제2 위상변환층(315)은 광의 위상을 추가로 변화시킬 수 있다. 결과적으로, 입사광은 순차적으로 제1 위상변환층(311) 및 제2 위상변환층(315)과 상호 작용하여, 위상이 변화된 형태로 출광될 수 있다. 도 11 및 12a는 제1 위상변환층(311)과 제2 위상변환층(315)을 지지하는 지지층(370)을 보여주지만, 지지층(370)은 존재하지 않을 수도 있다.
제1 위상변환층(311) 및 제2 위상변환층(315) 각각은 굴절률이 서로 다른 물질들이 조합된 형태일 수 있다. 도 11과 도 12가 보여주는 실시예에 따르면, 제1 위상변환층(311) 및 제2 위상변환층(315)은 각각 하나의 물질이 다른 물질을 둘러싸고 있는 형태일 수 있다. 예를 들어, 제1 위상변환층(311) 및 제2 위상변환층(315)은 각각 내부 기둥과, 내부 기둥을 둘러싸는 구조체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 위상변환층(311)은 내부가 비어있는 구조체의 형태로써, 다르게 말하면, 공기 기둥(311a)을 구조체가 둘러싸는 형태일 수 있다. 이와 달리, 제2 위상변환층(315)은 내부가 채워진 구조체의 형태로써, 다르게 말하면, 기둥 모양의 내부 물질을 다른 물질의 구조체가 둘러싸는 형태일 수 있다. 내부 물질을 둘러싸는 제1 위상변환층(311) 및 제2 위상변환층(315)의 구조체는 동일한 물질일 수 있으며, 예를 들어, 유전체(SiO2 등), 글래스(Fused Silica, BK7 등), Quartz, Polymer(PMMA, SU-8 등), 플라스틱, 및/또는 반도체 물질로 이루어 질 수 있다. 내부기둥의 물질은 결정질 실리콘(Crystalline Silicon; c-Si), 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), Si3N4, GaP, GaAs, TiOx, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, 및/또는 ZnGeP2 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 위상변환층(315)의 내부기둥은 TiO2로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 위상변환층(311, 315)의 단면 형상, 크기 및 높이와 제1 및 제2 내부기둥(311a, 315a)의 단면 형상, 크기 및 높이는 선택된 물질의 특징을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 위상변환층(311, 315)의 단면은, 전체적으로 정사각형, 직사각형, 평행사변형, 정육각형 등의 형상을 가질 수 있으며, 도 12b 및 도 12c는 정사각형인 예를 보여준다. 제1 및 제2 위상변환층(311, 315)의 폭(w310)은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 가시광의 위상을 변화시키도록 설계된 제1 및 제2 위상변환층(311, 315)의 폭(w310)은 400nm, 또는 300 nm 보다 작을 수 있으며, 예를 들어 250 nm일 수 있다.
제1 및 제2 내부기둥(311a, 315a)의 단면은 정사각형, 원형, 직사각형, 중공의 원형, 중공의 사각형 등이 될 수 있으며, 도 12b 및 도 12c는 정사각형인 예를 보여준다. 제1 및 제2 내부기둥(311a, 315a)은 내부에서의 광공진을 피하기 위해서, 높이(h311, h315)가 폭(w311a, w315a) 보다 2배 이상 큰 것이 바람직하다. 제1 및 제2 내부기둥(311a, 315a)의 높이(h311, h315)는 물질의 특성 및 제조 공정을 고려한 반복적인 시뮬레이션을 통해 최적화 될 수 있다. 도 12a 에서는 동일하게 표시되었으나, 제1 및 제2 내부기둥(311a, 315a)의 높이는 제1 및 제2 위상변환층(311, 315)의 높이와 다를 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 내부기둥(311a, 315a)의 높이는 제1 및 제2 위상변환층(311, 315)의 높이보다 작을 수 있다. 가시광과 상호작용하도록 설계된 제1 위상변환층(311) 및 제1 내부기둥(311a)의 높이(h311)는 예를 들어, 3000 nm, 제2 위상변환층(315) 및 제2 내부기둥(315a)의 높이(h315)는 예를 들어, 1500 nm일 수 있다. 이 예에 따르면, 입사광과 먼저 상호작용하는 제1 위상변환층(311)의 높이가 제2 위상변환층(315)의 높이보다 클 수 있다. 제1 및 제2 위상변환층(311, 315) 사이 및/또는 제1 및 제2 내부기둥(311a, 315a) 사이에 스페이서층이 추가로 포함될 수 있다. 도 12d는 제1 및 제2 위상변환층(311, 315) 사이에 스페이서층(390)이 포함된 예를 도시한다.
지지층(370)은 제1 및 제2 위상변환층(311, 315)을 지지하고, 유전체(SiO2 등), 글래스(Fused Silica, BK7 등), Quartz, Polymer(PMMA, SU-8 등), 플라스틱, 및/또는 반도체 물질로 이루어 질 수 있다. 지지층(370)은 0.1 ~ 1.0 mm 의 두께를 가질 수 있다.
제1 및 제2 위상변환층(311, 315)의 제1 및 제2 내부기둥(311a, 315a)을 둘러싼 구조체와 지지층(370)은 동일한 물질, 예를 들면, SiO2로 이루어질 수 있다. 지지층(370)은 제1 및 제2 위상변환층(311, 315)의 구조체와 다른 물질로 이루어질 수도 있으며, 앞서 언급된 바와 같이 생략될 수도 있다.
도 13은 도 12a의 제1 나노구조물에 의한 상대위상지연과 내부기둥들의 폭과의 관계를 도시하는 도면이고, 이를 참고하여 입사광의 서로 다른 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 제공하는 메타렌즈를 설계하는 방법에 대해 설명한다.
먼저 나노구조물의 상대위상지연의 기준이 되는 기준구조물을 정한다. 메타렌즈의 크기, 나노구조물의 물질, 내부기둥의 형상 등에 따라 기준구조물의 폭, 단면 형상 등이 달라질 수 있으며, 기준구조물은 설계된 메타렌즈에서 프레넬 존의 중심부에 위치하는 것, 또는 프레넬 존 내에 포함되는 나노구조물들의 평균 위상지연 값을 가지는 것으로 정할 수 있다. 도 13은 단면의 폭(w311a)이 130 nm인 정사각형 형태의 제1 내부기둥과 단면의 폭(w315a)이 98 nm인 정사각형 형태의 제2 내부기둥을 가지는 나노구조물을 기준구조물로 하였다. 기준구조물은 나노구조물들의 상대적인 위상지연량을 비교하기 위한 것으로, 설계가 완성된 메타렌즈에 포함된 나노구조물 중 어느 하나일 필요가 없는, 가상의 구조물일 수 있다. 기준구조물의 설정은 프레넬 존 중심부에 위치할 수 있는 나노구조물의 스펙을 결정하는 것으로 수 번의 시뮬레이션 과정을 통해 최적화될 수 있다.
기준구조물이 설정되고 나면, 제1 내부기둥의 폭(w311a)과, 제2 내부기둥의 폭(w315a)을 변경하면서, 서로 다른 파장에 대해 기준구조물과 동일한 위상지연 차이를 제공하는 조합을 찾을 수 있다. 이러한 과정의 반복 수행을 통해 도 13과 같이 위상지연 량이 기준구조물 대비 -π 내지 π(Rad.)인 나노구조물의 제1 내부기둥의 폭(w311a)과, 제2 내부기둥의 폭(w315a)에 대한 그래프를 얻을 수 있다. 도 13을 참조하면, 예를 들어, 기준구조물 대비 위상지연이 π/3 Rad. 만큼 작은 나노구조물의 제1 내부기둥의 폭(w311a)은 147 nm이고, 제2 내부기둥의 폭(w351a)은 101 nm 가 될 수 있다. 다른 말로 표현하면, 제1 내부기둥의 폭(w311a)이 147 nm이고, 제2 내부기둥의 폭(w351a)이 101 nm 인 나노구조물을 통과한 제1 파장(588 nm) 광, 제2 파장(486 nm) 광, 및 제3 파장(656 nm) 광은, 기준구조물을 통과한 제1 파장(588 nm) 광, 제2 파장(486 nm) 광, 및 제3 파장(656 nm) 광보다 위상지연량이 π/3 Rad. 만큼 작다. 도 13과 같은 그래프를 얻으면 원하는 위상지연 프로파일을 구현하도록 나노구조물을 배치하여 메타렌즈를 설계할 수 있다.
도 14는 도 12a의 제1 나노구조물의 광대역 위상 정합성(η)을 나타내는 도면이다. 광대역 위상 정합성이 높을수록 이상적인 박막 렌즈(Thin Lens)의 투과 위상과 설계된 메타렌즈의 투과 위상의 유사도가 높다고 할 수 있다. 광대역 위상 정합성은 아래 [수학식 9]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00007
여기서
Figure pat00008
는 기준구조물 대비 위상 지연 차이(도 13의 가로 축),
Figure pat00009
는
Figure pat00010
의 위상 지연 차이를 가지는 것을 목표로 설계된 구조물의 위상 지연,
Figure pat00011
는 기준구조물의 위상 지연이다. 즉,
Figure pat00012
는 이상적인 타겟 위상 프로파일이며,
Figure pat00013
는 타겟 위상 프로파일과 실제 렌즈의 위상 지연과의 차이이다.
도 14를 참조하면, 도 13에 대해 설명한 방식으로 설계된 메타렌즈의 광대역 위상 정합성은 0.8 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.9 이상일 수 있다.
도 15는 도 11의 제3 프레넬 존(r3)에 배치된 나노구조물들을 보다 상세하게 도시하는 단면도이며, 도 15를 참조하여 인접한 나노구조물의 유효굴절률, 분산 및 내부기둥 폭의 관계를 설명한다. 유효굴절률(neff) 및 분산(D)은 각각 아래 [수학식 10], 및 [수학식 11]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00014
[수학식 11]
Figure pat00015
여기서 neff(λ)는 유효굴절률, λ는 파장,
Figure pat00016
는 위상지연, K0은 웨이브 넘버(Wave Number), h는 내부기둥의 높이, D(λ)는 분산이다.
도 15를 참조하면, 제1 나노구조물(310), 제2 나노구조물(330), 및 제3 나노구조물(350)이 메타렌즈의 외주 방향(R 방향)으로 배열되어 있다. 도 10을 참조하면 제3 프레넬 존(r3)의 위상지연은 R 방향으로 감소하는 프로파일을 가지며, 작동 파장 대역의 광에 동일한 위상지연 프로파일을 제공하도록 나노구조물들(310, 330, 350)이 설계된다. 앞선 [수학식 10]을 참고하면, 위상 지연은 유효굴절률에 비례하므로, R 방향으로 나노구조물들(310, 330, 350)의 유효굴절률이 감소하도록 설계되고, 이를 위해 제1 내부기둥들(311a, 331a, 351a)은 R 방향으로 폭이 증가할 수 있다. 제1 내부기둥들(311a, 331a, 351a)은 공기이고, 제1 내부기둥들(311a, 331a, 351a)을 감싸는 구조체의 물질이 SiO2인 경우를 예로 설명하면, 공기의 굴절률이 SiO2의 굴절률보다 작기 때문에, 공기 기둥의 폭이 커질수록 제1 위상변환층들(311, 331, 351)의 유효굴절률은 점차 감소한다. 대부분의 광학 재료들은 유효굴절률이 작아질수록 분산의 크기가 작아지기 때문에, 제1 위상변환층들(311, 331, 351)의 분산도 R 방향으로 감소한다. 하지만 유효굴절률의 감소율과 분산의 감소율이 다르기 때문에 제1 위상변환층들(311, 331, 351) 만으로 다른 파장의 광에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 제공하기가 어렵다. 이와 같은 유효굴절률 변화와 분산 변화의 차이를 도 15의 제2 위상변환층들(315, 335, 355)이 보정할 수 있다.
제2 내부기둥들(315a, 335a, 355a)은 R 방향으로 폭이 증가하도록 설계될 수 있다. 제2 내부기둥들(315a, 335a, 355a)이 TiO2이고 감싸는 구조체가 SiO2인 경우를 예로 설명하면, TiO2의 굴절률이 SiO2의 굴절률보다 높기 때문에 제2 위상변환층들(315, 335, 355)의 유효굴절률은 R 방향으로 증가한다. 제2 위상변환층들(315, 335, 355)의 유효굴절률 증가량을, 제1 위상변환층들(311, 331, 351)의 유효굴절률 감소량보다 작도록 설계하여, 나노구조물들(310, 330, 350)의 유효굴절률과 위상지연 프로파일이 R 방향으로 감소하게 만들 수 있다. 동시에, 제2 내부기둥들(315a, 335a, 355a)의 굴절률 증가율 대비 분산 증가율의 비율이, 제1 위상변환층들(311, 331, 351)의 굴절률 감소율 대비 분산 감소율의 비율보다 크게 설계될 수 있다. 다른 말로 표현하면, 제1 위상변환층들(311, 331, 351)의 분산이 R 방향으로 감소함에 따라 파장별 위상지연이 달라지는 것을 방지하기 위해, 제2 위상변환층들(315, 335, 355)의 분산은 이를 보정할 수 있을 만큼 R 방향으로 증가하며, 이 때, 제2 위상변환층들(315, 335, 355)의 굴절률은 제1 위상변환층들(311, 331, 351)의 굴절률 감소분을 모두 상쇄할 만큼 증가하면 안되기 때문에, 제2 위상변환층들(315, 335, 355)의 굴절률 증가율 대비 분산의 증가율이 제1 위상변환층들(311, 331, 351)의 굴절률 감소율 대비 분산의 감소율보다 크도록 설계된다.
일반적으로 굴절률이 큰 물질이 유효굴절률 변화율 대비 분산의 변화율이 크기 때문에, 제2 내부기둥들(315a, 335a, 355a)의 물질로, 제1 내부기둥들(311a, 331a, 351a) 보다 굴절률이 큰 물질이 사용될 수 있다. 또한 제1 및 제2 내부기둥들(311a, 331a, 351a, 315a, 335a, 355a) 중 높이가 작은 내부기둥들이 굴절률이 큰 물질로 구성될 수 있다. 제1 위상변환층들(311, 331, 351)과 제2 위상변환층들(315, 335, 355)의 유효굴절률 및 분산의 관계는 아래 [수학식 12] 내지 [수학식 14]를 만족할 수 있다.
[수학식 12]
N11 > N21
[수학식 13]
N12 < N22
[수학식 14]
Figure pat00017
<
Figure pat00018
N11은 제1 나노구조물(310)의 제1 위상변환층(311)의 유효굴절률, N12는 제1 나노구조물(310)의 제2 위상변환층(315)의 유효굴절률, N21은 제2 나노구조물(330)의 제1 위상변환층(331)의 유효굴절률, N22는 제2 나노구조물(330)의 제2 위상변환층(335)의 유효굴절률, D11은 제1 나노구조물(310)의 제1 위상변환층(311)의 분산, D12는 제1 나노구조물(310)의 제2 위상변환층(315)의 분산, D21은 제2 나노구조물(330)의 제1 위상변환층(331)의 분산, D22는 제2 나노구조물(330)의 제2 위상변환층(335)의 분산이다.
도 16a는 다른 실시예에 따른 제1 나노구조물의 단면을 도시하는 도면이고, 도 16b 및 도 16c는 도 16a의 Y3-Y3'선 및 Y4-Y4' 선을 따라 자른 수평 단면도이다. 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 12a의 제1 나노구조물(310)과 비교하면, 제1 나노구조물(410)은 제1 위상변환층(411)의 높이(h411)가 제2 위상변환층(415)의 높이(h415) 보다 작고, 제2 나노기둥(415a)은 단면이 중공의 사각형으로, 제2 나노기둥(415a)의 내부 공간은 구조체에 의해 채워져 있다.
도 16a의 제1 위상변환층(411)은 단면이 정사각형, 높이(h411)가 1450 nm, 제1 내부기둥(411a)은 단면이 정사각형, 물질은 TiO2인 것을 예로 들어 설명하며, 제2 위상변환층(415)은 단면이 정사각형, 높이(h415)는 2480 nm, 제2 내부기둥(415a)은 외주면 및 내주면의 단면이 정사각형이고, 물질은 Si3N4인 것을 예로 들어 설명한다. 내부기둥들(411a, 415a)의 높이는, 각 위상변환층의 높이와 같을 수 있고, 제1 및 제2 위상변환층(411, 415)의 구조체는 SiO2일 수 있다.
도 17은 도 16a의 제1 나노구조물(410)의 폭(w410), 제1 내부기둥(411a)의 폭(w411a), 제2 내부기둥(415a)의 외주면의 폭(w415a), 및 제2 내부기둥(415a)의 내주면의 폭(wi415a)과 제1 나노구조물(410)에 의한 상대 위상지연량의 관계를 보여주는 도면이고, 도 18은 도 16a의 제1 나노구조물(410)에 의한 광대역 위상 정합성을 보여주는 도면이다.
도 17을 참조하면, 도 16a의 제1 나노구조물의 폭(w410) 및 제1 내부기둥(411a)의 폭(w411a)은 위상지연이 커지는 방향으로 감소하는 프로파일을 보이고, 제2 내부기둥(415a)의 외주면의 폭(w415a)은 위상지연이 커지는 방향으로 증가하는 프로파일을 보이고, 내주면의 폭(wi415a)은 위상지연이 커지는 방향으로 대체로 증가하다가 위상지연이 π 로 접근할 때 소폭 감소하는 프로파일을 보인다.
도 18을 참조하면, 도 16a의 나노구조물(410)은 0 내지 60도로 입사하는 입사광에 대해 0.8 이상, 보다 구체적으로는 0.9 이상의 광대역 위상 정합성을 보인다.
도 19는 도 11의 제3 프레넬 존(r3)에 나노구조물들이 배열된 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 도 10에 도시된 것과 같이, R 방향으로 감소하는 위상지연 프로파일을 가지도록 설계된 나노구조물들(410, 430, 450)의 단면도이다.
도 19를 참조하면, 제1 나노구조물(410), 제2 나노구조물(430), 및 제3 나노구조물(450) 순서로 R 방향으로 배열되어 있으며, 서로 다른 파장의 입사광에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 제공하도록 설계될 수 있다.
도 15의 제2 위상변환층들(315, 335, 355)이 제1 위상변환층들(311, 331, 351)의 굴절률 변화율과 분산 변화율의 차이를 보정한 방식과 유사하게, 도 19의 제1 위상변환층들(411, 431, 451)이 제2 위상변환층들(415, 435, 455)의 굴절률 변화율과 분산 변화율의 차이를 보정할 수 있다. 위상지연 프로파일을 구현하기 위해 제2 위상변환층들(415, 435, 455)은 R 방향으로 유효굴절률이 감소하도록 설계될 수 있고, 제1 위상변환층들(411, 431, 451)은 유효굴절률이 제2 위상변환층들(415, 435, 455)의 유효굴절률 감소율 보다는 작은 증가율로 R 방향으로 증가하면서 제2 위상변환층들(415, 435, 455)의 분산 변화량을 보정하도록 설계될 수 있다.
도 20a 내지 도 20c는 제1 및 제2 내부기둥(511a, 515a)의 단면이 원형인 실시예를 예시하기 위한 도면이다. 도 20a는 제1 내부기둥(511a)이 SiO2 원기둥이고, 제2 내부기둥(515a)이 TiO2 원기둥인 나노구조물(510)의 단면도이고, 도 20b는 도 20a의 제1 위상변환층(511)의 수평 단면도이고, 도 20c는 도 20a의 제2 위상변환층(515)의 수평 단면도이다.
도 20a의 실시예에서는 제1 내부기둥(511a)과 제2 내부기둥(515a)의 단면이 동일한 형상(원형)인 것에 대해 예시하였으나, 제1 내부기둥(511a)과 제2 내부기둥(515a)의 단면은 다른 형상일 수 있으며, 예를 들어, 제1 내부기둥(511a)의 단면은 원형이고, 제2 내부기둥(515a)의 단면은 사각형일 수 있다.
도 21은 공통 경로(Common Path) 방식의 간섭계를 도시하며, 이를 참조하여 위상지연 프로파일을 측정하는 방법에 대해 설명한다.
도 21의 간섭계(600)는 레이저 광원(610)에서 나온 빛을 렌즈(620)를 이용하여 콜리메이션(Collimation) 시키고, 측정하고자 하는 샘플(630), 예를 들어, 앞서 설명한 메타렌즈를 통과시킨 후 그레이팅(640) 등으로 빔을 복제하여 나눈다. 간섭계(600)는 복제된 빔 중 하나를 핀 홀(650)을 통과시켜 평행파로 만들고, 나뉘어진 두 빔을 다시 합쳐서 이미지센서(660)로 측정하면 간섭 무늬(670)를 얻을 수 있다. 간섭무늬(670)를 푸리에(Fourier) 변환한 후, 적절히 필터링(680)하고 다시 역푸리에(Inverse Fourier) 변환을 하면 위상지연 프로파일을 보여주는 위상맵(690)을 얻을 수 있다. 위상지연과 유효굴절률과의 관계는 앞선 [수학식 10]과 같고, 유효굴절률과 분산의 관계는 앞선 [수학식 11]과 같으므로, 측정된 위상지연 프로파일로부터 유효굴절률 프로파일과 분산을 알 수 있다.
앞서 서술한 렌즈 어셈블리(1100, 1300, 1500)는 전자 장치(광학 장치 등)에 탑재되어 사용될 수 있다. 전자 장치는 이미지 센서(1200) 외에도, 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor)를 더 포함할 수 있으며, 어플리케이션 프로세서(AP)를 통해 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 어플리케이션 프로세서(AP)에 연결된 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(AP)는 GPU (Graphic Processing Unit) 및/또는 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor)를 더 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(AP)에 이미지 신호 프로세서가 포함되는 경우, 이미지 센서(1200)에 의해 획득된 이미지(또는 영상)를 어플리케이션 프로세서(AP)를 이용하여 저장 및/또는 출력할 수 있다.
도 22는, 네트워크 환경(2200) 내의 전자 장치(2201)의 일 예를 나타내는 블럭도이다. 도 22를 참조하면, 네트워크 환경(2200)에서 전자 장치(2201)는 제1 네트워크(2298)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(2202)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(2299)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(2204) 및/또는 서버(2208)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 서버(2208)를 통하여 전자 장치(2204)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 프로세서(2220), 메모리(2230), 입력 장치(2250), 음향 출력 장치(2255), 표시 장치(2260), 오디오 모듈(2270), 센서 모듈(2276), 인터페이스(2277), 햅틱 모듈(2279), 카메라 모듈(2280), 전력 관리 모듈(2288), 배터리(2289), 통신 모듈(2290), 가입자 식별 모듈(2296), 및/또는 안테나 모듈(2297)을 포함할 수 있다. 전자 장치(2201)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(2260) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(2276)(지문 센서, 홍채 센서, 조도 센서 등)은 표시 장치(2260)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.
프로세서(2220)는, 소프트웨어(프로그램(2240) 등)를 실행하여 프로세서(2220)에 연결된 전자 장치(2201) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(2220)는 다른 구성요소(센서 모듈(2276), 통신 모듈(2290) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(2232)에 로드하고, 휘발성 메모리(2232)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(2234)에 저장할 수 있다. 프로세서(2220)는 메인 프로세서(2221)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(2223)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(2223)는 메인 프로세서(2221)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.
보조 프로세서(2223)는, 메인 프로세서(2221)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(2221)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)와 함께, 전자 장치(2201)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(2260), 센서 모듈(2276), 통신 모듈(2290) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(2223)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(2280), 통신 모듈(2290) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.
메모리(2230)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220), 센서모듈(2276) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(2240) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(2230)는, 휘발성 메모리(2232) 및/또는 비휘발성 메모리(2234)를 포함할 수 있다.
프로그램(2240)은 메모리(2230)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(2242), 미들 웨어(2244) 및/또는 어플리케이션(2246)을 포함할 수 있다.
입력 장치(2250)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(2201)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(2250)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(2255)는 음향 신호를 전자 장치(2201)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(2255)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.
표시 장치(2260)는 전자 장치(2201)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(2260)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(2270)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(2270)은, 입력 장치(2250)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(2255), 및/또는 전자 장치(2201)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(2276)은 전자 장치(2201)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(2276)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(2277)는 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(2277)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(2278)는, 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(2278)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(2279)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(2279)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(2280)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 앞서 도 1, 도 5 및 도 7에서 설명한 렌즈 어셈블리들(1100, 1300, 1500) 중 어느 하나일 수 있다.
전력 관리 모듈(2288)은 전자 장치(2201)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(388)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(2289)는 전자 장치(2201)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(2289)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(2290)은 전자 장치(2201)와 다른 전자 장치(전자 장치(2102), 전자 장치(2104), 서버(2108) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 프로세서(2220)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 무선 통신 모듈(2292)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(2294)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(2298)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(2299)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(2292)은 가입자 식별 모듈(2296)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(2201)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(2297)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(2297)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(2290)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(2290)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(2297)의 일부로 포함될 수 있다.
구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.
명령 또는 데이터는 제2 네트워크(2299)에 연결된 서버(2108)를 통해서 전자 장치(2201)와 외부의 전자 장치(2204)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(2202, 2204)은 전자 장치(2201)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(2201)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(2202, 2204, 2208) 중 하나 이상의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(2201)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 이상의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 이상의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(2201)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
도 23은, 도 22의 카메라 모듈(2280)을 예시하는 블럭도이다. 도 23을 참조하면, 카메라 모듈(2280)은 렌즈 어셈블리(2310), 플래쉬(2320), 이미지 센서(2330)(도 1의 이미지센서(1200) 등), 이미지 스태빌라이저(2340), 메모리(2350)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(2360)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 앞서 도 1, 도 5 및 도 7에서 설명한 렌즈 어셈블리들(1100, 1300, 1500) 중 어느 하나일 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 복수의 렌즈 어셈블리(2310)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(2280)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(2310)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래쉬(2320)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(2320)는 하나 이상의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 이미지 센서(2330)는 도 1, 도 5 및 도 7에서 설명한 이미지센서(1200)이 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(2310)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지 센서(2330)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지 센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지 센서(2330)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.
이미지 스태빌라이저(2340)는 카메라 모듈(2280) 또는 이를 포함하는 전자 장치(2301)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(2310)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지 센서(2330)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지 센서(2330)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(2340)는 카메라 모듈(2280)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(2280) 또는 전자 장치(2301)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(2340)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(2350)는 이미지 센서(2330)을 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(2350)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(2360)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(2350)는 전자 장치(2201)의 메모리(2230)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(2360)는 이미지 센서(2330)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(2350)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 하나 이상의 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 하나 이상의 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)는 카메라 모듈(2280)에 포함된 구성 요소들(이미지 센서(2330) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(2350)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(2280)의 외부 구성 요소(메모리(2230), 표시 장치(2260), 전자 장치(2202), 전자 장치(2204), 서버(2208) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)는 프로세서(2220)에 통합되거나, 프로세서(2220)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)가 프로세서(2220)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(2360)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(2220)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(2260)를 통해 표시될 수 있다.
전자 장치(2201)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(2280)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.
이상, 본 문서에에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 문서의 요지에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다. 예를 들어, 실시예에서 개시한 복수의 렌즈들의 치수는, 실제 제작될 렌즈 어셈블리 또는 그러한 렌즈 어셈블리가 탑재될 전자 장치의 구조와 요구 사양, 실제 사용 환경 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다.

Claims (50)

  1. 피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 음(Negative)의 색수차를 가지는 메타렌즈를 포함하는 제2 렌즈;
    를 포함하는 렌즈 어셈블리.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 메타렌즈는 나노구조물 어레이를 포함하고, 상기 입사광에 포함된 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 형성하는 렌즈 어셈블리.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 입사광은 가시광인 렌즈 어셈블리.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 총 5개 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 메타렌즈는 아래의 수학식을 만족하는 렌즈 어셈블리.
    Figure pat00019

    (fM1은 상기 입사광에 포함된 제1 파장(λ1) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리, fM2는 상기 입사광에 포함된 제2 파장(λ2) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리, fM3은 상기 입사광에 포함된 제3 파장(λ3) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리)
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는, 상기 메타렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 상기 메타렌즈와 접촉하는 굴절렌즈를 더 포함하는 렌즈 어셈블리.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 아래의 수학식을 만족하는 렌즈 어셈블리.
    0.8*F0 < F1 < 1.2*F0
    (F1은 상기 제1 렌즈의 초점거리, F0은 상기 렌즈 어셈블리의 합성 초점거리)
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 아래의 수학식을 만족하는 렌즈 어셈블리.
    0.85*F0 < TTL < 1.2*F0
    (TTL은 상기 렌즈 어셈블리의 전장(Total Track Length), F0은 상기 렌즈 어셈블리의 합성 초점거리)
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 상기 피사체 측을 향하는 면의 유효 반경은 상기 제2 렌즈의 상기 피사체 측을 향하는 면의 유효 반경보다 큰 렌즈 어셈블리.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 나노구조물 어레이는 복수의 나노구조물들을 포함하며,
    상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 렌즈를 통과한 입사광과 반응하여 위상을 변화시키는 제1 위상변환층, 및 상기 제1 위상변환층을 통과한 입사광의 위상을 변화시키는 제2 위상변환층을 포함하고,
    상기 나노구조물들 중 어느 하나의 제1 나노구조물 및 상기 제1 나노구조물과 인접한 제2 나노구조물은 아래 수학식들을 만족하는 렌즈 어셈블리.
    N11 > N21
    N12 < N22
    (N11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    N21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률)
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 나노구조물 어레이는 복수의 나노구조물들을 포함하며,
    상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 렌즈를 통과한 입사광과 반응하여 위상을 변화시키는 제1 위상변환층, 및 상기 제1 위상변환층을 통과한 입사광의 위상을 변화시키는 제2 위상변환층을 포함하고,
    상기 나노구조물들 중 어느 하나의 제1 나노구조물 및 상기 제1 나노구조물과 인접한 제2 나노구조물은 아래 수학식을 만족하는 렌즈 어셈블리.
    Figure pat00020
    ≠
    Figure pat00021

    (N11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    N21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    D11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 분산,
    D12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 분산,
    D21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 분산,
    D22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 분산)
  12. 제2항에 있어서,
    상기 나노구조물 어레이는 복수의 나노구조물들을 포함하며,
    상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 렌즈를 통과한 입사광과 반응하여 위상을 변화시키는 제1 위상변환층, 및 상기 제1 위상변환층을 통과한 입사광의 위상을 변화시키는 제2 위상변환층을 포함하고,
    상기 제1 위상변환층은 제1 내부기둥 및 상기 제1 내부기둥을 둘러싸는 제1 구조체를 포함하고,
    상기 제2 위상변환층은 제2 내부기둥 및 상기 제2 내부기둥을 둘러싸는 제2 구조체를 포함하고,
    상기 제1 내부기둥과 상기 제1 구조체는 굴절률이 다른 물질로 이루어지고, 상기 제2 내부기둥과 상기 제2 구조체는 굴절률이 다른 물질로 이루어진,
    렌즈 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 내부기둥은 공기 기둥인, 렌즈 어셈블리.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 부(Negative)의 굴절력을 가지며, 상기 상 측을 향하는 면이 오목한 제3 렌즈;
    상기 제3 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제4 렌즈;
    상기 제4 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제5 렌즈; 및
    상기 제5 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 부(Negative)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제6 렌즈;를 포함하는 렌즈 어셈블리.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 메타렌즈는 제1 메타렌즈이고, 상기 렌즈 어셈블리는, 상기 제1 메타렌즈와 적어도 하나의 다른 렌즈를 사이에 두고 배치된 제2 메타렌즈를 더 포함하는 렌즈 어셈블리.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 상기 입사광에 포함된 적외선 파장 대역의 광을 제거하는 IR 필터를 더 포함하고,
    상기 제2 메타렌즈는 일면이 상기 IR 필터와 접촉하도록 배치된 렌즈 어셈블리.
  17. 피사체(Object) 측으로부터 상(Image) 측으로 복수의 렌즈들이 배치된 렌즈 어셈블리;
    상기 렌즈들을 순차적으로 통과한 입사광으로부터 상기 피사체의 이미지를 검출하는 이미지 센서; 및
    이미지를 저장 또는 출력하는 이미지 신호 프로세서를 포함하고,
    상기 렌즈 어셈블리는,
    피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 음(Negative)의 색수차를 가지는 메타렌즈를 포함하는 제2 렌즈;를 포함하는,
    전자 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 메타렌즈는 나노구조물 어레이를 포함하고, 상기 입사광에 포함된 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 형성하는 전자 장치.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 입사광은 가시광인 전자장치.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 총 5개 이상의 렌즈를 포함하는 전자 장치.
  21. 제17 항에 있어서,
    상기 메타렌즈는 아래 수학식을 만족하는 전자 장치.
    Figure pat00022

    (fM1은 상기 입사광에 포함된 제1 파장(λ1) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리, fM2는 상기 입사광에 포함된 제2 파장(λ2) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리, fM3은 상기 입사광에 포함된 제3 파장(λ3) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리)
  22. 제17 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는, 상기 메타렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 상기 메타렌즈와 접촉하는 굴절렌즈를 더 포함하는 전자 장치.
  23. 제17 항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 아래 수학식을 만족하는 전자 장치.
    0.8*F0 < F1 < 1.2*F0
    (F1은 상기 제1 렌즈의 초점거리, F0은 상기 렌즈 어셈블리의 합성 초점거리)
  24. 제17 항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 아래 수학식을 만족하는 전자 장치.
    0.85*F0 < TTL < 1.2*F0
    (TTL은 상기 렌즈 어셈블리의 전장(Total Track Length), F0은 상기 렌즈 어셈블리의 합성 초점거리)
  25. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 상기 피사체 측을 향하는 면의 유효 반경은 상기 제2 렌즈의 상기 피사체 측을 향하는 면의 유효 반경보다 큰 전자 장치.
  26. 제18 항에 있어서,
    상기 나노구조물 어레이는 복수의 나노구조물들을 포함하며,
    상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 렌즈를 통과한 입사광과 반응하여 위상을 변화시키는 제1 위상변환층, 및 상기 제1 위상변환층을 통과한 입사광의 위상을 변화시키는 제2 위상변환층을 포함하고,
    상기 나노구조물들 중 어느 하나의 제1 나노구조물 및 상기 제1 나노구조물과 인접한 제2 나노구조물은 아래 수학식들을 만족하는 전자 장치.
    N11 > N21
    N12 < N22
    (N11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    N21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률)
  27. 제18 항에 있어서,
    상기 나노구조물 어레이는 복수의 나노구조물들을 포함하며,
    상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 렌즈를 통과한 입사광과 반응하여 위상을 변화시키는 제1 위상변환층, 및 상기 제1 위상변환층을 통과한 입사광의 위상을 변화시키는 제2 위상변환층을 포함하고,
    상기 나노구조물들 중 어느 하나의 제1 나노구조물 및 상기 제1 나노구조물과 인접한 제2 나노구조물은 아래 수학식을 만족하는 전자 장치.
    Figure pat00023
    ≠
    Figure pat00024

    (N11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    N21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    D11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 분산,
    D12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 분산,
    D21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 분산,
    D22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 분산)
  28. 제18 항에 있어서,
    상기 나노구조물 어레이는 복수의 나노구조물들을 포함하며,
    상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 렌즈를 통과한 입사광과 반응하여 위상을 변화시키는 제1 위상변환층, 및 상기 제1 위상변환층을 통과한 입사광의 위상을 변화시키는 제2 위상변환층을 포함하고,
    상기 제1 위상변환층은 제1 내부기둥 및 상기 제1 내부기둥을 둘러싸는 제1 구조체를 포함하고,
    상기 제2 위상변환층은 제2 내부기둥 및 상기 제2 내부기둥을 둘러싸는 제2 구조체를 포함하고,
    상기 제1 내부기둥과 상기 제1 구조체는 굴절률이 다른 물질로 이루어지고, 상기 제2 내부기둥과 상기 제2 구조체는 굴절률이 다른 물질로 이루어진 전자 장치.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 제1 내부기둥은 공기 기둥인 전자 장치.
  30. 제17 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 부(Negative)의 굴절력을 가지며, 상기 상 측을 향하는 면이 오목한 제3 렌즈;
    상기 제3 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제4 렌즈;
    상기 제4 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제5 렌즈; 및
    상기 제5 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 부(Negative)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제6 렌즈;를 포함하는 전자 장치.
  31. 제17항에 있어서,
    상기 메타렌즈는 제1 메타렌즈이고, 상기 렌즈 어셈블리는, 상기 제1 메타렌즈의 사이에 적어도 하나의 다른 렌즈를 두고 배치된 제2 메타렌즈를 더 포함하는 전자 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 상기 입사광에 포함된 적외선 파장 대역의 광을 제거하는 IR 필터를 더 포함하고,
    상기 제2 메타렌즈는 일면이 상기 IR 필터와 접촉하도록 배치된 전자 장치.
  33. 입사광과 반응하여 상기 입사광의 위상을 변화시키는 제1 위상변환층, 및
    상기 제1 위상변환층을 통과한 상기 입사광의 위상을 변화시키는 제2 위상변환층을 포함하는 나노구조물들을 포함하고,
    상기 나노구조물들은 상기 입사광에 포함된 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 형성하는 메타 렌즈.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 입사광은 가시광인 메타 렌즈.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 메타렌즈는 아래 수학식을 만족하는 메타 렌즈.
    Figure pat00025

    (fM1은 상기 입사광에 포함된 제1 파장(λ1) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리, fM2는 상기 입사광에 포함된 제2 파장(λ2) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리, fM3은 상기 입사광에 포함된 제3 파장(λ3) 광에 대한 상기 메타렌즈의 초점거리)
  36. 제33항에 있어서,
    상기 나노구조물들 중 어느 하나의 제1 나노구조물 및 상기 제1 나노구조물과 인접한 제2 나노구조물은 아래 수학식들을 만족하는 메타 렌즈.
    N11 > N21
    N12 < N22
    (N11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    N21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률)
  37. 제33항에 있어서,
    상기 나노구조물들 중 어느 하나의 제1 나노구조물 및 상기 제1 나노구조물과 인접한 제2 나노구조물은 아래 수학식을 만족하는 렌즈 어셈블리.
    Figure pat00026
    ≠
    Figure pat00027

    (N11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    N21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 유효굴절률,
    N22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 유효굴절률,
    D11은 상기 제1 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 분산,
    D12는 상기 제1 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 분산,
    D21은 상기 제2 나노구조물의 상기 제1 위상변환층의 분산,
    D22는 상기 제2 나노구조물의 상기 제2 위상변환층의 분산)
  38. 제33항에 있어서,
    상기 제1 위상변환층은 제1 내부기둥 및 상기 제1 내부기둥을 둘러싸는 제1 구조체를 포함하고,
    상기 제2 위상변환층은 제2 내부기둥 및 상기 제2 내부기둥을 둘러싸는 제2 구조체를 포함하고,
    상기 제1 내부기둥과 상기 제1 구조체는 굴절률이 다른 물질로 이루어지고, 상기 제2 내부기둥과 상기 제2 구조체는 굴절률이 다른 물질로 이루어진,
    메타 렌즈.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 제1 내부기둥은 공기 기둥인, 메타 렌즈.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 제2 내부기둥은 상기 제1 내부기둥 보다 굴절률이 큰 물질로 이루어진 메타렌즈.
  41. 제38항에 있어서,
    상기 제1 내부기둥 및 상기 제2 내부기둥은 폭 대비 높이의 비가 2배 이상의 기둥 형상인 메타렌즈.
  42. 제33항에 있어서,
    상기 제1 위상변환층 및 상기 제2 위상변환층을 지지하는 지지층을 더 포함하는 메타렌즈.
  43. 제33항에 있어서,
    상기 제1 위상변환층 및 상기 제2 위상변환층 사이에 개재된 스페이서층을 더 포함하는 메타렌즈.
  44. 피사체(Object) 측으로부터 상(Image) 측으로 복수의 렌즈들이 배치된 렌즈 어셈블리;
    상기 렌즈들을 순차적으로 통과한 입사광으로부터 상기 피사체의 이미지를 검출하는 이미지 센서; 및
    이미지를 저장 또는 출력하는 이미지 신호 프로세서를 포함하고,
    상기 렌즈 어셈블리는,
    피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 음(Negative)의 색수차를 가지는 메타렌즈를 포함하는 제2 렌즈;를 포함하고
    상기 렌즈 어셈블리는 정규 입사 광에 대해 120 cyles/mm 이하에서 0.5 이상의 MTF를 가지며,
    상기 전자 장치는 아래 수학식을 만족하는 전자 장치.
    TTL/ISS < 0.65
    (여기서, TTL(Total Track Length)은 상기 렌즈 어셈블리의 전장, ISS(Image Sensor Size)는 상기 이미지센서의 대각선 길이)
  45. 제44항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 총 5개 이상의 렌즈를 포함하는 전자 장치.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는, 상기 메타렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 상기 메타렌즈의 상기 상 측을 향한 면과 접촉하는 굴절렌즈를 더 포함하는 전자 장치.
  47. 제44항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 아래 수학식을 만족하는 전자 장치.
    0.8*F0 < F1 < 1.2*F0
    (F1은 상기 제1 렌즈의 초점거리, F0은 상기 렌즈 어셈블리의 합성 초점거리)
  48. 제44항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는 아래 수학식을 만족하는 전자 장치.
    0.85*F0 < TTL < 1.2*F0
    (TTL은 상기 렌즈 어셈블리의 전장(Total Track Length), F0은 상기 렌즈 어셈블리의 합성 초점거리)
  49. 제44항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 상기 피사체 측을 향하는 면의 유효 반경은 상기 제2 렌즈의 상기 피사체 측을 향하는 면의 유효 반경보다 큰 전자 장치.
  50. 제44항에 있어서,
    상기 제2 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 부(Negative)의 굴절력을 가지며, 상기 상 측을 향하는 면이 오목한 제3 렌즈;
    상기 제3 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제4 렌즈;
    상기 제4 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 정(Positive)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제5 렌즈; 및
    상기 제5 렌즈를 통과한 상기 입사광에 대해 부(Negative)의 굴절력을 가지며, 상기 피사체 측을 향하는 면이 오목한 제6 렌즈;를 포함하는 전자 장치.
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