KR20210074373A - 반사식 메타 표면 프라이머리 미러, 세컨더리 미러 및 망원경 시스템 - Google Patents

반사식 메타 표면 프라이머리 미러, 세컨더리 미러 및 망원경 시스템 Download PDF

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KR20210074373A
KR20210074373A KR1020217014852A KR20217014852A KR20210074373A KR 20210074373 A KR20210074373 A KR 20210074373A KR 1020217014852 A KR1020217014852 A KR 1020217014852A KR 20217014852 A KR20217014852 A KR 20217014852A KR 20210074373 A KR20210074373 A KR 20210074373A
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구이신 리
수안 리우
준홍 뎅
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서던 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀로지
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Abstract

반사식 메타 표면 프라이머리 미러, 세컨더리 미러 및 망원경 시스템에 관한 것이다. 반사식 메타 표면 프라이머리 미러는, 투명기판; 및 투명기판 상에 위치하는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴을 포함하되; 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 설정된 환형 영역 내에 위치하는 이방성을 갖는 프라이머리 미러 서브 파장 구조를 포함하고, 프라이머리 미러 서브 파장 구조에 의해 도입된 위상은 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하고; 설정된 환형 영역은 투광홀을 둘러싸고, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 의해 반사된 광은 투광홀을 투과하여 집광된다.

Description

반사식 메타 표면 프라이머리 미러, 세컨더리 미러 및 망원경 시스템
본 출원의 실시예는 메타 표면 기술분야에 관한 것으로서, 예를 들어, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러, 세컨더리 미러 및 망원경 시스템에 관한 것이다.
본 출원은 2018년 10월 18일 중국특허청에 제출한 출원번호가 201811214236.X인 중국특허출원의 우선권을 주장하는 바, 해당 출원의 전부 내용은 참조로서 본 출원에 포함된다.
전통적인 반사식 망원경 시스템은 주로 뉴턴 반사식 망원경 시스템, 카세그레인 반사식 망원경 시스템 및 그레고리안 반사식 망원경 시스템을 포함하며, 이들은 모두 프라이머리 미러 및 세컨더리 미러로 구성된다. 외부의 광은 프라이머리 미러와 세컨더리 미러를 순차적으로 경과하여 반사된 후 집광 및 이미징을 구현할 수 있다. 상기 세 가지의 반사식 망원경 시스템의 프라이머리 미러는 모두 오목 반사미러이고, 이들의 세컨더리 미러는 각각 평면 반사미러, 볼록 반사미러 및 오목 반사미러이다. 이러한 시스템을 성공적으로 실시하려면 곡면 반사미러를 세심하게 설계해야 하며, 곡면 반사미러 표면의 연속적인 기하학적 곡률 변화를 통해 이상적인 위상 튜닝 및 파면 정형(wavefront shaping)을 구현하게 된다. 따라서, 고품질의 두 개의 반사미러로 이루어진 시스템을 획득하려면, 경면의 연삭, 연마 등 제조 공정에 대한 요구가 매우 엄격하고, 가공 속도가 늦으며 비용이 높다.
또한, 천문 관측에 사용되는 망원경은, 먼 별의 미약한 별빛을 더 잘 볼 수 있도록 하기 위해, 신호를 수집하는 가능한 큰 구경을 갖는 망원경 시스템이 필요하므로, 제조 난이도 및 비용이 더욱 증가하게 된다. 아울러, 제조의 어려움은 망원경 시스템의 구경 크기를 제한하는 바, 나아가 천문 관측 능력을 제한하게 된다. 또한, 곡면 구조는 종종 비교적 큰 체적을 점용하는데, 이는 대구경 우주 망원경 시스템의 발전을 제한하는 동시에, 마이크로 망원경 시스템의 발전에도 불리하다.
이러한 점을 고려하여, 본 출원은 반사식 메타 표면 프라이머리 미러, 세컨더리 미러 및 망원경 시스템을 제공하여, 반사식 망원경 시스템에 사용되는 평면 반사식 메타 표면의 설계를 실현함으로써, 전통적인 반사식 망원경 시스템의 제조 난이도가 높고 가공 속도가 늦으며 비용이 높고 체적이 큰 문제를 해결한다.
본 출원은 아래와 같은 기술방안을 사용한다.
제 1 방면에 있어서, 본 출원의 실시예는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러를 제공하며, 해당 반사식 메타 표면 프라이머리 미러는, 투명기판; 및 상기 투명기판 상에 위치하는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴을 포함하되, 상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하므로, 외부의 입사광이 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사되고, 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 의해 반사되어 집광되도록 하며;
여기서, 상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 설정된 환형 영역 내에 위치하는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조를 포함하고, 상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조는 복수 개의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛을 포함하고, 상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛은 이방성을 갖는 프라이머리 미러 서브 파장 구조를 포함하고, 상기 프라이머리 미러 서브 파장 구조에 의해 도입된 위상은 상기 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하고; 상기 설정된 환형 영역은 투광홀을 둘러싸고, 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 의해 반사된 광은 상기 투광홀을 투과하여 집광된다.
제 2 방면에 있어서, 본 출원의 실시예는 반사식 메타 표면 세컨더리 미러를 제공하며, 해당 반사식 메타 표면 세컨더리 미러는, 투명기판; 및 상기 투명기판 상에 위치하는 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴을 포함하되, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하므로, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 의해 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사된 입사광을 반사시켜 집광되도록 하며;
여기서, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 설정된 원형 영역 내에 위치하는 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조를 포함하고, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조는 복수 개의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛을 포함하고, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛은 이방성을 갖는 세컨더리 미러 서브 파장 구조를 포함하고, 상기 세컨더리 미러 서브 파장 구조에 의해 도입된 위상은 상기 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하고; 상기 설정된 원형 영역은 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투광홀과 정렬되므로, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조에 의해 반사된 광이 상기 투광홀을 투과하여 집광된다.
제 3 방면에 있어서, 본 출원의 실시예는 망원경 시스템을 제공하며, 해당 망원경 시스템은 상기 제 1 방면에서 설명된 반사식 메타 표면 프라이머리 미러 및 상기 제 2 방면에서 설명된 반사식 메타 표면 세컨더리 미러를 포함하되;
프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조를 구비한 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 일면과 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조를 구비한 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 일면은 대향되게 설치되고, 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러와 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러는 설정된 거리만큼 이격되며, 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조는 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투광홀과 정렬된다.
본 출원에서 제공하는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러, 세컨더리 미러 및 망원경 시스템은, 평면 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투명기판에 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하는 환형의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조를 형성하고, 평면 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 투명기판에 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하는 원판 형상의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조를 형성함으로써, 입사광이 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조에 의해 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조에 반사된 후, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조에 의해 재차 반사되고, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투광홀을 경과한 후 집광된다. 이로써 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러와 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 조합 설계를 통해, 평면 반사식 메타 표면에 기반한 망원경 시스템의 설계를 실현함으로써, 전통적인 반사식 망원경 시스템의 제조 난이도가 높고 가공 속도가 늦으며 비용이 높고 체적이 큰 문제를 해결한다. 본 출원은 평면 반사식 메타 표면으로 전통적인 곡면 반사미러를 대체함으로써, 얇고 가볍고 콤팩트하며 통합하기 편리한 이점을 가지며, 메타 표면의 제조 공정은 전통적인 곡면 반사미러의 제조 난의도를 대폭 줄이므로, 대구경 반사식 망원경 시스템과 휴대하기 편리하고 쉽게 통합되는 마이크로 망원경 시스템의 실현에 유리하다.
도 1은 전통적인 반사식 망원경 시스템의 측면도이며;
도 2는 본 출원의 일 실시예에서 제공한 평면 메타 표면 반사미러가 입사광을 반사하는 개략도이며;
도 3은 본 출원의 일 실시예에서 제공한 메타 표면 기능 유닛의 구조 개략도이며;
도 4는 본 출원의 일 실시예에서 제공한 반사식 망원경 시스템의 측면도이며;
도 5는 본 출원의 일 실시예에서 제공한 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 평면도이며;
도 6은 본 출원의 일 실시예에서 제공한 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 평면도이며;
도 7은 본 출원의 일 실시예에서 제공한 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 제조 방법의 흐름 개략도이며;
도 8 내지 도 12는 도 7의 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 제조 방법의 각 프로세스에 대응하는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 측면도이며;
도 13은 본 출원의 일 실시예에서 제공한 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 제조 방법의 흐름 개략도이며;
도 14 내지 도 19는 도 13의 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 제조 방법의 각 프로세스에 대응하는 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 측면도이다.
이하, 도면 및 구체적인 실시형태를 통해 본 출원의 기술방안을 추가로 설명하기로 한다. 이해할 수 있는 것은, 여기서 설명한 구체적인 실시예는 본 출원을 해석하기 위한 것일 뿐, 본 출원을 한정하려는 것이 아니다. 또한, 추가로 설명해야 할 것은, 설명의 편의를 위해, 도면에서는 전체 구조가 아닌 본 출원과 관련된 일부만을 도시하였다.
도 1은 전통적인 반사식 망원경 시스템의 측면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 해당 반사식 망원경 시스템은 곡면 프라이머리 미러(10) 및 곡면 세컨더리 미러(20)를 포함하되, 곡면 세컨더리 미러(20)는 곡면 프라이머리 미러(10)의 홀과 정렬되고, 입사광(100)은 곡면 프라이머리 미러(10)의 반사면에 의해 곡면 세컨더리 미러(20)의 반사면에 반사되고, 다시 곡면 세컨더리 미러(20)에 의해 반사되어 곡면 프라이머리 미러(10)의 홀을 투과한 후 A점에서 집광된다. 그러나, 이러한 전통적인 반사식 망원경 시스템은 곡면 프라이머리 미러(10)와 곡면 세컨더리 미러(20)의 반사면의 연속적인 기하학적 곡률 변화를 통해 이상적인 위상 튜닝 및 파면 형성을 구현해야 한다. 따라서, 고품질의 반사식 집광을 획득하려면, 까다로운 연삭 및 연마 등 제조 공정이 필요하고, 가공 속도가 늦고 비용이 높으며, 아울러, 대구경 망원경 시스템의 제조가 제한되는 바, 나아가 천문 관측 능력을 제한하게 되고, 또한, 곡면 반사미러는 비교적 큰 체적을 점용하므로, 마이크로 망원경 시스템의 발전에 불리하다.
이에 대한 효과적인 해결 방안은 메타 표면를 통해 제공되며, 메타 표면은 공간적 변화를 갖는 서브 파장 메타 표면 기능 유닛으로 구성된 계면이고, 메타 표면 기능 유닛을 세심하게 설계하여, 서브 파장 스케일에서 전자파의 폴로라제이션, 진폭 및 위상을 효과적으로 조절 및 제어할 수 있다. 메타 표면의 2차원 속성은 체적이 보다 콤팩트하고, 질량이 보다 가볍고, 소모가 보다 적은 전자기 기능 소자를 구현할 수 있다. 또한, 메타 표면의 제조 공정은 기존의 상보형 금속 산화물 반도체 기술과 호환되며, 기존의 광전자 기술에 쉽게 통합될 수 있다. 메타 표면에 기반하여 설계된 평면 소자는 예를 들어 홀로그램 이미징, 폴로라제이션 변환, 광을 생성하는 스핀 궤도 각운동량 및 비정상적인 반사/굴절 등에 널리 응용된다. 메타 표면에 기반한 정밀 광학 소자 중 가장 흡인력 및 응용 전망이 있는 것은 평면 렌즈이며, 이는 단일 렌즈로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 렌즈 그룹을 구성할 수도 있고, 심지어 기타 보다 복잡한 광학 시스템으로 조합될 수도 있다. 메타 표면 렌즈는 굴절 광학 소자를 얇고 가볍고 콤팩트하며 통합하기 쉽게 만들어, 보다 선진적인 기능을 구비한 초소형 광학 설비에서 보다 중요한 작용을 할 수 있도록 한다. 그러나, 중요한 과학 연구 도구인 망원경 시스템에는 거의 관여하지 않는다.
이에 기반하여, 본 출원은 평면 반사식 메타 표면을 이용하여 반사식 망원경 시스템의 설계를 실현함으로써, 반사식 망원경 시스템이 얇고 가볍고 콤팩트하며 통합하기 편리한 이점을 갖도록 하고, 메타 표면의 제조 공정은 전통적인 곡면 반사미러의 제조 난의도를 대폭 줄이므로, 반사식 망원경 시스템을 저비용으로 대량 생산 및 조립하는데 유리하다.
도 2는 본 출원의 일 실시예에서 제공한 평면 메타 표면 반사미러가 입사광을 반사하는 개략도이며; 도 3은 본 출원의 일 실시예에서 제공한 메타 표면 기능 유닛의 구조 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 메타 표면 반사미러(30)는 광의적 반사 법칙에 따라 설계되고, 여기서, 광의적 반사 법칙은 반사 계면 방향을 따른 반사광의 웨이브 벡터 컴포넌트가 반사 계면 방향을 따른 입사광의 웨이브 벡터 컴포넌트와 반사면에 도입된 추가적인 위상 구배의 벡터의 합과 같은 것으로 이해될 수 있다. 예시적으로, 해당 메타 표면 반사미러(30)는 구배 위상 메타 표면을 구비하고, 도 2에서 점선 화살표는 수평 경면 반사광을 나타내고, 실선 화살표는 해당 메타 표면 반사미러(30)에 의해 실현되는 구배 위상 메타 표면 반사광을 나타낸다. 분명한 것은, 구배 위상 메타 표면 반사광이 수평 경면 반사광에 대해 편향되는데, 이는 메타 표면에 의해 도입된 추가적인 위상 구배로 인해 발생된 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 해당 메타 표면 반사미러는 복수 개의 메타 표면 기능 유닛(31)을 포함할 수 있고, 각각의 메타 표면 기능 유닛(31)은 적어도 이방성을 갖는 서브 파장 구조(311)를 포함한다. 베리 기하학적 위상 원리, 즉 원편광과 이방성을 갖는 서브 파장 구조의 상호 작용에 따라, 입사된 원편광의 원편파 상태(circular polarization state)를 반전시키는 동시에 기하학적 위상 요소 를 도입할 수 있으며, 여기서, σ＝±1은 입사광의 원편파 상태를 나타내고; 는 평면에서의 이방성 나노 구조의 방위각이다. 이로부터 아시다시피, 이방성을 갖는 서브 파장 구조의 방위각을 간단하게 변경하여 입사광의 위상을 0에서 2π까지 연속적으로 조절 및 제어할 수 있고, 입사광의 다른 위상은 반사광이 다른 각도로 편향될 수 있도록 할 수 있으며, 나아가 서브 파장 구조(311)의 방위각을 설정하여 반사광의 편향 각도를 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 메타 표면 기능 유닛(31)은 금속 반사층(313), 유전체층(312) 및 서브 파장 구조(311)의 적층 구조일 수 있고, 금속 반사층(313) 및 서브 파장 구조(311)의 적층 구조일 수도 있으며, 서브 파장 구조(311)는 금속 서브 파장 구조 또는 유전체 서브 파장 구조일 수 있고, 서브 파장 구조(311)는 높은 원편광 변환 효율을 달성하기 위해 막대형 또는 타원형일 수 있다.
상기 메타 표면 반사미러의 구조 및 원리에 기반하여, 본 출원은 메타 표면 반사미러의 각 메타 표면 기능 유닛의 서브 파장 구조의 방위각을 설정함으로써, 전체 메타 표면 반사미러가 특정된 위상 분포를 만족하도록 할 수 있고, 적어도 두 개의 메타 표면 반사미러를 이용하여 반사식 망원경 시스템을 구성하게 된다. 예시적으로, 도 4는 본 출원의 일 실시예에서 제공한 반사식 망원경 시스템의 측면도이며, 도 4에 도시된 바와 같이, 해당 반사식 망원경 시스템은 대향되게 설치된 반사식 메타 표면 프라이머리 미러(1) 및 반사식 메타 표면 세컨더리 미러(2)를 포함하되, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러(1)와 반사식 메타 표면 세컨더리 미러(2)는 일정한 간격을 가지며, 아울러, 도 5 및 도 6을 결합하면, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러(1)는 환형의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조(11) 및 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조(11)에 의해 둘러싸인 원형의 투광홀(12)을 포함하고, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조(11)는 복수 개의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛(도 5에 도시되지 않음, 도 3의 메타 표면 기능 유닛의 구조를 참조)을 포함하고, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛은 프라이머리 미러 서브 파장 구조(111)를 포함하고, 프라이머리 미러 서브 파장 구조(111)는 특정된 방위각으로 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조(11)에 배치되며; 반사식 메타 표면 세컨더리 미러(2)는 원판 형상의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조(21)를 포함하고, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조(21)는 복수 개의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛(도 6에 도시되지 않음, 도 3의 메타 표면 기능 유닛의 구조를 참조)을 포함하고, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛은 세컨더리 미러 서브 파장 구조(211)를 포함하고, 세컨더리 미러 서브 파장 구조(211)는 특정된 방위각으로 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조(21)에 배치되며, 여기서, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조(11)를 구비한 반사식 메타 표면 프라이머리 미러(1)의 일면과 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조(21)를 구비한 반사식 메타 표면 세컨더리 미러(2)의 일면은 대향되게 설치되고, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러(2)의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조(21)는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러(1)의 투광홀(12)과 정렬되며, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조(11)에 도착한 입사광(100)은 프라이머리 미러 서브 파장 구조(111)에 의해 도입된 추가적인 위상 구배에 의해 특정된 방향으로 반사되어, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조(21)에 반사되고, 다시 세컨더리 미러 서브 파장 구조(211)에 의해 도입된 추가적인 위상 구배에 의해 반사식 메타 표면 프라이머리 미러(1)를 통해 반사되어 형성된 반사광은 투광홀(12)을 투과하여 B점에서 집광된다. 이로써, 본 실시예는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러(1)와 반사식 메타 표면 세컨더리 미러(2)의 조합을 통해 반사식 망원경 시스템의 설계를 실현할 수 있다.
예시적으로, 도 5 및 도 12를 참조할 수 있으며, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러는,
투명기판(201); 및
투명기판(201) 상에 위치하는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴을 포함하되, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하므로, 외부의 입사광이 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사되고, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 의해 반사되어 집광되도록 하며;
프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 설정된 환형 영역 내에 위치하는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조(11)를 포함하고, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조(11)는 복수 개의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛을 포함하고, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛은 이방성을 갖는 프라이머리 미러 서브 파장 구조(111)를 포함하고, 프라이머리 미러 서브 파장 구조(111)에 의해 도입된 위상은 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하고; 설정된 환형 영역은 투광홀(12)을 둘러싸고, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 의해 반사된 광은 투광홀(12)을 투과하여 집광된다.
본 실시예에서 프라이머리 미러 위상 분포는 뉴턴 반사식 망원경 시스템, 카세그레인 반사식 망원경 시스템, 그레고리안 반사식 망원경 시스템 또는 곡면 반사미러의 기하학적 형상에 따라 설계될 수 있다.
뉴턴 반사식 망원경 시스템에 따라 설계된 반사식 메타 표면 프라이머리 미러인 경우, 프라이머리 미러 위상 분포는 제1 설정 파라미터에 기반하고 레이 광학(ray optics) 및 광의적 반사 법칙을 결합하여 결정되며, 여기서, 제1 설정 파라미터는 프라이머리 미러의 구경, 시스템의 초점비 및 시스템의 동작 파장을 포함한다. 이때, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 집광 특성만을 결정하면 된다. 반사식 메타 표면 세컨더리 미러는 전통적인 평면 반사미러이며, 단지 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 의해 반사된 광선의 전파 방향을 변경하고 초점 위치를 조절하는데만 사용된다.
카세그레인 반사식 망원경 시스템 또는 그레고리안 반사식 망원경 시스템에 따라 설계된 반사식 메타 표면 프라이머리 미러인 경우, 프라이머리 미러 위상 분포는 제2 성정 파라미터에 기반하고 레이 광학 및 광의적 반사 법칙을 결합하여 결정되며, 여기서, 제2 설정 파라미터는 프라이머리 미러의 구경, 프라이머리 미러의 초점비, 시스템의 초점비, 시스템의 초점에서 프라이머리 미러까지의 거리, 시스템의 동작 파장 및 입사광이 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 도착한 위치와 반사식 메타 표면 프라이머리 미러가 입사광을 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사한 위치의 맵핑관계를 포함한다. 본 실시예는 상기 제2 설정 파라미터에 따라, 입사광이 망원경 시스템에 진입한 후의 광로를 결정하고, 레이 광학 및 광의적 반사 법칙을 결합하여, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 각 위치에 도입되어야 하는 추가적인 위상 구배를 결정함으로써, 전체 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 프라이머리 미러 위상 분포를 결정할 수 있다.
프라이머리 미러 위상 분포는 설정된 반사식 망원경 시스템의 곡면 프라이머리 미러의 기하학적 형상에 따라 결정될 수도 있다. 설정된 반사식 망원경 시스템은 기존의 임의의 곡면 반사식 망원경 시스템 또는 수요에 따라 설정된 곡면 반사식 망원경 시스템일 수 있으며, 본 실시예는 설정된 곡면 반사식 망원경 시스템의 곡면 프라이머리 미러가 광에 미치는 위상 튜닝 작용에 따라, 본 출원의 반사식 메타 표면 프라이머리 미러 상의 대응 위치의 위상을 결정하므로, 전체 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 프라이머리 미러 위상 분포를 결정할 수 있다. 예시적으로, 곡면 반사식 망원경 시스템은 초점면의 코마(coma) 및 구면수차(spherical aberration)를 효과적으로 제거할 수 있는 리치 크레티엔 망원경(Ritchey-Chretien telescope) 시스템일 수 있다. 예시적으로, 평행광이 수직 입사되는 곡면 프라이머리 미러 상의 각 위치의 반사광의 방향각에 따라, 광의적 반사 법칙을 결합하여 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 도입해야 할 위상 분포를 결정한다.
일 실시예에서, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛은 금속 반사층, 유전체층 및 이방성을 갖는 금속 서브 파장 구조의 적층 구조를 포함할 수 있고; 또는, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛은 금속 반사층 및 이방성을 갖는 금속 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 적층 구조, 또는 금속 반사층 및 이방성을 갖는 유전체 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 적층 구조를 포함한다.
일 실시예에서, 베리 기하학적 위상 원리에 따라 설계된 반사식 메타 표면 프라이머리 미러는, 서로 다른 위상에 대응하는 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 방위각이 다르며, 즉 필요한 위상 분포에 따라 서로 다른 위치에서의 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 방위각을 설정함으로써, 입사광이 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 의해 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 대응하는 위치에 반사되도록 한다.
일 실시예에서, 프라이머리 미러 서브 파장 구조는 높은 원편광 변환 효율을 달성하기 위해 막대형 및/또는 타원형일 수 있다. 예시적으로, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛이 금속 반사층, 유전체층 및 금속 서브 파장 구조의 적층 구조를 포함하는 경우, 금속 반사층 및 금속 서브 파장 구조의 재료는 금이고, 유전체층의 재료는 이산화규소이며, 금속 서브 파장 구조가 막대형일 경우, 원편광 변환 효율은 근적외선 파장대역에서 80%까지 높을 수 있다.
예시적으로, 도 6 및 도 19를 참조하면, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러는,
투명기판(200);
투명기판(200) 상에 위치하는 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴을 포함하되, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하므로, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 의해 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사된 입사광을 반사시켜 집광되도록 하며;
여기서, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 설정된 원형 영역 내에 위치하는 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조(21)를 포함하고, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조(21)는 복수 개의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛을 포함하고, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛은 이방성을 갖는 세컨더리 미러 서브 파장 구조(211)를 포함하고, 세컨더리 미러 서브 파장 구조(211)에 의해 도입된 위상은 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하고; 설정된 원형 영역은 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투광홀과 정렬되므로, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조에 의해 반사된 광이 투광홀을 투과하여 집광된다.
본 실시예에서 프라이머리 미러 위상 분포는 카세그레인 반사식 망원경 시스템, 그레고리안 반사식 망원경 시스템 또는 곡면 반사미러의 기하학적 형상에 따라 설계될 수 있다.
카세그레인 반사식 망원경 시스템 또는 그레고리안 반사식 망원경 시스템에 따라 설계된 반사식 메타 표면 세컨더리 미러인 경우, 세컨더리 미러 위상 분포는 제3 설정 파라미터에 기반하고 레이 광학 및 광의적 반사 법칙을 결합하여 결정되며, 여기서, 제3 설정 파라미터는 세컨더리 미러의 구경, 세컨더리 미러의 초점비, 시스템의 초점비, 시스템의 초점에서 세컨더리 미러까지의 거리, 시스템의 동작 파장 및 입사광이 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 도착한 위치와 반사식 메타 표면 프라이머리 미러가 입사광을 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사한 위치의 맵핑관계를 포함한다. 본 실시예는 상기 제3 설정 파라미터에 따라, 입사광이 시스템에 진입한 후의 광로를 결정하고, 레이 광학 및 광의적 반사 법칙을 결합하여, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 각 위치에 도입되어야 하는 추가적인 위상 구배를 결정함으로써, 전체 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 세컨더리 미러 위상 분포를 결정할 수 있다.
세컨더리 미러 위상 분포는 설정된 반사식 망원경 시스템의 곡면 세컨더리 미러의 기하학적 형상에 따라 결정될 수도 있다. 본 실시예는 설정된 곡면 반사식 망원경 시스템의 곡면 세컨더리 미러가 광에 미치는 위상 튜닝 작용에 따라, 본 출원의 반사식 메타 표면 세컨더리 미러 상의 대응 위치의 위상을 결정하므로, 전체 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 세컨더리 미러 위상 분포를 결정할 수 있다. 예시적으로, 곡면 반사식 망원경 시스템은 초점면의 코마 및 구면수차를 효과적으로 제거할 수 있는 전통적인 리치 크레티엔 망원경 시스템일 수 있다. 예시적으로, 평행광이 수직 입사되는 곡면 세컨더리 미러 상의 각 위치의 반사광의 방향각에 따라, 광의적 반사 법칙을 결합하여 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 도입해야 할 위상 분포를 결정한다.
일 실시예에서, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛은 금속 반사층, 유전체층 및 이방성을 갖는 금속 서브 파장 구조의 적층 구조를 포함할 수 있고, 또는, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛은 금속 반사층 및 이방성을 갖는 금속 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 적층 구조, 또는 금속 반사층 및 이방성을 갖는 유전체 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 적층 구조를 포함한다.
일 실시예에서, 베리 기하학적 위상 원리에 따라 설계된 반사식 메타 표면 세컨더리 미러는, 서로 다른 위상에 대응하는 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 방위각이 다르며, 즉 필요한 위상 분포에 따라 서로 다른 위치에서의 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 방위각을 설정함으로써, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러가 광을 반사하여 집광하도록 한다.
일 실시예에서, 세컨더리 미러 서브 파장 구조는 높은 원편광 변환 효율을 달성하기 위해 막대형 및/또는 타원형일 수 있다.
본 출원의 실시예에서 제공하는 망원경 시스템은 반사식 메타 표면 프라이머리 미러 및 반사식 메타 표면 세컨더리 미러를 포함하고, 평면 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투명기판에 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하는 환형의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조를 형성하고, 평면 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 투명기판에 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하는 원판 형상의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조를 형성함으로써, 입사광이 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조에 의해 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조에 반사된 후, 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조에 의해 재차 반사되고, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투광홀을 경과한 후 집광된다. 이로써 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러와 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 조합 설계를 통해, 평면 반사식 메타 표면에 기반한 망원경 시스템의 설계를 실현함으로써, 전통적인 반사식 망원경 시스템의 제조 난이도가 높고 가공 속도가 늦으며 비용이 높고 체적이 큰 문제를 해결한다. 본 출원은 평면 반사식 메타 표면으로 전통적인 곡면 반사미러를 대체함으로써, 얇고 가볍고 콤팩트하며 통합하기 편리한 이점을 가지며, 메타 표면의 제조 공정은 전통적인 곡면 반사미러의 제조 난의도를 대폭 줄이므로, 대구경 반사식 망원경 시스템과 휴대하기 편리하고 쉽게 통합되는 마이크로 망원경 시스템의 실현에 유리하다.
이외, 본 출원의 실시예는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 제조 방법 및 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 제조 방법을 각각 추가로 제공한다.
본 실시예는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛과 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛이 모두 금속 반사층, 유전체층 및 이방성을 갖는 금속 서브 파장 구조의 적층 구조를 포함하는 경우를 예를 들어 설명한다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에서 제공한 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 제조 방법의 흐름 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 해당 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 제조 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
단계(210), 투명기판을 제공한다.
예시적으로, 투명기판 상의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴의 재료에 따라, 상응하는 동작 파장대역 내의 투명기판을 선택함으로써, 서로 다른 동작 파장대역의 입사광에 적응되도록 한다.
단계(220), 전자빔 증착 공정 또는 열증착 공정을 이용하여 투명기판 상에 적층된 금속 반사층 및 유전체층을 순차적으로 증착시킨다.
예시적으로, 도 8을 참조하면, 우선 전자빔 증착 공정을 이용하여 투명기판(201) 상에 금속 반사층(112)을 증착시키고, 다음 열증착 공정을 이용하여 금속 반사층(112) 상에 유전체층(113)을 증착시킨다. 여기서, 금속 반사층(112) 및 유전체층(113)의 재료는 시스템의 동작 파장대역에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 가시적인 근적외선 파장대역에서 금속 반사층(112)의 재료는 금, 은 또는 알루미늄 등 금속 재료일 수 있고, 유전체층(113)의 재료는 이산화규소 또는 이산화티타늄일 수 있으며; 적외선 파장대역에서 금속 반사층(112)의 재료는 금, 은, 알루미늄, 이산화규소 또는 이산화티타늄일 수 있고, 유전체층(113)의 재료는 CaF2,MgF2,Ge또는 폴리테트라 플루오로에틸렌 등 유전체일 수 있으며; 마이크로파 파장대역에서 금속 반사층(112)의 재료는 금, 은, 알루미늄 또는 구리 등 금속 재료일 수 있고, 유전체층(113)의 재료는 투명한 세라믹일 수 있다.
단계(230), 유전체층에 전자 접착제(electronic glue) 또는 포토레지스트를 스핀 코팅하고, 전자빔 노광 공정 또는 포토마스크 노광 공정을 이용하여 설정된 환형 영역에 위치하는 전자 접착제 또는 포토레지스트의 일부를 패턴화하여, 패턴화된 전자 접착제 또는 포토레지스트가 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하는 메타 표면 기능 유닛 패턴을 형성하도록 한다.
예시적으로, 도 9를 참조하면, 유전체층(113)에 포토레지스트(114)를 스핀 코팅하고, 전자빔 노광 공정 또는 포토마스크 노광 공정을 이용하여 설정된 환형 영역에 위치하는 포토레지스트(114)의 일부를 패턴화하여(전체를 패턴화할 수도 있고, 설정된 환형 영역에 위치하는 패턴화된 포토레지스트만이 프라이머리 미러 위상 분포를 만족함), 패턴화된 포토레지스트가 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하도록 한다. 여기서, 설정된 환형 영역은 투광홀을 둘러싼 영역이고, 환형 영역의 내공경의 크기는 설정된 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 크기에 따라 설계될 수 있다.
본 실시예에서, 전자 접착제는 전자빔 리소그래피를 이용하여 패턴화해야 하고, 포토레지스트는 자외선 리소그래피를 이용하여 패턴화해야 한다. 상이한 동작 파장대역인 경우, 추후에 형성되는 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 치수가 다르며, 나아가 해당 단계에서 사용되는 리소그래피 공정도 다르게 된다. 예를 들어, 가시광 파장대역에서는 전자빔 리소그래피를 많이 사용하고; 적외선 파장대역에서는 자외선 리소그래피를 선택할 수 있다. 또한, 마이크로파 파장대역에서는 인쇄회로기판 기술을 사용할 수 있다.
단계(240), 전자빔 증착 공정 또는 열증착 공정을 이용하여 유전체층의 표면과 남아 있는 전자 접착제 또는 포토레지스트의 표면에 금속층을 증착시키고, 남아 있는 전자 접착제 또는 포토레지스트를 제거함으로써, 유전체층의 표면의 금속층을 보류하여, 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 패턴을 형성한다.
예시적으로, 도 10을 참조하면, 전자빔 증착 공정을 이용하여 유전체층(113)의 표면과 남아 있는 포토레지스트(114)(패턴화된 포토레지스트)의 표면에 금속층(115)을 증착시키고, 여기서, 남아 있는 포토레지스트(114)의 개구는 유전체층(113)의 표면에 형성된 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 형상, 치수 및 방위각을 한정한다. 도 11을 참조하면, 상응하는 접착제 제거액을 이용하여 남아 있는 포토레지스트(114)를 제거하는 동시에, 남아 있는 포토레지스트(114)의 표면에 형성된 금속층(115)을 박리함으로써, 유전체층(113)의 표면의 금속층을 보류하여, 프라이머리 미러 서브 파장 구조(111)를 형성한다.
단계(250), 집속 이온빔 에칭공정, 반응성 이온빔 에칭공정, 유도 결합 플라즈마 에칭공정, 이온 시닝 공정(ion thinning process), 리소그래피 공정 또는 레이저 공정을 이용하여 설정된 환형 영역에 의해 둘러싸인 금속 반사층 및 유전체층을 제거하여 원형의 평평한 투광홀을 형성한다.
예시적으로, 도 12를 참조하면, 집속 이온빔 에칭공정, 반응성 이온빔 에칭공정, 유도 결합 플라즈마 에칭공정, 이온 시닝 공정, 리소그래피 공정 또는 레이저 공정 중의 어느 하나를 이용하여 형성될 투광홀에 대응하는 영역의 금속 반사층(112) 및 유전체층(113)을 제거하여, 원형의 평평한 투광홀(12)을 형성하는 동시에, 환형의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조를 형성함으로써, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 제조를 완성하게 된다.
일 실시예에서, 리소그래피 공정을 이용하여 설정된 환형 영역에 위치하는 전자 접착제 또는 포토레지스트의 일부를 패턴화하는 단계는,
표면 플라즈몬 공명 또는 나노구조 산란이론에 기반하여, 전자빔 노광 공정 또는 포토마스크 노광 공정을 이용하여 설정된 환형 영역에 위치하는 전자 접착제 또는 포토레지스트의 일부을 패턴화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추후에 형성되는 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 기하학적 치수를 조절하여, 필요한 동작 파장대역에서 높은 광학 반사 효율을 달성함으로써, 입사광의 이용률을 향상시키고, 입사광의 손실을 감소하며, 집광 및 이미징 시스템에 대한 이미징 품질을 향상시킬 수 있다.
상응하게, 본 출원의 일 실시예는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러를 제공하며, 이는 본 출원의 임의의 실시예에서 제공한 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 제조 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 해당 반사식 메타 표면 프라이머리 미러는 투명기판; 투명기판 상에 위치하는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴을 포함하되, 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하므로, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 의해 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 반사된 입사광이 반사 및 집광되도록 한다.
또한, 도 13은 본 출원의 일 실시예에서 제공한 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 제조 방법의 흐름 개략도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 해당 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 제조 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
단계(410), 투명기판을 제공한다.
예시적으로, 투명기판 상의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴의 재료에 따라, 상응하는 동작 파장대역 내의 투명기판을 선택함으로써, 서로 다른 동작 파장대역의 입사광에 적응되도록 한다.
단계(420), 투명기판에 포토레지스트를 스핀 코팅하고, 설정된 원형 영역에 위치하는 포토레지스트의 일부를 제거한다.
예시적으로, 도 14를 참조하면, 투명기판(200)에 포토레지스트(212)를 스핀 코팅하고, 설정된 원형 영역과 동일한 개구를 갖는 마스크 플레이트를 이용하여 포토레지스트(212)를 노광시키고, 현상액을 통해 현상하며, 설정된 원형 영역에 위치하는 포토레지스트(212)의 일부를 제거한다. 여기서, 설정된 원형 영역은 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투광홀과 서로 대응된다.
단계(430), 전자빔 증착 공정 또는 열증착 공정을 이용하여 투명기판의 표면 및 남아 있는 포토레지스트의 표면에 적층된 금속 반사층 및 유전체층을 순차적으로 증착시키고, 남아 있는 포토레지스트를 제거한다.
예시적으로, 도 15를 참조하면, 우선 전자빔 증착 공정을 이용하여 투명기판(200)의 표면 및 남아 있는 포토레지스트(212)의 표면에 금속 반사층(213)을 증착시키고, 다음 열증착 공정을 이용하여 금속 반사층(213)의 표면에 유전체층(214)을 증착시킨다. 여기서, 금속 반사층(213) 및 유전체층(214)의 재료는 시스템의 동작 파장대역에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 가시적인 근적외선 파장대역에서 금속 반사층(213)의 재료는 금, 은 또는 알루미늄 등 금속 재료일 수 있고, 유전체층(214)의 재료는 이산화규소 또는 이산화티타늄일 수 있으며; 적외선 파장대역에서 금속 반사층(213)의 재료는 금, 은, 알루미늄, 이산화규소 또는 이산화티타늄일 수 있고, 유전체층(214)의 재료는 CaF2,MgF2,Ge또는 폴리테트라 플루오로에틸렌 등 유전체일 수 있으며; 마이크로파 파장대역에서 금속 반사층(213)의 재료는 금, 은, 구리 또는 알루미늄 등 금속 재료일 수 있고, 유전체층(214)의 재료는 투명한 세라믹일 수 있다. 다음, 도 16을 참조하면, 상응하는 접착제 제거액을 이용하여 남아 있는 포토레지스트(212)를 제거함으로써, 설정된 원형 영역 내에 금속 반사층(213) 및 유전체층(214)의 적층 구조를 형성한다.
단계(440), 유전체층 및 투명기판에 전자 접착제 또는 포토레지스트를 스핀 코팅하고, 베리 기하학적 위상 원리에 기반하여, 전자빔 노광 공정 또는 포토마스크 노광 공정을 이용하여 유전체층에 위치하는 전자 접착제 또는 포토레지스트를 패턴화하여, 패턴화된 전자 접착제 또는 포토레지스트가 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하는 메타 표면 기능 유닛 패턴을 형성하도록 한다.
예시적으로, 도 17을 참조하면, 유전체층(214) 및 노출된 투명기판(200)에 포토레지스트(215)를 스핀 코팅하고, 베리 기하학적 위상 원리에 기반하여, 리소그래피 공정을 이용하여 설정된 원형 영역에 위치하는 포토레지스트(215)의 일부를 패턴화하여, 패턴화된 포토레지스트(215)가 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하도록 한다.
본 실시예에서, 전자 접착제는 전자빔 리소그래피를 이용하여 패턴화해야 하고, 포토레지스트는 자외선 리소그래피를 이용하여 패턴화해야 한다. 상이한 동작 파장대역의 경우, 추후에 형성되는 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 치수가 다르며, 나아가 해당 단계에서 사용되는 리소그래피 공정도 다르게 된다. 예를 들어, 가시광 파장대역에서는 전자빔 리소그래피를 많이 사용하고; 적외선 파장대역에서는 자외선 리소그래피를 선택할 수 있다. 또한, 마이크로파 파장대역에서는 인쇄회로기판 기술을 사용할 수 있다.
단계(450), 전자빔 증착 공정 또는 열증착 공정을 이용하여 유전체층의 표면과 남아 있는 전자 접착제 또는 포토레지스트의 표면에 금속층을 증착시키고, 남아 있는 전자 접착제 또는 포토레지스트를 제거함으로써, 유전체층의 표면의 금속층을 보류하여, 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 패턴을 형성한다.
예시적으로, 도 18을 참조하면, 전자빔 증착 공정을 이용하여 유전체층(214)의 표면과 남아 있는 포토레지스트(215)(패턴화된 포토레지스트)의 표면에 금속층(216)을 증착시키고, 여기서, 남아 있는 포토레지스트(215)의 개구는 유전체층(214)의 표면에 형성된 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 형상, 치수 및 방위각을 한정한다. 도 19를 참조하면, 상응하는 접착제 제거액을 이용하여 남아 있는 포토레지스트(215)를 제거하는 동시에, 남아 있는 포토레지스트(114)의 표면에 형성된 금속층(216)을 박리함으로써, 유전체층(113)의 표면의 금속층을 보류하여, 세컨더리 미러 서브 파장 구조(211)를 형성하며, 이로써, 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 제조를 완성하게 된다.
일 실시예에서, 리소그래피 공정을 이용하여 유전체층에 위치하는 전자 접착제 또는 포토레지스트를 패턴화하는 단계는,
표면 플라즈몬 공명 또는 나노구조 산란이론에 기반하여, 리소그래피 공정을 이용하여 유전체층에 위치하는 전자 접착제 또는 포토레지스트를 패턴화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추후에 형성되는 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 기하학적 치수를 조절하여, 필요한 동작 파장대역에서 높은 광학 반사 효율을 달성함으로써, 입사광의 이용률을 향상시키고, 입사광의 손실을 감소하며, 집광 및 이미징 시스템에 대한 이미징 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 투명기판; 및
    상기 투명기판 상에 위치하는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴을 포함하되, 상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하므로, 외부의 입사광이 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사되고, 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 의해 반사되어 집광되도록 하며;
    여기서, 상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 설정된 환형 영역 내에 위치하는 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조를 포함하고, 상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조는 복수 개의 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛을 포함하고, 상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛은 이방성을 갖는 프라이머리 미러 서브 파장 구조를 포함하고, 상기 프라이머리 미러 서브 파장 구조에 의해 도입된 위상은 상기 프라이머리 미러 위상 분포를 만족하고; 상기 설정된 환형 영역은 투광홀을 둘러싸고, 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 의해 반사된 광은 상기 투광홀을 투과하여 집광되는 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러는 뉴턴 반사식 망원경 시스템에 따라 설계된 프라이머리 미러이고, 상기 프라이머리 미러 위상 분포는 제1 설정 파라미터에 기반하고 레이 광학 및 광의적 반사 법칙을 결합하여 결정되며, 상기 제1 설정 파라미터는 프라이머리 미러의 구경, 시스템의 초점비 및 시스템의 동작 파장을 포함하고; 또는,
    상기 반사식 프라이머리 미러는 카세그레인 반사식 망원경 시스템 또는 그레고리안 반사식 망원경 시스템에 따라 설계된 프라이머리 미러이고, 상기 프라이머리 미러 위상 분포는 제2 설정 파라미터에 기반하고 레이 광학 및 광의적 반사 법칙을 결합하여 결정되며, 상기 제2 설정 파라미터는 프라이머리 미러의 구경, 프라이머리 미러의 초점비, 시스템의 초점비, 시스템의 초점에서 프라이머리 미러까지의 거리, 시스템의 동작 파장 및 입사광이 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 도착한 위치와 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러가 상기 입사광을 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사한 위치의 맵핑관계를 포함하며; 또는,
    상기 프라이머리 미러 위상 분포는 설정된 반사식 망원경 시스템의 곡면 프라이머리 미러의 기하학적 형상에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프라이머리 미러 메타 표면 기능 유닛은,
    금속 반사층, 유전체층 및 이방성을 갖는 금속 서브 파장 구조의 적층 구조;
    금속 반사층 및 이방성을 갖는 금속 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 적층 구조; 및
    금속 반사층 및 이방성을 갖는 유전체 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 적층 구조; 중의 하나의 적층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러는 베리 기하학적 위상 원리에 따라 설계된 프라이머리 미러이고, 상기 프라이머리 미러 위상 분포에서의 서로 다른 위상에 대응하는 상기 프라이머리 미러 서브 파장 구조의 방위각이 다른 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프라이머리 미러 서브 파장 구조는 막대형 및 타원형 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 프라이머리 미러.
  6. 투명기판; 및
    상기 투명기판 상에 위치하는 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴을 포함하되, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하므로, 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 의해 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사된 입사광을 반사시켜 집광되도록 하며;
    여기서, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛 패턴은 설정된 원형 영역 내에 위치하는 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조를 포함하고, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조는 복수 개의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛을 포함하고, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛은 이방성을 갖는 세컨더리 미러 서브 파장 구조를 포함하고, 상기 세컨더리 미러 서브 파장 구조에 의해 도입된 위상은 상기 세컨더리 미러 위상 분포를 만족하고; 상기 설정된 원형 영역은 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투광홀과 정렬되므로, 상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조에 의해 반사된 광이 상기 투광홀을 투과하여 집광되는 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 세컨더리 미러.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러는 카세그레인 반사식 망원경 시스템 또는 그레고리안 반사식 망원경 시스템에 따라 설계된 세컨더리 미러이고, 상기 세컨더리 미러 위상 분포는 제3 설정 파라미터에 기반하고 레이 광학 및 광의적 반사 법칙을 결합하여 결정되며, 상기 제3 설정 파라미터는 세컨더리 미러의 구경, 세컨더리 미러의 초점비, 시스템의 초점비, 시스템의 초점에서 세컨더리 미러까지의 거리, 시스템의 동작 파장 및 입사광이 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러에 도착한 위치와 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러가 상기 입사광을 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러에 반사한 위치의 맵핑관계를 포함하며; 또는,
    상기 세컨더리 미러 위상 분포는 설정된 반사식 망원경 시스템의 곡면 세컨더리 미러의 기하학적 형상에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 세컨더리 미러.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 세컨더리 미러 메타 표면 기능 유닛은,
    금속 반사층, 유전체층 및 이방성을 갖는 금속 서브 파장 구조의 적층 구조;
    금속 반사층 및 이방성을 갖는 금속 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 적층 구조; 및
    금속 반사층 및 이방성을 갖는 유전체 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 적층 구조; 중의 하나의 적층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 세컨더리 미러.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러는 베리 기하학적 위상 원리에 따라 설계된 세컨더리 미러이고, 상기 세컨더리 미러 위상 분포에서의 서로 다른 위상에 대응하는 상기 세컨더리 미러 서브 파장 구조의 방위각이 다른 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 세컨더리 미러.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 세컨더리 미러 서브 파장 구조는 막대형 및 타원형 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사식 메타 표면 세컨더리 미러.
  11. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 따른 반사식 메타 표면 프라이머리 미러 및 제 6 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 따른 반사식 메타 표면 세컨더리 미러를 포함하되;
    프라이머리 미러 메타 표면 기능 구조를 구비한 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 일면과 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조를 구비한 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 일면은 대향되게 설치되고, 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러와 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러는 설정된 거리만큼 이격되며, 상기 반사식 메타 표면 세컨더리 미러의 세컨더리 미러 메타 표면 기능 구조는 상기 반사식 메타 표면 프라이머리 미러의 투광홀과 정렬되는 것을 특징으로 하는 망원경 시스템.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108983337B (zh) * 2018-07-23 2021-08-27 南方科技大学 超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统
CN109143567A (zh) * 2018-10-18 2019-01-04 南方科技大学 一种反射式超构表面主镜、辅镜和望远镜系统
CN110244388B (zh) * 2019-05-24 2021-03-26 华中科技大学 一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统
CN110460756B (zh) * 2019-08-12 2021-06-08 杭州电子科技大学 一种场景实时自动去雨成像处理方法及装置
CN110459133A (zh) * 2019-08-19 2019-11-15 南方科技大学 图像显示系统以及反射式超构表面器件的制备方法
CN111175960B (zh) * 2020-02-28 2023-07-04 中国科学院上海技术物理研究所 整体式镜面加工免装校光学望远镜及其加工方法
CN113820853B (zh) * 2020-06-18 2022-09-23 华为技术有限公司 多平面光转换器的加工方法和多平面光转换器
CN114879355A (zh) * 2021-02-05 2022-08-09 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种望远镜结构及其制作方法
CN113504593B (zh) * 2021-07-26 2023-11-14 北京京东方技术开发有限公司 一种镜子及其状态切换方法
WO2023235186A2 (en) * 2022-05-24 2023-12-07 The Penn State Research Foundation Large-scale, mass-producible, high efficiency metalenses

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3057946B2 (ja) * 1993-01-29 2000-07-04 キヤノン株式会社 収差補正系及びそれを用いた天体望遠鏡
JPH08122641A (ja) * 1994-10-24 1996-05-17 Canon Inc 一体型反射光学系
JPH1164734A (ja) * 1997-08-22 1999-03-05 Canon Inc 撮影光学系及びそれを用いた撮像装置
JPH11202205A (ja) * 1997-10-16 1999-07-30 Canon Inc 光学素子及びそれを用いた光学系
DE10004891C2 (de) * 2000-02-04 2002-10-31 Astrium Gmbh Fokalfläche und Detektor für optoelektronische Bildaufnahmesysteme, Herstellungsverfahren und optoelektronisches Bildaufnahmesystem
CN101630027A (zh) * 2009-08-20 2010-01-20 中国科学院微电子研究所 一种大口径成像光子筛及其制作方法
US20140085693A1 (en) * 2012-09-26 2014-03-27 Northeastern University Metasurface nanoantennas for light processing
CN104199180A (zh) * 2014-09-19 2014-12-10 江苏卡罗卡国际动漫城有限公司 一种带有曼金次镜的卡赛格林系统
CN104749665B (zh) * 2015-04-08 2016-08-24 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于介质材料的平面透镜单元、平面透镜及制备方法
CN106199997B (zh) * 2016-07-15 2018-08-17 中国科学院光电技术研究所 一种大视场超分辨成像器件
CN106054287B (zh) * 2016-08-03 2018-08-10 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种可见光波段变换的光学器件结构单元及光学器件
CN106646715B (zh) * 2016-11-28 2019-03-08 南京大学 一种对称l形金属超构表面分束器以及制备方法
CN107561857A (zh) * 2017-09-20 2018-01-09 南方科技大学 一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法
CN107807416A (zh) * 2017-11-16 2018-03-16 厦门大学 一种基于各向同性陶瓷超构材料的高效率宽带反射镜
CN108983337B (zh) * 2018-07-23 2021-08-27 南方科技大学 超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统
CN109143567A (zh) * 2018-10-18 2019-01-04 南方科技大学 一种反射式超构表面主镜、辅镜和望远镜系统

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