KR20230020336A - 메타 렌즈, 결상 광학계, 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

메타 렌즈, 결상 광학계, 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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KR20230020336A
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Abstract

메타 렌즈, 결상 광학계 및 이를 포함하는 전자 장치가 개시된다.
메타 렌즈는, 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 적어도 하나의 메타층을 포함하고, 입사광의 위상 및 세기를 변조하며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련된다. 메타 렌즈에 의해, 결상면에 형성되는 복수의 스폿은, 메인 스폿과, 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고, 메인 스폿보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함한다.

Description

메타 렌즈, 결상 광학계, 및 이를 포함하는 전자 장치 {Meta-lens, imaging optics, electronic device including the same}
메타 렌즈, 결상 광학계, 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
이미지나 동영상 촬영을 위해, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등이 사용되고 있다. 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)는 픽셀 자체의 전하저장용량(full well capacity)에 의해 한계가 결정된다. 이러한 이미지 센서의 동적 범위 한계를 극복하기 위해, 단일 프레임 시간 내에 다수 영상들을 서로 다른 노출 시간으로 촬영하고, 합성하여 높은 동적 범위(HDR: High Dynamic Range)의 이미지를 획득한다. 이와 같은 방식으로 획득된 이미지에는 잔상(Motion artifact)이 발생하게 된다.
잔상 없는 높은 동적 범위 이미지 획득을 실현할 수 있으며, 다양한 반사도를 가지는 대상체에 대한 깊이 위치 정보 획득에 적용할 수 있는 메타 렌즈, 이를 포함하는 결상 광학계, 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 메타 렌즈는, 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 적어도 하나의 메타층을 포함하고, 입사광의 위상 및 세기를 변조하며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련되며, 상기 결상면에 형성되는 복수의 스폿은, 메인 스폿과, 상기 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고, 상기 메인 스폿보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함한다.
상기 적어도 하나의 서브 스폿은, 서로 다른 조도를 가지며 상기 메인 스폿에 대해 비대칭 분포하는 복수의 서브 스폿을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 서브 스폿은, 상기 메인 스폿의 밝기 피크치보다 4~10dB 낮은 밝기 피크치를 가지는 제1서브 스폿을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 서브 스폿은, 제2서브 스폿을 더 포함하며, 상기 제1서브 스폿 및 제2서브 스폿은 상기 메인 스폿에 대해 비대칭으로 분포하며, 상기 제2서브 스폿의 밝기 피크치는 상기 제1서브 스폿의 밝기 피크치보다 4-10dB 낮을 수 있다.
상기 메타 렌즈는, 하기의 식을 만족하는 복소 투과도(T(r))를 가질 수 있다.
Figure pat00001
여기서, T0(r)은 상기 메인 스폿을 형성하는 주광선의 투과도, Ai는 i번째 서브 스폿을 형성하는 부광선의 메인 스폿 대비 상대 투과 세기, vi는 상기 부광선의 전파 방향이 틸트된 정도에 해당하는 방향 코사인(여기서, vi = ui/f 이고, ui는 상기 결상면에서 메인 스폿과 i번째 서브 스폿 사이의 거리, f는 메타 렌즈의 유효 초점 거리를 나타낸다)를 나타낸다.
상기 메타층은, 투과하는 광의 위상을 변조하며, 상기 메인 스폿을 형성하는 주광선에 대해 틸트되게 상기 적어도 하나의 서브 스폿을 형성하는 부광선을 분기하도록 마련되며, 투과하는 광의 세기를 변조하여, 결상면에서 서로 다른 밝기의 상기 복수의 스폿을 비대칭 분포로 형성하는 투과도 변화층;을 더 포함할 수 있다.
상기 투과도 변화층은, 상기 메타층의 상부나 하부에 마련될 수 있다.
상기 투과도 변화층은 HEBS 물질층으로 이루어질 수 있다.
상기 메타층은 입사광에 포함된 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 형성하도록, 복수의 제1나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제1주변물질을 포함하는 제1층; 및 상기 제1층 상에 배치되고, 복수의 제2나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제2주변물질을 포함하는 제2층;을 포함하며, 상기 제1나노구조물의 유효 굴절율이 제1주변물질의 유효 굴절율보다 크고, 상기 제2나노구조물의 유효 굴절율이 상기 제2주변물질의 유효 굴절율보다 작거나, 상기 제1나노구조물의 유효 굴절율이 제1주변물질의 유효 굴절율보다 작고, 상기 제2나노구조물의 유효 굴절율이 상기 제2주변물질의 유효 굴절율보다 클 수 있다.
상기 메타층은 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 단조롭게 변화하며 위상 변조 범위가 서로 다른 위상 지연 프로파일을 형성하도록, 복수의 제1나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제1주변물질을 포함하는 제1층; 및 상기 제1메타층 상에 배치되고, 복수의 제2나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제2주변물질을 포함하는 제2층;을 포함하며, 위치에 따른 유효 굴절율 변화율의 부호가 상기 제1층과 상기 제2층에서 서로 같은 제1구역과 상기 제1층과 상기 제2층에서 서로 반대인 제2구역을 포함할 수 있다.
상기 제1구역이 상기 제2구역보다 넓으며, 상기 제1구역과 상기 제2구역은 각각 하나 이상이며, 일방향을 따라 상기 제1구역과 상기 제2구역이 교대로 나타날 수 있다.
상기 메타 렌즈는 출력단에서 상기 복수의 스폿의 개수보다 작은 수의 커리어(carrier) 공간 주파수 (이하, 공간 주파수) 성분을 가지는 복소 투과도 분포를 형성하도록 마련될 수 있다.
상기 공간 주파수 성분을 가지는 위상 분포에 구면이나 비구면 형태의 투과 위상 분포가 더해지도록 상기 복수의 나노구조물이 배열될 수 있다.
상기 복소 투과도 분포의 주기는 동작 파장의 3배 이상일 수 있다.
일 유형에 따른 결상 광학계는, 메타 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈를 포함하며, 상기 메타 렌즈는, 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 적어도 하나의 메타층을 포함하고, 입사광의 위상 및 세기를 변조하며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련되며, 상기 결상면에 형성되는 복수의 스폿은, 메인 스폿과, 상기 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고, 상기 메인 스폿보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함할 수 있다.
상기 복수의 렌즈는, 적어도 하나의 굴절렌즈;를 포함하며, 상기 메타 렌즈는, 상기 결상 광학계의 앞단, 중간, 마지막 단 중 적어도 어느 하나에 위치하며, 상기 굴절렌즈는, 피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1렌즈를 포함하며, 상기 메타 렌즈는, 상기 제1렌즈를 통과한 입사광에 대해 음의 색수차를 가지도록 마련될 수 있다.
상기 메타 렌즈는 정의 굴절력이나 부의 굴절력을 가지도록 위상 지연 프로파일을 형성할 수 있다.
일 유형에 따른 전자 장치는, 결상 광학계; 및 상기 결상 광학계에 의해 비대칭 분포로 형성되는 서로 다른 밝기의 복수 스폿의 광학 상을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함하며, 상기 결상 광학계는, 메타 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈를 구비하며, 상기 메타 렌즈는, 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 적어도 하나의 메타층을 포함하고, 입사광의 위상 및 세기를 변조하며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련되며, 상기 결상면에 형성되는 복수의 스폿은, 메인 스폿과, 상기 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고, 상기 메인 스폿보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함할 수 있다.
상기 전자 장치는, 단일 촬영에서 상기 결상 광학계의 결상 초점 형태를 디컨벌루션하도록 상기 이미지 센서에서 검출된 이미지 신호를 처리하며, 높은 명암비의 이미지를 획득하는 이미지 시그널 프로세서;를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 렌즈는 적어도 하나의 굴절렌즈;를 포함하며, 상기 메타 렌즈는, 상기 결상 광학계의 앞단, 중간, 마지막 단 중 적어도 어느 하나에 위치하며, 상기 굴절렌즈는, 피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1렌즈를 포함하며, 상기 메타 렌즈는, 상기 제1렌즈를 통과한 입사광에 대해 음의 색수차를 가지도록 마련될 수 있다.
실시예에 따른 메타 렌즈는, 결상면에 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 복수의 스폿을 비대칭 분포로 형성할 수 있으므로, 이러한 메타 렌즈를 결상 광학계에 적용하여 이미지 획득시, 단일 촬영에 의해 동일 시간에, 동일 장면에 대한 서로 밝기 피크치의 복수의 이미지를 얻을 수 있다.
이러한 메타 렌즈를 포함하는 결상 광학계를 적용한 이미징 장치나 전자 장치에 따르면, 단일 촬영에 의해 얻어지는 복수의 이미지를 신호 처리하여, HDR 영상을 얻을 수 있으며, 이때, 복수의 이미지 간에 물체의 움직임이 존재하지 않아, 잔상 없는 HDR 영상을 획득할 수 있다.
또한, 이러한 메타 렌즈를 포함하는 결상 광학계를 적용한 이미징 장치나 전자 장치에 따르면, 단일 촬영에 의해 얻어지는 복수의 이미지가 서로 다른 밝기 피크치를 가지므로, 다양한 반사도를 가지는 대상체에 대한 깊이 위치 정보 획득시 정확도를 높일 수 있다.
도 1 및 도 2는 실시예에 따른 메타 렌즈를 개략적으로 보여준다.
도 3은 실시예에 따른 메타 렌즈에 의해 결상면에 형성되는 복수의 스폿의 비대칭 분포를 예시적으로 보여준다.
도 4a은 메인 스폿에 비해 낮은 제1조도의 제1서브 스폿을 형성하기 위한 제1투과 진폭 분포를 예시적으로 보여준다.
도 4b는 제1서브 스폿에 비해 낮은 제2조도의 제2서브 스폿을 형성하기 위한 제2투과 진폭 분포를 예시적으로 보여준다.
도 5는 실시예에 따른 메타 렌즈의 메타층의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 6은 도 5의 메타 렌즈의 구현하고자하는 위상 지연 프로파일의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 5의 메타 렌즈가 도 6의 위상 지연 프로파일을 구현할 때의 메타층의 A-A 단면도이다.
도 8은 도 5의 메타 렌즈가 구현하고자하는 파장별 위상 지연 프로파일의 다른 예를 보여주는 그래프이다.
도 9는 도 5의 메타 렌즈가 나타내는 위상 지연 분산의 예를 보이는 그래프이다.
도 10은 도 5의 메타 렌즈가 도 8 및 도 9의 위상 지연 및 위상 지연 분산을 구현할 때의 메타층의 A-A 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 도 7 및 도 10에 도시된 제1나노구조물(NS1)과 제2나노구조물(NS2)의 적층 구조를 포함하는 단위 요소의 굴절율 및 형상 치수를 상세히 보이는 단면도 및 평면도이다.
도 12는 도 7 및 도 10에 도시된 제1나노구조물(NS1)과 제2나노구조물(NS2)의 적층 구조에 적용될 수 있는 단위 요소의 다른 예를 보인 단면도이다.
도 13은 실시예에 따른 메타 렌즈의 메타층의 다른 예를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 14 내지 도 16은 실시예에 따른 메타 렌즈를 적용한 결상 광학계 및 이를 촬상 렌즈로 적용한 이미징 장치의 광학적 구성을 예시적으로 보여준다.
도 17은 실시예에 따른 결상 광학계를 촬상 렌즈로 적용한 이미징 장치를 개략적으로 보여준다.
도 18은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 19는 도 18의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 블록도이다.
도 20은 도 18의 전자 장치에 구비되는 3D 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
카메라나 이미지 센서가 인간의 눈 및 그 이상의 HDR (High Dynamic Range) 성능을 가지게 하기 위해, 광학계, 센서, 알고리즘을 통합한 최적 개발이 필요하다. 실시예에 따른 메타 렌즈는, 결상면에서 소정의 분포 예컨대, 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련된다. 이를 위해, 실시예에 따른 메타 렌즈는, 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 적어도 하나의 메타층을 포함한다. 또한, 실시예에 따른 메타 렌즈는 광의 위상 및 세기를 변조하도록 마련된다. 여기서, 비대칭 분포는 복수의 스폿의 위치적인 비대칭 및/또는 밝기 피크치의 비대칭을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 메타 렌즈는, 복수의 나노구조물의 배열에 의해 렌즈로서 역할을 하는 위상 지연 분포를 형성하며, 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 커리어(carrier) 공간 주파수 (이하, 공간 주파수)를 가져, 결상 광학계에 적용할 때 복수의 스폿들을 가지도록 하는 점확산함수(PSF: point spread function) 형태를 가지며, 결상면에서 예컨대, 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성할 수 있다. 이때, 복수의 나노 구조물 배열은 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일 위상 지연 프로파일 또는 단조롭게(monotonic) 변화하면서 위상 변조 범위가 서로 다른 위상 지연 프로파일을 형성하도록 마련될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 메타 렌즈는 결상면에 복수의 스폿을 형성하기 위한 공간 주파수 성분이 점확산함수의 총 스폿 개수-1 이하이도록 마련될 수 있다.
이러한 메타 렌즈의 결상면에는 비대칭 분포로 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 복수의 스폿이 형성되며, 이때, 복수의 스폿은, 메인 스폿과, 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고, 메인 스폿보다 저조도의 적어도 하나의 서브 스폿을 포함할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 서브 스폿은 서로 다른 조도를 가지며 메인 스폿에 대해 예를 들어, 비대칭 분포하는 복수의 서브 스폿을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 서브 스폿은 메인 스폿에 대해 비대칭 분포하는 제1서브 스폿과 제2서브 스폿을 포함할 수 있다. 이때, 제1서브 스폿과 제2서브 스폿은 서로 다른 밝기 피크치를 가질 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 메타 렌즈는, 메타층이 투과하는 광의 위상을 변조하고 투과하는 광의 세기를 변조하는 복수의 나노구조물 배열을 가져, 결상면에서 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 비대칭 분포로 형성하도록 마련될 수 있다. 다른 예로서, 실시예에 따른 메타 렌즈는 복수의 나노구조물이 투과하는 광의 위상을 변조하도록 배열된 메타층 및, 투과하는 광의 세기를 변조하여, 결상면에서 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 비대칭 분포로 형성하는 투과도 변화층을 포함하도록 마련될 수 있다. 이때, 투과도 변화층은 메타층의 상부나 하부에 투과도가 공간적으로 변화하도록 마련될 수 있다. 메타층과 투과 변화층은 적층 구조를 이루거나, 별도의 분리된 부재로 마련될 수 있다.
이러한 실시예에 따른 메타 렌즈에 따르면, 결상면에서 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하며, 복수의 스폿은, 메인 스폿과, 메인 스폿의 중심과 그 중심이 서로 이격되고 메인 스폿보다 저조도의 적어도 하나의 서브 스폿을 포함하며, 결상면에 형성될 수 있다.
실시예에 따른 메타 렌즈를 결상 광학계에 적용하는 경우, 복수의 스폿이 비대칭 분포로 형성되는 결상면은 결상 광학계의 결상면에 해당할 수 있다. 예를 들어, 결상 광학계와 이미지 센서를 포함하는 전자 장치 예컨대, 카메라나, 카메라를 포함하는 장치에서, 이미지 센서는 결상 광학계의 결상면 또는 그 부근에 위치하게 되며, 실시예에 따른 메타 렌즈 및 이를 적용한 결상 광학계에 의해 형성되는 복수의 스폿은 이미지 센서의 센싱면에 형성될 수 있다.
실시예에 따른 메타 렌즈를 결상 광학계에 적용한 카메라 등의 영상 획득 장치는, 단일 촬영 이미지에 대해 결상 광학계의 결상 초점 형태 즉, 점확산함수(PSF: point spread function)을 디컨벌루션하고 이미지 신호 처리를 수행하여 HDR 영상을 획득할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 메타 렌즈는, 카메라나 다양한 영상 기반 센서가 HDR로 동작하도록 광학 성능을 높여줄 수 있다.
도 1 및 도 2는 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 개략적으로 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(미도시)을 구비하는 적어도 하나의 메타층(101)을 포함하며, 입사광(L)의 위상 및 세기를 변조하도록 마련될 수 있다. 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하며, 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 공간 주파수(공간 상의 일정한 방향으로의 주기)를 가지는 점확산함수(PSF: point spread function) 형태를 가지며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련될 수 있다. 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 의해 결상면에 형성되는 복수의 스폿은 메인 스폿과, 이 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고 메인 스폿(SPm)보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에서 L0은 결상면에 메인 스폿(SPm)을 형성하는 주광선, Li는 결상면에 i번째 서브 스폿을 형성하는 부광선을 나타낸다. 부광선(Li)의 전파 방향은 주광선(L0)과 각을 이룰 수 있다.
여기서, 결상면은 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 결상면 또는 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용한 결상 광학계의 결상면에 해당할 수 있다. 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 결상면에 복수의 스폿을 형성하기 위한 공간 주파수 성분은 점확산함수의 총 스폿 개수-1 이하일 수 있다.
실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 의해 결상면에 형성되는 복수의 스폿은, 도 3에 예시적으로 보인 바와 같이, 메인 스폿(SPm)과, 메인 스폿(SPm)의 중심으로부터 이격되고, 메인 스폿(SPm)보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 서브 스폿은, 서로 다른 조도를 가지며 메인 스폿(SPm)에 대해 비대칭 분포하는 복수의 서브 스폿 예를 들어, 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)을 포함할 수 있다.
도 3에서는, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 의해, 복수의 서브 스폿 예컨대, 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)이 서로 다른 밝기 피크치를 가져, 메인 스폿(SPm)에 대해 밝기 피크치에 있어서 비대칭 분포로 형성되며, 위치적으로도 비대칭 분포로 형성되는 예를 보여준다. 여기서, 위치적인 비대칭은, 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)이 메인 스폿(SPm)에 대해 서로 반대쪽에 위치하면서 이격 거리가 서로 다른 것을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 복수의 서브 스폿 예컨대, 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)을 메인 스폿(SPm)에 대해 위치적으로 대칭되게 형성하면서, 밝기 피크치만 서로 다른 비대칭 분포로 형성하도록 마련될 수도 있다. 위치적인 대칭은, 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)이 메인 스폿(SPm)에 대해 서로 반대쪽에 위치하면서 이격 거리도 동일한 것을 포함할 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 복수의 스폿을 형성하도록 마련되며, 결상면에 형성되는 복수의 스폿은, 메인 스폿(SPm)과, 메인 스폿(SPm)의 중심으로부터 이격되고 메인 스폿(SPm)보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 형성하도록 마련될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 서브 스폿은 밝기 피크치가 서로 다른 복수의 서브 스폿 예를 들어, 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)을 포함할 수 있다. 이때, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 의해, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 복수의 스폿을 형성하는 것은 복수의 스폿의 위치적인 비대칭 및/또는 복수의 스폿의 밝기 피크치의 비대칭을 포함할 수 있다. 이와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 예를 들어, 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)은 메인 스폿(SPm)에 대해 다양한 방식으로 비대칭 분포로 형성될 수 있다. 이하에서는, 적어도 하나의 서브 스폿이 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)을 포함하며, 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)이 위치적으로도, 메인 스폿(SPm)에 대해 비대칭 분포를 형성하도록 마련된 메타 렌즈(100)를 예를 들어 설명하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 의해 결상면에 형성되는 적어도 하나의 서브 스폿의 밝기 피크치는 예를 들어, 메인 스폿(SPm)의 밝기 피크치 대비 약 4~10 dB 정도씩 낮아질 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 서브 스폿은 메인 스폿(SPm)보다 약 4~10 dB 정도 낮은 밝기 피크치를 가지는 제1서브 스폿(SP1)을 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 서브 스폿은 제2서브 스폿(SP2)을 더 포함하며, 제2서브 스폿(SP2)은 제1서브 스폿(SP1)보다 약 4~10 dB 정도 낮은 밝기 피크치를 가질 수 있다. 예를 들어, 메인 스폿(SPm)의 밝기 피크치를 약 0dB이라 할 때, 제1서브 스폿(SP1)은 약 -10dB 내지 -4 dB의 밝기 피크치 예컨대, 약 -6 dB의 밝기 피크치를 가지도록 형성되고, 제2서브 스폿(SP2)은 약 -20 dB 내지 -8 dB의 밝기 피크치 예컨대, 약 -12 dB의 밝기 피크치를 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 점확산함수(PSF)는 색수차를 가질 수 있다. 예를 들어, 파장간의 점확산함수의 상대 위치 및 파장 별로 주광선의 초점 스폿인 메인 스폿(SPm)을 중심으로 점확산함수가 퍼지는 정도가 서로 다를 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 결상면에서, 메인 스폿(SPm)에 대한 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)의 이격 거리는, 메타 렌즈(100)나 이를 포함하는 결상 광학계의 색수차 정도에 따라 달라질 수 있다.
메인 스폿(SPm)에 대해 비대칭 분포로 형성되는 서브 스폿의 개수는 메타 렌즈(100)의 공간 주파수 개수에 따라 달라질 수 있다. 도 3에서와 같이, 제1서브 스폿(SP1)은 메인 스폿(SPm)에 대해 제1방향 예컨대, 수평 방향으로 분포될 수 있으며, 제2서브 스폿(SP2)은 제2방향 예컨대, 제1방향에 대해 각도(θ)를 이루는 방향으로 분포될 수 있다. 다른 예로서, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 결상면에 메인 스폿(SPm)과 하나의 서브 스폿 또는 메인 스폿(SPm)과 비대칭 분포되며 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 3개 이상의 서브 스폿을 형성하도록 마련될 수도 있다.
실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 공간 주파수를 가져 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록, 예를 들어, 수학식 1을 만족하는 복소 투과도(T(r))를 가지도록 마련될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 1에서 T0(r)은 메인 스폿(SPm)을 형성하는 주광선(L0)에 대한 메타 렌즈(100)의 투과도이며, Ai 및 vi는 i번째 서브 스폿을 형성하는 부광선(Li)의 메인 스폿(SPm) 대비 상대 투과 세기 및 부광선의 전파 방향이 틸트된 정도에 해당하는 방향 코사인을 나타낸다. 여기서, vi = ui/f 이며, ui는 결상면에서 메인 스폿(SPm)과 i번째 서브 스폿 사이의 거리, f는 메타 렌즈(100)를 포함하는 결상 광학계의 유효 초점 거리를 나타낸다.
예를 들어, 메인 스폿(SPm)에 대해 제1방향 예컨대, 수평 방향으로 제1서브 스폿(SP1)을 추가 형성하도록, 메타 렌즈(100)는 T0(r)에 도 4a에 보여진 바와 같은 약한 투과 진폭 변조 분포 예컨대, 제1투과 진폭 분포(Tm1)를 더하도록 마련될 수 있다. 또한, 제2방향으로 제2서브 스폿(SP2)을 추가 형성하도록, 메타 렌즈(100)는 도 4b에서와 같은 약한 투과 진폭 변조 분포 예컨대, 제2투과 진폭 분포(Tm2)를 추가로 포함할 수 있다. 도 4a은 메인 스폿(SPm)에 비해 낮은 제1조도의 제1서브 스폿(SP1)을 형성하기 위한 제1투과 진폭 분포(Tm1)를 예시적으로 보여준다. 도 4b는 제1서브 스폿(SP1)에 비해 낮은 제2조도의 제2서브 스폿(SP2)을 형성하기 위한 제2투과 진폭 분포(Tm2)를 예시적으로 보여준다.
실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 주광선의 메인 스폿(SPm)을 만들기 위한 투과 위상 분포에 초점 성분별 투과 위상 분포 즉, 제1서브 스폿(SP1) 및 제2서브 스폿(SP2)을 만들기 위한 투과 위상 분포가 수학식 1에서와 같이 복소 함수로 더해진 복소 투과도를 가지도록 마련될 수 있다. 즉, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 투과 위상은 투과 진폭 분포와 유사하게 추가 초점 성분별 공간 주파수 방향에 따라 변조될 수 있다
이와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 복수의 스폿의 개수보다 작은 수의 공간 주파수 성분을 가지도록 마련될 수 있다. 즉, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 점확산함수(PSF)가 N개의 초점 스폿을 가져, 결상면에 N개의 스폿 즉, 메인 스폿(SPm) 및 비대칭 분포로 N-1개의 서브 스폿을 형성할 때 (여기서, N은 2 이상의 자연수), 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 N-1개 이하의 공간 주파수 성분을 가지도록 마련될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 공간 주파수를 가지는 복소 투과도 분포의 주기가 동작 파장의 약 3배 이상이도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b의 투과 진폭 분포(Tm1, Tm2)는 동작 파장의 약 3배 이상 예컨대, 동작 파장의 약 10~20배의 간격으로 밝기 변조가 이루어지도록 마련될 수 있다.
실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 메타층(101)은 도 1에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 통과하는 광의 위상(φ(λ))을 지연시켜 위상 지연 프로파일을 형성하고 광의 투과도(T(r))를 변조하도록 마련될 수 있다. 메타층(101)은, 복수의 나노구조물 배열이 형성하는 굴절율 분포에 따라 이를 통과하는 광의 위상(φ(λ))을 지연시켜 위상 지연 프로파일을 형성하고, 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 공간 주파수를 가지도록 광의 투과도(T(r))를 변조하도록 마련될 수 있다.
즉, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 예를 들어, 공간 주파수 성분을 가지는 위상 분포에 구면이나 비구면 형태의 투과 위상 분포가 더해지도록 복수의 나노구조물이 배열되는 형태로 마련될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 예를 들어, 출력단 면에서의 광의 복소 투과도 분포가 1개 이상의 공간 주파수를 가질 수 있는 공간 분포로 복수의 나노구조물의 구조가 변하도록 마련되어, 예를 들어, 도 4a 및/또는 도 4b의 투과 진폭 분포(Tm1 및/또는 Tm2)를 나타내도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 메타층(101)은 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물이 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하도록 배열되고, 복수의 나노구조물의 구조 변화는, 전술한 바와 같은 동작 파장의 약 3배 이상 예컨대, 약 10~20배의 주기로 복소 투과도 분포를 형성하도록 마련될 수 있다. 메타층(101)의 복수의 나노구조물 구조의 변화가 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1)를 나타내도록 마련됨으로써, 메인 스폿(SPm)에 비해 낮은 제1조도의 제1서브 스폿(SP1)을 형성할 수 있다. 또한, 메타층(101)의 복수의 나노구조물 구조의 변화가 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2)를 나타내도록 마련됨으로써, 제1서브 스폿(SP1)에 비해 낮은 제2조도의 제2서브 스폿(SP2)을 형성할 수 있다. 메타층(101)의 복수의 나노구조물 구조 변화가 예를 들어, 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1)에 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2)가 더해진 투과 진폭 분포를 나타내도록 마련될 수 있다. 이때, 메타층(101)에서의 복수의 나노 구조물 구조 변화는, 예를 들어, 층 두께 방향으로 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1)를 형성하는 위치와 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2)를 형성하는 위치가 서로 다르거나, 동일 층 위치에 조합된 형태로 형성될 수도 있다.
이러한 투과 진폭 분포를 가지도록 메타층(101)을 형성함에 의해, 결상면에 메인 스폿(SPm)과, 메인 스폿(SPm)에 대해 비대칭 분포된 저조도의 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)을 형성할 수 있다.
이와 같이 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 도 1에 예시적으로 보인 바와 같이, 위상 변조 및 투과도 변조가 메타층(101)에서 이루어지도록 복수의 나노 구조물의 배열 및 형상이 변하도록 마련될 수 있다. 한편, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 위상 변조 및 투과도 변조가 이루어지도록 마련된 메타층(101)에 부가하여, 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하도록 투과하는 광의 위상을 변조하는 추가적인 메타층을 적어도 1개 이상 더 포함할 수 있다. 추가적인 메타층은 렌즈로서 역할을 하도록 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 구비할 수 있다. 이와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 위상 변조 및 투과도 변조가 이루어지는 메타층(101) 만을 포함하도록 마련되거나, 메타층(101)을 포함하여 복수의 메타층을 포함하도록 마련될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 도 2에 예시적으로 보인 바와 같이, 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하는 위상 변조는 메타층(101)에서 이루어지고, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하기 위한 투과도 변조는 투과도 변화층(105)에 의해 이루어지도록 마련될 수 있다.
즉, 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하는 메타층(101)과, 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 공간 주파수를 가지도록 광의 투과도(T(r))를 변조하는 투과도 변화층(105)을 포함할 수 있다.
도 2의 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 있어서, 메타층(101)은, 복수의 나노구조물 배열이 형성하는 굴절율 분포에 따라 이를 통과하는 광의 위상(φ(λ))을 지연시켜 위상 지연 프로파일을 형성하도록 마련될 수 있다. 투과도 변화층(105)은 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 공간 주파수(공간 상의 일정한 방향으로의 주기)를 가지는 점확산함수(PSF: point spread function) 형태를 가지며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 투과도 변화층(105)은, 수학식 1을 만족하는 복소 투과도를 가지도록 마련될 수 있다.
도 2에 예시적으로 보인 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 메타층(101)에는 구면이나 비구면 형태의 투과 위상 분포를 가지도록 복수의 나노구조물이 배열될 수 있으며, 투과도 변화층(105)은, 공간 주파수 성분을 가지는 위상 분포를 가지도록 마련될 수 있다. 투과도 변화층(105)은 투과도를 공간적으로 변화시키도록 메타층(101)의 상부나 하부에 마련될 수 있다. 도 2에서는 메타층(101)의 하부에 투과도 변화층(105)이 마련된 예를 보여준다. 메타 렌즈(100)가 위상 변조를 위한 메타층(101)과 투과도 변조를 위한 투과도 변화층(105)을 포함할 때, 메타층(101)과 투과도 변화층(105)은 적층 구조를 이루거나, 별도의 분리된 부재로 이루어질 수 있다.
투과도 변화층(105)은, 메인 스폿(SPm)을 형성하는 주광선(L0)에 대해 틸트되게 적어도 하나의 서브 스폿을 형성하는 부광선(Li)을 분기하도록 마련되며, 투과하는 광의 세기를 변조하여, 결상면에서 서로 다른 밝기의 복수의 스폿 즉, 주광선(L0)에 의한 메인 스폿(SPm) 및 부광선(Li)에 의한 적어도 하나의 서브 스폿을 비대칭 분포로 형성하도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 투과도 변화층(105)은 약한 투과 진폭 변조를 구현하도록, 투과도가 공간적으로 약하게 변화하는 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 투과도 변화층(105)은, 메인 스폿(SPm)에 비해 저조도인 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)을 형성하기 위한 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1)와 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2)를 나타내도록 마련될 수 있다. 전술한 바와 같이, 도 4a은 메인 스폿(SPm)에 비해 낮은 제1조도의 제1서브 스폿(SP1)을 형성하기 위한 제1투과 진폭 분포(Tm1)를 예시적으로 보여주며, 도 4b는 제1서브 스폿(SP1)에 비해 낮은 제2조도의 제2서브 스폿(SP2)을 형성하기 위한 제2투과 진폭 분포(Tm2)를 예시적으로 보여준다. 투과도 변화층(105)은 예를 들어, 전술한 바와 같은 동작 파장의 약 3배 이상 예컨대, 약 10~20배의 주기로 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1)에 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2)가 더해진 투과 진폭 분포를 나타내도록 마련될 수 있다. 이때, 투과도 변화층(105)은 예를 들어, 층 두께 방향으로 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1)를 형성하는 위치와 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2)를 형성하는 위치가 서로 다르거나, 동일 층 위치에 조합된 형태로 형성될 수도 있다.
이러한 투과 진폭 분포를 가지도록 투과도 변화층(105)을 형성함에 의해, 결상면에 메인 스폿(SPm)과, 메인 스폿(SPm)에 대해 비대칭 분포된 저조도의 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)을 형성할 수 있다.
이와 같이, 투과도 변화층(105)의 투과 진폭 분포는 그 중심이 메인 스폿(SPm)의 중심으로부터 이격되고 메인 스폿(SPm)보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 형성하도록 마련될 수 있다. 이러한 투과도 변화층(105)은 예를 들어, HEBS (High Energy Beam Sensitive) 물질로 이루어질 수 있다. 투과도 변화층(105)을 HEBS 물질로 형성하고, 강한 에너지의 빔을 그레이-레벨 분포로 조사하여, 국부적인 투과도 변화를 얻을 수 있다.
투과도 변화층(105)이 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1)에 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2)를 더한 투과 진폭 분포를 가지도록 마련된 경우, 결상면에는 도 3에 예시적으로 보인 바와 같이, 메인 스폿(SPm), 및 이 메인 스폿(SPm)에 대해 이격되고 비대칭 분포하는 제1 및 제2서브 스폿(SP2)이 형성될 수 있다.
한편, 도 2에 예시적으로 보인 바와 같이, 투과도 변조가 별도의 부재 즉, 투과도 변화층(105)에 의해 이루어지도록 마련되는 경우에도, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 메타층(101)에 부가하여, 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하여 투과하는 광의 위상을 변조하는 추가적인 메타층을 적어도 1개 이상 더 포함할 수 있다. 추가적인 메타층은 렌즈로서 역할을 하도록 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 구비할 수 있다. 이와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 투과도 변조를 위한 별도의 투과도 변화층(105)를 구비하는 경우에도, 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일 형성을 위한 위상 변조를 위해 메타층(101) 만을 포함하도록 마련되거나, 메타층(101)을 포함하여 복수의 메타층을 포함하도록 마련될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 메타층(101)은 통과하는 광의 위상(φ(λ))을 지연시켜 위상 지연 프로파일을 형성하고 광의 투과도(T(r))를 변조하도록 마련될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 메타층(101)은 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하도록 마련되고, 별도의 투과도 변화층(105)에서 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 공간 주파수를 가지도록 광의 투과도(T(r))를 변조할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 메인 스폿(SPm)에 대해 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)을 비대칭 분포로 형성하기 위해, 제1투과 진폭 분포(Tm1)는 도 4a에서와 같이 제1방향으로 배열되도록 형성될 수 있으며, 제2투과 진폭 분포(Tm2)는 도 4b에서와 같이 제1방향에 대해 각도(θ)를 이루는 제2방향으로 배열되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 도 3에서와 같이 제1서브 스폿(SP1)은 메인 스폿(SPm)에 대해 제1방향 예컨대, 수평 방향으로 형성되고, 제2서브 스폿(SP2)이 메인 스폿(SPm)에 대해 제2방향으로 형성되며, 제1방향과 제2방향은 각도(θ)를 이룰 수 있다. 제1방향과 제2방향이 이루는 각도(θ)는 180도 이외의 값일 수 있으며, 180도일 수도 있다. 이 경우, 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)은 메인 스폿(SPm)에 대해 위치적으로 비대칭 또는 대칭으로 형성될 수 있다. 또한, 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)은 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1)의 주기 및 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2)의 주기에 따라 메인 스폿(SPm)에 대해 동일 이격거리 또는 서로 다른 이격거리를 이루도록 형성될 수 있다.
다른 예로서, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 결상면에 메인 스폿(SPm)과, 메인 스폿(SPm)보다 저조도인 하나의 서브 스폿을 형성하도록 마련될 수 있으며, 이를 위해 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 예를 들어, 도 4a의 제1투과 진폭 분포(Tm1) 및 도 4b의 제2투과 진폭 분포(Tm2) 중 어느 하나를 포함하도록 마련될 수 있다. 또한, 메타 렌즈(100)는 결상면에 메인 스폿(SPm)과, 이 메인 스폿(SPm)보다 저조도인 3개 이상의 서브 스폿을 비대칭 분포로 형성하도록 마련될 수 있으며, 이 경우 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 서브 스폿을 각각 형성하기 위한 3개 이상의 투과 진폭 분포가 더해진 투과 진폭 분포를 가지도록 마련될 수 있다.
도 3에서는 결상면에 형성되는 복수의 스폿이 메인 스폿(SPm), 메인 스폿(SPm)에 대해 이격되고 위치적으로 비대칭 분포하는 서로 다른 밝기 피크치의 제1 및 제2서브 스폿(SP2)을 포함하는 예를 보여준다. 여기서, 비대칭 분포는, 전술한 바와 같이, 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)이 메인 스폿(SPm)에 대해 서로 반대쪽에 위치하면서 이격 거리가 서로 다른 것을 포함할 수 있다. 또한, 비대칭 분포는, 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)은 서로 다른 밝기 피크치를 가지며, 메인 스폿(SPm)에 대해 위치적으로는 대칭인 것을 포함할 수 있다. 위치적으로 대칭은 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)이 메인 스폿(SPm)에 대해 서로 반대쪽에 위치하면서 이격 거리가 동일한 것을 나타낸다.
이와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 제1서브 스폿(SP1)과 제2서브 스폿(SP2)은 메인 스폿(SPm)에 대해 다양한 방식으로 비대칭 분포로 형성될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용함으로써 형성되는 적어도 하나의 서브 스폿의 밝기 피크치가 메인 스폿(SPm)의 밝기 피크치 대비 4~10 dB 정도씩 낮아질 수 있으므로, 예를 들어 복수의 서브 스폿(SP1, SP2)이 위치적으로 비대칭적으로 형성되는 경우 뿐만 아니라, 대칭적으로 형성되는 경우에도, 복수의 서브 스폿(SP1, SP2)의 밝기 피크치가 서로 다르다. 예를 들어, 메인 스폿(SPm)의 밝기 피크치가 예컨대, 0dB일 때, 제1서브 스폿(SP1)의 밝기 피크치는 예를 들어, 약 -6dB, 제2서브 스폿(SP2)의 밝기 피크치는 예를 들어, 약 -12dB일 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용하면, 단일 촬영 이미지를 적용하여 해당 광학계의 결상 초점 형태 즉, 점확산함수(PSF)를 디컨벌루션하는 이미지 신호 처리에 의해 HDR 영상을 획득할 수 있으며, HDR 범위를 확대할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용한 이미징 장치에서 단일 촬영의 의해, 메인 스폿(SPm)의 결상 이미지에 해당하는 메인 이미지, 제1서브 스폿(SP1)의 결상 이미지에 해당하는 제1서브 이미지, 제2서브 스폿(SP2)의 결상 이미지에 해당하는 제2서브 이미지를 얻을 수 있으며, 메인 이미지, 제1서브 이미지, 제2서브 이미지의 밝기 피크치는 서로 다르다. 따라서, 동일 시간에, 동일 장면에 대한 서로 다른 밝기 피크치의 복수의 이미지를 얻을 수 있으므로, 이 복수의 이미지를 신호 처리하여 HDR 영상을 얻을 수 있으며, HDR 범위를 확대할 수 있다. 이때, HDR 영상을 얻는데 적용되는 복수의 이미지가 단일 촬영에 의해 얻어지므로, 복수의 이미지 간에는 물체의 움직임이 존재하지 않으며, 따라서 HDR 영상에 물체의 움직임에 의한 잔상(고스트 아티팩트) 등이 발생하지 않는다, 즉, 이미징 장치에 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용하면, 단일 촬영에 의해 잔상 없는 HDR 영상을 획득할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 메타층(101)에는 복수의 나노구조물이 형성하는 굴절율 분포에 따라 광의 위상을 지연시켜, 렌즈로서 역할을 하는 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하도록 배열될 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 메타층(101)에는, 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 복수의 스폿을 비대칭 분포로 형성하기 위한 공간 주파수 성분을 가지는 위상 분포에 렌즈로서 역할을 하는 굴절력을 나타내기 위한 구면이나 비구면 형태의 투과 위상 분포가 더해지도록 복수의 나노구조물이 배열될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 따르면, 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 복수의 스폿을 비대칭 분포로 형성하기 위한 공간 주파수 성분을 가지는 위상 분포는 투과도 변화층(105)에 의해 형성되고, 메타층(101)에는 렌즈로서 역할을 하는 굴절력을 나타내기 위한 구면이나 비구면 형태의 투과 위상 분포가 더해지도록 복수의 나노구조물이 배열될 수 있다.
렌즈로서 역할을 하는 굴절력을 나타내기 위한 메타층(101)에서의 위상 지연(phase delay, phase retardation)의 정도는 굴절율 분포의 변수가 되는 각 위치에 따라 다를 수 있으며, 굴절율 분포는 렌즈로서 원하는 굴절력을 나타내는 위상 지연 분포를 가지도록 정해질 수 있다. 또한, 굴절율 분포는 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상 지연 프로파일 또는 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 형성하도록 정해질 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 렌즈로서 역할을 하는 굴절력을 나타내기 위한 메타층(101)의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)의 메타층(101)은 렌즈로서 역할을 하는 굴절력을 나타내도록, 동심원 형태로 배열된 복수의 위상 변조 영역(Rk)을 포함하며, 위상 변조 영역(Rk) 마다 복수의 나노구조물(NS)이 구비될 수 있다. 복수의 위상 변조 영역(Rk)은 메타 렌즈(100)의 중심(C)으로부터 반경 방향(r)을 따라 배치되며, 복수의 위상 변조 영역(Rk)의 폭은 중심에서 멀어질수록 작아질 수 있다. 복수의 나노구조물(NS)은 예를 들어, 기판(미도시) 상에 배치될 수 있다. 여기서, 메타층(101)은 도 1을 참조로 전술한 바와 같이, 통과하는 광의 위상(φ(λ))을 지연시켜 위상 지연 프로파일을 형성하고 광의 투과도(T(r))를 변조하도록 마련될 수 있다. 이 경우, 복수의 위상 변조 영역(Rk)에서의 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(NS)의 배열 및 형상, 크기 등은, 렌즈로서 역할을 하는 굴절력을 나타내도록 위상 지연 프로파일을 형성하는 것에 부가하여, 복수의 나노구조물 구조 변화가 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 공간 주파수를 가져 광의 투과도(T(r))를 변조하도록 마련될 수 있다. 이에 의해, 결상면에서 메인 스폿(SPm) 및 이에 대해 비대칭 분포로 적어도 하나의 서브 스폿을 형성할 수 있다. 다른 예로서, 메타층(101)은 도 2를 참조로 전술한 바와 같이, 통과하는 광의 위상(φ(λ)을 지연시키도록 마련될 수 있으며, 복수의 위상 변조 영역(Rk)에서의 복수의 나노구조물(NS)의 배열 및 형상, 크기 등은, 렌즈로서 역할을 하는 굴절력을 나타내는 위상 지연 프로파일을 형성하도록 마련될 수 있다.
도 5에는 편의상, 단지 몇 개의 나노구조물(NS)만을 예시적으로 표시하고 있다. 후술하는 도 7 및 도 10에 예시적으로 보인 바와 같이, 나노구조물(NS)은 2층 구조로 배열될 수 있으며, 제1층(110)에 제1나노구조물(NS1)과 이들을 둘러싸는 제1주변물질(E1)이 구비되고, 제2층(120)에 제2나노구조물(NS2)과 이들을 둘러싸는 제2주변물질(E2)이 구비될 수 있다. 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)은 메타 렌즈(100)의 동작 파장, 즉, 복수개의 이격된 파장 대역 중 가장 짧은 파장(λ0)보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가진다. 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)의 높이는 메타 렌즈(100)의 동작 파장, 즉, 복수개의 이격된 파장 대역 중 가장 짧은 파장(λ0)보다 클 수 있다. 높이 범위는 파장(λ0)의 0.5배 내지 6배 (0.5λ0 ~ 6.0λ0 등) 일 수 있다.
복수의 위상 변조 영역(Rk)은 각각 소정 범위의 위상 변조 패턴을 나타내는 영역이다. 복수의 위상 변조 영역은 메타 렌즈(100)의 중심(C)로부터 반경 방향(r)을 따라 순서대로 배치된, 제1영역(R1), 제2영역(R2), ..제N영역(RN) 등을 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1영역(R1)은 원형, 제2영역(R2) 내지 제N영역(RN)은 환형 영역일 수 있다. 제1영역(R1) 내지 제N영역(RN)은 소정 범위의 위상 지연을 나타내는 영역이며, 도 6 및 도 8에 도시한 바와 같이, 위상 변조 범위는 복수의 파장에 대해 서로 동일하거나 서로 다를 수 있다. 위상 변조 영역의 총 개수(N), 각 영역의 폭(W1,..Wk,.. WN)은 굴절력(초점 거리), 렌즈 직경에 따라 정해질 수 있다.
도 6은 도 5의 메타 렌즈(100)의 구현하고자하는 위상 지연 프로파일의 일 예를 보여주는 도면이고, 도 7은 도 5의 메타 렌즈(100)가 도 6의 위상 지연 프로파일을 구현할 때의 메타층(101)의 A-A 단면도이다.
예를 들어, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용하는 결상 광학계가 적어도 하나의 굴절렌즈를 포함할 때, 굴절렌즈에서 발생하는 색수차 등의 광학수차를 보정하도록, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 예를 들어, 정의 굴절력을 가지며, 통과하는 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 도 6에서와 같이, 거의 동일한 위상 지연 프로파일을 제공하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 위상 지연 프로파일이 동일하다는 것은 동작 파장 대역에서 파장에 따른 위상 지연의 변화량의 차이가 약 10% 오차 내에 들어오는 것을 의미할 수 있다. 서로 다른 파장이 동일한 위상 지연 프로파일을 가지는 경우, 파장과 초점거리는 반비례 관계가 되며, 메타 렌즈(100)는 음의 색수차를 가질 수 있다.
도 6에 예시적으로 보인 바와 같이, 복수의 위상 변조 영역(Rk) 각각에서, 위상 지연은 R 방향으로 감소하는 프로파일을 가지며, 위상 변조 범위는 복수의 파장에 대해 동일할 수 있다. 이를 위해, 복수의 위상 변조 영역(Rk)은 도 6의 위상 지연 프로파일을 갖도록 각각에 배치되는 제1나노구조물(NS1), 제1주변물질(E1), 제2나노구조물(NS2), 제2주변물질(E2)의 형상, 배열, 굴절율 등이 정해질 수 있다.
도 7을 참조하면, 메타층(101)은, 복수의 제1나노구조물(NS1)과 제1주변물질(E1)을 포함하는 제1층(110)과, 복수의 제2나노구조물(NS2)과 제2주변물질(E2)을 포함하는 제2층(120)을 포함할 수 있다. 메타층(101)은 기판(SU) 상에 형성될 수 있다. 메타층(101)과 기판(SU) 사이에 다른 층이 존재할 수도 있다.
제1층(110)과 제2층(120)은 유효 굴절율 변화량 대비 유효 굴절율 분산이 서로 다르도록 제1나노구조물(NS1), 제1주변물질(E1), 제2나노구조물(NS2), 제2주변물질(E2)의 굴절율, 형상, 배열 등이 설정될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1나노구조물(NS1)은 제1주변물질(E1)보다 낮은 굴절율의 물질로 이루어질 수 있고, 이러한 형태는 편의상 나노 구멍 구조로 지칭할 것이다. 제2나노구조물(NS2)은 제2주변물질(E2)보다 높은 굴절율의 물질로 이루어질 수 있다고 이러한 형태는 편의상 나노 기둥 구조로 지칭할 것이다.
본 실시예에서, 메타층(101)은 R 방향으로 나노 기둥 구조와 나노 구멍 구조의 이층 구조로 된 단위 요소(UE)가 반복 배열되고, 단위 요소(UE)는 위상 변조 영역(Rk) 내에서 일 방향, 예를 들어, 반경 방향(R)을 따라 유효굴절율이 감소하도록 설계되고, 이를 위해 복수의 제1나노구조물(NS1)을 구성하는 나노 구멍 구조는 위상 변조 영역(Rk) 내에서 반경 방향(R)을 따라 폭이 증가할 수 있으며, 또한 복수의 제2나노구조물(NS2)을 구성하는 나노 기둥 구조는 위상 변조 영역(Rk) 내에서 반경 방향(R)을 따라 폭이 증가하도록 설계될 수 있다.
본 실시예에서, 메타층(101)은 R 방향으로 나노 기둥 구조와 나노 구멍 구조의 이층 구조로 된 단위 요소(UE)가 반복 배열되고, 위상 변조 영역(Rk) 내에서 위상 지연은 R 방향으로 감소하는 프로파일을 가지며, 동작 파장 대역의 광에 동일한 위상 지연 프로파일을 제공하도록 단위 요소(UE)가 설계될 수 있다.
위상 지연은 유효굴절율에 비례하므로, 위상 변조 영역(Rk) 내에서 R 방향으로 단위 요소(UE)의 유효굴절율이 감소하도록 설계되고, 이를 위해 제1나노구조물(NS1)들 예컨대, 내부 구멍 구조들은 R 방향으로 폭이 증가하고, 제2나노구조물(NS2) 예컨대, 내부 기둥 구조들은 R 방향으로 폭이 증가하도록 설계될 수 있다.
제1나노구조물(NS1)들은 공기이고, 제1나노구조물(NS1)들을 감싸는 제1주변물질(E1)의 물질이 SiO2인 경우를 예로 설명하면, 공기의 굴절율이 SiO2의 굴절율보다 작기 때문에, 공기 기둥의 폭이 커질수록 제1층(110)의 유효굴절율은 점차 감소한다. 대부분의 광학 재료들은 유효굴절율이 작아질수록 분산의 크기가 작아지기 때문에, 제1층(110)의 분산도 R 방향으로 감소한다. 하지만 유효굴절율의 감소율과 분산의 감소율이 다르기 때문에 제1층(110) 만으로 다른 파장의 광에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 제공하기가 어렵다. 이와 같은 유효굴절율 변화와 분산 변화의 차이를 제2층(120)이 보정할 수 있다.
제2나노구조물(NS2)이 TiO2이고 감싸는 제2주변물질(E2)이 SiO2인 경우를 예로 설명하면, TiO2의 굴절율이 SiO2의 굴절율보다 높기 때문에, 위상 변조 영역(Rk) 내에서 제2층(120)의 유효굴절율은 R 방향으로 증가한다. 제2층(120)의 유효굴절율 증가량을, 제1층(110)의 유효굴절율 감소량보다 작도록 설계하여, 단위 요소(UE)의 유효굴절율과 위상지연 프로파일이 R 방향으로 감소하게 만들 수 있다. 동시에, 제2나노구조물(NS2)의 굴절율 증가율 대비 분산 증가율의 비율이, 제1층(110)의 굴절율 감소율 대비 분산 감소율의 비율보다 크게 설계될 수 있다. 다른 말로 표현하면, 위상 변조 영역(Rk) 내에서, 제1층(110)의 분산이 R 방향으로 감소함에 따라 파장별 위상지연이 달라지는 것을 방지하기 위해, 제2층(120)의 분산은 이를 보정할 수 있을 만큼 R 방향으로 증가하며, 이 때, 제2층(120)의 굴절율은 제1층(110)의 굴절율 감소분을 모두 상쇄할 만큼 증가하면 안되기 때문에, 제2층(120)의 굴절율 증가율 대비 분산의 증가율이 제1층(110)의 굴절율 감소율 대비 분산의 감소율보다 크도록 설계된다.
일반적으로 굴절율이 큰 물질이 유효굴절율 변화율 대비 분산의 변화율이 크기 때문에, 제2나노구조물(NS2)의 물질로, 제1나노구조물(NS1) 보다 굴절율이 큰 물질이 사용될 수 있다. 또한 제1 및 제2나노구조물(NS1,NS2) 중 높이가 작은 나노구조물들이 굴절율이 큰 물질로 구성될 수 있다.
이와 같이, 메타층(101)은 위상 변조 영역(Rk) 내에서 위상 지연은 R 방향으로 감소하는 프로파일을 가지며, 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상 지연 프로파일을 제공하도록 단위 요소(UE)가 설계될 수 있다.
도 8은 도 5의 메타 렌즈(100)가 구현하고자하는 파장별 위상 지연 프로파일의 다른 예를 보여주는 그래프이고, 도 9는 도 5의 메타 렌즈(100)가 나타내는 위상 지연 분산의 예를 보이는 그래프이다. 도 10은 도 5의 메타 렌즈(100)가 도 8 및 도 9의 위상 지연 및 위상 지연 분산을 구현할 때의 메타층(101)의 A-A 단면도이다.
예를 들어, 색수차가 없는(achromatic) 메타 렌즈(100)가 구현되도록, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 도 8 및 도 9에서와 같이 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 단조롭게(monotonic) 변화하면서 위상 변조 범위가 서로 다른 위상 지연 프로파일을 형성하도록 마련될 수 있다.
복수의 위상 변조 영역(Rk) 각각에서, 위상 변조 범위는 도 8에 예시적으로 보인 바와 같이, 복수의 파장에 대해 서로 다를 수 있다. 이를 위해, 복수의 위상 변조 영역(Rk)은 도 8 및 도 9의 위상 지연 프로파일 및 위상 지연 분산을 갖도록 각각에 배치되는 제1나노구조물(NS1), 제1주변물질(E1), 제2나노구조물(NS2), 제2주변물질(E2)의 형상, 배열, 굴절율 등이 정해질 수 있다.
도 10을 참조하면, 메타층(101)은, 복수의 제1나노구조물(NS1)과 제1주변물질(E1)을 포함하는 제1층(110)과, 복수의 제2나노구조물(NS2)과 제2주변물질(E2)을 포함하는 제2층(120)을 포함할 수 있다.
제1층(110)과 제2층(120)은 유효 굴절율 변화량 대비 유효 굴절율 분산이 서로 다르도록 제1나노구조물(NS1), 제1주변물질(E1), 제2나노구조물(NS2), 제2주변물질(E2)의 굴절율, 형상, 배열 등이 설정될 수 있다.
메타층(101)은 서로 다른 적어도 두 파장에 대해, 도 8에서와 같이, 단조롭게 변화하면서 위상 변조 범위가 서로 다른 위상 지연 프로파일을 형성하도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 도 10을 참조하면, 제1나노구조물(NS1)은 제1주변물질(E1)보다 높은 굴절율의 물질로 이루어질 수 있고, 이러한 형태는 편의상 나노 기둥 구조로 지칭할 것이다. 제2나노구조물(NS2)은 제2주변물질(E2)보다 낮은 굴절율의 물질로 이루어질 수 있다고 이러한 형태는 편의상 나노 구멍 구조로 지칭할 것이다. 메타층(101)은 나노 기둥 구조와 나노 구멍 구조의 이층 구조로 된 단위 요소(UE)가 반복 배열된 구조로 볼 수 있다. 나노 기둥 구조의 경우 유효 굴절율이 커지면 유효 굴절율의 분산이 함께 증가하는 경향이 있다. 다시 말하면, 유효 굴절율을 크게 하기 위해 단위 요소(UE)내에서 제1나노구조물(NS1)이 차지하는 점유율(fill factor)을 높이면 유효 굴절율 분산도 증가한다. 이와 달리, 나노 구멍 구조의 경우 유효 굴절율을 높이기 위해 단위 요소(UE) 내에서 제2나노구조물(NS2)이 차지하는 점유율(fill factor)를 낮추면 유효 굴절율 분산은 나노 기둥 구조에 비해 조금 증가하거나 또는 반대로 감소하는 경향을 나타낸다. 나노 구멍 구조의 유효 굴절율 분산 변화율은 유효 굴절율 변화율에 대해 의미있는 의존도를 나타내지 않는 것으로 볼 수 있다. 나노 기둥 구조와 나노 구멍 구조의 이러한 분산 특성 차이는 두 구조의 전기장 집속 정도의 차이에 기인하는 것으로 볼 수 있다. 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 이와 같이 유효 굴절율 변화량 대비 유효 굴절율 분산 변화량이 다르게 나타나는 나노 기둥 구조와 나노 구멍 구조가 적층된 단위 요소(UE)를 사용한다. 단위 요소(UE)를 이루는 세부 치수를 위치에 따라 조절하여 원하는 위상 지연 및 위상 지연 분산을 달성할 수 있다.
본 실시예에서, 복수의 제1나노구조물(NS1)들은 위상 변조 영역(Rk) 내에서 일 방향, 예를 들어, 반경 방향(R 방향)을 따라 폭이 단조롭게 변하는 영역을 포함할 수 있다. 복수의 제2나노구조물(NS2)들은 복수의 제1나노구조물(NS1)들의 폭이 단조롭게 변하는 반경 방향 위치에서, 일방향을 따라 폭의 증감이 1회 이상 변할 수 있다.
위상 변조 영역(Rk)은 제1층(110)과 제2층(120)에서 위치에 따른 유효 굴절율 변화율의 부호가 서로 같은 제1구역(A)과, 제1층(110)과 제2층(120)에서 위치에 따른 유효 굴절율 변화율의 부호가 서로 반대인 제2구역(B)을 포함할 수 있다. 제1구역(A)들의 총합이 제2구역(B)들의 총 합보다 넓을 수 있다. 다시 말하면, 위상 변조 영역(Rk) 내에서 제1층(110)과 제2층(120)의 유효 굴절율 변화율의 부호가 같은 영역이 다른 영역보다 크게 나타날 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1구역(A)에서, 제1층(110)의 제1나노구조물(NS1)의 폭이 반경 방향(R 방향)을 따라 감소하며 유효굴절율이 감소하고, 제2층(120)의 제2나노구조물(NS2)의 폭이 반경 방향(R 방향)을 따라 커지며 즉, 유효굴절율이 감소한다. 제2구역(B)에서, 제1층(110)의 제1나노구조물(NS1)의 폭이 반경 방향(R)을 따라 감소하며 유효굴절율이 감소하고, 제2층(120)의 제2나노구조물(NS2)의 폭이 반경 방향(R)을 따라 감소하며 즉, 유효굴절율이 증가한다. 제1구역(A), 제2구역(B)은 위상 변조 영역(Rk) 내에 각각 하나 이상 구비될 수 있고, 복수의 제1구역(A)과 제2구역(B)이 교대로 배열될 수 있다.
다만, 여기서 설명된 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)의 형상과 배열은 도 8 및 도 9에 나타난 위상 지연과 위상 지연 분산을 구현할 수 있는 일 예시일 뿐이며, 다른 형상과 배열로 도 8 및 도 9에 나타난 위상 지연과 위상 지연 분산이 구현될 수도 있다.
나노 기둥 구조를 포함하는 제1층(110)은 유효 굴절율 변화 경향과 유효 굴절율 변화에 대한 분산 변화 경향이 유사하게 나타나며, 반면 제2층(120)은 유효 굴절율 변화 경향과 유효 굴절율 변화 간에 관계가 적어, 제1층(110)은 메타 렌즈(100)의 위상 지연 분산에 주로 기여하는 층이 될 수 있다. 메타 렌즈(100)가 나타내는 위상 지연에는 제1층(110)에 의한 위상 지연과 제2층(120)에 의한 위상 지연이 함께 기여한다.
도 8에 예시된 복수의 위상 변조 영역(R1, R2..) 경계는 위상 지연 분산이 최대에서 최소로 변하는 위치로 정해진다. 각 위상 변조 영역(R1, R2..)의 끝에서 0의 위상 지연 값을 가지도록 영역 시작 위치에서의 위상 지연 값을 설정하여 도 8과 같은 위상 지연 프로파일이 도출될 수 있다.
각 영역에서 나타나는 위상 지연 프로파일은 중심 파장이 λ1, λ2, λ3인 복수개의 파장 대역의 광에 대해 각각 2π의 k배(|k|≥1)의 위상 변조 범위를 나타낸다. 도시된 복수의 위상 지연 프로파일은 복수개의 파장 대역 중 긴 파장 대역의 광에 대해 짧은 파장 대역의 광에 대한 경우보다 작은 위상 변조 범위를 나타내게 된다. 예를 들어, 도시된 세 위상 지연 프로파일은 복수개의 파장 대역의 광에 대해 각각 2π의 L배, M배, N배(|L|≥1, |M|≥1, |N|≥1, L≠M≠N)의 위상 변조 범위를 나타내고 있다. L, M, N은 L*λ1=M*λ2=N*λ3 의 조건이 만족되도록 설정될 수 있다. 상기 복수 파장의 역수가 정수비로 표현될 수 있는 경우, 즉, 1/λ1:1/λ2:1/λ3 이 정수비로 표현되는 경우, L, M, N도 정수가 된다. λ1, λ2, λ3가 각각 450nm, 540nm, 675nm 인 경우, L, M, N은 각각 6, 5, 4가 된다.
도 9의 그래프는 도 8의 그래프에서 추출한 위상 지연 분산의 그래프로서, 실시예의 메타 렌즈(100)가 만족하는 φ(λ1)-φ(λ3)를 보인다. 위상 지연 분산은 복수의 위상 변조 영역에서 2π*(L-N)의 범위로 단조롭게 변하는 형태이다. λ1, λ2, λ3가 각각 450nm, 540nm, 675nm 인 경우 위상 지연 분산의 범위는 4π가 된다.
실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 도 8 및 도 9에서와 같이, 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 형성하는 위상 지연 및 위상 지연 분산을 구현할 수 있도록 마련될 수 있으며, 이에 의해 색수차가 없는(achromatic) 메타 렌즈(100)를 구현할 수 있다.
이상에서와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에서 메타층(101)은 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상 지연 프로파일을 제공하거나, 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 제공하도록 단위 요소(UE)를 형성하는 나노구조물(NS)이 2층 구조 또는 2층 이상의 구조로 배열될 수 있다.
이때, 나노구조물(NS)은 메타층(101)을 형성하는 메타-원소(Meta-atom)에 해당할 수 있다. 즉, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에 있어서, 메타층(101)은 동작 파장보다 작은 폭을 가지는 메타-원소의 배열로 이루어질 수 있으며, 메타-원소들은 서로 인접한 중심간 거리가 동작하는 광의 파장의 예컨대, 약 2/3 이하로 배치될 수 있다. 메타-원소는 그 형태가 변화하면서 투과하는 광의 위상 및 세기를 변조시키며, 이들을 배열하여 메타 렌즈(100)의 복소 투과도(위상 및 세기) 특성을 전체 결상 광학계가 원하는 점확산함수(PSF, point spread function)를 가지도록 설계할 수 있다. 메타-원소들은 예를 들어, 사각 또는 육각 격자 배열로 배치될 수 있다.
이러한 메타-원소를 구현하도록 나노구조물(NS)은 주변보다 굴절율이 높은 고굴절 물질 (예컨대, c-Si, p-Si, a-Si, III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, TiSiOx, Si3N4, 또는 SiN 등) 또는 주변보다 굴절율이 낮은 물질 (예컨대, SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO2, 또는 SOG 또는 air)을 포함할 수 있다. 나노구조물(NS)의 단면은 원형, 정사각형과 같은 대칭형 또는 타원형, 직사각형, L 모양 등 비대칭형 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 십자 형태 또는 두개 이상의 분리된 서브-나노 구조물 구조를 가질 수도 있다. 또한, 나노 구조물(NS)은 예를 들어, 동작 파장의 약 1/2배 이상 내지 약 8배 이하의 길이를 가질 수 있다.
한편, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에서 메타층(101)은 단위 요소(UE)를 형성하는 나노구조물(NS)이 2층 구조 또는 2층 이상의 구조로 배열되며, 나노구조물(NS) 층 구조 사이에, 동작 파장보다 충분히 얇은 박막층(예컨대, 도 13의 115)을 적어도 1개 이상 예컨대, 2층 이상 구비할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 메타층(101)이 2층 이상 적층된 형태로 이루어질 수 있으며, 메타층(101) 사이에는 동작 파장보다 충분히 얇은 박막층을 적어도 1개 이상 예컨대, 2층 이상 구비할 수 있다. 이러한 박막층은 나노구조물(NS) 층 구조 사이 또는 메타층(101) 사이에서의 반사를 억제하거나, 제조 공정 상 필요에 의해 도입될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 도 7 및 도 10에 도시된 제1나노구조물(NS1)과 제2나노구조물(NS2)의 적층 구조를 포함하는 단위 요소의 굴절율 및 형상 치수를 상세히 보이는 단면도 및 평면도이다.
도 11a 내지 도 11c에 도시된 바와 같이, 제1나노구조물(NS1)은 직경 w1, 높이 h1의 기둥 형상일 수 있고, 제2나노구조물(NS2)은 직경 w2, 높이 h2인 기둥 형상일 수 있다. 예를 들어, 제1나노구조물(NS1)과 제2나노구조물(NS2)은 도 11b, 도 11c에서와 같이 단면 형상이 원형인 원기둥일 수 있다. 도 11a 내지 도 11c에서는 제1나노구조물(NS1)이 직경 w1, 높이 h1인 원기둥 형상, 제2나노구조물(NS2)이 직경 w2, 높이 h2인 원기둥 형상인 경우를 예시적으로 보여준다. 다른 예로서, 제1나노구조물(NS1)과 제2나노구조물(NS2)은 정사각형으로 이루어지거나, 타원형, 직사각형, L 모양의 비대칭형 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 십자 형태 또는 두개 이상의 분리된 서브-나노 구조물 구조를 가질 수도 있다.
도 7을 참조로 설명한 바와 같이, 메타층(101)이 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상 지연 프로파일을 형성하는 경우, 제1나노구조물(NS1)의 굴절율 n1은 제1주변물질(E1)의 굴절율 n2보다 작으며, 굴절율 차이는 예를 들어, 0.2 이상 또는 0.5 이상일 수 있다. 제2나노구조물(NS2)의 굴절율 n3은 제2주변물질(E2)의 굴절율 n4보다 크며, 굴절율 차이는 예를 들어, 0.2 이상 또는 0.5 이상일 수 있다.
이 경우, 제1나노구조물(NS1)은 메타 렌즈(100)의 동작 파장 대역에서 굴절율이 낮고 흡수율이 낮은 물질이 사용될 수 있다. SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO2, 또는 SOG 또는 air를 포함할 수 있다. 제1주변물질(E1)은 상대적으로 높은 굴절율을 가지며 흡수율이 낮은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, c-Si, p-Si, a-Si III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, TiSiOx, Si3N4, 또는 SiN을 포함할 수 있다. 제1나노구조물(NS1)은 제1주변물질(E1)로 둘러싸인, 빈 홀의 형태를 가질 수도 있다. 제2나노구조물(NS2)에 메타 렌즈(100)의 동작 파장 대역에서 굴절율이 높고 흡수율이 낮은 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, c-Si, p-Si, a-Si III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, TiSiOx, Si3N4, 또는 SiN 이 제2나노구조물(NS2) 재질로 사용될 수 있다. 제2주변물질(E2)로는 상대적으로 굴절율이 낮고 흡수율이 낮은 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO2, 또는 SOG 또는 air가 제2주변물질(E2)로 사용될 수 있다.
도 10을 참조로 설명한 바와 같이, 메타층(101)이 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 형성하는 경우, 제1나노구조물(NS1)의 굴절율 n1은 제1주변물질(E1)의 굴절율 n2보다 크며, 굴절율 차이는 예를 들어, 0.2 이상 또는 0.5 이상일 수 있다. 제2나노구조물(NS2)의 굴절율 n3은 제2주변물질(E2)의 굴절율 n4보다 작으며, 굴절율 차이는 예를 들어, 0.2 이상 또는 0.5 이상일 수 있다.
제1나노구조물(NS1)에 메타 렌즈(100)의 동작 파장 대역에서 굴절율이 높고 흡수율이 낮은 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, c-Si, p-Si, a-Si III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, TiSiOx, Si3N4, 또는 SiN 이 제1나노구조물(NS1) 재질로 사용될 수 있다. 제1주변물질(E1)로는 상대적으로 굴절율이 낮고 흡수율이 낮은 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO2, 또는 SOG 또는 air가 제1주변물질(E1)로 사용될 수 있다.
제2나노구조물(NS2)은 메타 렌즈(100)의 동작 파장 대역에서 굴절율이 낮고 흡수율이 낮은 물질이 사용될 수 있다. SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO2, 또는 SOG 또는 air를 포함할 수 있다. 제2주변물질(E2)은 상대적으로 높은 굴절율을 가지며 흡수율이 낮은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, c-Si, p-Si, a-Si III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, TiSiOx, Si3N4, 또는 SiN을 포함할 수 있다. 제2나노구조물(NS2)은 제2주변물질(E2)로 둘러싸인, 빈 홀의 형태를 가질 수도 있다.
다시, 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)은 직경에 대한 높이 비를 나타내는 종횡비가 1보다 클 수 있다. 종횡비는 2이상, 3이상, 5이상, 10이상, 또는 15이상 일 수 있으며, 50이하일 수 있다.
제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)은 원기둥 형상으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며 다양한 다각 기둥, 타원 기둥 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)은 단면이 서로 다른 형상일 수 있다. 예를 들어, 제1나노구조물(NS1)의 단면은 원형이고, 제2나노구조물(NS2)의 단면은 사각형일 수 있다.
한편, 도 7 및 도 10의 메타층(101)에 적용된 단위 요소(UE)의 형상은 다양하게 변경될 수 있다. 단위 요소(UE)의 형상은 제1층(110), 제2층(120)의 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)의 중심이 정렬된 배치로 도시되었으나 이는 예시적인 것으로 실시예가 이에 한정되지 않는다. 단위 요소(UE)의 형상에 있어, 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)의 중심축이 일치되지 않고 소정 간격으로 오정렬(mis-align)되어도 무방하며 이 범위도 한정되지 않는다. 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)의 폭 w1, w2뿐 아니라, 이러한 오정렬 간격이 설계 변수로 활용될 수 있고, 또한, 제1나노구조물(NS1), 제2나노구조물(NS2)의 높이가 설계 변수로 활용될 수도 있다.
또한, 메타층(101)의 단위 요소(UE)의 제1나노 구조물(NS1) 또는 제2나노구조물(NS2)로 내부 기둥 및 이를 둘러싸는 쉘 기둥을 구비하는 형상이 채용될 수 있다. 이러한 구조는 유효 굴절율 변화에 대한 분산 변화율의 의존도가 낮은 나노 구멍 구조와 유사한 구조로 채용될 수 있다. 내부 기둥의 굴절율은 주변물질의 굴절율 보다 작고, 쉘 기둥의 굴절율은 내부 기둥의 굴절율 보다 클 수 있다. 쉘 기둥의 굴절율은 주변물질의 굴절율 보다 클 수도 있고, 작을 수도 있다.
예를 들어, 메타층(101)은 도 12에 예시적으로 보인 바와 같이, 두 층 중 적어도 한층에 내부 기둥과 쉘 기둥을 포함하는 형상의 나노구조물이 적용되고 굴절율 차이가 다르게 설정될 수도 있다. 도 12에 예시적으로 보인 바와 같이, 메타층(101)의 단위 요소(UE)의 제2나노구조물(NS2)로 내부 기둥(CO) 및 이를 둘러싸는 쉘 기둥(SH)을 구비하는 형상이 채용될 수 있다. 이러한 구조는 유효 굴절율 변화에 대한 분산 변화율의 의존도가 낮은 나노 구멍 구조와 유사한 구조로 채용될 수 있다. 내부 기둥(CO)의 굴절율 n31은 제2주변물질(E2)의 굴절율 n4보다 작고, 쉘 기둥(SH)의 굴절율은 내부 기둥(CO)의 굴절율 n31보다 클 수 있다. 쉘 기둥(SH)의 굴절율 n32는 제2주변물질(E2)의 굴절율 n4보다 클 수도 있고, 작을 수도 있다. 도 12는 도 7 및 도 10에 도시된 제1나노구조물(NS1)과 제2나노구조물(NS2)의 적층 구조에 적용될 수 있는 단위 요소의 다른 예를 보인 단면도이다. 또 다른 예로서, 메타층(101)의 단위 요소(UE1)의 제1나노구조물(NS1) 또는 제1나노구조물(NS1)과 제2나노구조물(NS2) 둘다 내부 기둥(CO) 및 이를 둘러싸는 쉘 기둥(SH)을 구비하는 형상이 채용될 수도 있다.
또한, 메타층(101)은 제2층(120)에서 제2주변물질(E2)이 제2나노구조물(NS2)의 측면뿐 아니라 상면을 덮도록 배치되고, 제1층(110)에서도 제1주변물질(E1)이 제1나노구조물(NS1)의 측면과 상면을 덮는 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 메타층(101)은 두 층에서 모두 나노 기둥 구조를 사용하고 굴절율 차이를 다르게 설정할 수도 있고, 두 층에서 모두 나노 구멍 구조를 사용하고 굴절율 차이를 다르게 설정할 수도 있다.
또한, 메타층(101)은 도 13에 예시적으로 보인 바와 같이, 제1층(110)과 제2층(120) 사이에 동작 파장보다 충분히 얇은 박막층(115)을 적어도 1개 이상 예컨대, 2층 이상 구비할 수 있다. 이러한 박막층(115)은 제1층(110)과 제2층(12) 사이에서의 반사를 억제하거나, 제조 공정 상 필요에 의해 도입될 수 있다. 박막층(115)은 예를 들어, 유전체 물질로 형성될 수 있다. 제1층(110)의 제1나노구조물(NS1) 또는 제2층(120)의 제2나노구조물(NS2) 중 어느 하나가 고굴절율을 가지는 경우, 박막층(115)은 제1나노구조물(NS1) 또는 제2나노구조물(NS2) 보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다. 제1나노구조물(NS1) 또는 제2나노구조물(NS2)이 저굴절율을 가지는 경우, 박막층(115)은 제1나노구조물(NS1) 또는 제2나노구조물(NS2)보다 높은 굴절율을 가질 수 있다. 박막층(115)은 예를 들어, 제1주변물질(EN1) 또는 제2주변물질(EN2)과 동일한 물질일 수 있다. 박막층(115)이 복수층 구조로 이루어지는 경우, 박막층(115)의 적어도 한층이 예를 들어, 제1주변물질(EN1) 또는 제2주변물질(EN2)과 동일한 물질일 수 있다. 박막층(115)은 스페이서층으로 역할을 할 수 있다. 도 13에서는 박막층(115)이 도 10의 메타층(101) 구조에 대해 적용된 예를 보여주는데, 박막층(115)은 도 7의 메타층(101) 구조에 대해서도 적용될 수 있다.
상기와 같이 실시예에 따른 메타 렌즈(100)에서, 메타층(101)은 서로 다른 적어도 두 파장에 대해, 동일 위상 지연 프로파일을 형성하거나, 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 형성하도록 마련될 수 있다. 메타층(101)이 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일 위상 지연 프로파일을 형성하는 경우, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 예를 들어, 음(Negative)의 색수차를 가질 수 있으며, 굴절렌즈에서 발생하는 색수차 등을 보정할 수 있다. 또한, 메타층(101)이 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 형성하는 경우, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 색수차가 없는(achromatic) 메타 렌즈를 구현할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 메타층(101) 또는 투과도 변화층(105)에 의해 광의 세기를 변조하도록 마련되어, 출력단에서의 광의 복소 투과도 분포가 적어도 1개 이상의 공간 주파수를 가지므로, 결상면에서 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성할 수 있다. 이에 의해, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 메인 스폿(SPm)과, 메인 스폿(SPm)의 중심으로부터 그 중심이 이격되고, 메인 스폿(SPm)보다 저조도의 적어도 하나의 서브 스폿을 포함하는, 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 복수의 스폿을 결상면에 형성할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일 위상 지연 프로파일 또는 단조롭게 변화하며 위상 변조 범위가 서로 다른 위상 지연 프로파일을 가져, 색수차를 보정하는 렌즈 또는 색수차 렌즈 없는 렌즈를 구현할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)는, 결상면에, 복수의 스폿을 비대칭 분포로 서로 다른 밝기 피크치 및 점확산함수 형태로 형성할 수 있으므로, 단일 촬영 이미지를 적용하여 해당 광학계의 결상 초점 형태 즉, 점확산함수(PSF)를 디컨벌루션하는 이미지 신호 처리에 의해 HDR 영상을 획득할 수 있다.
도 14 및 도 15는 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용한 결상 광학계(1000) 및 이를 촬상 렌즈로 적용한 이미징 장치의 광학적 구성을 예시적으로 보여준다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 이미징 장치는 촬상 렌즈를 구성하는 결상 광학계(1000)와, 결상 광학계(1000)가 형성한 피사체(OBJ)의 광학 상(optical image)을 전기적인 영상 신호로 변환하는 이미지 센서(2000)를 포함할 수 있다. 결상 광학계(1000)와 이미지 센서(2000) 사이에는 적외선 차단 필터 등의 광학 필터 (1700)가 더 구비될 수 있다.
결상 광학계(1000)는 적어도 하나의 메타 렌즈를 포함하여, 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 결상 광학계(1000)는, 예를 들어, 적어도 하나의 메타 렌즈와 적어도 하나의 굴절 렌즈를 포함할 수 있다. 또한, 결상 광학계(1000)는 굴절 렌즈 없이 복수의 메타 렌즈만으로 이루어질 수도 있다.
도 14 및 도 15에서는 결상 광학계(1000)가 제1 및 제2메타 렌즈(1020)(1070)와 복수의 굴절 렌즈 예를 들어, 제1 내지 제6렌즈(1100,1200,1300,1400,1500,1600)를 포함하는 실시예를 예시적으로 보여준다. 실시예에 따른 결상 광학계(1000)에서, 메타 렌즈의 매수 및 굴절 렌즈의 매수, 배치가 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 실시예가 가능하다.
실시예에 따른 결상 광학계(1000)가 도 14 및 도 15에 예시적으로 보인 바와 같이 제1 및 제2메타 렌즈(1020(1070)을 포함할 때, 제1메타 렌즈(1020)는 전술한 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 구비할 수 있으며, 제2메타 렌즈(1070)는 렌즈로서 역할만 하는 메타 렌즈를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제1메타 렌즈(1020)는 도 1 및 도 2의 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 구비하여, 렌즈로서 역할 및 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 비대칭 분포의 복수의 스폿을 형성하는 역할을 할 수 있다. 또한, 제2메타 렌즈(1070)는 도 2를 참조로 설명한 메타 렌즈(100)에서 메타층(101)에 대응하는 구성만을 가져, 렌즈로서 역할을 할 수 있다.
한편, 제1메타 렌즈(1020)는 결상 광학계(1000)의 중간이나 결상 광학계(1000)의 입력단, 또는 마지막 단에 배치될 수도 있다. 제1메타 렌즈(1020)는 도 14에 예시적으로 보인 바와 같이, 제1렌즈(1100)와 제2렌즈(1200) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제1메타 렌즈(1020)는 제2렌즈(1200) 내지 제6렌즈(1600) 사이의 소정 위치에 배치될 수 있다. 또한, 제1메타 렌즈(1020)는 도 15에 예시적으로 보인 바와 같이, 결상 광학계(1000)의 입력단에 배치될 수도 있다. 또한, 제1메타 렌즈(1020)는 후술하는 도 16에 예시적으로 보인 바와 같이, 결상 광학계(1000)의 마지막 단에 배치될 수도 있다.
도 14에서는 제1메타 렌즈(1020)가 복수의 굴절 렌즈 사이 예컨대, 제1렌즈(1100)와 제2렌즈(1200) 사이에 위치하며, 제2메타 렌즈(1070)가 결상 광학계(1000)의 마지막 단에 위치하는 예를 보여준다. 도 15에서는 제1메타 렌즈(1020)가 결상 광학계(1000)의 입력단에 위치하고, 제2메타 렌즈(1070)가 결상 광학계(1000)의 마지막 단에 위치하는 예를 보여준다. 제2메타 렌즈(1070)는 결상 광학계(1000)의 마지막 단 이전에 배치될 수도 있다. 또한, 제1메타 렌즈(1020)와 제2메타 렌즈(1070)의 위치가 서로 바뀔 수 있다.
도 14 및 도 15에 예시적으로 보인 바와 같이, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)는 제1 및 제2메타 렌즈(1020)(1070)을 포함할 수 있지만, 실시예에 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)는 제2메타 렌즈(1070) 없이 제1메타 렌즈(1020)만을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어 들어, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)는 도 14 및 도 15에서 제2메타 렌즈(1070)를 배제한 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)는 도 16에 예시적으로 보인 바와 같이, 제2메타 렌즈(1070) 없이, 결상 광학계(1000)의 마지막 단에 제1메타 렌즈(1020)를 구비하는 구조로 이루어질 수도 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)가 제2메타 렌즈(1070) 없이 제1메타 렌즈(1020)만을 포함하는 구조로 이루어질 때, 제1메타 렌즈(1020)는 결상 광학계(1000)의 입력단, 복수의 굴절 렌즈의 중간, 결상 광학계(1000) 마지막 단 중 어느 한 곳에 위치할 수 있다.
또 다른 예로서, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)는 제1메타 렌즈(1020)와 복수의 제2메타 렌즈(1070)을 포함하는 구조로 이루어질 수도 있으며, 제1메타 렌즈(1020)와 복수의 제2메타 렌즈(1070)는 다양하게 배치될 수 있다.
한편, 도 14 내지 도 16에서는 실시예에 따른 결상 광학계(1000)가 복수의 굴절 렌즈로 제1 내지 제6렌즈(1100,1200,1300,1400,1500,1600)를 포함하는 예를 보여주는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따른 결상 광학계(1000)에 포함되는 메타 렌즈의 매수나 굴절 렌즈의 매수는 이미징 장치의 설계 조건에 따라 달라질 수 있다.
한편, 도 14 및 도 1 5를 참조하면, 예를 들어, 제1 렌즈(1100), 제2 렌즈(1200), 제4 렌즈(1400), 및 제5 렌즈(1500)는 정(Positive)의 굴절력을 가질 수 있고, 제3 렌즈(1300), 제6 렌즈(1600)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(1100)는 피사체 측(O)을 향하는 면이 볼록하게 형성될 수 있고, 제1 렌즈(1100)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(1100)는 제2 내지 제3 렌즈(1200, 1300) 보다 피사체 측(O)을 향하는 면의 유효 반경이 큰 대구경 렌즈일 수 있다. 초점거리가 짧은 대구경의 제1 렌즈(1100)는 광학 장치 및/또는 전자 장치가 요구하는 공간적 제약을 만족시킬 수 있고 강한 정의 굴절력 또한 제공함으로써 결상 광학계가 짧은 전장을 갖도록 할 수 있다. 제1 렌즈(1100)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.
도 14에 예시적으로 보인 바와 같이, 제1메타 렌즈(1020)가 제1렌즈(1100)와 제2렌즈(1200) 사이에 배치될 때, 제2렌즈(1200)는 피사체 측(O)면에 제1메타 렌즈(1020)가 결합된 렌즈로 구성될 수 있다. 다른 예로서, 제1메타 렌즈(1020)는 제2렌즈(1200) 등의 굴절 렌즈와 결합하지 않고 독립적으로 배치될 수 있다. 또한, 제1메타 렌즈(1020)가 제1렌즈(1100)와 제2렌즈(1200) 사이에 배치될 때, 제1메타 렌즈(1020)는 제1렌즈(1100) 등 굴절렌즈에서 발생하는 기하수차, 색수차 등의 광학수차를 보정할 수 있도록 설계할 수 있다.
도 15에 예시적으로 보인 바와 같이, 제1메타 렌즈(1020)가 제1렌즈(1100)의 앞단에 배치되는 경우에도, 제1메타 렌즈(1020)는 제1렌즈(1100) 등 굴절렌즈에서 발생하는 기하수차, 색수차 등의 광학수차를 보정할 수 있도록 설계할 수 있다.
예를 들어, 제1메타 렌즈(1020)는 정의 굴절력을 가지도록 복수의 나노구조물 배열을 가지며, 통과하는 서로 다른 복수 파장의 광에 대해 동일한 위상 지연 프로파일을 형성하거나, 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 형성하며, 아울러, 결상 광학계(1000)의 결상면에 밝기 피크치가 서로 다른 복수의 스폿을 비대칭 분포로 형성하도록 마련될 수 있다.
제1렌즈(1100)는 강한 정의 굴절력을 제공하는 대신 장파장 광이 단파장 광 대비 초점거리가 긴 양의 색수차를 발생시키는데, 제1메타 렌즈(1020)는 음의 색수차를 가지도록 마련되어, 제1 렌즈(1100)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 결상 광학계의 두께 증가 문제가 제1메타 렌즈(1020)를 적용함으로서 개선될 수 있다. 제2 렌즈(1100)의 상 측(I)을 향하는 면은 중심부가 볼록한 렌즈로 구성될 수 있다.
제3 렌즈(1300)의 상 측(I)을 향하는 면과, 제4 렌즈(1400)의 피사체 측(O)을 향하는 면은 오목하게 형성될 수 있다. 다시 말해, 제2 렌즈(1200)의 후방에 서로 오목한 면을 마주보고 있는 두 개의 렌즈(1300, 1400)가 배치될 수 있다. 제3 렌즈(1300)는 부의 굴절력을 제공함으로써 대구경으로 구성된 제1 렌즈(1100)에 의한 구면 수차를 보상할 수 있다.
제5 렌즈(1500) 및 제6 렌즈(1600)의 피사체 측(O)을 향하는 면은 오목하고, 상 측(I)을 향하는 면은 볼록하게 형성될 수 있다. 제6 렌즈(1600)는 적절한 부의 굴절력을 제공할 수 있으며, 렌즈의 주변부(Marginal Portion)를 통과하는 광선을 결상면(2000a)에 양호하게 결상시킬 수 있다. 또한, 제6 렌즈(1600)가 가지는 부의 굴절력은 다른 렌즈들에 의해 발생하는 색수차(Chromatic Aberration) 및 상면만곡수차(Curvature Of Field)를 보정할 수 있다. 제6 렌즈(1600)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(1600)의 면만 아니라, 제1 렌즈(1100) 내지 제5 렌즈(1500)의 면들 중 하나 또는 복수의 면들 또한 비구면(Aspheric)으로 형성될 수 있다. 제1 렌즈(1100)가 발생시키는 구면 수차는, 제1 렌즈(1100) 내지 제6 렌즈(1600)의 면들 중 하나 또는 복수의 면들에 구현되는 비구면(Aspheric)이 보정할 수 있다.
도 14 및 도 15에서, 제2메타 렌즈(1070)는 이미지 센서(2000)의 결상면(2000a)으로 입사하는 광이 광축(O-I)에 대해 작은 기울기를 갖도록 하고, 또한 횡방향(광 축과 직교하는 방향) 색수차를 보정하도록 설계될 수 있다. 제2메타 렌즈(1070)는 굴절율 분포를 가지도록 복수의 나노구조물 배열을 가지며, 서로 다른 적어도 두 파장의 광에 대해 동일 위상 지연 프로파일을 형성하거나, 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 형성하도록 마련될 수 있다. 제2 메타 렌즈(1070)를 통해 이미지 센서(2000) 주변부의 광량이 확보되어 낮은 조도에서도 양호한 밝기의 피사체 이미지가 획득될 수 있다.
광학 필터(1700)는 예를 들어, 적외선 차단 필터일 수 있다. 광학 필터(1700)는 저역 통과 필터(Low Pass Filter) 및/또는 커버 글라스를 포함할 수 있으며, 가시광선은 투과하지만 적외선은 차단하여 적외선이 이미지 센서(2000)의 결상면(2000a)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 다른 예로, 광학 필터(1700)는 입사하는 광의 일부의 파장만을 선택적으로 투과하여 이미지 센서(2000)를 통해 검출, 촬영되는 이미지 등의 색감을 원하는 색감에 근접하게 만들 수도 있다.
렌즈들(1020, 1070, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600)의 간격은 결상 광학계(1000)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 결상 광학계(1000)의 전장(광축 방향으로 결상 광학계의 전체 길이)을 줄이는 것이 유리하다. 다만, 적절한 망원비를 유지하면서 결상 광학계(1000)의 전장을 줄이는 것은 물리적 한계를 가질 수 있다.
결상 광학계(1000)는, 조리개(미도시)를 더 포함할 수 있다. 조리개는 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 복수개가 구비될 수도 있다. 예를 들면, 조리개는 제1 렌즈(1100)의 상 측(I)을 향하는 면 앞에 배치되어 이미지 센서(2000)의 결상면(2000a)에 도달하는 빛의 양을 조절할 수 있다.
제1 렌즈(1100) 내지 제6 렌즈(1600) 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.
한편, 도 14 및 도 15에서, 제1메타 렌즈(1020)는 그 위치가 변경될 수 있으며, 제2메타 렌즈(1070)와 위치가 바뀔 수도 있다. 또한, 도 14 및 도 15에서, 제2메타 렌즈(1070)를 복수 개 구비할 수도 있다. 또한, 도 14 내지 도 15에서, 제2메타 렌즈(1070)는 배제될 수 있다. 또한, 도 16에서와 같이, 제2메타 렌즈(1070)는 배제되고, 제1메타 렌즈(1020)는 결상 광학계(1000)의 마지막 단에 위치될 수도 있다. 한편, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)는 굴절 렌즈 없이, 제1메타 렌즈(1020)와 적어도 하나의 제2메타 렌즈(1070)를 포함하는 구조로 이루어질 수도 있다.
한편, 도 17은 도 14 내지 도 16을 참조로 설명한 실시예에 따른 결상 광학계(1000)를 촬상 렌즈로 적용한 이미징 장치(2100)를 개략적으로 보여준다.
도 17을 참조하면, 이미징 장치(2100)는 결상 광학계(1000), 이미지 센서(2000), 이미지 시그널 프로세서(2050)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(2000)는 도 14 내지 도 16에 예시적으로 보인 바와 같이, 결상 광학계(1000)에 의해 피사체(OBJ)의 광학 상(optical image)이 형성되는 상면(image plane) 위치에 배치될 수 있다.
이미지 센서(2000)는 피사체 이미지를 센싱하여 전기적인 영상신호를 발생시키는 씨모스 이미지 센서(CMOS, Complementary Metal-Oxide Semiconductor), 전하 결합 소자(CCD, Charge Coupled Device) 등을 구비할 수 있다. 이미지 센서(2000)는, 포토다이오드(photodiode) 등의 어레이를 포함할 수도 있다.
실시예에 따른 결상 광학계(1000)는 제1메타 렌즈(1020)로 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일 위상 지연 프로파일 또는 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 가지는 복수의 스폿을 비대칭 분포로 서로 다른 밝기 피크치 및 점확산함수 형태로 형성할 수 있는 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용하므로, 이미지 센서(2000)의 결상면(2000a)에는 실시예에 따른 결상 광학계(1000)에 의해 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 비대칭 분포의 복수의 스폿의 결상 이미지가 형성될 수 있다.
따라서, 이미지 장치(2100)는 단일 촬영에 의해 이미지 센서(2000)에서 결상 광학계(1000)의 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 복수의 결상 이미지를 얻을 수 있으므로, 단일 촬영 이미지를 이미지 시그널 프로세서(2050, ISP:Image Signal Processor)에서 처리하여, HDR 영상이나, 깊이 영상 등을 획득할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2050)는 이미지 센서(2000)에 포함되어 집적될 수도 있다.
예를 들어, 이미지 시그널 프로세서(2050)는 높은 명암비의 영상을 획득하도록, 단일 촬영에서 결상 광학계(1000)의 결상 초점 형태를 디컨벌루션하도록 이미지 센서(2000)에서 검출된 이미지 신호를 처리할 수 있다. 즉, 이미지 시그널 프로세서(2050)는 HDR 영상을 획득하도록 이미지 센서(2000)의 단일 촬상 이미지에 대해, 결상 광학계(1000)의 결상 초점 형태 즉, 점확산함수(PSF)를 디컨벌루션하는 이미지 신호 처리를 수행할 수 있다. 실시예에 따른 메타 렌즈(100)나 이를 포함하는 결상 광학계(1000)의 색수차 정도에 따라 파장별로 점확산함수의 퍼지는 정도가 달라지므로, 이미지 신호 처리에 의한 점확산함수 디컨벌루션시, 파장별로 점확산함수가 퍼지는 정도가 고려될 수 있다. 이미지 신호 처리는 점확산함수를 디컨벌루션하고, 예를 들어, 종단간(end-to-end) 뉴럴 네크워크(neural network) 등의 인공 지능 알고리즘 기반 신호처리 기법을 적용하여 수행할 수 있다. 이와 같이, HDR 영상을 획득하도록 구현되는 이미징 장치(2100)는 높은 명암비의 영상 획득이 요구되는 다양한 카메라로 구현될 수 있다.
다른 예로서, 이미지 시그널 프로세서(2050)는 대상체에 대한 깊이 위치를 포함하는 3차원 형상을 분석하도록 이미지 신호 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)에 의해 실시예에 따른 이미지 센서(2000)의 결상면(2000a)에 형성되는 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 비대칭 분포의 복수의 스폿의 결상 이미지 신호를 이미지 시그널 프로세서(2050)에서 처리하여 대상체에 대한 깊이 위치를 포함하는 3차원 형상을 정확히 분석할 수 있다. 즉, 단일 촬영에 의해 동일 노출 시간에 동일 대상체에 대한 정보를 밝기 피크치가 서로 다른 복수 스폿 이미지로 검출할 수 있으므로, 다양한 반사도를 가지는 대상체에 대한 깊이 위치를 포함하는 3차원 형상을 정확히 분석할 수 있다. 이러한 이미징 장치(2100)는 3D 센서로 구현될 수 있는 것으로, 이미지 센서(2000) 및 이미지 시그널 프로세서(2050)는 글로벌 셔터 센서 기반 이미지 센서와 같은 방식으로 작동될 수 있다. 이러한 이미징 장치(2100)는 증강 현실이나 가상 현실용 센서, 자동차용 거리 센서 등 다양한 센서로 활용될 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 결상 광학계(1000)에 의해, 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 비대칭 분포의 복수의 스폿의 결상 이미지를 형성할 수 있으므로, 단일 촬영에 의해 동일 노출 시간에 동일 장면에 대한 밝기 피크치가 서로 다른 복수의 스틸 이미지를 얻을 수 있다. 이때, 복수의 스틸 이미지 간에는 물체의 움직임이 존재하지 않으므로, HDR 영상 획득시, 물체의 움직임 등에 의한 잔상(고스트 아티팩트)이 발생하지 않는다. 따라서, 실시예에 따른 이미지 장치(2100)는 잔상 없는 HDR 영상을 획득할 수 있다. 또한, 단일 촬영에 의해 동일 노출 시간에 동일 대상체에 대한 정보를 밝기 피크치가 서로 다른 복수 스폿 이미지로 검출할 수 있으므로, 다양한 반사도를 가지는 대상체에 대한 깊이 위치를 포함하는 3차원 형상이나 거리 정보 등을 정확히 분석할 수 있다
이러한 실시예에 따른 이미징 장치(2100)에 따르면, 단일 촬영 HDR 성능을 최대화하는 장치를 구현할 수 있다. 또한, 다양한 반사도를 가지는 대상체에 대한 깊이 영상의 정확한 분석이 가능한 장치를 구현할 수 있다. 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용하는 결상 광학계(1000)는 및 이를 포함하는 이미징 장치(2100)는 다양한 전자 장치(광학 장치 등)에 탑재되어 사용될 수 있다. 전자 장치는 이미지 센서(2000) 및 이미지 시그널 프로세서(2050) 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)를 더 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(AP)에 이미지 시그널 프로세서(2050)가 포함되는 경우, 이미지 센서(2000)에 의해 획득된 이미지(또는 영상)를 어플리케이션 프로세서(AP)를 이용하여 저장 및/또는 출력할 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용한 결상 광학계(1000) 및 이를 포함하는 이미징 장치(2100)는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이미징 장치(2100)는 별도의 카메라로 구현될 수 있다. 또한, 이미지 장치(2100)는, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 로봇, 무인자동차, 자율주행차, 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다.
도 18은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 18을 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(2210), 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(2210)의 지문 센서(2211)나 또는, 홍채 센서, 조도 센서 등은 표시 장치(2260)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다. 또한 카메라 모듈(2280), 햅틱 모듈(2279), 센서 모듈(2210)들은 각각 프로세서(2220)와 메모리(2230)의 일부를 자체적으로 포함할 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(2210), 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(2210), 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(2210)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(2210)은, 지문 센서(2211), 가속도 센서(2212), 위치 센서(2213), 3D 센서(2214)등을 포함할 수 있고, 이 외에도 홍채 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
3D 센서(2214)는 대상체에 소정의 광을 조사하고 대상체에서 반사된 광을 분석하여 대상체의 형상, 움직임등을 센싱하는 것으로, 예를 들어, 전술한 실시예에 따른 메타 렌즈(100)포함하는 다양한 실시예의 결상 광학계(1000) 및 이를 포함하는 이미징 장치가 적용될 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 도 19에 예시적으로 보인 바와 같이, 하나 이상의 렌즈를 포함하는 결상 광학계(2310), 이미지 센서들(2330), 이미지 시그널 프로세서들(2360), 및/또는 플래쉬들(2320)을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(2280)에 포함된 결상 광학계(2310)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 이러한 결상 광학계(2310)에는 전술한 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 포함하는 다양한 실시예의 결상 광학계(1000)가 적용될 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 19는 도 18의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈(2280)의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 블록도이다.
도 19를 참조하면, 카메라 모듈(2280)은 결상 광학계(2310), 플래쉬(2320), 이미지 센서(2330), 이미지 스태빌라이저(2340), 메모리(2350)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(2360)를 포함할 수 있다. 결상 광학계(2310)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 전술한 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 포함하여, 적어도 하나의 메타 렌즈를 포함할 수 있다.
결상 광학계(2310)는 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 포함하여, 적어도 하나의 메타 렌즈와 하나 이상의 굴절 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 결상 광학계(2310)로 전술한 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 포함하는 다양한 실시예의 결상 광학계(1000)가 적용될 수 있다. 이러한 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 포함하는 결상 광학계(2310)는 원하는 광학 성능을 구현하며 짧은 광학 전장을 가질 수 있으며, 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 비대칭 분포의 복수의 스폿의 결상 이미지를 형성할 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 이외에도, 액츄에이터를 더 구비할 수 있다. 액츄에이터는 예를 들어, 주밍(zooming) 및/또는 오토포커스(AF)를 위해 결상 광학계(2310)를 구성하는 렌즈 요소들의 위치를 구동하고 렌즈 요소들간 이격 거리를 조절할 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 복수의 결상 광학계(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 결상 광학계(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. 결상 광학계(2310)는, 광각 렌즈, 망원 렌즈, 초광각 렌즈 중 적어도 하나 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), Xenon Lamp 및/또는 하나 이상의 레이저 다이오드(Laser Diode)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(2330)는 피사체로부터 방출 또는 반사되어 결상 광학계(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, 결상 광학계(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, HDR 영상 생성, 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. 결상 광학계(2310)에 의해, 결상면 즉, 이미지 센서(2330)의 센싱면에 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 비대칭 분포의 복수의 스폿의 결상 이미지를 형성할 수 있으므로, 이미지 시그널 프로세서(2360)는, 이미지 센서(2330)로부터 입력되는 이미지 신호를 처리하여 단일 촬영에 의해 동일 노출 시간에 동일 장면에 대한 밝기 피크치가 서로 다른 복수의 스틸 이미지를 얻고, 이로부터 HDR 영상을 획득할 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)들은 광각 카메라, 망원 카메라 및 초광각 카메라 중 하나 이상일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.
상술한 카메라 모듈(2280)은 다양한 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다.
도 20은 도 18의 전자 장치에 구비되는 3D 센서(2214)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 20의 3D 센서(2214)는 예를 들어, 글로벌 셔터 기반 이미징 센서로 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 20의 3D 센서(2214)는 증강 현실 또는 가상 현실용 센서나 자동차용 거리 센서로 적용될 수도 있다.
3D 센서(2214)는 대상체에 소정의 광을 조사하고 대상체에서 반사된 광을 수신, 분석하여 대상체의 형상, 움직임 등을 센싱한다. 3D 센서(2214)는 프로젝터(2410), 광 검출부(2430), 이미지 시그널 프로세서(2440), 메모리(2450)를 포함할 수 있다. 3D 센서(2214)는 이미지 시그널 프로세서(2440) 대신에 신호처리부를 포함할 수도 있다.
프로젝터(2410)는 대상체의 형상이나 위치 분석에 사용할 광을 조사한다. 프로젝터(2410)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함하는 광학적 구성을 가질 수 있다. 프로젝터(2410)는 광원 자체일 수 있다. 광원으로, 대상체의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원은 파장 가변의 레이저 다이오드일 수 있다. 광원은 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 서로 다른 복수 파장의 광은 협대역, 예를 들어 10nm 이하 또는 5nm 이하의 대역폭을 가질 수 있다. 광원은 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다. 광검출부(2430)는 프로젝터(2410)로부터 대상체에 조사된 광의 반사광을 수신한다. 광검출부(2430)는 광을 센싱하는 복수의 센서들의 어레이를 포함할 수 있고 또는 하나의 센서만으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 광검출부(2430)는 이미지 센서를 포함할 수 있다. 또한, 광검출부(2430)는 실시예에 따른 메타 렌즈(100) 또는 이 메타 렌즈(100)를 포함하는 결상 광학계를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 광검출부(2430)에 실시예에 따른 메타 렌즈(100)를 적용하면, 결상면 즉, 광검출부(2430)의 센싱면에 서로 다른 밝기 피크치를 가지는 비대칭 분포의 복수의 스폿의 결상 이미지를 형성할 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(2440)는 광검출부(2430)에서 센싱된 신호를 처리하여 대상체의 형상 등을 분석할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2440)는 광검출부(2430)로부터 입력되는 이미지 신호를 처리하여 단일 촬영에 의해 동일 노출 시간에 동일 대상체에 대한 정보를 밝기 피크치가 서로 다른 복수 스폿 이미지로 검출하므로, 다양한 반사도를 가지는 대상체에 대한 깊이 위치를 포함하는 3차원 형상을 정확히 분석할 수 있다. 이러한 광검출부(2430)의 이미지 센서 및 이미지 시그널 프로세서(2440)는 글로벌 셔터 센서 기반 이미지 센서와 같은 방식으로 작동될 수 있다.
3차원 형상 분석을 위해, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산 혹은 구조광(Structured Light) 측정을 위한 연산이 수행될 수 있다. 광비행시간 측정의 경우를 예를 들면 다양한 연산법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 대상체에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 대상체에 투사하고 대상체로부터 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 대상체에 투사하고 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다. 메모리(2450)에는 이미지 시그널 프로세서(2440)의 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(2440)에서의 연산 결과, 즉, 대상체의 형상, 위치에 대한 정보는 전자 장치(2200)내의 다른 유닛으로 또는 다른 전자 장치로 전송될 수 있다. 예를 들어, 메모리(2230)에 저장된 어플리케이션(2246)에서 이러한 정보가 사용될 수 있다. 결과가 전송되는 다른 전자 장치는 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 및 사물 인터넷 기기일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
이상에서는 실시예에 따른 메타 렌즈(100), 이를 적용한 결상 광학계 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100,1020,1070: 메타 렌즈 101: 메타층 105: 투과도 변화층
110: 제1층 115: 박막층 120: 제2층 1000: 결상 광학계
1100,1200,1300,1400,1500,1600: 렌즈 2000: 이미지 센서
2000a: 결상면 2050,2360,2440: 이미지 시그널 프로세서
2100: 이미징 장치 2214: 3D 센서 2280: 카메라 모듈
SPm: 메인 스폿 SP1,SP2: 서브 스폿 Tm1,Tm2: 투과 진폭 분포

Claims (20)

  1. 동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 적어도 하나의 메타층을 포함하고,
    입사광의 위상 및 세기를 변조하며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련되며,
    상기 결상면에 형성되는 복수의 스폿은,
    메인 스폿과, 상기 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고, 상기 메인 스폿보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함하는 메타 렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서브 스폿은,
    서로 다른 조도를 가지며 상기 메인 스폿에 대해 비대칭 분포하는 복수의 서브 스폿을 포함하는 메타 렌즈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서브 스폿은,
    상기 메인 스폿의 밝기 피크치보다 4~10dB 낮은 밝기 피크치를 가지는 제1서브 스폿을 포함하는 메타 렌즈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서브 스폿은, 제2서브 스폿을 더 포함하며,
    상기 제1서브 스폿 및 제2서브 스폿은 상기 메인 스폿에 대해 비대칭으로 분포하며,
    상기 제2서브 스폿의 밝기 피크치는 상기 제1서브 스폿의 밝기 피크치보다 4-10dB 낮은 메타 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    하기의 식을 만족하는 복소 투과도(T(r))를 가지는 메타 렌즈.
    Figure pat00003

    여기서, T0(r)은 상기 메인 스폿을 형성하는 주광선의 투과도, Ai는 i번째 서브 스폿을 형성하는 부광선의 메인 스폿 대비 상대 투과 세기, vi는 상기 부광선의 전파 방향이 틸트된 정도에 해당하는 방향 코사인(여기서, vi = ui/f 이고, ui는 상기 결상면에서 메인 스폿과 i번째 서브 스폿 사이의 거리, f는 메타 렌즈의 유효 초점 거리)를 나타낸다.
  6. 제1항에 있어서, 상기 메타층은, 투과하는 광의 위상을 변조하며,
    상기 메인 스폿을 형성하는 주광선에 대해 틸트되게 상기 적어도 하나의 서브 스폿을 형성하는 부광선을 분기하도록 마련되며, 투과하는 광의 세기를 변조하여, 결상면에서 서로 다른 밝기의 상기 복수의 스폿을 비대칭 분포로 형성하는 투과도 변화층;을 더 포함하는 메타 렌즈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 투과도 변화층은,
    상기 메타층의 상부나 하부에 마련되는 메타 렌즈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 투과도 변화층은 HEBS 물질층으로 이루어진 메타 렌즈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 메타층은 입사광에 포함된 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 동일한 위상지연 프로파일을 형성하도록,
    복수의 제1나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제1주변물질을 포함하는 제1층; 및 상기 제1층 상에 배치되고, 복수의 제2나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제2주변물질을 포함하는 제2층;을 포함하며,
    상기 제1나노구조물의 유효 굴절율이 제1주변물질의 유효 굴절율보다 크고, 상기 제2나노구조물의 유효 굴절율이 상기 제2주변물질의 유효 굴절율보다 작거나,
    상기 제1나노구조물의 유효 굴절율이 제1주변물질의 유효 굴절율보다 작고, 상기 제2나노구조물의 유효 굴절율이 상기 제2주변물질의 유효 굴절율보다 크도록 된 메타 렌즈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 메타층은 서로 다른 적어도 두 파장에 대해 단조롭게 변화하면서 위상 변조 범위가 서로 다른 위상 지연 프로파일을 형성하도록,
    복수의 제1나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제1주변물질을 포함하는 제1층; 및 상기 제1메타층 상에 배치되고, 복수의 제2나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제2주변물질을 포함하는 제2층;을 포함하며,
    위치에 따른 유효 굴절율 변화율의 부호가 상기 제1층과 상기 제2층에서 서로 같은 제1구역과 상기 제1층과 상기 제2층에서 서로 반대인 제2구역을 포함하는 메타 렌즈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1구역이 상기 제2구역보다 넓으며,
    상기 제1구역과 상기 제2구역은 각각 하나 이상이며, 일방향을 따라 상기 제1구역과 상기 제2구역이 교대로 나타나는 메타 렌즈.
  12. 제1항에 있어서, 상기 메타 렌즈는 출력단에서 상기 복수의 스폿의 개수보다 작은 수의 커리어 공간 주파수 성분을 가지는 복소 투과도 분포를 형성하도록 마련되는 메타 렌즈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 커리어 공간 주파수 성분을 가지는 위상 분포에 구면이나 비구면 형태의 투과 위상 분포가 더해지도록 상기 복수의 나노구조물이 배열되는 메타 렌즈.
  14. 제12항에 있어서, 상기 복소 투과도 분포의 주기는동작 파장의 3배 이상인 메타 렌즈.
  15. 메타 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈를 포함하며,
    상기 메타 렌즈는,
    동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 적어도 하나의 메타층을 포함하고,
    입사광의 위상 및 세기를 변조하며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련되며,
    상기 결상면에 형성되는 복수의 스폿은,
    메인 스폿과, 상기 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고, 상기 메인 스폿보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함하는 결상 광학계.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수의 렌즈는, 적어도 하나의 굴절렌즈를 포함하며,
    상기 메타 렌즈는, 상기 결상 광학계의 앞단, 중간, 마지막 단 중 적어도 어느 하나에 위치하며,
    상기 굴절렌즈는,
    피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1렌즈를 포함하며,
    상기 메타 렌즈는, 상기 제1렌즈를 통과한 입사광에 대해 음의 색수차를 가지도록 마련된 결상 광학계.
  17. 제15항에 있어서, 상기 메타 렌즈는 정의 굴절력이나 부의 굴절력을 가지도록 위상 지연 프로파일을 형성하는 결상 광학계.
  18. 결상 광학계; 및
    상기 결상 광학계에 의해 비대칭 분포로 형성되는 서로 다른 밝기의 복수 스폿의 광학 상을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함하며,
    상기 결상 광학계는, 메타 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈를 구비하며,
    상기 메타 렌즈는,
    동작 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 구비하는 적어도 하나의 메타층을 포함하고,
    입사광의 위상 및 세기를 변조하며, 결상면에 비대칭 분포로 서로 다른 밝기의 복수의 스폿을 형성하도록 마련되며,
    상기 결상면에 형성되는 복수의 스폿은,
    메인 스폿과, 상기 메인 스폿의 중심으로부터 이격되고, 상기 메인 스폿보다 저조도인 적어도 하나의 서브 스폿을 포함하는 전자 장치.
  19. 제18항에 있어서, 단일 촬영에서 상기 결상 광학계의 결상 초점 형태를 디컨벌루션하도록, 상기 이미지 센서에서 검출된 이미지 신호를 처리하며, 높은 명암비의 이미지를 획득하는 이미지 시그널 프로세서;를 포함하는 전자 장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 복수의 렌즈는, 적어도 하나의 굴절렌즈를 포함하며,
    상기 메타 렌즈는, 상기 결상 광학계의 앞단, 중간, 마지막 단 중 적어도 어느 하나에 위치하며,
    상기 굴절렌즈는, 피사체 측으로부터 입사하는 입사광에 대해 정의 굴절력을 가지고, 상기 피사체 측을 향한 면이 볼록한 제1렌즈를 포함하며,
    상기 메타 렌즈는, 상기 제1렌즈를 통과한 입사광에 대해 음의 색수차를 가지도록 마련된 전자 장치.
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