KR20230022062A - 메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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박현수
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Abstract

메타 광학 소자는, 각각 복수의 나노구조물을 포함하며 입사광의 위상을 변조하는 복수의 위상 변조 영역;을 포함한다. 상기 복수의 위상 변조 영역 각각은 서로 이격된 복수개의 파장 대역의 광에 대해 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 나타내되 위상 변조 범위가 서로 다르며, 이에 따라 상기 복수개의 파장 대역의 광에 대해 색수차가 거의 없는 광학 성능을 나타낼 수 있다.

Description

메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치 {Meta lens and electronic apparatus including the same}
개시된 실시예들은 메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
메타 구조(meta-structure)를 활용하는 평판형 회절 소자는 기존의 굴절 소자가 구현하지 못하는 다양한 광학 효과를 나타낼 수 있고 얇은 광학계를 구현할 수 있어 많은 분야에서 관심이 높아지고 있다.
메타 구조(meta-structure)는 입사광의 파장보다 작은 수치가 형상, 주기 등에 적용된 나노 구조를 구비하며, 원하는 광학 성능을 구현하기 위해 원하는 위치별로 설정된 위상 지연 프로파일이 만족되도록 나노 구조를 설계하게 된다.
일반적으로, 메타 구조가 나타내는 위상 지연 프로파일은 다양한 파장에 대해 동일하게 나타나며, 반면, 메타 구조를 이루는 재질의 굴절률은 파장에 의존하는 성질을 가지므로, 메타 구조에서 색수차가 나타나는 것은 일반적인 현상이다. 이에 따라, 이러한 색수차를 줄이기 위한 방안이 지속적으로 모색되고 있다.
색수차가 개선된 메타 광학 소자가 제공된다.
메타 광학 소자를 활용한 전자 장치가 제공된다.
실시예에 따르면, 각각 복수의 나노구조물을 포함하며, 입사광의 위상을 변조하는 복수의 위상 변조 영역;을 포함하며, 상기 복수의 위상 변조 영역 각각은 서로 이격된 복수개의 파장 대역의 광에 대해 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 나타내되 위상 변조 범위가 서로 다른, 메타 광학 소자가 제공된다.
상기 복수개의 파장 대역은 각각 적색, 녹색, 청색 파장 대역에 포함되며 각 대역폭은 50nm 이하일 수 있다.
상기 위상 변조 영역은 상기 복수개의 파장 대역의 광에 대해 2π의 k배(|k|≥1)의 위상 변조 범위를 나타내며, 상기 복수개의 파장 대역 중 긴 파장 대역의 광에 대해 짧은 파장 대역의 광에 대한 경우보다 작은 위상 변조 범위를 나타낼 수 있다.
상기 위상 변조 영역은 상기 복수개의 파장 대역의 광에 대해 각각 2π의 L배, M배, N배(|L|≥1, |M|≥1, |N|≥1, L≠M≠N)의 위상 변조 범위를 나타내며, 상기 복수개의 파장 대역의 중심 파장을 각각 λ1, λ2, λ3라고 할 때, L*λ1=M*λ2=N*λ3 의 조건이 만족될 수 있다.
상기 위상 변조 영역에서 상기 복수개의 파장 대역 중 가장 긴 파장 대역의 광에 대한 위상 지연 프로파일과 가장 짧은 파장 대역의 광에 대한 위상 지연 프로파일의 차이로 정의되는 위상 지연 분산은 소정의 변화폭으로 단조 변화할 수 있다.
상기 위상 변조 영역은 복수의 제1 나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제1 주변물질을 포함하는 제1층; 및 상기 제1층 상에 배치되고, 복수의 제2 나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제2 주변물질을 포함하는 제2층;을 포함하며, 위치에 따른 유효 굴절률 변화율의 부호가 상기 제1층과 상기 제2층에서 서로 같은 제1구역과 상기 제1층과 상기 제2층에서 서로 반대인 제2구역을 포함할 수 있다.
상기 제1구역이 상기 제2구역보다 넓을 수 있다.
상기 제1구역과 상기 제2구역은 각각 하나 이상이며 상기 위상 변조 영역 내에서 일방향을 따라 상기 제1구역과 상기 제2구역이 교대로 나타날 수 있다.
상기 제1 나노구조물은 제1 주변물질보다 높은 굴절률을 가지며, 상기 제2 나노구조물은 제2 주변물질보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다.
상기 위상 변조 영역 내의 일부 영역에서, 상기 제1 나노구조물들은 일 방향을 따라 폭이 단조롭게 변하며, 상기 제2 나노구조물들은 상기 일부 영역 내에서 상기 일방향을 따라 폭의 증감이 1회 이상 변할 수 있다.
상기 제1 나노구조물, 상기 제2 나노구조물은 기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 나노구조물은 상기 제2 주변 물질로 둘러싸인 홀일 수 있다.
상기 제2 나노구조물은 내부 기둥 및 상기 내부 기둥을 둘러싸는 쉘 기둥을 포함하는 형상일 수 있다.
상기 내부 기둥은 상기 제2 주변물질보다 낮은 굴절률의 물질을 포함하고, 상기 쉘 기둥은 상기 내부 기둥보다 높은 굴절률의 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 나노구조물, 상기 제2 나노구조물은 폭에 대한 높이의 비가 2보다 클 수 있다.
상기 제1 나노구조물, 상기 제2 나노구조물은 폭에 대한 높이의 비가 50보다 작을 수 있다.
상기 제1 나노구조물, 상기 제2 나노구조물의 높이는 상기 복수개의 파장 대역 중 가장 짧은 파장 대역의 중심 파장보다 클 수 있다.
상기 복수의 위상 변조 영역은 상기 메타 광학 소자의 중심으로부터 반경 방향을 따라 배치되며, 상기 복수의 위상 변조 영역의 폭은 상기 중심에서 멀어질수록 작아질수록 작아질 수 있다.
상기 복수의 위상 변조 영역의 폭은 서로 같을 수 있다.
실시예에 따르면, 전술한 어느 하나의 메타 광학 소자를 포함하는 렌즈 어셈블리; 및 상기 렌즈 어셈블리에 의해 형성된 광학 상(optical image)을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.
실시예에 따르면, 영상 프로젝터; 및 상기 영상 프로젝터에서의 영상광을 소정 위치로 전달하는 것으로, 전술한 어느 하나의 메타 광학 소자를 포함하는 광전달부;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.
상술한 메타 광학 소자는 복수의 협대역 파장의 광에 대해 색수차가 거의 없는 광학 성능을 나타낼 수 있다.
상술한 메타 광학 소자는 복수층의 나노구조물 배치를 활용하여, 위상 지연과 위상 지연의 분산이 원하는 형태로 독립적으로 조절된 구조를 가지며, 복수의 협대역 파장의 광에 대해 높은 회절 효율을 나타낼 수 있다.
상술한 메타 광학 소자는 렌즈, 빔 디플렉터, 빔 쉐이퍼 등으로 활용될 수 있고, 이들을 활용하는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구성과 기능을 설명하는 개념도이다.
도 2는 R, G, B 광에 대해 색수차 없는 렌즈 성능을 나타내기 위한 이론적인 위상 지연 프로파일을 보인다.
도 3은 도 2의 그래프를 2π 위상 범위로 변경하여 표현한 그래프이다.
도 4는 도 3의 그래프로부터 추출한 위상 지연 분산 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 메타 광학 소자가 나타내는 파장별 위상 프로파일을 보이는 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 메타 광학 소자가 나타내는 위상 지연 분산을 보이는 그래프이다.
도 7은 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 8은 도 7의 A-A 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 도시한 단위 요소의 굴절률 및 형상 치수를 상세히 보이는 단면도 및 평면도이다.
도 10a는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단위 요소에 의한 위상 지연을 형상 치수를 변경하며 전산 모사하여 보인 분포도이다.
도 10b는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단위 요소에 위상 지연 분산을 형상 치수를 변경하며 전산 모사하여 보인 분포도이다.
도 10c는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단위 요소가 가질 수 있는 다양한 형상 치수를 위상 지연 - 위상 지연 분산 평면에 매핑한 분포도이다.
도 11은 파장별 타겟 위상 지연 프로파일 및 전산 모사 결과에 따라 설계된 위상 지연 프로파일을 함께 보인 그래프이다.
도 12는 전산 모사 결과에 따라 실시예에 따른 메타 광학 소자에 적용된 단위 요소의 형상 치수를 위치별로 보인 그래프이다.
도 13은 실시예에 따른 메타 광학 소자가 나타내는 회절 효율을 보이는 그래프이다.
도 14는 실시예에 따른 메타 광학 소자가 서로 다른 세 가지 파장의 광에 대해 동일한 초점 거리를 나타내는 것을 전산 모사하여 보인다.
도 15는 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 16a 내지 도 16c는 또 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자에 적용될 수 있는 단위 요소를 상세히 보인 단면도 및 평면도이다.
도 17은 R, G, B 광에 대해 색수차가 없는 빔 편향 성능을 나타내기 위한 이론적인 위상 지연 프로파일을 보인다.
도 18 및 도 19는 또 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자가 나타내는 위상 지연 프로파일 및 위상 지연 분산을 보인다.
도 20은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 21은 도 20의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 22는 도 20의 전자 장치에 구비되는 3D 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 23은 실시예에 따른 증강 현실 장치의 개략적인 구성을 보인 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구성과 기능을 설명하는 개념도이다.
메타 광학 소자(100)는 입사광(L)의 위상을 변조하는 평판형 회절소자이다. 메타 광학 소자(100)는 복수의 나노구조물(미도시)을 포함하며, 복수의 나노구조물 배열이 형성하는 굴절률 분포에 따라 이를 통과하는 광의 위상을 지연시킨다. 위상이 지연되는 정도는 위상 지연(phase delay, phase retardation)의 정도는 굴절률 분포의 변수가 되는 각 위치에 따라 다르며, 위상 지연의 위치별 형태에 따라 메타 광학 소자(100)는 렌즈, 빔 디플렉터, 빔 쉐이퍼 등 기타 다양한 광학 성능을 나타낼 수 있다.
실시예에 따른 메타 광학 소자(100)는 서로 이격된 복수개의 파장 대역의 광에 대해 색수차가 없는(achromatic) 변조광(Lm)을 형성할 수 있도록, 위상 지연과 위상 지연 분산이 설정된다. 상기 복수개의 파장 대역의 광은 중심 파장이 각각 λ1, λ2, λ3인 협대역의 광일 수 있다. 협대역의 폭은 예를 들어, 50이하, 10nm 이하 또는 5nm 이하일 수 있으며, λ1, λ2, λ3는 각각 450nm, 540nm, 675nm 일 수 있다. 이하의 많은 설명에서, λ1, λ2, λ3는 각각 450nm, 540nm, 675nm로 예시될 수 있으나, 메타 광학 소자(100)의 동작 파장 대역이 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, '색수차가 없는(achromatic)'의 의미는 메타 광학 소자(100)가 구현하는 광학 성능에 상기 복수개의 파장 대역 별 차이가 거의 없으며, 해당 광학 성능을 구현하는 회절 효율이 약 85% 이상 또는 90% 이상으로 높은 것을 의미한다. 예를 들어, 메타 광학 소자(100)가 렌즈인 경우, 메타 광학 소자(100)는 상기 복수개의 파장 대역의 광에 대해 거의 동일한 초점 거리를 나타낸다. 예를 들어, 메타 광학 소자(100)가 빔 디플렉터(beam deflector)인 경우, 메타 광학 소자(100)는 상기 복수개의 파장 대역의 광을 거의 동일한 각으로 편향시키며, 예를 들어, 메타 광학 소자(100)가 빔 쉐이퍼(beam shaper)인 경우, 메타 광학 소자(100)는 상기 복수개의 파장 대역의 광을 거의 동일한 패턴의 광으로 만들 수 있다.
위상 지연 분산(Δφ)은 파장에 따른 위상 지연(φ)의 차이를 의미하며, 이하에서는 메타 광학 소자(100)가 색수차가 없는(achromatic) 광학 성능을 나타내는 복수개의 파장 대역의 중심 파장 중 가장 짧은 파장의 광에 대한 위상 지연과 가장 긴 파장의 광에 대한 위상 지연의 차이를 의미한다. 즉, 메타 광학 소자(100)가 색수차가 없는 광학 성능을 나타내는 파장 대역의 중심 파장이 λ1, λ2, λ3이고, λ1<λ2<λ3 일 때 위상 지연 분산(Δφ(λ1, λ3))은 φ(λ1)-φ(λ3)을 의미한다.
메타 광학 소자(100)가 나타내는 위상 지연은 상기 복수 파장 대역의 광에 대해 다르다. φ(λ1), φ(λ2), φ(λ3)는 메타 광학 소자(100)에 구비되는 복수의 위상 변조 영역 내에서 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 나타내며 각 위상 변조 범위는 다르다. 적절한 위상 지연 분산(φ(λ1)-φ(λ3))과 세 파장 중 가운데 위치하는 λ2의 광에 대한 위상 지연(φ(λ1))이 메타 광학 소자(100)를 지나는 광에 대해 일어나게 함으로써 상기 세 파장의 광에 대해 색수차가 없는 광학 성능이 구현될 수 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하며, 메타 광학 소자(100)에 의해 구현될 위상 지연 및 위상 지연 분산에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 R, G, B 광에 대해 색수차 없는 렌즈 성능을 나타내기 위한 이론적인 위상 지연 프로파일을 보인다. 도 3은 도 2의 그래프를 2π 위상 범위로 변경하여 표현한 그래프이고, 도 4는 도 3의 그래프로부터 추출한 위상 지연 분산 그래프이다.
도 2의 그래프는 ∂φ/∂λ의 값이 0인 영역, 0보다 큰 영역, 0보다 작은 영역을 모두 포함하는 형태의 위상 지연 프로파일로서, 이러한 위상 지연 프로파일이 만족되는 경우 색수차가 없는 렌즈 성능이 나타날 수 있다. 도시된 그래프는 직경 1.0mm, 초점 거리 5mm이고 색수차가 없는 회절 렌즈를 위한 위상 지연 프로파일로서, 이러한 함수 형태는 렌즈를 이루는 반경 방향의 거리(radial distance)에 따라 모두 다른 위상 지연값을 갖는 형태이며, 실질적으로 구현되는 데는 많은 제약이 있다. 렌즈 직경이 커짐에 따라, 그리고 초점거리가 짧아질수록, 이에 구비되는 나노구조물의 종횡비는 계속 증가하여야 하나 현실적으로 제작 가능한 종횡비에는 한계가 있다.
도 2로부터 도 3과 같은 그래프를 추출할 수 있다. 위상 지연 범위를 2π 범위내에서 반복되게 변경한 형태이다. 그래프에서 나타나는 바와 같이, 2π 위상이 반복되는 영역은 R, G, B 광에 대해 모두 다르다.
한편, 도 3의 그래프로부터 R, G 광에 대해 위상 지연을 추출한 도 4의 그래프를 살펴보면, 4π의 범위로 단조로운 위상 지연 분산을 나타내는 영역이 반복되는 것을 볼 수 있다. 위상 지연 분산 그래프에 나타나는 이러한 영역 구분을 색수차가 없는 메타 광학 소자를 위해 활용할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 메타 광학 소자가 나타내는 파장별 위상 프로파일을 보이는 그래프이다. 도 6은 실시예에 따른 메타 광학 소자가 나타내는 위상 지연 분산을 보이는 그래프이다.
도 5에 예시된 복수의 위상 변조 영역(R1, R2..) 경계는 위상 지연 분산이 최대에서 최소로 변하는 위치로 정해진다. 도 3에 예시된 위상 지연 프로파일과 같은 그래프 형태로부터, 각 영역의 끝에서 0의 위상 지연 값을 가지도록 영역 시작 위치에서의 위상 지연 값을 설정하여 도 5와 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 상기 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 상기 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. (파장이 450nm, 540nm, 675nm로 한정되지 않도록 일반적으로 기술한 취지이며, 확인바랍니다)
도 6의 그래프는 도 5의 그래프에서 추출한 위상 지연 분산의 그래프로서, 실시예의 메타 광학 소자(100)가 만족하는 φ(λ1)-φ(λ2)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.
이러한 위상 지연 및 위상 지연 분산을 구현할 수 있는 메타 광학 소자의 보다 상세한 구조를 살펴보기로 한다.
도 7은 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 평면도이고, 도 8은 도 7의 A-A 단면도이다. 도 9a 내지 도 9c는 도 8에 도시한 단위 요소의 굴절률 및 형상 치수를 상세히 보이는 단면도 및 평면도이다.
메타 광학 소자(100)는 상기 설명과 같이 설정되는 복수의 위상 변조 영역(Rk)을 포함하며, 렌즈의 역할을 할 수 있도록, 위상 변조 영역(Rk) 마다 복수의 나노구조물(NS)이 구비된다. 복수의 위상 변조 영역(Rk)은 메타 광학 소자(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 기판(SU) 상에 배치될 수 있다. 도 7에는 편의상, 단지 몇 개의 나노구조물(NS)만을 예시적으로 표시하고 있으며, 도 8에 도시된 바와 같이, 나노구조물은 2층 구조로 배열될 수 있으며, 제1층(110)에 제 1 나노구조물(NS1)과 이들을 둘러싸는 제 1 주변물질(E1)이 구비되고, 제2층(120)에 제 2 나노구조물(NS2)과 이들을 둘러싸는 제 2 주변물질(E2)이 구비될 수 있다. 제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)은 메타 광학 소자(100)의 동작 파장, 즉, 복수개의 이격된 파장 대역 중 가장 짧은 파장(λ0)보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가진다. 제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)의 높이는 메타 광학 소자(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 일 수 있다.
복수의 위상 변조 영역(Rk)은 도 5 및 도 6에서 설정된 위상 지연 프로파일 및 위상 지연 분산을 갖도록 각각에 배치되는 제 1 나노구조물(NS1), 제 1 주변물질(E1), 제 2 나노구조물(NS2), 제 2 주변물질(E2)의 형상, 배열, 굴절률 등이 정해진다.
복수의 위상 변조 영역(Rk)은 각각 소정 범위의 단조로운 위상 변조 패턴을 나타내는 영역이다. 복수의 위상 변조 영역은 메타 광학 소자(100의 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 5에 도시한 바와 같이, 위상 변조 범위는 복수의 파장에 대해 서로 다르다. 위상 변조 영역의 총 개수(N), 각 영역의 폭(W1,..Wk,.. WN)은 굴절력(초점 거리), 렌즈 직경에 따라 정해지며, 도 3 내지 도 6에서 설명한 과정에 따라 설정될 수 있다.
도 8은 하나의 위상 변조 영역(Rk)의 일부의 단면 구조를 보이고 있다. 제1층(110)은 복수의 제 1 나노구조물(NS1)과 제 1 주변물질(E1)을 포함하고, 제2층(120)은 복수의 제 2 나노구조물(NS2)과 제 2 주변물질(E2)을 포함한다. 제1층(110)과 제2층(120)은 유효 굴절률 변화량 대비 유효 굴절률 분산이 서로 다르도록 제 1 나노구조물(NS1), 제 1 주변물질(E1), 제 2 나노구조물(NS2), 제 2 주변물질(E2)의 굴절률, 형상, 배열 등이 설정된다.
제 1 나노구조물(NS1)은 제 1 주변물질(E1)보다 높은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있고, 이러한 형태는 편의상 나노 기둥 구조로 지칭할 것이다. 제 2 나노구조물(NS2)은 제 2 주변물질(E2)보다 낮은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다고 이러한 형태는 편의상 나노 구멍 구조로 지칭할 것이다. 메타 광학 소자(100)는 나노 기둥 구조와 나노 구멍 구조의 이층 구조로 된 단위 요소(UE)가 반복 배열된 구조로 볼 수 있다. 나노 기둥 구조의 경우 유효 굴절률이 커지면 유효 굴절률의 분산이 함께 증가하는 경향이 있다. 다시 말하면, 유효 굴절률을 크게 하기 위해 단위 요소(UE)내에서 제 1 나노구조물(NS1)이 차지하는 점유율(fill factor)을 높이면 유효 굴절률 분산도 증가한다. 이와 달리, 나노 구멍 구조의 경우 유효 굴절률을 높이기 위해 단위 요소(UE) 내에서 제 2 나노구조물(NS2)이 차지하는 점유율(fill factor)를 낮추면 유효 굴절률 분산은 나노 기둥 구조에 비해 조금 증가하거나 또는 반대로 감소하는 경항을 나타낸다. 나노 구멍 구조의 유효 굴절률 분산 변화율은 유효 굴절률 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 광학 소자(100)는 이와 같이 유효 굴절률 변화량 대비 유효 굴절률 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.
복수의 제 1 나노구조물(NS1)들은 위상 변조 영역(Rk) 내에서 일 방향, 예를 들어, 반경 방향(r)을 따라 폭이 단조롭게 변하는 영역을 포함할 수 있다. 복수의 제 2 나노구조물(NS2)들은 복수의 제 1 나노구조물(NS1)들의 폭이 단조롭게 변하는 반경 방향 위치에서, 상기 일방향을 따라 폭의 증감이 1회 이상 변할 수 있다.
위상 변조 영역(Rk)은 제1층(110)과 제2층(120)에서 위치에 따른 유효 굴절률 변화율의 부호가 서로 같은 제1구역(A)과, 제1층(110)과 제2층(120)에서 위치에 따른 유효 굴절률 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 굴절률 변화율의 부호가 같은 영역이 다른 영역보다 크게 나타날 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1구역(A)에서, 제1층(110)의 제 1 나노구조물(NS1)의 폭이 반경 방향(r)을 따라 감소하며 유효굴절률이 감소하고, 제2층(120)의 제 2 나노구조물(NS2)의 폭이 반경 방향을 따라 커지며 즉, 유효굴절률이 감소한다. 제2구역(B)에서, 제1층(110)의 제 1 나노구조물(NS1)의 폭이 반경 방향(r)을 따라 감소하며 유효굴절률이 감소하고, 제2층(120)의 제 2 나노구조물(NS2)의 폭이 반경 방향을 따라 감소하며 즉, 유효굴절률이 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 제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)의 형상과 배열은 도 5 및 도 6에 나타난 위상 지연과 위상 지연 분산을 구현할 수 있는 일 예시일 뿐이며, 다른 형상과 배열로 도 5 및 도 6에 나타난 위상 지연과 위상 지연 분산이 구현될 수도 있다.
나노 기둥 구조를 포함하는 제1층(110)은 유효 굴절률 변화 경향과 유효 굴절률 변화에 대한 분산 변화 경향이 유사하게 나타나며, 반면 제2층(120)은 유효 굴절률 변화 경향과 유효 굴절률 변화 간에 관계가 적어, 제1층(110)은 메타 광학 소자(100)의 위상 지연 분산에 주로 기여하는 층이 될 수 있다. 메타 광학 소자(100)가 나타내는 위상 지연에는 제1층(110)에 의한 위상 지연과 제2층(120)에 의한 위상 지연이 함께 기여한다.
도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 제 1 나노구조물(NS1)은 직경 w1, 높이 h1의 원기둥 형상일 수 있고, 제 2 나노구조물(NS2)은 직경 w2, 높이 h2인 원기둥 형상일 수 있다. 제 1 나노구조물(NS1)의 굴절률 n1은 제 1 주변물질(E1)의 굴절률 n2보다 크며, 굴절률 차이는 0.2 이상 또는 0.5 이상일 수 있다. 제 2 나노구조물(NS2)의 굴절률 n3은 제 2 주변물질(E2)의 굴절률 n4보다 작으며, 굴절률 차이는 0.2 이상 또는 0.5 이상일 수 있다.
제 1 나노구조물(NS1)에 메타 광학 소자(100)의 동작 파장 대역에서 굴절률이 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 제 1 나노구조물(NS1) 재질로 사용될 수 있다. 제 1 주변물질(E1)로는 상대적으로 굴절률이 낮고 흡수율이 낮은 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO2, 또는 SOG 또는 air가 제 1 주변물질(E1)로 사용될 수 있다.
제 2 나노구조물(NS2)은 메타 광학 소자(100)의 동작 파장 대역에서 굴절률이 낮고 흡수율이 낮은 물질이 사용될 수 있다. SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO2, 또는 SOG 또는 air를 포함할 수 있다. 제 2 주변물질(E2)은 상대적으로 높은 굴절률을 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. 제 2 나노구조물(NS2)은 제 2 주변물질(E2)로 둘러싸인, 빈 홀의 형태를 가질 수도 있다.
제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)은 직경에 대한 높이 비를 나타내는 종횡비가 1보다 클 수 있다. 종횡비는 2이상, 3이상, 또는 5이상일 수 있고, 10이하일 수 있다. (공정 용이성 등의 측면에서 종횡비의 상한을 정하는 의의가 있을 것 같습니다. 수치 검토 바랍니다)
제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)은 원기둥 형상으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며 다양한 다각 기둥, 타원 기둥 등의 형상을 가질 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 실시예에 따른 메타 광학 소자를 이루는 단위 요소의 형상 치수를 변화시킨 전산 모사 결과를 보인다.
전산 모사에서 n1=2.5, n2=1.46, h1=2.0um, n3=1.0, n4=1.9, h2=2.0um 로 하고, w1, w2를 변화시키며, 위상 지연과 위상 지연 분산을 계산하였다.
도 10a는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단위 요소에 의한 위상 지연을 형상 치수를 변경하며 전산 모사하여 보인 분포도이다. 위상 지연은 파장 540nm의 광에 대한 것이다.
도 10b는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단위 요소에 위상 지연 분산을 형상 치수를 변경하며 전산 모사하여 보인 분포도이다. 위상 지연 분산은 파장 450nm의 광에 대한 위상 지연과 파장 675nm의 광에 대한 위상 지연의 차를 나타내고 있다.
도 10c는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단위 요소가 가질 수 있는 다양한 형상 치수를 위상 지연 - 위상 지연 분산 평면에 매핑한 분포도이다.
그래프의 가로축은 φ(540nm)이고, 그래프의 세로축은 φ(450nm)- φ(675nm)를 나타낸다. 도 10c의 그래프 평면은 0에서 2π에 이르는 φ(540nm) 값들, -2π에서 2π에 이르는 φ(450nm)- φ(675nm) 값들이 w1, w2의 데이터 셋트로 거의 전체적으로 매핑되고 있다. 이러한 데이터들을 활용하여, 원하는 위상 지연과 위상 지연 분산을 달성할 수 있는 단위 요소들을 위치별로 배열할 수 있고, 이 경우, 450nm, 540nm, 675nm의 파장의 광에 대해 색수차가 거의 없는 렌즈를 구현할 수 있다.
도 11은 파장별 타겟 위상 지연 프로파일 및 전산 모사 결과에 따라 설계된 위상 지연 프로파일을 함께 보인 그래프이고, 도 12는 전산 모사 결과에 따라 실시예에 따른 메타 광학 소자에 적용된 단위 요소의 형상 치수를 위치별로 보인 그래프이다.
다시 말하면, 도 11의 실선으로 표시된 Target 값이 구현되도록 도 12와 같이 단위 요소(UE)들의 w1, w2를 설정하였고, 이에 따른 결과를 점선으로 표시된 Design 값으로 표시하였다. 도 11에 나타나듯이, Target, Design에 대응하는 선들은 거의 구별되지 않을 정도로 겹치게 나타나고 있으며, 원하는 성능의 메타 광학 소자를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 실시예에 따른 메타 광학 소자가 나타내는 회절 효율을 보이는 그래프이다.
450nm, 540nm, 675nm의 세 파장의 광에 대한 회절 효율은 0.94, 0.938, 0,929로 나타나고 있다. 이러한 수치는 색수차 없는 메타 렌즈가 나타내는 회절 효율로써 현재까지 보고된 바 없는 높은 수치로 평가된다.
도 14는 실시예에 따른 메타 광학 소자가 서로 다른 세 가지 파장의 광에 대해 동일한 초점 거리를 나타내는 것을 전산 모사하여 보인다.
450nm, 540nm, 675nm 파장의 광에 대한 초점 거리는 모두 5.0mm로 나타나고 있으며, z=5mm인 초점면에서 빔 스팟의 크기도 모두 거의 동일하게 나타나고 있다.
도 8의 메타 광학 소자(100)에 적용된 단위 요소(UE)의 형상은 다양하게 변경될 수 있다. 단위 요소(UE)의 형상은 제1층(110), 제2층(120)의 제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)의 중심이 정렬된 배치로 도시되었으나 이는 예시적이고 이에 한정되지 않는다. 단위 요소(UE)의 형상에 있어, 제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)의 중심축이 일치되지 않고 소정 간격으로 오정렬(mis-align)되어도 무방하며 이 범위도 한정되지 않는다. 제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)의 폭 w1, w2 뿐 아니라, 이러한 오정렬 간격이 설계 변수로 활용될 수 있고, 또한, 제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)의 높이가 설계 변수로 활용될 수도 있다.
도 15a 내지 도 15c는 또 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자에 적용될 수 있는 단위 요소를 상세히 보인 단면도 및 평면도이다.
본 실시예에서, 메타 광학 소자(101)의 단위 요소(UE1)의 제 2 나노구조물(NS2)로 내부 기둥(CO) 및 이를 둘러싸는 쉘 기둥(SH)을 구비하는 형상이 채용될 수 있다. 이러한 구조는 유효 굴절률 변화에 대한 분산 변화율의 의존도가 낮은 나노 구멍 구조와 유사한 구조로 채용될 수 있다. (나노 구멍 구조의 변형예로서 가능한 실시예로 생각되어 추가하였으니 검토 바랍니다)
내부 기둥(CO)의 굴절률 n31은 제 2 주변물질(E2)의 굴절률 n4보다 작고, 쉘 기둥(SH)의 굴절률은 내부 기둥(CO)의 굴절률 n31보다 클 수 있다. 쉘 기둥(SH)의 굴절률 n32는 제 2 주변물질(E2)의 굴절률 n4보다 클 수도 있고, 작을 수도 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 메타 광학 소자(102)는 제2층(121)에서 제 2 주변물질(E2)이 제 2 나노구조물(NS2)의 측면뿐 아니라 상면을 덮도록 배치되고, 제1층(111)에서도 제 1 주변물질(E1)이 제 1 나노구조물(NS1)의 측면과 상면을 덮는 형태로 배치된 점에서 도 8의 메타 광학 소자(100)와 차이가 있다. 이러한 구조는 제 1 나노구조물(NS1), 제 2 나노구조물(NS2)을 보호하고, 공정 용이성을 위해 선택될 수 있다. 도시된 단위 요소의 형상은 도 9a와 같은 형태로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고, 도 15a와 같은 형상으로 변경될 수도 있다.
이외에도, 메타 광학 소자를 이루는 단위 요소들은 다양하게 변경될 수 있다. 예시된 두 단위 요소(UE)(UE1)의 형태가 다양하게 조합될 수 있다. 예를 들어, 들어, 두 층에서 모두 나노 기둥 구조를 사용하고 굴절률 차이를 다르게 설정할 수도 있고, 두 층에서 모두 나노 구멍 구조를 사용하고 굴절률 차이를 다르게 설정할 수도 있다. 또는, 내부 기둥과 쉘 기둥을 포함하는 형상의 나노구조물이 두 층에 모두 적용되고 굴절률 차이가 다르게 설정될 수도 있다.
도 17은 R, G, B 광에 대해 색수차가 없는 빔 편향 성능을 나타내기 위한 이론적인 위상 지연 프로파일을 보인다.
도시된 세 가지 위상 지연 프로파일은 길이 500um, 회절 각도 1.0도(deg.)인 색수차 없는 빔 편향기를 위한 R, G, B 광에 대한 위상 지연 프로파일이다. 이러한 이론적인 위상 지연 프로파일은 빔 편향기의 위치마다 다른 위상 지연값을 구현해야 하므로 실제 구현에 어려움이 있다. 또한, 빔 편향기의 길이가 커질수록, 그리고, 회절 각도가 커질수록, 구현해야 하는 위상 지연 값이 비례하여 커지며 이를 위해 나노 구조의 종횡비가 커지게 되며, 제작 가능한 종횡비에는 한계가 있다.
이러한 위상 지연 프로파일로부터, 도 2 내지 도 6에서 설명한 것과 유사한 방법으로, 구현 가능한 영역별 위상 지연 프로파일 및 위상 지연 분산을 도출할 수 있다.
도 18 및 도 19는 또 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자가 나타내는 위상 지연 프로파일 및 위상 지연 분산을 보인다.
복수의 위상 변조 영역(R1, R2,..)에서 복수개의 파장 대역의 광에 대해 다른 위상 지연 범위를 가지며 선형으로 변하는 위상 지연 프로파일이 나타난다. 예를 들어, 복수개의 파장 대역의 중심 파장을 각각 λ1, λ2, λ3라고 할 때, 파장 λ1, λ2, λ3의 광에 대한 위상 지연 프로파일은 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.
메타 광학 소자가 빔 디플렉터로 구현될 때, 도 17에 나타난 바와 같이 위상 지연 프로파일의 기울기는 일정하므로, 도 18 및 도 19의 그래프에 나타나는 복수의 위상 변조 영역의 폭은 일정하게 나타난다.
실시예에 따른 메타 광학 소자들은 소정의 복수개의 협대역의 파장의 광에 대해 색수차가 없는 광학 성능을 나타낼 수 있으며, 이를 활용할 수 있는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다.
도 20은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 20을 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.
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, 전술한 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)(101)(102) 또는 이로부터 변형된 구조를 포함할 수 있다. 3D 센서(2214)에, 메타 광학 소자는 렌즈 또는 빔 디플렉터 또는 빔 쉐이퍼 등으로 적용되어 하나 이상 구비될 수 있다. 3D 센서(2214)의 예시적인 구조에 대해서는 도 22에서 후술할 것이다.
인터페이스(2277)는 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(2277)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(2278)는, 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(2278)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(2279)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(2279)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(2280)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 이러한 렌즈 어셈블리에는 전술한 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)(101)(102) 또는 이로부터 변형된 구조가 포함될 수 있다. 카메라 모듈(2280)의 예시적인 구조에 대해서는 도 21에서 후술할 것이다.
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 21은 도 20의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 블록도이다.
도 21을 참조하면, 카메라 모듈(2280)은 렌즈 어셈블리(2310), 플래쉬(2320), 이미지 센서(2330), 이미지 스태빌라이저(2340), 메모리(2350)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(2360)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 전술한 메타 광학 소자(100) 또는 이로부터 변형된 구조의 메타 광학 소자를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는 하나 이상의 메타 렌즈를 포함할 수 있따. 렌즈 어셈블리(2310)에 구비되는 메타 렌즈는 전술한 메타 광학 소자(100)(101)(102) 또는 이들이 조합, 변형된 형태를 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)에 구비되는 메타 렌즈는 복수개의 이격된 협대역 파장의 광에 대해 색수차가 거의 없는 렌즈 성능을 나타낼 수 있다. 메타 렌즈는 초점 거리, 유효경 등이 다른 복수개로 구비될 수도 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는 원하는 이미징 성능을 갖도록 굴절 렌즈와 메타 렌즈를 함께 사용할 수도 있다. 이러한 메타 광학 소자를 구비하는 렌즈 어셈블리(2310)는 원하는 광학 성능을 구현하며 짧은 광학 전장을 가질 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 이외에도, 액츄에이터를 더 구비할 수 있다. 액츄에이터는 예를 들어, 주밍(zooming) 및/또는 오토포커스(AF)를 위해 렌즈 어셈블리(2310)를 구성하는 렌즈 요소들의 위치를 구동하고 렌즈 요소들간 이격 거리를 조절할 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 복수의 렌즈 어셈블리(2310)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(2280)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(2310)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래쉬(2320)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(2320)는 하나 이상의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 플래쉬(2320)는 복수의 서로 다른 파장의 광을 제공하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, 렌즈 어셈블리(2310)에 구비되는 메타 광학 소자가 색수차 없는 렌즈 성능을 나타내는 협대역 파장의 광을 제공할 수 있다. 이미지 센서(2330)는 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(2310)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지 센서(2330)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지 센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지 센서(2330)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.
이미지 스태빌라이저(2340)는 카메라 모듈(2280) 또는 이를 포함하는 전자 장치(2301)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(2310)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지 센서(2330)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지 센서(2330)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(2340)는 카메라 모듈(2280)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(2280) 또는 전자 장치(2301)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(2340)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(2350)는 이미지 센서(2330)을 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(2350)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(2360)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(2350)는 전자 장치(2201)의 메모리(2230)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(2360)는 이미지 센서(2330)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(2350)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 하나 이상의 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 하나 이상의 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)는 카메라 모듈(2280)에 포함된 구성 요소들(이미지 센서(2330) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(2350)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(2280)의 외부 구성 요소(메모리(2230), 표시 장치(2260), 전자 장치(2202), 전자 장치(2204), 서버(2208) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)는 프로세서(2220)에 통합되거나, 프로세서(2220)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)가 프로세서(2220)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(2360)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(2220)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(2260)를 통해 표시될 수 있다.
전자 장치(2201)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(2280)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.
도 22는 도 20의 전자 장치에 구비되는 3D 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
3D 센서(2214)는 대상체에 소정의 광을 조사하고 대상체에서 반사된 광을 수신, 분석하여 대상체의 형상, 움직임등을 센싱하는 것이다. 3D 센서(2214)는 프로젝터(2410), 광 검출부(2430), 신호처리부(2440) 메모리(2450)를 포함한다. 프로젝터(2410)는 광원과 메타 광학 소자를 포함할 수 있다. 메타 광학 소자로는 전술한 실시예들에 따른 메타 광학 소자(100)(101)(102) 중 어느 하나 또는 이들로부터 조합, 변형된 구조가 채용될 수 있다. 프로젝터(2410)에는 렌즈, 빔 디플렉터 또는 빔 쉐이퍼의 역할을 할 수 있는 하나 이상의 메타 광학 소자가 구비될 수 있다.
프로젝터(2410)는 대상체의 형상이나 위치 분석에 사용할 광을 조사한다. 프로젝터(2410)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함할 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.
프로젝터(2410)에 구비되는 메타 광학 소자는 광원에서 조사한 광을 변조하여 대상체로 전달한다. 메타 광학 소자가 빔 디플렉터인 경우, 메타 광학 소자는 입사광을 소정 방향으로 편향시켜 대상체를 향하게 할 수 있다. 메타 광학 소자가 빔 쉐이퍼인 경우, 메타 광학 소자는 입사광이 소정 패턴을 가지는 분포를 갖도록 입사광을 변조한다. 메타 광학 소자는 3차원 형상 분석에 적합한 구조광(structured light)을 형성할 수도 있다. 메타 광학 소자는 하나 이상의 렌즈일 수 있고, 이 경우, 광원에서 나오는 광을 모으거나 콜리메이팅 할 수 있다.
메타 광학 소자는 전술한 바와 같이, 소정의 복수개의 협대역의 파장의 광에 대해 편차가 없는(achromatic) 광 변조를 수행할 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. 광검출부(2430)에 메타 광학 소자가 구비될 수도 있다. 광검출부(2430)에 구비되는 메타 광학 소자는 센서로 광을 모으는 렌즈일 수 있다.
신호처리부(2440)는 광검출부(2430)에서 센싱된 신호를 처리하여 대상체의 형상 등을 분석할 수 있다. 신호처리부(2440)는 대상체의 깊이 위치를 포함하는 3차원 형상을 분석할 수 있다.
3차원 형상 분석을 위해, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산이 수행될 수 있다. 광비행시간 측정을 위해 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.
대상체에 구조광이 조사된 경우, 대상체에서 반사된 구조광의 패턴 변화, 즉, 입사된 구조광 패턴과 비교한 결과로부터 대상체의 깊이 위치를 연산할 수 있다. 대상체에서 반사된 구조광의 좌표별 패턴 변화를 추적하여 대상체의 깊이 정보를 추출할 수 있고, 이로부터 대상체의 형상, 움직임과 관련된 3차원 정보를 추출할 수 있다.
메모리(2450)에는 신호처리부(2440)의 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장될 수 있다.
신호처리부(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.
도 22은 실시예에 따른 증강 현실 장치의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다.
증강 현실 장치(3000)는 영상을 제공하는 제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)를 포함하며, 또한,, 제 1, 제 2, 제 3 영상 프로젝터(3100(3200)(3300)로부터의 영상광(L1)를 사용자의 시야로 전달하는 광 전달부(3500)를 포함한다. 증강 현실 장치(3000)는 또한, 증강 현실 장치(3000)의 전반적인 구성을 제어하는 프로세서(3600), 프로세서(3600)에서 실행될 프로그램들의 코드, 기타 데이터 등이 저장되는 메모리(3700)를 포함한다. 증강 현실 장치(3000)는 또한, 사용자 환경을 인식하는 센서(3800)를 포함할 수 있다.
제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)는 각각 영상 형성부와 메타 광학 소자를 포함하며, 서로 다른 파장 대역의 광(L11, L12, L13)에 의한 영상광(L1)을 형성한다.
제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)에 의해 형성되는 영상의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 2차원 영상 또는 3차원 영상일 수 있다. 3차원 영상은 예를 들어, 스테레오(stereo) 영상, 홀로그램(hologram) 영상, 라이트 필드(light field) 영상, 또는 IP(integral photography) 영상일 수 있고 또한, 멀티 뷰(multi-view) 혹은 슈퍼 멀티뷰(super multi-view) 방식의 영상을 포함할 수 있다.
제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)에 구비되는 영상 형성부는 예를 들어, LCoS(liquid crystal on silicon) 소자, LCD(liquid crystal display) 소자, OLED(organic light emitting diode) 디스플레이 소자, DMD(digital micromirror device)를 포함할 수 있고, 또한, Micro LED, QD(quantum dot) LED 등의 차세대 디스플레이 소자를 포함할 수 있다. 영상 형성부에 구비되는 디스플레이 소자가 LCD와 같은 비발광형 소자인 경우, 영상 형성부는 영상 형성을 위한 광을 제공하는 광원을 더 포함할 수 있다.
제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)가 제공하는 서로 다른 파장 대역의 광(L11, L12, L13)은 협대역, 예를 들어, 10nm 이하 또는 5nm 이하의 대역폭을 가질 수 있으며, R, G, B 파장 대역에 포함되는 협대역의 파장일 수 있다. 각 협대역의 중심 파장은 675nm, 540nm, 450nm일 수 있다.
제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)에 구비되는 메타 광학 소자는 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)(101)(102) 또는 이로부터 변형된 구조를 포함할 수 있으며, 상기 협대역의 복수 파장의 광에 대해 색수차가 없는(achromatic) 성능을 나타내는 렌즈일 수 있다. 이 경우, 제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)에 구비되는 메타 광학 소자는 동일한 구조를 가지며 상기 서로 다른 협대역의 복수 파장의 광에 대해 동일한 성능으로 작용할 수 있다.
광 전달부(3500)는 제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)가 제공하는 서로 다른 파장 대역의 광(L11, L12, L13)의 경로를 변경하여 관찰자의 시야에 전달할 수 있다. 광 전달부(3500)는 빔 디플렉터로 작용하는 메타 광학 소자를 포함할 수 있다. 광 전달부(3500)에 구비되는 메타 광학 소자는 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)(101)(102) 또는 이로부터 변형된 구조를 가질 수 있고, 상기 협대역의 복수 파장의 광에 대해 색수차가 없는(achromatic) 빔 편향 성능을 나타낼 수 있다.
광 전달부(3500)는 또한, 관찰자 전방의 주변광(L2)을 투과시켜 관찰자의 시야에 전달하는 점에서, 광 결합기(optical combiner)로 불릴 수도 있다.
영상광(L1)이 사용자 환경에 부합하는 부가 정보를 포함하도록, 제 1 영상 프로젝터(3100), 제 2 영상 프로젝터(3200), 제 3 영상 프로젝터(3300)가 프로세서(3600에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 센서(3800)에 의해 사용자 환경이 인식되고, 인식 결과를 고려하여 이에 알맞은 부가 정보 영상이 제 1, 제 2, 제 3 영상 프로젝터(3100)(3200)(3300)에 의해 형성될 수 있다.
상술한 메타 광학 소자 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, 101, 102: 메타 광학 소자
110: 제1층
120: 제2층
2200, 3000: 전자 장치

Claims (21)

  1. 각각 복수의 나노구조물을 포함하며, 입사광의 위상을 변조하는 복수의 위상 변조 영역;을 포함하며,
    상기 복수의 위상 변조 영역 각각은 서로 이격된 복수개의 파장 대역의 광에 대해 단조롭게 변화하는 위상 지연 프로파일을 나타내되 위상 변조 범위가 서로 다른, 메타 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 파장 대역은 각각 적색, 녹색, 청색 파장 대역에 포함되며 각 대역폭은 50m 이하인, 메타 광학 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변조 영역은 상기 복수개의 파장 대역의 광에 대해 2π의 k배(|k|≥1)의 위상 변조 범위를 나타내며, 상기 복수개의 파장 대역 중 긴 파장 대역의 광에 대해 짧은 파장 대역의 광에 대한 경우보다 작은 위상 변조 범위를 나타내는, 메타 광학 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변조 영역은 상기 복수개의 파장 대역의 광에 대해 각각 2π의 L배, M배, N배(|L|≥1, |M|≥1, |N|≥1, L≠M≠N)의 위상 변조 범위를 나타내며,
    상기 복수개의 파장 대역의 중심 파장을 각각 λ1, λ2, λ3라고 할 때, L*λ1=M*λ2=N*λ3 의 조건이 만족되는, 메타 광학 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변조 영역에서
    상기 복수개의 파장 대역 중 가장 긴 파장 대역의 광에 대한 위상 지연 프로파일과 가장 짧은 파장 대역의 광에 대한 위상 지연 프로파일의 차이로 정의되는 위상 지연 분산은 소정의 변화폭으로 단조 변화하는, 메타 광학 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변조 영역은
    복수의 제1 나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제1 주변물질을 포함하는 제1층(110); 및
    상기 제1층(110) 상에 배치되고, 복수의 제2 나노구조물과, 이들을 둘러싸는 제2 주변물질을 포함하는 제2층;을 포함하며,
    위치에 따른 유효 굴절률 변화율의 부호가 상기 제1층(110)과 상기 제2층에서 서로 같은 제1구역과 상기 제1층(110)과 상기 제2층에서 서로 반대인 제2구역을 포함하는, 메타 광학 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1구역이 상기 제2구역보다 넓은, 메타 광학 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1구역과 상기 제2구역은 각각 하나 이상이며
    상기 위상 변조 영역 내에서 일방향을 따라 상기 제1구역과 상기 제2구역이 교대로 나타나는, 메타 광학 소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 나노구조물은 제1 주변물질보다 높은 굴절률을 가지며,
    상기 제2 나노구조물은 제2 주변물질보다 낮은 굴절률을 가지는, 메타 광학 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 위상 변조 영역 내의 일부 영역에서, 상기 제1 나노구조물들은 일 방향을 따라 폭이 단조롭게 변하며,
    상기 제2 나노구조물들은 상기 일부 영역 내에서 상기 일방향을 따라 폭의 증감이 1회 이상 변하는, 메타 광학 소자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 나노구조물, 상기 제2 나노구조물은 기둥 형상을 가지는, 메타 광학 소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 나노구조물은 상기 제2 주변 물질로 둘러싸인 홀인, 메타 광학 소자.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제2 나노구조물은 내부 기둥 및 상기 내부 기둥을 둘러싸는 쉘 기둥을 포함하는 형상인, 메타 광학 소자.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 내부 기둥은 상기 제2 주변물질보다 낮은 굴절률의 물질을 포함하고, 상기 쉘 기둥은 상기 내부 기둥보다 높은 굴절률의 물질을 포함하는, 메타 광학 소자.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 나노구조물, 상기 제2 나노구조물은 폭에 대한 높이의 비가 2보다 큰, 메타 광학 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 나노구조물, 상기 제2 나노구조물은 폭에 대한 높이의 비가 50보다 작은, 메타 광학 소자.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 제1 나노구조물, 상기 제2 나노구조물의 높이는 상기 복수개의 파장 대역 중 가장 짧은 파장 대역의 중심 파장보다 큰, 메타 광학 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 위상 변조 영역은 상기 메타 광학 소자의 중심으로부터 반경 방향을 따라 배치되며,
    상기 복수의 위상 변조 영역의 폭은 상기 중심에서 멀어질수록 작아지는, 메타 광학 소자.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 위상 변조 영역의 폭은 서로 같은, 메타 광학 소자.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 하나의 메타 광학 소자를 포함하는 렌즈 어셈블리; 및
    상기 렌즈 어셈블리에 의해 형성된 광학 상(optical image)을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함하는, 전자 장치.
  21. 영상 프로젝터; 및
    상기 영상 프로젝터에서의 영상광을 소정 위치로 전달하는 것으로, 제1항 내지 제19항 중 어느 하나의 메타 광학 소자를 포함하는 광전달부;를 포함하는, 전자 장치.
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