KR20230027371A - Broadband achromatic metalens through fzp array of nano plasmonic antenna - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나노 플라즈모닉 안테나의 FZP 배열을 갖는 편광 필터링 색지움 메타렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기파의 파장 및 편광을 선택적으로 투과하는 최적화된 플라즈모닉 안테나 구조를 동일 평면 상에 FZP 구조로 배열함으로써, 색수차를 극복할 수 있는 광대역 색지움 메타렌즈에 관한 것이다.The present invention relates to a polarization filtering achromatic metalens having an FZP array of nano-plasmonic antennas, and more particularly, an optimized plasmonic antenna structure that selectively transmits wavelengths and polarizations of electromagnetic waves is arranged in an FZP structure on the same plane. By doing so, it relates to a wideband achromatic metalens capable of overcoming chromatic aberration.
원자 수 개의 크기를 다루는 나노기술(nano-technology, NT)의 발전과 상용화는 21세기의 핵심 연구개발 분야이다. 또한, 분석기술의 발전으로 나노 구조 물질에서 거시적인 영역에서는 보이지 않았던 예상치 못한 특이한 물성이 나타남에 따라, 그 응용 분야가 가지는 잠재력은 현대 사회를 이끌어가는 첨단 기술의 지평을 끊임없이 넓히고 있다.The development and commercialization of nano-technology (NT), which deals with the size of a few atoms, is a key R&D field in the 21st century. In addition, with the development of analysis technology, unexpected and unique physical properties that were not visible in the macroscopic domain of nanostructured materials appear, and the potential of the applied field is constantly broadening the horizon of advanced technology leading modern society.
특히 콜로이드 상으로 존재하는 나노 크기의 금이 빛을 받으면 새로운 색을 띠는 현상이 Richard Zsigmondy에 의해 처음 증명된 이후, 표면 플라즈몬(surface plasmons, SPs)에 대한 연구가 수십 년에 걸쳐 진행되어 왔다. 전자기파가 인가된 금속과 유전체 사이의 영역에서 금속 표면 내의 자유전자들이 집단적으로 진동하는 현상으로 정의되는 표면 플라즈몬은 금속 나노 구조의 기하학적 형태에 따라 다양하게 나타나며 물질의 광학적 특성을 변화시킨다. 표면 플라즈몬 현상을 이용한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 플라즈모닉 렌즈는 대표적인 연구 분야 중 하나이다. In particular, since Richard Zsigmondy first demonstrated that nano-sized gold existing in a colloidal phase takes on a new color when exposed to light, research on surface plasmons (SPs) has been conducted for decades. Surface plasmon, which is defined as a phenomenon in which free electrons within a metal surface collectively oscillate in the region between a metal and a dielectric to which electromagnetic waves are applied, appears in various ways according to the geometry of the metal nanostructure and changes the optical properties of the material. Various studies using surface plasmon phenomena are being conducted, and plasmonic lenses are one of the representative research fields.
렌즈는 투과된 전자기파의 에너지를 공간상에 재배치하는 기능을 갖는 굴절 소자를 일컫는 광학계로, 이상적인 기하광학에서와는 다르게 실제 렌즈에서는 다양한 유형의 결함이 발생하며 이를 수차라고 한다. 특히 빛의 파장에 따라 물질의 굴절률이 달라지기 때문에 발생하는 색수차에 의해 같은 렌즈에서도 서로 다른 색의 빛이 각각 다른 거리에서 초점을 형성하고, 이는 이미징 성능의 저하로 이어진다. 따라서 정밀한 이미징을 위해서 집속 렌즈 외에 수차를 보정하기 위한 별도의 렌즈가 필요하게 되고, 이는 광학 소자의 소형화 및 고성능화에 한계로 작용한다. A lens is an optical system that refers to a refractive element that has a function of rearranging the energy of transmitted electromagnetic waves in space. Unlike ideal geometric optics, various types of defects occur in real lenses, which are called aberrations. In particular, due to chromatic aberration caused by the change in the refractive index of a material depending on the wavelength of light, different colors of light are focused at different distances even in the same lens, which leads to degradation of imaging performance. Therefore, a separate lens for correcting aberrations is required in addition to the focusing lens for precise imaging, which limits the miniaturization and high performance of optical devices.
더 얇고 높은 성능의 광학 소자 개발의 수요에 따라, 3차원 렌즈를 평면으로 대체하여 별도의 보정 광학계 없이도 색수차를 극복하는 색지움 메타렌즈(achromatic metalens)로서 플라즈모닉 렌즈가 각광받고 있다.In accordance with the demand for developing thinner and higher-performance optical devices, plasmonic lenses are in the limelight as achromatic metalens that overcome chromatic aberration without a separate correction optical system by replacing three-dimensional lenses with flat ones.
플라즈모닉 렌즈의 핵심 구성 요소인 플라즈모닉 안테나는 입사되는 빛이 안테나 구조물에 결합(coupling)되어 빛을 검출할 수 있는 광 소자이다. 플라즈모닉 안테나는 안테나를 이루고 있는 구성의 크기, 모양, 간격 등 모든 기하학적 요소들이 특이 광 투과(extraordinary optical transmission, EOT) 현상에 관여한다. A plasmonic antenna, which is a key component of a plasmonic lens, is an optical element capable of detecting light by coupling incident light to an antenna structure. In the plasmonic antenna, all geometrical elements such as size, shape, and spacing of components constituting the antenna are involved in an extraordinary optical transmission (EOT) phenomenon.
특이 광 투과 현상은 SPPs(Surface Plasmon Polaritons)와 LSPs(Localized Surface Plasmons)가 복합적으로 작용하여 발생하는 현상이다. 파장에 따른 고유의 회절 한계가 존재해 그 길이보다 작은 틈을 투과하지 못한다는 빛의 성질과는 다르게, 주기적으로 배열된 구조체에서 빛과 금속 표면이 상호작용하는 플라즈몬의 발생으로 특정 파장 대역의 투과 효율이 매우 증폭되어 나타나는 특이 광 투과 현상이 정의된다.The specific light transmission phenomenon is a phenomenon caused by the combined action of SPPs (Surface Plasmon Polaritons) and LSPs (Localized Surface Plasmons). Unlike the nature of light, which has its own diffraction limit depending on the wavelength and cannot penetrate through a gap smaller than that length, transmission of a specific wavelength band by the generation of plasmon in which light interacts with the metal surface in a periodically arranged structure A specific light transmission phenomenon in which the efficiency is greatly amplified is defined.
플라즈모닉 안테나의 설계에 따라, 투과시키고자 하는 빛의 파장 대역의 조절도 가능하며, 투과시키고자 하는 편광의 방향도 선택할 수 있다. Depending on the design of the plasmonic antenna, it is possible to adjust the wavelength band of light to be transmitted and to select the direction of polarization to be transmitted.
따라서 본 발명에서는 전자기파의 파장 및 편광을 선택적으로 투과하는 최적화된 플라즈모닉 안테나 구조와 그 구조의 FZP 패턴을 채용함으로써, 기존의 복잡하고 큰 스케일의 복합 광학계를 평면 나노 구조체로 대체하고, 반도체, 센서, 이미징 기술 등 모든 활용 분야에서 적용될 수 있는 기반 기술을 개발하고자 한다.Therefore, in the present invention, by adopting an optimized plasmonic antenna structure that selectively transmits the wavelength and polarization of electromagnetic waves and an FZP pattern of the structure, the existing complex and large-scale composite optical system is replaced with a planar nanostructure, and semiconductors and sensors are used. We are trying to develop a base technology that can be applied in all areas of application, such as , imaging technology, etc.
대한민국 특허공개공보 제10-2019-0017626호(공개일 2019.02.20.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2019-0017626 (published on 2019.02.20.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 특정 전자기파 파장 및 편광 투과를 위한 플라즈모닉 안테나 나노 구조체를 제공하고, 플라즈모닉 안테나를 FZP 패턴을 따라 배열함으로써 복합 FZP 구조의 가시광 영역 광대역 색지움 메타렌즈를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a plasmonic antenna nanostructure for transmitting a specific electromagnetic wave wavelength and polarization, and to provide a visible light region broadband achromatic metalens of a composite FZP structure by arranging the plasmonic antenna along the FZP pattern.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 색지움 메타렌즈에 있어서, 유전체로 이루어진 기판부; 및 상기 기판부 상에 형성된 복수개의 코팅부를 포함하며, 상기 복수개의 코팅부는 복수개의 프레넬 존(Fresnel Zone)으로 이루어지는 FZP(Fresnel Zone Plate) 패턴으로 형성되어 있고, 상기 프레넬 존을 형성하는 상기 복수개의 코팅부는 회절 격자를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 색지움 메타렌즈를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention is a Saekjium meta lens, a substrate portion made of a dielectric; and a plurality of coating parts formed on the substrate, wherein the plurality of coating parts are formed in a Fresnel Zone Plate (FZP) pattern consisting of a plurality of Fresnel Zones, and wherein the Fresnel Zone is formed. A plurality of coating parts provide a chromatic metal lens, characterized in that constituting a diffraction grating.
상기 회절 격자는, 복수개의 코팅부가 서로 이격되어 평행하게 배열되어 형성되는 구조일 수 있다.The diffraction grating may have a structure in which a plurality of coating parts are spaced apart from each other and arranged in parallel.
상기 코팅부는 금, 은, 알루미늄, 지르코늄, 티타늄, 크롬, 티타늄 질화물, 지르코늄 질화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산화물, 실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.The coating part may include at least one selected from the group consisting of gold, silver, aluminum, zirconium, titanium, chromium, titanium nitride, zirconium nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, silicon, silicon oxide, and silicon nitride. .
상기 기판부는 사파이어, 산화아연, 이산화규소 및 실리콘을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.The substrate portion may include at least one selected from the group consisting of sapphire, zinc oxide, silicon dioxide, and silicon.
상기 복수개의 프레넬 존은 파장 633 nm의 빛이 투과하는 red 파장 대역 프레넬 존, 파장 532 nm의 빛이 투과하는 blue 파장 대역 프레넬 존 및 파장 473 nm의 빛이 투과하는 green 파장 대역 프레넬 존을 포함하는 것일 수 있다.The plurality of Fresnel zones include a red wavelength band Fresnel zone through which light of a wavelength of 633 nm passes, a blue wavelength band Fresnel zone through which light of a wavelength of 532 nm passes, and a green wavelength band Fresnel through which light of a wavelength of 473 nm passes. It may include John.
상기 코팅부의 두께는 70 nm이며, 상기 Red 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 294nm 및 간격 434nm로 형성되고, 상기 Blue 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 160nm 및 간격 360nm로 형성되며, 상기 Green 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 198nm 및 간격 328nm로 형성될 수 있다.The thickness of the coating part is 70 nm, the coating part of the Red wavelength band Fresnel zone is formed with a width of 294 nm and an interval of 434 nm, the coating part of the Blue wavelength band Fresnel zone is formed with a width of 160 nm and an interval of 360 nm, and the Green wavelength band The coating portion of the band Fresnel zone may be formed with a width of 198 nm and a spacing of 328 nm.
상기 복수개의 프레넬 존은 Green 파장 대역과 Blue 파장 대역이 겹치는 부분의 Cyan 파장 대역 프레넬 존, Red 파장 대역과 Blue 파장 대역이 겹치는 부분의 Magenta 파장 대역 프레넬 존, 및 Red 파장 대역과 Green 파장 대역이 겹치는 부분의 Yellow 파장 대역 프레넬 존을 추가로 포함할 수 있다.The plurality of Fresnel zones include a Cyan wavelength band Fresnel zone where a green wavelength band and a blue wavelength band overlap, a Magenta wavelength band Fresnel zone where a red wavelength band and a blue wavelength band overlap, and a red wavelength band and a green wavelength band. A yellow wavelength band Fresnel zone of a portion where the bands overlap may be further included.
상기 코팅부의 두께는 70 nm이며,상기 Cyan 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 302nm 및 간격 622nm으로 형성되고, 상기 Magenta 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 228nm 및 간격 525nm으로 형성되며, 상기 Yellow 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 112nm 및 간격 622nm으로 형성될 수 있다.The thickness of the coating portion is 70 nm, the coating portion of the Cyan wavelength band Fresnel zone is formed with a width of 302 nm and an interval of 622 nm, the coating portion of the Magenta wavelength band Fresnel zone is formed with a width of 228 nm and an interval of 525 nm, and the yellow wavelength The coating portion of the band Fresnel zone may be formed with a width of 112 nm and a spacing of 622 nm.
파장에 관계없이 빛을 한 초점에 집광시키며, 동시에 한 방향으로의 선형 편광만을 투과시키는 메타렌즈를 개발하여 광학 시스템을 대폭 간소화시키면서도 성능을 높일 수 있다.By developing a metal lens that condenses light into one focal point regardless of wavelength and transmits only linearly polarized light in one direction at the same time, it is possible to greatly simplify the optical system while improving its performance.
본 발명은 메타렌즈의 장점과 편광 필터의 장점을 취함으로써 이미징 기술에서의 성능을 높일 수 있다. 별도의 집광/보정 광학계 없이 매우 얇은 2차원의 평면 구조만으로 여러 파장 대역의 빛을 한 초점에 집광하여 색수차가 발생하지 않고, 또한 특정 편광만을 투과시켜 높은 밝기, 낮은 대조 등 이미징이 제한되는 환경에서 높은 수준의 이미지를 검출할 수 있다.The present invention can improve performance in imaging technology by taking the advantages of a metalens and a polarization filter. In environments where imaging is limited, such as high brightness and low contrast, chromatic aberration does not occur by condensing light of several wavelength bands into one focus with only a very thin two-dimensional planar structure without a separate condensing/correction optical system, and only specific polarized light is transmitted. High-level images can be detected.
본 발명은 집속 광학계의 소형화에 용이하여 자율 주행용 센서 모듈을 소형화 시킴으로써 크기에 제약 없는 자유로운 조건에서 외관을 디자인하거나 가격 경쟁력에서 우위를 얻을 수 있다. The present invention is easy to miniaturize the focusing optical system, and by miniaturizing the sensor module for autonomous driving, it is possible to design the exterior under free conditions without size restrictions or to gain an advantage in price competitiveness.
또한 편광 필터를 활용한 이미징 기술은 육안으로 식별하기 어려운 표면 환경의 물체에서 결함을 식별할 수 있다. 이러한 효과는 다양한 분야에서 응용될 수 있으며 특히 정밀 가공이 요구되는 부문에서 글레어 현상을 제거하거나 대조를 향상시켜 표면의 결함이나 겉으로 잘 드러나지 않는 부분을 검사할 수 있어, 비파괴 검사 분야에도 적극적으로 적용할 수 있다. In addition, imaging technology using a polarization filter can identify defects in objects in the surface environment that are difficult to identify with the naked eye. These effects can be applied in various fields, especially in areas where precision processing is required, removing glare or improving contrast to inspect surface defects or areas that are not easily visible, so it can be actively applied to the non-destructive inspection field. can
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 안테나의 FZP 배열을 통한 편광 필터링 색지움 메타렌즈의 개략도의 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅부가 이루는 회절 격자의 개략도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Red 파장 대역 프레넬 존(21), Green 파장 대역 프레넬 존(22), Blue 파장 대역 프레넬 존(23), Cyan 파장 대역 프레넬 존(31), Magenta 파장 대역 프레넬 존(32), Yellow 파장 대역 프레넬 존(33)의 복합적 배열을 통한 편광 필터링 색지움 메타렌즈의 개략도의 예를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 메타 렌즈에 있어서 각 파장 대역의 프레넬 존을 설계하는 과정을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 Red 파장 대역 프레넬 존(21)의 일부를 실제 가공한 것을 SEM으로 촬영한 사진(좌측) 및 격자와 수직 방향(도 2에서, x축 방향)으로 입사되는 편광에 대해 Red 파장 대역을 필터링하는 모습을 CCD 카메라로 촬영한 사진이다(우측).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Green 파장 대역 프레넬 존(22)의 일부를 실제 가공한 것을 SEM으로 촬영한 사진(좌측) 및 격자와 수직 방향(도 2에서, x축 방향)으로 입사되는 편광에 대해 Green 파장 대역을 필터링하는 모습을 CCD 카메라로 촬영한 사진이다(우측).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Blue 파장 대역 프레넬 존(23)의 일부를 실제 가공한 것을 SEM으로 촬영한 사진(좌측) 및 격자와 수직 방향(도 2에서, x축 방향)으로 입사되는 편광에 대해 Blue 파장 대역을 필터링하는 모습을 CCD 카메라로 촬영한 사진이다.1 shows an example of a schematic diagram of a polarization filtering achromatic metalens through an FZP array of nano plasmonic antennas according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a diffraction grating formed by a metal coating part according to an embodiment of the present invention.
3 is a red wavelength band Fresnel
FIG. 4 is a diagram illustrating a process of designing a Fresnel zone of each wavelength band in the meta lens of FIG. 3 .
5 is a photograph (left) taken by SEM of a part of the red wavelength band Fresnel
6 is a photograph (left) taken by SEM of a part of the Green wavelength band Fresnel
7 is a photograph (left) taken by SEM of a part of the blue wavelength band Fresnel
본 발명은 기존의 집속 광학계에서 발생하는 색수차 문제를 효율적으로 제어하기 위해 다수의 프레넬 존을 유전체로 이루어진 기판부 상에 FZP 패턴을 따라 배열하며, 각 프레넬 존은 서로 다른 파장을 선택적으로 투과시키는 회절 격자(diffracting grating)를 이루는 코팅부로 구성되어 단일 선형 편광만을 투과시키는 색지움 메타렌즈를 제공한다. 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.The present invention arranges a plurality of Fresnel zones along a FZP pattern on a substrate made of a dielectric material in order to efficiently control the chromatic aberration problem occurring in the existing focusing optical system, and each Fresnel zone selectively transmits different wavelengths. It is composed of a coating part forming a diffracting grating to provide an achromatic metalens that transmits only a single linearly polarized light. An embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments according to the concept of the present invention can apply various changes and can have various forms, so the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosures, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가시광 대역에서의 색수차 보정 및 편광 필터링을 구현하는 메타렌즈를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, a meta lens that implements chromatic aberration correction and polarization filtering in a visible light band is provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타렌즈는 유전체로 이루어지는 기판부 위에 특정 파장 대역, 특정 편광에 대해 특이 광 투과 현상을 발생시키는 일정 높이, 일정 간격을 갖는 회절 격자를 이루는 코팅부가 다수의 프레넬 존을 구성하고, 각 프레넬 존이 FZP 패턴을 따라 배열된 것을 특징으로 한다.In the metalens according to an embodiment of the present invention, a coating portion forming a diffraction grating having a certain height and a certain interval that generates a specific light transmission phenomenon for a specific wavelength band and specific polarization on a substrate made of a dielectric has a plurality of Fresnel zones. And it is characterized in that each Fresnel zone is arranged along the FZP pattern.
상기 기판부는, 사파이어, 산화아연, 이산화규소, 실리콘 등을 포함할 수 있으며, 플라즈몬 현상을 일으키며 투과율이 우수한 유전체 소재로 구성되는 것인 한 특별히 한정되는 것은 아니다.The substrate portion may include sapphire, zinc oxide, silicon dioxide, silicon, and the like, and is not particularly limited as long as it is made of a dielectric material that causes a plasmon phenomenon and has excellent transmittance.
상기 코팅부는, 격자 형태로 가공된 박막 코팅으로, 금속 소재로서 금, 은, 알루미늄, 지르코늄, 티타늄 또는 크롬을 사용할 수 있으며, 비금속 소재로서 티타늄 질화물, 지르코늄 질화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산화물, 실리콘, 실리콘 산화물, 또는 실리콘 질화물을 사용할 수 있다. 코팅부는 상기 소재를 식각하여 형성되거나, 증착하여 형성될 수 있다. 식각되어 형성되는 경우, 일반적인 식각 공정이 이용될 수 있으며, 드라이 에칭, WET 에칭 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 증착되어 형성되는 경우, 일반적인 증착 공정이 이용될 수 있으며, 리프트-오프 증착, 나노 임프린트 증착 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The coating part is a thin film coating processed in the form of a lattice, and gold, silver, aluminum, zirconium, titanium or chromium can be used as a metal material, and titanium nitride, zirconium nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, silicon, silicon as a non-metal material Oxide or silicon nitride may be used. The coating part may be formed by etching or depositing the material. When formed by etching, a general etching process may be used, and dry etching, WET etching, etc. may be used, but is not limited thereto. In addition, in the case of deposition and formation, a general deposition process may be used, and lift-off deposition, nanoimprint deposition, and the like may be used, but are not limited thereto.
상기 코팅부는 복수개로 형성되고, 이웃하는 코팅부와 회절 격자를 이루고 있어, 플라즈모닉 안테나로서 기능한다. 즉, 상기 플라즈모닉 안테나는 코팅부와 회절 격자를 포함한다. 상기 플라즈모닉 안테나는 특이 광투과(Extraordinary Optical Transmission) 원리에 의해 안테나로서 기능하며, 플라즈몬 현상에 의해 특정 파장 대역에서의 증폭을 유도하는 기능을 수행한다. 상기 코팅부는 나노 크기의 물질이며, 유전체로 이루어지는 기판부 상에 배치되어 메타 표면을 형성한다. 상기 회절 격자는 구체적으로, 복수의 코팅부가 동일한 방향으로 평행하게 서로 간격을 두고 배열되어 형성되는 구조이다.The coating portion is formed in plurality, forms a diffraction grating with neighboring coating portions, and functions as a plasmonic antenna. That is, the plasmonic antenna includes a coating portion and a diffraction grating. The plasmonic antenna functions as an antenna according to the principle of Extraordinary Optical Transmission and induces amplification in a specific wavelength band by a plasmon phenomenon. The coating part is a nano-sized material and is disposed on a substrate part made of a dielectric material to form a meta-surface. Specifically, the diffraction grating has a structure formed by arranging a plurality of coating parts in the same direction at intervals from each other in parallel.
상기 프레넬 존은, 상기 메타 렌즈로부터 일정 거리 이격된 위치에 있는 초점에 빛을 집광한다. 상기 일정 거리는, 메타 렌즈의 사용 용도에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들면 1 ㎛~10 mm이며, 바람직하게는 1 mm이다. 초점 거리에 따라 프레넬 존의 반지름을 계산 및 설계해야 한다.The Fresnel zone condenses light to a focal point located at a predetermined distance from the meta lens. The predetermined distance can be appropriately selected depending on the use of the meta lens, and is, for example, 1 μm to 10 mm, preferably 1 mm. Depending on the focal length, the radius of the Fresnel zone must be calculated and designed.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈모닉 안테나의 FZP 배열을 통한 편광 필터링 색지움 메타렌즈의 개략도의 예를 도시한 것이다.1 shows an example of a schematic diagram of a polarization filtering achromatic metalens through an FZP array of plasmonic antennas according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 이산화규소로 구성된 기판(10)의 표면에 격자 형태로 형성된 은으로 구성된 코팅부(20) 및 회절 격자가 FZP 패턴을 따라 배열되어 있다. FZP 패턴은 가시광선 대역에서 여러 파장의 빛을 같은 초점 상에 집광할 수 있도록 설계되어 구성되며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 FZP 패턴은 Red 파장 대역에서의 파장(633 nm)을 집광하는 복수개의 Red 파장 대역 프레넬 존(21), Green 파장 대역에서의 파장(532 nm)을 집광하는 복수개의 Green 대역에서의 프레넬 존(22), Blue 파장 대역에서의 파장(473 nm)을 집광하는 복수개의 Blue 파장 대역에서의 프레넬 존(23)으로 구성되며, 각 프레넬 존은 모두 동일한 초점거리를 갖는다.Referring to FIG. 1 , a
FZP 패턴이란 다중 고리 모양의 구멍을 통과한 빛이 보이는 회절 특성을 응용하여 렌즈의 굴절이나 거울의 반사를 이용하지 않고도 빛을 한 초점을 모을 수 있는 고리 모양 무늬의 반복된 형태를 말한다. FZP 패턴은 프레넬 존(fresnel zone)이라 불리는 복수 개의 고리로 이루어지며, 그 고리 사이의 간격을 조정함으로써 FZP를 지나 회절된 빛이 원하는 초점에서 보강간섭을 일으켜 상을 맺을 수 있도록 한다.The FZP pattern is a repeated form of annular pattern that can focus light without using refraction of a lens or reflection of a mirror by applying the diffraction characteristics of light passing through multiple annular holes. The FZP pattern is composed of a plurality of rings called Fresnel zones, and by adjusting the distance between the rings, light diffracted through the FZP causes constructive interference at a desired focal point to form an image.
각 고리의 간격은 얇은 렌즈 공식과 보강간섭 광 경로차 조건 공식에 의해 얻어질 수 있으며, 이로 인해 n번째 프레넬 존의 반지름은 빛의 파장과 초점거리의 함수로 정의된다. 빛 에너지의 재배치로도 볼 수 있는 보강간섭으로서의 초점 맺음 조건은 그 광 경로차가 파장의 정수배가 되는 경우이다.The spacing of each ring can be obtained by the thin lens formula and constructive interference light path difference condition formula, whereby the radius of the nth Fresnel zone is defined as a function of light wavelength and focal length. The convergence condition as constructive interference, which can also be seen as a rearrangement of light energy, is when the optical path difference becomes an integer multiple of the wavelength.
본 발명의 일 실시예에 따르면 Red 파장 대역 프레넬 존(21), Green 파장 대역 프레넬 존(22), 및 Blue 파장 대역 프레넬 존(23) 모두 각각 8개이며, 얇은 렌즈 공식과 보강간섭 광 경로차 조건 공식에 의해 산출된 프레넬 존의 반지름(λ, rn)은 아래 표 1에 나타낸다. 프레넬 존의 개수는 6개 이상 10개 이하이다. 프레넬 존의 개수가 6개 미만인 경우, 집광 효과를 얻을 수 없으며, 10개를 초과하는 경우 메타렌즈의 반경이 매우 증가하게 된다.According to an embodiment of the present invention, there are eight red wavelength
상기 프레넬 존은 모두 각 파장의 빛을 1 mm 초점거리로 집광한다.All of the Fresnel zones converge light of each wavelength with a focal length of 1 mm.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅부가 이루고 있는 회절 격자의 개략도를 도시한 것이다.Figure 2 shows a schematic diagram of a diffraction grating formed by a coating unit according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 기판부(10)의 표면에 복수개의 코팅부(20)가 평행하게 배열되어 회절 격자를 이루고 있다. 코팅부의 배열은 일정한 두께와 너비(width), 간격(pitch)으로 구성되며, 너비 및 간격은 특정 파장 대역에서의 특이 광 투과 현상을 유도할 수 있도록 설계된다.Referring to FIG. 2 , a plurality of
더욱 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자는 이산화규소로 구성된 기판부 상에 증착에 의해 두께 70 nm로 코팅된 은 코팅부가 일정 너비(width) 및 간격(pitch)에 의해 형성되며, 너비(width) 및 간격(pitch)은 그 플라즈몬 특성을 결정짓는 기하학적 설계 매개변수에 의해 결정된다. 상기 은 코팅부의 두께는 1 nm~1000 nm의 범위에서 재료의 단가, 증착 및 가공의 용이성 등에 따라 적절히 선택할 수 있다.More specifically, in the diffraction grating according to an embodiment of the present invention, a silver coating portion coated with a thickness of 70 nm by deposition on a substrate portion made of silicon dioxide is formed by a predetermined width and pitch, , width and pitch are determined by the geometrical design parameters that determine their plasmonic properties. The thickness of the silver coating part may be appropriately selected depending on the unit price of the material, the ease of deposition and processing, and the like in the range of 1 nm to 1000 nm.
기판부(10)와 코팅부(20)가 형성하는 나노스케일의 계면에서 발생하는 SPPs, LSPs 및 특이 광 투과 현상에 의해, 도 2에서 도시한 구조체에 전 파장 대역의 가시광선을 입사할 경우 단일 파장 대역에서만 우수한 투과율을 보이는 플라즈모닉 안테나로서 기능한다.When visible light in all wavelength bands is incident on the structure shown in FIG. It functions as a plasmonic antenna showing excellent transmittance only in the wavelength band.
또한 플라즈모닉 안테나의 회절 격자에 의해 격자와 수직 방향(도 2에서, x축 방향)으로 입사되는 편광에서는 우수한 투과율을 보이지만, 격자 방향(도 2에서, y축 방향)으로 입사되는 편광은 투과시키지 않는다.In addition, the diffraction grating of the plasmonic antenna shows excellent transmittance in polarized light incident in the direction perpendicular to the grating (x-axis direction in FIG. 2), but does not transmit polarized light incident in the grating direction (y-axis direction in FIG. 2). don't
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈모닉 안테나의 격자와 수직 방향으로 편광이 입사되었을 때, Red 파장 대역 프레넬 존(21)에서의 플라즈모닉 안테나는 633 nm의 파장에서, Green 파장 대역 프레넬 존(22)에서의 플라즈모닉 안테나는 532 nm의 파장에서, Blue 파장 대역 프레넬 존(23)에서의 플라즈모닉 안테나는 473 nm의 파장에서 높은 투과율을 보이도록 설계되었다.According to an embodiment of the present invention, when polarized light is incident in a direction perpendicular to the grating of the plasmonic antenna, the plasmonic antenna in the Red wavelength
상기 은 코팅부의 기하학적 특성은 FDTD(Finite-Difference Time-Domain method) 기법 기반의 해석 프로그램을 사용하여 설계되며, 산출된 기하학적 수치(λ, width, pitch)는 다음과 같다.The geometrical characteristics of the silver coating part are designed using an analysis program based on a Finite-Difference Time-Domain method (FDTD) technique, and the calculated geometrical values (λ, width, pitch) are as follows.
(633nm, 294nm, 434nm), (532nm, 160nm, 360nm), (473nm, 198nm, 328nm)(633nm, 294nm, 434nm), (532nm, 160nm, 360nm), (473nm, 198nm, 328nm)
상기 기하학적 수치는 이산화규소 기판부에 은 코팅부가 70 nm 두께로 형성되었을 때 최적화된 수치이고, 프레넬 존의 위치(n)에 관계 없이 red 파장 대역, blue 파장 대역, green 파장 대역 각각의 프레넬 존에서 모두 동일한 값을 갖는다.The geometrical values are optimized when the silver coating is formed on the silicon dioxide substrate to a thickness of 70 nm, and the Fresnel values of each of the red, blue, and green wavelength bands are obtained regardless of the location (n) of the Fresnel zone. All zones have the same value.
결과적으로, 회절 격자를 이루는 코팅부는 플라즈모닉 안테나로서 기능하고, 각 파장 대역에 상응하는 프레넬 존으로 이루어진 FZP 패턴을 따라 배열되어 해당 파장 대역의 특정 편광으로 입사되는 빛에 대해서만 높은 투과율을 나타낸다. 따라서, 1 mm 초점거리 상에 각 파장 대역의 빛을 집광하는 나노 플라즈모닉 안테나의 FZP 배열을 통한 편광 필터링 색지움 메타렌즈를 제공할 수 있다.As a result, the coating part constituting the diffraction grating functions as a plasmonic antenna, and is arranged along the FZP pattern composed of Fresnel zones corresponding to each wavelength band to show high transmittance only for light incident with a specific polarization of the corresponding wavelength band. Therefore, it is possible to provide a polarization filtering achromatic metalens through the FZP array of nano plasmonic antennas condensing light of each wavelength band on a focal length of 1 mm.
도 1 에 따른 실시예는 표 1에서의 red 파장 대역, green파장 대역, blue 파장 대역 프레넬 존 반지름이 서로 겹치는 영역에 대해 각 나노 플라즈모닉 안테나를 동일한 면적 수준으로 분배하여 배열한 것이다. 보다 구체적으로 설명하면, 표 1의 r1에서 r2 사이, r2에서 r3 사이 등의 영역이 목표 파장이 투과되는 영역이다. 상기 3가지 빛의 파장이 투과되는 영역을 동일 평면상에 배열하면 중복되는 영역이 발생하는데, 각 영역이 중복되지 않도록 면적을 동일하게 분배한 것이 도 1의 메타렌즈이다. 이러한 영역 분배의 형상도 보강간섭에 의해 빛을 단일 초점으로 집광할 수 있지만, 영역을 분배하지 않고 별도의 파장 대역에서의 나노 플라즈모닉 안테나를 추가적으로 설계하면 집광효율을 높일 수 있다.In the embodiment according to FIG. 1, each nano plasmonic antenna is distributed and arranged at the same area level for the region where the Fresnel zone radii of the red wavelength band, the green wavelength band, and the blue wavelength band in Table 1 overlap each other. More specifically, regions between r1 and r2, between r2 and r3 in Table 1 are regions through which the target wavelength is transmitted. When the regions through which the three wavelengths of light are transmitted are arranged on the same plane, overlapping regions are generated. Although the shape of this area distribution can also focus light into a single focus by constructive interference, the light collection efficiency can be increased by additionally designing a nano plasmonic antenna in a separate wavelength band without distributing areas.
더욱 상세하게는, Red 파장 대역의 가시광선은 투과시키지 않지만, Green 파장 대역과 Blue 파장 대역의 가시광선에 대해서는 우수한 투과율을 갖게 설계된 나노 플라즈모닉 안테나를 Cyan 파장 대역 프레넬 존(31)에 배열하고, Green 파장 대역의 가시광선은 투과시키지 않지만, Red 파장 대역과 Blue 파장 대역의 가시광선에 대해서는 우수한 투과율을 갖게 설계된 나노 플라즈모닉 안테나를 Magenta 파장 대역 프레넬 존(32)에 배열하며, Blue 파장 대역의 가시광선은 투과시키지 않지만, Red 파장 대역과 Green 파장 대역의 가시광선에 대해서는 우수한 투과율을 갖게 설계된 나노 플라즈모닉 안테나를 Yellow 파장 대역 프레넬 존(33)에 배열하면, 얇은 렌즈 공식과 보강간섭 광 경로차 조건 공식에 의해 산출된 표 1에서의 프레넬 존 반지름에 따라 발생하는 집광 효과를 더욱 높일 수 있다.More specifically, a nano-plasmonic antenna designed to have excellent transmittance for visible light in the green and blue wavelength bands is arranged in the Cyan wavelength
각 나노 플라즈모닉 안테나를 구성하는 코팅부의 기하학적 수치는 상기한 바와 마찬가지로 FDTD 기법 기반의 해석 프로그램을 사용하여 산출될 수 있다.Geometrical values of the coating part constituting each nano-plasmonic antenna can be calculated using an analysis program based on the FDTD technique, as described above.
더욱 상세하게는, Cyan 파장 대역 프레넬 존(31)의 코팅부는 302 nm의 너비와 622 nm의 간격으로, Magenta 파장 대역 프레넬 존(32)의 코팅부는 228 nm의 너비와 525 nm의 간격으로, Yellow 파장 대역 프레넬 존(33)의 코팅부는 112 nm의 너비와 622 nm의 간격으로 이루어지며, 이러한 기하학적 수치는 이산화규소 기판부에 은 코팅부가 70 nm 두께로 형성되었을 때 최적화된 수치이다.More specifically, the coating portion of the Cyan wavelength
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 Red 파장 대역 프레넬 존(21), Green 파장 대역 프레넬 존(22), Blue 파장 대역 프레넬 존(23), Cyan 파장 대역 프레넬 존(31), Magenta 파장 대역 프레넬 존(32), Yellow 파장 대역 프레넬 존(33)의 복합적 배열을 통한 편광 필터링 색지움 메타렌즈의 개략도의 예를 도시한 것이다.3 is a red wavelength
도 3을 참조하면, 도 1에 따른 실시예와 마찬가지로 이산화규소로 구성된 기판부(10)의 표면에 격자 형태로 형성된 은으로 구성된 코팅부(20) 및 회절 격자가 FZP 패턴을 따라 배열되어 있다. 표 1에 따른 Red 파장 대역 프레넬 존(21), Green 파장 대역 프레넬 존(22), Blue 파장 대역 프레넬 존(23)은 모두 동일한 초점거리를 가지게 구성된다. 추가적으로 각 프레넬 존이 겹치는 영역은, Green 파장 대역과 Blue 파장 대역이 겹치는 부분의 Cyan 파장 대역 프레넬 존(31), Red 파장 대역과 Blue 파장 대역이 겹치는 부분의 Magenta 파장 대역 프레넬 존(32), 또는 Red 파장 대역과 Green 파장 대역이 겹치는 부분의 Yellow 파장 대역 프레넬 존(33)으로 구성되며, Red, Green, Blue 파장 대역이 모두 겹치는 부분은 나노 플라즈모닉 안테나 또는 코팅부(20)가 없이 기판부(10)로만 존재하여 모든 대역에서의 가시광선을 투과할 수 있도록 구성된다. 도 4는 전술한 바와 같이, 도 3의 메타 렌즈에 있어서 각 파장 대역의 프레넬 존을 설계하는 과정을 나타낸 도이다.Referring to FIG. 3 , similar to the embodiment of FIG. 1 , a
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 Red 파장 대역 프레넬 존(21)의 일부를 실제 가공한 것을 SEM으로 촬영한 사진(좌측) 및 격자와 수직 방향(도 2에서, x축 방향)으로 입사되는 편광에 대해 Red 파장 대역을 필터링하는 모습을 CCD 카메라로 촬영한 사진이다(우측).5 is a photograph (left) taken by SEM of a part of the red wavelength
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Green 파장 대역 프레넬 존(22)의 일부를 실제 가공한 것을 SEM으로 촬영한 사진(좌측) 및 격자와 수직 방향(도 2에서, x축 방향)으로 입사되는 편광에 대해 Green 파장 대역을 필터링하는 모습을 CCD 카메라로 촬영한 사진이다(우측).6 is a photograph (left) taken by SEM of a part of the Green wavelength
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Blue 파장 대역 프레넬 존(23)의 일부를 실제 가공한 것을 SEM으로 촬영한 사진(좌측) 및 격자와 수직 방향(도 2에서, x축 방향)으로 입사되는 편광에 대해 Blue 파장 대역을 필터링하는 모습을 CCD 카메라로 촬영한 사진이다.7 is a photograph (left) taken by SEM of a part of the blue wavelength
10: 기판부
20: 코팅부
21: Red 파장 대역 프레넬 존
22: Green 파장 대역 프레넬 존
23: Blue 파장 대역 프레넬 존
31: Cyan 파장 대역 프레넬 존
32: Magenta 파장 대역 프레넬 존
33: Yellow 파장 대역 프레넬 존10: board part
20: coating part
21: Red wavelength band Fresnel zone
22: Green Wave Band Fresnel Zone
23: Blue wavelength band Fresnel zone
31: Cyan Waveband Fresnel Zone
32: Magenta Wave Band Fresnel Zone
33: Yellow Wave Band Fresnel Zone
Claims (8)
유전체로 이루어진 기판부; 및
상기 기판부 상에 형성된 복수개의 코팅부를 포함하며,
상기 복수개의 코팅부는 복수개의 프레넬 존(Fresnel Zone)으로 이루어지는 FZP(Fresnel Zone Plate) 패턴으로 형성되어 있고, 상기 프레넬 존을 형성하는 상기 복수개의 코팅부는 회절 격자를 이루고 있는 것을 특징으로 하는, 색지움 메타렌즈.In Saekgeum Metalens,
a substrate portion made of a dielectric material; and
It includes a plurality of coating parts formed on the substrate part,
The plurality of coating parts are formed in a Fresnel Zone Plate (FZP) pattern consisting of a plurality of Fresnel Zones, and the plurality of coating parts forming the Fresnel zone form a diffraction grating. Characterized in that, Sagittarius Metalens.
상기 회절 격자는, 복수개의 코팅부가 서로 이격되어 평행하게 배열되어 형성되는 구조인 것을 특징으로 하는, 색지움 메타렌즈.According to claim 1,
Characterized in that the diffraction grating is a structure formed by arranging a plurality of coating parts spaced apart from each other in parallel, achromatic metalens.
상기 코팅부는 금, 은, 알루미늄, 지르코늄, 티타늄, 크롬, 티타늄 질화물, 지르코늄 질화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산화물, 실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 색지움 메타렌즈.According to claim 1 or 2,
The coating part comprises at least one selected from the group consisting of gold, silver, aluminum, zirconium, titanium, chromium, titanium nitride, zirconium nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, silicon, silicon oxide and silicon nitride Doing, saekjium metalens.
상기 기판부는 사파이어, 산화아연, 이산화규소 및 실리콘을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 색지움 메타렌즈.According to claim 1 or 2,
Characterized in that the substrate portion comprises at least one selected from the group consisting of sapphire, zinc oxide, silicon dioxide and silicon, achromatic meta lens.
상기 복수개의 프레넬 존은 파장 633 nm의 빛이 투과하는 Red 파장 대역 프레넬 존, 파장 532 nm의 빛이 투과하는 Blue 파장 대역 프레넬 존 및 파장 473 nm의 빛이 투과하는 Green 파장 대역 프레넬 존을 포함하는 것을 특징으로 하는, 색지움 메타렌즈.According to claim 1 or 2,
The plurality of Fresnel zones include a Red wavelength band Fresnel zone through which light with a wavelength of 633 nm passes, a Blue wavelength band Fresnel zone through which light with a wavelength of 532 nm passes, and a Green wavelength band Fresnel through which light with a wavelength of 473 nm passes. Characterized in that it comprises a zone, a chromatic metalens.
상기 코팅부의 두께는 70 nm이며,
상기 Red 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 294nm 및 간격 434nm로 형성되고, 상기 Blue 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 160nm 및 간격 360nm로 형성되며, 상기 Green 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 198nm 및 간격 328nm로 형성되는 것을 특징으로 하는, 색지움 메타렌즈.According to claim 5,
The thickness of the coating part is 70 nm,
The coating part of the Red wavelength band Fresnel zone is formed with a width of 294 nm and a spacing of 434 nm, the coating part of the Blue wavelength band Fresnel zone is formed with a width of 160 nm and a spacing of 360 nm, and the coating part of the Green wavelength band Fresnel zone is formed with a width of 198 nm and characterized in that formed at intervals of 328 nm, achromatic metalenses.
상기 복수개의 프레넬 존은 Green 파장 대역과 Blue 파장 대역이 겹치는 부분의 Cyan 파장 대역 프레넬 존, Red 파장 대역과 Blue 파장 대역이 겹치는 부분의 Magenta 파장 대역 프레넬 존, 및 Red 파장 대역과 Green 파장 대역이 겹치는 부분의 Yellow 파장 대역 프레넬 존을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 색지움 메타렌즈.According to claim 5,
The plurality of Fresnel zones include a Cyan wavelength band Fresnel zone where a green wavelength band and a blue wavelength band overlap, a Magenta wavelength band Fresnel zone where a red wavelength band and a blue wavelength band overlap, and a red wavelength band and a green wavelength band. Characterized in that it further comprises a yellow wavelength band Fresnel zone of the overlapping band, achromatic metalens.
상기 코팅부의 두께는 70 nm이며,
상기 Cyan 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 302nm 및 간격 622nm으로 형성되고, 상기 Magenta 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 228nm 및 간격 525nm으로 형성되며, 상기 Yellow 파장 대역 프레넬 존의 코팅부는 너비 112nm 및 간격 622nm으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 색지움 메타렌즈.According to claim 7,
The thickness of the coating part is 70 nm,
The coating part of the Cyan wavelength band Fresnel zone has a width of 302 nm and a spacing of 622 nm, the coating part of the Magenta wavelength band Fresnel zone has a width of 228 nm and a spacing of 525 nm, and the coating part of the Yellow wavelength band Fresnel zone has a width of 112 nm And characterized in that formed at intervals of 622nm, achromatic metalenses.
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|---|---|---|---|---|
| CN117192795A (en) * | 2023-11-08 | 2023-12-08 | 浙江大学 | Optical waveguide optical module for edge-enhanced imaging and near-to-eye display device |
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|---|---|---|---|---|
| KR20190017626A (en) | 2017-08-11 | 2019-02-20 | 한국과학기술원 | Planar metalens and cover glass including the same |
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| CN117192795B (en) * | 2023-11-08 | 2024-04-05 | 浙江大学 | Optical waveguide optical module for edge-enhanced imaging and near-to-eye display device |
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