KR20230148823A - 광학 메타렌즈 시스템 - Google Patents
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Abstract
타겟 주파수의 협대역 편향을 위해 메타렌즈를 이용하는 광학 이미징 시스템의 다양한 실시예 및 구성이 여기에서 설명된다. 예컨대, 다중 주파수 메타렌즈의 일 실시예는 서로 섞인 주파수 특정 나노필러 또는 나노필러의 주파수-특정 행/열의 면내 공간 다중화 어레이를 포함한다. 다른 실시예에서, 투과성 메타렌즈 및/또는 반사형 메타렌즈는 컬러-분리 가시광을 디지털 이미지 센서의 적색, 녹색 및 청색(RGB) 채널에 포커싱하도록 조정된다.
Description
본 출원은 2021년 2월 26일에 출원된 "광학 메타렌즈 시스템(Optical Metalens Systems)"이라는 제목의 미국 특허 가출원 번호 63/154,662에 대한 우선권을 주장하며, 이는 전체 내용이 참조로 여기에서 포함된다.
본 개시는 메타물질 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 메타렌즈, 이미징 장치, 광학기기 및 위성에 관한 것이다. 디지털 이미지 센서를 통한 이미지 캡처를 위해 입사 광학 방사선의 편향을 제어하기 위한 다양한 접근법이 존재한다. 예컨대, 반사형 광학 시스템은 디지털 이미지 센서 상으로 입사 광학 방사선을 반사하고 포커싱할 수 있다. 대안적으로, 광학적으로 투과성인 굴절 광학기기가 이용될 수 있다. 광학 요소의 조합은 디지털 이미지 센서에 대한 입사를 위해 광학 방사선을 굴절, 편향, 포커싱하기 위해 또는 수정하기 위해 활용될 수 있다.
기존의 광학 렌즈 및 미러(예컨대, 유리 또는 아크릴 렌즈)는 입사 광학 방사선의 광학 경로를 수정하기 위해 곡률로 형성된다. 다중 렌즈 및/또는 미러는 특정 광학 기능을 수행하기 위해 다양한 굴절률, 곡률, 코팅률 및 기타 기능과 결합될 수 있다. 카메라 렌즈, 망원경 및 기타 디지털 이미징 시스템과 같은 전통적인 이미징 시스템은 렌즈 및/또는 미러를 사용하여 빛을 디지털 이미징 센서에 포커싱한다. 디지털 이미징 센서는 일반적으로 컬러 필터와 마이크로렌즈의 조합을 활용하여 이미지를 RGB 또는 다른 다색 픽셀 형식으로 기록한다.
도 1a는 일 실시예에 따른, 케플러식 굴절 망원경(101)의 광학 경로의 블록도를 도시한다. 케플러식 굴절 망원경(101)은 상대적으로 큰 애퍼처로부터의 입사 광학 방사선(가시광)을 사용자의 눈(114)에 포커싱하는 다중 굴절 렌즈(110, 112)를 포함한다. 직접 관찰하는 대신, CMOS 또는 CCD 센서와 같은 디지털 이미지 센서는 케플러식 굴절 망원경(101)에 의해 포착된 이미지를 캡쳐하고 기록하는 데 사용될 수 있다.
도 1b는 일 실시예에 따른, 프라임 포커스 반사 망원경(102)의 광학 경로의 블록도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 입사 광은 상대적으로 큰 애퍼처를 통과하여 반사 거울(120)에 입사된다. 반사 거울(120)은 평행한 광 경로를 동일한 초점으로 디지털 이미징 센서(125)에 포커싱한다. 디지털 이미징 센서(125)는 복수의 픽셀(예컨대, 많은 메가픽셀)을 포함하여 당업자가 이해하는 바와 같이 멀리 있는 물체의 고해상도 이미지를 캡처한다. 스태킹(stacking) 또는 통합(integration)과 같은 이미지 처리 기술이 동일한 물체의 캡처된 이미지 시퀀스로부터 생성된 단일 이미지에서 신호 대 잡음비를 증가시키는 데 활용될 수 있다.
망원경 및 기타 원거리 광학 이미징 장치는 행성 및 태양체와 같은 우주 물체의 이미지를 캡처하기 위해 지상에 사용될 수 있다. 망원경은 전통적으로 정밀하게 연마된 광학 요소를 포함하고, 많은 요소를 포함하며, 광범위한 주파수 대역을 굴절 또는 반사하기 위해 특수 렌즈 코팅 및 재료를 빈번히 이용한다. 빛의 다른 주파수 또는 파장의 굴절각 차이로 인해 색수차 및 기타 이미지 결함이 발생할 수 있다. 디지털 이미지 센서는 예컨대 가시광선, 적외선, 자외선 스펙트럼, H-알파 광 및/또는 이들의 조합을 포함하는 광의 특정 스펙트럼에서 이미지를 캡처하도록 선택될 수 있다.
지구의 광학 이미징은 지구 주위를 도는 위성, 고고도 또는 우주선 및/또는 기타 유형의 항공기 및 우주선을 사용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 다양한 상업 및 군사 조직에서는 망원경이 통합되거나 부착된 위성을 사용하여 지구의 디지털 이미지를 캡처한다. 궤도를 도는 위성을 통해 지구의 고해상도 이미징은 일반적으로 상당한 양의 빛을 수집하고 포커싱할 수 있는 상대적으로 큰 애퍼처(apertures)를 가진 강력한 광학기기를 필요로 한다. 포커싱된 광은 CMOS 디지털 이미지 센서, CCD 디지털 이미지 센서, 이들의 변형 및/또는 등과 같은 디지털 이미지 센서를 사용하여 기록된다.
디지털 이미지 센서로 캡처한 이미지는 실시간으로 지구로 다시 전송되거나 궤도를 도는 위성에 저장될 수 있다. 높은 광학 출력을 필요로 하는 망원경 및 기타 광학 이미징 시스템은 크고 이동하기 어려우며 정밀 제조 및 조립이 필요하고 생산 비용이 많이 들 수 있으며 궤도에 진입하는 데 비용이 많이 들 수 있다. "smallsats" 또는 "cubesat"라고도 하는 더 작은 위성의 경우에도 이미징 시스템의 광학 요소와, 광학 요소 사이에 필요한 공간은 종종 가장 크고 가장 비용이 많이 드는 구성 요소에 속한다.
도 1c는 일 실시예에 따라, 궤도에 있는 동안 지구를 이미징하기 위한 광학 이미징 시스템(130)을 갖는 대형 관측 위성(103)의 이미지이다. 도시된 바와 같이, 이 상대적으로 큰 위성(103)의 본체 부피의 대부분은 광학 이미징 시스템(130)의 일부이다.
도 2는 일 실시예에 따라, 궤도에 있는 동안 지구를 이미징하기 위한 광학 이미징 시스템(240)을 갖는 소형 관측 위성(204)의 이미지이다. 이 예시적인 위성의 전체 크기는 도 1c에 도시된 위성보다 훨씬 작지만, 광학 이미징 시스템(240)의 광학 요소는 여전히 위성(204)의 부피 및 중량의 큰 부분을 구성한다.
도 1a는 케플러식 굴절 망원경의 광학 경로 예시 다이어그램을 도시한다.
도 1b는 프라임 포커스 반사 망원경의 광학 경로의 예시 다이어그램을 도시한다.
도 1c는 지구를 이미징하기 위한 광학 시스템을 갖는 대형 관측 위성의 예시 다이어그램이다.
도 2는 일 실시예에 따른, 지구를 이미징하기 위한 광학 시스템을 갖는 소형 관측 위성의 예시 다이어그램이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 2개의 메타물질 렌즈와 디지털 이미지 센서를 포함하는 굴절형 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 4a는 일 실시예에 따른, 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대한 하이퍼볼릭 메타렌즈의 위상 응답의 그래프를 도시한다.
도 4b는 일 실시예에 따른, 상이한 입사각에서 하이퍼볼릭 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다.
도 4c는 일 실시예에 따른, 기판 상에서 상대적으로 좁은 시야를 갖는 하이퍼볼릭 메타렌즈의 블록도를 도시한다.
도 5a는 일 실시예에 따른, 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대한 어안 메타렌즈의 위상 응답의 그래프를 도시한다.
도 5b는 일 실시예에 따른, 상이한 입사각에서 어안 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다.
도 5c는 일 실시예에 따른, 기판 상에서 상대적으로 넓은 시야를 갖는 어안 메타렌즈의 블록도를 도시한다.
도 6a는 일 실시예에 따른, 각각의 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대한 더블-릿(double-let) 구성에서 각각의 메타렌즈의 위상 응답의 그래프를 도시한다.
도 6b는 일 실시예에 따른, 상이한 입사각에서 더블-릿 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다.
도 6c는 일 실시예에 따른, 기판의 대향 표면 상에 2개의 메타렌즈를 갖는 더블-릿 메타렌즈의 블록도를 도시한다.
도 7a는 일 실시예에 따른, 단일 메타물질 렌즈와 디지털 이미지 센서를 포함하는 반사형 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 7b는 일 실시예에 따른, 단일 메타물질 렌즈 및 오프셋 디지털 이미지 센서를 포함하는 반사형 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른, 단일 메타물질 렌즈 및 3개의 이산(discrete) 컬러 채널 각각에 대한 이산 이미지 센서를 포함하는 또 다른 반사형 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 9a는 일 실시예에 따른, 편평한 프리즘으로서 동작하기 위한 메타렌즈 렌즈릿(lenslet)의 다이어그램을 도시한다.
도 9b는 일 실시예에 따른, 편평한 프리즘 메타렌즈 렌즈릿 동작의 정면도를 도시한다.
도 9c는 일 실시예에 따른, 편평한 프리즘 메타렌즈 렌즈릿 동작의 측면도를 도시한다.
도 10a는 일 실시예에 따른, 협대역의 광학 방사를 집속시키기 위한 투과성 메타렌즈 필터의 예시를 도시한다.
도 10b는 일 실시예에 따른, 파장에 대해 필터링되고 포커싱된 광학 방사선의 정규화된 파워의 그래프를 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따른, 동일 평면 협대역 메타렌즈를 사용하는 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른, 각각의 이미징 센서 상에 녹색, 청색 및 적색광을 순차적으로 포커싱하기 위한 다중 채널 메타렌즈 필터를 도시한다.
도 13a는 일 실시예에 따른, 협대역의 광학 방사선을 포커싱하기 위한 반사형 메타렌즈 필터를 도시한다.
도 13b는 일 실시예에 따른, 파장에 대해 필터링되고 포커싱된 광학 방사선의 정규화된 파워의 그래프를 도시한다.
도 14a는 일 실시예에 따른, 예시적인 협대역 주파수 선택 필터의 단위 셀을 도시한다.
도 14b는 일 실시예에 따른, 패시브 편향기 요소 어레이의 반경 선택에 대한 강도의 그래프를 도시한다.
도 14c는 일 실시예에 따른, 패시브 편향기 요소 어레이의 다양한 반경 선택에 대한 위상 시프트의 그래프를 도시한다.
도 14d는 일 실시예에 따른, 주파수 선택 필터의 원형 단위 셀에서 사용하기 위한 패시브 편향기 요소 어레이의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 14d는 일 실시예에 따른, 주파수 선택 필터의 직사각형 단위 셀에서 사용하기 위한 패시브 편향기 요소 어레이의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 15a는 일 실시예에 따른, 메타렌즈 구조에 대한 편향기 요소의 패턴의 예시적인 표현의 평면도를 도시한다.
도 15b는 일 실시예에 따른, 도 15a의 메타렌즈에서 편향기 요소의 패턴의 예시적인 표현의 확대 사시도를 도시한다.
도 16a는 일 실시예에 따른, 기판 상에 위치된 나노필러 편향기를 갖는 메타렌즈의 측면도의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 16b는 일 실시예에 따른, 입사 광학 방사선을 반사하도록 동작하는 도 16a의 메타렌즈의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 16c는 일 실시예에 따른, 입사 광학 방사선을 투과적으로 조정하는 도 16a의 메타렌즈의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 17a는 일 실시예에 따른, 적색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀을 도시한다.
도 17b는 일 실시예에 따른, 도 17a의 예시적인 적색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 투과율 값을 도시한다.
도 17c는 일 실시예에 따른, 도 17a의 예시적인 적색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀의 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 위상 시프트 값을 도시한다.
도 17d는 도 17a의 예시적인 적색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다.
도 18a는 일 실시예에 따른, 녹색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀을 도시한다.
도 18b는 일 실시예에 따른, 도 18a의 예시적인 녹색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 투과율 값을 도시한다.
도 18c는 일 실시예에 따른, 도 18a의 예시적인 녹색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀의 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 위상 시프트 값을 도시한다.
도 18d는 도 18a의 예시적인 녹색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다.
도 19a는 일 실시예에 따른, 청색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀을 도시한다.
도 19b는 일 실시예에 따른, 도 19a의 예시적인 청색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀의 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 투과율 값을 도시한다.
도 19c는 일 실시예에 따른, 도 19a의 예시적인 청색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀의 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 위상 시프트 값을 도시한다.
도 19d는 도 19a의 예시적인 청색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다.
도 20a-20g는 일 실시예에 따른, 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 어레이로 메타렌즈를 제조하기 위한 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 21a-21f는 일 실시예에 따른, 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 어레이로 메타렌즈를 제조하기 위한 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 22a는 일 실시예에 따른, 이미징 센서 상에 중첩된 메타렌즈로 구현된 베이어형 컬러 필터의 예시를 도시한다.
도 22b는 일 실시예에 따른, 메타렌즈로 구현된 협대역 픽셀 매핑 컬러 필터의 예시를 도시한다.
도 23은 일 실시예에 따른, 메타렌즈로 구현된 서브픽셀 다중 대역 컬러 필터의 예시를 도시한다.
도 24는 일 실시예에 따른, 메타렌즈로 구현된 서브파장 다중대역 컬러 필터를 도시한다.
도 25는 일 실시예에 따른, 도파관과 함께 입력 및 출력 메타렌즈를 이용하는 예시적인 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 1b는 프라임 포커스 반사 망원경의 광학 경로의 예시 다이어그램을 도시한다.
도 1c는 지구를 이미징하기 위한 광학 시스템을 갖는 대형 관측 위성의 예시 다이어그램이다.
도 2는 일 실시예에 따른, 지구를 이미징하기 위한 광학 시스템을 갖는 소형 관측 위성의 예시 다이어그램이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 2개의 메타물질 렌즈와 디지털 이미지 센서를 포함하는 굴절형 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 4a는 일 실시예에 따른, 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대한 하이퍼볼릭 메타렌즈의 위상 응답의 그래프를 도시한다.
도 4b는 일 실시예에 따른, 상이한 입사각에서 하이퍼볼릭 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다.
도 4c는 일 실시예에 따른, 기판 상에서 상대적으로 좁은 시야를 갖는 하이퍼볼릭 메타렌즈의 블록도를 도시한다.
도 5a는 일 실시예에 따른, 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대한 어안 메타렌즈의 위상 응답의 그래프를 도시한다.
도 5b는 일 실시예에 따른, 상이한 입사각에서 어안 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다.
도 5c는 일 실시예에 따른, 기판 상에서 상대적으로 넓은 시야를 갖는 어안 메타렌즈의 블록도를 도시한다.
도 6a는 일 실시예에 따른, 각각의 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대한 더블-릿(double-let) 구성에서 각각의 메타렌즈의 위상 응답의 그래프를 도시한다.
도 6b는 일 실시예에 따른, 상이한 입사각에서 더블-릿 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다.
도 6c는 일 실시예에 따른, 기판의 대향 표면 상에 2개의 메타렌즈를 갖는 더블-릿 메타렌즈의 블록도를 도시한다.
도 7a는 일 실시예에 따른, 단일 메타물질 렌즈와 디지털 이미지 센서를 포함하는 반사형 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 7b는 일 실시예에 따른, 단일 메타물질 렌즈 및 오프셋 디지털 이미지 센서를 포함하는 반사형 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른, 단일 메타물질 렌즈 및 3개의 이산(discrete) 컬러 채널 각각에 대한 이산 이미지 센서를 포함하는 또 다른 반사형 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 9a는 일 실시예에 따른, 편평한 프리즘으로서 동작하기 위한 메타렌즈 렌즈릿(lenslet)의 다이어그램을 도시한다.
도 9b는 일 실시예에 따른, 편평한 프리즘 메타렌즈 렌즈릿 동작의 정면도를 도시한다.
도 9c는 일 실시예에 따른, 편평한 프리즘 메타렌즈 렌즈릿 동작의 측면도를 도시한다.
도 10a는 일 실시예에 따른, 협대역의 광학 방사를 집속시키기 위한 투과성 메타렌즈 필터의 예시를 도시한다.
도 10b는 일 실시예에 따른, 파장에 대해 필터링되고 포커싱된 광학 방사선의 정규화된 파워의 그래프를 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따른, 동일 평면 협대역 메타렌즈를 사용하는 이미징 시스템의 광학 경로의 블록도를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른, 각각의 이미징 센서 상에 녹색, 청색 및 적색광을 순차적으로 포커싱하기 위한 다중 채널 메타렌즈 필터를 도시한다.
도 13a는 일 실시예에 따른, 협대역의 광학 방사선을 포커싱하기 위한 반사형 메타렌즈 필터를 도시한다.
도 13b는 일 실시예에 따른, 파장에 대해 필터링되고 포커싱된 광학 방사선의 정규화된 파워의 그래프를 도시한다.
도 14a는 일 실시예에 따른, 예시적인 협대역 주파수 선택 필터의 단위 셀을 도시한다.
도 14b는 일 실시예에 따른, 패시브 편향기 요소 어레이의 반경 선택에 대한 강도의 그래프를 도시한다.
도 14c는 일 실시예에 따른, 패시브 편향기 요소 어레이의 다양한 반경 선택에 대한 위상 시프트의 그래프를 도시한다.
도 14d는 일 실시예에 따른, 주파수 선택 필터의 원형 단위 셀에서 사용하기 위한 패시브 편향기 요소 어레이의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 14d는 일 실시예에 따른, 주파수 선택 필터의 직사각형 단위 셀에서 사용하기 위한 패시브 편향기 요소 어레이의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 15a는 일 실시예에 따른, 메타렌즈 구조에 대한 편향기 요소의 패턴의 예시적인 표현의 평면도를 도시한다.
도 15b는 일 실시예에 따른, 도 15a의 메타렌즈에서 편향기 요소의 패턴의 예시적인 표현의 확대 사시도를 도시한다.
도 16a는 일 실시예에 따른, 기판 상에 위치된 나노필러 편향기를 갖는 메타렌즈의 측면도의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 16b는 일 실시예에 따른, 입사 광학 방사선을 반사하도록 동작하는 도 16a의 메타렌즈의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 16c는 일 실시예에 따른, 입사 광학 방사선을 투과적으로 조정하는 도 16a의 메타렌즈의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 17a는 일 실시예에 따른, 적색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀을 도시한다.
도 17b는 일 실시예에 따른, 도 17a의 예시적인 적색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 투과율 값을 도시한다.
도 17c는 일 실시예에 따른, 도 17a의 예시적인 적색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀의 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 위상 시프트 값을 도시한다.
도 17d는 도 17a의 예시적인 적색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다.
도 18a는 일 실시예에 따른, 녹색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀을 도시한다.
도 18b는 일 실시예에 따른, 도 18a의 예시적인 녹색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 투과율 값을 도시한다.
도 18c는 일 실시예에 따른, 도 18a의 예시적인 녹색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀의 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 위상 시프트 값을 도시한다.
도 18d는 도 18a의 예시적인 녹색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다.
도 19a는 일 실시예에 따른, 청색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀을 도시한다.
도 19b는 일 실시예에 따른, 도 19a의 예시적인 청색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀의 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 투과율 값을 도시한다.
도 19c는 일 실시예에 따른, 도 19a의 예시적인 청색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀의 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경에 대한 위상 시프트 값을 도시한다.
도 19d는 도 19a의 예시적인 청색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다.
도 20a-20g는 일 실시예에 따른, 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 어레이로 메타렌즈를 제조하기 위한 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 21a-21f는 일 실시예에 따른, 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 어레이로 메타렌즈를 제조하기 위한 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 22a는 일 실시예에 따른, 이미징 센서 상에 중첩된 메타렌즈로 구현된 베이어형 컬러 필터의 예시를 도시한다.
도 22b는 일 실시예에 따른, 메타렌즈로 구현된 협대역 픽셀 매핑 컬러 필터의 예시를 도시한다.
도 23은 일 실시예에 따른, 메타렌즈로 구현된 서브픽셀 다중 대역 컬러 필터의 예시를 도시한다.
도 24는 일 실시예에 따른, 메타렌즈로 구현된 서브파장 다중대역 컬러 필터를 도시한다.
도 25는 일 실시예에 따른, 도파관과 함께 입력 및 출력 메타렌즈를 이용하는 예시적인 디스플레이 시스템을 도시한다.
여기에 기술된 다양한 실시예에 따르면, 메타렌즈는 광을 수집하여 디지털 이미지 센서 상에 포커싱하는 데 사용된다. 기존의 광학 요소를 사용하여 가능한 것보다 더 가볍고, 기계적으로 더 간단하고, 더 내구성이 있으며, 더 낮은 프로파일, 더 짧고, 더 작고, 및/또는 더 높은 해상도의 광학 경로를 제공하기 위해 다양한 메타렌즈 구성이 고려된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 메타렌즈가 (센서 크기에 비해) 큰 애퍼처(aperture)로부터의 광을 디지털 이미지 센서 상으로 포커싱하기 위해 굴절 또는 회절 광학기기로 사용된다. 일부 실시예에서, 반사형 메타렌즈가 큰 애퍼처로부터의 입사광을 중앙 또는 오프셋 디지털 이미지 센서 상으로 포커싱하는 데 사용된다. 일부 실시예에서, 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이 입사광의 특정 주파수를 컬러-특정 디지털 이미지 센서로 반사하기 위해 주파수 선택 반사형 메타렌즈가 사용된다.
또 다른 실시예에서, 협대역 투과성 메타렌즈는 실질적으로 변경되지 않은 메타렌즈를 다른 주파수가 통과하도록 허용하면서 광의 특정 주파수를 디지털 이미지 센서 상으로 선택적으로 포커싱하는 데 사용된다. 일부 실시예에서, 협대역 반사 메타렌즈는 특정 주파수를 디지털 이미지 센서 상으로 선택적으로 포커싱하는 동시에 실질적으로 변경되지 않은 메타렌즈를 다른 주파수가 통과하도록 허용하는 데 사용된다.
여기에서 설명된 많은 실시예는 메타렌즈를 활용한다. 메타렌즈 또는 메타물질 기반 렌즈는 투과성(회절 렌즈와 유사) 또는 반사성(반사 거울과 유사)일 수 있다. 많은 실시예에서, 메타렌즈는 곡면 없이 제어된 편향을 제공하는 상대적으로 얇은(예컨대, <1mm) 요소의 3차원 메타물질 층 또는 물체로서 형성될 수 있다. 여기에서 설명된 바와 같이, 기판 표면은 광학 방사선이 통과하도록 허용하는 투과성 표면으로서, 또는 광학 방사선을 반사시키는 반사 표면으로서 구성될 수 있다. 0° 내지 180° 사이의 임의의 각도 또는 각도의 범위에서 타겟 광학 방사선 출력을 획득하도록 제어된 방식으로 입사 광학 방사선을 편향시키기 위해 기판의 표면 상에 서브파장 스케일 특징이 패터닝될 수 있다. 서브파장 스케일 특징은 광대역의 주파수 또는 협대역의 주파수에 걸쳐 입사 광학 방사선을 편향시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 서브파장 스케일 특징은 기판의 하나 이상의 표면에 형성될 수 있다. 예컨대, 투과성 기판의 수신측 및 투과성 기판의 출력측에 서브파장 스케일 특징이 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 기판의 표면(또는 다중 표면)은 편향기 요소의 어레이로 패터닝된다. 특정 타겟 편향 패턴(예컨대, 위상 시프트 기반 편향 패턴)을 달성하기 위해 계산, 추정, 모델링 또는 최적화된 다양한 실시예에 따르면, 편향기 요소의 어레이는 균일하게 이격되거나, 주기적으로 이격되거나, 비주기적으로 이격되거나, 그리고/또는 동일한 반복 패턴으로 배열될 수 있다.
편향기 요소 어레이의 각 편향기 요소는 편향기 요소 어레이가 상대적으로 협대역의 광학 방사선(예컨대, 타겟 동작 대역폭)에 대한 메타물질 작용을 집합적으로 나타내도록 서브파장 치수를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 편향기 요소는 기판의 평면 표면에 실질적으로 직각으로 연장될 수 있다.
메타렌즈를 통한 효율적인 파면(wave-front) 조작은 동작 주파수 대역 내에서 2π 위상 시프트를 획득함으로써 달성된다. 단일 공진 모드는 π 위상 시프트를 제공한다. 따라서, 일부 실시예에서, 그라운드 면(ground plane)은 적어도 2π 위상 시프트를 제공하기 위해 편향기 요소와 조합하여 사용된다. 다른 실시예에서, 2개의 공진 모드는 2π 위상 시프트를 제공하는 호이겐스(Huygens) 메타표면을 형성하기 위해 동일한 강도 및 위상으로 중첩된다.
다양한 실시예에서, 기판과 접촉하는 편향기 요소의 접촉 표면은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, n면 다각형 또는 자유형 형상(freeform shape)을 포함하는 다른 형상일 수 있다. 편향기 요소는 편향기 요소의 길이 또는 폭 치수보다 큰 높이까지 평면 표면으로부터 연장될 수 있다. 예컨대, 편향기 요소 각각은 동작 대역폭 내에서 최소 파장보다 작은 직경을 갖는 원형 접촉 표면을 가질 수 있고, 필러로서 기판으로부터 높이 H까지 연장할 수 있다. 다양한 실시예에서, 높이 H는 또한 동작 대역폭 내에서 최소 파장보다 작을 수 있다.
다른 실시예에서, 각각의 편향기 요소는 기판으로부터 연장되는 비원형 필러일 수 있다. 예컨대, 각 편향기 요소는 정사각형, 직사각형, 타원형, 육각형 또는 다른 형상 프로필을 가질 수 있고, 기판으로부터 미리 결정된 높이까지 연장할 수 있다. 일부 실시예에서, 편향기 요소 어레이의 각 편향기 요소는 동일한 높이로 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 다양한 편향기 요소의 높이는 무작위로 변할 수 있고, 기판의 평면 표면에 대해 경사를 형성하고, 그리고/또는 반복 패턴을 따를 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 편향기 요소는 이산화규소 기판 또는 불화마그네슘 기판으로부터 연장되는 이산화티타늄, 다결정 실리콘 나노필러(polycrystalline silicon nanopillar), 및/또는 실리콘 질화물로부터 형성된 필러(예컨대, 원형 또는 비원형 필러)일 수 있다. 원형 및 비원형 변형을 모두 포함하는 이러한 필러는 서브파장 특성으로 인해 나노필러라고 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판은 상이한 굴절률을 갖는 다중 기판 층을 포함할 수 있고, 그리고/또는 상이한 재료 조합을 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 기판은 상이한 굴절률을 갖는 2개 이상의 상이한 광학 재료의 층의 시퀀스로서 형성된 브래그 반사기(Bragg reflector)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 편향기 요소는 편광 독립적인 패시브 서브파장 편향기이다.
메타렌즈에 의해 생성된 편향 패턴(투과성 또는 반사성)은 기판 상의 필러 높이, 직경, 간격 및 패턴 배열의 신중한 선택에 의해 영향을 받거나 제어될 수 있다. 메타 렌즈는 디지털 이미지 센서에 입사 광학 방사선(예컨대, 적외선, 가시광선, 자외선 등)을 포커싱하기 위해 수렴 편향 패턴을 생성하도록 구성된 편향기 요소 어레이를 가질 수 있다. 광학 방사선은 반사되거나, 그 외 메타표면에 의해 편향될 때 위상 시프트된다.
일부 실시예에서, 메타렌즈는 투과성 기판으로부터 연장되는 패시브, 편광-독립적 편향기 요소의 어레이를 포함한다. 일부 실시예에서, 단일 메타렌즈는 (예컨대, 기판 상의 다양한 크기 및 패턴의 편향기 요소를 혼합함으로써) 광학 방사선의 광대역 또는 다수의 색에 응답할 수 있다. 다색 또는 광대역 메타렌즈는 각각의 픽셀을 형성하는 적색, 녹색 및 청색 서브픽셀을 갖는 RGB 디지털 이미지 센서와 같은, 다색 디지털 이미지 센서에 입사 광을 포커싱하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 협대역 메타렌즈는 협대역의 파장을 디지털 이미징 센서에 선택적으로 전송하기 위해 베이어형(Bayer-type) 필터층을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 파장을 통과하도록 구성된 메타렌즈가 베이어 필터 모자이크 또는 다른 3색 필터 어레이로 배열될 수 있다. 디지털 이미징 센서의 적색 서브픽셀은 예컨대, 650 나노미터 부근에 중심을 둔 협대역의 광학 방사선을 통과시키는 단일 메타렌즈와 연관될 수 있다. 디지털 이미징 센서의 녹색 서브픽셀은 예컨대, 535 나노미터 부근에 중심을 둔 협대역의 광학 방사선을 통과시키는 단일 메타렌즈와 연관될 수 있다. 디지털 이미징 센서의 청색 서브픽셀은 예컨대, 490 나노미터 부근에 중심을 둔 협대역의 광학 방사선을 통과시키는 단일 메타렌즈와 연관될 수 있다.
다른 실시예에서, 각각의 서브픽셀에 대해 수신된 광의 대역폭을 증가시키기 위해, 약간 다른 튜닝 주파수를 갖는 다수의 메타렌즈가 각각의 서브픽셀에 대해 사용될 수 있다. 예컨대, 디지털 이미징 센서의 각각의 서브픽셀(예컨대, 각각의 적색 서브픽셀, 각각의 청색 서브픽셀 및 각각의 녹색 서브픽셀)은 크기가 서브픽셀인 다중 메타렌즈와 연관될 수 있다. 각각의 서브픽셀 메타렌즈는 디지털 이미징 센서의 기본 서브픽셀(underlying subpixel) 컬러의 약간 다른 주파수 부근에 중심을 둔 협대역의 광학 방사선을 통과시키도록 구성될 수 있다.
예컨대, 디지털 이미징 센서의 적색 서브픽셀은 2개의 상이한 서브픽셀 메타렌즈와 연관될 수 있는데, 그 중 하나는 645 나노미터에 중심을 둔 협대역의 적색 광을 통과시키고 다른 하나는 655 나노미터에 중심을 둔 협대역의 적색 광을 통과시킨다. 다른 예로서, 16개의 서브픽셀 메타렌즈의 어레이가 디지털 이미징 센서의 적색 서브픽셀과 연관될 수 있다. 서브픽셀 메타렌즈 어레이의 각 서브픽셀 메타렌즈는 예컨대 630 나노미터에서 670 나노미터 범위의 약간 다른 파장에 중심을 둔 협대역의 "적색" 광을 통과시킬 수 있다. 디지털 이미징 센서의 녹색 및 청색 서브픽셀 각각은 마찬가지로 약간 다른 주파수로 튜닝된 서브픽셀 메타렌즈 어레이와 연관되어 단일의 튜닝된 메타렌즈를 사용하여 가능한 것보다 더 넓은 전송 대역을 제공할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 메타렌즈는 나노임프린팅 제조 기법을 사용하여, CMOS 제조 접근법의 일부로 CMOS 호환 재료를 사용 사용하여, 자외선 리소그래피 기법을 사용하여, 전자 빔 리소그래피(EBL)를 사용하여, 이들의 조합 및 마이크로 및 나노 장치 제조를 위한 기타 관련 제조 기법을 사용하여 제작될 수 있다. 상대적으로 낮은 종횡비(예컨대, 각 나노필러 편향기 요소의 폭에 대한 높이의 비율)는 경쟁 기술보다 상대적으로 빠르고 저렴하며 충실도 높은 제조를 허용한다. 예컨대, 나노필러 편향기 요소의 어레이 및 하부 기판은 울트라씬(예컨대, 1 파장 미만) 메타렌즈를 형성하기 위해 전자기적으로 결합되는 공진 모드를 사용할 수 있다.
여기에 기재된 바와 같이, 메타렌즈는 전통적인 광학 요소를 사용하여 가능한 것보다 훨씬 더 작은 두께를 가지고 타겟 편향 패턴에 따라 편향된 광학 방사선으로서 수신된 광학 방사선의 높은 비율을 전달하도록 구성될 수 있다. 망원경의 전통적인 유리 광학 요소에 비해 상응하는 무게 절감이 상당하다. 여기에 기술된 메타렌즈 기반 디지털 이미징 장치(예컨대, 망원경)는 종래의 유리 광학 요소와 비교하여 지구를 이미징하기 위해 궤도를 도는 위성에 사용될 때 성능, 비용 및 내구성의 이점을 제공한다.
다양한 실시예에서, 투과성 또는 반사성 기판 상에 패터닝된 편광 독립적 패시브 편향기 요소의 어레이는 임의로 광학 방사선의 기원(예컨대, 픽셀별 변동)에 기초하여, 규정된 방향으로 상대적으로 협대역의 광학 방사선을 편향시키도록 적응될 수 있고, 그리고/또는 효과적인 "무한 초점"을 제공하기 위해 시준될 수 있다. 일부 실시예에서, 편광 의존적 패시브 편향기 요소의 어레이는 임의로 광학 방사선의 기원(예컨대, 픽셀별 변동)에 기초하여, 규정된 방향으로 상대적으로 광대역의 비간섭 광학 방사선과 사용하기 위해 투과성 또는 반사성 기판 상에 패터닝될 수 있고, 그리고/또는 효과적인 "무한 초점"을 제공하기 위해 시준될 수 있다.
여기에서 설명된 바와 같이, 나노필러 편향기 요소의 어레이는 변동 직경, 요소 간 간격 및/또는 높이를 갖는 필러의 반복 패턴을 가질 수 있다. 나노필러 편향기 요소의 반복 패턴은 타겟 표면적(예컨대, 광학 이미징 장치의 애퍼처를 정의하는 원형 형상)을 갖는 메타표면 렌즈를 제공하기 위해 여러 번 반복될 수 있다. 나노필러 편향기 요소의 각 어레이에서 필러의 직경, 요소 간 간격 및/또는 높이는 디지털 이미지 센서 또는 센서들에 대한 타겟 편향 각도뿐만 아니라, 편향될 주파수 또는 주파수들에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 다색 이미징 시스템을 위한 다중 주파수 메타렌즈는 서로 혼합되는 주파수 특정 나노필러 또는 나노필러의 주파수 특정 행/열의 면내 공간 다중화 어레이를 포함한다. 그러한 실시예에 따르면, 메타렌즈는 예컨대, 지구를 이미징하기 위한 RGB 디지털 이미지 센서, 천체를 이미징하기 위한 2색 디지털 이미지 센서(예컨대, 청색 및 H-알파) 또는 다른 다색 디지털 이미지 센서와 함께 사용될 수 있다. 예컨대, 주파수 특정 나노필러의 공간적으로 다중화된 어레이는 편향될 독립 주파수(예컨대, RGB)의 수보다 크거나 같은 수의 필러를 갖는 복수의 서브 단위 셀을 포함할 수 있다. 서브 단위 셀의 주기성은 서브파장이며, 0차 회절을 위해 선택된다. 따라서, 서브 단위 셀의 주기성은 편향될 주파수의 최소 파장보다 작게 선택될 수 있다. 예컨대, 편향될 최소 파장이 550 나노미터인 경우, 0차 회절의 최대 주기성은 약 360 나노미터이므로, 서브 단위 셀의 최대 주기성은 약 180 나노미터(예컨대, 나이키스트 한계(Nyquist limit))다. 파장이 500 나노미터 미만인 청색 광의 경우, 0차 회절의 최대 주기성은 훨씬 더 작을 것이고, 따라서 서브 단위 셀의 최대 주기성은 훨씬 더 작아질 것이다.
일부 실시예에서, 편향될 독립 주파수의 각각의 허용 가능한 위상 시프트(예컨대, 0 내지 2π범위)를 달성하기 위해, 개별 필러의 높이는 0차 회절에 대한 서브 단위 셀의 계산된 최대 가능한 주기성에 의해 정의된 상대적으로 가까운 간격을 수용하기 위해 다른 실시예에서보다 약간 더 높을 수 있다. 예컨대, 편향될 특정 주파수에 따라, 약 200 나노미터와 400 나노미터 사이의 필러 높이가 적합할 수 있다. 일 특정 예시에서, 개별 필러는 약 300 나노미터의 높이를 갖는다. 일 실시예에서, 개별 필러는 220 나노미터의 높이를 갖는 반면, 다른 실시예에서 개별 필러는 230 나노미터의 높이를 갖는다.
선택된 높이 및 주기성에 대해, 시뮬레이터 또는 계산 모듈은 각 서브 단위 셀의 필러 직경 범위에 대해 편향될 주파수 각각의 전송 및 전송된 위상 시프트를 시뮬레이션하거나 계산할 수 있다. 적절한 필러 직경이 타겟 성능 지표 및/또는 제어 가능성을 달성하기 위해 선택될 수 있다. 예컨대, 필러 직경은 편향의 완전한 제어를 제공하기 위해 적어도 0.7(예컨대, 70%)의 투과율 및 0 내지 2π 범위 내의 위상 시프트를 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예 및 응용에서, 더 낮거나 더 높은 투과 임계값이 허용될 수 있고, 그리고/또는 부분 편향 제어가 충분할 수 있다(예컨대, 2π 미만의 위상 시프트).
타겟 필드와 시뮬레이션 필드 간의 차이는 로 계산할 수 있는 성능 지수를 제공한다. 글로벌 최적화 알고리즘과 같은, 최적화 알고리즘은 각각의 서브 단위 셀에서 필러에 대한 특정 반경(직경) 치수를 결정하는 데 사용될 수 있다. 메타렌즈는 변동 직경을 갖는 필러를 갖는 서브 단위 셀의 반복 패턴을 통해 형성된다.
디지털 이미징을 위한 많은 종래의 망원경은 직사각형 디지털 이미지 센서 상으로 입사 광학 방사선을 포커싱하는 원형 광학 요소를 포함한다. 직사각형 센서는 센서 평면에서 원형의 포커싱된 입사 광학 방사선의 일부를 효과적으로 "잘라낸다". 현재 설명된 메다렌즈는 직사각형의 디지털 이미지 센서에 입사 광학 방사선을 포커싱하는 전통적인 원형 렌즈와 유사한 얇은 원형 디스크를 형성하기 위해 필러의 직선 행 및 열로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 메타렌즈는 직사각형 디지털 이미지 센서에 입사 광학 방사선을 포커싱하는 전통적인 원형 렌즈와 유사한 얇은 원형 디스크를 형성하기 위해 필러의 동심원으로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 메타렌즈는 대응하는 직사각형 디지털 이미지 센서 상에 입사 광학 방사선을 포커싱하는 직사각형 메타렌즈를 형성하기 위해 필러의 직선 행 및 열로 형성될 수 있다. 주어진 애퍼처 표면 영역에 대해 직사각형 메타렌즈는 직사각형 디지털 이미지 센서로의 입사광의 매우 효율적인 매핑을 제공한다. 예컨대 직사각형 메타렌즈에 입사되는 모든 광은 동일한 종횡비를 가진 직사각형 디지털 이미지 센서에 매핑될 수 있다. 대조적으로 종래의 유리 원형 렌즈는 기껏해야 입사광의 약 63%를 정사각형 디지털 이미지 센서 상으로 매핑할 수 있다. 전술한 바와 같이, 기존의 망원경용 실린더형 광학렌즈의 부피의 37% 이상이 원형 렌즈와 직사각형 디지털 이미지 센서 사이의 불일치로 인해 낭비되고 있다.
여기에서 시스템 및 방법의 일반화된 설명은 다양한 산업, 상업 및 개인 응용 분야에서 활용하기 위해 활용 및/또는 적응될 수 있다. 유사하게, 현재 설명된 시스템 및 방법은 기존 컴퓨팅 장치, 이미지 처리 기법, 스티칭(stitching), 합성 사진, HDR 브래키팅(high-dynamic-range bracketing) 등과 함께 사용되거나 활용할 수 있다. 범용 컴퓨터, 컴퓨터 프로그래밍 도구 및 기법, 디지털 저장 매체, 망원경 및 다른 디지털 이미징 장치가 장착된 위성을 발사하기 위한 로켓, 및 통신 링크 등과 같이, 여기에서 개시된 실시예와 함께 사용될 수 있는 기반 구조의 일부는 이미 이용 가능하다. 컴퓨팅 장치 또는 컨트롤러는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 논리 회로 등과 같은, 프로세서를 포함할 수 있다.
프로세서 또는 컨트롤러는 ASIC(application-specific integrated circuit), PAL(programmable array logic), PLA(programmable logic array), PLD(programmable logic device), FPGA(a field-programmable gate array) 또는 다른 맞춤형 및/또는 프로그래밍 가능한 장치와 같은, 하나 이상의 특수 목적 처리 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 또한 비휘발성 메모리, 정적 RAM, 동적 RAM, ROM, CD-ROM, 디스크, 테이프, 자기, 광학, 플래시 메모리 또는 다른 기계 판독 가능 저장 매체와 같은, 기계 판독 가능 저장 장치를 포함할 수 있다. 특정 실시예의 다양한 양태는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
여기에서 도면에 일반적으로 설명되고 도시된 바와 같이, 개시된 실시예의 컴포넌트는 매우 다양한 상이한 구성으로 배열 및 설계될 수 있다. 또한, 일 실시예와 연관된 특징, 구조 또는 동작은 다른 실시예와 함께 설명한 특징, 구조 또는 동작에 적용되거나 결합될 수 있다. 많은 경우에, 잘 알려진 구조, 재료 또는 동작은 본 개시의 양태를 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 나타내거나 설명하지 않는다. 본 개시 내에서 제공된 시스템 및 방법의 실시예는 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않고, 단지 가능한 실시예를 나타내는 것일 뿐이다. 또한 방법의 단계는 어느 특정 순서로 또는 순차적으로 실행될 필요가 없으며, 단계가 한 번만 실행될 필요도 없다.
도 3은 일 실시예에 따라, 2개의 메타물질 렌즈(메타렌즈)(311, 313) 및 디지털 이미지 센서(315)를 포함하는 회절형 또는 굴절형 이미징 시스템(301)의 광학 경로의 블록도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 입사광(310)은 제1 메타렌즈(311)에 의해 편향된다. 편향된 광(312)은 제2 메타렌즈(313)에 의해 수신되고 이미지 센서(315) 상으로 포커싱된 광(314)으로서 더 편향된다. 각각의 메타렌즈(311, 313)는 여기에 기술된 다양한 실시예 중 어느 하나에 따라 구현될 수 있다.
이전에 언급한 바와 같이, 메타렌즈는 훨씬 더 낮은 중량 및 프로파일(예컨대, <1mm 두께)로 종래의 렌즈 및/또는 미러와 동등한 광학 기능을 구현하기 위해 필러 패턴으로 구성될 수 있다. 메타렌즈는 또한 렌즈 간 간격을 더 짧게 하고 광학 성능을 저하시키지 않으면서 이미징 시스템의 전체 부피를 줄였다.
도 4a는 일 실시예에 따라, 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대한 하이퍼볼릭 메타렌즈의 위상 응답의 그래프(401)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 위상 응답의 범위는 중심의 약 0 라디안에서 엣지의 거의 400 라디안까지이다. 여기에 설명된 바와 같이, 메타렌즈는 타겟 편향(예컨대, 굴절, 회절 또는 반사) 패턴을 달성하기 위해 선택된 직경, 간격, 높이 및 직경 패턴을 갖는 복수의 나노필러로서 형성될 수 있다. 메타렌즈의 구체적인 세부 사항 및 예는 "광학 메타렌즈"라는 제목의 미국 특허 공개 번호 2021/0405255를 포함하여 다양한 공개문헌에 설명되어 있으며, 이 공보는 전체 내용이 참조로 여기에 포함된다.
도 4b는 일 실시예에 따라, 서로 다른 입사각에서 하이퍼볼릭 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 하이퍼볼릭형 메타렌즈는 0도에서 입사되는 광학 방사선(410)이 한 지점(411)에 포커싱되는 정도로 선택성이 높다. 그러나 심지어 5도에서 하이퍼볼릭 메타렌즈에 입사하는 광학 방사선(420)은 상대적으로 큰 스팟 크기(421)를 초래한다. 10도에서 입사되는 광학 방사선(430)은 스팟 크기(431)의 훨씬 큰 지출(large disbursement)을 초래한다.
도 4c는 일 실시예에 따라, 그 위에 형성된 메타표면(460)을 갖는 기판(450)을 포함하는 하이퍼볼릭 메타렌즈의 블록도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 시야(field of view)는 -2.5도와 2.5도 사이로 제한된 수용각(475)으로 약 5도에 불과하다. 전술한 바와 같이, 광학 대역폭에 대해, 메타표면(460)은 도 4a에 도시된 하이퍼볼릭 위상 응답을 얻기 위해 계산된 변동 직경(varying diameters), 직경의 패턴, 높이, 및 서브파장 중심(on-center) 간격의 복수의 필러 또는 나노필러를 포함할 수 있다.
도 5a는 일 실시예에 따라, 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대한 어안(fisheye) 메타렌즈의 위상 응답의 그래프(501)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 위상 응답의 범위는 중앙의 약 0 라디안에서, 엣지의 80 라디안까지이다. 여기에 설명된 다른 메타렌즈와 같이 어안 메타렌즈는 타겟 편향(예컨대, 회절, 굴절 또는 반사) 패턴을 달성하기 위해 선택된 직경, 간격, 높이 및 직경 패턴을 갖는 복수의 나노필러로서 형성될 수 있다.
도 5b는 일 실시예에 따라, 상이한 입사각에서 어안 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 하이퍼볼릭 메타렌즈는 넓은 시야를 갖는다. 40도에서 수신된 광학 방사선(520) 및 85도에서 수신된 광학 방사선(530)이 지점(521, 531)에 포커싱되는 것과 같이, 0도에서 수신된 광학 방사선(510)은 지점(511)에 포커싱된다.
도 5c는 일 실시예에 따라, 기판(550) 상에 메타표면(560)으로 형성된 어안 메타렌즈의 블록도를 도시한다. 다시, 어안 메타렌즈는 -85도에서 85도 범위의 허용 각도(575)로 약 170도의 넓은 시야를 갖는다. 다시, 광학 대역폭에 대해, 메타표면(560)은 도 5a에 도시된 어안 위상 응답을 얻기 위해 계산된 변동 직경, 직경의 패턴, 높이, 및 서브파장 중심 간격의 복수의 필러 또는 나노필러를 포함할 수 있다.
도 6a는 일 실시예에 따라, 더블-릿(double-let) 구성에서 각각의 메타렌즈의 위상 응답의 그래프(601, 602)를 도시한다. 위상 응답은 일 실시예에 따라, 각각의 메타렌즈의 중심으로부터의 거리에 대해 도시된다. 그래프(610)의 위상 응답은 중심에서 대략 0 라디안, 에지에서 3500 라디안 범위이다. 대조적으로, 그래프(602)에 도시된 바와 같이, 다른 메타렌즈의 위상 응답은 0 라디안에서 엣지의 약 10 라디안의 범위이고, 대략 23 라디안의 피크 위상 응답은 메타렌즈의 중심에서 메타렌즈의 엣지까지 거리의 약 3/4이다.
도 6b는 일 실시예에 따라, 상이한 입사각에서 더블-릿 메타렌즈에 의해 포커싱된 예시적인 광선 경로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 각각 0도, 15도 및 30도에서 수신된 광학 방사선(610, 620, 630)은 지점(611, 621, 631)에 포커싱된다.
도 6c는 더 좁은 시야를 갖는 제2 메타렌즈(660)를 향해 광을 편향시키기 위해 넓은 시야를 갖는 제1 메타렌즈(661)를 갖는 더블-릿 메타렌즈의 블록도를 도시한다. 메타렌즈(661, 660)는 이미징을 위해 센서 평면에 포커싱하기 위한 입사각 정보를 보존하기 위해 함께 동작한다. 좁은 시야의 메타렌즈(660)는 수용각을 감소시키고 더블-릿 메타렌즈의 스팟 크기를 줄이는 교정기 층(corrector layer) 또는 교정기 렌즈(corrector lens)의 역할을 한다. 다시, 광학 대역폭에 대해, 메타표면(660, 661) 각각은 도 6a의 그래프(601, 602)에 나타낸 2개의 상이한 위상 응답을 얻기 위해 계산된 변동 직경, 직경의 패턴, 높이 및 서브파장 중심 간격의 복수의 필러 또는 나노필러를 포함한다.
메타표면(660)은 제1 기판에 형성될 수 있고, 메타표면(661)은 다른 기판에 형성될 수 있다. 2개의 메타표면(660, 661)은 위치(650)에서 갭에 의해 물리적으로 분리될 수 있다. 대안적으로, 2개의 메타표면(660, 661)은 동일한 베이스 기판 상에 단일 디바이스로서 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 메타표면(660, 661)을 물리적으로 연결하고 이격시키기 위해 적절하게 광학적으로 투명한 벌크 재료(중간층), 예컨대 일정한 두께의 CMOS 호환 유전체 재료가 위치(650)에서 사용될 수 있다.
메타렌즈(660, 661) 각각은 여기에 설명된 바와 같이 복수의 필러 또는 나노필러를 포함한다. 나노필러와 그 주변 사이의 높은 굴절률 대조는 나노필러 사이의 약한 광학 결합으로 이어진다. 다양한 실시예에 따르면, 나노필러의 직경은 서브파장 분해능으로 타겟 위상 프로파일을 구현하기 위해 공간적으로 변한다. 광대역 응답을 위한 위상 시프트의 슬로프와 인터셉트(intercept)의 국부적 및 동시적 제어는 상이한 직경의 공간적으로 변동하는 나노필러를 통해 달성된다. 메타렌즈(660)와 메타렌즈(661)의 조합은 넓은 스펙트럼 대역폭과 각도 응답을 위해 색수차와 기하학적 수차를 동시에 보정하는 2-계층 메타렌즈 시스템을 제공한다.
두 계층의 최적화는 제2 계층의 입력 위상 프로파일로 사용되는 제1 계층의 위상 프로파일 출력(층간 위상 프로파일)과 동시에 수행된다. 이 접근 방식을 사용하면 제1 계층이 넓은 시야각과 넓은 주파수 범위로부터 제2 계층에 의해 충분히 포커싱될 수 있는 더 작은 각도 범위 내까지 광의 기울기 및 인터셉트 위상 정보를 수정하기 위해 사용될 수 있다. (이미징에 필요한)각도 정보는 아래 방정식 1을 사용하여 위상 프로파일을 방사 좌표 "r"의 짝수 차수 다항식으로 정의하여 보존된다.
방정식 1
방정식 1 에서 R은 메타표면의 반지름이며 계수는 설계 시야에서 스팟 크기(제곱평균제곱근(root mean square))를 최소화하도록 최적화되었다. 2i는 함수가 반지름의 짝수 함수가 되도록 강제하는 데 사용되어 솔루션이 반지름에 대해 대칭이 되도록 한다. 다시, 각 서브 단위 셀의 필러에 대한 특정 반경(직경) 치수를 결정하기 위해 최적화 알고리즘이 사용될 수 있다. 이후 각각의 메타렌즈는 최적화 프로세스를 통해 계산된 변동 직경을 갖는 필러를 가진 서브 단위 셀의 반복 패턴을 통해 형성될 수 있다.
여기에 설명된 실시예에 따르면, 도 6a-6c와 함께 도시되고 설명된 2-계층 메타렌즈 또는 더블-릿 메타렌즈 시스템은 포커스 평면 상에(예컨대, 디지털 이미징 센서 상에) 입사 광학 방사선의 색채적으로 및 기하학적으로 보정된 포커싱을 통해 입사각 정보를 보존한다.
다양한 실시예에 따르면, 더블-릿 메타렌즈는 CubeSat 또는 다른 작은 광학 이미징 위성의 일부로 패키징될 수 있다. 예컨대, 더블-릿 메타렌즈는 직사각형 광학 이미징 센서와 쌍을 이루는 직사각형 메타렌즈로 구현될 수 있다. 더블-릿 메타렌즈는 각 측면에서 약 10cm의 치수를 가질 수 있으며 400 나노미터와 1,000 나노미터 사이의 스펙트럼 동작 대역폭을 제공한다. 일부 실시예에서, 주어진 위성의 이미징 요건을 만족시키기 위해, 어안 메타렌즈 및/또는 하이퍼볼릭 메타렌즈가 더블-릿 메타렌즈 대신에 또는 그와 함께 사용될 수 있다.
도 7a는 단일 반사 메타렌즈(722) 및 광학 경로에 중심을 둔 디지털 이미지 센서(726)를 포함하는 반사형 이미징 시스템(702)의 광학 경로의 블록도를 도시한다. 디지털 이미지 센서(726)는 입사광의 일부를 차단하지만, 디지털 이미지 센서(726)의 상대적인 크기가 반사형 메타렌즈(722)의 유효 애퍼처에 비해 매우 작기 때문에 많은 상황에서 수용 가능하다. 도시된 바와 같이, 입사 광학 방사선(720)은 디지털 이미지 센서(726)의 평면 상으로 포커싱된 광학 방사선(724)으로서 메타렌즈(722)에 의해 반사된다.
도 7b는 일 실시예에 따라, 단일 메타물질 렌즈(723) 및 오프셋 디지털 이미지 센서(727)를 포함하는 반사형 이미징 시스템(703)의 광학 경로의 블록도를 도시한다. 도시된 실시예에서, 오프셋 디지털 이미지 센서(727)는 가장 실용적인 시야를 위해 디지털 이미징 시스템의 애퍼처를 차단하지 않는다. 입사 광학 방사선(720)은 디지털 이미지 센서(727)에 의해 수신되는 포커싱된 광학 방사선(725)으로서 메타렌즈(723)에 의해 반사된다.
도 8은 일 실시예에 따라, 단일 메타물질 렌즈(831) 및 이산(discrete) 적색, 녹색 및 청색 (RGB) 이미지 센서(835, 836, 837)를 포함하는 또 다른 반사형 이미징 시스템(804)의 광학 경로의 블록도를 도시한다. 도시된 실시예는 반사 각도에서 주파수 기반 변동을 허용하는 메타렌즈 설계의 고유한 능력을 활용한다. 메타표면(831)은 여기에 기술된 바와 같이, 녹색 채널 디지털 이미지 센서(836)에 포커싱된 광학 방사선(832)으로서 입사 광학 방사선(830)으로부터의 녹색 광을 반사시키기 위해 요소 간 간격 및 직경을 갖는 제1 세트의 필러를 갖고 설계될 수 있다. 메타표면(831)은 여기에 기술된 바와 같이, 적색 채널 디지털 이미지 센서(835)에 포커싱된 광학 방사선(832)으로서 입사 광학 방사선(830)으로부터의 적색 광을 반사시키기 위해 요소 간 간격 및 직경을 갖는 제2 세트의 필러를 갖고 설계될 수 있다. 유사하게, 메타표면(831)은 여기에 기술된 바와 같이, 청색 채널 디지털 이미지 센서(837)에 포커싱된 광학 방사선(832)으로서 입사 광학 방사선(830)으로부터의 청색 광을 반사시키기 위한 요소 간 간격 및 직경을 갖는 제2 세트의 필러를 갖는다.
메타렌즈(831)는 복수의 컬러 채널(835, 836, 837) 각각에 대한 광학 방사선의 주파수 선택적 포커싱을 제공한다. 즉, 반사된 적색 광은 적색 채널용 디지털 이미지 센서(835)에 포커싱되고, 반사된 청색 광은 청색 채널용 디지털 이미지 센서(837)에 포커싱되며, 반사된 녹색 광은 녹색 채널용 디지털 이미지 센서(836)에 포커싱된다. 따라서, 디지털 이미지 센서는 일반적인 컬러 필터 및/또는 마이크로렌즈를 필요로 하지 않으며 생략할 수 있다.
도 9a는 일 실시예에 따라, 편평한 프리즘으로서 동작하기 위한 메타렌즈 렌즈릿(lenslet)의 다이어그램을 도시한다. 예컨대, 메타표면은 측면에서 약 100 마이크로미터일 수 있고 적색, 녹색 및 청색 컬러 채널을 공간적으로 분리하도록 작동할 수 있다. 여기에 기술된 바와 같이, 메타표면은 녹색 광을 편향시키기 위한 요소 간 간격 및 직경을 갖는 제1 세트의 필러, 적색 광을 반사하기 위한 요소 간 간격 및 직경을 갖는 제2 세트의 필러, 및 청색 광을 반사하기 위한 요소 간 간격 및 직경을 갖는 제3 세트의 필러를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 필러의 제1, 제2 및 제3 세트는 메타렌즈의 표면에 인터리브되거나(interleaved) 각 컬러 채널 세트의 소그룹 또는 서브어레이로 배열될 수 있다.
도 9b는 일 실시예에 따라, 편평한 프리즘 메타렌즈 렌즈릿(900) 동작의 정면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 편평한 프리즘 메타렌즈 렌즈릿(900) 상에 입사하는 백색 광(white light)은 제2 방향으로 지향되는 녹색 광(920) 및 제3 방향으로 지향되는 청색 광(930)에 대하여 어떤 각도에서 제1 방향으로 적색 광(910)을 지향하도록 편향된다.
도 9c는 일 실시예에 따라, 편평한 프리즘 메타렌즈 렌즈릿(900)의 동작의 측면도를 도시한다. 다시, 입사 백색 광(950)은 각각 상이한 각도로 편향되는 적색(910), 녹색(920) 및 청색(930) 컬러 채널로 스플릿된다.
도 10a는 일 실시예에 따라, 협대역의 광학 방사선을 초점(1035)에 포커싱하기 위한 투과형 메타렌즈 필터(1025)의 예를 도시한다. 협대역 밖의 광학 방사선은 포커싱되지 않고 투과형 메타렌즈 필터(1025)를 통과한다.
도 10b는 일 실시예에 따라, 파장에 대해 필터링되고 포커싱된 광학 방사선의 정규화된 파워의 그래프(1050)를 도시한다. 도시된 실시예에서, 대략 650 나노미터에 중심을 둔 60-나노미터 대역은 투과형 메타렌즈 필터(1025)에 의해 포커싱된다. 다른 주파수는 초점(1035)으로 편향되지 않는다. 따라서, 투과형 메타렌즈 필터(1025)는 주파수 선택적 메타렌즈 또는 협대역 필터로 기술될 수 있으며 협대역의 광학 방사선의 편향을 제어하기 위해 다양한 응용 분야에 사용된다.
도 11은 일 실시예에 따라, 동일 평면(coplanar) 협대역 RGB 메타렌즈(1150, 1151, 1152)를 사용하는 이미징 시스템(1101)의 광학 경로의 블록도를 도시한다. 여기에 기술된 바와 같이, 메타렌즈(1150, 1151, 1152)의 필러 어레이의 공진은 설계된 공진 주파수 밖의 다른 파장을 편향시키지 않고 협대역의 파장을 포커싱하기 위해 선택될 수 있다. 도시된 것처럼, 가시광선(130)은 동일 평면의 협대역 메타렌즈(1150, 1151, 1152)에 의해 수신된다. 적색 협대역 메타렌즈(1150)는 적색 디지털 이미지 센서(1160)에 적색 광학 방사선(1155)을 포커싱한다. 가시광선(1130)의 다른 파장(1131)은 녹색 및 청색 가시광선을 포함하여, 편향되지 않고 포커싱되지 않은 채로 적색 협대역 메타렌즈(1150)를 통과한다.
녹색 협대역 메타렌즈(1151)는 녹색 디지털 이미지 센서(1161) 상에 녹색 광학 방사선(1156)을 포커싱한다. 가시광선(1130)의 다른 파장(1132)은 적색 및 청색 가시광선을 포함하여, 편향되지 않고 포커싱되지 않은 채로 녹색 협대역 메타렌즈(1151)를 통과한다. 청색 협대역 메타렌즈(1152)는 청색 디지털 이미지 센서(1162) 상에 녹색 광학 방사선(1157)을 포커싱한다. 가시광선(1130)의 다른 파장(1133)은 적색 및 청색 가시광선을 포함하여, 편향되지 않고 포커싱되지 않은 채로 청색 협대역 메타렌즈(1152)를 통과한다.
도 12는 일 실시예에 따라, 순차적인 협대역 RGB 메타렌즈(1250, 1251, 1252)를 사용하는 이미징 시스템(1202)의 광학 경로의 블록도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 가시광선(1230)은 적색 디지털 이미지 센서(1260)에 적색 광(1255)을 포커싱하는 적색 협대역 메타렌즈(1250)에 의해 수신된다. 청색 및 녹색 파장을 포함하는 다른 파장(1231)은 적색 협대역 메타렌즈(1250)를 통과하여 녹색 협대역 메타렌즈(1251)에 의해 수신된다. 녹색 협대역 메타렌즈(1251)는 녹색 디지털 이미지 센서(1261)에 녹색 광(1256)을 포커싱한다. 청색 파장을 포함하는 다른 파장(1232)은 녹색 협대역 메타렌즈(1251)를 통과하여 청색 협대역 메타렌즈(1252)에 의해 수신된다. 청색 협대역 메타렌즈(1252)는 청색 광(1257)을 청색 디지털 이미지 센서(1262)에 포커싱한다. 다른 파장(1233)(즉, 모든 비 RGB 파장)은 청색 협대역 메타렌즈(1252)를 통과한다.
도 13a는 일 실시예에 따라, 협대역의 광학 방사선을 초점(1335)에 반사적으로 포커싱하기 위한 반사형 메타렌즈 필터(1325)를 도시한다. 협대역 밖의 광학 방사선은 반사되지 않고 반사형 메타렌즈 필터(1325)를 통과한다.
도 13b는 일 실시예에 따라, 파장에 대해 필터링되고 포커싱된 광학 방사선의 정규화된 파워의 그래프(1350)를 도시한다. 다시, 650 나노미터에 중심을 둔 광학 방사선의 대략 60 나노미터 대역이 메타렌즈 필터(1325)에 의해 반사적으로 포커싱된다. 다른 주파수는 반사되지 않는다. 대신, 협대역 밖의 주파수는 통과되거나 초점(1335) 이외의 위치로 약간 편향된다.
도시되지는 않았지만, 녹색 및 청색 협대역 반사 메타렌즈를 도시된 적색 채널 협대역 반사 메타렌즈(1625)에 추가함으로써 완전한 RGB 이미징 시스템이 생성될 수 있다. 여기에 도시되고 설명된 많은 실시예는 RGB 디지털 이미징 센서 및 가시광선과 관련하여 제공된다. 그러나 메타렌즈는 가시 스펙트럼 밖의 파장에서 협대역 동작을 위해 구성될 수 있음이 이해된다. 예컨대, 메타렌즈는 가시광선 대신에 또는 가시광선에 더하여 협대역의 자외선 및/또는 적외선을 선택적으로 포커싱하도록 구성될 수 있다. 비가시 대역을 기반으로 생성된 이미지는 가색 표현(false-color representations)을 사용하여 사람이 볼 수 있도록 표시될 수 있다.
도 14a는 일 실시예에 따라, 예시적인 협대역 주파수 선택 필터의 단위 셀(1400)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 편향기 요소(1450)의 디스크형 어레이는 기판(1425) 내에 위치된다. 단위 셀(1400)은 일부 실시예에서 대략 370 나노미터의 요소 간 간격을 갖는 1차원 또는 2차원 어레이의 일부로서 복제될 수 있다. 기판(1425)은 예컨대, SiO2로 형성될 수 있다. 편향기 요소(1450)의 디스크는 일부 실시예에서 대략 100 나노미터의 높이를 갖는 편향기 요소를 포함할 수 있다.
도 14b는 일 실시예에 따라, 도 14a의 편향기 요소(1450)의 디스크형 어레이에서 패시브 편향기 요소 어레이의 반경 선택에 대한 강도(magnitude)의 그래프(1460)를 도시한다.
도 14c는 일 실시예에 따라, 도 14a의 패시브 편향기 요소(1450)의 디스크형 어레이의 다양한 반경 선택에 대한 위상 시프트 값의 그래프(1475)를 도시한다. 이전에 설명된 실시예와 유사하게, 패시브 편향기 요소(1450)의 디스크형 어레이의 반경은 투과율 및 가변성(tunability)의 타겟 기능을 달성하도록 선택될 수 있다.
도 14d는 일 실시예에 따라, 나노필러의 패턴을 포함하는 협대역, 편광-독립적(polarization-independent) 메타렌즈(1401)의 예를 도시한다. 나노필러(여기서는 간단히 "필러"라고도 함)은 도시된 예에서 행과 열로 배열된다; 그러나 필러는 동심원 링 또는 다른 패턴으로 배열될 수 있음이 이해된다. 이어지는 논의는 타겟 공진, 협대역 주파수 선택적 응답, 필러의 배열, 간격 및 기타 변형을 달성하기 위한 필러 구성 및 치수의 다양한 변형, 실시예 및 예를 제공한다. 예컨대, 메타렌즈(1401)가 원형 또는 얇은 디스크로 도시되어 있지만, 나노필러 패턴의 대안적인 실시예는 직사각형, 정사각형 또는 다른 기하학적 형상을 형성할 수 있다.
도 14e는 일 실시예에 따라, 직사각형의 얇은 프리즘 형상을 형성하는 나노필러의 패턴을 포함하는 협대역, 편광-독립적 메타렌즈(1402)의 예를 도시한다. 직사각형의 얇은 프리즘 형상은 특정 주파수 또는 좁은 주파수 대역의 수신된 광학 방사선을 예컨대 대응하는 직사각형 디지털 이미징 센서 상으로 포커싱할 수 있다.
도 15a는 일 실시예에 따른, 메타렌즈 구조에 대한 편향기 요소(1510)의 패턴의 예시적인 표현의 평면도를 도시한다. 도시된 예시는 인접한 편향기 요소 사이의 균일한 간격으로 편향기 요소(1510)의 정사각형 그리드를 포함한다. 편향기 요소(1510)는 균일한 높이로 구성될 수 있다. 도시된 예시에서, 편향기 요소(1510)는 필러 직경의 반복 패턴으로 배열된 원형 필러를 포함한다. 편향기 요소(1510)의 예시된 행 및 열은 원형 메타렌즈의 일부로서 동심원 링을 형성하도록 대신 만곡될 수 있다.
도 15b는 일 실시예에 따른, 도 15a의 메타렌즈에서 편향기 요소(1510)의 패턴의 예시적인 표현의 확대 사시도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 편향기 요소(1520)의 어레이는 기판으로부터 연장되는 원형 필러의 균일한 간격 배열을 포함한다. 편향기 요소(1520)는 1 차원을 따라 (왼쪽에서 오른쪽으로) 증가하고, 다른 차원을 따라 (위에서 아래로) 일정한 상이한 필러 직경을 갖는다. 앞서 언급된 바와 같이, 필러는 원형 메타렌즈의 일부로서 동심원 링으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 필러의 행과 열은 여기에서 설명된 바와 같이 동심원의 근사치를 형성하도록 오프셋되고 잘릴 수 있다.
도 16a는 일 실시예에 따른, 기판(1650) 상에 위치된 나노필러 편향기 요소(1630)를 예시하는 메타렌즈(1600)의 측면도의 예시적인 블록도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 나노필러 편향기 요소(1630)는 균일한 높이(H) 및 변동 직경(D)을 가질 수 있다. 도시된 예시에서, 나노필러 편향기 요소(1630)는 인접한 나노필러의 중심 사이에 거리(P)로 균등하게 이격된다. 인접한 나노필러의 중심 간격은 필러의 변동 직경에도 불구하고 일정할 수 있다. 여기에서 설명된 바와 같이, 나노필러의 치수, 패턴 및 간격은 타겟 편향 패턴(예컨대, 편향각, 분산, 시준, 수렴 등) 및 주파수 응답(예컨대, 광학 방사선의 타겟 동작 대역폭)을 달성하도록 선택된다.
도 16b는 일 실시예에 따른, 타겟 편향 각도에서 편향된 광학 방사선(1675)으로 입사 광학 방사선(1670)을 반사하도록 동작하는 도 16a의 메타렌즈(1600)의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 16c는 일 실시예에 따른, 타겟 편향 각도에서 편향된 광학 방사선(1676)으로 입사 광학 방사선(1671)을 투과적으로 조정하는 도 16a의 메타렌즈(1600)의 예시적인 블록도를 도시한다.
각각의 반복 패턴에서 필러의 수는 특정 주파수 및 타겟 편향 각도에 따라 달라질 수 있다. 중심 간격(P), 높이(H) 및 직경(D)의 다음의 특정 예시는 기판 상의 나노필러의 반복 패턴의 도시된 예시를 포함하여, 편향기 요소의 다양한 패턴과 관련된다. 일 특정 실시예에 따르면, 녹색 메타렌즈의 편향기 요소는 약 550 나노미터의 파장을 갖는 녹색 광에 대해 약 260 나노미터의 높이(H) 및 약 180 나노미터의 중심 간격(P)을 가질 수 있다. 높이(H) 및 중심 간격(P)은 녹색 광의 특정 주파수 또는 주파수 범위에 따라 조정되거나 지정될 수 있다.
일 실시예에서, 녹색 메타렌즈에서 나노필러의 직경(D)은 2π 범위를 초과하는 위상 시프트에 도달하기 위해 약 80 나노미터에서 140 나노미터 사이의 범위일 수 있다. 녹색 메타렌즈에서 나노필러의 반복 행의 2차원 배열을 가로지르는 위상 시프트의 타겟 패턴은 녹색 광에 대한 타겟 편향 패턴을 달성하도록 선택될 수 있다. 광의 다른 주파수는 메타렌즈에 의해 영향을 받지 않을 수 있다(예컨대, 편향되지 않고 메타렌즈를 통과함). 또한, 변동 직경의 반복되는 나노필러의 각 열에서 나노필러의 수는 타겟 편향 패턴 및 녹색 광의 특정 주파수 또는 주파수 범위에 기초하여 결정될 수 있다. 변동 직경의 나노필러의 반복 패턴의 행과 열의 총 수는 녹색 메타렌즈의 총 길이와 폭에 의존할 수 있다. 예컨대, 메타렌즈는 타겟 애퍼처 또는 이미징 시스템의 F-스톱에 따라 크기가 조정될 수 있다.
청색 메타렌즈의 편향기 요소는 약 490 나노미터의 파장을 갖는 청색 광에 대해 약 260 나노미터의 높이(H) 및 약 180 나노미터의 중심 간격을 가질 수 있다. 다시, 높이(H) 및 중심 간격(P)은 청색 광의 특정 주파수 또는 주파수 범위에 기초하여 조정되거나 지정될 수 있다. 청색 메타렌즈에서 나노필러의 각각의 반복 행의 나노필러의 직경(D)은 2π 범위를 초과하는 위상 시프트에 도달하기 위해 약 40 나노미터에서 140 나노미터 사이의 범위일 수 있다. 청색 메타렌즈에서 나노필러의 반복 행의 2차원 배열을 가로지르는 위상 시프트의 타겟 패턴은 타겟 편향 패턴(예컨대, 반사각, 회절각, 굴절각)을 달성하도록 선택될 수 있다. 또한, 변동 직경의 반복되는 나노필러의 각 행에서 나노필러의 수는 타겟 편향 패턴 및/또는 청색 광의 특정 주파수 또는 주파수 범위에 기초하여 결정될 수 있다. 변동 치수의 나노필러 반복 패턴의 행과 열의 총 수는 청색 메타렌즈의 총 길이와 폭에 의존할 수 있다.
도시된 예시 실시예에서, 적색 메타렌즈의 편향기 요소는 약 635 나노미터의 파장을 갖는 적색 광에 대하여 약 260 나노미터의 높이(H) 및 약 230 나노미터의 중심 간격(P)을 가질 수 있다. 다시, 높이(H) 및 중심 간격(P)은 적색 광의 특정 주파수 또는 주파수 범위에 기초하여 조정되거나 지정될 수 있다. 적색 메타렌즈의 총 크기(예컨대, 길이 및 폭 또는 직경)는 이미징 시스템(예컨대, 망원경 또는 카메라)의 타겟 애퍼처 또는 타겟 F-스톱을 제공하도록 크기가 조정될 수 있다.
적색 메타렌즈의 나노필러의 각 반복 행에서 나노필러의 직경(D)은 2π 범위를 초과하는 위상 시프트에 도달하기 위해 약 100 나노미터에서 210 나노미터 사이의 범위일 수 있다. 적색 메타렌즈에서 나노필러의 반복 행의 2차원 배열을 가로지르는 위상 시프트의 타겟 패턴은 협대역의 광에 대한 타겟 편향 패턴(예컨대, 반사각, 회절각, 또는 굴절각)을 달성하도록 선택될 수 있다. 또한, 변동 직경의 반복되는 나노필러의 각 행에서 나노필러의 수는 타겟 편향 패턴 및/또는 적색 광의 특정 주파수 또는 주파수 범위에 기초하여 결정될 수 있다. 변동 치수의 나노필러의 반복 패턴의 행과 열의 총 수는 적색 메타렌즈(943)의 타겟 직경에 의존할 수 있다.
도시된 예시에서, 전술한 바와 같이, 적색, 녹색 및 청색 메타렌즈 각각에 대한 나노필러의 높이는 동일하다. 대안적인 실시예에서, 각각의 상이한 컬러 메타렌즈의 나노필러의 높이는 상이할 수 있다. 여기에서 설명된 예시적인 메타렌즈는 RGB 디지털 이미지 센서를 위한 것이다. 그러나, 3개 이상의 색을 사용하여 이미지를 재구성하는 디지털 이미지 센서(예컨대, RGBY, RGBW 또는 RGBYC 픽셀 및 서브픽셀을 사용하는 것과 같은 멀티프라이머리 디지털 이미지 센서)와 같이 대안적인 디지털 이미지 센서 색채 설계(color scheme)가 가능하다는 것이 이해된다.
동심원 나노필러의 링은 여기에서 설명된 바와 같이, 인접한 링의 인접한 나노필러로부터, 중심 간격(P)으로 이격될 수 있으며, 일정할 수 있다. 일부 실시예에서, 인접한 링에서 인접한 나노필러의 중심 간격(P)은 편향(예컨대, 굴절, 회절 또는 반사)될 광의 주파수의 함수일 수 있다. 따라서, 청색 메타렌즈에 대한 인접한 나노필러의 중심 간격(P)은 적색 또는 녹색 메타렌즈에 대한 인접한 나노필러의 중심 간격(P)과 상이할 수 있다.
인접한 나노필러 링에서 나노필러 사이의 간격은 메타렌즈의 개별 나노필러의 링에서 인접한 나노필러의 중심 간격(P)과 동일할 수 있다. 대안적으로, 인접한 나노필러의 링에서 나노필러 사이의 간격은 메타렌즈의 개별 나노필러의 링에서 인접한 나노필러의 중심 간격(P)과 상이할 수 있다.
도 17a는 일 실시예에 따른, 적색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀(1700)을 도시한다. 도시된 바와 같이, poly-Si 실린더형 편향기 요소(1705)는 280 나노미터의 높이로 SiO2 기판(1703)으로부터 연장된다. 적색 메타렌즈 서브픽셀을 형성하는 단위 셀 어레이의 중심 요소 간 간격은 270 나노미터일 수 있다. 적색 메타렌즈 서브픽셀은 2π 범위를 초과하는 위상 시프트를 달성하기 위해 80 나노미터에서 180 나노미터 범위의 직경을 갖는 편향기 요소(1705)를 갖는 단위 셀을 포함할 수 있다.
도 17b는 일 실시예에 따른, 약 650 나노미터의 파장을 갖는 LED 디스플레이의 적색 서브픽셀에 대한 메타렌즈의 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경(X-축)에 대한 투과 효율 값(Y-축)의 그래프를 도시한다.
도 17c는 일 실시예에 따른, 적색 서브픽셀에 대한 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경(X-축)에 대한 다양한 위상 시프트 값(Y-축)의 그래프를 도시한다. 도시된 바와 같이, 편향기 요소 직경의 다양한 가능한 범위는 2π의 위상 시프트 범위를 달성하는 데 사용될 수 있다.
도 17d는 도 17a의 예시적인 적색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다. 도시된 바와 같이, 1차 회절의 회절 효율은 약 80%이다.
도 18a는 일 실시예에 따른, 녹색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀(1800)을 도시한다. 도시된 예시에서, poly-Si 실린더형 편향기 요소(1805)는 280 나노미터의 높이를 갖는 SiO2 기판(1803)으로부터 연장된다. 녹색 메타렌즈 서브픽셀을 형성하는 단위 셀 어레이의 중심 요소 간 간격은 270 나노미터일 수 있다. 따라서, 적색(도 17a의 1703) 및 녹색(도 18a의 1803) 편향기 요소의 편향기 요소의 요소 간 간격 및 높이는 동일할 수 있다. 그러나, 녹색 메타렌즈 서브픽셀은 2π 범위에 접근하는 위상 시프트를 달성하기 위해 80 나노미터 내지 140 나노미터 범위의 직경을 갖는 편향기 요소(1805)를 가진 단위 셀을 포함할 수 있다. 2π 미만의 위상 시프트 범위가 충분한 응용에서는 더 작은 범위의 직경을 이용할 수 있다.
도 18b는 일 실시예에 따른, 약 535 나노미터의 파장을 갖는 LED 디스플레이의 녹색 서브픽셀에 대한 메타렌즈의 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경(X-축)에 대한 투과 효율 값(Y-축)의 그래프를 도시한다. 도시된 바와 같이, 상대적으로 높은 투과 효율을 유지하면서, 120나노미터에서 190나노미터 사이의 직경 범위가 사용될 수 있다.
도 18c는 일 실시예에 따른, 녹색 서브픽셀에 대한 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경(X-축)에 대한 다양한 위상 시프트 값(Y-축)의 그래프를 도시한다.
도 18d는 도 18a의 예시적인 녹색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다. 도시된 바와 같이, 1차 회절의 회절 효율은 약 80%이다.
도 19a는 일 실시예에 따른, 청색 메타렌즈 서브픽셀의 예시적인 단위 셀(1900)을 도시한다. 도시된 예시에서, poly-Si 실린더형 편향기 요소(1905)는 280 나노미터의 높이를 갖는 SiO2 기판(1903)으로부터 연장된다. 청색 메타렌즈 서브픽셀을 형성하는 단위 셀 어레이의 중심 요소 간 간격은 230 나노미터일 수 있다. 청색 메타렌즈 서브픽셀은 2π 범위에 접근하는 위상 시프트를 달성하기 위해 40 나노미터 내지 140 나노미터 범위의 직경을 갖는 편향기 요소(1905)를 갖는 단위 셀을 포함할 수 있다.
도 19b는 일 실시예에 따른, 약 490 나노미터의 파장을 갖는 LED 디스플레이의 청색 서브픽셀에 대한 메타렌즈의 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경(X-축)에 대한 투과 효율 값(Y-축)의 그래프를 도시한다.
도 19c는 일 실시예에 따른, 청색 서브픽셀에 대한 실린더형 편향기 요소의 다양한 직경(X축)에 대한 다양한 위상 시프트 값(Y축)의 그래프를 도시한다.
도 19d는 도 19a의 예시적인 청색 메타렌즈 서브픽셀에 대한 단위 셀에서 실린더형 편향기 요소의 다양한 회절 차수에서의 회절 효율을 도시한다. 도시된 바와 같이, 1차 회절의 회절 효율은 청색 단위 셀에 대해 약 85%이다.
도 20a-20g는 일 실시예에 따른, 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 어레이로 메타렌즈를 제조하기 위한 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 20a는 클리닝되는, 용융 실리카 기판과 같은 기판을 예시한다.
도 20b는 용융 실리카 상에 증착된 폴리실리콘을 도시한다. 예컨대, SiH4를 이용하는 LPCVD 공정과 같은 저압 화학 기상 증착 공정(LPCVD)이 용융 실리카 기판 상에 폴리실리콘층을 증착하는데 사용될 수 있다. 언급한 바와 같이, 폴리실리콘은 흡수 손실을 감소시키기에 충분한 시간 동안 적절한 온도에서 어닐링되어 완성된 메타렌즈의 전송 효율을 향상시킨다. 예컨대, 폴리실리콘은 폴리실리콘의 두께, 타겟 동작 주파수 대역 및 기타 타겟 특성 기능에 따라 섭씨 900도에서 1100도 사이의 온도에서 30분에서 90분 사이의 시간 기간 동안 어닐링될 수 있다. 예컨대, 폴리실리콘을 불활성 분위기 가스(예컨대, 아르곤, N2 등)에서 섭씨 1000도 이상의 온도에서 1시간 이상 어닐링하여 더 짧은 파장에서 흡광 계수를 낮춤으로써 폴리실리콘의 광학적 특성을 개선할 수 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition: PECVD), 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(high-density plasma chemical vapor deposition: HDPCVD), 및/또는 다양한 대안적인 화학 기상 증착(CVD) 프로세스 중 임의의 것이 용융 실리카 기판(또는 다른 적합한 기판 재료) 상의 poly-Si 층(또는 다른 적합한 재료)을 증착하기 위해 이용될 수 있다.
도 20C는 폴리실리콘 상에 증착된 포토레지스트, 코팅과 같은 레지스트를 도시한다. 일부 실시예에서, Ma-N 2403과 같은 네거티브 포토레지스트가 이용된다. 그러나, 마스킹 및 에칭 프로세스가 반전되거나 달리 수정될 수 있는 포지티브 포토레지스트를 포함하는 대안적인 포토레지스트가 이용될 수 있다는 것이 이해된다.
도 20d는 포토레지스트의 전자빔 리소그래피(e-빔 리소그래피), 포토레지스트의 현상(development), 및 포토레지스트의 하드 베이킹(예컨대, 하드 베이크된 포토레지스트 패턴을 생성하기 위한)을 도시한다. 포토레지스트는 완성된 메타렌즈의 필러 직경의 타겟 어레이에 해당하는 마스크 패턴으로 특별히 현상된다. 필러의 타겟 어레이는 여기서 또는 이전에 인용되고 참조로 포함된 간행물에서 고려되고 설명된 임의의 반사, 회절, 굴절 또는 필터링 메타렌즈 설계에 따라 파장의 타겟 범위에 대한 특정 편향 응답을 얻기 위해 선택된 직경 패턴을 갖는 필러의 2차원 어레이일 수 있다.
도 20E는 폴리실리콘의 부분적 에칭을 도시한다. 이 제1 에칭은 상단의 포토레지스트 캡으로 보호되는 필러 사이의 폴리실리콘 재료의 일부를 제거하지만 폴리실리콘을 용융 실리카 기판까지 완전히 에칭하지는 않는다. 이와 같이, 이 부분 에칭은 인접한 부분적으로 형성된 필러 사이에 에칭되지 않은 폴리실리콘 층과 함께 부분적으로 형성된 폴리실리콘 필러(또는 나노필러)를 생성한다. 다양한 실시예에 따르면, 이 제1 에칭은 HBr 및/또는 Cl2를 사용하는 RIE 프로세스와 같은 반응성 이온 에칭(RIE) 프로세스를 포함할 수 있다.
도 20f는 기판을 따라 부분적으로 형성된 폴리실리콘 필러 및 에칭되지 않은 폴리실리콘층을 노출시키기 위해 포토레지스트 마스크 층을 제거하는 것을 도시한다. 포토레지스트 제거 프로세스는 예컨대, O2 플라즈마 제거, H2 플라즈마 제거, 1-메틸-2-피롤리돈(1-methyl-2-pyrrolidone, NMP) 도포, DMSO(dimethyl sulfoxide) 도포, 이들의 조합, 및/또는 대안적인 포토레지스트 제거 프로세스를 포함할 수 있다.
도 20g는 폴리실리콘의 에칭되지 않은 층을 제거하고 기판으로부터 연장되는 완성된 폴리실리콘 필러의 형성을 마무리하기 위한 폴리실리콘의 제2 에칭을 도시한다. 폴리실리콘의 이 제2 에칭은 도 20F에서 부분적으로 형성된 폴리실리콘 필러의 높이를 약간 감소시킬 수 있다. 이렇게 하면 완성된 폴리실리콘 필러에서 남아 있는 포토레지스트가 완전히 제거되도록 한다. 2단계 에칭 프로세스를 통해 제2 에칭으로 필러의 높이를 설정하여 타겟 필러 높이를 획득하는 것이 가능해진다. 여기에 상세히 기재된 바와 같이, 포토레지스트는 제1 에칭(도 20E)과 제2 에칭(도 20G) 사이에서 제거된다(도 20F).
도 21a-21f는 일 실시예에 따른, 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 어레이로 메타렌즈를 제조하기 위한 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 21a에서, 용융 실리카 기판이 클리닝된다. 도 21b에서, poly-Si 층은 용융 실리카 기판 상에 증착된다. 예컨대, poly-Si 층은 저압 화학 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition: LPCVD) 공정을 사용하여 증착될 수 있다. 다른 실시예에서, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition: PECVD), 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(high-density plasma chemical vapor deposition: HDPCVD), 및/또는 다양한 대안적인 화학 기상 증착(CVD) 프로세스 중 임의의 것이 용융 실리카 기판(또는 다른 적합한 기판 재료) 상의 poly-Si 층(또는 다른 적합한 재료)을 증착하기 위해 이용될 수 있다. poly-Si 층은 210 나노미터와 250 나노미터 사이(예컨대, 230 나노미터)의 두께로 증착될 수 있다.
그 다음 폴리실리콘은 어닐링되어 흡수 손실을 감소시키고 이로써 완성된 메타렌즈의 투과 효율을 개선한다. 즉, 단순히 폴리실리콘을 어닐링하거나 안정화시키기 위한 것이 아닌, 타겟 동작 대역폭 내에서 광학 방사선의 흡수 손실을 감소시키려는 특정한 목적을 위해 적절한 온도 및 충분한 시간 동안 어닐링 공정이 구현된다. 다양한 실시예에서, 광학 주파수와 함께 사용하기에 일반적으로 실용적인 것으로 간주되지 않는 폴리실리콘은 어닐링되어 흡수 손실을 35% 만큼 감소시켜 폴리실리콘을 광학 주파수와 함께 사용하기에 적합하게 만든다.
도 21c에 도시된 바와 같이, 리소그래피를 위한 포토레지스트 또는 다른 레지스트가 증착된 poly-Si 층 상에 코팅될 수 있다. 도 21d서, E-빔 리소그래피(EBL) 또는 다른 나노리소그래피 접근법과 같은 리소그래피 프로세스는 메타렌즈에 포함될 편향기 요소 직경의 패턴을 정의하는 데 사용된다. 여기에서 설명된 바와 같이, 편향기 요소 직경의 패턴은 1회 이상 반복될 수 있고, 편향기 요소 직경의 패턴은 타겟 동작 대역폭 내의 광학 방사선에 대한 타겟 편향 패턴을 제공하도록 선택될 수 있다.
도 21e에 도시된 바와 같이, 레지스트가 현상되지 않은 poly-Si를 에칭하기 위해 반응성 이온 에칭이 이용될 수 있다. 도 21f에서, 레지스트는 용융 실리카 기판으로부터 연장되는 poly-Si 필러(또는 다른 형상의 편향기 요소)를 나타내기 위해 제거될 수 있다. 도 21a-e의 측면도는 필러의 1차원 행을 보여주지만, 필러의 2차원 어레이를 제조하기 위해 동일한 프로세스가 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 제조 공정은 각각의 메타렌즈 픽셀 또는 메타렌즈 서브픽셀을 개별적으로 제조하는 데 사용될 수 있으며, 그 후에 개별 메타렌즈 픽셀 또는 메타렌즈 서브픽셀이 함께 결합될 수 있다. 대안적으로, 제조 공정은 단일 유닛으로서 메타렌즈 픽셀 또는 메타렌즈 서브픽셀의 완전한 2차원 어레이를 제조하는 데 사용될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 메타렌즈 패턴은 타겟 반사 패턴에 대응하는 다양한 직경의 필러의 직사각형(예컨대, 정사각형) 어레이를 포함한다. 경우에 따라 제조 방식은 필러 어레이를 갖는 직사각형 셀의 최대 크기를 제한할 수 있다. 예컨대, 주어진 제조 공정(예컨대, CMOS 공정)을 사용하여 각 면이 약 1 센티미터인 타일을 제조할 수 있다. 그런 다음 이러한 타일을 여러 개 결합하여 타겟 길이와 폭을 갖는 직사각형 애퍼처를 갖는 메타렌즈를 형성할 수 있다. 여기서 전자 빔 리소그래피는 때때로 미크론 또는 가능하면 밀리미터 스케일로 제조하는 장치로 제한되며, 동일한 필러 직경 어레이의 반복적인 타일링은 인접한 타일을 결합하여 훨씬 더 큰 장치를 제조할 수 있게 한다.
예컨대, 필러 어레이는 미크론 또는 밀리미터 스케일의 애퍼처 내에 맞도록 다양한 직경으로 정의될 수 있다. 패턴은 훨씬 더 큰 장치를 생성하기 위해 제조 중에 필요한 만큼 많이 반복될 수 있다. 예컨대, CMOS 프로세스는 약 1.2 제곱센티미터의 메타렌즈를 생성하는 데 사용될 수 있다. 300-밀리미터 웨이퍼는 직사각형이고 크기가 약 1 제곱센티미터까지 변하는 복수의 개별 메타렌즈를 생성하기 위해 CMOS 공정에서 사용될 수 있다. CMOS 제조 기술을 사용하여 제조하는 메타렌즈는 휴대폰, 컴퓨터, 개인용 전자 장치, 카메라 등과 같은 소형 전자 장치에 사용하기에 적합하게 크기가 조정될 수 있다.
반면, 심자외선(deep ultraviolet) 리소그래피는 300-밀리미터 웨이퍼의 전체 표면에 메타렌즈를 생성하는 데 사용될 수 있다. 다시, 매우 작은 정사각형 타일(예컨대, 미크론 또는 밀리미터 스케일)은 실리콘 웨이퍼의 표면 상에 직사각형 메타렌즈를 생성하기 위해 심자외선 리소그래피 프로세스를 사용하여 필요한 만큼 여러 번 복제될 수 있다. 인공위성 또는 다른 이미징 장치용 디스플레이 광학 장치는 심자외선 리소그래피 기술을 사용하여 제조된 상대적으로 큰 메타렌즈를 사용할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 타일은 나노임프린트 리소그래피 프로세스에서 복제되어 (예컨대, 디지털 디스플레이 애플리케이션 또는 대형 광학 이미징 애플리케이션을 위해) 1제곱미터 이상의 메타렌즈를 생성할 수 있다. 나노임프린트 리소그래피 프로세스는 타겟 길이와 폭을 갖는 메타렌즈를 생성하는 데 필요한 만큼 여러 번 변동 직경을 갖는 필러의 어레이를 정의하는 기본 타일의 복제를 허용한다. 예컨대, 메타렌즈는 RGB 디스플레이 바로 위에 또는 디지털 이미징 센서 바로 위에 나노임프린트 리소그래피를 사용하여 제조될 수 있다. RGB 디스플레이 상단에서 제조된 메타렌즈는 각 개별 LED의 광을 디스플레이 평면에 수직인 타겟 방향으로 편향시킬 수 있다. 메타렌즈는 각 픽셀의 유효 밝기를 증가시키고 개별 적색, 녹색 및 청색 서브픽셀 간의 혼선을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 청색 서브픽셀(또는 다른 컬러 채널 서브픽셀)과 연관된 메타렌즈는 RGB 디스플레이의 오프-앵글 보기에서 산란된 광의 양을 수정하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 청색 광은 적색 및 녹색 색상 채널보다 오프-앵글로(예컨대, 디스플레이 평면에 수직이 아닌 다른 방향으로) 산란할 수 있다. 따라서, RGB 디스플레이의 뷰어는 오프 앵글 뷰잉 중 청색 스펙트럼으로의 컬러 시프트를 인지할 수 있다. 따라서, RGB 디스플레이 상의 메타렌즈는 각각의 적색, 녹색 및 청색 서브픽셀로부터 오프-앵글로 산란된 빛의 양을 정규화하거나 균등화하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 각각의 메타렌즈의 필러 어레이의 디자인은 특정 제조 공정과의 호환성을 위해 선택된다. 예컨대, 각 필러의 직경(또는 폭)에 대한 각 필러의 높이의 비율은 3 미만일 수 있다. CMOS 프로세스는 그러한 종횡비를 갖는 특징을 리소그래피적으로 정의하고 에칭하는 데 사용될 수 있다. 유사하게 폴리실리콘은 일반적으로 CMOS 호환 가능한 것으로 간주되는 반면, 이산화티타늄과 같은 다른 재료는 제조 공정 호환성을 유지하기 위해 메타렌즈를 제조하는 데 사용되지 않는다.
도 22a는 일 실시예에 따라 이미징 센서 상에 오버레이된 메타렌즈로 구현된 베이어형 컬러 필터(2200)의 예를 도시한다. 도시된 예에서는 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터가 서로 다른 음영을 사용하여 도시된다. 일부 실시예에서, 여기에 기술된 메타렌즈는 디지털 이미징 센서의 기존 컬러 필터(베이어형 컬러 필터와 같은)를 활용할 수 있다. 예컨대, 녹색 주파수 응답을 갖는 이산(discrete) 메타렌즈는 디지털 이미지 센서 상의 기존 컬러 필터 어레이의 녹색 서브픽셀 컬러 필터 상에 광학 방사선을 포커싱하기 위해 매핑될 수 있다. 유사하게, 적색 및 청색 주파수 응답을 갖는 메타렌즈는 각각 디지털 이미징 센서 또는 LED 디스플레이 상의 기존 컬러 필터 어레이의 적색 및 청색 서브픽셀 컬러 필터에 광학 방사선을 포커싱하거나 또는 직접 지향시키도록 매핑될 수 있다.
도 22b는 일 실시예에 따라, 메타렌즈로 구현된 협대역 픽셀 매핑 컬러 필터(2201)의 예를 도시한다. 메타렌즈 또는 메타렌즈 어레이는 전통적인 컬러 필터 어레이가 없는 디지털 이미징 센서와 함께 활용될 수 있다. 예시된 실시예에서, 메타렌즈의 적색, 녹색 및 청색 픽셀 매핑은 디지털 이미징 센서의 기본 서브픽셀 검출기에 대한 일대일 매핑에서 사용된다.
예컨대, 3개의 적색 메타렌즈(검은색) 각각은 디지털 이미징 센서의 해당 기본 적색 서브픽셀 검출기 요소에 매핑된다. 유사하게, 3개의 녹색 메타렌즈(대각선 크로스해칭)는 각각 디지털 이미징 센서의 고유한 녹색 서브픽셀 검출기 요소에 매핑되고, 3개의 청색 메타렌즈(수직 및 수평 크로스해칭) 각각은 디지털 이미징 센서의 고유한 청색 서브픽셀 검출기 요소에 매핑된다. 각 메타렌즈의 유효 대역폭(예: 3Db 대역폭)은 50-80 나노미터 범위일 수 있다. 따라서 650 나노미터를 중심으로 하는 적색 메타렌즈는 예컨대 625 나노미터와 675 나노미터 사이의 광학 방사선을 전송할 수 있다. 예컨대, 535 및 490 나노미터에 각각 중심을 둔 녹색 및 청색 메타렌즈 각각은 유사한 대역폭의 광학 방사선을 디지털 이미징 센서의 기본 서브픽셀 검출기 요소로 전송할 수 있다.
도 23은 일 실시예에 따라, 메타렌즈로 구현된 서브픽셀 다중대역 컬러 필터(2300)의 예를 도시한다. 서브픽셀 다중대역 컬러 필터(2300)에서, 도 22b로부터의 각각의 메타렌즈는 9개의 서브픽셀 메타렌즈의 어레이로 대체되었다. 기본 디지털 이미징 센서는 여전히 9개의 서브픽셀 검출기 요소만 포함할 수 있다. 이와 같이, 9개의 서브픽셀 메타렌즈의 각 어레이는 디지털 이미징 센서의 단일 서브픽셀 검출기 요소 상으로 광학 방사선을 지향시킨다.
예컨대, 도 22b의 적색 메타렌즈(2210)는 9개의 서브픽셀 메타렌즈(2310)의 어레이로 대체된다. 중앙 서브픽셀 메타렌즈는 650 나노미터의 중심 작동 대역폭을 나타낸다. 주변 8개의 서브픽셀 메타렌즈는 도시된 것처럼 중앙 서브픽셀 메타렌즈로부터 -20, -15, -10, -5, +5, +10, +15 및 +20 나노미터만큼 오프셋된 파장을 중심으로 동작 대역폭을 갖는다. 집합적으로, 9-서브픽셀 메타렌즈(2310)의 어레이는 (도 23에서와 같이) 단일 메타렌즈를 사용하여 가능한 것보다 디지털 이미징 센서의 기본 서브픽셀 검출기 요소에 광학 방사선의 더 넓은 대역폭을 전송한다. 위의 50 나노미터의 예시적인 유효 동작 대역폭을 사용하여, 예시된 9개의 서브픽셀 메타렌즈(2310)는 605와 695 사이의 광학 방사선을 디지털 이미징 센서의 기본 서브픽셀 검출기 요소로 전송할 수 있다.
도 23의 각각의 메타렌즈는 N 서브픽셀 메타렌즈의 어레이로 대체될 수 있으며, 여기서 N은 2보다 큰 정수 값이다. 각각의 서브픽셀 메타렌즈의 튜닝 주파수 오프셋은 타겟 집합 동작 대역폭을 달성하도록 선택될 수 있다.
도 24는 일 실시예에 따라 메타렌즈로 구현된 서브파장 다중대역 컬러 필터(2400)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 서브파장 다중대역 컬러 필터(2400)는 서브파장 크기의 적색, 녹색 및 청색에 대한 메타렌즈 필터를 포함한다. 도 9a-9c와 관련하여 기술된 바와 같이, 서브파장 다중대역 컬러 필터(2400)는 적색, 녹색 및 청색 광 방사선을 기본 디지털 이미징 센서의 대응하는 서브픽셀 검출기 요소로 지향시키는 편평한 프리즘의 2차원 어레이로서 효과적으로 동작할 수 있다.
도 25는 일 실시예에 따라 도파관(2560)과 함께 입력 메타렌즈 커플러(2565) 및 출력 메타렌즈 커플러(2566)를 이용하는 예시적인 디스플레이 시스템(2500)을 도시한다. 예시된 바와 같이, 제어기(2501) 및 RGB 레이저 조립체(2503)는 RGB 디스플레이를 생성하는 디스플레이 엔진(2570)에 광학 방사선을 전송한다. 입력 메타렌즈 커플러(2565)는 도파관(2560)의 길이를 따라 전송하기 위해 생성된 RGB 광학 방사선을 결합한다. 출력 메타렌즈 커플러(2566)는 전송된 광학 방사선을 수신하고 이를 사용자의 눈(2514)에 의한 시각화를 위해 (예컨대, 타겟 평면에 대한 주파수 선택적 포커싱을 통해) 도파관(2560)으로부터 분리한다.
본 개시는 최상의 모드를 포함하는 다양한 실시예를 참조하여 이루어졌다. 그러나, 당업자는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다양한 실시예에 대한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 본 개시의 원리가 다양한 실시예에 도시되어 있지만, 구조, 배열, 비율, 요소, 재료 및 컴포넌트의 많은 수정이 본 개시의 원리 및 범위를 벗어나지 않고 특정 환경 및/또는 동작 요건에 맞게 적응될 수 있다. 이들 및 다른 변경 또는 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
본 개시는 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 그러한 모든 수정은 그의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 마찬가지로, 이점, 다른 장점 및 문제에 대한 해결책이 다양한 실시예에 대해 전술되었다. 그러나 이점, 장점, 문제에 대한 해결책 및 이점, 장점 또는 해결책을 발생시키거나 더 뚜렷하게 만들 수 있는 임의의 요소(들)는 중요하거나 필요하거나 필수적인 기능이나 요소로 해석되지 않는다.
Claims (23)
- 메타렌즈를 제조하기 위한 방법으로서,
기판 상에 폴리실리콘을 증착하는 단계;
타겟 동작 주파수 대역 내에서 흡수 손실을 줄이고 광학 방사선의 투과 효율을 개선하기 위해 상기 기판 상에 증착된 폴리실리콘을 어닐링하는 단계;
상기 어닐링된 폴리실리콘을 포토레지스트로 코팅하는 단계;
메타렌즈의 필러 직경의 타겟 어레이에 대응하는 마스크 패턴으로 상기 포토레지스트를 현상하는 단계; 및
현상된 포토레지스트 마스크 패턴에 따라 상기 폴리실리콘을 에칭하여 타겟 높이로 상기 기판으로부터 연장되는 폴리실리콘 필러를 생성하는 단계를 포함하며,
각 필러의 높이는 각 필러의 폭 또는 반경의 약 3배 미만인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 용융 실리카를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 폴리실리콘을 증착하는 단계는 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정을 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 포토레지스트는 네거티브 포토레지스트를 포함하고, 상기 포토레지스트를 현상하는 단계는 전자빔 리소그래피 공정 및 하드 베이크 공정을 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
흡수 손실을 줄이고 투과 효율을 개선하기 위해 상기 기판 상에 상기 증착된 폴리실리콘을 어닐링하는 단계는 섭씨 900도 내지 1100도 사이의 온도에서 30분 내지 90분의 시간 기간 동안 어닐링하는 것을 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포토레지스트 마스크 패턴은 상기 제조된 메타렌즈가 직사각형 형상을 갖도록 필러의 직사각형 어레이에 대응하는, 방법. - 이미징 시스템으로서,
광학 방사선의 제1 대역을 검출하기 위한 제1 세트의 서브픽셀,
광학 방사선의 제2 대역을 검출하기 위한 제2 세트의 서브픽셀, 및
광학 방사선의 제3 대역을 검출하기 위한 제3 세트의 서브픽셀;을 적어도 포함하는 복수의 서브픽셀을 갖는 다중픽셀 디지털 이미지 센서; 및
상기 제1, 제2 및 제3 대역 각각에서 광학 방사선을 포함하는 광학 방사선을수신하고,
상기 제1 대역의 광학 방사선을 상기 제1 세트의 서브픽셀로 지향시키고,
상기 제2 대역의 광학 방사선을 상기 제2 세트의 서브픽셀로 지향시키고, 그리고
상기 제3 대역의 광학 방사선을 상기 제3 세트의 서브픽셀로 지향시키도록,
메타렌즈 필터층을 유발시키기 위해 선택된 편향기 요소 직경 및 요소 간 중심 간격의 반복 패턴을 갖는 기판으로부터 연장되는 복수의 서브파장 편향기 요소를 포함하는 메타렌즈 필터층을 포함하며,
각 패시브 편향기 요소는 광학 방사선의 상기 제1, 제2 및 제3 대역에서 각각 가장 작은 파장보다 작은 높이 및 폭을 갖는, 이미징 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 다중픽셀 디지털 이미징 센서는 적색, 녹색, 청색 (RGB) 디지털 이미지 센서를 포함하고,
광학 방사선의 상기 제1 대역은 적색을 포함하고, 광학 방사선의 상기 제2 대역은 녹색을 포함하며, 광학 방사선의 상기 제3 대역은 청색을 포함하는, 이미징 시스템. - 광학 메타렌즈 프리즘으로서,
제1 방향으로 제1 파장을 갖는 수신된 광학 방사선을 지향시키기 위해 편향기 요소 직경의 제1 반복 패턴을 갖는 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 제1 어레이;
제2 방향으로 제2 파장을 갖는 수신된 광학 방사선을 지향시키기 위해 편향기 요소 직경의 제2 반복 패턴을 갖는 상기 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 제2 어레이; 및
제3 방향으로 제3 파장을 갖는 수신된 광학 방사선을 지향시키기 위해 편향기 요소 직경의 제3 반복 패턴을 갖는 상기 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 패시브 편향기 요소의 제3 어레이를 포함하며,
상기 제1, 제2 및 제3 어레이 각각의 상기 패시브 편향기 요소의 요소 간 중심 간격은 각각 제1, 제2 및 제3 파장의 함수로서 선택되고,
각각의 패시브 편향기 요소는 각각 상기 제1, 제2 및 제3 파장 중 가장 작은 것보다 작은 높이 및 폭을 갖는, 광학 메타렌즈 프리즘. - 제9항에 있어서,
각각의 패시브 편향기 요소는 편광 독립적인, 광학 메타렌즈 프리즘. - 서브픽셀 다중대역 메타렌즈 필터로서,
제1 대역폭 내의 광학 방사선을 디지털 이미징 센서의 제1 검출기 요소로 지향시키는 제1 메타렌즈; 및
제2 대역폭 내의 광학 방사선을 상기 디지털 이미징 센서의 제2 검출기 요소로 지향시키는 제2 메타렌즈
를 포함하고,
상기 제1 메타렌즈는 상기 제1 대역폭 내의 서브세트의 파장을 각각 상기 제1 검출기 요소로 지향시키고, 집합적으로 상기 제1 대역폭 내의 모든 파장을 상기 제1 검출기 요소로 지향시키는 제1 복수의 서브픽셀 메타렌즈를 포함하고,
상기 제2 메타렌즈는 상기 제2 대역폭 내의 서브세트의 파장을 각각 상기 제2 검출기 요소로 지향시키고, 집합적으로 상기 제2 대역폭 내의 모든 파장을 상기 제2 검출기 요소로 지향시키는 제2 복수의 서브픽셀 메타렌즈를 포함하는, 서브픽셀 다중대역 메타렌즈 필터. - 제11항에 있어서,
제3 대역폭 내의 광학 방사선을 상기 디지털 이미징 센서의 제3 검출기 요소로 지향시키는 제3 메타렌즈를 더 포함하며, 상기 제3 메타렌즈는 각각 상기 제3 대역폭 내의 서브세트의 파장을 상기 제3 검출기 요소로 지향시키고, 집합적으로 상기 제3 대역폭 내의 모든 파장의 세트를 상기 제3 검출기 요소로 지향시키는 제3 복수의 서브픽셀 메타렌즈를 포함하는, 서브픽셀 다중대역 메타렌즈 필터. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 제1, 제2 및 제3 대역폭 각각은 적어도 100 나노미터 폭이고, 각각의 서브픽셀 메타렌즈는 70 나노미터 미만의 동작 대역폭을 갖는, 서브픽셀 다중대역 메타렌즈 필터. - 광학 포커싱 시스템으로서,
허용 각도보다 작은 각도에서 광학 방사선을 수신하고,
위상-시프트 편향 패턴에 따라 수신된 광학 방사선을 편향시키도록, 제1 시야를 갖는 제1 메타렌즈; 및
상기 제1 메타렌즈로부터의 편향된 광학 방사선을 포커스 평면 상으로 포커싱하도록 제2 시야를 갖는 제2 메타렌즈를 포함하며,
상기 제1 및 제2 메타렌즈는 상기 수신된 광학 방사선의 각도 정보를 보존하여 위상 시프트의 기울기 및 편향된 광학 방사선의 상기 위상 시프트의 인터셉트의 동시 제어를 통해 포커스 평면 상으로 이미지를 재구성하도록 구성되는, 광학 포커싱 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 제1 메타렌즈 및 상기 제2 메타렌즈는 넓은 스펙트럼 대역폭 및 각도 응답 내에서 색수차 및 기하학적 수차를 동시에 보정하도록 기능하는, 광학 포커싱 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 제1 메타렌즈의 상기 위상 프로파일 출력은 상기 제2 메타렌즈에 대한 상기 입력 위상 프로파일로 사용되는, 광학 포커싱 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 포커스 평면에 위치하는 직사각형 이미징 센서를 더 포함하는, 광학 포커싱 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 제1 메타렌즈는 직사각형인, 광학 포커싱 시스템. - 제18항에 있어서,
상기 제2 메타렌즈는 직사각형인, 광학 포커싱 시스템. - 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 메타렌즈는 제1 기판의 표면으로부터 연장되는 복수의 패시브 편향기 요소를 포함하고, 상기 제2 메타렌즈는 제2 기판의 표면으로부터 연장되는 제2 복수의 패시브 편향기 요소를 포함하며, 광학적으로 투과성인 벌크 재료가 상기 제1 메타렌즈 및 상기 제2 메타렌즈를 연결하는, 광학 포커싱 시스템. - 제20항에 있어서,
상기 광학적으로 투과성인 벌크 재료는 실리콘 기반인, 광학 포커싱 시스템. - 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 메타렌즈 및 제2 메타렌즈 각각은 편향기 요소 직경의 반복 패턴을 가지고 공통 기판으로부터 연장되는 변동 직경을 갖는 복수의 패시브 편향기 요소를 포함하고,
상기 패시브 편향기 요소의 요소 간 중심 간격은 상기 광학 메타렌즈의 동작 파장의 함수로서 선택되며,
각각의 패시브 편향기 요소는 상기 광학 포커싱 시스템의 동작 대역폭 내에서 가장 작은 파장보다 각각 작은 높이 및 폭을 갖는, 광학 포커싱 시스템. - 제22항에 있어서,
상기 패시브 편향기 요소는 편광-독립적인, 광학 포커싱 시스템.
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