JP2023050071A - メタ光学デバイス、光学システム、および収差補正の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 メタサーフェスを含む光学デバイスを提供する。【解決手段】 メタ光学デバイスは、メタ構造のアレイを含む。メタ構造のそれぞれは、少なくとも第１の屈折率を有する第１の層および第２の屈折率を有する第２の層を含む複数の層の積層を含む。第１の屈折率と第２の屈折率は異なる。【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、光学デバイスに関するものであり、特に、メタサーフェスを含む光学デバイスに関するものである。

近年、メタサーフェスは光学の分野で大きな注目を集めている。例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）などのイメージセンサと組み合わせて用いられることができる。ＣＩＳ製品は、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、Ｗｅｂカメラ、ノートブックセキュリティデバイス、自動車、および医療機器で用いられることができる。メタサーフェスは、電磁波（例えば、入射波）の特性を操作することができる。例えば、メタサーフェスは、レンズ、偏光子、ビーム整形装置、および可変（ｔｕｎａｂｌｅ）位相変調器として用いられることができる。また、メタサーフェスは、球面収差、色収差などを含む収差を補正するように設計されることができる。従って、画質を向上させることができる。

メタサーフェスを含む光学デバイスを提供する。

いくつかの実施形態によれば、メタ光学デバイスが提供される。メタ光学デバイスは、メタ構造のアレイを含む。メタ構造のそれぞれは、少なくとも第１の屈折率を有する第１の層および第２の屈折率を有する第２の層を含む複数の層の積層を含む。第１の屈折率と第２の屈折率は異なる。

いくつかの実施形態では、第１の屈折率と第２の屈折率間の差は、０．１～２．５の間である。また、第１の屈折率と第２の屈折率間の差は、０．３～２．０の間である。また、第１の屈折率と第２の屈折率間の差は、０．５～１．８の間である。いくつかの実施形態では、メタ構造は誘電体材料を含む。いくつかの実施形態では、積層は、第３の屈折率を有する第３の層をさらに含み、第３の屈折率は第２の屈折率と異なり、第２の層は第１の層と第３の層の間に位置する。いくつかの実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率および第３の屈折率より大きい。いくつかの実施形態では、第１の屈折率は、第３の屈折率と等しい。

いくつかの実施形態では、第１の層の第１の厚さは、第２の層の第２の厚さと異なる。いくつかの実施形態では、第１の厚さおよび第３の層の第３の厚さは、第２の厚さより大きい。いくつかの実施形態では、第１の厚さは第３の厚さと等しい。いくつかの実施形態では、メタ構造のそれぞれは、１０以下のアスペクト比を有する。いくつかの実施形態では、メタ構造のそれぞれは、上面視で、円形、楕円形、多角形、または中空多角形である形状を有する。いくつかの実施形態では、メタ構造は、長方形または六角形のアレイに配置されるいくつかの実施形態では、メタ構造は、異なる幾何形状、サイズ、または配向を含む。いくつかの実施形態では、積層は、第１の屈折率を有する複数の奇数層、および第２の屈折率を有する複数の偶数層をさらに含む。

いくつかの実施形態によれば、光学システムが提供される。光学システムは、イメージセンサおよびメタ光学デバイスを含む。イメージセンサは、複数のマイクロレンズ、およびマイクロレンズの下に配置された複数のカラーフィルタを含む。メタ光学デバイスは、カラーフィルタの上に配置される。メタ光学デバイスは、メタ構造のアレイを含み、メタ構造のそれぞれは、第１の屈折率を有する第１の層および第２の屈折率を有する第２の層を含む複数の層の積層を含む。第１の屈折率および第２の屈折率は異なる。

いくつかの実施形態では、メタ光学デバイスは、マイクロレンズおよびカラーフィルタの上、またはマイクロレンズとカラーフィルタの間に配置される。いくつかの実施形態では、メタ光学デバイスの底面とイメージセンサの上面の間の距離は、１０μｍ以下、１０μｍから１ｍｍの間、または１ｍｍから３ｍｍの間である。

いくつかの実施形態によれば、収差補正の方法が提供される。この方法は、収差補正に必要な量を計算するステップを含む。この方法は、イメージセンサの近く（しかしながら、近接場領域からは比較的遠く）に配置されたメタ光学デバイス（例えば、メタ光学デバイス１００）の所望の位置を決定するステップを含み、メタ光学デバイスとイメージセンサの間の距離は１０μｍから３ｍｍの間である。いくつかの他の実施形態では、メタ光学デバイスとイメージセンサの間の距離は１０μｍ以下である。いくつかの他の実施形態では、メタ光学デバイスは、イメージセンサ内に配置され得る。メタ光学デバイスは、メタ構造のアレイを含み、メタ構造のそれぞれは、少なくとも第１の屈折率を有する第１の層および第２の屈折率を有する第２の層を含む複数の層の積層を含み、第１の屈折率と第２の屈折率は異なる。この方法は、メタ構造の幾何形状、サイズ、または配向を決定および／または調整するステップを含む。この方法は、必要な量および所望の位置に従ってメタ光学デバイスを配置するステップをさらに含む。

いくつかの実施形態によれば、本開示は、添付の図面を参照しながら後続の詳細な説明および例によってより完全に理解することができる。
図１Ａは、メタ光学デバイスとイメージセンサの間の位置関係を概略的に示している。 図１Ｂは、メタ光学デバイスとイメージセンサの間の位置関係を概略的に示している。 図１Ｃは、メタ光学デバイスとイメージセンサの間の位置関係を概略的に示している。 図２Ａは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｂは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｃは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｄは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｅは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｆは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｇは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｈは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｉは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｊは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｋは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図２Ｌは、異なるメタ光学デバイスを概略的に示している。 図３Ａは、いくつかの異なるメタ構造の効率と入射波の波長間の関係を概略的に示している。 図３Ｂは、いくつかの異なるメタ構造の効率と入射波の波長間の関係を概略的に示している。 図３Ｃは、いくつかの異なるメタ構造の効率と入射波の波長間の関係を概略的に示している。 図３Ｄは、いくつかの異なるメタ構造の効率と入射波の波長間の関係を概略的に示している。 図３Ｅは、いくつかの異なるメタ構造の効率と入射波の波長間の関係を概略的に示している。 図４Ａは、メタ構造の幾何学的変化を概略的に示している。 図４Ｂは、メタ構造のサイズ変化を概略的に示している。 図４Ｃは、メタ構造の配向変化を概略的に示している。 図４Ｄは、約１５度の入射角を有する入射光の位相変化を概略的に示している。 図５Ａは、収差補正を行うためのシミュレーションを概略的に示している。 図５Ｂは、収差補正を行うためのシミュレーションを概略的に示している。 図５Ｃは、収差補正を行うためのシミュレーションを概略的に示している。 図５Ｄは、入射波の収差補正の結果を概略的に示している。 図５Ｅは、入射波の収差補正の結果を概略的に示している。 図６は、収差補正の方法のフローチャートである。

次の開示では、提供される主題の異なる特徴を実施するために、多くの異なる実施形態または実施例を提供する。本開示を簡潔に説明するために、複数の要素および複数の配列の特定の実施形態が以下に述べられる。これらはもちろん単に例示するためであり、それに限定するという意図はない。例えば、下記の開示において、第１の特徴が第２の特徴の「上（ｏｎ）」または「上方（ａｂｏｖｅ）」に形成されるということは、第１と第２の特徴が直接接触して形成される複数の実施形態を含むことができ、且つ第１と第２の特徴が直接接触しないように、付加的な特徴が第１と第２の特徴間に形成される複数の実施形態を含むこともできる。本明細書および特許請求の範囲で用いられる「第１」、「第２」などの序数詞は、それ自体が、ある要素の別の要素に対する優先度、序列、または順序を示唆するものではなく、むしろ、単に１つの要素を区別するために、同じ名前を有する他の要素から区別するためのラベルとして用いている。また、本開示の異なる例では、記号やアルファベットが繰り返し用いられてもよい。

さらに、「上方」およびこれらに類する語のような、空間的に相対的な用語は、図において１つの要素または特徴と、別の（複数の）要素と（複数の）特徴との関係を記述するための説明を簡潔にするために用いられる。空間的に相対的な用語は、図に記載された方向に加えて、使用または操作する装置の異なる方向を包含することを意図している。装置は、他に方向づけされてもよく（９０度回転、または他の方向に）、ここで用いられる空間的に相対的な記述は、同様にそれに応じて解釈され得る。

いくつかの実施形態によれば、光学システム１が提供される。光学システム１は、イメージセンサ２０とメタ光学デバイス１００を含む。イメージセンサ２０はカメラ１０に対応する。図１Ａから図１Ｃに示すように、図１Ａから図１Ｃは、イメージセンサ２０とメタ光学デバイス１００間の位置関係を概略的に示している。カメラ１０を通過する入射波Ｗは、イメージセンサ２０上で画像に変換されることができる。いくつかの実施形態では、イメージセンサ２０はＣＩＳであり得る。 イメージセンサ２０は、１つ以上のマイクロレンズ２１、１つ以上のカラーフィルタ２２、１つ以上の光学センサ層２３、１つ以上の絶縁（ｉｓｏｌａｔｅｄ）金属層２４、および１つ以上のシリコントランジスタ２５を含み得る。

図１Ａに示されるように、メタ光学デバイス１００は、イメージセンサ２０内に配置され得る。詳細には、図１Ａでは、メタ光学デバイス１００は、マイクロレンズ２１とカラーフィルタ２２の間に配置される。換言すれば、メタ光学デバイス１００は、マイクロレンズ２１の下方に、且つカラーフィルタ２２、光学センサ層２３、絶縁金属層２４、およびシリコントランジスタ２５の上方に配置される。

図１Ｂおよび図１Ｃに示されるように、メタ光学デバイス１００は、イメージセンサ２０の上に配置され得る。詳細には、図１Ｂおよび図１Ｃでは、メタ光学デバイス１００は、マイクロレンズ２１、カラーフィルタ２２、光学センサ層２３、絶縁金属層２４、およびシリコントランジスタ２５の上に配置される。図１Ｂと図１Ｃとの違いは、メタ光学デバイス１００が図１Ｃのイメージセンサ２０からより遠くにあることである。 また、図１Ｂでは、フィルタ５０は、メタ光学デバイス１００とイメージセンサ２０の間に配置され得る。

メタ光学デバイス１００は、位相補正および収差補正の２つの光学機能、を提供することができる。 メタ光学デバイス１００が位相補正器として用いられたとき、入射波Ｗの位相は変調され得る。メタ光学デバイス１００が収差補正器として用いられたとき、イメージセンサ２０の性能および／または画質を向上させることができる。メタ光学デバイス１００の機能は、イメージセンサ２０に対するその位置によって決めることができる。

いくつかの実施形態では、メタ光学デバイス１００がイメージセンサ２０内に配置、またはメタ光学デバイス１００が１０μｍ以下の距離内でイメージセンサ２０の上に配置されたとき、メタ光学デバイス１００は、位相補正器とも呼ばれることができる。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、破線は入射波Wの波面を表している。入射波Ｗがメタ光学デバイス１００を通過した後、傾斜した波面は水平になるように、且つカラーフィルタ２２の上面と実質的に平行になるように変えられる。即ち、入射波Wの位相が変調される。

いくつかの実施形態では、メタ光学デバイス１００がイメージセンサ２０の上に配置され、メタ光学デバイス１００とイメージセンサ２０の間の距離が１ｍｍから３ｍｍの間であるとき、メタ光学デバイス１００は、収差補正器とも呼ばれることができる。図１Ｃに示されるように、イメージセンサ２０上に形成された画像の品質は、メタ光学デバイス１００により向上させることができる。メタ光学デバイス１００とイメージセンサ２０の間の距離が１０μｍから１ｍｍの間である場合には、メタ光学デバイス１００は、位相補正器と収差補正器の組み合わせとも呼ばれることができる。

実際の要件に基づいて、イメージセンサ２０とメタ光学デバイス１００の間の位置関係は調整されてもよい。図１Ａから図１Ｃでは、光学システム１は、１つのメタ光学デバイス１００のみを含む。いくつかの他の実施形態では、光学システム１は、複数のメタ光学デバイス１００を含むことができ、いくつかのメタ光学デバイス１００は、位相補正器として用いられ、他のメタ光学デバイス１００は、収差補正器として用いられる。

以下において、同一または類似の要素は、同一または類似の記号で示されている。図２Ａから図２Ｌに示すように、図２Ａから図２Ｌは、光学デバイス１００Ａ～１００Ｌを概略的に示している。メタ光学デバイス１００Ａ～１００Ｌは、メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌのアレイを含む。メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌは、誘電体材料、金属材料などを含み得る。例えば、メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、２次元遷移金属ジカルコゲナイド（２Ｄ ＴＭＤ）、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ_２－ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＩＴＯ、Ｓｉ、ａ－Ｓｉ、 ｐ－Ｓｉ、III－V族半導体化合物、またはそれらの組み合わせで構成されてもよい。メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌは、長方形または六角形のアレイに配置されることができる。

本開示では、メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌのそれぞれは、異なる屈折率を有する積層を含む。例えば、メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌのそれぞれは、最も高い屈折率および２番目に高い屈折率をそれぞれ有する少なくとも２つの層を含むことができる。図２Ａから図２Ｌでは、異なる屈折率が異なるパターンで示されている。いくつかの実施形態では、最も高い屈折率と２番目に高い屈折率間の差は、０．１～２．５の間であることができる。いくつかの実施形態では、最も高い屈折率と２番目に高い屈折率間の差は、０．３～２．０の間である。いくつかの実施形態では、最も高い屈折率と２番目に高い屈折率間の差は、０．５～１．８の間である。この差は他の場合にも適用できることに留意されたい。例えば、いくつかの実施形態では、積層の全ての屈折率の中で最も高い屈折率および最も低い屈折率も、０．１～２．５、０．３～２．０、または０．５～１．８の間であることができる。

メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌのそれぞれの異なる屈折率により、入射波Ｗの屈折および吸収の両方が考慮され、従って、画質が向上するだけでなく、効率も向上する。効率の評価に関する詳細は、図３Ａから図３Ｅに提供される。また、多層メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌの厚さを薄くすることができる。いくつかの実施形態では、多層メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌのアスペクト比は１０以下であり、アスペクト比が比較的小さいため、製造をより実現可能にする。単層メタ構造については、単層メタ構造の屈折率が高い場合、吸収が顕著になり、効率が悪くなる可能性がある。単層メタ構造の屈折率が低い場合、単層メタ構造の厚さが大きくなり、画質が悪くなる可能性がある。

図２Ａでは、メタ構造１１０Ａのそれぞれの形状は、上面視で円形である。いくつかの他の実施形態では、メタ構造１１０Ａのそれぞれの形状は、上面図で楕円形であり得る。メタ構造１１０Ａのそれぞれは、第１の層１１１Ａ、第２の層１１２Ａ、および第３の層１１３Ａを含む。第２の層１１２Ａは、第１の層１１２Ａと第３の層１１３Ａの間に配置される。第１の層１１１Ａは、第１の屈折率を有する。第２の層１１２Ａは、第２の屈折率を有する。第１の屈折率と第２の屈折率は異なる。第３の層１１３Ａは、第３の屈折率を有する。いくつかの実施形態では、第２の層１１２Ａの第２の屈折率は、第１の層１１１Ａの第１の屈折率よりも大きい。いくつかの実施形態では、第１の層１１１Ａの第１の屈折率は、第３の層１１３Ａの第３の屈折率と等しい。

いくつかの実施形態では、第１の層１１１Ａの第１の屈折率と第２の層１１２Ａの第２の屈折率間の差は、０．１～２．５の間、例えば２．０であり得る。いくつかの実施形態では、第１の層１１１Ａの第１の屈折率と第２の層１１２Ａの第２の屈折率間の差は、０．３～２．０の間、例えば、１．７であり得る。いくつかの実施形態では、第１の層１１１Ａの第１の屈折率と第２の層１１２Ａの第２の屈折率間の差は、０．５～１．８の間、例えば、０．５であり得る。

第１の層１１１Ａは、第１の厚さＴ１を有する。 第２の層１１２Ａは、第２の厚さＴ２を有する。第３の層は、第３の厚さＴ３を有する。いくつかの実施形態では、第１の厚さＴ１は、第２の厚さＴ２と異なる。いくつかの実施形態では、第１の厚さＴ１は、第２の厚さＴ２より大きい。いくつかの実施形態では、第１の厚さＴ１は、第３の厚さＴ３と等しい。第１の厚さＴ１、第２の厚さＴ２、および第３の厚さＴ３の合計は、１μｍ以下、例えば、７００ｎｍであり得る。各メタ構造の直径Ｄは、対象の波長範囲以下、例えば、１２０ｎｍであることができる。上記のように、アスペクト比は（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）／Ｄとして定義されることができ、アスペクト比は１０以下であることができる。

図２Ｂから図２Ｄでは、図２Ａと同様に、メタ構造１１０Ｂ～１１０Ｄのそれぞれは３つの層を含み、メタ構造１１０Ｂ～１１０Ｄのそれぞれでは、形状は異なる。図２Ｂでは、メタ構造１１０Ｂのそれぞれの形状は、上面視で長方形である。図２Ｃでは、メタ構造１１０Ｃのそれぞれの形状は、上面視で五角形である。図２Ｄでは、メタ構造１１０Ｄのそれぞれの形状は、上面視で六角形である。

図２Ｅから図２Ｈでは、メタ構造１１０Ｅ～１１０Ｈのそれぞれは、中空構造である。図２Ｅでは、メタ構造１１０Ｅのそれぞれは、内部に円筒状ボア（穴）を有する円筒であり、従って、メタ構造１１０Ｅのそれぞれの形状は、上面視で内部に円形の穴を有する円形である。図２Ｆでは、メタ構造１１０Ｆのそれぞれは、内部に直方体状ボアを有する直方体であり、従って、メタ構造１１０Ｇのそれぞれの形状は、上面視で内部に長方形の穴を有する長方形である。図２Ｇでは、メタ構造１１０Ｇのそれぞれは、内部に直方体状ボアを有する円筒であり、従って、メタ構造１１０Ｇのそれぞれの形状は、上面視で内部に長方形の穴を有する円形である。図２Ｈでは、メタ構造１１０Ｈのそれぞれは、内部に円筒状ボアを有する直方体であり、従って、メタ構造１１０Ｈのそれぞれの形状は、上面視で内部に円形の穴を有する長方形である。

また、メタ構造は、図２Ｉから図２Ｌに示されるように、メタ構造１１０Ｉ～１１０Ｌなど、３層以上を含み得る。層の数が多いほど、メタ構造の全体的な厚さは薄くなる。図２Ｉでは、メタ構造１１０Ｉのそれぞれは、４つの層１１１Ｉ～１１４Ｉを含む。図２Ｊでは、メタ構造１１０Ｊのそれぞれは、５つの層１１１Ｊ～１１５Ｊを含む。図２Ｉおよび図２Ｊでは、奇数層（即ち、層１１１Ｉおよび１１３Ｉ、または層１１１Ｊ、１１３Ｊ、および１１５Ｊ）は、同じ屈折率を有し、偶数層（即ち、層１１２Ｉおよび１１４Ｉ、または層１１２Ｊおよび１１４Ｊ）は、奇数層の屈折率とは異なる同じ屈折率を有する。即ち、メタ構造１１０Ｉおよび１１０Ｊのそれぞれは、交互の配置で２つの異なる屈折率を有する。

図２Ｋおよび図２Ｌでは、メタ構造１１０Ｋおよび１１０Ｌのそれぞれは、２つ以上の異なる屈折率を有する５つの層１１１Ｋ－１１５Ｋを含む。例えば、図２Ｋでは、最も高い屈折率を有する層は、２番目に高い層１１２Ｋであり、２番目に高い層１１２Ｋに隣接する層（即ち、最も高い層１１１Ｋおよび３番目に高い層１１３Ｋ）は、異なる屈折率を有する。即ち、メタ構造１１０Ｋのそれぞれは、不規則な配置で２つ以上の異なる屈折率を有する。図２Ｌでは、最も高い屈折率を有する層は３番目に高い層１１３Ｌであり、３番目に高い層１１３Ｌに隣接する層（即ち、２番目に高い層１１２Ｌおよび４番目に高い層１１４Ｌ）は同じ屈折率を有する。さらに、層１１２Ｋの厚さは、層１１２Ｋに隣接する層（即ち、層１１１Ｋおよび層１１３Ｋ）の厚さと異なる。

要約すると、メタ構造（例えば、メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌ）のそれぞれの形状は、各メタ構造のそれぞれの各層の厚さ、メタ構造のそれぞれの層の数、屈折率間の差、屈折率の数、およびメタ構造の異なる屈折率を有する層の配置が調整されることができる。いくつかの実施形態では、メタ構造のそれぞれの形状は、上面視で、円形、楕円形、多角形、または中空多角形であり得る。いくつかの実施形態では、積層のそれぞれの厚さが制御され得る。いくつかの実施形態では、より低い屈折率を有する層の厚さが、より高い屈折率を有する層の厚さより大きくなり得る。いくつかの実施形態では、２つ以上の層があり得る。いくつかの実施形態では、層の数が増加した場合、メタ構造の総厚が減少される。いくつかの実施形態では、屈折率間の差は、０．１から２．５の間であり得る。いくつかの実施形態では、メタ構造のそれぞれは、２つ以上の屈折率を含む。いくつかの実施形態では、同じ屈折率を有する層は、交互に配置または不規則に配置されている。

次に、図３Ａから図３Ｅに示すように、図３Ａから図３Ｅは、いくつかの異なるメタ構造の入射波の効率と波長間の関係を概略的に示している。適切なメタ構造を選択するために、基準を任意に設定することができる。例えば、効率基準が特定の値以上に設定され、様々なアプリケーションに対する関心波長範囲の適用範囲および／または特定の値を見つけることができる。例えば、効率基準の特定の値は、０．６、０．８、０．９以上などに設定されることができるが、これに限定されない。効率基準の特定の値は、メタ光学デバイスの性能要件など、実際の要件に応じて設定されることができる。いくつかの実施形態では、入射波の波長の範囲が適用可能な範囲と見なされたとき、効率は、０．６よりも確実に高いが、それに限定されない。いくつかの実施形態では、波長の特定の値は、最も高い効率に従って決定され得る。

図３Ａ～図３Ｃは、屈折率間の差の影響を評価するように用いられることができる。詳細には、図３Ａから図３Ｃは、最も高い屈折率と２番目に高い屈折率間の差を除いて、全て同じパラメータを有するメタ構造から得られることができる。例えば、最も高い屈折率と２番目に高い屈折率間の差は、図３Ａにおいて最大であることができ、図３Ｃにおいて最小であることができる。例えば、最も高い屈折率と２番目に高い屈折率間の差は、それぞれ図３Ａでは約０．５、図３Ｂでは約１．７、図３Ｃでは約２．０であることができるが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態では、図３Ａは、図３Ａから図３Ｃのうち、入射波の波長の適用可能な範囲が最も広い。例えば、基準が０．６以上に設定された場合、入射波の波長の適用可能な範囲は、それぞれ図３Ａでは約４５０ｎｍ～６２０ｎｍ、図３Ｂでは約５５０ｎｍ～７００ｎｍ、図３Ｃでは約５３０ｎｍ～５８０ｎｍの間であることができる。一方、入射波が単一の入射波長のみを有する場合、入射波の波長の特定の値は、それぞれ図３Ａでは約５８０ｎｍ、図３Ｂでは約６２０ｎｍ、図３Ｃでは約６９０ｎｍであることができる。

図３Ｄおよび図３Ｅは、メタ構造の積層の配置の効果を評価するように用いられることができる。詳細には、図３Ｄおよび図３Ｅは、最も高い屈折率を有する層の位置を除いて、全て同じパラメータを有するメタ構造から得ることができる。例えば、最も高い屈折率を有する層は、図３Ｄでは２番目に高い層であることができ、図３Ｅでは、３番目に高い層であることができ、図２Ｋおよび図２Ｌに示されたメタ構造１１０Ｋおよび１１０Ｌなどであることができるが、これらに限定されない。図３Ｄおよび図３Ｅに示されるように、適用範囲および入射波の波長の特定の値は異なる。例えば、基準が０．６以上に設定された場合、入射波の波長の適用可能な範囲は、それぞれ図３Ｄでは約４１０ｎｍ～４７０ｎｍ、図３Ｅでは５００ｎｍ～６００ｎｍの間であることができる。 一方、入射波が単一の入射波長のみを有する場合、入射波の波長の特定の値は、それぞれ図３Ｄでは約４５０ｎｍ、図３Ｅでは約５４０nmであることができる。

要約すると、さまざまなアプリケーションで対象となる波長範囲（例えば、可視光は約４００ｎｍ～７５０ｎｍの波長範囲をカバーする）、必要な効率などの実際の要件に基づいて、適切なメタ構造を選択することができる。

さらに、いくつかの実施形態では、メタ構造の幾何形状、サイズ、および配向は変化し得る。図４Ａ～図４Ｃに示すように、説明を容易にするために、図４Ａから図４Ｃのメタ光学デバイス１００Ｘ～１００Ｚのメタ構造１１０Ｘ～１１０Ｚは３層構造であるが、これらに限定されない。図４Ａは、メタ構造１１０Ｘの幾何学的変化を概略的に示している。図４Ａに示されるように、メタ構造１１０Ｘのそれぞれは、異なる夾角１１５Ｘを有する２つの側面を有する。図４Ｂは、メタ構造１１０Ｙのサイズ変化を概略的に示している。図４Ｂに示されるように、メタ構造１１０Ｙは、最も大きいメタ構造１１０Ｙがメタ構造１１０Ｙのアレイの周辺領域に位置するように、徐々に拡大する。いくつかの他の実施形態では、最も大きいメタ構造１１０Ｙは、メタ構造１１０Ｙのアレイの周辺領域ではなく、中央領域に位置している。図４Ｃは、メタ構造１１０Ｚの配向変化を概略的に示している。図４Ｃに示されるように、メタ構造１１０Ｚのそれぞれは、同じ形状およびサイズを有することができるが、空間的に異なる配向を有する。いくつかの実施形態では、各メタ構造１１０Ｚは、ライン上のその前の、隣接するメタ構造１１０Ｚから同じ量（さらにΔθ度）で回転される。いくつかの実施形態では、Δθは３６０度の因数であることができる。例えば、Δθは１５度、３０度、４５度などであることができる。

メタ構造（例えば、メタ構造１１０Ａ～１１０Ｌおよびメタ構造１１０Ｘ～１１０Ｚ）の幾何形状、サイズ、および配向を調整することにより、入射波の屈曲は任意の方法で制御されることができる。図４Ｄに示すように、図４Ｄは、約１５度の入射角θ_ｉｎでの入射波Ｗの位相変化を概略的に示している。図４Ｄに示されるように、本開示のメタ光学デバイス１００により、入射波Ｗの波面が変調される。入射波Ｗの入射角θ_ｉｎは一例に過ぎないことを理解されたい。ほぼ任意の入射角を有する入射波Ｗの位相補正は達成されることができる。このような状況においては、メタ光学デバイス１００は位相補正器として用いられる。光学システム１の中央領域と比較して、入射角θ_ｉｎは、光学システム１の周辺領域では、比較的大きくなる可能性がある。従って、より大きな入射角θ_ｉｎを補正するために、光学システム１の周辺領域に配置された光学デバイス１００の数は、光学システム１の中央領域に配置された光学デバイス１００の数より多くてもよい。

次に、図５Ａから図５Ｅに示すように、メタ光学デバイス１００が収差補正器としてどのように用いられるかを理解するものである。詳細には、メタ光学デバイスのメタ構造は収差を補正することができ、例えば、メタ構造の分散は収差を補正することができる。図５Ａから図５Ｃは、収差を低減するためのシミュレーションを概略的に示している。図５Ｄおよび図５Ｅは、入射波Ｗの収差補正の結果を概略的に示している。以下および図５Ａから図５Ｅでは、シミュレーションの基礎として、入射波Ｗの元の入射角θ_１が３５度に設定され、金属光学デバイス１００を出射した波の補正された角度θ_２が２０度に設定されるが、一例に過ぎない。ほぼ任意の入射角および任意の補正角を有する入射波Ｗの位相変化は達成されることができる。カメラ１０は、収差を補正するように設計された１つ以上のモジュールレンズも含み得ることに留意されたい。本開示に基づいて、カメラ１０内のモジュールレンズは、全てのタイプの収差を補正するように設計される必要はなくてもよい。いくつかの実施形態では、メタ光学デバイス１００は、収差を個別に補正することができる。いくつかの実施形態では、メタ光学デバイス１００およびカメラ１０内のモジュールレンズの両方が、収差を補正することができる。例えば、いくつかの収差（例えば、高次収差（ＨＯＡ））は、メタ光学デバイス１００を介して補正され、残りの収差は、カメラ１０のモジュールレンズを介して補正される。従って、製造の柔軟性を向上させることができる。追加的または代替的に、製造コストが削減されることができ、モジュールレンズおよび／またはカメラ１０全体の寸法も削減されることができ、それにより小型化を達成することができる。

図５Ａに示されるように、Ｘ軸（ｘ位置）は、位置と中点の間の距離を表し、Ｙ軸（位相）は、収差補正に必要な量を表している。即ち、任意の位置に対して、収差補正に必要な量が計算され決定されることができる。また、位置も決定されることができるため、所望の位置と呼ぶことができる。いくつかの実施形態では、メタ光学デバイスの所望の位置とイメージセンサの間の距離は、１０μｍから３ｍｍの間、例えば、１ｍｍから３ｍｍの間である。

図５Ｂおよび図５Ｃは、図５Ａの拡大図であり、図５Ａは、位置Ａおよび位置Ｂでの収差補正に必要な量を示している。図５Ａの位置の単位はミリメートルで示され、図５Ｂと図５Ｃの位置の単位はマイクロメートルで示される。また、メタ構造の幾何形状、サイズ、または配向も調整されて、収差補正を達成するのに役立てることができる。図５Ｄおよび５Ｅに示されるように、所望の位置（例えば、図５Ａの位置Ａおよび位置Ｂ）の収差補正に必要な量が決定された後、メタ光学デバイス１００は、所望の位置に配置され、必要な収差補正を達成することができる。

図６は、収差補正の方法６００のフローチャートである。方法６００は、４つのステップ６０１～６０４を含む。ステップ６０１では、方法６００は、収差補正に必要な量を計算するステップを含む。ステップ６０２では、方法６００は、イメージセンサ（例えば、イメージセンサ２０）の近くに配置されたメタ光学デバイス（例えば、メタ光学デバイス１００）の所望の位置を決定するステップを含み、メタ光学デバイスとイメージセンサの間の距離は１０μｍから３ｍｍの間である。メタ光学デバイスは、メタ構造のアレイを含み、メタ構造のそれぞれは、少なくとも第１の屈折率を有する第１の層および第２の屈折率を有する第２の層を含む複数の層の積層を含む。第１の屈折率と第２の屈折率は異なる。ステップ６０３では、方法６００は、メタ構造の幾何形状、サイズ、または配向を決定および／または調整するステップを含む。ステップ６０４では、方法６００は、必要な量および所望の位置に従ってメタ光学デバイスを配置するステップをさらに含む。

上述のように、メタ光学デバイスが提供される。メタ光学デバイスは、メタ構造のアレイを含み、各メタ構造は、異なる屈折率を有する複数の層の積層を含む。異なる屈折率により、入射波の屈折および吸収の両方が考慮され、従って、画質が向上するだけでなく、効率も向上する。また、多層メタ構造の厚さを薄くすることができ、これによりアスペクト比が比較的小さいため、製造をより実現可能にする。また、各メタ構造の形状、各メタ構造の各層の厚さ、各メタ構造の層数、屈折率間の差、屈折率の数、およびメタ構造の異なる屈折率を有する層の配置が調整されることができる。

さらに、メタ光学デバイスは、２つの光学機能、位相補正および収差補正を提供することができる。メタ光学デバイスが位相補正器として用いられたとき、入射波の位相は変調され得る。メタ光学デバイスが収差補正器として用いられたとき、イメージセンサの性能および／または画質を向上させることができる。メタ光学デバイスの機能は、イメージセンサに対するその位置によって決めることができる。メタ光学デバイスとイメージセンサの間の距離は３ｍｍ以下であることができる。

前述の内容は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、同じ目的を実行するため、および／または本明細書に導入される実施形態の同じ利点を達成するための他のプロセスおよび構造を設計または修正するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解できる。当業者はまた、そのような同等の構造が本開示の精神および範囲から逸脱せず、且つそれらは、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書で様々な変更、置換、および代替を行うことができることを理解するべきである。さらに、本開示の範囲は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されず、各請求項は個別の実施形態を構成し、様々な請求項および実施形態の組み合わせは、本開示の範囲内にある。

１ 光学システム
１０ カメラ
２０ イメージセンサ
２１ マイクロレンズ
２２ カラーフィルタ
２３ 光学センサ層
２４ 絶縁金属層
２５ シリコントランジスタ
５０ フィルタ
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１００Ｈ、１００Ｉ、１００Ｊ、１００Ｋ、１００Ｌ、１００Ｘ、１００Ｙ、１００Ｚ メタ光学デバイス
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅ、１１０Ｆ、１１０Ｇ、１１０Ｈ、１１０Ｉ、１１０Ｊ、１１０Ｋ、１１０Ｌ、１１０Ｘ、１１０Ｙ、１１０Ｚ メタ構造
１１１Ａ 第１の層
１１２Ａ 第２の層
１１３Ａ 第３の層
１１１Ｉ、１１２Ｉ、１１３Ｉ、１１４Ｉ、１１１Ｊ、１１２Ｊ、１１３Ｊ、１１４Ｊ、１１５Ｊ、１１１Ｋ、１１２Ｋ、１１３Ｋ、１１４Ｋ、１１５Ｋ、１１１Ｌ、１１２Ｌ、１１３Ｌ、１１４Ｌ、１１５Ｌ 層
１１５Ｘ 夾角
６００ 方法
６０１、６０２、６０３、６０４ ステップ
Ｄ 直径
Ｔ１ 第１の厚さ
Ｔ２ 第２の厚さ
Ｔ３ 第３の厚さ
Ｗ 入射波
θ_１ 元の入射角
θ_２ 補正された角度
θ_ｉｎ 入射角
Δθ 角度変化

Claims (12)

1. メタ構造のアレイを含み、前記メタ構造のそれぞれは、少なくとも第１の屈折率を有する第１の層および第２の屈折率を有する第２の層を含む複数の層の積層を含み、前記第１の屈折率と前記第２の屈折率は異なるメタ光学デバイス。
2. 前記第１の屈折率と前記第２の屈折率間の差は、０．５～１．８の間である請求項１に記載のメタ光学デバイス。
3. 前記メタ構造は誘電体材料を含み、前記メタ構造のそれぞれは１０以下のアスペクト比を有する請求項１に記載のメタ光学デバイス。
4. 前記積層は、第３の屈折率を有する第３の層をさらに含み、前記第３の屈折率は前記第２の屈折率と異なり、前記第２の層は前記第１の層と前記第３の層の間に位置し、前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率および前記第３の屈折率より大きく、前記第１の屈折率は、前記第３の屈折率と等しい請求項１に記載のメタ光学デバイス。
5. 前記積層は、第３の屈折率を有する第３の層をさらに含み、前記第３の屈折率は前記第２の屈折率と異なり、前記第２の層は前記第１の層と前記第３の層の間に位置し、前記第１の層の第1の厚さは、前記第２の層の第２の厚さと異なり、前記第１の厚さおよび前記第３の層の第３の厚さは第２の厚さより大きく、前記第１の厚さは前記第３の厚さと等しい請求項１に記載のメタ光学デバイス。
6. 前記メタ構造のそれぞれは、上面視で、円形、楕円形、多角形、または中空多角形である形状を有し、前記メタ構造は、長方形または六角形のアレイに配置され、前記メタ構造は、異なる幾何形状、サイズ、または配向を含む請求項１に記載のメタ光学デバイス。
7. 前記積層は、前記第１の屈折率を有する複数の奇数層、および前記第２の屈折率を有する複数の偶数層をさらに含む請求項１に記載のメタ光学デバイス。
8. 複数のマイクロレンズと、
   前記マイクロレンズの下に配置された複数のカラーフィルタとを含むイメージセンサ、および
   前記カラーフィルタの上に配置されたメタ光学デバイスを含み、
   前記メタ光学デバイスは、メタ構造のアレイを含み、前記メタ構造のそれぞれは、第１の屈折率を有する第１の層および第２の屈折率を有する第２の層を含む複数の層の積層を含み、前記第１の屈折率および前記第２の屈折率は異なる光学システム。
9. 前記メタ光学デバイスの底面と前記イメージセンサの上面の間の距離は、１０μｍ以下である請求項８に記載の光学システム。
10. 前記メタ光学デバイスの底面と前記イメージセンサの上面の間の距離は、１０μｍから１ｍｍの間である請求項８に記載の光学システム。
11. 前記メタ光学デバイスの底面と前記イメージセンサの上面の間の距離は、１ｍｍから３ｍｍの間である請求項８に記載の光学システム。
12. 収差補正に必要な量を計算するステップ、
    イメージセンサの近くに配置され、前記メタ光学デバイスと前記イメージセンサの間の距離は１０μｍから３ｍｍの間であり、
    前記メタ光学デバイスは、メタ構造のアレイを含み、前記メタ構造のそれぞれは、少なくとも第１の屈折率を有する第１の層および第２の屈折率を有する第２の層を含む複数の層の積層を含み、前記第１の屈折率と前記第２の屈折率は異なる、メタ光学デバイスの所望の位置を決定するステップ、
    前記メタ構造の幾何形状、サイズ、または配向を調整するステップ、および
    前記必要な量および前記所望の位置に従って前記メタ光学デバイスを配置するステップを含む収差補正の方法。
    
    
    

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