KR20240045982A - Meta optical device and electronic device including the same - Google Patents

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KR20240045982A
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노준석
김경태
김예슬
윤주영
김인기
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

개시된 메타 광학 소자는 소정 파장의 입사광을 변조하여 구조광을 형성하는 것으로, 각각, 상기 소정 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼셀;을 포함하며, 상기 복수의 나노구조물의 형상과 배열은 가로 및 세로 방향의 시야각이 160도 이상인 점 패턴의 구조광을 형성하도록 정해질 수 있다. The disclosed meta-optical device forms structured light by modulating incident light of a predetermined wavelength, and includes a plurality of supercells, each including a plurality of nanostructures having a shape dimension smaller than the predetermined wavelength, and the plurality of nanostructures. The shape and arrangement of the structure can be determined to form a dot pattern of structured light with a horizontal and vertical viewing angle of 160 degrees or more.

Description

메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치{Meta optical device and electronic device including the same}Meta optical device and electronic device including the same}

개시된 실시예들은 메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다. The disclosed embodiments relate to meta-optical elements and electronic devices including the same.

본 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행되었음. (과제번호: SRFC-IT1901-52).This study was conducted with support from the Samsung Future Technology Promotion Project. (Project number: SRFC-IT1901-52).

최근, 인간이나 기타 사물 등의 객체 인식에 있어, 깊이 인식을 통한 정밀한 3차원 형상 인식을 위해 구조광(structured light)을 이용하는 3차원 센싱 기술이 시도되고 있다.Recently, in object recognition such as humans or other objects, 3D sensing technology that uses structured light for precise 3D shape recognition through depth recognition has been attempted.

구조광은 미리 설정된 특정 패턴의 광이며, 이러한 패턴의 광이 3차원 형상의 객체에서 반사될 때 패턴 변화가 생긴다. 이러한 패턴 변화로부터 구조광이 조사된 객체의 깊이 정보를 추출할 수 있다.Structured light is light with a specific preset pattern, and when this pattern of light is reflected from a three-dimensional object, a change in the pattern occurs. From these pattern changes, depth information of an object illuminated with structured light can be extracted.

구조광을 만들기 위해, 통상 회절형 광학 요소(diffractive optical element)(DOE)가 사용되어 왔는데, DOE는 회절 각도가 커질수록 회절 효율이 낮아진다. 따라서, DOE를 Transmitter로 사용하는 깊이 인식 시스템은 넓은 시야각을 갖기 어렵다. 이에 따라 넓은 시야각의 구조광을 형성하는 방안이 다양하게 모색되고 있다.To create structured light, a diffractive optical element (DOE) has been typically used, and the diffraction efficiency of DOE decreases as the diffraction angle increases. Therefore, it is difficult for a depth recognition system using DOE as a transmitter to have a wide viewing angle. Accordingly, various ways to form structured light with a wide viewing angle are being explored.

메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.Provided is a meta-optical device and an electronic device including the same.

실시예에 따르면, 소정 파장의 입사광을 변조하여 구조광을 형성하는 것으로, 각각, 상기 소정 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼셀;을 포함하며, 상기 복수의 나노구조물의 형상과 배열은 가로 및 세로 방향의 시야각이 160도 이상인 점 패턴의 구조광을 형성하도록 정해진, 메타 광학 소자가 제공된다.According to an embodiment, structured light is formed by modulating incident light of a predetermined wavelength, comprising a plurality of supercells, each including a plurality of nanostructures having a shape dimension smaller than the predetermined wavelength, wherein the plurality of nanostructures A meta-optical element is provided in which the shape and arrangement of the structure are determined to form structured light in a dot pattern with a horizontal and vertical viewing angle of 160 degrees or more.

상기 복수의 나노구조물의 형상과 배열은 1차 회절광의 세기에 대한 m차 회절광의 세기의 비율은 50% 이상이 되도록 정해질 수 있다. 여기서 m은 (n*P/λ)보다 작은 정수 중에서 가장 큰 수이며, 하나의 수퍼셀 내의 나노구조물 배열은 n×n이고, P는 나노구조물들의 배열 피치이고, λ는 상기 소정 파장이다. The shape and arrangement of the plurality of nanostructures may be determined so that the ratio of the intensity of the m-th diffraction light to the intensity of the first-order diffraction light is 50% or more. Here, m is the largest number among integers smaller than (n*P/λ), the array of nanostructures in one supercell is n×n, P is the array pitch of the nanostructures, and λ is the predetermined wavelength.

상기 복수의 수퍼셀 각각에 의한 위상 프로파일은 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 푸리어 변환(Iterative Fourier transform)하여 얻어지는 제2함수로 표현될 수 있고, 상기 제1함수는 1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 1/λ인 원 내에서는 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 정의된 함수이며, P는 상기 복수의 나노구조물들의 배열 피치이고, λ는 상기 소정 파장이다. The phase profile of each of the plurality of supercells can be expressed as a second function obtained by Iterative Fourier transform of a first function defined in the spatial frequency domain, and the first function is 1/(2P) In the spatial frequency domain defined by (f x , f y ) satisfying the conditions ≤f x ≤1/(2P), 1/(2P)≤f y ≤1/(2P), It is a function defined to have a value of 1 within the circle and a value of 0 in the remaining space, P is the array pitch of the plurality of nanostructures, and λ is the predetermined wavelength.

상기 복수의 나노구조물의 배열 피치는 λ/2 이하일 수 있고 λ는 상기 소정 파장일 수 있다. The array pitch of the plurality of nanostructures may be λ/2 or less, and λ may be the predetermined wavelength.

상기 복수의 나노구조물 각각은 장축과 단축이 정의되는 단면을 가지는 기둥 형상이고, 상기 복수의 나노구조물 각각의 장축의 방향은 상기 복수의 수퍼셀 각각 내에서 해당 나노구조물의 상대적 위치에 따라 정해질 수 있다. Each of the plurality of nanostructures has a pillar shape with a cross-section in which the long axis and short axis are defined, and the direction of the long axis of each of the plurality of nanostructures may be determined according to the relative position of the corresponding nanostructure within each of the plurality of supercells. there is.

상기 복수의 나노구조물을 지지하는 지지층을 더 포함할 수 있다. It may further include a support layer supporting the plurality of nanostructures.

상기 복수의 나노구조물은 수지 물질 및 이에 분산된 나노입자들을 포함하는 나노복합재로 이루어질 수 있다. The plurality of nanostructures may be made of a nanocomposite including a resin material and nanoparticles dispersed therein.

상기 복수의 나노구조물 형상의 역상의 패턴을 가지는 소프트 몰드를 활용하여 제조될 수 있다. It can be manufactured using a soft mold having an inverse pattern of the plurality of nanostructure shapes.

상기 지지층은 곡면 형상을 가지는 투명 플라스틱 물질로 이루어질 수 있다. The support layer may be made of a transparent plastic material having a curved shape.

실시예에 따르면, 각각이 주기적으로 배열된 복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼셀;을 포함하고, 상기 복수의 수퍼셀 각각에 의한 위상 프로파일은, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 푸리어 변환(Iterative Fourier transform)하여 얻어지는 제2함수로 표현되고, 상기 제1함수는 1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 (sin ω)/λ 인 원 내에서는 내에서는 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 정의된 함수이며, ω는 π/2 이하이고, P는 상기 복수의 나노구조물들의 배열 피치이고, λ는 상기 소정 파장인, 메타 광학 소자가 제공된다. According to an embodiment, a plurality of supercells, each including a plurality of nanostructures arranged periodically, wherein the phase profile of each of the plurality of supercells is a Fourier function defined in the spatial frequency domain. It is expressed as a second function obtained by Iterative Fourier transform, and the first function is 1/(2P)≤f x ≤1/(2P), 1/(2P)≤f y ≤1/(2P) In the spatial frequency domain defined as ( f , ω is less than or equal to π/2, P is the array pitch of the plurality of nanostructures, and λ is the predetermined wavelength. A meta-optical element is provided.

ω는 π/2 라디안(radian)일 수 있다. ω may be π/2 radians.

상기 복수의 나노구조물의 배열 피치는 λ/2 이하일 수 있다. The array pitch of the plurality of nanostructures may be λ/2 or less.

상기 복수의 나노구조물 각각은 장축과 단축이 정의되는 단면을 가지는 기둥 형상이고, 상기 복수의 나노구조물 각각의 장축의 방향은 상기 복수의 수퍼셀 각각 내에서 해당 나노구조물의 상대적 위치에 따라 정해질 수 있다. Each of the plurality of nanostructures has a pillar shape with a cross-section in which the long axis and short axis are defined, and the direction of the long axis of each of the plurality of nanostructures may be determined according to the relative position of the corresponding nanostructure within each of the plurality of supercells. there is.

상기 복수의 나노구조물을 지지하는 지지층을 더 포함할 수 있다. It may further include a support layer supporting the plurality of nanostructures.

상기 복수의 나노구조물은 수지 물질 및 이에 분산된 나노입자들을 포함하는 나노복합재로 이루어질 수 있다. The plurality of nanostructures may be made of a nanocomposite including a resin material and nanoparticles dispersed therein.

상기 지지층은 곡면 형상을 가지는 투명 플라스틱 물질로 이루어질 수 있다. The support layer may be made of a transparent plastic material having a curved shape.

실시예에 따르면, 각각이 주기적으로 배열된 복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼셀;을 포함하고, 상기 복수의 수퍼셀 각각에 의한 위상 프로파일은, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 푸리어 변환(Iterative Fourier transform)하여 얻어지는 제2함수로 표현되고, 상기 제1함수는 1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 (sin ω1)/λ인 원 내에서 1의 값, 내경이 (sin ω2)/λ이고 외경이 (sin ω3)/λ 인 하나 이상의 환형 링 내에서 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 정의되며, ω1<ω2<ω3≤π/2 이고, P는 상기 복수의 나노구조물들의 배열 피치이며, λ는 상기 소정 파장인, 메타 광학 소자가 제공된다. According to an embodiment, a plurality of supercells, each including a plurality of nanostructures arranged periodically, wherein the phase profile of each of the plurality of supercells is a Fourier function defined in the spatial frequency domain. It is expressed as a second function obtained by Iterative Fourier transform, and the first function is 1/(2P)≤f x ≤1/(2P), 1/(2P)≤f y ≤1/(2P) In the spatial frequency domain defined by ( f sin ω 3 )/λ is defined to have a value of 1 within one or more annular rings and a value of 0 in the remaining space, ω 1 <ω 2 <ω 3 ≤π/2, and P is the plurality of nanostructures. is the array pitch, and λ is the predetermined wavelength, a meta-optical element is provided.

실시예에 따르면, 광원; 상기 광원에서의 광으로부터 구조광을 형성하여 피사체에 제공하는, 상술한 어느 하나의 메타 광학 소자; 피사체로부터 반사된 광을 수신하는 것으로, 상기 메타 광학 소자를 사이에 두고 이격 배치된 제1 센서와 제2 센서; 및 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서에서 수신된 신호를 분석하여 피사체의 깊이 위치 정보를 연산하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.According to an embodiment, a light source; Any one of the above-described meta-optical elements that forms structured light from light from the light source and provides it to a subject; a first sensor and a second sensor that receive light reflected from a subject and are spaced apart from each other with the meta-optical element in between; and a processor that calculates depth location information of the subject by analyzing signals received from the first sensor and the second sensor.

상기 전자 장치는 영상이 표시되는 영상 표시부;를 더 포함할 수 있고, 상기 프로세서는 상기 깊이 위치 정보로부터 깊이 영상을 생성하고, 상기 깊이 영상과 관련된 부가 영상을 생성하고, 상기 깊이 영상과 상기 부가 영상이 상기 영상 표시부에 표시되도록 상기 영상 표시부를 제어할 수 있다. The electronic device may further include an image display unit that displays an image, wherein the processor generates a depth image from the depth position information, generates an additional image related to the depth image, and generates the depth image and the additional image. The image display unit can be controlled so that it is displayed on the video display unit.

상기 전자 장치는 아이-웨어러블(eye-wearable) 장치일 수 있다.The electronic device may be an eye-wearable device.

상술한 메타 광학 소자는 서브 파장 나노구조물들을 활용하여 작은 폼 팩터(form factor)를 가질 수 있다. The above-described meta-optical device can have a small form factor by utilizing sub-wavelength nanostructures.

상술한 메타 광학 소자는 넓은 시야각의 구조광 또는 임의의 시야각 범위의 구조광을 형성할 수 있다.The above-described meta-optical element can form structured light with a wide viewing angle or structured light with an arbitrary viewing angle range.

상술한 메타 광학 소자는 소프트 몰드를 사용하여 제조될 수 있고, 이에 따라, 원하는 형상과 배열대로 나노구조물들이 잘 형성될 수 있으며, 곡면의 지지층 상에도 용이하게 형성될 수 있다.The above-described meta-optical device can be manufactured using a soft mold, and accordingly, nanostructures can be well formed in a desired shape and arrangement, and can also be easily formed on a curved support layer.

상술한 메타 광학 소자는 구조광 프로젝터, 이를 활용하는 깊이 인식 장치에 적용될 수 있고, 다양한 전자 장치에 활용될 수 있다.The above-described meta-optical element can be applied to a structured light projector, a depth recognition device using it, and can be used in various electronic devices.

도 1은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에서, 고시야각 구조광을 위한 위상 프로파일 설정의 세부 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 3a는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 보인다.
도 3b는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서의 제1함수를 푸리어 변환한 제2함수를 보인다.
도 3c는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에서 사용되는, 수퍼셀 배열을 정의하는 함수를 보인다.
도 3d는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 메타 표면 도메인에 적용될 위상 프로파일을 산출하는 연산을 보인다.
도 3e는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라 산출된 위상 프로파일을 보인다.
도 4는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 메타 광학 소자에 적용될 나노구조물의 형상 파라미터들 및 이에 따른 효율을 보인다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구성을 보이는 평면도 및 단면도이다.
도 6은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라 제작된 메타 광학 소자에 대한 현미경 사진을 보인다.
도 7은 실시예에 따른 메타 광학 소자에서 회절 차수에 따른 광의 세기를 여러가지 나노구조물의 배열 피치에 대해 보인 그래프이다.
도 8은 실시예에 따른 메타 광학 소자에서 공간 주파수 도메인에서의 구조광 분포도를 수퍼셀의 개수가 다른 복수의 경우들에 대해 보인다.
도 9는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수의 다른 예를 보인다.
도 10은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수의 또 다른 예를 보인다.
도 11a 내지 도 11e는 실시예에 따른 메타 광학 소자 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 12는 실시예에 따른 메타 광학 소자가 곡면 플라스틱에 구현된 사진을 보인다.
도 13은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보인다.
도 14는 실시예에 따른 메타 광학 소자를 활용하여 깊이 인식 시스템을 실험적으로 구성한 구조를 보인다.
도 15a 및 도 15b는 각각, 도 14와 같이 구성된 깊이 인식 시스템에서 형성된 구조광을 정면 및 측면에서 보인 사진이다.
도 16은 도 14의 깊이 인식 시스템을 사용하여 얻은 두 피사체에 대한 깊이 맵을 보인다.
도 17은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보인다.1 is a flowchart explaining a meta-optical device design method according to an embodiment.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a detailed process of setting a phase profile for high viewing angle structured light in a meta-optical device design method according to an embodiment.
FIG. 3A shows a first function defined in the spatial frequency domain according to a meta-optical device design method according to an embodiment.
Figure 3b shows a second function obtained by Fourier transforming the first function in the spatial frequency domain according to the meta-optical device design method according to the embodiment.
FIG. 3C shows a function defining a supercell array used in a meta-optical device design method according to an embodiment.
FIG. 3D shows an operation for calculating a phase profile to be applied to a meta surface domain according to a meta optical device design method according to an embodiment.
Figure 3e shows a phase profile calculated according to a meta-optical device design method according to an embodiment.
Figure 4 shows the shape parameters of nanostructures to be applied to the meta-optical device and the resulting efficiency according to the meta-optical device design method according to the embodiment.
FIGS. 5A and 5B are plan and cross-sectional views showing a schematic configuration of a meta-optical device according to an embodiment.
Figure 6 shows a micrograph of a meta-optical device manufactured according to a meta-optical device design method according to an embodiment.
Figure 7 is a graph showing the intensity of light according to the diffraction order for the array pitch of various nanostructures in a meta-optical device according to an embodiment.
FIG. 8 shows structured light distribution in the spatial frequency domain in a meta-optical device according to an embodiment for a plurality of cases with different numbers of supercells.
FIG. 9 shows another example of a first function defined in the spatial frequency domain according to a meta-optical device design method according to an embodiment.
FIG. 10 shows another example of a first function defined in the spatial frequency domain according to a meta-optical device design method according to an embodiment.
FIGS. 11A to 11E are diagrams explaining a method of manufacturing a meta-optical device according to an embodiment.
Figure 12 shows a photograph of a meta-optical element according to an embodiment implemented in curved plastic.
Figure 13 shows a schematic configuration of an electronic device according to an embodiment.
Figure 14 shows the structure of an experimental configuration of a depth recognition system using a meta-optical element according to an embodiment.
FIGS. 15A and 15B are photographs showing structured light generated in a depth recognition system configured as shown in FIG. 14 from the front and side, respectively.
Figure 16 shows depth maps for two subjects obtained using the depth recognition system of Figure 14.
Figure 17 shows a schematic configuration of an electronic device according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. The described embodiments are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, the term “above” or “above” may include not only what is directly above in contact but also what is above without contact.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. These terms do not limit the difference in material or structure of the constituent elements.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as “... unit” and “module” used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. The use of the term “above” and similar referential terms may refer to both the singular and the plural.

방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.The steps comprising the method may be performed in any suitable order unless explicitly stated that they must be performed in the order described. In addition, the use of all exemplary terms (e.g., etc.) is simply for explaining the technical idea in detail, and unless limited by the claims, the scope of rights is not limited by these terms.

도 1은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법을 설명하는 흐름도이다. 1 is a flowchart explaining a meta-optical device design method according to an embodiment.

메타 광학 소자는 서브 파장(sub-wavelength) 형상 치수를 가지는 나노구조물을 활용한 회절 소자이다. 여기서, 서브 파장은 변조 대상인 입사광의 파장보다 작은 수치를 의미하며, 또는, 입사광의 파장 대역의 중심 파장보다 작은 수치를 의미한다. 메타 광학 소자에 구비되는 나노구조물의 형상과 배열은 입사광을 원하는 형태로 변조할 수 있도록 설정된다. 서브 파장 나노구조물은 (meta-atom)으로도 불릴 수 있고, 나노구조물들이 배열된 어레이는 메타 표면으로도 불릴 수 있다. Meta-optical devices are diffractive devices utilizing nanostructures with sub-wavelength shape dimensions. Here, the sub-wavelength refers to a value smaller than the wavelength of the incident light that is the modulation target, or a value smaller than the center wavelength of the wavelength band of the incident light. The shape and arrangement of the nanostructures provided in the meta-optical device are set so that incident light can be modulated into a desired form. Sub-wavelength nanostructures can also be called (meta-atoms), and arrays of nanostructures can be called meta-surfaces.

나노구조물들은 주변 물질과 다른 굴절률을 가지며, 나노구조물들의 형상과 배열에 의한 굴절률 분포를 형성한다. 광의 진행 경로에서 위상이 같은 점들을 연결한 파면(wavefront)의 형태는 이러한 굴절률 분포를 겪기 전과 후에 서로 다르며, 즉, 메타 광학 소자를 지난 후의 광의 위상은 입사시의 위상과 다른 위상을 나타낸다. 이는 위상 지연(phase delay)으로 표현되며, 위치에 의존하는 분포를 가지는 위상 지연 프로파일로 표현될 수 있다. 이하에서, 메타 광학 소자에 의한 위상은 위상 지연, 즉, 메타 광학 소자에 입사하기 전의 입사광의 위상에 대한 상대적인 위상을 의미하며, 위상, 위상 지연의 어휘는 혼용될 수 있다. 예를 들어, 위상, 위상 지연, 위상 지연 프로파일, 위상 프로파일, 위상 분포 함수 등은 같은 의미로 함께 사용될 수 있다. Nanostructures have a different refractive index from surrounding materials, and form a refractive index distribution depending on the shape and arrangement of the nanostructures. The shape of the wavefront connecting points of the same phase in the light's path is different before and after experiencing this refractive index distribution, that is, the phase of the light after passing through the meta-optical element has a different phase from the phase at the time of incidence. This is expressed as phase delay, and can be expressed as a phase delay profile with a position-dependent distribution. Hereinafter, the phase due to the meta-optical element refers to phase delay, that is, the phase relative to the phase of incident light before entering the meta-optical element, and the vocabulary of phase and phase delay may be used interchangeably. For example, phase, phase delay, phase delay profile, phase profile, phase distribution function, etc. may be used together with the same meaning.

메타 광학 소자가 나타내는 위상 프로파일에 따라 메타 광학 소자는 다양한 광학 성능을 나타낼 수 있다. 실시예에서, 메타 광학 소자는 고시야각의 구조광(structured light)을 형성할 수 있는 위상 프로파일을 가지도록 설계된다. 위상 프로파일은 수직 및 수평 방향으로 -90도에서 90도에 이르는 범위, 즉, 180도의 시야각을 구현하는 위상 프로파일일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 원하는 범위의 시야각의 구조광을 구현하도록 위상 프로파일이 설계될 수도 있다.Depending on the phase profile shown by the meta-optical element, the meta-optical element can exhibit various optical performances. In an embodiment, the meta-optical element is designed to have a phase profile capable of forming structured light at a high viewing angle. The phase profile may range from -90 degrees to 90 degrees in the vertical and horizontal directions, that is, a phase profile that implements a viewing angle of 180 degrees. However, it is not limited to this, and the phase profile may be designed to implement structured light with a viewing angle in a desired range.

실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 먼저, 고시야각의 구조광을 형성할 수 있는 위상 프로파일이 설정된다(S100).According to the meta-optical device design method according to the embodiment, first, a phase profile capable of forming structured light with a high viewing angle is set (S100).

다음, 설정된 위상 프로파일을 나노구조물들을 활용하여 구현하기 위해, 나노구조물들의 다양한 형상 파라미터에 따른 위상 지연 값 및 효율을 분석할 수 있다(S200). 설정된 위상 프로파일은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노구조물들을 활용하여 구현될 수 있다. 다시 말하면, 나노구조물들의 형상 파라미터를 조절하여 나노구조물을 지나는 광의 위상을 지연시키는 정도를 조절할 수 있다. 나노구조물들의 형상 파라미터는 원하는 만큼 위상이 지연되게 하는 효율과도 관련된다. 이러한 파라미터 데이터에 따라, 메타 광학 소자에 적용될 나노구조물들의 세부 사항이 정해질 수 있다. Next, in order to implement the set phase profile using nanostructures, the phase delay value and efficiency according to various shape parameters of the nanostructures can be analyzed (S200). The established phase profile can be implemented using nanostructures with subwavelength shape dimensions. In other words, the degree to which the phase of light passing through the nanostructure is delayed can be adjusted by adjusting the shape parameters of the nanostructures. The shape parameters of nanostructures are also related to the efficiency of delaying the phase as desired. According to these parameter data, details of nanostructures to be applied to the meta-optical device can be determined.

다음, 위상 프로파일에 대응하는 각 위치에, 정해진 위상에 알맞은 형상의 나노구조물들을 배치할 수 있다(S300). Next, nanostructures of a shape appropriate for the determined phase can be placed at each position corresponding to the phase profile (S300).

도 2 내지 도 4를 참조하며, 메타 광학 소자 설계 방법의 세부 사항을 살펴보기로 한다.Referring to FIGS. 2 to 4, we will look at the details of the meta-optical device design method.

도 2는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에서, 고시야각 구조광을 위한 위상 프로파일 설정의 세부 과정을 설명하는 흐름도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a detailed process of setting a phase profile for high viewing angle structured light in a meta-optical device design method according to an embodiment.

먼저, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 설정한다(S110). 도 3a는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 보이고 있다. 제1함수는 전파 가능한 여러 회절차수의 빛들이 균일한 세기를 나타낼 수 있도록 공간 주파수 도메인에서 설정되는 함수이다. 제1함수는 해상 가능한 최대 공간 주파수 도메인내에서, 즉, 1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 1/λ인 원 내에서는 내에서는 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 정의된 함수이다. λ는 입사광의 파장이고, P는 공간 도메인의 픽셀 피치이며, 이것은 공간 도메인에 배열될 나노구조물의 배열 피치에 대응한다. First, set the first function defined in the spatial frequency domain (S110). FIG. 3A shows a first function defined in the spatial frequency domain according to a meta-optical device design method according to an embodiment. The first function is a function set in the spatial frequency domain so that light of various diffraction orders that can propagate can exhibit uniform intensity. The first function satisfies the conditions of 1/(2P)≤f x ≤1/(2P), 1/(2P)≤f y ≤1/(2P) within the maximum spatial frequency domain that can be resolved. In the spatial frequency domain defined as f x , f y ), it is a function defined to have a value of 1 within a circle with a radius of 1/λ and a value of 0 in the remaining space. λ is the wavelength of incident light, P is the pixel pitch of the spatial domain, which corresponds to the array pitch of the nanostructures to be arranged in the spatial domain.

다음, 제1함수를 푸리어 변환하여 단위 위상 분포인 제2함수를 설정할 수 있다(S120). 단위 위상 분포는 공간 도메인에 반복 배열될 기본 단위인 수퍼셀(super cell)에 의한 위상 프로파일을 의미한다. 도 3b는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서의 제1함수를 푸리어 변환한 제2함수를 보인다. 이러한 푸리어 변환을 위해 IFTA(Iterative Fourier transform algorithm)가 사용될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 하나의 수퍼셀은 픽셀 피치 P이고 n x n의 픽셀로 구성되는 것으로 가정하여, 수퍼셀에 대응하는 공간 도메인의 각 위치에 0에서 2π 범위 내에 있는 위상값이 부여되어 있다. Next, the first function can be Fourier transformed to set a second function that is a unit phase distribution (S120). Unit phase distribution refers to the phase profile by super cells, which are basic units to be repeatedly arranged in the spatial domain. Figure 3b shows a second function obtained by Fourier transforming the first function in the spatial frequency domain according to the meta-optical device design method according to the embodiment. For this Fourier transform, the Iterative Fourier transform algorithm (IFTA) can be used. Referring to FIG. 3B, assuming that one supercell has a pixel pitch P and is composed of n x n pixels, a phase value in the range of 0 to 2π is assigned to each position in the spatial domain corresponding to the supercell.

다음, 제2함수와 수퍼셀 배열 함수를 컨볼루션(convolution) 하여, 공간 도메인 전체에 적용될 위상 프로파일이 산출될 수 있다(S140). Next, a phase profile to be applied to the entire spatial domain can be calculated by convolving the second function and the supercell array function (S140).

도 3c는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에서 사용되는, 수퍼셀 배열을 정의하는 함수를 보이며, 도 3d는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 도메인 전체에 적용될 위상 프로파일을 산출하는 연산을 보인다. 도 3e는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라 산출된 위상 프로파일을 보인다.FIG. 3C shows a function defining a supercell array used in the meta-optical device design method according to an embodiment, and FIG. 3D calculates a phase profile to be applied to the entire spatial domain according to the meta-optical device design method according to the embodiment. It shows the calculation. Figure 3e shows a phase profile calculated according to a meta-optical device design method according to an embodiment.

도 3c에 예시된 수퍼셀 배열 함수는 2D Dirac comb function으로 표현될 수 있다. 도 3c를 참조하면, 수퍼셀 배열 함수는 복수의 수퍼셀이 배열 피치가 nP이고 N x N 배열되는 것으로 표현되고 있다. 도 3d와 같은 convolution 연산을 통해, 도 3e와 같은 위상 프로파일이 산출된다. 산출된 위상 프로파일에 따라, 공간 도메인 전체, 즉, 메타 표면을 이루는 각 위치에서 구현되어야 위상 값들이 설정될 수 있다. The supercell array function illustrated in Figure 3c can be expressed as a 2D Dirac comb function. Referring to FIG. 3C, the supercell array function is expressed as a plurality of supercells arranged N x N with an array pitch of nP. Through the convolution operation as shown in FIG. 3D, the phase profile as shown in FIG. 3E is calculated. According to the calculated phase profile, phase values can be set only when implemented in the entire spatial domain, that is, at each location forming the meta surface.

도 3e에 예시한 위상 프로파일은 다양한 형태의 메타 표면, 즉, 나노구조물들의 형상과 배열로 구현될 수 있다. 이하에서, 이러한 위상 프로파일이 메타 표면으로 구현된 메타 광학 소자를 예시할 것이나, 실시예의 메타 광학 소자가 예시된 구조에 한정되는 것은 아니다. 다시 말하면, 도 3e와 같은 위상 프로파일은 이하에서 예시된 나노구조물 형상과 배열 이외에도 다양한 방식으로 구현될 수 있다. The phase profile illustrated in FIG. 3e can be implemented with various types of metasurfaces, that is, the shapes and arrangements of nanostructures. Hereinafter, a meta-optical device in which such a phase profile is implemented as a meta-surface will be exemplified, but the meta-optical device of the embodiment is not limited to the illustrated structure. In other words, the phase profile shown in FIG. 3e can be implemented in various ways other than the nanostructure shape and arrangement illustrated below.

도 4는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 메타 광학 소자에 적용될 나노구조물의 형상 파라미터들 및 이에 따른 효율을 보인다. Figure 4 shows the shape parameters of nanostructures to be applied to the meta-optical device and the resulting efficiency according to the meta-optical device design method according to the embodiment.

메타 표면을 이루는 메타 아톰이 위상을 제어하는 방법으로 기하학적 위상 또는 Pancharatnam-Berry (PB) 위상이라고 불리는 방법이 있다. 이에 의하면, 메타 아톰의 회전각도 θ의 2배만큼 메타 아톰을 통과하는 빛의 위상을 조절할 수 있다. There is a method called geometric phase or Pancharatnam-Berry (PB) phase to control the phase of the meta atoms that make up the meta surface. According to this, the phase of light passing through the meta atom can be adjusted by twice the rotation angle θ of the meta atom.

이 때, 위상 조절은 원편광이 좌에서 우 (또는 우에서 좌)로 바뀔 (convert) 때 일어나기에, 원편광이 변환되는 비율(Conversion efficiency: CE)이 높을수록 원하는 위상 조절이 구현되는 효율이 높다. 이러한 효율을 높이기 위해, 메타 아톰의 장축 및 단축 방향의 복소 투과계수 tl과 ts로 이루어진 (tl-ts)/2 항의 크기가 최대가 되는 L와 W를 Rigorous coupled wave analysis (RCWA)을 통해 찾는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, P=300nm, H=475nm, L=250nm, W=110nm일 때 0.88에 이르는 높은 변환 효율값을 얻을 수 있다. 다만, 이러한 수치는 예시적이며, 메타 아톰의 세부 형상 및 주변 물질과의 관계에 따라, 변환 효율을 높일 수 있는 세부 파라미터는 달라질 수 있다. At this time, phase control occurs when circularly polarized light is converted from left to right (or right to left), so the higher the conversion efficiency (CE) of circularly polarized light, the more efficient it is to implement the desired phase control. high. In order to increase this efficiency, L and W, where the magnitude of the (t l -t s )/2 term consisting of the complex transmission coefficients t l and t s in the major and minor axes of the meta atom are maximized, are analyzed using Rigorous coupled wave analysis (RCWA). A search method can be used. For example, when P = 300nm, H = 475nm, L = 250nm, W = 110nm, a high conversion efficiency value of up to 0.88 can be obtained. However, these values are illustrative, and the detailed parameters that can increase conversion efficiency may vary depending on the detailed shape of the meta atom and its relationship with surrounding materials.

이와 같이 형상 파라미터가 설정된 나노구조물의 배치 각도(θ)를 φ(x,y)=2θ(x, y)의 관계로 설정하여, 공간 도메인 상에 나노구조물들을 배치할 수 있다. By setting the arrangement angle (θ) of the nanostructures with the shape parameters set in this way to the relationship of ϕ(x,y)=2θ(x,y), the nanostructures can be arranged in the spatial domain.

도 4에서는 직육면체 형상의 나노구조물을 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 장축과 단축이 정의되는 다양한 형상의 단면을 가지는 나노기둥, 예를 들어, 타원 기둥 등이 나노구조물로 활용될 수 있다. 4 illustrates a rectangular parallelepiped-shaped nanostructure, but the present invention is not limited thereto, and nanopillars having cross-sections of various shapes in which the major and minor axes are defined, for example, elliptical columns, etc. can be used as nanostructures.

도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구성을 보이는 평면도 및 단면도이다.5A and 5B are plan and cross-sectional views showing a schematic configuration of a meta-optical device according to an embodiment.

메타 광학 소자(100)는 복수의 수퍼셀(SC)을 포함하며, 복수의 수퍼셀(SC) 각각은 복수의 나노구조물(NS)을 포함한다. 복수의 나노구조물(NS)은 지지층(SU)에 지지되게 마련될 수 있다. 복수의 나노구조물(NS) 중 일부만 도시되었고, 전체적인 도시는 생략되어 있다. 임의의 위치 Q(x,y)에 배치되는 나노구조물(NS)은 소정의 변환 효율을 갖도록 가로, 세로, 높이가 설정된 직육면체 형상이며, 해당 위치에서 구현되어야 할 위상값 φ(x, y)에 따라, 나노구조물 단면의 장축의 배치 각도, θ가 φ(x, y)/2 가 되게 나노구조물(NS)이 배열된다. The meta-optical device 100 includes a plurality of supercells (SC), and each of the plurality of supercells (SC) includes a plurality of nanostructures (NS). A plurality of nanostructures (NS) may be provided to be supported on the support layer (SU). Only some of the plurality of nanostructures (NS) are shown, and the entire picture is omitted. The nanostructure (NS) placed at a random position Q(x,y) has a rectangular parallelepiped shape with the width, length, and height set to have a predetermined conversion efficiency, and has a phase value ϕ(x,y) to be implemented at that position. Accordingly, the nanostructures (NS) are arranged so that the arrangement angle, θ, of the long axis of the cross section of the nanostructure is ϕ(x, y)/2.

나노구조물(NS)들의 배열 피치(P), 즉, 인접한 나노구조물(NS)들 중심 간의 거리는 λ/2 이하로 설정될 수 있다. The array pitch (P) of the nanostructures (NS), that is, the distance between the centers of adjacent nanostructures (NS), may be set to λ/2 or less.

나노구조물(NS)은 주변 물질과 다른 굴절률을 가지는 물질로, 예를 들어 높은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노구조물(NS)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. A nanostructure (NS) is a material that has a different refractive index from surrounding materials, for example, it may be made of a material with a high refractive index. For example, nanostructures (NS) may include c-Si, p-Si, a-Si, and III-V compound semiconductors (GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO2, SiN, and/or combinations thereof. You can.

나노구조물(NS)은 수지 물질 및 수지 물질 내에 분산된 나노 입자들을 포함하는 나노복합재(nanocomposite)로 이루어질 수도 있다. 수지물질은 UV 경화성 레진(resin)일 수 있고, 나노 입자들은 Si 또는 TiO2 나노 입자일 수 있고, 또는 위에 예시된 다양한 물질로 이루어진 나노 입자일 수 있다. 이와 같은 나노복합재를 사용하고, 소프트 몰드를 사용하는 방법으로 메타 광학 소자가 제조될 수 있다. 이러한 경우, 다양한 형상, 재질의 지지층, 예를 들어, 곡면 플라스틱 상에 원하는 형상과 배열대로 나노구조물(NS)들이 잘 형성될 수 있다. Nanostructures (NS) may be made of a nanocomposite containing a resin material and nanoparticles dispersed within the resin material. The resin material may be a UV-curable resin, and the nanoparticles may be Si or TiO 2 nanoparticles, or may be nanoparticles made of various materials exemplified above. Meta-optical elements can be manufactured using such nanocomposites and using soft molds. In this case, nanostructures (NS) can be well formed in the desired shape and arrangement on a support layer of various shapes and materials, for example, curved plastic.

나노구조물(NS) 주변의 물질은 나노구조물(NS)과 다른 굴절률, 예를 들어, 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 주변 물질은 SiO2 또는 공기(air)를 포함할 수 있다. The material around the nanostructure (NS) may be made of a dielectric material with a refractive index that is different from that of the nanostructure (NS), for example, a low refractive index. For example, the surrounding material may include SiO 2 or air.

지지층(SU)은 글래스(fused silica, BK7, 등), Quartz, polymer(PMMA, SU-8 등) 및 플라스틱 중의 재질 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 반도체 기판일수도 있다. 지지층(SU)은 나노구조물(NS)의 굴절률보다 낮은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. The support layer (SU) may be made of any of the following materials: glass (fused silica, BK7, etc.), quartz, polymer (PMMA, SU-8, etc.), and plastic, and may be a semiconductor substrate. The support layer (SU) may be made of a material with a lower refractive index than that of the nanostructure (NS). However, it is not limited to this.

실시예에 따른 메타 광학 소자(100)에 구비된 나노구조물(NS)의 재질, 형상, 배열은 넓은 시야각의 구조광을 형성할 수 있는 위상 프로파일에 알맞게 설정되어 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 공간 주파수 도메인에서의 제1함수는 전파 가능한 여러 회절차수의 빛들이 균일한 세기를 갖도록 정의된 바, 이로부터 산출된 위상 프로파일에 의해 구현되는 구조광은 수평 및 수직 방향으로 180도의 시야각 범위를 나타낼 수 있다. 다만, 이러한 위상 프로파일을 위해 사용되는 나노구조물(NS)들에 의한 위상 조절 효율은 100%가 아니며, 따라서, 메타 광학 소자(100)는 180도 이하의 시야각을 나타낼 수도 있다. 메타 광학 소자(100)는 예를 들어, 수평 및 수직 방향으로 160도 이상의 시야각을 가지는 구조광을 형성할 수 있다. The material, shape, and arrangement of the nanostructure (NS) provided in the meta-optical device 100 according to the embodiment are set appropriately for a phase profile capable of forming structured light with a wide viewing angle. For example, as described above, the first function in the spatial frequency domain is defined so that light of various diffraction orders that can propagate has uniform intensity, and the structured light realized by the phase profile calculated from this is horizontal. and can display a viewing angle range of 180 degrees in the vertical direction. However, the phase control efficiency by the nanostructures (NS) used for this phase profile is not 100%, and therefore, the meta-optical device 100 may exhibit a viewing angle of 180 degrees or less. For example, the meta-optical element 100 may form structured light having a viewing angle of 160 degrees or more in horizontal and vertical directions.

메타 광학 소자(100)가 형성하는 구조광은 규칙적인 점 패턴을 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 소정의 정해진 점 패턴의 구조광을 형성하도록 실시예가 변형될 수도 있다. Structured light generated by the meta-optical element 100 may have a regular dot pattern. However, the present invention is not limited to this, and the embodiment may be modified to form structured light with a predetermined dot pattern.

메타 광학 소자(100)는 ±1차 내지 ±m차 회절광을 형성할 수 있다. 여기서, m은 하나의 수퍼셀(SC)에 나노구조물(NS)들이 배열 피치 P로 n x n 배열된 경우, (n*P/λ)보다 작은 정수 중에서 가장 큰 수를 의미한다. The meta-optical element 100 may form ±1st order to ±mth order diffracted light. Here, m means the largest number among integers smaller than (n*P/λ) when nanostructures (NS) are arranged n x n in one supercell (SC) with an array pitch P.

메타 광학 소자(100)의 설계에 적용된 위상 프로파일은 앞서 설명한 바와 같이, 여러 회절 차수의 빛들이 균일한 세기를 갖도록 설정되었으므로, 이론적으로, 메타 광학 소자(100)에 의한 모든 회절 차수의 광은 균일한 세기를 가질 수 있다. 다만, 설정된 위상 프로파일이 나노구조물(NS)로 구현될 때 100%의 정확성으로 구현되는 것은 아니며, 설계 오차나 제조상의 오차를 가질 수 있다. 메타 광학 소자(100)에 의한 1차 회절광의 세기에 대한 최고 차수, 예를 들어 m차 회절광의 세기는 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상 또는 50% 이상일 수 있다. As described above, the phase profile applied to the design of the meta-optical element 100 was set so that light of various diffraction orders has uniform intensity, so theoretically, light of all diffraction orders by the meta-optical element 100 is uniform. You can have a century. However, when the set phase profile is implemented as a nanostructure (NS), it is not implemented with 100% accuracy and may have design errors or manufacturing errors. The highest order of intensity of the first-order diffraction light by the meta-optical element 100, for example, the intensity of the m-th order diffraction light, may be 20% or more, 30% or more, 40% or more, or 50% or more.

도 6은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라 제작된 메타 광학 소자에 대한 현미경 사진을 보인다.Figure 6 shows a micrograph of a meta-optical device manufactured according to a meta-optical device design method according to an embodiment.

제조된 메타 광학 소자는 대략 60% 이상의 회절 효율로 180도 시야각의 구조광을 구현할 수 있음이 확인되었다. It was confirmed that the manufactured meta-optical device can produce structured light with a viewing angle of 180 degrees with a diffraction efficiency of approximately 60% or more.

도 7은 실시예에 따른 메타 광학 소자에서 회절 차수에 따른 광의 세기를 여러가지 나노구조물의 배열 피치에 대해 보인 그래프이다.Figure 7 is a graph showing the intensity of light according to the diffraction order for the array pitch of various nanostructures in a meta-optical device according to an embodiment.

그래프는 파장 633nm의 광에 대해, 픽셀 피치, 즉, 나노구조물들의 배열 피치, P가 각각 300nm, 400nm, 500nm, 600nm, 700nm인 경우의 회절 차수별 회절광의 세기를 보이고 있다. 각 경우의 최고 회절 차수는 ±5로 동일하게 나타나도록, 각 수퍼셀에 포함된 나노구조물 n×n의 배치의 n은 12, 9, 7, 6, 5로 설정하였다. 그래프를 참조하면, P가 커질수록 고차 회절광의 세기가 급격히 감소하는 것으로 나타난다. P가 λ/2 보다 작은, 300nm인 경우에 1차 회절광에 대한 5차 회절광의 비율이 가장 크게 나타나고 있다. The graph shows the intensity of diffraction light by diffraction order when the pixel pitch, that is, the array pitch of the nanostructures, P, is 300nm, 400nm, 500nm, 600nm, and 700nm, respectively, for light with a wavelength of 633nm. The n of the arrangement of n × n nanostructures included in each supercell was set to 12, 9, 7, 6, and 5 so that the highest diffraction order in each case was the same at ±5. Referring to the graph, it appears that as P increases, the intensity of high-order diffracted light rapidly decreases. When P is less than λ/2, which is 300 nm, the ratio of the 5th order diffraction light to the 1st order diffraction light is the largest.

도 8은 실시예에 따른 메타 광학 소자에서 공간 주파수 도메인에서의 구조광 분포도를 수퍼셀의 개수가 다른 복수의 경우들에 대해 보인다. FIG. 8 shows structured light distribution in the spatial frequency domain in a meta-optical device according to an embodiment for a plurality of cases with different numbers of supercells.

도면에 표시된 a, b, c, d는 수퍼셀들의 N×N 배열에서 N이 각각 2, 3, 4, 5이고, 픽셀 피치는 300nm, 하나의 수퍼셀에 포함된 나노구조물의 개수는 10x10로 동일한 경우이다. 나노구조물의 개수 및 픽셀 피치가 회절 각도와 관련되는 것과 달리, 수퍼셀의 개수는 회절빔의 직경, 다시 말하면, angle cone과 관련되며, 회절 각도에는 영향을 주지 않는다. N이 커질수록 작아지며, 회절빔의 직경은 작아지고 분포도 균일해진다. A, b, c, and d shown in the figure are N × N arrays of supercells, where N is 2, 3, 4, and 5, respectively, the pixel pitch is 300nm, and the number of nanostructures included in one supercell is 10x10. It is the same case. Unlike the number of nanostructures and the pixel pitch are related to the diffraction angle, the number of supercells is related to the diameter of the diffraction beam, that is, the angle cone, and does not affect the diffraction angle. As N increases, it becomes smaller, the diameter of the diffraction beam becomes smaller, and the distribution becomes more uniform.

도 9는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수의 다른 예를 보인다. FIG. 9 shows another example of a first function defined in the spatial frequency domain according to a meta-optical device design method according to an embodiment.

도 3a에서 예시한 제1함수는 180도의 시야각을 구현할 수 있는 위상 프로파일을 도출하기 위한 것임에 비해, 본 실시예에서의 제1함수는 임의의 시야각 2ω를 구현하기 위한 것이다.While the first function illustrated in FIG. 3A is for deriving a phase profile that can implement a viewing angle of 180 degrees, the first function in this embodiment is for implementing an arbitrary viewing angle 2ω.

도 9에 예시된 제1함수는 1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 (sin ω)/λ 인 원 내에서는 내에서는 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 설정될 수 있다. 여기서 P는 나노구조물들의 배열 피치이고, λ는 변조 대상인 입사광의 파장이며, ω는 π/2 (radian) 이하의 임의의 값일 수 있다. The first function illustrated in Figure 9 is (f x , f y ) that satisfies the conditions of 1/(2P ) ≤f In the spatial frequency domain defined as , within a circle with a radius of (sin ω)/λ, it can be set to have a value of 1 within the circle and a value of 0 in the remaining space. Here, P is the array pitch of the nanostructures, λ is the wavelength of incident light to be modulated, and ω may be any value below π/2 (radian).

이와 같이 제1함수를 설정한 후, 즉, 도 3b 내지 4를 참조한 설명과 동일한 방법으로, 공간 도메인(메타 표면 도메인)에 적용될 위상 프로파일이 도출될 수 있고, 각 위치에 알맞은 나노구조물을 배치함으로써, 원하는 시야각 2ω를 나타낼 수 있는 메타 광학 소자를 구현할 수 있다. After setting the first function in this way, that is, in the same way as the description with reference to FIGS. 3b to 4, the phase profile to be applied to the spatial domain (meta surface domain) can be derived, and by placing the appropriate nanostructure at each position. , it is possible to implement a meta-optical element that can display the desired viewing angle 2ω.

도 10은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수의 또 다른 예를 보인다. FIG. 10 shows another example of a first function defined in the spatial frequency domain according to a meta-optical device design method according to an embodiment.

본 실시예에서의 제1함수는 임의의 형상의 시야각 범위를 나타낼 수 있는 위상 프로파일을 위한 것이다. 예시된 바와 같이, 1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 r1인 원 내에서는 1의 값, 내경이 r2이고 외경이 r3인 환형 링 내에서는 1의 값, 내경이 r4이고 외경이 r5인 환형 링 내에서 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 제1함수가 설정될 수 있다. r1은 (sin ω1)/λ, r2는 (sin ω2)/λ, r3는 (sin ω3)/λ, r4는 (sin ω4)/λ, r5는 (sin ω5)/λ 일 수 있다. ω1<ω2<ω3<ω4<ω5≤π/2 이고, P는 나노구조물들의 배열 피치이며, λ는 변조 대상인 입사광의 파장이다. The first function in this embodiment is for a phase profile that can represent a viewing angle range of arbitrary shape. As illustrated, a space defined by (f x , f y ) satisfying the conditions 1/(2P) ≤f In the frequency domain, the value is 1 within a circle with radius r1, the value 1 within an annular ring with inner diameter r2 and outer diameter r3, the value 1 within an annular ring with inner diameter r4 and outer diameter r5, and the rest of space. The first function may be set to have a value of 0. r1 is (sin ω 1 )/λ, r2 is (sin ω 2 )/λ, r3 is (sin ω 3 )/λ, r4 is (sin ω 4 )/λ, and r5 is (sin ω 5 )/λ. You can. ω 1 <ω 2 <ω 3 <ω 4 <ω 5 ≤π/2, P is the array pitch of the nanostructures, and λ is the wavelength of the incident light to be modulated.

이러한 제1함수를 사용하여, 수직 및 수평 방향으로 -ω1~+ω1, -ω2~-ω3, +ω2~+ω3, -ω4~-ω5, +ω4~+ω5의 시야각 범위의 구조광을 형성하는 메타 광학 소자가 설계될 수 있다. Using this first function, -ω 1 ~+ω 1 , -ω 2 ~-ω 3 , +ω 2 ~+ω 3 in the vertical and horizontal directions. -ω 4 ~-ω 5 , A meta-optical element that forms structured light in a viewing angle range of +ω 4 to +ω 5 can be designed.

제1함수에서 1의 값을 갖도록 설정된 영역은 하나의 원과 두 개의 환형 링으로 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 하나의 원과 하나의 환형 링이 1의 값을 갖는 형태로 변형될 수도 있다. The area set to have a value of 1 in the first function is illustrated as one circle and two annular rings, but it is not limited to this, and for example, one circle and one annular ring can be transformed into a form with a value of 1. It could be.

도 11a 내지 도 11e는 실시예에 따른 메타 광학 소자 제조방법을 설명하는 도면들이다.FIGS. 11A to 11E are diagrams explaining a method of manufacturing a meta-optical device according to an embodiment.

도 11a는 마스터 스탬프(410) 상에 형성된 소정 패턴(410a)을 복제하여 소프트 몰드를 형성하는 과정을 보인다. 마스터 스탬프(410) 상에 양각, 음각으로 형성된 패턴(410a)은 제조하고자 하는 메타 광학 소자를 이루는 나노구조물들의 형상과 배열에 상응하는 형태이다. 원하는 위상 프로파일, 즉, 넓은 시야각의 구조광을 형성할 수 있도록 설정된 나노구조물들의 형상과 배열대로, 마스터 스탬프(410)가 제조된다. 마스터 스탬프(410)의 패턴(410a)은 예를 들어, 전자 빔 리소그라피 등의 방법으로 형성될 수 있다. 이러한 마스터 스탬프(410) 상에 소프트한 재질의 몰드물질층이 압착된다. 몰드물질층은 제1층(420), 제2층(430)을 포함할 수 있다. 마스터 스탬프(410)의 패턴(410a)에 직접 접촉하는 제2층(4330)은 제1층(420)에 비해 점성은 낮고 기계적 강성은 높은 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1층(420)은 PDMS(hard polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있고, 제2층(430)은 h-PDMS(hard polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있다. 다만, 이는 예시적이며, 몰드물질층은 플렉서블한 재질로 단층으로 형성될 수도 있다. 몰드물질층을 마스터 스탬프(410) 위에 올려놓은 상태에서 열 또는 압력을 인가함으로써, 마스터 스탬프(410)의 패턴(410a)이 제2층(430)에 임프린트 된다. Figure 11a shows the process of forming a soft mold by replicating a predetermined pattern 410a formed on the master stamp 410. The pattern 410a formed by embossing or engraving on the master stamp 410 has a form corresponding to the shape and arrangement of the nanostructures that make up the meta-optical device to be manufactured. The master stamp 410 is manufactured according to the shape and arrangement of the nanostructures set to form the desired phase profile, that is, structured light with a wide viewing angle. The pattern 410a of the master stamp 410 may be formed by, for example, electron beam lithography. A soft mold material layer is pressed onto the master stamp 410. The mold material layer may include a first layer 420 and a second layer 430. The second layer 4330, which is in direct contact with the pattern 410a of the master stamp 410, may be made of a material that has lower viscosity and higher mechanical rigidity than the first layer 420. For example, the first layer 420 may be made of PDMS (hard polydimethylsiloxane), and the second layer 430 may be made of h-PDMS (hard polydimethylsiloxane). However, this is an example, and the mold material layer may be formed as a single layer of a flexible material. By applying heat or pressure while placing the mold material layer on the master stamp 410, the pattern 410a of the master stamp 410 is imprinted on the second layer 430.

도 11b를 참조하면, 소프트 몰드(440) 상에 나노복합재(450)가 도포된다. 나노복합재(450)는 수지 물질(451)과 수지 물질(451) 내에 분산된 나노 입자(453)들을 포함한다. 소프트 몰드(440)는 제1층(420)과 패턴된 제2층(431)을 포함한다. 제2층(431)에는 마스터 스탬프(410)의 패턴(410a)이 임프린트된 패턴(431a)이 형성되어 있다. 즉, 이 패턴(431a)은 상세한 형상의 도시는 생략되었으나, 제조하고자 하는 메타 광학 소자의 나노구조물들의 형상과 배열의 역상에 해당하는 패턴이다. 나노복합재(450)에 포함된 수지 물질(451)은 자외선 경화성(UV curable)의 수지(resin)이며, 경화되지 않은 액상의 형태로서 패턴(431a)의 음각된 영역 내부부를 채우게 된다. Referring to Figure 11b, the nanocomposite 450 is applied on the soft mold 440. Nanocomposite 450 includes a resin material 451 and nanoparticles 453 dispersed within the resin material 451. The soft mold 440 includes a first layer 420 and a patterned second layer 431. A pattern 431a in which the pattern 410a of the master stamp 410 is imprinted is formed on the second layer 431. That is, although the detailed shape of this pattern 431a is omitted, it is a pattern that corresponds to the inverse shape and arrangement of the nanostructures of the meta-optical device to be manufactured. The resin material 451 included in the nanocomposite 450 is a UV curable resin, and fills the interior of the engraved area of the pattern 431a in an uncured liquid form.

도 11c를 참조하면, 도 11b와 같은 구조 상에 지지층(SU)이 배치된 후 자외선(UV)이 조사될 수 있다. 필요에 따라, 자외선과 함께 압력이 인가될 수도 있다. 이러한 과정에서 나노복합재(450)를 이루는 수지 물질(451)이 경화된다. 지지층(SU)은 플랫한 기판일 수도 있고, 또는 곡면 형상을 가질 수도 있다. Referring to FIG. 11C, after the support layer (SU) is disposed on the structure shown in FIG. 11B, ultraviolet rays (UV) may be irradiated. If necessary, pressure may be applied along with ultraviolet rays. In this process, the resin material 451 forming the nanocomposite 450 is cured. The support layer SU may be a flat substrate or may have a curved shape.

다음, 소프트 몰드(440)를 제거하면, 도 11e와 같이, 지지층(SU) 상에, 수지 물질(451)에 나노 입자(453)들이 분산된 나노복합재(450)로 형성되고, 원하는 형상과 배열을 가지는 나노구조물(NS)들이 형성된, 메타 광학 소자(100)가 제공된다. Next, when the soft mold 440 is removed, a nanocomposite 450 in which nanoparticles 453 are dispersed in the resin material 451 is formed on the support layer (SU), as shown in Figure 11e, and has the desired shape and arrangement. A meta-optical device 100 is provided in which nanostructures (NS) having are formed.

이러한 제조방법은 반복적으로 사용할 수 있는 소프트 몰드(440)를 활용하고 있어, 메타 광학 소자(100)의 대량 생산에 유리하다. 예를 들어, 전자 빔 리소그라피를 이용하여 메타 광학 소자(100)를 제조하는 것은 매우 긴 시간이 소요되어 대량 생산에 매우 불리하다. 실시예에 따른 제조방법은 전자 빔 리소그라피를 이용하여 하나의 마스터 스탬프(410)를 제조한 후, 마스터 스탬프(410) 상에 몰드 물질층을 도포하고 경화시키는 방법으로 소프트 몰드(440)를 용이하게, 단시간에 제조할 수 있다. This manufacturing method utilizes a soft mold 440 that can be used repeatedly, which is advantageous for mass production of the meta-optical element 100. For example, manufacturing the meta-optical device 100 using electron beam lithography takes a very long time, which is very disadvantageous for mass production. The manufacturing method according to the embodiment is to manufacture one master stamp 410 using electron beam lithography, then apply a mold material layer on the master stamp 410 and cure it to facilitate the soft mold 440. , can be manufactured in a short time.

또한, 이러한 제조방법은 소프트 몰드(440)를 사용하고 있어 곡면 형상을 가지는 지지층(SU)에도 원하는 형상과 배치로 나노구조물(NS)들을 형성하기에 용이하다. 다시 말하면, 소프트 몰드(440)의 플렉서블한 성질에 의해, 지지층(SU)의 표면 형상에 구애되지 않고, 지지층(SU) 상에 나노구조물(NS)들이 잘 형성될 수 있다.In addition, since this manufacturing method uses the soft mold 440, it is easy to form nanostructures (NS) in a desired shape and arrangement even in the support layer (SU) having a curved shape. In other words, due to the flexible nature of the soft mold 440, nanostructures NS can be well formed on the support layer SU without being limited by the surface shape of the support layer SU.

도 12는 실시예에 따른 메타 광학 소자가 곡면 플라스틱에 구현된 사진을 보인다. Figure 12 shows a photograph of a meta-optical element according to an embodiment implemented in curved plastic.

도시된 바와 같이, 안경 알을 이루는 곡면의 투명 플라스틱 상에 메타 표면(metasurface)가 구현될 수 있다. 이와 같이, 실시예의 메타 광학 소자는 아이-웨어러블(eye-wearable) 형태의 전자 장치에 용이하게 활용될 수 있다. As shown, a metasurface can be implemented on the curved transparent plastic forming the eyeglasses. In this way, the meta-optical device of the embodiment can be easily utilized in an eye-wearable electronic device.

실시예에 따른 메타 광학 소자는 이외에도, 다양한 곡면 플라스틱, 곡면 유리에 형성될 수 있다. 예를 들어, 자동차의 윈드 쉴드(wind shield)나 측면 미러 상에 메타 광학 소자가 형성될 수도 있다. In addition, the meta-optical element according to the embodiment can be formed on various curved plastics and curved glass. For example, a meta-optical element may be formed on a windshield or side mirror of a car.

실시예의 메타 광학 소자는 광원과 함께 구조광 프로젝터를 형성할 수 있다. 이러한 구조광 프로젝터는 센서들과 함께 깊이 인식 장치에 적용될 수 있다. 깊이 인식 장치는 다양한 전자 장치, 예를 들어, 자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기, 가상 현실 (Virtual reality, VR) 장치, 증강 현실(Augmented reality, AR) 장치, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 및 사물 인터넷 기기 등에 활용될 수 있다. The meta-optical element of the embodiment may form a structured light projector together with a light source. These structured light projectors can be applied in depth perception devices along with sensors. Depth perception devices include various electronic devices, such as autonomous driving devices such as cars, self-driving cars, robots, drones, smart phones, smart watches, mobile phones, personal digital assistants (PDAs), It can be used in laptops, PCs, various wearable devices, virtual reality (VR) devices, augmented reality (AR) devices, other mobile or non-mobile computing devices, and Internet of Things devices. .

도 13은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보인다.Figure 13 shows a schematic configuration of an electronic device according to an embodiment.

전자 장치(1000)는 Active stereo vision기반의 깊이 인식 시스템일 수 있다. 전자 장치(1000)는 구조광을 조사하는 구조광 프로젝터(500), 광을 센싱하는 제1센서(610)와 제2센서(620) 및, 제1센서(610)와 제2센서(620)에 수신된 광을 분석하는 프로세서(700)를 포함한다. The electronic device 1000 may be an active stereo vision-based depth recognition system. The electronic device 1000 includes a structured light projector 500 that irradiates structured light, a first sensor 610 and a second sensor 620 that sense light, and a first sensor 610 and a second sensor 620. It includes a processor 700 that analyzes the light received.

구조광 프로젝터(500)는 광원(510)과 광원(510)에서의 광을 변조하여 구조광을 형성하는 메타 광학 소자(520)를 포함한다. 광원(510)은 LED일 수 있고, 또는 레이저 광을 방출하는 레이저 다이오드일 수 있고, 또는 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)일 수 있다. 광원(510)은 근적외선, 적외선, 또는 가시광 파장 대역의 광을 출사할 수 있다. 광원(510)에서 출사하는 광의 파장은 특별히 한정되지 않으며 구조광을 활용하는 어플리케이션에 알맞은 파장 대역의 광을 출사하도록 설정될 수 있다. 메타 광학 소자(520)는 앞서 설명한 메타 광학 소자(100)일 수 있으며, 예시된 설계 방법에 따라 넓은 시야각(FOV)의 구조광을 형성하도록 구성될 수 있다. 구조광 프로젝터(500)의 시야각은 예를 들어, 수평 및 수직 방향으로 160도 이상일 수 있고, 180도에 이를 수도 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 도 9, 도 10에서 설명한 바와 같이, 다양한 형태의 시야각 범위의 구조광을 제공할 수도 있다. 구조광 프로젝터(500)는 따라서, 설정된 시야각 범위에 있는 다수의 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)들을 동시에 조명할 수 있다. The structured light projector 500 includes a light source 510 and a meta-optical element 520 that modulates light from the light source 510 to form structured light. The light source 510 may be an LED, a laser diode that emits laser light, or a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). The light source 510 may emit light in a near-infrared, infrared, or visible light wavelength band. The wavelength of light emitted from the light source 510 is not particularly limited and can be set to emit light in a wavelength band appropriate for applications utilizing structured light. The meta-optical element 520 may be the meta-optical element 100 described above, and may be configured to form structured light with a wide viewing angle (FOV) according to the illustrated design method. For example, the viewing angle of the structured light projector 500 may be 160 degrees or more in the horizontal and vertical directions, and may even reach 180 degrees. However, it is not limited to this, and as described in FIGS. 9 and 10, structured light in various types of viewing angle ranges may be provided. Accordingly, the structured light projector 500 can simultaneously illuminate multiple subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3 within a set viewing angle range.

제1센서(610), 제2센서(620)는 광을 센싱하여 전기 신호를 출력하는 광검출 소자를 포함할 수 있다. 제1센서(610), 제2센서(620)는 각각 광 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 제1센서(610)와 제2센서(620)는 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)에 조사된 구조광의 반사광을 수신할 수 있다. 제1센서(610), 제2센서(620)는 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)들에 대해 서로 다른 시점(view point)에서의 정보를 얻을 수 있도록 제공된다. 제1센서(610), 제2센서(620)는 구조광 프로젝터(500)를 사이에 두고 양측에 배치될 수 있다. 제1센서(610), 구조광 프로젝터(500), 제2센서(620)는 일렬로 배열될 수 있고, 적절한 거리로 이격되게 배치될 수 있다. 도면에서는 구조광 프로젝터(500)가 제1센서(610)와 제2센서(620) 사이에 배치된 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이다. 제1센서(610)가 제2센서(620)와 구조광 프로젝터(500) 사이에 배치되거나, 다른 배열로 변경되는 것도 가능하다. The first sensor 610 and the second sensor 620 may include a photodetection element that senses light and outputs an electrical signal. The first sensor 610 and the second sensor 620 may each include an array of light detection elements. The first sensor 610 and the second sensor 620 may receive reflected light of structured light irradiated on the subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3. The first sensor 610 and the second sensor 620 are provided to obtain information on the subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3 from different viewpoints. The first sensor 610 and the second sensor 620 may be placed on both sides with the structured light projector 500 in between. The first sensor 610, the structured light projector 500, and the second sensor 620 may be arranged in a line or spaced apart at an appropriate distance. In the drawing, the structured light projector 500 is shown as being disposed between the first sensor 610 and the second sensor 620, but this is an example. The first sensor 610 may be placed between the second sensor 620 and the structured light projector 500, or it may be changed to another arrangement.

제1센서(610), 제2센서(620)는 구조광 프로젝터(500)에 대해 상대적으로 다른 위치에 배치되어 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)들로부터 센싱한 반사광의 세부 정보에 차이가 있다. The first sensor 610 and the second sensor 620 are placed at relatively different positions with respect to the structured light projector 500, so there is a difference in the detailed information of the reflected light sensed from the objects OBJ1, OBJ2, and OBJ3.

프로세서(700)는 제1센서(610)에서 수신한 반사광과 제2센서(620)에서 수신한 반사광을 분석하여 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)의 깊이 정보를 연산할 수 있다. 예를 들어, 피사체(OBJ1)의 동일한 위치에서 반사된 광이 제1센서(610), 제2센서(620) 각각의 상면(image plane)에 센싱된 좌표를 비교하여, 삼각 측량의 방법으로 해당 위치에 대한 깊이 정보를 연산할 수 있다. 다만, 이는 예시적이고, 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)의 깊이 정보를 연산하는 다양한 방법이 사용될 수 있다. The processor 700 may calculate depth information of the objects OBJ1, OBJ2, and OBJ3 by analyzing the reflected light received from the first sensor 610 and the reflected light received from the second sensor 620. For example, the light reflected from the same location of the object OBJ1 compares the coordinates sensed on the image planes of the first sensor 610 and the second sensor 620, and corresponds to the corresponding coordinates by the method of triangulation. Depth information about location can be calculated. However, this is an example, and various methods for calculating depth information of the subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3 can be used.

전자 장치(1000)는 제1센서(610)와 제2센서(620)를 구비하는 것으로 예시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 구조광 프로젝터(500)에서 형성되는 구조광의 패턴 여하에 따라 하나의 센서만을 포함하여 깊이 정보를 획득하도록 구성될 수도 있다. 미리 설계된 소정 패턴의 구조광이 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)에 조사될 수 있고, 이러한 구조광이 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)에서 반사될 때 나타나는 패턴 변화를 추적하여 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)의 깊이 정보를 추출할 수 있다. The electronic device 1000 is illustrated as having a first sensor 610 and a second sensor 620, but is not limited thereto, and may only include one sensor depending on the pattern of structured light formed by the structured light projector 500. It may also be configured to acquire depth information. A pre-designed pattern of structured light can be irradiated to the subject (OBJ1, OBJ2, OBJ3), and the pattern change that appears when this structured light is reflected from the subject (OBJ1, OBJ2, OBJ3) is tracked to detect the subject (OBJ1, OBJ2, OBJ3). Depth information of OBJ3) can be extracted.

전자 장치(1000)는 제1센서(610)와 제2센서(620) 중 어느 하나만을 사용하여 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)의 깊이 정보를 획득할 수도 있다. 또는, 제1센서(610)와 제2센서(620)를 모두 사용하여 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)에 대한 깊이 정보를 보다 높은 정확도로 획득할 수도 있다. The electronic device 1000 may acquire depth information of the subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3 using only one of the first sensor 610 and the second sensor 620. Alternatively, depth information about the subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3 may be obtained with higher accuracy by using both the first sensor 610 and the second sensor 620.

프로세서(700)는 이 외에도 전자 장치(1000)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있고, 예를 들어, 제1센서(610), 제2센서(620)의 동작이나, 구조광 프로젝터(500)에 구비된 광원(510)의 구동을 제어할 수 있다.In addition to this, the processor 700 can generally control the operation of the electronic device 1000, for example, the operation of the first sensor 610 and the second sensor 620, or the structured light projector 500. The operation of the provided light source 510 can be controlled.

전자 장치(1000)는 메모리를 더 포함할 수 있다. 메모리에는 프로세서(700)가 상기와 같이 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)에 대한 3차원 정보 추출을 위한 연산을 실행할 수 있도록 프로그램된 연산 모듈이 저장될 수 있고, 이들 연산에 필요한 기타의 데이터들이 저장될 수 있다.The electronic device 1000 may further include memory. In the memory, a calculation module programmed so that the processor 700 can execute calculations for extracting 3D information about the objects (OBJ1, OBJ2, OBJ3) as described above can be stored, and other data necessary for these calculations are stored. It can be.

구조광 프로젝터(500)와 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)사이에는 구조광 프로젝터(500)로부터의 구조광이 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)를 향하도록 방향을 조절하거나, 또는 이에 대한 추가적인 변조를 하기 위한 광학 소자들이 더 배치될 수도 있다. 제1센서(610), 제2센서(620) 상에는 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)에서 반사되는 광을 모을 수 있는 렌즈 등의 광학 소자가 더 배치될 수 있다.Between the structured light projector 500 and the subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3, the direction of the structured light from the structured light projector 500 is adjusted to face the subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3, or additional modulation thereof is performed. Additional optical elements may be disposed for this purpose. Optical elements such as lenses capable of collecting light reflected from the objects OBJ1, OBJ2, and OBJ3 may be further disposed on the first sensor 610 and the second sensor 620.

도 15a 및 도 15b는 각각, 도 14와 같이 구성된 깊이 인식 시스템에서 형성된 구조광을 정면 및 측면에서 보인 사진이며, 도 16은 도 14의 깊이 인식 시스템을 사용하여 얻은 두 피사체에 대한 깊이 맵을 보인다.FIGS. 15A and 15B are photographs showing the structured light formed by the depth recognition system configured as in FIG. 14 from the front and the side, respectively, and FIG. 16 shows depth maps for two subjects obtained using the depth recognition system of FIG. 14. .

도 15a 및 도 15b에 나타나는 바와 같이, 레이저 광이 Metasurface에 의해 180도 시야각을 가지는 점 패턴의 구조광을 형성하는 것이 확인된다. 이러한 구조광이 두 피사체(object 1, object 2)를 조명하고, 두 대의 카메라 각각에 결상된 피사체(object 1, object 2)의 이미지로부터 피사체(object 1, object 2)의 깊이 정보를 획득하였다. 각각의 카메라에 투영된 이미지에서 같은 점을 찾는 스테레오 정합(stereo matching)은 Coherent Point Drift(CPD) 알고리즘을 사용하여 최적의 정합 조건을 확률적으로 구하는 방법을 사용하였다. 도 16은 이러한 실험 결과로 얻은, 두 피사체(object 1, object 2)의 깊이 맵을 보이고 있다. As shown in FIGS. 15A and 15B, it is confirmed that the laser light forms a dot pattern structured light with a 180 degree viewing angle by the Metasurface. This structured light illuminated the two subjects (object 1, object 2), and depth information of the subjects (object 1, object 2) was obtained from the images of the subjects (object 1, object 2) imaged by each of the two cameras. Stereo matching, which finds the same point in the images projected to each camera, used a method of probabilistically obtaining optimal matching conditions using the Coherent Point Drift (CPD) algorithm. Figure 16 shows depth maps of two subjects (object 1 and object 2) obtained as a result of this experiment.

실시예에 따른 메타 광학 소자를 활용하는 깊이 인식 시스템으로부터, 넓은 시야각 범위에 위치한 두 피사체(object 1, object 2)에 대한 3차원 영상이 잘 획득될 수 있음이 실험적으로 확인된다.It is experimentally confirmed that three-dimensional images of two subjects (object 1 and object 2) located in a wide viewing angle range can be well obtained from the depth recognition system using the meta-optical element according to the embodiment.

도 17은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보인다. Figure 17 shows a schematic configuration of an electronic device according to an embodiment.

실시예에 따른 전자 장치(2000)는 증강 현실 장치일 수 있다. 전자 장치(2000)는 구조광을 조사하는 구조광 프로젝터(500), 광을 센싱하는 제1센서(610)와 제2센서(620) 및, 제1센서(610)와 제2센서(620)에 수신된 광을 분석하는 프로세서(800)를 포함한다. 전자 장치(2000)는 또한, 영상이 표시되는 영상 표시부(900)를 더 포함할 수 있다.The electronic device 2000 according to the embodiment may be an augmented reality device. The electronic device 2000 includes a structured light projector 500 that irradiates structured light, a first sensor 610 and a second sensor 620 that sense light, and a first sensor 610 and a second sensor 620. It includes a processor 800 that analyzes the light received. The electronic device 2000 may further include an image display unit 900 that displays an image.

영상 표시부(900)는 알려진 다양한 디스플레이 소자를 포함할 수 있고, 예를 들어, LCoS(liquid crystal on silicon) 소자, LCD(liquid crystal display) 소자, OLED(organic light emitting diode) 디스플레이 소자, DMD(digital micromirror device)를 포함할 수 있고, 또한, Micro LED, QD(quantum dot) LED 등의 차세대 디스플레이 소자를 포함할 수 있다.The image display unit 900 may include a variety of known display devices, for example, a liquid crystal on silicon (LCoS) device, a liquid crystal display (LCD) device, an organic light emitting diode (OLED) display device, and a digital display device (DMD). It may include a micromirror device) and may also include next-generation display devices such as Micro LED and QD (quantum dot) LED.

프로세서(800)는 도 13의 전자 장치(1000)에서 설명한 프로세서(700)와 유사하게, 제1센서(610), 제2센서(620)에 수신된 광신호를 처리하여 피사체 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)에 대한 깊이 정보를 획득할 수 있다. 프로세서(800)는 또한, 피사체 피사체(OBJ1, OBJ2, OBJ3)에 대해 획득한 깊이 정보를 깊이 영상으로 처리하여 영상 표시부(900)에 표시되도록 영상 표시부(900)를 제어할 수 있고, 또한, 획득된 깊이 영상과 관련된 부가 영상이 영상 표시부(900)에 표시되도록 영상 표시부(900)를 제어할 수 있다.Similar to the processor 700 described in the electronic device 1000 of FIG. 13, the processor 800 processes the optical signals received by the first sensor 610 and the second sensor 620 to detect the objects OBJ1 and OBJ2. , depth information about OBJ3) can be obtained. The processor 800 may also control the image display unit 900 to process depth information acquired about the subjects OBJ1, OBJ2, and OBJ3 into a depth image and display it on the image display unit 900. The image display unit 900 may be controlled so that an additional image related to the depth image is displayed on the image display unit 900.

이러한 증강 현실 장치인 전자 장치(2000)는 안경형(glasses type), 헤드 장착형(head mount type), 고글형(goggle-type) 등의 웨어러블 장치로 구현될 수 있다. 전자 장치(2000)는 비착용형 장치로 구현될 수도 있고, 자동차 등의 구동 기기에 구비될 수도 있다. 예를 들어, 자동차의 전면 유리에 이러한 증강 현실 장치가 적용되어, 운전자의 시야에 있는 주변 환경을 깊이 영상, 즉, 3차원 영상으로 재구성하고, 이와 관련된 부가 영상을 깊이 영상과 함께 운전자에게 제공할 수 있다. 또는, 이러한 증강 현실 장치의 구성 일부, 예를 들어, 구조광 프로젝터(500)는 자동차의 측면, 후면 등 기타 다른 위치에 마련될 수 있고, 이에 따라 운전자의 사각에 있는 주변 환경에 대한 깊이 정보가 획득될 수 있고, 이를 깊이 영상으로 재구성하여 관련된 부가 영상과 함께 운전자에게 제공될 수 있다.The electronic device 2000, which is such an augmented reality device, may be implemented as a wearable device such as glasses type, head mount type, or goggle type. The electronic device 2000 may be implemented as a non-wearable device or may be installed in a driving device such as a car. For example, such an augmented reality device can be applied to the windshield of a car, reconstructing the surrounding environment in the driver's field of view into a depth image, that is, a 3D image, and providing related additional images to the driver along with the depth image. You can. Alternatively, a part of the augmented reality device, for example, the structured light projector 500, may be provided in other locations such as the side or rear of the car, and thus depth information about the surrounding environment in the driver's blind spot may be provided. It can be acquired, reconstructed into a depth image, and provided to the driver along with related additional images.

상술한 메타 광학 소자, 이의 설계 방법, 이의 제조 방법, 및 메타 광학 소자를 포함하는 전자장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The above-mentioned meta-optical element, its design method, its manufacturing method, and the electronic device including the meta-optical element have been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely examples and those with ordinary knowledge in the field As you grow older, you will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present specification is indicated in the claims, not the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as included.

100, 520: 메타 광학 소자
SU: 지지층
NS: 나노구조물
410: 마스터 스탬프
440: 소프트 몰드
500: 구조광 프로젝터
510: 광원
1000, 2000: 전자 장치100, 520: meta-optical element
SU: support base
NS: Nanostructure
410: master stamp
440: soft mold
500: Structured light projector
510: light source
1000, 2000: Electronic devices

Claims (20)

소정 파장의 입사광을 변조하여 구조광을 형성하는 것으로,
각각, 상기 소정 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼셀;을 포함하며,
상기 복수의 나노구조물의 형상과 배열은 가로 및 세로 방향의 시야각이 160도 이상인 점 패턴의 구조광을 형성하도록 정해진, 메타 광학 소자.Forming structured light by modulating incident light of a certain wavelength,
It includes a plurality of supercells, each including a plurality of nanostructures having a shape dimension smaller than the predetermined wavelength,
A meta-optical device in which the shape and arrangement of the plurality of nanostructures are determined to form structured light in a dot pattern with a horizontal and vertical viewing angle of 160 degrees or more. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물의 형상과 배열은
1차 회절광의 세기에 대한 m차 회절광의 세기의 비율은 50% 이상이 되도록 정해진, 메타 광학 소자.
여기서 m은 (n*P/λ)보다 작은 정수 중에서 가장 큰 수이며, n, P는 각각 하나의 수퍼셀 내에서의 나노구조물들의 개수 및 나노구조물들의 배열 피치이고, λ는 상기 소정 파장이다. According to paragraph 1,
The shape and arrangement of the plurality of nanostructures are
A meta-optical element in which the ratio of the intensity of the m-order diffracted light to the intensity of the first-order diffracted light is set to be 50% or more.
Here, m is the largest number among integers smaller than (n*P/λ), n and P are the number of nanostructures and the array pitch of the nanostructures in one supercell, respectively, and λ is the predetermined wavelength. 제1항에 있어서,
상기 복수의 수퍼셀 각각에 의한 위상 프로파일은
공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 푸리어 변환(Iterative Fourier transform)하여 얻어지는 제2함수로 표현되며,
상기 제1함수는
1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 1/λ인 원 내에서는 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 정의된 함수이며, P는 상기 복수의 나노구조물들의 배열 피치이고, λ는 상기 소정 파장인, 메타 광학 소자. According to paragraph 1,
The phase profile of each of the plurality of supercells is
It is expressed as a second function obtained by Iterative Fourier transform of the first function defined in the spatial frequency domain,
The first function is
In the spatial frequency domain defined by (f x , f y ) satisfying the conditions 1/(2P)≤f x ≤1/(2P), 1/(2P)≤f y ≤1/(2P), This 1/λ is a function defined to have a value of 1 within the circle and a value of 0 in the remaining space, P is the array pitch of the plurality of nanostructures, and λ is the predetermined wavelength, a meta-optical element. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물의 배열 피치는 λ/2 이하이고, λ는 상기 소정 파장인, 메타 광학 소자.According to paragraph 1,
An array pitch of the plurality of nanostructures is λ/2 or less, and λ is the predetermined wavelength. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물 각각은 장축과 단축이 정의되는 단면을 가지는 기둥 형상이고,
상기 복수의 나노구조물 각각의 장축의 방향은 상기 복수의 수퍼셀 각각 내에서 해당 나노구조물의 상대적 위치에 따라 정해지는, 메타 광학 소자.According to paragraph 1,
Each of the plurality of nanostructures has a pillar shape with a cross section where the long axis and short axis are defined,
The direction of the long axis of each of the plurality of nanostructures is determined according to the relative position of the nanostructure within each of the plurality of supercells. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물을 지지하는 지지층을 더 포함하는, 메타 광학 소자.According to paragraph 1,
A meta-optical device further comprising a support layer supporting the plurality of nanostructures. 제6항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물은
수지 물질 및 이에 분산된 나노입자들을 포함하는 나노복합재로 이루어진, 메타 광학 소자.According to clause 6,
The plurality of nanostructures are
A meta-optical device made of a nanocomposite containing a resin material and nanoparticles dispersed therein. 제7항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물 형상의 역상의 패턴을 가지는 소프트 몰드를 활용하여 제조되는, 메타 광학 소자In clause 7,
A meta-optical element manufactured using a soft mold having an inverse pattern of the plurality of nanostructure shapes. 제7항에 있어서,
상기 지지층은 곡면 형상을 가지는 투명 플라스틱 물질로 이루어진, 메타 광학 소자.In clause 7,
The support layer is a meta-optical device made of a transparent plastic material having a curved shape. 각각이 주기적으로 배열된 복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼셀;을 포함하고,
상기 복수의 수퍼셀 각각에 의한 위상 프로파일은,
공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 푸리어 변환(Iterative Fourier transform)하여 얻어지는 제2함수로 표현되며,
상기 제1함수는
1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 (sin ω)/λ 인 원 내에서는 내에서는 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 정의된 함수이며, ω는 π/2 이하이고, P는 상기 복수의 나노구조물들의 배열 피치이고, λ는 상기 소정 파장인, 메타 광학 소자. A plurality of supercells each including a plurality of periodically arranged nanostructures,
The phase profile of each of the plurality of supercells is,
It is expressed as a second function obtained by Iterative Fourier transform of the first function defined in the spatial frequency domain,
The first function is
In the spatial frequency domain defined by (f x , f y ) satisfying the conditions 1/(2P)≤f x ≤1/(2P), 1/(2P)≤f y ≤1/(2P), This (sin ω)/λ is a function defined to have a value of 1 within the circle and a value of 0 in the remaining space, ω is π/2 or less, and P is the array pitch of the plurality of nanostructures. , λ is the predetermined wavelength, meta-optical element. 제10항에 있어서,
ω는 π/2 라디안(radian)인, 메타 광학 소자.According to clause 10,
ω is π/2 radians, a meta-optical element. 제10항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물의 배열 피치는 λ/2 이하인, 메타 광학 소자.According to clause 10,
A meta-optical device wherein the array pitch of the plurality of nanostructures is λ/2 or less. 제10항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물 각각은 장축과 단축이 정의되는 단면을 가지는 기둥 형상이고,
상기 복수의 나노구조물 각각의 장축의 방향은 상기 복수의 수퍼셀 각각 내에서 해당 나노구조물의 상대적 위치에 따라 정해지는, 메타 광학 소자.According to clause 10,
Each of the plurality of nanostructures has a pillar shape with a cross section where the long axis and short axis are defined,
The direction of the long axis of each of the plurality of nanostructures is determined according to the relative position of the nanostructure within each of the plurality of supercells. 제10항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물을 지지하는 지지층을 더 포함하는, 메타 광학 소자.According to clause 10,
A meta-optical device further comprising a support layer supporting the plurality of nanostructures. 제14항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물은
수지 물질 및 이에 분산된 나노입자들을 포함하는 나노복합재로 이루어진, 메타 광학 소자.According to clause 14,
The plurality of nanostructures are
A meta-optical device made of a nanocomposite containing a resin material and nanoparticles dispersed therein. 제5항에 있어서,
상기 지지층은 곡면 형상을 가지는 투명 플라스틱 물질로 이루어진, 메타 광학 소자.According to clause 5,
The support layer is a meta-optical device made of a transparent plastic material having a curved shape. 각각이 주기적으로 배열된 복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼셀;을 포함하고,
상기 복수의 수퍼셀 각각에 의한 위상 프로파일은,
공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수를 푸리어 변환(Iterative Fourier transform)하여 얻어지는 제2함수로 표현되며,
상기 제1함수는
1/(2P)≤fx≤1/(2P), 1/(2P)≤fy≤1/(2P)의 조건을 만족하는 (fx, fy)로 정의되는 공간 주파수 도메인에서, 반경이 (sin ω1)/λ인 원 내에서 1의 값, 내경이 (sin ω2)/λ이고 외경이 (sin ω3)/λ 인 하나 이상의 환형 링 내에서 1의 값, 나머지 공간에서는 0의 값을 가지도록 정의되며, ω1<ω2<ω3≤π/2 이고, P는 상기 복수의 나노구조물들의 배열 피치이며, λ는 상기 소정 파장인, 메타 광학 소자. A plurality of supercells each including a plurality of periodically arranged nanostructures,
The phase profile of each of the plurality of supercells is,
It is expressed as a second function obtained by Iterative Fourier transform of the first function defined in the spatial frequency domain,
The first function is
In the spatial frequency domain defined by (f x , f y ) satisfying the conditions 1/(2P)≤f x ≤1/(2P), 1/(2P)≤f y ≤1/(2P), a value of 1 within a circle of (sin ω 1 )/λ, a value of 1 within one or more annular rings with an inner diameter of (sin ω 2 )/λ and an outer diameter of (sin ω 3 )/λ, and 0 in the rest of space. It is defined to have a value of ω 1 <ω 2 <ω 3 ≤π/2, P is the array pitch of the plurality of nanostructures, and λ is the predetermined wavelength, a meta-optical element. 광원;
상기 광원에서의 광으로부터 구조광을 형성하여 피사체에 제공하는, 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 메타 광학 소자;
피사체로부터 반사된 광을 수신하는 것으로, 상기 메타 광학 소자를 사이에 두고 이격 배치된 제1 센서와 제2 센서; 및
상기 제1 센서 및 상기 제2 센서에서 수신된 신호를 분석하여 피사체의 깊이 위치 정보를 연산하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치.light source;
The meta-optical element of any one of claims 1 to 17, which forms structured light from light from the light source and provides it to a subject;
a first sensor and a second sensor that receive light reflected from a subject and are spaced apart from each other with the meta-optical element in between; and
An electronic device comprising: a processor that analyzes signals received from the first sensor and the second sensor to calculate depth location information of the subject. 제18항에 있어서,
영상을 표시하는 디스플레이 소자;를 더 포함하며,
상기 프로세서는
상기 깊이 위치 정보로부터 깊이 영상을 생성하고,
상기 깊이 영상과 관련된 부가 영상을 생성하고,
상기 깊이 영상과 상기 부가 영상이 상기 디스플레이 소자에 표시되도록 상기 디스플레이 소자를 제어하는, 전자 장치. According to clause 18,
It further includes a display element that displays an image,
The processor is
Generate a depth image from the depth position information,
Generate an additional image related to the depth image,
An electronic device that controls the display element to display the depth image and the additional image on the display element. 제19항에 있어서,
상기 전자 장치는 아이-웨어러블(eye-wearable) 장치인, 전자 장치.According to clause 19,
The electronic device is an eye-wearable device.
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