KR20240045982A - 메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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KR20240045982A
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김경태
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윤주영
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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.

Description

메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치{Meta optical device and electronic device including the same}
개시된 실시예들은 메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
본 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행되었음. (과제번호: 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.
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.
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.
메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
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.
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.
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.
상기 복수의 나노구조물의 배열 피치는 λ/2 이하일 수 있고 λ는 상기 소정 파장일 수 있다.
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.
상기 복수의 나노구조물을 지지하는 지지층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노구조물은 수지 물질 및 이에 분산된 나노입자들을 포함하는 나노복합재로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 나노구조물 형상의 역상의 패턴을 가지는 소프트 몰드를 활용하여 제조될 수 있다.
상기 지지층은 곡면 형상을 가지는 투명 플라스틱 물질로 이루어질 수 있다.
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.
ω는 π/2 라디안(radian)일 수 있다.
상기 복수의 나노구조물의 배열 피치는 λ/2 이하일 수 있다.
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.
상기 복수의 나노구조물을 지지하는 지지층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노구조물은 수지 물질 및 이에 분산된 나노입자들을 포함하는 나노복합재로 이루어질 수 있다.
상기 지지층은 곡면 형상을 가지는 투명 플라스틱 물질로 이루어질 수 있다.
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.
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.
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.
상기 전자 장치는 아이-웨어러블(eye-wearable) 장치일 수 있다.
상술한 메타 광학 소자는 서브 파장 나노구조물들을 활용하여 작은 폼 팩터(form factor)를 가질 수 있다.
상술한 메타 광학 소자는 넓은 시야각의 구조광 또는 임의의 시야각 범위의 구조광을 형성할 수 있다.
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.
상술한 메타 광학 소자는 구조광 프로젝터, 이를 활용하는 깊이 인식 장치에 적용될 수 있고, 다양한 전자 장치에 활용될 수 있다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법을 설명하는 흐름도이다.
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.
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.
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.
실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 먼저, 고시야각의 구조광을 형성할 수 있는 위상 프로파일이 설정된다(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.
다음, 위상 프로파일에 대응하는 각 위치에, 정해진 위상에 알맞은 형상의 나노구조물들을 배치할 수 있다(S300).
도 2 내지 도 4를 참조하며, 메타 광학 소자 설계 방법의 세부 사항을 살펴보기로 한다.
도 2는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에서, 고시야각 구조광을 위한 위상 프로파일 설정의 세부 과정을 설명하는 흐름도이다.
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.
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.
다음, 제2함수와 수퍼셀 배열 함수를 컨볼루션(convolution) 하여, 공간 도메인 전체에 적용될 위상 프로파일이 산출될 수 있다(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.
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.
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.
도 4는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 메타 광학 소자에 적용될 나노구조물의 형상 파라미터들 및 이에 따른 효율을 보인다.
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.
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.
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.
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.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구성을 보이는 평면도 및 단면도이다.
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.
나노구조물(NS)들의 배열 피치(P), 즉, 인접한 나노구조물(NS)들 중심 간의 거리는 λ/2 이하로 설정될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 6은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라 제작된 메타 광학 소자에 대한 현미경 사진을 보인다.
제조된 메타 광학 소자는 대략 60% 이상의 회절 효율로 180도 시야각의 구조광을 구현할 수 있음이 확인되었다.
도 7은 실시예에 따른 메타 광학 소자에서 회절 차수에 따른 광의 세기를 여러가지 나노구조물의 배열 피치에 대해 보인 그래프이다.
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.
도 8은 실시예에 따른 메타 광학 소자에서 공간 주파수 도메인에서의 구조광 분포도를 수퍼셀의 개수가 다른 복수의 경우들에 대해 보인다.
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.
도 9는 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수의 다른 예를 보인다.
도 3a에서 예시한 제1함수는 180도의 시야각을 구현할 수 있는 위상 프로파일을 도출하기 위한 것임에 비해, 본 실시예에서의 제1함수는 임의의 시야각 2ω를 구현하기 위한 것이다.
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.
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.
도 10은 실시예에 따른 메타 광학 소자 설계 방법에 따라, 공간 주파수 도메인에서 정의되는 제1함수의 또 다른 예를 보인다.
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.
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.
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.
도 11a 내지 도 11e는 실시예에 따른 메타 광학 소자 제조방법을 설명하는 도면들이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 12는 실시예에 따른 메타 광학 소자가 곡면 플라스틱에 구현된 사진을 보인다.
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.
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.
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.
도 13은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보인다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 17은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보인다.
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.
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.
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.
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.
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.
100, 520: 메타 광학 소자
SU: 지지층
NS: 나노구조물
410: 마스터 스탬프
440: 소프트 몰드
500: 구조광 프로젝터
510: 광원
1000, 2000: 전자 장치

Claims (20)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물의 배열 피치는 λ/2 이하이고, λ는 상기 소정 파장인, 메타 광학 소자.
  5. 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.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물을 지지하는 지지층을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물은
    수지 물질 및 이에 분산된 나노입자들을 포함하는 나노복합재로 이루어진, 메타 광학 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물 형상의 역상의 패턴을 가지는 소프트 몰드를 활용하여 제조되는, 메타 광학 소자
  9. 제7항에 있어서,
    상기 지지층은 곡면 형상을 가지는 투명 플라스틱 물질로 이루어진, 메타 광학 소자.
  10. 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.
  11. 제10항에 있어서,
    ω는 π/2 라디안(radian)인, 메타 광학 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물의 배열 피치는 λ/2 이하인, 메타 광학 소자.
  13. 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.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물을 지지하는 지지층을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물은
    수지 물질 및 이에 분산된 나노입자들을 포함하는 나노복합재로 이루어진, 메타 광학 소자.
  16. 제5항에 있어서,
    상기 지지층은 곡면 형상을 가지는 투명 플라스틱 물질로 이루어진, 메타 광학 소자.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전자 장치는 아이-웨어러블(eye-wearable) 장치인, 전자 장치.
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