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KR102444288B1 - 메타 렌즈를 포함하는 프로젝터 - Google Patents

메타 렌즈를 포함하는 프로젝터 Download PDF

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KR102444288B1
KR102444288B1 KR1020170148313A KR20170148313A KR102444288B1 KR 102444288 B1 KR102444288 B1 KR 102444288B1 KR 1020170148313 A KR1020170148313 A KR 1020170148313A KR 20170148313 A KR20170148313 A KR 20170148313A KR 102444288 B1 KR102444288 B1 KR 102444288B1
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projector
light source
pattern
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나병훈
한승훈
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삼성전자주식회사
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Abstract

개시된 메타 렌즈를 포함하는 프로젝터는 레이저 광을 방출하는 광원과, 상기 광원으로부터 소정 거리 이격된 기판과, 상기 광원을 마주보는 상기 기판의 제1면에서 소정의 패턴을 포함하는 패턴 마스크와, 상기 제1면과 마주보는 상기 기판의 제2면 상에서 복수의 나노 구조체를 포함하며, 상기 나노구조체는 상기 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 메타 렌즈를 포함한다.

Description

메타 렌즈를 포함하는 프로젝터{Projector including nanostructured optical lens}
메타 렌즈를 포함하는 프로젝터에 관한 것이다.
레이저 프로젝터는 최근 다양한 전자 기기와의 결합을 위해 소형화에 대한 요구가 점차적으로 증가하고 있다. 예를 들어, 모바일(mobile) 및 웨어러블(wearble) 기기에서 구현되는 AR(Augmented Reality), VR(Virtual Reality), MR(Mixed Reality) 등을 위해 초소형 프로젝터가 사용될 수 있다. 또한, 인간이나 기타 사물 등의 객체 인식에 있어, 정밀한 3차원 형상 인식에 사용되는 깊이 센서(depth sensor)에서도 구조광(structured light)을 형성하기 위해 레이저 프로젝터가 사용될 수 있다.
종래의 레이저 프로젝터는 원하는 성능 구현을 위해 여러 매의 광학 렌즈로 구성된 렌즈 모듈을 포함하는 데, 상기 렌즈 모듈은 레이저 프로젝터의 소형화에 걸림돌이 된다. 또한, 상기 여러 매의 광학 렌즈를 정확한 크기를 가지도록 제조하는 것이 어려우며 제조된 여러 매의 광학 렌즈의 조립 및 정렬이 어렵다.
나노 구조체로 이루어진 메타 렌즈 를 이용하여 초소형으로 광을 출사하는 프로젝터를 제공한다.
실시예에 따른 메타 렌즈를 이용한 프로젝터는:
레이저 광을 방출하는 광원;
상기 광원으로부터 소정 거리 이격된 기판;
상기 광원을 마주보는 상기 기판의 제1면에서 소정의 패턴을 포함하는 패턴 마스크; 및
상기 제1면과 마주보는 상기 기판의 제2면 상에서 복수의 나노 구조체를 포함하며, 상기 나노구조체는 상기 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 메타 렌즈;를 포함한다.
상기 패턴 마스크는 상기 레이저 광이 반사 또는 흡수되는 제1부분과, 상기 레이저 광이 투과하는 영역인 제2부분을 포함하며,
상기 패턴은 상기 제2부분에 의해 형성된 이미지 패턴이며, 상기 이미지 패턴은 소정의 구조광 패턴을 형성하도록 규칙적으로 또는 랜덤하게 배치된다.
상기 복수의 나노 구조체는 상기 구조광 패턴을 받아 상기 메타 렌즈로부터 이격된 집광면에 포커싱할 수 있다.
상기 패턴 마스크는 상기 기판에 접촉되게 배치될 수 있다.
상기 패턴 마스크는 금속, 블랙 매트릭스, 또는 폴리머로 이루어질 수 있다.
일 국면에 따르면, 상기 광원은 상기 패턴 마스크에 대해서 직접적으로 광을 출사하며, 상기 광원은 표면 발광 레이저 다이오드일 수 있다.
상기 복수의 나노 구조체는 그 주변 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 광원 및 상기 기판을 고정하는 하우징을 더 포함하며, 상기 프로젝터는 일체화된 모듈(integrated module)일 수 있다.
상기 복수의 나노 구조체의 배열 피치는 상기 광원으로부터 방출된 광의 파장의 반 이하일 수 있다.
상기 기판은 적층된 제1 기판 및 제2 기판을 포함할 수 있다.
다른 국면에 따르면, 상기 광원은 그 상면이 상기 기판과 나란하게 형성된 측면 발광 소자(edge emitting device)이며,
상기 측면 발광소자로부터 방출된 광을 상기 기판의 제1면으로 반사시키는 경로변환부재를 더 포함할 수 있다.
상기 패턴 마스크 상에서 상기 광원을 마주보는 면에서 복수의 제2 나노 구조체를 포함하는 제2 메타 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 메타 렌즈는 그 주변 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2 메타 렌즈는 입사광을 평행하게 할 수 있다.
상기 제2 나노 구조체는 반원통 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 기판의 상기 제1면 상에서 상기 패턴 마스크를 덮는 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 상기 제2 메타 렌즈 보다 굴절률이 낮은 물질로 이루어질 수 있다.
실시예에 따르면, 종래의 복수의 렌즈들로 구성되는 렌즈 모듈 대신에 얇은 메타 렌즈를 사용하므로 프로젝터의 소형화가 가능하며, 상기 렌즈 모듈의 복수의 렌즈들을 정렬하는 공정이 없으므로 그 제조공정이 용이하다.
실시예에 따른 프로젝터는 패턴 마스크의 이미지를 집광면에 투사할 수 있으며, 또한, 조명을 위해 사용될 수도 있다.
또한, 실시예에 따른 프로젝터는 물체에 구조광으로 이루어진 이미지를 물체에 투사하고, 상기 물체로부터 반사되는 이미지를 캡처하므로, 깊이 센서의 광 조사 장치로도 이용될 수 있다. 일반적인 광을 물체에 조사하는 것과 비교하여 구조광으로 이루어진 이미지를 물체에 조사하여 물체로부터 반사되는 광을 캡처시, 보다 정확한 깊이 정보를 얻을 수 있다.
실시예에 따른 프로젝터의 렌즈 구조체는 광원에 관계없이 사용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 메타 렌즈를 포함한 프로젝터의 구조를 개략적으로 보여주는 측단면도다.
도 2는 실시예에 따른 패턴 마스크의 일 예를 보여주는 평면도다.
도 3은 실시예의 메타 렌즈를 개략적으로 보여주는 측단면도다.
도 4는 다른 실시예에 따른 메타 렌즈를 개략적으로 보여주는 평면도다.
도 5는 실시예에 따른 프로젝터의 이미지 왜곡을 방지하는 방법을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 렌즈 구조를 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 메타 렌즈를 포함한 프로젝터의 구조를 개략적으로 보여주는 측단면도다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 메타 렌즈를 포함한 프로젝터의 구조를 개략적으로 보여주는 측단면도다.
도 9는 도 8의 기판을 포함하는 렌즈 구조체의 구성을 확대한 측단면도다.
도 10은 실시예에 따른 프로젝터의 제2 메타 렌즈의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 11은 실시예에 따른 깊이 인식 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 메타 렌즈를 포함한 프로젝터(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 측단면도다.
도 1을 참조하면, 프로젝터(100)는 광원(120)과, 광원(120)으로부터 소정 거리 이격된 기판(140)을 포함한다. 기판(140)은 광원(120)을 마주보는 제1면(S1)과, 기판(140)을 중심으로 제1면(S1)과 마주보는 제2면(S2)을 포함한다. 기판(140)의 제1면(S1) 상에는 일부 광을 반사시키고 나머지 광을 투과시키는 패턴 마스크(130)가 접촉되게 배치되어 있다. 기판(140)의 제2면(S2) 상에는 메타 렌즈(150)가 배치된다. 메타 렌즈(150)는 나노크기의 나노 구조체, 예컨대 나노 기둥들(152)을 포함하며 기판(140)을 통과한 광을 집광할 수 있다. 기판(140), 패턴 마스크(130) 및 메타 렌즈(150)는 렌즈 구조체를 구성한다.
광원(120)은 레이저 광을 방출하는 레이저 다이오드일 수 있다. 광원(120)은 표면 발광 다이오드 일 수 있다. 상기 표면 발광 다이오드는 수직 공동 표면 발광 레이저(Vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL)일 수 있다. 예컨대, 광원(120)은 GaAs계 활성층을 포함하는 수직 공동 표면 발광 레이저일 수 있으며, 대략 850 nm 또는 940nm의 레이저 광을 출사할 수 있다. 다른 예로, 광원(120)은 근적외선의 파장대역의 광을 출사할 수 있다.
광원(120)은 복수의 발광점에서 레이저 광을 패턴 마스크(130)에 대해서 직접 방출한다. 광원(120)은 하나의 수직 공동 표면 발광 레이저의 표면에 2차원 어레이로 형성된 발광점에서 레이저 광이 출사될 수 있다. 광원(120)은 복수의 수직 공동 표면 발광 레이저를 포함할 수도 있다.
기판(140)의 제1면(S1)과 제2면(S2)은 실질적으로 서로 평행할 수 있다. 다만, 제1면(S1) 및 제2면(S2)이 완전히 평행할 필요는 없으며, 서로 비스듬하게 형성되어 있을 수도 있다. 기판(140)은 투명 물질로 이루어질 수 있다. 상기 투명 물질은 광의 투과율이 높은 물질을 의미한다. 예를 들어, 기판(140)은 유리 (fused silica 등), 석영, 폴리머 (PMMA 등) 및 플라스틱을 포함할 수 있다. 기판(140)의 두께는 서브 밀리미터 또는 수 밀리미터 이하일 수 있다.
기판(140)은 적층되며 본딩된 제1 기판(도 6의 141 참조) 및 제2 기판(도 6의 142 참조)을 포함할 수 있다. 제1 기판(141) 및 제2 기판(142)는 동일한 물질 또는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
패턴 마스크(130)는 광원(120)으로부터 입사되는 광을 선택적으로 투과시킨다. 패턴 마스크(130)는 입사광을 반사시키거나 흡수하는 제1부분(131)과, 입사광을 투과시키는 제2부분(132)을 포함한다. 제2부분(132)은 패턴 마스크(130)를 형성하는 물질이 제거된 영역이다. 패턴 마스크(130)는 Cr, Al을 포함하는 금속, 블랙 매트릭스 또는 폴리머로 이루어질 수 있다. 패턴 마스크(130)는 수백 나노미터 이하의 두께를 가질 수 있다. 제2부분(132)은 소정의 패턴으로 형성된 이미지일 수 있다.
도 2는 도 1의 패턴 마스크(130)를 보여주는 평면도다.
도 2를 참조하면, 패턴 마스크(130)는 입사광을 반사시키는 제1부분(131)과, 제1부분(131)에 둘러쌓인 관통 부분인 제2부분(132)을 포함한다. 입사광은 제2부분(132)에 노출된 기판(140)으로 들어간다. 제1부분(131)은 입사광을 반사하거나 흡수한다. 제1부분(131)을 둘러싸는 제2부분(132)은 입사광을 통과시킨다. 패턴 마스크(130)를 통과한 광은 제2부분(132)에 의한 이미지를 가진다. 도 2는 제1부분들(131)이 2차원 어레이 형태로 일정하게 배열된 것을 보여준다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제2부분(132)이 다양한 이미지를 가질 수 있다.
패턴 마스크(130)는 기판(140)의 제1면(S1)에 금속층, 블랙매트릭스층, 폴리머층 등을 형성한 후, 상기 층을 식각하여 형성될 수 있다. 패턴 마스크(130)는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
패턴 마스크(130)는 입사광을 소정 패턴의 구조광(structured light)으로 바꾸어 출사한다. 패턴 마스크(130)는 광원(120)으로부터 광이 입사하면, 공간상에 진행해 나가는 빛살들(ray of light)의 분포를 형성한다. 이러한 빛살들은 소정 각도 공간에 빔 스팟들을 형성하며, 상기 빔 스팟들은 패턴 마스크(130)에 적용된 세부적인 조건들에 의해 정해지는 다양한 분포를 가지게 된다. 이를 구조광(structured light)이라 한다.
패턴 마스크(130)에서 생성되는 구조광은 후술하는 집광면(Focusing plane; FP)에서의 각 점을 향하는 빛살의 각도 및 방향, 그리고 해당 점의 위치 좌표를 고유하게 가지도록 수학적으로 코드화된(coded) 제1 패턴일 수 있다. 상기 제1 패턴은 3차원 형상의 물체에 의해 형태가 변화될 수 있고, 이를 카메라와 같은 촬상 소자에 의해 이미징하여 제2 패턴을 얻는다. 제1 패턴과 제2 패턴을 비교하고 좌표별 패턴의 형태 변화 정도를 추적함으로써, 3차원 형상의 물체의 깊이 정보가 추출될 수 있다.
메타 렌즈(150)는 기판(140)의 물질 보다 굴절률이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 메타 렌즈(150)의 굴절률은 기판(140)의 굴절률 보다 1 이상 클 수 있다. 메타 렌즈(150)는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 를 포함할 수 있다. 또한, 메타 렌즈(150)는 금속 소재로 형성될 수 있다.
메타 렌즈(150)는 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 상기 전도성 물질은 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 물질은 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 또한, 메타 렌즈(150)는 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물로 형성될 수 있다.
메타 렌즈(150)의 나노 기둥(152)은 일부는 고굴절률을 가진 유전체 물질로 이루어지고, 일부는 전도성 물질로 이루어질 수도 있다.
도 3은 도 1의 메타 렌즈(150)를 개략적으로 보여주는 측단면도다. 도 4를 참조하면, 메타 렌즈(150)는 기판(140)의 제2면(S2)에 형성된 복수의 나노구조를 포함한다. 상기 나노구조는 나노 기둥(152)일 수 있다.
나노 기둥(152)은 광원(120)에서 나오는 광의 파장(λ)보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 갖는다. 상기 형상 치수는 나노 기둥(152)의 형상을 정의하는 수치, 예를 들어, 나노 기둥(152)의 높이(H), 나노 기둥(152)의 단면의 폭(W)을 의미한다. 또한, 복수의 나노 기둥들(152)의 배열 피치(P)도 상기 파장(λ)보다 작은 값을 갖는다. 도 3에는 일정한 배열 피치(P)를 가진 나노 기둥들(152)를 도시하였으나, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 나노 기둥들(152) 사이의 간격이 일정하게 배열될 수도 있다.
나노 기둥(152)의 형상 치수와 배열 피치(P)는 광원(120)에서 출사되는 광의 파장의 반 이하일 수 있다. 나노 기둥(152)의 배열 피치가 출사광의 파장보다 작아질수록, 고차 회절 없이 입사광을 원하는 형태로 제어할 수 있다.
나노 기둥(152)의 단면 형상, 즉, XY평면과 나란한 단면의 형상은 원형, 타원형, 사각형, 다각형, 십자형, 별형, 비대칭 형상 등 다양한 형상일 수 있다. 또한, 나노 기둥들(152)의 형상이 모두 동일할 수 있으나, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 나노 기둥들(152)의 단면 형상은 복수의 형상을 포함할 수 있다. 나노 기둥(152)의 단면 폭(W)은 원형의 직경, 타원형의 평균 직경, 사각형의 평균 변 길이, 다각형의 평균 직경, 십자형의 횡단 길이, 별형의 평균 입경, 비대칭 형상의 평균 입경일 수 있다. 상기 단면의 치수는 이하에서 편의상 "직경"이라 칭한다.
나노 기둥(152)의 단면비는 대략 2-7일 수 있다.
메타 렌즈(150)는 볼록렌즈 또는 집광렌즈의 역할을 하도록 설계될 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼 나노 기둥들(152)의 형상 분포가 볼록 렌즈 같은 기능을 수행하도록 정해질 수 있다. 복수의 나노 기둥들(152)은 소정 기준 위치에서 바깥 방향으로 갈수록 폭이 점차적으로 작아지는 형상의 나노 기둥들(152)이 배치되도록, 형상 분포가 정해질 수 있다. 예시된 형상 분포는 반복될 수 있고. 반복되는 주기는 일정하지 않고 변할 수 있다.
메타 렌즈(150)는 기판(140)으로부터 출사되는 광을 집광하여 기판(140)으로부터 소정 거리 이격된 집광면(FP)에 집광점을 형성할 수 있다. 집광면(FP)의 위치는 메타 렌즈(150)의 초점거리의 1배 이상에서 무한대 거리에 있을 수 있다. 메타 렌즈(150)는 입사된 소정 패턴의 구조광(structured light)을 집광하여 집광면(FP)에 투사한다. 집광면(FP)으로 진입하는 구조광(SL)은 집광면(FP)에서의 각 점을 향하는 빛살의 각도 및 방향, 그리고 상기 점의 위치 좌표를 가지도록 코드화된 이미지 패턴일 수 있다. 상기 이미지 패턴은 3차원 형상의 물체에 의해 형태가 변화될 수 있으며, 상기 물체에서 반사되는 이미지 패턴을 카메라와 같은 촬상 소자에 의해 이미징하여 상기 이미지 패턴과 비교함으로써, 상기 물체의 깊이 정보를 추출할 수 있다.
상술한 나노 기둥들(152)은 각각의 재질, 형상에 따라 고유한 값을 갖는 투과 세기 및 투과 위상을 가질 수 있다. 이들 형상 분포를 조절하여 메타 렌즈(150)를 투과하는 광의 위상이나 세기 분포를 조절할 수 있다. 이하에서, '형상 분포'는 복수의 나노 기둥(152)의 형상, 복수의 나노 기둥(152)의 크기, 복수의 나노 기둥(152)의 크기 분포, 복수의 나노 기둥(152)의 배열 피치, 복수의 나노 기둥(152)의 배열 피치의 분포 중 적어도 어느 하나를 의미한다.
도시된 나노 기둥들(152)은 모두 같은 높이로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 위치에 따라 수평 또는 수직 방향의 크기나 구성 물질을 조절하여 원하는 투과 세기 분포나 투과 위상 분포를 형성할 수 있다. 원하는 투과 세기 분포나 투과 위상 분포를 형성하기 위해, 복수의 나노 기둥(152)으로 이루어진 소정 그룹에 대해 위치별 나노 기둥들(152)의 형상 분포가 정해질 수도 있다. 또한, 이와 같이 형성된 나노 기둥 그룹은 소정 주기로 반복 배열될 수도 있다. 복수의 나노 기둥(152)의 형상 분포는 규칙적, 주기적, 유사 주기적일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않고, 랜덤할 수도 있다.
메타 렌즈(150)의 나노기둥들(152)는 기존의 마이크로 광학 부품에 비해 매우 작은 피치 및 얇은 두께로 형성될 수 있기 때문에, 넓은 각도 범위에 대해 고차 회절이 없는 임의의 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 프로젝터(100)는 초소형의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 프로젝터(100)의 높이는 약 4mm 이하가 될 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 메타 렌즈(150')를 개략적으로 보여주는 평면도다. 도 4를 참조하면, 메타 렌즈(150')는 기판(도 1의 140) 상의 복수의 나노 기둥들(152)을 포함하는 메타 표면일 수 있다.
메타 렌즈(150')는 프레넬 렌즈일 수 있다. 도 4에서 아래 부분에는 메타 렌즈(150')가 대응하는 프레넬 렌즈의 측단면을 도시하였다. 메타 렌즈(150')는 2차원 배열되는 복수의 나노 기둥들(152)을 포함하여 반도체 공정으로 제조되므로, 메타 렌즈(150')의 소형화가 가능하다.
메타 렌즈(150')는 집광 광학 소자의 기능을 가지기 위해, 나노기둥들(150)의 중심을 기준으로 대칭인 구조로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 프레넬 렌즈로서 기능하기 위해 메타 렌즈(150')는 복수의 환형 영역을 포함할 수 있다. 각 환형 영역의 나노 기둥들(152)은 제1 환형 영역의 중앙 지점으로부터 거리가 멀어짐에 따라 나노 기둥(152)의 직경이 점차 작아질 수 있다. 예를 들어, 메타 렌즈(150)는 중심에서부터 멀어짐에 따라, 제 1 내지 제3 환형영역을 포함할 수 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 3개의 환형 영역 보다 더 많은 환형 영역을 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 프로젝터(100)는 일체화된 모듈(integrated module)로 형성될 수 있다. 즉, 광원(120)의 지지대(110)과 기판(140)을 고정하는 하우징(170)을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 프로젝터(100)는 종래의 복수의 렌즈들로 구성되는 렌즈 모듈 대신에 메타 렌즈(150)를 사용하므로 프로젝터(100)의 소형화가 가능하며, 상기 렌즈 모듈의 복수의 렌즈들을 정렬하는 공정이 없으므로 그 제조공정이 용이하다.
실시예에 따른 프로젝터(100)는 패턴 마스크(130)의 이미지를 집광면(FP)에 투사할 수 있으며, 또한, 조명을 위해 사용될 수도 있다.
또한, 실시예에 따른 프로젝터(100)는 물체에 구조광으로 이루어진 이미지를 물체에 투사하고, 상기 물체로부터 반사되는 이미지를 캡처하므로, 깊이 센서의 광 조사 장치로도 이용될 수 있다. 일반적인 광을 물체에 조사하는 것과 비교하여 구조광으로 이루어진 이미지를 물체에 조사하여 물체로부터 반사되는 광을 캡처시, 보다 정확한 깊이 정보를 얻을 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 프로젝터(100)의 이미지 왜곡을 방지하는 방법을 개략적으로 설명하는 도면이다.
패턴 마스크의 노출된 영역인 이미지는 미리 배럴 왜곡을 포함하도록 설계된다. 이 배럴 왜곡은 메타 렌즈에서의 핀쿠션 왜곡을 보상하도록 설계된다. 따라서, 집광면에 투사된 이미지는 왜곡이 없는 이미지가 될 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 렌즈 구조를 제조하는 방법을 설명하는 도면이다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 제1 기판(141) 상에 금속층, 블랙 매트릭스층, 폴리머층을 포함하는 제1층을 형성한다. 이어서 상기 제1층을 패터닝하여 패턴 마스크(130)를 형성한다.
제2 기판(142) 상에 메타 렌즈를 형성하는 물질로 이루어진 제2층을 형성한다. 상기 제2층을 패터닝하여 제2 기판(142) 상에 메타 렌즈(150)를 형성한다.
이어서, 제1 기판(141)과 제2 기판(142)이 서로 접촉되게 본딩을 하면 기판(140)의 양면에 패턴 마스크(130)와 메타 렌즈(150)가 각각 형성된 렌즈 구조체를 제조할 수 있다.
실시예에 따른 렌즈 구조체 제조방법은 별도의 정렬 공정을 필요로 하지 않으므로, 렌즈 구조체의 제조가 용이하고 렌즈 구조체의 제조 수율이 향상된다.
도 7은 다른 실시예에 따른 메타 렌즈를 포함한 프로젝터(200)의 구조를 개략적으로 보여주는 측단면도다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 프로젝터(200)는 지지대(210) 상의 광원(220)으로 측면 발광 다이오드(edge emitting diode)를 포함한다. 상기 측면 발광 소자는 Fabry-Perot 레이저 다이오드 혹은 DFB 레이저 다이오드일 수 있다.
광원(220)으로부터 소정 거리 이격되게 기판(140)이 배치된다. 기판(140)은 광원(220)을 마주보는 제1면(도 1의 S1 참조)과, 기판(140)을 중심으로 제1면(S1)과 마주보는 제2면(도 1의 S2 참조)을 포함한다. 기판(140)의 제1면(S1) 상에는 일부 광을 반사시키고 나머지 광을 구조광으로 만들어 투과시키는 패턴 마스크(130)가 부착되어 있다. 기판(140)의 제2면(S2) 상에는 메타 렌즈(150)가 배치된다. 메타 렌즈(150)는 나노크기의 나노 기둥들(152)을 포함하며 기판(140)을 통과한 광을 집광할 수 있다.
광원(220)의 일 측에는 광원(220)으로부터 방출되는 광의 경로를 변경하는 경로변환부재(270)가 배치될 수 있다. 경로변환부재(270)는 광원(220)으로부터 출사되는 광의 진행 경로를 소정 각도로 반사시키는 반사면(272)을 포함할 수 있다.
경로변환부재(270)에 형성된 반사면(272)은 미러 코팅될 수 있다. 반사면(272)은 측면 광원(220)의 광 출사면에 대한 패턴 마스크의 상대적 위치를 고려하여, 광축을 소정 각도로 꺾을 수 있도록 정해진다. 도 7에서는 광축이 수직으로 변경된 것을 도시하고 있다.
기판(140)의 제1면(S1) 및 제2면(S2)에 부착된 패턴 마스크(130)와 메타 렌즈(150)는 도 1의 패턴 마스크(130) 및 메타 렌즈(150)와 동일할 수 있다. 실시예에 따른 프로젝터(200)의 패턴 마스크(130) 및 메타 렌즈(150)는 광원의 종류, 예컨대, 표면 발광 다이오드나 측면 발광 다이오드에 관계없이 미리 설계된 동일한 패턴 마스크 및 메타 렌즈를 사용할 수 있다.
프로젝터(200)는 광원(220)으로 측면 발광 다이오드를 사용하며, 경로변경부재(270)를 사용함으로써 광원(220) 및 기판(140) 사이의 위치를 필요에 따라 설계할 수 있다. 또한, 프로젝터(100)와 비교하여 기판(140) 및 광원(220) 사이의 간격을 좁게 할 수 있으므로 프로젝터(200)의 소형화를 이룰 수 있다.
실시예의 패턴 마스크, 기판 및 메타 렌즈를 포함하는 렌즈 구조체는 사용하는 광원의 종류에 관계없이 사용할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 메타 렌즈를 포함한 프로젝터(300)의 구조를 개략적으로 보여주는 측단면도다. 도 1 및 도 7의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 프로젝터(300)는 지지대(310) 상의 광원(320)으로 측면 발광 다이오드(edge emitting diode)를 포함한다. 광원(320)부터 소정 거리 이격되게 기판(140)이 배치된다. 기판(140)은 광원(320)을 마주보는 제1면(도 1의 S1 참조)과, 기판(140)을 중심으로 제1면(S1)과 마주보는 제2면(도 1의 S2 참조)을 포함한다. 기판(140)의 제1면(S1) 상에는 일부 광을 반사시키고 나머지 광을 구조광으로 만들어 투과시키는 패턴 마스크(130)가 부착되어 있다. 기판(140)의 제2면(S2) 상에는 메타 렌즈(150)가 배치된다. 메타 렌즈(150)는 나노크기의 나노 기둥들(도 1의 152 참조)을 포함하며 기판(140)을 통과한 광을 집광할 수 있다.
도 9는 도 8의 기판을 포함하는 렌즈 구조체의 구성을 확대한 측단면도다. 도 9를 참조하면, 기판(140)의 제1면(S1) 상에는 일부 광을 반사시키고 나머지 광을 투과시키는 패턴 마스크(130)가 부착되어 있다. 기판(140)의 제1면(S1) 상에는 패턴 마스크(130)를 덮는 보호층(435)이 형성된다. 보호층(435)은 후술하는 제2 메타 렌즈(360)의 굴절률 보다 낮은 물질로 형성된다. 예컨대, 보호층(435)은 제2 메타 렌즈의 굴절률 보다 1 이상 낮을 수 있다. 보호층(435)은 패턴 마스크를 완전히 덮는 두께, 예컨대 대략 2㎛로 형성될 수 있다. 보호층(435)은 실리콘 옥사이드 또는 폴리머로 형성될 수 있다. 보호층(435)는 제2 메타 렌즈(360)의 형성을 위한 평탄면을 제공한다.
보호층(435) 상에는 제2 메타 렌즈(360)가 형성된다. 제2 메타 렌즈(360)는 복수의 제2 나노 구조체를 포함한다. 제2 메타 렌즈(360)는 메타 렌즈(150)와 같이 복수의 나노 기둥(462)을 포함할 수 있다. 제2 메타 렌즈(360)는 입사광을 어느 정도 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈일 수 있다.
또한, 제2 메타 렌즈(360)는 복수의 원통 렌즈 또는 복수의 반원통 렌즈를 포함할 수 있다. 광원(320)으로 사용되는 측면 발광 다이오드는 확산 앵글이 큰 광을 방출한다. 상기 방출광은 장축(x축) 직경이 단축(y축) 보다 길이가 긴 스팟 광을 방출할 수 있다. 따라서, 마스크 패턴(130)을 통과한 광이 원하지 않는 각도로 발산되어서 유효광이 감소될 수 있다.
상기 원통 렌즈 및 상기 반원통 렌즈는 상기 방출광의 장축(x축)에 대해서 곡면이 형성된 렌즈일 수 있다. 도 10은 복수의 반원통 렌즈로 이루어진 제2 메타 렌즈(360)의 일 예를 보여주는 도면이다. 도 10에서는 9개의 실린더 렌즈(362)로 이루어진 제2 메타 렌즈(360)를 도시하였으나, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 제2 메타 렌즈(360)는 도 10의 반원통 렌즈 세트가 x 방향 및 y 방향으로 반복되는 렌즈일 수 있다.
실시예에 따른 프로젝터(300)는 프로젝터(200)과 비교하여 제2 메타 렌즈로 입사되는 광을 콜리메이팅하므로 광의 손실을 줄일 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 깊이 인식 장치(400)의 개략적인 구성을 보이는 블록도다.
깊이 인식장치(400)는 피사체(OBJ)에 구조광(SLi)을 조사하는 프로젝터(410), 피사체(OBJ)로부터 반사된 구조광(SLr)을 수광하는 센서(420), 프로젝터(410)에서 조사한 구조광(SLi)과 센서(420)에서 수광한 구조광(SLr)의 패턴 변화를 비교하여, 피사체(OBJ)의 깊이 위치를 연산하는 연산부(430)를 포함한다.
프로젝터(410)는 광원로부터의 광을 소정의 구조광 패턴으로 변환하여 출사하는 것으로, 전술한 실시예들에 따른 프로젝터들(100)(200)(300) 중 어느 하나일 수 있다.
센서(420)는 피사체(OBJ)에 의해 반사된 구조광(SLr)을 센싱한다. 센서(420)는 광 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서(420)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 파장별로 분석하기 위한 분광 소자를 더 포함할 수도 있다.
연산부(430)는 피사체(OBJ)에 조사된 구조광(SLi)과 피사체(OBJ)로부터 반사된 구조광(SLr)을 비교하여 피사체(OBJ)에 대한 깊이 정보를 획득하고, 이로부터 상기 피사체(OBJ)의 3차원 형상, 위치, 움직임 등을 분석할 수 있다. 프로젝터(410)에서 생성하는 구조광(SLi)은 집광면(FP)에서의 각 점을 향하는 빛살의 각도 및 방향, 그리고 해당 점의 위치 좌표를 고유하게 가지도록 수학적으로 코드화된(coded) 패턴일 수 있다. 상기 패턴이 3차원 형상의 피사체(OBJ)에서 반사될 때, 반사된 구조광(SLr)의 패턴은 조사된 구조광(SLi)의 패턴에서 변화된 형태를 갖는다. 상기 패턴들을 비교하고 좌표별 패턴을 추적하여 피사체(OBJ)의 깊이 정보를 추출할 수 있고, 이로부터 피사체(OBJ)의 형상, 움직임과 관련된 3차원 정보를 추출할 수 있다.
프로젝터(410)와 피사체(OBJ) 사이에는 프로젝터(410)로부터의 구조광(SLi)이 피사체(OBJ)를 향하도록 방향을 조절하거나, 또는 추가적인 변조를 위한 광학 소자들이 더 배치될 수도 있다.
또한, 깊이 인식 장치(400)는 프로젝터(410)에 구비된 광원의 구동이나 센서(420)의 동작 등을 전반적으로 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 연산부(430)에서 수행할 3차원 정보 추출을 위한 연산 프로그램이 저장되는 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
연산부(430)에서의 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보는 다른 유닛으로 전송될 수 있다. 예를 들어, 깊이 인식 장치(400)가 채용된 전자 기기의 제어부에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 결과가 전송되는 다른 유닛은 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
깊이 인식 장치(400)는 전방 객체에 대한 3차원 정보를 정밀하게 획득하는 센서로 활용될 수 있어 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다. 이러한 전자기기는 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 이외에도, 이동 통신 기기 또는 사물 인터넷 기기일 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 사상의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 프로젝터 110: 지지대
120: 광원 130: 패턴 마스크
140: 기판 150: 메타 렌즈
152: 나노 기둥 FP: 집광면

Claims (19)

  1. 레이저 광을 방출하는 광원;
    상기 광원으로부터 소정 거리 이격된 기판;
    상기 광원을 마주보는 상기 기판의 제1면에서 소정의 패턴을 포함하며, 상기 소정의 패턴은 광을 투과시키며 구조광을 형성하도록 구성된, 패턴 마스크; 및
    상기 구조광을 소정의 집광면에 포커싱하는 것으로, 상기 제1면과 마주보는 상기 기판의 제2면 상에 배치된 복수의 나노 구조체를 포함하며, 상기 나노구조체는 상기 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 메타 렌즈;를 포함하는 프로젝터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 마스크는 상기 레이저 광이 반사 또는 흡수되는 제1부분과, 상기 레이저 광이 투과하는 영역인 제2부분을 포함하며,
    상기 패턴은 상기 제2부분에 의해 형성된 이미지 패턴이며, 상기 이미지 패턴은 소정의 구조광 패턴을 형성하도록 규칙적으로 또는 랜덤하게 배치된 프로젝터.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 마스크는 상기 기판에 접촉되게 배치된 프로젝터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 마스크는 금속, 블랙 매트릭스, 또는 폴리머로 이루어진 프로젝터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 패턴 마스크에 대해서 직접적으로 광을 출사하는 표면 발광 소자인 프로젝터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광원은 표면 발광 레이저 다이오드인 프로젝터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체는 그 주변 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 프로젝터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 및 상기 기판을 고정하는 하우징을 더 포함하며, 상기 프로젝터는 일체화된 모듈(integrated module)인 프로젝터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체의 배열 피치는 상기 광원으로부터 방출된 광의 파장의 반 이하인 프로젝터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 적층된 제1 기판 및 제2 기판을 포함하는 프로젝터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 그 상면이 상기 기판과 나란하게 형성된 측면 발광 소자(edge emitting device)이며,
    상기 측면 발광소자로부터 방출된 광을 상기 기판의 제1면으로 반사시키는 경로변환부재를 더 포함하는 프로젝터.
  13. 레이저 광을 방출하는 광원;
    상기 광원으로부터 소정 거리 이격된 기판;
    상기 광원을 마주보는 상기 기판의 제1면에서 소정의 패턴을 포함하는 패턴 마스크; 및
    상기 제1면과 마주보는 상기 기판의 제2면 상에 배치된 복수의 나노 구조체를 포함하며, 상기 나노구조체는 상기 광원으로부터 방사된 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 메타 렌즈;를 포함하며,
    상기 광원은 그 상면이 상기 기판과 나란하게 형성된 측면 발광 소자(edge emitting device)이며,
    상기 측면 발광소자로부터 방출된 광을 상기 기판의 제1면으로 반사시키는 경로변환부재; 및
    상기 패턴 마스크 상에서 상기 광원을 마주보는 면에서 복수의 제2 나노 구조체를 포함하는 제2 메타 렌즈;를 더 포함하는 프로젝터.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 메타 렌즈는 그 주변 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어진 프로젝터.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 메타 렌즈는 입사광을 평행하게 하는 프로젝터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 나노 구조체는 반원통 렌즈를 포함하는 프로젝터.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 제1면 상에서 상기 패턴 마스크를 덮는 보호층을 더 포함하는 프로젝터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 제2 메타 렌즈 보다 굴절률이 낮은 물질로 이루어진 프로젝터.
  19. 피사체에 구조광을 조사하는 제1항의 프로젝터;
    상기 피사체로부터 반사된 구조광을 수광하는 센서;
    상기 프로젝터에서 조사한 구조광과 상기 센서에서 수광한 구조광의 패턴 변화를 비교하여, 피사체의 깊이 위치를 연산하는 연산부;를 포함하는 깊이 인식 장치.
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