KR20210042005A

KR20210042005A - Meta lens and optical apparatus including the same

Info

Publication number: KR20210042005A
Application number: KR1020200078818A
Authority: KR
Inventors: 박현성; 박현수; 한승훈
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2021-04-16

Abstract

A disclosed meta lens includes a first lens surface; and a second lens surface facing the first lens surface, wherein at least one of the first lens surface and the second lens surface is a meta surface having a plurality of sub-wavelength nanostructures. A tendency of deflecting incident light according to positions in at least some regions of the first lens surface and the second lens surface is opposite to each other, and accordingly, chromatic aberration is corrected, but an occurrence of geometric aberration can be minimized.

Description

Meta lens and optical apparatus including the same

개시된 실시예들은 메타 렌즈 및 이를 포함하는 광학 장치에 대한 것이다.The disclosed embodiments relate to a meta lens and an optical device including the same.

이미징 장치에는 기하수차와 색수차를 보정하기 위한 여러 매의 렌즈들이 구비된다. 색수차를 보정하기 위해 통상, 음의 굴절력을 가지는 렌즈가 사용되는데 이에 의해 기하수차가 발생한다. 기하수차를 보정하기 위해 비구면 렌즈가 사용될 수 있는데 비구면 렌즈의 굴절력은 색수차에 영향을 준다.The imaging device is provided with a plurality of lenses for correcting geometric and chromatic aberrations. In order to correct chromatic aberration, a lens having negative refractive power is generally used, thereby generating geometric aberration. An aspherical lens may be used to correct geometric aberration, and the refractive power of the aspherical lens affects chromatic aberration.

따라서, 다양한 수차들을 동시에 보정하기 위해서는 많은 매수의 렌즈가 사용되어야 한다. 이 때, 곡률을 이용하여 굴절력을 조절하는 굴절 렌즈는 곡률이 작아질수록 렌즈 두께가 급격히 증가하므로, 다양한 수차를 보정하는 광학계를 얇게 구현하는 것이 어렵다. Therefore, in order to simultaneously correct various aberrations, a large number of lenses must be used. In this case, since a refractive lens that adjusts refractive power using a curvature rapidly increases the thickness of the lens as the curvature decreases, it is difficult to implement a thin optical system for correcting various aberrations.

이에 따라, 평탄하고 얇은 메타 표면 기반의 렌즈를 사용하여 다양한 수차를 제어할 수 있는 방법이 모색되고 있다. Accordingly, a method capable of controlling various aberrations using a flat and thin meta-surface-based lens is being sought.

다파장 대역의 광에 대해 원하는 굴절력, 색수차를 구현할 수 있는 메타 렌즈가 제공된다. A meta lens capable of realizing desired refractive power and chromatic aberration for light in a multi-wavelength band is provided.

일 유형에 따르면, 제1 렌즈면; 상기 제1 렌즈면과 마주하는 제2 렌즈면;을 포함하며, 상기 제1 렌즈면과 상기 제2 렌즈면 중 적어도 하나는 서브 파장의 복수의 나노구조물을 구비하는 메타 표면이며, 상기 제1렌즈면과 상기 제2 렌즈면의 적어도 일부 영역에서 위치에 따라 입사광을 편향시키는 경향이 서로 반대인, 메타 렌즈가 제공된다. According to one type, a first lens surface; A second lens surface facing the first lens surface, wherein at least one of the first lens surface and the second lens surface is a meta surface having a plurality of nanostructures of sub-wavelength, and the first lens A meta lens is provided in which the tendency of deflecting incident light according to a position in at least a portion of the surface and the second lens surface is opposite to each other.

상기 일부 영역은 상기 제1 렌즈면, 제2 렌즈면 각각의 중심으로부터 각각의 유효경(effective diameter)의 반에 이르는 영역을 포함할 수 있다. The partial area may include an area ranging from the center of each of the first and second lens surfaces to half of each effective diameter.

상기 제1 렌즈면은 입사광을 편향시키는 방향이 광축을 향하는 방향이고 편향 각도는 중심에서 반경 방향으로 갈수록 점진적으로 증가하고, 상기 제2 렌즈면은 입사광을 편향시키는 방향이 광축에서 멀어지는 방향이고 편향 각도는 중심에서 반경 방향으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다. The first lens surface is a direction in which the incident light is deflected toward the optical axis, and the deflection angle is gradually increased from the center toward the radial direction, and the second lens surface is a direction in which the incident light is deflected away from the optical axis. Can increase gradually from the center to the radial direction.

상기 제1 렌즈면과 상기 제2 렌즈면의 서로 마주하는 두 위치에서, 입사광을 편향시키는 방향은 광축 방향을 기준으로 서로 반대일 수 있다. At two positions facing each other between the first lens surface and the second lens surface, a direction in which incident light is deflected may be opposite to each other with respect to an optical axis direction.

상기 제1 렌즈면과 상기 제2 렌즈면의 서로 마주하는 두 위치에서 입사광을 편향시키는 각도 차이는 -30° 에서 30° 의 범위일 수 있다. An angle difference for deflecting incident light at two positions facing each other between the first lens surface and the second lens surface may range from -30° to 30°.

상기 메타 렌즈는 녹색 파장 대역의 광에 대해서는 실질적인 굴절력을 나타내지 않고, 적색 파장 대역의 광에 대해서는 양의 굴절력을 나타내고, 청색 파장 대역의 광에 대해서는 음의 굴절력을 나타내도록, 상기 제1 렌즈면, 상기 제2 렌즈면이 설정될 수 있다. The meta-lens does not exhibit substantial refractive power for light in a green wavelength band, positive refractive power for light in a red wavelength band, and negative refractive power for light in a blue wavelength band. The second lens surface may be set.

상기 제1 렌즈면과 상기 제2 렌즈면 사이의 거리는 상기 메타 렌즈의 동작 파장 대역의 중심 파장, λ₀에 대해, 100λ₀보다 크고 1000λ₀보다 작을 수 있다. A distance between the first lens surface and the second lens surface may be greater than 100λ ₀ _{and less than 1000λ 0} with respect to _{a center wavelength of λ 0 of the operating wavelength band of the meta lens.}

상기 제1 렌즈면은 제1 형상 분포로 배열된 복수의 제1 나노구조물을 포함하는 제1 메타표면이고, 상기 제2 렌즈면은 상기 제1 형상 분포와 다른 제2 형상 분포로 배열된 복수의 제2 나노구조물을 포함하는 제2 메타 표면일 수 있다. The first lens surface is a first meta-surface including a plurality of first nanostructures arranged in a first shape distribution, and the second lens surface is a plurality of pieces arranged in a second shape distribution different from the first shape distribution. It may be a second meta surface including a second nanostructure.

상기 제1 메타표면은 양의 굴절력을 나타내고, 상기 제2 메타표면은 음의 굴절력을 나타낼 수 있다. The first meta-surface may exhibit positive refractive power, and the second meta-surface may exhibit negative refractive power.

상기 메타 렌즈는 하나의 기판 기반의 일체형 구조를 가질 수 있다. The meta lens may have an integrated structure based on one substrate.

상기 제1 렌즈면은 상기 복수의 나노구조물을 포함하는 상기 메타 표면이고, 상기 제2 렌즈면은 곡면을 가지는 굴절 렌즈의 굴절형 렌즈면일 수 있다. The first lens surface may be the meta surface including the plurality of nanostructures, and the second lens surface may be a refractive lens surface of a refractive lens having a curved surface.

상기 굴절형 렌즈면은 오목한 형상이고, 상기 메타 표면은 양의 굴절력을 가지도록 상기 복수의 나노구조물의 형상 분포가 설정될 수 있다. The refractive lens surface may have a concave shape, and the shape distribution of the plurality of nanostructures may be set so that the meta surface has a positive refractive power.

상기 굴절 렌즈의 다른 일면에 상기 복수의 나노구조물이 배치될 수 있다. The plurality of nanostructures may be disposed on the other surface of the refractive lens.

상기 복수의 나노구조물은 주변 물질과 다른 굴절률의 물질로 이루어진 기둥 형상의 구조물이거나, 소정 굴절률의 매질층 내부가 기둥 형상으로 관통 음각된 홀 구조일 수 있다. The plurality of nanostructures may have a columnar structure made of a material having a refractive index different from that of the surrounding material, or a hole structure in which the inside of the medium layer having a predetermined refractive index is penetrated in a column shape.

상기 복수의 나노구조물은 두 층으로 배치되며, 서로 다른 층에 배치되는 나노구조물은 서로 다른 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. The plurality of nanostructures are disposed in two layers, and the nanostructures disposed in different layers may be made of materials having different refractive indices.

상기 복수의 나노구조물의 높이는 상기 메타 렌즈의 동작 파장 대역의 중심 파장, λ₀에 대해, λ₀보다 크고 10λ₀보다 작을 수 있다. With respect to the center wavelength, λ ₀ of the operating wavelength band of the meta-lens height of the plurality of nanostructures may be greater than ₀ less than 10λ λ _0.

일 유형에 따르면, 하나 이상의 굴절 렌즈; 및 상술한 어느 하나의 메타 렌즈;를 포함하는 촬상 렌즈가 제공된다. According to one type, one or more refractive lenses; And any one of the above-described meta lenses is provided.

일 유형에 따르면, 상기 촬상 렌즈와, 상기 촬상 렌즈에 의해 형성된 광학 상(optical image)나 전기 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함하는, 촬상 장치가 제공된다. According to one type, there is provided an imaging device comprising: the imaging lens and an image sensor that converts an optical image or an electrical signal formed by the imaging lens.

일 유형에 따르면, 복수의 렌즈 요소를 구비하는 촬상 렌즈에 있어서, 복수의 굴절 렌즈; 상기 복수의 렌즈 요소 배열 순서에서 광 경로를 따라 중간 이전의 위치에 배치되며 복수의 나노구조물로 이루어진 제1 메타표면을 포함하는 제1 메타 렌즈; 상기 복수의 렌즈 요소 배열 순서에서 광 경로를 따라 중간 이후의 위치에 배치되는 상술한 어느 하나의 메타 렌즈인 제2 메타 렌즈;를 포함하는, 촬상 렌즈가 제공된다.According to one type, there is provided an imaging lens comprising a plurality of lens elements, comprising: a plurality of refractive lenses; A first meta lens disposed at a position before the middle along the optical path in the order of arranging the plurality of lens elements and including a first meta surface made of a plurality of nanostructures; There is provided an imaging lens including a second meta lens, which is any one of the above-described meta lenses, which are disposed at positions after the middle along the optical path in the order of arranging the plurality of lens elements.

상기 제1 메타 렌즈는 상기 촬상 렌즈의 종색 수차를 보정하고, 상기 제2 메타 렌즈는 상기 촬상 렌즈의 횡색 수차를 보정할 수 있다. The first meta lens may correct vertical chromatic aberration of the imaging lens, and the second meta lens may correct horizontal chromatic aberration of the imaging lens.

상기 제1 메타 렌즈는 중심에서 유효경의 반에 이르는 범위에서는 볼록 렌즈와 같이 동작하도록 상기 제1 메타 표면의 나노구조물의 형상 분포가 정해질 수 있다. The shape distribution of the nanostructures on the first meta surface may be determined so that the first meta lens operates like a convex lens in a range ranging from the center to half of the effective mirror.

상기 제1 메타 렌즈가 각 위치에서 입사광을 편향시키는 각도 범위는 -5°에서 +5°의 범위일 수 있다. An angle range in which the first meta lens deflects incident light at each position may range from -5° to +5°.

상기 제2 메타 렌즈는 마주하는 두 면을 구비하는 하나의 기판 기반의 일체형 구조를 가질 수 있다. The second meta lens may have an integrated structure based on a single substrate having two facing surfaces.

상기 제2 메타 렌즈는 상기 두 면 중 한 면에 제2 형상 분포로 배열된 복수의 나노구조물을 포함하는 제2 메타 표면과, 상기 두 면 중 나머지 한 면에 상기 제2 형상 분포와 다른 제3 형상 분포로 배열된 복수의 나노구조물을 포함하는 제3 메타 표면을 포함할 수 있다. The second meta-lens includes a second meta-surface including a plurality of nanostructures arranged in a second shape distribution on one of the two surfaces, and a third meta-surface that is different from the second shape distribution on the other surface of the two surfaces. It may include a third meta-surface including a plurality of nanostructures arranged in a shape distribution.

상기 제2 메타표면과 상기 제3 메타표면 사이의 거리는 상기 제2 메타 렌즈의 동작 파장 대역의 중심 파장, λ₀에 대해, 100λ₀보다 크고 1000λ₀보다 작을 수 있다. A distance between the second meta-surface and the third meta-surface may be greater than 100λ ₀ _{and less than 1000λ 0} with respect to _{a center wavelength of λ 0 of the operating wavelength band of the second meta lens.}

상기 제2 메타 렌즈의 상기 일부 영역은 상기 제2 메타 표면, 상기 제3 메타 표면 각각의 중심으로부터 각각의 유효경(effective diameter)의 반에 이르는 영역을 포함할 수 있다. The partial region of the second meta lens may include a region ranging from the center of each of the second meta surface and the third meta surface to half of each effective diameter.

상기 제2 메타 표면은 입사광을 편향시키는 방향이 광축을 향하는 방향이고 편향 각도는 중심에서 반경 방향으로 갈수록 점진적으로 증가하고, 상기 제3 메타 표면은 입사광을 편향시키는 방향이 광축에서 멀어지는 방향이고 편향 각도는 중심에서 반경 방향으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다. The second meta-surface is a direction in which the incident light is deflected toward the optical axis, and the deflection angle is gradually increased from the center to the radial direction, and the third meta-surface is a direction in which the direction in which the incident light is deflected is away from the optical axis. Can increase gradually from the center to the radial direction.

상기 제2 메타 표면과 상기 제2 메타 표면의 서로 마주하는 두 위치에서, 입사광을 편향시키는 방향은 광축 방향을 기준으로 서로 반대일 수 있다. At two positions of the second meta-surface and the second meta-surface facing each other, directions for deflecting incident light may be opposite to each other based on an optical axis direction.

상기 제2 메타 표면과 상기 제2 메타 표면의 서로 마주하는 두 위치에서, 입사광을 편향시키는 각도 차이는 -30° 에서 30° 의 범위일 수 있다. At two positions facing each other between the second meta-surface and the second meta-surface, an angle difference for deflecting incident light may range from -30° to 30°.

상기 제2 메타 렌즈는 녹색 파장 대역의 광에 대해서는 실질적인 굴절력을 나타내지 않고, 적색 파장 대역의 광에 대해서는 양의 굴절력을 나타내고, 청색 파장 대역의 광에 대해서는 음의 굴절력을 나타내도록, 상기 제2 메타표면, 상기 제3 메타표면이 설정될 수 있다. The second meta lens does not exhibit substantial refractive power for light in the green wavelength band, positive refractive power for light in the red wavelength band, and negative refractive power for light in the blue wavelength band. A surface, the third meta-surface may be set.

일 유형에 따르면, 상술한 어느 하나의 촬상 렌즈; 및 상기 촬상 렌즈에 의해 형성된 광학 상(optical image)을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치가 제공된다.According to one type, any one of the above-described imaging lenses; And an image sensor that converts an optical image formed by the imaging lens into an electrical signal.

상술한 메타 렌즈는 두 개의 렌즈면을 구비하며, 두 개의 렌즈면 중 적어도 하나에 메타 표면을 적용하여, 기하수차의 발생을 최소화하며 색수차를 보정할 수 있다. The above-described meta lens has two lens surfaces, and by applying the meta surface to at least one of the two lens surfaces, it is possible to minimize the occurrence of geometric aberration and correct chromatic aberration.

상술한 메타 렌즈는 일반적인 굴절렌즈와 결합하여 색수차가 개선된 촬상 렌즈로 적용될 수 있다.The above-described meta lens can be applied as an imaging lens with improved chromatic aberration in combination with a general refractive lens.

상술한 메타 렌즈는 다른 추가적인 메타 표면과 함께 일반적인 굴절렌즈에 결합되어 촬상 렌즈를 구성할 수 있다. 이러한 촬상 렌즈는 메타 표면이 위치하는 복수의 위치에서 서로 다른 종류의 수차를 보정할 수 있다.The above-described meta lens may be combined with a general refractive lens together with other additional meta surfaces to constitute an imaging lens. Such an imaging lens can correct different types of aberrations at a plurality of locations where the meta surface is located.

상술한 촬상 렌즈는 촬상 장치 등 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다. The above-described imaging lens may be employed in various electronic devices such as an imaging device.

도 1은 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구조와 기능을 설명하는 개념도이다.
도 2a는 도 1의 메타 렌즈에 구비될 수 있는 메타 표면의 예시적인 구성을 보이는 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 일부 영역에 대한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 메타 표면에 의한, 위치에 따른 위상 변화 경향을 개념적으로 보이는 그래프이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c는 실시예에 따른 메타 표면에 구비되는 나노구조물의 예시적인 형상을 보인다.
도 5는 도 1의 메타 렌즈에 구비되는 제1렌즈면이 입사광을 편향시키는 각도 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6은 도 1의 메타 렌즈에 구비되는 제2렌즈면이 입사광을 편향시키는 각도 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 그래프에 표시되는 편향 각도의 기준을 설명하는 개념도이다.
도 8은 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 12는 실시예에 따른 촬상 장치의 구성과 광학적 배치를 개략적으로 보인다.
도 13은 실시예에 따른 촬상 렌즈 및 이를 구비하는 촬상 장치의 구성과 광학적 배치를 개략적으로 보인다.
도 14는 도 13의 촬상 렌즈의 제3 렌즈요소에 구비되는 메타 표면의 편향각 분포를 보이는 그래프이다.
도 15는 도 13의 촬상렌즈의 제5 렌즈요소에 구비되는 메타 표면의 편향각 분포를 보이는 그래프이다.
도 16은 도 13의 촬상렌즈의 제5 렌즈요소에 구비되는 다른 메타 표면의 편향각 분포를 보이는 그래프이다.
도 17은 도 13의 촬상 장치에 대한 수차도를 보인다. 1 is a conceptual diagram illustrating a schematic structure and function of a meta lens according to an embodiment.
2A is a plan view showing an exemplary configuration of a meta surface that may be provided in the meta lens of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a partial area of FIG. 2A.
3 is a graph conceptually showing a trend of a phase change according to a location by a meta surface according to an embodiment.
4A, 4B, and 4C show exemplary shapes of nanostructures provided on the meta surface according to the embodiment.
5 is a graph exemplarily showing an angular distribution at which a first lens surface provided in the meta lens of FIG. 1 deflects incident light.
6 is a graph exemplarily showing an angular distribution at which a second lens surface provided in the meta lens of FIG. 1 deflects incident light.
7 is a conceptual diagram illustrating a reference of a deflection angle displayed in the graphs of FIGS. 5 and 6.
8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a meta lens according to an embodiment.
9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a meta lens according to another embodiment.
9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a meta lens according to another embodiment.
11 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a meta lens according to another embodiment.
12 schematically shows the configuration and optical arrangement of an imaging device according to an embodiment.
13 schematically shows the configuration and optical arrangement of an imaging lens and an imaging device including the same according to an embodiment.
14 is a graph showing a distribution of a deflection angle of a meta surface provided in a third lens element of the imaging lens of FIG. 13.
FIG. 15 is a graph showing a distribution of a deflection angle of a meta surface provided in a fifth lens element of the imaging lens of FIG. 13.
FIG. 16 is a graph showing a distribution of deflection angles of another meta surface provided in a fifth lens element of the imaging lens of FIG. 13.
17 shows an aberration diagram of the imaging device of FIG. 13.

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, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are merely exemplary, 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 description.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, what is described as "top" or "top" may include not only those directly above by contact, but also those that are above non-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 and second may be used to describe various elements, but are used only for the purpose of distinguishing one element from other elements. These terms are not intended to limit differences in materials or structures of components.

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 indicates otherwise. In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included 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” described in the specification mean units that process 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 reference terms may correspond 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 constituting the method may be performed in any suitable order unless there is a clear statement that the steps in the method should be performed in the order described. In addition, the use of all exemplary terms (eg, etc.) is merely for describing technical ideas in detail, and the scope of the rights is not limited by these terms unless limited by claims.

도 1은 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구조와 기능을 설명하는 개념도이다. 1 is a conceptual diagram illustrating a schematic structure and function of a meta lens according to an embodiment.

메타 렌즈(ML)는 제1 렌즈면(LS1), 제1 렌즈면(LS1)과 광축(OP) 방향을 따라 소정 거리(d)로 이격 배치되는 제2 렌즈면(LS2)을 포함한다. 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)은 도시된 바와 같이, 하나의 기판(SU)을 공유하며, 기판(SU)의 양면에 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)은 각각 별개의 지지 기판에 지지될 수도 있다. The meta lens ML includes a first lens surface LS1, a first lens surface LS1, and a second lens surface LS2 spaced apart by a predetermined distance d along the optical axis OP direction. As illustrated, the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 share one substrate SU and may be formed on both surfaces of the substrate SU. However, the present invention is not limited thereto, and the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 may be supported on separate support substrates, respectively.

제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2) 사이의 거리(d)는 메타 렌즈(100)의 동작 파장 대역의 중심 파장, λ₀에 대해, λ₀보다 클 수 있다. 거리(d)는 예를 들어, 100λ₀보다 크고 1000λ₀보다 작을 수 있다. 예를 들어, 기판(SU)의 두께가 상기 요건을 만족하도록 설정될 수 있다.A first lens surface (LS1) and the second lens surface (LS2), the distance (d) is the center wavelength of the operating wavelength band of the meta-lens 100, for λ ₀ between, may be greater than λ _0. The distance d may be greater than 100λ ₀ _{and less than 1000λ 0, for example.} For example, the thickness of the substrate SU may be set to satisfy the above requirement.

메타 렌즈(ML)는 입사광에 대해 소정의 색수차를 나타낼 수 있고 이에 의해 다른 광학 부재에 의해 발생한 색수차를 보정할 수 있다. 메타 렌즈(ML)는 색수차를 보정하되, 기하 수차는 가능한 발생하지 않도록 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)의 세부 구조가 설정된다. 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2) 중 적어도 하나는 메타 표면(metasurface)이다. 즉, 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)이 모두 메타 표면일 수 있고, 또는 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2) 중 하나는 메타 표면이고 다른 하나는 굴절형 렌즈면일 수 있다. The meta lens ML may exhibit a predetermined chromatic aberration with respect to incident light, thereby correcting chromatic aberration caused by another optical member. The meta lens ML corrects chromatic aberration, but detailed structures of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 are set so that geometric aberration does not occur as much as possible. At least one of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 is a metasurface. That is, the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 may both be meta surfaces, or one of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 is a meta surface and the other is It may be a refractive lens surface.

메타 표면은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(미도시)을 포함하며, 입사광의 위상을 위치에 따라 변조하여 소정의 투과 위상 분포를 구현하도록 복수의 나노구조물의 형상, 배열 등이 설정된 구조이다. 메타 표면은 양의 굴절력 또는 음의 굴절력을 나타낼 수 있고, 다양한 초점 거리를 구현할 수 있으며, 이 때, 초점 거리가 파장에 의존하는, 색수차를 나타낼 수 있다.The meta surface includes a plurality of nanostructures (not shown) having a shape dimension of a sub-wavelength, and the shape and arrangement of the plurality of nanostructures are set to implement a predetermined transmission phase distribution by modulating the phase of the incident light according to the position. Structure. The meta-surface may exhibit positive or negative refractive power, and may implement various focal lengths, and in this case, the focal length may exhibit chromatic aberration, depending on a wavelength.

굴절형 렌즈면은 일반적인 굴절 렌즈의 렌즈면으로, 즉, 굴절률과 곡면 형상에 의해 입사광에 대해 굴절력을 나타내는 면이다. 굴절형 렌즈면의 형상은 오목 또는 볼록일 수 있고, 또는 변곡점을 가지는 곡면으로 위치에 따라 오목, 볼록이 변하는 형상일 수 있다. 굴절형 렌즈면은 구면 또는 비구면일 수 있다. 굴절형 렌즈면도 굴절렌즈의 굴절률이 일반적으로 파장에 의존하므로, 색수차를 나타내게 된다.The refractive lens surface is a lens surface of a general refractive lens, that is, a surface that exhibits refractive power with respect to incident light by a refractive index and a curved shape. The shape of the refractive lens surface may be concave or convex, or may be a curved surface having an inflection point and may be concave or convex according to a position. The refractive lens surface may be a spherical surface or an aspherical surface. The refractive index of the refractive lens also exhibits chromatic aberration because the refractive index of the refractive lens generally depends on the wavelength.

메타 렌즈(ML)에 구비되는 메타 표면의 세부 구조, 메타 표면과 함께 채용되는 굴절형 렌즈면의 세부 구조는 메타 표면과 굴절형 렌즈면의 조합으로 메타 렌즈(ML)가 원하는 색수차를 구현하도록, 또한, 이 과정에서 기하수차의 발생은 최소화되도록 설정된다.The detailed structure of the meta surface provided in the meta lens ML and the detailed structure of the refractive lens surface employed together with the meta surface are a combination of the meta surface and the refractive lens surface so that the meta lens ML realizes the desired chromatic aberration. In addition, it is set to minimize the occurrence of geometric aberration in this process.

제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2)은 위치에 따라 입사광을 편향(deflection)시키는 경향이 서로 다를 수 있다. 편향(deflection)은 회절(diffraction) 또는 굴절(refraction)에 의해 광의 진행 경로가 바뀌는 것을 의미한다. 제1 렌즈면(LS1)은 입사광을 편향시키는 방향이 광축을 향하는 방향이고 편향 각도의 크기는 중심에서 반경 방향으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다. 제2 렌즈면(LS2)은 입사광을 편향시키는 방향이 광축에서 멀어지는 방향이고 편향 각도의 크기는 중심에서 반경 방향으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다. 이러한 경향은 제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2)의 적어도 일부 영역에서 나타날 수 있다. 즉, 제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2)의 적어도 일부 영역에서 위치에 따라 입사광을 편향시키는 경향이 서로 반대일 수 있다. 상기 일부 영역은 근축 영역을 포함할 수 있고, 예를 들어, 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2) 각각의 중심으로부터 각각의 유효경(effective diameter)의 반에 이르는 영역을 포함할 수 있다. 이에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 다시 언급할 것이다. The first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 may have different tendencies of deflection of incident light according to their positions. Deflection means that the path of light is changed by diffraction or refraction. In the first lens surface LS1, a direction in which incident light is deflected is a direction toward an optical axis, and a magnitude of a deflection angle may gradually increase from a center toward a radial direction. In the second lens surface LS2, a direction in which incident light is deflected is a direction away from the optical axis, and a magnitude of the deflection angle may gradually increase from the center toward the radial direction. This tendency may appear in at least some areas of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2. That is, in at least a partial region of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2, the tendency of deflecting incident light according to the position may be opposite to each other. The partial region may include a paraxial region, for example, a region ranging from the center of each of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 to half of each effective diameter. I can. This will be described again with reference to FIGS. 5 and 6.

제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)은 근축에서의 굴절력이 서로 반대일 수 있다. 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2) 전체의 굴절력이 서로 반대일 수 있다. 즉, 제1 렌즈면(LS1)은 전체적으로 양의 굴절력(positive refractive power)을 나타내고, 제2 렌즈면(LS2)은 전체적으로 음의 굴절력(negative refractive power)을 나타낼 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.The first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 may have opposite refractive powers at the paraxial axis. Refractive powers of the entire first and second lens surfaces LS1 and LS2 may be opposite to each other. That is, the first lens surface LS1 may exhibit positive refractive power as a whole, and the second lens surface LS2 may exhibit negative refractive power as a whole. However, it is not limited thereto.

메타 렌즈(ML)는 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)의 작용에 의해 전체적으로 보아 입사광에 대한 굴절력이 실질적으로 거의 없을 수 있다. 예를 들어, 메타 렌즈(ML)는 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 중심 파장 대역인 녹색 파장 대역의 광(G)에 대해서는 굴절력을 나타내지 않으며, 적색 파장 대역의 광(R)에 대해서는 양의 굴절력(positive refractive power), 청색 파장 대역의 광(B)에 대해서는 음의 굴절력(negative refractive power)를 나타낼 수 있다. The meta lens ML may have substantially no refractive power for incident light as viewed as a whole by the action of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2. For example, the meta lens ML does not exhibit refractive power for light G in the green wavelength band, which is the center wavelength band, and does not show refractive power for light R in the red wavelength band, as exemplarily shown in FIG. 1. Positive refractive power may exhibit negative refractive power for light (B) in a blue wavelength band.

메타 렌즈(ML)에 구비되는 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)은 편향 각도 분포가 상당량 상쇄되도록 구성되고 있으며, 따라서, 기하 수차에는 영향을 거의 주지 않으면서 원하는 색수차를 나타낼 수 있다. The first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 provided in the meta lens ML are configured so that the deflection angle distribution is significantly canceled, and thus, the desired chromatic aberration is exhibited without affecting geometric aberration. I can.

도 2a는 도 1의 메타 렌즈에 구비될 수 있는 메타 표면의 예시적인 구성을 보이는 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 일부 영역에 대한 단면도이다.2A is a plan view showing an exemplary configuration of a meta surface that may be provided in the meta lens of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a partial area of FIG. 2A.

메타 표면(MS)은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(NS)을 포함한다. 복수의 나노구조물(NS)은 나노구조물(NS)의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 기판(SU) 상에 배열될 수 있다. 서브 파장은 메타 렌즈(ML)의 동작 파장 대역의 중심 파장(λ₀)보다 작은 파장을 의미한다. 동작 파장 대역은 약 400nm~700nm 범위의 가시광 대역일 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. The meta surface MS includes a plurality of nanostructures NS having a shape dimension of a sub-wavelength. The plurality of nanostructures NS may be arranged on the substrate SU having a refractive index different from that of the nanostructure NS. The sub-wavelength refers to a wavelength smaller than _{the center wavelength λ 0} of the operating wavelength band of the meta lens ML. The operating wavelength band may be a visible light band in the range of about 400 nm to 700 nm, but is not limited thereto.

복수의 나노구조물(NS)은 복수의 링 모양을 따라 배열될 수 있다, 나노구조물(NS)의 위치별 형상과 크기는 메타 표면(MS)의 중심으로부터 거리 r의 함수로 정의될 수 있고, 극대칭의 분포를 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이고 이에 한정되지 않는다. The plurality of nanostructures NS may be arranged along the shape of a plurality of rings. The shape and size of the nanostructures NS by location may be defined as a function of the distance r from the center of the meta surface MS. It can have a symmetrical distribution. However, this is exemplary and is not limited thereto.

나노구조물(NS)의 배열 피치(p), 즉, 인접하는 나노구조물(NS) 중심간의 거리, 나노구조물(NS)의 폭(w)과 높이(h)는 복수의 나노구조물(NS)에서 서로 다를 수 있다. 나노구조물(NS)의 위치별 형상, 크기, 배열 주기는 메타 표면(MS)이 구현하고자 하는 위상 지연 함수에 따라 정해질 수 있다. 이러한 위상 지연 함수에 따라 메타 표면(MS)을 지난 광의 투과 위상 분포가 정해지며, 투과 위상 분포에 따라 메타 렌즈(ML)가 소정의 광학 기능을 나타내게 된다. 다시 말하면, 나노구조물(NS)의 위치별 형상, 크기, 배열 주기는 메타 표면(MS)이 나타내고자 하는 광학 기능에 따라 설정될 수 있다.The arrangement pitch (p) of the nanostructures (NS), that is, the distance between the centers of the adjacent nanostructures (NS), and the width (w) and height (h) of the nanostructures (NS) are can be different. The shape, size, and arrangement period for each location of the nanostructure NS may be determined according to a phase delay function to be implemented by the meta surface MS. The transmission phase distribution of light passing through the meta surface MS is determined according to the phase delay function, and the meta lens ML exhibits a predetermined optical function according to the transmission phase distribution. In other words, the shape, size, and arrangement period for each location of the nanostructure NS may be set according to the optical function to be displayed by the meta surface MS.

도 3은 실시예에 따른 메타 표면에 의한, 위치에 따른 위상 변화 경향을 개념적으로 보이는 그래프이다. 3 is a graph conceptually showing a trend of a phase change according to a location by a meta surface according to an embodiment.

그래프를 참조하면, 서로 다른 파장 대역의 광, 즉, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 메타 표면(MS)의 중심으로부터의 거리(r)에 대한 경향은 매우 유사하다. 이러한 경향의 메타 표면에 입사된 광 중 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)은 서로 다른 투과 위상 분포를 나타내며 각기 다른 각도로 편향되게 된다. 이러한 메타 표면 두 개가 인접 배치되는 경우, 하나의 메타 표면에 의한 투과 위상 분포 차이에 의해 다음 메타 표면에 도달하는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)은 위치는 달라지며, 이 위치 차이는 두 메타 표면 간의 거리가 커질수록 더 커진다. Referring to the graph, the tendency of light of different wavelength bands, that is, red light (R), green light (G), and blue light (B), to the distance r from the center of the meta surface MS is very similar. Among the light incident on the meta surface of this tendency, red light (R), green light (G), and blue light (B) exhibit different transmission phase distributions and are deflected at different angles. When these two meta-surfaces are disposed adjacent to each other, the red light (R), green light (G), and blue light (B) reaching the next meta-surface will have different positions due to the difference in the transmission phase distribution by one meta-surface. The difference increases as the distance between the two meta-surfaces increases.

실시예에 따른 메타 렌즈(ML)는 이러한 위상 변화 경향의 메타 표면을 구비하되 편향 각도 분포가 상?韜? 상쇄되도록 구성된 두 메타 표면 또는 하나의 메타 표면과 굴절형 렌즈면을 활용하여 기하수차에는 영향을 거의 주지 않으며 색수차를 보정, 즉, 원하는 색수차를 구현하고 있다. The meta lens (ML) according to the embodiment has a meta surface of such a phase change tendency, but the deflection angle distribution is different? Using two meta-surfaces configured to cancel or one meta-surface and a refractive lens surface, geometric aberration is hardly affected, and chromatic aberration is corrected, that is, desired chromatic aberration is implemented.

도 4a, 도 4b, 도 4c는 실시예에 따른 메타 표면에 구비되는 나노구조물의 예시적인 형상을 보인다.4A, 4B, and 4C show exemplary shapes of nanostructures provided on the meta surface according to the embodiment.

도 4a를 참조하면, 나노구조물(NS)은 높이 h, 직경 w인 원기둥 형상을 가질 수 있다. 나노구조물(NS)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 나노구조물(NS)은 높이와 폭이 정의될 수 있는 다양한 형상의 단면을 가지는 기둥 형상을 가질 수 있다. 단면 형상은 다각형, 타원, 기타 다양한 형상이 될 수 있다. Referring to FIG. 4A, the nanostructure NS may have a cylindrical shape having a height h and a diameter w. The shape of the nanostructure NS is not limited thereto, and the nanostructure NS may have a pillar shape having a cross section of various shapes in which a height and a width can be defined. The cross-sectional shape may be a polygon, an ellipse, or various other shapes.

나노구조물(NS)의 폭(w)은 메타 렌즈(ML)의 동작 파장 대역의 중심 파장(λ₀)보다 작을 수 있고, 나노구조물(NS)의 높이(h)는 λ₀보다 클 수 있다. 나노구조물(NS)의 높이(h)는 λ₀보다 크고 10λ₀보다 작을 수 있다. _{The width w of the nanostructure NS may be smaller than the central wavelength λ 0} of the operating wavelength band of the meta lens ML, and the height h of the nanostructure NS may be greater than _{λ 0.} Height (h) of nanostructures (NS) may be greater than ₀ less than 10λ λ _0.

나노구조물(NS)은 주변 물질과 다른 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. 나노구조물(NS)은 주변 물질의 굴절률 차이는 0.5 이상일 수 있다. 나노구조물(NS)은 주변 물질보다 고굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. 여기서 주변 물질은 공기(air)일 수 있고, 나노구조물(NS)을 지지하는 기판(도 2b의 SU)일 수 있고, 또는 도시되지는 않았으나 나노구조물(NS)을 덮어 보호하는 보호층일 수 있다. The nanostructure NS may be made of a material having a refractive index different from that of the surrounding material. In the nanostructure NS, a difference in refractive index between surrounding materials may be 0.5 or more. The nanostructure NS may be made of a material having a higher refractive index than the surrounding material. Here, the surrounding material may be air, a substrate supporting the nanostructure NS (SU in FIG. 2B), or a protective layer that covers and protects the nanostructure NS, although not shown.

나노구조물(NS)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 III-V 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO₂, SiN 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.The nanostructure NS may be made of a material including at least one of c-Si, p-Si, a-Si and III-V compound semiconductors (GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO _{2, and SiN.}

도 4b를 참조하면, 나노구조물(NS)은 소정 굴절률의 매질층(ME) 내부를 기둥 형상으로 음각한 홀(HO) 형태로 이루어질 수 있다. 홀(HO)의 내부는 비어 있거나, 즉, 공기(air)이거나, 또는, 매질층(ME)의 굴절률보다 낮은 굴절률의 물질로 채워질 수 있다. 매질층(ME)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 III-V 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO₂, SiN 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있고, 홀(HO) 내부는 공기(air) 또는 SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질로 채워질 수 있다.Referring to FIG. 4B, the nanostructure NS may be formed in the shape of a hole HO in which the inside of the medium layer ME having a predetermined refractive index is engraved in a column shape. The interior of the hole HO may be empty, that is, air, or may be filled with a material having a refractive index lower than that of the medium layer ME. The medium layer ME may be made of a material including at least one of c-Si, p-Si, a-Si and III-V compound semiconductors (GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO _{2, and SiN,} The inside of the hole HO may be filled with air or a polymer material such as SU-8 or PMMA.

도 4c를 참조하면, 나노구조물(NS)은 적층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4a와 같은 형태 및/또는 도 4b와 같은 구조가 기판(SU) 상에 복수층으로 적층될 수 있다. 도시된 바와 같이, 폭 w1, 높이 h1의 소정 형상을 가지며 굴절률 n1의 물질로 이루어진 나노요소(ne1)를 굴절률 n3이 둘러싸며 제1층을 형성하고, 제1층 위로 폭 w2, 높이 h2의 소정 형상를 가지며 굴절률 n2의 물질로 이루어진 나노요소(ne2) 및 이를 둘러싸는 굴절률 n4의 물질이 적층되어 제2층을 이룬다. 나노요소(ne1) 또는 나노요소(ne2)는 단순히 빈 공간, 즉, 공기(air)일 수도 있다. Referring to FIG. 4C, the nanostructure NS may have a stacked structure. For example, the shape of FIG. 4A and/or the structure of FIG. 4B may be stacked on the substrate SU in a plurality of layers. As shown, a first layer is formed by surrounding a nanoelement ne1 made of a material having a refractive index n1 having a predetermined shape having a width w1 and a height h1, and a first layer having a width w2 and a height h2 above the first layer. A nanoelement ne2 having a shape and made of a material having a refractive index of n2 and a material having a refractive index of n4 surrounding it are stacked to form a second layer. The nanoelement ne1 or the nanoelement ne2 may be simply an empty space, that is, air.

w1, w2는 서브 파장, 즉, 메타 렌즈(ML)의 동작 파장 대역의 중심 파장(λ₀)보다 작을 수 있고, h1, h2는 2λ₀보다 클 수 있다. w1 and w2 may be smaller than the sub-wavelength, that is, the center wavelength λ ₀ of the operating wavelength band of the meta lens ML, and h1 and h2 may be greater than _{2λ 0.}

제1층에서 나노요소(ne1)의 굴절률 n1과 주변 물질의 굴절률 n3는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, n1>n3이거나, n1<n3 일 수 있다. n1과 n3의 차이는 0.5이상일 수 있다. 제2층에서 나노요소(ne2)의 굴절률 n2와 주변 물질의 굴절률 n4는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, n2>n4이거나, n2<n4 일 수 있다. n2와 n4의 차이는 0.5이상일 수 있다. 나노요소(ne1)의 굴절률 n1과 나노요소(ne2)의 굴절률 n2는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, n1>n2이거나 n2<n1일 수 있다. n1과 n2의 차이는 0.5이상일 수 있다. 주변물질의 굴절률 n3와 n4는 서로 다를 수도 있고, 같은 수도 있다.In the first layer, the refractive index n1 of the nanoelement ne1 and the refractive index n3 of the surrounding material may be different from each other. For example, it may be n1>n3 or n1<n3. The difference between n1 and n3 may be 0.5 or more. In the second layer, the refractive index n2 of the nanoelement ne2 and the refractive index n4 of the surrounding material may be different from each other. For example, it may be n2>n4 or n2<n4. The difference between n2 and n4 may be 0.5 or more. The refractive index n1 of the nanoelement ne1 and the refractive index n2 of the nanoelement ne2 may be different from each other. For example, it may be n1>n2 or n2<n1. The difference between n1 and n2 may be 0.5 or more. The refractive indices n3 and n4 of the surrounding material may be different from each other or may be the same.

도 4c에 표시된 p는 나노구조물(NS)이 반복 배치되는 주기에 해당한다. 도 4c와 같은 나노구조물(NS)은 w1, w2, h1, h2, p, n1, n2, n3, n4를 상술한 몇가지 요건에 맞게 다양하게 조합하여 구성될 수 있기 때문에, 이를 사용하여 원하는 투과 위상 분포의 메타 표면을 구현하기에 보다 유리할 수 있다. P indicated in FIG. 4C corresponds to a cycle in which the nanostructures NS are repeatedly arranged. Since the nanostructure (NS) as shown in FIG. 4C can be configured by variously combining w1, w2, h1, h2, p, n1, n2, n3, and n4 according to the above-described several requirements, the desired transmission phase It may be more advantageous to implement the meta-surface of the distribution.

도 5 및 도 6은 도 1의 메타 렌즈에 구비되는 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2) 각각이 입사광을 편향시키는 각도 분포를 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 7은 도 5 및 도 6의 그래프에 표시되는 편향 각도의 기준을 설명하는 개념도이다.5 and 6 are graphs exemplarily showing an angular distribution in which each of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 provided in the meta lens of FIG. 1 deflects incident light, and FIG. 7 is And a conceptual diagram for explaining a criterion of a deflection angle displayed in the graph of FIG. 6.

전술한 바와 같이, 제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2)은 위치에 따라 입사광을 편향(deflection)시키는 경향이 서로 다를 수 있다. 이것은 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2) 각각에서 나타나는 편향 각도 분포가 서로 상쇄되게 하여 기하수차의 발생을 최소화하기 위한 것이다. As described above, the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 may have different tendency to deflect incident light according to their positions. This is to minimize the occurrence of geometric aberration by making the distribution of deflection angles appearing in each of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 cancel each other.

도 7에 도시한 바와 같이, 편향 각도는 입사광(ray)이 렌즈면(LS)에서 편향된 방향이 입사 방향과 이루는 각을 나타낸다. 편향 방향이 광축(OP)에 대해 반시계 방향(counterclockwise)인 경우 양(+), 시계 방향(clockwise)인 경우 음(-)으로 표시된다. 광축(OP)을 기준으로 이보다 위에 위치하는 렌즈면(LS) 영역으로 입사하는 광의 양의 편향각은 광축(OP)과 멀어지는 방향으로의 편향을 나타내고 음의 편향각은 광축(OP)을 향하는 방향으로의 편향을 나타낸다. 반대로, 광축(OP)을 기준으로 이보다 아래에 위치하는 렌즈면(LS) 영역으로 입사하는 광의 양의 편향각은 광축(OP)을 향하는 방향으로의 편향이고, 음의 편향각은 광축(OP)에서 멀어지는 방향으로의 편향을 나타낸다.As shown in FIG. 7, the deflection angle represents the angle formed by the direction in which the incident light ray is deflected from the lens surface LS and the incident direction. When the deflection direction is counterclockwise with respect to the optical axis OP, positive (+), and clockwise, negative (-) are displayed. The positive deflection angle of light incident on the lens surface LS area positioned above the optical axis OP represents the deflection in the direction away from the optical axis OP, and the negative deflection angle is the direction toward the optical axis OP. Denotes a bias toward Conversely, the positive deflection angle of the light incident to the lens surface LS area positioned below this with respect to the optical axis OP is the deflection in the direction toward the optical axis OP, and the negative deflection angle is the optical axis OP. It represents the bias in the direction away from.

도 5의 그래프에서 가로축은 제1 렌즈면(LS1)의 반경 방향이며, 오른쪽이 제1 렌즈면(LS1)의 영역 중 광축보다 위에 위치하는 영역이고, 왼쪽이 제1 렌즈면(LS1)의 영역 중 광축보다 아래에 위치하는 영역이 된다. In the graph of FIG. 5, the horizontal axis is the radial direction of the first lens surface LS1, the right is the area located above the optical axis among the first lens surface LS1, and the left is the first lens surface LS1. It becomes an area located below the middle optical axis.

도 5의 그래프를 참조하면, 광축 위의 영역에서 편향 각도가 음(-)이며, 이는 광축을 향하는 방향으로 편향됨을 나타낸다. 각도의 크기는 중심에서 멀어질수록 커지는 형태이다. 광축 아래의 영역에서 편향 각도가 양(+)이며 즉, 광축을 향하는 방향으로 편향됨을 나타낸다. 각도의 크기는 중심에서 멀어질수록 커지는 형태이다. 이다. 이러한 편향 특성은 양의 굴절력에 해당한다. 이러한 경향은 제1 렌즈면(LS1)의 전 영역에서 나타나는 것은 아니며 근축 영역을 포함하는 소정 영역, 다시 말하면 렌즈 중심으로부터 소정 반경(r_c1)에 이르는 영역에서 이러한 경향이 나타날 수 있다. 상기 소정 반경(r_c1)은 예를 들어 제1 렌즈면(LS1)의 렌즈 유효경(effective diameter)을 2r_e1라고 할 때, r_e1/2보다 클 수 있다. Referring to the graph of FIG. 5, the deflection angle in the region above the optical axis is negative (-), indicating that the deflection angle is deflected toward the optical axis. The size of the angle increases as the distance from the center increases. It indicates that the deflection angle is positive (+) in the region below the optical axis, that is, deflection in the direction toward the optical axis. The size of the angle increases as the distance from the center increases. to be. This deflection characteristic corresponds to a positive refractive power. This tendency does not appear in the entire region of the first lens surface LS1, but may appear in a predetermined region including the paraxial region, that is, a region ranging _{from the center of the lens to a predetermined radius r c1.} The predetermined radius r _c1 may be greater than _{r e1} /2 when, for example, the effective diameter of the first lens surface LS1 is 2r _e1.

도 6의 그래프에서 가로축은 제2 렌즈면(LS2)의 반경 방향이며, 오른쪽이 제2 렌즈면(LS2)의 영역 중 광축보다 위에 위치하는 영역이고, 왼쪽이 제2 렌즈면(LS2)의 영역 중 광축보다 아래에 위치하는 영역이 된다.In the graph of FIG. 6, the horizontal axis is the radial direction of the second lens surface LS2, the right is the area located above the optical axis among the second lens surface LS2, and the left is the second lens surface LS2. It becomes an area located below the middle optical axis.

도 6의 그래프를 참조하면, 광축 위의 영역에서 편향 각도가 양(+)이며, 이는 광축에서 멀어지는 방향으로 편향됨을 나타낸다. 각도의 크기는 중심에서 멀어질수록 커지는 형태이다. 광축 아래의 영역에서 편향 각도가 음(-)이며, 즉, 광축에서 멀어지는 방향으로 편향됨을 나타낸다. 각도의 크기는 중심에서 멀어질수록 커지는 형태이다. 이러한 편향 특성은 음의 굴절력에 해당한다. 이러한 경향은 제2 렌즈면(LS2)의 전 영역에서 나타나는 것은 아니며 근축 영역을 포함하는 소정 영역, 다시 말하면 렌즈 중심으로부터 소정 반경(r_c2)에 이르는 영역까지이다. 상기 소정 반경(r_c2)은 예를 들어 제2 렌즈면(LS2)의 렌즈 유효경(effective diameter)을 2r_e2라고 할 때, r_e2/2보다 클 수 있다. Referring to the graph of FIG. 6, the deflection angle is positive (+) in the region above the optical axis, indicating that the deflection is in a direction away from the optical axis. The size of the angle increases as the distance from the center increases. It indicates that the deflection angle is negative (-) in the region below the optical axis, that is, deflection in the direction away from the optical axis. The size of the angle increases as the distance from the center increases. This deflection characteristic corresponds to negative refractive power. This tendency does not appear in the entire area of the second lens surface LS2, but is in a predetermined area including the paraxial area, that is, from the center of the lens to a predetermined radius r _c2 . The predetermined radius r _c2 may be larger than _{r e2} /2 when, for example, the effective diameter of the second lens surface LS2 is 2r _e2.

도 5 및 도 6의 그래프는 제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2)의 적어도 일부 영역에서 위치에 따라 입사광을 편향시키는 방향이 서로 반대임을 예시하고 있으며, 도 5 및 도 6의 그래프가 서로 대칭인 것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5 및 도 6의 그래프의 기울기 절대값은 서로 다를 수 있다. 또한, 제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2)의 유효경을 서로 다를 수 있고, 제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2)의 유효경이 서로 같더라도 r_c1, r_c2이 서로 다를 수 있다. 제1 렌즈면(LS1)과 제2 렌즈면(LS2)의 서로 마주하는 두 위치에서 입사광을 편향시키는 각도는 서로 다를 수 있고 그 차이는 -30° 에서 30° 의 범위일 수 있다. The graphs of FIGS. 5 and 6 illustrate that directions in which incident light is deflected according to a position in at least a portion of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 are opposite to each other. The graphs are not limited to being symmetrical to each other. For example, the absolute values of the slopes of the graphs of FIGS. 5 and 6 may be different from each other. Further, the effective mirrors of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 may be different, and even if the effective mirrors of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 are the same, r _c1 , r _c2 can be different. Angles for deflecting incident light at two positions of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 facing each other may be different from each other, and the difference may range from -30° to 30°.

도 5 및 도 6의 그래프는 각각 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)에 대한 것으로 기술되었으나 이는 예시적이며, 서로 뒤바뀔 수 있다.The graphs of FIGS. 5 and 6 are described as for the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2, respectively, but these are exemplary and may be interchanged with each other.

상술한 메타 렌즈(ML)는 색수차를 줄일 때 기하수차가 커지는 통상의 굴절렌즈와 달리, 색수차의 감소가 기하수차 증가를 수반하지 않는다. 즉, 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2) 중 적어도 하나에 메타 표면을 적용하고, 각각의 편향 각도 분포가 상당량 상쇄되도록 함으로써 원하는 색수차, 기하수차를 구현할 수 있다. Unlike conventional refractive lenses in which geometric aberration increases when chromatic aberration is reduced in the above-described meta lens ML, a decrease in chromatic aberration does not accompany an increase in geometric aberration. That is, the meta-surface is applied to at least one of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2, and each deflection angle distribution is significantly canceled, thereby implementing desired chromatic aberration and geometric aberration.

이하, 상술한 메타 렌즈(ML)와 유사한 기능을 나타내는 다양한 실시예들에 따른 메타 렌즈의 구성을 살펴보기로 한다.Hereinafter, a configuration of a meta lens according to various embodiments showing a function similar to that of the meta lens ML described above will be described.

도 8은 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a meta lens according to an embodiment.

실시예에 따른 메타 렌즈(100)는 도 1에 예시된 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)가 모두 메타 표면으로 구성된 예에 해당한다. 메타 렌즈(100)는 소정 거리(d)로 이격된 제1 메타표면(151)과 제2 메타표면(152)을 포함한다. 메타 렌즈(100)는 도시된 바와 같이 하나의 기판(110) 기반의 일체형 구조를 가질 수 있다. 즉, 기판(110)의 서로 마주하는 양면에 제1 메타표면(151), 제2 메타표면(152)이 형성될 수 있다. 다만 이는 예시적이며, 제1 메타표면(151), 제2 메타표면(152)은 별도의 지지 기판에 구비될 수도 있다.The meta lens 100 according to the embodiment corresponds to an example in which both the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 illustrated in FIG. 1 are formed of a meta surface. The meta lens 100 includes a first meta surface 151 and a second meta surface 152 spaced apart by a predetermined distance d. As shown, the meta lens 100 may have an integrated structure based on one substrate 110. That is, the first meta-surface 151 and the second meta-surface 152 may be formed on both surfaces of the substrate 110 facing each other. However, this is exemplary, and the first meta-surface 151 and the second meta-surface 152 may be provided on separate supporting substrates.

제1 메타표면(151)는 기판(110)의 제1면(110a)에 제1 형상 분포로 배열된 복수의 제1 나노구조물(NS1)을 포함한다. 또한, 복수의 제1 나노구조물(NS1)을 덮는 보호층(121)이 구비될 수 있다. 보호층(121)은 생략될 수도 있다.The first metasurface 151 includes a plurality of first nanostructures NS1 arranged in a first shape distribution on the first surface 110a of the substrate 110. In addition, a protective layer 121 covering the plurality of first nanostructures NS1 may be provided. The protective layer 121 may be omitted.

제2 메타표면(152)은 기판(110)의 제2면(110b)에, 상기 제1 형상 분포와 다른 제2 형상 분포로 배열된 복수의 제2 나노구조물(NS2)을 포함한다. 또한, 복수의 제2 나노구조물(NS2)을 덮는 보호층(122)이 구비될 수 있다. 보호층(122)은 생략될 수도 있다.The second meta-surface 152 includes a plurality of second nanostructures NS2 arranged on the second surface 110b of the substrate 110 in a second shape distribution different from the first shape distribution. In addition, a protective layer 122 covering the plurality of second nanostructures NS2 may be provided. The protective layer 122 may be omitted.

제1 메타표면(151)과 제2 메타표면(152) 사이의 거리는 메타 렌즈(100)의 동작 파장 대역의 중심 파장, λ₀에 대해, λ₀보다 클 수 있다. 이 거리는 예를 들어, 100λ₀보다 크고 1000λ₀보다 작을 수 있다. 제1 메타표면(151)과 제2 메타표면(152) 사이의 거리(d)는 메타 렌즈(101)가 나타내고자 하는 색수차 및 기하수차의 요건에 맞게 설정될 수 있고, 이러한 요건에 맞게 기판(110)의 두께가 설정될 수 있다.A first meta-surface 151 and the second meta-surface 152, the center wavelength of the operating wavelength band of the distance meth lens 100 between, for λ _0, may be greater than λ _0. This distance may be greater than 100λ ₀ _{and less than 1000λ 0} , for example. The distance d between the first meta-surface 151 and the second meta-surface 152 may be set according to the requirements of chromatic aberration and geometric aberration to be expressed by the meta lens 101, and the substrate ( 110) can be set.

기판(110)은 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)을 지지하는 것으로 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)과 다른 굴절률의 재질로 이루어질 수 잇다. 기판(110)과 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)의 굴절률 차이는 0.5이상일 수 있다. 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)의 굴절률이 기판(110)의 굴절률 보다 높을 수 있으며, 다만, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 기판(110)의 굴절률이 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)의 굴절률이 보다 높을 수도 있다.The substrate 110 supports the first nanostructure NS1 and the second nanostructure NS2, and may be made of a material having a refractive index different from that of the first nanostructure NS1 and the second nanostructure NS2. The difference in refractive index between the substrate 110 and the first nanostructure NS1 and the second nanostructure NS2 may be 0.5 or more. The refractive index of the first nanostructure NS1 and the second nanostructure NS2 may be higher than the refractive index of the substrate 110, but is not limited thereto. That is, the refractive index of the substrate 110 may be higher than that of the first nanostructure NS1 and the second nanostructure NS2.

기판(110)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. 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 III-V 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The substrate 110 may be made of any one of glass (fused silica, BK7, etc.), quartz, polymer (PMMA, SU-8, etc.), and plastic, and may be a semiconductor substrate. The first nanostructure (NS1) and the second nanostructure (NS2) are at least one of c-Si, p-Si, a-Si and III-V compound semiconductors (GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO2, and SiN It may include.

보호층(121)(122)은 SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질로 이루어질 수 있다.The protective layers 121 and 122 may be made of a polymer material such as SU-8 or PMMA.

제1 메타표면(151)은 양의 굴절력을 가질 수 있고, 제2 메타표면(152)는 음의 굴절력을 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제1 메타표면(151)이 음의 굴절력을 가지고, 제2 메타표면(152)이 양의 굴절력을 가질 수도 있다.The first meta-surface 151 may have positive refractive power, and the second meta-surface 152 may have negative refractive power. However, the present invention is not limited thereto, and the first meta-surface 151 may have negative refractive power, and the second meta-surface 152 may have positive refractive power.

제1 메타표면(151), 제2 메타표면(152)은 각각 도 5 및 도 6에 예시한 회절 각도 분포를 가질 수 있다. 제1 메타표면(151), 제2 메타표면(152)은 회절 각도가 서로 상당량 상쇄되므로 메타 렌즈(100)에 입사 후 제1 메타표면(151)과 제2 메타표면(152)을 모두 지난 광의 경로는 입사 전의 경로와의 차이가 매우 적다. 다시 말하면, 제1 메타표면(151)과 제2 메타표면(152)에 의해 발생되는 기하수차는 매우 적다. The first meta-surface 151 and the second meta-surface 152 may have diffraction angle distributions illustrated in FIGS. 5 and 6, respectively. Since the diffraction angles of the first meta-surface 151 and the second meta-surface 152 cancel each other considerably, the light passing through both the first meta-surface 151 and the second meta-surface 152 after entering the meta lens 100 The path has very little difference from the path before the incident. In other words, the geometric aberration generated by the first meta-surface 151 and the second meta-surface 152 is very small.

한편, 제1 메타표면(151)은 도 5와 같은 회절 각도 분포의 영역을 지나는 광에 대해 단파장의 광보다 장파장의 광의 초점 거리를 더 짧게 만드는 색수차를 나타낸다. 제2 메타표면(152)은 도 6과 같은 회절 각도 분포의 영역을 지나는 광에 대해 단파장의 광보다 장파장의 광의 초점 거리를 더 길게 만드는 색수차를 나타낸다. 따라서, 제1 메타표면(151)과 제2 메타표면(152)에 의한 회절 각도 차이를 조절하여 원하는 색수차를 구현할 수 있다. Meanwhile, the first meta-surface 151 exhibits chromatic aberration that makes the focal length of light of a long wavelength shorter than that of light of a short wavelength with respect to the light passing through the region of the diffraction angle distribution as shown in FIG. 5. The second metasurface 152 exhibits chromatic aberration that makes the focal length of light of a long wavelength longer than that of light of a short wavelength with respect to the light passing through the region of the diffraction angle distribution as shown in FIG. Accordingly, desired chromatic aberration can be implemented by adjusting the difference in diffraction angles between the first meta-surface 151 and the second meta-surface 152.

제1면(110a), 제2면(110b)은 모두 평면으로 도시되어 있으나, 다른 실시예에서, 이들 중 어느 하나는 볼록의 곡면이 될 수도 있다. 보호층(121)(122)의 상면도 모두 평면으로 도시되어 있으나, 다른 실시예에서 이들 중 어느 하나는 곡면이 될 수도 있다. 이와 같이 추가되는 곡면에 의해 메타 렌즈(100)가 구현하고자 하는 초점 거리, 색수차, 기하수차가 미세 조절될 수도 있다. Both the first surface 110a and the second surface 110b are shown as planar surfaces, but in other embodiments, any one of them may be a convex curved surface. All of the top surfaces of the protective layers 121 and 122 are also shown in plan view, but in other embodiments, any one of them may be curved. The focal length, chromatic aberration, and geometric aberration to be implemented by the meta lens 100 may be finely adjusted by the added curved surface as described above.

도 9는 다른 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a meta lens according to another embodiment.

본 실시예의 메타 렌즈(101)는 도 8의 메타 렌즈(100)의 변형예로서, 제1 메타표면(151)과 제2 메타표면(152)의 각각 별도의 기판(111)(112)에 지지되는 점에서만 차이가 있고, 나머지 구성은 도 8의 메타 렌즈(101)와 실질적으로 동일하다.The meta-lens 101 of this embodiment is a modified example of the meta-lens 100 of FIG. 8, and is supported on separate substrates 111 and 112 of the first meta-surface 151 and the second meta-surface 152, respectively. There is a difference only in the point of being, and the rest of the configuration is substantially the same as the meta lens 101 of FIG.

도 10은 다른 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a meta lens according to another embodiment.

본 실시예의 메타 렌즈(102)는 도 1에 예시된 제1 렌즈면(LS1), 제2 렌즈면(LS2)중 하나는 굴절형 렌즈면, 다른 하나는 메타 표면으로 구성된 예에 해당한다.The meta lens 102 of this embodiment corresponds to an example in which one of the first lens surface LS1 and the second lens surface LS2 illustrated in FIG. 1 is a refractive lens surface and the other is a meta surface.

메타 렌즈(102)는 굴절 렌즈(140)와 메타 표면(153)을 포함한다.The meta lens 102 includes a refractive lens 140 and a meta surface 153.

굴절 렌즈(140)는 오목한 굴절형 렌즈면(140a)을 가질 수 있다.The refractive lens 140 may have a concave refractive lens surface 140a.

메타 표면(153)은 소정의 형상 분포로 배열된 복수의 나노구조물(NS)을 포함한다. 나노구조물(NS)은 기판(113)에 지지되며, 또한, 복수의 나노구조물(NS)을 덮어 보호하는 보호층(123)이 더 구비될 수 있다. The meta surface 153 includes a plurality of nanostructures NS arranged in a predetermined shape distribution. The nanostructure NS is supported on the substrate 113, and a protective layer 123 for covering and protecting the plurality of nanostructures NS may be further provided.

메타 표면(153)은 양의 굴절력을 가지도록 상기 복수의 나노구조물의 형상 분포가 설정될 수 있다. The meta-surface 153 may have a shape distribution of the plurality of nanostructures so as to have positive refractive power.

메타 표면(153)과 굴절형 렌즈면(140a)은 각각 도 5 및 도 6에 예시한 그래프와 같은 편향 각도 분포를 나타낼 수 있다. 메타 표면(153)과 렌즈면(140a)은 편향 각도 분포가 서로 상당량 상쇄되기 때문에, 메타 표면(153)과 렌즈면(140a)을 구비하는 메타 렌즈(101)에서 기하수차는 거의 발생하지 않는다.The meta-surface 153 and the refractive lens surface 140a may exhibit deflection angle distributions such as the graphs illustrated in FIGS. 5 and 6, respectively. Since the deflection angle distributions of the meta surface 153 and the lens surface 140a cancel each other by a significant amount, geometric aberration hardly occurs in the meta lens 101 having the meta surface 153 and the lens surface 140a.

도 11은 또 다른 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.11 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a meta lens according to another embodiment.

메타 렌즈(103)는 오목한 굴절형 렌즈면(141a)과 메타 표면(154)을 포함한다. 메타 표면(154)은 양의 굴절력을 가질 수 있다. 메타 렌즈(102)는 굴절형 렌즈면(141a)과 메타 표면(154)이 일체화된 구조를 가질 수 있으며, 도시된 바와 같이, 오목 렌즈(141)의 일면에 복수의 나노구조물(NS4)이 형성되어 메타 표면(154)을 이룬다. 또한, 복수의 나노구조물(NS4)을 덮어 보호하는 보호층(124)가 더 구비될 수 있다. 보호층(124)은 생략될 수도 있다. The meta lens 103 includes a concave refractive lens surface 141a and a meta surface 154. The meta surface 154 may have positive refractive power. The meta lens 102 may have a structure in which the refractive lens surface 141a and the meta surface 154 are integrated, and as shown, a plurality of nanostructures NS4 are formed on one surface of the concave lens 141 To form the meta surface 154. In addition, a protective layer 124 may be further provided to cover and protect the plurality of nanostructures NS4. The protective layer 124 may be omitted.

도 10 및 도 11에서는 오목한 굴절형 렌즈면과 양의 굴절력을 가지는 메타 표면을 구비하는 메타 렌즈를 예시하여 설명하였다. In FIGS. 10 and 11, a meta lens having a concave refractive lens surface and a meta surface having positive refractive power has been described as an example.

한편, 다른 실시예의 메타 렌즈는 볼록한 굴절형 렌즈면과 음의 굴절력을 가지는 메타 표면을 가질 수 있다. 이러한 실시예는 굴절형 렌즈면과 메타 표면이 모두 단파장의 광에 비해 장파장의 광의 초점거리를 더 길어지게 하는 색수차를 나타내는 점에서, 색수차를 증가시키는 구조가 된다. 이러한 구조도 기하수차의 발생을 최소화하며 원하는 색수차를 발생시키기 위해 필요한 경우 활용할 수 있다.Meanwhile, the meta lens of another embodiment may have a convex refractive lens surface and a meta surface having negative refractive power. This embodiment has a structure that increases chromatic aberration in that both the refractive lens surface and the meta surface exhibit chromatic aberration that makes the focal length of light of a long wavelength longer than that of light of a short wavelength. This structure also minimizes the occurrence of geometric aberration and can be utilized if necessary to generate desired chromatic aberration.

도 12는 실시예에 따른 촬상 장치의 구성과 광학적 배치를 개략적으로 보인다.12 schematically shows the configuration and optical arrangement of an imaging device according to an embodiment.

촬상 장치(1000)는 촬상 렌즈(1200), 촬상 렌즈(1200)가 형성한 피사체(OBJ)의 광학 상(optical image)을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서(1700)를 포함한다. 촬상 렌즈(1200)와 이미지 센서(1700) 사이에는 적외선 차단 필터(1600)가 구비될 수 있다. The imaging device 1000 includes an imaging lens 1200 and an image sensor 1700 that converts an optical image of an object OBJ formed by the imaging lens 1200 into an electrical signal. An infrared cut filter 1600 may be provided between the imaging lens 1200 and the image sensor 1700.

촬상 렌즈(1200)는 전술한 어느 하나의 메타 렌즈(ML)(100)(101)(102)(103)와 하나 이상의 굴절 렌즈를 포함할 수 있다.The imaging lens 1200 may include any one of the aforementioned meta lenses (ML) 100, 101, 102, 103 and one or more refractive lenses.

이미지 센서(1700)는 촬상 렌즈(1200)에 의해 피사체(OBJ)의 광학 상(optical image)이 형성되는 상면(image plane) 위치에 배치된다. 이미지 센서(1700)는 광을 센싱하여 전기 신호를 발생시키는 CCD, CMOS, 포토다이오드(photodiode) 등의 어레이를 포함할 수 있다.The image sensor 1700 is disposed at a position of an image plane on which an optical image of the object OBJ is formed by the imaging lens 1200. The image sensor 1700 may include an array such as a CCD, CMOS, or photodiode that senses light to generate an electric signal.

촬상 렌즈(1200)에 구비되는 메타 렌즈는 촬상 렌즈(1200) 전체적인 색수차, 기하 수차를 조절하는데 활용될 수 있다. 예를 들어, 촬상 렌즈(1200)에 구비되는 메타 렌즈는 나머지 굴절 렌즈들에 의해 발생한 색수차를 보정할 수 있고, 이 때 추가적인 기하 수차의 발생은 최소화할 수 있다. 이에 따라 촬상 장치(1000)는 피사체(OBJ)에 대한 양질의 영상을 획득할 수 있다. The meta lens provided in the imaging lens 1200 may be used to adjust the overall chromatic aberration and geometric aberration of the imaging lens 1200. For example, the meta lens provided in the imaging lens 1200 may correct chromatic aberration caused by the remaining refractive lenses, and in this case, the occurrence of additional geometric aberration may be minimized. Accordingly, the imaging apparatus 1000 may acquire a high-quality image of the subject OBJ.

도 13은 다른 실시예에 따른 촬상 렌즈 및 이를 구비하는 촬상 장치의 구성과 광학적 배치를 개략적으로 보인다. 13 schematically shows a configuration and optical arrangement of an imaging lens and an imaging device including the same according to another embodiment.

촬상 장치(2000)는 촬상 렌즈(2200), 촬상 렌즈(2200)가 형성한 피사체(OBJ)의 광학 상(optical image)을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서(2700)를 포함한다. 촬상 렌즈(2200)와 이미지 센서(2700) 사이에는 적외선 차단 필터(2600)가 구비될 수 있다. The imaging device 2000 includes an imaging lens 2200 and an image sensor 2700 that converts an optical image of an object OBJ formed by the imaging lens 2200 into an electrical signal. An infrared cut filter 2600 may be provided between the imaging lens 2200 and the image sensor 2700.

촬상 렌즈(2200)는 피사체(OBJ) 측에서 이미지 센서(2700) 쪽을 향하는 방향으로 광축(OP)을 따라 순서대로 배치된, 제1 렌즈요소(P1), 제2 렌즈요소(P2), 제3 렌즈요소(P3), 제4 렌즈요소(P4), 제5 렌즈요소(P5) 및 제6 렌즈요소(P6)를 포함한다. The imaging lens 2200 includes a first lens element P1, a second lens element P2, and a second lens element P1, a second lens element P2, which are sequentially arranged along the optical axis OP in a direction from the object OBJ side toward the image sensor 2700. And a third lens element P3, a fourth lens element P4, a fifth lens element P5, and a sixth lens element P6.

제1 렌즈요소(P1), 제2 렌즈요소(P2), 제4 렌즈요소(P4) 및 제6 렌즈요소(P6)는 굴절형 렌즈이고, 제3 렌즈요소(P3)와 제5 렌즈요소(P5)는 메타 렌즈이다. The first lens element P1, the second lens element P2, the fourth lens element P4, and the sixth lens element P6 are refractive lenses, and the third lens element P3 and the fifth lens element ( P5) is a meta lens.

제3 렌즈요소(P3)는 제1 메타표면(155)을 포함하고, 제5 렌즈요소(P5)는 제2 메타표면(156)과 제3 메타표면(157)을 포함한다.The third lens element P3 includes a first meta surface 155, and the fifth lens element P5 includes a second meta surface 156 and a third meta surface 157.

제3 렌즈요소(P3)는 촬상 렌즈(2200)에 구비된 복수의 렌즈 요소 배열 순서에서 광 경로를 따라 중간 이전의 위치에 배치되며, 촬상 렌즈(2200)의 색 수차를 보정하도록 형상과 배열이 정해진 복수의 나노구조물(미도시)을 포함하는 제1 메타표면(155)을 구비한다. 제1 메타표면(155)에 구비되는 나노구조물로 도 2a 내지 도 4c에서 설명한 구조가 채용될 수 있다. 제3 렌즈요소(P3)는 주로 종색수차를 보정할 수 있다.The third lens element P3 is disposed at a position before the middle along the optical path in the order of arranging a plurality of lens elements provided in the imaging lens 2200, and has a shape and arrangement to correct chromatic aberration of the imaging lens 2200. It includes a first meta-surface 155 including a predetermined plurality of nanostructures (not shown). As the nanostructures provided on the first meta-surface 155, the structures described in FIGS. 2A to 4C may be employed. The third lens element P3 may mainly correct vertical chromatic aberration.

제5 렌즈요소(P5)는 촬상 렌즈(2200)에 구비된 복수의 렌즈 요소 배열 순서에서 광 경로를 따라 중간 이후의 위치에 배치되며, 촬상 렌즈(2200)의 횡색 수차를 보정할 수 있다. 제5 렌즈요소(P5)로는 도 1 내지 도 10에서 예시한 메타 렌즈(ML)(100)(101)(102)(103) 중 어느 하나, 이들이 변형, 조합된 구조가 사용될 수 있다. 이하에서, 제5 렌즈요소(P5)는 도 8 또는 도 9에서 예시한 바와 같이 2개의 메타 표면을 구비하는 것으로 예시하여 설명할 것이다.The fifth lens element P5 is disposed at a position after the middle along the optical path in the order of arranging a plurality of lens elements provided in the imaging lens 2200, and may correct lateral chromatic aberration of the imaging lens 2200. As the fifth lens element P5, any one of the meta lenses (ML) 100, 101, 102, 103 illustrated in FIGS. 1 to 10, and a structure in which these are modified and combined may be used. Hereinafter, the fifth lens element P5 will be described as having two meta surfaces as illustrated in FIG. 8 or 9.

제5 렌즈요소(P5)는 촬상 렌즈(2200)의 색수차를 보정하되 기하 수차의 발생은 최소화하도록 형상과 배열이 정해진 복수의 나노구조물(미도시)을 포함하는 제2 메타 표면(156)과 제3 메타표면(157)을 구비한다. 제5 렌즈요소(P5)는 주로 촬상 렌즈(2200)의 횡색 수차를 보정할 수 있다.The fifth lens element P5 corrects the chromatic aberration of the imaging lens 2200 but minimizes the occurrence of geometric aberration. It has 3 meta-surfaces 157. The fifth lens element P5 may mainly correct lateral chromatic aberration of the imaging lens 2200.

종색 수차(longitudinal chromatic aberration)는 광축에 나란하게 입사하는 서로 다른 파장의 광이 종방향, 즉, 광축 방향을 따라 다른 위치에 포커스 되는 수차를 의미하며, 주로 근축 영역으로 광축과 나란하게 입사하는 광에서 나타나는 수차이다. 이러한 입사광은 촬상 렌즈(2200)의 전반부에서 주로 나타난다. Longitudinal chromatic aberration refers to aberration in which light of different wavelengths incident parallel to the optical axis is focused at different positions along the longitudinal direction, that is, the optical axis direction. It is the aberration that appears in Such incident light mainly appears in the first half of the imaging lens 2200.

횡색 수차(lateral chromatic aberration)는 광축에 비스듬하게 입사하는 서로 다른 파장의 광이 횡방향, 즉, 광축과 수직인 방향을 따라 다른 위치에 포커스되는 수차를 의미한다. 이러한 수차는 촬상 렌즈(2200)의 후반부에서 다양한, 그리고 전반부에 비해 상대적으로 큰 입사각으로 입사하는 광에서 나타나는 수차이다. Lateral chromatic aberration refers to aberrations in which light of different wavelengths incident obliquely to the optical axis is focused at different positions along the transverse direction, that is, a direction perpendicular to the optical axis. These aberrations are aberrations that appear in light incident at various incidence angles in the second half of the imaging lens 2200 and relatively larger than the first half.

도 13은 도 12의 촬상 렌즈(2200)의 제3 렌즈요소(P3)에 구비되는 제1 메타표면(155)의 편향각 분포를 보이는 그래프이다. FIG. 13 is a graph showing a distribution of deflection angles of the first meta-surface 155 provided in the third lens element P3 of the imaging lens 2200 of FIG. 12.

그래프는 광축(OP) 보다 위에 있는 제1 메타표면(155)에 대한 것으로 중심에서 유효 반경까지의 범위를 도시하고 있다. 그래프를 참조하면, 중심에서 소정 거리에 이르는 범위에서는 음의 회절 각도를 나타내고 있으며, 이는 도 7에서 설명한 바와 같이, 광축(OP)을 향하는 방향인다. 각도 크기는 광축에서 멀어질수록 대체로 증가하는 추세이며, 적어도 일부 영역까지는 단조 증가하고 있으며, 예를 들어, 제1 메타표면(155)의 유효 반경(effective radius)의 반에 이르는 영역까지는 단조로운 증가 추세이다. 도 13의 그래프는 변곡점을 가지는 것으로 도시되어 있으나 이는 예시적이며 이에 한정되는 것은 아니다. The graph is for the first meta-surface 155 above the optical axis OP and shows the range from the center to the effective radius. Referring to the graph, a negative diffraction angle is indicated in a range ranging from the center to a predetermined distance, which is a direction toward the optical axis OP, as described in FIG. 7. The angular size generally increases as the distance from the optical axis increases, and increases monotonically to at least some areas, for example, a monotonic increase trend to an area reaching half the effective radius of the first metasurface 155. to be. The graph of FIG. 13 is shown to have an inflection point, but this is exemplary and is not limited thereto.

도 13의 그래프에 나타나는 것처럼, 제1 메타표면(155)은 양의 굴절력을 가진다. 양의 굴절력을 가지는 메타 표면은 단파장의 광에 비해 장파장의 광의 초점거리를 짧게 만드는 수차를 나타내며, 이러한 경향은 일반적인 굴절렌즈와는 반대이다. 따라서, 제1 메타표면(155)은 다른 굴절렌즈, 예를 들어, 제1 렌즈요소(P1), 제2 렌즈요소(P2)를 지나며 발생한 색수차를 보정할 수 있다. As shown in the graph of FIG. 13, the first metasurface 155 has a positive refractive power. Meta-surfaces with positive refractive power exhibit aberrations that shorten the focal length of long wavelength light compared to short wavelength light, and this tendency is opposite to that of general refractive lenses. Accordingly, the first meta-surface 155 may correct chromatic aberration generated while passing through other refractive lenses, for example, the first lens element P1 and the second lens element P2.

제1 메타표면(155)의 위치에서, 즉, 촬상 렌즈(2200)의 전체 구성 요소 배열 상 전반부의 위치에서, 입사광은 대체로 광축(OP)과 나란하거나 광축(OP)과 이루는 각이 작다. 따라서, 제1 메타표면(155)은 주로 종색수차를 보정하게 된다. At the position of the first meta-surface 155, that is, at the position of the first half of the array of elements of the imaging lens 2200, the incident light is generally parallel to the optical axis OP or has a small angle with the optical axis OP. Accordingly, the first meta surface 155 mainly corrects vertical color aberration.

한편, 제1 메타표면(155)이 나타내는 색수차 경향은 회절 각도에 매우 예민하므로, 회절 각도 변화 범위는 수 도(°) 이내로 작게 설정될 수 있다. 예를 들어, 유효 반경 내에서 회절 각도 변화 범위는 약 -5°~+5°의 범위일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 메타 표면(155)은 매우 약한, 양의 굴절력을 나타낼 수 있다.On the other hand, since the chromatic aberration tendency exhibited by the first meta surface 155 is very sensitive to the diffraction angle, the diffraction angle change range may be set small within several degrees (°). For example, the diffraction angle variation range within the effective radius may be in the range of about -5° to +5°. However, it is not limited thereto. The first meta surface 155 may exhibit very weak and positive refractive power.

도 14 및 도 15는 도 12의 촬상 렌즈의 제5 렌즈요소(P5)에 구비되는 제2 메타 표면(156) 및 제3 메타표면(157) 각각의 편향각 분포를 보이는 그래프이다. 14 and 15 are graphs showing deflection angle distributions of each of the second meta-surface 156 and the third meta-surface 157 provided in the fifth lens element P5 of the imaging lens of FIG. 12.

도 14의 그래프는 광축(OP) 보다 위에 있는 제2 메타표면(156)에 대한 것으로 중심에서 유효 반경까지의 범위를 도시하고 있다. 그래프를 참조하면, 중심에서 소정 거리에 이르는 범위에서는 양의 회절 각도를 나타내고 있으며, 이는 도 7에서 설명한 바와 같이, 광축(OP)에서 멀어지는 방향이다. 각도 크기는 광축에서 멀어질수록 소정 범위까지는 증가하는 추세이다. 상기 소정 범위는 대략 제2 메타표면(156)의 유효 반경의 반을 포함하는 범위일 수 있다. 이 영역에서 제2 메타 표면(156)은 음의 굴절력을 가지게 된다. 도 14의 그래프는 반경 방향으로 멀어짐에 따라 회절 각도의 부호가 변하여 주변부에서는 양의 굴절력을 가지는 것으로 도시되고 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 메타 표면(156)은 전체적으로는 음의 굴절력을 가질 수 있다. The graph of FIG. 14 is for the second meta-surface 156 above the optical axis OP and shows the range from the center to the effective radius. Referring to the graph, a positive diffraction angle is indicated in a range ranging from the center to a predetermined distance, which is a direction away from the optical axis OP, as described in FIG. 7. The angular magnitude tends to increase to a predetermined range as the distance from the optical axis increases. The predetermined range may be a range including approximately half of the effective radius of the second meta surface 156. In this area, the second meta surface 156 has negative refractive power. The graph of FIG. 14 shows that the sign of the diffraction angle changes as the distance increases in the radial direction, so that the periphery has a positive refractive power. However, this is exemplary and is not limited thereto. The second meta surface 156 may have negative refractive power as a whole.

도 15의 그래프는 광축(OP) 보다 위에 있는 제3 메타표면(157)에 대한 것으로 중심에서 유효 반경까지의 범위를 도시하고 있다. 그래프를 참조하면, 중심에서 소정 거리에 이르는 범위에서는 음의 회절 각도를 나타내고 있으며, 이는 도 7에서 설명한 바와 같이, 광축(OP)을 향하는 방향이다. 각도 크기는 광축(OP)에서 멀어질수록 소정 범위까지는 증가하는 추세이다. 상기 소정 범위는 대략 제3 메타표면(157)의 유효 반경의 반을 포함하는 범위일 수 있다. 이 영역에서 제3 메타표면(157)은 양의 굴절력을 가지게 된다. 도 15의 그래프는 반경 방향으로 멀어짐에 따라 회절 각도의 부호가 변하여 주변부에서는 음의 굴절력을 가지는 형태로 도시되고 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며 이에 한정되는 것은 아니다. 제3 메타표면(157)은 전체적으로는 양의 굴절력을 가질 수 있다. The graph of FIG. 15 is for the third meta-surface 157 above the optical axis OP and shows the range from the center to the effective radius. Referring to the graph, a negative diffraction angle is indicated in a range ranging from the center to a predetermined distance, which is a direction toward the optical axis OP, as described in FIG. 7. The angular size tends to increase to a predetermined range as the distance from the optical axis OP increases. The predetermined range may be a range including approximately half of the effective radius of the third meta surface 157. In this area, the third meta-surface 157 has a positive refractive power. In the graph of FIG. 15, the sign of the diffraction angle changes as the distance increases in the radial direction, and thus the graph of FIG. 15 has negative refractive power at the periphery. However, this is exemplary and is not limited thereto. The third meta-surface 157 may have positive refractive power as a whole.

제5 렌즈요소(P5)에 구비된 제2 메타표면(156)과 제3 메타표면(157)은 회절 각도 분포 경향이 서로 반대이며, 따라서 제5 렌즈요소(P5)가 색수차를 보정함에 있어 광선 경로에 별반 영향을 주지 않으므로 제5 렌즈요소(P5)에 의한 기하수차는 거의 발생하지 않는다. The second meta-surface 156 and the third meta-surface 157 provided in the fifth lens element P5 have opposite diffraction angle distribution trends, and thus the fifth lens element P5 corrects the chromatic aberration. Since it does not significantly affect the path, geometric aberration due to the fifth lens element P5 hardly occurs.

한편, 제2 메타표면(156), 제3 메타표면(157)의 위치에서, 즉, 촬상 렌즈(2200)의 전체 구성 요소 배열 상 후반부의 위치에서, 입사광은 전반부에 비해 큰 입사각을 갖게 된다. 따라서, 제2 메타표면(156), 제3 메타표면(157)을 구비하는 제5 렌즈요소(P5)는 주로 횡색 수차를 보정하게 된다.On the other hand, at the positions of the second meta-surface 156 and the third meta-surface 157, that is, at the position of the second half of the arrangement of the entire components of the imaging lens 2200, the incident light has a larger incident angle than the first half. Accordingly, the fifth lens element P5 including the second meta-surface 156 and the third meta-surface 157 mainly corrects lateral chromatic aberration.

촬상 렌즈(2200)는 전반부, 후반부에 각각 배치된 두 메타 렌즈, 즉, 제3 렌즈요소(P3)와 제5 렌즈요소(P5)가 서로 다른 수차를 보정할 수 있고, 이 과정에서 추가적인 수차의 발생도 거의 없다. 또한, 이러한 메타 렌즈는 일반적인 굴절렌즈에 비해 두께가 매우 얇으므로, 광학 전장(TTL)을 줄이는데 기여할 수 있다. The imaging lens 2200 is capable of correcting different aberrations in the two meta lenses, that is, the third lens element P3 and the fifth lens element P5 respectively disposed in the first half and the second half. Almost no occurrence. In addition, since the meta lens has a very thin thickness compared to a general refractive lens, it may contribute to reducing the optical electric field (TTL).

도 16은 도 13의 촬상 장치에 대한 수차도를 보인다. 16 shows an aberration diagram of the imaging device of FIG. 13.

도시된 수차도는 적색광, 녹생광, 청색광에 대한 레이 팬(ray fan)으로 이미지 센서 상의 세가지 상고(image height) 위치(0mm, 1.5mm, 3.0mm)에서 x 방향(P_x), y 방향(P_y)을 따라 각 방향의 수차(ex)(ey)가 도시되고 있다. 수차도를 통해, 실시예의 촬상 장치의 수차는 매우 양호함을 알 수 있다. The illustrated aberration diagram is a ray fan for red light, green light, and blue light, in the x direction (P _x ) and y direction (in the three image height positions (0mm, 1.5mm, 3.0mm) on the image sensor). Aberrations ex (ey) in each direction along P _{y) are shown.} From the aberration diagram, it can be seen that the aberration of the imaging device of the embodiment is very good.

도시된 수차도의 모사에 적용된 구체적인 수치 데이터에서 촬상 장치(2200)의 전장은 3.6mm이며, 전반적인 수차가 잘 제어되는 매우 얇은 두께의 광학계가 구현됨을 알 수 있다.From the detailed numerical data applied to the simulation of the illustrated aberration diagram, the total length of the imaging device 2200 is 3.6 mm, and it can be seen that a very thin optical system in which the overall aberration is well controlled is implemented.

도 13에 예시한 촬상 렌즈(2000)는 복수의 굴절렌즈와 위치에 따라 서로 다른 수차 보정을 하는 두 개의 메타 렌즈를 구비하는 일 예이며, 도시된 배치 형태나 렌즈 요소들의 총 개수는 변경될 수 있다. 예를 들어, 전체 렌즈 요소의 배열 중 전반부에 배치된 메타 렌즈가 촬상 렌즈의 종색 수차를 보정하고, 후반부에 배치된 메타 렌즈가 횡색 수차를 보정하는 다른 배열, 구성으로 다른 실시예가 구현될 수 있다. The imaging lens 2000 illustrated in FIG. 13 is an example including a plurality of refractive lenses and two meta lenses that correct different aberrations according to positions, and the illustrated arrangement form or the total number of lens elements may be changed. have. For example, a meta lens disposed in the first half of the array of all lens elements corrects vertical chromatic aberration of the imaging lens, and a meta lens disposed in the second half corrects lateral chromatic aberration. .

전술한 촬상 장치(1000)(2000)에 도시하지는 않았으나 메모리, 프로세서, 액츄에이터, 조명부 디스플레이 등을 더 구비할 수 있다. 액츄에이터는 예를 들어, 주밍(zooming) 및/또는 오토포커스(AF)를 위해 촬상 렌즈(1200)(2200)를 구성하는 렌즈 요소들의 위치를 구동하고 렌즈 요소들간 이격 거리를 조절할 수 있다. 조명부는 피사체에 가시광 및/또는 적외선 광을 조사할 수 있다. 프로세서는 이미지 센서의 신호를 처리하며 또한 촬상 장치(1000)(2000)를 전반적으로 제어하는 것으로, 액추에이터나 조명부의 구동을 제어할 수 있다. 메모리에 프로세서의 실행에 필요한 코드나 데이터가 저장될 수 있고, 촬상 장치(1000)(2000)에서 형성한 영상이 디스플레이에 표시될 수 있다. Although not shown in the above-described imaging apparatuses 1000 and 2000, a memory, a processor, an actuator, a lighting unit display, and the like may be further provided. The actuator may drive positions of lens elements constituting the imaging lenses 1200 and 2200 for zooming and/or autofocus (AF), and may adjust a separation distance between the lens elements. The illumination unit may irradiate visible light and/or infrared light to the subject. The processor processes a signal from the image sensor and controls the imaging apparatuses 1000 and 2000 as a whole, and may control driving of an actuator or a lighting unit. Code or data necessary for execution of the processor may be stored in the memory, and images formed by the imaging apparatuses 1000 and 2000 may be displayed on the display.

상술한 촬상 장치(1000)(2000)는 다양한 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다. The above-described imaging apparatuses 1000 and 2000 may be mounted on various electronic devices. For example, smartphones, wearable devices, Internet of Things (IoT) devices, home appliances, tablet PCs (Personal Computers), PDAs (Personal Digital Assistants), PMPs (portable multimedia players), navigation , Drones, and advanced driver assistance systems (ADAS).

상술한 메타 렌즈 및 이를 포함하는 전자 장치는 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-described meta lens and the electronic device including the same have been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but this is only exemplary, and various modifications and other equivalent embodiments are possible from those of ordinary skill in the art. You will understand that it does. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present specification is shown in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto are to be interpreted as being included.

ML, 100, 101, 102, 103: 메타 렌즈
SU, 110, 111, 112, 113: 기판
121, 122, 123, 124: 보호층
140, 141: 오목 렌즈
MS, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157: 메타 표면
1000, 2000: 촬상 장치
1200, 2200: 촬상 렌즈
1600, 2600: 적외선 차단 필터
1700, 2700: 이미지 센서
LS1, LS2: 렌즈면
NS, NS1, NS2, NS3, NS4: 나노구조물
MS, MS1, MS2: 메타 표면ML, 100, 101, 102, 103: meta lens
SU, 110, 111, 112, 113: substrate
121, 122, 123, 124: protective layer
140, 141: concave lens
MS, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157: meta surface
1000, 2000: imaging device
1200, 2200: imaging lens
1600, 2600: infrared cut filter
1700, 2700: image sensor
LS1, LS2: lens surface
NS, NS1, NS2, NS3, NS4: nanostructures
MS, MS1, MS2: meta surface

Claims

A first lens surface;
Includes; a second lens surface facing the first lens surface,
At least one of the first lens surface and the second lens surface is a meta surface including a plurality of nanostructures of sub-wavelength,
The meta lens, wherein the tendency of deflecting incident light according to a position in at least a portion of the first lens surface and the second lens surface is opposite to each other.

The method of claim 1,
The partial area comprises an area ranging from the center of each of the first and second lens surfaces to half of each effective diameter.

The method of claim 1,
The first lens surface is a direction in which the incident light is deflected toward the optical axis, and the deflection angle gradually increases from the center toward the radial direction,
The second lens surface is a direction in which incident light is deflected away from an optical axis, and a deflection angle gradually increases from a center to a radial direction.

The method of claim 1,
At two positions of the first lens surface and the second lens surface facing each other, directions for deflecting incident light are opposite to each other with respect to an optical axis direction.

The method of claim 1,
A meta lens, wherein an angle difference for deflecting incident light at two positions facing each other between the first lens surface and the second lens surface is in the range of -30° to 30°.

The method of claim 1,
The meta lens is
It does not show substantial refractive power for light in the green wavelength band,
For light in the red wavelength band, it shows positive refractive power,
For light in the blue wavelength band, to show negative refractive power,
The first lens surface and the second lens surface is set, the meta lens.

The method of claim 1,
A distance between the first lens surface and the second lens surface is greater than 100λ _{0 and} less _{than 1000λ 0} with respect to the center wavelength of the operating wavelength band of the meta lens, λ _0.

The method according to any one of claims 1 to 7,
The first lens surface is a first meta surface including a plurality of first nanostructures arranged in a first shape distribution,
The second lens surface is a second meta-surface including a plurality of second nanostructures arranged in a second shape distribution different from the first shape distribution.

The method of claim 8,
The first meta-surface represents positive refractive power, and the second meta-surface represents negative refractive power.

The method of claim 8,
The meta lens has an integrated structure based on one substrate, the meta lens.

The method according to any one of claims 1 to 7,
The first lens surface is the meta surface including the plurality of nanostructures,
The second lens surface is a refractive lens surface of a refractive lens having a curved surface, the meta lens.

The method of claim 11,
The refractive lens surface has a concave shape,
The meta-lens, wherein the shape distribution of the plurality of nanostructures is set so that the meta-surface has positive refractive power.

The method of claim 11,
The meta lens, wherein the plurality of nanostructures are disposed on the other surface of the refractive lens.

The method according to any one of claims 1 to 7,
The plurality of nanostructures are
It is a columnar structure made of a material having a refractive index different from that of the surrounding material, or
A meta lens having a hole structure in which the inside of the medium layer having a predetermined refractive index is penetrated in a column shape.

The method according to any one of claims 1 to 7,
The plurality of nanostructures are arranged in two layers,
The nanostructures disposed on different layers are made of materials having different refractive indices.

The method according to any one of claims 1 to 7,
With respect to the center wavelength, λ ₀ of the operating wavelength band of the meta-lens height of the plurality of nanostructures, large and small, and meta lens than 10λ than ₀ λ _0.

One or more refractive lenses; And
An imaging lens comprising; the meta lens of claim 1.

The imaging lens of claim 17;
Containing, an image sensor that converts an optical image or an electrical signal formed by the imaging lens.

In the imaging lens having a plurality of lens elements,
A plurality of refractive lenses;
A first meta lens disposed at a position before the middle along the optical path in the order of arranging the plurality of lens elements and including a first meta surface made of a plurality of nanostructures;
Including, a second meta lens, the meta lens of claim 1 disposed at a position after the middle along the optical path in the order of arranging the plurality of lens elements.

The method of claim 19,
The first meta lens corrects vertical color aberration of the imaging lens,
The second meta lens is an imaging lens for correcting lateral chromatic aberration of the imaging lens.

The method of claim 19,
The first meta lens has a shape distribution of the nanostructures on the first meta surface is determined so as to operate like a convex lens in a range ranging from a center to a half of an effective mirror.

The method of claim 19,
An angle range in which the first meta lens deflects incident light at each position is in the range of -5° to +5°.

The method of claim 19,
The second meta lens has an integrated structure based on a single substrate having two faces facing each other.

The method of claim 23,
The second meta lens
A second meta-surface including a plurality of nanostructures arranged in a second shape distribution on one of the two surfaces,
An imaging lens comprising a third meta-surface including a plurality of nanostructures arranged in a third shape distribution different from the second shape distribution on the other of the two surfaces.

The method of claim 24,
The distance between the second meta-surface and the third meta-surface is greater than 100λ _{0 and} less _{than 1000λ 0} with respect to the center wavelength of the operating wavelength band of the second meta lens, λ _0.

The method of claim 24,
The partial area of the second meta lens includes an area ranging from a center of each of the second meta surface and the third meta surface to half of each effective diameter.

The method of claim 24,
In the second meta-surface, the direction in which the incident light is deflected is toward the optical axis, and the deflection angle gradually increases from the center toward the radial direction,
The third meta-surface is a direction in which incident light is deflected away from an optical axis, and a deflection angle gradually increases from a center to a radial direction.

The method of claim 24,
At two positions of the second meta-surface and the second meta-surface facing each other, directions for deflecting incident light are opposite to each other with respect to an optical axis direction.

The method of claim 24,
At two positions of the second meta-surface and the second meta-surface facing each other, an angle difference for deflecting incident light is in the range of -30° to 30°.

The method of claim 24,
The second meta lens
It does not show substantial refractive power for light in the green wavelength band,
For light in the red wavelength band, it shows positive refractive power,
For light in the blue wavelength band, to show negative refractive power,
An imaging lens in which the second meta-surface and the third meta-surface are set.

The imaging lens of any one of claims 19 to 30; And
And an image sensor that converts an optical image formed by the imaging lens into an electrical signal.