나노구조로 제작된 평면 렌즈는 작은 카메라와 프로젝터를 변화시킵니다.

메탈렌즈가 드디어 소비자의 손에 들어왔습니다.

주사전자현미경으로 촬영한 이 금속렌즈 이미지는 빛을 조작하는 데 사용되는 나노기둥의 크기와 레이아웃의 변화를 보여줍니다.

오늘날의 컴퓨터, 휴대폰 및 기타 모바일 장치 내부에는 점점 더 많은 센서, 프로세서 및 기타 전자 장치가 공간을 두고 싸우고 있습니다. 이 귀중한 공간의 큰 부분을 차지하는 것은 카메라입니다. 거의 모든 장치에는 카메라가 두 개, 세 개 또는 그 이상이 필요합니다. 그리고 카메라에서 가장 공간을 많이 차지하는 부분이 바로 렌즈입니다.

모바일 장치의 렌즈는 일반적으로 광선을 구부리기 위해 투명 소재(일반적으로 플라스틱)의 곡선을 사용하여 굴절을 통해 들어오는 빛을 수집하고 방향을 지정합니다. 따라서 이러한 렌즈는 기존보다 훨씬 더 줄어들 수 없습니다. 카메라를 작게 만들려면 렌즈의 초점 거리가 짧아야 합니다. 그러나 초점 거리가 짧을수록 곡률이 커지고 중심의 두께도 커집니다. 이러한 굴곡이 심한 렌즈는 모든 종류의 수차로 인해 어려움을 겪기 때문에 카메라 모듈 제조업체는 이를 보정하기 위해 여러 렌즈를 사용하여 카메라의 부피를 늘립니다.

오늘날의 렌즈에서는 카메라의 크기와 이미지 품질이 서로 다른 방향으로 가고 있습니다. 렌즈를 더 작고 더 좋게 만드는 유일한 방법은 굴절 렌즈를 다른 기술로 교체하는 것입니다.

그 기술이 존재합니다. 하버드에서 개발하고 제가 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있는 Metalenz에서 상용화한 장치인 metalens입니다. 우리는 평평한 표면에 나노 구조를 구축하기 위해 전통적인 반도체 처리 기술을 사용하여 이러한 장치를 만듭니다. 이러한 나노구조는 메타표면 광학(metasurface optics)이라는 현상을 사용하여 빛의 방향을 지정하고 초점을 맞춥니다. 이 렌즈는 매우 얇습니다. 두께는 수백 마이크로미터로 사람 머리카락 두께의 약 두 배입니다. 그리고 여러 곡면 렌즈의 기능을 장치 중 하나에 결합하여 공간 부족 문제를 더욱 해결하고 모바일 장치에서 카메라의 새로운 용도 가능성을 열어줄 수 있습니다.

메탈렌즈가 어떻게 진화했고 어떻게 작동하는지 설명하기 전에 기존의 곡면 렌즈를 대체하려는 몇 가지 이전 노력을 고려해 보세요.

개념적으로 빛을 조작하는 모든 장치는 위상, 편광, 강도라는 세 가지 기본 속성을 변경하여 빛을 조작합니다. 모든 파동장이나 파동장이 이러한 특성으로 분해될 수 있다는 아이디어는 1678년 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens)에 의해 제안되었으며 모든 광학 분야의 기본 원리입니다.

이 단일 메탈렌(핀셋 사이)에서 기둥의 직경은 500나노미터 미만입니다. 확대 사진 왼쪽 하단의 검은색 상자는 2.5 마이크로미터를 나타냅니다. 메탈렌즈

18세기 초, 세계의 가장 강력한 경제 국가들은 해상 운송 이익을 보호하기 위해 더 크고 강력한 투사 렌즈를 갖춘 등대 건설에 큰 중요성을 두었습니다. 그러나 이러한 투사 렌즈가 커지면서 무게도 늘어났습니다. 결과적으로, 등대 꼭대기까지 올려져 구조적으로 지지될 수 있는 렌즈의 물리적 크기로 인해 등대에서 생성될 수 있는 빔의 출력이 제한되었습니다.

프랑스 물리학자 Augustin-Jean Fresnel은 렌즈를 면으로 자르면 렌즈 중앙 두께의 대부분이 제거될 수 있지만 여전히 동일한 광 출력을 유지할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 프레넬 렌즈는 광학 기술의 주요 발전을 대표하며 현재 자동차 헤드라이트 및 브레이크 라이트, 오버헤드 프로젝터, 등대 프로젝션 렌즈 등 다양한 응용 분야에 사용되고 있습니다. 그러나 프레넬 렌즈에는 한계가 있습니다. 우선, 패싯의 평평한 가장자리가 미광의 원인이 됩니다. 또, 면처리된 표면은 연속적으로 곡선을 이루는 표면보다 정밀하게 제조하고 연마하기가 더 어렵습니다. 좋은 이미지를 생성하는 데 필요한 표면 정확도 요구 사항으로 인해 카메라 렌즈에는 적합하지 않습니다.

현재 3D 감지 및 머신 비전에 널리 사용되는 또 다른 접근 방식은 현대 물리학에서 가장 유명한 실험 중 하나인 Thomas Young의 1802년 회절 시연에 뿌리를 두고 있습니다. 이 실험은 빛이 파동처럼 행동하며, 파동이 만나면 파동이 이동한 거리에 따라 서로 증폭되거나 상쇄될 수 있음을 보여주었습니다. 이 현상을 기반으로 하는 소위 회절 광학 요소(DOE)는 빛의 파동 특성을 사용하여 점 배열, 격자 또는 임의의 형태로 어두운 부분과 밝은 부분이 교대로 나타나는 간섭 패턴을 만듭니다. 모양의 수. 오늘날 많은 모바일 장치에서는 DOE를 사용하여 레이저 빔을 "구조화된 광"으로 변환합니다. 이 빛 패턴은 이미지 센서에 의해 투사되고 캡처된 다음 알고리즘에 의해 장면의 3D 지도를 만드는 데 사용됩니다. 이 작은 DOE는 작은 장치에 잘 맞지만 상세한 이미지를 만드는 데 사용할 수는 없습니다. 따라서 다시 한번 적용이 제한됩니다.