광학 기술의 최첨단 혁신인 메타렌즈는 일반적인 곡면 렌즈가 아닙니다. 메타렌즈는 메타표면을 사용하여 빛의 초점을 맞추는 평면 렌즈입니다.
메타렌즈는 형상과 면이 기존의 곡면 렌즈와는 다릅니다. 기본적으로 카메라에서 볼 수 있는 곡면 렌즈의 조합은 빛을 제어하여 센서나 눈과 같은 리시버에 도달하도록 하는 데에 사용됩니다. 다양한 이미지 수차를 보정하기 위해서는 일반적으로 여러개의 렌즈가 필요합니다. 그러나 부피가 큰 렌즈를 쌓으면 많은 공간을 차지하므로 휴대폰 카메라나 AR/VR 시스템과 같은 소형 시스템에서는 이 사실을 고려해야 합니다.
a) 기존 곡면렌즈 광 추적
b) 메타렌즈 광 추적
메타렌즈는 어떻게 쓰이고 어떤 문제를 해결하나요?
메타렌즈는 일반적으로 meta-atom이라고 하는 수백만개의 서브파장 단위 셀로 구성되며, meta-atom은 전체 메타표면에 걸쳐 국부적으로 일관되게 빛을 변조합니다. 각 meta-atom의 모양 및 크기는 메타렌즈의 전반적인 성능에 따라 국부적으로 로컬에서 결정됩니다.
서브파장 나노 원자는 빛의 위상을 지연시킬 수 있으며, 표면에 적절히 배열하면 메타렌즈는 기존의 곡면렌즈와 동일한 위상 프로파일을 생성할 수 있습니다. 또한 발전한 리소그래피 기술로 패턴화된 레이아웃을 대량 생산할 수 있습니다.
메타렌즈는 차세대 소형 렌즈, 센서 및 디스플레이 애플리케이션을 위한 핵심 기술입니다. 메타렌즈는 단일 광학 시스템에서 매우 복잡한 파면 엔지니어링을 수행할 수 있다는 추가적인 이점이 있어 다양한 애플레케이션에 활용하기에 매우 매력적입니다.
얇고 평평하고 가벼운 메타렌즈의 물리적 특성은 특히 공간과 무게가 중요한 경우에 매우 유리합니다. 부피가 큰 곡면렌즈를 얇고 평평한 면으로 대체하고 기존 렌즈보다 광학적 안정성과 초점 품질을 개선함으로써 광학 시스템의 부피를 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 제조가 쉽고 가성비가 뛰어나며 다른 기술과의 통합도 용이합니다. 또한 편광과 같은 뛰어난 빛 제어 능력으로 인해 메타렌즈는 이미지를 향상시켜 광학 설계에 새로운 가능성을 열어줍니다.
메타렌즈는 어떤 산업과 분야에서 사용하면 좋은가요?
메타표면의 개발은 바이오 센서부터 렌즈, 스마트폰, AR/VR 디바이스와 같은 가전 제품에 이르기까지 새롭고 흥미로운 애플리케이션을 갖춘 새로운 유형의 광학 부품을 만들 수 있는 기회를 열었습니다. 광학 설계 엔지니어, R&D 엔지니어, 과학자, 반도체 파운드리, 연구기관 및 유사 조직에서는 혁신적이고 컴팩트한 디자인을 위해 메타렌즈를 사용할 수 있습니다.
메타렌즈는 어떻게 설계하나요?
수백만 개의 변수가 있는 메타렌즈를 설계하는 것은 매우 까다로운 작업입니다. 몇가지 요소로 무채색, 넓은 시야각, 편광 동작 등 다양한 사양을 충족해야 합니다. Federico Capasso 교수 연구팀의 연구에서 설명한 것처럼 메타렌즈 설계는 예전부터 수작업으로 이루어졌으며 광범위한 설계 경험과 기초 물리학에 대한 깊은 이해가 필요합니다.
메타렌즈를 설계하려면 사용자는 광학 시스템에서 렌즈 세트와 해당 파라미터, 원하는 타겟 패턴과 초점 길이를 지정해야 합니다.
기존의 수동적인 보편적 렌즈 설계 방식에는 물리학에 대한 깊은 이해와 상당한 설계 경험이 필요합니다.
반자동 멀티 도메인 접근 방식의 경우 메타렌즈를 배치하는 데 여전히 엄청난 수작업이 필요합니다.
현재는 Synopsys에서 역설계 기능을 갖춘 완전 자동화 된 툴이 개발되어 다양한 수준의 전문성을 갖춘 설계자가 새로운 메타렌즈 설계를 보다 빠르고 쉽게 만들 수 있게 되었습니다. MetaOptic Designer의 주요 설계 지원 기능에는 여러 메타표면과 기존 렌즈로 구성된 혼합 광학 시스템의 맥락에서 다양한 Launch/Target 필드와 성능 지표를 통합한 여러 설계 목표를 동시에 고려할 수 있는 기능이 포함됩니다. 효율적인 최적화 및 시뮬레이션 알고리즘은 철저한 유한 차분 시간 영역 (FDTD) 방법으로 검증된 정확도 높은 결과를 생성하며, 강력하고 사용자 친화적인 기능으로 설계부터 검증까지의 주기를 크게 단축합니다.
Wide angle metalens:
메타렌즈 설계를 위해 Synopsys가 제공하는 솔루션은 무엇인가요?
소프트웨어, IP 및 서비스 분야의 선도적인 공급 기업 Synopsys는 다양한 설계 도구로 광학 기술 혁신의 물결을 일으키고 있습니다.
MetaOptic Designer는 사용자가 지정한 기준에 따라 최적의 설계 성능을 위한 메타렌즈/메타표면을 생성하는 전례없는 역설계 도구입니다. MetaOptic Designer에는 효율적인 최적화 및 시뮬레이션 알고리즘이 포함되어 있어 신속한 메타렌즈 설계를 할 수 있습니다. 결과는 정확성을 보장하기 위해 유한 차분 시간 영역 (FDTD) 방법으로 검증됩니다. 또한 MetaOptic Designer의 파워풀하고 사용자 친화적인 인터페이스는 설계부터 검증까지의 주기를 크게 단축합니다. MetaOptic Designer의 특징인 AI는 설계 시작부터 제작까지의 프로세스를 빠르게 진행하여 최고 수준의 설계를 제공하고 실제 애플리케이션에서 그 중요성을 시뮬레이션합니다.
CODE V MetaOptic Module 은 광학 설계 엔지니어에게 익숙한 워크 플로우를 제공합니다. CODE V 설계 프로세스는 회절 광학 요소의 프로세스와 유사합니다. 설계에 메타렌즈를 사용하고자 하는 광학 설계 엔지니어에게 큰 이점을 제공합니다.
시놉시스는 사용자가 지정한 기준을 바탕으로 최적의 설계 성능을 위해 메탈렌즈/메타서페이스를 생성하는 전례 없는 역설계 툴인 메타옵틱 디자이너를 통해 이러한 새로운 혁신을 지원하고 있습니다.
참고문헌
1 Electro-Optics article: https://www.electrooptics.com/viewpoint/automation-new-approach-metalens-design
2 "Automation: A new approach to metalens design" - https://www.electrooptics.com/viewpoint/automation-new-approach-metalens-design
