特許 7269712 メタレンズを含むプロジェクタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-26

(45)【発行日】2023-05-09

(54)【発明の名称】メタレンズを含むプロジェクタ

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20230427BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20230427BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20230427BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

G02B26/08 C

G03B21/14 D

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2018190288

(22)【出願日】2018-10-05

(65)【公開番号】P2019086765

(43)【公開日】2019-06-06

【審査請求日】2021-08-25

(31)【優先権主張番号】10-2017-0148313

(32)【優先日】2017-11-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】ＩＢＣ一番町弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】柳 長 雨

(72)【発明者】

【氏名】羅 炳 勳

(72)【発明者】

【氏名】韓 承 勳

【審査官】横川 美穂

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１０－５２７４６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３４１６１９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第９９３９１２９（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】特開２０１５－０１０８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０９３０６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－０４７０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１２１７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０７２３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０７３５７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２７６０２３４（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ２６／００－２６／１２

Ｇ０３Ｂ ２１／００－２１／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を照射する光源と、
前記光源から所定距離離隔された基板と、
前記光源と対向する、前記基板の第１面上に形成され、所定パターンを含むパターンマスクと、
前記第１面と対向する前記基板の第２面上に形成され、複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は、前記光源から照射された光の波長より短いサブ波長の形状寸法を有するメタレンズと、を含み、
前記パターンマスクは、前記レーザ光が反射または吸収される領域である第１部分と、前記レーザ光が透過する領域である第２部分と、を含み、
前記パターンは、前記第２部分によって形成されたイメージパターンであり、前記イメージパターンは、所定の構造光パターンを形成するように、規則的またはランダムに配置される、プロジェクタ。

【請求項2】

前記複数のナノ構造体は、前記構造光パターンを受け、前記メタレンズから離隔された集光面に集光することを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。

【請求項3】

前記パターンマスクは、前記基板に接触するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。

【請求項4】

前記パターンマスクは、金属、ブラックマトリックスまたはポリマーからなることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のプロジェクタ。

【請求項5】

前記光源は、前記パターンマスクに対して直接光を出射する表面発光素子であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のプロジェクタ。

【請求項6】

前記光源は、表面発光レーザダイオードであることを特徴とする請求項５に記載のプロジェクタ。

【請求項7】

前記複数のナノ構造体は、その周辺物質の屈折率より高い屈折率を有する物質からなることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のプロジェクタ。

【請求項8】

前記光源及び前記基板を固定するハウジングをさらに含み、前記プロジェクタは、一体化されたモジュールであることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のプロジェクタ。

【請求項9】

前記複数のナノ構造体の配列ピッチは、前記光源から放出された光の波長の半分以下であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。

【請求項10】

前記基板は、積層された第１基板及び第２基板を含むことを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載のプロジェクタ。

【請求項11】

前記光源は、その上面が、前記基板と平行に形成された側面発光素子であり、
前記側面発光素子から照射された光を、前記基板の第１面に反射させる経路変換部材をさらに含むことを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載のプロジェクタ。

【請求項12】

前記パターンマスク上で、前記光源と対向する面において、複数の第２ナノ構造体を含む第２メタレンズをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のプロジェクタ。

【請求項13】

前記第２メタレンズは、その周辺物質の屈折率より高い屈折率を有する物質からなることを特徴とする請求項１２に記載のプロジェクタ。

【請求項14】

前記第２メタレンズは、入射光を平行にさせることを特徴とする請求項１２に記載のプロジェクタ。

【請求項15】

前記第２ナノ構造体は、半円筒レンズを含むことを特徴とする請求項１４に記載のプロジェクタ。

【請求項16】

前記基板の前記第１面上において、前記パターンマスクを覆う保護層をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のプロジェクタ。

【請求項17】

前記保護層は、前記第２メタレンズより屈折率が低い物質からなることを特徴とする請求項１６に記載のプロジェクタ。

【請求項18】

前記基板の前記第２面上において、前記メタレンズを覆う保護層をさらに含むことを特徴とする請求項１～１７のいずれか１項に記載のプロジェクタ。

【請求項19】

被写体に構造光を照射する請求項１ないし１８のうちいずれか１項に記載のプロジェクタと、
前記被写体から反射された構造光を受光するセンサと、
前記プロジェクタから照射した構造光と、前記センサで受光した構造光とのパターン変化を比較し、被写体のデプス位置を演算する演算部と、を含むデプス認識装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メタレンズを含むプロジェクタに関する。

【背景技術】

【0002】

レーザプロジェクタは、近年、多様な電子機器と結合するために、小型化への要求が徐々に増大している。例えば、モバイル（ｍｏｂｉｌｅ）機器及びウェアラブル（ｗｅａｒｂｌｅ）機器で具現されるＡＲ（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）、ＶＲ（ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ）、ＭＲ（ｍｉｘｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）などのために、マイクロプロジェクタが使用されうる。また、人間やその他の物体などの客体認識において、精密な三次元形状認識に使用される深度センサ（デプスセンサ；ｄｅｐｔｈ ｓｅｎｓｏｒ）においても、構造光（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）を形成するために、レーザプロジェクタが使用されることがある。

【0003】

従来のレーザプロジェクタは、所望の性能を具現するために、何枚もの光学レンズで構成されたレンズモジュールを含むが、上記レンズモジュールは、レーザプロジェクタの小型化に障害になる。また、上記何枚もの光学レンズを、正確な大きさを有するように製造することは困難であり、製造された何枚もの光学レンズの組み立て及び整列は容易ではない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、ナノ構造体を有するメタレンズを利用し、超小型に光を出射するプロジェクタを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態による、メタレンズを利用したプロジェクタは、レーザ光を照射する光源と、前記光源から所定距離離隔された基板と、前記光源と対向する前記基板の第１面上に形成され、所定パターンを含むパターンマスクと、前記第１面と対向する前記基板の第２面上に形成され、複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は、前記光源から照射された光の波長より小さいサブ波長の形状寸法を有するメタレンズと、を含む。

【0006】

前記パターンマスクは、前記レーザ光が反射または吸収される領域である第１部分と、前記レーザ光が透過する領域である第２部分と、を含み、前記パターンは、前記第２部分によって形成されたイメージパターンであり、前記イメージパターンは、所定の構造光パターンを形成するように、規則的またはランダムに配置される。

【0007】

前記複数のナノ構造体は、前記構造光パターンを受け、前記メタレンズから離隔された集光面に集光することができる。

【0008】

前記パターンマスクは、前記基板に接触されるようにも配置される。

【0009】

前記パターンマスクは、金属、ブラックマトリックスまたはポリマーからもなる。
一態様によれば、前記光源は、前記パターンマスクに対して直接光を出射し、前記光源は、表面発光レーザダイオードでもある。

【0010】

前記複数のナノ構造体は、その周辺物質の屈折率より高い屈折率を有する物質からもなる。

【0011】

前記光源及び前記基板を固定するハウジングをさらに含み、前記プロジェクタは、一体化されたモジュール（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｏｄｕｌｅ）でもある。

【0012】

前記複数のナノ構造体の配列ピッチは、前記光源から放出された光の波長の半分以下でもある。

【0013】

前記基板は、積層された第１基板及び第２基板を含んでもよい。

【0014】

他の態様によれば、前記光源は、その上面が前記基板と平行に形成された側面発光素子（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）であり、前記側面発光素子から照射された光を、前記基板の第１面に反射させる経路変換部材をさらに含んでもよい。

【0015】

前記パターンマスク上で、前記光源と対向する面において、複数の第２ナノ構造体を含む第２メタレンズをさらに含んでもよい。

【0016】

前記第２メタレンズは、その周辺物質の屈折率より高い屈折率を有する物質からもなる。

【0017】

前記第２メタレンズは、入射光を平行にする。

【0018】

前記第２ナノ構造体は、半円筒レンズを含んでもよい。

【0019】

前記基板の前記第１面上において、前記パターンマスクを覆う保護層をさらに含んでもよい。

【0020】

前記保護層は、前記第２メタレンズより屈折率が低い物質からもなる。

【発明の効果】

【0021】

本実施形態によれば、従来の複数のレンズで構成されるレンズモジュールの代わりに、薄メタレンズを使用するので、プロジェクタの小型化が可能であり、上記レンズモジュールの複数のレンズを整列する工程がないので、その製造工程が容易である。

【0022】

本実施形態によるプロジェクタは、パターンマスクの像（イメージ）を集光面に投射することができ、また照明のために使用されもする。

【0023】

また、本実施形態によるプロジェクタは、構造光によってなるイメージを物体に投射し、上記物体から反射されるイメージをキャプチャするので、デプスセンサの光照射装置としても利用される。一般的な光を物体に照射するところと比較し、構造光によってなるイメージを物体に照射し、物体から反射される光をキャプチャするとき、さらに正確な深度（デプス）情報を得ることができる。

【0024】

本実施形態によるプロジェクタのレンズ構造体は、光源に係わりなくも使用される。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】一実施形態によるメタレンズを含んだプロジェクタの構造を概略的に示す側断面図である。

【図2】一実施形態によるパターンマスクの一例を示す平面図である。

【図3】一実施形態のメタレンズを概略的に示す側断面図である。

【図4】他の実施形態によるメタレンズを概略的に示す平面図である。

【図5】一実施形態によるプロジェクタのイメージ歪曲を防止する方法を概略的に説明する図面である。

【図6】一実施形態によるレンズ構造を製造する方法について説明する図面である。

【図7】他の実施形態によるメタレンズを含んだプロジェクタの構造を概略的に示す側断面図である。

【図8】さらに他の実施形態によるメタレンズを含んだプロジェクタの構造を概略的に示す側断面図である。

【図9】図８のレンズ構造体の構成を拡大した側断面図である。

【図10】一実施形態によるプロジェクタの第２メタレンズの一例を示す図面である。

【図11】一実施形態によるデプス認識装置の概略的な構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明する。この過程において、図面に示された層や、領域の厚みは、明細書の明確性のために誇張されて示されている場合がある。以下で説明される実施形態は、ただ例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から多様な変形が可能である。

【0027】

以下において、「上部」や「上」と記載されたところは、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含んでもよい。

【0028】

図１は、一実施形態によるメタレンズを含んだプロジェクタ１００の構造を概略的に示す側断面図である。

【0029】

図１を参照すれば、プロジェクタ１００は、光源１２０と、光源１２０から所定距離離隔された基板１４０と、を含む。基板１４０は、光源１２０と対向する第１面Ｓ１と、基板１４０を中心に第１面Ｓ１と対向する第２面Ｓ２と、を含む。すなわち、第２面Ｓ２は、基板１４０における第１面Ｓ１の反対面である。基板１４０の第１面Ｓ１上には、一部の光を反射させ、残りの光を透過させるパターンマスク１３０が接触するように配置されている。基板１４０の第２面Ｓ２上には、メタレンズ１５０が配置される。メタレンズ１５０は、ナノサイズのナノ構造体、例えば、ナノカラム１５２を含み、基板１４０を通過した光を集光することができる。基板１４０、パターンマスク１３０及びメタレンズ１５０は、レンズ構造体１８０を構成する。基板１４０の第２面Ｓ２上には、メタレンズ１５０を覆う第１保護層１９１がさらに形成される。ナノカラム１５２の高さは、およそ０．５μｍでありうる。第１保護層１９１の高さは、ナノカラム１５２よりおよそ１μｍ高く形成されうる。基板１４０の第１面Ｓ１上には、第２保護層１９２がさらに形成されうる。第２保護層１９２は、およそ２μｍ厚に形成されうる。

【0030】

光源１２０は、レーザ光を放出するレーザダイオードでありうる。また、光源１２０は、表面発光ダイオードでありうる。上記表面発光ダイオードは、垂直空洞表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ－ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）でありうる。例えば、光源１２０は、ＧａＡｓ系活性層を含む垂直空洞表面発光レーザであり、およそ８５０ｎｍまたは９４０ｎｍのレーザ光を出射することができる。他の例として、光源１２０は、近赤外線の波長帯域の光を出射することができる。

【0031】

光源１２０は、複数の発光点からレーザ光をパターンマスク１３０に対して直接放出する。光源１２０は、１つの垂直空洞表面発光レーザの表面に、二次元アレイに形成された発光点からレーザ光が出射される。光源１２０は、複数の垂直空洞表面発光レーザを含んでもよい。

【0032】

基板１４０の第１面Ｓ１と第２面Ｓ２は、実質的に互いに平行である。ただし、第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２が完全に平行である必要はなく、互いに斜めに形成されてもよい。基板１４０は、透明物質から形成されうる。上記透明物質は、光の透過率が高い物質を意味する。例えば、基板１４０は、ガラス（ｆｕｓｅｄ ｓｉｌｉｃａなど）、石英、ポリマー（ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）など）及びプラスチックを含んでもよい。基板１４０の厚みは、サブミリメートルまたは数ｍｍ以下でもよい。

【0033】

基板１４０は、積層されてボンディングされた第１基板１４１（図６）及び第２基板１４２（図６）を含んでもよい。第１基板１４１及び第２基板１４２は、同一物質または互いに異なる物質によっても形成されうる。

【0034】

第１保護層１９１及び第２保護層１９２は、透明な誘電体から形成されうる。例えば、第１保護層１９１及び第２保護層１９２は、酸化シリコン（シリコンオキサイド）またはポリマーから形成されうる。

【0035】

パターンマスク１３０は、光源１２０から入射される光を選択的に透過させる。パターンマスク１３０は、入射光を反射させたり吸収したりする第１部分１３１と、入射光を透過させる第２部分１３２と、を含む。第２部分１３２は、パターンマスク１３０を形成する物質が除去された領域である。パターンマスク１３０は、Ｃｒ、Ａｌを含む金属、ブラックマトリックス、またはポリマーを含みうる。パターンマスク１３０は、数百ｎｍ以下の厚みを有することができる。第２部分１３２は、所定パターンに形成されたイメージでありうる。

【0036】

図２は、図１のパターンマスク１３０を示す平面図である。

【0037】

図２を参照すれば、パターンマスク１３０は、入射光を反射させる第１部分１３１と、第１部分１３１に取り囲まれた貫通部分である第２部分１３２と、を含む。入射光は、第２部分１３２に露出された基板１４０に入っていく。第１部分１３１は、入射光を反射させたり吸収したりする。第１部分１３１を取り囲む第２部分１３２は、入射光を通過させる。パターンマスク１３０を通過した光は、第２部分１３２によるイメージを有する。図２は、第１部分１３１が二次元アレイ形態に一定に配列されたところを示す。第１部分１３１は、およそ１μｍないし２μｍの周期で形成され、第２部分１３２は、およそ１μｍないし２μｍの周期で形成されうるが、本実施形態は、それに限定されるものではない。例えば、第２部分１３２は、多様なイメージを有することができる。

【0038】

パターンマスク１３０は、基板１４０の第１面Ｓ１に、金属層、ブラックマトリックス層、ポリマー層などを形成した後、上記層をエッチングして形成されうる。パターンマスク１３０は、多様な形状に形成されうる。

【0039】

パターンマスク１３０は、入射光を所定パターンの構造光（ＳＬ：ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）に変えて出射する。パターンマスク１３０は、光源１２０から光が入射した場合、空間上を進行する光線（ｒａｙ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）の分布を形成する。そのような光線は、所定角度空間にビームスポットを形成し、上記ビームスポットは、パターンマスク１３０に適用された細部的な条件によって決まる多様な分布を有することになる。それを構造光という。

【0040】

パターンマスク１３０で生成される構造光は、後述する集光面ＦＰ（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｐｌａｎｅ）での各点に向かう光線の角度及び方向、そして当該点の位置座標を固有に有するように数学的にコード化された（ｃｏｄｅｄ）第１パターンでもある。上記第１パターンは、三次元形状の物体によって形態が変化し、それをカメラのような撮像素子によってイメージングして第２パターンを得る。第１パターンと第２パターンとを比較し、座標別パターンの形態変化程度を追跡することにより、三次元形状の物体のデプス情報が抽出される。

【0041】

メタレンズ１５０は、その周辺にある基板１４０の物質より屈折率が高い物質から形成されうる。例えば、メタレンズ１５０の屈折率は、基板１４０の屈折率より１以上大きくなる。メタレンズ１５０は、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ Ｓｉ）、非晶質シリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉ）、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＧａＰ、ＴｉＯ_２、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＢＰ、ＺｎＧｅＰ_２を含んでもよい。また、メタレンズ１５０は、金属素材によっても形成されうる。

【0042】

メタレンズ１５０は、伝導性物質からもなる。上記伝導性物質は、表面プラズモン励起（ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）が起こる導電性が高い金属物質でもある。例えば、上記伝導性物質は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｔｉ、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、及びそれらの合金を含んでもよい。また、メタレンズ１５０は、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）のように伝導性にすぐれる二次元物質、または伝導性酸化物からも形成されうる。上記伝導性酸化物は、インジウム亜鉛オキシド（ＩＺＯ）、インジウムスズオキシド（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛オキシド（ＡＺＯ）を含んでもよい。

【0043】

メタレンズ１５０のナノカラム１５２は、一部は、高屈折率を有した誘電体物質からなり、一部は、伝導性物質からなりうる。

【0044】

図３は、図１のメタレンズ１５０を概略的に示す側断面図である。図３を参照すれば、メタレンズ１５０は、基板１４０の第２面Ｓ２に形成された複数のナノ構造を含む。上記ナノ構造は、ナノカラム１５２でありうる。

【0045】

ナノカラム１５２は、光源１２０から出る光の波長λより小さいサブ波長の形状寸法を有する。上記形状寸法は、ナノカラム１５２の形状を定義する数値、例えば、ナノカラム１５２の高さＨ、ナノカラム１５２の断面幅Ｗを意味する。また、複数のナノカラム１５２の配列ピッチＰも、上記波長λより小さい値を有する。図３には、一定配列ピッチＰを有したナノカラム１５２を示したが、本実施形態は、それに限定されるものではない。例えば、ナノカラム１５２間の間隔が一定にも配列される。

【0046】

ナノカラム１５２の形状寸法と配列ピッチＰは、光源１２０から出射される光の波長の半分以下でありうる。ナノカラム１５２の配列ピッチが出射光の波長より小さくなるほど、高次回折なしに、入射光を所望形態で制御することができる。

【0047】

ナノカラム１５２の断面形状、すなわち、ＸＹ平面と平行な断面の形状は、円形、楕円形、四角形、多角形、十字形、星型、非対称形状など多様な形状でありうる。また、ナノカラム１５２の形状がいずれも同一であってもよいが、本実施形態は、それに限定されるものではない。ナノカラム１５２の断面形状は、複数の形状を含んでもよい。ナノカラム１５２の断面幅Ｗは、円形の直径、楕円形の平均直径、四角形の平均辺長、多角形の平均径、十字形の横断長、星型の平均粒径、非対称形状の平均粒径でもある。上記断面の寸法は、以下において、便宜上「直径」と称する。

【0048】

ナノカラム１５２の断面比は、およそ２－７でもある。

【0049】

メタレンズ１５０は、凸レンズまたは集光レンズの役割を担うようにも設計される。図３に示されたように、ナノカラム１５２の形状分布が凸レンズのような機能を果たすように決められうる。複数のナノカラム１５２は、所定基準位置から外側に行くほど幅がだんだんと狭くなる形状のナノカラム１５２が配置されるように、形状分布が決められうる。例示された形状分布は、反復され、反復周期は、一定ではなく、変わりうる。

【0050】

メタレンズ１５０は、基板１４０から出射される光を集光し、基板１４０から所定距離離隔された集光面ＦＰに集光点を形成することができる。集光面ＦＰの位置は、メタレンズ１５０の焦点距離の１倍以上から無限大距離にもなりうる。例えば、集光面ＦＰは、メタレンズ１５０から数十ｃｍないし数ｍ離隔されている。メタレンズ１５０は、入射された所定パターンの構造光を集光し、集光面ＦＰに投射する。集光面ＦＰに進入する構造光は、集光面ＦＰでの各点に向かう光線の角度及び方向、そして上記点の位置座標を有するようにコード化されたイメージパターンでありうる。上記イメージパターンは、三次元形状の物体によって形態が変化され、上記物体で反射されるイメージパターンを、カメラのような撮像素子によってイメージングし、上記イメージパターンと比較することにより、上記物体のデプス情報を抽出することができる。

【0051】

前述のナノカラム１５２は、それぞれの材質、形状によって固有値を有する透過強度及び透過位相を有することができる。それらの形状分布を調節し、メタレンズ１５０を透過する光の位相や強度分布を調節することができる。以下において、「形状分布」は、複数のナノカラム１５２の形状、複数のナノカラム１５２の大きさ、複数のナノカラム１５２の大きさ分布、複数のナノカラム１５２の配列ピッチ、複数のナノカラム１５２の配列ピッチの分布のうち少なくともいずれか一つを意味する。

【0052】

図示されたナノカラム１５２は、いずれも同じ高さに図示されたが、それは、例示的なものであり、それに限定されるものではない。例えば、位置により、水平方向または垂直方向の大きさや構成物質を調節し、所望の透過強度分布や透過位相分布を形成することができる。所望の透過強度分布や透過位相分布を形成するために、複数のナノカラム１５２からなる所定グループに対して、位置別ナノカラム１５２の形状分布が決まる。また、そのように形成されたナノカラムグループは、所定周期で反復配列されうる。複数のナノカラム１５２の形状分布は、規則的、周期的、擬似周期的なものでもあるが、ただし、それに限定されるものではなく、ランダムでもある。

【0053】

メタレンズ１５０のナノカラム１５２は、既存のマイクロ光学部品に比べ、かなり小さいピッチ及び薄厚に形成されるために、広い角度範囲に対して高次回折がない任意のパターンを形成することができる。従って、プロジェクタ１００は、超小型サイズを有することができる。例えば、プロジェクタ１００の高さは、約４ｍｍ以下にもなりうる。

【0054】

図４は、他の実施形態によるメタレンズ１５０’を概略的に示す平面図である。図４を参照すれば、メタレンズ１５０’は、基板１４０（図１）上の複数ナノカラム１５２を含むメタ表面でありうる。

【0055】

メタレンズ１５０’は、フレネルレンズでありうる。図４において、下部には、メタレンズ１５０’が対応するフレネルレンズの側断面を示した。メタレンズ１５０’は、複数のナノカラム１５２を含んで半導体工程によって製造されるので、メタレンズ１５０’の小型化が可能である。

【0056】

メタレンズ１５０’は、集光光学素子の機能を有するために、ナノカラム１５２の中心を基準に対称である構造にも配列される。例えば、図４を参照すれば、フレネルレンズとしての機能を果たすために、メタレンズ１５０’は、複数の環形領域を含んでもよい。各環形領域のナノカラム１５２は、第１環形領域の中央支点から距離が遠くなるにつれ、ナノカラム１５２の直径が徐々に小さくなる。例えば、メタレンズ１５０’は、中心から遠くなるにつれ、第１環形領域ないし第３環形領域を含んでもよい。ただし、本実施形態は、それに限定されるものではない。例えば、３個の環形領域よりさらに多くの環形領域を含んでもよい。

【0057】

再び図１を参照すれば、プロジェクタ１００は、一体化されたモジュールにも形成されうる。すなわち、光源１２０の支持台１１０と基板１４０とを固定するハウジング１７０をさらに含んでもよい。

【0058】

実施形態によるプロジェクタ１００は、従来の複数レンズで構成されるレンズモジュールの代わりに、メタレンズ１５０を使用するので、プロジェクタ１００の小型化が可能であり、上記レンズモジュールの複数のレンズを整列する工程がないので、その製造工程が容易である。

【0059】

一実施形態によるプロジェクタ１００は、パターンマスク１３０のイメージを、集光面ＦＰに投射することができ、また照明のために使用されうる。

【0060】

また、一実施形態によるプロジェクタ１００は、構造光によってなるイメージを物体に投射し、上記物体から反射されるイメージをキャプチャするので、デプスセンサの光照射装置としても利用されうる。一般的な光を物体に照射するところと比較し、構造光によってなるイメージを物体に照射し、物体から反射される光をキャプチャするとき、さらに正確なデプス情報を得ることができる。

【0061】

図５は、一実施形態によるプロジェクタ１００のイメージ歪曲を防止する方法を概略的に説明する図面である。

【0062】

パターンマスクの露出された領域であるイメージは、あらかじめバレル歪曲（ｂａｒｒｅｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を含むように設計される。該バレル歪曲は、メタレンズでのピンクッション歪曲（ｐｉｎｃｕｓｈｉｏｎ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を補償するように設計される。従って、集光面に投射されたイメージは、歪曲のないイメージになる。

【0063】

図６は、一実施形態によるレンズ構造体１８０を製造する方法について説明する図面である。図１の構成要素と実質的に同一である構成要素には、同一参照番号を使用し、詳細な説明は、省略する。

【0064】

図６を参照すれば、第１基板１４１上に、金属層、ブラックマトリックス層、ポリマー層を含む第１層を形成する。次に、上記第１層をパターニングし、パターンマスク１３０を形成する。

【0065】

第２基板１４２上に、メタレンズを形成する物質からなる第２層を形成する。上記第２層をパターニングし、第２基板１４２上にメタレンズ１５０を形成する。

【0066】

次に、第１基板１４１と第２基板１４２とが互いに接触するようにボンディングを行えば、基板１４０の両面にパターンマスク１３０とメタレンズ１５０とがそれぞれ形成されたレンズ構造体１８０を製造することができる。

【0067】

一実施形態によるレンズ構造体１８０製造方法は、別途の整列工程を必要としない、レンズ構造体１８０の製造が容易であり、レンズ構造体１８０の製造収率が向上する。

【0068】

図７は、他の実施形態によるメタレンズを含んだプロジェクタ２００の構造を概略的に示す側断面図である。図１の構成要素と実質的に同一である構成要素には、同一参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。

【0069】

図７を参照すれば、プロジェクタ２００は、支持台２１０上の光源２２０として、側面発光ダイオード（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）を含む。上記側面発光素子は、Ｆａｂｒｙ－ＰｅｒｏｔレーザダイオードあるいはＤＦＢレーザダイオードでもある。

【0070】

光源２２０から所定距離離隔されるように、基板１４０が配置される。基板１４０は、光源２２０と対向する第１面Ｓ１（図１）と、基板１４０を中心に第１面Ｓ１と対向する第２面Ｓ２（図１）と、を含む。基板１４０の第１面Ｓ１上には、一部の光を反射させ、残りの光を構造光にして透過させるパターンマスク１３０が付着されている。基板１４０の第２面Ｓ２上には、メタレンズ１５０が配置される。メタレンズ１５０は、ナノサイズのナノカラム１５２を含み、基板１４０を通過した光を集光面ＦＰに集光することができる。例えば、集光面ＦＰは、メタレンズ１５０から数十ｃｍないし数ｍ離隔されうる。

【0071】

基板１４０の第２面Ｓ２上には、メタレンズ１５０を覆う第１保護層１９１（図１）、基板１４０の第１面Ｓ１上には、パターンマスク１３０を覆う第２保護層１９２（図１）がさらに形成されうる。便宜上、第１保護層及び第２保護層は、図７において省略されている。

【0072】

光源２２０の一側には、光源２２０から放出される光の経路を変更する経路変換部材２７０が配置されうる。経路変換部材２７０は、光源２２０から出射される光の進行経路を所定角度で反射させる反射面２７２を含んでもよい。

【0073】

経路変換部材２７０に形成された反射面２７２は、ミラーコーティングでありうる。反射面２７２は、側面光源２２０の光出射面に対するパターンマスク１３０の相対的位置を考慮し、光軸を所定角度に曲げることができるように決められる。図７では、光軸が垂直に変更されたところを示している。

【0074】

基板１４０の第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２に付着されたパターンマスク１３０とメタレンズ１５０は、図１のパターンマスク１３０及びメタレンズ１５０と同一でありうる。一実施形態によるプロジェクタ２００のパターンマスク１３０及びメタレンズ１５０は、光源の種類、例えば、表面発光素子としての表面発光ダイオード（表面発光レーザダイオード）や側面発光ダイオードに係わりなく、あらかじめ設計された同一のパターンマスク及びメタレンズを使用することができる。

【0075】

プロジェクタ２００は、光源２２０として側面発光ダイオードを使用し、経路変換部材２７０は、光源２２０と基板１４０との間の位置に適応するように必要に応じて設計されうる。また、プロジェクタ１００と比較し、基板１４０及び光源２２０との間隔が狭くなるので、プロジェクタ２００の小型化をなすことができる。

【0076】

一実施形態のパターンマスク、基板及びメタレンズを含むレンズ構造体１８０は、使用する光源の種類に係わりなく使用することができる。

【0077】

図８は、さらに他の実施形態によるメタレンズを含んだプロジェクタ３００の構造を概略的に示す側断面図である。図１及び図７の構成要素と実質的に同一である構成要素には、同一参照番号を使用し、詳細な説明は、省略する。

【0078】

図８を参照すれば、プロジェクタ３００は、支持台３１０上の光源３２０として、側面発光ダイオードを含む。光源３２０から所定距離離隔されるように、基板１４０が配置される。基板１４０は、光源３２０と対向する第１面Ｓ１（図１）と、基板１４０を中心に、第１面Ｓ１と対向する第２面Ｓ２（図１）と、を含む。基板１４０の第１面Ｓ１上には、一部の光を反射させ、残りの光を構造光にして透過させるパターンマスク１３０が付着している。基板１４０の第２面Ｓ２上には、メタレンズ１５０が配置される。メタレンズ１５０は、ナノサイズのナノカラム１５２（図１）を含み、基板１４０を通過した光を集光面ＦＰに集光することができる。例えば、集光面ＦＰは、メタレンズ１５０から数十ｃｍないし数ｍ離隔されている。

【0079】

図９は、図８のレンズ構造体の構成を拡大した側断面図である。図９を参照すれば、基板１４０の第１面Ｓ１上には、一部の光を反射させ、残りの光を透過させるパターンマスク１３０が付着している。基板１４０の第１面Ｓ１上には、パターンマスク１３０を覆う保護層３３５が形成される。保護層３３５は、後述する第２メタレンズ３６０の屈折率より低い物質から形成される。例えば、保護層３３５は、第２メタレンズの屈折率より１以上低い。保護層３３５は、パターンマスクを完全に覆う厚み、例えば、およそ２μｍに形成されうる。保護層３３５は、シリコンオキサイドまたはポリマーからも形成される。保護層３３５は、第２メタレンズ３６０形成のための平坦面を提供する。

【0080】

基板１４０の第２面Ｓ２上には、メタレンズ１５０を覆う第１保護層１９１（図１）がさらに形成される。便宜上、第１保護層は、図９で省略されている。

【0081】

保護層３３５上には、第２メタレンズ３６０が形成される。第２メタレンズ３６０は、複数の第２ナノ構造体を含む。第２メタレンズ３６０は、メタレンズ１５０のように、複数のナノカラム３６２を含んでもよい。第２メタレンズ３６０は、入射光をある程度平行光にするコリメーティングレンズでありうる。

【0082】

また、第２メタレンズ３６０は、複数の円筒レンズ、または複数の半円筒レンズを含んでもよい。光源３２０として使用される側面発光ダイオードは、拡散アングルが大きい光を放出する。上記光源３２０は、長軸（ｘ軸）径が短軸（ｙ軸）より長いスポット光を放出することができる。従って、パターンマスク１３０を通過した光が所望角度に発散され、有効光が減少する。

【0083】

上記円筒レンズ及び上記半円筒レンズは、上記放出光の長軸（ｘ軸）に対して曲面が形成されたレンズでもある。図１０は、複数の半円筒レンズからなる第２メタレンズ３６０の一例を示す図面である。図１０においては、９個のシリンダレンズ３６２からなる第２メタレンズ３６０を示したが、実施形態はそれに限定されるものではない。第２メタレンズ３６０は、図１０の半円筒レンズセットがｘ方向及びｙ方向に反復されるレンズでありうる。

【0084】

一実施形態によるプロジェクタ３００は、プロジェクタ２００と比較し、第２メタレンズに入射される光をコリメーティングするので、光の損失を減らすことができる。

【0085】

図１１は、一実施形態によるデプス認識装置４００の概略的な構成を示すブロック図である。

【0086】

デプス認識装置４００は、被写体ＯＢＪに構造光ＳＬ_ｉを照射するプロジェクタ４１０、被写体ＯＢＪから反射された構造光ＳＬ_ｒを受光するセンサ４２０、プロジェクタ４１０から照射された構造光ＳＬ_ｉと、センサ４２０で受光した構造光ＳＬ_ｒとのパターン変化を比較し、被写体ＯＢＪのデプス位置を演算する演算部４３０を含む。

【0087】

プロジェクタ４１０は、光源からの光を所定構造光パターンに変換して出射することにより、前述の実施形態によるプロジェクタ１００，２００，３００のうちいずれか一つでありうる。

【0088】

センサ４２０は、被写体ＯＢＪによって反射された構造光ＳＬ_ｒをセンシングする。センサ４２０は、光検出要素のアレイを含んでもよい。センサ４２０は、被写体ＯＢＪから反射された光を、波長別に分析するための分光素子をさらに含んでもよい。

【0089】

演算部４３０は、被写体ＯＢＪに照射された構造光ＳＬ_ｉと、被写体ＯＢＪから反射された構造光ＳＬ_ｒとを比較し、被写体ＯＢＪに対するデプス情報を獲得し、そこから、上記被写体ＯＢＪの三次元形状、位置、動きなどを分析することができる。プロジェクタ４１０で生成する構造光ＳＬ_ｉは、集光面ＦＰでの各点に向かう光線の角度及び方向、そして当該点の位置座標を固有に有するように、数学的にコード化されたパターンでありうる。上記パターンが三次元形状の被写体ＯＢＪから反射されるとき、反射された構造光ＳＬ_ｒのパターンは、照射された構造光ＳＬ_ｉのパターンで変化された形態を有する。上記パターンを比較し、座標別パターンを追跡し、被写体ＯＢＪのデプス情報を抽出することができ、そこから、被写体ＯＢＪの形状、動きと係わる三次元情報を抽出することができる。

【0090】

プロジェクタ４１０と被写体ＯＢＪとの間には、プロジェクタ４１０からの構造光ＳＬ_ｉが被写体ＯＢＪに向かうように方向を調節するか、あるいはさらなる変調のための光学素子がさらに配置されてもよい。

【0091】

また、デプス認識装置４００は、プロジェクタ４１０に具備された光源の駆動や、センサ４２０の動作などを全般的に制御する制御部をさらに含んでもよいし、演算部４３０で実行する三次元情報抽出のための演算プログラムが保存されるメモリなどをさらに含んでもよい。

【0092】

演算部４３０での演算結果、すなわち、被写体ＯＢＪの形状、位置に係わる情報は、他のユニットに伝送される。例えば、デプス認識装置４００が採用された電子機器の制御部に、前述の情報が伝送される。結果が伝送される他のユニットは、結果を出力するディスプレイ装置やプリンタでありうる。それら以外にも、スマートフォン、携帯電話、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ラップトップ（ｌａｐｔｏｐ）、ＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、多様なウェアラブル（ｗｅａｒａｂｌｅ）機器、及びその他モバイルまたは非モバイルのコンピュータ装置でもありうるが、それらに制限されるものではない。

【0093】

デプス認識装置４００は、前方の客体に係わる三次元情報を正確に獲得するセンサに活用され、多様な電子機器にも採用される。そのような電子機器は、例えば、無人自動車、自律走行車、ロボット、ドローンのような自律駆動機器であり、それら以外にも、移動通信機器または事物インターネット機器でもありうる。

【0094】

本実施形態によれば、従来の複数のレンズで構成されるレンズモジュールの代わりに、薄メタレンズを使用するので、プロジェクタの小型化が可能であり、上記レンズモジュールの複数レンズを整列する工程がないので、その製造工程が容易である。

【0095】

本実施形態によるプロジェクタは、パターンマスクのイメージを集光面に投射することができ、また照明のためにも使用されうる。

【0096】

また、本実施形態によるプロジェクタは、構造光によってなるイメージを物体に投射し、上記物体から反射されるイメージをキャプチャするので、デプスセンサの光照射装置としても利用される。一般的な光を物体に照射する場合と比較し、構造光によってなるイメージを物体に照射し、物体から反射される光をキャプチャする場合、さらに正確なデプス情報を得ることができる。

【0097】

本実施形態によるプロジェクタのレンズ構造体は、光源に係わりなくも使用される。

【0098】

以上、添付された図面を参照して説明された本発明の実施形態は、例示的なものに過ぎず、当該分野で当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能であるということを理解することができるであろう。従って、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によってのみ決められるものである。

【産業上の利用可能性】

【0099】

本発明の、メタレンズを含むプロジェクタは、例えば、デプス認識関連の技術分野に効果的に適用可能である。

【符号の説明】

【0100】

１００，４１０ プロジェクタ、
１１０ 支持台、
１２０ 光源、
１３０ パターンマスク、
１４０ 基板、
１５０ メタレンズ、
１５２ ナノカラム、
１９１ 第１保護層、
１９２ 第２保護層、
４００ デプス認識装置、
４２０ センサ、
４３０ 演算部、
ＦＰ 集光面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】