The Next Revolution in Optics – Metalenses

메타렌즈는 광학 시스템의 크기를 축소하는 데 있어 유망한 기술이지만, 이를 설계하고 규모에 맞게 제조하는 데에는 어려움이 있습니다.

메타 원자라고 하는 수백만 개의 가변적인 서브파장 단위 셀로 이루어진 메타렌즈를 설계하여 빛을 국소적이고 일관되게 변조하려면 설계 경험과 기초 물리학에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 메타렌즈 설계에는 정의된 렌즈 위상 프로파일, 메타 원자 라이브러리, 메타렌즈 표면의 메타 원자 레이아웃이 포함됩니다.  그런 다음 광학 설계자는 제작된 메타렌즈의 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션하는 접근 방식을 선택해야 합니다.

메타렌즈를 수동으로 설계하는 경우, 메타 원자의 전달 함수가 파장, 입사 각도 및 편광에 따라 달라지기 때문에 이 접근 방식은 사전 정의된 위상 프로파일에 의존하며, 이는 고정된 입사 조건에서만 유효합니다. 따라서 특정 입사 조건에서 최적화된 위상 프로파일은 다른 입사 조건에서는 유효하지 않습니다. 따라서 넓은 스펙트럼 범위를 위한 achromatic lens나 넓은 입사각을 위한 광시야각(FOV) 렌즈와 같이 다양한 기능을 가진 메타렌즈를 설계하는 것은 매우 어렵습니다.^[4]

엔지니어가 메타렌즈 시스템을 빠르고 쉽게 설계할 수 있도록 메타렌즈 설계를 자동화하는 사용자 친화적인 설계 툴이 있을까요? 전 세계적으로 역설계 기능을 갖춘 자동화 플로우를 개발하기 위해 많은 노력을 기울여 왔지만, Synopsys는 최초의 역설계 기능을 제공하는 완전 자동화된 상용 툴인 MetaOptic Designer를 개발했습니다. 이 최적화 알고리즘은 수백만 개의 설계 변수를 쉽게 처리할 수 있는 잘 알려진 인접 방법을 사용합니다.

MetaOptic Designer에서 메타렌즈를 설계하려면 사용자는 광학 시스템의 렌즈 세트와 각 렌즈에 대한 BSDF 데이터베이스, 원하는 타겟 패턴 및 초점 길이를 지정합니다.  그런 다음 툴이 각 메타서피스에서 설계 파라미터를 결정하고 그림 1과 같이 GDS 및 최적화 결과를 내보냅니다.

이제 광학 설계자는 메타렌즈를 설계할 때 최소한의 입력만으로 설계 워크플로우를 획기적으로 간소화하고 속도를 높일 수 있습니다.

메타렌즈가 업계에 혁명을 일으킬까요? Pennsylvania State University의 수석 연구원인 Xingjie Ni는 메타표면이 전례 없는 빛 조작 기능으로 차세대 광학 시스템의 강력한 후보가 될 수 있기 때문에 광학 분야의 판도를 바꿀 수 있다고 믿습니다. ^[5] 나노스케일에서 메타렌즈는 산화아연 박막이 있는 복잡한 나노구조에서 직경 2microns 미만의 작은 점에 진공 자외선을 집중시키는 데에도 사용할 수 있습니다. ^[6]

컴팩트 렌즈 시스템에 대한 수요가 증가할 것이며 더 많은 설계에 메타렌즈를 통합할 것이라는 점에는 의심의 여지가 없습니다. 이제 우리는 모든 수준의 전문 지식을 가진 설계자가 정확한 최적화 결과로 새로운 메타렌즈 설계를 빠르고 쉽게 만들 수 있는 길을 열어가고 있습니다.

MetaOptic Designer에 대해 자세히 알아보려면 아래 리소스를 참조하거나 optics@synopsys.com으로 문의하여 무료 데모를 요청하십시오.