Maximizing multifunctional performance of beam steering based on freeform metasurfaces = 프리폼 메타표면 기반 빔 조향의 다기능적 성능 극대화

국문 초록 (Abstract)

메타표면은 빛의 파장보다 작은 스케일의 나노 구조체 들의 2차원 배열을 통해 전례 없는 전자기파 제어 특성을 구현하는 차세대 광학 소자로, 특히 빛의 진폭, 위상, 편광, 분산 등을 자유자재로 제어함과 동시에 매우 얇은 두께를 가지는 초소형의 장치로 많은 기대를 받고 있으며, 현대 광학 이미지 및 디스플레이 시스템의 소형화 및 성능 극대화에 기여하고 있습니다. 하지만, 물리적인 직관에 의하여 사전에 설계된 나노 구조체들을 적절하게 배열하여 원하는 목적에 달성하는 이른바 순방향 예측 설계에 해당하는 설계 방식은 이웃한 메타-아톰 간의 상호관계를 고려할 수 없기 때문에 복잡한 다기능적 특성을 가지는 고효율의 소자를 구현하기에는 어려움이 있습니다. 따라서, 충분한 설계의 자유도를 가질 수 있는 역 설계 기법이 많은 주목을 받고 있으며, 특히 토폴로지 최적화를 이용한 프리폼 메타표면 설계 방식은 공정 가능성을 비교적 용이하게 가짐과 동시에 다기능적인 고효율 소자를 설계하기 적절한 방법입니다.
본 학위 논문은 프리폼 메타표면 설계 방식을 적용하여 다기능성 빔 조향 소자의 성능을 극대화하는 컴팩트한 광학 소자들을 제시하고자 합니다. 첫 번째로, 도파로 기반의 증강현실 이미지 컴바이너를 위한 프리폼 메타 그레이팅을 구현하였습니다. 본 소자는 2차원의 각도 대역폭에서 약 40도 범위 내의 입사각도를 고려하여 해당 각도 대역폭에서 약 75 \% 의 균일한 회절 효율을 달성하였고 실험적으로 입증하였습니다. 이를 통해, 기존의 입사각도 따라 발생하는 효율 변화에 의해 도파로 내부에서 전반사를 통해 전달되는 이미지의 품질 저하를 개선할 수 있었고, 도파로 기반의 이미지 컴바이너로의 이용 가능함을 제시하였습니다.
두 번째로, 다중 파장에서 동일한 각도로 빛을 회절시키는 단일 층 무색수차 프리폼 메타표면 디플렉터를 제시하였습니다. 지금까지 다중파장에서 동작하는 무색수차 메타표면 디플렉터는 적외선 대역에서 동작하거나, 가시광 대역에서 동작하지만 다층 구조로 이루어져 공정이 까다로운 연구가 제시된 바 있습니다. 본 소자는 470, 550, 660 nm의 파장의 빛에 대해 약 41도의 동일한 각도로 조향하는 디플렉터를 구현하였습니다. 특히, 주기적인 단층구조로 설계된 덕분에 복잡한 나노공정 과정을 거치지 않아도 되어 양산에 이점을 가지므로 증강현실/가상현실 장치 혹은 디지털 카메라 등의 분야에서 활용될 수 있는 잠재력을 보여줍니다.
마지막으로, 주광선 각도를 고려한 프리폼 메타표면 컬러 라우터를 설계하여 기존의 소자가 가지는 주변광선의 성능 불일치를 개선하였습니다. 마이크로 렌즈와 컬러 필터로 구성된 기존의 이미지 센서를 대체하고자 여러 메타표면 컬러 라우터가 소개되었지만, 지금까지의 연구는 입사되는 빛이 정입사인 경우만을 고려하여 기존의 컬러 필터가 가지는 효율 한계를 극복하는 것에 집중하였습니다. 본 연구는 이미지 센서가 중심부를 벗어나게되면 발생하는 주광선 각도 불일치를 해결하기 위해 컬러 필터 뿐만 아니라 마이크로 렌즈의 역할도 동시에 고려한 메타표면 컬러라우터의 설계를 제시하였습니다. 이 소자는 중심 부분부터 주변 부분까지 주광선 각도에 따라 구역을 나누어 여러개의 메타표면 컬러라우터들로 구성하여 전체 영역에 대해 균일하게 동작하는 이미지 센서로 활용될 수 있습니다.
결론적으로, 본 학위 논문은 프리폼 메타표면 설계 방식을 이용하여 그레이팅, 디플렉터 그리고 컬러 라우터라는 세 가지 소자를 위한 프리폼 메타표면 기반 연구를 진행하여 다양한 다기능적 성능을 가지는 빔 조향 장치를 제시하였습니다. 이로 인해, 기존의 방식으로는 달성할 수 없었던 여러 각도 및 여러 파장등을 고려한 다기능성의 극대화를 달성하였습니다. 본 학위 논문에서 소개된 방법론과 소자는 다기능적인 빔 조향 장치를 활용한 소형 광학 시스템의 성능 향상의 기반을 제공하며, 현대 광학 장치의 다기능적 성능 제공 및 소형화의 발전에 기여할 것으로 기대됩니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metasurfaces are a new generation of optical devices that realize unprecedented electromagnetic wave control properties through a two-dimensional array of nanostructures on a sub-wavelength scale. By enabling precise manipulation of amplitude, phase, polarization, and dispersion of light within an ultrathin form factor, metasurfaces have a great deal of attention, contributing to the miniaturization and performance enhancement of modern optical imaging and display systems. However, the conventional forward predictive design approach, wherein nanostructures are intuitively pre-designed and subsequently arranged to attain a desired optical response, inherently suffers from limitations. In other words, the influence of interaction between adjacent meta-atoms cannot be considered, which makes it challenging to realize highly efficient devices with multifunctional characteristics. Consequently, inverse design techniques with sufficient design degree of freedom have attracted much attention. In particular, the freeform metasurface design method using topology optimization is a suitable method for designing multifunctional high-efficiency devices with practical feasibility for fabrication.
This dissertation aims to present compact optical devices that maximize the performance of multifunctional beam steering devices by employing freeform metasurface design method. First, we implemented a freeform meta-grating for a waveguide-based augmented reality (AR) image combiner. The proposed device achieves and experimentally demonstrates a uniform diffraction efficiency of about 75 % over a two-dimensional (2D) angular bandwidth by considering incident angles within the range of about 40 degrees. This approach successfully mitigates the image quality degradation caused by fluctuation of diffraction efficiencies associated with the incident angle, thereby demonstrating the feasibility of employing the proposed structure as a waveguide-based image combiner.
Secondly, we present a single-layer achromatic freeform metasurface deflector capable of steering light of multiple wavelengths at the identical angle. Previous studies on achromatic metasurface deflectors operating at multiple wavelengths have either focused on infrared regimes or required complex multilayer architectures, resulting in inherent fabrication difficulties. In contrast, the proposed device demonstrates beam deflection at the identical angle of approximately 41˝ degrees for wavelengths of 470, 550, and 660 nm. Notably, the periodic single-layer structure simplifies the fabrication process, offering advantages for mass production. This highlights its potential applicability in fields such as augmented reality/virtual reality devices or digital cameras.
Finally, we design a freeform metasurface color router that considers the chief ray angle (CRA) to improve the routing performance, commonly reduced at the periphery of conventional devices. Although several metasurface color routers have been introduced to replace conventional image sensors composed of microlenses and color filters, these studies have focused on overcoming the efficiency limitations of conventional color filters under normal incidence. In contrast, this study presents the design approach that simultaneously considers the role of a micro lens as well as a color filter to solve the inconsistency of the CRA that occurs at the marginal area of the image sensor. The proposed device achieves uniform performance across the entire area by dividing the sensor area from the center to the periphery according to the CRA distribution and assigning distinct metasurface color routers to each zone.
In conclusion, this dissertation presents a beam steering devices with various multifunctional performances by conducting freeform metasurface-based research for three devices: gratings, deflectors, and color routers using the freeform metasurface design method. As a result, we achieved the maximization of multifunctional performance addressing angular and spectral requirements, which are difficult to realize with conventional design approaches. The methodologies and devices proposed in this dissertation provide the basis for performance improvement of compact optical systems using multifunctional beam steering devices, thereby contributing to the development of multifunctional performance and miniaturization in modern optical devices.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Tables vii
• List of Figures viii
• 1 Introduction 1
• 1.1 Overview of metasurface 1
• 1.2 Design strategy of freeform metasurface 2
• 1.3 Motivation of this dissertation 4
• 1.4 Scope and structure 7
• 2 Two-dimensional angular bandwidth broadening of freeform metasurface grating 9
• 2.1 Introduction 9
• 2.2 Optimization process of metasurface grating 13
• 2.2.1 Design method of metasurface grating 13
• 2.2.2 Theoretical analysis of TOMC and B-TOMC 19
• 2.3 Experimental results 27
• 2.3.1 Fabrication process of TOMC and B-TOMC 27
• 2.3.2 Experimental demonstration of B-TOMC 28
• 2.4 Conclusion 33
• 3 Multiwavelength achromatic deflector in the visible using freeform metasurface 34
• 3.1 Introduction 34
• 3.2 Principles of multiwavelength achromatic deflector 39
• 3.2.1 Configuration of multiwavelength achromatic deflector 39
• 3.2.2 Topology optimization method for freeform metasurface 41
• 3.2.3 Optimization results and numerical demonstration 42
• 3.3 Multiwavelength achromatic deflector demonstration 53
• 3.3.1 Metasurface fabrication 53
• 3.3.2 Experimental demonstrations and comparisons between simulations and experiments 55
• 3.3.3 Imaging system experiments 59
• 3.4 Conclusion 60
• 4 Freeform metasurface color router for CMOS image sensor with chief ray angle consideration 62
• 4.1 Introduction 62
• 4.2 Design principle and simulated color router design 66
• 4.2.1 Color router design with chief ray angle consideration 66
• 4.2.2 Simulation results of metasurface color router 70
• 4.3 Analysis of the color routing performances 75
• 4.3.1 Image Restoration method using a color correction matrix 75
• 4.3.2 Quantitative comparison of image quality 78
• 4.4 Conclusion 81
• 5 Conclusion 82
• Appendix 100
• 초 록 101