[논문 리뷰] MEMS-tunable metasurface lens

Ehsan Arbabi, Amir Arbabi외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 18.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 54인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 1 µm의 막 변위로 60 디옵터 이상의 광학적 힘 조절이 가능한 MEMS 조절식 메타표면 듀엣을 제안한다. 이는 고속으로 전기적으로 초점 거리를 조절할 수 있도록 한다. 메타표면 기술과 MEMS 기술을 통합함으로써, 고속, 소형, 민첩한 초점 조절이 가능해져, 마이크로스코프 및 3D 영상 시스템에 적합하다. kHz 수준의 스캐닝 속도를 구현한다.

ABSTRACT

Lenses with tunable focal length are widely used in zoom lenses and laser scanning imaging systems. They are generally implemented by changing the axial distance between the elements of a varifocal system of refractive lenses. However, conventional refractive elements are bulky and thick. Therefore tunable multi-element lenses are large, heavy, slow, require macroscopic movements, and have limited optical power tunability. Metasurfaces, a new category of lithographically defined diffractive devices, are on the other hand thin and lightweight, and their phase profiles can be engineered with subwavelength resolution. This enables agile varifocal lenses, with large tunability of the optical power even for minute changes of the axial distance. Here, we propose and demonstrate MEMS-based tunable metasurface doublets with more than 60 diopters (about 4%) change in the optical power upon a 1 um movement of a membrane with one of the metasurface elements. Several doublets can be integrated on the same chip to scan a large range of focal distances at frequencies reaching a few kHz. The doublet can also be integrated with a third metasurface element to make a compact microscope (~1 mm thick) with a large corrected field of view (~500 um or 40 degrees) and a fast axial scanning for 3D imaging. The results presented here pave the way towards metasurface-based optical systems with fast, electrically tunable focal and imaging distances. They also present an example of the potentials of integrating metasurfaces with the well-established MEMS technology to enable a new category of micro-opto-electromechanical systems (MOEMS) with enhanced functionalities and new applications.

연구 동기 및 목표

• 줌 및 스캐닝 시스템에서 크고 느린 전통적인 변광 렌즈의 한계를 극복하기 위해.
• 파장 이하 단위의 위상 제어를 갖춘 메타표면을 사용하여 소형, 경량, 전기 조절이 가능한 렌즈를 개발하기 위해.
• MEMS 구동 기술을 메타표면과 통합하여, 소형 플랫폼에서 고속, 대량의 초점 조절이 가능한 렌즈를 개발하기 위해.
• 1 mm 두께의 필드 보정 마이크로스코프를 실현하여, 고속 축 방향 스캐닝을 통해 3D 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 정밀한 위상 프로파일 제어를 위한 두 개의 리소그래피로 정의된 회절 요소를 갖춘 메타표면 듀렛을 설계 및 제작하기 위해.
• 하나의 메타표면 요소를 MEMS 막에 통합하여 나노미터 수준의 정밀도로 기계적 구동을 가능하게 하기 위해.
• 정전력 구동을 사용하여 막을 1 µm 만큼 변위시켜 광학적 힘의 큰 변화를 유도하기 위해.
• 메타표면 설계에서 파장 이하 해상도를 활용하여, 최소한의 기계적 이동으로도 높은 조절 가능성을 달성하기 위해.
• 필드 곡률을 보정하고 넓은 보정된 시야각(~500 µm 또는 40°)을 가능하게 하기 위해 제3의 메타표면 요소를 통합하기 위해.
• kHz 수준의 주파수에서 작동하여 실시간 3D 영상 촬영 응용을 위한 축 방향 스캐닝을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 시스템에서 최소한의 기계적 변위로 메타표면을 사용하여 큰 광학적 힘 조절 가능성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 MEMS 통합은 전통적인 굴절 렌즈 시스템에 비해 메타표면 기반 렌즈의 성능과 속도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 다중 요소 메타표면 시스템은 높은 조절 가능성과 소형성 유지와 함께 필드 곡률을 보정할 수 있는가?
• RQ4 나노미터 수준의 구동으로 작동하는 MEMS 조절식 메타표면 듀렛에서 얻을 수 있는 최대 광학적 힘 조절 가능성은 얼마인가?
• RQ5 이러한 시스템은 1 mm 이하 두께의 장치에서 고속 축 방향 스캐닝을 통해 3D 영상 촬영을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• MEMS 조절식 메타표면 듀렛은 막 변위가 1 µm일 때 60 디옵터 이상의 광학적 힘 조절 가능성을 달성한다.
• 시스템은 kHz 수준의 작동을 통해 실시간 3D 영상 촬영에 적합한 고속 축 방향 스캐닝을 구현한다.
• 총 두께가 약 1 mm인 소형 마이크로스코프가 실현되었으며, 보정된 시야각은 약 500 µm 또는 40도이다.
• 단일 칩에 다수의 메타표면 요소를 통합함으로써 스케일러블한 다중 초점 거리 스캐닝이 가능해진다.
• 메타표면과 MEMS의 조합은 향상된 功能성과 소형화를 갖춘 새로운 종류의 마이크로 옵티오전자기계 시스템(MOEMS)을 가능하게 한다.
• 시스템은 소형 면적을 유지하면서도 높은 조절 가능성과 빠른 속도를 달성하여, 크기, 무게, 반응 시간 측면에서 기존의 굴절식 변광 렌즈를 뛰어넘는 성능을 보인다.