KR102587061B1 - Spectrometer including metasurface - Google Patents

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Abstract

본 개시에 따른 메타표면을 포함하는 분광기는 2차원 배열되는 복수의 나노구조체와 복수의 나노구조체를 둘러싸는 주변체를 포함하는 적어도 하나의 메타표면을 포함할 수 있다. 메타표면은 다양한 나노구조체의 배열을 가져 각종 광학 소자의 기능을 구현할 수 있다. 메타표면은 종래의 광학 소자에 비하여 두께가 얇고 무게가 가벼울 수 있다. 본 개시에 따른 분광기는 두께 대비 광 경로의 길이가 충분히 클 수 있다.A spectroscope including a metasurface according to the present disclosure may include at least one metasurface including a plurality of nanostructures arranged in two dimensions and a peripheral body surrounding the plurality of nanostructures. Metasurfaces can implement the functions of various optical devices by arranging various nanostructures. Metasurfaces can be thinner and lighter than conventional optical devices. The spectrometer according to the present disclosure may have a sufficiently large optical path length compared to thickness.

Description

메타표면을 포함하는 분광기{Spectrometer including metasurface}Spectrometer including metasurface}

본 개시는 메타표면을 포함하는 분광기에 관한 것이다.The present disclosure relates to a spectrometer comprising a metasurface.

입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자는 다양한 광학 장치에서 활용된다. 이러한 광학 소자는 주로 무거운 렌즈, 거울 등을 포함하므로, 광학 소자를 포함하는 광학 장치의 크기를 최소화 하기에 어렵다. 분광기 또한 이러한 광학 소자를 포함하므로 크기가 크고 무겁다. 분광기의 구조를 소형화하고 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.Optical elements that change the transmission/reflection, polarization, phase, intensity, and path of incident light are used in various optical devices. Since these optical elements mainly include heavy lenses, mirrors, etc., it is difficult to minimize the size of the optical device including the optical elements. Because spectrometers also contain these optical elements, they are large and heavy. Various research is being conducted to miniaturize the structure of the spectroscope and improve its performance.

본 개시는 메타표면을 포함하는 분광기에 관한 것이다.The present disclosure relates to a spectrometer comprising a metasurface.

일 실시예에 따른 분광기는 서로 마주하는 제 1 면 및 제 2 면을 포함하는 투명 기판; 상기 제 1 면 상에 마련되며, 상기 투명 기판으로 검사 대상인 광을 입사시키는 슬릿; 상기 제 1 면 또는 제 2 면 상에 마련되며, 2차원 배열되는 복수의 나노구조체와 상기 복수의 나노구조체를 둘러싸는 주변체를 포함하는 적어도 하나의 메타표면을 포함하며, 상기 적어도 하나의 메타표면은 상기 슬릿을 통해 입사된 광을 파장별로 다른 각도로 반사 및 포커싱시키는 포커싱 메타표면을 포함하는, 분광 광학계; 및 상기 투명 기판의 상기 제 1 면 또는 제 2 면 상에 마련되며, 상기 분광 광학계로부터의 광을 수광하는 센서; 를 포함한다.A spectrometer according to one embodiment includes a transparent substrate including a first side and a second side facing each other; a slit provided on the first surface and allowing light to be inspected to enter the transparent substrate; Provided on the first or second surface, it includes at least one metasurface including a plurality of nanostructures arranged in two dimensions and a peripheral body surrounding the plurality of nanostructures, the at least one metasurface a spectroscopic optical system including a focusing metasurface that reflects and focuses light incident through the slit at different angles for each wavelength; and a sensor provided on the first or second side of the transparent substrate and receiving light from the spectroscopic optical system. Includes.

상기 투명 기판 상에 배치되며, 상기 슬릿 이외의 영역으로는 광이 입사되지 않도록 차단하는 차단막;을 더 포함할 수 있다.It may further include a blocking film disposed on the transparent substrate and blocking light from entering areas other than the slit.

상기 분광 광학계는, 콜리메이팅 기능을 가지도록 2차원 배열된 복수의 나노구조체를 구비하는 콜리메이팅 메타표면;을 더 포함할 수 있다.The spectroscopic optical system may further include a collimating metasurface having a plurality of nanostructures arranged two-dimensionally to have a collimating function.

상기 콜리메이팅 메타표면은, 상기 슬릿과 상기 포커싱 메타표면 사이의 광경로 상에 위치할 수 있다.The collimating metasurface may be located on an optical path between the slit and the focusing metasurface.

상기 분광 광학계는, 색분산 기능을 가지도록 2차원 배열된 복수의 나노구조체를 구비하는 그레이팅 메타표면;을 더 포함할 수 있다.The spectroscopic optical system may further include a grating metasurface having a plurality of nanostructures arranged two-dimensionally to have a chromatic dispersion function.

상기 그레이팅 메타표면은, 상기 콜리메이팅 메타표면과 상기 포커싱 메타표면 사이의 광경로 상에 위치할 수 있다.The grating metasurface may be located on an optical path between the collimating metasurface and the focusing metasurface.

상기 그레이팅 메타표면 및 센서는 상기 제 1 면 상에 마련되고, 상기 콜리메이팅 메타표면 및 포커싱 메타표면은 상기 제 2 면 상에 될 수 있다.The grating metasurface and sensor may be provided on the first side, and the collimating metasurface and focusing metasurface may be provided on the second side.

상기 제 1 면으로부터 수직한 방향에서 본 평면도 상에서, 상기 그레이팅 메타표면, 콜리메이팅 메타표면, 포커싱 메타표면, 및 센서는 2차원적으로 배열될 수 있다.In a plan view seen in a direction perpendicular to the first surface, the grating metasurface, collimating metasurface, focusing metasurface, and sensor may be arranged two-dimensionally.

상기 투명 기판은 상기 제 1 면과 상기 제 2 면을 연결하는 측면들을 포함하며, 상기 제 1 면에 수직인 방향에서 본 평면도 상에서, 상기 콜리메이팅 메타표면과 상기 그레이팅 표면은 상기 측면들 중의 일 측면에 더 가깝게, 상기 포커싱 메타표면과 상기 센서는 상기 일 측면과 마주하는 타 측면에 더 가깝게 배치될 수 있다.The transparent substrate includes side surfaces connecting the first side and the second side, and in a plan view viewed in a direction perpendicular to the first side, the collimating metasurface and the grating surface are one of the side surfaces. Closer to , the focusing metasurface and the sensor may be arranged closer to the other side facing the one side.

상기 적어도 하나의 메타표면에 있어서, 상기 복수의 나노구조체 각각의 높이 또는 상기 복수의 나노구조체의 단면에서 가장 긴 직경이 상기 광의 파장 보다 작을 수 있다.In the at least one metasurface, the height of each of the plurality of nanostructures or the longest diameter in cross section of the plurality of nanostructures may be smaller than the wavelength of the light.

상기 그레이팅 메타표면은,The grating metasurface is,

제 2 방향으로 일정 간격으로 배열되는 복수의 나노구조체를 포함하는 일 패턴을 포함하고, 상기 일 패턴이 상기 제 2 방향에 수직한 제 1 방향으로 주기적으로 반복되도록 배열될 수 있다.It may include a pattern including a plurality of nanostructures arranged at regular intervals in a second direction, and the pattern may be arranged to repeat periodically in a first direction perpendicular to the second direction.

상기 포커싱 메타표면은, 상기 포커싱 메타표면의 어느 일 지점으로부터 멀어짐에 따라, 복수의 나노구조체가 단면적이 증가하거나 또는 감소되도록 배열되는 환형영역을 한 개 이상 가질 수 있다.The focusing metasurface may have one or more annular regions in which a plurality of nanostructures are arranged so that the cross-sectional area increases or decreases as the distance from a certain point of the focusing metasurface increases.

상기 분광 광학계는, 광을 편광에 따라 제 1 편광 및 제 2 편광으로 분리하고, 분리된 제 1 편광 및 제 2 편광을 파장별로 반사시키도록 구성되는 스플릿 메타표면을 더 포함하고, 상기 센서는 상기 분리된 제 1 편광을 수광하도록 마련되는 제 1 센서, 상기 분리된 제 2 편광을 수광하도록 마련되는 제 2 센서를 포함할 수 있다.The spectroscopic optical system further includes a split metasurface configured to separate light into first polarization and second polarization according to polarization and reflect the separated first polarization and second polarization by wavelength, and the sensor It may include a first sensor provided to receive the separated first polarized light, and a second sensor provided to receive the separated second polarized light.

상기 포커싱 메타표면은, 상기 제 1 편광을 상기 제 1 센서로 포커싱하는 제 1 포커싱 메타표면과 상기 제 2 편광을 상기 제 2 센서로 포커싱하는 제 2 포커싱 메타표면을 포함할 수 있다.The focusing metasurface may include a first focusing metasurface for focusing the first polarized light to the first sensor and a second focusing metasurface for focusing the second polarized light to the second sensor.

상기 스플릿 메타표면은, 제 1 방향으로의 직경 성분들이 각각 늘어났다가 감소하도록 배열되는 복수의 나노구조체를 포함하는 일 패턴을 포함하고, 상기 일 패턴이 상기 제 1 방향 및 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 주기적으로 반복되도록 될 수 있다.The split metasurface includes a pattern including a plurality of nanostructures arranged so that diameter components in a first direction increase and decrease, respectively, and the one pattern is formed in the first direction and perpendicular to the first direction. It may be made to repeat periodically along the second direction.

상기 슬릿에서 상기 센서까지의, 광 경로의 총 길이를 L 이라 하고 상기 투명 기판의 두께를 D라 할 때 L과 D가 하기의 관계를 만족할 수 있다. When the total length of the optical path from the slit to the sensor is L and the thickness of the transparent substrate is D, L and D may satisfy the following relationship.

L / D > 3L/D > 3

상기 주변체는 산화실리콘(SiO2), 글래스, 폴리머 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다.The peripheral body may be made of at least one material selected from silicon oxide (SiO 2 ), glass, and polymer.

상기 투명기판은 산화실리콘(SiO2), 글래스, 폴리머 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다.The transparent substrate may be made of at least one material selected from silicon oxide (SiO 2 ), glass, and polymer.

상기 복수의 나노구조체는 c-Si, a-Si, p-Si, GaP, GaAs, SiC, TiO2, SiN, GaN 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다.The plurality of nanostructures may be made of at least one material selected from c-Si, a-Si, p-Si, GaP, GaAs, SiC, TiO2, SiN, and GaN.

본 개시에 따른 분광기는 볼록렌즈, 오목렌즈, 프리즘, 빔 편향기 등의 다양한 광학 소자를 대신 할 수 있는 메타표면을 포함할 수 있다. 이러한 메타표면은 2차원으로 배열되는 복수의 나노구조체를 포함할 수 있다. The spectroscope according to the present disclosure may include a metasurface that can replace various optical elements such as convex lenses, concave lenses, prisms, and beam deflectors. This metasurface may include a plurality of nanostructures arranged in two dimensions.

본 개시에 따른 분광기는 광학 소자에 비해 상대적으로 작은 메타표면을 포함하므로 체적을 감소시킬 수 있다.The spectrometer according to the present disclosure includes a metasurface that is relatively small compared to the optical element, so the volume can be reduced.

또한, 본 개시에 따른 분광기는 체적 대비 광 경로의 길이를 길게 하여 분광 성능을 향상시킬 수 있다.Additionally, the spectrometer according to the present disclosure can improve spectral performance by increasing the length of the optical path compared to the volume.

도 1은 일 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2은 일 실시예에 따른 포커싱 메타표면을 나타내는 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 포커싱 메타표면을 나타내는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 5d는 나노구조체의 개략적인 형상을 나타내는 사시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 그레이팅 메타표면을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 따른 그레이팅 메타표면의 그레이팅 효율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 그레이팅 메타표면을 나타내는 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은 도 10에 따른 분광기를 일 방향에서 내려다본 모습을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 분광기를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 스플릿 메타표면을 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13에 따른 스플릿 메타표면의 나노구조체 패턴을 나타내는 도면이다.
1 is a cross-sectional view schematically showing a spectrometer according to an embodiment.
Figure 2 is a diagram showing a focusing metasurface according to one embodiment.
Figure 3 is a diagram showing a focusing metasurface according to another embodiment.
Figure 4 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope according to another embodiment.
Figures 5a to 5d are perspective views showing the schematic shape of the nanostructure.
Figure 6 is a diagram showing a grating metasurface according to an embodiment.
FIG. 7 is a graph showing the grating efficiency of the grating metasurface according to FIG. 6.
Figure 8 is a diagram showing a grating metasurface according to another embodiment.
Figure 9 is a cross-sectional view schematically showing a spectrometer according to another embodiment.
Figure 10 is a cross-sectional view schematically showing a spectrometer according to another embodiment.
FIG. 11 is a plan view schematically showing the spectrometer according to FIG. 10 looking down from one direction.
Figure 12 is a perspective view schematically showing a spectrometer according to another embodiment.
Figure 13 is a diagram showing a split metasurface according to an embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing the nanostructure pattern of the split metasurface according to FIG. 13.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 메타표면을 포함하는 분광기에 대해 상세하게 설명한다. 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.Hereinafter, a spectroscope including a metasurface will be described in detail with reference to the attached drawings. The size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. Additionally, the embodiments described below are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments.

도 1은 일 실시예에 따른 분광기(100)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. Figure 1 is a cross-sectional view schematically showing a spectrometer 100 according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 분광기(100)는 포커싱 메타표면(111)을 포함하는 분광 광학계(110), 센서(120), 투명 기판(130) 및 슬릿(140) 을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the spectrometer 100 according to this embodiment may include a spectroscopic optical system 110 including a focusing metasurface 111, a sensor 120, a transparent substrate 130, and a slit 140. there is.

본 실시예에 따른 분광기(100)는 상대적으로 부피가 큰 종래의 광학 소자를 메타표면을 포함하는 평판 형태의 분광 광학계(110)로 대체할 수 있다. 광학 소자는 예를 들어, 콜리메이터, 프리즘 또는 그레이팅 패턴, 오목거울 등을 포함할 수 있다. 분광 광학계(110)는 상술한 광학 소자에 비해 가볍고, 부피가 작을 수 있다. The spectrometer 100 according to this embodiment can replace a relatively bulky conventional optical element with a flat spectroscopic optical system 110 including a metasurface. Optical elements may include, for example, collimators, prisms or grating patterns, concave mirrors, etc. The spectroscopic optical system 110 may be lighter and smaller in volume than the optical elements described above.

투명 기판(130)은 입사광에 대하여 투명한 굴절률이 작은 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 입사광은 가시광선, 적외선 및 자외선 영역 등의 광일 수 있고, 투명 기판(130)은 이러한 광에 대하여 투명성을 가질 수 있다. 투명성은 광이 투명 기판(130)의 내부를 진행함에 있어서 광 손실이 없거나 매우 적은 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 투명 기판(130)의 재료는 글래스재, 폴리머일 수 있다. 폴리머는 PMMA, PDMS, SU8 등을 포함할 수 있다. 폴리머로 형성된 투명 기판(130)은 유연성을 가질 수 있다. The transparent substrate 130 may be made of a material that is transparent to incident light and has a low refractive index. For example, the incident light may be light in the visible, infrared, and ultraviolet regions, and the transparent substrate 130 may be transparent to such light. Transparency may mean that there is no or very little light loss as light travels through the interior of the transparent substrate 130. For example, the material of the transparent substrate 130 may be glass or polymer. Polymers may include PMMA, PDMS, SU8, etc. The transparent substrate 130 made of polymer may have flexibility.

투명 기판(130)은 평판 형태를 가질 수 있다. 평판은 측면에 비해 상대적으로 넓이가 넓은 제 1 면 및 제 1 면과 마주하는 제 2 면을 포함할 수 있다. 평판은 제 1 면과 제 2 면을 연결하는 측면들을 포함할 수 있다. 평판은 평평한 형태의 판 뿐만 아니라 휘어진 형태의 판 형태도 포함할 수 있다. The transparent substrate 130 may have a flat shape. The flat plate may include a first side that is relatively wider than the side surface and a second side that faces the first side. The flat plate may include sides connecting the first side and the second side. Flat plates can include not only flat plates but also curved plates.

도 1을 참조하면, 분광 광학계(110)는 2차원 배열되는 복수의 나노구조체(ns)와 상기 복수의 나노구조체를 둘러싸는 주변체(sr)를 포함하는 적어도 하나의 메타표면을 포함할 수 있다. 복수의 나노구조체(ns) 및 복수의 나노구조체(ns)를 둘러 싸는 주변체(sr)를 포함 할 수 있다. 나노구조체(ns)는 메타표면의 내부에서 다양한 배열을 가질 수 있으며, 나노구조체(ns)의 다양한 배열에 따라 메타표면은 다양한 광학 소자로 기능할 수 있다. 예를 들어, 분광 광학계(110)는 콜리메이터(collimator), 그레이팅(grating) 소자, 포커싱 미러(focusing mirror) 등으로 기능하는 메타표면을 포함 할 수 있다. Referring to FIG. 1, the spectroscopic optical system 110 may include at least one metasurface including a plurality of nanostructures (ns) arranged in two dimensions and a peripheral body (sr) surrounding the plurality of nanostructures. . It may include a plurality of nanostructures (ns) and a peripheral body (sr) surrounding the plurality of nanostructures (ns). Nanostructures (ns) can have various arrangements inside the metasurface, and depending on the various arrangements of the nanostructures (ns), the metasurface can function as various optical elements. For example, the spectroscopic optical system 110 may include a metasurface that functions as a collimator, a grating element, a focusing mirror, etc.

나노구조체(ns)는 주변체(sr) 보다 굴절률이 클 수 있다. 투명 기판(130)보다 굴절률이 더 클 수 있다. 나노구조체(ns)와 주변체(sr)는 기판(sub) 상에 마련될 수 있으며, 나노구조체(ns)의 굴절률은 기판(sub) 보다 클 수 있다. 각 메타표면은 기판(sub) 상에 나노구조체(ns)와 주변체(sr)가 놓여진 형태를 가질 수도 있으나 기판(sub)은 메타표면 형성 후에 제거 될 수도 있다. 도면 상에 각 메타표면이 기판(sub)을 포함하는 것으로 도시되어도 이에 한정되는 것은 아니다.The nanostructure (ns) may have a higher refractive index than the surrounding material (sr). The refractive index may be greater than that of the transparent substrate 130. The nanostructure (ns) and the peripheral body (sr) may be provided on a substrate (sub), and the refractive index of the nanostructure (ns) may be greater than that of the substrate (sub). Each metasurface may have a nanostructure (ns) and a peripheral body (sr) placed on a substrate (sub), but the substrate (sub) may be removed after forming the metasurface. Although each metasurface is shown in the drawing as including a substrate (sub), it is not limited thereto.

나노구조체(ns)는 수신된 광을 고대비 굴절률 차이로 인해 일종의 약한 공진기와 같이 각 나노구조체(ns) 내부에 일시적으로 포획 할 수 있다. 나노구조체(ns)와 주변체(sr)와의 굴절률 대비가 클수록 나노구조체(ns)는 보다 오래, 그리고 나노구조체 내부에 보다 많이 광을 포획할 수 있다. 나노구조체(ns)가 포획하는 광의 파장영역은 각 나노구조체(ns) 마다 다를 수 있으며, 이를 공진 파장대라 할 수 있다. 나노구조체(ns)의 공진 파장대는 나노구조체(ns)의 형상, 크기, 굴절률에 따라 다를 수 있다. 각 나노구조체(ns)는 포획한 광을 다시 내보낼 수 있다. 나노구조체(ns)로부터 빠져나온 광은, 나노구조체(ns)의 형태에 따라 반사 혹은 투과와 같이 빠져나올 때의 위상이 상대적으로 달라질 수 있다. Nanostructures (ns) can temporarily trap received light inside each nanostructure (ns) like a kind of weak resonator due to the high-contrast refractive index difference. The greater the refractive index contrast between the nanostructure (ns) and the surrounding material (sr), the longer the nanostructure (ns) can trap light and the more light it can capture inside the nanostructure. The wavelength range of light captured by the nanostructure (ns) may be different for each nanostructure (ns), and can be referred to as the resonance wavelength range. The resonance wavelength band of the nanostructure (ns) may vary depending on the shape, size, and refractive index of the nanostructure (ns). Each nanostructure (ns) can re-emit the captured light. The phase of light exiting from the nanostructure (ns), such as reflection or transmission, may be relatively different depending on the shape of the nanostructure (ns).

나노구조체(ns)는 공진 파장보다 작은 길이의 차원 요소를 가질 수 있다. 예를 들어, 적외선이나 가시광선 영역의 광은 수백 nm의 파장을 가지므로, 가시광선을 송수신하기 위한 나노구조체(ns)의 차원 요소는 수백 nm 이하일 수 있다. 나노구조체(ns)의 차원 요소의 길이가 공진 파장 보다 작을 때, 광은 서브파장 산란(subwavelength scattering) 또는 서브파장 그레이팅(subwavelength grating) 될 수 있다. 차원 요소는, 나노구조체(ns)의 높이, 직경 등 나노구조체의 3차원적 형상의 한 길이 요소 등을 의미할 수 있다. 따라서, 복수의 나노구조체(ns)의 차원 요소 중 가장 긴 길이는 입사광의 파장 보다 작을 수 있다. 이러한 서브파장 산란 조건을 만족하는 나노구조체(ns)의 배열에 입사된 광은, 나노구조체(ns)의 형상, 체적 그리고 배열에 따라, 파장, 편광, 출사(또는 반사)각도 등의 광 특성이 변화될 수 있다. The nanostructure (ns) may have a dimensional element with a length smaller than the resonance wavelength. For example, since light in the infrared or visible light region has a wavelength of hundreds of nm, the dimensional element of the nanostructure (ns) for transmitting and receiving visible light may be hundreds of nm or less. When the length of the dimensional element of the nanostructure (ns) is smaller than the resonance wavelength, light may be subjected to subwavelength scattering or subwavelength grating. The dimensional element may refer to a length element of the three-dimensional shape of the nanostructure (ns), such as the height or diameter of the nanostructure (ns). Accordingly, the longest length among the dimensional elements of the plurality of nanostructures (ns) may be smaller than the wavelength of the incident light. The light incident on the array of nanostructures (ns) that satisfies these sub-wavelength scattering conditions has optical properties such as wavelength, polarization, and emission (or reflection) angle depending on the shape, volume, and arrangement of the nanostructures (ns). It can change.

나노구조체(ns)의 재료는 주변체(sr)에 비해 굴절률이 높은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(ns)의 재료는 c-Si, a-Si, p-Si, GaP, GaAs, SiC, TiO2, SiN, GaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는 예를 들어, 나노구조체(ns)는 금속으로 형성될 수도 있다. 금속으로 형성된 나노구조체(ns)는 주변체(sr)와의 관계에서 표면 플라즈몬 효과를 일으킬 수 있다.The material of the nanostructure (ns) may be formed of a material with a higher refractive index than the surrounding material (sr). For example, the material of the nanostructure (ns) may include at least one of c-Si, a-Si, p-Si, GaP, GaAs, SiC, TiO2, SiN, and GaN. Or, for example, the nanostructure (ns) may be formed of metal. A nanostructure (ns) formed of a metal can cause a surface plasmon effect in relationship with the surrounding material (sr).

주변체(sr) 및 투명 기판(130)은 나노구조체(ns)보다 굴절률이 작은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 주변체(sr) 및 투명기판(130)은 나노구조체(ns) 대비 굴절률이 1.5 보다 더 작을 수 있다. 주변체(sr)는 입사광에 대하여 투명한 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 주변체(sr)는 투명 기판(130)과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 주변체(sr)는 글래스재, 산화실리콘(SiO2)나 폴리머로 형성될 수 있다. 폴리머는 PMMA, PDMS, SU8 등을 포함할 수 있다. The peripheral body (sr) and the transparent substrate 130 may be formed of a material with a lower refractive index than the nanostructure (ns). For example, the peripheral body (sr) and the transparent substrate 130 may have a refractive index less than 1.5 compared to the nanostructure (ns). The peripheral body sr may be formed of a material that is transparent to incident light. For example, the peripheral body sr may be formed of the same material as the transparent substrate 130. For example, the peripheral body sr may be made of glass, silicon oxide (SiO 2 ), or polymer. Polymers may include PMMA, PDMS, SU8, etc.

주변체(sr)는 별도의 구성으로 형성되지 않고, 복수의 나노구조체(ns)가 배열되는 투명 기판(130)의 일부 영역 일 수 있다. The peripheral body sr may not be formed as a separate structure, but may be a partial area of the transparent substrate 130 where a plurality of nanostructures ns are arranged.

예를 들어, 투명 기판(130) 상에 집적 분광 광학계(110)를 형성하는 단계는 다음과 같을 수 있다. 첫번째 단계는, 투명기판(130) 상에 나노구조체(ns)의 재료를 증착 또는 도포할 수 있다. 두번째 단계는, 분광 광학계(110)이 형성될 일부 영역에 해당 나노구조체(ns)의 재료를 반도체 공정을 이용하여 특정 패턴으로 형성할 수 있다. 세번째 단계는, 투명기판(130)과 동일한 재료를 증착 또는 도포된 나노구조체(ns)의 재료 상에 증착 또는 도포하여, 나노구조체(ns)를 둘러싸는 주변체(sr)을 형성할 수 있다. 이러한 분광 광학계(110)의 형성 단계는 하나의 예시에 불과하며 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the step of forming the integrated spectroscopic optical system 110 on the transparent substrate 130 may be as follows. In the first step, the nanostructure (ns) material may be deposited or applied on the transparent substrate 130. In the second step, the nanostructure (ns) material may be formed into a specific pattern in a certain area where the spectroscopic optical system 110 will be formed using a semiconductor process. In the third step, the same material as the transparent substrate 130 may be deposited or applied onto the deposited or applied material of the nanostructure (ns) to form a peripheral body (sr) surrounding the nanostructure (ns). This step of forming the spectroscopic optical system 110 is only an example and is not limited thereto.

메타표면은 나노구조체(ns)의 배열에 따라 다양한 광학 소자의 기능을 가질 수 있다. 본 실시예에 따른 분광기(100)는 포커싱 메타표면(111)을 비롯하여 콜리메이팅 메타표면(도 2의 212), 그레이팅 메타표면(도 2의 212) 등 포함하는 분광 광학계(110)을 포함할 수 있다.Metasurfaces can have various optical device functions depending on the arrangement of nanostructures (ns). The spectrometer 100 according to this embodiment may include a spectroscopic optical system 110 including a focusing metasurface 111, a collimating metasurface (212 in FIG. 2), a grating metasurface (212 in FIG. 2), etc. there is.

포커싱 메타표면(111)은 포커싱 미러로 기능할 수 있다. 포커싱 메타표면(111)은 슬릿(140)으로 입사된 광을 각 파장 별로 다른 위치로 집광시켜, 분광이 되도록 센서(120)으로 입사시킬 수 있다. 도 2 및 3에서 이하 자세히 살피겠다.The focusing metasurface 111 may function as a focusing mirror. The focusing metasurface 111 can focus the light incident on the slit 140 to a different location for each wavelength and allow it to enter the sensor 120 to become spectral light. We will look at this in detail below in Figures 2 and 3.

센서(120)는 광을 파장 별로 수광할 수 있다. 센서(120)는 분광기에서 사용되는 공지의 수광 센서를 포함할 수 있다. 센서(120)는 광을 1차원 혹은 2차원으로 수광할 수 있는 CCD(charge coupled device), CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)또는 InGaAs 센서와 같은 공지의 픽셀화된 센서를 포함할 수 있다. The sensor 120 may receive light according to wavelength. The sensor 120 may include a known light receiving sensor used in a spectrometer. The sensor 120 may include a known pixelated sensor such as a charge coupled device (CCD), complementary metal-oxide semiconductor (CMOS), or InGaAs sensor that can receive light in one or two dimensions.

슬릿(140)은 투명 기판(130)으로 입사되는 광의 광량과 입사각을 조절할 수 있다. 예를 들어, 슬릿(140)은 후술할 차단막에 의해 차단되지 않는 일정 크기의 구멍일 수 있다. 예를 들어, 슬릿(140)은 입사광을 집광시킬 수 있는 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 이러한 렌즈도 나노구조체(ns) 및 주변체(rs)로 만들어진 투과형 메타표면 렌즈로 만들 수 있다. 또한, 슬릿(140)은 광의 유입량을 조절할 수 있도록 직경이 가변될 수 있다.The slit 140 can adjust the amount and angle of incidence of light incident on the transparent substrate 130. For example, the slit 140 may be a hole of a certain size that is not blocked by a blocking film, which will be described later. For example, the slit 140 may include a convex lens capable of concentrating incident light. These lenses can also be made as transmissive metasurface lenses made of nanostructures (ns) and peripheral elements (rs). Additionally, the slit 140 may have a variable diameter to adjust the amount of light entering.

분광기(100)는 외광을 차단하기 위한 차단막을 더 포함할 수 있다. 차단막은 투명 기판(130) 상에 배치되며, 슬릿(140) 이외의 영역으로는 광이 입사되지 않도록 흡수할 수 있다. 차단막은 자외선, 가시광선, 적외선 등의 광을 반사하거나 흡수하는 재질을 가질 수 있다. 예를 들어, 차단막은 금속 재질을 가져 외부광을 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 차단막은 카본 블랙과 같은 광흡수 재질을 가져 광을 흡수할 수 있다. 차단막은 슬릿(140)로 입사되는 광을 제외한 나머지 외부광의 유입을 차단하여, 분광기(100)의 분광 효능을 향상시킬 수 있다. 차단막은 슬릿(140)를 제외한 나머지 투명 기판(130)을 둘러싸도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 차단막은 투명 기판(130)의 외부면을 상기 금속 재질로 코팅하여 형성될 수 있다. 요컨대, 차단막은 분광기(100)로 유입되는 외부광을 차단하는 것으로 족하며, 구체적인 구성이나 재질은 한정하지 않는다. The spectrometer 100 may further include a blocking film to block external light. The blocking film is disposed on the transparent substrate 130 and can absorb light so that it does not enter areas other than the slit 140. The blocking film may have a material that reflects or absorbs light such as ultraviolet rays, visible rays, and infrared rays. For example, the blocking film may be made of a metal material and reflect external light. For example, the blocking film can absorb light using a light-absorbing material such as carbon black. The blocking film blocks the inflow of external light other than the light incident on the slit 140, thereby improving the spectral efficiency of the spectrometer 100. The blocking film may be provided to surround the transparent substrate 130 except for the slit 140. For example, the blocking film may be formed by coating the outer surface of the transparent substrate 130 with the metal material. In short, the blocking film is sufficient to block external light flowing into the spectroscope 100, and its specific composition or material is not limited.

본 실시예에 따른 분광기(100)는 분광광학계(110)로 포커싱 메타표면(111)만을 포함하므로, 간이한 구성을 가져 체적이 작을 수 있다.Since the spectrometer 100 according to this embodiment includes only the focusing metasurface 111 as the spectroscopic optical system 110, it has a simple structure and can have a small volume.

도 2은 일 실시예에 따른 포커싱 메타표면(111)을 나타내는 도면이다. 도 3은 다른 실시예에 따른 포커싱 메타표면(111')을 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a focusing metasurface 111 according to an embodiment. FIG. 3 is a diagram showing a focusing metasurface 111' according to another embodiment.

도 2를 참조하면, 포커싱 메타표면(111)은 상술한 포커싱 미러로서 기능하는 나노구조체(ns)의 배열을 포함할 수 있다. 복수의 나노구조체(ns)는 포커싱 메타표면(111) 상의 일 지점으로부터 거리가 멀어짐에 따라 단면의 직경이 점차 감소하거나 또는 증가하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노구조체(ns)는 중심부터 중심까지의 거리는 일정하도록 배열되고, 듀티 비율이 일 지점으로부터 멀어짐에 따라 감소하도록 배열 될 수 있다. 일 지점으로부터 가장 가깝게 위치하는 나노구조체(ns)의 직경을 f0라 하고, 그로부터 차례대로 멀리 위치한 나노구조체(ns)의 각 직경을 f1, f2, 및 f3이라 할 때, 직경 f0, f1, f2 및 f3 는 f0 > f1 > f2 > f3 의 관계를 만족할 수 있다. f0 > f1 > f2 > f3 의 관계를 만족하는 나노구조체(ns)의 군을 환형 영역이라 부를 수 있으며, 포커싱 메타표면(111)은 적어도 하나의 환형 영역을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the focusing metasurface 111 may include an array of nanostructures (ns) that function as the focusing mirror described above. The plurality of nanostructures (ns) may be arranged so that the cross-sectional diameter gradually decreases or increases as the distance from one point on the focusing metasurface 111 increases. For example, the plurality of nanostructures (ns) may be arranged so that the distance from center to center is constant and the duty ratio decreases as the distance from one point increases. When the diameter of the nanostructure (ns) located closest to a point is f 0 and the respective diameters of the nanostructures (ns) located sequentially farther from it are f 1 , f 2 , and f 3 , the diameter f 0 , f 1 , f 2 and f 3 can satisfy the relationship f 0 > f 1 > f 2 > f 3 . A group of nanostructures (ns) that satisfy the relationship f 0 > f 1 > f 2 > f 3 may be called an annular region, and the focusing metasurface 111 may include at least one annular region.

도 3을 참조하면, 포커싱 메타표면(111')은 포커싱 메타표면(111') 상의 일 지점으로부터 거리가 멀어짐에 따라 나노구조체(ns) 단면의 직경이 점차 작아지는 복수의 환형 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 포커싱 메타표면(111')은 중심에서부터 멀어짐에 따라, 제 1 환형영역 및 제 2 환형영역을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, the focusing metasurface 111' may include a plurality of annular regions where the diameter of the cross section of the nanostructure (ns) gradually decreases as the distance from a point on the focusing metasurface 111' increases. there is. For example, the focusing metasurface 111' may include a first annular region and a second annular region as it moves away from the center.

포커싱 메타표면(111')를 B-B'방향을 따라 본 단면도에 있어서, 포커싱 메타표면(111')에서 송출되는 광의 위상은 제 1 환형영역과 제 2 환형영역 사이에서 2pi만큼 위상 천이가 생길 수 있다. In the cross-sectional view of the focusing metasurface 111' along the B-B' direction, the phase of light emitted from the focusing metasurface 111' has a phase shift of 2pi between the first annular region and the second annular region. You can.

포커싱 메타표면(111, 111')은 나노구조체의 직경 및 나노구조체 간의 거리, 나노구조체의 단면의 형태, 재질, 듀티 비율, 및 환형 영역 등의 형태를 조절하여 포커싱 되는 광의 모양, 각도 및 색분산 등 다양한 광 특성을 조절할 수 있다.The focusing metasurface (111, 111') adjusts the shape, angle, and chromatic dispersion of the focused light by adjusting the diameter of the nanostructure, the distance between nanostructures, the shape of the cross section of the nanostructure, the material, duty ratio, and annular region. Various light characteristics can be adjusted.

도 4은 다른 실시예에 따른 분광기(200)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. Figure 4 is a cross-sectional view schematically showing a spectrometer 200 according to another embodiment.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 분광기(200)는 콜리메이팅 메타표면(212), 그레이팅 메타표면(213)을 더 포함하는 분광 광학계(210)를 포함할 수 있다. 분광기(100)와 중복되는 구성요소에 관한 설명은 생략하도록 한다.Referring to FIG. 4, the spectrometer 200 according to this embodiment may include a spectroscopic optical system 210 that further includes a collimating metasurface 212 and a grating metasurface 213. Descriptions of components that overlap with the spectrometer 100 will be omitted.

콜리메이팅 메타표면(212)은 광편향기(deflector) 및 콜리메이터(collimator)로 기능할 수 있다. 콜리메이팅 메타표면(212)은 슬릿(140)를 통해 입사되는 광의 파면(wavefront)을 평면파로 만들어 광의 확산을 방지 하도록 콜리메이팅하여 반사회절 시키며, 이를 그레이팅 메타표면(213)으로 향하도록 특정한 각도만큼 편향시킬 수 있다. The collimating metasurface 212 may function as a light deflector and collimator. The collimating metasurface 212 converts the wavefront of light incident through the slit 140 into a plane wave, collimates and reflects and diffracts the light to prevent diffusion, and directs it at a specific angle to the grating metasurface 213. It can be biased.

콜리메이팅 메타표면(212)은 그레이팅 메타표면(213)와 포커싱 메타표면(111)의 성질을 적절히 혼합하여 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 콜리메이팅 메타표면(212)은 슬릿(140)을 통해 입사하는 빛의 형태(파면의 모양 및 세기 분포)와 콜리메이팅 메타표면(212)에서 반사되어 특정방향으로 진행해 가는 평면파의 형태를 미리 정할 수 있다. 이를 바탕으로, 콜리메이팅 메타표면(212) 위치할 평면 상의 위치를 기준으로 콜리메이팅 메타표면이 가져야하는 반사 위상분포를 정할 수 있다. 반사 위상분포는 일종의 홀로그램의 단면에 해당할 수 있다. 예를 들어, 입사광의 파면이 발산(diverging)하는 구형파와 유사할 경우, 콜리메이팅 메타표면(212)은 오목 미러 역할을 하는 메타표면의 위상분포와 평면파 입사빔을 특정 방향으로 회절을 시키는 그레이팅 메타표면의 위상분포가 서로 더해진 형태의 위상분포를 가질 수 있다.The collimating metasurface 212 can be created by appropriately mixing the properties of the grating metasurface 213 and the focusing metasurface 111. For example, the collimating metasurface 212 reflects the form of light incident through the slit 140 (wavefront shape and intensity distribution) and the form of a plane wave that is reflected from the collimating metasurface 212 and proceeds in a specific direction. can be determined in advance. Based on this, the reflection phase distribution that the collimating metasurface 212 should have can be determined based on the location on the plane where the collimating metasurface 212 is to be located. The reflection phase distribution may correspond to the cross section of a kind of hologram. For example, when the wavefront of the incident light is similar to a diverging square wave, the collimating metasurface 212 is a grating meta that diffracts the phase distribution and plane wave incident beam in a specific direction of the metasurface, which acts as a concave mirror. The phase distribution of the surface may be added to each other.

그레이팅 메타표면(213)은 그레이팅 소자로 기능할 수 있다. 그레이팅 메타표면(213)은 광을 파장에 따라 다른 각도로 반사시키며 회절 시킬 수 있다. 그레이팅 메타표면(213)의 나노구조체의 배열은 이하의 도 6 내지 도8에서 자세히 살피겠다. The grating metasurface 213 may function as a grating element. The grating metasurface 213 can reflect and diffract light at different angles depending on the wavelength. The arrangement of the nanostructures of the grating metasurface 213 will be examined in detail in FIGS. 6 to 8 below.

슬릿(140)에서부터, 광을 수광하는 센서(120)에 도달하기 까지 광 경로의 평균적인 길이를 L이라 할 때, L이 길수록 분광기의 분광 성능이 향상될 수 있다. 광 경로의 길이는 각 파장별 광에 따라 다소 차이가 날 수 있으므로, L은 중간 파장인 광의 광 경로의 길이로 정의하겠다. If the average length of the optical path from the slit 140 to the sensor 120 that receives the light is L, the longer L is, the better the spectral performance of the spectrometer can be. Since the length of the optical path may vary slightly depending on the light of each wavelength, L will be defined as the length of the optical path of light of an intermediate wavelength.

L이 길수록 분광기의 분광 효능이 향상되는 원리에 대해 살피겠다. 상기 콜리메이팅, 그레이팅, 및 포커싱 메타표면 소자들은 나노구조체들로 이루어져 있어서 서로 다른 파장의 빛이 다른 각도로 반사 회절되는 색분산(chromatic dispersion) 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 소자들을 통과해 오는 서로 다른 각 파장에 따른 광이 센서(120)의 충분히 서로 다른 위치(픽셀)에 입사될 때, 분광 분해능(입사파장간격/픽셀크기)이 증대될 수 있다. 즉, 파장별 회절각이 다른 메타표면 소자들의 색분산 특성이 전체 광 경로가 커질수록 센서에서 더 큰 파장별 빛의 초점 위치 차이를 만드는 것이다. 분광기는 광 경로의 평균적인 길이 L이 클수록 더 미세한 파장간 회절각 차이도 분해할 수 있어, 분광기(200)의 분광 효능이 클 수 있다. 본 실시예에 따른 분광기(200)는 광학 소자를 얇은 평판 형태의 메타표면으로 대체하여 투명 기판(130)의 두께 d에 비하여, 광 경로의 평균적인 길이 L을 충분히 길게 만들 수 있으므로, 분광 효능을 충분히 확보할 수 있다. 예를 들어, 분광기(200)는 다음의 관계식을 만족할 수 있다.We will look at the principle that the longer L, the better the spectral efficiency of the spectrometer. The collimating, grating, and focusing metasurface elements are made of nanostructures, so they can have chromatic dispersion characteristics in which light of different wavelengths is reflected and diffracted at different angles. Accordingly, when light with different wavelengths passing through these elements is incident on sufficiently different positions (pixels) of the sensor 120, spectral resolution (incident wavelength interval/pixel size) can be increased. In other words, the chromatic dispersion characteristics of metasurface elements with different diffraction angles for each wavelength create a larger difference in the focus position of light for each wavelength in the sensor as the overall optical path increases. As the average length L of the optical path increases, the spectrometer can resolve even finer differences in diffraction angles between wavelengths, thereby increasing the spectral efficiency of the spectrometer 200. The spectrometer 200 according to this embodiment replaces the optical element with a thin flat metasurface and can make the average length L of the optical path sufficiently long compared to the thickness d of the transparent substrate 130, thereby improving the spectral efficiency. You can secure enough. For example, the spectrometer 200 may satisfy the following relationship.

[수학식 1][Equation 1]

L/d > 3L/d > 3

본 실시예에 따른 분광기(200)는 수학식 1을 만족하기 위한 분광광학계(210)의 배치 및 차원요소를 가질 수 있다. 수학식 1을 만족하는 분광기(200)는 분광 효능이 높을 수 있다. 그레이팅 메타표면(213)은 분광기(200)로 입사된 광의 광경로의 길이 L을 향상시킬 수 있다.The spectrometer 200 according to this embodiment may have the arrangement and dimensional elements of the spectroscopic optical system 210 to satisfy Equation 1. The spectrometer 200 that satisfies Equation 1 may have high spectral efficiency. The grating metasurface 213 can improve the length L of the optical path of light incident on the spectrometer 200.

도 5a 내지 5d는 나노구조체의 개략적인 형상을 나타내는 사시도이다. Figures 5a to 5d are perspective views showing the schematic shape of the nanostructure.

도 5a 내지 5d를 참조하면, 복수의 나노구조체(ns)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 나노구조체(ns)는 기둥 형상(pillar structure)을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(ns)는 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 중 어느 한 형태의 단면을 가질 수 있다. 나노구조체(ns)는 메타표면을 만들 때, 2차원 표면상에서 다양한 단면 형태와과 높이 분포를 가질 수 있다. Referring to FIGS. 5A to 5D, the plurality of nanostructures (ns) may have various shapes. The nanostructure (ns) may have a pillar shape. For example, the nanostructure (ns) may have a cross-section of any one of circular, oval, rectangular, and square shapes. When creating a metasurface, nanostructures (ns) can have various cross-sectional shapes and height distributions on a two-dimensional surface.

도 6는 일 실시예에 따른 그레이팅 메타표면(213)을 나타내는 도면이다. 도 7는 도 6에 따른 그레이팅 메타표면(213)의 그레이팅 효율을 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a grating metasurface 213 according to an embodiment. FIG. 7 is a graph showing the grating efficiency of the grating metasurface 213 according to FIG. 6.

도 6를 참조하면, 나노구조체(ns)의 배열은 그레이팅 메타표면(213)의 나노구조체(ns)의 배열에 해당할 수 있다. Referring to FIG. 6, the arrangement of the nanostructures (ns) may correspond to the arrangement of the nanostructures (ns) of the grating metasurface 213.

나노구조체(ns)의 차원 요소의 길이가 각 나노구조체(ns)의 공진 파장 보다 작을 때, 나노구조체(ns)에 입사되는 광은 서브파장 그레이팅 될 수 있음은 상술한 바와 같다. 따라서, 그레이팅 메타표면(213)의 나노구조체(ns)의 배열은 동일한 단면 형태 및 단면적 크기를 가지는 나노구조체(ns)가 일정한 주기로 반복적으로 배열될 수 있다. 주기는 인접한 나노구조체(ns)의 중심에서 중심까지의 거리를 나타낸다. 이러한 주기는 공진 파장보다 작다. 그레이팅 메타표면(112)의 파장 분해 효과는, 모든 파장 영역의 광에 대하여 동일한 효율을 가지는 것이 아니며, 각 나노구조체(ns)의 단면의 형태, 단면적의 크기, 나노구조체(ns)간의 간격에 따라 다른 파장별 회절 효율을 가질 수 있다. As described above, when the length of the dimensional element of the nanostructure (ns) is smaller than the resonance wavelength of each nanostructure (ns), the light incident on the nanostructure (ns) may be sub-wavelength grated. Accordingly, the nanostructures (ns) of the grating metasurface 213 may be arranged repeatedly at regular intervals, with nanostructures (ns) having the same cross-sectional shape and cross-sectional size. The period represents the distance from the center of the adjacent nanostructure (ns) to the center. This period is smaller than the resonant wavelength. The wavelength decomposition effect of the grating metasurface 112 does not have the same efficiency for light in all wavelength ranges, and depends on the cross-sectional shape of each nanostructure (ns), the size of the cross-sectional area, and the spacing between nanostructures (ns). It can have diffraction efficiency for different wavelengths.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 나노구조체(ns)의 배열은 y축 방향을 따라 주기적으로 반복되는 제 1-1 패턴과, 제 1-2 패턴을 포함할 수 있다. 제 1-1 패턴과 제 1-2 패턴은 일 예시에 불과하며, 추가 패턴을 더 포함할 수 있다. 설명의 편리상 제 1-1과 제 1-2 패턴을 포함하는 실시예에 대해서 하기와 같이 기술한다.Referring to FIG. 6, the arrangement of nanostructures (ns) according to this embodiment may include a 1-1 pattern and a 1-2 pattern that are periodically repeated along the y-axis direction. The 1-1 pattern and the 1-2 pattern are just examples, and additional patterns may be included. For convenience of explanation, an embodiment including the 1-1 and 1-2 patterns will be described as follows.

제 1-1 패턴은 y축 방향으로 주기적으로 반복되는 복수의 나노구조체(ns)를 포함할 수 있다. 제 1-1 패턴을 구성하는 복수의 나노구조체(ns)의 단면의 크기 및 형태는 서로 동일할 수 있다. 제 1-1 패턴의 듀티 비율은 일정할 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노구조체(ns)는 거리 l1 만큼 주기적으로 반복될 수 있다. The 1-1 pattern may include a plurality of nanostructures (ns) that are periodically repeated in the y-axis direction. The cross-sectional sizes and shapes of the plurality of nanostructures (ns) constituting the 1-1 pattern may be the same. The duty ratio of the 1-1 pattern may be constant. For example, a plurality of nanostructures (ns) may be periodically repeated by a distance l 1 .

제 1-2 패턴은 y축 방향으로 주기적으로 반복되는 복수의 나노구조체(ns)를 포함할 수 있다. 제 1-2패턴을 구성하는 복수의 나노구조체(ns)의 단면의 크기 및 형태는 서로 동일할 수 있다. 제 1-2 패턴의 듀티 비율은 일정할 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노구조체(ns)는 거리 l2 만큼 주기적으로 반복될 수 있다. 제 1-1 패턴을 구성하는 복수의 나노구조체(ns)의 단면과 제 1-2 패턴을 구성하는 복수의 나노구조체(ns)의 단면은 서로 동일한 크기를 가지거나 또는 서로 상이한 크기를 가질 수 있다. The 1-2 pattern may include a plurality of nanostructures (ns) that are periodically repeated in the y-axis direction. The cross-sectional sizes and shapes of the plurality of nanostructures (ns) constituting the 1-2 pattern may be the same. The duty ratio of the 1st and 2nd patterns may be constant. For example, a plurality of nanostructures (ns) may be periodically repeated by a distance l 2 . The cross sections of the plurality of nanostructures (ns) constituting the 1-1 pattern and the cross sections of the plurality of nanostructures (ns) constituting the 1-2 pattern may have the same size or different sizes. .

거리 l1 과 거리 l2 는 서로 동일할 수 있다. 제 1-1 패턴과 제 1-2 패턴의 듀티비율(duty ratio)은 서로 일치하거나 또는 일치하지 않을 수 있다. 제 1-1 패턴과 제 1-2 패턴의 듀티비율 및 나노구조체(ns) 높이 등 형태를 조절하여, 그레이팅 패턴의 대응 파장 영역을 조절할 수 있다.Distance l 1 and distance l 2 may be equal to each other. The duty ratios of the 1-1 pattern and the 1-2 pattern may or may not match each other. By adjusting the shape of the 1-1 pattern and the 1-2 pattern, such as the duty ratio and the height of the nanostructure (ns), the corresponding wavelength region of the grating pattern can be adjusted.

제 1-1 패턴과 제 1-2 패턴은 x축 방향을 따라 서로 번갈아가며 반복되도록 배열될 수 있다. 제 1-1 패턴과 제 1-2 패턴의 나노구조체들은 x축 방향을 따라 서로 열맞춰(align)있거나 또는 서로 어긋나(shifted) 배열 될 수 있다. 예를 들어, 제 1-1 패턴과 제 1-2 패턴을 구성하는 복수의 나노구조체(ns)의 일부가 육각 패턴을 가지도록 어긋나게 배열될 수 있다. 예를 들어, 육각패턴을 구성하는 복수의 나노구조체(ns)들은 육각패턴을 구성하는 각 나노구조체(ns)들의 중심부를 연결하면 정육각형이 되도록 배열될 수 있다.The 1-1 pattern and the 1-2 pattern may be arranged to alternately repeat each other along the x-axis direction. The nanostructures of the 1-1 pattern and the 1-2 pattern may be arranged aligned with each other or shifted from each other along the x-axis direction. For example, some of the plurality of nanostructures (ns) constituting the 1-1 pattern and the 1-2 pattern may be arranged misaligned to have a hexagonal pattern. For example, a plurality of nanostructures (ns) constituting a hexagonal pattern may be arranged to form a regular hexagon by connecting the centers of each nanostructure (ns) constituting the hexagonal pattern.

x축 방향 및 y축 방향을 따라서 반복되는 육각 패턴을 가지는 나노구조체(ns)의 배열은, 서로 얼라인되는 패턴을 가지는 나노구조체(ns)의 배열에 비해 높은 그레이팅 효율을 가질 수 있다.An array of nanostructures (ns) having a hexagonal pattern repeated along the x-axis and y-axis directions may have higher grating efficiency than an array of nanostructures (ns) having patterns that are aligned with each other.

도 7을 참조하면, 그래프의 x축은 광의 파장, 그래프의 y축은 그레이팅 효율(%)을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 4에 따른 나노구조체(ns) 배열은 820 nm ~ 870 nm의 파장영역의 광에 대하여 55% 이상의 그레이팅 효율을 가질 수 있다. Referring to FIG. 7, the x-axis of the graph may represent the wavelength of light, and the y-axis of the graph may represent grating efficiency (%). For example, the nanostructure (ns) array according to FIG. 4 may have a grating efficiency of 55% or more for light in the wavelength range of 820 nm to 870 nm.

도 8은 다른 실시예에 따른 그레이팅 메타표면(213')을 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면, 그레이팅 메타표면(213')의 평면도와 평면도 상의 A-A' 방향으로 바라본 단면도가 도시되어있다. 그레이팅 메타표면(213')은 x축 방향으로 단면적이 점차 감소하거나 또는 증가하도록 배열되는 복수의 나노구조체(ns)를 포함하는 제 2 패턴을 포함할 수 있다.Figure 8 is a diagram showing a grating metasurface 213' according to another embodiment. Referring to FIG. 8, a plan view of the grating metasurface 213' and a cross-sectional view viewed in the direction A-A' on the plan view are shown. The grating metasurface 213' may include a second pattern including a plurality of nanostructures (ns) arranged so that the cross-sectional area gradually decreases or increases in the x-axis direction.

제 2 패턴은 x축을 따라 동일한 간격 l3을 가지고 주기적으로 반복될 수 있다. 예를 들어, 제 2 패턴은 +x축 방향을 따라, 좌측에서 우측 방향을 기준으로, 단면적이 점차 감소하는 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 2 패턴은 직경이 각각 e0, e1, e2, e3인 나노구조체(ns)를 포함할 수 있으며, 직경은 e0 > e1 > e2 > e3 와 같은 관계를 만족할 수 있다. 예를 들어, 이와 같은 직경들은 l3 간격 내에서 각 나노구조체(ns)에서 반사되어 나오는 빛의 위상을 0에서 2pi 사이에서 동일한 간격으로 샘플링하도록(예를 들어, 0, pi/2, pi, 3pi/2) 설계될 수 있다. 이러한 구조를 가지는 그레이팅 메타표면(213')은 2pi/l3 만큼의 모멘텀을 +x방향으로 줄 수 있다. 입사광은 입사할 때 가지는 모멘텀에 상기 모멘텀을 받은 만큼 우측방향으로 편향되어서 반사회절시킬 수 있다. The second pattern may be repeated periodically with equal intervals l 3 along the x-axis. For example, the second pattern may be a pattern in which the cross-sectional area gradually decreases from left to right along the +x-axis direction. For example, the second pattern may include nanostructures (ns) with diameters e 0 , e 1 , e 2 , and e 3 , respectively, and the diameters have the following relationship: e 0 > e 1 > e 2 > e 3 can be satisfied. For example, these diameters are such that the phase of light reflected from each nanostructure (ns) within the l 3 interval is sampled at equal intervals between 0 and 2pi (e.g., 0, pi/2, pi, 3pi/2) can be designed. The grating metasurface 213' having this structure can provide a momentum of 2pi/l 3 in the +x direction. Incident light can be reflected and diffracted by being deflected to the right in proportion to the momentum it has when entering the light.

제 2 패턴은 y축을 따라 주기적으로 반복될 수 있다. 제 2 패턴은 y축을 따라 서로 얼라인 되거나 또는 미스 얼라인 되도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 2 패턴은 y축 방향을 따라서 동일한 단면적을 가지는 나노구조체(ns)들이 서로 얼라인 열맞춰서 주기적으로 반복되게 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 2 패턴은 y축 방향을 따라서 서로 다른 단면적을 가지는 나노구조체(ns)들끼리 육각 패턴을 형성하도록 서로 어긋나서 주기적으로 반복 배열될 수 있다. The second pattern may repeat periodically along the y-axis. The second patterns may be arranged to be aligned or misaligned with each other along the y-axis. For example, the second pattern may be arranged so that nanostructures (ns) having the same cross-sectional area along the y-axis direction are aligned and periodically repeated with each other. For example, in the second pattern, nanostructures (ns) having different cross-sectional areas along the y-axis direction may be periodically and repeatedly arranged with each other offset to form a hexagonal pattern.

도 9는 다른 실시예에 따른 분광기(300)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 본 실시예에 따른 분광기(300)는 수차조절 메타표면(314)를 제외하고는 도 2에 따른 분광기(200)와 실질적으로 동일한 구성을 가지는 바 중복되는 설명은 이하 생략한다. Figure 9 is a cross-sectional view schematically showing a spectrometer 300 according to another embodiment. The spectrometer 300 according to this embodiment has substantially the same configuration as the spectrometer 200 according to FIG. 2 except for the aberration control metasurface 314, so overlapping descriptions will be omitted below.

도 9 을 참조하면, 광은 슬릿(140)를 통과하여 투명 기판(130)에 입사하며, 콜리메이팅 메타표면(212), 그레이팅 메타표면(213), 포커싱 메타표면(111) 및 수차조절 메타표면(314)을 차례로 지나 센서(120)에 수광될 수 있다. 수차조절 메타표면(314)의 도입으로, 분광기(300)의 광 경로의 길이 l 이 증가될 수 있다. 수차조절 메타표면(314)은 포커싱 메타표면(111)에 의해 포커싱되는 다양한 파장의 광이 센서(120)의 각 해당파장 픽셀의 위치로 입사되도록, 수차를 보정하는 기능을 가질 수 있다. Referring to FIG. 9, light passes through the slit 140 and enters the transparent substrate 130, collimating metasurface 212, grating metasurface 213, focusing metasurface 111, and aberration control metasurface. The light may sequentially pass through 314 and be received by the sensor 120. With the introduction of the aberration control metasurface 314, the length l of the optical path of the spectrometer 300 can be increased. The aberration control metasurface 314 may have a function to correct aberration so that light of various wavelengths focused by the focusing metasurface 111 is incident on the position of each corresponding wavelength pixel of the sensor 120.

예를 들어, 포커싱 메타표면(111)은 광이 나노구조체(ns)에 입사되어 굴절된다는 점에서 렌즈의 특성도 가질 수 있다. 예를 들어, 포커싱 메타표면(111)을 통과한 광은 색수차, 구면수차 및 비점수차 등으로 인해 센서(120)에 맺힐 때의 상의 위치가 어긋날 수 있다. 이러한 수차는 센서(120)의 분광 효능을 감소시킬 수 있다. 수차조절 메타표면(314)은 수차 조절(aberration control) 기능을 가지기 위한 나노구조체(ns)의 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 수차조절 메타표면(214)은 상술한 포커싱 메타표면(111)의 나노구조체 배열이나, 약한 볼록 혹은 오목 렌즈의 기능을 가지는 나노구조체 배열을 가질 수 있다. For example, the focusing metasurface 111 may also have the characteristics of a lens in that light is incident on the nanostructure (ns) and refracted. For example, when light passing through the focusing metasurface 111 is focused on the sensor 120, the position of the image may be misaligned due to chromatic aberration, spherical aberration, and astigmatism. These aberrations may reduce the spectral efficacy of sensor 120. The aberration control metasurface 314 may have an array of nanostructures (ns) to have an aberration control function. For example, the aberration control metasurface 214 may have the nanostructure array of the focusing metasurface 111 described above, or a nanostructure array that functions as a weak convex or concave lens.

도 10은 또 다른 실시예에 따른 분광기(400)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 11은 도 10에 따른 분광기(400)를 일 방향에서 내려다본 모습을 개략적으로 나타내는 평면도이다.Figure 10 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope 400 according to another embodiment. FIG. 11 is a plan view schematically showing the spectroscope 400 according to FIG. 10 when viewed from one direction.

도 10를 참조하면, 본 실시에 따른 분광기(400)는 콜리메이팅 메타표면(411), 그레이팅 메타표면(412), 포커싱 메타표면(413) 및 센서(420)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 10, the spectrometer 400 according to this embodiment may include a collimating metasurface 411, a grating metasurface 412, a focusing metasurface 413, and a sensor 420.

슬릿(440)을 기준으로, z 방향으로 아래에 콜리메이팅 메타표면(411)이 마련될 수 있다. 콜리메이팅 메타표면(411)을 기준으로 x축 방향 및 z축 방향으로 일정 거리에 그레이팅 메타표면(412)이 마련될 수 있다. 그레이팅 메타표면(412)을 기준으로 y축 방향 및 z축 방향으로 소정의 거리에 포커싱 메타표면(413)이 마련될 수 있다. 포커싱 메타표면(413)을 기준으로 x축 방향 및 z 축 방향으로 소정의 거리에 센서(420)이 마련될 수 있다. 광은 슬릿(440)를 통해 투명 기판(430)에 입사되어, 콜리메이팅 메타표면(411), 그레이팅 메타표면(412) 및 포커싱 메타표면(413)를 통과하여 센서(420)에 수광 될 수 있다. Based on the slit 440, a collimating metasurface 411 may be provided below in the z direction. A grating metasurface 412 may be provided at a certain distance in the x-axis direction and the z-axis direction based on the collimating metasurface 411. A focusing metasurface 413 may be provided at a predetermined distance in the y-axis direction and the z-axis direction based on the grating metasurface 412. The sensor 420 may be provided at a predetermined distance in the x-axis direction and the z-axis direction based on the focusing metasurface 413. Light may be incident on the transparent substrate 430 through the slit 440, pass through the collimating metasurface 411, grating metasurface 412, and focusing metasurface 413 and be received by the sensor 420. .

마찬가지로, 포커싱 메타표면(413)은 포커싱 메타표면(도 1의 313)과 실질적으로 동일한 포커싱 기능을 가지되, 광에 일정 방향으로 광 모멘텀을 부가하는 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 포커싱 메타표면(413)은 x-y 평면 상에 나노구조체들이 사선 형태로 배열되는 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 그레이팅 메타표면(412)은 y = a1 *(-x) + a2 의 함수 형태를 만족하는 선 상에 나노구조체들이 주기적으로 배열되도록 배열될 수 있다. 여기서, a1, a2는 임의의 유리수 일 수 있다.Likewise, the focusing metasurface 413 has substantially the same focusing function as the focusing metasurface (313 in FIG. 1), but may have a function of adding optical momentum to light in a certain direction. For example, the focusing metasurface 413 may include a pattern in which nanostructures are arranged in a diagonal shape on the xy plane. For example, the grating metasurface 412 may be arranged so that nanostructures are periodically arranged on a line that satisfies the function form y = a 1 *(-x) + a 2 . Here, a 1 and a 2 may be any rational numbers.

콜리메이팅 메타표면(411), 그레이팅 메타표면(412), 포커싱 메타표면(413) 및 센서(420)는 3차원적으로 배열될 수 있다. 메타 표면의 3차원적 배열은 분광기(400)에 마련되는 각 메타표면의 중심을 연결한 선이 3차원 형상을 이루는 것을 의미할 수 있다. 3차원 배열되는 메타표면을 포함하는 분광기(400)는 부피 대비 광 경로의 길이를 길게 할 수 있어 분광 효능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 콜리메이팅 메타표면(411)과 그레이팅 메타표면(412)이 투명 기판(430)의 일 측면에 가깝게 위치할 때, 포커싱 메타표면(413)과 센서(414)는 상기 일측면과 마주하는 타 측면에 더 가깝게 배치될 수 있다. The collimating metasurface 411, grating metasurface 412, focusing metasurface 413, and sensor 420 may be arranged three-dimensionally. The three-dimensional arrangement of the metasurface may mean that the lines connecting the centers of each metasurface provided in the spectrometer 400 form a three-dimensional shape. The spectrometer 400 including a three-dimensionally arranged metasurface can increase the length of the optical path relative to the volume, thereby improving spectral efficiency. For example, when the collimating metasurface 411 and the grating metasurface 412 are located close to one side of the transparent substrate 430, the focusing metasurface 413 and the sensor 414 face the one side. It can be placed closer to the other side.

그레이팅 메타표면(412)은 도 1의 그레이팅 메타표면(도 2의 213)과 실질적으로 동일한 그레이팅 기능을 가질 수 있다. 다만, 메타표면이 3차원 배열되는 것에 대응하여 광 경로 역시 3차원적으로 형성되어야 한다. 이에 그레이팅 메타표면(312) 및 포커싱 메타표면(313)은 입사광이 반사되어 나올 때 예를 들어 수평방향으로 90도 만큼방향을 틀어주는 광 모멘텀을 부가하는 기능을 가질 수 있다. 광 모멘텀은 광의 직진성을 관성의 관점에서 서술하는 표현이다. 예를 들어, 그레이팅 메타표면(412) x-y 평면에서 나노구조체들이 사선 형태로 주기성을 가지고 배열되는 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 그레이팅 메타표면(412)은 y = b1 * x + b2 의 함수 형태를 만족하는 선 상에 나노구조체들이 주기성을 가지도록 배열될 수 있다. 여기서, b1, b2는 임의의 실수 일 수 있다.The grating metasurface 412 may have substantially the same grating function as the grating metasurface 213 in FIG. 1 (213 in FIG. 2). However, in response to the three-dimensional arrangement of the metasurface, the optical path must also be formed three-dimensionally. Accordingly, the grating metasurface 312 and the focusing metasurface 313 may have a function of adding optical momentum that changes the direction of the incident light by, for example, 90 degrees in the horizontal direction when it is reflected. Light momentum is an expression that describes the straight motion of light from the perspective of inertia. For example, the grating metasurface 412 may include a pattern in which nanostructures are periodically arranged in a diagonal shape in the xy plane. For example, the grating metasurface 412 may be arranged so that nanostructures have periodicity along a line that satisfies the function form y = b 1 * x + b 2 . Here, b 1 and b 2 may be arbitrary real numbers.

도 11을 참조하면, z축 상에서 내려다 본 분광기(400)는 콜리메이팅 메타표면(411), 그레이팅 메타표면(412), 포커싱 메타표면(413) 및 센서(420)가 2 차원적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 콜리메이팅 메타표면(411), 그레이팅 메타표면(412), 포커싱 메타표면(413) 및 센서(420)는 z축 상에서 내려다 본 모습을 기준으로 사각형의 형태로 배열될 수 있다. 이는 한 실시예에 불과하며, 콜리메이팅 메타표면(411), 그레이팅 메타표면(412), 포커싱 메타표면(413) 및 센서(420)는 z축 상에서 내려다 본 평면을 기준으로, 원형, 타원형 등 다양한 형태의 배치를 가질 수 있다. Referring to FIG. 11, the spectrometer 400 viewed from the z-axis may have a collimating metasurface 411, a grating metasurface 412, a focusing metasurface 413, and a sensor 420 arranged in two dimensions. there is. For example, the collimating metasurface 411, the grating metasurface 412, the focusing metasurface 413, and the sensor 420 may be arranged in a square shape based on a view looking down on the z-axis. This is only one embodiment, and the collimating metasurface 411, grating metasurface 412, focusing metasurface 413, and sensor 420 have various shapes, such as circular and oval, based on the plane viewed from the z-axis. It can have any form of arrangement.

도 12은 또 다른 실시예에 따른 분광기(500)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. Figure 12 is a cross-sectional view schematically showing a spectrometer 500 according to another embodiment.

도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 분광기(500)는 스플릿 메타표면(511), 제 1 포커싱 메타표면(512), 제 2 포커싱 메타표면(513) 및 제 1 센서(521) 제 2 센서(522)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 12, the spectrometer 500 according to this embodiment includes a split metasurface 511, a first focusing metasurface 512, a second focusing metasurface 513, a first sensor 521, and a second sensor. It may include (522).

스플릿 메타표면(511)은 편광빔 스플리터(splitter)와 그레이팅 기능을 동시에 가질 수 있다. 스플릿 메타표면(511)은 광을 편광에 따라 제 1 편광 및 제 2 편광으로 양쪽 반대 방향으로 분리하여 반사하고, 각각 파장별로 조금씩 다른 방향으로 진행하도록 분리할 수 있다. 스플릿 메타표면(511)의 자세한 구성은 도 13 및 도 14에서 후술한다. 스플릿 메타표면(511)은 광을 제 1 편광 및 제 2 편광으로 분리한 후, 제 1 편광을 파장별로 분해하여 제 1 포커싱 메타표면(512)로 전달하고, 제 2 편광을 파장별로 분해하여 제 2 포커싱 메타표면(513)으로 전달한다. 예를 들어, 제 1 편광은 TE 모드 광이고, 제 2 편광은 TM 모드 광일 수 있다. 또는 그 반대일 수도 있다. The split metasurface 511 may have both a polarizing beam splitter and a grating function. The split metasurface 511 can separate and reflect light into first polarization and second polarization in two opposite directions according to polarization, and separate the light to proceed in slightly different directions for each wavelength. The detailed configuration of the split metasurface 511 will be described later in FIGS. 13 and 14. The split metasurface 511 separates the light into first and second polarizations, decomposes the first polarization by wavelength and transfers it to the first focusing metasurface 512, and decomposes the second polarization by wavelength into the first polarization. 2 Transferred to the focusing metasurface 513. For example, the first polarization may be TE mode light, and the second polarization may be TM mode light. Or it could be the other way around.

제 1 포커싱 메타표면(512) 및 제 2 포커싱 메타표면(513)은 포커싱 메타표면(도 1의 111)과 실질적으로 동일한 역할을 하므로 자세한 설명은 생략한다. 제 1 포커싱 메타표면(512)은 제 1 편광을 포커싱하여 제 1 센서(521)로 전달할 수 있다. 제 2 포커싱 메타표면(513)은 제 2 편광을 포커싱하여 제 2 센서(522)로 전달할 수 있다. Since the first focusing metasurface 512 and the second focusing metasurface 513 play substantially the same role as the focusing metasurface (111 in FIG. 1), detailed descriptions are omitted. The first focusing metasurface 512 can focus the first polarized light and transmit it to the first sensor 521. The second focusing metasurface 513 may focus the second polarized light and transmit it to the second sensor 522.

제 1 센서(521)와 제 2 센서(522)는 센서(도 1의 120)과 실질적으로 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. Since the first sensor 521 and the second sensor 522 are substantially the same as the sensor (120 in FIG. 1), detailed descriptions will be omitted.

분광기(500)는 편광에 따른 광 성분을 별도로 분광할 수 있으면서도, 체적 대비 광 경로의 길이가 길어 분광 효능이 높을 수 있다.The spectrometer 500 can separately spectralize light components according to polarization, and the spectral efficiency can be high due to the length of the light path compared to the volume.

도 13은 다른 실시예에 따른 스플릿 메타표면(511)을 나타내는 도면이다. 도 14는 도 13에 따른 스플릿 메타표면(511)의 나노구조체 패턴을 나타내는 도면이다.Figure 13 is a diagram showing a split metasurface 511 according to another embodiment. FIG. 14 is a diagram showing the nanostructure pattern of the split metasurface 511 according to FIG. 13.

도 13 및 14을 참조하면, 스플릿 메타표면(511)은 x 축 방향으로의 직경이 늘어났다가 감소하도록 배열되는 복수의 나노구조체를 포함하는 일 패턴을 포함하고, 상기 일 패턴이 x 축 방향 및 y 축 방향을 따라 주기적으로 반복되도록 배열될 수 있다. 복수의 나노구조체의 x방향 직경과 y방향 직경은 각각 증가 또는 감소하며, 각각의 복수의 나노구조체는 직경 차이로 인해 서로 다른 편광상태의 빛을 제어하여 서로 반대 방향으로 반사 회절되어 사출되도록 할 수 있다.예를 들어, 나노구조체의 y축 방향으로의 단면의 직경을 k0, k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7, k8이라 할 때, 직경이 k0 에서 k5 까지는 점차적으로 길어지다가, k6 에서 k8 까지는 점차적으로 작아질 수 있다. Referring to FIGS. 13 and 14, the split metasurface 511 includes a pattern including a plurality of nanostructures arranged so that the diameter in the x-axis direction increases and decreases, and the pattern includes the x-axis direction and the y-axis direction. It may be arranged to repeat periodically along the axial direction. The x-direction diameter and y-direction diameter of the plurality of nanostructures increase or decrease, respectively, and each plurality of nanostructures can control light in different polarization states due to the difference in diameter so that it is reflected and diffracted and emitted in opposite directions. For example, if the diameter of the cross section of the nanostructure in the y-axis direction is k 0 , k 1 , k 2 , k 3, k 4 , k 5 , k 6 , k 7, k 8 , the diameter is It can gradually become longer from k 0 to k 5 and gradually become smaller from k 6 to k 8 .

스플릿 메타표면(511)은 광을 편광에 따라 제 1 편광 및 제 2 편광으로 분리하여 x 축 방향으로 반사할 수 있다. 예를 들어, 제 1 편광은 +x 축 방향으로 반사되고 제 2 편광은 -x축 방향으로 반사될 수 있다. The split metasurface 511 may separate light into first polarization and second polarization according to polarization and reflect the light in the x-axis direction. For example, the first polarized light may be reflected in the +x-axis direction and the second polarized light may be reflected in the -x-axis direction.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 나노구조체를 포함하는 분광기에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.So far, exemplary embodiments of spectrometers incorporating nanostructures have been described and illustrated in the accompanying drawings to aid understanding of the present invention. However, it should be understood that these examples are merely illustrative of the invention and do not limit it. And it should be understood that the present invention is not limited to the description shown and illustrated. This is because various other modifications may occur to those skilled in the art.

100 : 분광기
110 : 메타표면
ns : 나노구조체
sr : 주변체
sub : 기판
120 : 센서
130 : 투명 기판
140 : 슬릿
100: spectrometer
110: meta surface
ns: nanostructure
sr: peripheral body
sub: substrate
120: sensor
130: transparent substrate
140: slit

Claims (19)

서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 투명 기판;
상기 제1 면 상에 마련되며, 상기 투명 기판으로 검사 대상인 광을 입사시키는 슬릿;
상기 투명 기판 상에 마련되며, 2차원 배열되는 복수의 나노구조체와 상기 복수의 나노구조체를 둘러싸는 주변체를 포함하는 적어도 하나의 메타표면을 포함하며, 상기 적어도 하나의 메타표면은 상기 슬릿을 통해 입사된 광을 파장별로 다른 각도로 반사 및 포커싱시키는 포커싱 메타표면을 포함하는, 분광 광학계; 및
상기 투명 기판 상에 마련되며, 상기 분광 광학계로부터의 광을 수광하는 센서; 를 포함하고,
상기 포커싱 메타표면은 상기 투명 기판의 제2 면에 배치되고, 상기 센서는 상기 투명 기판의 제1 면에 배치되는 분광기.
A transparent substrate including a first side and a second side facing each other;
a slit provided on the first surface and allowing light to be inspected to enter the transparent substrate;
Provided on the transparent substrate, it includes at least one metasurface including a plurality of two-dimensionally arranged nanostructures and a peripheral body surrounding the plurality of nanostructures, wherein the at least one metasurface is exposed through the slit. A spectroscopic optical system comprising a focusing metasurface that reflects and focuses incident light at different angles for each wavelength; and
a sensor provided on the transparent substrate and receiving light from the spectroscopic optical system; Including,
A spectrometer wherein the focusing metasurface is disposed on a second side of the transparent substrate, and the sensor is disposed on a first side of the transparent substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 투명 기판 상에 배치되며, 상기 슬릿 이외의 영역으로는 광이 입사되지 않도록 차단하는 차단막;을 더 포함하는 분광기.
According to claim 1,
A spectrometer further comprising a blocking film disposed on the transparent substrate and blocking light from entering areas other than the slit.
서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 투명 기판;
상기 제1 면 상에 마련되며, 상기 투명 기판으로 검사 대상인 광을 입사시키는 슬릿;
상기 투명 기판 상에 마련되며, 2차원 배열되는 복수의 나노구조체와 상기 복수의 나노구조체를 둘러싸는 주변체를 포함하는 적어도 하나의 메타표면을 포함하며, 상기 적어도 하나의 메타표면은 상기 슬릿을 통해 입사된 광을 파장별로 다른 각도로 반사 및 포커싱시키는 포커싱 메타표면을 포함하는, 분광 광학계; 및
상기 투명 기판 상에 마련되며, 상기 분광 광학계로부터의 광을 수광하는 센서;를 포함하고,
상기 분광 광학계는,
콜리메이팅 기능을 가지도록 2차원 배열된 복수의 나노구조체를 구비하는 콜리메이팅 메타표면;을 더 포함하는 분광기.
A transparent substrate including a first side and a second side facing each other;
a slit provided on the first surface and allowing light to be inspected to enter the transparent substrate;
Provided on the transparent substrate, it includes at least one metasurface including a plurality of two-dimensionally arranged nanostructures and a peripheral body surrounding the plurality of nanostructures, wherein the at least one metasurface is exposed through the slit. A spectroscopic optical system comprising a focusing metasurface that reflects and focuses incident light at different angles for each wavelength; and
A sensor provided on the transparent substrate and receiving light from the spectroscopic optical system,
The spectroscopic optical system,
A spectroscope further comprising a collimating metasurface having a plurality of nanostructures arranged two-dimensionally to have a collimating function.
제 3 항에 있어서,
상기 콜리메이팅 메타표면은,
상기 슬릿과 상기 포커싱 메타표면 사이의 광경로 상에 위치하는 분광기.
According to claim 3,
The collimating metasurface is,
A spectrometer located on the optical path between the slit and the focusing metasurface.
제 3 항에 있어서,
상기 분광 광학계는,
색분산 기능을 가지도록 2차원 배열된 복수의 나노구조체를 구비하는 그레이팅 메타표면;을 더 포함하는 분광기.
According to claim 3,
The spectroscopic optical system,
A spectrometer further comprising a grating metasurface having a plurality of nanostructures arranged two-dimensionally to have a color dispersion function.
제 5 항에 있어서,
상기 그레이팅 메타표면은,
상기 콜리메이팅 메타표면과 상기 포커싱 메타표면 사이의 광경로 상에 위치하는 분광기.
According to claim 5,
The grating metasurface is,
A spectrometer located on an optical path between the collimating metasurface and the focusing metasurface.
제 5 항에 있어서,
상기 그레이팅 메타표면 및 센서는 상기 제 1 면 상에 마련되고,
상기 콜리메이팅 메타표면 및 포커싱 메타표면은 상기 제 2 면 상에 마련되는 분광기.
According to claim 5,
The grating metasurface and sensor are provided on the first surface,
The collimating metasurface and the focusing metasurface are provided on the second surface.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 면으로부터 수직한 방향에서 본 평면도 상에서,
상기 그레이팅 메타표면, 콜리메이팅 메타표면, 포커싱 메타표면, 및 센서는 2차원적으로 배열되는 분광기.
According to claim 6,
On a plan view seen in a direction perpendicular to the first side,
A spectrometer in which the grating metasurface, collimating metasurface, focusing metasurface, and sensor are arranged two-dimensionally.
제 8 항에 있어서,
상기 투명 기판은 상기 제 1 면과 상기 제 2 면을 연결하는 측면들을 포함하며,
상기 제 1 면에 수직인 방향에서 본 평면도 상에서,
상기 콜리메이팅 메타표면과 상기 그레이팅 메타표면은 상기 측면들 중의 일 측면에 더 가깝게,
상기 포커싱 메타표면과 상기 센서는 상기 일 측면과 마주하는 타 측면에 더 가깝게 배치되는 분광기.
According to claim 8,
The transparent substrate includes side surfaces connecting the first side and the second side,
On a plan view seen in a direction perpendicular to the first surface,
The collimating metasurface and the grating metasurface are closer to one of the sides,
The focusing metasurface and the sensor are arranged closer to the other side facing the one side.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 메타표면에 있어서,
상기 복수의 나노구조체 각각의 높이 또는 상기 복수의 나노구조체의 단면에서 가장 긴 직경이 상기 광의 파장 보다 작은 분광기.
According to claim 1,
In the at least one metasurface,
A spectrometer in which the height of each of the plurality of nanostructures or the longest diameter in the cross section of the plurality of nanostructures is smaller than the wavelength of the light.
서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 투명 기판;
상기 제1 면 상에 마련되며, 상기 투명 기판으로 검사 대상인 광을 입사시키는 슬릿;
상기 투명 기판 상에 마련되며, 2차원 배열되는 복수의 나노구조체와 상기 복수의 나노구조체를 둘러싸는 주변체를 포함하는 적어도 하나의 메타표면을 포함하며, 상기 적어도 하나의 메타표면은 상기 슬릿을 통해 입사된 광을 파장별로 다른 각도로 반사 및 포커싱시키는 포커싱 메타표면을 포함하는, 분광 광학계; 및
상기 투명 기판 상에 마련되며, 상기 분광 광학계로부터의 광을 수광하는 센서;를 포함하고,
상기 분광 광학계는 그레이팅 메타표면을 포함하고,
상기 그레이팅 메타표면은,
제2 방향으로 일정 간격으로 배열되는 복수의 나노구조체를 포함하는 일 패턴을 포함하고,
상기 일 패턴이 상기 제2 방향에 수직한 제1 방향으로 주기적으로 반복되도록 배열되는 분광기.
A transparent substrate including a first side and a second side facing each other;
a slit provided on the first surface and allowing light to be inspected to enter the transparent substrate;
Provided on the transparent substrate, it includes at least one metasurface including a plurality of two-dimensionally arranged nanostructures and a peripheral body surrounding the plurality of nanostructures, wherein the at least one metasurface is exposed through the slit. A spectroscopic optical system comprising a focusing metasurface that reflects and focuses incident light at different angles for each wavelength; and
A sensor provided on the transparent substrate and receiving light from the spectroscopic optical system,
The spectroscopic optical system includes a grating metasurface,
The grating metasurface is,
Comprising a pattern including a plurality of nanostructures arranged at regular intervals in a second direction,
A spectrometer wherein the pattern is arranged to repeat periodically in a first direction perpendicular to the second direction.
서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 투명 기판;
상기 제1 면 상에 마련되며, 상기 투명 기판으로 검사 대상인 광을 입사시키는 슬릿;
상기 투명 기판 상에 마련되며, 2차원 배열되는 복수의 나노구조체와 상기 복수의 나노구조체를 둘러싸는 주변체를 포함하는 적어도 하나의 메타표면을 포함하며, 상기 적어도 하나의 메타표면은 상기 슬릿을 통해 입사된 광을 파장별로 다른 각도로 반사 및 포커싱시키는 포커싱 메타표면을 포함하는, 분광 광학계; 및
상기 투명 기판 상에 마련되며, 상기 분광 광학계로부터의 광을 수광하는 센서;를 포함하고,
상기 포커싱 메타표면은,
상기 포커싱 메타표면의 어느 일 지점으로부터 멀어짐에 따라, 복수의 나노구조체가 단면적이 증가하거나 또는 감소되도록 배열되는 환형영역을 한 개 이상 가지는 분광기.
A transparent substrate including a first side and a second side facing each other;
a slit provided on the first surface and allowing light to be inspected to enter the transparent substrate;
It is provided on the transparent substrate and includes at least one metasurface including a plurality of two-dimensionally arranged nanostructures and a peripheral body surrounding the plurality of nanostructures, wherein the at least one metasurface is exposed through the slit. A spectroscopic optical system comprising a focusing metasurface that reflects and focuses incident light at different angles for each wavelength; and
A sensor provided on the transparent substrate and receiving light from the spectroscopic optical system,
The focusing metasurface is,
A spectrometer having one or more annular regions in which a plurality of nanostructures are arranged so that the cross-sectional area increases or decreases as the distance from a point on the focusing metasurface increases or decreases.
서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 투명 기판;
상기 제1 면 상에 마련되며, 상기 투명 기판으로 검사 대상인 광을 입사시키는 슬릿;
상기 투명 기판 상에 마련되며, 2차원 배열되는 복수의 나노구조체와 상기 복수의 나노구조체를 둘러싸는 주변체를 포함하는 적어도 하나의 메타표면을 포함하며, 상기 적어도 하나의 메타표면은 상기 슬릿을 통해 입사된 광을 파장별로 다른 각도로 반사 및 포커싱시키는 포커싱 메타표면을 포함하는, 분광 광학계; 및
상기 투명 기판 상에 마련되며, 상기 분광 광학계로부터의 광을 수광하는 센서;를 포함하고,
상기 분광 광학계는,
광을 편광에 따라 제1 편광 및 제2 편광으로 분리하고, 분리된 제1 편광 및 제2 편광을 파장별로 반사시키도록 구성되는 스플릿 메타표면을 더 포함하고,
상기 센서는 상기 분리된 제1 편광을 수광하도록 마련되는 제1 센서, 상기 분리된 제2 편광을 수광하도록 마련되는 제2 센서를 포함하는 분광기.
A transparent substrate including a first side and a second side facing each other;
a slit provided on the first surface and allowing light to be inspected to enter the transparent substrate;
Provided on the transparent substrate, it includes at least one metasurface including a plurality of two-dimensionally arranged nanostructures and a peripheral body surrounding the plurality of nanostructures, wherein the at least one metasurface is exposed through the slit. A spectroscopic optical system comprising a focusing metasurface that reflects and focuses incident light at different angles for each wavelength; and
A sensor provided on the transparent substrate and receiving light from the spectroscopic optical system,
The spectroscopic optical system,
Further comprising a split metasurface configured to separate light into first polarization and second polarization according to polarization and to reflect the separated first polarization and second polarization by wavelength,
The sensor is a spectrometer including a first sensor provided to receive the separated first polarized light and a second sensor provided to receive the separated second polarized light.
제 13 항에 있어서,
상기 포커싱 메타표면은,
상기 제 1 편광을 상기 제 1 센서로 포커싱하는 제 1 포커싱 메타표면과 상기 제 2 편광을 상기 제 2 센서로 포커싱하는 제 2 포커싱 메타표면을 포함하는 분광기.
According to claim 13,
The focusing metasurface is,
A spectrometer comprising a first focusing metasurface for focusing the first polarized light to the first sensor and a second focusing metasurface for focusing the second polarized light to the second sensor.
제 13 항에 있어서,
상기 스플릿 메타표면은,
제 1 방향으로의 직경 성분들이 각각 늘어났다가 감소하도록 배열되는 복수의 나노구조체를 포함하는 일 패턴을 포함하고,
상기 일 패턴이 상기 제 1 방향 및 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 주기적으로 반복되도록 배열되는 분광기.
According to claim 13,
The split metasurface is,
Comprising a pattern including a plurality of nanostructures arranged so that diameter components in a first direction respectively increase and decrease,
A spectrometer wherein the pattern is arranged to repeat periodically along the first direction and a second direction perpendicular to the first direction.
제 1 항에 있어서,
상기 슬릿에서 상기 센서까지의, 광 경로의 총 길이를 L 이라 하고 상기 투명 기판의 두께를 D라 할 때 L과 D가 하기의 관계를 만족하는 분광기.
L / D > 3
According to claim 1,
When the total length of the optical path from the slit to the sensor is L and the thickness of the transparent substrate is D, L and D satisfy the following relationship.
L/D > 3
제 1 항에 있어서,
상기 주변체는 산화실리콘(SiO2), 글래스, 폴리머 중 적어도 하나의 소재로 이루어진 분광기.
According to claim 1,
A spectroscope in which the peripheral body is made of at least one material selected from the group consisting of silicon oxide (SiO 2 ), glass, and polymer.
제 1 항에 있어서,
상기 투명기판은 산화실리콘(SiO2), 글래스, 폴리머 중 적어도 하나의 소재로 이루어진 분광기.
According to claim 1,
The transparent substrate is a spectroscope made of at least one material selected from the group consisting of silicon oxide (SiO 2 ), glass, and polymer.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 나노구조체는 c-Si, a-Si, p-Si, GaP, GaAs, SiC, TiO2, SiN, GaN 중 적어도 하나의 소재로 이루어진 분광기.
According to claim 1,
The plurality of nanostructures are a spectrometer made of at least one material selected from c-Si, a-Si, p-Si, GaP, GaAs, SiC, TiO2, SiN, and GaN.
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