KR20170015109A - Spectrometer including metasurface - Google Patents

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KR20170015109A KR1020160045802A KR20160045802A KR20170015109A KR 20170015109 A KR20170015109 A KR 20170015109A KR 1020160045802 A KR1020160045802 A KR 1020160045802A KR 20160045802 A KR20160045802 A KR 20160045802A KR 20170015109 A KR20170015109 A KR 20170015109A
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Abstract

According to the present disclosure, a spectrometer including a metasurface may include at least one metasurface comprising a plurality of nanostructures arranged in two dimensions, and a surrounding body surrounding the plurality of nanostructures. The metasurface has an array of various nanostructures and is able to realize various optical element functions. The metasurface may be thinner in thickness and lighter in weight than a conventional optical element. According to the present disclosure, the spectrometer is able to have a sufficiently large length of light path relative to a thickness.

Description

메타표면을 포함하는 분광기{Spectrometer including metasurface}Spectrometer including metasurface < RTI ID = 0.0 >

본 개시는 메타표면을 포함하는 분광기에 관한 것이다.This disclosure relates to a spectrograph comprising a meta surface.

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, path, etc. of incident light are utilized in various optical devices. Since such an optical element mainly includes a heavy lens, a mirror, and the like, it is difficult to minimize the size of the optical device including the optical element. Spectroscopes are also large and heavy because they include these optical elements. Various studies have been made to miniaturize the structure of the spectroscope and to improve the performance.

본 개시는 메타표면을 포함하는 분광기에 관한 것이다.This disclosure relates to a spectrograph comprising a meta surface.

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 spectroscope according to an exemplary embodiment includes a transparent substrate including a first side and a second side facing each other; A slit provided on the first surface, the slit allowing light to be inspected to be incident on the transparent substrate; At least one meta surface provided on the first or second surface and including a plurality of nanostructures arranged in two dimensions and a surrounding body surrounding the plurality of nanostructures, A spectroscopic optical system including a focusing surface for reflecting and focusing the light incident through the slit at different angles for respective wavelengths; And a sensor which is provided on the first surface or the second surface of the transparent substrate and receives light from the spectroscopic optical system; .

상기 투명 기판 상에 배치되며, 상기 슬릿 이외의 영역으로는 광이 입사되지 않도록 차단하는 차단막;을 더 포함할 수 있다.And a blocking layer disposed on the transparent substrate and blocking light from entering the region other than the slit.

상기 분광 광학계는, 콜리메이팅 기능을 가지도록 2차원 배열된 복수의 나노구조체를 구비하는 콜리메이팅 메타표면;을 더 포함할 수 있다.The spectroscopic system may further include a collimating meta surface 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 meta surface may be located on the optical path between the slit and the focusing meta surface.

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

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

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 meta surface and the sensor may be provided on the first surface, and the collimating meta surface and the focusing meta surface may be on the second surface.

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

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.Wherein the transparent substrate includes side surfaces connecting the first surface and the second surface, and in a plan view viewed in a direction perpendicular to the first surface, the collimating meta surface and the grating surface define a side surface The focusing meta surface and the sensor may be disposed 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 meta surface, The height of each of the plurality of nanostructures or the longest diameter in the cross section of the plurality of nanostructures may be smaller than the wavelength of the light.

상기 그레이팅 메타표면은,The grating meta-surface may be formed,

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.And a pattern including a plurality of nanostructures arranged at regular intervals in a second direction, the pattern being periodically repeated 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 meta surface may have one or more annular areas arranged to increase or decrease the cross-sectional area of the plurality of nanostructures as they are moved away from any point on the focusing meta surface.

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 system further comprises a split meta surface configured to split the light into a first polarized light and a second polarized light according to polarization and reflect the separated first and second polarized light by wavelength, 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 meta surface may include a first focusing meta surface for focusing the first polarized light to the first sensor and a second focusing meta surface 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.Wherein the split meta surface comprises a pattern comprising a plurality of nanostructures arranged such that diameter components in a first direction are respectively stretched and reduced, wherein the one pattern is perpendicular to the first direction and the first direction And may be periodically repeated 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 can 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 of 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 of 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 of 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 can include a meta surface that can replace various optical elements such as convex lenses, concave lenses, prisms, beam deflectors, and the like. Such a meta surface may comprise a plurality of nanostructures arranged in two dimensions.

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

또한, 본 개시에 따른 분광기는 체적 대비 광 경로의 길이를 길게 하여 분광 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, the spectroscope according to the present disclosure can enhance the spectral performance by lengthening the length of the optical path relative 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 spectroscope according to an embodiment.
2 is a view of a focusing meta surface according to one embodiment.
3 is a view showing a focusing meta surface according to another embodiment.
4 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope according to another embodiment.
5A to 5D are perspective views showing a schematic shape of the nanostructure.
6 is a view of a grating meta surface according to one embodiment.
7 is a graph showing the grating efficiency of the grating meta surface according to FIG.
8 is a view showing a grating meta surface according to another embodiment.
9 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope according to another embodiment.
10 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope according to another embodiment.
11 is a plan view schematically showing the spectroscope of FIG. 10 viewed from one direction.
12 is a perspective view schematically showing a spectroscope according to still another embodiment.
13 is a view of a split meta surface according to one embodiment.
FIG. 14 is a view showing a nanometric pattern of a split meta surface according to FIG.

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, with reference to the accompanying drawings, a spectroscope including a meta surface will be described in detail. The size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. Furthermore, 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. 1 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope 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.1, a spectroscope 100 according to the present embodiment may include a spectroscopic optical system 110 including a focusing meta-surface 111, a sensor 120, a transparent substrate 130, and a slit 140 have.

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 spectroscope 100 according to the present embodiment can replace a relatively bulky conventional optical element with a spectroscopic optical system 110 in the form of a flat plate including a meta surface. The optical element may include, for example, a collimator, a prism or a grating pattern, a concave mirror, or the like. The spectroscopic optical system 110 may be lighter in weight and smaller in volume than the optical element 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 formed of a material having a small refractive index with respect to incident light. For example, the incident light may be visible light, infrared light, ultraviolet light, or the like, and the transparent substrate 130 may have transparency to such light. Transparency may mean that there is no or very little light loss as the light travels through the interior of the transparent substrate 130. For example, the material of the transparent substrate 130 may be a glass material or a polymer. The polymer may include PMMA, PDMS, SU8, and the like. The transparent substrate 130 formed of a 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 plate shape. The flat plate may include a first surface having a relatively large width as compared with the side surface and a second surface facing the first surface. The flat plate may include side surfaces connecting the first surface and the second surface. The flat plate may include not only a flat plate but also a curved plate.

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. 1, the spectroscopic optical system 110 may include at least one meta surface including a plurality of nanostructures (ns) arranged in two dimensions and a surrounding body (sr) surrounding the plurality of nanostructures . And a surrounding body sr surrounding the plurality of nanostructures ns and the plurality of nanostructures ns. The nano-structure (ns) can have various arrangements inside the meta-surface, and the meta-surface can function as various optical elements according to various arrangements of the nano-structure (ns). For example, the spectroscopic system 110 may include a meta-surface that functions as a collimator, a grating element, a focusing mirror, or the like.

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 larger than that of the transparent substrate 130. The nanostructure ns and the surrounding body sr may be provided on the substrate sub and the refractive index of the nanostructure ns may be larger than the substrate sub. Each meta surface may have a form in which the nanostructure ns and the surrounding body sr are placed on the substrate sub but the substrate sub may be removed after forming the meta surface. Although each meta surface on the drawing is shown 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. The nanosecond (ns) can temporarily trap the received light inside each nanostructure (ns) like a weak resonator due to the difference in high refractive index. The larger the refractive index contrast between the nanostructure (ns) and the surrounding material (sr), the longer the nanostructure (ns) can capture more light inside the nanostructure. The wavelength region of light captured by the nano structure (ns) may be different for each nano structure (ns), and may be referred to as a 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 again emit the trapped light. The light emitted from the nanostructure ns may be relatively different in phase when it exits as reflected or transmitted 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 dimension elements of length less than the resonant wavelength. For example, since the light in the infrared or visible light region has a wavelength of several hundred nanometers, the dimensional element of the nanostructure (ns) for transmitting and receiving visible light may be several hundreds nm or less. When the length of the dimension elements of the nanostructure ns is less than the resonance wavelength, the light can be subwavelength scattered or subwavelength grating. The dimension element may mean a length element of the three-dimensional shape of the nanostructure, such as the height and diameter of the nanostructure (ns). Therefore, the longest length among the dimensional elements of the plurality of nanostructures ns may be smaller than the wavelength of the incident light. Light incident on the array of nanoseconds (ns) satisfying such subwavelength scattering conditions has optical characteristics such as wavelength, polarization, emission (or reflection) angle depending on the shape, volume, and arrangement of the nanoseconds Can be changed.

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 can be formed of a material having 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. Alternatively, for example, the nanostructure (ns) may be formed of a metal. The nanostructure (ns) formed of a metal can cause a surface plasmon effect in relation to the surrounding body (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 surrounding body sr and the transparent substrate 130 may be formed of a material having a refractive index lower than that of the nanostructure ns. For example, the surrounding body sr and the transparent substrate 130 may have a refractive index smaller than 1.5 as compared with the nanostructure ns. The surrounding body sr may be formed of a transparent material with respect to incident light. For example, the surrounding body sr may be formed of the same material as the transparent substrate 130. [ For example, the surrounding body sr may be formed of a glass material, silicon oxide (SiO 2 ), or a polymer. The polymer may include PMMA, PDMS, SU8, and the like.

주변체(sr)는 별도의 구성으로 형성되지 않고, 복수의 나노구조체(ns)가 배열되는 투명 기판(130)의 일부 영역 일 수 있다. The surrounding body sr is not formed as a separate structure but may be a part of the transparent substrate 130 on which the 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 system 110 on the transparent substrate 130 may be as follows. The first step can deposit or apply the material of the nanostructure (ns) on the transparent substrate 130. In the second step, the material of the nanostructure ns may be formed in a specific pattern using a semiconductor process in a region where the spectroscopic optical system 110 is to be formed. In the third step, the same material as the transparent substrate 130 may be deposited or applied on the material of the deposited or applied nanostructure (ns) to form the surrounding body sr surrounding the nanostructure (ns). The step of forming the spectroscopic optical system 110 is only one example, and the present invention 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.The meta surface can have various optical element functions depending on the arrangement of the nanoseconds (ns). The spectroscope 100 according to the present embodiment may include a spectrometric optical system 110 including a focusing meta surface 111 as well as a collimating meta surface (212 in FIG. 2), a grating meta surface (212 in FIG. 2) have.

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 meta surface 111 may function as a focusing mirror. The focusing meta-surface 111 may condense light incident on the slit 140 at different positions for respective wavelengths, and enter the sensor 120 to be spectroscopic. In FIGS. 2 and 3, the following will be described in detail.

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 can receive light by wavelength. The sensor 120 may include a known light receiving sensor used in the spectroscope. The sensor 120 may include a known pixelated sensor such as a charge coupled device (CCD), a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS), or an InGaAs sensor capable of receiving 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 control the amount of light incident on the transparent substrate 130 and the angle of incidence. For example, the slit 140 may be a hole of a certain size that is not blocked by a shielding film to be described later. For example, the slit 140 may include a convex lens capable of condensing the incident light. Such a lens can also be made of a transmissive meta-surface lens made of the nanostructure ns and the surrounding body rs. Further, the slit 140 may have a variable diameter so as to control an inflow amount of light.

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 spectroscope 100 may further include a blocking film for blocking external light. The blocking film may be disposed on the transparent substrate 130, and may absorb light in a region other than the slit 140. The shielding film may have a material that reflects or absorbs light such as ultraviolet rays, visible rays, and infrared rays. For example, the barrier may have a metallic material and reflect external light. For example, the barrier film may have a light absorbing material such as carbon black to absorb light. The shielding film can block the entrance of the remaining external light except for the light incident on the slit 140, thereby improving the spectroscopic efficiency of the spectroscope 100. The shielding film may be provided to surround the transparent substrate 130 other than the slit 140. For example, the barrier layer may be formed by coating the outer surface of the transparent substrate 130 with the metal material. That is, the shielding film is required to shield the external light introduced into the spectroscope 100, and the specific structure and material thereof are 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 spectroscope 100 according to the present embodiment includes only the focusing meta-surface 111 as the spectroscopic optical system 110, the spectroscope 100 can have a simple structure and 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.2 is a view showing a focusing meta surface 111 according to an embodiment. 3 is a view showing a focusing meta surface 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 meta surface 111 may include an array of nanostructures (ns) that function as the above-described focusing mirror. The plurality of nanostructures ns can be arranged so that the diameter of the cross section gradually decreases or increases as the distance from one point on the focusing meta surface 111 increases. For example, the plurality of nanostructures (ns) may be arranged so that the distance from the center to the center is constant and decreasing as the duty ratio moves away from one point. When the diameter of the nanostructure ns located closest to a point is f 0 and the diameters of the nanostructures ns located in the farthest from the point are f 1 , f 2 , and f 3 , the diameter f 0 , f 1 , f 2 and f 3 can satisfy the relationship of f 0 > f 1 > f 2 > f 3 . The group of nano structures (ns) satisfying the relationship of f 0 > f 1 > f 2 > f 3 may be referred to as an annular region, and the focusing meta-surface 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 meta surface 111 'may include a plurality of annular areas where the diameter of the cross section of the nanostructure ns gradually decreases as the distance from one point on the focusing meta surface 111' have. For example, the focusing meta surface 111 'may comprise a first annular area and a second annular area as they are 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 taken along the B-B 'direction of the focusing meta surface 111', the phase of the light emitted from the focusing meta surface 111 'is phase shifted by 2 pi between the first annular area and the second annular area .

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 meta surfaces 111 and 111 'adjust the shape of the nanostructure, the distance between the nanostructures, the shape, material, duty ratio, and annular area of the cross section of the nanostructure, And so on.

도 4은 다른 실시예에 따른 분광기(200)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 4 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope 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 spectroscope 200 according to the present embodiment may include a spectroscopic optical system 210 further including a collimating meta surface 212 and a grating meta surface 213. Description of elements overlapping with the spectroscope 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 meta surface 212 may function as a deflector and a collimator. The collimating meta surface 212 collimates and refracts the diffracted light to form a plane wave of the light incident through the slit 140 to prevent diffusion of light, Can be deflected.

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 meta surface 212 may be made by suitably mixing the properties of the grating meta surface 213 and the focusing meta surface 111. For example, the collimating meta surface 212 may include a shape of a light incident through the slit 140 (wavefront shape and intensity distribution) and a shape of a plane wave reflected from the collimating meta surface 212 and traveling in a specific direction Can be determined in advance. Based on this, it is possible to determine the reflection phase distribution that the collimating meta surface should have based on the position on the plane where the collimating meta surface 212 is to be positioned. The reflection phase distribution may correspond to a cross section of a kind of hologram. For example, when the wavefront of the incident light is similar to a square wave that diverges, the collimating meta-surface 212 may have a phase distribution of the meta surface serving as a concave mirror and a grating meta It is possible to have a phase distribution in which the phase distributions of the surfaces are 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 meta surface 213 may function as a grating element. The grating meta-surface 213 can reflect and diffract light at different angles depending on the wavelength. The arrangement of the nanostructures of the grating meta surface 213 will be described in detail with reference to 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. When the average length of the light path from the slit 140 to the sensor 120 for receiving light is L, the spectral performance of the spectroscope can be improved as L becomes longer. Since the length of the optical path may be slightly different depending on the light of each wavelength, L is defined as the length of the optical path of the light having the 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.Let's look at the principle that the longer the L is, the better the spectroscopic efficiency of the spectroscope. The collimating, grating, and focusing meta-surface elements are made of nanostructures and may have chromatic dispersion characteristics in which light of different wavelengths is reflected and diffracted at different angles. Thus, spectral resolution (incident wavelength spacing / pixel size) can be increased when light along each of the different wavelengths passing through these elements is incident at sufficiently different locations (pixels) of the sensor 120. That is, the chromatic dispersion characteristics of the meta-surface elements having different diffraction angles with respect to wavelengths make the difference in the focal position of light with a larger wavelength as the total optical path becomes larger. As the average length L of the optical path is larger, the spectroscope 200 can decompose the finer diffraction angles of diffraction angles, and thus the spectroscopic efficiency of the spectroscope 200 can be large. The spectroscope 200 according to this embodiment can replace the optical element with a meta surface in the form of a thin flat plate to make the average length L of the optical path sufficiently longer than the thickness d of the transparent substrate 130, It can be ensured sufficiently. For example, the spectroscope 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 spectroscope 200 according to the present embodiment may have the arrangement of the spectroscopic optical system 210 and the dimension component to satisfy Equation (1). The spectroscope 200 satisfying Equation (1) may have a high spectral efficiency. The grating meta-surface 213 can improve the length L of the optical path of the light incident on the spectroscope 200.

도 5a 내지 5d는 나노구조체의 개략적인 형상을 나타내는 사시도이다. 5A to 5D are perspective views showing a 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. 5A to 5D, a plurality of nanostructures ns may have various shapes. The nanostructure (ns) may have a pillar structure. For example, the nanostructure (ns) may have a cross-section of any of the following shapes: circular, elliptical, rectangular, and square. Nanostructures (ns) can have different cross-sectional shapes and height distributions on a two-dimensional surface when making meta surfaces.

도 6는 일 실시예에 따른 그레이팅 메타표면(213)을 나타내는 도면이다. 도 7는 도 6에 따른 그레이팅 메타표면(213)의 그레이팅 효율을 나타내는 그래프이다.6 is a view of a grating meta surface 213 according to one embodiment. FIG. 7 is a graph showing the grating efficiency of the grating meta-surface 213 according to FIG.

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 nano-structures ns may correspond to the arrangement of the nano-structures ns of the grating meta-surface 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. When the length of the dimension element of the nano structure ns is smaller than the resonance wavelength of each nano structure ns, the light incident on the nano structure ns can be sub-wavelength grating as described above. Accordingly, the arrangement of the nanostructures (ns) of the grating meta-surface 213 can be repeatedly arranged at regular intervals with the nanostructures (ns) having the same cross-sectional shape and cross-sectional size. The period represents the distance from the center of the adjacent nanostructures (ns) to the center. This period is smaller than the resonance wavelength. The wavelength decomposition effect of the grating meta surface 112 does not have the same efficiency with respect to light in all the wavelength regions and depends on the shape of the cross section of each nanostructure ns, the size of the cross- It is possible to 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 the nanostructures ns according to the present embodiment may include a 1-1 pattern and a 1-2 pattern periodically repeated along the y-axis direction. The 1-1 and 1-2 patterns are only examples, and may further include additional patterns. Convenience of explanation An embodiment including the patterns 1-1 and 1-2 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) periodically repeated in the y-axis direction. The sizes and shapes of the cross sections of the plurality of nanostructures (ns) constituting the 1-1 pattern may be equal to each other. 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 size and shape of the cross-sections of the plurality of nanostructures (ns) constituting the 1-2 pattern may be the same. The duty ratio of the pattern 1-2 may be constant. For example, (ns) a plurality of nanostructures may be periodically repeated by a distance l 2. The cross section of the plurality of nanostructures (ns) constituting the first pattern and the cross sections of the plurality of nanostructures (ns) constituting the first-second pattern may have the same size or different sizes from each other .

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 the distance l 2 may be the same as each other. The duty ratios of the 1-1 pattern and the 1-2 pattern may or may not coincide with each other. The duty ratio of the 1-1 pattern and the 1-2 pattern and the shape such as the height of the nano structure (ns) can be adjusted to adjust the corresponding wavelength region of the grating pattern.

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 so as to be repeated alternately along the x-axis direction. The nanostructures of the 1-1 and 1-2 patterns may align with each other along the x-axis direction or may be arranged shifted with respect to each other. For example, a part of the plurality of nanostructures (ns) constituting the 1-1 and 1-2 patterns may be arranged to be shifted so as to have a hexagonal pattern. For example, the plurality of nanostructures (ns) constituting the hexagonal pattern may be arranged to be regular hexagons when the central portions of the respective nanostructures (ns) constituting the hexagonal pattern are connected.

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.The arrangement of the nanostructures (ns) having a hexagonal pattern repeated along the x-axis direction and the y-axis direction can have a higher grating efficiency than the arrangement of the 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 represents the wavelength of light, and the y-axis of the graph represents the grating efficiency (%). For example, the nanostructure (ns) array according to FIG. 4 may have a grating efficiency of 55% or more for light in a 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.8 is a view showing a grating meta surface 213 'according to another embodiment. Referring to FIG. 8, there is shown a top view of the grating meta surface 213 'and a cross-sectional view in the A-A' direction on the plan view. The grating meta surface 213 'may include a second pattern comprising a plurality of nanostructures (ns) arranged such 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 l 3 along the x-axis. For example, the second pattern may be a pattern in which the cross-sectional area gradually decreases from the left to the right along the + x-axis direction. For example, the second pattern may include the nano-structure (ns) each having a diameter e 0, e 1, e 2, e 3, the diameter is related, such as e 0> e 1> e 2 > e 3 Can be satisfied. For example, such diameters may be used to sample the phase of light reflected from each nanostructure (ns) within a l 3 interval (for example, 0, pi / 2, pi, 3 pi / 2). The grating meta-surface 213 'having such a structure can give a momentum of 2 pi / l 3 in the + x direction. The incident light can be deflected in the rightward direction and subjected to the reflection diffraction by receiving the momentum of the incident 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 be repeated periodically along the y-axis. The second pattern may be arranged to be misaligned or misaligned with each other along the y-axis. For example, the second pattern may be arranged such that the nanostructures (ns) having the same cross-sectional area along the y-axis direction are periodically repeated in alignment with each other. For example, the second pattern may be periodically repeatedly arranged while shifting the nanostructures (ns) having different cross-sectional areas along the y-axis direction 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. 9 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope 300 according to another embodiment. The spectroscope 300 according to this embodiment has substantially the same configuration as the spectroscope 200 according to FIG. 2 except for the aberration-regulating meta-surface 314, and a duplicate description 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. 9, light passes through the slit 140 and enters the transparent substrate 130 and passes through the collimating meta surface 212, the grating meta surface 213, the focusing meta surface 111, (314) and then received by the sensor (120). With the introduction of the aberration-regulating meta-surface 314, the length l of the optical path of the spectroscope 300 can be increased. The aberration-adjusting meta-surface 314 may have a function of correcting the aberration so that light of various wavelengths to be focused by the focusing meta-surface 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 meta-surface 111 may also have the characteristics of a lens in that light is incident on the nanostructure ns and refracted. For example, light passing through the focusing meta-surface 111 may deviate from the position of the image when the sensor 120 is formed due to chromatic aberration, spherical aberration, astigmatism, or the like. This aberration can reduce the spectroscopic effectiveness of the sensor 120. [ The aberration-controlling meta-surface 314 may have an array of nanostructures (ns) to have an aberration control function. For example, the aberration-controlling meta-surface 214 may have a nanostructure array of the focusing meta-surface 111 described above, or a nanostructure array having the function of 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.10 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope 400 according to yet another embodiment. 11 is a plan view schematically showing the spectroscope 400 of FIG. 10 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. 10, the spectroscope 400 according to the present embodiment may include a collimating meta surface 411, a grating meta surface 412, a focusing meta surface 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. A collimating meta surface 411 may be provided below the slit 440 in the z direction. The grating meta-surface 412 may be provided at a certain distance in the x-axis direction and the z-axis direction with respect to the collimating meta-surface 411. A focusing meta surface 413 may be provided at a predetermined distance in the y-axis direction and the z-axis direction with respect to the grating meta-surface 412. The sensor 420 may be provided at a predetermined distance in the x-axis direction and the z-axis direction with respect to the focusing meta-surface 413. The light is incident on the transparent substrate 430 through the slit 440 and may be received by the sensor 420 through the collimating meta surface 411, the grating meta surface 412 and the focusing meta surface 413 .

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.Similarly, the focusing meta surface 413 has substantially the same focusing function as the focusing meta surface (313 in Fig. 1), and can have a function of adding optical momentum to the light in a predetermined direction. For example, the focusing meta surface 413 may include a pattern in which the nanostructures are arranged in a diagonal pattern on the xy plane. For example, the grating meta-surface 412 may be arranged such that the nanostructures are periodically arranged on a line satisfying the function form y = a 1 * (- x) + a 2 . Here, a 1 , a 2 may be any rational number.

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 meta surface 411, the grating meta surface 412, the focusing meta surface 413, and the sensor 420 may be arranged three-dimensionally. The three-dimensional arrangement of the meta-surface may mean that the lines connecting the centers of the meta surfaces provided in the spectroscope 400 form a three-dimensional shape. The spectroscope 400 including the meta-surface arranged in a three-dimensional manner can increase the length of the light path relative to the volume, thereby improving the spectroscopic efficiency. For example, when the collimating meta-surface 411 and the grating meta-surface 412 are positioned close to one side of the transparent substrate 430, the focusing meta-surface 413 and the sensor 414, As shown in FIG.

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 meta surface 412 may have a grating function substantially identical to the grating meta surface of Fig. 1 (213 in Fig. 2). However, the optical path must also be formed three-dimensionally corresponding to the three-dimensional arrangement of the meta surface. The grating meta-surface 312 and the focusing meta-surface 313 may have the function of adding optical momentum to turn the direction of 90 degrees in the horizontal direction, for example, when the incident light is reflected. Optical momentum is an expression that expresses the straightness of light in terms of inertia. For example, the grating meta-surface 412 may include a pattern in which the nanostructures in the xy plane are arranged with a periodicity in an oblique fashion. For example, the grating meta-surface 412 may be arranged such that the nanostructures on the line satisfying the function form y = b 1 * x + b 2 have periodicity. 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. 11, the spectrometer 400 looking down on the z-axis shows that the collimating meta surface 411, the grating meta surface 412, the focusing meta surface 413 and the sensor 420 can be arranged two-dimensionally have. For example, the collimating meta surface 411, the grating meta surface 412, the focusing meta surface 413, and the sensor 420 may be arranged in the form of a rectangle based on a view looking down on the z-axis. The collimating meta surface 411, the grating meta surface 412, the focusing meta surface 413, and the sensor 420 may be formed in a variety of shapes such as circular, oval, and the like, Can have a morphological arrangement.

도 12은 또 다른 실시예에 따른 분광기(500)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 12 is a cross-sectional view schematically showing a spectroscope 500 according to yet 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. 12, the spectroscope 500 according to the present embodiment includes a split meta surface 511, a first focusing meta surface 512, a second focusing meta surface 513, and a first sensor 521, (Not shown).

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 meta surface 511 may have a polarization beam splitter and a grating function at the same time. The split meta surface 511 separates the light into the first polarized light and the second polarized light by separating them in opposite directions in accordance with the polarized light, and separating them so as to proceed in different directions slightly by wavelength. The detailed configuration of the split meta surface 511 will be described later with reference to FIG. 13 and FIG. The split meta surface 511 separates light into first polarized light and second polarized light, and then decomposes the first polarized light into wavelengths and transmits it to the first focusing meta surface 512. The split meta surface 511 decomposes the second polarized light into wavelengths 2 focusing meta-surface 513. [ For example, the first polarized light may be TE mode light and the second polarized light may be TM mode light. Or vice versa.

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. The first focusing meta surface 512 and the second focusing meta surface 513 serve substantially the same as the focusing meta surface (111 in FIG. The first focusing meta surface 512 may focus the first polarized light and transmit it to the first sensor 521. The second focusing meta surface 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. The first sensor 521 and the second sensor 522 are substantially the same as the sensor (120 in FIG. 1), and therefore detailed description is omitted.

분광기(500)는 편광에 따른 광 성분을 별도로 분광할 수 있으면서도, 체적 대비 광 경로의 길이가 길어 분광 효능이 높을 수 있다.The spectroscope 500 can separately spectroscope the light component according to the polarization, and the spectroscopy efficiency can be high because the length of the optical path is longer than 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.13 is a view showing a split meta surface 511 according to another embodiment. FIG. 14 is a view showing a nanostructure pattern of the split meta surface 511 according to FIG.

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. 13 and 14, the split meta surface 511 includes a pattern including a plurality of nanostructures arranged such that the diameter in the x-axis direction increases and decreases, and when the one pattern is in the x-axis direction and y And may be arranged to be periodically repeated along the axial direction. The diameters of the plurality of nanostructures in the x direction and the diameters in the y direction increase or decrease respectively and each of the plurality of nanostructures controls the light of different polarization states due to the difference in diameters, may, for example, when as the diameter of the cross section of the y-axis direction of the nanostructure k 0, k 1, k 2 , k 3, k 4, k 5, k 6, k 7, k 8, the diameter From k 0 to k 5 gradually lengthen, from k 6 to k 8 gradually decrease.

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 meta surface 511 can separate the light into the first polarized light and the second polarized light according to the polarized light and reflect it 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.Up to now, to facilitate understanding of the present invention, exemplary embodiments of a spectroscope including a nanostructure have been described and shown in the accompanying drawings. It should be understood, however, that such embodiments are merely illustrative of the present invention and not limiting thereof. And it is to be understood that the invention is not limited to the details shown and described. Since various other modifications may occur to those of ordinary skill in the art.

100 : 분광기
110 : 메타표면
ns : 나노구조체
sr : 주변체
sub : 기판
120 : 센서
130 : 투명 기판
140 : 슬릿100: spectroscope
110: Meta Surface
ns: nanostructure
sr: peripheral body
sub: substrate
120: sensor
130: transparent substrate
140: slit

Claims (19)

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 포함하는 분광기.A transparent substrate including a first side and a second side facing each other;
A slit provided on the first surface, the slit allowing light to be inspected to be incident on the transparent substrate;
At least one meta surface provided on the first or second surface and including a plurality of nanostructures arranged in two dimensions and a surrounding body surrounding the plurality of nanostructures, A spectroscopic optical system including a focusing surface for reflecting and focusing the light incident through the slit at different angles for respective wavelengths; And
A sensor which is provided on the first surface or the second surface of the transparent substrate and receives light from the spectroscopic optical system; / RTI > 제 1 항에 있어서,
상기 투명 기판 상에 배치되며, 상기 슬릿 이외의 영역으로는 광이 입사되지 않도록 차단하는 차단막;을 더 포함하는 분광기.The method according to claim 1,
And a shielding film disposed on the transparent substrate and shielding light from being incident on the region other than the slit. 제 1 항에 있어서,
상기 분광 광학계는,
콜리메이팅 기능을 가지도록 2차원 배열된 복수의 나노구조체를 구비하는 콜리메이팅 메타표면;을 더 포함하는 분광기.The method according to claim 1,
The spectroscopic optical system includes:
A collimating meta surface having a plurality of nanostructures arranged in two dimensions so as to have a collimating function. 제 3 항에 있어서,
상기 콜리메이팅 메타표면은,
상기 슬릿과 상기 포커싱 메타표면 사이의 광경로 상에 위치하는 분광기.The method of claim 3,
The collimating meta-surface may be a &
And is located on an optical path between the slit and the focusing meta surface. 제 3 항에 있어서,
상기 분광 광학계는,
색분산 기능을 가지도록 2차원 배열된 복수의 나노구조체를 구비하는 그레이팅 메타표면;을 더 포함하는 분광기.The method of claim 3,
The spectroscopic optical system includes:
And a grating meta-surface having a plurality of nanostructures arranged two-dimensionally to have a chromatic dispersion function. 제 5 항에 있어서,
상기 그레이팅 메타표면은,
상기 콜리메이팅 메타표면과 상기 포커싱 메타표면 사이의 광경로 상에 위치하는 분광기.6. The method of claim 5,
The grating meta-surface may be formed,
And a spectrograph positioned on the optical path between the collimating meta surface and the focusing meta surface. 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.6. The method of claim 5,
The grating meta surface and the sensor being provided on the first surface,
Wherein the collimating meta surface and the focusing meta surface 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. The method according to claim 6,
On a plan view in a direction perpendicular to the first surface,
Wherein the grating meta surface, the collimating meta surface, the focusing meta surface, and the sensor are two-dimensionally arranged. 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.9. The method of claim 8,
Wherein the transparent substrate includes side surfaces connecting the first surface and the second surface,
On a plan view in a direction perpendicular to the first surface,
Wherein the collimating meta surface and the grating meta surface are closer to one side of the sides,
Wherein the focusing meta surface and the sensor are disposed 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.The method according to claim 1,
In the at least one meta surface,
Wherein a height of each of the plurality of nanostructures or a longest diameter in a cross section of the plurality of nanostructures is smaller than the wavelength of the light. 제 1 항에 있어서,
상기 분광 광학계는 그레이팅 메타표면을 포함하고,
상기 그레이팅 메타표면은,
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 배열되는 분광기.The method according to claim 1,
Wherein the spectroscopic system comprises a grating meta-surface,
The grating meta-surface may be formed,
And a pattern comprising a plurality of nanostructures arranged at regular intervals in a second direction,
And the one pattern is periodically repeated in a first direction perpendicular to the second direction. 제 1 항에 있어서,
상기 포커싱 메타표면은,
상기 포커싱 메타표면의 어느 일 지점으로부터 멀어짐에 따라, 복수의 나노구조체가 단면적이 증가하거나 또는 감소되도록 배열되는 환형영역을 한 개 이상 가지는 분광기.The method according to claim 1,
Wherein the focusing meta surface comprises:
Wherein the plurality of nanostructures have one or more annular regions arranged to increase or decrease in cross-sectional area as a distance from a certain point on the focusing meta surface increases. 제 1 항에 있어서,
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 포함하는 분광기.The method according to claim 1,
The spectroscopic optical system includes:
Further comprising a split meta surface configured to split the light into first and second polarized light according to the polarization and reflect the separated first and second polarized light by wavelength,
Wherein the sensor comprises a first sensor arranged to receive the separated first polarized light and a second sensor arranged 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.14. The method of claim 13,
Wherein the focusing meta surface comprises:
A first focusing meta surface for focusing the first polarized light to the first sensor and a second focusing meta surface 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.14. The method of claim 13,
Wherein the split meta surface is a &
And a pattern comprising a plurality of nanostructures arranged such that the diameter components in the first direction are respectively increased and decreased,
Wherein the one pattern is arranged to be periodically repeated along a second direction perpendicular to the first direction and 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 > 3The method according to claim 1,
Wherein a total length of the optical path from the slit to the sensor is L and a 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.The method according to claim 1,
Wherein 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.The method according to claim 1,
Wherein the transparent substrate 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 복수의 나노구조체는 c-Si, a-Si, p-Si, GaP, GaAs, SiC, TiO2, SiN, GaN 중 적어도 하나의 소재로 이루어진 분광기.The method according to claim 1,
Wherein the plurality of nanostructures comprise at least one material selected from the group consisting of c-Si, a-Si, p-Si, GaP, GaAs, SiC, TiO2, SiN and GaN.
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