KR20200071590A - Diffractive optical element, manufacturing method thereof and optical device having the same - Google Patents

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KR20200071590A
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Abstract

The present invention relates to a diffractive optical element, to a manufacturing method thereof, and to an optical device including the same. According to one aspect of the present invention, the diffractive optical element comprises a substrate and a group of structures forming a geometric metasurface on the substrate. The substrate includes a plurality of continuous unit cells, and the group of structures includes a plurality of nanostructures arranged at predetermined intervals and angles. One nanostructure is disposed in one unit cell, and a beam incident through a light source is reflected and transmitted to the nanostructure to control the intensity and phase of the beam, so that the diffractive optical element can spray the beam in the full space of 360 degrees.

Description

회절 광학 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치 {DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND OPTICAL DEVICE HAVING THE SAME}Diffractive optical element, manufacturing method thereof, and optical device including same {DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND OPTICAL DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 회절 광학 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a diffractive optical element, a method for manufacturing the same, and an optical device including the same.

증강현실 및 가상현실 기술은 4차 산업혁명 시대에서 주목 받고 있는 연구 분야로서, 다양한 분야에서 이를 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 증강현실 및 가상현실 기술을 구현하기 위한 장치에는 3D 공간상의 물체를 인식할 수 있는 장치가 필요하다. 예를 들어, 최근 스마트폰에서는 안면 인식(face recognition)을 위해 약 3만개 이상의 빛을 안면에 투사하는 도트 프로젝트(Dot projector)와 안면에 맺힌 포인트(point)들을 적외선 카메라로 읽어들여 안면 3D 맵을 생성하는 기술이 있다. Augmented reality and virtual reality technology is a research field that is attracting attention in the era of the fourth industrial revolution, and research is being conducted to utilize it in various fields. A device capable of recognizing an object in 3D space is required in a device for implementing such augmented reality and virtual reality technologies. For example, in recent smartphones, a dot project that projects more than 30,000 lights onto the face for face recognition and a point on the face are read by an infrared camera to read the face 3D map. There are techniques to generate.

종래에는 3D 공간의 물체를 인식하기 위해, 소자의 깊이 조절을 통한 회절 효과를 만들어 내는 회절광학소자(diffractive optical elements, DOEs)를 이용하거나 또는 빛이 물체에서 반사되어 돌아오는 것을 받아 물체까지의 거리를 측정함으로써 대상을 나타내는 라이다(light detection and ranging; LIDAR)기술이 이용되었다. Conventionally, in order to recognize an object in 3D space, a distance to an object is obtained by using diffractive optical elements (DOEs) that produce a diffraction effect by adjusting the depth of the element or receiving light reflected from the object and returning. By measuring, light detection and ranging (LIDAR) technology was used.

그러나, 종래의 회절광학소자의 경우에는 소자의 깊이 조절을 통해 회절효과를 만들어내기 때문에 제조하는데 어려움이 있으며, 라이더(LIDAR) 기술의 경우에는 복잡하고 부피가 큰 스캐닝 시스템 때문에 장치의 소형화에 문제점이 있다. However, in the case of the conventional diffraction optical element, it is difficult to manufacture because it produces a diffraction effect through the depth control of the element, and in the case of the rider (LIDAR) technology, there is a problem in miniaturization of the device due to the complicated and bulky scanning system. have.

비특허문헌: Khoshelham, K. & Elberink, S. O. Accuracy and resolution of kinect depth data for indoor mapping applications. Sensors 12, 1437-1454 (2012).Non-Patent Documents: Khoshelham, K. & Elberink, S. O. Accuracy and resolution of kinect depth data for indoor mapping applications. Sensors 12, 1437-1454 (2012).

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 빔이 입사하는 방향을 포함한 360도 전 공간(full-space) 상의 물체를 인식할 수 있는 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다. Embodiments of the present invention have been proposed to solve the above problems, and provide a diffraction optical element capable of recognizing an object in a 360-degree full-space including a direction in which a beam is incident, and a method for manufacturing the same I want to.

또한, 소형화 및 초 경량화가 가능한 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다. In addition, it is intended to provide a diffractive optical element capable of miniaturization and ultra-lightweight and a manufacturing method thereof.

또한, 간단한 제조 공정으로 생산할 수 있는 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다. In addition, it is intended to provide a diffractive optical element that can be produced by a simple manufacturing process and a method for manufacturing the same.

또한, 대량 생산으로 생산 단가가 저렴한 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.In addition, it is intended to provide a diffractive optical element having a low production cost through mass production and a method for manufacturing the same.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 구조체 그룹을 포함하고, 상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 구조체 그룹은 기 설정된 간격 및 각도로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 하나의 상기 단위 셀에 하나의 상기 나노 구조체가 배치되고, 광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써, 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능한 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the substrate; The structure includes a group of structures forming a geometric metasurface on the substrate, the substrate includes a plurality of consecutive unit cells, and the group of structures comprises a plurality of nanostructures arranged at predetermined intervals and angles. Included, one of the nano-structure is disposed in one of the unit cells, the beam incident through the light source is reflected and transmitted to the nano-structure to control the intensity and phase of the beam, 360 degrees full space (full space) It can be provided with a diffractive optical element capable of spraying the beam.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체의 두께(H)는 상기 광원을 통해 입사되는 빔의 파장의 절반 이하인 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the thickness (H) of the nanostructure may be provided with a diffraction optical element that is less than half the wavelength of the beam incident through the light source.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구조체 그룹은 m X n 행렬로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 4개의 빔으로 나눠 지도록, m행 또는 n열에 배치된 인접하는 상기 나노 구조체는 기 설정된 각도 차이로 배치되는 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다 (여기서, m 및 n은 자연수).According to an embodiment of the present invention, the group of structures includes a plurality of nanostructures arranged in an m X n matrix, and beams incident through a light source are reflected and transmitted to the nanostructures and divided into four beams, The adjacent nanostructures arranged in m rows or n columns may be provided with diffraction optical elements arranged at predetermined angle differences (where m and n are natural numbers).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 m행 또는 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 서로 다른 각도를 가지는 회절 광학 소자가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the plurality of nanostructures disposed in the m row or the n column may be provided with diffraction optical elements having different angles.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 m행 또는 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 13개이고, 상기 m행 또는 n열에 배치된 인접한 나노 구조체의 각도의 차이는 6π/13 인 회절 광학 소자가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the plurality of nanostructures arranged in the m row or n column is 13, and the difference in angle between adjacent nanostructures arranged in the m row or n column is 6π/13, provided by a diffraction optical element Can be.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 300nm 이고, 상기 m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 5개로서, 상기 구조체 그룹의 크기는 1.5 x 1.5 μm2 인 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the nanostructure is a rectangular parallelepiped, the length (C) of one side of the unit cell is 300nm, the plurality of nanostructures disposed in the m row and n column is 5, respectively, the The size of the structure group can be provided with a diffractive optical element having a size of 1.5 x 1.5 μm 2 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체에 입사되는 빔의 파장은 630nm이고, 상기 나노 구조체의 높이(H)는 315nm 이하인 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a wavelength of a beam incident on the nanostructure is 630 nm, and the height (H) of the nanostructure may be provided with a diffraction optical element having a height of 315 nm or less.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 4개의 빔은 상기 광원을 통해 입사된 빔의 진행 방향과 동일한 측의 방향으로 진행하는 2개의 빔과 상기 광원을 통해 입사된 빔의 진행 방향과 반대 측의 방향으로 진행하는 2개의 빔으로 회절되는 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the four beams are two beams traveling in the same direction as the traveling direction of the beam incident through the light source and the opposite side of the traveling direction of the beam incident through the light source. A diffractive optical element diffracted by two beams traveling in the direction may be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고, 상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 300nm 이고, 상기 m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 100개로서, 상기 구조체 그룹의 크기는 30 x 30 μm2 이고, 상기 구조체 그룹은 복수 개로서, 연속하는 p X q 행렬로 배치되는 회절 광학 소자가 제공될 수 있다 (여기서, p 및 q는 자연수).According to an embodiment of the present invention, the nanostructure is a rectangular parallelepiped, the length (C) of one side of the unit cell is 300nm, the plurality of nanostructures disposed in the m row and n column is 100 each, The size of the structure group is 30 x 30 μm 2 , and the structure group is plural, and a diffractive optical element arranged in a continuous p X q matrix may be provided (where p and q are natural numbers).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 p와 q는 각각 10인 회절 광학 소자가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, each of p and q may be provided with a diffraction optical element of 10.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 비정질 실리콘인 회절 광학 소자가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the nanostructure may be provided with a diffractive optical element which is amorphous silicon.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판은 탄력성이 있는 소재로 형성되고, 상기 나노 구조체는 상기 기판 상에 제공되어 굽혀지거나 접혀질 수 있는 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the substrate may be formed of a resilient material, and the nanostructure may be provided on the substrate to provide a diffractive optical element that can be bent or folded.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나의 단위 셀이 하나의 픽셀을 나타내는 회절 광학 소자가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a diffractive optical element in which the one unit cell represents one pixel may be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체에 입사되는 빔의 파장은 810nm 내지 830nm이고, 상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고, 나노 구조체의 높이(H) 310nm, 길이(L) 200nm, 폭(W)은 120nm이고, 상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 400nm인 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the wavelength of the beam incident on the nanostructure is 810nm to 830nm, the nanostructure is a cuboid shape, the height (H) 310nm, length (L) 200nm, width (W) of the nanostructure ) Is 120 nm, and the length (C) of one side of the unit cell may be provided with a diffractive optical element of 400 nm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 회절 광학 소자를 포함하고, 상기 회절 광학 소자에 빔을 입사시키는 광원; 상기 광원에서 나오는 빔이 통과되는 아이리스(Iris); 상기 회절 광학 소자에 반사 및 투과되는 빔의 상이 맺히는 파필드(far field); 및 상기 반사 및 투과되는 빔을 포착하기 위한 카메라를 포함하는 광학 장치가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a light source including a diffractive optical element and incident a beam on the diffractive optical element; An iris through which the beam emitted from the light source passes; A far field in which an image of a beam reflected and transmitted to the diffractive optical element is formed; And a camera for capturing the reflected and transmitted beams.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 파필드는 투과하는 빔이 나타되는 전방 파필드 및 반사되는 빔이 나타나는 후방 파필드를 포함하는 광학 장치가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the far field may be provided with an optical device including a front far field in which a transmitting beam appears and a rear far field in which a reflected beam appears.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 기하학적 메타표면을 포함하는 유전체 층을 적층하는 단계; 상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 구조체 그룹을 형성하는 단계를 포함하고, 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능하도록, 상기 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, forming a substrate; Depositing a dielectric layer comprising a geometric metasurface on the substrate; And forming a group of structures including a plurality of nanostructures by forming a pattern on the dielectric layer, and the incident beam is reflected and transmitted to the nanostructures to control the intensity and phase of the beam, thereby controlling the entire space of 360 degrees ( A method of manufacturing a diffractive optical element including the step of forming the nanostructures may be provided to enable injection of a beam to a full space).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 나노 구조체는 크롬이 증착 된 후, 리프트 오프(Lift off) 공정을 통해 구현되는 회절 광학 소자의 제조방법이 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, after the chromium is deposited on the plurality of nanostructures, a method of manufacturing a diffractive optical element implemented through a lift off process may be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 구조체 그룹을 형성하는 단계는, 상기 유전체 층 상부를 레지스트로 코팅하고, 상기 레지스트에 전자 빔을 조하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법이 제공 될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, forming a structure group including a plurality of nanostructures by forming a pattern on the dielectric layer comprises coating an upper portion of the dielectric layer with a resist and applying an electron beam to the resist. A method of manufacturing a diffractive optical element comprising steps can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전자 빔을 조사하는 단계 이전에 도전성 폴리머(conductive polymer)를 2000rpm으로 60초 동안 스핀-코팅하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a method of manufacturing a diffractive optical element may be provided, including spin-coating a conductive polymer at 2000 rpm for 60 seconds prior to the step of irradiating the electron beam.

본 발명의 실시예들에 따르면, 빔이 입사하는 방향을 포함한 360도 전 공간 상의 물체를 인식할 수 있는 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다. According to embodiments of the present invention, it is possible to provide a diffractive optical element capable of recognizing an object in a 360-degree total space including a direction in which a beam is incident, and a method for manufacturing the same.

또한, 소형화 및 초 경량화가 가능한 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a diffractive optical element capable of downsizing and ultra-lightweight and a method for manufacturing the same.

또한, 간단한 제조 공정으로 생산할 수 있는 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a diffractive optical element that can be produced by a simple manufacturing process and a manufacturing method thereof.

또한, 대량 생산으로 생산 단가가 저렴한 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a diffractive optical element having a low production cost by mass production and a method for manufacturing the same.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자의 일 부분을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 회절 광학 소자에 선형 편광(LP) 빔을 입사 시킨 경우, 반사 및 투과하는 빔을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 나노 구조체 각도에 따른 투과 및 반사되는 빔의 위상 지연을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2의 회절 광학 소자에 입사하는 빔의 파장에 따른 반사 및 투과되는 빔을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 회절 광학 소자에 빔을 입사시키고, 회절 광학 소자에 입사된 빔의 반사 및 투과의 경로를 나타내기 위한 광학 장치이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자에 반사 및 투과되는 빔이 파 필드(far filed)에 상이 맺히는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 나노 구조체를 가지는 단위 셀에 빔을 입사 시켰을 때, 파장에 따른 위상 차이를 나타낸다.
도 8 은 도 1의 메타 표면에 수직으로 입사하는 빔이 나노 구조체의 장축 및 단축을 따라 편광 될 때의 반사 및 투과 계수를 나타낸다.
도 9는 도 1의 회절 소자에 입사는 원편광(CP) 빔의 파장에 따른 반사 및 투과 효율을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔을 분사시키는 회절 광학 소자 및 이를 포함하는 광학 장치를 나타낸다.
도 11은 도 10의 회절 광학 소자에 의해 360도 전 공간에 분사된 빔의 스팟 어레이(spot arrays)를 나타낸다.
도 12는 도 11의 일부(A)를 확대한 스팟 어레이(spot arrays)를 나타낸다.
1 is a perspective view schematically showing a portion of a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view schematically illustrating a beam that is reflected and transmitted when a linearly polarized (LP) beam is incident on a diffraction optical element including a plurality of nanostructures according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the phase delay of a beam that is transmitted and reflected according to the angle of the nanostructure of FIG. 2.
FIG. 4 is a view showing reflected and transmitted beams according to a wavelength of a beam incident on the diffraction optical element of FIG. 2.
5 is an optical device for injecting a beam into the diffraction optical element of FIG. 4 and showing a path of reflection and transmission of a beam incident on the diffraction optical element.
FIG. 6 is a diagram illustrating that a beam reflected and transmitted to a diffraction optical element according to an embodiment of the present invention forms an image in a far filed.
7 shows a phase difference according to a wavelength when a beam is incident on a unit cell having the nanostructure of FIG. 1.
FIG. 8 shows reflection and transmission coefficients when a beam incident perpendicularly to the meta surface of FIG. 1 is polarized along the long and short axes of the nanostructure.
9 shows reflection and transmission efficiency according to the wavelength of a circularly polarized light (CP) beam incident on the diffraction element of FIG. 1.
10 shows a diffraction optical element for simultaneously emitting a beam in a 360-degree full space according to an embodiment of the present invention and an optical device including the same.
FIG. 11 shows spot arrays of beams ejected in a 360-degree space by the diffractive optical element of FIG. 10.
FIG. 12 shows spot arrays enlarged from part A of FIG. 11.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known configurations or functions may obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)의 일 부분을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 회절 광학 소자(10)에 선형 편광(LP) 빔을 입사 시킨 경우, 반사 및 투과하는 빔을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2의 나노 구조체 각도에 따른 투과 및 반사되는 빔의 위상 지연을 나타내는 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)에 입사하는 빔의 파장에 따른 반사 및 투과되는 빔을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 회절 광학 소자(10)에 빔을 입사시키고, 회절 광학 소자(10)에 입사된 빛의 반사 및 투과의 경로를 나타내기 위한 광학 장치(1)며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)에 반사 및 투과되는 빔이 파 필드(far filed)에 상이 맺히는 것을 나타내는 도면이다. 1 is a perspective view schematically showing a part of a diffraction optical element 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diffraction optical element 10 including a plurality of nanostructures according to an embodiment of the present invention When a linear polarization (LP) beam is incident on ), it is a perspective view schematically showing a reflected and transmitted beam, and FIG. 3 is a graph showing a phase delay of a transmitted and reflected beam according to the angle of the nanostructure of FIG. 2, and 4 is a view showing a reflected and transmitted beam according to the wavelength of the beam incident on the diffraction optical element 10 according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a beam incident on the diffraction optical element 10 of Figure 4 And an optical device 1 for indicating the path of reflection and transmission of light incident on the diffractive optical element 10, and FIG. 6 shows reflection and transmission on the diffractive optical element 10 according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing that the beam to be imaged on the far field.

도 1 내지 도6 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는 기판(100), 기판(100) 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 구조체 그룹(200)을 포함할 수 있으며, 구조체 그룹(200)은 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함할 수 있다. 여기서, 기하학적 메타표면은 구조체 그룹(200)에 포함된 나노 구조체가 기하학적 형상을 갖고 메타물질로서 기능하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 메타물질은 자연계에는 존재하지 않는 전기적 요소와 자기적 요소가 모두 포함된 새로운 인공소재로서, 음의 굴절률을 가져서 음굴절을 구현하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 기판(100)과 구조체 그룹(120)은 전체적으로 메타물질로서 기능할 수 있다.1 to 6, the diffractive optical element 10 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 100, a group of structures 200 forming a geometric metasurface on the substrate 100 The structure group 200 may include a plurality of nano structures 211. Here, the geometric meta-surface can be understood that the nano-structure included in the structure group 200 has a geometric shape and functions as a metamaterial. In addition, metamaterial is a new artificial material that includes both electrical and magnetic elements that do not exist in the natural world, and can be understood as implementing negative refraction by having a negative refractive index. That is, in this embodiment, the substrate 100 and the structure group 120 may function as metamaterials as a whole.

또한, 본 발명의 회절 광학 소자(10)는 기판 상에 나노 구조체들이 기 설정된 각도로 회전하며 복수 개 배열된 것으로 스크램블링 메타표면(Scrambling Metasuface)으로 표현 될 수 있다. In addition, the diffractive optical element 10 of the present invention may be represented by a scrambling metasuface as a plurality of nanostructures rotated at a predetermined angle on a substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는, 입사하는 빔이 회절 광학 소자(10)에 도달하는 경우 투과 및 반사하는 빔으로 회절 시킬 수 있다. 예를 들어, 입사하는 빔이 회절 광학 소자(10)에 도달하는 경우 다수의 빔으로 나눠진 후 360도 전 공간(full space)에 분사될 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자(10)에 도달한 빔은 90 도의 각도로 회절 될 수 있으며, 4044개가 넘는 점(spot) 또는 빛을 360도 전 공간에 흩뿌릴 수 있다. Diffraction optical element 10 according to an embodiment of the present invention, when the incident beam reaches the diffraction optical element 10 may be diffracted into a transmitting and reflecting beam. For example, when the incident beam reaches the diffraction optical element 10, it may be divided into a plurality of beams and then sprayed in a 360 degree full space. For example, the beam reaching the diffractive optical element 10 may be diffracted at an angle of 90 degrees, and more than 4044 spots or light may be scattered all over 360 degrees.

본 발명의 메타표면에 기반한 회절 광학 소자(10)는 회절 광학 소자(10)에 도달한 빔을 투과 및 반사 방향 모두로 나눠서 회절 시킬 수 있다. 구체적으로, 종래의 메타표면을 이용한 디바이스는 빔의 투과 또는 반사 중 하나의 방향만으로 빔을 진행 시킬 수 있었으나, 본 발명의 메타표면에 기반한 회절 광학 소자(10)는 빛의 투과 및 반사 모두의 방향으로 입사하는 빔을 진행시킬 수 있다. The diffractive optical element 10 based on the meta-surface of the present invention can diffract a beam reaching the diffractive optical element 10 in both transmission and reflection directions. Specifically, the device using the conventional meta surface was able to advance the beam in only one direction of transmission or reflection of the beam, but the diffractive optical element 10 based on the meta surface of the present invention has the direction of both light transmission and reflection. It is possible to advance the incident beam.

기판(100)은 연속된 복수 개의 단위 셀(111)로 이루어 질 수 있으며, 평면 형태의 플레이트 형상일 수 있다. 여기서, 단위 셀(111)은 하나의 나노 구조체(211)를 지지하고 있는 기 설정된 범위의 기판(100)의 일부로 정의될 수 있으며, 단위 셀(111)은 평면 방향으로 연속될 수 있다. 또한, 하나의 단위 셀(111)은 하나의 픽셀로 나타낼 수 있다. 또한, 예를 들어, 기판은 실리콘, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 의 소재로 제공될 수 있으며, 유연한(flexible) 소재로 제공될 수 있다. 즉, 기판은 탄력성 있는 유연한 기판(flexible)일 수 있다. 기판의 두께는 수 마이크미터에서 수 밀리미터까지 제공 될 수 있다. The substrate 100 may be formed of a plurality of continuous unit cells 111 and may have a flat plate shape. Here, the unit cell 111 may be defined as a part of the substrate 100 in a predetermined range supporting one nanostructure 211, and the unit cell 111 may be continuous in a plane direction. Also, one unit cell 111 may be represented by one pixel. In addition, for example, the substrate may be made of silicon, polydimethylsiloxane, or a flexible material. That is, the substrate may be a flexible flexible substrate (flexible). The thickness of the substrate can be provided from a few micrometers to several millimeters.

구조체 그룹(200)은 기판(100) 상에 형성되고, 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함할 수 있다. 여기서, 하나의 나노 구조체(211)는 하나의 단위 셀(11) 상에 배치될 수 있다. The structure group 200 is formed on the substrate 100 and may include a plurality of nano structures 211. Here, one nanostructure 211 may be disposed on one unit cell 11.

또한, 구조체 그룹(200)에 포함된 복수 개의 나노 구조체(211)는 입사된 빔이 360도 전 공간에 퍼져나가도록 기 설정된 각도를 갖고 m X n 행렬로 배치될 수 있다(여기서, m 및 n은 자연수). In addition, the plurality of nano-structures 211 included in the structure group 200 may be arranged in an m X n matrix with a predetermined angle so that the incident beam spreads through the entire 360-degree space (here, m and n) Is a natural number).

구조체 그룹(200)은 비정질 실리콘으로 제공될 수 있으며, 구조체 그룹(200)은 복수 개의 나노 구조체(211)로 구성 될 수 있다. 이 때, 각각의 나노 구조체(211)는 인접한 나노 구조체(211)와 기 설정된 간격으로 이격될 수 있으며, 이 때 나노 구조체(211)들 사이의 간격은 동일할 수 있다. 여기서, 나노 구조체(211)들 사이의 간격은 각 나노 구조체(211)의 평면 상 중심 사이의 거리로 이해될 수 있다. 또한, 구조체 그룹(200)에 형성되는 비정질 실리콘의 나노 구조체는 유전체 층으로 이해 될 수 있다. The structure group 200 may be provided with amorphous silicon, and the structure group 200 may be composed of a plurality of nano structures 211. At this time, each nano-structure 211 may be spaced apart from the adjacent nano-structure 211 at a predetermined interval, and at this time, the spacing between the nano-structures 211 may be the same. Here, the spacing between the nanostructures 211 may be understood as the distance between the centers on the plane of each nanostructure 211. In addition, nanostructures of amorphous silicon formed in the structure group 200 may be understood as a dielectric layer.

또한, 본 발명의 구조체 그룹(200)은 기하학적 메타표면(geometric metasurfaces, GEMS)을 구성할 수 있다. 이때, 기하학적 메타표면(GEMS)은 기하학적 구조에 따라서 반사 및 투과되는 빛의 세기 및 위상(phase)을 임의로 조절할 수 있는 메타표면을 의미하는 것으로서, Pancharatnam-Berry (PB) 위상에 기반한 것일 수 있다.In addition, the structure group 200 of the present invention may constitute geometric metasurfaces (GEMS). At this time, the geometric metasurface (GEMS) means a metasurface capable of arbitrarily adjusting the intensity and phase of reflected and transmitted light according to the geometric structure, and may be based on the Pancharatnam-Berry (PB) phase.

또한, 별도의 광원에서 입사되는 빔이 나노 구조체(211)에 반사 및 투과 됨으로써 다수 개의 빔으로 나누어 질 수 있고, 반사되는 빔 및 투과되는 빔의 세기 및 위상이 제어될 수 있다. 이에 의하여, 360도 전 공간에 빔을 분사할 수 있다. In addition, the beam incident from a separate light source is reflected and transmitted to the nanostructure 211 to be divided into a plurality of beams, and the intensity and phase of the reflected beam and the transmitted beam can be controlled. Thereby, a beam can be sprayed to the whole 360-degree space.

각각의 나노 구조체(211)는 높이(H), 폭(W), 길이(L)을 갖는 직육면체 형상을 가질 수 있다. 여기서, 높이(H)는 입사하는 빔과 동일한 축(Z축) 상의 길이이고, 폭(W)은 XY평면상에서 짧은 변의 길이를 의미하고, 길이(L)는 긴 변의 길이로 이해될 수 있다.Each nano-structure 211 may have a cuboid shape having a height (H), a width (W), and a length (L). Here, the height (H) is the length on the same axis (Z axis) as the incident beam, the width (W) means the length of the short side on the XY plane, and the length (L) can be understood as the length of the long side.

나노 구조체(211)의 높이(H)는 입사하는 빔의 파장의 절반(1/2) 이하로 제공될 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자(10)에 입사하는 빔의 파장이 630nm 인 경우, 나노 구조체(211)의 높이는 315nm 이하일 수 있다. The height H of the nanostructure 211 may be provided at half (1/2) or less of a wavelength of an incident beam. For example, when the wavelength of the beam incident on the diffractive optical element 10 is 630 nm, the height of the nanostructure 211 may be 315 nm or less.

이와 같은 나노 구조체(211)의 높이(H) 범위를 가짐으로써, 전자기 공명(electromagnetic resonances)을 일으켜 입사하는 빛의 투과 및 반사를 동시에 구현할 수 있다. 또한, 입사하는 빔의 파장의 절반 이하의 높이(H)를 같는 나노 구조체(211) 및 다수의 나노 구조체(211)를 포함하는 구조체 그룹을 가짐으로써 회절 응답성을 높일 수 있다. By having the height (H) range of the nanostructure 211, it is possible to simultaneously implement transmission and reflection of incident light by causing electromagnetic resonances. In addition, diffraction responsiveness may be increased by having a structure group including a nanostructure 211 and a plurality of nanostructures 211 having the same height (H) of less than half the wavelength of an incident beam.

또한, 나노 구조체(211)의 기하학적 변수(폭(W), 길이(L), 높이(H), 단위셀 간격(C)를 제어함으로써, 반사된 빔과 투과된 빔 사이의 전력 비율(power ratio)을 제어할 수 있다. In addition, by controlling the geometrical parameters (width (W), length (L), height (H), and unit cell spacing (C)) of the nanostructure 211, the power ratio between the reflected beam and the transmitted beam (power ratio) ) Can be controlled.

각각의 나노 구조체(211)는 각도

Figure pat00001
(orientation angle)를 갖고, 단위 셀(111)의 상부에 제공될 수 있다. 여기서, 나노 구조체(211)의 각도
Figure pat00002
(orientation angle)는 x축과 나노 구조체(211) 사이의 각도로 이해될 수 있다. Each nanostructure 211 is an angle
Figure pat00001
(orientation angle) and may be provided on the top of the unit cell 111. Here, the angle of the nanostructure 211
Figure pat00002
(orientation angle) may be understood as an angle between the x-axis and the nanostructure 211.

각각의 나노 구조체(211)는 입사되는 빔을 투과와 반사 모두에서, 나노 구조체(211)의 각도(

Figure pat00003
)의 두 배의 위상 지연을 갖도록 제어 될 수 있다. Each nano-structure 211, the angle of the nano-structure 211, both in the transmission and reflection of the incident beam (
Figure pat00003
) Can be controlled to have a phase delay of twice.

구조체 그룹(200)에 포함된 복수 개의 나노 구조체(211)는 입사된 빔이 반사 및 투과되어 360도 전 공간에 퍼져나가도록 m X n 행렬로 배치될 수 있다. 여기서, m 및 n은 자연수로서, 기 설정된 값이다. The plurality of nano structures 211 included in the structure group 200 may be arranged in an m X n matrix such that the incident beam is reflected and transmitted and spreads through the entire 360-degree space. Here, m and n are natural numbers and are preset values.

또한, 하나의 구조체 그룹(200)의 임의의 m행에 있는 연속하는 나노 구조체(211)는 기 설정된 각도의 차이를 가지고 연속적으로 배치될 수 있다. In addition, the continuous nanostructures 211 in any m row of one structure group 200 may be continuously arranged with a difference in predetermined angles.

예를 들어, 구조체 그룹(200)의 임의의 m행에는 연속하는 13개의 나노 구조체(121)를 포함할 수 있고, 인접하는 13개의 나노 구조체(211)는 6

Figure pat00004
/13 =83.077의 각도의 차이로 배치될 수 있다. 또한, 13개의 나노 구조체(211)는 1주기(one period)로 이해 될 수 있다. 여기서, 1주기(one period)란, 임의의 각도(
Figure pat00005
)를 갖는 나노 구조체(211)로부터 일 축 방향을 따라 이동 후 동일한 각도(
Figure pat00006
)를 갖는 갖는 나노 구조체(211)가 나타날 때까지의 나노 구조체의 개수(또는 구조체 그룹의 크기)로 이해될 수 있다. For example, any m row of the structure group 200 may include 13 consecutive nanostructures 121, and 13 adjacent nanostructures 211 may be 6
Figure pat00004
/13 =83.077. In addition, the 13 nano-structures 211 may be understood as one period. Here, one period means an arbitrary angle (
Figure pat00005
) After moving along the one-axis direction from the nano-structure 211 having the same angle (
Figure pat00006
It can be understood as the number of nanostructures (or the size of a group of structures) until nanostructures 211 with) appear.

구체적으로, 도 2의 구조체 그룹(200)에서 임의의 m행에는 13개의 나노 구조체들 (제1 나노 구조체(211a), 제2 나노 구조체(211b), 제3 나노 구조체(211c), 제4 나노 구조체(211d), 제5 나노 구조체(211e), 제6 나노 구조체(211f), 제7 나노 구조체(211g), 제8 나노 구조체(211h), 제9 나노 구조체(211i), 제10 나노 구조체(211j), 제11 나노 구조체(211k), 제12 나노 구조체(211l) 및 제13 나노 구조체(211m))이 각각 인접하는 나노 구조체와 각도 6π/13 차이를 이루며 배열되어 있다. Specifically, 13 m nanostructures (first nanostructure 211a, second nanostructure 211b), third nanostructure 211c, and fourth nanostructure in any m row in the structure group 200 of FIG. 2 Structure 211d, fifth nanostructure 211e, sixth nanostructure 211f, seventh nanostructure 211g, eighth nanostructure 211h, ninth nanostructure 211i, tenth nanostructure ( 211j), the eleventh nanostructure 211k, the twelfth nanostructure 211l, and the thirteenth nanostructure 211m) are arranged at an angle of 6π/13 from the adjacent nanostructures.

이와 같이 13개의 나노 구조체가 1주기(one period)를 이루는 경우, 구조체 그룹(200)에 포함된 하나의 나노 구조체는, 제7 나노 구조체(211g) 및 제8 나노 구조체(211h)의 단위 셀(111)이 xy평면상에서 교차하는 선을 기준으로, 동일한 각도를 갖는 다른 하나의 나노 구조체를 포함할 수 있다. 즉, 구조체 그룹(200)의 13개의 나노 구조체(211)가 1주기를 이루고 있고, xy평면상에 교차하는 선을 기준으로 좌우 대칭이 되도록 배치 될 수 있다. 이와 같이, 나노 구조체가 대칭으로 배치됨으로써, 선편광된 빔을 2가지의 원편광된 빔으로 나눌 수 있으며, 동일한 각도를 가지고 회절시키는 blazed grating 역할을 할 수 있다. As such, when 13 nanostructures form one period, one nanostructure included in the structure group 200 includes unit cells of the seventh nanostructure 211g and the eighth nanostructure 211h ( 111) may include another nanostructure having the same angle, based on a line intersecting on the xy plane. That is, 13 nanostructures 211 of the structure group 200 form one cycle, and may be arranged to be symmetrical left and right based on a line intersecting on the xy plane. As such, the nanostructures are arranged symmetrically, so that the linearly polarized beam can be divided into two circularly polarized beams, and can serve as a blazed grating that diffracts with the same angle.

예를 들어, 제7 나노 구조체(211g)와 제8 나노 구조체(211h)는 제7 나노 구조체(211g) 및 제8 나노 구조체(211)가 위치하는 단위 셀(111)이 교차하는 선을 기준으로 동일한 각도를 가질 수 있다. 마찬가지로, 제6 나노 구조체(211f)와 제9 나노 구조체(211i), 제5 나노 구조체(211e)와 제10 나노 구조체(211j), 제4 나노 구조체(211d)와 제11 나노 구조체(211k), 제3 나노 구조체(211c)와 제12 나노 구조체(211l), 제2 나노 구조체(211b)와 제13 나노 구조체(211m)는 제7 나노 구조체(211g) 및 제8 나노 구조체(211)가 위치하는 단위 셀(111)이 교차하는 선을 기준으로 동일한 각도를 가질 수 있다. 한편, 제1 나노 구조체(211a)는 다시 시작하는 주기(period)의 임의의 제1 나노 구조체와 동일한 각도를 갖는다.For example, the seventh nanostructure 211g and the eighth nanostructure 211h are based on a line intersecting the unit cell 111 in which the seventh nanostructure 211g and the eighth nanostructure 211 are located. It can have the same angle. Similarly, the sixth nanostructure 211f and the ninth nanostructure 211i, the fifth nanostructure 211e and the tenth nanostructure 211j, the fourth nanostructure 211d and the eleventh nanostructure 211k, The third nanostructure 211c, the twelfth nanostructure 211l, the second nanostructure 211b, and the thirteenth nanostructure 211m are located in the seventh nanostructure 211g and the eighth nanostructure 211. The unit cells 111 may have the same angle based on the line intersecting. On the other hand, the first nano-structure 211a has the same angle as any first nano-structure of a period to restart.

또한, 하나의 구조체 그룹(200) 내에 존재하는 복수 개의 나노 구조체(211)는 서로 다른 각도로 배치되어 있을 수 있다. In addition, the plurality of nano structures 211 existing in one structure group 200 may be disposed at different angles.

이와 같이, 나노 구조체(211)의 각도를 셀 단위로 변경하면, 빔을 360도 전 공간 상에서 원하는 방향으로 진행 시킬 수 있다. As described above, when the angle of the nanostructure 211 is changed in units of cells, the beam can be advanced in a desired direction on the entire space of 360 degrees.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 나노 구조체(211)는 회절 광학 소자(10)에 의해 회절되어 나온 3D 공간상에 나타나는 점들이 회전대칭(rotational symmetry)이 되도록 설계된다. 예를 들어, 임의의 좌표 x, y 를 갖는 각 점(spot)은 좌표 -x, -y 를 갖는 점(spot)의 컨쥬게이트 점(conjugate spot)과 동일할 수 있다. 이와 같은 배열로, LCP 빔의 회절 패턴은 파 필드에서 RCP 빔의 회절 패턴과 일치하며, 회절 광학 소자(10)에 의해 회절되어 나온 3D 공간상에 나타나는 점들은 입사되는 빔의 편광 상태에 무관(insensitive)할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the plurality of nanostructures 211 are designed such that points appearing in 3D space diffracted by the diffractive optical element 10 become rotational symmetry. For example, each spot having arbitrary coordinates x and y may be the same as a conjugate spot of a spot having coordinates -x and -y. With this arrangement, the diffraction pattern of the LCP beam coincides with the diffraction pattern of the RCP beam in the far field, and points appearing in 3D space diffracted by the diffractive optical element 10 are independent of the polarization state of the incident beam ( insensitive).

또한, 구조체 그룹(200)의 임의의 n열에 있는 나노 구조체(211) 또한 상술한 m행에 있는 나노 구조체와 마찬가지로 기 설정된 각도로 회전되어 배치되고, 주기를 이루며 배치될 수 있다. In addition, the nanostructures 211 in any n-column of the structure group 200 are also rotated at a predetermined angle and arranged in a periodic manner, like the nanostructures in the m-row described above.

상술한, 메타표면(metasurface)을 갖는 회절 광학 소자(10)의 작동 원리를 이해하기 위해, 아래 식 (1)로 표현되는 존스 계산식(Jones calculus)이 사용될 수 있다. In order to understand the principle of operation of the diffractive optical element 10 having a metasurface as described above, a Jones calculus represented by Equation (1) below can be used.

식 (1) :

Figure pat00007
Equation (1):
Figure pat00007

여기서, rs , ts, rl, tl, 은 편광된 파동(wave)이 나노 구조체의 단축(short axes) 및 장축(long axes)을 따라 통과할 때의 반사 및 투과 계수이다. 또한, δr 및 δt 는 각각 반사된 빔과 투과된 빔의 두 방향 또는 대각선 (thogonal) 방향 사이의 위상차(phase difference)이다.Here, r s, t s , r l , t l, are reflection and transmission coefficients when a polarized wave passes along short axes and long axes of the nanostructure. In addition, δ r and δ t are the phase differences between two or diagonal directions of the reflected beam and the transmitted beam, respectively.

원편광(CP) 입사광이 비추어질 때, 예를 들어 왼쪽 원편광(LCP)이 메타표면에 비추어 지면, 출력 광은 4개로 나누어 질 수 있다. 구체적으로, 동일 편광(Co-polarized beams)이라 불리는 반사와 투과 모두에 대해 위상 지연이 발생하지 않는 입사 광과 동일한 handedness를 가지는 두 개의 서브-광(sub-beams)과, 그리고 교차 편광(Cross-polarized beaams)이라 불리는 반사와 투과 모두에 대해 2φ의 위상 지연을 갖는 반대 handedness, 즉 오른쪽 원편광(RCP)을 갖는 두 개의 서브-광(sub-beams)으로 나누어 질 수 있다. 여기서, φ는 나노 구조체의 각도(orientation angle)이다.When the circularly polarized light (CP) incident light is illuminated, for example, when the left circularly polarized light (LCP) is projected on the meta surface, the output light may be divided into four. Specifically, two sub-beams having the same handedness as incident light that does not generate a phase delay for both reflection and transmission called co-polarized beams, and cross-polarization Polarized beaams can be divided into two sub-beams with opposite circular handedness, ie right circular polarization (RCP), with a phase delay of 2φ for both reflection and transmission. Here, φ is the angle (orientation angle) of the nanostructure.

따라서, 반사 및 투과된 빔은 원편광(CP)에 대해, 아래 수식 2(a) 및 2(b)와 같은 매트릭스 행렬로 나타낼 수 있다 Therefore, the reflected and transmitted beams can be represented by matrix matrices such as Equations 2(a) and 2(b) below for circularly polarized light (CP).

2(a):

Figure pat00008
2(a):
Figure pat00008

2(b):

Figure pat00009
2(b):
Figure pat00009

여기서, (Rcross, Tcross) 및 (Rco, Tco)는 각각 위상 지연을 갖는 교차 편광(cross-polarization)성분 및 위상 지연이 없는 동일 편광(co-polarization)성분을 갖는 출력 광(반사와 투과 파장 모두)의 편광 변환 효율을 나타낸다.Here, (R cross , T cross ) and (R co , T co ) are output light (reflection) having a cross-polarization component having a phase delay and a co-polarization component having no phase delay, respectively. And both transmission wavelengths).

또한, 편광 변환 효율은 다음 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the polarization conversion efficiency can be expressed by the following equation (3).

(3):

Figure pat00010
(3):
Figure pat00010

나노 구조체를 상술한 바와 같은 기 설정된 크기 및 각도를 갖도록 설계함으로써, 동일 편광(co-polarized) 부분이 억제 될 수 있고, 투과와 반사 사이의 교차 편광(cross-polarized) 부분의 비율이 제어 될 수 있다. 특히, Tcross = Rcross 이고 Tco = Rco = 0 이거나, 또는 등가적으로 δr = δt = π 이고 rl = rs = tl = ts 이면, 반사율과 투과율은 동일하게 나타날 수 있다. 이는 수식 2(a) 및 2(b)의 행렬에서 투과와 반사가 동일하고, 모든 입사하는 원편광(CP) 빔은 메타 표면과 수직인 두개의 반대 방향과 동일하게 이동하는 교차 편광 빔(cross-polarized beam)으로 변환된다.By designing the nanostructures to have a predetermined size and angle as described above, the co-polarized portion can be suppressed, and the ratio of the cross-polarized portion between transmission and reflection can be controlled. have. In particular, if T cross = R cross and T co = R co = 0, or equivalently, δ r = δ t = π and r l = r s = t l = t s , the reflectance and transmittance may be the same. have. This means that in the matrices of Equations 2(a) and 2(b), the transmission and reflection are the same, and all incident circularly polarized light (CP) beams move in the same direction as the two opposite directions perpendicular to the meta surface. -polarized beam).

또한, δr = δt = π 이고 rl = rs = tl = ts 가 관찰되지 않는 동안에, 설계된 위상 제어를 가지는 최적의 편광 변환 효율이 달성될 수 있다.Also, while δ r = δ t = π and r l = r s = t l = t s is not observed, optimal polarization conversion efficiency with designed phase control can be achieved.

도 7은 도 1의 나노 구조체를 가지는 단위 셀에 빔을 입사 시켰을 때, 파장에 따른 위상 차이를 나타낸다. 여기서, x축은 파장(wavelength)을 나타내고, y축은 위상차(Phase difference)를 나타낸다. 7 shows a phase difference according to a wavelength when a beam is incident on a unit cell having the nanostructure of FIG. 1. Here, the x-axis represents the wavelength, and the y-axis represents the phase difference.

도 7을 참조하면, 나노 구조체의 장축(long axes)과 단축(short axes)의 위상차(phase differences)는 반사와 투과 모두에서 π에 접근한다.Referring to FIG. 7, phase differences between long axes and short axes of the nanostructure approach π in both reflection and transmission.

도 8 은 도 1의 메타 표면에 수직으로 입사하는 빔이 나노 구조체의 장축 및 단축을 따라 편광 될 때의 반사 및 투과 계수를 나타낸다. 여기서, rs , ts, rl, tl, 은 편광된 파동(wave)이 나노 구조체의 단축(short axes) 및 장축(long axes)을 따라 통과할 때의 반사 및 투과 계수를 나타낸다. FIG. 8 shows reflection and transmission coefficients when a beam incident perpendicularly to the meta surface of FIG. 1 is polarized along the long and short axes of the nanostructure. Here, r s, t s , r l , t l, represent reflection and transmission coefficients when a polarized wave passes along the short axes and long axes of the nanostructure.

도 9는 도 1의 회절 소자에 입사는 원편광(CP) 빔의 파장에 따른 반사 및 투과 효율을 나타낸다. 여기서, Rcross 는 위상 지연을 갖는 교차 편광(cross-polarization)성분의 반사 편광 변환 효율을 나타내고, Tcross 는 위상 지연을 갖는 교차 편광(cross-polarization)성분의 투과 편광 변환 효율을 나타낸다.9 shows reflection and transmission efficiency according to the wavelength of a circularly polarized light (CP) beam incident on the diffraction element of FIG. 1. Here, R cross represents the reflection polarization conversion efficiency of a cross-polarization component having a phase delay, and T cross represents the transmission polarization conversion efficiency of a cross-polarization component having a phase delay.

또한, Rco 는 위상 지연이 없는 동일 편광(co-polarization)성분의 반사 편광 변환 효율을 나타내고, Tco 는 위상 지연이 없는 동일 편광(co-polarization)성분의 투과 편광 변환 효율을 나타낸다.In addition, R co represents the reflection polarization conversion efficiency of the co-polarization component without phase delay, and T co represents the transmission polarization conversion efficiency of the co-polarization component without phase delay.

도 9를 참조하면, 파장 630nm에서 반사와 투과 모두 편광 변환 효율은 27 %에 이르는 반면, 0차 회절에 기여하는 동일 편광(co-polarized) 빔은 3 % 이하의 무시할 수있는 수준으로 억제 될 수있다 (반사 0.4 % 및 투과 2.6 %).Referring to FIG. 9, the polarization conversion efficiency of both reflection and transmission at a wavelength of 630 nm reaches 27%, while the co-polarized beam contributing to the 0th order diffraction can be suppressed to a negligible level of 3% or less. Yes (0.4% reflection and 2.6% transmission).

따라서 각각의 나노 구조체는 원편광(CP) 입사빔을, 투과와 반사 모두에서 나노 구조체 각도(orientation angle)의 두 배의 위상 지연을 갖는 반대 handedness로 변환 할 수 있고, 동일한 handedness를 지닌 잔여 성분은 무시할 수 있는 수준으로 제어할 수 있따. Thus, each nanostructure can convert a circularly polarized light (CP) incident beam into opposite handedness with a phase delay of twice the nanostructure angle in both transmission and reflection, and the residual components with the same handedness It can be controlled to a negligible level.

즉, 나노 구조체의 각도를 셀 단위로 변경하면, 빔을 360도 전 공간의 원하는 방향으로 제어할 수 있다. That is, when the angle of the nanostructure is changed in units of cells, the beam can be controlled in a desired direction in a space of 360 degrees.

또한, 반사 및 투과 메트릭스는 대각선 요소에 0을 가지는 Hermitian conjugate를 가질 수 있다. 따라서, LCP와 RCP 빔에 의해 형성된 회절 패턴은, 나노 구조체가 회전 대칭(rotational symmetry)으로 설계되면, 서로 일치 할 수 있다. In addition, the reflection and transmission metrics can have a Hermitian conjugate with zero in the diagonal element. Therefore, the diffraction patterns formed by the LCP and RCP beams can be matched to each other if the nanostructures are designed with rotational symmetry.

이와 같은 원리를 이용하여, 광원을 통해 입사된 빔이 나노 구조체에 반사 및 투과되어 4개의 빔으로 회절 되도록 하는 회절 광학 소자(10)를 구현할 수 있다. 즉 회절 광학 소자(10)는 빔 스플리터(beam spliter)와 위상 변조기(phase modulator) 기능을 동시에 수행할 수 있다. Using this principle, the diffraction optical element 10 can be implemented such that the beam incident through the light source is reflected and transmitted to the nano-structure and diffracted into four beams. That is, the diffractive optical element 10 can simultaneously perform a beam splitter and a phase modulator function.

선형 편광(LP) 빔은 동일한 세기(intensity)를 갖는 왼쪽 원편광(LCP)과 오른쪽 원편광(RCP) 빔의 조합으로 취급 될 수 있으며, 이와 같은 나노 구조체를 갖는 메타표면은 입사 빔을 대칭 전파 방향(propagation directions)을 갖는 4 개의 서브 빔으로 회절 시킬 수 있다. 이러한 회절은 동일한 편광 변환 효율에 의한 동일한 세기(equal intensity)를 갖고, PB 위상의 스핀 의존 특성(spindependent nature of the PB phase)에 의해 나타낼 수 있다. Linearly polarized (LP) beams can be treated as a combination of left circularly polarized (LCP) and right circularly polarized (RCP) beams with the same intensity, and meta surfaces with such nanostructures propagate incident beams symmetrically It can be diffracted into 4 sub-beams with propagation directions. Such diffraction has the same intensity due to the same polarization conversion efficiency, and may be represented by the spin dependent nature of the PB phase.

또한, 광원에서 입사되는 빔의 작동 파장이 470nm에서 650nm로 변할 때, 설계된 차수(m = 6)를 가진 빔의 회절 각도(diffraction angle)가 증가하고, 작동 파장이 650nm 인 경우 회절 각도가 90 °가 되며, 작동 파장이 650nm인 경우 회절 각도가 90 °를 초과한다. 이러한 결과는 메타 표면을 갖는 회절 광학 소자(10)에서 회절된 빔이 360도 전 공간(full)에 방사 될 수 있음을 나타낸다. In addition, when the operating wavelength of the beam incident from the light source changes from 470 nm to 650 nm, the diffraction angle of the beam with the designed order (m = 6) increases, and when the operating wavelength is 650 nm, the diffraction angle is 90° When the operating wavelength is 650nm, the diffraction angle exceeds 90 °. These results indicate that the diffracted beam in the diffractive optical element 10 having a meta surface can be radiated in full 360 degrees.

또한, 나노 구조체를 회전시켜, 즉 나노 구조체의 각도를 제어함으로써, 입사하는 빔으로부터 투과 및 반사 공간 모두에서 균일한 세기(intensity)를 갖는 2 Х 2 스팟 어레이(spot array)로 제어할 수 있다. In addition, by rotating the nanostructure, that is, by controlling the angle of the nanostructure, it can be controlled by a 2 x 2 spot array having uniform intensity in both the transmission and reflection spaces from the incident beam.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는 나노 구조체(211)가 배치된 단위 셀(111)의 한변의 길이(C)를 300nm로 설정하고, 하나의 구조체 그룹(200)에서 m X n 행렬로 배치되는 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함하고, m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 5개로 설정하여 구조체 그룹(200)의 크기를 1.5 x 1.5 μm2 로 설정할 수 있다. 여기서, 구조체 그룹(200)은 격자 주기(grating period)로 표현될 수 있다. 이와 같은 조건을 갖는 회절 광학 소자(10)에 630nm 파장을 갖는 빔을 투과 시켜 반사 및 투과되는 4개의 빔으로 회절 시킬 수 있다. In the diffraction optical element 10 according to an embodiment of the present invention, the length C of one side of the unit cell 111 in which the nanostructure 211 is disposed is set to 300 nm, and m in one structure group 200 It includes a plurality of nanostructures 211 arranged in an X n matrix, and a plurality of nanostructures arranged in m rows and n columns can be set to 5 each to set the size of the structure group 200 to 1.5 x 1.5 μm 2 have. Here, the structure group 200 may be represented by a grating period. A beam having a wavelength of 630 nm is transmitted through the diffractive optical element 10 having such conditions, and thus can be diffracted into four beams reflected and transmitted.

이와 같은 회절 광학 소자(10) 즉, 반 투과형 빔 스플리터의 성능을 구현하는데 필요한 장치가 도면 5에 도시되어 있으며, 도 5의 회절 광학 소자(10)에 반사 및 투과되는 빔이 파 필드(50, far filed)에 상이 맺히는 것을 나타내는 도면이 도 6에 도시되어 있다. The diffractive optical element 10, that is, a device required to implement the performance of the semi-transmissive beam splitter is illustrated in FIG. 5, and the beam reflected and transmitted to the diffractive optical element 10 of FIG. 5 is a wave field 50, Figure 6 shows an image formed on the far filed).

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(1)는 회절 광학 소자(10)에 빔을 투사하는 광원(20), 빔이 통과하는 아이리스(30, Iris), 회절 광학 소자(10), 반사 및 투과되는 서브-빔(sub-beam)의 상이 맺히는 파 필드(far field, 50) 및 반사 및 투과되는 서브-빔을 포착하기 위한 카메라(60)을 포함할 수 있다. 5 and 6, the optical device 1 according to an embodiment of the present invention includes a light source 20 for projecting a beam onto the diffractive optical element 10, an iris 30 through which the beam passes, Diffractive optical element 10, may include a far field (far field 50) of the reflected and transmitted sub-beam (sub-beam) and a camera 60 for capturing the reflected and transmitted sub-beam have.

광원(20)은 입사하는 빔의 파장이 연속적으로 변하도록 제어 가능하다. 예를 들어, 광원(20)으로부터 470nm 내지 650nm의 파장을 연속적으로 변하도록 회절 광학 소자(10)에 입사 시킬 수 있고, 20nm 간격을 갖도록 입사 시킬 수도 있다. 또한, 광원(20)은 빛이 연속적으로 변하는(supercontinuum) YSL SC-pro일 수 있다. The light source 20 is controllable such that the wavelength of the incident beam continuously changes. For example, the wavelength of 470nm to 650nm from the light source 20 may be incident on the diffractive optical element 10 to continuously change, or may be incident with a spacing of 20nm. Further, the light source 20 may be a YSL SC-pro in which light continuously changes (supercontinuum).

광원(20)에서 나오는 빔은 아이리스(30)을 통과 후 회절 광학 소자(10)에 입사 될 수 있다. 회절 광학 소자(10)에 반사 및 투과된 빔(상이한 회절 차수(different diffraction orders)를 가짐)은 카메라(60)에 의해 포착되어, 파 필드(50)에서 관찰 될 수 있다. 파 필드(50)는 투과하는 빔이 투영되는 전방 파필드(52), 반사되는 빔이 투영되는 후방 파필드(54)를 포함할 수 있다. The beam emitted from the light source 20 may be incident on the diffraction optical element 10 after passing through the iris 30. The beam reflected and transmitted to the diffractive optical element 10 (with different diffraction orders) can be captured by the camera 60 and observed in the far field 50. The far field 50 may include a front far field 52 on which a transmitting beam is projected, and a rear far field 54 on which a reflected beam is projected.

회절 광학 소자(10)에서 전방 파필드(52) 및 후방 파필드(54)까지는 거리는 동일할 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자(10)로부터 전방 파필드(52)까지의 거리는 150nm일 수 있고, 마찬가지로 회절 광학 소자(10)로부터 후방 파필드(54)까지의 거리도 150nm일 수 있다. The distance from the diffractive optical element 10 to the front farfield 52 and the rear farfield 54 may be the same. For example, the distance from the diffractive optical element 10 to the front farfield 52 may be 150 nm, and likewise the distance from the diffractive optical element 10 to the rear farfield 54 may also be 150 nm.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 도 1에 도시된 나노 구조체(211)를 기 설정된 각도로 연속적으로 배열하여, 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔을 분사 할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the nanostructures 211 shown in FIG. 1 are continuously arranged at a predetermined angle, and beams can be simultaneously injected to a full space of 360 degrees.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔을 분사시키는 회절 광학 소자(10) 및 이를 포함하는 광학 장치(1)를 나타내고, 도 11은 도 10의 회절 광학 소자(10)에 의해 360도 전 공간에 분사된 빔의 스팟 어레이(spot arrays)를 나타내며, 도 12는 도 11의 일부(A)를 확대한 스팟 어레이(apot arrays)를 나타낸다. 10 shows a diffraction optical element 10 and an optical device 1 including the same, which simultaneously sprays a beam to a 360-degree full space according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11 shows the diffraction of FIG. 10 The spot arrays of the beams ejected to the entire 360-degree space by the optical element 10 are shown, and FIG. 12 shows spot arrays enlarged from part A of FIG. 11.

도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔을 분사할 수 있다. 이와 같은 회절 소자(10)는 나노 구조체(211)가 배치된 단위 셀(111)의 한변의 길이(C)를 300nm로 설정하고, 하나의 구조체 그룹(200)에서 m X n 행렬로 배치되는 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함하고, m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 100개로 설정하여 구조체 그룹(200)의 크기를 30 x 30 μm2 로 설정할 수 있다. 여기서, 구조체 그룹(200)은 격자 주기(grating period)로 표현될 수 있다.10 to 12, the diffractive optical element 10 according to an embodiment of the present invention may simultaneously spray a beam in a 360 degree full space. The diffraction element 10 sets a length C of one side of the unit cell 111 in which the nanostructure 211 is disposed to 300 nm, and is arranged in a m X n matrix in one structure group 200 A plurality of nanostructures including two nanostructures 211 and disposed in m rows and n columns may be set to 100, respectively, to set the size of the structure group 200 to 30 x 30 μm 2 . Here, the structure group 200 may be represented by a grating period.

또한, 이와 같은 구조체 그룹(200)을 복수 개 설정하여, 연속하는 p X q 행렬로 배치함으로써, 회절 광학 소자(10)에 입사하는 빔을 360도 전 공간에 동시에 분사할 수 있다. 여기서, p 및 q는 자연수로서, 각각 10으로 설정될 수 있다. 즉, 이와 같은 회절 광학 소자(10)는 일정한 각도를 갖는 나노 구조체(211)가 주기적으로 반복되어 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔이 분사될 수 있다. 또한, 회절 광학 소자(10)에 입사되는 파장은 600nm ~ 650nm 범위의 파장일 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자(10)에 입사되는 빔의 작동 파장은 633nm일 수 있다. In addition, by setting a plurality of such structure groups 200 and arranging them in a continuous p X q matrix, beams incident on the diffractive optical element 10 can be simultaneously sprayed to the entire 360-degree space. Here, p and q are natural numbers, and may be set to 10, respectively. That is, in such a diffractive optical element 10, the nano-structure 211 having a constant angle is periodically repeated so that a beam can be simultaneously injected into a full space of 360 degrees. In addition, the wavelength incident on the diffractive optical element 10 may be a wavelength in the range of 600nm to 650nm. For example, the operating wavelength of the beam incident on the diffractive optical element 10 may be 633 nm.

또한, 구조체 그룹(200)은 100 X 100 행렬로 배치되는 나노 구조체(211)를 포함하므로, 100 X 100 회절 차수(diffraction orders)를 가질 수 있으나, 입사되는 빔의 작동 파장이 633nm이고, 단위 셀의 한변의 크기는 300nm 이기 때문에, 6924 개의 서브-빔(sub beams)이 파 필드(far field)에 도달할 수 있다. In addition, since the structure group 200 includes nanostructures 211 arranged in a 100 X 100 matrix, it may have 100 X 100 diffraction orders, but an operating wavelength of an incident beam is 633 nm, and a unit cell Since the size of one side of is 300 nm, 6924 sub-beams can reach the far field.

또한, PB 위상 성분(PB phasebased elements)에 존재하는 편광 의존성(polarization dependence)를 제거하기 위하여, 구조체 그룹(200)의 나노 구조체는 광학 축(optical axis)를 중심으로 회전 대칭(rotational symmetry)으로 설계될 수 있다. In addition, in order to remove the polarization dependence existing in the PB phase component (PB phase based elements), the nanostructures of the structure group 200 are designed with rotational symmetry around the optical axis. Can be.

또한, LCP에 의해 회절되어서 원거리에서 생길 한 점과 RCP에 의해 회절되어서 생긴 한 점을 일치시킴으로, 회절 광학 소자(10)의 편광의존성을 무시할 수 있도록 회절된 점 구름 형태가 회전 대칭이 될 수 있다. In addition, by matching one point generated by diffraction by the LCP and one point generated by the RCP by diffusing by LCP, the diffracted point cloud form can be rotationally symmetrical so that the polarization dependence of the diffraction optical element 10 can be ignored. .

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)의 구조체 그룹(200)은, Mx Х My 단위 셀을 포함하고, 인접하는 셀 중심 간의 간격을 C라고 가정할 수 있다. 이와 같은 회절 광학 소자(10)에 입사 빔이 수직으로 입사하는 경우, 투과 및 반사 공간에서 생성되는 회절 차수(diffraction orders)는 픽셀 수, 즉, Mx Х My와 동일하다. 특히, (mx, my) 번째의 회절 차수의 횡단 공간 주파수(transverse spatial frequency)는 다음과 같이 식 (4)로 나타낼 수 있다. In addition, the structure group 200 of the diffractive optical element 10 according to an embodiment of the present invention includes M x Х M y unit cells, and it can be assumed that the spacing between adjacent cell centers is C. When the incident beam is vertically incident on the diffractive optical element 10, diffraction orders generated in the transmission and reflection spaces are equal to the number of pixels, that is, M x Х M y . In particular, the transverse spatial frequency of the (m x , m y )-th diffraction order can be expressed by Equation (4) as follows.

식 (4):

Figure pat00011
Equation (4):
Figure pat00011

여기서 |mx|

Figure pat00012
Mx/2, |my|
Figure pat00013
My/2 이다. 또한, 횡단 공간 주파수(transverse spatial frequency) k'
Figure pat00014
일 때, 대응하는 회절 차수는 소멸 파(evanescent wave)가 되고 파 필드(far field)로 전파 될 수 없다.Where |m x |
Figure pat00012
M x /2, |m y |
Figure pat00013
M y /2. Also, transverse spatial frequency k'
Figure pat00014
In this case, the corresponding diffraction order becomes an evanescent wave and cannot be propagated to a far field.

반면에, 횡단 공간 주파수 k'가 1/

Figure pat00015
보다 작으면, 회절 차수는 진행파에 상응하고, 파 필드(far field)로 진행 될 수 있다. 회절 차수의 회절 각(diffraction angle of a diffraction order)은 다음과 같이 식(5)에 의해 결정될 수 있다. On the other hand, the transverse spatial frequency k'is 1/
Figure pat00015
If smaller, the diffraction order corresponds to a traveling wave, and can proceed to a far field. The diffraction angle of a diffraction order can be determined by Equation (5) as follows.

식 (5):

Figure pat00016
Equation (5):
Figure pat00016

여기서,

Figure pat00017
는 회절 차수와 좌표 평면 yoz 사이의 각도이고,
Figure pat00018
는 회절 차수와 좌표 평면 xoz 간의 각도이고,
Figure pat00019
는 회절 차수와 z 축 사이의 각도이다.here,
Figure pat00017
Is the angle between the diffraction order and the coordinate plane yoz ,
Figure pat00018
Is the angle between the diffraction order and the coordinate plane xoz ,
Figure pat00019
Is the angle between the diffraction order and the z axis.

식 (4)와 식 (5) 로부터, 단위 셀들 사이의 중심 간격이 C

Figure pat00020
/2 를 만족할 때, 진행파(propagation wave)의 회절 각은 90°에 접근 할 수 있다. 즉, 회절된 서브 빔은 360도 전 공간을 채울 수 있다. From Eqs. (4) and (5), the central spacing between unit cells is C
Figure pat00020
When /2 is satisfied, the diffraction angle of the propagation wave can approach 90°. That is, the diffracted sub-beam can fill the entire 360-degree space.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)를 설계하는 방법은 다음과 같이 나타낼 수 있다. In addition, a method of designing the diffractive optical element 10 according to an embodiment of the present invention can be represented as follows.

먼저, 입사 빔의 파장에 대한 나노 구조체(211)의 자기 공명(magnetic resonance)를 찾은 후, 이것을 기하학적 위상과 결합(나노 구조체의 각도 설정)한다. 그 후, 단위 셀(111)의 나노 구조체의 기하학적 변수(높이(H), 길이(L), 폭(W))를 조절함으로써, 반사된 빔과 투과된 빔 사이의 전력 비율(power ratio)를 제어할 수 있다. 그 후, 소프트웨어(예를 들어, COMSOL)을 이용하여 나노 구조체를 포함하는 회절 소자(10)의 성능을 파악 할 수 있다. 또한 구조체 그룹(200)의 m X n 행렬을 갖는 나노 구조체(211)에서, m행 및 n열을 주기적인 경계 조건(periodic boundary conditions)로 설정할 수 있다. First, after finding the magnetic resonance of the nanostructure 211 with respect to the wavelength of the incident beam, this is combined with the geometrical phase (setting the angle of the nanostructure). Then, by adjusting the geometric parameters (height (H), length (L), width (W)) of the nanostructures of the unit cell 111, the power ratio between the reflected beam and the transmitted beam (power ratio) Can be controlled. Thereafter, the performance of the diffraction element 10 including the nanostructure may be grasped using software (eg, COMSOL). In addition, in the nanostructure 211 having the m X n matrix of the structure group 200, m rows and n columns may be set as periodic boundary conditions.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)를 제조하는 방법은 다음과 같이 나타낼 수 있다. In addition, a method of manufacturing the diffractive optical element 10 according to an embodiment of the present invention can be represented as follows.

기판에 비정실 실리콘을 증착한 후, 레지스트로 코팅하고, 전자빔을 조사하여 패턴을 형성하고, 크롬(Cr)을 증착하고, 리프트 오프(Lift off) 공정과 식각(Etching) 공정 후 크롬층을 제거하여, 본 발명의 회절 광학 소자를 형성할 수 있다.After depositing the amorphous silicon on the substrate, coated with a resist, and irradiated with an electron beam to form a pattern, deposit chromium (Cr), and remove the chromium layer after the lift off process and etching process. Thus, the diffractive optical element of the present invention can be formed.

구체적으로는, 비정질 실리콘(Amorphous silicon)을 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해, 기판 상에 증착시킨다. 여기서, 기판의 두께는 500μm 일 수 있으며, 비정실 실리콘은 유전체 층일 수 있다. Specifically, amorphous silicon is deposited on a substrate through plasma-enhanced chemical vapor deposition. Here, the thickness of the substrate may be 500 μm, and the amorphous silicon may be a dielectric layer.

그 후, 레지스트 층을 2000rpm 으로 60 초 동안 스핀 코팅(spin-coated)하고, 플레이트상에서 5 분 동안 180 ℃에서 최종 두께 약 100nm로 베이킹 한다. Thereafter, the resist layer was spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds, and baked on the plate at 180° C. for 5 minutes to a final thickness of about 100 nm.

그 후, 전자 빔 리소그래피 (ELIONIX, ELS-7800, 80 kV, 50 pA)에 의해 패턴(patterned)이 형성된다. Thereafter, a pattern is formed by electron beam lithography (ELIONIX, ELS-7800, 80 kV, 50 pA).

또한, 유전체 기판(dielectric substrate)으로부터의 대전 효과(charging effects)를 방지하기 위해, 전자 빔 조사 단계 이전에 도전성 폴리머 (conductive polymer)를 2000rpm 으로 60초 동안 스핀-코팅한다. In addition, to prevent charging effects from the dielectric substrate, the conductive polymer is spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds before the electron beam irradiation step.

전자빔 조사량은 약 1280 ~ 1,600 μC / cm2이다. 그 후, 전도성 층을 탈 이온수(deionized water)에서 제거하고, PMMA 레지스트를 메틸 이소부틸 케톤 / 이소프로필 알코올 (methyl isobutyl ketone/isopropyl alcohol, IPA) 1 : 3 용액 에서 0 ℃에서 12 분 동안 노출시키고, IPA로 30 초 동안 세정한다. 그후, 전자빔 증착에 의해 크롬(Cr) 40nm을 증착 한 다음, 50 ℃ 아세톤에서 리프트 오프(lift-off) 공정을 수행한다.The electron beam dose is about 1280 to 1,600 μC/cm 2 . Thereafter, the conductive layer was removed from deionized water, and the PMMA resist was exposed in a solution of methyl isobutyl ketone/isopropyl alcohol (IPA) 1: 3 at 0° C. for 12 minutes. , Wash for 30 seconds with IPA. Then, 40 nm of chromium (Cr) is deposited by electron beam deposition, and then a lift-off process is performed at 50°C acetone.

여기서, 패턴화 된 크롬(Cr) 층은 실리콘을 위한 에칭 마스크로 사용되고, 건식 에칭을 사용하여 크롬(Cr)이 없는 부분의 실리콘 층을 제거할 수 있다. 에칭 공정 후, 크롬(Cr)에칭제에 의해 크롬(Cr) 마스크를 제거한다. 이와 같은 과정을 거쳐, 실리콘 나노 구조체가 기판 상에 형성된다.Here, the patterned chromium (Cr) layer is used as an etching mask for silicon, and dry etching can be used to remove the chromium (Cr)-free silicon layer. After the etching process, the chromium (Cr) mask is removed with a chromium (Cr) etching agent. Through this process, a silicon nano structure is formed on the substrate.

또한, 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는 입사하는 빔이 적외선 범위의 파장(810~830nm)의 범위에서 작동하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 가시광선에서 작동하는 회절 광학 소자(10)에 비해 높은 효율을 나타낼 수 있다. 즉, 가시광선 범위에서 작동하는 회절 광학 소자의 효율은 반사와 투과 모두에서 약 27% 였지만, 적외선 범위에서 작동하는 회절 광학 소자의 효율은 약 85%일 수 있다. In addition, the diffractive optical element 10 according to another embodiment of the present invention may be configured such that an incident beam operates in a range of infrared wavelengths (810-830 nm). In this case, it is possible to exhibit high efficiency compared to the diffraction optical element 10 operating in visible light. That is, the efficiency of the diffractive optical element operating in the visible light range was about 27% in both reflection and transmission, but the efficiency of the diffractive optical element operating in the infrared range may be about 85%.

예를 들어, 나노 구조체의 높이(H)는 310nm이고, 길이(L)은 200nm, 폭(W)은 120nm, 단위 셀의 한변의 길이(C)는 400nm로 설계될 수 있다. For example, the height (H) of the nanostructure may be 310 nm, the length (L) of 200 nm, the width (W) of 120 nm, and the length (C) of one side of the unit cell may be 400 nm.

이하에서는 상기와 같은 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법의 작용 및 효과에 대해 설명하겠다. Hereinafter, the operation and effects of the above-described diffraction optical element and its manufacturing method will be described.

본 발명의 회절 광학 소자는 종래의 소자의 깊이 조절을 통해 회절효과를 만들어내는 회절 광학 소자 및 레이더 기술을 이용하지 않고, 메타 표면을 이용해서 360도 전 공간상에 빛을 뿌릴 수 있다. The diffractive optical element of the present invention can scatter light on the entire 360-degree space using a meta surface without using a diffractive optical element and radar technology that creates a diffraction effect through the depth control of a conventional element.

또한, 종래의 메타표면 기술은 반사되는 빛의 위상 정보를 조절하거나 또는 투과되는 빛의 위상을 조절하는 방식으로 구현이 되었으나, 본 발명의 회절 광학 소자의 메타표면의 경우에는 반사와 투과하는 빛 모두를 조절할 수 있다. In addition, the conventional meta-surface technology has been implemented by adjusting the phase information of reflected light or by controlling the phase of transmitted light, but in the case of the meta-surface of the diffractive optical element of the present invention, both reflected and transmitted light Can be adjusted.

또한, 나노 구조체는 입사하는 작동 파장의 1/2 두께로서, 점 구름(point cloud) 생성에 필요한 위상 정보를 저장하고, 이를 기초로 입사하는 빔을 약 4,044개의 빔(점)으로 분사할 수 있다. In addition, the nanostructure is 1/2 the thickness of the operating wavelength of incident, and stores the phase information necessary for generating a point cloud, and on the basis of this, the incident beam can be injected into about 4,044 beams (points). .

또한, 본 발명의 회절 광학 소자는 실리콘을 이용하기 때문에 기존의 반도체 공정 기술을 사용해서 디바이스를 제작할 수 있으며, 기존의 반도체 공정 기술을 사용하기 때문화 상용화 측면에서 이점이 있다. In addition, since the diffractive optical element of the present invention uses silicon, a device can be manufactured using an existing semiconductor process technology, and is advantageous in terms of commercialization because it uses an existing semiconductor process technology.

또한, 비정실 실리콘을 이용하는 경우 낮은 열 손실을 나타낼 수 있으며, 가볍고 유연한 디바이스로 제작가능하다. In addition, when using an amorphous silicon, it may exhibit low heat loss and can be manufactured as a light and flexible device.

또한, 나노 구조체의 두께가 얇기 때문에 초경량, 고효율의 광학 장치로 제작에 용이하다. In addition, since the nanostructure is thin, it is easy to manufacture with an ultra-light and high-efficiency optical device.

또한, 본 발명의 메타 표면에 기반한 회절 광학 소자를 이용하면, 파노라마 카메라, 3차원 얼굴 인식 카메라, 증강현실/가상현실 디스플레이 기기에 적용되어 사용될 수 있다. In addition, when the diffractive optical element based on the meta surface of the present invention is used, it can be applied to a panoramic camera, a 3D face recognition camera, and an augmented reality/virtual reality display device.

또한, 회절 광학 소자를 구성하는 실리콘 나노 구조체는 유연한 기판 상에 제작 가능하므로, 플렉서블 디스플레이 (flexible display), 롤러블 디스플레이 (rollable display)에 적용가능하다. In addition, since the silicon nanostructure constituting the diffractive optical element can be manufactured on a flexible substrate, it is applicable to a flexible display and a rollable display.

이상 본 발명의 실시예에 따른 회절 광학 소자 및 이의 제조방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.The diffraction optical element and its manufacturing method according to the embodiment of the present invention have been described above as specific embodiments, but this is only an example, and the present invention is not limited thereto, and the widest range according to the basic idea disclosed in this specification is described. It should be interpreted as having. Those skilled in the art may combine and replace the disclosed embodiments to implement patterns in a shape that is not timely, but this is also within the scope of the present invention. In addition, those skilled in the art can easily change or modify the disclosed embodiments based on the present specification, and it is obvious that such changes or modifications fall within the scope of the present invention.

1: 광학 장치 10: 회절 광학 소자
20: 광원 30: 아이리스
50: 파필드 60: 카메라
100: 기판 111: 단위 셀
200: 구조체 그룹 211: 나노 구조체
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical apparatus 10 Diffraction optical element
20: light source 30: iris
50: Farfield 60: Camera
100: substrate 111: unit cell
200: structure group 211: nano structure

Claims (20)

기판;
상기 기판 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 구조체 그룹을 포함하고,
상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고,
상기 구조체 그룹은 기 설정된 간격 및 각도로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
하나의 상기 단위 셀에 하나의 상기 나노 구조체가 배치되고,
광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써, 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능한 회절 광학 소자.
Board;
A group of structures forming a geometric metasurface on the substrate,
The substrate includes a plurality of consecutive unit cells,
The structure group includes a plurality of nanostructures arranged at predetermined intervals and angles,
One nanostructure is disposed in one unit cell,
A diffraction optical element capable of spraying a beam into a full space of 360 degrees by controlling the intensity and phase of the beam by reflecting and transmitting the beam incident through the light source to the nanostructure.
제1 항에 있어서,
상기 나노 구조체의 두께(H)는 상기 광원을 통해 입사되는 빔의 파장의 절반 이하인 회절 광학 소자.
According to claim 1,
The thickness (H) of the nano-structure is less than half the wavelength of the beam incident through the light source, a diffractive optical element.
제1 항에 있어서,
상기 구조체 그룹은 m X n 행렬로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 4개의 빔으로 나눠 지도록, m행 또는 n열에 배치된 인접하는 상기 나노 구조체는 기 설정된 각도 차이로 배치되는 회절 광학 소자. (여기서, m 및 n은 자연수)
According to claim 1,
The structure group includes a plurality of nanostructures arranged in an m X n matrix,
The diffractive optical element is disposed adjacent to the nanostructures arranged in m rows or n columns at a predetermined angle difference so that the beam incident through the light source is reflected and transmitted to the nanostructures and divided into four beams. (Where m and n are natural numbers)
제3 항에 있어서,
상기 m행 또는 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 서로 다른 각도를 가지는 회절 광학 소자.
According to claim 3,
A plurality of nanostructures arranged in the m row or n column has a diffraction optical element having a different angle.
제3 항에 있어서,
상기 m행 또는 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 13개이고,
상기 m행 또는 n열에 배치된 인접한 나노 구조체의 각도의 차이는 6π/13 인 회절 광학 소자.
According to claim 3,
The plurality of nanostructures arranged in the m row or n column is 13,
The diffraction optical element having an angle difference between adjacent nanostructures arranged in the m row or n column is 6π/13.
제3 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,
상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 300nm 이고,
상기 m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 5개로서, 상기 구조체 그룹의 크기는 1.5 x 1.5 μm2 인 회절 광학 소자.
According to claim 3,
The nanostructure is a cuboid shape,
The length (C) of one side of the unit cell is 300 nm,
The plurality of nanostructures disposed in the m row and the n column are 5, respectively, and the size of the structure group is 1.5 x 1.5 μm 2 .
제6 항에 있어서,
상기 나노 구조체에 입사되는 빔의 파장은 630nm이고, 상기 나노 구조체의 높이(H)는 315nm 이하인 회절 광학 소자.
The method of claim 6,
The wavelength of the beam incident on the nanostructure is 630 nm, and the height (H) of the nanostructure is 315 nm or less.
제 3항에 있어서,
상기 4개의 빔은 상기 광원을 통해 입사된 빔의 진행 방향과 동일한 측의 방향으로 진행하는 2개의 빔과 상기 광원을 통해 입사된 빔의 진행 방향과 반대 측의 방향으로 진행하는 2개의 빔으로 회절되는 회절 광학 소자.
According to claim 3,
The four beams are diffracted into two beams traveling in the same direction as the traveling direction of the beam incident through the light source and two beams traveling in the direction opposite to the traveling direction of the beam incident through the light source. Diffractive optical element.
제3 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,
상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 300nm 이고,
상기 m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 100개로서, 상기 구조체 그룹의 크기는 30 x 30 μm2 이고,
상기 구조체 그룹은 복수 개로서, 연속하는 p X q 행렬로 배치되는 회절 광학 소자. (여기서, p 및 q는 자연수)
According to claim 3,
The nanostructure is a cuboid shape,
The length (C) of one side of the unit cell is 300 nm,
The plurality of nanostructures disposed in the m row and the n column is 100, respectively, and the size of the structure group is 30 x 30 μm 2 ,
A plurality of the structure groups, the diffractive optical element is arranged in a continuous p X q matrix. (Where p and q are natural numbers)
제9 항에 있어서,
상기 p와 q는 각각 10인 회절 광학 소자.
The method of claim 9,
The p and q are 10 diffractive optical elements, respectively.
제1 항에 있어서
상기 나노 구조체는 비정질 실리콘인 회절 광학 소자.
The method of claim 1
The nanostructure is an amorphous silicon diffractive optical element.
제1 항에 있어서,
상기 기판은 탄력성이 있는 소재로 형성되고,
상기 나노 구조체는 상기 기판 상에 제공되어 굽혀지거나 접혀질 수 있는 회절 광학 소자.
According to claim 1,
The substrate is formed of an elastic material,
The nanostructure is provided on the substrate is a diffractive optical element that can be bent or folded.
제1 항에 있어서,
상기 하나의 단위 셀이 하나의 픽셀을 나타내는 회절 광학 소자.
According to claim 1,
A diffractive optical element in which the one unit cell represents one pixel.
제1 항에 있어서,
상기 나노 구조체에 입사되는 빔의 파장은 810nm 내지 830nm이고,
상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,
나노 구조체의 높이(H) 310nm, 길이(L) 200nm, 폭(W)은 120nm이고, 상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 400nm인 회절 광학 소자.
According to claim 1,
The wavelength of the beam incident on the nanostructure is 810nm to 830nm,
The nanostructure is a cuboid shape,
A diffractive optical element having a height (H) of 310 nm, a length (L) of 200 nm, and a width (W) of 120 nm, and the length (C) of one side of the unit cell is 400 nm.
제1 항에 기재된 회절 광학 소자를 포함하고,
상기 회절 광학 소자에 빔을 입사시키는 광원;
상기 광원에서 나오는 빔이 통과되는 아이리스(Iris);
상기 회절 광학 소자에 반사 및 투과되는 빔의 상이 맺히는 파필드(far field); 및
상기 반사 및 투과되는 빔을 포착하기 위한 카메라를 포함하는 광학 장치.
It comprises the diffraction optical element according to claim 1,
A light source incident on the diffractive optical element;
An iris through which the beam emitted from the light source passes;
A far field in which an image of a beam reflected and transmitted to the diffractive optical element is formed; And
And a camera for capturing the reflected and transmitted beams.
제15 항에 있어서,
상기 파필드는 투과하는 빔이 나타되는 전방 파필드 및 반사되는 빔이 나타나는 후방 파필드를 포함하는 광학 장치.
The method of claim 15,
The far field is an optical device including a front far field where a transmitting beam appears and a rear far field where a reflected beam appears.
기판을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 기하학적 메타표면을 포함하는 유전체 층을 적층하는 단계;
상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 구조체 그룹을 형성하는 단계를 포함하고,
입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능하도록, 상기 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법.
Forming a substrate;
Depositing a dielectric layer comprising a geometric metasurface on the substrate;
Forming a structure group including a plurality of nanostructures by forming a pattern on the dielectric layer,
The incident beam is reflected and transmitted to the nanostructure, so that the intensity and phase of the beam are controlled so that the beam can be injected in a full space of 360 degrees, so that the nanostructure is formed. Manufacturing method.
제17 항에 있어서,
상기 복수 개의 나노 구조체는 크롬이 증착 된 후, 리프트 오프(Lift off) 공정을 통해 구현되는 회절 광학 소자의 제조방법.
The method of claim 17,
After the chromium is deposited on the plurality of nanostructures, a method for manufacturing a diffractive optical element implemented through a lift off process.
제18 항에 있어서,
상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 구조체 그룹을 형성하는 단계는,
상기 유전체 층 상부를 레지스트로 코팅하고, 상기 레지스트에 전자 빔을 조하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법.
The method of claim 18,
Forming a pattern on the dielectric layer to form a group of structures including a plurality of nanostructures,
A method of manufacturing a diffractive optical element comprising coating an upper portion of the dielectric layer with a resist, and subjecting the resist to an electron beam.
제19 항에 있어서,
상기 전자 빔을 조사하는 단계 이전에 도전성 폴리머(conductive polymer)를 2000rpm으로 60초 동안 스핀-코팅하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법.

The method of claim 19,
And spin-coating a conductive polymer at 2000 rpm for 60 seconds prior to the step of irradiating the electron beam.

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