KR20210055450A - 광학 필터 및 이를 포함하는 분광기 및 전자 장치 - Google Patents

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KR20210055450A
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Abstract

광학 필터 및 이를 포함하는 분광기 및 전자 장치가 개시된다. 개시된 광학 필터는 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및 상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함한다. 여기서, 제1 구조물들은 링 형상을 가질 수 있다.

Description

광학 필터 및 이를 포함하는 분광기 및 전자 장치{Optical filter, and spectrometer and electronic apparatus including the optical filter}
본 개시는 광학 필터 및 이를 포함하는 분광기 및 전자 장치에 관한 것이다.
입사광의 투과, 반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자는 다양한 광학 분야에 이용된다. 최근에는 서브 파장(sub-wavelength)의 구조물들을 이용하여 초소형화되고 다양한 광학적 특성을 나타내는 광학 소자를 구현하는 시도가 지속되고 있다.
서브 파장의 구조물들은 분광기에도 활용될 수 있다. 일반적으로, 두 반사기를 소정 거리로 이격하여 특정 공진 파장의 공진 구조를 구현할 수 있다. 이에 채용되는 반사기로서, 굴절률이 다른 물질층을 1/4파장 두께로 반복 적층하는 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 사용할 수 있는데, 이 경우, 반사율을 높이기 위해 적층수의 증가가 수반되고 반사기 간의 거리를 조절하여 공진 파장을 구현하므로, 초소형으로 원하는 공진 파장을 구현하는 것이 용이하지 않다.
예시적인 실시예는 광학 필터 및 이를 포함하는 분광기 및 전자 장치를 제공한다.
일 측면에 있어서,
이차원적으로 주기적으로 배열되며 링 형상을 가지는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및
상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함하는 광학 필터가 제공된다.
상기 복수의 제2 구조물은 링 형상 또는 디스크 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 구조물들의 사이즈 및 피치(pitch)는 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
상기 제1 리플렉터와 상기 제2 리플렉터 사이의 간격, 상기 제1 및 제2 구조물들의 굴절률, 사이즈 및 피치 중 적어도 하나에 의해 입사광의 투과 파장이 선택될 수 있다.
상기 제1 및 제2 구조물들의 사이즈는 내반경, 외반경, 내반경과 외반경의 비율 및 높이 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 구조물의 내반경, 외반경 및 내반경과 외반경의 비율 중 적어도 하나 또는 상기 제2 구조물의 내반경, 외반경 및 내반경과 외반경의 비율 중 적어도 하나에 의해 입사광의 투과 파장이 선택될 수 있다.
상기 복수의 제1 구조물은 상기 복수의 제2 구조물에 대해 대칭적으로(symmetrically) 마련되거나 또는 비대칭적으로(asymmetrically) 마련될 수 있다.
상기 광학 필터는 상기 제1 및 제2 구조물들의 주변을 채우는 물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 구조물은 상기 물질층보다 높은 굴절률과 낮은 흡수 계수를 가지는 유전 물질(dielectric material)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 구조물은 예를 들면, 결정질 실리콘, 비정질 실리콘, 티타늄 산화물, 실리콘 질화물, 티타늄 질화물, 투명 전도성 산화물, III-V족 반도체 화합물 및 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 구조물들 및 상기 제2 구조물들은 예를 들면, 정삼각형, 정사각형 또는 정육각형으로 이차원적으로 배열될 수 있다.
상기 광학 필터는 상기 제2 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제3 구조물을 포함하는 제3 리플렉터를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 제3 구조물은 링 형상 또는 디스크 형상을 가질 수 있다.
다른 측면에 있어서,
서로 다른 중심 파장을 가지는 복수의 부분 필터를 포함하고,
상기 복수의 부분 필터 각각은,
이차원적으로 주기적으로 배열되며 링 형상을 가지는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및
상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함하는 광학 필터가 제공된다.
상기 복수의 제2 구조물은 링 형상 또는 디스크 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 리플렉터와 상기 제2 리플렉터 사이의 간격, 상기 제1 및 제2 구조물들의 굴절률, 사이즈 및 피치 중 적어도 하나에 의해 입사광의 투과 파장이 선택될 수 있다.
상기 광학 필터는 상기 제1 및 제2 구조물들의 주변을 채우는 물질층을 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
적어도 하나의 부분 필터를 포함하는 광학 필터; 및
상기 광학 필터를 투과하는 광을 수광하는 광검출 소자;를 포함하고,
상기 적어도 하나의 부분 필터 각각은,
이차원적으로 주기적으로 배열되며 링 형상을 가지는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및
상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함하는 분광기가 제공된다.
상기 복수의 제2 구조물은 링 형상 또는 디스크 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 리플렉터와 상기 제2 리플렉터 사이의 간격, 상기 제1 및 제2 구조물들의 굴절률, 사이즈 및 피치 중 적어도 하나에 의해 입사광의 투과 파장이 선택될 수 있다.
상기 광검출 소자는 예를 들면, 이미지 센서 또는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
대상체를 향해 광을 조사하는 광원;
상기 광원에서 조사된 광에 의해 상기 대상체에서 나오는 광의 광 경로상에 배치되는 분광기; 및
상기 분광기로부터 검출되는 광을 이용하여, 상기 대상체의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석하는 프로세서;를 포함하고,
상기 분광기는, 적어도 하나의 부분 필터를 포함하는 광학 필터; 및 상기 광학 필터를 투과하는 광을 수광하는 광검출 소자;를 포함하고,
상기 적어도 하나의 부분 필터 각각은, 이차원적으로 주기적으로 배열되며 링 형상을 가지는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및 상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함하는 전자 장치가 제공된다.
예시적인 실시예들에 의하면, 광학 필터가 링 형상의 구조물들로 구성된 리플렉터를 포함함으로써 원하는 파장 대역을 선택적으로 투과시킬 수 있으므로 파장 선택에 대한 자유도가 높고, 구조물의 형상 대칭성으로 인해 편광 의존성 및 입사각 의존성이 없는 필터링 특성을 나타내는 광학 필터를 구현할 수 있다. 이에 따라, 협대역 투과 필터로 적용되거나, 또는, 넓은 파장 대역에서 우수한 분광 특성을 가지는 분광기에 채용될 수 있다. 또한, 반도체 공정을 이용하여 이미지 센서 등과 같은 광검출 소자에 광학 필터를 일체형으로(monolithically) 집적 시킬 수 있으므로 초소형의 휴대용 분광기를 구현할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광학 필터의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 광학 필터의 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 광학 필터에 구비된 제1 및 제2 리플렉터에 의해 특정 파장의 광이 투과되는 원리를 개념적으로 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 5는 비교예에 따른 광학 필터에 입사광이 수직으로 입사되는 모습을 도시한 것이다.
도 6a는 도 5에 도시된 광학 필터의 TE 편광의 광에 대한 분광 특성을 도시한 것이다.
도 6b는 도 5에 도시된 광학 필터의 TM 편광의 광에 대한 분광 특성을 도시한 것이다.
도 7은 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터에 입사광이 수직으로 입사되는 모습을 도시한 것이다.
도 8a는 도 7에 도시된 광학 필터의 TE 편광의 광에 대한 분광 특성을 도시한 것이다.
도 8b는 도 7에 도시된 광학 필터의 TM 편광의 광에 대한 분광 특성을 도시한 것이다.
도 9는 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터에 입사광이 수직으로 입사되는 모습을 도시한 것이다.
도 10은 도 9에서 y축 방향에 대한 TE 편광의 각도(Ψ) 변화에 따른 입사광의 분광 특성을 도시한 것이다.
도 11은 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터에 입사광이 경사지게 입사되는 모습을 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11에서 z축 방향에 대한 입사광의 입사각(θ) 변화에 따른 입사광의 분광 특성을 도시한 것이다.
도 13은 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터에 입사광이 경사지게 입사되는 모습을 도시한 것이다.
도 14a 및 도 14b는 도 13에서 z축 방향에 대한 입사광의 입사각(Ψ) 변화에 따른 입사광의 분광 특성을 도시한 것이다.
도 15a 내지 도 15c는 도 1에 도시된 광학 필터에서, 제1 및 제2 구조물의 내반경에 대한 외반경의 비율에 따른 분광 특성을 도시한 것이다.
도 16은 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 것이다.
도 17은 도 16에 도시된 광학 필터의 평면도이다.
도 18a 내지 도 18c는 예시적인 실시예에 따라 제1 구조물의 외반경을 변화시키면서 제작한 광학 필터들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 19a 내지 도 19c는 예시적인 실시예에 따라 제2 구조물의 외반경을 변화시키면서 제작한 광학 필터들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 20은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 것이다.
도 21은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 것이다.
도 22는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 것이다.
도 23은 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 것이다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 광학 필터의 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 광학 필터의 평면도이다. 도 4는 도 1에 도시된 광학 필터에 구비된 제1 및 제2 리플렉터에 의해 특정 파장의 광이 투과되는 원리를 개념적으로 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 광학 필터(100)는 서로 이격되게 배치되는 제1 및 제2 리플렉터(110.120)를 포함한다. 제1 및 제2 리플펙터(110,120)는 기판(105)에 마련될 수 있다. 기판(105)은 예를 들면, 투명한 재질을 포함할 수 있다. 기판(105)은 후술하는 제1 및 제2 구조물(115,125) 보다 작은 굴절률을 가지는 재질을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 리플렉터(110,120)는 기판(105)에 소정 간격(S)으로 이격되게 배치될 수 있다. 기판(105)의 상면에 마련되는 제1 리플렉터(110)는 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제1 구조물(115)을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 리플렉터(110)의 상부에 마련되는 제2 리플렉터(120)는 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물(125)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 구조물들(115,125)은 서프 파장(sub-wavelength)의 구조물들이 될 수 있다. 서브 파장의 구조물들이라 함은 구조물들의 사이즈 및 피치(pitch)가 입사광의 파장 보다 작은 구조물들을 의미한다. 광학 필터에 입사되는 광은 예를 들면, 가시광 또는 적외선을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 및 제2 구조물들(115,125)은 링 형상을 가질 수 있다. 여기서, 제1 구조물(115)은 외반경(R1out), 내반경(R1in) 및 높이(t1)을 가질 수 있으며, 제2 구조물(125)은 외반경(R2out), 내반경(R2in) 및 높이(t2)을 가질 수 있다.
제1 구조물들(115)은 일 방향을 따라 제1 피치(P1)를 가지고 주기적으로 배열될 수 있다. 제1 구조물들(115)은 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이 정삼각형 또는 정육각형 형태로 이차원적으로 배열될 수 있다. 이 경우, 서로 인접한 3개의 제1 구조물(115)이 정삼각형의 꼭지점에 위치하는 형태로 배열될 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것으로, 제1 구조물들(115)은 다른 다양한 형태로 배열될 수 있다.
제2 구조물들(125)은 일 방향을 따라 제2 피치(P2)를 가지고 주기적으로 배열될 수 있다. 제2 구조물들(125)은 제1 구조물들(115)과 마찬가지로 예를 들면, 정삼각형 또는 정육각형 형태로 이차원적으로 배열될 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것으로, 제2 구조물들(125)은 이외에도 다른 다양한 형태로 배열될 수 있다.
도 1에는 제2 구조물들(125)이 제1 구조물들(115)에 대해 대칭적으로(symmetrically) 배열된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 이 경우, 제2 구조물들(125)은 제1 구조물들(115)과 동일한 재질, 크기, 형상 및 피치를 가질 수 있다. 즉, 제1 및 제2 구조물들(115,125)은 일방향을 따라 동일한 피치을 가지고 주기적으로 배열되며, 정삼각형 또는 정육각형 형태로 배열될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 리플렉터(110,120)가 이격된 방향인 z축 방향에 수직인 평면도에서 볼 때, 제1 구조물들(115)과 제2 구조물들(125)은 겹치도록 배열될 수 있다.
한편, 제2 구조물들(125)은 제1 구조물들(115)에 대해 비대칭적으로(asymmetrically) 배열될 수도 있다. 이 경우, 제2 구조물들(125)은 제1 구조물들(115)과 재질, 크기, 형상, 피치 및 배열 형태 중 적어도 하나가 다를 수 있다.
기판(105)에는 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 주변을 채우도록 물질층(150)이 더 마련될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 구조물(115,125)은 주변의 물질층(150)보다 높은 굴절률과 낮은 흡수 계수를 가지는 유전 물질(dielectric material)을 포함할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 제1 및 제2 구조물(115,125)은 기판 (105)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다.
제1 및 제2 구조물(115,125)은 예를 들면, 결정질 실리콘, 비정질 실리콘, 티타늄 산화물, 실리콘 질화물, 티타늄 질화물, 투명 전도성 산화물(ITO), Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물, 및 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 주변을 채우는 물질층(150)은 예를 들면, 실리콘 산화물, 폴리머 계열 물질(SU-8, PMMA), HSQ(Hydrogen silsesquioxane) 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 리플렉터(110)와 제2 리플렉터(120)는 페브리-페로(Fabry-Perot) 공진기를 형성한다. 페브리-페로 공진기는 반사율이 높은 두 리플렉터(110,120)가 이격된 공간의 캐비티(cavity)에 의해 형성된다. 두 리플렉터(110,120) 사이에 들어온 광은 서로 대면하는 리플렉터(110,120)를 왕복하며, 서로 보강 간섭과 상쇄 간섭을 일으킨다. 이 때, 공진 파장(λc)에 해당하는 파장의 광은 보강 간섭 조건을 만족하여 페브리-페로 공진기를 투과할 수 있다. 다른 파장 대역의 광(λan)은 페브리-페로 공진기를 투과하지 못한다. 페브리-페로 공진기의 성능은 투과 스펙트럼이 대응되는 공진 파장(λc)에 대해 좁은 대역폭을 나타낼수록 우수한 것으로 평가될 수 있다. 페브리-페로 공진기의 성능은 Q 팩터(Quality factor) 또는 반치폭(full width at half maximum, FWHM)으로 정의될 수 있다.
본 실시예에 따른 광학 필터(100)는 페브리-페로 공진기를 구성하는 반사기로서 고굴절률의 서브 파장 구조물인 링 형상의 제1 및 제2 구조물들(115,125)을 채용하고 있으므로, 높은 반사율을 나타낼 수 있고, 부피를 최소화할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 구조물의 형상 대칭성으로 인해 특정 파장의 광을 투과시킴에 있어 편광 의존성을 갖지 않을 수 있다.
광학 필터(100)를 투과하는 공진 파장(λc)은 제1 리플렉터(110) 및 제2 리플렉터(120)의 광학적 재질, 기하학적 구조 등과 같은 설계 변수들에 의해 정해진다. 구체적으로, 광학 필터(100)를 투과하는 공진 파장(λc)은 제1 및 제2 리플렉터(110,120) 사이의 간격(S), 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 굴절률, 사이즈 및 피치(P1,P2) 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 사이즈는 내반경(R1in,R2in), 외반경(R1out,R2out), 내반경과 외반경의 비율 및 높이(t1,t2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 광학 필터(100)가 기판(105) 및 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 주변을 채우는 물질층(150)을 더 포함하는 경우에는 광학 필터(100)를 투과하는 공진 파장(λc)은 기판(105)의 굴절률 및 물질층(150)의 굴절률에 의해서도 결정될 수 있다.
광학 필터(100)에서는 제1 및 제2 리플렉터(110,120)의 설계 변수들을 변화시킴으로써 제1 및 제2 리플렉터(110,120) 사이의 공진 파장(λc)을 미세하게 조정할 수 있으며, 또한 링 형상을 가지는 제1 및 제2 구조물(115,125) 내부의 공진 파장도 조정할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 광학 필터(100)는 제1 및 제2 리플렉터(110,120)의 설계 변수들을 활용하여 원하는 파장 대역을 투과시킬 수 있으므로 파장 선택에 대한 자유도가 높고, 제1 및 제2 구조물(115,125)의 형상 대칭성으로 인해 편광 의존성 및 입사각 의존성이 없는 필터링 특성을 나타낸다. 따라서, 협대역 투과 필터로 적용되거나, 또는, 넓은 파장 대역에서 우수한 분광 특성을 가지는 분광기에 채용될 수 있다. 또한, 반도체 공정을 이용하여 이미지 센서 등과 같은 광검출 소자에 광학 필터(100)를 일체형으로(monolithically) 집적 시킬 수 있으므로 초소형의 휴대용 분광기를 구현할 수 있다.
도 5는 비교예에 따른 광학 필터에 입사광이 수직으로 입사되는 모습을 도시한 것이다. 도 5에서 입사광의 입사 방향인 k 방향은 z축 방향과 나란하고, 입사광 중 TE 편광은 y축 방향과 나란하다. 도 6a는 도 5에 도시된 광학 필터의 TE 편광의 광에 대한 분광 특성을 도시한 것이다. 도 6b는 도 5에 도시된 광학 필터의 TM 편광의 광에 대한 분광 특성을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 비교예에 따른 광학 필터(10)는 기판(11), 제1 리플렉터(13) 및 제2 리플렉터(15)를 포함하며, 여기서 제1 및 제2 리플렉터(13, 15) 각각은 y축 방향의 길이 방향을 가지는 그레이팅들을 포함한다. 이와 같은 구조에서, k 방향으로 입사하는 광은 TE 편광, 즉, 도 5에서 y축 방향과 나란한 편광의 광에 대해서만 설계된 공진 파장 특성을 나타내고 이와 다른 편광의 광에 대해서는 설계된 공진 특성을 나타내지 않는다.
구체적으로, 도 6a에 도시한 바와 같이, 비교예에 따른 광학 필터(10)는 TE 편광의 광에 대해서는 소정 중심 파장에서 높은 투과율을 나타내며, 양호한 Q 값을 갖는 스펙트럼을 나타내지만, 도 6b에 도시한 바와 같이, TM 편광의 광에 대해서는 다른 형태의 스펙트럼을 나타내며, 설계된 파장의 광에 대한 분광 기능을 하지 못한다. 임의의 편광의 광은 TE, TM 편광의 조합으로 나타나며, 즉, 비편광의 광은 TE, TM 편광이 고르게 분포하는 형태이므로 이러한 광학 필터(10)는 입사광을 분광함에 있어 50%의 광손실을 나타내게 된다. 그러나, 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)는 후술하는 바와 같이 편광에 의존한 광손실이 발생하지 않는다.
도 7은 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터에 입사광이 수직으로 입사되는 모습을 도시한 것이다. 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 재질, 형상, 크기 및 피치는 동일하다. 여기서, 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 피치는 400nm로 하였다. 도 7을 참조하면, 입사광의 입사 방향인 k 방향은 z축 방향과 나란하고, 입사광 중 TE 편광은 y축 방향과 나란하다.
도 8a는 도 7에 도시된 광학 필터의 TE 편광의 광에 대한 분광 특성을 도시한 것이다. 도 8b는 도 7에 도시된 광학 필터의 TM 편광의 광에 대한 분광 특성을 도시한 것이다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)에서는 TE 편광의 광 및 TM 편광의 광에 대한 분광 특성들은 파장 대역 및 파형에 있어서 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 일반적으로 임의의 편광의 광은 이러한 두 직교 편광의 조합으로 나타나므로, 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)에 임의의 편광 성분의 광이 입사되어도, 이와 같은 투과 스펙트럼을 나타낼 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터에 입사광이 수직으로 입사되는 모습을 도시한 것이다. 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 재질, 형상, 크기 및 피치는 동일하다. 여기서, 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 피치는 400nm로 하였다. 도 9를 참조하면, 입사광의 입사 방향인 k 방향은 z축 방향과 나란하고, 입사광 중 TE 편광은 y축 방향에 대해 소정 각도(Ψ)를 이루고 있다.
도 10은 도 9에서 y축 방향에 대한 TE 편광의 각도(Ψ) 변화에 따른 입사광의 분광 특성을 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, TE 편광의 각도(Ψ)가 변화하여도 분광 특성들은 거의 차이가 없으므로, 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)는 무편광 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 11은 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터에 입사광이 경사지게 입사되는 모습을 도시한 것이다. 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 재질, 형상, 크기 및 피치는 동일하다. 여기서, 제1 및 제2 구조물(115,125) 각각의 외반경 및 내반경은 126nm 및 26.25nm 로 하였다. 도 11을 참조하면, 입사광의 입사 방향인 k 방향은 z축 방향에 대해 소정 각도(θ)를 이루고 있으며, 입사광의 TE 편광이 y축 방향에 대해 소정 각도로 이루고 있다.
도 12a 및 도 12b는 도 11에서 z축에 대한 입사광의 입사각(θ) 변화에 따른 분광 특성을 도시한 것이다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)에서는 입사광의 입사각(θ)이 0도에서 30도까지 변화하여도 분광 특성들은 거의 차이가 없음을 알 수 있다.
도 13은 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터에 입사광이 경사지게 입사되는 모습을 도시한 것이다. 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 재질, 형상, 크기 및 피치는 동일하다. 여기서, 제1 및 제2 구조물(115,125) 각각의 외반경 및 내반경은 126nm 및 26.25nm 로 하였다. 도 13을 참조하면, 입사광의 입사 방향인 k 방향은 z축 방향에 대해 소정 각도(Ψ)를 이루고 있으며, 입사광의 TE 편광이 y축 방향과 나란하다.
도 14a 및 도 14b는 도 13에서 z축에 대한 입사광의 입사각(Ψ) 변화에 따른 분광 특성을 도시한 것이다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)에서는 입사광의 입사각(Ψ)이 0도에서 30도까지 변화하여도 분광 특성들은 거의 차이가 없음을 알 수 있다.
도 11 내지 도 14b에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 다른 광학 필터(100)에서는 입사광의 입사각이 변화하여도 입사광의 분광 특성에는 크게 변화가 없는 것을 알 수 있다. 이상과 같이, 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)는 편광 의존성 및 입사각 의존성이 없는 우수한 분광 특성을 가질 수 있다.
도 15a 내지 도 15c는 도 1에 도시된 광학 필터에서 제1 및 제2 구조물의 내반경에 대한 외반경의 비율에 따른 분광 특성을 도시한 것이다. 도 15a 내지 도 15c에는 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)에 입사광이 수직으로 입사되는 경우가 도시되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 재질, 형상, 크기 및 피치는 동일하다. 그리고, 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 피치는 400nm, 제1 및 제2 구조물들(115,125)의 높이는 370nm로 하였으며, 제1 및 제2 리플렉터(110,120) 사이의 간격은 350nm로 하였다. 도 15a 내지 도 15c 각각에는 제1 및 제2 구조물(110,120)의 외반경을 120nm에서 130nm까지 변화시킬 때 입사광의 분광 특성들이 도시되어 있다.
도 15a에는 제1 및 제2 구조물(115,125)의 내반경에 대한 외반경의 비율(Rout/Rin)이 4.0인 경우의 분광 특성이 도시되어 있고, 도 15b에는 제1 및 제2 구조물(115,125)의 내반경에 대한 외반경의 비율(Rout/Rin)이 4.3인 경우의 분광 특성이 도시되어 있으며, 도 15c에는 제1 및 제2 구조물(115,125)의 내반경에 대한 외반경의 비율(Rout/Rin)이 4.8인 경우의 분광 특성이 도시되어 있다.
도 15a 내지 도 15c를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)에서는 제1 및 제2 구조물(115,125)의 구조물의 내반경에 대한 외반경의 비율(Rout/Rin)을 변화시킴에 따라 다양한 분광 특성을 얻을 수 있으며, 대략 2nm ~ 6nm 정도의 반치폭(FWHM)을 가지는 샤프(sharp)하고 균일한 분광 특성들을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
전술한 도 15a 내지 도 15c에는 예시적인 실시예에 따른 광학 필터(100)에서 제1 리플렉터(110) 및 제2 리플렉터(120)의 설계 변수들 중 제1 및 제2 구조물(115,125)의 내반경에 대한 외반경의 비율을 변화시킴으로써 다양한 분광 특성을 얻는 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 제1 리플렉터(110) 및 제2 리플렉터(120)의 설계 변수들 중 적어도 하나를 변화시킴으로써 다양한 분광 특성들을 얻을 수 있다.
도 16은 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 것이다. 도 17은 도 16에 도시된 광학 필터의 평면도이다.
도 16을 참조하면, 광학 필터(200)는 소정 간격(S)으로 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 리플렉터(210,220)를 포함하며, 여기서, 제1 리플렉터(210)는 링 형상의 복수의 제1 구조물(215)을 포함하고, 제2 리플렉터(220)는 링 형상의 복수의 제2 구조물(225)을 포함한다.
본 실시예에 따른 광학 필터(200)에서는 제1 및 제2 구조물들(215,225)이 서로 비대칭적으로 배열되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 구조물들(215,225)은 재질, 형상, 크기, 주기 및 배열 형태 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
예를 들면, 제1 구조물들(215)은 일방향을 따라 제1 피치(P1)를 가지고 이차원적으로 배열되며, 제1 구조물들(215) 각각은 외반경 R1out, 내반경 R1in 및 높이 t1을 가질 수 있다. 그리고, 제2 구조물들(225)은 일방향을 따라 제2 피치(P2)를 가지고 이차원적으로 배열되며, 제2 구조물들(225) 각각은 외반경 R2out, 내반경 R2in 및 높이 t2을 가질 수 있다. 도 16에는 제1 구조물(215)의 외반경(R1out)이 제2 구조물(225)의 외반경(R2out)보다 크고 제1 구조물(215)의 높이(t1)가 제2 구조물(225)의 높이(t2) 보다 작은 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
도 17에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 리플렉터(210,220)가 이격된 방향인 z축 방향에 수직인 평면도에서 볼 때, 제1 구조물들(215)과 제2 구조물들(225)은 전체적으로 겹치도록 배열될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 구조물들(215)과 제2 구조물들(225) 각각은 예를 들면, 정육각형 또는 정삼각형 형태로 배열될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 18a 내지 도 18c는 예시적인 실시예에 따라 제1 구조물의 외반경을 변화시키면서 제작한 광학 필터들을 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 제1 구조물(315a)의 내반경(R1in) 및 높이(t1), 제1 구조물들(315a)의 제1 피치(P1), 제2 구조물(325)의 외반경(R2out), 내반경(R2in) 및 높이(t2), 제2 구조물들(325)의 제2 피치(P2), 제1 및 제2 리플렉터(310,320) 사이의 간격(S)을 고정시킨 상태에서 제1 구조물(315a)의 외반경을 R1a, R1b, R1c로 변화시켰다.
도 18a에는 제1 구조물(315a)의 외반경을 R1a로 하였을 때 입사광(L) 중 제1 파장의 광(L1)이 광학 필터(300a)를 투과하는 경우가 도시되어 있다. 그리고, 도 18b에는 제1 구조물(315a)의 외반경을 R1b(>R1a)로 하였을 때 입사광(L) 중 제2 파장의 광(L2)이 광학 필터(300b)를 투과하는 경우가 도시되어 있다. 또한, 도 18c에는 제1 구조물(315a)의 외반경을 R1c(>R1b)로 하였을 때 입사광(L) 중 제3 파장의 광(L3)이 광학 필터(300c)를 투과하는 경우가 도시되어 있다. 이와 같이, 제1 구조물(315a)의 외반경 만을 변화시킴으로써 투과 파장을 선택적으로 조절할 수 있다.
도 19a 내지 도 19c는 예시적인 실시예에 따라 제2 구조물의 외반경을 변화시키면서 제작한 광학 필터들을 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 제1 구조물(415)의 외반경(R1out), 내반경(R1in) 및 높이(t1), 제1 구조물들(415)의 제1 피치(P1), 제2 구조물(425a)의 내반경(R2in) 및 높이(t2), 제2 구조물들(425)의 제2 피치(P2), 제1 및 제2 리플렉터(410,420) 사이의 간격(S)을 고정시킨 상태에서 제2 구조물(425a)의 외반경을 R2a, R2b, R2c로 변화시켰다.
도 19a에는 제2 구조물(425a)의 외반경을 R2a로 하였을 때 입사광(L) 중 제1 파장의 광(L1)이 광학 필터(400a)를 투과하는 경우가 도시되어 있다. 그리고, 도 19b에는 제2 구조물(425a)의 외반경을 R2b(>R2a)로 하였을 때 입사광(L) 중 제2 파장의 광(L2)이 광학 필터(400b)를 투과하는 경우가 도시되어 있다. 또한, 도 19c에는 제2 구조물(425a)의 외반경을 R2c(>R2b)로 하였을 때 입사광(L) 중 제3 파장의 광(L3)이 광학 필터(400c)를 투과하는 경우가 도시되어 있다. 이와 같이, 제2 구조물(425a)의 외반경 만을 변화시킴으로써 투과 파장을 선택적으로 조절할 수 있다.
이상에서는 제1 또는 제2 구조물의 외반경을 변화시킴으로써 투과 파장을 선택적으로 조절하는 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 제1 또는 제2 구조물의 내반경을 변화시키거나 또는 내반경에 대한 외반경의 비율을 변화시킴으로써 투과 파장을 선택적으로 조절할 수도 있다. 또한, 이외에도 제1 및 제2 구조물의 다른 설계 변수들을 조절함으로써 투과 파장을 선택적으로 조절하는 것도 가능하다.
도 20은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 것이다. 도 20에 도시된 광학 필터(500)는 제1 및 제2 구조물들(515,525)의 배열 형태를 제외하고는 도 1에 도시된 광학 필터(100)와 동일하다.
도 20을 참조하면, 광학 필터(500)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 리플렉터(510,520)를 포함하며, 여기서, 제1 리플렉터(510)는 링 형상의 복수의 제1 구조물(515)을 포함하고, 제2 리플렉터(520)는 링 형상의 복수의 제2 구조물(525)을 포함한다. 여기서, 제1 구조물들(515) 및 제2 구조물들(515)은 각각 정사각형 형태로 배열될 수 있다.
도 21은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 것이다. 도 21에 도시된 광학 필터(600)는 제1 구조물(615)이 링 형상이 아닌 디스크 형상을 가진다는 점을 제외하면 도 1에 도시된 광학 필터(100)와 동일하다.
도 21을 참조하면, 광학 필터(600)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 리플렉터(610,620)를 포함한다. 여기서, 제1 리플렉터(610)는 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제1 구조물(615)을 포함하며, 제2 리플렉터(620)는 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물(625)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 구조물들(615,625)은 서프 파장(sub-wavelength)의 구조물들이 될 수 있다. 이러한 제1 구조물들(615) 및 제2 구조물들(625) 각각은 예를 들면, 정삼각형, 정사각형 또는 정육각형 형태로 배열될 수 있다.
제1 구조물들(615)은 디스크 형상을 가질 수 있다. 제1 구조물들(615)은 반경 및 높이를 가질 수 있으며, 이러한 제1 구조물들(615)은 일 방향을 따라 제1 피치를 가지고 주기적으로 배열될 수 있다. 그리고, 제2 구조물들(625)은 링 형상을 가질 수 있다. 제2 구조물들(625)은 외반경, 내반경 및 높이를 가질 수 있으며, 제2 구조물들(625)은 일 방향을 따라 제2 피치를 가지고 주기적으로 배열될 수 있다.
기판(105)에는 제1 및 제2 구조물들(615,625)의 주변을 채우도록 물질층(150)이 마련될 수 있다. 제1 및 제2 구조물(615,625)은 주변의 물질층(150)보다 높은 굴절률과 낮은 흡수 계수를 가지는 유전 물질을 포함할 수 있다.
디스크 형상의 제1 구조물들(615)을 포함하는 제1 리플렉터(610)와 링 형상의 제2 구조물들(625)을 포함하는 제2 리플렉터(620)는 페브리-페로 공진기를 형성할 수 있다. 여기서, 광학 필터(600)를 투과하는 공진 파장은 제1 리플렉터(610) 및 제2 리플렉터(620)의 광학적 재질, 기하학적 구조 등과 같은 설계 변수들 중 적어도 하나에 의해 정해질 수 있다.
도 21에는 제1 구조물(615)이 원기둥 형태의 디스크 형상을 가지는 경우가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 제1 구조물(615)은 사각 기둥이나 다른 다각 기둥 형태의 디스크 형상을 가질 수도 있다. 또한, 이상에서는 제1 구조물(615)이 디스크 형상을 가지고, 제2 구조물(625)이 링 형상을 가지는 경우가 설명되었으나, 제1 구조물(615)이 링 형상을 가지고 제2 구조물(625)이 디스크 형상을 가지는 것도 가능하다.
도 22는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 필터를 도시한 것이다. 도 22에 도시된 광학 필터(700)는 3개의 리플렉터가 마련되어 있다는 점을 제외하면 도 1에 도시된 광학 필터(100)와 동일하다.
도 22를 참조하면, 광학 필터(700)는 서로 이격되게 마련되는 제1, 제2 및 제3 리플렉터(710,720,730)를 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 리플렉터(710,720)는 제1 간격(S1)으로 이격되게 배치되며, 제2 및 제3 리플렉터(720,730)는 제2 간격(S2)으로 이격되게 배치될 수 있다.
기판(105)에 마련되는 제1 리플렉터(710)는 주기적으로 이차원으로 배열되는 복수의 제1 구조물(715)을 포함하고, 제2 리플렉터(720)는 주기적으로 이차원으로 배열되는 복수의 제2 구조물(725)을 포함하며, 제3 리플렉터(730)는 주기적으로 이차원으로 배열되는 복수의 제3 구조물(735)을 포함한다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 구조물(715,725,735)은 서브 파장의 구조물로서 링 형상을 가질 수 있다.
제1, 제2 및 제3 구조물(715,725,735) 각각은 외반경, 내반경 및 높이를 가질 수 있다. 제1 구조물들(715)은 일 방향을 따라 제1 피치(P1)를 가지고 주기적으로 배열될 수 있고, 제2 구조물들(725)은 일 방향을 따라 제2 피치(P2)를 가지고 주기적으로 배열될 수 있으며, 제3 구조물들(735)은 일 방향을 따라 제3 피치(P3)를 가지고 주기적으로 배열될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 구조물들(715,725,735) 각각은 예를 들면, 정삼각형, 정사각형 또는 정육각형 형태로 배열될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2 및 제3 구조물들(715,725,735)은 모두 재질, 크기, 형상, 피치 및 배열 형태가 동일할 수 있다. 한편, 제1, 제2 및 제3 구조물들(715,725,735)은 재질, 크기, 형상, 피치 및 배열 형태 중 적어도 하나가 다를 수도 있다. 기판(105)에는 제1, 제2 및 제3 구조물들(715,725,735)의 주변을 채우도록 물질층(150)이 더 마련될 수 있다.
광학 필터(700)를 투과하는 공진 파장은 제1, 제2 및 제3 리플렉터(710,720,730)의 광학적 재질, 기하학적 구조 등과 같은 설계 변수들 중 적어도 하나에 의해 정해질 수 있다.
이상에서는 제1, 제2 및 제3 구조물(715,725,735)이 모두 링 형상을 가지는 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 제1, 제2 및 제3 구조물(715,725,735) 중 적어도 하나의 구조물이 링 형상을 가지며, 다른 구조물이 디스크 형상을 가질 수도 있다. 또한, 이상에서는 광학 필터(700)가 3개의 리플렉터(710,720,730)를 포함하는 경우가 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 광학 필터(700)는 서로 이격되게 마련되는 4개 이상의 리플렉터를 포함할 수도 있다.
도 23은 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 것이다.
도 23을 참조하면, 분광기(1000)는 광검출 소자(1500)와 이 광검출 소자(1500)에 마련되는 광학 필터(1100)를 포함한다. 여기서, 광학 필터(1100)는 광검출 소자(1500)에 이차원으로 배열되는 복수의 부분 필터(1110)를 포함할 수 있다. 하지만 이는 예시적인 것으로 복수의 부분 필터(1110)는 일차원으로 배열되는 것도 가능하다. 복수의 부분 필터(1110)는 반도체 공정을 활용하여 광검출 소자(1500)에 일체형으로(monolithically) 집적될 수 있다.
복수의 부분 필터(1110) 각각은 전술한 실시예들에 설명된 광학 필터들 하나가 될 수 있다. 따라서, 부분 필터(1110)에 대한 상세한 설명은 생략한다. 전술한 실시예들에서는 광학 필터를 구성하는 구조물들의 설계 변수들 중 적어도 하나를 변화시킴으로써 광학 필터를 투과하는 광의 파장을 선택적으로 조절할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는 부분 필터들(1110) 각각을 구성하는 구조물들의 설계 변수들 중 적어도 하나를 변화시킴으로써 부분 필터들(1110)이 입사광 중 서로 다른 파장 대역의 광을 투과시키도록 마련될 수 있다.
광검출 소자(1500)는 광학 필터(1100)를 투과한 광을 수광하여 이를 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 구체적으로, 광학 필터(1100)에 입사되는 광은 복수의 부분 필터(1110)를 투과하게 되고, 이러한 부분 필터들(1110)을 투과한 서로 다른 파장 대역의 광은 광검출 소자(1500)의 픽셀(미도시)에 도달하게 된다. 광검출 소자(1500)는 픽셀들에 입사된 광을 전기적인 신호로 변환함으로써 광학 필터(1100)에 입사되는 광에 대한 분광을 수행할 수 있다.
광검출 소자(1500)는 예를 들면, CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary metal-oxide semicounductor) 이미지 센서 등과 같은 이미지 센서나 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
분광기(1000)의 세부적인 용도에 따라, 분광 대상인 광에 포함되는 파장 대역을 함께 고려하여 다른 파장 대역의 광을 투과시키는 추가적인 광학 필터가 더 구비될 수 있다. 또한, 분광 대상이 아닌 파장 대역의 광을 차단하기 외한 다른 추가적인 광학 필터가 더 구비될 수도 있다.
분광기(1000)는 다양한 광학 장치, 센서 등에 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스센서나 화학 센서, 또는 피부센서나 음식물 센서 등에 응용될 수 있다. 이러한 센서는 공기 중에 존재하는 여러 분자들을　분광기(1000)로 그 종류를 파악하며 농도를 검출할 수 있으며, 이 때, 성분의 종류와 농도에 의해 파장별로 투과도가 달라지는 점을 활용할 수 있다. 또한, 분광기(1000)는 대상체에 대한 검사 장치로 활용될 수 있다. 예를 들어, 대상체의 위치, 형상을 분석하거나 또는, 라만 분광법에 따라 대상체의 성분, 물성, 식품의 신선도 등을 분석하는 장치로 활용될 수 있다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 24를 참조하면, 전자 장치(2000)는 대상체(OBJ)를 향해 광을 조사하는 광원(2200)과, 광원(2200)에서 조사된 광에 의해 대상체(OBJ)에서 나오는 광의 광 경로상에 배치되는 분광기(2500)와, 분광기(2500)로부터 검출되는 광을 분석하여, 대상체의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석하는 프로세서(2700)를 포함한다. 여기서, 분광기(2500)는 광검출 소자(2530)와 이 광검출 소자(2530)에 마련되는 광학 필터(2510)를 포함하는 것으로, 도 23에 도시된 분광기가 될 수 있다.
전자 장치(2000)의 작용을 라만 분석법을 예시하여 설명하면 다음과 같다.
라만 분석법은 단일 파장의 광이 대상체(OBJ)를 이루는 물질의 분자 진동과 상호 작용을 통해 산란될 때, 에너지 상태가 시프트(shift) 되는 형상을 이용한다.
광원(2200)으로부터 조사된 광(Li)은 대상체(OBJ)에 대해 여기광(exciting light)으로 작용할 수 있다. 광원(2200)은 파장 시프트를 검출하기에 알맞은 단파장 광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 펄스 형태의 단파장 레이저 광을 제공할 수 있다. 즉, 대상체(OBJ) 내의 분자 구조에 의해 광이 산란된다. 대상체(OBJ)로부터 나오는 광(Lr)은 대상체(OBJ) 내의 분자 구조에 의해 파장 변환된 산란광이며, 이러한 산란광은 대상체(OBJ) 내의 분자 상태에 따라 파장 변환된 정도가 다른 다양한 스펙트럼을 포함하게 된다. 이는 라만 신호라고도 한다.
라만 신호가 분광기(2500)에 입사하면, 광학 필터(2510)를 구성하는 각 부분 필터에서 해당 파장의 광을 투과시키고, 투과된 광은 광검출 소자(2530)의 픽셀에 입사되며, 그 크기가 검출된다.
검출된 라만 신호는 프로세서(2700)에서 분석된다. 라만 신호는 입사광의 파장에 대해 이동한 파장 쉬프트(shift)를 포함하며, 이는 에너지 시프트(shift)로서 물질의 분자 진동(molecular vibration)과 관련된 정보, 예를 들어, 분자구조나 결합형태 등에 대한 정보를 포함할 수 있고, 작용기(functional group)에 대한 정보를 포함할 수 있다. 대상체(OBJ)를 이루는 분자 성분에 따라, 라만 스펙트럼 상에서 라만 피크는 다르게 나타나며, 예를 들어, 대상체(OBJ)의 세포간액 또는 혈액에 포함된 글루코오즈(Glucose), 요소(Urea), 세라미드(keratin), 각질(keratin), 콜라겐(collagen) 등의 포함여부가 분석될 수 있다. 이와 같이, 프로세서(2700)는 대상체(OBJ)로부터의 광, 즉, 라만 신호로부터 피검체(OBJ) 내의 물질 분포량을 분석할 수 있다.
전자 장치(2000)는 3차원 광학 센서, 즉, 대상체(OBJ)의 형상, 동작 등을 센싱하는 장치로 사용될 수 있으며, 이를 예시하여 살펴보면 다음과 같다.
광원(2200)은 복수개의 파장 대역을 포함하는 광(Li)을 대상체(OBJ)에 조사할 수 있다. 광(Li)은 대상체(OBJ)를 스캔하도록 조사될 수 있고, 이를 위해, 광원(2200)과 대상체(OBJ) 사이에는 빔 스티어링 소자와 같은 광학 요소가 더 배치될 수 있다.
대상체(OBJ)로부터 반사된 광(Lr)은 분광기(2500)에 수신된다. 분광기(2500)는 광원(2200)에서 조사한 복수개의 파장 대역의 광을 검출하기 위해 해당 파장을 투과시키도록 광학 필터(2510)가 구성될 수 있다.
프로세서(2700)는 분광기(2500)에서 검출된 복수의 파장의 광에 대한 신호로부터 대상체(OBJ)에 대한 정보를 분석할 수 있다. 예를 들어, 검출된 광신호로부터 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산을 수행하여 대상체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행할 수 있다. 이외에도, 직접 시간 측정 방법이나, 상관법(correlation)을 사용하는 연산으로 대상체(OBJ)의 형상을 판별할 수 있다.
광원(2200)에서 서로 다른 파장의 복수의 광을 조사하고, 분광기(2500)에서 대상체(OBJ)로부터의 반사광(Lr)을 파장별로 검출하는 경우, 예를 들어, 대상체(OBJ)를 스캔하는 속도를 높일 수 있고, 대상체(OBJ)의 위치, 형상 등에 대한 정보를 보다 빠른 속도로 획득할 수 있다.
전자 장치(2000)가 대상체(OBJ)에 의한 파장 변이를 검출하는 라만 분석법에 의해 대상체(OBJ)의 물성 분석을 수행하거나, 또는, 대상체(OBJ)에서 반사된 광을 분석하여 대상체(OBJ)의 위치, 형상을 분석하는 것을 예시적으로 설명하였고, 다만, 이에 한정되지 않는다.
프로세서(2700)는 또한, 전자 장치(2000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있으며, 예를 들어, 프로세서(2700)는 광원(2200)에 대해 전원 공급 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다. 전자 장치(2000)는 프로세서(2700)의 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
프로세서(2700)에서의 연산 결과, 즉, 대상체(OBJ)의 형상, 위치, 물성에 대한 정보는 다른 유닛으로 전송될 수 있다. 예를 들어, 대상체(OBJ)의 3차원 형상이나 동작, 위치에 대한 정보가 필요한 자율 구동 기기에, 또는, 대상체(OBJ)의 물성 정보, 예를 들어, 생체 정보를 활용하는 의료 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 결과가 전송되는 다른 유닛은 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
상술한 광학 필터, 분광기 및 광학 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,200,300a,300b,300c,400a,400b,400c,500,600,700,1100,2510.. 광학 필터
105.. 기판
110,210,310,410,510,610,710.. 제1 리플렉터
115,215,315a,315b,315c,415,515,615,715.. 제1 구조물
120,220,320,420,520,620,720.. 제2 리플렉터
125,225,325,425a,425b,425c,525,625,725.. 제2 구조물
150.. 물질층
730.. 제3 리플렉터
735.. 제3 구조물
1000,2500.. 분광기
1110.. 부분 필터
1500,2530. 광검출 소자
2000.. 전자 장치
2200.. 광원
2700.. 프로세서
P1.. 제1 구조물의 피치
P2.. 제2 구조물의 피치
P3.. 제3 구조물의 피치
t1.. 제1 구조물의 두께
t2.. 제2 구조물의 두께
t3.. 제3 구조물의 두께
R1out.. 제1 구조물의 외반경
R2out.. 제2 구조물의 외반경
R1in.. 제1 구조물의 내반경
R2in.. 제2 구조물의 내반경
S, S1.. 제1 리플렉터와 제2 리플렉터 사이의 간격
S2.. 제2 리플렉터와 제3 리플렉터 사이의 간격

Claims (22)

  1. 이차원적으로 주기적으로 배열되며 링 형상을 가지는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및
    상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함하는 광학 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 구조물은 링 형상 또는 디스크 형상을 가지는 광학 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 구조물들의 사이즈 및 피치(pitch)는 입사광의 파장보다 작은 광학 필터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 리플렉터와 상기 제2 리플렉터 사이의 간격, 상기 제1 및 제2 구조물들의 굴절률, 사이즈 및 피치 중 적어도 하나에 의해 입사광의 투과 파장이 선택되는 광학 필터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 구조물들의 사이즈는 내반경, 외반경, 내반경과 외반경의 비율 및 높이 중 적어도 하나를 포함하는 광학 필터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 구조물의 내반경, 외반경 및 내반경과 외반경의 비율 중 적어도 하나 또는 상기 제2 구조물의 내반경, 외반경 및 내반경과 외반경의 비율 중 적어도 하나에 의해 입사광의 투과 파장이 선택되는 광학 필터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 구조물은 상기 복수의 제2 구조물에 대해 대칭적으로(symmetrically) 마련되거나 또는 비대칭적으로(asymmetrically) 마련되는 광학 필터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 필터는 상기 제1 및 제2 구조물들의 주변을 채우는 물질층을 더 포함하는 광학 필터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 구조물은 상기 물질층보다 높은 굴절률과 낮은 흡수 계수를 가지는 유전 물질(dielectric material)을 포함하는 광학 필터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 구조물은 결정질 실리콘, 비정질 실리콘, 티타늄 산화물, 실리콘 질화물, 티타늄 질화물, 투명 전도성 산화물, III-V족 반도체 화합물 및 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 광학 필터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 구조물들 및 상기 제2 구조물들은 정삼각형, 정사각형 또는 정육각형으로 이차원적으로 배열되는 광학 필터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 필터는 상기 제2 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제3 구조물을 포함하는 제3 리플렉터를 더 포함하는 광학 필터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 제3 구조물은 링 형상 또는 디스크 형상을 가지는 광학 필터.
  14. 서로 다른 중심 파장을 가지는 복수의 부분 필터를 포함하고,
    상기 복수의 부분 필터 각각은,
    이차원적으로 주기적으로 배열되며 링 형상을 가지는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및
    상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함하는 광학 필터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 구조물은 링 형상 또는 디스크 형상을 가지는 광학 필터.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 리플렉터와 상기 제2 리플렉터 사이의 간격, 상기 제1 및 제2 구조물들의 굴절률, 사이즈 및 피치 중 적어도 하나에 의해 입사광의 투과 파장이 선택되는 광학 필터.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 광학 필터는 상기 제1 및 제2 구조물들의 주변을 채우는 물질층을 더 포함하는 광학 필터.
  18. 적어도 하나의 부분 필터를 포함하는 광학 필터; 및
    상기 광학 필터를 투과하는 광을 수광하는 광검출 소자;를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 부분 필터 각각은,
    이차원적으로 주기적으로 배열되며 링 형상을 가지는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및
    상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함하는 분광기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 구조물은 링 형상 또는 디스크 형상을 가지는 광학 필터.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 리플렉터와 상기 제2 리플렉터 사이의 간격, 상기 제1 및 제2 구조물들의 굴절률, 사이즈 및 피치 중 적어도 하나에 의해 입사광의 투과 파장이 선택되는 분광기.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 광검출 소자는 이미지 센서 또는 포토 다이오드를 포함하는 분광기.
  22. 대상체를 향해 광을 조사하는 광원;
    상기 광원에서 조사된 광에 의해 상기 대상체에서 나오는 광의 광 경로상에 배치되는 분광기; 및
    상기 분광기로부터 검출되는 광을 이용하여, 상기 대상체의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 분광기는, 적어도 하나의 부분 필터를 포함하는 광학 필터; 및 상기 광학 필터를 투과하는 광을 수광하는 광검출 소자;를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 부분 필터 각각은, 이차원적으로 주기적으로 배열되며 링 형상을 가지는 복수의 제1 구조물을 포함하는 제1 리플렉터; 및 상기 제1 리플렉터와 이격되게 마련되며, 이차원적으로 주기적으로 배열되는 복수의 제2 구조물을 포함하는 제2 리플렉터;를 포함하는 전자 장치.
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