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KR102561100B1 - 메타 표면을 이용한 푸리에 변환 간섭계 - Google Patents

메타 표면을 이용한 푸리에 변환 간섭계 Download PDF

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KR102561100B1
KR102561100B1 KR1020170155810A KR20170155810A KR102561100B1 KR 102561100 B1 KR102561100 B1 KR 102561100B1 KR 1020170155810 A KR1020170155810 A KR 1020170155810A KR 20170155810 A KR20170155810 A KR 20170155810A KR 102561100 B1 KR102561100 B1 KR 102561100B1
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삼성전자주식회사
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Abstract

메타 표면을 갖는 위상 변환판으로 투과광 또는 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시킬 수 있는 푸리에 변환 간섭계가 개시된다. 개시된 푸리에 변환 간섭계는, 입사광을 반사하는 반사층 및 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 메타 표면을 갖는 위상 변환판; 및 상기 위상 변환판에 입사하지 않은 빛과 상기 위상 변환판에서 반사된 빛 사이의 간섭 패턴을 검출하는 광검출기;를 포함할 수 있다.

Description

메타 표면을 이용한 푸리에 변환 간섭계 {Fourier-transform interferometer using metasurface}
개시된 실시예들은 푸리에 변환 간섭계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메타 표면을 갖는 위상 변환판으로 투과광 또는 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시킴으로써 소형으로 제작할 수 있는 푸리에 변환 간섭계에 관한 것이다.
간섭계는 동일한 광원에서 나온 빛을 2개의 경로로 분할하여 서로 다른 경로로 진행하게 한 후 서로 다른 경로로 진행한 빛을 다시 만나게 하여 일어나는 간섭 현상을 관찰하는 장치이다. 간섭계를 이용하면 거리, 각도, 온도 변화, 물체의 변위, 물체의 변형, 매질의 굴절률, 생체 시료 분석 등과 같은 다양한 측정이 가능하다. 또한, 간섭 패턴에 대한 푸리에 분석을 통해 입사광의 스펙트럼 분포를 분석할 수도 있다.
최근 융합 기술에 대한 관심이 증가함에 따라, 스마트폰과 같은 소형 전자기기에 간섭계를 장착하여 스마트폰으로 다양한 측정, 생체 분석, 영상 편집 등을 시도하고 있다. 그러나, 기존의 푸리에 변환 간섭계는 반사광의 위상을 순시적으로 변화시키기 위해 미러를 이동시키는 구조를 포함하기 때문에, 칩 형태로 작게 제작하기가 어렵다.
선행기술문헌:
미국 특허출원공개공보 US2017-0030773호(2017.02.02. 공개)
미국 특허출원공개공보 US2017-0082842호 (2017.03.23. 공개),
미국 특허출원공개공보 US2016-0316180호 (2016.10.27. 공개),
메타 표면을 갖는 위상 변환판으로 투과광 또는 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시킬 수 있는 푸리에 변환 간섭계를 제공한다.
미러를 이동시키기 위한 구조를 갖지 않고 소형으로 제작할 수 있는 푸리에 변환 간섭계를 제공한다.
일 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계는, 입사광을 반사하는 반사층 및 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 메타 표면을 갖는 위상 변환판; 빛을 검출하는 광검출기; 및 상기 광검출기가 상기 위상 변환판에 입사하지 않은 빛과 상기 위상 변환판에서 반사된 빛 사이의 간섭 패턴을 검출하도록, 입사광의 일부를 상기 위상 변환판에 전달하고 나머지 일부를 상기 광검출기에 전달하며 상기 위상 변환판에서 반사된 빛을 상기 광검출기에 전달하도록 배치된 반투과 미러 및 미러;를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 위상 변환판은, 기판; 상기 기판 상에 배치된 상기 반사층; 및 상기 반사층 상에 배치된 상기 메타 표면;을 포함하며, 상기 메타 표면은 다수의 상이한 직경을 갖는 다수의 위상 변환 요소를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 위상 변환 요소는 상기 반사층 상에 수직하게 돌출된 기둥 형태를 가질 수 있다.
상기 위상 변환판은 반사광의 위상을 상이하게 변화시키는 제 1 메타 영역 및 제 2 메타 영역을 포함할 수 있다.
상기 위상 변환판은 상기 제 1 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 1 위상 변환 요소 및 상기 제 2 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 2 위상 변환 요소를 포함할 수 있다.
상기 제 1 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 1 위상 변환 요소는 모두 제 1 직경을 가지며 상기 제 2 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 2 위상 변환 요소는 모두 제 1 직경과 상이한 제 2 직경을 가질 수 있다.
상기 다수의 위상 변환 요소의 직경은 분석하고자 하는 빛의 파장보다 작을 수 있다.
상기 다수의 위상 변환 요소의 굴절률은 상기 기판의 굴절률보다 높을 수 있따.
상기 광검출기는 상기 반투과 미러의 제 1 면을 향해 배치되고 상기 미러와 상기 위상 변환판은 상기 반투과 미러의 제 1 면에 대해 반대면인 제 2 면을 향해 배치되어 있며, 상기 반투과 미러는 입사광이 상기 반투과 미러의 제 1 면에 입사하도록 배치될 수 있다.
상기 반투과 미러는 상기 위상 변환판의 상부 표면에 대향하여 배치되고, 상기 미러와 상기 광검출기는 상기 반투과 미러의 양쪽 측면에 각각 배치될 수 있다.
상기 푸리에 변환 간섭계는 기판을 더 포함하며, 상기 반투과 미러, 상기 위상 변환판, 상기 미러, 및 상기 광검출기는 상기 기판 상에 배열될 수 있다.
상기 푸리에 변환 간섭계는 샘플을 향해 빛을 조사하는 광원을 더 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계는, 입사광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 반투과 미러; 상기 반투과 미러와 대향하여 배치된 것으로, 투과광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 메타 표면을 갖는 위상 변환판; 및 상기 위상 변환판을 투과한 빛 사이의 간섭 패턴을 검출하는 광검출기;를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 위상 변환판은, 입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사하는 반투과성 기판; 상기 기판 상에 배치된 상기 메타 표면;을 포함하며, 상기 메타 표면은 다수의 상이한 직경을 갖는 다수의 위상 변환 요소를 포함할 수 있다.
상기 광검출기, 상기 위상 변환판, 및 상기 반투과 미러가 수직 방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다.
상기 푸리에 변환 간섭계는 기판을 더 포함하며, 상기 반투과 미러, 상기 위상 변환판, 및 상기 광검출기가 상기 기판 상에서 측면 방향을 따라 순차적으로 배열될 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 푸리에 변환 간섭계는 메타 표면을 이용하여 투과광 또는 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시킬 수 있는 위상 변환판을 포함한다. 위상 변환판을 투과하거나 위상 변환판에서 반사된 빛의 위상이 국소적으로 상이하게 변화하기 때문에, 개시된 실시예들에 따른 푸리에 변환 간섭계는 기계식 이동 구조를 포함하지 않는다. 따라서, 개시된 실시예들에 따른 푸리에 변환 간섭계는 소형으로 제작될 수 있어서, 예를 들어, 스마트폰 또는 웨어러블 장치 등과 같은 소형 전자기기에 적용될 수 있다. 또한, 다수의 상이한 간섭 패턴이 동시에 발생하기 때문에, 실시간으로 입사광을 분석하는 것이 가능하다.
또한, 위상 변환판은 포토리소그래피 공정을 이용한 패터닝 방식으로 제작될 수 있기 때문에 복잡한 가공 공정이 요구되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계의 개략적인 구성을 보인다.
도 2는 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계의 개략적인 구성을 보인다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계의 개략적인 구성을 보인다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계의 개략적인 구성을 보인다.
도 5는 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계에서 위상 변환판의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계에서 위상 변환판의 위상 변환 요소들의 직경과 피치를 보이는 단면도이다.
도 7은 위상 변환 요소들의 직경과 피치에 따른 위상 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계에서 위상 변환판의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 9는 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계의 수직형(vertical-type) 구조를 보이는 사시도이다.
도 10은 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계의 측방형(lateral-type) 구조를 보이는 사시도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계의 개략적인 구성을 보인다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계의 개략적인 구성을 보인다.
도 13은 도 11에 도시된 푸리에 변환 간섭계에서 위상 변환판의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 14는 도 11에 도시된 푸리에 변환 간섭계의 수직형 구조를 보이는 사시도이다.
도 15는 도 11에 도시된 푸리에 변환 간섭계의 측방형 구조를 보이는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 메타 표면을 이용한 푸리에 변환 간섭계에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계의 개략적인 구성을 보인다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계(100)는 입사광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 반투과 미러(111), 입사광을 반사하며 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 위상 변환판(120), 위상 변환판(120)에서 반사된 빛을 반투과 미러(111)를 향해 반사하는 미러(112), 및 빛을 검출하는 광검출기(130)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 광검출기(130)는 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)을 향해 배치되고, 미러(112)와 위상 변환판(120)은 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 대해 반대면인 제 2 면(111b)을 향해 배치될 수 있다. 그리고, 반투과 미러(111)는 분석하고자 하는 입사광이 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 입사하도록 배치될 수 있다. 또한, 광검출기(130)와 미러(112)는 반투과 미러(111)에 대해 양쪽 반대편에 배치될 수 있다.
이러한 구성에서, 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 입사한 분석하고자 하는 입사광의 일부는 반투과 미러(111)를 투과하고, 분석하고자 하는 입사광의 나머지 일부는 반투과 미러(111)에 의해 반사된다. 반투과 미러(111)를 투과한 입사광의 일부는 위상 변환판(120)에서 반사된다. 위상 변환판(120)은 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 역할을 한다. 따라서, 위상 변환판(120)에 의해 반사된 빛은 빔의 단면 영역에 따라 다양한 위상을 갖게 된다. 그런 후, 위상 변환판(120)에서 반사된 빛의 일부는 반투과 미러(111)의 제 2 면(111b)에서 반사되어 미러(112)에 입사한다. 그리고, 미러(112)에 의해 반사된 빛의 일부가 반투과 미러(111)를 투과하여 광검출기(130)에 입사한다.
한편, 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에서 반사된 빛도 광검출기(130)에 입사한다. 따라서, 광검출기(130)에는 입사광 중에서 위상 변환판(120)에 입사하지 않은 빛과 위상 변환판(120)에서 반사된 빛이 모두 입사한다. 그 결과, 입사광 중에서 위상 변환판(120)에 입사하지 않은 빛과 위상 변환판(120)에서 반사된 빛 사이의 간섭 패턴이 형성된다. 따라서, 광검출기(130)는 입사광 중에서 위상 변환판(120)에 입사하지 않은 빛과 위상 변환판(120)에서 반사된 빛 사이의 간섭 패턴을 검출할 수 있다. 그러면, 광검출기(130)에서 검출된 간섭 패턴들을 이용하여 푸리에 분석 방법으로 입사광의 스펙트럼 분포를 분석할 수 있다.
도 1의 경우, 광검출기(130)와 미러(112)가 반투과 미러(111)에 대해 양쪽 반대편에 배치되고, 입사광이 반투과 미러(111)에 입사하는 방향을 향해 위상 변환판(120)이 배치된 것으로 도시되었으나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 도 2는 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계(100)의 개략적인 구성을 보인다. 도 1과 비교할 때, 도 2에서는 위상 변환판(120)과 미러(112)의 위치가 서로 바뀌었다. 따라서, 광검출기(130)와 위상 변환판(120)이 반투과 미러(111)에 대해 양쪽 반대편에 배치되며, 입사광이 반투과 미러(111)에 입사하는 방향을 향해 미러(112)가 배치된다.
이러한 구성에서, 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 입사한 분석하고자 하는 입사광의 일부는 반투과 미러(111)를 투과하여 미러(112)에 입사하고, 분석하고자 하는 입사광의 나머지 일부는 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 의해 반사되어 광검출기(130)에 입사한다. 반투과 미러(111)를 투과한 빛은 미러(112)에 의해 반사되어 반투과 미러(111)의 제 2 면(111b)에 입사한다. 반투과 미러(111)의 제 2 면(111b)에 입사한 빛의 일부는 반투과 미러(111)의 제 2 면(111b)에 의해 반사되어 위상 변환판(120)에 입사한다. 위상 변환판(120)은 입사광을 반사하면서 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시킨다. 그런 후, 위상 변환판(120)에 의해 반사된 빛의 일부가 반투과 미러(111)를 투과하여 광검출기(130)에 입사한다.
또한, 도 1의 경우, 광검출기(130)가 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)을 향해 배치되고, 미러(112)와 위상 변환판(120)이 제 2 면(111b)을 향해 배치된 것으로 도시되었으나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 도 3은 또 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계(100)의 개략적인 구성을 보인다. 도 1과 비교할 때, 도 3에서는 광검출기(130)와 미러(112)의 위치가 서로 바뀌었다. 따라서, 미러(112)가 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)을 향해 배치되고, 광검출기(130)와 위상 변환판(120)이 반투과 미러(111)의 제 2 면(111b)을 향해 배치될 수 있다.
이러한 구성에서, 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 입사한 분석하고자 하는 입사광의 일부는 반투과 미러(111)를 투과하여 위상 변환판(120)에 입사하고, 분석하고자 하는 입사광의 나머지 일부는 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 의해 반사되어 미러(112)에 입사한다. 미러(112)에 의해 반사된 빛의 일부는 반투과 미러(111)를 투과하여 광검출기(130)에 입사한다. 또한, 위상 변환판(120)은 입사광을 반사하면서 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시킨다. 그런 후, 위상 변환판(120)에 의해 반사된 빛의 일부가 반투과 미러(111)의 제 2 면(111b)에 의해 반사되어 광검출기(130)에 입사한다.
상술한 바와 같이, 입사광 중에서 위상 변환판(120)에 입사하지 않은 빛과 위상 변환판(120)에서 반사된 빛을 광검출기(130)에 입사시키기 위한 다양한 구성이 가능하다. 따라서, 본 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계(100)는, 입사광의 일부를 위상 변환판(120)에 전달하고 입사광의 나머지 일부를 광검출기(130)에 전달하며 입사광 중에서 위상 변환판(120)에서 반사된 빛을 광검출기(130)에 전달하기 위한 반투과 미러(111)와 미러(112)의 다양한 배치 구조를 포함할 수 있다.
반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 입사하는 입사광은 분석하고자 하는 빛으로서 레이저와 같은 외부의 테스트 대상 광원으로부터 직접 온 빛일 수도 있으며, 또는 외부의 샘플이나 피사체로부터 반사, 투과 또는 산란되어 오는 빛일 수도 있다. 푸리에 변환 간섭계(100)가 샘플의 분석에 사용되는 경우, 푸리에 변환 간섭계(100)는 광원을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 4는 또 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계(100)의 개략적인 구성을 보인다. 도 4를 참조하면, 푸리에 변환 간섭계(100)는 샘플(S)에 빛을 조사하기 위한 광원(110)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 광원(110)에서 조사된 샘플(S)로부터 반사, 투과 또는 산란된 빛이 반투과 미러(111)의 제 1 면(111a)에 입사할 수 있도록 샘플(S), 광원(110), 및 반투과 미러(111)가 배치될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계(100)에서 위상 변환판(120)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키기 위한 위상 변환판(120)은 기판(121), 기판(121) 상에 배치된 반사층(122) 및 반사층(122) 상에 배치되어 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 메타 표면(123)을 포함할 수 있다. 위상 변환판(120)은 반사층(122)과 메타 표면(123)이 반투과 미러(111)를 향하도록 배치될 수 있다.
메타 표면(123)은 다수의 상이한 직경을 갖는 다수의 위상 변환 요소(124)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 위상 변환 요소(124)는 반사층(122) 상에 수직하게 돌출된 기둥 형태를 가질 수 있다. 도 5에는 위상 변환 요소(124)가 원기둥 형태인 것으로 도시되었지만, 반드시 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 위상 변환판(120)이 편광 의존적인 특징을 갖도록 하기 위하여 위상 변환 요소(124)가 타원 기둥 또는 직사각형 기둥의 형태를 가질 수도 있다.
기판(121)은 평판 형태의 유리나 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 위상 변환 요소(124)들은 기판(121)보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 위상 변환 요소(124)들은 게르마늄(Ge), 비정질 실리콘(a-Si), 다결정 실리콘(p-Si), 단결정 실리콘(c-Si), III-V족 화합물, SiNx, SiO2, TiO, TiO2, TiO3, GaP, Al2O3, HfO2 등과 같은 고굴절률 재료로 이루어질 수 있다. 위상 변환 요소(124)의 굴절률은 예를 들어 가시광 파장에서 3.5보다 클 수 있다. 또는, 위상 변환 요소(124)들은 금속 재료로 이루어질 수도 있다. 이러한 위상 변환 요소(124)들은 일반적인 반도체 패터닝 공정을 이용하여 용이하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사층(122) 위에 위상 변환 요소(124)들의 재료층을 적층한 후에, 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 이용하여 위상 변환 요소 재료층을 패터닝함으로써 간단하게 위상 변환 요소(124)들을 형성할 수 있다. 따라서, 위상 변환판(120)을 형성하기 위하여 복잡한 가공 공정이 요구되지 않는다.
위상 변환 요소(124)들 사이의 피치와 위상 변환 요소(124)들의 직경은 분석하고자 하는 빛의 파장보다 훨씬 작을 수 있다. 그러면, 입사광이 고굴절률의 위상 변환 요소(124)들을 지나가면서 위상이 지연되어 위상 변환판(120)에 의한 반사광의 위상이 입사광의 위상과 달라지게 된다. 위상이 변화하는 정도는 위상 변환 요소(124)들의 배열 형태, 직경, 피치, 단면 모양, 높이, 굴절률 등의 파라미터에 따라 달라질 수 있다. 특히, 위상 변환판(120)의 제조 공정을 단순화하기 위해, 다수의 위상 변환 요소(124)들을 단순히 2차원 배열하고, 각각의 위상 변환 요소(124)의 피치와 직경만으로 반사광의 위상을 조절할 수 있다. 예를 들어, 위상 변환 요소(124)들의 배열 형태, 단면 모양, 높이 등의 파라미터를 동일하게 하고, 피치와 직경만으로 반사광의 위상을 조절할 수도 있다.
예를 들어, 도 6은 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계(100)에서 위상 변환판(120)의 위상 변환 요소(124)들의 직경과 피치를 보이는 단면도이다. 또한, 도 7은 위상 변환 요소(124)들의 직경과 피치에 따른 위상 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 피치(p)는 위상 변환 요소(124)들의 배열 주기로서, 한 위상 변환 요소(124)의 중심으로부터 그에 인접한 다른 위상 변환 요소(124)의 중심까지의 거리이다. 도 7에서 가로축은 피치와 직경 사이의 비(d/p)를 나타내며 세로축은 반사율과 위상을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 600 nm와 700 nm의 입사광에 대해, 피치와 직경 사이의 비(d/p)가 증가할수록 위상 변화가 점차 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 피치와 직경 사이의 비(d/p)와 관계 없이 반사율은 거의 일정하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 피치와 직경 사이의 비(d/p)를 조절함으로써 반사광의 위상을 조절할 수 있다.
한편, 메타 표면(123)은 반사광의 위상을 상이하게 변화시키기 위한 다수의 메타 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 8은 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계(100)에서 위상 변환판(120)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다. 도 8을 참조하면, 메타 표면(123)은 제 1 내지 제 4 메타 영역(123a, 123b, 123c, 123d)들을 포함할 수 있다. 도 8에는 예시적으로 4개의 메타 영역(123a, 123b, 123c, 123d)들만이 도시되었으나, 실제로는 훨씬 더 많은 개수의 메타 영역들이 존재할 수 있다. 제 1 내지 제 4 메타 영역(123a, 123b, 123c, 123d)들은 반사광의 위상을 상이하게 변화시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제 1 내지 제 4 메타 영역(123a, 123b, 123c, 123d)들에 각각 상이한 다수의 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소(124a, 124b, 124c, 124d)들이 배열될 수 있다. 예를 들어, 동일한 메타 영역(123a, 123b, 123c, 123d) 내에 배열된 위상 변환 요소(124a, 124b, 124c, 124d)들은 모두 동일한 직경과 피치를 가지며, 상이한 제 1 내지 제 4 메타 영역(123a, 123b, 123c, 123d)들 내에 배열된 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소(124a, 124b, 124c, 124d)들은 직경과 피치가 서로 다르도록 구성될 수 있다.
그러면, 위상 변환판(120)에 의해 반사되는 빛은 위상 변환판(120)에서의 국소적인 위치에 따라 서로 다른 위상을 갖게 될 수 있다. 바꾸어 말하자면, 위상 변환판(120) 상에서의 위치에 따라 반사광의 위상이 국소적으로 변화하게 된다. 예를 들어, 위상 변환판(120)의 제 1 메타 영역(123a) 상에서 반사된 반사광은 제 1 위상을 갖고, 위상 변환판(120)의 제 2 메타 영역(123b) 상에서 반사된 반사광은 제 1 위상과 다른 제 2 위상을 가지며, 위상 변환판(120)의 제 3 메타 영역(123c) 상에서 반사된 반사광은 제 1 및 제 2 위상과 다른 제 3 위상을 가지며, 위상 변환판(120)의 제 4 메타 영역(123d) 상에서 반사된 반사광은 제 1 내지 제 3 위상과 다른 제 4 위상을 가질 수 있다.
상술한 본 실시예에 따르면, 위상 변환판(120)이 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키기 때문에, 입사광 중에서 위상 변환판(120)에 입사하지 않은 빛과 위상 변환판(120)에서 반사된 빛 사이에 다수의 상이한 광경로차가 동시에 발생한다. 그 결과, 다수의 상이한 간섭 패턴이 동시에 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계(100)는 광검출기(130)에 입사하는 두 빛 사이의 광경로차를 변경시키기 위하여 미러를 이동시키기 위한 기계적인 구성을 포함하지 않기 때문에, 소형으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계(100)는 칩 형태로 제작되어 스마트폰 또는 웨어러블 장치 등과 같은 소형 전자기기에 적용될 수 있다. 또한, 다수의 상이한 간섭 패턴이 동시에 발생하기 때문에, 실시간으로 입사광을 분석하는 것이 가능하다. 또한, 위상 변환판(120)이 포토리소그래피 공정을 이용한 패터닝 방식으로 간단하게 제작될 수 있기 때문에 복잡한 가공 공정이 요구되지 않는다. 따라서, 푸리에 변환 간섭계(100)의 제조 비용을 줄일 수 있다.
상술한 도 1 내지 도 4에 도시된 구성을 갖는 푸리에 변환 간섭계(100)는 수직형(vertical-type) 구조 또는 측방형(lateral-type) 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계(100)의 수직형 구조를 보이는 사시도이며, 도 10은 도 1에 도시된 푸리에 변환 간섭계(100)의 측방형 구조를 보이는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 위상 변환판(120)이 푸리에 변환 간섭계(100)의 바닥 영역에 배치될 수 있으며, 반투과 미러(111)는 위상 변환판(120)의 상부 표면에 대향하여 위상 변환판(120)과 이격되어 배치될 수 있다. 미러(111)와 광검출기(130)는 반투과 미러(111)의 양쪽 측면에 각각 배치될 수 있다. 입사광은 상부로부터 하부로 수직한 방향으로 진행하여 반투과 미러(111)에 입사할 수 있다. 도 9에는 도 1에 도시된 구성을 예시적으로 도시하였으며, 도 2 내지 도 4에 도시된 구성도 도 9와 같은 수직형 구조로 구현될 수 있다.
또한, 도 10을 참조하면, 푸리에 변환 간섭계(100)는 평평한 기판(101)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 반투과 미러(111), 위상 변환판(120), 미러(112), 및 광검출기(120)가 모두 기판(101)의 상부 표면 위에 배열될 수 있다. 이 경우, 입사광은 수평 방향으로 진행하여 반투과 미러(111)에 입사할 수 있다. 도 10에는 도 1에 도시된 구성을 예시적으로 도시하였으며, 도 2 내지 도 4에 도시된 구성도 도 9와 같은 수직형 구조로 구현될 수 있다.
도 1 내지 도 10에서 설명한 푸리에 변환 간섭계(100)는 위상 변환판(120)이 반사광의 위상을 변화시키는 마이켈슨(Michelson) 간섭계이다. 그러나, 위상 변환판이 투과광의 위상을 변화시키는 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계를 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 11은 또 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계의 개략적인 구성을 보인다. 도 11을 참조하면, 푸리에 변환 간섭계(200)는, 입사광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 반투과 미러(210), 반투과 미러(210)와 대향하여 배치된 위상 변환판(220), 및 위상 변환판(220)과 대향하여 배치된 광검출기(230)를 포함할 수 있다. 광검출기(230)는 위상 변환판(220)을 중심으로 반투과 미러(210)의 반대쪽에 배치될 수 있다.
이러한 푸리에 변환 간섭계(200)의 구성에서, 반투과 미러(210)에 입사한 입사광의 일부가 반투과 미러(210)를 통과하여 위상 변환판(220)에 입사한다. 그리고, 위상 변환판(220)에 입사한 빛의 일부는 반투과 미러(210)로 반사되고 나머지 일부는 위상 변환판(220)을 투과하여 광검출기(230)에 입사한다. 또한, 위상 변환판(220)에서 반사되어 반투과 미러(210)에 입사한 빛의 일부가 다시 반사된 후, 위상 변환판(220)을 투과하여 광검출기(230)에 입사할 수 있다. 본 실시예에서, 위상 변환판(220)은 투과광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 메타 표면을 가질 수 있다. 따라서, 광검출기(230)는 위상 변환판(220)을 투과한 빛 사이의 간섭 패턴을 검출할 수 있다. 예를 들어, 광검출기(230)는 위상 변환판(220)을 한번에 투과한 빛과 위상 변환판(220)과 반투과 미러(210) 사이를 1회 이상 왕복을 한 빛 사이의 간섭 패턴을 검출할 수 있다. 그러면, 광검출기(230)에서 검출된 간섭 패턴들을 이용하여 푸리에 분석 방법으로 입사광의 스펙트럼 분포를 분석할 수 있다.
외부로부터 반투과 미러(210)에 입사하는 입사광은 분석하고자 하는 빛으로서 레이저와 같은 외부의 테스트 대상 광원으로부터 직접 온 빛일 수도 있으며, 또는 외부의 샘플이나 피사체로부터 반사, 투과 또는 산란되어 오는 빛일 수도 있다. 푸리에 변환 간섭계(200)가 샘플의 분석에 사용되는 경우, 푸리에 변환 간섭계(200)는 광원을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 12는 또 다른 실시예에 따른 푸리에 변환 간섭계(200)의 개략적인 구성을 보인다. 도 12를 참조하면, 푸리에 변환 간섭계(200)는 샘플(S)에 빛을 조사하기 위한 광원(110)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 광원(110)에서 조사된 샘플(S)로부터 반사, 투과 또는 산란된 빛이 반투과 미러(210)에 입사할 수 있도록 샘플(S), 광원(110), 및 반투과 미러(210)가 배치될 수 있다.
도 13은 도 11에 도시된 푸리에 변환 간섭계(200)에서 위상 변환판(220)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다. 도 13을 참조하면, 투과광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키기 위한 위상 변환판(220)은 기판(121) 및 기판(121) 상에 배치되어 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 메타 표면(123)을 포함할 수 있다. 또한 메타 표면(123)은, 도 8에서 설명한 것과 마찬가지로, 반사광의 위상을 상이하게 변화시키기 위한 다수의 메타 영역들을 포함할 수 있으며, 다수의 메타 영역들에는 다수의 상이한 직경을 갖는 위상 변환 요소(124)들이 배열될 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 위상 변환판(120)과 비교할 때, 도 13에 도시된 위상 변환판(220)은 반사층(122)을 포함하지 않는다는 점을 제외하고 도 5에 도시된 위상 변환판(120)과 동일한 구성을 가질 수 있다.
한편, 위상 변환판(220)의 기판(121)은 분석하고자 하는 빛에 대해 투과성을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판(121)은 유리 또는 투명한 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 대신에, 입사광의 일부를 반투과 미러(210)로 반사하기 위하여 기판(121)은 반투과성을 가질 수도 있다.
상술한 도 11 및 도 12에 도시된 구성을 갖는 푸리에 변환 간섭계(200)도 수직형 구조 또는 측방형 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 14는 도 11에 도시된 푸리에 변환 간섭계(200)의 수직형 구조를 보이는 사시도이며, 도 15는 도 11에 도시된 푸리에 변환 간섭계(200)의 측방형 구조를 보이는 사시도이다.
도 14를 참조하면, 광검출기(230)가 푸리에 변환 간섭계(200)의 바닥 영역에 배치될 수 있으며, 위상 변환판(220)은 광검출기(230)의 상부 표면에 대향하여 광검출기(230)와 이격되어 배치될 수 있다. 그리고, 반투과 미러(210)가 위상 변환판(220)의 상부 표면에 대향하여 위상 변환판(220)과 이격되어 배치될 수 있다. 입사광은 상부로부터 하부로 수직한 방향으로 진행하여 반투과 미러(210)에 입사할 수 있다.
또한, 도 15를 참조하면, 푸리에 변환 간섭계(200)는 평평한 기판(201)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 반투과 미러(210), 위상 변환판(220), 광검출기(230)가 모두 기판(201)의 상부 표면 위에서 측면 방향을 따라 순차적으로 배열될 수 있다. 이 경우, 입사광은 수평 방향으로 진행하여 반투과 미러(210)에 입사할 수 있다.
상술한 메타 표면을 이용한 푸리에 변환 간섭계는 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. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 100a, 100b, 200, 200a, 200b.....푸리에 변환 간섭계
110.....광원 111, 210.....반투과 미러
112.....미러 120, 220.....위상 변환판
121.....기판 122.....반사층
123.....메타 표면 124.....위상 변환 요소
130, 230.....광검출기

Claims (23)

  1. 입사광을 반사하는 반사층 및 반사광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 메타 표면을 갖는 위상 변환판;
    빛을 검출하는 광검출기; 및
    상기 광검출기가 상기 위상 변환판에 입사하지 않은 빛과 상기 위상 변환판에서 반사된 빛 사이의 간섭 패턴을 검출하도록, 입사광의 일부를 상기 위상 변환판에 전달하고 나머지 일부를 상기 광검출기에 전달하며 상기 위상 변환판에서 반사된 빛을 상기 광검출기에 전달하도록 배치된 반투과 미러 및 미러;를 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변환판은:
    기판;
    상기 기판 상에 배치된 상기 반사층; 및
    상기 반사층 상에 배치된 상기 메타 표면;을 포함하며,
    상기 메타 표면은 다수의 상이한 직경을 갖는 다수의 위상 변환 요소를 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 위상 변환 요소는 상기 반사층 상에 수직하게 돌출된 기둥 형태를 갖는 푸리에 변환 간섭계.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 변환판은 반사광의 위상을 상이하게 변화시키는 제 1 메타 영역 및 제 2 메타 영역을 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상 변환판은 상기 제 1 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 1 위상 변환 요소 및 상기 제 2 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 2 위상 변환 요소를 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 1 위상 변환 요소는 모두 제 1 직경을 가지며 상기 제 2 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 2 위상 변환 요소는 모두 제 1 직경과 상이한 제 2 직경을 갖는 푸리에 변환 간섭계.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 위상 변환 요소의 직경은 분석하고자 하는 빛의 파장보다 작은 푸리에 변환 간섭계.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 위상 변환 요소의 굴절률은 상기 기판의 굴절률보다 높은 푸리에 변환 간섭계.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출기는 상기 반투과 미러의 제 1 면을 향해 배치되고 상기 미러와 상기 위상 변환판은 상기 반투과 미러의 제 1 면에 대해 반대면인 제 2 면을 향해 배치되어 있며, 상기 반투과 미러는 입사광이 상기 반투과 미러의 제 1 면에 입사하도록 배치된 푸리에 변환 간섭계.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반투과 미러는 상기 위상 변환판의 상부 표면에 대향하여 배치되고, 상기 미러와 상기 광검출기는 상기 반투과 미러의 양쪽 측면에 각각 배치되어 있는 푸리에 변환 간섭계.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 푸리에 변환 간섭계는 기판을 더 포함하며,
    상기 반투과 미러, 상기 위상 변환판, 상기 미러, 및 상기 광검출기는 상기 기판 상에 배열되어 있는 푸리에 변환 간섭계.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 푸리에 변환 간섭계는 샘플을 향해 빛을 조사하는 광원을 더 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  13. 입사광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 반투과 미러;
    상기 반투과 미러와 대향하여 배치된 것으로, 투과광의 위상을 국소적으로 상이하게 변화시키는 메타 표면을 갖는 위상 변환판; 및
    상기 위상 변환판을 투과한 빛 사이의 간섭 패턴을 검출하는 광검출기;를 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 위상 변환판은:
    입사광의 일부를 투과시키고 일부를 반사하는 반투과성 기판;
    상기 기판 상에 배치된 상기 메타 표면;을 포함하며,
    상기 메타 표면은 다수의 상이한 직경을 갖는 다수의 위상 변환 요소를 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 다수의 위상 변환 요소는 상기 기판 상에 수직하게 돌출된 기둥 형태를 갖는 푸리에 변환 간섭계.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 위상 변환판은 투과광의 위상을 상이하게 변화시키는 제 1 메타 영역 및 제 2 메타 영역을 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 위상 변환판은 상기 제 1 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 1 위상 변환 요소 및 상기 제 2 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 2 위상 변환 요소를 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 1 위상 변환 요소는 모두 제 1 직경을 가지며 상기 제 2 메타 영역 내에 배열된 다수의 제 2 위상 변환 요소는 모두 제 1 직경과 상이한 제 2 직경을 갖는 푸리에 변환 간섭계.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 다수의 위상 변환 요소의 직경은 분석하고자 하는 빛의 파장보다 작은 푸리에 변환 간섭계.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 다수의 위상 변환 요소의 굴절률은 상기 기판의 굴절률보다 높은 푸리에 변환 간섭계.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 광검출기, 상기 위상 변환판, 및 상기 반투과 미러가 수직 방향을 따라 순차적으로 배치되어 있는 푸리에 변환 간섭계.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 푸리에 변환 간섭계는 기판을 더 포함하며,
    상기 반투과 미러, 상기 위상 변환판, 및 상기 광검출기가 상기 기판 상에서 측면 방향을 따라 순차적으로 배열되어 있는 푸리에 변환 간섭계.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 푸리에 변환 간섭계는 샘플을 향해 빛을 조사하는 광원을 더 포함하는 푸리에 변환 간섭계.
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