使用元表面的傅里叶变换干涉仪的制作方法

本申请要求于2017年11月21日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请no.10-2017-0155810的优先权，在此通过参考引入其全部公开的内容。

根据实施例的装置涉及一种傅里叶变换干涉仪，并且更具体地，涉及使用元表面(metasurface)的傅里叶变换干涉仪。

背景技术：

干涉仪是将来自同一光源的光分成两路，允许光在不同路径上传播，然后观察由于允许在不同路径上传播的光再次相遇而引起的干涉现象的器件。通过使用干涉仪，可以进行各种测量，例如测量距离、角度、温度变化、物体位移、物体变形、介质的折射率、进行生物样品分析等。而且，可以通过对干涉图案的傅里叶分析来分析入射光的光谱分布。

最近，由于对融合技术的兴趣增加，已经尝试通过使用配备有干涉仪的小型电子设备(例如，智能电话)进行各种测量、生物分析和图像编辑。然而，因为传统傅里叶变换干涉仪具有移动反射镜以暂时改变反射光的相位的结构，所以难以以小芯片形式制造傅里叶变换干涉仪。

技术实现要素：

根据实施例，一种傅里叶变换干涉仪，包括相变板，所述相变板包括：反射层，被配置为对入射的第一光进行反射；以及元表面，被配置为局部地且不同地改变被反射的所述第一光的相位。该傅里叶变换干涉仪还包括：光电检测器，被配置为检测第二光，以及半透半反镜和反射镜，被配置为：使入射的第三光的第一部分透射到相变板；使第三光的剩余部分透射到光电检测器；以及使得相位被局部地且不同地改变的第一光透射到光电检测器。所述光电检测器还被配置为检测所述第三光的剩余部分与相位被局部地且不同地改变的所述第一光之间的干涉图案。

所述相变板还可以包括基板，所述反射层可以布置在所述基板上，所述元表面可以布置在所述反射层上，并且所述元表面可以包括具有不同直径的多个相变元件。

所述多个相变元件可以具有从所述反射层竖直突出的柱状形状。

所述相变板可以包括第一元区域和第二元区域，所述第一元区域和所述第二元区域不同地改变被反射的所述第一光的相位。

所述相变板可以包括布置在所述第一元区域中的第一相变元件、以及布置在所述第二元区域中的第二相变元件。

每个第一相变元件可以具有第一直径，并且每个第二相变元件可以具有不同于所述第一直径的第二直径。

所述多个相变元件的不同直径中的每个直径可以小于待分析光的波长。

所述多个相变元件的折射率中的每个折射率可以高于所述基板的折射率。

所述光电检测器可以被布置为朝向所述半透半反镜的第一表面，所述反射镜和所述相变板可以被布置为朝向与所述半透半反镜的第一表面相对的第二表面，并且所述半透半反镜被布置为使得所述第三光入射在所述半透半反镜的第一表面上。

所述半透半反镜可以被布置为与所述相变板的上表面相对，并且所述反射镜和所述光电检测器可以分别布置在所述半透半反镜的两侧。

所述傅里叶变换干涉仪还可以包括基板，并且所述半透半反镜、所述相变板、所述反射镜和所述光电检测器可以布置在所述基板上。

所述傅里叶变换干涉仪还可以包括光源，所述光源被配置为朝向样本辐射第四光。

根据实施例，一种傅里叶变换干涉仪，包括：半透半反镜，被配置为透射入射的第一光的第一部分，并反射所述第一光的剩余部分；相变板，被布置为与所述半透半反镜相对，并包括元表面，所述元表面被配置为局部地且不同地改变入射的第二光的相位；以及光电检测器，被配置为检测透过所述相变板的第三光之间的干涉图案。

所述相变板还可以包括半透半反基板，所述半透半反基板被配置为透射所述第二光的第二部分，并反射所述第二光的第三部分，所述元表面布置在所述基板上，并且所述元表面包括具有不同直径的多个相变元件。

所述多个相变元件可以具有从所述基板竖直突出的柱状形状。

所述相变板可以包括第一元区域和第二元区域，所述第一元区域和所述第二元区域不同地改变被反射的所述第二光的第三部分的相位。

所述相变板可以包括布置在所述第一元区域中的第一相变元件、以及布置在所述第二元区域中的第二相变元件。

每个第一相变元件可以具有第一直径，并且每个第二相变元件可以具有不同于所述第一直径的第二直径。

所述多个相变元件的不同直径中的每个直径可以小于待分析光的波长。

所述多个相变元件的折射率中的每个折射率可以高于所述基板的折射率。

所述光电检测器、所述相变板和所述半透半反镜可以沿竖直方向顺序地布置。

所述傅里叶变换干涉仪还可以包括基板，并且所述半透半反镜、所述相变板和所述光电检测器可以在所述基板上沿横向方向顺序地布置。

所述傅里叶变换干涉仪还可以包括光源，所述光源被配置为朝向样本辐射第四光。

根据实施例，一种傅里叶变换干涉仪，包括：反射镜；相变板；光电检测器；以及半透半反镜，被配置为使入射的第一光的第一部分透射到所述相变板，并将所述第一光的剩余的第二部分反射到所述光电检测器。所述相变板被配置为反射所述第一光被透射的第一部分，并改变所述第一光的被反射的第一部分的相位，以产生第二光，所述半透半反镜还被配置为将产生的所述第二光的第三部分反射到所述反射镜，所述反射镜被配置为反射所述第二光的由所述半透半反镜反射的第三部分，所述半透半反镜还被配置为透射所述第二光的被所述反射镜反射的第三部分中的第四部分，并且所述光电检测器被配置为检测所述第一光的剩余的第二部分与所述第二光的第三部分中被透射的第四部分之间的干涉图案。

附图说明

根据以下结合附图对实施例的描述，上述和/或其它方面将变得显而易见并且更容易理解，在附图中：

图1示出了根据实施例的傅里叶变换干涉仪的示意性配置；

图2示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪的示意性配置；

图3示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪的示意性配置；

图4示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪的示意性配置；

图5是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪的相变板的示意性配置的透视图；

图6是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪中的相变板的每个相变元件的直径和间距的截面图；

图7是示例性地示出了根据每个相变元件的直径和间距的相位变化的曲线图；

图8是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪的相变板的示意性配置的平面图；

图9是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪的竖直型结构的透视图；

图10是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪的横向型结构的透视图；

图11示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪的示意性配置；

图12示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪的示意性配置；

图13是示出了图11所示的傅里叶变换干涉仪的相变板的示意性配置的透视图；

图14是示出了图11所示的傅里叶变换干涉仪的竖直型结构的透视图；以及

图15是示出了图11所示的傅里叶变换干涉仪的横向型结构的透视图。

具体实施方式

在下文中，参考附图，将详细描述使用元表面的傅里叶变换干涉仪。相同的附图标记始终表示相同的元件，并且在附图中，为了清楚和方便解释，可以放大元件的尺寸。以下描述的实施例是示例，并且可以根据实施例进行各种修改。在下面描述的层结构中，表述“在...上方”或“在...上”不仅可以包括“以接触方式直接在...上方/下方/左/右”而且还可以包括“以非接触方式在...上方/下方/左/右”。

图1示出了根据实施例的傅里叶变换干涉仪100的示意性配置。参考图1，根据实施例的傅里叶变换干涉仪100可以包括：半透半反镜111，透射入射光的一部分并反射入射光的剩余部分；相变板120，反射入射光并不同地局部改变反射光的相位；反射镜112，对从相变板120向半透半反镜111反射的光进行反射；以及光电检测器130，其对光进行检测。

例如，光电检测器130可以被布置为朝向半透半反镜111的第一表面111a，并且反射镜112和相变板120可以被布置为朝向第二表面111b，该第二表面111b是与半透半反镜111的第一表面111a相对的表面。半透半反镜111可以被布置为使得待分析的入射光入射在半透半反镜111的第一表面111a上。而且，光电检测器130和反射镜112可以布置在半透半反镜111的两侧。

在这种配置中，入射在半透半反镜111的第一表面111a上并且待分析的入射光的一部分透过半透半反镜111，并且待分析的入射光的剩余部分被半透半反镜111反射。入射光中透过半透半反镜111的部分被相变板120反射。相变板120局部地且不同地改变反射光的相位。因此，由相变板120反射的光根据光束的截面区域而具有各种相位。然后，从相变板120反射的光的一部分被半透半反镜111的第二表面111b反射并入射在反射镜112上。由反射镜112反射的光的一部分透过半透半反镜111并入射在光电检测器130上。

从半透半反镜111的第一表面111a反射的光也入射在光电检测器130上。因此，未入射在相变板120上的光和从相变板120反射的光入射在光电检测器130上。结果，在入射光中未入射在相变板120上的光与从相变板120反射的光之间形成干涉图案。因此，光电检测器130可以检测入射光中未入射在相变板120上的光与从相变板120反射的光之间的干涉图案。然后，可以使用由光电检测器130检测的干涉图案通过利用傅里叶分析方法来分析入射光的光谱分布。

在图1中，光电检测器130和反射镜112布置在半透半反镜111的相对侧，并且相变板120被布置为朝向入射光入射在半透半反镜111上的方向。然而，实施例不必限于此。

图2示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪100的示意性配置。与图1相比，相变板120和反射镜112的位置在图2中互换。因此，光电检测器130和相变板120布置在半透半反镜111的相对侧，并且反射镜112被布置为朝向入射光入射在半透半反镜111上的方向。

在这种配置中，入射在半透半反镜111的第一表面111a上并且待分析的入射光的一部分透过半透半反镜111然后入射在反射镜112上，并且待分析的入射光的剩余部分被半透半反镜111的第一表面111a反射并入射在光电检测器130上。透过半透半反镜111的光被反射镜112反射并入射在半透半反镜111的第二表面111b上。入射在半透半反镜111的第二表面111b上的光的一部分被半透半反镜111的第二表面111b反射并入射在相变板120上。相变板120反射入射光并局部地且不同地改变反射光的相位。然后，由相变板120反射的光的一部分透过半透半反镜111并入射在光电检测器130上。

而且，在图2中，光电检测器130被布置为朝向半透半反镜111的第一表面111a，并且反射镜112和相变板120被布置为朝向第二表面111b。然而，实施例不必限于此。

图3示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪100的示意性配置。与图1相比，光电检测器130和反射镜112的位置在图3中互换。因此，反射镜112可以被布置为朝向半透半反镜111的第一表面111a，并且光电检测器130和相变板120可以被布置为朝向半透半反镜111的第二表面111b。

在这种配置中，入射在半透半反镜111的第一表面111a上并且待分析的入射光的一部分透过半透半反镜111，并入射在相变板120上，并且待分析的入射光的剩余部分被半透半反镜111的第一表面111a反射并入射在反射镜112上。由反射镜112反射的光的一部分透过半透半反镜111并入射在光电检测器130上。此外，相变板120对入射光进行反射并局部地且不同地改变反射光的相位。然后，由相变板120反射的光的一部分被半透半反镜111的第二表面111b反射并入射在光电检测器130上。

如上所述，各种配置都可以允许未入射在相变板120上的光和从相变板120反射的光入射在入射光的光电检测器130上。因此，根据本实施例的傅里叶变换干涉仪100可以具有半透半反镜111和反射镜112的各种布置，使入射光的一部分透射到相变板120，使入射光的剩余部分透射到光电检测器130，并使入射光中从相变板120反射的光透射到光电检测器130。

入射在半透半反镜111的第一表面111a上的入射光(可以是待分析的光)可以是直接来自外部测试目标光源(例如，激光)的光，或者可以是从外部样本或对象反射、透射或散射的光。当傅里叶变换干涉仪100用于分析样本时，傅里叶变换干涉仪100还可以包括光源。

图4示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪100的示意性配置。参考图4，傅里叶变换干涉仪100还可以包括用于用光照射样本s的光源110。在这种情况下，样本s、光源110和半透半反镜111可以被布置为使得由光源110照射的样本s反射、透射或散射的光入射在半透半反镜111的第一表面111a上。

图5是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪100的相变板120的示意性配置的透视图。参考图5，用于局部地改变反射光的相位的相变板120可以包括基板121、布置在基板121上的反射层122、以及布置在反射层122上并且局部地且不同地改变反射光的相位的元表面123。相变板120可以被布置为使得反射层122和元表面123面向半透半反镜111。

元表面123可以包括具有多个不同直径的多个相变元件124。例如，多个相变元件124可以具有在反射层122上竖直突出的柱状形状。相变元件124在图5中具有圆柱形状，但不限于此。例如，相变元件124可以具有椭圆柱形状或矩形柱形状，其中相变板120具有偏振相关特性。

基板121可以由平板形式的玻璃或塑料材料形成。相变元件124可以由折射率高于基板121的材料形成。例如，相变元件124可以由具有高折射率的材料形成，该材料选自由以下构成的组：锗(ge)、非晶硅(a-si)、多晶硅(p-si)、晶体硅(c-si)、iii-v族化合物、sinx，sio2、tio、tio2、tio3、gap、al2o3、hfo2等。在例如可见光波长下，相变元件124的折射率可以大于3.5。备选地，相变元件124可以由金属材料形成。可以使用一般的半导体图案化工艺容易地形成这些相变元件124。例如，在反射层122上沉积相变元件124的材料层之后，可以通过使用光刻工艺和蚀刻工艺图案化相变元件材料层来简单地形成相变元件124。因此，不需要复杂的处理操作来形成相变板120。

相变元件124之间的间距和相变元件124的直径可以远小于待分析的光的波长。然后，由于入射光经过高折射率的相变元件124，因此可以使相位被延迟，因此相变板120反射的反射光的相位与入射光的相位不同。相变程度可以根据诸如相变元件124的布置、直径、间距、截面形状、高度和折射率之类的参数而变化。为了简化相变板120的制造工艺，可以简单地二维布置多个相变元件124，并且可以仅通过每个相变元件124的间距和直径来调节反射光的相位。例如，诸如相变元件124的布置、截面形状、高度等的参数可以是相同的，并且可以仅通过间距和直径来调节反射光的相位。

图6是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪100中的相变板120的每个相变元件124的直径d和间距p的截面图。图7是示例性地示出了根据每个相变元件124的直径和间距的相位变化的图。参考图6，间距p是相变元件124的布置周期，并且是从一个相变元件124的中心到与其相邻的另一相变元件124的中心的距离。在图7中，横轴表示间距和直径之间的比率(d/p)，纵轴表示反射率和相位。参考图7，可以看出，针对600nm和700nm的入射光，间距和直径之间的比率(d/p)增加，并且相变逐渐增加。而且，可以看出，无论间距和直径之间的比率(d/p)如何，反射率几乎是恒定的。因此，可以通过调节间距和直径之间的比率(d/p)来调节反射光的相位。

元表面123可以包括多个元区域，用于不同地改变反射光的相位。

图8是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪100的相变板120的示意性配置的平面图。参考图8，元表面123可以包括第一元区域120a、第二元区域120b、第三元区域120c和第四元区域120d。尽管图8中仅示出了四个元区域120a、120b、120c和120d，实际上可能存在更多数量的元区域。第一元区域120a、第二元区域120b、第三元区域120c和第四元区域120d可以被配置为不同地改变反射光的相位。为此，彼此不同的多个第一相变元件124a、第二相变元件124b、第三相变元件124c和第四相变元件124d可以分别设置在第一元区域120a、第二元区域120b、第三元区域120c和第四元区域120d中。例如，没置在相同元区域120a、120b、120c和120d中的第一相变元件124a、第二相变元件124b、第三相变元件124c和第四相变元件124d都具有相同的直径和间距，并且设置在不同元区域120a、120b、120c和120d中的第一相变元件124a、第二相变元件124b、第三相变元件124c和第四相变元件124d可以被配置为具有不同的直径和间距。

然后，由相变板120反射的光可以根据相变板120中的局部位置而具有不同的相位。换言之，反射光的相位根据相变板120上的位置而局部地改变。例如，在相变板120的第一元区域120a上反射的反射光可以具有第一相位，在相变板120的第二元区域120b上反射的反射光可以具有第二相位，该第二相位不同于第一相位，在相变板120的第三元区域120c上反射的反射光可以具有第三相位，该第三相位不同于第一相位和第二相位，并且在相变板120的第四元区域120d上反射的反射光可以具有第四相位，该第四相位不同于第一至第三相位。

根据上述实施例，因为相变板120局部地改变反射光的相位，所以在入射光中没有入射在相变板120上的光和从相变板120反射的光之间可以同时出现多个不同的光程差。结果，可以同时出现大量不同的干涉图案。因此，因为根据本实施例的傅里叶变换干涉仪100不包括用于移动反射镜以改变入射在光电检测器130上的两束光之间的光程差的机械结构，所以可以以小尺寸制造傅里叶变换干涉仪100。例如，根据本实施例的傅里叶变换干涉仪100可以以芯片形式制造并应用于诸如智能电话或可穿戴设备之类的小型电子设备。而且，因为同时出现多个不同的干涉图案，所以可以实时地分析入射光。此外，因为可以使用光刻工艺通过图案化方法简单地制造相变板120，所以不需要复杂的处理操作。因此，可以降低傅里叶变换干涉仪100的制造成本。

具有图1至图4所示配置的傅里叶变换干涉仪100可以实现为具有竖直型结构或横向型结构。

图9是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪100的竖直型结构的透视图，图10是示出了图1所示的傅里叶变换干涉仪100的横向型结构的透视图。

参考图9，相变板120可以布置在傅里叶变换干涉仪100的底部区域中，并且半透半反镜111可以面向相变板120的上表面并且与相变板120间隔开。反射镜111和光电检测器130可以分别布置在半透半反镜111的两侧。入射光可以从上至下沿竖直方向入射在半透半反镜111上。图9示例性地示出了图1所示的配置。图2至图4中所示的配置可以实现为图9所示的竖直型结构。

而且，参考图10，傅里叶变换干涉仪100还可以包括平坦基板101。在这种情况下，所有半透半反镜111、相变板120、反射镜112和光电检测器120可以设置在基板101的上表面上。在这种情况下，入射光可以沿水平方向上传播并且可以入射在半透半反镜111上。图10示例性地示出了图1所示的配置。图2至图4中所示的配置可以实现为图9所示的竖直型结构。

图1至图10中描述的傅里叶变换干涉仪100是迈克尔逊干涉仪，其中相变板120改变反射光的相位。然而，傅里叶变换干涉仪100可以被配置为法布里-珀罗干涉仪，其中相变板改变透射光的相位。

图11示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪200的示意性配置。参考图11，傅里叶变换干涉仪200可以包括：透射入射光的一部分并反射入射光的剩余部分的半透半反镜210；与半透半反镜210相对布置的相变板220；以及与相变板220相对布置的光电检测器230。光电检测器230可以相对于相变板220布置在半透半反镜210的相对侧。

在傅里叶变换干涉仪200的配置中，入射在半透半反镜210上的入射光的一部分穿过半透半反镜210并入射在相变板220上。入射在相变板220上的光的一部分被半透半反镜210反射，并且光的剩余部分透过相变板220并入射在光电检测器230上。由相变板220反射并入射在半透半反镜210上的光的一部分可以再次被反射，然后可以透过相变板220并入射在光电检测器230上。在本实施例中，相变板220可以具有局部地改变透射光的相位的元表面。因此，光电检测器230可以检测透过相变板220的光之间的干涉图案。例如，光电检测器230可以检测透过相变板220的光与在相变板220和半透半反镜210之间往复一次或多次的光之间的干涉图案。然后，可以使用由光电检测器230检测的干涉图案利用傅里叶分析方法来分析入射光的光谱分布。

从外部入射在半透半反镜210上的入射光(其是待分析的光)可以是直接来自外部测试目标光源(例如，激光)的光，或者可以是从外部样本或对象反射、透射或散射的光。当傅里叶变换干涉仪200用于分析样本时，傅里叶变换干涉仪200还可以包括光源。

图12示出了根据另一实施例的傅里叶变换干涉仪200的示意性配置。参考图12，傅里叶变换干涉仪200还可以包括用于用光照射样本s的光源110。在这种情况下，样本s、光源110和半透半反镜210可以被设置为使得从光源110所照射的样本s反射、透射或散射的光可以入射在半透半反镜210上。

图13是示出了图11所示的傅里叶变换干涉仪200的相变板220的示意性配置的透视图。参考图13，用于局部地且不同地改变透射光的相位的相变板220可以包括基板121以及布置在基板121上并且局部地且不同地改变反射光的相位的元表面123。如参考图8所述，元表面123可以包括用于不同地改变反射光的相位的多个元区域，并且具有多个不同直径的相变元件124可以设置在多个元区域中。因此，与图5的相变板120相比，除了图13中所示的相变板220不包括反射层122之外，图13所示的相变板220可以具有与图5所示的相变板120相同的配置。

相变板220的基板121可以由对待分析的光具有透过性的材料形成。例如，基板121可以由玻璃或透明塑料材料形成。相反，基板121可以具有半透半反性以将入射光的一部分反射到半透半反镜210。

具有上述图11和图12所示配置的傅里叶变换干涉仪200也可以实现为具有竖直型结构或横向型结构。

图14是示出了图11所示的傅里叶变换干涉仪200的竖直型结构的透视图，图15是示出了图11所示的傅里叶变换干涉仪200的横向型结构的透视图。

参考图14，光电检测器230可以布置在傅里叶变换干涉仪200的底部区域中，并且相变板220可以面向光电检测器230的上表面并且与光电检测器230隔开。半透半反镜210可以面向相变板220的上表面并且与相变板220间隔开。入射光可以从上至下在竖直方向上传播并且入射在半透半反镜210上。

参考图15，傅里叶变换干涉仪200还可以包括平坦基板201。半透半反镜210、相变板220和光电检测器230可以沿横向方向顺序地布置在基板201的上表面上。在这种情况下，入射光可以在水平方向上传播并且可以入射在半透半反镜210上。

可以理解，本文描述的使用元表面的傅里叶变换干涉仪可以被认为仅是描述性的，而不是为了限制目的。对每个实施例中特征或方面的描述可以被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。

尽管已参考附图描述了一个或多个实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。