KR101110389B1 - 백라이팅을 가지는 이차원 접촉 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2차원 이미지 센서를 개시한다. 본 발명의 이미지 센서는 실리콘 기판 상에 형성된 포토디텍터 어레이를 포함한다. 포토디텍터 어레이는 표면으로부터 반사되는 빛을 감지하도록 배열된다. 기판을 통해 채널이 에칭되어 광원으로부터의 빛이 기판을 통과하여 표면에 도달하도록 한다.
Description
본 발명은 일반적으로는 이미지 센서에 관한 것이며, 좀더 상세하게는, 스캔되는 표면에 접촉 가능한 자체 발광 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서를 이용하여 표면을 스캔하는 응용 분야는 다수 존재한다. 이들 중 많은 응용 분야에 있어서, 이미지 센서는 표면에 가까이 위치하거나 접촉하는 것이 유리하다.
표면에 가까이 위치하거나 접촉하는 종래의 이미지 센서들은 일반적으로 일차원적이다. 이러한 이미지 센서들에서 일차원 포토디텍터 어레이를 사용하는 이유는 광원으로부터 표면에 포토디텍터 어레이와 평행하게 빛을 비추기 위함이다. 표면의 이차원 이미지를 얻기 위해서 표면과 포토디텍터 어레이는 서로 상대적으로 움직이게 된다.
조밀하게 배열된 도트 패턴을 이용하여 표면을 코딩하는 응용 분야 또한 존재한다. 이러한 도트 패턴은 일반적으로 표면 상의 최소한 하나의 위치를 인코딩한다.
이러한 패턴들 중 한 예는 120 마이크론 간격으로 배열된 도트들을 이용한다. 두 도트 간의 최소 샘플링 레이트를 얻기 위해서는 60 마이크론의 크기, 또는 최소 423ppi(pixels per inch)의 해상도를 가지는 포토디텍터가 필요하다. 이러한 도트 패턴은 이차원 패턴이며, 특정한 한 경우에서는 각 100픽셀 x 100 픽셀의 크기를 가지는 패턴을 사용한다.
이미지 센서의 이차원적 크기가 감지할 패턴의 크기에 대응하여 증가함에 따라, 표면에 빛을 가하는 것이 더욱 어려워진다. 특히, 이미지 센서로 인해 일반적으로 빛이 센서의 중앙부 아래의 표면에 도달하지 못하고 차단되게 된다. 전형적인 해결책은 센서가 표면에 닿지 않게 배열하는 것이지만, 이러한 방법은 센서의 초점을 맞추는 과정에 문제를 야기한다.
따라서, 가능한 한 얇고, 최소한 하나의 도트 패턴 전체를 감지할 수 있는 시야각을 가지며, 자체 발광하는 이차원 이미지 센서의 필요가 존재한다.
따라서 본 발명의 목적은 종래 기술에 의한 배열의 하나 또는 그 이상의 단점을 극복하거나 최소한 개선하려는 것이다.
본 발명에서 개시하는 첫번째 측면에 따르면, 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형성된 포토디텍터 어레이; 및 빛이 상기 기판을 통과하여 표면에 닿을 수 있도록 상기 실리콘 기판에 에칭되는 채널을 포함하며, 상기 포토디텍터 어레이는 상기 표면으로부터의 빛의 반사를 탐지하도록 배열된 것을 특징으로 하는 이미지 센서가 제공된다.
본 발명에서 개시하는 두번째 측면에 따르면, 포토디텍터 어레이 및 상기 포토디텍터 어레이의 제 1측(side)에 배열되어, 상기 포토디텍터 어레이를 통하여 최소한 상기 포토디텍터 어레이의 제 2측(side)의 평면으로 빛을 발산하는 광원을 포함하며, 상기 포토디텍터 어레이는 상기 표면으로부터의 빛의 반사를 감지하도록 배열된 것을 특징으로 하는 이미지 센서가 제공된다.
본 발명에서 개시하는 또 다른 측면에 따르면, 상기 포토디텍터의 제 1측을 지향하는 포토디텍터 어레이; 상기 포토디텍터 어레이의 상기 제 1측을 지향하며 제 2 파장을 가지는 빛으로 조광되었을 때 제 1 파장의 빛을 방출하는 하나 또는 그 이상의 발광기; 상기 2 파장을 가지는 빛으로 상기 하나 또는 그 이상의 발광기를 조광하는 광원; 및 상기 2 파장을 가지는 빛이 상기 포토디텍터를 조광하지 않도록 하기 위한 필터로 구성되는 이미지 센서가 제공된다.
본 발명의 다른 측면들은 하기와 같다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 포토디텍터 어레이가 상기 표면으로부터 간격을 가지도록 하기 위한 스페이서(spacer)를 더 포함한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 포토디텍터 어레이의 제 1측에 배열되는 산광기(diffuser)를 더 포함하며, 상기 산광기를 내부적으로 조광하기 위한 광원이 상기 산광기와 연관되고, 상기 산광기에서 누출되는 빛이 상기 기판을 통과하여 상기 표면에 도달하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 채널은 반사성 측벽을 가진다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 각 포토디텍터의 시야각을 제어하기 위해 각 포토디텍터와 연관되는 조리개(aperture)와 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기스페이서는 상기 포토디텍터 어레이와 상기 표면 사이에 위치하는 최소한 부분적으로 불투명한 평면 레이어이며, 상기 최소한 부분적으로 불투명한 평면 레이어는 상기 채널에 대응하며 상기 채널을 통과한 빛이 통과하여 표면에 이르는 제 1 경로와, 상기 포토디텍터에 대응하며 빛이 상기 표면으로부터 상기 포토디텍터로 통과하는 제 2 경로를 가지는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 빛을 상기 포토디텍터 어레이쪽으로 유도하기 위해 상기 산광기와 연관되는 반사성 레이어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 본 발명의 이미지 센서는 포토디텍터 어레이 및 상기 포토디텍터 어레이의 제 1측에 배열되어, 상기 포토디텍터 어레이를 통하여 최소한 상기 포토디텍터 어레이의 제 2측의 평면으로 빛을 발산하는 광원을 포함하며, 상기 포토디텍터 어레이는 상기 표면으로부터의 빛의 반사를 감지하도록 배열된 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 포토디텍터 어레이의 제 2측에 배열되며, 상기 포토디텍터 어레이가 상기 표면으로부터 간격을 가지도록 하기 위한 스페이서(spacer)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 포토디텍터 어레이의 상기 제 1측에 배열되는 산광기(diffuser)를 더 포함하며, 상기 산광기를 내부적으로 조광하기 위한 광원이 상기 산광기와 연관되고, 상기 산광기에서 누출되는 빛이 상기 포토디텍터를 통과하여 상기 표면에 도달하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 산광기에서 누출된 빛이 상기 포토디텍터 어레이를 조광하는 것을 방지하기 위한 불투명 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 포토디텍터 어레이는 실리콘 웨이퍼로 제조되며, 상기 실리콘 웨이퍼 뭉치가 상기 불투명 커버를 형성하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 포토디텍터 어레이는 실리콘 웨이퍼로 제조되며, 상기 실리콘 웨이퍼 뭉치는 빛이 상기 포토디텍터 어레이의 상기 제1측으로부터 통과할 수 있도록 에칭된 채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 채널은 반사성 측벽을 갖는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 각 포토디텍터의 시야각을 제어하기 위해 상기 각 포토디텍터와 연관되는 조리개(aperture)와 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 포토디텍터 어레이의 제 2측에 배열되어 상기 포토디텍터 어레이가 상기 표면으로부터 간격을 가지도록 하기 위한 스페이서를 더 포함하며, 상기 스페이서는 최소한 부분적으로 불투명한 평면 레이어이고, 상기 채널에 대응하며 상기 제 1측으로부터 상기 표면으로 빛이 통과하도록 하는 제 1 경로와, 상기 포토디텍터에 대응하며 상기 표면으로부터 상기 포토디텍터로 빛이 통과하도록 하는 제 2 경로를 가지는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 빛을 상기 포토디텍터 어레이 쪽으로 유도하기 위해 상기 산광기와 연관되는 반사성 레이어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 포토디텍터 어레이와 연관되어 배열되고 산란된 포톤을 탐지하기 위한 제 2 포토디텍터 어레이와, 상기 제 2 포토디텍터 어레이로부터의 신호를 바탕으로 상기 포토디텍터 어레이로부터의 신호를 변화시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 하나 또는 그 이상의 발광기는 상기 포토디텍터와 교차하여 배열된다.
선택적으로, 상기 필터는 상기 포토디텍터 어레이와 상기 하나 또는 그 이상의 발광기 사이에 레이어로서 배열된다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 제 2 파장의 빛이 상기 포토디텍터 어레이의 상기 제 1측을 조광하는 것을 방지하기 위한 제 2 필터를 더 포함하며 상기 포토디텍터 어레이는 상기 표면으로부터의 빛의 반사를 감지하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 광원으로부터 상기 하나 또는 그 이상의 발광기로 빛을 유도하기 위해 상기 필터들 사이에 위치하는 투명 레이어를 더 포함한다.
선택적으로, 상기 투명 레이어는 상기 포토디텍터 어레이가 상기 표면으로부터 간격을 갖기 위한 스페이서로 작용한다.
선택적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 하나 또는 그 이상의 발광기로부터의 빛이 상기 포토디텍터 어레이를 조과하지 않도록 불투명 덮개를 더 포함한다.
선택적으로, 상기 하나 또는 그 이상의 발광기는 상기 필터에 프린트되며 상기 포토디텍터 어레이의 상기 제 1측을 지향한다.
선택적으로, 상기 제 1 파장을 가지는 빛은 적외선이고, 상기 제 2 파장을 가지는 빛은 자외선이다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
첨부된 하나 또는 그 이상의 도면에서 같은 참조 번호를 갖는 특성을 참조하는 경우, 달리 의도되는 기술이 없는 한, 이러한 특성들은 동일한 기능을 기술하기 위한 목적이다.
도 1은 백라이트를 가지는 2차원 이미지 센서(100)의 단면도이다. 상기 이미지 센서(100)는 광 다이오드 또는 픽셀 센서로도 알려진 포토디텍터 어레이(120)를 포함하며, 각 포토디텍터 어레이(120)는 포토디텍터 어레이(120)에서 감지된 조사량을 기초로 하여 신호를 제공한다. 예시를 쉽게 하기 위하여 도시된 이미지 센서(100)는 두 열의 포토디텍터(120)만을 포함하고 있으나 본 발명 분야에 익숙한 당업자는 이미지 센서(100)에 포함된 포토디텍터(120)의 개수가 그 응용에 따라 결정된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
상기 이미지 센서(100)에는 포토디텍터 어레이(120)가 아래의 표면(110)으로부터 간격을 가지도록 하기 위한 스페이서(150)가 포토디텍터 어레이(120)의 아래에 제공된다. 바람직한 실시예에서 상기 스페이서(150)는 투명 레이어이다.
이미지 센서(100)의 백라이트는 상기 포토디텍터 어레이(120)에 부착된 산란 투과 매체(130)에 의해 제공된다. 상기 산란 투과 매체(130)에 산란 투과 매체(130)의 하나 또는 그 이상의 가장자리를 따라 배열된 하나 또는 그 이상의 발광 다이오드(LED)(135)에 의해 빛을 비추게 된다. LED(135)에 의해 방출된 빛은 산란 투과 매체(130) 내에서 반사되어 빛을 산란 투과 매체(130)를 통해 전파시킨다. 빛 중 일부는 산란 투과 매체(130)의 평면 표면으로 누출된다. 빛이 위쪽(하부 평면(110)에서 멀어지는 방향)으로 누출되는 것을 방지하기 위해, 산란 투과 매체(130)에는 반사 레이어(140)가 산란 투과 매체(130)의 상부 평면 표면에 제공된다. 반사 레이어(140)는 포토디텍터 어레이(120)와 하부 평면(110)으로 빛을 재반사시킨다.
또한, 각 포토디텍터(120)에는 포토디텍터(120)에 산란 투과 매체(130)로부터의 빛이 직접 비추어지지 않도록 덮개(125)가 제공된다. 이러한 방식으로, 포토디텍터(120)는 하부 평면(110)으로부터 반사된 빛에만 반응하게 된다.
도 2는 실리콘 웨이퍼에 포토디텍터 어레이(120)가 형성된, 백라이트를 가지는 2차원 이미지 센서(101)의 단면도이다. 이 실시예에서, 실리콘 웨이퍼의 뭉치(190)가 덮개(125)(도 1)로 작용하여 포토디텍터(120)에 산란 투과 매체(130)로부터의 빛이 직접 비추어지지 않도록 한다.
도 3은 도 2에 도시된 2차원 이미지 센서(101)의 실리콘 웨이퍼를 보여주는 평면도이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 실리콘 웨이퍼를 통해 채널(180)이 에칭되어 빛이 산란 투과 매체(130)로부터 하부 평면(110)으로 전달되도록 한다. 바람직한 실시예에서는, 에칭된 채널(180)의 측벽이 반사성으로 형성되어 채널이 부분적으로 광 파이프와 같은 역할을 하게 된다.
다시 도 1과 도 2를 참조하면, 산란 투과 매체(130)로부터 누출된 빛은 포토디텍터(120)를 지나 투명 레이어(150)을 통과하여 하부 평면(110)에 도달하게 된다. 하부 평면(110)은 빛 흡수 영역(111)과 빛 반사 영역(112)을 가지고 있다. 빛 흡수 영역(111)은 빛을 흡수하는 반면에 빛 반사 영역(112)은 그 영역에 비추어지는 빛을 반사한다. 하부 평면(110)이 빛을 약간 산란시킴에 따라 빛 반사 영역(112) 위에 위치한 하나 또는 그 이상의 포토디텍터(120)가 빛을 탐지하여 이에 해당하는 신호를 제공한다.
투명 레이어(150)의 두께에 의해 정의되는 포토디텍터(120)로부터 하부 평면(110)까지의 거리가 각각의 포토디텍터(120) 영역보다 상당히 크기 때문에, 이미지 센서의 한 실시예(미도시)에서는 각 포토디텍터(120)에 조리개와 렌즈가 제공된다. 조리개와 렌즈는 포토디텍터(120)의 시야각을 제한하며, 이에 따라 이미지 센서에 캡처되는 이미지가 번지는 현상을 최소화한다.
또 다른 실시예(미도시)에서는, 포토디텍터(120)의 영역을 감소시키고 각 포토디텍터(120)를 부가적인 포토디텍터로, 예를 들어 동심 실린더 형태로, 둘러쌈으로써 번짐을 최소화한다. 부가적인 포토디텍터는 산란된 포톤을 감지하며 포토디텍터(120)의 출력 신호는 각 포토디텍터(120)에 관련된 부가적인 포토디텍터의 신호 출력을 바탕으로 변경된다.
또 다른 실시예(미도시)에서는, 스페이서(150)를 이루는 실리콘 레이어를 이용하여 번짐을 최소화한다. 실리콘 레이어를 통하여 조광 및 포토디텍터 광 채널이 에칭되어 있다. 도 2를 참조하면, 포토디텍터(120)에 대응하는 채널 또는 경로가 하부 평면(110)으로부터 상기 포토디텍터(120)까지 빛을 전달하기 위해 제공될 뿐 아니라, 채널(180)에 대응하는 채널 또는 경로가 산란 투과 매체(130)로부터 하부 평면(110)까지 빛이 지날 수 있도록 제공된다.
또 다른 실시예(미도시)에서는, 백라이팅을 허용하기 위한 후면 에칭을 회피하기 위하여, 큰 영역의 적외선노드가 이미지 센서의 전체 면에 증착될 수 있으며, 이때 금속 마스크를 캐소드로 사용한다.
도 4는 프론트라이트를 가지는 2차원 이미지 센서(200)의 단면도이다. 상기 이미지 센서(200)는 또한 각 포토디텍터 어레이(220)에 비춰지는 조광량에 기반하여 신호를 제공하기 위한 포토디텍터 어레이(220)를 포함한다.
이미지 센서(200)의 전면광은 자외선 자극(UV-stimulated) 형광(또는 인광) 적외선 발광기(230)에 의해 제공된다. 발광기(230)가 자외선으로 조광될 때 적외선 조광을 방사함으로써 발광기(230)가 작동하게 된다.
도 5는 도 4에 도시된 이미지 센서(200)의 평면도로서 빛이 포토디텍터(220)를 지나도록 하는 발광기(230) 내 조리개들의 공간적 관계를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 발광기(230)는 포토디텍터 어레이(220)의 하부에 배열되며 자외선 통합 레이어(240)를 통해 하부 표면(210)을 대향한다. 자외선 통합 레이어(240)는 상기 자외선 통합 레이어(240)의 하나 또는 그 이상의 모서리를 따라 배열되는 하나 또는 그 이상의 자외선 광 다이오드(UV LED)(235)에 의해 조광된다.
자외선 통합 레이어(240) 내부에서 반사된 자외선 뿐만 아니라 자외선 광 다이오드(235)로부터의 자외선이 포토디텍터 어레이(220)에 직접 조사되는 것을 방지하기 위해 포토디텍터 어레이(220)와 자외선 통합 레이어(240) 사이에 자외선 필터(251)가 제공된다. 제 2 자외선 필터(252)가 자외선 통합 레이어(240)의 하부 평면에 제공된다. 상기 자외선 필터(251, 252)는 자외선이 자외선 통합 레이어(240)를 탈출하지 못하게 하여 자외선 광 다이오드(235)로부터 방출된 자외선이 자외선 통합 레이어(240) 내부에서 반사되도록 한다. 자외선이 자외선 통합 레이어(240)를 탈출하지 못하도록 하기 위해 자외선 통합 레이어(240)의 모서리에 반사기(270)가 더 제공될 수 있다.
발광기(230)는 자외선을 흡수하고 적외선을 방출한다. 발광기(230)에는기(230)에서 방출된 적외선이 포토디텍터(220)에 직접 조광되는 것을 방지하기 위해 덮개(231)가 제공된다. 발광기(230)에서 방출된 적외선은 포토디텍터(220)를 직접 조광하는 대신, 자외선 통합 레이어(240)를 통과하고 하부 자외선 필터(252)를 지나 하부 표면(210)에 도달하게 된다.
하부 표면(210)은 적외선 흡수 영역(211)과 적외선 반사 영역(212)을 가지고 있다. 적외선 반사 영역(212)에서 반사된 적외선은 자외선 필터(252)를 지나 자외선 통합 레이어(240)를 통과하고 자외선 필터(251)를 지나 포토디텍터(220)에 도달하게 된다. 적외선 반사 영역(212) 위에 위치하는 하나 또는 그 이상의 포토디텍터(220)는 적외선을 감지하여 이에 해당하는 신호를 제공한다.
발광기(230)에 제공된 조리개의 크기를 감소시키거나, 발광기 레이어에서 포토디텍터까지의 거리를 증가시킴으로써, 예를 들어 자외선 필터(251) 및 덮개(231), 또는 필터 또는 덮개의 두께를 증가시키거나, 또는 두 방법을 모두 이용하여 각 포토디텍터(220)의 시야각을 감소시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 적외선 발광기(230)가 제 1 자외선 필터(251)에 예를 들어 프린팅등에 의해 직접 증착된다. 좀더 구체적으로는, 적외선 반사(또는 적외선 흡수) 덮개 레이어(231)가 먼저 증착되고 다시 적외선 발광기(230) 자체가 증착된다.
이상 적외선 및 자외선 형광에 관하여 기술하였으나, 적절한 적외선 형광 또는 인광이 전면 조광으로 사용될 수 있다.
또 다른 실시예의 이미지 센서(200)는 자외선 필터(252)를 가지지 않는다. 이 경우, 자외선 자극 형광(또는 인광) 적외선 잉크가 하부 평면(210)에 제공된다.
상기 기술은 본 발명의 일부 실시예에 관한 것이며 본 발명을 예시할 목적이고 본 발명을 제한하지 않으며, 본 발명의 영역과 사상을 벗어나지 않고 수정 또는 변경이 가해질 수 있다.
Claims (18)
- 평면 실리콘 기판, 상기 평면 실리콘 기판의 제 2측 상에 형성된 포토디텍터 어레이, 각 포토디텍터의 시야각을 제어하기 위해 각 포토디텍터와 연관되는 조리개(aperture)와 렌즈, 그리고 빛이 상기 제 2측에 반대되는 위치의 제 1측으로부터 상기 제 2측으로 상기 평면 실리콘 기판을 통과하여 상기 제 1측 밑에 있는 표면에 닿을 수 있도록 상기 평면 실리콘 기판에 에칭되는 채널을 포함하며, 상기 포토디텍터 어레이는 상기 표면으로부터의 빛의 반사를 탐지하도록 배열된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 포토디텍터 어레이가 상기 표면으로부터 간격을 가지도록 하기 위한 스페이서(spacer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 1항에 있어서,
상기 포토디텍터 어레이의 상기 제 1측에 배열되는 산광기(diffuser)를 더 포함하며, 상기 산광기를 내부적으로 조광하기 위한 광원이 상기 산광기와 연관되고, 상기 산광기에서 누출되는 빛이 상기 제 1측으로부터 상기 제 2측으로 상기 평면 실리콘 기판을 통과하여 상기 표면 위에 도달하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 1항에 있어서,
상기 채널은 반사성 측벽을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 삭제
- 제 2항에 있어서,
상기 스페이서는 상기 포토디텍터 어레이와 상기 표면 사이에 위치하는 최소한 부분적으로 불투명한 평면 레이어이며, 상기 최소한 부분적으로 불투명한 평면 레이어는 상기 채널에 대응하고 상기 채널을 통과한 빛이 통과하여 표면에 이르는 제 1 경로와, 상기 포토디텍터에 대응하며 빛이 상기 표면으로부터 상기 포토디텍터로 통과하는 제 2 경로를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제 3항에 있어서,
빛을 상기 포토디텍터 어레이 쪽으로 유도하기 위해 상기 산광기와 연관되는 반사성 레이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
- 삭제
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