KR101784242B1 - 광학 시스템 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

광학 시스템 및 그의 제조 방법이 제공된다. 광학 시스템은 기판, 상기 기판 상에 형성된 마이크로 렌즈, 상기 기판의 하면 상에 상기 마이크로 렌즈와 오버랩되도록 배치되고, 나노 막대를 포함하는 컬러 필터 및 상기 컬러 필터와 접속되는 광 검출기를 포함한다.

Description

광학 시스템 및 이의 제조 방법{Optical system and method for fabricating the same }
본 발명은 광학 시스템 및 이의 제조 방법에 관한 것이며, 더욱 구체적으로, 마이크로 렌즈를 포함하는 광학 시스템 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 단수 또는 복수의 렌즈를 여러 장 이용하여 광학계를 구성하는 렌즈 시스템과, 이를 이용한 광학계가 널리 알려져 있다. 이러한 렌즈 시스템은 가공의 용이성 및 기존 시스템과의 호환성으로 인해 폭넓게 사용되어 왔다.
그러나 종래의 렌즈 시스템 도는 광학계는 광의 입사 면적의 한계 또는 그에 포함된 렌즈의 물리적 한계로 인하여 시야각 또는 심도의 한계가 존재하고, 소형화가 용이하지 않은 단점이 존재한다.
이를 해결하기 위하여 자연계에 존재하는 곤충의 겹눈 구조를 모방하여 수백개 또는 수만 개의 마이크로 렌즈를 포함하는 광학 시스템이 제안되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 마이크로 렌즈 및 나노 막대를 이용하여, 이미지 및 색상 인식의 감도가 높은 광학 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 마이크로 렌즈 및 나노 막대를 이용한 광학 시스템의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템은, 기판, 상기 기판 상에 형성된 마이크로 렌즈, 상기 기판의 하면 상에 상기 마이크로 렌즈와 오버랩되도록 배치되고, 나노 막대를 포함하는 컬러 필터 및 상기 컬러 필터와 접속되는 광 검출기를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 컬러 필터는, 제1 파장의 광을 투과시키는 제1 필터, 및 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 광을 투과하는 제2 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 필터는 제1 두께인 제1 나노 막대를 포함하고, 상기 제2 필터는 상기 제1 두께와 다른 제2 두께인 제2 나노 막대를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제2 파장은 근적외선(NIR; Near Infrared) 영역일 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 광 검출기는, 상기 제1 필터와 접속되는 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 필터와 접속되는 제2 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드를 연결하는 금속배선을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 마이크로 렌즈 상에, 콘 형상으로 형성된 무반사막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 무반사막은 서로 인접하여 배치된 제1 콘과 제2 콘을 포함하되, 상기 제1 콘과 제2 콘의 최상부 간의 간격은 100nm 이상 600nm 이하일 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 나노 막대는 실리콘 나노 막대를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 시스템은 기판, 상기 기판의 상면 상에 형성되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 집광부, 상기 기판의 하면 상에 배치되는 컬러 필터 어레이로, 나노막대를 포함하는 복수의 컬러 필터를 각각 포함하는 컬러 필터 어레이 및 상기 컬러 필터와 각각 접속되어 광 이미지를 획득하는 광 검출기 어레이를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 적색 필터, 제1 녹색 필터, 제1 청색 필터, 제1 근적외선 필터를 포함하는 제1 컬러 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는, 상기 제1 컬러 필터와 인접하고, 제2 적색 필터, 제2 및 제3 녹색 필터, 제2 청색 필터를 포함하는 제2 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 기판은 상기 기판의 상면에 형성된 복수의 마이크로 렌즈가 대상체를 향하도록 반구 형상으로 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템의 제조 방법은 금속 배선으로 상호 연결된 광검출기를 제공하고, 상기 광검출기 상에 나노 막대를 포함하는 컬러 필터를 형성하고, 상기 컬러 필터 상에 상면에 마이크로 렌즈가 형성된 기판을 부착하는 것을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 기판을 부착시킨 후에, 상기 기판을 고정시키고, 상기 기판의 상면 방향으로 수압을 가하여 상기 기판을 반구 형상으로 변형하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 기판을 부착시키기 전에, 상기 컬러 필터 상에 산화 실리콘 막을 증착시키는 것을 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 광학 시스템은 기판 상에 균일하게 분포된 마이크로 렌즈를 포함하여, 피사체가 발산하는 광을 다양한 각도에서 입력 받음으로써, 단일의 광학 시스템에서 다양한 화각을 갖는 복수의 이미지를 생성할 수 있으며, 이를 합성함으로써 정밀한 해상도의 이미지를 형성할 수 있다.
본 발명의 광학 시스템은 기판 상에 형성된 복수의 마이크로 렌즈를 포함함으로써, 광학 시스템의 크기를 작게 유지할 수 있다. 또한 나노 막대를 포함하는 컬러 필터를 포함하여, 마이크로 렌즈가 입력 받은 광 신호를 감도 높은 컬러 신호로 분리하여 광 이미지를 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템의 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 광학 시스템이 포함하는 마이크로 렌즈 시스템을 확대한 도면이다.
도 2는 도 1a의 광학 시스템이 포함하는 컬러 필터 어레이의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템의 동작도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템에 포함된 컬러 필터의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 컬러 필터에 포함된 나노 막대의 종류에 따른 컬러 필터의 투과 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 시스템이 포함하는 마이크로 시스템의 도면이다.
도 7은 도 6의 무반사막의 주기에 따른 광 흡수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8a 및 도 8e는 본 발명의 일 실시예에 광학 시스템의 제조 방법을 도시한 중간 단계 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
*도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템의 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 광학 시스템이 포함하는 마이크로 렌즈 시스템을 확대한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 광학 시스템(1)은 마이크로 렌즈 시스템(10), 제1 기판(100), 마이크로 렌즈(110), 제1 및 제2 컬러 필터(120, 121), 제1 및 제2 광 검출기(130, 131), 금속 배선(140), 제2 기판(150) 및 산화 실리콘막(170)을 포함할 수 있다.
도 1a 및 1b에 도시된 것과 같이, 마이크로 렌즈 시스템(10)은 제1 기판(100), 마이크로 렌즈(110), 제1 및 제2 컬러 필터(120, 121), 제1 및 제2 광 검출기(130, 131), 금속 배선(140), 제2 기판(150) 및 산화 실리콘막(170)을 포함하는 단일의 광학계이다.
마이크로 렌즈 시스템(10)은, 대상체로부터 입사된 광을 입력 받아, 마이크로 렌즈 시스템(10)에 포함된 컬러 필터(120, 121) 및 광 검출기(130, 31)를 이용하여 광 이미지를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템(1)은 기판(100) 상에 마이크로 렌즈 시스템(10)과 같은 광학계를 복수 개 포함할 수 있다. 즉, 광학 시스템(1)은 대상체(미도시)를 향하여 반구 형으로 형성된 기판 (100)의 상면 상에, 마이크로 렌즈 시스템(10)이 균일하게 분포되도록 형성된 구조를 가질 수 있다.
따라서, 광학 시스템(1)은 복수의 마이크로 렌즈 시스템(10)으로부터 생성된 대상체의 복수의 광 이미지를 입력 받아, 복수의 광 이미지를 영상 처리하여 단일의 합성 이미지를 형성할 수 있다.
광학 시스템(1)이 몇 개의 마이크로 렌즈 시스템(10)을 포함할 수 있는지는, 마이크로 렌즈(110)의 반지름(r)과, 마이크로 렌즈 시스템 간의 거리(i)에 따라 얼마든지 달라질 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 광학 시스템(1)은 수백 개의 마이크로 렌즈 시스템(10)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 대상체를 향해 구형으로 형성되어, 광학 시스템(1)의 광 입사면을 형성할 수 있다. 또한 기판(100)의 하면은 제1 및 제2 컬러 필터(120, 121)과 접촉함으로써, 마이크로 렌즈(110)로부터 입사된 광을 제1 및 제2 컬러 필터(120, 121)로 전달하는 통로로써 기능할 수 있다. 따라서, 기판(100)은 투명한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 마이크로 렌즈 시스템(10)은 도 1a에 도시된 것과 같이 대상체를 향해 구형으로 형성되므로, 기판(100)은 유연성이 있는 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 기판(100)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)를 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 기판(100)은 광 투과성이 좋고, 구형으로 가공하는 것이 용이하도록 실리콘을 포함할 수도 있다.
제1 기판(100)의 상면 상에 마이크로 렌즈(110)가 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(110)는 대상체로부터 입사되는 광을 수신하여 기판(100)으로 투과시킬 수 있다.
마이크로 렌즈(110)는 기판(100) 상에 균일하게 분포되도록 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템에서 마이크로 렌즈(110)는 기판(100)으로부터 형성될 수 있으므로, 마이크로 렌즈(110)는 기판(100)과 동일한 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 PDMS를 포함할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
컬러 필터(120, 121)는 기판(100)의 하면 상에, 마이크로 렌즈(110)와 오버랩되는 영역 상에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 컬러 필터(120, 121)와, 제3 및 제4 컬러 필터(도 2의 122, 123)은 컬러 필터 어레이(도 2의 50a)를 형성할 수 있다.
컬러 필터(120, 121)는, 마이크로 렌즈(110)로 입사되고 기판(100)을 투과한 대상체의 광 이미지를 서로 다른 광 대역에 따라 분리하여 광 검출기(130, 131)로 전달할 수 있다.
즉, 컬러 필터(120, 121)는 적색, 녹색, 청색 및 근적외선(Near Infrared; NIR) 대역의 광 중 어느 하나를 선택적으로 투과하는 광 필터일 수 있다.
제1 컬러 필터(120)과 제2 컬러 필터(121)는 서로 다른 파장의 광을 투과하는 컬러 필터일 수 있다. 예를 들어 제1 컬러 필터(120)가 적색 필터일 때, 제2 컬러 필터(121)는 근적외선 필터일 수도 있다.
광 검출기(130, 131)는 컬러 필터(120, 121)를 통과한 광 신호를 전달 받을 수 있다. 광 검출기(130, 131)는 예를 들어, 포토 다이오드(photo diode)일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
입력된 광 신호에 포함된 광자가 광 검출기(130, 131)를 타격하면, 광 검출기(130, 131)는 광자 에너지를 전류의 크기로 변환할 수 있다.
대상체로부터 광학 시스템(1)으로 입력된 광 이미지는 가시광선 및 근적외선 대역을 포함하는 광 이미지일 수 있다. 광 검출기(130, 131)는 입력된 광 신호의 세기를 광 검출기(130, 131)로부터 발생되는 전류의 크기로 변화시키기 때문에, 광 이미지를 컬러 필터(120, 121)을 통과하지 않고 광 검출기(130, 131)에 직접 입력하는 경우, 광 신호의 색상과 관련된 정보는 손실될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 시스템(1)은 광 검출기(130, 131) 상에 각각 다른 컬러 필터들(120, 121)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 검출기(130) 상에 제2 컬러 필터121)가 형성될 수 있고, 제2 광 검출기(131) 상에 제1 컬러 필터(120)가 형성될 수 있다.
광 검출기(130, 131)는 컬러 필터(120, 121)가 통과시키는 대역 즉, 단일 파장의 광 신호를 검출할 수 있다. 만약 제1 컬러 필터(120)가 적색 영역의 광을 통과시키는 경우, 제2 광 검출기(131)는 적색 광 신호를 검출하여 적색 광 이미지를 생성할 수 있다.
또한 제2 컬러 필터(121)가 근적외선 영역의 광을 통과시키는 경우, 제1 광 검출기(130)는 근적외선 영역의 광을 검출하고 근적외선 광 이미지를 생성할 수 있다.
컬러 필터(120)와 컬러 필터(120)가 포함하는 나노 막대에 관하여 아래에서 좀더 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 컬러 필터 어레이가 배치된 구조를 도시한 상면도이다.
도 2를 참조하면, 광학 시스템(도 1a의 1)은 제1 내지 제4 컬러 필터 어레이(50a~50d)를 포함할 수 있다.
제1 컬러 필터 어레이(50a)는 제1 내지 제4 컬러 필터(120~123)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 컬러 필터(120~123)는 예를 들어, 각각 적색 필터, 녹색 필터, 청색 필터 및 근적외선 필터를 포함할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 컬러 필터 어레이(50b)는 제5 내지 제8 컬러 필터(220~223)을 포함할 수 있다. 제5 내지 제8 컬러 필터(220~223)는 예를 들어, 제1 내지 제4 컬러 필터(120~123)과 동일한 구성으로 배치될 수 있다. 즉, 제5 내지 제8 컬러 필터(220~223)는 각각 적색 필터, 녹색 필터, 청색 필터 및 근적외선 필터를 포함할 수 있다.
반면에, 제5 내지 제8 컬러 필터(220~223)는 제1 내지 제4 컬러 필터(120~123)과 다른 구성으로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 제5 내지 제8 컬러 필터(220~223)는 적색 필터, 녹색 필터, 청색 필터를 포함하되, 근적외선 필터가 아닌 녹색 필터를 더 포함하여 녹색 필터가 두 개 배치된 구조일 수 있다.
광학 시스템(1)이 적외선 영역의 광 이미지 인식을 필요로 하지 않는 경우, 근적외선 필터를 녹색 필터로 대체하고, 녹색 필터를 두 개 포함하는 컬러 필터 어레이(50b)를 구비함으로써 가시광선 영역에서 형성되는 더욱 뚜렷한 광 이미지를 얻을 수 있다.
각각의 컬러 필터 어레이(50a~50d) 상에는 각각 마이크로 렌즈(미도시)가 형성되고, 마이크로 렌즈(미도시)로부터 제공 받은 각각의 광 이미지들을 개별적으로 영상 처리할 수 있다
광학 시스템(1)은 컬러 필터 어레이(50a~50d) 간을 연결하는 금속 배선을 포함할 수 있다. 즉, 제1 컬러 필터 어레이(50a)와 제2 컬러 필터 어레이(50b) 간을 연결하는 제1 금속 배선(60a), 제2 컬러 필터 어레이(50b)와 제3 컬러 필터 어레이(50c) 간을 연결하는 제2 금속 배선(60b), 제3 컬러 필터 어레이(50c)와 제4 컬러 필터 어레이(50d)를 연결하는 제3 금속 배선(60c) 및 제4 컬러 필터 어레이(50d)와 제1 컬러 필터 어레이(50a)를 연결하는 제4 금속 배선(60d)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 시스템(1)은, 각각 컬러 필터 어레이를 상호 연결하는 금속 배선을 포함한다. 즉, 광학 시스템(1)은 하나의 컬러 필터 어레이에 포함된 4개의 컬러 필터를 통과하여 광 검출기에 인식된 4개의 광 이미지를 영상 처리하여 하나의 합성 이미지를 생성할 수 있다. 뿐만 아니라 광학 시스템(1)은 서로 다른 마이크로 렌즈 및 컬러 필터 어레이(50a)로부터 획득한 광 이미지를 인접한 컬러 필터 어레이(예를 들어 50b)에도 제공하고, 유기적으로 연결된 복수의 컬러 필터 어레이(예를 들어 50a~50d)를 통해 일반적인 광 검출기로부터 생성된 이미지보다 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 광학 시스템이 대상체의 상을 입력 받는 동작을 도시하는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 대상체의 상이 각각의 마이크로 렌즈 시스템(10, 20, 30)에 다르게 입력될 수 있다. 즉, 대상체의 상은 각각 제1 마이크로 렌즈 시스템(10)과 거리 R1, 입사각 θ1를 이루고, 제2 마이크로 렌즈 시스템(20)과 거리 R2, 입사각 θ2를 이루며, 제3 마이크로 렌즈 시스템(30)과 거리 R3, 입사각 θ3을 형성한다.
이와 같이, 대상체의 상은 광학 시스템(1)에 균일하게 분포된 마이크로 렌즈 시스템(10, 20, 30)와 각기 다른 거리와 입사각을 이루며 광학 시스템(1)에 입력된다. 광학 시스템(1)은 도 3에서 예시한 마이크로 렌즈 시스템(10, 20, 30)을 수백 개 이상 포함할 수 있으므로, 광학 시스템(1)은 다양한 심도 및 화각을 갖는 수백 개의 광 이미지를 입력 받을 수 있다.
또한 광학 시스템(1)은 입력된 이미지를 영상 처리하여 합성 이미지를 형성하기에 충분한 정도로 마이크로 렌즈 시스템(10, 20, 30)의 분해능이 유지되는 한도 내에서, 마이크로 렌즈 시스템(10, 20, 30)의 정밀도를 높여 기판(100) 상에 최대한 많은 마이크로 렌즈 시스템을 포함할 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈(110)의 반지름 및 마이크로 렌즈 간의 간격을 최대한으로 작게 형성하여, 광학 시스템(1)이 생성하는 광 이미지의 개수를 증가시켜 합성 이미지의 해상도를 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 시스템에 포함된 컬러 필터의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4의 컬러 필터에 포함된 나노 막대의 종류에 따른 컬러 필터의 투과 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 컬러 필터(120)는 절연막(161) 내에, 절연막의 상면으로부터 수직 방향으로 형성된 복수의 나노 막대(160)를 포함할 수 있다.
나노 막대(160) 및 절연막(161)은 광 투과성이 있는 소재를 포함할 수 있다. 구체적으로, 실리콘 나노 막대를 포함할 수 있으며, 절연막(161)은 예를 들어 PDMS를 포함할 수 있다.
복수 개의 나노 막대(160)는 절연막(161) 내에서, 간격 p를 두고 배치될 수 있다. 구체적으로, 나노 막대(160)는 약 1㎛의 간격을 두고 인접하여 배치될 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 목표하는 컬러 필터(120)의 광 투과 특성에 따라, 나노 막대(160)의 간격은 얼마든지 달라질 수 있다.
나노 막대(160)는, 절연막(161) 내에 나노 막대(160)가 배치될 위치에 예를 들어 전자빔 리소그래피(EPL; Electron Projection Lithography)와 같은 방법으로 트렌치를 형성하고, 트렌치에 실리콘을 채워 형성될 수 있다.
이후 나노 막대(160)가 배치된 절연막(161)에 스핀 코팅을 수행하여, 컬러 필터(120)를 경화시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 나노 막대(160)의 구성에 따라 광 투과성의 차이를 나타낸 그래프가 도시된다. 제1 그래프(A)의 경우, 컬러 필터(120)가 청색 필터를 포함하는 경우의 투과 특성으로 나노 막대(160)의 직경은 0.09㎛이다. 그래프에서, 청색광(파장 500nm 부근)의 투과 특성이 30% 미만으로 낮게 나타나는 것을 볼 수 있다.
제2 그래프(B)의 경우, 컬러 필터(120)가 녹색 필터를 포함하는 경우의 투과 특성으로, 나노 막대(160)의 직경은 0.10㎛이며, 녹색광(파장 550nm 부근)의 투과 특성이 낮게 나타난다. 제3 그래프(C)는 컬러 필터(120)가 적색 필터를 포함하는 경우로 나노 막대(160)의 직경은 0.11㎛이고, 적색광(파장 600nm 부근)의 투과 특성이 낮게 나타난다.
마지막으로 제4 그래프(D)는 컬러 필터(120)가 근적외선 필터를 포함하는 경우로 나노 막대(160)의 직경은 1.4㎛이고, 근적외선 대역(파장 800nm 부근)의 투과 특성이 낮게 나타난다.
일반적으로 컬러 필터의 제조 공정에서, 흡수 염료 또는 안료를 사용하여 컬러 필터를 제조할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 광학 시스템에 포함된 컬러 필터는, 절연막(161)으로 둘러싸인 나노 막대(160)을 포함하여 별도의 염료 또는 안료가 불필요하며, 나노 막대(160)의 직경(r1) 및 배치 간격(p)을 조절하여 서로 다른 컬러 필터(120)의 광 투과 특성을 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 시스템이 포함하는 마이크로 렌즈 시스템의 단면도이고, 도 7은 도 6의 무반사막의 주기에 따른 광 흡수 특성을 나타낸 그래프이다. 이하 앞선 실시예와 중복된 부분에 대한 설명은 생략하고 차이점을 위주로 설명한다.
도 6을 참조하면, 마이크로 렌즈 시스템(11)은 마이크로 렌즈(110) 상에 콘 형상으로 형성된 무반사막(180)을 더 포함할 수 있다.
무반사막(180)은 마이크로 렌즈(110) 상에 배치되고, 마이크로 렌즈(110)와 직접 연결될 수 있다. 무반사막(180)은 투과성이 좋은 소재를 포함할 수 있고, 구체적으로, 결정 실리콘 (crystalline silicon)을 포함할 수 있다.
무반사막은 제1 콘(181)과 제2 콘(182)를 포함할 수 있다. 제1 콘(181)의 최상부(P1)과 제2 콘(182)의 최상부(P2)의 간격(d)은 100nm 이상 600nm 이하일 수 있다. 즉, 무반사막(180)은 100nm 이상 600nm 이하의 주기를 갖는 반복적인 콘 형상으로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 7의 그래프는 무반사막(180)의 제1 콘(181)과 제2 콘(182)의 간격(d), 즉 주기에 따른 가시광선 영역(파장 약 400nm 내지 700nm)의 광 흡수율을 나타낸 그래프이다.
무반사막의 주기가 600nm 이상으로 증가하는 경우, 가시광선 영역에서의 광흡수율이 약 80% 이하로 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉 무반사막의 주기가 600nm 이상으로 형성되는 경우, 마이크로 렌즈 시스템(11)에 입사된 광이 마이크로 렌즈(110)의 표면 상에서 반사될 확률이 높아지는 것을 의미한다. 따라서 무반사막의 주기를 600nm 이하로 형성하면 광 흡수율을 향상시키고, 광학 시스템의 광 인식 감도를 향상시킬 수 있다.
광이 매질 표면에서 반사를 일으키는 작용은 서로 다른 매질의 경계면 상에서 굴절률의 차이에 따라 발생한다. 이 때, 광의 파장보다 작은 주기를 갖는 무반사막(180)을 형성하는 경우, 무반사막(180)의 반사 특성이 개선될 수 있다. 도 7에 도시된 것과 같이, 가시광선의 파장보다 작은 주기를 갖는 무반사막(180)을 형성하여, 마이크로 렌즈 시스템(11)의 반사 특성을 개선할 수 있다.
반면에, 무반사막의 주기가 100nm 이하로 형성되는 경우, 무반사막의 제조 공정의 난이도가 상승할 수 있으므로, 무반사막의 주기는 100nm 이상인 것이 바람직하다.
도 8a 내지 8e는 본 발명의 일 실시예에 다른 광학 시스템의 제조 방법을 나타낸 중간 단계 도면이다.
도 8a를 참조하면, 기판(150) 상에 광 검출기(130, 131)를 형성하고, 광 검출기(130, 131)를 상호 연결하는 금속 배선(140)을 형성한다. 금속 배선(140)은 광 검출기(130, 131) 사이를 연결할 수 있고, 도 2의 컬러 필터 어레이들(50a, 50b, 50c, 50d)을 연결하도록 형성될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 광 검출기(130, 131) 상에 컬러 필터(120, 121)가 접속되도록 형성한다. 컬러 필터(120, 121)는 위에서 설명한 것과 같이, 절연막(도 4의 161) 내에 트렌치를 형성하고, 트렌치 내부에 실리콘을 채워 나노 막대(도 4의 160)를 형성하는 방식으로 형성될 수 있다.
광 검출기(130, 131) 상에 컬러 필터(120, 121)를 형성하는 것은 예를 들어, 전사 프린팅을 이용할 수 있다. 즉, 컬러 필터(120, 121)는 나노 막대(도 3의 160)을 포함하는 절연막(도 3의 161)의 구조로, 두께 약 30㎛의 박막 형태를 이룰 수 있다. 따라서 컬러 필터(120, 120)를 광 검출기(130, 131) 상에 전사 프린팅함으로써, 컬러 필터(120, 121)의 정렬 특성을 향상시키고, 공정 난이도를 감소시킬 수 있다.
도 8c를 참조하면, 광 검출기(130, 131) 및 컬러 필터(120, 121)가 형성된 기판 상에 산화 실리콘막(170)을 형성한다. 산화 실리콘막(170)은 이후 공정에서 컬러 필터 상에 형성되는 기판(100) 및 마이크로 렌즈(110)를 고정시킬 수 있도록, 기판(150) 상에 증착될 수 있다.
도 8d를 참조하면, 상면에 마이크로 렌즈(110)가 형성된 기판(100)을 산화 실리콘막(170)과 컬러 필터(120, 121) 상에 배치하여 고정시킨다.
도 8e를 참조하면, 광학 시스템(1)에 압력을 가하여 마이크로 렌즈(110)가 형성된 기판(100)의 상면이 대상체를 향하도록 굴곡된 반구 형태를 형성한다.
구체적으로, 기판(100)을 지지대(210)에 고정시킨 후, 제1 방향(D1)으로 수압을 가하면, 광학 시스템(1)이 반구 형태로 변형되면서 마이크로 렌즈(110)가 형성된 기판(100)의 상면이 반구의 외측이 된다.
이 때 제1 방향(D1)으로 가하는 수압을 조절하여, 광학 시스템(1)의 크기 및 곡률을 조절할 수 있다.
제1 방향(D1)으로 가해진 수압은 배수구(300)를 통해 제2 방향(D2)으로 배출될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 광학 시스템 10, 11: 마이크로 렌즈 시스템
100: 기판 110: 마이크로 렌즈
120: 광 검출기 130: 컬러 필터
140: 금속 배선

Claims (17)

  1. 대상체를 향하여 반구형으로 형성된 기판;
    상기 기판 상에 형성된 마이크로 렌즈;
    상기 기판의 하면 상에 상기 마이크로 렌즈와 오버랩되도록 배치되고, 나노 막대를 포함하는 컬러 필터; 및
    상기 컬러 필터와 접속되는 광 검출기를 포함하되,
    상기 컬러 필터는 절연막 내에, 상기 절연막 상면의 수직 방향으로 형성된 나노 막대를 포함하고,
    상기 절연막 및 상기 나노 막대는 광 투과성이 있는 소재를 포함하는 광학 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 컬러 필터는,
    제1 파장의 광을 투과시키는 제1 필터, 및 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 광을 투과하는 제2 필터를 포함하는 광학 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 필터는 제1 직경의 제1 나노 막대를 포함하고,
    상기 제2 필터는 상기 제1 직경과 다른 제2 직경의 제2 나노 막대를 포함하는 광학 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 파장은 근적외선(NIR; Neer Infrared) 영역인 광학 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 광 검출기는,
    상기 제1 필터와 접속되는 제1 포토 다이오드, 및
    상기 제2 필터와 접속되는 제2 포토 다이오드를 포함하는 광학 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드를 연결하는 금속배선을 더 포함하는 광학 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 상에, 콘 형상으로 형성된 무반사막을 더 포함하는 광학 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 무반사막은 서로 인접하여 배치된 제1 콘과 제2 콘을 포함하되,
    상기 제1 콘과 제2 콘의 최상부 간의 간격은 100nm 이상 600nm 이하인 광학 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)를 포함하는 광학 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 막대는 실리콘 나노 막대를 포함하는 광학 시스템.
  11. 대상체를 향하여 반구형으로 형성된 기판;
    상기 기판의 상면 상에 형성되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 집광부;
    상기 기판의 하면 상에, 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각과 오버랩되어 배치되는 컬러 필터 어레이로, 나노막대를 포함하는 복수의 컬러 필터를 각각 포함하는 컬러 필터 어레이; 및
    상기 복수의 컬러 필터와 각각 접속되어 광 이미지를 획득하는 복수의 광 검출기 어레이를 포함하는 광학 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는,
    제1 적색 필터, 제1 녹색 필터, 제1 청색 필터, 제1 근적외선 필터를 포함하는 제1 컬러 필터를 포함하는 광학 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는,
    상기 제1 컬러 필터와 인접하고, 제2 적색 필터, 제2 및 제3 녹색 필터, 제2 청색 필터를 포함하는 제2 컬러 필터를 더 포함하는 광학 시스템.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 기판은 상기 기판의 상면에 형성된 복수의 마이크로 렌즈가 대상체를 향하도록 반구 형상으로 형성된 광학 시스템.
  15. 금속 배선으로 상호 연결된 광검출기를 제공하고,
    상기 광검출기 상에 나노 막대를 포함하는 컬러 필터를 형성하고,
    상기 컬러 필터 상에 상면에 마이크로 렌즈가 형성된 기판을 부착하는 것을 포함하되,
    상기 컬러 필터는, 절연막 내에, 상기 절연막의 상면의 수직 방향으로 연장된 상기 나노 막대를 포함하고, 상기 절연막과 상기 나노 막대는 투과성이 있는 소재를 포함하는 광학 시스템의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 기판을 부착시킨 후에,
    상기 기판을 고정시키고,
    상기 기판의 상면 방향으로 수압을 가하여 상기 기판을 반구 형상으로 변형하는 것을 더 포함하는 광학 렌즈 시스템의 제조 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 기판을 부착시키기 전에,
    상기 컬러 필터 상에 산화 실리콘 막을 증착시키는 것을 더 포함하는 광학 시스템의 제조 방법.
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