KR102453499B1 - 다중 스펙트럼 필터 - Google Patents
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Abstract
광학 필터는 기판, 층 세트 중 제1 층 서브세트를 포함하는 제1 미러, 및 상기 층 세트 중 제2 층 서브세트를 포함하는 제2 미러를 포함할 수 있다. 상기 광학 필터는 스페이서를 포함할 수 있다. 상기 스페이서는 상기 층 세트 중 제3 층 서브세트를 포함할 수 있다. 상기 층 세트는 제1 굴절률과 관련된 복수의 고굴절률층, 및 상기 제1 굴절률 미만의 제2 굴절률과 관련된 복수의 저굴절률층을 포함할 수 있다. 상기 광학 필터는 적어도 약 1200 나노미터(nm) 내지 약 1900㎚의 스펙트럼 범위와 관련될 수 있다.
Description
광학 센서는 광 신호를 전기 신호로 변환하여 광 신호를 검출하거나 이미지를 캡처하기 위해 이미지 센서, 주변 광학 센서, 근접 센서, 색상 센서 및 자외선(UV) 센서 및/또는 등과 같은 다양한 장치에 사용된다. 다중 스펙트럼 센서 장치는 광의 다수의 파장에 관한 정보를 캡처하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 다중 스펙트럼 센서 장치는 특정 세트의 전자기 주파수에 관한 정보를 캡처할 수 있다. 다중 스펙트럼 센서 장치는 정보를 캡처하는 센서 요소(예를 들어, 광학 센서, 스펙트럼 센서 및/또는 이미지 센서) 세트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 주파수에 관한 정보를 캡처하기 위해 센서 요소의 어레이가 이용될 수 있다. 센서 요소 어레이의 특정 센서 요소는 특정 센서 요소를 향해 보내지는 주파수 범위를 제한하는 필터와 관련될 수 있다. 이러한 필터는 사용 케이스가 감지할 스펙트럼의 범위를 증가시킬 것을 요구할 때 스펙트럼 범위를 증가시키는 데 사용될 수 있다.
일부 가능한 구현예에 따르면, 광학 필터는 기판, 층 세트 중 제1 층 서브세트를 포함하는 제1 미러, 및 상기 층 세트 중 제2 층 서브세트를 포함하는 제2 미러를 포함할 수 있다. 상기 광학 필터는 스페이서를 포함할 수 있다. 상기 스페이서는 상기 층 세트 중 제3 층 서브세트를 포함할 수 있다. 상기 층 세트는 제1 굴절률과 관련된 복수의 고굴절률층, 및 상기 제1 굴절률 미만의 제2 굴절률과 관련된 복수의 저굴절률층을 포함할 수 있다. 상기 광학 필터는 적어도 약 1200 나노미터(nm) 내지 약 1900㎚의 스펙트럼 범위와 관련될 수 있다.
일부 가능한 구현예에 따르면, 이진 다중 스펙트럼 필터(binary multispectral filter)는 복수의 층을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 층은 제1 굴절률과 관련된 고굴절률층의 세트, 및 상기 제1 굴절률 미만의 제2 굴절률과 관련된 저굴절률층의 세트를 포함하고, 상기 복수의 층은 광의 복수의 파장을 보내기 위해 복수의 채널을 형성하고, 상기 고굴절률층의 세트는 수소화된 실리콘층, 실리콘 게르마늄층, 게르마늄층, 수소화된 실리콘 게르마늄층, 또는 수소화된 게르마늄층 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 가능한 구현예에 따르면, 시스템은 기판 내에 배치된 광학 센서의 세트 및 상기 기판 상에 증착된 다중 스펙트럼 필터를 포함할 수 있다. 상기 다중 스펙트럼 필터는 하나 이상의 스페이서층을 사이에 끼운(sandwich) 제1 층 세트 및 제2 층 세트를 포함할 수 있으며, 상기 제1 층 세트 및 상기 제2 층 세트는 제1 굴절률을 갖는 고굴절률층과, 상기 제1 굴절률 미만의 제2 굴절률을 갖는 저굴절률층의 교번을 포함하고, 상기 고굴절률층 및 상기 저굴절률층의 재료, 두께 및 개수는, 상기 광학 센서의 세트에 대응하는 채널의 세트를 형성하고, 상기 채널의 세트를 위한 임계 스펙트럼 폭을 발생시키도록 선택된다.
도 1은 본 명세서에 설명된 예시적인 구현예를 도시하는 도면;
도 2는 본 명세서에 설명된 이진 다중 스펙트럼 필터의 일례를 도시하는 도면; 및
도 3a 내지 도 3d는 본 명세서에 설명된 이진 다중 스펙트럼 필터에 관한 예시적인 특성을 도시하는 도면.
도 2는 본 명세서에 설명된 이진 다중 스펙트럼 필터의 일례를 도시하는 도면; 및
도 3a 내지 도 3d는 본 명세서에 설명된 이진 다중 스펙트럼 필터에 관한 예시적인 특성을 도시하는 도면.
예시적인 구현예의 이하 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조한다. 여러 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낼 수 있다.
센서 요소(예를 들어, 광학 센서)는 전자기파 주파수 세트에 관한 정보(예를 들어, 스펙트럼 데이터)를 얻기 위해 광학 센서 장치에 통합될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서 장치는 광학 센서 장치를 향해 보내지는 광에 센서 측정을 수행할 수 있는 이미지 센서, 다중 스펙트럼 센서 및/또는 등을 포함할 수 있다. 광학 센서 장치는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술, 전하 결합 소자(CCD) 기술 및/또는 등과 같은 하나 이상의 센서 기술을 이용할 수 있다. 광학 센서 장치는 정보를 획득하도록 각각 구성된 다수의 센서 요소(예를 들어, 센서 요소의 어레이 - 이는 센서 요소 어레이라고 지칭됨)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 요소 어레이는 다수의 대응하는 주파수에 관한 정보를 얻도록 구성된 다수의 센서 요소를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 센서 요소 어레이는 단일 주파수와 관련된 정보를 획득하도록 구성된 다수의 센서 요소를 포함할 수 있다.
센서 요소는 센서 요소로 가는 광을 필터링하는 필터와 관련될 수 있다. 예를 들어, 센서 요소는 센서 요소를 향해 보내지는 광의 일부를 필터링하기 위해 선형 가변 필터(linear variable filter: LVF), 순환 가변 필터(circular variable filter: CVF), 패브리-페롯(Fabry-Perot) 필터, 이진 다중 스펙트럼 필터 및/또는 등과 정렬될 수 있다. 패브리-페롯 필터, 이진 다중 스펙트럼 필터 및/또는 등과 같은 이진 필터 구조에서는, 이진 필터 구조의 미러들 사이에 위치된 스페이서층을 위해 실리콘이 선택될 수 있다. 실리콘(Si)은 근적외선(near-infrared: NIR) 스펙트럼 범위에서 비교적 높은 굴절률과 관련된다. 이진 필터 구조의 미러는 각각 (예를 들어, 임계 굴절률을 초과하는) 고굴절률 물질과 (예를 들어, 임계 굴절률 이하의) 저굴절률 물질이 교번하는 층 세트를 포함할 수 있다. 예를 들어 실리콘은 고굴절률 물질을 위해 선택될 수 있고, 이산화실리콘(SiO2)과 같은 다른 물질은 저굴절률 물질을 위해 선택될 수 있다.
그러나, 실리콘은 제한된 스펙트럼 범위와 관련될 수 있다. 예를 들어, 64개의 채널 센서 요소 어레이에서는 실리콘 기반 다중 스펙트럼 필터를 사용하여 1100 나노미터(nm) 내지 1900㎚의 스펙트럼 범위만을 커버할 수 있다. 이것은 센서 요소 어레이가 정보를 얻을 수 있는 스펙트럼 범위를 제한하여, 센서 요소 어레이가 제스처 인식, 물체 인식, 분광 측정 및/또는 등과 같은 다른 스펙트럼 범위와 관련된 스펙트럼 정보를 사용하는 특정 기능을 위해 정보를 제공하는 것을 방지한다.
본 명세서에 설명된 일부 구현예는 고굴절률 물질을 위해 실리콘을 사용하는 광학 필터에 비해 개선된 스펙트럼 범위를 갖는 이진 다중 스펙트럼 필터를 제공한다. 예를 들어, 이진 다중 스펙트럼 필터는 고굴절률 물질을 위해 수소화된 실리콘(Si:H), 실리콘 게르마늄(SiGe), 게르마늄(Ge), 수소화된 게르마늄(Ge:H), 수소화된 실리콘 게르마늄(SiGe:H), 이들의 조합 및/또는 등을 사용할 수 있다. 이러한 방식으로, 이진 다중 스펙트럼 필터는 다른 필터에 비해 증가된 스펙트럼 범위를 구현할 수 있다. 예를 들어, 이진 다중 스펙트럼 필터는 약 1200㎚ 내지 약 1800㎚, 약 700㎚ 내지 약 1100㎚, 약 1100㎚ 내지 약 2000㎚, 약 1000㎚ 내지 약 2200㎚, 이들 범위의 조합 및/또는 등의 스펙트럼 범위를 구현할 수 있다. 이러한 방식으로, 이진 다중 스펙트럼 필터는 시스템이 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위, 단파 적외선(short-wave infrared: SWIR) 스펙트럼 범위 및/또는 등을 감지할 수 있게 할 수 있다.
또한, 고굴절률 물질을 위해 실리콘에 비해 증가된 굴절률을 갖는 물질을 사용하는 것에 기초하여, 본 명세서에 설명된 일부 구현예는, 입사각이 증가함에 따라 스펙트럼 이동(spectral shift)이 감소하는 다중 스펙트럼 필터를 제공할 수 있다. 또한, NIR 스펙트럼 범위 및/또는 SWIR 스펙트럼 범위를 위해 다중 스펙트럼 필터를 구현하는 것에 기초하여, 본 명세서에 설명된 일부 구현예는, 생체 인식 시스템 또는 보안 시스템(예를 들어, 지문 검출, 망막 스캐닝, 안면 인식 등), 건강 모니터링 시스템(예를 들어, 맥박 검출, 혈액 산소 레벨 검출), 물체 식별 시스템, 제스처 식별 시스템, 분광 식별 시스템 및/또는 등을 구현할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 설명된 예시적인 구현예(100)의 다이어그램이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다중 스펙트럼 필터(105)(예를 들어, 이진 구조의 광학 필터 어레이)는 제1 미러(110-1), 제2 미러(110-2) 및 스페이서(120)를 포함할 수 있다.
도 1에 더 도시된 바와 같이, 제1 미러(110-1) 및 제2 미러(110-2)는 스페이서(120)를 사이에 끼울 수 있다. 다시 말해, 스페이서(120)는 임계 거리만큼 제1 미러(110-1)와 제2 미러(110-2)를 분리시킬 수 있고 및/또는 스페이서(120)의 면은 제1 미러(110-1)와 제2 미러(110-2)에 의해 둘러싸일 수 있다. 일부 구현예에서, 미러(110)는 특정 재료와 관련될 수 있다. 예를 들어, 미러(110)는 광원으로부터 보내지는 광의 일부를 다중 스펙트럼 필터(105)와 관련된 센서 요소를 향하여 반사시키기 위해 수소화된 실리콘층, 수소화된 게르마늄층, 실리콘 게르마늄층, 수소화된 실리콘 게르마늄층 및/또는 등의 세트를 포함할 수 있다. 미러(110)는 다중 스펙트럼 필터(105)의 각 채널과 관련된 센서 요소 어레이의 각 센서 요소와 정렬될 수 있다.
일부 구현예에서, 스페이서(120)는 하나 이상의 스페이서층(130)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스페이서(120)는 스페이서층(130-1 내지 130-5)(예를 들어, 수소화된 실리콘층, 수소화된 게르마늄층, 실리콘 게르마늄층, 수소화된 실리콘 게르마늄층 및/또는 등과 같은 유전체 층) 세트를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 스페이서(120)는 단일 공동 구성과 관련될 수 있다. 일부 구현예에서, 스페이서(120)는 다중 공동 구성과 관련될 수 있다.
일부 구현예에서, 하나 이상의 스페이서층(130)의 두께는 이진법 진행(binary progression)에 기초하여 관련될 수 있다. 예를 들어, 스페이서층(130-3)은 스페이서층(130-2)의 두께의 약 절반의 두께와 관련될 수 있고, 스페이서층(130-4)은 스페이서층(130-3)의 두께의 약 절반의 두께와 관련될 수 있고, 스페이서층(130-5)은 스페이서층(130-4)의 두께의 약 절반의 두께와 관련될 수 있다.
일부 구현예에서, 다중 스펙트럼 필터(105)는 광학 센서 장치와 관련된 기판 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, 미러(110-1)는 정보(예를 들어, 스펙트럼 데이터)를 캡처하기 위해 센서 요소의 어레이를 포함하는 기판 상에 (예를 들어, 증착 공정 및/또는 포토리소그래피 리프트-오프 공정을 통해) 증착될 수 있다. 일부 구현예에서, 스페이서(120)는 다수의 파장에 관한 정보를 캡처하게 할 수 있다. 예를 들어, 제1 센서 요소(예를 들어, 센서 요소 어레이의 후방 조명되는 광학 센서 또는 전방 조명되는 광학 센서)와 정렬된 스페이서(120)의 제1 부분은 제1 두께와 관련될 수 있고, 제2 센서 요소와 정렬된 스페이서(120)의 제2 부분은 제2 두께와 관련될 수 있다. 이 경우, 제1 센서 요소 및 제2 센서 요소를 향해 보내지는 광은, 제1 두께에 기초한 제1 센서 요소에서의 제1 파장 및 제2 두께에 기초한 제2 센서 요소에서의 제2 파장에 대응할 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 1은 단지 예시로서 제공된다. 다른 예도 가능하고, 도 1과 관련하여 설명된 것과 다를 수 있다.
도 2는 고굴절률/저굴절률(HL) 쌍의 2개의 1/4 파장 스택을 사용하는 이진 다중 스펙트럼(패브리-페롯) 필터의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2 및 차트(200)로 도시된 바와 같이, 필터(210)는 기판, 교대하는 고굴절률(H)층과 저굴절률(L)층을 포함하는 제1 1/4 파장 스택, 고굴절률 스페이서, 및 교번하는 고굴절률층과 저굴절률층을 포함하는 제2 1/4 파장 스택을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 1/4 파장 스택 및 제2 1/4 파장 스택은 고굴절률 스페이서를 사이에 끼우도록 제1 미러 및 제2 미러를 형성한다. 예를 들어, 제1 1/4 파장 스택 및 제2 1/4 파장 스택은 고굴절률 스페이서를 완전히 덮을 수 있다. 대안적으로, 제1 1/4 파장 스택 및 제2 1/4 파장 스택은 고굴절률 스페이서를 부분적으로 덮을 수 있다. 일부 구현예에서, 필터(210)는 하나 이상의 다른 기능을 제공하기 위해 하나 이상의 다른 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터(210)는 광의 특정 파장을 차단하는 하나 이상의 차단제 층, 하나 이상의 반사 방지층, 1/4 파장 스택의 환경 열화를 줄이기 위한 하나 이상의 보호 층 및/또는 등을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 필터(210)는 2개를 초과하는 1/4 파장 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터(210)는 제1 미러를 형성하는 제1 1/4 파장 스택과 제2 1/4 파장 스택, 및 제2 미러를 형성하는 제3 1/4 파장 스택과 제4 1/4 파장 스택을 포함할 수 있다. 유사하게, 필터(210)는 3개의 1/4 파장 스택, 4개의 1/4 파장 스택 및/또는 등으로 형성된 미러를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 각 1/4 파장 스택은 동일한 재료 세트일 수 있다. 예를 들어, 각각의 1/4 파장 스택은 특정 고굴절률 물질 및 특정 저굴절률 물질을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제1 1/4 파장 스택은 제1 고굴절률 물질 및 제1 저굴절률 물질을 포함할 수 있고, 제2 1/4 파장 스택은 제2 고굴절률 물질 및 제2 저굴절률 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 각각의 미러는 동일한 개수의 1/4 파장 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 미러는 제1 1/4 파장 스택을 포함할 수 있고, 제2 미러는 제2 1/4 파장 스택을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제1 미러는 2개의 1/4 파장 스택의 세트를 포함할 수 있고, 제2 미러는 3개의 1/4 파장 스택의 세트를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 필터(210) 내 층 및/또는 1/4 파장 스택의 개수, 조성, 배열 및/또는 등은 필터(210)의 특정 대역폭, 각도 이동(angle shift), 투과율(transmissivity), 스펙트럼 범위 및/또는 등을 구성하도록 선택될 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 1/4 파장 스택 및/또는 제2 1/4 파장 스택의 고굴절률층은 각각 약 3.0 초과, 약 3.5 초과, 약 3.6 초과, 약 3.7 초과, 약 3.8 초과, 약 3.9 초과, 약 4.0 초과 및/또는 등과 관련될 수 있다. 일부 구현예에서, 고굴절률층은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 게르마늄, 수소화된 실리콘, 수소화된 실리콘 게르마늄, 수소화된 게르마늄 및/또는 등과 같은 단일 재료일 수 있다. 일부 구현예에서, 고굴절률층은 수소화된 실리콘층과 수소화된 실리콘 게르마늄층의 조합과 같은 다수의 재료를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 1/4 파장 스택 및/또는 제2 1/4 파장 스택의 고굴절률층은 각각 약 40㎚ 내지 약 300㎚, 약 60㎚ 내지 약 180㎚, 약 70㎚ 내지 약 90㎚의 물리적 두께와 관련될 수 있으며, 약 78㎚ 및/또는 등의 물리적 두께와 관련될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 1/4 파장 스택 및 제2 1/4 파장 스택의 고굴절률층은 각각 약 75㎚ 내지 약 500㎚, 약 120㎚ 내지 약 300㎚, 약 180㎚ 내지 약 250㎚의 1/4 파장 광학 두께와 관련될 수 있으며, 약 230㎚ 및/또는 등의 1/4 파장 광학 두께와 관련될 수 있다. 층의 1/4 파장 광학 두께는 본 명세서에 설명된 바와 같이 층의 물리적인 두께 및 굴절률에 대응한다.
제1 1/4 파장 스택 및 제2 1/4 파장 스택의 저굴절률층은 각각 약 2.5 미만, 약 2.0 미만, 약 1.5 미만 및/또는 등의 굴절률과 관련될 수 있다. 일부 구현예에서, 고굴절률층의 제1 굴절률과 저굴절률층의 제2 굴절률 사이의 차이는 약 1.5 초과, 약 2.0 초과, 약 2.5 초과일 수 있고 및/또는 등일 수 있다. 예를 들어, 저굴절률층은 이산화실리콘(SiO2)층 세트, 이산화알루미늄(Al2O3)층 세트, 이산화티타늄(TiO2)층 세트, 오산화니오븀(Nb2O5)층 세트, 오산화탄탈륨(Ta2O5)층 세트, 플루오린화마그네슘(MgF2)층 세트, 질화실리콘(S3N4)층 세트, 산화지르코늄(ZrOz2)층 세트, 산화이트륨(Y2O3)층 세트 및/또는 등을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 1/4 파장 스택 및 제2 1/4 파장 스택의 저굴절률층은 각각 커버될 파장 범위 및 사용되는 재료의 굴절률에 기초하여 물리적 두께의 범위와 관련될 수 있다. 예를 들어, 저굴절률층 및/또는 이 저굴절률층으로 형성된 1/4 파장 스택을 위해 약 231㎚ 및/또는 등의 두께를 사용할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 1/4 파장 스택 및 제2 1/4 파장 스택의 저굴절률층은 각각 약 1100 내지 약 2000㎚, 약 1200 내지 약 1600㎚의 1/4 광학 두께와 관련될 수 있고, 약 1350㎚ 및/또는 등의 1/4 파장 광학 두께와 관련될 수 있다.
고굴절률 스페이서층은 약 78㎚의 물리적 두께 및 약 1350㎚의 1/4 파장 광학 두께와 관련된다. 일부 구현예에서, 고굴절률 스페이서층은 고굴절률층과 동일한 재료, 고굴절률층과 다른 재료, 동일 재료 및 다른 재료의 조합 및/또는 등일 수 있다. 일부 구현예에서, 필터(210)의 층의 굴절률, 두께, 개수 및/또는 등은 필터(210)가 임계 개수의 채널(예를 들어, 적어도 32개의 채널, 적어도 64개의 채널, 적어도 128개의 채널 및/또는 등), 본 명세서에 설명된 임계 스펙트럼 폭, 본 명세서에 설명된 임계 채널 폭, 임계 투과율 및/또는 등을 제공할 수 있도록 선택될 수 있다.
일부 구현예에서, 필터(210)는 스퍼터링 절차를 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 필터(210)는 유리 기판, 실리콘 기판 또는 다른 유형의 기판 상에 교번하는 층을 스퍼터링하기 위해 펄스-마그네트론 기반 스퍼터링 절차를 이용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에서, 실리콘을 스퍼터링하기 위한 제1 캐소드 및 게르마늄을 스퍼터링하기 위한 제2 캐소드와 같은 다수의 캐소드가 스퍼터링 절차에 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, 필터(210)는 약 280℃의 온도 또는 약 200℃ 내지 약 400℃의 온도에서 제1 어닐링 절차, 약 320℃의 온도 또는 약 250℃ 내지 약 350℃의 온도에서의 제2 어닐링 과정, 및/또는 등과 같은 하나 이상의 어닐링 절차를 사용하여 어닐링될 수 있다.
본 명세서에서 고굴절률 스페이서층으로 기술되었지만, 고굴절률 스페이서층은 다수의 채널을 형성하도록 선택된 다수의 두께 및 특정 재료의 다수의 스페이서층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 경우에, 고굴절률 스페이서층은 64개의 채널을 형성하도록 다수의 층을 사용하여 형성될 수 있다. 유사하게, 제2 경우에, 고굴절률 스페이서층은 128개의 채널을 형성하도록 다수의 층을 사용하여 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 2는 단지 예시로서 제공된다. 다른 예도 가능하고, 도 2와 관련하여 설명된 것과 다를 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2a와 관련하여 기술된 필터(210)와 같은 고굴절률층을 위해 하나 이상의 선택된 재료를 사용하는 이진 다중 스펙트럼(예를 들어, 패브리-페롯) 필터의 예시적인 광학 특성의 다이어그램이다.
도 3a 및 차트(300)로 도시된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 이진 다중 스펙트럼 필터의 고굴절률층을 위해 특정 재료를 사용하는 채널에 대한 스펙트럼 대역폭이 결정된다. 예를 들어, 약 1350㎚에 중심을 둔 채널의 경우, 실리콘을 사용하면 50%의 투과율에서 약 980㎚ 내지 약 2180㎚의 스펙트럼 폭이 얻어지고, 약 95%의 피크 투과율에서 약 960㎚ 내지 약 2250㎚의 스펙트럼 폭이 얻어진다. 대조적으로, 실리콘 게르마늄을 사용하면 50%의 투과율에서 약 975㎚ 내지 약 2250㎚의 스펙트럼 폭이 얻어지고, 약 95%의 피크 투과율에서 약 955㎚ 내지 약 2275㎚의 스펙트럼 폭이 얻어진다. 이러한 방식으로, 고굴절률층을 위해 실리콘 게르마늄을 사용하면 스펙트럼 폭이 증가하여 이진 다중 스펙트럼 필터의 성능이 향상된다.
또한, 게르마늄을 사용하면 약 980㎚에서 투과율이 약 25% 미만으로 감소하고, 2275㎚에서 50%의 투과율이 발생하며, 2300㎚에서 피크 투과율이 발생한다. 이러한 방식으로, 고굴절률층을 위해 게르마늄을 사용하면 스펙트럼 폭이 증가하고 및/또는 1000㎚ 미만에서 투과율을 차단하는 차단제를 요구하지 않아서, 이진 다중 스펙트럼 필터의 성능을 향상시키고, 제조 복잡성을 감소시키며, 비용을 감소시키고, 및/또는 다른 필터 재료를 사용하는 것에 비해 크기를 감소시킬 수 있다. 다중 스펙트럼 필터의 스펙트럼 폭을 개선하는 것에 기초하여, 다중 스펙트럼 필터는 물체 감지, 물체 인식, 의료 기기 감지, 생체 인식 감지 및/또는 등과 같은 감지 능력을 향상시킬 수 있는 더 많은 개수의 채널, 더 넓은 범위의 대역폭, 및/또는 등을 위해 구성될 수 있다.
도 3b 및 차트(310)로 도시된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 이진 다중 스펙트럼 필터의 고굴절률층을 위해 특정 재료를 사용하여 1800㎚ 및 0도의 입사각에서 채널에 대한 스펙트럼 대역폭이 결정된다. 예를 들어, 수소화된 실리콘 기반 고굴절률층의 경우, 약 95%의 투과율의 피크가 달성될 수 있고, 50% 투과율에서 스펙트럼 폭은 1795㎚로부터 1835㎚까지 연장될 수 있다.
대조적으로, 수소화된 실리콘 게르마늄 기반 고굴절률층의 경우, 약 95%의 투과율의 피크가 달성될 수 있고, 50%의 투과율에서 스펙트럼 폭은 1805㎚로부터 1830㎚까지 연장될 수 있다. 대조적으로, 수소화된 게르마늄 기반 고굴절률층의 경우, 약 95%의 투과율에서 피크가 달성될 수 있고, 50% 투과율에서 스펙트럼 폭은 1810㎚로부터 1825㎚까지 연장될 수 있다. 이러한 방식으로, 수소화된 게르마늄을 사용하면 채널에 더 좁은 스펙트럼 폭이 얻어질 수 있어서, 다른 재료를 선택하는 것에 비해 필터 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 단일 채널에 대한 스펙트럼 폭을 줄이면 채널에 대한 특정 대역폭을 감지할 때 다른 대역폭과 간섭하는 것을 줄일 수 있다. 또한, 단일 채널에 대한 스펙트럼 폭을 줄이면 다중 스펙트럼 필터에 대한 채널 밀도를 증가시킬 수 있어서, 다중 스펙트럼 필터를 포함하는 특정 장치의 감지 능력을 향상시킬 수 있다.
도 3c 및 차트(320)로 도시된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 이진 다중 스펙트럼 필터의 고굴절률층을 위해 특정 재료를 사용하고 1800㎚ 및 20도의 입사각에서 채널에 대한 스펙트럼 대역폭이 결정된다. 예를 들어, 수소화된 실리콘 기반 고굴절률층의 경우, 약 82%의 투과율의 피크가 달성될 수 있고, 50%의 투과율에서 스펙트럼 폭은 1775㎚로부터 1815㎚까지 연장될 수 있다. 대조적으로, 수소화된 실리콘 게르마늄 기반 고굴절률층의 경우, 약 78%의 투과율에서 피크가 달성될 수 있고, 50%의 투과율에서 스펙트럼 폭은 1780㎚로부터 1815㎚까지 연장될 수 있다. 대조적으로, 수소화된 게르마늄 기반 고굴절률층의 경우, 약 68%의 투과율에서 피크가 달성될 수 있고, 50%의 투과율에서 스펙트럼 폭은 1785㎚로부터 1810㎚까지 연장될 수 있다.
이러한 방식으로, 수소화된 게르마늄을 사용하면 채널에 더 좁은 스펙트럼 폭이 얻어질 수 있어서, 다른 재료를 선택하는 것에 비해 필터 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 수소화된 실리콘을 사용하면 임계값을 초과하는 입사각(angle of incidence: AOI)에서 개선된 피크 투과율이 얻어질 수 있어서, 이진 다중 스펙트럼 필터의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 수소화된 게르마늄을 사용하면 입사각이 증가한 결과 각도 이동이 감소할 수 있어서, 필터 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 표 1에 도시된 바와 같이,
다중 스펙트럼 필터를 위해 실리콘(Si) 기반 설계를 하는 것에 비해 게르마늄(Ge) 기반 설계를 하는 경우, 입사각(AOI)에서 중심 파장(CWL) 이동값이 감소될 수 있다. 예를 들어, 20도의 입사각에서, 중심 파장 이동값은 실리콘 기반 설계에 비해 게르마늄 기반 설계의 경우 20.0㎚에서 16.6㎚로 감소될 수 있고, 30도의 입사각에서 중심 파장 이동 값은 44.4㎚에서 37.6㎚로 감소될 수 있다.
이러한 방식으로, 다중 스펙트럼 필터의 각도 이동을 감소시킴으로써, 본 명세서에 설명된 일부 구현예는 임계 입사각에서 수신된 광과 간섭하는 것을 감소시켜, 광의 특정 파장을 감지하는 능력을 개선할 수 있고, 입사각을 제어하기 위해 구멍을 요구하는 것을 제거하여, 다중 스펙트럼 필터를 포함하는 장치의 비용, 크기 및/또는 등을 감소시킬 수 있다.
도 3d 및 차트(330)로 도시된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 64 채널 이진 다중 스펙트럼 필터의 경우 검출기의 양자 효율을 고려하지 않고 스펙트럼 대역폭이 결정된다. 예를 들어, 이진 다중 스펙트럼 필터는 고굴절률층으로서 수소화된 게르마늄을 사용할 수 있으며, 1100㎚로부터 2000㎚까지 64개의 채널 세트와 관련될 수 있다. 이 경우, 1650㎚ 이상에서 채널에 95%를 초과하는 투과율이 달성되고, 1400㎚ 이상에서 채널에 80%의 투과율이 달성되고, 1300㎚ 이상에서 채널에 50%의 투과율이 달성된다.
도시된 바와 같이, 1300㎚ 미만, 1200㎚ 미만 및/또는 등과 같은 임계 파장 미만에서 고굴절률층으로서 수소화된 게르마늄을 사용하여 채널에 임계 투과율 미만(예를 들어, 약 70% 미만, 약 50% 미만, 약 30% 미만, 약 20% 미만 및/또는 등)이 달성될 수 있다. 그 결과, 복수의 픽셀(예를 들어, 센서 요소 어레이의 복수의 센서 요소)은 임계 파장 미만 및 임계 투과율 미만과 관련된 채널에 광학적으로 결합되어 이진 다중 스펙트럼 필터의 응답을 평탄하게 할 수 있다. 예를 들어, 1 픽셀(예를 들어, 1개의 센서 요소)이 정렬된 1700㎚에서의 채널에 비해, 이진 다중 스펙트럼 필터는 평탄한 응답을 보장하기 위해 1100㎚에서의 채널에 5개의 정렬된 픽셀(예를 들어, 5개의 센서 요소)과 관련될 수 있다. 이러한 방식으로, 각 채널과 정렬된 픽셀(예를 들어, 센서 요소)의 개수의 차이는 평탄한 응답을 보장할 수 있어서, 이진 다중 스펙트럼 필터를 포함하는 광학 장치의 광학 성능을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 3a 내지 도 3d는 단지 예시로서 제공된다. 다른 예도 가능하고, 도 3a 내지 도 3d와 관련하여 설명된 것과 다를 수 있다.
이러한 방식으로, 이진 다중 스펙트럼 필터는 고굴절률층(예를 들어, 실리콘 게르마늄, 게르마늄, 수소화된 실리콘 게르마늄, 수소화된 게르마늄 및/또는 등)을 위해 특정 재료의 세트를 사용하여 제조될 수 있다. 특정 재료의 세트를 사용하는 것에 기초하여, 이진 다중 스펙트럼 필터는 다른 물질에 비해 개선된 스펙트럼 폭, 감소된 각도 이동, 감소된 채널 폭 및/또는 등과 관련될 수 있어서, 이진 다중 스펙트럼 필터를 포함하는 광학 시스템의 감지 능력을 향상시킬 수 있다.
전술한 설명은 예시 및 설명을 제공하지만, 개시된 정확한 형태로 구현을 제한하거나 모든 구현을 제시하려고 의도된 것이 아니다. 전술한 내용에 비추어 수정 및 변형이 가능하고 또는 구현을 실시하는 것으로부터 수정 및 변형이 얻어질 수 있다.
일부 구현예는 임계값과 관련하여 본 명세서에서 설명된다. 본 명세서에서 사용된 임계 값을 만족한다는 것은 값이 임계 값을 초과하는 것, 임계값보다 더 많은 것, 임계값보다 더 높은 것, 임계값 이상인 것, 임계값 미만인 것, 임계값보다 더 적은 것, 임계값보다 더 낮은 것, 임계값 이하인 것, 임계값과 동일한 것 등을 말할 수 있다.
비록 특정 특징들의 조합이 청구 범위에 기재되거나 및/또는 명세서에 개시되어 있더라고, 이들 조합은 가능한 구현의 개시를 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다. 실제로, 이들 특징 중 다수는 구체적으로 청구항에 기재되거나 및/또는 명세서에 개시되지 않은 방식으로 결합될 수 있다. 아래에 열거된 각각의 종속 청구항은 단 하나의 청구항에만 직접 인용할 수 있지만, 가능한 구현의 개시는 각각의 종속 청구항이 청구범위 내 모든 다른 청구항과 함께 조합되는 것을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 요소, 동작 또는 명령은 그 어느 것도 명시적으로 그러한 것으로서 기술되지 않는 한 결정적이라거나 필수적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 항목은 하나 이상의 항목을 포함하도록 의도되고, "하나 이상"과 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "세트"라는 용어는 하나 이상의 항목(예를 들어, 관련된 항목, 관련되지 않은 항목, 관련된 항목과 관련되지 않은 항목의 조합 등)을 포함하는 것으로 의도되고, "하나 이상"과 교환 가능하게 사용될 수 있다. 단 하나의 항목만이 의도된 경우 "하나의" 또는 이와 유사한 용어가 사용된다. 또한, 본 명세서에 사용된 "갖는다", "갖는", "갖고" 및/또는 등의 용어는 개방형 용어인 것으로 의도된다. 또한, "~에 기초하여"이라는 어구는 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, "적어도 부분적으로 ~에 기초하여"를 의미하는 것으로 의도된다.
Claims (23)
- 층 세트(set of layers)를 가진 광학 필터로서,
기판;
제1 미러로서, 상기 층 세트 중 제1 층 서브세트를 포함하는, 상기 제1 미러;
제2 미러로서, 상기 층 세트 중 제2 층 서브세트를 포함하는, 상기 제2 미러; 및
스페이서
를 포함하되,
상기 스페이서는 상기 층 세트 중 제3 층 서브세트를 포함하고,
상기 층 세트는 제1 굴절률과 관련된 복수의 고굴절률층, 및 상기 제1 굴절률 미만의 제2 굴절률과 관련된 복수의 저굴절률층을 포함하며,
상기 복수의 고굴절률층은 하나 이상의 수소화된 층을 포함하고,
상기 하나 이상의 수소화된 층은,
수소화된 게르마늄층 또는
수소화된 실리콘 게르마늄층
중 적어도 하나를 포함하고,
상기 광학 필터는 적어도 1200 나노미터(㎚) 내지 1900㎚의 스펙트럼 범위에서의 투과율(transmissivity)을 가능하게 하고,
상기 광학필터의 피크 투과율은 1700 nm 초과하는 파장에서 발생하는 것인, 광학 필터. - 제1항에 있어서, 상기 제1 층 서브세트와 상기 제2 층 서브세트 각각은 상기 복수의 고굴절률층 중 적어도 하나와, 상기 복수의 저굴절률층 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 광학 필터는 특정 개수의 채널을 형성하고,
상기 채널의 특정 개수는,
32개의 채널,
64개의 채널 또는
128개의 채널
중 적어도 하나 이상인, 광학 필터. - 제1항에 있어서, 상기 복수의 저굴절률층은,
실리콘층,
이산화실리콘(SiO2)층,
산화알루미늄(Al2O3)층,
이산화티타늄(TiO2)층,
오산화니오븀(Nb2O5)층,
오산화탄탈륨(Ta2O5)층 또는
플루오린화마그네슘(MgF2)층
중 적어도 하나를 포함하는, 광학 필터. - 제1항에 있어서, 상기 제1 굴절률은 3.0을 초과하는, 광학 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 굴절률은 2.5 미만인, 광학 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 범위는 적어도 1000㎚ 내지 2000㎚인, 광학 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 범위는 적어도 1100㎚ 내지 2000㎚인, 광학 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 광학 필터는 광의 복수의 파장과 관련된 복수의 채널을 형성하고,
상기 복수의 채널 중 제1 채널 및 상기 복수의 채널 중 제2 채널은 상기 광의 복수의 파장 중 광의 공통 파장과 관련된, 광학 필터. - 이진 다중 스펙트럼 필터(binary multispectral filter)로서,
복수의 층을 포함하되,
상기 복수의 층은 제1 굴절률과 관련된 고굴절률층의 세트, 및 상기 제1 굴절률 미만의 제2 굴절률과 관련된 저굴절률층의 세트를 포함하고,
상기 복수의 층은 복수의 파장의 광을 보내기 위해 복수의 채널을 형성하며,
상기 고굴절률층의 세트는
수소화된 실리콘 게르마늄층, 또는
수소화된 게르마늄층
중 적어도 하나를 포함하고,
상기 이진 다중 스펙트럼 필터는 1100 나노미터(nm) 내지 2000㎚의 스펙트럼 범위에서 투과율을 가능하게 하고,
상기 이진 다중 스펙트럼 필터의 피크 투과율은 1700 nm 초과하는 파장에서 발생하는 것인, 이진 다중 스펙트럼 필터. - 제10항에 있어서, 상기 이진 다중 스펙트럼 필터는 근적외선 스펙트럼 범위 및 단파 적외선 스펙트럼 범위를 포함하는 스펙트럼 범위와 관련되는, 이진 다중 스펙트럼 필터.
- 제10항에 있어서, 상기 복수의 층은 스페이서층을 사이에 끼우고,
상기 스페이서층은 상기 제1 굴절률과 관련되는, 이진 다중 스펙트럼 필터. - 제10항에 있어서, 상기 복수의 층은 유리 기판 또는 실리콘 기판 상에 배치되는, 이진 다중 스펙트럼 필터.
- 제10항에 있어서, 상기 복수의 채널 각각에 대해, 임계 입사각에서의 제1 투과율은 0도의 입사각에서의 제2 투과율의 임계 퍼센트 내에 있는, 이진 다중 스펙트럼 필터.
- 제10항에 있어서, 상기 복수의 채널 각각에 대해, 임계 입사각에서의 중심 파장은 0도의 입사각에서의 제2 중심 파장의 임계 퍼센트 내에 있는, 이진 다중 스펙트럼 필터.
- 시스템으로서,
기판에 배치된 광학 센서의 세트; 및
상기 기판 상에 증착된 다중 스펙트럼 필터
를 포함하되,
상기 다중 스펙트럼 필터는
하나 이상의 스페이서층을 사이에 끼운 제1 층 세트 및 제2 층 세트를 포함하고,
상기 제1 층 세트 및 상기 제2 층 세트는 제1 굴절률을 갖는 고굴절률층과 상기 제1 굴절률 미만의 제2 굴절률을 갖는 저굴절률층의 교번을 포함하고,
상기 고굴절률층과 상기 저굴절률층의 재료, 두께 및 개수는 상기 광학 센서의 세트에 대응하는 채널의 세트를 형성하고 상기 채널의 세트에 대해 임계 스펙트럼 폭을 발생시키도록 선택되고,
상기 고굴절률층은 하나 이상의 수소화된 층을 포함하고,
상기 하나 이상의 수소화된 층은,
수소화된 게르마늄층, 또는
수소화된 실리콘 게르마늄층
중 적어도 하나를 포함하고,
상기 다중 스펙트럼 필터는 적어도 1200 나노미터(㎚) 내지 1900㎚의 스펙트럼 범위에서의 투과율을 가능하게 하고,
상기 다중 스펙트럼 필터의 피크 투과율은 1700 nm 초과하는 파장에서 발생하는 것인, 시스템. - 제16항에 있어서, 상기 시스템은 생체 인식 시스템, 보안 시스템, 건강 모니터링 시스템, 물체 식별 시스템 또는 분광 식별 시스템 중 적어도 하나인, 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 수소화된 층은 상기 수소화된 실리콘 게르마늄층을 포함하고,
상기 수소화된 실리콘 게르마늄층은 78%의 투과율의 피크를 가능하게 하는, 광학 필터. - 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 수소화된 층은 상기 수소화된 게르마늄층을 포함하고,
상기 수소화된 게르마늄층은 20도의 입사각에서 16.6㎚의 중심 파장 이동값을 갖는, 광학 필터. - 제16항에 있어서, 상기 채널의 세트 중 채널의 개수는 32개 채널 이상인, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 광학 필터는 1200㎚ 미만 파장에서 30% 미만의 투과율을 갖는, 광학 필터.
- 제10항에 있어서, 상기 이진 다중 스펙트럼 필터는 1200㎚ 미만 파장에서 30% 미만의 투과율을 갖는, 이진 다중 스펙트럼 필터.
- 제16항에 있어서, 상기 다중 스펙트럼 필터는 1200㎚ 미만 파장에서 30% 미만의 투과율을 갖는, 시스템.
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