KR102560604B1

KR102560604B1 - 분광계 및 필터 어레이를 조정하기 위한 방법

Info

Publication number: KR102560604B1
Application number: KR1020170153958A
Authority: KR
Inventors: 비트 드 코이
Original assignee: 에스프로스 포토닉스 아게
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2023-07-27
Also published as: JP2018116045A; JP6560324B2; EP3324161B1; EP3324161A1; CN108072446A; US20180143075A1; KR20180056402A; CN108072446B; US10502625B2

Abstract

특히 250nm 내지 1150nm의 파장 범위의 스펙트럼을 기록하기 위한 분광계(1)로서, 센서 어레이(4) 및 파장에 따라 방사선을 필터링하기 위한 필터 어레이(5)를 포함하고, 제조 비용을 감소시키기 위해, 필터 어레이(5)에 의해 커버되는 센서 픽셀을 식별하기 위한 디바이스(13)가 제공되고, 이는 비휘발성 메모리(14)를 가지며, 이 비휘발성 메모리에는 센서 어레이(4)에 관한 필터 어레이(5)의 좌표 및/또는 센서 어레이(4)에 관한 필터 어레이(5)의 좌표 변환이 저장되어 저장된 좌표 및/또는 좌표 변환에 기초하여 개별 필터 픽셀(7)에 센서 픽셀을 할당하고 및/또는 어느 센서 픽셀이 대응하는 필터 픽셀(7)에 의해 커버되는지에 따라 개별 필터 픽셀(7)을 활성화한다.

Description

분광계 및 필터 어레이를 조정하기 위한 방법{SPECTROMETER AND METHOD FOR ADJUSTING A FILTER ARRAY}

본 발명은 특히 250nm 내지 1150nm의 파장 범위에서 스펙트럼을 기록하기 위한 분광계에 관한 것이며, 또한, 분광계를 위한 센서 어레이와 관련된 필터 어레이를 조정 및/또는 분광계를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

센서 픽셀 어레이 및 할당된 필터를 갖는 분광계가 종래 기술에 알려졌다. 사용되는 필터는 개별 필터 픽셀로 구성되고, 예를 들어, 패브리-페로(Fabry-P

rot) 간섭계가 대역통과 필터를 형성하기 위해 사용된다.

본 발명의 목적은 제조 비용이 현저히 감소된 분광계를 제공하는 것이다.

이 목적은 서두에 언급한 타입의 분광계 및 조정 방법으로부터 시작하여, 각각 청구항 1 및 16의 특징에 의해 달성된다.

본 발명의 유리한 실시예 및 개선은 종속 청구항에 언급된 방안 덕분에 가능하다.

본 발명에 따른 분광계의 경우에, 상기 목적은 특히, 센서 어레이와 필터 어레이 사이의 조정이 현저히 단순화된다는 사실 및 제조 비용을 각각 더 낮아지게 한다는 사실에 의해 달성될 수 있다. 동시에, 원칙적으로, 본 발명에 따른 분광계 및 본 발명에 따른 조정 방법 각각의 경우에 정확성이 상실되지 않는다. 분광계의 전방 측에 반도체 칩이 배치되고, 반도체 칩, 특히 전자장치는 센서 어레이에 의해 공급되는 검출된 신호를 캡처 및/또는 처리하는 역할을 한다. 수신될 광 신호가 검출될 수 있는 센서 어레이는 후방 측면 조명을 위해 설계되고, 이 점에서, 반도체 칩의 전자장치가 검출 측면으로부터 멀어지고 검출 측면을 않도록 반도체 칩의 후방 측면에 유리하게 배열된다. 상기 센서 어레이는 적어도 두 개의 센서 픽셀의 매트릭스 배열을 포함한다. 그러나, 일반적으로, 두 개보다 현저히 많은 센서 픽셀이 존재한다. 일반적으로, 센서 픽셀은 전자기 방사선, 즉, 특히 250nm(약어: 나노미터)와 1150nm 사이의 전술한 파장 범위의 광을 검출하는 역할을 한다. 센서 어레이가 후방 측면 조명을 위해 설계되어 있다는 사실에 의해, 유리하게, 더 많은 검출 면적이 일반적으로 이용 가능해지는데, 그 이유는, 이미 앞서 설명한 바와 같이, 가능한 평가 전자장치가 검출 영역을 가리지 않기 때문이다.

게다가, 후방 측면 조명은 추가적으로 또한 절연 층을 사용할 필요가 없다는 장점을 가지며, 절연 층은 일반적으로 (비록 약간이지만) 변경된 굴절률을 가지므로, 반사를 초래할 수 있다. 실질적으로 전체 벌크 재료 및 따라서 비교적 두꺼운 흡수 층이 이용 가능하기 때문에 검출될 입사 광은 양호하게 흡수될 수 있고; 이는 또한, 특히 상이한 파장이 벌크 재료 내로의 상이한 침투 깊이를 갖기 때문에 유리하다. 센서의 후방 측면 노출은 매우 넓은 파장 범위에 걸쳐 매우 높은 감도를 가능하게 한다. 추가적으로, 특히 250nm 내지 1150nm 사이의 상기 파장 범위에서의 감도의 프로파일은 매우 균질하고, 실질적으로 변동이 없다.

또한, 파장에 따라 방사선을 필터링하는 필터 어레이가 제공되며, 필터 어레이는 적어도 두 개의 필터 픽셀의 매트릭스 배열을 포함한다. 각각의 필터 픽셀은 센서 어레이 상의 특정 영역에 할당될 수 있고, 그래서 대응하는 필터 픽셀을 통과하는 광은 센서 어레이의 상기 할당된 영역에 입사하고 대응하는 센서 픽셀에 의해 그곳에서 검출된다. 필터링 목적을 위한 상기 필터 픽셀들 각각은 그대로 패브리-페로 간섭계를 형성한다. 패브리-페로 간섭계는 예를 들어, 두 개의 반투명 미러 또는 투명 판의 단부 섹션을 포함하고, 이들은 가능한 평행한 방식으로 배열된다. 따라서, 광은 간섭계를 직접 통과할 수 있거나, 두 개의 반투명 미러 또는 대응하는 유리 판의 계면 사이에서 반사되는데, 즉, 각각의 경우에 미러들 사이의 거리를 다시 한번 두 배로 주행하거나 또는 유리 판의 두께의 두 배 또는 그 배수로 주행한다. 간섭 빔의 경우에, 이는 경로 차이를 초래하고, 결국 반투명 미러 또는 유리 판의 두께 사이의 거리에 따라, 대응하는 간섭 효과를 초래하며 광을 파장 의존적 방식으로 송신한다. 후방 측면 조명이 제공되기 때문에, 필터 어레이는 센서 어레이의 후방 측면을 향해 배열된다.

필터 어레이와 센서 어레이 사이의 조정을 단순화할 수 있게 하기 위해, 본 발명은 필터 어레이에 의해 커버되는 센서 픽셀을 식별하기 위한 디바이스를 제공하며, 이는 비휘발성 메모리를 포함하고, 센서 어레이에 관한 필터 어레이의 좌표가 그 메모리에 저장되며; 직접 좌표 대신, 센서 어레이에 관한 필터 어레이의 좌표 변환이 또한 상기 메모리에 저장될 수 있다. 상기 좌표 및/또는 상기 좌표 변환에 기초하여, 센서 픽셀은 개별 필터 픽셀에 할당될 수 있다. 센서 픽셀이 필터 픽셀에 의해 커버되지 않는 경우, 이에 따라 어떠한 할당도 발생하지 않는다. 센서 어레이 및 필터 어레이의 상대적 위치결정에 대한 이러한 정보는 서로에 관한 두 개의 위치결정 동안 대응하는 필터 픽셀이 그를 위해 제공된 센서 픽셀 위에 정확하게 놓여 있는지를 확실히 주의할 필요가 없어졌다. 이는, 오히려 센서 어레이에서 필터 어레이의 설치 동안 필터 어레이가 센서에 대해 얼마나 정확하게 정렬되는지, 어느 센서 픽셀이 구체적으로 이때 실제로 커버되는지, 및 필터 어레이가 센서 어레이에 대해 변위 또는 회전된 방식으로 위치되는지가 본질적으로 중요하지 않게 되는 경우에 더 간단해진다. 특히, 이런 분광계의 제조 동안의 조정 자체는 실제로 특히 고비용 방법 단계를 구성하는데, 그 이유는 필터 픽셀이 매우 정확하게 그리고 큰 기술적 복잡성으로 센서 어레이에 대해 조정 및 이동되어야 하기 때문이다. 본 발명은 추가적으로 센서 어레이가 각 필터에 대하여 새롭게 캘리브레이팅될 필요가 없는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 일 개선예에서는, 센서 어레이의 후방 측면 상에 필터 어레이를 배열할 가능성이 있다. 이에 대한 대안으로서, 필터 어레이는 또한 투명 캐리어에 적용될 수 있고, 투명 캐리어는 결국 센서 어레이의 후방 측면 상에 배열될 수 있다. 투명 캐리어가 생략되면, 필터 어레이가 제조 중에 센서 어레이에 대해 직접 배치되기 때문에 특히 정확하고 비용 효율적인 제조가 가능하다.

필터 어레이는 또한 투명 캐리어에 적용될 수 있고, 투명 캐리어는 결국 센서 어레이의 후방 측면 상에 배열된다. 이런 예시적 실시예는 센서 어레이 및 필터 어레이 양자 모두가 별개로 제조될 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 후방 측면으로부터 조명될 센서 어레이는, 필터 층에 대한 직접적, 고정 연결이 응력을 유발할 수 있음으로 인해 파괴를 초래할 수 있기 때문에 일반적으로 민감한 방식으로 처리되어야 한다. 논의 중인 본 발명의 예시적 실시예의 경우, 이는 이런 투명 캐리어 상에 제조되는 필터 어레이에 의해 회피될 수 있다.

본 발명의 일 개선예에서, 적절한 투명 캐리어는 특히 유리 시트인데, 그 이유는 이런 재료가 원하는 광학적 특성, 특히 높은 투명성을 갖추고 있을 뿐만 아니라, 필터에 대한 필수적인 안정성을 갖추고 있기 때문이다. 센서 어레이 및 필터 어레이와 같은 광학 컴포넌트가 서로 별개로 제조되는 경우, 이들은 분광계의 조립 동안 추후 서로에 대해 조정되어야만 한다. 따라서, 필터 어레이의 취급을 위해 유리한 방식으로 투명 캐리어가 사용될 수 있다.

원칙적으로, 본 발명에 따르면, 필터 어레이에 의해 커버되는 센서 픽셀을 식별하기 위한 디바이스는 어떤 필터 픽셀이 어떤 센서 픽셀을 커버하여, 필터링된 파장이 대응하는 센서 픽셀에도 할당될 수 있도록 하는 할당을 가능하게 한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 이는 일반적으로 필터 어레이 및 센서 어레이가 서로에 대해 회전되는 경우에도, 즉, 각각의 어레이의 로우 및/또는 컬럼이 서로 평행하게 있지 않은 경우에도 가능하다. 또한, 필터링된 광의 커버리지가 개별 필터 픽셀의 에지 영역에서 발생할 수 있는 것이 고려되어야 한다. 이는 아마도 여기서, 개별 필터 픽셀의 에지 영역에서 특정 파장에 대한 강도의 명확한 할당이 더 이상 직접적으로 가능하지 않기 때문에 대응하는 정밀도로 검출을 수행할 수 없다는 결과를 가져올 수 있다. 이를 회피하기 위해, 특히 천공 그리드 다이어프램(perforated grid diaphragm)을 사용하는 것이 가능하다. 이런 다이어프램은 어쨌든 인접 필터 픽셀의 광과의 중첩이 예상되는 개별 필터 픽셀의 에지 영역에서의 검출을 방지한다. 그러나, 천공 그리드 다이어프램은 전체적으로 개별 검출 영역을 동시에 정의하며, 개별 검출 영역은 각각 적어도 하나의 센서 픽셀을 포함하고 특정 필터 픽셀에 할당될 수 있으며, 즉, 특정 파장 범위의 검출을 담당한다. 본 발명의 일 실시예에서, 측정의 정확도는 유리하게는 이런 천공 그리드 다이어프램의 설계에 의해 증가될 수 있다.

가능한 비용 효율적으로 그리고 비교적 높은 재료 소비 및/또는 제조 복잡성 없이 천공 그리드 다이어프램을 제조할 수 있게 하기 위해, 필터 픽셀의 에지 영역의 개별 센서 픽셀은 비활성화될 수 있고, 즉, 이들 각각은 시작시부터 스위치 오프되거나 그 측정 신호가 더 이상 고려되지 않는다. 센서 어레이 상에 또는 필터 어레이 상에 및/또는 그 내부에 천공 그리드 다이어프램을 적용 또는 통합하는 것이 따라서 회피될 수 있고, 인접 필터 픽셀의 배열의 결과로서의 중첩이 따라서 어쨌거나 고려될 필요가 없다.

반대로, 본 발명의 실시예 변형에서는 또한, 필터 어레이에 의해 커버된 센서 픽셀을 식별하기 위한 디바이스에 의해, 정확하게 그들(또는 그 중 일부) 센서 픽셀은, 이들이 각각의 필터 픽셀과 중첩되어 놓여있고 가능하게는 비활성 픽셀로 구성되도록 의도되지 않은 천공 그리드 다이어프램의 해당 영역 내에 추가적으로 들어가는 경우 먼저 활성화된다고 고려될 수 있는데, 그 이유는 후자가 개별 필터 픽셀의 에지 영역에 너무 많이 놓여있고 따라서 부정확성을 초래할 수 있기 때문이다. 따라서, 대응하는 센서 픽셀들을 이들이 필터 어레이의 배열에 따라 할당될 수 있을 때까지 비활성 상태로 남겨두고, 그 이후에 이들을 먼저 활성화하는 것이 또한 가능하다. 부정확한 검출 및/또는 부정확성이 결과적으로 회피될 수 있다. 적절한 경우, 분광계의 에너지 수요가 또한 이러한 조치에 의해 감소될 수 있으며, 그 이유는 단지 특정 센서 픽셀만이 타겟화된 방식으로 활성화되기 때문이다.

필터 어레이의 위치에 따라 센서 픽셀을 활성화 또는 비활성화할 수 있는 이러한 목적을 위해, 본 발명의 하나의 예시적 실시예에 따른, 필터 어레이에 의해 커버된 센서 픽셀을 식별하기 위한 디바이스는 대응하는 전자 회로를 갖는다. 이는 분광계의 동작 동안 자동으로 필터 어레이에 대한 센서 픽셀의 할당이 수행될 수 있게 한다. 이는 적절한 경우, 또한 단지 데이터 처리 레벨에서 수행될 수 있다. 데이터 처리 레벨에서 개별 센서 픽셀에 의해 공급되는 데이터의 순수한 선택은 원칙적으로 더 많은 측정 데이터가 이용 가능하다는 장점을 갖는다. 상기 측정 데이터는 그 후 단지 후속적으로 평가될 필요가 있다. 예를 들어, 필터 픽셀의 에지 영역에 존재하는 측정 데이터가 관심의 대상인 경우, 이때 이들은 여전히 사용될 수 있다. 예로서, 상기 데이터에 기초하여, 천공 그리드 다이어프램의 에지가 어떤 폭으로 선택되어야 하는지를 결정하는 것이 또한 가능하다. 전자 회로는 또한 본 발명의 일 실시예에서, 천공 그리드 다이어프램이 각각의 필터 픽셀의 에지 영역에서 센서 픽셀을 비활성화하도록 천공 그리드 다이어프램을 구현하는 것을 담당할 수 있다.

본 발명의 개선예에서, 전자 회로는 특히 반도체 칩의 일부일 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 전자 회로는 분광계에서 콤팩트하게 구현될 수 있고, 분광계의 일체형 부분일 수 있다.

특히, 전자 회로는, 또한 후방 측면 조명 동안 음영(shading)에 기여하지 않도록 반도체 칩의 전방 측면에 유리하게 설치될 수 있다.

이미 앞서 설명한 바와 같이, 전자 회로는 제1 장소에서 비활성화된 센서 픽셀을 판독하지 않도록 설계될 수 있고, 그 이유는 후자가 가능한 중첩을 고려하여 훼손된 측정 데이터를 산출할 수 있는 것으로 가정되기 때문이다. 제조상의 이유로, 역시, 동작 동안 센서 픽셀의 전체를 활성화하는 것, 즉, 이들이 검출될 수 있게 하는 것이 더 간단해 질 수 있으며, 그 이유는 필터 어레이의 정확한 위치가 초기에 일반적으로 알려져 있지 않고, 단지 추후에 필터 어레이의 상대 좌표 및/또는 센서 어레이와 필터 어레이 사이의 좌표 변환을 확인함으로써 결정되며, 연관된 할당은 단지 전자장치 및/또는 소프트웨어에 의해서만 차례로 수행되기 때문이다.

본 발명의 하나의 특히 유리한 실시예에서, 필터 픽셀은 센서 픽셀보다 더 큰 면적을 갖는다. 이러한 방식으로, 복수의 또는 다수의 센서 픽셀이 필터 픽셀에 할당될 수 있으며, 즉, 필터링된 파장에 대해서는 단일 센서 픽셀이 검출을 위해 이용 가능하지 않다. 센서의 감도 및 정확도가 그에 의해 개선된다. 바람직하게, 필터 픽셀의 면적은 센서 픽셀의 면적보다 16배 더 크다. 그러나 특히, 대략 세 배 더 큰 면적과 대략 100,000배 더 큰 면적 사이의 범위가 여기서 고려될 수 있다. 한편으로, 더 작은 센서 픽셀은 일반적으로 더 큰 센서 픽셀보다 더 빠르게 동작할 수 있다. 다른 한편으로, 적어도 센서 어레이와 필터 어레이가 하나의 웨이퍼 상에 제조되도록 의도될 때, 이러한 제조 프로세스는 일반적으로, 구현되는 필터 어레이로 인해 매우 고비용이라는 것이 고려되어야 한다. 이 때문에, 종종 필터 어레이를 별개로 제조하는 것이 바람직하다. 그러나 정확하게 이 경우에는, 센서 어레이에 관한 필터 어레이를 조정하는 것이 필요하고, 이는 대응하여 본 발명에 의해 특히 양호한 방법으로, 특히 이런 예시적인 실시예에 따라 가능해진다.

그러나 유리한 방식에서, 필터 어레이는 전체적으로 결국 센서 어레이보다 더 작은 면적을 커버할 수 있다. 이러한 방식에서 보장될 수 있는 것은, 필터 어레이의 전체 영역이 센서 픽셀에 의해 또는 센서 어레이에 의해 캡처되는 것이며, 여기서, 특히 조정 목적을 위해, 정확하게 필터 어레이가 센서 어레이 상에 설치되는 위치에 대한 허용범위(latitude)가 여전히 존재한다. 특히, 필터 어레이의 외부 에지에서, 센서 어레이 상에의 그 설치시, 이 영역이 센서 어레이의 에지에 직접적으로 지탱되지 않도록 약간의 공간이 여전히 남을 수 있어, 결과적으로 대응하는 전자기 방사선의 충분히 신뢰성 있는 검출이 수행될 수 있다.

사용되는 필터는 원칙적으로 다양한 방식으로 설계될 수 있다. 패브리-페로 간섭계의 설계의 경우, 각각의 필터 픽셀은, 예를 들어 서로 평행하게 있으면서 투명 층에 의해 서로 분리되어 있는 부분 투과성 미러의 배열을 가질 수 있다. 이러한 방식에서는 또한, 필터 어레이가 서로 직접적으로 나란히 배치되는 픽셀을 가질 수 있다는 것이 가능해진다. 이 경우, 필터 어레이는, 예를 들어 계단식(stepped)으로 구성될 수 있고, 각 단차(step)는 하나 이상의 필터 픽셀에 대응할 수 있고, 즉, 상이한 단차 높이는 부분 투과성 미러들 사이에서 반사시 광학 매체 내에서 광이 주행되어야 하는 추가적 경로를 나타내며, 이는 대응하는 단차가 또한 상이한 파장을 송신하도록 서로에 대한 간섭하는 부분 빔의 상이한 위상 오프셋을 유도한다.

필터 어레이의 후방 측면 상에 또는 다르게는 필터 어레이에 관한 측방향에서, 예를 들어 일차적으로 기계적 영향에 대해 필터 어레이를 보호하는 투명 보호 층이 적용될 수 있다. 상기 보호 층은 특히 실리콘 질화물로부터 제조될 수 있거나 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 개선예에서, 분광계의 검출을 훼손시킬 수 있는 교란 광 반사를 회피할 수 있게 하기 위해 반사방지 층이 또한 제공될 수 있다. 일반적으로, 반사방지 층은 파괴성 간섭을 유발하여, 교란 반사의 부분 파들은 서로 상쇄된다.

투명 캐리어가, 특히 유리 판으로 이루어져 차례로 제공될 수 있는데, 그 이유는, 이 재료가 유리하게 250nm와 1150nm 사이의 대응하는 파장 범위에서 필요한 투명도를 가질 수 있을 뿐만 아니라 특정 경도를 가지고, 결국 안정성을 부여하기 때문이며, 추가적으로 굴절률은 분광계에 사용되는 다른 컴포넌트에 대해 양호하게 적응될 수 있다.

대응적으로, 분광계를 위한 센서 어레이에 관한 필터 어레이를 조정하거나 대응하는 분광계를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 특히 센서 어레이에 관한 필터 어레이의 좌표 또는 센서 어레이에 관한 필터 어레이의 대응하는 좌표 변환이 결정되고 비휘발성 메모리에 저장되어 개별 필터 픽셀에 대한 센서 픽셀의 할당이 가능해진다는 사실에 의해 구별된다. 이미 앞서 언급한 장점이 이러한 조치에 의해 달성될 수 있다. 특히, 이런 조정 방법은 분광계의 제조 동안 사용될 수 있다. 정확하게, 필터 어레이 및 센서 어레이가 추후 제조 프로세스에서 함께 결합되거나 서로에 대해 위치되어야 하는 별도의 컴포넌트로서 제조될 때, 비교적 간단한 수단을 사용하여 정확한 위치결정을 달성하는 것이 필요하며, 그 이유는 그렇지 않으면 센서의 정확도가 불리하게 영향을 받거나 아니면 분광계가 제조를 고려하여 너무 비싸게 되기 때문이다.

본 발명의 하나의 예시적 실시예가 도면에 예시되어 있으며, 추가 세부사항 및 장점의 표시와 함께 아래에서 더 구체적으로 설명된다. 도면에서, 구체적으로:
도 1은 본 발명에 따른 분광계를 통한 개략적 단면을 도시한다.
도 2는 센서 어레이와 필터 어레이의 중첩의 개략적 예시를 도시한다.
도 3은 센서 어레이와 필터 어레이의 중첩의 추가 개략적 예시를 도시한다.

도 1은 반도체 칩(2)을 포함하는 분광계(1)를 도시하며, 이는 전자장치(3)와 센서 어레이(4)로 분할되어 있다. 전자장치(3)는 차례로 특히 센서 어레이(4)에 의해 취득된 신호의 평가의 역할을 한다. 센서 어레이(4)는 후방 측면 상에서 조명되며, 그 이유는 센서 어레이(4)의 검출 영역의 음영이 그곳에서 발생하지 않도록 전방 측면 상에 전자장치(3)를 배열하는 것이 유리하기 때문이다. 센서 어레이(4)의 후방 측면 상에 배열된 필터 어레이(5)는 필수 구성요소로서 하나 이상의 패브리-페로 간섭계(6)(약어: FPI)를 포함하고, 이는 대역통과 필터의 기능을 수행하며; 이 대역통과 필터(6)는 계단식으로 배열되며, 각각의 단차(7)는 광학 대역통과 필터를 실현하기 위해 별개의 FPI 구성에 대응한다. 특정 파장에서, 송신 최대치가 FPI에서 발생하며, 이들 사이의 거리는 자유 스펙트럼 범위라고 지칭된다.

추가적으로, 유리 판(8)이 센서 어레이(4)와 패브리-페로 간섭계(6) 사이에 배열되고, 상기 유리 판은 패브리-페로 간섭계(6)를 위한 캐리어 재료로서의 역할을 한다. 이는 간섭계 구성을 기계적으로 안정화한다.

센서 어레이(4)에 대해서는, 특히 배경 광을 억제하기 위한 평균화가 또한 이런 조치에 의해 수행될 수 있도록, 특히 짧은 노출 및 긴 노출 각각을 위한 두 개의 메모리를 갖는 ToF(Time of flight) 칩을 사용하는 것이 가능하다.

실리콘 질화물로 구성되는 보호 층(9)은 필터 어레이(5)의 외부 영역에 배치되고, 필터 어레이(5)의 핵심 구성요소, 특히, FPI(6) 및 유리 판(8)은 그대로 상기 보호 층 내에 매립된다. 반사방지 층(10)이 차례로 개별 필터 단차(7) 상에 설치된다. 개별 단차(7)는 투명 층(12)에 의해 형성되고, 후자는 차례로 반투명 층들(11) 사이에 매립되며, 반투명 층(11)은 각각의 경우에 간섭계의 미러 또는 부분 투과성 미러를 형성한다.

도 2는 또한 센서 픽셀의 매트릭스 배열(20) 즉, 센서 어레이(20)를 도시하며, 활성 센서 픽셀(21) 및 비활성 센서 픽셀(22)이 예시되어 있다. 5 × 5 센서 픽셀(21, 22)의 면적을 각각 둘러싸는 굵게 그려진 선은 각각의 경우에 필터 픽셀(23)에 대응한다. 각각의 필터 픽셀(23) 내에는 비활성 센서 픽셀(22)로부터 에지 영역(24)(하나의 센서 픽셀 두께)이 형성되어 있다. 비활성 센서 픽셀(22)로 구성된 에지(24) 전체는 차례로 천공 그리드 다이어프램(25)을 형성한다. 도 2에 따른 예시는 센서 픽셀(21, 22)과 필터 픽셀(23)의 정확한 정렬에 기초하며, 어레이의 센서 픽셀(21, 22)과 필터 픽셀(23)의 대응하는 로우 및/또는 컬럼의 정렬은 각각의 경우에 평행하게 있다.

도 3은 개별 필터 픽셀(32)을 갖는 필터 어레이(31)와 센서 어레이(30)의 개략적 예시를 도시하며, 일반적으로 센서 어레이(30)의 원점(33)이 오프셋(35)만큼 필터 어레이(31)의 원점(34)에 대해 오프셋될 수 있음을 명확히 보여준다. 추가적으로, 필터 어레이(31)는 각도(α)만큼 센서 어레이(30)에 대해 회전된다. 대응하는 좌표 변환이 메모리에 저장되며, 메모리는 전자장치(3)의 일부로서 필터 어레이에 의해 커버된 센서 픽셀을 식별하기 위한 디바이스(13)의 일부이고, 메모리는 비휘발성 메모리(14)로서 구현된다.

본 발명의 모든 예시적 실시예에서, 분광계는 그 전방 측면 상의 반도체 칩, 및 반도체 칩의 후방 측면 상의 센서 어레이를 포함하며, 상기 센서 어레이는 후방 측면 조명을 위해 설계된다. 또한, 비휘발성 메모리를 갖는, 필터 어레이에 의해 커버된 센서 픽셀을 식별하기 위한 디바이스와 필터 어레이의 제공이 이루어지며, 센서 어레이에 대한 필터 어레이의 좌표가 메모리에 저장될 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 센서 어레이에 대한 필터 어레이의 위치를 결정하기 위한 좌표 변환이 또한 사용되고 메모리에 저장될 수 있다. 이러한 조치는 이들 두 컴포넌트, 즉, 필터 어레이 및 센서 어레이의 서로에 대한 조정을 수행하기 위한 특히 유효한 방법을 구성한다. 일반적으로, 센서 픽셀이 가능한 작게 설계되는 경우가 유리한데, 그 이유는 더 큰 센서 픽셀은 일반적으로 더 느리게 동작하기 때문이다. 또한, 하나의 웨이퍼 상에 다른 컴포넌트와 함께 필터 어레이를 제조하는 것은 비교적 고비용이라는 것이 고려되어야 한다. 따라서, 제조시, 종종 필터 어레이를 별개로 제조하는 것이 바람직하다. 그러나 이 경우, 센서 어레이와 필터 어레이 사이의 조정이 일반적으로 필요하다. 그러나 정확하게, 매우 작은 센서 픽셀을 사용하면, 이런 조정은 극도로 복잡하고 고비용일 수 있다. 마찬가지로, 필터 어레이가 일반적으로 순수 오프셋 또는 단순 병진에 의해서 센서 어레이에 대해 변위되는 것이 아니라 오히려 양쪽 컴포넌트가 규칙적으로 또한 서로에 대해 회전된다는 것이 고려되어야만 한다.

1 : 분광계
2 : 반도체 칩
3 : 전자장치
4 : 센서 어레이
5 : 필터 어레이
6 : 패브리-페로 간섭계
7 : 필터 픽셀/필터 단차
8 : 유리 판
9 : 보호 층
10 : 반사방지 층
11 : 반투명 층
12 : 투명 층
13 : 필터 어레이에 의해 커버된 센서 픽셀을 식별하기 위한 디바이스
14 : 비휘발성 메모리
20 : 센서 어레이
21 : 활성 센서 픽셀들
22 : 비활성 센서 픽셀들
23 : 필터 픽셀들
24 : 에지들
25 : 천공 그리드 다이어프램
30 : 센서 어레이
31 : 필터 어레이
32 : 필터 픽셀들
33 : 센서 어레이의 원점
34 : 필터 어레이의 원점
35 : 오프셋
α : 회전 각도

Claims

특히 250nm 내지 1150nm의 파장 범위의 스펙트럼을 기록하기 위한 분광계(1)로서,
센서 어레이(4, 20, 30)를 갖는, 상기 분광계(1)의 전방측 상에 배열된 반도체 칩(2) -

상기 센서 어레이는 상기 반도체 칩(2)의 후방측 상에 배열되고,

상기 센서 어레이는 적어도 2개의 센서 픽셀(21, 22)의 매트릭스 배열을 포함하고,

상기 센서 픽셀들(21, 22)은 전자기 방사선을 검출하도록 설계되고,

상기 센서 어레이(4, 20, 30)는 후방측 조명을 위해 설계됨 -,
파장에 따라 상기 방사선을 필터링하기 위한 필터 어레이(5, 31) -

상기 필터 어레이(5, 31)는 적어도 2개의 필터 픽셀(7, 23, 32)의 매트릭스 배열을 포함하고,

각각의 필터 픽셀(7, 23, 32)은 필터링 목적을 위해 패브리-페로 간섭계(6)를 형성하고,

상기 필터 어레이(5, 31)는 상기 센서 어레이(4, 20, 30)의 후방측을 향하여 배열됨 -, 및
저장된 좌표들 및/또는 좌표 변환에 기초하여 개별적인 필터 픽셀들(7, 23, 32)에 상기 센서 픽셀들(21, 22)을 할당하기 위해서, 그리고/또는 상기 센서 픽셀들(21, 22) 중 어느 센서 픽셀이 대응하는 필터 픽셀들(7, 23, 32)에 의해 커버되는지에 따라 개별적인 필터 픽셀들(7, 23, 32)을 활성화하기 위해서, 상기 센서 어레이(4, 20, 30)에 관한 상기 필터 어레이(5, 31)의 좌표들 및/또는 상기 센서 어레이(4, 20, 30)에 관한 상기 필터 어레이(5, 31)의 좌표 변환이 저장되는 비휘발성 메모리(14)를 갖는, 상기 필터 어레이(5, 31)에 의해 커버된 상기 센서 픽셀들(21, 22)을 식별하기 위한 디바이스(13)
를 포함하고,
상기 필터 어레이(5, 31)에 의해 커버된 상기 센서 픽셀들(21, 22)을 식별하기 위한 상기 디바이스(13)는, 상기 저장된 좌표들 및/또는 좌표 변환에 기초하여, 각각의 경우에 개별적인 필터 픽셀들(7, 23, 32)의 에지에서 커버리지에 위치하는 상기 센서 픽셀들(22)을 비활성화하고, 상이한 필터 픽셀들(7, 23, 32)의 필터링된 광이 상기 센서 픽셀들(21, 22) 중 하나에 공동으로 영향을 미치지 않게 천공 그리드 다이어프램(perforated grid diaphragm)(25)을 형성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제1항에 있어서,
상기 필터 어레이(5, 31)는 상기 센서 어레이(4, 20, 30)의 후방측 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터 어레이(5, 31)는 투명 캐리어(8) 상에 적용되고, 상기 투명 캐리어(8)는 상기 센서 어레이(4, 20, 30)의 후방측 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제3항에 있어서,
상기 투명 캐리어(8)는 판, 특히 유리 판으로서 설계되는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터 어레이(5, 31)에 의해 커버된 상기 센서 픽셀들(21, 22)을 식별하기 위한 상기 디바이스(13)는, 상기 저장된 좌표들 및/또는 좌표 변환에 기초하여, 대응하는 필터 픽셀들(7, 23, 32)에 의해 커버되는 상기 센서 픽셀들(21) 및/또는 상기 센서 픽셀들(21) 중 적어도 하나를 활성화하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터 어레이(5, 31)에 의해 커버된 상기 센서 픽셀들(21, 22)을 식별하기 위한 상기 디바이스(13)는, 상이한 필터 픽셀들(7, 23, 32)의 필터링된 광이 상기 센서 픽셀들(21, 22) 중 하나에 공동으로 영향을 미치지 않도록 천공 그리드 다이어프램(25)을 형성하기 위해서, 상기 저장된 좌표들 및/또는 좌표 변환에 기초하여, 각각의 경우에 상기 필터 픽셀들(7, 23, 32)의 에지에서 커버리지에 위치하는 상기 센서 픽셀들(21, 22)을 비활성화하도록 설계된 전자 회로(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제6항에 있어서,
상기 전자 회로(3)는 비활성화된 센서 픽셀들(22)의 에지(24)를 갖는 천공 그리드 다이어프램(25)을 형성하도록 설계되고, 상기 에지의 폭은 대응하는 필터 픽셀(7, 23, 32) 아래에 위치하는 비-비활성화된 센서 픽셀들의 영역의 폭 및/또는 직경보다 더 작고, 비활성화된 센서 픽셀들(22)의 에지는 특히 센서 픽셀(21, 22)의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제6항에 있어서,
상기 전자 회로(3)는 상기 반도체 칩(2)의 일부인 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제6항에 있어서,
상기 전자 회로(3)는 상기 반도체 칩(2)의 전방측 상에 설치되는(fitted) 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제6항에 있어서,
상기 전자 회로(3)는 비활성화된 센서 픽셀들(22)을 판독하지 않도록 설계되는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터 픽셀들(7, 23, 32)은 상기 센서 픽셀들(21, 22)보다 더 큰 면적, 특히 3배 내지 100,000배 더 큰 면적을 커버하는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터 어레이(5, 31)는 상기 센서 어레이(4, 20, 30)보다 더 작은 면적을 커버하는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터 픽셀들(7, 23, 32)은, 서로 평행하게 배열되며 투명 층(12)에 의해 서로 분리되는 부분 투과성 미러들(11)의 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제13항에 있어서,
상기 필터 픽셀들(7, 23, 32) 중 적어도 2개의 경우에, 상기 부분 투과성 미러들(11)은, 두께에 따라 상이한 파장 투과를 달성하기 위해서 상이한 두께를 각각 갖는 투명 층들(12)에 의해 서로 상이한 거리에 있는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
특히 실리콘 질화물로 구성되는 투명 보호 층(9) 및/또는 반사방지 층(10)은 적어도 상기 필터 어레이(5, 31)의 후방측 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
분광계(1)를 위해 센서 어레이(4, 20, 30)에 관하여 필터 어레이(5, 31)를 조정하기 위한 그리고/또는 특히 250nm 내지 1150nm의 파장 범위의 스펙트럼을 기록하기 위한 분광계(1)를 제조하기 위한 방법으로서,
상기 분광계(1)의 전방측 상에 센서 어레이(4, 20, 30)를 갖는 반도체 칩(2)을 배열하는 단계 - 사용되는 상기 센서 어레이(4, 20, 30)는,

상기 반도체 칩(2)의 후방측 상에 배열되는 것이고,

적어도 2개의 센서 픽셀(21, 22)의 매트릭스 배열을 포함하는 것이고,

후방측 조명을 위해 설계되는 것이고,

상기 센서 픽셀들(21, 22)은 전자기 방사선을 검출하도록 설계되는 것임 -,
상기 센서 어레이(4, 20, 30) 상의 파장에 따라 상기 방사선을 필터링하기 위한 필터 어레이(5, 31)를 상기 센서 어레이(4, 20, 30)의 후방측을 향하여 배열하는 단계 - 사용되는 상기 필터 어레이(5, 31)는,

적어도 2개의 필터 픽셀(7, 23, 32)의 매트릭스 배열을 포함하는 것이고,

각각의 필터 픽셀(7, 23, 32)은 필터링 목적을 위해 패브리-페로 간섭계(6)를 형성하는 것임 -,
상기 센서 어레이(4, 20, 30)에 관한 상기 필터 어레이(5, 31)의 좌표들 및/또는 상기 센서 어레이(4, 20, 30)에 관한 상기 필터 어레이(5, 31)의 좌표 변환을 결정하는 단계,
비휘발성 메모리(14)를 제공하고, 상기 좌표들 및/또는 상기 좌표 변환을 상기 메모리(14)에 저장하는 단계, 및
개별적인 필터 픽셀들(7, 23, 32)에 상기 센서 픽셀들(21, 22)을 할당하고/하거나, 상기 센서 픽셀들(21, 22) 중 어느 센서 픽셀이 대응하는 필터 픽셀들(7, 23, 32)에 의해 커버되는지에 따라 개별적인 필터 픽셀들(7, 23, 32)을 활성화하는 단계
를 포함하고,
상기 필터 픽셀들(7, 23, 32)에 의해 커버되며 각각의 경우에 그 에지(24)에 위치하는 센서 픽셀들(22)은, 상이한 필터 픽셀들(7, 23, 32)의 필터링된 광이 상기 센서 픽셀들(21) 중 하나에 공동으로 영향을 미치지 않도록 천공 그리드 다이어프램(25)을 형성하기 위해서 비활성화되는 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서,
비활성화된 센서 픽셀들(22)의 에지(24)를 갖는 천공 그리드 다이어프램(25)이 형성되고, 상기 에지의 폭은 대응하는 필터 픽셀(7, 23, 32) 아래에 위치하는 비-비활성화된 센서 픽셀들(22)의 영역의 폭 및/또는 직경보다 더 작고, 비활성화된 센서 픽셀들(22)의 에지(24)는 특히 센서 픽셀(21, 22)의 폭을 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 필터 픽셀들(7, 23, 32)은 상기 센서 픽셀들(21, 22)보다 16배 내지 100,000배 더 큰 면적을 커버하는 것을 특징으로 하는 분광계(1).
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