KR102624428B1 - 마이크로 렌즈 어레이 제조방법 및 그의 이미지 획득 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 평판형 이미지 센서 위에 각 개별 렌즈의 초점 거리가 다르게 제조된 마이크로 렌즈 어레이를 입체적으로 배열시킨 구조를 가지는 이미지 획득 장치를 제안한다. 본 발명의 이미지 획득 장치는, 평판형 이미지 센서와, 상기 평판형 이미지 센서 상에 삼차원 구조물이 설치되고, 그 상기 삼차원 구조물의 상면에 마이크로 렌즈 어레이가 설치된다. 마이크로 렌즈 어레이는 초점 거리(f)가 상이한 복수 개의 개별 렌즈가 구비된다.
Description
본 발명은 평판형 이미지 센서 위에 각 개별 렌즈의 초점 거리가 다르게 제조된 마이크로 렌즈 어레이를 입체적으로 배열시킨 구조를 가지는 이미지 획득 장치에 관한 것이다.
인간의 눈은 수정체 주변에 있는 근육들이 수정체의 두께를 조절함으로써 물체와의 거리에 따라 초점을 조절하여 준다. 이러한 인간 눈을 모방하여 개발된 사진기는 렌즈 모듈을 통과한 빛이 필름 혹은 이미지 센서에 조사되어 이미지를 획득하도록 만들어진 구조를 갖는다. 사진기 렌즈 모듈의 경우 렌즈 자체의 두께를 조절하기 보다는 여러 개의 단일 렌즈 사이의 거리를 조절하여 초점 거리를 조정한다. 그래서 렌즈 모듈만의 부피가 카메라의 나머지 부분보다 큰 경우도 발생하며, 렌즈 모듈 자체의 구조도 복잡하다.
반면 곤충의 시각기관은 작은 홑눈들이 모인 겹눈의 구조를 갖고 있다. 그래서 곤충의 시각기관 같은 방식으로 이루어진 겹눈 구조를 가지는 이미지 획득 장치는 복잡한 렌즈 시스템을 구성하지 않더라도 넓은 화각 범위를 가지며 다양한 초점 이미지를 얻을 수 있다.
다만 곤충 시각기관의 구조를 모사한 이미지 획득 장치를 제작하기 위해서는 도 1에 도시한 바와 같이 마이크로 렌즈 어레이와 이미지 센서가 밀착하여 반구형과 같은 삼차원 구조를 가져야 한다. 그러나 상용화된 이미지 센서는 대부분 휘어지지 않는 재질의 평판형 기판 위에 제작되기 때문에 도 1의 반구형과 같은 삼차원 구조를 제공할 수 없다. 그래서 아직까지도 대부분의 이미지 획득 장치는 평판형 이미지 센서에 초점이 맞는 이미지를 획득하기 위해서 부피가 크고 구조적으로 복잡한 렌즈 모듈을 채택하고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 평판형 이미지 센서에 마이크로 렌즈가 입체적으로 배열된 구조를 가지는 이미지 획득장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복잡한 렌즈 모듈 없이 평판형 이미지 센서 구조만으로도 곤충 겹눈 구조 방식의 넓은 화각과 다초점 이미지를 획득할 수 있는 이미지 획득 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개별 렌즈마다 초점 거리가 다르게 설계된 마이크로 렌즈 어레이 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 획득장치는, 평판형 이미지 센서; 상기 평판형 이미지 센서 상에 설치되는 삼차원 구조물; 및 상기 삼차원 구조물의 상면에 설치되고, 초점 거리(f)가 상이한 복수 개의 개별 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 삼차원 구조물은 반구 형상 또는 다면체 형상이다.
상기 삼차원 구조물은 광투과성이 있는 투명 재질로 형성되고, 상기 투명 재질은 아크릴 재질, PDMS(polydimethylsiloxane), UV 경화형 에폭시 수지(NOA) 중 하나이다.
상기 평판형 이미지 센서와 삼차원 구조물, 상기 삼차원 구조물과 마이크로 렌즈 어레이는 각각 자외선으로 접착하는 폴리머 계열의 접착제로 접착되어 고정된다.
상기 마이크로 렌즈 어레이의 개별 렌즈 사이는 광 차단용 가림막이 구비된다.
상기 평판형 이미지 센서와 개별 렌즈 사이의 거리는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 초점 거리와 일치된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법은, 실리콘 웨이퍼상에 소정 두께의 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 폭이 다른 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 마스크 패턴 이외 영역의 금속층을 에칭하고 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하며, 렌즈 어레이의 개별 렌즈마다 상이한 초점 거리를 가지도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 금속층 사이에 금속층보다 높게 포토레지스터를 형성하는 단계; 열처리하여 상기 포토레지스터의 상부를 라운드지게 형성하는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼의 전면적에 1차 몰딩 후 제1 몰드층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 몰드층에 2차 몰딩 후 제2 몰드층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 부피가 크고 구조가 복잡한 렌즈 모듈 구조 없이 상용 평판형 이미지 센서구조로도 넓은 범위의 화각(angle of view) 및 다초점 이미지를 획득할 수 있는 효과가 있다.
또한 정교한 구조로 인해 반도체 공정으로 제조하는 이미지 센서를 유연한 기판 위에 만들 경우 전체 제조 공정을 새로 개발해야 하지만, 본 발명에 따르면 마이크로 렌즈를 입체적으로 배열된 평판형 이미지 센서를 이용하여 겹눈 구조의 이미지 획득 장치의 기능을 구현할 수 있다. 따라서 이미 상용화되어 대량 생산으로 인해 비교적 저렴한 가격에 제작되고 있는 평판형 이미지 센서를 이용하기 때문에 비용 및 제조 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 일반적으로 곤충의 시각 기관의 구조를 모사한 이미지 획득장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 필요한 단일 렌즈 구조 및 크기를 보인 개념도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 과정을 설명하는 PLISL 공정도이다.
도 4는 도 3의 (b) 공정에서 렌즈 초점거리가 다른 마이크로 렌즈 어레이를 보인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 평판형 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 반구형 구조물을 삽입한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 평판형 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 삼차원 구조물을 삽입한 단면도이다.
도 7은 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 삽입되는 삼차원 구조물의 실시 예 사시도이다.
도 2는 본 발명에 필요한 단일 렌즈 구조 및 크기를 보인 개념도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 과정을 설명하는 PLISL 공정도이다.
도 4는 도 3의 (b) 공정에서 렌즈 초점거리가 다른 마이크로 렌즈 어레이를 보인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 평판형 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 반구형 구조물을 삽입한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 평판형 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 삼차원 구조물을 삽입한 단면도이다.
도 7은 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 삽입되는 삼차원 구조물의 실시 예 사시도이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 평판형 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 반구형 또는 다면체의 삼차원 구조물을 삽입하는 방안을 제안함으로써, 평판형 이미지 센서 위에 마이크로 렌즈 어레이를 입체적으로 배열시키는 것이다. 이때 삼차원 구조물 위에 마이크로 렌즈 어레이가 위치하면, 마이크로 렌즈 어레이에서의 개별 렌즈 위치에 따라 평판형 이미지 센서와의 거리는 각각 달라지기 때문에 마이크로 렌즈 어레이의 위치에 따라 개별 렌즈와 평판형 이미지 센서와의 거리를 예측하여 개별 렌즈의 초점 거리와 일치하도록 마이크로 렌즈 어레이를 제작해야 할 것이다.
단일 렌즈의 초점 거리는 도 2와 같은 개념도에서 하기 수학식 1로 구할 수 있다는 것이 널려 알려져 있다.
수학식 1에서 f는 렌즈의 초점 거리, n은 렌즈 물질의 굴절율, Rc는 렌즈의 곡률 반경을 말한다.
본 발명에서 마이크로 렌즈 어레이는 공개된 패턴 레이어 통합 소프트 리소그래피(Patterned-Layer Integrating Soft Lithography. PLISL)" 방법(Seo, et al., Sensors, Vol. 18, No. 7, paper ID. 2011, 2018.)으로 제조할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 과정을 설명하는 PLISL 공정도이다. 알려진 제조공정이기 때문에 간단하게 살펴본다.
도 3을 살펴보면, 실리콘 웨이퍼상에 금속물질인 예를 들어 금(Au)으로 금속층을 소정 두께로 증착한다(a 공정). 그런 다음 포토레지스터(PR) 패턴을 금속층 위에 형성하고(b 공정, 이 공정에서 개별 렌즈 제작을 위한 몰드의 지름이 결정된다), 포토레지스터 패턴 이외 영역의 금속층을 에칭하여 제거한다(c 공정). 계속해서 포토레지스터 패턴을 제거하고(d 공정), 남아있는 금속층 사이에 상기 제거된 포토레지스터와 다른 포토레지스터(DNR)를 금속층보다 더 높게 형성한다(e 공정, 이 공정에서 개별 렌즈 제작을 위한 몰드의 높이가 결정된다). 이후 열처리 공정을 통해 상기 포토레지스터의 상부를 라운드 형태로 형성하고(f 공정, 이 공정에서 개별 렌즈 제작을 위한 몰드의 모양이 결정된다), 실리콘 웨이퍼의 전면적에 polydimethylsiloxane(PDMS)을 형성한다(g 공정). g 공정이 첫 번째 몰딩 작업이다. 이후 h 공정처럼 오목하게 마이크로 렌즈 어레이 패턴을 형성한 다음, i 공정처럼 오목 패턴의 PDMS 몰드층에 볼록한 마이크로 렌즈 어레이를 얻기 위해 굴절율이 1.56인 UV 경화형 에폭시 수지(NOA)를 붓고, 경화시킨다. 상기 i 공정이 두 번째 몰딩 작업이 된다. 그런 다음 PDMS 몰드층을 제거하여(j 공정), 최종적으로 k와 같이 금속층을 가지는 볼록한 마이크로 렌즈 어레이를 제조한다.
상기 제조 공정에서, (b)공정 및 (f)공정에 의해 상기 수학식 1에서 말한 렌즈의 곡률반경 Rc가 결정된다.
상기 제조 공정에서는 개별 렌즈의 높이는 모두 동일하게 제조하게 되는데, 본 발명은 개별 렌즈의 지름을 상이하게 제조할 수 있음은 물론이다. 앞선 (b) 공정에서 포토레지스터 패턴(즉 마스크 패턴)의 폭을 다르게 하여 에칭을 실시하면 개별 렌즈의 폭을 상이하게 설계할 수 있다. 이렇게 하면 개별렌즈마다 렌즈 초점거리 f를 다르게 할 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 도 3의 (b)공정에서 마스크 패턴 폭을 다르게 하면, 도 3의 제조공정을 통해서도 도 4와 같이 개별 렌즈의 초점 거리가 다른 마이크로 렌즈 어레이를 제조할 수 있는 것이다. 도 4를 보면 개별 렌즈의 높이(h)는 모두 동일하지만 지름은 W1, W2, W3과 같이 상이하게 형성할 수 있고, 따라서 렌즈마다 초점 거리를 상이하게 설계할 수 있는 것이다.
본 발명은 도 3의 제조공정에 의해 제조된 개별 렌즈의 초점 거리가 다른 마이크로 렌즈 어레이를 평판형 이미지 센서 위에 배열시키도록 별도의 삼차원 구조물을 이용한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 삽입되는 구조물의 예시 도면이다.
도 5는 평판형 이미지 센서(110)와 마이크로 렌즈 어레이(120) 사이에 반구형 구조물(130)이 삽입된 예이고, 도 6은 평판형 이미지 센서(210)와 마이크로 렌즈 어레이(220) 사이에 다각형상의 구조물(230)이 삽입된 예이다. 도 5 및 도 6에서 각 개별 렌즈(122, 222) 사이에는 광 차단용 가림막(124, 224)이 설치된다. 그리고 도면에서 구조물(130, 230) 내에 표시된 점선은 각 개별 렌즈의 초점 거리를 형상화 한 것이다. 마이크로 렌즈 어레이의 각 개별 렌즈의 초점 거리가 상이하게 제조되었기 때문에 도 5 및 도 6을 보면, 평판형 이미지 센서와 각 개별 렌즈 사이의 초점 거리가 상이함을 알 수 있다.
본 발명에서 상기 구조물은 도 7의 (a) 및 (b)와 같이 반구형상이거나 다면체 형상일 수 있다. 물론 이외에도 다양한 형상의 구조물을 평판형 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 삽입할 수 있다. 이는 마이크로 렌즈 어레이의 각 개별 렌즈의 초점 거리를 다르게 제작하기 때문에 가능하다. 즉 평판형 이미지 센서와 마이크로 렌즈 사이의 거리가 마이크로 렌즈 어레이의 초점 거리와 서로 일치하기 때문이다. 따라서 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 개별 렌즈들의 형태와 초점 거리는 서로 균일하지 않을 수 있다.
본 발명에서 상기한 구조물은 광투과성이 좋은 투명한 물질이 사용된다. 예를 들면 아크릴, PDMS(polydimethylsiloxane), UV 경화형 에폭시 수지(NOA) 등이 있다. 그리고 평판형 이미지 센서는 일반적으로 밀리미터(㎜) 단위의 크기를 가지기 때문에 구조물도 밀리미터(㎜) 단위의 크기인 것이 좋다. 그리고 구조물을 제작하는 것은 절삭이나 연마와 같은 수 밀리미터 크기의 삼차원 구조물을 가공하는 일반적인 방법으로 가공할 수 있다.
평판형 이미지 센서와 삼차원 구조물은 자외선으로 접착하는 투명 접착 계열물질, 즉 일반적인 폴리머 계열의 접착 물질로 접착한다. 또 삼차원 구조물과 마이크로 렌즈 어레이도 동일한 물질로 접착한다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110, 210: 평판형 이미지 센서
120, 220: 마이크로 렌즈 어레이
122, 222: 개별 렌즈(마이크로 렌즈)
124, 224: 광 차단용 가림막
120, 220: 마이크로 렌즈 어레이
122, 222: 개별 렌즈(마이크로 렌즈)
124, 224: 광 차단용 가림막
Claims (8)
- 평판형 이미지 센서;
상기 평판형 이미지 센서 상에 설치되는 삼차원 구조물;
상기 삼차원 구조물의 상면에 설치되고, 초점 거리(f)가 상이한 복수 개의 개별 렌즈가 구비된 마이크로 렌즈 어레이; 및
상기 마이크로 렌즈 어레이의 개별 렌즈 사이에 구비된 광 차단용 가림막을 포함하여 구성되며,
상기 마이크로 렌즈 어레이는,
실리콘 웨이퍼상에 소정 두께의 금속층을 형성하고, 상기 금속층 상에 폭이 다른 마스크 패턴을 형성하며, 상기 마스크 패턴 이외 영역의 금속층을 에칭하고 상기 마스크 패턴을 제거하여, 렌즈 어레이의 개별 렌즈마다 상이한 초점 거리를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 획득 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 삼차원 구조물은 반구 형상 또는 다면체 형상인 이미지 획득 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 삼차원 구조물은 광투과성이 있는 투명 재질로 형성되고,
상기 투명 재질은 아크릴 재질, PDMS(polydimethylsiloxane), UV 경화형 에폭시 수지(NOA) 중 하나인 이미지 획득 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 평판형 이미지 센서와 삼차원 구조물, 상기 삼차원 구조물과 마이크로 렌즈 어레이는 각각 자외선으로 접착하는 폴리머 계열의 접착제로 접착되어 고정되는 이미지 획득 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 평판형 이미지 센서와 개별 렌즈 사이의 거리는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 초점 거리와 일치되는 이미지 획득 장치. - 실리콘 웨이퍼상에 소정 두께의 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 폭이 다른 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 마스크 패턴 이외 영역의 금속층을 에칭하고 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하며,
렌즈 어레이의 개별 렌즈마다 상이한 초점 거리를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 획득 장치의 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 금속층 사이에 금속층보다 높게 포토레지스터를 형성하는 단계;
열처리하여 상기 포토레지스터의 상부를 라운드지게 형성하는 단계;
상기 실리콘 웨이퍼의 전면적에 1차 몰딩 후 제1 몰드층을 형성하는 단계; 및
상기 제1 몰드층에 2차 몰딩 후 제2 몰드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 획득 장치의 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법.
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| KR102507184B1 (ko) | 2022-06-17 | 2023-03-09 | 한국기계연구원 | 마이크로 렌즈 어레이 및 이의 제조방법 |
Citations (4)
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| CN103616738A (zh) | 2013-12-16 | 2014-03-05 | 厦门大学 | 一种制造具有不同焦距曲面复眼微透镜的方法 |
| CN105467477A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-04-06 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 渐变焦距透镜阵列的曲面仿生复眼成像装置 |
| CN208546834U (zh) * | 2018-07-27 | 2019-02-26 | 深圳市微阵技术有限公司 | 一种曲面复眼透镜式深紫外消毒照明装置 |
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2021
- 2021-10-15 KR KR1020210137642A patent/KR102624428B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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| KR20220050077A (ko) | 2022-04-22 |
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