KR20010047006A

KR20010047006A - 광 저 대역 통과 필터 일체형 고체 촬상 소자

Info

Publication number: KR20010047006A
Application number: KR1019990051028A
Authority: KR
Inventors: 이재철; 임성우; 고춘수; 김시호; 오용호
Original assignee: 박병선; 주식회사 해빛정보
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2001-06-15
Also published as: TWI245941B; EP1104181A3; KR100340938B1; EP1104181A2; US6819361B1; JP2001157121A; CN1297161A

Abstract

본 발명은 고체 촬상 소자를 이용하는 영상 시스템 장치에서, 고체 촬상 소자의 투명창이 광 저대역 통과 필터(Optical low pass filter)로 구성되는, 광 저대역 통과 필터와 고체 촬상 소자 일체형 구조에 관한 것으로써, 고체 촬상 소자에 광저대역 필터가 결합됨으로써 영상 시스템의 구성이 간단해져서 영상 시스템의 크기를 줄일 수 있고 영상 시스템을 제작하는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있는 방법을 제공한다. 또한, 광 저대역 통과 필터를 위상회절격자(Phase grating)를 이용하므로써 주파수 특성이 우수한 일체형 고체 촬상 소자의 구성 방법과 구조를 제공한다.

Description

광 저 대역 통과 필터 일체형 고체 촬상 소자{The Solid-State Imaging Devices with optical low pass filter}

본 발명은 고체 촬상 소자를 이용하는 영상 시스템 장치에서, 고체 촬상 소자의 투명창을 광 저대역 통과 필터(Optical low pass filter)로 구성하는 방법에 관한 것으로써, 고체 촬상 소자에 광저대역 필터가 결합됨으로써 영상 시스템의 구성이 간단해져서 영상 시스템의 크기를 줄일 수 있고 영상 시스템을 제작하는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있는 방법을 제공한다. 또한 광 저대역 통과 필터를 위상 회절 격자(Phase grating)를 이용하므로써 주파수 특성이 우수한 일체형 고체 촬상 소자의 구성 방법과 구조를 제공한다.

영상 센서로 현재 널리 사용되고 있는 CCD(Charge Coupled Devices) 영상 센서 또는 90년대 들어서 사용되기 시작한 CMOS 영상 센서는 수광 소자로 구성된 영상 센서를 2차원으로 배열하여 입력 영상을 전기신호로 바꾸어 준다.

도 1은 종래의 일반적인 캠코더(Camcorder, Camera-Recorder) 또는 디지탈 카메라의 시스템 구성도를 보여주고 있다. 촬영하고자 하는 동영상 또는 정지 영상 입력을 광학 렌즈 배열을 통하여 집적하고 이를 광 저대역 필터를 거친 후에 영상 감지소자의 표면에 구성되어 있는 수광 소자로 입사 시킨다.

여기서, 광학 렌즈 배열(3)은 입력영상(1)을 촬상 소자(4)로 모아주기 위하여 오목 렌즈와 볼록 렌즈 등의 적절한 광학 렌즈의 배열로 구성하며, 일반적으로 도 1에서는 광학 렌즈 배열(3) 또는 광저대역 통과 필터(2)에는 입력 영상(2) 중에 포함된 자외선(UV)를 차단하기 위한 UV필터 또는 적외선(IR)을 차단하기 위한 IR 필터를 포함하고 있다. UV 또는 IR 필터는 렌즈 또는 투명 기판에 적절한 물질을 코팅 처리하여 구성하는 것이 보통이다.

도1의 영상 시스템에서 고체 촬상 소자로 입력한 영상으로 부터 원래 영상을 복원하기 위해서는 광저대역 필터(2)는 차단 주파수가 샘플링 공간 주파수의 반(1/2)이 되는 광 저대역 통과 필터인 경우가 필요하다.

도 2는 이러한 2차원 영상 센서에서 x-방향으로 수광 소자의 반복 주기가 X이고 y방향으로 반복주기가 Y인 경우의 이상적인 샘플링(Sampling)을 보여주고 있다. 만일, 도 2의 공간 샘플링 특성을 갖는 2차원 센서로 도 3(a)의 공간 주파수 스펙트럼을 갖는 영상 이미지를 촬영한다고 하면, 도 3(b)의 형태로 원래의 이미지의 공간 주파수 스펙트럼이 반복되는 형태의 공간 주파수 스펙트럼을 갖는다. 도 3(b)에서 샘플된 영상의 주파수 스펙트럼은 샘플링 간격의 역수, 즉, x방향으로는 1/X이고 y 방향으로는 1/Y의 반복주기를 갖는다.

따라서, 2차원 영상 감지소자로 입력된 영상을 원래대로 복원하기 위해서는 원점으로 부터 한 주기까지만의 스펙트럼을 통과시키고 이보다 높은 공간주파수는 차단하는 광 저대역 통과 필터를 채택하는 것이 필요하다.

앞서 설명한 바와 같이, 고체 촬상 소자로 입력한 영상으로부터 원 영상을 복원하기 위해서 도 1의 광저대역 필터(2)는 차단 주파수가 샘플링 공간 주파수의 반(1/2)이 되는 광 저대역 통과 필터인 경우가 가장 이상적이다. 여기서 샘플링 공간주파수는 고체 촬상 소자에서 수광 소자들의 반복 주기의 역수가 된다. 즉, 도2의 2차원 수광 소자 배열에서는이고,이며, d는 x방향으로는 X이고, 또는 y방향으로는 Y이다. 여기서 fs는 샘플링 주파수, fc는 이상적인 광 저대역 필터의 차단 주파수이다.

도 4는 광학 렌즈 배열의 공간 주파수 전달 특성을 보여주고 있다. 도 4에서 점선으로 표시된 주파수 영역은 이상적인 광 저대역 통과 필터의 주파수 전달 함수이다. 렌즈의 최대 전달 주파수 fm은 2(NA/λ)가 된다. 여기서 NA는 렌즈의 구경(Numerical Aperture)이고 λ는 입사광의 파장을 나타낸다. 렌즈도 일종의 광 저대역 통과 필터로 동작하지만 일반적으로, 도 4에서와 같이 최대 차단 주파수(fm)는 저대역 필터의 이상적인 차단 주파수(fc) 보다 매우 큰 값을 갖는다. 렌즈의 주파수 전달 특성을 수학적으로 모델링하기 위해서는 도 4와 같이 직선으로 근사할 수 있으며 fm이 fc에 비하여 큰 값이 될수록 직선으로 근사한 값과 실제 전달 특성과의 오차가 작아진다.

도 5a 내지 도 5b는 종래 고체 촬상 소자의 구성도로써, 도 5a는 패키지(package)된 고체 촬상 소자의 외형도이고, 도 5b는 도 5a에서 A-A방향의 단면도이다. 종래 고체 촬상 소자에서는 입력광이 투명창(51,52)을 통하여 고체 촬상 소자 칩(chip)(53,54)의 표면에 있는 수광 소자에 전달되어야 하므로, 패키지에서 고체 촬상 소자 칩의 덮개(51,52)는 투명한 유리판 등을 이용한다.

도 6a 내지 도 6c는 종래의 영상 시스템에서 광학 저대역 통과 필터로 가장 많이 사용되고 있는 종래의 복굴절 판을 이용한 광 저대역 통과 필터를 보여주고 있다. 도 6a에서 보여주고 있는 것과 같이 복굴절 판의 한 면으로 입사한 광은, 복굴절판을 투과하면서 서로 거리가 dn만큼 떨어진 두개의 선으로 분리된다. 이때 복굴절판의 두께 및 굴절률과 거리 dn 사이에는의 식을 만족한다. 여기서 t는 복굴절 판의 두께이고 n_e는 광의 진행 방향과 평행한 편광에 대한 굴절률(Extra-Ordinary Refraction index)이고 n_o는 광의 진행 방향과 수직한 편광에 대한 굴절률(Ordinary Refraction index)이다. 종래의 복굴절 판을 이용한 광 저대역 통과 필터는 도 6b에서와 같이 x와 y 방향으로 광 분리가 되도록 x방향 복굴절판과 y방향 복굴절판을 겹쳐서 구성되며, 두 복굴절판 사이에 적외선(IR) 제거 필터를 삽입하는 것이 일반적이다.

종래 복굴절판을 이용한 광 저대역 필터의 동작을 살펴보면, 필터의 면에 수직으로 입사한 광은 x-방향 복굴절 판에서 두개의 선으로 분리되고, y-방향 복굴절판에서 두개의 선이 또다시 각각 두개의 선으로 분리되어서, 하나의 입사광이 고체 촬상 소자의 수광 소자면에는 4개의 선으로 분리되어 도달한다. 즉, 도 6c에서와 같이 복굴절판 광 저대역 통과 필터의 작용은 4선 분리기(4-beam splitter)로 동작한다. 하나의 입사광을 4선으로 분리함으로써 높은 공간 고주파를 갖는 영상을 고체 촬상 소자의 샘플링 이전에 낮은 공간주파수로 변환하는 것이다.

이러한, 2판식 복굴절 판의 일반적인 광 전달 특성 함수는 이를 퓨리어 변환하면 주기가 1/dn인 코사인(cosine) 함수의 절대값의 크기로 구해진다. 즉, 전달함수는 abs{cos(2π × f × dn)}에 비례하는 값을 갖는다. 여기서, f는 공간 주파수 이고 dn은 도 8a에서 보여주고 있는 복굴절 판에 의한 입사광선의 분리 거리이다. 광학 렌즈를 거쳐서 복굴절판 필터에 도달하는 영상에 대한 광전달 함수는 도 4에서 보여주고 있는 렌즈의 전달함수와 복굴전판의 전달함수의 곱으로 얻어진다.

종래 고체 촬상 소자를 이용한 영상 시스템에 복굴절판을 채택하는 경우에는 공간 주파수가 차단 주파수보다 작은 영역에서는 이상적인 광 저대역 필터보다 전달함수에서 손실이 크게 발생하는데, 이러한 손실은 영상 감지 시스템의 해상도 저하의 원인이 된다. 또한, 차단 주파수 보다 큰 공간 주파수 대역에서는 주기적인 전달 함수가 존재하는데, 이에 의하여 고주파 성분을 제거하지 못하기 때문에 영상 감지 시스템에서는 에일리어싱(aliasing) 현상이 발생하여 잔상을 유발하게 된다. 즉, 종래의 복굴절판 광저대역 통과 필터는 저대역에서는 손실이 커지고 고대역에서의 잉여 부분이 커서 해상도의 저하와 아울러 잔상 제거에 효과가 떨어지는 단점이 있다. 또한, 종래의 복굴절판 필터는 주파수 특성이 판의 두께에 따라서 결정되는데, 일반적으로 그 두께는 0.5 미리미터(mm) 정도로써, 이를 채용한 영상 시스템의 입력 부의 크기가 커져서 영상 시스템을 소형화하는데 장애 요인이 된다.

종래의 복굴절 판을 이용한 광 저대역 필터의 단점을 개선하기 위하여 여러 구조의 위상회절격자형(phase grating) 광 저대역 필터가 제안되었다. 선행 기술인 미국특허(번호 4,083,627) 등에서는 수직 격자형 필터가 제안되었고, 미국특허(번호 4,083,627) 등에서는 제안된 원형 격자형 필터가, 미국특허(번호 4,009,939) 등에서 제안된 마름모 격자형 필터가, 미국특허(번호 4,795,236과 번호4,178,611) 등에서는 평행 반복형 필터가, 미국특허(번호 4,795,236) 등에서는 제안된 양면을 이용한 격자 기판과 굴절률이 다른 격자를 평행 반복형으로 배열한 위상회절 격자형 광 저대역 필터가 제안되었다.

그러나, 위에서의 언급한 여러 가지 형태의 위상회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 대부분은 제품화에 성공하지 못하여 실제로 적용되지 못하고 있다. 앞에서 소개된 종래의 위상회절 격자형 필터는 두개의 서로 다른 위상 천이를 갖는 격자를 2차원으로 배열한 것으로써, 종래의 복굴절판을 이용한 저대역 필터 보다 크게 성능이 향상되지 않기 때문이다. 즉, 종래의 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터는 두개의 서로 다른 위상을 갖는 격자를 배열하기 때문에 공간 주파수 스펙트럼의 전달 특성이 기존에 사용되고 있는 복굴절판을 이용한 필터보다 크게 개선되지 않은 단점이 있다.

상기의 이유로 종래의 복굴절판을 이용한 광 저대역 필터와 종래의 고체 촬상 소자를 이용한 영상 시스템은 소형화하기가 어려우며 주파수 전달 특성도 만족할 만하지 못하였다. 또한, 종래 복굴절판 광 저대역 필터의 특성을 개선하고자 제안된 종래의 위상 회절 격자형 필터는 주파수 특성이 우수하지 못하여 실용화되지 못하고 있었다. 본 발명에서는 고체 촬상 소자의 샘플링 공간 주파수이 절반인 이상적인 차단 주파수 보다 저 주파수 대역에서의 통과되는 광전달 함수는 키우고, 차단 주파수 보다 고주파 대역에서의 전달 함수는 억제하는 특성을 갖는 광 저대역 통과 필터와 고체 촬상 소자를 결합한 일체형 구조의 고체 촬상 소자 구조 및 제작 방법을 제공하고자 한다. 또한, 주파수 전달 함수 특성이 우수하고 두께가 0.5 미리미터(mm) 미만으로 매우 얇은 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터를 고체 촬상 소자의 투과창에 사용하므로써, 소형화가 가능하고 주파수 특성이 우수한 일체형 고체 촬상 소자를 제공하고자 한다.

도 1은 종래 영상 시스템의 구성도.

도 2는 종래의 CCD 또는 CMOS 등 고체 촬상 소자의 이상적인 샘플링 방법 설명도.

도 3a 내지 도 3b는 도 2의 2차원 고체 촬상 소자의 이상적인 샘플링에 의한 주파수 전달 함수 특성도로서,

도 3a는 샘플링 이전의 함수(Original Function) 특성도

도 3b는 샘플링 이후의 전달 함수 특성도

도 4는 종래 영상 시스템에서 광학 렌즈의 공간 주파수 전달특성과 이상적인 광 저대역 통과 필터의 특성을 나타내는 함수 특성도

도 5a 내지 도 5b는 종래 고체 촬상 소자의 구성도로서,

도 5a는 고체 촬상 소자의 외형도

도 5b는 도 5a에서 A-A 방향의 단면도.

도 6a 내지 도 6c는 종래 복굴절 판을 이용한 광 저대역 통과 필터 구성도로서,

도 6a는 복굴절 판의 회절 특성 설명도.

도 6b는 종래 3판식 복굴절 판 광 저대역 통과 필터의 구성도.

도 6c는 종래 복굴절 판 필터의 동작 특성도.

도 7a 내지 도 7b는 본 발명 고체 촬상 소자의 구성도로서,

도 7a는 고체 촬상 소자의 외형도

도 7b는 도 7a에서 A-A 방향의 단면도.

도 8은 본 발명의 고체 촬상 소자를 이용한 영상 시스템 구성의 실시예.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 1차원 기본 개념도.

도 10은 본 발명의 2차원 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 동작 설명도.

도 11a 내지 도 11b는 본 발명의 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 격자 구성의 제1 실시 예로서,

도 11a는 위상 회절 격자 구조도.

도 11b는 적외선 또는 자외선 필터와 결합한 구조도.

도 12는 본 발명의 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 격자 구성의 다른 예로서,

도 12a는 접착전 구조도

도 12b는 접착후 구조도

도 13은 본 발명의 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 격자 구성의 다른 예로서,

도 13a는 상부 내지 하부면에 적외선 또는 자외선 필터와 결합한 구조도.

도 13b는 상하면에 적외선 내지 자외선 필터와 결합한 구조도.

도 14는 본 발명의 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 격자 구성의 다른 예로서,

도 14a는 접착전 구조도

도 14b는 접착후 구조도

도 15는 본 발명의 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 격자 구성의 다른 실시 예시도.

도 16은 본 발명의 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터의 격자 구성의 다른 실시 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

fc : 이상 적인 광 저대역 통과 필터의 차단 주파수

fs: 고체 촬상 소자의 샘플링 공간 주파수

fm : 광학 렌즈의 최대 공간 주파수

NA : 광학 렌즈의 구경(Numerical Aperture)

λ : 입사광의 파장

d : 고체 촬상 소자의 화소간 거리

dn : 복굴절 판의 회절에의한 투광광의 분리 거리

도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 고체 촬상 소자의 구성도로써, 도 7a는 패키지(package)된 고체 촬상 소자의 외형도이고, 도 7b는 도 7a에서 A-A방향의 단면도이다. 본 발명의 고체 촬상 소자에서는 입력광이 투과되는 투명창(71,72)을 광 저대역 통과 필터로 구성한다. 광 저대역 통과 필터를 통하여 고체 촬상 소자 칩(chip)(72,73)의 표면에 있는 수광 소자에 전달된 영상은 고 공간 주파수 성분이 제거된 것으로써, 본 발명의 고체 촬상 소자를 이용하여 영상 시스템을 구성하면, 별도의 추가적인 광 저대역 필터를 사용하지 않아도 영상 시스템을 구성할 수 있다. 도 8은 본 발명의 고체 촬상 소자를 이용한 영상 시스템의 구성도를 보여주고 있다. 본 발명의 고체촬상 소자를 이용함으로써, 도 1의 종래의 고체 촬상 소자를 이용한 시스템에서 필요한 광 저대역 통과 필터(2)를 별도로 사용하지 않아도 도 고 공간 주파수 성분을 차단하는 특성을 갖는 영상 시스템을 구성할 수 있다.

종래의 복굴절판 필터는 주파수 전달 함수 특성이 판의 두께에 따라서 결정되는데, 일반적으로 사용되는 복굴절판 필터의 두께는 0.5 미리미터(mm) 정도로써, 본 발명의 고체 촬상 소자의 투과창에 적용하기에는 너무 두꺼워서 도 7에서와 같이 고체 촬상 소자와 광 저대역 필터의 일체형으로 제작하기에는 바람직하지 않다.

종래의 복굴절 판을 이용한 광 저대역 필터의 단점을 개선하기 위하여, 미국특허(번호 4,083,627), 미국특허(번호 4,083,627), 미국특허(번호 4,795,236), 미국특허(번호 4,009,939), 미국특허(번호4,178,611), 등에서 제안된 위상회절 격자형 광 저대역 필터는 앞서서 언급한 바와 같이 주파수 특성이 양호하지 않으므로 실용화되지 못하였다.

따라서, 본 발명의 광 저대역 필터 일체형 고체 촬상 소자를 구성하기 위해서는 본 발명자들의 선행 출원(특허 출원번호:99-46950) 기술인 위상회절격자형 광저대역 필터를 고체 촬상 소자의 투과창으로 사용하는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 본 발명의 기본 사상은 고체 촬상 소자의 투과창을 광저대역 필터로 대체하는 것이므로 광 저대역 필터의 종류에 따라서 본 발명의 기본 사상이 제약되지는 않는다.

< 발명의 실시 예>

도 9는 본 발명의 일체형 고체 촬상 소자에서 사용하기에 가장 적절한 선행 출원(특허 출원번호:99-46950)에서 제시된 위상 회절 격자를 이용한 광 저대역 통과 필터의 동작을 설명하기 위한 1차원 위상 회절 격자의 기본도를 보여 주고 있다.

위상 회절 격자(91)의 표면은 일정한 반복 주기를 갖는 요철 구조의 격자로 구성되어 있다. 격자의 투과 광에 대해서 회절 격자의 수직 돌출부와 비돌출부의 위상차이는 격자의 두께에 의해서 결정되는 특정한 위상 천이 파이(??)가 된다.

본 발명의 1차원 회절 격자의 광 전달 특성을 살펴보면, 도 9에서와 같이 격자면에 수직으로 입사한 형행광이 영상 감지 소자면에 도달하면 0차와 +1, -1차의 주요 최대점(Principal Maxima)을 갖으며 그 외의 지점에서는 작은 광 전달 특성을 갖는다. 여기서 0차 주요 최대점의 광의 세기를 라고 하면 +1차와 1차의 광은 각각 원점에서 +β/2와 -β/2 만큼 떨어진 곳에 위치하게 되며 이들의 세기는 (1-α)/2 값이 된다.

도 9의 격자의 공간 전달 특성을 수식으로 표현하면, I(x) = αδ(x)+0.5(1-α){δ(x-β/2)+δ(x+β/2)}가 된다. 여기서 δ(x)는 임펄스 함수(impulse function)을 나타낸다. 공간 전달 특성 I(x)를 퓨리어 변환하면 본 발명의 1차원 위상 천이 격자형 필터의 주파수 전달 함수(L_G)를 구할 수 있다. L_G를 구해 보면, L_G(f) =α+(1-α)cos(πβf)가 된다.

도 9(b)에 주파수 전달 특성을 도시하였다. 주요 최대점 사이의 작은 값들은 주요 최대점의 값에 비하여 무시할 수 있는 값이다.

여기서 광 저대역 통과 필터의 이상적인 특성과 실제 저대역 통과 필터의 주파수 특성의 오차를 최소화하기 위한 α값을 구해보자. 이상적인 특성과 실제 특성의 오차를 △라 하면,가 된다. 여기서 f는 공간 주파수이고, fm은 렌즈의 최대 전달 공간 주파수, L_ideal은 이상적인 광 저대역 필터의 전달 특성, L_lense는 렌즈의 전달 특성, L_G는 본 발명의 위상회절 격자의 주파수 전달 특성이다. L_ideal의 특성은 도 4에 점선으로 표시된 바와 같이 공간 주파수가 광 저대역 필터의 이상적인 차단 주파수 fc보다 작으면 1이고 fc보다 큰 경우에는 0이 된다.

즉, L_ideal= 1, f< fc 일때, L_ideal=0, f≥fc 일때 이다.

L_lense는 렌즈의 fm이 fc보다 매우 큰 경우에 전달 특성을 직선으로 가정하여 근사치를 구하면 L_lense= 1-f/fm으로 표현할 수 있다.

위에서 설명한 L_ideal, L_lense및 L_G의 식들을 적분식에 대입하여 △를 구하여 보면 △는 fm{α²+0.5(1-α)²}에 비례하는 값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 여기서 △를 최소로 하기 위한 α의 값을 구하면 α는 1/3이 된다. 즉, 본 발명의 위상회절 격자형 광 저대역 필터에서 이상적인 필터 특성과의 오차를 가장 줄이기 위해서는 입사광이 0차 및 ±1차의 주요 최대점으로 3균등 분할되어야 한다.

도 10에서와 같이 선행 출원에서 설계된 3균등 분할의 위상 회절 격자를 2차원으로 배열하면 입사광은 9개의 주요 최대점으로 균등 분할된다. 입사된 평행광이 9개로 분할됨으로써 입사광의 고 공간 주파수를 갖는 영상이 저대역으로 변환 되므로 본 발명의 2차원 회절 격자는 광 저대역 통과 필터로 동작하는 것이다.

격자의 기본 배열은 영(0)의 위상천이 격자와 인접하여 Φ 위상 천이 격자가 우측과 아래 측에 배치되고 대각선 방향으로 2Φ 위상 천이 격자가 배치된다. 상기의 기본 배열 패턴을 반복하여 배치함으로써 광 저대역 필터를 구현한다.

본 발명의 위상 천이형 광 저대역 필터에서 위상 천이의 차이는 특정한 두께를 갖는 격자를 배치함으로써 실현된다. 도 11은 본 발명을 실현하기 위하여 바람직한 위상 천이 격자의 구조를 보여주고 있다. 특정한 두께의 격자가 Φ의 위상 천이를 발생시키면 그 두께의 2배에 해당하는 두께를 갖는 격자에 의해서는 2Φ의 위상 천이가 발생하고 격자가 없는 부분에서는 0의 위상 천이가 발생한다. 격자의 기본 배열은 영(0)의 위상천이 격자(110)와 인접하여 Φ 위상 천이 격자(111, 1111)가 우측과 아래 측에 배치되고 대각선 방향으로 Φ 위상 천이 격자 보다 두께가 2배인 2Φ 위상 천이 격자(112)가 배치된다. 상기의 기본 배열 패턴을 반복하여 배치함으로써 광 저대역 필터를 구현한다.

도 11a의 광저대역 필터를 도 7의 본 발명의 광 저대역 필터의 투명창(71, 72)에 적용하면 일체형 고체 촬상 소자를 제작할 수 있다.

도 11b는 적외선 또는 자외선 차단 필터가 도 11a의 한쪽 면에 형성된 광저대역 필터 구조이다. 도 11b의 광저대역 필터를 도 7의 본 발명의 광 저대역 필터의 투명창(71,72)에 적용하면 적외선 또는 자외선 제거 필터와 광 저대역 통과 필터의 일체형 고체 촬상 소자를 구성할 수 있다.

본 발명의 위상 천이 격자를 제조하는 경우에 공정상에서 격자의 두께가 다소간 변화할 수 있으나 이러한 경우에도 격자에 의한 위상 천이의 오차가 Φ에 비하여 크지 않다면 본 발명을 실시할 때에 장애가 되지 않는다. 따라서, 격자 두께의 미소한 차이에 의한 위상 천이의 미소한 오차는 본 발명의 기본 사상을 벗어나지 않는다.

< 발명의 다른 실시 예>

도 12에서는 본 발명의 위상 천이 격자형 광 저대역 필터의 다른 실시예의 구성을 보여주고 있다. 격자를 통과한 입사광의 위상천이 차이가 0, 우측과 하측에 Φ, 대각선 방향으로 2Φ가 되도록 격자를 배치하기 위해서는, 격자 기판(120)에 y방향으로 평행하게 배치된 위상을 Φ만큼 천이 시키는 격자를 주기적으로 배열한 격자(122)와, 기판(123)과 x방향으로 평행하게 배치된 위상를 Φ만큼 천이 시키는 격자를 주기적으로 배열한 격자(125)를 격자면이 서로 맞닿도록 접착함으로써 위상회절 격자형 광 저대역 통과 필터를 제작할 수 있다. 입사광의 반사를 최소화하기 위해서는 위상 천이 격자와 격자의 기판은 같은 굴절률을 갖는 물질로 제작하는 것이 가장 바람직하다.

도 12b의 광저대역 필터를 도 7의 본 발명의 광 저대역 필터의 투명창(71,72)에 적용하면 일체형 고체 촬상 소자를 제작할 수 있다.

도 13a는 적외선 또는 자외선 차단 필터가 도 12b의 한쪽 면에 형성된 광저대역 필터 구조이다. 도 13a의 광저대역 필터를 도 7의 본 발명의 광 저대역 필터의 투명창(71, 72)에 적용하면 적외선 또는 자외선 제거 필터와 광 저대역 통과 필터의 일체형 고체 촬상 소자를 구성할 수 있다.

도 13b는 도 12b의 광저대역 필터의 상부와 하부에 적외선 내지 자외선 차단 필터가 형성된 광저대역 필터 구조이다. 도 13b의 광저대역 필터를 도 7의 본 발명의 광 저대역 필터의 투명창(71, 72)에 적용하면 적외선 또는 자외선 제거 필터와 광 저대역 통과 필터의 일체형 고체 촬상 소자를 구성할 수 있다.

< 발명의 또 다른 실시 예>

도 14a는 각기 x방향과 y방향으로 배치된 회절 격자를 보여주고 있으며, 도 14b는 두 격자를 접착한 후의 구조를 보여주고 있다. 두 격자를 접합함으로써 0격자와 0격자가 만나는 부분은 0 천이 격자부가 되고, 0격자와 Φ격자 또는 Φ격자와 0 격자가 만나는 부분은 Φ 격자가 되며, Φ와 Φ가 만나는 부분은 2Φ 회절 격자가 구성된다.

도 14b의 광저대역 필터를 도 7의 본 발명의 광 저대역 필터의 투명창(71, 72)에 적용하면 일체형 고체 촬상 소자를 제작할 수 있다.

영상 시스템을 구성할 때 광 저대역 통과 필터와 적외선(IR) 필터 또는 자외선(UV) 필터를 결합하여 구성하는 것이 일반적이다. 본 발명의 위상 천이 격자형 필터에 적외선(IR) 필터 또는 자외선(UV) 필터를 결합하여 구성하기 위해서는 제15도에서와 같이, 도14a의 기판 접합시에, 위상 천이 격자의 상부 기판과 하부 기판사이에 자외선 또는 적외선을 제거하기 위한 코팅 또는 필터판을 접착함으로서 구현할 수 있다.

도 15의 광저대역 통과 필터를 도 7의 본 발명의 광 저대역 필터의 투명창(71, 72)에 적용하면 적외선 또는 자외선 제거 필터와 광 저대역 통과 필터의 일체형 고체 촬상 소자를 구성할 수 있다.

< 발명의 또 다른 실시예>

도 16에서는 본 발명의 위상 천이 격자형 광 저대역 필터의 다른 구성을 보여주고 있다. 위상천이 차이가 0, 우측과 하측에 Φ, 대각선 방향으로 2Φ가 되도록 격자를 배치하기 위해서는 격자 기판(160)에 y방향으로 평행하게 배치된 위상을 Φ만큼 천이 시키는 격자를 주기적으로 배열한 격자(161)와 기판에 x방향으로 평행하게 배치된 위상을 Φ만큼 천이 시키는 격자를 주기적으로 배열한 격자(162)를 동일 기판의 상부와 하부면에 배치함으로 위상회절 격자형 광 저대역 통과 필터를 구성할 수 있다. 위상 천이 격자와 격자의 기판은 같은 굴절률을 갖는 물질로 구성하는 것이 가장 바람직하다.

도 16은 동일 기판에 제작된 격자의 구조를 보여주고 있다. 두 격자(161, 162)가 동일 기판(160)의 상하면에 배치됨으로써 0격자를 통과한 광이 0격자가 만나는 부분을 통과하도록 된 부분은 0 천이 격자부가 되고, 0격자를 통과한 광이 Φ격자, Φ격자를 통과한 광이 또는 0격자를 통과하도록 된 부분은 Φ 격자가 되며, Φ격자를 통과한 광이 Φ격자를 통과하도록 구성된 부분은 2Φ 회절 격자가 구성된다.

도 16의 광저대역 필터를 도 7의 본 발명의 광 저대역 필터의 투명창(71, 72)에 적용하면 적외선 또는 자외선 제거 필터와 광 저대역 통과 필터의 일체형 고체 촬상 소자를 구성할 수 있다.

본 발명에서는 광 저대역 통과 필터가 고체 촬상 소자의 투명창에 이용된 일체형 고체 촬상 소자의 구조를 제시하였다. 본 발명의 실시에 의하여 고체 촬상 소자를 이용한 영상 시스템을 구현할 때 필수적인 광 저대역 통과 필터를 종래의 시스템에서 별도의 광저대역 필터를 이용한 것보다 크기가 작아서 소형화에 유리한 영상 시스템을 구성할 수 있다. 본 발명에서 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터가 고체 촬상 소자의 투명창에 이용된 일체형 고체 촬상 소자는 소형화 뿐 만이 아니라 주파수 특성도 종래의 복굴절판을 이용한 영상 시스템보다 우수한 성능을 갖는 영상 시스템을 구성할 수 있다.

Claims

입력 영상을 감지하는 고체 촬상 소자 장치에서,

특정 주파수 보다 높은 공간 주파수는 억제하고 그 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터가 상기 고체 촬상 소자의 투명창으로 사용되어,

광 저대역 통과 필터와 고체 촬상 소자가 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광 저대역 통과 필터는

위상회절 격자형 광 저대역 필터인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자 장치.
입력 영상을 감지하는 고체 촬상 소자 장치에서,

특정 주파수 보다 높은 공간 주파수는 억제하고 그 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터는

파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 특정한 두께의 격자와,

상기 파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 격자의 두께의 2배에 해당하는 두께를 갖는 2Φ의 위상 천이 발생 격자와,

두께가 없어 영의 위상 천이가 발생되는 격자부분이 기본 패턴을 형성되고,

상기 기본 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 구조를 갖는 상기 광 저대역 통과 필터가 상기 고체 촬상 소자의 투명창으로 사용되어,

상기 광 저대역 통과 필터와 상기 고체 촬상 소자가 일체형으로 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 광 저대역 통과 필터의 한 면에 적외선 또는 자외선을 차단하기 위한 필터를 더 형성하는 것을 특징으로 고체 촬상 소자 장치.
입력 영상을 감지하는 고체 촬상 소자 장치에서,

특정 주파수 보다 높은 공간 주파수는 억제하고 그 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터는

투명한 격자 기판 위에 파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 특정한 두께의 격자가 가로 방향으로 주기적으로 배치된 격자가 형성되며,

다른 투명한 격자 기판 위에 파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 특정한 두께의 격자가 세로 방향으로 주기적으로 배치된 격자가 형성되고,

상기 두 격자의 격자면이 맞닿도록 접착되어 두 개의 투명한 격자기판 사이에 파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 격자와, 2Φ의 위상 천이 발생 격자와, 영의 위상 천이 격자가 주기적으로 배열되어 있는 구조를 갖는

상기 광 저대역 통과 필터가 상기 고체 촬상 소자의 투명창으로 사용되어,

상기 광 저대역 통과 필터와 상기 고체 촬상 소자가 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자 장치.
제 5 항의 고체 촬상 소자 장치에 있어서, 상기 광 저대역 통과 필터의 상기 격자 기판의 상부면과 하부면 중 어느 한 면에 적외선 또는 자외선을 차단하기 위한 필터를 더 형성하는 것을 특징으로 고체 촬상 소자 장치.
제 5 항의 고체 촬상 소자 장치에 있어서, 상기 광 저대역 통과 필터의 상기 격자 기판의 상부면과 하부면에 적외선 또는 자외선을 차단하기 위한 필터를 형성하는 것을 특징으로 고체 촬상 소자 장치.
입력 영상을 감지하는 고체 촬상 소자 장치에서,

특정 주파수 보다 높은 공간 주파수는 억제하고 그 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터는

투명한 격자 기판 위에 파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 특정한 두께의 격자가 가로 방향으로 주기적으로 배치된 격자가 형성되고,

다른 투명한 격자 기판 위에 파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 특정한 두께의 격자가 세로 방향으로 주기적으로 배치된 격자가 형성되며,

상기 두 격자의 기판면이 맞닿도록 접착되어

파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 격자와, 2Φ의 위상 천이 발생 격자와, 영의 위상 천이 격자가 주기적으로 배열되어 있는 구조를 갖는

상기 광 저대역 통과 필터가 상기 고체 촬상 소자의 투명창으로 사용되어,

상기 광 저대역 통과 필터와 상기 고체 촬상 소자가 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자 장치.
제 8 항의 고체 촬상 소자 장치에 있어서, 상기 광 저대역 통과 필터의 상기 격자 기판의 접합면 사이에 적외선을 차단하기 위한 필터 또는 자외선을 차단하기 위한 필터가 삽입 형성된 것을 특징으로 고체 촬상 소자 장치.
입력 영상을 감지하는 고체 촬상 소자 장치에서,

특정 주파수 보다 높은 공간 주파수는 억제하고 그 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터는

투명한 격자 기판의 어느 한면에 파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 특정한 두께의 격자가 가로 방향으로 주기적으로 배치되고,

상기 투명한 격자 기판의 다른 한면에는 파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 특정한 두께의 격자가 세로 방향으로 주기적으로 배치되며,

상기 격자들과 상기 기판은 동일한 굴절률을 갖는 물질로 구성되어,

파이(Φ)의 위상 천이를 발생시키는 격자와, 2Φ의 위상 천이 발생 격자와, 영의 위상 천이 격자가 주기적으로 배열되어 있는 구조를 갖는

상기 광 저대역 통과 필터가 상기 고체 촬상 소자의 투명창으로 사용되어,

상기 광 저대역 통과 필터와 상기 고체 촬상 소자가 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자 장치.
입력 영상을 감지하는 고체 촬상 소자 장치에서,

특정 주파수 보다 높은 공간 주파수는 억제하고 그 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 위상 회절 격자형 광 저대역 통과 필터가 상기 고체 촬상 소자의 투명창으로 사용되어,

상기 광 저대역 통과 필터와 상기 고체 촬상 소자가 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자 장치.