KR20060008871A - 가시 파장 검출기 시스템 및 그를 위한 필터 - Google Patents

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가즈히꼬 미즈노
존 에이. 휘틀리
티모티 제이. 네비트
앤드류 제이. 오더키르크
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Abstract

가시광 파장 검출기 및 그의 제조 방법이 개시되어 있다. 가시광 파장 검출기는, 전자기 에너지를 전기 신호로 전환시키는 반도체 구조물 및, 중합체 물질을 포함하고 근적외선 파장 대역에 걸쳐 수직 입사광을 실질적으로 반사시키며 가시광 파장에 걸쳐 수직 입사광을 실질적으로 투과시키는, 반도체 구조물 위에 배치된 간섭 소자를 포함한다.
가시광 파장 검출기, 반도체 구조물, 간섭 소자, 흡수 소자.

Description

가시 파장 검출기 시스템 및 그를 위한 필터{VISIBLE WAVELENGTH DETECTOR SYSTEMS AND FILTERS THEREFOR}
본 발명은 바람직한 스펙트럼 반응을 생성하는 필터를 가진 검출기 시스템에 관한 것이다. 더욱 특별하게는, 본 발명은 육안으로 검출가능한 전자기 파장 범위에 걸쳐 스펙트럼으로 반응성인 검출기 시스템 및 그를 위한 필터에 관한 것이다.
사진술 및 관련 분야에서 경치 또는 사물의 선명도의 측정을 제공하기 위하여 전자 검출기가 오랫동안 사용되어 왔다. 이러한 측정이 육안으로 감지되는 선명도를 적어도 있는 그대로 나타내기 위하여, 카드뮴 설파이드 광전지와 같은 검출기가 사용되어 왔다. 이러한 검출기는 가시광 영역에서 최대인 스펙트럼 반응성을 가지며, 육안의 반응성과 적어도 대략적으로 근사하다. 그러나, 이러한 검출기는 많은 용도를 위해 이상적인 것보다 적은 특징을 갖는다.
더욱 최근들어, 육안 반응에 더욱 밀접하게 조화시키기 위하여, 다른 검출기와 조합하여 광학 필터를 사용해 왔다.
한가지 접근법에서, 미국 특허 3,996,461호 (Sulzbach 등)에 개시된 바와 같이, 다층 박막 광학 필터가 실리콘 광다이오드의 검출 표면 상에 직접적으로 침착된다. 다층 필터의 각각의 유전 층은, 간섭 스택이 형성될 때까지 한번에 하나씩 침착된다 (적어도 50개 실리콘 슬라이스 위에, 각각의 슬라이스는 대략 300개 검출기를 함유한다). 다층 필터는, 검출기 시스템 (다층 필터를 가진 광다이오드)이 육안과 밀접한 스펙트럼 반응을 갖도록 광다이오드에 이르는 빛을 파장의 함수로서 감소시키기 위해 설계된다. 실리콘 광다이오드 자체는 가시광 영역에서 적색 쪽으로 가중된 스펙트럼 반응을 갖지만 적외선 영역으로 계속하여 증가되기 때문에, 원하는 시스템 반응을 얻기 위해서는 다층 필터가 적외선 영역 및 가시광 영역 양쪽 모두에서 광 투과성을 감소시킨다.
다른 접근법에서, 구리 이온을 함유하는 포스페이트 유리-기재 필터가 검출기를 위한 필터로서 사용된다. 이러한 시스템의 한가지 단점은, 포스페이트 유리가 수분에 대해 상처받기 쉽다는 것이다. 다른 단점은 성형, 절단 및 연마 작업에서 유리를 가공하는데 있어서의 불편함 및/또는 어려움 뿐만 아니라 유리의 비교적 큰 비중이다. 유리 필터는 상당히 두껍고 무거운 경향이 있고, 이것은 많은 응용을 위해 바람직하지 않다.
다른 접근법에서, 유리-기재 필터 대신에 합성 수지-기재 필터가 사용된다. 예를들어 일본 특허 공고 JP 06-118,228호 및 JP 06-345,877호는 특정한 구조의 인산기를 함유하는 단량체 및 이것과 공중합될 수 있는 단량체의 혼합물로부터 공중합된 공중합체로 구성된 합성 수지로 만들어진 광학 필터를 개시하고 있다. 필터는 또한 구리 염으로 주로 구성된 금속 염을 포함한다. 인 함유 단량체는 인산 에스테르 결합을 갖는다. 인산 기는 중합체가 불량한 내후성을 갖도록 한다. 그 결과, 이러한 광학 필터가 고온 및 고습도에 노출되면, 백색화(혼탁) 및 투명성 소실 (불투명화)에 관련된 문제가 발생하기 시작한다.
다른 수지-기재 필터가 또한 제안되어 있다. 일본 특허 공고 2000-98130호 및 2000-252482호는 특별하게 고안된 화학 구조를 가진 중합체를 사용함으로써 개선된 내구성을 가진 광학 필터를 개시하고 있다. 이러한 필터는 유감스럽게도 근적외선 영역 및 자외선 영역에서 빛의 흡수가 불량하다. 따라서, 이러한 필터를 사용한 검출기 시스템은 육안에 의해 감지되지 않는 빛에 민감하다.
육안 반응을 모방할 수 있는 대안적인 검출기 시스템, 특히 대역 외(out-of-band) 거부반응 (즉, 근적외선 및 자외선 파장에서 무시할 정도의 반응)이 양호하고, 가시광에서 바람직한 반응과 양호하게 조화되고, 양호한 내후성을 가진 시스템이 계속 요구되고 있다.
발명의 요약
본 출원은, 필터/검출기 조합 시스템이 육안 반응과 밀접하게 조화되는 방식으로, 검출기 앞에 위치한 필터가 빛을 선택적으로 투과시키는 검출기 시스템을 개시하고 있다. 필터는 간섭 소자 및 흡수 소자를 포함한다. 흡수 소자는 바람직하게는, 그 안에 분산된 하나 이상의 특별하게 맞추어진 안료 또는 기타 착색제를 가진 중합체 필름이다. 간섭 소자는 바람직하게는 중합체이고, 일부 구현양태에서 공압출된 중합체 다층 필름이다. 수직 입사에서의 간섭 소자는, 가시광 영역에서 높은 평균 투과율 (적어도 약 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 70%)을 제공하고 근적외선 영역으로 연장되는 반사 대역 전체에 걸쳐 낮은 투과율(약 5% 미만, 더욱 바람직하게는 약 2% 또는 1% 미만)을 제공한다. 근적외선 빛에 대한 검출기 시스 템의 무시할만한 감도를 보장하기 위하여, 간섭 소자의 반사 대역이 근적외선까지 충분히 멀리 연장된다. 흡수 소자는 가시광에서 불균일 투과성을 제공하는 하나 이상의 선택된 착색제를 가지며, 바람직하게는 간섭 소자와 조합될 때 스펙트럼의 가시광 부위에서 근-육안 반응을 검출기 시스템에 제공하기에 적절한 종-모양 특징을 갖는다.
필터를 실리콘 광다이오드와 같은 반도체 광다이오드와 함께 사용하기 위해 맞출 수 있다. 중합체 간섭 필름에 적용되거나 검출기 표면에 적용되는 흡수 필름을 포함하여, 다양한 필터 형태가 개시되어 있다. 흡수 소자를 적절한 접착성 층에 의해 간섭 소자에 부착시킬 수 있거나, 간섭 소자의 하나 이상의 개개의 층 내에 혼입시킬 수 있다. 일부 구현양태에서, 필터가 필터 조립체의 첫번째 구경을 가로질러 뻗을 수 있고 필터 조립체는 검출기 조립체를 수용하기에 적합한 두번째 구경을 포함할 수 있다. 이러한 모듈식 설계는, 필터 소자들이 모두 검출기 표면에 직접적으로 적용된 시스템에 비하여, 특별한 장점을 갖는다. 시스템은 각 의존성을 감소시키기 위하여 광 산란 층과 같은 추가의 광학 소자를 포함할 수 있다.
명세서 전반에 걸쳐 첨부된 도면이 언급되며, 여기에서 유사한 참조번호는 유사한 소자를 나타낸다.
도 1은 검출기 시스템의 투시도이다;
도 2는 검출기 시스템을 위한 필터 조립체의 단면도이고, 여기에서 검출기 조립체는 완전히 안에 묻혀서 허상으로 나타낸다.
도 2a 및 2b는 대안적인 필터 조립체인 것 이외에는 도 2와 유사한 단면도이다.
도 3은 검출기 시스템의 다양한 성분들의 상대적인 분광 투과율 또는 반응의 그래프이다.
도 4 및 도 5는 퍼센트 투과율 대 파장의 그래프이다.
하기 상세한 설명 부분은, 검출기 시스템의 반응이 바람직한 스펙트럼 반응과 얼마나 밀접할 수 있는지에 관련된다. 본 출원의 목적을 위하여, 검출기 시스템의 표준화 스펙트럼 반응성 D(λ)이 목적 또는 표적 스펙트럼 반응성 T(λ)에 얼마나 밀접한지를 정량하기 위하여 다음과 같은 감도지수 "FM"(퍼센트로 표현됨)이 사용된다.
Figure 112005056701019-PCT00001
상기 식에서, 파장 증분 Δλ=5nm에 대해 81회 간격에 걸쳐 덧셈을 하였다.
이것은 일본 공업 규격 JIS-C-1609 (1993)에 따른다. 본 출원의 목적을 위하여, 감도지수 FM가 약 25% 미만, 더욱 바람직하게는 약 20% 미만이라면, 검출기 시스템 반응성 D(λ)이 표적 함수 T(λ)과 밀접한 것으로 간주된다. 달리 언급되지 않는 한, 검출기 시스템에 수직으로 입사되는 빛에 대해 감도지수가 평가된다.
한가지 중요한 경우에, 표적 반응성 T(λ)은 육안 V(λ)의 표준 광 반응이다. 스펙트럼 발광 효율 함수로서 알려진 광 반응 V(λ)은, 360 내지 830nm의 범위에 한정된 종-모양 함수이고, 555nm에서 1.0의 최대 값을 갖는다. 다른 경우에, 표적 반응성은 낮은 발광 수준에서 육안의 반응일 수 있고, 암 반응 V'(λ)이라 일컬어진다. V'(λ)함수는 507nm에서 1.0의 최대값을 가진 종-모양 함수이다. 양쪽 함수 V(λ) 및 V'(λ)는 문헌 [Commission International de l'Eclairage (CIE), 명칭 The Basis of Physical Photometry, CIE Publication No. 18.2(1983)]에서 찾아볼 수 있다.
본 출원의 목적을 위하여, 달리 언급되지 않는 한, 용어 "자외선"이란 약 400nm 미만의 파장을 가진 전자기 복사선을 가리키고, 용어 "가시광"이란 약 400 내지 약 700nm의 파장 범위를 가리키고, 용어 "근적외선"이란 약 700 내지 약 2500nm의 파장 범위를 가리킨다. 용어 "검출기"란, 반도체 검출기의 경우에 그 안에 형성된 하나 이상의 활성 접합점 부위를 가진 반도체 웨이퍼를 포함하여, 최종 포장 형태에서든지 또는 초기 구성 단계에서든지, 전자기 에너지를 전기 신호로 전환시키는 구조물을 가리킨다. 적절한 검출기의 예는, 이에 한정되지 않지만, 광다이오드 및 광다이오드 어레이 및 CCD 영상 센서 및 MOS 영상 센서와 같은 고체상태 카메라 소자를 포함한다.
도 1은 검출기 시스템(100)의 구현양태를 나타낸다. 검출기 시스템은 필터 조립체(100) 및 검출기 조립체(112)를 포함한다. 필터 조립체(110)는 적어도 2개의 구경(116, 118)을 가진 필터 하우징(114)을 포함한다. 필터 소자(120)를 수용 하기 위해 구경(116)을 적응시킨다. 하나의 구조에서, 하우징(114)은 필터 재료의 기존 조각 주위에 사출 성형된 불투명 열가소성 재료로 만들어진다. 도 2는 필터 조립체(110)를 단면으로 나타내고, 여기에서 필터 하우징(114)의 하부를 (114a)로 표시하고, 필터 하우징(114)의 상부를 (114b)로 표시한다. 필터 소자(120)을 부위 (114a, 114b)사이에 삽입한다. 바람직하게는, 2, 3, 4 또는 그 이상의 필터 하우징(114)이 필터 재료의 조각을 따른 선에서 동시에 형성된다. 사출 성형된 재료가 냉각될 때, 조각을 말단 (120a), (120b)에서와 같이 인접한 하우징(114) 사이의 위치에서 절단할 수 있고, 각각의 필터 조립체(110)를 얻는다. 대안적으로, 각각의 예비-절단된 필터 재료 조각을, 앞서 제조된 필터 하우징(114)에 적용할 수 있다.
구경(116)은 도면에 나타낸 것과 같이 필터 하우징(114)에 있는 물리적인 구멍일 수 있거나, 또는 검출기 조립체(112)에 의해 검출가능한 빛을 검출기의 활성 부위에 전달하는 광학 구경일 수 있다. 광학 구경은 불투명 필터 하우징에 있는 윈도우일 수 있거나, 또는 필터 하우징은 검출기의 활성 부위에 빛을 전달하는 재료로 완전히 만들어질 수 있다.
검출기 조립체(112)를 수용하기 위하여 구경(118)을 적응시킨다. 나타낸 구현양태에서, 구경(118)은 양쪽 필터 하우징 부위(114a, 114b)의 부분들에 의해 경계지워진다. 구경(118)은 도 1에서 떼어져 나타낸 검출기 조립체(112)를 수용하기 위한 크기 및 형태를 갖는다. 검출기 조립체가 구경(118)에 의해 한정된 공동 내로 완전히 삽입될 때 (도 2 참조), 검출기의 활성 부위(122)가 실질적으로 구경(116)과 정렬되고 필터 소자(120)의 뒤에 위치한다. 따라서, 그에 수직인 축을 따 라 구경(116) 쪽으로 전파되는 빛은, 검출기 활성 부위(122)에 부딪히기 전에 필터 소자(120)를 통해 통과한다. 검출기 조립체(112)는, 활성 부위(122)를 덮는 통상적인 윈도우 또는 렌즈 소자를 임의로 포함할 수 있다. 검출기 조립체의 삽입에 앞서서 에폭시와 같은 광-투과성 도기 재료가 구경(118)에 의해 한정된 공동 내에 제공될 수 있으며, 따라서 검출기 조립체(112)가 충분히 삽입될 때 도기 재료가 검출기 조립체(112)를 완전히 둘러싸고, 필터 조립체(110)의 내에서 위치를 잡는다. 와이어 또는 납(124a, 124b)이 활성 부위(122) 위에 충돌하는 빛에 반응하는 전기 신호를 제공한다. 반도체 광다이오드의 경우에, 신호는 전류이다. 다른 유형의 검출기를 위하여, 신호는 저항성 변화 또는 전기 포텐셜과 같은 다른 형식을 취할 수 있다. 전치증폭기 회로가 검출기 조립체(112)내에 임의로 제공될 수 있다.
도 2에 나타낸 것과 같이, 필터 소자(120)는 바람직하게는 2개의 주요 성분: (1) 반사 간섭 소자 (121a) 및 (2) 흡수 소자(121b)로 이루어진 비교적 얇은 중합체-기재 필름이다. 소자는 설계 융통성 및 저 중량, 소 크기와의 상용성을 위해 필름 또는 필름 적층물의 형태인 것이 바람직하며, 이것은 일부 검출기 시스템 응용에서 중요한 고려사항일 수 있다. 이러한 측면에서, "필름"은 일반적으로 약 0.25mm이하 (인치의 만분의 일 또는 "mils") 이하의 두께를 가진 연장된 광학체를 가리킨다. 일부 경우에, 필름이 적절한 반사 또는 투과 성질을 가진 경질 기판 또는 다른 필름과 같은 다른 광학체에 부착되거나 적용될 수 있다. 필름은 또한, 그 자체로 독립적인 구조이든 다른 가요성 층(들)에 부착되든 간에, 물리적으로 가요성인 형태일 수 있다. 여기에서 사용된 용어 "필름 본체"란, 그 자체로 또는 다른 성분과 조합된 필름을 의미한다.
소자 (121a, 121b)는 구경(116)을 완전히 채우고, 검출기 활성 부위(122) 위를 덮거나 그 위에 다른 방식으로 확장된다. 구경을 사용하지 않거나, 검출기 활성 부위보다 작은 구경을 사용하는 것이 또한 가능하다. 일부 구현양태에서, 소자 (121a, 121b)가 서로 같은 공간에 걸쳐 있을 수 있다. 다른 구현양태에서, 간섭 소자(121a)가 구경(116)을 덮는 반면, 흡수 소자(121b)를 검출기(122)의 활성 부위에 직접 코팅하거나 또는 검출기를 제 위치에 고정시키는 광 투과성 도기 재료 내에 혼합할 수 있다. 구경이 사용되든지 아니든지 간에, 검출기 활성 부위에 부딪히는 실질적으로 모든 빛이 간섭 소자 및 흡수 소자 양쪽 모두를 통해 통과하도록 성분들이 배열된다.
간섭 소자(121a)는 바람직하게는 전형적으로 수십 또는 수백 개의 교대하는 중합체 층을 공-압출한 다음, 임의로 하나 이상의 증가 다이를 통해 다층 압출물을 통과시킨 다음, 압출물을 연신 또는 달리 배향시켜 최종 필름을 형성함으로써 만들어진 다층 중합체 필름 (또는 필름 본체)이다. 얻어지는 필름은 전형적으로 수십 또는 수백개의 각각의 마이크로 층으로 이루어지며, 스펙트럼의 근적외선 영역에 주로 배치된 반사 대역을 제공하도록 이것의 두께 및 굴절율을 조절한다. 바람직하게는, 인접한 마이크로층은 0.05이상의 x-축을 따라 편광된 빛에 대해 굴절율의 차이(Δnx)를 나타내고, y-축을 따라 편광된 빛에 대해 굴절율의 차이(Δny)가 0.05이상이고, x- 및 y-축이 서로 직교되고 필름(121a)의 면을 한정한다. 인접한 마이 크로층은 또한 x- 및 y-축에 수직인 z-축을 따라 편광된 빛에 대해 굴절율 차이(Δnz)를 나타내고, 이것은 비스듬하게 입사하는 빛의 p-편광 성분에 대해 바람직한 반사 성질을 달성하도록 조절된다.
이하 설명을 용이하게 하기 위하여, 간섭 필름 상의 주요 지점에서,Δnx의 크기가 최대가 되도록 x축이 필름의 면 내에 배향되는 것으로 간주될 것이다. 따라서, Δny의 크기는 Δnx의 크기와 같거나 그보다 작을 수 있다 (Δnx의 크기보다 크지 않다). 또한, Δnx가 비-네가티브인 것을 요구함으로써, 차이 Δnx, Δny, Δnz를 계산함에 있어서 우선 어떠한 재료 층을 선택할 것인가가 결정된다. 다시말해서, 계면을 형성하는 2개 층 사이에서의 굴절율 차이는 Δnj= n1j-n2j (여기에서, j=x, y 또는 z)이고, n1x ≥ n2x, 즉 Δnx ≥ 0이 되도록 층 표시 1, 2를 선택한다.
기울어진 각에서 p-편광 빛의 높은 반사율을 유지하기 위하여, 마이크로층 사이의 z-지수 불일치 Δnz를 최대 평면내 굴절율 차이 Δnx보다 실질적으로 적게 되도록 조절할 수 있고, 따라서 Δnz ≤ 0.5 * Δnx이다. 더욱 바람직하게는, Δnz ≤ 0.25 * Δnx이다. 0 또는 0에 가까운 크기의 z-지수 불일치는 마이크로층 사이에서 계면을 생기게 하고, 이것의 p-편광된 빛에 대한 반사율은 입사각의 함수로서 일정하거나 거의 일정하다. 또한, 평면내 굴절율 차이 Δnx에 비하여 반대 극성을 갖도록, 즉 Δnz가 0 미만이 되도록 z-지수 불일치Δnz를 조절할 수 있다. 이러한 조건은, s-편광 빛에 대한 경우에서와 같이, 입사각이 증가함에 따라 p-편광 빛에 대한 반사율이 증가하는 계면을 생기게 한다. 적절한 중합체 간섭 필름 및 관련된 구조에 관한 상세한 내용은 미국 특허 5,882,774호 (Jonza 등) 및 PCT 공고 WO 95/17303 (Ouderkirk 등) 및 WO 99/39224 (Ouderkick 등)에서 찾아볼 수 있다. 간단한 구현양태에서, 마이크로층은 ¼-파 스택에 상응하는 두께를 가질 수 있고, 다시말해서 각각 동일한 광학 두께의 2개의 인접한 마이크로층으로 필수적으로 구성된 광학 반복 단위 또는 단위 셀에 배열되며 (f비율 = 50%), 이러한 광학 반복 단위는 광학 반복 단위의 전체 광학 두께의 2배의 파장λ을 가진 구성 간섭 광에 의해 반사되는데 효과적이다. 이하 언급된 바와 같이, 반사 대역을 바람직한 단 및 장 파장 대역 경계 사이까지 확장되도록 넓히기 위하여, 필름의 두께 축(예, z-축)을 따른 두께 구배가 사용된다. 미국 특허 6,157,490호 (Wheatley 등)에 언급된 바와 같이, 이러한 대역 경계를 예리하게 하도록 조절된 두께 구배가 또한 사용될 수 있다.
기타 층 배열, 예컨대 f-비율이 50%와는 상이한 2-마이크로층 광학 반복 단위를 갖는 다층 필름, 또는 광학 반복 단위가 필수적으로 2개 이상의 마이크로층으로 구성되어진 필름이 또한 계획된다. 이러한 대안적인 광학 반복 단위 디자인은 특정한 고차 반사, 즉 계획 파장λ의 분수인 파장에서의 반사를 감소시키거나 없앨 수 있다. 예를들어, 미국 특허 5,360,659호 (Arends 등)에 교시된 바와 같이, 7:1:1:7:1:1의 상대 광학 두께로 높고 낮은 굴절율이 교대하도록 배열된 6개 마이크로층으로 필수적으로 구성된 광학 반복 단위를 사용하여, 2차, 3차 및 4차 반사 (각각, λ/2, λ/3 및 λ/4)가 제거될 수 있다. 또한, 미국 특허 5,103,337호 (Schrenk 등)에 교시된 바와 같이, 2:1:2:1의 상대 광학 두께를 가진 HMLM 순서로 배열된, 각각 고, 중 및 저 굴절율의 3가지 별개의 광학 물질 H, M, L로 필수적으로 구성되어진 광학 반복 단위를 사용하여, 2차, 3차 및 4차 반사가 제거될 수 있다.
앞서 언급된 단순 ¼-파 스택은 상당한 3차 반사를 생성한다. 즉, λ=1200nm 이상에서 1차 반사를 가진 ¼-파 스택을 포함하는 간섭 소자는 약 λ/3=400nm 또는 그 이상에서 상당한 반사를 가질 것이다.
일부 응용을 위하여, 전체 반사율을 증가시키거나 또는 빛이 반사되는 대역폭을 증가시키기 위하여 2개 이상의 다층 필름을 조합하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 조합은 예를들어 2개 이상의 다층 광학 필름을 적절한 광학적 투명 접착제와 함께 적층시킴으로써 만들어질 수 있다.
대안적으로 간섭 소자(121a)는 더욱 통상적인 진공-침착 무기 다층 필름을 포함할 수 있으며, 그의 마이크로층 (예를들어, 고 굴절율 마이크로층을 위한 TiO2 및 저 굴절율 마이크로층을 위한 SiO2)이 굴절율에서 등방성이다. 공압출된 중합체에서에 비하여 전형적으로 더욱 큰 층-대-층 평면내 굴절율 차이 Δnx 및 Δny가 달성될 수 있기 때문에, 수직 입사 광 (입사 각=0)에 대해 주어진 반사율 값을 산출 하기 위해서는 더 적은 마이크로층이 요구된다. 그러나, 이러한 무기 다층 필름은, 비교적 부담이 되는 진공 침착 공정이 요구되고 (각각의 층은 별도로 분포되어야 한다), 경질 고온 기판 (보통 두꺼운 유리)가 필요하며, 증가하는 입사각에서 p-편광 빛의 반사율이 저하 (그에 상응하여 투과율 증가)되기 때문에, 일반적으로 바람직하지 않다.
간섭 소자(121a)는 대안적으로 콜레스테릭(키랄 네마틱) 액정 필름을 포함할 수 있다. 이러한 필름들은 콜레스테릭 등급을 가진 중합체 재료의 층으로 구성되고, 여기에서 콜레스테릭 재료의 분자 나선의 축은 층에까지 횡으로 연장된다. 바람직한 파장 범위에 걸쳐 넓은 반사 대역을 가진 필름을 제공하기 위하여, 필름의 두께를 따라 나선의 피치가 변화하도록 필름을 제조할 수 있다. 입사광의 2개의 직교 편광 상태 - 좌측 및 우측 원형 편광 상태를 반사하기 위하여, 오른쪽으로 감기는 콜레스테릭 층과 왼쪽으로 감기는 콜레스테릭 층이 조합될 수 있다. 미국 특허 5,793,456호 (Broer 등) 및 6,181,396호 (Li 등)를 참조한다. 대안적으로, 간섭 소자(121a)는 미국 특허 4,799,745호(Meyer 등)에 기재된 것과 같은 금속/무기 산화물 스택을 가진 중합체 이면, 또는 미국 특허 5,440,446호 (Shaw 등), 5,725,909호 (Shaw 등), 6,010,751호 (Shaw 등) 및 6,045,864호 (Lyons 등)에 기재된 방법에 의해 제조되는 교대 중합체/무기 산화물 스택을 가진 중합체 이면을 포함할 수 있다.
기술이 선택됨에도 불구하고, 근적외선 영역에 주로 위치하는 스펙트럼 대역에서 수직 입사광을 실질적으로 반사하고, 대부분 또는 실질적으로 모든 가시광 파 장 범위에 걸쳐 수직 입사광을 실질적으로 전달하기 위하여 간섭 소자(121a)가 제조된다. 간섭 소자는 가시광 영역에서 바람직하게는 적어도 약 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 70%의 평균 투과율을 제공하고, 근적외선 영역으로 연장된 반사 대역에 걸쳐 약 5% 미만, 더욱 바람직하게는 약 2% 또는 1% 미만의 투과율을 제공한다. 실리콘 광다이오드를 이용한 검출기 시스템에서, 5%, 2% 및 1% 투과율 한계가 바람직하게는 약 800nm 내지 약 1100nm, 또는 약 700nm 내지 약 1200nm의 범위를 포함한다. 많은 경우에, 간섭 소자는 무시할 수 있을 정도의 흡수율을 갖고, 따라서 주어진 파장에서 퍼센트 투과율 + 퍼센트 반사율은 약 100%이다.
필터 소자(120)의 다른 주 성분은 흡수 소자(121b)이다. 또한, 이것은 용이한 제조 및 설계 융통성을 위해 중합체-기재 필름 또는 필름 본체인 것이 바람직하다. 흡수 소자(121b)는 하나 이상의 착색제를 함유하고, 이것은 가시광 파장에 걸쳐 불균일하게 흡수하는 안료 또는 염료를 포함할 수 있다. 또한, 적절한 착색제는, 적어도 가시광 파장 범위에 걸쳐, 육안의 감도(예를들어, 표준 광 시각 반응 V(λ))와 밀접하게 조화되는 효과적인 반응성을 검출기 시스템에 제공할 수 있다. 예를들어, 검출기 조립체(112)의 스펙트럼 반응성이 함수 DET(λ)이고, 수직 입사광에서 흡수 소자(121b)의 분광 투과율이 함수 AF(λ)이라면, DET(λ)를 AF(λ)로 곱하고 적절히 선택된 표준화 상수로 곱함으로써 정의되는 함수가, 광 함수 V(λ)에 대하여, 약 20% 이하, 더욱 바람직하게는 약 10% 이하의 감도지수 FM의 숫자를 제공할 것이다 (수학식 1). 함수 DET(λ)*AF(λ)의 최대 값이 1이 되도록 표준화 상수를 선택한다.
흡수 소자(121b)는 바람직하게는 그 안에 분산된 녹색 안료를 포함한다. 안료는 필름을 형성하는 기질에 분산되고, 기질 물질은 계획된 전형적인 필름 두께에 대해 가시광 파장에 걸쳐 실질적으로 투명하다. 인간 시력에서 녹색이 우세하기 때문에, 녹색 안료가 표준 육안 스펙트럼 반응에 대해 첫번째 근사값을 제공한다. 그러나, 인간 반응과 조화되는 검출기 시스템을 생성하기 위해서는, 검출기 시스템의 스펙트럼 반응성이 가시 영역에 걸쳐 변화되는 정도까지, 흡수 소자(121b)의 이상적인 투과율 특징이 상쇄되도록 왜곡될 수 있다는 것을 주목한다. 유용한 녹색 안료의 예는 베리디안 녹색 안료 (일본 도요 간류 고교(Toyo Ganryou Kogyou)와 같은 여러 회사로부터 입수가능한 크롬(III) 산화물 분말) (여기에서 "PG-18"이라 언급됨), 말라카이트 레이크 녹색 (일본 산스이 식소 리미티드(Sansui Shikso Ltd.)로부터 입수가능한 구리-기재 물질) (여기에서 "PG-4"라 언급됨), 프탈로시아닌 그린 (BASF 리미티드로부터 입수가능한 유기 물질) (여기에서 "PG-7"이라 일컬어짐), 및 프탈로시아닌 그린 6Y (스위스 클라리언트 인터내셔날 리미티드로부터 입수가능한 유기 물질) (여기에서 "PG-36"이라 일컬어짐)을 포함한다. 이들 중에서, 프탈로시아닌 그린 및 프탈로시아닌 그린 6Y가 높은 피크 광 투과율을 지지할 수 있고 육안 반응에 대해 밀접한 조화를 달성할 수 있기 때문에 바람직하다. 한가지 유형의 프탈로시아닌 그린 6Y 안료는 상표명 호스타펌 그린(Hostaperm Green) 8G (클라리언트 인터내셔날 리미티드)으로 시판된다. 녹색 안료를 기질 물질 또는 수지 전구체 내에 혼련하고, 필름 또는 기타 층으로 성형, 압출 또는 다른 방식으로 형성할 수 있다. 기질 내에서 녹색 안료의 농도 및 필름의 두께는 바람직한 스펙트럼 흡수 특징을 달성하도록 조절되어야 한다. 대안적으로, 녹색 안료는 결합제 성분을 함유하는 용매 중에 분산될 수 있고, 흡수 소자 (121b)를 형성하기 위해 예비-형성된 기판 상에 코팅될 수 있거나, 또는 흡수 소자(121b)를 간섭 소자(121a) 위에, 활성 부위(122)에 있는 검출기의 표면 위에, 또는 활성 부위(122)를 덮는 윈도우 또는 렌즈 소자 위에 직접적으로 코팅할 수 있다. 일부 응용을 위하여, 녹색 안료를 검출기 조립체(122)를 둘러싸는 에폭시와 같은 광 투과성 도기 재료에 분산시킬 수 있거나, 또는 필터 하우징(114)을 형성하기 위해 투명한 열가소성 재료가 사용된다면 녹색 안료를 사출 성형에 앞서서 필터 하우징 재료에 분산시킬 수도 있다.
검출기 시스템이 표적 반응과 얼마나 밀접하게 조화될 수 있는가에 따라 단일 녹색 안료가 제한된다. 본 출원인들은, 검출기 시스템이 표적 반응과 더욱 밀접하게 조화되도록 정련하기 위하여 황색 안료가 검출기 시스템의 광학 경로에 바람직하게 포함된다는 것을 알아내었다. 바람직하게는, 황색 안료를 흡수 소자 (121b) 중에서 녹색 안료와 혼합한다. 유기 및 무기 안료가 둘다 사용될 수 있지만, 유기 안료가 높은 피크 광 투과율 및 표적 반응으로의 밀접한 조화를 달성하는 능력 때문에 더 바람직하다. 황색 안료는 2종 이상의 황색, 즉 이하 상세히 설명되는 비교적 장 파장 ("적색을 띤") 황색 및 비교적 단 파장 ("청색을 띤") 황색의 혼합물을 포함할 수 있다.
적절한 유기 황색 안료의 예는 아세토아세트산 아닐리드 모노아조 안료, 예컨대 한사 옐로우 G (C.I.No. 안료 옐로우-1, 및 여기에서 PY-1로 약기), 한사 옐 로우 10G (C.I.No. PY-3), 한사 옐로우 RN (C.I.No. PY-65), 한사 브릴리언트 옐로우 5GX (C.I.No.PY-74), 한사 브릴리언트 옐로우 10GX (C.I.No.PY-98), 퍼머넌트 옐로우 FGL (PY-97), 시무라 레이크 패스트 옐로우 6G (PY-133), 리오놀 옐로우 K-2R (PY-169), 아세토아세트산 아닐리드 디아조 안료, 예컨대 디아조 옐로우 G (PY-12), 디아조 옐로우 GR (PY-13), 디아조 옐로우 5G (PY-14), 디아조 옐로우 8G (PY-17), 디아조 옐로우 R (PY-55), 퍼머넌트 옐로우 HR (PY-83), 아조 축합 안료, 예컨대 크로모프탈 옐로우 3G (PY-93), 크로모프탈 옐로우 6G (PY-94), 벤즈이미다졸론 모노아조 안료, 예컨대 호스타펌 옐로우 H3G (PY-154), 호스타펌 옐로우 H4G (PY-151), 호스타펌 옐로우 H2G (PY-120), 호스타펌 옐로우 H6G (PY-175), 호스타펌 옐로우 HLR (PY-156), 이소인돌리논 안료, 예컨대 이르가진 옐로우 3RLTN (PY-110), 이르가진 옐로우 2RLT, 이르가진 옐로우 2GLT (PY-109), 파스토겐 수퍼 옐로우 GROH (PY-137), 파스토겐 수퍼 옐로우 GRO (PY-110), 산드린 옐로우 6GL (PY-173), 및 기타 안료, 예를들어 인단트론 안료, 예컨대 플라반트론(PY-24), 안트라미리미딘 (PY-106), 프탈로일 아미드 유형 안트라퀴논 (PY-123), 헬리오패스트 옐로우 E3R (PY-99), 금속 착물 안료, 예컨대 아조 니켈 착물 안료 (PY-150), 니트로소 니켈 착물 안료 (PY-153), 아조메틴 구리 착물 안료 (PY-117), 퀴노프탈론 안료, 예컨대 프탈로이미드 퀴노프탈론 (PY-138), 팔리오톨 옐로우 D1819 (PY-139), 이소인돌린 안료, 예를들어 팔리오톨 옐로우 D1155 (PY-185), 및 벤즈이미다졸론 안료, 예를들어 토너 옐로우 HGTRAN (PY-180)을 포함한다. 이러한 안료 중에서, PY-150, PY-138, PY-139, PY-185, PY-180 및 PY-110이 바람직한데, 그 이유는 이러 한 안료가 스펙트럼 발광 효율과 밀접한 일치를 달성할 수 있고, 또한 이러한 안료가 높은 내후성을 갖고 있기 때문이다. 추가의 융통성을 위하여, 하나의 층에서 착색제들을 함께 혼합하든지, 또는 광학 경로의 어느 곳에서 별개의 층에 이들을 제공하든지 간에, 표적 함수과 더욱 밀접하게 조화시키기 위해서는 다수의 상이한 착색제들을 조합하여 흡수 소자를 형성할 수 있다. 예를들어, 적어도 2개의 상이한 황색 안료를 조합할 수 있다. 황색 안료는 일반적으로 약 400 내지 450nm의 청색광에 대해 높은 흡수성 (약 10% 미만의 퍼센트 투과율) 및 약 550 내지 700nm의 파장에 대해 낮은 흡수성 (약 90% 초과의 퍼센트 투과율)을 갖는다. 컷-온(cut-on) 전이는 2개의 영역을 분리하고, 컷-온 전이는 하나의 황색 안료로부터 다른 안료까지 파장이 서로 상이할 수 있다. 예를들어, 황색 안료 PY-139는 적색을 띤 황색이고, 약 520nm에서 컷-온 전이 (50% 전이 점에서 측정됨)를 갖는 반면, PY-180은 약 490nm에서 컷-온 전이를 갖는다.
소자(121b)를 형성하기 위해 적절한 기질 물질은 예를들어 폴리에스테르, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리프로필렌, 셀로판, 폴리카르보네이트, 셀룰로스 아세테이트, 트리아세틸 셀룰로스, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 알콜, 불소-함유 수지, 염소화 고무 및 이오노머와 같은 양호한 열 안정성을 가진 플라스틱을 포함한다. 적절한 강도 및 광 투과율을 수득하기 위해 기판의 두께는 물질에 의존하지만, 전형적으로 예를들어 10 내지 200㎛의 범위이다.
소자(121b)를 형성하기 위하여, 더욱 특별하게는 전자 비임-경화성 생성물 또는 불포화 결합을 가진 단량체 및 올리고머의 UV-경화성 생성물 및 수지 내에 반 응성 기를 가진 열가소성 수지와 폴리이소시아네이트 또는 글리시딜 화합물의 반응-경화성 생성물을 포함하여, 가교가능한 수지 조성물이 사용될 수 있다. 수지 내에 반응성 기를 함유하는 상기 열가소성 수지로서, 예를들어 폴리에스테르 수지, 폴리아크릴산 에스테르 수지, 폴리아크릴산, 스티렌 수지, 폴리비닐 아세테이트 수지, 폴리우레탄 수지, 스티렌 아크릴레이트 수지, 폴리아크릴레이트 수지, 폴리아크릴 아미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에테르 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리올레핀 수지, 비닐 수지, 예컨대 폴리비닐클로라이드 수지 및 폴리비닐 알콜 수지, 셀룰로스 수지, 예컨대 셀룰로스 수지, 히드록시에틸 셀룰로스 수지 및 셀룰로스 아세테이트 수지, 폴리비닐 아세탈 수지, 예컨대 폴리비닐 아세토아세탈 수지 및 폴리비닐 부티랄 수지, 실리콘-개질 수지 및 장쇄 알킬-개질 수지를 포함한 당 기술분야에 공지된 수지들이 사용될 수 있다. 폴리아크릴산 에스테르 수지 및 폴리아크릴산 스티렌 수지가 특히 바람직하다.
이러한 결합제 수지의 경화(setting)(즉, 경화(curing)) 방법은 특별히 제한되지 않으며, 가열 및 이온화 복사선으로의 조사를 포함할 수 있다. 다양한 이소시아네이트 경화제가 통상적으로 알려져 있으며, 이들 중에서 상업적으로 시판되는 제품 중에서 다께나테(TAKENATE) (다께다 케미칼 인더스트리즈 리미티드 제), 버녹(BURNOCK) (다이니뽕 잉크 앤드 케미칼스 인코포레이티드 제), 코로네이트(Koronate) (닛뽕 폴리우레탄 인더스트리 컴퍼니) 및 디스모듈(바이엘 컴퍼니 제)를 포함하여 방향족 이소시아네이트의 부가물 형태의 사용이 바람직하다. 이소시아네이트 경화제에서와 같이, 상업적으로 입수가능한 제품으로서 비스페놀 A 유형 에폭시 수지, 예컨대 에피코테(EPIKOTE) 828 (유까 쉘 에폭시 컴퍼니(YUKA Shell Epoxy Co.)제) 및 노볼락 에폭시 수지, 예컨대 에피코테 180S80 (유까 쉘 에폭시 컴퍼니 제) 및 소르비톨 에폭시 수지, 예컨대 데나콜 EX-614 (나가세 켐 텍스 컴퍼니(Nagase Chem Tex, Co) 제)를 포함하여 다양한 에폭시 경화제가 통상적으로 공지되어 있다. 사용된 상기 결합제 수지의 100중량부에 대해 첨가된 폴리이소시아네이트 및 에폭시 수지의 양은 바람직하게는 5 내지 100중량부, 더욱 바람직하게는 20 내지 80중량부의 범위이다. 첨가제의 양이 너무 작을 때, 가교 밀도가 너무 낮아지고, 이것은 내열성 및 내화학약품성을 불충분하게 한다. 첨가제의 양이 너무 클 때, 코팅 액체의 저장 수명이 짧아지고, 코팅된 표면이 너무 점성이 되며, 그 결과 제조 공정 동안에 취급 곤란함과 같은 불편함이 따른다.
가교 가능한 수지 조성물로서, 불포화 결합을 가진 단량체 및 올리고머의 전자-비임 경화 생성물 또는 UV-경화 생성물이 사용될 수 있다. 적어도 하나의 중합가능한 탄소-탄소 불포화 결합을 가진 화합물이 경화 결합제로서 사용될 수 있다. 구체적으로, 여기에서 사용가능한 화합물은 아릴 아크릴레이트, 벤질 아크릴레이트, 부톡시 에틸 아크릴레이트, 부톡시에틸렌 글리콜 아크릴레이트, 시클로헥실 아크릴레이트, 디시클로펜타닐 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 글리세롤 아크릴레이트, 글리시딜 아크릴레이트, 2-히드록시에틸 아크릴레이트, 2-히드록시프로필 아크릴레이트, 이소보르닐 아크릴레이트, 이소덱실 아크릴레이트, 이소옥틸 아크릴레이트, 라우릴 아크릴레이트, 2-메톡시에틸 아크릴레이트, 메톡시에틸렌 글리콜 아크릴레이트, 페녹시에틸 아크릴레이트, 스테아릴 아크릴레이트, 에틸렌 글 리콜 디아크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 1,4-부타디올 디아크릴레이트, 1,5-펜타디올 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 1,3-프로판디올 디아크릴레이트, 1,4-시클로헥산디올 디아크릴레이트, 2,2-디메틸롤프로판 디아크릴레이트, 글리세롤 디아크릴레이트, 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 글리세롤 트리아크릴레이트, 트리메틸롤 프로판 트리아크릴레이트, 폴리옥시에틸-트리메틸롤 프로판 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 폴리옥시프로필 트리메틸롤프로판 트리아크릴레이트, 부틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 1,2,4-부탄트리올 트리아크릴레이트, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜타디올 디아크릴레이트, 디아릴 푸마레이트, 1,10-데칸디올 디메틸 아크릴레이트, 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트, 및 메타크릴레이트기로 치환된 아크릴레이트 기를 가진 상기 화합물, γ-메타크릴옥시프로필 트리메톡시 실란, 1-비닐-2-피롤리돈, 2-히드록시에틸 아크릴로일 포스페이트, 아크릴레이트 단량체, 예컨대 테트라히드로푸르푸릴 아크릴레이트, 디시클로펜테닐 아크릴레이트, 디시클로펜테닐 옥시에틸 아크릴레이트, 3-부탄디올 디아크릴레이트, 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 히드록시피발산 에스테르 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 페놀에틸렌 옥사이드 개질 아크릴레이트, 페놀프로필렌 옥사이드 개질 아크릴레이트, N-비닐-피롤리돈, 비스페놀A-에틸렌 옥사이드 개질 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨 디아크릴레이트 모노스테아레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트, 트리메틸롤 프로판 프로필렌 옥사이드 개질 트리아크릴레이트, 이소시아 누르산 에틸렌 옥사이드 개질 트리아크릴레이트, 트리메틸롤 프로판 에틸렌 옥사이드 개질 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 펜타아크릴레이트, 펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트, 및 메타크릴레이트기로 치환된 아크릴레이트기를 가진 상기 화합물, 아크릴레이트기가 폴리우레탄 구조를 가진 올리고머와 결합된 우레탄 아크릴레이트 올리고머, 아크릴레이트기가 폴리에스테르 구조를 가진 올리고머와 결합된 폴리에스테르 아크릴레이트 올리고머, 아크릴레이트기가 에폭시기를 가진 올리고머와 결합된 에폭시아크릴레이트 올리고머, 메타크릴레이트기가 폴리우레탄 구조를 가진 올리고머와 결합된 우레탄 메타크릴레이트 올리고머, 메타크릴레이트기가 폴리에스테르 구조를 가진 올리고머와 결합된 폴리에스테르 메타크릴레이트 올리고머, 메타크릴레이트기가 에폭시기를 가진 올리고머와 결합된 에폭시메타크릴레이트 올리고머, 아크릴레이트기를 가진 폴리우레탄 아크릴레이트, 아크릴레이트기를 가진 폴리에스테르 아크릴레이트, 아크릴레이트기를 가진 에폭시아크릴레이트 수지, 메타크릴레이트기를 가진 폴리우레탄 메타크릴레이트, 메타크릴레이트기를 가진 폴리에스테르 메타크릴레이트, 메타크릴레이트기를 가진 에폭시메타크릴레이트 수지를 포함한다.
이들은 유용한 경화 결합제의 단순한 예이며, 유용한 경화 결합제는 이러한 예에 한정되지 않는다. 이러한 경화 결합제의 함량은 바람직하게는 전체 고체 성분의 10 내지 40중량%의 범위이다.
바람직하게는, 흡수 소자(121b)는, 가시 영역에서 표적 함수과 밀접하게 조화되는 성능을 가진 검출기 시스템을 제공하는 주요 시스템 성분이다. 반대로, 간 섭 소자(121a)는, 그의 투과율이 가시 범위에 걸쳐 비교적 일정하기 때문에, 가시광 영역에서 검출기 시스템 성능에 덜 영향을 미친다. 그러나, 간섭 소자(121a)는 바람직하게는 근적외선 영역에서 주된 영향을 갖고, 이러한 파장 영역에서 검출기 조립체(112)의 높은 감도를 방해하기 위한 차단 기능 (낮은 투과율, 높은 반사율)을 제공한다. 이러한 배열의 장점은, 간섭 소자(121a)가, 근적외선 차단 및 육안 반응에 조화되기 위해 필요한 가시광 영역에서 정확한 가변성(종-모양 함수)을 제공하는 간섭 소자에 비하여, 훨씬 더 간단하고 더욱 튼튼한 구조를 가질 수 있다는 점이다. 간단하고 튼튼한 구조는 간섭 소자에 대해 높은 수율 및 감소된 폐기율을 제공한다. 바람직한 배열의 다른 장점은 양호한 축-이탈(off-axis) 성능이다. 흡수 소자의 투과 스펙트럼은 간섭 소자의 투과 스펙트럼에 비하여 입사각의 함수로서 파장 변이에 덜 민감하다는 것이다. 이것은, 넓은 원추형의 입사광으로 검출기 시스템(100)을 조사하는 광학 시스템에서 더욱 중요하다. 간섭 소자의 근-적외선 반사 대역이 가시광 스펙트럼의 적색 부위로 파장 변이되는 것은, 가시 영역에 걸쳐 요구되는 반응을 제공하기 위해 사용되는 종-모양 함수의 동일한 파장 변이에 비하여, 성능에 대해 더 적은 효과를 미친다. 즉, 가시 영역에서의 종-모양 함수를 주로 흡수 성분과 결합시키고, 가시 영역 밖 (근적외선 및 임의로 자외선)에서의 빛 거부를 주로 간섭 반사기와 결합시키는 것이 유리하다.
도 3은, 이상적인 형태에서, 검출기 시스템(100)의 전체 스펙트럼 반응에 대한 각종 시스템 성분의 기여를 보여준다. 곡선(200)은 전형적인 실리콘 광다이오드 검출기의 스펙트럼 반응성 (예를들어, 앰프/와트)를 나타낸다. 이러한 검출기 는 스펙트럼의 장 파장(적색) 말단 쪽으로 기울어진 가시 영역에서의 반응을 갖고, 이것이 급강하하기 전에 근적외선으로 계속 증가하며, 약 1100 내지 1200nm 범위에서 무시할 정도가 된다. 검출기는 또한 자외선 영역(약 400nm 미만)에서 무시할 수 없을 정도의 반응성을 가질 수도 있다. 곡선(202)은 흡수 소자(121b)의 퍼센트 투과율을 나타낸다. 바람직하게는, 이러한 층은 그 안에 분산된 녹색 및 황색 안료를 모두 포함한다. 곡선(202)은 가시광 영역에서 대략적인 종-모양 반응을 제공하지만, 검출기 반응성(200)이 큰 다른 파장에서는 상당한 빛 누출을 나타낸다. 나타낸 것과 같이, 근적외선에서의 다량의 빛 누출은 자외선에서의 일부 누출에서와 같이 드문 것이 아니다. 수직 입사에서 간섭 소자의 퍼센트 투과율을 나타내는 곡선(204)은, 단 파장 대역 경계(204a) 및 장 파장 대역 경계(204b)에 의해 경계지워지는 강한 반사 대역을 갖는다. 반사 대역의 높은 반사율은 대부분의 대역에 걸쳐 낮은 퍼센트 투과율, 바람직하게는 5% 미만, 더욱 바람직하게는 2% 미만 또는 심지어 1% 미만의 낮은 퍼센트 투과율을 제공한다. 최대 투과율 지점의 1/2 또는 최대 반사율 점의 1/2로서 측정되는 대역 경계(204a)는, 바람직하게는 상기 설명된 이유에서 가시 영역에 근접하고, 바람직하게는 약 630 내지 770nm, 임의로 약 600 내지 850nm에 위치한다. 대역 경계(204a)가 700nm 너머까지 실질적으로 배치되는 경우에, 약 700nm 내지 대역 경계(204a) 사이의 간격에서 직각인 근적외선 빛을 차단하기 위하여, 미국 특허 6,049,419호 (Wheatley 등)에 기재된 것과 같은, 추가의 흡수제 또는 반사기가 흡수 소자, 간섭 소자, 또는 이들의 조합 내에 포함될 수 있다.
비스듬한 입사 광을 위한 각 변위 및 제조 허용한계를 고려하기 위해서는, 검출기 반응성이 무시할 수 있을 정도가 되는 파장 너머로 적어도 약 50nm에 장 파장 대역 경계(204b)를 배치하는 것이 바람직하다. 실리콘 광다이오드의 경우에, 대역 경계(240b)가 바람직하게는 약 1150 내지 1350nm 사이에 배치된다. 곡선(204)은 대부분의 가시 영역에 걸쳐 비교적 높은 퍼센트 투과율을 나타내고, 400 내지 700nm에서 바람직하게는 평균 적어도 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 70% 또는 심지어 적어도 80%의 퍼센트 투과율을 나타낸다. 간섭 소자가 1/4-파 스택 또는 중요한 3차 반사를 일으키는 다른 구조물을 포함한다면, 자외선 영역에 고차 반사 대역이 존재하며 (도 3에서 일부를 나타냄), 장 파장 대역 경계(240b)가 약 1200nm 이상에 위치한다면 이것이 가시 스펙트럼의 청색 끝으로 부분적으로 연장될 수도 있다는 것을 주목한다. 3차 또는 그 이상의 고차 반사 대역은, 흡수 소자가 이 파장 범위에서 상당한 투과성을 갖는다면, 자외선 영역에서 검출기 시스템 반응을 허용가능한 낮은 수준까지 유지하는 것을 도울 수 있다.
검출기 시스템 반응 (D(λ) 이상)은 곡선(206)으로 표시된다. 이 곡선은 입사광이 검출기 표면에 부딪힐 때까지 입사광의 경로에서 모든 시스템 성분의 스펙트럼 반응의 생산물이고, 이 실시예에서는 곡선 (200), (202) 및 (204)이다. 곡선 (206) (및 시스템 반응 D(λ))은 바람직하게는 표준화되고, 즉 최대 값이 1이 되도록 비례축소 상수에 의해 곱해진다. 그 결과, 곡선(206)은 바람직하게는 육안 광 반응 또는 유사한 표적 반응에 밀접하게 조화된다.
원하는 전체 성능을 보장하기 위하여 일부 시스템 성분들은 다른 것들보다 더욱 쉽게 조절된다. 예를들어, 반도체 광다이오드의 스펙트럼 반응성을 변형하기 위하여 기술들이 존재할 수도 있긴 하지만, 본 발명의 목적을 위해서는, 시스템 반응의 검출기 성분(곡선 200)이 조절될 수 없는 변수인 것으로 간주된다. 다른 한편, 공지된 바와 같이, 바람직한 공칭 투과율 또는 반사율 함수를 갖도록 간섭 소자(121a)를 설계할 수 있지만, 다른 시스템 성분에서 예를들어 로트-대-로트 변화를 상쇄하기 위해 투과율 기능을 조절하는 것은, 제조 공정의 복잡한 성질 및 이러한 공정의 변화와 연관된 난점 및/또는 높은 비순환 비용으로 인하여 바람직하지 않다. 이에 비하여, 흡수 소자(121b)의 제조 및 그의 조절은, (적절한 기질 물질 및 안료(들)의 선택 후에) 안료(들)의 농도 및 소자의 두께를 조절하는 것을 포함하여 비교적 간단하다. 따라서, 검출기 조립체(112), 간섭 소자(121a) 및 기타 시스템 성분의 스펙트럼 특징을 측정하거나 다른 방식으로 알아낸 후에, 흡수 소자(121b)가 바람직하게 제조된다. 계산 및/또는 시행 착오를 통하여, 표적 반응으로부터의 평균 편차를 최소화하기 위하여 안료 농도(들) 및 소자(121b)의 두께를 조절한다. 광학 필터의 분광 투과율은 예를들어 다음과 같이 설계된다.
먼저, 검출기의 분광 감도를 적어도 가시 및 근적외 영역에서 측정하고, 간섭 소자(121a)의 분광 감도(분광 투과율)를 적어도 동일한 파장 영역에 걸쳐 측정한다. 또한, 흡수 소자(121b)에서 사용되는 안료(들)의 흡광 계수를 미리결정된 파장 범위에서 측정한다. 흡수 소자(121b)의 분광 투과율의 계산을 위해 필요한 (그러나, 필름 또는 기타 본체의 안료 농도 및 두께를 독립적인 변수로서 사용하는) 방정식을 얻기 위하여, 흡광 계수가 람버트-비어 (Lambert-Beer) 법칙의 식 안으로 치환된다. 2 이상의 안료가 사용된다면, 이들은 독립적으로 작용하고 소자(121b)에 균일하게 함유되는 것으로 추측된다.
검출기 감도, 간섭 소자 감도, 람버트-비어 방정식 및 비례축소 인자를 사용하여, 표준화 시스템 반응 함수 D(λ)를 계산하고, 독립적인 변수 (안료 농도 및 흡수 소자의 두께)의 함수로서 수학적인 형태로 상기 수학식 1로부터의 감도지수 FM을 수득한다. 이어서, 예를들어 단순 방법 (연속적인 어림에 의해 최적의 답을 얻기 위해, 선형 프로그래밍에서 사용되는 유한 반복 연산방식)을 사용하여, 이러한 변수를 위한 최적 값을 결정하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고, 그에 따라 필름과 같은 소자를 제조한다. 이러한 컴퓨터 방법 대신에, 가시광 보정 부재의 두께 및 녹색 안료와 황색 안료의 농도 및 비율을 위한 최적 값을 결정하기 위하여, 실험 등을 사용하는 시행착오 방법을 사용할 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 흡수 소자(121b)에서 녹색 및 황색 안료의 농도는 소자의 두께에 의존된다. 즉, 농도들은 독특하게 한정되지 않지만, 일반적으로 이들이 분산된 층의 10 내지 50중량%, 바람직하게는 20 내지 40중량%의 범위이다.
예컨대 PCT 공보 WO 99/39224 (Quderkirk 등)에 기재된 것과 같이 EMI 차폐 층, 대전방지 층, UV-컷팅 층, 방오층 등과 같은 추가의 층 및 소자들이 검출기 시스템에서 사용될 수 있다. 다른 추가의 층의 예는 반사 방지 코팅이다. 검출기 시스템의 허용 각을 증가시키고, 검출기 시스템이 입사 광의 공간 및/또는 각 가변성에 덜 민감하도록 하기 위하여, 확산기가 또한 사용될 수 있다. 바람직하게는, 확산기는 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 높은 퍼센트 투과율 (적어도 약 90%, 더욱 바 람직하게는 적어도 약 95%)을 갖지만, 높은 연무 값 (적어도 약 80%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 85%)을 갖고, 따라서 거의 모든 입사광이 확산기를 통과함에도 불구하고 넓은 원추 각으로만 빛이 분산된다. 하나의 적절한 확산기는 키모토 리미티드(Kimoto Ltd.)로부터 모델 100LSE로 입수가능하고, 이것은 95.4% 가시 투과율 및 83.9% 연무를 갖는다. 모델 100LSE 확산기는 100㎛ 두께 PMMA 필름 위에서 PMMA 입자 층(30㎛의 평균 입자 크기)을 포함한다. 다른 적절한 확산기는 레이코 리미티드(Reyco Ltd.)로부터 모델 TRX-110으로 입수가능하고, 97.7% 가시 투과율 및 89.8% 연무를 갖는다. 일부 응용을 위하여, 확산 소자를 흡수 소자 기질 내에 혼합하는 것이 바람직하고, 따라서 양쪽 모두 단일 작업으로 코팅될 수 있다.
필터 조립체(110), 검출기 조립체(112) 및 그의 성분을 위해 다양한 종류의 구조가 가능하다. 소자(121a, 121b)가 별도로 제조되고 투명한 접착 층에 함께 부착될 수 있다. 또한, 이들은 상기 언급된 것과 같은 사이에 낀 공간, 윈도우 또는 기타 광학 소자를 갖거나 갖지 않은 채로 하나가 다른 하나의 위에 간단하게 적층될 수 있다. 일부 구조에서, 흡수 소자(121b)는 이미 만들어진 간섭 필름에 착색 수지로서 적용된 다음 경화 단계를 거칠 수 있다. 이러한 경우에, 착색된 수지는 스핀-코팅과 같은 회분식 공정을 사용하거나 나이프 코팅, 다이 코팅 등과 같은 연속 공정을 사용하여 적용될 수 있다.
대안적으로, 간섭 필름이 포함할 수 있는 표피 층 (임의로 두꺼운 층)을 포함하여 하나 이상의 간섭 필름 층에 안료 또는 기타 착색제를 혼입함으로써, 소자(121a, 121b)는 단일 본체 또는 필름으로서 제조될 수 있다. 간섭 소자(121a)가 광학적으로 투명한 접착제 층에 의해 연결된 2 이상의 다층 광학 필름의 적층물일 때, 흡수성 착색제의 일부 또는 전부가 적층물의 접착제 층 안에 혼입될 수 있다.
다른 접근법에서, 흡수 소자는 검출기의 활성 표면(122)에 직접적으로 적용되는 것을 포함하여 착색된 수지로서 다른 표면에 적용될 수 있으며, 이어서 경화될 수 있다. 도 2a 참조. 이러한 경우에, 착색된 수지를 반도체 웨이퍼 위에 스펀-코팅할 수 있고, 이로부터 다수의 검출기의 각각이 도막썰기(dicing)에 의해 수득될 수 있다. 도막썰기에 앞서서, 적절하다면 열 또는 복사선의 적용에 의해 수지를 경화시킨다. 예를들어 전기 접촉을 위한 기판 부위를 노출시키기 위하여 경화된 수지를 표준 사진평판 기술로 패턴화할 수 있다. 흡수 소자는 별개의 층 또는 필름을 포함할 수 있고, 이들의 각각은 부분적으로 필요한 흡수 기능에 기여한다. 예를들어, 흡수 소자(121b)는 녹색 착색 필름 및 별개의 황색 착색 필름을 포함할 수 있다. 잉크-젯 인쇄, 실크-스크리닝 등과 같이, 착색 수지를 검출기 또는 다른 기판에 적용하기 위한 다른 방법이 사용될 수 있다.
소자 (121a, 121b)가 별개의 성분으로서 유지된다면, 흡수 소자가 간섭 소자의 앞에 있는 광학 경로에 위치할 수 있거나 (즉, 검출기 활성 부위 쪽으로 전파되는 빛이 간섭 소자를 통해 통과하기 전에 흡수 소자를 통해 통과한다) 또는 그 반대일 수 있다. 흡수 소자가 간섭 소자의 앞에 있다면, 검출기 시스템에 의해 빛이 덜 반사되고, 따라서 산란된 빛을 감소시킨다. 간섭 소자가 흡수 소자의 앞에 있다면, 광학 필터에 의해 흡수되는 전체 빛이 적어지고, 이것은 긴 수명을 위해 유리할 수 있다.
일부 응용을 위하여, 간섭 소자(121a), 흡수 소자(121b) 또는 간섭 소자와 흡수 소자(121a/121b) 양쪽 모두를 검출기 표면에 직접 적용하는 것이 바람직할 수도 있다. 상기 언급된 바와 같이, 용어 "검출기"란, 반도체 검출기의 경우에 그 안에 형성된 하나 이상의 활성 접합 부위를 가진 반도체 웨이퍼를 포함하여, 최종 포장된 필름에서든지 또는 초기 구성 단계에서든지 전자기 에너지를 전기 신호로 전환하는 구조물을 가리킨다. 그 자체로서, 예를들어 중합체 다층 간섭 필터 필름(각각의 금속 또는 금속 산화물 층을 포함할 수도 있다)의 경우에 적층에 의하여, 콜레스테릭 액정 필름의 경우에 코팅에 의하여, 또는 무기 다층 박막 또는 중합체/금속 또는 중합체/무기 산화물 스택의 경우에 스퍼터 또는 증착에 의하여, 간섭 소자(121a)가 반도체 웨이퍼의 표면에 직접 적용될 수 있다. 간섭 소자(121a)가 자체로 독립적인 필름 또는 검출기 표면에 적용되어진 중합체 또는 유리 지지체 위에있는 얇은 필름인 경우에, 검출기 표면 위에 간섭 소자(121a)를 고정하기 전에, 흡수 소자(121b)가 간섭 소자(121a)에 적용될 수 있으며, 그 결과 흡수 소자(121b)가 검출기 표면에 접한 간섭 소자(121a)의 주 표면 위에 배치되거나, 또는 검출기 표면으로부터 떨어져 있는 간섭 소자(121a)의 주 표면에 배치되거나, 또는 다층 간섭 소자(121a)의 층 안에 혼입될 수 있다. 교대로, 흡수 소자(121b)가 간섭 소자(121a)의 적용에 앞서 검출기의 표면에 적용될 수 있거나, 또는 간섭 소자(121a)가 검출기의 표면에 고정된 후에 간섭 소자(121a)의 표면에 적용될 수 있다. 일부 구현양태에서, 광검출기 또는 반도체 웨이퍼, 간섭 소자(121a) 및 흡수 소자(121b)가, 웨이퍼 표면과 간섭 소자(121a) 사이에 삽입된 흡수 소자(121b)와 함께 서로 공동-확장될 수 있거나, 또는 간섭 소자(121a)가 웨이퍼 표면과 흡수 소자(121b) 사이에 삽입될 수 있다. 간섭 소자, 흡수 소자, 또는 이들의 조합 (이에 한정되지 않지만 EMI 차폐, 대전방지, UV-컷팅, 방오, 반사방지 및/또는 확산 층을 포함하여 앞서 언급된 추가의 층 및 소자를 포함할 수도 있음)이 반도체 웨이퍼에 적용된 후에, 얻어지는 구조물을 개별적인 검출기/필터 칩으로 분리하거나 토막썰기할 수 있고, 적절하게 포장할 수 있다.
흡수 소자는 전체적으로 또는 부분적으로 필터 하우징(114)에 혼입될 수 있다. 도 2b에 나타낸 것과 같이, 필터 하우징은 필터 구경을 가질 필요가 없지만, 그 대신 그 안에 분산된 하나 이상의 착색제를 포함하는 부분 투명 상부(114c)를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 필터 하우징은 검출기 조립체의 삽입을 위하여 단지 하나의 구경(118)을 가질 수 있다. 또한, 하나 이상의 착색제가 앞서 언급된 도기 재료에 분산될 수 있다. 이러한 도기 재료는 필터 하우징 내에서 검출기 조립체(112)를 자리잡게 하고 적어도 부분적으로 가시광을 여과하는 이중 목적을 수행할 수 있다.
자동화 제조를 위하여, 간섭 소자(121a)의 긴 개별 조각들을 이러한 필름의 시트 또는 롤과 같은 긴 조각에서 잘라낼 수 있다. 간섭 필름이 상기 기재된 바와 같은 중합체 마이크로층의 스택을 포함한다면, 비-접촉 레이저 절단 기술이 기계적 절단 기술에 비해 바람직한데, 그 이유는 비-접촉 레이저 절단 기술이 층 박리되기 쉽지 않은 조각을 위한 경계 또는 테두리를 생성하는 것으로 밝혀졌기 때문이다. 바람직하게는, 제거가능한 라이너가 레이저 절단 공정 동안에 간섭 소자(121a)를 덮고, 절단의 결과로서 형성된 라이너의 개별 조각들을 접착제 테이프를 사용하여 소자(121a)의 상응하는 조각으로부터 제거한다. 도 1 및 도 2에 나타낸 것과 같이, 다수의 필터 하우징 반쪽 (114a, 114b)을 동시에 함께 결합시켜, 소자(121a)의 조각을 따라 균일한 간격으로 떨어져 있는 실질적으로 동일한 필터 하우징(114)의 선형 어레이를 형성할 수 있다. 개개의 필터 하우징이 바람직하다면, 소자(121a)의 조각, 바람직하게는 필름 또는 필름 본체를 하우징 사이에서 가를 수 있다. 2002년 10월 10일 출원된 미국 특허 출원 공고 US 2003/0217806 A1 (발명의 명칭: "다층 광학 필름을 깨끗하고 빠르게 분할하기 위한 방법") 참조. 미국 특허 출원 공고 US 2003/0219577 A1 ("층 박리를 제어하기 위한 용융 대역을 가진 다층 광학 필름") (2002년 10월 10일 출원)에 기재된 바와 같이, 층 박리를 제어하기 위해 간섭 소자에 용융 대역을 제공하기 위하여, 레이저 절단 시스템이 또한 사용될 수 있다.
하기 실시예에서, 다양한 시스템 성분들이 다음과 같이 제조되거나 수득되었다.
녹색 잉크(G1)
100중량부의 녹색 안료 유형 PG-36 (클라리언트 GmbH에 의해 상표명 호스타펌 그린(Hostaperm Green) 8으로 시판됨) 및 35중량부의 안료 분산제 (BYK 케미에 의해 상표명 디스퍼빅(Disperbyk) 2000으로 시판됨)을, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트 및 부틸 셀로솔브의 85:15 용매 혼합물에 샌드 밀을 사용하여 분 산시켰다. 고형 성분의 함량은 27%였다. 분석 목적을 위하여, 잉크를 유리 기판에 적용하고, 약 80℃의 대류 오븐을 사용하여 약 0.5㎛의 두께로 경화시켰다. 이렇게 제조된 녹색 안료의 퍼센트 투과율은 히다찌 모델 U-4000 분광분석계에서 200 내지 1300nm로 측정되었으며, 도 4에서 곡선 PG-36로서 나타낸다.
첫번째 황색 잉크(Y1)
100중량부의 황색 안료 유형 PY-139 (BASF 제조, 팔리오톨 옐로우(Paliotol Yellow) D1819) 및 15중량부의 안료 분산제 (BYK 케미에 의해 상표명 디스퍼빅 2000으로 시판됨)를, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트 및 부틸 셀로솔브의 85:15 용매 혼합물에 샌드 밀에 의해 분산시켰다. 고체 성분의 함량은 25% 였다. 분석 목적을 위하여, 잉크를 유리 기판에 적용하고, 약 80℃의 대류 오븐을 사용하여 약 0.5㎛의 두께로 경화시켰다. 이렇게 제조된 황색 안료의 퍼센트 투과율은 히다찌 모델 U-4000 분광분석계에서 200 내지 1300nm로 측정되었으며, 도 4에서 곡선 PY-139로서 나타낸다.
두번째 황색 잉크(Y2)
100중량부의 황색 안료 유형 PY-180 (클라리언트 GmbH에 의해 HGTRAN 옐로우토너로 시판됨) 및 50중량부의 안료 분산제 (BYK 케미에 의해 상표명 디스퍼빅 2000으로 시판됨)를, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트 및 부틸 셀로솔브의 85:15 용매 혼합물에 샌드 밀을 사용하여 분산시켰다. 고체 성분의 함량은 25% 였다. 분석 목적을 위하여, 잉크를 유리 기판에 적용하고, 약 80℃의 대류 오븐을 사용하여 약 0.5㎛의 두께로 경화시켰다. 이렇게 제조된 황색 안료의 퍼센트 투과 율은 히다찌 모델 U-4000 분광분석계에서 200 내지 1300nm로 측정되었으며, 도 4에서 곡선 PY-180으로서 나타낸다.
첫번째 혼합 잉크 조성물(GY1)
상기 기재된 바와 같이 제조된 G1, Y1 및 Y2를 PG-36:PY-139:PY-180=54:35:11의 최종 안료 비율로 혼합하였다. 3:1 비율의 스티렌 아크릴산 수지 (존슨 폴리머에 의해 상표명 존크릴(Johncryl) 690로 시판됨) 및 에폭시 수지 (나가세 켐 텍스에 의해 제조된 유형 데나코르(Denachor) EX614)를 결합제 수지로서 첨가하고, 안료의 최종 비율을 25중량%로 조절하였다. 최종 잉크 조성물의 용매 조성은 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트:톨루엔:부틸 셀로솔브 =75:15:10이고, 고체 성분의 함량은 17%였다. 분석 목적을 위하여, 잉크 조성물을 유리 기판에 적용하고, 약 80℃의 대류 오븐을 사용하여 약 1.7㎛의 두께로 경화시켰다. 첫번째 혼합 안료의 퍼센트 투과율은 히다찌 모델 U-4000 분광분석계에서 200 내지 1300nm로 측정되었으며, 도 5에서 곡선 GY1으로서 나타낸다.
두번째 혼합 잉크 조성물(GY2)
상기 기재된 바와 같이 제조된 G1 및 Y1를 PG-36:PY-139=50:50의 최종 안료 비율로 혼합하였다. 3:1 비율의 스티렌 아크릴산 수지 (존슨 폴리머에 의해 상표명 존크릴(Johncryl) 690로 시판됨) 및 에폭시 수지 (나가세 켐 텍스에 의해 제조된 유형 데나코르(Denachor) EX614)를 결합제 수지로서 첨가하고, 안료의 최종 비율을 25중량%로 조절하였다. 최종 잉크 조성물의 용매 조성은 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트:톨루엔:부틸 셀로솔브 =75:15:10이고, 고체 성분의 함량 은 17%였다. 분석 목적을 위하여, 잉크 조성물을 유리 기판에 적용하고, 약 80℃의 대류 오븐을 사용하여 약 1.7㎛의 두께로 경화시켰다. 두번째 혼합 안료의 퍼센트 투과율은 히다찌 모델 U-4000 분광분석계에서 200 내지 1300nm로 측정되었으며, 도 5에서 곡선 GY2로서 나타낸다.
첫번째 간섭 소자(IF1)
폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)/폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 90/10 공중합체 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로부터 만들어진 저 용융 coPEN의 교대하는 층들을 약 277℃에서 공압출하여, 저 용융 coPEN으로 구성된 2개의 외부 표피 층 사이에 삽입된 224개 개개의 층들을 가진 압출물을 형성함으로써 중합체 다층 간섭 필름을 제조하였다. 이러한 층들은 스택에 수직인 축을 따라 대략 선형 두께 구배를 가진 112개 단위 셀로 필수적으로 구성된 광학 다발을 한정하였다. 다발의 한쪽에 위치한 가장 두꺼운 단위 셀은, 다발의 다른 쪽에 위치한 가장 얇은 단위 셀보다 약 1.3배 더 두꺼웠다. 광학 다발을 비대칭적으로 증가시켜, 다발 사이에 외부 표피층과 내부 중합체 경계 층(PBL)을 가진 448개 개개의 층을 갖는 다층 광학 필름 구조를 수득하였다. 광학 다발의 하나가 다른 다발의 약 1.3배의 전체 두께를 갖도록 층 증가를 수행하였다. 압출물을 냉각 롤러 상에서 급냉시켜, 주조 다층 필름을 형성하였다. 주조 필름을 연속적으로 각각 연신비 3.4:1 및 3.4:1을 사용하여 기계 방향(MD) 및 횡 방향(TD)에서 연신시켜, coPEN 층에서 각각 약 1.744, 1.720 및 1.508의 평면내 굴절율 (n1x, n1y) 및 평면외 굴절율(n1z)을 갖고, PMMA 층에서 각각 약 1.495, 1.495 및 1.495의 평면내 굴절율 (n2x, n2y) 및 평면외 굴절율(n2z)을 갖는 최종 필름을 생성하였다. 550nm에서 메트리콘(Metricon) 표면 파 특징화 장치를 사용하여 모든 지수를 측정하였다. 최종 필름은 각각 1/4-파 구조의 2개의 광학 다발을 포함하였으며, 각각은 광학 다발 내에서 반사된 파장 범위를 제공하기 위해 필름의 평면에 대해 수직인 축을 따라 대략 선형의 두께 구배를 가졌다. 최종 필름에서 가장 두꺼운 단위 셀은 최종 필름에서 가장 얇은 단위 셀에 비해 약 1.8배 두께를 가졌으며, 이것은 약 665nm 내지 1220nm의 반사된 파장 범위에 상응하였다. 광학 구조의 외부에서 표피 층은 저 용융 coPEN이었으며, 대략 11㎛ (0.43mils)의 두께를 가졌다. 전체 필름 두께는 약 90㎛ (3.7mils)이었다.
상기 기재된 바와 같이 만들어진 다층 필름의 2개의 실질적으로 동일한 롤을 광학 성질을 기초로 하여 선택하였으며, 접착성을 향상시키기 위해 코로나 처리하였다. 코로나-처리된 필름의 하나를 UV-개시된 접착제로 약 122㎛ (5mils)의 두께로 코팅하였으며, 접착제의 경화 과정을 활성화시키기 위하여 UV 광으로 조사하였다. 고온 용융 압출 공정에 의해 만들어진 접착제는 열가소성 성분(에틸렌 비닐 아세테이트), 경화성 수지 성분 (에폭시 및 폴리올의 혼합물) 및 광개시제 성분 (트리아릴 술포늄 헥사플루오로안티모네이트 염)의 균질 혼합물이었다. 이어서, 2개의 다층 필름을 함께 적층시키고, 25℃(80℉)에서 10분간 열 담금질에 의하여 적층 접착제의 경화를 가속화하였다. 얻어진 필름 본체 또는 간섭 소자("IF1")은 그 들 사이에 투명한 접착제 층을 가진 2개의 다층 광학 필름으로 구성되었다. 소자는 롤의 형태이고 대략 300㎛ (12.4mils)의 두께를 가졌다.
이렇게 만들어진 간섭 소자 IF1은 수직 입사광에 대해 근적외선 파장 영역에서 반사 대역 및 가시광 영역에서 통과 대역을 나타내었다. 퍼센트 투과율은 약 450 내지 640nm에서 약 70% 이상이고, 약 700 내지 1140nm에서 1% 미만이며, 680 내지 700nm 및 1140 내지 1160nm에서 5% 미만이었다. 퍼센트 투과율은 히다찌 모델 U-4000 분광계에서 200 내지 1300nm의 비편광 수직 입사광을 사용하여 측정되었으며, 도 5에서 곡선 IF1 및 도 3에서 곡선 (204)로 표시된다.
두번째 간섭 소자(IF2)
흡수 유리 필터 기판 위에 침착된 무기 유전 다층 필름 (집합적으로 간섭 소자 "IF2"라 일컬어짐)을 야후 디지탈 비디오 카메라 모델 03-146로부터 취하였다. IF2는 원래 검출기에 결합되었지만, 이 실시예의 목적을 위해 그로부터 분리하였다. IF2 필름-유리 기판 조합 또는 필름 본체는 약 1mm의 물리적 두께 및 약 10mm×10mm의 사각형 구경 크기를 가졌다. 수직 입사각에서의 투과 스펙트럼을 히다찌 모델 U-4000 분광계에서 200 내지 1300nm로부터 측정하였으며, 결과를 도 5에서 곡선 IF2로 나타낸다.
검출기
실리콘 PIN 광다이오드 검출기 모델 S7329를 하마마쓰 포토닉스 컴퍼니(Hamamatsu Photonics Co.)로부터 수득하였다. 검출기는 투명한 플라스틱 포장 및 2mm×2mm 활성 부위를 포함한다. 히다찌 모델 U-4000 분광계를 사용하여 200 내지 1300nm에서 검출기의 스펙트럼 반응성을 측정하였으며, 결과를 도 3에서 곡선 (200)으로 나타낸다.
일반적 절차
실시예 1 내지 6의 각각에서, 잉크 조성물 중의 하나를 기본 층의 첫번째 주 표면 위에 코팅하고 경화시켜 흡수 필름을 형성하였다. 일부 경우에, 기본 층은 간섭 소자 IF1이었으며; 다른 경우에 이것은 약 50㎛의 두께를 가진 평평한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 (유형 OX 필름, 데이진 컴퍼니에 의해 제조됨)이었다. 기본 층이 PET 필름이라면, 아크릴 접착제를 기본 층의 두번째 주 표면(첫번째 주 표면 반대쪽)에 코팅하고, 접착제-코팅된 표면을 간섭 소자(실시예 1, 4)의 조각에 또는 검출기(실시예 5)의 활성 표면에 부착하였다. 각각의 경우에, C 광원을 가진 오오쓰까 덴시(Ohtsuka Denshi) 모델 MCPD 2000 분광계를 사용하여 흡수 소자 (즉, 경화된 잉크 층)의 CIE 삼자극치(X, Y, Z) 자체를 측정하였다. 삼자극치로부터 CIE 1931 표준 색도 값(x, y, z)을 다음과 같이 계산하고 기록하였다.
Figure 112005056701019-PCT00002
또한, 각각의 경우에, 간섭 소자 및 흡수 소자가 실리콘 광다이오드 위에 위치하여 검출기 시스템을 생성하였다. 히다찌 단색화장치를 사용하여 380 내지 1200nm의 파장 영역에서 검출기 시스템의 분광 감도를 측정하였다. 각각의 파장에 대해서 광다이오드에 의해 발생된 전류를 전류-대-전압 증폭기를 사용하여 전압으로 전환시키고, 전압으로서 측정하였다. 각각의 파장에서 이러한 값을 측정한 후에, 측정된 값을 수득된 최대 전압 수치로 나눔으로써 검출기 시스템에 대한 상대 분광 감도를 수득하였으며, 따라서 상대 분광 감도의 최대 값은 1.0이었다. 이어서, 상기 수학식 1을 사용하여, 표준 광 육안 반응(1.0의 최대 값을 가진 표준화 함수)으로부터의 상대적 분광 감도의 편차를 계산하였다. 수학식 1은 780nm 이상에서의 성능을 고려하지 않았기 때문에, 800, 900, 1000 및 1100nm에서의 상대적 분광 감도를 별도로 기록하였다. 이어서, 검출기 시스템을 85℃ 및 85% 상대 습도의 환경에서 250시간동안 위치시켰으며, 그 후에 번짐(bleed)의 존재 또는 부재 및 투명성의 소실에 대해 광학 필터를 시각적으로 검사하였다. 결과를 표 1에 나타낸다. 6개 실시예 각각은 검출기 시스템에 대해 근적외선 파장에서 약 1% 이하의 상대 분광 감도를 나타내고, 각각은 20% 미만, 일부 경우에 15% 미만의 광 함수 V(λ)에 대한 감도지수 FM을 달성한다는 것을 주목한다.
이어서, 비교예를 하기 기재된 바와 같이 구성하였으며, 실시예에서와 동일한 방식으로 (1) 광 육안 반응으로부터 편차, (2) 800, 900, 1000 및 1100nm에서 상대 분광 감도 및 (3) 85℃ 및 85% 상대 습도 환경에서 250시간동안 놓아둔 후에 번짐의 존재 또는 부재 및 투명성 소실에 대해 시험하였다. 결과를 표 1에 나타낸 다.
실시예 1
메이어바(mayerbar)를 사용하여 PET 기본 필름(데이진 컴퍼니) 상에 혼합 잉크 조성물 GY1을 코팅하였으며, 유기 용매를 80℃의 오븐에서 증발시켰다. 건조 후에, 1.7㎛ 두께 녹색/황색 안료 층을 가진 PET 필름을 수득하였다. 이 필름을 70℃의 오븐에서 24시간동안 유지시켜 가교 반응을 촉진시켰다. 녹색/황색 흡수 필름은 색도 값 x=0.368, y=0.532을 가졌다. 아크릴 접착제로 흡수 필름을 간섭 필름 IF1에 부착시킨 후에, 조합된 필름을 검출기 위에 놓아두어, 입사광이 먼저 흡수 소자 위에 충돌된 다음 간섭 소자 위에 충돌되도록 하였다.
실시예 2
상기 기재된 미국 특허 출원 (발명의 명칭 "다층 광학 필름을 깨끗하고 빠르게 분할하기 위한 방법")에 기재된 절차를 사용하여, 간섭 소자 IF1을 레이저 절단하여 조각을 형성하였다. 바닥 라이너로부터의 조각을 제거하기 전에, 스핀 코팅기를 사용하여 간섭 소자 IF1 위에 혼합 잉크 조성물 GY2를 코팅하고, 유기 용매를 80℃의 오븐에서 증발시켰다. 건조 후에, 그 위에 1.7㎛ 두께 녹색/황색 흡수 필름을 가진 중합체 다층 간섭 소자를 수득하였다. 이러한 조합을 70℃의 오븐에서 24시간동안 유지시켜 가교 반응을 촉진하였다. 녹색/황색 흡수 필름은 색도 값 x=0.391, y=0.551을 가졌다. 이러한 조합의 조각을 바닥 라이너로부터 제거하고, 사출 성형 기계에 놓고, 박스 형 필터 하우징(도 1 참조)을 조각 주위에 형성하였다. 얻어진 필터 조립체를 검출기 위에 위치시켜, 입사광이 흡수 소자 위에 먼저 충돌하고 이어서 간섭 소자 위에 충돌되도록 한다.
실시예 3
상기 기재된 미국 특허 출원 (발명의 명칭 "다층 광학 필름을 깨끗하고 빠르게 분할하기 위한 방법")에 기재된 절차를 사용하여, 간섭 소자 IF1을 레이저 절단하여 조각을 형성하였다. 바닥 라이너로부터의 조각을 제거하기 전에, 스핀 코팅기를 사용하여 간섭 소자 IF1 위에 혼합 잉크 조성물 GY2를 코팅하고, 유기 용매를 80℃의 오븐에서 증발시켰다. 건조 후에, 그 위에 1.7㎛ 두께 녹색/황색 흡수 필름을 가진 중합체 다층 간섭 소자를 수득하였다. 이러한 조합을 70℃의 오븐에서 24시간동안 유지시켜 가교 반응을 촉진하였다. 녹색/황색 흡수 필름은 색도 값 x=0.391, y=0.551을 가졌다. 이러한 조합의 조각을 바닥 라이너로부터 제거하고, 사출 성형 기계에 놓고, 박스 형 필터 하우징(도 1 참조)을 조각 주위에 형성하였다. 얻어진 필터 조립체를 검출기 위에 위치시켜, 입사광이 흡수 소자 위에 먼저 충돌하고 이어서 간섭 소자 위에 충돌되도록 한다.
실시예 4
메이어바를 사용하여 PET 기본 필름(데이진 컴퍼니) 상에 혼합 잉크 조성물 GY1을 코팅하였으며, 유기 용매를 80℃의 오븐에서 증발시켰다. 건조 후에, 1.7㎛ 두께 녹색/황색 안료 층을 가진 PET 필름을 수득하였다. 이 필름을 70℃의 오븐에서 24시간동안 더욱 유지시켜 가교 반응을 촉진시켰다. 녹색/황색 흡수 필름은 색도 값 x=0.368, y=0.532을 가졌다. 아크릴 접착제로 흡수 필름을 간섭 소자 IF2에 부착시킨 후에, 조합된 필름을 검출기 위에 놓아두어, 입사광이 먼저 흡수 소자 위 에 충돌된 다음 간섭 소자 위에 충돌되도록 하였다.
실시예 5
메이어바를 사용하여 PET 기본 필름(데이진 컴퍼니) 상에 혼합 잉크 조성물 GY1을 코팅하였으며, 유기 용매를 80℃의 오븐에서 증발시켰다. 건조 후에, 1.7㎛ 두께 녹색/황색 층을 가진 PET 필름을 수득하였다. 이 필름을 70℃의 오븐에서 24시간동안 유지시켜 가교 반응을 촉진시켰다. 녹색/황색 흡수 필름은 색도 값 x=0.368, y=0.532을 가졌다. 아크릴 접착제를 착색된 층 반대쪽의 PET 필름의 두번째 주 표면 위에 코팅하고, 아크릴 접착제를 통해 필름을 검출기의 활성 표면에 직접 부착하였다. 이어서, 간섭 소자 IF1을 착색된 층 위에 놓아서 검출기 시스템을 생성하였다.
실시예 6
스핀 코팅기를 사용하여 간섭 소자 IF1 위에 혼합 잉크 조성물 GY2를 코팅하였으며, 유기 용매를 80℃의 오븐에서 증발시켰다. 건조 후에, 1.7㎛ 두께 녹색/황색 흡수 필름을 그 위에 가진 중합체 다층 간섭 소자를 수득하였다. 이 조합을 70℃의 오븐에서 24시간동안 유지시켜 가교 반응을 촉진시켰다. 녹색/황색 흡수 필름은 색도 값 x=0.391, y=0.551을 가졌다. 조합의 조각을 단순한 가위로 잘라내었다. 아크릴 접착제를 착색된 필름 반대쪽의 조합의 표면에 적용하고, 얻어진 구조물을 아크릴 접착제를 통해 검출기의 활성 표면에 직접 부착하였다.
비교예 1
I-O 데이타 디바이스 인코포레이티드에 의해 제조된 USB CCD 카메라로부터, 구레하 케미칼 인더스트리 컴퍼니에 의해 제조된 플라스틱 광학 필터를 수득하였다. 이 필터를 검출기에 연결하고, 얻어진 검출기 시스템을 측정하고 앞의 실시예에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
비교예 2
호야 컴퍼니 리미티드에 의해 제조된 상업용 흡수 유리 필터 유형 CM500을 수득하였다. 이 필터를 검출기에 연결하고, 얻어진 검출기 시스템을 측정하고 앞의 실시예에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
비교예 3
간섭 소자 IF2를 검출기에 연결하고, 얻어진 검출기 시스템을 측정하고, 이전의 실시예에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
비교예 4
육안 반응 보정 필터를 가진 실리콘 광다이오드-기재 검출기 시스템을 수득하였다. 검출기 시스템은 하마마쓰 포토닉스 컴퍼니에 의해 모델 S7160-01로 시판되었다. 보정 필터는 흡수 유리와 조합된 무기 증기-코팅 유전 다층 필름을 가졌다. 보정 필터를 시판 검출기 시스템의 나머지로부터 분리하고 이전의 실시예에서 사용된 검출기에 연결하였다.
실시예 광 반응에 대한 감도지수(FM) (수학식1 참조) 근적외선에서 상대 분광 감도 85℃, 85%RH에서 250시간 후에 관찰된 번짐 및 투명성 소실
800nm 900nm 1000nm 1100nm
1 12.1% 0.00 0.00 0.00 0.00 없음
2 17.7% 0.00 0.01 0.01 0.00 없음
3 17.7% 0.00 0.01 0.01 0.00 없음
4 13.8% 0.00 0.00 0.01 0.01 없음
5 14.5% 0.00 0.00 0.00 0.00 없음
6 16.5% 0.00 0.01 0.01 0.00 없음
CE-1 48.8% 0.02 0.06 0.23 0.08 있음
CE-2 48.2% 0.00 0.00 0.00 0.00 있음
CE-3 58.0% 0.00 0.00 0.00 0.01 없음
CE-4 13.9% 0.00 0.00 0.00 0.00 있음
본 발명의 범위 및 범주에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 다양한 변형 및 변화가 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명은 여기에 기재된 일례의 구현양태로만 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.

Claims (33)

  1. 전자기 에너지를 전기 신호로 전환시키는 반도체 구조물; 및
    중합체 물질을 포함하고 근적외선 파장 대역에 걸쳐 입사광을 실질적으로 반사시키며 가시광 파장에 걸쳐 입사광을 실질적으로 투과시키는, 반도체 구조물 위에 배치된 간섭 소자
    를 포함하는 가시광 파장 검출기.
  2. 제1항에 있어서, 가시광 파장에 걸쳐 불균일하게 빛을 흡수하는 흡수 소자를 더욱 포함하고, 흡수 소자가 간섭 소자와의 광학 경로에 배치된 것인 검출기.
  3. 제1항에 있어서, 간섭 소자 위에 배치된 대전방지 층을 더욱 포함하는 검출기.
  4. 제1항에 있어서, 간섭 소자 위에 배치된 반사방지 층을 더욱 포함하는 검출기.
  5. 제1항에 있어서, 간섭 소자 위에 배치된 확산 층을 더욱 포함하는 검출기.
  6. 제2항에 있어서, 흡수 소자 위에 배치된 대전방지 층을 더욱 포함하는 검출 기.
  7. 제2항에 있어서, 흡수 소자 위에 배치된 반사방지 층을 더욱 포함하는 검출기.
  8. 제2항에 있어서, 흡수 소자 위에 배치된 확산 층을 더욱 포함하는 검출기.
  9. 제2항에 있어서, 흡수 소자 및 간섭 소자 위에 배치된 대전방지 층을 더욱 포함하는 검출기.
  10. 제2항에 있어서, 흡수 소자 및 간섭 소자 위에 배치된 반사방지 층을 더욱 포함하는 검출기.
  11. 제2항에 있어서, 흡수 소자 및 간섭 소자 위에 배치된 확산 층을 더욱 포함하는 검출기.
  12. 제1항에 있어서, 간섭 소자가 평균 약 400 내지 700nm의 입사광의 약 70% 이상을 투과시키는 것인 검출기.
  13. 제12항에 있어서, 간섭 소자가 약 700 내지 1100nm의 입사광의 약 5% 미만을 투과시키는 것인 검출기.
  14. 제1항에 있어서, 근적외선 파장의 대역이 약 600 내지 850nm의 파장에 배치된 단-파장 대역 경계를 갖는 것인 검출기.
  15. 제1항에 있어서, 반도체 구조물이 실리콘 광다이오드를 포함하는 것인 검출기.
  16. 제2항에 있어서, 광 검출기가 광 육안 반응으로부터 평균 약 20% 미만으로 벗어나는 상대 반응을 갖는 것인 검출기.
  17. 제1항에 있어서, 간섭 소자가 콜레스테릭 재료를 포함하는 것인 검출기.
  18. 제1항에 있어서, 간섭 소자가 다층 중합체 필름을 포함하는 것인 검출기.
  19. 제1항에 있어서, 간섭 소자가 금속 또는 금속 산화물을 포함하는 것인 검출기.
  20. 중합체 물질을 포함하고 근적외선 파장 대역에 걸쳐 입사광을 실질적으로 반사시키며 가시광 파장에 걸쳐 입사광을 실질적으로 투과시키는 간섭 소자를 반도체 구조물 위에 배치하는 단계
    를 포함하고, 여기서 반도체 구조물이 전자기 에너지를 전기 신호로 전환시키는 것인 가시광 파장 검출기의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 가시광 파장에 걸쳐 빛을 불균일하게 흡수하는 흡수 소자를 배치하는 단계를 더욱 포함하고, 여기서 흡수 소자가 간섭 소자와 함께 광학 경로에 위치한 것인 방법.
  22. 제20항에 있어서, 간섭 소자 위에 대전방지 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  23. 제20항에 있어서, 간섭 소자 위에 반사방지 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  24. 제20항에 있어서, 간섭 소자 위에 확산 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  25. 제21항에 있어서, 흡수 소자 위에 대전방지 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  26. 제21항에 있어서, 흡수 소자 위에 반사방지 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  27. 제21항에 있어서, 흡수 소자 위에 확산 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  28. 제21항에 있어서, 흡수 소자 및 간섭 소자 위에 대전방지 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  29. 제21항에 있어서, 흡수 소자 및 간섭 소자 위에 반사방지 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  30. 제21항에 있어서, 흡수 소자 및 간섭 소자 위에 확산 층을 배치하는 것을 더욱 포함하는 방법.
  31. 제20항에 있어서, 배치 단계가 간섭 소자를 반도체 웨이퍼 상에 배치하는 것을 포함하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 반도체 웨이퍼를 각각의 검출기 칩으로 분리하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 각각의 검출기 칩을 최종 센서로 포장하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
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