KR20110003696A

KR20110003696A - 단일 칩 입체 영상 센서용 광학 필터 배열 및 그 필터 제조 방법

Info

Publication number: KR20110003696A
Application number: KR1020090061092A
Authority: KR
Inventors: 설상철; 박윤동; 이명복; 진영구
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2011-01-13
Also published as: US20110001205A1

Abstract

영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 광학 시스템은, 반도체 기판에 다수의 포토다이오드로 형성된 컬러 픽셀 어레이 및 거리 픽셀 어레이, 상기 컬러 픽셀 어레이 상에 형성된 가시광선의 선택 파장을 통과 시키는 RGB 필터, 상기 거리 픽셀상에 형성된 근적외선만 통과 시키는 NIR 필터, 카메라 렌즈 모듈 하부에 형성된 가시광선 및 특정 파장대 적외선을 동시에 통과 시키는 선택형 밴드 필터가 있는 것을 특징으로 한다.

Description

단일 칩 입체 영상 센서용 광학 필터 배열 및 그 필터 제조 방법{OPTICAL FILTER ARRAY FOR THE SINGLE CHIP THREE-DIMENSION COLOR IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 이미지 영상 정보 컬러 픽셀과 거리 정보를 제공하는 거리 픽셀이 결합되어 영상정보와 거리 정보가 동시에 제공되는 시스템 및 그의 필터 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 하나의 기판에 컬러 픽셀과 거리 픽셀을 형성하고 컬러 픽셀 상에는 가시광선만 통과하는 필터와 거리 픽셀에는 특정 근적외선만 통과하는 필터를 형성하고, 카메라 렌즈 모듈에 가시광선과 근적외선이 통과되는 필터를 장착하여, 컬러 영상 이미지 정보와 거리정보가 제공되는 광학 센서 조합을 얻는 방법 및 이를 이용하는 입체 영상 광학 시스템에 관한 것이다.

일반적인 영상만을 제공하는 시모스 이미지 센서(10)는 도 1에 도시한 바와 같이 능동 컬러 픽셀 어레이 영역 (20) 및 시모스 제어 회로 (30)를 포함한다.

상기 능동 컬러 픽셀 어레이 영역(20)은 매트리스(matrix) 형태로 배치된 복수의 단위 픽셀 (22)을 포함한다.

상기 능동 컬러 픽셀 어레이 영역(20)의 주위에 위치되어 있는 상기 CMOS 제 어회로(30)는 복수의 CMOS 트랜지스터로 구성되며, 상기 능동 컬러 픽셀 어레이 영역(20)의 각 단위 픽셀(22)에 일정한 신호를 제공하거나 출력 신호를 제어한다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 단위 컬러 픽셀(22)에 인가되는 광 스펙트럼을 도시한 것이다.

상기 단위 픽셀(22)은 도면에는 나타나지 않았지만 광을 인가 받아 광 전하를 생성하는 포토다이오드(PD), 상기 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 확산영역(FD: floating diffusion region)에 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 저장되어 있는 전하를 주기적으로 리셋(reset) 시키는 리셋 트랜지스터(Rx), 소스 팔로워 버퍼 증폭시(source follower buffer amplifier) 역할을 하며 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링(buffering)하는 드라이브 트랜지스터(DX), 그리고 상기 픽셀(22)을 선택하기 위한 스위치 역할을 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다.

도 2a를 참조하면, 상기 단위 픽셀 중 포토다이오드(PD)일부를 도시하고 광 에너지(E)가 입사되는 컬러 픽셀의 단면도이다.

반도체 기판에 포토다이오드(40)층이 형성 되어 있고, 칼라 필터(45) 및 렌즈(50)를 형성 시모스 이미지 센서가 형성 되어있다.

렌즈 (50) 상부에는 가시광선은 통과하고 적외선은 차단하는 필터 (60)가 카메라 렌즈 모듈 세트(도시되지 않음)에 형성되어있다.

도 2b를 참조하면, 상기 필터 (60)에 의하여 적외선은 차단되고 가시광선(RGB)의 파장에 따른 스펙트럼 선택비를 보여주는 그래프이다.

이러한 일반적인 컬러 이미지 센서는 영상 정보는 제공 될 수 있지만 거리정보를 제공할 수 없다.

동일 칩에서 영상정보와 거리정보가 컬러로 제공되는 디바이스 소자의 요구가 거세지고 있다.

본 발명은 이러한 요구에 맞추어 단일 칩에서 영상 이미지 정보와 거리정보가 동시에 생성 될 수 있는 RGB-Z 칩과 새로운 광학 필터 및 그 조합 방법을 제공한다.

본 발명의 목적은, 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서에서, 영상정보를 담당하는 컬러 픽셀영역과 거리 정보를 담당하는 거리 픽셀 영역에 가시광선 또는 특정 영역의 적외선만 통과시키는 필터를 형성하고, 카메라 렌즈 모듈에 가시광선과 적외선을 동시에 통과 시키는 새로운 필터를 장착하여 이러한 조합을 이용한 입체영상 이미지 센서 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, SiO2 층과 TiO2 층을 교대로 적층하여 필요한 단일 파장대 또는 듀얼 파장대의 빛만 통과시키는 선택형 적층 필터를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 광학 시스템은, 반도체 기판에 다수의 포토다이오 드로 형성된 컬러 픽셀 어레이 및 거리 픽셀 어레이, 상기 컬러 픽셀 어레이 상에 형성된 가시광선의 선택 파장을 통과 시키는 RGB 필터, 상기 거리 픽셀 상에 형성된 근적외선만 통과 시키는 NIR 필터, 카메라 렌즈 모듈 하부에 형성된 가시광선 및 특정 파장대 적외선을 통과 시키는 다수의 SiO2 및 TiO2 층으로 적층된 선택형 밴드 필터가 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 광학 시스템에 사용되는 선택 파장만 통과하는 적층형 필터는, 다수의 서로 다른 두께의 SiO2 층과 TiO2층을 교대로 적층하여 선택 투과율을 조정하여 특정 파장만을 선택적으로 필터링하는 것을 특징으로 한다.

상술한 것과 같이 본 발명에 의하면, 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 광학 시스템을 영상정보와 거리 정보를 제공하는 RGB-Z 칩과 카메라 모쥴에 가시광선 및 특정 파장대 적외선을 통과 시키는 필터를 조합 시켜 시스템을 구축할 수 있어 컬러 영상 및 거리 정보를 필요로 하는 디지털 광학 시스템을 손쉽게 만들 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

영상정보와 거리 정보가 가능한 광학 시스템

도 3은 영상 정보와 거리정보를 얻을 수 있는 입체 영상 이미지 광학 시스템의 개략적인 도면이다.

도 3을 참조하면, 영상 정보와 거리정보를 얻을 수 있는 입체 영상 이미지 광학 시스템은 카메라 렌즈 모듈 (lens module, 70) 아래에 가시광선뿐만 아니라 특정 파장대의 적외선도 통과시키는 선택형 적층 필터 (80)가 부착되어 있고, 영상 정보를 얻을 수 있는 컬러 픽셀과 거리 정보를 얻을 수 있는 거리 픽셀이 하나의 칩 안에 구성되어있는 RGB-Z 반도체 칩(90)이 내장되어 있다.

상기 RGB-Z 칩 (90)은 영상 정보를 얻을 수 있는 영역과 거리 정보를 얻을 수 있는 영역이 하나의 셀 안에 형성되어 있는 것을 특징으로 하면서 각 영역에 필요한 빛을 통과 시키는 필터가 있다.

본 발명은 상기 선택형 적층 필터(80)를 SiO2 및 TiO2 층을 적층하여 형성 해서 필요한 파장대의 빛만 통과 시키는 선택형 적층 필터(80) 및 영상 정보와 거리정보를 얻을 수 있는 RGB-Z 반도체 칩 안에서 필요한 빛을 통과 시키는 RGB 및 NIR 필터의 조합을 제공한다.

도 4는 RGB-Z 칩과 선택형 적층 필터와의 관계를 보여주는 개략적인 단면도이다.

도 4를 참조하면, RGB-Z 칩은 반도체 기판에 컬러 픽셀 포토다이오드 영역 (100) 및 거리 픽셀 영역 (110)을 가지고 있다. 상기 컬러 픽셀 포토다이오드 영역(100)상에는 폴리머로 형성된 가시광선만 통과되고 근적외선은 통과되지 않는 RGB 필터(120)가 형성되어있고, 거리픽셀 영역 (110)상에는 가시광선은 차단되고 특정 파장대의 근적외선만 통과되는 NIR 대역 통과 필터 혹은 장파장 투과 필터 (130)가 형성되어있다.

상기 RGB 필터 (120) 및 NIR 대역 통과 필터 (130)는 폴리머(polymer)뿐만 아니라 염료 등 빛의 파장에 따라서 선택적으로 차단 할 수 있는 다른 물질로 만들 수 있다.

카메라 렌즈 모듈에는 가시광선뿐만 아니라 특정 파장대의 적외선도 통과시키는 선택형 적층 필터 (140)가 장착 되어있다. 적층하는 물질은 SiO2 및 TiO2를 사용하며 상세한 설명은 추후 적층 필터 형성 방법에서 상세히 설명하고자 한다.

도 5는 도 4의 필터 조합을 구성하는 개별 필터 120, 130 및 140의 분광 특성을 보여주는 것으로 이중 적외선 필터(130)는 그림에서와 같이 좌측, 우측의 두 가지 형태로 구축 할 수 있다.

즉 좌측의 경우 적외선 필터 (130)는 특정 파장의 근적외선 대역만을 통과하는 대역 통과 필터이고 우측의 경우 적외선 필터 (130)는 임계 파장 이상의 파장을 통과 시키는 장파장 통과 필터이다.

도 5에 대한 보다 상세한 설명은 다음과 같다. 외부에서 렌즈로 유입된 광원은 먼저 렌즈 모듈에 부착된 선택형 적층 필터(140)를 통과하면서 가시광선 영역과 특정 파장대의 적외선 영역의 2개 영역만 남게되고 나머지 부분은 차단된다. 그 후 RGB 필터 (120)를 통과하여 컬러 픽셀 다이오드 영역(100)에 입사된 광원은 RGB 필터에서 적외선 대역이 차단되어 결국 가시광선 영역만이 컬러 픽셀 포토다이오드 영역(100)으로 입사된다.

선택형 적층 필터(140)를 통과한 후 적외선 필터 (130)를 통과하여 거리 픽셀 영역(110)에 입사되는 광원은 적외선 필터(130)를 통과하면서 가시광선 영역만이 차단되어 결과적으로 특정 파장ㅇ의 적외선만 통과 시킨다. 이때 특정 파장의 적외선만 통과시키는 방법으로는 도 5 좌측의 경우에서와 같이 적외선 대역 통과 필터를 사용하는 방법이 있으며, 또한 도 5의 우측에서와 같이 선택형 적층 필터의 하향 곡선과 장파장 투과 필터의 상향 곡선의 교집합에 해당하는 분광조합으로 구현하는 방법도 있다.

본 발명으로 얻을 수 있는 영상 정보와 거리정보를 얻을 수 있는 광학 시스템은, 영상 이미지 센서와 입체 컬러 거리 센서가 있는 RGB-Z 칩을 구현하고, 가시광선 및 적외선을 통과 시키는 필터를 카메라 렌즈 모듈에 장착 앞에서 언급한 상호간 광학 필터를 적절히 조합하여 얻을 수 있다.

선택형 단일 밴드 적층 필터

도 6은 가시광선(RGB) 및 근적외선(IR)을 통과 시키는 선택형 적층 필터를 사용 했을 때 빛이 통과해서 나타나는 빛의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프다.

그래프를 보면 가시 광선 (RGB) 파장 400-700nm 및 근적외선(IR) 파장 830-870nm은 95% 이상이 투과되고, 900nm 이상의 파장 빛은 거의 투과되지 않고 있다.

상기와 같은 가시 광선 (RGB) 파장 400-700nm 및 근적외선(IR) 파장 830-870nm은 95% 이상이 투과되고, 900nm 이상의 파장 빛은 거의 투과되지 않는 결과를 얻을 수 있으려면, 선택적인 파장 400nm-900nm 구간은 투과하고, 900nm 이상 구간은 차단되어 선택 파장의 빛만 통과하는 선택형 단일 밴드 필터를 사용해야 한다.

본 발명은 서로 다른 물질층을 서로 다른 두께로 적층하여 굴절율과 흡광계수 두께에 따른 물리적 변수로 만들어 내었다.

도 7은 도 6의 그래프에서 보여주고 있는 400nm-900nm 구간은 투과하고, 900nm 이상 구간은 차단되는 필터링 효과를 얻기 위하여 만든 적층 선택형 단일 밴드 필터의 일례이다.

표 1

층	물질	두께 (um)
1	SiO2	70
2	TiO2	20
3	SiO2	5
4	TiO2	70
5	SiO2	25
6	TiO2	15
7	SiO2	130
8	TiO2	10
9	SiO2	30
10	TiO2	65
11	SiO2	10
12	TiO2	25
13	SiO2	150
14	TiO2	15
15	SiO2	15
16	TiO2	75
17	SiO2	20
18	TiO2	20
19	SiO2	165
20	TiO2	90
21	SiO2	15
22	TiO2	15
23	SiO2	160
24	TiO2	20
25	SiO2	5
26	TiO2	75
27	SiO2	25
28	TiO2	10
29	SiO2	150
30	TiO2	20
31	SiO2	20

상기 표 1은 도 7의 적층 선택형 단일 밴드 필터의 각층의 물질과 및 두께 등을 나타내고 있다.

도 7을 참조하면, 제 1 적층 (150)은 SiO2 층으로 70nm 두께로 형성하며, 제 2 적층 (155)은 TiO2 층으로 20nm 두께로 형성하며, 제 3 적층 (160)은 SiO2 층으로 5nm 두께로 형성하며, 제 4 적층(165)은 TiO2 층으로 70 nm 두께로 형성하며, 제 5 적층 (170)은 SiO2로, 제 6 적층 (175)은 TiO2로, 제 7 적층 (180)은 SiO2 및 계속적으로 적층하여 최종 제 31 적층 (195)은 SiO2로 20um 두께로 형성한다.

도 7에서 보여주는 것과 같이 SiO2 및 TiO2 물질을 이용하여 적층 구조를 만 들면서 표 1에 나타나는 두께로 적층 필터를 만들면 도 6에 도시되어 있는 선택적 400nm-900nm 구간은 투과하고, 900nm 이상 구간은 차단되는 적층 선택형 단일 밴드 필터를 얻을 수 있다.

이렇게 선택적 400nm-900nm 구간은 투과하고, 900nm 이상 구간은 차단되는 성질은 표 1에서 보는 것과 같이 각 물질의 굴절률 및 흡광계수와 두께차 등에 의해서 발생하는 것으로 스펙트라 시뮬레이션 (simulation)을 통해서 컴퓨터를 통해서 원하는 적층 물질의 두께 등이 결정된다.

또한 적층형 필터를 사용하지 않고 염료 혼합형 필터를 사용 할 수 있으나 본 발명의 특징은 염료형 필터보다는 SiO2 및 TiO2 물질을 이용하여 물질의 굴절률 및 흡광계수와 두께차 등에 의해서 투과되는 영역을 선택하는 것을 가장 바람직한 광학 필터 조합으로 제안한다.

도 8은 도 6의 좌측의 적외선 필터의 실시예로 특정 대역 800nm에서 900nm 만 통과되고 나머지 대역은 통과 되지 않는 단일 대역 통과 필터를 사용한 경우 빛의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.

도 8을 참조하면, 800nm 파장까지는 차단되고, 800nm에서 900nm까지는 투과되며, 900nm 이상에서는 차단되어 빛이 특정 대역(800nn - 900nm)에서 투과되는 형태를 보여준다.

도 9는 도 8의 그래프에서 보여주고 있는 특정 대역 800nn - 900nm 필터링 효과를 얻기 위하여 만든 적층형 선택 필터의 일례이다.

다수의 SiO2 및 TiO2 물질을 이용하여 적층 구조를 만들어서 필요한 특정 대 역 800nm-900nm 사이의 빛만 통과되는 특정 대역 필터를 만들었다.

표 2

층	물질	두께 (nm)
1	SiO2	85
2	TiO2	25
3	SiO2	5
4	TiO2	75
5	SiO2	20
6	TiO2	10
7	SiO2	160
8	TiO2	15
9	SiO2	5
10	TiO2	70
11	SiO2	10
12	TiO2	20
13	SiO2	180
14	TiO2	15
15	SiO2	10
16	TiO2	100
17	SiO2	180
18	TiO2	110
19	SiO2	180
20	TiO2	110
21	SiO2	180
22	TiO2	110
23	SiO2	170
24	TiO2	20
25	SiO2	10
26	TiO2	80
27	SiO2	10
28	TiO2	20
29	SiO2	180
30	TiO2	20
31	SiO2	20
32	TiO2	60
33	SiO2	15
34	TiO2	15

도 9를 참조하면, 제 1 적층 (210)은 SiO2 층으로 85nm 두께로 형성하며, 제 2 적층 (215)은 TiO2 층으로 25um 두께로 형성하며, 제 3 적층 (220)은 SiO2 층으로 5nm 두께로 형성하며, 제 4 적층(225)은 TiO2 층으로 75 nm 두께로 형성하며, 제 5 적층 (230)은 SiO2로, 제 6 적층 (235)은 TiO2로, 제 7적층 (240)은 SiO2 및 계속적으로 적층하여 최종 제 34층 (295)을 TiO2 층으로 15 nm 두께로 형성한다.

이러한 특성이 특정 대역 800nm-900nm 만 통과 시키는 특성을 갖는 필터를 만들 수 있다.

도 9에서 보여주는 것과 같이 SiO2 및 TiO2 물질을 이용하여 적층 구조를 만들면서 표 2의 두께로 형성하면 특정 대역 800nm-900nm 파장의 빛만 투과되어 도 8에 도시되어 있는 선택적 파장만 투과되는 특정 대역 필터 그래프를 얻을 수 있다.

이렇게 특정대역 800nm-900nm 파장만이 투과되는 성질은 표 2에서 보는 것과 같이 각 물질의 굴절률 및 광학적 두께와 물리적 두께 차에 의해서 발생하는 것으로 스펙트라 시뮬레이션 (simulation)을 통해서 컴퓨터를 통해서 원하는 적층 물질의 두께를 결정한다.

도 10은 도 6의 우측의 장파장 투과 필터의 실시예로 가시광선 800nm 이상 대역만 통과되고 나머지 가시광선 400unm - 800nm 대역은 통과 되지 않는 빛의 파장에 따른 투과율을 나타낸 적외선 대역 통과 필터 그래프다.

도 10을 참조하면, 800nm 파장까지는 차단되고, 800nm 이상에서는 차단되지 않아 빛이 투과되는 형태를 보여준다.

이러한 적외선 대역필터는 적외선 특정 영역만을 선택적으로 투과시킴으로써 가시광선은 필요 없고, 필요한 적외선 파장대의 빛을 얻을 수 있다.

예를 들어서 800nm 이상의 적외선만 투과되는 특성을 갖는 적외선 필터를 이용 적외선 데이터를 이용하는 거리감지 시스템 등에 이용 할 수 있다.

도 11은 도 10의 그래프에서 보여주고 있는 적외선 800nm 이상의 대역만 통과되는 필터링 효과를 얻기 위하여 만든 다층막 장파장 투과 필터이다.

표 3

층	물질	두께 (nm)
1	TiO2	35
2	SiO2	85
3	TiO2	50
4	SiO2	70
5	TiO2	30
6	SiO2	75
7	TiO2	50
8	SiO2	30
9	TiO2	55
10	SiO2	100
11	TiO2	65
12	SiO2	100
13	TiO2	55
14	SiO2	90
15	TiO2	80
16	SiO2	70
17	TiO2	45
18	SiO2	105

도 9를 참조하면, 제 1 적층 (310)은 TiO2 층으로 35nm 두께로 형성하며, 제 2 적층 (315)은 SiO2 층으로 85nm 두께로 형성하며, 제 3 적층 (320)은 TiO2 층으로 50nm 두께로 형성하며, 제 4 적층(325)은 SiO2 층으로 70 nm 두께로 형성하며, 제 5적층 (330)은 TiO2로, 제 6 적층 (335)은 SiO2로, 제 7적층 (340)은 TiO2 및 계속적으로 적층하여 최종 제 18층 (395)을 SiO2 층으로 105 nm 두께로 형성한다.

표 3은 각 층의 물리적 특성을 보여주는 것으로 앞에서 설명한 것과 같은 맥락을 유지하나 두께에 따라서 약간 변형된 값을 가지고 있다.

이러한 특성이 적외선 대역만 통과 시키는 특성을 갖는 필터를 만들 수 있다. 상기 장파장 투과 필터는 SiO2 및 TiO2 물질의 다층막뿐 아니라 안료 혼합형 혹은 염료 혼합형의 폴리머(polymer)로 만들 수 있다.

선택형 듀얼 밴드 적층 필터

도 12는 RGB-Z 칩과 카메라 렌즈 모듈에 부착되는 듀얼 밴드 (dual band) 선택형 적층 필터와의 관계를 보여주는 개략적인 단면도이다.

도 12를 참조하면, RGB-Z 칩은 반도체 기판에 컬러 픽셀 포토다이오드 영역 (400) 및 거리 픽셀 영역 (410)을 가지고 있다. 상기 컬러 픽셀 포토다이오드 영역(400)상에는 폴리머로 형성된 가시광선만 통과되고 근적외선은 통과되지 않는 RGB 필터(420)가 형성되어 있고, 거리픽셀 영역 (410)상에는 가시광선은 차단되고 특정 파장대의 근적외선만 통과되는 장파장 투과 필터 (430)가 형성되어 있다.

상기 장파장 투과 필터(430)는 무기 물질로 구성된 다층막 구조로 제작 할 수 있으며, 또한 안료 혼합물(pigment mixtures), 안료 및 염료 혼합물 (pigment and dye mixtures)의 단층막으로 제작 할 수 있다.

카메라 렌즈 모듈 (도시되지 않음)에는 400nm-700nm 가시광선을 통과 시키는 제 1 밴드 및 830nm-870nm 파장대의 장파장을 통과시키는 제 2밴드를 갖는 적층 선택형 듀얼 밴드 필터 (440)를 형성 한다.

적층하는 물질은 SiO2 및 TiO2를 사용하며 상세한 설명은 추후 적층 필터 형성 방법에서 상세히 설명하고자 한다.

이러한 듀얼 밴드 (dual band) 필터를 사용하는 장점은 제작이 용이 하면서 장파장 투과 필터의 스펙트라 한계 파장에 대한 마진을 크게 증가 시킬 수 있다.

즉 단일 밴드를 사용하는 앞선 예들은 장파장 투과 필터의 한계 파장이 830nm이여야 하지만, 듀얼 밴드 필터를 사용하면 700nm-830nm까지의 어떤 값도 허용 된다.

도 13은, 400nm-700nm 가시광선 제 1밴드 영역 빛을 투과 시키고, 830nm-870nm 파장대의 제 2밴드 장파장도 투과시키는 적층 선택형 듀얼 필터(modified IR cut filter)에 투과되는 빛과, 적외선 장파장 필터(long wave pass filter)를 사용하여 나타나는 파장대 빛을 나타내는 그래프다.

상기 적층 선택형 듀얼 필터(modified IR cut filter)와 적외선 장파장 필터(long wave pass filter) 두개의 필터를 중첩 시키는 경우, 상기 400nm-700nm 파장의 제 1 밴드 영역에서 RGB 가시광선만 통과 되고, 830nm-870nm 파장대의 장파장를 통과시키는 제 2 밴드 영역에서는 적외선 장파장 필터(long wave pass filter)와 중첩되면서 통과 허용 될 수 있는 장파장의 한계 파장 범위를 확장 할 수 있는 공간을 보여주고 있다.

상기의 필터의 조합에 의해서 나타나는 빛의 투과 그래프에서 볼 수 있는 것과 같이 듀얼 밴드 필터를 조합하면 앞에서 보았던 단일 밴드 필터를 사용 할 때 장파장의 한계 파장 범위를 더욱 넓혀서 용이하게 적용 할 수 있음을 보여준다.

다시 말하면, 도 5에서 보여주는 단일 밴드를 이용한 장파장 패스 필터 영역은 근적외선 범위와 거의 일치하였으나 듀얼 밴드 필터를 사용하는 경우 장파장 한계를 여유롭게 가져갈 수 있음을 보여준다.

도 14는 가시광선(RGB) 영역의 제 1 밴드와 근적외선(IR) 영역 장파장인 제 2 밴드를 통과 시키는 듀얼 밴드 적층 필터를 사용 했을 때 나타나는 빛의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프다.

그래프를 보면 가시 광선 (RGB) 400-700nm 제 1 밴드 및 근적외선(IR) 장파 장 800-900nm 제 2 밴드는 95% 이상이 투과되고, 900nm 이상에서는 거의 투과되지 않고 있다.

상기와 같은 결과를 얻기 위해서는 듀얼 밴드의 선택적인 파장의 빛만 통과하는 필터를 사용해야 하는데 본 발명은 서로 다른 물질층을 서로 다른 두께로 적층하여 굴절율과 흡광계수 두께에 따른 물리적 변수로 만들어 내었다.

도 15는 도 14의 그래프에서 보여주고 있는 듀얼 밴드 필터링 효과를 얻기 위하여 만든 적층 선택형 듀얼 밴드 필터이며 그 층 구성을 표 4에 나타나 있다.

표 4

층	물질	두께 (nm)
1	SiO2	65
2	TiO2	80
3	SiO2	10
4	TiO2	10
5	SiO2	155
6	TiO2	105
7	SiO2	30
8	TiO2	15
9	SiO2	160
10	TiO2	5
11	SiO2	30
12	TiO2	100
13	SiO2	150
14	TiO2	100
15	SiO2	155
16	TiO2	100
17	SiO2	30
18	TiO2	10
19	SiO2	175
20	TiO2	10
21	SiO2	30
22	TiO2	100
23	SiO2	160
24	TiO2	90
25	SiO2	15
26	TiO2	10
27	SiO2	330
28	TiO2	15
29	SiO2	20
30	TiO2	80
31	SiO2	25
32	TiO2	15
33	SiO2	220
34	TiO2	10
35	SiO2	30
36	TiO2	60
37	SiO2	15
38	TiO2	30
39	SiO2	190
40	TiO2	10

도 15를 참조하면, 제 1 적층 (450)은 SiO2 층으로 65nm 두께로 형성하며, 제 2 적층 (455)은 TiO2 층으로 80um 두께로 형성하며, 제 3 적층 (460)은 SiO2 층으로 10nm 두께로 형성하며, 제 4 적층(465)은 TiO2 층으로 10 nm 두께로 형성하며, 제 5 적층 (470)은 SiO2로, 제 6 적층 (475)은 TiO2로, 제 7적층 (480)은 SiO2 및 계속적으로 반복 적층하여 최종 제 40층 (495)을 TiO2 층으로 10 nm 두 께로 형성한다.

표 4는 각 층의 물리적 특성을 보여주는 것으로 각층의 굴절율 및 두께 등을 보여주고 있다.

이러한 특성이 듀얼 밴드 대역만 통과 시키는 특성을 갖는 필터를 만들 수 있다.

도 15와 표 4에서 보여주는 것과 같이 SiO2 및 TiO2 물질을 이용하여 적층 구조를 만들면서 표 4의 두께로 형성 필터를 만들면 도 14에 도시되어 있는 듀얼 밴드 대역 필터를 얻을 수 있다.

RGB-Z 칩

영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서인 RGB-Z 칩은 일반적인 CIS 칩에 거리정보를 인식할 수 있는 센서가 하나의 기판에 결합된 형태이다.

도 16은 RGB-Z 칩의 기본 단위를 보여주는 개념 도면이다. 영상정보를 얻을 수 있는 RGB 필터 영역과 거리 정보를 얻을 수 있는 NI 필터 영역으로 구성되어 있다.

도 16에는 기본 단위만 보여주고 있지만 이러한 기본 단위는 종래의 이미지 센서 구조 도 1에서 기본단위 22를 교체하는 형태로 셀을 구성 할 수 있다.

도 17은 RGB-Z 칩의 기본 셀을 단면으로 보여주는 단면도이다.

반도체 기판 (500)은 영상정보를 인식할 수 있는 RGB 포토다이오드 (510)와 거리정보를 인식 할 수 있는 Z 다이오드 (520)를 포함하며 주변회로를 구성하는 소자 (530)들로 구성 되어 있다.

반도체 기판 (500)상에 주변회로 소자 (530) 및 금속배선(545)간 층간 절연막 (540)이 형성되어 있으며, RGB 포토다이오드 (510)와 거리정보를 인식 할 수 있는 Z 다이오드 (520)상에는 빛이 잘 투과될 수 있도록 레진층으로 충진된 광유도부(560)가 형성되어있다.

광유도부(560)상에 평탄화층(565)을 형성하고, RGB 포토다이오드 (510)와 Z 다이오드 (520)에 필요한 선택광이 흡수 될 수 있도록, RGB 포토다이오드 (510)와 일치하여 가시광선은 통과되고 근적외선은 차단되는 RGB 필터 (570)가 형성되어 있고, Z 다이오드 (520)에 일치하여 가시광선은 차단되고 근적외선만 통과되는 NIR 필터 (580)가 형성 되어 있다.

상기 RGB 필터 (570) 및 NIR 필터 (580) 상에 보호막(590) 및 렌즈(595)가 형성되어 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서 RGB-Z 칩이 된다.

도 18은 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서가 들어 있는 휴대폰이다.

휴대폰 (600)은 일반적인 구성이나 기능은 통상적으로 사용하는 것과 같지만 카메라 렌즈 모듈(610)에 앞에서 설명한 가시광선뿐만 아니라 특정 파장대의 적외선도 통과시키는 적층형 필터가 부착되어 있고, 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서 (620)가 내장되어 있어 영상정보와 거리 정보가 동 시에 모니터 (630)에 표시된다.

상기의 기능을 포함하는 휴대폰 (600)을 이용하면 영상 정보와 거리 정보를 정확하게 일치 시킬 수 있어 차량 운전시 지도를 보고 현 위치를 추적하는 네비게이션 역할을 할 수 있는 휴대폰이 될 수 있다.

도 19는 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서를 갖는 시스템 블록다이어그램이다.

도 19를 참조하면, 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서 (760)를 갖는 시스템(700)은 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서(760)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다.

시스템 (700)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 네비게이션 시스템 등 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서 (760)를 장착하여 서비스를 제공하는 어떠한 시스템도 가능하다.

컴퓨터 시스템과 같은 프로세서 기반 시스템(700)은 버스(750)를 통해서 입출력 I/O소자(770)와 커뮤니케이션을 할 수 있는 마이크로프로세서 등과 같은 중앙처리장치(CPU)(710)를 포함한다. 버스 (750)를 통해서 플로피 디스크 드라이브(720) 및 / 또는 CD ROM 드라이브(730), 및 포트 (740), RAM(780)과 중앙처리장치는 서로 연결되어 데이터를 주고받아, 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서 (760) 데이터를 출력 영상 이미지 거리 데이터를 재생한다.

이러한 시스템이 차량에 장착되어 카메라 모듈이 창밖에 설치되었다면 운전중 주변 환경이 실시간으로 영상 이미지와 거리 데이터가 실시간으로 제공되어 안 전한 차량 운행을 할 수 있다.

포트 (740)는 비디오카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신 할 수 있는 포트일 수 있다.

CMOS 이미지 센서 (760)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서와 함께 같이 집적 될 수 있거나, 메모리와 함께 집적 될 수 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩으로 집적 될 수 있다.

시스템 (700)은 최근 발달되고 있는 디지털 기기중 카메라폰, 디지털 카메라 등의 시스템 블록다이어그램이 될 수 있고 앞의 실시예에서 보여준 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서(710)가 장착된 시스템이다.

본 발명의 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서를 장착한 광학 시스템은 우주항공, 군수산업, 자동차, 정보통신 등에서 유용하게 사용될 수 있다.

상기 설명한 것과 같이, 영상정보와 거리정보를 동시에 제공하는 입체 영상 이미지 센서가 있는 광학 시스템은 우주항공, 군수산업, 자동차, 정보통신 등에서 유용하게 사용될 수 있다. .

그리고 이러한 시스템에 부착될 적층 선택형 단일 또는 듀얼 밴드 필터는 보다 선명하고 정확한 영상 정보 및 거리 정보를 제공 하는데 필수적으로 사용 할 수 있다.

또한 각종 이미지 센서 및 거리 정보가 필요한 디지털 기기에 장착되어 선명 한 컬러 화면 및 거리 정보를 제공 할 수 있어, 실시간 현장감 있는 이미지를 얻어서 응용 적용 할 수 있고, 화상 전송 시스템과 연결시 언제 어디서나 동시에 실감나는 화상 정보를 얻어서, 오락, 경비 시스템, 원격 추적 시스템 등을 실현 할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명했지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서를 나타내는 레이아웃 이다.

도 2a 는 일반적인 CMOS 이미지 센서와 렌즈 모듈에 광이 입사되고 차단되는 것을 보여주는 광 투과도 이다.

도 2b는 도 2a의 분광 감응도를 나타내는 그래프이다.

도 3은 영상정보와 거리 정보를 제공하는 입체 영상 광시스템의 개략도 이다.

도 4는 영상정보와 거리 정보를 제공하는 RGB-Z 칩과 선택형 적층 필터와의 관계를 보여주는 개략적인 단면도이다.

도 5는 RGB-Z 칩상의 RGB 필터 및 NIR 대역 통과 필터 및 렌즈 모듈에 장착되어있는 가시광선뿐만 아니라 특정 파장대의 적외선도 통과시키는 선택형 적층 필터를 조합 할 경우 빛이 투과되거나 되지 않는 파장대 구간을 보여주는 그래프다.

도 7은 400nm-900nm 구간은 투과하고, 900nm 이상 구간은 차단되는 필터링 효과를 얻기 위하여 만든 적층 선택형 단일 밴드 필터이다.

도 8은 특정 대역 800nm에서 900nm 만 통과되고 나머지 대역은 통과 되지 않는 단일 대역 통과 필터를 사용한 경우 빛의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.

도 9는 특정 대역 800nn - 900nm 필터링 효과를 얻기 위하여 만든 적층형 선택 필터이다.

도 10은 가시광선 800nm 이상 대역만 통과되고 나머지 가시광선 400unm - 800nm 대역은 통과 되지 않는 빛의 파장에 따른 투과율을 나타낸 적외선 대역 통과 필터 그래프다.

도 11 적외선 800nm 이상의 대역만 통과되는 필터링 효과를 얻기 위하여 만든 적층 선택형 적외선 단일 밴드 필터이다.

도 13은 400nm-700nm 가시광선 제 1밴드영역 빛을 투과 시키고, 830nm-870nm 파장대의 제 2밴드 장파장도 투과시키는 적층 선택형 듀얼 필터(modified IR cut filter)에 투과되는 빛과, 적외선 장파장 필터(long wave pass filter)를 사용하여 나타나는 파장대 빛을 나타내는 그래프다.

도 15는 듀얼 밴드 필터링 효과를 얻기 위하여 만든 적층 선택형 듀얼 밴드 필터이다.

도 16은 RGB-Z 칩의 기본 단위를 보여주는 개념 도면이다.

도 17은 RGB-Z 칩의 기본 셀을 단면으로 보여주는 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

70:카메라 렌즈 모듈 80: 카메라 필터

90: RGB-Z 칩 100, 400 510: 포토 다이오드 영역

110, 410, 520: 거리 픽셀 영역 120,420,570: RGB 필터

130, 430, 580: NIR 필터 140,440: 적층형 선택 밴드 필터

150, 210: SiO2층 155, 215:TiO2 층

530: 게이트 전극 540: 층간 절연막

545, 550: 금속 배선 570: 컬러 필터

595: 렌즈 600: 휴대폰

610: 카메라 렌즈 620: RGB-Z 칩 630: 카메라 모니터

700: 영상 및 거리 이미지 정보 시스템

710: CPU 720: 프로피 디스크 드라이버 730:CD ROM 드라이버

740: 포트 750: 버스 760: 영상정보 거리 정보 입체 영상 센서

770: I/O 소자 780: RAM

Claims

반도체 기판에 다수의 포토다이오드로 형성된 컬러 픽셀 어레이 및 거리 픽셀 어레이;

상기 컬러 픽셀 어레이 상에 형성된 가시광선 선택 파장을 통과 시키는 RGB 필터;

상기 거리 픽셀 상에 형성되어 특정 파장의 근적외선만 통과 시키는 근적외선 대역 통과 필터; 및

상기의 RGB 필터와 근적외선 대역 통과 필터상에 형성되어 과시광선 영역에서 특정 파장의 근적외선까지를 통과대역으로하는 단일 대역 적층형 필터가 있는 것이 특징인 영상정보와 거리 정보를 동시에 제공하는 단일 칩 입체 영상 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 RGB 가시광선은 400-700nm 인 것이 특징인 단일 칩 입체 영상 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 근적외선 통과대역은 근적외선 통과영역과 단일 대역 통과 영역이 교차되는 영역인 것이 특징인 입체 영상 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 단일 대역 적층형 필터는 통과대역이 400nm-900nm 인 것이 특징인 단일 칩 입체 영상 광학 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 근적외선 필터는 700nm에서 830nm 사이의 파장을 갖으며 이 임계 파장 이상의 근적외선만 통과시키는 장파장 투과 필터로 형성된 것이 특징인 단일 칩 입체 영상 광학 시스템.
반도체 기판에 다수의 포토다이오드로 형성된 컬러 픽셀 어레이;

상기 포토다이오드 측면에 형성된 거리 픽셀 어레이;

상기 포토다이오드 및 거리 픽셀 상에 형성된 광유도부;

상기 컬러 픽셀 어레이 광유도부 상에 형성된 가시광선 선택 파장을 통과 시키는 RGB 필터;

상기 거리 픽셀 광유도부 상에 형성된 근적외선만 통과 시키는 NIR 필터; 및

상기 RGB 필터 및 NIR 필터 상에 다수의 렌즈가 형성된 것이 특징인 영상정보와 거리정보를 제공하는 반도체 장치.
제 6항에 있어서, 상기 RGB 필터 및 NIR 필터는 안료 또는 염료 유기물로 형성된 것이 특징인 반도체 장치.
제 6항에 있어서, 상기 NIR 필터는 서로 다른 굴절율을 갖는 두 가지 이상의 무기 물질의 다층막으로 구성된 것이 특징인 반도체 장치.
제 6항에 있어서, 상기 렌즈는 마이크로 렌즈인 것이 특징인 반도체 장치.
제 6항에 있어서, 상기 광유도부는 레진 층인 것이 특징인 반도체 제조 장치.