KR20110130341A - 가변 입사각의 복사선을 처리하기에 적합한 광학 필터 및 이 필터를 포함하는 검출기 - Google Patents

가변 입사각의 복사선을 처리하기에 적합한 광학 필터 및 이 필터를 포함하는 검출기 Download PDF

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요앙 데지에르
로렝 프레이
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

가변하는 입사각의 전자기 복사선을 필터링하기 위한 광학 필터(60)는 2개의 부분적으로 반사성인 층(68,70,72)들 사이에 배열되는 적어도 하나의 유전체 또는 반 전도체 층(64,66)의 스택을 포함하고 상기 스택은 미리 결정된 파장으로 설정된 패브리-페로 공동의 세트를 한정한다.
상기 유전체 또는 반 전도체 층(64,66)의 평균 굴절률은 상기 공동의 투과 스펙트럼에 대해 전자기 복사선의 입사각의 변화의 효과를 보상하기 위하여 상기 스택의 방향(E)에 수직한 평면에서 가변하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변 입사각의 복사선을 처리하기에 적합한 광학 필터 및 이 필터를 포함하는 검출기{OPTICAL FILTER SUITABLE FOR DEALING WITH A RADIATION OF VARIABLE INCIDENCE AND DETECTOR INCLUDING SAID FILTER}
본 발명은 패브리-페로 공동(
Figure pat00001
)에 기초하고 큰 필터링 면을 특징으로 하는 광학 필터 분야에 관한 것이다. 상세하게는 본 발명은 광학 필터 어레이 및 특히 가시광 이미징 시스템에 사용하기 위한 RGB 필터 분야에서 사용된다.
가시광 이미징 시스템은 일반적으로 예를 들어 넓은 범위의 가시광 복사선에 민감하고 특히 이와 동시에 적색, 청색 및 녹색 파장에 민감한 포토사이트(photosite : 화상소자), CCD 또는 CMOS 어레이를 포함한다. 그 자체로 알려진 바와 같이, 각 포토사이트는 바이어 어레이(Bayer array)에 분배된 적색, 녹색 및 청색 어레이를 중첩시켜서 이들 파장들 중 하나를 검출하는 것을 특징으로 한다.
가장 잘 알려진 필터 어레이는 포토사이트 어레이 상에 적층된 컬러 수지로 구성된다. 그러나 컬러 수지에 기초한 이러한 유형의 필터 어레이는 광의 입사각에 민감하고, 넓은 범위의 입사각은 수지에 보다 많은 전파 길이를 유발한다.
나아가, 컬러 수지에서 매우 작은 픽셀 사이즈, 즉 1마이크로미터 미만의 사이즈에 이르는 것은 곤란한데, 그 이유는 한편으로는 제한된 안료 밀도로 인해 수지의 두께를 감소시키는 것이 곤란하고 또 수지의 두께를 감소시키는 것은 픽셀들 사이에 누화(cross-talk)를 유발하기 때문이고, 다른 한편으로는 인접한 픽셀들 사이의 전이 영역의 크기가 작지 않아 상이한 컬러와 연관된 수지들이 충분히 정확치 않게 연속적으로 적층되어 있기 때문이다(적층이 이루어질 때 측면 기울기가 보존되지 않는다).
나아가, 그 자체로 알려진 바와 같이, 가시광 이미징 시스템은 일반적으로 포토사이트 어레이의 전면에 배치된 적외선 필터를 구비한다. 사실, CCD 기술 포토사이트와 그리고 점점 더 CMOS 기술에 기초한 것은 적외선에 아주 매우 민감하여 아무런 조치가 취해지지 않는다면 이는 가시광의 검출 품질에 악영향을 미친다.
사실, 적외선 필터는 복사선의 입사각에 민감하다. 특히, 그 입사각이 증가함에 따라(즉, 수직 입사로부터 멀어지게 이동함에 따라) 그 필터 차단 주파수(filter cut-off)가 이동(shift)하는데 청색 쪽으로 이동한다. 따라서, 입사각이 넓은 경우 가시광의 스펙트럼의 유용한 부분이 차단되는데 특히 적색이 차단된다. 그러므로, 적외선 수지-필터는 입사각에 매우 민감한 연관성이 있다.
패브리-페로 공동(
Figure pat00002
)에 기초한 필터 어레이는 컬러 및 적외선 필터링을 동시에 제공하도록 설계되었다. 이들 어레이는 종래에는 하나 이상의 유전체 층에 의해 분리된 복수의 금속 층을 구비하며, 이 층의 굴절률과 두께는 패브리-페로 공동의 파장을 설정하도록 선택된다. 유전체 층은 종래에는 그 굴절률이 전체 어레이에 걸쳐 일정하도록 단일 물질로 구성되어 있다. 따라서, 상이한 파장으로 설정되지만, 예를 들어 바이어 어레이(Bayer array)에서는 서로에 대하여 병렬 배치된 패브리-페로 공동을 얻기 위해, 어레이는 가변적인 두께의 하나 이상의 유전체 층으로 형성되며, 그 두께는 공동의 파장을 설정하기 위해 사용된다. 이런 유형의 패브리-페로 공동의 어레이에 대해 보다 상세한 자료에 대해서는 예를 들어 문헌 US 6 031 653호를 참조할 수 있다. 이들 금속-유전체 필터에서는 적외선이 금속에 의해 차단되기 때문에 적외선 필터가 더 이상 필요치 않다.
이러한 해법은 대략 2의 인수만큼 감소되는 필터 두께의 문제는 해소하지만 입사각과 스펙트럼 응답의 종속성을 상당히 개선하지 못함은 물론 필터의 비-평면성(non-planarity)에 내재하는 픽셀들 사이의 전이 영역의 문제들도 개선하지 못한다.
나아가 가변적인 두께의 패브리-페로 공동의 어레이를 제조하는 것은 이것이 많은 마스킹 단계 및 식각 단계를 요구하여 적외선 필터를 제거함으로써 얻어지는 어레이의 최종 비용 이득을 감소시키고 제조 시간을 상당히 연장시키기 때문에 산업적 공정 면에서 많은 제약이 있다. 나아가, 어레이의 평면화는 일반적으로 그 면이 이후 마이크로 렌즈를 형성하는데 사용되기 때문에 필요하다. 그리하여 추가적인 두께가 패브리-페로 공동의 스택에 추가되는데, 그 효과는 누화 효과를 증가시킨다는 것이며 이 누화 효과는 그 두께가 수지 필터에서 나타나는 레벨 아래로 유지된다 하더라도 포토사이트에 이르기 위해 통과되는 물질의 두께와 직접 관련되어 있다.
문헌 EP 1 592 067호는 도 13A 내지 도 13E에 도시된 실시예에서 일정한 두께의 패브리-페로 공동의 어레이를 제안한다. 공동의 파장을 설정하기 위해 유전체 층 또는 층들의 두께를 사용하는 대신에 이 문헌은 그 굴절률을 사용할 것을 제안한다.
이 문헌에 있는 도 13D를 재사용하는 도 1은 청색 투과 필터(12), 적색 투과 필터(14) 및 녹색 투과 필터(16)를 각각 형성하는 3개의 병렬 배치된 패브리-페로 공동을 도시하는 패브리-페로 공동의 어레이(10)의 단면도이다.
이 어레이(10)는,
· 절연 기판(20)과;
· 기판(20) 위에 적층되고 반 반사면을 형성하는 SiO2 및 TiO2의 유전체 층의 제 1 교대(22)와;
· 가변적인 굴절률의 유전체 층(24)과;
· 유저체 층(24) 위에 적층되고 반 반사면을 형성하는 SiO2 및 TiO2의 유전체 층의 제 2 교대(26);를 포함한다.
유전체 층(24)은 상이한 평균 굴절률의 3개의 별개의 영역, 즉 TiO2로 구성된 제 1 영역(28), SiO2로 구성된 제 2 영역(30) 및 상기 제 1 및 제 2 영역(28,30)들 사이에 형성되고 SiO2의 층 내에 구현된 TiO2의 밴드의 주기적인 네트워크로 구성된 제 3 영역(32)으로 형성된다. TiO2는 제 3 영역(32)의 볼륨의 1/5를 나타내고 그리하여 SiO2는 이 볼륨의 4/5를 나타내어, 영역(32)의 평균 굴절률이
Figure pat00003
와 같게 된다.
이 구조는 이에 따라 청색, 적색 및 녹색 파장으로 각각 설정된 3개의 병렬 배치된 패브리-페로 공동을 형성한다.
그러나, 패브리-페로 공동에서 공진이 얻어지는 파장과, 이에 따라 원하는 효과, 즉 상기 파장에 대해 좁은 영역의 투과 대역은 유전체 층의 두께와 굴절률에 의존할 뿐만 아니라 공동에 대한 전자기 복사선의 입사각에 의존한다.
사실, 패브리-페로 공동의 어레이의 전체 면에 대해 일정한 입사각을 갖는 복사선의 경우는 매우 희박하다.
특히, 이미징 분야에서, 공동의 어레이가 중첩되는 포토사이트 어레이는 센서에서 관찰되는 장면의 이미지를 형성하기 위하여 광학기기의 초점면에 항상 배치된다. 이런 유형의 검출기는 도 2에 도시된다. 이 도 2는 광축(OX)을 갖는 광학기기(42)와 평면 센서(44)를 구비하는 예를 들어 카메라와 같은 검출기(40)를 도식적으로 도시한다. 이 센서(44)는 광학기기(42)의 초점 면에 배치된 포토사이트 어레이를 구비하는 검출기 회로(46)와, 문헌 EP 1 592 067호에 있는 것과 유사하고 검출기 회로(46) 위에 중첩된 패브리-페로 공동의 어레이(48)를 포함한다.
그 자체로 알려진 바와 같이, 광학기기는 장면에 대해 실질적으로 구형인 이미지를 형성한다. 구형 파면(50)은 어레이(48)에 입사하는 복사선의 입사각이 변하는 문제를 도시하기 위하여 도 2에 과장되게 도시되어 있다. 따라서, 이 복사선은 광축(OX)에 있는 어레이(48)에는 수직 입사를 하고 그 외의 어레이에서는 비 수직 입사를 한다는 것이 주목된다. 그래서 예를 들어, 어레이(48)의 에지(edge)에서 입사각(θL)이 20°이라는 것은 종래 기술의 센서(44)의 사이즈에서 이상한 것이 아니며, 여기서 입사각은 어레이(48)의 평면에서 수직선(norm)에 대하여 결정된 것이다.
도 3은 패브리-페로 공동의 투과 대역폭의 스펙트럼 내 위치에 대한 입사각의 영향을 도시한다. "C" 투과 응답은 예를 들어 광축(OX)에 배치된 공동(52)의 것이고, "B" 투과 응답은 예를 들어 어레이(48)의 에지에 배치된 공동(54)의 것이며, 2개의 공동(52,54)은 녹색 파장과 동일하며 이로 설정된다. 광축(OX)에 있는 공동(52)은 수직 입사를 하는 복사선을 수신하는 반면, 어레이(48)의 에지에 있는 공동은 20°의 입사각을 갖는 복사선을 수신한다.
주지하는 바와 같이, 이들 2개의 투과 응답들 사이에는 상당한 이동(shifts)이 있는데, "B" 응답은 청색에 더 가까운 반면, "C" 응답은 녹색 파장에 대응한다. 그러므로, 어레이(48)에서 공동의 위치에 따라 선택된 파장에 상당히 큰 변동이 있게 된다. 검출기 회로(46)에 의해 검출된 이미지는 그리하여 관찰된 장면의 실제 컬러에 충실하지 않다.
본 발명의 목적은 일정한 두께의 패브리-페로 공동을 구비하며 그 투과 응답이 미리 결정된 전자기 복사선의 입사각의 변동에 민감하지 않은 필터를 제안하는 것에 의해 전술된 문제를 해결하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 목적은 2개의 부분적으로 반사성인 층들 사이에 배열된 적어도 하나의 유전체 또는 반 전도체 층의 스택을 포함하며 상기 스택은 미리 결정된 파장으로 설정된 패브리-페로 공동의 적어도 하나의 세트를 한정하는 가변적인 입사각을 갖는 전자기 복사선을 필터링하는 광학 필터이다.
본 발명에 따라, 유전체 또는 반 전도체 층의 평균 굴절률은 공동의 투과 스펙트럼에 대해 전자기 복사선의 입사각이 변하는 효과를 보상하기 위하여 스택의 방향에 수직한 면에서 변한다.
달리 말하면, 단지 굴절률에 의해서만, 패브리-페로 공동이 필터 내 위치가 어디이든지 간에 거의 동일한 투과 프로파일을 가지도록 패브리-페로 공동을 설정하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 특히 실질적으로 구형의 파면을 가지는 복사선에 적응된 입사각(θ)의 복사선을 수신하는 공동의 평균 굴절률은 실질적으로 관계식
Figure pat00004
을 만족하며, 여기서 n은 공동의 평균 굴절률이고,
Figure pat00005
은 수직 입사시에 복사선을 수신하도록 의도된 공동의 평균 굴절률이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 패브리-페로 공동들은 적어도 2개의 물질을 포함하며, 이들 공동들 각각 내 물질의 굴절률과 비율은 미리 결정된 설정 파장으로 상기 공동을 설정하기 위하여 공동에 대한 복사선의 입사각의 함수로서 선택된다. 보다 구체적으로, 상기 공동들 각각은 2개의 물질로 구성되고, 하나의 물질은 다른 물질 내에 형성된 주기적인 패턴(periodic patterns)의 형태를 취하며, 상기 패턴의 충진 인자(fill factor)는 공동의 평균 굴절률을 설정한다.
특히, 상기 패턴은 유전체 또는 반 전도체 층의 두께 이하의 두께를 가지며, 공동의 패턴의 두께는 공동에 대한 복사선의 입사각의 함수로서 선택된다.
유리하게, 상기 공동들 각각은 2개의 물질로 구성되고, 하나의 물질은 다른 물질 내에 형성된 주기적인 패턴의 형태를 취하며, 상기 패턴의 주기는 공동에 설정된 파장보다 작게 선택되어 공동이 상기 파장에 대해 실질적으로 균일한 굴절률을 가지게 된다. 보다 구체적으로, 패턴의 주기는
Figure pat00006
이하이며, 여기서
Figure pat00007
는 공동에 설정된 파장이며, θ는 공동에 대한 복사선의 입사각이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 필터는 2개의 부분적으로 반사성인 단부 층들 사이에 배열되고 부분적으로 반사성인 중앙 층에 의해 분리된 2개의 동일한 유전체 또는 반 전도체 층들의 스택을 포함한다.
보다 구체적으로, 중앙 층의 두께는 단부 층들 각각의 두께보다 더 크다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 부분적으로 반사성인 층들은 금속이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 필터는 적색, 녹색 및 청색 파장으로 각각 설정되고 바이어 어레이(Bayer array)로 배열된 패브리-페로 공동의 3개의 세트를 포함한다.
일 실시예에 따라, 패브리-페로 공동은 동일한 두께로 되어 있다. 그러므로 패브리-페로 공동은 동일한 두께를 유지하며, 이는 구체적으로 작은 사이즈의 필터들이 생성될 수 있고 이에 따라 작은 사이즈의 포토사이트들이 생성될 수 있다는 것을 의미한다.
다른 실시예에 따라, 패브리-페로 공동은 상이한 두께로 되어 있고, 공동의 굴절률과 두께는 상기 공동의 투과 스펙트럼에 대해 전자기 복사선의 입사각이 변하는 효과를 보상하도록 선택된다.
본 발명의 다른 목적은 2개의 부분적으로 반사성인 층들 사이에 배열된 적어도 하나의 유전체 또는 반 전도체 층의 스택을 포함하며, 상기 스택은 미리 결정된 파장으로 설정된 패브리-페로 공동의 세트를 한정하며, 패브리-페로 공동의 투과 스펙트럼에 대해 전자기 복사선의 입사각이 변하는 효과를 보상하기 위하여 굴절률이 스택의 방향에 수직한 평면에서 변하는 가변 입사각의 전자기 복사선을 필터링하는 광학 필터의 사용이다.
본 발명의 다른 목적은,
· 실질적으로 구형 이미지를 형성하는 광학기기와;
· 감광 소자의 어레이를 구비하며 그 광축에 수직하고 광학기기의 출력에 배치된 평면 검출기 회로와;
· 검출기 회로와 광학기기 사이에 배치되고 검출기 회로에 평행하며 각 감광 소자 위에 패브리-페로 공동이 배열된 패브리-페로 공동의 어레이를 구비하는 평면 매트릭스 필터;를 포함하는 전자기 복사선 검출기이다.
본 발명에 따라, 필터는 전술된 청구항들 중 어느 하나에 따르며, 공동의 평균 굴절률은, 필터에 입사하며 광학기기에 의해 형성된 실질적으로 구형인 이미지의 가변적인 입사각에 적응하기 위하여 가변적이며 구체적으로 광축이 지나가는 필터의 점으로부터 한정된 광선을 따라 감소한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로써 제공되는 이하 상세한 설명을 판독하여 보다 잘 이해될 수 있을 것이며, 여기서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 종래 기술에 따라 패브리-페로 공동의 어레이의 개략 단면도.
도 2는 도 1의 공동의 어레이를 구비하는 검출기의 개략 단면도.
도 3은 도 2의 검출기의 광축에 위치하는 패브리-페로 공동의 투과 응답과 어레이의 에지에 위치하는 패브리-페로 공동의 투과 응답의 패턴을 각각 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 패브리-페로 공동의 어레이의 개략 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 패브리-페로 공동의 어레이의 변형예의 개략 단면도.
도 6은 이 공동에 입사하는 복사선의 입사각을 보상하는 경우와 보상하지 않는 경우 어레이의 에지에 위치하는 패브리-페로 공동과 검출기의 광축에 위치하는 패브리-페로 공동의 투과 응답의 패턴을 도시하는 도면.
도 4는 본 예에서 적색, 녹색 및 청색 필터를 형성하는 3개의 패브리-페로 공동의 어레이(60)의 개략 단면도를 도시한다. 어레이(60)는 예를 들어 도 2에 있는 것과 유사한 검출기로 배열된다.
어레이(60)는 2개의 금속 단부 층(70,72)들 사이에 배치되고 중앙 금속 층(68)에 의해 분리된 2개의 동일한 유전체 또는 반 전도체 층(64,66)의 스택으로 적층된 절연 기판(62)을 포함한다. 상이한 층들은 평면이고 방향(E)으로 적층된다.
층(64,66)의 굴절률은 상이한 필터링 영역을 한정하기 위하여 스택의 방향(E)에 수직한 면에서 변한다. 보다 구체적으로, 층들(64,66)은 상이한 평균 굴절률의 영역(74,76,78)으로 분할된다. 층들(64,66)의 각 영역은 층들(64,66)의 두께 내에 형성된 정사각형 단면의 평행한 밴드와 같은 주기적인 패턴(82,84,86)을 형성하는 2개의 유전체 물질 또는 2개의 반 전도체 물질로 구성된다. 이들 물질의 각 비율은 이 영역의 평균 굴절률을 설정한다.
금속 층(68,70,72)과 결합된 각 영역(74,76,78)은 패브리-페로 공동을 형성하며, 그 공진 파장은 공동의 두께, 영역의 굴절률 및 공동에 대한 복사선의 입사각의 함수이다. 이후, 대응하는 패브리-페로 공동의 굴절률과 영역의 굴절률 사이에는 차이가 없다.
도 3에 있는 예에서는 나란히 도시되어 있지만, 패브리-페로 공동에 의해 형성된 적색, 녹색 및 청색 필터들은 예를 들어 바이어 어레이에서와 같이 의도된 용도에 따라 상이하게 분배될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이렇게 형성된 각 패브리-페로 공동은 다음 관계식 (1) (2)에 따라 파장
Figure pat00008
에 대한 전자기 공진기를 한정한다.
Figure pat00009
여기서,
· n은 공동의 평균 굴절률이고,
· h는 공동의 두께, 즉 층들(64,66)의 두께이고,
· θ는 공동에 대한 복사선의 평균 입사각이고,
· m은 공동의 차수(order)를 한정하는 양의 정수이고,
·
Figure pat00010
및
Figure pat00011
는 금속 층(68,72)에서의 반사 위상 이동 또는 이 층(68,70)에서 균일한 방식으로 반사 위상 이동이다,
· f 는 제 1 물질, 예를 들어 가장 낮은 굴절률을 가진 물질의 비율이고, 이 숫자 f는 또한 "충진 인수(fill factor)"라고도 하며 0과 1 사이에 있다,
· nb 및 nh는 각각 제 1 및 제 2 물질의 굴절률이다.
타겟인 각 적색(
Figure pat00012
), 청색(
Figure pat00013
) 및 녹색(
Figure pat00014
) 파장에 대해, 대응하는 패브리-페로 공동의 굴절률(n)은 어레이(60)의 공동의 위치가 어디이든 간에 다음 관계식 (3)
Figure pat00015
을 만족시키도록 선택되며,
여기서, n
Figure pat00016
은 타겟 파장으로 설정되고 수직 입사(θ=0)를 하는 복사선을 수신하는 공동의 굴절률과 같은 일정한 수이다.
관계식 (3)이 단 하나의 유전체 또는 반 전도체 층만을 포함하는 것을 포함하여 패브리-페로 공동의 임의의 유형으로 일반화된다는 것이 주지되어야 한다.
공동의 굴절률은 이에 따라 다음 관계식 (4)에 따라 선택된 충진 인수(f)에 의하여 복사선의 입사각의 함수로서 간단히 설정된다:
Figure pat00017
유리하게는, 패브리-페로 공동의 주기적인 패턴의 주기는 타겟 파장보다 훨씬 작아서 이 공동은 이들 파장에 대해 균일한 굴절률을 가진다.
보다 구체적으로, 제 2 물질 내에 제 1 물질의 밴드의 네트워크의 주기(p1) 또는 이와 유사하게 제 1 물질 내에 제 2 물질의 밴드의 네트워크의 주기(p2)는 다음 관계식 (5)을 만족시킨다.
Figure pat00018
이런 방식으로, 본 발명자는 패브리-페로 공동이 타겟 파장에 대해 균일한 굴절률의 공동과 같이 거동한다는 것을 발견하였다. 상기 관계식 (5)에 한정된 제한 범위를 넘어, 입사각이 효과적으로 보상되게 유지된다면, 패브리-페로 공동의 투과 스펙트럼은 저하되며(특히 투과율이 저하하고 복수의 투과 피크가 발생한다) 균일한 굴절률의 공동 스펙트럼에 더 이상 대응하지 않는다.
그러나, 나아가 패브리-페로 공동이 배열되며, 패브리-페로 공동의 굴절률은 바람직하게는 이 공동에 대해 타겟인 파장에 대해 균일하거나 및/또는 일정하다.
바람직하게는 층(64,66)을 구성하는 2개의 물질은 각각 예를 들어, Si, HfO2, SiN, ZnS 또는 TiO2와 같은 높은 굴절률의 물질과, 예를 들어, SiO2, Al2O3, SiOC와 같은 낮은 굴절률의 물질 또는 나노포러스(nanoporous) 또는 저 밀도의 물질(나노포러스 SiO2 또는 나노포러스 SiOC 등)이다.
바람직하게는, 낮은 굴절률의 물질은 가장 낮은 굴절률(f=1)을 갖는 공동을 완전히 구성하도록 선택되며, 즉 공동은 수직 입사하는 복사선을 수신하며 청색 파장으로 설정된다. 마찬가지로, 높은 굴절률의 물질은 가장 높은 굴절률(f=0)을 갖는 공동을 완전히 구성하도록 선택되며, 즉 공동은 적색 파장으로 설정되며 최대 입사각의 복사선을 수신한다. 이것은 두 단부 공동의 시나리오들이 필요한 유효 굴절률 면에서 고려되어 이들 유효 단부 굴절률이 가장 낮은 굴절률을 갖는 물질과 가장 높은 굴절률을 가진 물질에 의해 제한된 범위 내에 포함되는 것을 의미한다.
금속 층(68,70,72)은 예를 들어 Ag, Al, Au 또는 Cu로 이루어진다. 금속 층들은 이들이 적외선에 낮은 투과율을 가지므로 가시 영역에서 유리하다.
중앙 금속 층(68)은 나아가 단부 층(70,72) 각각의 두께보다 더 큰 두께를 가지고 바람직하게는 단일 피크를 포함하는 투과 응답을 제공하는 층(70,72) 각각의 두께보다 2배 두꺼운 두께를 가진다.
충진 인수(f)가 매우 작을 때(또는 매우 클 때), 제 2 물질 내 제 1 물질의 밴드(그리고 제 1 물질 내 제 2 물질의 밴드)는 폭이 매우 작으며 이는 주어진 종래의 리소그래피 및 식각 기술로 제조하는 것을 곤란하게 할 수 있다.
주기적인 네트워크의 제조를 간단하게 하기 위해, 그 구성 패턴은 층(64,66)의 전체 두께에서 식각되지 않고 이들 층에 부분적으로 식각되며 도 5A와 도 5B에서 볼 수 있다.
도 5A는 층(64, 66)의 전체 두께에서 이루어진 밴드를 갖는 전술된 패브리-페로 공동을 도시하며 그 총 표면은 공동의 면의 15%를 나타낸다.
도 5B는 층(64,66)의 두께 내에 부분적으로, 즉 이들 층의 두께의 절반 정도로 만들어지지만 도 5A에 있는 공동의 것과 동일한 충진 인수(f)를 가지는 밴드를 갖는 공동을 도시한다. 도 5B에서, 밴드의 총 표면은 공동의 표면의 50%를 나타낸다. 주지하는 바와 같이, 도 5B에 있는 밴드는 더 넓고 그리하여 보다 직선으로 생성되어 공동의 파장이 더 변경됨이 없이 유지된다.
예를 들어, 금속 층(68,70,72)은 Au로 이루어지고 40nm, 60nm 및 40nm의 두께를 각각 가지고, 층(64, 66)은 TiO2 및 SiO2로 이루어진 80nm의 두께를 가지며 SiO2의 비율은 0% {SiO2의 최소 비율은 최대 입사를 수신하는 적색 픽셀에 의해 고정되고, 여기서 유효 굴절률은 수직 입사에서보다 더 높아야 한다(15%)}에서 85% (수직 입사에서 청색 필터에 의해 고정된 f=0.85)로 변한다. 수직 입사에서, 패브리-페로 공동은 적색 파장에 대해서는 SiO2의 15% (f=0.15)의 비율을 가지고, 녹색 파장에 대해서는 50% (f= 0.5)의 비율을 가지고, 청색 파장에 대해서는 85% (f = 0.85)를 가진다.
도 6은 녹색 파장에 대해 패브리-페로 공동의 굴절률을 선택할 때 입사각을 고려하는 효과를 도시한다:
· "C" 곡선은 수직 입사를 하는 복사선에서 50%의 SiO2의 비율을 가지는 공동의 투과 응답이고,
· "B" 곡선은 20°의 입사 복사선에서 동일한 공동의 응답이며,
·
Figure pat00019
곡선은 20°의 입사 복사선에서 35%의 SiO2의 비율을 가지는 공동의 투과 응답이다.
주지되는 바와 같이,
Figure pat00020
응답은 "C" 응답과 동일하며 이에 따라 수직이 아닌 입사각의 유효 보상을 보여준다.
실제로, 본 발명에 따른 패브리-페로 공동의 어레이를 디자인하기 위하여, 공동의 어레이에 대응하는 면에 대한 입사각을 결정하기 위하여 전자기 복사선이 제일 먼저 결정된다. 예를 들어, 가시광 검출기의 경우, 광학기기로부터 오는 복사선의 형태는 완전히 알려져 있다. 이에 대해서는 예를 들어, 문헌 "Optical efficiency of image sensor pixels" (Peter B. Catrysse and Brian A. Wandell, J. Opt. Soc. Am. A/Vol. 19, No. 8/August 2002, pp 1610)을 참조할 수 있다.
패브리-페로 공동은 평행한 밴드의 주기적인 네트워크에 의해 구조화된 것으로 기술되었다. 이러한 공동은 최대 높은 투과 진폭을 가지지만 입사 복사선의 편광에 민감하다.
하나의 대안으로서 이들 공동은 평행한 밴드의 2개의 주기적인 네트워크에 의해 구조화되고 이들 2개의 네트워크는 수직하다. 이것은 복사선의 편광에 민감하지는 않는 공동을 가능하게 하지만 공동의 투과 응답의 최대 진폭을 감소시키킨다.
마찬가지로, 패브리-페로 공동은 동일한 두께로 된 것으로 기술되었다. 패브리-페로 공동에 대해 상이한 두께를 선택하는 것도 가능하며, 그 값은 굴절률 값과 조합하여 복사선의 입사각이 변하는 영향을 예를 들어 두께와 굴절률의 선택을 위해 관계식 (1)과 (2)에 따라 보상하도록 선택된다.
마찬가지로, 가시광 이미징 분야에서 사용하는 것이 기술되었다. 본 발명은 또한 다른 스펙트럼 영역에 적용하는 것도 이해될 것이다.

Claims (15)

  1. 2개의 부분적으로 반사성인 층(68,70,72)들 사이에 배열된 적어도 하나의 유전체 또는 반 전도체 층(64,66)의 스택을 포함하며, 상기 스택은 미리 결정된 파장으로 설정된 패브리-페로 공동의 세트를 한정하는, 가변적인 입사각의 전자기 복사선을 필터링하는 광학 필터(60)로서,
    상기 유전체 또는 반 전도체 층(64,66)의 평균 굴절률은 상기 공동의 투과 스펙트럼에 대해 전자기 복사선의 입사각의 변화의 효과를 보상하기 위하여 스택의 방향(E)에 수직한 평면에서 가변적인 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    입사각(θ)의 복사선을 수신하는 공동의 평균 굴절률은 실질적으로 관계식
    Figure pat00021
    을 만족시키고, 여기서 n은 공동의 평균 굴절률이고,
    Figure pat00022
    은 수직 입사하는 복사선을 수신하는 공동의 평균 굴절률인 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 패브리-페로 공동은 적어도 2개의 물질을 포함하며, 상기 공동들 각각의 물질의 굴절률과 비율은 미리 결정된 설정 파장으로 상기 공동을 설정하기 위하여 공동에 대해 복사선의 입사각의 함수로서 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공동들 각각은 2개의 물질로 구성되고, 하나의 물질은 다른 물질 내에 형성된 주기적인 패턴(82,84,86)의 형태를 취하며, 상기 패턴의 충진 인수는 공동의 평균 굴절률을 설정하는 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 패턴(82,84,86)은 유전체 또는 반 전도체 층의 두께 이하의 두께를 가지며, 상기 공동의 패턴의 두께는 공동에 대해 복사선의 입사각의 함수로서 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공동들 각각은 2개의 물질로 구성되고, 하나의 물질은 다른 물질 내에 형성된 주기적인 패턴(82,84,86)의 형태를 취하고, 상기 패턴의 주기는 상기 파장에 대해 실질적으로 균일한 굴절률을 가지도록 공동에 설정된 파장보다 더 작도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 패턴의 주기는
    Figure pat00023
    이하이고, 는 공동에 설정되는 파장이고, θ는 공동의 복사선의 입사각인 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    부분적으로 반사성인 중앙 층(68)에 의해 분리되고 2개의 부분적으로 반사성인 단부 층(70,72)들 사이에 배열된 2개의 동일한 유전체 또는 반 전도체 층(64,66)의 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 중앙 층(68)의 두께는 단부 층(70,72)들 각각의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 반사성인 층(68,20,72)은 금속인 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바이어 어레이(Bayer array)로 배열되고 적색, 녹색 및 청색 파장으로 각각 설정된 패브리-페로 공동의 3개의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패브리-페로 공동은 동일한 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패브리-페로 공동은 상이한 두께로 이루어지며, 상기 공동의 굴절률과 두께는 상기 공동의 투과 스펙트럼에 대해 전자기 복사선의 입사각의 변화의 효과를 보상하기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  14. 2개의 부분적으로 반사성인 층(68,70,72)들 사이에 배열된 적어도 하나의 유전체 또는 반 전도체 층(64,66)의 스택을 포함하고 상기 스택은 미리 결정된 파장으로 설정된 패브리-페로 공동의 세트를 한정하는 광학 필터의 사용으로서,
    상기 광학 필터는 패브리-페로 공동의 투과 스펙트럼에 대해 전자기 복사선의 입사각의 변화의 효과를 보상하기 위하여 스택의 방향에 수직한 평면에서 변하는 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 필터의 사용.
  15. 전자기 복사선 검출기로서,
    · 실질적으로 구형 이미지를 형성하는 광학기기와;
    · 감광 요소의 어레이를 포함하며 그 광축에 수직한 평면을 따라 광학기기의 출력에 배치된 평면 검출기 회로와;
    · 패브리-페로 공동의 어레이를 포함하고, 상기 검출기 회로와 광학기기 사이에 배치되며 검출기 회로에 평행하게 연장하며, 상기 패브리-페로 공동 각각은 각 감광 요소 위에 배열되는 평면 매트릭스 필터;를 포함하며,
    상기 필터는 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 필터이며, 상기 공동의 평균 굴절률은 광학기기에 의해 형성된 실질적으로 구형 이미지와 필터에 입사하는 가변하는 입사각에 적응될 수 있도록 변하는 것을 특징으로 하는 전자기 복사선 검출기.
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