KR20200025948A - 광 필터 및 이를 포함하는 분광기 - Google Patents
광 필터 및 이를 포함하는 분광기 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20200025948A KR20200025948A KR1020180104014A KR20180104014A KR20200025948A KR 20200025948 A KR20200025948 A KR 20200025948A KR 1020180104014 A KR1020180104014 A KR 1020180104014A KR 20180104014 A KR20180104014 A KR 20180104014A KR 20200025948 A KR20200025948 A KR 20200025948A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- filter
- spectral modulation
- light absorption
- modulation layer
- optical filter
- Prior art date
Links
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 128
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 90
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 claims abstract description 83
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 68
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 79
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 35
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims description 23
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 15
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 11
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 claims description 9
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 6
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 64
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 28
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 8
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 229920000301 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 4-pyren-1-ylbutanoate Chemical compound C=1C=C(C2=C34)C=CC3=CC=CC4=CC=C2C=1CCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000109 alkoxy-substituted poly(p-phenylene vinylene) Polymers 0.000 description 1
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 1
- UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);selenium(2-) Chemical compound [Se-2].[Cd+2] UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013383 initial experiment Methods 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/204—Filters in which spectral selection is performed by means of a conductive grid or array, e.g. frequency selective surfaces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/201—Filters in the form of arrays
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0229—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using masks, aperture plates, spatial light modulators or spatial filters, e.g. reflective filters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0256—Compact construction
- G01J3/0259—Monolithic
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/06—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of fluids in transparent cells
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
- G02B1/11—Anti-reflection coatings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/22—Absorbing filters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/22—Absorbing filters
- G02B5/24—Liquid filters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
- G02B7/006—Filter holders
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Optical Filters (AREA)
- Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)
Abstract
광 필터 및 이를 포함하는 분광기가 개시된다. 개시된 광 필터는 적어도 하나의 필터 유닛을 포함하고, 상기 필터 유닛은 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가지는 액상의 스펙트럼 변조층을 포함한다. 여기서, 상기 액상의 스펙트럼 변조층은 위치에 따라 서로 다른 두께를 가진다.
Description
광 필터 및 이를 포함하는 분광기에 관한 것이다.
소형 분광기는 그 작은 크기로 인해 휴대성과 적용성이 뛰어나고, 이에 따라 생체 센서, 휴대용 가스 센서 등과 같이 다양한 분야에 적용이 가능하다. 그러나, 이러한 작은 크기의 분광기를 구현하기 위해서는 격자(grating) 구조를 이용한 분광 방법이 사용되기 어렵다.
예시적인 실시예는 광 필터 및 이를 포함하는 분광기를 제공한다.
일 측면에 있어서,
적어도 하나의 필터 유닛을 포함하고,
상기 필터 유닛은 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가지는 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 광 필터가 제공된다.
상기 액상의 스펙트럼 변조층은 위치에 따라 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 필터 유닛은 상기 액상의 스펙트럼 변조층이 채워지는 내부 공간을 포함하며, 광학적으로 투명한 재질을 포함하는 필터 프레임을 더 포함할 수 있다. 상기 필터 프레임은 예를 들면, 유리, 석영(quartz) 또는 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 필터 프레임의 내부 공간은 예를 들면, 삼각형, 사다리꼴, 또는 렌즈 형태의 단면을 포함할 수 있다.
상기 액상의 스펙트럼 변조층은 광 흡수 변조 물질(light absorption modulation material)을 포함할 수 있다. 상기 광 흡수 변조 물질은 양자점(QDs; Quantum Dots), 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 서로 다른 투과 스펙트럼들은 비선형 관계(non-linear relation)를 가질 수 있다.
상기 광 필터는 상기 필터 유닛의 상면 및 하면 중 적어도 하나에 마련되는 반사 방지층(anti-reflection layer)을 더 포함할 수 있다.
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고, 상기 복수의 필터 유닛은 동일 평면 상에서 어레이 형태로 배열될 수 있다. 상기 복수의 스펙트럼 변조층은 서로 다른 종류의 광 흡수 변조 물질들을 포함하거나 또는 서로 다른 크기의 광 흡수 변조 물질들을 포함할 수 있다.
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고, 상기 복수의 필터 유닛은 수직으로 중첩된 형태로 배열될 수 있다. 상기 복수의 스펙트럼 변조층은 서로 다른 종류의 광 흡수 변조 물질들을 포함하거나 또는 서로 다른 크기의 광 흡수 변조 물질들을 포함할 수 있다.
상기 중첩된 복수의 필터 유닛의 위치에 따라 상기 광 흡수 변조 물질들의 비율은 서로 다를 수 있다.
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고, 상기 복수의 필터 유닛은 동일 평면 상에서 어레이 형태로 배열되고, 수직으로 중첩된 형태로 배열될 수 있다.
다른 측면에 있어서,
적어도 하나의 필터 유닛을 포함하는 광 필터; 및
상기 광 필터를 투과한 빛을 수광하는 센싱부;를 포함하고,
상기 필터 유닛은 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가지는 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 분광기가 제공된다.
상기 액상의 스펙트럼 변조층은 위치에 따라 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 필터 유닛은 상기 액상의 스펙트럼 변조층이 채워지는 내부 공간을 포함하며, 광학적으로 투명한 재질을 포함하는 필터 프레임을 더 포함할 수 있다. 상기 필터 프레임은 예를 들면, 유리, 석영(quartz) 또는 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 필터 프레임의 내부 공간은 예를 들면, 삼각형, 사다리꼴, 또는 렌즈 형태의 단면을 포함할 수 있다.
상기 액상의 스펙트럼 변조층은 광 흡수 변조 물질을 포함할 수 있다. 상기 광 흡수 변조 물질은 양자점(QDs), 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 서로 다른 투과 스펙트럼들은 비선형 관계(non-linear relation)를 가질 수 있다.
상기 광 필터는 상기 필터 유닛의 상면 및 하면 중 적어도 하나에 마련되는 반사 방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고, 상기 복수의 필터 유닛은 동일 평면 상에서 어레이 형태로 배열될 수 있다. 상기 복수의 스펙트럼 변조층은 서로 다른 종류의 광 흡수 변조 물질들을 포함하거나 또는 서로 다른 크기의 광 흡수 변조 물질들을 포함할 수 있다.
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고, 상기 복수의 필터 유닛은 수직으로 중첩된 형태로 배열될 수 있다. 상기 복수의 스펙트럼 변조층은 서로 다른 종류의 광 흡수 변조 물질들을 포함하거나 또는 서로 다른 크기의 광 흡수 변조 물질들을 포함할 수 있다.
상기 중첩된 복수의 필터 유닛의 위치에 따라 상기 광 흡수 변조 물질들의 비율은 서로 다를 수 있다.
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고, 상기 복수의 필터 유닛은 동일 평면 상에서 어레이 형태로 배열되고, 수직으로 중첩된 형태로 배열될 수 있다.
상기 센싱부는 예를 들면, 이미지 센서 또는 포토다이오드를 포함할 수 있다. 상기 분광기는 대략 1nm 이하의 분해능을 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 스펙트럼 변조층의 두께를 위치에 따라 변화시킴으로써 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다. 예를 들어 100nm 파장 범위 내에서 서로 다른 100개 이상의 투과 스펙트럼을 형성하게 되면, 대략 1nm 이하의 고분해능을 가지는 분광기를 구현할 수 있다.
또한, 광 필터를 필터 프레임과 액상의 스펙트럼 변조층을 이용하여 제작함으로써 스펙트럼 변조층의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 또한. 액상의 스펙트럼 변조층은 위치에 따라 두께를 정밀하게 조절할 수 있으므로 정밀하게 변조된 투과 스펙트럼들을 얻을 수 있다. 그리고, 필터 프레임이 산란(scattering)을 발생시키지 않은 광학적으로 평탄한 표면을 가지고 있으며, 액상의 스펙트럼 변조층도 산란을 발생시키지 않는 용매를 포함하고 있으므로, 광학적 특성이 우수한 분광기를 구현할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 분광기의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 분광기의 스펙트럼 변조층을 확대하여 도시한 것이다.
도 4a는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 5a는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 단면도이다.
도 7은 또 따른 예시적인 실시예에 따른 분광기의 광 필터를 도시한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 또 따른 예시적인 실시예에 따른 분광기의 광 필터를 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 분광기의 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 내지 도 11c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 13a 내지 도 13c는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 14a 및 도 14b는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 단면도이다.
도 16은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 평면도이다.
도 17은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 평면도이다.
도 18a 및 도 18b는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 19는 도 18a 및 도 18b에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 20a 및 도 20b는 도 19에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼(reconstructed input spectrum)과 실제 입력 스펙트럼(real input spectrum)을 비교하여 도시한 것이다.
도 21a 내지 도 21c는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 22는 도 21a 내지 도 21c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 23a 및 도 23b는 도 22에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼과 실제 입력 스펙트럼을 비교하여 도시한 것이다.
도 24a 내지 도 24c는 광 필터의 또 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 25는 도 24a 내지 도 24c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 26a 및 도 26b는 도 25에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼과 실제 입력 스펙트럼을 비교하여 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 분광기의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 분광기의 스펙트럼 변조층을 확대하여 도시한 것이다.
도 4a는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 5a는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 단면도이다.
도 7은 또 따른 예시적인 실시예에 따른 분광기의 광 필터를 도시한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 또 따른 예시적인 실시예에 따른 분광기의 광 필터를 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 분광기의 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 내지 도 11c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 13a 내지 도 13c는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 14a 및 도 14b는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 단면도이다.
도 16은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 평면도이다.
도 17은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 평면도이다.
도 18a 및 도 18b는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 19는 도 18a 및 도 18b에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 20a 및 도 20b는 도 19에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼(reconstructed input spectrum)과 실제 입력 스펙트럼(real input spectrum)을 비교하여 도시한 것이다.
도 21a 내지 도 21c는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 22는 도 21a 내지 도 21c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 23a 및 도 23b는 도 22에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼과 실제 입력 스펙트럼을 비교하여 도시한 것이다.
도 24a 내지 도 24c는 광 필터의 또 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다.
도 25는 도 24a 내지 도 24c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 26a 및 도 26b는 도 25에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼과 실제 입력 스펙트럼을 비교하여 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
소형의 분광기를 구현하기 위한 방법으로는 양자점(QDs: Quantum Dots) 등과 같은 광 흡수 변조 물질의 두께를 조절하여 서로 다른 투과스펙트럼들을 가지는 스펙트럽 변조층들을 형성하거나 또는 서로 다른 광 흡수 변조 물질들의 혼합 비율(mixing ratio)를 조절하여 서로 다른 투과스펙트럼들을 가지는 스펙트럽 변조층들을 형성하는 방법이 사용될 수 있다. 이 경우, 고해상도를 구현하기 위해서는 정밀하고 균일한 스펙트럼 변조층을 형성할 필요가 있다.
일반적으로, 고체 상태의 스펙트럼 변조층을 형성하기 위해서는 예를 들면, 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 등을 이용하여 광 흡수 변조 물질을 포함하는 용액을 픽셀 별로 도포한 다음, 이 용액을 건조시키는 방법이 사용될 수 있다.
그러나, 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating) 등과 같은 방법은 한번의 코팅 만으로 서로 다른 두께의 스펙트럼 변조층들을 형성하기에는 적합하지 않다. 구체적으로, 픽셀 별로 스펙트럼 변조층들을 두께 편차를 가지고 형성하기 위해서는 여러 번의 반복적인 패터닝이 필요하게 되는데, 이러한 반복적인 패터닝으로 서로 정밀한 두께 편차를 가지는 스펙트럼 변조층들을 형성하기는 쉽지 않다.
또한, 잉크젯 프리팅 방법은 픽셀 별로 서로 다른 양의 잉크 액적들(droplets)을 떨어뜨려 줌으로써 서로 다른 두께의 스펙트럼 변조층들을 형성할 수 있다. 여기서, 잉크 액적에는 광 흡수 변조 물질을 포함되어 있다. 그러나, 정밀하게 제어된 양의 잉크 액적들을 마이크로미터 크기를 가지는 픽셀 내의 정확한 위치에 떨어뜨리는 것이 기술적으로 쉽지 않고, 잉크 액적들이 건조됨에 따라 스펙트럼 변조층이 균일한 두께로 가지도록 제어하기가 쉽지 않다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 분광기의 단면도이다. 그리고, 도 3은 도 2에 도시된 분광기의 스펙트럼 변조층을 확대하여 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 분광기(100)는 센싱부(sensing unit, 110)와 이 센싱부(110) 상에 마련되는 광 필터를 포함한다. 여기서, 광 필터는 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가지는 필터 유닛(120)을 포함한다. 구체적으로, 필터 유닛(120)은 필터 프레임(121)과, 이 필터 프레임(121)의 내부에 마련되는 액상의 스펙트럼 변조층(122)을 포함한다.
필터 프레임(121)은 광학적으로 투명한 재질을 포함할 수 있다. 필터 프레임(121)은 예를 들면, 유리, 석영(quartz) 또는 폴리머를 포함할 수 있다. 여기서, 폴리머는 PDMS(polydimethylsiloxane), PC(polycarbonate) 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이상에서 언급된 물질들은 단지 예시적인 것으로 이외에도 다른 다양한 물질이 필터 프레임(121)에 사용될 수 있다. 이러한 필터 프레임(121)은 산란(scattering)이 발생되지 않도록 광학적으로 평탄한(optically flat) 표면을 가질 수 있다.
필터 프레임(121)은 액상의 스펙트럼 변조층(122)이 채워지는 내부 공간(121a)을 포함한다. 여기서, 필터 프레임(121)의 내부 공간(121a)은 위치에 따라 서로 다른 높이로 형성될 수 있다. 예를 들면, 필터 프레임(121)의 내부 공간(121a)이 도 2에 도시된 바와 같이, +y 방향을 따라 높이가 점점 높아지는 삼각형의 단면을 가질 수 있다.
필터 프레임(121)의 내부 공간(121a)에는 액상의 스펙트럼 변조층(122)이 채워져 있다. 여기서, 액상의 스펙트럼 변조층(122)은 소정의 용매 내에 광 흡수 변조 물질(light absorption modulation material, 122a)이 분산된 용액으로 이루어질 수 있다. 여기서, 광 흡수 변조 물질(122a)은 광을 흡수함에 따라 변조된 스펙트럼을 형성할 수 있는 물질을 말한다. 이러한 광 흡수 변조 물질(122a)은 예를 들면, 양자점(QDs: Quantum Dots), 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
양자점은 대략 수 나노미터의 크기를 가지는 반도체 입자로서, 예를 들면, CdSe, CdS, PbSe, PbS, InAs, InP 또는 CdSeS 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 양자점은 다른 다양한 반도체 물질을 포함할 수 있다. 양자점은 예를 들면, 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 폴리머는 예를 들면, poly(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene)(MEH-PPV) 또는 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등을 포함할 수 있지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다른 다양한 유기 물질을 포함할 수 있다. 무기물은 예를 들면, Ⅵ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질, 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 무기물은 이외에도 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.
액상의 스펙트럼 변조층(122)은 필터 프레임(121)의 내부 공간(121a)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 액상의 스펙트럼 변조층(122)은 위치에 따라 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 액상의 스펙트럼 변조층(122)은 도 2에 도시된 바와 같이 +y 방향을 따라 두께가 점점 증가하는 삼각형의 단면 형상을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 액상의 스펙트럼 변조층(122)에는 서로 다른 N개의 측정 위치(P1, P2, P3,?, PN)가 설정될 수 있다. 여기서, N개의 측정 위치(P1, P2, P3,?, PN)는 스펙트럼 변조층(122)의 두께가 증가하는 방향(즉, +y 방향)을 따라 일정한 간격(d)으로 배치되는 제1, 제2, 제3, ?, 제N 측정 위치(P1, P2, P3,?,PN)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 액상의 스펙트럼 변조층(122)은 측정 위치(P1, P2, P3,?, PN)에 따라 스펙트럼 변조층(122)의 두께가 달라지게 되며, 이러한 스펙트럼 변조층(122)의 두께 변화는 서로 다른 투과 스펙트럼을 형성할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이 스펙트럼 변조층(122)에 N개의 측정 위치(P1, P2, P3,?, PN)가 설정됨에 따라 서로 다른 N개의 투과 스펙트럼들이 형성될 수 있다. 이러한 서로 다른 투과 스펙트럼들은 예를 들면 비선형 관계(non-linear relation)를 가질 수 있다.
센싱부(110)는 광 필터인 필터 유닛(120)을 투과한 빛을 수광하여 이를 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 필터 유닛(120)에 입사되는 빛은 측정 위치에 따라 서로 다른 두께를 가지는 액상의 스펙트럼 변조층(122)을 투과하게 되고, 이러한 스펙트럼 변조층(122)을 투과한 빛은 센싱부(110)의 픽셀들(미도시)에 도달하게 된다. 그리고, 센싱부(110)는 픽셀들로 입사된 빛을 전기적인 신호로 변환하게 된다. 센싱부(110)는 예를 들면, CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary metal-oxide semicounductor) 이미지 센서 등과 같은 이미지 센서나 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.
스펙트럼 변조층(122)의 측정 위치(P1, P2, P3,?, PN)에 따른 투과 스펙트럼들(transmittance spectra)과 센싱부(110)의 신호들(signals)를 이용하여 분광기(2000)에 입력된 스펙트럼을 재구성(reconstruction)할 수 있다.
구체적으로, 스펙트럼 변조층(122)의 측정 위치(P1, P2, P3,?, PN)에 따른 투과 스펙트럼들과 센싱부(100)의 신호들 사이의 관계는 다음의 식(1)에 의해 규정될 수 있다.
r = Hs + n --------------- (1)
여기서, r, H, s 및 n은 각각 센싱부(110)의 신호들, 스펙트럼 변조층(122)의 투과 스펙트럼 행렬, 입력 스펙트럼(reconstructed input spectrum) 및 노이즈(noise)를 의미하며, 다음과 같은 행렬(matrix) 형태로 정의될 수 있다. 여기서, 투과 스펙트럼 행렬(H)은 스펙트럼 변조층(122)의 측정 위치(P1, P2, P3,?, PN)에 따른 투과 스펙트럼들에서 각 파장에 따른 투과도(transmittance)를 행렬 형태로 표시한 것으로 실험에 의해 측정된 값이다. 투과 스펙트럼 행렬(H)은 이미 알고 있는 파장 별 입력 스펙트럼(s) 값과 측정된 신호들(r)에 의하여 계산될 수 있다.
(여기서, λ는 파장, N은 측정 위치의 개수, M은 신호의 수)
초기 실험으로 투과 스펙트럼 행렬(H) 파라미터가 결정되면, 입력 스펙트럼(s)은 스펙트럼 변조층(122)의 투과 스펙트럼 행렬(H)의 역행렬(inverse matrix) 및 센싱부(100)의 신호들(r)에 의해 계산될 수 있다. 노이즈(n) 값은 센싱부(100)에서 발생하는 다크 노이즈를 지칭할 수 있으며, 일반적으로 무시할 수 있을 정도로 작은 값이다. 계산의 정확도를 높이기 위해 필요한 경우에는 암실 환경에서 측정된 다크 노이즈 값이 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 측정 위치(P1, P2, P3,?, PN)에 따라 두께가 변화하는 액상의 스펙트럼 변조층(122)을 이용하여 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있고, 이러한 투과 스펙트럼들을 이용하여 입력 스펙트럼을 계산할 수 있다. 한편, 스펙트럼 변조층(122)의 서로 다른 투과 스펙트럼들은 계산된 입력 스펙트럼의 정확도를 높일 수 있다. 일 예로, 서로 다른 투과 스펙트럼들은 서로 비선형 관계(non-linear relation)를 가질 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 위치에 따라 두께가 변화하는 액상의 스펙트럼 변조층(122)를 이용하여 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다. 예를 들어 100nm 파장 범위 내에서 서로 다른 100개 이상의 투과 스펙트럼을 형성하게 되면, 대략 1nm 이하의 고분해능을 가지는 분광기를 구현할 수 있게 된다.
또한, 광 필터를 필터 프레임(121)과 액상의 스펙트럼 변조층(122)을 이용하여 제작함으로써 스펙트럼 변조층(122)의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 또한. 액상의 스펙트럼 변조층(122)은 위치에 따라 두께를 정밀하게 조절할 수 있으므로 정밀하게 변조된 투과 스펙트럼들을 얻을 수 있다. 그리고, 필터 프레임(121)이 산란(scattering)을 발생시키지 않은 광학적으로 평탄한 표면을 가지고 있으며, 액상의 스펙트럼 변조층(122)도 산란을 발생시키지 않는 용매를 포함하고 있으므로, 광학적 특성이 우수한 분광기를 구현할 수 있다.
도 4a는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다. 그리고, 도 4b는 도 4a에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 4a를 참조하면, 필터 프레임(121)의 내부 공간에 위치에 따라 두께가 변화하는 액상의 스펙트럼 변조층(122)이 마련되어 있다. 여기서, 액상의 스펙트럼 변조층(122)으로는 3 wt%(weight percent) 농도의 광 흡수 변조 물질(122a')을 포함하는 cyclohexane 용액을 사용하였으며, 광 흡수 변조 물질(122a')로는 561nm의 최대 흡수 파장(maximum absorption wavelength)을 가지는 양자점을 사용하였다. 이러한 액상의 스펙트럼 변조층(122)은 D 방향을 따라 점점 두께가 증가하는 삼각형의 단면을 가진다. 그리고, 스펙트럼 변조층(122)에는 측정 위치들(P1, P2, P3,?)이 D 방향을 따라 일정한 간격으로 설정되어 있다.
도 4b는 도 4a의 스펙트럼 변조층(122)에 D 방향을 따라 일정한 간격으로 설정된 31개의 측정 위치(P1, P2, P3, ?)에서 측정된 31개의 서로 다른 투과 스펙트럼들(S1, S2, S3, ?)을 도시한 것이다. 도 4b에서 S1, S2 및 S3은 31개의 투과 스펙트럼들(S1, S2, S3, ?) 중 도 4a의 제1, 제2 및 제3 측정 위치(P1, P2, P3)에서 측정된 제1, 제2 및 제3 투과 스펙트럼을 예시적으로 나타낸 것이다. 도 4b를 참조하면, 450nm ~ 650nm 에서 31개의 투과 스펙트럼들(S1, S2, S3, ?)이 서로 다르게 형성되는 것을 알 수 있다. 이러한 서로 다른 투과 스펙트럼들(S1, S2, S3, ?)은 비선형 관계를 가질 수 있다.
도 5a는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다. 그리고, 도 5b는 도 5a에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 5a를 참조하면, 필터 프레임(121)의 내부 공간에 위치에 따라 두께가 변화하는 액상의 스펙트럼 변조층(122)이 마련되어 있다. 여기서, 액상의 스펙트럼 변조층(122)으로는 3 wt%의 광 흡수 변조 물질(122a")이 포함된 cyclohexane 용액을 사용하였으며, 광 흡수 변조 물질(122a")로는 589nm의 최대 흡수 파장을 가지는 양자점을 사용하였다. 이러한 액상의 스펙트럼 변조층(122)은 D 방향을 따라 점점 두께가 증가하는 삼각형의 단면을 가진다. 그리고, 스펙트럼 변조층(122)에는 측정 위치들(P1, P2, P3,?)이 D 방향을 따라 일정한 간격으로 설정되어 있다.
도 5b는 도 5a의 스펙트럼 변조층(122)에 D 방향을 따라 일정한 간격으로 설정된 31개의 측정 위치(P1, P2, P3,?)에서 측정된 31개의 서로 다른 투과 스펙트럼들(S1, S2, S3,?)을 도시한 것이다. 도 5b에서 S1, S2 및 S3은 31개의 투과 스펙트럼들(S1, S2, S3,?) 중 도 5a의 제1, 제2 및 제3 측정 위치(P1, P2, P3)에서 측정된 제1, 제2 및 제3 투과 스펙트럼들을 예시적으로 나타낸 것이다. 도 5b를 참조하면, 450nm ~ 650nm 에서 31개의 투과 스펙트럼들(S1, S2, S3,?)이 서로 다르게 형성되는 것을 알 수 있다. 이러한 서로 다른 투과 스펙트럼들(S1, S2, S3,?)은 비선형 관계를 가질 수 있다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 단면도이다. 도 6에 도시된 분광기(200)는 필터 유닛(120)의 표면에 반사 방지층(anti-reflection layer, 250)이 형성되어 있다는 점을 제외하면 도 1에 도시된 분광기(100)와 동일하다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 분광기(200)는 센싱부(110)와 이 센싱부(110) 상에 마련되는 광 필터를 포함한다. 광 필터는 필터 유닛(120)과 이 필터 유닛(120)에 마련되는 반사 방지층(250)을 포함한다. 필터 유닛(120)은 필터 프레임(121)과, 이 필터 프레임(121)의 내부에 마련되는 액상의 스펙트럼 변조층(122)을 포함한다. 여기서, 액상의 스펙트럼 방지층(122)은 전술한 바와 같이 위치에 따라 서로 다른 두께를 가지고 있다.
반사 방지층(250)은 필터 프레임(121)의 상면 "J 하면에 마련될 수 있다. 여기서, 필터 프레임(121)의 상면에 마련되는 반사 방지층(250)은 외부의 빛이 필터 프레임(121)의 상면에서 반사되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 필터 프레임(121)의 하면에 마련되는 반사 방지층(250)은 스펙트럼 변조층(122)을 투과한 빛이 필터 프레임(121)의 하면에서 반사되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 반사 방지층(250)은 필름 형태로 마련되거나 또는 필터 프레임(121)의 표면을 가공하여 형성될 수 있다. 한편, 도 6에는 반사 방지층(250)이 필터 프레임(121)의 상면 및 하면에 마련되는 경우가 도시되어 있으나, 반사 방지층(250)은 필터 프레임(121)의 상면 및 하면 중 하나에만 마련될 수도 있다.
도 7은 또 따른 예시적인 실시예에 따른 분광기의 광 필터를 도시한 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 7을 참조하면, 광 필터는 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가지는 필터 유닛(130)을 포함한다. 필터 유닛(130)은 필터 프레임(131)과, 이 필터 프레임(131)의 내부에 마련되는 액상의 스펙트럼 변조층(132)을 포함한다.
필터 프레임(131)은 광학적으로 투명한 재질을 포함할 수 있으며, 산란이 발생되지 않도록 광학적으로 평탄한 표면을 가질 수 있다. 필터 프레임(131)의 내부 공간(131a)은 위치에 따라 서로 다른 높이로 형성될 수 있다. 구체적으로, 필터 프레임(131)의 내부 공간(131a)은 일 방향을 따라 높이가 점점 높아지는 사다리꼴 형상의 단면을 가지고 있다.
필터 프레임(131)의 내부 공간(131a)에는 액상의 스펙트럼 변조층(132)이 채워져 있다. 따라서, 액상의 스펙트럼 변조층(132)은 필터 프레임(131)의 내부 공간(131a)에 대응하는 형상, 즉 일 방향을 따라 두께가 점점 두꺼워 지는 사다리꼴 형상의 단면을 가지고 있다.
도 8a 및 도 8b는 또 따른 예시적인 실시예에 따른 분광기의 광 필터를 도시한 평면도 및 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 광 필터는 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가지는 필터 유닛(140)을 포함한다. 필터 유닛(140)은 필터 프레임(141)과, 이 필터 프레임(141)의 내부에 마련되는 액상의 스펙트럼 변조층(142)을 포함한다.
필터 프레임(141)은 내부 공간(141a)이 형성된 베이스 프레임(141")과 내부 공간(141a)을 덮도록 마련되는 커버 프레임(141')을 포함할 수 있다. 필터 프레임(141)은 광학적으로 투명한 재질을 포함할 수 있으며, 산란이 발생되지 않도록 광학적으로 평탄한 표면을 가질 수 있다. 필터 프레임(141)의 내부 공간(141a)은 위치에 따라 서로 다른 높이로 형성될 수 있다. 구체적으로, 필터 프레임(141)의 내부 공간(141a)은 일 방향을 따라 높이가 점점 높아지다가 다시 낮아지는 렌즈 형상의 단면을 가지고 있다.
필터 프레임(141)의 내부 공간(141a)에는 액상의 스펙트럼 변조층(142)이 채워져 있다. 따라서, 액상의 스펙트럼 변조층(142)은 필터 프레임(141)의 내부 공간(141a)에 대응하는 렌즈 형상의 단면을 가지고 있다. 한편, 이상에서 설명된 스펙트럼 변조층(122,132,142)의 단면 형상들은 단지 예시적인 것으로, 이외에도 스펙트럼 변조층은 위치에 따라 두께가 변화하는 다른 다양한 단면 형상을 가질 수 있다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 사시도이며, 도 10은 도 9에 도시된 분광기의 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 분광기(300)는 센싱부(310)와 이 센싱부(310) 상에 마련되는 광 필터를 포함한다. 여기서, 광 필터는 수직으로 적층된 제1 필터 유닛(320) 및 제2 필터 유닛(360)을 포함한다.
제1 필터 유닛(320)은 센싱부(310)의 상면에 마련되는 것으로, 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가진다. 제1 필터 유닛(320)은 제1 필터 프레임(321)과, 이 제1 필터 프레임(321)의 내부에 마련되는 액상의 제1 스펙트럼 변조층(322)을 포함한다. 제2 필터 유닛(360)은 제1 필터 유닛(320)의 상면에 마련되는 것으로, 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가진다. 제2 필터 유닛(360)은 제2 필터 프레임(361)과, 이 제2 필터 프레임(361)의 내부에 마련되는 액상의 제2 스펙트럼 변조층(362)을 포함한다.
제1 및 제2 필터 프레임(321,361)은 광학적으로 투명한 재질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 필터 프레임(321,361)은 예를 들면, 유리, 석영(quartz) 또는 폴리머를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 필터 프레임(321,361)은 산란이 발생되지 않도록 광학적으로 평탄한 표면을 가질 수 있다.
제1 필터 프레임(321)은 액상의 제1 스펙트럼 변조층(322)이 채워지는 내부 공간(321a)을 포함한다. 여기서, 제1 필터 프레임(321)의 내부 공간(321a)은 위치에 따라 서로 다른 높이로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 필터 프레임(321)의 내부 공간(321a)은 +y 방향을 따라 높이가 높아지는 삼각형의 단면을 가질 수 있다.
제1 필터 프레임(321)의 내부 공간(321a)에는 액상의 제1 스펙트럼 변조층(322)이 채워져 있다. 여기서, 액상의 제1 스펙트럼 변조층(322)은 소정의 용매 내에 제1 광 흡수 변조 물질(322a)이 분산된 용액으로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 광 흡수 변조 물질(322a)은 예를 들면, 양자점, 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
액상의 제1 스펙트럼 변조층(322)은 제1 필터 프레임(321)의 내부 공간(321a)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 액상의 제1 스펙트럼 변조층(322)은 위치에 따라 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 액상의 제1 스펙트럼 변조층(322)은 +y 방향을 따라 두께가 점점 증가하는 삼각형의 단면 형상을 가질 수 있다.
제2 필터 프레임(361)은 액상의 제2 스펙트럼 변조층(362)이 채워지는 내부 공간(361a)을 포함한다. 여기서, 제2 필터 프레임(361)의 내부 공간(361a)은 위치에 따라 서로 다른 높이로 형성될 수 있다. 예를 들면 제2 필터 프레임(361)의 내부 공간(361a)은 +y 방향을 따라 높이가 점점 낮아지는 삼각형의 단면을 가질 수 있다.
제2 필터 프레임(361)의 내부 공간(361a)에는 액상의 제2 스펙트럼 변조층(362)이 채워져 있다. 여기서, 액상의 제2 스펙트럼 변조층(362)은 소정의 용매 내에 제2 광 흡수 변조 물질(362a)이 분산된 용액으로 이루어질 수 있다. 제2 광 흡수 변조 물질(362a)은 제1 광 흡수 변조 물질(322a)과는 다른 물질이 될 수 있다. 여기서, 제2 광 흡수 변조 물질(362a)이 제1 광 흡수 변조 물질(322a)과 다른 물질이라는 것은 제2 광 흡수 변조 물질(362a)이 제1 광 흡수 변조 물질(322a)과는 다른 종류의 물질이거나 또는 제2 광 흡수 변조 물질(362a)이 제1 광 흡수 변조 물질(322a)과 다른 크기의 물질이라는 것을 의미한다. 이러한 제2 광 흡수 변조 물질(362a)은 예를 들면, 양자점, 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
액상의 제2 스펙트럼 변조층(362)은 제2 필터 프레임(351)의 내부 공간(361a)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 액상의 제2 스펙트럼 변조층(362)은 위치에 따라 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 액상의 제2 스펙트럼 변조층(362)은 +y 방향을 따라 두께가 점점 줄어드는 삼각형의 단면 형상을 가질 수 있다.
본 실시예에서는 전술한 바와 같이, 광 필터가 센싱부(310) 상에 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)을 포함한다. 이와 같이, 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)을 포함하는 광 필터에서는 측정 위치(P1,P2,P3, ?)에 따라 제1 및 제2 광 흡수 변조 물질(322a,362a)의 비율이 서로 다를 수 있다. 도 10 에서 P1, P2 및 P3는 광 필터에서 +y 방향을 따라 소정 간격으로 설정된 제1, 제2 및 제3 측정 위치를 나타낸다.
도 10에는 제1 스펙트럼 변조층(322)은 +y 방향을 따라 두께가 증가하는 삼각형의 단면을 가지고 있으며, 제2 스펙트럼 변조층(362)은 +y 방향을 따라 두께가 감소하는 삼각형의 단면을 가지고 있는 경우가 도시되어 있다. 이 경우, 광 필터의 측정 위치(P1,P2,P3, ?)가 +y 방향으로 이동함에 따라 제1 광 흡수 변조 물질(322 a)의 양은 증가하게 되고, 제2 광 흡수 변조 물질(362a)의 양은 감소하게 된다. 따라서, 광 필터의 측정 위치(P1,P2,P3, ?)에 따라 제1 및 제2 광 흡수 변조 물질(322a,362a)의 비율이 서로 다를 수 있다.
한편, 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)을 포함하는 광 필터에서는 측정 위치(P1,P2,P3,?)에 따라 제1 및 제2 스펙트럼 변조층(322,362)의 두께의 합은 같거나 또는 다를 수도 있다. 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 스펙트럼 변조층(322)이 +y 방향을 따라 두께가 증가하고, 제2 스펙트럼 변조층(362)이 +y 방향을 따라 두께가 감소하는 경우에는 광 필터의 측정 위치(P1,P2,P3, ?)에 따라 제1 및 제2 스펙트럼 변조층(322,362)의 두께의 합이 같거나 또는 다를 수 있다.
이상과 같이, 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)이 수직으로 적층된 광 필터에서는 측정 위치(P1,P2,P3,?)에 따라 제1 및 제2 광 흡수 변조 물질(322a, 362a)의 비율을 다르게 하거나 또는 제1 및 제2 스펙트럼 변조층(322,362)의 두께를 다르게 함으로써 서로 다른 투과 스펙트럼들을 얻을 수 있다.
이상에서는 제1 및 제2 스펙트럼 변조층(322,362)이 삼각형의 단면을 가지는 경우가 예시적으로 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 제1 및 제2 스펙트럼 변조층(322,362)은 사다리꼴 형태 또는 렌즈 형태의 단면을 가지거나 또는 이외에 다른 다양한 형태의 단면을 가질 수 있다. 또한, 이상에서는 제1 스펙트럼 변조층(322)이 +y 방향을 따라 두께가 증가하고 제2 스펙트럼 변조층(362)이 +y 방향을 따라 두께가 감소하는 경우가 예시적으로 설명되었으나 이에 한정되지 않고 제1 및 제2 스펙트럼 변조층(322,362)은 다양한 방향으로 두께가 변화할 수 있다. 그리고, 이상에서는 센싱부(310) 상에 2개의 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)이 수직으로 적층되는 경우가 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 센싱부(310) 상에는 3개 이상의 필터 유닛이 수직으로 적층될 수도 있다.
도 11a 내지 도 11c는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다. 그리고, 도 12a 및 도 12b는 도 11a 내지 도 11c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 11a는 광 필터의 평면도를 도시한 것이다. 도 11b는 도 11a의 B-B'선을 따라 본 단면도이고, 도 11c는 도 11a의 C-C'선을 따라 본 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 광 필터는 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(420,460)을 포함한다. 여기서, 제1 필터 유닛(420)은 제1 필터 프레임(421)과 제1 필터 프레임(421)의 내부공간에 채워진 액상의 제1 스펙트럼 변조층(422)을 포함한다. 제1 스펙트럼 변조층(422)으로는 3 wt% 농도의 제1 광 흡수 변조 물질(422a)을 포함하는 cyclohexane 용액을 사용하였으며, 제1 광 흡수 변조 물질(422a)로는 561nm의 최대 흡수 파장을 가지는 양자점을 사용하였다. 제1 필터 유닛(420) 및 제1 스펙트럼 변조층(422)은 +x 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있다.
제2 필터 유닛(460)은 제2 필터 프레임(461)과 제2 필터 프레임(461)의 내부공간에 채워진 액상의 제2 스펙트럼 변조층(462)을 포함한다. 여기서, 제2 스펙트럼 변조층(462)으로는 3 wt% 농도의 제2 광 흡수 변조 물질(462a)을 포함하는 cyclohexane 용액을 사용하였으며, 제2 광 흡수 변조 물질(462a)로는 589nm의 최대 흡수 파장을 가지는 양자점을 사용하였다. 제2 필터 유닛(460) 및 제2 스펙트럼 변조층(462)은 -y 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있다.
제1 필터 유닛(420)의 일부와 제2 필터 유닛(460)의 일부는 서로 중첩되어 있다. 구체적으로, 제1 필터 유닛(420)의 얇은 부분과 제2 필터 유닛(460)의 얇은 부분이 서로 중첩되어 있다.
도 12a는 도 11a 내지 도 11c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 450nm ~ 650nm의 파장 범위에서 도시한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 12a에는 제1 필터 유닛(420)의 얇은 부분과 제2 필터 유닛(460)의 얇은 부분이 중첩된 영역에서 D1 방향을 따라 일정한 간격으로 설정된 72개의 측정 위치들에서 측정된 투과 스펙트럼들이 도시되어 있다. 그리고, 도 12b는 도 12a에서 500nm ~ 600nm의 파장 범위를 확대하여 투과 스펙트럼들을 도시한 것이다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 72개의 투과 스펙트럼들이 서로 다르게 형성된 것을 알 수 있다. 이러한 서로 다른 투과 스펙트럼들은 비선형 관계를 가질 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다. 그리고, 도 14a 및 도 14b는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 13a는 광 필터의 평면도를 도시한 것이다. 도 13b는 도 13a의 D-D'선을 따라 본 단면도이고, 도 13c는 도 13a의 E-E'선을 따라 본 단면도이다.
도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 광 필터는 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(420,460)을 포함한다. 제1 및 제2 필터 유닛(420,460)은 도 11a에 도시된 제1 및 제2 필터 유닛(420,460)과 동일한 것이다. 여기서, 제1 필터 유닛(420) 및 제1 스펙트럼 변조층(422)은 +x 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있으며, 제2 필터 유닛(460) 및 제2 스펙트럼 변조층(462)은 +y 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있다. 제1 필터 유닛(420)의 일부와 제2 필터 유닛(460)의 일부는 서로 중첩되어 있다. 구체적으로, 제1 필터 유닛(420)의 두꺼운 부분과 제2 필터 유닛(460)의 두꺼운 부분이 서로 중첩되어 있다.
도 14a는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 450nm ~ 650nm의 파장 범위에서 도시한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 14a에는 제1 필터 유닛(420)의 두꺼운 부분과 제2 필터 유닛(460)의 두꺼운 부분이 중첩된 영역에서 D2 방향을 따라 일정한 간격으로 설정된 120개의 측정 위치들에서 측정된 투과 스펙트럼들이 도시되어 있다. 그리고, 도 14b는 도 12a에서 590nm ~ 610nm의 파장 범위를 확대하여 투과 스펙트럼들을 확대하여 도시한 것이다. 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 120개의 투과 스펙트럼들이 서로 다르게 형성된 것을 알 수 있다. 이러한 서로 다른 투과 스펙트럼들은 비선형 관계를 가질 수 있다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 단면도이다. 도 15에 도시된 분광기(500)는 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)에 반사 방지층(550)이 형성되어 있다는 점을 제외하면 도 9에 도시된 분광기(300)와 동일하다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 15를 참조하면, 분광기(500)는 센싱부(310)와 이 센싱부(310) 상에 마련되는 광 필터를 포함한다. 광 필터는 센싱부(310) 상에 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)과, 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)에 마련되는 복수의 반사 방지층(550)을 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 필터 유닛(320,360)은 전술한 바와 같이 위치에 따라 서로 다른 두께를 가지고 있다.
반사 방지층(550)은 제1 필터 유닛(320)의 하면, 제2 필터 유닛(360)의 상면,및, 제1 및 제2 필터 유닛(320,360) 사이에 각각 마련될 수 있다. 한편, 반사 방지층(550)은 제1 필터 유닛(320)의 하면, 제2 필터 유닛(360)의 상면 및, 제1 및 제2 필터 유닛(320,360) 사이 중 적어도 하나에 마련될 수 있다.
도 16은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 평면도이다.
도 16을 참조하면, 분광기(600)는 센싱부(610)와 이 센싱부(610) 상에 마련되는 광 필터를 포함한다. 여기서, 광 필터는 센싱부(610) 상에 어레이 형태로 배열되는 복수의 필터 유닛(621,622,623,624)을 포함한다. 필터 유닛들(621,622,623,624) 각각은 전술한 바와 같이 위치에 따라 서로 다른 두께를 가지고 있다.
도 16에는 4개의 필터 유닛(621,622,623,624)이 센싱부(610)의 상면에 2차원 어레이 형태로 배열되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 히지만, 이에 한정되지 않고 센싱부(610) 상에 배열되는 필터 유닛들의 개수 및 필터 유닛들의 배열 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
도 17은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 분광기를 도시한 평면도이다.
도 17을 참조하면, 분광기(700)는 센싱부(710)와 이 센싱부(710) 상에 마련되는 광 필터를 포함한다. 여기서, 광 필터는 센싱부(710) 상에 수평 및 수직으로 배열되는 복수의 필터 유닛(721,722,723,724,731,732)을 포함한다. 여기서, 필터 유닛들(721,722,723,724,731,732) 각각은 전술한 바와 같이 위치에 따라 서로 다른 두께를 가지고 있다.
도 17에는 4개의 필터 유닛(721,722,723,724)이 센싱부(710)의 상면에 2차원 어레이 형태로 배열되고, 이러한 4개의 필터 유닛(721,722,723,724)의 상부에 2개의 필터 유닛(731,732)이 적층되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고 센싱부(710) 상에 배열되는 필터 유닛들의 개수 및 필터 유닛들의 배열 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 광 필터의 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다. 도 18a는 광 필터의 평면도이며, 도 18b는 광 필터의 단면도이다.
도 18a 및 도 18b를 참조하면, 광 필터는 동일 평면 상에 수평으로 배열되는 제1 및 제2 필터 유닛(820,860)을 포함한다. 여기서, 제1 필터 유닛(820)은 제1 필터 프레임(821)과 제1 필터 프레임(821)의 내부공간에 채워진 액상의 제1 스펙트럼 변조층(822)을 포함한다. 제1 스펙트럼 변조층(822)으로는 3 wt% 농도의 제1 광 흡수 변조 물질(822a)을 포함하는 cyclohexane 용액을 사용하였으며, 제1 광 흡수 변조 물질(822a)로는 561nm의 최대 흡수 파장을 가지는 양자점을 사용하였다. 제1 필터 유닛(820) 및 제1 스펙트럼 변조층(822)은 +x 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있다.
제2 필터 유닛(860)은 제2 필터 프레임(861)과 제2 필터 프레임(861)의 내부공간에 채워진 액상의 제2 스펙트럼 변조층(862)을 포함한다. 여기서, 제2 스펙트럼 변조층(862)으로는 3 wt% 농도의 제2 광 흡수 변조 물질(862a)을 포함하는 cyclohexane 용액을 사용하였으며, 제2 광 흡수 변조 물질(862a)로는 589nm의 최대 흡수 파장을 가지는 양자점을 사용하였다. 제2 필터 유닛(860) 및 제2 스펙트럼 변조층(862)은 +x 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있다.
도 19는 도 18a 및 도 18b에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 570nm ~ 630nm의 파장 범위에서 도시한 시뮬레이션 결과이다. 구체적으로, 도 19에는 제1 필터 유닛(820)에서 +x 방향을 따라 일정한 간격으로 설정된 31개의 측정 위치에서 측정된 투과 스펙트럼들(SB)과 제2 필터 유닛(860)에서 +x 방향을 따라 일정한 간격으로 설정된 31개의 측정 위치에서 측정된 투과 스펙트럼들(SA)이 도시되어 있다. 도 19를 참조하면, 제1 필터 유닛(820)에 의해 서로 다른 31개의 투과 스펙트럼들(SB)이 형성되고, 제2 필터 유닛(860)에 의해 서로 다른 31개의 투과 스펙트럼들(SA)이 형성된 것을 알 수 있다.
도 20a 및 도 20b는 도 19에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼(reconstructed input spectrum)과 실제 입력 스펙트럼(real input spectrum)을 비교하여 도시한 것이다. 여기서, 재구성된 입력 스펙트럼은 전술한 식(1)을 이용하여 계산될 수 있다. 이는 이하에서도 동일하다.
도 20a 및 도 20b를 참조하면, 실제 입력 스펙트럼과 재구성된 입력 스펙트럼의 편차(deviation)는 대략 1% 정도로 매우 작아서 재구성된 입력 스펙트럼이 광 필터에 실제 입력된 스펙트럼과 거의 일치하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 높은 정확도를 가지는 재구성된 입력 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 이러한 재구성된 입력 스펙트럼으로부터 실제 입력된 스펙트럼을 정확하게 측정할 수 있다.
도 21a 내지 도 21c는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다. 21a는 광 필터의 평면도를 도시한 것이다. 도 21b는 도 21a의 B-B'선을 따라 본 단면도이고, 도 21c는 도 21a의 C-C'선을 따라 본 단면도이다.
도 21a 내지 도 21c를 참조하면, 광 필터는 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(820,860)을 포함한다. 제1 및 제2 필터 유닛(820,860)은 도 18a 및 도 18b에 도시된 제1 및 제2 필터 유닛과 동일한 것이다. 여기서, 제1 필터 유닛(820) 및 제1 스펙트럼 변조층(822)은 +x 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있다. 그리고, 제2 필터 유닛(860) 및 제2 스펙트럼 변조층(862)은 -y 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있다. 제1 필터 유닛(820)의 일부와 제2 필터 유닛(860)의 일부는 서로 중첩되어 있다. 구체적으로, 제1 필터 유닛(820)의 얇은 부분과 제2 필터 유닛(860)의 얇은 부분이 서로 중첩되어 있다.
도 22는 도 11a 내지 도 11c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 550nm ~ 620nm의 파장 범위에서 도시한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 22에는 제1 필터 유닛(820)의 얇은 부분과 제2 필터 유닛(860)의 얇은 부분이 중첩된 영역에서 D1 방향을 따라 일정한 간격으로 설정된 72개의 측정 위치들에서 측정된 투과 스펙트럼들이 도시되어 있다. 도 22를 참조하면, 72개의 투과 스펙트럼들이 서로 다르게 형성된 것을 알 수 있다.
도 23a 및 도 23b는 도 22에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼과 실제 입력 스펙트럼을 비교하여 도시한 것이다.
도 23a 및 도 23b를 참조하면, 실제 입력 스펙트럼과 재구성된 입력 스펙트럼의 편차(deviation)는 대략 5% 정도로 작아서 재구성된 입력 스펙트럼이 광 필터에 실제 입력된 스펙트럼과 거의 일치하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 높은 정확도를 가지는 재구성된 입력 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 이러한 재구성된 입력 스펙트럼으로부터 실제 입력된 스펙트럼을 정확하게 측정할 수 있다.
도 24a 내지 도 24c는 광 필터의 다른 예시적인 실험 모델을 도시한 것이다. 도 24a는 광 필터의 평면도를 도시한 것이다. 도 24b는 도 24a의 D-D'선을 따라 본 단면도이고, 도 24c는 도 24a의 E-E'선을 따라 본 단면도이다.
도 24a 내지 도 24c를 참조하면, 광 필터는 수직으로 적층된 제1 및 제2 필터 유닛(820,860)을 포함한다. 제1 및 제2 필터 유닛(820,860)은 도 18a 및 도 18b에 도시된 제1 및 제2 필터 유닛(820,860)과 동일한 것이다. 여기서, 제1 필터 유닛(820) 및 제1 스펙트럼 변조층(822)은 +x 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있으며, 제2 필터 유닛(860) 및 제2 스펙트럼 변조층(862)은 +y 방향을 따라 두께가 증가하는 단면 형상을 가지고 있다. 제1 필터 유닛(820)의 일부와 제2 필터 유닛(860)의 일부는 서로 중첩되어 있다. 구체적으로, 제1 필터 유닛(820)의 두꺼운 부분과 제2 필터 유닛(860)의 두꺼운 부분이 서로 중첩되어 있다.
도 25는 도 24a 내지 도 24c에 도시된 광 필터의 투과 스펙트럼들을 560nm ~ 630nm의 파장 범위에서 도시한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 25에는 제1 필터 유닛(820)의 두꺼운 부분과 제2 필터 유닛(860)의 두꺼운 부분이 중첩된 영역에서 D2 방향을 따라 일정한 간격으로 설정된 120개의 측정 위치들에서 측정된 투과 스펙트럼들이 도시되어 있다. 도 25를 참조하면, 120개의 투과 스펙트럼들이 서로 다르게 형성된 것을 알 수 있다.
도 26a 및 도 26b는 도 25에 도시된 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼과 실제 입력 스펙트럼을 비교하여 도시한 것이다.
도 26a 및 도 26b를 참조하면, 실제 입력 스펙트럼과 재구성된 입력 스펙트럼의 편차(deviation)는 대략 0.5% 정도로 작아서 재구성된 입력 스펙트럼이 광 필터에 실제 입력된 스펙트럼과 거의 일치하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 높은 정확도를 가지는 재구성된 입력 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 이러한 재구성된 입력 스펙트럼으로부터 실제 입력된 스펙트럼을 정확하게 측정할 수 있다.
이상의 예시적인 실시예들에 의하면, 스펙트럼 변조층의 두께를 위치에 따라 변화시킴으로써 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다. 예를 들어 100nm 파장 범위 내에서 서로 다른 100개 이상의 투과 스펙트럼을 형성하게 되면, 대략 1nm 이하의 고분해능을 가지는 분광기를 구현할 수 있다.
또한, 광 필터를 필터 프레임과 액상의 스펙트럼 변조층을 이용하여 제작함으로써 스펙트럼 변조층의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 또한. 액상의 스펙트럼 변조층은 위치에 따라 두께를 정밀하게 조절할 수 있으므로 정밀하게 변조된 투과 스펙트럼들을 얻을 수 있다. 그리고, 필터 프레임이 산란을 발생시키지 않은 광학적으로 평탄한 표면을 가지고 있으며, 액상의 스펙트럼 변조층도 산란을 발생시키지 않는 용매를 포함하고 있으므로, 광학적 특성이 우수한 분광기를 구현할 수 있다.
100,200,300,500,600,700.. 분광기
110,310,610,710.. 센싱부
120,130,140.. 필터 유닛
121,131,141.. 필터 프레임
121a,131a,141a.. 필터 프레임의 내부공간
122.132.142.. 스펙트럼 변조층
122a,122a',122a",132a.142a.. 광 흡수 변조 물질
141'.. 커버 프레임
141".. 베이스 프레임
250,550.. 반사 방지층
320,420,621,721,820,. 제1 필터 유닛
321,421,821.. 제1 필터 프레임
321a,. 제1 필터 프레임의 내부 공간
322,422,822.. 제1 스펙트럼 변조층
322a,422a.822a.. 제1 광 흡수 변조 물질
360,460,622,722,860.. 제2 필터 유닛
361,461,861.. 제2 필터 프레임
361a.. 제2 필터 프레임의 내부 공간
362,462,862.. 제2 스펙트럼 변조층
362a,462a.862a.. 제2 광 흡수 변조 물질
623,723.. 제3 필터 유닛
624,724.. 제4 필터 유닛
731.. 제5 필터 유닛
732.. 제6 필터 유닛
P1.. 제1 측정 위치
P2.. 제2 측정 위치
P3.. 제3 측정 위치
PN.. 제N 측정 위치
S1.. 제1 투과스펙트럼
S2.. 제2 투과 스펙트럼
S3.. 제3 투과 스펙트럼
110,310,610,710.. 센싱부
120,130,140.. 필터 유닛
121,131,141.. 필터 프레임
121a,131a,141a.. 필터 프레임의 내부공간
122.132.142.. 스펙트럼 변조층
122a,122a',122a",132a.142a.. 광 흡수 변조 물질
141'.. 커버 프레임
141".. 베이스 프레임
250,550.. 반사 방지층
320,420,621,721,820,. 제1 필터 유닛
321,421,821.. 제1 필터 프레임
321a,. 제1 필터 프레임의 내부 공간
322,422,822.. 제1 스펙트럼 변조층
322a,422a.822a.. 제1 광 흡수 변조 물질
360,460,622,722,860.. 제2 필터 유닛
361,461,861.. 제2 필터 프레임
361a.. 제2 필터 프레임의 내부 공간
362,462,862.. 제2 스펙트럼 변조층
362a,462a.862a.. 제2 광 흡수 변조 물질
623,723.. 제3 필터 유닛
624,724.. 제4 필터 유닛
731.. 제5 필터 유닛
732.. 제6 필터 유닛
P1.. 제1 측정 위치
P2.. 제2 측정 위치
P3.. 제3 측정 위치
PN.. 제N 측정 위치
S1.. 제1 투과스펙트럼
S2.. 제2 투과 스펙트럼
S3.. 제3 투과 스펙트럼
Claims (32)
- 적어도 하나의 필터 유닛을 포함하고,
상기 필터 유닛은 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가지는 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 광 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 액상의 스펙트럼 변조층은 위치에 따라 서로 다른 두께를 가지는 광 필터. - 제 2 항에 있어서,
상기 필터 유닛은 상기 액상의 스펙트럼 변조층이 채워지는 내부 공간을 포함하며, 광학적으로 투명한 재질을 포함하는 필터 프레임을 더 포함하는 광 필터. - 제 3 항에 있어서,
상기 필터 프레임은 유리, 석영(quartz) 또는 폴리머를 포함하는 광 필터. - 제 3 항에 있어서,
상기 필터 프레임의 내부 공간은 삼각형, 사다리꼴, 또는 렌즈 형태의 단면을 포함하는 광 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 액상의 스펙트럼 변조층은 광 흡수 변조 물질(light absorption modulation material)을 포함하는 용액으로 이루어진 광 필터. - 제 6 항에 있어서,
상기 광 흡수 변조 물질은 양자점(QDs; Quantum Dots), 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 광 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 서로 다른 투과 스펙트럼들은 비선형 관계(non-linear relation)를 가지는 광 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 필터는 상기 필터 유닛의 상면 및 하면 중 적어도 하나에 마련되는 반사 방지층(anti-reflection layer)을 더 포함하는 광 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고,
상기 복수의 필터 유닛은 동일 평면 상에서 어레이 형태로 배열되는 광 필터. - 제 10 항에 있어서,
상기 복수의 스펙트럼 변조층은 서로 다른 종류의 광 흡수 변조 물질들을 포함하거나 또는 서로 다른 크기의 광 흡수 변조 물질들을 포함하는 광 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고,
상기 복수의 필터 유닛은 수직으로 중첩된 형태로 배열되는 광 필터. - 제 12 항에 있어서,
상기 복수의 스펙트럼 변조층은 서로 다른 종류의 광 흡수 변조 물질들을 포함하거나 또는 서로 다른 크기의 광 흡수 변조 물질들을 포함하는 광 필터. - 제 13 항에 있어서,
상기 중첩된 복수의 필터 유닛의 위치에 따라 상기 광 흡수 변조 물질들의 비율이 서로 다른 광 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고,
상기 복수의 필터 유닛은 동일 평면 상에서 어레이 형태로 배열되고, 수직으로 중첩된 형태로 배열되는 광 필터. - 적어도 하나의 필터 유닛을 포함하는 광 필터; 및
상기 광 필터를 투과한 빛을 수광하는 센싱부;를 포함하고,
상기 필터 유닛은 위치에 따라 서로 다른 투과 스펙트럼을 가지는 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 액상의 스펙트럼 변조층은 위치에 따라 서로 다른 두께를 가지는 분광기. - 제 17 항에 있어서,
상기 필터 유닛은 상기 액상의 스펙트럼 변조층이 채워지는 내부 공간을 포함하며, 광학적으로 투명한 재질을 포함하는 필터 프레임을 더 포함하는 분광기. - 제 18 항에 있어서,
상기 필터 프레임은 유리, 석영 또는 폴리머를 포함하는 분광기. - 제 18 항에 있어서,
상기 필터 프레임의 내부 공간은 삼각형, 사다리꼴, 또는 렌즈 형태의 단면을 포함하는 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 액상의 스펙트럼 변조층은 광 흡수 변조 물질을 포함하는 용액으로 이루어진 분광기. - 제 21 항에 있어서,
상기 광 흡수 변조 물질은 양자점(QDs), 무기물 및 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 서로 다른 투과 스펙트럼들은 비선형 관계를 가지는 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 광 필터는 상기 필터 유닛의 상면 및 하면 중 적어도 하나에 마련되는 반사 방지층을 더 포함하는 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고,
상기 복수의 필터 유닛은 동일 평면 상에서 어레이 형태로 배열되는 분광기. - 제 25 항에 있어서,
상기 복수의 스펙트럼 변조층은 서로 다른 종류의 광 흡수 변조 물질들을 포함하거나 또는 서로 다른 크기의 광 흡수 변조 물질들을 포함하는 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고,
상기 복수의 필터 유닛은 수직으로 중첩된 형태로 배열되는 분광기. - 제 27 항에 있어서,
상기 복수의 스펙트럼 변조층은 서로 다른 종류의 광 흡수 변조 물질들을 포함하거나 또는 서로 다른 크기의 광 흡수 변조 물질들을 포함하는 분광기. - 제 28 항에 있어서,
상기 중첩된 복수의 필터 유닛의 위치에 따라 상기 광 흡수 변조 물질들의 비율이 서로 다른 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 광 필터는 복수의 상기 액상의 스펙트럼 변조층을 포함하는 복수의 상기 필터 유닛을 포함하고,
상기 복수의 필터 유닛은 동일 평면 상에서 어레이 형태로 배열되고, 수직으로 중첩된 형태로 배열되는 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 센싱부는 이미지 센서 또는 포토다이오드를 포함하는 분광기. - 제 16 항에 있어서,
상기 분광기는 1nm 이하의 분해능을 가지는 분광기.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180104014A KR20200025948A (ko) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | 광 필터 및 이를 포함하는 분광기 |
| US16/249,592 US20200073032A1 (en) | 2018-08-31 | 2019-01-16 | Light filter and spectrometer including the light filter |
| CN201910089539.1A CN110873605A (zh) | 2018-08-31 | 2019-01-29 | 滤光器和包括滤光器的光谱仪 |
| EP19165789.9A EP3617675A1 (en) | 2018-08-31 | 2019-03-28 | Light filter and spectrometer including the light filter |
| JP2019129602A JP2020038353A (ja) | 2018-08-31 | 2019-07-11 | 光フィルタ、及びそれを含む分光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180104014A KR20200025948A (ko) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | 광 필터 및 이를 포함하는 분광기 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200025948A true KR20200025948A (ko) | 2020-03-10 |
Family
ID=66000993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180104014A KR20200025948A (ko) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | 광 필터 및 이를 포함하는 분광기 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20200073032A1 (ko) |
| EP (1) | EP3617675A1 (ko) |
| JP (1) | JP2020038353A (ko) |
| KR (1) | KR20200025948A (ko) |
| CN (1) | CN110873605A (ko) |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3610740A (en) * | 1968-10-07 | 1971-10-05 | Luis R Aparicio | Variable light filters |
| US3941487A (en) * | 1973-04-16 | 1976-03-02 | Beckman Instruments, Inc. | Colorimetric fluid analyzer |
| US5861626A (en) * | 1996-04-04 | 1999-01-19 | Raytheon Ti System, Inc. | Mercury cadmium telluride infrared filters and detectors and methods of fabrication |
| US6573988B1 (en) * | 1997-10-31 | 2003-06-03 | Foss Electric A/S | Cuvette and spacer therefor as well as a method of producing the spacer |
| CN100582750C (zh) * | 2002-07-24 | 2010-01-20 | 恩德莱斯和豪瑟尔分析仪表两合公司 | 用于固体、液体或气体介质的ir光谱分析的设备 |
| CN101194160B (zh) * | 2005-05-26 | 2012-01-04 | 三菱电机株式会社 | 光纤传感器 |
| CN100465601C (zh) * | 2007-04-19 | 2009-03-04 | 山东科技大学 | 光纤光栅压力测量装置 |
| JP5272965B2 (ja) * | 2009-08-19 | 2013-08-28 | 株式会社島津製作所 | 蛍光検出器 |
| KR101315856B1 (ko) * | 2012-04-17 | 2013-10-08 | 국방과학연구소 | 선형 광섬유 다발을 사용한 액체 위험물질의 광학적 탐지 장치 |
| EP4006542A1 (en) * | 2013-08-02 | 2022-06-01 | Verifood Ltd. | Spectrometer comprising sample illuminator |
| CN104422519B (zh) * | 2013-09-02 | 2017-05-24 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪 |
| EP2942618B1 (en) * | 2014-05-09 | 2017-07-12 | Samsung Electronics Co., Ltd | Spectro-sensor and spectrometer employing the same |
| US9518866B2 (en) * | 2014-08-22 | 2016-12-13 | Spectrasensors, Inc. | Spectrometer with variable beam power and shape |
| CN105606569B (zh) * | 2016-01-08 | 2018-05-18 | 哈尔滨工业大学 | 外电场作用下液体贴壁附面层透射率的测量方法 |
| CN205941350U (zh) * | 2016-07-19 | 2017-02-08 | 上海莱帝科技有限公司 | 一种基于线性渐变滤光片的气体、液体定质定量快速检测仪 |
| CN206772438U (zh) * | 2017-04-14 | 2017-12-19 | 中山大学 | 基于移动智能终端的吸收和荧光光谱检测装置 |
-
2018
- 2018-08-31 KR KR1020180104014A patent/KR20200025948A/ko not_active Application Discontinuation
-
2019
- 2019-01-16 US US16/249,592 patent/US20200073032A1/en not_active Abandoned
- 2019-01-29 CN CN201910089539.1A patent/CN110873605A/zh active Pending
- 2019-03-28 EP EP19165789.9A patent/EP3617675A1/en active Pending
- 2019-07-11 JP JP2019129602A patent/JP2020038353A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20200073032A1 (en) | 2020-03-05 |
| EP3617675A1 (en) | 2020-03-04 |
| CN110873605A (zh) | 2020-03-10 |
| JP2020038353A (ja) | 2020-03-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10962412B2 (en) | Light filter and spectrometer including the light filter | |
| US11913832B2 (en) | Filter array, spectral detector including the filter array and spectrometer employing the spectral detector | |
| Bao et al. | A colloidal quantum dot spectrometer | |
| Williams et al. | Grayscale-to-color: scalable fabrication of custom multispectral filter arrays | |
| McClung et al. | Snapshot spectral imaging with parallel metasystems | |
| Rueda et al. | DMD-based implementation of patterned optical filter arrays for compressive spectral imaging | |
| Huang et al. | Etalon array reconstructive spectrometry | |
| US11300449B2 (en) | Imaging device with image dispersing to create a spatially coded image | |
| Pervez et al. | Photonic crystal spectrometer | |
| Oiknine et al. | Multi-aperture snapshot compressive hyperspectral camera | |
| US20190004222A1 (en) | Optical filter, optical device, and method for producing optical filter | |
| Oiknine et al. | Compressive sensing resonator spectroscopy | |
| Cadusch et al. | Visible to long-wave infrared chip-scale spectrometers based on photodetectors with tailored responsivities and multispectral filters | |
| Lee et al. | Compact meta-spectral image sensor for mobile applications | |
| Wang et al. | Spectrum reconstruction with filter-free photodetectors based on graded-band-gap perovskite quantum dot heterojunctions | |
| KR20180090116A (ko) | 광 필터 및 이를 포함하는 광 분광기 | |
| Sawyer et al. | Opti-MSFA: a toolbox for generalized design and optimization of multispectral filter arrays | |
| US10379275B2 (en) | Optical filter including plates for filtering light and optical measuring device employing optical filter | |
| Yu et al. | Batch fabrication and compact integration of customized multispectral filter arrays towards snapshot imaging | |
| Kobylinskiy et al. | Substantial increase in detection efficiency for filter array-based spectral sensors | |
| Meng et al. | Quantum dot-enabled infrared hyperspectral imaging with single-pixel detection | |
| KR20200025948A (ko) | 광 필터 및 이를 포함하는 분광기 | |
| KR101125195B1 (ko) | 레이저 발진소자 | |
| Yang et al. | Periodic planar Fabry–Perot nanocavities with tunable interference colors based on filling density effects | |
| Hao et al. | Flexible long-wave infrared snapshot multispectral imaging with a pixel-level spectral filter array |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| WITB | Written withdrawal of application |