KR20200101851A

KR20200101851A - 칩 상의 분광계

Info

Publication number: KR20200101851A
Application number: KR1020200017461A
Authority: KR
Inventors: 댄 길버트 알렌
Original assignee: 인테그레이티드 디바이스 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2020-08-28
Also published as: CN111579497A; US20200264043A1; US10859436B2

Abstract

플라즈모닉 필터/마이크로렌즈 배열을 갖는 분광계가 제공된다. 분광계는, 제어기; 제어기에 결합되는 복수의 픽셀들에 의해 형성되는 픽셀 어레이를 갖는 이미지 센서; 및 이미지 센서 위의 광학 층을 포함할 수 있다. 광학 층은, 스페이서 층 위에 위치된 복수의 마이크로렌즈들을 갖는 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있으며, 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 복수의 픽셀들 중 하나 상에 광을 집속시키고, 복수의 픽셀들 각각 상에 입사되는 광이 투과 함수를 갖도록 플라즈모닉 필터 어레이가 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이와 배열된다. 마이크로렌즈들 및 플라즈모닉 필터들은 복합 구조로 형성될 수 있다.

Description

칩 상의 분광계{SPECTROMETER ON A CHIP}

본 발명의 실시예들은 분광계 센서들에 관한 것으로, 특히, 웨이퍼 수준 분광계들에 관한 것이다.

분광계들은, 표적 물질들의 분석 및 식별을 수반하는 다양한 용도들을 위해 모바일 디바이스들에 도입될 수 있다. 일반적으로, 분광계는, 물질 상에 광을 제공하기 위한 광원을 제공하고 그런 다음 물질로부터 수신되는 광을 모니터링하는 디바이스를 지칭한다. 광원에 의해 제공되는 광은 임의의 주파수 또는 주파수들의 범위일 수 있고, 분광계가 활성인 시간 동안 연속적일 수 있거나 또는 펄스형일 수 있다. 이러한 파라미터들은 특정 애플리케이션에 의존한다. 하나의 특정 애플리케이션은, 예컨대, 적외선 또는 근적외선 방사선을 생성하는 광원을 사용한다.

광원에 의해 조사될 때, 표적 물질은, 광원에 의해 방출되는 입사 방사선의 적어도 일부를 흡수하고, 적절히 분석될 때, 물질의 구성 성분들을 식별하는 데 사용될 수 있는 특성 스펙트럼의 광을 방사한다. 표적 물질로부터 수신되는 광은 분광계에 의해 스펙트럼적으로 분석되고, 수신된 광의 스펙트럼 조성은 물질의 화학적 조성을 나타낸다.

물질의 화학적 조성을 결정하는 것은 다수의 실제 애플리케이션들을 갖는다. 예컨대, 과일들 및 채소들의 스펙트럼 스캔은 성숙도 또는 제공되는 영양가를 결정하는 것을 도울 수 있다. 스펙트럼 스캐닝에 의해 음식 또는 음료들의 안전성이 또한 실시간으로 결정될 수 있다. 분광 스캔들은 또한, 건강 문제들, 예컨대, 혈액 샘플들을 실제로 채취하지 않고도 혈액 중의 산소 또는 당 함량을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 또한, 분광 스캐닝은, 대기 조건들, 이를테면 가스 구성성분들을 모니터링하는 데 사용될 수 있다.

또한, 주변 광의 스펙트럼 스캔들은 (광원으로부터의 광의 부재 시) 카메라의 광 수준 감도들을 조정하는 데 사용될 수 있다. 그러한 방법은, 모바일 디바이스 상에서 더 선명하고 더 정확한 사진들을 달성하는 것을 도울 수 있다.

필터들의 어레이들에 기반한 분광계들이 개발되었다. 일 예에서, 다양한 필터들이 이미지 센서 어레이에 대해 패터닝되거나 정렬된다. 각각의 채널 상에서 수신되는 광의 강도는, 그 개개의 픽셀에 대한 필터의 통과대역에 의해 결정된다. 수신된 광 패턴은, 선형 변환에 의해 광 강도의 파장 기반 표현으로 변환될 수 있다.

칩 상의 이러한 유형의 분광계에 대해, 필터의 투과는 각도 의존적일 수 있다. 그렇다면, 수신된 광 강도는 조명 각도에 의존한다. 그렇다면, 교정, 또는 동등하게는, 스펙트럼 변환의 도출은, 제한되거나 정의된 시야를 요구한다. 시야를 제한하거나 정의하는 일부 방법들은 외부 확산기들, 렌즈들, 및 애퍼쳐에 의존했다. 그러한 분광계들을 제공한 일부 회사들은 컨슈머 피직스 스키오(Consumer Physics Scio)(컨슈머 피직스의 SCIO™로서, www.consumerphysics.com 참조)를 포함한다. 이러한 시스템들에서의 요구되는 조립 방법들의 복잡도는 일부 소비자 애플리케이션들에 대해 바람직하지 않고 엄청난 비용이 든다.

예를 들면, 한국 대전의 나노종합기술원(National NanoFab Center)에서의 나노람다(nanoLambda)에 의해 플라즈모닉 필터들이 또한 시도되었다. 그러나, 광범위하게 다양한 스펙트럼 형상들을 초래하는 자연적인 프로세스 변동에 민감한 투과 함수들을 갖는 플라즈모닉 필터들의 제조는 대량 제조에 바람직하지 않다. 게다가, 특히, 용이하게 제조된 단일 금속 층 설계들에 대한 플라즈모닉 필터 어레이 투과는 극도로 각도 의존적일 수 있으며, 이는, 집광을 제한하고 광 확산 및 시준에 대해 심각한 요건들을 제기한다.

이러한 모든 문제들은 분광계의 비용, 크기, 및 복잡도를 부가하며, 이는 사실상 모바일 애플리케이션들에서의 경제적인 배치를 제한한다. 전형적인 고사양 스마트 폰에 대한 총(비-이미지) 센서 예산은 $5 범위 내에 있을 수 있는 반면, 카메라 모듈들은 $5-20이다. 따라서, 카메라 모듈과 같은 복잡도에 의존하는 센서들은, 모바일 분광계들이 소비자 핸드헬드식 디바이스들에 대량 배치되지 않고 수년 간 존재했다는 사실에 의해 입증된 바와 같이, 크기 및 비용 측면들에서 대량 배치에 대해 난제에 직면한다. 디바이스들을 프로세스 변동에 걸쳐 보다 본질적으로 안정적으로 만드는 개선들이 또한 대량 생산에 요구된다.

따라서, 모바일 디바이스들에 사용하기 위한 더 양호하고 더 강건한 제조가능한 분광계들을 개발할 필요가 있다.

일부 실시예들에서, 플라즈모닉 필터/마이크로렌즈 배열을 갖는 분광계가 제공된다. 일부 실시예들에 따른 분광계는, 제어기; 복수의 픽셀들에 의해 형성되는 픽셀 어레이를 갖는 센서 어레이 ― 픽셀들은 제어기에 결합됨 ―; 및 센서 어레이 위의 광학 층을 포함할 수 있으며, 광학 층은, 센서 어레이 위에 위치되는 스페이서 층, 복수의 픽셀들 상에 광을 집속시키도록 스페이서 층 위에 위치되는 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이, 및 복수의 픽셀들 각각 상에 그 픽셀에 대한 투과 함수에 따라 광이 입사되도록 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이와 배열되는 플라즈모닉 필터 어레이를 포함하고, 센서 어레이의 각각의 픽셀에 대한 투과된 광학 스펙트럼은 이미지 센서의 복수의 픽셀들에 걸쳐 변화되고, 이미지 센서 어레이 픽셀들의 복수의 픽셀들은 광학 층을 통해 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이의 초점들로부터 광을 선택적으로 수신하고, 제어기에 의해 액세스가능한 공간적으로 및 스펙트럼적으로 필터링된 신호들을 생성한다.

일부 실시예들에서, 마이크로렌즈 어레이 및 플라즈모닉 필터 어레이는, 단일 금속성 층의 복합 필터-마이크로렌즈로서 형성된다. 일부 실시예들에서, 복합 필터-마이크로렌즈 어레이는 플라즈모닉 마이크로-존 플레이트(micro-zone plate) 구조일 수 있다.

일부 실시예들에서, 광학 층 위에 놓이는 덮개에 제한 애퍼쳐가 형성된다. 일부 실시예들에서, 제어기는 마이크로제어기이다. 일부 실시예들에서, 마이크로제어기는 분광계를 교정하기 위해 픽셀 어레이의 각각의 픽셀에 고유한 전달 함수들을 사용한다.

이들 및 다른 실시예들이 다음의 도면들과 관련하여 아래에 논의된다.

도 1은 분광계를 포함하는 모바일 디바이스를 예시한다.
도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d, 도 2e, 및 도 2f는 도 1에 예시된 모바일 디바이스에서 사용될 수 있는 일부 실시예들에 따른 칩 상의 분광계를 예시한다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d는 핀홀을 통한 광의 투과를 예시한다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d, 도 4e, 도 4f, 도 4g, 및 도 4h는 다양한 조건들 하에서의 핀홀을 통한 초점 단면을 예시한다.
도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d, 및 도 5e는 핀홀을 통한 투과 특성들을 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 일부 실시예들에 따른 플라즈모닉 마이크로렌즈 필터의 나노-핀홀 설계를 예시한다.
도 7a 및 도 7b는 일부 실시예들에 따른 나노-핀홀 설계의 이미지들을 예시한다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 분광계에 대한 투과 함수로부터 파장 기반 데이터로의 변환을 예시한다.
도 9a 및 도 9b는 주파수 선택적 플라즈모닉 필터들의 일부 예들을 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 각각의 픽셀에 대한 복수의 필터/렌즈 구조들과 함께 도 2d에 예시된 구조의 일부분을 예시한다.
도 11은 Al 나노홀 어레이들의 투과 특성 대 파장 특성에서의 엄밀한 결합파 분석(RCWA; rigorous coupled-wave analysis) 모의실험된 각도 의존성을 예시한다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 분광계에서의 광원 및 센서 어레이의 시야(FOV)를 예시한다.
도 13은 본 발명에 따른 플라즈모닉 필터/마이크로렌즈의 FOV 특성들을 예시한다.
도 14a 및 도 14b는 잘 기능하지는 않는 일부 분광계들의 구성을 예시한다.
도 15는 프레넬 존 플레이트(Fresnel Zone Plate)를 예시한다.
도 16은 플라즈모닉 멀티-존 플레이트를 예시한다.
도 17a, 도 17b, 및 도 17c는 일부 실시예들에 따른 분광계 시스템의 상이한 픽셀들을 예시한다.
도 18은 일부 실시예들에 따른 다른 분광계 시스템의 픽셀 구성을 예시한다.
도 19는 본 발명의 일부 실시예들에서 사용될 수 있는 복합 필터-마이크로렌즈를 예시한다.
본 발명의 실시예들의 이들 및 다른 양상들이 아래에서 추가로 논의된다.

다음의 설명에서, 본 발명의 일부 실시예들을 설명하는 특정 세부사항들이 기재된다. 그러나, 일부 실시예들은 이러한 특정 세부사항들 중 일부 또는 그 전부가 없이도 실시될 수 있다는 것이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본원에 개시된 특정 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 본원에서 구체적으로 설명되지는 않지만 본 개시내용의 범위 및 사상 내에 있는 다른 요소들을 인식할 수 있다.

본 설명은 본 발명의 양상들을 예시하고, 실시예들은 제한적인 것으로 간주되어서는 안되며, 청구항들은 보호되는 발명을 정의한다. 본 설명 및 청구항들의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경들이 이루어질 수 있다. 일부 예시들에서, 본 발명을 불명료하게 하지 않기 위해, 잘 알려진 구조들 및 기법들은 상세히 도시되거나 설명되지 않았다.

본 발명의 실시예들은, 웨이퍼 수준 광학기기를 갖는 칩 상의 분광계를 제공하여, 외부 렌즈들을 요구하지 않는 파장 특정 집속을 제공한다. 플라즈모닉 필터 요소들을 갖는 하이브리드 회절 렌즈는, 나노홀 직경들 및 식각 프로파일들을 제어하는 어려움보다는 프로세스 제어된 리소그래픽 간격 치수들에 의해 주로 정의되는 투과 최대치를 갖는 잘 거동되는 스펙트럼 피크들을 제공한다. 픽셀 당 파장 특정 필터링은 20 도 또는 더 뒤의 유리하게 큰 시야로부터의 광으로 가능하며, 전형적인 플라즈모닉 필터 설계들에 비해 크게 개선된다.

플라즈모닉 필터는, 서브파장(subwavelength)으로 크기가 정해진 홀들의 어레이를 갖는 금속 막을 지칭한다. 그러한 구조들은 "특별한 투과"를 나타내며, 일부 구조들은 특정 파장에서 최대 90 %의 투과 및 설계된 중심 파장의 수 퍼센트에 불과한 대역폭을 나타낸다.

이전에는, 회전 렌즈들의 대역폭을 개선하는 방법들, 즉, 유리하게 얇은 회절 렌즈들을 광대역 가시 광 또는 적외선 광 애플리케이션들에 대한 벌크 굴절 렌즈들과 같이 만들려 시도하는 것에 초점을 두었다. 상이한 방향으로 진행되는 본 발명의 실시예들은, 회절 렌즈들의 대역폭 제한 특성들을 이용하고 향상시켜, 원하는 파장이 집속되게 하고 다른 파장들로부터의 광을 차단하거나 집속되지 않게 한다. 이전 연구 국면에서의 이러한 일탈의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 나노플라즈모닉 연구는 대체로 군(military)에 의해 자금이 지원되었다. 이러한 분야에서 발표된 논문들은 종종, 다른 것들 중에서도, 파장 필터링 및 서브파장 이미징과 같은 것들에 대한 놀라운 결과들을 입증한다. 그러나, 축 외(off-axis) 성능 저하 및 불량한 대역폭 특성들의 개개의 결점들을 다루는 논문들을 발견하는 것은 불가능하지는 않더라도 어렵다. 긍정적인 결과들을 위하여, 해로운 효과들을 무시하는 결정이 있었다. 본 발명의 일부 실시예들은 구체적으로 그러한 효과들을 이용한다.

본 발명의 실시예들의 배경 개념은, 단순히 플라즈모닉 필터로 광을 필터링하거나 회절 렌즈로 광을 집속시키는 것이 아니라, 회절 렌즈로 광을 집속시키고 플라즈모닉 필터를 사용하여 분광 애플리케이션들에 충분하게 대역폭을 좁히는 것이다. 픽셀은 회절-플라즈모닉 렌즈 필터 아래에 애퍼쳐를 형성하며, 이는 동시에 대역폭을 제한하고 시야를 정의한다. 센서 위의 간단히 구성된 소형 하우징이 유용하게 큰 입력 제한 애퍼쳐를 제공한다.

일부 실시예들에서, 간섭 필터 또는 플라즈모닉 나노홀 어레이와 같은 준-균질 필터가 아니라 회절 렌즈가 사용된다. 준-균질 필터들에서의 프로세스 변동들은 간섭 필터들 및 나노홀 어레이들 둘 모두에 대한 통과대역들에서의 편이들을 생성한다. 회절 렌즈들을 이용하여, 리소그래피적으로 정의된 간격들이 파장을 설정한다. 리소그래피적으로 정의된 간격들은, 대량 제조를 위한 기본적으로 더 반복가능한 접근법을 제공한다. 또한, 회절 렌즈들은, 다중 층 간섭 필터들과 대조적으로 단일 층 프로세스로 생성되며, 이는 또한 처리가 더 적어지게 한다.

일부 실시예들에서, 렌즈는, 공간적 필터링 효과를 제공하기 위해, 픽셀보다 훨씬 더 크도록 배열된다. 픽셀이 픽셀 피치보다 훨씬 더 작은 애퍼쳐를 갖거나 렌즈가 픽셀 피치보다 훨씬 더 크다. 이러한 배열은, 이미징에서 색 분리를 위해 색 필터들 및 마이크로렌즈들을 사용하는 전형적인 카메라들과 상이하며, 주요 목표는, 픽셀의 활성 영역 내로 광을 집중시켜 집광을 최대화하는 것이다. 따라서, 일부 실시예들에 따른 하이브리드 회절-플라즈모닉 렌즈 분광계는 센서의 훨씬 더 작은 활성 영역(충전율(fill factor))에 의해 구별되어, 웨이퍼 수준에서의 스펙트럼 및 공간적 필터링 둘 모두에 대한 교환으로 집광을 감소시킨다.

일부 실시예들에서, 플라즈모닉 어레이들로부터 회절 링들이 형성된다. 이는, 과거에 서브파장 집속 렌즈를 제조하기 위해 행해졌지만 파장 필터링에 대해서는 사용되지 않았다. 사실, 그러한 노력들로 다수의 파장들을 집속시키는 렌즈들을 생성하였다. 링 간격들은 표면 플라즈몬 폴라리톤들의 상호작용 길이를 제한하고, 공진을 넓히면서 각도 감도를 제한하는 역할을 한다. 이러한 효과는, 유용하게 큰 입력 애퍼쳐(에텐듀(etendue))를 갖는 분광계를 제공하여, 비-집속 나노홀 어레이 필터들에 비해 명확한 이점을 그리고 강한 각도 의존성을 갖는 에탈론 유형 필터들에 대한 명확한 대비를 제공한다. 회절 렌즈를 나노홀 어레이들과 결합시키는 이러한 모듈식 접근법은, 링들 및 홀들의 대체로 독립적인 최적화를 허용하며, 이는 수치적 모델링을 단순화한다.

유용하게 큰 스펙트럼 기반 함수 세트를 생성하려 시도하는 다양한 나노홀 패턴들의 어레이들을 사용하는 분광계들과 대조적으로, 일부 실시예들에 따른 하이브리드 회절 플라즈모닉 렌즈 필터는 광범위한 파장들에 걸쳐 규모조정될 수 있다. 에탈론 필터들이 직면하는 것과 같은 고유 자유 스펙트럼 범위 제한이 존재하지 않는다. 일부 실시예들에 따른 하이브리드 회절 플라즈모닉 렌즈 필터들은, 그들이 평활한 투과 구배들을 갖고 유의한 대역 외 투과들을 갖지 않는다는 점에서 잘 거동된다. 결과적으로, 일부 실시예들에 따른 하이브리드 회절 플라즈모닉 렌즈 필터들은 파장 변환의 구성을 제공하는 데 있어 본질적으로 더 단순하며, 이는, 제조 시 더 적은 요소들이 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 제조가 더 강건하기 때문에, 더 적은 중복성이 사용될 수 있는데, 이는, 실제로 더 작은(더 낮은 비용 및 크기의) 픽셀 어레이가 충분할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예들은, 센서 어레이, 예를 들면, CCD 또는 CMOS 센서, 선형 센서 어레이 또는 포토다이오드들의 어레이를 제공한다. 센서 어레이의 실시예들은, 예를 들면, 진공 증착된 금속 층에서의 홀들의 어레이의 포토리소그래피에 의해, 어레이 상에 제조되거나 통합되는 대응하는 애퍼쳐 어레이를 가질 수 있다. 광을 수신하기 위한 각각의 포토다이오드는 애퍼쳐를 갖는다. 일부 실시예들에서, 어떠한 애퍼쳐도 갖지 않는 기준 "어두운 픽셀들"이 형성될 수 있다. 이러한 "어두운 픽셀들"은 교정 목적들을 위해 사용될 수 있다.

형성된 애퍼쳐의 목적은, 공간적 광 필터로서 작용하는 것이다. 그런 다음, 스페이서 층이 애퍼쳐 어레이 위에 증착될 수 있다. 그런 다음, 복합 나노-패터닝된 마이크로렌즈-필터 어레이가 애퍼쳐 어레이 위에 배치된다. 복합 마이크로렌즈-필터 상에 입사되는 광은 스펙트럼적으로 필터링될 뿐만 아니라 애퍼쳐 어레이를 향해 집속된다. 애퍼쳐 어레이는, 정의된 시야로부터 입사되는 필터 통과대역 내의 광이 픽셀 활성 영역에 들어갈 수 있게 한다. 복합 마이크로렌즈-필터는 광 스펙트럼 성분을 변조하여 그 성분을 활성 픽셀 영역들 상에 집속시킨다. 매우 큰 픽셀들의 경우에, 픽셀은 하나 초과의 애퍼쳐를 포함할 수 있다. 매우 작은 픽셀들의 경우에, 픽셀 활성 영역은 공간적 필터로서 기능한다. 센서 어레이 전면측 조명(FSI) 최상부 금속, 재분배(RDL) 층 또는 후면측 조명 금속(BSI) 금속 층이 사용되어 애퍼쳐 어레이를 패터닝할 수 있다. 또는, 애퍼쳐 어레이는, 필터/마이크로렌즈 적층체의 백엔드 처리에서 부가될 수 있다. 최종 결과는, 광을 시준하는 데 외부 렌즈가 요구되지 않아서, 분광계 조립체에 대한 기계적 요건들이 매우 단순화되는 것이다.

입사 광 스펙트럼을 변조하는 플라즈모닉 필터들(예컨대, 나노람다)이 입증되었다. 픽셀들 상에 광을 집속시키는 회절 또는 플라즈모닉 필터들이 또한 입증되었다. 일 예에서, 회절 마이크로렌즈가 사용된다. 추가로, 플라즈모닉 마이크로렌즈들이 입증되었다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 칩 상의 분광계는 다양한 스펙트럼 기반 함수들을 사용하므로, 집속만으로는 충분하지 않다. 본 발명의 실시예들에서의 스펙트럼 전달 함수는, 필터 설계의 결정적 변동에 기반하여 픽셀마다 다르다. 플라즈모닉 필터 어레이(렌즈 없음) 또는 마이크로렌즈 어레이(변화가 없는 필터링) 중 어느 것도 이러한 조건들 둘 모두를 충족시키지 않는다. 본 발명의 실시예들은, 광을 집속시킬 뿐만 아니라 다양한 방식으로 광을 스펙트럼적으로 필터링하는 하이브리드 회절 플라즈모닉 렌즈를 제공함으로써 종래 기술에 대한 이러한 문제를 해결한다. 각각의 마이크로렌즈-필터는 개방 애퍼쳐 위에 중심이 놓이는 정의된 입력 애퍼쳐를 갖는다.

분광계는 픽셀들의 어레이에 의해 형성된다. 마이크로렌즈 아래의 픽셀은 그 자체로 공간적 필터인데, 그 이유는, 그의 입력 애퍼쳐가 광을 수신하는 구역을 정의하기 때문이다. 그러나, 일부 실시예들에서, 분광계는, 이미지 센서가 전형적으로 제공했을 시야보다 더 작은 시야들로 광학적으로 수행되는 필터들을 사용할 수 있다. 이러한 경우에서, 픽셀 애퍼쳐의 감소가 제공될 수 있지만, 픽셀 크기와 애퍼쳐 크기의 비는 칩 상의 분광계의 기능에 있어서는 다소 중요치 않다. 문제가 되는 것은, 마이크로렌즈-필터 입력 애퍼쳐 대 애퍼쳐의 크기의 비이다. 예시적인 실시예에서, 마이크로렌즈-필터 애퍼쳐는 직경이 25 um일 수 있고, 애퍼쳐는 3 um일 수 있고, 스페이서는 12 um 두께의 중합체, 이를테면, 폴리이미드, 폴리 메틸메타크릴레이트(PMMA), 또는 벤조시클로부텐(BCB)이다. 픽셀 그 자체는, 허용된 범위의 각도들로 애퍼쳐에 들어오는 광을 수집하기 위해 단지 애퍼쳐보다 수 미크론 더 클 수 있다. 유용한 픽셀 피치는 더 큰 마이크로렌즈 크기에 의해 좌우되며, 이는, 이러한 특정 예에서는 25 um이다. 이는, 높은 충전율이 요구되는 전형적인 이미지 센서와는 명확히 다르다. 즉, 픽셀의 활성 구역은, 픽셀 크기와 픽셀 피치가 필적하도록 가능한 한 많은 픽셀 영역을 채워야 한다. 20 - 90 %의 픽셀 충전율들이 전형적이다. 10 % 미만의 픽셀 충전율들은 전형적이지 않지만, 설명된 웨이퍼 수준 광학 제어를 이용하는 칩 상의 분광계에 대해 유용할 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 제공되는 바와 같이 마이크로렌즈 어레이와 플라즈모닉 필터 어레이를 결합시키는 것은 이전 설계들에 비해 큰 개선이 이루어진다. 그러한 배열은, 이러한 개선들이 디바이스들에 고가의 외부 광학기기를 부가하는 요건들을 제거함에도 불구하고 제조자들, 예컨대 스키오 또는 나노람다에 의해 제안되지 않았다.

본 발명의 실시예들은, 이전의 이질적 기능들(필터링 및 집속)을 센서 어레이 자체에 결합시키는 것을 수반한다. 일부 실시예들에서, 중심으로부터 멀어질수록 주파수에서 공간적 변조가 증가하는(피치가 더 작아짐) 반경 방향으로의 굴절률 변조가 제공될 수 있다. 이는, 양의 초점 길이 회절 광학 요소를 제공한다.

일부 실시예들에서, 비-반경방향 방식으로의 서브파장 변조가 제공되며, 이는, 스펙트럼 전달 함수 상에 더 높은 차수의 변조들을 부여한다. 그 예는 나노홀들의 동심 링들이다. 이러한 구조의 예들은, 서브파장 코그 피쳐들을 갖는 동심 기어 형상들을 포함한다. 다른 예는, 반경방향으로 변화되는 피치 및 홀 형상들을 갖는 금속에서의 플라즈모닉 필터 나노홀 어레이이다. 추가적인 예는 다중 층 구조를 포함하며, 여기서, 하나의 층은 더 많은 스펙트럼 필터링을 제공하도록 최적화되고, 제2 층은 더 많은 집속을 제공한다. 이러한 설계는, 단일 층에서 필터링 및 집속 둘 모두를 행하려 시도하는 것과 연관된 공학처리 제약들을 깨는 데 있어 이점들을 가질 수 있다. 그러한 경우에서, 집속 요소는 필터 아래에 있어야 한다는 것이 유의되어야 한다. 그렇지 않으면, 마이크로렌즈 층은 평면파 여기에 더 적합한 더 균일한 어레이로 수렴 빔을 전송할 것이다.

도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 분광계(104)를 포함할 수 있는 모바일 디바이스(100), 예컨대, 스마트 폰 또는 태블릿을 예시한다. 모바일 디바이스(100)는, 프로세서들, 회로, 및 모바일 디바이스(100)의 사용자에게 서비스들을 제공하기 위한 사용자 인터페이스들의 통합 시스템을 포함한다. 그러한 서비스들은, 예컨대, 인터넷 서비스들, 셀 폰 서비스들, 데이터 저장, 및 그러한 디바이스의 다른 공통 기능들을 포함할 수 있다. 게다가, 모바일 디바이스(100)는, 다양한 사진관련 목적들을 위해 사용될 수 있는 카메라(102)를 포함한다. 부가적으로, 일부 구현들에서, 모바일 디바이스(100)는 분광계(104)를 포함한다. 분광계(104)는 모바일 디바이스(100)의 프로세서에 결합되고, 모바일 디바이스(100)의 제어 하에서, 분광 데이터를 취하고, 획득된 분광 데이터를 분석할 수 있다.

위에 논의된 바와 같이, 분광 데이터는, 카메라(102)에 의해 촬영된 사진들을 처리하는 데 사용될 수 있고, 표적 물질들의 화학적 조성을 결정하는 데 추가로 사용될 수 있다. 분광 데이터로부터, 다른 물질들의 조성과 함께 과일들 및 채소들의 품질 및 성숙도가 결정될 수 있다. 또한, 표적은 생물학적일 수 있고, 분광 데이터는 다양한 건강 상태들을 측정하는 데 사용된다. 결과적으로, 이를테면 모바일 디바이스(100)에 내장된, 핸드헬드식의 정확한 분광계를 갖는 것은, 과학적 목적들을 위해서 뿐만 아니라 실용적 목적들, 이를테면, 건강 모니터링, 환경 모니터링, 위조 검출과 진위 확인, 제품 ID, 색 검색과 색 매칭, 및 다른 용도들을 위해서도 매우 유용한 도구일 수 있다.

도 2a는, 모바일 디바이스(100)에서의 분광계(104)로서 사용될 수 있는 분광계(200)의 블록도를 예시한다. 도 2a에 예시된 바와 같이, 분광계(104)는, 광원(202), 센서 어레이(204), 및 처리 회로(206)를 포함할 수 있다. 광원(202)은 분광계에 의해 사용되는 임의의 광원일 수 있으며, 예컨대, 근적외선 광을 생성하기 위한 하나 이상의 LED를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광원(202)은 LED들의 어레이일 수 있다. 일부 실시예들에서, LED들의 어레이는 접합들이 상이한 방출 파장들을 갖는 이중 접합 LED일 수 있으며, 이는, 더 작은 폼 팩터로 더 넓은 범위의 파장들이 제공되게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(202)은 다양한 파장들의 LED들의 어레이를 갖는 플래시일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(202)은 형광체-변환 LED 플래시일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(202)은 카메라(102)의 플래시일 수 있다.

센서 어레이(204)는, 분광계(104)의 목적에 적절한 스펙트럼 범위의 광을 측정할 수 있는 임의의 유형의 센서 어레이일 수 있다. 예컨대, 센서 어레이(204)는 개별 픽셀들의 어레이 또는 추가로 처리될 수 있는 전기 신호들을 생성하는 감광성 영역들의 다른 어레이를 갖는 CMOS 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 어레이(204)는 가시 범위, 근적외선, 또는 UV의 파장들을 검출한다. 일부 실시예들에서, 센서 어레이(204)는 약 1100 나노미터 미만의 파장들을 검출한다. 일부 실시예들에서, 센서 어레이(204)는 약 2.5 미크론 미만의 파장들을 검출한다. 처리 회로(206)는, 픽셀 판독 회로 및 픽셀 구동 회로뿐만 아니라, 센서 어레이(204)로부터 데이터를 수신하고, 데이터를 처리하고, 추가적인 분석 및 사용자에 대한 표시를 위해 모바일 디바이스(100)의 마이크로프로세서에 데이터를 제공하기 위한, 마이크로프로세서들 및 마이크로컴퓨터들을 포함하는 제어기들 또는 프로세서들을 포함할 수 있다.

처리 회로(206)는 또한, 펄스형일 수 있거나 연속적일 수 있는 광원(202)에 의해 생성되는 광의 강도 및 지속기간을 제어하고, 그에 따라 센서 어레이(204)를 게이팅할 수 있다. 일부 실시예들에서, 특정 지속기간의 광의 펄스는 광원(202)에 의해 생성될 수 있고, 그 후에, 센서 어레이(204)가 착신 광을 수신하고 수신된 광의 강도와 관련된 전하 또는 전압을 축적하는 데이터 획득 기간이 후속된다. 처리 회로(206)는, 약간의 획득 기간 후에, 이어서, 센서 어레이(204)의 픽셀 어레이에 의해 수신되는 광의 적분 값들을 판독한다. 일부 실시예들에서, 시간의 함수로서 수신된 광을 결정하기 위해, 적분 값들을 주기적으로 샘플링함으로써 감쇠 프로세스가 모니터링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(202)은 카메라 플래시일 수 있고, 그렇다면, 직접 또는 모바일 디바이스(100)와 같은 호스트 디바이스의 마이크로프로세서들 또는 마이크로컴퓨터들을 통해 처리 회로에 의해 제어될 수 있다.

도 2a에 추가로 예시된 바와 같이, 광원(202), 센서 어레이(204), 및 처리 회로(206)는 웨이퍼 칩(208) 상에 패키징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구조(210)는, 광원(202)에 의해 생성되는 광이 센서 어레이(204)에 직접 들어가는 것을 방지하기 위해, 센서 어레이(204)를 광원(202)으로부터 분리한다.

도 2b는 분광계(200)의 실시예의 단면도를 예시한다. 도 2b에 예시된 바와 같이, 분광계(200)는 웨이퍼 기판(220) 상에 형성될 수 있다. 도 2b에 추가로 예시된 바와 같이, 반도체 층(206)이 기판(220) 상에 형성되며, 여기서, 처리 회로(206)의 규소 구성요소들뿐만 아니라 광원(202) 및 센서 어레이(204)를 구동하기 위한 회로가 형성된다. 센서 어레이(204) 및 광원(202)은 반도체 층(222)에 또는 반도체 층(222) 상에 형성된다. 추가로 예시된 바와 같이, 광학적으로 투명한 층(224)이 광원(202) 위에 제공된다. 광학적으로 투명한 층(224)은, 일부 광학기기, 예컨대, 렌즈 구조들, 필터 구조들, 또는 표적 물질을 조사하기 위해 광원(202)으로부터의 광을 투과시키기 위한 다른 광학 구조들을 더 포함할 수 있다. 광학적으로 투명한 층(224)은 에어 갭일 수 있다. 층(226)은 또한, 일부 실시예들에서, 층(226)에서 수신되는 광을 센서 어레이(204)의 개별 픽셀들 상으로 지향시키기 위한 집속, 필터링, 및 분산 기능들을 제공하는 광학 층이다. 일부 구현들에서, 특히 이전에 개발된 시스템들에서는, 일부 외부 광학기기가 분광계 칩(104) 외부에 제공되어 집속, 필터링, 및 다른 기능들을 제공할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에서, 표적 샘플로부터의 착신 광을 필터링하고 집속시키는 광학기기를 층(226)이 포함한다. 광원(202) 대신 카메라 플래시를 사용하는 실시예들에서, 분광계(200)는 더 작을 수 있고, 센서 어레이(204) 및 지원 회로만을 포함할 수 있다.

도 2b에 추가로 예시된 바와 같이, 덮개(270)가 광학적으로 투명한 층(224) 및 광학적으로 투명한 층(226) 상에 배치된다. 덮개(270)는, 분광계(200)를 캡슐화하도록 형성될 수 있는, 예컨대 플라스틱으로 형성된 경질의 보호 덮개일 수 있다. 제한 애퍼쳐(272)는, 센서 어레이(204) 위의 덮개(270) 상에 형성될 수 있다. 제한 애퍼쳐(272)는 핀홀 카메라의 핀홀의 기능과 유사한 광 액세스를 센서 어레이(204)에 제공하고, 제한 애퍼쳐(272)에 대한 광 액세스를 제어한다. 일부 실시예들에서, 제한 애퍼쳐(272)는 원형일 수 있고, 약 20 도로 제한된 각도 범위의 광을 허용할 수 있다. 높은 각도의 광선들은 초점에서의 스펙트럼 피쳐들을 없애는 효과를 가질 수 있으므로, 불필요한 광을 차단하는 데 유용하다. 개구의 크기는 덮개의 높이로 규모조정된다. 광원(202)으로부터의 광이 분광계(200)를 빠져나갈 수 있게 하기 위해, 부가적인 개구(274)가 덮개(270)에 형성된다. 덮개(270)가 센서 어레이(204)에 근접하게 있는 경우, 센서 어레이(204)에 걸친 광의 균질성을 개선하기 위해 확산기(276)가 애퍼쳐(272) 위에 배치될 수 있다. 센서 어레이(204)의 중심으로부터 떨어져 있는 픽셀들의 경우, 제한 애퍼쳐(272)가 축을 벗어나 있을 수 있으므로, 제한 애퍼쳐(272)로부터 센서 어레이(204)의 픽셀들로 광을 지향시키기 위해서 층(226)의 마이크로렌즈들의 위치들 및 임의적으로는 초점 길이들이 조정될 수 있다. 예에서, 센서 어레이(204) 위의 덮개의 높이는 2mm이고, 애퍼쳐(272)의 직경은 500 미크론이다. 확산기(276)는, 덮개 외부에 부착된 분쇄 유리 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 얇은 층일 수 있다.

도 2c는 분광계(200)의 회로도를 예시한다. 도 2c에 예시된 바와 같이, 처리 회로(206)는 제어기(256)를 포함한다. 제어기(256)는, 마이크로제어기 유닛, 마이크로컴퓨터, 전용 회로, 또는 다른 디바이스를 포함하는 임의의 제어 회로일 수 있다. 제어기(256)는, 전용 회로, 상태 기계에 의해 동작되는 프로세서들, 또는 판독부(250)로부터 데이터를 수신하고 센서 드라이버(252) 및 광원 드라이버(254)를 제어할 수 있는 임의의 다른 디바이스일 수 있다.

일부 실시예들에서, 제어기(256)는, 마이크로제어기(MCU) 또는 애플리케이션 프로세서(AP)와 같은 외부 프로그래밍가능 디바이스와 인터페이싱할 수 있다. 게다가, 제어기(256)는 모바일 디바이스(100)의 프로세서들과 인터페이싱할 수 있으며, 그에 따라, 모바일 디바이스(100)에 저장된 명령어들에 의해 제어된다.

도 2c에 예시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 제어기(256) 그 자체가 모바일 디바이스(100)의 외부 프로세서들에 인터페이싱될 수 있는 마이크로제어기 유닛(MCU)(256)일 수 있다. MCU(256)는, 프로세서(258), 메모리(260), 및 인터페이스들(262 및 264)을 포함한다. 메모리(260)는 휘발성 메모리 및 비-휘발성 메모리 둘 모두를 포함할 수 있으며, 그러므로, 프로세서(258)에 의해 실행되는 명령어들 및 분광계(200)에서의 데이터의 처리에 사용되는 데이터를 저장할 수 있다. 프로세서(258)는 또한, 모바일 디바이스, 이를테면, 모바일 디바이스(100)의 다른 프로세서들과 인터페이싱하기 위해 디바이스 인터페이스(264)에 결합될 수 있다. 프로세서(258)는 또한 분광계 인터페이스(262)에 결합되며, 이를 통해, 프로세서(258)는 광원 드라이버(254) 및 센서 회로(266)와 통신하고, 센서 회로(266)는 센서 드라이버(252) 및 판독부(250)를 포함한다.

광원 드라이버(254)는 MCU(256)의 지시로 광원(202)을 구동하도록 결합된다. 센서 드라이버(252)는, 센서 어레이(204)의 광 센서 요소들을 구동하도록, 특히, 센서 어레이(204)에 전력 및 제어 신호들을 제공하도록 결합된다. MCU(256)는 또한 판독부(250)에 결합되며, 이는, 센서 어레이(204)의 활성 영역들(픽셀들) 각각으로부터 신호들을 수신하도록 결합된다. 판독부(250)는, 센서 어레이(204)의 광 센서 요소들로부터 수신되는 신호들을 아날로그 필터링, 증폭, 적분, 및 디지털화하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 판독부(250)는, 센서 어레이(204)로부터 수신되는 전류 신호들을 마이크로프로세서(256)에서의 프로그래밍에 의해 설정된 시간 기간들에 걸쳐 적분하는 아날로그 적분기들을 포함할 수 있다. 광원(202)이 카메라로부터의 플래시인 실시예들에서, 광원 드라이버(254)는 지원 디바이스에 신호를 제공할 수 있고, 지원 디바이스는 그에 따라 카메라 플래시를 구동한다.

도 2d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 센서 어레이(204) 및 층(226)의 단면을 예시한다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 센서 어레이(204)는, 예컨대, 활성 픽셀들(230)을 갖는, CCD 또는 CMOS 센서, 선형 센서 어레이 또는 포토다이오드들의 어레이이다. 픽셀들(230)은 센서 회로(266)에 각각 결합된다. 픽셀들(230)은, 센서 어레이(204)의 광학적으로 활성인 영역들이고, 픽셀(230) 상에 입사되는 광의 강도에 따른 전기 신호들을 제공하며, 이들은, 도 2d에 도시된 바와 같이, 판독부(250)를 포함하는 인터페이스 회로(266)에 각각 결합된다. 센서 어레이(204)는 임의의 수의 픽셀(230)을 포함할 수 있다. 예컨대, 100개 내지 1000개의 픽셀이 존재할 수 있다.

픽셀들(230)의 활성 표면은 특정 형상의 광 수신 영역을 갖는다. 이는, 불투명 마스크에 의해 또는 포토다이오드 흡수 구역의 치수들에 의해 정의될 수 있다. 마스크 또는 애퍼쳐는 특정 직경을 갖는 원형일 수 있고, 픽셀들(230)은 특정 피치(인접 픽셀들(230) 사이의 거리)를 갖는다. 어떠한 마스크도 존재하지 않는 경우, 픽셀의 직경은 픽셀 광 수신 영역에 걸친 거리를 지칭할 것이다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 픽셀들(230)은 약 10 ㎛ 이하의 직경을 가질 수 있고, 피치는 픽셀(230)의 직경의 약 2 배 이하일 수 있다. 일부 실시예들에서, 피치는 픽셀들(230)의 직경의 2 배보다 클 수 있다. 픽셀들(230)은 임의의 방식으로 배열될 수 있지만, 종종, x 방향 및 y 방향으로의 특정 피치들로 x 및 y 축을 따라 배열될 것이다(센서 어레이(204)의 표면에 수직이 z 방향임). x 방향 및 y 방향으로의 피치는 상이할 수 있지만, 이들은 종종 유사하거나 동일하도록 배열된다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 픽셀 피치는 15 미크론보다 클 수 있다. 일부 실시예들에서, 20 미크론보다 클 수 있다. 일부 실시예들에서, 애퍼쳐(240)의 면적의 제곱근이 픽셀들(230)의 피치의 ¼ 미만이다.

도 2d에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 층(226)은 다수의 층들로 구성된다. 다수의 층들은, 예컨대, 애퍼쳐 어레이 층(232), 스페이서 층(234), 마이크로렌즈 어레이(236), 및 필터 층(244)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 아래에 추가로 논의되는 바와 같이, 마이크로렌즈 어레이(236) 및 필터 층(244)은 단일의 병합된 플라즈모닉 디바이스에 결합될 수 있다. 어느 경우에서든, 필터 층(244)과 마이크로렌즈 어레이(236)가 함께 통합되어, 광을 필터링하고 애퍼쳐들(240)을 통해 픽셀들(230) 상으로 광을 집속시키는 하이브리드 플라즈모닉 디바이스를 형성한다. 일부 실시예들에서, 도 2d에 예시된 바와 같이, 각각의 필터 어레이(244) 및 마이크로렌즈 어레이(236) 구성은 픽셀들(230) 중 단일 픽셀로 광을 지향시킨다. 그러나, 일부 실시예들에서, 픽셀들(230) 중 하나 상에 입사되는 광은 복수의 필터 어레이(244) 및 마이크로렌즈 어레이(236) 구성에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 복수의 마이크로렌즈(242)로부터의 광이 픽셀들(230) 중 단일 픽셀 상에 입사될 수 있다.

층(226)은, 센서 어레이(204) 상에 제조되거나 그와 통합되는 애퍼쳐 어레이(232)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 애퍼쳐 어레이(232)는, 센서 어레이(204) 위에 형성된 광학 층(예컨대, 유전체 층) 상에 형성되거나 그에 캡슐화될 수 있다. 도 2d는, 센서 어레이(204) 위에 증착된 광학적으로 투명한 층(248)에 매립된 금속 층(250)을 갖는 애퍼쳐 어레이(232)를 예시한다.

애퍼쳐 어레이(232)는 센서 어레이(204) 위에(예컨대, 센서 어레이(204) 상에 직접 또는 센서 어레이(204) 상에 증착된 막 상에) 진공 증착에 의해 증착된 금속 층(250)에 형성될 수 있다. 애퍼쳐들(240)의 어레이는 포토리소그래피 기법들에 의해 금속 층(250)에 형성될 수 있다. 도 2d에 예시된 바와 같이, 애퍼쳐(240)는, 광을 수신하기 위한 활성 픽셀들(230) 각각이 애퍼쳐 어레이(232)에서 그들 위에 형성된 애퍼쳐(240)를 갖도록 픽셀들(230) 위에 형성될 수 있다. 기준 "어두운 픽셀들"(246)(어떠한 광도 수신하지 않음)은, 층(226)의 애퍼쳐 어레이(232)에 형성된 대응하는 애퍼쳐(240)를 갖지 않는 센서 어레이(204)의 개별 광 수집 픽셀 요소들(230)로 형성될 수 있다. 아래에 더 상세히 논의되는 바와 같이, 애퍼쳐 어레이(232)의 애퍼쳐들(240)은 공간적 광 필터로서 작용한다. 애퍼쳐들(240) 각각은 전형적으로, 애퍼쳐들(240) 각각이 그 위에 형성되는 대응하는 픽셀(230)보다 작으며, 센서 어레이(204)의 픽셀들(230)의 피치가 그러하듯이 동일한 피치를 갖는다.

일부 실시예들에서, 애퍼쳐 층(232)은 픽셀들(230) 그 자체의 애퍼쳐들을 사용한다. 이 경우에, 애퍼쳐 층(232)은 층(226)에 없을 수 있다. 픽셀(230)의 애퍼쳐는, 예컨대, 마이크로렌즈들(242)의 직경보다 5 - 15 배 더 작을 수 있다.

도 2d에 추가로 예시된 바와 같이, 스페이서 층(234)은 애퍼쳐 어레이(234) 위에 증착될 수 있다. 스페이서 층(234)은 광학적으로 투명하며, 애퍼쳐 어레이(232)와 마이크로렌즈 어레이(236) 사이에 간격을 제공하는 데 사용될 수 있다. 스페이서 층(234)의 두께는 마이크로렌즈 어레이(236)의 렌즈들(242)의 초점 길이에 의해 결정된다. 일부 실시예들에서, 스페이서 어레이(234)의 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛일 수 있다. 이러한 스페이서는, 프론트 엔드 팹 프로세스(front end fab process)들로부터의 센서 어레이의 유전체 층들, 및 백 엔드 처리(back end processing)에서 부가된 중합체 층들을 포함할 수 있다.

마이크로렌즈 어레이(236)는 금속성 층에 형성될 수 있으며, 여기서, 각각의 마이크로렌즈(242)가 금속성 층의 핀홀들에 의해 형성된다. 마이크로렌즈 어레이(236)의 각각의 개별 마이크로렌즈(242)는, 변화되는 형상 및 크기의 애퍼쳐들(또는 핀홀들)을 갖는 반경방향으로 변화되는 위상 요소들을 갖는 금속 층에 형성될 수 있다. 개별 마이크로렌즈들(242)은, 애퍼쳐들(240)을 통해 특정 픽셀들(230) 상으로 광을 집속시키도록 조정되는 파장 의존적 초점 길이를 갖는다. 각각의 마이크로렌즈(242)의 초점 길이는 스페이서 층(234)의 두께에 따라 조정될 수 있다.

도 2d에 예시된 예에서, 평탄화 층(238)이 마이크로렌즈 어레이(236) 위에 형성되고, 각각의 마이크로렌즈(242) 위에 제공되는 개별 필터들(246)을 갖는 필터 어레이(244)가 제공된다. 필터 어레이(244)는 또한, 금속성 시트에 애퍼쳐들을 배열함으로써 형성되는 플라즈모닉 필터일 수 있다. 평탄화 층(238)의 두께는, 일부 실시예들에서, 검출가능한 파장 범위의 두께보다 큰 두께를 갖는다.

도 2d에 예시된 바와 같이, 입사 광은 필터(246)에서 필터링되고 마이크로렌즈(242)에 의해 개별 픽셀(230) 상으로 또는 픽셀(230) 위의 애퍼쳐 상으로 집속된다. 개별 픽셀들에 대한 필터들(246)의 필터 특성들 및 결과적으로는 대응하는 마이크로렌즈(242)의 필터 특성들을 조정함으로써, 분석을 위해서 스펙트럼을 제어기(256)에 제공하기 위해 다수의 파장 채널들이 분광계에 의해 검출될 수 있다.

특히, 필터들(246) 및 마이크로렌즈(242)는, 다수의 개별 채널들이 개별 픽셀들(230)로 형성되도록 형성될 수 있으며, 이러한 결합들 각각은 특정 전달 함수(픽셀들(230)의 개별 픽셀들 상으로의 입사 광의 파장 성분들의 전달을 설명함)들을 갖도록 배열된다. 마이크로렌즈(242) 및 필터들(246)은 다수의 설계들을 가질 수 있으며, 이들 각각은 개별 채널의 특정 전달 함수들에 대응한다. 픽셀들(230) 중 다수의 픽셀들이 동일한 채널을 수신할 수 있다. 특히, 일부 실시예들에서는 20개보다 많은, 임의의 수의 개별 채널들(또는 임의의 수의 마이크로렌즈(242) 및 필터(246) 설계들)이 존재할 수 있다.

일부 실시예들에서, 마이크로렌즈 어레이(236) 및 필터 어레이(244)는, 애퍼쳐 어레이(236) 위의 층(226)에 형성될 수 있는 복합 나노-패터닝된 마이크로렌즈 어레이로 결합될 수 있다. 마이크로렌즈 어레이(236 및 244)의 복합 마이크로렌즈-필터 상에 입사되는 광은 애퍼쳐 어레이(232)를 향해 집속된다. 애퍼쳐 어레이(232)는, 정의된 시야로부터 입사되고 애퍼쳐 어레이(232)의 필터 통과대역 내에 속하는 광이 센서 어레이(204)의 활성 영역 픽셀들(230)에 들어갈 수 있게 한다. 그러므로, 일부 실시예들에서, 애퍼쳐 어레이(232)의 애퍼쳐들(240)의 직경은 대응하는 마이크로렌즈(242)의 직경의 배수보다 작을 수 있는데, 예컨대, 배수는 5 배일 수 있다. 마이크로렌즈 어레이(236 및 234)의 복합 마이크로렌즈-필터는 광 스펙트럼 성분을 변조할 뿐만 아니라 그 성분을 센서 어레이(204)의 픽셀들을 상으로 집속시킨다. 일부 실시예들에서, 복합 마이크로렌즈 어레이(236) 및 필터 어레이(244) 위에 덮개 층(270)이 증착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 픽셀은, 각각의 픽셀(230)에 대해 광을 제공하는 복수의 동일한 복합 마이크로렌즈-필터들을 포함할 수 있다.

도 2e는 일부 실시예들에 따른 다른 분광계(200)의 사시도를 예시한다. 도 2e에 예시된 바와 같이, 덮개(270)의 개구(274)는 광원(202)을 형성하는 LED들의 어레이를 드러낸다. 추가로, 센서 어레이(204) 위에 형성되는 제한 애퍼쳐(272)가 예시된다. 도 2f는, 도 2e에 예시된 예시적인 분광계(200)의 단면도를 예시한다. 도 2f에 예시된 바와 같이, 개구(274)는 광원(202) 위에 있다. 덮개(270)에 형성된 제한 애퍼쳐(272)는 센서 어레이(204) 위에 있다.

센서 어레이의 각각의 픽셀이 독립적인 필터를 갖는 필터들의 어레이들에 기반한 분광계들이 개발되었고 모바일 디바이스들 내에 통합되었다. 예에서, 하나의 그러한 디바이스 층은 이미지 센서 어레이 위에 증착되는 다양한 필터들을 포함한다. 이미지 센서 어레이의 각각의 픽셀 상에서 수신되는 광의 강도는, 그 개개의 픽셀에 대한 필터의 통과대역에 의해 결정된다. 수신된 광 패턴은, 센서 어레이의 각각의 픽셀로부터 수신되는 신호에 기반하여, 선형 변환에 의해 광 강도의 파장 기반 표현으로 변환될 수 있다.

그러나, 이러한 유형의 칩 상의 필터 기반 분광계에 대해, 필터들 각각의 투과 특성들은 각도 의존적일 수 있고, 각도 의존성은 그 자체로 파장 의존적일 수 있다. 그렇다면, 각각의 픽셀에서 수신되는 수신된 광 강도는 조명 각도에 의존한다. 그렇다면, 교정, 또는 동등하게는, 스펙트럼 변환의 도출은, 제한되거나 정의된 시야를 요구한다. 시야를 제한하거나 정의하는 이전 방법들은 외부 확산기들, 렌즈들, 및 애퍼쳐에 의존했다. 그러한 분광계 디바이스는, 예컨대, SCIO™(www.consumerphysics.com 참조)로서 컨슈머 피직스에 의해 제공된다.

일부 이전 설계들은 플라즈모닉 필터들이 사용되고 입사 광 스펙트럼이 변조되는 예들을 입증하였다. 그러한 디바이스는, 예컨대, 한국 대전의 나노종합기술원의 일부인 나노람다에 의해 제공된다. 다른 해결책들은 또한, 이미지 센서 어레이의 개별 픽셀들 상으로 광을 집속시키는 회절 또는 플라즈모닉 필터들을 입증하였다. 하나의 그러한 예에서, 회절 마이크로렌즈가 사용된다. 문헌("Panasonic Develops Technology for Highly Sensitive Image Sensors Using Micro Color Splitters"라는 명칭의 파나소닉(Panasonic) 보도 자료 데이터, 2013년 2월 4일, https://news.panasonic.com/global/press/data/2013/02/en130204-6/en130204-6.html)을 참조한다. 회절 마이크로렌즈들은 선형 색 분산을 갖는다. 초점 길이는 파장과 반대로 변화된다. 적색 광은 강하게 집속되고, 녹색 광은 덜 강하게 그리고 청색 광은 약하게만 집속된다. 이는, 색 이미징을 위해 색들을 서브픽셀들로 부분적으로 분리하는 데 사용되었다.

플라즈모닉 마이크로렌즈들이 또한 일부 시스템들에서 입증되었다. 그러나, 칩 상의 분광계는 다양한 스펙트럼 기반 함수들을 사용해야 한다. 결과적으로, 단지 집속만으로는 충분하지 않다. 스펙트럼 전달 함수는, 필터 설계의 결정적 변동에 기반하여 픽셀마다 변해야 한다. 플라즈모닉 필터 어레이(렌즈 없음) 또는 마이크로렌즈 어레이(변화가 없는 필터링) 중 어느 것도 이러한 조건들 둘 모두를 충족시키지 않는다.

여러 논문들에서 마이크로렌즈 어레이들 또는 플라즈모닉 필터들이 설명되었다. 예컨대, 문헌(https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/s11671-016-1333-9("유(Yu)의 논문")에서 발견될 수 있는, 이팅 유(Yiting Yu), 핑 원(Ping Want), 이추안 주(Ychuan Zhu), 진슈아이 디아오(Jinshuai Diao)의 "Broadband Metallic Planar Microlenses in an Array: the Focusing Coupling Effect", Nanoscale Research Letters 2016 11:109 (2016년 2월 27일))에서 마이크로렌즈 어레이를 설명한다. 유의 논문의 마이크로렌즈 어레이는, 두께 t1의 제1 금(gold) 층과 두께 t2의 제2 금 층 사이에 형성되는 주기성 P를 갖는 나노홀들의 대규모 어레이를 포함한다. 제2 금 층은 직경 d의 렌즈 애퍼쳐를 정의한다. 마이크로렌즈 어레이는 유리 기판 상에 형성된다. 이 논문은, d = 4 ㎛이고 주기성 P가 400 nm 내지 600 nm의 범위인 투과 함수를 설명한다. 유의 논문에서 설명된 바와 같이, 초점은 입사 광의 주기성 P 및 파장 λ 둘 모두에 의존한다. 문헌(https://www.nature.com/articles/srep05586("삭세나(Saxena)의 논문")에서 발견될 수 있는, 서밋 삭세나(Sumit Saxena), 라그벤드라 프라탑 차드하리(Raghvendra Pratap Chaudhary), 압하이 싱(Abhay Singh), 사우라브 아와스티(Saurabh Awasthi), 및 쇼바 슈클라(Shobha Shukla)의 "Plasmonic Micro Lens for Extraordinary Transmission of Broadband Light", 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 4, 문서 번호: 5586 (2014))이 또한 초점 렌즈들이 입사 광의 파장에 따라 변화되는 마이크로렌즈 어레이를 설명한다.

예시적인 플라즈모닉 필터 어레이는, 문헌(https://www.nature.com/articles/srep34876("장(jang)의 논문")에서 제공되는, 장우용(Woo-Yong Jang), 구지현(Zhyun Ku), 전지연(Jiyeon Jeon), 김준오(Jun Oh Kim), 이상준(Sang Jun Lee), 제임스 박(James Park), 마이클 J. 노욜라(Michael J. Noyola), 및 어거스틴 우르바스(Augustine Urbas)의 "Experimental Demonstration of Adaptive Infrared Multispectral Imaging Using Plasmonic Filter Array", 사이언티픽 리포츠 6, 문서 번호: 34876 (2016))에서 설명된다. 장의 논문은, GaAs 층 상에 형성되는 홀들의 어레이를 갖는 금 층을 설명한다. 홀들은 X 및 Y 방향들 둘 모두에서 균일한 피치 p를 가지며, 장의 논문에서 설명되는 바와 같이, 2.0 내지 3.2 ㎛로 다양하다. d/p(홀들(506)의 직경 d 대 피치 p)의 비는 0.5로 고정되었으며, 금 층의 두께는 100 nm로 고정되었다.

다른 마이크로렌즈 구조는, 문헌(https://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/40334.pdf("푸(Fu)의 챕터")에서 발견될 수 있는 용치 푸(Yongqi Fu), 준 왕(Jun Wang), 및 다오후아 장(Daohua Zhang)의 "Plasmonic Lenses", 플라즈모닉스-원리들 및 응용들, 챕터 8, 인텍(Intech) (2012), 및 용치 푸, 시우리 저우(Xiuli Zhou), 유 리우(Yu Liu)의 "Ultra-Enhanced Lasing Effect of Plasmonic Lens Structured With Elliptical Nanopinholes Distributed in Variant Periods", 플라즈모닉스 5(2), 111-116 (2010), 및 젠쿠이 시(Zhenkui Shi), 용치 푸, 시우리 저우, 샤올리 주(Shaoli Zhu)의 "Polarization Effect on Focusing of a Plasmonic Lens Structured With Radialized and Chirped Elliptical Nanopinholes", 플라즈모닉스 5(2), 175-182 (2010))에서 논의된다. 상이한 주기들로 상이한 링들에 분포되는 상이한 크기들을 갖는 타원형 핀홀들이 있는 금 막에 의해 초점 길이(f)를 갖는 집속 구조가 형성된다. 초점은 핀홀들의 크기 및 분포에 의해 제어될 수 있다. 다중 집속 메타렌즈(700)가 문헌(https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-23-23-29855("왕(Wang)의 논문")에서 발견될 수 있는 웨이 왕(Wei Wang), 종이 구오(Zhongyi Guo), 케야 저우(Keya Zhou), 용수안 선(Yongxuan Sun), 페이 쉔(Fei shen), 얀 리(Yan Li), 스량 쿠(Shiliang Qu), 및 슈티안 리우(Shutian Liu)의 "Polarization-Independent Longiduinal Multi-Focusing Metalens", 옵틱스 익스프레스(Optics Express), vol. 23, No. 23 (2015))에서 설명된다. 왕의 논문은, 파티셔닝된 시퀀스로 배열되는 L-형상 나노홀들을 포함하는 메타렌즈를 설명한다. 결과적으로, 상이한 초점들은 상이한 파티션들로 배열되는 나노홀들로부터 비롯된다. 상이한 핀홀 영역들로부터의 초점들이 초래된다. 또한, 상이한 초점 길이들에 대한 반경들의 함수로서의 위상 편이가 설명된다.

위에 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 광을 집속시킬 뿐만 아니라 다양한 방식으로 광을 스펙트럼적으로 필터링하는 필터 어레이를 포함한다. 이러한 시스템들에서의 각각의 마이크로렌즈 및 필터는, 도 2d에 예시된 바와 같이, 개방 애퍼쳐 위에 중심이 놓이는 정의된 입력 애퍼쳐를 갖는다. 본 발명의 실시예들은, 광을 많은 스펙트럼 기반 함수들로 분해하며, 광을 단순히 몇몇 색들로 분해하지는 않는다(아래에 추가로 논의되는 도 8a 및 도 8b 참조). 따라서, 본 발명의 실시예들에서 사용되는 필터 및 렌즈 조합은, 회절 광학 요소(DOE), 예컨대 프레넬 존 플레이트 또는 렌즈 설계에 고유한 색 분산 계수를 초과하는 색 분산 계수로 광을 변조한다. 또한, 초점에서 다양한 스펙트럼 형상들을 획득하기 위해, 센서 어레이(204)의 픽셀들(230)에 걸쳐 변조가 변화된다.

도 2a, 도 2b, 도 2c, 및 도 2d와 관련하여 위에 논의된 바와 같이, 본 발명에 따른 분광계(200)는, 광원(202), 센서 어레이(204), 및 처리 회로(206)를 포함한다. 센서 어레이(204)는, 도 2c에 도시된 바와 같이, 픽셀들(230)을 포함한다. 센서 어레이(204)는 층(226)에 의해 덮이며, 층(226)은, 위에 논의된 바와 같이, 애퍼쳐 층(232), 스페이서 층(234), 마이크로렌즈 층(236), 및 필터 층(244)을 포함한다.

어떤 의미에서는, 마이크로렌즈(242) 아래의 픽셀(230)은 그 자체로 공간적 필터인데, 그 이유는, 픽셀(230)의 입력 애퍼쳐가 광을 수신하는 구역을 정의하기 때문이다. 그러나, 본 발명의 실시예들은, 센서 어레이(204)가 전형적으로 제공했을 시야보다 더 작은 시야들로 광학적으로 수행되는 필터들을 사용할 수 있다. 분광계(200)의 시야는 도 13과 관련하여 아래에서 추가로 논의된다. 본 발명의 실시예들에서, 픽셀(230)의 애퍼쳐의 감소가 영향을 받을 수 있다. 그러나, 픽셀(230)의 크기 대 애퍼쳐(240)의 크기의 비는 칩 상의 분광계의 기능에 있어서는 다소 중요치 않다. 그러나, 마이크로렌즈(242) 및 필터(246) 입력 애퍼쳐 대 애퍼쳐(240)의 크기의 비는 관련될 수 있다. 일 예에서, 마이크로렌즈(242) 및 필터(246) 애퍼쳐는, 마이크로렌즈(242)의 측방향 규모(lateral extent)가 약 12 ㎛ 직경일 수 있고 애퍼쳐(240)가 약 3 ㎛ 직경의 측방향 규모를 가질 수 있는 것으로 특성화될 수 있다. 스페이서 층(234)은 12 ㎛ 두께의 중합체, 이를테면, 폴리이미드, 폴리 메틸메타크릴레이트(PMMA), 또는 벤조시클로부텐(BCB)일 수 있다. 픽셀(230) 그 자체는 단지 애퍼쳐들(240)의 크기보다 수 미크론 더 클 수 있는데, 이는, 이를테면, 허용된 범위의 각도들로 애퍼쳐에 들어오는 광을 수집하는 데 필요한 것이다. 그러나, 유용한 픽셀(230) 피치는, 이러한 예에서는 12 ㎛인 마이크로렌즈(242)의 측방향 크기에 의해 좌우될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로렌즈(242)는 직경이 5 - 50 ㎛일 수 있고, 애퍼쳐(240)는 직경이 0.5 내지 5 ㎛일 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 높은 충전율이 요구되는 전형적인 이미지 센서들과는 명확히 다르다. 즉, 전형적인 이미지 센서들에서, 픽셀들의 활성 구역은, 픽셀의 크기와 픽셀 피치가 필적하도록 가능한 한 많은 픽셀 영역을 채워야 한다. 본 발명에 따른 일부 실시예들에서, 20 - 90 %의 픽셀 충전율이 전형적인데, 이는, 애퍼쳐(240)의 측방향 크기를 픽셀들(230)의 측방향 크기와 비교함으로써 결정된다. 10 % 미만의 픽셀 충전율들은 전형적이지 않지만, 설명된 웨이퍼 수준 광학 제어를 이용하는 칩 상의 분광계에 대해 유용할 수 있다.

마이크로렌즈 어레이(236)와 플라즈모닉 필터 어레이(238)를 결합시키는 것은 전형적인 시스템들에 비해 큰 개선을 제공할 수 있다. 그러한 해결책을 컨슈머 피직스 및 나노람다와 같은 공급업체들이 용이하게 떠올렸다면, 그들의 디바이스들을 동작시키기 위해 굳이 고가의 외부 광학기기를 부가하지는 않았을 것이다. 집속을 달성하기 위한 많은 방식들이 존재하지만, 이러한 이전의 이질적 기능들을 결합시키는 것은 나노플라즈모닉 설계에 대한 전문지식을 요구한다. 일반적으로, 양의 초점 길이 회절 광학 요소에서 그러하듯이, 중심으로부터 멀어질수록 주파수에서 공간적 변조가 증가하는(피치가 더 작아짐) 반경 방향으로의 굴절률 변조가 존재해야 한다.

그러나, 비-반경방향 방식으로의 서브파장 변조가 또한 존재해야 하며, 이는, 스펙트럼 전달 함수 상에 더 높은 차수의 변조들을 부여한다. 그 예는 나노홀들의 동심 링들을 갖는 구조에서 발견된다. 다른 예는, 서브파장 코그 피쳐들을 갖는 동심 기어 형상들을 나타내는 구조이다. 다른 예는, 반경방향으로 변화되는 피치 및 홀 형상들을 갖는 금속에서의 플라즈모닉 필터 나노홀 어레이이다.

다른 예는 다중 층 구조이며, 여기서, 하나의 층은 더 많은 스펙트럼 필터링을 제공하도록 최적화되고, 제2 층은 더 많은 집속을 제공한다. 이러한 설계는, 단일 층에서 필터링 및 집속 둘 모두를 행하려 시도하는 것과 연관된 공학기술적 제약들을 깨는 데 있어 이점들을 갖는다. 그러한 경우에서, 도 2d에 예시된 바와 같이, 집속 요소는 필터 아래에 있어야 한다는 것이 유의되어야 한다. 그렇지 않으면, 마이크로렌즈 층은 평면파 여기에 더 적합한 더 균일한 어레이로 수렴 빔을 전송할 것이다.

도 2d에 예시된 바와 같이, 예컨대, 일부 실시예들에 따른 분광계(200)는 픽셀들(230)의 어레이에 기반한다. 픽셀들(230)의 어레이의 각각의 픽셀은 고유 투과 함수를 수신할 수 있다. 투과 함수들은, 파장의 함수로서 분광계(200)의 웨이퍼를 테스팅하는 데 사용되는 자동 테스팅 장비(ATE)에서의 테스팅 동안 웨이퍼 수준에서 기록될 수 있다. 투과 함수들에 따른 변환은 역행렬로서 계산되어 픽셀 값들을 스펙트럼 값들로 변환한다. 이러한 변환은, 제어기(256)의 메모리(260)에 저장되거나 클라우드에 저장되어 메모리(260)의 비-휘발성 메모리에 저장된 고유 디바이스 ID에 의해 제어기(256)와 연계될 수 있거나, 또는 제어기(256)에 결합된 MCU 또는 AP에 포함될 수 있다. 그 때, 제어기(256), 또는 제어기(256)에 결합된 다른 처리 디바이스는, 사용되는 모바일 디바이스를 통해 변환을 검색할 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는, 핀홀을 통한 광 투과의 회절 성분을 예시한다. 도 3a 및 도 3b는, 조리개 값(focal number) F/# = 1인 핀홀을 통한, 각각 390 nm 및 1050 nm의 입사 광에 대한 회절을 예시한다. 도 3c 및 도 3d는, 조리개 값 F/# = 0.2인 핀홀을 통한, 각각 390 nm 및 1050 nm 파장의 입사 광에 대한 회절 패턴을 예시한다. 조리개 값은 핀홀 직경과 초점 길이 사이의 비율을 표시한다.

고속 푸리에 변환 기반 회절 적분(FFT-DI) 방법이 사용되어 회절 적분을 계산할 수 있다. 문헌(파빈 쉔(Fabin Shen) 및 안보 왕(Anbo Wang)의 "Fast-Fourier-Transform Based Numerical Integration Method for the Rayleigh-Sommerfeld Diffraction Formula" 어플라이드 옵틱스(Appl. Opt.) 45 1102-1110 (2006))을 참조한다. 도 4a 내지 도 4h는, 10 ㎛ 직경 및 조리개 값 F/1로 2049 x 2049의 샘플들을 갖는 핀홀 어레이를 통한 광 투과의 강도 단면을 예시한다. 도 4a 및 도 4b는 390 nm 초점 길이로 390 nm의 파장에 대한 투과 및 단면을 예시한다. 도 4c 및 도 4d는 390 nm 초점 길이로 1050 nm의 파장에 대한 투과 및 단면을 예시한다. 도 4c 및 도 4d는 1050 nm 초점 길이로 390 nm의 파장에 대한 투과 및 단면을 예시한다. 도 4e 및 도 4f는 1050 nm 초점 길이로 1050 nm의 파장에 대한 투과 및 단면을 예시한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 필터들 및 마이크로렌즈들은 나노-핀홀들의 어레이들로 형성될 수 있으며, 이들 각각은 파장의 절반 미만인 직경들(d)을 갖는다(d < λ/2). 격자 유형 구조들은 방사선이 표면 플라즈몬들과 결합될 수 있게 한다. 결합은, 표면 플라즈몬 파수 벡터(wavevector)가 2π/a₀과 동일할 때 발생하며, 여기서, a₀은 격자 주기이다. 게다가, 작은 직경은 차단 주파수를 설정한다. 1.25의 (구역 당) 최적 홀 간격(L/d)이 차단을 최소화한다는 것이 밝혀졌다. 문헌(Y.푸, C. 두, W. 저우, L. 림의 "Nanopinholes-Based Optical Superlens", Research Letters in Physics 2008, 148505 (2008))을 참조한다. 주기성이 작을수록 큰 투과를 산출하는 것으로 보인다.

도 5a는, 핀홀(302)이 d의 직경을 갖는 두께 t의 기판에 형성되는 핀홀 구조(300)를 예시한다. 도 5b는 투과 곡선 대 파장을 예시하며, 여기서, 나노-핀홀(302)은 633 nm 파장 주위에 설계된다. 직경(d)은 약 0.4 nm일 수 있다. 도 5b는, 두께(t)가 50 nm인 예에 대한 투과 크기 대 파장을 예시한다. 예시된 바와 같이, 피크 투과는 약 623 nm에 있다. 도 5c는, 두께(t)가 100 nm까지 증가되는 예를 예시한다. 도 5c에 예시된 바와 같이, 피크 투과는 약 613 nm로 편이된다. 도 5d는, 두께가 100 nm이고 직경(d)이 약 5 nm만큼 증가한 예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 피크는 도 5c에 예시된 623 nm로부터 약 615 nm로 편이되었다. 도 5e는 두께가 50 nm이고 직경이 도 5b에 예시된 것으로부터 약 35 nm만큼 증가된 경우를 예시한다. 도 5e에 예시된 바와 같이, 피크는 약 623 nm로부터 약 633 nm로 편이되었다.

도 6a 및 도 6b는, 본 발명에 따른 필터들 및/또는 렌즈들로서 동작할 수 있는 플라즈모닉 위상판들을 형성하는 나노-핀홀들(402)의 패턴들을 예시한다. 도 6a 및 도 6b에 예시된 바와 같이, 플라즈모닉 구조들(400 및 410)은 각각 나노-핀홀들(402 및 412)의 원형 배열들을 포함한다. 도 6a 및 도 6b에 예시된 바와 같이, 이러한 패턴들 각각은 약 20 ㎛의 규모를 갖는다.

도 6a 및 도 6b에 예시된 바와 같이, 나노-핀홀들(402 및 412)의 직경들은, 특정 광 파장이 집속되게 배열하기 위해 각각의 원형 패턴으로 배열된다. 핀홀들(402 및 412)의 직경들은 반경방향으로 변화되고 중심 주위에 원들로 배열된다. 직경들 및 원형 반경들은 특정 플라즈모닉 구조에 대한 투과 함수들을 결정한다. 도 6a는 더 작은 핀홀 크기들의 더 많은 반경방향 배열들을 갖는 400 nm 방사선에 대한 배열을 예시하는 한편, 도 6b는 더 큰 핀홀 직경들을 가진 더 적은 반경방향 배열들을 갖는 1000 nm 광에 적절한 배열을 예시한다. 구조들(400 및 410)에 예시된 바와 같은 그러한 배열은 광을 필터링하고 센서 어레이의 하부 픽셀 상으로 집속시킨다.

도 7a 및 7b는, 도 6b에 예시된 구조(410)와 같은 플라즈모닉 구조의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지들을 예시한다. 도 7a는, 나노-핀홀들(412)의 배열을 예시하고 20 ㎛ 규모의 구조(410)를 도시한다. 도 7b는 개별 핀홀들(412)을 예시하며, 이는, 표시된 바와 같이, 원들의 반경방향 규모에 따라 변화되는 직경을 가질 수 있다. 직경들은 대략 0.2 ㎛이다.

도 8은 일부 실시예들에 따른 분광계(200)에 대한 투과 함수로부터 파장 기반 데이터로의 변환을 예시한다. 도 8은, 센서 어레이(204)의 각각의 개별 픽셀(230)에 대해 투과 구조를 제공하도록 배열되는, 각각이 도 6a, 도 6b, 도 7a, 및 도 7b에 예시된 것과 같은 구조를 갖는 센서 어레이(204)의 픽셀들(230)의 어레이에 대한 투과 특성들을 예시한다. 예컨대, 위에 논의된 바와 같이, 센서 어레이(204)의 약 100 - 1000개의 픽셀(230)의 어레이가 존재할 수 있다. 또한, 픽셀들의 어레이의 픽셀들(230) 각각에 대한 다수의 파장 채널들이 존재할 수 있다. 결과적으로, 스펙트럼 변환 행렬이 형성될 수 있는데, 그 때, 스펙트럼 변환 함수들을 갖는 M x N 행렬이 사용되어, 수신된 데이터를 협대역 스펙트럼으로 변환하기 위한 파장 기반 데이터가 제공될 수 있다. 많은 수의 채널들 및 고해상도의 픽셀들은 수신된 데이터의 협대역 스펙트럼을 초래할 수 있다. P1 및 P2의 2개의 픽셀들에 대한 개별 변환 함수들이 도 8에서 구체적으로 지적된다. 그러나, 픽셀들 각각에 대한 변환 함수들은, 분광계(200)의 동작을 위한 스펙트럼 변환 행렬을 형성하도록 결정될 수 있다.

도 8과 관련하여 위에 논의된 스펙트럼 전달 함수들은, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플라즈모닉 필터들/마이크로렌즈들에 의해 생성될 수 있다. 도 6a, 도 6b, 도 7a, 및 도 7b에서 위에 논의된 바와 같이, 이러한 플라즈모닉 필터들/마이크로렌즈들은 형성된 직사각형들 및 홀들의 어레이들에 의해 형성된다. 이러한 홀들은 얇은 금속 층에 형성될 수 있다. 위에 논의된 바와 같이, 플라즈모닉 필터들은, 마이크로파 도메인에 친숙하고 지금은 광학 스펙트럼에 적용되는 일종의 주파수 선택적 표면이다.

도 9a 및 도 9b는 주파수 선택적 플라즈모닉 필터들의 일부 예들을 예시한다. 도 9a는 고역-통과 필터(902)를 예시하는 한편, 도 9b는 저역-통과 필터(914)를 예시한다. 도 9a에 도시된 바와 같은 고역-통과 필터(902)는, 교차된 수평 와이어들(906)과 수직 와이어들(904)의 어레이에 의해 형성된다. 와이어들(906 및 904)은 전도성 와이어들이고 DC 전류들을 단락시키도록 동작하며, 이는, 낮은 주파수들의 반사를 유발한다. 도 9b에 예시된 바와 같은 저역-통과 필터(914)는, 수평 공간들(910) 및 수직 공간들(912)에 의해 분리되는 전도성 패치들(908)의 어레이에 의해 형성된다. 저역-통과 필터(914)는, 패치들(908)의 측방향 규모보다 더 긴 파장들을 갖는 주파수들만을 허용한다. 패치들(908) 또는 와이어들(904 및 906)의 두께는 입사 광의 파장보다 훨씬 더 얇을 수 있는데, 그 이유는, 금속 전도성이, 특히 패치들(908) 및 와이어들(904 및 906)이 금과 같은 높은 전도성 금속으로 형성된 경우에는 너무 높아서 침투 깊이가 작기 때문이다.

결과적으로, 패치들(908) 및 와이어들(904 및 906) 상의 광의 입사는 전도성 표면 모드를 생성하며, 이는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)으로 지칭된다. SPP들은, 금속-유전체 또는 금속-에어 계면을 따라 이동하는 적외선 또는 가시 전자기파들이다. 생물학에서, 예컨대, 이러한 SPP 표면 모드는, SPP 공진 색에서의 변화를 관측함으로써 기능화된 금 표면에 대한 단백질들의 결합을 검출하는 데 사용된다. 추가로, 금에 그의 황색을 제공하는 것이 이러한 SPP이다.

도 9a 및 도 9b에 예시된 것들과 같은 주기적 구조들을 도입함으로써, 광이 회절되어 표면 플라즈몬 모드들로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 매우 작은 홀들의 어레이들이 구성될 수 있으며, 이를 통해, 특정 주파수의 광이 홀들 내로 그리고 구조의 다른 측 밖으로 공진되어 결합된다. 이러한 투과 현상은 이상 광학 투과(AOT; anomalous optical transmission)로 지칭된다. 광 중 일부는 SPP들에 의해 표면 바로 근처로 압축되고, 다른 측을 통과하여 도달한 다음, 다른 홀들에 도달하여 그와 상호작용하고, 자유 공간 내로 회절된다. 그러한 광 모드는 금속이 존재하지 않는 것처럼 금속을 통과한다. 이는 특정 주파수 범위에 대해서만 가능하며, 그 범위는 일반적으로 좁은 주파수 범위라는 것을 유의한다. 또한, 광 중 일부는 더 높은 차수들로 회절되거나 반사된다. 그러나, 50 % 미만의 영역이 홀들인 표면을 통해 50 % 초과의 광을 획득하는 것이 가능하다(이런 이유로, 용어가 "이상" 투과임).

도 6a, 도 6b, 도 7a, 및 도 7b에 예시된 것들과 같은 다양한 주기적 구조들이 형성될 수 있다. 일부 구조들에서, 유리 기판 상에 제공되는 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 금속 층 상에 홀 어레이들이 형성될 수 있다. 다양한 직경들의 홀들의 어레이들이 형성될 수 있다. 예컨대, 200 nm 정도로 작은 직경들을 갖는 홀들이 형성될 수 있다.

그러한 구조들의 제조는, 심자외선(deep UV) 리소그래피, 전자 빔(e-빔) 리소그래피, 또는 집속 이온 빔(FIB) 밀링에 의해 달성될 수 있다. 부가적으로, e-빔 또는 FIB로 생성된 마스터들은, 나노임프린트 리소그래피(NIL)로 또한 알려져 있는 간단한 나노임프린트 스탬핑 기법들을 사용하여 복제될 수 있다. 나노임프린트 리소그래피는, 직경이 50 nm 정도로 작은 직경들을 갖는 홀들의 어레이들을 가진 구조들을 용이하게 만들 수 있다. 그러나, 레지스트레이션은, 접촉 정렬에 의해, 예컨대 웨이퍼에 걸쳐 약 +/- 3 ㎛로 제한될 수 있다. 결과적으로, NIL은, 고해상도가 필요하지만 신중한 정렬이 필요하지는 않은 경우에 유용하며, 맞춤형 광학 필터들에 적절하다. e-빔 기법들은 매우 느리며, 전체 웨이퍼에 대한 마스터에 대한 결과적인 비용이 사소하지 않다. 결과적으로, NIL은, 홀로그램, 회절 격자들, 빔 성형기들(십자형(cross-hair)들), 레이저 라인 생성기들 및 확산기들과 같은 회절 광학 요소들의 대량 제조에 사용될 수 있으며, 심지어 롤-투-롤 프로세스들에서 사용될 수 있다. 특정 제조자들, 예컨대 EVG는, 규모적 이유들로 인해 리소그래피가 문제가 되고 스텝퍼 또는 스캐너 기반 방법들이 사용되는 경우에 피쳐들이 레티클들을 가로질러야 하는 Gen 2 디스플레이 패널들(2 미터)과 같은 대면적들에 대해 NIL을 사용한다.

구조들에서의 홀들은 임의의 형상으로 형성될 수 있다. 원들, 홀들, 직사각형들, 막대형들, V자형들, C-형상들, 또는 다른 형상들이, 표면 상의 각각의 위치에서의 위상을 맞춤조정하는 데 사용될 수 있는 위상 제어 요소들에 대한 기초를 형성한다. 마이크로파 설계자들은, 유사한 위상 제어 요소들을 제공하기 위해 스터브들 및 송신 라인들을 사용한다. 나노플라즈모닉 및 나노광학(nanoptical) 구조들은 단순히 광에 대한 정적 위상 어레이 안테나들로 고려될 수 있다. 그들은, 구조를 통해 광이 전파함에 따라 광의 위상들을 변경하거나 모드들을 결합함으로써 무엇이 달성될 수 있든 간에, 광을 필터링하고, 광을 구부리고, 광을 집속시키고, 편광을 회전시킬 수 있다.

위에 논의된 위상 요소들 대부분은 편광 의존적이다. 본 발명의 대부분의 실시예들에서, 비-위상-의존적 요소들(예컨대, 정사각형들 및 원들)이 사용될 수 있으며, 따라서, 결과적인 분광계는 편광자들을 포함할 필요가 없다. 그러한 구조들 상에 형성되는 요소들의 스펙트럼 특성들이 프로세스 제어들 밖에 있는 정확한 치수들에 고도로 민감하기 때문에, 각각의 디바이스는 분광학적으로 특성화된다. 이러한 특성화는, 웨이퍼 수준에서 또는 조립된 분광계들의 패널들 상에서 이루어져 처리량을 최대화하고 테스트 시간을 최소화할 수 있다. 예컨대, 램프 및 단색광기(monochromator)와 같은 조정가능한 파장 광원을 사용하여 한 번에 30개의 센서를 통해 좁은 범위의 파장들을 스캐닝한다.

일부 실시예들에서, 센서 어레이(204)에 포함되는 1024개의 픽셀(230)이 존재한다. 픽셀들(230) 중 일부는 변환에서 사용되지 않을 것인데, 그 이유는, 홀들이 과소식각 또는 과식각되었기 때문이다. 그러나, 피치 및 홀 크기 변동들은, 각각의 디바이스가 프로세스 제어들 내에서의 노출 및 식각의 임의의 조합에 대해 충분한 수의 유용한 홀 크기들을 갖기에 충분하다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 하나의 픽셀(230)의 구조를 추가로 예시한다. 도 10a에 예시된 바와 같이, 병합된 필터-렌즈(1002)는 활성 픽셀 요소(230) 위의 애퍼쳐(240) 위에 위치된다. 도 10b는 병합된 필터-렌즈 요소(1002)의 평면도를 예시한다. 일부 실시예들에서, 필터-렌즈(1002)는, 입사 광을 필터링하고 픽셀(230) 상으로 집속시키는 플라즈모닉 핀홀 어레이이다. 그러나, 필터-렌즈(1002)는, 복수의 필터-렌즈 요소들로 형성될 수 있다. 도 10b에 예시된 바와 같이, 필터-렌즈 요소(1002)는 복수의 개별 플라즈모닉 필터-렌즈 요소들(1004)로 형성될 수 있으며, 이들 각각은 입사 방사선을 픽셀(230)의 활성 영역 상으로 집속시키고 필터링한다. 이러한 실시예들에서, 필터-렌즈(1004) 각각은 동일한 플라즈모닉 필터 구조들일 수 있다.

필터 함수들이 가능한 한 예리하게 되는 것이 더 바람직하며, 이는 더 양의 그리고 대각인 행렬로 이어지며, 이는, 잡음으로 인한 픽셀 값들에서의 작은 변동들에 대해 더 안정적이다. 플라즈모닉 필터들의 투과 스펙트럼은 매우 예리한 각도 함수들이다. 도 11은, 300 nm 주기, 250 nm 두께, 및 250 nm 직경의 Al 나노홀 어레이의 샘플에 대한 투과 대 파장 곡선들에서의 엄밀한 결합파 분석(RCWA) 모의실험된 각도 의존성을 예시한다. 모든 투과된 정도(order)들이 포함된다. 축 외 조명은, S 및 P(TE 및 TM) 편광된 파들에 대한 유전 상수의 차이를 검사하며, 이런 이유로, 공진의 분할이 관측된다. 평균 투과는 스펙트럼 대비를 감소시켰다. 실제로, 평균은 0 도 투과가 피크를 갖는 곳에서 잠시 내려간다. 가중 평균은, 입체각이 축 외로 증가하는 것으로 인한 더 많은 축 외 광뿐만 아니라, 방출기, 표적, 및 수신기 투사 영역으로 인한 근접 감지에 대한 cos⁶ 계수, 및 표적의 평면성으로 인한 각도에 따른 거리 증가를 포함한다.

입사 광선 각도들은 관심 스펙트럼 피쳐들을 흐리게 하는 것을 피하기 위해 제한된다. 광 스펙트럼들의 뚜렷한 스펙트럼 피쳐들 및 높은 수준의 직교성은 잡음에 강건한 스펙트럼 변환을 허용한다. 그러나, 대비가 낮고 변동이 느린 스펙트럼 피쳐들은 (더 많은 감산 및 소거로 인해) 변환에서 사실상 잡음을 증폭한다.

LED 광선 각도 분포는 약 1 mm의 패키지 높이에 대해 약 +/- 30 도로 제한될 수 있다. 더 큰 조립체들은 LED들의 더 양호한 집속을 허용한다. 좁은 LED 광선 각도 분포는 더 밝은 조명을 제공하지만, 더 작은 거리 범위에 걸쳐 LED 및 센서 시야들이 중첩되는 위치가 발생하며, 이는, 소비자 애플리케이션들에서 용인되지 않을 수 있다. 결과적으로, 넓은 LED 분포는 사용 경우의 요건일 뿐만 아니라 물리적 광학기기 관점에서 피하기 어려운 어떤 것이다. LED 각도 분포는 LED 크기와 직접 관련된다는 것을 유의한다. 또한, 더 짧은 파장 방출기가 더 긴 파장 방출기 위에 단일체로 성장되는 다중 접합 LED는 넓은 파장 분포를 획득하는 더 밀집된 방법을 허용한다는 것을 유의한다.

도 12는, 표적 물질(1302)과 관련하여 본 발명의 일부 실시예들에 따른 분광계(200)를 예시한다. 도 12에 예시된 바와 같이, 분광계(200)는, LED(1204) 및 LED(1206)의 2개의 LED를 갖는 광원(202)을 포함한다. 일반적으로, 광원(202)에는 임의의 수의 LED가 존재할 수 있다. 도 12에 추가로 예시된 바와 같이, LED(1204)는 시야(FOV)(1208)를 갖고, LED(1206)는 FOV(1210)를 갖는다. LED들(1204 및 1206)에 관하여, FOV는, LED로부터 비롯되어 표적 물질(1202)을 조명하는 광의 원뿔을 지칭한다.

센서 어레이(204)는 또한 FOV(1212)를 가지며, 이는, 조사 원뿔(1214)로 표시된 바와 같은 표적(1202)의 전체 조사 범위보다 훨씬 더 작다. 도 12에 예시된 바와 같이, 센서 어레이(204)의 FOV(1212)는, 조명된 것보다 훨씬 더 작은 구역을 센서 어레이(204)가 감지한다는 것을 표시한다. 센서 어레이(204)의 더 작은 FOV는 샘플 구역의 스펙트럼 변동을 제한하고, 관심 스펙트럼 피쳐들의 축 외 흐려짐을 제한한다.

도 13은, 도 6a, 도 6b, 도 7a, 및 도 7b에 예시된 것과 같은 플라즈모닉 구조의 FOV 특성들을 예시한다. 도 8에 예시된 바와 같은 양호한 투과 함수들을 제공하는 것 외에도, 도 13에 예시된 각 FOV 특성들이 유리하다. 예시된 바와 같이, <7.5, <12.5, <17.5, <22.5, <27.5, 및 <32.5 도의 FOV들에 대한 개별 곡선들이 도 7a에 예시된 구조를 사용하여 제공된다. 예시된 바와 같이, 투과 스펙트럼은 잘 조절된 방식으로 FOV의 함수로서 파장에서 청색 편이된다. 도 13에 예시된 예는, 파장에서 1 도 당 약 1 nm의 편이를 예시한다. 이는, 도 10에 예시된 것과 같은 구조들과 관련하여 위의 도 11에 예시된 것보다 훨씬 더 양호한 응답이다.

경쟁사 디바이스들에서, 이미지 센서의 FOV는 외부 광학기기로 제어된다. 이는, 모바일 애플리케이션들에 대해 바람직하지 않은 복잡하고 부피가 큰 설계를 유발한다. 하나의 해결책은 샘플 상에 마이크로렌즈들을 놓고 수신된 광을 애퍼쳐를 통해 집속시키는 것으로 보일 것이지만, 이는 또한, 소비자 제품에 대한 바람직한 구조가 아니다.

도 10에 예시된 디바이스들은 파장의 함수로서 광을 집속시키지만, 필터로서는 적절히 동작하지 못한다. 통합된 색 필터들을 갖는 일부 종래의 카메라들에서, 마이크로렌즈들은 색 필터들의 최상부 위에 조립되었다. 이는, 매립된 마이크로렌즈를 상상하는 것과 상당히 상이하다. 굴절 마이크로렌즈들은 굴절률 대비에 의해 작동하므로, 위에 놓이는 필터의 증착을 위해 평탄화 층과 유사할 가능성이 있는 지수의 유전체에 굴절 마이크로렌즈들을 매립하는 것은 굴절 마이크로렌즈들의 초점력(focal power)을 엄청나게 감소시킨다.

도 14a 및 도 14b는, 그리 잘 기능하지는 않는 지수-기반 마이크로렌즈들을 갖는 종래의 센서 시스템들의 2개의 예의 구성을 예시한다. 도 14a는 센서 시스템(1402)을 예시하고, 도 14b는 센서 시스템(1404)을 예시하며, 각각은 이미지 센서(1416)를 갖고, 이미지 센서(1416) 위에 애퍼쳐 층(1414)이 형성된다. 유전체 층(1412)이 애퍼쳐 층(1412) 및 이미지 센서(1416)를 덮는다. 스페이서 층(1410)이 유전체 층(1412) 위에 형성된다. 플라즈모닉 필터(1408)가 스페이서 층(1410) 위에 형성된다. 센서 시스템(1402)에서, 표준 이미지 센서 색 필터 마이크로렌즈(1406)가 플라즈모닉 필터(1408) 위에 증착된다. 센서 시스템(1404)에서, 필터(1406)는 스페이서(1410)에 매립된다.

결과적으로, 예시적인 시스템(1402)에서, 표준 이미지 센서 색 필터 마이크로렌즈(1406)는 플라즈모닉 필터(1408) 위에 증착된다. 그 때, 렌즈(1406)는, 렌즈(1406)의 시야를 제한하는 애퍼쳐 어레이(1414)의 핀홀을 통해 광을 집속시킨다. 그러나, 시스템(1402)은 입사각을 확대시키며, 이는, 그러한 시스템들의 원래의 문제를 재현한다. 또한, 센서 시스템(1402)은 캡슐화제와 함께 포팅(pot)될 수 없거나, 시스템(1402)은 도 14b에 예시된 시스템(1404)과 동일한 문제를 겪는다. 굴절 마이크로렌즈(1406)가 플라즈모닉 필터(1408) 아래에 배치되는 시스템(1404)에서, 모든 것은 기본적으로 동일한 굴절률을 갖고, 렌즈(1406)는 사실상 스페이서(1410) 내로 보이지 않게 된다. 이전 시스템들에서의 기존의 지식은 스펙트럼 필터들 아래에 마이크로렌즈들을 사용하는 것을 막는다. 그러나, 본 발명의 실시예들에서 제공되는 바와 같은 금속 기재의 플라즈모닉 구조들은, 투명한 유전체들에 매립된 때에도 작동한다. 곡률에 의존함이 없이 렌즈들을 만들기 위한 하나의 해결책은 회절 광학 요소 또는 프레넬 존 플레이트이다.

도 15는, 광을 집속시킬 수 있고 그러한 시스템들에서 사용될 수 있는 프레넬 렌즈(1502)를 예시한다. 도 15에 예시된 바와 같이, 렌즈(1502)는, 중앙 개구(1506) 주위에 링형 홈들(1504)을 갖도록 형성된다. 바깥 가장자리에서의 더 밀집된 피칭된 홈들(1502)은 더 많은 회절을 야기하며, 이는, 초점(1508) 상으로 광을 집속시키는 집속 효과를 유발한다. 그러나, 렌즈(1502)는, 각각의 링(1504)에서 요구되는 위상 편이를 획득하기 위해, 적절한 두께의 상이한 지수의 물질들을 요구한다. 결과적으로, 렌즈(1502)는 굴절 렌즈와 동일한 문제를 겪는데, 즉, 물 또는 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), SU8, 또는 벤조시클로부텐(BCB)과 같은 평탄화/캡슐화 층 하에서 보이지 않게 된다. 이러한 회절 효과는, 예컨대, CD들의 표면들 상에서 관측된다.

사용될 해결책에 관계없이, 일부 실시예들에 따른 애퍼쳐 어레이에서의 핀홀들에 대한 마이크로렌즈의 정렬은, 픽셀(230) 및 스페이서(234)에 대한 전체 규모를 설정한다. 본 발명의 실시예들에서, 사용되는 NIL 장비는 3 ㎛ 정확도를 제공할 수 있다. 결과적으로, 렌즈는, 각도 오차를 약 12.5 도로 제한하기 위해 3 ㎛ 핀홀에 대해 약 12 미크론 떨어져 있어야 한다. 이는, 하나의 픽셀이 공칭과 상이한 방향에 대면하는 조향 오차이다. 다행히, NIL 오차들이 웨이퍼에 걸쳐 점진적이므로, 오정렬에서의 국부적 차이들은 작고 무시가능할 수 있다. 일부 실시예들에 따른 각각의 디바이스는, 위에 설명된 바와 같이 그의 특정 오정렬에 따라 교정될 수 있다. 특성화를 위해 스펙트럼 특성화를 행하는 광원은, 애퍼쳐 어레이(232)의 각각의 애퍼쳐(240)를 채울만큼 충분히 넓은 조명 각도 범위를 가져야 한다.

추가로, 도 15에 예시된 바와 같은 프레넬 존 플레이트 렌즈(1502) 대신, 본 발명의 실시예들은 플라즈모닉 회절 렌즈를 사용할 수 있다. 예컨대, 도 16에 예시된 것과 같은 플라즈모닉 멀티-존 플레이트(PMZP)(1602)가 본 발명의 일부 실시예들에서 렌즈로서 사용될 수 있다. 도 16에 예시된 바와 같이, PMZP(1602)는, 기판(1612) 상에 증착된 금 막(1610)에 의해 형성된다. 도 16에 예시된 바와 같이, 링들(1610) 및 중심 부분(1606)이 금 막(1610)에 형성되고, 초점(1608) 상으로의 입사 광의 집속을 허용한다. 도 16은, 전기장이 PZMP(1602) 상에 입사되고 초점(1608) 상에 집속되는 PMZP(1602)의 동작의 기하학적 구조를 예시한다.

결과적으로, 플라즈모닉 필터와 플라즈모닉 멀티-존 플레이트를 복합 필터-마이크로렌즈로서 결합하는 분광계 시스템이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 별개의 플라즈모닉 필터들 및 플라즈모닉 멀티-존 플레이트들이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합된 플라즈모닉 필터와 플라즈모닉 멀티-존 플레이트는 단일 필터/마이크로렌즈 구조로 형성될 수 있다.

도 17a, 도 17b, 및 도 17c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 분광계 시스템(1700)의 상이한 픽셀들을 예시한다. 도 17a, 도 17b, 및 도 17c는, 예컨대, 도 2d에 예시된 개별 픽셀들(230) 주위의 구조를 예시한다. 도 17a는 적색 광을 검출하는 픽셀(1702)을 예시한다. 도 17b는 녹색 광을 검출하는 픽셀(1704)을 예시한다. 도 17c는 청색 광을 검출하는 픽셀(1706)을 예시한다. 도 17a, 도 17b, 및 도 17c에서, 적색 광은 실선으로 도시되고, 녹색 광은 파선-점 패턴을 갖는 선으로 도시되고, 청색 광은 파선으로 도시된다. 센서 어레이는, 다른 스펙트럼 파장들을 검출하는 다른 픽셀들을 포함할 수 있다.

픽셀들(1702, 1704, 및 1706) 각각은 활성 영역(1708)을 갖는다. 도 17a, 도 17b, 및 도 17c에 예시된 바와 같이, 센서 어레이(1708) 상에 형성된 제1 유전체 층(1710)이 포함된다. 센서 어레이(1708)의 활성 영역 위에 홀(1714)을 갖는 애퍼쳐 어레이(1712)가, 제1 유전체 층(1710) 상에 형성된다. 이전에 논의된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 애퍼쳐 어레이(1712)는 센서 어레이(1708) 상에 직접 형성된다. 제2 유전체 어레이(1716)가 애퍼쳐 어레이(1712) 위에 형성된다. 스페이서(1718)가 제2 유전체 층(1716) 위에 형성된다. 픽셀들(1702, 1704, 및 1706) 각각은 또한, 회절 렌즈와 플라즈모닉 필터 사이에 증착된 평탄화 층(1720)을 포함한다.

도 17a는, 스페이서(1718) 상에 형성된 회절 렌즈(1722)를 포함한다. 평탄화 층(1720)이 회절 렌즈(1722) 상에 형성된다. 플라즈모닉 필터(1724)가 평탄화 층(1720) 위에 형성된다. 회절 렌즈(1722)는, 예컨대 도 16에서 논의된 바와 같은 플라즈모닉 회절 렌즈일 수 있고, 스페이서 층(1718)과 평탄화 층(1720) 사이에 매립됨으로써 영향을 받지 않는다. 이어서, 플라즈모닉 필터(1724)가 평탄화 층(1720) 위에 형성된다. 픽셀(1702)에서, 플라즈모닉 필터(1724) 및 회절 렌즈(1722)는, 적색 광이 애퍼쳐 어레이(1712)를 통해 센서 어레이(1708)의 활성 층으로 집속되도록 배열된다.

도 17b에 예시된 바와 같은 픽셀(1704)은 도 17a에 예시된 픽셀(1702)과 유사하다. 차이는, 픽셀(1704)이, 적색 선 대신 녹색 광을 센서 어레이(1708)의 활성 층으로 집속시키는 회절 렌즈(1726) 및 플라즈모닉 필터(1728)를 포함한다는 것이다.

도 17c에 예시된 바와 같은 픽셀(1706)은 픽셀들(1702 및 1704)과 유사하다. 차이는, 픽셀(1706)이, 청색 광을 센서 어레이(1708)의 활성 영역으로 집속시키는 회절 렌즈(1730) 및 플라즈모닉 필터(1732)를 포함한다는 것이다.

회절 렌즈(1722 또는 1726 또는 1730)의 하나의 이점은, 초점 길이가 입사 광의 파장에 선형으로 의존하므로, 각각의 렌즈가, 애퍼쳐 어레이(1702)의 홀을 통해 허용되는 스펙트럼 범위를 추가로 하향 선택(down-select)하도록 최적화될 수 있다는 것이다. 따라서, 애퍼쳐 어레이(1702)는 부가적인 대역통과 필터처럼 기능한다.

도 17a에 예시된 바와 같이, 시스템의 각각의 픽셀은 규모가 약 10 ㎛일 수 있다. 따라서, 그러한 픽셀들의 어레이는, 표적으로부터 수신되는 스펙트럼을 분석하기 위해, 넓은 범위의 스펙트럼 파장들에 걸친 분광 데이터를 제공하도록 배열될 수 있다.

도 17a, 도 17b, 및 도 17c에 예시된 바와 같은 픽셀들에 의해 형성된 픽셀 어레이는, 약 25 ㎛의 유한한 픽셀 피치로 인한 누화 우려들 및 처리 용이성에 의해 제한되는 두꺼운 공간으로 충분히 감소될 수 있는 플라즈모닉 필터들 사이의 결합을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 시스템들은 나노임프린트 처리 단계들로 형성될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 각각의 픽셀에 대한 전기적 결합을 위해서 접합 패드들을 드러내기 위해, 모든 그러한 스페이서 중합체에 걸쳐 건식 식각(예컨대, 이온 빔 식각) 프로세스가 수행된다는 것이 유의되어야 한다.

도 17a, 도 17b, 및 도 17c에 예시된 바와 같이, 플라즈모닉 필터들(1724, 1728, 및 1732)에서의 필터 투과 피크 파장들은 플라즈모닉 마이크로렌즈(1722, 1726, 및 1730)의 설계에 따라 변화된다. 결과적으로, 각각의 픽셀은, 특정 투과 함수로 광을 수신하도록 배열된다.

순차적 플라즈모닉 필터들은 종종, 필터링 및 집속이 단일 요소에서 행해질 수 있도록 결합될 수 있다. 도 18은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀(1800)의 다른 예를 예시한다. 도 18에 예시된 바와 같이, 회절 렌즈와 플라즈모닉 필터가, 스페이서(1720) 상에 형성되는 단일 필터 및 렌즈(1802)로 결합된다.

도 16에 도시된 바와 같은 플라즈모닉 마이크로-존 플레이트 구조는, 강력한 공학처리된 색 분산, 반경방향 회절, 플라즈모닉 공진, 및 플라즈모닉 초발진을 통해서, 필터의 금속 층의 핀홀들을 통해 광을 스펙트럼적으로 필터링하고 집속(공간적으로 필터링)시키는 데 사용될 수 있다.

도 19는, 필터/렌즈(1802)로서 사용될 수 있는 플라즈모닉 마이크로-존 플레이트로서 형성된, 결합된 플라즈모닉 필터 및 회절 렌즈 구조를 예시한다. 도 19에 예시된 바와 같이, 각각의 필터/렌즈(1802)는, 분광계를 형성하는 픽셀 어레이의 각각의 픽셀의 요건들에 따라 입사 광을 필터링할 뿐만 아니라 집속시키기 위해, 다양한 직경의 핀홀들의 동심원들에 의해 형성된다. 그러므로, 착신 광의 스펙트럼 정보는 픽셀들의 어레이에 걸쳐 확산된다. 도 19에 예시된 바와 같이, 필터/렌즈(1802)의 직경은 약 10 ㎛일 수 있다. 일반적으로, 필터/렌즈(1802)는 직경이 5 내지 20 ㎛이거나 그보다 클 수 있다.

위에 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 필터링 및 집속 기능들을 하나의 구조에 통합하는 것에 의존하지 않는다. 일부 실시예들에 따른 분광계들은 별개의 플라즈모닉 필터들 및 플라즈모닉 회절 렌즈들로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분광계들은, 결합된 플라즈모닉 필터/렌즈 구조로 형성될 수 있다.

결과적으로, 일부 실시예들에 따른 분광계는, 픽셀 피치 거리만큼 분리된 광학적으로 활성인 구역들로 형성되는 광 감지 픽셀들의 평면 어레이를 포함할 수 있다. 감광성 구역들 각각은, 검출가능한 파장들의 범위에 민감한 광 감지 표면을 포함한다. 픽셀 어레이 위에 광 투과 애퍼쳐 영역들의 어레이가 형성된다. 픽셀들 위에, 금속 층에 형성된 서브파장 피쳐들에 의해 정의되는 플라즈모닉 필터들의 어레이가 배치된다. 필터들은, 픽셀들에 따라 변화되는 광 투과 스펙트럼에 영향을 미치는 특성 피쳐 치수들을 갖는다. 유전체 스페이서 층이 필터들과 픽셀 애퍼쳐 영역 사이에 형성되고, 회절 또는 플라즈모닉 광 집속 마이크로렌즈들의 어레이가 스페이서 층 상에 형성되며, 이는, 픽셀들 각각 위에 개별 마이크로렌즈들을 형성한다. 개별 마이크로렌즈들은, (필터들에 의해 필터링된 후에) 마이크로렌즈들 상에 입사되는 광이 센서 어레이의 개별 애퍼쳐 영역들 상에 집속되도록 센서 어레이의 개별 애퍼쳐 영역들에 레지스터링된다.

일부 실시예들에서, 마이크로렌즈 어레이 및 필터 어레이는, 단일 복합 필터-마이크로렌즈 어레이로 병합된다. 단일 복합 필터-마이크로렌즈 어레이를 포함하지 않는 실시예들에서, 마이크로렌즈 어레이와 필터 층들 사이의 유전체 층(또는 평탄화 층)은, 필터를 통해 투과되는 광의 검출가능한 파장들보다 두께가 더 클 수 있다.

일반적으로, 분광계(200)의 검출가능한 파장 범위는 표적 물질들로부터의 스펙트럼들의 검출에 유용한 임의의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 검출가능한 파장 범위는 가시 광을 포함할 수 있거나, 근적외선 광을 포함할 수 있거나, UV 광을 포함할 수 있거나, 또는 이러한 범위들에 걸쳐있는 광의 범위들을 포함할 수 있다. 예컨대, 검출가능한 파장 범위는, 1100 나노미터 미만 또는 2.5 미크론 미만일 수 있는 파장들을 포함한다.

추가로, 광원(202)은, 분광계(200)에 의해 수신되는 광을 제공하기 위해, 표적에서의 물질들을 여기시키기 위한 임의의 범위의 광을 제공할 수 있다. 특히, 광원(202)은, 예컨대, 형광체-변환 LED 플래시 또는 다양한 파장들의 LED들의 어레이를 포함하는 플래시일 수 있다.

마이크로렌즈 어레이(236)의 마이크로렌즈들의 어레이는, 다양한 형상 또는 크기의 애퍼쳐들을 포함하는 반경방향으로 변화되는 위상 요소들을 갖는 금속 층에 형성된 개별 마이크로렌즈들을 포함한다. 개별 마이크로렌즈들은 파장-의존적 초점 길이를 제공하고, 어레이의 개별 마이크로렌즈들의 반경방향 변동은, 초점 길이가 스페이서 층(234)의 두께에 대응하는 변화되는 파장들의 어레이를 제공하기 위해 픽셀들에 대해 변화된다. 일부 실시예들에서, 스페이서 층(234)은, 5 미크론보다 크거나 10 미크론보다 큰 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로렌즈 층(236)은, 유전체에 캡슐화되는 금속 층에 형성될 수 있다.

센서 어레이(204)의 픽셀 피치는, 어레이의 평면에서 2개의 픽셀 피치 중 더 작은 것으로서 특성화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개별 마이크로렌즈들(242)의 직경은 10 미크론일 수 있거나 10 미크론보다 클 수 있다. 10 미크론 미만의 마이크로렌즈 직경들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애퍼쳐들(240)은, 직경이 4 미크론 미만인 원형 구역을 가질 수 있지만, 더 큰 직경들이 또한 사용될 수 있다. 결과적으로, 개별 광 검출 요소들의 피치는 마이크로렌즈 직경의 크기보다 클 수 있거나, 이러한 예들에서는, 10 미크론보다 클 수 있다. 특히, 개별 광 검출 요소들의 피치는 15 미크론보다 크거나 20 미크론보다 클 수 있다.

위의 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예들을 예시하기 위해 제공되며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 범위 내에서 다수의 변형들 및 수정들이 가능하다. 본 발명은 다음의 청구항들에서 기재된다.

Claims

분광계로서,
제어기;
복수의 픽셀들에 의해 형성되는 픽셀 어레이를 갖는 센서 어레이 ― 상기 픽셀들은 상기 제어기에 결합됨 ―; 및
상기 센서 어레이 위의 광학 층을 포함하며,
상기 광학 층은,
상기 센서 어레이 위에 위치되는 스페이서 층,
상기 복수의 픽셀들 상에 광을 집속시키기 위한, 상기 스페이서 층 위에 위치되는 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이, 및
상기 복수의 픽셀들의 각각의 픽셀 상에 상기 픽셀에 대한 투과 함수에 따라 광이 입사되도록 상기 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이와 배열되는 플라즈모닉 필터 어레이를 포함하고, 상기 센서 어레이의 각각의 픽셀에 대한 투과된 광학 스펙트럼은 이미지 센서의 상기 복수의 픽셀들에 걸쳐 변화되고,
상기 센서 어레이의 상기 복수의 픽셀들은 상기 광학 층을 통해 상기 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이의 초점들로부터 광을 선택적으로 수신하고, 상기 제어기에 의해 액세스가능한 공간적으로 및 스펙트럼적으로 필터링된 신호들을 생성하는, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 플라즈모닉 필터 어레이는, 필터 금속성 층에서의 홀들의 패턴들에 의해 형성되는, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이는, 렌즈 금속성 층에서의 홀들의 패턴들에 의해 형성되는, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 스페이서 층은, 상기 플라즈모닉 필터 어레이와 상기 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이 사이의 유전체 층을 포함하는, 분광계.
제4항에 있어서,
상기 유전체 층의 유전체 두께는, 상기 플라즈모닉 필터 어레이를 통해 투과되는 광의 파장보다 5 배 더 큰, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 플라즈모닉 필터 어레이 및 상기 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이는, 단일의 패터닝된 금속성 층에서의 복합 필터-마이크로렌즈 어레이로서 형성되는, 분광계.
제6항에 있어서,
복합 필터-마이크로렌즈는, 플라즈모닉 마이크로-존 플레이트(micro-zone plate) 구조로서 형성되는, 분광계.
제7항에 있어서,
상기 플라즈모닉 필터 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 상이한 직경들의 홀들의 동심 링들로서 배열되고, 상기 홀들의 배열은 파장 의존적 필터링 및 대응하는 픽셀에 대한 집속에 의존하는, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 플라즈모닉 필터 어레이의 각각의 마이크로렌즈의 직경은 10 ㎛ 이상인, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 플라즈모닉 필터 어레이의 마이크로렌즈들의 피치는 15 ㎛ 이상인, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 플라즈모닉 필터 어레이의 마이크로렌즈들 각각의 초점은 스페이서 어레이의 두께와 매칭되는, 분광계.
제11항에 있어서,
상기 스페이서 어레이의 두께는 5 미크론보다 큰, 분광계.
제1항에 있어서,
파장들의 범위는 가시 광을 포함하는, 분광계.
제1항에 있어서,
파장들의 범위는 근적외선 광을 포함하는, 분광계.
제1항에 있어서,
파장들의 범위는 UV 광을 포함하는, 분광계.
제1항에 있어서,
파장들의 범위는 2.5 미크론 미만인, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 광학 층 위의, 제한 애퍼쳐를 갖는 덮개를 더 포함하는, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 제어기에 결합되는 광원을 더 포함하는, 분광계.
제18항에 있어서,
상기 광원은 하나 이상의 발광 다이오드(LED)를 포함하는, 분광계.
제1항에 있어서,
광원은, 상기 제어기에 의해 제어되는 플래시 드라이버에 의해 구동되는 LED 플래시를 포함하는, 분광계.
제20항에 있어서,
상기 LED 플래시는 형광체-변환 LED 플래시인, 분광계.
제20항에 있어서,
상기 LED 플래시는, 일정 범위의 파장들의 광을 생성하는 LED들의 어레이를 포함하는, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 제어기와 광원 사이에 결합되는 광원 드라이버;
상기 제어기와 상기 센서 어레이 사이에, 상기 센서 어레이에 신호들을 제공하도록 결합되는 이미지 센서 드라이버; 및
상기 복수의 픽셀들의 픽셀들 각각으로부터 전류 신호들을 수신하고 디지털화된 신호들을 상기 제어기에 제공하도록 결합되는 판독부를 더 포함하는, 분광계.
제23항에 있어서,
상기 제어기는 마이크로제어기를 부가적으로 포함하는, 분광계.
제24항에 있어서,
상기 마이크로제어기는 모바일 디바이스와 통합되는, 분광계.
제24항에 있어서,
상기 마이크로제어기는 분광계 교정을 포함하며, 상기 픽셀 어레이의 각각의 픽셀은 고유 투과 함수를 갖는, 분광계.
제22항에 있어서,
전달 함수들이 마이크로제어기에 저장되는, 분광계.
제22항에 있어서,
전달 함수들이 마이크로제어기에 의해 액세스가능한, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이 및 상기 플라즈모닉 필터 어레이는, 다수의 전달 함수들의 픽셀 어레이에 걸친 배열된 분포에 따른 파장들을 상기 픽셀들의 어레이의 대응하는 픽셀에 제공하도록 배열되는, 분광계.
제29항에 있어서,
상기 전달 함수들의 수는 20보다 큰, 분광계.
제1항에 있어서,
애퍼쳐 어레이를 부가적으로 포함하며, 상기 애퍼쳐 어레이는, 상기 애퍼쳐 어레이의 애퍼쳐들이 상기 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이의 대응하는 마이크로렌즈들의 초점과 정렬되도록 상기 픽셀 어레이와 상기 스페이서 층 사이에 있는, 분광계.
제31항에 있어서,
상기 애퍼쳐 어레이의 애퍼쳐들의 직경은 상기 플라즈모닉 마이크로렌즈 어레이의 대응하는 마이크로렌즈의 직경의 5 배 미만인, 분광계.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 상기 마이크로렌즈들의 초점들에서 픽셀들로부터 데이터를 선택하는, 분광계.
제22항에 있어서,
상기 LED들은 다중 접합 LED들을 포함하며, 다중 접합들은 별개의 파장들을 방출하는, 분광계.
제6항에 있어서,
복합 마이크로렌즈 어레이의 복합 필터-마이크로렌즈는 복수의 개별 필터-마이크로렌즈 구조들을 포함하는, 분광계.