KR20220091342A - 광학 디바이스 - Google Patents

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윌리엄 디. 하우크
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비아비 솔루션즈 아이엔씨.
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Abstract

광학 디바이스는 하나 이상의 기판의 제1 표면 위에 배치된 광학 필터를 포함할 수 있다. 광학 필터는 개구를 포함할 수 있고, 개구를 통해 수신되고 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광을, 광학 필터 상에서의 광의 입사각에 기초하여 하나 이상의 기판을 통해 통과시키도록 구성될 수 있다. 광학 디바이스는 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 광학 센서의 센서 요소의 특정 세트로 지향시키도록 구성된 하나 이상의 기판의 제2 표면 위에 배치된 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 광학 필터는 박막 광학 간섭 필터를 포함할 수 있고, 하나 이상의 광학 요소는 하나 이상의 메타물질 구조를 포함할 수 있다.

Description

광학 디바이스{OPTICAL DEVICE}
본 발명은 광학 필터를 포함하는 광학 디바이스, 및 이를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다.
광학 센서 시스템은 광에 관한 정보를 캡처하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서 시스템은 광과 관련된 파장의 세트에 관한 정보를 캡처할 수 있다. 광학 센서 시스템은 정보를 캡처하는 센서 요소(예를 들어, 광학 센서, 스펙트럼 센서 및/또는 이미지 센서)의 세트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 요소의 어레이는 다중 파장과 관련된 정보를 캡처하는데 이용될 수 있다. 센서 요소 어레이는 광학 필터와 관련될 수 있다. 광학 필터는 특정 파장을 센서 요소 어레이의 센서 요소로 각각 통과시키는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다.
광학 시스템은 광학 센서; 및 광학 센서 위에 배치된 광학 디바이스를 포함하되, 광학 디바이스는 하나 이상의 기판의 제1 표면 위에 배치된 광학 필터를 포함하고, 광학 필터는 개구(aperture)를 포함하고, 광학 필터는, 개구를 통해 수신되고 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광을, 광학 필터 상에서의 광의 입사각에 기초하여 하나 이상의 기판을 통해 통과시키도록 구성되고; 광학 디바이스는 하나 이상의 기판의 제2 표면 위에 배치된 하나 이상의 광학 요소를 포함하고, 하나 이상의 광학 요소는 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 광학 센서의 센서 요소의 특정 세트로 지향시키도록 구성되고; 하나 이상의 광학 요소의 두께는 10 미크론 이하이다.
일부 구현예에서, 광학 디바이스는 하나 이상의 기판; 하나 이상의 기판의 제1 표면에 배치된 광학 필터로서, 광학 필터는 개구를 포함하고, 광학 필터는, 개구를 통해 수신되고 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광을, 광학 필터 상에서의 광의 입사각에 기초하여 하나 이상의 기판을 통해 통과시키도록 구성되는, 상기 광학 필터; 및 하나 이상의 기판의 제2 표면에 배치된 하나 이상의 광학 요소를 포함하되, 하나 이상의 광학 요소는 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 광학 센서의 센서 요소의 특정 세트로 지향시키도록 구성되고; 하나 이상의 광학 요소의 두께는 10 미크론 이하이다.
일부 구현예에서, 광학 디바이스는 제1 기판의 제1 표면에 배치된 광학 필터; 제2 기판의 제1 표면에 배치된 하나 이상의 제1 광학 요소; 및 제2 기판의 제2 표면에 배치된 하나 이상의 제2 광학 요소를 포함하되, 광학 필터는, 광학 필터의 개구를 통해 수신되고 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광을, 광학 필터 상에서의 광의 입사각에 기초하여 제2 기판을 통해 통과시키도록 구성되고; 하나 이상의 제1 광학 요소는 광이 광학 필터를 통과한 후 제2 기판에 진입함에 따라서 광의 전파 방향을 변경하도록 구성되고; 하나 이상의 제2 광학 요소는 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 광학 센서의 센서 요소의 특정 세트로 지향시키도록 구성되고; 하나 이상의 제1 광학 요소의 두께 및 하나 이상의 제2 광학 요소의 두께는 각각 10 미크론 이하이다.
도 1a 내지 도 1b는 본 명세서에서 기술된 광학 시스템의 예를 예시하는 도면이다.
도 2는 본 명세서에서 기술된 광학 시스템을 포함할 수 있는 사용자 디바이스의 예를 예시하는 도면이다.
예시적인 구현예의 다음의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면에서 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별할 수 있다. 다음의 상세한 설명은 분광계를 예로서 사용한다. 그러나, 본 명세서에서 기술된 기술, 원리, 절차 및 방법은 다른 광학 센서 및 스펙트럼 센서를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 임의의 센서와 함께 사용될 수 있다.
분광계와 같은 종래의 광학 센서 디바이스는 광학 센서 디바이스에 의해 캡처된 광(예를 들어, 주변광)과 관련된 스펙트럼 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 광은 광학 센서 디바이스에 진입할 수 있고, 광학 필터 및 광학 센서 디바이스의 광학 센서(예를 들어, 여기서 광학 필터는 광학 센서에 배치됨)에 의해 수신될 수 있다. 광학 필터는 상이한 파장 범위의 광을 광학 센서의 센서 요소의 세트로 각각 통과시키도록 설계된 광학 채널의 세트를 포함할 수 있다. 이것은 광학 센서가 상이한 파장 범위에 관계된 광과 관련된 스펙트럼 정보를 결정하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 많은 경우에, (예를 들어, 많은 스펙트럼 데이터 포인트와 관련된) 고품질의 스펙트럼 정보를 결정하기 위해, 종래의 광학 센서 디바이스는 다른 예 중에서, 대형 광학 필터(예를 들어, 광을 필터링하는데 상당한 길이를 요구하는 선형 가변 필터(LVF)), 광학 센서로 광을 전파하기 위해 긴 광로를 요구하는 회절 격자, 및/또는 넓은 영역의 적용 범위를 요구하는 초분광 필터 어레이를 요구할 수 있다. 결과적으로, 종래의 광학 센서 디바이스는 보다 작은 폼 팩터(예를 들어, 밀리미터 단위의 두께)를 요구하는 휴대 전화 디바이스와 같은 사용자 디바이스에 종래의 광학 센서 디바이스가 통합되는 것을 방해하는 두께(예를 들어, 센티미터 단위)를 갖는다.
본 명세서에서 기술된 일부 구현예는 광학 센서 위에 배치될 수 있는 광학 디바이스를 제공한다. 광학 디바이스는 하나 이상의 기판의 제1 표면 위에 배치된 광학 필터를 포함할 수 있다. 광학 필터는 개구를 포함할 수 있고, 개구를 통해 수신되고 광학 필터 상에서의 광의 입사각에 기초하여 하나 이상의 기판을 통해 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광을 통과시키도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 필터는 박막 광학 간섭 필터를 포함할 수 있다.
광학 디바이스는 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 광학 센서의 센서 요소의 특정 세트로 지향시키도록 구성된, 하나 이상의 기판의 제2 표면 위에 배치된 하나 이상의 광학 요소를 더 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 광학 요소는 하나 이상의 메타물질 구조(metamaterial structure) 또는 하나 이상의 회절 표면을 포함할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 광학 요소는 10 미크론 이하의 두께를 가질 수 있다. 광학 디바이스는 하나 이상의 기판의 제3 표면 위에 배치된 하나 이상의 추가의 광학 요소를 더 포함할 수 있다(예를 들어, 여기서, 하나 이상의 추가의 광학 요소는 광학 필터와 하나 이상의 기판의 제2 표면 사이에 배치된다). 하나 이상의 제1 광학 요소는 광이 광학 필터를 통과한 후에 광의 전파 방향을 변경하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 추가의 광학 요소는 하나 이상의 메타물질 구조 또는 하나 이상의 회절 표면을 포함할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 추가의 광학 요소는 10 미크론 이하의 두께를 가질 수 있다.
이러한 방식으로, 광학 디바이스는 광학 센서가 (예를 들어, 광학 필터의 각도 의존성 파장 특성에 기초하여) 하나 이상의 파장 범위와 관련된(예를 들어, 많은 스펙트럼 데이터 포인트와 관련된) 광에 관한 고품질 스펙트럼 정보를 획득하는 것을 가능하게 한다. 또한, 광학 디바이스가 로우 프로파일 광학 필터(예를 들어, 미크론 단위의 두께를 갖는 광학 필터) 및 하나 이상의 광학 요소(예를 들어, 나노미터 단위의 두께를 갖는 하나 이상의 메타물질 구조 또는 미크론 단위의 두께를 갖는 하나 이상의 회절 표면)를 이용하기 때문에, 광학 디바이스는 두께 임계값(예를 들어, 다른 예 중에서, 3㎜, 4㎜ 또는 5㎜)을 충족시키는 두께를 가질 수 있으며, 이는 광학 디바이스가 소형 광학 시스템 폼 팩터(예를 들어, 밀리미터 단위)를 요구하는 이동 전화 디바이스와 같은 사용자 디바이스에 (예를 들어, 광학 시스템의 일부로서) 통합되는 것을 가능하게 하고, 이는 종래의 광학 센서 디바이스에서는 불가능하다.
도 1a 내지 도 1b는 광학 시스템(100)의 예를 예시하는 도면이다. 광학 시스템(100)은 광의 분석을 용이하게 하기 위해 (예를 들어, 광과 관련된 스펙트럼 정보를 결정하기 위해) 광을 수집하도록 구성될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 광학 시스템(100)은 광학 필터(105), 기판(110), 하나 이상의 광학 요소(115), 및/또는 광학 센서(120)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 필터(105), 기판(110), 및/또는 하나 이상의 광학 요소(115)는 광학 디바이스(예를 들어, 광학 시스템(100)에서 광학 센서(120) 위에 배치된 광학 디바이스)와 관련될 수 있다.
광학 필터(105)는 광(예를 들어, 주변광)이 광학 필터(105) 상에 입사되도록 구성된 개구(125)를 포함할 수 있다. 개구(125)는 윈도우, 렌즈, 또는 광을 수신하는 임의의 다른 유형의 전도형 광학 요소를 포함할 수 있다. 개구(125)는 광학 필터(105) 상에 입사되는 광의 양을 제어하고/하거나 개구(125)를 통해 광학 필터(105) 상에 입사되는 광의 입사각의 범위를 제어하기 위해 개구 스토퍼, 또는 하나 이상의 다른 광학 요소를 포함할 수 있다.
광학 필터(105)는 광학 필터(105) 상에 입사되는 광(예를 들어, 개구(125)를 통해 수신된 광)의 하나 이상의 파장을 기판(110)으로 통과시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 필터(105)는 상이한 파장 범위의 광을 각각 기판(110)으로 통과시키는 하나 이상의 채널(도 1에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 채널은 제1 파장 범위와 관련된 광을 기판(110)으로 통과시킬 수 있고, 제2 채널은 제2 파장 범위와 관련된 광을 기판(110)으로 통과시킬 수 있으며, 제3 채널은 제3 파장 범위와 관련된 광을 기판(110)으로 통과시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 필터(105)는 박막 광학 간섭 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(105)는 박막 층(예를 들어, 유전체 박막 층)의 세트를 포함할 수 있다. 박막 층은 광학 필터(105)가 특정 파장 범위와 관련된 광을 통과시키는 것을 가능하게 하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 박막 층은 기판(110)에 순서대로 증착될 수 있다). 추가적으로 또는 대안적으로, 광학 필터(105)는 광학 간섭 필터, 스펙트럼 필터, 다중 스펙트럼 필터, 대역 통과 필터, 차단 필터, 장파 통과 필터, 단파 통과 필터, 다이크로익 필터(dichroic filter), 선형 가변 필터(LVF), 원형 가변 필터(CVF), 페브리-페로 필터(Fabry-Perot filter)(예를 들어, 페브리-페로 공동 필터), 베이어 필터(Bayer filter), 플라스몬 필터(plasmonic filter), 광자 결정 필터(photonic crystal filter), 나노구조 및/ 또는 메타물질 필터, 흡수성 필터(예를 들어, 다른 예 중에서 유기 염료, 중합체 및/또는 유리 포함) 등을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 광학 필터(105)는 각도 의존성 파장 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(105)(또는 광학 필터(105)의 채널)는 광이 제1 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사될 때 제1 파장 범위와 관련된 광을 통과시킬 수 있고, 광이 제2 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사될 때 제2 파장 범위와 관련된 광을 통과시킬 수 있고, 광이 제3 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사될 때 제3 파장 범위와 관련된 광을 통과시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 필터(105)는 광이 더 큰 입사각으로 광학 필터(105) 상에 입사됨에 따라서 더 짧은 파장들과 관련된 광을 통과시키도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 필터(105)의 각도 의존성 파장 특성은 다음 방정식으로 표현될 수 있다:
Figure pat00001
, 식 중, λθ는 입사각(θ)에서의 피크 파장을 나타내며, λ0은 입사각(0)에서의 피크 파장을 나타내며, η0은 입사 매질의 굴절률을 나타내며, ηe는 광학 간섭 필터의 유효 지수를 나타내며, θ는 광빔의 입사각이다.
기판(110)은 유리 기판, 실리콘 기판, 게르마늄 기판 또는 다른 종류의 기판일 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 광학 필터(105)는 기판(110)의 입력 표면과 같은 기판(110)의 표면 위에 배치될 수 있다. 도 1a에 추가로 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광학 요소(115)는 기판(110)의 출력 표면(예를 들어, 기판(110)의 광 입력 표면 반대편인)과 같은 기판의 다른 표면 위에 배치될 수 있다. 기판(110)은 두께(130)(예를 들어, 기판(110)의 입력 표면과 출력 표면 사이의 거리)를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 두께(130)는 기판(110)의 입력 표면에 진입하는 광이 기판(110)의 출력 표면으로 전파되는 것을 허용하거나 유발하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 두께(130)는 광이 기판(110)의 입력 표면으로부터 기판(110)의 출력 표면으로 기판 내에서 전파됨에 따라서 광의 분산을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 두께(130)는 응력 관련 균열 또는 변형이 기판(110) 내에 형성되는 것을 완화시키도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 하나 이상의 광학 요소(115)는 하나 이상의 메타물질 구조를 포함할 수 있다. 하나 이상의 메타물질 구조는, 하나 이상의 파장 범위보다 작은 치수를 갖고/갖거나 하나 이상의 파장 범위보다 작은 가공된 구조들 사이의 거리를 갖는 패턴(예를 들어, 선형 패턴)으로 배열된 가공된 구조(예를 들어, 가공된 형상, 크기, 기하학적 구조, 배향 등을 갖는)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 메타물질 구조는 대략 100 나노미터(㎚) 내지 2 미크론(㎛)의 두께(예를 들어, 하나 이상의 메타물질 구조의 입력 표면과 하나 이상의 메타물질 구조의 출력 표면 사이의 거리)를 가질 수 있다. 하나 이상의 메타물질 구조는 광이 기판(110)의 출력 표면으로부터 광학 센서(120)로 전파함에 따라서 광에서의 위상 지연을 생성할 수 있으며, 이에 의해 광의 전파 방향을 변경할 수 있다(예를 들어, 광이 기판(110)의 출력 표면으로부터 광학 센서(120)로 전파될 때 광이 회절하거나, 굴절하거나, 또는 그렇지 않으면 구부러지게 한다). 일부 구현예에서, 하나 이상의 광학 요소(115)는 광이 기판(110)의 출력 표면으로부터 광학 센서(120)로 전파됨에 따라서, 다른 예들 중에서, 광을 회절시키는 하나 이상의 회절 광학 요소, 하나 이상의 회절 렌즈, 및/또는 하나 이상의 회절 격자와 같은 하나 이상의 회절 구조를 포함할 수 있다. 하나 이상의 회절 구조는 약 1㎛ 내지 10㎛의 두께(예를 들어, 하나 이상의 회절 구조의 입력 표면과 하나 이상의 회절 구조의 출력 표면 사이의 거리)를 가질 수 있다.
광학 센서(120)는 스펙트럼 센서 또는 멀티-스펙트럼 센서와 같은 광학 센서(120)를 향해 지향된 광의 측정을 수행할 수 있는 디바이스를 포함할 수 있다. 광학 센서(120)는, 예를 들면, 실리콘(Si)계 센서, 인듐-갈륨-비소(InGaAs)계 센서, 납-황화물(PbS)계 센서, 또는 게르마늄(Ge)계 센서일 수 있으며, 다른 예 중에서, 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 기술, 또는 전하 결합 요소(CCD) 기술과 같은 하나 이상의 센서 기술을 이용할 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 센서(120)는 정보를 획득하도록 각각 구성된 다수의 센서 요소(예를 들어, 센서 요소들의 어레이, 또한 본 명세서에서 센서 어레이로서 지칭됨)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 요소는 센서 요소 상에 입사되는 광의 강도의 표시(예를 들어, 강도의 활성/비활성 또는 더 세분화된 표시)를 제공할 수 있다. 본 명세서에서 기술된 일부 구현이 스펙트럼 정보를 캡처하도록 구성되는 광학 센서(120)에 관한 것이지만, 다른 구현이 또한 고려된다. 예를 들어, 광학 센서(120)는 초분광 이미징 정보, 다중 스펙트럼 이미징 정보 등과 같은 이미징 정보를 캡처하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 하나 이상의 광학 요소(115)는 하나 이상의 파장 범위와 각각 관련된 광의 광빔을 광학 센서(120)의 각각의 영역으로 지향시키도록 구성될 수 있다(예를 들어, 광학 센서의 영역은 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 센서 요소의 세트를 포함한다). 추가적으로 또는 대안적으로, 기판(110) 및/또는 하나 이상의 광학 요소(115)의 출력 표면은 광학 센서(120)의 입력 표면으로부터의 거리(135)에 있을 수 있다. 거리(135)는 하나 이상의 광학 요소(115)의 초점 거리와 관련될 수 있다. 이러한 방식으로, 기판(110)의 출력 표면 및/또는 하나 이상의 광학 요소(115)이 광학 센서(120)와 관련하여 위치될 수 있어서, 거리(135)는 하나 이상의 광학 요소(115)가, 하나 이상의 파장 범위와 각각 관련된 광의 광빔을 광학 센서(120)의 각각의 영역(및 각각의 영역에만)으로 지향시키는 것(예를 들어, 수렴, 초점을 맞추는 것)을 가능하게 한다.
예로서, 광은 개구(125)를 통해 광학 필터(105)에 의해 수신될 수 있다. 광학 필터(105)는, 제1 파장 범위와 관련되고 제1 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광의 광빔을 통과시키고, 제2 파장 범위와 관련되고 제2 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광의 광빔을 통과시키고, 제3 파장 범위와 관련되고 제3 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광의 광빔을 통과시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 광학 필터(105)는 제1 파장 범위와 관련되고 제1 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광빔의 세트(140), 제2 파장 범위와 관련되고 제2 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광빔의 세트(145), 및 제3 파장 범위와 관련되고 제3 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광빔의 세트(150)를 기판(110)으로 통과시킬 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 광빔의 세트(140), 광빔의 세트(145), 및 광빔의 세트(150)는 기판(110)의 입력 표면으로부터 기판(110)의 출력 표면으로 전파될 수 있다. 광빔의 세트(예를 들어, 광빔의 세트(140), 광빔의 세트(145), 또는 광빔의 세트(150))의 광빔은 광학 필터(105) 상에서의 광빔의 입사각에 일치되는(예를 들어, 이와 동일, 공차 내에 있는) 각도로 기판(110)을 통해 전파된다.
하나 이상의 광학 요소(115)는 특정 세트의 광빔(예를 들어, 특정 파장 범위와 관련된)을 센서 요소의 세트(예를 들어, 하나 이상의 센서 요소)를 포함하는 광학 센서(120)의 특정 영역으로 지향시키도록 구성된다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광학 요소(115)는, 광빔의 세트(140)를 광학 센서(120)의 제1 영역(예를 들어, 센서 요소의 제1 세트를 포함하는)으로 지향시킬 수 있고, 광빔의 세트(145)를 광학 센서(120)의 제2 영역(예를 들어, 센서 요소의 제2 세트를 포함하는)으로 지향시킬 수 있고, 광빔의 세트(150)를 광학 센서(120)의 제3 영역(예를 들어, 센서 요소의 제3 세트를 포함하는)으로 지향시킬 수 있다. 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역은 동일하거나, 유사하거나 또는 상이한 크기 또는 형상을 가질 수 있다. 센서 요소의 제1 세트, 센서 요소의 제2 세트, 및 센서 요소의 제3 세트는 동일하거나 상이한 수의 센서 요소를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 광학 필터(105), 기판(110), 및 하나 이상의 광학 요소(115)를 포함하는 광학 디바이스와 관련된 두께는 광학 필터(105)의 입력 표면으로부터 광학 센서(120)의 입력 표면까지의 거리(예를 들어, 두께(130)와 거리(135)의 합)일 수 있다. 두께(130) 및 거리(135)는 광학 디바이스와 관련된 두께가 다른 예들 중에서 3㎜, 4㎜, 또는 5㎜와 같은 두께 임계값을 충족시키게 하도록(예를 들어, 이하이도록) 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 디바이스 및/또는 광학 시스템(100)은 사용자 디바이스(예를 들어, 도 2와 관련하여 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같은)에 포함될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 광학 시스템(100)은 (예를 들어, 개구(125)를 포함하는) 광학 필터(105), 기판(110), 하나 이상의 광학 요소(115), 및/또는 광학 센서(120), 기판(155) 및/또는 하나 이상의 추가의 광학 요소(160)를 포함한다. 도 1a와 관련하여 본 명세서에 설명된 바와 같이, 하나 이상의 광학 요소(115)는 기판(110)의 출력 표면과 같은 기판(110)의 표면 위에 배치될 수 있고, 기판(110)의 출력 표면 및/또는 하나 이상의 광학 요소(115)은 광학 센서(120)의 입력 표면으로부터의 거리(135)에 있을 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 필터(105), 기판(110), 하나 이상의 광학 요소(115), 기판(155) 및/또는 하나 이상의 추가의 광학 요소(160)는 광학 디바이스(예를 들어, 광학 시스템(100)에서 광학 센서(120) 위에 배치된 광학 디바이스)와 관련될 수 있다.
도 1b에 추가로 도시된 바와 같이, 광학 필터(105)는 기판(110)과 별개인 기판(155)의 표면 위에 배치될 수 있다. 기판(155)은 유리 기판, 실리콘 기판, 게르마늄 기판, 또는 다른 유형의 기판일 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 광학 필터(105)의 입력 표면은 기판(110)의 입력 표면 및/또는 하나 이상의 추가의 광학 요소(160)으로부터의 거리(165)에 있을 수 있다.
도 1b에 추가로 도시된 바와 같이, 하나 이상의 추가의 광학 요소(160)는 기판(110)의 입력 표면과 같은 기판(110)의 표면 위에 배치될 수 있다(그리고 하나 이상의 광학 요소(115)는 기판(110)의 출력 표면과 같은 기판(110)의 반대편 표면 위에 배치될 수 있다). 하나 이상의 추가의 광학 요소(160)는 하나 이상의 메타물질 구조 또는 하나 이상의 회절 구조(예를 들어, 도 1a와 관련하여 본 명세서에 설명된 바와 같은)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 추가의 광학 요소(160)는 광이 기판(110)의 입력 표면을 통해 기판(110)에 진입함에 따라서 광의 전파 방향을 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 추가의 광학 요소는 광이 광학 필터(105)(및 기판(155))로부터 기판(110)의 입력 표면을 통해 기판(110) 내로 전파될 때 광을 회절, 굴절 또는 그렇지 않으면 구부릴 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 기판(110)은 두께(170)(예를 들어, 기판(110)의 입력 표면과 출력 표면 사이의 거리)를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 두께(170)는 기판(110)의 입력 표면에 진입하는(예를 들어, 하나 이상의 추가적인 광학 요소들(160)을 통해) 광이 기판(110)의 출력 표면으로 전파되는 것을 허용하거나 유발하도록 구성될 수 있다. 도 1b에 도시된 기판(110)의 두께(170)는 (예를 들어, 광이 기판(110)의 입력 표면을 통해 기판(110)에 진입함에 따라서 광의 전파 방향을 변경하는 하나 이상의 추가의 광학 요소(160)로 인해) 도 1a에 도시된 기판(110)의 두께(130)보다 얇을 수 있다.
예로서, 광은 개구(125)를 통해 광학 필터(105)에 의해 수신될 수 있다. 광학 필터(105)는 광학 필터(105) 상에서의 광빔의 입사각에 기초하여 기판(155)을 통해 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 통과시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 광학 필터는 제1 파장 범위와 관련되고 제1 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광빔의 세트(175), 제2 파장 범위와 관련되고 제2 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광빔의 세트(180), 및 제3 파장 범위와 관련되고 제3 입사각 범위 내에서 광학 필터(105) 상에 입사되는 광빔의 세트(185)를 기판(155)으로 통과시킬 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 광빔의 세트(175), 광빔의 세트(180), 및 광빔의 세트(185)는 기판(155)을 통해 기판(110)의 입력 표면으로 전파될 수 있다. 광빔의 세트(예를 들어, 광빔의 세트(175), 광빔의 세트(180) 또는 광빔의 세트(185))의 광빔은 광학 필터(105) 상에서의 광빔의 입사각과 일치되는(예를 들어, 이와 동일, 공차 내에 있는) 각도로 기판(155)을 통해(예를 들어 자유 공간을 통해) 기판(110)의 입력 표면으로 전파될 수 있다.
하나 이상의 추가의 광학 요소(160)는 광빔이 기판(110)의 입력 표면을 통해 기판(110)에 진입함에 따라서 광빔의 전파 방향을 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 광빔의 세트(예를 들어, 광빔의 세트(175), 광빔의 세트(180), 또는 광빔의 세트(185))의 개별 광빔은 서로 상이하고/하거나 광학 필터(105) 상에서의 개별 광빔의 각각의 입사각과 상이한 각도로 기판(110)을 통해 기판(110)의 출력 표면으로 전파될 수 있다.
하나 이상의 광학 요소(115)는 광빔(예를 들어, 특정 파장 범위와 관련된)의 특정 세트를, 센서 요소(예를 들어, 하나 이상의 센서 요소)의 세트를 포함하는 광학 센서(120)의 특정 영역으로 지향시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광학 요소(115)는 광빔의 세트(175)를 광학 센서(120)의 제1 영역(예를 들어, 센서 요소의 제1 세트를 포함)으로 지향시킬 수 있고, 광빔의 세트(180)를 광학 센서(120)의 제2 영역(예를 들어, 센서 요소의 제2 세트를 포함)으로 지향시킬 수 있고, 광빔의 세트(185)를 광학 센서(120)의 제3 영역(예를 들어, 센서 요소의 제3 세트를 포함)으로 지향시킬 수 있다. 제1 영역, 제2 영역, 및 제3 영역은 동일하거나 유사하거나 상이한 크기 또는 형상을 가질 수 있다. 센서 요소의 제1 세트, 센서 요소의 제2 세트, 및 센서 요소의 제3 세트는 동일하거나 상이한 수의 센서 요소를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 기판(110), 하나 이상의 광학 요소(115), 기판(155), 및/또는 하나 이상의 추가적인 광학 요소(160)를 포함하는 광학 디바이스와 관련된 두께는 광학 필터(105)의 입력 표면으로부터 광학 센서(120)의 입력 표면까지의 거리(예를 들어, 거리(135), 거리(165), 및 두께(170)의 합)일 수 있다. 거리(135), 거리(165), 및 두께(170)는 광학 디바이스와 관련된 두께가 다른 예 중에서 3㎜, 4㎜, 또는 5㎜와 같은 두께 임계값을 충족시키게 하도록(예를 들어, 이하이도록) 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 디바이스 및/또는 광학 시스템(100)은 (예를 들어, 도 2와 관련하여 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같은) 사용자 디바이스에 포함될 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 도 1a 및 도 1b는 예로서 제공된다. 다른 예는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 설명된 것과는 상이할 수도 있다.
도 2는 광학 시스템(220)을 포함할 수 있는 사용자 디바이스(210)의 예(200)를 도시하는 도면이다. 사용자 디바이스(210)는, 예를 들어, 이동 전화(예를 들어, 스마트폰, 무선 전화기 등), 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 핸드헬드 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터, 게임 디바이스, 웨어러블 통신 디바이스(예를 들어, 스마트 시계, 스마트 안경 등), 분광계, 또는 유사한 유형의 디바이스와 같은 통신 및/또는 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 광학 시스템(220)은 광학 시스템(100) 또는 (예를 들어, 광학 필터(105), 기판(110), 하나 이상의 광학 요소(115), 기판(155) 및/또는 하나 이상의 추가의 광학 요소(160)를 이용하는) 유사한 광학 시스템를 포함할 수 있다. 광학 시스템(220)은 사용자 디바이스(210)의 광학 패키지에 포함될 수 있다. 광학 시스템(220)의 크기를 감소시키는 것에 의해, 광학 시스템(220)은 사용자 디바이스(210)에서 구현될 수 있거나, 또는 광학 시스템(220)은 종래의 광학 시스템보다 사용자 디바이스(210)에서 더 작은 풋프린트를 가질 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 도 2는 예시로서 제공된다. 다른 예는 도 2와 관련하여 설명된 것과는 상이할 수도 있다.
전술한 개시내용은 예시 및 설명을 제공하지만, 정밀한 형태로 구현되거나 개시된 정확한 형태로 구현을 제한하려는 것은 아니다. 변경 및 변형은 개시내용을 고려하여 만들어질 수 있거나 구현예의 실행으로부터 획득될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "구성요소"라는 용어는 하드웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 광범위하게 해석되도록 의도된다. 본 명세서에서 기술된 시스템 및/또는 방법은 하드웨어, 펌웨어, 및/또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 상이한 형태로 구현될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 이러한 시스템 및/또는 방법을 구현하는데 사용되는 실제 특수 제어 하드웨어 또는 소프트웨어 코드는 구현을 제한하지 않는다. 그러므로, 시스템 및/또는 방법의 동작 및 거동은 특정 소프트웨어 코드를 참조하지 않고 본 명세서에서 설명되고, 소프트웨어 및 하드웨어는 본 명세서의 설명에 기초하여 시스템 및/또는 방법을 구현하는데 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 임계값을 충족시킨다는 것은 상황에 따라, 임계값보다 크거나, 임계값 이상이거나, 임계값보다 작거나, 임계값 이하이거나, 임계값과 동일하거나, 또는 임계값과 같지 않은 값을 의미할 수 있다.
특징의 특정 조합이 청구범위에 인용되고/되거나 명세서에 개시되더라도, 이러한 조합은 다양한 구현예의 개시를 제한하도록 의도되지 않는다. 사실, 이들 특징 중 다수는 청구범위에 구체적으로 인용 및/또는 명세서에 개시되지 않은 방식으로 조합될 수 있다. 다음에 나열된 각각의 종속항이 하나의 청구항에만 직접적으로 종속될 수 있을지라도, 다양한 구현예의 개시내용은 청구항 세트에서의 다른 모든 청구항과 조합된 각각의 종속항을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 물품물품의 목록 "중 적어도 하나"를 지칭하는 구문은 단일 부재를 포함하는 이러한 물품의 임의의 조합을 지칭한다. 예를 들어, "a, b 또는 c 중 적어도 하나"는, a, b, c, a-b, a-c, b-c 및 a-b-c뿐만 아니라 동일한 물품의 다수의 임의의 조합을 포함하도록 의도된다.
본 명세서에서 사용된 어떠한 요소, 행위 또는 지시도 이와 같이 명시적으로 설명되지 않는 한 중요하거나 필수적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 표현은 하나 이상의 지시대상을 포함하도록 의도되고, "하나 이상"과 호환 가능하게 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 상기와 관련된 단수 표현은 상기와 관련하여 언급되는 하나 이상의 지시대상을 포함하도록 의도되고, "하나 이상"과 호환 가능하게 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, "세트"라는 용어는 하나 이상의 물품(예를 들어, 관련 물품, 관련되지 않은 물품 또는 관련 및 관련되지 않은 물품의 조합)을 포함하도록 의도되고, "하나 이상"과 호환 가능하게 사용될 수 있다. 단지 하나의 물품만을 의도하는 경우에, "단지 하나"라는 문구 또는 유사한 언어가 사용된다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, "갖는다", "갖는" 등의 용어는 개방형 용어이도록 의도된다. 또한, "~에 기초한"이라는 문구는 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 "적어도 부분적으로 ~에 기초한"을 의미하도록 의도된다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, "또는"이라는 용어는 연속적으로 사용될 때 포괄적인 것으로 의도되고, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한(예를 들어, "둘 중 하나" 또는 "~중 하나만"과 조합하여 사용되면) "및/또는"과 호환 가능하게 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 광학 시스템으로서,
    광학 센서; 및
    상기 광학 센서 위에 배치된 광학 디바이스
    를 포함하되,
    상기 광학 디바이스는 하나 이상의 기판의 제1 표면 위에 배치된 광학 필터를 포함하고,
    상기 광학 필터는 개구(aperture)를 포함하고,
    상기 광학 필터는, 상기 개구를 통해 수신되고 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광을, 상기 광학 필터 상에서의 광의 입사각에 기초하여 상기 하나 이상의 기판을 통해 통과시키도록 구성되고;
    상기 광학 디바이스는 상기 하나 이상의 기판의 제2 표면 위에 배치된 하나 이상의 광학 요소를 포함하고,
    상기 하나 이상의 광학 요소는 상기 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 상기 광학 센서의 센서 요소의 특정 세트로 지향시키도록 구성되고;
    상기 하나 이상의 광학 요소의 두께는 10 미크론 이하인, 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학 필터는 박막 광학 간섭 필터를 포함하는, 광학 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 요소는 하나 이상의 메타물질 구조(metamaterial structure)를 포함하고,
    상기 하나 이상의 메타물질 구조는 상기 광빔이 상기 센서 요소의 특정 세트에 전파되게 하도록 상기 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔의 전파 방향을 변경하도록 구성되는, 광학 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 요소는 상기 광빔이 상기 센서 요소의 특정 세트에 전파되게 하도록 상기 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 회절시키는 하나 이상의 회절 구조를 포함하는, 광학 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 기판은 제1 기판 및 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 표면은 상기 제1 기판의 표면이고, 상기 제2 표면은 상기 제2 기판의 표면이고;
    상기 광학 디바이스는
    상기 제2 기판의 제3 표면 위에 배치된 하나 이상의 추가의 광학 요소를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 추가의 광학 요소는 상기 광학 필터와 상기 제2 기판의 제2 표면 사이에 배치되고,
    상기 하나 이상의 추가의 광학 요소는 광이 상기 광학 필터를 통과한 후에 상기 광학 디바이스의 제2 기판에 진입함에 따라서 광을 회절시키도록 구성되는, 광학 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광학 필터는,
    상기 하나 이상의 파장 범위 중 제1 파장 범위와 관련되고 제1 입사각 범위 내에서 상기 광학 필터 상에 입사되는 광의 제1 광빔을 통과시키도록; 그리고
    상기 하나 이상의 파장 범위 중 제2 파장 범위와 관련되고 제2 입사각 범위 내에서 상기 광학 필터 상에 입사되는 광의 제2 광빔을 통과시키도록
    더 구성되는, 광학 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 센서 요소의 특정 세트는 상기 광학 센서의 영역 내에 위치되고,
    상기 하나 이상의 광학 요소는 상기 광학 센서의 영역에서 광빔의 초점을 맞추도록 구성되는, 광학 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 요소는 상기 하나 이상의 광학 요소가 상기 센서 요소의 특정 세트에서 광빔을 수렴하게 하도록 상기 광학 센서의 입력 표면으로부터 특정 거리에 위치되는, 광학 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 기판은 단일 기판을 포함하고, 상기 제1 표면은 상기 단일 기판의 표면이고, 상기 제2 표면은 상기 단일 기판의 반대편 표면이고,
    상기 광학 디바이스의 단일 기판의 두께는 상기 단일 기판의 제1 표면에 진입하는 광이 상기 단일 기판의 제2 표면으로 전파되게 하도록 구성되는, 광학 시스템.
  10. 광학 디바이스로서,
    하나 이상의 기판;
    상기 하나 이상의 기판의 제1 표면에 배치된 광학 필터로서,
    상기 광학 필터는 개구를 포함하고,
    상기 광학 필터는, 상기 개구를 통해 수신되고 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광을, 상기 광학 필터 상에서의 광의 입사각에 기초하여 상기 하나 이상의 기판을 통해 통과시키도록 구성되는, 상기 광학 필터; 및
    상기 하나 이상의 기판의 제2 표면에 배치된 하나 이상의 광학 요소
    를 포함하되,
    상기 하나 이상의 광학 요소는 상기 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 상기 광학 센서의 센서 요소의 특정 세트로 지향시키도록 구성되고;
    상기 하나 이상의 광학 요소의 두께는 10 미크론 이하인, 광학 디바이스.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광학 필터는 유전체 박막 층의 세트를 포함하는, 광학 디바이스.
  12. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 요소는 하나 이상의 메타물질 구조 또는 하나 이상의 회절 구조를 포함하는, 광학 디바이스.
  13. 제10항에 있어서, 상기 광학 필터는,
    상기 하나 이상의 파장 범위 중 제1 파장 범위와 관련되고 제1 입사각 범위 내에서 상기 광학 필터 상에 입사되는 광의 제1 광빔을 통과시키도록; 그리고
    상기 하나 이상의 파장 범위 중 제2 파장 범위와 관련되고 제2 입사각 범위 내에서 상기 광학 필터 상에 입사되는 광의 제2 광빔을 통과시키도록
    더 구성되는, 광학 디바이스.
  14. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 기판의 제2 표면은 상기 하나 이상의 광학 요소가 상기 센서 요소의 특정 세트로 광빔을 지향시키고 상기 광학 센서의 다른 센서 요소로 지향시키지 않게 하도록 상기 광학 센서의 입력 표면으로부터 특정 거리에 위치되는, 광학 디바이스.
  15. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 기판의 두께는 상기 하나 이상의 기판의 제1 표면에 진입하는 광이 상기 하나 이상의 기판의 제2 표면으로 전파되는 것을 허용하도록 구성되는, 광학 디바이스.
  16. 광학 디바이스로서,
    제1 기판의 제1 표면에 배치된 광학 필터;
    제2 기판의 제1 표면에 배치된 하나 이상의 제1 광학 요소; 및
    상기 제2 기판의 제2 표면에 배치된 하나 이상의 제2 광학 요소
    를 포함하되,
    상기 광학 필터는, 상기 광학 필터의 개구를 통해 수신되고 하나 이상의 파장 범위와 관련된 광을, 상기 광학 필터 상에서의 광의 입사각에 기초하여 상기 제2 기판을 통해 통과시키도록 구성되고;
    상기 하나 이상의 제1 광학 요소는 광이 상기 광학 필터를 통과한 후 상기 제2 기판에 진입함에 따라서 광의 전파 방향을 변경하도록 구성되고;
    상기 하나 이상의 제2 광학 요소는 상기 하나 이상의 파장 범위 중 특정 파장 범위와 관련된 광의 광빔을 상기 광학 센서의 센서 요소의 특정 세트로 지향시키도록 구성되고;
    상기 하나 이상의 제1 광학 요소의 두께 및 상기 하나 이상의 제2 광학 요소의 두께는 각각 10 미크론 이하인, 광학 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 하나 이상의 제1 광학 요소 또는 상기 하나 이상의 제2 광학 요소는 하나 이상의 메타물질 구조 또는 하나 이상의 회절 구조를 포함하는, 광학 디바이스.
  18. 제16항에 있어서, 상기 광학 필터는,
    상기 하나 이상의 파장 범위 중 제1 파장 범위와 관련되고 제1 입사각 범위 내에서 상기 광학 필터 상에 입사되는 광의 제1 광빔을 통과시키도록; 그리고
    상기 하나 이상의 파장 범위 중 제2 파장 범위와 관련되고 제2 입사각 범위 내에서 상기 광학 필터 상에 입사되는 광의 제2 광빔을 통과시키도록
    더 구성된 박막 광학 간섭 필터인, 광학 디바이스.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제2 기판의 두께는 상기 제2 기판의 제1 표면에 진입하는 광이 상기 제2 기판의 제2 표면으로 전파되는 것을 허용하도록 구성되는, 광학 디바이스.
  20. 제16항에 있어서, 상기 제2 기판의 제2 표면은 상기 하나 이상의 제2 광학 요소의 초점 거리와 관련된 상기 광학 센서의 입력 표면으로부터 특정 거리에 위치되는, 광학 디바이스.
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