WO2018038414A1 - 광학필터 및 이를 이용한 광학 디바이스 - Google Patents

광학필터 및 이를 이용한 광학 디바이스 Download PDF

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WO2018038414A1
WO2018038414A1 PCT/KR2017/008261 KR2017008261W WO2018038414A1 WO 2018038414 A1 WO2018038414 A1 WO 2018038414A1 KR 2017008261 W KR2017008261 W KR 2017008261W WO 2018038414 A1 WO2018038414 A1 WO 2018038414A1
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filter
materials
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optical
optical filter
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PCT/KR2017/008261
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이경석
황규원
김원목
김인호
이욱성
정두석
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삼성전자 주식회사
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
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    • B32B2307/40—Properties of the layers or laminate having particular optical properties
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    • B32B2551/00—Optical elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical filter, and more particularly, to an optical filter for controlling a transmission center wavelength with a relatively simple compact structure, and an optical device using the same.
  • the conventional linear variable filter is a kind of optical filter of a Fabry-Perot resonator structure, and has a structure in which the thickness of the dielectric resonant layer varies linearly in the longitudinal direction.
  • a lower mirror layer and an upper mirror layer are positioned with a dielectric resonance layer interposed therebetween.
  • the conventional linear variable filter has a limitation in process reproducibility due to the linear structure having a variable thickness in the longitudinal direction.
  • the resolution of a spectrometer using a linear variable filter is determined by the height-to-length ratio of the linear variable filter, it is difficult to miniaturize the spectrometer element.
  • the linear structure is disadvantageous in terms of productivity due to the lack of process compatibility with the two-dimensional imaging sensor technology.
  • US Pat. No. 5,726,805 discloses a planar optical filter comprising a dielectric layer.
  • the optical filter includes a reflective layer and a dielectric layer, wherein the dielectric layer is formed with periodic structures, and the periodic structure is provided with trenches or grooves.
  • the substrates are manufactured in a structure in which they are attached to each other, the manufacturing is difficult and there is a risk of excessive consumption of the cost, and there is a problem in that the adjustment of the center wavelength is not easy.
  • One object of the present invention is to provide an optical filter having a miniaturized structure.
  • Another object of the present invention is to provide an optical filter structure capable of increasing productivity by improving process reproducibility.
  • Another object of the present invention is to facilitate integration and integration with photodetectors, minimize the distance between the filter and the detector array to prevent stray light effects, and to improve performance such as wavelength tunable range and out-of-band rejection. It is to provide an optical filter structure to be improved.
  • One side of the present invention is a first reflection layer and a second reflection layer separated from each other; A dielectric region interposed between the first reflective layer and the second reflective layer and alternately arranged with at least two materials having different refractive indices; And a buffer layer disposed between at least one of the first and second reflection layers and the dielectric region, wherein the optical filter includes at least two filter regions having different relative volume ratios of the two materials disposed alternately. to provide.
  • the two materials may be disposed alternately with each other, and at least two filter regions having different relative width ratios of the two materials may be present.
  • the width of the two pairs of materials may be less than the wavelength of light transmitted inside the filter.
  • the two pairs of materials adjacent to each other may be formed to have the same width in one direction with each of two pairs of different materials adjacent to each other, or filter regions having different relative volume ratios of the two materials may be two or more directions in plan view. Is preferably.
  • an intermediate reflection layer parallel to the reflective layers may be further added to the central region of the dielectric region.
  • the optical filter has a structure having two resonant cavities of the upper structure and the lower structure with respect to the intermediate reflection layer.
  • each of the upper structure and the lower structure may or may not include a buffer layer. That is, a buffer layer may be further included between at least one of the first, second reflective layers, and the intermediate reflective layer and the dielectric region.
  • a region having different relative volume ratios of two materials includes filter regions for passing different wavelengths
  • the optical filter includes: a first reflective layer and a second reflective layer spaced apart from each other; A dielectric region interposed between the first reflective layer and the second reflective layer and alternately arranged with at least two materials having different refractive indices; And a buffer layer disposed between at least one of the first and second reflection layers and the dielectric region, wherein at least two filter regions having different relative volume ratios of the two materials disposed alternately exist, and the filter
  • An optical device having a photodetector corresponding to each of the regions is provided.
  • the optical device may be a spectroscope, a CMOS image sensor, or a hyperspectral imaging device.
  • Another aspect of the invention is a transparent substrate; And it is to provide an optical device assembled in a separate module form having the above-described optical filter on the top of the transparent substrate.
  • the optical filter structure of the present invention can be miniaturized by including a dielectric region such that there are at least two regions in which the relative volume ratios of the two materials are different from each other.
  • the optical filter structure of this invention can increase productivity by improving process reproducibility.
  • the optical filter structure of the present invention includes first and second reflecting plates parallel to each other and a dielectric region in which two materials are disposed therebetween, thereby facilitating integration and integration with the photodetector, and filtering
  • the distance between the detector array and the detector array can be minimized to prevent stray light effects and improve performance.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the dielectric region of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a plan view of the dielectric region of FIG. 1.
  • 3 to 7 are flowcharts illustrating a method of manufacturing an optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 and 9 are plan views of dielectric regions of two-dimensional optical filters according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 illustrates a cross-sectional view of other optical filters in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of still another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 12 to 19 show simulation results of an optical filter having a one-dimensional structure
  • FIGS. 20 and 22 show an optical hollow structure having a two-dimensional planar structure.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of still another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 and 26 are simulation data comparing the single resonant cavity structure and the double resonant cavity structure of the present invention
  • FIG. 27 is simulation data comparing the double resonant cavity structure having the DBR.
  • 29 and 30 are simulation data comparing a structure in which a buffer is added to the dual resonant cavity structure of the present invention.
  • 31 is a sectional view of still another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 32 is a cross-sectional view of still another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • 33 is a sectional view of another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • 35 is a conceptual diagram of a one-dimensional spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 36 shows an example of calculating an L-curve method for determining an optimal a value in the L-curve method
  • FIG. 37 shows L-curve (left) and curvature (right) of the L-curve function
  • FIG. 38 This graph shows the calculation result showing the application of Savitzky-Golay filter to reduce the system noise in the filter system and the improvement of the signal retrieval performance.
  • FIG. 39 is a conceptual diagram illustrating an overlap situation of filter functions of respective filters in the spectroscope according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 40 illustrates an overlap function according to the half width of the filter function in the spectrometer according to the embodiment of the present invention
  • 41 is a simulation graph calculated
  • FIG. 41 is a simulation graph for calculating an error value (%) according to overlap of filter functions in a spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • 43 is a conceptual diagram illustrating a two-dimensional spectrometer of the present invention.
  • 44 and 45 are conceptual views of image sensors according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 46 is a conceptual diagram of a filter array including a hyper-spectral image sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a one-dimensional optical filter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view of the dielectric region of FIG.
  • the optical filter 100 of the present invention includes the first and second reflection layers 110 and 120, the dielectric region 130, and the buffer layer 140.
  • the first and second reflection layers 110 and 120 may form both side surfaces of the optical filter 100.
  • the first and second reflection layers 110 and 120 may be provided in a one-dimensional form so as to be arranged in parallel with one direction, or may constitute a two-dimensional optical filter 100.
  • the buffer layer 140 is provided between at least one of the first and second reflection layers 110 and 120 and the dielectric region 130. That is, the dielectric region 130 and the buffer layer 140 are disposed between at least one of the upper side and the lower side of the dielectric region 130, and are disposed between the first and second reflective layers 110 and 120.
  • the buffer layer 140 acts as an optical resonance cavity together with the dielectric region 130.
  • the presence of the buffer layer 140 increases the effective thickness of the optical resonant cavity, thereby bringing the effect of shifting the transmission band center wavelength of the optical filter 100 to the long wavelength region while keeping the thickness of the dielectric region layer 130 small.
  • the optical resonant cavity is formed using only the dielectric region layer 130, one material may be formed in the dielectric region layer 130 formed of a combination of two materials having different intervals of refraction and a size sufficiently smaller than the operating wavelength. Conditions that cause excessively high aspect ratios to fill occur, which leads to process difficulties. Therefore, the presence of the buffer layer 140 has an advantage that the wavelength variable range can be effectively increased while keeping the thickness of the dielectric region layer 130 small.
  • the first and second reflecting layers 110 and 120 are each composed of a thin metal thin film having semi-transmissive properties or distributed Bragg reflectors having a periodic multilayer structure of a high refractive index dielectric region layer and a low refractive index dielectric region thin film layer. DBR).
  • the dielectric region 130 is disposed between the first and second reflection layers 110 and 120, and is disposed of at least two materials 134 and 137 having different refractive indices. At least two regions in which the relative volume ratios of the two materials 134 and 137 forming the dielectric region 130 are different from each other are present.
  • the two materials 134 and 137 forming the dielectric region 130 may be alternately disposed.
  • the dielectric region 130 may be formed such that at least two regions having different relative width ratios of the two materials 134 and 137 are located along one direction. This structure becomes a one-dimensional optical filter structure (see FIG. 2).
  • regions where the central wavelength of transmitted light is varied are illustrated as three regions, a, b, and c.
  • the three regions of a, b, and c have two materials 134 and 137 alternately arranged with two different materials 134 and 137 in the same period, so that the two materials 134 and 137 are alternately arranged.
  • the relative width ratios of are different in each of the three regions. Due to this structure, the three regions of a, b, and c have different wavelengths of light transmitted between the first and second reflective layers 110 and 120.
  • one direction of FIG. 2 refers to a horizontal direction extending from side to side, which is a length direction of the dielectric region 130. At least two materials 134 and 137 having different refractive indices of the dielectric region 130 are disposed in one direction.
  • the two materials 134 and 137 of the dielectric region 130 may be formed such that at least two regions having the same relative volume ratio exist.
  • two materials may be alternately arranged in a predetermined area a plurality of times each in a predetermined width, and two materials may be alternately arranged in a different predetermined area each other in a predetermined predetermined width. Even if the two materials have different widths in different regions, the widths of two adjacent materials are made constant in the same filter transmitting the same wavelength.
  • regions a to c are shown, in which the relative volume fraction of the two materials 134, 137 is constant.
  • An example is shown where the relative volume ratios of the two materials 134 and 137 in adjacent regions are different, and the widths of the two adjacent materials 134 and 137 in both a to c regions are constant.
  • the two materials 134 and 137 of the dielectric region 130 may be referred to as first and second materials 134 and 137 as an example.
  • the first and second materials 134 and 137 may be dielectrics having different refractive indices, respectively.
  • the first material 134 may be a relatively low refractive index dielectric
  • the second material 137 may be a relatively high refractive index dielectric, but is not limited thereto. That is, the first material 134 may be a material having a relatively high refractive index, and the second material 137 may be a material having a relatively low refractive index.
  • Low refractive index dielectrics are, for example, Fluorine-based ultraviolet resin (Ultraviolet Ray Resin), spin on glass (spin on glass), hydrogen silsesquioxane (HSQ, Hydrogen Silsesquioxane), magnesium fluoride (MgF 2 ) , Calcium fluoride (CaF 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the high refractive index dielectric may be, for example, a metal oxide such as titanium dioxide (TiO 2 ).
  • the dielectric region 130 of the present invention may be a binary dielectric region 130 which is a kind of effective medium that is a combination of two dielectric regions 130 having different refractive indices, and the first and second materials 134. , 137) may differ gradually in one direction.
  • the relative ratio between the first and second materials 134 and 137 of the present invention may be defined as a duty cycle or a fill factor.
  • the duty cycle or filling rate in the present invention is a relative volume ratio of the first material 134 component among the pair of first and second materials 134 and 137 based on the first material 134.
  • the refractive index of the dielectric region 130 is varied in one direction by gradually changing the duty cycle or filling rate between the first and second materials 134 and 137 in the dielectric region 130.
  • the wavelength of light passing through the optical filter 100 is controlled by the optical thickness of the dielectric region.
  • the width of the pair of first and second materials 134 and 137 has a relationship with the wavelength of the filter to pass through.
  • the width of the pair of first and second materials 134, 137 may be made sufficiently smaller than the wavelength of light, in which case the light does not separate the two materials into individual objects and does not have any particular effective dielectric.
  • the optical constant of the effective medium is determined by the geometric distribution and relative volume fraction of the two objects. In the dielectric region 130 where the imaginary term of the dielectric constant is close to zero, the optical constant of the effective medium has an arbitrary value between the optical constant values of the two components.
  • the buffer layer 140 expands the controllability of the operating wavelength of the filter 100.
  • the buffer layer 140 may be, for example, a dielectric spacer.
  • the buffer layer 140 may be the first or second materials 134 and 137.
  • the buffer layer 140 is the second material 137
  • the second material 137 is applied to the entire patterned area of the first material 134 to fill the gap of the first material 134.
  • the gap of the first material 134 may be filled by spin coating, and may be widely applied to the upper surface of the second material 137. In this case, it is also possible to perform the planarization work separately.
  • 4 through 7 are flowcharts illustrating a method of manufacturing an optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • the first reflection layer 120 is formed on the substrate 101.
  • the first reflective layer 120 is composed of a thin metal thin film such as Ag, Au, Al, Cr, Mo having transflective characteristics, or a distributed Bregg reflective film composed of a periodic multilayer structure of a high refractive index dielectric layer and a low refractive index dielectric layer. It may be (Distributed Bragg Reflectors, DBR) as described above.
  • the substrate 101 may use a transmissive substrate, and the transmissive substrate may be glass or polymer.
  • the light transmissive film is preferably composed of a transparent or semitransparent polymer having appropriate adhesive force and shock absorbency.
  • polystyrene PS
  • expandable polystyrene EPS
  • polyvinyl chloride PVC
  • styrene acrylonitrile copolymer SAN
  • polyurethane PU
  • PA Polyamide
  • PC Polycarbonate
  • Acrylic resin Acrylic Resin
  • epoxy resin EP: Epoxy Resin
  • silicone resin Silicone Resin
  • unsaturated polyester UP: Unsaturated Polyester
  • the first material 134 is deposited on the first reflective layer 120 and patterned.
  • the method may be performed by photolithography, e-beam lithography or nanoimprint lithography.
  • the first material 134 is entirely deposited and the photosensitive photoresist is deposited thereon, as shown in FIG. 3B, and then the photosensitive resist is selectively opened using light. Thereafter, the first material 134 is patterned by an etching process.
  • a nanoimprint process after depositing the first material 134, a resin layer is applied thereon, a pattern is imprinted using an imprint apparatus, and then the first material 134 is patterned by etching. do.
  • a second material 137 is formed on the entire surface including the patterned first material 134 and the first reflection layer 120.
  • the manner of forming the second material may be by spin coating or vapor deposition.
  • the second material 137 After forming the second material 137, further comprising planarizing the top surface of the second material 137 to facilitate the formation of the second reflective layer 110 or to improve the properties of the optical filter. Can be.
  • the optical filter is completed by forming the second reflective layer 110 on the entire structure on which the second material 137 is formed.
  • the second reflective layer 110 may be formed of a thin metal thin film such as Ag, Au, Al, Cr, Mo, or the like, or may have a high refractive index dielectric layer and a low refractive index dielectric layer thin film layer. It may be distributed Bragg reflectors (DBR) having a periodic multilayer structure.
  • DBR distributed Bragg reflectors
  • FIG 8 and 9 are plan views of dielectric regions of two-dimensional optical filters according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 illustrates that the first material 234 of the two materials 234 and 237 has a circular shape, and the second material 237 has a shape surrounding the circular shape.
  • 9 shows that the first material 334 of the two materials 334 and 337 has a quadrangular shape and the second material 337 has a shape surrounding the quadrangular shape.
  • the adjustment of the wavelength for the variable filter configuration is achieved by configuring at least two regions in which the relative volume ratios of the two materials disposed alternately are different from each other.
  • the first material is illustrated as a circle and a quadrangle, the first material may have a structure such as a circle, a square, a hexagon, and an octagon. That is, as long as two or more regions having different relative volume ratios between the first and second materials 234 and 237 can be configured, various kinds are not particularly limited.
  • planar arrangement of the first material has a periodic lattice structure, and various lattice structures may be applied in addition to the square lattice shown in FIG. 8 or the square lattice shown in FIG. 9.
  • FIG. 10 illustrates a cross-sectional view of other optical filters in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the buffer layer 140 formed on the dielectric region 130 is formed of the same material as the first material or the second material.
  • the buffer layer 140 employs a material different from the first material or the second material.
  • the buffer layer 140 may be, for example, a dielectric spacer.
  • the buffer layer 140 is illustrated as a material completely different from the first material or the second material in FIG. 10, in some embodiments, a portion of the first material or the second material remains as the buffer layer and is formed on top of the material. It is also possible to configure the buffer layer 140 with a material different from the first material or the second material. According to the configuration of FIG. 10, the width of selecting the buffer layer 140 may be increased.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of still another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • the buffer layer 140 formed above the dielectric region 130 is present.
  • the buffer layer 140 is a dielectric region. The case where it exists not only in the upper side but also in the lower side of 130 is shown.
  • the upper buffer layer and the lower buffer layer may be the same material or different materials.
  • each of the upper and lower buffer layers may be the same as or different from the first material, and may be configured to be the same or different from the second material.
  • FIGS. 12 to 19 show simulation results of an optical filter having a one-dimensional structure
  • FIGS. 12 and 13 show an optical filter structure having a two-dimensional planar structure.
  • FIG. 12 shows the structure of the optical filter on which the present simulation is performed
  • the graphs of FIGS. 13 to 15 show the transmission band simulation results calculated for the linear grating structure to show the operation of the filter according to the present invention.
  • the lattice period is 200 nm
  • the thickness of the dielectric region layer is calculated by assuming that the thickness of FIG. 13 is 60 nm, FIG. 14 is 100 nm, and FIG. 15 is 150 nm.
  • the refractive index of the low refractive index material was assumed to be 1.38 and that of the high refractive index material was 2.7.
  • the upper and lower reflective layers used a 20 nm thick Ag layer having semi-transmissive properties. It can be seen that as the thickness of the dielectric region layer increases, the entire wavelength band in which the transmission band is formed moves to the long wavelength region.
  • the calculated results show the change in transmission band when the width of the low-refractive index nanostructure is increased at intervals of 20 nm from 50 nm to 150 nm with the period fixed at 200 nm. It can be seen that as the filling rate of the high refractive index nanostructure increases, the center wavelength of the transmission band moves to the long wavelength region.
  • the half band width of the transmission band is wide and the transmittance is less than the limit, but when used as a DBR layer, it is very similar to the linear variable filter technology in which the thickness is changed in the longitudinal direction. A narrow half width and high transparency can be achieved.
  • FIGS. 16 to 17 show simulation results of a structure in which a lower buffer layer is inserted into the basic structure of FIG. 12.
  • FIG. 16 shows a transmission band curve when the buffer layer having a refractive index of 1.38 and a thickness of 50 nm is inserted and calculated under the dielectric region layer in the structure of FIG. 12 having a thickness of 60 nm.
  • FIG. 17 shows changes in the transmission band curve when only the lower buffer layer thickness is increased to 100 nm under the conditions of FIG. 18. As the buffer layer is inserted, the transmission band band moves to the long wavelength region as a whole, and the extent thereof is proportional to the thickness of the buffer layer.
  • FIG. 18 is a simulation result of a structure in which an upper buffer layer and a lower buffer layer are inserted into the basic structure of FIG. 12.
  • FIG. 18 shows a transmission band spectrum when a buffer having a refractive index of 1.38 in the structure of FIG. 12 is applied to the upper and lower portions, respectively, at a thickness of 50 nm.
  • the center wavelength of the transmission band is shifted to a longer wavelength region compared to the case where only the lower buffer layer of FIG. 17 is increased to 100 nm, and the out-of-band removal characteristic is also improved.
  • FIG. 19 illustrates a simulation result of a structure in which an upper buffer layer is inserted into the basic structure of FIG. 12.
  • FIG. 19 shows a transmission band spectrum when a buffer having a refractive index of 2.7 and a thickness of 50 nm is applied to the top of the dielectric region in the structure of FIG. 12. The red shift of the entire transmission band also occurs due to the insertion of the upper buffer layer.
  • FIG. 20 and 22 show an optical filter structure in which the planar structure is two-dimensional.
  • FIG. 20 shows calculation results of a filter structure in which a low refractive index nanostructure forms a hexagonal lattice structure and a high refractive index material surrounds a periphery thereof.
  • the dielectric region 130 has a thickness of 100 nm, and the period of the hexagonal lattice structure is fixed at 200 nm when the diameter of the low refractive index nanostructure in the form of a spherical pillar increases from 50 nm to 150 nm.
  • the change of transmission band is shown.
  • FIG. 21 shows the spectrum when only the thickness of the dielectric region is increased to 150 nm in the structure of FIG. 20.
  • the transmission band is formed as a red piece, and the insertion of the buffer layer facilitates the expansion of the control range.
  • FIG. 22 shows a transmission band spectrum when a dielectric layer having a refractive index of 1.38 is inserted into a lower buffer layer in a structure of FIG. 20 with a thickness of 50 nm.
  • FIG. 23 shows calculation results when a dielectric layer having a refractive index of 2.7 and a thickness of 50 nm is inserted into the filter structure of FIG. 20 as an upper buffer layer.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of still another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • the optical filter of FIG. 24 has a structure in which a separate reflective layer is further inserted between dielectric regions.
  • the optical filter of FIG. 12 includes a lower structure including reflective layers and a dielectric region therebetween, and an upper structure including reflective layers and a dielectric region. That is, the optical filter of FIG. 12 has a double resonant cavity structure or an induced transmittance filter structure. Description of each layer is the same as the above-described configuration, detailed description thereof will be omitted to avoid duplication.
  • each of the reflective layers may be made of a DBR reflective layer.
  • the optical filter of the present invention includes the first and second reflection layers 710 and 620 and the dielectric regions 730 and 630, and a separate intermediate reflective layer 610 is inserted therein. a, b, and c denote filter regions.
  • 25 and 26 are simulation data comparing the single resonant cavity structure and the double resonant cavity structure of the present invention.
  • the upper and lower reflective layers employ a 30 nm thick Ag layer, and the dielectric layer cavity is formed to a thickness of 100 nm.
  • the upper and lower dielectric regions in the double resonant cavity structure were each formed to a thickness of 100 nm and the intermediate reflective layer was formed to be a 70 nm thick Ag layer.
  • Simulation data show that the introduction of the double-resonant cavity structure of the metal-dielectric-metal layer reduces the line width of the transmission band, improves the squareness of the band, and improves out-of-band rejection. have.
  • FIG. 27 is a simulation result showing an inductive transmission effect with a structure in which a metal layer is inserted between dielectric regions in a Fabry-Perot filter having a DBR.
  • the center dielectric-metal-dielectric layer except for the upper and lower DBR reflection layers consisting of a high refractive index layer and a low refractive index layer having a quarter-wave condition has an optical impedance matched thickness to minimize reflection in the band. Is designed.
  • the intermediate reflective layer was formed to have an Ag 80 nm thickness and the reflective layers on both sides were formed of DBR reflective layers.
  • the dielectric region layer has a top and bottom symmetrical structure and its thickness was determined to be 100 nm. Induced transmittance effects can be expressed, very sharp and narrow transmission bands can be formed, band squareness is improved, and excellent out-of-band rejection characteristics are achieved. Again, it can be seen that the center wavelength of the transmission band can be continuously shifted in red according to the refractive index control of the upper and lower dielectric region layers adjacent to the intermediate reflective layer.
  • the optical filter of FIG. 28 is a structure in which a separate buffer layer is added to the optical filter structure of FIG. 24.
  • Buffer layers 840 and 940 may be added between the reflective layer and the dielectric region.
  • the buffer layer has an effect of shifting the wavelength variable range.
  • the buffer layer is effectively applied to maintain the same optical thickness (refractive index x physical thickness) to each of the upper structure and the lower structure as shown in the example of FIG. If the optical thicknesses are the same, the buffer layer may be disposed at the upper end of the upper and lower dielectric region layers as shown in FIG. 16 or vice versa at the lower end of the upper and lower dielectric region layers. It is also possible to arrange the mirror symmetry around the intermediate reflective layer 810.
  • the buffer layer may be disposed both above and below the dielectric region of the upper and lower structures.
  • FIG. 29 and 30 are simulation data comparing a structure in which a buffer layer is added to a double resonant cavity structure using upper and lower metal reflecting films of the present invention.
  • FIG. 29 shows transmission band spectra of equally inserted 50 nm thick dielectric buffer layers having a refractive index of 1.5 at upper ends of upper and lower dielectric regions in the FIG. 26 structure.
  • the placement effect of the buffer layer shows that the transmission band center wavelength moves to the long wavelength region as a whole.
  • the refractive index of the dielectric region layer is increased from 1.5 to 2.0, it can be seen that the transmission band center wavelength also continuously shifts in red color.
  • FIG. 30 shows simulation results comparing the shapes of transmission band spectra in a single resonant cavity structure having a buffer layer inserted therein and a double resonant cavity structure. Insertion of the buffer layer has the effect of shifting the center wavelength of the transmission band, as in the case of the absence of the buffer layer it can be seen that the half width in the double resonant cavity structure is greatly reduced, the squareness is improved.
  • 31 is a sectional view of still another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • the first material 134 is composed of two materials, 134a and 134b stacked vertically.
  • two materials 134a and 134b are successively deposited on the reflective layer 120 and two layers are selectively etched at a time in a post-process, or two materials are formed in a photoresist pore structure formed through pre-patterning. This can easily be achieved by successive deposition and lift-off processes.
  • three or more dielectric regions are configured, it is effective to bring more flexibility in controlling the operating wavelength.
  • the wavelength of the light passing through the optical filter 100 of the present invention is controlled by the optical thickness of the dielectric region layer composed of the first and second materials 134 and 137.
  • the effective refractive index responsible for the variable control of the optical thickness of the dielectric region layer is determined by the geometric distribution and the relative volume fraction between the first and second materials 134 and 137.
  • the first material is made of a material having different refractive indices, it is possible to extend the control range of the effective refractive index, and as a result, the optical thickness control of the dielectric region layer is more convenient.
  • FIG. 31 illustrates a case in which the first material 134 is composed of two materials, 134a and 134b, which are vertically stacked, but also when the first material 134 is stacked in two or more vertically. It is also possible and composed of two or more materials horizontally. However, when multiple layers are formed horizontally, it may be a finer pattern when forming a nano pattern, so it is effective to use such a case when the problem can be minimized.
  • the second material 137 may also be stacked in two or more vertically, or may be composed of two or more materials horizontally.
  • FIG. 32 is a cross-sectional view of still another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • the optical filter of the present invention may include an antireflective coating layer 153 and / or a broadband transmission band filter 152.
  • an adhesive layer or a diffusion barrier layer may be further provided between the first and second reflection layers 110 and 120 and the first and second materials 134 and 137.
  • the antireflective coating layer 153 is a configuration that can be employed to reduce the amount of light that is reflected from the outside to the optical filter and disappears to the outside.
  • the wideband transmission band filter 152 is a component that can play an effective role of adjusting a required wavelength band of light incident on the optical filter.
  • the antireflective coating layer may be used by forming on a different surface than the surface on which the filter is formed on a separate transparent substrate on which the optical filter of the present invention is formed.
  • 33 is a sectional view of another optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • the optical filter region 100e has a form in which a buffer layer 140 is provided below the dielectric region 130.
  • the buffer layer 140 is formed on the upper side and the lower side of the dielectric region 130, and the optical filter area 100g has the buffer layer (the upper and lower sides like the optical filter area 100f).
  • Each of the 140 layers is provided, but some of the buffer layers 140 may be formed to have different thicknesses.
  • the thickness of the upper buffer layer may be different from each other without the lower buffer layer 140.
  • the a, b, and c regions that filter different wavelength regions of the optical filter region 100e are illustrated as having a buffer layer 140 formed under the dielectric region 130. It is also possible to form different buffer layers, such as optical filter regions 100e, 100f, 100g.
  • the optical device includes respective filter regions a, b, and c and photodetectors PD1, PD2, and PD3 corresponding thereto.
  • FIG. 34 illustrates a structure in which a structure such as a transparent substrate is not inserted between the filter regions a, b, and c and the photodetectors PD1, PD2, and PD3.
  • a structure such as a transparent substrate may be formed. It is also revealed.
  • the photodetectors perform a function of detecting light corresponding to a wavelength band from each light-transmitting area, and perform generally known functions such as changing an amount of light detected through various electric circuit parts, electrodes, and the like into an electric signal.
  • the optical filter of the present invention may be formed on the transparent substrate and manufactured as a separate optical filter module (see FIG. 7).
  • the transparent substrate may be used as long as it is a transparent material in the operating wavelength, and may be glass or polymer.
  • the light transmissive film is preferably composed of a transparent or semitransparent polymer having appropriate adhesive force and shock absorbency.
  • Such an optical filter module may be manufactured in a form in which the photodetector is not directly used to attach to the photodetector in actual use or to attach the optical filter module to the photodetector in manufacturing the finished product.
  • the optical filter module may be used by combining the optical filter module in front of the lens of the camera.
  • 35 is a conceptual diagram of a one-dimensional spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • a spectrometer 10000a including a filter array 1000a composed of M filter regions 100 and a photodetector 2000a composed of M optical detection units 500 is shown.
  • the period of each optical filter may be determined to match the period of the light detection unit 500 of the combined one-dimensional linear array photodetector or to match the size of the plurality of light detection unit 500 groups. That is, the coupling between the filter and the photodetector pixels can be 1: 1 or 1: multi coupling.
  • the array photodetector combined with the filter array acts as a spectrometer via a mathematical digital signal processing algorithm. Assuming an ideal filter with delta function characteristics, the resolution is simply equal to the operating wavelength range of the spectrometer divided by the number of filters. Therefore, there is a limit that the number of filters required for the high resolution operation also increases greatly in proportion thereto.
  • the optical filter according to the present invention is a non-ideal filter defined by the Lorentz function, and has a characteristic that the half width of the transmission band is determined according to the design of the upper and lower reflective layers.
  • the use of the metal reflecting layer generally has a larger half width than the dispersed BRE reflecting film, and the lower the reflectivity of the metal reflecting layer or the smaller the period number of unit combinations of the low refractive index layer and the high refractive index layer constituting the DBR reflecting layer, The width tends to increase.
  • the signal recovery principle in a spectrometer based on a non-ideal filter array can be mathematically explained using FIG. 35. If the spectrum of the object to be analyzed is s ( ⁇ ), the permeation function of each filter is f i ( ⁇ ), and the sensitivity of the photodetector is d i ( ⁇ ), the spectrum of the object passes through the filter to the photodetector.
  • the detection signal r i generated when it arrives is expressed by the relational expression (1) below, and it can be developed by the determinant such as the expression (2) when represented as a discretized model.
  • Equation (2) results in an ill-posed problem because the number of filters (M) is smaller than the wavelength sampling number (N). Since there is no explicit inverse of D ( ⁇ ) with M ⁇ N (M ⁇ N) size, pseudo inverse can be used to recover the spectral signal, but it is very susceptible to small fluctuations or system noise. Results in unstable results.
  • the regularization technique is used to obtain more effective and numerically stable solutions.
  • the most representative method is Tikhonov regularization. This method minimizes the sum of residual norm and side constraint norm as shown in equation (3). It is a technique for restoring the spectrum of the object to be analyzed by determining.
  • a is a regularization factor that determines the weight of side constraint minimization versus minimization of residual norm, and there is an optimal value to obtain a robust solution.
  • Singular value decomposition (SVD) and L-curve analysis can be used to adapt the system to determine the optimal regularization factor for itself and to enable real-time spectrum recovery.
  • the signal restoration algorithm is not limited to the illustrated regularization technique and can be applied to various techniques.
  • L-curve method Solve the Tikhonov regularization equation and substitute this residual norm And Solution norm After substituting in and plotting on the axis of log scale, it is most suitable for obtaining L-curve-shaped graph. This is how to take the corner of L-curve as the value.
  • the method of calculating corner values is to take the log scale values of residual norm and solution norm as variables and determine a with the smallest radius of curvature. So obtained Assign the value back to Tikhonov regularization By recovering the object spectrum can be restored.
  • 36 shows an example of L-curve method calculation performed to determine an optimal a value using the L-curve method
  • FIG. 23B shows the curvature (right) of L-curve (left) and L-curve function.
  • the corner value is determined by the value a (where ⁇ ) with the maximum curvature.
  • the Savitzky-Golay filter is a smoothing technique that makes a waveform of a series of data containing noise into a smooth waveform without noise, without compromising the tendency of the original signal. It is a filter that finds the difference polynomial by the least-squares method and determines the data value at that point.
  • the Savitzky-Golay filter applies moving average by weighting data close to the tendency of data and weighting away data from far distance.
  • FIG. 23C is a graph showing a calculation result showing the application of a Savitzky-Golay filter for reducing system noise in the filter system and the improvement of signal restoration performance accordingly.
  • the present inventors have found that in the restoration of the spectral spectrum, the transmission spectrum of each filter, that is, the filter functions, can reduce the error rate when forming an appropriate overlap. This will be described.
  • FIG. 37 is a conceptual diagram illustrating an overlap situation of filter functions of respective filters in a spectroscope according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 40 is a half of a Gaussian function as a filter function in a spectrometer according to an embodiment of the present invention
  • 41 is a graph illustrating a calculation of an overlap factor according to a width
  • FIG. 41 is a simulation graph of calculating a signal restoration error value (%) according to overlap of a filter function in a spectroscope according to an embodiment of the present invention.
  • the overlap factor that is, the overlap factor
  • the overlap factor is defined as the value of the transmittance or reflectance at the point where the spectra of two adjacent filter functions intersect divided by the maximum transmittance or reflectance of the filter function and the resulting signal recovery error value.
  • the change of was evaluated.
  • the overlap factor was adjusted by increasing the half width of the filter function while the number of filters was fixed. It can be seen that the signal restoration error value is greatly increased when the overlap between two adjacent filters is lowered to some extent.
  • FIG. 42 illustrates an object spectrum according to a half width of a filter function and a spectrum reconstructed through digital signal processing, assuming that a Gaussian filter is used in the spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • the spectral restoration degree is improved.
  • the number of filters is 20
  • the interval between filters is 30 nm
  • the original spectral half width is 100 nm
  • the Peak to Peak value is 150 nm.
  • the overlap value was changed while increasing the half width of the filter function (1 nm to 100 nm, pitch 1 nm).
  • the overlap value is defined as Ip / Imax.
  • Imax represents the maximum intensity of the filter function
  • Ip defines the strength of the filter function at the point where the two filter functions meet each other (see FIG. 39).
  • the error value ERROR is defined by the following equation. norm () is a function of the magnitude of a vector in linear algebra.
  • ERROR 100 * (norm (receovered signal-Original Signal) / norm (Original signal)
  • the half width FWHM at this time is about 25 nm. Referring to FIG. 25A, it can be seen that an error value rapidly changes in the vicinity of ⁇ 5 nm starting from around 25 nm of the full width.
  • the preferable lower limit of overlap is considered.
  • the range of error values is preferably less than about 30%. More preferably, it is less than 10%. Therefore, in terms of overlap, the preferred overlap is 0.2 or more and more preferably 0.4 or more.
  • the preferable upper limit of the overlap will be described.
  • the overlap is preferably as high as possible if the spectra between adjacent filters exceed the noise signal level and are not distinguishable from one another. At this time, the number of filters may be greatly increased, and there may be a process limitation due to a slight difference in structural factors between adjacent filters. Therefore, it is preferable that the structural factor difference between adjacent filters is not set to 1 nm or less and thus have an upper limit of overlap.
  • the filter function of each filter can reduce the error rate when forming an appropriate overlap is not limited to the shape or type of the filter, and various applications are possible.
  • the present invention can be applied to various embodiments of the present invention described below with reference to FIG. 1, and can also be applied to a generally known plasmonic filter.
  • the present invention when the filters of each wavelength band are introduced and integrated to analyze the spectrum of a wider band, the present invention relates to a technology capable of reducing an error rate and securing an appropriate number of filters when overlapping filters are in a certain range.
  • FIG. 43 is a conceptual diagram illustrating a two-dimensional spectrometer of the present invention.
  • An example is shown in which the spectrometer 10000b is configured through a two-dimensional coupling between the filter array 1000b and the photodetector 2000b.
  • the spectrometer 10000a of the one-dimensional coupling it is advantageous for integration, and it is advantageous for coupling with the conventional CMOS image sensor.
  • the spectrometers 10000a and 10000b allow the output of intensity information for light of a specific wavelength band where the center wavelength is moved little by little in one direction of the filter by passing the light.
  • 44 and 45 are conceptual views of image sensors according to an exemplary embodiment of the present invention. 44 and 45 correspond to the fabrication structure of the CMOS image sensor of the FIS method and BIS method, respectively. Color filters such as R, G, and B are essentially added to the structure of the image sensor. The optical filter of the present invention can be applied to R, G, B of such a CMOS image sensor.
  • an isolation region 405 is present between the photodetection regions 406, and various electrode lines 403 are formed in the intermediate dielectric region 402.
  • R, G, and B filter regions are formed thereon, and a microlens 401 is formed thereon corresponding to each of the R, G, and B filter regions.
  • various electrode lines 508 are formed in the dielectric region 507.
  • An isolation region 405 is present between the photodetection regions 406.
  • R, G, and B filter regions are formed on the photodetection regions 406, and microlenses 501 are formed on the R, G, and B filter regions.
  • FIG. 46 is a conceptual diagram of a filter array including a hyper-spectral image sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 46 is a view illustrating a unit pixel of a CMOS image sensor and a part of unit pixels of a hyperspectral image sensor.
  • Hyper-spectral image sensors are devices that sense several (comparatively narrow) wavelength parts or wavelength bands of the total hyper-spectrum emitted or absorbed from an object. It is known that the wavelength band to be measured or observed is narrow by using the principle of a general spectrometer.
  • the hyper-spectral image sensor can be used in combination with a CMOS image sensor.
  • the areas labeled R, G, and B refer to color filters for filtering RGB of the CMOS image sensor
  • the area labeled H refers to a filter area for sensing a hyperspectral image.
  • the H filter region for example, a narrow region of the infrared region is designated so that hyperspectral data different from R, G, and B can be secured in this filter region.
  • optical filter described above is not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but the embodiments may be configured by selectively combining all or some of the embodiments so that various modifications can be made.

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Abstract

본 발명은 제1 반사판과 제2 반사판, 상기 제1 반사판 및 상기 제2 반사판 사이에 게재되며, 굴절율이 서로 상이한 적어도 2개의 물질이 배치되는 유전체 영역, 및 상기 제1 및 제2 반사판 중 적어도 하나와 상기 유전체 영역 사이에 설치되는 버퍼를 포함하되, 상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 영역이 적어도 2곳 존재하는 필터를 제공한다.

Description

광학필터 및 이를 이용한 광학 디바이스
본 발명은, 광학 필터에 관한 것으로, 비교적 단순한 소형 구조로 투과 중심 파장을 제어하는 광학 필터 및 이를 이용한 광학 디바이스에 관한 것이다.
종래의 선형가변필터(Linear Variable Filter, LVF)는 일종의 파브리-페롯 공진기 구조의 광학필터로서 길이방향으로 유전체 공진층의 두께가 선형적으로 가변되는 구조로 이루어진다. 선형가변필터에는 유전체 공진층을 사이에 두고 하부 거울층과 상부 거울층이 각기 위치된다.
종래의 선형가변필터는, 길이방향으로 두께가 가변되는 선형구조로 인해 공정 재현성에 한계가 있었다. 또한, 종래의 선형가변필터를 이용한 분광계의 해상도는 선형가변필터의 높이 대 길이비로 결정되기에 분광계 소자를 소형화하는데 어려움이 있었다. 특히, 선형구조로 인해 2차원 이미징 센서기술과의 공정적합성이 부족하여 생산성 측면에서 불리하였다.
선형가변필터 위치별 투과스펙트럼이 연속적인 스펙트럼의 중첩으로 이루어지고, 선형가변필터와 광검출기 간의 집적화가 모놀리식(monolithic)하지 못하기 때문에 필터와 광 검출기들 어레이 사이에 거리가 존재하였으며, 이에 따른 미광(stray light) 효과로 인해, 필터성능이 저하되는 단점이 존재하였다.
또한, 미국 특허 US 5,726,805에는, 유전체 층을 포함하는 평면의(planar) 광학필터가 개시되어 있다. 해당 특허에 의하면, 광학필터는 반사층과 유전층을 포함하는데, 유전층에는 주기적인 구조체가 형성되어 있으며, 주기적인 구조체에는 도랑(trenches) 또는 그루브가 구비되어 있다.
그러나, 이 방식에 의하면 기판을 서로 붙이는 구조로 제작하고 있어 그 제작이 난해하여 비용이 과다하게 소모될 위험이 있고 중심 파장의 조절도 용이하지 않은 문제점이 있었다.
본 발명의 일 목적은, 소형화된 구조의 광학 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 공정 재현성을 향상함으로써 생산성을 증대시킬 수 있는 광학 필터 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 광검출기와의 일체화 및 집적화를 용이하게 하고, 필터와 검출기 어레이 간의 거리를 최소화하여 미광(stray light) 효과를 방지하고, 파장가변범위와 밴드외 제거능과 같은 성능을 향상시키는 광학 필터 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면은 서로 이격 분리된 제1 반사층과 제2반사층; 상기 제1 반사층 및 상기 제2반사층 사이에 게재되며, 굴절율이 서로 상이한 적어도 2개의 물질이 교대로 배치되는 유전체 영역; 및 상기 제1 및 제2반사층 중 적어도 하나와 상기 유전체 영역 사이에 배치되는 버퍼층을 포함하되, 교대로 배치된 상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 필터영역들이 적어도 2곳 존재하는 광학필터를 제공한다.
바람직하게는, 상기 2개의 물질은 서로 교대로 배치되고, 상기 2개의 물질의 상대적인 너비 비율이 서로 상이한 필터영역들이 적어도 2곳 존재할 수 있다. 2개의 물질 한 쌍의 너비는, 상기 필터 내부에서 투과되는 빛의 파장 보다 작을 수 있다.
서로 인접한 상기 2개의 물질 한 쌍은, 서로 인접한 2개의 다른 물질 한 쌍들 각각과 일 방향으로 같은 너비를 갖도록 이루어지거나, 상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 필터영역들은 평면적으로 2개 이상의 방향인 것이 바람직하다.
한편, 상기 유전체 영역의 중심영역에 상기 반사층들과 평행한 중간반사층이 더 추가될 수 있다. 이 경우, 광학필터는 중간반사층을 기준으로 상부 구조체, 하부 구조체 2개의 이중 공진 캐비티를 구비하는 구조가 된다. 이 경우, 상부 구조체 또는 하부 구조체 각각은 버퍼층을 구비하는 것도 가능하고 구비하지 않는 것도 가능하다. 즉, 제1, 제2반사층, 및 중간 반사층 중 적어도 하나와 상기 유전체 영역 사이에 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 영역은 서로 다른 파장을 통과시키는 필터영역들을 구비하고, 상기 광학필터는 서로 이격 분리된 제1 반사층과 제2반사층; 상기 제1 반사층 및 상기 제2반사층 사이에 게재되며, 굴절율이 서로 상이한 적어도 2개의 물질이 교대로 배치되는 유전체 영역; 및 상기 제1 및 제2반사층 중 적어도 하나와 상기 유전체 영역 사이에 배치되는 버퍼층을 포함하되, 교대로 배치된 상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 필터영역들이 적어도 2곳 존재하고, 상기 필터영역들 각각에 대응하여 광검출기가 구비되는 광학 디바이스를 제공하는 것이다. 광학 디바이스는 분광기, CMOS 이미지센서, 또는 하이퍼스펙트라 이미징 디바이스일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 투과성 기판; 및 상기 투과성 기판의 상부에 상술한 광학필터를 구비하여 별도의 모듈형태로 조립된 광학디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 광학 필터 구조는, 2개 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 영역이 적어도 2곳 존재하도록 하는 유전체 영역을 포함함으로써, 소형화될 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 필터 구조는, 공정 재현성을 향상함으로써 생산성을 증대시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 광학 필터 구조는, 서로 나란한 제1 및 제2반사판 및 이들 사이에 2개의 물질이 배치되는 유전체 영역을 포함하여, 광검출기와의 일체화(monolithic) 및 집적화를 용이하게 하고, 필터와 검출기 어레이 간의 거리를 최소화하여 미광(stray light) 효과를 방지하고, 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 필터의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 유전체 영역의 평면도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광학 필터를 제조하는 방법을 도시하는 순서도들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차원 광학 필터들의 유전체 영역의 평면도들이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
먼저, 도 12 내지 도 19은 일차원 구조의 광학필터의 시뮬레이션 결과를 도시하고 도 20 및 도 22은 평면구조가 이차원인 광학 피러 구조를 도시하고 있다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
도 25와 도 26은 본 발명의 단일 공진 캐비티 구조와 이중 공진 캐비티 구조를 비교한 시뮬레이션 자료들이고, 도 27은 DBR을 갖는 이중 공진 캐비티 구조를 비교한 시뮬레이션 자료들이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
도 29와 도 30은 본 발명의 이중 공진 캐비티 구조에 버퍼가 추가된 구조를 비교한 시뮬레이션 자료들이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학필터의 단면도이다.
도 34은 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스의 예를 도시하고 있다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 분광기의 개념도이다.
도 36은 L-curve 분석법에서 최적 a값 결정위한 L-curve 분석법 계산 예를 나타내고 있고, 도 37은 L-curve (좌)와 L-curve 함수의 곡률 (우)를 도시하고 있으며, 도 38은 필터시스템에서 시스템 잡음 저감을 위한 Savitzky-Golay 필터 적용과 이에 따른 신호복원능 향상을 보여주는 계산결과를 나타내는 그래프이다.
도 39는 본 발명의 실시예에 따른 분광기에서, 각 필터의 필터함수의 오버랩 상황을 도시한 개념도이고, 도 40은 본 발명의 실시예에 따른 분광기에서, 필터함수의 반가폭에 따른 오버랩 함수를 계산한 시뮬레이션 그래프이고, 도 41은 본 발명의 실시예에 따른 분광기에서, 필터함수의 오버랩에 따른 에러값(%)을 계산한 시뮬레이션 그래프이다,
도 42는 본 발명의 실시예에 따른 분광기에서, 반가폭에 따른 파장별 ORIGINAL 신호와 RECOVERED 신호를 도시하고 있다.
도 43은 본 발명의 2차원 분광기를 도시한 개념도이다.
도 44 및 도 45는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서들의 개념도들이다.
도 46은 본 발명의 실시예에 따른 하이퍼-스펙트럴 이미지센서가 포함된 필터 어레이의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일차원 광학 필터의 종단면도이고, 도 2는 도 1의 유전체 영역의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 광학필터(100)의 구조에 대하여 서술한다.
본 발명의 광학 필터(100)는, 제1 및 제2반사층(110, 120), 유전체 영역(130) 및 버퍼층(140)을 포함한다. 제1 및 제2반사층(110, 120)은 광학필터(100)의 양 측면을 형성할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2반사층(110, 120)은 일 방향과 나란하게 배치되도록 일차원 형으로 설치될 수도 있고, 2차원 광학 필터(100)를 구성하는 것도 가능하다.
버퍼층(140)은 제1 및 제2반사층(110, 120) 중 적어도 하나와 유전체 영역(130) 사이에 설치된다. 즉, 유전체 영역(130)의 상측 및 하측 중 적어도 하나에 설치되고, 유전체 영역(130)과 버퍼층(140)은 제1 및 제2반사층(110, 120) 사이에 게재된다.
버퍼층(140)은 유전체 영역(130)과 함께 광학적 공진 cavity (optical resonance cavity)로서 작용한다. 버퍼층(140)의 존재는 광학적 공진 cavity의 유효두께를 증가시킴으로써 유전체 영역층(130)의 두께를 작게 유지하면서도 광학필터(100)의 투과밴드 중심파장을 장파장 영역으로 이동시키는 효과를 가져온다. 유전체 영역층(130)만을 이용해서 광학적 공진 cavity를 구성할 경우, 동작파장보다 충분히 작은 크기의 간격주기를 갖고 서로 상이한 굴절률을 갖는 두 물질간의 조합으로 이루어진 유전체 영역층(130)에서 어느 한 물질을 채우기 위한 종횡비가 과도하게 증가하는 조건이 발생하여 공정상 어려움을 겪게 된다. 따라서, 버퍼층(140)의 존재는 유전체 영역층(130)의 두께를 작게 유지하면서도 파장 가변범위를 효과적으로 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
제1 및 제2반사층(110, 120)은 각각 반투과 특성을 갖는 얇은 금속박막으로 구성되거나 고굴절율 유전체 영역 층과 저굴절율 유전체 영역 박막층의 주기적 다층구조로 이루어진 분산 브레그 반사막(Distributed Bragg Reflectors, DBR)일 수 있다.
이하, 유전체 영역(130) 및 버퍼층(140)에 대하여 서술한다.
유전체 영역(130)은 제1 및 제2반사층(110, 120) 사이에 설치되는데, 굴절율이 서로 상이한 적어도 2개의 물질(134, 137)로 배치된다. 유전체 영역(130)을 형성하는 2개 물질(134, 137)의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 영역이 적어도 2곳 존재한다.
유전체 영역(130)을 형성하는 2개의 물질(134, 137)은 서로 교대로 배치될 수 있다. 한편으로는 유전체 영역(130)은 일 방향을 따라서 2개의 물질(134, 137)의 상대적인 너비 비율이 서로 상이한 영역이 적어도 2곳 존재하도록 이루어질 수 있다. 이러한 구조가 1차원적인 광학필터 구조가 된다(도 2 참조).
도 1을 참조하면, 투과되는 빛의 중심 파장이 가변되는 영역은 a, b, c의 3개 영역으로 도시되어 있다. 이 경우, a, b, c의 3개 영역은 2개의 물질(134, 137)이 동일 주기에서 서로 다른 2개의 물질(134, 137)이 교대로 배치됨에 있어, 2개의 물질(134, 137)의 상대적인 너비 비율이 3개의 영역에서 각각 상이하다. 이러한 구조로 인해, a, b, c의 3개 영역은 제1 및 제2반사층(110, 120) 사이에서 투과되는 빛의 파장이 다르게 된다.
좀 더 상세히 설명하면, 도 2의 일 방향은 유전체 영역(130)의 길이 방향인 좌우로 연장되는 수평 방향을 말한다. 유전체 영역(130)의 굴절율이 서로 상이한 적어도 2개의 물질(134, 137)은 일 방향으로 배치된다.
한편, 유전체 영역(130)의 2개의 물질(134, 137)은 상대적인 부피 비율이 서로 같은 영역이 적어도 2곳 존재하도록 이루어질 수 있다. 가령, 일정 영역 내에서 2개의 물질이 각각 기결정된 너비로 복수회 교대로 배치되고, 다른 일정 영역 내에서 상기 2개의 물질이 각각 다른 기결정된 너비로 복수회 교대로 배치될 수 있다. 상기 2개의 물질이 다른 영역에서 서로 다른 너비를 갖더라도, 동일한 파장을 투과하는 동일 필터 내에서는 인접한 2개 물질의 너비는 일정하도록 이루어진다. 따라서, a 내지 c 영역이 도시되는데, 각각의 영역 내에서는 2개의 물질(134, 137)의 상대적 부피 비율은 일정하다. 인접한 영역에서는 2개 물질(134, 137)의 상대적 부피 비율은 상이하고, a 내지 c 영역 모두에서 인접한 2개 물질(134, 137)의 너비는 일정한 일 예가 도시된다.
유전체 영역(130)의 2개의 물질(134, 137)은 일례로, 제1 및 제2물질(134, 137)로 명명할 수 있다. 제1 및 제2물질(134, 137)은 각각 서로 다른 굴절율을 가진 유전체일 수 있다. 또한, 제1물질(134)은 상대적으로 저굴절률의 유전체일 수 있고, 제2물질(137)은 상대적으로 고굴절률의 유전체일 수 있는데 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1물질(134)이 상대적으로 고굴절률, 제2물질(137)이 상대적으로 저굴절률의 물질일 수도 있다. 저굴절률의 유전체는 일예로, 플루오린(Fluorine)계 자외선 레진(Ultraviolet Ray Resin), 스핀 온 글라스(spin on glass), 수소 실세스퀴옥산(HSQ, Hydrogen Silsesquioxane), 플루오르화마그네슘(MgF2), 플루오르화칼슘(CaF2),이산화규소(SiO2)일 수 있다. 고굴절률의 유전체는 일례로, 이산화 타이타늄(TiO2)과 같은 금속산화물(metal-oxide)일 수 있다.
즉, 본 발명의 유전체 영역(130)은 서로 상이한 굴절률을 갖는 두 유전체 영역(130)의 조합인 일종의 유효매질인 바이너리(binary) 유전체 영역(130)일 수 있으며, 제1 및 제2물질(134, 137)의 상대적 비율은 일 방향으로 점진적으로 상이할 수도 있다.
본 발명의 제1 및 제2물질(134, 137) 서로 간의 상대적 비율은, 듀티 사이클(duty cycle) 또는 충전율(fill factor)로 정의될 수 있다. 본 발명에서의 듀티 사이클 또는 충전율은 제1물질(134) 기준으로 한 쌍의 제1 및 제2물질(134, 137) 중에서 제1물질(134) 성분이 차지하는 상대적 부피 비율이 된다. 유전체 영역(130)에서 제1 및 제2물질(134, 137) 상호 간의 듀티 사이클 또는 충전율을 점진적으로 변화시킴으로써 일 방향으로 유전체 영역(130)의 굴절률이 가변되도록 하는 것이다.
광학 필터(100)를 투과하는 빛의 파장은 유전체 영역의 광학적 두께에 의해 제어된다. 광학적 두께는 물리적 두께에 굴절률을 곱한 값으로 정의될 수 있는데, 본 발명의 필터의 투과밴드 파장을 결정하는 것은 유전체 영역의 광학두께로 물리적 두께 외에 굴절률의 변화로도 중심파장을 제어할 수 있다.
한편, 제1 및 제2물질(134, 137) 한 쌍의 너비는 통과하고자 하는 필터의 파장과 관계를 가진다. 예를 들어, 제1 및 제2물질(134, 137) 한 쌍의 너비는 빛의 파장보다 충분히 작도록 이루어질 수 있으며, 이런 경우, 빛은 2개의 물질을 개별 물체로 분별하지 못하고 어떤 특정 유효유전상수로 정의되는 하나의 유효매질로 인식하게 된다. 이때, 유효매질의 광학상수는 두 물체의 기하학적 분포와 상대적 부피분율에 의해 결정된다. 유전상수의 허수항이 0에 가까운 유전체 영역(130)의 경우에 유효매질의 광학상수는 두 구성성분의 광학상수값 사이의 임의의 값을 갖게 된다.
도 1에는 유전체 영역(130)의 상측에 버퍼층(140)이 설치되는 일예가 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 상측 및 하측 중 적어도 하나에 설치될 수도 있다. 버퍼층(140)에 의해 필터(100)의 동작 파장 제어능이 확대된다. 버퍼층(140)은 일례로, 유전체 스페이서일 수 있다.
바람직한 형태에 의하면, 버퍼층(140)이 제1 또는 제2물질(134, 137)일 수도 있다. 일례로, 버퍼층(140)이 제2물질(137)인 경우, 제조 공정에서 유리한 측면이 있다. 예를 들어, 먼저 제1 물질(134)이 패터닝된 상황에서 제2 물질(137)을 제1 물질(134)의 패터닝된 영역 전체에 도포하여 제1 물질(134)의 갭을 채우게 된다. 예컨대 레진을 제2 물질(137)로 활용하는 경우, 스핀코팅 등으로 제1 물질(134)의 갭을 채우고 제2 물질(137)의 상부 표면에도 넓게 도포될 수 있다. 이 경우, 평탄화 작업을 별도로 수행하는 것도 가능하다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광학 필터를 제조하는 방법을 도시하는 순서도들이다.
도 4를 참조하면, 기판(101) 상에 제1반사층(120)을 형성한다. 제1 반사층(120)은 반투과 특성을 갖는 Ag, Au, Al, Cr, Mo 등의 얇은 금속박막으로 구성되거나 고굴절율 유전체 영역층과 저굴절율 유전체영역층의 주기적 다층구조로 이루어진 분산 브레그 반사막(Distributed Bragg Reflectors, DBR)일 수 있음은 전술한 바와 같다. 기판(101)은 투과성 기판을 사용하는 것이 가능하고, 투과성 기판은 유리 또는 고분자일 수 있다. 일례로 투광성 필름은 적절한 점착력과 충격흡수성을 가지는 투명 또는 반투명한 고분자로 구성되는 것이 바람직하다. 고분자의 구체적인 예는 비제한적으로, 폴리스티렌 (PS: Polystyrene), 발포폴리스티렌 (EPS : Expandable Polystyrene) 폴리염화비닐 (PVC: Polyvinyl Chloride), 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체 (SAN: Styrene Acrylonitrile Copolymer), 폴리우레탄 (PU: Polyurethane), 폴리아마이드 (PA: Polyamide), 폴리카보네이트 (PC: Polycarbonate) 변성 폴리카보네이트 (Modified Polycarbonate), 폴리비닐부티랄 (Poly(vinyl butyral), 폴리비닐아세테이트 (Poly(vinyl acetate), 아크릴 수지(Acrylic Resin), 에폭시 수지 (EP: Epoxy Resin), 실리콘 수지(Silicone Resin), 불포화폴리에스테르 (UP: Unsaturated Polyester) 등일 수 있으며 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1반사층(120) 상부에 제1물질(134)을 증착하고 이를 패터닝하는 작업을 수행한다. 그 방식은 포토리소그래피(photolithography), 이빔리소그래피(e-beam lithography) 또는 나노임프린트 공정(nanoimprint lithography) 등에 의해 수행될 수 있다. 포토리소그래피로 수행하는 경우는 도 3b의 경우처럼 제1물질(134)을 전체적으로 증착하고 그 위에 감광성 포토리지스트를 증착한 후, 빛을 이용하여 감광성 포트리지스트를 선택적으로 오픈하게 된다. 그 이후, 식각 공정으로 제1물질(134)을 패터닝한다. 나노임프린트 공정을 이용하는 경우, 제1물질(134)을 증착한 후, 그위에 레진층을 도포하고 임프린트 장치를 이용하여 패턴을 찍어내고 이후 식각공정을 진행하는 방식으로 제1물질(134)을 패터닝한다. 한편, 제1물질에 대한 직접적 식각공정을 이용하지 않고 사전 패턴된 포토리지스트 혹은 레진층위에 제1물질층을 증착한 후 리프트오프 공정을 통해 제1물질을 패터닝하는 것도 가능하다.
도 6을 참조하면, 패터닝된 제1물질(134)과 제1반사층(120)을 포함하는 전체 표면 상에 제2 물질(137)을 형성한다. 제2 물질을 형성하는 방식은 스핀코팅(spin coating) 또는 기상 증착(vapor deposition)에 의해 이루어질 수 있다.
제2물질(137)을 형성한 후, 제2 반사층(110)의 형성을 용이하게 하기 위해 또는 광학 필터의 특성을 향상시키기 위해 제2물질(137)의 상부 표면을 평탄화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제2물질(137)이 형성된 전체 구조물 상에 제2 반사층(110)을 형성함으로써 광학필터가 완성된다. 제2 반사층(110)도 제1반사층(120)과 마찬가지로, 반투과 특성을 갖는 Ag, Au, Al, Cr, Mo 등의 얇은 금속박막으로 구성되거나 고굴절율 유전체 영역 층과 저굴절율 유전체 영역 박막층의 주기적 다층구조로 이루어진 분산 브레그 반사막(Distributed Bragg Reflectors, DBR)일 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 광학 필터들의 유전체 영역의 평면도들이다.
설명의 편의를 위해 도 1과의 차이점을 위주로 설명하면, 도 1의 광학필터 구조는 유전체 영역(130)을 형성하는 2개의 물질(134, 137)이 서로 교대로 배치된 상황에서 일 방향을 따라서 2개의 물질(134, 137)의 상대적인 너비 비율이 서로 상이한 영역이 적어도 2곳 존재하도록 구성되어 있다. 이에 비해, 도 8 및 도 9의 이차원 광학 필터는 유전체 영역(230,330)을 형성하는 2개의 물질(234,237 ; 334,337)이 2차원적인 방향으로 변화되는 구조를 갖는다. 도 8는 2개의 물질(234, 237) 중 제1 물질(234)는 원형상을 갖고 제2 물질(237)은 원형상을 에워싸는 형상을 갖는다. 도 9는 2개의 물질(334, 337) 중 제1 물질(334)는 사각형상을 갖고 제2 물질(337)은 사각형상을 에워싸는 형상을 갖는다.
도 8 및 도 9의 광학 필터에서, 가변필터 구성을 위한 파장의 조절은 교대로 배치된 상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 영역이 적어도 2곳 존재하도록 구성함으로써 달성된다. 도 8 및 도 9 에서는 제1 물질이 원형과 사각형상을 예로 들어 도시하였지만, 원형, 사각, 육각 및 팔각 등의 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 및 제2물질(234, 237) 사이의 상대적 부피 비율이 서로 상이한 영역이 적어도 2곳 존재하도록 구성할 수 있으면 특별히 한정되지 않은 다양한 종류가 가능하다. 추가적으로 십자형태의 구조, 다각형 형상 등 다양한 형상의 채용이 가능하다.
한편, 제1물질의 평면배치는 주기적 격자구조로 이루어지며, 도 8과 같은 육모꼴격자나 도 9에 나타낸 사각격자외에도 다양한 격자구조가 적용가능하다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위해 도 1과의 차이점을 위주로 설명하면, 도 1에서는 유전체 영역(130)의 상측에 형성된 버퍼층(140)이 제1 물질 또는 제2 물질과 동일한 물질로 구성한 경우를 설명하였으나, 도 9에서는 버퍼층(140)이 제1 물질 또는 제2 물질과 다른 물질을 채용한 경우를 도시하고 있다. 버퍼층(140)에 의해 광학 필터(100)의 동작 파장 제어능이 확대된다. 버퍼층(140)은 일례로, 유전체 스페이서일 수 있다.
한편, 도 10의 도시에서는 버퍼층(140)이 제1 물질 또는 제2 물질과 완전히 다른 물질로 도시되어 있지만, 실제 구현에 있어서는 제1물질 또는 제2 물질의 일부가 버퍼층으로 잔류하고 그 상부에 제1 물질 또는 제2 물질과 다른 물질로 버퍼층(140)을 구성하는 것도 가능하다. 도 10의 구성에 의하면 버퍼층(140)을 선택하는 폭이 더 넓어지는 효과가 있을 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위해 도 10과의 차이점을 위주로 설명하면, 도 6에서는 유전체 영역(130)의 상측에 형성된 버퍼층(140)이 존재하는 경우를 도시하고 있으나, 도 11에서는 버퍼층(140)이 유전체 영역(130)의 상측 뿐 아니라 하측에도 존재하고 있는 경우를 도시하고 있다. 상측에 존재하는 버퍼층과 하측에 존재하는 버퍼층은 서로 동일한 물질일 수도 있고 다른 물질일 수도 있다. 또한, 상측에 존재하는 버퍼층과 하측에 존재하는 버퍼층 각각은 제1 물질과 같거나 다를 수 있고, 제2 물질과도 같거나 다르게 구성하는 것이 가능하다. 버퍼층(140)이 상부와 하부에 모두 존재하는 경우는 동작 파장 제어능이 확대된다.
이하에서는, 각각의 필터의 동작을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 그래프에 대하여 설명한다. 먼저, 도 12 내지 도 19은 일차원 구조의 광학필터의 시뮬레이션 결과를 도시하고 도 12 및 도 13은 평면구조가 이차원인 광학필터 구조를 도시하고 있다.
도 12는 본 시뮬레이션이 수행된 광학필터의 구조를 도시하고 있고, 도 13 내지 도 15의 그래프는 본 발명에 따른 필터의 동작을 보여주기 위해 선형 격자 구조에 대해 계산된 투과밴드 시뮬레이션 결과를 보여준다.
격자 주기는 200 nm 이고, 유전체 영역층의 두께는 각기 도 13은 60 nm, 도 14는 100 nm, 도 15는 150 nm로 가정하고 계산한 결과이다. 2개의 물질 중에서 저굴절률 재료의 굴절률은 1.38, 고굴절률 재료의 굴절률은 2.7로 가정하였다. 상하부 반사층은 반투과 특성을 갖는 20nm 두께의 Ag층을 사용하였다. 유전체 영역층의 두께가 증가할수록 투과밴드가 형성되는 전체적인 파장대역이 장파장영역으로 이동함을 알 수 있다.
계산결과는 주기를 200 nm로 고정한 상태에서 저굴절률 나노구조체의 너비를 50nm부터 150nm까지 20nm 간격으로 증가할 때의 투과밴드 변화양상을 보여준다. 고굴절률 나노구조체의 충전율이 증가할수록 투과밴드의 중심파장이 장파장 영역으로 이동함을 알 수 있다.
반투과 특성의 금속 거울층을 사용하여 계산하였기 때문에 투과밴드의 반가폭이 넓고 투과도도 어느 한도 이하로 나오지만, DBR층으로 대체 사용할 경우 종래의 두께가 길이 방향으로 변하는 선형 가변 필터 기술과 동일하게 매우 좁은 반값폭과 고투과도를 구현할 수 있다.
다음으로, 도 16 내지 도 17은 도 12의 기본구조에 하부 버퍼층이 삽입된 구조를 시뮬레이션한 결과이다. 도 16은 유전체 영역층의 두께가 60 nm 인 도 12의 구조에서, 유전체 영역층 하부에 굴절률 1.38, 두께 50 nm인 버퍼층을 삽입하고 계산하였을 때의 투과밴드 곡선을 보여준다. 도 17은 도 18의 조건에서 하부 버퍼층 두께만 100 nm 로 증가시켰을 때의 투과밴드 곡선 변화를 보여준다. 버퍼층을 삽입함에 따라 투과밴드 대역이 전체적으로 장파장 영역으로 이동하고 그 정도는 버퍼층의 두께에 비례함을 알 수 있다.
다음으로, 도 18은 도 12의 기본구조에 상부 버퍼층과 하부 버퍼층이 삽입된 구조된 구조를 시뮬레이션한 결과이다. 도 18은, 도 12의 구조에 굴절률 1.38인 버퍼를 50 nm 두께로 각기 상, 하부 에 적용하였을 때의 투과밴드 스펙트럼을 보여준다. 상하부 버퍼층의 대칭적 삽입에 의해 투과밴드의 중심파장이 도 17의 하부 버퍼층만 100 nm로 증가시킨 경우와 비교해서 보다 장파장 영역으로 이동하였고, 대역외 제거 특성도 향상되는 효과가 있음을 알수 있다.
다음으로, 도 19는 도 12의 기본구조에 상부 버퍼층이 삽입된 구조를 시뮬레이션한 결과이다. 도 19는 도 12의 구조에 굴절률 2.7, 두께 50nm 인 버퍼를 유전체 영역의 상부로 적용하였을 때의 투과밴드 스펙트럼을 보여준다. 상부 버퍼층의 삽입에 의해서도 전체적인 투과밴드의 적색편이가 발생한다.
도 20 및 도 22은 평면구조가 이차원인 광학 필터 구조를 도시하고 있다. 먼저, 도 20은 저굴절률 나노구조체가 육모꼴의 격자구조를 이루고 그 주변을 고굴절률 재료가 둘러싸고 있는 필터 구조에 대한 계산결과를 보여준다. 여기서 유전체 영역(130)의 두께는 100 nm이며, 육모꼴 격자구조의 주기는 200 nm로 고정된 상태에서 구형 필러(pillar)형태인 저굴절률 나노구조체의 직경이 50 nm 로부터 150 nm 까지 증가하였을 때의 투과밴드 변화양상을 보여준다. 도 21은 도 20의 구조에서 유전체 영역의 두께만 150 nm로 증가하였을 때의 스펙트럼을 보여준다. 일차원 구조와 마찬가지로 유전체 영역층을 구성하는 물질중 고굴절률 물질의 부피분율이 증가할수록 투과밴드가 적색편이 되어 형성되며, 버퍼층의 삽입으로 그 제어범위의 확대가 용이해짐을 알 수 있다.
도 22는 도 20 구조에 하부 버퍼층으로 굴절률 1.38인 유전체층을 두께 50 nm로 삽입하였을 때의 투과밴드 스펙트럼을 보여준다. 한편, 도 23은 도 20의 필터 구조에 상부 버퍼층으로 굴절률 2.7, 두께 50 nm인 유전체 층을 삽입하였을 때의 계산결과를 보여준다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
도 24를 참조하면, 도 24의 광학 필터는, 유전체 영역 사이에 별도의 반사층이 추가로 삽입되는 구조이다. 이를 통해서, 도 12의 광학필터는 반사층들과 그 사이의 유전영역을 포함하는 하부 구조체와 반사층들과 유전영역을 구비하는 상부 구조체를 포함한다. 즉, 도 12의 광학 필터는 이중 공진 캐비티 구조 혹은 유도투과(induced transmittance) 필터구조를 가진다. 각 층들에 대한 설명은 전술한 구성들과 동일하므로 중복을 방지하기 위해 상세한 설명은 생략한다. 예를 들어, 각 반사층들은 DBR반사층으로 이루어지는 것이 가능하다. 본 발명의 광학 필터는, 제1 및 제2반사층(710, 620), 유전체 영역(730,630)을 포함하고, 별도의 중간 반사층(610)이 삽입된 구조이다. a, b, c는 필터영역들을 의미한다.
도 25와 도 26은 본 발명의 단일 공진 캐비티 구조와 이중 공진 캐비티 구조를 비교한 시뮬레이션 자료들이다. 본 시뮬레이션에서 상부 및 하부 반사층은 30nm 두께의 Ag 층을 채용하였고, 유전층 캐비티는 100nm의 두께로 형성하였다. 이중 공진 캐비티 구조에서의 상부와 하부 유전체 영역은 각각 100nm의 두께로 형성되었고 중간 반사층은 70nm두께의 Ag층으로 형성되었다. 시뮬레이션 자료들에 의하면, 금속-유전체-금속층의 이중 공진 캐비티 구조 도입에 따라 투과밴드의 선폭이 작아지고 밴드의 squareness가 향상되고, 대역외 제거(out-of-band rejection) 특성 역시 개선됨을 알 수 있다.
도 27은 DBR을 갖는 파브리-페롯필터에서 유전체 영역중간에 금속층을 삽입한 구조로 유도투과 효과를 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 특정밴드의 유도투과효과를 위해 quarter-wave 조건의 고굴절률층과 저굴절률층으로 구성된 상하부 DBR반사층을 제외한 중앙부 유전체-금속-유전체층은 해당 밴드에서의 반사가 최소화되도록 광학적 임피던스가 매칭된 두께를 갖도록 설계된다.
도 27은 중간 반사층은 Ag 80nm두께로 형성하였고 양측의 반사층들은 DBR반사층들로 형성되었다. 유전체 영역층은 상하부 대칭적 구조를 가지며 그 두께는 100 nm로 결정되었다. Induced transmittance 효과가 발현되고 매우 날카롭고 좁은 투과밴드가 형성될 수 있으며, 밴드 squareness가 향상되는 효과가 있고, 월등한 대역외 제거 특성을 가진다. 이 역시, 중간 반사층과 인접한 상하부 유전체 영역층의 굴절률 제어에 따라 투과밴드의 중심파장을 연속적으로 적색편이 시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
도 28을 참조하면, 도 28의 광학 필터는 도 24의 광학필터 구조에 별도의 버퍼층이 추가되는 구조이다. 버퍼층(840,940)은 반사층과 유전영역 사이에 추가되는 것이 가능하다. 버퍼층은 파장 가변 범위를 이동시키는 효과 등이 있음은 전술한 바와 같다. 이때, 버퍼층은 도 16의 예시와 같이 상부 구조체와 하부 구조체 각각에 광학적 두께(굴절률x물리적 두께)를 동일하게 유지하도록 적용되는 것이 효과적이다. 광학적 두께가 동일하면 버퍼층의 배치는 도 16에서와 같이 상하부 유전체 영역층의 상단부에 동일하게 배치되거나, 이와 반대로 상하부 유전체 영역층의 하단부에 동일하게 배치될 수 있다. 또한, 중간 반사층(810)을 중심으로 거울대칭이 되도록 배치하는 것도 가능하다. 일예로 상부구조체 내의 중간 반사층(810)과 유전영역(930) 및/또는 하부구조체 내의 유전영역(830)과 반사층(820) 사이에 게재되는 것이 가능하다. 그리고, 버퍼층은 상하부 구조체의 유전체 영역의 상부 및 하부에 모두 게재되는 것도 가능하다.
도 29와 도 30은 본 발명의 상하부 금속반사막을 사용하는 이중 공진 캐비티 구조에 버퍼층이 추가된 구조를 비교한 시뮬레이션 자료들이다. 도 29는 도 26 구조에서 상부 및 하부 유전체 영역 상단부에 굴절률 1.5인 50 nm 두께의 유전체 버퍼층을 동일하게 각각 삽입하였을 때의 투과밴드 스펙트럼을 보여준다. 버퍼층의 게재효과로 투과밴드 중심파장이 전체적으로 장파장영역으로 이동하여 나타남을 알 수 있다. 또한, 유전체 영역층의 굴절률이 1.5부터 2.0까지 증가함에 따라 투과밴드 중심파장 역시 연속적으로 적색편이함을 알 수 있다.
도 30은 버퍼층을 삽입한 단일 공진 캐비티 구조와 이중 공진 캐비티 구조에서의 투과밴드 스펙트럼의 형상을 비교한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 버퍼층의 삽입은 투과밴드의 중심파장을 이동시키는 효과를 가져오며, 버퍼층이 없는 경우와 마찬가지로 이중 공진캐비티 구조에서 반가폭이 크게 좁아지고, squareness가 향상되는 효과가 있음을 알 수 있다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
도 1과의 차이점을 위주로 설명하면, 도 1에서는 유전체 영역(130)을 형성하는 물질이 2개(134,137)로 구성된 경우를 설명하였지만, 도 18에서는 3개 이상으로 구성된 점이 상이하다. 도 18의 도시에서는 그 중 하나의 경우로 제1물질(134)이 수직으로 적층된 134a와 134b의 2개의 물질로 구성되어 있다. 실제 제조에 있어서는 반사층(120) 상에 연속하여 2개의 물질(134a, 134b)를 증착하고 후단공정에서 2층을 한꺼번에 선택적으로 식각하거나, 혹은 사전패터닝을 통해 형성된 포토레지스트 pore구조에 2개의 물질을 연속으로 증착하고 리프트오프 공정을 진행함으로써 손쉽게 구현할 수 있다. 이와 같이 3개 이상으로 유전체 영역이 구성되면 동작파장의 제어시 더 많은 유연성을 가져갈 수 있는 점이 효과적이다. 본 발명의 광학 필터(100)를 투과하는 빛의 파장은 제1 및 제2물질(134, 137)로 구성된 유전체 영역층의 광학적 두께에 의해 제어된다. 이때, 유전체 영역층의 광학적 두께의 가변제어를 담당하는 유효굴절률은 제1 및 제2물질(134, 137)간의 기하학적 분포와 상대적 부피분율에 의해 결정된다. 여기서, 제1물질이 서로 다른 굴절율을 가지는 물질로 구성되는 경우 유효굴절률의 제어범위를 확대시킬 수 있고, 결과적으로 유전체 영역층의 광학적 두께 제어가 더욱 편리해지는 효과가 있다.
한편, 도 31에서는 제1물질(134)이 수직으로 적층된 134a와 134b의 2개의 물질로 구성되어 있는 경우를 도시하고 있지만, 제1물질(134)이 수직적으로 2개 이상으로 적층되는 경우도 가능하고, 수평적으로 2개 이상의 물질로 구성되는 것도 가능하다. 다만, 수평적으로 여러층이 형성되는 경우는 나노 패턴을 형성할 때 더 미세한 패턴으로 될 가능성이 있으므로 이러한 문제를 최소화할 수 있는 경우 이용하는 것이 효과적이다.
또한, 제2물질(137)도 수직적으로 2개 이상으로 적층되는 경우도 가능하고, 수평적으로 2개 이상의 물질로 구성되는 것도 가능함은 물론이다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학 필터들의 단면도를 도시한 도면이다.
본 발명의 광학 필터는 무반사 코팅층(153) 및/또는 광대역 투과밴드 필터(152)를 포함할 수 있다. 또한, 도 19에서는 도시되어 있지 않지만 제1 및 제2반사층(110, 120)과 제1 및 제2물질(134, 137) 사이에는 접착층이나 확산방지층이 추가로 설치되는 것도 가능하다.
무반사코팅층(153)은 외부로부터 광학필터에 입사하는 광이 반사되어 외부로 사라지는 광양을 줄이기 위해서 채용할 수 있는 구성이다. 광대역 투과밴드 필터(152)는 광학필터에 입사되는 광의 필요한 파장대역을 조절할 수 있는 기능을 수행할 수 있는 것으로 효과적인 역할을 할 수 있는 구성이다.
한편 무반사 코팅층은 본 발명의 광학 필터가 형성되는 별도의 투명 기판상에 필터가 형성되는 면이 아닌 다른면에 형성하여 사용하는 것도 가능하다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 광학필터의 단면도이다.
도 33을 참조하면, 3개의 광학필터 영역(100e, 100f, 100g)이 조합된 일 예가 도시되는데, 광학필터영역(100e)는 유전체 영역(130)의 하측에 버퍼층(140)이 설치되는 형태이고, 광학필터영역(100f)는 유전체 영역(130)의 상, 하측에 버퍼층(140)가 각각 설치되는 형태이며, 광학필터영역(100g)는 광학필터영역(100f)와 같이 상, 하측에 버퍼층(140)가 각각 설치되는 형태인데 버퍼층(140) 중 일부는 서로 다른 두께를 구비하도록 형성할 수 있다. 여기서, 하부 버퍼층(140) 없이 상부 버퍼층의 두께만을 서로 다르게 하여 구성하는 것도 무방하다. 도 20에서는 광학필터영역(100e)의 서로 다른 파장영역을 필터링하는 a, b, c 영역은 모두 유전체 영역(130)의 하측에 버퍼층(140)이 형성된 것으로 도시하고 있으나 a, b, c 영역도 광학필터 영역(100e, 100f, 100g)처럼 서로 다른 버퍼층을 형성하는 것도 가능하다.
도 33의 구성에 의해, 개별 광학필터 영역이 커버할 수 있는 가변 파장대역 한계를 극복하고 본 광학필터의 전체 동작 파장범위를 확대하는 것이 가능하고 파장 조절을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스의 예를 도시하고 있다.
본 광학디바이스는 각 필터영역들(a,b,c)과 이에 각각 대응하여 광검출기들(PD1,PD2,PD3)이 구비된다. 도 34는 각 필터영역들(a,b,c)과 광검출기들(PD1,PD2,PD3) 사이에 투과성 기판 등의 구조물이 삽입되지 않은 형태를 도시하고 있는데 투과성 기판 등의 구조물이 형성될 수 있음도 밝혀둔다. 광검출기들은 각 투광영역들로부터 파장대역에 해당하는 광을 검출하는 기능을 수행하는 것으로 각종 전기회로부, 전극 등을 통해서 검출한 광의 양을 전기신호로 변화시키는 등 일반적으로 공지된 기능들을 수행한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 다른 광학디바이스를 설명한다. 본 발명의 광학필터는 투과성 기판 상부에 형성하여 별도의 광학필터 모듈로 제작하는 것이 가능하다(도 7을 참조). 투과성 기판은 동작파장에서 투명한 물질이면 구분없이 사용가능하며, 유리 또는 고분자 일 수 있다. 일례로 투광성 필름은 적절한 점착력과 충격흡수성을 가지는 투명 또는 반투명한 고분자로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 광학필터 모듈은 광검출기가 직접되지 않은 형태로 제작되어 실제 사용시 광검출기에 부착하여 사용하거나 완성품 제작시 광학필터 모듈을 광검출기에 부착하는 형태로 활용하는 것이 가능하다. 광학필터 모듈을 실제 사용시 광검출기에 부착하여 사용하는 경우는 예를 들어, 카메라의 렌즈 앞에 본 광학필터 모듈을 결합하여 활용하는 방식도 가능하다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 분광기의 개념도이다.
필터 어레이(1000a)와 광검출기(2000a) 간의 1차원 선형 배열 결합을 통해 분광장치(10000a)를 구성하는 예시를 보여준다. 모식도에서는 M개의 필터영역들(100)로 구성된 필터 어레이(1000a)와 M개의 광 검출 유닛(500)으로 구성된 광검출기(2000a)를 포함하는 분광장치(10000a)를 도시한다. 각각의 광학필터의 주기는 결합되는 1차원 선형 배열 광검출기의 광 검출 유닛(500)의 주기에 맞추거나 혹은 복수개의 광 검출 유닛(500) 군의 크기와 일치시키도록 결정될 수 있다. 즉, 필터와 광검출기 픽셀간의 결합은 1:1 혹은 1:다 결합일수 있다.
필터 어레이와 결합된 어레이 광검출기는 수학적 디지털 신호처리 알고리즘을 거쳐 분광장치로서 동작을 하게 된다. 델타함수 특성의 이상적인 필터를 가정할 때, 그 분해능은 단순히 분광장치의 동작파장영역을 필터의 개수로 나눈 값과 동일하게 된다. 따라서, 고분해능 동작을 위해서는 요구되는 필터의 개수 역시 그에 비례에서 크게 증가한다는 한계가 존재한다.
본 발명에 따른 광학적 필터는 로렌츠 함수로 정의되는 비이상적 필터로 상, 하부 반사층의 설계에 따라 투과밴드의 반가폭이 결정되는 특징을 갖는다. 금속 반사층을 사용하는 경우가 분산 브레그 반사막보다 일반적으로 더 큰 반가폭을 가지며, 금속반사층의 반사도가 낮을수록 또는 DBR반사층을 구성하는 저굴절율층과 고굴절율층의 단위조합의 주기 수가 작을수록 반가폭이 증가하는 경향을 나타낸다.
비이상적 필터어레이에 기반한 분광계에서의 신호복원 원리는 도 35를 이용하여 수학적으로 설명될 수 있다. 분석하고자 하는 대상체의 스펙트럼을 s(λ), 개별 필터들의 투과함수를 fi(λ), 그리고 광검출기의 감도함수를 di(λ)라 하면, 대상체의 스펙트럼이 필터를 통과해 광검출기에 도달할 때 발생하는 검출신호 ri는 아래의 관계식 (1)로 표현되며, 이산화된 모델로 나타내면 식 (2)와 같은 행렬식으로 전개가능하다.
Figure PCTKR2017008261-appb-I000001
(1)
Figure PCTKR2017008261-appb-I000002
(2)
일반적으로 파장샘플링 개수(N)에 비해 필터의 개수(M)가 작기 때문에 식(2)의 선형대수식은 불량조건문제(ill-posed problem)로 귀결된다. M×N (M<N) 크기를 갖는 D(λ)의 명시적 역행렬이 존재하지 않기 때문에 유사역행렬(pseudo inverse)을 이용하여 스펙트럼신호를 복원해 낼 수 있으나, 작은 요동이나 시스템 잡음에 매우 취약하여 불안정한 결과를 나타낸다.
보다 효과적이고 수치적으로 안정한 해를 얻기 위한 방안으로 regularization 기법이 사용되고 있다. 가장 대표적인 방법으로 Tikhonov regularization 기법을 사용할 수 있다. 이 방법은 식(3)과 같이 residual norm과 side constraint norm의 합을 최소화시키는 해
Figure PCTKR2017008261-appb-I000003
를 결정함으로써 분석하고자 하는 대상체의 스펙트럼을 복원하는 기법이다. 여기서, a는 residual norm의 최소화 대비 side constraint 최소화의 가중치를 결정하는 regularization 인자로 robust한 해를 얻기 위한 최적값이 존재한다. Singular value decomposition (SVD)과 L-curve 분석법을 이용하면 시스템에 적응하여 스스로 최적의 regularization 인자를 결정하고, 실시간 스펙트럼 복원을 가능하도록 할 수 있다.
Figure PCTKR2017008261-appb-I000004
(3)
이러한 regularization 기법을 이용하면, 넓은 반가폭을 갖는 비이상적 필터어레이를 이용하면서도 비교적 고분해능으로 분광스펙트럼의 복원이 가능하다는 이점이 있다. 신호복원 알고리즘은 예시한 regularization 기법에 제한되지 않고 다양한 기법의 적용이 가능하다.
한편, L-curve 분석법은
Figure PCTKR2017008261-appb-I000005
값을 점점 증가시켜가며 대입할 때 Tikhonov regularization 방정식의 해를 구하고 이 해를 다시 residual norm
Figure PCTKR2017008261-appb-I000006
과 Solution norm
Figure PCTKR2017008261-appb-I000007
에 대입 후 log scale의 좌표축에 나타내면 L-curve 모양의 그래프를 얻게 되는 데 최적의
Figure PCTKR2017008261-appb-I000008
값으로 L-curve의 코너 값을 취하는 방법이다. 코너 값을 구하는 방식은 residual norm 과 solution norm의 log scale 값을 변수로 잡고 곡률 반경이 가장 작은 a를 결정하는 것이다. 이렇게 구한
Figure PCTKR2017008261-appb-I000009
값을 Tikhonov regularization에 다시 대입하여
Figure PCTKR2017008261-appb-I000010
을 구함으로써 대상체 스펙트럼을 복원할 수 있다. 도 36은 L-curve 분석법을 이용하여 최적 a값을 결정하기 위해 수행된 L-curve 분석법 계산 예를 나타내고 있고, 도 23b는 L-curve (좌)와 L-curve 함수의 곡률 (우)를 도시하고 있는데 코너 값은 최대곡률을 갖는 a(여기서는 λ) 값으로 결정한다.
다음으로, 시스템 노이즈가 존재할 때, regularization에 의한 디지털 신호복원 프로세스가 제대로 작동하지 못하고 불안정한 해를 보여주게 되는 경우가 있다. 이러한 문제를 저감하는 방안으로 필터 어레이가 집적된 광검출기 단위셀 별 세기 분포곡선을 노이즈 필터링에 효과적인 Savitzky-Golay smoothing 알고리즘을 적용하고 신호복원에 미치는 영향을 평가할 수 있다. Savitzky-Golay 필터는 노이즈가 포함된 일련의 데이터들의 파형을 원신호의 경향성은 크게 훼손하지 않으면서 잡음이 배제된 부드러운 파형으로 만들어 주는 smoothing 기법의 하나로 개별 포인트에서 주변의 점들을 가장 잘 피팅하는 k-차 다항식을 최소자승법으로 구하고, 그 지점에서의 데이터 값을 결정하는 필터이다. Savitzky-Golay 필터는 데이터의 경향성에서 가까운 데이터는 가중치를 더 주고, 멀리 떨어져 있는 데이터는 가중치를 적게 주는 방식으로 moving average를 적용한 것으로, 최대, 최소 혹은 peak/valley 값을 상대적으로 잘 보존하는 필터이다. 광검출기 어레이에서 측정되는 단위셀별 세기분포곡선에 잡음이 섞여 있는 경우, Tikhonov regularization 기법을 적용하더라도 원 스펙트럼을 제대로 복원하지 못하는 상황이 발생하는데 반해, Savitzky-Golay 필터를 적용하였을 경우에는 디지털신호처리(DSP)에 의한 신호복원능이 현저하게 개선됨을 확인하였다. 도 23c는 필터시스템에서 시스템 잡음 저감을 위한 Savitzky-Golay 필터 적용과 이에 따른 신호복원능 향상을 보여주는 계산결과를 나타내는 그래프이다.
한편, 본 발명자들은 분광 스펙트럼의 복원에 있어서는 각 필터의 투과스펙트럼 즉, 필터함수들은 적절한 오버랩을 형성할 때 에러율을 감소시킬 수 있다는 사실을 발견하였다. 이에 대해서 설명한다.
도 37은 본 발명의 실시예에 따른 분광기에서, 각 필터의 필터함수의 오버랩 상황을 도시한 개념도이고, 도 40은 본 발명의 실시예에 따른 분광기에서, 필터함수로 가우시안함수를 가정하고 그 반가폭에 따른 오버랩 인자를 계산한 그래프이고, 도 41은 본 발명의 실시예에 따른 분광기에서, 필터함수의 오버랩에 따른 신호복원 에러값(%)을 계산한 시뮬레이션 그래프이다,
정량적으로 파악하기 위해, 중첩인자값, 즉 오버랩인자를 인접한 두 필터 함수의 스펙트럼이 교차하는 점에서의 투과율 혹은 반사율 값을 필터함수의 최대 투과율 혹은 반사율로 나눈 값으로 정의하고 그에 따른 신호복원 오류값의 변화를 평가하였다. 또한, 필터의 개수를 고정한 상태에서 필터함수의 반가폭을 증가시킴으로써 중첩인자 값을 조절하였다. 인접한 두 필터의 중첩정도가 어느 이하로 낮게 되면 신호복원 오류값이 크게 증가함을 알 수 있다.
도 42는 본 발명의 실시예에 따른 분광기에서, 가우시안 필터를 사용한다고 가정할 때, 필터함수의 반가폭에 따른 대상체 스펙트럼과 디지털신호처리를 통해 복원된 스펙트럼을 도시하고 있다. 이 경우, 필터 중심파장간의 거리가 30nm로 고정된 상태에서 필터의 반가폭을 20 nm부터 30 nm까지 변화시켜가며 중첩인자값을 증가시킨 경우, 스펙트럼 복원정도가 향상됨을 보여주는 예시결과이다.
도 40 및 도 41의 시뮬레이션을 위한 파라미터들을 보면 필터 개수는 20개, 필터 사이의 간격은 30 nm, 오리저널 스펙트럼 반가폭은 100 nm, Peak to Peak 값은 150 nm이다. 또한, 오버랩 값은 필터함수의 반가폭(1 nm ~ 100 nm, 피치 1 nm)을 증가시키면서 변화시켰다. 오버랩 값은 Ip/Imax 로 정의한다. Imax는 필터함수의 최대 세기를 나타내고, Ip는 2개의 필터함수가 서로 만나는 점에서의 필터함수의 세기를 정의한다(도 39 참조). 에러값(ERROR)은 하기식으로 정의된다. norm()은 선형대수에서 벡터의 크기와 관련된 함수를 의미한다.
ERROR=100*(norm(receovered signal-Original Signal)/norm(Original signal)
도 40 및 도 41을 참조하면, 에러값이 10%가 되는 경우 오버랩 값이 약 0.4 부근임을 확인할 수 있다 이 때의 반가폭(FWHM)은 약 25nm 부근이다. 도 25a를 참조하면, 반가폭 25nm 부근을 기점으로 ± 5 nm 근방에서 에러값이 급격하게 변화한다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 분광기의 스펙트럼 구현에 있어서 적절한 오버랩의 범위를 설명한다. 도 40 및 도 41에서도 확인할 수 있는 바와 같이, 에러값은 작을수록 좋은데, 도 41에 의하면 오버랩이 증가하여 1.0 부근으로 갈수록 에러값은 0으로 접근해 감을 확인할 수 있다. 다만, 오버랩이 너무 크지만 필터함수 사이의 간격이 작아지므로 일정 파장 대역을 커버하기에 지나치게 많은 필터함수들이 필요할 수 있다.
이러한 이유로 인해, 오버랩의 바람직한 하한치를 살펴본다. 에러값의 범위는 약 30% 미만인 경우가 바람직하다 더욱 바람직하게는, 10% 미만이다. 따라서, 이를 오버랩 기준으로 환산하면 바람직한 오버랩은 0.2 이상이고 더욱 바람직한 범위는 0.4 이상이다. 다음으로, 오버랩의 바람직한 상한치를 살펴본다. 오버랩은 인접한 필터간의 스펙트럼이 노이즈 신호 레벨을 뛰어넘어 서로 중복되지 않고 구분가능하다면 가능한 높은 값을 갖는 것이 바람직하다. 이때, 필터의 개수가 크게 증가할 수 있고, 인접한 필터간의 구조적 인자 차이가 미세하여 공정상의 한계가 존재할 수 있다. 따라서, 인접한 필터간의 구조적 인자차이가 1 nm 이하로 설정되지 않는 것이 바람직하며 이에 따른 오버랩 상한을 가질 수 있다.
한편, 각 필터의 필터 함수들이 적절한 오버랩을 형성할 때 에러율을 감소시킬 수 있는 점은 필터의 형상이나 종류 등에 한정되지 않고 다양한 적용이 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 도 1 이하 각종 실시예들에 적용하는 것도 가능하고, 일반적으로 알려져 있는 플라즈모닉 필터 등에도 적용가능하다. 즉, 각 파장대역의 필터들을 도입하여 이들을 통합하여 보다 넓은 대역의 스펙트럼을 분석하고자 하는 경우 각 필터들의 오버랩이 일정 범위인 경우 에러율을 줄이고 적절한 필터 개수를 확보할 수 있는 기술에 관한 것이다.
도 43은 본 발명의 2차원 분광기를 도시한 개념도이다. 필터 어레이(1000b)와 광검출기(2000b) 간의 2차원으로 배열되는 결합을 통해서 분광기(10000b)를 구성되는 일례가 도시된다. 1차원 결합의 분광기(10000a)에 비해 집적화에 유리하며, 기존의 CMOS 이미지 센서등과의 결합에 유리하다. 분광기(10000a, 10000b)는 빛을 통과시켜서 필터의 일 방향 위치별로 중심파장이 조금씩 이동된 특정 파장대 빛에 대한 세기정보의 출력을 가능하게 한다.
이로 인해, 빛의 파장에 따른 세기분포로 전환 가능하게 하는 분광계 역할을 하게 되고, 필터 어레이 기반의 분광기의 구현이 가능해진다.
도 44 및 도 45는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서들의 개념도들이다. 도 44 및 도 45는 각각 FIS방식, BIS 방식의 CMOS 이미지센서의 제작 구조에 해당한다. 이러한 이미지 센서의 구조들에는 R,G,B 등의 컬러필터가 필수적으로 추가되어 있다. 본 발명의 광학필터는 이와 같은 CMOS 이미지 센서의 R,G,B에 적용될 수 있다.
도 44를 참조하면, 광검출영역(406) 사이에 분리영역(405)이 존재하고 중간 유전체 영역(402) 내에는 각종 전극라인들(403)이 형성된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역이 형성되고 그 위에 마이크로렌즈(401)가 각 R,G,B 필터영역에 대응하여 형성된다.
도 45를 참조하면, 유전체 영역(507) 내에는 각종 전극라인들(508)이 형성된다. 그 상부에 광검출영역(406) 사이에 분리영역(405)이 존재한다. 그리고 각 광검출영역(406) 상부에 R,G,B 필터영역이 형성되고 그 위에 마이크로렌즈(501)가 각 R,G,B 필터영역에 대응하여 형성된다.
도 46은 본 발명의 실시예에 따른 하이퍼-스펙트럴 이미지센서가 포함된 필터 어레이의 개념도이다. 도 46은 CMOS 이미지센서의 단위픽셀과 하이퍼 스펙트럴 이미지 센서의 단위 픽셀의 일부를 발췌한 도면이다.
하이퍼-스펙트럴 이미지 센서는 대상물에서 방출 또는 흡수된 전체 하이퍼-스펙트럼 중의 여러개의 (비교적 좁은) 파장 부분이나 파장 대역을 센싱하는 소자이다. 일반적인 분광기의 원리를 이용하는 것으로 측정하거나 관찰하고자 하는 파장 대역이 협소하다고 알려져 있다.
도 46에 도시된 바와 같이, 하나의 실시형태에 의하면, 하이퍼-스펙트럴 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서와 결합된 형태로 사용할 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, R,G,B로 명명된 영역은 CMOS 이미지 센서의 RGB를 필터링하는 컬러 필터들 의미하는 것이고 H로 명명된 영역은 하이퍼 스펙트럴 이미지를 센싱하기 위한 필터영역이다. H 필터영역에서는 예를 들어 적외선 영역 중 일부 협소한 영역을 지정하여 이 필터 영역에서는 R,G,B 와는 다른 하이퍼 스펙트럴 데이터를 확보하는 것이 가능하게 된다.
이상에서 설명한 광학 필터는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (16)

  1. 서로 이격 분리된 제1 반사층과 제2 반사층;
    상기 제1 반사층 및 상기 제2 반사층 사이에 게재되며, 굴절율이 서로 상이한 적어도 2개의 물질이 교대로 배치되는 유전체 영역; 및
    상기 제1 및 제2반사층 중 적어도 하나와 상기 유전체 영역 사이에 배치되는 버퍼층을 포함하되,
    교대로 배치된 상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 필터영역들이 적어도 2곳 존재하는 광학필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 물질은 서로 교대로 배치되고,
    상기 2개의 물질의 상대적인 너비 비율이 서로 상이한 필터영역들이 적어도 2곳 존재하는 광학필터.
  3. 제2항에 있어서,
    서로 인접한 상기 2개의 물질 한 쌍은, 서로 인접한 2개의 다른 물질 한 쌍들 각각과 일 방향으로 같은 너비를 갖도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 물질은, 복수 개로 이루어지고 서로 기결정된 간격으로 배치되는 제1물질 및 상기 제1물질을 감싸는 제2물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 2개의 물질 한 쌍의 너비는, 상기 필터 내부에서 투과되는 빛의 파장 보다 작은 것을 특징으로 하는 광학필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 필터영역들은 평면적으로 2개 이상의 방향인 것을 특징으로 하는 광학필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2반사층은 금속막 또는 DBR인 것을 특징으로 하는 광학필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 영역은 3개 이상의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학필터
  9. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제1물질 또는 제2물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사층 상부에는 광대역 투과필터 및/또는 무반사코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학필터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 필터영역들은 각각 서로 다른 버퍼층을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 필터.
  12. 서로 이격 분리된 제1 반사층과 제2반사층;
    상기 제1 반사층 및 상기 제2반사층 사이에 게재되며, 굴절율이 서로 상이한 적어도 2개의 물질이 교대로 배치되는 유전체 영역; 및
    교대로 배치된 상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 필터영역들이 적어도 2곳 존재하되,
    상기 유전체 영역의 중심영역에 상기 반사층들과 평행한 중간 반사층이 더 추가된 것을 특징으로 하는 광학필터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반사층과 중간 반사층 사이에 광학적 두께가 서로 동일한 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학필터.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 상기 2개의 물질의 상대적인 부피 비율이 서로 상이한 영역은 서로 다른 파장을 통과시키는 필터영역들을 구비하고,
    상기 필터영역들 각각에 대응하여 광검출기가 구비되는 광학 디바이스.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 광학 디바이스는 분광기, CMOS 이미지센서, 또는 하이퍼스펙트라 이미징 디바이스인 광학 디바이스.
  16. 투과성 기판; 및
    상기 투과성 기판의 상부에 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 광학필터를 구비하여 별도의 모듈형태로 조립된 광학디바이스.
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