WO2018043926A1 - 광학모듈 및 이를 이용한 광학디바이스 - Google Patents

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WO2018043926A1
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filters
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이경석
황규원
김원목
김인호
김현철
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삼성전자 주식회사
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring

Definitions

  • the present invention relates to a filter array type spectrometer, and more particularly, to an optical module and an optical device using a band-limiting filter in the spectral filter to improve signal recovery and resolution when the object spectrum is restored.
  • Spectroscopy instruments that analyze material-specific optical spectra are used to measure the color or molecular bonds of objects in the broad wavelength range, from the visible to the infrared spectrum.
  • it has been used as a benchtop type inorganic and inorganic material analyzer such as UV-VIS-NIR spectrophotometer and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy.
  • FTIR Fourier transform infrared
  • an optical component having a band filtering function instead of an existing prism and a diffraction grating is manufactured in an array form, and integrated with an optical detector array.
  • the filter array-based spectrometer implementation has the advantage of being robust and compact since it does not require a moving body.
  • the 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 positioned between the upper and lower mirror layers in the longitudinal direction varies linearly in the longitudinal direction.
  • Such a linear variable filter has a limitation in process reproducibility and productivity due to a linear structure having a variable thickness in the longitudinal direction, and also has a disadvantage in that the process compatibility with two-dimensional imaging sensor technology is also insufficient. Since the resolution of the spectrometer is also determined by the height-to-length ratio of the linear variable filter, there is a limitation in miniaturizing the spectrometer element.
  • a plasmonic-based filter technology having excellent wavelength variability in resonant spectrum has been proposed.
  • a transmission filter using an extraordinary optical transmission (EOT) phenomenon that occurs in a nanohole array structure periodically arranged on a metal thin film surface may be used. Since the resonant wavelength can be varied by only controlling the two-dimensional horizontal structure without modifying the vertical structure, a highly integrated spectral filter array can be formed by a simple process, and it is suitable for integration with two-dimensional image elements and mass production.
  • EOT extraordinary optical transmission
  • the resolution of the filter array-based spectrometer increases in proportion to the number of filters, a very large number of filters are required for high resolution.
  • the resolution that can be practically implemented because there is a limitation in the process technology capable of precisely precisely controlling the spacing between the center wavelengths without being overlapping the spectrum between the individual filters.
  • the limitation of the number of filters also affects the digital signal processing process for object spectrum reconstruction, which acts as a factor to deteriorate the signal restoration ability and operation stability.
  • One object of the present invention is to provide an optical filter having a miniaturized structure.
  • Another object of the present invention is to effectively overcome the limitation of the number of filters in the filter array-based spectrometer and to improve the signal recovery and resolution of the spectrometer.
  • an aspect of the present invention is an optical module, a spectral filter array having a plurality of unit spectroscopic filters, and a wavelength region narrower than the wavelength region to be measured through the spectral filter array It provides an optical module comprising a band limiting filter for selectively transmitting the light of the light, and a light detector for detecting the optical signal passing through the spectroscopic filter array and the band limiting filter.
  • the 'Band limiting filter' can be understood as the concept of a filter that defines a wavelength band of a certain region.
  • the band limiting filter has a narrower wavelength range than an operating wavelength band designed to be measured by the spectral filter.
  • the band limiting filter may be configured to physically cover all or a part of the spectral filter. That is, all of the light entering the spectroscopic filter on the optical path may be configured to pass through the band limiting filter, and some of the light may pass through the band limiting filter without passing through the band limiting filter. It is also possible to partially add a simple optical window.
  • the spectral filter may be composed of a single or a plurality of unit filter arrays.
  • the band limiting filter, the spectral filter, and the photodetector are each provided in different modules, or two are provided together as a module, or all three are provided in one module.
  • a band limiting filter may also be provided on the optical path. It should be understood that the case in which another optical member is interposed between the band limiting filter, the spectral filter, and the photodetector is included.
  • a band limiting filter may be disposed between the spectroscopic filter and the photodetector, and the spectroscopic filter may be disposed between the band limited filter and the photodetector.
  • the unit spectroscopic filter includes a diffraction grating filter, a prism filter, a Fabry-Perot type resonance filter, a plasmonic filter including a metal nanostructure array or a metal nanohole array, a silicon nanowire-based filter, an absorption filter, It is one of a semiconductor quantum dot filter, a resonance waveguide resonance mode filter, or an optical interference spectral filter using integrated optics.
  • the spectral filter array includes a plurality of unit spectroscopic filters in which metal patterns having a predetermined shape are periodically arranged to absorb or reflect light in a specific wavelength region.
  • the band limiting filter is preferably composed of a plurality of unit band limiting filters for selectively transmitting light of different wavelength ranges.
  • the band limiting filter may include three to seven unit limiting filters, and the light detection unit may be a CMOS image sensor.
  • the unit band limiting filter includes one or a plurality of R, G, and B color filters.
  • the one or more unit band limiting filters selectively transmit light in a predetermined region within 700 nm to 1100 nm.
  • the photodetector is a photodetector pixel of a CMOS image sensor or an infrared image sensor.
  • the size of the photodetecting pixel of the photodetector is smaller than the size of the unit spectroscopic filter.
  • the optical module further comprises a processing unit for performing a function of restoring the spectrum of the incident light by using the optical signal detected from the photodetector.
  • the filter function matrix is constructed by adding a set consisting of a combination of a spectral filter and a band limiting filter in the column direction.
  • the filter function matrix for signal restoration is effectively limited by the band limiting filter in the range of the wavelength sampling region and the matrix value outside the effective wavelength range is zero.
  • an optical device includes a color filter layer for filtering incident light with at least R, G, and B, and a plurality of first unit pixels for detecting an optical signal passing through the color filter layer.
  • An image sensor area having a light detection area; And a spectroscopic sensor region having a spectroscopic filter array for measuring a spectrum of an object and a second photodetecting region for detecting an optical signal transmitted through the spectroscopic filter array as a plurality of second unit pixels.
  • a band limiting filter having a narrower wavelength range than an operating wavelength band designed to be measured through the spectroscopic filter array is further provided on a path of an optical signal of the spectroscopic sensor region.
  • the spectral filter array and the band limiting filter are stacked, and the band limiting filter is disposed above the spectral filter array, or the spectral filter array is disposed above the band limiting filter.
  • the band limiting filter includes a plurality of unit band limiting filters selectively transmitting light in different wavelength ranges.
  • the unit limiting filter includes one or a plurality of R, G, and B color filters.
  • the one or more unit band limiting filters selectively transmit light in a predetermined region within 700 nm to 1100 nm.
  • the spectral filter array includes a plurality of unit spectral filters, and each of the unit spectroscopic filters periodically arranges metal patterns having a predetermined shape.
  • the first photodetection area and the second photodetection area are configured of photodetection pixels having different sizes.
  • the first photodetection area and the second photodetection area are part of a photodetector of a CMOS image sensor.
  • the analysis wavelength of the spectroscopic filter array in the spectroscopic sensor region is 300nm to 1100nm.
  • the apparatus further includes a separate separation region between the image sensor region and the spectroscopic sensor region.
  • the filter array-based spectrometer effectively overcomes the limitation of the number of filters and has the effect of improving the signal recovery and resolution of the spectrometer.
  • the present invention can be applied to a color filter of a conventional silicon CMOS image sensor by combining only a spectral filter or a corresponding method.
  • FIG 1 and 2 are structural diagrams of an optical device according to the present invention.
  • 3 and 4 are conceptual diagrams for explaining the function of the band limiting filter according to the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an optical device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of a coupling structure of a spectral filter and a band limiting filter in an optical device.
  • FIG. 7 is a perspective view of an optical device showing a configuration in which a band limiting filter used as a band limiting filter in the structure of Example 1 is replaced with an RGB color filter of a silicon CMOS image sensor according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. It is a conceptual diagram showing that four unit RGB color filters correspond to one unit spectroscopic filter.
  • 9 and 10 are graphs showing an example of a stopband type plasmonic filter array provided without a color filter and its filter function spectrum.
  • 11 and 12 are graphs showing an example of a filter array combined with an RGB color filter and its spectrum.
  • FIG. 13 is a graph illustrating a signal restoration difference according to the presence or absence of an RGB color filter.
  • FIG. 14 and 15 are examples of a filter array and its spectral graph when a general optical window without a filtering function other than the RGB color filter is included as a filter.
  • FIG. 16 is a conceptual diagram for explaining signal processing of an optical device according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 17 is a perspective view of the present optical device
  • FIG. 18 illustrates structures of a spectral filter and a band limiting filter in the present optical device. It is a conceptual diagram to do.
  • 19 to 22 illustrate the effect on signal recovery when a metal nanohole array showing a transmission band of EOT characteristics is applied as a spectral filter array and a band limiting filter is further combined thereon according to an embodiment of the present invention. The calculation is shown.
  • FIG. 23 is a conceptual diagram of a coupling structure of a band limiting filter and a spectroscopic filter in an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • 24 is a conceptual diagram illustrating a method of selecting a band limiting filter for covering a multi-wavelength region of an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • 25 is a conceptual diagram of a method of applying a band-limiting filter having a variable wavelength in an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • 26 to 28 are graphs illustrating calculation examples for explaining a method of complementarily utilizing a broadband spectral filter array and a narrow band band limiting filter type band limiting filter among optical devices according to an embodiment of the present invention.
  • 29 to 32 show calculation examples showing that the optical device according to the embodiment of the present invention operates in the mid-infrared wavelength band.
  • 33 to 42 are conceptual views illustrating a situation of integration with an image sensor and a spectroscopic sensor according to embodiments of the present invention.
  • FIG 1 and 2 are structural diagrams of an optical device according to the present invention.
  • Optical device (1, 11) includes a spectroscopic filter (3) and a light detector (2) for detecting the light passing through the spectroscopic filter, and further includes a band limiting filter (4) It is a main feature.
  • the spectral filter 3 is composed of a single unit or a plurality of unit filters to allow passage over a predetermined wavelength.
  • the photodetector 2 detects light passing through the spectral filter 3 and performs generally known functions such as changing the amount of light detected through various electric circuits, electrodes, and the like into an electrical signal.
  • the photodetector 2 may be composed of a single unit or a plurality of unit photodetectors.
  • the spectral filter 3 and the photodetector 2 may be integrated or modularized with each other, or may be formed and disposed as separate modules.
  • the band limiting filter 4 may also be integrated with the spectral filter 3 and may be disposed on a path through which light is incident to measure the spectral. That is, the band limiting filter 4, the spectral filter 3, and the photodetector 2 are sufficient to be disposed on the optical path for spectroscopic measurement.
  • the band limiting filter 4 may be disposed between the spectral filter 3 and the photodetector 2.
  • the spectral filter 3, the band limiting filter 4, and the photodetector 2 may be integrated or modularized with each other, or may be formed and arranged in separate modules.
  • the spectral filter 3, the band limiting filter 4, and the photodetector 2 are sufficient to be disposed on the optical path for spectroscopic measurement.
  • the signal restoration ability and the resolution of the spectroscope can be improved.
  • the band limiting filter 4 will be described later in detail.
  • 3 and 4 are conceptual diagrams for explaining the function of the band limiting filter according to the present invention.
  • one of the main features of the band limiting filter 4 has a wavelength region B that is narrower than the operating wavelength band A to be measured by the spectral filter 3.
  • the band limiting filter 4 may be composed of a single filter or a plurality of stacked layers, and a plurality of band limiting filters 4 may be arranged on the optical path to perform the above-described functions together. It is included in the concept. Physically, it is not limited to specific aspects, such as the various band limiting filter 4 and RGB color filter.
  • the wavelength band of the limiting filter 2 may be small. Therefore, if there is an area in which the wavelength band of the band limiting filter 2 is outside the designed operating wavelength band of the spectral filter 3, it is not included. That is, only B1 corresponding to the designed operating wavelength band of the spectral filter 3 among the wavelength bands of the band limiting filter 4 is calculated. As a result, the condition of the band limiting filter 4 is satisfied when A> B1.
  • the band limiting filter 4 can be configured to be incident to the spectral filter 3 side, if necessary, only part of the light passing through the band limiting filter 4 is incident to the spectral filter 3. It is also possible to configure.
  • the spectral filter 3 used in combination with the band limiting filter 4 may be applied without distinguishing a transmission mode or a reflection mode, and includes a diffraction grating method, a prism method, a Fabry-Perot type resonance filter, and a plasmonic filter. , Absorption type filter, semiconductor quantum dot filter, resonant waveguide resonant mode type filter, and optical interference type spectral filter using integrated optics.
  • the band limiting filter may have a band band smaller than the designed overall operating wavelength range of the spectral filter, and may form one or more nodes (minimum strength points) in the middle of the band.
  • a double peak band limiting filter may perform a mathematically similar function.
  • even a single transmission band filter includes ripples and side lobes in the out-of-band region, so this case can be mathematically included.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an optical device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of a coupling structure of a spectral filter and a band limiting filter in an optical device.
  • the optical device includes a spectral filter 10, a light detector 30 for detecting light passing through the spectral filter 10, and a band limiting filter 20.
  • the band limiting filter 20 has a wavelength range B smaller than the wavelength band A designed to be measured by the spectral filter 10 as described above.
  • a plurality of band-limited filter sets BPF1 for a unit spectroscopic filter in the arrangement of the band-limiting filters 20 corresponding to the unit spectroscopic filters F1, F2, F3... , BPF2, BPF3, BPF4) are the corresponding structures.
  • the present invention is not limited to this and various modifications are possible. That is, the unit band limiting filter per unit spectral filter F 1 , F 2 ,... Is not particularly limited, and may be one, two, three, four, or more.
  • One or more band limiting filters corresponding to each unit spectroscopic filter may be provided. If a plurality of band-limited filters correspond, one of the sets may be replaced by a general optical window layer having no filtering function.
  • the signal restoration performance and resolution are improved, and the burden of the filter array process is remarkably alleviated.
  • Band-limited filter sets can be designed as multiple filters to define a specific wavelength range or cover the entire operating wavelength of the spectrometer chip. Such a structure makes it possible to optimize the resolution and the spectral recovery range of the object.
  • the band limiting filter may also be an RGB color filter of a CMOS image sensor.
  • the spectrum of an object to be analyzed is s ( ⁇ )
  • the transmission function of individual spectroscopic filters is f i ( ⁇ )
  • the sensitivity function of the photodetector is d i ( ⁇ )
  • the spectrum of the object is
  • the detection signal r i generated when passing through the filter and reaches the photodetector is represented by the relational expression (1) below, and it can be developed by the determinant such as equation (2) when represented in a discrete model.
  • Equation (3) is a situation in which the determinant is expressed when the band pass filter is not inserted.
  • the detector sensitivity index is assumed to be 1 regardless of the wavelength, and M denotes the number of filters.
  • M denotes the number of filters.
  • Equation (3) is a situation in which the determinant is expressed when the band pass filter is not inserted.
  • the detector sensitivity index is assumed to be 1 regardless of the wavelength, and M denotes the number of filters.
  • M denotes the number of filters.
  • FIG. 7 is a perspective view of an optical device showing a configuration in which a band limiting filter used as a band limiting filter in the structure of Example 1 is replaced with an RGB color filter of a silicon CMOS image sensor according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. It is a conceptual diagram showing that four unit RGB color filters correspond to one unit spectroscopic filter.
  • An advantage of this embodiment is that it is easy to configure the structure of coupling the spectroscopic filter array thereon without removing the color filter of the commercially available silicon CMOS image sensor.
  • the color filter 200 of the CMOS image sensor performs a function similar to the band limiting filter described above. That is, the color filter 200 has a wavelength region B smaller than the wavelength band A to be measured by the spectral filter 100.
  • unit color filters per unit spectral filter F 1 , F 2 ,... are shown to correspond.
  • the unit color filter per unit spectral filter F 1 , F 2 ,... Is not particularly limited, and may be one, two, three, four, or more.
  • the number of effective filters is increased by combination with a color filter without increasing the number of unit spectroscopic filters. It works.
  • the signal restoration performance and resolution are improved, and the burden of the filter array process is remarkably alleviated.
  • FIG. 9 is an example of a stopband type plasmonic filter array provided without a color filter
  • FIG. 10 is an example of a graph showing the filter function spectrum of FIG.
  • a spectroscopic filter array includes a plurality of unit spectroscopic filters F 1 and F 2 on a substrate 1110.
  • the plurality of unit spectroscopic filters F 1 and F 2 are configured to filter light of different wavelengths.
  • a plurality of unit spectral filters means at least two unit spectral filters.
  • the spectroscope according to an embodiment of the present invention includes the spectroscopic filter array, and includes light having respective light detection regions PD 1 and PD 2 corresponding to each of the plurality of unit spectroscopic filters F 1 and F 2 . It is configured with a detector array.
  • the unit spectroscopic filters F 1 and F 2 are filters having stopband characteristics.
  • “Stopband characteristic” means that the unit spectral filters have a peak in the reverse direction of transmittance according to the wavelength so that light of a specific wavelength band cannot be transmitted.
  • this is another expression of the filter having a peak in the reverse direction of the transmission in accordance with the wavelength to prevent the light of the specific wavelength band to transmit the light by absorbing or reflecting light of the specific wavelength band corresponding to the central wavelength for each unit filter. it means.
  • the metal patterns 1120 may form an array of metal nanostructures having a periodic lattice structure, and have an extraordinary light enhanced in a specific wavelength band by coupling a localized surface plasmon and a lattice mode. Absorption to light reflection phenomenon. As a result, the spectrum of light passing through the array of metal nanostructures forms a dip curve in which the transmittance decreases rapidly in the selective wavelength band where specific light absorption to light reflection is enhanced. It acts as a stopband when based on transmitted light, and its spectral shape depends on the choice of metal and the geometry, such as the period and particle size of the nanostructure array, especially its central wavelength by the lattice period. Has a predominantly determined characteristic.
  • the stopband type plasmonic filter array spectra assumes a 50 nm thick Al nanodisk array having a hexagonal lattice structure and changes its lattice period from 200 nm to 700 nm at 10 nm intervals.
  • the transmission spectrum calculated by the domain method is shown. It can be seen that a single stopband is formed at regular intervals between 400 nm and 700 nm, which is an available wavelength range of a general color CMOS camera.
  • FIG. 11 is an example of a stopband type plasmonic filter array combined with an RGB color filter
  • FIG. 12 is a graph showing a spectrum by a filter array combined with the RGB color filter of FIG.
  • FIG. 11 illustrates a case in which a spectroscopic filter array 1390 is directly formed on the color filters R, G, and B 1380.
  • FIG. 12 shows the transmission spectrum distribution of the effective filter function generated when combined with the stopband filter of FIG. 11 using the individual spectrum of the RGB color filter used in the actual Si-CMOS color image sensor as a band limiting filter function.
  • the spectrum of the plasmonic filter array shows a combination of three sets of filter spectra formed by modifying the influence of the color filter individual functions.
  • FIG. 13 is a graph illustrating a signal recovery difference according to the presence or absence of a color filter, assuming a subject spectrum to be measured as a sun spectrum.
  • the spectrometer filter is composed only of the stopband type plasmonic filter array, and the signal restoration is applied by applying the regularization technique, the overall outline is similar but the detailed intensity distribution of the original spectrum is not reproduced.
  • the general optical window filter is additionally configured, that is, the original stopband filter array function is included and the number of filter sets is increased, a more improved signal restoration result is obtained.
  • FIG. 14 is an example of a filter array when a general optical window pixel having no filtering function is included in addition to the RGB color filter
  • FIG. 15 is a graph showing a spectrum by the filter array of FIG.
  • FIG. 15 shows the spectral distribution assuming that one green (G) color filter is replaced by a general optical window in a Bayer pattern RGGB filter configuration commonly used in color CMOS image sensors.
  • the filter spectrum transformed by the RGB band-limited filter and the existing stopband filter array spectrum are added to have an effective filter function consisting of a total of four filter sets.
  • FIG. 16 is a conceptual diagram for explaining signal processing of an optical device according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 17 is a perspective view of the present optical device
  • FIG. 18 illustrates structures of a spectral filter and a band limiting filter in the present optical device. It is a conceptual diagram to do.
  • the optical device includes a spectral filter 50 composed of unit spectral filters, a light detector 60 for detecting light passing through the spectral filter, and a band limiting filter 40 which is a band limiting filter.
  • the band limiting filter 40 may be manufactured to cover the entire spectral filter as shown in FIGS. 11 and 12, or a plurality of bandpass filters may be arranged in a set.
  • the band pass filter set may be configured such that each unit band pass filter passes through the same wavelength band, or may be configured to pass through different wavelength bands.
  • Equation (5) shows the evolution of the signal recovery determinant when the band-limited filter is coupled to the spectral filter.
  • the effective signal restoration matrix substantially affecting the signal restoration process is M ⁇ (K + 1). It will have a size. In this case, the smaller the half width of the band limiting filter can be expected to further improve the resolution and reliability of the signal recovery.
  • the effective wavelength range may be determined by excluding a signal region that exhibits an intensity distribution of less than 3 times the standard deviation s of measurement noise and an intensity distribution of 1 / e 2 or less relative to the maximum transmittance of the band-limited filter.
  • a combination filter matrix set when combined with a plurality of band limiting filters, a combination filter matrix set can be added and used in the column direction as shown in Equation (4).
  • Fig. 13 is a graph showing the EOT spectral distribution of the spectral filter array.
  • a nanohole array having a hexagonal lattice structure was formed on an Al metal thin film formed with a thickness of 50 nm on a glass substrate, and the lattice cycle was changed from 200 nm to 900 nm at 10 nm intervals with the duty cycle fixed at 50%. For each filter, the transmission spectrum calculated using FDTD simulation is shown.
  • FIG. 20 is a graph comparing the restored spectrum and the original spectrum by applying a signal restoration algorithm in the process of restoring an object spectrum using the spectral filter array shown in FIG. 19.
  • the subject spectrum assumes a double peak curve with two overlapping gaussian peaks with a narrow half-width of 8 nm.
  • the distance between the center peaks is 12 nm. Since the number of plasmonic filters is not large enough and the half width of the EOT band is wide, it can be seen that the double peak cannot be decomposed.
  • FIG. 21 shows a transmission spectrum of an effective filter function generated when the band limiting filter having a half width of 60 nm having a Gaussian function curve is positioned above the plasmonic spectral filter array of FIG. 19.
  • the center wavelength and the half width of the band limiting filter are determined to sufficiently include the characteristic shapes of the object spectrum to be measured.
  • FIG. 22 is a graph comparing the restored object spectrum and the original spectrum when a signal restoration algorithm is executed using an effective filter function according to a combination of a band limiting filter and a plasmonic spectral filter array.
  • the Gaussian filter is used as the band-limiting filter when classifying the spectrum based on the shape of the spectrum, but the Lorentz function filter, the super Gaussian function filter, the flat-top square filter, the asymmetric transmission filter, and the edge filter are various. Filters of the type are available.
  • FIG. 23 is a conceptual diagram of a coupling structure of a band limiting filter and a spectral filter among optical devices according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 23 is a conceptual diagram of a coupling structure of a band limiting filter and a spectral filter among optical devices according to Embodiment 5 of the present invention.
  • a plurality of band-limited filter sets are used corresponding to individual spectroscopic filter arrays in a state in which multiple sets of spectroscopic filter arrays for spectrometer operation are provided. That is, the band limiting filter set is coupled to the multi-filter array set integrated in the 2D array photodetector.
  • one of the band limiting filter sets may be a general window layer without a band filtering function. This configuration has the effect of enabling the operation of a high resolution spectrometer in multiple wavelength bands. It is also possible to cover the whole spectrometer operating wavelength as needed.
  • FIG. 24 is a conceptual diagram illustrating a method of selecting a band limiting filter for covering a multi-wavelength region of an optical device according to Embodiment 6 of the present invention.
  • the optical device of FIG. 24 has a plurality of band limiting filters BPF1, BPF2, BPF3, ..., and each of them selectively corresponds to a spectral filter.
  • the plurality of band limiting filters BPF1, BPF2, BPF3, ... may be rotatably configured in a wheel shape to select one of the band limiting filters BPF1, BPF2, BPF3, ... . This configuration has the effect of allowing multiple selection of wavelength bands for high resolution operation.
  • FIG. 25 is a conceptual diagram of a method of applying a band-limiting filter having a variable wavelength in an optical device according to Embodiment 7 of the present invention.
  • the optical device of FIG. 25 includes a band limiting filter capable of variable wavelength.
  • This structure uses a single wavelength-variable filter instead of combining multiple band filter sets to simplify the application device structure.
  • band limiting filter having a variable wavelength may include a liquid crystal variable band limiting filter and a MEMS based Fabry-Perot type variable band limiting filter.
  • 26 to 28 show calculation examples for explaining a method of complementarily utilizing a broadband spectral filter array and a narrow band band limiting filter type band limiting filter among optical devices according to Embodiment 8 of the present invention. That is, it covers the entire broadband operating wavelength range, and the restoration of the object spectrum having a low resolution shape is performed by the spectral filter array itself, and only the high resolution operation in a specific region is performed by combining with the narrow band band limiting filter. It can also be used in such a way.
  • FIG. 26 is a graph comparing the signal restored with only the spectral filter array of FIG. 19 and the Gaussian peak having a relatively wide 64 nm half width with the very sharp double peak of FIG. to be. Although the double peaks with very narrow half widths and gaps cannot be resolved, the relatively wide Gaussian peak curve is well restored.
  • FIG. 27 shows an example in which the spectrum of the spectral filter array is included in the spectrum of the effective filter function in the process of combining the band limiting filter of FIG. 21 with the EOT type spectral filter array of FIG. 19.
  • an effective filter function as shown in FIG. 28, high resolution recovery in a specific wavelength band and low resolution spectrum recovery in an arbitrary wavelength band can be simultaneously performed. That is, it may be efficient to allow the object spectrum having an appropriate line width and gentle curve shape to be reconstructed through the spectral filter array regardless of which wavelength band exists.
  • FIG. 29 to 32 show calculation examples showing that the optical device according to the present invention operates in the mid-infrared wavelength band.
  • FIG. 29 shows a stopband type transmission spectrum distribution calculated in the 3-10 ⁇ m mid-infrared wavelength band for a plasmonic filter composed of Au nanodisk arrays having a periodic lattice structure. Transmittance spectrum is calculated by changing the 50 nm thick circular Au disk array having a hexagonal lattice structure on a Si substrate with a duty cycle of 50% at intervals of 40 nm intervals from 1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • FIG. 30 is a graph comparing the restored spectrum and the original spectrum by applying a signal restoration algorithm in the process of restoring an object spectrum using the spectral filter array shown in FIG. 29.
  • the subject spectrum assumed a double peak curve formed when two Gaussian peaks with a half width of 100 nm were spaced 150 nm apart.
  • the number of plasmonic filters used is only 51, and the half-band half-band width in the mid-infrared band is also very wide.
  • FIG. 31 shows the transmission spectrum of the effective filter function generated when the Gaussian peak function having a half width of 500 nm is applied as a band limiting filter.
  • 32 is a graph comparing the restored object spectrum and the original spectrum when a signal restoration algorithm is executed using an effective filter function according to a combination of a band limiting filter and a plasmonic spectral filter array. Similar to the visible to near infrared wavelength band, the combination of the spectral filter array and the band limiting filter in the mid-infrared band enables the high resolution signal recovery to be very effective.
  • FIG. 33 is a conceptual diagram illustrating a situation of integration with an image sensor and a spectroscopic sensor according to an embodiment of the present invention.
  • an image sensor region A and a spectroscopic sensor region B are formed integrally together on the same substrate, but are separated from each other into spatially separated regions. For example, at least some of the processes are performed together on or within a substrate such as silicon to form a final product formed on the same substrate.
  • a separate separation region is added between the image sensor region A and the spectral sensor region B, but is not essential. It serves to electrically and physically separate the image sensor region (A) and the spectroscopic sensor region (B) using an insulating film.
  • various circuit parts and the like may be arranged to form a separation area.
  • Image sensor is a sensor that performs the function of imaging the image, which means that the unit pixels are configured in an array form, such as a CMOS image sensor, an infrared image sensor such as a thermal imaging camera, a CCD, or a 1D / 2D array photodetector Possible but preferably CMOS image sensors.
  • CMOS image sensor an infrared image sensor such as a thermal imaging camera, a CCD, or a 1D / 2D array photodetector Possible but preferably CMOS image sensors.
  • Si-based image sensors operate at 380 nm-1100 nm, Ge at 780 nm to 1800 nm, InGaAs sensors at 500 nm to 2500 nm, and MCT (HgCdTe) sensors operate at wavelengths from 2 micro to 12 micro or higher.
  • the spectral filter should also cover this area, but depending on the structure and performance of the spectral sensor, it may cover a narrower or wider area, so the wavelength band of the spectral filter may be designed and manufactured to decrease or increase accordingly. Can be.
  • the spectroscopic sensor region B is disposed only on one side of the image sensor region A, but in actual implementation, two, three, or four sides may be used. In addition, it is also possible to implement a spectroscopic sensor by using dummy pixels outside the effective pixels of the image sensor.
  • FIG. 34 is an exemplary view showing a cross section of FIG. 33.
  • the image sensor is illustrated as an example of a CMOS image sensor.
  • the image sensor region A and the spectroscopic sensor region B will be described separately.
  • the photodetection region 110 is disposed on or in the substrate 100, and the photodetection region 110 has a separation region (not shown) for separating each unit pixel. exist.
  • a metal wiring and an insulating layer 120 having an intermediate dielectric and various electrode lines are provided on the photodetection region 110.
  • R, G, and B filter regions 130 are formed thereon, and the planarization layer 140 and microlenses 150 are formed on the R, G, and B filter regions 130.
  • the photodetection region 110 is disposed on or within the substrate 100, and the photodetection region 110 has a separation region (not shown) for separating each unit pixel. exist.
  • a metal wiring and an insulating layer 120 having an intermediate dielectric and various electrode lines are provided on the photodetection region 110.
  • the spectral sensor filters are disposed on the metallization and the insulating layer 120.
  • the spectroscopic sensor filters 170 are provided with a spectroscopic filter 172 and a band limiting filter 174 for each unit pixel.
  • the spectral filter 172 is applicable to various filters that are not particularly limited, for example, having a wavelength or a structure different from that of the R G B color filter of the CMOS image sensor.
  • Examples of possible spectroscopic filters 172 include diffraction gratings, prismatics, Fabry-Perot type resonant filters, plasmonic filters including metal nanostructure arrays or metal nanohole arrays, silicon nanowire based filters, absorption filters, and resonances.
  • Waveguide resonant mode filter, optical interference type spectral filter using integrated optics, etc. can be used without distinction. Any type of spectroscopic filters disclosed in 2016-0106416, 2016-0106422, 2016-0110789, 2016-0110799, 2016-0098456, filed by the same applicant, may be applied to the filters of the spectroscopic sensor region B.
  • the band limiting filter 174 although the band limiting filter (see FIGS. 13, 23, and 24) is used as the above-described embodiment, the Lorentz function filter, the super Gaussian function filter, the flat-top square filter, Various types of filters are available, such as an asymmetric transmission filter, an edge filter including a long-wavelength pass filter and a short-wavelength pass filter. Also, as shown in FIGS. 9 and 10, an RGB filter may be used. This will be described later.
  • the band-limiting filter 174 can be used as the band-limiting filter 174 as long as it can selectively transmit light without placing a specific limitation on the method or material. Examples include dye dispersion color filters, Fabry-Perot transmission band filters, plasmonic filters (metal nanohole arrays, metal nanostructures, etc), metal and dielectric GMR filters, wavelength variable filters (e.g. liquid crystal based or MEMS based). Variable filters, etc.) may be used.
  • separate microlenses 180 may or may not be formed on the spectroscopic sensor filters 170 formed in the spectroscopic sensor region B.
  • an additional film may be formed between the spectroscopic sensor filters 170 and the metallization and insulating layer 120 or on the spectroscopic sensor filters 170.
  • a separate layer such as a planarization film, a protective film, a natural oxide film, and the like may be added between the spectroscopic sensor filters 170 and the metallization and insulating layer 120, and the silicon may be disposed on the spectroscopic sensor filters 170.
  • a passivation film such as a dioxide film, a silicon nitride film and a dielectric film.
  • the wavelength band covering each unit pixel of the spectroscopic sensor filters 170 may be different, or may be partly the same to distinguish between the signal and the noise.
  • the band limiting filter 172 is characterized in that the entire spectral filter 172 includes a part of the wavelength band to be grasped.
  • the wavelength region to be detected in the spectral sensor region B through the photodetection regions is about 300 nm to 1100 nm, and the spectral filters are filtered to filter the entire region by several nm or several tens of nm.
  • the spectral filters are configured in 10 nm units, 80 spectral filters that filter different wavelengths from 300 nm to 310 nm, 310 nm to 320 nm, ..., and 1090 nm to 1100 nm can be configured.
  • the band limiting filter is configured to have a wavelength band smaller than the 300 nm to 1000 nm wavelength band.
  • each band-limited filter may use a filter having a band of 300 nm to 500 nm smaller than 300 nm to 1100 nm.
  • the wavelength region that the spectroscopic sensor filter wants to grasp such as 200 nm to 500 nm, is partially out of the range of about 300 nm to 1100 nm. In this case, even if the region that is out of 300 nm to 1100 nm is included in the band limiting filter, the band is limited. It does not affect the function of the filter.
  • 35 is a cross-sectional view illustrating a situation in which a CMOS image sensor and a spectroscopic sensor are integrated together according to an embodiment of the present invention. 35 corresponds to a detailed cross-sectional view of FIG. 34.
  • the CMOS image sensor region A and the spectroscopic sensor region B each include separate regions and are integrated on the same substrate.
  • the photodetection region 210 is provided on or in the substrate 200, and an isolation region 220 for separating each unit pixel exists between the substrate 200 and an intermediate dielectric. And a metal wiring and an insulating layer 230 provided with various electrode lines. R, G, and B filter regions 250 are formed thereon, and the planarization layer 260 and microlenses 270 are formed on the R, G, and B filter regions 250.
  • the spectral sensor region B there is a separation region 220 for separating each unit pixel on the substrate 200 or between the photodetection regions 210 and includes an intermediate dielectric and various electrode lines.
  • the metal wiring and the insulating layer 230 is provided.
  • the spectral sensor filters F1, F2, ... are disposed on the metallization and the insulating layer 230.
  • the spectroscopic sensor filters F1, F2, ... are provided with the spectroscopic filter array 290 and the band limiting filters_1, ..., band limiting filter_n 280 for each unit pixel.
  • the preferred wavelength band of the spectral filter array 290 basically covers the entire wavelength range that can be detected by the sensor of the photoactive layer, it is also possible to limit the wavelength range to the sensor range for a particular use.
  • the band limiting filter_1, ..., the band limiting filter_n 280 includes a portion of the wavelength band that the entire spectral filter is to detect.
  • the wavelength region to be detected in the spectral image sensor region B through the light detection regions is assumed to be about 300 nm to 1000 nm, and the spectral filter may filter the entire region in units of several nm or several tens of nm. Configure them. If the spectral filters are configured in 10 nm units, 70 spectral filters can be configured to filter different wavelengths from 300 nm to 310 nm, 310 nm to 320 nm, ..., and 990 nm to 1000 nm. In this case, the band limiting filter is configured to have a wavelength band smaller than the 300 nm to 1000 nm wavelength band.
  • the band limiting filter may be composed of seven band pass filters having a 300nm to 100nm spacing.
  • various filters such as a plasmonic filter can be applied.
  • the existing RGB filter as a band limiting filter, it is also possible to use the RGB filter as it is in the 700nm or more section, and 2 to 3 bandpass filters in the spectral filters for measuring the 700nm or more section It is possible to configure.
  • the band pass filter is not limited to various filters such as plasmonic filters, of course.
  • FIG. 35 illustrates a situation in which the spectral filter array 290 is provided for each unit pixel on the upper portion of the band limiting filter _1, ..., the band limiting filter _n 280.
  • the band limiting filter _n 280 may be formed on the spectral filter array 290.
  • 36 is a diagram illustrating a situation in which the band limiting filter _1,..., Band limiting filter _n 280 are formed on the spectral filter array 290.
  • the stacking order of the band limiting filter and the spectroscopic filter is not different in function.
  • FIG. 37 is a cross-sectional view for describing a situation of integration with a CMOS image sensor and a spectroscopic image sensor according to another embodiment of the present invention.
  • a photodetection region 310 is provided on or within the substrate 300, and an isolation region 320 for separating each unit pixel exists between the substrate 300 and an intermediate dielectric. And a metal wiring and an insulating layer 330 provided with various electrode lines. R, G, and B filter regions 350 are formed thereon, and the planarization layer 360 and microlenses 370 are formed on the R, G, and B filter regions 350.
  • a separation region 320 for separating each unit pixel on the substrate 300 or between the photodetection regions 310 and includes an intermediate dielectric and various electrode lines.
  • the metal wiring and insulating layer 330 is provided.
  • the spectral sensor filters F1, F2,... are arranged with the spectral filter array 390 and the band limiting filter _1,..., Band limiting filter_n 380.
  • Each unit pixel is provided for each pixel, and the band limiting filter 380 is implemented as color filters of the CMOS image sensor.
  • the color filters of the CMOS image sensor included in the band limiting filter 380 are partially wavelength ranges of the wavelength band of the entire spectrum band to be detected.
  • any of R, G, and B may be used, and other kinds of color filters may be possible.
  • the band limiting filter may use a conventional RGB filter, and any visible light filter other than an infrared filter, an infrared-visible light mixing filter, and an RGB color filter may be used depending on the application purpose.
  • the up / down order of the band limiting filter and the spectroscopic filter is not relevant.
  • 38 to 40 illustrate examples of the spectroscopic sensor filters F1, F2, and F3 of FIG. 37. 38 to 40 illustrate an example of three R, G, and B color filters for convenience of description.
  • Each of the unit spectroscopic filters F 1 and F 2 includes a spectroscopic filter array 390 and color filters R, G, and B 380.
  • 38 and 39 illustrate a case in which the spectroscopic filter array 390 is formed on the color filters R, G, and B 380
  • FIG. 40 illustrates the color filters R, G, and B 380 on the spectral filter array 390. ) Is formed.
  • the spectral filter array 390 includes three unit spectroscopic filters, each of which illustrates a filter in which filtering is implemented through a structure in which embossed metal patterns are periodically arranged.
  • the period of the unit spectral filter F 1 and the other unit spectral filters are configured differently because different frequencies are filtered, and each duty cycle D / P is configured identically.
  • the duty cycle of each unit spectroscopic filter preferably has 30% to 80%.
  • FIG. 38 illustrates a case in which the spectroscopic filter array 390 is directly formed on the color filters R, G, and B 380
  • FIG. 39 illustrates a separate planarization layer 800 on the color filters R, G, and B 380. Is formed and the spectral filter array 390 is formed on the planarization layer 800.
  • 40 illustrates a planarization layer 810 formed on the spectral filter array 390 and color filters R, G, and B 380 formed thereon.
  • 41 is a cross-sectional view illustrating a situation in which a CMOS image sensor and a spectroscopic sensor are integrated together according to another embodiment of the present invention.
  • the photodetection region 210 is provided on or in the substrate 300, and an isolation region 320 for separating each unit pixel exists between the substrate 300 and an intermediate dielectric. And a metal wiring and an insulating layer 330 provided with various electrode lines. R, G, and B filter regions 350 are formed thereon, and the planarization layer 360 and microlenses 370 are formed on the R, G, and B filter regions 350.
  • the spectral sensor region B there is a separation region 320 for separating each unit pixel on the substrate 300 or between the photodetection regions 310 and includes an intermediate dielectric and various electrode lines.
  • the metal wiring and insulating layer 330 is provided.
  • the spectral sensor filters F1, F2, ... are disposed on the metal wiring and the insulating layer 330.
  • the spectroscopic sensor filters F1, F2,... Are provided with the spectroscopic filter array 390 and the band-limiting filters_1,..., Band-limiting filters _n 380 for each unit pixel.
  • the pixel size of the spectroscopic sensor filters F1, F2, ... formed in the spectroscopic sensor area B is different from the pixel size of the CMOS image sensor area A. have. It means that each photodetection area of the spectroscopic sensor filters F1, F2, ... can be manufactured in a different size than the photodetection area of the CMOS image sensor area A.
  • each photodetection area of the spectroscopy filters F1, F2, ... is shown wider than the width L1 of each photodetection area of the image sensor area A.
  • FIG. This shows an example of a situation in which the light incident area in each light detection area of the spectroscopic sensor filters F1, F2, ... is designed to be larger than the light incident area of each light detection area of the image sensor area A.
  • FIG. It should be understood as one.
  • the size of each photodetection area of the spectroscopic sensor filters F1, F2, ... is smaller than or equal to the size of the pixel size of the photodetection area of the CMOS image sensor area A. It is possible.
  • CMOS image sensor 42 is a cross-sectional view for explaining a situation of integration with a CMOS image sensor and a spectroscopic image sensor according to another embodiment of the present invention.
  • a photodetection region 410 is provided on or within the substrate 400, and an isolation region 420 for separating each unit pixel exists between the substrate 400 and an intermediate dielectric. And a metal wiring and an insulating layer 430 provided with various electrode lines.
  • R, G, and B filter regions 450 are formed thereon, and the planarization layer 460 and microlenses 470 are formed on the R, G, and B filter regions 450 thereon.
  • a separation region 420 for separating each unit pixel on the substrate 400 or between the photodetection regions 410 and includes an intermediate dielectric and various electrode lines.
  • the metal wiring and insulating layer 430 is provided.
  • the spectroscopy sensor region B is provided with a visible light spectroscope region B1 and an infrared spectroscope region B2.
  • the spectroscopic sensor filters B1F1, B1F2,... Of the visible light spectroscope region B1 are provided with the spectroscopic filter array 490 and the color filters 480 for each unit pixel.
  • the spectroscopic sensor filters B1F1, B1F2, ... in the visible light spectroscope region B1 perform a function for detecting the wavelength band of the visible light.
  • the planarization layer 460 and the microlenses 470 are provided in both the visible light spectroscope area B1 and the infrared spectroscope area B2. It is also possible to remove all or some of the spectroscope region B1 and the infrared spectroscope region B2. Likewise, the microlenses 470 may be removed from the planarization layer 460 in any part of the visible light spectroscope region B1 and the infrared spectroscope region B2, or both.
  • the wavelength region to be detected in the spectral sensor region B through the photodetection regions is about 300 nm to 1100 nm, and the spectral filters are filtered to filter the entire region by several nm or several tens of nm.
  • the spectral filters are configured in 10 nm units, 80 spectral filters that filter different wavelengths from 300 nm to 310 nm, 310 nm to 320 nm, ..., and 1090 nm to 1100 nm can be configured.
  • the band limiting filter, R, G, and B color filters play a role in the visible light spectroscope region B1
  • a band limiting filter having a separate infrared band may be added in the infrared spectroscope region B2.
  • the infrared band limiting filter 495 may be a filter that transmits the 700 nm to 1100 nm band of the infrared band, and separates the band into a plurality of bands, respectively, in the infrared region (700 nm to 1100 nm band or 700 nm to 1100 nm or more). It is also possible to introduce filters to filter other wavelength bands.

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Abstract

본 발명은 광학디바이스에 있어서, 분광필터와 상기 분광필터를 통과하는 광을 검출하기 위한 광검출부를 구비하고, 상기 광의 경로상에 밴드한정필터가 구비되는 것을 특징으로 하는 광학디바이스 및 광학모듈을 제공한다.

Description

광학모듈 및 이를 이용한 광학디바이스
본 발명은 필터어레이 방식의 분광계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 대상체 스펙트럼 복원시 신호복원능과 분해능 향상을 위해 분광필터에 밴드한정필터가 함께 구비되는 광학모듈 및 이를 이용한 광학디바이스에 관한 것이다.
물질 고유의 광학적 스펙트럼을 분석하는 분광학기기는 가시광에서 적외선 대역에 이르기까지 광대역 파장범위에서 사물의 색상이나 분자결합을 측정하는 용도로 다양하게 활용되고 있다. 종래에는 UV-VIS-NIR 분광광도계, 퓨리에변환적외선(FTIR) 분광학기기와 같이 benchtop 형태의 유무기 물질 분석기기로 활용되었으나, 점차 환경유해인자검출, 수질검사, 산업 및 농업 공정라인 모니터링을 통한 process 제어, 잔류농약검출 및 원산지증명 등 식품분야, 오일산화도 측정, 그리고 의학 바이오분야 등 다양한 응용분야에서의 활용성이 주목받으면서 현장측정을 위한 소형화 기기로의 개발수요가 증대되고 있다. 아울러, 최근에는 건강, 음식, 그리고 환경에 대한 자가관리 수요 증대로 개인휴대형 분광기기 및 초소형화에 기반한 사물인터넷용 분광센서로도 응용이 기대되고 있다.
분광학 기기를 소형화시키는 가장 효과적인 방법으로 빛의 분산을 담당하는 광학부품을 기존의 프리즘, 회절격자 대신 대역필터링기능을 갖는 광학필터를 어레이 형태로 제작하여 광검출기 어레이와 집적화하는 방식이 제안되고 있다. 필터어레이 기반의 분광계 구현방식은 이동체가 필요 없기 때문에 견고하고 소형화가 용이하다는 장점이 있다.
다양한 형태의 광학필터구조가 분광계용 필터어레이로 제안되고 있으며 그중 대표적인 것으로 선형가변필터(Linear variable filter, LVF)가 있다. 선형가변필터(Linear Variable Filter, LVF)는 일종의 파브리-페롯 공진기 구조의 광학필터로서 길이방향으로 상하부 거울층 사이에 위치한 유전체 공진층의 두께가 길이방향으로 선형적으로 가변되는 구조로 이루어진다.
이러한 선형가변필터는 길이방향으로 두께가 가변되는 선형구조로 인해 공정 재현성 및 생산성에 한계가 있고 2차원 이미징 센서기술과의 공정적합성도 부족한 단점이 있다. 분광계의 해상도 역시 선형가변필터의 높이 대 길이비로 결정되기에 분광계 소자를 소형화하는데 제약이 따른다.
이를 극복하는 방안으로 공진스펙트럼의 파장가변성이 뛰어난 플라즈모닉스 기반의 필터기술이 제안되고 있다. 예컨대, 금속박막표면에 주기적으로 배열된 나노홀 어레이구조에서 발생하는 특이한 광투과(Extraordinary optical transmission, EOT)현상을 이용한 투과필터가 사용되기도 한다. 수직구조 변형 없이 2차원 수평구조 제어만으로 공진파장의 광대역 가변이 가능하기 때문에, 단순공정으로도 고집적 분광필터 어레이 형성이 가능하고, 2차원 이미지 소자와의 집적화 및 대량생산에 적합한 장점이 있다.
한편, 필터어레이 기반의 분광계는 그 분해능이 필터개수에 비례해서 증가하기 때문에 고분해능을 위해서는 매우 많은 수의 필터가 요구된다. 하지만, 개별필터간의 스펙트럼이 중복되지 않고 상호 독립적이면서도 중심파장간 간격을 미세하게 정밀 제어할 수 있는 공정기술에 한계가 있기 때문에 실질적으로 구현 가능한 분해능에도 제약이 따른다. 필터개수의 제약은 대상체 스펙트럼 복원을 위한 디지털신호처리 과정에도 영향을 미쳐 신호복원능과 동작안정성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
본 발명의 일 목적은 소형화된 구조의 광학 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 필터어레이 기반의 분광계에서 필터개수의 한계를 효과적으로 극복하고 분광기의 신호복원능과 분해능을 향상시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 필터 어레이 방식의 분광계에 바로 적용하여 특정 파장 영역대 분해능을 향상시키는 간편한 부가적 수단을 제공할 수 있도록 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 광학모듈에 있어서, 복수개의 단위분광필터들을 구비하는 분광필터 어레이와, 상기 분광필터 어레이를 통해 측정하고자 하는 파장영역보다 좁은 파장영역의 광을 선택적으로 투과시키는 밴드한정필터와, 상기 분광필터 어레이와 상기 밴드한정필터를 투과하는 광 신호를 검출하기 위한 광검출부를 포함하는 광학모듈을 제공한다.
'밴드한정필터'는 일정한 영역의 파장 대역을 한정하는 필터의 개념으로 이해될 수 있다. 상기 밴드한정필터는 상기 분광필터에서 측정하고자 설계된 동작파장대역 보다 좁은 파장 영역을 가진다. 밴드한정필터는 물리적으로 분광필터의 전부영역 또는 일부 영역을 커버하도록 구성하는 것이 가능하다. 즉, 광경로의 상에서 분광필터로 진입하는 빛 중 전부가 밴드한정필터를 투과하도록 구성하는 것도 가능하고, 일부의 광은 밴드한정필터를 통과하지 않고 일부는 통과하는 구성을 가지는 것도 가능하다. 또한, 부분적으로 단순 광학윈도우가 부분적으로 부가되는 것도 가능하다.
상기 분광필터는 단수 또는 복수개의 단위 필터 어레이로 구성할 수 있다. 밴드한정필터와 분광필터, 광검출부가 각각 서로 다른 모듈로 구비되거나, 어느 2개가 함께 모듈로 구비되거나, 3개 모두 하나의 모듈로 구비되는 경우 등, 광검출부에 입사된 광이 도달하기 전의 어느 광 경로 상에서도 밴드한정필터가 구비될 수 있다. 밴드한정필터와 분광필터, 광검출부 사이에 다른 광학부재 등이 개입되는 경우도 모두 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 밴드한정필터가 상기 분광필터와 상기 광검출부 사이에 배치되는 것도 가능하고, 상기 분광필터는 상기 밴드한정필터와 상기 광검출부 사이에 배치되는 것도 가능하다.
바람직하게는, 상기 단위분광필터는 회절격자 방식 필터, 프리즘 방식 필터, 파브리-페롯형 공진필터, 금속 나노구조체 배열 또는 금속 나노홀 어레이를 포함한 플라즈모닉 필터, 실리콘 나노와이어 기반 필터, 흡수형 필터, 반도체 양자점 필터, 공진도파로 공진모드형 필터 혹은 집적광학을 이용한 광간섭형 분광필터 중에서 하나이다.
바람직하게는, 상기 분광필터 어레이는 특정 파장 영역의 광을 광흡수하거나 광반사하도록 일정한 형상을 갖는 금속패턴들이 주기적으로 배열된 다수의 단위분광필터를 포함한다.
상기 밴드한정필터는 서로 다른 파장 영역의 빛을 선택적으로 투과시키는 다수의 단위밴드한정필터로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 밴드한정필터는 3개 내지 7개의 단위한정필터를 포함하고, 상기 광검출부는 CMOS 이미지센서인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 단위밴드한정필터는 R, G, B 칼라필터 중에서 하나 또는 복수개를 포함한다.
바람직하게는, 상기 하나 또는 복수개의 단위밴드한정필터는 700nm 내지 1100nm 이내의 일정한 영역의 빛을 선택적으로 투과한다.
바람직하게는, 광검출부는 CMOS 이미지센서 혹은 적외선 이미지센서의 광검출 픽셀이다.
바람직하게는, 상기 광검출부의 광검출 픽셀의 사이즈는 상기 단위분광필터의 사이즈보다 작다.
바람직하게는, 상기 광검출부로부터 검출된 광신호를 이용하여 입사한 광의 스펙트럼을 복원하는 기능을 수행하는 프로세싱 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
바람직하게는, 상기 광의 스펙트럼을 복원함에 있어, 필터함수 행렬은 분광필터와 밴드한정필터의 조합으로 이루어지는 세트를 열방향으로 부가하여 구성한다.
바람직하게는, 상기 신호복원 기능에 있어, 신호복원을 위한 필터함수 행렬은 밴드한정필터에 의해 파장샘플링 영역의 범위가 유효하게 제한되고 유효파장범위외 행렬값은 0으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 광학디바이스에 있어서, 입사되는 광을 적어도 R, G, B 로 필터링하기 위한 컬러필터층과, 상기 컬러필터층을 통과한 광신호를 복수의 제1 단위픽셀들로 검출하기 위한 제1 광검출영역을 구비하는 이미지센서영역; 및 대상체의 스펙트럼을 측정하기 위한 분광필터 어레이와, 분광필터 어레이를 투과한 광신호를 복수의 제2 단위픽셀들로 검출하기 위한 제2 광검출영역을 구비하는 분광센서영역을 포함하는 광학디바이스를 제공한다.
바람직하게는, 상기 분광센서영역의 광신호의 경로상에 상기 분광필터 어레이를 통해 측정하고자 설계된 동작파장대역 보다 좁은 파장 영역을 가지는 밴드한정필터를 더 구비한다.
바람직하게는, 상기 분광필터어레이와 상기 밴드한정필터는 적층되되, 상기 분광필터 어레이 상부에 상기 밴드한정필터가 배치되거나, 상기 밴드한정필터 상부에 상기 분광필터 어레이가 배치된다.
바람직하게는, 상기 밴드한정필터는 서로 다른 파장 영역의 빛을 선택적으로 투과시키는 다수의 단위밴드한정필터들을 포함한다.
바람직하게는, 상기 단위한정필터는 R, G, B 칼라필터 중에서 하나 혹은 복수개를 포함한다.
바람직하게는, 하나 혹은 복수개의 단위밴드한정필터는 700nm 내지 1100nm 이내의 일정한 영역의 빛을 선택적으로 투과한다.
바람직하게는, 상기 분광필터 어레이는 복수개의 단위 분광필터들을 구비하고, 상기 단위분광필터들 각각은 일정한 형상을 갖는 금속패턴들을 주기적으로 배열한다.
바람직하게는, 상기 제1 광검출영역과 상기 제2 광검출영역은 서로 다른 사이즈의 광검출 픽셀로 구성된다.
바람직하게는, 상기 제1 광검출영역과 상기 제2 광검출영역은 CMOS 이미지 센서의 광검출기 중 일부이다.
바람직하게는, 상기 분광센서영역의 상기 분광필터 어레이의 분석 파장은 300nm 내지 1100nm이다.
바람직하게는, 상기 이미지센서영역과 상기 분광센서영역 사이에 별도의 분리영역을 더 포함한다.
본 발명에 의하면 필터어레이 기반의 분광계에서 필터개수의 한계를 효과적으로 극복하고 분광기의 신호복원능과 분해능이 향상될 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 기존의 실리콘 CMOS 이미지센서의 칼라필터에 분광필터만 결합하거나 대응하는 방식으로 적용하는 것이 가능하게 된다.
또한, 기제작된 필터어레이 방식의 분광계에 바로 적용하여 특정 파장 영역대 분해능을 향상시키는 간편한 부가적 수단을 제공할 수 있다.
상술한 밴드한정필터와 분광필터의 다양한 필터 조합은 특정파장대 라만분광학 기기 혹은 적외선 분광학 센서 소자에 응용하는 것이 가능하다.
도 1과 도 2는 본 발명에 따른 광학디바이스의 구조도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 밴드한정필터의 기능을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 광학디바이스의 개념도이고, 도 6는 광학디바이스에서 분광필터와 밴드한정필터의 결합구조의 개념도이다.
도 7는 본 발명의 실시예2에 따라 실시예1의 구조에서 밴드한정필터로 사용되는 밴드한정필터를 실리콘 CMOS 이미지 센서의 RGB컬러필터로 대체하는 구성을 보여주는 광학디바이스의 사시도이고, 도 8는 단위 분광필터 1개당 4개의 단위 RGB 컬러필터가 대응되는 것을 나타낸 개념도이다.
도 9 및 도 10은 컬러필터 없이 구비된 스탑밴드형 플라즈모닉 필터 어레이의 일예와 그 필터함수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 11 및 도 12는 RGB 컬러필터와 결합된 필터어레이의 일예와, 그 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 13은 RGB 컬러필터의 유무에 따른 신호복원 차이를 설명하기 위한 그래프이다.
도 14 및 도 15는 RGB컬러필터 외에 필터링 기능이 없는 일반광학윈도우가 필터로 포함되었을 때 필터어레이의 일예와 그 스펙트럼 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예3에 따른 광학디바이스의 신호처리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 17은 본 광학디바이스의 사시도이고, 도 18은 본 광학디바이스에서 분광필터와 밴드한정필터의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 19 내지 도 22는 본 발명의 실시예에 따라 EOT 특성의 투과밴드를 보이는 금속나노홀어레이를 분광필터어레이로 적용하고 밴드한정필터를 그 상부에 추가로 결합하였을 때에, 신호복원에 미치는 효과를 보여주는 계산예시이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스 중 밴드한정필터와 분광필터의 결합구조의 개념도이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스 중 다중파장 영역 커버를 위해 밴드한정필터를 선택하는 방식의 개념도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스 중 파장가변이 가능한 밴드한정필터를 적용하는 방식의 개념도이다.
도 26 내지 도 28은 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스 중 광대역 분광필터어레이와 협대역 밴드한정필터 방식의 밴드한정필터를 상호 보완적으로 활용하는 방식을 설명하기 위한 계산 예시들을 보여주는 그래프들이다.
도 29 내지 도 32는 본 발명의 실시예에 따라 본 발명에 따른 광학디바이스가 중적외선 파장영역 대역에서도 동일하게 작동함을 보여주는 계산 예시를 보여준다.
도 33 내지 도 42는 본 발명의 실시예들에 따라서, 이미지센서와 분광센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 개념도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일 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 1과 도 2는 본 발명에 따른 광학디바이스의 구조도이다.
본 발명의 실시예에 의한 광학디바이스(1,11)는 분광필터(3)와 분광필터를 통과하는 광을 검출하기 위한 광검출부(2)를 구비하고, 추가적으로 밴드한정필터(4)를 구비하는 것을 주된 특징으로 한다.
분광필터(3)는 단수 또는 복수개의 단위 필터로 구성되어 일정한 파장에 대해서 통과가 가능하도록 한다. 광검출부(2)는 분광필터(3)를 통과하는 광을 검출하는 기능을 수행하는 것으로 각종 전기회로부, 전극 등을 통해서 검출한 광의 양을 전기신호로 변화시키는 등 일반적으로 공지된 기능들을 수행한다. 광검출부(2)는 단수 또는 복수개의 단위 광검출기로 구성될 수 있다.
한편, 분광필터(3)와 광검출부(2)는 서로 함께 집적 또는 모듈화 되는 것도 가능하고 서로 다른 별도의 모듈로 각각 형성되어 배치되는 것도 가능하다. 또한, 밴드한정필터(4)도 분광필터(3)와 함께 집적되는 것도 가능하고 분광을 측정하기 위해 광이 입사되는 경로 상에 배치될 수 있다. 즉, 밴드한정필터(4), 분광필터(3), 광검출부(2)는 분광 측정을 위한 광 경로 상에 배치되는 것으로 족하다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 밴드한정필터(4)는 분광필터(3)와 광검출부(2) 사이에 배치되는 것도 가능하다. 이 경우도 분광필터(3), 밴드한정필터(4), 광검출부(2)는 서로 함께 집적 또는 모듈화되는 것도 가능하고 서로 다른 별도의 모듈로 각각 형성되어 배치되는 것도 가능하다. 마찬가지로, 분광필터(3), 밴드한정필터(4), 광검출부(2)는 분광 측정을 위한 광 경로 상에 배치되는 것으로 족하다.
이러한 광학필터에 의하면 분광기에 신호복원능과 분해능이 향상될 수 있다. 이하, 밴드한정필터(4)에 대해 상세히 후술한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 밴드한정필터의 기능을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 밴드한정필터(4)의 주된 특징 중 하나는 분광필터(3)에서 측정하고자 하는 동작파장대역(A) 보다 좁은 파장 영역(B)을 가진다. 밴드한정필터(4)는 이러한 기능을 가지면 단수의 필터로 이루어질 수도 있고 복수개가 적층되어 이루어지는 것도 가능하며, 광 경로 상에 복수개가 배치되어 함께 상술한 기능을 수행하는 것도 밴드한정필터(4)의 개념에 포함된다. 물리적으로는 각종 밴드한정필터(4), RGB 칼라필터 등 구체적인 태양에 한정되지 않는다.
한편, 밴드한정필터(4)의 파장대역이 분광필터의 설계된 동작파장대역 보다 작다는 의미는 도 4에 도시하고 있는 바와 같이, 분광필터(3)가 측정하고자 하는 파장대역(A) 내에서만 밴드한정필터(2)의 파장대역이 작으면 된다. 따라서, 밴드한정필터(2)의 파장대역이 분광필터(3)의 설계된 동작파장대역을 벗어나는 영역이 있는 경우 이는 포함되지 않는다. 즉, 밴드한정필터(4)의 파장대역 중 분광필터(3)의 설계된 동작파장대역에 해당하는 B1만 계산되고, 결과적으로 A>B1인 경우 밴드한정필터(4)의 조건은 만족된다.
한편, 밴드한정필터(4)를 통과한 모든 광이 분광필터(3) 측으로 입사되도록 구성하는 것도 가능하지만 필요에 따라서는 밴드한정필터(4)를 통과한 일부 광만 분광필터(3)에 입사되도록 구성하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에서 밴드한정필터(4)와 결합되어 사용되는 분광필터(3)는 투과모드, 반사모드 구분 없이 적용될 수 있으며, 회절격자 방식, 프리즘 방식, 파브리-페롯형 공진필터, 플라즈모닉 필터, 흡수형 필터, 반도체 양자점 필터, 공진도파로공진모드형 필터, 집적광학을 이용한 광간섭형 분광필터 등 구분 없이 사용가능하다.
또한, 실제 구현에 있어, 밴드한정필터는 분광필터의 설계된 전체 동작파장범위보다 작은 밴드대역이면서, 대역 중간에 node(최소세기 point)를 하나 이상 형성하는 경우도 가능하다. 예를 들면, double peak 형태의 밴드한정 필터도 수학적으로 일정부분 유사한 기능을 할 수 있다. 또한, 단일 투과밴드 필터라도 대역외 영역에 ripple이나 side lobes가 존재하기에 이런 경우도 수학적으로 포함해서 처리가능하다.
(실시예1)
도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 광학디바이스의 개념도이고, 도 6은 광학디바이스에서 분광필터와 밴드한정필터의 결합구조의 개념도이다.
광학디바이스는 분광필터(10)와 분광필터(10)를 통과하는 광을 검출하기 위한 광검출부(30), 그리고 밴드한정필터(20)를 구비한다. 밴드한정필터(20)는 전술한 바와 같이 분광필터(10)에서 측정하고자 설계된 파장대역(A) 보다 작은 파장 영역(B)을 가진다.
도 6을 참조하면, 분광필터의 단위분광필터들(F1,F2,F3...)에 대응되는 밴드한정필터들(20)의 배치구조에서 단위분광필터에 대해 복수개의 밴드한정필터세트(BPF1,BPF2,BPF3,BPF4)가 대응되는 구조이다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다. 즉, 단위 분광필터(F1, F2,...) 당 단위 밴드한정필터는 1개, 2개, 3개, 4개, 그 이상 등 특별히 제한되지 않고 가능하다.
각 단위분광필터에 대응하는 밴드한정필터는 1개 이상이 가능하며 복수개가 대응되는 경우 세트 중 하나는 필터링 기능이 없는 일반 광학윈도우층으로 대체하는 것도 가능하다.
다만, 단위 분광필터(F1, F2,...) 1개당 2개 이상의 단위 밴드한정필터가 대응되는 경우 단위 분광필터의 개수를 늘리지 않고도 밴드한정필터와의 조합에 의해 유효필터의 개수가 증대되는 효과가 있다.
또한, 본 실시예에 의하면 신호복원능과 분해능이 향상되고 필터 어레이 공정의 부담이 현저히 완화되는 효과가 있다.
밴드한정필터 세트는 특정 파장 영역대를 한정하거나 분광계 칩의 전체 동작 파장을 커버하도록 다중필터로 설계되는 것이 가능하다. 이러한 구조에 의하면 분해능과 대상체의 스펙트럼 복원 범위를 최적화하는 것이 가능하다.
또한, 밴드한정필터는 CMOS 이미지센서의 RGB 컬러필터인 것도 가능하다.
이하, 본 발명의 실시예에 따라서 분광필터와 밴드투과 필터가 결합된 경우 신호처리를 설명한다.
도 5를 참조하면, 분석하고자 하는 대상체의 스펙트럼을 s(λ), 개별 분광필터들의 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 PCTKR2017008258-appb-I000001
(1)
Figure PCTKR2017008258-appb-I000002
(2)
이러한 배경 하에서, 밴드한정필터가 삽입되지 않은 경우와 삽입된 경우를 서로 비교한다.
먼저, 종래 기술에 따른 것으로, 식(3)은 밴드 투과 필터가 삽입되지 않은 경우 행렬식을 나타낸 상황이다. 여기서, 검출기 감도지수는 파장에 상관없이 1로 가정하였고 M은 필터의 개수를 의미한다. 이 경우 필터의 수를 일정개수 이상 늘리는 데에 공정상 한계가 존재하기 때문에 필터개수(M)이 파장샘플링 개수(N) 보다 작은 불량조건문제(ill-posed problem)가 발생한다. 이는 결국 행렬방정식에서 방정식이 미지수보다 적은 under-determined 문제로 귀결되고, 그 정도가 심할수록 regularization 기법 등을 적용하여 해를 구하더라도 신호복원 신뢰도와 분해능에서 성능저하를 초래하게 된다.
Figure PCTKR2017008258-appb-I000003
(3)
이러한 배경 하에서, 밴드한정필터가 삽입되지 않은 경우와 삽입된 경우를 서로 비교한다.
먼저, 종래 기술에 따른 것으로, 식(3)은 밴드 투과 필터가 삽입되지 않은 경우 행렬식을 나타낸 상황이다. 여기서, 검출기 감도지수는 파장에 상관없이 1로 가정하였고 M은 필터의 개수를 의미한다. 이 경우 필터의 수를 일정개수 이상 늘리는 데에 공정상 한계가 존재하기 때문에 필터개수(M)이 파장샘플링 개수(N) 보다 작은 불량조건문제(ill-posed problem)가 발생한다. 이는 결국 행렬방정식에서 방정식이 미지수보다 적은 under-determined 문제로 귀결되고, 그 정도가 심할수록 regularization 기법 등을 적용하여 해를 구하더라도 신호복원 신뢰도와 분해능에서 성능저하를 초래하게 된다.
Figure PCTKR2017008258-appb-I000004
Figure PCTKR2017008258-appb-I000005
(4)
(실시예2)
도 7은 본 발명의 실시예2에 따라 실시예1의 구조에서 밴드한정필터로 사용되는 밴드한정필터를 실리콘 CMOS 이미지 센서의 RGB컬러필터로 대체하는 구성을 보여주는 광학디바이스의 사시도이고, 도 8은 단위 분광필터 1개당 4개의 단위 RGB 컬러필터가 대응되는 것을 나타낸 개념도이다.
본 실시예의 장점은 상용화된 실리콘 CMOS 이미지 센서의 칼라필터를 제거하지 않고 그 위에 분광필터 어레이를 결합하는 구조를 용이하게 구성가능하다. 이 경우, CMOS 이미지 센서의 컬러필터(200)는 전술한 밴드한정필터와 유사한 기능을 수행한다. 즉, 컬러필터(200)는 분광필터(100)에서 측정하고자 하는 파장대역(A) 보다 작은 파장 영역(B)을 가진다.
한편, 본 실시예에 의하면, 단위 분광필터(F1, F2,...) 1개당 4개의 단위 컬러필터가 대응되도록 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다. 즉, 단위 분광필터(F1, F2,...) 당 단위 컬러필터는 1개, 2개, 3개, 4개, 그 이상 등 특별히 제한되지 않고 가능하다. 다만, 단위 분광필터(F1, F2,...) 1개당 2개 이상의 단위 컬러필터가 대응되는 경우 단위 분광필터의 개수를 늘리지 않고도 칼라필터와의 조합에 의해 유효필터의 개수가 증대되는 효과가 있다.
또한, 본 실시예에 의하면 신호복원능과 분해능이 향상되고 필터 어레이 공정의 부담이 현저히 완화되는 효과가 있다.
도 9는 컬러필터 없이 구비된 스탑밴드형 플라즈모닉 필터 어레이의 일예이고, 도 10은 도 9의 필터함수 스펙트럼을 나타낸 그래프의 일예를 나타내고 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분광필터 어레이는 기판(1110) 상에 다수의 단위 분광필터들(F1,F2)을 포함한다. 다수의 단위 분광필터들(F1,F2)은 각기 다른 파장의 광을 필터링하도록 구성된다. 다수의 단위 분광필터들은 적어도 2개의 단위 분광필터들을 의미한다. 본 발명의 실시예 따른 분광기는 상기 분광필터 어레이를 포함하며, 다수의 단위 분광필터들(F1,F2) 각각에 대응되는 각각의 광검출영역들(PD1, PD2)을 포함하는 광검출기 어레이를 구비하여 구성된다. 단위 분광필터들(F1,F2)은 스탑밴드 특성을 갖는 필터이다.
“스탑밴드 특성”이라 함은 단위 분광필터들이 특정파장대역의 빛이 투과하지 못하도록 파장에 따른 투과율이 역방향의 피크를 갖는다. 또한, 이는 다른 표현으로 단위필터들 마다 중심파장에 해당하는 특정파장대역의 광을 광흡수하거나 광반사함으로써 특정파장대역의 광이 투과하지 못하도록 파장에 따른 투과율이 역방향의 peak을 갖는 필터의 특성을 의미한다. 스탑밴드 관련 기재는 동출원인에 의해 출원된 10-2016-106422호의 내용이 본 출원명세서에 병합된다.
금속패턴들(1120)은 주기적 격자구조를 갖는 금속 나노구조체 배열을 이룰 수 있고, 국소표면 플라즈몬(localized surface plasmon)과 격자모드와의 커플링에 의해 특정파장대역에서 강화된 특이적(extraordinary) 광흡수 내지 광반사 현상을 나타낸다. 이로 인해 금속 나노구조체 배열을 투과하는 빛의 스펙트럼은 특이적 광흡수 내지 광반사 현상이 강화되는 선택적 파장대역에서 투과도가 급격히 낮아지는 dip 곡선을 형성하게 된다. 이는 투과광을 기준으로 할 때, 스탑밴드로서 역할을 하게 되며, 그 스펙트럼 형상은 금속물질의 선택과 나노구조체 배열의 주기 및 입자크기와 같은 기하학적 구조에 의존하며, 특히 그 중심파장은 격자주기에 의해 지배적으로 결정되는 특징을 갖는다.
도 10을 참조하면, 스탑밴드형 플라즈모닉 필터어레이 스펙트럼은 육방정 격자구조를 갖는 50 nm 두께의 Al 나노디스크 어레이를 가정하고 그 격자주기를 200nm 부터 700nm 까지 10 nm 간격으로 변화시켜가며 유한차분시간영역법으로 계산한 투과스펙트럼을 보여준다. 일반적인 칼라 CMOS 카메라의 가용 파장범위인 400 nm에서 700nm 사이에서 일정한 간격으로 단일 스탑밴드를 형성하고 있음을 알 수 있다.
도 11은 RGB컬러필터와 결합된 스탑밴드형 플라즈모닉 필터 어레이의 일예이고, 도 12는 도 11의 RGB컬러필터와 결합된 필터어레이에 의한 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 11은 컬러필터 R, G, B(1380) 상부에 분광필터 어레이(1390)가 직접 형성된 경우를 나타낸다.
도 12는 실제 Si-CMOS 칼라 이미지센서에서 사용되고 있는 RGB 컬러필터의 개별스펙트럼을 밴드한정필터 함수로 사용하여 도 11의 스탑밴드필터와 결합하였을 때 생성되는 유효필터함수의 투과 스펙트럼 분포를 보여준다. 플라즈모닉 필터어레이의 스펙트럼이 컬러필터 개별 함수의 영향을 받아 변형되어 형성된 3세트의 필터스펙트럼의 조합을 보여준다.
도 13은 측정하고자 하는 대상체 스펙트럼을 태양스펙트럼으로 가정하고 컬러필터의 유무 및 조합에 따른 신호복원 차이를 설명하기 위한 그래프이다.
스탑밴드형 플라즈모닉 필터어레이로만 분광계 필터가 구성되는 일반적인 경우를 가정하고, regularization 기법을 적용하여 신호복원을 진행하였을 때는 전체적인 윤곽은 유사하지만 본래 대상체 스펙트럼의 세밀한 세기분포변화를 재현해 내지 못하고 있다. 반면, RGB 컬러필터와 결합된 경우에는 상당히 개선된 스펙트럼 복원능을 보여준다. 또한, 일반광학윈도우 필터가 추가로 구성된 경우, 즉 본래의 스탑밴드 필터어레이 함수가 포함되어 필터세트의 개수가 증가한 경우에 좀 더 개선된 신호복원 결과를 나타냄을 알 수 있다.
도 14는 RGB컬러필터 외에 필터링 기능이 없는 일반광학윈도우 픽셀을 포함되었을 때 필터어레이의 일예이고, 도 15는 도 14의 필터어레이에 의한 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 15는 컬러 CMOS 이미지센서에서 보편적으로 사용되는 Bayer 패턴의 RGGB 필터구성에서 그린(G)컬러필터 하나를 일반광학윈도우로 대체한다고 가정할 때의 스펙트럼 분포를 보여준다.
RGB 밴드한정필터에 의해 변형된 필터스펙트럼과 기존 스탑밴드형 필터어레이 스펙트럼을 더해 총 4개의 필터세트로 구성되는 유효필터함수를 갖게 된다.
(실시예3)
도 16은 본 발명의 실시예3에 따른 광학디바이스의 신호처리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 17은 본 광학디바이스의 사시도이고, 도 18은 본 광학디바이스에서 분광필터와 밴드한정필터의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
광학디바이스는 단위 분광필터들로 구성된 분광필터(50)와 분광필터를 통과하는 광을 검출하기 위한 광검출부(60), 그리고 밴드한정필터인 밴드한정필터(40)를 구비한다.
밴드한정필터(40)는 도 11 및 도 12와 같이 전체가 분광필터 전체를 커버하는 형태로 제조되는 것도 가능하고 복수개의 밴드투과 필터들이 세트로 구성되어 배치되는 것도 가능하다. 밴드투과 필터 세트는 각각의 단위 밴드투과 필터가 서로 동일한 파장대역을 통과하도록 구성되는 것도 가능하고 서로 다른 파장대역을 통과하도록 구성하는 것도 가능하다.
본 구조는 용도에 따라 별도의 외부 밴드한정필터를 선택하고 분광계의 각 구성들과 결합하여 사용하는 방식으로 제조하는 경우 장점이 있다. 식(5)는 밴드한정필터가 분광필터에 결합된 경우 신호복원 행렬식의 전개를 보여준다. 전체 분광계 동작 파장영역 중 일부 영역을 한정함에 의해 분광계용 필터의 개수는 동일하게 유지하면서 파장 샘플링 영역의 범위를 유효하게 제한함으로써 필터함수의 tall 함수화가 가능하게 되고 그 결과 신호복원력과 분해능이 향상되는 효과가 있다. 즉, 밴드한정필터의 유효파장범위(λj 내지 λj +k) 밖 영역은 행렬값이 0으로 수렴하게 되므로 신호복원 과정에서 실질적으로 영향을 주는 유효신호복원행렬은 M×(K+1) 크기를 갖게 된다. 이때, 밴드한정필터의 반가폭이 작을수록 신호복원의 분해능과 신뢰도가 더욱 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
실제 소자 동작시, 유효파장범위는 측정노이즈의 표준편차 s의 3배 이하 세기 내지 밴드한정필터의 최대 투과도 대비 1/e2 이하의 세기분포를 보이는 신호영역을 제외하는 방식으로 결정될 수 있다.
한편, 복수개의 밴드한정필터와 결합되는 경우에는 식(4)와 같이 조합필터행렬세트를 열방향으로 부가하여 사용할 수 있다.
Figure PCTKR2017008258-appb-I000006
(5)
한편, 기제작된 모듈 형태로 구성된 필터어레이 방식의 분광계 소자를 외부 밴드 투과필터와의 선택적 결합에 의해 특정 파장 내역에서 고분해능을 부여하는 것이 가능하다. 따라서, 다양한 응용소자화 및 용도별 밴드필터의 제공이 가능하게 된다.
(실시예4)
도 19 및 도 20은 실시예4에 따라 EOT 특성의 투과밴드를 보이는 금속나노홀어레이를 분광필터어레이로 적용하고 밴드한정필터를 그 상부에 추가로 결합하였을 때에, 신호복원에 미치는 효과를 보여주는 계산예시이다. 도 13은 분광필터어레이의 EOT 스펙트럼 분포를 나타내는 그래프이다. 유리기판위에 50nm 두께로 형성된 Al 금속박막 상에 육방정 격자구조를 갖는 나노홀 어레이를 형성시키고, 듀티사이클을 50%로 고정한 상태에서 격자주기를 200nm부터 900nm까지 10nm 간격으로 변화시켜가며 제작한 71개의 필터 각각에 대해 FDTD 전산모사기법을 이용하여 계산한 투과스펙트럼을 보여준다.
도 20은 도 19에 보여준 분광필터어레이를 이용하여 대상체 스펙트럼을 복원하는 과정에서 신호복원 알고리즘을 적용하여 복원된 스펙트럼과 원 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 대상체 스펙트럼은 반가폭이 8 nm로 좁은 두 개의 가우시안 피크가 약간 중첩되어 나타나는 이중피크 곡선을 가정하였다. 여기서, 중심피크간 거리는 12 nm이다. 플라즈모닉 필터의 개수가 충분히 많지 않고, EOT 밴드의 반가폭도 넓기 때문에 이중피크를 분해해 내지 못함을 알 수 있다.
도 21은 가우시안 함수곡선을 가지는 반가폭 60 nm의 밴드한정필터를 밴드한정필터로 하여 도 19의 플라즈모닉 분광필터어레이 상부에 위치시켰을 때, 생성되는 유효필터함수의 투과스펙트럼을 보여준다. 밴드한정필터의 중심파장과 반가폭은 측정하고자 하는 대상체 스펙트럼의 특징적 형상을 충분히 포함할 수 있도록 결정한다.
도 22는 밴드한정필터와 플라즈모닉 분광필터어레이의 결합에 따른 유효필터함수를 이용하여 신호복원 알고리즘을 실행하였을 때 복원된 대상체 스펙트럼과 원 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 단순히 분석대상 파장대역을 포함하는 밴드한정필터를 필터어레이 기반의 분광계에 부가적으로 적용함에 의해서, 매우 효과적으로 고분해능 신호복원이 가능해 짐을 확인할 수 있다. 또한, 신호복원 프로세스 자체의 안정성 역시 향상되는 효과가 있다.
본 실시예에서는 스펙트럼의 형상을 기준으로 분류할 때 밴드한정필터로 가우시안 함수 필터를 사용하였지만, 로렌츠 함수 필터, 슈퍼 가우시안 함수필터, flat-top 형태의 사각필터, 비대칭적 투과필터, edge필터 등 다양한 형태의 필터가 사용가능하다.
(실시예5)
도 23은 본 발명의 실시예5에 따른 광학디바이스 중 밴드한정필터와 분광필터의 결합구조의 개념도이다.
도 23을 참조하면, 분광계 동작을 위한 분광필터어레이를 멀티 세트로 구비한 상태에서 복수의 밴드한정필터 세트를 각각 개별 분광필터어레이에 대응하여 활용하는 경우를 도시하고 있다. 즉, 2D 어레이의 광검출기에 집적된 멀티 필터 어레이 세트 상부에 밴드한정필터 세트를 결합하는 구조이다. 이 경우, 밴드한정필터 세트 중 하나는 밴드필터링 기능이 없는 일반 윈도우층일 수 있다. 이와 같은 구성을 통하면 다중 파장대역에서의 고분해능 분광계 동작이 가능해지는 효과가 있다. 필요에 따라 분광계동작 파장 전체를 커버하는 것도 가능하다. 이러한 조합은 결과적으로 실시예1의 밴드한정필터가 분광필터어레이와 광검출기 사이에 위치하는 결합구조와 유사한 효과를 가능하게 한다. 따라서 용도와 공정편이성에 따라 결합구조를 선택, 적용하는 것이 바람직하다.
(실시예6)
도 24는 본 발명의 실시예6에 따른 광학디바이스 중 다중파장 영역 커버를 위해 밴드한정필터를 선택하는 방식의 개념도이다.
도 24를 참조하여, 도 24의 광학디바이스와 도 18의 광학디바이스의 차이점을 위주로 설명한다. 도 24의 광학디바이스는 복수개의 밴드한정필터들(BPF1, BPF2, BPF3,...)이 존재하고 이들 각각이 선택적으로 분광필터에 대응되는 구조이다. 예를 들어 복수개의 밴드한정필터들(BPF1, BPF2, BPF3,...)이 휠 형태로 회전가능하게 구성함으로써 밴드한정필터들(BPF1, BPF2, BPF3,...) 중 하나를 선택할 수 있다. 이러한 구성에 의해 고분해능 동작을 위한 파장대역을 다중으로 선택가능하게 되는 효과가 있다.
(실시예7)
도 25는 본 발명의 실시예7에 따른 광학디바이스 중 파장가변이 가능한 밴드한정필터를 적용하는 방식의 개념도이다.
도 25를 참조하여, 도 25의 광학디바이스와 도 18의 광학디바이스의 차이점을 위주로 설명한다. 도 25의 광학디바이스는 파장가변이 가능한 밴드한정필터를 구비한다. 이 구조는 응용소자 구조의 단순화를 위해 다중 밴드필터 세트의 결합 대신 단일의 파장가변 필터를 적용한 구조이다.
파장가변이 가능한 밴드한정필터의 예로는 액정가변 밴드한정필터, MEMS 기반 파브리페롯형 가변 밴드한정필터 등이 적용가능하다.
(실시예8)
도 26 내지 도 28은 본 발명의 실시예8에 따른 광학디바이스 중 광대역 분광필터어레이와 협대역 밴드한정필터 방식의 밴드한정필터를 상호 보완적으로 활용하는 방식을 설명하기 위한 계산 예시를 보여준다. 즉, 광대역 동작파장 범위 전체를 커버하며, 저분해능 형상을 갖는 대상체 스펙트럼에 대한 복원은 분광필터어레이 자체적으로 담당하게 하고, 특정영역에서의 고분해능 동작만 협대역 밴드한정필터와의 결합에 의해 담당하게 하는 방식으로 활용하는 것도 가능하다.
도 26은 도 20의 매우 날카로운 이중피크와 함께 상대적으로 넓은 64 nm의 반가폭을 갖는 가우시안 피크가 혼재되어 대상체 스펙트럼을 구성하는 모습과 도 19의 분광필터어레이만을 가지고 신호복원한 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 매우 좁은 반가폭과 간극을 갖는 이중피크를 분해하지는 못하지만, 상대적으로 넓은 가우시안 피크곡선은 잘 복원해 내고 있음을 알 수 있다.
도 27은 도 19의 EOT형 분광필터어레이에 도 21의 밴드한정필터를 결합하는 과정에서 분광필터어레이의 스펙트럼이 유효필터함수의 스펙트럼에 포함되도록 구성된 예시를 보여준다. 이러한 유효필터함수를 이용하게 되면 도 28에 나타낸 바와 같이 특정파장대역에서의 고분해능 복원과 임의 파장대역에서의 저분해능 스펙트럼복원이 동시에 가능해지는 효과가 있다. 즉, 적당한 선폭과 완만한 곡선 형태를 이루는 대상체 스펙트럼은 어느 파장대역에 존재하는가에 상관없이 분광필터어레이를 통해 복원을 담당하게 하는 것이 효율적일 수 있다.
(실시예9)
도 29 내지 도 32는 본 발명에 따른 광학디바이스가 중적외선 파장영역 대역에서도 동일하게 작동함을 보여주는 계산 예시를 보여준다. 도 29는 주기적 격자구조를 갖는 Au 나노디스크 어레이로 구성된 플라즈모닉 필터에 대해 3-10 μm 중적외선 파장대역에서 계산된 스탑밴드형 투과도 스펙트럼 분포를 보여준다. Si 기판위에 육방정 격자구조를 갖는 50nm 두께의 원형 Au 디스크 어레이를 듀티사이클 50%로 고정한 상태에서, 주기 1μm부터 3μm까지 40 nm 간격으로 변화시켜가며 계산한 투과도 스펙트럼이다.
도 30은 도 29에 보여준 분광필터 어레이를 이용하여 대상체 스펙트럼을 복원하는 과정에서 신호복원 알고리즘을 적용하여 복원된 스펙트럼과 원 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 대상체 스펙트럼은 반가폭 100 nm인 두 개의 가우시안 피크가 150nm 간격 떨어져 있을 때 형성되는 이중피크 곡선을 가정하였다. 사용된 플라즈모닉 필터의 개수가 51개에 불과하고, 중적외선 대역에서의 스탑밴드 반가폭 역시 매우 넓기 때문에 이중피크를 분해하지 못하고 낮은 수준의 신호복원능을 보여줌을 알 수 있다.
도 31은 반가폭 500 nm의 가우시안 피크함수를 밴드한정필터로 적용하였을 때, 생성되는 유효필터함수의 투과스펙트럼을 보여준다. 도 32는 밴드한정필터와 플라즈모닉 분광필터어레이의 결합에 따른 유효필터함수를 이용하여 신호복원 알고리즘을 실행하였을 때 복원된 대상체 스펙트럼과 원 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 가시광 내지 근적외선 파장대역과 마찬가지로 중적외선 대역에서도 분광필터어레이와 밴드한정필터와의 결합에 의해 매우 효과적으로 고분해능 신호복원이 가능해 짐을 확인할 수 있다.
(실시예 10)
도 33은 본 발명의 실시예에 따라서, 이미지센서와 분광센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 개념도이다.
도 33을 참조하면, 이미지센서 영역(A)과 분광센서 영역(B)이 동일한 기판 상에 함께 집적되어 형성되는데 공간적으로 별도의 영역으로 분리되어 제작되는 예를 도시하고 있는 도면이다. 예를 들어, 실리콘 등의 기판 상 또는 기판 내부에 적어도 일부의 공정을 함께 진행하여 최종 제조물이 동일한 기판에 함께 형성된 상황을 도시하고 있다. 도 33에서는 이미지센서 영역(A)과 분광센서 영역(B) 사이에는 별도의 분리영역이 추가된 것으로 도시하고 있지만 필수적인 구성은 아니다. 절연막 등을 이용하여 전기적, 물리적으로 이미지센서 영역(A)과 분광센서 영역(B)을 분리하는 역할을 한다. 또한, 각종 회로부 등이 배치되어 분리영역을 구성하는 것도 가능하다.
이미지센서는 영상을 이미징하는 기능을 수행하는 센서로, 단위 픽셀들이 어레이 형태로 구성된 것을 의미하는 것으로, CMOS 이미지센서, 열화상 카메라와 같은 적외선 이미지 센서, CCD, 또는 1D/2D 어레이 광검출기등이 가능하지만, 바람직하게는 CMOS 이미지센서이다.
일반적으로 Si 기반 이미지센서의 경우 380 nm-1100nm, Ge의 경우, 780nm에서 1800nm, InGaAs 센서의 경우 500 nm에서 2500 nm, MCT(HgCdTe)센서는 2마이크로에서 12마이크로 또는 그 이상 파장에서 동작하는 것이 일반적이므로 분광필터도 역시 이 영역을 커버하는 것이 마땅하나, 분광 센서의 구조 및 성능에 따라 더 좁거나 넓은 영역을 커버할 수 있으므로, 분광 필터의 파장 대역도 이에 맞춰서 줄어들거나 늘리도록 설계 및 제조할 수 있다.
한편 도 33에는 이미지센서 영역(A)의 일측면에만 분광센서 영역(B)이 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 실제 구현에 있어서는 2면, 3면, 또는 4면 등이 모두 가능하다. 또한, 이미지 센서의 유효 픽셀들 외부의 더미픽셀들을 활용하여 분광센서를 구현하는 것도 가능하다.
도 34는 도 33의 단면을 도시한 예시도이다. 이미지센서는 CMOS이미지센서인 경우를 예로 들어 도시하고 있다. 이미지센서 영역(A)과 분광센서 영역(B)을 각각 분리하여 설명한다. 이미지센서 영역(A)을 설명하면, 기판(100) 상 또는 기판 내부에 광검출영역(110)이 배치되는데, 광검출영역(110)은 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(미도시)이 존재한다. 그리고, 광검출영역(110) 상부에는 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(120)이 구비된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역(130)이 형성되고 그 위에 평탄화층(140)과 마이크로렌즈(150)들이 각 R,G,B 필터영역(130)에 대응하여 형성된다.
분광센서 영역(B)을 설명하면, 기판(100) 상 또는 기판 내부에 광검출영역(110)이 배치되는데, 광검출영역(110)은 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(미도시)이 존재한다. 그리고, 광검출영역(110) 상부에는 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(120)이 구비된다. 그리고, 분광센서 영역(B)에는 금속배선 및 절연층(120) 상부에 분광센서 필터들이 배치된다. 분광센서필터들(170)은 분광필터(172)와 밴드한정필터(174)가 각각 단위 픽셀 별로 구비된다.
분광필터(172)는 예컨대 CMOS 이미지센서의 R G B 컬러필터와는 다른 파장 또는 다른 구조를 가지는 특별히 한정되지 않은 다양한 필터가 적용가능하다. 가능한 분광필터(172)의 예로는, 회절격자 방식, 프리즘 방식, 파브리-페롯형 공진필터, 금속 나노구조체 배열 또는 금속 나노홀 어레이를 포함한 플라즈모닉 필터, 실리콘 나노와이어 기반 필터, 흡수형 필터, 공진도파로 공진모드형 필터, 집적광학을 이용한 광간섭형 분광필터 등 구분없이 사용가능하다. 동출원인에 의해 출원 중인 2016-0106416, 2016-0106422, 2016-0110789, 2016-0110799, 2016-0098456에 개시된 어떠한 형태의 분광필터들도 분광센서 영역(B)의 필터들로 적용될 수 있다.
밴드한정필터(174)의 경우, 전술한 실시예로 밴드한정필터 (도 13, 23, 24 참조) 가우시안 함수필터를 사용하였지만, 로렌츠 함수필터, 슈퍼 가우시안 함수필터, flat-top 형태의 사각필터, 비대칭적 투과필터, long-wavelength pass filter와 short-wavelength pass filter를 포함하는 edge 필터 등 다양한 형태의 필터가 사용가능하다. 또한 도 9와 10과 같이 RGB 필터도 사용 가능하다. 이에 대해서는 후술한다.
밴드한정필터(174)의 제조 방법이나 재료에는 특정한 한정을 두지 않고 빛을 선택적으로 투과시킬 수 있으면 밴드한정필터(174)로 사용 가능하다. 예로써는, dye 분산형 칼라필터, 파브리-페롯형 투과밴드필터, 플라즈모닉 필터(금속나노홀어레이, 금속 나노구조체, etc), 금속 및 유전체 GMR 필터, 파장가변필터(ex.액정기반 또는 MEMS 기반 가변필터 등) 등을 사용할 수 있다.
한편, 분광센서 영역(B)에 형성된 분광센서필터들(170) 상부에는 별도의 마이크로렌즈(180)들이 형성되지 않을 수도 있고 형성되는 것도 가능하다.
또한, 분광센서필터들(170)과 금속배선 및 절연층(120) 사이, 또는 분광센서 필터들(170) 상부에는 추가적인 막이 형성되는 것이 가능하다. 예를 들어, 분광센서필터들(170)과 금속배선 및 절연층(120) 사이에는 평탄화막, 보호막, 자연산화막 등의 별도의 층이 부가될 수 있고, 분광센서필터들(170) 상부에는 실리콘이산화막, 실리콘질화막, 유전체막 등의 패시베이션막이 추가되는 것이 가능하다.
한편 분광센서필터들(170)의 각 단위픽셀별로 커버하는 파장 대역은 다를 수도 있고, 신호와 노이즈간의 구별을 위해 일부 같을 수도 있다. 밴드한정필터(172)는 분광필터(172) 전체가 파악하고자 하는 파장 대역의 일부를 포함하고 있는 것을 주된 특징으로 한다.
데이터 프로세싱에 있어서는 이미 전술한 바와 같이, 필터 함수의 형태가 long-matrix 형태로 바뀜으로써 분해도에서 이득을 얻게 된다. 이는 도 9부터 13까지가 실시 예와 데이터를 포함하여 상세히 설명한 바와 같다.
구현예들을 설명한다. 일 구현예에 의하면, 분광센서 영역(B)에 광검출영역들을 통해 검출하고자 하는 파장 영역을 약 300nm 내지 1100nm 로 가정하고, 이 전체 영역을 수nm 또는 수십 nm 단위로 필터링할 수 있도록 분광필터들을 구성한다. 10nm 단위로 각 분광필터들을 구성하면, 300nm~310nm, 310nm~320nm, .... , 1090nm~1100nm 로 각기 다른 파장을 필터링하는 80개의 분광필터들을 구성할 수 있다. 이 경우, 밴드한정필터는 300nm 내지 1000nm 파장 대역 보다 작은 파장 대역을 갖도록 구성한다. 예를 들어 각 밴드한정필터는 300nm 내지 1100nm 보다 작은 300nm 내지 500nm 대역을 갖는 필터를 이용할 수 있다. 또한, 200nm 내지 500nm 와 같이 분광센서필터가 파악하고자 하는 파장 영역을 약 300nm 내지 1100nm에서 일부 벗어난 영역이 있는 경우도 구성가능한데, 이 경우, 300nm 내지 1100nm에서 벗어난 영역이 밴드한정필터에 포함되더라도 밴드한정필터의 기능에는 영향을 미치지 않는다.
(실시예 11)
도 35는 본 발명의 실시예에 따라서, CMOS 이미지센서와 분광센서가 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 단면도이다. 도 35는 도 34의 상세 단면도에 해당한다.
도 35를 참조하면, CMOS 이미지센서 영역(A)과 분광센서 영역(B)은 각각 분리된 영역을 포함하고 동일한 기판 상에 집적된다.
CMOS 이미지센서 영역(A)을 설명하면, 기판(200) 상 또는 기판부에 광검출영역(210)이 구비되고, 이들 사이에 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(220)이 존재하고 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(230)이 구비된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역(250)이 형성되고 그 위에 평탄화층(260)과 마이크로렌즈(270)들이 각 R,G,B 필터영역(250)에 대응하여 형성된다.
분광센서 영역(B)을 설명하면, 기판(200) 상 또는 기판 부에 광검출영역(210) 사이에 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(220)이 존재하고 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(230)이 구비된다. 그리고, 분광센서 영역(B)에는 금속배선 및 절연층(230) 상부에 분광센서 필터들(F1, F2, ...)이 배치된다. 분광센서 필터들(F1, F2, ...)은 분광필터 어레이(290)와 밴드한정필터_1, ... , 밴드한정필터_n (280)들이 각각 단위 픽셀별로 구비된다.
분광필터 어레이(290)의 바람직한 파장 대역은 기본적으로 광활성층의 센서가 검출할 수 있는 파장 전영역을 커버하는 것을 원칙으로 하나, 특별한 용도를 위해 파장 범위를 센서 범위보다 제한하는 것도 가능하다. 밴드한정필터_1, ... , 밴드한정필터_n (280)은 분광필터전체가 검출하고자 하는 파장 대역의 일부를 포함하고 있다.
일 구현예에 의하면, 분광이미지센서 영역(B)에 광검출영역들을 통해 검출하고자 하는 파장 영역을 약 300nm 내지 1000nm 로 가정하고, 이 전체 영역을 수nm 또는 수십 nm 단위로 필터링할 수 있도록 분광필터들을 구성한다. 10nm 단위로 각 분광필터들을 구성하면, 300nm~310nm, 310nm~320nm, .... , 990nm~1000nm 로 각기 다른 파장을 필터링하는 70개의 분광필터들을 구성할 수 있다. 이 경우, 밴드한정필터는 300nm 내지 1000nm 파장 대역 보다 작은 파장 대역을 갖도록 구성한다. 예를 들어, CMOS 이미지센서의 검출구간이 300nm ~ 1000nm인 경우, 밴드한정필터는 300nm부터 100nm 간격을 갖는 밴드패스필터 7개로 구성하는 것이 가능하다. 밴드패스필터는 플라즈모닉 필터 등 다양한 필터가 적용가능하다. 다른 구현예에 의하면, 기존 RGB 필터를 그대로 밴드한정필터로 이용하는 경우, 700nm 이상의 구간에도 RGB 필터를 그대로 이용하는 것도 가능하고, 700nm 이상의 구간을 측정하기 위한 분광필터들에는 2~3개의 밴드패스필터를 구성하는 것이 가능하다. 밴드패스필터는 플라즈모닉 필터 등 한정하지 않은 다양한 필터가 적용가능함은 물론이다.
한편, 도 35에서는 밴드한정필터_1, ... , 밴드한정필터_n (280)의 상부에 분광필터 어레이(290)가 각각 단위 픽셀 별로 구비되는 상황을 도시하고 있는데 밴드한정필터_1, ... , 밴드한정필터_n (280)은 분광필터어레이(290) 상부에 형성되는 것도 가능하다. 도 36은 밴드한정필터_1, ... , 밴드한정필터_n (280)은 분광필터어레이(290) 상부에 형성된 상황을 도시한 도면이다. 이미 전술한 바와 같이 밴드한정필터와 분광필터의 적층순서는 기능에 차이가 없다.
(실시예 12)
도 37은 본 발명의 다른 실시예에 따라서, CMOS 이미지센서와 분광 이미지센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 단면도이다.
CMOS 이미지센서 영역(A)을 설명하면, 기판(300) 상 또는 기판 내부에 광검출영역(310)이 구비되고, 이들 사이에 각 단위픽셀을 분리하기 위한 분리영역(320)이 존재하고 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(330)이 구비된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역(350)이 형성되고 그 위에 평탄화층(360)과 마이크로렌즈(370)들이 각 R,G,B 필터영역(350)에 대응하여 형성된다.
분광센서영역(B)을 설명하면, 기판(300) 상 또는 기판 부에 광검출영역(310) 사이에 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(320)이 존재하고 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(330)이 구비된다.
도 36과의 차이점을 위주로 설명하면, 분광센서 필터들(F1, F2, ...)은 분광필터 어레이(390)와 밴드한정필터_1, ... , 밴드한정필터_n (380)들이 각각 단위 픽셀별로 구비되는데, 밴드한정필터(380)가 CMOS 이미지센서의 컬러필터들로 구현되어 있다. 분광필터전체가 검출하고자 하는 파장 대역이 300nm에서 700nm 또는 300nm에서 1100nm 인 경우라면, 밴드한정필터(380)에 구비되는 CMOS 이미지센서의 컬러필터들은 분광필터전체가 검출하고자 하는 파장 대역의 일부 파장영역인 한 R, G, B 어느 것이라도 상관없고 다른 종류의 컬러 필터들도 가능함은 물론이다.
가시광선 영역의 경우, 밴드한정필터는 기존의 RGB 필터를 사용할 수 있으며, 응용 목적에 따라 적외선 필터, 적외선-가시광 혼합필터, RGB 칼라필터 이외의 가시광 필터 모두 사용가능하다. 밴드한정필터 및 분광필터의 위/아래 순서는 상관없다.
도 38 내지 도 40은 도 37의 분광센서 필터들(F1, F2, F3)의 일예를 도시한 도면들이다. 도 38 내지 도 40의 도시에서는 설명의 편의를 위해 R,G,B 컬러필터가 3개인 경우를 예로 들어 도시하고 있다.
단위 분광필터들(F1,F2) 각각은 분광필터 어레이(390)와 컬러필터 R, G, B(380)를 구비한다. 도 38 및 도 39에서는 컬러필터 R, G, B(380) 상부에 분광필터 어레이(390)가 형성된 경우를 나타내고, 도 40은 분광필터 어레이(390) 상부에 컬러필터 R, G, B(380)가 형성되어 있다.
분광필터 어레이(390)는 3개의 단위분광필터로 구성되는데, 각각은 엠보싱 형상의 금속패턴들이 주기적으로 배치되는 구조를 통해서 필터링이 구현되는 필터를 예시하고 있다. 구현예에 의하면, 단위 분광필터(F1)과 다른 단위 분광필터들의 주기는 필터링하는 주파수가 다르므로 서로 달리 구성되고, 각각의 듀티사이클(D/P)는 동일하게 구성한다. 각 단위 분광필터들의 듀티사이클은 바람직하게는 30% 내지 80%를 가진다.
도 38은 컬러필터 R, G, B(380) 상부에 분광필터 어레이(390)가 직접 형성된 경우를 나타내고, 도 39는 컬러필터 R, G, B(380) 상부에 별도의 평탄화층(800)이 형성되어 있고, 평탄화층(800) 상부에 분광필터 어레이(390)가 형성된 경우를 나타낸다. 한편, 도 40은 분광필터 어레이(390) 상부에 평탄화층(810)이 형성되고 그 상부에 컬러필터 R, G, B(380)가 형성되어 있다.
도 41은 본 발명의 다른 실시예에 따라서, CMOS 이미지센서와 분광센서가 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 단면도이다.
CMOS 이미지센서 영역(A)을 설명하면, 기판(300) 상 또는 기판부에 광검출영역(210)이 구비되고, 이들 사이에 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(320)이 존재하고 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(330)이 구비된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역(350)이 형성되고 그 위에 평탄화층(360)과 마이크로렌즈(370)들이 각 R,G,B 필터영역(350)에 대응하여 형성된다.
분광센서 영역(B)을 설명하면, 기판(300) 상 또는 기판 부에 광검출영역(310) 사이에 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(320)이 존재하고 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(330)이 구비된다. 그리고, 분광센서 영역(B)에는 금속배선 및 절연층(330) 상부에 분광센서 필터들(F1, F2, ...)이 배치된다. 분광센서 필터들(F1, F2, ...)은 분광필터 어레이(390)와 밴드한정필터_1, ... , 밴드한정필터_n (380)들이 각각 단위 픽셀별로 구비된다.
도 35와의 차이점을 위주로 설명하면, 분광센서 영역(B)에 형성된 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 픽셀 사이즈가 CMOS 이미지센서 영역(A)의 픽셀사이즈와 다른 상황을 도시하고 있다. 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역이 CMOS 이미지센서 영역(A)의 광검출영역과 다른 크기로 제작될 수 있음을 의미한다.
분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역의 너비(L2)가 이미지센서 영역(A)의 각 광검출영역의 너비(L1) 보다 넓게 도시되어 있다. 이는 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역에서 광이 입사되는 면적이 이미지센서 영역(A)의 각 광검출영역의 광 입사 면적보다 크게 설계되는 상황의 일예를 도시한 것으로 이해해야 한다.
분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 경우는 R,G,B 필터 보다 세분화된 파장 영역을 필터링하므로 상대적인 광량이 적을 수 있는데 도 41과 같은 구성으로 상당부분 이를 보상할 수 있는 효과가 있다.
한편, 필요에 따라서는 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역의 사이즈가 CMOS 이미지센서 영역(A)의 광검출영역의 픽셀사이즈의 사이즈보다 작거나 같게 구성하는 것도 가능하다.
(실시예 12)
도 42는 본 발명의 다른 실시예에 따라서, CMOS 이미지센서와 분광 이미지센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 단면도이다.
CMOS 이미지센서 영역(A)을 설명하면, 기판(400) 상 또는 기판 내부에 광검출영역(410)이 구비되고, 이들 사이에 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(420)이 존재하고 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(430)이 구비된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역(450)이 형성되고 그 위에 평탄화층(460)과 마이크로렌즈(470)들이 각 R,G,B 필터영역(450)에 대응하여 형성된다.
분광센서 영역(B)을 설명하면, 기판(400) 상 또는 기판 내부에 광검출영역(410) 사이에 각 단위 픽셀을 분리하기 위한 분리영역(420)이 존재하고 중간 유전체와 각종 전극라인들이 구비되는 금속배선 및 절연층(430)이 구비된다.
한편, 분광센서 영역(B)은 가시광 분광기 영역(B1)과 적외선 분광기 영역(B2)이 구비되어 있다. 가시광 분광기 영역(B1)의 분광센서 필터들(B1F1, B1F2, ...)은 분광필터 어레이(490)와 컬러필터 (480)들이 각각 단위 픽셀별로 구비된다. 가시광 분광기 영역(B1)의 분광센서 필터들(B1F1, B1F2, ...)은 가시광의 파장 대역을 검출하기 위한 기능을 수행한다. 적외선 분광기 영역(B2)의 분광센서 필터들(B2F1, B2F2, ...)은 분광필터 어레이(495)와 컬러필터(485)들이 각각 단위 픽셀별로 구비된다. 적외선 분광기 영역(B2)의 분광센서 필터들(B2F1, B2F2, ...)
도 42의 도시에서는 평탄화층(460)과 마이크로렌즈들(470)이 가시광 분광기 영역(B1)과 적외선 분광기 영역(B2)에 모두 구비되어 있는 것으로 되어 있지만, 필요에 따라서 평탄화층(460)이 가시광 분광기 영역(B1)과 적외선 분광기 영역(B2) 중 어느 일부에 제거되거나, 모두 제거되는 것도 가능하다. 마찬가지로, 마이크로렌즈들(470)도 평탄화층(460)이 가시광 분광기 영역(B1)과 적외선 분광기 영역(B2) 중 어느 일부에 제거되거나, 모두 제거되는 것도 가능하다.
일 구현예에 의하면, 분광센서 영역(B)에 광검출영역들을 통해 검출하고자 하는 파장 영역을 약 300nm 내지 1100nm 로 가정하고, 이 전체 영역을 수nm 또는 수십 nm 단위로 필터링할 수 있도록 분광필터들을 구성한다. 10nm 단위로 각 분광필터들을 구성하면, 300nm~310nm, 310nm~320nm, .... , 1090nm~1100nm 로 각기 다른 파장을 필터링하는 80개의 분광필터들을 구성할 수 있다. 이 경우, 밴드한정필터는 가시광 분광기 영역(B1) 영역에서는 R, G ,B 컬러필터가 그 역할을 수행하고, 적외선 분광기 영역(B2)에서는 별도의 적외선 대역을 갖는 밴드한정필터를 추가할 수 있다. 예를 들어 이 경우 적외선 밴드한정필터(495)는 적외선 대역의 700nm 내지 1100nm 대역을 투과시키는 필터도 가능하고, 이들 대역을 복수개로 분리하여 적외선 영역(700nm 내지 1100nm 대역 또는 700nm 내지 1100nm 이상)에서 각각 다른 파장대역을 필터링하는 필터들을 도입하는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 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 (25)

  1. 광학모듈에 있어서,
    복수개의 단위분광필터들을 구비하는 분광필터 어레이;
    상기 분광필터 어레이를 통해 측정하고자 설계된 파장영역보다 좁은 파장영역의 광을 선택적으로 투과시키는 밴드한정필터; 및
    상기 분광필터 어레이와 상기 밴드한정필터를 투과하는 광 신호를 검출하기 위한 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분광필터 어레이는 상기 밴드한정필터와 상기 광검출부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위분광필터는 회절격자 방식 필터, 프리즘 방식 필터, 파브리-페롯형 공진필터, 금속 나노구조체 배열 또는 금속 나노홀 어레이를 포함한 플라즈모닉 필터, 실리콘 나노와이어 기반 필터, 흡수형 필터, 공진도파로 공진모드형 필터 혹은 집적광학을 이용한 광간섭형 분광필터 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분광필터 어레이는 특정 파장 영역의 광을 광흡수하거나 광반사하도록 일정한 형상을 갖는 금속패턴들이 주기적으로 배열된 다수의 단위분광필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밴드한정필터는 서로 다른 파장 영역의 빛을 선택적으로 투과시키는 다수의 단위밴드한정필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 밴드한정필터는 3개 내지 7개의 단위한정필터를 포함하고,
    상기 광검출부는 CMOS 이미지센서인 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 단위밴드한정필터는 R, G, B 칼라필터 중에서 하나 또는 복수개를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수개의 단위밴드한정필터는 700nm 내지 1100nm 이내의 일정한 영역의 빛을 선택적으로 투과하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출부는 CMOS 이미지센서 혹은 적외선 이미지센서의 광검출 픽셀인 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출부의 광검출 픽셀의 사이즈는 상기 단위분광필터의 사이즈보다 작은 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출부로부터 검출된 광신호를 이용하여 입사한 광의 스펙트럼을 복원하는 기능을 수행하는 프로세싱 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광의 스펙트럼을 복원함에 있어, 필터함수 행렬은 분광필터와 밴드한정필터의 조합으로 이루어지는 세트를 열방향으로 부가하여 구성하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 신호복원 기능에 있어, 신호복원을 위한 필터함수 행렬은 밴드한정필터에 의해 파장샘플링 영역의 범위가 유효하게 제한되고 유효파장범위외 행렬값은 0으로 수렴되는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  14. 광학디바이스에 있어서,
    입사되는 광을 적어도 R, G, B 로 필터링하기 위한 컬러필터층과, 상기 컬러필터층을 통과한 광신호를 복수의 제1 단위픽셀들로 검출하기 위한 제1 광검출영역을 구비하는 이미지센서영역; 및
    대상체의 스펙트럼을 측정하기 위한 분광필터 어레이와, 분광필터 어레이를 투과한 광신호를 복수의 제2 단위픽셀들로 검출하기 위한 제2 광검출영역을 구비하는 분광센서영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 분광센서영역의 광신호의 경로상에 상기 분광필터 어레이를 통해 측정하고자 하는 동작파장대역 보다 좁은 파장 영역을 가지는 밴드한정필터를 더 구비하는 광학디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 분광필터어레이와 상기 밴드한정필터는 적층되되, 상기 분광필터 어레이 상부에 상기 밴드한정필터가 배치된 광학디바이스.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 분광필터어레이와 상기 밴드한정필터는 적층되되, 상기 밴드한정필터 상부에 상기 분광필터 어레이가 배치된 광학디바이스.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 밴드한정필터는 서로 다른 파장 영역의 빛을 선택적으로 투과시키는 다수의 단위밴드한정필터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단위한정필터는 R, G, B 칼라필터 중에서 하나 혹은 복수개를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 하나 혹은 복수개의 단위밴드한정필터는 700nm 내지 1100nm 이내의 일정한 영역의 빛을 선택적으로 투과하는 것을 특징으로 하는 광학모듈.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 분광필터 어레이는 복수개의 단위 분광필터들을 구비하고, 상기 단위분광필터들 각각은 일정한 형상을 갖는 금속패턴들을 주기적으로 배열한 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 광검출영역과 상기 제2 광검출영역은 서로 다른 사이즈의 광검출 픽셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 광검출영역과 상기 제2 광검출영역은 CMOS 이미지 센서의 광검출기 중 일부인 광학디바이스.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 분광센서영역의 상기 분광필터 어레이의 분석 파장은 300nm 내지 1100nm인 광학디바이스.
  25. 제 14항에 있어서,
    상기 이미지센서영역과 상기 분광센서영역 사이에 별도의 분리영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
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