KR102255789B1 - 광학모듈 및 이를 이용한 광학디바이스 - Google Patents

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 {Optical Module and Optical device Using the same}

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 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 광학디바이스의 구조도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 밴드한정필터의 기능을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예1에 따른 광학디바이스의 개념도이고, 도 3b는 광학디바이스에서 분광필터와 밴드한정필터의 결합구조의 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예2에 따라 실시예1의 구조에서 밴드한정필터로 사용되는 밴드한정필터를 실리콘 CMOS 이미지 센서의 RGB컬러필터로 대체하는 구성을 보여주는 광학디바이스의 사시도이고, 도 4b는 단위 분광필터 1개당 4개의 단위 RGB 컬러필터가 대응되는 것을 나타낸 개념도이다.
도 5a 및 도 5b는 컬러필터 없이 구비된 스탑밴드형 플라즈모닉 필터 어레이의 일예와 그 필터함수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 RGB 컬러필터와 결합된 필터어레이의 일예와, 그 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 RGB 컬러필터의 유무에 따른 신호복원 차이를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 RGB컬러필터 외에 필터링 기능이 없는 일반광학윈도우가 필터로 포함되었을 때 필터어레이의 일예와 그 스펙트럼 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 실시예3에 따른 광학디바이스의 신호처리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 9b는 본 광학디바이스의 사시도이고, 도 9c는 본 광학디바이스에서 분광필터와 밴드한정필터의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 EOT 특성의 투과밴드를 보이는 금속나노홀어레이를 분광필터어레이로 적용하고 밴드한정필터를 그 상부에 추가로 결합하였을 때에, 신호복원에 미치는 효과를 보여주는 계산예시이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스 중 밴드한정필터와 분광필터의 결합구조의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스 중 다중파장 영역 커버를 위해 밴드한정필터를 선택하는 방식의 개념도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스 중 파장가변이 가능한 밴드한정필터를 적용하는 방식의 개념도이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스 중 광대역 분광필터어레이와 협대역 밴드한정필터 방식의 밴드한정필터를 상호 보완적으로 활용하는 방식을 설명하기 위한 계산 예시들을 보여주는 그래프들이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 본 발명에 따른 광학디바이스가 중적외선 파장영역 대역에서도 동일하게 작동함을 보여주는 계산 예시를 보여준다.
도 16 내지 도 23은 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 1a와 도 1b는 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 1b에 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 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 밴드한정필터의 기능을 설명하기 위한 개념도이다.

도 2a를 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 2b에 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 3a는 본 발명의 실시예1에 따른 광학디바이스의 개념도이고, 도 3b는 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 3b를 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 3a를 참조하면, 분석하고자 하는 대상체의 스펙트럼을 s(λ), 개별 분광필터들의 투과함수를 f_i(λ), 그리고 광검출기의 감도함수를 d_i(λ)라 하면, 대상체의 스펙트럼이 필터를 통과해 광검출기에 도달할 때 발생하는 검출신호 r_i는 아래의 관계식 (1)로 표현되며, 이산화된 모델로 나타내면 식 (2)와 같은 행렬식으로 전개가능하다.

(1)

(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.

(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.

(4)

(실시예2)

도 4a는 본 발명의 실시예2에 따라 실시예1의 구조에서 밴드한정필터로 사용되는 밴드한정필터를 실리콘 CMOS 이미지 센서의 RGB컬러필터로 대체하는 구성을 보여주는 광학디바이스의 사시도이고, 도 4b는 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 5a는 컬러필터 없이 구비된 스탑밴드형 플라즈모닉 필터 어레이의 일예이고, 도 5b는 도 5a의 필터함수 스펙트럼을 나타낸 그래프의 일예를 나타내고 있다.

도 5a를 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 5b를 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 6a는 RGB컬러필터와 결합된 스탑밴드형 플라즈모닉 필터 어레이의 일예이고, 도 6b는 도 6a의 RGB컬러필터와 결합된 필터어레이에 의한 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 6a는 컬러필터 R, G, B(1380) 상부에 분광필터 어레이(1390)가 직접 형성된 경우를 나타내고, 도 6a는 컬러필터 R, G, B(1380) 상부에 분광필터 어레이(1390)가 형성된 경우를 나타낸다.

도 6b는 실제 Si-CMOS 칼라 이미지센서에서 사용되고 있는 RGB 컬러필터의 개별스펙트럼을 밴드한정필터 함수로 사용하여 도 6a의 스탑밴드필터와 결합하였을 때 생성되는 유효필터함수의 투과 스펙트럼 분포를 보여준다. 플라즈모닉 필터어레이의 스펙트럼이 컬러필터 개별 함수의 영향을 받아 변형되어 형성된 3세트의 필터스펙트럼의 조합을 보여준다.

도 7는 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 8a는 RGB컬러필터 외에 필터링 기능이 없는 일반광학윈도우 픽셀을 포함되었을 때 필터어레이의 일예이고, 도 8b는 도 8a의 필터어레이에 의한 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 8b는 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 9a는 본 발명의 실시예3에 따른 광학디바이스의 신호처리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 9b는 본 광학디바이스의 사시도이고, 도 9c는 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 6b 및 도 6c와 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(λ_j 내지 λ_{j +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.

(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 10a 및 도 10b는 실시예4에 따라 EOT 특성의 투과밴드를 보이는 금속나노홀어레이를 분광필터어레이로 적용하고 밴드한정필터를 그 상부에 추가로 결합하였을 때에, 신호복원에 미치는 효과를 보여주는 계산예시이다. 도 7a는 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 10b는 도 10a에 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 10c는 가우시안 함수곡선을 가지는 반가폭 60 nm의 밴드한정필터를 밴드한정필터로 하여 도 10a의 플라즈모닉 분광필터어레이 상부에 위치시켰을 때, 생성되는 유효필터함수의 투과스펙트럼을 보여준다. 밴드한정필터의 중심파장과 반가폭은 측정하고자 하는 대상체 스펙트럼의 특징적 형상을 충분히 포함할 수 있도록 결정한다.

도 10d는 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 11은 본 발명의 실시예5에 따른 광학디바이스 중 밴드한정필터와 분광필터의 결합구조의 개념도이다.

도 11을 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 12는 본 발명의 실시예6에 따른 광학디바이스 중 다중파장 영역 커버를 위해 밴드한정필터를 선택하는 방식의 개념도이다.

도 12를 참조하여, 도 12의 광학디바이스와 도 9c의 광학디바이스의 차이점을 위주로 설명한다. 도 12의 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 13은 본 발명의 실시예7에 따른 광학디바이스 중 파장가변이 가능한 밴드한정필터를 적용하는 방식의 개념도이다.

도 13을 참조하여, 도 13의 광학디바이스와 도 9c의 광학디바이스의 차이점을 위주로 설명한다. 도 13의 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 14a 내지 도 14c는 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 14a는 도 10b의 매우 날카로운 이중피크와 함께 상대적으로 넓은 64 nm의 반가폭을 갖는 가우시안 피크가 혼재되어 대상체 스펙트럼을 구성하는 모습과 도 10a의 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 14b는 도 10a의 EOT형 분광필터어레이에 도 10c의 밴드한정필터를 결합하는 과정에서 분광필터어레이의 스펙트럼이 유효필터함수의 스펙트럼에 포함되도록 구성된 예시를 보여준다. 이러한 유효필터함수를 이용하게 되면 도 14c에 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 15a 내지 도 15d는 본 발명에 따른 광학디바이스가 중적외선 파장영역 대역에서도 동일하게 작동함을 보여주는 계산 예시를 보여준다. 도 15a는 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 15b는 도 15a에 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 15c는 반가폭 500 nm의 가우시안 피크함수를 밴드한정필터로 적용하였을 때, 생성되는 유효필터함수의 투과스펙트럼을 보여준다. 도 15d는 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 16은 본 발명의 실시예에 따라서, 이미지센서와 분광센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 개념도이다.

도 16을 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 16에서는 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 16에는 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 17은 도 16의 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 7c, 11b, 12c 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 5b와 5c와 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 5부터 7까지가 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 18은 본 발명의 실시예에 따라서, CMOS 이미지센서와 분광센서가 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 단면도이다. 도 18는 도 17의 상세 단면도에 해당한다.

도 18을 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 18에서는 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 19는 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 20은 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 19와의 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 21a 내지 도 21c는 도 20의 분광센서 필터들(F1, F2, F3)의 일예를 도시한 도면들이다. 도 21a 내지 도 21c의 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 21a 및 도 21b에서는 컬러필터 R, G, B(380) 상부에 분광필터 어레이(390)가 형성된 경우를 나타내고, 도 21c 는 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 21a는 컬러필터 R, G, B(380) 상부에 분광필터 어레이(390)가 직접 형성된 경우를 나타내고, 도 21b는 컬러필터 R, G, B(380) 상부에 별도의 평탄화층(800)이 형성되어 있고, 평탄화층(800) 상부에 분광필터 어레이(390)가 형성된 경우를 나타낸다. 한편, 도 21c 는 분광필터 어레이(390) 상부에 평탄화층(810)이 형성되고 그 상부에 컬러필터 R, G, B(380)가 형성되어 있다.

도 22는 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 18과의 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 면적 보다 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 22와 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 사이즈 보다 작거나 같게 구성하는 것도 가능하다.

(실시예 12)

도 23은 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 23의 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 하되,
   상기 분광필터 어레이와 상기 밴드한정필터는 적층되고,
   상기 분광필터 어레이는 특정 파장 영역의 광을 광흡수하거나 광반사하도록 구성되는 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 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 광학 모듈의 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;
    대상체의 스펙트럼을 측정하기 위한 분광필터어레이와, 상기 분광필터어레이를 투과한 광신호를 복수의 제2 단위픽셀들로 검출하기 위한 제2 광검출영역을 구비하는 분광센서영역; 및
    상기 분광센서영역의 광신호의 경로상에 상기 분광필터어레이를 통해 측정하고자 하는 동작파장대역 보다 좁은 파장 영역을 가지는 밴드한정필터를 포함하되,
    상기 분광필터어레이와 상기 밴드한정필터는 적층되는 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
15. 삭제
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 분광필터어레이 상부에 상기 밴드한정필터가 배치된 광학디바이스.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 분광필터어레이와 상기 밴드한정필터는 적층되되, 상기 밴드한정필터 상부에 상기 분광필터어레이가 배치된 광학디바이스.
18. 제 14 항에 있어서,
    상기 밴드한정필터는 서로 다른 파장 영역의 빛을 선택적으로 투과시키는 다수의 단위밴드한정필터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단위밴드한정필터는 R, G, B 칼라필터 중에서 하나 혹은 복수개를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
20. 제 18 항에 있어서,
    상기 하나 혹은 복수개의 단위밴드한정필터는 700nm 내지 1100nm 이내의 일정한 영역의 빛을 선택적으로 투과하는 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
21. 제 14 항에 있어서,
    상기 분광필터어레이는 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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