[go: up one dir, main page]

KR102461721B1 - 필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기 - Google Patents

필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기 Download PDF

Info

Publication number
KR102461721B1
KR102461721B1 KR1020170118834A KR20170118834A KR102461721B1 KR 102461721 B1 KR102461721 B1 KR 102461721B1 KR 1020170118834 A KR1020170118834 A KR 1020170118834A KR 20170118834 A KR20170118834 A KR 20170118834A KR 102461721 B1 KR102461721 B1 KR 102461721B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
filters
filter array
different
array
quantum dots
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020170118834A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190031027A (ko
Inventor
조경상
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020170118834A priority Critical patent/KR102461721B1/ko
Priority to US15/888,754 priority patent/US11137286B2/en
Priority to CN201810164740.7A priority patent/CN109506779B/zh
Priority to EP18167294.0A priority patent/EP3457099A1/en
Publication of KR20190031027A publication Critical patent/KR20190031027A/ko
Priority to US17/459,942 priority patent/US11913832B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102461721B1 publication Critical patent/KR102461721B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0229—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using masks, aperture plates, spatial light modulators or spatial filters, e.g. reflective filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
    • G01J3/51—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0291—Housings; Spectrometer accessories; Spatial arrangement of elements, e.g. folded path arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/201—Filters in the form of arrays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/206—Filters comprising particles embedded in a solid matrix
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1204—Grating and filter
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band
    • G01J2003/1217—Indexed discrete filters or choppers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band
    • G01J2003/1221—Mounting; Adjustment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G01J2003/2806—Array and filter array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
    • G01J3/51—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters
    • G01J3/513—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters having fixed filter-detector pairs
    • G01J2003/516—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters having fixed filter-detector pairs with several stacked filters or stacked filter-detector pairs

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기에 관해 개시되어 있다. 개시된 필터 어레이는 복수의 필터 어레이를 포함하는 다중 배열 구조를 가질 수 있다. 상기 필터 어레이는 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제1 필터가 어레이된 제1 필터 어레이 및 상기 제1 필터 어레이에 대향하는 것으로 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제2 필터가 어레이된 제2 필터 어레이를 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1 필터와 복수의 제2 필터 사이의 매치(match) 조합이 변경 가능할 수 있다. 개시된 분광 측정 소자는 상기 다중 배열 구조를 갖는 필터 어레이 및 이를 투과한 광을 감지하기 위한 센서부를 포함할 수 있다.

Description

필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기{Filter array, spectral detector including the filter array and spectrometer employing the spectral detector}
개시된 실시예들은 필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 상기 분광 측정 소자를 채용한 분광기에 관한 것이다.
분광 분석 기술은 광학, 의학, 화학, 해양공학 등 매우 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에는, 중소형 전자/광학 기기, 모바일/휴대용 기기, 사물 인터넷(IoT) 환경 등이 개발되고 발전함에 따라, 분광 소자 및 분광기의 소형화에 대한 요구가 증가하고 있다. 소형 분광기(Mini spectrometer)는 휴대성과 적용성이 뛰어나기 때문에, 다양한 분야에 매우 유용하게 응용될 수 있다.
기존의 격자(grating) 구조를 이용한 분광 방법의 경우, 해상도를 확보하기 위해서는 굴절된 빛들이 넓은 공간을 거쳐 퍼져나가야 하기 때문에, 이 방법으로는 분광기를 소형화하기가 불가능할 수 있다. 한편, Mirror-spacer-Mirror 구조(Fabry-Perot 간섭계)의 공진 구조를 갖는 광학 필터를 사용하여 특정 파장의 빛만 투과시켜 측정하는 필터링 방식이 있다. 하지만 이 방식의 경우, 입사광의 입사 각도에 따라 파장의 시프트(shift)가 일어날 수 있고, 많은 수의 필터들을 매우 정교하고 정밀하게 제조해야 하기 때문에, 공정이 어렵고 제조비용이 증가하는 등의 문제가 있다.
분광기와 같은 광학 장치의 사이즈를 소형화하면서 그 성능은 향상시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다. 특히, 분광에 필요한 공간을 줄이면서도 광 효율을 개선할 수 있고, 제조공정 및 분해능 등의 측면에서도 유리한 방법/기술이 요구된다.
광 효율 및 광 감도를 개선할 수 있는 필터 어레이 및 이를 포함하는 분광 장치(분광기)를 제공한다.
사용되는 필터의 개수를 줄일 수 있어 제조공정 및 비용 측면에서 유리한 필터 어레이 및 이를 포함하는 분광 장치(분광기)를 제공한다.
스펙트럼 측정 효율을 높일 수 있고 고분해능 구현에 유리한 필터 어레이 및 이를 포함하는 분광 장치(분광기)를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 입사광의 진행 경로를 따라 상호 오버랩되도록 배치된 복수의 필터 어레이를 포함하는 다중 배열형 필터 어레이; 및 상기 다중 배열형 필터 어레이를 투과한 광을 감지하기 위한 복수의 센서를 포함하는 센서 어레이;를 포함하고, 상기 다중 배열형 필터 어레이는 서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제1 필터가 어레이된 구조를 포함하는 제1 필터 어레이; 및 상기 제1 필터 어레이에 대향하도록 배치되고, 서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제2 필터가 어레이된 구조를 포함하는 제2 필터 어레이;를 구비하고, 상기 복수의 제1 필터와 상기 복수의 제2 필터 사이의 매치 조합(match combination)을 변경 가능하도록 구성된 분광 측정 소자가 제공된다.
상기 제1 필터 어레이와 상기 제2 필터 어레이 중 적어도 하나는 이동 가능하도록 구성될 수 있고, 상기 제1 필터 어레이와 상기 제2 필터 어레이 중 적어도 하나의 이동에 의해 상기 매치 조합(match combination)이 변경될 수 있다.
상기 분광 측정 소자는 상기 제1 필터 어레이에 연결된 것으로 상기 복수의 제1 필터 중 적어도 일부의 위치를 이동시키는 제1 위치 이동 부재; 및 상기 제2 필터 어레이에 연결된 것으로 상기 복수의 제2 필터 중 적어도 일부의 위치를 이동시키는 제2 위치 이동 부재; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 서로 다른 두께를 갖거나, 및/또는, 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio)을 가질 수 있다.
상기 복수의 제2 필터는 서로 다른 두께를 갖거나, 및/또는, 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 실질적으로 동일한 물질로 구성되고 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 제2 필터는 실질적으로 동일한 물질로 구성되고 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 필터의 두께 변동폭은 상기 복수의 제2 필터의 두께 변동폭과 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 필터의 두께 중 가장 큰 두께는 상기 복수의 제2 필터의 두께 중 가장 큰 두께와 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 한 종류의 양자점(quantum dots)을 포함할 수 있고, 상기 복수의 제2 필터는 한 종류의 양자점을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 제1 필터의 양자점과 상기 복수의 제2 필터의 양자점은 동일하거나 서로 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있다.
상기 복수의 제2 필터는 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 필터의 상기 혼합 비율의 변동폭은 상기 복수의 제2 필터의 상기 혼합 비율의 변동폭과 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 필터의 혼합 비율 중 가장 큰 비율은 상기 복수의 제2 필터의 혼합 비율 중 가장 큰 비율과 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 서로 동일한 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 제2 필터는 서로 동일한 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 필터 및/또는 상기 복수의 제2 필터는 두 종류 이상의 양자점들이 서로 다른 비율로 혼합된 구성을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 동일한 제1 구성 물질을 포함하고 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 상기 복수의 제2 필터는 동일한 제2 구성 물질을 포함하고 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 구성 물질은 제1 양자점을 포함할 수 있고, 상기 제2 구성 물질은 상기 제1 양자점과 다른 제2 양자점을 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 필터 및 상기 복수의 제2 필터 중 적어도 하나는 양자점, 나노입자, 유기물 및 무기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 나노입자는 양자점과 다른 입자일 수 있고, 상기 무기물은 양자점 및 나노입자와 다른 물질일 수 있다.
상기 복수의 제1 필터 각각의 상면에 구비된 반사방지층(anti-reflection layer)을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 필터 어레이는 상기 제2 필터 어레이에 대향하여 배치된 것으로, 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제3 필터가 어레이된 제3 필터 어레이;를 더 포함할 수 있고, 상기 복수의 제3 필터는 서로 다른 두께를 갖거나, 및/또는, 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio)을 가질 수 있다.
상기 복수의 필터 어레이는 상기 제3 필터 어레이에 대향하는 적어도 하나의 별도의 필터 어레이를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 분광 측정 소자를 포함하는 분광기가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 입사광의 진행 경로를 따라 상호 오버랩되도록 배치된 복수의 필터 어레이를 포함하고, 상기 복수의 필터 어레이는 서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제1 필터가 어레이된 구조를 포함하는 제1 필터 어레이; 및 상기 제1 필터 어레이에 대향하여 배치된 것으로, 서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제2 필터가 어레이된 구조를 포함하는 제2 필터 어레이;를 구비하고, 상기 복수의 제1 필터와 상기 복수의 제2 필터 사이의 매치 조합(match combination)을 변경 가능하도록 구성된 다중 배열형 필터 어레이가 제공된다.
상기 제1 필터 어레이와 상기 제2 필터 어레이 중 적어도 하나는 이동 가능하도록 구성될 수 있고, 상기 제1 필터 어레이와 상기 제2 필터 어레이 중 적어도 하나의 이동에 의해 상기 매치 조합(match combination)이 변경될 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 서로 다른 두께를 갖거나, 및/또는, 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio)을 가질 수 있다.
상기 복수의 제2 필터는 서로 다른 두께를 갖거나, 및/또는, 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio)을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 한 종류의 양자점(quantum dots)을 포함하고 서로 다른 두께를 가질 수 있고, 상기 복수의 제2 필터는 한 종류의 양자점을 포함하고 서로 다른 두께를 가질 수 있으며, 상기 복수의 제1 필터의 양자점과 상기 복수의 제2 필터의 양자점은 동일하거나 서로 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 필터는 두 종류 이상의 양자점들의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있고, 상기 복수의 제2 필터는 두 종류 이상의 양자점들의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 필터 및 상기 복수의 제2 필터 중 적어도 하나는 양자점, 나노입자, 유기물 및 무기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 필터 어레이는 상기 제2 필터 어레이에 대향하는 적어도 하나의 별도의 필터 어레이를 더 포함할 수 있다.
광 효율 및 광 감도를 개선할 수 있는 필터 어레이 및 이를 포함하는 분광 측정 소자를 구현할 수 있다. 사용되는 필터의 개수를 줄일 수 있어 제조공정 및 비용 측면에서 유리한 필터 어레이 및 이를 포함하는 분광 측정 소자를 구현할 수 있다. 스펙트럼 측정 효율을 높일 수 있고 고분해능 구현에 유리한 필터 어레이 및 이를 포함하는 분광 측정 소자를 구현할 수 있다.
상기한 필터 어레이 및 분광 측정 소자를 이용하면, 우수한 성능을 갖는 분광기를 제조할 수 있다. 특히, 상기 필터 어레이 및 분광 측정 소자는 소형 분광기 제조에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 3은 실시예들에 따른 다중 배열형 필터 어레이에 적용될 수 있는 광학적 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 비교예에 따른 것으로, 단일 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 비교예에 따른 것으로, 단일 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 필터의 개수 감소 및 단위 사이즈 증가에 따라, 필터 어레이에서 유효한(effective) 영역이 어떻게 증가하는지를 보여주는 평면도이다.
도 13은 필터의 개수 감소 및 단위 사이즈 증가에 따라, 센싱 어레이에서 유효한 센싱 면적이 어떻게 증가하는지를 보여주는 평면도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이의 필터간 매치 조합을 변화시키는 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이의 필터 어레이를 이동시키는 방식을 설명하기 위한 평면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이의 필터 어레이를 이동시키는 방식을 설명하기 위한 평면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이의 필터 어레이를 이동시키는 방식을 설명하기 위한 평면도이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 19는 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 21 내지 도 29는 실시예들에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 30은 한 종류의 양자점을 사용하고 두께를 조절한 필터들의 투과 스펙트럼들을 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 31은 실제 입력 스펙트럼(real input spectrum)과 도 30의 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼(reconstructed input spectrum)을 비교 도시한 그래프이다.
도 32는 두 종류의 양자점들을 사용하고 양자점 혼합 비율을 조절한 필터들의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 33은 실제 입력 스펙트럼과 도 32의 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 34는 두 가지 종류의 양자점 필름을 다중으로 배치한 경우, 이들에 의한 흡수 스펙트럼을 실험적으로 측정한 결과와 이론적으로 계산한 결과를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 35는 두 가지 종류의 양자점 필름을 다중으로 배치한 경우, 이들에 의한 흡수 스펙트럼을 실험적으로 측정한 결과와 이론적으로 계산한 결과를 비교하여 보여주는 그래프이다.
이하, 실시예들에 따른 필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기를 포함하는 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 다중 배열형 필터 어레이(multiple arrangement type filter array)는 입사광(L10)의 진행 경로를 따라 상호 오버랩(overlap)되도록 배치된 복수의 필터 어레이를 포함할 수 있다. 상기 복수의 필터 어레이는, 예컨대, 제1 필터 어레이(FA10) 및 제2 필터 어레이(FA20)를 포함할 수 있다. 제1 필터 어레이(FA10)는 서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제1 필터(F10)를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 제2 필터 어레이(FA20)는 서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제2 필터(F20)를 포함할 수 있다. 제2 필터 어레이(FA20)는 제1 필터 어레이(FA10)에 대향하여 배치될 수 있다. 다시 말해, 복수의 제2 필터(F20)는 복수의 제1 필터(F10)에 대향하여 배치될 수 있다.
상기 다중 배열형 필터 어레이는 센서 어레이(SA10) 상에 배치될 수 있다. 센서 어레이(SA10)는 상기 다중 배열형 필터 어레이를 투과한 광을 감지하기 위한 복수의 센서(S10)를 포함할 수 있다. 센서 어레이(SA10)는 상기 다중 배열형 필터 어레이를 투과한 광을 전기적 신호로 변환하기 위한 센싱부 또는 수광부라고 할 수 있다. 제1 필터 어레이(FA10)는 센서 어레이(SA10)와 제2 필터 어레이(FA20) 사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 센서 어레이(SA10) 상에 제1 필터 어레이(FA10)와 제2 필터 어레이(FA20)가 순차로 배치될 수 있다. 이런 점에서, 다중 배열형 필터 어레이는 스택형(stacked type) 필터 어레이 또는 멀티-스택형(multi-stacked type) 필터 어레이라고 할 수 있다.
상기 다중 배열형 필터 어레이는 복수의 제1 필터(F10)와 복수의 제2 필터(F20) 사이의 매치 조합(match combination)을 변경 가능하도록 구성될 수 있다. 제1 필터 어레이(FA10)와 제2 필터 어레이(FA20) 중 적어도 하나는 이동 가능하도록 구성될 수 있고, 제1 필터 어레이(FA10)와 제2 필터 어레이(FA20) 중 적어도 하나의 이동에 의해 상기한 매치 조합(match combination)이 변경될 수 있다. 제1 필터 어레이(FA10)와 제2 필터 어레이(FA20) 중 적어도 하나는 회전 운동 또는 직선 운동이 가능하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는 추후에 도 14 내지 도 19를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
복수의 제1 필터(F10)는 서로 다른 두께를 갖거나, 및/또는, 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio)을 가질 수 있다. 여기서는, 복수의 제1 필터(F10)가 서로 다른 두께를 갖는 경우가 도시되어 있다. 복수의 제1 필터(F10)의 두께 차이에 의해 이들의 흡수 스펙트럼이 서로 다르게 나타날 수 있고, 결과적으로, 이들은 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 이와 유사하게, 복수의 제2 필터(F20)는 서로 다른 두께를 갖거나, 및/또는, 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있다. 여기서는, 복수의 제2 필터(F20)가 서로 다른 두께를 갖는 경우가 도시되어 있다. 복수의 제2 필터(F20)의 두께 차이에 의해 이들의 흡수 스펙트럼이 서로 다르게 나타날 수 있고, 결과적으로, 이들은 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 일례에 따르면, 복수의 제1 필터(F10)는 실질적으로 동일한 물질로 구성되면서 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 이와 유사하게, 복수의 제2 필터(F20)는 실질적으로 동일한 물질로 구성되면서 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 복수의 제1 필터(F10)의 물질과 복수의 제2 필터(F20)의 물질은 동일하거나 서로 다를 수 있다.
센서 어레이(SA10)의 센서(S10)는, 예컨대, CCD(charge coupled device), CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서 등과 같은 이미지 센서나 포토다이오드(photodiode) 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 복수의 필터 어레이(FA10, FA20)의 투과 스펙트럼들과 센서 어레이(SA10)의 신호들을 이용해서, 소자에 입력된 스펙트럼을 재구성(reconstruction) 할 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제1 필터 어레이(FA11)는 복수의 제1 필터(F11)를 포함할 수 있고, 복수의 제1 필터(F11)는 실질적으로 서로 동일한 두께를 가질 수 있다. 제2 필터 어레이(FA21)는 복수의 제2 필터(F21)를 포함할 수 있고, 복수의 제2 필터(F21)는 실질적으로 서로 동일한 두께를 가질 수 있다. 복수의 제1 필터(F11)의 두께와 복수의 제2 필터(F21)의 두께는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
복수의 제1 필터(F11)는 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있다. 상기 서로 다른 혼합 비율에 의해 복수의 제1 필터(F11)는 서로 다른 흡수 특성을 가질 수 있고, 결과적으로, 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 이와 유사하게, 복수의 제2 필터(F21)는 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있고, 서로 다른 혼합 비율에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타낼 수 있다.
본 실시예에 따른 분광 측정 소자는 복수의 제1 필터(F11)와 복수의 제2 필터(F21) 사이의 매치 조합(match combination)을 변경 가능하도록 구성될 수 있다.
도 3은 실시예들에 따른 다중 배열형 필터 어레이에 적용될 수 있는 광학적 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 빛(빔:beam)이 동일 성분의 필름(매질/필터)을 통과하는 경우, 빔(beam)이 필름(매질)을 한 번에 통과하든(도면A), 여러 번에 나뉘어 통과하든(도면B), 필름(매질) 내에서 빔(beam)이 지나간 경로와 길이(두께)가 동일하면, 빛이 흡수되는 정도 및 흡수 스펙트럼은 동일할 수 있다. 이러한 원리를 이용하면, 필터를 두 개 이상으로 분할하여 스택 구조(다중 구조)로 만드는데 아무런 문제가 없기 때문에, 멀티-스택형 필터 어레이(즉, 다중 배열형 필터 어레이)를 구현할 수 있다.
흡수 스펙트럼을 기반으로 하는 광학적 필터에서는 Beer-Lambert law에 의해 필터의 두께가 증가함에 따라 흡수 스펙트럼의 광학적 밀도(optical density)가 증가할 수 있다. 이러한 광학적 밀도의 증가는 광 경로에 있는 필터의 총 두께(total thickness)에 관계되며, 동일 두께의 필터가 나뉘어 있어도 필터를 통과하는 빔 경로의 길이가 동일하면 흡수되는 정도 및 흡수 스펙트럼은 동일하다.
Beer-Lambert law는 아래의 수학식 1과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112017090089109-pat00001
여기서, A는 흡광도이고, IO는 입사광의 세기이고, I는 투과광의 세기이다. 한편, e는 흡수 계수이고, c는 매질의 물질 변수(밀도 또는 농도)이고, L은 광이 매질을 통과한 길이(두께)를 나타낸다.
도 3의 (A)에서 흡광도 A = e·L·c 로 나타낼 수 있고, (B)에서 흡광도 A' = e·L1·c + e·L2·c = e·(L1 + L2)·c 로 나타낼 수 있다. 따라서, 매질이 동일하고, L = L1 + L2 인 경우, A' = A 가 된다. 그러므로 매질 내에서 광이 지나간 길이(두께)가 동일하면, 광이 흡수되는 정도 및 흡수 스펙트럼은 동일할 수 있다.
도 4는 비교예에 따른 것으로, 단일 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 단층 구조의 필터 어레이(FA1)를 보여준다. 단층 구조의 필터 어레이(FA1)는 두께 0 부터 두께 99 까지 100개의 필터를 포함할 수 있다. 이러한 필터들은, 예컨대, 양자점을 포함하는 필름일 수 있고, 이들의 두께를 0 부터 99 까지 조절하여 100개의 필터를 제조할 수 있다. 두께가 0인 경우는 기준(reference) 값 측정을 위한 영역일 수 있고, 편의상, 두께가 0인 경우도 하나의 필터로 카운트한다. 이러한 100개의 필터를 이용해서, 100개의 서로 다른 스펙트럼을 얻을 수 있다. 필터 어레이(FA1) 아래에는 센서 어레이(SA1)가 배열된다. 센서 어레이(SA1)는 100개의 센서를 포함한다.
이와 같이 단층 구조의 필터 어레이(FA1)를 이용하면, 각각의 픽셀(pixel)에서 수신하는 입사광의 포톤(photon) 개수는 총 면적에서 받는 포톤(photon) 개수의 1/N 이 된다. 많은 수의 필터로 빛이 나누어져 들어가므로 기본적으로 많은 포톤의 손실(loss)이 발생하게 된다. 또한, 각 필터(채널) 당 적은 양의 포톤을 감지해야 하는 경우, 측정 감도 문제가 발생할 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 복수의 센서를 포함하는 센서 어레이(SA12) 상에 제1 필터 어레이(FA12) 및 제2 필터 어레이(FA22)가 순차로 배치될 수 있다. 편의상, 제1 필터 어레이(FA12)의 제1 필터들은 그 두께에 해당하는 숫자로 표시하였고, 제2 필터 어레이(FA22)의 제2 필터들도 그 두께에 해당하는 숫자로 표시하였다. 제1 필터 어레이(FA12)는 두께가 0 부터 9 까지 1씩 증가하는 10개의 제1 필터를 포함할 수 있다. 제2 필터 어레이(FA22)는 두께가 0 부터 90 까지 10씩 증가하는 10개의 제2 필터를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 필터들의 두께 변동폭은 제2 필터들의 두께 변동폭과 다를 수 있고, 제1 필터들의 두께 중 가장 큰 두께는 제2 필터들의 두께 중 가장 큰 두께와 다를 수 있다. 제1 필터 어레이(FA12)의 제1 필터들과 제2 필터 어레이(FA22)의 제2 필터들은 상호 일대일(1:1)로 오버랩되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 센서 어레이(SA12)는 10개의 센서를 포함할 수 있다. 그리고, 제1 필터들과 제2 필터들 사이의 매치 조합(match combination)은 변경 가능할 수 있다.
이와 같이, 다중 배열형 필터 어레이(즉, FA12 + FA22)를 사용할 경우, 단지 10개의 센서와 20개의 필터의 조합으로 0∼99 까지의 두께 조합이 가능할 수 있다. 이 경우, 100개의 스펙트럼을 얻기 위해서 필요한 필터의 개수는 100개(도 4)에서 20개(도 5)로 1/5이 되고, 전체 센싱 영역에서 픽셀 한 개가 받는 포톤의 개수는 total photon #/100 (도 4)에서 total photon #/10 (도 5)으로 10배가 증가하게 된다. 평면 상에 배열된 필터의 개수가 감소하게 되면, 전체 센싱 영역의 크기가 동일할 경우, 단위 픽셀 당 받아들이는 포톤의 양이 증가하게 된다. 필요한 필터의 개수가 줄어들게 되면, 제작 공정이 용이해지고, 동일한 스펙트럼 해상도에서 단위 픽셀의 크기가 커지는 효과가 발생한다. 따라서, 분광기의 크기를 작게 하거나, 공간 분해능(spatial resolution)을 증가시키는데 유리할 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 3층 구조를 갖는 다중 배열형(스택형) 필터 어레이가 마련된다. 예컨대, 센서 어레이(SA13)는 5개의 센서를 포함할 수 있고, 그 위에 제1 내지 제3 필터 어레이(FA13, FA23, FA33)가 배치될 수 있다. 제1 필터 어레이(FA13)는 두께가 0 부터 4 까지 1씩 증가하는 5개의 제1 필터를 포함할 수 있다. 제2 필터 어레이(FA23)는 두께가 0 부터 20 까지 5씩 증가하는 5개의 제2 필터를 포함할 수 있다. 제3 필터 어레이(FA33)는 두께가 0 부터 100 까지 25씩 증가하는 5개의 제3 필터를 포함할 수 있다. 제1 필터들과 제2 필터들 및 제3 필터들 사이의 매치 조합(match combination)은 변경 가능할 수 있다.
이 경우, 5개의 센서와 15개의 필터만으로 125 가지의 조합이 가능하다. 또한, 픽셀 한 개가 받는 포톤의 개수는 total photon #/5 이므로, 도 4와 비교하여 20배가 증가하게 된다. 하나의 픽셀에서 받을 수 있는 포톤의 개수가 획기적으로 증가하고, 적은 수의 필터로 많은 조합의 스펙트럼을 얻을 수 있다.
도 5 및 도 6에서 제1 필터 어레이(FA12, FA13)의 제1 필터들은 실질적으로 동일한 물질로 구성되면서 서로 다른 두께를 가질 수 있고, 제2 필터 어레이(FA22, FA23)의 제2 필터들도 실질적으로 동일한 물질로 구성되면서 서로 다른 두께를 가질 수 있으며, 제3 필터 어레이(FA33)의 제3 필터들도 실질적으로 동일한 물질로 구성되면서 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 제1 필터 어레이(FA12, FA13)의 물질과 제2 필터 어레이(FA22, FA23)의 물질 및 제3 필터 어레이(FA33)의 물질은 동일하거나 서로 다를 수 있다. 일례로, 제1 필터들은 한 종류의 양자점을 포함하는 양자점 함유 필름일 수 있고, 제2 필터들도 한 종류의 양자점을 포함하는 양자점 함유 필름일 수 있고, 제3 필터들도 한 종류의 양자점을 포함하는 양자점 함유 필름일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 제1 내지 제3 필터들의 구성 물질은 달라질 수 있다. 제1 내지 제3 필터 중 적어도 하나는 양자점, 나노입자, 유기물 및 무기물 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.
도 7은 비교예에 따른 것으로, 단일 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 단층 구조의 필터 어레이(FA2)를 보여준다. 단층 구조의 필터 어레이(FA2)는 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio)을 갖는 복수의 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 필터는 제1 양자점과 제2 양자점의 혼합 비율이 99:1 에서 1:99 까지 변화되는 필름들일 수 있다. 혼합 비율이 0 인 경우는 비율이 0:0인 경우로, 두께가 0인 경우와 마찬가지로, 기준 값 측정을 위한 영역일 수 있고, 편의상, 하나의 필터로 카운트한다. 총 100개의 필터를 이용해서, 100개의 서로 다른 스펙트럼을 얻을 수 있다. 필터 어레이(FA2) 아래에는 센서 어레이(SA2)가 배열된다. 센서 어레이(SA2)는 100개의 센서를 포함한다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8을 참조하면, 복수의 센서를 포함하는 센서 어레이(SA14) 상에 제1 필터 어레이(FA14) 및 제2 필터 어레이(FA24)가 순차로 배치될 수 있다. 편의상, 제1 필터 어레이(FA14)의 제1 필터들은 그 혼합 비율에 해당하는 비율로 표시하였고, 제2 필터 어레이(FA24)의 제2 필터들도 그 혼합 비율에 해당하는 비율로 표시하였다. 제1 필터 어레이(FA14)는 두 구성 물질의 혼합 비율이 99:1 부터 91:9 까지 1 단위로 변화하는 10개의 제1 필터를 포함할 수 있다. 제2 필터 어레이(FA24)는 두 구성 물질의 혼합 비율이 90:10 부터 10:90 까지 10 단위로 변화되는 10개의 제2 필터를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 필터들의 혼합 비율의 변동폭은 제2 필터들의 혼합 비율의 변동폭과 다를 수 있고, 제1 필터들의 혼합 비율 중 가장 큰 비율은 제2 필터들의 혼합 비율 중 가장 큰 비율과 다를 수 있다. 센서 어레이(SA14)는 10개의 센서를 포함할 수 있다. 그리고, 제1 필터들과 제2 필터들 사이의 매치 조합은 변경 가능할 수 있다.
이 경우, 10개의 센서와 20개의 필터의 조합으로 100 가지 조합이 가능할 수 있다. 100개의 스펙트럼을 얻기 위해서 필요한 필터의 개수는 도 4 대비 1/5이 되고, 픽셀 한 개가 받는 포톤의 개수는 도 4 대비 10배가 된다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9를 참조하면, 3층 구조를 갖는 다중 배열형(스택형) 필터 어레이가 마련된다. 예컨대, 센서 어레이(SA15)는 5개의 센서를 포함할 수 있고, 그 위에 제1 내지 제3 필터 어레이(FA15, FA25, FA35)가 배치될 수 있다. 제1 필터 어레이(FA15)는 1 단위로 혼합 비율이 변화되는 5개의 제1 필터를 포함할 수 있고, 제2 필터 어레이(FA25)는 5 단위로 혼합 비율이 변화되는 5개의 제2 필터를 포함할 수 있고, 제3 필터 어레이(FA35)는 25 단위로 혼합 비율이 변화되는 5개의 제3 필터를 포함할 수 있다. 이 경우, 5개의 센서와 15개의 필터만으로 125 가지의 조합이 가능하다. 또한, 픽셀 한 개가 받는 포톤의 개수는 도 4 대비 20배가 된다.
도 8 및 도 9에서 제1 필터 어레이(FA14, FA15)의 제1 필터들은 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 가지면서 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있고, 제2 필터 어레이(FA24, FA25)의 제2 필터들도 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 가지면서 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있으며, 제3 필터 어레이(FA35)의 제3 필터들도 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 가지면서 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 일례로, 제1 필터들은 두 종류의 양자점의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있고, 제2 필터들도 두 종류의 양자점의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있고, 제3 필터들도 두 종류의 양자점의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 제1 내지 제3 필터들의 구성 물질은 달라질 수 있다. 제1 내지 제3 필터 중 적어도 하나는 양자점, 나노입자, 유기물 및 무기물 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10을 참조하면, 제1 필터 어레이(FA16)는 제1 양자점(QD-A)을 구비하는 복수의 제1 필터를 포함할 수 있고, 복수의 제1 필터의 두께는 서로 다를 수 있다. 제1 필터들의 두께는 0 에서 1a 내지 9a 까지 변화될 수 있다. 제2 필터 어레이(FA26)는 제2 양자점(QD-B)을 구비하는 복수의 제2 필터를 포함할 수 있고, 복수의 제2 필터의 두께는 서로 다를 수 있다. 제2 필터들의 두께는 0 에서 1b 내지 9b 까지 변화될 수 있다. 제2 양자점(QD-B)은 제1 양자점(QD-A)과 다른 종류의 양자점일 수 있다. 예컨대, 제2 양자점(QD-B)은 제1 양자점(QD-A)과 비교하여 크기와 물질 중 적어도 하나가 다를 수 있다. 제1 필터 및 제2 필터의 개수는 각각 10개씩일 수 있다. 센서 어레이(SA16)는 10개의 센서를 포함할 수 있다. 이 경우, 10개의 센서와 20개의 필터의 조합으로 100개의 스펙트럼을 얻을 수 있다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 11을 참조하면, 제1 필터 어레이(FA17)는 제1 양자점(QD-A)을 구비하는 복수의 제1 필터를 포함할 수 있고, 제1 필터들의 두께는 0 에서 1a 내지 4a 까지 변화될 수 있다. 제2 필터 어레이(FA27)는 제2 양자점(QD-B)을 구비하는 복수의 제2 필터를 포함할 수 있고, 제2 필터들의 두께는 0 에서 1b 내지 4b 까지 변화될 수 있다. 제3 필터 어레이(FA37)는 제3 양자점(QD-C)을 구비하는 복수의 제3 필터를 포함할 수 있고, 제3 필터들의 두께는 0 에서 1c 내지 4c 까지 변화될 수 있다. 제1 필터, 제2 필터 및 제3 필터의 개수는 각각 5개씩일 수 있다. 센서 어레이(SA17)는 5개의 센서를 포함할 수 있다. 이 경우, 5개의 센서와 15개의 필터의 조합으로 125개의 스펙트럼을 얻을 수 있다.
도 5, 도 6, 도 8 내지 도 11에서는 2층 구조 또는 3층 구조의 다중 배열 구조를 예시적으로 설명하였지만, 다중 배열의 층수는 3층 이상일 수 있다. 따라서, 제3 필터 어레이 상에 별도의 추가적인 필터 어레이를 한 층 이상 더 구비시킬 수 있다. 추가적인 필터 어레이 각각은 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 필터를 포함할 수 있다. 다중 배열 필터 어레이는 2층 내지 약 10층 혹은 약 15층 정도의 필터 어레이들을 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 이에 한정되는 것은 아니다. 다중 배열의 층수가 증가할수록, 필요한 센서의 개수는 감소할 수 있고, 센서의 단위 면적은 증가할 수 있다.
실시예들에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 이용하면 분광 측정의 효율면에서도 유리할 수 있다. 예를 들어, 800 ∼ 900 nm 파장 구간에서 1nm 분해능을 갖는 분광기를 제작한다고 하면, 기존에는 100개의 필터에 모두 빛이 들어가야 하기 때문에 각 픽셀에서 받는 빛의 양은 항상 총량의 1/100 이 된다. 측정 시간 측면에서 살펴보면, 단위시간당(1초당) 1,000개의 포톤이 들어온다고 가정하면, 필터 1개당 1초에 10개의 포톤을 받게 된다. 10초간 스펙트럼 측정을 위해 빛을 받을 경우, 필터 1개당 (10#/초)×10 = 100개이고, 총 100개의 필터에서 모두 10,000 개의 포톤을 받게 된다. 2층 배열(스택) 구조의 경우를 살펴보면, 10개의 센서이므로 센서(픽셀) 1개당 1초에 100개의 포톤을 받게 된다. 모두 10개의 조합을 10번 측정해야 하므로, 총 10초간 측정을 하게 되어, 측정 시간이 비교예의 분광기(단일 배열 구조의 100개의 필터를 이용하는 분광기)와 동일하다.
하지만 800 ∼ 900 nm의 전체 구간이 아니라 일부 구간의 측정만이 필요할 경우, 실시예에 따른 분광기가 유리할 수 있다. 예를 들어, 841 ∼ 845 nm 구간의 측정이 필요하다고 하면, 비교예의 분광기는 모든 필터들에 빛이 입사되기 때문에, 10초간 측정시 모두 10,000개의 포톤이 입사되는데, 실제 필요한 포톤은 841 ∼ 845 nm에 해당하는 필터들에 입사되는 500개이고, 이외의 95개의 필터에 들어가는 포톤(9,500개)은 모두 손실(loss) 된다. 반면, 실시예에 따를 경우, 2층 배열(스택) 구조에서는 1초씩 5번 측정하므로 총 5초의 측정 시간이 소요되고, 3층 배열(스택) 구조에서는 0.5초씩(필터 1개가 총 면적의 1/5이므로, 필터 1개에 0.5초당 100개의 포톤이 입사) 5번 측정하므로 총 2.5초의 측정 시간이 소요되므로, 측정 시간 측면에서 상당히 유리할 수 있다.
더욱이, 픽셀(필터)의 개수가 적어지게 되면, 필터 어레이 영역에서 격벽이 차지하는 면적이 줄어들고, 또한, 센서 어레이 영역에서 구동부(구동소자)가 차지하는 면적이 줄어들기 때문에, 광 효율 및 측정 효율을 더 향상시킬 수 있다. 이에 대해서는, 도 12 및 도 13을 참조하여 간략히 설명한다.
도 12는 필터의 개수 감소 및 단위 사이즈 증가에 따라, 필터 어레이에서 유효한(effective) 영역이 어떻게 증가하는지를 보여주는 평면도이다. 도 12를 참조하면, 필터의 개수 감소로 단위 면적이 증가하면(A→B), 전체 영역에서 격벽이 차지하는 면적이 줄어들기 때문에, 유효한 센싱 면적이 증가할 수 있고 측정 효율이 개선될 수 있다.
도 13은 필터의 개수 감소 및 단위 사이즈 증가에 따라, 센싱 어레이에서 유효한 센싱 면적이 어떻게 증가하는지를 보여주는 평면도이다. 도 13을 참조하면, 단위 픽셀의 크기가 커지면(A→B), 센서 어레이에서 구동부가 차지하는 면적이 상대적으로 줄어들게 되고, 유효한 센서 영역이 증가하게 된다.
단위 픽셀의 크기가 커지면 고해상도 구현에도 유리할 수 있다. 단위 픽셀의 크기가 작아질수록 상대적으로 격벽이 차지하는 면적이나 센싱부에서 구동부가 차지하는 면적이 커지게 된다. 따라서 픽셀 사이즈를 축소하는데 한계로 작용하는데, 다중 배열(즉, 멀티-스택) 구조에서는 기본적으로 단위 픽셀 면적을 증가시킬 수 있으므로, 고해상도에 적합한 소자를 구현하는데 유리할 수 있다.
실시예들에서 복수의 필터 어레이 중 적어도 하나는 이동 가능하게 구성될 수 있고, 이러한 이동에 의해 필터들의 매치 조합(match combination)을 변경할 수 있다. 복수의 필터 어레이가 제1 필터 어레이 및 제2 필터 어레이를 포함하는 경우, 상기 제1 및 제2 필터 어레이 중 적어도 하나는 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 필터 어레이 중 적어도 하나는 회전 운동 또는 직선 운동이 가능하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는 도 14 내지 도 17을 참조하여 설명한다.
도 14는 일 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이의 필터간 매치 조합을 변화시키는 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 14를 참조하면, 복수의 제1 필터(F11)를 포함하는 제1 필터 어레이(FA18)가 구비되고, 그 위에 복수의 제2 필터(F22)를 포함하는 제2 필터 어레이(FA28)가 구비될 수 있다. 제1 및 제2 필터 어레이(FA18, FA28)는 원형의 기판을 가질 수 있고, 제1 필터들(F11)과 제2 필터들(F22)은 각각 환형을 이루도록 배열될 수 있다. 제1 및 제2 필터 어레이(FA18, FA28) 중 적어도 하나는 회전 운동을 하도록 구성될 수 있다. 이러한 회전 운동에 의해 제1 필터들(F11)과 제2 필터들(F22) 사이의 매치 조합을 변화시킬 수 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이의 필터 어레이를 이동시키는 방식을 설명하기 위한 평면도이다.
도 15를 참조하면, 필터 어레이는 복수의 필터가 사각형을 이루도록 배열된 구조를 가질 수 있다. 상기 필터 어레이를 회전 운동시킬 수 있다. 이러한 필터 어레이 상에 이와 대응되는 제2 필터 어레이(미도시)가 배치될 수 있고, 상기 필터 어레이의 이동에 의해 필터간 매치 조합이 변경될 수 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이의 필터 어레이를 이동시키는 방식을 설명하기 위한 평면도이다.
도 16을 참조하면, 필터 어레이는 복수의 필터가 일렬로 배열된 구조를 가질 수 있다. 상기 필터 어레이를 필터들이 배열된 방향에 평행한 제1 방향(D1)으로 직선 운동(왕복 운동)시킬 수 있다. 이러한 필터 어레이 상에 이와 대응되는 제2 필터 어레이(미도시)가 배치될 수 있고, 상기 필터 어레이의 이동에 의해 필터간 매치 조합이 변경될 수 있다.
도 17은 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이의 필터 어레이를 이동시키는 방식을 설명하기 위한 평면도이다.
도 17을 참조하면, 필터 어레이는 복수의 필터가 복수의 열 및 복수의 행을 이루도록 배열된 구조를 가질 수 있다. 상기 필터 어레이를 제1 방향(D1) 및 이와 수직한 제2 방향(D2)으로 직선 운동(왕복 운동)시킬 수 있다. 따라서, 필터들을 이차원 평면 내에서 이동시킬 수 있다. 이러한 필터 어레이 상에 이와 대응되는 제2 필터 어레이(미도시)가 배치될 수 있고, 상기 필터 어레이의 이동에 의해 필터간 매치 조합이 변경될 수 있다.
도 18은 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 18을 참조하면, 제1 필터 어레이(FA10) 및 제2 필터 어레이(FA20) 중 어느 하나, 예컨대, 제1 필터 어레이(FA10)에 연결된 위치 이동 부재(M10)가 더 구비될 수 있다. 위치 이동 부재(M10)는 제1 필터 어레이(FA10)의 복수의 제1 필터 중 적어도 일부의 위치를 이동시키는 역할을 할 수 있다. 위치 이동 부재(M10)는 제1 필터 어레이(FA10)를 회전 운동시키거나 직선 운동시킬 수 있다. 이때, 제2 필터 어레이(FA20)는 그 위치가 고정되어 있을 수 있다.
도 19는 다른 실시예에 따른 것으로, 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 19를 참조하면, 제1 필터 어레이(FA10)에 연결된 제1 위치 이동 부재(M10)가 구비될 수 있고, 제2 필터 어레이(FA20)에 연결된 제2 위치 이동 부재(M20)가 구비될 수 있다. 제1 위치 이동 부재(M10)는 제1 필터 어레이(FA10)의 필터들 중 적어도 일부의 위치를 이동시키는 역할을 할 수 있고, 제2 위치 이동 부재(M20)는 제2 필터 어레이(FA20)의 필터들 중 적어도 일부의 위치를 이동시키는 역할을 할 수 있다.
도 20은 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이를 포함하는 분광 측정 소자를 보여주는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 도 1과 유사한 구성의 분광 측정 소자가 마련될 수 있다. 단, 복수의 제1 필터(F10) 각각의 상면에 반사방지층(anti-reflection layer)(A10)이 더 구비될 수 있다. 반사방지층(A10)은 제1 필터(F10)의 상면에서 광이 반사되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 반사방지층(A10)은 광학 소자에서 사용되는 다양한 반사 방지 물질로 형성될 수 있다.
이하에서는, 도 21 내지 도 29를 참조하여 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 도 21 내지 도 29는 하나의 필터 어레이에서 3개의 필터만 예시적으로 보여준다.
도 21은 일 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 21을 참조하면, 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 각각 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(210, 220, 230)을 포함한다. 여기서, "스펙트럼 변조층"이라는 용어는 흡수 특성을 이용해서(기반해서) 투과 스펙트럼을 제어하는 층이라는 것을 의미한다. 따라서 "스펙트럼 변조층"은 흡수 특성을 기반한 "스펙트럼 결정층" 또는 "스펙트럼 제어층"이라 할 수 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(210, 220, 230)은 양자점(QDs)(211)을 포함할 수 있다. 양자점(211)은, 예컨대, 콜로이달 양자점(colloidal QDs)일 수 있다. 일반적으로, 양자점(211)이라 함은 수 나노미터의 크기를 가지는 반도체 입자를 의미한다. 양자점(211)은, 예를 들어, CdSe, CdS, PbSe, PbS, InAs, InP 또는 CdSeS 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것으로 그 밖에 다른 다양한 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(210, 220, 230)은 소정의 기판(100) 상에 마련될 수 있다. 기판(100) 상에 복수의 격벽(150)이 형성될 수 있고, 격벽(150)에 의해 한정된 공간 내에 스펙트럼 변조층들(210, 220, 230)이 구비될 수 있다.
제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(210, 220, 230)은 한 종류의 양자점(211)을 포함할 수 있다. 여기서, 한 종류의 양자점(211)이라 함은 동일한 크기를 가지며, 동일한 물질을 포함하는 양자점을 의미한다. 구체적인 예로, 한 종류의 양자점(211)으로, 예를 들면, 약 5nm의 직경을 갖는 CdSe 입자가 사용될 수 있다. 하지만 이는 단지 예시적인 것이다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(210, 220, 230)은 서로 다른 두께를 가지도록 마련될 수 있다. 구체적인 예로, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(210, 220, 230)은 5nm의 직경을 가지는 CdSe 입자를 포함할 수 있고, 그 두께가 각각 10nm, 40nm 및 70nm 이 될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 이러한 스펙트럼 변조층들(210, 220, 230)은, 예를 들면, 대략 10nm ∼ 100㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서는 한 종류의 양자점(211)을 포함하는 스펙트럼 변조층들(210, 220, 230)의 두께를 변화시켜 복수의 필터(F1, F2, F3)를 형성함으로써 점진적으로 변화하는 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다. 이러한 필터들(F1, F2, F3)의 투과 스펙트럼들을 이용하여 재구성된 입력 스펙트럼을 계산함으로써, 실제 입력된 스펙트럼을 높은 정확도로 측정할 수 있다. 한 종류의 양자점(211)을 포함하는 스펙트럼 변조층들(210, 220, 230)의 두께를 서로 다르게 함으로써, 필터들(F1, F2, F3)이 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다. 따라서, 예컨대 100nm 파장 범위 내에서 전술한 바와 같이 서로 다른 100개 이상의 투과 스펙트럼을 형성하면, 대략 1nm 이하의 고분해능을 갖는 분광기를 구현할 수 있다.
일반적으로 양자점을 사용하는 분광기에서는 양자점의 크기를 조절함으로써 분해능을 제어하는 방법이 사용되는데, 이러한 양자점의 크기를 제어하는 방법으로는 1nm 이하의 고분해능을 구현하는 데에는 한계가 있다. 그러나 본 실시예에서와 같이, 한 종류의 양자점(211)을 포함하는 스펙트럼 변조층들(210, 220, 230)을 서로 다른 두께로 형성함으로써 1nm 이하의 고분해능을 구현할 수 있다. 또한, 스펙트럼 변조층들(210, 220, 230)의 두께는 비교적 용이하게 조절할 수 있으므로, 합성을 통해 양자점 크기를 조절하는 분광기에 비해 용이하게 고분해능을 가지는 분광기를 용이하게 제작할 수 있다. 예컨대, 스펙트럼 변조층들(210, 220, 230)은 용액 공정을 이용해서 잉크젯(inkjet) 방식으로 용이하게 형성할 수 있다.
도 22는 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 22를 참조하면, 필터 어레이는 어레이 형태로 배열되어 있는 복수의 필터(F1, F2, F3)를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(310, 320, 330)을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(310, 320, 330)은 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1, 제2 및 제2 스펙트럼 변조층(310, 320, 330)은 대략 10nm ∼ 100㎛ 범위의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(310, 320, 330)은 각각 두 종류의 양자점(311a, 311b), 즉, 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)을 포함할 수 있다. 여기서, 두 종류의 양자점(311a, 311b)은 크기와 물질 중 적어도 하나가 다른 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)을 포함한다. 예를 들면, 두 종류의 양자점(311a, 311b)은 크기가 서로 다른 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)을 포함하거나 또는 물질이 서로 다른 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)을 포함할 수 있다. 또한, 두 종류의 양자점(311a, 311b)은 크기 및 물질이 모두 다른 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)이 될 수도 있다. 구체적인 예로, 두 종류의 양자점(311a, 311b)은 4nm의 직경을 갖는 CdSe 입자로 이루어진 제1 양자점(311a) 및 5nm의 직경을 갖는 CdSe 입자로 이루어진 제2 양자점(311b)을 포함할 수 있다. 또한, 두 종류의 양자점(311a, 311b)은 4nm의 직경을 갖는 CdSe 입자로 이루어진 제1 양자점(311a) 및 4nm의 직경을 갖는 CdS 입자로 이루어진 제2 양자점(311b)을 포함할 수 있다. 두 종류의 양자점(311a, 311b)은 4nm의 직경을 갖는 CdSe 입자로 이루어진 제1 양자점(311a) 및 5nm의 직경을 갖는 CdS 입자로 이루어진 제2 양자점(311b)을 포함할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(310, 320, 330)은 서로 다른 양자점 혼합 비율(mixing ratio)을 가질 수 있다. 즉, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(310, 320, 330)은 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)의 서로 다른 혼합 비율을 가질 수 있다. 구체적인 예로, 제1 스펙트럼 변조층(310)에서는 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)의 혼합 비율이 0.01:0.99 이 되고, 제2 스펙트럼 변조층(320)에서는 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)의 혼합 비율이 0.02:0.98 이 되며, 제3 스펙트럼 변조층(330)에서는 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)의 혼합 비율이 0.03:0.97 이 될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다.
이와 같이, 두 종류의 양자점(311a, 311b), 즉, 제1 및 제2 양자점(311a, 311b)의 혼합 비율을 다르게 하여 스펙트럼 변조층들(310, 320, 330)을 형성함으로써 필터들(F1, F2, F3)이 점진적으로 변화하는 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다. 따라서, 100nm 파장 범위 내에서 전술한 바와 같이 서로 다른 100개 이상의 투과 스펙트럼을 형성하면, 대략 1nm 이하의 고분해능을 가지는 분광기를 구현할 수 있게 된다. 또한, 스펙트럼 변조층들(310, 320, 330)의 양자점 혼합 비율은 비교적 용이하게 조절할 수 있으므로, 합성을 통해 양자점 크기를 조절하는 경우에 비해 고분해능을 가지는 분광기를 용이하게 제작할 수 있다. 스펙트럼 변조층들(310, 320, 330)은 용액 공정을 이용해서 잉크젯(inkjet) 방식으로 용이하게 형성할 수 있다. 두 개의 카트리지를 이용해서, 각 필터 영역에 투입되는 용액의 양을 조절함으로써, 혼합 비율이 서로 다른 스펙트럼 변조층들을 용이하게 형성할 수 있다.
이상에서는 스펙트럼 변조층들(310, 320, 330)이 각각 두 종류의 양자점들(311a, 311b)을 포함하는 경우가 예시적으로 설명되었지만, 이는 예시적인 것이고, 스펙트럼 변조층들(310, 320, 330) 각각은 세 종류 이상의 양자점들을 포함하는 경우도 가능하다.
도 23은 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 23을 참조하면, 필터 어레이는 어레이 형태로 배열되어 있는 복수의 필터(F1, F2, F3)를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(410, 420, 430)을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(410, 420, 430)은 서로 다른 양자점 혼합 비율을 가질 수 있고, 또한, 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(410, 420, 430)은 각각 두 종류의 양자점(411a, 411b), 즉, 제1 및 제2 양자점(411a, 411b)을 포함할 수 있다. 또한, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(410, 420, 430)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 이와 같이, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(410, 420, 430)의 두께를 서로 다르게 하고, 두 종류의 양자점(411a, 411b)의 혼합 비율을 다르게 함으로써, 필터들(F1, F2, F3)이 점진적으로(실질적으로 균일하게) 변화하는 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다.
도 24는 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 24를 참조하면, 필터 어레이는 어레이 형태로 배열되어 있는 복수의 필터(F1, F2, F3)를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(510, 520, 530)을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(510, 520, 530)은 각각 양자점(511) 및 유기물(512)을 포함할 수 있다. 여기서, 양자점(511)은 한 종류의 양자점일 수 있다. 양자점(511)은 유기물(512) 내에 분산되어 있는 형태로 마련될 수 있다. 유기물(512)은 모노머(monomer) 또는 폴리머(polymer)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유기물(512)은 poly(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV) 또는 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등을 포함할 수 있지만, 이는 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 유기 물질을 포함할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(510, 520, 530)은 서로 다른 두께를 가지도록 마련될 수 있고, 그 결과, 서로 다른 투과 스펙트럼들을 나타낼 수 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(510, 520, 530)의 두께는 양자점(511) 및 유기물(512) 중 적어도 하나에 의해 변화될 수 있다.
도 25는 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 25를 참조하면, 필터 어레이는 복수의 필터(F1, F2, F3)를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(610, 620, 630)을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(610, 620, 630)은 동일한 두께를 가질 수 있다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(610, 620, 630)은 각각 양자점(611a, 611b) 및 유기물(612)을 포함할 수 있다. 양자점(611a, 611b)은 두 종류의 양자점들(611a, 611b), 즉, 제1 및 제2 양자점(611a, 611b)을 포함할 수 있다. 두 종류의 양자점(611a, 611b)은 유기물(612) 내에 분산되어 있는 형태로 마련될 수 있다. 유기물(612)은 모노머(monomer) 또는 폴리머(polymer)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유기물(612)은 poly(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV) 또는 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등을 포함할 수 있지만, 이는 예시적인 것으로 다른 다양한 유기 물질을 포함할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(610, 620, 630)은 구성 물질들이 서로 다른 혼합 비율을 가지도록 마련될 수 있다. 즉, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(610, 620, 630)은 제1 양자점(611a), 제2 양자점(611b) 및 유기물(612) 중 적어도 두 개의 서로 다른 혼합 비율을 가지도록 마련될 수 있다. 구체적인 예로, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(610, 620, 630)은 제1 및 제2 양자점(611a, 611b)이 서로 다른 혼합 비율을 가지도록 마련될 수 있다. 또한, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(610, 620, 630)은 제1 및 제2 양자점(611a, 611b) 중 적어도 하나와 유기물(612)이 서로 다른 혼합 비율을 가지도록 마련될 수도 있다. 스펙트럼 변조층들(610, 620, 630)이 각각 세 종류 이상의 양자점들 및 유기물을 포함하는 경우도 가능하다. 여기서는, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(610, 620, 630)이 두께가 동일한 상태에서 구성 물질들의 혼합 비율이 서로 다른 경우가 예시적으로 설명되었으나, 스펙트럼 변조층들(610, 620, 630)은 두께 및 구성 물질들의 혼합 비율이 모두 다르게 마련될 수도 있다.
도 26은 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 26을 참조하면, 필터 어레이는 어레이 형태로 배열되어 있는 복수의 필터(F1, F2, F3)를 포함하고, 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(710, 720, 730)을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(710, 720, 730)은 각각 양자점(711) 및 무기물(713)을 포함할 수 있다. 여기서, 양자점(711)은 한 종류의 양자점(711)을 포함할 수 있다. 양자점(711)은 무기물(713) 내에 분산되어 있는 형태로 마련될 수 있다. 무기물(713)은, 예를 들면, Ⅵ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질, 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것이고, 이외에도 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(710, 720, 730)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(710, 720, 730)의 두께는 양자점(711) 및 무기물(713) 중 적어도 하나에 의해 변화될 수 있다. 양자점(711) 및 무기물(713)을 포함하는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(710, 720, 730)의 두께를 변화시킴으로써, 필터들(F1, F2, F3)이 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다.
도 27은 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 27을 참조하면, 필터 어레이는 복수의 필터(F1, F2, F3)를 포함하고, 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(810, 820, 830)을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(810, 820, 830)은 각각 양자점(811a, 811b) 및 무기물(813)을 포함할 수 있다. 양자점(811a, 811b)은 두 종류의 양자점들, 즉, 제1 및 제2 양자점(811a, 811b)을 포함할 수 있다. 양자점들(811a, 811b)은 무기물(813) 내에 분산되어 있는 형태로 마련될 수 있다. 복수의 필터(F1, F2, F3)가 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성하게 하기 위해, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(810, 820, 830)은 그 구성 물질들이 서로 다른 혼합 비율을 가지도록 마련될 수 있다. 즉, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(810, 820, 830)은 제1 양자점(811a), 제2 양자점(811b) 및 무기물(813) 중 적어도 두 개의 서로 다른 혼합 비율을 가지도록 마련될 수 있다. 구체적인 예로, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(810, 820, 830)은 제1 및 제2 양자점(811a, 811b)이 서로 다른 혼합 비율을 가지도록 마련될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(810, 820, 830)의 두께는 실질적으로 동일할 수 있지만, 두께가 변화되면서 구성 물질들의 혼합 비율이 서로 다를 수도 있다.
도 28은 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 28을 참조하면, 필터 어레이는 복수의 필터(F1, F2, F3)를 포함하고, 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(910, 920, 930)을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(910, 920, 930)은 각각 양자점(911), 무기물(913) 및 유기물(912)을 포함할 수 있다. 여기서, 양자점(911)은 한 종류의 양자점일 수 있다. 무기물(913)은, 예를 들어, Ⅵ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질, 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 무기물(913)은 나노입자 형태를 갖거나, 그와 유사한 다른 형태를 가질 수도 있다. 유기물(912)은 모노머 또는 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유기물(912)은 poly(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV) 또는 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(910, 920, 930)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(910, 920, 930)의 두께는 양자점(911), 무기물(913) 및 유기물(912) 중 적어도 하나에 의해 변화될 수 있다. 이와 같이, 양자점(911), 무기물(913) 및 유기물(912)을 포함하는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(910, 920, 930)의 두께를 변화시킴으로써 필터들(F1, F2, F3)이 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다.
이상에서는 스펙트럼 변조층들(910, 920, 930)이 한 종류의 양자점을 포함하는 경우가 설명되었지만, 스펙트럼 변조층들이 두 종류 이상의 양자점들을 포함할 수도 있다. 이 경우, 스펙트럼 변조층들의 구성 물질들(즉, 두 종류 이상의 양자점들, 무기물 및 폴리머) 중 적어도 두 개의 서로 다른 혼합 비율을 가지도록 함으로써 필터들(F1, F2, F3)이 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다. 여기서, 스펙트럼 변조층들의 두께는 일정하거나 변화할 수 있다.
도 29는 다른 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이에서 필터 어레이가 가질 수 있는 물질 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 29를 참조하면, 필터 어레이는 복수의 필터(F1, F2, F3)를 포함하고, 제1, 제2 및 제3 필터(F1, F2, F3)는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(1010, 1020, 1030)을 포함한다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(1010, 1020, 1030)은 각각 무기물(1013) 및 유기물(1012)을 포함할 수 있다. 무기물(1013)은 나노입자 형태를 갖거나 다른 형태를 가질 수도 있다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(1010, 1020, 1030)은 서로 다른 두께를 가질 수 있고, 복수의 필터(F1, F2, F3)는 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(1010, 1020, 1030)의 두께는 무기물(1013) 및 유기물(1012) 중 적어도 하나에 의해 변화될 수 있다. 이와 같이, 무기물(1013) 및 유기물(1012)을 포함하는 제1, 제2 및 제3 스펙트럼 변조층(1010, 1020, 1030)의 두께를 변화시킴으로써 필터들(F1, F2, F3)이 점진적으로(대체로 균일하게) 변화하는 투과 스펙트럼들을 형성할 수 있다.
이상에서는 무기물(1013) 및 유기물(1012)을 포함하는 스펙트럼 변조층들(1010, 1020, 1030)의 두께를 변화시켜 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성시키는 경우가 설명되었지만, 스펙트럼 변조층들(1010, 1020, 1030)의 구성 물질들, 즉, 무기물(1013)과 유기물(1012)의 혼합 비율을 변화시킴으로써 서로 다른 투과 스펙트럼들을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 스펙트럼 변조층들(1010, 1020, 1030)의 두께는 일정하거나 변화될 수 있다.
도 30은 한 종류의 양자점을 사용하고 두께를 조절한 필터들의 투과 스펙트럼들을 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 여기서, 한 종류의 양자점으로는 5nm의 직경을 가지는 CdSe 입자를 사용하였으며, 두께를 10nm 에서 3㎛ 사이에서 30nm 씩 변화시켜 100개의 스펙트럼 변조층들을 형성하였다.
도 30을 참조하면, 한 종류의 양자점을 사용하여 두께를 조절한 필터들에서는 대략 500nm ∼ 600nm의 파장 범위에서 100개의 투과 스펙트럼들이 균일하게 변화하도록 형성되는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 고분해능, 예를 들면, 1nm 이하의 분해능을 가지는 분광기를 구현할 수 있다.
도 31은 실제 입력 스펙트럼(real input spectrum)과 도 30의 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼(reconstructed input spectrum)을 비교 도시한 그래프이다.
도 31을 참조하면, 재구성된 입력 스펙트럼이 필터들에 실제 입력된 스펙트럼과 거의 일치하고 있음을 알 수 있다. 실제 입력 스펙트럼과 재구성된 입력 스펙트럼의 편차(deviation)는 대략 1% 정도로 매우 작았다. 따라서, 재구성된 입력 스펙트럼으로부터 실제 입력된 스펙트럼을 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.
도 32는 두 종류의 양자점들을 사용하고 양자점 혼합 비율을 조절한 필터들의 투과 스펙트럼들을 도시한 시뮬레이션 결과이다. 여기서, 두 종류의 양자점으로는 5nm의 직경을 가지는 CdSe 입자 및 4nm의 직경을 가지는 CdSe 입자를 사용하였다. 그리고, 두 종류 양자점들의 혼합 비율을 0.01:0.99, 0.02:098, ..., 0.99:0.01, 1.00:0.00 으로 변화시켜 100개의 스펙트럼 변조층들을 제작하였다.
도 32를 참조하면, 두 종류의 양자점들을 사용하여 양자점들의 혼합 비율을 조절한 필터들에서는 대략 500nm ∼ 600nm의 파장 범위에서 100개의 투과 스펙트럼들이 균일하게 변화하도록 형성되는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 고분해능을 가지는 분광기를 구현할 수 있다.
도 33은 실제 입력 스펙트럼과 도 32의 결과로부터 재구성된 입력 스펙트럼을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 33을 참조하면, 재구성된 입력 스펙트럼이 필터들에 실제 입력된 스펙트럼과 거의 일치하고 있음을 알 수 있다. 실제 입력 스펙트럼과 재구성된 입력 스펙트럼의 편차는 대략 1% ∼ 2% 정도로 매우 작았다. 따라서, 재구성된 입력 스펙트럼으로부터 실제 입력된 스펙트럼을 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.
도 30 및 도 32에서 "투과 스펙트럼들이 점진적으로 또는 대체로 균일하게 변화된다"는 의미는 복수의 투과 스펙트럼에서 N번째 투과 스펙트럼의 프로파일(profile)과 N+1번째 투과 스펙트럼의 프로파일이 유사하고, 이들의 프로파일 차이(변화)가 15% 이내 혹은 10% 이내라는 것을 의미할 수 있다. 또한, 복수의 투과 스펙트럼은 직선이 아닌 곡선 형태, 즉, 비선형(non-linear) 형태를 가질 수 있고, 스파이크 피크(spike peak)나 narrow band에 해당하는 피크(peak)를 갖지 않고 부드러운 곡선 형태를 가질 수 있다. 또한, 투과 스펙트럼의 프로파일 변화는 그래프 상 대체로 수평 방향에 따라서 진행될 수 있다. 이와 같이, 투과 스펙트럼들이 점진적으로 또는 대체로 균일하게 변화되도록 형성된 경우, 높은 정확도로 스펙트럼을 측정 및 분석하는데 유리할 수 있다. 투과 스펙트럼들이 직선 형태를 가지고 서로 평행하거나 또는 교차하도록 형성되는 경우에는, 측정/분석의 정확도를 확보하기가 용이하지 않을 수 있다.
도 34는 두 가지 종류의 양자점 필름을 다중으로 배치한 경우, 이들에 의한 흡수 스펙트럼을 실험적으로 측정한 결과와 이론적으로 계산한 결과를 비교하여 보여주는 그래프이다. 도 34에서 제1 양자점 필름 단일층에 대한 결과는 "QD(Red)"이고, 제2 양자점 필름 단일층에 대한 결과는 "QD(Green)"이고, 제1 및 제2 양자점 필름의 다중 구조에 대한 실험값은 "R+G_exp"이고, 상기 다중 구조에 대한 계산값은 "R+G_cal"이다.
도 34를 참조하면, 다중 양자점 필름에 대한 흡수 스펙트럼을 실험적으로 측정한 결과(R+G_exp)와 이론적으로 계산한 결과(R+G_cal)가 대체로 일치하는 것을 확인할 수 있다.
도 35 또한 도 34와 유사한 결과를 보여준다. 도 35에서 제3 양자점 필름 단일층에 대한 결과는 "QD(590)"이고, 제4 양자점 필름 단일층에 대한 결과는 "QD(623)"이고, 제3 및 제4 양자점 필름의 다중 구조에 대한 실험값은 "590+623_exp"이고, 상기 다중 구조에 대한 계산값은 "590+623_cal"이다. 도 35에서도 실험값(590+623_exp)과 계산값(590+623_cal)이 대체로 일치하는 것을 알 수 있다.
이상의 실시예들에 따르면, 광 효율 및 광 감도를 개선할 수 있는 다중 배열형 필터 어레이 및 이를 포함하는 분광 측정 소자를 구현할 수 있다. 사용되는 필터의 개수를 줄일 수 있기 때문에, 제조 공정 및 비용 측면에서 유리할 수 있다. 또한, 스펙트럼의 측정 효율을 높일 수 있고, 고분해능 구현에 유리할 수 있다. 이러한 필터 어레이 및 분광 측정 소자를 이용하면, 우수한 성능을 갖는 분광기를 제조할 수 있다. 특히, 분광기의 소형화에 유리할 수 있다.
기존의 격자(grating) 구조를 이용한 분광 방법의 경우, 해상도를 확보하기 위해서는 굴절된 빛들이 넓은 공간을 거쳐 퍼져나가야 하기 때문에, 이 방법으로는 분광기를 소형화하기가 불가능할 수 있다. 또한, Mirror-spacer-Mirror 구조(Fabry-Perot 간섭계)의 공진 구조를 갖는 복수의 광학 필터를 사용하는 경우, 입사광의 입사 각도에 따라 파장의 시프트(shift)가 발생하고 많은 수의 필터들을 매우 정교하고 정밀하게 제조해야 하기 때문에, 공정이 어렵고 제조비용이 증가하는 등의 문제가 있다. 그러나 본원의 실시예에 따르면, 소정의 분해능 구현에 필요한 필터 및 센서의 수를 획기적으로 줄일 수 있고, 복수의 필터를 용이하게 제조할 수 있으며, 입사광의 입사 각도의 영향도 거의 없을 수 있다. 따라서, 공정 용이성, 비용 절감, 분해능 향상, 효율 향상, 소자(장치)의 사이즈 감소 등 다양한 측면에서 유리할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 다중 배열형 필터 어레이 및 이를 포함하는 분광 측정 소자(장치)는 분광기에 적용될 수 있고, 분광기 외 다른 다양한 광학 장치에도 적용될 수 있다. 소형화된 분광기는 다양한 분야에 매우 유용하게 응용될 수 있다. 예컨대, 소형화된 분광기는 휴대용 소형 생체 센서나, 가스 탐지용 분광기로 사용될 수 있고, 특히, 글루코스(glucose) 측정용 라만(Raman) 장치 등 고감도 포톤 측정이 필요한 측정에 유리하게 적용될 수 있다. 또한, 양자점을 적용한 분광기는 입사각의 영향이 없거나 적기 때문에 초근접 정밀 측정에 유용할 수 있다. 그러나 본원의 다양한 실시예의 분야는 소형 분광기나 양자점 분광기에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 3, 도 5, 도 6 및 도 8 내지 도 29를 참조하여 설명한 필터 어레이, 분광 측정 소자 및 분광기의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 필터 어레이 및 분광 측정 소자의 제조방법은 다양하게 변화될 수 있고, 이들의 동작방법도 다양하게 변화될 수 있다. 경우에 따라서는, 다중 필터 어레이들을 이동시키지 않고 고정한 상태에서 광학적인 방법으로 필터간 매치 조합을 변경할 수도 있다. 또한, 매치 조합을 변경하지 않고 다중 필터 어레이들을 사용할 수도 있다. 그 밖에도 다양한 변형 및 변경이 가능할 수 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
F10, F11 : 제1 필터 F20, F21 : 제2 필터
FA10∼FA18 : 제1 필터 어레이 FA20∼FA28 : 제2 필터 어레이
FA33, FA35, FA37 : 제3 필터 어레이 S10 : 센서
SA10∼SA17 : 센서 어레이 L10 : 입사광
M10, M20 : 위치 이동 부재 A10 : 반사방지막

Claims (25)

  1. 입사광의 진행 경로를 따라 상호 오버랩되도록 배치된 복수의 필터 어레이를 포함하는 다중 배열형 필터 어레이; 및
    상기 다중 배열형 필터 어레이를 투과한 광을 감지하기 위한 복수의 센서를 포함하는 센서 어레이;를 포함하고,
    상기 다중 배열형 필터 어레이는,
    서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제1 필터가 어레이된 구조를 포함하는 제1 필터 어레이; 및
    상기 제1 필터 어레이에 대향하도록 배치되고, 서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제2 필터가 어레이된 구조를 포함하는 제2 필터 어레이;를 구비하고,
    상기 복수의 제1 필터와 상기 복수의 제2 필터 사이의 매치 조합(match combination)을 변경 가능하도록 구성되고,
    상기 제1 필터 어레이와 상기 제2 필터 어레이 중 적어도 하나는 이동 가능하도록 구성되고,
    상기 제1 필터 어레이와 상기 제2 필터 어레이 중 적어도 하나의 이동에 의해 상기 매치 조합(match combination)이 변경되는 분광 측정 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 필터 어레이에 연결된 것으로, 상기 복수의 제1 필터 중 적어도 일부의 위치를 이동시키는 제1 위치 이동 부재; 및
    상기 제2 필터 어레이에 연결된 것으로, 상기 복수의 제2 필터 중 적어도 일부의 위치를 이동시키는 제2 위치 이동 부재; 중 적어도 하나를 더 포함하는 분광 측정 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터는 서로 다른 두께 및 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio) 중 적어도 하나를 갖고,
    선택적으로(optionally), 상기 복수의 제2 필터는 서로 다른 두께 및 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율 중 적어도 하나를 갖는 분광 측정 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터는 동일한 물질로 구성되고 서로 다른 두께를 갖고,
    상기 복수의 제2 필터는 동일한 물질로 구성되고 서로 다른 두께를 갖는 분광 측정 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터의 두께 변동폭은 상기 복수의 제2 필터의 두께 변동폭과 다르거나 또는,
    상기 복수의 제1 필터의 두께 중 가장 큰 두께는 상기 복수의 제2 필터의 두께 중 가장 큰 두께와 다른 분광 측정 소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터는 한 종류의 양자점(quantum dots)을 포함하고,
    상기 복수의 제2 필터는 한 종류의 양자점을 포함하며,
    상기 복수의 제1 필터의 양자점과 상기 복수의 제2 필터의 양자점은 동일하거나 서로 다른 분광 측정 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터는 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 갖고,
    상기 복수의 제2 필터는 적어도 두 개의 구성 물질의 서로 다른 혼합 비율을 갖는 분광 측정 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터의 상기 혼합 비율의 변동폭은 상기 복수의 제2 필터의 상기 혼합 비율의 변동폭과 다르거나 또는,
    상기 복수의 제1 필터의 혼합 비율 중 가장 큰 비율은 상기 복수의 제2 필터의 혼합 비율 중 가장 큰 비율과 다른 분광 측정 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    서로 동일한 두께를 갖는 상기 복수의 제1 필터 및
    서로 동일한 두께를 갖는 상기 복수의 제2 필터 중 적어도 하나를 갖는 분광 측정 소자.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터 및 상기 복수의 제2 필터 중 적어도 하나는 두 종류 이상의 양자점들이 서로 다른 비율로 혼합된 구성을 갖는 분광 측정 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터는 동일한 제1 구성 물질을 포함하고 서로 다른 두께를 갖고,
    상기 복수의 제2 필터는 동일한 제2 구성 물질을 포함하고 서로 다른 두께를 갖는 분광 측정 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 구성 물질은 제1 양자점을 포함하고,
    상기 제2 구성 물질은 상기 제1 양자점과 다른 제2 양자점을 포함하는 분광 측정 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터 및 상기 복수의 제2 필터 중 적어도 하나는 양자점, 나노입자, 유기물 및 무기물 중 적어도 하나를 포함하고,
    여기서, 상기 나노입자는 양자점과 다른 입자이고, 상기 무기물은 양자점 및 나노입자와 다른 물질인 분광 측정 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터 각각의 상면에 구비된 반사방지층(anti-reflection layer)을 더 포함하는 분광 측정 소자.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 필터 어레이는,
    상기 제2 필터 어레이에 대향하여 배치된 것으로, 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제3 필터가 어레이된 제3 필터 어레이;를 더 포함하고,
    상기 복수의 제3 필터는 서로 다른 두께 및 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio) 중 적어도 하나를 갖는 분광 측정 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 필터 어레이는 상기 제3 필터 어레이에 대향하는 적어도 하나의 별도의 필터 어레이를 더 포함하는 분광 측정 소자.
  18. 청구항 1 또는 청구항3 내지 17 중 어느 하나에 기재된 분광 측정 소자를 포함하는 분광기(spectrometer).
  19. 입사광의 진행 경로를 따라 상호 오버랩되도록 배치된 복수의 필터 어레이를 포함하고, 상기 복수의 필터 어레이는,
    서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제1 필터가 어레이된 구조를 포함하는 제1 필터 어레이; 및
    상기 제1 필터 어레이에 대향하여 배치된 것으로, 서로 다른 흡광 특성에 의해 서로 다른 투과 스펙트럼을 나타내는 복수의 제2 필터가 어레이된 구조를 포함하는 제2 필터 어레이;를 구비하고,
    상기 복수의 제1 필터와 상기 복수의 제2 필터 사이의 매치 조합(match combination)을 변경 가능하도록 구성되고,
    상기 제1 필터 어레이와 상기 제2 필터 어레이 중 적어도 하나는 이동 가능하도록 구성되고,
    상기 제1 필터 어레이와 상기 제2 필터 어레이 중 적어도 하나의 이동에 의해 상기 매치 조합(match combination)이 변경되는 다중 배열형 필터 어레이.
  20. 삭제
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터는 서로 다른 두께 및 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio) 중 적어도 하나를 갖고,
    선택적으로(optionally), 상기 복수의 제2 필터는 서로 다른 두께 및 구성 물질들의 서로 다른 혼합 비율(mixing ratio) 중 적어도 하나를 갖는 다중 배열형 필터 어레이.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터는 한 종류의 양자점(quantum dots)을 포함하고 서로 다른 두께를 갖고,
    상기 복수의 제2 필터는 한 종류의 양자점을 포함하고 서로 다른 두께를 가지며,
    상기 복수의 제1 필터의 양자점과 상기 복수의 제2 필터의 양자점은 동일하거나 서로 다른 다중 배열형 필터 어레이.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터는 두 종류 이상의 양자점들의 서로 다른 혼합 비율을 갖고,
    상기 복수의 제2 필터는 두 종류 이상의 양자점들의 서로 다른 혼합 비율을 갖는 다중 배열형 필터 어레이.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 필터 및 상기 복수의 제2 필터 중 적어도 하나는 양자점, 나노입자, 유기물 및 무기물 중 적어도 하나를 포함하는 다중 배열형 필터 어레이.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 필터 어레이는 상기 제2 필터 어레이에 대향하는 적어도 하나의 별도의 필터 어레이를 더 포함하는 다중 배열형 필터 어레이.
KR1020170118834A 2017-09-15 2017-09-15 필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기 Active KR102461721B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170118834A KR102461721B1 (ko) 2017-09-15 2017-09-15 필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기
US15/888,754 US11137286B2 (en) 2017-09-15 2018-02-05 Filter array, spectral detector including the filter array and spectrometer employing the spectral detector
CN201810164740.7A CN109506779B (zh) 2017-09-15 2018-02-27 滤波器阵列、光谱检测器和光谱仪
EP18167294.0A EP3457099A1 (en) 2017-09-15 2018-04-13 Filter array, spectral detector including the filter array and spectrometer employing the spectral detector
US17/459,942 US11913832B2 (en) 2017-09-15 2021-08-27 Filter array, spectral detector including the filter array and spectrometer employing the spectral detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170118834A KR102461721B1 (ko) 2017-09-15 2017-09-15 필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190031027A KR20190031027A (ko) 2019-03-25
KR102461721B1 true KR102461721B1 (ko) 2022-11-01

Family

ID=62001998

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170118834A Active KR102461721B1 (ko) 2017-09-15 2017-09-15 필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기

Country Status (4)

Country Link
US (2) US11137286B2 (ko)
EP (1) EP3457099A1 (ko)
KR (1) KR102461721B1 (ko)
CN (1) CN109506779B (ko)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102395781B1 (ko) * 2017-03-24 2022-05-09 삼성전자주식회사 서브 파장 이중 격자를 포함하는 광학 필터 및 분광기
KR20200114778A (ko) 2019-03-29 2020-10-07 삼성전자주식회사 다파장 광을 이용한 광학 장치
US12259276B2 (en) * 2019-07-16 2025-03-25 Ams International Ag Reconstructing light wavelength spectrum with thin-film device
CN110702226A (zh) * 2019-09-20 2020-01-17 深圳奥比中光科技有限公司 一种微型光谱仪及光谱检测方法
KR20210079824A (ko) 2019-12-20 2021-06-30 삼성전자주식회사 편분광 필터, 편분광 필터 어레이, 및 편분광 센서
WO2021179226A1 (zh) * 2020-03-11 2021-09-16 上海新产业光电技术有限公司 光谱信息获取方法及光谱探测装置
US12148775B2 (en) 2020-10-13 2024-11-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Hyperspectral element, hyperspectral sensor including the same, and hyperspectral image generating apparatus
CN112730318A (zh) * 2020-12-24 2021-04-30 北京理工大学 近红外量子点光谱仪及其构建方法和光谱测量方法
CN114843293A (zh) * 2021-02-01 2022-08-02 北京与光科技有限公司 光谱芯片及其制备方法、光谱分析装置
CN113280920A (zh) * 2021-05-31 2021-08-20 理至(深圳)科技有限公司 一种量子点探测模组、光电探测器及微型全光谱光谱仪
CN113588085A (zh) * 2021-09-03 2021-11-02 杭州纳境科技有限公司 微型快照式光谱仪
KR20230053417A (ko) 2021-10-14 2023-04-21 삼성전자주식회사 이미지 획득 장치 및 방법, 이를 포함하는 전자 장치
KR102654875B1 (ko) 2021-12-23 2024-04-05 삼성전자주식회사 자외선 차단 물질을 검출하는 장치 및 이를 포함하는 모바일 디바이스
CN116400444A (zh) 2022-01-06 2023-07-07 三星电子株式会社 光谱滤波器以及包括光谱滤波器的图像传感器和电子设备
CN115265777A (zh) * 2022-06-24 2022-11-01 维沃移动通信有限公司 图像采集组件、拍摄模组、光谱信息检测方法和电子设备

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170038255A1 (en) * 2015-08-05 2017-02-09 Viavi Solutions Inc. Optical filter and spectrometer

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0785034B2 (ja) * 1986-05-15 1995-09-13 ミノルタ株式会社 分光測定センサ
US4822998A (en) 1986-05-15 1989-04-18 Minolta Camera Kabushiki Kaisha Spectral sensor with interference filter
JP4273372B2 (ja) 1998-07-31 2009-06-03 ソニー株式会社 撮像装置
US6700690B1 (en) * 2000-10-02 2004-03-02 Ocean Optics, Inc. Tunable variable bandpass optical filter
EP1384051A1 (en) * 2001-05-02 2004-01-28 Csir Spectrometry using broadband filters with overlapping spectral ranges
JP4938219B2 (ja) 2001-12-19 2012-05-23 ケーエルエー−テンカー コーポレイション 光学分光システムを使用するパラメトリック・プロフィーリング
KR20060077149A (ko) 2004-12-30 2006-07-05 매그나칩 반도체 유한회사 이미지센서의 칼라필터 어레이 및 그 형성 방법
KR101252083B1 (ko) 2005-12-22 2013-04-12 엘지디스플레이 주식회사 유기 전계발광 표시장치 및 그 제조방법
US20080266563A1 (en) * 2007-04-26 2008-10-30 Redman David J Measuring color using color filter arrays
JP2010101967A (ja) * 2008-10-21 2010-05-06 Nisca Corp 減光フィルタ及び光量調整装置、撮像装置並びに減光フィルタの製造方法、減光フィルタの型抜き成形装置
US8436296B2 (en) * 2009-11-06 2013-05-07 Precision Energy Services, Inc. Filter wheel assembly for downhole spectroscopy
JP5948007B2 (ja) 2010-03-29 2016-07-06 セイコーエプソン株式会社 分光センサー及び分光フィルター
MX2014009454A (es) 2012-02-21 2014-10-23 Massachusetts Inst Technology Dispositivos de espectrometro.
US8842216B2 (en) * 2012-08-30 2014-09-23 Raytheon Company Movable pixelated filter array
CN103235442B (zh) * 2013-04-22 2016-07-06 京东方科技集团股份有限公司 一种彩膜基板、显示面板及显示装置
US9823128B2 (en) * 2013-10-16 2017-11-21 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Multispectral imaging based on computational imaging and a narrow-band absorptive filter array
US9645075B2 (en) * 2013-11-26 2017-05-09 nanoLambda Korea Multispectral imager with hybrid double layer filter array
US9923007B2 (en) * 2015-12-29 2018-03-20 Viavi Solutions Inc. Metal mirror based multispectral filter array
US10697830B1 (en) * 2016-08-31 2020-06-30 Apple Inc. Multicomb light source and spectrometer
US10571332B2 (en) 2017-08-08 2020-02-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Light filter and spectrometer including the light filter

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170038255A1 (en) * 2015-08-05 2017-02-09 Viavi Solutions Inc. Optical filter and spectrometer

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190031027A (ko) 2019-03-25
US11913832B2 (en) 2024-02-27
EP3457099A1 (en) 2019-03-20
US11137286B2 (en) 2021-10-05
CN109506779A (zh) 2019-03-22
US20190086259A1 (en) 2019-03-21
CN109506779B (zh) 2023-02-28
US20210389177A1 (en) 2021-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102461721B1 (ko) 필터 어레이와 이를 포함하는 분광 측정 소자 및 분광 측정 소자를 채용한 분광기
US10962412B2 (en) Light filter and spectrometer including the light filter
US11029529B2 (en) Subwavelength structured lens having moire pattern, use and methods of making the same
Zhang et al. Direct optical lithography enabled multispectral colloidal quantum-dot imagers from ultraviolet to short-wave infrared
KR102294845B1 (ko) 광학필터, 광학 디바이스, 및 광학필터의 제조방법
CN111579497A (zh) 片上光谱仪
US20200301053A1 (en) Optical sensing device employing light intensity detectors integrated with nanostructures
US9478713B2 (en) Nanostructure material methods and devices
US11536607B2 (en) Image sensor and method of operating
JP6981496B2 (ja) カラー撮像素子および撮像装置
JP7268880B2 (ja) 透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス及びその製造方法
Abadie et al. Helmholtz resonator applied to nanocrystal-based infrared sensing
KR102732516B1 (ko) 광 필터 및 이를 포함하는 광 분광기
US20240011831A1 (en) Fabry-perot cavity array and spectrum detector
US10203438B2 (en) Optical filter including plates for filtering light and optical measuring device employing optical filter
KR102506442B1 (ko) 광 필터 및 이를 포함하는 분광기
US20200073032A1 (en) Light filter and spectrometer including the light filter
US20230375406A1 (en) Light sensor and a method for manufacturing a light sensor
KR20210056206A (ko) 다중 공진 모드를 갖는 플라즈모닉 각감응 분광 필터
US20250076117A1 (en) Design and method of snapshot multispectral and polarimetric sensing with cmos image sensor
Peters et al. Tunable Infrared Pixels via Monolithically Integrated Dynamic Graphene Metasurfaces.
Wang Application of Nanostructures in Thermal Emission, Photon Management and Spectral Sensing
KR20190076912A (ko) 표면 플라스몬을 이용한 분광기

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20170915

PG1501 Laying open of application
A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20200901

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20170915

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20220225

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20220729

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20221027

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20221028

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration