KR101388539B1 - 색 검출기 - Google Patents

Abstract

색 검출기는 광원, 광다이오드, 및 단지 특정 색의 광이 광다이오드를 통과하게 하도록 튜닝되는 필터를 포함한다. 광이 광다이오드에 도달하면, 광다이오드는 색이 광에 존재하는 것을 나타내는 전류를 출력한다. 필터는 은과 같은 반사성 금속으로 이루어지는 한 쌍의 부분 반사층을 포함할 수 있다. 금속이 환경에 의해 산화 또는 반응하는 것을 방지하기 위해, 부분 반사층들은 알루미늄 질화물과 같은 보호층으로 코팅될 수 있다. 색 검출기는 색 증강층을 더 포함할 수 있다. 마지막으로, 색 검출기는 캐핑층을 포함할 수 있다. 따라서, 본원에 제공되는 색 검출기는 필터가 통상적으로 산화하는 부분 반사층에 대한 금속들을 이용하는 것뿐만 아니라, 특정 스펙트럼의 파장의 광을 검출하게 한다.

Description

색 검출기{COLOR DETECTOR}

분광 광도법(spectrophotometry)은 가시광선, 근자외선 및 근적외선 스펙트럼의 전자기파들에 관한 연구이다. 분광 광도계는 강도, 색, 및/또는 파장을 포함하여, 광의 각종 특성들을 측정하도록 구성된 광 측정 장치이다. 분광 광도계는 폭넓은 범위의 용도를 갖는다. 예를 들어, 그들은 텔레비전, 프로젝터, 모니터 및 캠코더 뷰파인더와 같은 디스플레이 장치 상의 색을 검출하는데 이용될 수 있다. 대안적으로, 분광 광도계는 프린트된 색들을 교정하기 위해 프린팅 장치에서 사용될 수도 있다.

전형적으로, 색 검출기로서 사용되는 경우, 분광 광도계는 광원, 광다이오드와 같은 광 수집기, 및 필터를 포함할 수 있다. 일례로, 광은 물체를 향해 투사된다. 물체는 광을 반사시키고, 광다이오드는 반사된 광을 수용한다. 광은 광다이오드에 의해 수용되기 전에 필터를 통과할 수 있기 때문에 색이 검출될 수 있다. 특히, 필터는 단지 특정 범위의 파장을 갖는 광이 통과하게 하도록 구성된다. 통과하는 광은 광다이오드에서 전류를 발생시킨다. 이 전류는 특정 색의 광이 존재하는 것을 나타낸다. 광다이오드들의 어레이 및 필터들은 분광 광도계가 더 많은 상세한 정보를 수용하게 한다. 예를 들어, 각각 상이한 파장에서 광을 필터링하도록 튜닝/설계된 필터를 갖는 20개의 광다이오드의 어레이는 소수의 광다이오드를 갖는 시스템보다 많은 색들 사이를 식별할 수 있을 것이다.

많은 기술 분야에서 사용되지만, 분광 광도계는 여러 문제를 갖는다. 예를 들어, 필터는 2개의 금속막을 포함할 수 있다. 그러나, 금속막은 공기에 노출된 후에 산화되기 시작할 수 있다. 금속막의 산화는 금속 코팅으로부터의 총 내부 반사율(net internal reflectance)을 감소시켜 그것이 저하함에 따라 필터의 성능을 바꾼다. 반사율 저하의 주요 효과는 필터의 주어진 전송 피크에 대한 필터의 대역폭을 넓히는 것이다. 이것은 필터들이 파장에 있어서 다른 것과 보다 많이 중첩함에 따라 필터 어레이의 색 식별을 감소시킬 것이다. 실리콘계 광다이오드 시스템에 대한 다른 문제는 특정 파장의 광을 검출하기 어렵다는 것이다. 이것은 색 스펙트럼의 청색 영역에 특히 적용된다. 이것을 보상하기 위해, 일부 분광 광도계는 증폭기로 이들 색들을 전기적으로 증폭하여 색들을 보다 용이하게 검출가능하게 하지만, 증폭기는 또한 센서에 의해 수신되는 잡음을 증폭시킨다. 증가된 잡음은 광 수집기에 의한 부정확한 판독을 가져올 수 있다.

따라서, 분광 광도계 또는 색 검출기는 개선된 필터를 갖거나 잡음을 증폭시키지 않고 색 증폭을 허용하게 될 필요가 있다.

도 1은 예시적인 색 검출기의 측단면도를 도시한다.
도 2는 예시적인 광다이오드 상에 배치된 예시적인 필터의 측단면도를 도시한다.
도 3은 광다이오드 상에 배치된 필터의 층들을 나타내는 확대된 측단면도를 도시한다.

색 검출기는 광원, 광다이오드, 및 광원과 광다이오드 사이에 배치된 필터를 포함한다. 필터는 단지 광이 광다이오드를 통과하기 위해 특정 스펙트럼의 파장을 갖게 하도록 튜닝된다. 광이 광다이오드에 도달하면, 광다이오드는 전류를 출력한다. 전류는 특정 스펙트럼의 파장에서 광이 존재함을 나타낸다. 다수의 색 검출기는 검출기 출력을 직접 판독함으로써 다수의 색의 존재를 나타내기 위해 어레이로 배열될 수도 있고, 또는 대안적으로 어레이로 배열된 다수의 색 검출기들의 출력들은 입력 색을 검출하기 위해 적절한 색 변환 알고리즘과 함께 사용될 수도 있다. 필터는 은과 같은 반사성 금속으로 코팅된 한 쌍의 부분 반사층을 포함할 수 있다. 금속이 환경에 의해 산화하거나 반응하는 것을 방지하기 위해, 반사층들은 알루미늄 질화물과 같은 보호층으로 코팅될 수 있다. 색 검출기는 또한 전형적으로 고저 인덱스 재료 조합(high-low index material combination)을 갖는 색 증강층들(color enhancing layers)을 포함할 수 있어, 관심있는 파장 영역의 전송을 최대화한다. 고저 인덱스 재료 조합의 두께의 선택은 파장 영역의 최대화에 영향을 준다. 결국, 색 검출기는 주어진 스펙트럼 대역을 커버하도록 튜닝/설계된 색 검출기들의 주어진 어레이에 걸쳐 필터의 피크 전송을 평탄화(flatten) 또는 등화(equalize)시키는 경향이 있는 캐핑층(capping layer)을 포함할 수도 있다. 따라서, 본원에 제공된 색 검출기는 필터가 특정 스펙트럼의 파장의 검출된 광을 최대화할 뿐만 아니라 통상적으로 산화 또는 열화시키는 부분 반사층에 대해 금속들을 이용하게 한다.

하나의 예시적인 접근법에서, 색 검출기는 페이지 상에 프린트된 색들을 교정하기 위해 프린터와 함께 사용될 수도 있다. 특히, 색 검출기는 페이지의 색을 검출할 수 있고, 프린터는 상이한 색의 용지에 대해 상이한 양의 잉크를 분사하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 노란색 잉크를 원하지만 페이지가 청색이면, 노란색 잉크는 그 페이지에 의도된 노란색을 나타나게 하지 않을 것이다. 따라서, 색 검출기는 페이지의 색을 검출하고 원하는 색이 페이지 상에 보여지도록 잉크를 분사하게 프린터를 구성한다.

도 1을 참고하면, 광원(12), 광원(12)과 광통신하는 광다이오드(14), 및 상부 광다이오드(14) 상에 일체로 형성되는 필터(16)를 갖는 예시적인 색 검출기(10)가 제공된다. 교정 용도의 예에서, 광원(12)은 샘플(18) 상으로 광을 투사한다. 광원(12)은 예를 들어 발광 다이오드일 수 있지만, 다른 광원(12)이 개시물의 범위 내에 있다. 샘플(18)은 예를 들어 용지일 수 있지만, 다른 샘플(18)이 개시물의 범위 내에 있다. 샘플(18) 상에 투사된 광은 광다이오드(14) 상으로 샘플(18)에 의해 반사된다. 그러나, 광다이오드(14)에 도달하기 전에, 하나의 예시적인 접근법에서, 광은 필터(16)를 통과한다. 필터(16)는 패브리 페롯 에탈론(Fabry-Perot etalon)일 수 있거나 본 기술분야에 공지된 임의의 다른 필터(16)일 수 있다. 하나의 예시적인 접근법에서, 필터(16)는 단지 특정 스펙트럼의 파장을 갖는 광이 광다이오드(14)로 통과하게 하도록 튜닝될 수 있는데, 이는 이하에서 보다 상세하게 논의될 것이다. 일단 광다이오드(14)에 의해 수용되면, 광다이오드(14)는 전류를 출력한다. 전류의 존재는 특정 스펙트럼의 파장의 색을 나타낸다.

다수의 필터(16)가 색 검출기(10)와 함께 이용될 수 있고, 각각의 필터(16)는 고유한 특정 스펙트럼의 파장으로 튜닝될 수 있다. 하나의 예시적인 접근법에서, 각각의 필터(16)의 특정 스펙트럼의 파장은 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다. 또한, 다수의 필터(16)가 사용되면, 색 검출기(10)는 다수의 광다이오드(14)-각 필터(16)에 대해 적어도 하나-를 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 접근법에서, 광 검출기(10)는 7개의 필터(16) 및 7개의 광다이오드(14)를 포함할 수 있다. 각각의 필터(16)는 상이한 색이 대응하는 광다이오드(14)로 통과하게 하도록 튜닝될 수도 있다.

예로서, 필터들(16)은 "적색", "주황색", "노란색", "녹색", "청색", "남색", 및 "보라색"에 대응하는 파장 스펙트럼들을 검출하도록 구성될 수 있다. 샘플(18)이 "적색" 스펙트럼에 있으면, 광은 단지 "적색" 스펙트럼에 대응하는 파장들을 받아들이는 필터(16)를 통과할 것이고, 다른 필터들(16)에 의해 차단될 것이다. 따라서, "적색" 필터(16)에 대응하는 광다이오드(14)만이 전류를 출력할 것이고, 이는 "적색" 스펙트럼 내의 색의 존재를 나타낸다. 마찬가지로, 샘플(18)이 "녹색"이면, 광은 단지 "녹색" 스펙트럼에 대응하는 파장들을 받아들이는 필터(16)를 통과할 것이고, 다른 필터들(16)에 의해 차단될 것이다. 따라서, 단지 "녹색" 필터(16)에 대응하는 광다이오드(14)만이 전류를 출력할 것이고, 이는 "녹색" 스펙트럼 내의 색의 존재를 나타낸다. 더 많은 필터들(16) 및 대응하는 광다이오드(14)를 이용하면 색 검출기(10)는 변하는 색조 사이를 구별할 수 있다. 예를 들어, 부가적인 필터(16) 및 대응하는 광다이오드(14)에 의해, 색 검출기(10)는 색이 단지 "청색" 스펙트럼에 있다고 인식하는 것과 반대로, "베이비 청색", "스카이 청색", 및 "네이비 청색" 사이를 구별할 수 있다.

도 2는 색 검출기(10) 내의 광다이오드(14) 상에 배치된 필터(16)의 예시적인 단면도이다. 앞서 논의된 바와 같이, 필터(16) 및 대응하는 광다이오드(14)는 다른 필터(16) 및 광다이오드(14)와 어레이로 사용될 수 있다. 그러나, 광은 하나의 필터(16)에서 떨어져서 반사하여 어레이 내의 다른 광다이오드(14)를 간섭할 수도 있다. 따라서, 색 검출기(10)는 개구(22)를 정의하는 다크층(20)을 포함할 수 있다. 광이 필터(16)를 통과하기 전에 개구(22)를 통과하고, 다크층(20)은 광이 필터(16)에서 떨어져서 반사하여 다른 필터(16)에 대응하는 광다이오드(14)를 간섭하지 못하게 한다. 마찬가지로, 색 검출기(10)는 광이 반사하여 다른 광다이오드(14)를 간섭하지 못하게도 하는 적어도 하나의 트렌치(24)를 포함할 수 있다.

하나의 예시적인 접근법에서, 필터(16)는 제2 부분 반사층(28)과 이격된 제1 부분 반사층(26)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 이산화물로 형성된 스페이서층(30)은 제1 부분 반사층(26)과 제2 부분 반사층(28) 사이에 배치될 수 있다. 스페이서층(30)은 대안적으로 다른 재료들로 형성될 수 있다. 이러한 유형의 필터(16)는 패브리 페롯 에탈론 또는 패브리 페롯 간섭계로서 본 기술 분야에 공지되어 있을 수 있지만, 다른 유형의 필터(16)가 이용될 수 있다. 광은 부분 반사층들 중 하나를 통과할 수 있고 2개의 부분 반사층 사이에서 반사된다. 도시된 바와 같이, 광은 제1 부분 반사층(26)을 통과하고 제1 부분 반사층(26)과 제2 부분 반사층(28) 사이에서 반사할 수 있다. 이것은 내부 반사라고 알려져 있다. 내부 반사들이 동위상(in phase)(즉, 건설적)이면, 광은 필터(16)를 통과할 것이다. 내부 반사들이 역위상(out of phase)(즉, 파괴적)이면, 광 파형은 서로 상쇄되는 경향이 있어, 광이 거의 또는 전혀 필터(16)를 통과하지 않게 될 것이다. 내부 반사들이 건설적인지 또는 파괴적인지의 여부는 광의 파장(즉, 색), 필터(16)에 들어오는 광의 각도, 스페이서층(30)의 두께, 및 스페이서층(30)의 굴절률에 따라 다르다. 앞서 논의된 바와 같이, 광의 색은 샘플(18)의 색에 따라 다르다. 그러나, 필터(16)에 들어오는 광의 각도, 스페이서층(30)의 두께, 및 스페이서층(30)을 구성하는 재료의 굴절률은 특정 스펙트럼의 파장의 광이 통과하게 하도록 조정될 수 있다.

도 3은 광다이오드(14) 상에 배치된 필터(16)의 예시적인 단면도이다. 하나의 예시적인 접근법에서, 제1 부분 반사층(26) 및 제2 부분 반사층(28)은 은으로 형성될 수 있다. 제1 부분 반사층(26)은 제1 보호층(32)으로 코팅되어 제1 부분 반사층(26)이 산화 또는 열화하는 것을 방지하도록 도울 수 있다. 이에 따라, 제2 부분 반사층(28)은 제2 보호층(34)으로 코팅되어 제2 부분 반사층(28)이 산화 또는 열화하는 것을 방지할 수 있다. 하나의 예시적인 접근법에서, 제1 보호층(32) 및 제2 보호층(34)은 알루미늄 질화물로 형성된다.

색 검출기(10)는 광다이오드(14)와 필터(16) 사이에 배치된 색 증강장치(36)를 더 포함할 수 있다. 색 증강장치(36)는 코팅의 흡수 및 반사 프로파일을 감소시켜 특정 색 스펙트럼의 색들에 대한 필터의 전송을 최대화하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, "청색" 스펙트럼의 색은 특정 재료에 의해 부분적으로 흡수되어 색 검출기(10)가 그 스펙트럼의 색을 검출하기 어렵게 할 수 있다. "청색" 스펙트럼은 단지 예시적이고 색 증강장치(36)는 다른 스펙트럼의 색의 전송을 증강하도록 사용될 수 있다. 예시적인 접근법에서, 색 증강장치(36)는 광다이오드(14) 상에 배치된 필터의 전송을 최대화하기 위해 설계된 고저 인덱스 재료 조합(high-low index material combination)(38)을 포함할 수 있다. 예시적인 접근법에서, 색 증강층(38)은 실리콘 이산화물 및 실리콘 질화물의 조합으로부터 형성될 수 있지만, 색 증강층(38)은 다른 재료로 형성될 수 있다. 색 증강층(38)은 상부 광다이오드(14) 바로 위의 실리콘 이산화물과 같은 저 인덱스 재료(44) 상에 배치된 제1 색 증강층(40) 및 제2 색 증강층(42)을 포함할 수 있다. 제1 색 증강층(40)은 알루미늄 질화물로 형성될 수 있지만, 제1 색 증강층(40)은 다른 재료로 형성될 수 있다. 하나의 예시적인 접근법에서, 제2 색 증강층(42)은 제2 부분 반사층(28) 상에 배치된다. 이러한 예에서, 제2 색 증강층(42)은 실리콘 질화물로 형성될 수 있지만, 제2 색 증강층(42)은 다른 재료로 형성될 수 있다. 제1 색 증강층(40)이 알루미늄 질화물로 형성되면, 제1 색 증강층(40)은 또한 제2 부분 반사층(28)으로부터의 열화 영향을 방지할 뿐만 아니라 색 증강층으로서 작용하도록 도울 수 있다. 색 증강장치(36)는 또한 광다이오드(14)와 색 증강층(38) 사이에 배치된 커버층(44)을 포함할 수 있다. 특히, 커버층(44)은 광다이오드(14)와 제2 색 증강층(42) 사이에 배치될 수 있다. 하나의 예시적인 접근법에서, 커버층(44)은 실리콘 이산화물로 형성될 수 있다.

또한, 색 검출기(10)는 제1 보호층(32) 상에 배치된 캐핑층(46)을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 접근법에서, 캐핑층(46)은 실리콘 이산화물로 형성되지만, 캐핑층(46)은 또 다른 재료로 형성될 수 있다. 캐핑층(46)은 광다이오드 어레이 내의 각종 필터들의 피크 전송을 등화 또는 평탄화하도록 돕는데 사용될 수 있다. 특히, 캐핑층(46)의 두께는 필터(16)를 튜닝하도록 도울 수 있다. 하나의 예시적인 접근법에서, 캐핑층(46)은 유전체 재료로 형성되고, 그 두께는 필터(16)가 특정 영역에서 튜닝되어 필터들(16)에 대한 스펙트럼 평탄화 효과를 갖게 한다.

상기 설명은 예시적이고 제한적이지 않도록 의도되는 것을 이해해야 한다. 제공된 예들 이외의 많은 실시예들 및 응용들은 상기 설명을 읽었을 때 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범위는 상기 설명에 대한 참조에 의해 결정되는 것이 아니라, 대신 첨부된 청구범위에 대한 참조에 의해, 또한 그러한 청구범위와 동등한 자격의 등가물들의 전체 범위와 함께 결정되어야 한다. 본원에 논의된 기술 분야에서 장래의 개발들이 발생할 것이고, 개시된 시스템들 및 방법들은 그러한 장래의 실시예들로 통합될 수 있음이 예상되고 의도된다. 즉, 본 발명은 변경 및 변화가 가능하고 이하의 청구범위에 의해서만 제한되는 것을 이해해야 한다.

청구범위에 사용된 모든 용어들은 본원에서 명백히 반대되는 표시가 이루어지지 않는다면 본 기술 분야의 당업자가 알 수 있는 가장 넓은 합리적인 구조 및 보통의 의미가 주어지도록 의도된다. 특히, "a", "the", "said" 등과 같은 단수 형태의 이용은 청구범위가 명백히 반대로 제한하도록 인용하지 않는다면 지시된 요소들의 하나 이상을 인용하도록 읽혀져야 한다.

Claims (24)

1. 색 검출기로서,
   광원;
   상기 광원과 광통신하는 광다이오드;
   상기 광다이오드 상에 일체로 형성된 필터-상기 필터는 제2 부분 반사층과 이격된 제1 부분 반사층 및 그들 사이에 배치된 스페이서층을 포함함-; 및
   상기 광다이오드와 상기 필터 사이에 배치된 색 증강장치
   를 포함하고,
   상기 색 증강장치는 상기 필터의 상기 제2 부분 반사층 및 상기 광다이오드 상에 배치된 색 증강층을 포함하며, 상기 색 증강층은 제1 색 증강층, 및 상기 제2 부분 반사층과 상기 제1 색 증강층 상에 배치된 제2 색 증강층을 포함하고,
   상기 제1 색 증강층은 알루미늄 질화물로 형성되는, 색 검출기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 부분 반사층 상에 배치된 제1 보호층 및 상기 제2 부분 반사층 상에 배치된 제2 보호층을 더 포함하는 색 검출기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 색 증강장치는 상기 광다이오드 상에 배치된 커버층을 포함하는 색 검출기.
6. 제2항에 있어서,
   상기 제1 보호층 상에 배치된 캐핑층(capping layer)을 더 포함하는 색 검출기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 부분 반사층 및 제2 부분 반사층은 은으로 형성되는 색 검출기.
8. 삭제
9. 제2항에 있어서,
   상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 알루미늄 질화물로 형성되는 색 검출기.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제

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