KR20180016125A

KR20180016125A - 광센서 모듈

Info

Publication number: KR20180016125A
Application number: KR1020160100130A
Authority: KR
Inventors: 권성원; 이종묵; 이태영
Original assignee: (주) 솔
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: KR102105138B1

Abstract

본 발명은 광센서 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 특정한 방향으로 입사하는 빛을 보다 효율적으로 흡수하도록 구성된 광센서 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 원치 않는 방향으로 입사되는 빛을 차단함으로써, 잡광에 의한 간섭을 줄일 수 있게 되므로, 광센서 모듈의 수광부에서는 신뢰도가 높은 빛만을 전기 신호로 검출할 수 있게 된다. 또한, 수광부의 적절한 배열 위치에 따라 각각의 수광부의 수광 효율을 높여서, 전체 수광부에 도달하는 빛의 손실을 최소화하여 신뢰도가 높은 전기 신호를 검출할 수 있다.

Description

광센서 모듈{LIGHT SENSOR MODULE}

본 발명은 광센서 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 특정한 방향으로 입사하는 빛을 보다 효율적으로 흡수하도록 구성된 광센서 모듈에 관한 것이다.

광센서는 빛을 전기적 신호로 바꾸어주는 장치이다. 주로 광학 영상의 강약과 색채를 감지하여 디지털 영상 데이터로 변환해주는 장치에 이용된다. 특히 영상 및 이미지의 저장 및 전송, 재상을 위한 전자부품으로 응용 가능하고, 구체적으로 휴대전화 카메라 및 디지털 카메라 등의 핵심 부품으로 이용된다. 광센서 모듈은 주요 응용분야인 영상 및 이미지 신호처리에도 이용되는데, 이때에는 이미지 센서로도 불린다.

최근 광센서는 상기한 카메라 등의 핵심 부품으로만 이용되는 것이 아니라, 바이오 광반응 측정 기기, 렌즈프리 현미경, 면역크로마토그래피의 광반응 측정을 이용한 체외 진단 기기, 헬스케어용 생체신호 측정기 등 다양한 분야에서 그 쓰임을 넓혀가고 있다. 하지만 위와 같은 바이오 분야에서는 영상 및 이미지 신호를 획득하는 센서로서의 역할 보다는 바이오 광반응을 측정하여 각각의 픽셀이 신호를 처리 및 분석하는 역할을 수행하고 있으므로 광센서로 명명되는 것이 적당하다.

영상 및 이미지 처리 분야에 사용되는 이미지 센서는, 크게 CCD(charge coupled device)와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서로 구분된다. 그 중에서 CMOS 이미지 센서란, 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS)를 이용한 센서로서 처리속도가 빠르고 소비전력이 낮으며, 생산 단가도 낮고 논리 회로를 동일 제조 공정에 짜 넣을 수 있고 온칩(on-chip)화 하여 통합하기 쉽다는 특징이 있다.

종래 CMOS 이미지 센서 모듈은 외부의 광학 렌즈, 필터, 그리고 마이크로 렌즈(micro lens)와 수광(受光)부를 포함하는 CMOS 이미지 센서 등으로 구성되어 있다.

외부의 광학 렌즈와 CMOS 이미지 센서의 마이크로 렌즈는 외부 광원의 빛을 집광하며, 집광된 빛은 수광부에 입사된다. 입사된 빛이 수광부에서 전기적 신호로 변환되고 수광부에 구비되거나 혹은 별도로 형성된 전자회로 등을 통해 검출된다.

그러나 위와 같은 경우, 외부 광학렌즈에서 집광된 빛으로 인하여 이미지 센서 중심에 있는 수광부에 입사되는 광량과, 이미지 센서 양단에 위치하는 수광부에 입사되는 광량에 차이가 발생하게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 외부 광학렌즈에서 집광된 빛이 입사하는 광 경로 상에 마이크로 렌즈와 수광부를 배치하였다. 집광된 빛의 광 경로 상에 마이크로 렌즈 또는 수광부를 배치하면, 상기 마이크로 렌즈나 수광부는 수평 방향으로는 비등간격으로 배열될 수밖에 없었다.

하지만 바이오 광반응 측정 분야 및 체외 진단 분야에서 이용되는 광센서 모듈에서는 바이오 광반응이 광센서 모듈에 근접하여 발생하므로(즉, 광원이 광 센서 모듈과 매우 근접하므로), 빛을 집광하는 외부 광학렌즈가 불필요하게 되었다. 따라서 바이오 광반응 측정을 위한 광센서 모듈에서는 외부 광학렌즈를 제거할 수 있다.

다만, 상술한 광센서 모듈에서도 외부 광학렌즈의 부존재로 인하여, 외부 광원의 빛이 수광부로 입사하는 각도에 따라 광센서 중심의 수광부와 광센서 양단의 수광부에서 흡수되는 각각의 광량에는 차이가 존재할 수 밖에 없었다. 또한 특정한 바이오 광반응 외에 필요치 않는 외부 잡광에 의하여 광센서 모듈의 각각의 수광부의 광반응 특성이 달라지는 문제도 발생하게 되었다.

결과적으로, 바이오 광반응 측정 분야 및 체외 진단 분야에서 이용되는 종래 광센서 모듈에 있어서는, 위와 같은 수광부의 광 반응 특성의 차이로 인해 전기신호 검출의 오류가 발생하게 되어 측정 정확도가 급격히 저하되는 문제점이 발생하게 된다.

한국 공개특허 제10-2004-0060509호 (공개일자 2004. 07. 06)

상술한 문제점을 극복하기 위하여 본 발명은 특정 각도로 입사되는 빛만을 통과시켜 원치 않는 빛이 수광부로 흡수되는 것을 차단하기 위한 광 선택부를 가지는 광센서 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 광센서 모듈의 수광부를 적절히 배열함으로써 광센서 모듈의 중심과 양단 각각에 입사되는 광량의 차이를 줄일 수 있는 광센서 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 문제점을 극복하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 모듈은 빛이 입사되는 렌즈 어레이; 및 상기렌즈 어레이를 통과하는 빛을 흡수하는 수광부 어레이;를 포함하고, 상기 수광부 어레이는 복수의 수광부를 포함하는 적어도 하나의 수광부 집합을 포함하고, 상기 수광부 집합에 속하는 수광부는 인접 수광부로부터 동일한 간격으로 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.

제 1 방향으로 입사되는 빛은 통과시키고 제 2 방향으로 입사되는 빛은 차단하는 광 선택부를 더 포함하고, 상기 렌즈 어레이에 입사되는 빛은 상기 광 선택부를 통과하여 상기 렌즈 어레이에 입사되는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈 어레이에 입사되는 빛의 광 경로에 볼록렌즈가 배치되지 않는 것이 바람직하다.

상기 광 선택부는, 상기 광 선택부에 입사하는 빛의 입사각에 따라 상기 빛의 투과스펙트럼이 상이한 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 광 선택부는 상기 제 2 방향으로 입사되는 빛의 투과를 차단하는 광 차단 구조를 포함하고, 광 차단 구조에는 빛을 흡수하는 흡광물질이 도포되거나, 혹은 빛을 반사하는 반사체가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 광 선택부는 상기 광 선택부에 수직으로 입사되는 빛은 차단한다.

상기 수광부는, 상기 렌즈의 수직 하단에서 수학식 1의 d만큼 수평방향으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는데, 상기 수학식 1인 d = Htanθ에서 상기 H는 상기 렌즈 어레이와 상기 수광부 어레이 사이의 거리, 상기 θ는 상기 렌즈 어레이에 제 1 방향으로 입사되는 빛의 입사각이다.

상기 광 선택부는, 상기 광 선택부에 입사하는 빛의 입사각에 따라 상기 빛의 투과스펙트럼이 상이한 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 광 선택부는 상기 제 2 방향으로 입사되는 빛의 투과를 차단하는 광 차단 구조를 포함하고, 광 차단 구조에는 빛을 흡수하는 흡광물질이 도포되거나, 혹은 빛을 반사하는 반사체가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 광선택부는 상기 광선택부에 수직으로 입사되는 빛은 차단한다.

도 1은 볼록렌즈가 형성되어 있는 종래 CMOS 이미지 센서 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 볼록렌즈가 형성되어 있지 않은 이미지 센서를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 선택부에서 입사각에 따른 빛의 투과성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 선택부를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈에서 패턴을 가지는 입사각 확인부를 나타내는 도면이다.

이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 통상의 기술자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 볼록렌즈가 형성되어 있는 종래의 CMOS 이미지 센서 모듈(100)을 나타내는 도면이다.

도 1에서 도시한 바와 같이, 종래 CMOS 이미지 센서 모듈(100)은 외부 광학렌즈부(11), IR 필터부(12), 이미지 센서(13) 및 기판(14)을 포함할 수 있다.

외부 광학렌즈부(11)는 CMOS 이미지 센서 모듈(100)의 최상부에 배치되어 CMOS 이미지 센서 모듈(100)의 외부로 노출되어 있다.

상기 외부 광학렌즈부(11)는 볼록렌즈로 되어 있기 때문에 상기 CMOS 이미지 센서 모듈(100) 외부에 있는 광원으로부터 빛이 입사되면, 상기 빛을 집광하게 된다.

IR 필터부(12)는 외부 광학렌즈부(11)의 하부에 배치되며 외부 광학렌즈부(11)를 통과한 빛에 포함되어 있는 적외선을 차단한다.

이미지 센서(13)는 IR 필터부(12) 하부에 배치되며, IR 필터부(12)를 통과한 빛을 수광하여 전기신호로 변환한다.

기판(14)의 상측에는 이미지 센서(13)가 실장되어 있다. 상기 기판(14)은 상기 이미지 센서(13)와 전기적으로 연결된다. 상기 기판(14)은 전자회로를 구비하여 상기 전기신호를 필요에 따라 검출할 수 있도록 설계되어 있다.

구체적으로, 도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 이미지 센서(13)는 마이크로 렌즈 어레이(15), 컬러필터 어레이(16) 및 수광부 어레이(17)를 포함할 수 있다.

마이크로 렌즈 어레이(15)는 상기 이미지 센서(13)의 최상부에 배치되며, IR 필터부(12)를 통과한 빛을 집광하는 복수의 마이크로 렌즈(15a, 15b, 15c, 15d, 15e)를 포함한다.

컬러필터 어레이(16)는 후술하는 수광부 어레이(17)에서 red, green, blue 중 하나의 색만 감지할 수 있도록 입사된 빛을 부분적으로 통과시키는 복수의 컬러필터(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)를 포함한다.

수광부 어레이(17)는 상기 컬러필터(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)를 통과하는 빛을 흡수하는 복수의 수광부(17a, 17b, 17c, 17d, 17e)를 포함한다.

상기 CMOS 이미지 센서 모듈(100)은 마이크로 렌즈 어레이(15) 뿐 아니라 상술한 바와 같이 외부 광학렌즈부(11)를 포함하고 있다.

따라서 상기 CMOS 이미지 센서 모듈(100)로 들어오는 빛은 외부 광학렌즈부(11)와 상기 마이크로 렌즈 어레이(15)를 통과하여 수광부 어레이(17)로 입사된다.

외부에서 들어오는 빛은 외부 광학렌즈부(11)를 통해 1차적으로 굴절되고, 상기 마이크로 렌즈 어레이(15)를 통해 2차적으로 굴절될 수 있다. 그에 따라 상기 마이크로 렌즈 어레이(15)를 통과한 빛이 수광부 어레이(17)의 중심부로 집중될 것이므로, 수광부 어레이(17)의 수광 효율을 높이기 위해서는 마이크로 렌즈 어레이(15)의 렌즈(15a, 15b, 15c, 15d, 15e) 혹은 수광부 어레이(17)의 수광부(17a, 17b, 17c, 17d, 17e)를 적절하게 배열해야만 한다.

따라서, 도 1b에서 도시한 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(15)의 렌즈(15a, 15b, 15c, 15d, 15e)가 동일한 간격을 배열된 경우에는 이미지 센서(13)의 중심에서 양단으로 갈수록 수광부(17a, 17b, 17c, 17d, 17e) 사이의 간격이 점점 넓어지도록 수광부(17a, 17b, 17c, 17d, 17e)를 배열함으로써 각각의 수광부(17a, 17b, 17c, 17d, 17e)에 빛이 효율적으로 수광될 수 있다.

그리고 도 1c에서 도시한 바와 같이, 수광부 어레이(17)의 수광부(17a, 17b, 17c, 17d, 17e)가 동일한 간격으로 배열된 경우에는 이미지 센서(13)의 중심에서 양단으로 갈수록 마이크로 렌즈 어레이(15)의 렌즈(15a, 15b, 15c, 15d, 15e) 사이의 간격이 점점 좁아지도록 렌즈(15a, 15b, 15c, 15d, 15e)를 배열함으로써 상기 수광부 어레이(17)의 각각의 수광부(17a, 17b, 17c, 17d, 17e)에 빛이 효율적으로 수광될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 볼록렌즈가 형성되어 있지 않은 이미지 센서(200)를 나타내는 도면이다.

도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 이미지 센서(200)는 볼록렌즈가 형성되지 않은 이미지 센서 모듈(미도시)에 구비된 이미지 센서(200)를 나타낸다.

상기 볼록렌즈는 도 1의 외부 광학렌즈부(11)와 같이, 이미지 센서 모듈(미도시)의 외부로부터 들어오는 빛이 후술하는 렌즈 어레이(31)로 입사되기 전에 1 차적으로 빛을 굴절시켜 집광하는 역할을 수행하지만, 상기 이미지 센서 모듈에 볼록렌즈가 장착되면, 전체 이미지 센서 모듈의 부피가 커지는 문제점이 발생하게 된다.

이에 대하여 볼록렌즈를 구비하지 않은 대신, 수광부 어레이(23)의 수광부(23a, 23b, 23c, 23d)가 동일한 간격으로 배열된 CMOS 이미지 센서(200)가 제안될 수 있다.

상기 이미지 센서(200)는 렌즈 어레이(21), 컬러필터 어레이(22) 및 수광부 어레이(23)를 포함한다.

렌즈 어레이(21)와 컬러필터 어레이(22)는, 앞서 도 1에 도시된 종래 마이크로 렌즈 어레이(15) 및 컬러필터 어레이(16)와 구체적인 구성 및 효과 면에서 각각 동일하므로 이하에서는 자세한 설명을 생략 한다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수광부 어레이(23)를 상세히 설명하고자 한다.

상기 이미지 센서 모듈(미도시)은 상술한 바와 같이 외부로 노출되어 있는 볼록렌즈를 포함하고 있지 않기 때문에 외부에서 들어오는 빛이 상기 렌즈 어레이(21)까지 평행으로 입사하게 된다. 따라서 렌즈 어레이(21)에 입사된 빛은 1번의 굴절만으로 집광되어 수광부 어레이(23)로 입사된다.

따라서 상기 이미지 센서 모듈(미도시)에 있어서, 수광부 어레이(23)의 수광부의 배열은 도1의CMOS 이미지 센서 모듈(100)의 수광부 어레이(17)와 비교하여 달라져야 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 이미지 센서 모듈(미도시)로 들어오는 빛은 렌즈 어레이(21)에서 1회만 굴절된다. 그러므로 도 1의 CMOS 이미지 센서 모듈(100)에 비해 상대적으로 렌즈 어레이(21)를 통과한 빛이 수광부 어레이(23)의 중심부로 집중되지 않는다.

따라서 상기 수광부 어레이(23)의 수광 효율을 높이기 위하여는 수광부 어레이(23)의 수광부(23a, 23b, 23c, 23d)를 도 1의 수광부 어레이(17)와 다른 간격으로 배치해야만 한다.

즉, 상기 수광부 어레이(23)은 복수의 수광부(23a, 23b, 23c, 23d)를 포함하는 적어도 하나의 수광부 집합(미도시)을 포함하고, 상기 수광부 집합(미도시)에 속하는 수광부(23a, 23b, 23c, 23d)는 인접 수광부로부터 동일한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

이를 통해 각각의 수광부(23a, 23b, 23c, 23d)는 렌즈 어레이(21)의 각 렌즈(21a, 22b, 22c, 22d)로부터 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다.

이상, 도 2의 이미지 센서(200)의 구성에 의하면, 볼록렌즈를 제거하여 전체 이미지 센서 모듈의 부피를 줄이면서도 수광부의 수광 효율을 높이는 효과가 있다.

하지만 여전히 바이오 측정 분야에서 활용할만한 높은 수준의 신뢰도를 가지는 빛-전기 변환 신호를 검출하는 데에는 한계가 존재한다.

이에, 상기한 문제점을 극복하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈이 제안될 수 있다. 이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈(300)을 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈(300)을 나타내는 도면이다.

도 3에서 도시한 바와 같이, 광센서 모듈(300)은 광 선택부(31), 렌즈 어레이(32) 및 수광부 어레이(33)를 포함할 수 있다. 상기 광센서 모듈(300)은 빛이 입사되는 광 경로 상에 볼록렌즈를 포함하지 않을 수 있다.

앞서 설명하였듯이, 상기 볼록렌즈는 광센서 모듈의 외부로부터 들어오는 빛을 1차적으로 집광하는 역할을 수행하지만, 상기 볼록렌즈를 장착하게 되면, 전체 이미지 센서 모듈의 부피가 커지는 문제점이 발생하게 된다.

이에, 본 발명에 따른 광센서 모듈(300)에서는 볼록렌즈를 구비하지 않을 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 광 선택부(31)는 후술하는 렌즈 어레이(32)의 상부에 배치되고, 광센서 모듈(300)을 기준으로 하여 특정 방향으로 입사되는 빛만을 통과시킬 수 있다.

일 실시 예로서, 광 선택부(31)는 필터(filter)로 구현될 수 있다.

상기 필터는 투명한 기판에 다층으로 된 필름 막 구조의 형태로 실시될 수 있다. 그리하여 특정 파장대의 빛이 입사되는 것을 전제로 하여 상기 빛의 입사각에 따라 투과율이 달라지는 특성을 가질 수 있다.

또한, 상기 필터는 나노 구조의 금속 같은 음(-)의 유전율 물질로 형성된 어레이 패턴 또는 엠보싱(embossing) 형태의 어레이 패턴으로 이루어진 메탈필터가 될 수 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여 상기한 필터의 특징을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 선택부(필터)에서 입사각에 따른 빛의 투과율을 나타내는 도면이다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 파장이 610nm인 빛에 있어서, 입사각이 0도에서 40도가 될 때까지는 90% 이상의 빛이 필터를 투과하지만, 입사각이 40도를 넘어서는 경우에는 점점 투과되는 빛이 줄어들어서 입사각이 약 45도가 될 때 80%의 빛만이 필터를 투과하게 된다.

파장이 650nm인 빛에 있어서, 입사각이 0도에서 20도가 될 때까지는 90% 이상의 빛이 필터를 투과하지만, 30도에서는 약 65%의 빛만이 필터를 투과하게 된다. 그리고 입사각이 40도 이상이 되는 경우에는 투과되는 빛이 0%에 근접하게 된다.

도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 선택부(필터)에서 입사각 0도 와 30도에서의 빛의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.

도 4b에서 도시한 바와 같이, 만약 파장이 610nm인 빛과 파장이 670nm인 빛이 필터에 입사될 때, 두 빛의 입사각이 모두 0도일 경우에는 두 빛은 90%이상의 투과율을 갖는다.

하지만 파장이 610nm인 빛의 입사각이 0도이고, 파장이 670nm인 빛의 입사각이 30도일 경우에는 파장이 610nm인 빛의 투과율은 90% 이상이지만, 파장이 670nm인 빛의 투과율은 10% 이하이다.

따라서 상기한 특성을 통하여, 필터는 특정 방향으로 입사되는 빛만을 통과시킬 수 있게 된다. 그리하여 원치 않은 나머지 잡광은 상기 필터에서 걸러지게 되는 것이다.

한편, 상기 광 선택부(31)는 일정 방향으로 입사되는 빛이 투과되는 것을 막기 위하여 필터 외의 다양한 구성으로 실시될 수 있다. 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 선택부(31)를 나타낸 도면이다.

도 5a 내지 도 5c에서 도시한 바와 같이, 제1 방향은 사용자가 통과시키길 원하는 빛의 입사 방향이며, 제2 방향은 사용자가 차단하길 원하는 빛의 입사 방향이다. 따라서 제1 방향으로 입사되는 빛은 통과시키고 제 2 방향으로 입사되는 빛은 차단시키기 위하여 광 선택부(31)는 광 투과부(41) 및 광 차단부(42)를 포함할 수 있다.

도 5a에서처럼, 광 투과부(41)는 제2 방향으로 입사되는 빛을 제외한 다른 방향의 빛을 통과시키는 구멍이 될 수 있다. 그리고 광 차단부(42)는 물리적으로 제 2방향으로 입사되는 빛을 차단하는 차광막이 될 수 있다.

다른 실시 예로서, 도 5b에서처럼 광 투과부(41)는 빛이 직진으로 투과될 수 있는 투명한 재질을 가진 유리 등의 구조체가 될 수 있다. 그리고 광 차단부(42)는 제2 방향으로 입사되는 빛을 차단하기 위하여 제2 방향의 빛이 입사되는 상기 광 투과부(41)의 일정한 부위에 도포된 흡광물질이 될 수도 있다.

또 다른 실시 예로서, 도 5c에서처럼 광 투과부(41)는 광 차단부(42)를 관통하는 구멍이 될 수 있고, 광 차단부(42)는 제2 방향의 빛을 반사시키는 거울 등의 반사체가 될 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 렌즈 어레이(32)는 적어도 하나의 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)를 포함한다.

렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)는 광 선택부(31)를 통과한 빛을 집광하여 상기 집광된 빛을 수광부 어레이(33)의 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)로 투과시킨다.

일 실시 예로서, 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)는 상기 광 선택부(31)의 하부에 배치된다.

만약 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)가 구비되지 않는다면, 광 선택부(31)를 통과한 빛은 곧바로 수광부 어레이(33)쪽으로 입사될 것이다. 그렇게 되면 수광부 어레이(33)의 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)는 상기 광 선택부(31)를 통과한 빛 모두를 제대로 수광할 수 없게 된다.

따라서 광 선택부(31)를 통과한 빛이 모두 수광부 어레이(33)에 도달할 수 있도록 하기 위하여 상기 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)는 수평방향으로 각각의 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d) 사이에 틈이 발생하지 않도록 밀착 배열될 수 있다.

수광부 어레이(33)는 상기 렌즈 어레이(32)의 하부에 배치되며, 상기 렌즈 어레이(32)를 통과하는 빛을 흡수하는 복수의 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)를 포함하는 적어도 하나의 수광부 집합(미도시)을 포함할 수 있다.

상기 수광부 집합(미도시)에 속하는 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)는 상기 렌즈 어레이(32)의 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)에 각각 대응하며, 상기 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)의 수직 하단 위치에 각각 배치될 수 있다.

그리고 상기 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)들은 인접한 수광부로부터 동일한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

이에 따라, 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d) 각각을 통과한 빛은 각 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)로 입사되는 것이다.

단, 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)로 입사하는 빛이 상기 렌즈 표면을 기준으로 하여 수직으로 입사하지 않는 경우(즉, 빛의 입사각이 0도가 아닌 경우)에 상기 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)는, 상기 광 선택부(31)를 통과한 빛을 효과적으로 수광하기 위하여 각각의 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)의 수직 하단 위치에 배치되지 않을 수 있다.

구체적으로, 상기 각각의 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)는 수광 효율을 높이기 위하여, 대응되는 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)로부터 수직 하단으로 하기 수학식 1의 H만큼 떨어진 지점에서부터 수평방향으로 하기 수학식 1의 d만큼 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)를 통과한 빛의 광 경로 상에 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)가 놓이도록 하기 위함이다.

따라서, 상기한 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)의 배열구조는 렌즈(32a, 32b, 32c, 32d)를 통과한 빛이 상기한 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있어서 상기 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)의 수광 효율을 높일 수 있다.

상기 수학식 1에서, H는 렌즈 어레이(32)와 수광부 어레이(33) 사이의 거리를 의미하고, θ는 광 선택부(31)를 통과하여 렌즈 어레이(32)에 입사되는 빛의 입사각을 의미한다.

수광부(33a, 33b, 33c, 33d)는 수광소자 자체인 포토 다이오드(photo diode)가 될 수도 있으며, 상기 포토 다이오드 및 상기 포토 다이오드와 연결되어 전기 신호를 검출하는 전자회로를 포함할 수도 있다.

상술한 배열구조를 가진 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)는 높은 수광 효율을 가지게 되고, 이에 따라 상기 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)를 구성하는 포토다이오드(미도시)와 전자회로(미도시)를 통해 높은 신뢰도를 가진 전기 신호를 검출할 수 있게 되는 것이다.

그 밖에 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)에 대한 구체적인 실시 예는 통상의 기술자에게 자명한 것이므로 이하에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈(300)은, 바이오 광반응 측정에 이용되는 광센서 모듈임을 전제로, 빛의 세기만을 감지하는 것을 목적으로 설계될 수 있는데, 이와 같은 경우에는 종래 CMOS 이미지 센서에서 마이크로 렌즈 어레이와 수광부 어레이 사이에 구비되어 있던 컬러필터가 본 발명의 광센서 모듈(300)에서는 구비되지 않을 수 있다.

상기 컬러필터가 없으면, 상기 광센서 모듈(300)은 컬러필터가 장착되는 경우보다 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)의 수광 효율이 더욱 우수해지게 된다.

이하, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈에 대하여 설명하고자 한다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광센서 모듈(600)을 나타내는 도면이다.

상기 광센서 모듈(600)은 광 선택부(31)에 입사되는 빛의 방향이 사용자가 통과시키길 원하는 빛의 입사 방향(예를 들어 앞서 언급한 제1방향)의 빛인지를 정확하게 확인하기 위하여 입사각 확인부(34)를 더 포함할 수 있다.

입사각 확인부(34)는 광 선택부(31)의 적어도 일부에 형성되거나 혹은 광 선택부(31)의 옆에 별도로 배치될 수 있다.

일 예로서, 도 6에서처럼 입사각 확인부(34)는 광 차단부(42) 일부에 형성되며, 제1방향의 빛이 입사하는 광 경로와 평행하여 상기 광 차단부(42)를 관통하는 슬릿(slit)이 될 수 있다. 즉, 상기 슬릿은 제1 방향 빛의 입사각과 동일한 각도로 상기 광 차단부(42)를 관통하도록 형성될 수 있다. 그와 같은 구조를 통해 상기 입사각 확인부(34)에 입사되는 제1 방향의 빛은 100 %에 가까운 투과율을 갖지만, 그 외 나머지 방향의 빛의 투과율은 상대적으로 낮아질 수 있다.

입사각 확인부(34)를 통과한 빛은 상기 빛의 광 경로 상에 배치된 하나 또는 둘 이상의 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)에 입사되어 포토다이오드(미도시)와 전자회로(미도시)에 의하여 전기신호로 변환, 검출될 수 있다.

상기 입사각 확인부(34)를 통과한 빛이 상기 제1 방향의 빛이라면, 상기 검출된 전기신호의 세기는 가장 높을 것이다. 그리고 상기 입사각 확인부(34)를 통과한 빛이 제1방향이 아닌 다른 방향의 빛이라면, 상기 검출된 전기신호의 세기는 전자의 경우보다 상대적으로 낮을 것이다.

따라서 사용자는 상기 전기신호의 세기를 통해 광센서 모듈(600)로 입사된 빛이 자신이 원하는 방향에서 들어오는지 확인할 수 있다.

한편, 도 6에서처럼 상기한 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)의 역할을 대신하여, 입사각 확인부(34)를 통과한 제1 방향 빛의 광 경로 상에 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)가 아닌, 입사각 센서부(35)를 별도로 배치하는 것도 가능하다.

상기 입사각 센서부(35)는 앞서 설명한 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)와 마찬가지로 입사각 센서부(35)에 입사된 빛을 전기신호로 변환, 검출할 수 있다.

또한, 다른 실시 예로서, 상기 슬릿의 관통 방향은 고정된 것이 아니라 다양한 방향으로 조절 가능하도록 실시될 수 있다.

예를 들어, 사용자는 입사각 30도인 빛이 입사되길 원한다면, 슬릿의 관통방향을 30도로 조절할 수 있고, 상기 슬릿이 조절되면, 그에 따라 상기 슬릿을 통과한 빛을 수광하기 위하여 입사각 센서부(35)의 배치도 변경될 수 있다.

그리하여 상기 입사각 센서부(35)를 통해 검출된 전기신호의 세기가 최대치가 되면, 상기 광센서 모듈(600)로 들어오는 빛의 입사방향이 상기 슬릿의 관통방향과 일치하는 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기 광 차단부(42)의 상부면에 패턴을 가지는 슬릿을 형성함으로써 광센서 모듈(600)로 들어오는 빛이 사용자가 원하는 방향으로 입사되는지 확인할 수 있다.

도 7a에서 도시한 바와 같이, 광 차단부(42)의 상부면에 원, 십자모양 혹은 사각형 등의 다양한 패턴을 가지는 슬릿을 형성할 수 있다.

상기한 패턴을 통과한 빛이 수광부 어레이(33)에 입사되는 경우 상기 수광부 어레이(33)의 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)는 광량을 감지할 수 있고, 각 수광부(33a, 33b, 33c, 33d)에서 감지된 광량의 차이를 통해 상기 패턴을 통과한 빛이 수광부 어레이(33)에 입사되는 영역과 입사되지 않은 영역으로 구분할 수 있다. 이에, 상기 빛이 수광부 어레이(33)에 입사되는 단면의 모양과 넓이를 확인할 수 있다.

상기 입사 단면의 모양과 넓이가 광차단부(42)의 상부면에 형성된 패턴과 비교하여 정확하게 일치하는 경우에는 광센서 모듈(600)로 들어오는 빛이 사용자가 원하는 입사방향(예를 들어, 빛의 입사각 45도)으로 입사됨을 확인할 수 있다.

나아가, 도 7b에서 도시한 바와 같이, 상기 슬릿의 표면부(36)에 요철을 형성하거나 혹은 이와 유사한 거칠기를 가지는 구조를 통해 난반사 환경을 형성하여 사용자가 원하는 방향으로 입사하는 빛은 그대로 통과시키되, 원치 않는 방향의 빛은 반사시켜서 통과하지 않도록 할 수 있다.

결과적으로, 상술한 본 발명에 따른 광센서 모듈의 구성에 의하면 광 선택부를 통해 원치 않는 방향으로 입사되는 빛을 차단함으로써, 잡광에 의한 간섭을 줄일 수 있게 되므로, 수광부에서는 신뢰도가 높은 빛만을 전기 신호로 검출할 수 있게 된다. 또한, 수광부의 적절한 배열에 의하여 전체 수광부에 도달하는 빛의 손실을 최소화하여 신뢰도가 높은 전기 신호를 검출할 수 있다.

이상의 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

300, 600 : 광센서 모듈
31 : 광 선택부
32 : 렌즈 어레이
33 : 수광부 어레이
34 : 입사각 확인부
35 : 입사각 센서부
36 : 표면부

Claims

빛이 입사되는 렌즈 어레이; 및
상기 렌즈 어레이를 통과하는 빛을 흡수하는 수광부 어레이를 포함하고,
상기 수광부 어레이는 복수의 수광부를 포함하는 적어도 하나의 수광부 집합을 포함하고,
상기 수광부 집합에 속하는 수광부는 인접 수광부로부터 동일한 간격으로 이격되어 배치된 광센서 모듈.
제1항에 있어서,
제1 방향으로 입사되는 빛은 통과시키고 제2 방향으로 입사되는 빛은 차단하는 광 선택부를 더 포함하고,
상기 렌즈 어레이에 입사되는 빛은 상기 광 선택부를 통과하여 상기 렌즈 어레이에 입사되는 광센서 모듈.
제1항에 있어서,
상기 렌즈 어레이에 입사되는 빛의 광 경로에 볼록렌즈가 배치되지 않은 광센서 모듈.
제2항에 있어서,
상기 광 선택부는,
상기 광 선택부에 입사하는 빛의 입사각에 따라 상기 빛의 투과 스펙트럼이 상이한 광센서 모듈.
제2항에 있어서,
상기 광 선택부는
상기 제 2 방향으로 입사되는 빛의 투과를 차단하는 광 차단 구조를 포함하고,
상기 광 차단 구조에는 빛을 흡수하는 흡광물질이 도포되거나 혹은 빛을 반사하는 반사체가 형성된 광센서 모듈.
제2항에 있어서,
상기 광선택부는 상기 광선택부에 수직으로 입사되는 빛은 차단하는 광센서 모듈.
제2항에 있어서,
상기 수광부는,
상기 렌즈의 수직 하단에서 하기 수학식 1의 d만큼 수평방향으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 광센서 모듈.
수학식 1
d = Htanθ.
상기 수학식 1에서, 상기 H는 상기 렌즈 어레이와 상기 수광부 어레이 사이의 거리, 상기 θ는 상기 렌즈 어레이에 제 1 방향으로 입사되는 빛의 입사각이다.