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KR920008899B1 - 밀착형 이미지 센서 - Google Patents

밀착형 이미지 센서 Download PDF

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KR920008899B1
KR920008899B1 KR1019890017151A KR890017151A KR920008899B1 KR 920008899 B1 KR920008899 B1 KR 920008899B1 KR 1019890017151 A KR1019890017151 A KR 1019890017151A KR 890017151 A KR890017151 A KR 890017151A KR 920008899 B1 KR920008899 B1 KR 920008899B1
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optical fiber
fiber array
photoelectric conversion
glass substrate
image sensor
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황학인
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삼성전자 주식회사
정용문
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Abstract

내용 없음.

Description

밀착형 이미지 센서
제1도는 등배결상 로드렌즈를 가지는 종래의 밀착형 이미지 센서의 구조도.
제2도는 제1도의 등배결상 로드렌즈의 광학적 디멘존 상태도.
제3도는 종래의 또다른 밀착형 이미지 센서의 구조도.
제4도는 본 발명에 따른 밀착형 이미지 센서의 단면 구조도.
제5a도 및 제5b도는 광파이버어레이유리기판의 구조 및 그 일부 확대도.
제6도는 제4도는 광전변환부의 상세구조 및 조사상태도.
제7도, 제8도, 제9도는 본 발명의 또 다른 밀착형 이미지 센서의 단면 구조도들.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 원고 2 : 내마모성 유리기판
3 : 정립등배결상 로드렌즈 4 : 광전변환부
5 : 검출회로 6 : 절연기판
7 : 하우징 8 : 발광부
9 : 와이어본딩 10 : 내마모성보호유리기판
11 : 투명수지 12 : 투명유리기판
13 : 개구창 14 : 금속도전층
15 : 이미지면(Image plane) 16 : 광파이버어레이유리기판
17 : 광파이버어레이 18 : 광파이버
19 : 레진 혹은 용융유리층 20 : 제1전도층(투명전도층)
21 : 제2전도층(금속박막층) 22 : 광반사거울
23 : 광차폐접합부
본 발명은 밀착형 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 광파이버어레이유리기판을 사용하는 밀착형 이미지 센서 장치에 관한 것이다.
이미 널리 알려진 바와 같이 밀착형 이미지 센서(Contact Image Sensor)는 광학식 문자판독장치 및 원고의 화상을 독취하기 위한 것으로, 팩시밀리등의 화상검출부에 널리 사용되고 있다. 통상적으로 상기와 같은 밀착형 이미지 센서는 광전변환어레이, 검출회로어레이, 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하 LED리함)어레이를 필수적으로 가지고 있으며, 전기적 제어에 의해 원고의 하나의 라인을 주사하는 구조로 형성되는 것이 일반적인 예이다.
제1도는 정립등배결상 로드렌즈어레이를 가지는 종래의 밀착형 이미지 센서의 단면구조로서, 하우징(이는 이 분야에 방열판 또는 보호캡이라는 명칭으로 틀이라는 내용으로 사용됨)(7)의 상부에 설치된 절연기판(6)상에 광전변환부(4)와 검출회로(5)를 탑재하고, 발광부(8)를 하우징(7)의 일측면의 경사면에 부착하며, 정립등배결상 로드렌즈(3)는 하우징(7)에 고정되어 광전변환부(4) 상부에 수직으로 위치하고 있다. 또한 정립등배결상 로드렌즈(3)의 촛점거리상에 내마모성 유리기판(2)의 상부표면이 위치하도록 하고, 상기 내마모성 유리기판(2)의 상부표면에 원고(1)가 위치하도록 한다. 상기한 구성중 광전변환부(4)는 입사광원을 전기적신호로 변환하는 것으로 이는 통상적으로 포토셀, 포토다이오드로 구성되며, 검출회로(5)는 상기 광전변환부(4)로부터 출력을 디지털 값으로 변환 출력하는 회로이다. 상기 제1도와 같이 구성된 밀착형 이미지 센서내 발광부(8)에서 원고(1)방향으로 조사된 빛은 투명한 내마모성 유리기판(2)을 투과하여 원고(1)면에 도달한다. 상기 원고(1)면에서 반사된 빛은 정립등배결상 로드렌즈(3)로 입사되어 광전변환부(4)에 집광된다. 상기 정립등배결상 로드렌즈(3)에 의해 원고(1)로부터 반사되어 집광된 빛은 광전변환부(4)에서 전기신호로 변환된 후 검출회로(5)에서 논리신호로 변환되어 외부로 출력된다. 여기서 정립등배결상 로드렌즈(3)는 하기 식(1)과 같은 굴절을 분포를 갖는다.
n(r)=no(1-(A/2)r2) ………………………………………………식 (1)
상기 정립등배결상 로드렌즈(3)에 입사된 빛은 상기 식(1)과 같은 굴절을 분포에 의해 사행 곡선을 그리며 진행하여 광전변환부(4)에 집속된다. 상기 식(1)에서 n(r)은 로드렌즈 반경방향으로의 굴절율 분포, no는 로드렌즈 중심축상의 굴절율, A는 굴절율 분포정수, r은 중심으로부터 반경방향으로의 거리이다. 그러나 상기 제1도와 같이 구성된 밀착형 이미지 센서는 정립등배결상 로드렌즈(3)가 필히 사용되어야 하는데 정립등배결상 조건으로부터 실용적인 정립등배결상 로드렌즈(3)의 광학적 디멘죤(DIMENSION)은 일본 板硝子(주) 발행 기술자료 CAT SLA Vol.3(1987.Oct.)에 개시된 바에 의하면 제2도에서와 같이 팩시밀리에 사용되는 개구각 20도 물상간 거리(즉, lo+Zo+lo)가 17-18mm인 렌즈의 길이 Zo는 약 8mm가 되어야 한다. 따라서 제1도와 같은 구성으로서는 밀착형 이미지 센서의 소형화가 곤란하며 또한 정립등배결상 로드렌즈(3)는 특수한 굴절율 분포를 이루고 있으므로, 렌즈 제조공정이 복잡하고 밀착형 이미지 센서의 구성부품중 매우 고가인 점이 문제가 되고 있다.
제3도는 종래의 또다른 밀착형 이미지 센서의 단면구조도로서 그 구성은 하우징(7)의 하단부의 상면에 탑재된 발광부(8)와, 상기 발광부(8)의 상부에 위치하는 투명유기기판(12)과, 상기 발광부(8) 상부에 대응되는 위치에 개구창(13)을 구비하여 상기 투명유리기판(12)상에 탑재된 광전변환부(4)와, 상기 광전변환부(4)에 이웃하여 투명유리기판(12)상에 탑재된 검출회로(5)와, 상기 광전변환부(4)상에 도포된 투명수지(11)를 중간층으로 하는 내마모성보호유리기판(10) 그에 접촉하는 원고(1)로 구성된다. 상기 광전변환부(4)는 박막(thin film)으로 형성되며, 상기 개구창(13)주변의 광전변환부(4) 하면에는 금속도전층(14)으로 된 박막을 형성하여 발광부(8)로부터 빛이 차단되도록 한다. 상기 제3도와 같은 구조의 밀착형 이미지 센서의 동작을 살피면 다음과 같다. 지금 하우징(7)내 발광부(8)에서 조사된 빛은 광전변환부(4)의 개구창(13)을 통하여 투명수지(11) 및 내마모성보호유리기판(10)을 투과하여 원고(1)면에 도달하게 된다. 상기 원고(1)로부터 반사된 빛은 다시 내마모성보호유리기판(10) 및 투명수지(11)를 투과하여 광전변환부(4)에 입사된다. 이때 광전변환부(4)는 입사된 반사광량을 전기신호로 변환하여 검출회로(5)에 입력시킨다. 상기 검출회로(5)는 입력된 신호를 디지털화하여 이를 외부로 출력한다. 상기 제3도와 같이 구성된 경우는 결상계로서 정립등배결상 로드렌즈(3)를 사용하는 대신 광전변환부(4) 상부에 투명수지(11)와 내마모성보호유리기판(10)을 사용하였으나, 원고(1)면에서 반사된 빛이 내마모성보호유리기판(10) 및 투명수지(11)를 통과하는 동안 빛의 약화 및 산란이 생기기 때문에 광전변화부(4)의 길이방향에 비하여 두께를 얇게하여 광경로를 최소화시켜야 하므로 밀착형 이미지 센서 조립에 어려움이 많고 분해능이 높아질 경우 화상의 분해가 어려워지며 이로인해 센서의 출력 특성이 약화되는 경향이 있다. 또한 내마모성보호유리기판(10)에 긁힘이 발생했을 경우 센서의 기능은 더욱 저하되는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 광파이버어레이 유리기판으로 결상계 렌즈를 대용하고, 상기 광파이버어레이 유리기판의 동일면상에 광전변환부와 발광부를 형성하여 최소형화된 밀착형 이미지 센서를 제공함에 있다.
이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제4도는 본 발명에 다른 밀착형 이미지 센서의 단면구조도로서, 양면이 광학 연마처리된 광파이버어레이 유리기판(OPTICAL FIBER ARRAY GLASS PLATE)(16)의 광파이버어레이(17) 하부표면에 광전변환부(4)를 형성시키고, 상기 광전변환부(4)가 형성된 평면상에 검출회로(5)를 형성하며, 상기 광파이버어레이유리기판(16)의 광파이버어레이(17)의 수직하부에 해당하는 위치에 발광부(8)를 설치하여 구성되며, 상기 모든 구성은 하우징(7)내에 형성된다.
제5도는 제4도의 광파이버어레이유리기판(16)의 평면구조도로서, 제5a도는 광파이버어레이(17)를 중심으로 유리기판(16)이 형성된다. 제5b도는 제5a도의 광파이버어레이(17)의 일부분의 확대도로서, 광파이버어레이(17)의 폭은 약 80-10μm정도이며, 상기 광파이버어레이(17)는 선경이 10μm인 광파이버(18)가 무리를 지어 형성된 것이다. 이 설명부호 19는 레진(RESIN) 혹은 용융유리층이다.
제6도는 제4도의 밀착형 이미지 센서중 일부를 확대하여 도시한 것이다. 상기 제6도는 발광부(8)와, 상기 발광부(8)에 대응하는 위치에 개구창(13)을 구비하여 광파이버어레이유리기판(16)중 광파이버어레이(17)의 하면에 형성된 광전변환부(4)와, 상기 광파이버어레이유리기판(16)의 상면을 지나는 원고(1)를 도시하고 있다. 상기 광전변환부(4)는 박막공정법 및 멀티칩 본딩방법에 의하여 형성할 수 있으며, 광파이버어레이(17)의 하면에 접촉하는 투명 제1도전층(20)과, 상기 제1도전층(20)상에 형성된 포토센서(PS)와, 상기 제1도전층(20) 및 포토센서(PS)상에 형성된 제2도전층(21)으로 구성된다. 상기 제1도전층(20)은 인듐주석산화물(ITO)등으로 형성될 수 있고, 제2도전층(21)은 알루미늄(Al)등으로 형성될 수 있다.
이하 제4도의 동작과정을 제5a도, 제5b도 및 제6도를 참조하여 설명한다. 지금 발광부(8)로부터 발광된 빛은 개구창(13)을 통해 광파이버어레이유리기판(16)의 광파이버어레이(17)로 입사되고, 상기 개구창(13)의 범위를 벗어난 빛은 제2도전층(21)에 의해 반사된다. 상기 광파이버어레이(17)로 입사된 빛은 원고(1)면에 의해 반사되어 투명도전층인 제1도전층(20)을 통하여 포토센서(PS)로 입사된다. 즉, 발광부(8)에서 조사된 빛은 단지 개구창(13)만을 통과하여 광파이버어레이(17)의 광파이버(18)를 통과한 후 원고(1)면에 도달하여 반사된다. 이와 같이 반사된 빛은 다시 광파이버어레이(17)의 광파이버(18)를 통해 집광되어 투명한 제1도전층(20)을 통과하여 광전변환부(4)의 포토센서(PS)에 입사된다. 이때 포토센서(PS)는 입사되는 광량을 전기적 신호로 변환하며, 이를 광전변환부(4)와 동일면상에 박막공정으로 형성된 검출회로(5)에 입력시킨다. 상기 검출회로(5)는 전기적신호로 변환된 원고화상을 디지털논리로 변환하여 출력하게 된다. 따라서 상기 제4도와 같이 구성된 밀착형 이미지 센서는 광파이버어레이(17)의 하부에 근접설치된 발광부(8)로부터 조사되는 빛을 광파이버어레이유리기판(16)의 광파이버어레이(17)를 통해 원고(1)의 화상에 조사하고, 상기 원고(1)에 조사된 빛이 광파이버어레이(17)를 통하여 집광되어 광전변환부(4)에 도달되도록 함으로써 효과적인 광전변환을 수행토록 한다. 또한 검출회로(5)를 박막형성 공정으로써 광전변환부(4)와 동일면상에 형성시킴으로서 이미지 센서의 기능을 향상시킬 수 있고, 밀착형 이미지 센서를 최소의 두께로 제작할 수 있게 된다.
제7도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 밀착형 이미지 센서의 단면구조도로서, 개구부를 가지는 하우징(7)과, 양면이 광학처리되어 상기 하우징(7)의 개구부에 위치되고 광파이버어레이(17)를 갖는 광파이버어레이유리기판(16)과, 상기 광파이버어레이(17)의 하면에 박막공정으로 형성된 광전변환부(4)와, 상기 광전변환부(4)가 박막 형성된 평면상의 양측에 각각 형성된 발광부(8) 및 검출회로(5)와, 상기 발광부(8)의 측면으로부터 발산되는 빛을 상기 광파이버어레이유리기판(16)의 상부에 위치되는 원고(1)면으로 반사하기 위하여 상기 하우징(7) 하부면의 소정위치에 설치된 광반사거울(22)로 구성된다. 상기 제7도의 구성중 발광부(8)는 에지 에미티드 발광다이오드(EDGE EMITTED LIGHT EMITTING DIODE)로써 광파이버어레이유리기판(16)에 직접 다이본딩(DIE BONDING)과 와이어 본딩으로써 형성된 것이다. 그리고 하우징(7)은 알루미늄등과 같은 금속, 또는 흑색수지로 구성된다. 지금 제7도내 발광부(8)가 발광하여 빛을 발산하면, 이는 광반사 거울(22)에 의하여 원고(1)면으로 반사된다. 상기 광반사거울(22)의 각도조정에 의해서 발광부(8)로부터 발광되는 빛은 광파이버어레이유리기판(16)을 투과하고 원고(1)면에 조사될 수 있다. 그리하여 상기 원고(1)면으로부터 반사되는 빛은 광파이버어레이유리기판(16)의 광파이버어레이(17)의 광파이버(제5b도의 기호 18참조)에 의해 집속된다. 상기 광파이버에 의해 집속된 집속광은 광전변환기(4)에 입사되어 전기적신호로 변환되며, 이는 측면에 형성된 검출회로(5)로 입력된다. 이때 상기 검출회로(5)는 광전변환기(4)로부터 출력되는 신호를 디지털 논리로 변환하여 출력하게 된다.
제8도는 제7도의 하우징(7) 및 광반사 거울(22)을 개량한 또 다른 실시예이다. 상기 제8도는 상기 제7도에서와 같은 방식으로 광파이버어레이유리기판(16)상에 광전변환부(4), 발광부(8) 및 검출회로(5)를 형성시킨 구조로서, 금속이나 흑색수지로 구성된 하우징(7)의 소정영역을 곡면으로 형성한 후 은(Ag) 및 알루미늄(Al)을 코팅(COATING)하여 광반사거울(22)을 형성한다. 그리고 상기 발광부(8)와 광전변환부(4)사이의 소정영역에 해당하는 광파이버어레이유리기판(16)의 하면과 하우징(7)사이에 광차폐접합부(23)를 형성하여 발광부(8)에서 조사된 빛이 직접 광전변환부(4)로 입사되는 것을 방지하도록 한다. 상기 발광부(8)는 평면형 발광다이오드를 다이본딩(DIE BONDING) 및 와이어 본딩(WIRE BONDING)하여 형성된 것이다. 상기 발광부(8)에서 조사된 빛은 광반사거울(22)에 의하여 반사 및 집광되어 광파이버어레이유리기판(16)을 통과하면서 원고(1)면에 도달하여 반사한 뒤 광파이버어레이(17)를 통과하면서 집광되어 광전변환부(4)에 도달한 뒤 전기신호로 변환되어 검출회로(5)를 통하여 출력된다.
제9도는 본 발명에 따른 밀착형 이미지 센서의 또 다른 실시예로서, 광파이버어레이유리기판(16)상에 광전변환부(4)를 형성시키고 발광부(8)는 하우징(7)의 경사면상에 위치시킴과 동시에 발광부(8)와 광전변환부(4)사이의 소정영역에 해당하는 광파이버어레이유리기판(16)의 하면과 하우징(7)사이에 광차폐접합부(23)를 형성하여 발광부(8)에서 조사된 빛이 광전변환부(4)로 직접 인사되는 것을 방지하도록 한다. 상기 발광부(8)에서 조사된 빛은 광파이버어레이(17)의 유리기판을 투과하여 원고(1)면에 도달한 뒤 반사되어 광파이버어레이(17)를 통과하면서 집광되어 광전변환부(4)에 도달한 뒤 전기신호로 변환되어 검출회로를 통해 출력되게 된 구조이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 종래의 밀착형 이미지 센서에서 사용되었던 고가의 정립등배결상 로드렌즈대신 광파이버어레이유리기판을 사용하여 광전변환부와 검출회로 및 발광부를 동일면상에 형성시켜 센서의 소형화, 저가격화, 고기능화를 실현할 수 있는 효과가 있다. 또한 원고의 이동을 광전변환부에 형성된 면과 반대면의 광파이버어레이유리기판 표면에서 수행함에 따라 광전변환부의 파손이 생기지 않아 센서의 수명을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 밀착형 이미지 센서에 있어서, 상부에 개구부가 형성된 하우징(7)과; 상기 하우징(7)의 개구부에 위치되며 소정 위치에 수직으로 된 광파이버어레이(17)를 가지는 광파이버어레이유리기판(16)과; 상기 광파이버어레이유리기판(16)의 광파이버어레이(17) 하부 표면에 형성된 광전변환부(4)와 ; 상기 광전변환부(4)가 형성된 동일면상에 형성된 신호검출회로(5)와; 개구부가 설치된 상기 하우징(7)내 상기 광전변환부(4)의 하단부에 설치되고, 상기 광파이버어레이유리기판(16)의 광파이버어레이(17) 위에 놓이는 원고(1)의 면에 빛을 입사시킬 수 있는 발광소자(8)를 구비함을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광전변환부(4)가, 광파이버어레이(17)의 중앙하단면에 형성된 투명 제1도전층(20)과; 상기 제1도전층(20)의 하부면에 적층되어 형성된 포톤센서(PS) 및 제2도전층(21)과; 상기 제1도전층(20)과 포토센서(PS) 및 제2도전층(21)의 중앙부에 개구창이 형성되어 하부의 발광소자(8)로부터 조사되는 발광빛이 상부에 형성된 광파이버어레이(17)에 입사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  3. 밀착형이미지 센서에 있어서, 개구부를 가지는 하우징(7)과; 양면이 광학연마처리되어 상기 하우징(7)의 개구부에 위치하고, 광파이버어레이(17)를 가지는 광파이버어레이유리기판(16)과; 상기 광파이버어레이(17)의 하부표면상에 박막공정으로 형성된 광전변환부(4)와; 상기 광파이버어레이(17)의 하부표면상에 설치되고, 상기 광전변환부(4)의 양측에 각각 형성된 발광부(8) 및 검출회로(5)와; 상기 하우징(7)내 광파이버어레이유리기판(16)의 하부면의 소정위치에 설치되고, 상기 발광부(8)의 측면으로부터 발산되는 빛을 상기 광파이버어레이유리기판(16)의 상부에 위치되는 원고(1)면으로 반사되는 광반사거울(22)을 구비함을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  4. 제4항에 있어서, 상기 발광부(8)로부터 발광되는 빛이 상기 광전변환부(4)에 직접 입사되지 않도록 상기 발광부(8)와 광전변환부(4)사이에 광차폐접합부(23)가 형성됨을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
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