WO2024258043A1 - 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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WO2024258043A1
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light
optical sensor
electronic device
optical
substrate
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김영현
박민호
안중우
윤인호
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Samsung Electronics Co Ltd
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Samsung Electronics Co Ltd
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    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
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    • G—PHYSICS
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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor and an electronic device including the same.
  • the electronic device can include an optical sensor including at least one light-emitting element and a light-receiving element.
  • the optical sensor can measure biometric information of a user of the electronic device using light of a specific wavelength.
  • the biometric information can include, for example, saturation of percutaneous oxygen (SpO 2 ), heart rate (HR), photoplethysmograph (PPG), galvanic skin response (GSR), electrocardiography (ECG), and bioelectrical impedance.
  • Optical sensors use one or more wavelengths or light sources to measure various components of biometric information, and the required wavelength range of light may vary depending on the biometric information. Since miniaturized electronic devices use light sources that emit only light of a specific wavelength range, a large number of light sources may be required to measure various biometric information. However, as the number of light sources increases, the positions of the emitted light differ, and thus the positions that touch the biometric specimen (e.g., skin) may differ depending on the wavelength range, resulting in differences in the path of the light. In addition, in the case of the body, since there are differences in the composition of the tissues, if there are differences in the path of the light depending on the wavelength range, it may be difficult to obtain reliable data.
  • optical sensors e.g., biosensors
  • a structure is required to focus the light emitted from each light source location into one.
  • general focusing structures such as prisms, echelle gratings, arrayed waveguide gratings (AWGs), or angled multi-mode interferometers (AMMIs)
  • AVGs arrayed waveguide gratings
  • AMMIs angled multi-mode interferometers
  • Various embodiments are directed to proposing an optical sensor suitable for miniaturized electronic devices and an electronic device including the same.
  • An optical sensor may include a light-emitting unit disposed on a substrate and including light sources emitting light of different wavelengths.
  • An optical sensor may include first optical waveguides transmitting light emitted through the light-emitting unit in a first direction parallel to a surface of the substrate.
  • An optical sensor may include a light focusing changing member that changes an optical angle so that light transmitted from the first optical waveguides is emitted in a second direction substantially orthogonal to the first direction.
  • An optical sensor according to one embodiment may be characterized in that the light focusing changing member has a structure that focuses light transmitted from the first optical waveguides from different locations to one point.
  • An electronic device may include an optical sensor.
  • An electronic device may include a light-emitting unit disposed on a substrate and including light sources emitting light of different wavelengths.
  • the electronic device may include first optical waveguides transmitting light emitted through the light-emitting unit in a first direction parallel to a surface of the substrate.
  • the electronic device may include an optical focusing changing member that changes an optical angle so that light transmitted from the first optical waveguides is emitted in a second direction substantially orthogonal to the first direction.
  • the optical focusing changing member of the electronic device may be characterized by a structure that focuses light transmitted from the first optical waveguides from different locations to one point.
  • the optical sensor and the electronic device can contribute to the simplification of the process and the reduction of the cost by applying a light focusing change member having a simple structure, which is applied to the electronic device, to the optical sensor instead of a complex structure and bulky light focusing device (e.g., echelle grating, arrayed waveguide gratings (AWG), angled multi-mode interferometer (AMMI)).
  • a light focusing change member having a simple structure which is applied to the electronic device
  • AMG arrayed waveguide gratings
  • AMMI angled multi-mode interferometer
  • FIG. 1 is a block diagram of an electronic device within a network environment, according to one embodiment.
  • FIG. 2 illustrates a simplified configuration of a biosensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIG. 4a illustrates an example structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 4b and 4c are drawings illustrating the structure of a grating coupler according to one embodiment.
  • FIG. 5 illustrates an example structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIG. 6 illustrates an example structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 8A and 8B illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 9A to 9C illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 10A to 10C illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 11A to 11C illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIG. 12 illustrates an example structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • FIGS. 13A to 13C illustrate examples of lens structures included in an optical sensor according to one embodiment.
  • FIGS. 14A to 14C illustrate examples of lens structures included in an optical sensor according to one embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram of an electronic device (101) within a network environment (100) according to one embodiment.
  • an electronic device (101) may communicate with an electronic device (102) via a first network (198) (e.g., a short-range wireless communication network), or may communicate with at least one of an electronic device (104) or a server (108) via a second network (199) (e.g., a long-range wireless communication network).
  • the electronic device (101) may communicate with the electronic device (104) via the server (108).
  • the electronic device (101) may include a processor (120), a memory (130), an input module (150), an audio output module (155), a display module (160), an audio module (170), a sensor module (176), an interface (177), a connection terminal (178), a haptic module (179), a camera module (180), a power management module (188), a battery (189), a communication module (190), a subscriber identification module (196), or an antenna module (197).
  • the electronic device (101) may omit at least one of these components (e.g., the connection terminal (178)), or may have one or more other components added.
  • some of these components e.g., the sensor module (176), the camera module (180), or the antenna module (197) may be integrated into one component (e.g., the display module (160)).
  • the processor (120) may control at least one other component (e.g., a hardware or software component) of the electronic device (101) connected to the processor (120) by executing, for example, software (e.g., a program (140)), and may perform various data processing or calculations. According to one embodiment, as at least a part of the data processing or calculations, the processor (120) may store a command or data received from another component (e.g., a sensor module (176) or a communication module (190)) in the volatile memory (132), process the command or data stored in the volatile memory (132), and store result data in the nonvolatile memory (134).
  • a command or data received from another component e.g., a sensor module (176) or a communication module (190)
  • the processor (120) may include a main processor (121) (e.g., a central processing unit or an application processor) or an auxiliary processor (123) (e.g., a graphic processing unit, a neural processing unit (NPU), an image signal processor, a sensor hub processor, or a communication processor) that can operate independently or together therewith.
  • a main processor (121) e.g., a central processing unit or an application processor
  • an auxiliary processor (123) e.g., a graphic processing unit, a neural processing unit (NPU), an image signal processor, a sensor hub processor, or a communication processor
  • the secondary processor (123) may be configured to use lower power than the main processor (121) or to be specialized for a given function.
  • the secondary processor (123) may be implemented separately from the main processor (121) or as a part thereof.
  • the auxiliary processor (123) may control at least a portion of functions or states associated with at least one of the components of the electronic device (101) (e.g., the display module (160), the sensor module (176), or the communication module (190)), for example, on behalf of the main processor (121) while the main processor (121) is in an inactive (e.g., sleep) state, or together with the main processor (121) while the main processor (121) is in an active (e.g., application execution) state.
  • the auxiliary processor (123) e.g., an image signal processor or a communication processor
  • the auxiliary processor (123) may include a hardware structure specialized for processing artificial intelligence models.
  • the artificial intelligence models may be generated through machine learning. Such learning may be performed, for example, in the electronic device (101) on which artificial intelligence is performed, or may be performed through a separate server (e.g., server (108)).
  • the learning algorithm may include, for example, supervised learning, unsupervised learning, semi-supervised learning, or reinforcement learning, but is not limited to the examples described above.
  • the artificial intelligence model may include a plurality of artificial neural network layers.
  • the artificial neural network may be one of a deep neural network (DNN), a convolutional neural network (CNN), a recurrent neural network (RNN), a restricted Boltzmann machine (RBM), a deep belief network (DBN), a bidirectional recurrent deep neural network (BRDNN), deep Q-networks, or a combination of two or more of the above, but is not limited to the examples described above.
  • the artificial intelligence model may additionally or alternatively include a software structure.
  • the memory (130) can store various data used by at least one component (e.g., processor (120) or sensor module (176)) of the electronic device (101).
  • the data can include, for example, software (e.g., program (140)) and input data or output data for commands related thereto.
  • the memory (130) can include volatile memory (132) or nonvolatile memory (134).
  • the program (140) may be stored as software in memory (130) and may include, for example, an operating system (142), middleware (144), or an application (146).
  • the input module (150) can receive commands or data to be used in a component of the electronic device (101) (e.g., a processor (120)) from an external source (e.g., a user) of the electronic device (101).
  • the input module (150) can include, for example, a microphone, a mouse, a keyboard, a key (e.g., a button), or a digital pen (e.g., a stylus pen).
  • the audio output module (155) can output an audio signal to the outside of the electronic device (101).
  • the audio output module (155) can include, for example, a speaker or a receiver.
  • the speaker can be used for general purposes such as multimedia playback or recording playback.
  • the receiver can be used to receive an incoming call. According to one embodiment, the receiver can be implemented separately from the speaker or as a part thereof.
  • the display module (160) can visually provide information to an external party (e.g., a user) of the electronic device (101).
  • the display module (160) can include, for example, a display, a holographic device, or a projector and a control circuit for controlling the device.
  • the display module (160) can include a touch sensor configured to detect a touch, or a pressure sensor configured to measure the intensity of a force generated by the touch.
  • the audio module (170) can convert sound into an electrical signal, or vice versa, convert an electrical signal into sound. According to one embodiment, the audio module (170) can obtain sound through an input module (150), or output sound through an audio output module (155), or an external electronic device (e.g., an electronic device (102)) (e.g., a speaker or a headphone) directly or wirelessly connected to the electronic device (101).
  • an electronic device e.g., an electronic device (102)
  • a speaker or a headphone directly or wirelessly connected to the electronic device (101).
  • the sensor module (176) can detect an operating state (e.g., power or temperature) of the electronic device (101) or an external environmental state (e.g., user state) and generate an electric signal or data value corresponding to the detected state.
  • the sensor module (176) can include, for example, a gesture sensor, a gyro sensor, a barometric pressure sensor, a magnetic sensor, an acceleration sensor, a grip sensor, a proximity sensor, a color sensor, an IR (infrared) sensor, a biometric sensor, a temperature sensor, a humidity sensor, or an illuminance sensor.
  • the interface (177) may support one or more designated protocols that may be used to directly or wirelessly connect the electronic device (101) with an external electronic device (e.g., the electronic device (102)).
  • the interface (177) may include, for example, a high definition multimedia interface (HDMI), a universal serial bus (USB) interface, an SD card interface, or an audio interface.
  • HDMI high definition multimedia interface
  • USB universal serial bus
  • SD card interface Secure Digital Card
  • connection terminal (178) may include a connector through which the electronic device (101) may be physically connected to an external electronic device (e.g., the electronic device (102)).
  • the connection terminal (178) may include, for example, an HDMI connector, a USB connector, an SD card connector, or an audio connector (e.g., a headphone connector).
  • the haptic module (179) can convert an electrical signal into a mechanical stimulus (e.g., vibration or movement) or an electrical stimulus that a user can perceive through a tactile or kinesthetic sense.
  • the haptic module (179) can include, for example, a motor, a piezoelectric element, or an electrical stimulation device.
  • the camera module (180) can capture still images and moving images.
  • the camera module (180) can include one or more lenses, image sensors, image signal processors, or flashes.
  • the power management module (188) can manage power supplied to the electronic device (101).
  • the power management module (188) can be implemented as, for example, at least a part of a power management integrated circuit (PMIC).
  • PMIC power management integrated circuit
  • the battery (189) can power at least one component of the electronic device (101).
  • the battery (189) can include, for example, a non-rechargeable primary battery, a rechargeable secondary battery, or a fuel cell.
  • the communication module (190) may support establishment of a direct (e.g., wired) communication channel or a wireless communication channel between the electronic device (101) and an external electronic device (e.g., the electronic device (102), the electronic device (104), or the server (108)), and performance of communication through the established communication channel.
  • the communication module (190) may operate independently from the processor (120) (e.g., the application processor) and may include one or more communication processors that support direct (e.g., wired) communication or wireless communication.
  • the communication module (190) may include a wireless communication module (192) (e.g., a cellular communication module, a short-range wireless communication module, or a GNSS (global navigation satellite system) communication module) or a wired communication module (194) (e.g., a local area network (LAN) communication module or a power line communication module).
  • a wireless communication module (192) e.g., a cellular communication module, a short-range wireless communication module, or a GNSS (global navigation satellite system) communication module
  • a wired communication module (194) e.g., a local area network (LAN) communication module or a power line communication module.
  • a corresponding communication module may communicate with an external electronic device (104) via a first network (198) (e.g., a short-range communication network such as Bluetooth, wireless fidelity (WiFi) direct, or infrared data association (IrDA)) or a second network (199) (e.g., a long-range communication network such as a legacy cellular network, a 5G network, a next-generation communication network, the Internet, or a computer network (e.g., a LAN or WAN)).
  • a first network (198) e.g., a short-range communication network such as Bluetooth, wireless fidelity (WiFi) direct, or infrared data association (IrDA)
  • a second network (199) e.g., a long-range communication network such as a legacy cellular network, a 5G network, a next-generation communication network, the Internet, or a computer network (e.g., a LAN or WAN)
  • a computer network e.g.,
  • the wireless communication module (192) may support a peak data rate (e.g., 20 Gbps or more) for eMBB realization, a loss coverage (e.g., 164 dB or less) for mMTC realization, or a U-plane latency (e.g., 0.5 ms or less for downlink (DL) and uplink (UL) each, or 1 ms or less for round trip) for URLLC realization.
  • a peak data rate e.g., 20 Gbps or more
  • a loss coverage e.g., 164 dB or less
  • U-plane latency e.g., 0.5 ms or less for downlink (DL) and uplink (UL) each, or 1 ms or less for round trip
  • the antenna module (197) can transmit or receive signals or power to or from the outside (e.g., an external electronic device).
  • the antenna module (197) can include an antenna including a radiator formed of a conductor or a conductive pattern formed on a substrate (e.g., a PCB).
  • the antenna module (197) can include a plurality of antennas (e.g., an array antenna).
  • at least one antenna suitable for a communication method used in a communication network, such as the first network (198) or the second network (199) can be selected from the plurality of antennas by, for example, the communication module (190).
  • a signal or power can be transmitted or received between the communication module (190) and the external electronic device through the selected at least one antenna.
  • another component e.g., a radio frequency integrated circuit (RFIC)
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • the antenna module (197) can form a mmWave antenna module.
  • the mmWave antenna module can include a printed circuit board, an RFIC positioned on or adjacent a first side (e.g., a bottom side) of the printed circuit board and capable of supporting a designated high-frequency band (e.g., a mmWave band), and a plurality of antennas (e.g., an array antenna) positioned on or adjacent a second side (e.g., a top side or a side) of the printed circuit board and capable of transmitting or receiving signals in the designated high-frequency band.
  • a first side e.g., a bottom side
  • a plurality of antennas e.g., an array antenna
  • peripheral devices e.g., a bus, a general purpose input and output (GPIO), a serial peripheral interface (SPI), or a mobile industry processor interface (MIPI)
  • GPIO general purpose input and output
  • SPI serial peripheral interface
  • MIPI mobile industry processor interface
  • commands or data may be transmitted or received between the electronic device (101) and an external electronic device (104) via a server (108) connected to a second network (199).
  • Each of the external electronic devices (102 or 104) may be the same or a different type of device as the electronic device (101).
  • all or part of the operations executed in the electronic device (101) may be executed in one or more of the external electronic devices (102, 104, or 108). For example, when the electronic device (101) is to perform a certain function or service automatically or in response to a request from a user or another device, the electronic device (101) may, instead of or in addition to executing the function or service itself, request one or more external electronic devices to perform at least a part of the function or service.
  • One or more external electronic devices that have received the request may execute at least a part of the requested function or service, or an additional function or service related to the request, and transmit the result of the execution to the electronic device (101).
  • the electronic device (101) may process the result as is or additionally and provide it as at least a part of a response to the request.
  • cloud computing, distributed computing, mobile edge computing (MEC), or client-server computing technology may be used.
  • the electronic device (101) may provide an ultra-low latency service by using, for example, distributed computing or mobile edge computing.
  • the external electronic device (104) may include an IoT (Internet of Things) device.
  • the server (108) may be an intelligent server using machine learning and/or a neural network.
  • the external electronic device (104) or the server (108) may be included in the second network (199).
  • the electronic device (101) can be applied to intelligent services (e.g., smart home, smart city, smart car, or healthcare) based on 5G communication technology and IoT-related technology.
  • the electronic device (101) may be a device of various forms.
  • the electronic device (101) may include, for example, a portable communication device (e.g., a smartphone), a computer device, a portable multimedia device, a portable medical device, a camera, a wearable device, or a home appliance device.
  • a portable communication device e.g., a smartphone
  • a computer device e.g., a laptop, a desktop, a tablet, or a portable multimedia device.
  • a portable medical device e.g., a portable medical device
  • camera e.g., a camera
  • a wearable device e.g., a portable medical device
  • a home appliance device e.g., a home appliance
  • An electronic device (101) may include a biometric sensor or an optical sensor capable of measuring various biometric information.
  • the biometric sensor or optical sensor disclosed in this document may be applied to portable devices and wearable devices, as well as medical devices used in hospitals or examination institutions, or small medical devices or healthcare devices that can be owned by individuals.
  • FIG. 2 illustrates a simplified configuration of a biosensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or an optical sensor included in an electronic device (e.g., an electronic device (101) of FIG. 1) may include a light emitting unit (211), a light focusing changing member (213), and a light receiving unit (217).
  • the optical sensor (210) may be electrically and/or operatively connected to the processor (120) of FIG. 1.
  • the hardwares of the electronic device (101) being operatively coupled may mean that a direct connection, or an indirect connection, is established between the hardwares, either wired or wireless, such that the second hardware is controlled by the first hardware among the hardwares.
  • the light emitting unit (or light emitting array) (211) can be designed to generate a multi-color (or multiple wavelengths) or broadband (or various wavelengths) light signal to measure a plurality of bio-information.
  • the light emitting unit (211) can include one or more light sources.
  • the light sources can include a laser diode (LD), a light emitting diode (LED), and/or other light sources that generate light.
  • the light source can be designed as a VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) type that emits light in a vertical direction (e.g., the z-axis of FIGS. 3 to 7A), or can be configured by combining an edge emmiting laser with a reflector or vertically attaching an edge emmiting laser chip, but is not limited thereto.
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the light source may include a plurality of luminous sources/luminous elements (e.g., a first luminous element, a second luminous element, ..., Nth luminous element) that emit light at different wavelengths.
  • the luminous elements may be of the same type of light source and/or of different types of light sources. When of the same type of light source, the luminous elements may be designed to emit light at different wavelengths.
  • the light emitting unit (or light emitting array) (211) may include a filter structure (or filter array) (not shown) that filters light emitted from a light source into a specific wavelength range.
  • the filter structure may include filters that selectively transmit only necessary light according to biometric information. For example, in the case of oxygen saturation measurement, filters that transmit only light in a wavelength range of about 640 nm and light in a wavelength range of about 940 nm may be designed. This is only an example, and the filters may vary depending on the biometric design applied to the electronic device.
  • the light focusing change member (213) may change the angle of light emitted from the light emitting unit (211) in a second direction (or vertical direction) (e.g., z-axis) substantially orthogonal to a first direction (e.g., substrate surface direction defined by the x, y axes) and/or focus light emitted in the second direction (e.g., z-axis) to one point.
  • a second direction e.g., z-axis
  • a first direction e.g., substrate surface direction defined by the x, y axes
  • focus light emitted in the second direction e.g., z-axis
  • the light focusing change member (213) can be designed to change light transmitted from a first direction over the substrate surface into a second direction having a radiation angle of a predetermined angle.
  • the light focusing changing member (213) may include, but is not limited to, a grating coupler.
  • the light focusing changing member (213) may be implemented with various structures (e.g., a curved micro mirror, a graded refractive index (GRIN) lens, a diffractive optical lens (DOL), a micro lens array (MLA), a diffractive optical lens (DOL), or/and a computer-generated hologram (CGH)) designed to radiate the light in a second direction (or vertical direction) (e.g., the z-axis) by using a grating coupler, a lens, a slit, or a mirror, or may be formed by a combination of these.
  • GRIN graded refractive index
  • DOL diffractive optical lens
  • MMA micro lens array
  • DOL diffractive optical lens
  • CGH computer-generated hologram
  • the light focusing change member (213) may be of a type that combines a grating coupler and/or a lens, but if the light source is of a type that emits light in a second direction (e.g., the z axis), i.e., a vertical direction from the substrate surface, the light focusing change member (213) may be implemented in the form of a lens having a refractive index that focuses the light.
  • the light receiving unit (217) may include a photodiode (PD) that detects light.
  • the light receiving unit (217) may convert the intensity of the light it receives into an electrical signal and output it to a processor (e.g., the processor (120) of FIG. 1).
  • the light receiving unit (217) may selectively detect a wavelength.
  • the wavelength selectivity of the light receiving unit (217) may be supported by an optical filter.
  • the light receiving unit (217) may detect only light that has passed through the optical filter.
  • the optical filter may selectively allow light to pass through depending on the wavelength.
  • the processor (120) can control to change the wavelength band of light generated by the light emitting unit (211) depending on the purpose of biometric measurement. Accordingly, the wavelength band received by the light receiving unit (217) can also be changed.
  • the processor (120) can obtain biometric information based on light measured from the light receiving unit (217).
  • An optical sensor (210) of an electronic device (101) may include a light-emitting unit (211) disposed on a substrate and including light sources that emit light of different wavelengths.
  • the optical sensor (210) according to one embodiment may include first optical waveguides that transmit light emitted through the light-emitting unit (211) in a first direction of a substrate surface.
  • the optical sensor (210) according to one embodiment may include an optical focusing changing member (213) that changes an optical angle so that light transmitted from the first optical waveguides is emitted in a second direction orthogonal to the first direction.
  • the optical focusing changing member (213) of the optical sensor (210) according to one embodiment may be characterized by a structure that focuses light transmitted from different locations from the first optical waveguides into one point.
  • FIGS. 3a and 3b illustrate examples of the structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or an optical sensor included in an electronic device (e.g., an electronic device (101) of FIG. 1 )
  • an electronic device e.g., an electronic device (101) of FIG. 1
  • a biometric sensor or an optical sensor included in an electronic device (e.g., an electronic device (101) of FIG. 1 )
  • a light-emitting unit e.g., a light-emitting unit (211) of FIG. 2
  • a filter or filter array
  • an optical waveguide 340
  • FIGS. 3A and 3B ⁇ 301> and ⁇ 303> are plan views of the optical sensor (210), and ⁇ 302> and ⁇ 304> are side views of the optical sensor (210).
  • a 'plan view' is a drawing viewed in the thickness direction (second direction, for example, the z-axis) of the optical sensor (210)
  • a 'side view' is a drawing viewed in the y-direction (axial direction) which is substantially perpendicular to the thickness direction.
  • the optical sensor (210) illustrated in FIGS. 3A and 3B is exemplified as a structure in which eight filters (330) and eight grating couplers (350) are arranged, but this is only an example.
  • the substrate (310) may include, but is not limited to, a silicon substrate in a flat shape.
  • the substrate (310) may also include a printed circuit board (PCB) substrate or a photonic integrated circuit (PIC) substrate.
  • PCB printed circuit board
  • PIC photonic integrated circuit
  • the light emitting unit (320), filter (330), optical waveguide (340), grating coupler (350), and light receiving unit (370) can be arranged on the substrate (310) at a predetermined distance from each other.
  • the light emitting unit (or light emitting array) (320) can be designed to emit light of different wavelengths.
  • the light emitting unit (211) can include one or more light sources.
  • the light sources can include a laser diode (LD), a light emitting diode (LED), and/or other light sources that generate light.
  • LD laser diode
  • LED light emitting diode
  • the filter (330) may be omitted.
  • the filter (or filter array) (330) can selectively filter the light emitted from the light emitting unit (320).
  • the filter (330) can be designed to selectively transmit only the light required according to the biometric information for various biometric measurements. For example, in the case of oxygen saturation measurement, filters that transmit only light in the wavelength range of about 640 nm and about 940 nm can be designed, and in the case of heart rate measurement, a filter that transmits only light in the wavelength range of about 520 nm can be designed.
  • the filter (330) can be designed in various ways according to the biometric information supported by the electronic device (101) (e.g., saturation of percutaneous oxygen (SpO 2 ), heart rate (HR), photoplethysmograph (PPG), galvanic skin response (GSR), electrocardiography (ECG), and bioelectrical impedance, blood sugar, hemoglobin concentration, neutral fat, body composition, alcohol index).
  • SpO 2 percutaneous oxygen
  • HR heart rate
  • PPG photoplethysmograph
  • GSR galvanic skin response
  • ECG electrocardiography
  • bioelectrical impedance blood sugar, hemoglobin concentration, neutral fat, body composition, alcohol index
  • the optical waveguide (340) may refer to an optical channel that transmits light.
  • the optical waveguide (340) may transmit light emitted from the light emitting unit (320) or light passed through the filter (330) in a direction of the substrate surface (e.g., the substrate surface direction defined by the x and y axes) to the grating coupler (350).
  • the optical waveguide (340) may extend along a direction parallel to the upper surface of the grating coupler (350).
  • the grating coupler (350) can radiate light transmitted from the optical waveguide (340) by changing the light angle in a second (e.g., z-axis) direction substantially orthogonal to the first direction of the surface of the substrate (310).
  • the grating coupler (350) can be designed to change the path of light L from the surface of the substrate (310) to a radiation angle of a certain angle, as shown in ⁇ 302> and ⁇ 304>.
  • the radiation angle of the grating coupler (350) can vary depending on the design.
  • the light L radiated in the second direction through the grating coupler (350) can reach a light irradiation area (360) spaced a certain distance from the substrate (310).
  • the light irradiation area (360) can correspond to an area that can come into contact with a biometric specimen (e.g., a part of the user's body), for example.
  • the optical sensor (210) may have a light receiving unit (370) positioned at a location capable of receiving light reflected from a biometric specimen (e.g., a part of the user's body).
  • the light receiving unit (370) may convert the intensity of the light it receives into an electrical signal and output it to a processor (e.g., processor (120) of FIG. 1).
  • the optical sensor (210) of FIGS. 3a and 3b may be arranged in the electronic device (101) together with one of the lens structures shown in FIGS. 13a to 13c.
  • FIG. 4A illustrates an example of a structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment
  • FIGS. 4B and 4C are drawings explaining a structure of a grating coupler according to one embodiment.
  • FIG. 4B is a perspective view of a grating coupler (450)
  • FIG. 4C is a cross-sectional view of the grating coupler (450).
  • a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may include a light-emitting unit (420) (e.g., the light-emitting unit (211) of FIG. 2) disposed on a substrate (310), a filter (or filter array) (430) that selectively filters light emitted from the light-emitting unit (420), an optical waveguide (440) that transmits light passed through the filter (430), and a grating coupler (450) (e.g., the light focusing changing member (213) of FIG.
  • a light-emitting unit e.g., the light-emitting unit (211) of FIG. 2
  • a filter or filter array
  • ⁇ 401> is a plan view of the optical sensor (210)
  • ⁇ 402> is a side view of the optical sensor (210).
  • the grating couplers (450) can be designed to radiate light L transmitted from the optical waveguide (440) in a first direction (e.g., the substrate expression direction defined by the x, y axes) in a second direction at a constant angle of radiation with respect to the first direction, and the light is focused to one point P.
  • the grating couplers (350) illustrated in FIG. 3a have a structure in which they are arranged parallel to each other on the substrate (310), and it can be confirmed that the light emitted from each grating coupler (350) is radiated in a parallel form.
  • the light emitting unit (420), the filter (430), the optical waveguide (440), and the light receiving unit (not illustrated) are substantially the same as those in FIG. 3, a detailed description thereof will be omitted.
  • the grating coupler (450) may be designed in various structures to focus different light sources or lights of different wavelengths to one point.
  • the grating couplers (450) may be designed as the structure of FIG. 4B. As shown in ⁇ 403> of FIG.
  • the first grating coupler (451) may be designed to have a radiation angle of a certain angle in the y-axis direction
  • the second grating coupler (452) may be designed to have a radiation angle of a certain angle in the x-axis direction
  • the third grating coupler (453) may be designed to have a radiation angle of a certain angle in the -y-axis direction
  • the fourth grating coupler (454) may be designed to have a radiation angle of a certain angle in the -x-axis direction.
  • Lights radiated from four directions may be focused to one point (e.g., a center point).
  • the grating couplers (450) may be designed to have different grating pattern periods depending on the direction of propagation of light.
  • the grating pattern of the grating couplers (450) may be formed through a first grating coupler (451) (e.g., a silicon layer) disposed on a substrate (410), as illustrated in FIG. 4C.
  • An upper portion of the first grating coupler (451) may be formed with a grating pattern including a protrusion (450a) and a trench (450b) (or a pattern in which trenches and protrusions are repeated with a constant period).
  • the first grating coupler (451) may be connected to an optical waveguide (440). Light transmitted from the optical waveguide (440) may be reflected, scattered, and diffracted by the trenches, thereby changing the radiation angle of the light.
  • the period of the grating pattern may be determined by the following mathematical expression 1.
  • the grating couplers (450) can be designed to have different periods (a) for each wavelength of light.
  • the four filters (430) and the four grating couplers (450) arranged in the first region can be designed to have different periods (a) for different wavelengths as in Table 1
  • the four filters (430) and the four grating couplers (450) arranged in the second region can be designed to have different periods (a) for different wavelengths as in Table 2, but this is only an example.
  • the grating pattern illustrated in ⁇ 404> of FIG. 4c represents a structure that radiates light in the Z-axis direction for only one wavelength, but the grating coupler (450) may be designed to change the radiation angle of light for two or more wavelengths by forming the grating pattern differently depending on the direction of light propagation, as illustrated in FIGS. 7a and 8a.
  • FIG. 5 illustrates an example structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may be designed in various arrangement forms to minimize the arrangement area.
  • ⁇ 501> is a plan view of the optical sensor (210)
  • ⁇ 502> is a side view of the optical sensor (210).
  • the optical sensor (210) includes a light-emitting unit (520) (e.g., light-emitting unit (211) of FIG. 2) disposed on a substrate (510), a filter (or filter array) (530) that selectively filters light emitted from the light-emitting unit (520), and an optical waveguide (540) that transmits light passed through the filter (530).
  • the optical waveguide (540) may have a structure in which one end of a first grating coupler (550) (e.g., light focusing change member (213) of FIG. 2) and a front end of a second grating coupler (555) (e.g., light focusing change member (213) of FIG. 2) intersect in parallel.
  • the first grating coupler (550) may be positioned between two second grating couplers (555) when viewed in the first direction.
  • the optical sensor (210) may further include a lens structure (e.g., the lens structure of FIGS. 13a to 13c) for focusing light emitted from different locations from the first grating coupler (550) and the second grating coupler (555) into one point.
  • the first grating coupler (550) and the second grating coupler (555) are arranged substantially parallel to each other on the substrate (510), but while maintaining the arrangement of FIG. 5, they may be arranged at a certain angle from each other so that the light emitted from the first grating coupler (550) and the second grating coupler (555) is focused to a single point, as shown in FIG. 4a.
  • FIG. 6 illustrates an example structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may have configurations of the optical sensor arranged in correspondence to the length of the substrate.
  • ⁇ 601> is a plan view of the optical sensor (210)
  • ⁇ 602> is a side view of the optical sensor (210).
  • the optical sensor (210) may be arranged in a serial arrangement rather than a parallel arrangement of FIG. 3A/FIG. 4A/FIG. 5.
  • the optical sensor (210) may have a first light-emitting unit (620), a first filter (630), a first optical waveguide (640), and a first grating coupler (650) arranged in a first region of the substrate (610), and a second light-emitting unit (625), a second filter (635), a second optical waveguide (645), and a second grating coupler (655) arranged in a second region of the substrate (610).
  • a light receiving unit may be positioned corresponding to the position where the light emitted from the first grating coupler (650) and the second grating coupler (655) is focused.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may design a grating coupler (750) in a lattice structure to change the radiation angle of light incident from one or more paths, or polarize light in different directions depending on the path of the incident light.
  • ⁇ 701> is a plan view of the optical sensor (210)
  • ⁇ 702> is a side view of the optical sensor (210).
  • the optical sensor (210) arranges a light emitting unit (720), a filter (730), an optical waveguide (740), and a grating coupler (750) on a substrate (710), and by designing the grating coupler (750) in a lattice shape as in the structure of FIG. 7B, the number of grating couplers (750) may be reduced.
  • light (751) entering through the first path may have a first diffraction direction (753), and light (725) entering through the second path may have a second diffraction direction (754).
  • a light receiving unit receiving polarized light may distinguish the light (e.g., 751, 725) from each other, and thus, it may be possible to change the radiation angle of light for two different lights through one grating coupler (750).
  • FIGS. 8A and 8B illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may be designed to arrange a grating coupler (750) in a bar-shaped structure at a certain interval.
  • ⁇ 801> is a plan view of an optical sensor (210), and ⁇ 802> is a side view of the optical sensor (210).
  • the optical sensor (210) can have a light emitting portion (820), a filter (830), an optical waveguide (840), and a rod-shaped grating coupler (850) arranged on a substrate (810).
  • the rod-shaped grating coupler (850) can scatter light (851) emitted from the light emitting portion or waveguide and radiate it in the z-axis direction (852) of the surface of the substrate (810).
  • FIGS. 7a and 8a it can be seen that the number of grating couplers (750, 850) is reduced from 8 to 4 compared to FIGS. 3a/4a/5, which allows the optical sensor (210) to be miniaturized.
  • FIGS. 9A to 9C illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may include a blocking barrier (e.g., 970, 973, 975) that blocks interference between emitted light and received light.
  • the blocking barrier e.g., 970, 973, 975
  • the blocking barrier may block light emitted from a light emitting unit (920) from leaking to a light receiving unit (960), thereby improving a signal-to-noise ratio (SNR) of the light.
  • the blocking barrier (e.g., 970, 973, 975) may be formed of a light-blocking material that does not allow light to pass through.
  • ⁇ 901> ⁇ 903> ⁇ 905> are plan views of the optical sensor (210), and ⁇ 902> ⁇ 904> ⁇ 906> are side views of the optical sensor (210).
  • the optical sensor (210) may place a light emitting unit (920), a filter (930), an optical waveguide (940), a grating coupler (950), and a light receiving unit (960) on a substrate (910).
  • the blocking barriers e.g., 970, 973, 975
  • the blocking barrier (970) may be implemented in a bar shape between the grating coupler (950) and the light receiving unit (960). As illustrated in FIG.
  • the blocking barrier (973) may be implemented in a frame shape that surrounds the outer area of the light emitting unit (920), the filter (930), the optical waveguide (940), and the grating coupler (950), or as illustrated in FIG. 9c, the blocking barrier (975) may be implemented in a frame shape that surrounds the outer area of the light receiving unit (960).
  • FIGS. 10A to 10C illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a substrate (1010) of a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may be implemented in various shapes.
  • ⁇ 1001> is a plan view of the optical sensor (210)
  • ⁇ 1002> is a side view of the optical sensor (210).
  • the optical sensor (210) may be arranged in a serial array structure as illustrated in FIG. 6, such that a first light-emitting unit (1020), a first filter (1030), a first optical waveguide (1040), and a first grating coupler (1050) are arranged in a first region of a substrate (1010), and a second light-emitting unit (1025), a second filter (1035), a second optical waveguide (1045), and a second grating coupler (1055) are arranged in a second region of the substrate (1010).
  • a light-receiving unit (1060) may be arranged corresponding to a position where light emitted from the first grating coupler (1050) and the second grating coupler (1055) is focused, and a blocking barrier (1070) in the form of a border surrounding the periphery of the light-receiving unit (1060) may be arranged.
  • the substrate (1010) may be implemented as a rectangular substrate (1010) as shown in ⁇ 1001> of FIG. 10a, a substrate (1013) as shown in ⁇ 1003> of FIG. 10b, a substrate (1015) as shown in ⁇ 1004> of FIG. 10c, and may also be applied to substrates of various shapes.
  • FIGS. 11A to 11C illustrate structural examples of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may include a monitoring unit (1180) that monitors light emitted or output from a grating coupler (1150).
  • ⁇ 1101> ⁇ 1103> ⁇ 1105> are plan views of the optical sensor (210)
  • ⁇ 1102> ⁇ 1104> ⁇ 1106> are side views of the optical sensor (210).
  • the optical sensor (210) may include a light emitting unit (1120), a filter (1130), an optical waveguide (1140), a grating coupler (1150), and a light receiving unit (1160) disposed on a substrate (1110).
  • a blocking barrier (1170) may be disposed in the form of a border surrounding the periphery of the light receiving unit (1160). Light radiated in the z-axis through the grating coupler (1150) can reach a light irradiation area (1115) (or measurement sample, skin) spaced a certain distance from the surface of the substrate (1110).
  • light transmitted on the surface of the substrate (1110) may have some residual light remaining on the surface of the substrate (1110) as the angle of the light is changed in the second direction and then irradiated onto a biometric measurement target (e.g., a user's body).
  • a biometric measurement target e.g., a user's body
  • the monitoring unit (1180) may place a sub-waveguide (1191) and a sub-grating coupler (1190) connected to the output terminal of the grating coupler (1150) to monitor the residual light of the grating coupler (1150), as illustrated in FIG. 11a.
  • the sub-grating coupler (1190) and the sub-waveguide (1191) may be placed at each grating coupler (1150) to monitor both the intensity and wavelength of light radiated from each grating coupler (1150).
  • the monitoring unit (1180) may be implemented as a mirror having a tapered end (1195) (e.g., a shape in which the end is gradually tapered) or a specific angle, as illustrated in 11b, to monitor the residual light of the grating coupler (1150). Since the end (1195) of the sub-waveguide (1191) has a tapered end, the residual light of the grating coupler (1150) may be widely spread and the light may be incident on the monitoring unit (1180).
  • a tapered end (1195) e.g., a shape in which the end is gradually tapered
  • a specific angle as illustrated in 11b
  • the monitoring unit (1185) may be implemented in an edge illuminated manner in which the end (1197) of the sub-waveguide (1191) has a tapered shape, as illustrated in 11c, and the end (1197) of the sub-waveguide (1191) and the monitoring unit (1185) are positioned adjacent to each other.
  • FIG. 12 illustrates an example structure of an optical sensor included in an electronic device according to one embodiment.
  • a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device may have a serial arrangement structure as illustrated in FIG. 6, in which a first light-emitting unit (1220), a first filter (1230), a first optical waveguide (1240), and a first grating coupler (1250) are arranged in a first region of a substrate (1210), and a second light-emitting unit (1225), a second filter (1235), a second optical waveguide (1245), and a second grating coupler (1255) are arranged in a second region of the substrate (1210).
  • a first light-emitting unit (1220), a first filter (1230), a first optical waveguide (1240), and a first grating coupler (1250) are arranged in a first region of a substrate (1210)
  • a second light-emitting unit (1225), a second filter (1235), a second optical waveguide (1245), and a second grating coupler are arranged in a second region of the substrate (1210).
  • ⁇ 1201> represents a plan view of the optical sensor (210), and ⁇ 1202> represents a side view of the optical sensor (210).
  • a monitoring unit (1280) may be placed between the first grating coupler (1250) of the first region and the second grating coupler (1255) of the second region. Light radiated in the z-axis through the first grating coupler (1250) and the second grating coupler (1255) may reach a light irradiation area (1215) (or a measurement sample, skin) spaced a certain distance from the surface of the substrate (1210).
  • the monitoring unit (1280) may monitor all light (e.g., residual light) radiated through the first grating coupler (1250) and the second grating coupler (1255) through the sub-grating coupler (1290) connected to each grating coupler (1250).
  • the optical sensor (210) may have a light receiving unit (1260) and a border-shaped blocking barrier (1270) surrounding the periphery of the light receiving unit arranged in correspondence to the position where light emitted from the first grating coupler (1250) and the second grating coupler (1255) are focused.
  • 1215 denotes a biometric measurement target (e.g., a user's body).
  • FIGS. 13A to 13C illustrate examples of lens structures included in an optical sensor according to one embodiment.
  • FIGS. 13A to 13C illustrate a biometric sensor or optical sensor (210) included in an electronic device (e.g., the electronic device (101) of FIG. 1) according to one embodiment of the present invention, including a grating coupler (e.g., the grating coupler (350) of FIG. 3A, the grating coupler (550) of FIG. 5, the first grating coupler (650) and the second grating coupler (655) of FIG. 6, the grating coupler (750) of FIG. 7A, the grating coupler (850) of FIG. 8A, the grating coupler (950) of FIGS. 9A to 9C, the first grating coupler (1050) and the second grating coupler (1055) of FIGS.
  • a grating coupler e.g., the grating coupler (350) of FIG. 3A, the grating coupler (550) of FIG. 5, the first grating coupler (650) and the second grating coupler (655) of
  • FIGS. 13A to 13C may be drawings in which the light emitting portion, filter, optical waveguide, and grating coupler of the optical sensor (210) are omitted.
  • the lens structure (1310) may be arranged as a separate configuration from the optical sensor (210).
  • the lens structure (1310) may have a plurality of curvatures and may be designed to have a structure capable of monitoring output as well as light collection through the lens.
  • the lens structure (1310) may include a first region having a first curvature (1310a) at the center and a second region having a second curvature (1310b) at the periphery.
  • Light emitted through the second region having the second curvature (1310b) may be collected onto a biometric specimen (e.g., a user's body (1315)), and at least a portion of light L reflected or scattered from the light irradiation area (1315) (e.g., a measurement specimen, skin) through the first region having the first curvature (1310a) may be collected onto a light receiving unit (1320).
  • a lens structure (1310) may have a blocking wall (1333) that blocks the emitted light and the received light from each other placed between the first region and the second region.
  • the lens structure (1310) can scatter a portion of the light emitted from the grating coupler or light emitting unit toward the light irradiation area (1315) (e.g., measurement sample, skin) using a diffractive optical element (DOE) (1335), and the scattered light L1 can be designed to be reflected downward from the upper reflective surface (1330) and monitored through the monitoring unit (1350).
  • DOE diffractive optical element
  • FIGS. 14A to 14C illustrate examples of lens structures included in an optical sensor according to one embodiment.
  • a biometric sensor or an optical sensor included in an electronic device (e.g., an electronic device (101) of FIG. 1) may be configured by a combination of a light emitting unit (1431) (e.g., a light emitting unit (211) of FIG. 2) of a light source (1410, 1415) that radiates light in a vertical direction (e.g., a VCSEL, vertical cavity surface emitting laser)) and a lens structure (1440, 1450).
  • a grating coupler may be omitted.
  • a light emitting unit including a plurality of VCSEL light sources (1410, 1415) may be arranged to surround a single light receiving unit (1420), as illustrated in FIG. 14A, or a plurality of light receiving units (1420, 1425) may be arranged, as illustrated in FIG. 14B.
  • a blocking barrier (not illustrated) may be arranged between the light sources (1410, 1415) and the light receiving units (1420, 1425).
  • Light (1431) radiated in a vertical direction from various positions may be reflected by the light irradiation area (1430) (e.g., a measurement sample, skin), and the reflected light (1432) may be collected by the light receiving units (1420, 1425).
  • 1430 represents a biometric measurement target (e.g., a user's body)
  • 1432 represents a light beam reflected from the biometric measurement target (1430).
  • the optical sensor (1400) may be configured by combining a lens structure that collects light radiating in a vertical direction from various locations through a first lens (1430) and focuses it into a single point through a second lens (1440).
  • the first lens (1430) may include a micro lens array
  • the second lens (1440) may include the lens structures illustrated in FIGS. 13a to 13c, but this is merely an example, and other lens shapes may be applied.
  • An optical sensor (210) is disposed on a substrate (e.g., a substrate (310) of FIGS. 3A and 3B, a substrate (410) of FIGS. 4A, 4B, and 4C, a substrate (510) of FIG. 5, a substrate (610) of FIG. 6, a substrate (710) of FIG. 7A, a substrate (810) of FIG. 8A, a substrate (910) of FIGS. 9A, 9B, and 9C, a substrate (1010) of FIGS. 10A, 10B, and 10C, a substrate (1110) of FIGS. 11A, 11B, and 11C, a substrate (1210) of FIG.
  • a substrate e.g., a substrate (310) of FIGS. 3A and 3B, a substrate (410) of FIGS. 4A, 4B, and 4C, a substrate (510) of FIG. 5, a substrate (610) of FIG. 6, a substrate (710) of FIG. 7A, a substrate (810) of FIG. 8A, a substrate (910) of FIGS. 9A
  • a light emitting unit (211) of FIG. 2 a light emitting unit (320) of FIGS. 3A and 3B, a light
  • An optical sensor (210) comprises first optical waveguides (e.g., optical waveguide (340) of FIGS. 3a and 3b, optical waveguide (440) of FIG. 4a, optical waveguide (540) of FIG. 5, optical waveguide (640, 645) of FIG. 6, optical waveguide (740) of FIG. 7a, optical waveguide (840) of FIG. 8a, optical waveguide (940) of FIGS. 9a, 9b, and 9c, optical waveguide (1040, 1045) of FIGS. 10a, 10b, and 10c, optical waveguide (1140) of FIGS. 11a, 11b, and 11c, optical waveguide (1240, 1245) of FIG. 12, and optical waveguide (14a) of FIG. It may include light sources (1410, 1415).
  • first optical waveguides e.g., optical waveguide (340) of FIGS. 3a and 3b, optical waveguide (440) of FIG. 4a, optical waveguide (540) of FIG. 5, optical waveguide (640, 645) of FIG. 6, optical wave
  • An optical sensor (210) includes a light focusing changing member (e.g., a light focusing changing member (213) of FIG. 2, a grating coupler (350) of FIG. 3a, a grating coupler (450) of FIGS. 4a, 4b, and 4c, a grating coupler (550) of FIG. 5, a first grating coupler (650) and a second grating coupler (655) of FIG. 6, a grating coupler (750) of FIGS. 7a and 7b, a grating coupler (850) of FIGS. 8a and 8b, a grating coupler (950) of FIGS.
  • a light focusing changing member e.g., a light focusing changing member (213) of FIG. 2
  • a grating coupler (350) of FIG. 3a a grating coupler (450) of FIGS. 4a, 4b, and 4c
  • a grating coupler (550) of FIG. 5
  • a first grating coupler (1050) and a second grating coupler (1050) of FIGS. 10a, 10b, and 10c) that changes the light angle so that the light transmitted from the first optical waveguides is emitted in a second direction substantially orthogonal to the first direction. It may include a coupler (1055), a grating coupler (1150) of FIGS. 11a, 11b and 11c, a first grating coupler (1250, 1255) and a second grating coupler (1255) of FIG. 12.
  • the optical focusing change member (213) of the optical sensor (210) may be characterized by a structure that focuses light transmitted from different locations from the first optical waveguides to one point.
  • the light sources may include a laser diode or a light emitting diode.
  • the light emitting unit may further include filters (filter (320) of FIGS. 3A and 3B, filter (430) of FIG. 4A, filter (530) of FIG. 5, filter (630, 6235) of FIG. 6, filter (730) of FIG. 7A, filter (830) of FIG. 8A, filter (930) of FIGS. 9A, 9B, and 9C, filter (1030, 1035) of FIGS. 10A, 10B, and 10C, filter (1130) of FIGS. 11A, 11B, and 11C, filter (1230, 1235) of FIG. 12) that filter only light of a specific wavelength range when the light sources are laser diodes.
  • filters filter (320) of FIGS. 3A and 3B, filter (430) of FIG. 4A, filter (530) of FIG. 5, filter (630, 6235) of FIG. 6, filter (730) of FIG. 7A, filter (830) of FIG. 8A, filter (930) of FIGS. 9A, 9B, and 9C, filter (1030, 1035) of
  • the optical focusing change member may include a plurality of grating couplers.
  • the optical focusing change member may be characterized by a structure designed to radiate light at a constant angle in the second direction by using at least one of a grating coupler, a lens, a slit, or a mirror.
  • the plurality of grating couplers may be characterized by being arranged in a grating structure that changes the radiation angle of the first light transmitted through the first path and the second light transmitted through the second path.
  • the plurality of grating couplers may be characterized by including rod-shaped structures.
  • the plurality of grating couplers may be arranged in a parallel matrix with a predetermined spacing, but such that a longitudinal end of one grating coupler intersects a longitudinal front end of another grating coupler.
  • the substrate may include a printed circuit board (PCB) substrate or a photonic integrated circuit (PIC) substrate.
  • PCB printed circuit board
  • PIC photonic integrated circuit
  • a lens structure e.g., lens structure (1310) of FIGS. 13a to 13c designed to focus light emitted at a certain angle in the second direction through the plurality of grating couplers may be further included to the one point.
  • first, second, or first or second may be used merely to distinguish one component from another, and do not limit the components in any other respect (e.g., importance or order).
  • a component e.g., a first
  • another component e.g., a second
  • functionally e.g., a third component
  • substantially orthogonal/perpendicular means inclusive of the stated value and within an acceptable range of deviation from the stated value as determined by one of ordinary skill in the art, taking into account errors and measurement uncertainties associated with the measurement of a particular quantity (e.g., limitations of a measurement system). For example, “substantially orthogonal” can mean within one or more standard deviations, or within ⁇ 10° or 5° of a right angle.
  • module used in the embodiments of this document may include a unit implemented in hardware, software or firmware, and may be used interchangeably with terms such as logic, logic block, component, or circuit, for example.
  • a module may be an integrally configured component or a minimum unit of the component or a part thereof that performs one or more functions.
  • a module may be implemented in the form of an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • One embodiment of the present document may be implemented as software (e.g., a program (140)) including one or more instructions stored in a storage medium (e.g., an internal memory (136) or an external memory (138)) readable by a machine (e.g., an electronic device (101)).
  • a processor e.g., a processor (120)
  • the machine e.g., the electronic device (101)
  • the one or more instructions may include code generated by a compiler or code executable by an interpreter.
  • the machine-readable storage medium may be provided in the form of a non-transitory storage medium.
  • 'non-transitory' simply means that the storage medium is a tangible device and does not contain signals (e.g. electromagnetic waves), and the term does not distinguish between cases where data is stored semi-permanently or temporarily on the storage medium.
  • the method according to one embodiment disclosed in the present document may be provided as included in a computer program product.
  • the computer program product may be traded between a seller and a buyer as a commodity.
  • the computer program product may be distributed in the form of a machine-readable storage medium (e.g., a compact disc read only memory (CD-ROM)), or may be distributed online (e.g., downloaded or uploaded) via an application store (e.g., Play Store TM ) or directly between two user devices (e.g., smart phones).
  • an application store e.g., Play Store TM
  • at least a part of the computer program product may be at least temporarily stored or temporarily generated in a machine-readable storage medium, such as a memory of a manufacturer's server, a server of an application store, or an intermediary server.
  • each component e.g., a module or a program of the above-described components may include one or more entities, and some of the entities may be separated and arranged in another component.
  • one or more of the components or operations of the above-described components may be omitted, or one or more other components or operations may be added.
  • the plurality of components e.g., a module or a program
  • the integrated component may perform one or more functions of each of the components of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component of the plurality of components before the integration.
  • the operations performed by the module, the program, or another component may be executed sequentially, in parallel, repeatedly, or heuristically, or one or more of the operations may be executed in a different order, omitted, or one or more other operations may be added.

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Abstract

본 발명은 광학 센서에 관한 것으로서, 광학 센서는 기판 상에 배치되며 서로 다른 파장대의 광들을 발광하는 광원들을 포함하는 발광부를 포함할 수 있고, 발광부를 통해 발광된 광을 기판 표면에 평행하는 제1 방향으로 전달하는 제1 광도파로들을 포함할 수 있으며, 제1 광도파로들로부터 전달된 광을 제1 방향과 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 방출하도록 광 각도를 변경하는 광집속 변경 부재를 포함할 수 있다. 광집속 변경 부재는, 제1 광도파로들로부터 서로 다른 위치에서 전달되는 광들을 원 포인트로 집속시키는 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
본 발명은 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
전자 장치는 센서를 통해 수집된 정보를 기반으로 여러 가지 기능 또는 서비스를 사용자에게 제공할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 적어도 하나의 발광 소자 및 수광 소자를 포함하는 광학 센서를 포함할 수 있다. 광학 센서는 특정 파장대의 광을 이용하여 전자 장치 사용자의 생체 정보를 측정할 수 있다. 생체 정보는 예를 들어, 혈중산소포화도(saturation of percutaneous oxygen, SpO2), 심박수(heart rate, HR), 광용적맥파(photoplethysmograph; PPG), 전기 피부 반응(galvanic skin response; GSR), 심전도(electrocardiography; ECG), 및 생체 전기 저항(bioelectrical impedance) 를 포함할 수 있다.
상술한 정보는 본 개시에 대한 이해를 돕기 위한 목적으로 하는 배경 기술(related art)로 제공될 수 있다. 상술한 내용 중 어느 것도 본 개시와 관련된 종래 기술(prior art)로서 적용될 수 있는지에 대하여 어떠한 주장이나 결정이 제기되지 않는다.
광학 센서는 다양한 성분의 생체 정보를 측정하기 위해 하나 이상의 파장 또는 광원을 이용하며, 생체 측정 정보에 따라 요구되는 광의 파장대가 상이할 수 있다. 소형화된 전자 장치는 특정 파장대의 광만을 발광하는 광원을 이용하게 되므로, 다양한 생체 정보를 측정하기 위해서는 많은 수의 광원들이 필요할 수 있다. 그러나, 광원의 수가 많아질수록, 발광되는 광의 위치에 차이가 나므로, 파장대 별, 생체 측정 검체(예: 피부)에 닿은 위치가 달라져 광의 경로에 차이가 발생될 수 있다. 또한, 신체의 경우, 조직의 구성 성분에 차이가 있기 때문에, 파장대별로 광의 경로에 차이가 발생되면 신뢰성 있는 데이터를 획득하기가 어려울 수 있다.
이로 인해, 복수의 파장대들 또는 복수의 광원들을 필요로 하는 광학 센서(예: 생체 센서)의 경우, 각 광원이 배치된 위치에서 방사되는 광들을 하나로 집광시키기 위한 구조가 요구된다. 그러나, 일반적인 집광 구조 예를 들어, 프리즘, echelle grating, AWG(arrayed waveguide gratings) 또는 AMMI(angled multi-mode interferometer)는 부피 자체가 커서 소형화된 전자 장치에 적합하지 않아, 소형화된 전자 장치에 적합한 새로운 구조가 필요한 실정이다.
다양한 실시예들은 소형화된 전자 장치에 적합한 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제안하고자 한다.
다만, 본 개시에서 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따른 광학 센서는 기판 상에 배치되며, 서로 다른 파장대의 광들을 발광하는 광원들을 포함하는 발광부를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 광학 센서는 상기 발광부를 통해 발광된 광을 기판 표면과 평행하는 제1 방향으로 전달하는 제1 광도파로들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 광학 센서는 상기 제1 광도파들로부터 전달된 광을 상기 제1 방향과 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 방출하도록 광각도를 변경하는 광집속 변경 부재를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 광학 센서는 상기 광집속 변경 부재는, 상기 제1 광도파로들로부터 전달되는 광들을 서로 다른 위치에서 원 포인트로 집속시키는 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치는 광학 센서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치는 기판 상에 배치되며, 서로 다른 파장대의 광들을 발광하는 광원들을 포함하는 발광부를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 전자 장치는 상기 발광부를 통해 발광된 광을 기판 표면과 평행하는 제1 방향으로 전달하는 제1 광도파로들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 전자 장치는 상기 제1 광도파들로부터 전달된 광을 상기 제1 방향과 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 방출하도록 광각도를 변경하는 광집속 변경 부재를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 전자 장치의 상기 광집속 변경 부재는, 상기 제1 광도파로들로부 전달되는 광들을 서로 다른 위치에서 원 포인트로 집속시키는 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 광학 센서 및 전자 장치는, 복잡한 구조 및 부피가 큰 집광 장치(예: echelle grating, AWG(arrayed waveguide gratings), AMMI(angled multi-mode interferometer)를 대신하여 전자 장치에 적용되는 심플한 구조의 광집속 변경 부재를 광학 센서에 적용함으로써, 공정의 단순화 및 비용 절감에 기여할 수 있다. 일 실시예에 따른 광학 센서 및 전자 장치는 광학 센서의 구조를 단순화하여 다양한 성분의 생체 정보를 측정하기 위해 많은 수의 광원을 실장하더라도 전자 장치의 소형화 향상에 기여할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시예들에 따른, 네트워크 환경 내의 전자 장치의 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 생체 센서의 간략화된 구성을 도시한다.
도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 4a는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 4b 및 4c는 일 실시예에 따른 그레이팅 커플러의 구조를 설명하는 도면들이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 9a내지 도 9c는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 11a 내지 도 11c는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 13a 내지 도 13c는 일 실시예에 따른 광학 센서에 포함되는 렌즈 구조 예시를 도시한다.
도 14a 내지 도 14c는 일 실시예에 따른 광학 센서에 포함되는 렌즈 구조 예시를 도시한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면의 설명과 관련하여, 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일하거나 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 또한, 도면 및 관련된 설명에서는, 잘 알려진 기능 및 구성에 대한 설명이 명확성과 간결성을 위해 생략될 수 있다
도 1은 일 실시예들에 따른, 네트워크 환경(100) 내의 전자 장치(101)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 네트워크 환경(100)에서 전자 장치(101)는 제 1 네트워크(198)(예: 근거리 무선 통신 네트워크)를 통하여 전자 장치(102)와 통신하거나, 또는 제 2 네트워크(199)(예: 원거리 무선 통신 네트워크)를 통하여 전자 장치(104) 또는 서버(108) 중 적어도 하나와 통신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 서버(108)를 통하여 전자 장치(104)와 통신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)는 프로세서(120), 메모리(130), 입력 모듈(150), 음향 출력 모듈(155), 디스플레이 모듈(160), 오디오 모듈(170), 센서 모듈(176), 인터페이스(177), 연결 단자(178), 햅틱 모듈(179), 카메라 모듈(180), 전력 관리 모듈(188), 배터리(189), 통신 모듈(190), 가입자 식별 모듈(196), 또는 안테나 모듈(197)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 전자 장치(101)에는, 이 구성요소들 중 적어도 하나(예: 연결 단자(178))가 생략되거나, 하나 이상의 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이 구성요소들 중 일부들(예: 센서 모듈(176), 카메라 모듈(180), 또는 안테나 모듈(197))은 하나의 구성요소(예: 디스플레이 모듈(160))로 통합될 수 있다.
프로세서(120)는, 예를 들면, 소프트웨어(예: 프로그램(140))를 실행하여 프로세서(120)에 연결된 전자 장치(101)의 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 데이터 처리 또는 연산의 적어도 일부로서, 프로세서(120)는 다른 구성요소(예: 센서 모듈(176) 또는 통신 모듈(190))로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리(132)에 저장하고, 휘발성 메모리(132)에 저장된 명령 또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(134)에 저장할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 메인 프로세서(121)(예: 중앙 처리 장치 또는 어플리케이션 프로세서) 또는 이와는 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(123)(예: 그래픽 처리 장치, 신경망 처리 장치(NPU: neural processing unit), 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(101)가 메인 프로세서(121) 및 보조 프로세서(123)를 포함하는 경우, 보조 프로세서(123)는 메인 프로세서(121)보다 저전력을 사용하거나, 지정된 기능에 특화되도록 설정될 수 있다. 보조 프로세서(123)는 메인 프로세서(121)와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
보조 프로세서(123)는, 예를 들면, 메인 프로세서(121)가 인액티브(예: 슬립) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(121)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(121)가 액티브(예: 어플리케이션 실행) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(121)와 함께, 전자 장치(101)의 구성요소들 중 적어도 하나의 구성요소(예: 디스플레이 모듈(160), 센서 모듈(176), 또는 통신 모듈(190))와 관련된 기능 또는 상태들의 적어도 일부를 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 보조 프로세서(123)(예: 이미지 시그널 프로세서 또는 커뮤니케이션 프로세서)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성요소(예: 카메라 모듈(180) 또는 통신 모듈(190))의 일부로서 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 보조 프로세서(123)(예: 신경망 처리 장치)는 인공지능 모델의 처리에 특화된 하드웨어 구조를 포함할 수 있다. 인공지능 모델은 기계 학습을 통해 생성될 수 있다. 이러한 학습은, 예를 들어, 인공지능이 수행되는 전자 장치(101) 자체에서 수행될 수 있고, 별도의 서버(예: 서버(108))를 통해 수행될 수도 있다. 학습 알고리즘은, 예를 들어, 지도형 학습(supervised learning), 비지도형 학습(unsupervised learning), 준지도형 학습(semi-supervised learning) 또는 강화 학습(reinforcement learning)을 포함할 수 있으나, 전술한 예에 한정되지 않는다. 인공지능 모델은, 복수의 인공 신경망 레이어들을 포함할 수 있다. 인공 신경망은 심층 신경망(DNN: deep neural network), CNN(convolutional neural network), RNN(recurrent neural network), RBM(restricted boltzmann machine), DBN(deep belief network), BRDNN(bidirectional recurrent deep neural network), 심층 Q-네트워크(deep Q-networks) 또는 상기 중 둘 이상의 조합 중 하나일 수 있으나, 전술한 예에 한정되지 않는다. 인공지능 모델은 하드웨어 구조 이외에, 추가적으로 또는 대체적으로, 소프트웨어 구조를 포함할 수 있다.
메모리(130)는, 전자 장치(101)의 적어도 하나의 구성요소(예: 프로세서(120) 또는 센서 모듈(176))에 의해 사용되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(예: 프로그램(140)) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(130)는, 휘발성 메모리(132) 또는 비휘발성 메모리(134)를 포함할 수 있다.
프로그램(140)은 메모리(130)에 소프트웨어로서 저장될 수 있으며, 예를 들면, 운영 체제(142), 미들 웨어(144) 또는 어플리케이션(146)을 포함할 수 있다.
입력 모듈(150)은, 전자 장치(101)의 구성요소(예: 프로세서(120))에 사용될 명령 또는 데이터를 전자 장치(101)의 외부(예: 사용자)로부터 수신할 수 있다. 입력 모듈(150)은, 예를 들면, 마이크, 마우스, 키보드, 키(예: 버튼), 또는 디지털 펜(예: 스타일러스 펜)을 포함할 수 있다.
음향 출력 모듈(155)은 음향 신호를 전자 장치(101)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 모듈(155)은, 예를 들면, 스피커 또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있다. 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 리시버는 스피커와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
디스플레이 모듈(160)은 전자 장치(101)의 외부(예: 사용자)로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 디스플레이 모듈(160)은, 예를 들면, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 디스플레이 모듈(160)은 터치를 감지하도록 설정된 터치 센서, 또는 상기 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 압력 센서를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(170)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 오디오 모듈(170)은, 입력 모듈(150)을 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 모듈(155), 또는 전자 장치(101)와 직접 또는 무선으로 연결된 외부 전자 장치(예: 전자 장치(102))(예: 스피커 또는 헤드폰)를 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(176)은 전자 장치(101)의 작동 상태(예: 전력 또는 온도), 또는 외부의 환경 상태(예: 사용자 상태)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 센서 모듈(176)은, 예를 들면, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(177)는 전자 장치(101)가 외부 전자 장치(예: 전자 장치(102))와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 인터페이스(177)는, 예를 들면, HDMI(high definition multimedia interface), USB(universal serial bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(178)는, 그를 통해서 전자 장치(101)가 외부 전자 장치(예: 전자 장치(102))와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 연결 단자(178)는, 예를 들면, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 또는 오디오 커넥터(예: 헤드폰 커넥터)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(179)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(예: 진동 또는 움직임) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 햅틱 모듈(179)은, 예를 들면, 모터, 압전 소자, 또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(180)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 카메라 모듈(180)은 하나 이상의 렌즈들, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 또는 플래시들을 포함할 수 있다.
전력 관리 모듈(188)은 전자 장치(101)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전력 관리 모듈(188)은, 예를 들면, PMIC(power management integrated circuit)의 적어도 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(189)는 전자 장치(101)의 적어도 하나의 구성요소에 전력을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 배터리(189)는, 예를 들면, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(190)은 전자 장치(101)와 외부 전자 장치(예: 전자 장치(102), 전자 장치(104), 또는 서버(108)) 간의 직접(예: 유선) 통신 채널 또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(190)은 프로세서(120)(예: 어플리케이션 프로세서)와 독립적으로 운영되고, 직접(예: 유선) 통신 또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 통신 모듈(190)은 무선 통신 모듈(192)(예: 셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, 또는 GNSS(global navigation satellite system) 통신 모듈) 또는 유선 통신 모듈(194)(예: LAN(local area network) 통신 모듈, 또는 전력선 통신 모듈)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제 1 네트워크(198)(예: 블루투스, WiFi(wireless fidelity) direct 또는 IrDA(infrared data association)와 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제 2 네트워크(199)(예: 레거시 셀룰러 네트워크, 5G 네트워크, 차세대 통신 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(예: LAN 또는 WAN)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 외부의 전자 장치(104)와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성요소(예: 단일 칩)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성요소들(예: 복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(192)은 가입자 식별 모듈(196)에 저장된 가입자 정보(예: 국제 모바일 가입자 식별자(IMSI))를 이용하여 제 1 네트워크(198) 또는 제 2 네트워크(199)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(101)를 확인 또는 인증할 수 있다.
무선 통신 모듈(192)은 4G 네트워크 이후의 5G 네트워크 및 차세대 통신 기술, 예를 들어, NR 접속 기술(new radio access technology)을 지원할 수 있다. NR 접속 기술은 고용량 데이터의 고속 전송(eMBB(enhanced mobile broadband)), 단말 전력 최소화와 다수 단말의 접속(mMTC(massive machine type communications)), 또는 고신뢰도와 저지연(URLLC(ultra-reliable and low-latency communications))을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(192)은, 예를 들어, 높은 데이터 전송률 달성을 위해, 고주파 대역(예: mmWave 대역)을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(192)은 고주파 대역에서의 성능 확보를 위한 다양한 기술들, 예를 들어, 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO(multiple-input and multiple-output)), 전차원 다중입출력(FD-MIMO: full dimensional MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 또는 대규모 안테나(large scale antenna)와 같은 기술들을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(192)은 전자 장치(101), 외부 전자 장치(예: 전자 장치(104)) 또는 네트워크 시스템(예: 제 2 네트워크(199))에 규정되는 다양한 요구사항을 지원할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 무선 통신 모듈(192)은 eMBB 실현을 위한 Peak data rate(예: 20Gbps 이상), mMTC 실현을 위한 손실 Coverage(예: 164dB 이하), 또는 URLLC 실현을 위한 U-plane latency(예: 다운링크(DL) 및 업링크(UL) 각각 0.5ms 이하, 또는 라운드 트립 1ms 이하)를 지원할 수 있다.
안테나 모듈(197)은 신호 또는 전력을 외부(예: 외부의 전자 장치)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 안테나 모듈(197)은 서브스트레이트(예: PCB) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함하는 안테나를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 안테나 모듈(197)은 복수의 안테나들(예: 어레이 안테나)을 포함할 수 있다. 이런 경우, 제 1 네트워크(198) 또는 제 2 네트워크(199)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 적어도 하나의 안테나가, 예를 들면, 통신 모듈(190)에 의하여 상기 복수의 안테나들로부터 선택될 수 있다. 신호 또는 전력은 상기 선택된 적어도 하나의 안테나를 통하여 통신 모듈(190)과 외부의 전자 장치 간에 송신되거나 수신될 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 방사체 이외에 다른 부품(예: RFIC(radio frequency integrated circuit))이 추가로 안테나 모듈(197)의 일부로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 안테나 모듈(197)은 mmWave 안테나 모듈을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, mmWave 안테나 모듈은 인쇄 회로 기판, 상기 인쇄 회로 기판의 제 1 면(예: 아래 면)에 또는 그에 인접하여 배치되고 지정된 고주파 대역(예: mmWave 대역)을 지원할 수 있는 RFIC, 및 상기 인쇄 회로 기판의 제 2 면(예: 윗 면 또는 측 면)에 또는 그에 인접하여 배치되고 상기 지정된 고주파 대역의 신호를 송신 또는 수신할 수 있는 복수의 안테나들(예: 어레이 안테나)을 포함할 수 있다.
상기 구성요소들 중 적어도 일부는 주변 기기들간 통신 방식(예: 버스, GPIO(general purpose input and output), SPI(serial peripheral interface), 또는 MIPI(mobile industry processor interface))을 통해 서로 연결되고 신호(예: 명령 또는 데이터)를 상호간에 교환할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 명령 또는 데이터는 제 2 네트워크(199)에 연결된 서버(108)를 통해서 전자 장치(101)와 외부의 전자 장치(104)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 외부의 전자 장치(102, 또는104) 각각은 전자 장치(101)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전자 장치(101)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 외부의 전자 장치들(102,104, 또는108) 중 하나 이상의 외부의 전자 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(101)가 어떤 기능이나 서비스를 자동으로, 또는 사용자 또는 다른 장치로부터의 요청에 반응하여 수행해야 할 경우에, 전자 장치(101)는 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 또는 추가적으로, 하나 이상의 외부의 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 적어도 일부를 수행하라고 요청할 수 있다. 상기 요청을 수신한 하나 이상의 외부의 전자 장치들은 요청된 기능 또는 서비스의 적어도 일부, 또는 상기 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(101)로 전달할 수 있다. 전자 장치(101)는 상기 결과를, 그대로 또는 추가적으로 처리하여, 상기 요청에 대한 응답의 적어도 일부로서 제공할 수 있다. 이를 위하여, 예를 들면, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 모바일 에지 컴퓨팅(MEC: mobile edge computing), 또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다. 전자 장치(101)는, 예를 들어, 분산 컴퓨팅 또는 모바일 에지 컴퓨팅을 이용하여 초저지연 서비스를 제공할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 외부의 전자 장치(104)는 IoT(internet of things) 기기를 포함할 수 있다. 서버(108)는 기계 학습 및/또는 신경망을 이용한 지능형 서버일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 외부의 전자 장치(104) 또는 서버(108)는 제 2 네트워크(199) 내에 포함될 수 있다. 전자 장치(101)는 5G 통신 기술 및 IoT 관련 기술을 기반으로 지능형 서비스(예: 스마트 홈, 스마트 시티, 스마트 카, 또는 헬스 케어)에 적용될 수 있다.
일 실시예들에 따른 전자 장치(101)는 다양한 형태의 장치가 될 수 있다. 전자 장치(101)는, 예를 들면, 휴대용 통신 장치(예: 스마트폰), 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 기기, 카메라, 웨어러블 장치, 또는 가전 장치를 포함할 수 있다. 본 문서의 실시예에 따른 전자 장치(101)는 전술한 기기들에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 전자 장치(101)는 다양한 생체 정보를 측정할 수 있는 생체 센서 또는 광학 센서를 포함할 수 있다. 본 문서에 개시된 생체 센서 또는 광학 센서는 휴대 장치, 및 웨어러블 장치 뿐만 아니라, 병원이나 검사 기관에서 사용되는 의료 기기, 또는 개인이 소장할 수 있는 소형 의료 기기 또는 헬스 케어 장치에 적용될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 생체 센서의 간략화된 구성을 도시한다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(예: 도 1의 센서 모듈(176))(210)는 발광부(211), 광집속 변경 부재(213) 및 수광부(217)를 포함할 수 있다. 광학 센서(210)는 도 1의 프로세서(120)와 서로 전기적으로 및/또는 작동작적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 전자 장치(101)의 하드웨어들이 작동적으로 결합된 것은, 하드웨어들 중 제1 하드웨어에 의해 제2 하드웨어가 제어되도록, 하드웨어들 사이의 직접적인 연결, 또는 간접적인 연결이 유선으로, 또는 무선으로 수립된 것을 의미할 수 있다.
일 실시예에 따르면 발광부(또는 발광 어레이)(211)는 복수의 생체 정보들을 측정하기 위해 다색(또는 다중 파장들) 또는 광대역(또는 다양한 파장들)의 광 신호를 생성하도록 설계될 수 있다. 발광부(211)는 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 광원은 광을 생성하는 레이저 다이오드(LD, laser diode), 발광 다이오드(LED, light emitting diode) 및/또는 다른 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 수직방향(예: 도 3 내지 도 7a의 z축)으로 광을 방사하는 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser) 타입으로 설계되거나, edge emmiting laser를 반사경과 결합하거나 edge emmiting laser chip를 수직방향으로 부착할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
일 예를 들어, 광원은 서로 다른 파장대를 발광하도록 복수의 발광소스(luminous source)/발광요소(luminous element)들(예: 제1 발광요소, 제2 발광요소 … 제N 발광요소)을 포함할 수 있다. 발광 요소들은 같은 종류의 광원 또는/및 다른 종류의 광원일 수 있다. 같은 종류의 광원일 경우, 발광 요소들은 서로 다른 파장대를 발광하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에 따르면 발광부(또는 발광 어레이)(211)는 광원으로부터 발광된 광을 특정 파장대로 필터링하는 필터 구조체(또는 필터 어레이)(미도시)를 포함할 수도 있다. 필터 구조체는 생체 측정 정보에 따라 필요한 광만을 선택적으로 투과시키는 필터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산소 포화도 측정의 경우, 대략 640 nm 의 파장대와, 대략 940 nm 파장대의 광만 통과시키는 필터들이 설계될 수 있다. 이는 예시일 뿐이며, 필터들은 전자 장치에 적용되는 생체 측정 설계에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에 따르면 광집속 변경 부재(213)는, 발광부(211)로부터 발광된 광을 제1 방향(예: x,y 축에 의해 정의된 기판 표면 방향)과 실질적으로 직교하는 제2 방향(또는 수직방향)(예: z축)으로 광의 각도를 변경하는 역할 및/또는 제2 방향(예: z축) 으로 발광된 광을 원 포인트(one point)로 집속하는 역할을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면 광집속 변경 부재(213)는 기판 표면 위에 제1 방향으로부터 전달된 광을 일정 각도의 방사각을 갖는 제2 방향으로 변경하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에 따르면 광집속 변경 부재(213)는 그레이팅 커플러(grating coupler)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 일 실시예에 따르면 광집속 변경 부재(213)는 그레이팅 커플러, 렌즈(lens), 슬릿(slit) 또는 미러(mirror)를 이용하여 광의 방사각을 제2 방향(또는 수직방향)(예: z축)으로 방사하도록 설계된 다양한 구조(예: curved micro mirror, GRIN(graded refractive index) lens, DOL(diffractive optical lens), MLA(micro lens array), DOL(diffractive optical lens), 또는/및 CGH(computer-generated hologram))로 구현되거나, 이들을 조합하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 광원이 기판 표면의 제1 방향(예: x,y축에 의해 정의된 기판 표면 방향)으로 발광되는 형태인 경우, 광집속 변경 부재(213)는 그레이팅 커플러 및/또는 렌즈를 조합한 형태일 수 있으나, 광원이 기판 표면으로부터 수직방향 즉, 제2 방향(예: z축)으로 발광되는 형태인 경우, 광집속 변경 부재(213)는 광을 집속하는 굴절률을 갖는 렌즈 형태로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면 수광부(217)는 광을 감지하는 포토다이오드(PD, photo diode)를 포함할 수 있다. 수광부(217)는 수광하는 광의 세기를 전기적인 신호로 변환하고, 이를 프로세서(예: 도 1의 프로세서(120))로 출력할 수 있다. 수광부(217)는 파장을 선택적으로 감지할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장대의 광원을 통해 발광부(211)가 발광하는 경우, 수광부(217)는 제1 파장대의 광을 감지하고, 다른 파장대의 광은 감지하지 않도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 수광부(217)의 파장 선택성은 광학 필터에 의해 지원될 수 있다. 수광부(217)는 광학 필터를 통과한 광만을 감지할 수 있다. 광학 필터는 파장에 따라 선택적으로 광을 통과시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는, 생체 측정의 용도에 따라 발광부(211)에서 생성하는 광의 파장대역을 변경하도록 제어할 수 있다. 이에 따라 수광부(217)가 수광하는 파장대역도 변경될 수 있다.
일 실시예에 따르면 프로세서(120)는 수광부(217)로부터 측정된 광에 기반하여 생체 정보를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치(101)의 광학 센서(210)는 기판 상에 배치되며, 서로 다른 파장대의 광들을 발광하는 광원들을 포함하는 발광부(211)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 광학 센서(210)는 상기 발광부(211)를 통해 발광된 광을 기판 표면의 제1 방향으로 전달하는 제1 광도파로들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 광학 센서(210)는 상기 제1 광도파들로부터 전달된 광을 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 방출하도록 광각도를 변경하는 광집속 변경 부재(213)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 광학 센서(210)의 광집속 변경 부재(213)는, 상기 제1 광도파로들로부터 서로 다른 위치에서 전달되는 광들을 원 포인트로 집속시키는 구조인 것을 특징으로 할 수 있다. 이하, 광집속 변경 부재(213)가 그레이팅 커플러로 구현된 광학 센서로 설명하기로 하나, 이는 예시 일뿐, 광집속 변경 부재(213)는 다른 구조로 대체될 수 있다. 도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(예: 도 2의 광학 센서)(210)는 기판(310) 상에 배치된 발광부(320)(예: 도 2의 발광부(211)), 필터(또는 필터 어레이)(330), 광도파로(340), 그레이팅 커플러(350)(예: 도 2의 광집속 변경 부재(213)) 및 수광부(370)(예: 도 2의 수광부(217))를 포함할 수 있다. 도 3a 및 3b에서 <301> 및 <303>은 광학 센서(210)의 평면도이며, <302> 및 <304>는 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다. 본 개시에서 '평면도'는 광센서(210)의 두께 방향(제2 방향, 예를 들어 z축)에서 본 도면이고, '측면도'는 y 방향으로 본 도면이다. 축 방향)은 두께 방향에 실질적으로 수직이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 광학 센서(210)는 8개의 필터(330) 및 8개의 그레이팅 커플러(350)가 배열된 구조로 예시되나, 이는 예시일 뿐이다.
일 실시예에 따르면 기판(310)은 평판 형태의 실리콘 기판을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 기판(310)는 PCB(printed circuit board) 기판 또는 PIC(photonic integrated circuit) 기판을 포함할 수도 있다.
발광부(320), 필터(330), 광도파로(340), 그레이팅 커플러(350) 및 수광부(370)는 기판(310) 상에 서로 소정 거리 이격된 상태로 배열될 수 있다.
발광부(또는 발광 어레이)(320)는 서로 다른 파장대의 광을 발광하도록 설계될 수 있다. 발광부(211)는 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 광원은 광을 생성하는 레이저 다이오드(LD, laser diode), 발광 다이오드(LED, light emitting diode) 및/또는 다른 광원을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원이 레이저 다이오드(LD)로 구현된 경우, 필터(330)를 포함하나, 광원이 발광 다이오드(LED)로 구현된 경우, 필터(330)는 생략될 수도 있다.
필터(또는 필터 어레이)(330)는 발광부(320)로부터 발광된 광을 선택적으로 필터링할 수 있다. 필터(330)는 다양한 생체 측정을 위해, 생체 측정 정보에 따라 필요한 광만을 선택적으로 투과시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 산소 포화도 측정의 경우, 대략 640 nm 의 파장대와, 대략 940 nm 파장대의 광만 통과시키는 필터들이 설계되며, 심박수 측정의 경우, 대략 520nm 파장대의 광만 통과시키는 필터가 설계될 수 있다. 필터(330)는 전자 장치(101)가 지원하는 생체 측정 정보(예: 혈중산소포화도(saturation of percutaneous oxygen, SpO2), 심박수(heart rate, HR), 광용적맥파(photoplethysmograph; PPG), 전기 피부 반응(galvanic skin response; GSR), 심전도(electrocardiography; ECG), 및 생체 전기 저항(bioelectrical impedance), 혈당, 헤모글로빈 농도, 중성지방, 체성분, 알코올 지수)에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
광도파로(340)는 광을 전송하는 광채널을 의미할 수 있다. 광도파로(340)는 발광부(320)로부터 발광된 광 또는 필터(330)를 통해 통과된 광을 기판 표면의 제제1 방향(예: x, y축에 의해 정의된 기판 표면 방향)으로 그레이팅 커플러(350)에 전달할 수 있다. 광도파로(340)는 그레이팅 커플러(350)의 상부면과 평행한 일 방향을 따라 연장될 수 있다.
그레이팅 커플러(350)는 광도파로(340)로부터 전달된 광을 기판(310) 표면의 제1 방향과 실질적으로 직교하는 제2 (예: z축)방향으로 광각도를 변경하여 방사할 수 있다. 그레이팅 커플러(350)는 <302>및 <304>에 도시된 바와 같이, 기판(310) 표면으로부터 일정 각도의 방사각으로 광 L의 경로를 변경하도록 설계될 수 있다. 그레이팅 커플러(350)의 방사각은 설계에 따라 달라질 수 있다.
그레이팅 커플러(350)를 통해 제2 방향으로 방사된 광 L은 기판(310)으로부터 일정 거리 이격된 광 조사 영역(360)에 도달할 수 있다. 광 조사 영역(360)은 예를 들어, 생체 측정 검체(예: 사용자 신체 일부)에 접촉 가능한 영역에 대응될 수 있다.
광학 센서(210)는 생체 측정 검체(예: 사용자 신체 일부)로부터 반사된 광을 수광 할 수 있는 위치에 수광부(370)가 배치될 수 있다. 수광부(370)는 수광하는 광의 세기를 전기적인 신호로 변환하고, 이를 프로세서(예: 도 1의 프로세서(120))로 출력할 수 있다.
도면에 도시되지 않았으나, 일 실시예에 따르면 도 3a 및 도 3b의 광학 센서(210)는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 렌즈 구조물 중 하나와 함께 전자 장치(101)에 배치될 수도 있다.
도 4a는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시하며, 도 4b 및 4c는 일 실시예에 따른 그레이팅 커플러의 구조를 설명하는 도면들이다. 도 4b는 그레이팅 커플러(450)의 사시도이고, 도 4c는 그레이팅 커플러(450)의 단면도이다.
도 4a를 살펴보면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는, 기판(310) 상에 배치된 발광부(420)(예: 도 2의 발광부(211)), 발광부(420)로부터 발광된 광을 선택적으로 필터링하는 필터(또는 필터 어레이)(430), 필터(430)를 통해 통과된 광을 전달하는 광도파로(440), 광도파로(440)로부터 전달된 광을 기판(410)의 z축 방향(예: 두께 방향)으로 광각도를 변경하는 그레이팅 커플러(450)(예: 도 2의 광집속 변경 부재(213))를 포함할 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 기판(410) 상에 수광부(미도시)가 배치될 수 있다. <401>은 광학 센서(210)의 평면도이며, <402>는 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다.
도 4a의 예시에서는 그레이팅 커플러(450)들이 광도파로(440)로 부터 제1 방향(예: x,y 축에 의해 정의된 기판 표현 방향)으로 전달된 광 L을 제1 방향에 대해 일정 각도의 방사각을 갖는 제2 방향으로 방사하되, 광들이 원 포인트(one point) P로 집속되는 구조로 설계될 수 있다. 도 3a에 도시된 그레이팅 커플러(350)는 기판(310) 상에 서로 평행하게 배치된 구조로, 각 그레이팅 커플러(350)로부터 방사된 광들은 평행한 형태로 방사되는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 도 4a에 도시된 그레이팅 커플러(450)는 방사된 광들이 원포인트 P로 집속되도록 서로 일정 각도로 틀어진 형태로 기판 상에 배열될 수 있다. 이하, 발광부(420), 필터(430), 광도파로(440) 및 수광부(미도시)는 도 3의 구성과 실질적으로 동일하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 그레이팅 커플러(450)는 서로 다른 광원 또는 서로 다른 파장대의 광들을 원 포인트로 집속하기 위한 다양한 구조로 설계될 수 있다. 예를 들어, 그레이팅 커플러(450)들은 도 4b의 구조와 같이 설계될 수 있다. 도 4b의 <403>에 도시된 바와 같이, 제1 그레이팅 커플러(451)는 y 축 방향에서 일정 각도의 방사각을 갖도록 설계되고, 제2 그레이팅 커플러(452)는 x축 방향에서 일정 각도의 방사각을 갖도록 설계되고, 제3 그레이팅 커플러(453)는, -y 축방향에서 일정 각도의 방사각을 갖도록 설계되고, 제4그레이팅 커플러(454)는 -x축 방향에서 일정 각도의 방사각을 갖도록 설계될 수 있다. 네 방향에서부터 방사된 광들은 원 포인트(e.g. 중심 포인트(center point))에서 집속될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 그레이팅 커플러(450)들은 광의 진행 방향에 따라 서로 다른 그레이팅 패턴 주기를 가지도록 설계될 수도 있다. 예를 들어, 그레이팅 커플러(450)들의 그레이팅 패턴은 도 4c에 도시된 바와 같이, 기판(410) 상에 배치된 제1 그레이팅 커플러(451)(예: 실리콘층) 을 통해 형성될 수 있다. 제1 그레이팅 커플러 (451)의 상단부는 돌출부(450a) 및 트렌치(450b)를 포함하는 그레이팅 패턴(또는 트렌치(trench) 및 돌출부가 일정한 주기를 갖고 반복되는 패턴)이 형성될 수 있다. 제1 그레이팅 커플러 (451)은 광도파로(440)와 연결될 수 있다. 광도파로(440)로부터 전달된 광은 트렌치들에 의해 반사, 산란 및 회절됨으로써 광의 방사각이 변경될 수 있다. 그레이팅 패턴의 주기는 다음의 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2024005630-appb-img-000001
위 수학식 1은 단지 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 변형, 응용 또는 확장될 수 있다.
그레이팅 커플러(450)들은 광의 파장대 별로 주기(a)를 다르게 설계할 수 있다. 예시적으로, 도 4a에 도시된 광학 센서(210)에서, 제1 영역에 배치된4개의 필터(430) 및 4개의 그레이팅 커플러(450)들은 표1과 같은 다른 파장대들과 다른 주기(a)들을 가지도록 설계되며, 제2 영역에 배치된 4개의 필터(430) 및 4개의 그레이팅 커플러(450)들은 표 2와 같은 다른 파장대들과 다른 주기(a)들을 가지도록 설계될 수 있으나, 이는 예시일 뿐이다.
파장(um) 2.00 2.01 2.02 2.03
a(nm) 860 864 868 873
파장(um) 2.41 2.41 2.42 2.43
a(nm) 1036 1036 1040 1045
도 4c의 <404>에 도시된 그레이팅 패턴은 하나의 파장에 대해서만 광을 Z축 방향으로 방사하는 구조를 나타내나, 그레이팅 커플러(450)는 도 7a 및 도 8a에 도시된 바와 같이, 빛의 진행 방향에 따라 그레이팅 패턴을 다르게 형성하여 2개 이상의 파장에 대해서도 광의 방사각을 변경하도록 설계될 수도 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 5를 살펴보면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는, 배치 영역을 최소화하기 위해 다양한 배치 형태로 설계될 수 있다. 도 5에서 <501> 은 광학 센서(210)의 평면도이며, <502>는 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다.
일 예로, 광학 센서(210)는 기판(510) 상에 배치된 발광부(520)(예: 도 2의 발광부(211)), 발광부(520)로부터 발광된 광을 선택적으로 필터링하는 필터(또는 필터 어레이)(530), 필터(530)를 통해 통과된 광을 전달하는 광도파로(540)를 포함하며, 광도파로(540)는, 제1 그레이팅 커플러(550)(예: 도 2의 광집속 변경 부재(213))의 일 끝단과 제2 그레이팅 커플러(555))(예: 도 2의 광집속 변경 부재(213))의 앞단이 나란히 교차되는 배치 구조를 가질 수 있다. 제1 그레이팅 커플러(550)는 제1 방향에서 볼 때 두 개의 제2 그레이팅 커플러(555) 사이에 위치될 수 있다. 이 경우, 광학 센서(210)는 제1 그레이팅 커플러(550) 및 제2 그레이팅 커플러(555)로부터 서로 다른 위치에서 발광된 광들을 하나의 포인트로 집속하기 위한 렌즈 구조물(예: 도 13a 내지 도 13c의 렌즈 구조물)를 더 포함할 수도 있다.
도 5의 예시에서는, 제1 그레이팅 커플러(550) 및 제2 그레이팅 커플러(555)가 기판(510) 상에서 실질적으로 서로 평행한 형태로 배열되나, 도 5의 배열 형태를 유지하되, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 그레이팅 커플러(550) 및 제2 그레이팅 커플러(555)로부터 방사된 광들이 원포인트로 집속되도록 서로 일정 각도 틀어진 형태로 배열될 수도 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 6을 살펴보면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는 기판의 길이에 대응하여 광학 센서의 구성들이 배치될 수 있다. <601>은 광학 센서(210)의 평면도이며, <602>는 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다. 일 예로, 광학 센서(210)는 도 3a/도 4a/ 도5의 병렬 배열이 아닌 직렬 배열로 배치될 수 있다. 광학 센서(210)는 기판(610)의 제1 영역에 제1발광부(620), 제1 필터(630), 제1 광도파로(640) 및 제1 그레이팅 커플러(650)가 배치되고, 기판(610)의 제2 영역에 제2 발광부(625), 제2 필터(635), 제2 광도파로(645) 및 제2 그레이팅 커플러(655)가 배치될 수 있다.
도면에 도시되지 않았으나, 제1 그레이팅 커플러(650)와 제2 그레이팅 커플리(655)에서 방사된 광이 집속되는 위치에 대응하여 수광부(미도시)가 배치될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 7a및 도 7b를 살펴보면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는 그레이팅 커플러(750)를 격자 구조로 설계하여 하나 이상의 경로에서 입사되는 광의 방사각을 변경하거나, 입사광의 경로에 따라 서로 다른 방향으로 편광할 수 있다. <701>은 광학 센서(210)의 평면도이며, <702>는 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다. 광학 센서(210)는 기판(710) 상에 발광부(720), 필터(730), 광도파로(740) 및 그레이팅 커플러(750)를 배치하되, 그레이팅 커플러(750)를 도 7b의 구조와 같이 격자 형태로 설계함으로써, 그레이팅 커플러(750)의 개수를 줄일 수 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 제1 경로를 통해 들어오는 광(751)은 제1 회절방향(753)을 가지며, 제2 경로를 통해 들어오는 광(725)은 제2 회절 방향(754)을 가질 수 있다. 따라서, 편광된 광을 수신하는 수광부는 광(예: 751,725)을 서로 구별할 수 있으며, 이로 인해 하나의 그레이팅 커플러(750)를 통해 서로 다른 두 개의 광에 대해서 광의 방사각을 변경하는 것이 가능할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 8a 및 도 8b를 살펴보면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는 그레이팅 커플러(750)를 막대 형태의 구조물을 일정 주기로 배치하도록 설계될 수 있다.
<801> 은 광학 센서(210)의 평면도이며, <802>는 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다. 광학 센서(210)는 기판(810) 상에 발광부(820), 필터(830), 광도파로(840) 및 막대 형태의 그레이팅 커플러(850)를 배치할 수 있다. 막대 형태의 그레이팅 커플러(850)는 발광부 또는 도파관로부터 발광된 광(851)을 산란시켜 기판(810) 표면의 z축 방향(852)으로 방사시킬 수 있다.
도 7a 및 도 8a의 예시에서는 도 3a/도 4a/ 도5와 비교하여 그레이팅 커플러(750,850)의 수가 8개에서 4개로 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 이로 인해 광학 센서(210)를 소형화시킬 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 9a내지 도 9c를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는 발광되는 광과 수광되는 광의 간섭을 차광하는 차단 배리어(예: 970,973,975)를 포함할 수 있다. 차단 배리어(예: 970,973,975)는 발광부(920)에서 발광된 광이 수광부(960)로 누설되지 않도록 차단시켜 광의 SNR(signal to noise ratio)을 개선하는 역할을 수행할 수 있다. 차단 배리어(예: 970,973,975)는 광이 통과되지 않는 차광성 재질로 형성될 수 있다. <901><903> <905>는 광학 센서(210)의 평면도이며, <902><904> <906>은 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다.
일 예로, 광학 센서(210)는 기판(910) 상에 발광부(920), 필터(930), 광도파로(940), 그레이팅 커플러(950) 및 수광부(960)를 배치할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 차단 배리어(예: 970,973,975)는 다양한 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도9a에 도시된 바와 같이, 차단 배리어(970)는 그레이팅 커플러(950)와, 수광부(960) 사이에 바 형태로 구현될 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 차단 배리어(973)가 발광부(920), 필터(930), 광도파로(940), 그레이팅 커플러(950)의 외곽 영역을 감싸는 테두리 형태로 구현되거나, 도 9c에 도시된 바와 같이, 차단 배리어(975)가 수광부(960)의 외곽 영역을 감싸는 테두리 형태로 구현될 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)의 기판(1010)은 다양한 형상(shape)으로 구현될 수 있다. <1001>는 광학 센서(210)의 평면도이며, <1002>는 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다.
일 예로, 광학 센서(210)는 도 6에 도시된 직렬 배열 구조와 같이, 기판(1010)의 제1 영역에 제1발광부(1020), 제1 필터(1030), 제1 광도파로(1040) 및 제1 그레이팅 커플러(1050)가 배치되고, 기판(1010)의 제2 영역에 제2 발광부(1025), 제2 필터(1035), 제2 광도파로(1045) 및 제2 그레이팅 커플러(1055)가 배치될 수 있다. 제1 그레이팅 커플러(1050)와 제2 그레이팅 커플러(1055)로부터 방사된 광이 집속되는 위치에 대응하여 수광부(1060)가 베치되며, 수광부(1060) 외곽을 둘러싸는 테두리 형태의 차단 배리어(1070)이 배치될 수 있다. 일 예로 기판(1010)은 10a의 <1001>에 도시된 바와 같이 직사각형 형태의 기판(1010), 도 10b의 <1003> 에 도시된 형태의 기판(1013), 도 10c의 <1004>에 도시된 형태의 기판(1015)로 구현될 수도 있으며, 이외에도 다양한 형상의 기판에 적용될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는 그레이팅 커플러(1150)로부터 방사되는 또는 출력되는 광을 모니터링하는 모니터링부(1180)를 포함할 수 있다. <1101><1103><1105>는 광학 센서(210)의 평면도이며, <1102><1104><1106>은 광학 센서(210)의 측면도를 나타낸다. 일 예로, 광학 센서(210)는 기판(1110) 상에 발광부(1120), 필터(1130), 광도파로(1140), 그레이팅 커플러(1150) 및 수광부(1160)를 배치할 수 있다. 차단 배리어(1170)는 수광부(1160) 외곽을 둘러싸는 테두리 형태로 배치될 수 있다. 그레이팅 커플러(1150)를 통해 z축으로 방사된 광은 기판(1110) 표면으로부터 일정 거리 이격된 광 조사 영역(1115)(또는 측정 검체, 피부)에 도달할 수 있다.
그레이팅 커플러(1150)의 경우, 기판(1110)의 표면상에서 전달되는 광은 광의 각도가 제2 방향으로 변경된 후, 생체 측정 대상(예: 사용자의 신체)에 조사되면서 일부 잔여 광들이 기판(1110) 표면 상에 남아 있을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 모니터링부(1180)는 도 11a에 도시된 바와 같이, 그레이팅 커플러(1150)의 잔여 광을 모니터링하기 위해, 그레이팅 커플러(1150) 출력단와 연결되는 서브 도파로(1191) 및 서브 그레이팅 커플러(1190)를 배치할 수 있다. 서브 그레이팅 커플러(1190) 및 서브 도파로(1191)는 각각의 그레이팅 커플러(1150) 마다 배치하여 각각의 그레이팅 커플러(1150)에서 방사되는 광의 세기와 파장을 모두 모니터링할 수 있다.
일 실시예에 따르면 모니터링부(1180)는 11b에 도시된 바와 같이, 그레이팅 커플러(1150)의 잔여 광을 모니터링하기 위해, 서브 도파로(1191)의 끝단(1195)이 테이퍼(taper) 형태(예: 끝단이 점점 가늘어지는 형태) 갖거나, 특정 각도를 갖는 미러(mirror)로 구현될 수도 있다. 서브 도파로(1191)의 끝단(1195)이 테이퍼 형태를 가짐으로써, 그레이팅 커플러(1150)의 잔여 광이 넓게 퍼지면서 모니터링부(1180)로 광이 입사될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 모니터링부(1185)는 11c에 도시된 바와 같이, 서브 도파로(1191)의 끝단(1197)이 테이퍼 형태를 가지되, 서브 도파로(1191)의 끝단(1197)과 모니터링부(1185)가 인접하여 배치되는edge illuminated 방식으로 구현될 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자 장치에 포함된 광학 센서의 구조 예시를 도시한다.
도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는 도 6에 도시된 직렬 배열 구조로, 기판(1210)의 제1 영역에 제1발광부(1220), 제1 필터(1230), 제1 광도파로(1240) 및 제1 그레이팅 커플러(1250)가 배치되고, 기판(1210)의 제2 영역에 제2 발광부(1225), 제2 필터(1235), 제2 광도파로(1245) 및 제2 그레이팅 커플러(1255)가 배치될 수 있다. 도 12에서, <1201>은 광센서(210)의 평면도를 나타내고, <1202>는 광센서(210)의 측면도를 나타낸다. 이 경우, 제1 영역의 제1 그레이팅 커플러(1250)와 제2 영역의 제2 그레이팅 커플러(1255) 사이에 모니터링부(1280)를 배치시킬 수 있다. 제1 그레이팅 커플러(1250) 및 제2 그레이팅 커플러(1255)를 통해 z축으로 방사된 광은 기판(1210) 표면으로부터 일정 거리 이격된 광 조사 영역(1215)(또는 측정 검체, 피부)에 도달할 수 있다. 모니터링부(1280)는 각각의 그레이팅 커플러(1250)마다 연결된 서브 그레이팅 커플러(1290)를 통해 제1 그레이팅 커플러(1250) 및 제2 그레이팅 커플러(1255)를 통해 방사된 광(예: 잔여 광)을 모두 모니터링할 수 있다. 광학 센서(210)는 제1 그레이팅 커플러(1250)와 제2 그레이팅 커플러(1255)로부터 방사된 광이 집속되는 위치에 대응하여 수광부(1260) 및 수광부 외곽을 둘러싸는 테두리 형태의 차단 배리어(1270)이 배치될 수 있다. 여기서, 1215는 생체 측정 대상(예를 들어, 사용자의 신체)을 의미한다.
도 13a 내지 도 13c는 일 실시예에 따른 광학 센서에 포함되는 렌즈 구조 예시를 도시한다
도 13a 내지 도 13c는 일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(210)는 그레이팅 커플러(예: 도 3a의 그레이팅 커플러(350), 도 5의 그레이팅 커플러(550), 도 6의 제1그레이팅 커플러(650) 및 제2 그레이팅 커플러(655), 도 7a의 그레이팅 커플러(750), 도 8a의 그레이팅 커플러(850), 도 9a 내지 도 9c의 그레이팅 커플러(950), 도 10a 내지 도 10c의 제1그레이팅 커플러(1050) 및 제2 그레이팅 커플러(1055), 도 11a내지 도 11c의 그레이팅 커플러(1150), 도 12의 제1그레이팅 커플러(1250) 및 제2 그레이팅 커플러(1255))를 통해 다양한 위치에서 방사된 광들을 하나의 원 포인트로 집속하기 위한 렌즈 구조물(1310)을 포함할 수도 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 도 13a 내지 도 13c에서는 광학 센서(210)의 발광부, 필터, 광도파로 및 그레이팅 커플러가 생략된 도면일 수 있다.
렌즈 구조물(1310)은 광학 센서(210)와 별도의 구성으로 배치될 수도 있다.
렌즈 구조물(1310)은 복수의 곡률들을 가지며 렌즈를 통해 집광 뿐만 아니라 출력 모니터링 가능한 구조로 설계될 수 있다. 일 예로, 도 13a의 <1301>에 도시된 바와 같이, 렌즈구조물(1310)은 중앙에 제1 곡률(1310a)를 가지는 제1 영역과, 외곽에 제2 곡률(1310b)를 가지는 제2 영역을 포함할 수 있다. 제2 곡률(1310b)을 가지는 제2 영역을 통해 발광된 광은 생체 측정 검체(예: 사용자 신체(1315))로 집광되고, 제1 곡률(1310a)을 가지는 제1 영역을 통해 광 조사 영역(1315)(예: 측정 검체,피부)에서 적어도 일부 반사 또는 산란된 광 L은 수광부(1320)로 집광될 수 있다. 이때, 렌즈구조물(1310)은 발광된 광과 수광된 광을 서로 차단하는 차단벽(1333)이 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치될 수 있다.
렌즈 구조물(1310)은 그레이팅 커플러 또는 발광부로부터 발광된 광의 일부를 DOE(diffractive optical element)(1335)를 이용해서 광 조사 영역(1315)(예: 측정 검체, 피부) 방향쪽으로 산란시킬 수 있으며, 산란된 광 L1은 위쪽의 반사면(1330)에서 아래로 반사하여 모니터링부(1350)를 통해 모니터링 하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에 따르면 렌즈 구조물(1310)는 도 13b의 <1302>구조 또는 도 13c의 <1303>구조와 같이 DOE(diffractive optical element)(1335) 없이 반사면(1330)을 가지도록 설계될 수도 있으며, 이는 예시일 뿐 다른 구조로의 설계가 가능할 수 있다.
도 14a 내지 도 14c는 일 실시예에 따른 광학 센서에 포함되는 렌즈 구조 예시를 도시한다.
도 14a 내지 도 14c를 참조하면, 일 실시예에 따르면, 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101))에 포함된 생체 센서 또는 광학 센서(예: 도 2의 광학 센서(210))(1400)는 수직 방향으로 광을 방사하는 형태의 광원(1410,1415)(예: VCSEL, vertical cavity surface emitting laser)의 발광부(1431)(예: 도 2의 발광부(211))와 렌즈 구조물(1440,1450)의 조합으로 구성될 수도 있다. 도 14a 내지 도 14c예시에서는 그레이팅 커플러가 생략될 수 있다. <1401><1403>은 광학 센서(210)의 평면도이고, <1402><1404>은 광학 센서(210)의 측면도이다.
일 예를 들어, 복수의 VCSEL광원들(1410,1415)을 포함하는 발광부는 도 14a에 도시된 바와 같이, 하나의 수광부(1420)를 둘러 싼 형태로 배열되거나, 도 14b에 도시된 바와 같이, 복수의 수광부들(1420,1425)이 배치될 수 있다. 경우에 따라 광원들(1410,1415)과 수광부(1420, 1425)들 사이에 차단 배리어(미도시)를 배치할 수도 있다. 다양한 위치에서 수직 방향으로 방사되는 광(1431)들은 광 조사 영역(1430)(예: 측정 검체,피부)에 의해 반사되고, 반사광(1432)은 수광부(1420, 1425)에 의해 집광될 수 있다. 여기서, 1430은 생체 측정 대상(예를 들어, 사용자의 신체)을 나타내고, 1432는 생체 측정 대상(1430)에서 반사된 광선을 나타낸다.
도 14c에 도시된 바와 같이, 광학 센서(1400)는 다양한 위치에서 수직 방향으로 방사되는 광들을 제1 렌즈(1430)를 통해 모으고, 제2 렌즈(1440)를 통해 하나의 포인트로 집광되는 렌즈 구조물와 결합하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 렌즈(1430)는 micro lens array를 포함하고, 제2 렌즈(1440)는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 렌즈 구조물를 포함할 수 있으나 이는 예시일 뿐이며, 다른 렌즈 형태의 적용이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학 센서(210)는 기판(예: 도 3a 및 도 3b의 기판(310), 도 4a, 도 4b 및 도4c의 기판(410), 도 5의 기판(510), 도 6의 기판(610), 도 7a의 기판(710), 도 8a의 기판(810), 도 9a, 도 9b 및 도9c의 기판(910), 도 10a, 도 10b및 도10c의 기판(1010), 도 11a, 도 11b및 도11c의 기판(1110), 도 12의 기판(1210)) 상에 배치되며, 서로 다른 파장대의 광들을 발광하는 광원들을 포함하는 발광부(예: 도2의 발광부(211), 도 3a 및 도 3b의 발광부(320), 도 4a의 발광부(420), 도 5의 발광부(520), 도 6의 발광부(620,625), 도 7a의 발광부(720), 도 8a의 발광부(820), 도 9a, 도 9b 및 도9c의 발광부(920), 도 10a, 도 10b 및 도10c의 발광부(1020,1025), 도 11a, 도 11b및 도11c의 발광부(1120), 도 12의 발광부(1220,1225), 도 14a의 광원들(1410,1415))를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학 센서(210)는 상기 발광부를 통해 발광된 광을 기판 표면과 평행하는 제1 방향으로 전달하는 제1 광도파로들(예: 도 3a 및 도 3b의 광도파로(340), 도 4a의 광도파로(440), 도 5의 광도파로(540), 도6의 광도파로(640,645), 도 7a의 광도파로(740), 도 8a의 광도파로(840), 도 9a, 도 9b및 도9c의 광도파로(940), 도 10a, 도 10b 및 도 10c의 광도파로(1040,1045), 도 11a, 도 11b및 도 11c의 광도파로(1140), 도 12의 광도파로(1240,1245), 도 14a의 광원들(1410,1415))을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학 센서(210)는 상기 제1 광도파들로부터 전달된 광을 상기 제1 방향과 실실적으로 직교하는 제2 방향으로 방출하도록 광각도를 변경하는 광집속 변경 부재(예: 도 2의 광집속 변경 부재(213), 도 3a의 그레이팅 커플러(350), 도 4a, 도 4b 및 도 4c 의 그레이팅 커플러(450), 도 5의 그레이팅 커플러(550), 도 6의 제1그레이팅 커플러(650) 및 제2 그레이팅 커플러(655), 도 7a 및 도 7b의 그레이팅 커플러(750), 도 8a 및 도 8b의 그레이팅 커플러(850), 도 9a 내지 도 9c의 그레이팅 커플러(950), 도 10a, 도 10b 및 도 10c의 제1그레이팅 커플러(1050) 및 제2 그레이팅 커플러(1055), 도 11a, 도 11b 및 도 11c의 그레이팅 커플러(1150), 도 12의 제1그레이팅 커플러(1250,1255) 및 제2 그레이팅 커플러(1255))를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 광학 센서(210)의 광집속 변경 부재(213)는, 상기 제1 광도파로들로부터 서로 다른 위치에서 전달되는 광들을 원 포인트로 집속시키는 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 광원들은 레이저 다이오드(laser diode) 또는 발광 다이오드(light emitting diode)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 발광부는 상기 광원들이 레이저 다이오드(laser diode)인 경우, 특정 파장대의 광만을 필터링하는 필터들(도 3a 및 도 3b의 필터(320), 도 4a의 필터(430), 도 5의 필터(530), 도 6의 필터(630,6235), 도 7a의 필터(730), 도 8a의 필터(830), 도 9a, 도 9b 및 도 9c의 필터(930), 도 10a, 도 10b 및 도10c의 필터(1030,1035), 도 11a, 도 11b 및 도11c의 필터(1130), 도 12의 필터 (1230,1235))을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 광집속 변경 부재는 복수의 그레이팅 커플러들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 광집속 변경 부재는 그레이팅 커플러, 렌즈, 슬릿 또는 미러 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제2 방향으로 일정 각도의 방사각으로 방사하도록 설계된 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 복수의 그레이팅 커플러들은 제1 경로를 통해 전달되는 제1 광과 제2 경로를 통해 전달되는 제2 광의 방사각을 변경하는 격자 구조로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 복수의 그레이팅 커플러들은 막대 형태의 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 복수의 그레이팅 커플러들은 병렬 행렬로 일정 이격되나, 어느 하나의 그레이팅 커플러의 길이 방향 끝단이 다른 하나의 그레이팅 커플러의 길이 방향 앞단과 서로 교차되도록 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 기판은 PCB (printed circuit board) 기판 또는 PIC(photonic integrated circuit) 기판을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 복수의 그레이팅 커플러들을 통해 상기 제2 방향으로 일정 각도의 방사각으로 방출된 광을 상기 원 포인트로 집광시키도록 설계된 렌즈 구조물(예: 도 13a 내지 도 13c의 렌즈 구조물(1310))을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(101)는 광학 센서(210)을 포함할 수 있다.
본 문서의 일 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 개시에 사용된 "실질적으로 직교/수직"은 언급된 값을 포함하며 특정양의 측정과 관련된 오류 및 불확실한 측정을 고려하여 당업자가 결정한 특정 값에 대한 허용 가능한 편차 범위 내의 것을 의미합니다(예: 측정 시스템의 한계). 예를 들어, "실질적으로 수직"은 하나 이상의 표준 편차 이내, 또는 직각의 ± 10° 또는 5° 이내를 의미할 수 있습니다.
본 문서의 일 실시예들에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 일 실시예들은 기기(machine)(예: 전자 장치(101)) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리(136) 또는 외장 메모리(138))에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램(140))로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기(예: 전자 장치(101))의 프로세서(예: 프로세서(120))는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 본 문서에 개시된 일 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들(예: 스마트 폰들) 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체들을 포함할 수 있으며, 복수의 개체들 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 일 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 일 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 광학 센서에 있어서,
    기판 상에 배치되며, 서로 다른 파장대의 광들을 발광하는 광원들을 포함하는 발광부;
    상기 발광부를 통해 발광된 광을 기판 표면에 평행하는 제1 방향으로 전달하는 제1 광도파로들; 및
    상기 제1 광도파들로부터 전달된 광을 상기 제1 방향과 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 방출하도록 광각도를 변경하는 광집속 변경 부재를 포함하며,
    상기 광집속 변경 부재는, 상기 제1 광도파로들로부터 서로 다른 위치에서 전달되는 광들을 원 포인트로 집속시키는 구조인 것을 특징으로 하는 광학 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원들은 레이저 다이오드(laser diode) 또는 발광 다이오드(light emitting diode)를 포함하는 광학 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 광원들이 레이저 다이오드(laser diode)인 경우, 특정 파장대의 광만을 필터링하는 필터들을 더 포함하는 광학 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광집속 변경 부재는 복수의 그레이팅 커플러들을 포함하는 광학 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광집속 변경 부재는
    그레이팅 커플러, 렌즈, 슬릿 또는 미러 중 적어도 하나를 포함하는 구조를 가지며, 상기 제2 방향으로 일정 각도의 방사각으로 방사하도록 설계된 것을 특징으로 하는 광학 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 그레이팅 커플러들은 제1 경로를 통해 전달되는 제1 광과 제2 경로를 통해 전달되는 제2 광의 방사각을 변경하는 격자 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 그레이팅 커플러들은 막대 형태의 구조물들을 포함하는 것을특징으로 하는 광학 센서.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 그레이팅 커플러들은 병렬 행렬로 일정 거리 이격되나, 상기복수의 그레이팅 커플러들 중 어느 하나의 그레이팅 커플러의 길이 방향 끝단이 복수의 그레이팅 커플러들 중 다른 하나의 그레이팅 커플러의 길이 방향 앞단과 서로 교차되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 PCB (printed circuit board) 기판 또는 PIC(photonic integrated circuit) 기판을 포함하는 광학 센서.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 그레이팅 커플러들을 통해 상기 제2 방향으로 일정 각도의 방사각으로 방출된 광을 상기 원 포인트로 집광시키도록 설계된 렌즈 구조물을 더 포함하는 광학 센서.
  11. 광학 센서를 포함하는 전자 장치에 있어서,
    기판 상에 배치되며, 서로 다른 파장대의 광들을 발광하는 광원들을 포함하는 발광부;
    상기 발광부를 통해 발광된 광을 기판 표면에 평행하는 제1 방향으로 전달하는 제1 광도파로들; 및
    상기 제1 광도파들로부터 전달된 광을 상기 제1 방향과 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 방출하도록 광각도를 변경하는 광집속 변경 부재를 포함하는 광학 센서를 포함하는 전자 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광집속 변경 부재는, 서로 다른 위치에서 발광되는 광들을 원 포인트로 집속시키는 구조인 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광원들은 레이저 다이오드(laser diode), 발광 다이오드(light emitting diode)를 포함하는 전자 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 광원들이 레이저 다이오드(laser diode)인 경우, 특정 파장대의 광만을 필터링하는 필터들을 더 포함하는 전자 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 광집속 변경 부재는 복수의 그레이팅 커플러들을 포함하는 전자 장치.
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