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PixelStack ​

compass.geometry.pixel_stack.PixelStack은 BSI 픽셀 구조(BSI pixel structure)의 솔버 비의존적(solver-agnostic) 표현입니다. YAML 설정으로부터 전체 3D 픽셀을 구성하며, RCWA(레이어 슬라이스)와 FDTD(복셀 그리드) 두 가지 형식으로 출력을 제공합니다.

인터랙티브 BSI 픽셀 스택 단면

스택 다이어그램에서 레이어를 선택하면 해당 재료 특성과 픽셀 스택에서의 역할을 확인할 수 있습니다.

입사광공기(반무한)마이크로렌즈0.4 - 0.8 um평탄화층0.3 - 1.0 um컬러 필터0.4 - 0.8 umBARL0.05 - 0.12 umDTIDTI실리콘2.0 - 4.0 um기판 / 금속(반무한)
스택 다이어그램에서 레이어를 선택하면 속성을 확인할 수 있습니다.

생성자 ​

python
class PixelStack:
    def __init__(self, config: dict, material_db: Optional[MaterialDB] = None):

매개변수:

  • config -- 설정 딕셔너리. "pixel" 키를 포함하거나, 픽셀 설정 자체여야 합니다.
  • material_db -- MaterialDB 인스턴스. None인 경우 자동으로 생성됩니다.

예제:

python
from compass.materials.database import MaterialDB
from compass.geometry.pixel_stack import PixelStack

db = MaterialDB()
config = {
    "pixel": {
        "pitch": 1.0,
        "unit_cell": [2, 2],
        "layers": {
            "silicon": {"thickness": 3.0, "material": "silicon"},
            "color_filter": {
                "red": {"material": "cf_red", "thickness": 0.62},
                "green": {"material": "cf_green", "thickness": 0.60},
                "blue": {"material": "cf_blue", "thickness": 0.65},
            },
        },
    }
}
stack = PixelStack(config, db)

속성(Properties) ​

domain_size -> Tuple[float, float] ​

시뮬레이션 도메인 크기 (Lx, Ly)를 um 단위로 반환합니다. (pitch * unit_cell[1], pitch * unit_cell[0])과 동일합니다.

total_height -> float ​

실리콘 하단부터 에어 레이어 상단까지의 전체 스택 높이를 um 단위로 반환합니다.

z_range -> Tuple[float, float] ​

스택의 (z_min, z_max). 실리콘 하단에서 z_min = 0.0입니다.

어트리뷰트 ​

어트리뷰트타입설명
pitchfloat픽셀 피치 (um)
unit_cellTuple[int, int]유닛 셀 내 (행, 열)
material_dbMaterialDB재료 데이터베이스 인스턴스
layersList[Layer]정렬된 레이어 목록 (하단에서 상단 순)
microlensesList[MicrolensSpec]각 픽셀의 마이크로렌즈 사양
photodiodesList[PhotodiodeSpec]각 픽셀의 포토다이오드 사양
bayer_mapList[List[str]]컬러 할당 매트릭스

메서드 ​

get_layer_slices ​

python
def get_layer_slices(
    self,
    wavelength: float,
    nx: int = 128,
    ny: int = 128,
    n_lens_slices: int = 30,
) -> List[LayerSlice]:

RCWA 솔버를 위한 z축 방향 레이어 분해(layer decomposition)를 생성합니다. 각 LayerSlice는 (ny, nx) 형상의 2D 복소 유전율 그리드(permittivity grid) eps_grid를 포함합니다.

매개변수:

  • wavelength -- 유전율 계산을 위한 파장 (um 단위).
  • nx, ny -- x, y 방향 공간 그리드 해상도.
  • n_lens_slices -- 곡면 마이크로렌즈 근사를 위한 계단식 슬라이스 수.

반환값: 하단(z_min)에서 상단(z_max)까지 정렬된 LayerSlice 객체 리스트.

동작 원리:

  • 균일 레이어(에어, 평탄화층, BARL)는 일정한 유전율을 가진 단일 슬라이스를 생성합니다.
  • 컬러 필터 레이어는 베이어 패턴(Bayer pattern)으로 배열된 재료와 선택적 금속 그리드를 포함하는 패턴 슬라이스를 생성합니다.
  • 실리콘 레이어는 선택적 DTI 트렌치(trench)를 포함합니다.
  • 마이크로렌즈 레이어는 n_lens_slices개의 계단식 슬라이스로 이산화됩니다.

get_permittivity_grid ​

python
def get_permittivity_grid(
    self,
    wavelength: float,
    nx: int = 64,
    ny: int = 64,
    nz: int = 128,
) -> np.ndarray:

FDTD 솔버를 위한 3D 복소 유전율 배열을 생성합니다.

매개변수:

  • wavelength -- 파장 (um 단위).
  • nx, ny, nz -- 3D 그리드 해상도.

반환값: (ny, nx, nz) 형상의 복소 배열.

get_photodiode_mask ​

python
def get_photodiode_mask(
    self,
    nx: int = 64,
    ny: int = 64,
    nz: int = 128,
) -> Tuple[np.ndarray, Dict[str, np.ndarray]]:

포토다이오드(photodiode) 영역에 대한 3D 부울 마스크를 생성합니다.

반환값: (full_mask, per_pixel_masks) 튜플. per_pixel_masks는 픽셀 이름을 개별 3D 마스크에 매핑합니다.

레이어 구축 순서 ​

PixelStack은 하단에서 상단으로 레이어를 구축하며, 실리콘 하단에서 z=0입니다:

  1. 실리콘(Silicon) (z=0 ~ z=thickness_si)
  2. BARL 레이어 (얇은 유전체 스택)
  3. 컬러 필터(Color filter) (베이어 패턴 + 금속 그리드로 패터닝)
  4. 평탄화층(Planarization) (균일 유전체)
  5. 마이크로렌즈(Microlens) (곡면, 계단식으로 근사)
  6. 에어(Air) (최상위 레이어)

마이크로렌즈 계단 근사

슬라이스 수와 렌즈 사각도를 조절하여 계단 근사가 어떻게 변하는지 확인하세요.

렌즈 높이:0.600 um
슬라이스 수:20
슬라이스 두께:0.0300 um
추정 면적 오차:2.33%
평탄화층hRzx매끄러운 프로파일계단 근사오차 영역

인터랙티브 픽셀 스택 빌더

BSI 픽셀 단면의 각 층 두께를 조정하세요. 패턴 레이어는 z envelope와 실제 마이크로렌즈, 컬러 필터, grid, DTI 재료 영역을 분리해서 표시합니다.

전체 스택 높이:4.58 um
0.01.02.03.04.0마이크로렌즈0.60 umn=1.00 / 1.56평탄화층0.30 umn=1.46컬러 필터0.60 umn=1.46 / 1.55n=1.8실리콘3.00 umn=3.5DTI

데이터 타입 ​

Layer ​

python
@dataclass
class Layer:
    name: str               # "silicon", "color_filter", "microlens" 등
    z_start: float          # 하단 z 좌표 (um)
    z_end: float            # 상단 z 좌표 (um)
    thickness: float        # 레이어 두께 (um)
    base_material: str      # 재료 이름
    is_patterned: bool      # 레이어에 수평 패턴이 있는지 여부

LayerSlice ​

python
@dataclass
class LayerSlice:
    z_start: float          # 하단 z 좌표
    z_end: float            # 상단 z 좌표
    thickness: float        # 슬라이스 두께
    eps_grid: np.ndarray    # 2D 복소 유전율 (ny, nx)
    name: str               # 슬라이스 식별자
    material: str           # 기본 재료 이름

MicrolensSpec ​

python
@dataclass
class MicrolensSpec:
    height: float           # 렌즈 높이 (um)
    radius_x: float         # x 방향 반축 (um)
    radius_y: float         # y 방향 반축 (um)
    material: str           # 렌즈 재료 이름
    profile_type: str       # "superellipse" 또는 "spherical"
    n_param: float          # 사각도 매개변수
    alpha_param: float      # 곡률 매개변수
    shift_x: float          # CRA x 오프셋 (um)
    shift_y: float          # CRA y 오프셋 (um)

PhotodiodeSpec ​

python
@dataclass
class PhotodiodeSpec:
    position: Tuple[float, float, float]  # (x, y, z) 오프셋 (um)
    size: Tuple[float, float, float]      # (dx, dy, dz) (um)
    pixel_index: Tuple[int, int]          # 유닛 셀 내 (행, 열)
    color: str                             # "R", "G", 또는 "B"