CN102257410A

CN102257410A - 光学元件、包含光学元件的图像传感器和包含图像传感器的图像拾取装置

Info

Publication number: CN102257410A
Application number: CN200980151440.4A
Authority: CN
Inventors: 饭田洋一郎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: JP2010170085A; US8847345B2; EP2324378B1; US20110128405A1; JP5538813B2; EP2324378A1; CN102257410B; WO2010073543A1

Abstract

光学元件(501)包含具有不同特性的多个滤光器。所述元件包括第一滤光器(505)和第二滤光器(506)，第一滤光器(505)包括第一金属结构组(503)，第一金属结构组(503)包括在基板(502)表面的面内方向上周期性布置的第一金属结构，第二滤光器(506)包括第二金属结构组(504)，第二金属结构组(504)包括在所述面内方向上周期性布置的第二金属结构，第二金属结构组展示出与第一金属结构组的等离子体激元谐振条件不同的等离子体激元谐振条件。彼此相邻的第一金属结构之间的光学距离(507)在彼此相邻的第二金属结构之间的光学距离(507)的0.75倍至1.25倍的范围中。

Description

光学元件、包含光学元件的图像传感器和包含图像传感器的图像拾取装置

技术领域

本发明涉及利用等离子体激元谐振(plasmon resonance)现象的光学元件。

背景技术

迄今为止使用的成像器件的滤色器(color filter)一般利用着色剂(colorant)的吸收性能。但是，这种使用着色剂的滤色器必须是厚的以实现足够的吸收，并且，着色剂的颜色随着时间的过去而褪色。

另一方面，随着像素数量的增加，诸如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的成像器件的像素变得更小。在这样的情况下，由于由图像传感器的检测器单元捕获的光量减少，因此希望微透镜、滤色器、布线等的厚度小，以捕获足够的光量。并且，由于图像传感器还捕获斜入射光，因此，希望有对于斜入射光不明显变化的滤色器特性。

在这样的情形下，正在研究利用等离子体激元谐振现象的滤色器。等离子体激元是限制于金属表面并被诸如光的外部电场激发的自由电子的集体振荡。由于电子带电，因此电子的振荡导致由自由电子的密度分布所造成的极化。这种极化与电磁场的耦合被称为“等离子体激元谐振”。当光入射在金属粒子或金属结构上时，观察到散射或吸收在特定的波长带中增加的谐振现象。该现象是局域表面等离子体激元谐振(以下简称为“等离子体激元谐振”)，并且，吸收光谱(spectrum)表现出最大峰值的波长被称为“等离子体激元谐振波长”。

当光透过金属粒子或金属结构时，透射率在出现等离子体激元谐振的波长带中降低，并且，依赖于波长而出现光的选择性透射。因此，这可被用于形成滤色器。由于等离子体激元谐振现象还在薄金属结构上出现，因此它可能有助于图像传感器的厚度减小。

美国专利No.5973316公开了通过在金属薄膜中周期性布置比入射光的波长小的开口(aperture)所形成的阵列。开口的周期和开口的尺寸与激发的等离子体激元匹配，以增大特定的波长带中的透射率。

Nature Photonics(2008)2，161-164教导了包含银膜中形成的同心沟槽所构成的周期性结构并在同心圆的中心处具有开口的结构，并且描述了该结构展示出这样的滤色器特性：根据该滤色器特性，红色、绿色和蓝色透射光的强度增大。

根据美国专利No.5973316中公开的开口阵列，用作光阻挡部分的金属相对于开口的百分比大，因此，透射率至多仅为约5％至6％。开口阵列由此不具有足以用于滤色器应用的灵敏度。

根据Nature Photonics(2008)2，161-164中公开的在银膜中加入周期性结构的滤色器，光透过同心沟槽的中心处的开口，由此在当前技术下不能期望足够的透射率。并且，在这样的情况下，滤色器特性要求有足以确保金属结构的周期性的大的区域。因此，由于必须在像素内设置金属结构并且一个像素的尺寸变得越来越小，所以不可确保金属结构的足够的周期性，并且，滤色器特性可劣化。并且，这些文献没有关注于改善包含具有不同特性的多个滤色器的光学元件的总体特性。

引用列表

专利文献

PTL1：美国专利No.5973316

非专利文献

NPL1：Nature Photonics(2008)2，161-164

发明内容

本发明提供即使像素的尺寸变得更小也展示出足够的滤色器特性并且可用作薄的滤色器的光学元件。

本发明的一个方面提供一种包含具有不同特性的多个滤光器(optical filter)的光学元件。所述光学元件包括：第一滤光器，所述第一滤光器包括第一金属结构组，所述第一金属结构组包括在基板表面的面内方向上周期性布置的第一金属结构；以及第二滤光器，所述第二滤光器包括第二金属结构组，所述第二金属结构组包括在所述面内方向上周期性布置的第二金属结构，第二金属结构组展示出与第一金属结构组的等离子体激元谐振条件不同的等离子体激元谐振条件。彼此相邻的第一金属结构之间的光学距离在彼此相邻的第二金属结构之间的光学距离的0.75倍至1.25倍的范围中。

本发明的其它方面包括图像传感器和图像拾取装置。本发明的一个方面提供一种被配置为根据光谱特性来检测光的图像传感器，所述图像传感器包括：光学元件，所述光学元件被配置为基于波长来选择性透射光；以及光电转换层，已透过光学元件的光进入所述光电转换层。上述的光学元件被用作图像传感器的光学元件。

本发明的另一方面提供一种被配置为获得图像信息的图像拾取装置，所述图像拾取装置包括会聚光学系统(condenser optical system)、图像传感器、以及信号处理器件。上述的图像传感器被用作图像拾取装置的图像传感器。

由于使得分别构成具有不同特性的多个滤光器的金属结构组的金属结构之间的光学距离基本上均一，因此透射光谱具有平滑的轮廓和相对尖锐的峰特性。因此，可以提供对于特定的波长区域表现出高对比度过滤效果的光学元件。

并且，本发明的光学元件利用等离子体激元谐振现象，并且，可以使用薄金属结构来形成光学元件。因此，可以提供与像素的尺寸减小兼容的薄的滤色器、图像传感器、图像拾取装置等。

附图说明

图1包含部分(A)和(B)，其是示出本发明的滤光器的结构的示意图。

图2是示出滤光器的透射光谱的一个例子的曲线图。

图3是示出包含具有不同布置周期的滤光器的光学元件的示意图。

图4是示出图3所示的滤光器的透射光谱的曲线图。

图5是示出本发明的光学元件的结构的示意图。

图6A是示出本发明的金属结构的形状的示意图。

图6B是示出本发明的金属结构的形状的示意图。

图6C是示出本发明的金属结构的形状的示意图。

图6D是示出本发明的金属结构的形状的示意图。

图6E是示出本发明的金属结构的形状的示意图。

图7A是示出本发明的金属结构的布置的示意图。

图7B是示出本发明的金属结构的布置的示意图。

图8A是示出本发明的滤光器的布置的示意图。

图8B是示出本发明的滤光器的布置的示意图。

图8C是示出本发明的滤光器的布置的示意图。

图8D是示出本发明的滤光器的布置的示意图。

图9是示出本发明的图像传感器的结构的示意图。

图10是示出本发明的图像拾取装置的结构的示意图。

图11A是例子1的光学元件的示意图。

图12是示出例子1的光学元件的透射光谱的曲线图。

图13A是例子2的光学元件的示意图。

图13B是例子2的光学元件的示意图。

图14是示出例子2的光学元件的透射光谱的曲线图。

图15是示出相对于滤光器的入射角的示意图。

图16是示出对于入射角具有依赖性的滤光器的透射光谱的曲线图。

图17是示出本发明的滤光器的透射光谱的曲线图。

图18是示出例子3的滤光器的透射光谱的曲线图。

具体实施方式

现在将描述本发明的实施例。首先描述在实现本发明的光学元件时所研究的事项。

图1包含部分(A)和(B)，其是示出可用于本发明的光学元件中的滤光器的结构的示意图。图1部分(A)是沿图1部分(B)中的线I-I获取的滤光器101的横截面图，并且图1部分(B)是滤光器101的顶视图。

图1所示的滤光器101的金属结构102在基板103的表面的面内方向上以光学距离105相互等距隔开的同时被布置成正方形格子(grid)。金属结构102被覆盖层104覆盖。

首先，描述根据本发明的金属结构组的光学距离。

本发明的金属结构在基板表面的面内方向上被二维和周期性布置。在本发明中，“金属结构组的光学距离”指的是周期性布置的金属结构中的任一个的中心和相邻金属结构的中心之间的距离与周围材料对于所使用的光的波长的折射率的积。换句话说，光学距离是相邻金属结构之间的距离(周期)与位于金属结构之间的介质的折射率的积。

介质的折射率n由下式(1)表示，这里c是真空中的光的速度，并且，v是通过介质的光的速度。

n＝c/v (式1)

换句话说，假定光在具有折射率n的介质中行进了距离d，那么n×d是光学距离，并且，在本发明的描述中，d与布置金属结构的周期对应。

即，在本发明中，通过考虑在金属结构周围的介质(基板、覆盖层等)的折射率，改善包含具有不同特性的多个滤光器的光学元件的总体特性。

由于布置金属结构的图案不限于一个，因此在本发明中短语“光学距离相等”或与其类似的短语的意思是：当考虑到位于相邻金属结构之间的介质(电介质材料等)时，金属结构在基板表面的面内方向上相互等距隔开。

当设置两个或更多个金属结构组并且位于金属结构之间的介质在各组之间相同时，布置金属结构的周期与光学距离对应。

图2是示出滤光器101的透射光谱的数值计算结果的曲线图。出于计算的目的，假定金属结构102由铝构成，并且被无限地布置于基板103上。

图2所示的透射光谱示出550nm的波长附近的透射率变化，但是，透射率朝着约640nm的中心波长平滑地减小。如果可在形成滤色器时利用这种透射率的减小，那么可以形成透射型补色滤色器或反射型原色滤色器。

接下来，参照图3和图4描述包含具有不同特性并且被布置成拜耳(Bayer)图案的三种类型的滤光器的光学元件的透射光谱(数值计算)。

图3是示出包含布置成拜耳图案的三种类型的滤光器302、303、304和305的光学元件301的示意图。滤光器303和304由以相同距离周期性布置的相同形状和尺寸的金属结构构成；由此，当单独地使用滤光器303和304时，它们的透射光谱是同样的。

滤光器302包含金属结构308。滤光器303和304包含金属结构311。滤光器305包含金属结构314。

金属结构308、311和314分别具有90nm、120nm和150nm的正方形形状，并且均具有90nm的厚度。金属结构308被布置成正方形格子，并且，方向307上的金属结构308之间的距离309和方向306上的金属结构308之间的距离310各为250nm(250nm的周期)。金属结构311被布置成正方形格子，并且，方向307上的金属结构311之间的距离312和方向306上的金属结构311之间的距离313各为300nm(300nm的周期)。金属结构314被布置成正方形格子，并且，方向307上的金属结构314之间的距离315和方向306上的金属结构314之间的距离316各为380nm(380nm的周期)。

滤光器304和305之间的边界处的金属结构之间的中心到中心距离317在方向307上为340nm。该距离与滤光器304和305中的金属结构之间的距离不同。

然后，通过假定滤光器被布置成正方形格子而滤光器302、303、304和305构成一个结构单元，实施对于光学元件301的数值计算。

图4是示出这样获得的光学元件301的透射光谱的计算结果的曲线图。该曲线图示出滤光器302、303、305和305的透射光谱的峰轮廓(peak profile)不平滑，并且一些峰被分裂。并且，峰相对宽且浅。滤光器303和304的透射光谱的峰的位置和轮廓不同，尽管其中的金属结构具有相同尺寸并且以相同距离被周期性布置。

发明人相信，存在给出上述的透射光谱的几种因素。

第一因素是滤光器的中心部分和周边部分(即，相邻滤光器之间的边界区域)之间的等离子体激元谐振条件的不同。当布置不同类型的滤光器(这里，在相邻金属结构之间具有不同的中心到中心距离的金属结构组)时，滤光器的周边部分中的金属结构被布置为与由以不同的中心到中心距离布置的金属结构构成的金属结构组相邻。结果，等离子体激元谐振条件在滤光器的中心部分和周边部分之间不同。于是，出现谐振相位的偏移并且谐振程度降低。

假定透射光谱中的峰作为结果而变浅，即，透射率下降可变得缓和(moderate)，并且得到的滤色器可展示出低的对比度。

当不同类型的滤光器被布置为彼此相邻时，周边部分中的等离子体激元谐振条件可不同，并且，透射光谱中的峰位置也可不同。

下一因素是依赖于滤光器中的周期性布置的金属结构组的光学距离的衍射。

当具有不同光学距离的滤光器彼此相邻时，清楚地出现滤光器之间的边界。当滤光器的尺寸相同时，可以限定布置滤光器的周期，并且，出现由这种周期产生的衍射。

可推测地，这导致峰的分裂和不平滑的峰轮廓。

换句话说，如果通过仅仅布置被独立地最优化的滤光器来构成光学元件，那么将出现上述的现象，并且不容易实现希望的光谱轮廓。为了使得这些过滤器可应用于图像传感器等的滤色器，希望有进一步的改善。

本发明的发明人已考虑以上提及的点而进行了广泛的研究，并且提出了本发明。

图5是示出本发明的光学元件501的顶视图(示意图)。

光学元件501包含基板502、在基板502的表面的面内方向上布置的第一金属结构503(构成第一金属结构组)、以及第二金属结构504(构成第二金属结构组)。两个金属结构组被布置于基板上。

构成滤光器505的第一金属结构503通过相互等距隔开光学距离507而被周期性布置。构成滤光器506的第二金属结构504也通过相互等距隔开光学距离507而被周期性布置。

因而，当金属结构组的光学距离被调整为在构成光学元件的滤光器之间相同并且滤光器被周期性布置时，滤光器的中心部分和周边部分之间的等离子体激元谐振条件的不同变得较小。

另外，当使得滤光器505和506之间的边界处的金属结构之间的中心到中心距离508等于滤光器505和506的金属结构组的光学距离507时，滤光器之间的边界不再清楚。

因此，不容易出现由滤光器的周期导致的衍射，并且使得抑制将不同特性的滤光器放置为彼此邻接的不利影响的设计成为可能。

虽然这里描述了布置两种类型的滤光器的例子，但是，可以组合三种或更多种滤光器。例如，可以在抑制来自相邻滤光器的不利影响的同时，设计另外包含第三金属结构的光学元件。

接下来，描述根据本发明的金属结构组的光学距离和等离子体激元谐振的相位。为了使滤光器的透射光谱的峰尖锐化(sharpen)，可以使滤光器中的各自金属结构的等离子体激元谐振的相位匹配。

如果金属结构组的光学距离相同，那么等离子体激元谐振相位匹配。但是，如果距离不相同，那么等离子体激元谐振相位不匹配。

关于滤光器内的金属结构，当金属结构组的光学距离偏移光学距离的1/2时，等离子体激元谐振相位变得相反并且相位相互抵消。因此，来自该金属结构附近的透射光保持不受等离子体激元谐振影响。结果，透射光谱的峰变浅。

当不同的滤光器位置彼此相邻并且滤光器的金属结构组的光学距离偏移光学距离的1/2时，等离子体激元谐振相位变得相反并且相位相互抵消。因此，来自该金属结构附近的透射光保持不受等离子体激元谐振影响。特别地，滤光器之间的边界区域中的金属结构处于与滤光器的中心部分处不同的等离子体激元谐振条件下。因此，即使在一个滤光器内，也出现等离子体激元谐振相位偏移。在滤光器之间，如果金属结构组的光学距离(相邻金属结构之间的光学距离)的偏移被抑制到光学距离的1/4或更小、即光学距离的±25％或更小，那么可以抑制等离子体激元谐振相位的偏移。

换句话说，当使用具有相互不同的特性的第一滤光器和第二滤光器时，构成第二过滤器的第二金属结构组的光学距离应被调整到构成第一过滤器的第一金属结构组的光学距离的0.75倍至1.25倍。

这意味着相邻的第一金属结构之间的光学距离应被调整到相邻的第二金属结构之间的光学距离的0.75倍至1.25倍。

在本发明中，各滤光器中的相邻金属结构之间的光学距离最优选是相同的。但是，只要各自金属结构组的金属结构之间的光学距离的偏移为±25％或更小，就可获得有利的效果。偏移更优选为±10％或更小，原因是可以进一步抑制等离子体激元谐振相位的偏移。

当金属结构组的光学距离在滤光器之间不同时，滤光器之间的边界变得清楚，并且出现由滤光器的周期性布置导致的衍射。

为了抑制这种现象，使相邻滤光器之间的边界区域中的等离子体激元谐振条件的变化缓和是有效的。换句话说，以下是有效的：调整滤光器的周边部分中的金属结构组的光学距离，使得该光学距离逐步接近相邻滤光器的光学距离，或者，调整滤光器的周边部分中的金属结构的尺寸，使得该尺寸逐步接近相邻滤光器的金属结构的尺寸。

本发明关注于各滤光器的金属结构组的光学距离。存在可通过使得光学距离均一来匹配相邻过滤器的等离子体激元谐振相位的方面。

在本发明中，位于第一滤光器和第二滤光器之间的边界区域中的第一金属结构和第二金属结构之间的中心到中心距离可被调整到第一金属结构组或第二金属结构组的光学距离的0.75倍至1.25倍。

现在将描述入射的角度(入射角)与滤光器的周期性布置的金属结构组的光学距离之间的关系。

图15是示出包含覆盖有均匀介质(homogeneous medium)1503的金属结构1502的滤光器1501的横截面图。

各金属结构1502具有70nm正方形的形状和20nm的厚度。金属结构1502以250nm的周期被二维布置。假定均匀介质1503的折射率为1.46，那么周期性布置的金属结构组的光学距离为365nm。

图16是示出光斜入射在滤光器1501上时的透射光谱的数值计算结果的曲线图。在数值计算中，如图15所示，使用相对于其上布置金属结构组的表面的法线的角度作为入射角θ。该曲线图示出，当入射角为0度或10度时，透射光谱的轮廓基本上保持不变，但是，当入射角为20度时，轮廓改变。依赖于使用的模式，当入射角为20度时，滤光器可能不能充分地用作滤光器。

可推测透射光谱轮廓的变化可归因于伍德异常(Wood’sanomalies)。伍德异常是入射光被诸如金属结构的周期性结构衍射并且在布置周期性结构的方向上传播的现象。当伍德异常与等离子体激元谐振耦合时，透射率下降变得缓和。

出现伍德异常的波长依赖于入射角和周期性结构的周期(光学距离)。当周期性结构的周期恒定并且入射角增大时，出现伍德异常的波长变得较长。因此，可通过防止伍德异常影响滤光器中使用的波长带，减少滤光器对于入射角的依赖性。

假定本发明的光学元件是与可见光区域对应并且包含具有不同特性的多个滤光器的光学元件。于是，可通过防止涉及最短波长带的蓝滤光器受伍德异常影响，设计所有的滤光器。换句话说，应调整设定，使得出现伍德异常的波长为400nm或更小。优选地，透射光谱特性在入射角±20度的范围中保持不变。

图17是示出在图15所示的滤光器中布置金属结构组的周期被减小到220nm时的透射光谱的数值计算结果的曲线图。

该曲线图示出，当在400nm或更大的波长处入射角处于0度至20度的范围中时，透射光谱的轮廓基本上保持不变。并且，仅当入射角为20度时，才在390nm至400nm的波长处出现推测起来可归因于伍德异常的透射率的迅速变化。

这表示布置金属结构组的周期可为220nm或更小。这种情况下的金属结构组被具有1.46的折射率的介质覆盖，由此，光学距离约为325nm。

总之，在本发明中，当覆盖金属结构的覆盖层(电介质层)由SiO₂(玻璃)构成时，金属结构组的光学距离可为325nm或更小。

虽然到此为止的描述涉及与整个可见光区域对应的光学距离，但是，在光学元件不需要蓝滤光器的情况下，可避免伍德异常的影响的波长变得较长，由此光学距离增大。

现在将详细描述构成本发明的光学元件的各个组件。

基板

可以使用具有其上可以形成金属结构的平坦表面的任何基板作为基板。基板可在可见光区域中具有高的透射率。具有高透射率的材料的例子包含硅石(silica)、石英、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯、非晶氟碳(fluorocarbon)树脂、铟锡氧化物(ITO)和硅氮化物。

覆盖层

当要在本发明的基板的表面的面内方向上布置金属结构时，在一些情况下，在基板和金属结构之间的界面处出现的等离子体激元激发波长可与在该界面以外的金属结构的表面处出现的等离子体激元激发波长不同。当与金属结构接触的材料的折射率与金属结构的折射率不同时，出现这种现象。这可导致透射光谱中的峰宽度的加宽和峰的分裂。可通过用折射率接近基板的折射率的材料覆盖基板表面上的金属结构，避免这种问题。

与基板同样，本发明的覆盖层的材料可以是在可见光区域中具有高透射率的材料。其例子包含硅石、石英、PMMA、聚苯乙烯、非晶氟碳树脂、ITO和硅氮化物。

金属结构

构成本发明的金属结构的金属可以是展示出等离子体激元谐振的金属。这种金属的例子包含金、银、铜、铝、铂、锌、包含这些元素中的至少两种的合金、以及包含这些元素中的至少一种的合金。在这些之中，铝具有比银的等离子体频率高的等离子体频率，并且有利于具有覆盖整个可见区域的光学特性的滤光器的设计。

金属结构的形状的例子包含：非多面(non-multifaceted)形状，诸如球形形状和基本上球形形状；以及各种多面形状，诸如部分去除的球形形状和基本上球形形状、圆柱(columnar)形状、棱柱形状、圆锥形状、棱锥形状、立方体形状、长方体形状、具有厚度的环形形状、具有厚度的数字符号(#)的形状、以及内部具有十字的正方形的形状，该正方形和该十字具有厚度。金属粒子也可被用作金属结构，并且，只要可以实现本发明的效果，就可具有任何形状。金属粒子不需要是球形的，并且可以为多面的。在制作光学元件时，可以在基板和金属结构之间设置粘接层。

从透射光谱的峰宽度的观点看，金属结构可包含诸如图6A至6E所示的形状即长方形形状(图6A)、十字形状(图6B)、L形状(图6C)、T形状(图6D)和框(box)形状(图6E)中的任一种的细致(fine)形状。

当尺寸在基板的面内方向上增大时，透射光谱的峰宽度增大。可推测这与如下的事实相关：随着金属结构的尺寸相对于入射光的振动面变得较大，产生入射光不能进入金属结构的内部的区域。当金属结构的尺寸增大时，入射光不能进入的区域变得较大。当出现这一点时，金属结构的介电常数接近入射光不能进入的区域的介电常数。换句话说，介电常数接近块体金属(bulk metal)的介电常数。

当金属结构相对于入射光的振动面具有细致结构时，入射光不能进入的区域变得较小。因此，有效介电常数接近周围材料的有效介电常数而不是块体金属的有效介电常数。在本发明中使用的基板和覆盖层不吸收可见光区域中的入射光；因此，透射光谱的峰宽度小。

出于以上给出的原因，金属结构可具有细致结构。

从易于制造金属结构的观点看，金属结构的厚度可以在基板的面内方向上是均一的。

金属结构的布置

只要以相同的布置周期在基板表面的面内方向上的相同方向上周期性布置希望形状的金属结构，金属结构的布置就可以是任何布置。例如，如图7A和图7B所示，可以以正方形格子图案(图7A)或三角形格子图案(图7B)布置金属结构。

滤光器的布置

在图8A至8D中示出构成本发明的光学元件的滤光器的布置的例子。

图8A示出最常用于滤色器的拜耳图案。图8B示出蜂窝图案，图8C示出六角形格子图案，图8D示出三角形格子图案，其被设计为增大由滤色器占据的面积的密度。

只要可维持金属结构的布置周期，由滤光器占据的区域就可相互重叠。

如果在基板表面的面内方向上布置金属结构的周期相同，那么可通过金属结构的布置和滤光器的布置的任何组合来获得本发明的效果。

接下来，描述应用本发明的图像传感器(根据光谱特性来检测光的图像传感器)。

图9是示出应用本发明的图像传感器的结构的示意图。在图中示出一个像素。实际的图像传感器包含多个像素，但是，在图中没有示出相邻的像素。

本发明的图像传感器包含根据波长选择性地透射光的光学元件和已透过光学元件的光进入的光电转换层。图9所示的图像传感器901还包含用于收集来自外部的光的微透镜905、用于收集图像传感器内部的光的内部透镜906、以及用于传送在光电转换层903中产生的电荷的布线904。注意，本发明的图像传感器使用本发明的光学元件，并且，对于一个像素设置本发明的光学元件的一个滤光器。

来自外部的入射光通过微透镜905被会聚并且通过光学元件902。光学元件902透射特定波长带的光。透过光通过图像传感器的像素中的内部透镜906被会聚，使得光不散射到布线904而是进入光电转换层903。由于光进入，因此在光电转换层903中产生电荷，并且，经由布线904传送信号。

接下来，描述本发明的图像拾取装置。

图10是示出本发明的图像拾取装置的结构的示意图。

本发明的图像拾取装置包含图像传感器、用于收集来自外部的光并且将光聚焦在图像传感器上的会聚光学系统、以及用于处理由图像传感器的光电转换层转换的电信号的信号处理器件。

图10所示的图像拾取装置1001包含用于确定拍摄的定时的快门1004、被配置为显示要捕获的图像信息的显示器1005、以及记录捕获的图像信息的记录单元1006。

通过调整会聚光学系统1002的焦距，在图像传感器1003上聚焦来自要拍摄的图像的光。可设置反射镜1007和目镜1008以视觉确认是否形成图像。也可通过在显示器1005中不断地显示图像信息来确认是否形成图像。通过按压快门1004被形成为图像的光被图像传感器1003的光电转换层(未示出)转换成电信号。信号处理器件1009将图像信息转换成数字信号，或者校正图像信息以改善外观。可以在记录单元1006上或者在可外带的记录介质(未示出)上记录图像信息。

现在将通过使用具体的例子描述本发明。应当理解，本发明的技术范围不受以下例子限制，并且包含基于在权利要求中公开的技术概念作出的各种修改和变更。

例子

例子1

在本例子中，正方形形状的金属结构被布置成正方形格子图案，并且，滤光器被布置成拜耳图案。参照图11A、图11B和图12描述数值计算的结果。

例子1的光学元件

图11A和图11B是示出本例子的光学元件的结构的示意图。光学元件1101包含布置成拜耳图案的三种类型的滤光器1102、1103、1104和1105。滤光器1103和1104具有相同的结构。

图11A是示出光学元件的一部分的示意图。图11A所示的多个区域被周期性布置成正方形格子图案，并且，对这样的光学元件进行数值计算。

设置在滤光器1102、1103、1104和1105中的金属结构的结构和尺寸如下。在金属结构中使用的金属是铝。

滤光器1102的金属结构1106：

一边的尺寸1109：90nm

厚度：40nm

布置周期：220nm

滤光器1103和1104的金属结构1107：

一边的尺寸1110：130nm

厚度：20nm

布置周期：220nm

滤光器1105的金属结构1108：

一边的尺寸1111：150nm

厚度：10nm

布置周期：220nm

滤光器1102、1103、1104和1105中的每一个的一边的尺寸1112为1540nm，并且所有的滤光器为正方形形状的。

如图11B所示，金属结构1114被设置在SiO₂基板1113上，并被SiO₂层1115覆盖。

例子1的计算结果

图12示出通过在与面内方向垂直的方向上给图11A和图11B所示的光学元件1101施加光所获得的透射光谱的计算结果。

由于使得布置金属结构的周期在滤光器之间统一为220nm，因此获得平滑的光谱轮廓。

例子2

在例子1中进行的数值计算的结果示出，滤光器1105在长波长侧给出平滑的光谱轮廓，但其峰宽度大。滤光器1105可能不可展示出依赖于用途的最佳的滤色器特性。

在本例子中，在例子1中使用的滤光器1103、1104和1105中的金属结构的形状被改变为十字形状，使得光学元件在长波长侧具有更有利的峰宽度。还描述了其数值计算的结果。

例子2的光学元件

图13A和图13B是示出本例子的光学元件的结构的示意图。

本例子的光学元件1301的滤光器1302、1303、1304和1305的金属结构的结构和尺寸如下。

滤光器1302的金属结构1306：

电介质基板表面的面内方向上的形状：正方形

一边的尺寸1309：90nm

厚度：20nm

布置周期：200nm

滤光器1303和1304的金属结构1307：

电介质基板表面的面内方向上的形状：十字形

长轴方向上的尺寸1310：130nm

短轴方向上的尺寸1311：50nm

厚度：20nm

布置周期：200nm

滤光器1305的金属结构1108：

电介质基板表面的面内方向上的形状：十字形

长轴方向上的尺寸1312：150nm

短轴方向上的尺寸1313：50nm

厚度：20nm

布置周期：200nm

滤光器1302、1303、1304和1305中的每一个的一边的尺寸1314为1400nm，并且所有的滤光器为正方形形状的。

上述结构以外的结构与例子1中的那些相同。

例子2的计算结果

图14示出通过在与面内方向垂直的方向上给图13A和图13B所示的光学元件1301施加光所获得的透射光谱的计算结果。

在本例子中，同样，通过使得金属结构的布置周期在滤光器之间统一为200nm，获得平滑的光谱轮廓。由于滤光器1303、1304和1305的金属结构具有十字形状，因此，与金属结构为正方形形状时相比，峰宽度减小。

由于使得滤光器的金属结构的厚度均一，因此可以减少制造所需要的步骤数。

根据上述的本发明的光学元件，使得构成不同特性的滤光器的金属结构组中的金属结构的布置周期基本上均一，从而透射光谱轮廓是平滑的，并且展示出相对尖锐的峰特性。

因此，可以提供对于特定的波长区域表现出高对比度过滤效果的光学元件。

并且，本发明的光学元件利用等离子体激元谐振，并且，可以使用薄金属结构来形成光学元件。因此，可以提供可与像素的尺寸减小兼容的薄的滤色器、图像传感器、图像拾取装置等。

例子3

在本例子中，描述通过将入射在例子2的滤光器1302上的光的角度从0度变为20度所获得的透射光谱的数值计算结果。

假定SiO₂的折射率为1.46，滤光器1302的金属结构组的相邻金属结构之间的光学距离为比325nm小的321.2nm。换句话说，预计对于入射角的依赖性小。

图18是示出数值计算的结果的曲线图。如该曲线图所示，即使当入射角变为0度、10度和20度时，透射光谱的轮廓也基本上保持不变。

在本例子中，可通过将构成金属结构组的金属结构之间的光学距离设为325nm或更小，减小透射光谱对于入射角的依赖性。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

本申请要求在2008年12月26日提交的日本专利申请No.2008-333868的益处，在此通过引用而并入其全部内容。

附图标记列表

101光学元件

102金属结构

103基板

104覆盖层

105布置金属结构的周期

301光学元件

302滤光器

303滤光器

304滤光器

305滤光器

308滤光器302的金属结构

309滤光器302中在方向307上布置金属结构的周期

310滤光器302中在方向306上布置金属结构的周期

311滤光器303和304的金属结构

312滤光器303和304中在方向307上布置金属结构的周期

313滤光器303和304中在方向306上布置金属结构的周期

314滤光器305的金属结构

315滤光器305中在方向307上布置金属结构的周期

316滤光器305中在方向306上布置金属结构的周期

317滤光器304和305之间的边界处的金属结构之间的中心到中心距离

501光学元件

502基板

503滤光器505的金属结构

504滤光器506的金属结构

505滤光器

506滤光器

507滤光器505和506的布置金属结构的周期

508滤光器505和506之间的边界处的金属结构之间的中心到中心距离

901图像传感器

902光学元件

903光电转换层

904布线

905微透镜

906内部透镜

1001图像拾取装置

1002会聚光学系统

1003图像传感器

1004快门

1005显示器

1006记录单元

1007反射镜

1008目镜透镜

1009信号处理器件

1101光学元件

1102滤光器

1103滤光器

1104滤光器

1105滤光器

1106金属结构

1107金属结构

1108金属结构

1109金属结构906的尺寸

1110金属结构907的尺寸

1111金属结构908的尺寸

1112滤光器的尺寸

1113SiO₂基板

1114金属结构

1115SiO₂层

1301光学元件

1302滤光器

1303滤光器

1304滤光器

1305滤光器

1306金属结构

1307金属结构

1308金属结构

1309金属结构1106的尺寸

1310金属结构1107的长轴的尺寸

1311金属结构1107的短轴的尺寸

1312金属结构1108的长轴的尺寸

1313金属结构1108的短轴的尺寸

1314滤光器的尺寸

1315SiO₂基板

1316金属结构

1317SiO₂层

1501滤光器

1502金属结构

1503均匀介质

1504入射光

Claims

1.一种包含具有不同特性的多个滤光器的光学元件，所述光学元件包括：

第一滤光器，所述第一滤光器包括第一金属结构组，所述第一金属结构组包括在基板表面的面内方向上周期性布置的第一金属结构；以及

第二滤光器，所述第二滤光器包括第二金属结构组，所述第二金属结构组包括在所述面内方向上周期性布置的第二金属结构，第二金属结构组展示出与第一金属结构组的等离子体激元谐振条件不同的等离子体激元谐振条件，

其中，彼此相邻的第一金属结构之间的光学距离在彼此相邻的第二金属结构之间的光学距离的0.75倍至1.25倍的范围中。

2.根据权利要求1的光学元件，其中，第一金属结构中的一个和第二金属结构中的一个之间的中心到中心距离在彼此相邻的第二金属结构之间的光学距离的0.75倍至1.25倍的范围中，所述一个的第一金属结构和所述一个的第二金属结构位于第一滤光器和第二滤光器之间的边界区域中。

3.根据权利要求1的光学元件，其中，第一金属结构之间的光学距离和第二金属结构之间的光学距离各在325nm或更小的范围中。

4.根据权利要求1的光学元件，其中，第一金属结构组和第二金属结构组具有正方形格子图案或三角形格子图案。

5.根据权利要求1的光学元件，其中，所述多个滤光器被布置成拜耳图案或蜂窝图案。

6.根据权利要求1的光学元件，其中，第一金属结构和第二金属结构在基板表面的面内方向上具有长方形形状、十字形状、L形状、T形状或框形状。

7.根据权利要求1的光学元件，其中，被布置于基板表面上的第一金属结构和第二金属结构被覆盖层覆盖。

8.根据权利要求1的光学元件，其中，被布置于基板表面上的第一金属结构和第二金属结构具有相同的厚度。

9.一种被配置为根据光谱特性来检测光的图像传感器，所述图像传感器包括：

光学元件，所述光学元件被配置为基于波长来选择性透射光；以及

光电转换层，已透过光学元件的光进入所述光电转换层，

其中，所述光学元件是权利要求1的光学元件。

10.一种被配置为获得图像信息的图像拾取装置，所述图像拾取装置包括：

会聚光学系统；

图像传感器；以及

信号处理器件，

其中，所述图像传感器是权利要求9的图像传感器。