CN102262253A - 适合处理入射可变辐射的光学滤波器、包括滤波器的检测器 - Google Patents

Abstract

一种用于对入射角度可变的电磁辐射进行滤波的光学滤波器(60)包括布置在两个部分反射层(68，70，72)之间的至少一个电介质或者半导体层(64，66)的堆叠物，所述堆叠物用于限定针对预定波长设置的一组法布里-伯罗腔。电介质或者半导体层(64，66)的平均折射率能够在与堆叠物的方向(E)正交的平面中改变以便补偿电磁辐射的入射角度变化对所述腔的透射光谱的影响。

Description

适合处理入射可变辐射的光学滤波器、包括滤波器的检测器

技术领域

本发明涉及基于法布里-伯罗腔并且以大滤波表面为特征的光学滤波器领域。它具体地使用于光学滤波器阵列领域中并且尤其用于在可见光成像系统中使用的RGB滤波器。

背景技术

可见光成像系统普遍包括在较宽的可见辐射范围内灵敏、并且尤其是同时对红光、蓝光和绿光波长灵敏的像点阵列(例如CCD或者CMOS)。如本身已知的那样，然后，通过重叠分布成拜尔阵列的红光、绿光和蓝光滤波器使每个像点专门用于检测这些波长之一。

最常见的滤波器阵列由沉积在像点阵列上的有色树脂组成。然而这一类基于有色树脂的滤波器阵列对光的入射角敏感，从而宽入射角度造成树脂中的更大传播长度。

另外，利用有色树脂难以实现非常小的像素尺寸、即小于一微米的尺寸，一方面，因为可能由于树脂的有限色素密度而难以减少它们的厚度，这引起像素之间串扰，另一方面，因为相邻像素之间过渡区域由于与不同颜色关联的树脂的不完全准确的连续沉积，因而并非为不用考虑的尺度(由于产生这些沉积而未保留边坡(side slope))。

另外，如本身已知的那样，可见光成像系统普遍具有放置在像点阵列前面的红外滤波器。实际上，CCD技术的像点，甚至更多种基于CMOS技术的这些像点对于红外线具有很高的灵敏度，如果不采取措施，则这会对可见光的检测质量有害。

事实上，红外滤波器对辐射的入射角敏感。具体而言，其滤波器截止随着入射角的增加(即从法线入射偏离)而偏移，致使向蓝光偏移。因此对于宽入射角度，可见光光谱的有用部分(尤其是在红光部分)被截止。因此红外树脂-滤波器关联性对入射角相当敏感。

已经设计了基于法布里-伯罗腔的滤波器阵列以同时提供有色和红外滤波。这些阵列通常包括由一个或者多个如下电介质层分开的多个金属层，选择该电介质层的折射率和厚度以设置法布里-伯罗腔的波长。电介质层通常由单一材料组成，从而其折射率在整个阵列上恒定。因此，为了例如在拜尔阵列中获得设置成不同波长、但是相对于彼此并列的法布里-伯罗腔，用厚度可变的一个或者多个电介质层产生阵列，该厚度用来设置腔的波长。可以参照例如文献US 6031653获得关于这一类法布里-伯罗腔阵列的更多细节。利用这些金属-电介质滤波器，不再需要红外滤波器，因为红外线被金属截止。

这一解决方案解决了滤波器厚度的问题(大约按照因子2来减少的滤波器厚度)，但是没有明显改善光谱响应对入射角的依赖性，也没有明显改善滤波器的不平坦性所固有的像素之间的过渡区域的问题。

另外，制造厚度可变的法布里-伯罗腔阵列在工业工艺上相当受限，因为它需要大量掩蔽和雕刻步骤，这些步骤大幅延长制造时间并且减少通过消除红外线滤波器来实现的阵列最终成本收益。另外，一般需要使阵列平坦化，因为它的表面随后被用来形成微透镜。因此向法布里-伯罗腔堆叠物添加额外厚度，其结果是增加了与为了达到像点而穿过的材料厚度直接相关的串扰效应，即使这一效应保持在树脂滤波器能承受的水平以下。

在文献EP 1592067的图13A至13E中所示实施例中提出一种厚度恒定的法布里-伯罗腔阵列。这一文献提出使用电介质层的折射率而不是它们的厚度以设置腔的波长。

对该文献中的图13D进行再利用的图1是法布里-伯罗腔阵列10的横截面图，该图示出了分别形成蓝光透射滤波器12、红光透射滤波器14和绿光透射滤波器16的三个并列法布里-伯罗腔。

阵列10包括：

·绝缘衬底20；

·SiO₂和TiO₂电介质层的第一交替22，沉积在衬底20上并且形成半反射表面；

·折射率可变的电介质层24；

·SiO₂和TiO₂电介质层的第二交替26，沉积在电介质层24上并且形成半反射表面。

电介质层24由平均折射率不同的三个相异区域(即由TiO₂组成的第一区域28、由SiO₂组成的第二区域30和形成在第一区域与第二区域28、30之间并且由在SiO₂层中实施的TiO₂带的周期性网络组成的第三区域32)形成。TiO₂代表第三区域32的体积的1/5，因此SiO₂代表这一体积的4/5，从而区域32的平均折射率等于

该结构因此形成被分别设置成蓝光、红光和绿光波长的三个并列法布里-伯罗腔。

然而，在法布里-伯罗腔中获得谐振时的波长并且因此所需效果(即在所述波长周围的窄透射带宽)不仅依赖于折射率和电介质层的厚度而且依赖于电磁辐射在腔上的入射角。

事实上，恒定辐射入射在法布里-伯罗腔阵列的整个表面上的情况非常少见。

具体而言，在成像场中，其上重叠有腔阵列的像点阵列总是被放置于光学系统的焦平面中以便形成在传感器上观察的景物的图像。在图2中示出了该类型的检测器。该图示意地示出了包括光轴为OX的光学系统42和平面传感器44的检测器40(如例如相机)。传感器44包括：检测器电路46，具有放置于光学系统42的焦平面中的像点阵列；以及法布里-伯罗腔阵列48，重叠在检测器电路46上并且类似于文献EP 1592067中的法布里-伯罗腔阵列。

如本身已知的那样，光学系统形成实质上为球面的景物图像。这里在图2中放大示出了球面波阵面50以图示入射在阵列48上的辐射的入射角的变化问题。因此，该辐射在阵列48上显然具有在光轴OX上的法线入射和在其它位置处的非法线入射。因而例如就现有技术的传感器44的尺寸而言，在阵列48的边缘的入射角θ_L等于20°并不是罕见的，该入射角相对于在阵列48的平面的法线来标识。

图3示出了入射角对法布里-伯罗腔的透射带宽在光谱中的位置的影响。“C”透射响应例如是放置在光轴OX上的腔52的透射响应，而“B”透射响应例如是放置在阵列48的边缘放置的腔54的透射响应，这两个腔52和54相同并且设置成绿光波长。在光轴OX上的腔52接收法线入射的辐射，而在阵列48的边缘的腔接收入射角等于20°的辐射。

如可以注意的那样，在这两个透射响应之间存在实质偏移，“B”响应更接近蓝光波长，而C响应对应于绿光波长。因此根据腔在阵列48中的位置，所选波长具有大的可变性。因此检测器电路46检测的图像并未忠实于观察的景物的实际颜色。

发明内容

本发明的目的在于通过提出如下滤波器来解决前述问题，该滤波器包括厚度恒定的法布里-伯罗腔，这些腔的透射响应对预定电磁辐射的入射角度变化不敏感。

为此，本发明的目的在于一种用于对入射角可变的电磁辐射进行滤波的光学滤波器，该滤波器包括布置在两个部分反射层之间的至少一个电介质或者半导体层的堆叠物，所述堆叠物限定针对预定波长设置的至少一组法布里-伯罗腔。

根据本发明，电介质或者半导体层的平均折射率能够在与堆叠物的方向正交的平面中改变以便补偿电磁辐射的入射角度变化对腔的透射光谱的影响。

换言之，能够仅借助折射率来设置法布里-伯罗腔使得不管它们在滤波器中的位置如何都具有实质上相同的透射率分布。

根据本发明的一个实施例，具体适合于波阵面实质上为球面的辐射，接收入射角为θ的辐射的腔的平均折射率实质上满足关系式

其中n是腔的平均折射率，而n_{pixel_centre}是用于在法线入射之下接收辐射的腔的平均折射率。

根据本发明的一个实施例，法布里-伯罗腔包括至少两种材料，根据辐射在腔上的入射角度来选择所述腔中的每一个的材料的折射率和比例，以便对所述腔设置预定设置波长。具体而言，所述腔中的每一个由两种材料组成，一种材料采用形成在另一种材料中的周期性图案的形式，图案的填充因子设置腔的平均折射率。

具体而言，图案的厚度小于或等于电介质或者半导体层的厚度，腔的所述图案的厚度是根据辐射在腔上的入射角度选择的。

有利地，所述腔中的每一个由两种材料组成，一种材料采用形成在另一种材料中的周期性图案的形式，图案的周期被选择成小于对所述腔设置的所述波长，以使得所述腔对于所述波长具有实质上均匀的折射率。具体而言，图案的周期小于或者等于

其中λ_res是对所述腔设置的波长，并且θ是辐射在所述腔上的入射角度。

根据本发明的一个实施例，滤波器包括两个相同电介质或者半导体层的堆叠物，所述两个相同电介质或者半导体层的堆叠物由部分反射中心层分开并布置在两个部分反射端部层之间。

根据本发明的一个实施例，中心层的厚度大于各端部层的厚度。

根据本发明的一个实施例，部分反射层为金属。

根据本发明的一个实施例，滤波器包括分别针对红光、绿光和蓝光波长设置并布置成拜尔阵列的三组法布里-伯罗腔。

根据本发明的一个实施例，法布里-伯罗腔厚度相同。法布里-伯罗腔因此保持相同厚度，具体地，这意味着可以生产小尺寸滤波器，从而还保持小尺寸像点。

根据本发明的一个实施例，法布里-伯罗腔厚度相同，腔的折射率和厚度被选择成补偿电磁辐射的入射角变化对所述腔的透射光谱的影响。

本发明的又一目的在于一种用于对入射角度可变的电磁辐射进行滤波的光学滤波器的用途，该光学滤波器包括布置在两个部分反射层之间的至少一个电介质或者半导体层的堆叠物，所述堆叠物用于限定针对预定波长设置并在与堆叠物的方向正交的平面中具有能够改变的折射率的一组法布里-伯罗腔，以便补偿电磁辐射的入射角度变化对法布里-伯罗腔的透射光谱的影响。

本发明的又一目的在于一种电磁辐射检测器，包括

·光学系统，形成实质上为球面的图像；

·平面检测器电路，包括光敏元件阵列，并且按照与所述光学系统的光轴正交的平面，被放置在所述光学系统的输出处；以及

·平面矩阵滤波器，其包括法布里-伯罗腔阵列，被放置在所述检测器电路与所述光学系统之间并且与检测器电路平行延伸，每个所述法布里-伯罗腔被布置在每个光敏元件的上方。

根据本发明，滤波器依据前述任一权利要求的滤波器，腔的平均折射率可变，从而所述滤波器本身适合于入射在所述滤波器上的、由光学系统形成的实质上为球面的图像的可变入射角度(尤其是沿着按照光轴通过滤波器上的点来限定的射线减少的可变入射角度)。

附图说明

通过阅读仅以示例方式提供并参照附图给出的如下描述，将更好地理解本发明，在这些附图中，相同标号表示相同或者类似元件，并且在这些附图中：

·图1是根据现有技术的法布里-伯罗腔阵列的横截面示意图；

·图2是包括图1中的腔阵列的检测器的横截示意图；

·图3是定位在图2中的检测器的光轴上的法布里-伯罗腔和定位在阵列的边缘的法布里-伯罗腔的各自的透射响应图形；

·图4是根据本发明的法布里-伯罗腔阵列的横截面示意图；

·图5是根据本发明的法布里-伯罗腔阵列变形的横截面示意图；并且

·图6是在补偿和未补偿入射在该腔上的辐射的入射角的情况下，定位在检测器的光轴上的法布里-伯罗腔和定位在阵列的边缘的法布里-伯罗腔的透射响应图形。

具体实施方式

图4是示例的数量为例如三个、形成为红光、绿光和蓝光滤波器的法布里-伯罗腔的阵列60的横截面示意图。阵列60布置在例如与图2中的检测器类似的检测器中。

阵列60包括如下绝缘衬底62，该衬底上沉积有由中心金属层68分开并且放置在两个金属端层70与72之间的两个相同电介质或者半导体层64、66的堆叠物。各个层是平坦的并且被沿着方向E堆叠。

层64和66的折射率在与堆叠物的方向E垂直的平面中可变以便限定不同滤波区域。具体而言，层64和66被划分成平均折射率不同的区域74、76、78。层64和66的各区域由形成周期性图案82、84、86(如沿着层64和66的厚度形成的矩形横截面的平行的带)的两种电介质材料或者两种半导体材料组成。这些材料各自的比例设置区域的平均折射率。

与金属层68、70、72结合的各区域74、76、78因此形成法布里-伯罗腔，该腔的谐振波长是腔的厚度、区域的折射率和在腔上的辐射的入射角的函数。随后，将不再区分区域的折射率和对应的法布里-伯罗腔的折射率。

虽然在图3中的例子中并排示出，但应理解由法布里-伯罗腔形成的红光、绿光和蓝光滤波器可以根据预期用途而被不同地分布(如例如分布成拜耳阵列)。

这样形成的每个法布里-伯罗腔根据以下关系式限定用于波长λ_res的电磁谐振器：

$n=\sqrt{f\×n_b^2+(1-f)\×n_h^2}---\left(2\right)$

其中：

·n是腔的平均折射率；

·h是腔的厚度，即层64、66的厚度；

·θ是在腔上的辐射的平均入射角；

·m是限定腔的阶数的正整数；

·

和

是在金属层68和72上或者等效为在层68和70上的反射相移；·f是第一材料(例如折射率最低的材料)的比例；数值f(也被称为“填充因子”)在0与1之间；以及

·n_b和n_h分别是第一和第二材料的折射率。

对于目标波长的红光波长

蓝光波长

和绿光波长

中的每一个，选择相应的法布里-伯罗腔折射率n以便无论腔在阵列60中的位置如何都满足以下关系式：

n×cosθ＝n_{pixel_cenlre}     (3)

其中n_{pixel_centre}是与针对目标波长设置并接收法线入射(θ＝0)辐射的腔的折射率相等的常数。

应注意关系式(3)适用于任一类型的法布里-伯罗腔，包括那些仅包括一个电介质或者半导体层的法布里-伯罗腔)。

因此借助根据以下关系式选择的填充因子f，将腔的折射率简单地设置为辐射入射角的函数：

$f=\frac{n_h^2\×{\cos }^2\mathrm{\θ}-n_{\mathrm{pixel}\_\mathrm{centre}}^2}{(n_h^2-n_b^2)\×{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

有利地，法布里-伯罗腔的周期性图案的周期比目标波长小得多，从而腔对于这些波长具有均匀折射率。

具体而言，第一材料的带网络在第二材料中的周期p₁或者类似地第二材料的带网络在第一材料中的周期p₂满足以下关系式：

$p_{\mathrm{1,2}}\≤\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{2}---\left(5\right)$

以这一方式，发明人已经注意到法布里-伯罗腔对于目标波长而言表现为如同折射率均匀的腔。在关系式(5)所限定的限制以外，如果入射角仍保持为被有效地补偿，则法布里-伯罗腔的透射光谱退化(具体为透射率下降并且出现多个透射峰值)并且不再对应于折射率均匀的腔光谱。

另外，优选为不管如何布置法布里-伯罗腔，对于针对该腔的目标波长，法布里-伯罗腔的折射率均匀和/或恒定。

优选地，构成层64和66的两种材料分别为折射率高的材料(如例如Si、HfO₂、SiN、ZnS或者TiO₂)和折射率低的材料(如例如SiO₂、Al₂O₃、SiOC或者纳米多孔材料或者低密度材料(纳米多孔SiO₂或者纳米多孔SiOC等))。

优选地，选择折射率低的材料以完全构成折射率最低(f＝1)的腔，即针对蓝光波长设置并接收法线入射辐射的腔。类似地，选择折射率高的材料以完全构成折射率最高(f＝0)的腔，即针对红光波长设置并接收最大入射辐射的腔。这意味着在必需的有效折射率方面，可以考虑到两种极端的腔模式，从而确保这些有效的极端折射率被包括在由折射率最低的材料与折射率最高的材料所界定的范围中。

金属层68、70、72例如由Ag、Al、Au或者Cu制成。金属层在可见光场中是有利的，因为它们对红外线具有低透射率。

中心金属层68还具有比各端部层70、72的厚度更大的厚度并且优选为高达各层70、72的厚度的两倍，这给予包括单个峰值的透射响应。

当填充因子f很小(或者很大)时，第二材料中的第一材料带(并且相应地，第一材料中的第二材料带)宽度很小，这可以使它们在常规光刻和雕刻技术下难以制造。

为了简化周期性网络的制造，如图5A和5B中可见，并非在层64和66的整个厚度上而是在这些层的一部分上雕刻这些网络的构成图案。

图5A示出了如先前描述的法布里-伯罗腔，该腔具有在层64和66的整个厚度上制成的带并且其总表面占腔表面的15％。

图5B示出了如下的腔，该腔具有在层64和66的部分厚度上(即，在此为在这些层的一半的厚度上)形成的、但具有与图5A中的腔的填充因子相同的填充因子f的带。在图5B中，带的总表面占腔表面的50％。如可以注意到的那样，图5B中的带更宽，因此更易于制造，另外腔的波长保持不变。

以举例的方式，金属层68、70、72由Au制成并且分别具有40nm、60nm和40nm的厚度，层64和66具有80nm的厚度并且由TiO₂和SiO₂制成，SiO₂的比例从0％(实际上，SiO₂的最大比例由接收最大入射的红光像素决定，对于最大入射而言，必须具有与法线入射(15％)相比更高的有效折射率)变化至85％(f＝0.85，在法线入射情况下由蓝光滤波器决定)。在法线入射情况下，对于红光波长，法布里-伯罗腔的SiO₂的比例为15％(f＝0.15)，对于绿光波长为50％(f＝0.5)，并且对于蓝光波长为85％(f＝0.85)。

图6示出了在针对绿光波长选择法布里-伯罗腔的折射率时考虑入射角的效果：

·“C”曲线是在法线入射辐射下，SiO₂的比例等于50％的腔的的透射响应；

·“B”曲线是在等于20°的入射辐射下，相同的腔的响应，以及

·“B_compensated”曲线是在经受等于20°的入射辐射下，SiO₂比例等于35％的腔的透射响应。

如可以注意的那样，“B_compensated”响应与“C”响应相同，因此示出了非法线入射角的有效补偿。

实际上，为了设计根据本发明的法布里-伯罗腔阵列，首先确定电磁辐射以便找出它在与腔阵列对应的平面上的入射角。例如在可见光检测器的情况下，来自光学系统的辐射形式完全是熟知的。例如可以参照文献″Optical efficiency of image sensor pixels″，Peter B.Catrysse和Brian A.Wandell(J.Opt.Soc.Am.A/Vol.19，No.8/August 2002，pp 1610)。

已经描述了由平行的带的周期性网络构造的法布里-伯罗腔。这样的腔具有最大的高透射幅度，但是对入射辐射的偏振敏感。

作为替代，由两个平行的带的周期性网络构造这些腔(这两个网络正交)。这使得有可能使腔对辐射的偏振不敏感，但会减少腔的透射响应的最大幅度。

类似地，已经描述了厚度相同的法布里-伯罗腔。依据例如用于选择厚度和折射率的关系式(1)和(2)，还可以结合折射率值来选择厚度值，以便为法布里-伯罗腔选择不同的厚度，从而补偿可变的辐射入射角度。

类似地，已经描述了在可见光成像领域中的用途。应当理解本发明还应用于其它光谱范围。

Claims (15)

1.一种用于对入射角可变的电磁辐射进行滤波的光学滤波器(60)，包括布置在两个部分反射层(68，70，72)之间的至少一个电介质或者半导体层(64，66)的堆叠物，所述堆叠物用于限定针对预定波长设置的一组法布里-伯罗腔，其中所述电介质或者半导体层(64，66)的平均折射率能够在与所述堆叠物的方向(E)正交的平面中改变以便补偿所述电磁辐射的入射角度变化对所述腔的透射光谱的影响。

2.如权利要求1所述的光学滤波器，其中接收入射角度为θ的辐射的腔的平均折射率实质上满足关系式

其中n是所述腔的平均折射率，而n_{pixel_centre}是在法线入射下接收辐射的腔的平均折射率。

3.如权利要求1或者2所述的光学滤波器，其中所述法布里-伯罗腔包括至少两种材料，根据所述辐射在所述腔上的入射角度来选择所述腔中的每一个的所述材料的折射率和比例，以便对所述腔设置预定设置波长。

4.如权利要求3所述的光学滤波器，其中所述腔中的每一个由两种材料组成，一种材料采用形成在另一种材料中的周期性图案(82，84，86)的形式，所述图案的填充因子设置所述腔的平均折射率。

5.如权利要求4所述的光学滤波器，其中所述图案(82，84，86)的厚度小于或等于所述电介质或者半导体层的厚度，所述腔的所述图案的厚度是根据所述辐射在所述腔上的入射角度选择的。

6.如权利要求3、4或者5所述的光学滤波器，其中所述腔中的每一个由两种材料组成，一种材料采用形成在另一种材料中的周期性图案(82，84，86)的形式，所述图案的周期被选择成小于对所述腔设置的所述波长，以使得所述腔对于所述波长具有实质上均匀的折射率。

7.如权利要求6所述的光学滤波器，其中所述图案的周期小于或者等于

其中λ_res是对所述腔设置的波长，并且θ是所述辐射在所述腔上的入射角度。

8.如前述权利要求中任意一项所述的光学滤波器，其中所述光学滤波器包括两个相同电介质或者半导体层(64，66)的堆叠物，所述两个相同电介质或者半导体层(64，66)由部分反射中心层(68)分开并布置在两个部分反射端部层(70，72)之间。

9.如权利要求8所述的光学滤波器，其中所述中心层(68)的厚度大于各所述端部层(70，72)的厚度。

10.如前述权利要求中任意一项所述的光学滤波器，其中所述部分反射层(68，70，72)为金属。

11.如前述权利要求中任意一项所述的光学滤波器，其中所述光学滤波器包括分别针对红光、绿光和蓝光波长设置并布置成拜尔阵列的三组法布里-伯罗腔。

12.如前述权利要求中任意一项所述的光学滤波器，其中所述法布里-伯罗腔的厚度相同。

13.如前述权利要求中任意一项所述的光学滤波器，其中所述法布里-伯罗腔的厚度不同，所述腔的折射率和厚度被选择成补偿所述电磁辐射的入射角度变化对所述腔的透射光谱的影响。

14.一种光学滤波器的用途，所述光学滤波器包括布置在两个部分反射层(68，70，72)之间的至少一个电介质或者半导体层(64，66)的堆叠物，所述堆叠物用于限定针对预定波长设置的一组法布里-伯罗腔，所述滤波器在与所述堆叠物的方向正交的平面中具有能够改变的折射率，以补偿电磁辐射的入射角度变化对所述法布里-伯罗腔的透射光谱的影响。

15.一种电磁辐射检测器，包括：

·光学系统，形成实质上为球面的图像；

·平面检测器电路，包括光敏元件阵列，并且按照与所述光学系统的光轴正交的平面，被放置在所述光学系统的输出处；以及

·平面矩阵滤波器，其包括法布里-伯罗腔阵列，被放置在所述检测器电路与所述光学系统之间并与所述检测器电路平行延伸，每个所述法布里-伯罗腔被布置在每个光敏元件的上方，

其中所述滤波器是根据前述权利要求中任意一项的滤波器，所述腔的平均折射率能够改变，从而所述滤波器能够适应由所述光学系统形成并入射在所述滤波器上的所述实质上为球面的图像的可变入射角度。

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