CN103579276A - 微纳米结构滤波器、滤波器超元胞及cmos数字图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微纳米结构滤波器、滤波器超元胞、CMOS数字图像传感器，微纳米结构滤波器为金属层和介质层组成的多层结构，滤波器超元胞为微纳米结构滤波器形成的4X4矩阵，若干超元胞在横向与纵向呈周期阵列分布形成CMOS数字图像传感器。本发明的CMOS数字图像传感器是完全集成的CMOS芯片，具有同时光谱成像与偏振成像的功能；其中，成像用光谱滤波功能和偏振滤波功能都由微纳米结构滤波器实现，通过优化设计各像素的微纳米结构滤波器与像素阵列的排列方式，可以在一块CMOS芯片上通过分别组合特定的像素同时实现光谱成像与偏振成像；相比于现有成像设备，本发明的数字图像传感器具有多功能成像、高集成度和高可靠性的优点。

Description

微纳米结构滤波器、滤波器超元胞及CMOS数字图像传感器

技术领域

本发明属于数字图像传感器技术领域，尤其涉及一种微纳米结构滤波器、滤波器超元胞及CMOS数字传感器及CMOS数字图像传感器的制造方法。

背景技术

随着社会日益增长的数字影像需求，从七十年代发展至今数字成像技术一直保持着迅猛的发展势头。除了使用在数码相机等产品上，它已经被广泛应用于实时监控、视频会议、机器人视觉、生物医药分析、食品材料质量监控以及航空航天等领域。得益于硅基CMOS的快速发展和成熟工艺，大阵列可见光传感器取得了巨大进展，例如尼康D800相机所用的芯片最大分辨率已达到7360×4912。

偏振成像因为具有普通彩色成像所不具备的偏振信息处理能力引起了关注，尤其在生物、环境、天文等领域具有重要应用。目前的偏振成像通过两类技术实现，一是直接在普通相机前端加装可调的偏振元件，一是类似彩色图像传感器，将偏振选择功能集成到像素中，形成集成型的偏振图像传感器。前者设备复杂，操作困难；后者只能偏振成像，功能单一。不仅如此，目前不管是光谱成像还是偏振成像的集成型图像传感器中都普遍依赖聚合物的彩色滤波片或者偏振片，不仅工艺成本高、稳定性差，而且功能方面的可塑性低，不利于集成。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过金属介质微纳米结构同时实现光谱成像与偏振成像，通过优化不同透过波段、不同偏振选择的像素排列方式，在一块CMOS芯片上分别组合特定的像素，同时实现光谱成像与偏振成像的微纳米结构滤波器、滤波器超元胞及CMOS数字图像传感器。

本发明的技术解决方案是所述微纳米结构滤波器为金属层和介质层组成的多层结构，衬底层连接其中的一个金属层，所述金属层和介质层在各自平面内具有相同的一维结构周期，所述金属层和介质层上、下对齐；成像用光谱滤波功能和偏振滤波功能均由微纳米结构滤波器实现，通过优化设计各像素的微纳米结构与像素阵列的排列方式，在一块CMOS芯片上通过分别组合设定的像素，同时实现光谱成像与偏振成像。

优选地，所述多层结构至少包括两层金属层和夹在金属层中间的介质层，根据具体应用介质层可优化为多层介质。

优选地，上金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，下金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，所述介质层为厚度100纳米至200纳米的氮化硅层；所述一维结构周期为200纳米至360纳米。

优选地，所述介质层包括上、下依次对齐相接的第一介质层、第二介质层、第三介质层；第一介质层一面与上金属层相接，第三介质层一面与下金属层相接；上金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，下金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，所述第一介质层为厚度1纳米至30纳米的氧化硅层，所述第二介质层为厚度150纳米至250纳米的硅层，所述第三介质层为厚度1纳米至30纳米的氧化硅层；所述一维结构周期为500纳米至700纳米。

优选地，填充率大于0.5。

本发明的另一技术解决方案是一种滤波器超元胞包括前述的微纳米结构滤波器形成的4X4矩阵；第1行第1列为第一偏振角度第一颜色滤波器，第1行第2列为第二偏振角度第一颜色滤波器，第1行第3列为第二偏振角度第二颜色滤波器，第1行第4列为第一偏振角度第二颜色滤波器；第2行第1列为第四偏振角度第一颜色滤波器，第2行第2列为第三偏振角度第一颜色滤波器，第2行第3列为第三偏振角度第二颜色滤波器，第2行第4列为第四偏振角度第二颜色滤波器；第3行第1列为第四偏振角度第四颜色滤波器，第3行第2列为第三偏振角度第四颜色滤波器，第3行第3列为第三偏振角度第三颜色滤波器，第3行第4列为第四偏振角度第三颜色滤波器；第4行第1列为第一偏振角度第四颜色滤波器，第4行第2列为第二偏振角度第四颜色滤波器，第4行第3列为第二偏振角度第三颜色滤波器，第4行第4列为第一偏振角度第三颜色滤波器。

优选地，O度、45度、90度、135度、无角度五种角度中任意四种角度分别构成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度；或者O度、45度、90度、135度、无角度五种角度中任意三种角度构成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度。

本发明的再一技术解决方案是所述CMOS数字传感器，其特殊之处在于：包括若干权利要求6或权利要求7所述的滤波器超元胞，所述若干超元胞在横向与纵向呈周期阵列分布。

优选地，所述滤波器的排列方式满足具有同一波段不同取向滤波器的像素组成一个光谱成像的超像素，同一取向不同波段的像素组成一个偏振成像的超像素，两个超像素相互嵌套，并周期性排列。

优选地，还包括控制单元、处理单元，任一所述微纳米结构滤波器都与控制单元相接，处理单元与控制单元相接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过金属介质微纳米结构来实现光谱滤波和偏振滤波功能，相比于目前基于聚合物材料的滤波器或偏振器，具有抗辐照、集成度高、工艺简单和可设计性好等优点。

同时，通过将光谱滤波和偏振滤波功能集成到一个金属介质微纳米结构滤波器中，可以在每个像素同时实现对滤波的光谱与偏振的精确控制。

此外，通过优化不同透过波段不同偏振选择的像素排列方式，可以在一块CMOS芯片上分别组合特定的像素（滤波器）同时实现光谱成像与偏振成像。

附图说明

图1是本发明微纳米结构滤波器的第一实施例的纵向剖面图。

图2是本发明微纳米结构滤波器的第一实施例的透过率光谱图。

图3是本发明微纳米结构滤波器的第一实施例的偏振消光比光谱图。

图4是本发明微纳米结构滤波器的第二实施例的纵向剖面图。

图5是本发明微纳米结构滤波器的第二实施例的偏振消光比光谱图。

图6是本发明微纳米结构滤波器的第二实施例的偏振消光比光谱图。

图7是本发明滤波器超元胞的一实施例的结构示意图。

图8是本发明微纳米结构滤波器的0度偏振方向示意图。

图9是本发明微纳米结构滤波器的45度偏振方向示意图。

图10是本发明微纳米结构滤波器的90度偏振方向示意图。

图11是本发明微纳米结构滤波器的135度偏振方向示意图。

图12是本发明CMOS数字图像传感器一实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明下面将结合附图作进一步详述：

图1至图3示出了本发明微纳米结构滤波器的第一个实施例。

请参阅图1所示，该微纳米结构滤波器，包括上下依次对齐相接的上金属层4、介质层3、下金属层2，下金属层2外面连接的衬底层1；上金属层4、介质层3、下金属层2具有相同的一维结构周期。衬底层可以是二氧化硅、氮化硅、氟化镁等等，优选为二氧化硅。

本实施例中，上金属层4可以是单一金属层，单一金属层由金、铂、银、铜、铝、钛元素中的一种构成；上金属层4也可以是合金层，合金层为金、铂、银、铜、铝、钛中一种元素的合金层；上金属层4还可以是多个单一金属层叠加后形成的叠加结构。

本实施例中，下金属层2可以是单一金属层，单一金属层由金、铂、银、铜、铝、钛元素中的一种构成；下金属层2也可以是合金层，合金层为金、铂、银、铜、铝、钛中一种元素的合金层；下金属层2还可以是多个单一金属层叠加后形成的叠加结构。

本实施例中，介质层3包括氧化硅、氮化硅、氟化镁、硒化锌、聚酰亚胺中的一种或几种材料。

本实施例中，上金属层4、下金属层2的厚度优选在40纳米以上，尤其是40纳米至150纳米；所述介质层为厚度100纳米至200纳米的氮化硅层；所述一维结构周期为200纳米至360纳米。

请参阅图1所示，该微纳米结构滤波器包括衬底层1、下金属层2、介质层3和上金属层4，图1中所示向下的箭头表示入射光。下金属层2、介质层3和上金属层4具有相同一维周期微纳米结构，且下金属层2、介质层3和上金属层4三层结构上下对齐。

本实施例中，上金属层4、下金属层2均为50纳米厚铝材料，介质层3为150纳米厚氮化硅。对于红、绿、蓝三色滤波器，一维结构的周期分别为340纳米、280纳米和230纳米，且填充率分别为0.8、0.8和0.75，通过一次光刻同时制备。三个彩色滤波器的透过率光谱请参阅图2所示，三个波段的TM偏振透过率峰值分别在626纳米、543纳米和474纳米，且透过率峰值均高于45%，TE偏振在400纳米到700纳米整个范围内均小于1%。图3显示了三个彩色滤波器TM偏振透过率与TE偏振透过率的比值，可以看到在整个可见光光谱范围内偏振消光比都大于20dB。

图4至图6示出了本发明微纳米结构滤波器的第二个实施例。

本实施例中，上金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，下金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，所述第一介质层为厚度1纳米至30纳米的氧化硅层，所述第二介质层为厚度150纳米至250纳米的硅层，所述第三介质层为厚度1纳米至30纳米的氧化硅层；所述一维结构周期为500纳米至700纳米。

请参阅图4所示，该微纳米结构滤波器包括衬底层111、下金属层222、第三介质层666、第二介质层333、第一介质层777和上金属层444，图中向下的箭头表示入射光。该实施例中，下金属层222、第三介质层666、第二介质层333、第一介质层777和上金属层444具有相同一维周期微纳米结构，且五层结构上、下对齐。上金属层444、下金属层222均为100纳米厚铝材料，第三介质层666为10纳米厚氧化硅，第二介质层333为220纳米厚硅，第一介质层777为20纳米厚氧化硅，并且下金属层222、第三介质层666、第二介质层333、第一介质层777和上金属层444形成的一维周期结构处于材质为二氧化硅的衬底层111包覆中。这个结构工作在红外波段，当一维结构的周期分别为560纳米、600纳米和640纳米，且填充率均为0.8时，滤波器的透过率光谱请参阅图5所示，三个波段的TM偏振透过率峰值分别在1.55微米、1.62微米和1.69微米，且透过率峰值均高于75%，TE偏振在1.2微米到2.2微米整个范围内均小于1%。图6显示了三个红外滤波器TM偏振透过率与TE偏振透过率的比值，可以看到在此光谱范围内偏振消光比都大于20dB。

图7至图11示出了本发明滤波器超元胞的实施例。

请参阅图7所示，该滤波器超元胞由16个前述的微纳米结构滤波器形成的4X4矩阵；第1行第1列为第一偏振角度第一颜色滤波器（图中符号31），第1行第2列为第二偏振角度第一颜色滤波器（图中符号32），第1行第3列为第二偏振角度第二颜色滤波器（图中符号22），第1行第4列为第一偏振角度第二颜色滤波器（图中符号21）；第2行第1列为第四偏振角度第一颜色滤波器（图中符号34），第2行第2列为第三偏振角度第一颜色滤波器（图中符号33），第2行第3列为第三偏振角度第二颜色滤波器（图中符号23），第2行第4列为第四偏振角度第二颜色滤波器（图中符号24）；第3行第1列为第四偏振角度第四颜色滤波器（图中符号44），第3行第2列为第三偏振角度第四颜色滤波器（图中符号43），第3行第3列为第三偏振角度第三颜色滤波器（图中符号13），第3行第4列为第四偏振角度第三颜色滤波器（图中符号14）；第4行第1列为第一偏振角度第四颜色滤波器（图中符号41），第4行第2列为第二偏振角度第四颜色滤波器（图中符号42），第4行第3列为第二偏振角度第三颜色滤波器（图中符号12），第4行第4列为第一偏振角度第三颜色滤波器（图中符号11）。

四个颜色可以为R（红色）G（绿色）B（蓝色）G（绿色），R（红色）G（绿色）B（蓝色）W（白光），C（青色）M（品红色）Y（黄色）K（黑色）等等。

O度、45度、90度、135度、无角度五种角度中任意四种角度分别构成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度；或者O度、45度、90度、135度、无角度五种角度中任意三种角度构成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度。

本发明“无角度”的意思是指没有偏振片，任何偏振角度的光都可以透过，类似彩色成像中的白光区，所有颜色都可以透过。

滤波器超元胞一种较佳的具体实现方式：第一颜色为红色，第二颜色为绿色，第三颜色蓝色，第四颜色为绿色；第一偏振角度为0度，第二偏振角度为45度，第三偏振角度为90度，第四偏振角度为135度。

当采用微纳米结构滤波器的第一实施例的方案时，对于红色、绿色、蓝色滤波器，一维结构的周期分别为340纳米、280纳米和230纳米，且填充率分别为0.8、0.8和0.75；当采用微纳米结构滤波器的第二实施例的方案时，对于红色、绿色、蓝色滤波器，一维结构的周期分别为560纳米、600纳米和640纳米，且填充率均为0.8。

控制这些微纳米结构滤波器的不同取向，请参阅图8至图11所示，图8为0度偏振方向、图9为45度偏振方向、图10为90度偏振方向、图11为135度偏振方向，可以获得平面内不同偏振方向光的透射行为。比如，一个滤波器相当于一个像素，将像素按照图7所示排列，其中11、12、13和14分别是0度、45度、90度和135度偏振的蓝色滤波器；21、22、23和24分别是0度、45度、90度和135度偏振的绿色滤波器；31、32、33和34分别是0度、45度、90度和135度偏振的红色滤波器；41、42、43和44分别是0度、45度、90度和135度偏振的绿色滤波器。

滤波器超元胞又一种较佳的具体实现方式：第一颜色为红色，第二颜色为绿色，第三颜色蓝色，第四颜色为无色；第一偏振角度为0度，第二偏振角度为45度，第三偏振角度为90度，第四偏振角度为无角度。

图12示出了本发明CMOS数字图像传感器的实施例。

请参阅图12所示，该CMOS数字传感器包括若干前述的滤波器超元胞，若干超元胞在横向与纵向呈周期阵列分布一滤波器超元胞的第一行与另一滤波器超元胞第四行邻接，一滤波器超元胞第一列与另一滤波器超元胞第四列邻接。该CMOS数字传感器还包括控制单元、处理单元，任一所述微纳米结构滤波器都与控制单元相接，处理单元与控制单元相接。

本实施例中，非边界的任一滤波器超元胞四面都邻接有另一滤波器超元胞，滤波器超元胞呈周期性排列。

本实施例中，通过这些滤波器超元胞形成CMOS数字传感器整体，相邻滤波器超元胞相互配合成像。

请参阅图12所示，当光谱成像时，特别如彩色成像时，11、12、13和14组成一个蓝色超像素；21、22、23和24组成一个绿色超像素；31、32、33和34组成一个红色超像素；41、42、43和44组成一个绿色超像素。虚线框内包括一个红色超像素、一个蓝色超像素和两个绿色超像素，类似于Bayer阵列红、绿、蓝像素排列方式。

请参阅图12所示，当偏振成像时，11、21、31和41组成一个0度偏振超像素；12、、22、32和42组成一个45度偏振超像素；13、23、33和43组成一个90度偏振超像素；14、24、34和44组成一个135度偏振超像素。图12中的点划线框内包括0度、45度、90度和135度偏振超像素各一个，类似普通的集成型偏振图像传感器实现偏振成像。从图12中可见，虚线框与点划线框相互嵌套。光谱成像与偏振成像互不干扰，因此一次拍照可以同时实现光谱与偏振成像。

本实施例中，CMOS数字传感器还包括控制单元、处理单元，任一所述微纳米结构滤波器都与控制单元相接，处理单元与控制单元相接。

本实施例中，CMOS数字传感器集成了光谱与偏振成像的功能，在入射波照射下，微纳米结构滤波器的结构与取向决定其所探测的入射波的波段和偏振方向的。通过把同一波段不同偏振取向的滤波器的像素组成一个超元胞，就可以实现光谱成像，并且通过选取不同的微纳米结构可以实现不同波段的滤波功能，光谱成像可以覆盖可见光、红外和太赫兹波段；同样的，把同一取向不同波段的像素组成一个超元胞，就可以实现偏振成像，将获得的上述像素信息的组合通过处理单元计算，既可以实现一次拍摄同时获得光谱与偏振图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种微纳米结构滤波器，其特征在于：所述微纳米结构滤波器为金属层和介质层组成的多层结构，衬底层连接其中的一个金属层，所述金属层和介质层在各自平面内具有相同的一维结构周期，所述金属层和介质层上、下对齐；成像用光谱滤波功能和偏振滤波功能均由微纳米结构滤波器实现，通过优化设计各像素的微纳米结构与像素阵列的排列方式，在一块CMOS芯片上通过分别组合设定的像素，同时实现光谱成像与偏振成像。

2.根据权利要求1所述的微纳米结构滤波器，其特征在于：所述多层结构至少包括两层金属层和夹在金属层中间的介质层，根据具体应用介质层可优化为多层介质。

3.根据权利要求2所述的微纳米结构滤波器，其特征在于：上金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，下金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，所述介质层为厚度100纳米至200纳米的氮化硅层；所述一维结构周期为200纳米至360纳米。

4.根据权利要求2所述的微纳米结构滤波器，其特征在于：所述介质层包括上、下依次对齐相接的第一介质层、第二介质层、第三介质层；第一介质层一面与上金属层相接，第三介质层一面与下金属层相接；上金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，下金属层为厚度40纳米至150纳米的铝层，所述第一介质层为厚度1纳米至30纳米的氧化硅层，所述第二介质层为厚度150纳米至250纳米的硅层，所述第三介质层为厚度1纳米至30纳米的氧化硅层；所述一维结构周期为500纳米至700纳米。

5.根据权利要求3或4所述的微纳米结构滤波器，其特征在于：填充率大于0.5。

6.一种滤波器超元胞，其特征在于：包括由权利要求1至权利要求5任一项所述的微纳米结构滤波器形成的4X4矩阵；第1行第1列为第一偏振角度第一颜色滤波器，第1行第2列为第二偏振角度第一颜色滤波器，第1行第3列为第二偏振角度第二颜色滤波器，第1行第4列为第一偏振角度第二颜色滤波器；第2行第1列为第四偏振角度第一颜色滤波器，第2行第2列为第三偏振角度第一颜色滤波器，第2行第3列为第三偏振角度第二颜色滤波器，第2行第4列为第四偏振角度第二颜色滤波器；第3行第1列为第四偏振角度第四颜色滤波器，第3行第2列为第三偏振角度第四颜色滤波器，第3行第3列为第三偏振角度第三颜色滤波器，第3行第4列为第四偏振角度第三颜色滤波器；第4行第1列为第一偏振角度第四颜色滤波器，第4行第2列为第二偏振角度第四颜色滤波器，第4行第3列为第二偏振角度第三颜色滤波器，第4行第4列为第一偏振角度第三颜色滤波器。

7.根据权利要求6所述的滤波器超元胞，其特征在于：O度、45度、90度、135度、无角度五种角度中任意四种角度分别构成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度；或者O度、45度、90度、135度、无角度五种角度中任意三种角度构成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度。

8.一种CMOS数字图像传感器，其特征在于：包括若干权利要求6或权利要求7所述的滤波器超元胞，所述若干超元胞在横向与纵向呈周期阵列分布。

9.根据权利要求8所述的CMOS数字图像传感器，其特征在于：所述滤波器的排列方式满足具有同一波段不同取向滤波器的像素组成一个光谱成像的超像素，同一取向不同波段的像素组成一个偏振成像的超像素，两个超像素相互嵌套，并周期性排列。

10.根据权利要求8或9所述的CMOS数字图像传感器，其特征在于：还包括控制单元、处理单元，任一所述微纳米结构滤波器都与控制单元相接，处理单元与控制单元相接。

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