CN109716177B - 用于色度分离的超表面透镜组件 - Google Patents
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Abstract
一种用于执行色度分离的超表面透镜组件，该超表面透镜组件包括第一层，该第一层具有从其中横向延伸的多个纳米鳍，并且每个纳米鳍是光学各向异性的以及对可见光谱中的光是能透射的，并且每个纳米鳍具有根据相位分布设置的光学特性。第二层与第一层间隔开并且包括多个光敏子像素，每个光敏子像素与不同的颜色相关联。操作时，许多光束可以被从源引导到超表面透镜，其中每个光束具有多个组分颜色。纳米鳍可以根据相位分布彼此结合运作，用于将光束弯曲和聚焦到第二层，其中每个组分颜色被差异化地弯曲和聚焦，用于将组分颜色引导到光敏子像素中的对应的子像素上。
Description
相关申请的交叉引用
该PCT国际专利申请要求2016年9月15日提交的题为“Metasurface LensAssembly For Chromatic Separation”的美国临时专利申请序列号62/394,918的权益，该美国临时专利申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分并且通过引用结合于此。
背景技术
1.技术领域
一种超表面透镜组件，用于基于分离光的组分颜色执行色度分离并且将光引导到图像传感器的不同区域上。
2.讨论
透镜被使用在包括将光引导和聚焦到光敏子像素上的各种应用中，这些应用包括图像传感器。色度分离或将光分离成其组分颜色的过程具有许多实际应用。一个重要的应用是彩色图像传感器，其使用对应于不同颜色的光敏子像素阵列。传统的彩色图像传感器在每个子像素上采用滤色器，以仅允许具有指定颜色的光到光敏子像素上。在成像传感器中已经取得了进步，从而在较小的传感器中使用越来越多的光敏子像素提供更高的分辨率。这些进步已经包括既缩小子像素的尺寸又使它们彼此更接近地放置。由于子像素接近放置而产生的一个问题是串扰，或者是旨在用于一个光敏子像素的光激活不同的、相邻的光敏子像素的趋势。针对串扰问题的传统解决方案是在每个光敏子像素上方提供微透镜以将光引导到该特定光敏子像素上并远离其他光敏子像素。成像器或光敏子像素阵列在现有技术中通常与透镜组件结合使用，透镜组件必须通过一系列步骤与成像器对准，这些步骤旨在优化在中心视野和图像的四个角落通过调制传递函数(MTF)渲染的图像的锐度/清晰度。传统上，当MTF曲线的峰值对于图像的所有五个部分靠近在一起排列时，透镜组件被粘合到成像器上。
类似于传统折射透镜运行的方式，近来在超表面透镜或使用多个纳米鳍来引导和聚焦光的透镜领域已经取得了进步。超表面透镜的一个特征是它们可以具有光学特性，该光学特性取决于穿过其中的光的颜色或波长。例如，参见arXiv预印本arXiv：1603.02735(2016年3月8日)中Devlin，Robert C等人的“High efficiency dielectric metasurfacesat visible wavelengths.”。另外参见arXiv预印本arXiv：1605.02248(2016年5月7日)中Khorasaninejad，Mohammadreza等人的“Planar Lenses at Visible Wavelengths.”。另外参见光波技术杂志33.12(2015年6月15日):2344-2358中Yu,Nanfang和Federico Capasso的“Optical metasurfaces and prospect of their applications including fiberoptics.”。
根据本发明的超表面透镜组件使用根据穿过其中的光的颜色而变化的光学特性的这种特征，以执行色度分离并将光束的组分颜色直接引导到对应的光敏子像素上，而不需要微透镜或滤色镜。
根据本发明的超表面透镜组件提供了一种透镜，该透镜可以与第二层光敏子像素整体成形，并且不需要昂贵的制造步骤(例如与现有技术的透镜组件一起使用的对准工艺)。本发明还可以提供相对于现有技术的图像传感器增加灵敏度的额外益处，其滤除了大部分光束，以便为每个光敏子像素仅提供一种组分颜色。
发明内容
本发明提供一种超表面透镜组件，用于执行色度分离。超表面透镜可以包括第一层，该第一层具有从其中横向延伸的多个纳米鳍，并且每个纳米鳍是光学各向异性的并且对可见光谱中的光是能透射的。纳米鳍可以与根据相位分布设定的光学特性结合在一起运作。光学特性可以是每个纳米鳍的取向。例如，可以通过每个纳米鳍围绕垂直于第一层的横向轴线的旋转来给予相位分布。
第二层可以与第一层间隔开，并且可以包括多个光敏子像素，每个光敏子像素与颜色组的不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色的原色)相关联。光敏子像素可以系统地布置，例如按照贝尔(Bayer)模式布置。
在操作中，许多光束可以从光源被引导到超表面透镜上，其中每个光束具有多个组分颜色，每个组分颜色具有可以大致横向穿过第一层的不同波长。纳米鳍可以将光束弯曲并聚焦到第二层上。光束的这种弯曲和聚焦可以通过纳米鳍共同根据相位分布的组合操作来执行。具体地，纳米鳍可以差异化地弯曲和聚焦每种组分颜色，并且可以根据相位分布配置纳米鳍以将组分颜色引导到光敏子像素中的对应的子像素上。
本发明在其最宽泛的方面提供了一种彩色图像传感器组件，以将不同颜色的光分离和引导到与每种颜色相关的光敏子像素上，该彩色图像传感器组件不需要如现有技术的彩色图像传感器中通常使用的微透镜和/或滤色器。本发明还可以防止一种颜色的光无意地被引导到与不同颜色的光相关并且旨在用于检测该不同颜色的光的光敏子像素上，这种现象被称为串扰。通过提供没有微透镜和/或滤色器的彩色图像传感器，可以制造更精确并且更容易制造的彩色图像传感器，因为涉及制造和对准微透镜和滤色器的传统步骤可以被消除。
本发明可以提供一种透镜，该透镜可以与第二层光敏子像素整体成形，并且不需要昂贵的制造步骤，例如将这些层精确对准地连接在一起的步骤。具体地，透镜可以包括第一层，其中多个纳米鳍(例如按照夹层布置)设置在共用基底上或者设置在彼此结合的单独基底上。
本发明还可以提供相对于现有技术的图像传感器增加灵敏度的额外益处，其滤除了大部分光束，以便为每个光敏子像素仅提供一种组分颜色。相反，本发明的装置将基本上所有的光束引导到与光束的对应的组分颜色相关联的一个或多个光敏子像素上。
附图说明
本发明的其它优点将是易于理解的，因为当结合随附的附图考虑时，通过参考以下详细描述，可以更好地理解本发明的优点，其中：
图1是超表面透镜的图形表示的透视图；
图2是具有弯曲的第一层的超表面透镜的图形表示的横截面图；
图3是具有平面的第一层的超表面透镜的图形表示的横截面图，该第一层具有多个高度不同的纳米鳍；
图4是根据本发明的一方面的具有根据相位分布取向的多个纳米鳍的第一层的透视图；
图5是现有技术的图像传感器的一段的横截面图形表示，该图像传感器包括在每个光敏子像素上的微透镜和滤色器；
图6是现有技术的图像传感器和透镜的简化横截面图；
图7是超表面透镜和成像器的简化横截面图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的标记表示在几个视图中的相应部分，提供了用于执行色度分离的超表面透镜20组件，并且该超表面透镜20组件可包括第一层22，第一层22具有从其中横向延伸的多个纳米鳍24，并且每个纳米鳍24是光学各向异性的以及对于可见光谱中的光是能透射的。纳米鳍24可以表现出形状双折射性，其是具有折射率的材料的光学性质，该折射率取决于光的偏振和传播方向以及材料相对于光的形状或取向。第一层与纳米鳍24一起可被称为超表面。纳米鳍24可以与根据相位分布28设定的光学特性26结合在一起运作，相位分布28可以是例如分布具有不同位置、取向或其他性质或性质组合的纳米鳍24的模式。换句话说，每个纳米鳍24可以根据相位分布28被配置以结合运作，就像传统的镜片将通过其中的光进行弯曲和聚焦一样。
纳米鳍24可以由具有四(二甲氨基)钛(TDMAT)前体的无定形二氧化钛(TiO2)制成并且可以成形为矩形，其可以用作穿过其中的光的波导。根据一个方面，光学特性26可以是每个纳米鳍24的取向。例如，可以通过每个纳米鳍24围绕横向轴的旋转来给予相位分布28，其中每个横向轴垂直于第一层22。根据替代方面，光学特性26可以是每个纳米鳍24在横向于第一层22的方向上的高度。根据另一替代方面，光学特性26可以是折射率，其针对不同的纳米鳍24而变化。
第二层30可以与第一层22间隔开，并且可以包括多个光敏子像素32，每个光敏子像素32与颜色组34中的不同颜色相关联。光敏子像素32可以是例如光电二极管，并且可以组合用作图像传感器。颜色组34可包括红色、绿色和蓝色的原色。颜色组34还可以包括其他不同的颜色，例如红色、绿色、蓝色和祖母绿；青色、洋红色和黄色；青色、洋红色、黄色和绿色；或青色、洋红色、黄色和白色。光敏子像素32可以系统地布置，例如，处于贝尔(Bayer)模式或任何其他规则或不规则的布置。
在操作中，许多光束36可以从源37被引导到超表面透镜20上，其中每个光束36具有多个组分颜色38，每个组分颜色38具有可以大致横向穿过第一层22的不同波长。纳米鳍24可以将光束36弯曲并聚焦到第二层30上。光束36的这种弯曲和聚焦可以通过纳米鳍24共同根据相位分布28的组合操作来执行。
第一层22上的纳米鳍24可以对每个组分颜色38差异化地进行弯曲和聚焦，从而可以将组分颜色38引导到光敏子像素32中的对应子像素上。
根据一个方面，每个光敏子像素32可以具有作为其距第一层22的距离的焦距，并且与颜色组34中的每种颜色相关联的光敏子像素32中的子像素可以具有与颜色组34的不同颜色相关联的光敏子像素32中的其他子像素的焦距不同的焦距。例如，红色子像素可以设置成处于第一焦距，绿色子像素可以设置成处于不同于第一焦距的第二焦距，并且蓝色子像素可以设置成处于不同于第一焦距和第二焦距的第三焦距。
根据另一方面，第一层22和第二层30可以被形成在共用基底上。替代性地，层22、30可以例如以夹层布置形成在彼此接合的两个或更多个独立基底上。层22、30可以使用例如一种或多种减成工艺、加成工艺或半加成工艺彼此成形。
第一层22可以是大致平面的并且平行于第二层30设置。替代性地，第一层22可以被弯曲，以提供大于180度的视角和/或减少色差。
如图6所示，透镜组件40通常设置在现有技术的成像系统中，以将光引导并聚焦到第二层30上，透镜组件40也被称为成像器。如图所示，透镜组件40可包括若干元件透镜42，并且可能需要复杂的操作来构造并彼此对准并与第二层30对准。图7示出了包括第一层22的超表面透镜20组件的简化横截面图，其可代替现有技术的透镜组件40。
显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在随附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式来实践。在装置权利要求中使用词语“所述”指代前项，其是一种肯定的叙述，意味着包括在权利要求的覆盖范围内，而词语“该”在一词之前并不意味着包括在权利要求的覆盖范围内。另外，权利要求中的附图标记仅仅是为了方便而不被解读为以任何方式作为限制。
Claims (10)
1.一种用于执行色度分离的超表面透镜组件，其包括：
具有多个纳米鳍的第一层，每个纳米鳍具有从所述第一层横向延伸的矩形形状，并且每个纳米鳍都是光学各向异性的以及对可见光谱中的光是能透射的，其中每个纳米鳍具有形状双折射性，并且其中每个纳米鳍均具有根据相位分布设定的光学特性，其中所述光学特性是在横向于所述第一层的方向上的高度或围绕垂直于所述第一层延伸的相应横向轴的取向之一；
第二层，所述第二层与所述第一层间隔开并且包括多个光敏子像素，其中所述多个光敏子像素中的一些光敏子像素与颜色组中的不同颜色彼此相关联；
所述超表面透镜组件被配置成使得横向穿过所述第一层的光束被弯曲并聚焦到所述第二层，其中所述纳米鳍根据所述相位分布一起起作用，其中所述光束具有多个组分颜色；以及
所述第一层上的所述纳米鳍差异化地将所述组分颜色中的每个组分颜色弯曲和聚焦并且将所述组分颜色引导到所述光敏子像素中的对应的子像素上。
2.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中以贝尔模式布置所述第二层的所述多个光敏子像素。
3.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中所述光敏子像素中的每个子像素具有作为距所述第一层的距离的焦距，并且其中所述多个光敏子像素中的与所述颜色组中的给定颜色相关联的各个子像素具有相同的焦距，并且
其中与不同颜色相关联的光敏子像素具有不同的焦距。
4.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中所述第一层和所述第二层形成在共用基底上。
5.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中所述第一层是平面的并且与所述第二层平行设置。
6.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中所述第一层被弯曲以提供大于180度的视角。
7.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中所述光学特性包括围绕垂直于所述第一层延伸的相应横向轴的所述取向。
8.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中所述光学特性包括在横向于所述第一层的方向上的所述高度。
9.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中所述光学特性包括折射率。
10.根据权利要求1所述的超表面透镜组件，其中所述颜色组包括红色、绿色和蓝色的原色。
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