CN110476249A - 具有基于波导的滤光器的光学部件 - Google Patents

具有基于波导的滤光器的光学部件 Download PDF

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Abstract

一种用于记录入射辐射的图像传感器可以包含：第一层，其用于通过衰减频率低于截止频率的入射辐射来对所述入射辐射进行过滤；以及第二光敏层，其用于吸收穿过所述第一层的辐射。所述第一层可以在所述入射辐射的传播方向上位于所述第二光敏层之前，并且所述第一层包含穿过所述第一层到达所述第二光敏层以供辐射传播通过的至少一个孔。所述至少一个孔的横截面尺寸可以被配置成提供截止频率，使得频率低于所述截止频率的入射辐射在所述至少一个孔内衰减并且频率高于所述截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔。

Description

具有基于波导的滤光器的光学部件
背景技术
本发明总体上涉及光学部件，并且更具体地，涉及具有为入射辐射提供截止频率的层的光学部件。光学部件可以是如图像传感器等有源光学部件或如透镜等无源光学部件。
现今，重要的有源光学部件是图像传感器，即，使用光传感器阵列来测量不同区域中的光强度并且因此记录图像的电子装置。典型的图像传感器是半导体电荷耦合装置(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。这些传感器主要使用滤色器阵列，其中彩色滤光元件使用例如拜耳(Bayer)图案来区分击中图像传感器的光的不同颜色。另一种类型的图像传感器基于Foveon色彩分离方案，所述Foveon色彩分离方案通过识别光被记录的深度来确定光的颜色。这个方案基于这样的情形：具有较长波长的光在传感器中具有较大的穿透深度。
已知的图像传感器可能需要另外的红外滤光器，因为红外光通过典型的传感器进行测量，但是这部分光不是所期望的，因为其污染了可见光的颜色。
此外，通常期望产生具有小像素、高的光测量效率和良好的色彩分离的图像传感器。具有滤色器阵列的图像传感器通过滤色器通常失去50％或更多的光强度。具有滤色器阵列或基于Foveon方案的图像传感器可能具有有限的色彩分离。还通常期望产生具有以与光击中图像传感器的角度无关的方式收集和测量光的像素的图像传感器。
高效过滤也是如透镜、光纤耦合器等无源光学部件之间的关注点。这种光学部件常常具有频率依赖性性能，如在透镜的情况下的色差，所述色差在成像应用中是不期望的。因此，将会期望具有经过改善的成像性能的无源光学元件。
发明内容
一个任务可以是提供一种不需要常规的红外滤色器来滤除红外光的图像传感器。另外的任务可以是提供一种高效地分离并测量击中图像传感器的光的不同颜色的图像传感器。另外的任务可能是提供一种图像传感器，其中以窄角(即，高度地非垂直于表面)击中图像传感器的光具有减少量的光溢出到相邻像素或具有带不那么依赖于光的角度的收集和测量效率的像素。另外的任务可以是提供一种图像传感器，其允许以结构上简单的方式(例如，不需要常规的滤色器阵列)对小像素进行色彩分离，这样可以简化这种图像传感器的制造。
根据本发明的第一方面，一种用于记录入射辐射的图像传感器可以包含：第一层，其用于对所述入射辐射进行过滤；以及第二光敏层，其用于吸收穿过所述第一层的辐射。所述第一层可以由对所述入射辐射不透明的一种或多种材料制成。所述第一层在所述入射辐射的传播方向上位于所述第二光敏层之前，并且所述第一层包括穿过所述第一层到达所述第二层以供辐射传播通过的至少一个孔。所述至少一个孔的横截面尺寸可以被配置成提供截止频率，使得频率低于所述截止频率的入射辐射在所述至少一个孔内衰减并且频率高于所述截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔。
在一个实施例中，所述第一层可以具有许多孔，所述许多孔具有一定数量的不同横截面尺寸(例如，一个尺寸或三个不同的尺寸)，使得所述第一层在所述第一层的平面中的不同位置提供具有一个或多个不同的截止频率的滤光功能。所述第二光敏层可以记录穿过所述第一层的不同孔的辐射的强度和位置。因此，根据实施例的图像传感器能够记录在不同的位置具有一定波长范围的光强度。这种图像传感器可以以与常规图像传感器类似的方式使用，所述常规图像传感器可以例如在数码相机或手机中找到。换句话说，第一层可以用于提供将色彩分离成一个或多个光分量，并且图像传感器的第二光敏层可以以与常规图像传感器的光敏层记录光的方式类似的方式记录所述一个或多个光分量。
图像传感器解决了以上所提及的一个或多个任务，原因如下：滤光层可以具有一个或多个提供截止频率的孔，所述孔滤除红外光，但允许具有更大频率的光(例如，红光、绿光和蓝光)传播。所述至少一个孔还可以提供位于光谱的不同范围内的截止频率，以测量可见光谱的一种或多种不同的颜色。可以组合不同尺寸的孔，以便通过例如减去通过具有不同截止频率的孔传播的测量辐射来测量并分离击中图像传感器的光的个别颜色。传播通过所述至少一个孔的入射辐射可以通过耦合到所述至少一个孔内的传播模式来传播，使得这个辐射不被折射并且这样可以减少光溢出到相邻像素和/或收集和测量效率对光击中传感器的角度的依赖性。引导光传播通过所述至少一个孔也可以减少光溢出和/或收集和测量效率对光的角度的依赖性。具有带孔的滤光层的图像传感器可以是结构上简单的，因为图像传感器可以通过标准芯片制造技术制造并且可以不需要例如提供具有彩色滤光元件的常规滤色器阵列。这个特征可能与小像素(例如，像素间距小于1μm的像素)相关。可以通过所述至少一个孔的深度来控制色彩分离的程度，即，在一定范围内(例如，低于截止频率)的光的衰减程度。因此，通过使用更深的孔或通过使用更厚的第一层来对入射光进行过滤，可以实现更强的色彩分离。
对于本文所公开的任何一个方面，所述至少一个孔可以被视为光的波导，并且第一层可以被视为基于波导的滤光器。在波导技术中，已知电磁波的波导的宽度施加低于其则无电磁波传播通过所述波导而是相反以指数方式衰变的截止频率。
根据本发明的第二方面，一种光学元件包含：第一层，其用于对辐射进行过滤；以及透明元件。所述第一层包含穿过所述第一层到达所述透明元件以供辐射传播通过的至少一个孔。所述至少一个孔的横截面尺寸被配置成提供截止频率，使得频率低于所述截止频率的辐射在所述至少一个孔内衰减并且频率高于所述截止频率的辐射传播通过所述至少一个孔。
第二方面解决了为无源光学部件提供高效过滤的任务，所述无源光学部件如透镜、光纤耦合器或通常是无源光学部件的一部分的透明元件。另外的任务可以是通过提供具有一定滤光特性的光学元件来改善这种光学部件的成像性能，所述一定滤光特性减小了无源光学部件的不期望的频率依赖性性能。
本发明的第一方面和第二方面可以共享一个或多个特征，并且因此，这种共享特征的实施例对于这两个方面来说可以是相同的。在一个实例中，用于对辐射进行过滤的第一层的实施例可以用于图像传感器并且还可以用于光学元件。因此，结合图像传感器的第一层作出的陈述对于光学元件的第一层同样有效，并且反之亦然。
附图说明
图1是根据实施例的图像传感器的切割截面图。
图2A是根据实施例的图像传感器的像素的示意性截面图，其中第一层设置在图像传感器的光敏层上。
图2B是根据实施例的图像传感器的像素的示意性截面图，其中第一层设置在图像传感器的光敏层上，并且其中透明层插入在第一层与光敏层之间。
图2C是根据实施例的图像传感器的像素的示意性截面图，其中第一层设置在图像传感器的光敏层上，并且其中透明材料填充在第一层的孔中并且透明材料在第一层上进一步设置透明保护层。
图3A是根据实施例的图像传感器利用空孔与入射辐射相互作用的示意性截面图。
图3B是根据实施例的图像传感器利用填充孔与入射辐射相互作用的示意性截面图。
图3C是根据实施例的图像传感器利用填充孔和透明保护层与入射辐射相互作用的示意性截面图。
图4是实施例的示意性俯视图，其中示出了四个相邻的像素，并且其中两个相邻像素的孔具有相互垂直的细长矩形横截面。
图5是图像传感器的实施例的示意性俯视图，其中示出了3x 3像素阵列，每个像素具有一组孔，其中像素的孔具有三个不同的横截面尺寸。
图6是根据实施例的光学元件的切割截面图。
图7A是根据实施例的用于测量某个范围内的辐射的光学装置的示意图。
图7B是根据实施例的用于测量某个范围内的辐射的另外的光学装置的示意图。
图8是根据实施例的具有图像传感器的图像捕获装置的框图。
图9是根据实施例的用于计算由图像传感器捕获的图像的表示的方法的流程图。
具体实施方式
如本文所使用的，即对于本发明的任何或所有方面和实施例而言，入射辐射是电磁辐射并且可以包含可见光或具有红外光和/或紫外(UV)光的可见光。
优选地，频率低于第一截止频率的入射辐射在至少一个孔内以指数方式衰变。因此，术语“截止频率”优选地被定义为极限频率，低于所述极限频率时，电磁波随着孔的深度的增加呈指数衰变。指数衰变根据波导理论来使用。当然，可以对截止频率采用不同的定义，例如，人们可以定义另外的截止频率，低于所述另外的截止频率时，透射强度减小到在例如入射辐射的强度的90％与0％之间的指定值。
频率高于第二截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔，即，孔内部存在允许辐射传播的模式。在现实世界的孔中，传播的辐射的强度仍然可以减小，但是减小将可测量地小于低于截止频率的辐射。在标准波导理论中，截止频率可以等于一个具体值，但在实施例中，在第一截止频率与第二截至频率之间可以存在过渡频率范围，低于所述第一截止频率的辐射在所述至少一个孔内衰减，高于所述第二截止频率的辐射传播通过所述至少一个孔。第一截止频率与第二截止频率之间的频率范围可能是由例如孔或孔壁的缺陷或其它非理想情形或亦由孔的特定形式引起的。
通常，在本文中与任何或所有实施例一起使用的截止频率可以是截止频率范围(受例如第一截止频率和第二截止频率限制)，使得频率低于截止频率范围的入射辐射在所述至少一个孔内衰减并且频率高于截止频率范围的入射辐射传播通过所述至少一个孔。换句话说，如本文所使用的术语截止频率可以被定义为截止频率范围并且可以用术语截止频率范围代替。根据标准波导理论，波导可以具有最低截止频率，低于所述最低截止频率的入射辐射因为不存在传播模式而无法传播通过所述至少一个孔。通常，在本文中与任何或所有实施例一起使用的截止频率可以意指这种最低截止频率并且可以不包含大于最低截止频率的截止频率。还可以存在具有相同的最低截止频率(在某个范围内)的多于一个传播模式。在一个实例中，方形孔(即具有相等边长的矩形孔)可以具有两个传播模式，这两个传播模式具有相同的最低截止频率。
如本文所使用的如“等于”和“大于”等表述并不意指在严格的数学意义上，而应当分别理解为“基本上相等”和“基本上大于”。为了与任何或所有实施例一起使用，值“基本上相等”的可能定义可以是“在由制造公差引起的偏差内相等”或“在±10％内相等”或在“±5％内相等”。相等值的另一个定义可以是其在典型测量的精度内相等。
所述至少一个孔在其横截面尺寸方面作为其定义的替代性方案可以具有一定的尺寸或足够小或在垂直于其深度的两个方向上具有延伸，使得所述至少一个孔至少提供截止频率，从而使得频率低于第一截止频率的入射辐射在所述至少一个孔内衰减并且频率高于截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔。
滤光层可以由带孔的金属层或由带具有金属涂层的孔的非金属层制成。滤光层还可以由带孔的不透明材料层制成，只要对某个波长或波长范围以上的光有充分的滤光或衰减效果即可。通常，滤光层可以被配置成充分滤除或衰减某个波长以上的光。滤光或衰减效果不需要接近100％，其可以更低，例如在100％到10％的范围内，使得透射强度降低到0％与90％之间。通常，滤光层可以被配置成通过例如将高于某个频率的入射辐射耦合到孔的传播模式来允许入射辐射充分传播。当传播的辐射比低于截止频率的辐射可测量地衰减得更少时，可以提供充分传播。高于截止频率的传播辐射与低于截止频率的衰减辐射之差可以具有在100％到10％的范围内的舍入值。这可以意味着高于截止频率的传播辐射还可以衰减到在100％与10％之间的舍入值，但比低于截止频率的辐射可测量地衰减得更少。
通常，滤光层和所述至少一个孔可以被配置成以高效的方式将击中滤光层的光子耦合到传播通过所述至少一个孔的所述一个或多个模式。
在下文中，首先描述了孔的实例实施例。
孔的两个基本参数是描述孔的尺寸的参数和描述孔的深度(或第一层的厚度)的参数。虽然对未填充另外的透明材料的孔进行了以下计算，但是类似的计算可以将这种材料和其光学性质考虑在内。
关于电磁波通过空波导的传播，采用以下波动方程(在真空源不存在的情况下从麦克斯韦方程导出)作为起点：
或用不同的符号表示
(grad**2-(1/c**2)(d/dt)**2)f(x，y，z，t)＝0。
这里，f(x，y，z，t)表示电场和磁场(下划线表示矢量)。
对于在z方向上具有恒定轴向横截面的一般波导，f(x，y，z，t)的以下拟设是适合的，所述拟设描述了在z方向上传播的波：
f(x，y，z，t)＝f(x，y)e i(ωt-kz z)。
利用这个拟设，f(x，y，z，t)是复函数并且如E场或B场等物理量被用作这个函数的实数部。
则波动方程变为
或
((d/dx)**2+(d/dy)**2-k_z**2+(w/c)**2)f(x，y)＝0。
这个方程连同从具有理想导体作为壁的波导导出的边界条件定义了f(x，y)的本征值问题。
边界条件是n作为壁表面的法向矢量：
n B＝0(即，B场以法线方向在壁表面上消失)
n x E＝0(即，E-场以切线方向在壁表面上消失)。
对于在x和y方向上分别具有宽度a和高度b的矩形波导，通常使用适于这种几何结构的平面波函数
f(x，y，z，t)＝f_0 exp(i(wt-k_x*x-k_y*y-kz*z))。
根据波动方程，则
(w/c)**2＝k_x**2+k_y**2+k_z**2。
根据边界条件，则波数的结果遵循
k_x＝nπ/a and k_y＝mπ/b。
据此，z方向上的波数遵循
k_z**2＝((w/c)**2-(nπ/a)**2-(mπ/b)**2)或
k_z＝sqrt((w/c)**2-(nπ/a)**2-(mπ/b)**2)。
这意味着，对于在z方向上传播(例如，未以指数方式衰变)的波，频率W必须比最小截止频率w_cut-off＝c sqrt((nπ/a)**2+(mπ/a)**2)大，条件为a>b(并且n＝1，m＝0)
w_cut-off＝c(π/a)。
传播模式现在可以分为两种主要模式类型：(i)横电模式(TE_m，n)，其中E_z＝0(即，电场总是指向横向于传播方向的方向)；以及(ii)横磁模式(TM_m，n)，其中B_z＝0(即，磁场总是指向横向于传播方向的方向)。还存在横电磁模式(TEM)，其中E_z＝0并且B_z＝0(即，电场和磁场总是指向横向于传播方向的方向)，然而，这需要具有至少两个电绝缘导电壁的波导。
对于具有方形横截面(即a＝b)的波导，其遵循
k_z＝sqrt((w/c)**2-(n**2+m**2)(π/a)**2)。
如1976年第六次印刷的J.D.Jackson的教科书《经典电动力学(ClassicalElectrodynamics)》所示出的，TE模式始终具有最低截止频率w_cut-off＝c(π/a)，而TM模式具有更高的截止频率。
具有方形横截面的波导有具有相同截止频率的两个离散的TE模式，即TE_1，0模式和TE_0，1模式。因此，这种波导是多模波导，所述多模波导可以提供的优点是：将击中波导的开口的光子更有效地耦合到波导的模式，使得波导对高于截止频率的辐射或光更透明。
这里可以忽略可能与由非理想导体制成的壁相关的其它效果，因为这里考虑到的波导的长度非常短(例如，低于10μm或低于1μm)。
对于方形波导，这两个最小模式(n＝1，m＝0和n＝0，m＝1)给出了
k_z**2＝(w/c)**2-(π/a)**2。
对于波导的非传播模式，即角频率小于截止频率w＜w_c＝c(π/a)的模式，k_z的解是纯虚数的并且导致波在z方向上呈指数衰变
k_z＝-i sqrt((π/a)**2-(w/c)**2)，w＜c(π/a)
＝-i(π/a)sqrt(1-(2a/λ)**2)，λ＞2a，(*)
其中λ＝2πc/w是电磁(em)波的波长，并且λ_c＝2a是截止波长。方程(*)是基本方程，指示了当em波的波长高于截止波长时，在波导方向上的传播如k_z所指示的呈指数衰变。
k_z的上述方程对空波导几乎也是如此。对于例如用介电材料填充的波导，k_z为例如
k_z＝-i sqrt((με)/(μ_0 ε_0))sqrt((π/a)**2-(w/c)**2)，w＜c(π/a)，
ε是波导中的介电透明材料的介电常数，并且μ是其磁导率。ε_0和μ_0是真空的对应常数。
现在使用方程(*)来设计实例孔，使得在400nm与700nm的波长之间的可见光被分成表示蓝光、绿光和红光的三个分量。
最大孔被配置成允许传播所有可见光，但是抑制700nm以上的光(红外光)。其遵循a_1＝350nm。
中等尺寸的孔被配置成允许传播蓝光和绿光(以及黄光)，但是抑制600nm以上的红光。其遵循a_2＝300nm。
最小孔被配置成允许传播蓝光，但抑制500nm以上的绿光和红光。其遵循a_3＝250nm。
在其它实施例中，截止频率的值可以是不同的，以便将可见光分成不同的分量。作为实例，可以选择中等尺寸的孔以允许传播蓝光和绿光并且抑制570nm以上的黄光和红光。则其遵循a_2＝285nm。
光强度S与em波的电场的平方成比例：Sprop(Ref)**2。
现在可以将孔设计成使得例如波长λ_D比截止波长大100nm(λ_D＝λ_c+100nm)的光至少减少exp(-2)≈0.135倍。这意味着电场减少exp(-1)倍。这给出了孔的最小深度1_z
l_z＝(a/π)/sqrt(1-(2a/λ_D)**2)。
据此，a＝a_1＝350nm时的最大孔(所述最大孔确定第一层的最小厚度)遵循：
l_z≈230nm。
如果期望波长为λ_D(λ_D＝λ_c+100nm)的光的光强度至少减小exp(-4)≈0.018倍，则这给出了a＝a_1时的最小深度l_z′：
l_z′≈460nm。
计算出的1_z′值提供了相当强的色彩分离(这对于波长更小的光来说甚至更强)。
利用标准芯片制造工艺容易地制造第一层的厚度如l_z或l_z′所指定那样的实施例：可以将厚度为例如460nm的金属层沉积在具有像素间距为约1微米到10微米(或更小或更大)的像素的具有可能的常规设计的裸露图像传感器(即无滤色器阵列的图像传感器)的顶部。然后可以通过使用例如刻蚀工艺来提供第一层中的孔。以此方式，像素直接耦合到金属层中的孔。孔的尺寸可以为350nm、300nm和250nm。所有必需的制造步骤均可通过当今的技术容易地获得。
较厚的第一层允许更严格地减少波长大于孔尺寸所定义的截止波长的光。因此，较厚的第一层增加了色彩分离。因此，较薄的层减少了不同光分量之间的色彩分离。根据应用，可以以更严格的方式或以不那么严格的方式实施色彩分离。
在另外的实施例中，第一层的厚度还可以针对不同的孔而变化。
在另外的实施例中，孔的形状可以是例如圆锥形或锥形(即在滤光层的一侧具有比在另一侧更大的开口)，并且孔的横截面可以是非矩形的，如圆形、六边形或任何其它形状。
通常，可以期望尽可能多地增加可以用于光测量的图像芯片的表面，使得光收集效率得到提高。因此，孔可以尽可能多地耦合到光敏层的光敏区域，并且孔之间的壁的厚度可以尽可能地薄。
例如，假设像素间距为约1微米的图像传感器的光敏面积为800nm乘以800nm，则一个实施例可以将具有相同尺寸的四个孔组在一起并且将这四个孔直接耦合到一个像素。以此方式，光损失减少。还可以可能将具有相同尺寸(例如，350nm)的四个孔耦合到一个像素并且将相同(例如，250nm)的九个更小的孔耦合到另一个像素。
通常，耦合到一个像素的孔的数量可以根据像素尺寸、孔尺寸和壁厚变化。作为实例，尺寸为4μm的方形像素可以具有以下数量的方形孔，其中金属壁的厚度为约50nm：对于a＝350nm的方形孔，每像素可以存在9*9个或10*10个孔；对于a＝300nm的方形孔，每像素可以存在11*11个孔；对于a＝250nm的方形孔，每像素可以存在13*13个孔。在另外的实例中，像素的边长可以小于1μm，并且对于每个像素，可以存在耦合到像素的单个孔。
在一个实施例中，孔可以具有针对n个不同的尺寸边长值为ai(i＝1...n)的恒定方形横截面，其中a1>a2>a3...>an。孔可以具有金属壁，并且截止频率可以具有对应的截止波长λi，截止，高于所述截止波长时，入射辐射在所述至少一个孔内以指数方式衰变，并且低于所述截止波长时，入射辐射传播通过孔的孔，并且其中ai等于λi，截止/2。第一层的厚度lz(在这个实例中对应于孔的深度d)相对于孔中的真空为
或
l_z，vac＝d_vac≥(a_1/π)/sqrt(1-(2a_1/2_D，1)**2)
其中a_1是边长值ai(i＝1...n)中的最大边长值，并且λ_D，1＝λD，1是大于截止波长λ1，截止＝2a1的波长并且是辐射波长，所述辐射的强度至少衰减e-2倍。换句话说，如果滤光层的深度d与上述公式一致，则波长为λ_D，1的辐射的强度在所述至少一个孔内衰减至少e-2倍。波长在λ_D，1与λ1，截止之间的辐射将衰减得更少，并且λ_D，1以下的辐射将衰减得多得多，但是利用上述公式可以确定提供一定衰减水平的深度。在一个实例中，可以选择λ_D，1比λ1，截止大100nm以用于相对较低水平的衰减或不那么锐化的滤光特性(参见上文中的实例)。在另外的实例中，可以选择λ_D，1比λ1，截止大25nm以用于相对较高水平的衰减或更加锐化的滤光特性。
1_z，vac或d_vac的上述方程对于绝对空孔是有效的，对于其中没有真空或填充有如介电材料或空气等物质的孔，其为
或
1_z＝d≥(a_1/π)sqrt((μ_0 ε_0)/(με))(1/sqrt(1-(2a_1/λ_D，1)**2))，
其中ε是孔中的物质的介电常数、μ是孔中的物质的磁导率、ε_0是真空的介电常数并且μ_0是真空的磁导率。
因此，第一方面可以涉及用于记录入射辐射的图像传感器。图像传感器可以包含用于对入射辐射进行过滤的第一层和用于吸收和记录穿过第一层的辐射的第二光敏层。第一层可以由对入射辐射不透明的一种或多种材料制成。在一个实例中，第一层可以被认为对入射辐射不透明，因为入射辐射耦合到一个或多个模式，所述一个或多个模式由至少一个孔提供并且根据入射辐射的频率导致入射辐射(或入射辐射的能量)衰减或导致入射辐射(或入射辐射的能量)传播。第一层(或滤光层)在入射辐射的传播方向上位于第二光敏层之前，并且第一层包含穿过第一层到达第二层以供辐射传播通过的至少一个孔。所述至少一个孔的横截面尺寸可以被配置成提供截止频率，使得频率低于截止频率的入射辐射在所述至少一个孔内衰减并且频率高于截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔。换句话说，所述至少一个孔提供截止频率，并且频率低于截止频率的入射辐射在所述至少一个孔内衰减并且频率高于截止频率的的入射辐射传播通过所述至少一个孔。因此，所述至少一个孔通过衰减频率低于由所述至少一个孔提供的截止频率的入射辐射并且允许频率高于截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔来对入射辐射进行过滤。术语截止频率、衰减或衰变和传播可以如在波导领域中那样使用。因此，频率低于截止频率的入射辐射可以在所述至少一个孔内以指数方式衰变，并且频率高于截止频率的入射辐射可以通过耦合到所述至少一个孔内的一个或多个传播模式来传播通过所述至少一个孔。在一个实施例中，频率高于截止频率的入射辐射还可以以指数方式衰变，但是这种衰变未通过波导理论预测到，而是可能由其它原因(例如，非理想导体作为壁或其它现实世界效果)引起。如先前所指示的，如这里所使用的术语截止频率可以意指截止频率范围(而不是如通过波导理论预测的仅一个截止频率值)。在这种情况下，频率低于截止频率范围的入射辐射在所述至少一个孔内衰减，并且频率高于截止频率范围的入射辐射传播通过所述至少一个孔。
在一个实施例中，所述至少一个孔可以垂直于第一层的平面表面，其中所述至少一个孔沿着孔的轴线具有恒定的横截面，并且横截面是对称的，任选地是方形、矩形、圆形或六边形横截面。第一层可以是金属的或者第一层可以包含涂覆有金属层的非金属层，使得在这两种情况下，所述至少一个孔具有一个或多个金属壁。任选地，所述至少一个孔的所有壁均可以是金属的。
在一个实施例中，第一层可以包含具有不同横截面尺寸csi(i＝1...n)的两个、三个或更多个孔，其中cs1＞cs2＞cs3...＞csn。每个孔可以被配置成衰减具有低于相应截止频率w1、w2、w3、...、wn的频率的光并且传播具有高于相应截止频率的频率的光，其中w1＜w2＜w3...＜wn。换句话说，横截面尺寸cs1被配置成提供截止频率w1，横截面尺寸cs2被配置成提供截止频率w2等。
在一个实施例中，所述至少一个孔可以填充有透明材料，并且任选地，透明材料可以在第一层上提供另外的保护层。
在一个实施例中，所述至少一个孔可以具有针对n个不同的尺寸边长值为ai(i＝1...n)的恒定方形横截面。所述至少一个孔可以具有金属壁，并且截止频率可以具有对应的截止波长λi，cut-off(i＝1...n)，高于所述对应的截止波长时，入射辐射在所述至少一个孔内以指数方式衰变，并且低于所述对应的截止波长时，入射辐射传播通过所述至少一个孔。边长值ai可以等于λi，截止/2(i＝1...n)。任选地，第一层的厚度1_z或所述至少一个孔的深度d可以为
1_z＝d≥(a_1/π)sqrt((μ_0 ε_0)/(μ ε))(1/sqrt(1-((2a_1)/λ_(D，1))**2))，
其中a1是ai(i＝1...n)中的最大边长值，并且λ_(D，1)是大于截止波长λ1，截止＝2a1的波长且是辐射波长，当到达第二光敏层时，所述辐射的强度在所述至少一个孔内衰减至少e**(-2)倍，并且其中ε是孔中的物质的介电常数、μ是孔中的物质的磁导率且ε_0和μ_0是真空的对应常数。孔中的物质可以是例如空气、介电透明物质或者还可以是真空(在这种情况下，系数sqrt((μ_0 ε_0)/(με))变为一)。
在一个实施例中，光敏层可以包含像素阵列，并且具有相同横截面尺寸的每个孔或每个多个连续孔覆盖并耦合到阵列中的个别像素。在一个实施例中，每个像素可以包含光敏区域，并且耦合到像素的孔或所述多个连续孔可以覆盖等于或大于个别像素的光敏区域且小于像素的整个区域的区域。
图像传感器可以具有不同的像素阵列。在一个实例中，阵列可以具有一个或非常少的像素，在不同的实例中，阵列可以是4000乘以6000个像素或更多个像素如1亿个像素(或更多)或在4000乘以6000与1亿之间的任何数量的像素。当图像传感器用于例如扫描装置中时，阵列还可以具有1乘以8000个像素或3乘以8000个像素。再次，像素的数量可以更多或更少。
在一个实施例中，图像传感器的光敏层可以与常规图像传感器的光敏层类似或相同。根据实施例的用于记录入射辐射的图像传感器在电路系统方面可以类似于常规图像传感器。换句话说，根据实施例的图像传感器可以类似于常规图像传感器，根据实施例，所述常规图像传感器的具有彩色滤光元件的滤色器阵列已经被第一层代替。
在一个实施例中，透明层可以位于第一层与光敏层之间。任选地，透明层可以包含位于个别像素的边界上方的壁，其中所述壁对入射辐射不透明并且优选地是金属的。
在一个实施例中，第一层可以包含具有两个或更多个不同的横截面尺寸的孔的阵列。阵列中的每个孔可以具有针对n个不同的尺寸边长值为ai(i＝1...n)的恒定方形横截面，并且每个孔可以具有金属壁。孔可以被分组成使得每组孔具有一个孔或多于一个孔，所述多于一个孔是连续的并且具有相同的横截面尺寸，并且每组孔覆盖并耦合到光敏层的一个且仅一个像素。所述组孔可以在第一层中布置成重复图案。
在一个实施例中，孔可以具有三个或更多个不同的横截面尺寸：第一尺寸，其用于滤除红外光并允许传播红光、绿光和蓝光；第二尺寸，其用于滤除红光并允许传播绿光和蓝光；以及第三尺寸，其用于滤除红光和绿光并允许传播蓝光。第一层中的重复图案可以被配置成为像素阵列中的每个像素提供红光、绿光和蓝光的测量值或内插值。任选地，与第一横截面尺寸的截止频率相对应的截止波长λ_(1)在600nm到750nm的范围内、任选地在650nm到730nm的范围内，并且第一横截面尺寸的边长值a1在300nm到375nm范围内、任选地在325nm到365nm范围内，其中与第二横截面尺寸的截止频率相对应的截止波长λ_(2)在495nm到590nm的范围、任选地在515nm到570nm的范围内，并且第二横截面尺寸的边长值a2在247nm到295nm的范围内、任选地在257nm到285nm的范围内，并且其中与第三横截面尺寸的截止频率相对应的截止波长λ_(3)在450nm到510nm的范围内、任选地在465nm到495nm的范围内，并且第三横截面尺寸的边长值a3在225nm到255nm的范围内、任选地在233nm到248nm的范围内。
在一个实施例中，第一层可以包含具有三个或更多个不同的横截面尺寸的孔的阵列：第一尺寸，其用于允许传播红外光、红光、绿光和蓝光；第二尺寸，其用于滤除红光并允许传播绿光和蓝光；以及第三尺寸，其用于滤除红光和绿光并允许传播蓝光。第一尺寸的每个孔可以覆盖像素的等于或小于像素的区域，并且第一尺寸的每个孔可以填充有滤除红外光并透射具有比红外光更短的波长的光的滤光材料。任选地，所有孔均填充有滤光材料和/或滤光材料在第一层上提供另外的层。在这个实施例中，最大的孔太大以至于其无法通过例如滤除红外光来提供滤光功能。相反，在另外的彩色滤光材料可以用于常规图像传感器时，红外光被另外的彩色滤光材料滤除。这种实施例可以更有效地收集记录在耦合到最大孔的像素中的所有频率的光。
在一个实施例中，孔阵列可以具有三个不同的横截面尺寸，并且所述组孔可以布置成两个交替的像素行。第一行像素可以交替地测量一个像素中的红光、绿光和蓝光以及下一个像素中的绿光和蓝光，并且第二行像素可以交替地测量一个像素中的绿光和蓝光以及下一个像素中的蓝光。第一行中测量红光、绿光和蓝光的像素可以在第二行中具有测量绿光和蓝光的相邻像素。
在一个实施例中，孔可以具有以下另外的尺寸中的任何一个尺寸：第四尺寸，其用于滤除远红外光的低于红外光截止频率的部分并允许传播近红外光的高于红外光截止频率的另外部分以及传播红光、绿光和蓝光；第五尺寸，其用于滤除红光和黄光并允许传播绿光和蓝光；第六尺寸，其用于滤除红光以及绿光的低于绿光截止频率的部分并允许传播绿光的高于绿光截止频率的另外部分以及传播蓝光；第七尺寸，其用于滤除红光、绿光和蓝光并允许传播紫外光；或所述尺寸中的任何尺寸的组合。
在一个实施例中，孔可以具有两个或更多个不同的横截面尺寸，其包括用于滤除低于下截止频率的光并允许传播高于下截止频率的光的一个尺寸以及用于滤除低于上截止频率的光并允许传播高于上截止频率的光的另一个尺寸，使得除了光的其它分量之外可测量在下截止频率与上截止频率之间的范围内的光的量。任选地，在下截止频率与上截止频率之间的范围可以包含一个或多个谱线，任选的识别原子或分子的不同状态之间的转变的原子或分子的吸收或发射线。
在一个实施例中，所述至少一个孔可以被伸长成横截面优选地为矩形，使得所述至少一个孔在伸长方向上的长度定义垂直于伸长方向偏振的入射辐射的截止频率并且所述至少一个孔在垂直于伸长方向的方向上的长度定义另外的截止频率，所述另外的截止频率大于期望通过图像传感器分析的入射辐射的范围的上限。任选地，第一层可以包含多个第一细长孔和多个第二细长孔，所述多个第一细长孔覆盖光敏层的像素阵列中的第一像素，所述多个第二细长孔覆盖相邻的第二像素并且具有相对于第一细长孔绕第二细长孔的轴线旋转90°的横截面形状。
在一个实施例中，所述至少一个孔可以朝向或远离第二层成锥形。
图1是根据实施例的图像传感器10的切割截面图。图像传感器10具有用于对入射辐射进行过滤的第一层11和用于吸收穿过第一层的辐射的第二光敏层12。第二光敏层12包含像素阵列，示出了其中的仅一个像素14n，m。像素14n，m耦合到5乘以5个孔13，但是根据像素、孔和壁的尺寸，每个像素具有其它数量的孔也是可能的。在实施例中，孔13垂直于第一层11的平面表面、沿着孔的轴线具有恒定的方形横截面并且均具有相同的尺寸以便为像素14n，m提供一个截止频率。孔13穿过第一层11到达第二层12，使得高于孔13提供的截止频率的辐射可以传播通过孔13并且在光敏第二层12中进行测量。与此相比，低于截止频率的辐射在孔13内衰减并且将仅贡献一小部分到在第二层12中测量的辐射。通过改变第一层11的厚度，可以控制到达第二层的低于截止频率的辐射的强度，使得所述强度可以如期望的那样小(直到其达到几乎为零)。孔13具有金属壁20并且用作波导。低于截止频率的入射辐射通过在孔13内以指数方式衰变而在孔13内衰减，而高于截止频率的入射辐射通过耦合到孔13内的一个或多个传播模式而传播通过孔13。在实施例中，对应于截止频率的截止波长是孔13的方形横截面的边长的两倍。
在图1中，具有相同横截面尺寸的多个5乘以5个连续孔13覆盖并且耦合到阵列中的个别像素14n，m。阵列中的其它像素可以耦合到具有方形横截面但具有不同横截面尺寸的另外的多个连续孔。
滤光层11可以制造在可以是常规设计的光敏层12上方。可以使用标准CMOS技术或其它芯片制造技术通过提供具有足够厚度的金属层来制造滤光层11，然后在所述滤光层中制造孔13。在一个实施例中，孔可以以与例如用于单分子测序的零模式波导类似的方式制造(参见美国专利公开US 2014/0175052 A1，其通过引用的方式并入本文中)。滤光层11还可以通过在图像传感器上提供介电层、移除介电层的一部分以创建孔13并且然后用金属层在侧面和顶部覆盖壁20来制造(参见例如国际出版物WO 2013/109877，其通过引用并入本文)。
图2A是根据实施例的图像传感器10的像素的示意性截面图，其中用于利用通孔对入射辐射进行过滤的第一层11设置在图像传感器10的第二光敏层12上。如所示出的，第一层11安置在第二光敏层12上方并与所述第二光敏层接触，所述第二光敏层吸收穿过滤光层11的辐射。滤光层11具有孔13，所述孔具有用于通过其传播高于截止频率的辐射的壁20。第一层11的厚度以及因此孔13的深度为d。
光敏层12包括像素14n、14n+1、...的阵列，并且每个孔13覆盖并耦合到阵列中的个别像素。每个像素14包括光敏区域15，并且孔13可以-如以非限制性方式示出的-仅在像素的光敏区域15上方，使得阻止无法测量的光到达图像传感器。这样可以减少可以到达相邻像素的杂散光，使得光敏层中的像素之间不需要或需要较少的光屏蔽。
图2B是根据实施例的图像传感器10的像素的示意性截面图，其中具有通孔的第一层11设置在图像传感器的第二光敏层12上，并且其中透明层16插入在第一层11与第二光敏层12之间。在这个实施例中，在光敏层12与滤光层11之间引入透明层16，以允许增加收集被测量的光的区域。第一层11中的耦合到像素14n的滤光区域大于像素14n的光敏区域15，滤光区域与像素14n本身的面积基本上一样大。壁17可以对应于像素极限设置例如在相邻像素之间的边界上方。在实施例中，孔13覆盖比敏感区域大的区域，以便最大化光收集。在一个实施例中，考虑到孔、壁和像素的尺寸，耦合到一个像素的孔可以尽可能覆盖与像素的区域一样多的区域。
透明层16的壁17可以是不透明的(即，对光不透明)或金属的，并且位于像素极限之上，以防止光从一个像素区域14n穿到另一个像素区域14n+1。具有壁17的透明层16可以通过先在像素区域之上提供被移除的不透明或金属层使得仅保留壁17并且然后提供透明层16的透明介电材料来制造。
图2C是根据实施例的图像传感器10的像素的示意性截面图，其中具有通孔的第一层11设置在图像传感器10的光敏层12上，并且其中透明材料18填充在滤光层11的孔13中，并且透明材料18在滤光层11上进一步提供透明保护层19。在实施例中，透明材料18的厚度大于滤光层11的厚度，以在具有孔的滤光层之上提供另外的层19。另外的层19可以是保护层。在另外的实施例中，滤光层11的孔13可以填充有厚度与滤光层11的厚度相同的透明材料18。在具有透明材料的实施例中，与截止频率有关的计算可能必须将透明材料18的介电性质考虑在内。
图3A到3C示意性地示出了针对上文所讨论的并且图2A和2C所示出的情况，入射光子与个别孔13的相互作用。在这些实例中，每个孔13具有金属壁20。
图3A是根据实施例的入射光子利用空孔与图像传感器相互作用的示意性截面图。在图3A中，孔13是空的，即未填充有透明材料，这对应于图2A所示出的实例。入射光子例如在倾斜入射角下撞击在孔13上，并且如果入射光子的频率对孔13的尺寸而言足够大，则孔中将存在传播波导模式。因此，光子或光子的能量将能够到达图像传感器像素的位于下方的光敏区域。
图3B是根据实施例的图像传感器利用填充孔与入射辐射相互作用的示意性截面图。在图3B中，孔填充有透明材料，这对应于图2C中的实例，其中透明材料18的厚度等于滤光层11的厚度。换句话说，用透明材料填充滤光层的孔，直至孔的壁的上边缘。与图3A的情况一样，可以在倾斜即非正入射角下到达的入射光子进入孔，但是只有当入射光子的频率对孔的尺寸而言足够大时，波导模式才可用于将光子的能量(或其一部分)向下传播到图像传感器的光敏层。
图3C是根据实施例的图像传感器利用填充孔和透明保护层19与入射辐射相互作用的示意性截面图。在图3C中，透明材料以这样的方式施加到滤光层11，使得孔填充有透明材料并且滤光层11的顶部有透明保护层19。在这种情况下，入射光子在进入孔之前先折射。再次，仅当入射光子的频率足够大时，传播波导模式才可用，使得光子的能量可以到达图像传感器的位于下方的光敏层或区域而不会在很大程度上衰减。
在另外的实施例中，透明材料可以以微透镜的形式(例如，具有凸起的上表面)设置在滤光层11的每个孔上方，使得入射辐射聚焦在每个孔的中心。这种微透镜可以用于孔未被填充的实施例和孔填充有透明材料的实施例。在第二种情况下，微透镜的透明材料可以与填充孔的透明材料相同，或者透明材料可以不同。具有微透镜的实施例可以提供入射辐射更好地耦合到传播模式，使得图像传感器的记录效率得到提高。
在又一个实施例中，可以通过使用具有3个不同尺寸的孔的滤光器阵列来提供多光谱图像。在一个实例中，还可以使用大于350nm的孔，以测量红外线并且区分其与所测量的其它颜色。在一个实例中，可以使用小于250nm的孔，以测量UV光并且区分其与所测量的其它颜色。此外，可以使用尺寸在250nm与350nm之间的孔可以来测量更窄的频带内的光。如果要测量窄带的光，则紧邻地放置测量高于和低于窄带的极限的光的像素例如作为相邻像素会是有利的。这样可以增加系统相对于窄带的光的空间分辨率。通常，这种实施例可以优于如拜耳滤光器等标准滤色器阵列，因为可以将不同的截止频率定义在任意值，而不依赖于用于滤光的染料。而且，与未测量的光(例如，低于截止频率的光)相比，通过调整滤光层的深度，截止频率可以提供被测量的光(例如，高于截止频率的光)的锐化极限。制造方法总是类似的，只有用于创建孔的掩模可能必须改变并且这可以使用标准CMOS技术或其它标准芯片制造技术来完成。
在本发明的另外的实施例中，可以通过使用非方形孔即在一个方向上比在另一个方向上更长的孔来测量光的偏振。在一个实施例中，较长方向上的长度可以用于通过定义截止频率来提供过滤函数，而较短方向上的长度可以被选择得小到其截止频率高于期望被测量的辐射的范围(例如，在高于蓝光范围的UV频率范围内)。在实施例中，较高的截止频率不用于分离光分量或频率范围，而是用于抑制期望被测量并且沿着孔的长边偏振的所有光。在实施例中，由孔提供的波导可以是有效的单模TE波导，并且仅电场矢量垂直于孔的长边(并且垂直于孔的轴线，即垂直于滤光层的法向矢量)的模式可以传播通过孔(电场矢量的长度将会沿着孔的长边变化)。可以改变孔的长边以定义光的不同截止频率，其中电场矢量垂直于孔的长边，并且因此，可以测量和区分具有这种偏振的不同颜色范围。在这种实施例中，在与单TE模式相同的方向上偏振的光将会高效地耦合到仅有的传播模式，而在垂直于单TE模式的方向上偏振的光将会不那么高效地耦合到仅有的传播模式并且因此无论频率如何，都将会被滤除(假设孔的短边足够小，从而使得测量的光低于短边的截止频率)。在一个实施例中，孔可以是矩形的并且具有金属壁。
具有这种细长孔的像素可以具有相邻像素，所述相邻像素具有尺寸相同但旋转90度的孔。在实例实施例中，两个相邻像素可以用于分别测量高于相同截止频率的和针对这两个偏振方向中的每个偏振方向的光的量。在另外的实例实施例中，第一对相邻像素的孔可以具有第一尺寸但相对于第一对中的不同像素旋转90度，并且第二对像素可以与第一对相邻并且其孔可以具有第二尺寸但相对于第二对中的不同像素再次旋转90度。在这种实施例中，可以测量具有两个不同的频率范围(并且因此也具有在这两个不同的截止频率之间的范围)和不同偏振的光。
图4是传感器30的实施例的示意性俯视图，其中示出了四个相邻的像素，并且其中两个相邻像素的孔具有相互垂直的细长矩形横截面。在实施例中，这四个相邻像素可以分成两对相邻的两个像素，并且所述对中的每个像素具有相互垂直的细长矩形横截面。在由两个像素14n和14n+1构成的第一对中，像素14n具有覆盖像素14n的多个第一细长孔13a1，并且像素14n+1具有覆盖像素14n+1的多个第二细长孔13b1，并且所述多个第二细长孔的横截面形状等于第一细长孔13a1但相对于第一细长孔13a1旋转90°。类似地，由两个像素14n+2和14n+3构成的第二对具有分别覆盖像素14n+2和像素14n+3并且具有相同但相对于彼此旋转90°的横截面形状的细长孔13a2和细长孔13b2。
对应于像素14n、14n+2，滤光层的孔13a1、13a2在附图的竖直方向上较长，而对应于像素14n+1、14n+3的孔13b1、13b2在水平方向上较长。孔沿短边的长度对于布置的所有孔而言可以是相等的并且可以足够小，从而使得滤除在某个方向上偏振的期望通过传感器30测量的所有辐射。然而，像素14n的孔13a1和像素14n+2的孔13a2沿长边具有不同的长度，以便过滤提供不同截止频率并且滤除不同波长范围的辐射。类似地，像素组14n+1的孔13b1和像素组14n+3的孔13b2沿长边可以具有不同的长度。一对中的相邻像素14n和14n+1沿长边可以具有相等的长度并且例如测量两个不同偏振中的一个颜色范围。因此，像素14n和14n+1分别采用11乘以5个孔13a1和13b1。另一对中的接下来相邻的两个像素14n+2、14n+3沿长边也具有相等的长度并且通过采用11乘以6个孔13a2、13b2来分别测量两个不同偏振中的另一个颜色范围。
在实施例中，孔可以布置成某些图案。在下文中，b孔表示仅蓝光传播通过的孔、gb孔表示仅绿光和蓝光传播通过的孔并且rgb孔表示红光、绿光和蓝光传播通过的孔。
在实施例中，具有孔的滤光器阵列可以布置成使得每个像素仅耦合到相同尺寸的孔。在孔是方形孔并且在像素上布置成方形区域的情况下，每个像素的孔的数量可以为1、4、9或在16与2500之间的其它平方数。根据例如像素的光敏区域的形状，每个像素的孔的数量还可以是如20(4*5个孔)或130(10*13个孔)等平方形数。
对于孔布置成图案的实施例，可以提供以下特征：
我们有三种类型的像素：(i)测量红光、绿光和蓝光的rgb像素；(ii)测量绿光和蓝光的gb像素；以及(iii)仅测量蓝光的b像素。
可以通过R＝rgb-gb来计算像素的R光的红色分量。
可以通过G＝gb-b来计算像素的G光的绿色分量。
可以通过B＝b来计算像素的B光的蓝色分量。
与拜耳滤色器阵列类似，可能必须对未测量光范围的像素进行光范围内插。如上文中可以看到的，gb像素值用于计算两个其它光分量，使得使这些值具有最高精度和最高频率会是有利的。
为此，实施例可以具有以下像素阵列
点表示各个行和列的所指示的像素序列的重复延续。在一个实例中，rgb gb rgbgb...表示重复rgb像素和gb像素的图案。
具有这种像素阵列以供与可见波长一起使用的图像传感器100的实例实施例示出在图5中。图5是图像传感器100的实施例的示意性俯视图，其中示出了3x 3像素阵列，每个像素具有孔阵列，其中像素的孔的横截面尺寸具有三个不同尺寸。如可以看到的，像素阵列包括像素14n，m(n、m＝1、2、3、...)，所述像素中的每个像素具有一定的孔阵列。例如，左上、右上、左下和右下像素各自具有方形形状的4乘以4个孔13rgb。这些孔13rgb的尺寸为使得频率截止处于使得红光、绿光和蓝光传播通过孔而红外光和低频光衰减的频率。上中、下中、左中和右中像素进而各自具有5乘以5个方形孔13gb，其尺寸被设定为使绿光和蓝光通过而无红光。最后，中心像素具有6乘以6个方形孔13b，其尺寸被设定为仅允许蓝光通过。
为了计算所有像素的所有三个光分量，人们可以写为：
P_1，1：R＝rgb-gb_i、G＝gb_i-b_i、B＝b_i；
P_1，2：R＝rgb_i-gb、G＝gb-b_i、B＝b_i；
P_2，2：R＝rgb_i-gb_i、G＝gb_i-b、B＝b；
其中指数i表明值是像素的内插值而不是测量值，并且P_m，n是在图5中的3乘以3图案的第m行和第n列处的像素。
对于内插值的计算，可以使用与拜耳图案类似的方法(其中实施例的gb像素的数量是rgb像素和b像素的两倍并且对应于拜耳图案的绿色像素)。用于拜耳图案的一种简单标准技术是针对每个信道分别插入每个像素的所有缺失值的双线性内插法。在一个实施例中，这可能意味着：
1.对于来自四个相邻gb像素的所有rgb像素和b像素，所有gb_i值均按以下方式计算，如这里对p_2，2所做的那样：
gb_i＝(1/4)*(P_1，2+P_2，1+P_2，3+P_3，2)。
2.对于不同的像素，所有rgb_i值均按以下方式计算：
P_3，2：rgb_i＝(1/2)*(P_3，1+P_3，3)，这是gb像素的1型
P_2，3：rgb_i＝(1/2)*(P_1，3+P_3，3)，这是gb像素的2型
P_2，2：rgb_i＝(1/4)*(P_1，1+P_1，3+P_3，1+P_3，3)。
3.对于不同的像素，所有b_i值均按以下方式计算：
P_3，2：b_i＝(1/2)*(P_2，2+P_4，2)，这是gb像素的1型
P_2，3：b_i＝(1/2)*(P_2，2+P_2，4)，这是gb像素的2型
P_3，3：b_i＝(1/4)*(P_2，2+P_2，4+P_4，2+P_4，4)。
因此，在一个实施例中，首先通过直接测量或通过内插确定所有像素的所有相关频率范围，并且然后通过减去不同频率范围的值来计算每个像素的不同颜色分量。这种进程还可以用于如比这里所描述的三个不同的频率范围更多(或更少)的频率范围。在具有四个不同的频率范围的不同实施例中，图5的阵列中的gb像素中的每个第二gb像素可以用于测量第四频率范围。然后，可以从附近的测量相应频率范围的像素测量或内插这四个不同的频率范围的值。在确定所有像素的所有四个频率范围之后，可以通过对每个像素进行减法来计算四个不同的颜色分量。
可以以相应的方式应用本领域中已知的用于拜耳图案的内插的其它技术。这种技术包含：边缘定向内插法、基于恒定色调的内插法、基于中值的内插法或Freeman内插法、基于梯度的内插法或LaRoche-Prescott内插法、加权和内插法、用二阶梯度作为校正的内插法、贝叶斯内插法、同质性定向内插法、图案匹配内插法、别名消除内插法(aliascancellation interpolation)、POCS。
在不同的实施例中，rgb、gb和b孔可以布置成与上述图案不同的图案。而且，可以交换rgb孔(或b孔)和gb孔，使得图案中出现的rgb孔(或b孔)是其它两种孔类型的两倍。
在另外的实施例中，rgb、gb和b孔可以布置成以下图案：
在另外的实施例中，通过使用以下图案，rgb、gb和b孔的数量可以基本上相等：
根据另外的方面，当在不同于图像传感器的透明光学元件上作为光学元件提供时，具有充当波导的孔的滤光层的实施例还可以用作滤光器。这种光学元件可以是透镜或玻璃元件。孔可以全部具有相同的尺寸以便为穿过层的所有光提供一个截止频率，或者孔可以具有不同的尺寸以便使具有某个频率分布的光通过(其中具有不同尺寸的孔的分布确定了频率分布)。这种层可以提供其它滤光器类型不可用的滤光特性。滤光层还可以具有细长孔，以滤除具有一定偏振的光。
图6是根据实施例的光学元件200的切割截面图。光学元件200具有用于对辐射进行过滤的第一层211和可以是透明光学元件的透明元件212。透明元件212对期望被过滤的辐射透明并且可以由玻璃或透明塑料或任何其它适合的材料制成。光学元件200可以具有两个空气表面(一个在第一层211上方并且一个在光学元件下方)或者一个或两个表面到其它光学元件。表面可以是平面平行的、平面的或弯曲的。第一层211具有穿过第一层211到达第二层即透明元件212以供辐射传播通过的至少一个孔213。在实施例中，为了尽可能地减少光损失，在制造工艺允许时，存在紧挨在一起的多个孔213。孔213的横截面尺寸被配置成提供截止频率，使得频率低于截止频率的辐射在孔213内衰减并且频率高于截止频率的辐射传播通过213。在实施例中，频率低于截止频率的辐射在孔213内以指数方式衰变，并且频率高于截止频率的辐射通过耦合到孔213内的一个或多个传播模式而传播通过孔213。
在图6中，孔213垂直于第一层211的平面表面并且沿孔213的轴线具有恒定的横截面。横截面是对称的并且是方形横截面。然而，在不同的实施例中，横截面可以是矩形、圆形或六边形。在实施例中，第一层211是金属的，并且孔213具有金属壁220。在不同的实施例中，第一层211可以包含涂覆有金属层的非金属层，使得孔仍然具有一个或多个金属壁。通常，孔213的深度或第一层的厚度确定频率低于孔所提供的截止频率的辐射或光有多少可以穿过孔。可以使第一层足够厚，从而使得低于截止频率的光衰减到任何期望的量。
在不同的实施例中，第一层211可以包含具有不同横截面尺寸csi(i＝1...n)的两个、三个或更多个孔，cs1＞cs2＞cs3...。每个孔或相同尺寸的每组孔可以被配置成衰减具有低于相应截止频率w1、w2、w3、...、wn的频率的光并且传播具有高于相应截止频率的频率的光，其中w1＜w2＜w3...。通过使用具有不同横截面尺寸的孔，可以根据截止频率的分布来滤除光。在一个实施例中，一半的孔可以具有滤除红光和绿光并使蓝光通过的截止频率，而另一半的孔可以仅滤除红光。通过使用具有不同横截面尺寸的孔，可以获得用常规滤光器无法获得的滤光特性。在另外的实施例中，可以在光学透镜上使用具有缓慢变化的横截面尺寸的孔。在实施例中，滤光层可以用于滤除红外光，但是孔距透镜的中心越远，横截面尺寸就变得越小，使得在透镜的周边部分滤除了比透镜的中心更多的高频红外光。这样可以改善透镜的光学性质。
在另外的实施例中，所述一个或多个孔可以填充有透明材料，所述透明材料甚至可以在第一层上提供另外的层。这种实施例类似于图2C所示出的实施例，但是代替光敏层12，存在透明元件212。
在图6中，对于单一尺寸，孔213具有边长值为a1的恒定方形横截面。孔213具有金属壁，并且截止频率具有对应的截止波长λ1，截止，高于所述对应的截止波长时，辐射在孔213内以指数方式衰变，并且低于所述对应的截止波长时，辐射传播通过孔213。在实施例中，a1等于λ1，截止/2。
在另外的实施例中，孔可以具有多于一个边长值，例如，孔可以具有三个值a1、a2和a3。在这种实施例中，将会有三个截止波长λ1，截止、λ2，截止和λ3，截止，其中a1等于λ1，截止/2、a2等于λ2，截止/2并且a3等于λ3，截止/2。
在一个实施例中，第一层211的厚度1_z或孔213的深度d可以为
1_z＝d≥(a_1/π)sqrt((μ_0 ε_0)/(μ ε))(1/sqrt(1-((2a_1)/λ_D，1)**2))，
其中a1是边长值ai(i＝1...n)中的最大边长值，并且λ_D，1是大于截止波长λ1，截止＝2a1的波长且是辐射波长，当到达第二光敏层时，所述辐射的强度在所述至少一个孔内衰减至少e-2倍，并且其中ε是孔中的物质的介电常数、μ是孔中的物质的磁导率并且ε_0和μ_0是真空的对应常数。孔中的物质可以是例如空气、介电透明物质或者还可以是真空(在这种情况下，系数sqrt((μ_0 ε_0)/(με))变为一)。
在另外的实施例中，孔可以被伸长成横截面优选地为矩形，使得所述至少一个孔在伸长方向上的长度定义垂直于伸长方向偏振的辐射的截止频率并且所述至少一个孔在垂直于伸长方向的方向上的长度定义另外的截止频率，所述另外的截止频率大于垂直于伸长方向偏振的辐射的截止频率。在一个实施例中，另外的截止频率可以大于所有相关辐射，即，只有具有这种高频率的辐射可以通过光学元件，即便所述辐射具有应当被滤除的偏振，所述高频率实际上与使用光学元件的应用无关。在一个实例中，另外的截止频率可以在紫外光的频率范围内或低于紫外光。
在另外的实施例中，孔可以朝向或远离透明元件成锥形。可以这样做以实现对入射辐射的某种过滤效果。
图7A是根据实施例的用于测量某个范围内的辐射的光学装置300的示意图。所述某个范围被定义为在第一截止频率与第二截止频率之间的频率范围。光学装置300包含第一光学元件310、第二光学元件320、用于检测辐射的第一检测器330、用于检测辐射的第二检测器340、分束器350和处理单元370。第一光学元件310和第二光学元件320可以依照上述光学元件中的一个光学元件，例如依照图6所示出的光学元件。在实施例中，第一光学元件310具有提供第一截止频率的带第一横截面尺寸的孔，并且第二光学元件320具有提供大于第一截止频率的第二截止频率的带第二横截面尺寸的孔。检测器330和340可以是检测或记录相关频率范围内的辐射或光的任何类型的检测器。检测器可以包含具有用于对辐射进行空间分辨检测的像素的CCD或CMOS图像传感器，或者检测器可以包含用于在不对辐射进行空间分辨的情况下检测总辐射量的光电倍增管。分束器被配置成反射撞击的辐射的一部分并且透射撞击的辐射的另外部分。分束器可以优选地是薄膜镜，但是也可以使用其它类型的分束器，如使用胶合在一起的两个三角形棱镜的分束器或使用二向色涂层的分束器。在一个实例中，分束器可以反射一定范围内的入射光的约50％并且透射一定范围内的入射光的约50％，使得两个截止频率之间的光的量等于第一检测器与第二检测器之间的测量值之差。在实施例中，第一光学元件310和第二光学元件320以及分束器350被布置成使得辐射的入射束360先撞击在分束器350上，并且来自分束器350的透射部分362和反射部分364撞击在第一光学元件310上和第二光学元件320上。在图7A中，来自分束器的反射束撞击在第一光学元件310上，并且来自分束器的透射束撞击在第二光学元件320上。在不同的实施例中，可以交换第一光学元件310和第二光学元件320的位置，即，反射束撞击在第二光学元件上并且透射束撞击在第一光学元件上。在任何情况下，第一检测器330被布置成检测穿过第一光学元件310的辐射，并且第二检测器340被布置成检测穿过第二光学元件320的辐射。处理单元370被配置成基于第一检测器330和第二检测器340检测到的辐射计算频率在第一截止频率与第二截止频率之间的辐射。处理单元370可以是通信地耦合到第一检测器和第二检测器以接收指定检测器330和340检测到的辐射量的数据的计算机。假设分束器反射约50％的入射光并且透射约50％的入射光，则可以通过从第一探测器检测到的辐射量中减去第二探测器探测到的辐射量来计算在第一截止频率与第二截止频率之间的辐射的量。可以对第一检测器和第二检测器检测到的总辐射量进行计算(例如，当第一检测器和第二检测器是光电倍增管时)。然而，如果第一检测器和第二检测器在空间上分辨检测到的辐射(例如，当第一检测器和第二检测器是具有像素的CCD或CMOS图像传感器时)，也可以通过使用例如来自第一检测器和第二检测器中使用的图像传感器的对应的像素的值来对空间分辨的辐射进行计算。
图7B是根据实施例的用于测量某个范围内的辐射的另外的光学装置305的示意图。在实施例中，光学装置305包含与光学装置300相同的元件，即第一光学元件310、第二光学元件320、用于检测辐射的第一检测器330、用于检测辐射的第二检测器340、分束器350和处理单元370。然而，辐射的入射束360先撞击在第一光学元件310上，并且然后，穿过第一光学元件310的经过过滤的辐射366撞击在分束器350上。来自分束器350的透射部分362和反射部分364撞击在第一检测器330上和第二光学元件320上。在图7B中，来自分束器350的反射束364撞击在第一光学元件330上，并且来自分束器350的透射束362撞击在第二光学元件320上。在不同的实施例中，可以交换第一检测器330和第二光学元件320的位置，即，反射束撞击在第二光学元件上并且透射束撞击在第一检测器上。在任何情况下，第二检测器340均被布置成检测穿过第二光学元件320的辐射。再次，处理单元370被配置成基于第一检测器330和第二检测器340检测到的辐射计算频率在第一截止频率与第二截止频率之间的辐射。再次假设分束器反射约50％的入射光并且透射约50％的入射光，则可以通过从第一探测器330检测到的辐射的量中减去第二探测器340探测到的辐射的量来计算在第一截止频率与第二截止频率之间的辐射的量。如在图7A的实施例中那样，是否可以对第一检测器和第二检测器检测到的总辐射量进行计算或者通过使用例如来自第一检测器和第二检测器中使用的图像传感器的对应的像素的值来对第一检测器和第二检测器检测到的空间分辨的辐射进行计算，这取决于第一检测器和第二检测器。
如本文所公开的入射辐射包含或者是范围从紫外光开始且包含紫外光并且以红外光结束且包含红外光的光。
在如本文所公开的图像传感器的实施例中，第一层可以对未传播通过所述至少一个孔传播并且在所述至少一个孔内未衰减的入射辐射不透明和/或第二光敏层12可以仅吸收已经穿过所述至少一个孔13的辐射。换句话说，只有传播通过所述至少一个孔并且在所述至少一个孔内衰减的辐射穿过第一层。第一层可以被视为对未穿过所述至少一个孔的入射辐射不透明或阻挡未穿过所述至少一个孔的入射辐射，使得只有穿过所述至少一个孔13的辐射穿过第一层11。而且，除了穿过所述至少一个孔的入射辐射之外，第一层可以被视为对入射辐射不透明。在这种实施例中，第一层为入射辐射提供穿过第一层的唯一模式使得入射辐射穿过所述至少一个孔，并且第一层不为入射辐射提供穿过第一层的任何另外的模式。特别地，第一层不提供等离子体激元模式或允许入射辐射穿过第一层的任何种类的等离子体激发模式。对于具有带多个孔13的第一层11的实施例，第一层11可以对未穿过孔13中的一个孔的入射辐射(即，未传播通过孔13中的一个孔并且在孔13中的一个孔未衰减的入射辐射)不透明。结果是，第二光敏层12仅吸收已经穿过孔13的辐射。类似地，在如本文所公开的光学元件200的情况下，第一层211可以对未传播通过所述至少一个孔213并且在所述至少一个孔213内未衰减的入射辐射不透明和/或其中只有穿过所述至少一个孔213的辐射穿过第一层211。对于具有带多个孔213的第一层211的实施例，第一层211可以对未穿过孔213的入射辐射(即，未传播通过孔213并且在孔213内未衰减的入射辐射)不透明。
在如本文所公开的具有像素阵列的图像传感器的实施例中，像素阵列中的每个像素可以记录传播通过耦合到像素的一组孔中的一个或多个孔的辐射强度的量以及在耦合到像素的所述一组孔中的所述一个或多个孔内衰减的辐射强度的量。在这种实施例中，像素阵列中的每个像素可以不记录任何另外的辐射。
在如本文所公开的具有像素阵列的图像传感器的实施例中，第一层可以在耦合到相同像素的孔之间具有壁，所述壁比耦合到相同像素的孔的横截面尺寸更薄。孔的横截面尺寸可以等于方形孔的边长，可以等于圆形孔的直径并且可以等于矩形孔或多边形孔的最大对角线。
图8是具有如本文所公开的带像素阵列的图像传感器100、数据存储单元410和处理单元420的图像捕获装置400的框图。数据存储单元410可以通信地耦合到图像传感器100，如连接数据存储单元410和图像传感器100的线所表示的。图像捕获装置400可以被配置成将图像传感器的像素阵列中的像素测量的辐射强度值存储在数据存储单元410中。处理单元420可以通信地耦合到图像传感器100和存储单元410。图像捕获装置400的部件之间的通信耦合可以被配置成将数据从图像传感器100转移到数据存储单元410以存储在那里。来自图像传感器100的数据可以直接转移到数据存储单元410，或者可以转移到处理单元420、在那里进行处理并且然后存储在数据存储单元410中。在一个实施例中，处理单元420可以从数据存储单元410访问或检索数据、对数据进行处理并且将转换后的数据存储在数据存储单元410中。在另外的实施例中，图像捕获装置400可以具有与本文所公开的图像传感器10或30一致的图像传感器。
图像捕获装置400可以是数字相机或如智能电话、平板计算机或膝上型计算机等较大装置的数字相机部件。数据存储单元410可以包括如随机存取存储器(RAM)等存储器装置或如闪存等非易失性存储器装置。数据可以存储在可以从图像捕获装置400中取出并且在能够对数据进行读取和处理的不同装置中读取的存储卡上。数据存储单元410还可以位于与图像传感器100不同的壳体中。在用于数字相机或具有数字相机部件的其它装置中时，处理单元420可以是集成电路或计算机处理单元。
处理单元420可以被配置成计算由图像传感器100捕获的图像的表示。表示可以包含像素阵列中的每个像素的一个或多个值的元组，每个元组可以表示所述表示的像素的颜色值。这里使用的是广义意义上的颜色值：对于带全部具有相同的横截面尺寸的孔的图像传感器，颜色值可以是表示像素的光度值的值。对于带具有两个、三个、四个或更多个不同横截面尺寸的孔的图像传感器，颜色值可以通过表征光在图像传感器的孔所提供的一个或两个截止频率之间的范围内的分量来表示光。
在一个实施例中，图像传感器100的第一层可以具有有两个或更多个不同横截面尺寸的孔阵列，并且处理单元420可以被配置成基于由像素阵列中的像素在波长范围内测量的辐射值和/或基于在一个或多个另外的波长范围内对像素内插的辐射值来计算像素的元组。处理单元420还可以被配置成使用将像素的一个或多个辐射值(所述一个或多个辐射值可能已经被测量或内插)与像素的元组中的每个值相关的校准矩阵来计算像素的元组。
在一个实施例中，图像传感器100的孔可以具有三个或更多个不同的横截面尺寸，并且每个像素的元组包含表示红色分量的值R、表示绿色分量的另外的值G和表示蓝色分量的又另外的值B。在这种实施例中，表示可以是或者包含解释RGB值所依据的颜色空间。可能的颜色空间包含sRGB、Adobe RGB和ProPhoto RGB。
如针对图5公开的，测量三个不同波长范围内的光的像素的这三个光分量R、G和B(rgb表示红光和绿光以及蓝光，gb表示绿光和蓝光并且b表示蓝光)可以如下书写：
P_1，1：R＝rgb-gb_i、G＝gb_i-b_i、B＝b_i；
P_1，2：R＝rgb_i-gb、G＝gb-b_i、B＝b_i；
P_2，2：R＝rgb_i-gb_i、G＝gb_i-b、B＝b。
删除表明所述范围的值已经被内插但未测量的指数i，方程可以用矩阵表示：
ci＝∑jaij vj，
其中ci表示分别当i＝1、2和3时的这三个颜色分量R、G和B，vj表示分别当j＝1、2和3时的光范围rgb、gb和b的三个测量辐射值或内插辐射值，并且aij是将像素的测量或内插辐射强度值与像素的元组中的一个或多个值相关的校准矩阵的元素。元组可以是像素位置处的颜色值或光值的表示。
上述矩阵方程可以推广到由如本文所公开的图像传感器的像素测量的任何数量的不同波长范围，并且还可以推广到不同的偏振。在这种情况下，是与实施例所提供的截止频率相关的一个或多个波长范围的测量值或内插值的vj可以在上文中的矩阵方程中有p个不同的值(即j＝1、...、p)。上述矩阵方程可以进一步推广到表示像素位置处的广义颜色值的元组中的任何数量的值。在这种情况下，是像素的元组中值的ci可以在上文中的矩阵方程中有q个不同的值(即i＝1、...、q)。在一个实例中，图像传感器可以具有有四个不同横截面的孔，这四个不同横截面被布置成重复图案并且在高于紫外光且低于红外光的范围内提供四个截止频率。与测量仅三个不同的波长范围中的光的图像传感器(根据常规设计或根据如本文所公开的实施例)相比，这种图像传感器可以能够更准确地记录颜色并且记录更多颜色(即，提供更大的色域)。然后对指数j以值1到4求和。进一步增加可见光范围内的截止频率的数量可以进一步提高测量可见光范围内的颜色的精度，并且进一步增加可以测量和区分的颜色的数量。在一个实施例中，即使不同的截止频率以及因此波长范围的数量大于三，元组仍然可以具有仅三个分量，红色、绿色和蓝色。然而，在另一个实施例中，元组可以具有对应于由不同截止频率限制的四个范围的四个分量。在另外的实施例中，图像传感器可以具有有六个不同的横截面尺寸的孔，其中的四个提供在可见光范围内的截止频率，其中的一个提供在红外波长范围内或以上的截止频率并且其中的一个提供在紫外波长范围内或以下的截止频率。在这种情况下，元组可以具有六个值：一个值用于指定紫外光范围内的光分量、四个值用于可见光范围并且一个值用于红外光范围。在不同的实施例中，元组可以具有五个值：一个值用于紫外光范围、三个值用于可见光范围并且一个值用于红外光范围。在另外的实施例中，可以在红外光范围内定位多于一个截止频率，以区分红外光范围内的不同光谱分布。在一个实例中，图像传感器可以具有提供在红外光范围内的三个不同的截止频率以及用于区分红外光与可见光的一个截止频率的孔。在这种情况下，可以用在由这四个截止频率限制的三个范围内的三个分量来表征红外光。甚至可以使用第四分量来表征在高于与最低截止频率相对应的最大截止波长的波长范围内的红外分量。类似地，可以使用在紫外光范围内的多于一个截止波长来区分在紫外光范围的子范围内具有不同分量的光。
可以通过将如通过实施例获得的具有已知颜色的对象的捕获图像的表示与对象的已知值进行比较来确定校准矩阵的元素aij。对象的已知值可能已经从通过另一个校准相机获得的这些对象的表示中获得。然后，可以优化校准矩阵的元素以便尽可能匹配已知颜色。优化的结果可以取决于图像传感器的孔所提供的截止频率的值以及影响低于截止频率的光有多少在孔内衰减的第一层的厚度。在一个实施例中，对象可以是带有许多不同色斑的一张纸，其表示是已知的或已经经过测量。一旦确定了校准矩阵的元素aij，就可以对所述元素进行存储和检索以用于根据上述矩阵方程计算颜色分量ci，即每个像素的元组中的值。
图9是用于计算由图像传感器10、30、100捕获的图像的表示的计算机实施的方法500的流程图。图像传感器10、30、100可以包括第一层11和第二光敏层12，所述第一层用于通过衰减频率低于截止频率的入射辐射来对入射辐射进行过滤，所述第二光敏层用于吸收穿过第一层11的辐射。第一层11可以在入射辐射的传播方向上位于第二光敏层12之前。光敏层12可以包括像素阵列，并且图像传感器10、30、100可以具有相同类型的像素或者可以具有两种或更多种不同类型的像素。像素的类型可以定义如下：当且仅当第一层11为第一像素提供与由第一层11为第二像素提供的截止频率不同的截止频率时，第一像素属于与第二像素不同的类型。因此，如果由第一层为两个不同的像素提供的截止频率相同，则这两个像素属于相同类型。
对于具有均属于相同类型的像素的图像传感器，方法500可以包含仅依赖于直接测量的辐射值而不依赖于内插辐射值的简单版本的计算操作。在这种情况下，方法500可以包含识别560像素阵列中用于元组计算操作的像素、存取570由像素测量的辐射值、以及使用像素测量的辐射值计算590像素的一个或多个值的元组中的一个或多个值。在一个实施例中，元组可以具有表示已经穿过第一层11中的孔的辐射量的仅一个值，所述孔均具有相同的横截面尺寸。元组可以表示关于某个表示的广义颜色值，如黑白表示的光度值。方法500可以进一步包括对像素阵列中的所有像素重复600元组计算操作。这可能意味着对像素阵列中的所有像素重复600存取570由像素测量的辐射值和计算590像素的元组中的一个或多个值。作为方法500的结果，获得了由图像传感器10、30、100捕获的图像的表示。
计算机实施的方法500可以由任何类型的计算装置执行。这种计算装置可以由如本文所公开的图像捕获装置400提供或容纳在其中或者由被配置成加载指令并执行指令的通用计算装置提供。指令可以控制计算装置，使得由计算装置执行方法500的操作。通用计算装置可以是膝上型计算机、个人计算机、服务器或更大的计算装置，通用计算装置还可以是平板计算机或者还包括图像捕获装置400作为部件的智能电话。
在图像传感器具有两种或更多种不同类型的像素的情况下，方法500可以进一步包含内插操作。内插操作可以包含：在识别560像素之前，识别510像素阵列中的另外的像素；存取520由又另外的像素在另外的截止频率下测量的一个或多个辐射值，所述另外的截止频率不同于由另外的像素对辐射值进行测量的截止频率；以及对另外的像素内插530另外的截止频率下的辐射值。对于图像传感器具有三种或更多种不同类型的像素的情况，方法500可以进一步包含对阵列中不同于另外的像素的类型的所有类型的像素重复540存取520一个或多个辐射值以及对另外的像素内插530辐射值。换句话说，所述方法包含内插图像传感器为正在处理的像素提供的每个不同的截止频率下的辐射值。方法500可以进一步包含对阵列中的所有像素重复550先前的内插操作。内插操作可以包含：存取520由又另外的像素测量的一个或多个辐射值；对另外的像素内插530辐射值；以及重复540存取520一个或多个辐射值和对另外的像素内插530辐射值。这样可以结束内插操作，但是可以使用内插值来扩展元组计算操作以将内插值考虑在内。因此，在识别560像素阵列中用于元组计算操作的像素之后，方法500可以进一步包含：存取580对像素内插的所述一个或多个辐射值；使用由像素测量的辐射值和对像素内插的所述一个或多个辐射值计算590像素的元组；以及对像素阵列中的所有像素重复600存取580对像素内插的一个或多个辐射值和计算590像素的元组。
在方法500的实施例中，计算590像素的元组的操作可以包括使用将像素的每个测量或内插的辐射值与像素的元组中的每个值相关的校准矩阵。在另外的实施例中，图像传感器10、30、100可以具有三种或更多种类型的像素，并且像素的元组可以具有表示红色分量的值、表示绿色分量的另外的值和表示蓝色分量的又另外的值。
在方法500的实施例中，图像传感器10、30、100的第一层11可以对未传播通过所述至少一个孔13并且在所述至少一个孔13内未衰减的入射辐射不透明和/或其中第二光敏层12仅吸收已经穿过所述至少一个孔13的辐射。

Claims (52)

1.一种用于记录入射辐射的图像传感器(10，30，100)，包括
第一层(11)，其用于通过衰减频率低于截止频率的入射辐射来对所述入射辐射进行过滤；以及
第二光敏层(12)，其用于吸收穿过所述第一层(11)的辐射，
其中所述第一层(11)在所述入射辐射的传播方向上位于所述第二光敏层(12)之前并且所述第一层(11)包括穿过所述第一层(11)到达所述第二光敏层(12)以供辐射传播通过的至少一个孔(13)，其中所述至少一个孔(13)的横截面尺寸被配置成提供所述截止频率，使得频率低于所述截止频率的入射辐射在所述至少一个孔(13)内衰减并且频率高于所述截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔(13)。
2.根据权利要求1所述的图像传感器(10，30，100)，其中频率低于所述截止频率的入射辐射在所述至少一个孔(13)内以指数方式衰变。
3.根据权利要求1到2中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中频率高于所述截止频率的入射辐射通过耦合到所述至少一个孔(13)内的一个或多个传播模式来传播通过所述至少一个孔(13)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述至少一个孔(13)垂直于所述第一层(11)的平面表面，其中所述至少一个孔(13)沿着所述至少一个孔(13)的轴线具有恒定的横截面，并且所述横截面是对称的并且任选地是方形、矩形、圆形或六边形横截面。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述第一层(11)是金属的或其中所述第一层(11)包括涂覆有金属层的非金属层，使得在这两种情况下，所述至少一个孔具有一个或多个金属壁(20)。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述第一层(11)包括具有不同横截面尺寸csi(i＝1...n)的两个、三个或更多个孔(13)，cs1＞cs2＞cs3...＞csn，每个横截面尺寸被配置成衰减具有低于相应截止频率w1、w2、w3、...、wn的频率的光并且传播具有高于相应截止频率的频率的光，其中w1＜w2＜w3...＜wn。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述至少一个孔(13)填充有透明材料(18)。
8.根据权利要求7所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述透明材料(18)在所述第一层(11)上提供另外的层(19)。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述至少一个孔(13)针对n个不同的尺寸具有边长值为ai(i＝1...n)的恒定方形横截面，所述至少一个孔(13)具有金属壁(20)，并且所述截止频率具有对应的截止波长λi，截止(i＝1...n)，高于所述截止波长时，所述入射辐射在所述至少一个孔(13)内以指数方式衰变，并且低于所述截止波长时，所述入射辐射传播通过所述至少一个孔(13)，并且其中ai等于λi，截止/2(i＝1...n)。
10.根据权利要求9所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述第一层(11)的厚度lz或所述至少一个孔的深度d为
其中a1是所述边长值ai(i＝1...n)中的最大边长值，并且λD，1是大于所述截止波长λ1，截止＝2a1并且是辐射的波长的波长，所述辐射的强度在所述至少一个孔(13)内衰减至少e-2倍，并且其中ε是所述至少一个孔中的物质的介电常数，μ是所述至少一个孔中的所述物质的磁导率，ε_0是真空的介电常数并且μ_0是真空的磁导率。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述光敏层(12)包括像素阵列，并且具有相同横截面尺寸的每个孔(13)或每多个连续孔(13)覆盖并耦合到所述阵列中的个别像素。
12.根据权利要求11所述的图像传感器(10，30，100)，其中每个像素包括光敏区域，并且耦合到所述像素的所述孔或所述多个连续孔覆盖等于或大于所述个别像素的所述光敏区域并且小于所述像素的所述区域的区域。
13.根据权利要求11到12中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中透明层(16)位于所述第一层(11)与所述第二光敏层(12)之间。
14.根据权利要求13所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述透明层(16)包括位于个别像素的边界之上的壁(17)，其中所述壁(17)对所述入射辐射不透明并且任选地是金属的。
15.根据权利要求11到14中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述第一层(11)包括具有一个或多个不同横截面尺寸的孔阵列(13rgb，13gb，13b)，其中所述孔被分组成使得每组孔具有一个孔或连续并且具有相同横截面尺寸的多于一个孔并且每组孔覆盖并耦合到所述光敏层的一个且仅一个像素，并且所述组孔在所述第一层中被布置成重复图案。
16.根据权利要求15所述的图像传感器(100)，其中所述孔(13rgb，13gb，13b)具有三个或更多个不同的横截面尺寸，用于滤除红外光并且允许传播红光、绿光和蓝光的第一尺寸、用于滤除红光并允许传播绿光和蓝光的第二尺寸以及用于滤除红光和绿光并允许传播蓝光的第三尺寸，其中所述第一层中的所述重复图案被配置成为所述像素阵列中的每个像素提供红光、绿光和蓝光的测量值或内插值。
17.根据权利要求16所述的图像传感器(100)，其中所述阵列中的每个孔针对n个不同尺寸具有边长值为ai(i＝1...n)的恒定方形横截面，每个孔具有金属壁(20)，并且其中对应于所述第一横截面尺寸的截止频率的截止波长λ1在600nm到750nm的范围内，任选地在650nm到730nm的范围内，并且所述第一横截面尺寸的边长值a1在300nm到375nm的范围内，任选地在325nm到365nm的范围内，其中对应于所述第二横截面尺寸的截止频率的截止波长λ2在495nm到590nm的范围，任选地在515nm到570nm的范围内，并且所述第二横截面尺寸的边长值a2在247nm到295nm的范围内，任选地在257nm到285nm的范围内，并且其中对应于所述第三横截面尺寸的截止频率的截止波长λ3在450nm到510nm的范围内，任选地在465nm到495nm的范围内，并且所述第三横截面尺寸的边长值a3在225nm到255nm的范围内，任选地在232nm到247nm的范围内。
18.根据权利要求15所述的图像传感器(100)，其中所述第一层(11)包括具有三个或更多个不同的横截面尺寸的孔的阵列，用于允许传播红外光、红光、绿光和蓝光的第一尺寸、用于滤除红光并允许传播绿光和蓝光的第二尺寸以及用于滤除红光和绿光并允许传播蓝光的第三尺寸，其中具有所述第一尺寸的每个孔覆盖具有等于或小于所述像素的像素的区域并且其中具有所述第一尺寸的每个孔填充有滤光材料，所述滤光材料滤除红外光并且透射具有比红外光更短的波长的光，任选地，所有孔均填充有所述滤光材料和/或所述滤光材料在所述第一层上提供另外的层。
19.根据权利要求16到18中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述孔阵列(13rgb，13gb，13b)具有三个不同的横截面尺寸，并且所述组孔被布置成两个交替的像素行，交替地测量一个像素中的红光、绿光和蓝光以及下一个像素中的绿光和蓝光的第一行像素、以及交替地测量一个像素中的绿光和蓝光以及下一个像素中的蓝光的第二行像素，其中所述第一行中测量红光、绿光和蓝光的像素在所述第二行中具有测量绿光和蓝光的相邻像素。
20.根据权利要求15到18中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述孔具有以下另外的尺寸中的任何一个尺寸：第四尺寸，其用于滤除红外光的低于红外光截止频率的部分并且允许传播红外光的高于所述红外光截止频率的另外部分以及传播红光、绿光和蓝光；第五尺寸，其用于滤除红光和黄光并且允许传播绿光和蓝光；第六尺寸，其用于滤除绿光的低于绿光截止频率的部分并且允许传播绿光的高于所述绿光截止频率的另外部分并传播蓝光；第七尺寸，其用于滤除红光、绿光和蓝光并且允许传播紫外光；或所述尺寸中的任何尺寸的组合。
21.根据权利要求15中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述孔具有两个或更多个不同的横截面尺寸，所述两个或更多个不同的横截面尺寸包括用于滤除低于下截止频率的光并且允许传播高于所述下截止频率的光的一个尺寸以及用于滤除低于上截止频率的光并且允许传播高于所述上截止频率的光的另一个尺寸，使得能够测量在所述下截止频率与所述上截止频率之间的范围内的光的量。
22.根据权利要求19所述的图像传感器(100)，其中所述下截止频率与所述上截止频率之间的范围包括一个或多个光谱线。
23.根据权利要求1到8中任一项所述的图像传感器(30)，其中所述至少一个孔(13a1，13a2；13b1，13b2)被伸长成横截面任选地为矩形，使得所述至少一个孔在伸长方向上的长度定义垂直于所述伸长方向偏振的入射辐射的截止频率并且所述至少一个孔在垂直于伸长方向的方向上的长度定义另外的截止频率，所述另外的截止频率大于所述图像传感器所分析的入射辐射的范围的上限。
24.根据权利要求23所述的图像传感器(30)，其中所述第一层包括多个第一细长孔(13a1)和多个第二细长孔(13b1)，所述多个第一细长孔覆盖所述第二光敏层的像素阵列中的第一像素，所述多个第二细长孔覆盖所述阵列中的相邻第二像素并且具有相对于所述第一细长孔(13a1)旋转90°的横截面形状。
25.根据权利要求1到3、5到8或11到14中任一项所述的图像传感器(10，100)，条件是所述权利要求未引用权利要求4、9或10，其中所述至少一个孔朝向或远离所述第二层成锥形。
26.根据权利要求1到25中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述第一层(11)对未传播通过所述至少一个孔(13)并且未在所述至少一个孔(13)内衰减的入射辐射不透明，和/或其中所述第二光敏层(12)仅吸收已经穿过所述至少一个孔(13)的辐射。
27.根据权利要求1到26中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述入射辐射包括的光的范围从紫外光开始并包含紫外光并且以红外光结束并包含红外光。
28.根据权利要求15到27中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述像素阵列中的每个像素记录传播通过耦合到所述像素的所述组孔中的所述一个或多个孔的辐射强度的量以及在耦合到所述像素的所述组孔中的所述一个或多个孔内衰减的辐射强度的量。
29.一种图像捕获装置(400)，包括：
根据权利要求15到28中任一项所述的图像传感器(100)；以及
数据存储单元(410)，其通信地耦合到所述图像传感器(100)；
其中所述图像捕获装置(400)被配置成将由所述像素阵列中的像素测量的辐射值存储在所述数据存储单元(410)中。
30.根据权利要求29所述的图像捕获装置(400)，其进一步包括处理单元(420)，所述处理单元通信地耦合到所述图像传感器(100)和/或所述存储单元(410)并且被配置成计算由所述图像传感器(100)捕获的图像的表示，所述表示包括所述像素阵列中的每个像素的一个或多个值的元组，所述元组表示所述表示的颜色值。
31.根据权利要求30所述的图像捕获装置(400)，其中所述图像传感器(100)的所述第一层(11)包括具有两个或更多个不同的横截面尺寸的孔阵列(13rgb，13gb，13b)，并且其中所述处理单元(420)被配置成基于由所述像素在波长范围内测量的辐射值并且基于在一个或多个另外的波长范围内对所述像素内插的一个或多个辐射值来计算所述像素阵列中的像素的元组。
32.根据权利要求31所述的图像捕获装置(400)，其中所述处理单元(420)被配置成使用校准矩阵计算所述像素的所述元组，所述校准矩阵将所述像素的每个测量的或内插的辐射值与所述像素的所述元组中的每个值相关。
33.根据权利要求29到32中任一项所述的图像捕获装置(400)，其中所述孔(13rgb，13gb，13b)具有三个或更多个不同的横截面尺寸，并且其中所述像素的所述元组包括表示红色分量的值、表示绿色分量的另外的值和表示蓝色分量的又另外的值。
34.一种用于计算由图像传感器(10，30，100)捕获的图像的表示的计算机实施的方法(500)，所述图像传感器包括用于通过衰减频率低于截止频率的入射辐射来对入射辐射进行过滤的第一层(11)和用于吸收穿过所述第一层(11)的辐射的第二光敏层(12)，所述第一层(11)在所述入射辐射的传播方向上位于所述第二光敏层(12)之前并且所述第二光敏层(12)包括像素阵列，所述方法(500)包括：
识别(560)所述像素阵列中的像素；
存取(570)由所述像素测量的辐射值；
使用由所述像素测量的所述辐射值计算(590)所述像素的一个或多个值的元组中的一个或多个值，所述元组表示颜色值；以及
对所述像素阵列中的所有像素重复(600)存取(570)由所述像素测量的辐射值和计算(590)元组中的一个或多个值，以获得由所述图像传感器(10，30，100)捕获的所述图像的所述表示。
35.根据权利要求34所述的计算机实施的方法(500)，其中所述图像传感器(10，30，100)具有两种或更多种不同类型的像素，当并且仅当所述第一层(11)为第一像素提供与所述第一层(11)为第二像素提供的截止频率不同的截止频率时，所述第一像素属于与所述第二像素不同的类型，所述方法(500)进一步包括：
在识别(560)像素之前，识别(510)所述像素阵列中的另外的像素；
存取(520)由又另外的像素在另外的截止频率下测量的一个或多个辐射值，所述另外的截止频率不同于由所述另外的像素测量辐射值的截止频率；
对所述另外的像素内插(530)所述另外的截止频率下的辐射值；
对所述阵列中不同于所述另外的像素的类型的所有类型的像素重复(540)存取(520)一个或多个辐射值和对所述另外的像素内插(530)辐射值；
对所述阵列中的所有像素重复(550)先前的内插操作；
在识别(560)所述像素阵列中的所述像素之后，存取(580)对所述像素内插的一个或多个辐射值；
使用由所述像素测量的所述辐射值和对所述像素内插的一个或多个辐射值计算(590)所述像素的所述元组；以及
对所述像素阵列中的所有像素重复(600)存取(580)对所述像素内插的一个或多个辐射值和计算(590)所述元组。
36.根据权利要求35所述的计算机实施的方法(500)，其中计算(590)所述像素的所述元组包括使用校准矩阵，所述校准矩阵将所述像素的每个测量的或内插的辐射值与所述像素的所述元组中的每个值相关。
37.根据权利要求35到36中任一项所述的计算机实施的方法(500)，其中所述图像传感器(10，30，100)具有三种或更多种类型的像素，并且其中所述像素的所述元组包括表示红色分量的值、表示绿色分量的另外的值和表示蓝色分量的又另外的值。
38.根据权利要求34到37中任一项所述的计算机实施的方法(500)，其中所述第一层(11)包括穿过所述第一层(11)到达所述第二光敏层(12)以供辐射传播通过的至少一个孔(13)，其中所述至少一个孔(13)的横截面尺寸被配置成提供所述截止频率，使得频率低于所述截止频率的入射辐射在所述至少一个孔(13)内衰减，并且频率高于所述截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔(13)，其中所述第一层(11)对未传播通过所述至少一个孔(13)并且未在所述至少一个孔(13)内衰减的入射辐射不透明，和/或其中所述第二光敏层(12)仅吸收已经穿过所述至少一个孔(13)的辐射。
39.一种光学元件(200)，包括
第一层(211)，其用于通过衰减频率低于截止频率的入射辐射来对辐射进行过滤；以及
透明元件(212)，
其中所述第一层(211)包括穿过所述第一层(211)到达所述透明元件(212)以供辐射传播通过的至少一个孔(213)，其中所述至少一个孔(213)的横截面尺寸被配置成提供所述截止频率，使得频率低于所述截止频率的辐射在所述至少一个孔(231)内衰减，并且频率高于所述截止频率的辐射传播通过所述至少一个孔(213)。
40.根据权利要求39所述的光学元件(200)，其中频率低于所述截止频率的所述辐射在所述至少一个孔(213)内以指数方式衰变。
41.根据权利要求39到40中任一项所述的光学元件(200)，其中频率高于所述截止频率的辐射通过耦合到所述至少一个孔(213)内的一个或多个传播模式来传播通过所述至少一个孔(213)。
42.根据权利要求39到41中任一项所述的光学元件(200)，其中所述至少一个孔(213)垂直于所述第一层(211)的平面表面，其中所述至少一个孔(213)沿着所述至少一个孔(213)的轴线具有恒定的横截面，并且所述横截面是对称的并且任选地是方形、矩形、圆形或六边形横截面。
43.根据权利要求39到42中任一项所述的光学元件(200)，其中所述第一层(211)是金属的或其中所述第一层(211)包括涂覆有金属层的非金属层，使得在这两种情况下，所述至少一个孔具有一个或多个金属壁(220)。
44.根据权利要求39到43中任一项所述的光学元件(200)，其中所述第一层(211)包括具有不同横截面尺寸csi(i＝1...n)的两个、三个或更多个孔，cs1＞cs2＞cs3...，每个孔被配置成衰减具有低于相应截止频率w1、w2、w3、...的频率的光并且传播具有高于相应截止频率的频率的光，其中w1＜w2＜w3...。
45.根据权利要求39到44中任一项所述的光学元件(200)，其中所述至少一个孔填充有透明材料。
46.根据权利要求45所述的光学元件(200)，其中所述透明材料在所述第一层上提供另外的层。
47.根据权利要求39到46中任一项所述的光学元件(200)，其中所述至少一个孔(213)针对n个不同的尺寸具有边长值为ai(i＝1...n)的恒定方形横截面，所述至少一个孔具有金属壁(220)，并且所述截止频率具有对应的截止波长λi，截止(i＝1...n)，高于所述截止波长时，所述辐射在所述至少一个孔(213)内以指数方式衰变，并且低于所述截止波长时，所述辐射传播通过所述至少一个孔，并且其中ai等于λi，截止/2(i＝1...n)。
48.根据权利要求47所述的光学元件(200)，其中所述第一层(211)的厚度lz或所述至少一个孔(213)的深度d为
其中a1是所述边长值ai(i＝1...n)中的最大边长值，并且λD，1是大于所述截止波长λ1，截止＝2a1并且是辐射的波长的波长，所述辐射的强度在所述至少一个孔(213)内衰减至少e-2倍，并且其中ε是所述至少一个孔(213)中的物质的介电常数，μ是所述至少一个孔(213)中的所述物质的磁导率，ε_0是真空的介电常数并且μ_0是真空的磁导率。
49.根据权利要求39到46中任一项所述的光学元件(200)，其中所述至少一个孔被伸长成横截面优选地为矩形，使得所述至少一个孔在伸长方向上的长度定义垂直于所述伸长方向偏振的辐射的截止频率并且所述至少一个孔在垂直于伸长方向的方向上的长度定义另外的截止频率，所述另外的截止频率大于垂直于所述伸长方向偏振的辐射的所述截止频率。
50.根据权利要求39到41、43到46或49中任一项所述的光学元件(200)，条件是所述权利要求未引用权利要求42或47到48，其中所述至少一个孔朝向或远离所述透明元件成锥形。
51.根据权利要求39到50中任一项所述的光学元件(200)，其中所述第一层(211)对未传播通过所述至少一个孔(213)并且未在所述至少一个孔(213)内衰减的入射辐射不透明，和/或其中仅穿过所述至少一个孔(213)的辐射穿过所述第一层(211)。
52.一种用于测量频率在第一截止频率与第二截止频率之间的辐射的光学装置(300，305)，包括：
根据权利要求39到43和45到51中任一项所述的第一光学元件(310)；
根据权利要求39到43和45到51中任一项所述的第二光学元件(320)；
用于检测辐射的第一检测器(330)；
用于检测辐射的第二检测器(340)；
分束器(350)，其用于反射辐射的一部分并且透射辐射的另外的部分；以及
处理单元(370)，其被配置成基于所述第一检测器(330)和所述第二检测器(340)检测到的所述辐射来计算频率在第一截止频率与第二截止频率之间的所述辐射；
其中所述第一光学元件具有提供所述第一截止频率的、第一横截面尺寸的孔，并且所述第二光学元件具有提供所述第二截止频率的、第二横截面尺寸的孔，所述第二截止频率大于所述第一截止频率，并且其中所述第一光学元件和所述第二光学元件以及所述分束器被布置成使得(i)辐射的入射光束(360)先照射在所述分束器(350)上，并且来自所述分束器(350)的透射部分(362)和反射部分(364)照射在所述第一光学元件(310)上和所述第二光学元件(320)上，所述第一检测器(330)被布置成检测穿过所述第一光学元件(310)的辐射并且所述第二检测器(340)被布置成检测穿过所述第二光学元件(320)的辐射，或者(ii)辐射的入射光束(360)先照射在所述第一光学元件(310)上并且穿过所述第一光学元件(310)的经过过滤的辐射(366)照射在所述分束器(350)上，并且来自所述分束器(350)的透射部分(362)和反射部分(364)照射在所述第一检测器(330)上和所述第二光学元件(320)上，所述第二检测器(340)被布置成检测穿过所述第二光学元件(320)的辐射。
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