CN110931519A - 用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，包括基底，所述基底上设置有金属孔层，所述金属孔层上设置有介质覆盖层，所述金属孔层上设置周期性排列的孔单元，所述孔单元包括至少两组不同形状的金属孔。本发明在结构各层厚度不变的情况下，改变结构参数可实现红绿蓝三原色及近红外波段的输出，避免了制备工艺中的多次光刻步骤，采用金属圆孔与金属十字孔复合的滤光结构，相比一般的金属孔滤光结构可协调的结构参数更多，能够更细微地调控光谱的中心波长、带宽、透射率等性能，同时结构在入射光15°入射角范围内具有良好的角度宽容性。
Description
技术领域
本发明涉及滤光结构，具体涉及一种用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构。
背景技术
彩色滤光片是一种在可见光范围内选择性透射或反射特定波长的入射光而呈现颜色的滤光器件，被广泛应用于薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)、图像传感器等显示器件中。传统的彩色滤光片是基于有机颜料制备的，不同的颜色区需使用不同的光刻胶颜料。由于液晶显示器和图像传感器的滤光层中各颜色区呈像素型分布，导致滤光层的制备需要多次的涂胶、曝光、显影等步骤，工艺十分繁琐。有机颜料中含有苯、重金属、卤化物等物质，对人体和环境都有危害，不符合绿色发展的理念。此外，颜料对紫外线的照射十分敏感，容易分解，进而产生褪色的问题。
超表面结构是一种能够对入射波位相、振幅、偏振态等参数进行调控的人工材料，利用金属超表面的等离子体共振效应可以对入射波的某个波段实现异常透射或反射，达到滤光的功能。相较于传统滤光片的多次光刻工艺，超表面结构能够通过一次光刻工艺来制备，大大简化了工艺流程。但是目前针对超表面结构滤光的研究中，结构的形状单一，使得透射或反射光谱的中心波长、带宽、透射率或反射率等性能可协调的范围有限，仅通过调整有限的滤光结构参数往往不能得到较好的光谱或者预期的颜色输出。此外，目前超表面滤光结构多用于红绿蓝三通道成像，不能满足多光谱成像的要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种多光谱图像传感器的复合型滤光结构，解决现有滤光结构性能可协调范围有限，通过调节结构参数无法得到较好的光谱和预期颜色。
技术方案：本发明所述的一种用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，包括基底，所述基底上设置有金属孔层，所述金属孔层上设置有介质覆盖层，所述金属孔层上设置周期性排列的孔单元，所述孔单元包括至少两组不同形状的金属孔。
其中，所述金属孔包括圆孔和十字孔，所述圆孔和十字孔呈间隔排列。
为了可见光范围内特定波长的光透过，所述十字孔长度为100-200nm，宽度为40nm-80nm，圆孔直径为80-140nm，间隔周期为120nm-220nm。
为了近红外范围内特定波长的光透过，所述十字孔长度为250-300nm，宽度为40nm-80nm，圆孔直径为150-200nm，间隔周期为300nm-350nm。
为提供对结构的支撑，所述基底采用石英玻璃或柔性透明材料制成。
为产生等离子体共振效应，所述金属孔层采用金、银、锗、钛或铝制成。
为了保护结构及增强金属上下表面的等离子体共振，所述介质覆盖层采用二氧化硅、氮化硅、PMMA、氟化镁或氧化铝制成。
所述金属孔层的厚度为100nm～200nm。
所述介质覆盖层的厚度为50nm～200nm。
一种多光谱图像传感器，包括所述的复合型滤光结构及感光元器件，所述复合型滤光结构集成于所述感光元器件上。
有益效果：本发明在结构各层厚度不变的情况下，改变结构参数可实现红绿蓝三原色的输出，避免了制备工艺中的多次光刻步骤，采用金属圆孔与金属十字孔复合的滤光结构，相比一般的金属孔滤光结构可协调的结构参数更多，能够更细微地调控光谱的中心波长、带宽、透射率等性能，同时结构在入射光15°入射角范围内具有良好的角度宽容性，本发明可集成于传统的拜耳阵列中，作为图像传感器中的滤光层实现颜色过滤的功能。此外，本发明将滤光波段拓宽到近红外波段，通过调整结构参数实现了两个近红外波段的透射输出，并与红绿蓝三通道一起集成于图像传感器滤光层中，实现多光谱成像的功能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明圆孔和十字孔的结构示意图；
图3是本发明实现RGB三原色的光谱曲线图；
图4是三条光谱曲线对应的CIE色度图；
图5是结构透射率与入射光波长、金属孔层的厚度h2的关系图；
图6是结构透射率与入射光波长、介质覆盖层2的厚度h3的关系图；
图7是结构透射率与入射光波长、金属十字孔长度a的关系图；
图8是结构透射率与入射光波长、金属十字孔宽度b的关系图；
图9是结构透射率与入射光波长、金属圆孔直径d的关系图；
图10是复合型超表面滤光结构在图像传感器滤光层中的排列方式；
图11是本发明透射率与入射光波长、入射角的关系图；
图12是本发明实现两个近红外通道的光谱曲线图；
图13是复合型超表面滤光结构在多光谱图像传感器中的排列方式；
图14是金属孔层中圆孔与十字孔复合后的不同的周期性排列方式。
图15是三个十字孔与一个圆孔复合时结构透过率与入射光波长、金属圆孔直径d的关系图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1-2所示，用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，包括基底1，基底1之上的金属孔层2，金属孔层2之上的介质覆盖层3，金属孔层2上设置周期性排列的孔单元，孔单元包括至少两组不同形状的金属孔，金属孔可以是圆孔和十字孔，圆孔和十字孔呈间隔排列，为了可见光范围内特定波长的光透过，所述十字孔长度为100-200nm，宽度为40nm-80nm，圆孔直径为80-140nm，间隔周期为120nm-220nm。
为了近红外范围内特定波长的光透过，所述十字孔长度为250-300nm，宽度为40nm-80nm，圆孔直径为150-200nm，间隔周期为300nm-350nm，基底1采用石英玻璃或柔性透明材料制成，如石英玻璃、聚酯或者聚氯乙烯等。金属孔层2为良导体金属材料，如金、银、锗、钛、铝等，金属孔层作为主要作用层，其内部的自由电子与入射光发生等离子体共振效应而实现滤光，其厚度为100nm～200nm，优先选择的厚度为150nm。介质覆盖层2选择二氧化硅、氧化铝、氮化硅等绝缘介质，并填充进入金属孔中，用于增强金属孔层上下表面的等离子体共振效应，其厚度为50nm～200nm，优先选择的厚度为50nm。
本发明可以应用于多光谱图像传感器，应用时将复合型滤光结构直接集成于感光元器件上即可。
本发明在一个滤光单元内集成有金属十字孔与金属圆孔复合结构，可协调的参数包括圆孔的直径、十字孔的长度和宽度等，能够同时调控光谱的中心波长、带宽、透射率等性能，且调控水平更加细微。同时结构中的金属十字孔能够与入射光发生局域等离子体共振效应(LSPR)，相比金属圆孔与光子发生的表面等离子体共振(SPR)，LSPR对光的入射角不敏感，使得本发明提出的复合结构在入射光15°入射角范围内具有良好的角度宽容性。
下面以具体的实施例进行说明：
本实施例里金属孔层2的厚度h2＝150nm，介质覆盖层3的厚度h3＝50nm。实现蓝色光透射输出的十字孔长度a＝120nm，十字孔宽度b＝50nm，圆孔的直径d＝90nm，金属孔的排列周期P＝130nm；实现绿色光透射输出的十字孔长度a＝140nm，十字孔宽度b＝50nm，圆孔的直径d＝110nm，金属孔的排列周期P＝150nm；实现红色光透射输出的十字孔长度a＝170nm，十字孔宽度b＝70nm，圆孔的直径d＝130nm，金属孔排列周期P＝210nm。偏振方向均化的入射光波长为400nm～700nm，从基底所在一方入射。如图3所示，三条光谱曲线的波峰位置对应的波长分别为623nm、533nm、465nm，峰值透射率分别为20.7％、25.9％、23.9％，根据加法混色原理，通过结构滤光后三条光谱曲线对应的颜色分别为红绿蓝。图4为三条光谱曲线对应的CIE色度图，可以看出此时三个点对应的位置颜色分别为红绿蓝。
为研究金属孔层2的厚度对透射光谱的影响，采用的介质覆盖层3的厚度h3＝50nm，十字孔长度a＝120nm，十字孔宽度b＝50nm，圆孔的直径d＝90nm，金属孔的排列周期P＝130nm，金属孔层2的厚度h2分别取130nm、140nm、150nm和160nm，各层材料设置及入射光参数与实施例中相同。结果如图5所示，从图中可以看出，随着金属孔层厚度的增大，光谱中心波长的位置几乎不变，峰值透射率逐渐降低，光谱带宽逐渐减小，这表明金属孔层的厚度增大时，透射颜色的色调几乎不变，颜色的明度逐渐降低，且饱和度逐渐增大。
为研究的是介质覆盖层3的厚度对透射光谱的影响，采用的金属孔层2的厚度h2＝150nm，十字孔长度a＝120nm，十字孔宽度b＝50nm，圆孔的直径d＝90nm，金属孔的排列周期P＝130nm，介质覆盖层3的厚度h3分别取50nm、70nm、90nm和110nm，各层材料设置及入射光参数与实施例中相同。结果如图6所示，图6为结构透射率与入射光波长、介质覆盖层2的厚度h3的关系。从图中可以看出，随着介质覆盖层厚度的增大，光谱中心波长的位置几乎不变，峰值透射率逐渐降低，光谱带宽逐渐减小，这表明介质覆盖层的厚度增大时，透射颜色的色调几乎不变，颜色的明度逐渐降低，且饱和度逐渐增大。
为研究的是金属十字孔的长度a对透射光谱的影响，采用的金属孔层2的厚度h2＝150nm，介质覆盖层的3厚度h3＝50nm，十字孔宽度b＝50nm，圆孔的直径d＝90nm，金属孔的排列周期P＝130nm，十字孔的长度a分别取100nm、110nm、120nm和130nm，各层材料设置及入射光参数与实施例中相同。结果如图7所示，从图中可以看出，随着金属十字孔长度的增加，光谱的中心波长发生红移，峰值透射率显著增加，同时光谱的带宽逐渐增大，这表明金属十字孔的长度参数可以有效地调制透射光谱，进而调制透射颜色的色调、明度和饱和度。
为研究金属十字孔的宽度b对透射光谱的影响，采用的金属孔层2的厚度h2＝150nm，介质覆盖层的3厚度h3＝50nm，十字孔长度a＝120nm，圆孔的直径d＝90nm，金属孔的排列周期P＝130nm，十字孔的宽度b分别取30nm、40nm、50nm和60nm，各层材料设置及入射光参数与实施例一中相同。结果如图8所示，从图中可以看出，随着金属十字孔宽度的增加，光谱的中心波长发生蓝移，峰值透射率增加，同时光谱的带宽逐渐减小，这表明金属十字孔的宽度参数可以有效地调制透射光谱，进而调制透射颜色的色调、明度和饱和度。
为研究金属圆孔的直径d对透射光谱的影响，采用金属孔层2的厚度h2＝150nm，介质覆盖层的3厚度h3＝50nm，十字孔长度a＝120nm，十字孔宽度b＝50nm，金属孔的排列周期P＝130nm，金属圆孔的直径分别取70nm、80nm、90nm和100nm，各层材料设置及入射光参数与实施例中相同。结果如图9所示，从图中可以看出，随着金属圆孔直径的增加，光谱的中心波长发生略微的红移，光谱的带宽几乎不变，直径从70nm到90nm的增大过程中峰值透射率逐渐减小，但当d＝100nm时，光谱的峰值反射率增大，这表明改变结构中金属圆孔的直径，可以对结构的透射光谱实现微小的调控，以满足特定波段输出的需求。
图10展示了复合型超表面滤光结构在图像传感器滤光层中的排列方式，可以看出，图10的左侧为RGB三原色的滤光结构在滤光层中的排列方式，采用传统的拜耳阵列的形式进行排布，以4个像素点为重复周期，每个周期内有一个红色像素、两个绿色像素及一个蓝色像素，并分别用R、G1、G2和B表示。图10的右侧为滤光层在一个周期内的结构示意图，为了展示方便，图中仅给出了金属孔层结构，像素尺寸及像素内金属孔的数量视具体应用情况而定。
为研究入射光的入射角对透射光谱的影响，采用的金属孔层2的厚度h2＝150nm，介质覆盖层的3厚度h3＝50nm，金属十字孔的长度a＝120nm，十字孔宽度b＝50nm，圆孔的直径d＝90nm，金属孔的排列周期P＝130nm。偏振方向均化的入射光波长为400nm～700nm，从基底所在一方入射，入射角分别为0°、5°、10°和15°，各层材料设置与实施例中相同。结果如图11所示，从图中可以看出，入射光的入射角度从0°增加到15°的过程中，光谱的中心波长位置几乎不变，表明结构在15°入射角范围内，透射光的色调几乎不变。当入射角为0°时，光谱的峰值透射率为23.9％，当入射角增大到15°时，峰值透射率降为19.8％，透射率略微下降，表明结构在15°的入射角范围内，具有良好的角度宽容性，这在实际应用中可以保持颜色的稳定性，具有重要的作用。
为研究调整结构参数，使结构在透射式的工作方式下实现两个近红外波段的输出。采用的具体参数如下：金属孔层2的厚度h2＝150nm，介质覆盖层的3厚度h3＝50nm。在输出为近红外波段一时，十字孔长度a＝250nm，十字孔宽度b＝70nm，圆孔的直径d＝160nm，金属孔的排列周期P＝300nm；在输出为近红外波段二时，十字孔长度a＝300nm，十字孔宽度b＝70nm，圆孔的直径d＝190nm，金属孔的排列周期P＝350nm。偏振方向均化的入射光波长为400nm～1300nm，从基底所在一方入射，各层材料设置及入射光参数与实施例中相同。如图12所示，两条光谱曲线的波峰位置对应的波长分别为985nm和1141nm，即工作波段为近红外波段，峰值透射率分别为21.5％和35.2％。
图13展示了复合型超表面滤光结构在多光谱图像传感器中的排列方式，可以看出
图13左侧为RGB三原色的三个通道与两个近红外通道的排列方式，采用2×3的方式排布，以6个像素点为重复周期，每个周期内有一个红色像素、两个绿色像素、一个蓝色像素及两个近红外像素，并分别用R、G1、G2、B、NIR1和NIR2表示。图13的右侧为滤光层在一个周期内的结构示意图，为了展示方便，图中仅给出了金属孔层结构，像素尺寸及像素内金属孔的数量视具体应用情况而定。
图14展示了金属孔层2中金属圆孔与金属十字孔复合后的几种周期性排列方式，每个方框内的结构为一个重复单元。如图所示，在另一实施例中，金属孔包括圆孔和十字孔，其中三个十字孔和一个圆孔组成一个像素单元，像素单元呈周期性排列；或者三个圆孔和一个十字孔组成一个像素单元，像素单元呈周期性排列。这种结构可以通过调节像素单元中数量少的金属孔的参数，实现对透过光的波长进行微调，从而实现精准波长的光的透过。例如，图15为三个十字孔与一个圆孔组成一个像素单元的情形，此时的具体参数为：金属孔层2的厚度h2＝150nm，介质覆盖层3的厚度h3＝50nm，十字孔长度a＝120nm，十字孔宽度b＝50nm，金属孔的排列周期P＝130nm，圆孔的直径d分别取70nm、80nm、90nm。从图中可以看出，通过调节结构单元中数量较少的圆孔的直径，透射光谱的主峰中心波长和透过率发生规律性改变，且变化幅度较小，表明参数的变化实现了对光谱的微调。在另一实施例中，金属孔包括圆孔和十字孔，其中以大十字孔为中心，其隔出的四个区域设置圆孔或十字孔结构中的一种或两种，它们组成一个像素单元并呈间隔周期性排列，这种结构通过参数调节，从而可以实现多光谱范围内的特定一种波长或多种波长的光的透过。本申请实施例中通过优化金属圆孔的直径、金属十字孔的长度与宽度等参数，结构可实现滤光的功能，并可集成于多光谱图像传感器的滤光层，实现物体的多波段成像。
Claims (10)
1.一种用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，包括基底(1)，所述基底(1)上设置有金属孔层(2)，所述金属孔层(2)上设置有介质覆盖层(3)，所述金属孔层(2)上设置周期性排列的孔单元，所述孔单元包括至少两组不同形状的金属孔。
2.根据权利要求1所述的用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，所述金属孔包括圆孔和十字孔，所述圆孔和十字孔呈间隔排列。
3.根据权利要求2所述的用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，所述十字孔长度为100-200nm，宽度为40nm-80nm，圆孔直径为80-140nm，间隔周期为120nm-220nm。
4.根据权利要求2所述的用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，所述十字孔长度为250-300nm，宽度为40nm-80nm，圆孔直径为150-200nm，间隔周期为300nm-350nm。
5.根据权利要求1所述的用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，所述基底(1)采用石英玻璃或柔性透明材料制成。
6.根据权利要求1所述的用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，所述金属孔层(2)采用金、银、锗、钛或铝制成。
7.根据权利要求1所述的用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，所述介质覆盖层(3)采用二氧化硅、氮化硅、PMMA、氟化镁或氧化铝制成。
8.根据权利要求1所述的用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，所述金属孔层(2)的厚度为100nm～200nm。
9.根据权利要求1所述的用于多光谱图像传感器的复合型滤光结构，其特征在于，所述介质覆盖层(3)的厚度为50nm～200nm。
10.一种多光谱图像传感器，其特征在于，包括权利要求1-9所述的复合型滤光结构及感光元器件，所述复合型滤光结构集成于所述感光元器件上。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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