CN112099113B - 一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列，包括由多个超表面微透镜结构排列而成，每一个所述超表面微透镜结构覆盖于图像传感器的每一个像素表面。本发明实施例采用超表面技术设计超表面微透镜，代替传统图像传感器表面的微透镜器件，由于超表面微透镜结构是平面器件，便于在图像传感器上集成其他器件，并且可以在较宽波段如可见光和近红外波段下工作。

Description

一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列。
背景技术
众所周知，对于图像传感器来说，其每个像素的有效感光面积小于像素面积，如果直接用作成像，会造成入射光能量的大量的损失，影响成像效果。因此对于CCD、CMOS等图像传感器件来说，覆盖于每个像素表面的微透镜所组成的微透镜阵列是非常重要的，可以将入射光聚焦至每个像素的光敏区域，提高感光效率，减少光能损失，简单来说就是每个像素表面覆盖了一个凸透镜。
传统微透镜阵列工艺难度较高，并且传统的微透镜阵列表面凹凸不平，不便于集成其他器件。
发明内容
本发明实施例提供一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列，用以解决现有技术中微透镜阵列表面凹凸不平，不便于集成其他器件的缺陷。
本发明实施例提供一种用于图像传感器的超表面为透镜阵列，所述超表面微透镜阵列由多个超表面微透镜结构排列而成，每一个所述超表面微透镜结构覆盖于图像传感器的每一个像素表面。
在上述技术方案的基础上，本发明实施例还可以作出如下改进。
可选的，每一个所述超表面微透镜结构由多个形状相同、高度相同、大小不一的微柱排布而成。
可选的，每一个微柱的形状为方形、鳍型或圆柱形。
可选的，每一个所述超表面微透镜结构中的多个微柱呈矩阵排列，其中，每两个相邻的微柱中心的间距相等。
可选的，每一个微柱的材料为氮化硅，二氧化硅或硅。
可选的，设计每一个超表面微透镜结构的周期、高度和折射率，使得所述超表面微透镜阵列的透射率达到预设透射率；其中，所述周期为所述超表面微透镜结构中的每相邻两个微柱中心的间距；
设计每一个微柱的占空比，使得所述超表面微透镜结构的汇聚率到达预设值。
可选的，当所述超表面微透镜结构中不同微柱之间为方形排布时，所述超表面微透镜结构的周期小于光波的最小工作波长的
Figure BDA0002702553770000021
倍。
可选的，所述设计每一个微柱的占空比包括：
计算每一个微柱的理想相位调制；
计算不同占空比的微柱在不同波长下的实际相位调制；
计算任一个微柱在不同波长下的实际相位调制和理想相位调制之间的误差，得到所述任一个微柱在不同波长下对应的误差；
基于所述任一个微柱对应的误差，计算所述任一个微柱在不同波长下的误差之和；其中，所述误差之和为绝对值之和或平方和；
不断调整所述任一个微柱的占空比参数，并根据所述任一个微柱调整后的占空比参数对应的实际相位调制得到每一次调整后的误差之和；
选取误差之和最小对应的占空比参数作为所述任一个微柱的实际占空比参数；
对所有微柱进行上述操作以确定其占空比参数。
可选的，所述计算每一个微柱的理想相位调制包括：
Figure BDA0002702553770000031
其中，λ0为波长，r为微柱距离透镜面中心点的距离，f为理想焦距。某波长某位置某理想焦距下，理想相位调制为
Figure BDA0002702553770000032
本发明实施例提供的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，采用超表面技术设计超表面微透镜，代替传统图像传感器表面的微透镜器件，由于超表面微透镜结构是平面器件，便于在图像传感器上集成其他器件。并且可以在较宽波段如可见光和近红外波段下工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列的结构示意图；
图2为单个超表面微透镜结构示意图；
图3为超表面微透镜阵列与传统的微透镜阵列的透射率的对比示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于传统微透镜阵列的缺陷，本发明实施例提供了一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列，超表面微透镜阵列由多个超表面微透镜结构排列而成，每一个所述超表面微透镜结构覆盖于图像传感器的每一个像素表面。
可以理解的是，超表面是一种新兴的平面光学器件，可以对电磁波的波前按照设计目标进行调制，优点在于体积很小，不同于一般都比较厚的传统透镜，超表面厚度一般都在百纳米量级。
基于超表面的优点，本发明实施例提出了超表面微透镜阵列，用于图像传感器，参见图1，该超表面微透镜阵列是由多个超表面微透镜结构通过一定的方式排列而成，其中，每一个超表面微透镜结构对应覆盖于图像传感器的每一个像素上。
本发明实施例采用超表面技术设计超表面微透镜，代替传统图像传感器表面的微透镜器件，由于超表面微透镜结构是平面器件，便于在图像传感器上集成其他器件。并且可以在较宽波段如可见光和近红外波段下工作。
作为一种可能的实施方式，每一个超表面微透镜结构由多个形状相同、高度相同、大小不一的微柱排布而成。
可以理解的是，图2为每一个超表面微透镜结构的示意图，每一个超表面微透镜结构由多个形状相同、高度相同、但是尺寸有差异的微柱排布而成。图2中的每一个微柱的形状为方形，但是并不限于方形，还可以为其他的形状，比如，鳍型或圆柱形等等。每一个超表面微透镜结构的作用与一个凸透镜相同，其中，超表面微透镜结构所用材料为介质材料，包括氮化硅，二氧化硅，硅等介质材料。
作为一种可能的实施方式，每一个超表面微透镜结构中的多个微柱呈矩阵排列，其中，每两个相邻的微柱中心的间距相等。
可以理解的是，图2所示，对于任一一个超表面微透镜结构，其包含的多个微柱呈矩阵行列排列，对于不同行，每一行的所有微柱的中心在一条直线上，每一列的所有微柱的中心在一条直线上，每相邻两行微柱中心的间距相等以及每相邻两列微柱的中心的间距相等。每一个超表面微透镜结构中的所有的微柱排列呈现正方形。
作为一种可能的实施方式，设计每一个超表面微透镜结构的周期、高度和折射率，使得超表面微透镜阵列的透射率达到预设透射率；其中，周期为超表面微透镜结构中的每相邻两个微柱中心的间距；设计每一个微柱的占空比，使得超表面微透镜结构的汇聚率到达预设值。
可以理解的是，设计了超表面微透镜结构的呈现方式后，需要选取超表面微透镜结构的周期、高度和折射率以及占空比，其中，超表面微透镜结构的周期、高度和折射率关系到超表面微透镜阵列的透射率，超表面微透镜阵列的透射率越高，则超表面微透镜阵列的效果越好。每一个微柱的占空比关系到超表面微透镜阵列的汇聚效果。
作为一种可能的实施方式，当超表面微透镜结构不同微柱之间为方形排布时，超表面微透镜结构的周期小于光波的最小工作波长的
Figure BDA0002702553770000051
倍。
其中，在参数选取方面，超表面微透镜结构不同微柱之间为方形排布时，超表面微透镜结构的周期应小于光波的最小工作波长的
Figure BDA0002702553770000052
倍，意在提高透射率，每一个微柱的高度在工艺允许范围内越高越好，折射率不应过大，这保证了工作波段上透射效率高。
每一个微柱的占空比是不同的，若占空比设计不妥，无法实现超表面微透镜结构的聚焦，或者无法实现在整个工作波段的聚焦，导致汇聚效率低下，无法达到与传统微透镜阵列所比拟的效果。因此，对每一个微柱的占空比的选取至关重要，其中，微柱的占空比的定义为微柱的宽度与超表面微透镜结构的周期之比。
其中，每一个微柱的占空比的选取方式为，通过如下公式计算每一个微柱的相位调制：
Figure BDA0002702553770000061
其中，λ0为波长，r为微柱中心距离透镜面中心点的距离，f为理想焦距。某特定波长某特定位置某理想焦距下，理想相位调制为
Figure BDA0002702553770000062
通过上述公式计算每一个位置的微柱在不同波长下所需要的理想相位调制。希望实际选取的占空比参数，能够在不同波长下尽可能接近该波长下的理想相位调制。其中特定的占空比参数对不同波长下的光提供特定的实际相位调制。需要提前计算不同占空比参数的微柱在不同波长下的实际相位调制，之后假设在每一个位置放置不同占空比参数的微柱，特定占空比参数的微柱对应特定波长下特定的实际相位调制，计算其和理想相位调制之间的误差，得到该任一个微柱特定占空比参数时在不同波长下实际相位调制和理想相位调制的误差；基于该任一个微柱的误差，计算该任一个微柱在不同波长下的误差之和。不断调整该任一个微柱的占空比参数，选取误差之和最小时所对应的占空比参数作为该任一个微柱的实际占空比参数。对于每一个微柱，均采用同样的方式确定其占空比参数。
参见图3，当图像传感器的感光填充比为80％时，本发明实施例提供的超表面微透镜阵列的透射率与传统的微透镜阵列的透射率大致相等，即效果相当。超表面微透镜阵列可工作于400nm-1100nm的工作波段。
本发明实施例提供的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，由于超表面为平面器件，相比传统的微透镜阵列的凸凹不平，便于在图像传感器上集成其他器件；超表面微透镜结构可设计为不同的形状，且可以在较宽波段如可见光和近红外波段下工作。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于图像传感器的超表面微透镜阵列，其特征在于，超表面微透镜阵列由多个超表面微透镜结构排列而成，每一个所述超表面微透镜结构覆盖于图像传感器的每一个像素表面；
其中，每一个所述超表面微透镜结构由多个形状相同、高度相同、大小不一的微柱排布而成。
2.根据权利要求1所述的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，其特征在于，每一个微柱的形状为方形、鳍型或圆柱形。
3.根据权利要求1所述的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，其特征在于，每一个所述超表面微透镜结构中的多个微柱呈矩阵排列，其中，每两个相邻的微柱中心的间距相等。
4.根据权利要求2或3所述的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，其特征在于，每一个微柱的材料为氮化硅、二氧化硅或硅。
5.根据权利要求4所述的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，其特征在于，设计每一个超表面微透镜结构的周期、高度和折射率，使得所述超表面微透镜阵列的透射率达到预设透射率；其中，所述周期为所述超表面微透镜结构中的每相邻两个微柱中心的间距；
设计每一个微柱的占空比，使得所述超表面微透镜结构的汇聚率到达预设值。
6.根据权利要求5所述的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，其特征在于，当所述超表面微透镜结构中不同微柱之间为方形排布时，所述超表面微透镜结构的周期小于光波的最小工作波长的
Figure FDA0003179159380000011
倍。
7.根据权利要求5所述的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，其特征在于，所述每一个微柱的占空比通过以下步骤获取：
计算每一个微柱的理想相位调制；
计算不同占空比的微柱在不同波长下的实际相位调制；
计算任一个微柱在不同波长下的实际相位调制和理想相位调制之间的误差，得到所述任一个微柱在不同波长下对应的误差；
基于所述任一个微柱对应的误差，计算所述任一个微柱在不同波长下的误差之和；其中，所述误差之和为绝对值之和或平方和；
不断调整所述任一个微柱的占空比参数，并根据所述任一个微柱调整后的占空比参数对应的实际相位调制得到每一次调整后的误差之和；
选取误差之和最小对应的占空比参数作为所述任一个微柱的实际占空比参数。
8.根据权利要求7所述的用于图像传感器的超表面微透镜阵列，其特征在于，所述计算每一个微柱的理想相位调制包括：
Figure FDA0003179159380000021
其中，λ0为波长，r为微柱距离透镜面中心点的距离，f为理想焦距，理想相位调制为
Figure FDA0003179159380000022
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