CN113169193A - 包括具有两种不同折射率和不同高度的颜色分离器的图像传感器 - Google Patents

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CN113169193A CN201980054243.4A CN201980054243A CN113169193A CN 113169193 A CN113169193 A CN 113169193A CN 201980054243 A CN201980054243 A CN 201980054243A CN 113169193 A CN113169193 A CN 113169193A
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奥克萨那·什拉姆科娃
劳伦特·布隆德
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Abstract

提出了一种图像传感器，其包括用于从入射可见光获取颜色信息的像素，其中所述图像传感器包括由颜色分离器结构部分覆盖的三个像素，所述颜色分离器结构用于仅使所述入射可见光的一个颜色通道偏向所述三个像素中的一者，并且用于使所述入射可见光的其他颜色偏向所述三个像素中的其他像素。所述颜色分离器结构包括第一平行六面体结构(101)、第二平行六面体结构(103)和第三平行六面体结构(102)，所述结构被布置成使得所述第一平行六面体结和第三平行六面体结构并排并且与所述第二平行六面体结构接触，并且其中所述第一平行六面体结和第三平行六面体结构具有相同的尺寸，并且由具有折射率nH的相同介电材料制成，并且其中所述第二平行六面体结构的高度(H2)小于所述第一平行六面体结构和第三平行六面体结构的高度(H1)，并且其中所述第二平行六面体结构由具有折射率nL的介电材料制成，并且其中折射率nH大于折射率nL。

Description

包括具有两种不同折射率和不同高度的颜色分离器的图像传 感器
1.技术领域
本公开涉及光学和光子学领域，并且更具体地涉及在图像传感器中使用的光学器件。
2.背景技术
本部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本发明的各个方面相关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应就此而论来阅读，而不是作为对现有技术的承认。
为了在图像采集期间采集颜色分量，通常图像传感器可以使用拜耳滤波器(其是一种离散化颜色空间的方式，其在稍后需要执行一种插值以生成彩色图像)或者中央凹传感器(其能够经由颜色传感器的堆叠来记录每个像素的三个颜色分量，即颜色传感器被堆叠在彼此之上)。
欧洲专利申请18305265中已经提出了基于双材料结构的特定技术。然而，没有观察到这种方法的绿色偏离。
为了提供已知技术的替代方案，在下文中提出了用于在图像传感器内实现颜色分离功能的特定结构/架构，其可以针对红色、绿色或蓝色执行偏离。
3.发明内容
说明书中对“一个实施例”、“示例实施例”的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合其它实施例来影响这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的，而不管是否明确描述。
在一个方面中，提出了一种图像传感器，其包括用于从入射可见光获取颜色信息的像素。所述图像传感器显著之处在于，它包括被颜色分离器结构部分覆盖的三个像素，该颜色分离器结构用于仅使所述入射可见光的一个颜色通道偏向所述三个像素之一，并且用于使所述入射可见光的其他颜色偏向所述三个像素中的其他像素，其中所述颜色分离器结构包括第一平行六面体结构、第二平行六面体结构和第三平行六面体结构，其被布置成使得第一平行六面体结构和第三平行六面体结构并排并且与第二平行六面体结构接触，并且其中第一平行六面体结构和第三平行六面体结构具有相同的尺寸，并且由具有折射率nH的相同介电材料制成，并且其中所述第二平行六面体结构在高度上比所述第一平行六面体结构和第三平行六面体结构小，并且其中所述第二平行六面体结构由具有折射率nL的介电材料制成，并且其中折射率nH大于折射率nL。
在变型中，所述图像传感器的显著之处在于，所述第一平行六面体结构、第二平行六面体结构和第三平行六面体结构具有所有底角等于90°。
在变型中，所述图像传感器的显著之处在于，所述第一平行六面体结构及第三平行六面体结构的高度H1及该第二平行六面体结构的高度H2证实高度H2小于高度H1，且其中所述第一平行六面体结构及第三平行六面体结构具有相同的宽度W1，而所述第二平行六面体结构具有宽度W2。
在变型中，所述图像传感器的显著之处在于，所述颜色分离器结构被包括或嵌入在折射率为n的基质介质中，并且所述颜色分离器结构仅使蓝色分量从所述入射可见光偏向所述三个像素之一，其中所述折射率nH等于2.2，所述折射率nL等于1.5，所述折射率n等于1，所述宽度W1等于600nm，所述宽度W2等于200nm，所述高度H1等于500nm，以及所述高度H2等于200nm。
在变型中，所述图像传感器的显著之处在于，所述颜色分离器结构被包括或嵌入在具有折射率n的基质介质中，并且颜色分离器结构仅使绿色分量从所述入射可见光偏向所述三个像素之一，其中所述折射率nH等于2.2，所述折射率nL等于1.5，所述折射率n等于1，所述宽度W1等于600nm，所述宽度W2等于600nm，所述高度H1等于600nm，以及所述高度H2等于250nm。
在变型中，所述图像传感器的显著之处在于，所述颜色分离器结构被包括或嵌入在具有折射率n的基质介质中，并且所述颜色分离器结构仅使红色分量从所述入射可见光偏向所述三个像素之一，其中所述折射率nH等于1.8，所述折射率nL等于1.6，所述折射率n等于1，所述宽度W1等于600nm，所述宽度W2等于600nm，所述高度H1等于900nm，以及所述高度H2等于200nm。
4.附图说明
参考以下描述和附图，可以更好地理解本公开，以下描述和附图以示例的方式给出并且不限制保护范围，并且其中：
图1(a)表示根据本发明一个实施例的颜色分离器结构的侧视图，图1(b)表示根据本发明一个实施例的颜色分离器结构的顶视图；
图2和图3(a)、3(b)示出了根据本公开的一个实施例的由颜色分离器结构产生的一些纳米射流的取向；
图4(a)和4(b)分别示出了单材料元件和双材料元件(双材料元件对应于根据本公开的一个实施例的颜色分离器结构)在xz平面中的功率密度分布；
图5示出了具有以下参数的双材料元件(或颜色分离器元件)在热斑中的功率密度分布：n＝1.0，nH＝2.2，H1＝600nm，H2＝400nm，W1＝600nm，W2＝600nm，W3＝200nm，W4＝600nm，W4＝700nm；
图6(a)、(b)和(c)示出了具有一些特定参数的双材料元件(或颜色分离器结构)在热斑中的功率密度分布；
图7示出了具有以下参数的双材料元件(或颜色分离器结构)在热斑中的功率密度分布：n＝1.0，nH＝2.2，nL＝1.5，H1＝600nm，H2＝400nm，W1＝600nm，W2＝600nm，W4＝600nm，W5＝700nm；
图8示出了具有以下参数的双材料结构(或颜色分离器结构)的热斑中的功率密度分布：n＝1.0，nH＝2.2，nL＝1.5，H1＝600nm，H2＝400nm，W1＝600nm，W2＝600nm，W3＝100nm，W4＝600nm；
图9示出了具有以下参数的双材料结构(或颜色分离器结构)的功率密度分布：n＝1.0，W1＝600nm，W4＝600nm，W5＝700nm；
图10示出了根据本公开的一个实施例的蓝色分离器，其将入射光的全光谱分成两个通道：蓝色(B)在中心，其余(W-B＝G+R)指向侧边；
图11示出了绿色分离器，其将入射光的全光谱(R+G+B)分成两个通道：绿色(G)在中心，其余(W-G＝B+R)指向侧边；
图12示出了红色分离器，其将入射光的全光谱(R+G+B)分成两个通道：红色(R)在中心，其余(W-R＝B+G)指向侧边；
图13示出了根据本公开的颜色分离器的不同布置。两个分离器元件的周期是2μm，像素间距是667nm，这表明每个分离器元件(包括两个相邻分离器之间的间隔)精确地馈送三个像素；
图14提供了对根据图13的部分a)中提到的本公开的实施例的图像传感器的像素所记录的信息的说明；
图15提供了对根据图13的部分b)中提到的本公开的实施例的图像传感器的像素所记录的信息的说明；
图16提供了对根据图13的部分c)中提到的本公开的实施例的图像传感器的像素所记录的信息的说明。
具体实施方式
本发明涉及对欧洲专利申请18305265中描述的技术进行改进。更准确地说，提出修改欧洲专利申请18305265的技术以便也偏离绿光。
图1(a)示出了根据本公开的一个实施例的颜色分离器结构的侧视图。
更准确地说，图1(a)是颜色分离器结构的截面图，其中颜色分离器结构包括两个平行六面体结构101和102，它们由折射率等于nH的相同介电材料制成。两个平行六面体结构101、102中间夹有由折射率等于nL的介电材料制成的标记为103的第三结构。
平行六面体结构101具有宽度W1和高度H1。
平行六面体结构102具有宽度W1和高度H1。
平行六面体结构103具有宽度W2和高度H2，高度H2小于高度H1。
此外，颜色分离器结构被包括或嵌入在具有折射率n的基质介质中，该折射率n低于折射率nH。
平行六面体结构101、102和103也由底角α1、α2、α3、α4限定。
在图1(a)中，我们有α1＝α2＝α3＝α4＝90°。
当入射白光撞击颜色分离器结构时，则由颜色分离器结构的边缘产生射流光波，如已经在文献WO 2017-162880和WO 2017-162882中解释的。
图1(b)示出了根据本公开的一个实施例的颜色分离器结构的顶视图。
更准确地说，其示出了宽度W4，所述宽度W4是可视为平行六面体结构101、102及103的厚度的值。此外，距离W3和W5对应于颜色分离器的平行六面体结构到另一颜色分离器之间的距离。因此，像素的深度等于W5+W4，像素的宽度等于(W3+2*W1+W2)/3。
图2和图3(a)、3(b)示出了根据本公开的一个实施例的由颜色分离器结构产生的射流光波的取向。
实际上，当被照射时，颜色分离器结构产生由平面波和射流波(标记为201、202和203)的干涉产生的纳米射流光束，所述射流波由结构的块的边缘以角度θJW1和θJW2衍射，其中：
Figure BDA0002944223910000061
Figure BDA0002944223910000062
这些射流波与平面波之间的相长干涉导致产生一组新的光谱相关NJ光束。
图3(a)和3(b)示出了由于系统参数的变化而引起的与不同边缘相关联的射流波的折射。
可以证明，通过改变平行六面体结构的尺寸，我们可以使纳米射流(也记为NJ)光束或热斑沿着元件对称轴以不同的波长位于结构表面上方。颜色分离器结构的这种响应对应于通过颜色分离器结构的中心平行六面体结构传播的平面波和射流波之间的相长干涉。为了获得该NJ的最大强度，我们应该考虑由具有最高折射率的平行六面体结构产生的射流波的相位和在该块外部产生的平面波来找到系统的最佳参数。这意味着例如JW1和由中心块折射的平面波的光程差(OPD)应当满足条件：
OPD≈mλ，
其中m＝0、±1、±2……。
我们将OPD确定为：
OPD＝nHAB+nBC-nCD-nLDE。
结果我们得到：
Figure BDA0002944223910000071
其中
Figure BDA0002944223910000072
为了计算相应热斑检测的距离，我们使用近似公式：
Figure BDA0002944223910000073
必须提及的是，该系统的特性取决于块的材料和尺寸。我们还应当考虑JW在具有折射率nH的元件内的折射(例如，见图3(a))。由于JW2在该元件内的折射，我们可以得到沿该系统的对称轴的附加NJ热斑。但是由元件的相对边缘产生的射流波的相位将是不同的。这意味着对于通过中心块传播平面波和JW2的光程差(OPD)应当满足条件：
Figure BDA0002944223910000074
其中m＝0、±1、±2……。
还应当注意，所提出的结构的颜色分离特性不限于具有垂直底角(αj＝90°)的结构。实际上，仍然可以在底角为80°至110°的情况下实现预期的目标。
此外，颜色分离功能不限于垂直入射光(θ＝0°)，而是对于倾斜入射光也存在。
实际上，垂直入射发生在θ＝0°处，但是颜色分离结构可以执行具有以下公差范围的分离功能-15°<θ<15°。
图4(a)和4(b)示出了单(图4a)和双(图4b)材料元件在xz平面中的功率密度分布，以便说明来自具有折射率nL的平行六面体结构102在Z＝800nm(我们假设Z＝0对应于系统的底部)的输入。
更准确地说，图4(a)和4(b)的结构的参数如下：
n＝1.0，W1＝600nm，W2＝600nm，W3＝200nm，W4＝600nm，W5＝700nm；
(a)nH＝nL＝2.2，H1,2＝600nm；
(b)nH＝2.2，nL＝1.5，H1＝600nm，H2＝250nm。
在X＝1000nm(系统的中间，图4b)，我们可以观察到系统在对应于绿色的波长处的强烈响应。红色和蓝色将几乎被抑制。对JW分布和干涉的全面分析表明，在距元件顶部的该距离处，主输入将由NJ提供，该NJ是JW1与由中央块折射的平面波之间的相长干涉的结果。下面提供了该系统中JW的示意分布。
图5示出了具有以下参数的双材料元件在热斑中的功率密度分布：n＝1.0，nH＝2.2，H1＝600nm，H2＝400nm，W1＝600nm，W2＝600nm，W3＝200nm，W4＝600nm，W5＝700nm。对于图5、6(a)、6(b)、6(c)、7和8，实线、虚线和点划线的图例与图4的相同。
图6(a)、(b)和(c)示出了具有以下参数的双材料元件在热斑中的功率密度分布：
n＝1.0，nH＝2.2，nL＝1.5，W1＝600nm，W4＝600nm，W5＝700nm；(a)-H1＝600nm，W2＝600nm，W3＝200nm；(b)H2＝250nm，W2＝600nm，W3＝200nm；(c)-H1＝600nm，H2＝400nm，W3＝800nm。
图7示出了具有以下参数的双材料元件在热斑中的功率密度分布：n＝1.0，nH＝2.2，nL＝1.5，H1＝600nm，H2＝400nm，W1＝600nm，W2＝600nm，W4＝600nm，W5＝700nm。
图8示出了具有以下参数的双材料元件在热斑中的功率密度分布：n＝1.0，nH＝2.2，nL＝1.5，H1＝600nm，H2＝400nm，W1＝600nm，W2＝600nm，W3＝100nm，W4＝600nm。
由于系统参数的优化，我们已经获得了三种不同颜色分离器的解决方案。图9中示出了单和双材料元件的功率密度分布的比较。注意元件的总尺寸是相同的，这是必要的。
图9表示具有以下参数的双材料元件的功率密度分布：n＝1.0，W1＝600nm，W4＝600nm，W5＝700nm；
(a)nH＝2.2，nL＝1.5，H1＝500nm，H2＝200nm，W2＝200nm，W3＝600nm，Z＝800nm；
(b)nH＝2.2，nL＝1.5，H1＝600nm，H2＝250nm，W2＝600nm，W3＝200nm，Z＝800nm；
(c)nH＝1.8，nL＝1.6，H1＝900nm，H2＝200nm，W2＝600nm，W3＝200nm，Z＝1500nm。
图10示出了根据本公开的一个实施例的蓝色分离器，其将入射光的全光谱分成两个通道：蓝色(B)在中心，其余(W-B＝G+R)指向侧边。对于图10、11和12，所绘制的实线、虚线和点划线的图例与图9的相同。
分离器元件的总宽度是1400nm，并且连同相邻元件之间的间隔(在这种情况下是600nm)一起，分离器元件的节距周期变为2μm。在该实施例中，折射率nH等于2.2，折射率nL等于1.5，折射率n等于1，宽度W1等于600nm，宽度W2等于200nm，高度H1等于500nm，以及高度H2等于200nm。
图11示出了绿色分离器，其将入射光的全光谱(R+G+B)分成两个通道：绿色(G)在中心，其余(W-G＝B+R)指向侧边。
分离器元件的总宽度为1800nm，并且连同相邻元件之间的间距(在这种情况下为200nm)一起，分离器元件的节距周期变为2μm。
在该实施例中，折射率nH等于2.2，折射率nL等于1.5，折射率n等于1，宽度W1等于600nm，宽度W2等于600nm，高度H1等于600nm，以及高度H2等于250nm。
图12示出了红色分离器，其将入射光的全光谱(R+G+B)分成两个通道：红色(R)在中心，其余(W-R＝B+G)指向侧边。分离器元件的总宽度为1800nm，并且连同相邻元件之间的间距(在这种情况下为200nm)一起，分离器元件的节距周期变为2μm。
在该实施例中，折射率nH等于1.8，折射率nL等于1.6，折射率n等于1，宽度W1等于600nm，宽度W2等于600nm，高度H1等于900nm，高度H2等于200nm。
图13示出了根据本公开的颜色分离器的不同布置。两个分离器元件的周期是2μm，像素间距是667nm，这表明每个分离器元件(包括两个相邻分离器之间的间隔)精确地馈送三个像素。
在一个实施例中，颜色分离器与一些或所有使用通常的滤色器的像素结合使用。在该实施例中，使用通常的滤色器来过滤掉入射光的分离部分中的不期望波长的残余物。因此，串扰被最小化，同时颜色分离器增加了光的进入效率。
在另一实施例中，图像传感器具有非均匀的像素尺寸。根据颜色分离器元件的阵列来优化像素的尺寸，以获得更好的颜色分离性能、光摄取等。
图14提供了对根据图13的部分a)中提到的本公开的实施例的图像传感器的像素所记录的信息的说明。
图15提供了对根据图13的部分b)中提到的本公开的实施例的图像传感器的像素所记录的信息的说明。
图16提供了对根据图13的部分c)中提到的本公开的实施例的图像传感器的像素所记录的信息的说明。

Claims (6)

1.一种图像传感器，包括用于从入射可见光获取颜色信息的像素，其中所述图像传感器包括由颜色分离器结构部分覆盖的三个像素，所述颜色分离器结构用于仅使所述入射可见光的一个颜色通道偏向所述三个像素中的一者，并且用于使所述入射可见光的其他颜色偏向所述三个像素中的其他像素，其中所述颜色分离器结构包括第一平行六面体结构、第二平行六面体结构和第三平行六面体结构，所述第一平行六面体结构、第二平行六面体结构和第三平行六面体结构被布置为使得所述第一平行六面体结构和第三平行六面体结构并排并且与所述第二平行六面体结构接触，并且其中所述第一平行六面体结构和第三平行六面体结构具有相同的尺寸，并且由具有折射率nH的相同介电材料制成，并且其中所述第二平行六面体结构在高度上小于所述第一平行六面体结构和第三平行六面体结构，并且其中所述第二平行六面体结构由具有折射率nL的介电材料制成，并且其中所述折射率nH大于所述折射率nL。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一平行六面体结构、第二平行六面体结构和第三平行六面体结构具有所有底角等于90°。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的图像传感器，其中所述第一平行六面体结构和所述第三平行六面体结构的高度H1以及所述第二平行六面体结构的高度H2证实所述高度H2是小于所述高度H1的，并且其中，所述第一平行六面体结构和所述第三平行六面体结构具有相同的宽度W1，并且所述第二平行六面体结构具有宽度W2。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述颜色分离器结构被包括或嵌入在具有折射率n的基质介质中，并且其中所述颜色分离器结构仅使所述蓝色分量从所述入射可见光偏向所述三个像素中的一者，其中所述折射率nH等于2.2，所述折射率nL等于1.5，所述折射率n等于1，所述宽度W1等于600nm，所述宽度W2等于200nm，所述高度H1等于500nm，以及所述高度H2等于200nm。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述颜色分离器结构被包括或嵌入在具有折射率n的基质介质中，并且其中所述颜色分离器结构仅使所述绿色分量从所述入射可见光偏向所述三个像素中的一者，其中所述折射率nH等于2.2，所述折射率nL等于1.5，所述折射率n等于1，所述宽度W1等于600nm，所述宽度W2等于600nm，所述高度H1等于600nm，以及所述高度H2等于250nm。
6.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述颜色分离器结构被包括或嵌入在具有折射率n的基质介质中，并且其中所述颜色分离器结构仅使所述红色分量从所述入射可见光向偏向所述三个像素中的一者，其中所述折射率nH等于1.8，所述折射率nL等于1.6，所述折射率n等于1，所述宽度W1等于600nm，所述宽度W2等于600nm，所述高度H1等于900nm，以及所述高度H2等于200nm。
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