CN116685881A - 光学角度滤波器 - Google Patents

Abstract

本描述涉及一种用于图像采集设备(19)的角度滤波器(23)，包括堆叠件，该堆叠件包括：层(41)，包括具有不同折射率并且对所述辐射透明的介质，该层(41)仅允许具有入射角小于第一最大入射角的所述辐射的那些射线通过；以及开口(33)的矩阵(31)和微透镜(29)的矩阵(27)，该开口(33)由对可见和/或红外辐射不透明的壁(35)界定，由开口的矩阵和微透镜的矩阵形成的组件仅允许具有入射角小于第二最大入射角的所述辐射的射线通过，该第二最大入射角比第一最大入射角更小。

Description

光学角度滤波器

本申请基于2020年12月14日提交的题为“Filtre angulaire optique”的法国专利申请FR2013151，并且要求其优先权，该申请经法律授权通过引用纳入本文。

技术领域

本公开涉及光学角度滤波器。

更特别地，本公开涉及旨在光学系统(例如成像系统)内使用，或要用于校准光源的射线的角度滤波器，特别应用于通过有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)、液晶显示(liquid crystal display，LCD)的定向照明，或通过发光二极管可能地耦合至波导，或应用于例如指纹或静脉捕捉的光学检查。

背景技术

角度滤波器是一种使能根据辐射的入射角来过滤入射辐射并因此阻挡具有大于最大入射角的入射角的射线的设备。角度滤波器经常会与图像传感器相关联地使用。

发明内容

需要改进已知的角度滤波器。

实施例克服了已知的角度滤波器的全部或部分缺点。

实施例提供了一种用于图像采集设备的角度滤波器，包括堆叠件，该堆叠件包括：

层，包括具有不同折射率并且对所述辐射透明的介质，该层仅允许具有小于第一最大入射角的入射角的所述辐射的射线通过；以及

开口的阵列和微透镜的阵列，该开口由对可见和/或红外辐射不透明的壁界定。

由开口的阵列和微透镜的阵列形成的组件仅允许具有小于第二最大入射角的入射角的所述辐射的射线通过，第二最大入射角比第一最大入射角更小。

根据实施例，所述层包括多个子层。

根据实施例，每个子层的折射率与它覆盖的该子层的折射率至少相差0.15，优选地0.2。

根据实施例，该层是干涉滤波器。

根据实施例，该层是光纤面板。

根据实施例，该层包括一组光纤。

根据实施例，该层包括一组平行光纤，每根平行光纤被不透明材料包围。

根据实施例，该层对应于能被光子晶体吸收的微结构层，该微结构层具有的分辨率比微透镜的阵列的分辨率更大。

根据实施例，该层包括对所述辐射透明的第一材料的膜，该层由以阵列布置的对所述辐射透明的第二材料的柱穿过。

根据实施例，微透镜的阵列位于该阵列与该层之间。

根据实施例，该层位于微透镜的阵列与该阵列之间。

根据实施例，该阵列位于微透镜的阵列与该层之间。

根据实施例，第一最大入射角小于10°，优选地小于4°，其对应于透射率的半最大值处的半宽。

根据实施例，第一最大入射角大于15°且小于60°，其对应于透射率的半最大值处的半宽。

根据实施例，第一最大入射角小于或等于30°。

根据实施例，开口被填充有空气、部分真空或者在可见和红外范围内至少部分透明的材料。

根据实施例：

每个开口的顶部有单个微透镜；

每个微透镜覆盖单个开口；和/或

每个微透镜的光学轴线与开口的中心对准。

实施例提供了一种图像采集设备，包括诸如上文所描述的角度滤波器，以及图像传感器。

附图说明

前述特征和优点以及其他特征和优点将在具体实施例的公开内容的剩余部分中详细描述，这些实施例是参照附图通过说明性而非限制性的方式给出的，在附图中：

图1示出了图像采集系统的实施例；

图2以局部且简化的横截面视图，示出了包括角度滤波器的图像采集设备的实施例；

图3以曲线图，显示了图2所示的设备的角度滤波器根据到达角度滤波器的射线的入射角的透射率；

图4以局部且简化的横截面视图，示出了包括角度滤波器的图像采集设备的另一个实施例；

图5示出了包括角度滤波器的图像采集设备的另一个实施例；

图6以局部且简化的横截面视图，示出了包括角度滤波器的图像采集设备的另一个实施例。

具体实施方式

相同的特征在各个图中已经由相同的附图标记指明。特别地，在各种实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记，并且可以设置完全相同的结构、尺寸和材料性质。

为了清楚起见，仅示出和详细描述了对于理解本文中描述的实施例有用的步骤和元件。特别地，图像传感器和除了角度滤波器以外的元件的形成尚未详细描述，所描述的实施例和实施模式与传感器和这些其他元件的常见实施例相兼容。

在以下公开中，当提到绝对位置限定词，诸如术语“前面”、“后面”、“顶部”、“底部”、“左边”、“右边”等，或相对位置限定词，诸如术语“上面”、“下面”、“上部”、“下部”等，或取向的限定词，诸如术语“水平”、“竖直”等时，除非另有说明，否则是指图的取向。

除非另有说明，否则表达“大约(around)”、“近似(approximately)”、“基本上(substantially)”和“以……的数量级(in the order of)”表示在10％以内，优选地在5％以内。

除非另有说明，否则表达“所有元素”、“每个元素”表示95％至100％的元素。

除非另有说明，否则表达“它只包括元素”表示它包括至少90％的元素，优选地它包括至少95％的元素。

为了本公开的需要，介质的折射率(refraction index)被定义为形成介质的材料对于由图像传感器捕捉到的辐射的波长范围的折射率。折射率被视为在有用辐射的波长范围内基本恒定，例如，等于折射率在由图像传感器捕捉到的辐射的波长范围内的平均值。

在以下描述中，除非另有说明，否则当辐射通过层或膜的透射率小于10％时，该层或该膜被称为对辐射不透明。在以下描述中，当辐射通过层或膜的透射率大于10％时，该层或该膜被称为对辐射透明。根据实施例，对于同一光学系统，对辐射不透明的光学系统的所有元件的透射率小于对所述辐射透明的光学系统的元件的最低透射率的一半，优选地小于五分之一，更优选地小于十分之一。在本公开的剩余部分中，在操作中穿过光学系统的电磁辐射被称为“有用辐射(useful radiation)”。在以下描述中，在支撑体的表面上形成的光学元件被称为“微米范围光学元件(micrometer-range optical element)”，其具有平行于所述表面测量出的最大尺寸，大于1μm且小于1mm。

现在将描述光学系统的实施例，针对包括微米范围光学元件的阵列的光学系统，在其中每个微米范围光学元件对应于由两个屈光镜(diopters)形成的微米范围透镜或微透镜的情况下。然而，应该清楚的是，这些实施例也可以用其他类型的微米范围光学元件来实施，其中每个微米范围光学元件例如可以对应于微米范围菲涅耳透镜(Fresnel lens)、微米范围折射率梯度透镜、或微米范围衍射光栅(diffraction grating)。

在本描述的剩余部分中，波长在从400nm至700nm的范围内的电磁辐射被称为可见光，并且在该范围中，波长在从600nm至700nm的范围内的电磁辐射被称为红光。波长在从700nm至1mm的范围内的电磁辐射被称为红外辐射。在红外辐射中，人们能够特别地区分波长在从700nm至1.7μm的范围内的近红外辐射。

图1示出了图像采集系统11的实施例。

图1所示的图像采集系统11包括：

图像采集设备13(DEVICE)；以及

处理单元15(processing unit，PU)。

处理单元15优选地包括用于处理由设备11递送的信号的装置，在图1中未显示。处理单元15例如包括微处理器。

设备13和处理单元15优选地通过链路17耦合。设备13和处理单元15例如被集成在同一电路中。

图2以局部且简化的横截面视图，示出了包括角度滤波器的图像采集设备19的实施例。

图2所示的图像采集设备19，在附图的取向上从底部至顶部，包括：

图像传感器21；以及

角度滤波器23，覆盖图像传感器21。

在本公开中，图2至图4的设备的实施例在根据直接正交坐标系XYZ的空间中显示，系统XYZ的Y轴正交于图像传感器21的上表面。

图像传感器21包括光子传感器25(也被称为光电探测器)的阵列。光电探测器25优选地以阵列形式布置，光电探测器25可以用保护涂层(未显示)覆盖。光电探测器25优选地全都具有相同的结构和相同的性质/特性。换言之，所有的光电探测器25在制造差异内基本上完全相同。图像传感器21还包括导电轨道和开关元件特别是晶体管(未显示)，以允许光电探测器25的选择。

光电探测器25优选地由有机材料制成。光电探测器25例如是被集成在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)衬底或具有薄膜晶体管(thin film transistors，TFTs)的衬底上的有机光电二极管(organicphotodiodes，OPDs)。该衬底例如由硅制成，优选地由单晶硅制成。TFT晶体管的沟道、源极和漏极区域例如由非晶硅(amorphous silicon，a-Si)、氧化铟镓锌(indium gallium zincoxide，IGZO)或低温多晶硅(low temperature polycrystalline silicon，LTPS)制成。

图像传感器21的光电二极管25例如包括有机半导体聚合物的混合物，例如，聚(3-己基噻吩)或聚(3-己基噻吩-2,5-二基)，俗称P3HT与[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(N型半导体)，俗称PCBM混合。

图像传感器21的光电二极管25例如包括小分子，也就是，摩尔质量小于500g/mol，优选地小于200g/mol的分子。

光电二极管25可以是非有机光电二极管，例如，基于非晶硅或单晶硅形成的。作为示例，光电二极管25包括量子点(quantum dots)。

根据实施例，每个光电探测器25适于检测可见辐射和/或红外辐射。

角度滤波器23包括：

微米范围微透镜29的阵列27，例如，平凸的；

孔或开口33的阵列31或层，所述孔或开口33由在可见和/或红外范围内不透明(例如，吸收或反射的)的壁35界定；以及

层41，包括具有不同折射率的介质，层41仅允许具有小于第一最大入射角的入射角的所述辐射的射线通过。

根据实施例，微透镜29的阵列27被形成在衬底或支撑体30的顶部且与其接触，衬底30然后被插在微透镜29与阵列31之间。

衬底30可以由透明聚合物制成，该聚合物至少不吸收所考虑的波长，这里是在可见和/或红外范围内。这种聚合物特别地可以是聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、环烯烃聚合物(COP)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)。衬底30的厚度可以在1μm和100μm之间变化，优选地在10μm和100μm之间。衬底30可以对应于彩色滤光片、偏振器、半波片或四分之一波片。

透镜29可以由氧化硅、PMMA、正性抗蚀剂、PET、聚(萘二甲酸乙二醇酯)(PEN)、COP、聚二甲基硅氧烷(PDMS)/硅酮、环氧树脂、或丙烯酸酯树脂制成。微透镜29可以通过抗蚀剂块的蠕变(creeping)来形成。微透镜29还可以通过在PET、PEN、COP、PDMS/硅酮、环氧树脂或丙烯酸酯树脂的层上模塑来形成。微透镜29是会聚透镜，每个透镜的焦距f在从1μm至100μm的范围内，优选地从1μm至70μm。根据实施例，所有的微透镜29基本上完全相同。

根据本实施例，微透镜29和衬底30优选地是由透明或部分透明的材料制成的，也就是，在与待成像物体的曝光期间使用的波长相对应的波长范围内，针对目标场(例如，成像)所考虑的光谱的一部分是透明的。

微透镜29的平面表面面对开口33。

壁35的厚度被称为“h”。壁35例如对由光电探测器25检测到的辐射不透明，例如相对于由光电探测器25检测到的辐射有吸收和/或反射性。作为示例，壁35在可见和/或近红外和/或红外范围内吸收和/或反射。例如，壁35对用于成像(例如，生物测量和指纹成像)的从400nm至600nm的范围内的波长不透明。

在本描述中，位于层31和衬底30之间的界面处的层31的表面被称为层31的上表面。层31位于与上表面相对的表面还被称为层31的下表面。

在图2中，开口33用YZ平面中的梯形横截面显示。一般地，每个开口33可以具有正方形、矩形或漏斗形。每个开口33在俯视图中(也就是，在XZ平面中)可以具有圆形、卵形或多边形，例如，三角形、正方形、矩形或梯形。每个开口33在俯视图中优选地具有圆形的形状。开口33的宽度限定开口33在XZ平面中的特性尺寸。例如，对于在XZ平面中具有正方形横截面的开口33，宽度对应于侧面的尺寸，而对于在XZ平面中具有圆形横截面的开口33，宽度对应于开口33的直径。在所示的示例中，开口33在层31的上表面的水平处的宽度大于开口33在层31的下表面的水平处的宽度。此外，位于开口33的对称轴与层31的下表面的交汇处的点被称为开口33的中心。例如，对于圆形的开口33，每个开口33的中心位于开口33的回转轴上。

根据实施例，开口33被布置成行和列。开口33可以具有全都基本相同的尺寸。开口33在与衬底或微透镜29的界面处的宽度被称为“w1”，而开口33在与层37的界面处的宽度被称为“w2”。开口33的重复间距被称为“p”，也就是，沿着X轴或Z轴，同一行或一列的两个连续的开口33的中心之间的距离。

每个开口33优选地与单个微透镜29相关联。微透镜29的光学轴线优选地与阵列31的开口33的中心对准。微透镜29的直径优选地大于开口33的(垂直于光学轴线测量的)最大宽度。

间距p可以在从5μm至100μm的范围内，例如，等于大约15μm。高度h可以在从1μm至1mm的范围内，优选地在从12μm至20μm的范围内。宽度w1可以优选地在从5μm至100μm的范围内，例如，等于大约10μm。宽度w2可以优选地在从1μm至100μm的范围内，例如，等于大约2μm。

根据图2所示的实施例，每个光电探测器25与四个开口33相关联(每个光电探测器25例如与沿着X轴的两个开口33，以及沿着Z轴的两个开口33相关联)。在实践中，角度滤波器23的分辨率可以比图像传感器21的分辨率要大四倍以上。换言之，在实践中，开口33可以比光电探测器25要多四倍以上，例如，多八倍。

将微透镜29的阵列27与阵列31关联的结构适于根据相对于微透镜29或阵列27的光学轴线(其在图2中，平行于Y轴)的辐射的入射角来过滤入射辐射。将微透镜29的阵列27与阵列31关联的结构适于阻挡至少大部分的、优选是全部的入射辐射的射线，该射线相对于滤波器23的微透镜29的光学轴线的相应入射角大于第二最大入射角，但小于第一最大入射角。这种结构适于仅允许相对于微透镜29的光学轴线的入射角小于第一最大入射角的射线通过。例如，该结构仅允许入射角小于45°、优选地小于30°、更优选地小于10°、仍更优选地小于4°的入射射线通过，例如，在3.5°的量级上。

开口33例如被填充有空气、部分真空或者在可见和红外范围内至少部分透明的材料。开口33的填充材料优选地在阵列31的下表面处形成层37，以覆盖壁35并使阵列31的所述下表面平坦化。

微透镜29优选地被覆盖有平坦化层39。层39由在可见和红外范围内至少部分透明的材料制成。作为示例，层39的折射率小于形成微透镜29的材料的折射率。

根据图2所示的实施例，层41位于微透镜29的阵列27上方。更准确地，层41位于层39的上表面上。

层41适于根据辐射相对于Y轴的入射角过滤入射辐射。层41适于仅允许具有小于第一最大入射角的入射角的射线通过。换言之，层41适于仅允许到达层41的上表面上的，入射角小于第一最大入射角的射线通过。第一最大入射角优选地大于15°。第一最大入射角优选地小于60°，优选地小于或等于30°。

该结构包括微透镜29的阵列27和开口33的阵列31，理论上使能阻挡具有入射角大于第二最大入射角的所有射线。然而，在实践中，可以观察到具有入射角大于第一最大入射角的某些射线成功穿过第一阵列31。这些射线具有大于第一最大入射角的入射角，它们到达微透镜29并且穿过相邻微透镜29的下层开口33。这种现象被称为光学串扰或寄生耦合，并且可能导致光电探测器25的分辨率或所获得图像的对比度降低。层41旨在阻挡具有入射角大于第二最大入射角并且可能会导致光学串扰的射线。

根据图2所示的实施例，层41由多个连续子层的堆叠件形成，四个连续子层411、413、415、417作为图2中的示例显示。子层417优选地位于层39上并且与层39接触。子层417优选地覆盖整个层39。子层415覆盖子层417的上表面。子层415被覆盖有子层413，子层413本身被覆盖有层411。子层411、413、415和417例如具有相同的厚度。子层411、413、415和417优选地具有不同的厚度。在图2中，层41包括四个子层的堆叠件。然而，在实践中，层41可以由不同于四个的多个子层的堆叠件形成。作为示例，子层的数量可以是两个。

根据图2所示的实施例，两个连续子层的折射率优选地是不同的，例如，至少相差0.15，优选地至少0.2。优选地，在两个连续子层的情况下，下子层(也就是，最接近传感器21的子层)的折射率小于上子层(也就是，更远离传感器21的子层)的折射率。

作为示例，子层411的折射率比子层413的折射率大0.15，优选为0.2。仍然作为实例，子层413的折射率比子层415的折射率大0.15，优选为0.2。仍然作为实例，子层415的折射率比子层417的折射率大0.15，优选为0.2。

根据变型(未显示)，先前所描述的由具有多层结构的层41进行过滤的功能可以通过覆盖层39的单层的关联来获得。然后，这个单层的折射率比层39的折射率大了至少0.15，优选地至少0.2。

子层411、413、415和417优选地由不同的材料制成。子层411、413、415和417例如可以由不同比例的相吸收学化合物制成，具有从层411到层417递减的折射率以偏离射线。

作为示例，层41由基于氮化硅(Si₃N₄)和空气或基于聚合物诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)交替形成的多个子层形成。层41的厚度例如在从10nm至10μm的范围内，优选地从50nm至1μm。

层41优选地对所考虑的应用的波长是透明的。

根据图2所示的实施例，过滤由层41反射了具有入射角大于第一最大入射角的射线的事实引起。更准确地，在层的每个变化处，光线的传播介质都会发生变化。然后，与由两个连续层之间的界面形成的屈光镜接触的射线被部分地折射和部分地反射。在层41的输出处，几乎没有更多具有入射角大于第一最大入射角的射线。换言之，层41被优化以保证用于具有入射角大于第一最大入射角的射线的最大透射率。

在图2中，射线以不同的入射角到达层41的上表面和微透镜29上。入射到设备19的辐射包括：

射线43，具有相对于层41的零入射(也就是，垂直于层41的上表面)；

射线45，具有相对于层41的入射角α，大于0°且小于或等于第一最大入射角(例如，大约30°)，射线45在穿过层41之后具有入射角α₂₁，小于第二最大入射角(例如，大约4°)；

射线47，具有相对于层41的入射角β，大于α且小于或等于第一最大入射角(例如，大约30°)，射线47在穿过层41之后具有入射角β₂₂，大于或等于第二最大入射角(例如，大约4°)；以及

射线49，具有相对于层41的入射角γ，大于第一最大入射角。

射线45和47在层41中由虚线显示，这些虚线仅显示了这些射线从层41出来时引起的方向。实际上，射线45和47在层41的子层的每个变化处都被折射，如射线49所示。

根据图2所示的实施例，每条射线43通过以角度δ₂₂从微透镜29中的一个中出现而穿过微透镜29的层41和阵列27以穿过所述微透镜29的图像焦点。根据实施例，每个微透镜29的图像焦点位于开口33的阵列31的下表面上，在具有与其相关联的微透镜29的开口33的中心处。层41以及将微透镜29的阵列27与阵列31关联的结构都不阻挡射线43。因此，每条射线43都被图像传感器21捕捉，并且更准确地，被由射线43穿过的微透镜29的下层光电探测器25捕捉。

根据图2所示的实施例，每条射线45穿过层41以角度α₂₁从其中出来。层41并不阻挡具有小于第一最大入射角的入射角的射线45。将微透镜29的阵列27与阵列31关联的结构不阻挡射线45，这是因为它们以小于第二最大入射角的入射角到达微透镜29上。因此，每条射线45都被图像传感器21捕捉，并且更准确地，被由射线45穿过的微透镜29的下层光电探测器25捕捉。

根据图2所示的实施例，每条射线47穿过层41以角度β₂₂从其中出来。层41并不阻挡具有小于第一最大入射角的入射角的射线47。将微透镜29的阵列27与阵列31关联的结构阻挡了射线47，这是因为它们以大于或等于第二最大入射角的入射角到达微透镜29上。因此，射线47不被图像传感器21捕捉。

根据图2所示的实施例，具有入射角大于第一最大入射角的所有射线49都由层41的子层的累积所反射。在图2所示的实例中，射线49到达层41的上表面，更准确地说到达子层411的上表面，其中入射角大于第一最大入射角。与子层411的上表面接触，射线49的一部分49’被反射，射线49的另一部分491以角度γ₂₁₁接合到子层411中。射线491到达子层413的上表面上。与其接触，射线491的一部分491’被反射，射线491的另一部分493以角度γ₂₁₃(优选地大于角度γ₂₁₁)接合到子层413中。这种现象重复发生的次数与层41具有的子层数量一样多。在图2中，射线493被划分成反射部分493’和折射部分495(射线495与射线213具有角度γ₂₁₅)。射线495被划分成反射部分495’和折射部分497(射线497与射线215具有角度γ₂₁₇)。最终，与层39接触的射线497大部分被反射(射线497’)。在实践中，射线497并非全部被反射，并且射线497的剩余部分在层41的输出处在层39中传播。它们被层39偏离并且被微透镜29和阵列31的关联阻挡，因为它们以远大于第一入射角的入射角到达微透镜29的表面。因此，射线49不会到达光电探测器25。

在角度滤波器23的输出处，图像传感器21然后仅捕捉射线43和45。

在图2的实施例中，没有不透明层在层41的上方延伸。这使能最大化由角度滤波器进行的光收集的有用表面积。此外，在本示例中，层41仅包括透明材料，其在这里再次使能最大化由角度滤波器进行的光收集的有用表面积。

图3以曲线图，显示了图2所示的设备的角度滤波器23根据到达角度滤波器23的射线的入射角的透射率。

更特别地，图3示出了三条曲线70、71和73，每条曲线表示根据所述射线的入射角(角度(°))的角度滤波器23的不同部分中的射线的归一化的透射率(透射)。

图3所示的曲线图包括：

曲线70，对应于穿过将微透镜29的阵列27与阵列31关联的结构的射线的透射率；

曲线71，对应于穿过层41的射线的透射率；

曲线73，对应于彻底穿过诸如图2所示的角度滤波器23的射线的透射率。

在实践中，微透镜29的阵列与阵列31(分别地阵列41)的关联并不使能完全阻挡具有入射角大于第二最大入射角(分别地第一最大入射角)的射线。然后，阻挡值，也就是第二最大入射角值(分别地第一最大入射角值)被称为透射率的半最大值处的半宽，或者曲线70(分别地曲线71)的半最大值处的半宽。换言之，具有入射角等于该值的射线被阻挡50％，具有入射角大于该值的的射线大部分不被阻挡，并且具有入射角小于该值的射线大部分被微透镜的阵列与第一阵列31(分别地第二阵列41)的关联阻挡。

在先前所指示的尺寸下，曲线70的半最大值处的半宽，或由微透镜29的阵列27与阵列31形成的组件的透射率的半最大值处的半宽(HWHM：半宽半最大值(Half Width HalfMaximum))等于大约3.5°，并且曲线71的半最大值处的半宽或层41的透射率的半最大值处的半宽等于大约20°。

第一曲线70对于大约25°和-25°的入射角包括两个第二峰，被称为次级峰。具有入射角等于大约25°的射线的透射率约等于0.05。这些次级峰对应于入射角在从大约20°至大约40°的范围内的射线通过微透镜29的阵列和阵列31的通道，这些射线由光电探测器25捕捉，该光电探测器25紧挨着微透镜29下层的光电探测器25或者由射线穿过的开口33。

第二曲线71是允许具有入射角在-20°和20°之间的射线通过的带通滤波器的特性。

在数学上，对于同一给定的入射角而言，曲线73的值对应于曲线70的值和曲线71的值的乘积。与曲线70相比，第三曲线73没有次级峰。超过20°的射线的透射率则趋于0。

图4以局部且简化的横截面视图示出了图像采集设备51的另一个实施例。

更特别地，图4示出了类似于图2所示的设备19的图像采集设备51，其不同之处在于层41是干涉带通滤波器，也就是，仅允许具有波长在给定波长范围内的辐射通过的滤波器。

本发明人实际上已经观察到，干涉滤波器由于其角度公差也表现为角度滤波器。换言之，截止波长(cut-off wavelength)范围取决于入射角。实际上，对于每个入射角，干涉滤波器阻挡不同的波长范围。

例如，具有波长λ₁的射线53如果其入射角比角度θ₁更大则被阻挡(反射和/或吸收)，然而具有波长λ₂的射线55如果其入射角比不同于角度θ₁的角度θ₂更大则被阻挡(反射和/或吸收)。

根据实施例，层41是由具有不同折射率的多个层的堆叠件形成的。作为示例，层41包括具有第一折射率的第一材料的第一层和具有不同于第一折射率的第二折射率的第二材料的第二层的交替。作为示例，层41包括由氟化镁制成的层与由氧化铝制成的层的交替，或者由五氧化二钽制成的层与由二氧化硅制成的层的交替。作为变型，层41包括由来自列表的一种或多种材料制成的层的交替：氟化镁、五氧化二钽、二氧化硅、五氧化三钛、二氧化铪。层41还包括由金、银、铬、镍、或铝、或它们的一种或多种衍生物制成的层的交替。

作为变型，图4所示的层41可以位于微透镜29的阵列与阵列31之间或阵列31与图像传感器21之间。

在图4的实施例中，没有不透明层在层41的上方延伸。这使能最大化由角度滤波器进行的光收集的有用表面积。此外，在本示例中，层41仅包括透明层(由透明材料制成或者足够薄到透明)，其在这里再次使能最大化由角度滤波器进行的光收集的有用表面积。

图5示出了图像采集设备57的另一个实施例。

更特别地，图5示出了类似于图2所示的设备19的图像采集设备57，其不同之处在于层41是光纤面板(fiber optic plate，FOP)。

层41对应于彼此相邻放置且基本平行于Y轴布置的多个光纤的聚集。

根据图5所示的实施例，每根光纤包括被护套62包围的纤芯61。该纤芯由具有第一折射率的第一材料制成，并且该护套由具有第二折射率的第二材料制成，第一材料和第二材料对入射辐射是透明的，并且第一折射率大于第二折射率。

作为示例，如图5所示，光纤之间的空间被填充有黑色树脂63，优选地吸收所考虑的辐射。换言之，层41包括用于填充光纤之间的孔的黑色树脂43。

光纤的角度选择是由于光纤的纤芯61和护套63之间的折射率之差引起。光纤具有数字孔径，该数字孔径由此取决于纤芯61和护套62的折射率。光纤的数字孔径由以下公式计算：

[数学1]

最大入射角特别取决于光纤的特性，以及层41的厚度。

作为示例，每根光纤具有带有圆形基部的基本圆柱形的形状。光纤的外径例如在6μm至25μm的范围内。

根据图5所示的实施例，层41位于微透镜29的阵列27的上表面上，并且例如借助于粘合剂与其结合。然而，作为变型，层41可以位于微透镜29与阵列31之间或阵列31与图像传感器21之间。

在图5的实施例中，没有不透明层在层41的上方延伸。这使能最大化由角度滤波器进行的光收集的有用表面积。

图6示出了图像采集设备65的另一个实施例。

更特别地，图6示出了类似于图2所示的设备19的图像采集设备65，其不同之处在于层41是位于微透镜29的阵列与阵列31之间的结构化层。

层41优选地对应于结构化层诸如光子晶体，也就是，它是由具有第一折射率的第一材料制成的层，该层由沿着Y轴延伸的柱67穿过并以阵列布置，柱67由具有不同于第一折射率的第二折射率的第二材料制成，第一材料和第二材料对入射辐射透明。

在图6中，柱67基本上具有圆柱形的形状，其中基部对应于圆形、椭圆、正方形、矩形、平行四边形、多边形等。作为变型，柱67基本上具有圆锥、截圆锥、棱锥或截棱锥的形状。作为变型，柱67可以具有任何形状。

光子晶体的性质，特别是柱67的尺寸和柱76在阵列中的布置，被选择以便层41与将微透镜的阵列27和开口33的阵列31关联的结构的组合使能完全阻挡具有入射角大于第一最大入射角的入射射线。具有入射角大于第一最大入射角的入射射线的全阻挡使能减少或甚至抑制光学串扰。

在图6的实施例中，没有不透明层在层41的上方延伸。这使能最大化由角度滤波器进行的光收集的有用表面积。此外，在本示例中，层41仅包括透明材料，其在这里再次使能最大化由角度滤波器进行的光收集的有用表面积。

已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，这些各种实施例和变型的某些特征可以被结合起来，并且本领域技术人员将想到其他变型。例如，所描述的实施例不限于在上文提到的尺寸和材料的示例。

最后，所描述的实施例和变型的实际实施方式基于在上文给出的功能指示是在本领域技术人员的能力范围内的。

Claims (18)

1.一种用于图像采集设备(19；51；57；65)的角度滤波器(23)，包括堆叠件，所述堆叠件包括：

层(41)，包括具有不同折射率并且对所述辐射透明的介质，所述层(41)仅允许具有小于第一最大入射角的入射角的所述辐射的射线通过；以及

开口(33)的阵列(31)和微透镜(29)的阵列(27)，所述开口(33)由对可见辐射和/或红外辐射不透明的壁(35)界定，

由所述开口的阵列和所述微透镜的阵列形成的组件仅允许具有小于第二最大入射角的入射角的所述辐射的射线通过，所述第二最大入射角比所述第一最大入射角更小，

其中，没有不透明层在所述层(41)的上方延伸。

2.根据权利要求1所述的角度滤波器，其中，所述层(41)包括多个子层(411、413、415、417)。

3.根据权利要求2所述的角度滤波器，其中，每个子层(411、413、415、417)的折射率与该子层覆盖的子层(411、413、415、417)的折射率至少相差0.15，优选地0.2。

4.根据权利要求1所述的角度滤波器，其中，所述层(41)是干涉滤波器。

5.根据权利要求1所述的角度滤波器，其中，所述层(41)是光纤面板。

6.根据权利要求5所述的角度滤波器，其中，所述层(41)包括一组光纤。

7.根据权利要求5所述的角度滤波器，其中，所述层(41)包括一组平行光纤，每根平行光纤被不透明材料包围。

8.根据权利要求1所述的角度滤波器，其中，所述层(41)对应于能被光子晶体吸收的微结构层，所述微结构层具有的分辨率比所述微透镜的阵列的分辨率更大。

9.根据权利要求8所述的角度滤波器，其中，所述层(41)包括对所述辐射透明的第一材料的膜，所述层(41)由以阵列布置的对所述辐射透明的第二材料的柱(67)穿过。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的角度滤波器，其中，所述微透镜(29)的阵列(27)位于所述阵列(31)与所述层(41)之间。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的角度滤波器，其中，所述层(41)位于所述微透镜(29)的阵列(27)与所述阵列(31)之间。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的角度滤波器，其中，所述阵列(31)位于所述微透镜(29)的阵列与所述层(41)之间。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的角度滤波器，其中，所述第二最大入射角小于10°，优选地小于4°，其对应于透射率的半最大值处的半宽。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的角度滤波器，其中，所述第一最大入射角大于15°且小于60°，其对应于透射率的半最大值处的半宽。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的角度滤波器，其中，所述第一最大入射角小于或等于30°。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的角度滤波器，其中，所述开口(33)被填充有空气、部分真空或者在可见和红外范围内至少部分透明的材料。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的角度滤波器，其中：

每个开口(33)的顶部有单个微透镜(29)；

每个微透镜(29)覆盖单个开口(33)；和/或

每个微透镜(29)的光学轴线与开口(33)的中心对准。

18.一种图像采集设备(19；51；57；65)，包括根据权利要求1至17中任一项所述的角度滤波器，以及图像传感器(21)。