CN116962902A - 一种光电传感器、包含其的光学设备及光线调制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种光电传感器、包含其的光学设备及光线调制方法。光电传感器包括超透镜阵列和传感装置，其中超透镜阵列包括多个超透镜，每个超透镜包括多个超像素单元。传感装置包括与所述多个超像素单元一一对应的多个接收单元，每个接收单元包括多个像素。每个像素被配置为将特定波段的光信号转换成电信号。每个超像素单元被配置为对入射光进行相位调制，使得不同波段的光线分别传输至与所述超像素单元对应的接收单元中与波段匹配的像素；所述多个超像素单元包括至少两种超像素单元，所述至少两种超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。本公开基于超透镜实现彩色图像传感，能够提高能量利用率。

Description

一种光电传感器、包含其的光学设备及光线调制方法

技术领域

本公开涉及光电传感器技术领域，具体而言，涉及一种光电传感器、包含其的光学设备及光线调制方法。

背景技术

常规的彩色图像传感器主要将入射光经过微透镜阵列分别进行会聚后通过拜耳滤光片区分RGB不同色彩分量(不同波长)的强度，根据对应不同色彩传感器的接收强度可重构入射光的色彩。以红绿蓝三色光强含量均分的情况为例，每个单色传感器接收到的入射光能量最大仅为1/3，再加上拜耳滤色片本身对单色光也不能完全透过而又造成一定的损耗，因此到达传感器的能量有限，受限于摄像元件的灵敏度，彩色图像重构存在一定的挑战。

现有技术中提出了一种将超透镜与彩色像素封装在一起的方案，但这种技术方案中，超透镜同时对三种波段的光线进行调制，且对其中一个波段需要调制两个焦点。这种分光方案导致超透镜的设计难度增加，对大角度入射光线响应弱，导致该方案实际取得的光能利用效率远低于光能利用率的理论预期值。

发明内容

为解决上述问题，本申请第一方面提供了一种光电传感器，所述光电传感器包括超透镜阵列和传感装置；

超透镜阵列包括多个超透镜，多个超透镜中的每一个包括多个超像素单元；

传感装置包括与多个超像素单元一一对应设置的多个接收单元，多个接收单元中的每一个包括多个像素，多个像素中的每一个被配置为将特定波段的光信号转换成电信号；

每个超像素单元被配置为对入射光进行相位调制，使得不同波段的光线分别传输至与超像素单元对应的接收单元中与波段匹配的像素；多个超像素单元包括至少两种超像素单元，至少两种超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。

本申请第二方面提供了一种光学设备，其特征在于，光学设备包括光学系统以及根据上述任一实施例提供的光电传感器；

光电传感器位于光学系统的像平面。

本申请第三方面提供了一种光线调制方法，适用于根据上述任一实施例提供的光电传感器，包括：

提供阵列排布的多个超透镜，将多个超透镜中的每一个划分为多个超像素单元；

设置多个接收单元与多个超像素单元一一对应；多个接收单元中的每一个均包括多个像素；多个像素中的每个像素被配置为将特定波段的光信号转换成电信号；

每个超像素单元对入射光进行相位调制，使得不同波段的光线分别传输至与超像素单元对应的接收单元中与波段匹配的像素；

差别化设计多个超像素单元的相位分布，使得多个超像素单元包括至少两种超像素单元，且至少两种超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。

本申请实施例提供的技术方案，至少取得了以下有益效果：

本申请实施例所提供的方案采用超透镜将不同波段的光线分别直接偏折到接收不同波段的像素，可避免滤光片导致光能量损耗的问题，提高了能量利用率；进一步地，超透镜为亚波长尺寸光学元件，适用于当前微米量级的传感器架构，同时其制备工艺与成熟的半导体传感器技术兼容，具有较强的实用性和量产潜力。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本公开实施例所提供的一种光电传感器的整体结构示意图；

图2为本公开实施例所提供的一种光电传感器的工作原理示意图；

图3为本公开实施例所提供的一种光电传感器的多个子像素的平面排布方式；

图4为本公开实施例所提供的一种光电传感器的超单元立体结构示意图；

图5为本公开实施例所提供的一种光电传感器的工作原理示意图；

图6为本公开实施例所提供的一种光电传感器的多个子像素的平面排布方式；

图7为本公开实施例所提供的一种光电传感器的多个子像素的平面排布方式；

图8为本公开实施例所提供的一种光电传感器的超单元结构和探测形式示意图；

图9为本公开实施例所提供的一种光线路径示意图；

图10为本公开实施例所提供的一种光线路径示意图；

图11为本公开实施例所提供的一种光线路径示意图；

图12为本公开实施例一所提供的红光和绿光检测的一组结构中针对波长700nm和546nm的理论相位分布；

图13为本公开实施例一所提供的y＝0截线上纳米结构的相位匹配情况；

图14为本公开实施例一所提供的绿光和蓝光检测的一组结构中针对波长546nm和436nm的理论相位分布；

图15为本公开实施例一所提供的y＝0截线上纳米结构的相位匹配情况；

图16为本公开实施例一所提供的700nm、546nm和436nm单色光照射下传感器平面的归一化强度分布情况；

图17为本公开实施例二所提供的子像素尺寸为3μm时白光照射的归一化光强分布情况；

图18为本公开实施例二所提供的子像素尺寸分别为2.2μm和0.85μm时白光照射的归一化光强分布情况。

附图标记列表：

10-超透镜、101-超像素单元、102-第一超像素单元、103-第二超像素单元、11-纳米结构、12-衬底、20-传感装置、201-接收单元、202-第一接收单元、203-第二接收单元、204-第三接收单元、205-第四接收单元、21-像素、22-滤光片、23-子像素、211-第一像素、212-第二像素、213-第三像素、214-第四像素、216-第六像素、217-第七像素、218-第八像素、219-第九像素、01-彩色像素、221-第一滤光片、222-第二滤光片、223-第三滤光片、224-第四滤光片、226-第六滤光片、227-第七滤光片、228-第八滤光片、229-第九滤光片、231-第一子像素、232-第二子像素、233-第三子像素、234-第四子像素、236-第六子像素、237-第七子像素、238-第八子像素、239-第九子像素、60-入射光线、606-甲波段光线、607-乙波段光线、608-丙波段光线、609-丁波段光线。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。

传统分光传感器由于分光时光强被分散，以RGB三色光强含量均分的情况为例，每个单色传感器接收到的入射光能量最大仅为1/3，且滤光片本身对单色光也不能完全透过，到达传感器的能量有限，彩色图像重构难度大。

现有技术中提出了一种将超透镜与彩色像素封装在一起的方案，通过超透镜将不同频率的可见光分配至彩色像素上不同的区域(至少四个区域)，省略了滤光片的作用。但这种技术方案中，超透镜同时对三种波段的光线进行调制，且对其中一个波段(绿光)需要调制两个焦点。这种分光方案导致超透镜的设计难度增加，纳米结构的选取困难，且彩色像素对角位置的入射光线偏折角度过大。而光电传感器对于大角度入射光线的响应不强，导致该方案实际取得的光能利用效率仅为25％～40％，远不能达到其期望达到的光能利用率的理论值(100％)。另一方面，彩色像素的尺寸通常是微米级，微米级的超透镜对三种波段的光线同时进行调制时，纳米结构的特征尺寸小，对工艺要求极高。

有鉴于此，本申请提出一种光电传感器。该光电传感器可以用于实现彩色图像传感、进行红外热成像以及彩色和红外混合的多波段成像。

参见图1，本发明实施例提供了一种光电传感器，包括超透镜阵列。超透镜阵列包括多个超透镜10，每个超透镜10包括多个超像素单元101。光电传感器还包括传感装置20。传感装置20包括与超像素单元101一一对应设置的多个接收单元201。每个接收单元201包括多个像素21。每个像素21接收特定波段的光信号，对特定波段的光信号有响应，每个像素21被配置成将特定波段的光信号转换成电信号。每个超像素单元101被配置为对入射光线60进行相位调制，使得不同波段的光线分别传输至与超像素单元对应的接收单元中与波段匹配的像素。多个超像素单元101包括至少两种超像素单元，至少两种超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。

在一种实施例中，对于任一超像素单元101而言，从其间经过的不同波段的光线中部分波段的光线分别传输至相应像素后被转换成电信号，例如图2所示，入射光线60从第一超像素单元102经过后红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)中仅部分波段的光(R和G)分别传输至与第一超像素单元102对应的第一接收单元202中的第一像素211(被配置为对红光有响应)和第二像素212(被配置为对绿光有响应)后被转换成电信号；例如图5所示，入射光线60从第一超像素单元102经过后4个波段的光仅2个波段的光分别传输至与第一超像素单元102对应的第三接收单元204中的第六像素216(被配置为对两个波段中一个波段的光有响应)和第七像素217(被配置为对两个波段中另一个波段的光有响应)后被转换成电信号。可以理解地，M个波段的光从某一超像素单元经过后N个波段的光分别传输至与该超像素单元对应的像素单元中与波段匹配的像素后被转换成电信号，其中，M＞N≥2。可选地，多个超像素单元101包括甲超像素单元和乙超像素单元，M1个波段的光经过甲超像素单元后N1个波段的光分别传输至与甲超像素单元对应的甲接收单元中的与波段匹配的像素后被转换成电信号，M2个波段的光经过乙超像素单元后N2个波段的光分别传输至与乙超像素单元对应的乙接收单元中的与波段匹配的像素后被转换成电信号，优选地，甲超像素单元102和甲超像素单元103相邻设置。可选地，M1＝M2，N1≠N2。可选地，M1≠M2，N1＝N2。可选地，M1≠M2，N1≠N2。可选地，多个超像素单元101中任意两个相邻的超像素单元分别是甲超像素单元和乙超像素单元。

还需说明的是，若将任一超像素单元和与其对应设置的接收单元视为一个超单元的话，光仅在超单元中传输，即，光从超单元中的超像素单元传输至超单元中的接收单元，而不会偏折传输至相邻超单元中的接收单元。换言之，每个超像素单元被配置成光从其间经过后光线只会传输至与该超像素单元对应设置的接收单元。例如图2所示，入射光线60从第一超像素单元102经过后光线只会传输至与第一超像素单元102对应设置的第一接收单元202，而不会传输至相邻的第二接收单元203。

通过设计超像素单元的相位分布，使超像素单元对不同波段的光线具有不同的响应。在一种实施方式中，具有不同的调制相位的超像素单元相邻设置。在一种实施方式中，多个超像素单元包括彼此相位分布不同的第一超像素单元和第二超像素单元，可参考图2左侧上部虚线框示意的第一超像素单元102和图2右侧上部虚线框示意的第二超像素单元103。可选地，第一超像素单元102被配置成不同波段的光线从第一超像素单元102经过后红光和绿光分别传输至与第一超像素单元102相应的第一接收单元202中的响应红光的第一像素211和响应绿光的第二像素212；第二超像素单元103被配置成不同波段的光线从第二超像素单元103经过后蓝光和绿光分别传输至与第二超像素单元103相应的第二接收单元203中的响应蓝光的第三像素213和响应绿光的第四像素214。因为红绿波段和蓝绿波段均涉及绿色波段，因此传输至相应像素的光波段部分重叠。可选地，第一超像素单元102被配置成不同波段的光线从第一超像素单元102经过后红光和绿光被第一超像素单元102调制后分别传输至与第一超像素单元102相应的第一接收单元202中的响应红光的第一像素211和响应绿光的第二像素212；第二超像素单元103被配置成不同波段的光线从第二超像素单元103经过后黄光和蓝光被第二超像素单元103调制后分别传输至与第二超像素单元103相应的第二接收单元203中的响应黄光的第三像素213和响应蓝光的第四像素214。因为红绿波段和黄蓝波段所覆盖的波段完全不相同，因此传输至相应像素的光波段不相同。可选地，多个超像素单元101与多个接收单元201在数量上匹配，例如，2个超像素单元与2个接收单元对应设置；4个超像素单元与4个接收单元对应设置；8个超像素单元与8个接收单元对应设置，依此类推。

在一种实施方式中，每个超像素单元101被配置为对入射光线60进行相位调制，使得不同波段的光线中部分波段的光线被相应波段的像素转换成电信号，部分波段包括至少两种波段。

在一个实施例中，多个超像素单元中任意两个相邻的超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。

在一个实施例中，某一接收单元201中的任意两个相邻的像素被配置成将不同波段的光信号转换成电信号。

在一个实施例中，每个接收单元201中，任意两个相邻的像素被配置成将不同波段的光信号转换成电信号。

在一个实施例中，任意两个相邻设置的接收单元201所接收的光波段不相同或部分重叠。

在一个实施例中，入射光线60从超像素单元101经过后不同波段的光线的任一个映射多个像素21中的任一个或多个。

在一个实施例中，每个像素21包括沿着光路依次设置的滤光片22和子像素23，滤光片22被配置为透过特定波段的光线；子像素23对特定波段的光信号有响应，可接收特定波段的光信号，子像素23被配置为将特定波段的光信号转换成电信号。滤光片22和子像素23一一对应设置。可选地，滤光片22与子像素23同光轴设置。可选地，多个接收单元201包括至少两种接收单元，至少两种接收单元彼此之间在所包含的像素的数量方面不相同。可选地，包含不同数量像素的不同种接收单元相邻设置。可选地，所有的接收单元201均包含相同数量的像素21。

在一个实施例中，沿着像素的排布方向，两个相邻像素中的滤光片22端点和端点相连，形成无缝连接，从而避免光线从滤光片之间的缝隙漏过而产生杂光电信号影响探测。需要说明的是，滤光片22可以保证像素所接收的特定波段不含有杂光，从而没有杂光对应的电信号干扰探测。滤光片22在保证信噪比的同时提高了能量利用率。

在一个实施例中，每个超透镜10包括纳米结构11和衬底12。纳米结构11、衬底12和像素21沿着光路方向依次设置。可选地，衬底12和像素21彼此相贴设置。

图2示例性地示出了一种光电传感器。以图2中间的虚线为界，图2的左侧部分示出了彼此对应设置的第一超像素单元102和第一接收单元202(第一超像素单元102和第一接收单元202一起视为第一超单元)。图2的右侧部分示出了彼此对应设置的第二超像素单元103和第二接收单元203(第二超像素单元103和第二接收单元203一起视为第二超单元)。示例性地，对第一超像素单元102进行相位调制设计时仅考虑其对红色波段和绿色波段的调制，而不考虑其对蓝色波段光的调制。具体地，入射光线60从第一超像素单元102透出后可被分为红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)三部分的色彩分量。其中，红光被第一超像素单元102调制而传输至第一接收单元202中响应红光的第一像素211，绿光被第一超像素单元102调制而传输至第一接收单元202中响应绿光的第二像素212。由于在第一子像素231的光路上游设置只对红光具有高透过率的第一滤光片221，从而使得仅有红光能够到达第一子像素231。借此，第一像素211接收从第一超像素单元102透出的不同波段的光中的红光分量并将该红光分量转换为对应的电信号。由于在第二子像素232的光路上游设置只对绿光具有高透过率的第二滤光片222，从而使得仅有绿光能够到达第二子像素232。借此，第二像素212接收从第一超像素单元102经过的不同波段的光中的绿光分量并将该绿光分量转换为对应的电信号。蓝光(B)经过第一超像素单元102后可能存在一定偏折，但其无论向第一像素211或第二像素212偏折，由于第一滤光片221和第二滤光片222的存在，均无法被第一像素211和第二像素212接收，故无法形成电信号。因此，图2中位于虚线左侧的超单元对蓝光无实际响应。为了便于理解，在图2中以直接照射但被滤光片阻挡的形式作为示意。

因此，图2中位于虚线左侧的第一超单元可充分利用红光和绿光的能量。对于虚线右侧的第二超单元，其示例性地被配置为接收蓝光(B)和绿光(G)，对红光(R)无响应。与虚线左侧的第一超单元类似，经过第二超像素单元103、第三滤光片223、第四滤光片224的调制，蓝光传输至第三子像素并转换成电信号且绿光传输至第四子像素234并转换成电信号，从而实现将入射光线60的蓝光分量和绿光分量完全转换为电信号。

同时将左侧和右侧两个超单元结构上前后并列设置，能够形成一个彩色像素01，即可在理论上只丢失1/3能量的情况下完全检测彩色光信号，使得本申请实施例提供的传感器的理论光能利用率上限可达2/3，在不额外改进传感器灵敏度的情况下可提高成像清晰度。

同时，以图2为例，对于左侧的第一超单元，如果没有滤光片221和222，就无法过滤对应的蓝光色彩分量的光强。对于右侧的第一超单元，如果没有滤光片223和224，就无法过滤对应的红光色彩分量的光强。若子像素23接收到复色光，则无法将对应光线的色彩分量转换为电信号。

根据本申请的实施方式，如图2所示，每个超像素单元101的相位分布被配置为不向相邻的超像素单元中偏折光线。换言之，任一超像素单元101的相位分布使得光线的偏折仅局限于该超像素单元101所属的超单元所限定的空间中。例如图2所示，即使第二像素212与第三像素213相邻，但二者仅分别接收各自所属的超单元中的超像素单元偏折的光线。

在一个实施例中，光电感应器排布为正四边形，可将图2所示的左右两个超单元前后并列，使四个像素组成一个正四边形的彩色像素01。重复排布彩色像素01即可构造一定面积的传感装置20，其平面排布方式如图3所示。

如图3所示，示例性地，任一正四边形的彩色像素01中，沿正四边形的其中一条对角线设置两个绿色(G)像素，沿另一条对角线分别设置红色(R)像素和蓝色(B)像素。其中以R像素和G像素一组的接收单元201为例的立体设计图为图4，基本原理与图2的左图一致，通过第一超像素单元102偏折红光(R)至第一像素211，并且偏折绿光(G)至第二像素212。

在另一个实施例中，沿超像素单元的排布方向，任意两个相邻的超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同。

示例性地，以入射光线60分为四部分的色彩分量为例，将入射光线60中两种不同波段的光为一组分别偏折，并滤除该两种波段以外的光能量以实现彩色传感。

具体原理如图5所示。辐射到超透镜10前的入射光线60可分为甲波段、乙波段、丙波段和丁波段四个分量。对于图5中位于虚线左侧的第一超单元，接收甲波段的光线606和乙波段的光线607，而对丙波段和丁波段的辐射无实际响应。其中甲波段的光线606被第一超像素单元102调制为沿着向第六像素216会聚的方向传输，经过衬底12到达第六滤光片226。第六滤光片226被配置为只对甲波段的光线606具有高透过率，使得甲波段的光线606将到达第六子像素236。第六像素216响应于辐射到第一超单元上的甲波段的光线606分量并将之转换为所对应的电信号。乙波段的光线607被第一超像素单元102调制为沿着向第七像素217会聚的方向传输，经过衬底12到达只对乙波段的光线607具有高透过率的第七滤光片227，进而被第七子像素237探测并转换为对应于乙波段的光线607分量的电信号。丙波段的光线608和丁波段的光线609在经过第一超像素单元102后，无论是向第六滤光片226还是向第七滤光片227传播都无法透过而形成电信号。因此，图5中位于虚线左侧的超单元对丙波段和丁波段的辐射不会产生实际响应。

同理，对于位于图5中虚线右侧的第二超单元，其被配置为接收丙波段的光线608和丁波段范围的光线609，而对甲波段和乙波段的辐射无实际响应。与其左侧的第一超单元类似，图5中虚线右侧的第二超单元，通过第二超像素单元103、第八滤光片228、第九滤光片229、第八子像素238和第九子像素239，可将辐射到第二超单元上的入射光线60的丙波段的光线608分量和丁波段的光线609分量完全转换为电信号。如图5所示，将虚线左侧和右侧两个超单元前后并列，组成一个彩色像素01，即可完全检测彩色光信号。

在一个实施例中，可将图5所示的左右两组接收单元在平面上重复排布即可构造一定面积的传感装置20，其平面排布方式如图6所示。

在一个实施例中，彩色像素01排布为正六边形，该正六边形彩色像素01包括七个子像素，七个子像素以其中的一个为中心，其余六个围绕中心像素排列。

示例性地，以入射光线60分为RGB三部分的色彩分量为例，其平面排布方式如图7所示：以任一子像素位于六边形的中心，与之相邻的六个像素为与中心像素不同色的子像素。并且，以中心像素为中心，沿顺时针或逆时针方向，不同颜色的子像素间隔分布。

在本申请实施例及各可选实施例中，所提供的超透镜10是一种超表面，超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，可通过其上设置的纳米结构来对入射光线60的振幅、相位和偏振进行调制，其中需要说明的是，纳米结构可理解为包含全介质或电浆子的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构为通过对超透镜10进行划分而得到以每个纳米结构为中心的结构单元。在超透镜10中纳米结构周期性排布在衬底12上，其中每个周期中的纳米结构组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形、正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构。

示例性地，本申请实施例提供的纳米结构可以是偏振无关结构，此类结构对入射光线60施加一个传播相位。根据本申请的实施方式，纳米结构可以是正结构，也可以是负结构。例如，纳米结构的形状包括圆柱、中空圆柱、正方形棱柱、中空正方形棱柱等。

示例性地，纳米结构可以是偏振相关结构，此类结构对入射光线60施加一个几何相位。纳米结构可以是正结构也可以是负结构。例如，纳米结构可以是椭圆形柱、纳米鳍等结构。根据本申请的实施方式，纳米结构的特征尺寸大于或等于0.2λ_c，且小于或等于0.8λ_c；λ_c为入射光线60的中心波长。

在本申请实施例及各可选实施例中，由于同一组结构上的超透镜只需要考虑透出超透镜的不同波段的光线中的部分波段的光线，相位设计和纳米结构匹配难度降低，因此超像素单元相位随波长变化的要求降低，可尽量减少使用随波长变化的相位大但同时加工难度大结构，如十字柱等。

在本申请实施例及各可选实施例中，光电传感器的工作波段可以为可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段中的任一种或多种的组合。示例性地，本申请实施例提供的子像素可以是测辐射热计，以响应于红外波段的入射辐射。

通常RGB三基色的波长依次为红光(R)700nm,绿光(G)546nm,蓝光(B)436nm，在进行分波长调制的设计时可以针对上述三个波长设计相位。考虑到滤色片的波长响应区间，超像素单元的相位可以先针对中心波长设计，在较窄的波长区域内对相位进行微调，只需相位随波长变化时选定波段的光向特定位置偏折汇聚即可。因此，在一个实施例中，多个像素被配置为分别接收400-500nm波段的光线、500-600nm波段的光线、600-750nm波段的光线，使得传感器基于RGB三基色设计。

通常情况下，可见光波段范围为400-760nm。因此，在一个实施例中，多个子像素被配置为分别接收400～500nm波段的光线、500～580nm波段的光线、580～630nm波段的光线、630～750nm波段的光线，使得传感器可以在可见光范围内进行彩色成像。

在一个实施例中，多个子像素被配置为分别接收400～500nm波段的光线、500～600nm波段的光线、600～750nm波段的光线、以及750nm以上波段的光线，使得传感器可以在红外范围进行热成像探测。

在本申请各实施例中，超透镜10主要对不同波长的光线起到会聚作用，在一个实施例中，其相位分布可由以下公式表述：

其中，i为色彩区分的波长编号，在本申请各实施例中，可以设置为i＝1,2,3或i＝1,2,3,4。λ_i为需要区别调制的波长。(x,y)为超透镜上纳米结构一侧表面的坐标位置，(x_i,y_i)为波长为λ_i的入射光线在光电传感器上形成的光斑相对于探测λ_i的光电传感器中心点的偏移位置，通常对于中心聚焦和居中放置的传感器而言，x_i也为子像素宽度的一半。C_i、A_i和B_i为波长λ_i下的相位偏置常数，在光学的相位调制中主要的影响因素为相位梯度，此处的常数相位并不影响光学性能，但纳米结构随波长变化的相位有限，合理选择相位偏置常数可以减小纳米结构数据库匹配过程中产生的偏差，提高光学效率；p、n和m为相位系数的最大阶数；示例性地，a_i,k、b_i,s和c_i,t分别为波长λ_i下第k阶、第s阶或第t阶的相位系数。

f为超透镜10与会聚焦点之间的距离，由于超透镜10需要将光线会聚到与衬底12紧贴的传感装置20上，因此f与衬底12厚度d₁和滤光片厚度d₂之和接近，即f≈d₁+d₂，而且在平整紧密的器件架构下不同波长下的焦距一致。以波长λ₁的入射光为例，器件结构和探测形式示意图如图8所示。通常而言，为了节省设备空间，光学元件和传感元件的体积较为细小。一般地，滤光片直接贴合在子像素23上(或直接在上面进行工艺制造)。超透镜10可以直接叠放在滤光片上，只可能存在微小空隙。另外，公式(1)原则上应考虑在衬底和滤光片界面的折射造成的焦距偏移，但光线只需要会聚到子像素23上即可，而且光电传感器具有一定面积(宽度为L)可以探测具有一定面积的弥散斑，所以此处的焦距仍简单设计为f≈d₁+d₂。对于公式(2)和(3)，可以合理设计相位系数以考虑衬底和滤光片界面的折射，使得超透镜10、衬底12以及滤光片整体的有效焦距为d₁+d₂。

示例性地，图8示出了子像素为矩形的情况，此时超透镜10的有效焦距f和最大折射角θ_max至少满足:

其中，L为光电传感器的宽度；W为任一子像素的宽度；d₁为衬底12沿光轴方向的厚度；d₂为滤光片22沿光轴方向的厚度。满足条件表达式(4)和(5)，使得本申请实施例提供的光电传感器对超透镜10偏折光线的能力要求降低，超透镜10的相位设计难度降低，而且较小的入射角有利于匹配传感器光电转换的有效入射角，提高转换效率和成像清晰度。为了保证一定角度下斜入射的光线能产生有效的响应(即斜入射的光线的能量能够被有效收集)，以避免边缘光线偏移而未能辐射到传感器，造成能量损失。

同时，如果考虑斜入射的光线的能量的有效收集，衬底和滤光片厚度之和越小，传感器的宽度越大，可支持的入射角越大。以像素尺寸为1.75μm的传感器为例，针对波长635nm进行调制，图9展示了衬底厚度和滤光片厚度之和为4μm且有效焦距同时设置为4μm的光路图，传感器可完全接收正入射(0°)、5°、10°入射的光线，因此入射角范围为0°～10°。图10展示了衬底厚度和滤光片厚度之和为10μm且有效焦距同时设置为10μm的光线传播路径图，此时10°入射光线60偏离应辐射的传感器(此后被滤光片阻挡)，最大可检测的入射角约为5°。超透镜10的有效焦距也不能过小，否则偏折角度过大，可选的焦距范围是2μm～20μm。

另外，在本申请各实施例中，有效焦距应满足条件表达式(4)和(5)使得本申请实施例提供的光电传感器可以支持更大的入射角，能量利用率更高。图11为衬底与滤光片厚度之和为4μm时设置焦距为4.6μm的情况，正入射以及5°入射角入射的光线可被接收，但10°入射角入射的光线将偏离传感器。因此，一般设计都会将有效焦距设置为超透镜10和子像素23之间的光学距离，即近似于衬底12与滤光片厚度之和。对于支持入射角达20°甚至以上的光线，需要进一步优化调制相位。

在本申请各实施例中，对于同一超像素单元而言需要考虑其对至少两个不同波段的光线的调制，因此超透镜10的相位分布应满足至少两种波段下的两种相位分布，需要充分利用纳米结构11不同波长下相位响应的变化。在同一位置不同波长纳米结构的匹配中，一般选取相位偏差最小的纳米结构，以位置(x₀,y₀)处波长λ₁和λ₂下的理论相位和为例，相位偏差应为最小。理论相位与实际相位的相位偏差/>满足：

其中，和/>为纳米数据库中同一纳米结构在波长λ₁和λ₂下的相位。

由于在光学的相位调制中主要的影响因素为相位梯度，相位偏置常数C_i、A_i和B_i并不影响光学性能，但纳米结构11随波长变化的相位有限，即和/>的数值变化有限(非线性变化)，需要合理选择相位偏置常数以充分利用不同结构单元/>和/>的变化，减小纳米结构数据库匹配过程中产生的相位偏差，这样可以提高光学效率。

在本申请各实施例中，可见光波段纳米结构11一般选用氮化硅或二氧化钛，衬底12选用二氧化硅。

下面以更具体的应用场景对本申请所涉及的光电传感器进行更详细的说明。

实施例1

使用尺寸为1.75μm的子像素构造彩色图像传感器，此时一个彩色像素的尺寸宽度为3.5μm，超透镜10有效焦距设置为4μm，同时采用的衬底厚度再加上滤光片的厚度之和为4μm，可计算获得彩色像素中两组结构中超像素单元的相位分布。如图12中的上图和下图分别为检测红光(R)和绿光(G)一组结构中超像素单元针对波长700nm和546nm的理论相位分布。图13中的上图和下图分别为y＝0截线上纳米结构的相位匹配情况，从相位变化趋势可以体现到红光向右会聚以及绿光向左会聚。如图14中的上图和下图分别为检测绿光(G)和蓝光(B)一组结构中超像素单元针对波长546nm和436nm的理论相位分布。图15中的上图和下图分别为y＝0截线上纳米结构的相位匹配情况。

当采用红光(700nm)、绿光(546nm)、蓝光(436nm)分别射该彩色检测像素时，对应色彩检测的子像素将接收到的光信号转换为电信号强度，如图16从左至右依次示出了不同波段光照射时R、G、B单色检测传感器的强度和检测色彩分量情况对应。当用于彩色摄像时，只需要按照传感器探测到的入射光中各波段的强度按后端的色彩比例重构颜色即可。

实施例2

不同摄像设备分辨率不同的主要原因是选用传感器的尺寸不同，而对于尺寸为亚波长量级的超透镜10而言，只需要调整纳米结构周期并合理设计排布方式可以满足不同尺寸传感器的成像传感需求。如图17和图18所示为子像素尺寸为3μm、2.2μm和0.85μm时采样本方案后白光照射下的归一化光强分布，其中一个彩色像素有四个部分，但仍是RGB三色划分。

第二方面，本申请实施例还提供了一种光学设备，该光学设备包括光学系统以及根据上述任一实施例提供的光电传感器；该光电传感器位于光学系统的像平面。

第三方面，本申请实施例还提供了一种光线调制方法，适用于上述任一实施方式提供的光电传感器。该方法包括：

提供阵列排布的多个超透镜10，将多个超透镜10中的每一个划分为多个超像素单元101；

沿入射光路，设置多个接收单元201与多个超像素单元101一一对应；多个接收单元中的每一个均包括多个像素21；多个像素中的每个像素被配置为将特定波段的光信号转换成电信号；

每个超像素单元101对入射光线60进行相位调制，使得不同波段的光线分别传输至与超像素单元对应的接收单元中与波段匹配的像素；

差别化设计多个超像素单元101的相位分布，使得多个超像素单元包括至少两种超像素单元，且至少两种超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。

示例性地，多个超像素单元中任意两个相邻的超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。

又示例性地，任意两个相邻的接收单元中的任意两个像素被配置成所接收的光波段不相同或部分重叠。

根据本申请的实施方式，超透镜10包括多个相位区域，多个相位区域中的纳米结构被布置成将不同波段的光线分别会聚至与波段匹配的像素。可选地，多个相位区域中的纳米结构被布置成将不同波段中部分波段的光线分别会聚至与波段匹配的像素。

上述实施例及优选实施例中，采用了超透镜10实现不同波段的光线的偏折的分别调控，再结合滤波片，实现了彩色图像传感，提高了能量利用率和成像清晰度。此外，超透镜10的结构单元广泛适用于不同微小尺寸的传感器，而且制备工艺与成熟的半导体传感器技术兼容，具有较强的实用性和量产潜力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光电传感器，其特征在于，所述光电传感器包括超透镜阵列和传感装置(20)；

所述超透镜阵列包括多个超透镜(10)，所述多个超透镜(10)中的每一个包括多个超像素单元(101)；

所述传感装置(20)包括与所述多个超像素单元(101)一一对应设置的多个接收单元(201)，所述多个接收单元(201)中的每一个包括多个像素(21)，所述多个像素(21)中的每一个被配置为将特定波段的光信号转换成电信号；

每个超像素单元(101)被配置为对入射光线(60)进行相位调制，使得不同波段的光线分别传输至与所述超像素单元对应的接收单元中与波段匹配的像素；所述多个超像素单元(101)包括至少两种超像素单元，所述至少两种超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。

2.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述多个像素(21)中的每一个包括沿着光路依次设置的滤光片(22)和子像素(23)，所述滤光片(22)被配置为透过所述特定波段的光线；所述子像素(23)被配置为将所述特定波段的光信号转换成电信号。

3.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，

所述多个超像素单元(101)中任意两个相邻的超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。

4.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，

所述多个超像素单元(101)中的每一个被配置为对所述入射光线(60)进行相位调制，使得所述不同波段的光线中部分波段的光信号被相应波段的像素转换成电信号；所述部分波段包括至少两种波段。

5.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，

所述多个超像素单元(101)包括第一超像素单元(102)和第二超像素单元(103)；

所述多个接收单元(201)包括与所述第一超像素单元(102)对应设置的第一接收单元(202)和与所述第二超像素单元(103)对应设置的第二接收单元(203)；所述第一接收单元(202)包括第一像素(211)和第二像素(212)；所述第二接收单元(203)包括第三像素(213)和第四像素(214)；

所述第一超像素单元(102)被配置成不同波段的光线经过所述第一超像素单元(102)后第一波段光线和第二波段光线被所述第一超像素单元(102)调制后分别传输至所述第一像素(211)和所述第二像素(212)；所述第二超像素单元(103)被配置成不同波段的光线经过所述第二超像素单元(103)后第三波段光线和第四波段光线被所述第二超像素单元(103)调制后分别传输至所述第三像素(213)和所述第四像素(214)；

所述第一像素(211)被配置成将所述第一波段的光信号转换成电信号；所述第二像素(212)被配置成将所述第二波段的光信号转换成电信号；所述第三像素(213)被配置成将所述第三波段的光信号转换成电信号；所述第四像素(214)被配置成将所述第四波段的光信号转换成电信号。

6.根据权利要求5所述的光电传感器，其特征在于，

所述第一波段为红色波段；

所述第二波段和所述第四波段为绿色波段；

所述第三波段为蓝色波段。

7.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，

所述多个超透镜(10)中的每一个包括纳米结构(11)和衬底(12)；

所述多个超透镜(10)中的每一个的相位分布至少满足：

其中：i为入射光线(60)的波长编号，i＝1,2,3,或i＝1,2,3,4；

λ_i为需要区别调制的波长；

f为所述多个超透镜(10)中的每一个的有效焦距；(x,y)为所述衬底(12)靠近所述纳米结构(11)一侧表面的坐标位置；

(x_i,y_i)为波长为λ_i的所述入射光线(60)在所述光电传感器上形成的光斑相对于探测所述波长λ_i的所述光电传感器中心点的偏移位置；

C_i、A_i和B_i为所述波长λ_i下的相位偏置常数；

p、n和m为相位系数的最大阶数；

a_i,k、b_i,s和c_i,t分别为所述波长λ_i下第k阶、第s阶或第t阶的所述相位系数。

8.根据权利要求2中任一项所述的光电传感器，其特征在于，所述多个超透镜中的每一个包括纳米结构(11)和衬底(12)；

所述多个超透镜中的每个超透镜(10)的有效焦距f和最大折射角θ_max至少满足:

其中，L为所述光电传感器的宽度；

W为所述多个像素(21)中的任意一个像素的宽度；

d₁为所述衬底(12)沿光轴方向的厚度；

d₂为所述多个滤光片(22)中的任意一个滤光片沿光轴方向的厚度。

9.一种光学设备，其特征在于，所述光学设备包括光学系统以及根据权利要求1-8中任一项所述的光电传感器；

所述光电传感器位于所述光学系统的像平面。

10.一种光线调制方法，其特征在于，适用于根据所述权利要求1-8中任一所述的光电传感器，所述方法包括：

提供阵列排布的多个超透镜(10)，将所述多个超透镜(10)中的每一个划分为多个超像素单元(101)；

设置多个接收单元(201)与所述多个超像素单元(101)一一对应；所述多个接收单元(201)中的每一个均包括多个像素(21)；所述多个像素(21)中的每个像素被配置为将特定波段的光信号转换成电信号；

每个超像素单元(101)对入射光线(60)进行相位调制，使得不同波段的光线分别传输至与所述超像素单元对应的接收单元中与波段匹配的像素；

差别化设计所述多个超像素单元(101)的相位分布，使得所述多个超像素单元(101)包括至少两种超像素单元，且所述至少两种超像素单元彼此之间相位分布不同使得传输至相应像素的光波段不相同或部分重叠。