CN117561602A - 图像传感器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开一种图像传感器及电子设备，图像传感器包括至少两个像素结构，至少两个像素结构分别用于吸收两种不同特性的入射光，每个像素结构包括金属层、第一介质层和纳米天线层，第一介质层位于金属层的一侧，第一介质层包括感光材料，纳米天线层位于第一介质层远离金属层的一侧，第一介质层的厚度小于像素结构所吸收波段内的入射光的最小波长的五分之一，像素结构的至少一个边长小于所述像素结构所吸收的入射光的最大波长。采用本申请的实施例，可以有效提高像素的感光量，并且可以保持较低串扰和较广的感光角度，并且还可以能实现超分辨率的小尺寸像素。
Description
本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种图像传感器和电子设备。
图像传感器能够将光信号转换为电信号，是手机相机的核心部分之一。图像传感器可以利用光的粒子性，让光子激发半导体中的自由电子，从而产生电信号。
在一些场景下，例如图像传感器为了检测多种颜色的光，通常会在像素结构的上方设置对应的颜色滤片，从而使得该像素只会检测滤片所透过的光，然而，这样将会使得大部分的光被滤片所滤掉，降低了感光能力。此外串扰问题也会随着尺寸缩小而增大，阻碍像素尺寸的缩小。
发明内容
本申请的实施例提供一种图像传感器和电子设备，本申请实施例可以增加感光强度，并且可以保持较低串扰和较广的感光角度，并且还可以实现超分辨率的小尺寸像素。
第一方面，本申请的实施例提供一种图像传感器，包括至少两个像素结构，所述至少两个像素结构分别用于吸收两种不同特性的入射光，每个所述像素结构包括金属层、第一介质层和第一介质层，第一介质层位于所述金属层的一侧，所述第一介质层包括感光材料。所述纳米天线层位于所述第一介质层远离所述金属层的一侧，所述纳米天线层包括一个或多个纳米天线，每个所述纳米天线用于吸收一个波段或者一种偏振的入射光。其中，所述第一介质层的厚度小于所述像素结构所吸收的入射光的最小波长的五分之一，所述像素结构的至少一个边长小于所述像素结构所吸收的入射光的最大波长。其中，所述纳米天线层可以对不同特性的入射光进行选择，可以增强入射光的吸收。所述第一介质层可以将所述纳米天线层吸收的入射光进行光电转换，以输出电信号。所述金属层可以增强所述纳米天线层对入射光的吸收作用。本申请的实施例的所述感光材料可以用于进行光电转换。
本申请的实施例的图像传感器可以吸收两种不同特性的入射光，并且将第一介质层的厚度设置为小于像素结构所吸收的入射光的最小波长的五分之一，并且还将像素结构的至少一个边长设置为小于所吸收光的最大波长，进而可以实现纳米天线的分光作用，可以增加感光强度，保持较低串扰和较广的感光角度，还可以实现超分辨率的小尺寸像素。
在一种可能的设计中，所述两种不同特性的入射光为两种不同偏振的入射 光。基于这样的设计，所述图像传感器可以吸收不同偏振的入射光，提升入射光的吸收率。
在一种可能的设计中，所述一个或多个纳米天线为偶极子天线，所述至少两个像素结构中的偶极子天线的延伸方向不同；或者所述一个或多个纳米天线为螺旋天线，所述至少两个像素结构中的螺旋天线的旋转方向不同。本申请的实施例中，纳米天线可以采用多种方式，且两个像素结构中纳米天线的天线偏振方向不相同，可以提高对不同偏振的光的吸收率，提高光利用率。
在一种可能的设计中，所述两种不同特性的入射光为两个不同波段的入射光。基于这样的设计，所述图像传感器可以吸收不同波段的入射光，提升入射光的吸收率。
在一种可能的设计中所述像素结构还包括第二介质层，所述第二介质层位于所述纳米天线层与所述第一介质层之间，所述第二介质层包括非感光材料。基于这样的设计，本申请实施例可以增强感光强度，进一步增强所述纳米天线层对光的吸收率，并且降低纳米天线吸收光的损耗。
在一种可能的设计中，所述第二介质层的厚度小于所述第一介质层的厚度。基于这样的设计，本申请实施例可以增强感光强度，进一步增强所述纳米天线层对光的吸收率，并且可以降低纳米天线吸收光的损耗。
在一种可能的设计中所述第二介质层的厚度为所述第一介质层的厚度的10％-70％。本申请实施例可以增强感光强度，进一步增强所述纳米天线层对光的吸收率，并且降低纳米天线吸收光的损耗。
在一种可能的设计中，所述至少两个像素结构相邻。本申请的实施例中，纳米天线可以采用多种方式，且相邻两个像素结构中纳米天线的天线偏振方向不相同，可以提高对不同偏振的光的吸收率，提高光利用率。
在一种可能的设计中，所述图像传感器还包括一个或多个第一电极线，所述一个或多个第一电极线与所述第一介质层的上表面相接触，所述一个或多个第一电极线用于接收所述至少两个像素结构输出的电信号，所述电信号用于得到图像。本申请实施方式中，可以通过电极线来传输各个像素结构的输出信号，从而得到图像传感器的输出。
在一种可能的设计中，所述一个或多个第一电极线与所述第一介质层的上表面接触，所述第一电极线电连接同一行或同一列的纳米天线。本申请实施方式中，可以通过电极线来传输各个像素结构的输出信号，从而得到图像传感器的输出。
在一种可能的设计中，所述第一电极线电连接于所述纳米天线的中心位置。本申请实施例中的所述第一电极线可以与所述纳米天线一体成型。本申请实施方式中，可以通过电极线来传输各个感光像素的输出信号，从而得到图像传感器的输出。本申请实施方式中，可以通过电极线来传输各个像素结构的输出信号，从而得到图像传感器的输出。
在一种可能的设计中，所述图像传感器还包括一个或多个第二电极线，所述一个或多个第二电极线与所述第一介质层的下表面相接触，所述一个或多个 第二电极线用于接收所述至少两个像素结构输出的电信号，所述电信号用于得到图像。
在一种可能的设计中，所述图像传感器包括周期排列的多个像素结构集合，所述像素结构集合包括所述至少两个像素结构；所述像素结构集合的至少一个边长小于或等于所述至少两个像素结构所吸收的入射光的最小波长的一半。例如，该像素结构集合中的像素结构可以包括直线排列的三个像素结构，该三个像素结构分别是用于吸收红光、绿光和蓝光的三个像素结构。该像素结构集合中的像素结构还可以包括呈田字型排列的四个像素结构，该四个像素结构可以分别用于吸收红光、绿光、绿光和蓝光。
第二方面，本申请的实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述所述的图像传感器。
采用本申请实施例的图像传感器和电子设备，本申请的实施例的图像传感器可以吸收两种不同特性的入射光，并且将第一介质层的厚度设置为小于所述像素结构所吸收的入射光的最小波长的五分之一，并且还将所述像素结构的至少一个边长设置为小于所吸收光的最大波长，进而可以实现纳米天线的分光作用，可以增加感光强度，保持较低串扰和较广的感光角度，还可以实现超分辨率的小尺寸像素。本申请实施例中，所述图像传感器可以实现高效率的超薄感光，可以支持柔性、弯曲等器件。
图1是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
图2是本申请实施例提供的一种相机的结构示意图。
图3是本申请实施例提供的一种图像传感器的结构示意图。
图4是本申请实施例的图像传感器的另一结构示意图。
图5是本申请实施例的图像传感器的另一结构示意图。
图6是本申请实施例的图像传感器的另一结构示意图。
图7a和图7b是本申请实施例的纳米天线的结构示意图。
图8a和图8b是本申请实施例的像素结构集合的结构示意图。
图9是本申请实施例的图像传感器的另一结构示意图。
图10是本申请实施例的图像传感器的另一结构示意图。
图11为本申请实施例的纳米天线的另一结构示意图。
图12为本申请实施例的纳米天线的另一结构示意图。
图13为本申请实施例的纳米天线的另一结构示意图。
图14a-14c是本申请实施例的图像传感器的应用状态图。
主要元件符号说明
电子设备 100
处理器 110
外部存储器接口 120
内部存储器 121
USB接口 130
充电管理模块 140
电源管理模块 141
电池 142
天线 1、2
移动通信模块 150
无线通信模块 160
音频模块 170
扬声器 170A
受话器 170B
麦克风 170C
耳机接口 170D
传感器模块 180
压力传感器 180A
陀螺仪传感器 180B
气压传感器 180C
磁传感器 180D
加速度传感器 180E
距离传感器 180F
接近光传感器 180G
指纹传感器 180H
温度传感器 180J
触摸传感器 180K
环境光传感器 180L
骨传导传感器 180M
按键 190
马达 191
指示器 192
摄像头 193
显示屏 194
SIM卡接口 195
相机 200
镜头 201
光圈 202
图像传感器 203
模拟预处理器 204
模数传感器 205
数字信号处理器 206
系统控制器 207
数据总线 208
存储器 209
显示器 210
像素结构 10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、
10g、10h、10i
纳米天线层 12、12a、12b、12c
纳米天线 121、121b、121c、121d、121e、121f、
121g
第一电极线 122
第二电极线 123
第一介质层 14、14a、14b、14c
金属层 16、16a、16b、16c
第二介质层 18
像素结构集合 20
如下具体实施方式将结合上述附图进一步详细说明本申请。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请实施例中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区别不同的对象，不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。例如，第一应用、第二应用等是用于区别不同的应用，而不是用于描述应用的特定顺序，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。在本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
随着电子工业的快速发展，多色图像传感器在消费产品和自动驾驶等领域应用越来越广泛。图像传感器可以利用光的粒子性，让光子激发半导体中的自由电子，从而产生电信号。可以理解，一些场景下的图像传感器的像素只会检测滤片所透过的光，导致其感光能力较弱。
为了应对上述感光能力弱的情况，在一种可能的场景中，图像传感器的感光层的上面可以设置硅纳米线天线，这样不需要在像素结构的上方设置颜色滤 片，由于不同直径的纳米线对不同颜色的光可以有不同的谐振响应，由此只会接收对应颜色的光。上述场景中，由于硅纳米线天线的深宽比较大，制造难度高，而且其大比表面积造成极为严重的表面复合效应，吸收的光子转换为电子的效率通常较低，造成量子效率低，影响感光能力。
在另一种可能的场景下，图像传感器可以利用替代滤片的超表面对入射光进行相位调控，以使得不同颜色的光偏折到不同颜色的像素位置。上述场景中，由于超表面对于入射光的角度敏感，角度差异性较大，严重的空间串扰导致后端解马赛克算法改动大，并且多波长复用也将会导致分光效率较低，另外超表面的分光能力与质量均依赖于空间内足够数目相位结构单元的排布，像素尺寸不能太小。
为此，本申请的实施例提供一种像素结构、图像传感器和电子设备，本申请的实施例可以有效提高像素的感光能力，并且可以保持较低串扰和较广的感光角度，不会引入角度偏差、串扰以及制造难度太大等问题，并且还可以能实现超分辨率的小尺寸像素，提升产品竞争力。
可以理解，本申请实施例提供的像素结构可以应用手机、平板电脑、可穿戴设备等具有拍照功能的电子设备上，本申请实施例对电子设备的具体类型不作任何限制。
示例性的，图1示出了电子设备100的结构示意图。
所述电子设备100可以包括处理器110、外部存储器接口120、内部存储器121、通用串行总线(universal serial bus，USB)接口130、充电管理模块140、电源管理模块141、电池142、天线1、天线2、移动通信模块150、无线通信模块160、音频模块170、扬声器170A、受话器170B、麦克风170C、耳机接口170D、传感器模块180、按键190、马达191、指示器192、摄像头193、显示屏194、以及用户标识模块(subscriber identification module，SIM)卡接口195等。其中传感器模块180可以包括压力传感器180A、陀螺仪传感器180B、压传感器180C、磁传感器180D、加速度传感器180E、距离传感器180F、接近光传感器180G、指纹传感器180H、温度传感器180J、触摸传感器180K、环境光传感器180L、骨传导传感器180M等。
可以理解的是，本申请实施例示意的结构并不构成对所述电子设备100的具体限定。在本申请另一些实施例中，所述电子设备100可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。
在一些实施例中，所述处理器110和所述摄像头193通过CSI接口通信，实现电子设备100的拍摄功能。所述电子设备100可以通过ISP、摄像头193、视频编解码器、GPU、显示屏194以及应用处理器等实现拍摄功能。ISP用于处理摄像头193反馈的数据。
例如，拍照时，打开快门，光线通过镜头被传递到摄像头感光元件上，光信号转换为电信号，摄像头感光元件将所述电信号传递给ISP处理，转化为肉眼可见的图像。ISP还可以对图像的噪点，亮度，肤色进行算法优化。ISP还可 以对拍摄场景的曝光，色温等参数优化。在一些实施例中，所述ISP可以设置在所述摄像头193中。所述摄像头193用于捕获静态图像或视频。物体通过镜头生成光学图像投射到感光元件。
可以理解，所述感光元件可以是电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)或互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)光电晶体管。所述感光元件把光信号转换成电信号，之后将电信号传递给ISP转换成数字图像信号。所述ISP将数字图像信号输出到DSP加工处理。所述DSP将数字图像信号转换成标准的RGB，YUV等格式的图像信号。在一些实施例中，所述电子设备100可以包括1个或N个摄像头193，N为大于1的正整数。
可以理解，所述电子设备100还可以探测器，例如光谱探测器，可以用于物体材料特性的分析，电子设备100还可以包括光电探测器，用于对环境进行感光作用。
图2是本申请的一个实施例提供的一种相机200的结构示意图。所述相机200可以设置于图1所示的所述电子设备100中，以实现所述摄像头193的功能。可以理解，本实施例中的所述相机200可以包括镜头201、光圈202、图像传感器203、模拟预处理器204、模数传感器205、数字信号处理器206、系统控制器207、数据总线208、存储器209、显示器210等。可以理解，本申请实施例示意的结构并不构成对所述相机200的具体限定。在本申请的另一些实施例中，所述相机200可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。
还应该理解，本申请实施例示意的结构并不构成对所述相机200的功能的具体限定。所述相机200的功能包括可以实现现有相机的功能，并不局限于拍照或拍视频等功能。所述镜头201是将拍摄物体在传感器上成像的器件，起到聚光的作用，可以由几片透镜组成。所述光圈202是控制通过镜头到达传感器的光线的装置，除了控制通光量，所述光圈202还有控制景深的功能。景深是指在相机镜头前能够取得清晰图像的成像所测得的被摄物体前后距离范围，其中，光圈越大，景深越小。所述图像传感器203是用来接收通过镜头的光线，并且将这些光信号转变为电信号的装置。
在本申请实施例中，所述图像传感器203是由纳米天线和金属-介质-金属传感器集成的像素结构组成。所述图像传感器203生成的电信号为模拟直流电信号，所述模拟预处理器204将模拟直流电信号进行预处理，该预处理包括降噪处理、修正处理和补偿处理等。所述模数转换器205用于将预处理后的模拟直流电信号转变为数字信号。数字信号传入所述数字信号处理器206中进行处理。所述系统控制器207对所述光圈202、所述图像传感器203、所述模拟预处理器204和所述模数转换器205起控制作用。处理后的数字信号经数据总线208传输到所述存储器209或所述显示器210中。作为示例而非限定，该存储器209可以是图1所示的所述电子设备100的照片存储器例如图库等，所述显示器210可以是图1所示的显示屏194等。
图3是本申请的一个实施例的图像传感器的结构示意图。该图像传感器可以是图2中的图像传感器203，并且可以实现图像传感器203的一切功能。该图像传感器203可以是一个像素阵列，可以包括多个像素结构，虚线表示没有画出的像素结构。由于每个像素结构中具有纳米天线层，纳米天线层包括一个或多个纳米天线，该纳米天线对光的响应可以依赖于纳米天线尺寸和光波长的比例关系。
因此每个像素结构不需设置滤光结构，依靠纳米天线对光波长的选择性，即可实现对不同颜色的光的吸收。由此可知，该图像传感器中包含L种尺寸的纳米天线，则该图像传感器可以实现对L种不同波长的光的吸收，其中，L可以为大于或等于3的整数。
可以理解，天线是一种可以将交流电和电磁波相互转换的器件，光可以被视为电磁波，纳米天线是纳米尺度的光学天线。
请参阅图4，图4为本申请的一个实施例提供的图像传感器的示意图。可以理解，所述图像传感器203可以包括至少两个像素结构10。其中，所述至少两个像素结构可以用于吸收两种不同特性的入射光。例如，该至少两个像素结构10可以分别用于吸收不同偏振的入射光。或者，所述至少两个像素结构10可以分别用于吸收不同波段的入射光。
具体到本申请的实现过程中，如图4所示，本实施例中的所述像素结构10可以包括纳米天线层12、第一介质层14和金属层16。
所述纳米天线层12可以设置在整个像素结构10的最上层，所述金属层16可以设置在整个像素结构10的最底层，所述第一介质层14可以设置在整个像素结构10的中间层，即所述第一介质层14可以设置在所述纳米天线层12与所述金属层16之间。
具体地，所述纳米天线层12可以对不同特性的入射光进行选择，可以增强入射光的吸收。所述第一介质层14可以位于所述金属层16的一侧，所述第一介质层14可以包括用于光电转换的感光材料，在一种可能的实现方式中，所述第一介质层14可以由感光材料制成，所述第一介质层14可以将所述纳米天线层12吸收的入射光进行光电转换，以输出电信号。所述金属层16可以增强所述纳米天线层12对入射光的吸收作用。
由于纳米天线表面的等离激元效应，对应波段的入射光可以在纳米天线附近很小的区域实现聚焦。可以理解，所述的等离激元效应可以是指在具有一定载流子浓度的固体系统中(如金属、具有一定载流子浓度的半导体等)，由于载流子之间的库仑相互作用，使得空间中一处载流子浓度的涨落,引起其他地方载流子浓度的振荡。这种以载流子浓度的振荡为基本特征的元激发，称为等离激元效应。
本申请实施方式中，入射光中与所述纳米天线层12产生谐振的部分，被所述纳米天线层12吸收并在表面形成等离激元信号，所述等离激元信号可以通过所述第一介质层14转换为电信号，从而经电极线输出。具体地，所述纳米天线层12可以包括一个或者多个纳米天线121。即，每一所述像素结构10可以包括 一个或者多个纳米天线121，用于对特定波长或者特定偏振的光产生谐振生成等离激元信号，不同的像素结构可以对不同的入射光产生谐振，该不同可以是指入射光的波段不同或者谐振方向不同，该等离激元信号用于转换为电信号，然后可以从与像素结构接触的电极线输出该电信号。可以理解，若一个像素结构10中设置一个纳米天线121，该纳米天线121可以设计为尺寸较大，若一个像素结构10中设置多个纳米天线121(例如4个纳米天线)，则该纳米天线121可以设计为尺寸较小。
在一种实现方式中，所述纳米天线121可以由金属材料制成，例如所述纳米天线121可以是金、银、铜、铝等金属材料中的任意一种。可以理解，所述纳米天线121的尺寸可以对应特定的光波段，由此所述纳米天线121可以吸收该光波段内波长的光。
在一些可能的实现方式中，所述第一介质层14包括可以实现光电转换的材料，例如，所述第一介质层14可以包括具有特定参数的介质材料。可以理解，在一些实现方式中，该介质材料可以是硅、铟镓砷等。
可以理解，所述金属层16可以由铝制成。可选地，所述金属层16还可以由金、银、铂等贵金属制成，由此可以具有更好的导电效果。在一些实施例中，每一个像素结构之间的金属层16可以不相连。在另一些可能的实施例中，一列或者一行的像素结构的金属层16可以连接在一起。
在所述纳米天线层12中，第一电极线122可以与同一列或者同一行的每个像素结构10相连接。第二电极线123可以与同一列或者同一行的每个像素结构10相连接。具体地，所述第一电极线122可以与所述第一介质层12的上表面相接触，所述第二电极线123可以与所述第一介质层14的下表面相接触。基于这样的设计，所述第一电极线122可以将同一行或者同一列的像素结构的电信号传输给图像处理单元进行图像处理。所述第二电极线123可以将同一行或者同一列的像素结构的电信号传输给图像处理单元进行图像处理。该电信号用于得到图像。因此，本申请实施方式中，可以通过第一电极线122和第二电极线123来传输各个像素结构的输出信号，从而得到图像传感器的输出。
请参阅图5，图5为本申请的另一个实施例提供的图像传感器的示意图。
可以理解，图5示出的像素结构的实施例与图4示出的图像传感器的实施例的区别在于，如图5所示，所述像素结构10还可以进一步包括第二介质层18，所述第二介质层18可以位于所述第一介质层14与所述纳米天线层12之间。基于这样的设计，本申请实施例可以增强感光强度，进一步增强所述纳米天线层12对光的吸收率，并且降低纳米天线吸收光的损耗。
在具体的实现过程中，所述第二介质层18相较于所述第一介质层14可以更薄，并且所述第二介质层18的介质材料可以不同于所述第一介质层14的介质材，即所述第二介质层18可以不具有感光能力，在一种可能的实现方式中，所述第二介质层18可以由非感光材料制成。在一种可能的实现方式中，所述第二介质层18的材料可以为二氧化硅，所述第二介质层的厚度可以是所述第一介质层14的10％～70％。可以理解，在其他可能的实现方式中，每一所述像素结 构可以包括两个以上的介质层，其中最下层的是具有感光作用的第一介质层14，其余的介质层为非感光介质层。
请参阅图6，图6为本申请的另一个实施例提供的图像传感器的示意图。
本申请的实施例中，每一个所述像素结构均可以为金属-介质-金属结构。可以理解，本实施例中的所述纳米天线的尺寸可以与接收的光波长之间正相关。由此，该纳米天线的形状和尺寸可以根据所吸收的光波段来进行设定。
如图5所示，以三个像素结构10a、10b、10c为例对本申请实施例中的图像传感器进行说明。
具体地，所述像素结构10a可以包括纳米天线层12a、第一介质层14a以及金属层16a。所述像素结构10a的最上层为纳米天线层12a，所述像素结构10a的中间层为所述第一介质层14a，所述像素结构10a的最下层是所述金属层16a。可以理解，所述纳米天线层12a中的纳米天线长度可以为第一长度，因此，所述纳米天线层12a可以接收光波长为λ1的入射光。
所述像素结构10b可以包括纳米天线层12b、第一介质层14b以及金属层16b。所述像素结构10b的最上层为纳米天线层12b，所述像素结构10b的中间层为所述第一介质层14b，所述像素结构10b的最下层是所述金属层16b。可以理解，所述纳米天线层12b中的纳米天线长度可以为第二长度，因此，所述纳米天线层12b可以接收光波长为λ2的入射光。
所述像素结构10c可以包括纳米天线层12c、第一介质层14c以及金属层16c。所述像素结构10c的最上层为纳米天线层12c，所述像素结构10c的中间层为所述第一介质层14c，所述像素结构10c的最下层是所述金属层16c。可以理解，所述纳米天线层12a中的纳米天线长度可以为第三长度，因此，所述纳米天线层12c可以接收光波长为λ3的入射光。
举例说明，若所述纳米天线层12a中的纳米天线长度为290nm，则所述纳米天线层12a可以接收650nm红光。若所述纳米天线层12b中的纳米天线的长度为250nm，则所述纳米天线层12b可以接收560nm绿光。若所述纳米天线层12c中的纳米天线长度为200nm，则所述纳米天线层12b可以接收450nm蓝光。
基于这样的设计，入射光可以受到本申请实施例的像素结构的强烈耦合作用，由于纳米天线可以对光波段具有选择性，不同颜色的光可以进入对应的像素结构10进行光电转换。
更进一步，本实施例中的金属-介质-金属的结构可以实现强烈耦合作用，可以使得入射光被充分吸收。同时，由于纳米天线的波长选择性聚光作用，入射光会被谐振的纳米天线的对应的像素结构所吸收，由此，本申请实施例的图像传感器的感光强度具有很大的提升，在一些场景下，本申请实施例中的图像传感器的感光强度可以提升100％以上。
可以理解，纳米天线的形状可以对感光波段的宽度有影响。举例说明，图7a所示的领结形纳米天线比图7b所示的棍形纳米天线可以实现更宽的感光波段。因此，在制造所述像素结构时，可以使用透明材料(例如二氧化硅)对纳米天线进行填充，这样可以使得纳米天线的周围不会留有空气，进而使得结构 更加稳定。
在本申请一种可能的实现方式中，每个所述像素结构中的所述第一介质层14的厚度可以小于所感光波长的五分之一，由此可以实现更加强烈的纳米耦合作用，即可以进一步增强光的吸收。在一些场景下，不同像素结构的厚度可以相同，即所述第一介质层14的厚度小于所有像素结构所感光波长的最小波长的五分之一。
在本申请一种可能的实现方式中，每一个所述像素结构的至少一个边长可以小于所有像素结构所感光的最大波长，由此可以实现所述像素结构的分光作用。其中，该像素结构的边长可以是指该像素结构的宽或者长。具体地，在亚波长尺寸下，由于共振机制，不同波段的所述纳米天线层12可以形成等离子共振模式，从而可以将对应波段的入射光耦合局域到对应的像素区域。基于这样的设计，本申请实施例中的像素结构的尺寸可以很小，例如，在一些实施例中，所述像素结构的至少一个边长可以小于光波长，从而实现超衍射以及超分辨率的小像素尺寸。
在一种可能的实施方式中，纳米天线可以包括能与光产生等离激元信号的材料，至少一个纳米天线用于针对入射光产生谐振生成等离激元信号，等离激元信号用于生成电信号。因此，本申请实施方式中，可以通过体积较小的纳米天线与入射光的等离激元效应，实现对入射光的谐振，纳米天线可以通过谐振实现对入射光的吸收，提高入射光的利用率，并且在纳米天线吸收更多的入射光的基础上，可以降低各个波段的入射光的串扰。
可以理解，在一些可能的实现方式中，所述图像传感器203可以包括周期排列的多个像素结构集合。所述像素结构集合可以包括至少两个像素结构。可以理解，所述像素结构集合的至少一个边长小于或等于所述至少两个像素结构所吸收的入射光的最小波长的一半。
如图8a所示，像素结构集合20可以包括直线排列的像素结构10a、10b、10c，该像素结构10a、10b、10c可以分别用于吸收红光、绿光和蓝光。其中，红光波长为600纳米，绿光波长为500纳米，蓝光波长为400纳米。例如，该像素结构10a的长度可以为d1，该像素结构10b的长度可以为d2，该像素结构10c的长度可以为d3，该像素结构10a、10b、10c的宽度均为d4。该像素结构10a、10b、10c的长度为d1+d2+d3，由于该像素结构10a、10b、10c感光的蓝光为最小波长，即d1+d2+d3<100nm，并且d4<100nm。
在另外一种场景下，如图8b所示，所述像素结构集合20可以包括像素结构10a、10b、10c、10d，该像素结构10a、10b、10c、10d可以呈“田”字型排列，该像素结构10a、10b、10c、10d可以分别用于吸收红光、绿光、绿光和蓝光。该像素结构10a的长度可以为d1，该像素结构10b的长度可以为d2，该像素结构10c的长度可以为d1，该像素结构10d的长度可以为d2，该像素结构10a的宽度可以为d3，该像素结构10b的宽度可以为d4，该像素结构10c的宽度可以为d3，该像素结构10d的宽度可以为d4，即d1+d2<100nm，并且d3+d4<100nm。
在一些实施例中，所述像素结构上可以设置一个纳米天线。在另一些实施 例中，对于感光波长短的像素结构，由于纳米天线尺寸也较小，所述像素结构上可以设置有多个纳米天线。
如图9所示，以四个像素结构10a、10b、10c、10d为例对本申请实施例中的图像传感器进行说明。本实施例中，所述像素结构10a可以设置一个纳米天线121a。所述像素结构10b可以设置一个纳米天线121b。所述像素结构10c可以设置一个纳米天线121c。所述像素结构10d可以设置四个纳米天线121d、121e、121f、121g。其中，所述纳米天线121b的尺寸可以与所述纳米天线121c的尺寸相同。所述纳米天线121b和所述纳米天线121c的尺寸可以小于所述纳米天线121a的尺寸。所述纳米天线121d、121e、121f、121g的尺寸均可以相同。所述纳米天线121d、121e、121f、121g可以小于所述纳米天线121b和所述纳米天线121c的尺寸。可以理解，在一种可能的实现方式中，当所述像素结构包括一个纳米天线时，该像素结构具有最大的感光波长。
在一个实施例中，可以采用电极线与纳米天线融合的方式，来实现电极线与像素结构的连接。如图10所示，该第一电极线122可以与所述第一介质层14的上表面接触，并且该第一电极线122可以连接同一行或同一列的纳米天线121，该第一电极线122可以电连接于所述纳米天线121。可选地，所述第一电极线122可以电连接于所述纳米天线121的中心位置。在一种可能的实现方式中，所述第一电极线122与所述纳米天线121之间可以一体成型。可以理解，在一种实施例中，该第一电极线122的材料可以是与纳米天线121相同的材料。在另一种实施例中，该第一电极线122可以是透明电极材料。
可以理解，纳米天线可以具有偏振谐振特性，可以实现不同天线对不同偏振光进行感应，如偶极子天线的偏振方向为线偏振，与天线的延伸方向一致，螺旋天线的偏振方向为圆偏振，偏振方向与天线的旋转方向一致。通常，当入射光的偏振方向与纳米天线的偏振方向一致时，将提高纳米天线对入射光的吸收。
在本申请的一个实施例中，当纳米天线带有偏振特性的形状时，该纳米天线可以实现对入射光的偏振特性进行探测，即纳米天线的形状可以根据所需要吸收入射光的偏振特性来实现。
例如，如图11所示，纳米天线可以采用领结形状天线，即该纳米天线为偶极子天线，两个像素结构的偶极子天线的延伸方向不同，其中一个像素结构(例如像素结构10a)的纳米天线和另一个像素结构(例如像素结构10b)的纳米天线的偏振方向不相同，如图11中所示出的像素结构10a的纳米天线和像素结构10b纳米天线的偏振方向互相垂直。在另一种可能的实现方式中，若所述纳米天线采用偶极子天线，则相邻的两个像素结构中的偶极子天线的延伸方向不同。
例如，如图12所示，纳米天线可以采用螺旋天线，两个像素结构中的螺旋天线的旋转方向不同。例如像素结构10a的纳米天线和像素结构10a的纳米天线的旋转方向不相同，如该像素结构10a的纳米天线采用顺时针旋转方向，该像素结构10b天线可以采用逆时针旋转方向。在另一种可能的实现方式中，若所述纳米天线采用螺旋天线，则相邻的两个像素结构中的螺旋天线的旋转方向 不同。如图13所示，该纳米天线可以采用正方形状天线或者圆形状天线。该场景下的像素结构没有偏振特性，进而不会吸收具有偏振特性的入射光。
在一种可能的场景下，如图14a所示，以四个像素结构10a、10b、10c、10d为例对本申请实施例中的图像传感器203进行说明。
该场景下的像素结构10a可以对横向偏振的入射光产生谐振，该像素结构10a可以吸收横向偏振的入射光。该像素结构10b可以对左斜偏振的入射光产生谐振，像素结构10b可以吸收左斜偏振的入射光。该像素结构10c可以对纵向偏振的入射光产生谐振，该像素结构10c可以吸收纵向偏振的入射光。该像素结构10d可以对右斜偏振的入射光产生谐振，像素结构10d可以吸收右斜偏振的入射光。
在另一种可能的场景下，如图14b所示，以九个像素结构10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i为例对本申请实施例中的图像传感器进行说明。
该场景下的所述像素结构10a可以吸收红光，所述像素结构10b可以吸收紫光，所述像素结构10c可以吸收蓝光，所述像素结构10d可以吸收横向偏振的红光，所述像素结构10e可以吸收纵向偏振的绿光，所述像素结构10f可以吸收横向偏振的绿光，所述像素结构10g可以吸收横向偏振的橙光，所述像素结构10h可以吸收纵向偏振的黄光，所述像素结构10i可以吸收纵向偏振的绿光。
在一种可能的场景下，如图14c所示，以四个像素结构10a、10b、10c、10d为例对本申请实施例中的图像传感器进行说明。
该场景下的所述像素结构10a可以吸收横向偏振的绿光，所述像素结构10b可以左斜偏振的蓝光，所述像素结构10c可以吸收右斜偏振的红光，所述像素结构10d可以吸收纵向偏振的绿光。
采用本申请实施例的像素结构、图像传感器和电子设备，通过纳米天线的分光作用，可以有效提高像素的感光能力，并且可以保持较低串扰和较广的感光角度，不会引入角度偏差、串扰以及制造难度太大等问题。
本实施例中，所述像素结构可以实现高效率的超薄感光，可以支持柔性、弯曲等器件，提升产品竞争力。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。
Claims (14)
- 一种图像传感器(203)，其特征在于，包括至少两个像素结构(10)，所述至少两个像素结构(10)分别用于吸收两种不同特性的入射光，每个所述像素结构(10)包括：金属层(16)；第一介质层(14)，所述第一介质层(14)位于所述金属层(16)的一侧，所述第一介质层(14)包括感光材料；纳米天线层(12)，所述纳米天线层(12)位于所述第一介质层(14)远离所述金属层(16)的一侧，所述纳米天线层(12)包括一个或多个纳米天线(121)；其中，所述第一介质层(14)的厚度小于所述像素结构(10)所吸收的入射光的最小波长的五分之一，所述像素结构(10)的至少一个边长小于所述像素结构(10)所吸收的入射光的最大波长。
- 根据权利要求1所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述两种不同特性的入射光为两种不同偏振的入射光。
- 根据权利要求2所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述一个或多个纳米天线(121)为偶极子天线，所述至少两个像素结构(10)中的偶极子天线的延伸方向不同；或者所述一个或多个纳米天线(121)为螺旋天线，所述至少两个像素结构(10)中的螺旋天线的旋转方向不同。
- 根据权利要求1-3任意一项所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述两种不同特性的入射光为两个不同波段的入射光。
- 根据权利要求1-4任意一项所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述像素结构(10)还包括第二介质层(18)，所述第二介质层(18)位于所述纳米天线层(12)与所述第一介质层(14)之间；所述第二介质层(18)包括非感光材料。
- 根据权利要求5所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述第二介质层(18)的厚度小于所述第一介质层(14)的厚度。
- 根据权利要求6所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述第二介质层(18)的厚度为所述第一介质层(14)的厚度的10％-70％。
- 根据权利要求1-7任意一项所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述至少两个像素结构(10)相邻。
- 根据权利要求1-8任意一项所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述图像传感器(203)还包括一个或多个第一电极线(122)，所述一个或多个第一电极线(122)与所述第一介质层(14)的上表面相接触，所述一个或多个第一电极线(122)用于接收所述至少两个像素结构(10)输出的电信号，所述电信号用于得到图像。
- 根据权利要求9所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述一个或多个第一电极线(122)与所述第一介质层(14)的上表面接触，所述第一电极线(122)电连接同一行或同一列的纳米天线(121)。
- 根据权利要求10所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述第一电极线(122)电连接于所述纳米天线(121)的中心位置。
- 根据权利要求1-11任意一项所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述图像传感器(203)还包括一个或多个第二电极线(123)，所述一个或多个第二电极线(123)与所述第一介质层(14)的下表面相接触，所述一个或多个第二电极线(123)用于接收所述至少两个像素结构(10)输出的电信号，所述电信号用于得到图像。
- 根据权利要求1-12任意一项所述的图像传感器(203)，其特征在于，所述图像传感器(203)包括周期排列的多个像素结构集合(20)，所述像素结构集合(20)包括所述至少两个像素结构(10)；所述像素结构集合(20)的至少一个边长小于或等于所述至少两个像素结构(10)所吸收的入射光的最小波长的一半。
- 一种电子设备(100)，其特征在于，包括权利要求1-13任意一项所述的图像传感器(203)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |