CN119511552B - 基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，属于图像探测器领域。本发明采用彩色分焦平面偏振成像探测技术，使用双层结构的超构表面，代替商用的Bayer阵列滤光片和微偏振阵列，本发明能够同时捕捉光线的颜色和偏振信息，从而提高图像的细节和对比度；且偏振通道和色彩通道互补影响，可根据需求，实时进行彩色成像，偏振成像和彩色偏振融合成像。通过采用光谱路由对光的导引和偏振探测的引入，使得特别在复杂光照环境中，增强了物体识别和分类的能力，能够更准确地识别材质和表面状态，从而提供更丰富的信息。最终，整体技术的提升为科学研究和工业应用开辟了新的可能性。

Description

基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器。

背景技术

超构表面(Metasurface)是一种由亚波长尺度的微结构周期性或类周期性排列组成的二维表面，可以对光波或其他电磁波产生局部的相位、振幅、偏振态调控，被广泛运用于雷达、成像、数据传输与存储等许多场景。超构表面应用于图像传感领域能有效替代传统滤色片，不仅可以实现与CMOS制备工艺的兼容，还有望提升光学效率和稳定性，因此掀起了学术和产业界的研究热潮，尤其是利用超表面实现空间光色散的技术。

偏振成像技术利用不同种类和不同方向的偏振器件来收集物体表面反射回来的偏振信息。通过偏振成像采集装置获取到的偏振图像，我们可以得到比一般光学成像更多的信息，因此在材料科学、显微镜成像、遥感和生物医学等领域，偏振成像技术都具有重要的应用前景。SONY公司的偏振图像传感器创造性的采用了像素四极偏振滤波技术，对每一个像素进行四个角度偏振，呈现更多的偏振数量和偏振角度，在目前市面上使用较为广泛。

观察和利用光的多维信息的能力是人类长期以来的追求，它提供了对光与物质相互作用的更全面的理解，并促进了许多领域更准确的表征。近年来，随着科技的进步和应用领域的扩展，结合这两种信息的彩色偏振成像技术越来越受到重视。

传统的光谱和偏振成像系统主要依赖于衍射光学元件或光学滤光片，往往体积庞大、重量沉重。同时目前商用的彩色偏振相机是将偏振元件合并到光谱系统中——将线性微偏振器阵列集成到传统图像传感器中的RGB彩色滤光片，这种方法由于传统图像传感器中的RGB彩色滤光片的限制，存在RGB通道间的光谱重叠，多像素间不同波长光串扰高；同时在低照度条件下，会存在光通量低，成像质量差、信噪比较低等问题。

传统CMOS图像传感器(CIS)所基于的Bayer滤色片阵列，是一种有机染料三色带通滤色片(RGB)，这种传统有机滤色片与CMOS工艺并不兼容，滤色片需要通过复杂的工艺沉积才可以使用。同时滤色片的稳定性差，在高温或辐射环境下滤色片易分解。

现有的彩色偏振相机中，每个像素均引入偏振原件，造成各波长的光谱响应不同，使得成像分辨率减小；同时仍然还在光学系统设计复杂、以及复杂环境中光学收集效率不足等问题；限制了系统的紧凑性，使实时成像相当具有挑战性。

发明内容

本发明提供一种基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，提高了光利用率，在低照度成像场景具有很大的应用潜力。

本发明实施例提供一种基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，所述彩色偏振图像传感器为三层结构，自下而上分别为像素传感器层，双层超构表面层和微透镜层；

其中，所述像素传感器层由N个像素基本单元组成，N为正整数，每个像素基本单元包括4个像素块，每个像素块包括4个子像素，每个子像素由在半导体基板上形成光电探测器组成；

所述双层超构表面层为在半导体基板上形成由光谱路由和微偏振光栅阵列组成的双层结构，所述双层超构表面层的子像素与所述像素传感器层的子像素一一对应，在一个像素块的4个子像素中，其中3个子像素为设置在上层的光谱路由，1个子像素为设置在下层的微偏振光栅，微偏振光栅的上层为镂空，4个像素块组成一个所述双层超构表面的像素基本单元；所述光谱路分别为R、G、B像素，所述双层超构表面的像素基本单元的微偏振光栅阵列有4个方向，分别是0°，90°，45°和135°，所述像素传感器的每个子像素对应所述双层超构表面的光谱路由或给定方向的微偏振光栅；

在所述微透镜层中，1个像素块对应1个微透镜，所述微透镜层包括4N个微透镜，入射光透过微透镜后，利用上层的光谱路由结构将入射光依据波长导引到像素传感器的指定子像素上，通过下层的微偏振光栅阵列对入射光进行滤波，得到用于成像的探测物体的偏振信息。

可选地，在本发明的一个实施例中，每个子像素大小为1.1*1.1um。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述微偏振光栅的材质为铝。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述光谱路由为二氧化钛。

本发明实施例的基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，具有以下有益效果：

1、本发明能够同时捕捉光线的颜色和偏振信息，从而提高图像的细节和对比度，且偏振通道和色彩通道互补影响，可根据需求，实时进行彩色成像，偏振成像和彩色和偏振融合成像。

2、通过采用双层超构表面对光的导引和偏振探测的引入，使得特别在复杂光照环境中，增强了物体识别和分类的能力，能够更准确地识别材质和表面状态，从而提供更丰富的信息。最终，整体技术的提升为科学研究和工业应用开辟了新的可能性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例提供的一种基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器的示意图；

图2为本发明实施例的基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器的剖视图；

图3(a)-图3(d)为本发明实施例的双层超构表面层的四个微偏振光栅方向的像素块示意图；

图4为本发明实施例的由双层超构表面的四个像素块组成的像素基本单元示意图；

图5为本发明实施例的光谱路由的原理图；

图6为本发明实施例的光偏振成像的原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

基于背景技术的缺陷以下目的本发明提出一种基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器。

满足市场需求：随着市场对于高级成像技术的需求增长，尤其是在机器视觉和自动化检测领域，急需小体积、低成本的高分辨的彩色偏振相机的出现；

提升成像质量：通过提高入射光的利用效率以及引入的偏振成像探测，在低信噪比或雾霾等低照度条件下，能够有效抑制背景噪声，凸显目标细节信息，提高成像质量；

推动跨学科融合：能够促进了物理学、材料科学、计算机科学等多个学科之间的交叉融合，推动了科学技术的整体进步；为未来的科学研究和应用探索打开了新的可能性。

如图1和图2所示，该基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器为三层结构，自下而上分别为像素传感器层，双层超构表面层和微透镜层。

其中，像素传感器层由N个像素基本单元组成，N为正整数，每个像素基本单元包括4个像素块，每个像素块包括4个子像素，每个子像素由在半导体基板上形成光电探测器组成；

双层超构表面层为在半导体基板上形成由光谱路由和微偏振光栅阵列组成的双层结构，双层超构表面层的子像素与像素传感器层的子像素一一对应，在一个像素块的4个子像素中，其中3个子像素为设置在上层的光谱路由，1个子像素为设置在下层的微偏振光栅，微偏振光栅的上层为镂空，4个像素块组成一个所述双层超构表面的像素基本单元；光谱路分别为R、G、B像素，双层超构表面的像素基本单元的微偏振光栅阵列有4个方向，分别是0°，90°，45°和135°，像素传感器的每个子像素对应双层超构表面的光谱路由或给定方向的微偏振光栅；

在微透镜层中，1个像素块对应1个微透镜，微透镜层包括4N个微透镜，入射光透过微透镜后，利用上层的光谱路由结构将入射光依据波长导引到像素传感器的指定子像素上，通过下层的微偏振光栅阵列对入射光进行滤波，得到用于成像的探测物体的偏振信息。

本发明采用彩色分焦平面偏振成像探测技术，使用双层结构的超构表面，代替商用的Bayer阵列滤光片和微偏振阵列。以垂直方向自下而上，每个子像素上包括一个在半导体基板上形成的光电探测器，该子像素上方对应一个光谱路由或给定方向的微偏振光栅。

通过利用上层光谱路由可以将入射光依据波长导引到指定子像素(R、G、B)上，有效替代传统滤色片,从而大大提高了光利用率，在低照度成像场景具有很大的应用潜力。通过下层的微偏振光栅结构对入射光进行一个滤波，用来获取探测物体偏振信息。

具体地，每4*4个子像素构成一个像素块，单个子像素大小为1.1*1.1um；在经典的Bayer阵列排布方式(从左上到右下分别为：R G G B)的分光基础上，去除了左下角的G通道，同时在该通道的下层埋入一个单方向的微偏振光栅。每个微偏振光栅与光谱路由结构结合形成2*2的一个像素块，最后由4个像素块形成一个像素基本单元，在4*4的像素基本单元中会包含4个偏振通道，偏振通道的偏振角度从左上到右下分别是0°，45°，135°，90°，如图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)和图4所示。同时在其他通道中会获取不包含偏振信息的RGB色彩信息，对采集到图像数据进行插值计算即可实时进行彩色成像，偏振成像双通道成像；同时也可根据实际需求结合后端图像融合算法得到彩色偏振图像。

进一步地，如图5所示，光谱路由为二氧化钛，光谱路由可以根据入射光的波长不同，对其相位进行调控，导引到指定的像素传感器子像素上，从而大大提高了光利用率(理论上可以达到100％)，在低照度成像场景具有很大的应用潜力。

微偏振光栅结构的光选择性：微偏振光栅的材质为铝，微偏振光栅金属栅条之间的空隙尺小于入射光波长时，TE波(电场垂直于传播方向的波)入射时，电场与金属线的排列方向一致，因此能够有效地与金属线相互作用，导致电场能量在金属线之间耦合，从而被金属线栅吸收或反射。而对于TM波(磁场垂直于传播方向的波)，其磁场与金属线的排列方向垂直，难以与金属线发生有效耦合，因此大部分TM波能够顺利通过金属线栅。

同时由于表面等离子体共振效应当光子作用于亚波长金属光栅表面时，表面等离子激元被激发，主要集中在金属光栅层的上、下表面，光波通过的金属光栅狭缝类似于一个Fabry-Perot(F-P)腔，其透射增强类似于类F-P谐振效应产生的腔模共振。当光栅厚度一定时，特定波长的入射光满足匹配条件，增强了TM偏振光透射。

光偏振成像是基于光线作用于物体后，物体本身散射出来的光所携带的偏振信息能够被探测到，形成偏振图像。采用分焦平面型偏振成像方法，将多个偏振方向的亚波长金属光栅微偏振片集成到了探测器的像元上，实现多个偏振方向上偏振信息的同时探测以及偏振探测系统的微型，如图6所示。

根据本发明实施例提出的基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，能够同时捕捉光线的颜色和偏振信息，从而提高图像的细节和对比度，且偏振通道和色彩通道互补影响，可根据需求，实时进行彩色成像，偏振成像和彩色和偏振融合成像。通过采用光谱路由对光的导引和偏振探测的引入，使得特别在复杂光照环境中，增强了物体识别和分类的能力，能够更准确地识别材质和表面状态，从而提供更丰富的信息。最终，整体技术的提升为科学研究和工业应用开辟了新的可能性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (4)

1.一种基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，其特征在于，所述彩色偏振图像传感器为三层结构，自下而上分别为像素传感器层，双层超构表面层和微透镜层；

其中，所述像素传感器层由N个像素基本单元组成，N为正整数，每个像素基本单元包括4个像素块，每个像素块包括4个子像素，每个子像素由在半导体基板上形成光电探测器组成；

所述双层超构表面层为在半导体基板上形成由光谱路由和微偏振光栅阵列组成的双层结构，所述双层超构表面层的子像素与所述像素传感器层的子像素一一对应，在一个像素块的4个子像素中，其中3个子像素为设置在上层的光谱路由，1个子像素为设置在下层的微偏振光栅，微偏振光栅的上层为镂空，4个像素块组成一个所述双层超构表面的像素基本单元；所述光谱路分别为R、G、B像素，所述双层超构表面的像素基本单元的微偏振光栅阵列有4个方向，分别是0°，90°，45°和135°，所述像素传感器的每个子像素对应所述双层超构表面的光谱路由或给定方向的微偏振光栅；

在所述微透镜层中，1个像素块对应1个微透镜，所述微透镜层包括4N个微透镜，入射光透过微透镜后，利用上层的光谱路由结构将入射光依据波长导引到像素传感器的指定子像素上，通过下层的微偏振光栅阵列对入射光进行滤波，得到用于成像的探测物体的偏振信息。

2.根据权利要求1所述的基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，其特征在于，

每个子像素大小为1.1*1.1um。

3.根据权利要求1所述的基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，其特征在于，

所述微偏振光栅的材质为铝。

4.根据权利要求1所述的基于光谱路由超构表面的彩色偏振图像传感器，其特征在于，所述光谱路由为二氧化钛。