CN1670607A - 色彩滤光器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色彩滤光器及其制造方法。所述色彩滤光器具有基本滤光器层和第一修饰滤光器。基本滤光器层对光是部分透明的，并具有透射函数，所述透射函数作为所述滤光器层上的空间位置的函数而变化。基本滤光器在基本滤光器层中的第一位置上，透射第一特征波长周围的第一波段波长的光，并且在基本滤光器层中的第二位置上，透射第二特征波长周围的第二波段波长的光。第一修饰滤光器包含上覆于第一和第二位置的一层材料，并优先衰减第一修饰波长的光，而第一修饰波长处在第一和第二特征波长之间。第一修饰滤光器的透射函数在所述第一和第二位置上是基本相同的。

Description

色彩滤光器及其制造方法

技术领域

本发明涉及色彩滤光器(color filter)，该色彩滤光器通过随滤光器上空间位置而变化的波段。

背景技术

从利用光电二极管色敏阵列来记录图像的照相机的角度，本发明更易被理解。为提供色敏性，光电二极管通常被分为三类，分别探测红、绿和蓝光。各种色敏光电二极管分布于阵列上。例如，探测器阵列可以由像素阵列组成，其中每一像素都包括三个光电二极管，一个用于测量红光，一个用于测量绿光，另一个用于测量蓝光。

色敏探测器通常通过构造能从相同光电二极管组成的阵列上选择特定色彩通带(pass bands)的透射滤光器来构造。就是说，照相机芯片可以被看作是或多或少对色彩不敏感的光电探测器阵列，该阵列上覆有滤光器，而滤光器的通带随其在滤光器上空间位置的变化而变化。滤光器通常由颜料滤光器(pigment filter)构成，所述颜料滤光器被放置在对包括红、蓝、绿在内的广谱光敏感的光电二极管上。例如，通过利用传统的光刻技术，选择性地沉积刚才提及的颜料以在阵列中的每个光电二极管上图案化出红、蓝或绿色滤光器，可以制造出彩色照相机阵列。但是，此工艺受可以用于颜料滤光器的材料的限制。因此，仅可以产生出有限的色彩过滤特性。例如，这些滤光器不能阻止红外(IR)光通过，这样的照相机模块因此不得不包含一个附加的阻红外光滤光器，这明显增加了照相机的成本。

此外，提供一个特定的预定色彩特性曲线也非易事。一般而言，设计者必须使用一个或多个透射曲线不受其控制的滤光器。例如，利用颜料滤光器获得的滤光器特性曲线都无法与用于确定人类观察者在每一个像素上感觉到的色彩的标准滤光器特性曲线相匹配。考虑下述应用，在该应用中，某光源的色彩将被复制在打印机上，用于人类观察者的观看。虽然光源可能包括非常复杂的光谱，但是眼睛感觉到的光源只有一种色彩，其能通过组合来自三种色彩源的光而被复制。利用诸如CIE 1931标准的某种标准化色彩系统对打印机进行校正。给定在标准系统中代表具有RGB光谱模式的光强度的RGB值，打印机就会产生正确的色彩。即人类观察者将感觉到纸具有和光源一样的色彩，即使纸发出的光谱和所述光的光谱不同。

传感器利用颜料滤光器测量到的RGB值衡量由颜料滤光器透射曲线确定的加权波长波段中的光强度。用颜料滤光器光探测器测量到的强度表示为R’G’B’。一般而言，这些R’G’B’值与作为标准的理想滤光器所获得的RGB值不同，因为滤光器的权重函数不一样。因此，如果这些基于颜料的数值被传送至打印机，打印机产生的色彩将不同于输入到色彩传感器的光的色彩。

采用干涉技术能制造出具有更令人满意的色彩特性曲线的滤光器；但是，很难将这些滤光器构造到小面积的光电二极管上。因此，这些滤光器不能被用于其中需要非常小的像素尺寸的彩色照相机等。干涉滤光器是通过沉积多层具有不同折射率的透明电介质薄膜层构造出来的。通过改变电介质的折射率和厚度来设定波长和滤光器特性。这给滤光器特性设计提供了很大的灵活性。但是，此项技术不适合CCD照相机芯片，因为对于高分辨率的照相机，很难图案化出单个的像素。因此，对于使用干涉滤光器的照相机，需要三个独立芯片上的三个独立阵列。每个芯片探测一种色彩的光的图像。三种单色图像再被结合起来，以提供最终的彩色图像。鉴于每个芯片只需要一种滤光器来覆盖整个芯片，也就消除了制造小的单个的光电二极管尺寸的滤光器所带来的问题。但是，需要三个独立的照相机芯片会增加成本和照相机光学系统的复杂性。此外，每个芯片可利用的光强度都会被除以因子3，这就增加了进行色彩测量所需要的光的量。

发明内容

本发明包括一种色彩滤光器(color filter)和制造该色彩滤光器的方法。所述的色彩滤光器具有基本滤光器层和第一修饰滤光器。基本滤光器层对光是部分透明的，并具有作为波长的函数的透射函数。所述透射函数也作为所述基本滤光器层上的空间位置的函数而变化。基本滤光器在基本滤光器层中的第一位置上，透射第一特征波长周围的第一波段波长的光，并且在基本滤光器层中的第二位置上，透射第二特征波长周围的第二波段波长的光。第一修饰滤光器包含上覆于所述的第一和第二位置的一层材料，并优先衰减第一修饰波长的光，所述的第一修饰波长处在第一和第二特征波长之间。第一修饰滤光器具有作为波长的函数的透射函数，所述透射函数在所述第一和第二位置上是基本相同的。在一个实施方式中，第一修饰滤光器还优先衰减第二修饰波长的光。在此实施方式中，所述第一修饰波长小于所述第一和第二特征波长中的一个，并且第二修饰波长大于该特征波长。在一个实施方式中，第一修饰滤光器包括干涉滤光器。在一个实施方式中，基本滤光器层包括位于所述第一位置上的第一颜料滤光器和位于所述第二位置上的第二颜料滤光器。在一个实施方式中，色彩滤光器还包括第二修饰滤光器。第二修饰滤光器包括优先衰减第二波长的光的一层材料，所述第二波长不同于所述特征波长和所述第一修饰波长中的每一个。在一个实施方式中，颜料滤光器位于第一和第二修饰滤光器之间。

附图说明

图1示出了利用典型的红色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线与CIE 1931红色的色彩特性曲线的不相同程度。

图2比较了利用典型的绿色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线与用于CIE 1931绿色的色彩特性曲线。

图3比较了利用典型的蓝色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线与用于CIE 1931蓝色的色彩特性曲线。

图4是利用了根据本发明一个实施方式的滤光器的色彩传感器的横截面视图。

图5比较了一些典型的颜料滤光器的透射曲线。

图6示出了位于根据本发明一个实施方式的滤光器下方的光电二极管的响应曲线。

图7-9是在制造过程的各个阶段中，沿利用根据本发明的另一个实施方式的滤光器的色彩传感器阵列的一部分的横截面视图。

图10是利用根据本发明的滤光器的色彩传感器的另一个实施方式的横截面视图。

具体实施方式

参考基于CIE 1931色彩标准的色彩系统更容易理解本发明。但是，如下面将更详细地讨论的，本发明的原理也能够被应用于其他色彩系统。现在参考图1，图1示出了利用典型的红色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线与CIE 1931红色的色彩特性曲线的的不相同程度。10示出了颜料特性曲线，11示出了CIE 1931标准特性曲线。如图所示，颜料滤光片的色彩特性曲线延伸明显超出了CIE 1931标准特性曲线。类似地，如图2和图3所示，通常使用的绿色、蓝色颜料滤光器的色彩透射曲线也比CIE 1931标准中的相应的滤光器特性曲线要宽得多。图2比较了利用典型的绿色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线与用于CIE 1931绿色的色彩特性曲线。20示出了所述颜料特性曲线，21示出了CIE 1931标准特性曲线。图3比较了利用典型的蓝色颜料滤光器所获得的作为波长的函数的色彩透射曲线与用于CIE 1931蓝色的色彩特性曲线。30示出了所述颜料特性曲线，31示出了CIE 1931标准特性曲线。

本发明基于这样的发现，即，通过将上述的颜料滤光器与第二滤光器结合可以获得一组改进的色彩滤光器，其中，在所述颜料滤光器比拥有相应的标准特性曲线的滤光器透射更多的光的光谱区域中，所述第二滤光器选择性地阻挡光。颜料滤光器的透射函数随滤光器上的位置而变化，而第二滤光器的透射函数在整个滤光器上基本不变。再如图1所示，可以看出，红色颜料滤光器在光谱区域12中，比提供了标准曲线11的滤光器透过了更多的光。本发明使用了带阻滤光器(band-blocking filters)来去除此多余的透过光。我们用TPR( λ)来表示红色颜料滤光器的透射率，用TSR( λ)来表示提供标准滤光器特性曲线的滤光器的透射率。为了讨论的目的，这些滤光器将被假定为提供相同的最大透射率。在这种情况下，理想的带阻滤光器的透射率给定为

$\mathrm{TBR}\left(\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)=\mathrm{TSR}\left(\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)/\mathrm{TPR}\left(\underset{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(1\right)$

类似的带阻滤光器可以被提供给其它颜料滤光器，以将所得到的复合滤光器设计为更接近人们想要的标准滤光器。基于颜料的滤光器往往具有比对于相应颜色的更理想标准透射曲线宽得多的透射曲线。例如，在图3中，32和33示出了在蓝色滤光器的透射曲线中将被阻挡的波段的位置。一般而言，颜料滤光器透射曲线中有一至二个波段必须被衰减，以将颜料滤光器的透射曲线转变成更接近理想透射曲线的透射曲线。

为简化下述讨论，上述的颜料滤光器将被称为随空间变化的基本滤光器，带阻滤光器将被称为通用光谱修饰滤光器。本发明利用了这样的发现，即若干通用光谱修饰滤光器能被组合成一个单个的复合滤光器，该复合滤光器在每一个将被阻挡的波段上具有透射率最小值。这样的滤光器的构造方式将在下面被更详细地讨论。为了本讨论的目的，注意到每一通用光谱修饰滤光器在不同于被滤光器阻透的波段的光谱区域都理想地具有基本百分之百的透射率就足够了。因此，如果多个这样的滤光器被堆叠起来，则在被阻透波段之间的光谱区域透射率基本不变。从而，包括一叠这样的修饰滤光器的一个复合滤光器可以被放置在红色、蓝色和绿色的颜料滤光器之下或之下。故而较之单个的颜料滤光器的物理尺寸更为宽大的修饰滤光器能够得以使用，并且因此，上面所讨论的尺寸限制就不是那么严重了。事实上，单个的复合修饰滤光器能被放置在整个色彩传感器阵列的上面或者下面，作为单独的一层，对几何图案化的要求即使有的话也很小。

现在参考图4，图4是利用了根据本发明一个实施方式的滤光器的色彩传感器的横截面视图。色彩传感器50包括三个光电探测器51-53。每个光电探测器被相应的颜料滤光器覆盖。61-63分别示出了与光电探测器51-53对应的滤光器。复合修饰滤光器70被用来以与上述类似的方式“修饰”颜料滤光器的透射曲线。修饰滤光器70优选放在光电探测器和颜料滤光器之间；但是，也可以构造修饰滤光器被放置在颜料滤光器之上的实施方式。

图5示出了一些典型的颜料滤光器和修饰滤光器的透射曲线。70示出了修饰滤光器的归一化透射曲线，71-73分别示出了红色、蓝色和绿色的颜料滤光器的归一化透射曲线。在图6中，81-83分别示出了在滤光器下面的探测红、蓝和绿光的光电二极管的响应曲线。为了本讨论的目的，颜料滤光器将定义为，通过优先吸收特定波长的光来诱发滤光器材料的两个原子或分子能量状态之间的转变，从而改变透过它的光的色彩光谱的任何滤光器。从富士胶片株式会社(Fuji Films)可获得利用传统的光刻技术能图案化的颜料滤光器。

下面将更详细地讨论构造修饰滤光器的方法。优选的带阻滤光器是一种干涉滤光器，该干涉滤光器是由多个厚度一致的透明层构成的，其中相邻的层有着不同的折射率。这种类型的滤光器在本领域是公知的，故而此处不予赘述。为了本讨论的目的，只要注意到一叠这样的层会阻挡具有由层厚度和折射率所决定的波长的光就足够了。其它波长的光不会被阻挡，因而几乎不被衰减地通过这些叠层。因此，许多这样的滤光器可以被堆叠起来，以提供一个复合滤光器，在一个预定波长组中的每一个波长的光都被该复合滤光器阻挡，而不在预定波长组中的波长的光则被该复合滤光器透射。

现在参考图7-9，图7-9是在制造过程的各个阶段中，沿利用根据本发明的另一个实施方式的滤光器的色彩传感器阵列100的一部分的横截面视图。参考图7，该过程是从其中构造有多个光电二极管的衬底101开始的。示例性的光电二极管组如102和110所示。每个光电二极管组包括三个独立的光电二极管111-113。

现在参考图8，衬底101被置于一个沉积室内，复合干涉滤光器的各个层被沉积在衬底表面上。鉴于干涉滤光器在本领域是公知的，故而在此将不详细讨论构造这些滤光器的细节。121和123示出了与被阻透的波段中的两个相对应的层。应当注意到，在沉积过程中衬底无须从生长腔中移出来，因为各个层的组分和厚度都可以通过调节用于每一层的前驱体组分及沉积时间来控制。因此，该工艺既经济又产量高。

现在参考图9，接着利用传统的光刻技术，将颜料滤光器沉积到带阻滤光器层的顶面上。在此实施方式中，使用透射红、蓝和绿色的颜料滤光器。131-133示出了示例性的颜料滤光器。

本发明的上述实施方式采用颜料滤光器来提供基本的色彩过滤功能，采用干涉滤光器来调整颜料滤光器的透射曲线的边缘，使其更接近地匹配目标透射函数。但是，本发明并不局限于这种特定的滤光器种类的结合。在更普遍的情况中，任何能够被令人满意地图案化的滤光器材料都可被用来代替颜料滤光器。例如，采用着色的光阻材料(photoresist)的颜料滤光器也是可以被使用的。类似地，可以在一个或多个颜料滤光器上被构造得到的任何形式的带阻滤光器都能被用来改变颜料滤光器的透射曲线，以更接近地匹配目标滤光器函数。例如，可以使用基于其它颜料的带通滤光器(band-pass filters)，如果所述颜料不具有干扰利用不同颜料区域的操作的吸收带的话。

现在参考图10，图10是利用根据本发明的滤光器的色彩传感器的另一个实施方式的横截面视图。虽然上述实施方式利用了在颜料滤光器之前沉积的修饰滤光器，但是也可以构造其中修饰滤光器被置于颜料滤光器之上的实施方式。当修饰滤光器是由需要的沉积条件将会损坏颜料滤光器的材料来构建的，且修饰滤光器将被沉积在光电探测器之上时，必须首先施加修饰滤光器。但是，也可以构造其中修饰滤光器被单独构造且然后被结合或者被安装到颜料滤光器之上的实施方式。通过将缓冲层204施加到颜料滤光器之上且然后将修饰滤光器层210结合到缓冲层上，色彩传感器阵列200使用了位于颜料滤光器201-203之上的修饰滤光器层210。

此外，在特定的环境下，也可以有利地使用其中修饰滤光器中的一部分被施加在颜料滤光器之下而另一部分被施加在颜料滤光器之上的修饰滤光器布置。例如，在许多不同的颜料滤光器布置中，去除红外光的修饰滤光器可能是有用的。因此，该滤光器可以被结合到光电二极管之上，以提供新的起始衬底，该起始衬底可以被用于构造基于不同颜料滤光器和/或修饰滤光器的许多不同的色彩传感器阵列。在图10中，212示出了这样的位于下面的滤光器。

虽然优选式(1)的上述理想修饰滤光器，但是可以使用其它的不那么理想的修饰滤光器，并且仍然可以提供显著的优点。一般来说，如果修饰滤光器和颜料滤光器的组合比单独的颜料滤光器的透射曲线更接近地匹配目标滤光器函数，本发明将具有优点。

本发明的上述实施方式已经根据CIE 1931标准滤光器进行了描述。但是，本发明的原理可以适用于制造使用其它滤光器标准的色彩传感器阵列。此外，色彩传感器中颜料滤光器的数量不限于3个。

如上所提及的，理想修饰滤光器利用不吸收波长在被阻波段之间的光的带阻滤光器。但是，应该注意，在这些区域中一定的吸收是被容许的。如果修饰滤光器在被阻波段之间的透射曲线是基本恒定的，则可以通过调节与正被讨论的色彩传感器相关联的光电探测器的增益，来校正任何的吸收。

本发明的上述实施方式已经根据色彩传感器阵列进行了说明。但是，根据本发明的滤光器可以被用于任何需要其透射曲线随空间变化的透射滤光器的应用。

通过前面的描述和附图，对于本发明的技术人员来说，本发明的各种修改将变得明显。因此，本发明将仅仅由所附权利要求的范围来限定。

Claims (11)

1.一种色彩滤光器，包括：

对光部分透明的基本滤光器层，所述基本滤光器层具有作为波长的函数的透射函数，所述透射函数作为所述基本滤光器层上的空间位置的函数而变化，所述基本滤光器在所述基本滤光器层中的第一位置上，透射第一特征波长周围的第一波段波长的光，并且在所述基本滤光器层中的第二位置上，透射第二特征波长周围的第二波段波长的光；和

第一修饰滤光器，所述第一修饰滤光器包含上覆于所述第一和第二位置的一层材料，并优先衰减第一修饰波长的光，而所述第一修饰波长处在所述第一和第二特征波长之间，所述第一修饰滤光器具有作为波长的函数的透射函数，所述透射函数在所述第一和第二位置上是基本相同的。

2.如权利要求1所述的色彩滤光器，其中，所述第一修饰滤光器还优先衰减第二修饰波长的光，所述第一修饰波长小于所述第一和第二特征波长中的一个，并且所述第二修饰波长大于该特征波长。

3.如权利要求1所述的色彩滤光器，其中所述第一修饰滤光器包括干涉滤光器。

4.如权利要求1所述的色彩滤光器，其中所述基本滤光器层包括位于所述第一位置上的第一颜料滤光器和位于所述第二位置上的第二颜料滤光器。

5.如权利要求4所述的色彩滤光器，其中所述第一和第二颜料滤光器位于所述第一修饰滤光器层上。

6.如权利要求1所述的色彩滤光器，还包括第二修饰滤光器，所述第二修饰滤光器包括优先衰减第二波长的光的一层材料，所述第二波长不同于所述特征波长和所述第一修饰波长中的每一个。

7.如权利要求6所述的色彩滤光器，所述颜料滤光器位于所述第一和第二修饰滤光器之间。

8.一种制造色彩滤光器的方法，该方法包括：

将第一修饰滤光器层结合到衬底；

将对光部分透明的基本滤光器层结合到所述第一修饰滤光器层，所述基本滤光器层具有作为波长的函数的透射函数，所述透射函数作为所述基本滤光器层上的空间位置的函数而变化，所述基本滤光器在所述基本滤光器层中的第一位置上，透射第一特征波长周围的第一波段波长的光，并且在所述基本滤光器层中的第二位置上，透射第二特征波长周围的第二波段波长的光；

其中所述第一修饰滤光器层包含上覆于所述第一和第二位置的一层材料，该层材料优先衰减第一修饰波长的光，而所述第一修饰波长处在所述第一和第二特征波长之间，所述第一修饰滤光器具有作为波长的函数的透射函数，所述透射函数在所述第一和第二位置上是基本相同的。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一修饰滤光器层还优先衰减第二修饰波长的光，所述第一修饰波长小于所述第一和第二特征波长中的一个，并且所述第二修饰波长大于该特征波长。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述第一修饰滤光器层包括多个透明层，在所述多个透明层中，相邻层具有不同的折射率。

11.如权利要求8所述的方法，还包括将第二修饰滤光器层结合到所述色彩滤光器层，使得所述色彩滤光器层处在所述第一和第二修饰滤光器层之间，其中所述第二修饰滤光器层包括覆盖所述第一和第二位置的一层材料，并且优先衰减第二修饰波长的光，所述第二修饰波长不同于所述第一修饰波长、所述第一特征波长和所述第二特性波长，所述第二修饰滤光器层具有作为波长的函数的透射函数，所述透射函数在所述第一和第二位置上基本相同。

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