DE102018202777A1

DE102018202777A1 - Farbsensor mit Mikrolinsen umfassenden winkelselektiven Strukturen

Info

Publication number: DE102018202777A1
Application number: DE102018202777.3A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Tschekalinskij; Stephan Junger; Sönke Steenhusen; Matteo Groß
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2019-08-29

Abstract

Bei einem Farbsensor mit wenigstens einem photosensitiven Element und wenigstens einem Farbfilter ist zwischen der Lichteintrittsseite und der photosensitiven Fläche des photosensitiven Elements wenigstens ein Array aus Mikrolinsen und den Mikrolinsen zugeordneten Blenden über der photosensitiven Fläche ausgebildet. Die Blenden sind derart zwischen den Mikrolinsen und der photosensitiven Fläche angeordnet und Abstand und Dimensionen der Mikrolinsen und Blenden sind so gewählt, dass das Array aus Mikrolinsen und den Mikrolinsen zugeordneten Blenden jeweils nur Anteile der auf der Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallenden optischen Strahlung auf die photosensitive Fläche gelangen lässt, die innerhalb eines begrenzten Einfallswinkelbereichs auf die Lichteintrittsseite treffen. Der Farbsensor lässt sich dadurch mit geringer Dicke realisieren und weist dennoch eine hohe Messgenauigkeit auf.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Farbsensor mit wenigstens einem photosensitiven Element und wenigstens einem Farbfilter, durch das auf eine Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallende optische Strahlung gefiltert wird, bevor sie auf eine photosensitive Fläche des photosensitiven Elements trifft.
Optische Farbsensoren kommen bspw. in Kolorimetern, für die Farberkennung in Druckmaschinen und in der Textilindustrie, zur Farbregelung von LED-Leuchten oder in der Analytik zum Einsatz. Sie nutzen in der Regel Interferenzfilter oder plasmonische Filter als Farbfilter vor dem photosensitiven Element. Derartige Filter zeigen eine starke Winkelabhängigkeit. Bei nicht senkrecht auftreffender Strahlung verschiebt sich die zentrale Wellenlänge des Durchlassbereiches der Filter in den kurzwelligen Bereich. Diese Verschiebung ist abhängig vom Einfallswinkel, der Brechzahl des Filters und der Wellenlänge: $λ_{1} = λ_{0} {(1 - {sin}^{2} Θ / n^{2})}^{1 / 2}$
wobei 9 dem Einfallswinkel, λ₁ der Peak-Wellenlänge bei dem Einfallswinkel θ, λ₀ der Peak-Wellenlänge bei senkrechtem Einfall (9 = 0°) und n dem effektiven Brechungsindex des Farbfilters entsprechen. Bei plasmonischen Filtern ist dieser Effekt stärker ausgeprägt als bei Interferenzfiltern. Die Filtercharakteristik wird schon ab einem Einfallswinkel von 10° breiter und es tritt eine starke zusätzliche Dämpfung auf. Dieses Verhalten hat einen signifikanten negativen Einfluss auf die Genauigkeit der Messungen mit einem derartigen Farbsensor.
Stand der Technik
Zur Gewährleistung einer hohen Messgenauigkeit werden bei Farbsensoren winkelselektive Strukturen eingesetzt, die nur optische Strahlung auf das photosensitive Element gelangen lassen, die unter einem entsprechend kleinen Einfallswinkelbereich auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors trifft. Dies kann durch einen zusätzlichen mechanischen Aufbau auf dem Farbsensor realisiert werden. Sehr oft besteht dieser Aufbau aus einem Schacht mit einer kleinen Öffnung, die den maximalen Einfallswinkel festlegt. Bei einem Farbsensor, der vollständig in Halbleitertechnologie hergestellt wurde, ist der mechanische Aufbau jedoch viel größer als der Farbsensor selbst. Eine Integration einer derartigen winkelselektiven Struktur in Halbleitertechnologie lässt sich für photosensitive Elemente mit größerer photosensitiver Fläche mit Mikrostrukturierung nicht realisieren, weil in diesem Fall der CMOS-Schichtstapel über der photosensitiven Fläche, der normalerweise eine Dicke von ≤ 10 µm aufweist, etwa 1 mm oder höher sein müsste, um eine gute Filterwirkung zu erreichen. Da optische Farbsensoren im Unterschied zu Bildsensorelementen einer RGB-Kamera für eine absolut genaue Messung von Farbtemperatur und Farbort eingesetzt werden, benötigen sie jedoch ein entsprechend großflächiges photosensitives Element mit geringem Rauschen und hoher Empfindlichkeit. So haben üblicherweise Photodioden, die in optischen Farbsensoren zur Farbmessung eingesetzt werden, eine photosensitive Fläche von ≥ 20 × 20 µm. Demgegenüber sind die Bildsensorelemente bzw. -pixel in RGB-Kameras in der Regel deutlich kleiner und haben eine Pixelgröße von ≤ 5 × 5 µm. In derartigen Bildsensoren für RGB-Kameras werden sog. Cross-Talk-Filter in Form von Wellenleitern oder Mikrolinsen eingesetzt, um ein Übersprechen zwischen den einzelnen Pixeln zu verhindern. Hierbei geht es nicht um eine Begrenzung des Einfallswinkels im Hinblick auf die spektrale Filterung, sondern lediglich um die Vermeidung des Übersprechens zwischen den einzelnen Pixeln.
So beschreibt bspw. die US 2006/0113622 A1 eine Struktur zur Vermeidung des Übersprechens von Bildsensorelementen, bei dem über jeder Photodiode ein optischer Wellenleiter in den Schichtstapel aus dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten eingebettet ist, der durch eine Begrenzung aus einer reflektierenden oder absorbierenden Schicht das Übersprechen in benachbarte Bildsensorelemente verhindert.
Aus der US 2009/0295953 A1 ist ein Bildsensor mit einem Array aus Bildsensorelementen bekannt, bei dem für jedes Bildsensorelement durch Strukturierung der metallischen Schichten im CMOS-Schichtstapel eine Blendenanordnung gebildet wird, die einen Linseneffekt zur Fokussierung der einfallenden Strahlung auf die jeweilige Photodiode des Bildsensorelementes haben soll.
Aus der US 2014/0197301 A1 ist ein Bildsensor mit einem Array aus Bildsensorelementen bekannt, bei dem für jedes Bildsensorelement ein Lichtwellenleiter in den CMOS-Schichtstapel integriert ist. Zusätzlich wird vorgeschlagen, elektrische Durchkontaktierungen in den dielektrischen Schichten des Schichtstapels so auszubilden, dass sie einen oder mehrere geschlossene Ringe um den jeweiligen Wellenleiter herum bilden. Auch durch diese Maßnahmen soll das Übersprechen zwischen den einzelnen Bildsensorelementen verhindert werden.
Jedem Bildsensorelement ist bei den vorgenannten Druckschriften auch jeweils eine Mikrolinse an der Lichteintrittsseite zugeordnet, über die das einfallende Licht gesammelt und auf das Bildsensorelement gerichtet wird.
Diese zur Vermeidung des Übersprechens bei Bildsensoren für Kameras eingesetzten Cross-Talk-Filter sind für die dort vorliegenden kleinen photosensitiven Flächen einzelnen Bildsensorelemente bzw. Pixel in den CMOS-Schichtstapel integrierbar. Sie müssen außerdem nur das Übersprechen zwischen den einzelnen Pixeln verhindern und dienen nicht der Begrenzung des Einfallswinkels für eine möglichst genaue spektrale Filterung. Um eine derartige Begrenzung des Einfallswinkels für eine großflächige Photodiode zu erreichen, wie sie bei optischen Farbsensoren eingesetzt wird, müsste der CMOS-Schichtstapels um ein Vielfaches erhöht werden.
In der DE 10 2010 011 577 A1 wird ein Lösungsweg für eine winkelabhängige Farbkorrektur bei einer Farbmessung mit Farbsensoren beschrieben, der keine zusätzliche winkelselektive Struktur am Farbsensor erfordert. Die gesamte Farbkorrektur findet in einem Rechner statt. Dies ist eine gute Lösung für Druckmaschinen, bei denen der Einfallswinkel des Lichts durch zusätzliche Optiken ausreichend eingegrenzt werden kann. In der allgemeinen Praxis ist damit eine Messung jedoch schwierig zu realisieren, weil das Nutzsignal (Licht mit Einfallswinkel < 20°) aus dem gesamten Signal (Licht mit Einfallswinkel > 20°) ausgefiltert werden soll. In der Regel trifft das gesamte Winkelspektrum von ± 80° auf den Farbsensor.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Farbsensor mit winkelselektiven Strukturen anzugeben, der sich mit geringer Dicke realisieren lässt und eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Farbsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Farbsensors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Der vorgeschlagene Farbsensor weist wenigstens ein photosensitives Element mit einer photosensitiven Fläche von vorzugsweise ≥ 10 × 10 µm sowie wenigstens ein Farbfilter auf, durch das auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallende optische Strahlung gefiltert wird, bevor sie auf die photosensitive Fläche des photosensitiven Elements trifft. Das Farbfilter ist zwischen der Lichteintrittsseite des Farbesensors und der photosensitiven Fläche angeordnet. Bei Realisierung des Farbsensors mit einem Schichtstapel aus dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten kann das Farbfilter sowohl auf dem Schichtstapel als auch zwischen Schichtstapel und photosensitiver Fläche angeordnet oder auch in den Schichtstapel integriert sein. Das photosensitive Element ist vorzugsweise als Photodiode realisiert. Der vorgeschlagene Farbsensor zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Lichteintrittsseite und der photosensitiven Fläche wenigstens ein Array aus Mikrolinsen und den Mikrolinsen zugeordneten Blenden über der photosensitiven Fläche ausgebildet ist. Die Blenden sind zwischen den Mikrolinsen und der photosensitiven Fläche angeordnet und Abstand und Dimensionen der Mikrolinsen und Blenden so gewählt, dass das Array aus Mikrolinsen und den Mikrolinsen zugeordneten Blenden jeweils nur Anteile der auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallenden optischen Strahlung auf die photosensitive gelangen lässt, die innerhalb eines begrenzten Einfallswinkelbereichs auf die Lichteintrittsseite treffen. Der begrenzte Einfallswinkelbereich beträgt dabei vorzugsweise ≤ 20°, besonders bevorzugt ≤ 10°. Unter einem Array ist hierbei eine Anordnung einer Vielzahl einzelner Elemente nebeneinander zu verstehen, die beispielsweise in Form von Reihen und Spalten angeordnet sein können. Das Array aus Mikrolinsen umfasst im vorliegenden Farbsensor vorzugsweise mindestens drei Mikrolinsen, besonders bevorzugt jedoch ≥ 9 Mikrolinsen. Jeder Mikrolinse ist bei dem vorgeschlagenen Farbsensor eine separate Blende zugeordnet - bei einer Anzahl von n Mikrolinsen gibt es als n Blenden -, wobei die jeweiligen Paare aus jeweils einer Mikrolinse und einer Blende die winkelselektive Struktur bilden.
Ein in Halbleitertechnologie hergestellter Farbsensor ist in der Regel aus wenigstens einem photosensitiven Element, insbesondere einer Photodiode, und strukturierten Metallschichten als elektrische Kontaktierungen aufgebaut, die durch dielektrische Schichten getrennt sind. Über diesem Schichtstapel aus metallische Strukturen bildenden Metallschichten und dielektrischen Schichten befindet sich ein Farbfilter. Das Farbfilter kann auch unterhalb oder innerhalb des Schichtstapels angeordnet sein. Als Farbfilter können dabei, wie auch beim vorgeschlagenen Farbsensor, auch nanostrukturierte Metall- oder dielektrische Schichten eingesetzt werden, die Farbfilterwirkung haben. Bei dem vorgeschlagenen Farbsensor wird zur Begrenzung des Einfallswinkels der auf den Farbsensor einfallenden Strahlung, die auf die photosensitive Fläche trifft, ein Array aus Mikrolinsen und zugeordneten Blenden als winkelselektive Struktur eingesetzt, deren Kombination den Einfallswinkel durch ihre Dimensionierung und durch den Abstand zwischen Mikrolinsen- und Blendenarray entsprechend begrenzen. Durch Einsatz eines Arrays derartiger Paare aus Mikrolinsen und zugeordneten Blenden je photosensitivem Element anstelle einer einzelnen Durchgangspassage oder Mikrolinse wie im Stand der Technik kann die Höhe dieser winkelselektiven Struktur auch bei einem bei Farbsensoren eingesetzten großflächigen photosensitiven Element niedrig gehalten werden. Damit lässt sich ein derartiger Farbsensor mit einer entsprechend geringen Höhe realisieren. Die winkelselektive Struktur entspricht dabei Bereichen, durch die die einfallende Strahlung ohne größere Verluste passieren kann, wenn sie mit einem Einfallswinkel innerhalb des begrenzten Einfallswinkelbereiches in die Bereiche eintritt. Die Begrenzung dieser Bereiche erfolgt durch geeignete Strukturen, die auftreffende Strahlung so absorbieren oder reflektieren, dass diese den Bereich nicht oder nur zu einem geringen Anteil passieren kann. Das Array aus Mikrolinsen und zugeordneten Blenden wird im Folgenden auch als Winkelfilter, die einzelnen Paare aus je einer Mikrolinse und einer Blende werden auch als Winkelfilterelemente bezeichnet.
Das Array aus Winkelfilterelementen umfasst dabei vorzugsweise wenigstens 3 × 3 Elemente bzw. Mikrolinsen mit zugeordneten Blenden über oder vor der photosensitiven Fläche. Die Anzahl der Winkelfilterelemente hängt dabei in erster Linie von der Größe der photosensitiven Fläche und der erforderlichen Begrenzung des Einfallswinkels ab. Die Mittenabstände (pitch) der einzelnen Winkelfilterelemente bzw. Mikrolinsen betragen vorzugsweise zwischen dem 1- und 2-fachen der lateralen Ausdehnung bzw. des Öffnungsdurchmessers der Mikrolinsen. Die Brennweite der bei dem vorgeschlagenen Farbsensor eingesetzten Mikrolinsen beträgt vorzugsweise ≥ 10µm, um für die gewünschte Winkelselektivität starke Beugungseffekte an den jeweiligen Blenden zu vermeiden.
In einer Ausgestaltung des Farbsensors mit einem Schichtstapel aus dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten vor bzw. über dem photosensitiven Element können die den Mikrolinsen zugeordneten Blenden beispielsweise durch eine oder mehrere der strukturierten metallischen Schichten gebildet sein. Die den Mikrolinsen zugeordneten Blenden können jedoch auch oberhalb oder unterhalb des Schichtstapels aus den dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das photosensitive Element in einer derartigen Ausgestaltung mit dem Schichtstapel aus dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten in Halbleitertechnologie, insbesondere in CMOS-Technologie hergestellt.
Unter dem Farbsensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht nur ein Farbsensor mit mehreren Farbkanälen bzw. photosensitiven Elementen zu verstehen, im Folgenden auch als Multispektralsensor bezeichnet, die entsprechend unterschiedliche Farbanteile detektieren und alle mit einem Farbfilter und einem Winkelfilter sowie ggf. einem Schichtstapel gemäß der vorangegangenen Beschreibung versehen sind. Vielmehr kann der vorgeschlagene Farbsensor auch als Primärfarbsensor ausgebildet sein, der dann nur ein photosensitives Element aufweist und nur einen durch das Farbfilter vorgegebenen Spektralbereich detektiert. Farbsensoren gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich beispielsweise in Kolorimetern, für die Farberkennung in Druckmaschinen und in der Textilindustrie, zur Farbregelung von LED-Leuchten oder in der Analytik sowie für Agrar- und medizintechnische Anwendungen einsetzen. Dies ist keine abschließende Aufzählung. Durch die Möglichkeit des sehr flachen Aufbaus, bei dem die Höhe des Winkelfilters im Bereich von 100µm oder darunter betragen kann, lässt sich ein entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildeter, ultradünner Farbsensor sehr gut direkt in eine LED-Leuchte oder ein mobiles Gerät wie bspw. ein Smartphone integrieren. Der vorgeschlagene Farbsensor, auch in Form eines mehrere Farbfilter und photosensitiven Elemente umfassenden Multispektralsensors, ist für die Massenfertigung, beispielsweise mit CMOS und Nanoimprint-Technologie, geeignet.
Figurenliste
Der vorgeschlagene Farbsensor wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein Beispiel für den Aufbau eines Farbsensors mit neun Farbkanälen;
2A ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Farbsensors in Draufsicht;
2B ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Farbsensors im Querschnitt;
3A-C ein Beispiel für die winkelselektive Wirkung eines Winkelfilterelementes der Ausgestaltung der 2A/B bei unterschiedlichen Einfallswinkeln der Strahlung;
4A ein weiteres Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Farbsensors in Draufsicht;
4B ein weiteres Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Farbsensors im Querschnitt;
5A ein weiteres Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Farbsensors in Draufsicht;
5B ein weiteres Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Farbsensors im Querschnitt;
6A-C drei Beispiele für Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Farbsensors für unterschiedliche Einfallswinkelbereiche;
7A eine Darstellung unterschiedlicher Raumwinkel, für die die winkelselektiven Strukturen des vorgeschlagenen Farbsensors ausgebildet sein können;
7B eine vereinfachte Darstellung eines Arrays aus Farbsensoren, die mit unterschiedlichen Winkelfiltern und spektralen Filtern ausgestattet sein können; und
8 ein Beispiel für den Aufbau eines Farbsensors mit winkelselektiver Struktur gemäß dem Stand der Technik.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein als Multispektralsensor ausgebildeter optischer Farbsensor weist in der Regel mehrere Farbkanäle bzw. Farbsensorelemente auf, die unterschiedliche Spektralanteile der einfallenden Strahlung detektieren. 1 zeigt beispielhaft im linken Teil eine Draufsicht auf einen optischen Farbsensor 1 mit neun Farbsensorelementen 2, auch als Farbkanäle bezeichnet, für die Messung von Farbort und Farbtemperatur oder die Abschätzung des Spektrums der einfallenden Strahlung, der in Halbleitertechnologie hergestellt wurde. Jedes dieser Farbsensorelemente 2 weist eine großflächige Photodiode 3, einen über der Photodiode 3 angeordneten CMOS-Schichtstapel 4 und ein optisches Farbfilter 8 auf. Das optische Farbfilter 8 kann bspw. als farbiges Polymermaterial, als Interferenzfilter oder auch aus einer nanostrukturierten metallischen oder dielektrischen Schicht gebildet sein, wobei die Filterwirkung durch die Nanostrukturierung erreicht wird. Im vorliegenden Beispiel verfügt jedes Farbsensorelement 2 über ein anderes Farbfilter, wie dies mit den unterschiedlichen Wellenlängenangaben im linken Teil der 1 angedeutet ist, die die jeweilige zentrale Durchlasswellenlänge (Peak-Wellenlänge) des Farbfilters angeben. Die Photodiode 3 weist in der Regel eine Fläche von ≥ 20 × 20 µm auf, um die für die genaue Messung von Farbtemperatur und Farbort erforderliche hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Im CMOS-Schichtstapel 4 sind vertikale Durchkontaktierungen 7 und horizontale Verdrahtungen ausgebildet, die in einem Dielektrikum eingebettet sind. Es handelt sich dabei um einen Schichtstapel aus dielektrischen Schichten 5 und strukturierten metallischen Schichten 6, durch die die horizontalen Verdrahtungen gebildet werden. Das Farbfilter 8 kann grundsätzlich entweder oberhalb oder unterhalb des CMOS-Schichtstapels 4 oder auch innerhalb dieses Schichtstapels, also zwischen den metallischen Schichten 6, angeordnet sein. Auch der vorliegende Farbsensor kann einen derartigen Aufbau aufweisen, wobei dann noch das Array aus Mikrolinsen und zugeordneten Blenden hinzukommt.
Für eine genaue Farbmessung ist es aufgrund der Winkelabhängigkeit des Farbfilters erforderlich, den Einfallswinkel der auf die Photodiode auftreffenden und von der Photodiode detektierten Strahlung stark zu begrenzen. Hierzu wird gemäß dem Stand der Technik bspw. ein mechanischer Aufbau auf dem Sensorelement realisiert, wie er in 8 schematisch dargestellt ist. Diese winkelselektive Struktur ist in Form eines Zylinders 11 mit zwei Blenden 10 aufgebaut. Das Verhältnis zwischen den Durchmessern der Blenden 10 und der Höhe b des Zylinders 11 definiert den Empfangswinkel der einfallenden Strahlung. Allerdings muss für die in der Regel erforderlichen Einfallswinkel von ≤ 10° bei den bei Farbsensoren eingesetzten großflächigen Photodioden eine Höhe b dieses Aufbaus gewählt werden, der die Dicke c des Sensorelementes weit übersteigt. So lässt sich ein in Halbleitertechnologie mit einem CMOS-Schichtstapel realisiertes Farbsensorelement mit einer Dicke c von etwa 10 µm herstellen, während die Höhe des mechanischen Aufbaus b für die erforderliche Winkelselektivität etwa 10 mm beträgt. Derartige Farbsensoren bzw. Farbsensorelemente lassen sich dann für viele Anwendungen nicht einsetzen, die einen entsprechend flachen Aufbau des Farbsensors erfordern.
Bei dem vorgeschlagenen Farbsensor wird diese Problematik dadurch gelöst, dass als winkelselektive Struktur ein Array aus Mikrolinsen und zugehörigen Blenden, im Folgenden auch als Winkelfilter bezeichnet, für jedes Farbsensorelement bzw. jede Photodiode eingesetzt wird. Dies erfolgt durch einen zusätzlichen Aufbau, der teilweise in CMOS-Technologie, teilweise als Postprocessing ausgeführt wird. Die winkelselektive Struktur begrenzt den Einfallwinkel der einfallenden Strahlung, die auf das Farbsensorelement gelangt, um die Winkelabhängigkeit des Farbsensors bzw. der Farbsensorelemente zu reduzieren. Das Winkelfilter soll das einfallende Licht mit kleinerem Einfallswinkel (< A) möglichst ohne Dämpfung durchlassen und einfallendes Licht mit größerem Einfallwinkel (> A) stark dämpfen, so dass der Einfluss von Letzterem möglichst gering ist. Das gefilterte Licht darf auch nicht in Form von gestreutem Licht oder als ein Reflex auf das Farbsensorelement treffen, sondern muss vor dem Einfallen auf das Farbsensorelement geeignet reflektiert oder absorbiert werden.
2A zeigt hierzu beispielhaft eine Draufsicht auf ein entsprechendes Farbsensorelement 2, das beispielsweise Bestandteil eines Multispektralsensors gemäß 1 sein kann. Das Farbsensorelement 2 weist eine großflächige Photodiode 3 auf, die mit einem Farbfilter 8 mit entsprechendem Transmissionsspektrum abgedeckt ist. Der innere Aufbau eines derartigen Farbsensorelements ist in 2B ausschnittsweise im Querschnitt dargestellt. Der hierbei eingesetzte Winkelfilter besteht aus dem Mikrolinsenarray 12 und einem davon beabstandeten Blendenarray 13. Durch Nutzung eines Arrays aus entsprechenden Winkelfilterelementen 14 jeweils bestehend aus einer Mikrolinse und einer zugeordneten Blende über der Photodiode 3 kann die Höhe dieser winkelselektiven Struktur deutlich geringer ausfallen als beim Stand der Technik. Die Höhe wird hierbei im Wesentlichen durch den erforderlichen Abstand zwischen den Mikrolinsen 9 des Mikrolinsenarrays 12 und den Blenden des Blendenarrays 13 vorgegeben. Der Abstand wird im vorliegenden Beispiel durch eine optisch transparente Abstandsschicht 15 zwischen dem Mikrolinsenarray 12 und dem Blendenarray 13 gewährleistet.
Die Funktionsweise eines einzelnen Winkelfilterelements 14, durch die gestrichelte Umrandung in der 2B angedeutet, wird im Folgenden anhand der 3A bis 3C näher erläutert. In jedem dieser Figuren ist ein Array- bzw. Winkelfilterelement 14 mit der Mikrolinse 9 des Mikrolinsenarrays, der zugehörigen Blende 13a des Blendenarrays, der Abstandsschicht 15 sowie dem Siliziumsubstrat 17 mit integrierter Photodiode dargestellt. Ein einfallender Strahl 18 mit einem Einfallswinkel < A(max) wird mit der Mikrolinse 9 fokussiert und gelangt fast ohne Abschwächung durch die Öffnung 16 der Blende 13a auf die Photodiode ( 3A). 3B zeigt eine Situation, bei der der Einfallswinkel des einfallenden Strahls 18 dem Grenzwinkel A(max) des Winkelfilters entspricht. Hier passiert der einfallende Strahl 18 die Blendenöffnung 16 gerade noch am Rand und trifft auf die Photodiode. Bei einem Einfallswinkel > A(max) kann der einfallende Strahl 18 nach der Fokussierung durch die Mikrolinse 9 die Blendenöffnung 16 nicht mehr passieren und wird durch die Blende 13A blockiert, insbesondere absorbiert oder reflektiert je nach Eigenschaften des Blendenmaterials. Dies ist in 3C angedeutet. Der Grenzwinkel des Winkelfilters wird bspw. bei Einsatz sphärischer Mikrolinsen durch die Brennweite f der Mikrolinse 9 und den Blendendurchmesser d der Blendenöffnung 16 definiert: $A (max) = arctan (f/ (d/2)) .$
Es könnten Mikrolinsen mit sehr kurzer Brennweite verwendet werden, beispielsweise von 2 µm oder 3 µm, wie dies bei Bildsensoren üblich ist. In diesem Fall liegt der für ein Winkelspektrum von z.B. ± 10° erforderliche Blendendurchmesser jedoch bei nur 0,7 µm. Dadurch würden an den Blenden des Winkelfilters starke Beugungseffekte auftreten und die winkelfilternde Wirkung reduzieren. Eine geeignete Brennweite der Mikrolinsen 9 des Mikrolinsenarrays liegt bei dem vorgeschlagenen Farbsensor etwa 10 µm oder darüber. Der Abstand zwischen der jeweiligen Mikrolinse 9 und der zugehörigen Blende 13a ist in etwa gleich der Linsenbrennweite f, kann jedoch auch etwas davon abweichen. Aus diesem Grund wird zwischen Mikrolinse 9 und Blende 13a die optisch transparente Schicht 15 als Abstandshalter benötigt. Diese Schicht kann beispielsweise eine Glasschicht (SiO₂) oder auch eine Polymerschicht sein. Bei Nutzung eines Farbsensors mit einem Schichtstapel aus metallischen und dielektrischen Schichten liegt diese Abstandsschicht 15 zwischen dem Schichtstapel und dem Mikrolinsenarray. Dies kann auch dadurch realisiert werden, dass die oberste dielektrische Schicht des Schichtstapels entsprechend dicker ausgeführt wird.
Das Farbfilter 8 im Farbesensorelement oder auch in den Farbsensorelementen eines Multispektralsensoraufbaus wie dem der 1 kann beliebig zwischen dem Mikrolinsenarray 12 mit den Mikrolinsen 9 und der Photodiode 3 angeordnet werden. Bei diesem Farbfilter 8 kann es sich, wie bereits angeführt, bspw. um Interferenzfilter oder auch um spektrale Filter handeln, die auf Nanostrukturen basieren.
Die Periode des bei dem Farbsensor eingesetzten Mikrolinsenarrays 12 kann in etwa dem Öffnungsdurchmesser d der eingesetzten Mikrolinsen 9 entsprechen, wie dies in der Draufsicht auf einen beispielhaften Farbsensor der 4A gezeigt ist. Diese Anordnung ist jedoch bei einem Farbsensor mit großflächiger Photodiode nicht optimal. Simulationen zeigen, dass bei einem bestimmten Einfallswinkel A1, der größer ist als der Grenzwinkel A(max) ein Übersprechen auftreten kann. Das Licht, das durch das jeweilige Nachbarelement einer Linse L1 tritt (in 4A die Linse L2), kann dabei auch durch die der Linse L1 zugeordnete Blende B1 treten und damit auf die Photodiode. Dies ist in der Querschnittsdarstellung der 4B angedeutet. Die Linse L2 fokussiert hierbei den einfallenden Strahl (gestrichelte Linie) genau auf die Blende B1, die zur Linse L1 gehört. Bei einer Periode mit einem Pitch von p = 1,05d beträgt dabei der Winkel-Cross-Talk etwa 20%.
Zur Verringerung eines derartigen Übersprechens wird daher bevorzugt ein Linsenarray verwendet, bei dem der Mittenabstand (Pitch p) der Linsen deutlich größer gewählt wird. 5A zeigt hierzu eine Draufsicht auf einen derartigen Farbsensor mit Mikrolinsenarray 12, bei dem die Periode bzw. der Pitch entsprechend größer als der Öffnungsdurchmesser d der Mikrolinsen gewählt wurde. Das entsprechende Farbsensorelement besteht wiederum aus einem Mikrolinsenarray 12 mit entsprechenden Mikrolinsen 9 und einem Blendenarray 13 mit entsprechenden Blenden B1, B2. Die Blenden können direkt in einem CMOS-Schichtstapel realisiert sein. Weiterhin ist wiederum ein Farbfilter (in der Figur nicht dargestellt), beispielsweise auf Basis von plasmonischen Strukturen, zwischen der Photodiode 3 und dem Mikrolinsenarray 12 angeordnet. Zwischen dem Mikrolinsenarray 12 und dem Blendenarray 13 befindet sich wiederum eine Abstandsschicht 15 aus optisch transparentem Material. Das Blendenarray 13 kann auch als eine zusätzliche externe Schicht realisiert werden. Der in 5A dargestellte Aufbau weist einen Mittenabstand der Mikrolinsen 9 mit einer Periode p = 2d auf. Eine Simulation hat gezeigt, dass mit einer derartigen Periode des Mikrolinsenarrays die Transmission bei einem Winkel von 20°, normiert auf die Transmission bei 0°, kleiner als 0,5% ist. 5B zeigt hierbei die Verhältnisse eines derartigen Aufbaus im Querschnitt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass der über eine Nachbarlinse L2 der Linse L1 (vgl. 5A) unter einem Winkel A1 größer als dem Grenzwinkel A(max) einfallende Lichtstrahl 18 hier nicht durch eine Blendenöffnung treten kann, sondern durch das Blendenarray 13 blockiert, d.h. reflektiert oder absorbiert wird.
Die Fläche R zwischen den einzelnen Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays kann mit Metall oder einem absorbierenden Material abgedeckt sein. Die Blenden des Blendenarrays 13 sind in diesem Beispiel als Öffnungen in einer oder mehreren Metallschichten eines CMOS-Schichtstapels realisiert. Das Licht gelangt nur durch die Blendenöffnungen zur Photodiode. Der Rest der aktiven Fläche der Photodiode kann mit der Metallschicht M1 des CMOS-Schichtstapels, d.h. der untersten Metallschicht des CMOS-Schichtstapels, oder auch mit anderen metallischen Schichten abgedeckt sein.
Das Verhältnis zwischen der Periode (Pitch p) des Arrays und dem Linsendurchmesser d definiert die Transmission und Qualität der Filterung. Bei einer größeren Periode des Arrays wird die Filterwirkung besser, die Transmission jedoch schlechter und umgekehrt. Die Erhöhung der Periode verbessert die Winkelfilterwirkung, bewirkt aber gleichzeitig eine höhere Dämpfung des senkrecht einfallenden Lichts aufgrund der Verringerung des Verhältnisses der Summe der Fläche der Linsen zur gesamten Sensorfläche. Besonders wichtig ist die Anwendung von Winkelfiltern bei Farb- oder Multispektralsensoren, die einen plasmonischen Farbfilter haben. Optische Nanostrukturen in Dielektrikum oder Metall sind sehr empfindlich gegenüber dem Einfallswinkel. In einem näher untersuchten Beispiel wurde deutlich, dass schon ab einem Einfallswinkel von 5° der Bandpassfilter auf Basis eines Locharrays um 20% breiter und die Filtertransmission um 25% niedriger wird. Nanostrukturierte Filter können als plasmonische Filter (Locharray) oder als Insel-Array in einer Metallschicht in einem CMOS-Prozess oder als eine Kombination aus mehreren nanostrukturierten Schichten realisiert werden, die im CMOS-Schichtstapel integriert sind. Die Filterschicht kann auch ein Polarisationsfilter sein, das Stege aus Metall oder Dielektrikum aufweist. Solche Filter aus nanostrukturierten Schichten können sich oberhalb des CMOS-Schichtstapels befinden oder auch in den CMOS-Schichtstapel integriert sein (zwischen den Metallschichten).
Je nach Anordnung und Dimensionierung der Mikrolinsen 9 und Blenden 13a im Winkelfilter des vorgeschlagenen Farbsensors können unterschiedliche Einfallswinkelbereiche vorgegeben werden, unter denen Strahlung auf das photosensitive Element bzw. die Photodiode des Farbsensors trifft. 6A zeigt hierzu ein Winkelfilterdesign für den Einfallswinkelbereich 0° ± A, wobei A ≤ A(max). A(max) stellt wiederum den maximalen Einfallswinkel dar, unter dem einfallendes Licht auf die Photodiode treffen soll. In der 6A ist hierbei - ebenso wie in den 6B und 6C - im oberen Teil ein Querschnitt durch das jeweilige Winkelfilterelement und im unteren Teil eine Draufsicht auf die Blendenebene dargestellt. Der jeweils gestrichelte Kreis in der unteren Teilabbildung zeigt die Projektion der Mikrolinse 9 auf die Blendenebene. Im Beispiel der 6A weist die Blende eine zentrale Blendenöffnung 16 auf, die auf der optischen Achse der Mikrolinse 9 liegt. 6B zeigt eine Ausgestaltung für einen Winkelfilter, bei dem der nominelle Winkel nicht gleich 0° ist, sondern z.B. X°. Bei einem derartigen Design tritt nur das Winkelspektrum X° ± A (rotationssymmetrisch) durch den Winkelfilter und alle anderen Einfallswinkel, auch der Winkel von 0°, werden von der Blende reflektiert oder absorbiert. Die Blendenöffnung 16 ist hierbei als Kreisring realisiert. 6C zeigt schließlich eine Ausgestaltung für ein Winkelspektrum X° + A (nicht rotationssymmetrisch). Auch hier ist die Blendenöffnung 16 wie bei 6A kreisförmig ausgebildet, allerdings liegt die Blendenöffnung exzentrisch zur Mikrolinse bzw. zur optischen Achse der Mikrolinse 9. Auf diese Weise lassen sich je nach Anordnung und Ausbildung der Blendenöffnung 16 relativ zur optischen Achse der zugehörigen Mikrolinse 9 unterschiedliche Einfallswinkelbereiche auswählen. Nur Licht, das innerhalb dieser Einfallswinkelbereiche auf den Farbsensor trifft, gelangt auch auf die Photodiode.
In einigen Fällen ist es auch erforderlich, nur bestimmte Richtungen, d.h. Bereiche von Raumwinkeln mit dem Farbsensor zu überwachen. 7A zeigt hierzu ein Beispiel für drei dieser Raumrichtungen A1, A2 und AX mit entsprechenden Öffnungswinkeln. Dies kann zum Teil auch innerhalb eines einzigen Farbsensors umgesetzt werden. In der Regel wird jedoch ein entsprechendes Array aus Farbsensorelementen eingesetzt, wie dies in der 7B schematisch angedeutet ist. Die einzelnen Farbsensorelemente 2 weisen hierbei voneinander verschiedene Winkelfilter auf, die entsprechend der 7A unterschiedliche Raumwinkel A1, A2 ... AX passieren lassen. Die einzelnen Farbsensorelemente 2 können hierbei auch unterschiedliche spektrale Filter C1, C2 .. CX aufweisen, wie dies in 7B angedeutet ist. Hierdurch können beliebige Kombination aus Farbfiltern und Winkelfiltern definiert werden, beispielsweise zwei Photodioden bzw. Farbsensorelemente mit unterschiedlichen Winkelfiltern A1 und A2 und gleichen Farbfiltern C1. Umgekehrt können natürlich auch gleiche Winkelfilter mit unterschiedlichen spektralen Filtern kombiniert werden.
Der vorgeschlagene Farbsensor kann mit Hilfe von Halbleiterprozessen, Nanoprint oder anderen Technologien hergestellt werden. Die Farb- bzw. Multispektralsensoren können deutlich kleiner, vor allem flacher als bekannte Sensoren mit externer Blende (makroskopischer mechanischer Aufbau) realisiert werden. Die Fläche des Farbkanals bzw. Farbsensorelementes entsprechend der Fläche der Photodiode bzw. des photosensitiven Elementes kann ohne Verschlechterung der Winkelfilterfunktion vergrößert werden. Die Anwendung des vorgeschlagenen Winkelfilters zusammen mit plasmonischen Metallfiltern, deren Filterwirkung stark vom Einfallswinkel abhängt, hat den Vorteil, dass der gesamte Farb- bzw. Multispektralsensor keine verfälschten spektralen Messwerte liefert. Es können ultraflache Multispektralsensoren realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Multispektralsensor
2: Farbsensorelement
3: Photodiode
4: CMOS-Schichtstapel
5: Dielektrische Schichten
6: Strukturierte metallische Schichten
7: vertikale Durchkontaktierung
8: optisches Farbfilter
9: Mikrolinse
10: Blende
11: Zylinder
12: Mikrolinsenarray
13: Blendenarray
13a: Blende
14: Winkelfilterelement
15: Abstandsschicht
16: Blendenöffnung
17: Siliziumsubstrat mit Photodiode
18: einfallender Strahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0113622 A1 [0004]
US 2009/0295953 A1 [0005]
US 2014/0197301 A1 [0006]
DE 102010011577 A1 [0009]

Claims

Farbsensor mit wenigstens einem photosensitiven Element (3) und wenigstens einem Farbfilter (8), durch das auf eine Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallende optische Strahlung (18) gefiltert wird, bevor sie auf eine photosensitive Fläche des photosensitiven Elements (3) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichteintrittsseite und der photosensitiven Fläche wenigstens ein Array (12, 13) aus Mikrolinsen (9) und den Mikrolinsen (9) zugeordneten Blenden (13a) über der photosensitiven Fläche ausgebildet ist, wobei die Blenden (13a) zwischen den Mikrolinsen (9) und der photosensitiven Fläche angeordnet und Abstand und Dimensionen der Mikrolinsen (9) und Blenden (13a) so gewählt sind, dass das Array (12, 13) aus Mikrolinsen (9) und den Mikrolinsen (9) zugeordneten Blenden (13a) jeweils nur Anteile der auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallenden optischen Strahlung (18) auf die photosensitive Fläche gelangen lässt, die innerhalb eines begrenzten Einfallswinkelbereichs auf die Lichteintrittsseite treffen.
Farbsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem photosensitiven Element (3) ein Schichtstapel (4) aus dielektrischen (5) und strukturierten metallischen Schichten (6) ausgebildet ist.
Farbsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Mikrolinsen (9) zugeordneten Blenden (13a) durch eine oder mehrere der strukturierten metallischen Schichten (6) gebildet sind.
Farbsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Mikrolinsen (9) zugeordneten Blenden (13a) oberhalb oder unterhalb des Schichtstapels (4) aus dielektrischen (5) und strukturierten metallischen Schichten (6) gebildet sind.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das photosensitive Element (3) mit dem Schichtstapel (4) aus dielektrischen (5) und strukturierten metallischen Schichten (6) in Halbleitertechnologie, insbesondere in CMOS-Technologie, hergestellt ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (9) eine Brennweite von ≥ 10 µm aufweisen.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die photosensitive Fläche eine Größe von ≥ 10×10 µm aufweist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mikrolinsen (9) und den Blenden (13a) eine Abstandsschicht (15) aus einem optisch transparenten dielektrischen Material ausgebildet ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (12, 13) aus wenigstens 3 × 3 Mikrolinsen (9) mit den Mikrolinsen (9) zugeordneten Blenden (13a) gebildet ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (9) in dem Array (12, 13) einen Mittenabstand p aufweisen, der zwischen dem 1-fachen und dem 2-fachen eines Öffnungsdurchmessers d der Mikrolinsen (9) beträgt.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche zwischen den Mikrolinsen (9) durch eine metallische oder Licht absorbierende Schicht bedeckt sind.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das photosensitive Element (3) eine Photodiode ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbfilter (8) ein Interferenzfilter oder ein nanostrukturiertes Filter ist.
Multispektraler Sensor, der eine Anordnung aus mehreren der Farbsensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Farbsensoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche und/oder Einfallswinkelbereiche ausgebildet ist.