RU173871U1

RU173871U1 - Image sensor

Info

Publication number: RU173871U1
Application number: RU2017115056U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-09-15

Abstract

Настоящая полезная модель относится к устройствам датчика изображения, а более конкретно, к высокочувствительным миниатюрным устройствам линзовой фотодетекторной матрицы, предназначенной для работы в оптическом диапазоне длин волн.Технической задачей полезной модели является уменьшение габаритов фокусирующих микроустройств и повышение чувствительности пикселя изображения.Поставленная задача достигается тем, что датчик изображения включает в себя матрицу пикселей, сформированных в полупроводниковой подложке и служащих для сбора падающего оптического излучения и преобразования его в электрический ток, массива фокусирующих микроустройств, выполненных в виде микролинз, расположенных поперек области изображения рядом с отдельными пикселями для фокусировки оптического излучения на чувствительную для излучения область пикселя, массива цветных светофильтров, расположенных между отдельными фокусирующими микроустройствами и отдельными пикселями для селективной передачи конкретных спектральных полос излучения к пикселям, согласно полезной модели, фокусирующие микроустройства выполнены в виде мезоразмерных диэлектрических частиц с характерным размером не менее размера чувствительной зоны пикселя и длины волны падающего излучения, центрированной с чувствительной зоной пикселя, формирующей фотонную струю, с относительным коэффициентом преломления материала частички лежащего примерно в диапазоне от 1.2 до 1.7. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме шарика. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме кубика. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме градиентной частицы с изменением относительного коэффициента преломления от 1.4 до 1.7. Кроме того, на поверхности каждого фокусирующего микроустройства, обращенной к падающему оптическому излучению, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют одинаковый характерный размер. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют различный характерный размер. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют одинаковую форму поверхности. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют различную форму поверхности. Кроме того, все фокусирующие микроустройства совмещены с цветным светофильтром. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.This utility model relates to image sensor devices, and more particularly, to highly sensitive miniature lens photodetector arrays designed to operate in the optical wavelength range. The utility model is aimed at reducing the dimensions of focusing microdevices and increasing the sensitivity of the image pixel. that the image sensor includes a matrix of pixels formed in a semiconductor substrate and used to collect incident optical radiation and converting it into an electric current, an array of focusing microdevices made in the form of microlenses located across the image area next to individual pixels to focus the optical radiation onto a radiation-sensitive pixel region, an array of color filters located between individual focusing microdevices and individual pixels for selective transmission of specific spectral bands of radiation to pixels, according to a utility model, focusing microdevices are made in the form of mesoscale dielectric particles with a characteristic size not less than the size of the sensitive pixel zone and the wavelength of the incident radiation, centered with the sensitive zone of the pixel forming the photon stream, with a relative refractive index of the particle material lying in the range from about 1.2 to 1.7. In addition, each focusing microdevice is made in the form of a ball. In addition, each focusing microdevice is made in the form of a cube. In addition, each focusing microdevice is made in the form of a gradient particle with a change in the relative refractive index from 1.4 to 1.7. In addition, on the surface of each focusing microdevice facing incident optical radiation, a layer of material is applied that does not transmit radiation incident on the particle, while the transverse dimensions of this material are 0.1-0.8 of the maximum transverse particle size. In addition, all focusing microdevices have the same characteristic size. In addition, all focusing microdevices have different characteristic sizes. In addition, all focusing microdevices have the same surface shape. In addition, all focusing microdevices have a different surface shape. In addition, all focusing microdevices are combined with a color filter. 9 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Настоящая полезная модель относится к устройствам датчика изображения, а более конкретно к высокочувствительным миниатюрным устройствам линзовой фотодетекторной матрицы, предназначенной для работы в оптическом диапазоне длин волн.The present utility model relates to image sensor devices, and more particularly to highly sensitive miniature lens photodetector array devices designed to operate in the optical wavelength range.

Датчики изображения представляют собой интегральные полупроводниковые устройства для преобразования оптического изображения в электрический сигнал и включают в себя КМОП-датчики изображения, имеющие ряд транзисторов с металлическим оксидом-полупроводником (MOS), соответствующих количеству пикселей, встроенных в одну микросхему с периферийными схемами. Схема последовательно выдает электрические сигналы МОП-транзисторов. КМОП-датчики изображения применяются в цифровых камерах, сотовых телефонах, ноутбуках, устройства считывания штрих-кода и т.д. КМОП-датчик изображения содержит чип обработки сигнала, который включает в себя матрицу фотодиодов, снабженную усилителем, аналого-цифровым преобразователем, внутренним регулятором напряжения, генератором тактовой частоты и цифровой логической схемой.Image sensors are integrated semiconductor devices for converting an optical image into an electrical signal and include CMOS image sensors having a series of metal oxide semiconductor (MOS) transistors corresponding to the number of pixels integrated in a single chip with peripheral circuits. The circuit sequentially outputs the electrical signals of the MOS transistors. CMOS image sensors are used in digital cameras, cell phones, laptops, barcode readers, etc. The CMOS image sensor contains a signal processing chip that includes a photodiode array equipped with an amplifier, an analog-to-digital converter, an internal voltage regulator, a clock generator and a digital logic circuit.

Твердотельные датчики изображения могут быть либо типами устройств с зарядовой связью (CCD), либо комплементарными полупроводниковыми типами оксидов металлов (CMOS).Solid-state image sensors can be either types of charge-coupled devices (CCDs) or complementary semiconductor types of metal oxides (CMOS).

Повышение чувствительности датчика изображения достигается фокусировкой падающего оптического излучения микролинзами на каждый фотодиод. Микролинзы должны концентрировать падающий свет на фотодиод и удалять его от соседних областей, где нет чувствительной поверхности фотодиода [см., например, патенты США 20060145057 А1; 20040082093].An increase in the sensitivity of the image sensor is achieved by focusing the incident optical radiation with microlenses on each photodiode. Microlenses should concentrate the incident light on the photodiode and remove it from neighboring areas where there is no sensitive surface of the photodiode [see, for example, US patents 20060145057 A1; 20040082093].

В любом типе датчика изображения пиксель для сбора света формируется в подложке и размещается в двумерной матрице. Современные датчики изображения обычно содержат миллионы пикселей, чтобы обеспечить изображение с высоким разрешением. Важными частями датчика изображения являются цветные светофильтры и микролинзовые структуры, образованные поверх пикселей. Микролинзы служат для фокусировки падающего света на пиксели и, таким образом, для улучшения коэффициента заполнения каждого пикселя.In any type of image sensor, a light collection pixel is formed in the substrate and placed in a two-dimensional matrix. Modern image sensors typically contain millions of pixels to provide a high resolution image. Important parts of the image sensor are color filters and microlens structures formed on top of the pixels. Microlenses are used to focus the incident light on the pixels and, thus, to improve the duty cycle of each pixel.

Фирма SONY изобрела и применила прозрачные микролинзы на поверхности CCD, которые концентрируют свет со всей поверхности на маленькие фоточувствительные ячейки. SONY усовершенствовала эти линзы и выпустила новую серию матриц CCD под маркой EXWAWEHAD CCD, что позволило дополнительно в 3-4 раза поднять чувствительность телекамер [Куликов А.Н. Телевизионные наблюдения в сложных условиях [Электронный ресурс] / А.Н. Куликов, 2003 - Режим доступа: http://www.evs.ru/publ_1.php?st=3 - АО «ЭВС»]. В настоящее время параметры микролинзового массива близки к теоретическому пределу, и здесь также трудно ожидать существенных улучшений.SONY has invented and used transparent microlenses on the surface of CCDs that concentrate light from the entire surface onto small photosensitive cells. SONY improved these lenses and released a new series of CCD matrices under the EXWAWEHAD CCD brand, which made it possible to increase the sensitivity of cameras by an additional 3-4 times [Kulikov A.N. Television observations in difficult conditions [Electronic resource] / A.N. Kulikov, 2003 - Access mode: http://www.evs.ru/publ_1.php?st=3 - JSC "EMU"]. Currently, the parameters of the microlens array are close to the theoretical limit, and it is also difficult to expect significant improvements here.

Буферные регистры сдвига на ПЗС-матрице, равно как и обрамление КМОП-пикселя на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате, каждому пикселю достается лишь 30% светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70%. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС-матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов концентрированный оптический поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пикселя. Поскольку с помощью микролинз удается гораздо полнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, по мере совершенствования технологии ими стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и матрицы с полнокадровым переносом.Buffer shift registers on the CCD matrix, as well as the framing of the CMOS pixel on the CMOS matrix “eat up” a significant part of the matrix area, as a result, each pixel gets only 30% of the photosensitive area of its total surface. In the full-frame transfer matrix, this region is 70%. That is why in most modern CCD arrays, a microlens is installed above the pixel. Such a simple optical device covers a large part of the area of the CCD element and collects the concentrated optical flux that falls on this fraction of the photons, which, in turn, is directed to a rather compact photosensitive region of the pixel. Since with the help of microlenses it is possible to more fully detect the light flux incident on the sensor, as the technology improved, they began to supply not only systems with column buffering, but also matrices with full-frame transfer.

Одной из основных тенденций в разработке датчика изображения является уменьшение размера пикселя. Меньший размер пикселя обеспечивает более высокое разрешение. Кроме того, уменьшение размера пикселя приводит к уменьшению темного тока чувствительного элемента и уменьшению емкости пикселя. Размеры пикселей в датчиках изображения предназначенных для работы в среднем и дальнем ИК диапазонах составляют менее 20 мкм, что является дифракционным пределом для обычных линз.One of the main trends in the development of image sensors is the reduction in pixel size. Smaller pixel size provides higher resolution. In addition, a decrease in pixel size leads to a decrease in the dark current of the sensor and a decrease in pixel capacity. The pixel sizes in image sensors designed to operate in the mid and far infrared ranges are less than 20 microns, which is the diffraction limit for conventional lenses.

Область фокусировки излучения у такого микрообъектива имеет вид эллипсоида вращения. Минимальный размер поперечной оси эллипсоида вращения на уровне половинной мощности для идеальной безаберрационной линзы равен 1.22λF/D, где λ - длина волны используемого излучения, F - расстояние от линзы до области фокусировки и D - размер апертуры линзы. Размер продольной полуоси эллипсоида 8λ, (F/D)² [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].The radiation focusing region of such a micro lens has the form of an ellipsoid of revolution. The minimum size of the transverse axis of an ellipsoid of revolution at half power for an ideal non-aberrational lens is 1.22λF / D, where λ is the wavelength of the radiation used, F is the distance from the lens to the focus area, and D is the size of the lens aperture. The size of the longitudinal axis of the ellipsoid is 8λ, (F / D) ² [Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. Ed. 2nd. Translation from English. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1973].

Недостатками известных датчиков изображения являются большие габариты фокусирующих устройств и относительно не высокая чувствительность.The disadvantages of the known image sensors are the large dimensions of the focusing devices and the relatively low sensitivity.

Известно устройство датчика изображения [патент США 20020140832 А1] принятого за прототип и включающее в себя матрицу пикселей, сформированных в полупроводниковой подложке и служащих для сбора падающего оптического излучения и преобразования его в электрический ток, массива фокусирующих микроустройств, выполненных в виде микролинз, расположенных поперек области изображения рядом с отдельными пикселями для фокусировки оптического излучения на чувствительную для излучения область пикселя, массива цветных светофильтров, расположенных между отдельными фокусирующими микроустройствами и отдельными пикселями для селективной передачи конкретных спектральных полос излучения к пикселям.A device for an image sensor [US patent 20020140832 A1] is adopted as a prototype and includes a matrix of pixels formed in a semiconductor substrate and used to collect incident optical radiation and convert it into electric current, an array of focusing microdevices made in the form of microlenses located across the region images next to individual pixels to focus optical radiation on the radiation-sensitive region of the pixel, an array of color filters located between individual focusing microdevices individual pixels and for selective transmission of specific radiation spectral bands to the pixels.

Цветовой светофильтр может быть помещен либо между микролинзой и светочувствительным элементом пикселя, либо, альтернативно, сформирован поверх микролинзы. Цветовой светофильтр обычно является пигментированным или окрашенным материалом, который будет пропускать через него только узкую полоску света, например красный, синий или зеленый.A color filter can be placed either between the microlens and the photosensitive pixel element, or, alternatively, formed on top of the microlens. A color filter is usually a pigmented or colored material that will only pass a narrow strip of light through it, such as red, blue or green.

Данное устройство имеет следующие недостатки: оно имеет большие габариты фокусирующих устройств и относительно не высокую чувствительность.This device has the following disadvantages: it has large dimensions of the focusing devices and relatively low sensitivity.

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].By overcoming the diffraction limit is meant focusing radiation into a spot with dimensions smaller than that of an Airy spot [M. Born, E. Wolf. Fundamentals of Optics. - M.: Mir, 1978].

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S. Luk'yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. Luk'yanchuk, Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, "Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning," Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.The diffraction limit in optics can be overcome in various ways, for example, using the “photon nanostructure” effect (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); YF Lu, L. Zhang, WD Song, YW Zheng, and BS Luk'yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); BS Luk'yanchuk, ZB Wang , WD Song, and MH Hong, "Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning," Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79 (4-6), 747-751 (2004)). A photon stream arises in the region of the shadow surface of dielectric microspherical particles - the so-called near diffraction zone - and is characterized by strong spatial localization and high optical field intensity in the focusing region. It was shown that with a plane wave incident on a spheroidal particle, a spatial resolution of up to one third of the wavelength is achievable, which is below the classical diffraction limit.

Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].Thus, a spherical microparticle plays the role of a refractive spherical microlens focusing light radiation within a subwave volume [Yu. Heinz, A. Zemlyanov, E. Panina. Microparticle in an intense light field. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 s .; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].

Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [В. Luk'yanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. GiessenandT. C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].Later, the possibility of obtaining photonic nanostructures was studied for dielectric axisymmetric bodies, for example, elliptical nanoparticles [Minin IV, Minin OV Quasioptics: modern development trends - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p .; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], Multilayer layered inhomogeneous microspherical particles with a radial gradient of refractive index [Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], as well as hemispheres [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], Discs [V. Luk'yanchuk, NI Zheludev, SA Maier, NJ Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T. C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9 , 707-715 (2010); CY. Liu and CC. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127 , 267-273 (2016).], Cylinder spheres [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].

Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10.].It was also found that photonic jets can be formed by asymmetric mesoscale dielectric particles, for example, a cube, a truncated ball, a pyramid, a truncated pyramid, a prism, a volume hexagon, etc. [IV Minin and OV Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, IV Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105 , 084102 (2014); IV Minin, OV Minin and Geintz YE Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review . Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002 / andp.201500132; Yu. E. Geintz, AA Zemlyanov and EK Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, AA Zemlyanov and EK Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119 , 849-854 (2015); I.V. Minin, O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape - a new direction in optical information technology // "Vestnik NSU. Series: Information Technology". 2014, No. 4, S. 4-10.].

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы произвольной формы, например в форме куба или сферы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1.2 до 1.7, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4. при этом эффект формирования локальной области повышенной интенсивности излучения непосредственно на границе частицы сохраняется в широком диапазоне углом падения излучения, порядка ±45°.As a result of the studies, it was found that the dielectric mesoparticles of arbitrary shape, for example in the form of a cube or sphere, with a characteristic size of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used, with a relative refractive index of the material lying in the range from 1.2 to 1.7 , when it is irradiated by an electromagnetic wave with a plane wave front, a local region with an increased radiation intensity with transverse pore sizes is formed on its outer boundary on the opposite side of the incident radiation core λ / 3-λ / 4. the effect of the formation of a local region of increased radiation intensity directly at the particle boundary is maintained in a wide range by the angle of incidence of radiation, of the order of ± 45 °.

При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1.2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более 1.7 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы.When the refractive index of the material of the mesoscale particle is less than 1.2, the transverse size of the local region of the field concentration becomes of the order of and more than the diffraction limit and does not provide a significant increase in the intensity of the electromagnetic field at its boundary. When the refractive index of the material of the mesoscale particle is more than 1.7, a local concentration of the electromagnetic field occurs inside the particle.

На основные характеристики фотонной струи - интенсивность излучения в струе, ее поперечное и продольное величины влияет форма поверхности мезочастицы, градиент относительного коэффициента преломления материала частицы, характерный размер мезочастицы, длина волны используемого излучения.The main characteristics of a photon jet - the radiation intensity in the jet, its transverse and longitudinal values are affected by the shape of the surface of the mesoparticle, the gradient of the relative refractive index of the particle material, the characteristic size of the mesoparticle, and the wavelength of the radiation used.

В абсолютных величинах длина и поперечный размер фотонной струи пропорционален длине волны используемого излучения.In absolute terms, the length and transverse size of the photon stream are proportional to the wavelength of the radiation used.

Принципиальное отличие мезочастицы сферической формы от мезочастицы в форме куба, состоит в том, что формирование фотонной струи начинается для сферической частицы диаметром порядка λ, а кубической - порядка 0.5 λ.The fundamental difference between a spherical mesoparticle and a cube-shaped mesoparticle is that the formation of a photon stream begins for a spherical particle with a diameter of the order of λ, and a cubic one of the order of 0.5 λ.

Например, в работе [Kong, S. -С.Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere/ S. -C. Kong, A. Taflove, V. Backman // Optics Express. - 2009. - V. 17. - P. 3722.] было показано, что применение градиентной микросферы, в которой показатель преломления меняется линейно примерно от 1,4 до 1,59, позволяет увеличить длину фотонной наноструи в несколько раз. Здесь нужно отметить, что длина струи определялась как расстояние от сферы до точки, где интенсивность падала в два раза по сравнению с освещающим сферу пучком.For example, in [Kong, S. — C. Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere / S. —C. Kong, A. Taflove, V. Backman // Optics Express. - 2009. - V. 17. - P. 3722.] it was shown that the use of a gradient microsphere, in which the refractive index varies linearly from about 1.4 to 1.59, allows you to increase the length of the photon nanostructure several times. It should be noted here that the jet length was defined as the distance from the sphere to the point where the intensity fell by half compared with the beam illuminating the sphere.

Одним из параметров, с помощью которого можно управлять характеристиками фотонной струи (поперечный и продольный размер) является размещение на мезочастице центрального блокирующего излучение слоя [Патент РФ №153686 Устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса/ Минин И.В., Минин О.В.].One of the parameters with which you can control the characteristics of the photon stream (transverse and longitudinal size) is the placement of a central blocking radiation layer on the mesoparticle [RF Patent No. 153686 Device for forming a photon stream with increased depth of focus / IV Minin, O. Minin AT.].

Применение фокусирующих микроустройств на основе мезоразмерных диэлектрических частиц в датчиках изображения ранее не рассматривалось.The use of focusing microdevices based on mesoscale dielectric particles in image sensors has not been previously considered.

На основе мезоразмерных диэлектрических частичек формирующих области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 возможно разработать высокочувствительный малогабаритный датчик изображения.Based on mesoscale dielectric particles forming regions with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, it is possible to develop a highly sensitive small-sized image sensor.

Технической задачей полезной модели является уменьшение габаритов фокусирующих микроустройств и повышение чувствительности пикселя изображения.The technical task of the utility model is to reduce the size of the focusing microdevices and increase the sensitivity of the image pixel.

Поставленная задача достигается тем, что датчик изображения, включает в себя матрицу пикселей, сформированных в полупроводниковой подложке и служащих для сбора падающего оптического излучения и преобразования его в электрический ток, массива фокусирующих микроустройств, выполненных в виде микролинз, расположенных поперек области изображения рядом с отдельными пикселями для фокусировки оптического излучения на чувствительную для излучения область пикселя, массива цветных светофильтров, расположенных между отдельными фокусирующими микроустройствами и отдельными пикселями для селективной передачи конкретных спектральных полос излучения к пикселям, согласно полезной модели фокусирующие микроустройства выполнены в виде мезоразмерных диэлектрических частиц с характерным размером не менее размера чувствительной зоны пикселя и длины волны падающего излучения, центрированной с чувствительной зоной пикселя, формирующей фотонную струю, с относительным коэффициентом преломления материала частички лежащего примерно в диапазоне от 1.2 до 1.7. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме шарика. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме кубика. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме градиентного частицы с изменением относительного коэффициента преломления от 1.4 до 1.7. Кроме того, на поверхности каждого фокусирующего микроустройства, обращенной к падающему оптическому излучению, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют одинаковый характерный размер. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют различный характерный размер. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют одинаковую форму поверхности. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют различную форму поверхности. Кроме того, все фокусирующие микроустройства совмещены с цветным светофильтром.This object is achieved in that the image sensor includes a matrix of pixels formed in a semiconductor substrate and used to collect incident optical radiation and convert it into electric current, an array of focusing microdevices made in the form of microlenses located across the image area next to individual pixels for focusing optical radiation on a radiation-sensitive region of a pixel, an array of color filters located between individual focusing microdevices and individual pixels for the selective transmission of specific spectral bands of radiation to the pixels, according to the utility model, focusing microdevices are made in the form of mesoscale dielectric particles with a characteristic size not less than the size of the sensitive area of the pixel and the wavelength of the incident radiation, centered with the sensitive area of the pixel forming the photon stream, with a relative refractive index of the material of the particle lying in the range from about 1.2 to 1.7. In addition, each focusing microdevice is made in the form of a ball. In addition, each focusing microdevice is made in the form of a cube. In addition, each focusing microdevice is made in the form of a gradient particle with a change in the relative refractive index from 1.4 to 1.7. In addition, on the surface of each focusing microdevice facing incident optical radiation, a layer of material is applied that does not transmit radiation incident on the particle, while the transverse dimensions of this material are 0.1-0.8 of the maximum transverse particle size. In addition, all focusing microdevices have the same characteristic size. In addition, all focusing microdevices have different characteristic sizes. In addition, all focusing microdevices have the same surface shape. In addition, all focusing microdevices have a different surface shape. In addition, all focusing microdevices are combined with a color filter.

На Фиг. 1 показана схема одного конкретного варианта отдельного пикселя датчика изображения с фокусирующем микроустройством в виде мезоразмерной диэлектрической частички, на примере шарика (а), кубика (б) и кубика, на поверхности которого нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы (с). Возможны другие конкретные реализации датчика изображения.In FIG. 1 shows a diagram of one specific embodiment of a single pixel of an image sensor with a focusing microdevice in the form of a mesoscale dielectric particle, using the example of a ball (a), cube (b) and a cube on the surface of which a layer of material is applied that does not transmit radiation incident on the particle, the dimensions of this material are 0.1-0.8 of the maximum transverse particle size (s). Other specific implementations of the image sensor are possible.

На фиг. 2 приведен пример формирования мезоразмерной частицей в виде сферы (а), куба (б), правильного шестиугольника (в-г), треугольника (д-е) и усеченной сферы (ж) с характерными размерами равными λ области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 на их границе поверхности.In FIG. Figure 2 shows an example of the formation of a mesoscale particle in the form of a sphere (a), a cube (b), a regular hexagon (c-d), a triangle (e) and a truncated sphere (g) with characteristic dimensions equal to λ of a region with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 at their surface boundary.

1 - падающее оптическое излучение;1 - incident optical radiation;

2 - фокусирующее микроустройство в виде мезоразмерной диэлектрической частички;2 - focusing microdevice in the form of a mesoscale dielectric particle;

3 - цветной светофильтр;3 - color filter;

4 - пиксель изображения;4 - image pixel;

5 - фотонная струя;5 - photon stream;

6 - фоточувствительная ячейка;6 - photosensitive cell;

7 - слой материала, не пропускающего падающее на фокусирующее микроустройство в виде мезоразмерной диэлектрической частички излучение.7 - a layer of material that does not allow radiation to be incident on the focusing microdevice in the form of a mesoscale dielectric particle.

Датчик изображения работает следующим образом. Оптическое излучение 1 освещает фокусирующее микроустройство в виде мезоразмерной диэлектрической частички 2. Мезоразмерная диэлектрическая частичка 2 с характерным размером не менее размера чувствительной зоны пикселя 6 и длины волны падающего излучения, центрированной с чувствительной зоной пикселя 6, формирует фотонную струю 5. При этом мезоразмерная диэлектрическая частичка 2 выполненна из материала с относительным коэффициентом преломления, лежащего примерно в диапазоне от 1.2 до 1.7. Фотонная струя 5 через цветной светофильтр 3 попадает на фотчувствительную ячейку 6 пикселя изображения 4. Далее в пикселе изображения 4 оптический сигнал преобразуется в электрический и восстанавливается изображение от матрицы пикселей известными методами.The image sensor operates as follows. Optical radiation 1 illuminates the focusing microdevice in the form of a mesoscale dielectric particle 2. A mesoscale dielectric particle 2 with a characteristic size not less than the size of the sensitive area of the pixel 6 and the wavelength of the incident radiation, centered with the sensitive area of the pixel 6, forms a photon stream 5. In this case, the mesoscale dielectric particle 5 2 is made of a material with a relative refractive index lying approximately in the range from 1.2 to 1.7. The photon stream 5 through the color filter 3 enters the photosensitive cell 6 of the image pixel 4. Next, in the image pixel 4, the optical signal is converted into an electrical signal and the image is restored from the pixel matrix by known methods.

Фокусирующее микроустройство в виде мезоразмерной диэлектрической частички 2 может быть совмещено с цветным светофильтром 3, например, при выполнении устройства 2 из цветного стекла или иным способом.A focusing microdevice in the form of a mesoscale dielectric particle 2 can be combined with a color filter 3, for example, when the device 2 is made of colored glass or otherwise.

С целью управления параметрами фотонной струи (ее поперечные и продольные размеры) на фокусирующей мезоразмерной диэлектрической частице 2 может размещаться сл ой материала, не пропускающего падающее излучение 7 с поперечными размерами этого материала лежащего в диапазоне 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы или фокусирующее микроустройство 2 может быть выполнено в форме градиентного частицы с изменением относительного коэффициента преломления лежащего в диапазоне примерно от 1.4 до 1.7.In order to control the parameters of the photon jet (its transverse and longitudinal dimensions), a layer of material that does not transmit incident radiation 7 with transverse dimensions of this material lying in the range of 0.1-0.8 of the maximum transverse particle size can be placed on the focusing mesoscale dielectric particle 2 or focusing microdevice 2 can be made in the form of a gradient particle with a change in the relative refractive index lying in the range from about 1.4 to 1.7.

Например, фокусирующие мезоразмерные диэлектрические частицы могут формировать фотонные струи различной длины на различной длине волны, более длинные на большей длине волны и более короткие на меньшей длине волны.For example, focusing mesoscale dielectric particles can form photonic jets of different lengths at different wavelengths, longer at a longer wavelength, and shorter at a shorter wavelength.

В качестве фокусирующей мезоразмерной диэлектрической частицы 2 могут быть использованы частицы с различной формой поверхности, например, приведенных на Фиг. 2.As a focusing meso-sized dielectric particle 2, particles with different surface shapes can be used, for example, those shown in FIG. 2.

Все фокусирующие микроустройства 2 могут иметь одинаковый характерный размер или иметь различный характерный размер.All focusing microdevices 2 may have the same characteristic size or have a different characteristic size.

Все фокусирующие микроустройства 2 могут иметь одинаковую форму поверхности или иметь различную форму поверхности.All focusing microdevices 2 can have the same surface shape or have a different surface shape.

В качестве материала мезоразмерных частиц могут использоваться различные материалы, например, SiO₂ с коэффициентом преломления 1.538 на длине волны 0.7 мкм, полиэстер, с коэффициентом преломления 1.59 на длине волны 0.532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов/Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными коэффициентами преломления материала лежащего в диапазоне от 1.2 до 1.7.Various materials can be used as the material of mesoscale particles, for example, SiO ₂ with a refractive index of 1.538 at a wavelength of 0.7 μm, polyester, with a refractive index of 1.59 at a wavelength of 0.532 μm, various types of glasses, glass, quartz, polymethyl methacrylate, polystyrene, polycarbonates [ Handbook designer opto-mehan. Instrumentation / Ed. V.A. Panova. - L .: Engineering, 1980.] with relative refractive indices of the material lying in the range from 1.2 to 1.7.

Изготовление мезоразмерных диэлектрических частиц возможно, например, методами фотолитографии [патент РФ №2350996], 3D принтера и т.д.The manufacture of mesoscale dielectric particles is possible, for example, by photolithography methods [RF patent No. 2350996], 3D printer, etc.

Плотноупакованный монослой сферических диэлектрических мезомасштабных частиц может быть нанесен на поверхность, например, при высыхании коллоидного раствора, используя самоорганизующиеся слои диэлектрических микросфер [N.M. Bityurin, A.V. Afanasiev, V.I. Bredikhin, A.V. Pikulin, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, R.A. Akhmedzhanov, E.N. Gorshkova Surface nanostructuring by bichromatic femtosecond laser pulses through a colloidal particle array // Quantum Electronics 44 (6) 556-562 (2014); Николис Г., Пригожий И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. - М.: Мир, 1979. 512 с.; П.В. Лебедев-Степанов, Р.М. Кадушников, С.П. Молчанов, А.А. Иванов, В.П. Митрохин, К.О. Власов, Н.И. Рубин, Г.А. Юрасик, В.Г. Назаров, М.В. Алфимов Самосборка наночастиц в микрообъеме коллоидного раствора: физика, моделирование, эксперимент // Российские нанотехнологии, т. 8, №3-4, 2013, с. 5-23.]. Упорядоченные ансамбли формируются из тонких пленок ил и микро капель раствора [Nagayama, K. Two-dimensional self-assembly of colloids in thin liquid films. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 109 (1996) p. 363-374]. При такой технологии можно управлять архитектурой ансамбля, варьируя время испарения, толщину исходного слоя раствора и т.д.A tightly packed monolayer of spherical dielectric mesoscale particles can be deposited onto the surface, for example, when the colloidal solution dries using self-organizing layers of dielectric microspheres [NM Bityurin, AV Afanasiev, VI Bredikhin, AV Pikulin, IE Ilyakov, BV Shishkin, RA Akhmedzhanukov EN Surface by bichromatic femtosecond laser pulses through a colloidal particle array // Quantum Electronics 44 (6) 556-562 (2014); Nikolis G., Prigogy I. Self-organization in nonequilibrium systems. From dissipative structures to ordering through fluctuations. - M .: Mir, 1979. 512 s .; P.V. Lebedev-Stepanov, R.M. Kadushnikov, S.P. Molchanov, A.A. Ivanov, V.P. Mitrokhin, K.O. Vlasov, N.I. Rubin, G.A. Jurasik, V.G. Nazarov, M.V. Alfimov Self-assembly of nanoparticles in the microvolume of a colloidal solution: physics, modeling, experiment // Russian Nanotechnologies, vol. 8, No. 3-4, 2013, p. 5-23.]. Ordered ensembles are formed from thin films of silt and micro droplets of solution [Nagayama, K. Two-dimensional self-assembly of colloids in thin liquid films. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 109 (1996) p. 363-374]. With this technology, the ensemble architecture can be controlled by varying the evaporation time, the thickness of the initial solution layer, etc.

Позиционирование мезоразмерных диэлектрических частичек, формирующих фотонные струи может быть выполнено с помощью различных методов самосборки и микроманипуляции, например, с помощью лазерных пинцетов [см., например, Патенты РФ 161207, 160834; Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771].The positioning of mesoscale dielectric particles forming photonic jets can be performed using various methods of self-assembly and micromanipulation, for example, using laser tweezers [see, for example, Patents of the Russian Federation 161207, 160834; Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771].

После этого мезоразмерные диэлектрические частички фиксируют с использованием клея, эпоксидных смол или, в более общем случае, материалов со способностью затвердевать, фотоотверждаемых материалов, материалов, отверждаемых при температуре, и т.д. или другими подобными способами. В частности, преднамеренная температурная обработка может использоваться для того, чтобы слегка расплавить мягкость материала мезоразмерных диэлектрических частиц или материала смежных слоев, чтобы зафиксировать частички точно над чувствительной областью пикселя.After this, the mesoscale dielectric particles are fixed using glue, epoxy resins or, in a more general case, materials with the ability to cure, photocurable materials, materials that cure at temperature, etc. or other similar ways. In particular, deliberate heat treatment can be used to slightly melt the softness of the material of mesoscale dielectric particles or material of adjacent layers in order to fix the particles exactly above the sensitive region of the pixel.

Из вышеизложенного следует, что могут быть сделаны различные усовершенствования без отклонения от сущности и объема полезной модели, в отличие от конкретных вариантов осуществления полезной модели, которые были описаны в качестве примера.It follows from the foregoing that various improvements can be made without deviating from the essence and scope of the utility model, in contrast to the specific embodiments of the utility model that have been described as an example.

Для мезоразмерной частицы с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность света непосредственно на границе частицы превосходит падающую интенсивность примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще больше. За счет более эффективной концентрации оптического излучения на фоточувствительной ячейке пикселя, по сравнению с оптическими линзами достигается эффект повышения чувствительности датчика изображения, их меньшие габариты позволяют уменьшить габариты отдельного пикселя и матрицы в целом.For a mesoscale particle with a characteristic size of the order of the radiation wavelength, the light intensity directly at the particle boundary exceeds the incident intensity by about 7-8 times, for a particle with characteristic sizes of the order of two wavelengths, by about 20 times. For larger particles, this ratio increases even more. Due to a more effective concentration of optical radiation on a photosensitive pixel cell, in comparison with optical lenses, the effect of increasing the sensitivity of the image sensor is achieved, their smaller dimensions make it possible to reduce the dimensions of an individual pixel and the matrix as a whole.

Claims

1. The image sensor, which includes a matrix of pixels formed in a semiconductor substrate and used to collect incident optical radiation and convert it into electric current, an array of focusing microdevices made in the form of microlenses located across the image area next to individual pixels for focusing optical radiation on the radiation-sensitive region of a pixel, an array of color filters located between individual focusing microdevices and individual pixels for selective transmission of specific spectral bands of radiation to pixels, characterized in that the focusing microdevices are made in the form of mesoscale dielectric particles with a characteristic size not less than the size of the sensitive zone of the pixel and the wavelength of the incident radiation, centered with the sensitive zone of the pixel forming the photon stream, with a relative the refractive index of the material particles lying approximately in the range from 1.2 to 1.7.

2. The device according to claim 1, characterized in that each focusing microdevice is made in the form of a ball.

3. The device according to claim 1, characterized in that each focusing microdevice is made in the form of a cube.

4. The device according to claim 1, characterized in that each focusing microdevice is made in the form of a gradient particle with a change in the relative refractive index from 1.4 to 1.7.

5. The device according to claim 1, characterized in that on the surface of each focusing microdevice facing the incident optical radiation, a layer of material is deposited that does not transmit radiation incident on the particle, while the transverse dimensions of this material are 0.1-0.8 from maximum transverse particle size.

6. The device according to claim 1, characterized in that all focusing microdevices have the same characteristic size.

7. The device according to claim 1, characterized in that all focusing microdevices have a different characteristic size.

8. The device according to claim 1, characterized in that all focusing microdevices have the same surface shape.

9. The device according to claim 1, characterized in that all focusing microdevices have a different surface shape.

10. The device according to p. 1, characterized in that all the focusing microdevices are combined with a color filter.