基于超构透镜的像素级高效可见光拜耳滤色片

1.本发明属于微纳光学设计领域，涉及一种拜耳滤色片，具体涉及一种基于超构透镜的像素级高效可见光拜耳滤色片。


背景技术：

2.图像传感器是智能手机、自动驾驶和各种复杂成像系统的核心组件，光电转换效率和灵敏度是常常需要考虑的参数。图像传感器的光电效应将光子转化为光生载流子输出，其强度仅为光强的函数，不能表征输入光场的光谱信息。为满足日常实际需求，实现彩色成像，往往在光电二极管前端加一层微透镜阵列和滤色片阵列，微透镜阵列用于汇聚光束，提高能量收集效率，而滤色片阵列使用50％的绿色、25％的红色和25％的蓝色阵列，通过后续的插值算法实现全彩色图像重建。
3.然而拜耳滤色片仅针对该像素位置的单色光过滤，传感器像素收集的能量仅为一个超像素单元的四分之一，这将大幅影响图像传感器的转化效率，尤其在暗光条件下成像，成像质量会大幅受损，同时拜耳滤色片与微透镜阵列的加工工艺不一致，这导致其集成和对齐工艺复杂，加大了图像传感器的制备难度。
4.超表面(metasurface)是一类亚波长结构的人工二维结构，可实现对光场的相位和频率等的灵活调控，同时超表面具有小型化和集成化的优势，这为解决图像传感器的滤色和集成问题提供了新的思路。


技术实现要素：

5.为了解决现有的基于拜耳滤色片的cmos图像传感器效分光效率低、灵敏度低和暗光成像质量差等问题，本发明提供了一种基于超构透镜的像素级高效可见光拜耳滤色片。该滤色片利用单层超构透镜替代传统的微透镜阵列和滤色片阵列，可同时透过三原色并实现分类聚焦，完成类似拜耳滤色片的功能，实现可见光波段高效的全彩色成像。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于超构透镜的像素级高效可见光拜耳滤色片，包括在可见光波段具有高透射率的二氧化硅衬底和位于其上的超构透镜阵列单元，其中：超构透镜阵列单元为氮化硅纳米柱阵列，氮化硅纳米柱阵列为偏振不敏感的各向同性结构，由横截面为方形、十字形和方孔形的氮化硅纳米柱构成，每一个氮化硅纳米柱对应一个超像素单元，通过调整氮化硅纳米柱的尺寸参数实现430nm、520nm和635nm波长的独立聚焦，以此实现可见光拜耳滤色片三色独立分类和聚焦的功能。
8.本发明中，超构透镜阵列单元采用的是亚波长尺寸的可见光波段具有高透射率的氮化硅介质，其制备工艺与成熟的互补金属半导体传感器技术兼容，具有较强的实用性和量产潜力。氮化硅介质在可见光波段具备高透射率、低损耗和折射率较高等优势，可以提供丰富的相位调控范围，通过调节纳米柱横截面的结构和尺寸，可实现同一个纳米柱在三个波长下的附加相位无关联的特点，这将大大提高后续优化设计的难度。
9.本发明中，超构透镜阵列单元为多种横截面各向同性的几何结构，包括方形、十字形和方孔形结构，各向同性单元结构组成的超构透镜在宽波段具备偏振不敏感聚焦的特性，可以最大化提高光强透过率，超构透镜利用优化设计，可独立聚焦三原色的光场到不同空间位置的四个焦点处，利用焦点光强分量就可以检测入射光的波长，以此实现全彩色光场探测的目的。
10.本发明中，超构透镜阵列单元的高度h＝800nm，周期p＝400nm，超构透镜阵列单元的周期小于工作波长，在可见光波段具有较高的透射率和高折射率。
11.本发明中，二氧化硅衬底在可见光波段为透明，对光场调制几乎无影响，且二氧化硅与氮化硅材料组成的二氧化硅-氮化硅层，在半导体加工中较容易制备，具备批量化生产的价值。
12.本发明中，氮化硅纳米柱阵列由横截面各向同性的几何尺寸构成，包括方形、十字形和方孔形，通过改变结构的长宽尺寸参数，可以获得该结构在三个波长下的不同调制相位和振幅透过率，建立三波长的相位调制数据库，可用于之后的全结构优化设计。
13.本发明中，超构透镜阵列单元通过优化算法实现430nm、520nm和635nm三个波长同时聚焦在同一个焦平面，且空间位置分离的功能，聚焦焦斑位置类比拜尔滤色片结构，呈现rggb阵列排布，420nm的蓝波和635nm的红波分别聚焦于对角位置，530nm的绿波聚焦在另一对角的两个像素点处，该效果与拜耳滤色片一致，可以根据后续的插值算法实现彩色重建。
14.本发明中，可见光波段的入射光经过三个波长的分类和聚焦，可在焦平面处形成强度不同的多个焦斑，可根据不同颜色对应的焦斑的强度比，利用拜尔滤色片对应的算法重建可见光的波长信息，实现全彩色成像。
15.本发明中，超构透镜阵列单元每个位置处的纳米柱尺寸参数由粒子群优化算法匹配获得，具体步骤如下：
16.步骤一、通过参数化扫描得到430nm、520nm和635nm三个波长下氮化硅纳米柱不同尺寸的传输透射率和传输相位值，构成相位数据库；
17.步骤二、利用相位匹配和参数化索引实现三个波长同时满足超构透镜的聚焦相位分布：
[0018][0019]
其中，λ表示波长，f表示超构透镜的焦距，r为超构透镜的半径尺寸，c(λ)表示粒子群优化算法的变量；
[0020]
步骤三、利用粒子群优化算法得到超构透镜阵列单元每个位置处的纳米柱结构的具体尺寸参数，具体步骤如下：
[0021]
步骤三一、利用相位匹配计算目标相位与实际相位的差值；
[0022]
步骤三二、根据粒子群优化算法优化变量c(λ)，实现最小化目标相位与实际相位差值的目标，优化后实际相位所应对的结构参数即位每个位置处的结构参数。
[0023]
本发明的原理在于：基于超构透镜的高效可见光拜尔滤色片器件主要由底部的二氧化硅衬底和上层的氮化硅纳米柱阵列组成，氮化硅纳米柱横向结构为各向同性的正方形、十字架形和方孔形，可以提供偏振不敏感的相位调控。通过优化算法独立设计每一个位置处的纳米柱结构的尺寸参数，使其在430nm、520nm和635nm处同时满足离轴聚焦的功能，
焦斑分布类似传统的拜尔滤色片，通过检测四个焦斑对应的强度比，可以重建出入射光在可见光范围内的全彩色信息。
[0024]
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
[0025]
1、超构透镜阵列单元的每个超像素单元可独立聚焦430nm、520nm和635nm波长，三波长焦点分离且位于同一焦平面位置，相比拜耳滤色片的每个像素仅透过单波长的光，该器件的超像素结构可以同时透过三个波长的能量，能量利用率理论上可以接近100％。
[0026]
2、传统的商用cmos图像传感器器件为实现高效率聚焦和滤色功能，往往采用微透镜阵列加滤色片结构，结构复杂且效率受限，本发明提出的结构仅需要一层超构透镜阵列单元就可以同时实现三波长的分束聚焦和高效滤色的功能，具有更高的集成度和成像灵敏度。
[0027]
3、本发明区别于现有的cmos图像传感器中的拜尔滤色片方案，提出了具有更高效率和更高灵敏度的超构透镜集成的彩色成像传感方案，通过检测三波长的光斑强度占比，可以重建出入射光在可见光范围内的全彩色信息，实现替代传统拜尔滤色片的彩色成像效果。
[0028]
4、目前的cmos图像传感器中的拜尔滤色片采用每个像素针对特定波长独立滤波的方案，其弊端在于每个像素仅获取对应位置的光强，周边位置的光被过滤，这大大减少了传感器接收的能量，同时为增加能量利用率，拜尔滤色片上端需要集成微透镜阵列，这将影响传感器的集成度，增加传感器的制备难度。本发明提出的基于超构透镜的拜尔滤色片可实现每个超像素的入射光同时被收集和聚焦的功能，能量利用从之前的单个像素拓展到超像素中的四个像素，极大的提高了能量利用率，同时超构透镜提供的聚焦相位可实现滤色和聚焦的双功能，仅用单层结构就可以实现所需要的全部功能，这大大增加了系统的集成度，提高了图像传感器的探测灵敏度，为下一代超灵敏和超高集成的图像传感器提供了技术路线。
[0029]
5、本发明设计的基于超构透镜的高效可见光拜耳滤色片器件可针对三种波长的光同时滤色并分区域聚焦，该功能与拜耳滤色片类似，优势在于每个像素的光均由整个超构透镜阵列单元提供，因此能量利用率大大提高，成像的灵敏度也将提高。利用焦平面像素位置的rggb光斑，可重建入射光的三原色能量占比，以此实现任意可见光的彩色重建。
[0030]
6、本发明设计的超构透镜阵列单元可同时实现聚焦和三色分类的功能，在提高光强透过率的同时，降低系统的复杂程度，以减轻制造难度，超构透镜加工工艺与成熟的互补金属半导体传感器制备工艺兼容，可在同一生产线加工和组装，因此该结构具备量产潜力和较强的应用背景。
[0031]
7、由于超构透镜每个单元可同时调控三波长以实现滤色和聚焦的功能，相比于传统的拜耳滤色片，该器件具有高灵敏度、高效率的优势，同时超构透镜小型化的特点，具有与成熟的cmos图像传感器像素级集成的潜力。因此本发明提出的器件可大幅改进目前图像传感器的探测效率，推进超构透镜的实用化进程。
附图说明
[0032]
图1是本发明基于超构透镜的像素级高效可见光拜耳滤色片的结构和功能示意图。
[0033]
图2是目前常见的商用cmos图像传感器结构示意图。
[0034]
图3是单元结构的示意图，衬底为二氧化硅，纳米柱为氮化硅介质，横截面分别为方型、十字架型和方孔型，右侧为参数扫描的数据库，包括三波长下的相位数据。
[0035]
图4是超构透镜的局部放大图像，每个位置的单元结构尺寸和参数通过优化算法决定。
[0036]
图5是对应的目标相位与优化算法匹配的实际相位分布，从左到右依次是430nm、520nm和635nm的相位结果。
[0037]
图6是三种波长入射时，检测的不同空间位置的光强分布结果，第一行分别为430nm、520nm和635nm波长入射时xy平面在焦平面处的光强分布图像，第二行分别为430nm、520nm和635nm波长入射时xz平面的光强分布图像。
[0038]
图7是不同波长的光入睡时，在焦平面位置的光强分布图，以及计算的四个焦点区域对应的红、绿和蓝色三原色的归一化能量积分占比图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0040]
本发明提供了一种基于超构透镜的像素级高效可见光拜耳滤色片，如图1所示，所述滤色片由二氧化硅衬底和上层的氮化硅纳米柱阵列组成，氮化硅纳米柱与cmos图像传感器阵列集成，构成可见光波段高效的彩色成像器件。氮化硅材料为高折射率的介质半导体材料，在可见光波段具有高传输相位和高透射率的优势，同时材料加工和制备与目前成熟的半导体加工工艺兼容，具备批量制备的可行性。氮化硅纳米柱阵列执行三波长的滤色和聚焦功能，将430nm的蓝光聚焦在左上模块的中心位置，520nm的绿光聚焦在右上和左下模块的中心位置，635nm的红光聚焦在右下模块的中心位置。430nm、520nm和635nm的光分别聚焦在焦平面的不同位置，四个像素构成一个超像素单元，以替代之前的拜尔滤色片结构，实现彩色成像的功能。入射光经过三波长的分类和聚焦，在焦平面不同位置处存在不同强度的焦点，通过插值算法可以重建每一个像素处的彩色信息。
[0041]
图2所示为传统的基于拜尔滤色片的图像传感器结构，其主要由上层的微透镜阵列、拜尔滤色片和底层的cmos图像传感器阵列组成。每个传感器像素对应一个滤色片单元，因此该像素仅收集该点对应的能量，周围单元的三个像素的能量被浪费，造成能量利用率低、灵敏度下降等问题。同时微透镜阵列与滤色片阵列的对齐和集成等问题，也会大大增加器件的制备难度。
[0042]
图3所示为本发明设计的氮化硅纳米柱的几何结构以及对应的三个波长处的参数化扫描结果。氮化硅纳米柱的周期p＝400nm，高度h＝800nm，由于超构透镜阵列单元周期小于工作波长，因此高阶衍射项可以忽略，同时氮化硅材料在可见光波段具有高折射率和低损耗等优势，因此具有较高的透射率和丰富的传输相位。为增加数据库的参数值，便于后续的结构优化设计，同时满足任意偏振光均可实现分色聚焦的功能，这里选择三种不同的横向几何结构，分别为方形、十字架形和方孔形，该形状为各项同性结构，对入射光偏振不敏感，其中方形的边长为l，十字架形的边长为l和w，方孔型的边长为l1和l2。数值计算周期范
围内三种结构分别在430nm、520nm和635nm的传输相位，构成相位数据库，利用相位匹配和参数化索引等方法，可以完成超构透镜的结构设计。
[0043]
图4所示是本声明设计的一个超构透镜阵列单元的结构示意图和局部结构的放大图像。该超构透镜阵列单元由50
×
50的氮化硅纳米柱阵列组成，每一个位置的氮化硅纳米柱单元几何参数都经过精心设计，因此呈现出不同的结构。超构透镜阵列单元同时对三种波长的入射光敏感，可以将超构透镜阵列单元内的所有光能量依据波长进行分类并且同时聚焦在四个不同的空间位置，空间分布满足传统的rggb的设计。从局部放大图像可以看到，每个位置选取的氮化硅纳米柱类型由优化算法决定，因此是随机无规则的。
[0044]
图5所示为依据聚焦相位公式计算的三个波长处的理想相位以及利用粒子群优化算法匹配得到的实际相位。三个波长处的理想相位分布满足聚焦相位公式：其中λ表示波长，f表示超构透镜的焦距，r为超构透镜的半径尺寸，c(λ)表示粒子群优化算法的变量；三个波长分别为430nm、520nm和635nm，对应传统的蓝光、绿光和红光，焦距f＝40μm，透镜的半径r＝10μm，值得注意的是，该参数可以设计为任意值，因此该方法可以被拓展到具有类似功能的任意尺寸。由于绿光需要聚焦在两个焦点位置，因此需要将两个理想相位叠加，得到一个混合的相位分布。在得到理想相位分布之后，利用粒子群优化算法和图3得到的三个波长处的纳米柱尺寸与相位数据库，可以匹配计算出最佳的结构设计参数，以此得到实际的相位分布结果。从结果可以看到，由于数据库的相位数据覆盖范围较广，因此优化匹配的实际结果与理想结果基本一致。
[0045]
图6所示为计算的三个波长处的远场聚焦结果和焦平面位置的电场强度分布结果。从xz方向的电场强度分布可以看到，在设计的三个波长处，超构透镜阵列单元可以同时实现离轴聚焦的功能，且三个波长的焦距基本一致，均在f＝40μm位置，满足所要求的分色和聚焦的功能。从xy方向的电场强度分布可以看到，焦平面位置的光斑具有较好的均匀性，且430nm、520nm和635nm的焦斑分布满足rggb的像素分布，可以实现替代传统的拜尔滤色片和微透镜阵列的功能。
[0046]
图7所示为计算的400～700nm波段的可见光入射，在不同波长处的焦平面位置的光斑分布情况，以及计算的三色像素的能量占比情况。从结果可以看到，第一行为430nm、470nm、520nm、570nm、635nm和670nm的焦平面位置的光斑分布情况，可以看到在三原色处光斑仅聚焦在单一像素位置，而在其他波长处光斑会依据比例聚焦在不同像素位置。第二行是计算的在400～700nm的可见光范围内，三原色像素的能量占比情况，可以很清楚地看到，不同的像素对应在相应的波长位置出现较高的聚焦峰，而在其他位置则能量占比较低，430nm、520nm和635nm的峰值分别为76.2％、87.5％和89.3％，因此可以根据不同像素的光斑能量占比重建入射光的波长信息，实现高灵敏度和高效率的彩色成像效果。