An image sensor for recording incident radiation may include: a first layer for filtering the incident radiation by attenuating the incident radiation with a frequency lower than the cut-off frequency; and a second photosensitive layer for absorbing the radiation passing through the first layer. The first layer can be located in front of the second photosensitive layer in the propagation direction of the incident radiation, and the first layer includes at least one hole passing through the first layer to reach the second photosensitive layer for radiation propagation. The cross-sectional size of the at least one hole can be configured to provide a cut-off frequency so that the incident radiation with a frequency lower than the cut-off frequency decays in the at least one hole and the incident radiation with a frequency higher than the cut-off frequency propagates through the at least one hole.
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有基于波导的滤光器的光学部件
技术介绍
本专利技术总体上涉及光学部件，并且更具体地，涉及具有为入射辐射提供截止频率的层的光学部件。光学部件可以是如图像传感器等有源光学部件或如透镜等无源光学部件。现今，重要的有源光学部件是图像传感器，即，使用光传感器阵列来测量不同区域中的光强度并且因此记录图像的电子装置。典型的图像传感器是半导体电荷耦合装置(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。这些传感器主要使用滤色器阵列，其中彩色滤光元件使用例如拜耳(Bayer)图案来区分击中图像传感器的光的不同颜色。另一种类型的图像传感器基于Foveon色彩分离方案，所述Foveon色彩分离方案通过识别光被记录的深度来确定光的颜色。这个方案基于这样的情形：具有较长波长的光在传感器中具有较大的穿透深度。已知的图像传感器可能需要另外的红外滤光器，因为红外光通过典型的传感器进行测量，但是这部分光不是所期望的，因为其污染了可见光的颜色。此外，通常期望产生具有小像素、高的光测量效率和良好的色彩分离的图像传感器。具有滤色器阵列的图像传感器通过滤色器通常失去50％或更多的光强度。具有滤色器阵列或基于Foveon方案的图像传感器可能具有有限的色彩分离。还通常期望产生具有以与光击中图像传感器的角度无关的方式收集和测量光的像素的图像传感器。高效过滤也是如透镜、光纤耦合器等无源光学部件之间的关注点。这种光学部件常常具有频率依赖性性能，如在透镜的情况下的色差，所述色差在成像应用中是不期望的。因此，将会期望具有经过改善的成像性能的无源光学元件。
【技术保护点】
1.一种用于记录入射辐射的图像传感器(10，30，100)，包括/n第一层(11)，其用于通过衰减频率低于截止频率的入射辐射来对所述入射辐射进行过滤；以及/n第二光敏层(12)，其用于吸收穿过所述第一层(11)的辐射，/n其中所述第一层(11)在所述入射辐射的传播方向上位于所述第二光敏层(12)之前并且所述第一层(11)包括穿过所述第一层(11)到达所述第二光敏层(12)以供辐射传播通过的至少一个孔(13)，其中所述至少一个孔(13)的横截面尺寸被配置成提供所述截止频率，使得频率低于所述截止频率的入射辐射在所述至少一个孔(13)内衰减并且频率高于所述截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔(13)。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170621 EP 17177092.81.一种用于记录入射辐射的图像传感器(10，30，100)，包括
第一层(11)，其用于通过衰减频率低于截止频率的入射辐射来对所述入射辐射进行过滤；以及
第二光敏层(12)，其用于吸收穿过所述第一层(11)的辐射，
其中所述第一层(11)在所述入射辐射的传播方向上位于所述第二光敏层(12)之前并且所述第一层(11)包括穿过所述第一层(11)到达所述第二光敏层(12)以供辐射传播通过的至少一个孔(13)，其中所述至少一个孔(13)的横截面尺寸被配置成提供所述截止频率，使得频率低于所述截止频率的入射辐射在所述至少一个孔(13)内衰减并且频率高于所述截止频率的入射辐射传播通过所述至少一个孔(13)。
2.根据权利要求1所述的图像传感器(10，30，100)，其中频率低于所述截止频率的入射辐射在所述至少一个孔(13)内以指数方式衰变。
3.根据权利要求1到2中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中频率高于所述截止频率的入射辐射通过耦合到所述至少一个孔(13)内的一个或多个传播模式来传播通过所述至少一个孔(13)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述至少一个孔(13)垂直于所述第一层(11)的平面表面，其中所述至少一个孔(13)沿着所述至少一个孔(13)的轴线具有恒定的横截面，并且所述横截面是对称的并且任选地是方形、矩形、圆形或六边形横截面。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述第一层(11)是金属的或其中所述第一层(11)包括涂覆有金属层的非金属层，使得在这两种情况下，所述至少一个孔具有一个或多个金属壁(20)。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述第一层(11)包括具有不同横截面尺寸csi(i＝1...n)的两个、三个或更多个孔(13)，cs1＞cs2＞cs3...＞csn，每个横截面尺寸被配置成衰减具有低于相应截止频率w1、w2、w3、...、wn的频率的光并且传播具有高于相应截止频率的频率的光，其中w1＜w2＜w3...＜wn。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述至少一个孔(13)填充有透明材料(18)。
8.根据权利要求7所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述透明材料(18)在所述第一层(11)上提供另外的层(19)。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述至少一个孔(13)针对n个不同的尺寸具有边长值为ai(i＝1...n)的恒定方形横截面，所述至少一个孔(13)具有金属壁(20)，并且所述截止频率具有对应的截止波长λi，截止(i＝1...n)，高于所述截止波长时，所述入射辐射在所述至少一个孔(13)内以指数方式衰变，并且低于所述截止波长时，所述入射辐射传播通过所述至少一个孔(13)，并且其中ai等于λi，截止/2(i＝1...n)。
10.根据权利要求9所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述第一层(11)的厚度lz或所述至少一个孔的深度d为
其中a1是所述边长值ai(i＝1...n)中的最大边长值，并且λD，1是大于所述截止波长λ1，截止＝2a1并且是辐射的波长的波长，所述辐射的强度在所述至少一个孔(13)内衰减至少e-2倍，并且其中ε是所述至少一个孔中的物质的介电常数，μ是所述至少一个孔中的所述物质的磁导率，ε_0是真空的介电常数并且μ_0是真空的磁导率。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述光敏层(12)包括像素阵列，并且具有相同横截面尺寸的每个孔(13)或每多个连续孔(13)覆盖并耦合到所述阵列中的个别像素。
12.根据权利要求11所述的图像传感器(10，30，100)，其中每个像素包括光敏区域，并且耦合到所述像素的所述孔或所述多个连续孔覆盖等于或大于所述个别像素的所述光敏区域并且小于所述像素的所述区域的区域。
13.根据权利要求11到12中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中透明层(16)位于所述第一层(11)与所述第二光敏层(12)之间。
14.根据权利要求13所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述透明层(16)包括位于个别像素的边界之上的壁(17)，其中所述壁(17)对所述入射辐射不透明并且任选地是金属的。
15.根据权利要求11到14中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述第一层(11)包括具有一个或多个不同横截面尺寸的孔阵列(13rgb，13gb，13b)，其中所述孔被分组成使得每组孔具有一个孔或连续并且具有相同横截面尺寸的多于一个孔并且每组孔覆盖并耦合到所述光敏层的一个且仅一个像素，并且所述组孔在所述第一层中被布置成重复图案。
16.根据权利要求15所述的图像传感器(100)，其中所述孔(13rgb，13gb，13b)具有三个或更多个不同的横截面尺寸，用于滤除红外光并且允许传播红光、绿光和蓝光的第一尺寸、用于滤除红光并允许传播绿光和蓝光的第二尺寸以及用于滤除红光和绿光并允许传播蓝光的第三尺寸，其中所述第一层中的所述重复图案被配置成为所述像素阵列中的每个像素提供红光、绿光和蓝光的测量值或内插值。
17.根据权利要求16所述的图像传感器(100)，其中所述阵列中的每个孔针对n个不同尺寸具有边长值为ai(i＝1...n)的恒定方形横截面，每个孔具有金属壁(20)，并且其中对应于所述第一横截面尺寸的截止频率的截止波长λ1在600nm到750nm的范围内，任选地在650nm到730nm的范围内，并且所述第一横截面尺寸的边长值a1在300nm到375nm的范围内，任选地在325nm到365nm的范围内，其中对应于所述第二横截面尺寸的截止频率的截止波长λ2在495nm到590nm的范围，任选地在515nm到570nm的范围内，并且所述第二横截面尺寸的边长值a2在247nm到295nm的范围内，任选地在257nm到285nm的范围内，并且其中对应于所述第三横截面尺寸的截止频率的截止波长λ3在450nm到510nm的范围内，任选地在465nm到495nm的范围内，并且所述第三横截面尺寸的边长值a3在225nm到255nm的范围内，任选地在232nm到247nm的范围内。
18.根据权利要求15所述的图像传感器(100)，其中所述第一层(11)包括具有三个或更多个不同的横截面尺寸的孔的阵列，用于允许传播红外光、红光、绿光和蓝光的第一尺寸、用于滤除红光并允许传播绿光和蓝光的第二尺寸以及用于滤除红光和绿光并允许传播蓝光的第三尺寸，其中具有所述第一尺寸的每个孔覆盖具有等于或小于所述像素的像素的区域并且其中具有所述第一尺寸的每个孔填充有滤光材料，所述滤光材料滤除红外光并且透射具有比红外光更短的波长的光，任选地，所有孔均填充有所述滤光材料和/或所述滤光材料在所述第一层上提供另外的层。
19.根据权利要求16到18中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述孔阵列(13rgb，13gb，13b)具有三个不同的横截面尺寸，并且所述组孔被布置成两个交替的像素行，交替地测量一个像素中的红光、绿光和蓝光以及下一个像素中的绿光和蓝光的第一行像素、以及交替地测量一个像素中的绿光和蓝光以及下一个像素中的蓝光的第二行像素，其中所述第一行中测量红光、绿光和蓝光的像素在所述第二行中具有测量绿光和蓝光的相邻像素。
20.根据权利要求15到18中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述孔具有以下另外的尺寸中的任何一个尺寸：第四尺寸，其用于滤除红外光的低于红外光截止频率的部分并且允许传播红外光的高于所述红外光截止频率的另外部分以及传播红光、绿光和蓝光；第五尺寸，其用于滤除红光和黄光并且允许传播绿光和蓝光；第六尺寸，其用于滤除绿光的低于绿光截止频率的部分并且允许传播绿光的高于所述绿光截止频率的另外部分并传播蓝光；第七尺寸，其用于滤除红光、绿光和蓝光并且允许传播紫外光；或所述尺寸中的任何尺寸的组合。
21.根据权利要求15中任一项所述的图像传感器(100)，其中所述孔具有两个或更多个不同的横截面尺寸，所述两个或更多个不同的横截面尺寸包括用于滤除低于下截止频率的光并且允许传播高于所述下截止频率的光的一个尺寸以及用于滤除低于上截止频率的光并且允许传播高于所述上截止频率的光的另一个尺寸，使得能够测量在所述下截止频率与所述上截止频率之间的范围内的光的量。
22.根据权利要求19所述的图像传感器(100)，其中所述下截止频率与所述上截止频率之间的范围包括一个或多个光谱线。
23.根据权利要求1到8中任一项所述的图像传感器(30)，其中所述至少一个孔(13a1，13a2；13b1，13b2)被伸长成横截面任选地为矩形，使得所述至少一个孔在伸长方向上的长度定义垂直于所述伸长方向偏振的入射辐射的截止频率并且所述至少一个孔在垂直于伸长方向的方向上的长度定义另外的截止频率，所述另外的截止频率大于所述图像传感器所分析的入射辐射的范围的上限。
24.根据权利要求23所述的图像传感器(30)，其中所述第一层包括多个第一细长孔(13a1)和多个第二细长孔(13b1)，所述多个第一细长孔覆盖所述第二光敏层的像素阵列中的第一像素，所述多个第二细长孔覆盖所述阵列中的相邻第二像素并且具有相对于所述第一细长孔(13a1)旋转90°的横截面形状。
25.根据权利要求1到3、5到8或11到14中任一项所述的图像传感器(10，100)，条件是所述权利要求未引用权利要求4、9或10，其中所述至少一个孔朝向或远离所述第二层成锥形。
26.根据权利要求1到25中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述第一层(11)对未传播通过所述至少一个孔(13)并且未在所述至少一个孔(13)内衰减的入射辐射不透明，和/或其中所述第二光敏层(12)仅吸收已经穿过所述至少一个孔(13)的辐射。
27.根据权利要求1到26中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述入射辐射包括的光的范围从紫外光开始并包含紫外光并且以红外光结束并包含红外光。
28.根据权利要求15到27中任一项所述的图像传感器(10，30，100)，其中所述像素阵列中的每个像素记录传播通过耦合到所述像素的所述组孔中的所述一个或多个孔的辐射强度的量以及在耦合到所述像素的所述组孔中的所述一个或多个孔内衰减的辐射强度的量。
29.一种图像捕获装置(400)，包括：
根据权利要求15到28中任一项所述的图像传感器(100)；以及
数据存储单元(410)，其通信地耦合到所述图像传感器(100)；
其中所述图像捕获装置(400)被配置成将...
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