CN113345925B - 像素单元、图像传感器及光谱仪 - Google Patents
像素单元、图像传感器及光谱仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种像素单元、图像传感器及光谱仪，其中，像素单元包括光电转换结构和超透镜结构，光电转换结构能够在光照下产生电流；超透镜结构设置在光电转换结构上，超透镜结构能够从光像中筛选出预设波长的光，并将预设波长的光聚焦在光电转换结构上。本发明提供的像素单元、图像传感器及光谱仪，能够提高像素单元的集成度，并改善色偏以及色差，从而能够减小图像传感器及光谱仪的体积，并提高成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术领域，具体地，涉及一种像素单元、图像传感器及光谱仪。
背景技术
图像传感器(Image sensor)也称感光元件，其是利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号的一种功能器件，主要应用于例如光谱仪、超光谱成像仪、数码相机等电子光像成像设备中。
图像传感器主要包括两种，分别为CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器，这两种图像传感器均包括多个像素单元，以能够将其感光面上的光像分成多个小单元，并借助多个像素单元分别将多个小单元光像转换成与各小单元光像对应的可用的电信号，从而获得与光像相应比例关系的电信号。
但是现有的像素单元体的集成度较低，且容易产生色差以及色偏，这样就会造成应用有像素单元的图像传感器以及例如光谱仪、超光谱成像仪、数码相机等电子光像成像设备的体积较大，且例如成像光强度较低、成像分辨率较低等成像效果较差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种像素单元、图像传感器及光谱仪，其能够提高像素单元的集成度，并改善色偏以及色差，从而能够减小图像传感器及光谱仪的体积，并提高成像效果。
为实现上述目的，本发明提供一种像素单元，包括光电转换结构和超透镜结构，其中，所述光电转换结构能够在光照下产生电流；所述超透镜结构设置在所述光电转换结构上，所述超透镜结构能够从光像中筛选出预设波长的光，并将所述预设波长的光聚焦在所述光电转换结构上。
可选的，所述超透镜结构包括透光的基底和多个超表面结构单元，其中，所述基底设置在所述光电转换结构上，多个所述超表面结构单元均设置在所述基底远离所述光电转换结构的一侧面上，并呈阵列分布，且各所述超表面结构单元在竖直方向上的长度均小于所述预设波长，多个所述超表面结构单元能够配合从光像中筛选出预设波长的光，并将所述预设波长的光聚焦在所述光电转换结构上。
可选的，各所述超表面结构单元的形状包括棱柱体、圆柱体、球体和椭圆球体中的任意一种。
可选的，各所述超表面结构单元的形状均为长方形柱体，各所述超表面结构单元的长轴平行于所述基底远离所述光电转换结构的一侧面，且各所述超表面结构单元的长轴与第一预设方向之间均具有预设度数的夹角，所述第一预设方向与所述基底远离所述光电转换结构的一侧面平行，以使多个所述超表面结构单元配合将所述预设波长的光聚焦在所述光电转换结构上。
可选的，所述基底远离所述光电转换结构的一侧面的形状呈正方形，所述基底远离所述光电转换结构的一侧面分为呈正方形的多个子表面，所述子表面的数量与所述超表面结构单元的数量相同，多个所述超表面结构单元一一对应的设置在多个所述子表面上，各所述超表面结构单元的长轴与所述第一预设方向之间的夹角的所述预设度数通过以下公式获得：
其中，θ为所述超表面结构单元的长轴与所述第一预设方向之间的所述预设度数的夹角，π为圆周率，λ为所述预设波长，f为焦距，x为所述基底远离所述光电转换结构的一侧面在所述第一预设方向上的位置坐标，y为所述基底远离所述光电转换结构的一侧面在与所述第一预设方向垂直的第二预设方向上的位置坐标，s为所述基底远离所述光电转换结构的一侧面的边长。
可选的，各所述超表面结构单元的制作材料包括a-Si、p-Si、Si3N4和TiO2中的任意一种。
可选的，所述光电转换结构包括光电转换金属件、衬底和透光的绝缘层，其中，所述绝缘层设置在所述衬底上，所述光电转换金属件设置在所述绝缘层中，所述光电转换金属件能够在光照下产生电流，所述超透镜结构设置在所述绝缘层背离所述衬底的一侧面上。
可选的，所述光电转换金属件的数量为多个，多个所述光电转换金属件间隔的设置在所述绝缘层中。
可选的，所述像素单元还包括透光的保护层，所述保护层覆盖在所述超透镜结构背离所述光电转换结构的一侧面上，用于保护所述超透镜结构。
可选的，所述保护层的制作材料包括聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷。
本发明还提供一种图像传感器，包括至少三个如本发明提供的像素单元，至少三个所述像素单元阵列分布，至少三个所述像素单元至少分别能够从光像中筛选出红光、绿光和蓝光，并分别将红光、绿光和蓝光聚焦，且分别产生与红光、绿光和蓝光对应的电流。
本发明还提供一种光谱仪，包括多个如本发明提供的像素单元，多个所述像素单元阵列分布，多个所述像素单元至少分别能够从光像中筛选出不同波长的可见光，并分别将不同波长的可见光聚焦，且产生与不同波长的可见光对应的电流。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的像素单元，通过将超透镜结构设置在光电转换结构上，以借助超透镜结构从光像中筛选出预设波长的光，并将预设波长的光聚焦在光电转换结构上，使光电转换结构能够在光照下产生电流，由于超透镜结构能够从光像中筛选出预设波长的光，并将预设波长的光聚焦在光电转换结构上，即，超透镜结构即具有现有的像素单元中的彩色滤光片(Color filter)能够从光像中筛选出预设波长的光的功能，又具有现有的像素单元中的曲面透镜能够将预设波长的光聚焦的功能，因此，超透镜结构可以代替现有的像素单元中的彩色滤光片和曲面透镜使用，以避免现有的像素单元由于彩色滤光片和曲面透镜贴合不齐而导致的色差以及色偏的情况出现，从而能够改善像素单元的色偏以及色差，继而能够提高图像传感器及光谱仪例如成像光强度、成像分辨率等成像效果，并且，由于超透镜结构能够通过半导体工艺直接在光电转换结构上制备集成，因此，可以避免现有的像素单元由于曲面透镜需要与光电转换结构贴合而产生的集成度较低的问题，并且无需再进行彩色滤光片和曲面透镜的贴合，从而能够提高像素单元的集成度，并改善色偏以及色差，继而能够减小图像传感器及光谱仪的体积，并能够提高图像传感器及光谱仪的例如成像光强度、成像分辨率等成像效果。
本发明提供的图像传感器，借助至少三个本发明提供的像素单元分别从光像中筛选出红光、绿光和蓝光，并分别将红光、绿光和蓝光聚焦，且分别产生与红光、绿光和蓝光对应的电流，从而能够减小图像传感器及光谱仪的体积，并提高成像效果。
本发明提供的光谱仪，借助多个本发明提供的像素单元分别从光像中筛选出不同波长的可见光，并分别将不同波长的可见光聚焦，且产生与不同波长的可见光对应的电流，从而能够减小光谱仪的体积，并提高成像效果。
附图说明
图1为现有的一种等离子体滤光片的像素单元的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的像素单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的像素单元的基底和多个超表面结构单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的像素单元聚焦光的示意图；
图5为本发明实施例提供的像素单元聚焦的光在一个面上的示意图；
图6为本发明实施例提供的像素单元聚焦的光在另一个面上的示意图；
图7为本发明实施例提供的像素单元的一个超表面结构单元的高的示意图；
图8为本发明实施例提供的像素单元的一个超表面结构单元的长和宽的示意图；
图9为本发明实施例提供的像素单元的一个超表面结构单元的夹角的示意图；
图10为本发明实施例提供的像素单元在制备工艺中的一个步骤时的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的像素单元在制备工艺中的另一个步骤时的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的像素单元在制备工艺中的又一个步骤时的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的像素单元在制备工艺中的再一个步骤时的结构示意图；
图14为本发明实施例提供的像素单元在制备工艺中的再一个步骤时的结构示意图；
图15为本发明实施例提供的像素单元在制备工艺中的再一个步骤时的结构示意图；
图16为本发明实施例提供的像素单元在制备工艺中的再一个步骤时的结构示意图；
图17为本发明实施例提供的光谱仪的结构示意图；
图18为本发明实施例提供的光谱仪的立体结构示意图；
附图标记说明：
1-像素单元；11-光电转换结构；111-衬底；112-光电转换金属件；113-透光的绝缘层；12-超透镜结构；121-基底；122-超表面结构单元；13-保护层；2-光谱仪；31-等离子体滤光片；32-曲面透镜；33-光电转换结构；41-光刻胶。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的像素单元、图像传感器及光谱仪进行详细描述。
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，首先对两种现有的像素单元进行介绍。第一种现有的像素单元包括有机染料滤光片、曲面透镜和光电转换结构，其中，曲面透镜与光电转换结构贴合，有机染料滤光片与曲面透镜贴合，并位于曲面透镜远离光电转换结构的一侧，光像从有机染料滤光片一侧入射，有机染料滤光片从光像中筛选出预设波长的光，使预设波长的光透过有机染料滤光片入射至曲面透镜，曲面透镜将预设波长的光聚焦在光电转换结构上，光电换结构在预设波长的光的照射下产生与预设波长的光对应的电流。
但是，由于有机染料不能承受高温或者长时间的紫外辐射，因此，采用有机染料滤光片的像素单元的工作稳定性较差，并且，由于有机染料的吸收系数较低，因此，有机染料滤光片的厚度通常较厚，无法设计成几百纳米厚度的膜层，并且，由于有机染料滤光片与曲面透镜、以及曲面透镜与光电转换结构均需要贴合才能集成在一起，即，有机染料滤光片无法直接在曲面透镜上制备集成，曲面透镜也无法直接在光电转换结构上制备集成，因此，导致像素单元的集成度较低，并且，有机染料滤光片与光电转换结构的对齐程度，会对光电转换结构产生的电流产生影响，这就使得有机染料滤光片与曲面透镜的贴合、以及曲面透镜与光电转换结构的贴合均需要对齐，若有机染料滤光片与曲面透镜的贴合、或者曲面透镜与光电转换结构的贴合未对齐，则会产生色偏以及色差，导致图像传感器及光谱仪的例如成像光强度较低、成像分辨率较低等成像效果较差。
如图1所示，第二种现有的像素单元包括有等离子体滤光片31、曲面透镜32和光电转换结构33，其中，曲面透镜32与光电转换结构33贴合，等离子体滤光片31与曲面透镜32贴合，并位于曲面透镜32远离光电转换结构33的一侧，等离子体滤光片31是指基于金属(例如铝)薄膜的等离子空气孔阵列结构的滤光片，其是利用相邻的等离子空气孔对光的干涉效应，以能够从光像中筛选出预设波长的光，光像从等离子体滤光片31一侧入射，预设波长的光透过等离子体滤光片31入射至曲面透镜32，曲面透镜32将预设波长的光聚焦在光电转换结构11上，光电换结构在预设波长的光的照射下产生与预设波长的光对应的电流。
但是，由于等离子体滤光片31与曲面透镜32、以及曲面透镜32与光电转换结构33均需要贴合才能集成在一起，即，等离子体滤光片31无法直接在曲面透镜32上制备集成，曲面透镜32也无法直接在光电转换结构33上制备集成，因此，导致像素单元的集成度较低，并且，等离子体滤光片31与光电转换结构33的对齐程度，会对光电转换结构33产生的电流产生影响，这就使得等离子体滤光片31与曲面透镜32的贴合、以及曲面透镜32与光电转换结构33的贴合均需要对齐，若等离子体滤光片31与曲面透镜32的贴合、或者曲面透镜32与光电转换结构33的贴合未对齐，则会产生色偏以及色差，导致图像传感器及光谱仪的例如成像光强度较低、成像分辨率较低等成像效果较差，并且，由于等离子体滤光片31的金属(例如铝)薄膜基底会产生欧姆损耗，还会导致像素单元的使用寿命降低。
如图2所示，本发明实施例提供一种像素单元1，包括光电转换结构11和超透镜结构12，其中，光电转换结构11能够在光照下产生电流；超透镜结构12设置在光电转换结构11上，超透镜结构12能够从光像中筛选出预设波长的光，并将预设波长的光聚焦在光电转换结构11上。
本发明实施例提供的像素单元1，通过将超透镜结构12设置在光电转换结构11上，以借助超透镜结构12从光像中筛选出预设波长的光，并将预设波长的光聚焦在光电转换结构11上，使光电转换结构11能够在光照下产生电流，由于超透镜结构12能够从光像中筛选出预设波长的光，并将预设波长的光聚焦在光电转换结构11上，即，超透镜结构12即具有现有的像素单元1中的彩色滤光片能够从光像中筛选出预设波长的光的功能，又具有现有的像素单元1中的曲面透镜能够将预设波长的光聚焦的功能，因此，超透镜结构12可以代替现有的像素单元1中的彩色滤光片和曲面透镜使用，以避免现有的像素单元1由于彩色滤光片和曲面透镜贴合不齐而导致的色差以及色偏的情况出现，从而能够改善像素单元1的色偏以及色差，继而能够提高图像传感器及光谱仪2例如成像光强度、成像分辨率等成像效果，并且，由于超透镜结构12能够通过半导体工艺直接在光电转换结构11上制备集成，因此，可以避免现有的像素单元1由于曲面透镜需要与光电转换结构11贴合而产生的集成度较低的问题，并且无需再进行彩色滤光片和曲面透镜的贴合，从而能够提高像素单元1的集成度，并改善色偏以及色差，继而能够减小图像传感器及光谱仪2的体积，并能够提高图像传感器及光谱仪2的例如成像光强度、成像分辨率等成像效果。
可选的，对于不同的超透镜结构12的预设波长可以是不同的，例如，三个不同的超透镜结构12中的一个超透镜结构12的预设波长可以为660nm，即，该超透镜结构12能够从光像中筛选出660nm的光，并将660nm的光聚焦在光电转换结构11上，三个不同的超透镜结构12中的另一个超透镜结构12的预设波长可以为532nm，即，该超透镜结构12能够从光像中筛选出532nm的光，并将532nm的光聚焦在光电转换结构11上，三个不同的超透镜结构12中的再一个超透镜结构12的预设波长可以为405nm，即，该超透镜结构12能够从光像中筛选出405nm的光，并将405nm的光聚焦在光电转换结构11上。
如图5和图6所示，为超透镜结构12聚焦光的示意图，其中，x表示以光电转换结构11朝向基底121的一侧面建立笛卡尔坐标系中的横坐标，y表示该笛卡尔坐标系中的纵坐标，z表示该笛卡尔坐标系中的竖坐标，x、y、z的单位均为微米(Microns)，图中右侧坐标表示光的能量。如图5和图6所示，超透镜结构12将光聚焦在xy表示的光电转换结构11朝向基底121的一侧面上的中心位置，且将光聚焦在yz表示的一侧面上的一侧。但是，超透镜结构12将光聚焦在xy表示的光电转换结构11朝向基底121的一侧面上的位置，以及将光聚焦在yz表示的一侧面上的位置均不以此为限，可以根据需要进行调整。
如图2和图3所示，在本发明一实施例中，超透镜结构12可以包括透光的基底121和多个超表面结构单元122，其中，基底121设置在光电转换结构11上，多个超表面结构单元122均设置在基底121远离光电转换结构11的一侧面上，并呈阵列分布，且各超表面结构单元122在竖直方向上的长度均小于预设波长，多个超表面结构单元122能够配合从光像中筛选出预设波长的光，并将预设波长的光聚焦在光电转换结构11上。
超表面结构单元122在竖直方向上的长度均小于预设波长，即，超表面结构单元122在基底121上的厚度小于预设波长，此种超表面结构单元122可以称为超表面透镜，由于物质的折射率与介质的磁导率和介电常数存在关系，当介质的磁导率和介电常数均大于0时，则物质的折射率大于0，当介质的磁导率和介电常数均小于0时，则物质的折射率小于0，而同时拥有负介电常数与负磁导率的物质就称为超材料，这种超材料物质相对于常规物质具有不同寻常的光学性质，例如，将一支笔***超材料液体中，笔的像便仿佛在超材料液体外，且透过超材料液体，离去的物质将发生蓝移(常规物质是红移)，而这种超材料可以通过使超材料本身的尺寸小于电磁波波长而获得，因此，通过使超表面结构单元122在竖直方向上的长度均小于预设波长，就可以使超表面结构单元122获得超材料的这种效果，而通过将多个超表面结构单元122呈阵列分布，就可以借助多个超表面结构单元122的折射配合从光像中筛选出预设波长的，并将预设波长的光聚焦(如图4所示)。
如图4所示，需要说明的是，经过多个超表面结构单元122聚焦的光在经过基底121时，还未完全聚焦于一点，当经过一定厚度的基底121之后，照射在光电转换结构11上时，才会完全聚焦于光电转换结构11上的一点。
可选的，各超表面结构单元122的制作材料可以包括a-Si、p-Si、氮化硅(Si3N4)和二氧化钛(TiO2)中的任意一种。即，各超表面结构单元122的制作材料可以为a-Si、或者为p-Si、或者为Si3N4、或者为TiO2。
可选的，基底121的制作材料可以包括二氧化硅(SiO2)。
可选的，各超表面结构单元122的形状可以包括棱柱体、圆柱体、球体和椭圆球体中的任意一种。即，各超表面结构单元122的形状可以为棱柱体、或者为圆柱体、或者为球体、或者为椭圆球体。
如图7-图9所示，在本发明一实施例中，各超表面结构单元122的形状可以均为长方形柱体，各超表面结构单元122的长轴平行于基底121远离光电转换结构11的一侧面，且各超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间均具有预设度数的夹角，第一预设方向与基底121远离光电转换结构11的一侧面平行，以使多个超表面结构单元122配合将预设波长的光聚焦在光电转换结构11上。
如图7-图9所示，呈长方形柱体的各超表面结构单元122的长边(如图8中边L所示)和宽边(如图8中边W所示)平行于基底121远离光电转换结构11的一侧面，而呈长方形柱体的各超表面结构单元122的高边(如图7中边h所示)垂直于基底121远离光电转换结构11的一侧面，且长方形柱体的各超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间具有预设度数的夹角(如图9中角θ所示)，第一预设方向可以是与基底121远离光电转换结构11的一侧面平行的任一方向。根据几何相位原理，超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间每改变一定度数的预设度数的夹角，光在经过该超表面结构单元122之后相位就会改变二倍的该预设度数，因此，通过调整呈阵列分布的多个超表面结构单元122中的各超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间的夹角的预设度数，就可以借助多个超表面结构单元122的折射配合从光像中筛选出预设波长的，并将预设波长的光聚焦在光电转换结构11上。
可选的，对于不同的超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间的夹角的预设度数可以是不同的。
但是，各超表面结构单元122的形状、以及多个超表面结构单元122配合将预设波长的光聚焦在光电转换结构11上的方式并不以此为限，例如，各超表面结构单元122的形状可以呈球形，此时，可以通过调整呈阵列分布的多个超表面结构单元122中的各超表面结构单元122的半径大小，以使多个超表面结构单元122的折射配合能够从光像中筛选出预设波长的，并将预设波长的光聚焦。
在本发明一实施例中，基底121远离光电转换结构11的一侧面的形状可以呈正方形，基底121远离光电转换结构11的一侧面可以分为呈正方形的多个子表面，子表面的数量与超表面结构单元122的数量相同，多个超表面结构单元122一一对应的设置在多个子表面上，各超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间的夹角的预设度数可以通过以下公式获得：
其中，θ为超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间的预设夹角，π为圆周率，λ为预设波长，f为焦距，x为基底121远离光电转换结构11的一侧面在第一预设方向上的位置坐标，y为基底121远离光电转换结构11的一侧面在与第一预设方向垂直的第二预设方向上的位置坐标，s为基底121远离光电转换结构11的一侧面的边长。
如图7-图9所示，为一个超表面结构单元122在一个呈正方形的子表面上的示意图，该超表面结构单元122的高为h，长为L，宽为W，该呈正方形的子表面的边长为a，该边长为a的正方形子表面由呈正方形的基底121远离光电转换结构11的一侧面划分而来，该呈正方形的基底121远离光电转换结构11的一侧面的边长为s，一个该边长为a的正方形子表面上设置有一个超表面结构单元122。例如，以呈正方形的基底121远离光电转换结构11的一侧面建立笛卡尔坐标系，并以呈正方形的基底121远离光电转换结构11的一侧面的中心为原点，则x可以为该笛卡尔坐标系中的横坐标，y可以为该笛卡尔坐标系中的纵坐标，通过上述公式可以看出，各超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间的夹角的预设度数，与各超表面结构单元122在基底121远离光电转换结构11的一侧面的位置、焦距、以及预设波长是有关系的，由于多个超表面结构单元122需要从光像中筛选出的光的波长，以及所需要的焦距将均是可以预先设计的，例如，焦距可以根据需要将光聚焦于光电转换结构11上的位置进行预先设计，因此，根据各超表面结构单元122在基底121远离光电转换结构11的一侧面的位置，并通过上述公式就可以确定各超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间的夹角的预设度数，从而对呈阵列分布的多个超表面结构单元122中的各超表面结构单元122的长轴与第一预设方向之间的夹角的预设度数进行调整。
例如，一个超表面结构单元122的宽为85nm、长为410nm、高为600nm、其所在的呈正方形的子表面的边长为430nm，则其可以将波长为660nm的光聚焦，例如，另一个超表面结构单元122的宽为95nm、长为250nm、高为600nm、其所在的呈正方形的子表面的边长为325nm，则其可以将波长为532nm的光聚焦，例如，再一个超表面结构单元122的宽为40nm、长为150nm、高为600nm、其所在的呈正方形的子表面的边长为200nm，则其可以将波长为405nm的光聚焦。
如图2所示，在本发明一实施例中，光电转换结构11可以包括光电转换金属件112、衬底111和透光的绝缘层113，其中，绝缘层设置在衬底111上，光电转换金属件112设置在绝缘层中，光电转换金属件112能够在光照下产生电流，超透镜结构12设置在绝缘层背离衬底111的一侧面上。
如果所示，以超透镜结构12包括透光的基底121和多个超表面结构单元122为例，则基底121设置在绝缘层背离衬底111的一侧面上，经过多个超表面结构单元122聚焦的光会依次透过基底121和绝缘层照射至光电转换金属件112上，使光电转换金属件112产生电流。
可选的，光电转换金属件112的材料可以包括铜。
可选的，衬底111的材料可以包括硅(Si)。
可选的，绝缘层的材料可以包括氮化硅(Si3N4)。
如图2所示，在本发明一实施例中，光电转换金属件112的数量可以为多个，多个光电转换金属件112间隔的设置在绝缘层中。借助多个光电转换金属件112可以提高光电转换的效果，而通过将多个光电转换金属件112间隔的设置在绝缘层中，可以借助绝缘层使多个光电转换金属件112之间绝缘，避免多个光电转换金属件112之间短路。
如图2所示，在本发明一实施例中，像素单元1可以还包括透光的保护层13，保护层13覆盖在超透镜结构12背离光电转换结构11的一侧面上，用于保护超透镜结构12。
可选的，保护层13的制作材料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，简称PMMA)或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，简称PDMS)。
如图10-图16所示，下面以超透镜结构12包括透光的基底121和多个超表面结构单元122，光电转换结构11包括光电转换金属件112、衬底111和透光的绝缘层113，像素单元1还包括透光的保护层13为例，对本发明实施例提供的像素单元1的制备工艺进行介绍。如图10所示，首先可以制作包括有多个光电转换金属件112、衬底111和透光的绝缘层113的光电转换结构11，其中，绝缘层制备在衬底111上，多个光电转换金属件112间隔的制备在绝缘层中，随后，如图11所示，可以通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，简称PECVD)工艺，将基底121沉积在绝缘层远离衬底111的一侧面上，随后，如图12所示，可以通过旋涂曝光显影(Spin Coating Exposure Developer)工艺，将光刻胶制备在基底121远离绝缘层的一侧面上，以形成与多个超表面结构单元122的图案相适应的图案，随后，如图13所示，可以通过原子层沉积(Atomic layer deposition，简称ALD)工艺，将超表面结构单元122的材料(例如TiO2)沉积在光刻胶上，以及光刻胶所形成的图案中，随后，如图14所示，可以通过电感耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma EmissionSpectrometer，简称ICP)工艺，将位于光刻胶上的超表面结构单元122的材料去除，随后，如图15所示，可以通过剥离(Striper)工艺将光刻胶剥离，从而在基底121上制备形成多个超表面结构单元122，随后，如图16所示，可以通过旋涂(Spin Coating)工艺，将保护层13制备在多个超表面结构单元122上，以及多个超表面结构单元122之间的间隙中，从而使保护层13覆盖多个超表面结构单元122以及基底121，对超透镜结构12进行保护。由此可见，本发明实施例提供的超透镜结构12能够通过半导体工艺直接在光电转换结构11上制备集成，因此，可以避免现有的像素单元1由于曲面透镜需要与光电转换结构11贴合而产生的集成度较低的问题，并且无需再进行彩色滤光片和曲面透镜的贴合，从而能够提高像素单元1的集成度，并改善色偏以及色差，继而能够减小图像传感器及光谱仪2的体积，并能够提高图像传感器及光谱仪2的例如成像光强度、成像分辨率等成像效果。
但是，本发明实施例提供的像素单元1的结构并不以此为限。并且，本发明实施例提供的像素单元1的制备工艺也并不以此为限。
本发明实施例还提供一种图像传感器，包括至少三个如本发明实施例提供的像素单元1，至少三个像素单元1阵列分布，至少三个像素单元1至少分别能够从光像中筛选出红光、绿光和蓝光，并分别将红光、绿光和蓝光聚焦，且分别产生与红光、绿光和蓝光对应的电流。
本发明实施例提供的图像传感器，借助至少三个本发明实施例提供的像素单元1分别从光像中筛选出红光、绿光和蓝光，并分别将红光、绿光和蓝光聚焦，且分别产生与红光、绿光和蓝光对应的电流，从而能够减小图像传感器及光谱仪2的体积，并提高成像效果。
例如，图像传感器可以包括四个如本发明实施例提供的像素单元1，四个像素单元1可以形成2*2的阵列分布，四个像素单元1中可以有一个像素单元1能够从光像中筛选出红光，并将红光聚焦，且产生与红光对应的电流，可以有一个像素单元1能够从光像中筛选出蓝光，并将蓝光聚焦，且产生与蓝光对应的电流，可以有两个像素单元1能够从光像中筛选出绿光，并将绿光聚焦，且产生与绿光对应的电流。但是，四个像素单元1的分配方式并不以此为限。
当然，图像传感器可以包括三个如本发明实施例提供的像素单元1，三个像素单元1中可以有一个像素单元1能够从光像中筛选出红光，并将红光聚焦，且产生与红光对应的电流，可以有一个像素单元1能够从光像中筛选出蓝光，并将蓝光聚焦，且产生与蓝光对应的电流，可以有一个像素单元1能够从光像中筛选出绿光，并将绿光聚焦，且产生与绿光对应的电流。
本发明实施例还提供一种光谱仪2，包括多个如本发明实施例提供的像素单元1，多个像素单元1阵列分布，多个像素单元1至少分别能够从光像中筛选出不同波长的可见光，并分别将不同波长的可见光聚焦，且产生与不同波长的可见光对应的电流。
本发明实施例提供的光谱仪2，借助多个本发明实施例提供的像素单元1分别从光像中筛选出不同波长的可见光，并分别将不同波长的可见光聚焦，且产生与不同波长的可见光对应的电流，从而能够减小光谱仪2的体积，并提高成像效果。
如图17和图18所示，例如，光谱仪2可以包括48个如本发明实施例提供的像素单元1，48个像素单元1可以形成6*8的阵列分布，此时可以将波长为400nm-700nm的可见光间隔的平均分为48个波长的可见光，48个像素单元1分别从光像中筛选出48个波长的可见光，并分别将48个波长的可见光聚焦，且产生与48个波长的可见光对应的电流，这样可以使光谱仪2能够在400nm-700nm的可见光范围内进行光谱提取，提高光谱仪2的灵敏度。但是，光谱仪2所包括的像素单元1的数量并不以此为限，并且，可见光的选择范围，以及可见光的划分也并不以此为限。
综上所述，本发明实施例提供的像素单元1、图像传感器及光谱仪2，能够提高像素单元1的集成度，并改善色偏以及色差，从而能够减小图像传感器及光谱仪2的体积，并提高成像效果。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种像素单元，其特征在于，包括光电转换结构和超透镜结构，其中，所述光电转换结构能够在光照下产生电流；所述超透镜结构设置在所述光电转换结构上，所述超透镜结构能够从光像中筛选出预设波长的光，并将所述预设波长的光聚焦在所述光电转换结构上；所述超透镜结构包括透光的基底和多个超表面结构单元，其中，所述基底设置在所述光电转换结构上，多个所述超表面结构单元均设置在所述基底远离所述光电转换结构的一侧面上，并呈阵列分布，且各所述超表面结构单元在竖直方向上的长度均小于所述预设波长；
各所述超表面结构单元的形状均为长方形柱体，各所述超表面结构单元的长轴平行于所述基底远离所述光电转换结构的一侧面，且各所述超表面结构单元的长轴与第一预设方向之间均具有预设度数的夹角，所述第一预设方向与所述基底远离所述光电转换结构的一侧面平行，以使多个所述超表面结构单元配合将所述预设波长的光聚焦在所述光电转换结构上；所述基底远离所述光电转换结构的一侧面的形状呈正方形，所述基底远离所述光电转换结构的一侧面分为呈正方形的多个子表面，所述子表面的数量与所述超表面结构单元的数量相同，多个所述超表面结构单元一一对应的设置在多个所述子表面上，各所述超表面结构单元的长轴与所述第一预设方向之间的夹角的所述预设度数通过以下公式获得：
其中，θ为所述超表面结构单元的长轴与所述第一预设方向之间的所述预设度数的夹角，π为圆周率，λ为所述预设波长，f为焦距，x为所述基底远离所述光电转换结构的一侧面在所述第一预设方向上的位置坐标，y为所述基底远离所述光电转换结构的一侧面在与所述第一预设方向垂直的第二预设方向上的位置坐标，s为所述基底远离所述光电转换结构的一侧面的边长。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，各所述超表面结构单元的制作材料包括a-Si、p-Si、Si3N4和TiO2中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述光电转换结构包括光电转换金属件、衬底和透光的绝缘层，其中，所述绝缘层设置在所述衬底上，所述光电转换金属件设置在所述绝缘层中，所述光电转换金属件能够在光照下产生电流，所述超透镜结构设置在所述绝缘层背离所述衬底的一侧面上。
4.根据权利要求3所述的像素单元，其特征在于，所述光电转换金属件的数量为多个，多个所述光电转换金属件间隔的设置在所述绝缘层中。
5.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述像素单元还包括透光的保护层，所述保护层覆盖在所述超透镜结构背离所述光电转换结构的一侧面上，用于保护所述超透镜结构。
6.根据权利要求5所述的像素单元，其特征在于，所述保护层的制作材料包括聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷。
7.一种图像传感器，其特征在于，包括至少三个如权利要求1-6任一项所述的像素单元，至少三个所述像素单元阵列分布，至少三个所述像素单元至少分别能够从光像中筛选出红光、绿光和蓝光，并分别将红光、绿光和蓝光聚焦，且分别产生与红光、绿光和蓝光对应的电流。
8.一种光谱仪，其特征在于，包括多个如权利要求1-6任一项所述的像素单元，多个所述像素单元阵列分布，多个所述像素单元至少分别能够从光像中筛选出不同波长的可见光，并分别将不同波长的可见光聚焦，且产生与不同波长的可见光对应的电流。
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| GR01 | Patent grant | ||
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