CN216901121U

CN216901121U - 基于超透镜的探测器阵列

Info

Publication number: CN216901121U
Application number: CN202220502150.2U
Authority: CN
Inventors: 谭凤泽; 郝成龙; 朱健
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2032-03-08

Abstract

本公开提供一种基于超透镜的探测器阵列，以提升对倾斜光线的探测能力。所述的基于超透镜的探测器阵列由探测器单元阵列构成；所述探测器单元包括沿竖直方向依次设置的反射膜、超透镜单元以及探测元件；所述反射膜设置有用于限制入射辐射的孔；所述超透镜单元包括基底，阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；所述超透镜单元基于纳米结构的相位分布配置为：将呈角度入射的辐射偏折并会聚至所述探测元件。上述方案增大了传统透镜方案中能容忍的最大主光线角，无需进行透镜的平移，设计和加工简单，此外还有额外减小体积的优势。

Description

基于超透镜的探测器阵列

技术领域

本申请涉及探测器领域，具体为一种基于超透镜的探测器阵列。

背景技术

用于焦平面成像时，探测器阵列上方设置微透镜阵列，这样会提高像素的填充因子，提高通过吸收区的光通量。其中，通过透镜中心或光轴的光线，会垂直入射到微透镜阵列从而聚焦到探测器上；但是，当光线以一定的主光线角入射时，经过微透镜阵列后，无法全部聚焦到探测器上或中间吸收区域，使得光照强度下降，边缘像素灵敏度下降。

现有技术中为了解决上述问题，往往采用的方案是将微透镜平移，使光线经过折射，将未平移透镜之前损失的光线，重新聚焦到光吸收区域。这就引入了对应的平移计算相关算法和非规则微透镜阵列加工，使得整体工作复杂。

实用新型内容

针对上述现有技术中的缺陷，本申请提供一种基于超透镜的探测器阵列，以提升对倾斜光线的探测能力。

所述的基于超透镜的探测器阵列由探测器单元阵列构成；所述探测器单元包括沿竖直方向依次设置的反射膜、超透镜单元以及探测元件；

所述反射膜设置有用于限制入射辐射的孔；

其中，所述超透镜单元包括基底，以及

阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；

其中，所述超透镜单元基于纳米结构的相位分布配置为：将呈角度入射的辐射偏折并会聚至所述探测元件。

优选地，所述反射膜与超透镜单元之间设置有支撑层或支撑结构。所述支撑层能够透过工作波段的入射辐射。

优选地，所述支撑层为石英玻璃，且所述反射膜以沉积的形式构成于所述石英玻璃表面。

优选地，所述超透镜单元与所述探测元件之间设置有粘结剂层，所述粘结剂层能够透过工作波段的辐射，并填充于所述探测元件的周边。

优选地，所述探测元件与超透镜单元以晶圆级封装的形式构成。

优选地，还包括底座，用于承托所述探测元件。

优选地，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；

其中，所述偏振相关结构包括鳍状柱或椭圆柱，所述偏振无关结构包括圆柱或方柱。

优选地，所述探测器阵列中，各超透镜单元的基底一体地构成。

优选地，所述纳米结构间设置有填充材料。

基于上述技术方案，本申请将现有设计中设置会聚透镜的位置改为设置孔径光阑，并在其下方设置超透镜，即对光线进行偏折，以零度主光线角入射至探测器上。其优点在于增大了传统透镜方案中能容忍的最大主光线角，无需进行透镜的平移，设计和加工简单，此外还有额外减小体积的优势。

另一方面，通过金属反射膜上设置的孔，作为孔径光阑，使整体光路具备远心光学***的特征，在光阑处阻挡部分光线，使光路中物方主光线的焦点位置趋于无限远，实现了对于不同距离的探测目标，尤其是较远距离的探测目标具备较高的适配性。

附图说明

图1为本公开中探测器阵列(单元)结构示意图；

图2为本公开中探测器单元的光路图及其与现有技术的对比；

图3示出了光路中最大入射主光线角需满足的条件；

图4为超透镜单元中的结构单元示意图；

图5为超透镜单元中的纳米结构示意图；

图中标注：

1金属反射膜；2石英玻璃；3超透镜单元；4粘结剂层；5探测元件；6底座；

31纳米结构；32基底；33填充材料。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本申请。

具体实施方式

将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

由图2中的左图可以看出，经过传统透镜(微透镜阵列中的一个单元)的倾斜于光轴的入射光线被会聚在探测元件的外侧，使其无法有效探测。针对于此，本公开提供了一种基于超透镜的探测器阵列，由探测器单元阵列构成；所述探测器单元包括沿竖直方向依次设置的反射膜、超透镜单元以及探测元件。可选地，反射膜和超透镜单元之间还可以包括支撑层或支撑结构。示例性的，如图1所示，从顶部(入射辐射来源方向)到底部(探测器所在方向)依次为金属反射膜1、石英玻璃2(作为支撑层)、超透镜单元3、粘结剂层4、探测元件5、底座6；

所述反射膜设置有用于限制入射辐射的孔11；所述支撑层能够透过工作波段的入射辐射；

其中，所述超透镜单元3包括基底32，以及

阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构31组成；

其中，所述超透镜单元基于纳米结构31的相位分布配置为：将呈角度入射的辐射偏折并会聚至所述探测元件5。

对实施例的补充说明是：

金属反射膜起到反射外界光的作用，在采用石英玻璃作为支撑层的前提下，其加工工艺为沉积到石英玻璃表面，中心刻出孔11形成光阑；支撑层可选用石英玻璃，起到支撑作用；超透镜单元3和探测元件5使用胶进行黏合；最终成为一个器件或者是阵列式器件。实施例的光路图由图2示出，可以看出，若使用传统透镜，则入射光无法汇聚至探测元件5上；而采用超透镜便可汇聚到探测元件5上，这样便提高了探测能力。

通过金属反射膜上设置的孔11，作为孔径光阑，使整体光路具备远心光学***的特征，在光阑处阻挡部分光线，使光路中物方主光线的焦点位置趋于无限远，实现了对于不同距离的探测目标，尤其是较远距离的探测目标具备较高的适配性。

实施中所述的支撑层或支撑结构，其作用在于确定反射膜与超透镜单元的距离以及相对位置关系，并且不能影响光线的传播。可选的，为图1中的透明材料固体层，如玻璃材料；反射膜与超透镜单元也可以以晶圆级封装的形式构成，这种情况下可以采用边缘形成的支撑结构来起到相同的效果。

如图3所示，当***参数确定后，包括超透镜焦距、单个像元中探测元件5的大小，便得到该***支持最大入射主光线角θ_max。所以，就限制该探测器所在光学***的主光线角θ_CRA要满足以下条件：

上式中，d为探测元件直径，f为超透镜单元的焦距。

同时，该***由于使用超透镜方案，对于像距无要求，即超透镜和探测元件5之间的间距可以很小，从而可以减小整个探测器的体积。

实施例中所述超透镜单元，为透明基底上设置的超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。本例中，纳米结构是全介质结构单元，在目标波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。纳米结构之间可是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料，需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。

上述多个超透镜单元，基于其中纳米结构的相位调制，相同地或不同地构成。

所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图4所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图4左图中示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图4右图中示出的一个实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

如图5所示，纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

对于实施例中的超透镜单元，基于其表面纳米结构的相位分布，其光相位至少满足如下公式：

其中，r为所述超透镜中心到任一所述纳米结构中心的距离；λ为工作波长，

为任意与所述工作波长相关的相位，x,y为超透镜镜面坐标，f为所述超透镜的焦距。超透镜的相位可以通过高次多项式表达，其中高次多项式包括偶次多项式和奇次多项式。本申请实施例中，相比公式(1)、(2)、(3)、(7)、和(8)，公式(4)、(5)和公式(6)不仅能够对满足偶次多项式的相位进行优化，还能够对满足奇次多项式的相位进行优化且不破坏超透镜相位的旋转对称性，显著地提高了超透镜的优化自由度。需要注意的是，公式(1)、(2)、(3)、(7)和(8)中，a1小于零；而公式(4)、(5)和(6)中，a2小于零。

在优选实施例中，所述支撑层为石英玻璃。

在优选实施例中，所述反射膜以沉积的工艺形式构成于所述石英玻璃表面。沉积过程中通过施加掩模，在每一个探测器单元的入射光处形成一个孔11，该孔11起到孔径光阑的作用，旨在对入射光进行限制。

在优选实施例中，所述超透镜单元与所述探测元件之间设置有粘结剂层，所述粘结剂层能够透过工作波段的辐射，并填充于所述探测元件的周边和顶部。

在优选实施例中，选用不透明的粘结剂材质，粘结剂环绕于探测元件将底座6与基底32粘接，其中，粘接剂层于探测元件顶部光路可能经过的空间形成空隙，以保证入射光能够正常地通过。

在优选实施例中，结构单元和纳米结构设置于基底靠近入射光来源的方向。

在优选实施例中，结构单元和纳米结构设置于基底靠近探测元件的方向。

在优选实施例中，孔11以激光打孔的形式构成。

在优选实施例中，根据本申请的实施方式，微纳结构可由如下材料中的至少之一形成：氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等材料。例如，当目标波段是可见光时，微纳结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅中的一种或多种；当目标波段是近红外光时，微纳结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种；当目标波段是远红外光时，微纳结构的材料包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种；当目标波段是紫外光时，微纳结构的材料包括氧化铪。

在优选实施例中，所述探测元件5与超透镜单元以晶圆级封装的形式构成。由于超表面的加工兼容了半导体的加工工艺，相比现有技术中使用的微透镜阵列，超透镜阵列更易于加工，尺寸量级更小，成本更低，而且，能够与同样是在晶圆表面制成的CMOS或CCD进行晶圆级的封装，同时可以减少装配误差带来的畸变问题。

在优选实施例中，金属反射膜上方可以再增加一层透明材质的保护层，如石英玻璃。可以理解为，金属反射膜夹在石英玻璃层内部，同样地起到反射外界光和孔径光阑的效果，并且可以受到保护，鲁棒性较强。

在优选实施例中，在超透镜单元与探测器之间设置有间隔层，间隔层用以控制超透镜与探测元件之间的距离。间隔层为透明或环绕设置于探测元件周围。进一步优选的实施例中，超透镜单元、间隔层及探测元件三者采用晶圆级封装组合在一起。进一步优选的实施例中，通过键合的形式封装。

在优选实施例中，还包括底座，用于承托所述探测器元件。

在优选实施例中，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

在优选实施例中，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

在优选实施例中，所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；

在优选实施例中，探测器单元为正方形。并且以矩形阵列的形式密堆组合成探测器阵列。应当理解，探测器单元也可是六边形等其他可密堆形状或不可密堆形状，如圆形。

在优选实施例中，探测元件为CMOS或CCD等。

在优选实施例中，所述探测器阵列中，各超透镜单元的基底一体地构成。整体形成的超透镜阵列之中，其中的各超透镜单元可以是公用同一基底，也就是在同一基底表面采用光刻等工艺刻蚀出不同区域的超表面单元；也可以是使用不同基底制作并且进行拼接形成阵列。

在优选实施例中，所述纳米结构间设置有填充材料。填充材料设置于纳米结构之间的缝隙中，也可覆盖于纳米结构的顶部。

基于上述实施例及其优选实施方式，本申请将现有设计中设置会聚透镜的位置改为设置孔径光阑，并在其下方设置超透镜，即对光线进行偏折，以零度主光线角入射至探测器上。其优点在于增大了传统透镜方案中能容忍的最大主光线角，无需进行透镜的平移，设计和加工简单，此外还有额外减小体积的优势。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，包括探测器单元；所述探测器单元包括沿竖直方向依次设置的反射膜、超透镜单元以及探测元件；

所述反射膜设置有用于限制入射辐射的孔；

其中，所述超透镜单元包括基底，以及

2.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述反射膜与超透镜单元之间设置有支撑层或支撑结构，所述支撑层能够透过工作波段的入射辐射。

3.根据权利要求2所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述支撑层为石英玻璃，且所述反射膜以沉积的形式构成于所述石英玻璃表面。

4.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述超透镜单元与所述探测元件之间设置有粘结剂层，所述粘结剂层能够透过工作波段的辐射，并填充于所述探测元件的周边。

5.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述探测元件与超透镜单元以晶圆级封装的形式构成。

6.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，还包括底座，用于承托所述探测元件。

7.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

8.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

9.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；

10.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述探测器阵列中，各超透镜单元的基底一体地构成。

11.根据权利要求1所述的基于超透镜的探测器阵列，其特征在于，所述纳米结构间设置有填充材料。