[发明专利]光学元件、包含光学元件的图像传感器和包含图像传感器的图像拾取装置

说明书

技术领域

本发明涉及利用等离子体激元谐振(plasmon resonance)现象的光学元件。

背景技术

迄今为止使用的成像器件的滤色器(color filter)一般利用着色剂(colorant)的吸收性能。但是，这种使用着色剂的滤色器必须是厚的以实现足够的吸收，并且，着色剂的颜色随着时间的过去而褪色。

另一方面，随着像素数量的增加，诸如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的成像器件的像素变得更小。在这样的情况下，由于由图像传感器的检测器单元捕获的光量减少，因此希望微透镜、滤色器、布线等的厚度小，以捕获足够的光量。并且，由于图像传感器还捕获斜入射光，因此，希望有对于斜入射光不明显变化的滤色器特性。

在这样的情形下，正在研究利用等离子体激元谐振现象的滤色器。等离子体激元是限制于金属表面并被诸如光的外部电场激发的自由电子的集体振荡。由于电子带电，因此电子的振荡导致由自由电子的密度分布所造成的极化。这种极化与电磁场的耦合被称为“等离子体激元谐振”。当光入射在金属粒子或金属结构上时，观察到散射或吸收在特定的波长带中增加的谐振现象。该现象是局域表面等离子体激元谐振(以下简称为“等离子体激元谐振”)，并且，吸收光谱(spectrum)表现出最大峰值的波长被称为“等离子体激元谐振波长”。

当光透过金属粒子或金属结构时，透射率在出现等离子体激元谐振的波长带中降低，并且，依赖于波长而出现光的选择性透射。因此，这可被用于形成滤色器。由于等离子体激元谐振现象还在薄金属结构上出现，因此它可能有助于图像传感器的厚度减小。

美国专利No.5973316公开了通过在金属薄膜中周期性布置比入射光的波长小的开口(aperture)所形成的阵列。开口的周期和开口的尺寸与激发的等离子体激元匹配，以增大特定的波长带中的透射率。

Nature Photonics(2008)2，161-164教导了包含银膜中形成的同心沟槽所构成的周期性结构并在同心圆的中心处具有开口的结构，并且描述了该结构展示出这样的滤色器特性：根据该滤色器特性，红色、绿色和蓝色透射光的强度增大。

根据美国专利No.5973316中公开的开口阵列，用作光阻挡部分的金属相对于开口的百分比大，因此，透射率至多仅为约5％至6％。开口阵列由此不具有足以用于滤色器应用的灵敏度。

根据Nature Photonics(2008)2，161-164中公开的在银膜中加入周期性结构的滤色器，光透过同心沟槽的中心处的开口，由此在当前技术下不能期望足够的透射率。并且，在这样的情况下，滤色器特性要求有足以确保金属结构的周期性的大的区域。因此，由于必须在像素内设置金属结构并且一个像素的尺寸变得越来越小，所以不可确保金属结构的足够的周期性，并且，滤色器特性可劣化。并且，这些文献没有关注于改善包含具有不同特性的多个滤色器的光学元件的总体特性。

引用列表

专利文献

PTL1：美国专利No.5973316

非专利文献

NPL1：Nature Photonics(2008)2，161-164

发明内容

本发明提供即使像素的尺寸变得更小也展示出足够的滤色器特性并且可用作薄的滤色器的光学元件。

本发明的一个方面提供一种包含具有不同特性的多个滤光器(optical filter)的光学元件。所述光学元件包括：第一滤光器，所述第一滤光器包括第一金属结构组，所述第一金属结构组包括在基板表面的面内方向上周期性布置的第一金属结构；以及第二滤光器，所述第二滤光器包括第二金属结构组，所述第二金属结构组包括在所述面内方向上周期性布置的第二金属结构，第二金属结构组展示出与第一金属结构组的等离子体激元谐振条件不同的等离子体激元谐振条件。彼此相邻的第一金属结构之间的光学距离在彼此相邻的第二金属结构之间的光学距离的0.75倍至1.25倍的范围中。

本发明的其它方面包括图像传感器和图像拾取装置。本发明的一个方面提供一种被配置为根据光谱特性来检测光的图像传感器，所述图像传感器包括：光学元件，所述光学元件被配置为基于波长来选择性透射光；以及光电转换层，已透过光学元件的光进入所述光电转换层。上述的光学元件被用作图像传感器的光学元件。

本发明的另一方面提供一种被配置为获得图像信息的图像拾取装置，所述图像拾取装置包括会聚光学系统(condenser optical system)、图像传感器、以及信号处理器件。上述的图像传感器被用作图像拾取装置的图像传感器。