[发明专利]具有超材料分色的CMOS彩色图像传感器

说明书

描述了在遵守制造工艺赋予的严格需求的同时构建多功能散射结构的方法。所描述的方法和装置基于蚀刻掉嵌入3D结构中的丝线网络以形成空隙，从而执行目标函数。还公开了用于设计满足制造需求的二元化器件的优化算法。

相关申请的交叉引用

本申请涉及2019年10月17日提交的美国专利第16/656,156，题为“Color AndMulti-Spectral Image Sensor Based On 3D Engineered Material”(Att.DocketNo.P2404-US)，其内容通过引用整体结合于此。

政府补助声明

这项发明是在DARPA授予的政府资助下完成的，资助号为HR0011-17-2-0035。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本公开涉及图像传感器，更具体地，涉及使用CMOS制造技术制造的超材料分光器(metamaterial spectrum splitters)。

背景技术

光学系统通常通过元件的模块化组合来设计，以实现复杂功能。例如，透镜和衍射光学器件可以结合起来进行超光谱成像(hyperspectral imaging)。这种方法直观而灵活，可以从有限元素集访问广泛的功能。然而，光学系统的整体尺寸和重量可能会限制其应用范围。纳米制造的最新进展可能会缓解这一限制，方法是用亚波长厚度的共振纳米结构平面阵列取代笨重的元件。通过设计阵列中单个元件的散射，这些器件可以在单个元件中再现复杂光学系统的多功能性。然而，为实现更复杂的功能而组合多个元曲面(metasurface)的努力受到了散射效率降低的阻碍，散射效率与同时执行的任务数量成反比。

这些系统中多功能性和效率之间的内在权衡是由于有限的自由度造成的，其与器件的体积和最大折射率对比度成比例。特别是，这限制了任何超薄系统可实现的独立功能的范围，例如根据频率、偏振和入射角对光进行分类(sort)。相比之下，厚度大于一个波长的三维散射元件通常编码许多同时发生的功能，但是由于弱散射和低折射率对比度，到目前为止效率很低。

历史上，光学设计一直是模块化的，这种模式提供了一种直观的方式来构建和重新配置光学设置。随着纳米制造技术的进步，制造具有亚波长特征尺寸的结构成为可能，这使得多功能光学元件能够结合更复杂设置的功能。例子包括可以分离不同偏振和光谱带的超曲面透镜。然而，超表面和其它平面结构所能达到的性能和功能的程度受到可控制的光学模式数量的固有限制。

在亚波长尺度上构造具有高对比度的折射率提供了广阔的光学设计空间，可用于展示多功能光学元件。到目前为止，这主要用于二维结构，或元曲面。然而，它们的性能受到可用光学自由度的限制。

为了在以下部分中突出本公开教导的益处，这里考虑图像传感器的例子。目前，大多数传感器使用吸收滤光器记录颜色。图1A示出了现有技术的图像传感器，其中每四个相邻像素在顶部具有吸收性滤色器:两个用于绿色，一个用于蓝色，一个用于红色。这种图像传感器的问题是效率被限制在30％左右，因为大部分光被吸收了。彩色图像传感器在手机、相机和各种仪器中无处不在。颜色是由直接放置在每个像素顶部的简单吸收滤光器检测的。滤光器的吸收性质意味着超过2/3的光实际上被吸收而损失，即例如入射到绿色像素上的红光和蓝光被吸收，只有绿光通过。

发明内容

在本申请中公开了复杂的三维(3D)散射结构，其允许例如以更高的效率在拜耳图案上分离颜色。还描述了提供偏振信息的设计。

这种结构的成本效益和大规模制造对设计过程提出了重大挑战。目标是在给定与大规模CMOS制造工艺相关的固有限制的情况下实现最佳性能。

所公开的方法和器件解决了所描述的挑战，并为上述问题提供了实用的解决方案。