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CN217386086U - 感光组件、成像系统及光学电子设备 - Google Patents

感光组件、成像系统及光学电子设备 Download PDF

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CN217386086U CN202221391476.9U CN202221391476U CN217386086U CN 217386086 U CN217386086 U CN 217386086U CN 202221391476 U CN202221391476 U CN 202221391476U CN 217386086 U CN217386086 U CN 217386086U
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Abstract

提供一种感光组件、成像系统及光学电子设备。感光组件包括彼此堆叠的感光元件、至少一个滤光元件以及超表面导光元件。感光元件包括阵列排布的多个像元，该多个像元包括至少两组像元，该至少两组像元用于分别感测相应不同性质的入射光，该入射光的性质包括该入射光所在波段或该入射光的偏振方向。至少一个滤光元件包括颜色滤光片、偏振滤光片和光阑中的至少一者。超表面导光元件被构造为将相应不同性质的入射光导向至少两组像元中的相应不同组像元。本公开实施例技术方案可以提高成像系统的成像品质。

Description

感光组件、成像系统及光学电子设备
技术领域
本公开涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种感光组件、成像系统及光学电子设备。
背景技术
相关技术中，例如手机、增强现实设备、虚拟现实设备等的成像系统，普遍存在通光效率低、信噪比低的问题，从而限制了其在暗光、低反射率等场合的使用。如何提高成像系统的成像品质，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
实用新型内容
本公开实施例提供了一种感光组件、成像系统及光学电子设备，以提高成像系统的成像品质。
根据本公开的一个方面，提供一种感光组件，包括彼此堆叠的感光元件、至少一个滤光元件以及超表面导光元件，其中，所述感光元件包括阵列排布的多个像元，所述多个像元包括至少两组像元，所述至少两组像元用于分别感测相应不同性质的入射光，所述入射光的性质包括所述入射光所在波段或所述入射光的偏振方向；所述至少一个滤光元件包括颜色滤光片、偏振滤光片和光阑中的至少一者，其中，所述颜色滤光片包括与所述多个像元一一对应设置的多个颜色滤光单元，所述多个颜色滤光单元包括与所述至少两组像元分别对应的至少两组颜色滤光单元，每组颜色滤光单元具有与所述至少两组像元中对应一组像元所感测的波段相对应的相应通光波段，所述光阑包括与所述多个像元一一对应设置的多个透光区；所述超表面导光元件被构造为将相应不同性质的入射光导向所述至少两组像元中的相应不同组像元。
在一些实施例中，所述至少一个滤光元件包括颜色滤光片，所述颜色滤光片为超表面元件、衍射光栅元件、染色滤光片、或者镀膜光栅滤光片。
在一些实施例中，所述至少一个滤光元件包括偏振滤光片，所述偏振滤光片为超表面元件、衍射光栅元件、金属线偏振片、或者镀膜光栅滤光片。
在一些实施例中，所述至少一个滤光元件包括颜色滤光片和偏振滤光片，其中，所述偏振滤光片位于所述颜色滤光片和所述超表面导光元件之间；或者，所述偏振滤光片位于所述颜色滤光片和所述感光元件之间；或者，所述偏振滤光片和所述颜色滤光片集成制作。
在一些实施例中，所述至少一个滤光元件包括颜色滤光片和光阑，其中，所述光阑位于所述颜色滤光片和所述超表面导光元件之间；或者，所述光阑位于所述颜色滤光片和所述感光元件之间；或者，所述光阑与所述颜色滤光片集成制作。
在一些实施例中，所述感光组件还包括：位于所述感光元件与所述至少一个滤光元件之间的聚光元件。
在一些实施例中，所述聚光元件为超表面元件、衍射元件或者微透镜元件。
在一些实施例中，所述至少一个滤光元件与所述超表面导光元件集成制作于同一衬底；或者，所述感光元件、所述至少一个滤光元件以及所述超表面导光元件集成制作于同一衬底。
根据本公开的一个方面，提供一种成像系统，包括前述方面的感光组件。
根据本公开的一个方面，提供一种光学电子设备，包括前述方面的成像系统。
根据本公开的一个或多个实施例，可以提高成像系统的通光效率和信噪比，从而提高成像的品质。
根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1是本公开一些实施例的感光组件的示意图；
图2是本公开一些实施例的感光组件的示意图；
图3是本公开一些实施例的感光组件的示意图；
图4是本公开一些实施例的感光组件的示意图；以及
图5是本公开一些实施例的成像系统的示意图。
附图标记：
100-感光组件
110-感光元件
111-像元
120-滤光元件
121-颜色滤光片
1210-颜色滤光单元
130-超表面导光元件
131-衬底
132-纳米结构单元
140-偏振滤光片
150-光阑
151-透光区
160-聚光元件
200-成像系统
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的元件的不同取向。例如，如果翻转图中的元件，那么被描述为“在其它元件或特征之下”或“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征下方”的元件将取向为“在其它元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。元件可以取向为其它方式(旋转90度或以其它取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。
将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。
本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示元件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。
除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。
如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片(die)可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。
相关技术中，例如手机、增强现实设备、虚拟现实设备等的成像系统，普遍存在通光效率低、信噪比低的问题，从而限制了其在暗光、低反射率等场合的使用。信噪比是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。
本公开实施例提供了一种感光组件、成像系统及光学电子设备，以提高成像系统的通光效率和信噪比，从而提高成像的品质。
本公开实施例提供的感光组件包括彼此堆叠的感光元件、至少一个滤光元件以及超表面导光元件。感光元件包括阵列排布的多个像元，该多个像元包括至少两组像元，该至少两组像元用于分别感测相应不同性质的入射光，其中，入射光的性质例如为其所在波段或偏振方向。至少一个滤光元件包括颜色滤光片、偏振滤光片和光阑中的至少一者。颜色滤光片包括与多个像元一一对应设置的多个颜色滤光单元，该多个颜色滤光单元包括与至少两组像元分别对应的至少两组颜色滤光单元，每组颜色滤光单元具有与至少两组像元中对应一组像元所感测的波段相对应的相应通光波段。光阑包括与多个像元一一对应设置的多个透光区。超表面导光元件被构造为将相应不同性质的入射光导向至少两组像元中的相应不同组像元。
超表面导光元件可以对入射光进行导向，从而将不同性质的入射光(例如所在波段不同的入射光或者偏振方向不同的入射光)导向多个像元中的相应像元。滤光元件(例如颜色滤光片、偏振滤光片或光阑中的任意一种)对杂散光具有过滤效果，可以提高成像系统的通光效率和信噪比。成像系统的通光效率和信噪比的提高，可以显著提高成像的品质。
如图1所示，在一些实施例中，感光组件100包括彼此堆叠的感光元件110、至少一个滤光元件120以及超表面导光元件130。感光元件110包括阵列排布的多个像元111。至少一个滤光元件120包括颜色滤光片121，颜色滤光片121包括与多个像元111一一对应设置的多个颜色滤光单元1210。多个颜色滤光单元1210具有对应不同颜色的至少两个通光波段。超表面导光元件130被构造为将不同波段的入射光导向对应通光波段的颜色滤光单元1210，进而导向对应的像元111。
感光元件，即图像传感器，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其它电子光学设备中。在本公开的一些实施例中，感光元件为互补金属氧化物半导体CMOS型的感光元件。CMOS型的感光元件主要利用硅和锗两种元素的半导体以及晶体管来实现其基本功能，也可以用III-V族材料制作，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等优点，被广泛应用在手机、增强现实设备、虚拟现实设备等的成像系统中。在本公开的另一些实施例中，感光元件还可以为电耦合器CCD型的感光元件，本公开对此不做具体限定。
在本公开实施例中，感光组件100可以包括一个或多个滤光元件120。滤光元件120选用适当的材料和结构设计，可以实现对光波的过滤。这些滤光元件120可以包括颜色滤光片121，颜色滤光片121包括与多个像元111一一对应设置的多个颜色滤光单元1210。多个颜色滤光单元1210具有对应不同颜色的至少两个通光波段。例如，多个颜色滤光单元1210中一些颜色滤光单元1210对应红光的通光波段，从而只允许红光通过；一些颜色滤光单元1210对应绿光的通光波段，从而只允许绿光通过；一些颜色滤光单元1210对应蓝光的通光波段，从而只允许蓝光通过。在一些实施例中，多个颜色滤光单元1210还可以仅包括两个通光波段，分别对应例如红、绿两种颜色的波段。
超表面是指一种结构尺寸小于波长的人工二维材料。超表面元件的基本结构单元为纳米结构单元，其尺寸小于工作波长，处于纳米量级。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。超表面具有超轻超薄的性质，基于超表面制作的超表面元件，相比于传统光学元件，具有光学性能优异，体积小、可集成度高的特点。
如图1所示，超表面导光元件130的主要结构包括用作制作基底的衬底131和位于衬底131的一侧的多个纳米结构单元132。通过对该多个纳米结构单元132进行适当设计，可以实现光的精确偏转，从而可以将不同波段的入射光导向对应通光波段的颜色滤光单元1210，也即将不同波段的入射光导向各自对应的像元111。例如，将入射光中的红光导向只允许红光通过的颜色滤光单元1210，将入射光中的绿光导向只允许绿光通过的颜色滤光单元1210，将入射光中的蓝光导向只允许蓝光通过的颜色滤光单元1210。
超表面导光元件130可以对入射光进行导向，从而将不同波段的入射光导向对应通光波段的颜色滤光单元1210。例如，红光基本上被导向红光波段对应的颜色滤光单元1210，绿光基本上被导向绿光波段对应的颜色滤光单元1210，蓝光基本上被导向蓝光波段对应的颜色滤光单元1210。这使得颜色滤光单元1210对光的反射和吸收大大减小，因此，可以提高成像系统的通光效率。此外，颜色滤光片121对杂散光还具有过滤效果，因此可以提高成像系统的信噪比。成像系统的通光效率和信噪比的提高，可以显著提高成像的品质。
在本公开的一些实施例中，感光元件110的前述至少两组像元111用于分别感测相应不同偏振方向的光，超表面导光元件130被构造为将相应不同偏振方向的入射光导向对应的像元111。
如图1所示，在本公开的一些实施例中，颜色滤光片121可以为传统的染色滤光片，包括多个颜色的光阻(例如包括红色光阻、绿色光阻和蓝色光阻)，每个光阻对应一个颜色滤光单元1210。
如图2所示，在本公开的一些实施例中，颜色滤光片121为超表面元件。通过对其纳米结构单元进行适当设计，可以在允许相应波段的光通过的同时，滤除掉杂散光。
在本公开的一些实施例中，颜色滤光片121还可以为衍射光栅元件或者镀膜光栅滤光片，通过材料和结构的适当设计，也可以获得滤除杂散光的效果。
如图3所示，在本公开的一些实施例中，感光组件100包括多个滤光元件120，该多个滤光元件120包括颜色滤光片121和偏振滤光片140。偏振滤光片140位于颜色滤光片121和超表面导光元件130之间。偏振滤光片140可以滤除偏振杂散光，从而可以进一步提高成像系统的信噪比。在一些实施例中，偏振滤光片140也可以位于颜色滤光片121和感光元件110之间。在一些实施例中，偏振滤光片140还可以与颜色滤光片121集成制作从而形成一个集成元件。
偏振滤光片140可以采用传统的金属线偏振片。此外，偏振滤光片140也可以为超表面元件、衍射光栅元件或者镀膜光栅滤光片，通过材料和结构的适当设计，也可以获得滤除偏振杂散光的效果，本公开对此不做具体限定。
如图4所示，在本公开的一些实施例中，感光组件100包括多个滤光元件120，该多个滤光元件120包括颜色滤光片121和光阑150。光阑150位于颜色滤光片121和超表面导光元件130之间，且包括与多个像元111一一对应设置的多个透光区151。光阑150可以滤除杂散光，从而可以进一步提高成像系统的信噪比。在本公开的一些实施例中，光阑150也可以位于颜色滤光片121和感光元件110之间。此外，在一些实施例中，光阑150还可以与颜色滤光片121集成制作从而形成一个集成元件。
本公开对于超表面导光元件130的功能设计并不局限于对不同波段的光进行偏转导光，在一些实施例中，还可以通过对纳米结构单元132的适当设计，同时实现例如光的汇聚、发散、色差调整、偏振等至少一种效果，从而使成像系统能够适应多样化的光学设计需求。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，至少一个滤光元件120与超表面导光元件130可以集成制作于同一衬底131。例如，在衬底131的一侧制作纳米结构单元132，在衬底131的另一侧制作颜色滤光片121，在制作完该集成结构后，再与感光元件110定位组装并进行封装。
在本公开的一些实施例中，感光元件、至少一个滤光元件以及超表面导光元件集成制作于同一衬底。例如，首先在衬底上形成感光元件的结构，然后以此结构作为制作基底，在其上依次制作滤光元件和超表面导光元件，从而形成集成结构，然后再进行封装。
相比分别制作后再进行组装，以上实施例的设计，不但使得制作工艺较为简单，而且可以减小甚至避免组装操作带来的精度误差，此外，由于一些元件可以共用同一衬底，因此可以减少衬底的数量，从而可以有效减小成像系统的厚度尺寸，这样更易实现成像系统的轻薄化设计。
如图4所示，在本公开的一些实施例中，感光组件100还可以包括位于感光元件110与至少一个滤光元件120之间的聚光元件160。聚光元件160的具体结构类型不限，例如可以为超表面元件、衍射元件或者传统微透镜元件等。聚光元件160可以使光线汇聚后再射入感光元件110，有利于提高感光元件110的感光灵敏度，从而有利于进一步提升成像的品质。聚光元件160可以与相邻的一个或一些元件集成制作从而形成一个集成元件。
如图5所示，本公开实施例还提供一种成像系统200，包括前述任一实施例的感光组件100。该实施例设计的成像系统具有较高的通光效率和信噪比，因此成像品质较高。可以理解的，除感光组件100外，成像系统200还可以根据光学设计需求包含其它光学元件(图中未示出)，例如，可以包括一个或多个传统透镜、半透半反镜、或者超表面元件等，本公开对此不做具体限定。
本公开实施例还提供一种光学电子设备，包括前述实施例的成像系统。光学电子设备的产品类型包括但不限于移动终端的摄像头、虚拟现实设备或增强现实设备的镜头等。该光学电子设备的成像系统具有较高的成像品质。
本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种感光组件，其特征在于，包括彼此堆叠的感光元件、至少一个滤光元件以及超表面导光元件，其中，
所述感光元件包括阵列排布的多个像元，所述多个像元包括至少两组像元，所述至少两组像元用于分别感测相应不同性质的入射光，所述入射光的性质包括所述入射光所在波段或所述入射光的偏振方向；
所述至少一个滤光元件包括颜色滤光片、偏振滤光片和光阑中的至少一者，其中，所述颜色滤光片包括与所述多个像元一一对应设置的多个颜色滤光单元，所述多个颜色滤光单元包括与所述至少两组像元分别对应的至少两组颜色滤光单元，每组颜色滤光单元具有与所述至少两组像元中对应一组像元所感测的波段相对应的相应通光波段，所述光阑包括与所述多个像元一一对应设置的多个透光区；
所述超表面导光元件被构造为将相应不同性质的入射光导向所述至少两组像元中的相应不同组像元。
2.根据权利要求1所述的感光组件，其特征在于，所述至少一个滤光元件包括颜色滤光片，所述颜色滤光片为超表面元件、衍射光栅元件、染色滤光片、或者镀膜光栅滤光片。
3.根据权利要求1所述的感光组件，其特征在于，所述至少一个滤光元件包括偏振滤光片，所述偏振滤光片为超表面元件、衍射光栅元件、金属线偏振片、或者镀膜光栅滤光片。
4.根据权利要求1所述的感光组件，其特征在于，所述至少一个滤光元件包括颜色滤光片和偏振滤光片，其中，
所述偏振滤光片位于所述颜色滤光片和所述超表面导光元件之间；或者
所述偏振滤光片位于所述颜色滤光片和所述感光元件之间；或者
所述偏振滤光片和所述颜色滤光片集成制作。
5.根据权利要求1所述的感光组件，其特征在于，所述至少一个滤光元件包括颜色滤光片和光阑，其中，
所述光阑位于所述颜色滤光片和所述超表面导光元件之间；或者
所述光阑位于所述颜色滤光片和所述感光元件之间；或者
所述光阑与所述颜色滤光片集成制作。
6.根据权利要求1所述的感光组件，其特征在于，还包括：位于所述感光元件与所述至少一个滤光元件之间的聚光元件。
7.根据权利要求6所述的感光组件，其特征在于，所述聚光元件为超表面元件、衍射元件或者微透镜元件。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的感光组件，其特征在于，所述至少一个滤光元件与所述超表面导光元件集成制作于同一衬底；或者
所述感光元件、所述至少一个滤光元件以及所述超表面导光元件集成制作于同一衬底。
9.一种成像系统，其特征在于，包括：根据权利要求1至8中任一项所述的感光组件。
10.一种光学电子设备，其特征在于，包括根据权利要求9所述的成像系统。
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