一种应用于彩色成像的滤波单元及滤波芯片
阅读说明：本技术 一种应用于彩色成像的滤波单元及滤波芯片 (Filtering unit and filtering chip applied to color imaging ) 是由 郑宏志 于 2021-02-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于彩色成像的滤波单元,其特征在于,多层膜干涉滤波结构的上表面设置染料薄膜层,所述染料薄膜层对入射、反射的非透射光线进行双重吸收。此外还公开了集成上述滤波单元的一种宽光谱彩色滤波芯片及其制备方法,该滤波芯片解决了传统染料滤光薄膜高透过率、低截止透过率之间的矛盾,使得多层膜干涉滤波结构应用于彩色成像与显示领域成为了现实。(The invention discloses a filtering unit applied to color imaging, which is characterized in that a dye thin film layer is arranged on the upper surface of a multilayer film interference filtering structure, and the dye thin film layer performs double absorption on incident and reflected non-transmission light rays. In addition, the filter chip solves the contradiction between high transmittance and low cut-off transmittance of the traditional dye filter film, so that the application of the multilayer film interference filter structure to the field of color imaging and display becomes a reality.)
技术领域
本发明涉及彩色成像与显示领域，尤其涉及一种应用于彩色成像的滤波单元及滤波芯片。
背景技术
目前对于智能手机等移动端应用的摄像拍照性能要求愈来愈高，彩色相机的色彩还原能力直接关乎成像质量，是各大相机生产商看重的关键指标。现今主流彩色成像技术是通过黑白图像传感器结合RGB彩色滤光阵列(CFA)来实现彩色合成与色彩还原，目前最常用的CFA结构通常是由染料与高分子树脂组合成滤光薄膜，通过染料的选择性吸收特性进行滤波。然而，在保持足够透过率时，传统的染料型彩色滤波结构在非透过区域的截止性能较差，不同波长颜色的区分度不高，严重影响色彩复原质量。对于现今所广泛采用的染料型薄膜滤波结构，无法同时兼顾高透过率与低截止透过率，是制约其彩色成像质量进一步提升的关键所在。
因此，在宽光谱彩色滤波应用方面，开发设计同时具备高透过率、低截止透过率和低反射率的宽谱滤波结构芯片，对于弥补现有技术存在的缺陷、进一步提高成像质量尤为重要，对提升移动端应用的彩色成像性能意义重大。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种高质量彩色成像的滤光单元及滤光芯片。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：
(1)传统上与黑白图像传感器结合的彩色滤波装置是：RGB彩色滤光薄膜阵列。这种装置的缺点是：截止性能差，不同波长颜色区分度不高，色彩复原质量低。
(2)多层膜系的干涉滤波片，由于眩光效应的影响，无法应用于彩色成像与显示领域。
为实现上述目的，本发明提供了一种应用于彩色成像的滤波单元，多层膜干涉滤波结构的上表面设置染料薄膜层，所述染料薄膜层对入射、反射的非透射光线进行双重吸收。
进一步地，所述染料薄膜层厚度介于10nm～800nm。
在本发明的另一较佳实施例中，提供了一种宽光谱彩色滤波芯片，包括由权利要求1所述的滤波单元重复排列而成的滤波层，所述滤波层上面设置微透镜结构阵列层，所述滤波层下面设置图像传感器。
进一步地，所述宽光谱彩色滤波芯片由上而下依次设置所述滤波层、所述微透镜结构阵列层、所述图像传感器。
进一步地，所述重复排列包括：拜耳阵列排列。
进一步地，所述拜耳阵列排列包括：RGBG、GRGB、RGGB、RGBW。
在本发明的另一较佳实施方式中，提供了一种制备宽光谱彩色滤波芯片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述图像传感器表面，通过光刻制作掩膜层，沉积对应红光的所述多层膜干涉滤波结构，结合lift-off剥离工艺，完成对应红光的所述多层膜干涉滤波结构制作，重复上述步骤，逐个沉积绿光、蓝光的所述多层膜干涉滤波结构，完成整个所述多层膜干涉滤波结构阵列的制作；
在所述多层膜干涉滤波结构阵列上表面涂覆各自对应颜色的所述染料薄膜层，形成滤波层；
在所述滤波层上表面沉积一层较高折射率的介质薄膜，通过刻蚀方法制作出微透镜结构阵列层，制备得到所述宽光谱彩色滤波芯片。
技术效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、宽谱透过能量高。与现有染料滤波结构相比，本发明的滤波单元中染料结构层厚度较薄，对可透过波段的吸收减弱，而多层膜干涉滤波结构对可透过波段吸收率极低，而透过率可高达99％。因此，本发明的滤波单元可以有效提高可穿透波段的透过率，并且可以根据实际需要灵活设计宽谱覆盖分布，综合提升总体透过能量。
2、截止区透过率低。现有染料滤波结构受限于保持较高透过率，无法采用足够厚度的染料薄膜来提高截止性能，与之不同，本发明所采用的多层膜干涉滤波结构主要依靠多层膜干涉滤波结构提供高截止特性，可在保持高透过率的同时，增加多层膜交替沉积的对数以降低截止透过率，在实际应用中可灵活调控，直至满足应用需求。
3、截止区反射率低。本发明通过将较薄厚度的染料薄膜层沉积在多层膜干涉滤波结构之上，可对多层膜干涉滤波结构反射回来的非透过波段光双重吸收，因此，可以极大提高反射光线的吸收率。相比于单纯采用多层膜干涉滤波结构的高反射率，本发明采用宽光谱彩色滤波复合结构的反射率与商用染料彩色滤波结构基本持平，有效避免反射光对成像系统的干扰。
本发明所提供的滤波单元，多层膜干涉滤波结构与染料薄膜层互相弥补各自的不足之处：多层膜干涉滤波结构解决了传统染料薄膜滤光结构所遇到的透过率和截止透过率无法兼顾的核心问题，大幅提高了透射滤波性能；同时，染料薄膜层的添加也很好解决了多层膜干涉滤波结构无吸收性材料的高反射率难题，进而也消除了镜头间多次反射可能产生的眩光效应，使多层膜系宽谱结构有希望真正应用于彩色相机上。因此，本发明所提出的高效宽光谱彩色滤波复合结构设计同时解决了以上多个难题，同时具有高透过率、低截止透过率和低反射率的优良综合光学性能。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是一种应用于彩色成像的滤波单元的剖面示意图，图中：201-多层膜干涉滤波结构，301-染料薄膜层。
图2是RGB模式下一种应用于彩色成像的滤波单元的剖面示意图，图中：201-多层膜干涉滤波结构，301-染料薄膜层，图中标注有R、G、B分别对应红、绿、蓝光通道。
图3是采用(A/B)n方式交替沉积的多层膜干涉滤波结构剖面示意图，图中：211和212为对应不同薄膜层，n代表所沉积的薄膜对数。
图4是采用A(B/C/B)nA方式交替沉积的多层膜干涉滤波结构剖面示意图；图中：221、222和223为对应不同薄膜层。
图5是采用(A/B)m(C/D)n方式交替沉积的多层膜干涉滤波结构剖面示意图；图中：231、232、233和234为对应不同薄膜层。
图6是一种宽光谱彩色滤波芯片的剖面示意图，图中：101-图像传感器，501-滤波层，401-微透镜结构阵列层。
图7是拜耳排列阵列中的RGBG排列示意图。
图8是一种宽光谱彩色滤波芯片仿真RGB三色透射谱图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，301是染料薄膜层，201是多层膜干涉滤波结构，染料薄膜层位于多层膜干涉滤波结构的上方。染料薄膜层可选的制备方法是由染料与高分子树脂组合成滤光薄膜。染料薄膜层通过染料的选择性吸收特性进行滤波，人们可以通过调控染料薄膜层中的染料分子，制备出吸收不同波长的染料薄膜层，现有技术中常见染料分子包括：吸收红光染料分子、吸收蓝光染料分子、吸收绿光染料分子，红、绿、蓝作为光的三原色，可以合成任意颜色的光，所以使用频率较高。
透过率是光在透光范围内的透光率,截止率是光在截止范围内的透光率。透过率和截止率是衡量滤光片质量的两者重要指标，前者影响彩色成像的清晰程度，后者影响不同色彩之间的区分度。染料薄膜层的透过率较好，但是截止率较差。单独的染料薄膜层提高截止率，只能增加染料薄膜层的厚度，但是厚度增加之后，又会降低染料薄膜层的透过率，所以就单纯的染料薄膜层而言透过率和截止率是一对矛盾共同体。
多层膜干涉滤波结构是利用干涉原理只使特定光谱范围的光通过的光学薄膜(特定光谱范围的光称为可透射光，特定光谱范围之外的光称为非透射光)，由多层薄膜构成，多层膜中各层膜的折射率不同(包括高折射率材料构成的膜和低折射率材料构成的膜)，并且多层膜中的材料也不同，可以选用光学介质或金属。其中，光学介质材料中高折射率材料包括如下材料或它们的组合：Si3N4、TiO2、ZnS、ZnSe、Nb2O5、Ta2O5、ZnO、WO3、V2O5、MoO3、GaN，光学介质材料中低折射率材料包括如下材料或它们的组合：SiO2、MgF2、Al2O3；金属材料可选的有：Au、Ag、Al、Pt、Cu、Cr和Sn中的一种或多种组合。多层膜干涉滤波结构中各薄膜层厚度根据薄膜干涉理论精确计算控制。多层膜干涉滤波结构的截止率性能很好，但是它会将非透过光全部反射回入射方向，这就使得，当多层膜干涉滤波结构应用于彩色成像与显示领域时，多层膜干涉滤波结构反射的光线在镜头模组上来回“震荡”，形成光眩效应，严重影响强光环境中的彩色成像质量。本发明创造性地将染料薄膜层和多层膜干涉滤波结构结合到了一起形成了一种新的滤波单元，光线入射到滤波单元后，首先经过染料薄膜层，非透射光被染料薄膜层吸收一次，同时由于染料薄膜层厚度较小，对可透过波段的吸收较弱，接着透过光进入多层膜滤波结构，由于多层膜滤波结构的截止性能较好，透过率可高达99％。同时多层膜滤波结构将非透射光线按入射方向反射，反射光经过染料薄膜层再次被吸收，大大降低了反射光在镜头模组间“震荡”的几率，从而解决了光眩效应问题。此外，就多层膜干涉滤波结构，可在保持高透过率的同时，增加多层膜交替沉积的对数以降低截止透过率，在实际应用中可灵活调控，直至满足应用需求。多层膜干涉滤波结构的多层膜交替排列方式，在以下实施例中详述。图1所示的应用于彩色成像的滤波单元其实是适用于任意色彩的单个滤光通道。
如图2所示，RGB模式下一种应用于彩色成像的滤波单元的剖面示意图。图2中设置了3个如图1所示的滤波单元，且三个滤波单元分别为红光滤波单元、绿光滤波单元、蓝光滤波单元。红、绿、蓝为光的三原色，所以以这三种颜色为基础组合而成的滤光通道组合在实际应用中最为常见。
如图3所示，在该实施例中，多层膜干涉滤波结构采用(A/B)n方式交替沉积的多层膜介质结构层201，高、低折射率介质材料211和212可以分别采用TiO2和MgF2。以G波段设计为例，交替沉积TiO2/MgF2薄膜共4对，自下而上各层薄膜厚度依次为：110、28、110、98、122、53、58、50nm。对应的G波段染料薄膜层301厚度100nm。同样以图3的结构为基础，薄膜材料211和212分别采用Ag和ZnS。这里以R波段设计为例，交替沉积Ag/ZnS薄膜共2对，从CMOS图像传感器表面自下而上各层薄膜厚度依次为：25、100、25、60nm。R波段染料薄膜层301厚度200nm。
如图4所示，在该实施例中，选用A(B/C/B)nA方式交替沉积金属与介质两种薄膜材料，来制备多层膜干涉滤波结构，薄膜材料221、222和223分别采用SiO2、Al和ZnSe。这里以B波段设计为例，交替沉积SiO2/Ag/ZnSe/Al/SiO2薄膜层，从CMOS图像传感器表面自下而上各层薄膜厚度依次为：100、40、100、40、100nm。R波段染料薄膜层301厚度150nm。
如图5所示，在该实施例中，选用(A/B)m(C/D)n方式交替A/B介质材料与C/D金属与介质四种叠层薄膜材料，作来制备多层膜干涉滤波结构，薄膜材料231、232、233和234分别采用TiO2、MgF2、Ag和SiO2。这里以G波段设计为例，交替沉积(TiO2/MgF2)3(Ag/SiO2)1薄膜层，从CMOS图像传感器表面自下而上各层薄膜厚度依次为：102、10、118、97、125、20、10、50nm。R波段染料薄膜层301厚度200nm。
如图6所示，一种宽光谱彩色滤波芯片的剖面示意图，所述宽光谱彩色滤波芯片使用了上述实施例中的应用于彩色成像的滤波单元，所述滤波单元重复排列构成了滤波层501。所述滤波单元的重复排列方式，可选的有拜耳阵列排列(发明人是伊士曼·柯达公司的科学家Bryce Bayer)，拜耳阵列排列中常见的形式有：RGBG、GRGB、RGGB、RGBW。如图7所示，所述宽光谱彩色滤波芯片采用RGBG排列方式。
所述宽光谱彩色滤波芯片包括两种结构，第一种结构：所述滤波层501的上面设置微透镜结构阵列层401，所述滤波层501下面设置图像传感器101。所述图像传感器101可选的有：CMOS图像传感器、CCD图像传感器。第二种结构：所述滤波层501下面设置微透镜结构阵列层401，所述微透镜结构阵列层401下面设置图像传感器101。
图8显示了一种宽光谱彩色滤波芯片，其中所述滤波单元的重复排列方式选用了RGBG方式时，仿真RGB的三色透射谱图。可以从图8中看出，红光、蓝光、绿光的透过率均超过了95％，并且三种颜色的光区分度较好，重叠的部分少，保障了高质量的彩色成像与显示效果。
在以下实施例中，介绍了几种宽光谱彩色滤波芯片的制备方法：
实施例1
本实施例选用(A/B)n方式交替沉积折射率高、低分布的两种介质薄膜层，作为多层膜干涉滤波结构，来制备宽光谱彩色滤波芯片。
如图1所示，本发明提供的宽光谱彩色滤波芯片的制备方法，至少包括以下步骤：
1)在CMOS图像传感器101表面，通过光刻制作掩膜层，沉积对应滤波像素的彩色RGB滤波多层膜结构层，结合lift-off剥离工艺，完成RGB其中之一像素滤波结构层制作；重复上述步骤，逐个沉积对应RGB滤波像元的多层膜结构，完成全部滤波通道的RGB像素结构阵列制作201；
2)在多层膜结构层201之上涂覆RGB各自波长所对应的染料薄膜层301；
3)在染料薄膜层301之上沉积一层较高折射率的介质薄膜，通过刻蚀方法制作出微透镜结构阵列层401，制备得到宽光谱彩色RGB滤波复合结构芯片。
参见图3，本实施例采用(A/B)n方式交替沉积的多层膜介质结构层201，高、低折射率介质材料211和212分别采用TiO2和MgF2。
这里以G波段设计为例，交替沉积TiO2/MgF2薄膜共4对，从CMOS图像传感器表面自下而上各层薄膜厚度依次为：110、28、110、98、122、53、58、50nm。G波段染料薄膜层301厚度100nm。
实施例2
本实施例选用(A/B)n方式交替沉积金属与介质两种薄膜材料，作为多层膜干涉滤波结构，来制备宽光谱彩色滤波芯片。
如图1所示，本发明提供的宽光谱彩色滤波芯片的制备方法，至少包括以下步骤：
1)在CMOS图像传感器101表面，通过光刻制作掩膜层，沉积对应滤波像素的彩色RGB滤波多层膜结构层，结合lift-off剥离工艺，完成RGB其中之一像素滤波结构层制作；重复上述步骤，逐个沉积对应RGB滤波像元的多层膜结构，完成全部滤波通道的RGB像素结构阵列制作201；
2)在多层膜结构层201之上涂覆RGB各自波长所对应的染料薄膜层301；
3)在染料薄膜层301之上沉积一层较高折射率的介质薄膜，通过刻蚀方法制作出微透镜结构阵列层401，制备得到宽光谱彩色RGB滤波复合结构芯片。
参见图3，本实施例采用(A/B)n方式交替沉积金属与介质薄膜的多层膜结构层201，薄膜材料211和212分别采用Ag和ZnS。
这里以R波段设计为例，交替沉积Ag/ZnS薄膜共2对，从CMOS图像传感器表面自下而上各层薄膜厚度依次为：25、100、25、60nm。R波段染料薄膜层301厚度200nm。
实施例3
本实施例选用A(B/C/B)nA方式交替沉积金属与介质两种薄膜材料，作为多层膜干涉滤波结构，来制备宽光谱彩色滤波芯片。
如图1所示，本发明提供的宽光谱彩色滤波芯片的制备方法，至少包括以下步骤：
1)在CMOS图像传感器101表面，通过光刻制作掩膜层，沉积对应滤波像素的彩色RGB滤波多层膜结构层，结合lift-off剥离工艺，完成RGB其中之一像素滤波结构层制作；重复上述步骤，逐个沉积对应RGB滤波像元的多层膜结构，完成全部滤波通道的RGB像素结构阵列制作201；
2)在多层膜结构层201之上涂覆RGB各自波长所对应的染料薄膜层301；
3)在染料薄膜层301之上沉积一层较高折射率的介质薄膜，通过刻蚀方法制作出微透镜结构阵列层401，制备得到宽光谱彩色RGB滤波复合结构芯片。
参见图4，本实施例采用A(B/C/B)nA方式交替沉积金属与介质薄膜的多层膜结构层201，薄膜材料221、222和223分别采用SiO2、Al和ZnSe。
这里以B波段设计为例，交替沉积SiO2/Ag/ZnSe/Al/SiO2薄膜层，从CMOS图像传感器表面自下而上各层薄膜厚度依次为：100、40、100、40、100nm。R波段染料薄膜层301厚度150nm。
实施例4
本实施例选用(A/B)m(C/D)n方式交替A/B介质材料与C/D金属与介质四种叠层薄膜材料，作为多层膜干涉滤波结构，来制备宽光谱彩色滤波芯片。
如图1所示，本发明提供的宽光谱彩色滤波芯片的制备方法，至少包括以下步骤：
1)在CMOS图像传感器101表面，通过光刻制作掩膜层，沉积对应滤波像素的彩色RGB滤波多层膜结构层，结合lift-off剥离工艺，完成RGB其中之一像素滤波结构层制作；重复上述步骤，逐个沉积对应RGB滤波像元的多层膜结构，完成全部滤波通道的RGB像素结构阵列制作201；
2)在多层膜结构层201之上涂覆RGB各自波长所对应的染料薄膜层301；
3)在染料薄膜层301之上沉积一层较高折射率的介质薄膜，通过刻蚀方法制作出微透镜结构阵列层401，制备得到宽光谱彩色RGB滤波复合结构芯片。
参见图5，本实施例采用(A/B)m(C/D)n方式交替A/B介质材料与C/D金属与介质四种薄膜材料的多层膜结构层201，薄膜材料231、232、233和234分别采用TiO2、MgF2、Ag和SiO2。
这里以G波段设计为例，交替沉积(TiO2/MgF2)3(Ag/SiO2)1薄膜层，从CMOS图像传感器表面自下而上各层薄膜厚度依次为：102、10、118、97、125、20、10、50nm。R波段染料薄膜层301厚度200nm。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
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