Датчик изображения

Настоящая полезная модель относится к устройствам датчика изображения, а более конкретно к высокочувствительным миниатюрным устройствам линзовой фотодетекторной матрицы, предназначенной для работы в оптическом диапазоне длин волн.
Датчики изображения представляют собой интегральные полупроводниковые устройства для преобразования оптического изображения в электрический сигнал и включают в себя КМОП-датчики изображения, имеющие ряд транзисторов с металлическим оксидом-полупроводником (MOS), соответствующих количеству пикселей, встроенных в одну микросхему с периферийными схемами. Схема последовательно выдает электрические сигналы МОП-транзисторов. КМОП-датчики изображения применяются в цифровых камерах, сотовых телефонах, ноутбуках, устройства считывания штрих-кода и т.д. КМОП-датчик изображения содержит чип обработки сигнала, который включает в себя матрицу фотодиодов, снабженную усилителем, аналого-цифровым преобразователем, внутренним регулятором напряжения, генератором тактовой частоты и цифровой логической схемой.
Твердотельные датчики изображения могут быть либо типами устройств с зарядовой связью (CCD), либо комплементарными полупроводниковыми типами оксидов металлов (CMOS).
Повышение чувствительности датчика изображения достигается фокусировкой падающего оптического излучения микролинзами на каждый фотодиод. Микролинзы должны концентрировать падающий свет на фотодиод и удалять его от соседних областей, где нет чувствительной поверхности фотодиода [см., например, патенты США 20060145057 А1; 20040082093].
В любом типе датчика изображения пиксель для сбора света формируется в подложке и размещается в двумерной матрице. Современные датчики изображения обычно содержат миллионы пикселей, чтобы обеспечить изображение с высоким разрешением. Важными частями датчика изображения являются цветные светофильтры и микролинзовые структуры, образованные поверх пикселей. Микролинзы служат для фокусировки падающего света на пиксели и, таким образом, для улучшения коэффициента заполнения каждого пикселя.
Фирма SONY изобрела и применила прозрачные микролинзы на поверхности CCD, которые концентрируют свет со всей поверхности на маленькие фоточувствительные ячейки. SONY усовершенствовала эти линзы и выпустила новую серию матриц CCD под маркой EXWAWEHAD CCD, что позволило дополнительно в 3-4 раза поднять чувствительность телекамер [Куликов А.Н. Телевизионные наблюдения в сложных условиях [Электронный ресурс] / А.Н. Куликов, 2003 - Режим доступа: http://www.evs.ru/publ_1.php?st=3 - АО «ЭВС»]. В настоящее время параметры микролинзового массива близки к теоретическому пределу, и здесь также трудно ожидать существенных улучшений.
Буферные регистры сдвига на ПЗС-матрице, равно как и обрамление КМОП-пикселя на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате, каждому пикселю достается лишь 30% светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70%. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС-матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов концентрированный оптический поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пикселя. Поскольку с помощью микролинз удается гораздо полнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, по мере совершенствования технологии ими стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и матрицы с полнокадровым переносом.
Одной из основных тенденций в разработке датчика изображения является уменьшение размера пикселя. Меньший размер пикселя обеспечивает более высокое разрешение. Кроме того, уменьшение размера пикселя приводит к уменьшению темного тока чувствительного элемента и уменьшению емкости пикселя. Размеры пикселей в датчиках изображения предназначенных для работы в среднем и дальнем ИК диапазонах составляют менее 20 мкм, что является дифракционным пределом для обычных линз.
2
Область фокусировки излучения у такого микрообъектива имеет вид эллипсоида вращения. Минимальный размер поперечной оси эллипсоида вращения на уровне половинной мощности для идеальной безаберрационной линзы равен 1.22λF/D, где λ - длина волны используемого излучения, F - расстояние от линзы до области фокусировки и D - размер апертуры линзы. Размер продольной полуоси эллипсоида 8λ, (F/D) [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].
Недостатками известных датчиков изображения являются большие габариты фокусирующих устройств и относительно не высокая чувствительность.
Известно устройство датчика изображения [патент США 20020140832 А1] принятого за прототип и включающее в себя матрицу пикселей, сформированных в полупроводниковой подложке и служащих для сбора падающего оптического излучения и преобразования его в электрический ток, массива фокусирующих микроустройств, выполненных в виде микролинз, расположенных поперек области изображения рядом с отдельными пикселями для фокусировки оптического излучения на чувствительную для излучения область пикселя, массива цветных светофильтров, расположенных между отдельными фокусирующими микроустройствами и отдельными пикселями для селективной передачи конкретных спектральных полос излучения к пикселям.
Цветовой светофильтр может быть помещен либо между микролинзой и светочувствительным элементом пикселя, либо, альтернативно, сформирован поверх микролинзы. Цветовой светофильтр обычно является пигментированным или окрашенным материалом, который будет пропускать через него только узкую полоску света, например красный, синий или зеленый.
Данное устройство имеет следующие недостатки: оно имеет большие габариты фокусирующих устройств и относительно не высокую чувствительность.
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
79
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S. Luk'yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. Luk'yanchuk, Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, "Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning," Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. (4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.
Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].
9
127
Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [В. Luk'yanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. GiessenandT. C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. , 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik , 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
105
119
Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review
Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. , 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. . Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy , 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10.].
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы произвольной формы, например в форме куба или сферы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1.2 до 1.7, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4. при этом эффект формирования локальной области повышенной интенсивности излучения непосредственно на границе частицы сохраняется в широком диапазоне углом падения излучения, порядка ±45°.
При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1.2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более 1.7 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы.
На основные характеристики фотонной струи - интенсивность излучения в струе, ее поперечное и продольное величины влияет форма поверхности мезочастицы, градиент относительного коэффициента преломления материала частицы, характерный размер мезочастицы, длина волны используемого излучения.
В абсолютных величинах длина и поперечный размер фотонной струи пропорционален длине волны используемого излучения.
Принципиальное отличие мезочастицы сферической формы от мезочастицы в форме куба, состоит в том, что формирование фотонной струи начинается для сферической частицы диаметром порядка λ, а кубической - порядка 0.5 λ.
Например, в работе [Kong, S. -С.Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere/ S. -C. Kong, A. Taflove, V. Backman // Optics Express. - 2009. - V. 17. - P. 3722.] было показано, что применение градиентной микросферы, в которой показатель преломления меняется линейно примерно от 1,4 до 1,59, позволяет увеличить длину фотонной наноструи в несколько раз. Здесь нужно отметить, что длина струи определялась как расстояние от сферы до точки, где интенсивность падала в два раза по сравнению с освещающим сферу пучком.
Одним из параметров, с помощью которого можно управлять характеристиками фотонной струи (поперечный и продольный размер) является размещение на мезочастице центрального блокирующего излучение слоя [Патент РФ №153686 Устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса/ Минин И.В., Минин О.В.].
Применение фокусирующих микроустройств на основе мезоразмерных диэлектрических частиц в датчиках изображения ранее не рассматривалось.
На основе мезоразмерных диэлектрических частичек формирующих области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 возможно разработать высокочувствительный малогабаритный датчик изображения.
Технической задачей полезной модели является уменьшение габаритов фокусирующих микроустройств и повышение чувствительности пикселя изображения.
Поставленная задача достигается тем, что датчик изображения, включает в себя матрицу пикселей, сформированных в полупроводниковой подложке и служащих для сбора падающего оптического излучения и преобразования его в электрический ток, массива фокусирующих микроустройств, выполненных в виде микролинз, расположенных поперек области изображения рядом с отдельными пикселями для фокусировки оптического излучения на чувствительную для излучения область пикселя, массива цветных светофильтров, расположенных между отдельными фокусирующими микроустройствами и отдельными пикселями для селективной передачи конкретных спектральных полос излучения к пикселям, согласно полезной модели фокусирующие микроустройства выполнены в виде мезоразмерных диэлектрических частиц с характерным размером не менее размера чувствительной зоны пикселя и длины волны падающего излучения, центрированной с чувствительной зоной пикселя, формирующей фотонную струю, с относительным коэффициентом преломления материала частички лежащего примерно в диапазоне от 1.2 до 1.7. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме шарика. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме кубика. Кроме того, каждое фокусирующее микроустройство выполнено в форме градиентного частицы с изменением относительного коэффициента преломления от 1.4 до 1.7. Кроме того, на поверхности каждого фокусирующего микроустройства, обращенной к падающему оптическому излучению, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют одинаковый характерный размер. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют различный характерный размер. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют одинаковую форму поверхности. Кроме того, все фокусирующие микроустройства имеют различную форму поверхности. Кроме того, все фокусирующие микроустройства совмещены с цветным светофильтром.
На Фиг. 1 показана схема одного конкретного варианта отдельного пикселя датчика изображения с фокусирующем микроустройством в виде мезоразмерной диэлектрической частички, на примере шарика (а), кубика (б) и кубика, на поверхности которого нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы (с). Возможны другие конкретные реализации датчика изображения.
На фиг. 2 приведен пример формирования мезоразмерной частицей в виде сферы (а), куба (б), правильного шестиугольника (в-г), треугольника (д-е) и усеченной сферы (ж) с характерными размерами равными λ области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 на их границе поверхности.
1 - падающее оптическое излучение;
2 - фокусирующее микроустройство в виде мезоразмерной диэлектрической частички;
3 - цветной светофильтр;
4 - пиксель изображения;
5 - фотонная струя;
6 - фоточувствительная ячейка;
7 - слой материала, не пропускающего падающее на фокусирующее микроустройство в виде мезоразмерной диэлектрической частички излучение.
Датчик изображения работает следующим образом. Оптическое излучение 1 освещает фокусирующее микроустройство в виде мезоразмерной диэлектрической частички 2. Мезоразмерная диэлектрическая частичка 2 с характерным размером не менее размера чувствительной зоны пикселя 6 и длины волны падающего излучения, центрированной с чувствительной зоной пикселя 6, формирует фотонную струю 5. При этом мезоразмерная диэлектрическая частичка 2 выполненна из материала с относительным коэффициентом преломления, лежащего примерно в диапазоне от 1.2 до 1.7. Фотонная струя 5 через цветной светофильтр 3 попадает на фотчувствительную ячейку 6 пикселя изображения 4. Далее в пикселе изображения 4 оптический сигнал преобразуется в электрический и восстанавливается изображение от матрицы пикселей известными методами.
Фокусирующее микроустройство в виде мезоразмерной диэлектрической частички 2 может быть совмещено с цветным светофильтром 3, например, при выполнении устройства 2 из цветного стекла или иным способом.
С целью управления параметрами фотонной струи (ее поперечные и продольные размеры) на фокусирующей мезоразмерной диэлектрической частице 2 может размещаться сл ой материала, не пропускающего падающее излучение 7 с поперечными размерами этого материала лежащего в диапазоне 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы или фокусирующее микроустройство 2 может быть выполнено в форме градиентного частицы с изменением относительного коэффициента преломления лежащего в диапазоне примерно от 1.4 до 1.7.
Например, фокусирующие мезоразмерные диэлектрические частицы могут формировать фотонные струи различной длины на различной длине волны, более длинные на большей длине волны и более короткие на меньшей длине волны.
В качестве фокусирующей мезоразмерной диэлектрической частицы 2 могут быть использованы частицы с различной формой поверхности, например, приведенных на Фиг. 2.
Все фокусирующие микроустройства 2 могут иметь одинаковый характерный размер или иметь различный характерный размер.
Все фокусирующие микроустройства 2 могут иметь одинаковую форму поверхности или иметь различную форму поверхности.
2
В качестве материала мезоразмерных частиц могут использоваться различные материалы, например, SiO с коэффициентом преломления 1.538 на длине волны 0.7 мкм, полиэстер, с коэффициентом преломления 1.59 на длине волны 0.532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов/Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными коэффициентами преломления материала лежащего в диапазоне от 1.2 до 1.7.
Изготовление мезоразмерных диэлектрических частиц возможно, например, методами фотолитографии [патент РФ №2350996], 3D принтера и т.д.
44
Плотноупакованный монослой сферических диэлектрических мезомасштабных частиц может быть нанесен на поверхность, например, при высыхании коллоидного раствора, используя самоорганизующиеся слои диэлектрических микросфер [N.M. Bityurin, A.V. Afanasiev, V.I. Bredikhin, A.V. Pikulin, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, R.A. Akhmedzhanov, E.N. Gorshkova Surface nanostructuring by bichromatic femtosecond laser pulses through a colloidal particle array // Quantum Electronics  (6) 556-562 (2014); Николис Г., Пригожий И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. - М.: Мир, 1979. 512 с.; П.В. Лебедев-Степанов, Р.М. Кадушников, С.П. Молчанов, А.А. Иванов, В.П. Митрохин, К.О. Власов, Н.И. Рубин, Г.А. Юрасик, В.Г. Назаров, М.В. Алфимов Самосборка наночастиц в микрообъеме коллоидного раствора: физика, моделирование, эксперимент // Российские нанотехнологии, т. 8, №3-4, 2013, с. 5-23.]. Упорядоченные ансамбли формируются из тонких пленок ил и микро капель раствора [Nagayama, K. Two-dimensional self-assembly of colloids in thin liquid films. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 109 (1996) p. 363-374]. При такой технологии можно управлять архитектурой ансамбля, варьируя время испарения, толщину исходного слоя раствора и т.д.
Позиционирование мезоразмерных диэлектрических частичек, формирующих фотонные струи может быть выполнено с помощью различных методов самосборки и микроманипуляции, например, с помощью лазерных пинцетов [см., например, Патенты РФ 161207, 160834; Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771].
После этого мезоразмерные диэлектрические частички фиксируют с использованием клея, эпоксидных смол или, в более общем случае, материалов со способностью затвердевать, фотоотверждаемых материалов, материалов, отверждаемых при температуре, и т.д. или другими подобными способами. В частности, преднамеренная температурная обработка может использоваться для того, чтобы слегка расплавить мягкость материала мезоразмерных диэлектрических частиц или материала смежных слоев, чтобы зафиксировать частички точно над чувствительной областью пикселя.
Из вышеизложенного следует, что могут быть сделаны различные усовершенствования без отклонения от сущности и объема полезной модели, в отличие от конкретных вариантов осуществления полезной модели, которые были описаны в качестве примера.
Для мезоразмерной частицы с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность света непосредственно на границе частицы превосходит падающую интенсивность примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще больше. За счет более эффективной концентрации оптического излучения на фоточувствительной ячейке пикселя, по сравнению с оптическими линзами достигается эффект повышения чувствительности датчика изображения, их меньшие габариты позволяют уменьшить габариты отдельного пикселя и матрицы в целом.