面向高像素密度图像传感器的结构色技术 
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1 引言
视觉是人类最为重要的感觉,人类所获取信息的80%以上来自于视觉。图像传感器则是延伸人类视觉功能的核心器件[1-2],通过特殊光学元件的运用,可以实现光谱、偏振、相位甚至手性等多维物理量的可视化[3-5],而通过特殊电学元件的运用,可以实现超高速光学过程的记录[6-7]。得益于微电子技术的发展,图像传感器替代胶片相机后,一直向着更小像素和更大阵列规模的方向发展,以期获得更大的图像分辨率[8-9]。常规的图像传感器的像素尺寸已经减小到1 μm[10-11],商业数码相机市场已经推出了接近亿级像素规模的产品,航天航空应用中甚至有通过多幅图像拼接形成千亿像素图片的产品。从硬件上增加像素的一个直接方法就是增大图像传感器有源区的尺寸,例如增大用于弱光环境下生物成像显微镜中使用的制冷电荷耦合器件(CCD)的有源区尺寸。全画幅感光面积仅为36 mm×24 mm,虽然中画幅和大画幅的图像传感器具有更大的感光区,但成本急剧上升,这也限制了成像系统的小型化。另一个增加像素的方法就是在同样感光区域内集成更多的像素,这样可以控制成本和成像系统尺寸,然而更多像素意味着更小的像素尺寸,这会导致各种缩小的光学和电学元件性能退化,最终造成成像信噪比的快速下降,这就是同样像素规模的手机拍照和单反相机拍照体验存在差异的原因[12]。虽然可以通过把红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的探测器在垂直方向堆叠集成的方法在同样感光区面积里实现更多像素[13],如索尼的IMX586图像传感器,但是色彩串扰和工艺复杂度限制此技术的广泛应用。通过可调谐色彩的时分技术也可以在同样感光区集成更多像素,但动态成像性能大幅下降[14]。
近年来,随着纳米技术的发展,微纳光学成为光学研究的一个热点分支[15-19],纳米技术与光学技术的结合激发出各种新颖的光学效应并促进了众多新型光学功能元件的诞生,例如超透镜/超构透镜[20-23]、超分辨成像器件[24-26]、多维光存储器[27-29]等。在图像传感器像素持续减小的发展过程中,利用微纳光学技术发展适用于超小像素的彩色滤波器[30-34]、微透镜[35-37]和探测器[38-40]等,成为了一个全新的技术途径和发展方向[41],其不仅在学术界掀起研究热潮,产业界如松下、索尼、三星等图像传感芯片制造巨头也都对其进行积极研发[42-45]。这种基于微纳光学的超小像素成像技术有望成为下一代图像传感芯片及其衍射产品的技术制高点[46]。微纳光学的优势之一在于可在提高器件集成度的同时保证较高的性能,微纳光学器件与图像传感器的结合更多面向的是智能手机、安防监控、物联网传感等需将体积、成本和性能兼顾的应用场景;而对于科研、**、航天等不计成本的领域中大像素尺寸高像素密度规模的应用场景不在本综述讨论的范围内。本文将围绕图像传感器中的色彩实现技术问题,主要介绍基于微纳光学的结构色技术,不同于以往的结构色综述论文[47-51],本文将重点阐明现有微结构光学滤波器技术在图像传感器应用中的局限性,介绍一种新兴的微纳结构分光色彩管理技术的研究进展,并分析讨论技术面临的挑战和发展趋势。
2 超小像素图像传感器的色彩管理问题
常规互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器有正照式(FSI)和背照式(BSI)两种架构[
图像传感器中的色彩管理包括对宽光谱入射光的频谱裁剪和定向空间路由。染料滤波器是目前图像传感器领域内的主流色彩实现技术,其工作原理是基于有机材料的透射和吸收特性,即透射待测波段的光并吸收其他波段的光[57-58]。为了提高成像设备的稳定性和抗辐照性,并减小超小像素多步对准工艺的难度,近年来各种结构色技术被广泛关注,并被认为有望替代有机染料滤波器[59-61]。原则上,各种共振型的光学结构都具备光谱调控的作用,例如平面腔[43,62-64]、光栅波导[31,42,65-67]、金属微纳结构[30,32,33,44,68-71]等。如
图 1. 现有图像传感器技术[56]。(a)正照式和背照式CMOS图像传感器的剖面结构示意图;(b) Bayer阵列示意图;(c)图像传感器像素大小和光通量的变化趋势
Fig. 1. Current image sensor technology[56]. (a) Diagrams of front-side illumination and back-side illumination CMOS image sensors; (b) schematic of Bayer array; (c) development trends of pixel pitch and luminous flux of image sensor
图 2. 典型微纳结构彩色滤波器。(a)平面腔结构[63];(b)光栅波导结构[31];(c)金属纳米孔阵列结构[76];(d)介质纳米结构[34]
Fig. 2. Typical color filter with micro-nano structure. (a) Structure of planar cavity[63]; (b) structure of grating waveguide[31]; (c) structure of metal nanohole array[76]; (d) dielectric nanostructures[34]
实际上,从当前图像传感器的架构特点来考虑,上述结构色机制在应用中都面临着严重的问题,比如尺寸效应[44,77-78]。虽然有文献报道在1 μm大小范围内结构色技术就能实现一定程度的色彩表现,但往往在亮度和纯度方面的性能急剧下降。不仅如此,现有染料滤波器的发展已经非常成熟,性能几乎发挥到了极致,例如富士公司推出的一款染料滤波器的峰值透射率已经超过了90%而且串扰小[57],这是上述所有结构色机制都难以达到的。因此,仅考虑基于现有微纳光学结构的滤波技术来直接代替染料滤波器是不可能满足图像传感器的发展需求的。为了提高像素单元的信噪比以适应像素尺寸不断缩小的应用需求,需要提高光学效率、提高光电转换效率、抑制噪声,并解决各类元件在尺寸缩小后的工艺问题等,尤其需要充分利用入射光,这是所有成像光通量的来源。然而,不管是染料滤波器还是上述各种微纳结构滤波技术,在现有图像传感器的色彩管理模式下的光学效率都非常低。如
除了采用基于材料吸收或结构共振的滤波技术,实际上采用空间色散也可以获得色彩的管理,如天空的彩虹和棱镜的分光,这种情况下不同波长的光是被折向不同的方向而不是被反射或吸收,因此光学损耗可以大幅降低。显然,棱镜和两向色分束镜都是不利于实现片上集成的。德国学者Dammann[79]提出了一种可集成的色彩分离光栅的技术原理,利用多台阶光栅实现将R、G、B三原色分别衍射到+1、0、-1级方向的相位分布。如果在图像传感器中将一个RGGB成像单元内所有的入射光按波段分别导向对应的R、G、B像素,理论上的光学效率可以接近100%。因此,类似Dammann光栅技术思想,利用微纳光学方法进行多波段的像素级空间光路由是提高图像传感器成像单元信噪比的潜在技术方案。
3 微纳光学彩色分光技术
微纳光学彩色分光技术的重点是按需要进行空间光路由的优化,而空间光路由主要决定于三维空间折射率的分布。微纳光学结构具有纳米尺度的空间折射率调控能力,因而可获得极大的设计自由度。光栅衍射、表面等离激元金属纳米结构、介质纳米天线和超表面/超材料等都能够基于传输相位设计并通过传输相位、几何相位和共振相位等方式来调控光束波前,从而获得光束空间色散。下面分别介绍各种技术的机制及其发展现状,并分析讨论其优缺点。
3.1 光栅衍射彩色分光技术
光栅是一种常见的光学元件,由大量等宽、等间距的平行狭缝构成。基于光栅衍射效应的分光机制已经被广泛应用到光谱仪的设计中,不同波长光的传输相位差异导致其在空间上的色散,从而获得了分波段处理光信息的能力[80]。闪耀光栅就是一种常见的衍射光栅,利用锯齿形的光栅结构将入射光集中在一级衍射中。如
图 3. 典型光栅衍射彩色分光技术。(a)闪耀光栅和微透镜组合的分光技术[81];(b)色彩分离光栅技术[79];(c)色彩分离光栅的扫描电子显微镜和光学显微照片[83];(d)介质纳米柱形成的色彩分离光栅[84]
Fig. 3. Typical color rendering technique based on grating diffraction. (a) Color rendering technique based on blazed gratings and microlens[81]; (b) color rendering by Dammann gratings[79]; (c) scanning electron microscope and optical microscopic images of color rendering by Dammann gratings[83]; (d) color rendering grating with dielectric nanorod structures[84]
综上可见,光栅衍射彩色分光技术的基本原理很明确,无论是传统的多台阶相位调控技术还是近年来兴起的纳米柱相位调控技术,都是基于利用平面内结构优化获得的不同波长的光在不同衍射级发生主衍射的相位需求。微纳光学技术的发展使得衍射相位的调控不再单纯地依赖厚度调节,而是利用横向结构的变化来调控模式的等效折射率,从而可以获得超薄的彩色分光结构,利于一次图形化制备。不过利用微纳结构同时满足如
3.2 表面等离激元彩色分光技术
表面等离激元是在金属表面的自由电子和光子相互作用形成的电磁振荡,其极小的波长和超强的光场局域使得光学研究进入纳米尺度[85-87]。表面等离激元结构色由于其丰富的物理内涵和超小的结构尺寸,近年来得到广泛关注[48-49,88]。实际上,早在19世纪末20世纪初物理学家Faraday[89]和Mie[90]就分别研究了金属纳米颗粒产生色彩的机制,将此过程归结为金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振吸收。同频率的表面等离子体波具有比空间电磁波更大的波矢,通常需要利用光栅和棱镜来辅助实现波矢匹配,通过改变入射光角度、光栅周期、折射率环境等条件就能激发出不同频率的表面等离子体共振。2011年Ozaki 等[91]基于棱镜耦合激发和光栅耦合辐射的两级效应展示了白光照明下的彩色全息成像技术,其技术关键就是利用三个特定角度入射的白光照射在棱镜表面金属膜覆盖的全息结构,从而分别激发R、G、B三色对应的表面等离子体波并将其由光栅耦合辐射出来,最终通过叠加形成彩色全息图像。
异常透射(EOT)是表面等离激元光学中的一个重要现象。1998年法国学者Ebbesen等[92]发现金属薄膜上的纳米孔阵列具有高于孔区域占空比的透射率,并认为这种透射增强现象是周期结构中表面等离子体波引起的共振透射。基于这种共振透射现象并通过调节材料结构参数实现全色彩选择,获得了CMOS图像传感器芯片上的直接像素级集成[59,76,93-94],但受限于通带外的能量损失,这种技术并不利于应用在高像素密度图像传感器中。如前所述,在激发出波长相关的表面等离子体共振的基础上,实现有效的空间光路由是图像传感器应用中的关键。利用金属周期结构的布拉格衍射,可以有效地在平面内进行表面等离子体波的路由和复用/解复用,进而通过优化金属纳米孔阵列在不同方向的晶格常数,获得不同波长的光耦合到表面等离子体波后在平面内不同路径的传输[95]。结合EOT效应和布拉格衍射,Lezec 等[96]在2002年报道了一种三维的彩色分光技术,如
Yagi-Uda天线是广泛应用的微波天线,具有定向发射的特性,利用各种金属纳米结构构建表面等离激元Yagi-Uda纳米天线或其衍生天线结构引起了研究人员广泛的研究兴趣[99]。研究发现利用金属纳米天线的表面等离子体共振能够实现空间相位的调控,这种共振附加的空间相位梯度甚至改写了菲涅耳折射定律,实现了异常折射和基于平面结构产生涡旋光的新奇现象等[100]。基于这种共振引起的相位,瑞典学者Shegai等[101-102]将彩色分光发展到了深亚微米的尺度,如
图 4. 典型表面等离激元彩色分光技术。(a)金属狭缝分光结构[96];(b)空间重叠牛眼结构[98];(c)耦合金属纳米盘结构[101];(d)非对称金属纳米圆盘和金属纳米圆环耦合结构[105];(e)正交金银纳米棒结构[106];(f)单金属纳米棒结构[108]
Fig. 4. Typical color rendering technique based on surface plasmon. (a) Beam rendering structure with metal slit[96]; (b) spatially overlapped subwavelength Bull’s eye structure[98]; (c) coupled metal nanodisks[101]; (d) coupling structure of asymmetrical metal nanodisks and metal nanoring[105]; (e) orthogonal gold and silver nanorods[106]; (f) single metal nanorod[108]
综上可见,表面等离激元彩色分光技术具有丰富的物理内涵,基于光栅波矢耦合的天线聚光效应、附加共振相位的纳米天线折光效应以及模式对称性差异导致的远场定向辐射,都赋予了彩色分光极大的设计自由度。而且得益于表面等离子体波特有的大波矢,表面等离激元彩色分光技术可以获得极小尺度下的彩色分光,集成度超越了其他技术。除了电子束曝光等标准的平面化工艺,化学合成等方法也丰富了表面等离激元彩色分光技术实现的工艺途径。需要注意的是,目前报道的表面等离激元结构与图像传感器集成的工作都是基于波长选择性滤波机制[44,76,94,109-110],尚无具有增益效果的折光方案的报道。此外,表面等离激元彩色分光技术的发展瓶颈是金属材料固有的损耗问题。
3.3 超表面彩色分光技术
光学超表面是近10年来微纳光学研究的前沿热点,利用平面内特征尺寸远小于波长的微纳结构实现对光波的幅度、偏振、相位和手性等特性的调控,获得了诸如平面透镜[20-22]、隐身[111]和超分辨成像[25-26]等所无法具备的各种新奇光学操控功能。类似3.1节中的纳米柱和3.2节中的金属纳米棒,超表面结构特征引发的附加相位赋予了超表面在彩色全息[112]、结构色[113]和光路由[114]等方面的重要应用价值。
折射元件(光学透镜)和衍射元件(光栅)是空间光路由的典型元件,这些传统光学元件通常利用弯曲或周期变化的折射率界面来调控波前,从而实现光束聚焦或偏折等功能。由于同一光学元件材料对于不同波长的光通常具有不同的折射率,而且传输途径中不同波长的光也具有不同光程差,这些色散造成了光学元件的色差,因此传统光学成像系统需要采用各种技术手段来消色差,例如超消色差透镜中集成了多种材料以获得在多个波长处完全的零色差[115]。相比之下,超表面器件(如超透镜)利用亚波长尺度结构化平面内的传输相位[116-117]、共振相位[118-120]或几何相位[22,121-122]来调节平面的相位分布,从而获得超紧凑的光束路由功能。虽然几何相位理论上是与波长不相关的,但超透镜中依然存在材料色散、传输光程差和结构色散等。不过超表面的大设计自由度和多相位机制也给消色差技术带来了更多的技术途径,通过优化设计超表面的结构共振相位可补偿光传输过程中不同波长的相位差。Aieta 等[123]展现了1300,1550,1800 nm三个波长消色差的光聚焦和光束偏转。类似地,通过在超透镜一个周期结构中引入耦合相移单元[124]或者集成共振单元[125],可在红外和可见光等多个波段都获得宽光谱范围内极低的色差。利用超透镜阵列还进一步获得了消色差的光场成像[22]。
实际上,通过结构设计可以获得优于光栅和棱镜的超色散超表面结构[126],实现波长相关的高效空间光路由,所设计结构可应用于光谱仪或者图像传感器。从
不管是超元胞法还是交错相位阵列法,都存在单元间耦合以及多波长复用造成的有效相位阵列面积减小的问题。针对此问题,Zhou等[132]展示了一种双层结构的超透镜,如
图 5. 超表面彩色分光技术。(a)彩色超表面全息成像[127];(b)基于超元胞法的RGGB单元4焦点聚焦的超构透镜[131];(c)基于超元胞法的RGB单元3焦点聚焦的超构透镜[113];(d)基于交错相位阵列法的RGB单元3焦点聚焦的超构透镜[129];(e)基于双层超构透镜的RGB空间3焦点聚焦[132]
Fig. 5. Typical metasurface color rendering techniques. (a) Colorful metasurface hologram imaging[127]; (b) metalens with four foci for RGGB unit cell based on supercell method[131]; (c) metalens with three foci for RGB unit cell based on supercell method[113]; (d) metalens with three foci for RGB unit cell based on staggered phase array method[129]; (e) focusing of three foci in RGB space based on double layer metalens [132]
综上可见,超表面彩色分光技术相比于光栅衍射和表面等离激元两类分光技术的显著特点是具有同时聚焦和分光的功能,因此在高像素密度图像传感器应用中具有巨大优势。类似于光栅衍射和表面等离激元分光机制,超表面彩色分光技术通常是针对特定波长设计的,在成像应用中需要对多波段的入射光进行调控,现有的空间复用会引起单元结构间的耦合并带来光学效率退化的问题,而且会造成超表面结构横向尺寸较大,因此还需要进一步优化其在高像素密度图像传感器中的应用。
3.4 介质纳米天线彩色分光技术
金属纳米结构具有极强的光场局域特性,然而金属材料固有的吸收损耗使得无论是表面等离激元还是超表面的金属基光学元件,光学效率都非常低[133-134]。近年来,介质天线和介质超材料成为了研究热点,展现了很高的光学效率[122,135-136],有利于实现高像素密度的图像传感器。不同于3.1节中
纳米结构的散射是一种固有的对波长敏感的光学传输行为。将介质纳米柱放置在图像传感器临近像素的界面上方,通过其波长相关的散射与纳米柱层的等效抗反射效应的结合可获得一定的方向性光路由[138]。相对于这种较随机的纳米天线设计,比利时微电子研究中心(IMEC)提出了一种基于模式耦合的V型非晶硅纳米天线分光技术[139],如
日本松下公司对这种介质纳米天线分光技术进行进一步改进,实现了在图像传感器内部的集成验证[45]。如
从前面介绍的微纳结构分光技术来看,当光学结构进入亚微米甚至纳米尺度后,简单的光线光学理论已经不再适用,不管基于哪个原理的分光技术设计都是基于一定的物理分析,然后在一个初始模型上采用有限差分或有限元等电磁场数值仿真算法来进行结构参数优化,这种优化往往仅能获得局域最优解,成为微纳光学技术在实际工程应用中面临的一个难题。不仅如此,类似彩色分光这种对空域和频域都有多变量技术需求的设计任务对于常规的物理直觉型的设计思路甚至具有强大搜索能力的基因算法都是一种挑战,相关设计难以真正满足追求极致综合性能的工程应用。逆向设计方法因能对全参数空间进行高效优化,最近成为了微纳光学领域的热点研究课题[142-144],这种方法类似于计算全息中的相位板设计,从目标功能和光学性质出发,原则上可以获得全参数空间的最优解。Camayd-Muñoz等[145]利用逆向设计的方法设计了一种二氧化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)混合的散射天线结构,如
综上可见,介质纳米天线分光技术体现了良好的纳米尺度下的空间色散分光,甚至在图像传感器中已经得到了初步的集成验证,可提高光学效率、改善成像功能,不过其能否广泛被产业界所采用,还需要进一步克服偏振和角度的灵敏性问题,开发出合适的低成本制造工艺,同时抑制相邻像素的串扰。
图 6. 典型介质纳米天线彩色分光技术。(a)单介质纳米天线[139];(b)介质纳米天线集成的图像传感器[45];(c)逆向设计获得的RGB三波段彩色分光纳米结构[145];(d)逆向设计获得的多波长彩色分光纳米结构[147]
Fig. 6. Typical dielectric nanoantenna color rendering techniques. (a) Single dielectric nanoantenna[139]; (b) image sensor with integrated dielectric nanoantennas[45]; (c) color rendering nanostructures for RGB bands obtained by inverse design[145]; (d) color rendering nanostructures for multiple wavelengths obtained by inverse design[147]
4 结束语
通过对现有结构色技术的现状和发展历程的综述分析,发现利用波长相关的空间路由获得彩色分光的技术与彩色滤波技术相比具有高光通量的优势,对于持续发展的高像素密度的图像传感器具有潜在的应用价值,而且亚微米尺度下的多波长空间路由问题研究对于微纳光学方向发展新型光场调控技术也具有重要的学术意义。从目前已报道的研究结果来看,相比于宏观的衍射光栅,金属纳米结构和介质纳米结构基于模式耦合和突变相位等物理机制,都能够实现小型化的空间彩色分光,具有在图像传感器上实现像素级集成的潜力,理论上能够获得2~4倍的光通量。这个问题不仅引起了广大学术界研究者的关注,更是吸引了图像传感器行业各大厂商的研发热情,在二者共同的推动下,亚微米的空间分光和基于纳米光学结构彩色分光技术的新型图像传感器得以实现,成像效果也验证了空间分光技术可提升光通量进而提高成像质量的结论。不过相关技术目前还处于概念阶段,存在以下关键科学技术问题有待解决。
1) 减小相邻像素的光学串扰。共振结构具有波长选择性,能够在一定程度上抑制光学串扰,而非共振结构由于其光学特性的连续性,通常不具有波长选择性。不管是哪一类结构,目前都难以实现类似染料滤波器的三原色波段间的低串扰性能。已报道的纳米光学元件集成的图像传感器都严重依赖后期的算法来修正彩色分光方面的低色彩纯度。
2) 发展像素级集成的空间分光技术。超构透镜具有聚焦特性,可在一定程度上缓解邻近像素的串扰问题,然而现有报道的超构透镜都具有10 μm以上的横向尺寸,没法满足亚微米尺度像素的图像传感器的技术需求。表面等离激元和纳米天线技术中需要进一步压缩横向尺寸,并优化亚微米区域的三原色分光能力。
3) 降低纳米分光结构的角度敏感性和偏振敏感性。大多数空间分光的研究工作仅分析了正入射和单一偏振的情况,而对于实际成像应用,纳米分光结构需要满足一定视场角和偏振无关的技术需求。光的传输、干涉、衍射等效应基本都与入射角有关,导致目前已报道的结果实际上都具有严重的角度依赖关系,空间色彩分布在5°~10°入射角变化范围内呈现出了明显差异。
4) 发展高效的设计算法与软件。亚波长尺度下光的传输特性对结构变化较为敏感,一方面提供了很高的设计度,另一方面也增加了结构优化的工作量。目前时域有限差分法或者有限元法等电磁场仿真软件的计算效率非常低,而空间彩色分光结构极为复杂,利用基因算法等来优化结构设计的工作量非常大,急需类似逆向设计等更加有效的设计算法和工具。
5) 发展高深宽比纳米光学结构的可靠制备技术。金属纳米结构通过模式耦合可以在百纳米以下厚度情况下获得空间光路由,但金属吸收损耗导致光通量增益表现较差。介质纳米结构具有良好的光操控能力和低损耗特点,但目前绝大多数的介质空间分光结构都具有较大的深宽比,这对于制备技术提出了巨大挑战。
总之,高像素密度的图像传感器的持续发展面临着严重的亚波长尺度的光传输控制问题,而微纳光学正是光场调控方面的前沿方向,相信基于学术界和产业界的共同努力,微纳光学技术集成的新型图像传感技术与芯片有望实现,以拓展人类的视觉感知能力。
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