颜色路由器及其超构表面结构设计方法与图像传感器

本技术涉及图像传感器，特别是涉及一种颜色路由器及其超构表面结构设计方法与图像传感器。

背景技术：

1、随着成像设备向小型化、高像素、高分辨率和高集成度方向发展，成像设备中图像传感器的像素尺寸不断减小，单位像素可接收的光子数随之降低，这也导致对图像传感器的光利用效率、信噪比、动态范围和弱光成像能力的要求更高。

2、如果图像传感器采用rgb红绿蓝滤色器阵列实现颜色选择，但是会造成显著的光能损耗。例如，对于均匀入射到rgb滤色器阵列的rgb bayer彩色单元的红光、绿光和蓝光而言，其理论接收效率受限于对应颜色像素所占面积比例，红色波段、绿色波段和蓝色波段的理论接收效率分别约为25%、50%和25%，光能损耗较大。

3、相对于rgb滤色器阵列而言，颜色路由器的光能损耗更少，理论接收效率更高。颜色路由器并非通过吸收非目标波段来实现颜色选择，而是通过对入射光波前进行调控，将不同波段的光分别引导至图像传感器中对应的颜色像素。原本可能被rgb滤色器阵列吸收的光子，能够被颜色路由器重新分配至对应像素，从而提高颜色探测效率和弱光成像性能。

4、颜色路由器的一种重要实现技术是由亚波长尺度的人工微结构构成的超构表面，其能够利用微纳结构对不同波段光进行空间重定向，进而对入射光的相位、振幅、偏振和传播方向进行调控。在像素尺寸缩小至微米量级时，器件需要在有限横向空间内同时调控红、绿、蓝多个波段的光场分布，单层结构往往难以提供足够的光场调控自由度。

5、如何提升颜色路由器的光场调控自由度，成为了亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、基于此，提供一种颜色路由器、图像传感器及其设计方法，用以提升颜色路由器的光场调控自由度。

2、第一方面，本技术实施例提供一种颜色路由器的超构表面结构设计方法，包括：

3、建立颜色路由器模型，颜色路由器模型包括：基底和多层超构表面结构；

4、每层超构表面结构包括多个按照预设晶格排布的介质微结构；

5、确定目标波段及每个目标波段对应的目标颜色像素；

6、确定颜色路由器模型的待优化变量，待优化变量包括介质微结构的横截面几何参数；

7、结合目标波段和目标颜色像素，在多层超构表面结构的出射侧设置目标参考面，在目标参考面构造目标近场；

8、对颜色路由器进行正向电磁仿真，获得目标参考面上的仿真近场；

9、基于目标近场和仿真近场构造近场匹配表征函数，基于近场匹配表征函数逆向更新待优化变量。

10、在其中一个实施例中，待优化变量还包括如下参数中的至少一种：相邻介质微结构的间隙宽度、介质微结构的高度、超构表面结构的层数、辅助波段。

11、在其中一个实施例中，在目标参考面构造目标近场，包括：

12、将目标波段的光线聚焦至对应的目标颜色像素中心位置，获取双曲相位分布构造的复近场，作为目标近场；

13、所述基于所述目标近场和仿真近场构造近场匹配表征函数，包括：

14、基于目标波段和多个偏振态，将所述目标近场和所述仿真近场之间匹配得到的串扰惩罚项、偏振均衡项、入射角鲁棒性和加工约束惩罚项中的至少一种作为所述近场匹配表征函数。

15、在其中一个实施例中，所述基于近场匹配表征函数逆向更新所述介质微结构的横截面几何参数，包括：

16、基于正向电磁仿真获取入射光作用下的电磁场分布；

17、基于伴随仿真获取所述近场匹配表征函数反向定义的伴随场分布；

18、结合所述电磁场分布和所述伴随场分布，确定所述介质微结构的横截面几何参数的梯度；

19、基于所述梯度更新所述介质微结构的横截面几何参数。

20、在其中一个实施例中，所述方法还包括：

21、更新所述介质微结构的横截面几何参数之后，重复执行如下步骤，直至所述近场匹配表征函数满足预设收敛条件或重复执行次数达到预设迭代次数：

22、对所述颜色路由器进行正向电磁仿真，获得目标参考面上的仿真近场；

23、基于所述目标近场和仿真近场构造近场匹配表征函数，基于近场匹配表征函数逆向更新所述介质微结构的待优化变量。

24、在其中一个实施例中，所述方法还包括：

25、更新所述介质微结构的横截面几何参数之后，重复执行如下步骤，直至所述近场匹配表征函数满足预设收敛条件或重复执行次数达到预设迭代次数：

26、结合目标波段、辅助波长、以及待制备颜色路由器的目标颜色区域，设置目标参考面及目标参考面匹配的目标近场；

27、对所述颜色路由器进行正向电磁仿真，获得参考面上的仿真近场；

28、基于所述目标近场和仿真近场构造近场匹配表征函数，基于近场匹配表征函数逆向更新所述介质微结构的待优化变量。

29、在其中一个实施例中，所述设置目标参考面及目标参考面匹配的目标近场，包括：

30、针对每个目标波段，在对应的目标颜色区域的中心位置设置聚焦点；

31、基于所述聚焦点对应的双曲相位分布，确定预设参考面到感光元件的距离；

32、结合所述颜色路由器模型中预设的包覆介质折射率、预设参考面到感光元件的距离、预设参考面基准点坐标和感光元件的采样点坐标，确定不同波长下的相位补偿量；

33、以所述相位补偿量作为复指数的相位项，生成携带所述相位项分布的单位振幅复场，作为与所述目标参考面匹配的目标近场。

34、第二方面，本技术实施例还提供了提供一种颜色路由器，包括：

35、基底和多层超构表面结构；

36、每层超构表面结构包括多个介质微结构；

37、每层超构表面结构之间以及最上层超构表面结构与预设探测面之间填充有透明包覆介质。

38、在一些实施例中，颜色路由器，颜色路由器还包括cmos感光元件，cmos感光元件对应的每个彩色单元包含4个颜色像素，其中单个颜色像素尺寸为1.12μm×1.12μm，单个彩色单元尺寸为2.24μm×2.24μm。

39、在一些实施例中，颜色路由器，介质微结构为矩形柱状，介质微结构的最小横截面尺寸不小于100nm，相邻介质微结构之间的最小间隙不小于50nm；所述最上层超构表面结构的入射侧顶面至预设探测面的距离包括3.9μm。

40、第三方面，本技术实施例还提供了一种图像传感器，包括颜色路由器，颜色路由器的超构表面结构采用如上述方法设计得到。

41、本技术实施例提供一种颜色路由器的超构表面结构设计方法，颜色路由器模型包括多层超构表面结构，相较于单层超构表面而言，多层超构表面结构能够综合利用层内散射、层间耦合和传播相位累积实现多波段颜色路由，因此其光场调控自由度更高，通过目标近场与仿真近场之间的匹配程度指导横截面几何参数等待优化变量的更新，适合对多层超构表面中大量连续的待优化变量进行高效优化，相较于传统rgb bayer滤色器对应的理论接收效率，路由效率能够提升至少二分之一。