基于表面等离子体共振的宽色域彩色滤光片设计与CIS像素阵列光学串扰分析

【摘要】：彩色滤光片是一种常用的光学器件,用于透射或反射特定波长的光以显示所需要的颜色,彩色滤光片广泛应用于显示器、图像传感器、防伪技术、色彩装饰、彩色印刷等领域。传统的彩色滤光片是基于化学染色制作而成的,颜料或者染料对不同波段的光有着不同的吸收特性,利用这一特性而实现滤光效果,这种彩色滤光片虽然制作成本低,但是化学性质不稳定、寿命短,因此需要一种滤光片能够替代化学色彩色滤光片。纳米结构的等离子体彩色滤光片具有颜色稳定、体积小、色彩再现性好等优点,有望成为现有化学色滤光片的替代选择。然而现有的等离子体彩色滤光片产生的色域相对较窄,不能超过s RGB色彩空间,有限的色域和较低的饱和度限制了等离子体滤光片的进一步应用,为了克服这一缺点,本文提出了一种新结构的宽色域等离子体彩色滤光片,并对其结构特性进行了详细的分析研究,主要研究贡献如下:(1)设计了基于表面等离子体共振的宽色域彩色滤光片。在银膜表面刻蚀了以交叉十字孔和四个矩形臂组成的纳米图案结构,通过改变它的矩形臂的长度、银膜厚度和结构周期,可以调整等离子体的共振波长,获得峰值波长不同的透射光谱,将透射光谱通过计算得到的颜色坐标绘制在CIE1931色度图上可以得到更宽的色域。实验结果表明,RGB三原色峰值透射率分别可以达到50%,54%和47%,色域范围和饱和度可以超过s RGB色彩空间。从理论上定性分析了结构参数对峰值波长的影响,并从表面电磁场和纵向电磁场分布解释了结构参数对峰值波长的影响。最后优化了滤光片结构,降低了滤光片对入射角的敏感性。(2)建立了基于表面等离子体共振的宽色域彩色滤光片空间光学串扰模型。分别定量计算了结构色滤光片和化学色滤光片集成到CMOS图像传感器像素上时,滤光片距离图像传感器像素底部感光区的高度不同和入射光的角度不同时,相邻像素间的空间光学串扰的大小,对得到的数据进行了分析,并从电场的角度分析了不同因素下对串扰大小的影响。可以发现,入射光角度不变的情况下,滤光片到CMOS图像传感器像素底部感光区距离越小,所产生的串扰值也就越小,随着入射光角度的增大,串扰值也会随之增大。利用这一结论对CMOS图像传感器像素的结构进行优化可以大大提高图像传感器的成像质量。