光学传感器及包括该光学传感器的电子装置的制作方法
光学传感器及包括该光学传感器的电子装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术基于并要求于2021年7月15日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2021-0093132的优先权，该申请的公开通过全文引用并入本文。
技术领域
3.根据示例实施例的装置和方法涉及一种包括平面纳米光子微透镜阵列的光学传感器以及包括该光学传感器的电子装置。
背景技术：
4.随着诸如图像传感器或光谱传感器之类的光学传感器以及图像模块的小型化，光学模块的边缘处的主光线角(cra)已经增加。当光学传感器边缘处的cra增加时，位于光学传感器边缘处的像素的灵敏度降低。因此，图像的边缘可能变暗。此外，对具有暗边缘的图像进行处理的处理器负担了用于补偿暗边缘的附加复杂彩处理操作，因此处理图像的速度降低。
技术实现要素：
5.一个或多个示例实施例提供了一种包括能够将以大主光线角(cra)入射到光学传感器边缘上的入射光的入射角改变为接近于竖直角度的平面纳米光子微透镜阵列的光学传感器、以及包括该光学传感器的电子装置。
6.根据示例实施例，提供了一种光学传感器，包括：传感器基板，包括多个光敏单元；滤光层，设置在传感器基板上，并且包括多个滤光器，该多个滤光器中的每一个被配置为选择性地透射特定波段的光；以及平面纳米光子微透镜阵列，设置在滤光层上，并且包括多个平面纳米光子微透镜，该多个平面纳米光子微透镜中的每一个具有纳米图案结构，纳米图案结构将光会聚到多个光敏单元中的相应光敏单元上，其中，该多个平面纳米光子微透镜在第一方向以及与第一方向垂直的第二方向上二维布置，并且每个平面纳米光子微透镜的纳米图案结构包括多个纳米结构，该多个纳米结构布置为使得透射通过每个平面纳米光子微透镜的光在第一方向和第二方向上具有相变曲线凸出的相位分布。
7.穿过平面纳米光子微透镜阵列的中心部分的光的相位分布在第一方向上具有对称形状且在第二方向上具有对称形状。
8.布置在平面纳米光子微透镜阵列的外围部分上的平面纳米光子微透镜被配置为：通过偏转倾斜地入射到平面纳米光子微透镜上的光的行进方向，将光会聚到相应光敏单元的中心部分上。
9.穿过布置在平面纳米光子微透镜阵列的外围部分上的平面纳米光子微透镜的光的相位分布对应于倾斜线性相位分布和凸相位分布的组合。
10.穿过平面纳米光子微透镜的光的倾斜线性相位分布在第一方向上的斜率随着在第一方向上光的入射位置距平面纳米光子微透镜阵列的中心部分的距离增加而增加。穿过
平面纳米光子微透镜的光的倾斜线性相位分布在第二方向上的斜率随着在第二方向上光的入射位置距平面纳米光子微透镜阵列的中心部分的距离增加而增加。
11.穿过平面纳米光子微透镜的光的倾斜线性相位分布在第一方向上的斜率与入射到平面纳米光子微透镜阵列上的光在第一方向上的入射角的正弦值成正比。穿过平面纳米光子微透镜的光的倾斜线性相位分布在第二方向上的斜率与入射到平面纳米光子微透镜阵列上的光在第二方向上的入射角的正弦值成正比。
12.穿过平面纳米光子微透镜的光的倾斜线性相位分布的斜率与透射穿过多个滤光器中对应于该平面纳米光子微透镜的滤光器的光的波长的倒数成正比。
13.在光学传感器的整个区域中，多个平面纳米光子微透镜之间的边界与多个滤光器之间的边界以及多个光敏单元之间的边界匹配。
14.传感器基板可以包括第一光敏单元和第二光敏单元。滤光层可以包括第一滤光器和第二滤光器，第一滤光器对应于第一光敏单元并透射第一波段的光，且第二滤光器对应于第二光敏单元并透射第二波段的光，第二波段比第一波段短。平面纳米光子微透镜阵列可以包括第一平面纳米光子微透镜和第二平面纳米光子微透镜，第一平面纳米光子微透镜对应于第一滤光器并将光会聚到第一光敏单元上，且第二平面纳米光子微透镜对应于第二滤光器并将光会聚到第二光敏单元上。
15.第一光敏单元、第一滤光器和第一平面纳米光子微透镜可以布置为在与第一方向和第二方向垂直的第三方向上彼此面对。第二光敏单元、第二滤光器和第二平面纳米光子微透镜可以布置为在第三方向上彼此面对。
16.第一平面纳米光子微透镜可以被配置为使得穿过第一滤光器的第一波段的光会聚到第一光敏单元的中心部分上。第二平面纳米光子微透镜可以被配置为使得穿过第二滤光器的第二波段的光会聚到第二光敏单元的中心部分上。
17.第一平面纳米光子微透镜相对于第一波段的光的焦距可以等于第二平面纳米光子微透镜相对于第二波段的光的焦距。
18.穿过第二平面纳米光子微透镜的第二波段的光的相位分布的相变曲线的曲率可以大于穿过第一平面纳米光子微透镜的第一波段的光的相位分布的相变曲线的曲率。
19.穿过布置在平面纳米光子微透镜阵列的外围部分上的第一平面纳米光子微透镜和第二平面纳米光子微透镜的光的相位分布可以对应于倾斜线性相位分布和凸相位分布的组合。
20.穿过第一平面纳米光子微透镜的光的线性相位分布在第一方向上的斜率小于穿过与第一平面纳米光子微透镜相邻的第二平面纳米光子微透镜的光的线性相位分布在第一方向上的斜率。
21.每个平面纳米光子微透镜中的多个纳米结构的折射率可以高于平面纳米光子微透镜的非纳米结构的折射率。
22.布置在平面纳米光子微透镜阵列的中心部分上的平面纳米光子微透镜中的多个纳米结构可以在第一方向和第二方向上对称布置。
23.多个纳米结构具有纳米柱形状或纳米晶格形状。
24.多个纳米结构中的每一个可以包括第一纳米结构以及设置在第一纳米结构上的第二纳米结构。
25.根据示例实施例，提供了一种电子装置，包括：光学传感器，被配置为将光学图像转换为电信号；以及处理器，被配置为控制光学传感器并处理由光学传感器产生的电信号，其中，光学传感器可以包括：传感器基板，包括多个光敏单元；滤光层，设置在传感器基板上，并且包括多个滤光器，该多个滤光器中的每一个被配置为选择性地透射特定波段的光；以及平面纳米光子微透镜阵列，设置在滤光层上，并且包括多个平面纳米光子微透镜，该多个平面纳米光子微透镜中的每一个具有纳米图案结构，纳米图案结构将光会聚到多个光敏单元中的相应光敏单元上。多个平面纳米光子微透镜可以在第一方向以及与第一方向垂直的第二方向上二维布置。每个平面纳米光子微透镜的纳米图案结构包括多个纳米结构，该多个纳米结构布置为使得透射通过每个平面纳米光子微透镜的光可以在第一方向和第二方向上具有相变曲线凸出的相位分布。
附图说明
26.根据以下结合附图的描述，本公开的一些实施例的上述和其它方面、特征以及优点将更清楚，在附图中：
27.图1是根据示例实施例的光学传感器的框图；
28.图2a至图2c是示出了光学传感器的像素阵列的各种像素布置的示例的图；
29.图3是根据示例实施例的相机模块的概念图；
30.图4是根据示例实施例的光学传感器中的像素阵列的平面图；
31.图5a和图5b是根据示例实施例的光学传感器中的像素阵列中的中心部分从不同截面观察的截面图；
32.图6是示出了根据示例实施例的光学传感器的平面纳米光子微透镜阵列的中心部分处的纳米图案结构的示例的平面图；
33.图7a和图7b示出了根据示例实施例的在光学传感器的像素阵列的中心部分处光刚穿过平面纳米光子微透镜阵列之后的相位分布的示例；
34.图8a和图8b是根据示例实施例的光学传感器的像素阵列中的左边缘从不同截面观察的截面图；
35.图9是示出了根据示例实施例的光学传感器的平面纳米光子微透镜阵列的左边缘处的纳米图案结构的示例的平面图；
36.图10a至图10c示出了根据示例实施例的在光学传感器的像素阵列的左边缘处光刚穿过平面纳米光子微透镜阵列之后的相位分布的示例；
37.图11a和图11b是根据示例性实施例的光学传感器的像素阵列中的右边缘从不同截面观察的截面图；
38.图12是示出了根据示例实施例的光学传感器的平面纳米光子微透镜阵列的右边缘处的纳米图案结构的示例的平面图；
39.图13a和图13b示出了根据示例实施例的在光学传感器的像素阵列的右边缘处光刚穿过平面纳米光子微透镜阵列之后的相位分布的示例；
40.图14a至图14f是示出了根据示例实施例的光学传感器的平面纳米光子微透镜阵列的不同位置处的纳米图案结构的示例的平面图；
41.图15a至图15f是示出了根据另一示例实施例的平面纳米光子微透镜阵列的各种
纳米图案结构的示例的平面图；
42.图16是示出了根据另一示例实施例的平面纳米光子微透镜阵列的示例的截面图；
43.图17是示出了根据另一示例实施例的光学传感器的像素阵列的示例的截面图；
44.图18是根据一个或多个实施例的包括图像传感器的电子装置的框图；
45.图19是图18的相机模块的框图；以及
46.图20至图29是示出了根据一个或多个实施例的包括图像传感器的电子装置的各种示例的图。
具体实施方式
47.现在详细参照实施例，在附图中示出了实施例的示例，其中，贯穿附图相同的附图标记表示相同的元件。在这点上，呈现的实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，下面通过参考附图仅描述实施例，以解释各个方面。本文中所使用的术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。诸如“...中的至少一个”之类的表述当在元件列表之前时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。
48.在下文中，将参考附图详细描述包括平面纳米光子微透镜阵列的光学传感器及包括该光学传感器的电子装置。本公开的实施例能够进行各种修改，并且可以以许多不同的形式来体现。在附图中，相同的附图标记表示相同的组件，并且为了便于说明，附图中组件的尺寸可能被放大。
49.当层、膜、区域或面板被称为在另一元件“上”时，其可以直接在该另一元件上/下/左侧/右侧，或者还可以存在中间层。
50.应当理解，虽然在本文中可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种组件，但是这些组件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个组件与另一组件进行区分。这些术语并不限制组件的材料或结构彼此不同。
51.单数形式的表述涵盖复数表述，除非在上下文中具有明确的不同意义。将进一步理解，当一部分被称为“包括”一组件时，该部分可以不排除另一组件而是可以进一步包括另一组件，除非上下文另有说明。
52.此外，本文中所提供的“...单元”、“模块”等术语指示执行功能或操作的单元，并且可以通过硬件、软件、或硬件和软件的结合来实现。
53.术语“上述”和类似指示性术语的使用可以对应于单数形式和复数形式二者。
54.此外，本文中描述的所有方法的步骤可以按照任何适当的顺序执行，除非本文中另外指出或者上下文另外明确地相反指示。此外，所有示例性术语(例如，等)的使用仅用于详细描述技术精神，并且除了上下文受权利要求限制之外，权利范围不受这些术语的限制。
55.图1是根据示例实施例的光学传感器1000的框图。参考图1，光学传感器1000可以包括像素阵列1100、时序控制器(t/c)1010、行解码器1020和输出电路1030。光学传感器1000可以包括例如电荷耦合器件(ccd)图像传感器或互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。
56.像素阵列1100包括以多行和多列二维布置的像素。行解码器1020响应于从时序控制器1010输出的行地址信号来选择像素阵列1100中的行之一。输出电路1030以列为单位从
布置在所选行中的多个像素输出光敏信号。为此，输出电路1030可以包括列解码器和模数转换器(adc)。例如，输出电路1030可以包括列解码器、以及分别针对像素阵列1100中的列布置的多个adc或者布置在列解码器的输出端处的一个adc。时序控制器1010、行解码器1020和输出电路1030可以实现为一个芯片或实现在分别的芯片中。用于处理从输出电路1030输出的图像信号的处理器可以与时序控制器1010、行解码器1020和输出电路1030实现为一个芯片。
57.像素阵列1100可以包括感测不同波长的光的多个像素。像素布置可以以各种方式实现。例如，图2a至图2c是示出了光学传感器的像素阵列的各种像素布置的示例的图。
58.图2a示出了图像传感器中通常采用的拜耳图案。参考图2a，一个单元图案包括四个象限区域，并且第一象限至第四象限可以分别是蓝像素b、绿像素g、红像素r和绿像素g。单元图案可以在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)上重复地二维布置。换言之，在2
×
2阵列的单元图案中，两个绿像素g布置在一个对角线方向上，并且一个蓝像素b和一个红像素r布置在另一对角线方向上。在像素的整个布置中，其中多个绿像素g和多个蓝像素b在第一方向上交替布置的第一行和其中多个红像素r和多个绿像素g在第一方向上交替布置的第二行在第二方向上重复布置。
59.像素阵列1100可以布置为拜耳图案之外的各种布置图案。例如，参考图2b，可以使用其中品红像素m、青像素c、黄像素y和绿像素g配置一个单元图案的cygm布置。此外，参考图2c，可以使用其中绿像素g、红像素r、蓝像素b和白像素w配置一个单元图案的rgbw布置。单元图案可以具有3
×
2阵列形式。除了上述示例之外，像素阵列1100中的像素可以根据光学传感器1000的用途和特性以各种方式布置。在下文中，将描述光学传感器1000的像素阵列1100具有拜耳图案，但是操作原理可以应用于拜耳图案之外的其他像素布置图案。
60.光学传感器1000可以应用于诸如相机模块之类的各种光学设备。例如，图3是根据示例实施例的相机模块1880的概念图。
61.参考图3，相机模块1880可以包括用于聚焦从对象反射的光并形成光学图像的透镜组件1910、用于将由透镜组件1910形成的光学图像转换为电图像信号的光学传感器1000、以及用于将从光学传感器1000输出的电信号作为图像信号进行处理的图像信号处理器1960。相机模块1880还可以包括在光学传感器1000与透镜组件1910之间的红外(ir)截止滤光器、用于显示由图像信号处理器1960形成的图像的显示面板、以及用于存储由图像信号处理器1960形成的图像数据的存储器。相机模块1880可以安装在例如移动电子设备如移动电话、膝上型计算机、平板pc等中。
62.透镜组件1910将位于相机模块1880外部的对象的图像聚焦到光学传感器1000上，具体地光学传感器1000的像素阵列1100上。为了便于描述，图3仅简要示出了一个透镜，但是透镜组件1910可以包括多个透镜。当像素阵列1100准确地位于透镜组件1910的焦平面上时，从对象入射的光通过透镜组件1910聚焦在像素阵列1100上。例如，从光轴ox上的特定点a开始的光穿过透镜组件1910，然后到达光轴ox上像素阵列1100的中心。此外，从位于光轴ox之外的点b、c和d中的任何一点开始的光通过透镜组件1910穿过光轴ox，并且到达像素阵列1100的外围部分中的点。例如，在图3中，从位于光轴ox上方的点b开始的光穿过光轴ox而到达像素阵列1100的下外围部分，而从位于光轴下方的点c开始的光穿过光轴ox而到达像
素阵列1100的上外围部分。此外，从位于光轴ox与点b之间的点d开始的光到达像素阵列1100的下外围部分与中心之间的位置。
63.因此，从不同的点a、b、c和d开始的光根据点a、b、c和d与光轴ox之间的距离以不同的入射角入射在像素阵列1100上。入射在像素阵列1100上的光的入射角被定义为主光线角(cra)。术语“主光线”表示从对象的一个点开始并且穿过透镜组件1910的中心(或穿过透镜组件1910的孔径光阑的中心)而到达像素阵列1100的光线。主光线可以穿过透镜组件1910的中心(或透镜组件1910的孔径光阑的中心)，而边缘光线可以穿过透镜组件1910的边缘(或透镜组件1910的孔径光阑的边缘)。术语“cra”表示由主光线相对于光轴ox形成的角度。从光轴ox上的点a开始的光的cra为0
°
，并且光垂直入射在像素阵列1100上。cra随着起始点远离光轴ox而增加。
64.从像素阵列1100的观点来看，入射到像素阵列1100的中心部分的光的cra为0
°
，并且入射光的cra朝向像素阵列1100的边缘逐渐增大。例如，从b点和c点中的每一个点开始并且到达像素阵列1100的最外边缘的光的cra最大，而从a点开始并且到达像素阵列1100的中心的光的cra是0
°
。此外，从点d开始并且到达像素阵列1100的中心与边缘之间的位置的光的cra大于0
°
，并且小于从点b和点c中的每一个点开始的光的cra。
65.因此，入射在像素上的入射光的cra取决于像素在像素阵列1100中的位置而变化。例如，图4是根据示例实施例的光学传感器的像素阵列1100的平面图。参考图4，在像素阵列1100的中心部分1100a处，cra在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)上都是0
°
。此外，随着对象点在第一方向上远离中心部分1100a移动，第一方向上的cra逐渐增加，并且第一方向上的cra在第一方向上的相对边缘1100b和1100c处最大。此外，随着对象点在第二方向上远离中心部分1100a移动，第二方向上的cra逐渐增加，并且第二方向上的cra在第二方向上的相对边缘1100e和1100h处最大。此外，第一方向上的cra和第二方向上的cra都随着在对角线方向上远离中心部分1100a而逐渐增加，并且第一方向和第二方向上的cra在顶点1100d、1100f、1100g和1100i处最大。当入射在像素上的入射光的cra增加时，像素的灵敏度可能降低。根据实施例，为了防止或减少位于像素阵列1100的边缘处的像素的灵敏度降低，平面纳米光子微透镜阵列可以布置在光学传感器1000的像素阵列1100中。
66.图5a和图5b是根据实施例的光学传感器1000的像素阵列1100的中心部分1100a从不同截面观察的截面图。参考图5a和图5b，光学传感器1000的像素阵列1100可以包括传感器基板110、传感器基板110上的滤光层120、以及滤光层120上的平面纳米光子微透镜阵列130。
67.传感器基板110可以包括感测光的多个光敏单元111、112、113和114。例如，传感器基板110可以包括将光转换为电信号的第一光敏单元111、第二光敏单元112、第三光敏单元113和第四光敏单元114。如图5a所示，第一光敏单元111和第二光敏单元112可以在第一方向(x方向)上交替布置，并且在其中第二方向(y方向)位置与图5a不同的截面中，第三光敏单元113与第四光敏单元114可以在第一方向(x方向)上交替布置，如图5b所示。上述布置用于通过诸如拜耳图案之类的单元图案分别感测入射光，并且各自包括第一光敏单元至第四光敏单元111、112、113和114的多个单元图案可以在第一方向和第二方向上二维布置。例如，第一光敏单元111和第四光敏单元114可以感测绿光，第二光敏单元112可以感测蓝光，且第三光敏单元113可以感测红光。用于分隔单元的分隔器(例如，分割壁或划分壁)
可以进一步形成在单元之间的边界上。
68.滤光层120可以包括多个滤光器121、122、123和124，该多个滤光器中的每一个仅透射特定波段的光而吸收其它波段的光。例如，滤光层120可以包括：第一光敏单元111上的第一滤光器121，第一滤光器121仅透射第一波段的光；第二光敏单元112上的第二滤光器122，第二滤光器122仅透射与第一波段不同的第二波段的光；第三光敏单元113上的第三滤光器123，第三滤光器123仅透射不同于第一波段和第二波段的第三波段的光；以及第四光敏单元114上的第四滤光器124，第四滤光器124仅透射第一波段的光。因此，第一滤光器121和第二滤光器122在第一方向上交替布置，并且在第二方向位置不同地布置的截面中，第三滤光器123和第四滤光器124可以在第一方向上交替布置。例如，第一滤光器121和第四滤光器124可以仅透射绿光，第二滤光器122可以仅透射蓝光，且第三滤光器113可以仅透射红光。第一滤光器至第四滤光器121、122、123和124可以在第一方向和第二方向上二维布置。
69.滤光层120上的平面纳米光子微透镜阵列130可以包括二维布置的多个平面纳米光子微透镜131、132、133和134。多个平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以与多个滤光器121、122、123和124以及与多个光敏单元111、112、113和114一一对应。例如，平面纳米光子微透镜阵列130可以包括第一滤光器121上的第一平面纳米光子微透镜131、第二滤光器122上的第二平面纳米光子微透镜132、第三滤光器123上的第三平面纳米光子微透镜133、以及第四滤光器124上的第四平面纳米光子微透镜134。因此，第一平面纳米光子微透镜131和第二平面纳米光子微透镜132在第一方向上交替布置，并且在第二方向位置与图5a不同的截面中，第三平面纳米光子微透镜133和第四平面纳米光子微透镜134可以在第一方向上交替布置。
70.第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以在第一方向和第二方向上二维布置，以便面对相应的滤光器和相应的光敏单元。例如，第一光敏单元111、第一滤光器121和第一平面纳米光子微透镜131可以在与第一方向和第二方向垂直的第三方向(z方向)上彼此面对布置。此外，第二光敏单元112、第二滤光器122和第二平面纳米光子微透镜132在第三方向上彼此面对，第三光敏单元113、第三滤光器123和第三平面纳米光子微透镜133在第三方向上彼此面对，且第四光敏单元114、第四滤光器124和第四平面纳米光子微透镜134在第三方向上彼此面对。
71.第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以被配置为将光会聚到第一光敏单元至第四光敏单元111、112、113和114中的相应光敏单元上。例如，第一平面纳米光子微透镜131可以将入射光会聚到第一光敏单元111上，第二平面纳米光子微透镜132可以将入射光会聚到第二光敏单元112上，第三平面纳米光子微透镜133可以将入射光会聚到第三光敏单元113上，且第四平面纳米光子微透镜134可以将入射光会聚到第四光敏单元114上。在会聚的入射光中，第一波长l1的光可以仅穿过第一滤光器121和第四滤光器124并会聚到第一光敏单元111和第四光敏单元114上，第二波段l2的光可以仅穿过第二滤光器122并会聚到第二光敏单元112上，且第三波段l3的光可以仅穿过第三滤光器123并会聚到第三光敏单元113上。
72.如图5a和图5b所示，在像素阵列1100的中心部分1100a处，入射光垂直入射到平面纳米光子微透镜阵列130上。换言之，在像素阵列1100的中心部分1100a处入射光的cra为0°
。因此，在像素阵列1100的中心部分1100a处不需要改变入射光的行进方向，因此布置在像素阵列1100的中心部分1100a上的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以被配置为在不改变入射光的行进方向的情况下将入射光会聚到相应的光敏单元上。
73.为此，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以具有用于会聚光的纳米图案结构。纳米图案结构可以包括根据入射位置改变入射光的相位的多个纳米结构np。可以确定多个纳米结构np的形状、尺寸(宽度和高度)、间隔和布置形状，使得光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜之后可以具有特定的相位分布。根据相位分布，可以确定光在穿过第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜之后的行进方向和焦距。
74.图6是示出了光学传感器1000中的平面纳米光子微透镜阵列130的中心部分1100a处的纳米图案结构的示例的平面图。参考图6，纳米图案结构中的纳米结构np可以各自形成为纳米柱，其横截面的直径具有亚波长尺寸。这里，亚波长指比会聚的光的波段小的波长。当入射光是可见光时，纳米结构np的横截面直径可以小于例如400nm、300nm或200nm。此外，纳米结构np的高度可以是约500nm至约1500nm，其大于纳米结构np的横截面直径。
75.纳米结构np可以包括与外围材料相比具有相对较高折射率并且在可见光波段中具有相对较低吸收率的材料。例如，纳米结构np可以包括c-si、p-si、a-si和iii-v族化合物半导体(例如，gap、gan、gaas等)、sic、tio2、sin3、zns、znse、si3n4、和/或者其组合。纳米结构np的外围可以填充有与纳米结构np相比具有相对较低折射率并且在可见光波段中具有相对低吸收率的电介质材料。例如，纳米结构np的外围可以填充有sio2、硅氧烷基旋涂玻璃(sog)、空气等。与外围材料的折射率之间具有折射率差异的纳米结构np可以改变穿过纳米结构np的光的相位。这是由于纳米结构np的亚波长的形状尺寸而发生的相位延迟所导致的，并且相位被延迟的程度可以由纳米结构np的具体形状尺寸和布置形状确定。
76.图7a和图7b示出了根据示例实施例的在光学传感器1000的像素阵列1100的中心部分1100a处光刚穿过平面纳米光子微透镜阵列130之后的相位分布的示例。具体地，图7a示出了光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131和第二平面纳米光子微透镜132之后在沿图6的线a0-a0
′
截取的第一方向上的相位分布，而图7b示出了光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131和第三平面纳米光子微透镜133之后在沿图6的线b0-b0’截取的第二方向上的相位分布。图7a和图7b中的相位分布可以表示为分别示出了在第一方向和第二方向上的相位变化的相位变化曲线。
77.参考图7a，光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131之后在第一方向上具有这样的相位分布：在第一平面纳米光子微透镜131的中心处最大，并且随着光入射位置距第一平面纳米光子微透镜131的中心的距离增加而减小。光在刚穿过第二平面纳米光子微透镜132之后在第一方向上具有这样的相位分布：在第二平面纳米光子微透镜132的中心处最大，并且随着光入射位置距第二平面纳米光子微透镜132的中心的距离增加而减小。参考图7b，光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131之后在第二方向上具有这样的相位分布：在第一平面纳米光子微透镜131的中心处最大，并且随着光入射位置距第一平面纳米光子微透镜131的中心的距离增加而减小。光在刚穿过第三平面纳米光子微透镜133之后在第二方向上具
有这样的相位分布：在第三平面纳米光子微透镜133的中心处最大，并且随着光入射位置距第三平面纳米光子微透镜133的中心的距离增加而减小。
78.在cra对于第一方向和第二方向为0
°
的像素阵列1100的中心部分1100a处，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134无需改变入射光的行进方向，因此，如图7a和图7b所示，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以被配置为实现在第一方向和第二方向上均为对称凸出的相位分布。尽管在图7a和图7b中未示出，光在刚穿过第二平面纳米光子微透镜132之后也可以在第二方向上具有对称凸出的相位分布，光在刚穿过第三平面纳米光子微透镜133之后也可以在第一方向上具有对称凸出的相位分布，且光在刚穿过第四平面纳米光子微透镜134之后也可以在第一方向和第二方向上均具有对称凸出的相位分布。
79.返回参考图6，为了实现上述相位分布，多个纳米结构np可以相对于第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜的中心在第一方向和第二方向上对称布置。具体地，布置在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134的中心处的纳米结构np均可以具有最大的直径，使得可以在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜的中心部分处出现最大的相位延迟，并且在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中，纳米结构np的直径可以随着纳米结构np的位置距中心部分的距离增加而逐渐减小。例如，在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的顶点区域处布置的纳米结构np可以具有最小的直径。
80.然而，布置在具有相对小相位延迟的区域中的纳米结构np不一定具有相对较小的直径。在图7a和图7b所示的相位分布中，相位延迟的值由除以2π之后的余数值指示。例如，当特定区域中的相位延迟为3π时，该相位延迟在光学上与去除2π之后剩余的π相同。因此，当纳米结构np的直径很小并且难以制造时，可以选择纳米结构np的直径以实现延迟相位增加2π。例如，当实现0.1π的相位延迟的纳米结构np的直径太小时，可以选择纳米结构np的直径以实现2.1π的相位延迟。因此，在这种情况下，在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的四个顶点区域上布置的纳米结构np可以具有最大直径。
81.此外，凸曲线形状的相位分布允许第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134对于入射光充当凸透镜。因此，穿过第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134的光可以分别会聚到第一光敏单元至第四光敏单元111、112、113和114上。然而，由于多个滤光器121、122、123和124，不同波长的光会聚到第一光敏单元至第四光敏单元111、112、113和114上。例如，第一波长的光会聚到第一光敏单元111和第四光敏单元114上，第二波长的光会聚到第二光敏单元112上，且第三波长的光会聚到第三光敏单元113上。
82.因此，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的纳米结构np可以基于会聚到相应光敏单元上的光的波段来设计。例如，第一平面纳米光子微透镜131和第四平面纳米光子微透镜134的纳米结构np可以设计为使得第一波段的光(例如，绿光)在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131和第
四平面纳米光子微透镜134之后可以具有图7a和图7b所示的相位分布。此外，第二平面纳米光子微透镜132的纳米结构np可以设计为使得第二波段的光(例如，蓝光)在刚穿过第二平面纳米光子微透镜132之后可以具有如图7a所示的相位分布，并且第三平面纳米光子微透镜133中的纳米结构np可以设计为使得第三波段的光(例如，红光)在刚穿过第三平面纳米光子微透镜133之后可以具有图7b所示的相位分布。换言之，图7a和图7b中左侧的相位分布表示第一波段的光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131之后的相位分布，而图7a中右侧的相位分布表示第二波段的光在刚穿过第二平面纳米光子微透镜132之后的相位分布，并且图7b中右侧的相位分布表示第三波段的光在刚穿过第三平面纳米光子微透镜133之后的相位分布。
83.此外，在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中，纳米结构np可以设计为对于会聚到相应光敏单元上的光具有相同的焦距。例如，纳米结构np可以设计为使得第一平面纳米光子微透镜131和第四平面纳米光子微透镜134相对于第一波段的光的焦距、第二平面纳米光子微透镜132相对于第二波段的光的焦距、以及第三平面纳米光子微透镜133相对于第三波段的光的焦距相同。
84.为此，如图7a和图7b所示，第一波段至第三波段的光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134之后的相位分布可以具有与波长成反比的峰值。例如，参考图7a，第二波段的光(例如，蓝光)在刚穿过第二平面纳米光子微透镜132之后的相位分布的曲线形状可以比第一波段的光(例如，绿光)在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131之后的相位分布的曲线形状更凸出(即，具有更大的曲率)。此外，参考图7b，第一波段的光(例如，绿光)在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131之后的相位分布可以比第三波段的光(例如，红光)在刚穿过第三平面纳米光子微透镜133之后的相位分布更凸出。
85.为了形成上述相位分布，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的纳米结构np的形状、尺寸(宽度和高度)、间隔和布置类型可以确定为与其他平面纳米光子微透镜中不同。或者，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的纳米结构np可以具有相同的形状、高度、间隔和布置类型，但可以仅在直径上不同。例如，在会聚第三波段的光(例如，具有最长波长的红光)的第三平面纳米光子微透镜133的中心区域处的纳米结构np的直径可以小于在会聚第一波段的光(例如，绿光)的第一平面纳米光子微透镜131和第四平面纳米光子微透镜134的中心区域处的纳米结构np的直径。此外，在第一平面纳米光子微透镜131和第四平面纳米光子微透镜134的中心部分处的纳米结构np的直径可以小于在会聚第二波段的光(例如，具有最短波长的蓝光)的第二平面纳米光子微透镜132的中心区域处的纳米结构np的直径。
86.图8a和图8b是根据实施例的光学传感器1000的像素阵列1100的左边缘1100b从不同截面观察的截面图。参考图8a和图8b，在像素阵列1100的左边缘1100b处，在第一方向上入射光倾斜地入射在像素阵列1100上。入射光的入射角从像素阵列1100的中心部分1100a向着左边缘1100b增加，并且在像素阵列1100的左边缘1100b处最大。换言之，第一方向上的cra在像素阵列1100的左边缘1100b处最大。因此，布置在平面纳米光子微透镜阵列130的外围部分上的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以
被配置为使入射光向着相应光敏单元的中心部分偏转，以防止或减少像素灵敏度的降低。于是，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以将入射光会聚到相应光敏单元的中心部分上，与入射光的入射角无关。
87.为此，布置在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的纳米结构np可以设计为在第一方向上使入射光的行进方向偏转。例如，图9是示出了根据示例实施例的光学传感器1000的平面纳米光子微透镜阵列130的左边缘处的纳米图案结构的示例的平面图。图10a至图10c示出了根据实施例的在光学传感器1000的像素阵列1100的左边缘1100b处光刚穿过平面纳米光子微透镜阵列130之后的相位分布的示例。具体地，图10a示出了光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131和第二平面纳米光子微透镜132之后在沿图9的线a1-a1
′
截取的第一方向上的相位分布，图10b示出了光在刚穿过第三平面纳米光子微透镜133和第四平面纳米光子微透镜134之后在沿图9的线a2-a2
′
截取的第一方向上的相位分布，且图10c示出了光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131和第三平面纳米光子微透镜133之后在沿图9的线b1-b1
′
截取的第二方向上的相位分布。
88.参考图10a和图10b，在第一方向上光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜之后可以具有包括倾斜线性相位分布和凸相位分布二者的相位分布。例如，光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131之后在第一方向上的相位分布可以具有其中形成为倾斜直线的第一线性相位分布s1与凸曲线相位分布相加的形状。此外，光在刚穿过第二平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜之后在第一方向的相位分布也可以具有其中形成为倾斜直线的第二线性相位分布至第四线性相位分布s2、s3和s4与凸曲线相位分布相加的形状。因此，图10a和图10b所示的第一方向上的相位分布可以通过使凸曲线相位分布倾斜第一线性相位分布至第四线性相位分布s1、s2、s3和s4的斜率来获得。
89.具有凸曲线形状的相位分布用于会聚入射光，并且第一线性相位分布至第四线性相位分布s1、s2、s3和s4可以偏转入射光的行进方向。第一线性相位分布至第四线性相位分布s1、s2、s3和s4在第一方向上的斜率可以根据第一方向上的cra和待会聚光的波段来确定。第一方向上的cra随着在第一方向上远离像素阵列1100的中心部分或平面纳米光子微透镜阵列130的中心部分而增加。因此，第一线性相位分布至第四线性相位分布s1、s2、s3和s4在第一方向上的斜率也可以随着在第一方向上远离像素阵列1100的中心部分或平面纳米光子微透镜阵列130的中心部分而增加。例如，第一线性相位分布至第四线性相位分布s1、s2、s3和s4中的每个线性相位分布在第一方向上的斜率可以与入射在平面纳米光子微透镜阵列130上的入射光在第一方向上的入射角的sin值，例如cra的sin值即sin(cra)，成正比。
90.此外，第一线性相位分布至第四线性相位分布s1、s2、s3和s4中的每个线性相位分布的斜率可以与对应于第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中每个平面纳米光子微透镜的滤光器所透射的光的波长的倒数(1/λ，这里λ表示光的波长)成正比。例如，第一线性相位分布s1和第四线性相位分布s4可以与穿过对应于第一平面纳米光子微透镜131和第四平面纳米光子微透镜134的第一滤光器121和第四滤光器124的绿光的第一波长的倒数成正比，第二线性相位分布s2可以与穿过对应于第二平面纳米
光子微透镜132的第二滤光器122的蓝光的第二波长的倒数成正比，且第三线性相位分布s3可以与穿过对应于第三平面纳米光子微透镜133的第三滤光器123的红光的第三波长的倒数成正比。因此，第二线性相位分布s2的斜率最大，第一线性相位分布s1和第四线性相位分布s4的斜率可以小于第二线性相位分布s2的斜率，且第三线性相位分布s3的斜率可以小于第一线性相位分布s1和第四线性相位分布s4的斜率。
91.在像素阵列1100的左边缘1100b处，第二方向上的cra为0
°
。因此，在第二方向上不需要改变入射光的行进方向，并且如图10c所示，第一平面纳米光子微透镜131和第三平面纳米光子微透镜133可以被配置为使得可以实现在第二方向上具有对称凸曲线形状的相位分布。尽管图10c中未示出，但是光在刚穿过第二平面纳米光子微透镜132和第四平面纳米光子微透镜134之后可以在第二方向上具有对称凸曲线形状的相位分布。就这一点而言，线性相位分布的斜率在第二方向上可以是0。为此，如图9所示，位于第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜在第二方向上的中心部分处的纳米结构np的直径可以大于位于第二方向上的边缘处的纳米结构np的直径。
92.图11a和图11b是根据实施例的光学传感器1000的像素阵列1100的右边缘1100c从不同截面观察的截面图。参考图11a和图11b，在像素阵列1100的右边缘1100c处，基于像素阵列1100的法线倾斜入射到像素阵列1100上的入射光与图8a和8b所示的像素阵列1100的左边缘1100b上的入射光相反。因此，布置在平面纳米光子微透镜阵列130的右边缘处的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以在第一方向上相对于平面纳米光子微透镜阵列130的左边缘处的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134反转。于是，布置在平面纳米光子微透镜阵列130的右边缘处的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以将入射光会聚到相应光敏单元的中心部分上。
93.图12是示出了根据示例实施例的光学传感器1000的平面纳米光子微透镜阵列130的右边缘处的纳米图案结构的示例的平面图。图12所示的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的纳米结构np可以以在第一方向上与图9所示的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的纳米结构np反转的形式布置。
94.此外，图13a和图13b示出了根据实施例的在光学传感器1000的像素阵列1100的右边缘1100c处光刚穿过平面纳米光子微透镜阵列130之后的相位分布的示例。具体地，图13a示出了光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜131和第二平面纳米光子微透镜132之后在沿图12的线a3-a3
′
截取的第一方向上的相位分布，且图13b示出了光在刚穿过第三平面纳米光子微透镜133和第四平面纳米光子微透镜134之后在沿图12的线a4-a4’截取的第一方向上的相位分布。
95.参考图13a和图13b，在像素阵列1100的右边缘1100c处光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜之后在第一方向上的相位分布可以具有在第一方向上与在像素阵列1100的左边缘1100b处光在刚穿过第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜之后在第一方向上的相位分布反转的形状。因此，在第一平面纳
米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中，第一线性相位分布至第四线性相位分布s1、s2、s3和s4在第一方向上的斜率可以设置为沿朝向像素阵列1100的中心部分1100a增加相位延迟的方向。例如，第一线性相位分布至第四线性相位分布s1、s2、s3和s4在第一方向上的斜率可以具有在像素阵列1100的左边缘处相位延迟朝向右侧增加并且在像素阵列1100的右边缘处相位延迟朝向左侧增加的方向。
96.为此，如图9和图12所示，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的纳米结构np的直径在第一方向上朝向像素阵列1100的中心部分1100a总体上增大。例如，在像素阵列1100的左边缘处，位于第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜的右侧处的纳米结构np的平均直径大于位于第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜的左侧处的纳米结构np的平均直径。在像素阵列1100的右边缘处，位于第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜的左侧处的纳米结构np的平均直径大于位于第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜的右侧处的纳米结构np的平均直径。
97.尽管附图中未示出，因为在像素阵列1100的右边缘1100c处第二方向上的cra为0
°
，所以第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以被配置为实现在第二方向上形成为对称凸曲线的相位分布。为此，如图12所示，位于第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜在第二方向上的中心部分处的纳米结构np的直径可以大于位于第二方向上的边缘处的纳米结构np的直径。布置在像素阵列1100的右边缘1100c处的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134的其他元件与上述元件相同，因此不再赘述。
98.到目前为止，布置在像素阵列1100在第一方向上的外围部分上的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134的结构和功能已如上描述。布置在像素阵列1100在第二方向上的外围部分上的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134的结构和功能仅在其方向上有所不同，因此以上描述也可以适用于此。例如，光刚穿过布置在像素阵列1100在第二方向上的外围部分上的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜之后可以在第二方向上具有其中倾斜线性相位分布与凸相位分布相加的相位分布，并且可以在第一方向上具有对称凸曲线形状的相位分布。此外，光刚穿过布置在像素阵列1100在对角线方向上的外围部分上的第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜之后可以在第一方向和第二方向上均具有其中倾斜线性相位分布与凸相位分布相加的相位分布。
99.图14a至图14f是示出了根据示例实施例的光学传感器1000的平面纳米光子微透镜阵列130的不同位置处的纳米图案结构的示例的平面图。例如，在图14a、图14b、图14c、图14d、图14e和图14f中分别示出了平面纳米光子微透镜阵列130在左上顶点、上边缘、右上顶点、左下顶点、下边缘和右下顶点处的纳米图案结构。参考图14a，在左上顶点处，布置在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的右下顶点区域上的纳米结构np的平均直径相对较大。参考图14b，在上边缘
处，布置在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的下区域上的纳米结构np的平均直径相对较大。参考图14c，在右上顶点处，布置在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的左下顶点区域上的纳米结构np的平均直径相对较大。参考图14d，在左下顶点处，布置在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的右上顶点区域上的纳米结构np的平均直径相对较大。参考图14e，在下边缘处，布置在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的上区域上的纳米结构np的平均直径相对较大。参考图14f，在右下顶点处，布置在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的左上顶点区域上的纳米结构np的平均直径相对较大。
100.如上所述，在根据实施例的平面纳米光子微透镜阵列130中，以较大cra入射在光学传感器1000的边缘上的入射光的入射角可以几乎改变为竖直角。具体地，考虑到cra根据光学传感器1000上不同位置的变化，平面纳米光子微透镜阵列130可以包括各种形状的平面纳米光子微透镜131、132、133和134。因此，位于光学传感器1000的边缘处的像素的灵敏度可以被提高到与位于光学传感器1000的中心部分处的像素的灵敏度相似。
101.此外，根据实施例，滤光器和微透镜的位置可以不因考虑cra而相对于相应像素偏移。例如，如图5a、图5b、图8a、图8b、图11a和图11b所示，在光学传感器1000或像素阵列1100的整个区域中，平面纳米光子微透镜131、132、133和134之间的边界可以与滤光器121、122、123和124之间的边界以及光敏单元111、112、113和114之间的边界匹配。换言之，在光学传感器1000或像素阵列1100的整个区域中，光敏单元111、112、113和114、平面纳米光子微透镜131、132、133和134、以及滤光器121、122、123和124可以在第三方向上彼此正对。因此，可以容易地设计和组装光学传感器1000。
102.然而，根据需要，滤光器121、122、123和124以及平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以相对于相应的光敏单元111、112、113和114偏移。例如，为了进一步提高光学传感器1000的灵敏度，滤光器121、122、123和124可以相对于相应的光敏单元111、112、113和114偏移，并且平面纳米光子微透镜131、132、133和134可以布置为面对相应的滤光器121、122、123和124。或者，滤光器121、122、123和124可以相对于相应的光敏单元111、112、113和114偏移，并且平面纳米光子微透镜131、132、133和134也可以相对于相应的滤光器121、122、123和124偏移。
103.在以上描述中，第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中的纳米图案结构具有以5
×
5阵列二维布置的圆形纳米结构np。然而，平面纳米光子微透镜阵列130的纳米图案结构不限于此，并且可以具有其他各种类型。例如，图15a至图15f是示出了根据另一示例实施例的平面纳米光子微透镜阵列中的各种纳米图案结构的示例的平面图。如图15a至图15d所示，纳米图案结构可以包括以各种类型例如3
×
5、5
×
3、4
×
4、3
×
3等二维布置的纳米结构np。此外，如图15e和图15f所示，纳米图案结构可以具有一维布置的纳米晶格形状。在第一平面纳米光子微透镜至第四平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜中，单独的纳米结构np可以具有在第一方向或第二方向上延伸的曲线形状，并且可以根据纳米结构np的曲
率、宽度和间隔来确定透射光的相位分布。此外，尽管未在附图中示出，但是纳米结构可以是具有多边形例如矩形或椭圆形横截面以及圆形形状的纳米柱。
104.图16是示出了根据另一示例实施例的平面纳米光子微透镜阵列130的示例的截面图。参考图16，平面纳米光子微透镜阵列130可以具有多层结构。例如，平面纳米光子微透镜阵列130可以包括具有多层结构的纳米结构np
′
，分别包括第一纳米结构np1以及第一纳米结构np1上的第二纳米结构np2。此外，除了多层结构的纳米结构np’之外，平面纳米光子微透镜阵列130还可以包括单层结构的纳米结构np。可以设置具有多层结构的纳米结构np
′
以便以小横截面积实现大相位延迟。例如，当由于平面纳米光子微透镜131、132、133和134中的每个平面纳米光子微透镜具有小面积而难以布置具有大直径的纳米结构np时，可以布置多层结构的纳米结构np’。
105.在以上描述中，光学传感器1000被描述为应用于相机等的图像传感器，但是光学传感器1000可以应用于其他各种光学领域，例如光谱仪中的光谱传感器。例如，图17是示出了根据另一示例实施例的光学传感器中的像素阵列500的示例的截面图。参考图17，像素阵列500可以包括传感器基板510、传感器基板510上的滤光层520、以及滤光层520上的平面纳米光子微透镜阵列530。传感器基板510可以包括感测彼此不同波段λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6的光的多个光敏单元511、512、513、514、515和516。滤光层520可以包括分别通过不同波段λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6的光的多个带通滤光器f1、f2、f3、f4、f5和f6。此外，平面纳米光子微透镜阵列530可以包括用于将不同波段λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6的光会聚在相应的光敏单元上的多个平面纳米光子微透镜531、532、533、534、535和536。多个平面纳米光子微透镜531、532、533、534、535和536可以被配置为根据cra将入射光向着相应光敏单元的中心偏转。
106.光学传感器1000可以用于各种高性能光学设备或高性能电子装置。电子装置可以包括例如智能手机、个人数字助理(pda)、膝上型计算机、个人计算机(pc)、各种便携式设备、监控相机、医疗相机、汽车、物联网(iot)设备、其他移动或非移动计算设备，但不限于此。
107.除了光学传感器1000之外，电子装置还可以包括用于控制光学传感器的处理器例如应用处理器(ap)，并且可以控制多个硬件或软件元件，并可以通过经由处理器驱动操作系统或应用程序来执行各种数据处理和操作。处理器还可以包括图形处理单元(gpu)和/或图像信号处理器。当处理器中包括图像信号处理器时，可以使用处理器来存储和/或输出由光学传感器获得的图像(或视频)。
108.图18是示出了包括光学传感器1000的电子装置1801的示例的框图。参考图18，在网络环境1800中，电子装置1801可以经由第一网络1898(短距离无线通信网络等)与另一电子装置1802通信，或者可以经由第二网络1899(远距离无线通信网络等)与另一电子装置1804和/或服务器1808通信。电子装置1801可以经由服务器1808与电子装置1804进行通信。电子装置1801可以包括处理器1820、存储器1830、输入设备1850、声音输出设备1855、显示设备1860、音频模块1870、传感器模块1876、接口1877、触觉模块1879、相机模块1880、电力管理模块1888、电池1889、通信模块1890、用户识别模块1896和/或天线模块1897。在电子装置1801中，可以省略一些元件(显示设备1860等)，或者可以添加另外的元件。一些元件可以被配置为一个集成电路。例如，传感器模块1876(指纹传感器、虹膜传感器、照度传感器等)可以嵌入并实现在显示设备1860(显示器等)中。
109.处理器1820可以通过执行软件(程序1840等)来控制电子装置1801中与处理器1820连接的一个或多个元件(硬件、软件元件等)，并且可以执行各种数据处理或操作。作为数据处理或操作的一部分，处理器1820可以将从另一元件(传感器模块1876、通信模块1890等)接收的命令和/或数据加载到易失性存储器1832中，可以处理易失性存储器1832中存储的命令和/或数据，并可以将结果数据存储在非易失性存储器1834中。处理器1820可以包括主处理器1821(中央处理单元、应用处理器等)以及可独立于主处理器1821操作或与主处理器1821一起操作的辅助处理器1823(图形处理单元、图像信号处理器、传感器中枢处理器、通信处理器等)。辅助处理器1823可以比主处理器1821耗电更少，并且可以执行指定功能。
110.辅助处理器1823在主处理器1821处于未激活状态(睡眠状态)时代表主处理器1821，或者在主处理器1821处于激活状态(应用执行状态)时与主处理器1821一起，可以控制与电子装置1801中的一些元件(显示设备1860、传感器模块1876、通信模块1890等)相关的功能和/或状态。辅助处理器1823(图像信号处理器、通信处理器等)可以实现为在功能上与其相关的另一元件(相机模块1880、通信模块1890等)的一部分。
111.存储器1830可以存储电子装置1801的元件(处理器1820、传感器模块1876等)所需的各种数据。数据可以包括例如关于软件(程序1840等)及其相关的命令的输入数据和/或输出数据。存储器1830可以包括易失性存储器1832和/或非易失性存储器1834。非易失性存储器1834可以包括固定地安装在电子装置1801中的内部存储器1836和可拆卸的外部存储器1838。
112.程序1840可以作为软件存储在存储器1830中，并且可以包括操作系统1842、中间件1844和/或应用1846。
113.输入设备1850可以从电子装置1801的外部(用户等)接收要在电子装置1801的元件(处理器1820等)中使用的命令和/或数据。输入设备1850可以包括麦克风、鼠标、键盘和/或数字笔(手写笔)。
114.声音输出设备1855可以将声音信号输出到电子装置1801的外部。声音输出设备1855可以包括扬声器和/或听筒。扬声器可以用于诸如多媒体再现或录音播放之类的通用目的，而听筒可以用于接收电话。听筒可以被耦接为扬声器的一部分或可以被实现为独立设备。
115.显示设备1860可以向电子装置1801的外部提供视觉信息。显示设备1860可以包括显示器、全息设备或投影仪以及用于控制相应设备的控制电路。显示设备1860可以包括设置为感测触摸的触摸电路和/或设置为测量由触摸产生的力的强度的传感器电路(压力传感器等)。
116.音频模块1870可以将声音转换为电信号，反之亦可。音频模块1870可以通过输入设备1850获取声音，或者可以经由声音输出设备1855和/或与电子装置1801直接或无线连接的另一电子装置(电子装置1802等)的扬声器和/或耳机输出声音。
117.传感器模块1876可以感测电子装置1801的操作状态(电力、温度等)或外部环境状态(用户状态等)，并且可以产生与感测的状态相对应的电信号和/或数据值。传感器模块1876可以包括手势传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、磁性传感器、加速度传感器、握持传感器、接近传感器、颜传感器、红外(ir)线传感器、活体传感器、温度传感器、湿度传感器和/或照度传感器。
118.接口1877可以支持可用于将电子装置1801与另一电子装置(电子装置1802等)直接或无线连接的一个或多个指定协议。接口1877可以包括高清晰度多媒体接口(hdmi)、通用串行总线(usb)接口、sd卡接口和/或音频接口。
119.连接端子1878可以包括连接器，通过该连接器电子装置1801可以物理连接到另一电子装置(电子装置1802等)。连接端子1878可以包括hdmi连接器、usb连接器、sd卡连接器和/或音频连接器(耳机连接器等)。
120.触觉模块1879可以将电信号转换为用户可以通过触觉或动觉而感受到的机械刺激(振动、运动等)或电刺激。触觉模块1879可以包括电机、压电器件和/或电刺激设备。
121.相机模块1880可以捕获静止图像和视频。相机模块1880可以包括具有一个或多个透镜的透镜组件、图1的光学传感器1000、图像信号处理器和/或闪光灯。相机模块1880中包括的透镜组件可以收集从待拍摄的对象发射的光。
122.电力管理模块1888可以管理提供给电子装置1801的电力。电力管理模块1888可以实现为电力管理集成电路(pmic)的一部分。
123.电池1889可以向电子装置1801的组件供电。电池1889可以包括不可再充电的原电池、可再充电的二次电池和/或燃料电池。
124.通信模块1890可以支持在电子装置1801与另一电子装置(电子装置1802、电子装置1804、服务器1808等)之间建立直接(有线)通信信道和/或无线通信信道，并通过已建立的通信信道执行通信。通信模块1890可以独立于处理器1820(应用处理器等)操作，并且可以包括支持直接通信和/或无线通信的一个或多个通信处理器。通信模块1890可以包括无线通信模块1892(蜂窝通信模块、短距离无线通信模块、全球导航卫星系统(gnss等)通信模块)和/或有线通信模块1894(局域网(lan)通信模块、电力线通信模块等)。在通信模块中，相应的通信模块可以经由第一网络1898(短距离通信网络，如蓝牙、wifi直连或红外数据协会(irda))或第二网络1899(长距离通信网络，如蜂窝网络、互联网或计算机网络(lan、wan等))与另一电子装置进行通信。这样的上述各种通信模块可以被集成为一个元件(单个芯片等)，或者可以被实现为彼此分离的多个元件(多个芯片)。无线通信模块1892可以通过使用用户识别模块1896中存储的用户信息(国际移动用户身份(imsi)等)在通信网络例如第一网络1898或第二网络1899中识别并认证电子装置1801。
125.天线模块1897可以向/从外部(另一电子装置等)发送或接收信号和/或电力。天线可以包括辐射器，辐射器形成为在基板(pcb等)上形成的导电图案。天线模块1897可以包括一个或多个天线。当天线模块1897包括多个天线时，在这多个天线中，通信模块1890可以选择适合于在通信网络如第一网络1898和/或第二网络1899中使用的通信类型的天线。可以经由所选天线在通信模块1890与另一电子装置之间传输信号和/或电力。天线之外的其他组件(rfic等)可以被包括为天线模块1897的一部分。
126.一些元件可以经由外围设备间通信方法(总线、通用输入输出(gpio)、串行外设接口(spi)、移动工业处理器接口(mipi)等)彼此连接，并且可以交换信号(命令、数据等)。
127.可以经由与第二网络1899连接的服务器1808在电子装置1801与外部电子装置1804之间发送或接收命令或数据。其他电子装置1802和1804可以是与电子装置1801相同或不同种类的设备。在电子装置1801中执行的全部或一些操作可以在其他电子装置1802、1804和1808中的一个或多个设备中执行。例如，当电子装置1801要执行特定功能或服务时，
电子装置1801可以请求一个或多个其他电子装置执行该功能或服务中的全部或一些，而不是由其自身执行该功能或服务。接收到请求的一个或多个电子装置执行与请求相关的附加功能或服务，并且可以将执行的结果发送到电子装置1801。为此，可以使用例如云计算、分布式计算或客户端-服务器计算技术。
128.图19是示出了图18的相机模块1880的框图。参考图19，相机模块1880可以包括透镜组件1910、闪光灯1920、光学传感器1000(图1的光学传感器1000)、图像稳定器1940、存储器1950(缓冲存储器等)和/或图像信号处理器1960。透镜组件1910可以收集从将被拍摄的对象发射的光。相机模块1880可以包括多个透镜组件1910，并且在这种情况下，相机模块1880可以包括双相机模块、360度相机或球面相机。多个透镜组件1910中的一些可以具有相同的透镜属性(视角、焦距、自动对焦、f数、光学变焦等)或不同的透镜属性。透镜组件1910可以包括广角透镜或长焦透镜。
129.闪光灯1920可以发射光，发射的光用于增强从对象发射或反射的光。闪光灯1920可以包括一个或多个发光二极管(红-绿-蓝(rgb)led、白光led、红外led、紫外led等)和/或氙气灯。光学传感器1000可以是以上参考图1描述的光学传感器，并且将从对象发射或反射并通过透镜组件1910传输的光转换为电信号，从而获得与对象相对应的图像。光学传感器1000可以包括从具有不同属性的光学传感器例如rgb传感器、黑白(bw)传感器、ir传感器和uv传感器中选择的一个或多个传感器。光学传感器1000中包括的每个传感器可以被实现为电荷耦合器件(ccd)传感器和/或互补金属氧化物半导体(cmos)传感器。
130.图像稳定器1940响应于相机模块1880或包括相机模块1880的电子装置1801的移动，沿特定方向移动透镜组件1910中包括的一个或多个透镜或光学传感器1000，或者控制光学传感器1000的操作特性(调整读出时序等)以补偿移动的负面影响。图像稳定器1940可以通过使用设置在相机模块1880之中或之外的陀螺仪传感器(未示出)或加速度传感器(未示出)来感测相机模块1880或电子装置1801的移动。图像稳定器1940可以实现为光学类型。
131.存储器1950可以存储通过光学传感器1000获得的图像的一些或全部数据，以用于后继的图像处理操作。例如，当以高速获得多个图像时，将所获得的原始数据(拜耳图案数据、高分辨率数据等)存储在存储器1950中，并且仅显示低分辨率图像。然后，可以将所选图像(用户选择等)的原始数据传输到图像信号处理器1960。存储器1950可以与电子装置1801的存储器1830集成，或者可以包括独立操作的附加存储器。
132.图像信号处理器1960可以对通过光学传感器1000获得的图像或存储器1950中存储的图像数据执行图像处理。图像处理可以包括深度图生成、三维建模、全景图生成、特征提取、图像组合和/或图像补偿(降噪、分辨率调整、亮度调整、模糊、锐化、柔化等)。图像信号处理器1960可以对相机模块1880中包括的元件(光学传感器1000等)执行控制(曝光时间控制、读出时序控制等)。由图像信号处理器1960处理的图像可以再次存储在存储器1950中用于附加处理，或者可以提供给相机模块1880的外部元件(例如，存储器1830、显示设备1860、电子装置1802、电子装置1804、服务器1808等)。图像信号处理器1960可以与处理器1820集成，或者可以被配置为独立于处理器1820操作的附加处理器。当图像信号处理器1960被配置为与处理器1820分离的附加处理器时，由图像信号处理器1960处理的图像经过由处理器1820进行的附加图像处理，然后可以显示在显示设备1860上。
133.电子装置1801可以包括具有不同特性或功能的多个相机模块1880。在这种情况
下，多个相机模块1880中的一个相机模块可以包括广角相机，而另一相机模块可以包括长焦相机。类似地，多个相机模块1880中的一个相机模块可以包括前置相机，而另一相机模块1880可以包括后置相机。
134.根据实施例的光学传感器1000可以应用于图20所示的移动电话或智能手机2000、图21所示的平板电脑或智能平板电脑2100、图22所示的数码相机或摄像机2200、图23所示的膝上型计算机2300、或图24所示的电视机或智能电视2400。例如，智能手机2000或智能平板电脑2100可以包括各自包括高分辨率图像传感器的多个高分辨率相机。可以提取图像中对象的深度信息，可以调整图像的失焦，或者可以通过使用高分辨率相机自动识别图像中的对象。
135.此外，光学传感器1000可以应用于图25所示的智能冰箱2500、图26所示的监控相机2600、图27所示的机器人2700、图28所示的医用相机2800等。例如，智能冰箱2500可以通过使用图像传感器自动识别冰箱中的食物，并且可以通过智能手机通知用户某种食物的存在、放入或取出的食物种类等。此外，监控相机2600可以提供超高分辨率图像，并且即使在黑暗环境中也可以通过使用高灵敏度允许用户识别图像中的对象或人。机器人2700可以被送入人类可能无法直接进入的灾难或工业现场，以向用户提供高分辨率图像。医疗相机2800可以提供用于诊断或手术的高分辨率图像，并且可以动态地调整视野。
136.此外，光学传感器1000可以被应用于如图29所示的车辆2900。车辆2900可以包括位于不同位置的多个车载相机2910、2920、2930和2940。车载相机2910、2920、2930和2940中的每一个可以包括根据一个或多个实施例的图像传感器。车辆2900可以通过使用多个车载相机2910、2920、2930和2940向驾驶员提供关于车辆2900内部或车辆2900周边的各种信息，并且可以通过自动识别图像中的对象或人向驾驶员提供自动驾驶所需的信息。
137.上述示例性实施例仅仅作为示例而不应被解释为限制。本教导能够被容易地应用于其他类型的装置。此外，对示例性实施例的描述意在是说明性的，而不是为了限制权利要求的范围，并且本领域技术人员将清楚多种替代、修改和变化。
技术特征：
1.一种光学传感器，包括：传感器基板，包括多个光敏单元；滤光层，设置在所述传感器基板上，并且包括多个滤光器，所述多个滤光器中的每一个被配置为选择性地透射特定波段的光；以及平面纳米光子微透镜阵列，设置在所述滤光层上，并且包括多个平面纳米光子微透镜，所述多个平面纳米光子微透镜中的每一个具有纳米图案结构，所述纳米图案结构将光会聚到所述多个光敏单元中的相应光敏单元上，其中，所述多个平面纳米光子微透镜在第一方向以及与所述第一方向垂直的第二方向上二维布置，以及每个所述平面纳米光子微透镜的纳米图案结构包括多个纳米结构，所述多个纳米结构布置为使得透射通过每个所述平面纳米光子微透镜的光在所述第一方向和所述第二方向上具有相变曲线凸出的相位分布。2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，穿过所述平面纳米光子微透镜阵列的中心部分的光的相位分布在所述第一方向上具有对称形状且在所述第二方向上具有对称形状。3.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，布置在所述平面纳米光子微透镜阵列的外围部分上的平面纳米光子微透镜被配置为：通过偏转倾斜地入射到所述平面纳米光子微透镜上的光的行进方向，将所述光会聚到相应光敏单元的中心部分上。4.根据权利要求3所述的光学传感器，其中，穿过布置在所述平面纳米光子微透镜阵列的外围部分上的平面纳米光子微透镜的光的相位分布对应于倾斜线性相位分布和凸相位分布的组合。5.根据权利要求4所述的光学传感器，其中，穿过所述平面纳米光子微透镜的光的所述倾斜线性相位分布在所述第一方向上的斜率随着在所述第一方向上所述光的入射位置距所述平面纳米光子微透镜阵列的中心部分的距离增加而增加，以及穿过所述平面纳米光子微透镜的光的所述倾斜线性相位分布在所述第二方向上的斜率随着在所述第二方向上所述光的入射位置距所述平面纳米光子微透镜阵列的中心部分的距离增加而增加。6.根据权利要求4所述的光学传感器，其中，穿过所述平面纳米光子微透镜的光的所述倾斜线性相位分布在所述第一方向上的斜率与入射到所述平面纳米光子微透镜阵列上的光在所述第一方向上的入射角的正弦值成正比，以及穿过所述平面纳米光子微透镜的光的所述倾斜线性相位分布在所述第二方向上的斜率与入射到所述平面纳米光子微透镜阵列上的光在所述第二方向上的入射角的正弦值成正比。7.根据权利要求4所述的光学传感器，其中，穿过所述平面纳米光子微透镜的光的所述倾斜线性相位分布的斜率与透射穿过所述多个滤光器中对应于所述平面纳米光子微透镜的滤光器的光的波长的倒数成正比。
8.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，在所述光学传感器的整个区域中，所述多个平面纳米光子微透镜之间的边界与所述多个滤光器之间的边界以及所述多个光敏单元之间的边界匹配。9.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，所述传感器基板包括第一光敏单元和第二光敏单元，所述滤光层包括第一滤光器和第二滤光器，所述第一滤光器对应于所述第一光敏单元并透射第一波段的光，且所述第二滤光器对应于所述第二光敏单元并透射第二波段的光，所述第二波段比所述第一波段短，以及所述平面纳米光子微透镜阵列包括第一平面纳米光子微透镜和第二平面纳米光子微透镜，所述第一平面纳米光子微透镜对应于所述第一滤光器并将光会聚到所述第一光敏单元上，且所述第二平面纳米光子微透镜对应于所述第二滤光器并将光会聚到所述第二光敏单元上。10.根据权利要求9所述的光学传感器，其中，所述第一光敏单元、所述第一滤光器和所述第一平面纳米光子微透镜布置为在与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上彼此面对，以及所述第二光敏单元、所述第二滤光器和所述第二平面纳米光子微透镜布置为在所述第三方向上彼此面对。11.根据权利要求9所述的光学传感器，其中，所述第一平面纳米光子微透镜被配置为使得穿过所述第一滤光器的第一波段的光会聚到所述第一光敏单元的中心部分上，以及所述第二平面纳米光子微透镜被配置为使得穿过所述第二滤光器的第二波段的光会聚到所述第二光敏单元的中心部分上。12.根据权利要求11所述的光学传感器，其中，所述第一平面纳米光子微透镜相对于所述第一波段的光的焦距等于所述第二平面纳米光子微透镜相对于所述第二波段的光的焦距。13.根据权利要求12所述的光学传感器，其中，穿过所述第二平面纳米光子微透镜的第二波段的光的相位分布的相变曲线的曲率大于穿过所述第一平面纳米光子微透镜的第一波段的光的相位分布的相变曲线的曲率。14.根据权利要求11所述的光学传感器，其中，穿过布置在所述平面纳米光子微透镜阵列的外围部分上的第一平面纳米光子微透镜和第二平面纳米光子微透镜的光的相位分布对应于倾斜线性相位分布和凸相位分布的组合。15.根据权利要求14所述的光学传感器，其中，穿过所述第一平面纳米光子微透镜的光的线性相位分布在所述第一方向上的斜率小于穿过与所述第一平面纳米光子微透镜相邻的所述第二平面纳米光子微透镜的光的线性相位分布在所述第一方向上的斜率。16.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，每个所述平面纳米光子微透镜中的所述多个纳米结构的折射率高于所述平面纳米光子微透镜的非纳米结构的折射率。
17.根据权利要求16所述的光学传感器，其中，布置在所述平面纳米光子微透镜阵列的中心部分上的平面纳米光子微透镜中的所述多个纳米结构在第一方向和第二方向上对称布置。18.根据权利要求16所述的光学传感器，其中，所述多个纳米结构具有纳米柱形状或纳米晶格形状。19.根据权利要求16所述的光学传感器，其中，所述多个纳米结构中的每一个包括第一纳米结构以及设置在所述第一纳米结构上的第二纳米结构。20.一种电子装置，包括：光学传感器，被配置为将光学图像转换为电信号；以及处理器，被配置为控制所述光学传感器并处理由所述光学传感器产生的电信号，其中，所述光学传感器包括：传感器基板，包括多个光敏单元；滤光层，设置在所述传感器基板上，并且包括多个滤光器，所述多个滤光器中的每一个被配置为选择性地透射特定波段的光；以及平面纳米光子微透镜阵列，设置在所述滤光层上，并且包括多个平面纳米光子微透镜，所述多个平面纳米光子微透镜中的每一个具有纳米图案结构，所述纳米图案结构将光会聚到所述多个光敏单元中的相应光敏单元上，所述多个平面纳米光子微透镜在第一方向以及与所述第一方向垂直的第二方向上二维布置，以及每个所述平面纳米光子微透镜的纳米图案结构包括多个纳米结构，所述纳米结构布置为使得透射通过每个所述平面纳米光子微透镜的光在所述第一方向和所述第二方向上具有相变曲线凸出的相位分布。
技术总结
提供了一种包括平面纳米光子微透镜阵列的光学传感器以及包括该光学传感器的电子装置。光学传感器可以包括：传感器基板，包括多个用于感测光的光敏单元；滤光层，设置在传感器基板上；以及平面纳米光子微透镜阵列，设置在滤光层上，并且包括多个平面纳米光子微透镜，其中，该多个平面纳米光子微透镜在第一方向以及与第一方向垂直的第二方向上二维布置，并且每个平面纳米光子微透镜包括纳米结构，纳米结构布置为使得透射通过每个平面纳米光子微透镜的光在第一方向和第二方向上具有相变曲线凸出的相位分布。凸出的相位分布。凸出的相位分布。
