一种滤色片结构及其像素阵列切换控制方法

1.本发明属于滤色领域，更具体地，涉及一种滤色片结构及其像素阵列切换控制方法。


背景技术：

2.彩色滤色片作为图像传感器的重要组成部分，能够为图像传感器赋予色彩信息。图像传感器对色彩的重现能力除了与滤色片中像素的色彩纯度和透过率有关，还和像素的排列方式密切相关。
3.常见的bayer滤色片基于三原色的设计，像素排列方式为红绿绿蓝，由于准确的色彩一直沿用至今。但由于进光量的损失所带来的影响，在手机等小尺寸图像传感器中存在着色彩信息的浪费以及低信噪比，在暗光条件下性能较差。而近年来发展的红绿白蓝像素排列方式对信噪比进行了改善，但存在色彩寡淡的问题；红黄黄蓝的像素排列方式则具有更高的进光量和信噪比，在暗光下表现良好，但在光线充足时又存在过曝问题。
4.因此，迫切需要一种能够根据光线条件原位切换像素排列方式的滤色片，来满足图像传感器在不同光强下对色彩信息的高效采集。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种滤色片结构及其像素阵列切换控制方法，旨在解决现有技术没有能够根据光线条件原位切换像素排列方式的滤色片，无法保证图像传感器在不同光强下对色彩信息进行高效采集的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种滤色片结构，包括：第一像素单元、第二像素单元、第三像素单元及第四像素单元；
7.所述第一像素单元能够选择性透过第一种颜色的光；
8.所述第二像素单元能够选择性透过第二种颜色的光；
9.所述第三像素单元能够选择性透过第三种颜色的光；
10.所述第四像素单元能够选择性透过第四种颜色的光；
11.所述第二像素单元和第三像素单元的构成相同，均由下至上依次包括：第一金属层、第一透明导电介质层、第一相变材料层、第二透明导电介质层、第二相变材料层、第三透明导电介质层以及第二金属层；所述第一透明导电介质层、第一相变材料层、第二透明导电介质层、第二相变材料层以及第三透明导电介质层作为介质材料，与第一金属层和第二金属层构成fabry-perot共振腔；当第二像素单元和第三像素单元fabry-perot共振腔的物理厚度在预设范围时，所述第一相变材料层和第二相变材料层中任一层的结晶状态改变时，所在像素单元透过光的颜色发生改变；
12.所述滤色片结构透射光对应的像素阵列包括第一种颜色的光至第四种颜色的光，其中，所述第二像素单元和第三像素单元透过光的颜色可随其内部相变材料的结晶状态改变而改变。
13.在一个可选的示例中，所述第一像素单元透过的可见光为红光，第四像素单元透过的可见光为蓝光；
14.所述第二像素单元和第三像素单元的透过的可见光均能够随内部相变材料的结晶状态改变在绿光、黄光及白光之间切换。
15.在一个可选的示例中，当第二像素单元或第三像素单元fabry-perot共振腔的物理厚度在预设范围时，若第一相变材料层和第二相变材料层均处于非晶态，且此时fabry-perot共振腔的光学厚度不是任何可见光波长的整数倍，则对应的像素单元透过白光；若第一相变材料层和第二相变材料层均处于晶态，且此时fabry-perot共振腔的光学厚度为黄光波长的整数倍，则对应的像素单元透过黄光；若第一相变材料层处于非晶态，第二相变材料层均处于晶态，且此时fabry-perot共振腔的光学厚度为绿光波长的整数倍，则对应的像素单元透过绿光；
16.所述滤色片结构像素阵列对应的颜色组合方式能够在红绿绿蓝、红黄黄蓝及红绿白蓝之间动态切换。
17.在一个可选的示例中，所述第一相变材料层和第二相变材料层采用硫系相变材料制成。
18.在一个可选的示例中，所述第一透明导电介质层至第三透明导电介质层采用氧化铟锡或者铝掺杂的氧化锌材料制成。
19.在一个可选的示例中，所述第一相变材料层和第二相变材料层的厚度在7nm至20nm范围内。
20.在一个可选的示例中，所述第一透明导电介质层至第三透明导电介质层的厚度在50nm至300nm范围内。
21.在一个可选的示例中，所述第一像素单元与第四像素单元中心的连线为第一条线，所述第二像素单元与第三像素单元中心的连线为第二条线；所述第一条线和第二条线垂直。
22.第二方面，本发明提供了一种对上述第一方面提供滤色片结构的像素阵列切换控制方法，包括以下步骤：
23.对第二像素单元和第三像素单元中至少一个像素单元施加不同强度的电脉冲，以控制对应像素单元内两层相变材料层的结晶状态，切换所述滤色片结构对应像素阵列的颜色。
24.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
25.本发明提供一种滤色片结构及其像素阵列切换控制方法，滤色片包括可切换像素和不可切换像素两种像素，均为多层膜结构并按照典型的红绿绿蓝方式排列。其中，不可切换像素由下至上依次为透明衬底、金属电极层、透明导电介质层、金属电极层，对应选择性透过红色和蓝色光；可切换像素由下至上依次为透明衬底、金属电极层、透明导电介质层、硫系相变材料层、透明导电介质层、硫系相变材料层、透明导电介质层、金属电极层共同构成fabry-perot共振腔，可通过时间电脉冲使两层相变材料先后结晶，从而产生非晶-非晶，非晶-结晶，结晶-结晶等至少三种不同状态来改变fabry-perot共振腔的光学厚度，以在选择性透过绿色、黄色和全域光至少三种状态间自由切换。本发明提供的透射式滤色片的像
素排列方式能够通过电操作在红绿绿蓝、红绿白蓝、红黄黄蓝至少三种像素阵列间原位动态切换，能够根据使用者对图像色彩纯度、信噪比、分辨率的不同需求切换为最佳的像素排列，应对不同环境下对图像质量的不同需求。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的像素排列动态三切换的透射式滤色片的像素排列方式和阵列结构示意图；
27.图2是本发明实施例提供的像素排列动态三切换的透射式滤色片的不可切换像素的膜系结构示意图；
28.图3是本发明实施例提供的像素排列动态三切换的透射式滤色片的可切换像素的膜系结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.需要说明的是，基于fabry-perot共振腔的原理，其只允许波长整数倍等于共振腔光学厚度(薄膜折射率和物理厚度的乘积)的特定波长的光通过，从而具有颜色选择性，本发明的提供的可切换透射光的像素单元从原理上来讲随着两层相变材料层晶态变化至少能选择性透射四种不同颜色的光(晶态-晶态、晶态-非晶态、非晶态-晶态及非晶态-非晶态)，在此前提下，首先需要在合适的晶态组合下控制各膜层的厚度来构建fabry-perot共振腔并能够具有一种颜色选择性，且该结构能够在剩余三种晶态组合下分别具有三种颜色选择性。
31.可以理解的是，根据上述原理的分析，本发明提供的可切换像素理论上可以实现多种颜色的选择性透射，且可以通过不同相变材料的选择及每层薄膜厚度的调控，采用不同的手段实现相同光的选择，在上述原理的作用下，本发明想要实现对某种光的选择性透射并不仅限于一种实现方式。
32.因此，对于本领域技术人员而言，在本发明技术原理的加持下所采用的具体技术手段实现的像素单元多种颜色光的选择性透射的方案均应涵盖在本发明的保护范围内。
33.具体地，为形象生动说明本发明，本发明以可切换像素单元对绿、白、黄三种颜色的选择性透射为例进行举例说明，上述举例说明并不应被看做对本发明保护技术方案的任何实质限定。相应地，本发明提供滤色片搭配不可切换像素和可切换像素，能够实现红绿绿蓝、红绿白蓝、红黄黄蓝、红黄白蓝、红白白蓝及红绿黄蓝等至少六种像素阵列的切换，本发明实施例以前三种常用的像素阵列为例进行举例说明，并不应被当做对本发明保护范围的任何具体限定。
34.下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。
35.针对现有技术的缺失，本发明的目的在于提供一种像素排列动态三切换的透射式滤色片，该滤色片的像素排列方式能够通过电操作在红绿绿蓝、红黄黄蓝、红绿白蓝间原位动态切换，能够根据使用者对图像色彩纯度、信噪比、分辨率的不同需求切换为最佳的像素
结晶三种状态。所述两层硫系相变材料状态的转变用于调节像素单元的选择性滤光特性。
46.在本实施例中，如图2所示，不可切换像素的膜层结构由下到上依次为金属电极层/透明导电介质层/金属电极层。
47.在本实施例中，如图3所示，可切换像素的膜层结构由下到上依次为第一金属电极层、第一透明导电介质层、第一硫系相变材料层、第二透明导电介质层、第二硫系相变材料层、第三透明导电介质层、第二金属电极层，来构成fabry-perot共振腔。金属电极层采用铂、钛或银材料制成，用做半透明半透射层和电极，对可切换像素执行电操作；透明导电介质层采用氧化铟锡或者铝掺杂的氧化锌材料制成，用做介质层和导电层；硫系相变材料层采用锗碲、锑碲、锗锑碲、锗锑硒碲、锑硫或锑硒合金材料制成，来实现不同光学状态的动态切换。
48.具体的，本实施例提供的一种像素排列动态三切换的透射式滤色片的原理为：利用上下两层金属层和中间的介质层构成了典型的三明治结构，形成了fabry-perot共振腔。只有当共振腔的光学厚度(薄膜折射率和物理厚度的乘积)刚好是某入射光半波长的整数倍时，该波长的光才能顺利透过，从而展现出对入射光的选择性透过。fabry-perot共振腔间的两层不同的相变材料，在相变前后拥有不同的折射率，这可以使一个共振腔在不改变物理厚度的条件下具有两种或两种以上共振状态，可具有多种颜色选择性。
49.当fabry-perot共振腔具有两层相变材料层时，这两层相变材料就具有非晶-非晶，非晶-结晶，结晶-结晶三种组合状态，并具有三个不同的光学厚度。当共振腔状态为非晶-非晶时，此时共振腔的共振很弱，无法具有颜色选择性，即可透过全域光；当共振腔状态为非晶-结晶时，此时共振腔的光学厚度符合绿光对应波长的整数倍，能够选择性透过绿光；当共振腔状态为结晶-结晶时，此时共振腔的光学厚度符合黄光对应波长的整数倍，能够选择性透过黄光。因此，当全部可切换像素均为非晶-结晶状态时，像素排列方式为红绿绿蓝；当全部可切换像素均为结晶-结晶状态时，像素排列方式为红黄黄蓝；当一半可切换像素为结晶-结晶状态，一半切换像素为非晶-结晶状态时，像素排列方式为红绿白蓝。
50.优选地，本实施例提供的一种像素排列动态三切换的透射式滤色片的金属电极层的厚度在5nm-15nm，透明导电介质层的厚度在50nm-300nm，相变材料层的厚度在7nm-20nm。
51.本实施例提供的一种像素排列动态三切换的透射式滤色片，可以使图像传感器在不同环境光线下原位切换为具有最佳拍摄效果的像素排列方式，可根据使用环境自主调节。
52.以下结合具体实施例，对本发明提供的一种像素排列动态三切换的透射式滤色片进行详细说明。
53.实施例1
54.本实施例1提供的一种像素排列动态三切换的透射式滤色片的像素排列具有红绿绿蓝、红绿白蓝、红黄黄蓝至少三种方式，像素分为可切换像素和不可切换像素两种。
55.本实施例提供的像素排列动态三切换的透射式滤色片的设计方法如下：(1)红色和蓝色像素为不可切换像素，膜层结构由下到上依次为ag/ito/ag，ag层的厚度为7nm-15nm，ito的厚度为50nm-300nm。(2)其余像素为可切换像素，像素可在选择性透过绿色或黄色或全域光间自由切换，膜层结构由下到上一次为ag/ito/pcm1/ito/pcm2/ito/ag，ag层厚度为5nm-15nm，ito层厚度为50nm-200nm。具体地，pcm1和pcm2指相变材料层，本实施例选用
ge2sb2te5和sb2s3制备对应的相变材料层，其中ge2sb2te5和sb2s3层厚度为7nm-20nm。
56.本实施例的像素形状均为正方形沿中心旋转45
°
，并按照行列排布。且可切换像素的顶部透明导电介质层均与一位线bl相连，底部透明导电介质层均与一字线wl相连。通过字线和位线对可切换像素施加适当电压和幅值的电脉冲，使可切换像素单元的两层相变材料先后相变，从而呈现出非晶-非晶，非晶-结晶，结晶-结晶三种状态。
57.基于上述结构和设计，本实施例提供的一种像素排列动态三切换的透射式滤色片的不可切换像素可呈现出对红光和蓝光的选择性，可切换像素可在电脉冲的刺激下在选择性透过绿光、黄光和全域光间自由切换。因此，本实施例一种像素排列动态三切换的透射式滤色片能够实现红绿绿蓝、红绿白蓝、红黄黄蓝至少三种像素排列方式的切换。
58.应当理解的是，可以在本发明中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本发明中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。
59.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种滤色片结构，其特征在于，包括：第一像素单元、第二像素单元、第三像素单元及第四像素单元；所述第一像素单元能够选择性透过第一种颜色的光；所述第二像素单元能够选择性透过第二种颜色的光；所述第三像素单元能够选择性透过第三种颜色的光；所述第四像素单元能够选择性透过第四种颜色的光；所述第二像素单元和第三像素单元的构成相同，均由下至上依次包括：第一金属层、第一透明导电介质层、第一相变材料层、第二透明导电介质层、第二相变材料层、第三透明导电介质层以及第二金属层；所述第一透明导电介质层、第一相变材料层、第二透明导电介质层、第二相变材料层以及第三透明导电介质层作为介质材料，与第一金属层和第二金属层构成fabry-perot共振腔；当第二像素单元和第三像素单元fabry-perot共振腔的物理厚度在预设范围时，所述第一相变材料层和第二相变材料层中任一层的结晶状态改变时，结晶状态改变的相变材料层所在像素单元透过光的颜色发生改变；所述滤色片结构透射光对应的像素阵列包括第一种颜色的光至第四种颜色的光，其中，所述第二像素单元和第三像素单元透过光的颜色可随其内部相变材料的结晶状态改变而改变。2.根据权利要求1所述的滤色片结构，其特征在于，所述第一像素单元透过的可见光为红光，第四像素单元透过的可见光为蓝光；所述第二像素单元和第三像素单元的透过的可见光均能够随内部相变材料的结晶状态改变在绿光、黄光及白光之间切换。3.根据权利要求2所述的滤色片结构，其特征在于，当第二像素单元或第三像素单元fabry-perot共振腔的物理厚度在预设范围时，若第一相变材料层和第二相变材料层均处于非晶态，且此时fabry-perot共振腔的光学厚度不是任何可见光波长的整数倍，则对应的像素单元透过白光；若第一相变材料层和第二相变材料层均处于晶态，且此时fabry-perot共振腔的光学厚度为黄光波长的整数倍，则对应的像素单元透过黄光；若第一相变材料层处于非晶态，第二相变材料层均处于晶态，且此时fabry-perot共振腔的光学厚度为绿光波长的整数倍，则对应的像素单元透过绿光；所述滤色片结构像素阵列对应的颜色组合方式能够在红绿绿蓝、红黄黄蓝及红绿白蓝之间动态切换。4.根据权利要求1至3任一项所述的滤色片结构，其特征在于，所述第一相变材料层和第二相变材料层采用硫系相变材料制成。5.根据权利要求1至3任一项所述的滤色片结构，其特征在于，所述第一透明导电介质层至第三透明导电介质层采用氧化铟锡或者铝掺杂的氧化锌材料制成。6.根据权利要求1至3任一项所述的滤色片结构，其特征在于，所述第一相变材料层和第二相变材料层的厚度在7nm至20nm范围内。7.根据权利要求1至3任一项所述的滤色片结构，其特征在于，所述第一透明导电介质层至第三透明导电介质层的厚度在50nm至300nm范围内。8.根据权利要求1所述的滤色片结构，其特征在于，所述第一像素单元与第四像素单元中心的连线为第一条线，所述第二像素单元与第三像素单元中心的连线为第二条线；所述
第一条线和第二条线垂直。9.一种对权利要求1至8任一项所述滤色片结构的像素阵列切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：对第二像素单元和第三像素单元中至少一个像素单元施加不同强度的电脉冲，以控制对应像素单元内两层相变材料层的结晶状态，切换所述滤色片结构对应像素阵列的颜色。

技术总结
本发明提供一种滤色片结构及其像素阵列切换控制方法，滤色片包括可切换像素和不可切换像素两种像素，可切换像素由下至上依次为透明衬底、金属层、透明导电介质层、相变材料层、透明导电介质层、相变材料层、透明导电介质层、金属层共同构成Fabry-Perot共振腔，可通过施加电脉冲使两层相变材料先后结晶，从而产生非晶-非晶，非晶-结晶，结晶-结晶等至少三种不同状态来改变Fabry-Perot共振腔的光学厚度，以在选择性透过绿色、黄色和全域光至少三种状态间自由切换。本发明提供的透射式滤色片的像素排列方式能够通过电操作在红绿绿蓝、红绿白蓝、红黄黄蓝至少三种像素阵列间原位动态切换，能够根据使用者需求切换为最佳的像素排列。列。列。


技术研发人员：何强 崔梦茜 缪向水
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/13