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CN1306288C - 具有平整谐振腔层的滤光片列阵 - Google Patents

具有平整谐振腔层的滤光片列阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有平整谐振腔层的滤光片列阵,它是利用F-P结构滤光片的带通峰位随其谐振腔层厚度的变化而改变的特性设计的。它包括基片,在基片上依次排列下层膜系、谐振腔层膜系、上层膜系。其特征在于:谐振腔膜层是厚度不同的膜层列阵,它是通过组合镀膜来实现不同厚度谐振腔膜层在同一基片上的集成,以达到控制每个微型窄带滤光片的带通峰位,从而实现不同带通峰位窄带滤光片在同一块基片上集成的目的。这种结构的优点是避免了因刻蚀引起界面粗糙而导致的滤光片性能下降和控制精度问题,与传统镀膜方法相比,制备效率和成品率都非常高。

Description

具有平整谐振腔层的滤光片列阵
技术领域
本发明涉及光学元件、滤光片,具体是指不同光谱特性的滤光片集成在同一块基片上的具有平整谐振腔层的滤光片列阵。
背景技术
多光谱信息获取技术已在航空、航天领域中得到广泛应用,分光技术是其中的一个重要环节,传统的分光方法主要有旋转光栅、棱镜和滤光片转轮的时间分解方法,以及光栅棱镜和分束滤光片的空间分解方法。如果采用时间分解方法,则涉及机械传动装置,当应用于空间时一旦机械装置出现故障就很可能导致整个仪器失效。如果采用光栅、棱镜等空间分解方法,则相应的仪器将占据较大空间,使整个设备的有效载荷增大,飞行器的负荷沉重。因此,人们一直在寻找有效的解决途径。滤光片列阵是二十世纪八十年代开始研究发展起来的一种微型空间滤光器,如果将它与探测器列阵结合则可以构成可识别光谱的探测器,大大简化分光系统,提高仪器的可靠性、稳定性和光学效率,并改善其信噪比。因此新一代光谱仪器的分光系统都趋于采用这种新型结构来获取光谱信息,见J.R.Tower et al.RCA Review 47,266(1986);J.A.Hall et al.SPIE 345,145(1982).。而且,滤光片列阵的实现还将对相应传感器件集成度的提高和小型化,以及滤光片式微型光谱仪的研制提供有力的技术支持。
虽然滤光片列阵的应用前景非常可观,但多年来一直没有取得明显进展,极大地制约了滤光片列阵的发展和应用。究其原因,制约滤光片列阵发展主要有两个工艺难点,即滤光片的微型化和集成化。目前主要有通过拼接、滤光片转轮、可调谐滤光片等方式实现的准集成滤光片和真正集成在同一块基片上的滤光片列阵,其中真正意义上集成的滤光片列阵是最有应用前景的滤光片集成方式,具有不同光谱特性的滤光片可以集成到同一块基片上,而且可以根据需要做到微米量级,还可设计制备出与探测器列阵匹配的滤光片列阵。目前集成在同一块基片上的滤光片列阵的制备方法主要有两种,一种是传统掩模方法,另一种则是我们提出的组合刻蚀方法。
传统掩模方法是通过分区域先后对不同的带通滤光片分别进行镀制来实现的,见“程实平,严义埙,张凤山,许步云,朱翠媛,《红外与毫米波学报》13,401(1994);程实平,张凤山,严义埙,《红外与毫米波学报》13,110(1994)”。这种集成方法工艺相当复杂,每增加一个滤光片,成品率就会下降一半,即便每个滤光片的成品率都能达到90%,则32通道滤光片列阵的成品率仍然只有0.932(约3%),如此低的成品率使得传统光学薄膜技术制备集成滤光片列阵的成本非常之高,因而从工艺上就极大地限制了集成度的进一步提高。
组合刻蚀方法,发明专利申请号:200310108346.5,则可以大大提高滤光片列阵的制备效率和成品率,通过刻蚀来控制滤光片谐振腔层的厚度,以获取一系列不同厚度的谐振腔层列阵而达到滤光片集成的目的。这种方法只需要经过两次镀膜和n次刻蚀,就可以获得集成2n个滤光片的列阵,若以同样的成品率(90%)计算的话,采用组合刻蚀方法制备集成32通道滤光片列阵只需5次刻蚀,效率是传统方法的6倍,成品率为0.97(约48%),比传统方法高14倍,而且随着集成度的提高,传统方法的成品率呈指数式急速下降,而该方法则仅会比48%略低些,所以相对于传统方法而言,体现出来的效率提高倍数呈指数式上升,因此在节约制作成本,提高生产效率方面的优势特别明显。然而,美中不足的是,这种方法在制备过程中引入了刻蚀工艺,而刻蚀工艺的存在会引起两个方面的问题,一方面会影响谐振腔层界面的粗糙度,降低滤光片的性能;另一方面,由于滤光片的带通峰位由谐振腔层的厚度决定,而谐振腔层最终厚度是由刻蚀工艺所决定的,即刻蚀的控制精度会影响到滤光片带通峰位的定位精度,因此这种方法对于滤光片带通峰位的定位精度不仅取决于膜厚控制精度,还取决于刻蚀控制精度,增加了定位难度。
发明内容
基于上述已有滤光片列阵制备过程中存在的谐振腔层界面的粗糙度和带通峰位的定位精度问题,本发明的目的是提出一种制备工艺简单、成品率高的滤光片列阵。
本发明的滤光片列阵包括:基片,在基片上依次排列生长如下结构的膜系:
                        (LH)axL(HL)a
其中(LH)a为下层膜系,(HL)a为上层膜系,xL为谐振腔层。
或者,在基片上依次排列生长如下结构的膜系:
                        (HL)axH(LH)a
其中(HL)a为下层膜系,(LH)a为上层膜系,xH为谐振腔层。
上述膜系中的H为高折射率膜层,L为低折射率膜层,a为高折射率膜层与低折射率膜层交替叠层次数,a≥2,膜层的光学厚度(nd)为λ0/4,λ0为设计初始窄带滤光片膜系时的中心波长。
所说的谐振腔层xL或xH为厚度不同的膜层列阵,其厚度值随x的取值变化,x的取值范围为1<x<3。
所说的厚度不同的膜层列阵是利用开有不同区域镀膜窗口的掩模板叠加镀膜形成的。
本发明是利用F-P结构滤光片的带通峰位随其谐振腔层厚度的变化而改变的特性设计的,通过叠加镀膜来控制和实现不同厚度谐振腔层列阵在同一基片上的集成,以达到控制每个微型窄带滤光片的带通峰位,从而实现不同带通峰位窄带滤光片在同一块基片上集成的目的。这种方法适用于各个波段窄带滤光片列阵的制备。
本发明的优点是:
1、制备工艺非常简单,只需设计一个膜系,通过n+2次镀膜就可以完成集成2n单元窄带滤光片列阵的制备;而且不引入刻蚀工艺,避免了因刻蚀引起界面粗糙而导致的滤光片性能下降和控制精度问题;与传统滤光片列阵制备方法相比,制备效率和成品率都非常高。
2、可以根据探测器列阵的形状和尺寸设计制备出与之匹配的滤光片列阵,共同构成光谱可识别探测器,大大简化多光谱探测器的结构,有利于仪器的小型化和集成化;而且这种结构适用于各个光谱波段。
附图说明
图1(a)为滤光片列阵(LH)7xL(HL)7的透射谱,(b)为其带通峰位随谐振腔层厚度xL的变化曲线,x的取值1.7~2.4,取点间隔0.1。
图2组合镀膜制备滤光片线列工艺过程示意图。
图3本实施例所用的系列掩模板示意图。
图4为本发明的滤光片列阵结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明,以集成8通道的窄带滤光片列阵为例,膜系结构为(LH)axL(HL)a,设计波长λ0为777.4nm,L为二氧化硅膜层,H为五氧化二铌膜层,a=7,取8个不同厚度的谐振腔层分别对应于8个带通峰位各不相同的窄带滤光片,x的取值1.7~2.4,取点间隔0.1,这8个不同谐振腔层厚度窄带滤光片的透射谱及其带通峰位随谐振腔层厚度(xL)的变化分别如图1中的(a)和(b)所示,从图(a)可以看出窄带滤光片的带通峰位随着谐振腔层的改变而改变,而由图(b)带通峰位随谐振腔层厚度的变化曲线上可以看出,滤光片的带通峰位与谐振腔层的厚度成正比。因此,我们可以通过叠加镀膜控制谐振腔层的厚度来控制滤光片的带通峰位。
具体制备步骤如下:
首先,在基片1上交替镀制二氧化硅膜层和五氧化二铌膜层,交替周期为7次,构成下层膜系2。
然后依次是采用图3中的a图形状的掩膜板5、b图形状的掩膜板6、c图形状的掩膜板7在下层膜系2上叠加镀膜,形成等差厚度的谐振腔膜层线列3,其工艺过程见图2(b)-(d)。
谐振腔膜层的单元数随着叠加镀膜次数n的增加呈指数增长,为2n,本实施例中谐振腔膜层的单元数为8(即23),只需进行3次叠加镀膜。同理,8次叠加镀膜,就可以获得256(28)个单元,效率非常之高。如果每次镀膜的厚度均为前一次镀膜厚度的一半,则经过叠加镀膜后所得到的谐振腔层列阵的厚度是呈线性变化的,相应窄带滤光片列阵的带通峰位也是等间隔分布的,如图1所示。
最后,在制备好的谐振腔膜层线列3上,将剩余的上层膜系4镀上,如图2(e)所示。
同理,如果要制备面阵滤光片,只需在叠加镀膜过程中将图3所示的系列掩模板旋转90度,水平放置后依次进行类似的叠加镀膜即可。系列掩模板的设计也非常简单:首先确定整个滤光片列阵的面积,第一块掩模板将该面积一分为二,其中一半开口作为镀膜窗口;第二块掩模板将第一块掩模板所对应的两个区域再各自一分为二,其中一半开口作为镀膜窗口,开口的区域与前一块掩模板一致,即第一块掩模板在右边一半区域开口的话,后面所有掩模板都在右边一半区域开口,如图3所示,如此继续制作其它掩模板,直至满足需要,制备集成2n单元滤光片最多只需制作n块掩模板。滤光片单元的形状、尺寸及单元之间的间隔都可以根据实际需要进行设计。
从以上步骤可以看出,这种叠加镀膜非常简单高效,无论集成多少个窄带滤光片单元,都只需设计一个膜系,n+2次镀膜即可完成整个集成2n单元窄带滤光片列阵的制备,集成度可以做得很高。与传统掩模镀膜方法相比,叠加镀膜的制备效率和成品率都非常高,其效率为传统方法的
Figure C20051002546000081
倍、成品率为pn+2-2n倍,p为每次镀膜的成品率,而且集成度越高,体现出来的优势就越明显,比如对于只集成8通道(23)的滤光片列阵,其效率和成品率分别为传统方法的1.6倍和p-3倍;而对于集成256(28)个单元的滤光片列阵,其效率和成品率则分别为传统方法的25.6倍和p-246倍,制备效率和成品率都是传统方法无法比拟的。另外,整个制备过程中都没有引入刻蚀工艺,不会因改变界面的粗糙度而降低滤光片的性能,谐振腔层乃至整个膜系的厚度也完全由镀膜设备决定,因此只要镀膜设备的控制精度足够高,谐振腔层的厚度,即带通峰位就可以得到很好的控制。这种方法适用于各个光谱波段。

Claims (2)

1.一种具有平整谐振腔层的滤光片列阵,包括:基片(1),在基片(1)上依次排列生长如下结构的膜系:
                         (LH)axL(HL)a
其中(LH)a为下层膜系(2),(HL)a为上层膜系(4),xL为谐振腔层(3);
或者,在基片上依次排列生长如下结构的膜系:
                         (HL)axH(LH)a
其中(HL)a为下层膜系(2),(LH)a为上层膜系(4),xH为谐振腔层(3);
上述膜系中的H为高折射率膜层,L为低折射率膜层,a为高折射率膜层与低折射率膜层交替叠层次数,a≥2,膜层的光学厚度为λ0/4,λ0为设计初始窄带滤光片膜系时的中心波长;
其特征在于:所说的谐振腔层xL或xH为厚度不同的膜层列阵,其厚度值随x的取值变化,x的取值范围为1<x<3。
2.根据权利要求1的一种具有平整谐振腔层的滤光片列阵,其特征在于:谐振腔层的所述厚度不同的膜层列阵是利用开有不同区域镀膜窗口的掩模板叠加镀膜而形成的。
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