RS57862B1 - Optički filter i senzorski sistem - Google Patents

Description

OBLAST TEHNIKE

Predmetni pronalazak se odnosi na optičke filtere i senzorske sisteme sa optičkim filterima. Preciznije, predmetni pronalazak se odnosi na optičke filtere koji sadrže slojeve hidrogenisanog silicijuma i na senzorske sisteme koji sadrže takve optičke filtere.

STANJE TEHNIKE

Kod tipičnog sistema za prepoznavanje pokreta izvor svetla prema korisniku emituje svetlost u opsegu bliskom opsegu infracrvene svetlosti. Kako bi formirao 3D sliku korisnika, senzor trodimenzionalne slike (3D) detektuje emitovanu svetlost koja se reflektuje od strane korisnika. Sistem za obradu, zatim, analizira 3D sliku kako bi prepoznao pokret koji je napravio korisnik.

Za prenos emitovanog svetla do senzora 3D slike koristi se optički filter, preciznije filter propusnik opsega, kako bi se u značajnoj meri blokiralo ambijentalno svetlo. Drugim rečima, optički filter ima ulogu da zaustavi prolaz ambijentalnog svetla. Zbog toga postoji potreba za optičkim filterom sa uskim propusnim opsegom u oblasti bliskoj opsegu infracrvenih talasnih dužina, odnosno od 800 nm do 1.100 nm. Pored toga, optički filter mora posedovati visok nivo transmitanse unutar propusnog opsega i visok stepen blokiranja izvan propusnog opsega.

Konvencionalno, optički filter sadrži stek za filtriranje i stek za blokiranje koji su naneti na suprotnim stranama substrata. Svaki od stekova je formiran od naizmenično izvedenih slojeva sa visokim indeksom prelamanja i slojeva sa niskim indeksom prelamanja. U opštem slučaju se za izradu slojeva sa visokim indeksom prelamanja i slojeva sa niskim indeksom prelamanja koriste različiti oksidi, kao što su TiO2, Nb2O5, Ta2O5, SiO2i njihove mešavine. Na primer, neki konvencionalni optički filteri sadrže slojeve TiO2/SiO2za filtriranje i slojeve Ta2O5/SiO2za blokiranje, gde su slojevi sa visokim indeksom prelamanja sastavljeni od TiO2ili Ta2O5respektivno, dok su slojevi sa niskim indeksom prelamanja sastavljeni od SiO2.

Kod prvog konvencionalnog optičkog filtera razvijenog tako da propušta svetlost u opsegu talasnih dužina od 829 nm do 859 nm pri upadnim uglovima od 0° do 30°, stek za filtriranje sadrži 71 sloj, stek za blokiranje sadrži 140 slojeva, dok je ukupna debljina svih slojeva prevlaka oko 24 µm. Na Slici 1 su za ovaj optički filter nacrtani prolazni spektri 100 i 101 pri upadnim uglovima od 0° i 30° respektivno. Kod drugog konvencionalnog optičkog filtera razvijenog tako da propušta svetlost talasne dužine od 825 nm pri upadnim uglovima od 0° do 20°, stek za filtriranje sadrži 43 sloja, stek za blokiranje sadrži 82 sloja dok je ukupna debljina svih slojeva prevlaka oko 14 µm. Na Slici 2 su za ovaj optički filter prikazani prolazni spektri 200 i 201 pri upadnim uglovima od 0° i 20° respektivno. Kod trećeg konvencionalnog optičkog filtera razvijenog tako da propušta svetlost u opsegu talasnih dužina od 845 nm do 865 nm pri upadnim uglovima od 0° do 24°, stek za filtriranje sadrži 77 sloj, stek za blokiranje sadrži 148 slojeva, dok je ukupna debljina slojeva prevlaka oko 26 µm. Na Slici 3 su za ovaj optički filter nacrtani prolazni spektri 300 i 301 pri upadnim uglovima od 0° i 24° respektivno.

Prema Slikama 1 do 3, prvi, drugi i treći konvencionalni optički filteri u opštem slučaju poseduju visok nivo transmitanse unutar propusnog opsega i visok nivo blokiranja izvan propusnog opsega. Ipak, centralna talasna dužina propusnog opsega trpi relativno veliko pomeranje sa promenom upadnog ugla. Kao posledica toga, propusni opseg mora biti relativno širok kako bi prihvatio svetlost u opsegu zahtevanih upadnih uglova, što povećava količinu ambijentalnog svetla koje se prenosi i smanjuje odnos signal-šum sistema koji sadrže ovakve konvencionalne optičke filtere. Dalje, veliki broj slojeva u steku za filtriranje i steku za blokiranje povećava trošak i vreme potrebno za formiranje slojeva prevlaka pri proizvodnji ovih konvencionalnih optičkih filtera. Velika ukupna debljina prevlake takođe čini ove konvencionalne optičke filtere teškim za šabloniranje, na primer pomoću fotolitografije.

Kako bi se poboljšale performanse optičkog filtera u sistemu za prepoznavanje pokreta, poželjno bi bilo smanjiti broj slojeva, ukupnu debljinu slojeva prevlaka i pomeranje centralne talasne dužine sa promenama upadnih uglova. Jedan pristup jeste primena materijala sa višim indeksom prelamanja u odnosu na konvencionalne okside u opsegu talasnih dužina između 800 nm i 1100 nm za slojeve sa visokim indeksom prelamanja. Dodatno u odnosu na visok indeks prelamanja, materijal takođe mora imati i nizak koeficijent prigušenja u opsegu talasnih dužina između 800 nm i 1.100 nm kako bi se obezbedio visok nivo transmitanse unutar propusnog opsega.

Za razumevanje pronalaska takođe su korisni i sledeći dokumenti: US5398133, US2003/087121A, US2009/002830A, US2010/309555A i Tanki optički filteri sa filmom, treće izdanje, H.A. Macleod, strane 283 do 287, Izdanje Instituta za Fiziku 31-12-2001.

Primena hidrogenisanog silicijuma (Si:H) za izradu slojeva sa visokim indeksom prelamanja kod optičkih filtera opisana je u članku „Premazi infracrvenog filtera za propuštanje opsega učestanosti sa smanjenim pomeranjem ugla“, autori Lairson i drugi (objavljeno u naučnim radovima organizacije SPIE, 2007. god, izdanje 6545, strane 65451C-1-65451C-5), i u članku „Razvoj i implementacija procesa reaktivne depozicije hidrogenisanog amorfnog Si raspršivanjem“, autori Gibbons i drugi (naučni radovi godišnje tehničke konferencije Društva za vakumsko prevlačenje, 2007. godina, izdanje 50, strane 327-330). Autori Lairson i drugi su opisali hidrogenisani silicijumski materijal sa indeksom prelamanja od 3,2 na talasnoj dužini od 1.500 nm i koeficijentom prigušenja manjim od 0,001 na talasnim dužinama većim od 1.000 nm. Autori Gibbons i drugi opisuju hidrogenisani silicijumski materijal proizveden raspršivanjem pomoću naizmenične (AC) struje i sa indeksom prelamanja od 3,2 na talasnoj dužini od 830 nm i koeficijentom prigušenja od 0,0005 na talasnoj dužini od 830 nm. Nažalost, ovi hidrogenisani silicijumski materijali ne poseduju dovoljno nizak koeficijent prigušenja u opsegu talasnih dužina od 800 do 1.100 nm.

IZLAGANJE SUŠTINE PRONALASKA

U skladu sa prethodno navedenim, predmetni pronalazak odnosi se na optički filter definisan u Zahtevu 1.

Predmetni pronalazak se takođe odnosi na sistem senzora definisan Zahtevom 11.

KRATAK OPIS SLIKA NACRTA

Predmetni pronalazak će biti detaljnije opisan uz pozivanje na pridružene slike nacrta na kojima:

Slika 1 predstavlja dijagram propuštenog spektra pri upadnim uglovima od 0° i 30° za prvi konvencionalni optički filter;

Slika 2 predstavlja dijagram propuštenog spektra pri upadnim uglovima od 0° i 20° za drugi konvencionalni optički filter;

Slika 3 predstavlja dijagram propuštenog spektra pri upadnim uglovima od 0° i 24° za treći konvencionalni optički filter;

Slika 4 predstavlja šematsku ilustraciju sistema za depoziciju raspršivanjem;

Slika 5A predstavlja dijagram propuštenog spektra za 1.500 nm debele slojeve silicijuma formirane taloženjem u prisustvu i odsustvu vodonika;

Slika 5B predstavlja dijagram talasne dužine ivice apsorpcije pri nivou transmitanse od 50% u zavisnosti od brzine protoka slojeva hidrogenisanog silicijuma (Si:H) pre i nakon koraka kaljenja;

Slika 5C predstavlja dijagram indeksa prelamanja na talasnim dužinama između 800 nm i 1.120 nm u zavisnosti od brzine protoka vodonika za slojeve hidrogenisanog silicijuma;

Slika 5D predstavlja dijagram koeficijenta apsorpcije na talasnim dužinama od 800 nm do 880 nm u zavisnosti od brzine protoka vodonika za slojeve hidrogenisanog silicijuma;

Slika 6 predstavlja šematsku ilustraciju poprečnog preseka optičkog filtera prema predmetnom pronalasku;

Slika 7A predstavlja tabelu koja poredi karakteristike prvog konvencionalnog optičkog filtera sa Slike 1 i prvog primera optičkog filtera prema predmetnom pronalasku;

Slika 7B predstavlja tabelu koja navodi brojeve slojeva, materijale i debljine za antirefleksivnu (AR) sloj prema prvom primeru optičkog filtera;

Slika 7C predstavlja tabelu koja navodi brojeve slojeva, materijale i debljine za stek za filtriranje prema prvom primeru optičkog filtera;

Slika 7D predstavlja dijagram propuštenog spektra pri upadnim uglovima od 0° i 30° za prvi primer optičkog filtera;

Slika 7E predstavlja dijagram propuštenog spektra pri upadnim uglovima od 0° i 30° za optički filter analogan prvom primeru optičkog filtera ali koji sadrži stek Si/SiO2filtera;

Slika 8A predstavlja tabelu koja poredi karakteristike drugog konvencionalnog optičkog filtera sa Slike 2 i drugog primera optičkog filtera prema predmetnom pronalasku;

Slika 8B predstavlja tabelu koja navodi brojeve slojeva, materijale i debljine za stek filtera prema drugom primeru optičkog filtera;

Slika 8C predstavlja dijagram propuštenog spektra pri upadnim uglovima od 0°i 20° za drugi primer optičkog filtera;

Slika 8D predstavlja dijagram propuštenog spektra pri upadnim uglovima od 0° i 20° za optički filter analogan drugom primeru optičkog filtera, ali sa stekom Si/SiO2filtera;

Slika 9A predstavlja tabelu koja navodi brojeve slojeva, materijale i debljine za stek filtera prema trećem primeru izvođenja optičkog filtera prema predmetnom pronalasku;

Slika 9B predstavlja dijagram propuštenog spektra pri upadnim uglovima od 0° i 40° za treći primer optičkog filtera;

Slika 10 predstavlja blok dijagram senzorskog sistema prema predmetnom pronalasku.

DETALJAN OPIS PRONALASKA

Predmetni pronalazak obezbeđuje optički filter koji sadrži slojeve hidrogenisanog silicijuma (Si:H), što je posebno pogodno za primenu u senzorskim sistemima, na primer u sistemu senzora blizine, sistemu za snimanje 3D slike ili sistemu za prepoznavanje pokreta.

Optički filter prema predmetnom pronalasku koristi poboljšani materijal od hidrogenisanog silicijuma, koji poseduje i visok indeks prelamanja i nizak koeficijent apsorpcije u opsegu talasnih dužina između 800 nm i 1.100 nm, tj. u opsegu u blizini opsega infracrvenog zračenja. U tipičnom slučaju materijal od hidrogenisanog silicijuma je amorfan. Materijal od hidrogenisanog silicijuma se, poželjno, proizvodi raspršivanjem pod dejstvom impulsne jednosmerne (DC) struje. Sistem za depoziciju raspršivanjem, koji je pogodan za proizvodnju materijala od hidrogenisanog silicijuma, opisan je US patentom broj 8.163.144 od strane podnosioca Tisch i drugih, odobrenim 24.04.2012.

Posmatrajući Sliku 4, tipičan sistem 400 za depoziciju raspršivanjem koji se koristi za proizvodnju materijala od hidrogenisanog silicijuma sadrži vakumsku komoru 410, supstrat 420, katodu 430, napajanje 440 katode, anodu 450, izvor 460 plazma aktivacije (PAS – Plasma Activation Source) i napajanje 470 izvora plazma aktivacije. Katoda 430 se napaja od strane napajanja 440, koje predstavlja izvor jednosmerne (DC) impulsne struje. Izvor 460 plazma aktivacije se napaja od strane napajanja 470, koje predstavlja izvor radio-frekvencijskog (RF) napajanja.

Katoda 430 sadrži silicijumsku metu 431, koja se raspršuje u prisustvu vodonika (H2), kao i inertnog gasa poput argona, kako bi se na supstratu 420 depozicijom tj. taloženjem formirao sloj materijala od hidrogenisanog silicijuma. Inertni gas se uvodi u vakumsku komoru 410 kroz anodu 450 i izvor 460 plazma aktivacije. Alternativno, zidovi vakumske komore 410 mogu imati ulogu anode 450, dok se inertni gas može uvoditi u komoru na nekom drugom mestu.

Vodonik se uvodi u vakumsku komoru 410 kroz izvor 460 plazma aktivacije, koji služi da aktivira vodonik. Aktivirani vodonik je hemijski reaktivniji te je, kao takav, spremniji za kreiranje Si-H veza, koje se smatraju zaslužnim za optičke karakteristike materijala od hidrogenisanog silicijuma. Izvor 460 plazma aktivacije se nalazi veoma blizu u odnosu na katodu 430, čime je omogućeno da se plazma izvora plazma aktivacije i plazma katode preklapaju. Veruje se da su u plazmama prisutne i atomske i molekularne vrste aktiviranog vodonika. Primena izvora 460 plazma aktivacije omogućava taloženje sloja od hidrogenisanog silicijuma sa relativno velikom brzinom taloženja pri relativno malom sadržaju vodonika. U tipičnom slučaju, sloj hidrogenisanog silicijuma se taloži brzinama od 0,05 nm/s do 1,2 nm/s, a prvenstveno brzinom od oko 0,8 nm/s. Alternativno se za aktivaciju vodonika može koristiti i samo plazma koja potiče od katode.

Optičke karakteristike materijala od hidrogenisanog silicijuma primarno zavise od sadržaja vodonika unutar vakumske komore 410 i, stoga, od brzine protoka vodonika. Ipak, na njih takođe utiču i drugi parametri, kao što je brzina protoka inertnog gasa, nivo snage izvora plazma aktivacije, nivo snage katode i brzina depozicije tj. taloženja.

Slika 5A prikazuje propušteni spektar 500 i 501 za 1.500 nm debele slojeve silicijuma nataložene u prisustvu vodonika, pri brzini protoka vodonika od 139 sccm i u odsustvu vodonika, respektivno. Sloj silicijuma koji je nataložen u prisustvu vodonika, tj. sloj hidrogenisanog silicijuma poseduje značajno viši nivo transmitanse u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm.

Slika 5B prikazuje krive 510 i 511 talasne dužine ivice apsorpcije pri nivou transmitanse od 50% u zavisnosti od brzine protoka vodonika za slojeve hidrogenisanog silicijuma pre i posle koraka kaljenja, respektivno. Za slojeve nataloženog hidrogenisanog silicijuma, talasna dužina ivice apsorpcije se smanjuje sa povećanjem brzine protoka vodonika. U opštem slučaju, talasna dužina ivice apsorpcije varira približno logaritamski sa brzinom protoka vodonika. Talasna dužina ivice apsorpcije se dodatno smanjuje korakom kaljenja, koji se izvodi na temperaturi od približno 300°C u toku perioda od 60 minuta. U tipičnom slučaju, kada se nakon koraka formiranja sloja prevlake izvodi opcioni korak kaljenja, slojevi hidrogenisanog silicijuma kale se pri temperaturama do 350°C u toku perioda od do 120 minuta, a prvenstveno na temperaturi od 250°C do 350°C u toku perioda od 30 do 90 minuta. U nekim slučajevima se može izvesti više od jednog koraka kaljenja.

Stoga, talasna dužina ivice apsorpcije materijala od hidrogenisanog silicijuma se može podešavati prilagođavanjem brzine protoka vodonika i, opciono, kaljenjem. Na sličan način se indeks prelamanja i koeficijent apsorpcije materijala od hidrogenisanog silicijuma mogu podešavati prilagođavanjem brzine protoka vodonika i, opciono, kaljenjem. U tipičnom slučaju slojevi hidrogenisanog silicijuma se talože pri brzini protoka vodonika većoj od 80 sccm, a prvenstveno pri brzini protoka vodonika od oko 80 sccm. Ipak, potrebno je naglasiti da će sadržaj vodonika koji je prilagođen ovoj brzini protoka zavisiti od brzine pumpanja vakumskog sistema.

Slika 5C prikazuje dijagram indeksa prelamanja na talasnim dužinama od 800 nm do 1.120 nm u zavisnosti od brzine protoka vodonika za nataložene slojeve hidrogenisanog silicijuma. Indeks prelamanja se smanjuje sa povećanjem brzine protoka vodonika. U opštem slučaju, indeks prelamanja se menja približno linearno sa brzinom protoka vodonika. Posebno, indeks prelamanja sloja hidrogenisanog silicijuma proizvedenog pri brzini protoka vodonika od 80 sccm je veći od 3,55 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.120 nm.

Slika 5D prikazuje dijagram koeficijenta apsorpcije na talasnim dužinama od 800 nm do 880 nm u zavisnosti od brzine protoka vodonika za nataložene slojeve hidrogenisanog silicijuma (koeficijent apsorpcije je manji od 0,0001 na talasnim dužinama od 920 nm do 1.120 nm). Koeficijent apsorpcije se smanjuje sa povećanjem brzine protoka vodonika. U opštem slučaju se koeficijent apsorpcije menja približno eksponencijalno sa brzinom protoka vodonika. Preciznije, koeficijent apsorpcije sloja hidrogenisanog silicijuma proizvedenog pri brzini protoka od 80 sccm je manji od 0,0004 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.120 nm.

Poboljšani materijal od hidrogenisanog silicijuma, podešen da poseduje pogodne optičke karakteristike, koristi se u optičkim filterima prema predmetnom pronalasku. Posmatrajući Sliku 6, optički filter 600 sadrži stek 610 filtera koji je smešten na prvoj površini supstrata 620. U najvećem broju slučajeva, supstrat 620 je samo-stojeći supstrat, a tipično supstrat od stakla, na primer supstrat od borofloat stakla. Alternativno, supstrat 620 može biti senzor ili neki drugi uređaj. Kada je supstrat 620 samo-stojeći supstrat, često se na drugu površinu supstrata 620, koja se nalazi naspram prve površine, nanosi antirefleksivni (AR) sloj 630. U tipičnom slučaju AR sloj 630 jeste višeslojna ometajuća prevlaka, na primer Ta2O5/SiO2prevlaka. Takođe tipično AR sloj 630 poseduje debljinu od 0,1 µm do 1 µm.

Stek 610 filtera sadrži veći broj slojeva 611 hidrogenisanog silicijuma koji služe kao slojevi sa većim indeksom prelamanja i veći broj slojeva 612 sa nižim indeksom prelamanja, gde su oni naizmenično složeni. Uobičajeno, stek 610 filtera se sastoji od većeg broja slojeva 611 hidrogenisanog silicijuma i većeg broja slojeva 612 sa nižim indeksom prelamanja posloženih u sekvenci (H/L)n, (H/L)nH ili L(H/L)n. U tipičnom slučaju, stek 610 filtera sadrži ukupno od 10 do 100 slojeva, na primer 5 ≤ n ≤ 50. Takođe u tipičnom slučaju, svaki od slojeva 611 hidrogenisanog silicijuma i slojeva 612 sa nižim indeksom prelamanja poseduje debljinu od 3 nm do 300 nm, dok ceo stek 610 filtera poseduje debljinu od 1 µm do 10 µm. U opštem slučaju, broj slojeva i debljine se biraju prema posebnom optičkom dizajnu. Poželjno će optički filter 600 posedovati ukupnu debljinu svih prevlaka, tj. debljinu steka 610 filtera i AR sloja 630, manju od 10 µm.

Slojevi 611 hidrogenisanog silicijuma su sastavljeni od poboljšanog materijala od hidrogenisanog silicijuma podešenog tako da poseduje indeks prelamanja veći od 4 i koeficijent prigušenja manji od 0,0005 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.110 nm. Poželjno će materijal od hidrogenisanog silicijuma imati indeks prelamanja veći od 3,5 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm, tj. indeks prelamanja veći od 3,64, tj. oko 3,6 na talasnim dužinama od 830 nm. Viši indeks prelamanja je uobičajeno poželjna karakteristika. Ipak, u opštem slučaju materijal od hidrogenisanog silicijuma poseduje indeks prelamanja manji od 4,5 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm.

Poželjno, materijal od hidrogenisnog silicijuma će imati koeficijent prigušenja manji od 0,0004 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm, a poželjnije koeficijent prigušenja će biti manji od 0,0003 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm. U tipičnom slučaju će materijal od hidrogenisanog silicijuma imati koeficijent prigušenja veći od 0,01 na talasnim dužinama manjim od 600 nm, a poželjno i koeficijent prigušenja veći od 0,05 na talasnim dužinama manjim od 650 nm. Pošto materijal od hidrogenisanog silicijuma relativno jako apsorbuje talasne

1

dužine manje od 600 nm, u optičkom filteru 600 nije potreban dodatni stek za blokiranje.

Slojevi 612 sa nižim indeksom prelamanja su sastavljeni od materijala sa nižim indeksom prelamanja čiji je indeks prelamanja manji od indeksa slojeva 611 hidrogenisanog silicijuma u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm. U tipičnom slučaju će materijal sa nižim indeksom prelamanja imati indeks prelamanja manji od 3 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm. Poželjno će materijal sa nižim indeksom prelamanja posedovati indeks prelamanja manji od 2,5 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm, a poželjno će u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm indeks prelamanja biti manji od 2.

Niži indeks prelamanja je uobičajeno poželjan za slojeve 612 sa nižim indeksom prelamanja kako bi se povećala širina opsega talasnih dužina koji se blokira pomoću optičkog filtera 600, uz omogućavanje postizanja istog nivoa blokiranja sa manjim brojem slojeva u steku 610 filtera. Ipak u nekim slučajevima može biti poželjan i nešto viši nivo indeksa prelamanja koji je i dalje niži od onog koji poseduju slojevi 611 hidrogenisanog silicijuma kako bi se umanjilo pomeranje centralne talasne dužine sa promenom upadnog ugla, odnosno pomeranje ugla optičkog filtera 600.

U najvećem broju slučajeva, materijal sa nižim indeksom prelamanja je dialektrični materijal, a u tipičnom slučaju je oksid. Pogodni materijali sa nižim indeksom prelamanja obuhvataju silicijum dioksid (SiO2), aluminijum oksid (Al2O3), titanijum oksid (TiO2), niobijum pentoksid (Nb2O5), tantal pentoksid (Ta2O5), kao i njihove mešavine, tj. mešovite okside.

Optički filter 600 može biti proizveden primenom postupka depozicije raspršivanjem. U tipičnom slučaju se supstrat 620 postavlja u vakumsku komoru sistema za depoziciju raspršivanjem sličnom onom koji je ilustrovan na Slici 4. Nakon toga se na prvoj površini supstrata 620 naizmenično talože slojevi 611 hidrogenisanog silicijuma i slojevi 612 sa nižim indeksom prelamanja, kako bi se u više slojeva prevlaka formirao stek 610 filtera. U tipičnom slučaju se slojevi 611 hidrogenisanog silicijuma talože raspršivanjem silicijumske mete u prisustvu vodonika pomoću impulsne jednosmerne struje, kao što je opisano iznad. Takođe u tipičnom slučaju, slojevi 612 sa nižim indeksom prelamanja se talože raspršivanjem jedne ili više pogodnih metalnih meta u prisustvu kiseonika, na primer mete od silicijuma, mete od aluminijuma, mete od titanijuma, mete od niobijuma i/ili mete od tantala. Antirefleksini sloj 630 se na sličan način taloži na drugoj površini supstrata 620. Potrebno je naglasiti da je redosled formiranja steka 610 filtera i antirefleksivnog sloja 630 obično od važnosti.

Optički filter 600 je ometajući filter sa propusnim opsegom koji se najmanje delimično preklapa sa opsegom talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm. Propusni opseg može obuhvatati čitav opseg talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm, ili u tipičnijem slučaju, samo deo opsega talasnih dužina. Propusni opseg može biti ograničen na deo ili na ceo opseg talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm, ili se može pružati izvan ovog opsega talasnih dužina. Poželjno, optički filter 600 unutar propusnog opsega talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm poseduje nivo transmitanse koji je veći od 90%.

Optički filter 600 obezbeđuje blokiranje izvan propusnog opsega, tj. zaustavlja prolaz svetlosti sa jedne ili obe strane propusnog opsega, a tipično u opsegu talasnih dužina od 400 nm do 1.100 nm, a poželjno u opsegu talasnih dužina od 300 nm do 1.100 nm. Poželjno, optički filter 600 izvan propusnog opsega poseduje nivo blokiranja veći od OD2 u opsegu talasnih dužina od 400 nm do 1.100 nm, a poželjnije nivo blokiranja veći od OD3 u opsegu talasnih dužina od 300 nm do 1.100 nm.

U nekim slučajevima, optički filter 600 je visoko-propusni filter, odnosno filter za propuštanje dugačkih talasnih dužina, gde propusni opseg poseduje graničnu talasnu dužinu u opsegu od 800 nm do 1.100 nm. Ipak, u većini slučajeva, optički filter 600 je filter propusnih opsega, poželjno usko-propusni filter. U tipičnom slučaju, propusni opseg poseduje centralnu talasnu dužinu u opsegu talasnih dužina između 800 nm i 1.100 nm. Poželjno, propusni opseg poseduje punu širinu na polovini maksimuma (FWHM) manju od 50 nm. Često se čitav propusni opseg nalazi unutar opsega talasnih dužina između 800 nm i 1.100 nm.

U opštem slučaju, optički filter 600 poseduje malo pomeranje centralne talasne dužine sa promenom upadnog ugla. Poželjno je da pomeranje centralne talasne dužine propusnog opsega ima amplitudu manju od 20 nm u zavisnosti od promene upadnog ugla od 0° do 30°. U skladu sa tim, optički filter 600 poseduje širok opseg prihvatanja upadnih uglova.

Optički filter 600 može posedovati jedan iz većeg broja različitih optičkih dizajna. U opštem slučaju, optički dizajn optičkog filtera 600 je optimizovan za konkretan propusni opseg izborom pogodnog broja slojeva, materijala i/ili debljina steka 610 filtera. Neki primeri optičkih filtera, koji će biti kasnije opisani, uključuju Si:H/SiO2stek filtera i Ta2O5/SiO2antirefleksivni sloj koji su naneti na naspramne površine supstrata od borofloat stakla.

Posmatrajući Sliku 7, prvi primer optičkog filtera jeste usko-propusni filter koji je dizajniran da propušta svetlo u opsegu talasnih dužina između 829 nm i 859 nm i pri upadnim uglovima svetla od 0° do 30°. Prvi primer optičkog filtera sa Slike 7 se može uporediti sa prvim konvencionalnim optičkim filterom sa Slike 1 i neke karakteristike ovih optičkih filtera su upoređene na Slici 7A. Podaci dizajna, odnosno broj slojeva (od supstrata do vazduha), primenjeni materijali i debljine antirefleksivnog sloja i steka filtera prvog primera filtera, navedeni su na Slikama 7B i 7C, respektivno. Stek filtera sadrži 48 slojeva, antirefleksivni sloj sadrži 5 slojeva prevlake, dok je ukupna debljina svih slojeva prevlaka oko 5,7 µm.

Na Slici 7D su prikazani propušteni spektar 700 i 701 pri upadnim uglovima od 0° i 30°, respektivno, za prvi optički filter. Prvi optički filter poseduje nivo transmitanse unutar propusnog opsega veći od 90% i nivo blokiranja izvan propusnog opsega veći od OD3 za opseg talasnih dužina od 450 nm do 1.050 nm. Propusni opseg poseduje centralnu talasnu dužinu od oko 850 nm i FWHM od oko 46,5 nm pri upadnom uglu od 0°. Pri promeni upadnog ugla sa 0° na 30°, centralna talasna dužina propusnog opsega se pomera za oko 12,2 nm.

Poželjno, prvi primer optičkog filtera sa Slike 7 sadrži manje slojeva i ima manju ukupnu debljinu svih slojeva prevlaka u odnosu na prvi konvencionalni filter sa Slike 1. Preciznije, ukupna debljina svih slojeva prevlaka prvog primera optičkog filtera je oko jedne četvrtine ukupne debljine svih slojeva prvog konvencionalnog optičkog filtera. Stoga je prvi primer optičkog filtera jeftiniji za proizvodnju i jednostavniji za šabloniziranje. Takođe poželjno jeste to što prvi primer optičkog filtera poseduje manje pomeranje centralne talasne dužine sa promenom upadnog ugla. Stoga

1

propusni opseg prvog primera optičkog filtera može biti značajno uži uz istovremeno prihvatanje svetla u istom opsegu upadnih uglova i poboljšanje odnosa signal-šum sistema koji sadrži prvi primer optičkog filtera.

Prvi primer optičkog filtera može takođe biti upoređen sa analognim optičkim filterom koji sadrži stek Si/SiO2filtera, odnosno stek filtera koji sadrži slojeve nehidrogenisanog silicijuma umesto steka sa Si/SiO2filterima. Na Slici 7 su prikazani prolazni spektar 710 i 711 pri upadnim uglovima od 0° i 30° respektivno za ovaj filter. Nivo transmitanse unutar propusnog opsega ovog optičkog filtera je isuviše nizak kako bi bio od koristi.

Prema Slici 8, drugi primer optičkog filtera je filter propusnih užeg opsega koji je dizajniran da propušta svetlost na talasnoj dužini od 825 nm pri opsegu upadnih uglova od 0° do 20°. Drugi primer optičkog filtera sa Slike 8 je uporediv sa drugim konvencionalnim optičkim filterom sa Slike 2 i neke od karakteristika ovih optičkih filtera su upoređene na Slici 8A. Parametri dizajna antirefleksivnog sloja drugog primera optičkog filtera, koji su isti kao i za prvi primer optičkog filtera, navedeni su na Slici 7B. Parametri dizajna steka filtera drugog primera optičkog filtera navedeni su na Slici 8B. Stek filtera sadrži 25 slojeva, antirefleksivni sloj sadrži 5 slojeva prevlake i ukupna debljina svih slojeva prevlaka je oko 3,3 µm.

Na Slici 8C prikazan je prolazni spektar 800 i 801 za upadne uglove od 0° i 20° respektivno, drugog primera optičkog filtera. Drugi primer optičkog filtera unutar propusnog opsega poseduje nivo transmitanse veći od 90%, a izvan propusnog opsega nivo blokiranja veći od OD2 za opseg talasnih dužina od 400 nm do 1.100 nm. Propusni opseg poseduje centralnu talasnu dužinu od oko 829 nm i FWHM od oko 29,6 nm za upadni ugao od 0°. Sa promenom upadnog ugla sa 0° na 20°, centralna talasna dužina propusnog opsega se pomera za oko -7,8 nm.

Slično prvom primeru optičkog filtera sa Slike 7, drugi primer optičkog filtera sa Slike 8 poželjno sadrži manji broj slojeva, poseduje manju ukupnu debljinu slojeva prevlake i poseduje manje pomeranje centralne talasne dužine sa promenom upadnog ugla u odnosu na drugi konvencionalni optički filter sa Slike 2.

Drugi primer optičkog filtera može biti takođe upoređen sa analognim optičkim filterom uključujući i Si/SiO2stek filtera umesto Si:H/SiO2steka filtera. Na Slici 8D su prikazani propušteni spektar 810 i 811 pri upadnim uglovima od 0° i 20°, respektivno. Nivo transmitanse unutar propusnog opsega ovog optičkog filtera je isuviše nizak kako bi bio od koristi.

Prema Slici 9, treći primer optičkog filtera jeste filter propusnih uskog propusnog opsega koji je dizajniran da propušta svetlost u opsegu talasnih dužina od 845 nm do 865 nm pri opsegu upadnih uglova od 0° do 40°. Treći primer optičkog filtera sa Slike 9 je uporediv sa trećim konvencionalnim optičkim filterom sa Slike 3. Parametri dizajna antirefleksivnog sloja trećeg primera optičkog filtera, koji su isti kao i kod prvog primera optičkog filtera, navedeni su na Slici 7B. Parametri dizajna za stek filtera trećeg primera optičkog filtera su navedeni na Slici 9A. Stek filtera sadrži 29 slojeva, antirefleksivni sloj sadrži 5 slojeva prevlake dok je ukupna debljina svih slojeva prevlake oko 4,8 µm.

Na Slici 9B prikazani su propušteni spektar 900 i 901 pri upadnim uglovima od 0° i 40°, respektivno, za treći primer optičkog filtera. Treći primer optičkog filtera sa Slike 9 poseduje suštinski istu širinu propusnog opsega kao i treći konvencionalni optički filter sa Slike 3, ali poseduje nešto niži nivo transmitanse unutar propusnog opsega. Poželjno, ipak, treći primer optičkog filtera prihvata svetlost pri značajno većem opsegu upadnih uglova od 0° do 40° u odnosu na treći konvencionalni optički filter, koji prihvata svetlost pri opsegu upadnih uglova od samo 0° do 24°. Drugim rečima, treći primer optičkog filtera prihvata značajno širi opseg upadnih uglova. Takođe poželjno, treći primer optičkog filtera sadrži manje slojeva i ima manju ukupnu debljinu slojeva prevlake, oko jedne petine ukupne debljine slojeva prevlake trećeg konvencionalnog optičkog filtera.

Kao što je napomenuto ranije, optički filter prema predmetnom pronalasku je posebno koristan kada čini deo senzorskog sistema, kao što je na primer sistem senzora blizine, sistem za snimanje 3D slike ili sistem za prepoznavanje pokreta. Prema Slici 10 tipičan senzorski sistem 1000 sadrži izvor svetla 1010, optički filter 1020 prema predmetnom pronalasku i senzor 1030. Potrebno je naglasiti da su drugi elementi koji su uobičajeno prisutni u senzorskim sistemima, poput optike, izostavljeni radi uprošćenja ilustracije.

1

Izvor svetla 1010 emituje svetlost u talasnom opsegu od 800 nm do 1.100 nm. U tipičnom slučaju, izvor svetla 1010 emituje modulisano svetlo, odnosno svetlosne impulse. Prvenstveno, izvor svetla 1010 je LED dioda, niz LED dioda, laserska dioda ili niz laserskih dioda. Izvor svetla 1010 emituje svetlo prema meti 1040 koja reflektuje emitovano svetlo nazad prema senzorskom sistemu 1000. Kada je senzorski sistem 1000 sistem za prepoznavanje pokreta, meta 1040 je korisnik sistema za prepoznavanje pokreta.

Optički filter 1020 je postavljen tako da prihvati emitovano svetlo nakon refleksije od strane mete 1040. Optički filter 1020 poseduje propusni opseg koji obuhvata emitovane talasne dužine i najmanje delimično se preklapa sa opsegom talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm. U tipičnom slučaju, optički filter 1020 je filter propusnik opsega, a poželjno propusnik uskog opsega, kao što je opisano u prethodnom tekstu. Optički filter 1020 propušta emitovano svetlo iz izvora 1010 svetla uz značajno blokiranje ambijentalnog svetla. Ukratko, optički filter 1020 prima emitovano svetlo iz izvora 1010 svetla nakon njegove refleksije od mete 1040 i propušta emitovano svetlo do senzora 1030.

Senzor 1030 je postavljen tako da prima emitovano svetlo nakon što je ono propušteno od strane optičkog filtera 1020, odnosno senzor 1030 je smešten iza optičkog filtera 1020. U nekim slučajevima optički filter 1020 je obrazovan direktno na senzoru 1030 i, stoga, postavljen na senzoru 1030. Na primer, optički filter 1020 može posedovati izvedene slojeve prevlake i biti šabloniziran, na primer postupkom fotolitografije, na senzorima, na primer senzorima blizine, prilikom obrade na nivou supstrata, tzv. wafer-a (WLP – Wafer Level Processing).

Kada je senzorski sistem 1000 sistem senzora blizine, senzor 1030 je senzor blizine koji detektuje emitovano svetlo kako bi odredio blizinu mete 1040, pomoću postupaka koji su poznati u ovoj oblasti tehnike. Kada je senzorski sistem 1000 sistem za snimanje 3D slike ili sistem za prepoznavanje pokreta, senzor 1030 je senzor trodimenzionalne slike, odnosno CCD čip ili CMOS čip, koji detektuje emitovano svetlo kako bi obezbedio trodimenzionalnu sliku mete 1040 koja je, u nekim slučajevima, korisnik. U tipičnom slučaju, sistem za snimanje 3D slike konvertuje optičke informacije u električne signale radi obrade od strane sistema za obradu podataka, odnosno čipa aplikativno-specifičnog integrisanog kola (ASIC) ili

1

čipa za digitalnu obradu signala (DSP) prema postupcima poznatim u stanju tehnike. Na primer, kada je sistem 1000 senzora sistem za prepoznavanje pokreta, sistem za obradu podataka obrađuje 3D sliku korisnika kako bi prepoznao njegov pokret.

1

Claims (17)

PATENTNI ZAHTEVI

1. Optički filter sa propusnim opsegom koji se najmanje delimično preklapa sa opsegom talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm i sa centralnom talasnom dužinom u opsegu od 800 nm do 1.100 nm koja se pomera za manje od 20 nm sa promenom upadnog ugla u opsegu od 0° do 30°, sadrži stek filtera koji sadrži veći broj slojeva od hidrogenisanog silicijuma i veći broj slojeva sa nižim indeksom prelamanja,

gde svaki od većeg broja slojeva od hidrogenisanog silicijuma poseduje indeks prelamanja veći od 3 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm i koeficijent prigušenja manji od 0,0005 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm, i gde svaki od većeg broja slojeva sa nižim indeksom prelamanja poseduje indeks prelamanja manji od 3 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm, pri čemu su ovi slojevi naslagani naizmenično sa većim brojem slojeva od hidrogenisanog silicijuma;

naznačen time, što je veći broj slojeva od hidrogenisanog silicijuma formiran taloženjem pri brzini protoka vodonika većoj od 80 sccm postupkom raspršivanja pomoću impulsne jednosmerne struje;

i što su slojevi sa nižim indeksom prelamanja sastavljeni od silicijum dioksida (SiO2), aluminijum oksida (Al2O3), titanijum dioksida (TiO2), niobijum pentoksida (Nb2O5), tantal pentoksida (Ta2O5) ili njihove mešavine.

2. Optički filter prema Zahtevu 1, gde svaki od slojeva od hidrogenisanog silicijuma poseduje indeks prelamanja veći od 3,6 na talasnoj dužini od 830 nm.

3. Optički filter prema Zahtevu 1, gde svaki od slojeva od hidrogenisanog silicijuma poseduje indeks prelamanja veći od 3,5 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm.

4. Optički filter prema Zahtevu 1, gde svaki od slojeva hidrogenisanog silicijuma poseduje koeficijent apsorpcije manji od 0,0004 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm.

5. Optički filter prema Zahtevu 1, gde svaki od slojeva sa nižim indeksom prelamanja poseduje indeks prelamanja manji od 2,5 u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm.

6. Optički filter prema Zahtevu 1, gde je optički filter visoko propusni-filter za propuštanje dugih talasnih dužina i gde propusni opseg poseduje graničnu talasnu dužinu u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm.

7. Optički filter prema Zahtevu 1, gde je optički filter propusnik opsega i gde propusni opseg poseduje centralnu talasnu dužinu u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm.

8. Optički filter prema Zahtevu 7, gde propusni opseg poseduje punu širinu na polovini maksimuma (FWHM) manju od 50 nm.

9. Optički filter prema Zahtevu 1, gde je nivo transmitanse unutar propusnog opsega veći od 90%.

10. Optički filter prema Zahtevu 1, gde propusni opseg poseduje centralnu talasnu dužinu u opsegu talasnih dužina od 825 nm do 865 nm pri čemu se centralna talasna dužina pomera za manje od 12,2 nm sa promenom upadnog ugla u opsegu od 0° do 30°.

11. Senzorski sistem koji sadrži:

izvor svetlosti radi emitovanja svetla u opsegu talasnih dužina od 800 nm do 1.100 nm;

optički filter prema bilo kojem od Zahteva 1 do 10, gde propusni opseg sadrži opseg emitovanih talasnih dužina, postavljen tako da prima emitovano svetlo i propušta ga; i

senzor postavljen tako da prihvata emitovano svetlo nakon prolaska kroz optički filter, radi detektovanja emitovanog svetla.

1

12. Senzorski sistem prema Zahtevu 11, gde je optički filter postavljen na senzoru.

13. Senzorski sistem prema Zahtevu 11, gde je izvor svetla namenjen da emituje svetlost prema meti, gde je optički filter postavljen tako da prima emitovanu svetlost nakon reflektovanja od mete, i gde je senzor senzor blizine radi detektovanja emitovanog svetla kako bi detektovao blizinu mete.

14. Senzorski sistem prema Zahtevu 11, gde je senzorski sistem sistem za trodimenzionalno snimanje, gde je izvor svetla namenjen da emituje svetlost prema meti, gde je optički filter postavljen tako da prima emitovanu svetlost nakon reflektovanja od mete, i gde je senzor senzor 3D slike radi detektovanja emitovanog svetla kako bi se obrazovala 3D slika mete.

15. Senzorski sistem prema Zahtevu 14, gde je sistem za trodimenzionalno snimanje sistem za prepoznavanje pokreta, i gde je meta korisnik sistema za prepoznavanje pokreta, i gde senzorski sistem dodatno sadrži sistem za obradu podataka kako bi vršio obradu 3D slike korisnika radi prepoznavanja njegovog pokreta.

16. Senzorski sistem prema Zahtevu 11, gde je optički filter postavljen direktno na senzoru.

17. Senzorski sistem prema Zahtevu 11, gde optički filter sadrži više od jedne šupljine.

2