用于微型光谱仪的具有高透射和大抑制范围的干涉滤波器

摘要

本发明涉及用于接收入射光（135）且选择将被透射入射光的光成分（115）的干涉滤波器（100）。该干涉滤波器（100）包括金属镜（110）、电介质镜（130）和布置在金属镜（110）和电介质镜（130）之间的垫片（120）。金属镜（110）和电介质镜（130）配置成使得垫片（120）中的光学干涉能够选择将被透射入射光的光成分（115）。相对于现有技术方法，利用一个金属镜和一个电介质镜允许在减小滤波器中的总层数且减小用于去除透射边带所必需的附加滤波器数目的同时，实现具有高精细度和大抑制带的光谱响应。

说明书

技术领域

本发明涉及光学滤波器，且更具体而言涉及干涉滤波器和包括这种干涉滤波器的微型光谱仪。

背景技术

近年来，研发了包括多个光源的照明系统。这种照明系统的实例是结构（例如，房间、大堂或车辆）中的若干组光源的布置，它允许消费者获得用于该结构的所需周围环境。诸如发光二极管（LED）的光源被电驱动以产生特定光谱的光。各个光源的光谱会由于光源不同而不同，随时间变化且与驱动电平相关。因而，为了实现照明系统的适当控制，光谱的精确测量是必须的。

测量照明系统的光谱的一种方法是使用包括耦合到光电检测器的窄带滤色器阵列的光谱仪。每个光电检测器测量经由相应滤色器滤过的光谱的一小部分。使用源于多个光电检测器的相应结果，可以重构整个光谱。

一种类型的窄带滤色器是包括通过垫片层分离的两个电介质镜的干涉滤波器。尽管这种滤波器提供所需波长处的较高的透射和极窄的响应，但这种类型的滤波器具有的固有缺点在于：除了所需的波长，还存在滤波器的抑制带之外的透过滤波器的其他波长（即，边带）。为了消除边带，滤波器必须与高通和低通滤波器组合。这增加了包括这种滤波器的设备的复杂性和成本。另外，边带导致这种情形：为了选择将被透射入射光的光成分，不仅垫片层的厚度需要变化，而且电介质镜的厚度也需要变化。这对于光谱仪应用是有问题的。对于这些应用，希望尽可能在层中具有小变化以获得光谱可见部分中必须的尽可能多的不同滤波器响应。

另一种类型的窄带滤色器是包括通过垫片层分离的两个金属镜的干涉滤波器。这种滤波器典型地未受到针对电介质镜提及的边带问题的困扰。此外，增加金属镜的厚度允许使得响应变窄。然而，这种滤波器的透射不可能与使用电介质镜的滤波器几乎一样高，这是因为增加金属镜的厚度还导致所需波长处的减小的透射。另外，作为从光学角度最优选的金属，银在周围环境条件下具有较差稳定性。因此，典型地需要附加封装来保护银，这同样增加了包括这种镜的设备的复杂性和成本。 

如前文所说明，在现有技术中存在提供在所需波长具有高透射、窄响应、大抑制带、和在周围环境条件中具有良好稳定性的干涉滤波器的需要。 

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改善的和成本有效的干涉滤波器，以及包含这种干涉滤波器的微型光谱仪。

本发明的一个目的通过一种干涉滤波器实现，该干涉滤波器包括金属镜、电介质镜和位于金属镜和电介质镜之间的垫片。金属镜和电介质镜配置成使得垫片中的光学干涉能够选择将被透射入射光的光成分。金属镜可以包括银，而电介质镜可以包括在高折射率材料上布置低折射率材料的至少一个重复单元的四分之一波长叠层。垫片可以包括腔体，该腔体填充以气体（优选地惰性气体）或非气体材料，该气体或非气体材料对于将被透射入射光的光成分是光学透明的。

相对于在背景部分中描述的基于金属镜的滤波器和基于电介质镜的滤波器来讲，组合一个电介质镜和一个金属镜允许具有所选光成分的较高透射值，且允许在保持镜厚度恒定的同时通过仅改变垫片的厚度在较宽波长范围内调节干涉滤波器的选择性。

还公开了包括这种干涉滤波器的微型光谱仪。微型光谱仪还包括配置成用于检测干涉滤波器透射的光成分的光电检测器。

此外，提供一种用于制造至少第一干涉滤波器以用于接收入射光且选择将被透射入射光的第一光成分的方法。该方法包括以下步骤：提供第一金属镜；在第一金属镜之上提供垫片；和在垫片之上提供电介质镜。第一金属镜、基本在第一金属镜之上提供的垫片的一部分、和基本在所述基本在第一金属镜之上提供的垫片的一部分之上提供的电介质镜的一部分形成第一干涉滤波器，以用于接收入射光且选择将被透射入射光的第一光成分。

本发明的主旨在于通过包含由垫片分离的金属镜和电介质镜提供混合光学干涉滤波器。对于固定厚度的金属镜和电介质镜，可以通过选择或控制垫片厚度来获得滤波器的所需光谱响应。相对于现有技术方法来讲，以这种方式利用一个金属镜和一个电介质镜允许在减小滤波器中总层数且减小用于去除透射边带所必需的附加滤波器数目的同时，实现了具有高精细度和大抑制带的光谱响应。再者，根据本发明的一个实施例，提供金属镜作为底镜且使用垫片和电介质镜覆盖金属镜允许防止金属镜劣化，且在维持保护金属镜的同时有助于结构的划片或锯切。

当在此使用时，术语“光”表示可见光谱内或外的光学辐射。

权利要求2和权利要求7的实施例有利地允许通过改变垫片的厚度或组成选择将被透射入射光的光成分。例如，通过改变组成以控制折射率，有效光学厚度改变。因而，这允许调节将被透射入射光的光成分的选择。

权利要求10和15的实施例详细说明在保持金属镜和电介质镜的厚度恒定的同时，垫片的厚度可以变化以选择将被透射的光成分。权利要求3和8的实施例有利地公开了在保持金属镜和电介质镜的厚度恒定的同时，用于改变垫片厚度的范围和与将被透射入射光的光成分相关的范围。

权利要求4和14的实施例使得能够保护金属镜以免受周围环境条件的影响。

权利要求5的实施例允许在金属镜之下包含垫片层。

权利要求9的实施例允许在微型光谱仪中包含多于一组的干涉滤波器和用于检测光成分的光电检测器，该光成分在将被透射的多个波长中分别不同。

权利要求12的实施例有利地允许制造两个干涉滤波器。在特定实施例中，垫片和电介质镜中至少一个可以同时布置在两个滤波器之上。

权利要求13的实施例有利地公开了可以在包括光电检测器的衬底上制造至少一个干涉滤波器。

此后，将更详细描述本发明的各实施例。然而应当意识到，这些实施例不应解读为限制本发明的保护范围。

附图说明

附图中：

图1是根据本发明一个实施例的混合滤波器的示意性说明； 

图2A说明长波长范围中7层混合滤波器的光谱响应；

图2B说明长波长范围中具有变化垫片厚度的7层混合滤波器的光谱响应；

图3A说明短波长范围中7层混合滤波器的光谱响应；

图3B说明短波长范围中具有变化垫片厚度的7层混合滤波器的光谱响应；

图4A是根据本发明一个实施例的具有两个混合滤波器的设备示意性说明；

图4B是根据本发明另一实施例的具有两个混合滤波器的设备示意性说明；

图5是根据本发明一个实施例的微型光谱仪的示意性说明；和

图6示出根据本发明一个实施例的微型光谱仪的应用。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的混合金属-电介质滤色器100的示意性说明。如所示，混合滤波器100包括金属镜110和电介质镜130。垫片120夹置在金属镜110和电介质镜130之间。

金属镜110可以包括诸如银（Ag）或铝（Al）的金属薄层。电介质镜130可以包括在高折射率材料之上布置低折射率材料的一个或更多重复单元的电介质四分之一波长反射器叠层。金属镜110和电介质镜130对于特定应用感兴趣波长的光是半反射的。

只要对于感兴趣波长的光是基本透明的，垫片120可以包括任意材料。在可见波长范围内，垫片120例如可以包括SiO₂、TiO₂、SiN、Ta₂O₅或ZnS。垫片120还可以包括填充以液体、空气、或气体、优选地惰性气体的腔体。 

在下面的讨论中，假设金属镜110布置在衬底上，垫片120包括布置在金属镜110之上的固体材料，且电介质镜130布置在垫片120之上。然而，在其他实施例中，电介质镜130可以布置在衬底上，垫片120（气体或固体）布置在电介质镜130和金属镜110之间，金属镜110布置成为覆盖电介质镜130和垫片120的顶镜（top mirror）。

如图1所示，在操作中，各个波长的光可以作为“入射光135”入射在混合滤波器100上，尤其是入射在混合滤波器100的电介质镜130上。由于两个半反射表面（金属镜110和电介质镜130）在垫片120中创建的光学干涉，仅某一波长范围的光成分将经过混合滤波器100（即，如图1所示，将作为“滤过的光115”从金属镜110出射）。此处，该特定波长范围被称为“透射带”，且此处透射带中具有最大透射的光的波长被称为滤波器光谱响应的“中心波长”。此处，不经过混合滤波器100的光的波长被称为属于“抑制带”。

金属镜110典型地布置在衬底（在图1中未示出）和/或配置成接收滤过的光115的光电检测器或其他设备（在图1中未示出）之上。在这种实施例中，金属镜110可以被垫片120完全覆盖，即，除了面对在其上布置金属镜110的衬底、光电检测器或其他设备的面，在其所有面上被垫片120覆盖。这种布置可以防止金属镜110劣化。

混合滤波器100被认为是提供特定光谱响应。可以在例如特定透射和抑制带、响应中的特定中心波长、中心波长的光的特定透射值和/或滤过的光成分的特定半高宽（FWHM）方面描述光谱响应。除了其他因素之外，对于特定入射光，混合滤波器的光谱响应取决于金属镜110、垫片120和电介质镜130的组成和厚度。在每个下面的讨论中，假设金属镜110、垫片120和电介质镜130的组成被选择且保持恒定。

如图2A、2B、3A和3B所示，对于固定厚度的金属镜110和电介质镜130，可以通过选择适当厚度的垫片120获得混合滤波器100的所需光谱响应。

图2A示出当垫片120的厚度是162纳米（nm）时，长波长范围中7层混合滤波器的光谱响应。根据本发明的一个实施例，7层混合滤波器可以包括如下的7层。金属镜110可以包括30nm厚的Ag（底）层。垫片120可以包括SiN层。电介质镜130可以包括用于650nm参考波长的5个TiO₂（高折射率材料）和SiO₂（低折射率材料）的四分之一波长厚的层。本领域技术人员将意识到，术语“参考波长”表示电介质镜130反射率的中心在其附近的波长。

图2A的x轴用于表示以nm测量的波长。图2A的y轴用于以百分比表示正比于滤过的光115的强度和入射光135的强度之间比率的透射率。如图2A所示，光谱响应的特征在于相对大的抑制带、在（约700nm）中心波长的高透射和小FWHM（即，高精细度）。 

图2B说明如图2A所述7层混合滤波器的光谱响应，但是其中垫片120的厚度在98nm和162nm之间变化。如图2B所示，改变垫片120的厚度偏移了响应的中心波长。对于550nm和900nm之间的波长，所有所示响应具有在其中心波长的高透射和小FWHM。低于550nm波长处的附加透射可以通过包括单个高通玻璃滤波器或高通电介质滤波器滤出。此处，透射带之外的这种附加透射被称为“透射旁瓣”。 

根据本发明的另一实施例，混合滤波器100可以包括如下的7层。金属镜110可以包括30nm厚的Ag（底）层。垫片120可以包括SiN层。电介质镜130可以包括用于460nm参考波长的5个TiO₂（高折射率材料）和SiO₂（低折射率材料）四分之一波长厚的层。图3A说明当垫片120的厚度是133nm时短波长范围中这种7层混合滤波器的光谱响应。

如图3A所示，光谱响应的特征同样在于相对大的抑制带、在（约540nm）中心波长的高透射和高精细度。图3B说明如图3A所述7层混合滤波器的光谱响应，但是其中垫片120的厚度在58nm和133nm之间变化。如图3B所示，改变垫片120的厚度偏移了光谱响应的中心波长。对于400nm和550nm之间的波长，图3B中所示的所有响应具有在中心波长的高透射和小FWHM。约550nm之上波长处的透射旁瓣可以通过包含一个或更多附加滤波器滤出。

如上所述，相对于现有技术方法来讲，具有金属镜110作为“底”镜和电介质镜130作为“顶”镜的混合滤波器100允许在减小去除透射旁瓣所必需的附加滤波器数目的同时，实现大抑制带和滤过的光的高精细度。

再者，混合滤波器100允许仅通过改变垫片120的厚度（即，不改变金属镜110和电介质镜130的厚度）偏移光谱响应的中心波长。对于背景部分中描述的全电介质滤波器来讲，这是不可能的。本领域技术人员将意识到，为了在保持大抑制带的同时偏移全电介质滤波器的中心波长，电介质镜的厚度也必须改变。如下所述，能够仅通过改变垫片120的厚度偏移中心波长的特征简化了包括具有不同光谱响应的两个或更多滤波器的设备（例如，光谱仪、光传感器）的制造，因为否则对于每个滤波器需要沉积新的叠层，这样导致更多的沉积运作和更多的光刻。

图4A是根据本发明一个实施例的具有混合滤波器401和混合滤波器402的设备400A的示意性说明。如所示，混合滤波器401和402布置在诸如玻璃或蓝宝石的透明衬底440上。

可选地，薄膜垫片层450可以布置在混合滤波器401和402以及衬底440之间。垫片层450可以包括任意材料，只要该材料在感兴趣波长中是基本透明的。在可见波长范围内，垫片层450例如可以包括SiO₂、TiO₂、SiN、Ta₂O₅或ZnS。垫片层450的厚度可以选择为处于感兴趣波长的子波长范围内，以避免影响混合滤波器401和402的响应。例如，在可见波长范围内，垫片层450的厚度可以是5至50nm。垫片层450的厚度还可以选择为使得垫片层450在感兴趣波长范围之上产生平坦透射。这种情况下，对于可见波长范围，垫片层450的厚度可以大约为50nm。

如图4A进一步示出，结构化的金属镜410可以用作混合滤波器401和402的“底”镜。这种结构化金属镜410类似于图1中描述的金属镜110，且可以例如通过阴影掩膜沉积。备选地，金属层可以被溅射且然后可以通过光刻而图案化以产生结构化金属镜410。因而，尽管单个集成的金属镜是可能的，但优选地，金属镜被图案化。当连续的垫片层420沉积在金属镜410之上时－类似于图1中描述的垫片120－对金属镜图案化，导致镜部分被垫片完全封装。这增加了免受劣化影响的保护，例如暴露于包括氯化物和硫化物的空气/水的影响下的氧化。此外，应用图案化的金属镜允许在无需通过金属层切割（这将使其再次暴露于周围环境）的条件下分割产品。在垫片420沉积期间或之后，可以针对混合滤波器401和402的垫片420限定不同的层厚度。这可以通过对不同区域刻蚀不同时间周期以形成阶梯状结构来实现。备选地，可以获得连续渐变厚度的垫片，以形成楔型结构。作为制造的最后一个步骤，在垫片420之上沉积电介质镜430。电介质镜430类似于图1中描述的电介质镜130。

垫片420和/或电介质镜430可以完全覆盖金属镜410，包括金属镜410的侧面，因而提供金属镜410的自动封装。使用这种方法，由于其光学属性优选地用在混合滤波器中、但在周围环境条件中具有较差稳定性的金属可以用在混合滤波器401和402中。再者，金属镜410的完全覆盖还允许在保持保护金属镜410的同时实现设备400A的划片或锯切（例如，用于分离混合滤波器401和402）。

因为在混合滤波器401和402中垫片420具有不同的厚度，这些滤波器提供不同的光谱响应（即，这些滤波器透射不同的光成分）。更具体而言，混合滤波器401光谱响应的中心波长不同于混合滤波器402光谱响应的中心波长。同时，金属镜410和电介质镜430的组成和厚度对于两个混合滤波器401和402可能相同。使用一个电介质和一个金属镜，允许具有用于所选光成分的较高透射值，且允许仅经由选择垫片420的厚度（即，同时保持各镜的组成和厚度恒定）选择在比使用基于全电介质镜的干涉滤波器的可能波长范围更宽波长范围内的光谱响应（即，将要被滤波器透射的光成分），且还具有比背景部分中描述的基于全金属镜的干涉滤波器更高的透射。

用于仅通过改变垫片420的厚度选择光谱响应的范围取决于滤波器低波长端的边带的光谱位置。例如，对于包括30nm厚的银镜、SiN垫片和包括5层交替的SiO₂和TiO₂层的电介质镜的干涉滤波器，垫片420的厚度可以从100nm变化到160nm，以在保持电介质镜和金属镜的组成和厚度恒定的同时选择560和700nm之间光谱响应的中心波长。因而，垫片420的厚度可以限定在60nm的范围内以选择具有在140nm范围内中心波长的将被透射入射光的光成分，同时金属镜410的厚度和电介质镜430的厚度保持恒定。在这种情况中，设备400可以制造为包括：含有30nm厚银层的金属镜410、包括5层交替的SiO₂和TiO₂的电介质镜430、包括SiN层的垫片420，该SiN层在形成干涉滤波器401的垫片420的第一部分中具有例如100nm厚度，且在形成干涉滤波器402的垫片420的第二部分中具有例如160nm厚度。使用这种配置，干涉滤波器401透射的光成分的中心波长将是560nm，而干涉滤波器402透射的光成分的中心波长将是700nm。因此，设备400可以有利地用在例如微型光谱仪应用中，其中希望能够使用尽可能小的努力和层中变化在光谱的可见部分中获得若干不同滤波器响应。按上述方式制造设备400允许减小系统（可能包含有设备400）的成本和复杂性。

图4B是根据本发明另一实施例的具有两个混合滤波器401和402的设备400B的示意性说明。设备400B与设备400A的不同之处仅在于金属镜410布置在硅衬底460上而不是透明衬底440上。在这种情况下，垫片层450可以起到将金属电极与硅衬底中的光电检测器电绝缘的目的。如图4B所示，硅衬底460可以包括光电检测器471和472。混合滤波器401和402布置在光电检测器471和472之上，使得光电检测器471配置成接收混合滤波器401滤过的光，且光电检测器472配置成接收混合滤波器402滤过的光。如上所述，混合滤波器401和402中每一个选择为仅透射某一波长范围的光，这导致借助于相应光电检测器471和472在两个相当窄波长范围中光强度的精确测量。可以借助于控制电子电路处理源于混合滤波器401和402透射光检测的电信号。这些也可以布置在硅衬底460中（图4B中未示出）。

图5是根据本发明一个实施例的微型光谱仪500的示意性说明。如图所示，微型光谱仪500至少包括混合滤波器501和502且可选地包括混合滤波器503-509。类似于图4A和4B中描述的混合滤波器401和402，混合滤波器501-509可以被沉积和结构化。垫片420的厚度在混合滤波器501-509中变化，导致来自每个混合滤波器501-509的各种光谱响应。换句话说，混合滤波器501-509中至少两个混合滤波器从入射到微型光谱仪500上多个波长的光中进行选择，以透射具有不同波长范围的光成分。总之，来自混合滤波器501-509的光谱响应可以组成入射光的整个光谱。例如，来自混合滤波器501-509的光谱响应之和可以覆盖整个可见光谱。

混合滤波器501-509可以沉积在衬底上，该衬底至少包括光电检测器571和572，且可选地包括布置在每个混合滤波器501-509透射光路径中的光电检测器573-579（即，如图4B所示那样，基本位于混合滤波器501-509下方）。源自于每个光电检测器571-579的滤过光检测的电信号可以经由图5中未示出的电接触提取。

图6说明根据本发明一个实施例的微型光谱仪500在系统600中的应用。系统600是无线远程控制设备控制系统，即，在包括远程控制设备630和灯620的结构中，其中目标设备借助于远程控制设备被无线控制的系统。人P可以通过使用远程控制设备630控制灯620的操作。控制例如涉及控制灯620发射光的颜色。为了实现灯620的适当控制，微型光谱仪500可以被包含在远程控制设备630中。如图5所述，微型光谱仪500包括耦合到光电检测器571-579的窄带混合滤波器501-509的阵列。每个光电检测器571-579测量经由混合滤波器501-509的相应一个混合滤波器而被透射光谱的一小部分。使用来自多个光电检测器571-579的各个结果，远程控制设备630中的处理单元（在图6中未示出）可以重构入射到远程控制设备630上的光的整个光谱。

尽管上面针对的是本发明的实施例，但可以在不偏离本发明基本范围的条件下设计本发明的其他和另外实施例。例如，本发明的方面可以以硬件或软件或硬件和软件组合的形式实现。因此，本发明的范围由下面的权利要求书确定。