CN100334471C - 具有多腔结构的窄带滤光片列阵 - Google Patents

具有多腔结构的窄带滤光片列阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有多腔结构的窄带滤光片列阵，它是利用多个F-P结构膜系来形成多腔，通过组合镀膜或组合刻蚀方法来形成谐振腔层列阵，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。这种结构适用于各个波段多腔窄带滤光片列阵。这种结构的优点是滤光片的带通矩形度好，易于多通带集成，可以更多地获取各光谱通带内的信号、同时更好地抑制掉通带外的噪声，大大提高信噪比，能够满足工程化和实用化需要。

Description

具有多腔结构的窄带滤光片列阵
技术领域
本发明涉及光学滤光片，具体是指一种具有多腔结构的窄带滤光片列阵。
背景技术
分光技术是多光谱检测技术中的核心技术之一，已经广泛应用于环境监测、生物医学、科技农业、工业流程监控，以及地面或航空、航天领域中对导弹、流星、云、雨、地貌等目标及其背景的探测等军事和民用领域。传统的分光方式主要有光栅、棱镜、滤光片转轮，以及傅立叶变换等方法。虽然这些方法大多可以进行全谱扫描，分辨率高，但其缺点是都涉及机械传动装置，不仅限制了信息读出的速度，还大大降低了仪器的抗振性能和可靠性；而且光栅和棱镜式系统的结构过于庞大，对于现场和野外，尤其是航天遥感使用特别不利。随着光谱分析仪器的小型化和轻量化需求，以及环保、野外、现场检测和多光谱航天遥感在可靠性和抗振性方面的特殊要求，需要采用与探测器兼容的无机械传动装置的分光技术。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，由于可与探测器列阵结合共同构成光谱可识别的探测器，大大简化分光系统，提高仪器的可靠性、稳定性和光学效率，因此新一代微小型化光谱仪器的分光系统都趋于采用这种新型结构，见J.R.Toweret 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，多年来却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。本发明人已经提出一些制备效率和成品率都很高的集成滤光片列阵，如发明专利200310108346.5，200410067892.3。但这些方法所制备的集成滤光片列阵都是单腔结构的，虽然具备了集成滤光片列阵的基本功能，可以达到分光的目的，但其带通矩形度(或波形)仍不够好，这样带通范围内信号的利用率就不够高，还难以真正达到工程化和实用化要求。
发明内容
基于上述单腔滤光片列阵存在的不足，本发明的目的是提出一种矩形度明显改善的集成多腔滤光片列阵，以满足工程化和实用化的需求。
本发明的集成多腔滤光片列阵是以F-P膜系结构设计的，所说的多腔可以是：双腔、三腔或四腔，它们分别在各自的基片上通过真空镀膜方法生成下列膜系，膜系的具体结构如下：
双腔为：H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)a-1H，
三腔为：H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)aH(LH)ayL(HL)a-1H，
四腔为：H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)aH(LH)ayL(HL)aH(LH)azL(HL)a-1H，
其中wL、xL、yL、zL为谐振腔层，w＝x＝y＝z。H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，a和a-1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wL、xL、yL、zL为厚度不同的列阵，其厚度值随w、x、y和z的取值变化，一般w、x、y和z的取值范围为1＜w＝x＝y＝z＜3或3＜w＝x＝y＝z＜5，相应单元的谐振腔层厚度完全相同。
所说的厚度不同的谐振腔层列阵是利用开有不同区域窗口的掩模板叠加镀膜或组合刻蚀形成的。
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，带通矩形度是利用多腔结构来加以改善的，通过组合镀膜或组合刻蚀来实现各个谐振腔层列阵的制备，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。这种结构适用于各个波段多腔窄带滤光片列阵的制备。
本发明的多腔窄带滤光片列阵的优点是：
1、采用多腔F-P结构的设计，使得滤光片的带通矩形度好，可以更多地获取通带内的信号、同时更好地抑制掉通带外的噪声，大大提高信噪比，能够满足工程化和实用化需要。
2、通过组合镀膜或组合刻蚀方法可以实现多腔F-P结构滤光片的集成，并可根据探测器列阵的形状和尺寸设计制备出与之匹配的多腔滤光片列阵，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，这种结构适用于各个光谱波段。
附图说明
图1(a)为单通道窄带滤光片的透射谱，其中实线为双腔结构滤光片的透射谱，矩形度1.7，膜系为H(LH)52L(HL)6H(LH)62L(HL)5H；虚线为单腔结构滤光片的透射谱，矩形度3.0，膜系为H(LH)52L(HL)5H。
图1(b)为8通道双腔窄带滤光片列阵的透射谱，膜系为H(LH)5xL(HL)6H(LH)6yL(HL)5H，x＝y的取值1.7～2.4，间隔0.1。
图2为双腔窄带滤光片列阵的制备过程示意图。
图3为多腔窄带滤光片列阵的结构示意图。
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通道的双腔窄带滤光片列阵为例，膜系结构为H(LH)a-1xL(HL)aH(LH)ayL(HL)a-1H，设计波长λ0为777.4nm，L为二氧化硅膜层，H为五氧化二钽膜层，a＝6，x＝y的取值1.7～2.4，取点间隔0.1，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钽膜层H(LH)5，构成下层膜系2，如图2(a)所示。
然后利用开有不同区域窗口的掩模板叠加镀膜，膜系为xL，x取值1.7～2.4，取点间隔0.1，形成厚度不同的下谐振腔层列阵3。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，效率非常高，叠加方法详细请见中国专利：200310108346.5。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2(b)所示。
再在下谐振腔层列阵3上镀中层膜系4，其膜系为(HL)6H(LH)6，如图2(c)所示。
然后再次利用开有不同区域窗口的掩模板叠加镀膜，膜系为yL，y取值1.7～2.4，取点间隔0.1，形成与下谐振腔膜层列阵3完全相同而且对应的上谐振腔膜层列阵5，如图2(d)所示。
最后，在制备好的上谐振腔膜层列阵5上镀上层膜系6，其膜系为(HL)5H，即完成双腔窄带滤光片列阵的制备，如图2(e)所示。
上述的不同厚度的谐振腔层列阵也可以利用开有不同区域窗口的掩模板套刻形成，所不同的是先生长同一厚度的谐振腔层，再经过套刻形成厚度不同的谐振腔膜层列阵。
本发明的多腔结构可以明显改善窄带滤光片的带通矩形度，见图1(a)，定义为10％透过率处的峰宽/50％透过率处的峰宽，越接近于1越好，从图上可以看出，单通道双腔结构滤光片带通的矩形度(1.7)明显优于相应单腔结构(3.0)的，这样可以更多地获取通带内的信号、同时更好地抑制掉通带外的噪声，大大提高信噪比，如果采用三腔或四腔结构，矩形度可以得到进一步改善。
图1(b)是8个不同谐振腔层厚度窄带滤光片的透射谱，可以看出窄带滤光片的带通峰位随着谐振腔层厚度的改变而改变，基本成正比。因此，我们可以通过两次叠加镀膜(或叠加刻蚀)方法来控制上下谐振腔层的厚度以最终控制滤光片的带通峰位。

Claims (1)

1.一种具有多腔结构的窄带滤光片列阵，其特征在于：
所说的多腔可以是：双腔、三腔或四腔，它们分别在各自的基片上通过真空镀膜方法生成下列膜系，膜系的具体结构如下：
双腔为：H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)a-1H，
三腔为：H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)aH(LH)ayL(HL)a-1H，
四腔为：H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)aH(LH)ayL(HL)aH(LH)azL(HL)a-1H，其中wL、xL、yL、zL为谐振腔层，w＝x＝y＝z，H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，a和a-1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；
所说的谐振腔层wL、xL、yL、zL为厚度不同的列阵，其厚度值随w、x、y和z的取值变化，w、x、y和z的取值范围为1＜w＝x＝y＝z＜3或3＜w＝x＝y＝z＜5，相应单元的谐振腔层厚度完全相同；
所说的厚度不同的谐振腔层列阵是利用开有不同区域窗口的掩模板叠加镀膜或组合刻蚀形成的。
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