CN101221261A - 微型超光谱集成滤光片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型超光谱集成滤光片及其制作方法。它以熔融石英或者玻璃等为光学基板，由各个尺度在微米量级且光学特性各异的滤光片在基板上二维排列构成。本发明的超光谱集成滤光片基于光学薄膜干涉原理，通过交替进行高低折射率材料真空蒸镀和半导体干法刻蚀，并由刻蚀自停止薄膜控制刻蚀深度，从而实现不同特性的滤光片在同一基板上的集成。利用半导体工艺的刻蚀和自停止技术，实现了单个元件小于20微米且光学特性可独立设计的超光谱集成滤光片。本发明制作工艺简单、体积小，可与光学成像传感器结合，构成高分辨率、轻便紧凑的成像光谱仪，在大汽、海洋、空间探测、以及医疗诊断中有广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及滤光片及其制作方法，尤其涉及一种微型超光谱集成滤光片及其制作方法。
背景技术
超光谱成像仪(即成像光谱仪)是20世纪80年代在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的新一代光学遥感器。它能够同时获取景物和目标的超多谱段图像，选出其中最能体现目标特征的影像，用特定的算法对各个影像加以混合，即可人为地生成一幅图像，因而能明显地提高目标特征相对于环境的对比度，在大气、海洋、空间探测、对地观测以及医疗诊断中有广泛的应用前景。
对成像光谱仪而言，色散分光元件是最关键的器件，它决定了整个系统的性能、复杂程度、重量和体积。传统的棱镜、光栅和傅里叶变换等方法，往往涉及机械转动/平动装置，结构庞大；而且在进行多光谱扫描时，很难保证在拍摄多幅图像时目标不会发生运动，需要复杂的后续算法来进行图像校正。阵列滤光片与探测器结合可以构成紧凑、轻便型成像光谱单元，因此是新一代成像光谱仪中最有应用前景的分光器件。目前的单片集成滤光片的制作方式主要有两种，一种是拼接法，另外一种是间隔层变化的组合刻蚀法。
拼接法是在不同的基板上分别镀制各个通道的滤光片，然后切割成要求的尺寸大小，最后把这些滤光片胶合在一个载体基板上，并在滤光片间隔内涂上黑漆层，形成组合滤光片，见“黄相成，杨益民，师建涛，谢其庭，《光学仪器》21，224-228(1999)”。这种方法的显著优点是每个独立的滤光片具有非常好的光学特性，但是其尺寸较大(数百微米)，且成品率随着通道数增加而急剧减小。
组合刻蚀法，在基板上沉积介质反射镜和间隔层，然后基于二元光学的加工思想，对间隔层进行N步干法刻蚀，获得2N个间隔层厚度，从而可以制作2N中心波长不同的滤光片，见“王少伟，王利，吴永刚，王占山，刘定权，林炳，陈效双，陆卫，《光学学报》26，746-751(2006)”。这一方法能够使用较少的工艺步骤制作出较多的通道，美中不足的是刻蚀的深度难以控制且刻蚀表面比较粗糙，同时由于所有通道的膜系结构除间隔层厚度外完全相同，因而不能独立设计各通道的光学特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种微型超光谱集成滤光片及其制作方法。
微型超光谱集成滤光片是在光学基板上依次设有集成滤光片、入射媒介，集成滤光片从左到右依次设有等长度的第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第四滤光片，第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第四滤光片分别放置在阶梯状的刻蚀自停止层上，第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片上设有阶梯状的刻蚀自停止层。
所述的刻蚀自停止层2的材料是氟化镁。
微型超光谱集成滤光片的制作方法包括如下步骤：
1)先在光学基板1上采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层2，再沉积介质薄膜构成第一滤光片3；
2)在第一滤光片3上甩光刻胶、曝光、显影在光学基板1一侧形成光学基板1长度的四分之一的光刻胶图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，直至刻蚀自停止层2结束，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在光学基板1一侧形成光学基板1长度的四分之一的第一滤光片3；
3)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层2，再沉积介质薄膜构成第二滤光片4；
4)在第二滤光片4上甩光刻胶、曝光、显影在第一滤光片3旁形成光学基板1长度的四分之一的光刻胶图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，直至刻蚀自停止层2结束，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在第一滤光片3旁形成光学基板1长度的四分之一的第二滤光片4；
5)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层2，再沉积介质薄膜构成第三滤光片5；
6)在第三滤光片5上甩光刻胶、曝光、显影在第二滤光片4旁形成光学基板1长度的四分之一的图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在第二滤光片4旁形成光学基板1长度的四分之一的第三滤光片5；
7)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层2，再沉积介质薄膜构成第四滤光片6；
8)在第四滤光片6上甩光刻胶、曝光、显影在第三滤光片5旁形成光学基板1长度的四分之一的图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，直至刻蚀自停止层2结束，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在第三滤光片5旁形成光学基板长度的四分之一的第四滤光片6。
本发明具有的有益效果是：
1)将成熟的光学薄膜沉积和半导体工艺结合，根据应用需要可自由调整器件的单元尺寸(小至2微米)、数目、形状，因而可与光学成像传感器结合，构成高分辨率、轻便紧凑的成像光谱仪。
2)刻蚀自停止层的应用，可以自动地控制刻蚀的深度，克服刻蚀非均匀性带来的厚度不一致性，同时也可解决刻蚀引起表面粗糙度增大的问题。
3)滤光片沉积和刻蚀分离。因此可对各个通道的滤光片进行单独设计和优化，不受相互影响，可以在二维平面内实现任意的光学特性分布，实现特定的光谱识别探测。
附图说明
图1是微型超光谱集成滤光片结构示意图；
图2是集成滤光片制作流程简图；
图3是理论设计的四通道滤光片的透射率光谱曲线示意图；
图4是超光谱集成滤光片在多光谱成像中的应用示意图；
图中：光学基板1、刻蚀自停止层2、第一滤光片3、第二滤光片4、第三滤光片5、第四滤光片6、入射媒介7、四通道超光谱集成滤光片8、成像传感器芯片9、不同波段下的拍摄图像10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，微型超光谱集成滤光片是在光学基板1上依次设有集成滤光片、入射媒介7，集成滤光片从左到右依次设有等长度的第一滤光片3、第二滤光片4、第三滤光片5、第四滤光片6，第一滤光片3、第二滤光片4、第三滤光片5、第四滤光片6分别放置在阶梯状的刻蚀自停止层2上，第一滤光片3、第二滤光片4、第三滤光片5上设有阶梯状的刻蚀自停止层2。所述的刻蚀自停止层2的材料是氟化镁。
图2是微型超光谱集成滤光片制作工艺的流程简图，包括如下步骤：
1)先在光学基板1上采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的氟化镁刻蚀自停止层2，再在上面沉积介质薄膜构成第一滤光片3；
2)在第一滤光片3上甩光刻胶，通过一预制的掩模版进行曝光、显影，从而形成光学基板1长度的四分之一的光刻胶图形，然后以此光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，选用合适的工艺条件使得刻蚀自停止层2对滤光片介质薄膜具有极高的选择比，因此离子刻蚀将在氟化镁层自动停止，最后放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在光学基板1一侧形成光学基板1长度的四分之一的第一滤光片3；
3)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层2，再沉积介质薄膜构成第二滤光片4；
4)在第二滤光片4上甩光刻胶、曝光、显影在第一滤光片3旁形成光学基板1长度的四分之一的光刻胶图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，直至刻蚀自停止层2结束，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在第一滤光片3旁形成光学基板1长度的四分之一的第二滤光片4；
5)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层2，再沉积介质薄膜构成第三滤光片5；
6)在第三滤光片5上甩光刻胶、曝光、显影在第二滤光片4旁形成光学基板1长度的四分之一的图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在第二滤光片4旁形成光学基板1长度的四分之一的第三滤光片5；
7)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层2，再沉积介质薄膜构成第四滤光片6；
8)在第四滤光片6上甩光刻胶、曝光、显影在第三滤光片5旁形成光学基板1长度的四分之一的图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，直至刻蚀自停止层2结束，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在第三滤光片5旁形成光学基板长度的四分之一的第四滤光片6。
本发明是构成紧凑、轻便的成像光谱仪的关键元件，在空间探测、医疗诊断领域有着广泛的应用前景。
四通道超光谱集成滤光片在多光谱成像中的应用。如图4所示，8是四通道的超光谱集成滤光片，它的各通道透过率光谱曲线如图3所示，每个通道的单元尺寸与成像传感器9的像素一致，因而集成滤光片可以直接贴在成像传感器上方，当对物体进行拍摄时，在不同的像素单元对应了不同光谱的图像10，从而实现了多光谱成像。
Claims (3)
1.一种微型超光谱集成滤光片，其特征在于在光学基板(1)上依次设有集成滤光片、入射媒介(7)，集成滤光片从左到右依次设有等长度的第一滤光片(3)、第二滤光片(4)、第三滤光片(5)、第四滤光片(6)，第一滤光片(3)、第二滤光片(4)、第三滤光片(5)、第四滤光片(6)分别放置在阶梯状的刻蚀自停止层(2)上，第一滤光片(3)、第二滤光片(4)、第三滤光片(5)上设有阶梯状的刻蚀自停止层(2)。
2.根据权利1所述的一种微型超光谱集成滤光片，其特征在于所述的刻蚀自停止层(2)的材料是氟化镁。
3.一种微型超光谱集成滤光片的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1)先在光学基板(1)上采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层(2)，再沉积介质薄膜构成第一滤光片(3)；
2)在第一滤光片(3)上甩光刻胶、曝光、显影在光学基板(1)一侧形成光学基板(1)长度的四分之一的光刻胶图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，直至刻蚀自停止层(2)结束，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在光学基板(1)一侧形成光学基板1长度的四分之一的第一滤光片(3)；
3)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层(2)，再沉积介质薄膜构成第二滤光片(4)；
4)在第二滤光片(4)上甩光刻胶、曝光、显影在第一滤光片(3)旁形成光学基板(1)长度的四分之一的光刻胶图形后，以光刻胶为掩模装入等离子刻蚀机中进行干法刻蚀，直至刻蚀自停止层(2)结束，放入硫酸/双氧水溶液中清除光刻胶，在第一滤光片(3)旁形成光学基板(1)长度的四分之一的第二滤光片(4)；
5)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层(2)，再沉积介质薄膜构成第三滤光片(5)；
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7)采用真空电子束蒸发或者溅射沉积一层薄的刻蚀自停止层(2)，再沉积介质薄膜构成第四滤光片(6)；
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