CN102819058B - 一种多通道集成滤光片的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道集成滤光片的制作方法，该方法包括以下步骤：A.在基底上制作一保护区域；B.布置好所述保护区域的膜层结构；C.在所述保护区域上镀制一种功能的滤光薄膜；D.重复步骤A～C，在基底上镀制其它功能的滤光薄膜。本发明将不同膜系的滤光膜层集成到一个基底上，大大提高了滤光片的集成度。另外，在布置膜层结构前可以根据实际需求来设计不同的膜系，因此能进一步扩展滤光片的工作范围。本发明广泛应用于薄膜及工程光学领域。

Description

一种多通道集成滤光片的制作方法
技术领域
本发明涉及薄膜及工程光学领域，尤其是一种多通道集成滤光片的制作方法。
背景技术
多谱成像光谱技术正在向光谱通道更多、集成度更高、体积小和重量更轻的方向发展,而用于分光的多通道滤光片是其关键的光学器件，因此需要发展相应的新型多光谱集成滤光片制备技术。
目前已有很多多通道分光滤光片制造技术，近年来国内外在多通道滤光片制作上主要有以下几种方法：
1.法布里-珀珞窄带滤光片(F-Pnarrowbandpassfilter)
该方法是以法布里-珀罗(F-P)结构原理为基础，通过多次套刻的方式制作滤光片。F-B腔是在2个平行的平板反射镜中间间隔一个空腔,当2个反射镜具有同样的高反射率时,干涉仪对某一波段的波长实现高透。改变微调空腔的厚度可以改变透过的波长。实际应用中，空腔由一层介质膜构成(间隔层)，间隔层的两面分别镀有一个多层膜的膜系，相当于上面提到的2个反射镜。只要改变间隔层的厚度，就可以调控透射光的波长。林炳等人(期刊论文，题目:16通道微型集成滤光片制备技术的研究，期刊:红外与毫米波学报,第25卷第4期，2006年8月)通过该方法，经过多次刻蚀，完成了16通道红外波段的滤光片制作。由于法布里-珀罗(F-P)滤光片本身性质的缺点，它在可见光没有较宽的截止深度，所以该滤光片不适合在可见光波段实现多通道滤光，极大地限制了它的应用范围。
2.光阻剂法
该方法是制作液晶显示器滤光片的常用方法，它是用不同颜色光阻剂来实现滤光片的制作。RamW.Sabnis等人(期刊论文，题目:Colorfiltertechnologyforliquidcrystaldisplays，期刊:Displays20(1999)119–129)介绍了用于液晶显示器的彩色滤光片制作方法，主要有颜料分散法、染色法、印刷法和电铸法等。但是由于彩色光阻剂种类的限制，该方法只能对可见光进行有限种类的光谱分离，无法实现近红外和近紫外的多通道滤光。并且，利用光阻剂制作的滤光片有很宽的带宽，因此它没有介质膜层分光性能好，对每种颜色的分光分辨率不高。
3.其他分光技术
ZhanshanWang等人(期刊论文，题目:Multiplechanneledphenomenainheterostructureswithdefectsmode，期刊:Appl.Phys.Lett.84,1629，2004)介绍了一种以“具有缺陷的多异质结构”(multipleheterostructureswithdefects)为基础，通过膜层中设置缺陷结构，使得该结构实现缺陷通带，具有很好的分光性能。同时该小组(期刊论文，题目:Guided-moderesonanceBrewsterfilterswithmultiplechannels，期刊:APPLIEDPHYSICSLETTERS88,251115，2006)还介绍了一种利用导膜共振(guided-moderesonance)来设计滤光片的方法，该方法利用波导光栅结构的共振效应来实现滤光，可以实现单个、两个、甚至多个窄带通滤光。但是，以这些分光技术制作的滤光片，只能实现较窄的带宽内某种或某几种光的同时带通，不能达到对多种光线的单独滤光，满足不了现在的多谱成像系统要求。
综上所述，目前，由已有方法制作的多通道滤光片，都只能在某一个比较窄波段范围内实现多通道滤光，远远满足不了多通道光谱成像系统技术的发展要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种多通道集成滤光片的制作方法，能实现近紫外膜系、可见光膜系和近红外膜系的滤光片制备，相比传统的多通道滤光片制作方法，采用该方法制作的滤光片具有更广的工作范围和更高的集成度。
本发明所采用的技术方案是：
一种多通道集成滤光片的制作方法，该方法包括以下步骤：
A.在基底上制作一保护区域；
B.布置好所述保护区域的膜层结构；
C.在所述保护区域上镀制一种功能的滤光薄膜；
D.重复步骤A～C，在基底上镀制其它功能的滤光薄膜。
优选地，所述步骤A，其包括：
A1.预处理，对基底进行清洗和等离子体处理；
A2.旋涂和前烘，将光刻胶旋涂在基底上并进行前烘；
A3.曝光，将经前烘后的基底置于掩膜板下进行紫外曝光；
A4.显影，将紫外曝光区域内的光刻胶在显影液下去除掉。
优选地，所述步骤C中的滤光薄膜最终组成可见光膜系、近紫外膜系和近红外膜系。
优选地，所述可见光膜系也可以采用颜色光阻剂法制备，所述颜色光阻剂法包括以下步骤：
S1.甩胶和前烘，用甩胶机将颜色光阻剂旋涂于基底上并进行前烘；
S2.曝光，在掩膜板下紫外曝光出一保护区域；
S3.显影和显影后烘，将曝光后的基底经过显影和显影后烘后制得可见光膜系的单色滤光薄膜；
S4.重复步骤S1～S3，完成可见光膜系滤光薄膜的制备。
优选地，所述可见光膜系和近紫外膜系均为带通膜系，所述近红外膜系为高通膜系。
优选地，所述步骤C中镀制的滤光薄膜是根据步骤B所布置好的膜层结构，通过溅射镀膜的方式镀制。
本发明的有益效果是：本发明的方法将不同膜系的滤光膜层集成到一块滤光片的基底上，大大提高了滤光片的集成度。另外，在布置膜层结构前可以根据实际需求来设计不同的膜系，因此能进一步扩展滤光片的工作范围。
附图说明
图1为本发明多通道集成滤光片的制作方法的步骤流程图；
图2为本发明步骤A的具体步骤流程图；
图3为本发明的多通道滤光片加工流程示意图；
图4为颜色光阻剂法制作可见光膜系滤光薄膜的工艺流程示意图；
图5为本发明颜色光阻剂法的具体步骤流程图。
附图标记：1.基底；2.光刻胶；3.掩膜板；4.紫外曝光区域；5.保护区域；6.一种功能的滤光薄膜；7.多通道滤光片；8.颜色光阻剂；9.单色滤光薄膜；10.颜色光阻剂制备的三通道可见光滤光薄膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示的一种多通道集成滤光片的制作方法，该方法包括以下步骤：
A.在基底1上制作一保护区域5；
B.布置好所述保护区域5的膜层结构；
C.在所述保护区域5上镀制一种功能的滤光薄膜；
D.重复步骤A～C，在基底1上镀制其它功能的滤光薄膜。
其中，制作一保护区域5的含义是指在基底1的特定区域(即在需要镀膜的地方)制作出镀膜区域。
作为进一步作为优选的实施方式，所述步骤A，其包括：
A1.预处理，对基底1进行清洗和等离子体处理；
A2.旋涂和前烘，将光刻胶2旋涂在基底上并进行前烘；
A3.曝光，将经前烘后的基底1置于掩膜板3下进行紫外曝光；
A4.显影，将紫外曝光区域4内的光刻胶在显影液下去除掉。
本发明的多通道滤光片加工流程示意图如图3所示，其包括以下五步：
(1)取一片透光率高和表面平整的玻璃片作为基底1，先将玻璃片用清水和丙酮清洗，然后将其置于烘箱中，在130℃下烘烤10分钟以除去水汽和残余丙酮。接着对玻璃片进行氧气等离子体处理，从而增加玻璃的表面能。所述氧气等离子体处理的真空度为25Pa，功率为60W，轰击时间为90秒。
(2)将光刻胶2(如AZ正光刻胶)旋涂于清洗好的玻璃片上，经过前烘后，将带有光刻胶2的基底1置于事先制作好的掩膜板3下进行紫外曝光。曝光的时间和剂量由光刻胶层的厚度和光强决定。
(3)将曝光过的基底1置于质量百分比5％的氢氧化钠溶液中，从而显影出一保护区域5。
(4)将设计好的膜层结构通过溅射镀膜的方式镀制在该保护区域5上，最后用丙酮清除起保护作用的光刻胶。至此一种功能的滤光薄膜6的制作完成。
(5)重复程(1)～(4)，制作出不同的保护区域5，接着镀制其他功能的滤光薄膜，最终可以制得近紫带通、可见光带通和近红外高通的多通道滤光片7。
作为进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中的滤光薄膜最终组成可见光膜系、近紫外膜系和近红外膜系。
作为进一步作为优选的实施方式，所述可见光膜系采用颜色光阻剂法制备，如图3所示，所述颜色光阻剂法包括以下步骤：
S1.甩胶和前烘，用甩胶机将颜色光阻剂8旋涂于基底1上并进行前烘；
S2.曝光，在掩膜板3下紫外曝光出一保护区域5；
S3.显影和显影后烘，将曝光后的基底1经过显影和显影后烘后制得可见光膜系的单色滤光薄膜9；
S4.重复步骤S1～S3，完成可见光膜系滤光薄膜的制备。
本发明的颜色光阻剂法制作可见光多通道滤光薄膜的工艺流程如图4所示，其包括以下五步：
(1)用甩胶机将颜色光阻剂8旋涂于清洗干净的基底1上，经过前烘，完成滤光片制作的准备工作。
(2)在事先制作好的掩膜板3下紫外曝光出一保护区域5(即需要保留的滤光区域)。曝光过的颜色光阻剂性质会发生改变，不能溶解在专门的显影液中。
(3)将曝光后的基底1在专门的显影液中显影掉多余的未曝光颜色光阻剂，从而制得某种颜色的滤光薄膜9。
(4)在烘箱内烘烤进一步固化颜色光阻剂8，提高颜色光阻剂8的稳定性。
(5)重复步骤(1)～(4)，在基底1的其它位置制作其它颜色的滤光片。最终完成红、绿、蓝三通道可见光滤光薄膜10的制备。
对于近紫外和近红外区域仍然需要用到之前提到的多次镀膜方式完成。这样，最终可制得多通道滤光片7。
作为进一步作为优选的实施方式，所述可见光膜系和近紫外膜系均为带通膜系，所述近红外膜系为高通膜系。
作为进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中镀制的滤光薄膜是根据步骤B所布置好的膜层结构，通过溅射镀膜的方式镀制。
本发明中，滤光薄膜的膜层结构是根据已有滤光膜层设计原理来设计的。在布置保护区域的膜层结构之前要完成相应的膜层结构设计。
设计可见光带通膜系和近紫外带通膜系的膜层结构时，采用的是诱导透射设计法，这种方法设计的滤光薄膜有着很高的峰值透射率和宽的截止区。表1～6分别给出了紫光、蓝光、青光、绿光、黄光、红光这六种可见光膜系滤光薄膜的膜层结构(没有给出橙光滤光薄膜的膜层结构主要是因为橙光滤光薄膜与黄光滤光薄膜结构相近)，表7给出了近紫外膜系滤光薄膜的一种膜层结构的例子。在设计时还可以根据实际需求设计更多滤光性能的滤光薄膜。
表1紫光滤光薄膜的膜层结构
层数 材料 膜层厚度(nm)
第5层 TiO2 30
第4层 SiO2 108
第3层 Ag 65
第2层 SiO2 108
最底层 TiO2 30
表2蓝光滤光薄膜的膜层结构
层数 材料 膜层厚度(nm)
第9层 TiO2 37
第8层 SiO2 80
第7层 TiO2 37
第6层 SiO2 144
第5层 Ag 75
第4层 SiO2 144
第3层 TiO2 37
第2层 SiO2 80
最底层 TiO2 37
表3青光滤光薄膜的膜层结构
层数 材料 膜层厚度(nm)
第9层 TiO2 40
第8层 SiO2 83
第7层 TiO2 40
第6层 SiO2 142
第5层 Ag 75
第4层 SiO2 142
第3层 TiO2 40
第2层 SiO2 83
最底层 TiO2 40
表4绿光滤光薄膜的膜层结构
层数 材料 膜层厚度(nm)
第9层 TiO2 50
第8层 SiO2 90
第7层 TiO2 44
第6层 SiO2 154
第5层 Ag 70
第4层 SiO2 154
第3层 TiO2 44
第2层 SiO2 90
最底层 TiO2 50
表5黄光滤光薄膜的膜层结构
层数 材料 膜层厚度(nm)
第9层 TiO2 51
第8层 SiO2 97
第7层 TiO2 48
第6层 SiO2 166
第5层 Ag 65
第4层 SiO2 166
第3层 TiO2 48
第2层 SiO2 97
最底层 TiO2 51
表6红光滤光薄膜的膜层结构
层数 材料 膜层厚度(nm)
第9层 TiO2 55
第8层 SiO2 108
第7层 TiO2 55
第6层 SiO2 195
第5层 Ag 65
第4层 SiO2 195
第3层 TiO2 55
第2层 SiO2 108
最底层 TiO2 55
表7近紫外膜系滤光薄膜的一种膜层结构
层数 材料 膜层厚度(nm)
第5层 TiO2 30
第4层 SiO2 95
第3层 Ag 60
第2层 SiO2 95
最底层 TiO2 30
而近红外高通膜系的膜层结构采用干涉截止滤光片设计法，该方法能实现780nm以下波长光深度截止，780nm以上近红外光高通。设计好的一种膜层结构如表8所示。
表8近红外膜系滤光薄膜的一种膜层结构
层数 材料 膜层厚度(nm)
第15层 TiO2 20
第14层 SiO2 75
第13层 TiO2 40
第12层 SiO2 75
第11层 TiO2 40
第10层 SiO2 75
第9层 TiO2 40
第8层 SiO2 75
第7层 TiO2 50
第6层 SiO2 117
第5层 TiO2 60
第4层 SiO2 117
第3层 TiO2 60
第2层 SiO2 117
最底层 TiO2 30
本发明在设计具体的膜层结构时，只要膜层结构设计合理，最终制备滤光片将具有非常优秀的滤光性能，对每种波段的分辨率都能达到很高。并且，可以根据实际需求设计更多的膜系(例如中间红外膜系和远红外膜系等)来扩展其工作范围。
以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种多通道集成滤光片的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A.在基底（１）上制作一保护区域（５）；
B.布置好所述保护区域（５）的膜层结构；
C.在所述保护区域（５）上镀制一种功能的滤光薄膜；
D.重复步骤A～C，在基底（１）上镀制其它功能的滤光薄膜；
所述步骤A，其包括：
A1.预处理，对基底（１）进行清洗和等离子体处理；
A2.旋涂和前烘，将光刻胶（２）旋涂在基底（１）上并进行前烘；
A3.曝光，将经前烘后的基底（１）置于掩膜板（３）下进行紫外曝光；
A4.显影，将紫外曝光区域（４）内的光刻胶在显影液下去除掉。
2.根据权利要求1所述的一种多通道集成滤光片的制作方法，其特征在于，所述步骤C中的滤光薄膜最终组成可见光膜系、近紫外膜系和近红外膜系。
3.根据权利要求2所述的一种多通道集成滤光片的制作方法，其特征在于，所述可见光膜系采用颜色光阻剂法制备，所述颜色光阻剂法包括以下步骤：
Ｓ１.甩胶和前烘，用甩胶机将颜色光阻剂（８）旋涂于基底（１）上并进行前烘；
Ｓ２.曝光，在掩膜板（３）下紫外曝光出一保护区域（５）；
Ｓ３.显影和显影后烘，将曝光后的基底（１）经过显影和显影后烘后制得可见光膜系的单色滤光薄膜（９）；
Ｓ４.重复步骤Ｓ１～Ｓ３，完成可见光膜系滤光薄膜的制备。
4.根据权利要求2所述的一种多通道集成滤光片的制作方法，其特征在于，所述可见光膜系和近紫外膜系均为带通膜系，所述近红外膜系为高通膜系。
5.根据权利要求1所述的一种多通道集成滤光片的制作方法，其特征在于，所述步骤C中镀制的滤光薄膜是根据步骤B所布置好的膜层结构，通过溅射镀膜的方式镀制。
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