CN103760630A - 亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片 - Google Patents

Abstract

亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，属于二元光学与红外景象生成技术领域。所述滤光片由硅基底和位于该基底之上的亚波长光栅阵列构成，其中亚波长光栅阵列为由若干个单元形成的马赛克阵列结构，每个单元仅透过双波段中的一个波段，且每两个相邻单元透过的波段不同。本发明中，亚波长光栅结构可通过改变介质光栅层与金属光栅层的周期，实现以2.5μm和3.6μm为中心波长的带宽为0.1μm的窄带滤光功能，并使两种光栅结构按交错排列，形成双波段红外滤光片马赛克阵列。

Description

亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片

技术领域

本发明属于二元光学与红外景象生成技术领域，涉及一种光学元件，具体涉及一种亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片。

背景技术

图像电阻阵列可生成二维红外图像，通过改变电阻阵列中各电阻的电流可改变各电阻的温度，从而使各电阻具有不同的红外辐射特性来模拟红外场景，但各个电阻元件均发出连续的红外光谱。为了针对特定两个谱段进行目标特性建模与分析，需要对图像电阻阵列进行双波段窄带滤光。相邻的两个电阻单元的滤光片需透过不同的波段，并排布成马赛克图案。

与薄膜滤光片相比，亚波长光栅滤光片具有以下优点：1）亚波长光栅结构稳定、不易损坏，大大的延长了滤光片的寿命。2）镀膜技术如果想要获得良好的滤光特性往往要镀上十几层甚至几十层的薄膜，而亚波长光栅只需要几层结构便可获得具有同样效果的滤光特性。3）薄膜技术要实现在像素区域内交替的两个波段窄带滤光必须交替镀制两种厚度不同的薄膜，而采用亚波长光栅结构可以做到光栅厚度一致，只需在不同像素区域内改变周期，加工难度大程度降低。

对红外图像电阻阵列的每个像素进行不同波段的窄带滤光，可精确地模拟红外物体的辐射特性。对以2.5μm和3.6μm为中心波长的带宽为0.1μm的窄带红外谱段进行滤光可准确地模拟出飞机尾焰的红外辐射特性。亚波长光栅结构可实现像素级尺度的红外双波段滤光功能，而像素级尺度区域的双波段马赛克阵列滤光技术是红外半实物仿真中的关键技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，可实现边长60μm的正方形像素级尺度区域的双波段马赛克阵列滤光功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，包括硅基底、以及位于该基底之上的亚波长光栅阵列，所述亚波长光栅阵列为由若干个单元形成的马赛克阵列结构，每个单元仅透过双波段中的一个波段，且每两个相邻单元透过的波段不同。

所述亚波长光栅阵列由均匀介质层、介质光栅层和金属光栅层组成，均匀介质层位于硅基底之上，金属光栅层位于介质光栅层之上。

所述硅基底的厚度为500~4000μm，均匀介质层的厚度为0.5μm，介质光栅层的厚度为0.6μm，金属光栅层的厚度为0.03μm，介质光栅层和金属光栅层的占空比均为0.5。

所述均匀介质层的材料为氧化镁，介质光栅层的材料为硅，金属光栅层的材料为金。

所述单元为边长60μm的正方形。

所述双波段为2.45~2.55μm波段、3.55~3.65μm波段。

本发明中，亚波长光栅结构可通过改变介质光栅层与金属光栅层的周期，实现以2.5μm和3.6μm为中心波长的带宽为0.1μm的窄带滤光功能，滤出的波段分别为2.45~2.55μm和3.55~3.65μm，透过率均为62%以上，2.5μm和3.6μm中心波长的透过率分别为0.86和0.85。两种光栅结构按交错排列，形成双波段红外滤光片马赛克阵列。滤出2.45~2.55μm波段的光栅的周期为1.51μm，滤出3.55~3.65μm波段的光栅的周期为2.70μm。

附图说明

图1为本发明所述的红外双波段马赛克阵列滤光片图。

图2为本发明所述的红外双波段马赛克阵列滤光片中的局部光栅结构图。

图3为本发明所述的滤光片光刻掩模板的一个单元的结构图。

图4为本发明所述的滤光片的2.45~2.55μm波段透射率与波长的关系曲线。

图5为本发明所述的滤光片的3.55~3.65μm波段透射率与波长的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明所述的红外双波段马赛克阵列滤光片中每个单元为边长60μm的正方形，且透过双波段中的一个波段。以单元1和单元2为例，单元1只通过2.45~2.55μm波段，单元2只通过3.55~3.65μm波段，单元1和单元2交错排列，形成马赛克阵列结构的亚波长光栅阵列。

    如图2所示，本发明所述的红外双波段马赛克阵列滤光片中，单元1和单元2的硅基底3、氧化镁介质层4、硅介质光栅5、金材料的金属光栅6的厚度、材料，占空比均相同。其中，占空比为a/T。单元1和单元2唯一不同点在于周期T的大小，单元1的周期T为1.51μm，单元2的周期T为2.70μm。

    将上述红外双波段马赛克阵列滤光片安装在图像电阻阵列表面上，滤光片的每个单元要与图像电阻阵的每个电阻单元对准。使滤光片的每个单元都能对图像电阻阵的每个电阻单元进行窄带滤光。

    图3为本发明所述的滤光片光刻掩模板的一个单元的结构图。波段1的掩模板单元中的周期T为1.51μm，a为0.755 μm，波段2的掩模板单元中的周期T为2.70μm，a为1.350 μm，整个掩模板的两种图案交错排列，形成马赛格图案。

    如图4所示，本发明所述的单元1的2.45~2.55μm波段透射率与波长的关系曲线。2.5μm中心波长的透过率分别为0.86，2.45~2.55μm波段的透过率均为62%以上。

    如图5所示，本发明所述的单元2的2.45~2.55μm波段透射率与波长的关系曲线。3.6μm中心波长的透过率分别为0.85，3.55~3.65μm波段的透过率均为64%以上。

本发明所述的滤光片需要在硅基底上有规律地制作出三层结构，其中均匀介质层可通过镀膜技术实现，光栅结构可通过刻蚀掉膜层中的特定位置实现。因此，本发明所述的滤光片的制作分为镀膜、光刻、刻蚀三个环节。在硅基底上镀氧化镁介质层、硅介质层和金属层，三层的厚度分别为0.5μm、0.6μm及0.03μm；制作由图3所示的单元格组成的掩模板，并进行紫外光刻与显影；利用离子束刻蚀机将显影后露出的部分刻蚀掉1.13 μm的厚度。经过以上制作环节，即获得所需的亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片。具体制作步骤如下：

（1）在平面硅基底上镀一层厚度为0.5μm的氧化镁介质层；

（2）在0.5μm厚氧化镁介质层上镀一层厚度为0.6μm的硅介质层，用来制备硅介质光栅；

（3）在0.6μm厚硅介质层上镀一层厚度为0.03μm的金属层，金属层材料为金，用来制备金属光栅；

（4）在0.03μm厚金属层上涂布光刻胶，光刻胶的厚度为0.7 ~1μm；

（5）利用电子束直写设备制作光刻掩模板；

（6）在掩模板的遮挡下，对在硅基底上镀有三层膜并涂有一层光刻胶的样品进行紫外曝光，掩模板不透光部分下的光刻胶因被遮挡而未被曝光，掩模板透光的部分下的光刻胶因未被遮挡而被曝光；

（7）将曝光后的样品置于显影液中，曝光部分会溶解在显影液中而裸露出金属层，而未曝光的部分不会溶解；

（8）用离子束刻蚀机对显影后的样品进行刻蚀，裸露出的部分刻蚀掉1.13μm的厚度，即获得所需的亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片。

上述制作方法中，第（5）步所述的光刻掩模板中每个单元为边长60μm的正方形，且对应一个波段的亚波长光栅的图案。每两个相邻单元对应的不同图案，形成马赛克阵列结构的亚波长光栅阵列。

Claims (7)

1.亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，其特征在于所述马赛克阵列滤光片由硅基底和位于该基底之上的亚波长光栅阵列构成，所述亚波长光栅阵列为由若干个单元形成的马赛克阵列结构，每个单元仅透过双波段中的一个波段，且每两个相邻单元透过的波段不同。

2.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，其特征在于所述亚波长光栅阵列由均匀介质层、介质光栅层和金属光栅层组成，均匀介质层位于硅基底之上，金属光栅层位于介质光栅层之上。

3.根据权利要求2所述的亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，其特征在于所述硅基底的厚度为500~4000μm，均匀介质层的厚度为0.5μm，介质光栅层的厚度为0.6μm，金属光栅层的厚度为0.03μm。

4.根据权利要求2或3所述的亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，其特征在于所述介质光栅层和金属光栅层的占空比均为0.5。

5.根据权利要求2或3所述的亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，其特征在于所述均匀介质层的材料为氧化镁，介质光栅层的材料为硅，金属光栅层的材料为金。

6.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，其特征在于所述单元为边长60μm的正方形。

7.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，其特征在于所述双波段为2.45~2.55μm波段、3.55~3.65μm波段。

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