CN104076423B

CN104076423B - 平面衍射光学元件透镜及其制造方法

Info

Publication number: CN104076423B
Application number: CN201410091562.1A
Authority: CN
Inventors: P·塔姆; J·T·琼斯; N·D·谢内斯; A·伊马迪
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: US20140268341A1; CN104076423A; US9366877B2

Abstract

于此描述了平面衍射光学元件（DOE）透镜。平面DOE透镜包含基底。平面DOE透镜还包含第一层，第一层形成于基底上。平面DOE透镜还包含衍射光学元件，衍射光学元件形成于第一层上。平面DOE透镜还包含第二层，第二层形成于第一层上。第二层也形成于衍射光学元件上。第二层包围第一层和第二层之间的衍射光学元件。第二层包含平面表面。

Description

平面衍射光学元件透镜及其制造方法

相关申请的交叉引用

此申请要求于2013年3月13日提交的名称为“Planar Diffractive OpticalElement Lens and Method for Producing Same”的美国临时申请号61/778708的优选权益，于此通过引用并入了该申请的全部。

背景技术

衍射光学器件用于诸如光学存储、处理、感测和通信的许多应用中。衍射光学元件（DOE）是薄的相位元件，该薄的相位元件借助于干涉和衍射来操作，以产生光的任意分布或帮助光学系统中的设计。将DOE设计为与激光器（例如，高功率激光器）一起应用。此外，DOE用于波整形（waveshaping）。例如，DOE能够在束整形和束轮廓修改中用作多斑分束器。DOE能够将单个激光束变换为各种简单或复杂结构的光图案。DOE在不同应用领域中呈现了无穷的可能性。虽然诸如镜子和透镜的标准折射光学元件经常是笨重的、昂贵的并且限制于特定使用，但是DOE总体是重量轻、紧凑、易于复制并且能够调制复杂的波形。DOE在操纵多谱信号中也是有用的。

发明内容

于此描述了平面衍射光学元件（DOE）透镜。平面DOE透镜包含基底。平面DOE透镜还包含第一层，第一层形成于基底上。平面DOE透镜还包含衍射光学元件，衍射光学元件形成于第一层上。平面DOE透镜还包含第二层，第二层形成于第一层上。第二层也形成于衍射光学元件之上（over）。第二层包围第一层和第二层之间的衍射光学元件。第二层包含平面表面。

提供此发明内容部分以以简化的形式引入以下在具体实施方式中进一步描述的概念的集合。此发明内容部分不意图标识所声称的主题的关键特征或必要特征，其也不意图用于帮助确定所声称的主题的范围。

附图说明

参照附图描述具体实施方式。描述和图中不同实例中相同参考数字的使用可以指示类似或相同的项。

图1是根据本公开内容的示范性实施例的平面衍射光学元件（DOE）透镜的概念布局；

图2是根据本公开内容的示范性实施例的，实施于姿态感测设备（例如，光学传感器）的光学透镜结构中和/或作为该光学透镜结构实施时，安置于光电二极管上的平面DOE透镜的顶平面视图，平面DOE透镜具有圆形（例如，球形）形状；

图3是根据本公开内容的示范性实施例的，实施于姿态感测设备（例如，光学传感器）的光学透镜结构中和/或作为该光学透镜结构实施时，安置于21×21光电二极管阵列上的平面DOE透镜阵列的顶平面视图，平面DOE透镜阵列的透镜具有正方形形状；

图4提供根据本公开内容的示范性实施例的，当如图2和/或图3中示出地实施平面DOE透镜时，对于平面DOE透镜的模拟结果的图形描绘，图形描绘绘示二极管信号强度与光角度之间的关系；

图5提供根据本公开内容的示范性实施例的，当如图2和/或图3中示出地实施平面DOE透镜时，对于平面DOE透镜的模拟结果的图形描绘，图形描绘绘示差分响应与光角度之间的关系；

图6提供根据本公开内容的示范性实施例的，当如图2和/或图3中示出地实施平面DOE透镜时，对于平面DOE透镜的xyz手指扫描的模拟结果的图形描绘，图形描绘示例第一方向（例如，x方向；沿x轴）上的模拟的二极管信号响应；

图7提供根据本公开内容的示范性实施例的，当如图2和/或图3中示出地实施平面DOE透镜时，对于平面DOE透镜的xyz手指扫描的模拟结果的图形描绘，图形描绘示例第二方向（例如，y方向；沿y轴）上的模拟的二极管信号响应；

图8提供根据本公开内容的示范性实施例的，当如图2和/或图3中示出地实施平面DOE透镜时，对于平面DOE透镜的xyz手指扫描的模拟结果的图形描绘，图形描绘示例第三方向（例如，z方向；沿z轴）上的模拟的二极管信号响应；

图9描绘示例根据本公开内容的示范性实施例的用于制造平面DOE透镜的范例工艺的流程图。

具体实施方式

概述

当前实施的衍射光学元件（DOE）透镜将它们的DOE（例如，衍射表面，其包含微结构（例如，精细的表面结构、微米和亚微米台阶结构））形成于管芯或角玻璃的正面处。这些当前实施的DOE透镜的DOE，通过暴露于它们的应用环境和/或它们的制造环境，对污染和表面缺陷是高度敏感的。

于此描述的是用于制造平面DOE透镜的方法，该平面DOE透镜没有当前实施的DOE透镜对环境因素那么敏感。

范例实施

图1（图1）是根据本公开内容的示范性实施例的平面衍射光学元件（DOE）透镜的概念布局。在实施例中，平面DOE透镜100包含基底102。在实施例中，基底102是光透射（例如，透明）基底。例如，如果入射光的由应用规定的百分比（例如，百分之十）透射通过基底102，则基底102能够透射从红外（IR）并包含红外（IR）至紫外（UV）并包含紫外（UV）波长的波长范围选择的感兴趣的波长。在其它实施例中，基底102是光吸收基底。在实施例中，基底102是晶片。例如，晶片102是诸如硅晶体或二氧化硅的半导体材料的薄片。在其它实施例中，基底102由硼硅酸钠玻璃、蓝宝石、和/或熔融硅石形成。

在实施例中，平面DOE透镜100包含第一层104，第一层104形成于（例如，沉积于）基底102上。在实施例中，第一层104由电介质材料形成。在实施例中，第一层104由光透明材料形成。在实施例中，第一层104由抗反射材料形成，该抗反射材料在光行进通过平面DOE透镜100时减小反射。在特定范例实施例中，形成第一层104的材料可以是二氧化钛。在特定范例实施例中，第一层104的厚度可以是大致二十微米。然而，第一层104的材料和厚度不限制于这个/这些材料/值。

在实施例中，衍射光学元件（DOE）106（例如，具有微结构、表面衍射特征、亚微米结构、精细表面结构、微米台阶结构、亚微米台阶结构、台阶特征、DOE表面、和/或透镜亚微米结构的衍射表面）形成于第一层104上和/或中。在实施例中，标准的DOE光刻工艺用于在第一层104上和/或中形成（例如，显影）DOE106。在实施例中，DOE106包含相移层的叠层，该相移层被构图为形成期望的DOE。例如，相移层能够由非晶硅或氮化硅形成。在一些实施例中，DOE106还可以包含多个层（例如，刻蚀停层）其位于DOE106的相邻相移层之间，使得每一个相移层与相邻相移层由刻蚀停层分开。在实施例中，刻蚀停层能够由二氧化硅或其它材料形成。在实施例中，DOE106的层（例如，相移层、刻蚀停层）通过诸如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的化学气相沉积形成。在实施例中，DOE106的相移层和刻蚀停层的厚度取决于感兴趣的波长、层的数量、和/或材料的折射率。在实施例中，一旦形成了DOE106的层的叠层，则通过光刻胶对顶部相移层进行掩模并且然后对其进行刻蚀，直接位于顶部相移层之下的刻蚀停层用于停止刻蚀。然后，使用用于停止刻蚀的下一相移层（例如，直接在刻蚀停层之下的相移层）来刻蚀刻蚀停层。如上所述地对DOE106的叠层的相继层进行掩模和刻蚀以形成DOE106。在其它实施例中，能够通过与依照刻蚀步骤的以上描述的光刻工艺不同的光刻工艺来构建DOE106的轮廓。DOE106的轮廓中的水平面（level）的数量能够是2^N，N等于光刻蚀步骤的数量。在进一步的实施例中，可以实施诸如时间刻蚀工艺的其它刻蚀工艺，而不是刻蚀停工艺，来构建（例如，形成）DOE106的轮廓。在一些实施例中，在DOE106的轮廓为闪耀（Blazed）轮廓，或具有许多水平面的数字化图案，这可以通过实施以下步骤来进行制造：1）涂覆聚合物；2）使用具有DOE结构的三维（3-D）轮廓的掩膜来进行纳米压印（imprint）；以及3）刻蚀。可以以N个光刻步骤来制作/构建3-D纳米压印掩模。这是有利的，因为不需要对工艺晶片进行N个光刻步骤，其中，DOE将位于纳米压印掩模上，但仅位于纳米压印掩模上一次。

在实施例中，平面DOE透镜100包含第二层108，第二层108形成（例如，沉积）于第一层104上并且在DOE106之上。在实施例中，第二层108由基于其硬度属性而选择的材料形成。例如，形成第二层108的材料是二氧化硅。在一些实施例中，第二层108可以由电介质材料形成。在实施例中，第二层108包含第一表面110（例如，上表面、远极面（distal surface））和第二表面112（例如，下表面），第二表面112与第一表面110相对设置。例如，第一表面110与第一层104相背离地取向，而第二表面112直接设置在第一层104上（例如，倚靠）。在实施例中，第二层108的第一表面110（例如，暴露的表面）被平面化（平坦化），由此容许暴露的表面110形成平面表面。例如，工艺实施机械和/或化学力用于平面化第二层106的第一表面110。在实施例中，平面表面110面对（例如，取向为朝向）空气界面。

在实施例中，第二层108形成于DOE106之上，由此在DOE106之上提供保护涂层（例如，保护氧化层）。在实施例中，能够实施二氧化钛和二氧化硅以外的材料来形成第一层104和第二层108。能够将实施为形成第一和第二层（104，108）的材料如所需地选择为创建平面DOE透镜100的适合的聚焦所需的变化折射率。在实施中，平面DOE透镜100被以圆形（例如，球形）形状配置。例如，当被以圆形形状配置时，平面DOE透镜具有二十四微米的直径。在其它实施例中，透镜被以各种其它形状（例如，正方形、矩形等）配置。在实施例中，平面DOE透镜100具有大致二十微米的厚度。

因为第二层108在平面DOE100的DOE106之上形成保护层（例如，盖层），所以这大大减小（例如，消除）了DOE106对空气的暴露，由此提升了透镜的增高的产能和可靠性。实现了这个，而不会抑制透镜100的聚焦能力。此外，通过在透镜100的DOE106之上提供保护层，第二层108提供了对缺陷鲁棒的透镜100。以上描述的平面DOE透镜100提供容许DOE106为独立的（self-contained）的多层（双层）设计。此外，平面DOE透镜100的平面双层设计大大减小（例如，消除、防止）了DOE106对透镜的应用环境（例如，空气）和/或透镜的制造环境（例如，测试装备、处理者界面等）的暴露，由此大大减小（例如，消除）了表面缺陷和/或污染的可能性。更进一步，平面DOE透镜100的上述双层结构以使得处理能够继续的方式提升了将透镜在较早阶段集成于透镜处理流程（例如，晶片级封装（WLP）工艺）内的能力。在实施例中，第二层（例如，二氧化硅层）108的硬度提升了对透镜100的清洁的容易。

在实施例中，平面DOE透镜100被配置为实施于需要和/或并入了透镜的许多各种光学系统中的任一系统中。在实施例中，能够将平面DOE透镜100并入到想聚焦光以提高性能的地方的任何DOE光学透镜应用中。在实施例中，平面DOE透镜100能够实施为姿态感测设备（例如，传感器、姿态传感器、光学传感器、光学姿态传感器）的部分。例如，平面DOE100能够实施于以下文献中描述的任何姿态感测设备的光学透镜结构中：2012年1月17日提交的名称为“Method For Detecting Gestures Using a Multi-Segment Photodiode and Oneor Fewer Illumination Sources”的共有且共同待审的美国专利申请公开No.US2012/0280904和2011年11月25日提交的名称为“Optical Gesture Sensor Using a SingleIllumination Source”的共有且共同待审的美国专利申请公开No.US2012/0280107，于此能够过引用并入了以上文献的全部。在该实施例中，当实施为姿态感测设备（例如，光学传感器）的光学透镜结构的部分时，平面DOE透镜100位于光电传感器以上（例如，光电二极管以上）。DOE透镜100的第二层108位于光电传感器（例如，光电二极管、二极管）以上第一高度处，而第一层104位于光电传感器（例如，二极管）以上第二高度处，第一高度大于第二高度。此外，第二层108的第一（例如，平面）表面110取向为背离光电传感器（例如，二极管），而第二层的第二表面112朝向姿态感测设备的光电传感器（例如，二极管）取向。图2（图2）示例了实施于姿态感测设备（例如，光学传感器）的光学透镜结构中（例如，作为部分）时，位于光电二极管150以上的平面DOE透镜100的顶平面视图。在图2中示出的示例的实施例中，透镜100被以圆形形状配置并且以具有四段（例如，二极管、像素）150的分段光电传感器来实施。

在实施例中，平面DOE透镜100能够与颜色探测器一起使用来增高响应并减小颜色探测器的物理二极管覆盖区（footprint）。图3（图3）通过描绘其中当实施于姿态感测设备（例如，光学传感器）的光学透镜结构中（例如，作为部分）时，正方形平面DOE透镜100阵列位于对应的光电二极管阵列250以上的进一步的实施例的顶平面视图来示例这个。在图3中示例的实施例中，平面DOE透镜100阵列与对应的像素（例如，二极管）阵列250一起实施，使得透镜100阵列和像素250为占据（例如，填充于）典型的姿态传感器面积（例如，0.5毫米×0.5毫米）的21×21阵列。

在进一步的实施例中，平面DOE透镜100实施为姿态感测设备（例如，传感器）的部分，姿态感测设备进一步实施于姿态感测系统中，姿态感测系统能够是较大的电子系统或设备。例如，姿态感测系统能够是手持式设备、平板计算设备、智能电话、电子阅读设备、蜂窝电话、笔记本计算设备、膝上型计算设备、或视频游戏控制台。在实施例中，实施包含平面DOE透镜100的姿态感测设备（例如，传感器）的姿态感测系统是非接触的人界面设备，其容许用户控制其操作而无需接触姿态感测系统。在实施例中，实施包含平面DOE透镜100的姿态感测设备（例如，传感器）的姿态感测系统被配置为理解简单的姿态（例如，简单的手姿态），诸如：左至右运动、右至左运动、上至下运动、下至上运动、内至外运动（例如，离开系统的运动）、和外至内运动（例如，朝向系统的运动）。在实施例中，实施包含平面DOE透镜100的姿态感测设备（例如，传感器）的姿态感测系统被配置为理解复杂的姿态（例如，复杂的手姿态），诸如：任意二维线性运动（例如，对角线）、旋转运动、手指跟踪运动。在实施例中，姿态感测系统的用户使用该姿态来控制姿态感测系统（例如，设备）的操作。例如，如果姿态感测系统是电子阅读设备，则用户可以提供左至右运动，当该运动由设备感测到时，该运动使得设备的显示器上正被观看的页面向前。此外，用户可以提供外至内运动，当该运动由设备感测到时，该运动使得设备的显示器上正被观看的图像被放大。

当实施于姿态感测设备（例如，光学传感器）内时，归因于平面DOE透镜100的上述构造，平面DOE透镜100提供许多优点。例如，平面DOE透镜100的上述双层构造提升了提供至姿态感测设备（例如，光学传感器）的传入光的量的增大，由此容许姿态感测设备（例如，光学传感器）相对于近程探测在较大距离提供提高的信噪比和灵敏度。在实施例中，平面DOE透镜100容许姿态感测设备（例如，光学传感器）对红外（IR）发光二极管（LED）发射器具有提高的灵敏度，由此提升了姿态感测设备在较大距离探测姿态的能力。从而，平面DOE透镜100被配置为通过增大姿态感测设备（例如，光学传感器）工作的范围来改进其内实施了透镜100的姿态感测设备（例如，光学传感器）。另外，平面DOE透镜能够增加像素上的来自特定角度的光。

图4和5（图4和5）提供了，当平面DOE透镜100如图2和/或图3中示出地实施时，与平面DOE透镜100对应的模拟结果的图形描绘。如上所述，平面DOE透镜100能够与具有四段（例如，二极管、像素）150的分段光电传感器一起实施，如图2中示出的。在其它实施例中，分段光电传感器可以具有多于或少于四段（例如，二极管、像素）150。模拟度量二极管150对以角度入射的光的响应。在从－70度至70度的角度范围上进行模拟。图4提供二极管信号强度与光的角度的关系的图形描绘。图5提供差分响应与光的角度的关系的图形描绘。图4和5中的图形描绘指示能够实现高的差分响应，由此指示了平面DOE透镜100的聚焦优点。此外，图4和5中的图形描绘指示了非常好的角度探测和在二十度的高的消光比。

图6、7和8（图6、7和8）提供了，当平面DOE透镜100如图2和/或图3中示出地实施时，与平面DOE透镜100对应的模拟结果的图形描绘。如上所述，平面DOE透镜100能够与具有四段（例如，二极管、像素）150的分段光电传感器一起实施，如图2中示出的。模拟度量对于xyz手指扫描的光学结果。图6、7和8示出了在三个取向（例如，三个方向）上的模拟的二极管信号响应的图形描绘。图6提供了在x方向（例如，沿x轴）上的模拟的二极管信号响应的图形描绘。图7提供了在y方向（例如，沿y轴）上的模拟的二极管信号响应的图形描绘。图8提供了在z方向（例如，沿z轴）上的模拟的二极管信号响应的图形描绘。图6、7和8指示DOE透镜100提供好的姿态特性。

范例制造工艺

图9（图9）描绘了示例根据本公开内容的示范性实施例的用于制造平面DOE透镜100的范例工艺（例如，方法）的流程图。在实施例中，方法900包含提供基底的步骤（步骤902）。例如，基底是诸如由硅形成的晶片的光透射基底。

在实施例中，方法900还包含在基底上沉积第一层的步骤（步骤904）。例如，第一层可以由透明电介质和/或抗反射材料，诸如二氧化钛，形成。

在实施例中，方法900还包含在第一层上形成衍射光学元件（DOE）的步骤（步骤906）。预期可以在形成DOE轮廓中实施许多各种工艺中的任一工艺，诸如以上讨论的。在特定示范性实施例中，在第一层上形成DOE的步骤包含在第一层上形成多个DOE层的子步骤（步骤908）。例如，DOE包含相移层和刻蚀停层的叠层，相移层由非晶硅、氮化硅等形成，刻蚀停层由二氧化硅形成。在实施例中，DOE层（例如，相移层和刻蚀停层）能够经由化学气相沉积形成于第一层上。在实施例中，在第一层上形成DOE的步骤还包含利用光刻胶对DOE层进行掩模并刻蚀DOE层的子步骤（步骤910和912）。

在实施例中，方法900还包含在第一层上和DOE之上沉积第二层的步骤（步骤914）。在实施例中，第二层由二氧化硅形成并且被配置为保护（例如，包围）DOE。

在实施例中，方法900还包含对第二层的表面进行平面化（planarizing）的步骤（步骤916）。在实施例中，平面化的表面是第二层的空气界面表面（例如，第二层的顶面，DOE远侧的表面）。

结论

虽然已经以特定于结构特征和/或工艺操作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中限定的主题不必限定于上述特定特征或行为。而是，上述特定特征和行为是作为实施权利要求的范例形式而公开的。

Claims

1.一种平面衍射光学元件透镜，包括：

基底；

第一层，所述第一层形成于所述基底上；

衍射光学元件，所述衍射光学元件形成于所述第一层上；以及

由电介质材料形成的第二层，所述第二层形成于所述第一层上，所述第二层形成于所述衍射光学元件之上，所述第二层包含平面表面，

其中，所述第二层包围所述第一层和所述第二层之间的所述衍射光学元件，并且其中，所述第一层和所述第二层包括选择为创建所述透镜的聚焦所需的变化折射率的材料。

2.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述基底是光透射的或光吸收的。

3.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述基底是硅晶片。

4.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述基底由石英、硼硅酸钠玻璃、蓝宝石、或熔融硅石形成。

5.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述第一层由光透明材料形成。

6.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述第一层由抗反射材料形成。

7.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述第一层由电介质材料形成。

8.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述第一层由二氧化钛形成。

9.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述电介质材料包括二氧化硅。

10.如权利要求1所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述平面表面是空气界面表面。

11.一种平面衍射光学元件透镜，包括：

光透射基底；

第一层，所述第一层形成于所述基底上，所述第一层由光透明材料形成；

由电介质材料形成的第二层，所述第二层形成于所述第一层上，所述第二层形成于所述衍射光学元件之上，所述第二层包含平面表面，所述平面表面是空气界面表面，

12.如权利要求11所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述基底是硅晶片。

13.如权利要求11所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述第一层由抗反射材料形成。

14.如权利要求11所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述第一层由电介质材料形成。

15.如权利要求11所述的平面衍射光学元件透镜，其中，所述第一层由二氧化钛形成。

16.一种用于制造平面衍射光学元件透镜的方法，所述方法包括：

提供基底；

在所述基底上沉积第一层；

在所述第一层上形成衍射光学元件；

在所述第一层上和所述衍射光学元件之上沉积由电介质材料形成的第二层；以及

对所述第二层的表面进行平面化，所述第一层和所述第二层包括选择为创建所述透镜的聚焦所需的变化折射率的材料。

17.如权利要求16所述的方法，其中，在所述第一层上形成所述衍射光学元件包括：

在所述第一层上形成多个衍射光学元件层。

18.如权利要求17所述的方法，其中，在所述第一层上形成所述衍射光学元件还包括：

以光刻胶来对所述多个衍射光学元件层进行掩模。

19.如权利要求18所述的方法，其中，在所述第一层上形成所述衍射光学元件还包括：

刻蚀所述多个衍射光学元件层。